(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関がリーン運転状態のとき排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、前記内燃機関がリッチ運転状態のとき当該吸蔵されたＮＯｘを放出して還元させるＮＯｘ吸蔵触媒と、
前記内燃機関がリーン運転中、定期的にリッチスパイクを実行させるリッチスパイク手段と、
前記リッチスパイクを実行させる実行周期を、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の温度もしくはその温度に相当するパラメータに応じて変更する周期変更手段とを備え、
かつ前記周期変更手段は、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の温度が、該ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒活性が開始される温度から活性上限に達するまでの温度域αにあるときは、該温度域αの温度値に応じた通常時の時間値より短い時間値を前記実行周期として選択し、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の温度が、前記活性上限温度より高く、かつ活性が下がる温度域βにあるときは、該温度域βの温度値に応じた通常時の時間値より長い時間値を前記実行周期として選択することを特徴とした内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘ吸蔵触媒を用いて排ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車に搭載されるエンジン（内燃機関）では、排ガス対策として、ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた排気浄化装置を装備して、エンジンの排ガス中に含まれるＮＯｘを浄化させることが進められている。特にＮｏｘ吸蔵触媒は、ＮＯｘ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン（理論空燃比より希薄）のときにＮＯｘを吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチ（理論空燃比を含む過濃）のときに吸蔵されたＮＯｘを放出して還元する特性をもつために、通常、排気ガスの空燃比がリーンで運転される傾向の多いディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンなどで多く採用される。
【０００３】
ところで、排気浄化装置のＮＯｘ吸蔵触媒は、通常のリーン運転状態のときに、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵するが、ＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵能力には限りがあり、ある吸蔵量まで達するとＮＯｘ浄化能力が低下する。そのため、ＮＯｘ吸蔵触媒は、ある時期にエンジンのリッチ運転を実施して吸蔵ＮＯｘを放出還元させて、ＮＯｘ浄化性能を維持させることが行われている（例えば特許文献１を参照）。
【０００４】
このＮＯｘ吸蔵触媒を再生させるべくリッチ運転に移行させる行為は、リッチスパイク（ＲＳ）と呼ばれ、多くは、リーン運転中、定期的、具体的にはリーン運転時間を積算した時間がある一定時間になると、エンジンをリッチ運転に切り換えるようにしている。
【特許文献１】特開平６−２７２５４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度は、エンジン（車両）の運転状態に応じて変化する。具体的には、ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度は、エンジン運転中の排気ガス温度の変化により、触媒活性が立ち上がる温度域（触媒活性が始まる温度から活性上限に達するまで）、それより高温域の活性上限が保たれる温度域、それより高温域、具体的には高温のために活性が失われやすい温度域（活性上限から活性が低下する温度域）といった低〜高温域を推移する。
【０００６】
定期的なリッチスパイクは、こうした種々の触媒温度に対して行われるために、活性上限が保たれる温度域のときのリッチスパイクでは十分なＮＯｘ還元性能が発揮されるものの、立ち上り温度域で行われるリッチスパイクだと、触媒温度が不十分なので、ＮＯｘ還元性能が十分に発揮されにくい。また高温側の活性が失われやすい温度域（活性上限温度から活性が低下する温度域）で行われるリッチスパイクだと、逆にＮＯｘ還元がもたらす反応熱により、触媒温度が触媒活性を失う温度以上まで昇温するという過昇温現象が生じる傾向がある。このため、安定してＮＯｘ吸蔵触媒の浄化性能が保てる領域は狭く、ＮＯｘ浄化性能が良好に発揮できないといった問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、高いＮＯｘ浄化性能が安定して発揮し得る領域の拡大が図れる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため、リーン運転中、定期的にリッチスパイクを実行させる実行周期を、ＮＯｘ吸蔵触媒の温度もしくはその温度に相当するパラメータに応じて変更させるようにした。
【０００９】
また本発明は、簡単に安定したＮＯｘ浄化性能が確保されるよう、少なくとも、触媒活性が開始される温度から活性上限に達するまでの温度域では、実行周期が、通常時の時間値より短く、活性上限温度より高く、かつ触媒活性が下がる温度域では、実行周期が、通常時の時間値より長くなるようにした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、リッチスパイク（リッチ運転）が、触媒活性が不十分な低温側の温度域で実行されるときは、実行周期が短くなり、還元剤の増加に伴うＮＯｘ還元反応の促進により、ＮＯｘ吸蔵触媒が昇温される。また触媒活性が失われやすい高温側の温度域でリッチスパイクが実行されるときは、実行周期が長くなり、還元剤の減少に伴うＮＯｘ還元反応の抑制により、ＮＯｘ吸蔵触媒の昇温が抑えられる。
【００１１】
それ故、触媒温度が低いときは、ＮＯｘ還元性能が最大限発揮され、触媒温度が高いときは、ＮＯｘ還元性能の低下が抑えられるから、高いＮＯｘ浄化性能が安定して発揮し得る領域の拡大を図ることができる。
【００１２】
更に本発明によれば、触媒温度の変化に対してリッチスパイク（リッチ運転）の実行周期を変更させることで、ＮＯｘ浄化性能を高いレベルで確保できるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［第１の実施形態］
以下、本発明を図１〜図５に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
【００１４】
図１は、自動車（車両）に搭載される内燃式のエンジン（内燃機関）、例えばディーゼルエンジンの主要部を示し、同図中１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とで構成されるエンジン本体部、４はシリンダブロック２に形成されたシリンダ、５はシリンダ４内に往復動可能に設けられたピストン、６，７はシリンダヘッド３に設けられた吸・排気ポート、８，９は吸・排気ポート６，７を開閉する吸・排気弁、１０はシリンダヘッド３に設けられたインジェクタである。このうち、吸気ポート６は、同吸気ポート６から延びる第１吸気通路１２を介して、ターボ過給機１３のコンプレッサ１４の吐出部に接続してある。なお、コンプレッサ１４の吸込部は、エアクリーナー（図示しない）へ向かう第２吸気通路１５に接続してある。但し、１７は第１吸気通路１２に介装されたインタクーラである。排気ポート９は、同排気ポート９から延びる第１排気通路１８を介して、ターボ過給機１３のタービン１９の入口部に接続してある。タービン１９の出口部は、大気開放の第２排気通路２０が接続してある。またインジェクタ１０は、制御部を構成するＥＣＵ２１に接続されている。このインジェクタ１０の噴射動作は、予めＥＣＵ２１に設定されている、エンジンの運転状態に応じた噴射タイミング、燃料噴射量にしたがい制御され、同制御によりエンジンが所定のサイクル（例えば吸入、圧縮、膨張、排気の４サイクル）で運転（通常時：リーン運転（空気過剰率が通常大なため））されるようにしている。
【００１５】
なお、第１吸気通路１２の下流側と第１排気通路１８の上流側との間には、ＥＧＲ装置２２を構成する各機器、例えばＥＧＲクーラ２３が介装されたＥＧＲ通路２４、同ＥＧＲ通路２４を開閉するＥＧＲ弁２５が設けてあり、ＥＧＲ通路２４の出口と合流する上流の吸気通路部分には、電動式のスロットル弁２６が設けてある。
【００１６】
こうしたディーゼルエンジンの排気系には、排気ガス浄化装置３０が組付けられている。排気ガス浄化装置３０は、ケーシング３２内蔵のＮＯｘ吸蔵触媒３３と、還元剤を供給する還元剤添加部３４と、再生制御を行う制御系３５とを組み合わせた構成が用いてある。
【００１７】
すなわち、ＮＯｘ吸蔵触媒３３は、第２排気通路２０の途中に介装されている。その構造には、例えば担体に、例えば白金（Ｐｔ）のような貴金属と、吸蔵剤としての例えばバリウム（Ｂａ）とを担持させた構造が用いられる。同構造により、ＮＯｘ吸蔵触媒３３に流入する排ガスの空燃比がリーン（理論空燃比より希薄）のときは、排気中のＮＯｘが白金（Ｐｔ）上で酸素と反応して、硝酸イオンの形でバリウム（Ｂａ）に吸収され、ＮＯｘ吸蔵触媒３３に流入する排ガスの空燃比がリッチ（理論空燃を含む過濃）のときは、反対にバリウム（Ｂａ）内の硝酸イオンがＮＯｘの形で放出し、放出したＮＯｘを白金（Ｐｔ）上で排ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯなどと反応して窒素に還元させる機能をもたらしている。
【００１８】
還元剤添加部３４には、例えばＮＯｘ吸蔵触媒３３の上流側から還元剤、例えば燃料（ここでは、例えば軽油）を排気通路２０内へ噴射させる還元剤用のインジェクタ３６と、先のＥＧＲ装置２２とを併用した構造が用いられる。つまり、燃料（還元剤）が第２排気通路２０内を流れる排ガスに添加され、エンジン吸気側へＥＧＲガスを還流させるという手法により、リッチ運転が行われるようにしてある。これで、通常時のディーゼルエンジンの運転中（リーン運転）、必要なときに、還元剤となる未燃ＨＣ，ＣＯを多量に含むリッチ（過濃）の排ガスがＮＯｘ吸蔵触媒３３に流入される構成にしてある。
【００１９】
制御系３５としてＥＣＵ２１には、リーン運転中（通常）、リッチスパイクを行うべく、定期的にリーン運転からリッチ運転へ移行させる機能と、このリッチ運転へ移行させる移行周期をＮＯｘ吸蔵触媒３３の温度に応じて変える機能とが設定してある。
【００２０】
このうち定期的にリッチ運転へ移行させる機能には、例えばタイマにより、リーン運転時間を積算し、該積算時間が所定の間隔、すなわち定められたＲＳ（リッチスパイク）間隔trsの値（時間）に達すると、リッチ運転に切り換え、同運転を積算時間で推定されるＮＯｘ吸蔵量に応じた時間実施するという、リッチスパイクを定期的に実行させる制御が用いてある。
【００２１】
またリッチスパイクの実行周期を変更させる制御には、例えば触媒温度とリッチスパイクの間隔（以下、ＲＳ間隔trsという）とを関連付けた実行周期決定用のマップを用い、このマップにより触媒温度に応じてＲＳ間隔（trs）を変更するという制御が用いられている。
【００２２】
すなわち、ＲＳ間隔（trs）の変更には、図４に示されるＮＯｘ吸蔵触媒３３のＮＯｘ還元特性を考慮して、ＮＯｘ吸蔵触媒３３の触媒活性が始まる温度から活性上限に達するまでの低温側の温度域αのとき、ＲＳ間隔（trs）は、通常時（活性上限が続く温度域）のそれよりも短く、活性上限温度より高く、かつ触媒活性が下がる高温側の温度域βのとき、ＲＳ間隔（trs）は、通常時のそれよりも長くさせている。そのため、実行周期決定用のマップには、図２中のステップＳ５のマップに示されるような、ＲＳ間隔（trs）を触媒温度に応じて変化させた二次曲線状の線図が用いてある。具体的には、ＮＯｘ吸蔵触媒３３が十分に活性化される温度のときは、今まで通常に用いられていたＲＳ間隔（trs）の時間値が設定され、該温度より低くなるにしたがい、その通常時のＲＳ間隔（trs）の時間値が次第に短くなり、該温度より高くなるにしたがい、その通常時のＲＳ間隔（trs）の時間値が次第に長くなる特性の線図が用いられている。またこのＲＳ間隔（trs）の決定には、例えば前回リッチスパイクの終了後、例えばＮＯｘ吸蔵触媒３３の出入側の双方に設けた排ガス温度センサ３９，４０（触媒温度を検知する温度検知手段）を用いてＮＯｘ吸蔵触媒３３を代表する触媒温度（Ｔｃ）を検知し、この検知した触媒温度（Ｔｃ）により上記マップ（ステップＳ５）の中から、対応するＲＳ間隔（trs）の時間値を選択し、選択したＲＳ間隔（trs）の時間値にしたがってリッチスパイクを実行させる制御が用いてある。さらに同制御には、選択した時間値を補正する機能が付加されている。これは、ＲＳ間隔（trs）の決定後、リッチスパイクが実施されるまでの間に触媒温度（Ｔｃ）が変化したとき、決定したＲＳ間隔（trs）の時間値を決定し直す機能で形成されている。具体的には、例えばＲＳ間隔(trs)の決定後、リッチスパイクが実行されるまでの間に、再度、触媒温度を検知して、再度検知した触媒の温度と、前回のＲＳ間隔（trs）の決定で検知した触媒温度との差（絶対値）が、ＮＯｘ還元性能に大きく関与する所定の温度差値ΔＴより大きくなるときだけ、ＲＳ間隔（trs）が再び決定し直されるようにしてある。これにより、できるだけ触媒温度（Ｔｃ）の温度変化をＲＳ間隔（trs）の設定に反映させるようにしている。
【００２３】
こうした定期的なリッチスパイクの制御が図２のフローチャートに示されている。図２のフローチャートを参照して排気ガス浄化装置３０の作用を説明すれば、今、ディーゼルエンジンの通常運転（リーン運転）中、前回リッチスパイクが終了したとする。
【００２４】
すると、まず、ＥＣＵ２１は、リッチスパイクの実施終了に伴い、ステップＳ１に示されるように実施時間を規定していたタイマをリセット（ｔ＝０）する。続いて、ステップＳ２へ進み、排ガス温度センサ３９，４０からの出力によって、ＮＯｘ吸蔵触媒３３の触媒温度（Ｔｃ）を検知する。この検知された触媒温度（Ｔｃ）が、ステップＳ３，４で示す判定処理により、極端に高い温度や極端に低い温度、すなわちＮＯｘ吸蔵触媒３３の熱劣化をきたすような高温度やＮＯｘ吸蔵触媒３３が活性しない低温度でないことが判定されると、リッチスパイクが移行可能と判定され、つぎのステップＳ５のリッチスパイク周期（ＲＳ間隔）を定める処理へ入る。
【００２５】
ステップＳ５では、マップから、検知された触媒温度（Ｔｃ）と対応したＲＳ間隔（trs）が選ばれる。このとき、検知された触媒温度（Ｔｃ）が、例えばＮＯｘ還元性能が十分に発揮されるＮＯｘ吸蔵触媒３３の活性上限温度域の温度であれば、今まで定期的にリッチスパイクの要求をしていた通常時の周期と同じＲＳ間隔（trs）の時間値が選ばれる。また活性始めから活性上限へまでの温度域αの温度であれば、通常時のＲＳ間隔（trs）の時間値よりも短い、温度域αの温度値に応じた時間値（trs1）が選ばれる。また活性上限から下がる温度域βの温度であれば、通常時のＲＳ間隔（trs）の時間値より長い、温度域βの温度値に応じた時間値（trs2）が選ばれる。この選択により、ＲＳ間隔(trs)の変更が行われる（リッチスパイクの実行周期の変更）。
【００２６】
ＲＳ間隔（trs）が決定されたら、ＥＣＵ２１は、続くステップＳ６を経て、ステップＳ７へ進み、タイマをスタートさせ、リッチスパイク実行後からのリーン運転時間の積算を始める。
【００２７】
この計時が行われている間に、触媒温度の変化を検出する処理が行われる。具体的には、ステップＳ１０で行われる再び触媒温度（Ｔｃ′）を検知する処理、つぎのステップＳ１１で行われる前回の触媒温度（Ｔｃ）と再検知の触媒温度（Ｔｃ′）との差（絶対値）を演算して所定の温度差値（ΔＴ）よりも変化したか否かを判定する処理が行われ、触媒温度の変化具合を検出している。
【００２８】
このとき、算出した温度値が、温度差値（ΔＴ）以下であると、ＥＣＵ２１は、ＲＳ間隔(trs)の変更をもたらすような触媒温度の変化はないと判定する。また算出した温度値が、温度差値（ΔＴ）を上回るときは、ＲＳ間隔(trs)の変更をもたらす触媒温度の変化が生じていると判定して、ステップＳ１１のように再検知の触媒温度Ｔｃ′を当初の触媒温度Ｔｃと置き換えてから、再びステップＳ３〜Ｓ６へと戻り、再びマップからＲＳ間隔(trs)を決定し直す。こうしたＲＳ間隔(trs)の修正が、リッチスパイクが実施されるまでの間に繰り返し行われる。
【００２９】
この後、計時しているタイマ時間（ｔ）が該ＲＳ間隔(trs)を上回ると、ステップＳ９へ進み、ＥＣＵ２１は、修正が必要でないＲＳ間隔(trs)や修正されたＲＳ間隔(trs)で、リッチスパイクの実行指示を行う。
【００３０】
これにより、触媒温度が活性温度に十分でない温度であるとき、具体的には例えば図４中の温度域α（触媒活性が始まる温度から活性上限に達するまでの温度域：例えば１５０℃〜２００℃）のときは、通常時（活性上限が続く温度域）のそれよりも短い、例えば図３中の破線で示されるようなＲＳ間隔(trs1：例えば３０秒)といった短い実行周期で、リッチスパイクが周期的に実行される。
【００３１】
また触媒温度が高く、活性を失いやすい温度、具体的には、図４中の温度域β（活性上限から下がる温度域：例えば４５０℃〜５５０℃）のときは、通常時（活性上限が続く温度域）のそれよりも長い、例えば図３中の実線で示されるようなＲＳ間隔(trs2：例えば９０秒))といった長い実行周期で、リッチスパイクが周期的に実行される。
【００３２】
ここで、ＮＯｘ吸蔵触媒３３の還元特性を見ると、図５に示されるようにＮＯｘ吸蔵触媒は、還元剤の投入量が増加すれば、還元反応が進んで大きな反応熱（昇温巾）を発生し、還元剤の投入量が減少すれば、還元反応が抑えられて反応熱（昇温巾）が少なくなるという挙動を示す。
【００３３】
このとき、実行周期の短いリッチスパイクは、通常時の周期でのスパイクに比べ、リッチスパイクを実施する機会が多く、通常時よりも還元剤が投入される量が多くなるから、ＮＯｘ還元反応が促進されて、その分、ＮＯｘ吸蔵触媒３３は大きく昇温される。つまり、ＮＯｘ吸蔵触媒３３は、触媒活性が十分に発揮できる上限温度へ昇温される。これにより、ＮＯｘ吸蔵触媒３３のＮＯｘ還元性能は、活性が不十分とされる低温側の触媒活性が立ち上がり始める温度域でも、最大限に発揮されるようになる。
【００３４】
一方、実行周期の長いリッチスパイクは、通常時の周期でのスパイクに比べ、リッチスパイクを実施する機会が少なく、通常時よりも還元剤が投入される量が少なくなるから、反対にＮＯｘ還元反応が抑制され、ＮＯｘ吸蔵触媒３３の昇温は抑えられる。つまり、ＮＯｘ吸蔵触媒３３は、過活性温度に近い高温域でも、活性を失う温度以上に昇温する挙動（過昇温現象）が抑えられ、ＮＯｘ還元性能が失われる（低下）という挙動が抑制される。これにより、ＮＯｘ吸蔵触媒３３は、活性が失いやすい高温側の触媒温度域でも、ＮＯｘ還元性能が確保されし続ける。しかも、過昇温によるＮＯｘ吸蔵触媒３３の熱劣化も防げる。
【００３５】
したがって、ＮＯｘ吸蔵触媒３３は、触媒温度に応じてリッチスパイクの実行周期を変更させることにより、安定して高いＮＯｘ浄化性能を発揮し続けることができる領域の拡大が図れる。特に少なくともＮＯｘ吸蔵触媒３３の触媒活性が始まる温度から活性上限に達するまでの温度域αでの実行周期を、通常時より短く、活性上限から下がる温度域βでの実行周期を、通常時より長くなるように設定すると、簡単に安定したＮＯｘ浄化性能の拡大が確保できる。
【００３６】
［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態は、第１の実施形態のようなＮＯＸ吸蔵触媒の触媒温度に応じてリッチスパイク（リッチ運転）の実行周期を変更したのではなく、触媒温度に相当するパラメータを用いて、リッチスパイクの実行周期を変更したものである。
【００３７】
具体的には、本実施形態は、触媒温度の代わりに、図６に示されるようなエンジンの負荷（例えばアクセル開度）とエンジンの回転数といったパラメータに用いて、リッチスパイク（リーン運転）の実行周期を変更させる制御を採用して、触媒温度が立ち上がるときに相当するエンジン運転状態のときにリッチスパイク（リッチ運転）の実行周期を通常時よりも短めにし、触媒温度が活性上限から低下するときに相当するエンジン運転状態のときにリッチスパイク（リッチ運転）の実行周期を通常時よりも長めに設定しようとしたものである。
【００３８】
このようにしても第１の実施形態と同様の効果を奏する。
【００３９】
但し、本実施形態は、エンジンの負荷とエンジンの回転数とを用いた点以外は、第１の実施形態と同じなので、他の部分は第１の実施形態を流用して、図面を省略した。
【００４０】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば上述のいずれの実施形態も、本発明をディーゼルエンジンに適用した例を挙げたが、これに限らず、ガソリンエンジンといった他のエンジンに本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る排気浄化装置の概略的な構成を共に示す図。
【図２】触媒温度に応じてリッチスパイクの実行周期を変更する制御を説明するためのフローチャート。
【図３】触媒温度毎のリッチスパイクの周期（ＲＳ間隔）変更具合を説明するための線図。
【図４】ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度に対するＮＯｘ還元性能の変化を説明するための線図。
【図５】ＮＯｘ吸蔵触媒の還元剤投入量に対する昇温具合を説明するための線図。
【図６】本発明の第２の実施形態の要部を説明するための線図。
【符号の説明】
【００４２】
１…エンジン本体、２０…第２排気通路（排気通路）、２１…ＥＣＵ（リッチスパイク手段、周期可変手段）、３３…ＮＯｘ吸蔵触媒。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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