(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に直列に配置され、流入する混合気がリーンのときにＮＯｘを吸着し、リッチのときに吸着されたＮＯｘを脱離、還元する、複数のＮＯｘ吸収触媒と、リーン混合気運転からストイキ混合気運転への切換時に一時的に混合気を濃くしてリッチスパイクを行いＮＯｘの脱離、還元を促す空燃比制御手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒の数に対応してリッチスパイクを複数回に分割して行う分割手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＮＯｘ吸収触媒がマニホールド触媒と床下触媒とから構成され、前記分割手段は２回のリッチスパイクを行う請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
運転状態から前記触媒の温度を推定する手段と、触媒の推定温度に応じてリッチスパイクの周期、若しくは大きさ、又は周期及び大きさを修正する手段を備える請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記触媒の実際の温度を検出する手段と、触媒の実際の温度に応じてリッチスパイクの周期、若しくは大きさ、又は周期及び大きさを修正する手段を備える請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記触媒の劣化程度を診断する手段と、触媒の劣化程度に応じてリッチスパイクの周期、若しくは大きさ又は周期及び大きさを修正する手段を備える請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記下流側触媒の出口付近に設けたＮＯｘセンサと、ＮＯｘセンサの出力に応じて触媒の応答特性を学習、更新する手段と、この学習値に基づいてリッチスパイクの周期を修正する手段を備える請求項１〜５のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＮＯｘ吸収触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平６−１１７２２１号公報にあるように、リーン混合気で運転される内燃機関の排気浄化装置として、ＮＯｘ吸収触媒によりリーン運転時に発生するＮＯｘを吸着する技術が知られている。
【０００３】
これは内燃機関の排気通路にＮＯｘを吸着する能力のあるＮＯｘ吸収触媒を設置したもので、この触媒はリッチ混合気で運転すると、リーン運転中に吸着していたＮＯｘを脱離し、かつ排気中に含まれるＨＣ，ＣＯにより脱離されたＮＯｘを還元する。したがって、リーン運転からストイキ混合気（理論空燃比）による運転への切換時に、混合気を一時的に理論空燃比よりもリッチ化（リッチスパイク）し、吸着されているＮＯｘを脱離させると共に無害な状態に還元（転化）して大気に放出させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ吸収触媒として、２つの触媒、つまり排気マニホールドのマニホールド触媒と排気管の下流側の車両の床下に配置される床下触媒とを直列に配置したシステムにあっては、リーン運転中に吸着したＮＯｘを脱離、還元するためにリッチスパイクを行っても、マニホールド触媒と床下触媒との温度差、触媒の劣化程度などにより、必ずしも両方の触媒に吸着されていたＮＯｘが確実に脱離、還元できるとは限らない。
【０００５】
例えば、図１５に示すように、リーン運転から混合気をストイキに切換えると、リーン運転中にマニホールド触媒と床下触媒に吸着されていたＮＯｘが脱離される。しかし、ストイキ混合気では、脱離したＮＯｘを還元するのに必要なＨＣ，ＣＯが不足するため、ＮＯｘの多くはそのまま外部に排出されてしまう。
【０００６】
これに対して、図１６のように、リーン運転からストイキ運転への切換時に１回だけリッチスパイクを行うと、排気中のＨＣ，ＣＯが増え、脱離されたＮＯｘが還元され、外部にそのまま排出されるＮＯｘ量が減少する。
【０００７】
しかし、１回のリッチスパイクにより発生したＨＣ，ＣＯは、もっぱら上流側の高温のマニホールド触媒のＮＯｘの還元に利用され、下流側の床下触媒で脱離したＮＯｘの還元にはあまり寄与しない。
【０００８】
高温のマニホールド触媒と、これよりは低温の床下触媒とでは、ＮＯｘの脱離特性が図１５のように異なり、高温側では短時間のうちにＮＯｘの脱離が行われるが、低温側では脱離が緩やかで時間も長くかかる。
【０００９】
したがってリッチスパイクを入れても、上流側触媒では応答よく反応したとしても、下流側触媒では反応が遅いためにＮＯｘが十分に脱離しない。また、下流側触媒でＮＯｘが十分に脱離、還元するように１回のリッチスパイクを大きくすると、下流側が脱離するまでの間に下流側触媒を通過してしまうＨＣ，ＣＯも出てきて、それらが未燃のまま外部に排出されたりする。
【００１０】
このように１回のリッチスパイクを入れる方法では、マニホールド触媒と床下触媒の温度、劣化の程度などにより、ＮＯｘの脱離時間や時期に差があるため、両方の触媒でのＮＯｘの脱離、還元を満足させることは困難であった。
【００１１】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、触媒の数に合わせた回数のリッチスパイクを行い、各触媒についてのいずれも効率のよいＮＯｘの脱離と還元を実現することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、排気通路に直列に配置され、流入する混合気がリーンのときにＮＯｘを吸着し、リッチのときに吸着されたＮＯｘを脱離、還元する、複数のＮＯｘ吸収触媒と、リーン混合気運転からストイキ混合気運転への切換時に一時的に混合気を濃くしてリッチスパイクを行いＮＯｘの脱離、還元を促す空燃比制御手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒の数に対応してリッチスパイクを複数回に分割して行う分割手段を備える。
【００１３】
第２の発明は、前記ＮＯｘ吸収触媒がマニホールド触媒と床下触媒とから構成され、前記分割手段は２回のリッチスパイクを行う。
【００１４】
第３の発明は、運転状態から前記触媒の温度を推定する手段と、触媒の推定温度に応じてリッチスパイクの周期、若しくは大きさ、又は周期及び大きさを修正する手段を備える。
【００１５】
第４の発明は、前記触媒の実際の温度を検出する手段と、触媒の実際の温度に応じてリッチスパイクの周期、若しくは大きさ、又は周期及び大きさを修正する手段を備える。
【００１６】
第５の発明は、前記触媒の劣化程度を診断する手段と、触媒の劣化程度に応じてリッチスパイクの周期、若しくは大きさ、又は周期及び大きさを修正する手段を備える。
【００１７】
第６の発明は、前記下流側触媒の出口付近に設けたＮＯｘセンサと、ＮＯｘセンサの出力に応じて触媒の応答特性を学習、更新する手段と、この学習値に基づいてリッチスパイクの周期を修正する手段を備える。
【００１８】
【発明の作用・効果】
第１の発明において、リーン混合気の運転からストイキ運転への切換時に、リッチスパイクを入れることにより、ＮＯｘの脱離と還元を行う。このリッチスパイクは、排気通路に直列に介装されるＮＯｘ吸収触媒の数に対応して複数回に分割され、これにより上流から下流まで各触媒の状況に対応して、最適な周期（タイミング）と大きさになり、確実かつ効率よく各触媒に吸着されていたＮＯｘを脱離し、還元することができ、また、不必要な混合気のリッチ化を防ぎ、燃費の悪化やＨＣ，ＣＯの排出量増加を回避できる。
【００１９】
第２の発明では、上流のマニホールド触媒と下流の床下触媒のＮＯｘ脱離特性に対応した２回のリッチスパイクにより、両方の触媒から確実にＮＯｘを脱離させ、かつ還元することができる。
【００２０】
第３の発明において、触媒の温度に応じて吸着したＮＯｘの脱離、還元特性が変化するが、触媒の温度を推定してリッチスパイクの周期、大きさを修正するので、より適確なＮＯｘの脱離と還元が行える。
【００２１】
第４の発明では、実際の触媒の温度を検出して、リッチスパイクの周期、大きさを修正するので、なお一層正確なＮＯｘの脱離、還元が可能となる。
【００２２】
第５の発明において、触媒の劣化程度に応じてＮＯｘの吸着性能、脱離、還元特性も変化し、したがって、触媒の劣化を診断して劣化状態に対応してリッチスパイクの周期、大きさを修正することにより、触媒が劣化してもＮＯｘの吸着と、脱離及び還元を安定的に行える。
【００２３】
第６の発明では、実際の触媒の応答特性をＮＯｘセンサの出力に基づいて学習、更新し、この学習値に応じてリッチスパイクの周期を修正するので、常に触媒性能を最良の状態に維持できる。
【００２４】
【実施の形態】
以下、本発明の最良の実施の形態を図にしたがって説明する。
【００２５】
図１において、１５はエンジン本体、１６は吸気通路、１７は排気通路を示し、エンジン本体１５には燃焼室内に直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁３が設けられる。この燃料噴射弁３からは、機関低負荷域など燃料が圧縮行程の後半に噴射され、圧縮上死点付近で点火栓４の近傍にのみ可燃混合気層を形成し、全体の空燃比がＡ／Ｆ＝４０を越える超リーン混合気についても安定して成層燃焼させ、これに対して機関高負荷域などでは燃料を吸気行程で噴射し、燃焼室全域で燃料と空気を予混合し、理論空燃比付近での均質燃焼を行うようになっている。
【００２６】
排気通路１７にはＮＯｘ吸収触媒として、排気マニホールド触媒７と、車両の床下面に配置される床下触媒８との２つの触媒が直列に設けられ、リーン混合気での運転時に発生したＮＯｘを吸着する。これらの触媒７、８はリッチ混合気を供給したときに吸着したＮＯｘを脱離すると同時に、排気中に含まれるＨＣ，ＣＯの働きでＮＯｘを還元するのであり、このため、コントローラ１４によって前記燃料噴射弁３の燃料噴射量のリッチ化制御が行われる。
【００２７】
空燃比制御手段としてのコントローラ１４には、エアフローメータ１の検出した吸入空気量信号、スロットルバルブ開度センサ２の検出したスロットル開度信号、クランク角センサ５の検出したクランク角信号、エンジン冷却水温センサ６の検出した冷却水温信号、各触媒７，８の入口排気温度を検出する温度センサ９，１０の触媒温度信号、下流の触媒８の出口においてＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサ１１のＮＯｘ濃度信号、燃料噴射弁３から噴射される燃料圧力を検出する燃圧センサ１２からの燃料圧力信号などが入力し、これらに基づいて、運転状態に応じて成層燃焼と均質燃焼を行うように燃料噴射量、噴射時期を制御し、また、リーン運転からストイキ運転への切換時に２回に分割したリッチスパイクを行い、触媒７，８に吸着されたＮＯｘの脱離、還元を行う。
【００２８】
このリッチスパイクについて図２のフローチャートにしたがって詳しく説明する。
【００２９】
ステップ１において、上流と下流の各触媒入口の温度Ｔｅｍｐ１とＴｅｍｐ２とを検出する。ステップ２では、図３に示すような、リッチスパイクの深さに相当する各触媒についての空燃比制御の比例分Ｐ１とＰ２を、例えば図４に示すマップから検出した温度Ｔｅｍｐ１，Ｔｅｍｐ２に基づいてそれぞれ設定する。
【００３０】
図１５からも分かるとおり、温度の高い上流側触媒と温度の低い下流側触媒とではＮＯｘの脱離特性が異なり、触媒入口温度が高いときはＮＯｘの脱離時間が短く、かつ脱離量のピークが高くなる傾向にある。したがって、Ｐ１とＰ２については、温度が高いほど大きな値をとる。
【００３１】
ステップ３では各触媒についてのリッチスパイクの傾きに相当する積分分Ｉ１，１２を、例えば図５に示すマップから、やはり各触媒の温度Ｔｅｍｐ１，Ｔｅｍｐ２に基づいてそれぞれ設定する。触媒温度が高いほどＮＯｘ脱離時間が短くなるので、傾きは急になる。
【００３２】
次にステップ４では１回目のリッチスパイクと２回目のリッチスパイクとの間隔（周期）Ｔ１を、図６に示すマップから、下流の触媒温度Ｔｅｍｐ２に基づいて設定する。
【００３３】
さらにステップ５では、２回目のリッチスパイクの深さである比例分Ｐ３について、Ｐ３＝Ｐ２−（Ｐ１−Ｔ１・Ｉ１）として算出する。
【００３４】
これらに基づいてリーン運転からストイキ運転への切換時に２回のリッチスパイクを行うのであるが、これを図３を参照しながら説明する。
【００３５】
リーン運転中に発生したＮＯｘは、上流と下流の触媒７，８に吸着されていき、リーン運転からストイキ運転に切換るときに、空燃比をストイキよりも一時的にリッチにしてのリッチスパイクを入れることにより、触媒７，８から脱離し、かつ排気中のＨＣ，ＣＯと反応して還元される。
【００３６】
この触媒７，８からのＮＯｘの脱離特性は、触媒７，８の温度により相違し、触媒温度が高いときほど脱離時間は短く、脱離量のピークが高くなる。したがって、通常は上流の温度の高い触媒７での脱離が急激になり、下流の温度の低い触媒８の脱離は緩慢となる。
【００３７】
これら各触媒７，８の温度に応じて、２回に分けて行われるリッチスパイクの深さと傾きがそれぞれ設定され、上流の触媒７を目標とする１回目のリッチスパイクは深くかつ傾きが急となり、これに対して下流の触媒８を目標とする２回目のリッチスパイクは、１回目よりは深さが浅く、かつ傾きが緩やかとなる。
【００３８】
また触媒８の温度が高いほどＮＯｘの脱離時間が早まるので、これに応じて１回目のリッチスパイクと２回目のリッチスパイクとの間隔（周期）が短くなるように設定される。
【００３９】
これらにより、１回目と２回目のリッチスパイクは、上流と下流の触媒７，８のＮＯｘ脱離特性に対応したものとなり、ＨＣ，ＣＯの供給がＮＯｘの脱離に応じて行われ、各触媒７，８から確実にＮＯｘが脱離すると共にその還元が効率的に行われ、外部に放出されるＮＯｘ量を低減することができる。
【００４０】
また、リッチスパイクが過不足なく適確に行われる結果、不必要に過剰燃料を供給することもなく、燃費が改善されると共に、ＨＣ，ＣＯが未燃のまま外部に放出されるといったこともなくなる。
【００４１】
なお、この実施の形態では、触媒７，８の入口温度を温度センサ９，１０により検出しているが、吸入空気量やエンジン回転数などの運転状態から触媒温度を推定し、これに基づいて制御することもでき、この場合には温度センサ９，１０が不要となり、システムがそれだけ簡略化できる。
【００４２】
次に図７に示す第２の実施形態について説明する。
【００４３】
ＮＯｘ吸収触媒が劣化してくると、ＮＯｘの吸収量が少なくなり、しかも脱離時間も早くなり、したがって劣化程度に応じてリッチスパイクの大きさや周期を補正しないと適確な脱離、還元ができなくなる。
【００４４】
このため、図７のフローチャートにも示すように、触媒劣化を判断し、これによりリッチスパイクを補正している。
【００４５】
まず、ステップ１では触媒の劣化の程度を判断する。この触媒の劣化は、触媒の上流と下流にそれぞれＯ2センサを設置し、各Ｏ2センサの出力を比較することにより判断したり、あるいは触媒設置後の経過時間、積算距離などによって判断したりする。なお、２つのＯ2センサを設けた場合、触媒の劣化が進むと、Ｏ2のストレージ能力が低下し、上流と下流のＯ2濃度の変化特性が一致してくることなどから判断できる。
【００４６】
そしてステップ２では、この劣化の度合いに応じて、１回目のリッチスパイクと２回目のリッチスパイクとの間隔（周期）Ｔ１に対する補正量αを、例えば図８に示すマップから検索する。
【００４７】
同じようにして、ステップ３ではリッチスパイクの比例分であるＰｎについての補正量βを、図９に示すようなマップから求め、さらにステップ４では積分分Ｉｎについての補正量γを、図１０に示すようなマップから求める。
【００４８】
各補正量は、触媒の劣化が進むほどＮＯｘの吸着量が少なくなり、かつ吸着したＮＯｘの脱離時間が早まるので、これに応じてリッチスパイクが小さく、かつ相互の間隔が短くなるように設定されるのであり、すなわち、劣化の度合いが進むほど各補正量は大きくなる。
【００４９】
このようにして触媒の劣化状態に応じての各補正量α、β、γを求めたら、ステップ５において、
Ｔ１’＝Ｔ１−α
Ｐｎ’＝Ｐｎ−β
Ｉｎ’＝Ｉｎ−γ
として、各リッチスパイクの周期Ｔｉ’、比例分Ｐｎ’、積分分Ｉｎ’を算出する（なお、ｎはリッチスパイクの回数を表す）。
【００５０】
これらの結果、触媒の特性が経時的に変化、つまり劣化していくと、これに対応して、リッチスパイクの大きさが小さく、かつ間隔も短くなり、劣化に応じて減少するＮＯｘの吸着量、脱離時間の短縮に対して、適正なリッチスパイクを行うことができ、不必要に過剰燃料を供給することなく、確実にかつ適切にＮＯｘの脱離、還元を行える。
【００５１】
次に図１１に示す第３の実施形態について説明する。
【００５２】
これは、下流側の床下触媒の出口における実際のＮＯｘ濃度を検出しながら、触媒温度に対応して設定した周期Ｔ１の学習値を更新し、リッチスパイクの周期（間隔）のずれを修正するものである。
【００５３】
まず、ステップ１で１回目のリッチスパイクＰ１を入れたら、ステップ２でタイマＴｉｍｅｒのカウントを開始する。ステップ３では床下触媒の温度Ｔｅｍｐ２を検出する。
【００５４】
ステップ４ではＮＯｘセンサの検出値ＮＯｘnの前回値との差分ΔＮＯｘ（＝ＮＯｘn-1−ＮＯｘn）が０よりも大きいかどうか判断する。そしてΔＮＯｘ≧０のときは、そのままリターンに戻るが、そうでないとき、つまり前回値ＮＯｘＮn-1よりも今回値ＮＯｘnが大きくなったときは、ステップ５に進んでＮＯｘ排出量の最小値ＮＯｘｎｉｍとして前回の検出値ＮＯｘn-1をセットする。
【００５５】
次にステップ６では再びΔＮＯｘ≧０かどうかを判断し、ΔＮＯｘが０よりも大きくなるまで待ち、大きくなったときは、ステップ７に進んでＮＯｘ排出量の最大値ＮＯｘｍａｘとして、ＮＯｘ排出量の前回値ＮＯｘn-1をセットする。そして、そのときのタイマカウント値Ｔｉｍｅｒ＝Ｔαとする。
【００５６】
このＴαが、図１２にも示すが、リッチスパイクＰ１を入れたときから、実際の下流側触媒から排出されるＮＯｘの排出量がピークになるまでの遅れ時間を表している。ただし、この遅れ時間Ｔαの中には、触媒の応答遅れ時間に加えて実際に排気が下流側触媒に達するまでの遅れ時間ＴＭがはいる。この遅れ時間ＴＭは、図１３に示すように、エンジンから床下触媒までの距離に比例し、かつそのときのエンジン回転数と吸入空気量に応じて変化する。
【００５７】
次にステップ８では、ＮＯｘｍａｘ−ＮＯｘｍｉｎ≧Ａがどうかを判断する。このＡはＮＯｘ増加量の判定値であり、ＮＯｘｍａｘとＮＯｘｍｉｎとの差異が所定値Ａよりも大きいときに、下流側触媒のＮＯｘの脱離のピークがきたものと判断し、ステップ９に移り、実際のピーク実遅れ時間ＴＢを、ＴＢ＝Ｔα−ＴＭとして求める。なお、ＴＭはマップ１４からエンジン回転数ｒｐｍと吸入空気量（燃料噴射パルス幅）ＴＰに基づいて求める。
【００５８】
このようにして実際の触媒の応答性に起因してのピーク遅れ時間ＴＢを算出したら、ステップ１０において、図１４に示すマップから、１回目のリッチスパイクと２回目のリッチスパイクとの周期（間隔）Ｔ１の修正値として、ΔＴを算出する。そして、ステップ１１ではΔＴの学習値として、ΔＴＮＥＷ＝ΔＴＯＬＤ＋ΔＴとする。
【００５９】
図１４から明らかなとおり、ΔＴはＴＢがプラス側の値ならば、マイナス側の値となるので、ピークの遅れ時間ＴＢがプラス側に大きくなるほど、修正値ΔＴはマイナス側に大きくなり、１回目と２回目のリッチスパイクの間隔Ｔ１を短くなるように修正する。
【００６０】
そして、ステップ１２において、この学習値ΔＴＮＥＷを、床下触媒のそのときの温度に応じて割り付けた格子により更新し、１回目と２回目とのリッチスパイクの間隔を修正、つまり学習、更新する。
【００６１】
このようにして、本実施の形態では、下流側の床下触媒の実際の応答遅れに対応して、２回目のリッチスパイクを入れるタイミングを修正するので、常に最良の状態でリッチスパイクを入れることができ、過剰な燃料の供給を防止しつつ排気組成の改善が図れる。
【００６２】
なお、上記の各実施形態にあっては、ＮＯｘ吸収触媒として、マニホールド触媒と床下触媒との２つの触媒を直列に配置した例を示したが、複数の触媒であるならばこれに限らず、その場合リッチスパイクの回数は、触媒の数に一致するように分割設定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す全体の概略構成図である。
【図２】同じくその制御内容を示すフローチャートである。
【図３】リッチスパイクを行ったときのＮＯｘ排出特性を示す特性説明図である。
【図４】リッチスパイクの比例分を示す説明図である。
【図５】リッチスパイクの積分分を示す説明図である。
【図６】リッチスパイクの周期を示す説明図である。
【図７】別の実施形態の制御内容を示すフローチャートである。
【図８】リッチスパイクの周期の補正量を示す説明図である。
【図９】リッチスパイクの比例分の補正量を示す説明図である。
【図１０】リッチスパイクの積分分の補正量を示す説明図である。
【図１１】さらに別の実施形態の制御内容を示すフローチャートである。
【図１２】リッチスパイクとＮＯｘ排出特性の関係を示す特性説明図である。
【図１３】遅れ時間を表す特性説明図である。
【図１４】リッチスパイクの周期補正量を示す説明図である。
【図１５】空燃比をリーンからストイキに切換えたときのＮＯｘ排出特性を示す説明図である。
【図１６】従来のリッチスパイクを行ったときのＮＯｘ排出特性を示す説明図である。
【符号の説明】
１  エアフローメータ
２  スロットルバルブ開度
３  燃料噴射弁
４  点火栓
７  排気マニホールド触媒
８  床下触媒
１１  ＮＯｘセンサ
１４  コントローラ
１５  エンジン本体
１６  吸気通路
１７  排気通路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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