JP3684929B2

JP3684929B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP3684929B2
Application number: JP22103899A
Authority: JP
Inventors: 彰田山; 博文土田; 太郎横井; 康二石原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: JP2001050041A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＮＯｘ吸蔵触媒を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空燃比をリーンとした状態で燃焼可能なエンジンの排気系に、排気ガスの空燃比がリーンの条件で排気中のＮＯｘを吸蔵し、リッチあるいはストイキの条件で吸蔵したＮＯｘを脱離しつつ浄化するＮＯｘ吸蔵触媒を設け、リーン燃焼の排気ガスを浄化する技術がある。
【０００３】
ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを脱離させ浄化するには空燃比を一時的にリッチにし（いわゆるリッチスパイク）、リッチ条件で供給される還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂等）でＮＯｘを脱離還元する。リッチスパイク開始直後は触媒に供給される還元成分とほぼ当量のＮＯｘや酸素が触媒から脱離するため触媒下流の空燃比はほぼストイキを示し、脱離したＮＯｘやＨＣ、ＣＯは触媒内で浄化される。
【０００４】
ここでリッチの時間が長いとＮＯｘの脱離量以上の還元成分が触媒に流入することになり、ＨＣやＣＯの排出量が増加してしまう。そこで、特許公報第2692380号には、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流に空燃比センサを設け、リッチスパイク時の空燃比センサの出力がリーンからリッチに切り換った時にＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されていたＮＯｘの脱離が完了したと判断し、リッチスパイクを停止する技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、ＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比センサがリーンからリッチに切り換った時点では触媒内のＮＯｘが完全には脱離していない。すなわち、リーンからリッチに切り換った時点というのは触媒に流入する還元成分の量がＮＯｘの脱離量を上回った時点であり、ＮＯｘの脱離はまだ続いている。したがって、ＮＯｘの脱離が完了する前にリッチスパイクが中止されることとなり、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘの一部は吸蔵されたままとなる。
【０００６】
このようにリッチスパイクで触媒内のＮＯｘが完全に脱離されないと、吸蔵されているＮＯｘ量に応じてＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵率が低下し、その後のＮＯｘ排出量が増加してしまう。リッチの時間を長くすればＮＯｘを完全に脱離させることは可能であるが、リッチの時間を長くすると上述したようにＨＣ、ＣＯが過剰となり、それらの排出量が増加してしまう。
【０００７】
したがって、本発明はかかる従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、ＮＯｘ吸蔵触媒内に吸蔵されたＮＯｘを完全に脱離させるとともにリッチスパイク時にＨＣ、ＣＯが浄化されずに排出されるのを防止することを目的とする。
【００１１】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、排気空燃比がリーンであるときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がストイキあるいはリッチであるときに前記吸蔵されたＮＯｘを脱離還元するＮＯｘ吸蔵触媒を備えたエンジンの排気浄化装置において、吸蔵されたＮＯｘ量の増大による前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下を判定する手段と、前記ＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比を検出する手段と、前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下したと判定されたとき、ＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比に応じてリッチスパイクを間欠的に複数回行うことで前記ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを脱離還元する手段とを備え、前記ＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比がリッチになった時点で各リッチスパイクを中断することを特徴とするものである。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、各リッチスパイクを停止した後には排気空燃比をリーン側にシフトさせることを特徴とするものである。
【００１４】
第３の発明は、第１または第２の発明において、２回目以降のリッチスパイクは前記ＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比がリーンになったときに開始されることを特徴とするものである。
【００１５】
第４の発明は、第１から第３の発明において、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の温度を検出あるいは推定する手段を備え、検出あるいは推定されたＮＯｘ吸蔵触媒の温度に応じて前記各リッチスパイク時のリッチ度合いを設定することを特徴とするものである。
【００１６】
第５の発明は、第４の発明において、検出あるいは推定されたＮＯｘ吸蔵触媒の温度が高いほど前記各リッチスパイク時のリッチ度合いを大きくすることを特徴とするものである。
【００１７】
第６の発明は、第１から第３の発明において、前記エンジンの吸入空気量を検出する手段を備え、検出された吸入空気量に応じて前記各リッチスパイク時のリッチ度合いを設定することを特徴とするものである。
【００１９】
第７の発明は、第１から第３の発明において、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の温度を検出あるいは推定する手段を備え、検出あるいは推定されたＮＯｘ吸蔵触媒の温度に応じて前記リッチスパイクの回数を設定することを特徴とするものである。
【００２０】
第８の発明は、第７の発明において、検出あるいは推定されたＮＯｘ吸蔵触媒の温度が高いほど前記リッチスパイクの回数を減らすことを特徴とするものである。
【００２１】
第９の発明は、第１から第３の発明において、前記エンジンの吸入空気量を検出する手段を備え、検出された吸入空気量に応じて前記リッチスパイクの回数を設定することを特徴とするものである。
【００２２】
第１０の発明は、第９の発明において、検出された吸入空気量が多いほど前記リッチスパイクの回数を増やすことを特徴とするものである。
【００２３】
【作用及び効果】
第１の発明によると、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸収されたＮＯｘ量が増大し、ＮＯｘ吸収能力が低下した判定されるとＮＯｘの脱離浄化処理が行われるが、このＮＯｘ脱離浄化処理においては短時間の空燃比のリッチ化（リッチスパイク）が複数回間欠的に行われる。
【００２４】
ＮＯｘの脱離量はリッチスパイク開始直後が最大でその後徐々に減少するが、ＮＯｘ脱離量が減少してからもリッチスパイクを継続するとＮＯｘ吸蔵触媒内がリッチ化し、ＣＯやＨＣの排出量が増大してしまう。しかしながら、このようにリッチスパイクを複数回間欠的に行うことにより、各リッチスパイクの間のリッチスパイク中断時にＮＯｘ吸蔵触媒に酸素が吸蔵され、２回目以降のリッチスパイクでは未脱離のＮＯｘと共に吸蔵された酸素が脱離されるようになる。この結果、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘをほぼ完全脱離させることができ、また、リッチスパイク時ＮＯｘ吸蔵触媒内がほぼストイキに保たれるのでＣＯやＨＣの排出量を抑制することができる。
【００２７】
【作用及び効果】
また、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流の空燃比に基づきＮＯｘの脱離量が減少してきたことや十分な酸素がＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたこと等を判断でき、適切なタイミングでリッチスパイクを実行あるいは中断することができる。
【００２８】
また、ＮＯｘ脱離還元処理における各リッチスパイクはＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比がリッチになると中断される。これにより、触媒内がリッチ化しているにもかかわらずリッチスパイクが継続され、ＣＯやＨＣの排出量が増大するのを防止できる。
【００２９】
また、第２の発明によると、各リッチスパイクを停止した後には排気空燃比をリーン側にシフトさせる。これによってＮＯｘ吸蔵触媒に十分な酸素を吸蔵させることができる。
【００３０】
また、第３の発明によると、２回目以降のリッチスパイクはＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比がリーンになったとき、すなわちＮＯｘ吸蔵触媒に十分な酸素が吸蔵されてから２回目以降のリッチスパイクが実行されるので、ＣＯやＨＣの排出量が増大するのを確実に防止できる。
【００３１】
また、リッチスパイク時、ＮＯｘ吸蔵触媒からのＮＯｘ、酸素の脱離速度はＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度に依存するが、第４、第５の発明によると、ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度に応じてリッチスパイクの度合いが調節されるので、適切な度合いでリッチスパイクが行うことが可能となる。また、燃料噴射量が吸入空気量に応じて決定されるため、吸入空気量に応じてＮＯｘ吸蔵触媒に流入するＨＣ，ＣＯの量が変化するが、第６の発明によると吸入空気量に応じてリッチスパイクの度合いが調節されるので、適切な度合いでリッチスパイクを行うことができる。
【００３２】
また、ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度により１回のリッチスパイクで脱離できるＮＯｘ量は変化し、したがって、ＮＯｘを完全に脱離させるまでに必要なリッチスパイクの回数も変化するが、第７、第８の発明によるとＮＯｘ吸蔵触媒の温度に応じてリッチスパイクの回数が調整されるので、必要以上にリッチスパイクが実行されてエンジンの安定性が害されたり、燃費が悪化したりするのを防止できる。また、リッチスパイクの回数が少なくＮＯｘが完全に脱離されないといったことを防止できる。
【００３３】
また、エンジンの吸入空気量に応じてＮＯｘ触媒に流入するＨＣ，ＣＯの量が変化し、さらにはリッチスパイク中に触媒内が自動的にほぼストイキに保たれる時間（リッチスパイクを継続可能な時間）も変化する。そのため、１回のリッチスパイクで脱離されるＮＯｘ量が変化し、必要とされるリッチスパイクの回数も変化する。第９、第１０の発明によるとエンジンの吸入空気量に応じてリッチスパイクの回数が調節されるので、これにより、必要以上にリッチスパイクが繰り返し実行されたり、リッチスパイクの回数が少なすぎるといった問題を防止できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００３５】
図１は本発明に係るエンジン排気浄化装置の概略構成を示す。エンジン１の排気管２内にはＮＯｘ吸蔵触媒３が設けられており、その上流側には排気の空燃比を検出する酸素センサ４、下流側には触媒下流の空燃比を検出する酸素センサ５がそれぞれ設けられている。また、触媒内部にはＮＯｘ吸蔵触媒３の内部温度TCATを検出する触媒温度センサ６が設けられている。
【００３６】
ＮＯｘ吸蔵触媒３は、理論空燃比（ストイキ）で排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの酸化還元を行う三元触媒機能と、希薄空燃比（リーン）で排気中のＮＯｘを吸蔵し、理論空燃比または濃空燃比（リッチ）でＮＯｘを脱離、還元する機能とを有する触媒であり、例えば、触媒担体にＮＯｘ吸収剤層と三元触媒層をコーティングして構成される。
【００３７】
リーン燃焼運転時はＮＯｘ吸蔵触媒３の三元触媒機能ではＮＯｘを十分に浄化し切れなくなるが、ＮＯｘはＮＯｘ吸蔵触媒３のＮＯｘ吸収剤に吸蔵され、大気中に放出されるＮＯｘ量の増大は抑えられる。
【００３８】
しかしながら、このＮＯｘ吸蔵触媒３が吸蔵可能なＮＯｘ量には限界があり、吸蔵されたＮＯｘ量が増大するにつれＮＯｘ吸蔵触媒３のＮＯｘ吸蔵能力が低下する。そのため、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９はＮＯｘ吸蔵触媒３のＮＯｘ吸蔵能力の低下を判定し、ＮＯｘ吸蔵能力が低下したと判定した場合には、空燃比の一時的なリッチシフト（リッチスパイク）を複数回間欠的に行い、ＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵されたＮＯｘを脱離還元する。このときのＥＣＵ９の制御内容については後で詳しく説明する。
【００３９】
一方、エンジン１の吸気管７には燃料噴射弁８が設置されており、噴射された燃料は吸入空気とともに混合気を形成してエンジン１で燃焼される。なお、ここでは燃料噴射弁８は吸気管７内に燃料を噴射するが、燃料噴射弁８はエンジン１のシリンダ内に燃料を直接噴射するものであってもよい。
【００４０】
エンジン１はアクセル操作量APSに基づき、ＥＣＵ９において要求トルクが演算され、エンジン１の回転数Neを検出するクランク角センサ１０の出力と要求トルクから目標空燃比TFBYA、目標吸入空気量が演算され、吸入空気量Qaが目標吸入空気量となるようにスロットルバルブ１１の開度TVOが制御される。また、吸気管７の上流部に設置された吸入空気量Qaを検出するエアフローメータ１２の出力による補正や各種の補正を行った結果により目標とする燃料噴射量TPが演算され、燃料噴射弁８から燃料が噴射される。
【００４１】
次に、ＥＣＵ９の制御内容について図２から図５を参照しながら説明する。
【００４２】
図２はＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵されているＮＯｘの量を予測し、それに基づきＮＯｘの脱離還元処理の要否、すなわちリッチスパイクの要否を判定するフローである。本ルーチンは例えば１ｓｅｃ毎に実行される。
【００４３】
これによると、まずステップＳ１ではリッチスパイクフラグFRSがゼロであるか否かを判定する。このリッチスパイクフラグFRSは、ＮＯｘ吸蔵触媒３に所定量以上のＮＯｘが吸蔵され、リッチ空燃比を与えてＮＯｘの脱離浄化することが必要と判定された場合に１にセットされ、不要と判定された場合にゼロにセットされる。
【００４４】
リッチスパイクフラグFRSがゼロでエンジン１がリーン運転する場合は、エンジン１から排出されたＮＯｘがＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵されるので、ＮＯｘ吸蔵量を推定してリッチスパイクによるＮＯｘ脱離還元処理の必要性を判断すべくステップＳ２以降へ進み、そうでない場合はそのまま処理を終了する。
【００４５】
ステップＳ２ではエンジン回転数Neと、アクセル操作量APSから演算されるエンジン負荷Lが読み込まれ、ステップＳ３ではエンジン回転数Neとエンジン負荷Lに基づき１秒当り（本ルーチンサイクル時間あたり）のＮＯｘ排出量NOGがマップから検索される。このマップはあらかじめ実験によって求められ、ＮＯｘ排出量NOGは、エンジン回転数Neが高いほど、また、エンジン負荷Lが大きいほど大きくなる。
【００４６】
ステップＳ４では現在ＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵されているＮＯｘの量SIGNOを、その前回値にＮＯｘ排出量NOGを加算することで算出する。
【００４７】
ステップＳ５ではＮＯｘ吸蔵量SIGNOが所定量SLSNOよりも多くなったか否かを判定する。この所定量SLSNOは、あらかじめ実験的に求めたＮＯｘ吸蔵触媒３の飽和ＮＯｘ吸蔵量にある割合（例えば１／２程度）を掛けた値に設定される。飽和ＮＯｘ吸蔵量は触媒が劣化するにつれ減少するので、所定量SLSNOを触媒劣化の度合いに応じて減少させるようにしてもよい。
【００４８】
判定の結果、ＮＯｘ吸蔵量SIGNOが所定量SLSNOを超えている場合はステップＳ６に進み、リッチスパイクフラグFRSにＮＯｘ脱離還元処理が必要であることを示す１をセットし、超えていない場合にはそのまま処理を終了する。
【００４９】
次に、ＮＯｘの脱離還元処理について図３を参照しながら説明する。
【００５０】
これによると、まずステップＳ２１ではリッチスパイクフラグFRSの値に基づきリッチスパイクが必要か否かを判定する。そして、リッチスパイクが必要な場合（FRS＝１）はステップＳ２２以降へ進み、必要でない場合はそのまま処理を終了する。
【００５１】
ここでＮＯｘの脱離は化学反応であるため温度に依存して脱離速度（単位時間あたりの脱離量）が変化し、またＮＯｘ吸蔵触媒３に流入する排気ガス量に応じてリッチスパイク時に必要なリッチ度合いが変化することから、ステップ２２では触媒温度センサ６により検出されたＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度TCATとエアフローメータ１２で検出された吸入空気量Qaを読み込み、ステップＳ２３ではこれらの値を用いて後のステップＳ２５で必要なリッチスパイク時の目標空燃比RSTFBYAをマップから検索し設定する。なお、触媒温度TCATは予め実験で得られるマップ（図４）を用いて、エンジン負荷Lとエンジン回転数Neに基づき推定してもよい。
【００５２】
設定されるリッチスパイクの度合いの特性について説明すると、まず、リッチスパイクの度合いは吸入空気量Qaが多いほど小さく設定される。これはＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵されたＮＯｘを還元するためには吸蔵されたＮＯｘの重量に対応して必要な還元材料（ＨＣ、ＣＯ）の重量を決定する必要があるが、エンジン１に供給される燃料は空燃比に応じてコントロールされ、同じ空燃比であっても吸入空気量Qaが大きくなると還元材料（ＨＣ、ＣＯ）の重量が増大することによる。したがって、ここでは吸入空気量Qaの増大に合わせてリッチ度合いを小さくし、吸蔵されたＮＯｘの重量に対応して必要な還元材料（ＨＣ、ＣＯ）の重量を供給するようにしている。
【００５３】
また、ＮＯｘ吸蔵触媒３の温度TCATの温度が高いほどリッチスパイクの度合いは大きく設定される。これは、触媒温度TCATが上昇するほどＮＯｘの脱離速度が早くなるからである。つまり、短期間に多くのＮＯｘが脱離するため、脱離速度にあわせてリッチ度合いを大きくし、この短期間のうちに必要な還元材料を供給するようにしている。
【００５４】
次のステップＳ２４では触媒温度TCATと吸入空気量Qaに基づき、必要なリッチスパイクの回数KRSをマップから検索し設定する。
【００５５】
ここで設定されるリッチスパイク必要回数KRSの特性について説明すると、まず、吸入空気量Qaが大きいほどリッチスパイク必要回数KRSは増加する。これは、後述するように本実施形態ではＮＯｘ吸蔵触媒３の下流の空燃比が自動的にストイキ近傍に落ち着いている間だけリッチスパイクを行う（ステップＳ２５、Ｓ２６）が、吸入空気量Qaが増えると同じ空燃比でも供給される還元材料（ＨＣ、ＣＯ）の重量が大きくなり、ＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比が自動的にストイキ近傍に落ち着いている期間が短くなるからである。すなわち、吸入空気量Qaが大きくなるほど１回のリッチスパイクで脱離できるＮＯｘ重量が減少するので、リッチスパイクの回数を増加させてこれに対応する。
【００５６】
また、ＮＯｘ吸蔵触媒３の温度TCATが高いほどリッチスパイク必要回数KRSは少なくなる。これはＮＯｘが脱離は化学反応であるため、触媒温度TCATが高いほどＮＯｘの脱離速度が高くなるからである。つまり、触媒温度TCATが高いほど１回のリッチスパイクで処理できるＮＯｘ重量は大きくなるのでリッチスパイク必要回数KRSを減らして対応する。
【００５７】
このようにリッチスパイク時の目標空燃比RSTFBYA、リッチスパイク必要回数KRSを設定したらステップＳ２５に進み、１回目のリッチスパイクを実行する。
【００５８】
リッチスパイク時の空燃比制御は、例えば、図５に示すフローに従って行われる。これによると、リッチスパイクは、ステップＳ３１で目標空燃比TFBYAにステップＳ２３で検索したリッチスパイク時の目標空燃比RSTFBYAを設定することにより実施される。
【００５９】
図３のフローに戻り、リッチスパイクの実行を開始した後、ステップＳ２６でＮＯｘ触媒下流の空燃比A/F(Rr)がストイキ（所定空燃比SLSR）よりもリッチか（小さいか）を判定する。リッチでなければステップＳ２５へ戻ってリッチスパイクを継続し、リッチと判定した場合にはリッチスパイクの停止してステップＳ２７に進み、リッチスパイク実行回数RSKをカウントする。
【００６０】
ステップＳ２８ではリッチスパイク実行回数RSKがステップＳ２４で求めたリッチスパイク必要回数KRSを終了したかを判定する。必要なリッチスパイク回数を行っていない場合は、２回目以降のリッチスパイクを行うべくステップＳ２９へ進む。
【００６１】
ステップＳ２９ではＮＯｘ触媒下流の空燃比A/F(Rr)がストイキ（所定値SLSL）よりもリーンであるか（大きいか）を判定する。リーンと判定するまでは触媒３に酸素が吸蔵され続けていると判定してステップＳ２９にとどまり、次のリッチスパイクは行わない。これに対し、リーンと判定され、触媒３に十分酸素が吸蔵されたと判定された場合にはステップＳ２５へ戻り、２回目以降のリッチスパイクを実行する。
【００６２】
したがって、これらステップＳ２５からステップＳ２９を繰り返すことによりリッチスパイクが複数回間欠的に実行され、ステップＳ２８でリッチスパイク実行回数RSKがステップＳ２４で設定したリッチスパイク必要回数KRSに達した場合には、ステップＳ３０に進んでリッチスパイクフラグFRS、リッチスパイク実行回数RSK及びＮＯｘ吸蔵量SIGNOをゼロに戻し、本ルーチンを終了する。
【００６３】
次に作用について説明する。
【００６４】
エンジン１は運転条件に応じて空燃比を切り換えて運転されるが、エンジン１がリーン燃焼運転している時はＮＯｘ吸蔵触媒３の三元触媒機能ではＮＯｘを十分に浄化し切れなくなり、ＮＯｘはＮＯｘ吸蔵触媒３のＮＯｘ吸収剤に吸蔵される。
【００６５】
このＮＯｘ吸蔵触媒３が吸蔵可能なＮＯｘの量には限界があり、吸蔵されたＮＯｘの量が増大するにつれＮＯｘ吸蔵触媒３のＮＯｘ吸蔵能力が低下する。そのためＥＣＵ９は、単位時間あたりの排出ＮＯｘ量NOGを推定し、それを累積加算して求めたＮＯｘ吸蔵量SIGSNOに基づきＮＯｘ吸蔵触媒３のＮＯｘ吸蔵能力の低下を判定する。判定の結果、ＮＯｘ吸蔵量SIGSNOが所定値SLSNO以上になりＮＯｘ吸蔵触媒３のＮＯｘ吸蔵能力が低下したと判定されると、吸入空気量Qaと触媒温度TCATに応じたリッチ度合い及び回数でリッチスパイクが間欠的に行われ、ＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵されたＮＯｘが脱離、還元される。
【００６６】
図６はリッチスパイクを２回行った場合（KRS＝2）のＮＯｘ吸蔵触媒３の上流の空燃比A/F(Fr)と下流の空燃比A/F(Rr)の波形を示す。
【００６７】
これについて説明すると、図中Ａ点以前では、エンジン１がリーン燃焼運転しても排気ガス中に含まれるＮＯｘはＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵され、大気中へのＮＯｘ排出量は抑えられている。リーン燃焼運転時、触媒３の上流、下流ともにほぼ同じ空燃比でリーンを示す。
【００６８】
その後ＮＯｘ吸蔵触媒３のＮＯｘ吸蔵量が増加し、そのＮＯｘ吸蔵能力の低下が判定されると、空燃比をリッチ側にシフトさせてＮＯｘの脱離還元処理を開始する（図中Ａ点）。
【００６９】
ここでＡ−Ｂ区間は、ＮＯｘ吸蔵触媒３から、吸蔵されていたＮＯｘと酸素が脱離するので触媒下流の空燃比はほぼストイキに保たれる。すなわち、この区間では触媒３内が自動的にほぼストイキに保たれ、ＨＣ、ＣＯと脱離したＮＯｘが同時に浄化される。
【００７０】
その後、触媒３から脱離されるＮＯｘや酸素の量が触媒３に流入する還元材料の量を下回ってくると、触媒下流（触媒３内）の空燃比はストイキを保てなくなり、リッチ化する（図中Ｂ点）。仮にこのＢ点経過後もリッチスパイクを継続すると触媒３内もリッチ化し、ＨＣ、ＣＯの浄化率が低下してエミッションの悪化を招いてしまう。そのため、ここでは触媒下流の空燃比がリッチ化したことを検出した時点でリッチスパイクを停止して排気空燃比を一旦リーンに戻し、触媒３内空燃比をリーン化してＨＣ，ＣＯの排出量が増加するのを防止する。このＢ−Ｃ区間では触媒３上流の空燃比はリーンとなるが、触媒３が排気中の酸素を吸蔵するので触媒３下流の空燃比はほぼストイキに保たれる。
【００７１】
その後、酸素の吸蔵速度が遅くなり、触媒３下流の空燃比はリーン化する（図中Ｃ点）。このＣ点では触媒３に多くの酸素とＡ−Ｂ区間で脱離しきれなかったＮＯｘが吸蔵されている。
【００７２】
この時点でもう一度リッチスパイクを行うと触媒３に吸蔵された酸素とともにＡ−Ｂ区間で脱離しきれなかったＮＯｘが脱離される。したがって、Ｃ−Ｄ区間では再び触媒３下流の空燃比（触媒３内の空燃比）がほぼストイキに保たれ、Ａ−Ｂ区間で脱離しきれなかったＮＯｘとともに触媒３に新たに流入したＨＣ、ＣＯを同時に浄化することができる。
【００７３】
その後、触媒３から脱離されるＮＯｘや酸素の量が触媒３に流入する還元剤の量よりも少なくなり、触媒３下流の空燃比がリッチとなるとリッチスパイクを止め、ＮＯｘの脱離還元処理を終了する（図中Ｄ点）。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態では、リッチスパイクを複数回間欠的に行い、ＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵されたＮＯｘの脱離還元処理するようにしたことにより、ＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵されていたＮＯｘをほぼ完全に脱離させ、還元浄化することができ、したがって、ＮＯｘ脱離還元処理後（図中のＤ点以降）のＮＯｘ吸蔵率が高く保たれ、その後のリーン燃焼運転時における大気中へのＮＯｘ放出量を抑えることができる。
【００７５】
リッチスパイクの期間を十分に長く取ることによっても触媒３に吸蔵されていたＮＯｘを完全に脱離させることができるが、この場合、触媒３内がリッチになりＨＣ、ＣＯの排出量が増加してしまう。しかしながら、本実施形態では、触媒３内がほぼストイキになる領域を使用してＮＯｘの脱離を行うのでＨＣ、ＣＯも十分に浄化でき、リッチスパイク時にＨＣ、ＣＯが浄化されずに排出されるのを防止できる。
【００７６】
なお、図２、図３に示したフローでは、ＮＯｘ吸蔵量の飽和を判断する毎に複数回のリッチスパイクを行うことになるが、リッチスパイクは燃費の悪化やトルク変動の原因になりうる。そのため、ＮＯｘ吸蔵量の飽和を判断する毎に上記複数回のリッチスパイクを行うのではなく、基本的には１回のリッチスパイク（触媒下流の空燃比がストイキを保てなくなるまでリッチシフトを継続）を実行するとし、所定の条件が成立した場合にだけ上記複数回のリッチスパイクを実行するようにしても良い。
【００７７】
この場合、複数回のリッチスパイクを行う条件としては、例えば、アイドル状態が長く続いた後が考えられる。これはアイドル状態でのリッチスパイクはトルク変動が顕著なためアイドル中はリッチスパイクを実行できず、長時間のアイドル状態が続くとＮＯｘ吸蔵量が多くなるからである。また、１回のリッチスパイクを所定回数行ったら複数回の間欠リッチスパイクを行うようにしてもよい。
【００７８】
このように必要に応じて従来のリッチスパイクと上記複数回のリッチスパイクとを使い分けることにより、リッチスパイクの回数を減らして燃費の悪化やトルクの変動を抑えつつ、ＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵されたＮＯｘを完全に脱離させ、還元することができる。
【００７９】
続いて本発明の第２の実施形態について説明する。
【００８０】
この実施形態はリッチスパイク時における空燃比制御が第１の実施形態と相違する。それ以外の制御内容や装置構成は第１の実施形態と同じである。
【００８１】
図７はリッチスパイク時の空燃比制御の内容を示し、図５に示したフローに代えて実行されるものである。このルーチンは例えば１００ｍｓｅｃ毎に実施される。
【００８２】
これによると、まずステップＳ４１ではリッチスパイク実行の最初か（本ルーチンを初めて実行したときか）を判定し、リッチスパイク実行の最初であればステップＳ４２に進み、目標空燃比TFBYAにリッチスパイク時の目標空燃比RSTFBYAを設定する。これに対し、次回以降の演算時にはステップＳ４３に進み、前回に演算した目標空燃比TFBYAから所定値IRSを差し引いたものを新たな目標空燃比TFBYAに設定する。
【００８３】
ただし、リッチスパイクでは目標空燃比TFBYAをストイキ以上にリーン化することはできないので、ステップＳ４４でTFBYAが１以下と判定された場合はステップＳ４５へ進んで目標空燃比TFBYAを前回求めた目標空燃比に戻す。
【００８４】
したがって、本実施形態では図８に示すようにリッチスパイク初期にリッチ度合いが高められ、徐々にその度合いが弱められることになるが、ＮＯｘの脱離量はリッチスパイク開始直後が最大で、時間が経つにつれ徐々に減少するので、ＮＯｘ脱離特性に見合ったＨＣ、ＣＯを供給することができ、リッチスパイク中の触媒３下流の空燃比をさらにストイキ近傍に保持することができる（Ａ−Ｂ区間、Ｃ−Ｄ区間）。この結果、リッチスパイク時のＨＣ、ＣＯの排出量をより一層抑えることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエンジンの排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】ＮＯｘ脱離還元処理の要否を判断するため処理を示すフローチャートである。
【図３】ＮＯｘ脱離還元処理の内容を示したフローチャートである。
【図４】触媒温度を推定する際に用いられるマップである。
【図５】リッチスパイク時の空燃比制御の内容を示したフローチャートである。
【図６】ＮＯｘ還元浄化処理時の触媒上流、触媒下流の空燃比波形を示す。
【図７】本発明の第２の実施形態を示すフローチャートで、リッチスパイク時の空燃比制御を示す。
【図８】第２の実施形態におけるＮＯｘ還元浄化処理時の触媒上流、触媒下流の空燃比波形を示す。
【符号の説明】
１エンジン
２排気管
３ＮＯｘ吸蔵触媒
４、５空燃比センサ
６触媒温度センサ
７吸気管
８燃料噴射弁
９エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１０クランク角センサ
１１スロットルバルブ
１２エアフローメータ

Claims

排気空燃比がリーンであるときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がストイキあるいはリッチであるときに前記吸蔵されたＮＯｘを脱離還元するＮＯｘ吸蔵触媒を備えたエンジンの排気浄化装置において、
吸蔵されたＮＯｘ量の増大による前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下を判定する手段と、
前記ＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比を検出する手段と、
前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下したと判定されたとき、ＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比に応じてリッチスパイクを間欠的に複数回行うことで前記ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを脱離還元する手段と、
を備え、
前記ＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比がリッチになった時点で各リッチスパイクを中断することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
各リッチスパイクを停止した後には排気空燃比をリーン側にシフトさせることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
２回目以降のリッチスパイクは前記ＮＯｘ吸蔵触媒下流の空燃比がリーンになったときに開始されることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記ＮＯｘ吸蔵触媒の温度を検出あるいは推定する手段を備え、
検出あるいは推定されたＮＯｘ吸蔵触媒の温度に応じて前記各リッチスパイク時のリッチ度合いを設定することを特徴とする請求項１から３のいずれかひとつに記載のエンジンの排気浄化装置。
検出あるいは推定されたＮＯｘ吸蔵触媒の温度が高いほど前記各リッチスパイク時のリッチ度合いを大きくすることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記エンジンの吸入空気量を検出する手段を備え、
検出された吸入空気量に応じて前記各リッチスパイク時のリッチ度合いを設定することを特徴とする請求項１から３のいずれかひとつに記載のエンジンの排気浄化装置。
前記ＮＯｘ吸蔵触媒の温度を検出あるいは推定する手段を備え、
検出あるいは推定されたＮＯｘ吸蔵触媒の温度に応じて前記リッチスパイクの回数を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれかひとつに記載のエンジンの排気浄化装置。
検出あるいは推定されたＮＯｘ吸蔵触媒の温度が高いほど前記リッチスパイクの回数を減らすことを特徴とする請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記エンジンの吸入空気量を検出する手段を備え、
検出された吸入空気量に応じて前記リッチスパイクの回数を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれかひとつに記載のエンジンの排気浄化装置。
検出された吸入空気量が多いほど前記リッチスパイクの回数を増やすことを特徴とする請求項９に記載のエンジンの排気浄化装置。