JP4510655B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出された排ガス中のＮＯｘを一時的に捕捉するとともに、捕捉されたＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

この種の排ガス浄化装置では、内燃機関の排気系にＮＯｘ捕捉材が設けられており、内燃機関から排出されたＮＯｘがＮＯｘ捕捉材に捕捉される。また、捕捉されたＮＯｘの量が大きくなったときに、燃料の増量などにより排ガスを還元状態に制御することによって、捕捉されたＮＯｘが還元される。これにより、ＮＯｘを浄化した後に排ガスを大気中に排出するとともに、ＮＯｘ捕捉材の捕捉能力を回復させるようにしており、そのような排ガス浄化装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。

この排ガス浄化装置は、エンジンの排気通路に設けられたＮＯｘ捕捉材（ＮＯｘ浄化触媒コンバータ）に加えて、ＥＧＲ装置を備えている。このＥＧＲ装置は、エンジンの排気通路と吸気通路のＮＯｘ捕捉材よりも上流側との間に互いに並列に設けられており、両通路をそれぞれ連通する第１ＥＧＲ通路および第２ＥＧＲ通路を有している。第１ＥＧＲ通路には、排気通路側に第１ＥＧＲクーラーが、吸気通路側に第１ＥＧＲ弁が設けられている。また、第２ＥＧＲ通路は、吸気通路の第１ＥＧＲ通路よりも上流側と排気通路の第１ＥＧＲ通路よりも下流側との間に設けられており、この第２ＥＧＲ通路には、排気通路側から順に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）、第２ＥＧＲクーラーおよび第２ＥＧＲ弁が設けられている。また、このエンジンには、ターボチャージャが設けられており、そのタービンは、吸気通路の第１および第２ＥＧＲ通路の間に、コンプレッサは、排気通路の第１および第２ＥＧＲ通路の間に設けられている。

この排ガス浄化装置では、エンジンの運転状態に応じて、排ガスの一部をＥＧＲガスとして排気通路から吸気通路に還流させることにより、ＥＧＲ動作が以下のように実行される。すなわち、エンジンが低負荷状態のときには、第１ＥＧＲ弁を開くとともに第２ＥＧＲ弁を閉じることによって、第１ＥＧＲ通路を介してＥＧＲ動作を行う。また、エンジンが高負荷状態で、吸気と排ガスとの差圧が小さいときには、第２ＥＧＲ弁を開くとともに第１ＥＧＲ弁を閉じることにより、第２ＥＧＲ通路を介して、排ガス中のＰＭをＤＰＦにより捕集しながらＥＧＲ動作を行う。それにより、ＰＭをほとんど含まないＥＧＲガスが、タービンによって外気とともに吸気通路の下流側に吸入されることにより、必要なＥＧＲ量が確保される。

しかし、この排ガス浄化装置には、以下のような問題がある。ＥＧＲ通路が切り替えられたときには、まず、切り替えられた側のＥＧＲ通路内に存在していたＥＧＲガスが吸気通路に排出され、その後、新たなＥＧＲガスが排気通路から還流してくる。また、切替え前にＥＧＲ通路内に存在していたＥＧＲガスは、ＥＧＲ弁が閉じていることによりＥＧＲ通路内に滞留していることで、ＥＧＲクーラによって十分に冷却され、より低温の状態になっている。

このため、ＥＧＲ通路の切替え直後において、切り替えられた側のＥＧＲ通路内に滞留していた低温のＥＧＲガスが、還流することによって燃焼室に供給される。したがって、このように低温のＥＧＲガスが還流した状態で、ＮＯｘ捕捉材に捕捉されたＮＯｘを還元するために燃料の供給量が増大された場合には、ＥＧＲガスの温度が低いことで、混合気の着火性が悪化し、燃焼が不安定になってしまい、その場合、失火に至ることもある。その結果、内燃機関が車両に搭載されている場合は、ドライバビリティが悪化するおそれがある。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、高温側および低温側通路を有するＥＧＲ通路を備える場合において、ＥＧＲ通路の切替え時にＮＯｘの還元動作を実行したときでも、内燃機関の安定した燃焼を確保することができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

特開２００４−１６２６７４号公報 （第５，６頁、第１図）

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、吸気系（実施形態における（以下、本項において同じ）吸気管４）および排気系（排気管５）を有する内燃機関（エンジン３）から排出された排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置１であって、排気系に設けられ、排ガス中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉材（ＮＯ触媒１７）と、ＮＯｘ捕捉材に捕捉されたＮＯｘ量を、ＮＯｘ捕捉量（ＮＯｘ捕捉量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘ）として算出するＮＯｘ捕捉量算出手段（ＥＣＵ２，図８のステップ３１，３２）と、算出されたＮＯｘ捕捉量が所定値（判定値Ｓ＿ＮＯｘＲＥＦ）に達したときに、ＮＯｘ捕捉材に捕捉されたＮＯｘを還元するＮＯｘ還元手段（インジェクタ６，スロットル弁１２）と、排気系と吸気系の間に設けられ、排気系から吸気系に排ガスの一部をＥＧＲガスとして、より低い温度で還流させる低温側通路１４ｄと、低温側通路１４ｄよりも高い温度で還流させる高温側通路１４ｃと、を有するＥＧＲ通路（ＥＧＲ管１４ａ）と、ＥＧＲ通路を低温側通路１４ｄと高温側通路１４ｃに切り替えるＥＧＲ通路切替え手段（ＥＧＲ通路切替え弁１５ｂ）と、ＥＧＲガスが所定の高温状態にあるか否かを判定する温度状態判定手段（排気温センサ３７，ＥＣＵ２，図７のステップ２６，図１２のステップ７２，図１３のステップ８６）と、ＥＧＲ通路切替え手段によってＥＧＲ通路が低温側通路１４ｄから高温側通路１４ｃに切り替えられた場合において、温度状態判定手段によってＥＧＲガスが所定の高温状態にあると判定されたときにのみ、ＮＯｘ還元手段によるＮＯｘの還元を許可するＮＯｘ還元許可手段（ＥＣＵ２，図８のステップ３９）と、を備えていることを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、内燃機関から排気系に排出された排ガス中のＮＯｘが、排気系に設けられたＮＯｘ捕捉材に捕捉される。また、ＮＯｘ捕捉量算出手段により、ＮＯｘ捕捉材に捕捉されたＮＯｘの量がＮＯｘ捕捉量として算出され、算出されたＮＯｘ捕捉量が所定値に達したときに、捕捉されたＮＯｘが、ＮＯｘ還元手段によって還元されることにより浄化された後、大気中に排出される。

また、ＥＧＲ手段によって、排ガスの一部が、ＥＧＲガスとして排気系からＥＧＲ通路を介して吸気系に還流し、新気と一緒に燃焼室に吸入されることにより、燃焼温度が低下することによって、ＮＯｘの排出量が低下する。また、ＥＧＲ通路は、ＥＧＲ通路切替え手段によって、ＥＧＲガスを、より低い温度で還流させる低温側通路と、低温側通路よりも高い温度で還流させる高温側通路とに切り替えられる。

また、ＥＧＲ通路が低温側通路から高温側通路に切り替えられた場合には、温度状態判定手段によってＥＧＲガスが所定の高温状態にあると判定されたときにのみ、ＮＯｘ還元許可手段によってＮＯｘの還元が許可され、ＮＯｘの還元が実行される。ＥＧＲ通路が低温側通路から高温側通路に切り替えられた場合には、切替え直後におけるＥＧＲガスの応答遅れや、低温側通路内に滞留していたより低温のＥＧＲガスが吸気系に還流することから、燃焼室に実際に吸入されるＥＧＲガスが高温状態になるのに時間がかかる。従って、上述したように、ＥＧＲガスが所定の高温状態にあると判定されたときに、ＮＯｘ還元手段の実行を許可することによって、ＥＧＲガスが所定の高温状態になった状態でＮＯｘの還元を実行することができる。その結果、混合気の安定した燃焼性を確保できるので、ＮＯｘの還元の実行時における失火を確実に回避できる。また、内燃機関が車両に搭載されている場合には、良好なドライバビリティを確保することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態による排ガス浄化装置について説明する。図１は、本発明を適用した排ガス浄化装置１を、内燃機関３とともに示している。この内燃機関（以下「エンジン」という）３は、車両（図示せず）に搭載された、例えば４気筒（１つのみ図示）のディーゼルエンジンである。

エンジン３のピストン３ａとシリンダヘッド３ｂの間には、燃焼室３ｃが形成されている。シリンダヘッド３ｂには、吸気管４（吸気系）および排気管５（排気系）がそれぞれ接続されるとともに、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６（ＮＯｘ還元手段）が、燃焼室３ｃに臨むように取り付けられている。

インジェクタ６は、燃焼室３ｃの天壁中央部に配置されており、コモンレールを介して、高圧ポンプおよび燃料タンク（いずれも図示せず）に順に接続されている。インジェクタ６の開弁時間である燃料噴射量ＴＯＵＴおよび噴射タイミングは、ＥＣＵ２からの駆動信号によって制御される（図２参照）。

また、エンジン３のクランクシャフト３ｄには、マグネットロータ３０ａが取り付けられており、このマグネットロータ３０ａとＭＲＥピックアップ３０ｂによって、クランク角センサ３０が構成されている。クランク角センサ３０は、クランクシャフト３ｄの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを求める。ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン３ａが吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。

吸気管４には、過給装置７が設けられており、この過給装置７は、ターボチャージャで構成された過給機８と、これに連結されたアクチュエータ９と、ベーン開度制御弁１０を備えている。

過給機８は、吸気管４に設けられた回転自在のコンプレッサブレード８ａと、排気管５に設けられた回転自在のタービンブレード８ｂおよび複数の回動自在の可変ベーン８ｃ（２つのみ図示）と、これらのブレード８ａ，８ｂを一体に連結するシャフト８ｄとを有している。過給機８は、排気管５内の排ガスによりタービンブレード８ｂが回転駆動されるのに伴い、これと一体のコンプレッサブレード８ａが回転駆動されることによって、吸気管４内の吸入空気を加圧する過給動作を行う。

アクチュエータ９は、負圧によって作動するダイアフラム式のものであり、各可変ベーン８ｃに機械的に連結されている。アクチュエータ９には、負圧ポンプから負圧供給通路（いずれも図示せず）を介して負圧が供給され、この負圧供給通路の途中にベーン開度制御弁１０が設けられている。ベーン開度制御弁１０は、電磁弁で構成されており、その開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ９への供給負圧が変化し、それに伴い、可変ベーン８ｃの開度が変化することによって、過給圧が制御される。

吸気管４の過給機８よりも下流側には、上流側から順に、水冷式のインタークーラ１１およびスロットル弁１２（ＮＯｘ還元手段）が設けられている。インタークーラ１１は、過給装置７の過給動作により吸入空気の温度が上昇したときなどに、吸入空気を冷却するものである。スロットル弁１２には、例えば直流モータで構成されたアクチュエータ１２ａが接続されている。スロットル弁１２の開度（以下「スロットル弁開度」という）ＴＨは、後述する目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤに応じてアクチュエータ１２ａに供給される電流のデューティ比をＥＣＵ２で制御することによって、制御される。

また、吸気管４には、過給機８よりも上流側にエアフローセンサ３１が、インタークーラ１１とスロットル弁１２の間に過給圧センサ３２が、それぞれ設けられている。第１エアフローセンサ３１は吸入空気量ＱＡを検出し、過給圧センサ３２は吸気管４内の過給圧ＰＡＣＴを検出し、それらの検出信号はＥＣＵ２に出力される。

さらに、吸気管４の吸気マニホールド４ａは、その集合部から分岐部にわたって、スワール通路４ｂとバイパス通路４ｃに仕切られており、これらの通路４ｂ，４ｃはそれぞれ、吸気ポートを介して各燃焼室３ｃに連通している。

バイパス通路４ｃには、燃焼室３ｃ内にスワールを発生させるためのスワール装置１３が設けられている。スワール装置１３は、スワール弁１３ａと、これを開閉するアクチュエータ１３ｂと、スワール制御弁１３ｃを備えている。アクチュエータ１３ｂおよびスワール制御弁１３ｃはそれぞれ、過給装置７のアクチュエータ９およびベーン開度制御弁１０と同様に構成されており、スワール制御弁１３ｃは、前記負圧ポンプに接続されている。以上の構成により、スワール制御弁１３ｃの開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ１３ｂに供給される負圧が変化し、スワール弁１３ａの開度が変化することによって、スワールの強さが制御される。

また、エンジン３には、ＥＧＲ管１４ａ（ＥＧＲ通路）およびＥＧＲ制御弁１４ｂを有するＥＧＲ装置１４が設けられている。ＥＧＲ管１４ａは、吸気管４と排気管５の間に、具体的には、吸気マニホールド４ａの集合部のスワール通路４ｂと排気管５の過給機８よりも上流側とをつなぐように接続されている。このＥＧＲ管１４ａを介して、エンジン３の排ガスの一部が吸気管４にＥＧＲガスとして還流し、それにより、燃焼室３ｃ内の燃焼温度が低下することによって、排ガス中のＮＯｘが低減される。

ＥＧＲ制御弁１４ｂは、ＥＧＲ管１４ａに取り付けられたリニア電磁弁で構成されており、そのバルブリフト量ＶＬＡＣＴが、ＥＣＵ２からのデューティ制御された駆動信号によりリニアに制御されることによって、ＥＧＲガス量が制御される。

また、ＥＧＲ管１４ａは、ＥＧＲ制御弁１４ｂよりも下流側で高温側通路１４ｃと低温側通路１４ｄに分岐しており、その分岐部にはＥＧＲ通路切替え弁１５ｂ（ＥＧＲ通路切替え手段）が設けられている。高温側通路１４ｃと低温側通路１４ｄは吸気管５の手前で合流しており、また、低温側通路１４ｄの途中には、ＥＧＲクーラ１５ｃが設けられている。ＥＧＲ通路切替え弁１５ｂは、エンジン３の負荷状態に応じてＥＣＵ２により制御されることによって、ＥＧＲ管１４ａのＥＧＲ通路切替え弁１５ｂよりも下流側の部分を、低温側通路１４ｄと高温側通路１４ｃに選択的に切り替える。

以上の構成により、ＥＧＲ通路切替え弁１５ｂが低温側通路１４ｄに切り替えられている場合には、ＥＧＲガスは、低温側通路１４ｄに通されることによりＥＧＲクーラ１５ｃで冷却された後、吸気管４に還流する。一方、ＥＧＲ通路切替え弁１５ｂが高温側通路１４ｃに切り替えられている場合には、ＥＧＲガスは、高温側通路１４ｃを介し、冷却されることなくそのまま吸気管４に還流する。

また、排気管５の過給機８よりも下流側には、上流側から順に、三元触媒１６およびＮＯｘ触媒１７（ＮＯｘ捕捉材）が設けられている。三元触媒１６は、ストイキ雰囲気下において、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化するとともに、ＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する。ＮＯｘ触媒１７は、排ガス中の酸素濃度が高い場合において、排ガス中のＮＯｘを捕捉（吸収）するとともに、酸素濃度が低い還元雰囲気において、排ガス中の還元剤により、捕捉したＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する。ＮＯｘ触媒１７には、その温度（以下「ＮＯｘ触媒温度」という）ＴＬＮＣを検出するＮＯｘ触媒温度センサ３６が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２に出力される。

さらに、排気管５の三元触媒１６のすぐ上流側および下流側には、第１ＬＡＦセンサ３３および第２のＬＡＦセンサ３４がそれぞれ設けられている。第１および第２のＬＡＦセンサ３３，３４はそれぞれ、リッチ領域からリーン領域までの広範囲な空燃比の領域において排ガス中の酸素濃度ＶＬＡＦ１，ＶＬＡＦ２をリニアに検出する。ＥＣＵ２は、第１ＬＡＦセンサ３３で検出された酸素濃度ＶＬＡＦ１に基づいて、燃焼室３ｃで燃焼した実際のガスの空燃比を表す実空燃比Ａ／ＦＡＣＴを算出する。また、排気管４のＥＧＲ管１４ａと過給機８の間には、排気温ＴＥＸＨを検出する排気温センサ３７（温度状態判定手段）が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２に出力される。ＥＣＵ２にはさらに、アクセル開度センサ３５から、アクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が出力され、外気温センサ３８から、外気温ＴＡＴを表す検出信号が出力される。

ＥＣＵ２は、本実施形態において、ＮＯｘ捕捉量算出手段、温度状態判定手段およびＮＯｘ還元許可手段を構成するものであり、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されている（いずれも図示せず）。前述した各種センサ３０〜３８からの検出信号はそれぞれ、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。

ＣＰＵは、これらの入力信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、燃料噴射量制御および吸入空気量制御を含むエンジン３の制御を実行する。また、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されたＮＯｘを還元するための還元動作として、リッチスパイクを実行すべきか否かを判定するとともに、ＥＧＲガスの温度を推定し、推定したＥＧＲガスの推定温度に応じてリッチスパイクを実行する。なお、このリッチスパイクは、後述するように、燃料噴射量ＴＯＵＴを増大させるとともに吸入空気量ＱＡを減少させることによって、実空燃比Ａ／ＦＡＣＴをリッチ化することにより、燃焼室３ｃから排出される排ガス中に未燃成分を含ませることにより行われる。

次に、図３を参照しながら、ＥＧＲ管１４ａの切替え制御処理について説明する。本処理は、エンジン３の負荷状態に応じて、ＥＧＲ管１４ａを、低温側通路１４ｄおよび高温側通路１４ｃのいずれに切り替えるかを決定するためのものであり、所定の時間ごとに実行される。

まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、エンジン３が低負荷状態であるか否かを、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて、マップを検索することにより判別する。図４に示すように、このマップでは、エンジン３の回転数および要求トルクＰＭＣＭＤによって低負荷領域と高負荷領域に区分されており、基本的に、要求トルクＰＭＣＭＤが小さいほど、エンジン３は低負荷状態にあると判別される。なお、要求トルクＰＭＣＭＤは、エンジン３に要求されるトルクであり、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって求められる。

ステップ１の答がＹＥＳで、エンジン３が低負荷状態にあるときには、通路切替えフラグＦ＿ＥＧＲＨＯＴを「１」にセットし（ステップ２）、本処理を終了する。このように、通路切替えフラグＦ＿ＥＧＲＨＯＴが「１」にセットされると、ＥＧＲ通路切替え弁１５ｂによってＥＧＲ管１４ａが高温側通路１４ｃに切り替えられ、ＥＧＲガスは高温側通路１４ｃを介して還流する。それにより、低負荷状態では、ＥＧＲガスが冷却されることなくそのまま還流することにより、低温側通路１４ｄを介して還流するときよりも燃焼温度が高くなることによって、安定した燃焼性が確保され、失火が防止される。

一方、前記ステップ１の答がＮＯで、エンジン３が高負荷状態にあるときには、通路切替えフラグＦ＿ＥＧＲＨＯＴを「０」にセットする（ステップ３）。このように、通路切替えフラグＦ＿ＥＧＲＨＯＴが「０」にセットされると、ＥＧＲ管１４ａが低温側通路１４ｄに切り替えられ、ＥＧＲガスは低温側通路１４ｄを介して還流する。それにより、高負荷状態では、ＥＧＲガスが、ＥＧＲクーラー１５ｃで冷却されることにより、高温側通路１４ｃを介して還流するときよりもＥＧＲガスの温度が低下することによって、燃焼温度の上昇が抑制され、ＮＯｘの発生量の低減が図られる。

次いで、図５を参照しながら、ＥＧＲガス温度の推定処理について説明する。本処理では、図３の処理で設定したＥＧＲ管１４ａの切替え状態に応じてＥＧＲガスの温度を推定し、推定温度ＴＥＧＲとして設定するものであり、所定の時間ごとに実行される。

まずステップ１０では、通路切替えフラグＦ＿ＥＧＲＨＯＴが「１」であるか否かを判別する。この答がＮＯで、ＥＧＲ管１４ａが低温側通路１４ｄに切り替えられているときには、排気温ＴＥＸＨと外気温ＴＡＴとの差、および排ガスボリュームＳＶに応じて、図６に示すＴＣＯＯＬＥＲマップを検索することにより、冷却温度ＴＣＯＯＬＥＲを求める（ステップ１１）。この冷却温度ＴＣＯＯＬＥＲは、ＥＧＲガスの温度（排気温ＴＥＸＨ）が、ＥＧＲクーラー１５ｃによってどの程度、冷却されるか、すなわち、ＥＧＲクーラー１５ｃによる冷却によって低下させることが可能なＥＧＲガスの温度幅を表す。また、上記のＴＣＯＯＬＥＲマップでは、冷却温度ＴＣＯＯＬＥＲは、排気温ＴＥＸＨと外気温ＴＡＴとの差が大きいほど、また排ガスボリュームＳＶが小さいほど、ＥＧＲガスが冷却されやすいため、より大きな値に設定されている。なお、排ガスボリュームＳＶは、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量ＱＡに応じ、マップ（図示せず）を検索することにより求められる。

次に、ステップ１２において、排気温ＴＥＸＨから冷却温度ＴＣＯＯＬＥＲを減算した値を、吸気管４に還流するＥＧＲガスの推定温度ＴＥＧＲとして設定する。

一方、前記ステップ１０の答がＹＥＳで、ＥＧＲ管１４ａが高温側通路１４ｃに切り替えられているときには、ＥＧＲガスは排気管４から冷却されることなくそのまま還流するので、排気温ＴＥＸＨを推定温度ＴＥＧＲとして設定する（ステップ１４）。

次いで、ステップ１３において、上記ステップ１２または１４で求めたＥＧＲガスの推定温度ＴＥＧＲのなまし処理を次式（１）によって行った後、本処理を終了する。
ＴＥＲＧ←αＴＥＧＲ（ｎ）＋（１−α）ＴＥＧＲ（ｎ−１）……（１）
ここで、αは１．０未満の所定のなまし係数である。この式（１）から明らかなように、推定温度ＴＥＧＲの今回値ＴＥＧＲ（ｎ）と、前回値ＴＥＧＲ（ｎ−１）との加重平均値が、今回の推定温度ＴＥＧＲとして算出される。

次いで、図７を参照しながら、ＥＧＲ温度条件の判定処理について説明する。本処理は、図５の処理で算出したＥＧＲガスの推定温度ＴＥＧＲに応じて、リッチスパイクの実行条件の１つであるＥＧＲガスの温度条件を判定するものであり、所定の時間ごとに実行される。

まず、ステップ２０において、通路切替えフラグＥ＿ＥＧＲＨＯＴが「１」であるか否かを判別する。この答がＮＯで、ＥＧＲ管１４ａが低温側通路１４ｄに切り替えられているときには、ＥＧＲガスの温度条件が成立しているとして、そのことを表すために温度条件フラグＦ＿ＲＩＣＨＥＧＲを「１」にセットする（ステップ２１）。

次に、ステップ２２において、通路切替えフラグＦ＿ＥＧＲＨＯＴを、その前回値Ｆ＿ＥＧＲＨＯＴＺとしてシフトした後、本処理を終了する。

一方、前記ステップ２０の答がＹＥＳで、ＥＧＲ管１４ａが高温側通路１４ｃに切り替えられているときには、通路切替えフラグＦ＿ＥＧＲＨＯＴが、その前回値Ｆ＿ＥＧＲＨＯＴＺと等しいか否かを判別する（ステップ２３）。この答がＮＯで、前回値Ｆ＿ＥＧＲＨＯＴＺが「０」のとき、すなわち、ＥＧＲ管１４ａが低温側通路１４ｄから高温側通路１４ｃに切り替えられた直後であるときには、図５のステップ１３で求めたそのときの推定温度ＴＥＧＲを、ＥＧＲガス温度の初期値ＴＥＧＲ０として設定する（ステップ２４）。

次に、ステップ２５において、ＥＧＲガスの温度条件が成立していないことを表すために、温度条件フラグＦ＿ＲＩＣＨＥＧＲを「０」にセットした後、前記ステップ２２を実行する。

一方、前記ステップ２３の答がＹＥＳで、通路切替えフラグＦ＿ＥＧＲＨＯＴおよびその前回値Ｆ＿ＥＧＲＨＯＴＺがともに「１」のとき、すなわち、ＥＧＲ管１４ａが高温側通路１４ｃに切り替えられた直後でないときには、そのときの推定温度ＴＥＧＲから初期値ＴＥＧＲ０を減算した値が、所定値ＴＲＥＦ（例えば冷却温度ＴＣＯＯＬＥＲの０．７倍）以上であるか否かを判別する（ステップ２６）。

この答がＮＯで、ＴＥＧＲ−ＴＥＧＲ０＜ＴＲＥＦのとき、すなわち、ＥＧＲ管１４ａが高温側通路１４ｃに切り替えられた後のＥＧＲガスの推定温度ＴＥＧＲの上昇分が、所定値ＴＲＥＦに達していないときには、ＥＧＲガスの温度条件がまだ成立していないとして、上記ステップ２５以降を実行し、温度条件フラグＦ＿ＲＩＣＨＥＧＲを「０」に維持する。

一方、ステップ２６の答がＹＥＳで、ＥＧＲ管１４ａが高温側通路１４ｃに切り替えられた後の推定温度ＴＥＧＲの上昇分が、所定値ＴＲＥＦに達したときには、ＥＧＲ管１４ａの切替え後、ＥＧＲガスの温度条件が成立したとして、上記ステップ２１以降を実行し、温度条件フラグＦ＿ＲＩＣＨＥＧＲを「１」に切り替える。

以上のように、ＥＧＲ管１４ａが低温側通路１４ｄから高温側通路１４ｃに切り替えられた場合には、切替え後のＥＧＲガス温度の上昇分（ＴＥＧＲ−ＴＥＧＲ０）が所定値ＴＲＥＦ以上であると判定されたとき（ステップ２６：ＹＥＳ）に初めて、リッチスパイクの実行条件の１つであるＥＧＲガスの温度条件が成立したと判定される（ステップ２１）。すなわち、ＥＧＲ管１４ａの高温側通路１４ｃへの切替え時にリッチスパイクを実行するときには、切替え後、リッチスパイクの実行がすぐには許可されず、その後、ＥＧＲガスの温度が所定値ＴＲＥＦに相当する温度だけ上昇するのを待って、リッチスパイクの実行が許可される。

次に、図８を参照しながら、リッチスパイクの実行条件の判定処理について説明する。本処理は所定の時間ごとに実行される。まず、ステップ３０では、リッチタイマのタイマ値ＴＭＲＩＣＨが０であるか否かを判別する。このリッチタイマは、リッチスパイクの実行時間を計時するものであり、このタイマ値ＴＭＲＩＣＨは、エンジン３の始動時に０にリセットされるものである。

上記ステップ３０の答がＹＥＳで、ＴＭＲＩＣＨ＝０のときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって、ＮＯｘ排出量ＱＮＯｘを求める（ステップ３１）。ＮＯｘ排出量ＱＮＯｘは、そのときにおける排ガス中のＮＯｘ量を推定したものであり、このマップでは、エンジン回転数ＮＥが大きいほど、および要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、排ガスボリュームＳＶが大きいため、より大きな値に設定されている。

次いで、算出したＮＯｘ排出量ＱＮＯｘをそのときのＮＯｘ排出量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘに加算した値を、今回のＮＯｘ排出量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘ（ＮＯｘ捕捉量）として更新する（ステップ３２）。このＮＯｘ排出量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘは、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されたＮＯｘの量（以下「ＮＯｘ捕捉量」という）に相当する。

次に、アクセル開度ＡＰがほぼ値０、すなわちアクセルペダルが全閉状態にあるか否かを判別する（ステップ３３）。この答がＹＥＳのとき、すなわち、減速中またはアイドル中のときには、リッチスパイクの実行条件が成立していないと判定し、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」にセットした（ステップ３４）後、本処理を終了する。これに伴い、リッチスパイクは実行されず、後述する燃料噴射量制御処理および吸入空気量制御処理において、通常時用のエンジン制御が実行される。

一方、上記ステップ３３の答がＮＯで、減速中およびアイドル中のいずれでもないときには、上記ステップ３２で求めたＮＯｘ排出量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘが、判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦ（所定値）以上であるか否かを判別する（ステップ３５）。

この判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦは、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣに応じ、図９に示すテーブルを検索することによって算出される。同テーブルでは、判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦは、ＴＬＮＣ≦第１所定値Ｔ１（例えば２００℃）では第１判定値ＳＱ１に設定され、Ｔ１＜ＴＬＮＣ＜第２所定値Ｔ２（例えば４００℃）では、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが高いほど、より大きな値にリニアに設定され、ＴＬＮＣ≧Ｔ２では第１判定値ＳＱ１よりも大きな第２判定値ＳＱ２に設定されている。これは、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが低いほど、また、ＮＯｘ捕捉量が多いほど、ＮＯｘの還元率が低下するので、これに対応させるためである。

上記ステップ３５の答がＮＯで、Ｓ＿ＱＮＯｘ＜Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦのときには、ＮＯｘ捕捉量が比較的小さいため、リッチスパイクの実行条件が成立していないと判定し、前記ステップ３４を実行する。

一方、前記ステップ３５の答がＹＥＳで、Ｓ＿ＱＮＯｘ≧Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦのときには、図７の処理でセットした温度条件フラグＦ＿ＲＩＣＨＥＧＲが「１」であるか否かを判別する（ステップ３６）。

この答がＮＯのときには、ＥＧＲガスの温度条件が成立しておらず、リッチスパイクの実行条件が成立していないとして、前記ステップ３４を実行し、リッチスパイクフラグＥ＿ＲＩＣＨを「０」にセットする。一方、上記ステップ３６の答がＹＥＳで、ＥＧＲガスの温度条件が成立しているときには、リッチスパイクの実行条件が成立していると判定し、次のステップ３７以降を実行する。

このステップ３７では、ＮＯｘ排出量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘを値０にリセットし、次いで、リッチタイマのタイマ値ＴＭＲＩＣＨを所定時間ＴＲＯ（例えば５ｓｅｃ）にセットする（ステップ３８）。次に、リッチスパイクの実行条件が成立していることを表すために、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「１」にセットする（ステップ３９）。これに伴い、後述する燃料噴射量制御処理および吸入空気量制御処理においてリッチスパイク用のエンジン制御が実行され、それにより、リッチスパイクが実行される。なお、上記の所定時間ＴＲＯは、リッチスパイクによりＮＯｘを還元するのに十分な時間に設定されている。

次に、リッチタイマのタイマ値ＴＭＲＩＣＨをダウンカウントし（ステップ４０）、本処理を終了する。タイマ値ＴＭＲＩＣＨは、このステップ４０によってのみ、ダウンカウントされる。

一方、上記ステップ３８の実行により前記ステップ３０の答がＮＯとなり、その場合には、アクセル開度のなまし値ＡＰＡＶＥを次式（２）によって算出する（ステップ４１）。
ＡＰＡＶＥ←α・ＡＰ＋（１−α）ＡＰＡＶＥ ……（２）
ここで、αは１．０未満の所定のなまし係数である。

次いで、算出されたなまし値ＡＰＡＶＥがほぼ値０であるか否かを判別する（ステップ４２）。この答がＮＯのときには、前記ステップ３９以降を実行し、リッチスパイクを継続するとともに、タイマ値ＴＭＲＩＣＨをダウンカウントする。

一方、このステップ４２の答がＹＥＳで、上記のようにして算出されたなまし値ＡＰＡＶＥがほぼ値０のとき、すなわちリッチスパイクの実行中、アクセル開度ＡＰが全閉状態になるとともに、その状態が継続しているときには、エンジン３の減速またはアイドル運転が行われたとして、リッチスパイクの実行条件が成立していないと判定する。そして、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」にセットした（ステップ４３）後、本処理を終了する。

次に、燃料噴射量制御処理および吸入空気量制御処理についてそれぞれ説明する。これらの処理は、図８の処理で判定されたリッチスパイクの実行条件の成否に応じて行われる。

図１０は、燃料噴射量の制御処理を示している。本処理では、リッチスパイクの実行条件の成否に応じて、燃料噴射量ＴＯＵＴを制御する。まず、ステップ５０において、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。

この答がＮＯで、リッチスパイクの実行条件が成立していないときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて、通常時用のマップ（図示せず）を検索することにより、通常時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＮを求め（ステップ５１）、続くステップ５２において、ステップ５１で求めた通常時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＮを、燃料噴射量ＴＯＵＴとして設定し、本処理を終了する。

一方、前記ステップ５０の答がＹＥＳで、リッチスパイクの実行条件が成立しているときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて、リッチスパイク時用のマップ（図示せず）を検索することにより、リッチスパイク時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＲＩＣＨを求める（ステップ５３）。このリッチスパイク時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＲＩＣＨは、通常時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＮよりも大きな値に設定されている。

次に、ステップ５４において、上記ステップ５３で求めたリッチスパイク時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＲＩＣＨを燃料噴射量ＴＯＵＴとして設定し、本処理を終了する。

次に、図１１を参照しながら、吸入空気量の制御処理について説明する。本処理では、リッチスパイクの実行条件の成否に応じて、スロットル弁開度ＴＨを制御することによって、吸入空気量ＱＡを制御する。まず、ステップ６０において、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。

この答がＮＯで、リッチスパイクの実行条件が成立していないときには、目標スロットル弁開度ＴＭＣＭＤを全開開度ＴＨＷＯＴに設定し（ステップ６１）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ６０の答がＹＥＳで、リッチスパイクの実行条件が成立しているときには、エンジン３の運転状態に応じて、リッチスパイク時用の目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤを決定し（ステップ６２）、本処理を終了する。

以上のように、リッチスパイクは、燃料噴射量制御処理および吸入空気量制御処理において、通常時よりも、燃料噴射量ＴＯＵＴを増大させるとともに、スロットル弁１２の制御により吸入空気量ＱＡを減少させることによって行われる。なお、吸入空気量ＱＡの制御を、上記のようなスロットル弁１２の制御に代えて、またはそれとともに、過給装置７、スワール装置１２やＥＧＲ装置１４を制御することによって行ってもよい。

以上のように、本実施形態の排ガス浄化装置によれば、ＥＧＲ管１４ａが低温側通路１４ｄから高温側通路１４ｃに切り替えられた場合には、ＥＧＲガスの推定温度ＴＥＧＲが初期値ＴＥＧＲ０から所定値ＴＲＥＦだけ上昇したとき（ステップ２６：ＹＥＳ）に、ＥＧＲガスの温度条件が成立していると判定される（ステップ２１）とともに、他の条件が成立することによって、リッチスパイクの実行が許可される（ステップ３９）。それにより、ＥＧＲガスが確実に所定の高温状態になった状態でリッチスパイクが実行されることによって、混合気の安定した着火性と燃焼を確保できるので、リッチスパイクの実行時における失火を確実に回避でき、良好なドライバビリティを確保することができる。

次に、図１２を参照しながら、第２実施形態によるＥＧＲ温度条件の判定処理について説明する。

この判定処理では、まず、ステップ７０において、図３の処理で設定された通路切替えフラグＥ＿ＥＧＲＨＯＴが「１」であるか否かを判別する。この答がＮＯで、ＥＧＲ管１４ａが低温側通路１４ａ側に切り替えられているときには、ＥＧＲガスの温度条件が成立しているとして、温度条件フラグＦ＿ＲＩＣＨＥＧＲを「１」にセットした（ステップ７１）後、本処理を終了する。

一方、上記ステップ７０の答がＹＥＳで、ＥＧＲ管１４ａが高温側通路１４ｃに切り替えられているときには、ＥＧＲガスの推定温度ＴＥＧＲが所定温度ＴＲＥＦ２（例えば２５０℃）以上であるか否かを判別する（ステップ７２）。

この答がＮＯで、推定温度ＴＥＧＲが、まだ所定温度ＴＲＥＦ２まで上昇していないときには、温度条件フラグＦ＿ＲＩＣＨＥＧＲを「０」にセットし（ステッ７３）、本処理を終了する。

一方、上記ステップ７２の答がＹＥＳで、推定温度ＴＥＧＲが所定温度ＴＲＥＦ２に達したときには、ＥＧＲガスの温度条件が成立したとして、上記ステップ７１を実行し、温度条件フラグＦ＿ＲＩＣＨＥＧＲを「１」にセットする。

以上のように、前述した第１実施形態では、ＥＧＲ管１４ａの切替え後の推定温度ＴＥＧＲの上昇分が、所定値ＴＲＥＦ以上になったときにＥＧＲガスの温度条件が成立したと判定するのに対し、本実施形態では、ＥＧＲ管１４ａの切替え後の推定温度ＴＥＧＲ自体が所定温度ＴＲＥＦ２に達したときに、ＥＧＲガスの温度が所定の高温状態になったとして、ＥＧＲガスの温度条件が成立していると判定し、リッチスパイクの実行を許可する。したがって、本実施形態においても、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に、図１３を参照しながら、第３実施形態によるＥＧＲ温度条件の判定処理について説明する。図７との比較から明らかなように、本実施形態の判定処理は、第１実施形態のそれと比較して、その処理内容が部分的にのみ異なるので、第１実施形態と同じ実行内容の部分については同じステップ番号を付すとともに、異なる実行内容の部分を中心として説明を行うものとする。

この判定処理では、ステップ２３の答がＮＯで、ＥＧＲ管１４ａが低温側通路１４ｄから高温側通路１４ｃに切り替えられた直後であるときには、ダウンカウント式のディレイタイマのタイマ値ＴＭＤＬＹを所定時間ＴＤＯ（例えば１ｓｅｃ）にセットした（ステップ８４）後、ステップ２５を実行する。一方、ステップ２３の答がＹＥＳで、ＥＧＲ管１４ａが高温側通路１４ｃに切り替えられた直後でないときには、ディレイタイマＴＭＤＬＹのタイマ値が値０であるか否かを判別する（ステップ８６）。

この答がＮＯのとき、すなわち、ＥＧＲ管１４ａが高温側通路１４ｃに切り替えられた後、所定時間ＴＤＯが経過していないときには、前記ステップ２５を実行し、温度条件フラグＦ＿ＲＩＣＨＥＧＲを「０」に維持する。

一方、ステップ８６の答がＹＥＳで、ＥＧＲ管１４ａが高温側通路１４ｃに切り替えられた後、所定時間ＴＤＯが経過したときには、ＥＧＲガスの温度が十分に上昇し、所定の高温状態になったとして、ステップ２１を実行し、温度条件フラグＦ＿ＲＩＣＨＥＧＲを「１」に切り替える。

以上のように、前述した実施形態では、ＥＧＲ管１４ａの切替え後の推定温度ＴＥＧＲの上昇分が、所定値ＴＲＥＦになったときにＥＧＲガスの温度条件が成立したと判定するのに対し、本実施形態では、ＥＧＲ管１４ａの切替え後、所定時間ＴＤＯが経過したときに、ＥＧＲガスの温度が十分に上昇し、所定の高温状態になったとして、ＥＧＲガスの温度条件が成立したと判定し、リッチスパイクの実行を許可する。したがって、本実施形態においても、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、ＥＧＲ管１４ａの低温側通路１４ｄにのみＥＧＲクーラー１５ｃが設けられているが、これに限らず、高温側および低温側通路１４ｃ，１４ｄの間でＥＧＲガスの温度差を設定できるものであればよい。例えば、低温側通路１４ｄに冷却能力の大きなＥＧＲクーラー１５ｃを、高温側通路１４ｃに冷却能力の小さなＥＧＲクーラーを設けたものでもよい。また、実施形態では、冷却温度ＴＣＯＯＬＥＲを、排気温ＴＥＸＨと外気温ＴＡＴとの差に応じて求めているが、これに限定されることなく、ＥＧＲクーラー１５ｃが水冷式の場合には、例えば外気温ＴＡＴと冷却水温との差に応じて求めてもよい。

さらに、本発明は、車両に搭載されたディーゼルエンジンに限らず、リーンバーンエンジンなどのガソリンエンジンにも適用することができる。また、本発明は、クランク軸が鉛直方向に配置された船外機などのような船舶推進機用エンジンを含む、様々な産業用の内燃機関に適用できることはもちろんである。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明の排ガス浄化装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。 排ガス浄化装置の一部を示す図である。 ＥＧＲ通路切替え処理を示すフローチャートである。 図３の処理で用いられるエンジンの負荷を判別するためのマップの一例を示す図である。 ＥＧＲガス温度推定処理を示すフローチャートである。 図５の処理で用いられるＴＣＯＯＬＥＲを示す図である。 第１実施形態によるＥＧＲ温度条件判定処理を示すフローチャートである。 リッチスパイク実行判定処理を示すフローチャートである。 図８の処理で用いられるＳ＿ＱＮＯｘＲＥＦテーブルの一例を示す図である。 燃料噴射量制御を示すフローチャートである。 吸入空気量制御を示すフローチャートである。 第２実施形態によるＥＧＲ温度条件判定処理を示すフローチャートである。 第３実施形態によるＥＧＲ温度条件判定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ ＥＣＵ（ＮＯｘ捕捉量算出手段手段，温度状態判定手段、ＮＯｘ還元許 可手段）
３ エンジン（内燃機関）
４ 吸気管（吸気系）
５ 排気管（排気系）
６ インジェクタ（ＮＯｘ還元手段）
１２ スロットル弁（ＮＯｘ還元手段）
１４ａ ＥＧＲ管（ＥＧＲ通路）
１４ｃ 高温側通路
１４ｄ 低温側通路
１５ｂ ＥＧＲ通路切替え弁（ＥＧＲ通路切替え手段）
１７ ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ捕捉材）
３７ 排気温センサ（温度状態判定手段）
Ｓ＿ＱＮＯｘ ＮＯｘ排出量積算値（ＮＯｘ捕捉量）
Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦ 判定値（所定値）

Claims (1)

1. 吸気系および排気系を有する内燃機関から排出された排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置であって、
   前記排気系に設けられ、排ガス中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉材と、
   当該ＮＯｘ捕捉材に捕捉されたＮＯｘ量を、ＮＯｘ捕捉量として算出するＮＯｘ捕捉量算出手段と、
   当該算出されたＮＯｘ捕捉量が所定値に達したときに、前記ＮＯｘ捕捉材に捕捉されたＮＯｘを還元するＮＯｘ還元手段と、
   前記排気系と前記吸気系の間に設けられ、前記排気系から前記吸気系に排ガスの一部をＥＧＲガスとして、より低い温度で還流させる低温側通路と、当該低温側通路よりも高い温度で還流させる高温側通路と、を有するＥＧＲ通路と、
   当該ＥＧＲ通路を前記低温側通路と前記高温側通路に切り替えるＥＧＲ通路切替え手段と、
   ＥＧＲガスが所定の高温状態にあるか否かを判定する温度状態判定手段と、
   前記ＥＧＲ通路切替え手段によって前記ＥＧＲ通路が前記低温側通路から前記高温側通路に切り替えられた場合において、前記温度状態判定手段によって前記ＥＧＲガスが前記所定の高温状態にあると判定されたときにのみ、前記ＮＯｘ還元手段によるＮＯｘの還元を許可するＮＯｘ還元許可手段と、
   を備えていることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。

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