JP4845762B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガス浄化装置に関し、特に、内燃機関の排気系に設けられ、内燃機関から排出された排ガス中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ触媒を備える排ガス浄化装置に関する。

従来のこの種の内燃機関の排ガス浄化装置、例えば、ディーゼルエンジン（以下「エンジン」という）の排ガス浄化装置として、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では、ＮＯｘ触媒のＮＯｘの捕捉能力を回復させ、ＮＯｘ触媒を再生するために、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘを還元し、放出させるためのＮＯｘ還元制御処理が、次のようにして行われる。すなわち、目標当量比を１．０以上のリッチな値に算出し、算出した目標当量比やエンジンの負荷に応じて、目標吸入空気量を算出するとともに、吸入空気量を、算出した目標吸入空気量になるように制御する。また、上記の目標当量比と検出した吸入空気量に応じて、エンジンの燃料噴射量を算出する。以上により、ＮＯｘ触媒に流入する排ガスの還元状態を所定の還元状態に制御することにより、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘを還元し、放出させることによって、ＮＯｘ触媒が再生される。

また、目標吸入空気量が制御可能な最小の吸入空気量よりも小さいために、目標吸入空気量に吸入空気量を制御できず、排ガスを還元状態に十分に制御できない場合には、その不足分が、ポスト噴射によって、すなわち内燃機関の膨張行程や排気行程中に燃料を噴射することによって補われる。さらに、目標吸入空気量と吸入空気量との偏差が大きい過渡運転時には、ＮＯｘ還元制御処理を行わず、燃料噴射量を、吸入空気量に応じることなく、エンジンの負荷に応じて算出する。これにより、上記のような過渡運転時に、燃料噴射量が過大または過小に算出されることに起因してトルク変動が発生するのを、防止するようにしている。

ポスト噴射により膨張行程や排気行程中に噴射された燃料は、エンジンでは燃焼せずに、ＮＯｘ触媒を含む排気系で燃焼し、それにより、ＮＯｘ触媒が昇温される。このため、ポスト噴射される燃料量（以下「ポスト噴射量」という）が増加すると、それに応じて、ＮＯｘ触媒の温度が高くなる。一方、従来の排ガス浄化装置では、上述したように、ＮＯｘ還元制御処理の実行中、吸入空気量に応じて算出した燃料噴射量がポスト噴射される。このため、例えば、ＮＯｘ触媒の温度が非常に高い場合において、内燃機関の負荷が増加するのに伴って吸入空気量が増加したときには、それに応じてポスト噴射量が増加するのに伴い、ＮＯｘ触媒が極めて高温になり、溶損するおそれがある。

また、この種のＮＯｘ触媒は次のような特性を有している。すなわち、ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘだけでなく、排ガス中のＳＯｘをも捕捉し、捕捉したＳＯｘの量が大きくなると、そのＮＯｘの捕捉能力が低下する。また、ＮＯｘ触媒は、その温度が比較的高い所定温度範囲にあり、かつ排ガスの還元状態が所定の還元状態であるときに、この捕捉したＳＯｘを還元し、放出するという特性を有している。このため、ＮＯｘ触媒の温度などの制御により、捕捉したＳＯｘを還元し、放出させることでＮＯｘ触媒を再生するＳＯｘ還元制御処理が知られている。

このＳＯｘ還元制御処理を、上述した従来の排ガス浄化装置のＮＯｘ還元制御処理と同様にして行った場合には、吸入空気量に応じて算出した燃料噴射量がポスト噴射される。このため、そのようなＳＯｘ還元制御処理の実行中、吸入空気量が減少するのに応じて、ポスト噴射量が減少することにより、ＮＯｘ触媒の温度が上記の所定温度範囲を下回る場合があり、その場合には、ＳＯｘを適切に還元し、放出させることができず、ＮＯｘ触媒を適切に再生することができない。

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、ＮＯｘ触媒の温度を適切に制御し、良好なドライバビリティを確保しながら、ＮＯｘ触媒を適切に再生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２００２−３７１８８９号公報

上記の目的を達成するため、請求項１に係る内燃機関３の排ガス浄化装置１は、内燃機関３の排気系（実施形態における（以下、本項において同じ）排気管５）に設けられ、排ガス中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ触媒１６と、ＮＯｘ触媒１６に流入する排ガスの還元状態（排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴ）を検出する排ガス還元状態検出手段（第１ＬＡＦセンサ３４）と、内燃機関３の出力を得るための主燃料を供給する主燃料供給手段（インジェクタ６、ＥＣＵ２）と、ＮＯｘ触媒１６を再生するための副燃料を供給する副燃料供給手段（インジェクタ６、ＥＣＵ２）と、ＮＯｘ触媒１６を再生するための再生動作として、主燃料供給手段から供給される主燃料量（主噴射量ＱＩＮＪ）を制御することによって、検出された排ガスの還元状態を所定の還元状態（還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦ）になるようにフィードバック制御する第１フィードバック制御手段（ＥＣＵ２、ステップ２４〜２８、ステップ３２〜３６）と、再生動作として、副燃料供給手段から供給される副燃料量（ポスト噴射量ＰＯＳＴ）を制御することによって、排ガスの還元状態を所定の還元状態になるようにフィードバック制御する第２フィードバック制御手段（ＥＣＵ２、ステップ４４〜４６）と、ＮＯｘ触媒１６の温度（触媒温度ＴＬＮＣ）を制御する触媒温度制御モード（ステップ２１〜２３、ステップ３１）によって再生動作を実行すべきか否かを判定する再生動作モード判定手段（ＥＣＵ２、ステップ１、２、５）と、再生動作モード判定手段による判定の結果、再生動作を触媒温度制御モードによって実行するときに、第１フィードバック制御手段を選択するとともに、再生動作を触媒温度制御モードによらずに実行するときに、第２フィードバック制御手段を選択する選択手段（ＥＣＵ２、ステップ１、２、５）と、を備え、第１フィードバック制御手段は、排ガスの還元状態を所定の還元状態にフィードバック制御するためのパラメータとして主燃料量を用いるとともに、フィードバック制御の対象から副燃料量を外し、第２フィードバック制御手段は、排ガスの還元状態を所定の還元状態にフィードバック制御するためのパラメータとして副燃料量を用いるとともに、フィードバック制御の対象から主燃料量を外すことを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、内燃機関の出力を得るための主燃料が主燃料供給手段により供給されるとともに、ＮＯｘ触媒を再生するための副燃料が副燃料供給手段により供給される。また、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘなどを還元し、放出させるためのＮＯｘ触媒の再生動作として、第１フィードバック制御手段により、主燃料量を制御することによって、検出された排ガスの還元状態が所定の還元状態になるようにフィードバック（以下「Ｆ／Ｂ」という）制御される。さらに、再生動作として、第２Ｆ／Ｂ制御手段により、副燃料量を制御することによって、排ガスの還元状態が所定の還元状態になるようにＦ／Ｂ制御される。

主燃料は、内燃機関の出力を得るためのものであり、この主燃料が内燃機関で燃焼することによって排ガスが生成されるので、主燃料量が変化するのに応じて、ＮＯｘ触媒に流入する排ガス中の酸素濃度が変化し、排ガスの還元状態が変化する。また、副燃料は、ＮＯｘ触媒を再生するためのものであり、内燃機関で燃焼せずに、ＮＯｘ触媒を含む排気系で燃焼したり、ＮＯｘ触媒に供給されたりするので、副燃料量が変化するのに応じて、排ガス中の酸素濃度が変化し、排ガスの還元状態が変化する。以上のように、主燃料量および副燃料量はいずれも、排ガスの還元状態に比較的大きな影響を及ぼす。したがって、上述した第１フィードバック制御手段による主燃料量の制御および第２フィードバック制御手段による副燃料量の制御のいずれによっても、排ガスの還元状態を所定の還元状態に適切にＦ／Ｂ制御でき、それにより、ＮＯｘ触媒を適切に再生することができる。

また、主燃料は内燃機関の出力を得るために、主として内燃機関で燃焼するので、主燃料量の変化が内燃機関の出力に及ぼす影響は大きく、触媒の温度に及ぼす影響は小さい。一方、副燃料は、内燃機関で燃焼せずに、ＮＯｘ触媒を含む排気系で燃焼するので、副燃料量の変化がＮＯｘ触媒の温度に及ぼす影響は大きく、内燃機関の出力の変化に及ぼす影響は小さい。

本発明によれば、ＮＯｘ触媒の再生動作を、ＮＯｘ触媒の温度を制御する触媒温度制御モードによって実行すべきか否かが判定されるとともに、触媒温度制御モードによって実行するときには、第１Ｆ／Ｂ制御手段が選択され、排ガスの還元状態を所定の還元状態にＦ／Ｂ制御するためのパラメータとして、主燃料量が用いられる。これにより、排ガスの還元状態を所定の還元状態に適切にＦ／Ｂ制御できるとともに、上記のようにＮＯｘ触媒の温度への影響が大きい副燃料量を、Ｆ／Ｂ制御の対象から外すことによって、このＦ／Ｂ制御に伴って副燃料量が変化することがなくなり、それにより、ＮＯｘ触媒の温度を適切に制御することができる。

一方、ＮＯｘ触媒の再生動作を触媒温度制御モードによらずに実行するときには、第２Ｆ／Ｂ制御手段が選択され、排ガスの還元状態をＦ／Ｂ制御するパラメータとして、副燃料量が用いられる。これにより、排ガスの還元状態を所定の還元状態に適切にＦ／Ｂ制御できるとともに、上記のように内燃機関の出力への影響が大きい主燃料量を、Ｆ／Ｂ制御の対象から外すことによって、このＦ／Ｂ制御に伴って主燃料量が変化することがなくなり、それにより、内燃機関の負荷などに応じた所望の出力を得ることができ、良好なドライバビリティを確保することができる。なお、本明細書における「検出」は、演算による「算出」や「推定」を含むものとする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の排ガス浄化装置１において、内燃機関３の負荷（要求トルクＰＭＣＭＤ）を検出する負荷検出手段（ＥＣＵ２）をさらに備え、再生動作モード判定手段は、検出された内燃機関３の負荷が所定の高負荷領域にあるとき（ステップ５：ＹＥＳ）に、再生動作を触媒温度制御モードによって実行すべきと判定することを特徴とする。

内燃機関の負荷が所定の高負荷領域にあるときには、排ガスの温度が高く、ＮＯｘ触媒の温度は比較的高い。また、請求項１に関して述べたように、再生動作として、第１Ｆ／Ｂ制御手段を選択することにより、ＮＯｘ触媒の温度を適切に制御しながら、ＮＯｘ触媒を再生できる。この構成によれば、内燃機関が所定の高負荷領域にあるときには、再生動作を触媒温度制御モードによって実行すべきと判定し、それに応じて、第１Ｆ／Ｂ制御手段を選択するので、再生動作の実行中、ＮＯｘ触媒の過熱による溶損を防止することできる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の排ガス浄化装置１において、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＳＯｘを還元し、放出させるために再生動作を実行すべきか否かを判定するＳＯｘ再生動作判定手段（ＥＣＵ２、ステップ１）をさらに備え、再生動作モード判定手段は、ＳＯｘ再生動作判定手段により再生動作を実行すべきと判定されたとき（ステップ１：ＹＥＳ）に、再生動作を触媒温度制御モードによって実行すべきと判定することを特徴とする。

この構成によれば、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＳＯｘを還元し、放出させるために再生動作を実行すべきと判定されたときには、第１Ｆ／Ｂ制御手段が選択される。この種のＮＯｘ触媒は、その温度が比較的高い所定温度範囲にあり、かつ排ガスが所定の還元状態にあるときに、捕捉したＳＯｘを還元し、放出するという特性を有している。本発明によれば、ＳＯｘ還元用に再生動作を実行すべきときに、第１Ｆ／Ｂ制御手段を選択するので、ＮＯｘ触媒の温度をＳＯｘの還元に最適な上記の所定温度範囲に制御するとともに、排ガスを所定の還元状態にＦ／Ｂ制御することができ、それにより、ＳＯｘを適切に還元し、放出させることができる。

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

エンジン３の各気筒のピストン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および排気管５（排気系）が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（主燃料供給手段、副燃料供給手段）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の燃料噴射量および噴射時期は、排ガス浄化装置１の後述する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）付近の所定の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。

エンジン３には、過給装置７が設けられており、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り、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、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、それにより、吸入空気量が制御される。

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。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。

また、エンジン３には、ＥＧＲ管１３ａおよびＥＧＲ制御弁１３ｂを有するＥＧＲ装置１３が設けられている。ＥＧＲ管１３ａは、吸気管４のスロットル弁１２よりも下流側と排気管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１３ａ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１３ｂは、ＥＧＲ管１３ａ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がＥＣＵ２からの駆動信号により制御されることによって、ＥＧＲガス量が制御される。

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１４、フィルタ１５、およびＮＯｘ触媒１６が設けられている。三元触媒１４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。フィルタ１５は、排ガス中の煤などのパティキュレート（以下「ＰＭ」という）を捕集することによって、大気中に排出されるＰＭを低減する。なお、三元触媒１４に代えて、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化することによって排ガスを浄化する酸化触媒を用いてもよい。

上記のＮＯｘ触媒１６は、排ガス中の酸素濃度が排ガス中に含まれるＨＣやＣＯなどの還元剤の濃度よりも高い酸化雰囲気下において、排ガス中のＮＯｘを捕捉し、逆に、排ガス中の還元剤の濃度が酸素濃度よりも高い還元雰囲気下において、この還元剤により、捕捉したＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する。また、ＮＯｘ触媒１６は、排ガス中のＳＯｘを捕捉する一方、その温度が比較的高い所定の還元温度（例えば５００℃）以上で、かつ排ガスが還元雰囲気である場合には、排ガス中の還元剤により、捕捉したＳＯｘを還元し、放出する。

さらに、ＮＯｘ触媒１６には、その温度（以下「触媒温度」という）ＴＬＮＣを検出するＮＯｘ触媒温度センサ３３が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２に出力される。また、排気管５のＮＯｘ触媒１６のすぐ上流側および下流側には、第１および第２のＬＡＦセンサ３４，３５が設けられている。第１および第２のＬＡＦセンサ３４，３５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をリニアに検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。以下、第１ＬＡＦセンサ３４で検出された排ガス中の酸素濃度を「排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴ」といい、第２ＬＡＦセンサ３５で検出された排ガス中の酸素濃度を「下流側排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴＤ」という。本実施形態では、第１ＬＡＦセンサ３４が排ガス還元状態検出手段に、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴが排ガスの還元状態に、それぞれ相当する。

ＥＣＵ２にはさらに、アクセル開度センサ３６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る。

ＥＣＵ２は、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。前述した各種のセンサ３０〜３６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。また、ＥＣＵ２は、これらの検出信号に応じ、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、インジェクタ６の燃料噴射量や吸入空気量ＱＡの制御を含むエンジン制御を実行する。

また、ＥＣＵ２は、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＮＯｘやＳＯｘを還元し、放出させることにより、ＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ捕捉能力を回復させ、ＮＯｘ触媒１６を再生するための還元制御を実行する。この還元制御では、基本的に、エンジン３の出力を得るためにインジェクタ６から圧縮行程中に燃料を噴射する主噴射に加え、ＮＯｘやＳＯｘの還元用に、膨張行程から排気行程までの間の所定のタイミングでインジェクタ６から燃料を噴射するポスト噴射が行われる。

また、本実施形態では、ＥＣＵ２が、主燃料供給手段、副燃料供給手段、第１フィードバック制御手段、第２フィードバック制御手段、再生動作モード判定手段、選択手段、負荷検出手段、およびＳＯｘ再生動作判定手段に相当する。

図３は、上記の還元制御を含むエンジン制御処理を示している。まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＳＯｘを還元し、放出させるためにＳＯｘ還元制御を実行すべきであるか否かを判定する。この判定は、次の（ａ）〜（ｃ）の条件がすべて成立しているときに、ＳＯｘ還元制御を実行すべきであると判定される。
（ａ）上記の主噴射による燃料量（以下「主噴射量」という）ＱＩＮＪ（主燃料量）の積算値が所定値以上であること
（ｂ）フィルタ１５を再生するための再生制御処理の実行条件
（ｃ）排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴと下流側排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴＤとの関係に基づく所定の条件

上記ステップ１の答がＮＯで、ＳＯｘ還元制御を実行すべきでないときには、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＮＯｘを還元し、放出させるためにＮＯｘ還元制御を実行すべきであるか否かを判定する（ステップ２）。この判定は次のようにして行われる。すなわち、エンジン回転数ＮＥおよびエンジン３に要求される要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、ＮＯｘ捕捉量マップ（図示せず）を検索することによって、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＮＯｘの捕捉量を算出し、積算する。そして、積算したＮＯｘ捕捉量が所定の判定値よりも大きいときには、ＮＯｘ還元制御を実行すべきであると判定される。

上記の要求トルクＰＭＣＭＤは、図４に示す要求トルク算出処理のステップ１１において、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算出される。

上記ステップ２の答がＮＯのとき、すなわち、ＳＯｘ還元制御およびＮＯｘ還元制御をいずれも実行すべきでないときには、通常制御処理を実行し（ステップ３）、本処理を終了する。

この通常制御処理は次のようにして実行される。すなわち、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、ＬＱＩＮＪマップ（図示せず）を検索することによって、通常用噴射量ＬＱＩＮＪを算出し、主噴射量ＱＩＮＪとして設定する。そして、設定した主噴射量ＱＩＮＪ分の燃料を、インジェクタ６から圧縮行程中に噴射する。

また、吸入空気量ＱＡを次のようにして制御する。まず、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、目標吸入空気量を算出する。次に、算出した目標吸入空気量に吸入空気量ＱＡがなるように、スロットル弁開度ＴＨや、過給圧、ＥＧＲガス量を制御する。以上により、通常制御処理では、エンジン３に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーン側に制御される。

一方、前記ステップ１の答がＹＥＳで、ＳＯｘ還元制御を実行すべきであるときには、ＳＯｘ還元制御処理を実行し（ステップ４）、本処理を終了する。このＳＯｘ還元制御処理では、次の点に着目し、主噴射量ＱＩＮＪと前述したポスト噴射による燃料量（以下「ポスト噴射量」という）ＱＰＯＳＴ（副燃料量）を、以下のようにして算出する。

すなわち、吸入空気量ＱＡが一定の場合、図６に示すように、主噴射量ＱＩＮＪが変化すると、それに応じて、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴおよびエンジントルクＴＲＱが変化するのに対し、触媒温度ＴＬＮＣはほとんど変化しない。このように、主噴射量ＱＩＮＪが排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴおよびエンジントルクＴＲＱに及ぼす影響はいずれも大きく、触媒温度ＴＬＮＣに及ぼす影響は小さい。

また、ポスト噴射は、膨張行程または排気行程において行われるので、ポスト噴射された燃料は、エンジン３で燃焼せずに、三元触媒１４などで燃焼したり、ＮＯｘ触媒１６に供給されたりする。このため、吸入空気量ＱＡが一定の場合、図７に示すように、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴが変化すると、それに応じて、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴおよび触媒温度ＴＬＮＣが変化するのに対し、エンジントルクＴＲＱはほとんど変化しない。このように、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴが排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴおよび触媒温度ＴＬＮＣに及ぼす影響はいずれも大きく、エンジントルクＴＲＱに及ぼす影響は小さい。

以上の点に着目し、ＳＯｘ還元制御処理では、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴへの影響が大きく、かつ触媒温度ＴＬＮＣへの影響が小さい主噴射量ＱＩＮＪを、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴが所定の還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦ（所定の還元状態）になるように算出する。また、触媒温度ＴＬＮＣへの影響が大きいポスト噴射量ＱＰＯＳＴを、触媒温度ＴＬＮＣが目標温度ＴＣＭＤになるように算出する。この還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦは、排ガスが前述した還元雰囲気にあるときに得られる排ガス中の酸素濃度を実験により求めたものであり、例えば、エンジン３で燃焼する混合気の空燃比が１２〜１４．５までの所定値である場合に得られる排ガスの酸素濃度に設定されている。また、上記の目標温度ＴＣＭＤは、前述した還元温度よりも高く、ＮＯｘ触媒１６が溶損しないような温度、例えば５５０℃に設定されている。以下、このＳＯｘ還元制御処理について、図８を参照しながら説明する。

まず、ステップ２１では、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、ＱＰＢマップ（図示せず）を検索することによって、基本ポスト噴射量ＱＰＢを算出する。次いで、触媒温度ＴＬＮＣと目標温度ＴＣＭＤとの偏差に基づき、所定のＦ／Ｂ制御アルゴリズムによって、Ｆ／Ｂ補正係数ＫＴＬを算出する（ステップ２２）。次に、算出したＦ／Ｂ補正係数ＫＴＬを基本ポスト噴射量ＱＰＢに乗算することにより、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴを算出するとともに、算出したポスト噴射量ＱＰＯＳＴ分の燃料を、膨張行程中または排気行程中にインジェクタ６から噴射する（ステップ２３）。

次いで、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、前述したＬＱＩＮＪマップ（図示せず）を検索することによって、通常用噴射量ＬＱＩＮＪを算出する（ステップ２４）。次に、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、ＦＦＡマップ（図示せず）を検索することによって、正値であるＦ／Ｆ加算項ＦＦＡを算出する（ステップ２５）。次いで、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴと還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦとの偏差に基づき、所定のフィードバック（以下「Ｆ／Ｂ」という）制御アルゴリズムによって、Ｆ／Ｂ補正係数ＫＡＦを算出する（ステップ２６）。

次に、算出した通常用噴射量ＬＱＩＮＪ、Ｆ／Ｆ加算項ＦＦＡ、およびＦ／Ｂ補正係数ＫＡＦを用い、次式（１）によって、再生時用全体噴射量ＱＡＩを算出する（ステップ２７）。
ＱＡＩ＝（ＬＱＩＮＪ＋ＦＦＡ）×ＫＡＦ ……（１）
次いで、算出した再生時用全体噴射量ＱＡＩから、上記ステップ２３で算出したポスト噴射量ＱＰＯＳＴを減算することによって、主噴射量ＱＩＮＪを算出する（ステップ２８）とともに、吸入空気量ＱＡを前述した通常制御処理と同様の手法により制御し（ステップ２９）、本処理を終了する。

以上のように、ＳＯｘ還元制御処理では、上記ステップ２４〜２８の算出手法から明らかなように、主噴射量ＱＩＮＪが、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴを還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦにＦ／Ｂ制御するためのＦ／Ｂ補正係数ＫＡＦに応じて制御される。これにより、エンジン３に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に制御されるとともに、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴが、還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦになるようにＦ／Ｂ制御される。また、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴが、触媒温度ＴＬＮＣを目標温度ＴＣＭＤにＦ／Ｂ制御するためのＦ／Ｂ補正係数ＫＴＬに応じて制御される。これにより、触媒温度ＴＬＮＣが、目標温度ＴＣＭＤになるようにＦ／Ｂ制御される。本実施形態では、このポスト噴射量ＱＰＯＳＴによる触媒温度ＴＬＮＣの制御が、触媒温度制御モードに相当する。

なお、上記ステップ２９において、吸入空気量ＱＡは、通常制御処理の場合よりも小さな値に制御され、この場合の通常制御処理に対する吸入空気量ＱＡの低減度合は、上記のＦ／Ｆ加算項ＦＦＡに応じて設定されている。また、ＳＯｘ還元制御処理の開始後、所定時間が経過したときには、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＳＯｘがすべて放出し、ＮＯｘ触媒１６の再生が完了したと判定されるとともに、前述したＳＯｘ還元制御の実行を判定するのに用いられる（ａ）の条件の主噴射量ＱＩＮＪの積算値が、値０にリセットされる。

また、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴを用いた目標温度ＴＣＭＤへの触媒温度ＴＬＮＣの制御を、上述したＦ／Ｂ制御に代えて、検出した触媒温度ＴＬＮＣに応じることなく、オープン制御により行ってもよい。

一方、前記ステップ２の答がＹＥＳで、ＮＯｘ還元制御を実行すべきであるときには、エンジン３の負荷が所定の高負荷領域にあるか否かを判別する（ステップ５）。この判別は、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、図５に示す負荷判別マップを検索することによって行われる。具体的には、この負荷判別マップでは、高負荷領域とそれ以外の負荷領域が境界線Ｌで区分されており、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤがこの境界線Ｌを上回っている領域が高負荷領域として設定されている。

このステップ５の答がＹＥＳのとき、すなわち、ＮＯｘ還元制御を実行すべきであり、かつエンジン３が高負荷領域にあるときには、比較的高い温度状態にあるＮＯｘ触媒１６がポスト噴射によって過熱し、溶損するのを防止するために、触媒温度ＴＬＮＣを制御すべきであるとして、第１ＮＯｘ還元制御処理を実行し（ステップ６）、本処理を終了する。

この処理では、図６および図７を用いて前述した主噴射量ＱＩＮＪおよびポスト噴射量ＱＰＯＳＴの特性に着目し、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴへの影響が大きく、かつ触媒温度ＴＬＮＣへの影響が小さい主噴射量ＱＩＮＪを、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴが還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦになるように算出する。また、触媒温度ＴＬＮＣへの影響が大きいポスト噴射量ＱＰＯＳＴを、ＮＯｘ触媒１６が過熱しないように算出する。以下、この第１ＮＯｘ還元制御処理について、図９を参照しながら説明する。

まず、ステップ３１では、触媒温度ＴＬＮＣが上限温度ＴＬＮＣＨを下回るようにポスト噴射量ＱＰＯＳＴを算出する。この上限温度ＴＬＮＣＨは、ＮＯｘ触媒１６の溶損や熱による劣化を防止できるような所定の温度、例えば７００℃に設定されている。具体的には、触媒温度ＴＬＮＣが上限温度ＴＬＮＣＨに近いときには、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴを値０に設定し、それ以外のときには、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴを所定値に設定する。

次いで、ステップ３２〜３５では、前記ステップ２４〜２７と同様にして、通常用噴射量ＬＱＩＮＪ、Ｆ／Ｆ加算項ＦＦＡ、Ｆ／Ｂ補正係数ＫＡＦ、および再生時用全体噴射量ＱＡＩをそれぞれ算出する。次に、ステップ３５で算出した再生時用全体噴射量ＱＡＩから、上記ステップ３１で算出したポスト噴射量ＱＰＯＳＴを減算することによって、主噴射量ＱＩＮＪを算出する（ステップ３６）。次いで、吸入空気量ＱＡを前述したＳＯｘ還元制御処理と同様にして制御し（ステップ３７）、本処理を終了する。

以上のように、第１ＮＯｘ還元制御処理では、ＳＯｘ還元制御処理と同様、主噴射量ＱＩＮＪがＦ／Ｂ補正係数ＫＡＦに応じて制御される。これにより、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴが、還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦになるようにＦ／Ｂ制御される。また、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴの制御により、触媒温度ＴＬＮＣが、上限温度ＴＬＮＣＨを下回るように制御される。本実施形態では、このポスト噴射量ＱＰＯＳＴによる触媒温度ＴＬＮＣの制御が、触媒温度制御モードに相当する。

なお、第１ＮＯｘ還元制御処理の開始後、所定時間が経過したときには、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＮＯｘがすべて放出し、ＮＯｘ触媒１６の再生が完了したと判定されるとともに、前述したＮＯｘ還元制御の実行を判定するのに用いられるＮＯｘ捕捉量の積算値が、値０にリセットされる。

一方、前記ステップ５の答がＮＯのとき、すなわち、ＮＯｘ還元制御を実行すべきであり、かつエンジン３が高負荷領域にないときには、ＮＯｘ触媒１６が溶損するおそれがないため、触媒温度ＴＬＮＣを制御する必要がないとして、第２ＮＯｘ還元制御処理を実行し（ステップ７）、本処理を終了する。

この処理では、上述した第１ＮＯｘ還元制御処理と異なり、主噴射量ＱＩＮＪおよびポスト噴射量ＱＰＯＳＴを、良好なドライバビリティを確保するという観点に基づき、次のようにして算出する。すなわち、図６および図７を用いて前述した主噴射量ＱＩＮＪおよびポスト噴射量ＱＰＯＳＴの特性に着目し、エンジントルクＴＲＱへの影響が大きい主噴射量ＱＩＮＪを、要求トルクＰＭＣＭＤに応じて算出する。また、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴへの影響が大きく、かつエンジントルクＴＲＱへの影響が小さいポスト噴射量ＱＰＯＳＴを、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴが還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦになるように算出する。以下、この第２ＮＯｘ還元制御処理について、図１０を参照しながら説明する。

まず、ステップ４１および４２では、前記ステップ２４および２５と同様にして、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、通常用噴射量ＬＱＩＮＪおよびＦ／Ｆ加算項ＦＦＡをそれぞれ算出する。次いで、算出したＬＱＩＮＪ値にＦＦＡ値を加算することによって、主噴射量ＱＩＮＪを算出する（ステップ４３）。次に、前記ステップ２６と同様にして、Ｆ／Ｂ補正係数ＫＡＦを算出する（ステップ４４）。

次いで、ステップ４３で算出した主噴射量ＱＩＮＪに、ステップ４４で算出したＦ／Ｂ補正係数ＫＡＦを乗算することによって、再生時用全体噴射量ＱＡＩを算出する（ステップ４５）。次に、算出した再生時用全体噴射量ＱＡＩから主噴射量ＱＩＮＪを減算することによって、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴを算出する（ステップ４６）とともに、吸入空気量ＱＡを前述したＳＯｘ還元制御処理と同様にして制御し（ステップ４７）、本処理を終了する。

以上のように、第２ＮＯｘ還元制御処理では、主噴射量ＱＩＮＪが、要求トルクＰＭＣＭＤに見合った大きさに制御される。また、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴが、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴのＦ／Ｂ制御用のＦ／Ｂ補正係数ＫＡＦに応じて制御され、それにより、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴが、還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦになるようにＦ／Ｂ制御される。なお、第１ＮＯｘ還元制御処理と同様、第２ＮＯｘ還元制御処理の開始後、所定時間が経過したときには、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＮＯｘがすべて放出し、ＮＯｘ触媒１６の再生が完了したと判定されるとともに、前述したＮＯｘ捕捉量の積算値が、値０にリセットされる。

以上のように、本実施形態によれば、ＮＯｘ還元制御を実行すべきであり、かつエンジン３が高負荷領域にあるときには、第１ＮＯｘ還元制御処理を実行することによって、触媒温度ＴＬＮＣを上限温度ＴＬＮＣＨよりも低くなるように制御しながら、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴを、還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦになるようにＦ／Ｂ制御する。したがって、ＮＯｘ触媒１６が溶損するのを防止できるとともに、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＮＯｘを適切に還元し、放出させることができ、ＮＯｘ触媒１６を適切に再生することができる。

また、ＮＯｘ還元制御を実行すべきであり、かつエンジン３が高負荷領域にないときには、第２ＮＯｘ還元制御処理を実行することによって、主噴射量ＱＩＮＪを要求トルクＰＭＣＭＤに見合った大きさに制御するとともに、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴを、還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦになるようにＦ／Ｂ制御する。したがって、良好なドライバビリティを確保しながら、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＮＯｘを適切に還元し、放出させることができ、ＮＯｘ触媒１６を適切に再生することができる。

さらに、ＳＯｘ還元制御を実行すべきであるときには、ＳＯｘ還元制御処理を実行することによって、触媒温度ＴＬＮＣを目標温度ＴＣＭＤに制御しながら、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴを、還元濃度Ａ／ＥＧＲＥＦになるようにＦ／Ｂ制御する。したがって、ＮＯｘ触媒１６に捕捉されたＳＯｘを適切に還元し、放出させることができ、ＮＯｘ触媒１６を適切に再生することができる。

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、本実施形態では、本発明における副燃料をポスト噴射により供給しているが、排気管５のＮＯｘ触媒１６よりも上流側に燃料噴射弁を設け、この燃料噴射弁により副燃料を供給してもよい。また、本実施形態では、本発明の排ガスの還元状態として、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴを用いているが、排ガスの還元状態を表すパラメータであれば他の適当なものを用いてもよく、例えば排ガス中のＨＣやＣＯの濃度を用いてもよい。さらに、本実施形態では、内燃機関の負荷として、要求トルクＰＭＣＭＤを用いているが、内燃機関の負荷を表すパラメータであれば他の適当なものを用いてもよく、例えばアクセル開度ＡＰを用いてもよい。

また、本実施形態では、触媒温度ＴＬＮＣを、センサにより検出しているが、演算により算出または推定してもよく、例えば、吸入空気量ＱＡや主噴射量ＱＩＮＪ、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴなどに応じて算出または推定してもよい。さらに、本発明は、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や、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することができる。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。

本実施形態による排ガス浄化装置を、これを適用した内燃機関とともに概略的に示す図である。 排ガス浄化装置の一部を概略的に示す図である。 エンジン制御処理を示すフローチャートである。 要求トルク算出処理を示すフローチャートである。 負荷判別マップの一例を示す図である。 主噴射量ＱＩＮＪと、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴ、エンジントルクＴＲＱおよび触媒温度ＴＬＮＣとの関係を示す図である。 ポスト噴射量ＱＰＯＳＴと、排ガス酸素濃度Ａ／ＥＧＡＣＴ、エンジントルクＴＲＱおよび触媒温度ＴＬＮＣとの関係を示す図である。 図３のステップ４のＳＯｘ還元制御処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 図３のステップ６の第１ＮＯｘ還元制御処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 図３のステップ７の第２ＮＯｘ還元制御処理のサブルーチン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（主燃料供給手段、副燃料供給手段、第１フィードバック制御手段、第２
フィードバック制御手段、再生動作モード判定手段、選択手段、負荷検
出手段、ＳＯｘ再生動作判定手段）
３ エンジン
５ 排気管（排気系）
６ インジェクタ（主燃料供給手段、副燃料供給手段）
１６ ＮＯｘ触媒
３４ 第１ＬＡＦセンサ（排ガス還元状態検出手段）
ＱＩＮＪ 主噴射量（主燃料量）
ＱＰＯＳＴ ポスト噴射量（副燃料量）
Ａ／ＥＧＡＣＴ 排ガス酸素濃度（排ガスの還元状態）
ＴＬＮＣ 触媒温度（ＮＯｘ触媒の温度）
ＰＭＣＭＤ 要求トルク（内燃機関の負荷）

Claims (3)

1. 内燃機関の排気系に設けられ、排ガス中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ触媒と、
   当該ＮＯｘ触媒に流入する排ガスの還元状態を検出する排ガス還元状態検出手段と、
   前記内燃機関の出力を得るための主燃料を供給する主燃料供給手段と、
   前記ＮＯｘ触媒を再生するための副燃料を供給する副燃料供給手段と、
   前記ＮＯｘ触媒を再生するための再生動作として、前記主燃料供給手段から供給される主燃料量を制御することによって、前記検出された排ガスの還元状態を所定の還元状態になるようにフィードバック制御する第１フィードバック制御手段と、
   前記再生動作として、前記副燃料供給手段から供給される副燃料量を制御することによって、前記排ガスの還元状態を前記所定の還元状態になるようにフィードバック制御する第２フィードバック制御手段と、
   前記ＮＯｘ触媒の温度を制御する触媒温度制御モードによって前記再生動作を実行すべきか否かを判定する再生動作モード判定手段と、
   当該再生動作モード判定手段による判定の結果、前記再生動作を前記触媒温度制御モードによって実行するときに、前記第１フィードバック制御手段を選択するとともに、前記再生動作を前記触媒温度制御モードによらずに実行するときに、前記第２フィードバック制御手段を選択する選択手段と、を備え、
   前記第１フィードバック制御手段は、前記排ガスの還元状態を前記所定の還元状態にフィードバック制御するためのパラメータとして前記主燃料量を用いるとともに、当該フィードバック制御の対象から前記副燃料量を外し、
   前記第２フィードバック制御手段は、前記排ガスの還元状態を前記所定の還元状態にフィードバック制御するためのパラメータとして前記副燃料量を用いるとともに、当該フィードバック制御の対象から前記主燃料量を外すことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段をさらに備え、
   前記再生動作モード判定手段は、前記検出された内燃機関の負荷が所定の高負荷領域にあるときに、前記再生動作を前記触媒温度制御モードによって実行すべきと判定することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
3. 前記ＮＯｘ触媒に捕捉されたＳＯｘを還元し、放出させるために前記再生動作を実行すべきか否かを判定するＳＯｘ再生動作判定手段をさらに備え、
   前記再生動作モード判定手段は、前記ＳＯｘ再生動作判定手段により前記再生動作を実行すべきと判定されたときに、前記再生動作を前記触媒温度制御モードによって実行すべきと判定することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

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