JP4935928B2

JP4935928B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4935928B2
Application number: JP2010500588A
Authority: JP
Inventors: 悠樹美才治
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: EP2474717A4; EP2474717B1; WO2011027469A1; JPWO2011027469A1; US20110308235A1; US8555621B2; EP2474717A1

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯｘを放出し還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が知られている。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するＮＯｘがＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵される。一方、ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵量が算出され、ＮＯｘ吸蔵量がしきい値を越えると流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチ処理が行われ、それによってＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘが放出され還元される。
この場合、算出されたＮＯｘ吸蔵量が正確でないと、実際のＮＯｘ吸蔵量が少ないにも関わらずリッチ処理が行われて燃料消費量が増大し、又は実際のＮＯｘ吸蔵量が多いにも関わらずリッチ処理が行われずにＮＯｘがＮＯｘ吸蔵還元触媒を通過してしまうおそれがある。すなわち、ＮＯｘ吸蔵量を正確に算出する必要がある。
そこで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵特性を反映させた多項式を用いてＮＯｘ吸蔵量を推定する内燃機関が公知である（特許文献１参照）。

特開２００４−２９３３３８号公報

ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯｘは一酸化窒素ＮＯ，二酸化窒素ＮＯ_２といった成分から構成される。しかしながら、例えばＮＯがＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるメカニズムとＮＯ_２がＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるメカニズムとはまったく同じではない。そうすると、ＮＯｘ吸蔵量を正確に算出するためには、流入排気ガス中のＮＯｘ成分を考慮する必要があるということになる。上述の内燃機関ではこの点についてなんら考慮していない。

本発明によれば、排気通路を有する内燃機関の排気浄化装置であって、排気通路内に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒であって、流入排気ガスの空燃比がリーンのときには流入排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯｘを放出し還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵量を算出するＮＯｘ吸蔵量算出ユニットと、該算出されたＮＯｘ吸蔵量に基づいて排気浄化作用を制御する制御ユニットと、を具備し、流入排気ガスの空燃比がリーンのときに該流入排気ガス中のＮＯｘの成分割合が算出され、該算出されたＮＯｘ成分割合に基づいてＮＯｘ吸蔵量の単位時間当たりの増加分が算出される内燃機関の排気浄化装置が提供される。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵量を更に正確に算出することができる。

図１内燃機関の全体図である。
図２（Ａ）及び２（Ｂ）ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
図３（Ａ），３（Ｂ）及び３（Ｃ）ＮＯ吸蔵速度ＶＮ１のマップを示す図である。
図４（Ａ），４（Ｂ）及び４（Ｃ）ＮＯ_２吸蔵速度ＶＮ２のマップを示す図である。
図５（Ａ）及び５（Ｂ）ＮＯ割合ＰＮ１のマップを示す図である。
図６指標ＩＤＸｐｎのマップを示す図である。
図７指標ＩＤＸｓｔのマップを示す図である。
図８指標ＩＤＸｒｄのマップを示す図である。
図９ＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔの算出ルーチンを示すフローチャートである。
図１０増加分ＮＯＸｉｎの算出ルーチンを示すフローチャートである。
図１１排気浄化制御ルーチンを示すフローチャートである。

図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら、本発明を火花点火式内燃機関に適用することもできる。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電磁制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ｃの出口に連結され、コンプレッサ７ｃの入口は吸気導入管８を介してエアフロメータ９及びエアクリーナ１０に順次連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１１が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１２が配置される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｔの入口に連結され、排気タービン７ｔの出口は排気後処理装置２０に連結される。
各燃料噴射弁３は燃料供給管１３を介してコモンレール１４に連結され、このコモンレール１４は電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１５を介して燃料タンク１６に連結される。燃料タンク１６内の燃料は燃料ポンプ１５によってコモンレール１４内に供給され、コモンレール１４内に供給された燃料は各燃料供給管１３を介して燃料噴射弁３に供給される。なお、コモンレール１４にはコモンレール１４内の燃料圧を検出する燃料圧センサ（図示しない）が取り付けられており、燃料圧センサからの信号に基づきコモンレール１４内の燃料圧が目標圧に一致するように燃料ポンプ１５の燃料吐出量が制御される。
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲという。）通路１７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１７内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１８が配置される。また、ＥＧＲ通路１７周りにはＥＧＲ通路１７内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１９が配置される。
排気後処理装置２０は排気タービン７ｔの出口に連結された排気管２１を具備し、この排気管２１はケーシング２２に連結され、ケーシング２２は排気管２３に連結される。ケーシング２２内の上流側には比較的小容量の前段触媒２４が収容され、下流側には比較的大容量のＮＯｘ吸蔵還元触媒２５が収容される。前段触媒２４は酸化機能を有する触媒、例えば三元触媒から構成される。なお、三元触媒２４とＮＯｘ吸蔵還元触媒２５とを互いに別のケーシング内に収容してもよい。また、三元触媒２４を省略してもよい。
排気管２１には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５に流入する排気ガスの温度を検出する温度センサ２６と、ケーシング２２内への流入排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２７とが取り付けられる。また、ケーシング２２には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の温度である触媒温度を検出する温度センサ２８と、ケーシング２２の前後差圧を検出する差圧センサ２９とが取り付けられる。更に、排気管２３にはケーシング２２からの流出排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ３０が取り付けられる。なお、温度センサ２６によって検出される排気ガスの温度は三元触媒２４の温度を表している。
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。エアフロメータ９、温度センサ２６，２８、空燃比センサ２７，３０、差圧センサ２９の出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５０が接続され、負荷センサ５０の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。さらに、クランクシャフトが例えば３０度回転するごとに出力パルスを発生するクランク角センサ５１が入力ポート４５に接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５１からの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１１の駆動装置、燃料ポンプ１５、及びＥＧＲ制御弁１８に接続される。
ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５はハニカム構造をなしており、薄肉の隔壁により互いに分離された複数個の排気ガス流通路を具備する。各隔壁の両側表面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図２（Ａ）及び２（Ｂ）はこの触媒担体５５の表面部分の断面を図解的に示している。図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示されるように触媒担体５５の表面上には貴金属触媒５６が分散して担持されており、更に触媒担体５５の表面上にはＮＯｘ吸収剤５７の層が形成されている。
本発明による実施例では、貴金属触媒５６として白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、オスミウムＯｓ、金Ａｕ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒ、ルテニウムＲｕから選ばれた少なくとも一つが用いられ、ＮＯｘ吸収剤５７を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられる。
吸気通路、燃焼室２及び、排気通路内の或る位置よりも上流の排気通路内に供給された空気及び燃料のような還元剤の比をその位置における排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯｘ吸収剤５７は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。
すなわち、貴金属触媒５６として白金Ｐｔを用いＮＯｘ吸収剤５７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、流入排気ガスの空燃比がリーンのとき、すなわち流入排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯｘのうちＮＯは図２（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ５６上において酸化されてＮＯ_２となり、次いでＮＯｘ吸収剤５７内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ_３と結合しながら硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯｘ吸収剤５７内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤５７内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ５６の表面でＮＯ_２が生成され、ＮＯｘ吸収剤５７のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ_２がＮＯｘ吸収剤５７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ_３ ⁻が生成される。一方、排気ガス中のＮＯｘのうちＮＯ_２は酸化プロセスを経ることなくＮＯｘ吸収剤５７内に吸収される。
これに対し、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進み、斯くして図２（Ｂ）に示されるようにＮＯｘ吸収剤５７内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯｘ吸収剤５７から放出される。次いで放出されたＮＯｘは排気ガス中に含まれる還元剤例えばＨＣ，ＣＯによって還元される。
一方、三元触媒２４もハニカム構造をなしており、薄肉の隔壁により互いに分離された複数個の排気ガス流通路を具備する。各隔壁の両側表面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、触媒担体の表面上には白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈのような貴金属と酸化セリウムのような酸素吸蔵物質とが担持されている。
この三元触媒２４は流入排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比であると、排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを同時に浄化する。
また、三元触媒２４は流入排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれる酸素を蓄え流入排気ガスの空燃比がリッチになると蓄えられている酸素を放出する酸素貯蔵触媒を構成する。すなわち、酸素吸蔵物質をセリウムＣｅから構成した場合を例にとって説明すると、流入排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれる酸素分子Ｏ_２がＣｅＯ_２の形で取り込まれる（Ｃｅ_２Ｏ_３−＞２ＣｅＯ_２）。これに対し、流入排気ガスの空燃比がリッチになると反応が逆方向（２ＣｅＯ_２−＞Ｃｅ_２Ｏ_３）に進み、酸素分子Ｏ_２が放出される。
さて、本発明による実施例では通常はリーン空燃比のもとで燃焼が行われる。この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５への流入排気ガスの空燃比はリーンであるので、このとき流入排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元触媒２５内に吸蔵される。しかしながら、機関運転が継続されるとＮＯｘ吸蔵還元触媒２５のＮＯｘ吸蔵量が多くなり、ついにはＮＯｘ吸蔵還元触媒２５によりＮＯｘを吸蔵できなくなってしまう。
そこで本発明による実施例では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５がＮＯｘにより飽和する前に流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチしそれによってＮＯｘ吸蔵還元触媒２５からＮＯｘを放出させＮ_２に還元するようにしている。その結果、ＮＯｘ吸蔵量が減少される。
具体的に説明すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５内に吸蔵されたＮＯｘを放出し還元するために流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り換えるリッチ処理が行われる。この場合、流入排気ガスの空燃比をリッチに切り換えるために、吸入空気量を減少しＥＧＲガス量を増大しつつ燃焼が一時的にリッチ空燃比のもとで行われる。その結果、排気ガス中に多量の一酸化炭素ＣＯが含まれるようになり、主としてこのＣＯが還元剤として作用する。あるいは、流入排気ガスの空燃比をリッチに切り換えるために、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５上流の排気通路内に燃料（炭化水素）のような還元剤を添加するようにしてもよい。なお、リッチ処理において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５内のＮＯｘを部分的に放出するようにしてもよいし、ほぼすべてのＮＯｘを放出するようにしてもよい。
リッチ処理を行うには多量の燃料が必要となる。したがって、燃料消費を抑制するために、リーン空燃比のもとでの機関運転中にリッチ処理を開始すべきか否かを適切に判断し、リッチ処理中にリッチ処理を継続すべきか終了すべきかを適切に判断する必要がある。
そこで本発明による実施例では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５のＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔを算出し、ＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔに基づいて排気浄化作用を制御するようにしている。
本発明による実施例では次の数式Ｅ１に基づいてＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔが繰り返し算出される。
ＮＯＸｓｔ＝ＮＯＸｓｔ
＋ＮＯＸｉｎ−ＮＯＸｒｄ（Ｅ１）
ここで、ＮＯＸｉｎ，ＮＯＸｒｄはＮＯＸ吸蔵量ＮＯＸｓｔの単位時間当たりの増加分及び減少分をそれぞれ表している。
減少分ＮＯＸｒｄは流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはゼロとされ、流入排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比のときには例えば流入排気ガスの空燃比、ＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔ及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の温度ＴＮに基づいて算出される。
これに対し、増加分ＮＯＸｉｎは流入排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比のときにはゼロとされ、流入排気ガスの空燃比がリーンのときには次のようにして算出される。
ＮＯｘはＮＯ，ＮＯ_２，Ｎ_２Ｏといった種々の成分から構成されうる。ところが、図２（Ａ）を参照して上述したように、ＮＯがＮＯｘ吸蔵還元触媒２５に吸蔵されるメカニズムとＮＯ_２がＮＯｘ吸蔵還元触媒２５に吸蔵されるメカニズムはまったく同じではない。すなわち、大まかに言えば、ＮＯ_２は酸化プロセスを要さないのでＮＯよりも吸蔵され易い。
そこで、本発明による実施例では、ＮＯｘの成分ごとに増加分を算出し、これら増加分を合計することによりＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｉｎを算出するようにしている。
すなわち、流入排気ガス中のＮＯｘがＮＯ，ＮＯ_２から構成されると考えると、流入排気ガスの空燃比がリーンのときの増加分ＮＯｘｉｎは次の数式Ｅ２に基づいて算出される。
ＮＯＸｉｎ＝ＱＮＸ・ＰＮ１・ＶＮ１
＋ＱＮＸ・ＰＮ２・ＶＮ２（Ｅ２）
ここで、ＱＮＸは流入ＮＯｘ量、ＰＮ１はＮＯ割合、ＰＮ２はＮＯ_２割合、ＶＮ１はＮＯ吸蔵速度、ＶＮ２はＮＯ_２吸蔵速度、をそれぞれ表している。
流入ＮＯｘ量ＱＮＸは単位時間当たりにＮＯｘ吸蔵還元触媒２５に流入するＮＯｘ量である。機関運転状態、例えば機関負荷及び機関回転数に基づいて算出される。あるいは、流入ＮＯｘ量を検出するＮＯｘセンサをＮＯｘ吸蔵還元触媒２５上流の排気通路内に配置し、ＮＯｘセンサの出力に基づいて流入ＮＯｘ量ＱＮＸを求めるようにしてもよい。
ＮＯ吸蔵速度ＶＮ１は流入排気ガス中のＮＯ量に対するＮＯｘ吸蔵還元触媒２５に吸蔵されたＮＯ量の比である。このＮＯ吸蔵速度ＶＮ１は図３（Ａ）に示されるようにＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の温度ＴＮが高くなると大きくなり、図３（Ｂ）に示されるようにＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔが大きくなると小さくなる。なお、ＮＯ吸蔵速度ＶＮ１はあらかじめ実験により求められており、触媒温度ＴＮ及びＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔの関数として図３（Ｃ）に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ４２内に記憶されている。
ＮＯ_２吸蔵速度ＶＮ２は流入排気ガス中のＮＯ_２量に対するＮＯｘ吸蔵還元触媒２５に吸蔵されたＮＯ_２量の比である。このＮＯ_２吸蔵速度ＶＮ２は図４（Ａ）に示されるようにＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の温度ＴＮが高くなると大きくなり、図４（Ｂ）に示されるようにＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔが大きくなると小さくなる。なお、ＮＯ_２吸蔵速度ＶＮ２はあらかじめ実験により求められており、触媒温度ＴＮ及びＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔの関数として図４（Ｃ）に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ４２内に記憶されている。
ＮＯ割合ＰＮ１はＮＯｘ吸蔵還元触媒２５への流入排気ガスに含まれる全ＮＯｘ量のうちのＮＯ量の割合である（ＮＯ量／全ＮＯｘ量）。また、ＮＯ_２割合ＰＮ２はＮＯｘ吸蔵還元触媒２５への流入排気ガスに含まれる全ＮＯｘ量のうちのＮＯ_２量の割合である（ＮＯ_２量／全ＮＯｘ量）。
本発明による実施例ではＮＯｘ成分がＮＯ及びＮＯ_２から構成されると仮定しているので、ＮＯ_２割合ＰＮ２は次に数式Ｅ３に基づいて算出される。
ＰＮ２＝１−ＰＮ１（Ｅ３）
ＮＯ割合ＰＮ１は図５（Ａ）に示されるように、三元触媒２４の温度ＴＴが高くなると小さくなり、単位時間当たりに三元触媒２４に流入する炭化水素ＨＣの量である流入ＨＣ量ＱＨＣが多くなると大きくなる。なお、ＮＯ割合ＰＮ１はあらかじめ実験により求められており、触媒温度ＴＴ及び流入ＨＣ量ＱＨＣの関数として図５（Ｂ）に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ４２内に記憶されている。また、流入ＨＣ量ＱＨＣは機関負荷Ｌｅ及び機関回転数Ｎｅのような機関運転状態の関数としてあらかじめＲＯＭ４２内に記憶されている。
すなわち、三元触媒２４の温度ＴＴが低いとき、特に活性前には、三元触媒２４においてＮＯ_２がＨＣによりＮＯに還元され（ＮＯ_２→ＮＯ）、その結果ＮＯ割合ＰＮ１が高くなりＮＯ_２割合ＰＮ２が低くなる。この場合、流入ＨＣ量ＱＨＣが多くなるとＮＯ割合ＰＮ１が高くなる。一方、三元触媒２４の温度ＴＴが高いとき、特に活性後には、三元触媒２４においてＮＯがＮＯ_２に酸化され（ＮＯ→ＮＯ_２）、その結果ＮＯ割合ＰＮ１が低くなりＮＯ_２割合ＰＮ２が高くなる。
上述の数式Ｅ２において、右辺第１項は単位時間当たりにＮＯｘ吸蔵還元触媒２５内に吸蔵されるＮＯ量、すなわちＮＯの増加分を表しており、右辺第２項は単位時間当たりにＮＯｘ吸蔵還元触媒２５内に吸蔵されるＮＯ_２量、すなわちＮＯ_２の増加分を表している。
流入排気ガスの空燃比がリーンのときには増加分ＮＯＸｉｎが上述の数式Ｅ２を用いて繰り返し算出され、ＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔは増加分ＮＯＸｉｎずつ繰り返し更新される。
このようにＮＯｘの成分が考慮されるので、増加分ＮＯＸｉｎしたがってＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔを正確に算出することができる。
なお、ＮＯｘにはＮ_２Ｏといった他の成分も含まれうる。したがって、ＮＯｘ中の成分ｊの割合及び吸蔵速度をそれぞれＰＮｊ及びＶＮｊで表せば、増加分ＮＯＸｉｎは次の数式Ｅ４に基づいて算出される。
ＮＯＸｉｎ＝ＱＮＸ・Σ（ＰＮｊ・ＶＮｊ）（Ｅ４）
したがって、一般化していうと、流入排気ガスの空燃比がリーンのときに流入排気ガス中のＮＯｘの成分割合が算出され、算出されたＮＯｘ成分割合に基づいてＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔの単位時間当たりの増加分ＮＯＸｉｎが算出されるということになる。
次に、本発明による実施例のリッチ処理の制御について説明する。
本発明による実施例では、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにリッチ処理要求指標ＩＤＸが繰り返し算出される。このリッチ処理要求指標ＩＤＸはリッチ処理の必要性の度合いを表すものであり、リッチ処理要求指標ＩＤＸが大きくなるにつれてリッチ処理の必要性が高いことを表している（０≦ＩＤＸ≦１）。その上で、リッチ処理要求指標ＩＤＸがしきい値ＴＨよりも小さいときにはリッチ処理は行われず、しきい値ＴＨよりも大きいときにリッチ処理が行われる。
このリッチ処理要求指標ＩＤＸは次の数式Ｅ５に基づいて算出される。
ＩＤＸ＝ＩＤＸｐｎ・ＩＤＸｓｔ・ＩＤＸｒｄ（Ｅ５）
ここで、ＩＤＸｐｎは種々の指標をそれぞれ表している。
指標ＩＤＸｐｎはＮＯｘ成分割合に基づいて定められるものである。指標ＩＤＸｐｎは図６に示されるように、ＮＯ割合ＰＮ１が大きくなると大きくなる（０≦ＩＤＸｐｎ≦１）。このように図６に示される例ではＮＯｘ成分割合がＮＯ割合ＰＮ１によって表される。しかしながら、指標ＩＤＸｐｎを例えばＮＯ_２割合ＰＮ２に応じて定めるようにしてもよい。なお、指標ＩＤＸｐｎはＮＯ割合ＰＮ１の関数として図６に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ４２内に記憶されている。
すなわち、上述したように、ＮＯはＮＯ_２に比べてＮＯｘ吸蔵還元触媒２５に吸蔵されにくい。したがって、ＮＯ割合ＰＮ１が高くＮＯ量が多いときには、ＮＯｘ吸蔵作用を行うよりも、リッチ処理を行ってＮＯｘ放出還元作用を行うのが好ましい。これに対し、ＮＯ割合ＰＮ１が低くＮＯ_２量が多いときには、リッチ処理を行わずＮＯｘ吸蔵作用を行うのが好ましい。
指標ＩＤＸｓｔはＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔに基づいて定められるものである。ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の最大可能ＮＯｘ吸蔵量に対するＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔ。の比をＮＯｘ吸蔵割合ＲＮｓｔと称すると、指標ＩＤＸｓｔは図７に示されるように、ＮＯｘ吸蔵割合ＲＮｓｔが大きくなると大きくなる。このように図７に示される例ではＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔがＮＯｘ吸蔵割合ＲＮｓｔによって表される。指標ＩＤＸｓｔを例えばＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔに応じて定めるようにしてもよい。なお、指標ＩＤＸｓｔはＮＯｘ吸蔵割合ＲＮｓｔの関数として図７に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ４２内に記憶されている。
すなわち、ＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔが多いときには、リッチ処理を行ってＮＯｘ放出還元作用を行うのが好ましい。これに対し、ＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔが少ないときには、リッチ処理を行わずＮＯｘ吸蔵作用を行うのが好ましい。
指標ＩＤＸｒｄはＮＯｘ吸蔵還元触媒２５のＮＯｘ還元能力に基づいて定められるものである。指標ＩＤＸｒｄは図８に示されるように、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の温度ＴＮが低いときには触媒温度ＴＮが高くなると大きくなり、触媒温度ＴＮが高いときには触媒温度ＴＮが高くなると小さくなる。このように図８に示される例ではＮＯｘ吸蔵還元触媒２５のＮＯｘ還元能力が触媒温度Ｔｎによって表される。指標ＩＤＸｒｄを例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒２５のＮＯｘ浄化率に応じて定めるようにしてもよい。なお、指標ＩＤＸｒｄは触媒温度ＴＮの関数として図８に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ４２内に記憶されている。
すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５のＮＯｘ還元能力が高いときには、リッチ処理を行ってＮＯｘ放出還元作用を行うのが好ましい。これに対し、ＮＯｘ還元能力が低いときには、リッチ処理を行わずＮＯｘ吸蔵作用を行うのが好ましい。
指標ＩＤＸｐｎ，ＩＤＸｓｔ，ＩＤＸｒｄが大きいときにはリッチ処理要求指標ＩＤＸは大きく、リッチ処理要求指標ＩＤＸがしきい値ＴＨよりも大きいときにはリッチ処理が行われる。これに対し、指標ＩＤＸｐｎ，ＩＤＸｓｔ，ＩＤＸｒｄが小さいときにはリッチ処理要求指標ＩＤＸは小さく、リッチ処理要求指標ＩＤＸがしきい値ＴＨよりも小さいときにはリッチ処理は行われない。
このようにすると、例えばＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔが多くても還元剤を有効利用できないときには、リッチ処理は開始されない。したがって、還元剤ないし燃料の消費を抑制しつつＮＯｘを確実に還元することが可能となる。
したがって、一般化していうと、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにリッチ処理を行うか否かがＮＯｘ成分割合に基づいて判断されるということになる。あるいは、ＮＯｘ成分割合、ＮＯｘ吸蔵量及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の還元能力に基づいてリッチ処理を行うか否かが判断されるという見方もできる。
ところで、本発明による実施例では、流入排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつＮＯｘ吸蔵還元触媒２５を昇温する昇温処理が行われる。図３（Ａ）及び図４（Ａ）からわかるようにＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の温度ＴＮが低いときにはＮＯｘの吸蔵速度ＶＮ１，ＶＮ２が低く、したがってＮＯｘをＮＯｘ吸蔵還元触媒２５に確実に吸蔵できないおそれがあるからである。
この昇温処理はＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の温度ＴＮがあらかじめ定められた設定温度、例えば活性温度よりも低いときに行われ、それによってＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の温度ＴＮが設定温度よりも高く維持される。触媒温度ＴＮが活性温度よりも高いときには昇温処理を行う必要はない。
昇温処理は例えば次のようにして行われる。すなわち、例えば、流入排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ膨張行程又は排気行程に燃料噴射弁３から追加の燃料が噴射され追加の燃料が三元触媒２４又はＮＯｘ吸蔵還元触媒２５で燃焼される。あるいは、流入排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ燃料噴射時期を遅角し又は排気弁開弁時期を進角することにより流入排気ガスの空燃比の温度が昇温される。
この場合、リッチ処理中は流入排気ガスの空燃比がリッチであるのでこのとき昇温処理を行うことはできない。これに対し、昇温処理中はリッチ処理を行うことができない。
そうすると、リッチ処理要求指標ＩＤＸがしきい値ＴＨよりも大きいときにはリッチ処理が選択され、リッチ処理要求指標ＩＤＸがしきい値ＴＨよりも小さいときには昇温処理が選択されるという見方もできる。
したがって、一般化していうと、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにリッチ処理を行うか昇温処理を行うかがＮＯｘ成分割合に基づいて選択されるということになる。あるいは、ＮＯｘ成分割合、ＮＯｘ吸蔵量及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の還元能力に基づいてリッチ処理を行うか昇温処理を行うかが選択されるという見方もできる。
なお、ケーシング２２への流入排気ガスの空燃比ＡＦＩがリッチであっても、三元触媒２４の酸素貯蔵能力のために、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５への流入排気ガスがリッチにならない場合がある。一方、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５への流入排気ガスの空燃比がリッチでありＮＯｘの放出及び還元作用が行われている間は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２５からの流出排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチに維持されることが確認されている。
そこで本発明による実施例では、空燃比センサ３０により検出される流出排気ガスの空燃比ＡＦＯがリーンのときにＮＯｘ吸蔵還元触媒２５への流入排気ガスの空燃比がリーンであり、流出排気ガスの空燃比ＡＦＯが理論空燃比又はリッチのときにＮＯｘ吸蔵還元触媒２５への流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチであると判断される。
図９はＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｓｔの算出ルーチンを示している。
図９を参照すると、ステップ１００では流出排気ガスの空燃比ＡＦＯが理論空燃比ＡＦＳ以下であるか、すなわち理論空燃比又はリッチであるか否かが判別される。ＡＦＯ＞ＡＦＳのとき、すなわち流出排気ガスの空燃比ＡＦＯがリーンのときには次いでステップ１０１に進み、増加分ＮＯＸｉｎの算出ルーチンが実行される。このルーチンは図１０に示されている。続くステップ１０２では減少分ＮＯＸｒｄがゼロとされる。次いでステップ１０５に進む。
これに対し、ＡＦＯ≦ＡＦＳ、すなわち流出排気ガスの空燃比ＡＦＯが理論空燃比又はリッチときには次いでステップ１０３に進み、増加分ＮＯＸｉｎがゼロとされる。続くステップ１０４では減少分ＮＯＸｒｄが算出される。次いでステップ１０５に進む。
ステップ１０５では数式Ｅ１を用いてＮＯＸ吸蔵量ＮＯＸｓｔが更新される。
増加分ＮＯＸｉｎの算出ルーチンを示す図１０を参照すると、ステップ１１０では流入ＮＯｘ量ＱＮＸが算出される。続くステップ１１１では流入ＨＣ量ＱＨＣが算出される。続くステップ１１２ではＮＯ割合ＰＮ１が図５（Ｂ）のマップから算出される。続くステップ１１３ではＮＯ吸蔵割合ＶＮ１が図３（Ｃ）のマップから算出される。続くステップ１１４ではＮＯ_２割合ＰＮ２が数式Ｅ３を用いて算出される。続くステップ１１５ではＮＯ_２吸蔵割合が図４（Ｃ）のマップから算出される。続くステップ１１６では増加分ＮＯＸｉｎが数式Ｅ２を用いて算出される。
図１１は排気浄化制御ルーチンを示している。
図１１を参照すると、ステップ１２０では流出排気ガスの空燃比ＡＦＯが理論空燃比ＡＦＳ以下であるか、すなわち理論空燃比又はリッチであるか否かが判別される。ＡＦＯ≦ＡＦＳ、すなわち流出排気ガスの空燃比ＡＦＯが理論空燃比又はリッチときには処理サイクルを終了する。これに対し、ＡＦＯ＞ＡＦＳのとき、すなわち流出排気ガスの空燃比ＡＦＯがリーンのときには次いでステップ１２１に進み、指標ＩＤＸｐｎが図６のマップから算出される。続くステップ１２２では指標ＩＤＸｓｔが図７のマップから算出される。続くステップ１２３では指標ＩＤＸｒｄが図８のマップから算出される。続くステップ１２４では数式Ｅ５を用いてリッチ処理要求指標ＩＤＸが算出される。続くステップ１２５ではリッチ処理要求指標ＩＤＸがしきい値ＴＨよりも大きいか否かが判別される。ＩＤＸ＞ＴＨのときには次いでステップ１２６に進み、リッチ処理が行われる。これに対し、ＩＤＸ≦ＴＨのときには次いでステップ１２７に進み、昇温処理が許容される。すなわち、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の温度ＴＮが設定温度よりも低いときには昇温処理が行われ、触媒温度ＴＮが設定温度よりも高いときには昇温処理が行われない。

１機関本体
２燃焼室
３燃料噴射弁
２１排気管
２４三元触媒
２５ＮＯｘ吸蔵還元触媒

Claims

排気通路を有する内燃機関の排気浄化装置であって、
排気通路内に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒であって、流入排気ガスの空燃比がリーンのときには流入排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯｘを放出し還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、
ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵量を算出するＮＯｘ吸蔵量算出ユニットと、
該算出されたＮＯｘ吸蔵量に基づいて排気浄化作用を制御する制御ユニットと、
を具備し、
流入排気ガスの空燃比がリーンのときに該流入排気ガス中のＮＯｘの成分割合が算出され、
該算出されたＮＯｘ成分割合に基づいてＮＯｘ吸蔵量の単位時間当たりの増加分が算出される
内燃機関の排気浄化装置。
前記ＮＯｘ成分割合がＮＯ及びＮＯ_２の割合である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯｘ吸蔵還元触媒上流の排気通路内に酸化機能を有する前段触媒が配置されており、該前段触媒の温度及び該前段触媒への流入排気ガス中の炭化水素量に基づいて前記ＮＯｘ成分割合が算出される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
流入排気ガスの空燃比がリーンのときに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘを放出し還元するために流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り換えるリッチ処理を行うか否かが前記ＮＯｘ成分割合に基づいて判断される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
リッチ処理を行わないと判断されたときに、流入排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつＮＯｘ吸蔵還元触媒を昇温する昇温処理が行われる請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
流入排気ガスの空燃比がリーンのときにリッチ処理を行うか否かが前記ＮＯｘ成分割合、前記ＮＯｘ吸蔵量、及びＮＯｘ吸蔵還元触媒の還元能力に基づいて判断される請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の還元能力がＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度によって表される請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
流入排気ガスの空燃比がリーンのときに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘを放出し還元するために流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り換えるリッチ処理を行うか流入排気ガスの空燃比をリーンにしつつＮＯｘ吸蔵還元触媒を昇温する昇温処理を行うかが前記ＮＯｘ成分割合に基づいて選択される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。