内燃機関の排気浄化システム

【課題】内燃機関の始動開始直後から走行している間まで常に選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率をその最大近傍に維持できる内燃機関の排気浄化システムを提供すること。
【解決手段】排気浄化システムは、排気管に設けられた酸化触媒及びＣＳＦと、排気管のうち酸化触媒及びＣＳＦより下流側に設けられ、排気中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒と、を備える。ＥＣＵは、選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を最大化する最適値に向けて制御するＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御について、エンジンの始動を開始してから所定時間が経過するまで、又は、排気系の温度が所定温度未満である場合にはこのＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を禁止し、エンジンの始動を開始してから所定時間が経過した後、又は、排気系の温度が所定温度以上である場合にはこのＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を許可する。

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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、
前記排気通路のうち前記酸化触媒より下流側に設けられ、排気中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記選択還元触媒に流入する排気中のＮＯｘに対するＮＯ_２の比率に相当するＮＯ_２−ＮＯｘ比を、当該選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化率を最大化する最適値に向けて制御するＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御を実行する制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、
前記内燃機関の始動を開始してから所定時間が経過するまで、又は、前記内燃機関の排気系の温度が所定温度未満である場合には前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を禁止し、
前記内燃機関の始動を開始してから所定時間が経過した後、又は、前記内燃機関の排気系の温度が所定温度以上である場合には前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を許可することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２】
前記排気通路のうち前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＯ_２を検出するＮＯ_２検出手段をさらに備え、
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記ＮＯ_２検出手段による検出値が所定値より大きい場合に、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比を前記最適値に向けて低減させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記内燃機関から排出されるＮＯ量を増加させることにより、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を前記最適値に向けて低減させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４】
前記排気通路を流通する排気の一部を前記内燃機関の吸気通路に還流するＥＧＲ装置をさらに備え、
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記ＥＧＲ装置により還流される排気の量に相当するＥＧＲ量を減少させることにより前記内燃機関から排出されるＮＯ量を増加させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】
前記酸化触媒に流入するＮＯ量に対し当該酸化触媒から流出するＮＯ_２量の割合をＮＯ_２生成効率と定義し、
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、
前記内燃機関から排出されるＨＣ量及びＣＯ量が減少することによる前記ＮＯ_２生成効率の上昇効果よりも、
前記内燃機関から排出されるＮＯｘ量が増加することによる前記ＮＯ_２生成効率の低下効果の方が大きくなるように、前記内燃機関の燃焼状態に相関のある燃焼パラメータを設定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項６】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記ＮＯ_２検出手段による検出値が所定値以下である場合に、前記内燃機関から排出されるＮＯ量を減少させることを特徴とする請求項３から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項７】
前記制御手段は、
前記選択還元触媒の劣化度合いを判定し、
劣化度合いが小さいと判定した場合には、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を禁止するとともに、前記ＥＧＲ量を前記内燃機関の燃費が向上するように設定し、
劣化度合いが大きいと判定した場合には、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を許可することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記ＥＧＲ量に対する目標値の、所定の基準値からの補正値に基づいて前記選択還元触媒の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項９】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記内燃機関の空燃比をよりリッチ側に変更し、排気の酸素濃度を低下させることにより、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を前記最適値に向けて低減させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１０】
前記酸化触媒に流入するＮＯ量に対し当該酸化触媒から流出するＮＯ_２量の割合をＮＯ_２生成効率と定義し、
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、
前記内燃機関から排出されるＮＯｘ量が減少することによる前記ＮＯ_２生成効率の上昇効果よりも、
排気の酸素濃度が低下しかつ前記内燃機関から排出されるＨＣ量及びＣＯ量が増加することによる前記ＮＯ_２生成効率の低下効果の方が大きくなるように、前記内燃機関の燃焼状態に相関のある燃焼パラメータを設定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１１】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記ＮＯ_２検出手段による検出値が所定値以下である場合に、前記内燃機関の混合気の空燃比をよりリーン側に変更することを特徴とする請求項９又は１０に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１２】
前記制御手段は、燃料噴射パラメータ、過給圧、及びＥＧＲ装置により還流される排気の量に相当するＥＧＲ量の少なくとも何れかにより混合気の空燃比を変更することを特徴とする請求項９から１１の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１３】
前記制御手段は、
前記選択還元触媒の劣化度合いを判定し、
劣化度合いが小さいと判定した場合には、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を禁止するとともに、混合気の空燃比を前記内燃機関の燃費が向上するように設定し、
劣化度合いが大きいと判定した場合には、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を許可することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１４】
前記制御手段は、前記混合気の空燃比に対する目標値の、所定の基準値からの補正値に基づいて前記選択還元触媒の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１５】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記酸化触媒の温度を、ＮＯ酸化効率が最大となる温度以下の領域内で低下させることにより、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を前記最適値に向けて低減させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１６】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記内燃機関のアフター噴射量及びポスト噴射量の少なくとも何れかを減少させることにより、前記酸化触媒の温度を低下させることを特徴とする請求項１５に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１７】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記内燃機関の燃焼状態に相関のある燃焼パラメータを、前記内燃機関から排出されるＣＯ及びＨＣが、温度の低下に伴い酸化能力が低下した酸化触媒でも処理できる量以下になるように設定することを特徴とする請求項１６に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１８】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御は、前記ＮＯ_２検出手段による検出値が所定値以下である場合には、前記酸化触媒の温度を上昇させることを特徴とする請求項１５から１７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項１９】
前記酸化触媒の温度に対する領域の下限温度は、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御において前記酸化触媒の温度をＮＯ酸化効率が最大となる温度から当該下限温度まで低下させたときに、前記選択還元触媒の温度が低下することによるＮＯｘ浄化率の低下効果よりも、ＮＯ_２−ＮＯｘ比をその最適値へ向けて低減することによるＮＯｘ浄化率の向上効果の方が大きくなるように設定されることを特徴とする請求項１５から１８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２０】
前記制御手段は、
前記選択還元触媒の劣化度合いを判定し、
劣化度合いが小さいと判定した場合には、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を禁止し、
劣化度合いが大きいと判定した場合には、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を許可することを特徴とする請求項１６に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２１】
前記制御手段は、前記酸化触媒の温度に対する目標値の、所定の基準値からの補正値に基づいて前記選択還元触媒の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項２０に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２２】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記酸化触媒の温度を、ＮＯ酸化効率が最大となる温度以上の領域内で上昇させることにより、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を前記最適値に向けて低減させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２３】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記内燃機関のアフター噴射量及びポスト噴射量の少なくとも何れかを増加させることにより、前記酸化触媒の温度を上昇させることを特徴とする請求項２２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２４】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記ＮＯ_２検出手段による検出値が所定値以下である場合には、前記酸化触媒の温度を低下させることを特徴とする請求項２２又は２３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２５】
前記酸化触媒の温度に対する領域の上限温度は、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御において前記酸化触媒の温度をＮＯ酸化効率が最大となる温度から当該上限温度まで上昇させたときに、前記選択還元触媒の温度が上昇することによるＮＯｘ浄化率の低下効果よりも、ＮＯ_２−ＮＯｘ比をその最適値へ向けて低減することによるＮＯｘ浄化率の向上効果の方が大きくなるように設定されることを特徴とする請求項２２から２４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２６】
前記制御手段は、
前記選択還元触媒の劣化度合いを判定し、
劣化度合いが小さいと判定した場合には、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を禁止し、
劣化度合いが大きいと判定した場合には、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を許可することを特徴とする請求項２３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２７】
前記制御手段は、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を低減させ続けたときに、前記ＮＯ_２検出手段による検出値が劣化判定閾値を下回ったタイミングに基づいて前記選択還元触媒の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項７、１３、２０、２６に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２８】
前記制御手段は、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を増加させ続けたときに、前記ＮＯ_２検出手段による検出値が劣化判定閾値を上回ったタイミングに基づいて前記選択還元触媒の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項７、１３、２０、２６に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２９】
前記制御手段は、
前記酸化触媒の劣化度合いを判定し、
劣化度合いが小さいと判定した場合には、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を許可し、劣化度合いが大きいと判定した場合には、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御の実行を禁止することを特徴とする請求項４、９、１６、２３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３０】
前記排気通路のうち前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＯを検出するＮＯ検出手段をさらに備え、
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記ＮＯ検出手段による検出値が所定値より大きい場合に、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比を前記最適値に向けて増加させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３１】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記内燃機関から排出されるＮＯ量を減少させることにより、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を前記最適値に向けて増加させることを特徴とする請求項３０に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３２】
前記排気通路を流通する排気の一部を前記内燃機関の吸気通路に還流するＥＧＲ装置をさらに備え、
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記ＥＧＲ装置により還流される排気の量に相当するＥＧＲ量を増加させることにより前記内燃機関から排出されるＮＯ量を減少させることを特徴とする請求項３１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３３】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記内燃機関の混合気の空燃比をよりリーン側に変更し、前記酸化触媒に流入する排気の酸素濃度を上昇させることにより、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を増加させることを特徴とする請求項３０に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３４】
前記制御手段は、燃料噴射パラメータ、過給圧、及びＥＧＲ装置により還流される排気の量に相当するＥＧＲ量の少なくとも何れかにより混合気の空燃比を変更することを特徴とする請求項３３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３５】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記酸化触媒の温度を、ＮＯ酸化効率が最大となる温度以下の領域内で上昇させることにより、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を前記最適値に向けて増加させることを特徴とする請求項３０に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３６】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記内燃機関のアフター噴射量及びポスト噴射量の少なくとも何れかを増加させることにより、前記酸化触媒の温度を上昇させることを特徴とする請求項３５に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３７】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記酸化触媒の温度を、ＮＯ酸化効率が最大となる温度以上の領域内で低下させることにより、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を前記最適値に向けて増加させることを特徴とする請求項３０に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３８】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比最適化制御では、前記内燃機関のアフター噴射量及びポスト噴射量の少なくとも何れかを減少させることにより、前記酸化触媒の温度を低下させることを特徴とする請求項３７に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３９】
前記排気通路のうち前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＯ_２を検出するＮＯ_２検出手段と、
前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値を算出する推定手段と、
前記ＮＯ_２検出手段の検出値に基づいてＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値を修正する修正手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値が、前記最適値の近傍に収束するように、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を増減させるパラメータを決定するＮＯ_２−ＮＯｘ比コントローラを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４０】
前記修正手段は、ＮＯ_２検出手段の検出値が所定の閾値を超えた場合には前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値を増加側に修正し、前記ＮＯ_２検出手段の検出値が前記閾値以下である場合には前記推定値を減少側に修正することを特徴とする請求項３９に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４１】
前記排気通路のうち前記選択還元触媒より下流側の排気中のＮＯを検出するＮＯ検出手段と、
前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値を算出する推定手段と、
前記ＮＯ検出手段の検出値に基づいてＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値を修正する修正手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値が、前記最適値の近傍に収束するように、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を増減させるパラメータを決定するＮＯ_２−ＮＯｘ比コントローラを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４２】
前記修正手段は、ＮＯ検出手段の検出値が所定の閾値を超えた場合には前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値を減少側に修正し、前記ＮＯ検出手段の検出値が前記閾値以下である場合には前記推定値を増加側に修正することを特徴とする請求項４１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４３】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比コントローラは、前記推定手段により算出されたＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値に遅れを生じさせた値を、前記最適値の近傍に収束させることを特徴とする請求項３９から４２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４４】
前記推定手段は、前記内燃機関から排出されるＮＯｘ量及び前記酸化触媒の温度を含む入力に基づいて、予め定められたマップを検索することで、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値を算出することを特徴とする請求項３９から４３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４５】
前記推定手段は、所定の関数に従って出力する複数のニューロンを結合して構成されたニューラルネットワークに基づいて、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比の推定値を算出することを特徴とする請求項３９から４３の何れかに記載の排気浄化システム。
【請求項４６】
前記ニューラルネットワークへの入力には、排気の酸素濃度に相関のあるパラメータ、排気中の未燃ＨＣ量に相関のあるパラメータ、及び前記排気通路内に設けられたフィルタへのスート堆積量のうち少なくとも何れかが含まれることを特徴とする請求項４５に記載の排気浄化システム。
【請求項４７】
前記排気通路を流通する排気の一部を前記内燃機関の吸気通路に還流するＥＧＲ装置をさらに備え、
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比コントローラは、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を増減させるパラメータとして、前記ＥＧＲ装置により還流される排気の量に相当するＥＧＲ量の目標値の、所定の基準値からの補正値を決定することを特徴とする請求項３９から４６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４８】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比コントローラは、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ_２−ＮＯｘ比を増減させるパラメータとして、前記酸化触媒の温度の目標値の、所定の基準値からの補正値を決定することを特徴とする請求項３９から４６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４９】
前記ＮＯ_２−ＮＯｘ比コントローラは、前記選択還元触媒に流入する排気のＮＯ２−ＮＯｘ比を増減させるパラメータとして、前記内燃機関の混合気の空燃比の目標値の、所定の基準値からの補正値を決定することを特徴とする請求項３９から４６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。

【図１】