内燃機関の排気浄化装置
【課題】燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限して内燃機関の信頼性を確保しつつ、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘやＳＯｘを効率良く脱離させて還元浄化することにより、高いＮＯｘ浄化能を維持できる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】エンジンの排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるときに還元浄化するＬＮＣを備える内燃機関の排気浄化装置において、燃焼リッチ実行時にＬＮＣに流入する排気中の酸素濃度と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時にＬＮＣに流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差が所定値以上であるときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。
【解決手段】エンジンの排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるときに還元浄化するＬＮＣを備える内燃機関の排気浄化装置において、燃焼リッチ実行時にＬＮＣに流入する排気中の酸素濃度と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時にＬＮＣに流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差が所定値以上であるときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるときに還元浄化するＮＯｘ浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有害排出物抑制の観点から、発電機や自動車などの内燃機関から大気中へ排出される排気中のＮＯｘが問題視されている。ＮＯｘは、酸性雨や光化学スモッグの原因物質であり、世界的にその排出量が規制されている。
【０００３】
圧縮着火式（以下、「ディーゼル」という）内燃機関やガソリンのリーンバーン式内燃機関では、通常運転時には希薄燃焼が行われる。このため、これらの内燃機関から排出される排気中には酸素が多く含まれており、その含有量はおよそ数％である。排気中に含まれる有害成分のうち、ＮＯｘは還元反応により浄化が行われるところ、酸素を多く含む排気中でのＮＯｘの浄化は容易ではない。ガソリン内燃機関で通常用いられる三元触媒をもってしても、酸素を多く含む排気中のＮＯｘを浄化するのは困難である。
【０００４】
酸素を多く含む排気中でＮＯｘを浄化する技術として、排気が酸化雰囲気にあるとき（以下、「リーン」という）に排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるとき（以下、「リッチ」という）に還元浄化するＮＯｘ浄化触媒を用いた技術が知られている。
この技術では、先ず、通常運転時のように排気がリーンのときに、排気中のＮＯｘをＮＯｘ浄化触媒で一旦捕捉する。ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ捕捉能には限界があるため、ＮＯｘ捕捉量がＮＯｘ最大捕捉量に達する前に、排気をストイキ又はリッチに制御するリッチ化処理を実行する。これにより、捕捉されたＮＯｘが脱離して還元浄化されるとともに、ＮＯｘ浄化触媒が再生する。
【０００５】
また、ＮＯｘ浄化触媒では、排気がリーンのときに排気中に含まれるＮＯｘを捕捉すると同時に、排気中に含まれるＳＯｘも捕捉する。このＳＯｘは、ＮＯｘよりも捕捉され易いうえ、一旦捕捉されると、脱離させて還元浄化するのが容易ではない。このため、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＳＯｘは徐々に堆積し、ＮＯｘ捕捉能の低下、ひいてはＮＯｘ浄化率の低下を招く。
従って、ＮＯｘ浄化触媒では、ＳＯｘ捕捉量が所定量に達したときに、排気のリッチ化処理を実行する。これにより、捕捉されて堆積したＳＯｘが脱離して還元浄化されるとともに、ＮＯｘ浄化触媒が再生する。
【０００６】
このように、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘやＳＯｘを脱離させて還元浄化し、ＮＯｘ浄化触媒を再生させる目的で、排気のリッチ化処理が実行される。ディーゼル内燃機関における排気のリッチ化手段としては、次の３つが挙げられる。
第１のリッチ化手段は、吸気や燃料の制御といった燃料噴射に基づいて燃焼室内の空燃比をストイキ又はリッチにすることにより、排気をリッチ化する手段である（以下、「燃焼リッチ」という）。
第２のリッチ化手段は、燃焼後の燃焼室や排気通路内に未燃燃料を供給することにより、排気をリッチ化する手段である（以下、「ポストリッチ」という）。
第３のリッチ化手段は、内燃機関の排気通路内に燃料を直接噴射することにより、未燃の燃料を排気通路内に流通させて排気をリッチ化する手段である（以下、「排気リッチ」という）。
【０００７】
ところが、上記リッチ化手段のうち、燃焼リッチは、燃焼制御が困難であり、燃焼安定性の低下を招くという問題がある。また、始動時に軽油の着火性を向上させるとともに、燃焼リッチ実行時の失火を防止するためにグロープラグを併用する場合にあっては、グロープラグの耐久性も問題となる。このため、排気のリッチ化が求められる場合に、燃焼リッチを多用することは好ましくない。
一方、ポストリッチや排気リッチは、燃焼への影響は軽微である。
【０００８】
そこで、例えば、燃焼リッチとポストリッチとを組み合わせたリッチ化処理について、検討がなされている。具体的には、ＮＯｘ浄化装置に堆積したＳＯｘを脱離させて還元浄化し、ＮＯｘ浄化装置を再生する技術において、ポストリッチと燃焼リッチとの切替えを実行する技術が提案されている（特許文献１参照）。
このＮＯｘ浄化装置では、ポストリッチによる再生処理実行中に、ＮＯｘ浄化装置の温度が高温側判定温度を上回ったときには、燃焼リッチによる再生処理に移行する。また、その状態で、ＮＯｘ浄化装置の温度が低温側判定温度を下回ったときには、ポストリッチによる再生処理に移行する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１０１５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、燃焼リッチ実行時には、燃焼室内ですでに新気と燃料の比がリッチの状態となっていることから、燃焼後の排気中に含まれる酸素量は、一般的に１％以下で低い。これに対して、ポストリッチ実行時や排気リッチ実行時には、燃焼室内はリーンの状態であり、これらは燃焼後に燃料の炭化水素（以下、「ＨＣ」という）を噴射することで結果的に排気をリッチにするものであるため、燃焼リッチ実行時に比べて排気中の酸素濃度は高い。
【００１１】
ポストリッチ実行時や排気リッチ実行時のように、酸素濃度が高いリッチ状態の排気がＮＯｘ浄化触媒に流入した場合には、ＮＯｘ浄化触媒内の上流側の領域において、ＣＯ又はＨＣと酸素とが反応する。この上流側の領域では、排気はリッチ状態であるものの、ＣＯ又はＨＣと酸素との反応が優先的に進行し、還元剤であるＨＣが消費されてしまう結果、捕捉されたＮＯｘやＳＯｘを脱離させて還元浄化することができないという問題が生じる。
【００１２】
本発明は上述したような各リッチ化手段の利害得失に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限して内燃機関の信頼性を確保しつつ、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘやＳＯｘを効率良く脱離させて還元浄化することにより、高いＮＯｘ浄化能を維持できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため本発明に係る内燃機関の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置Ｓ）は、前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるときに還元浄化するＮＯｘ浄化触媒（例えば、後述のＬＮＣ８）と、少なくとも前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、前記ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させて還元浄化する再生処理を実行する再生手段と、前記再生手段による再生処理の実行を制御する再生制御手段（例えば、後述のＥＣＵ２２）と、を備え、前記再生手段は、燃料噴射に基づいて燃焼室内の空燃比をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、排気をストイキ又は還元雰囲気に制御して前記再生処理を実行する第１再生手段（例えば、後述のインジェクタ１６，ＥＣＵ２２）と、未燃燃料の供給によって前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、前記再生処理を実行する第２再生手段（例えば、後述のインジェクタ１６，排気インジェクタ２１，ＥＣＵ２２）と、を有し、前記再生制御手段は、前記第２再生手段による再生処理を実行する前に、所定の条件を満たしているときには、前記第１再生手段による再生処理を所定時間実行することを特徴とする。
【００１４】
通常、ＮＯｘ浄化触媒にリッチ状態の排気が流入すると、捕捉されていたＮＯｘ又はＳＯｘは脱離するが、排気中に酸素が含まれている場合には、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離反応が妨げられる。このとき、排気中に含まれる酸素は、ＮＯｘ浄化触媒内の上流側の領域を通過する過程で、排気中のＨＣの酸化反応に利用されて消費される。そして、排気中の酸素の全てがＨＣの酸化反応で消費されたところより下流側の領域では、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離反応が効率良く進行する。
ここで、上述したように、燃焼リッチは、ポストリッチ又は排気リッチに比べて排気中の酸素濃度が低いため、ＮＯｘ浄化触媒内の上流側の狭い領域で排気中の酸素の全てを消費できる。このため、燃焼リッチは、ポストリッチ又は排気リッチに比べて、ＮＯｘ浄化触媒中の下流側のより広範な領域でＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させることができる。
そこで、本発明によれば、ポストリッチ又は排気リッチを実行する前に、所定の条件を満たしているときには、燃焼リッチを実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘを効率良く脱離させて還元浄化でき、高いＮＯｘ浄化能を維持できる。
【００１５】
なお、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離は、ＮＯｘ浄化触媒の下流側に位置するＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域のうち、上流側から順に行われることが本発明者らにより判明している。従って、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ又はＳＯｘの脱離においては、燃焼リッチを一定時間実行し、ポストリッチ又は排気リッチの実行によっては脱離できない領域のＮＯｘ又はＳＯｘの脱離が完了した後は、ポストリッチ又は排気リッチの実行によってもＮＯｘ又はＳＯｘを脱離できるため、もはや燃焼リッチを継続して実行する必要はない。
そこで、本発明によれば、ポストリッチ又は排気リッチの実行前に実行する燃焼リッチの実行時間を所定の時間に制限する。これにより、燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限して内燃機関の信頼性を確保できるとともに、グロープラグの耐久性の問題も解決できる。
【００１６】
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、前記第１再生手段による再生処理を実行したときに前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度と、前記第２再生手段による再生処理を実行したときに前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差を、前記内燃機関の運転状態に基づいて推定する酸素濃度差推定手段（例えば、後述のＥＣＵ２２）をさらに備え、前記再生制御手段は、前記第２再生手段による再生処理を実行する前に、前記酸素濃度差推定手段により推定された酸素濃度差が所定値以上であるときには、前記第１再生手段による再生処理を所定時間実行することが好ましい。
【００１７】
上述したように、ＮＯｘ浄化触媒の再生処理において、ポストリッチ又は排気リッチの実行前に燃焼リッチを実行する理由は、ポストリッチ又は排気リッチに比べて燃焼リッチでは排気中の酸素濃度が低く、ＮＯｘ浄化触媒中のより広範な領域でＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させることができるためである。
しかしながら、エンジンの負荷や回転数によっては、燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とで、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度にあまり差が見られない場合がある。この場合には、燃焼リッチを実行してもＮＯｘ又はＳＯｘの脱離性能はさほど向上せず、燃焼安定性の低下のリスクのみを招くこととなる。
そこで、この発明によれば、燃焼リッチ実行時にＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時にＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差が所定値以上であるときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。即ち、上記の酸素濃度差に差が見られないときは、燃焼リッチを実行せずに、ポストリッチ又は排気リッチのみを実行する。これにより、燃焼安定性の低下を回避しつつ、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離性能を維持できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限して内燃機関の信頼性を確保しつつ、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘやＳＯｘを効率良く脱離させて還元浄化することにより、高いＮＯｘ浄化能を維持できる内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る再生処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とにおけるＮＯｘ浄化触媒内の酸素濃度とＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。本実施形態の内燃機関（以下、「エンジン」という）は、ディーゼルエンジンである。
先ず、本実施形態の全体構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態では、エアクリーナ１、コンプレッサ２、インタークーラ３、新気量調整のためのスロットル４、インテークマニホールド５を備え、新気がこの順に導入される。スロットル４は、後述するＥＣＵ２２からの制御信号により、その弁開度が決定される。
【００２２】
また、本実施形態では、エギゾーストマニホールド６、ターボチャージャ７、排気がリーンのときに排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又はリッチのときに還元浄化するＮＯｘ浄化触媒（以下、「ＬＮＣ」という）８、排気中の粒子状物質を捕捉するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」という）９、サイレンサ１０が備えられており、排気がこの順に排出されて車外に放出される。
【００２３】
ＬＮＣ８は、白金などの貴金属と、例えばアルカリ金属、アルカリ土類金属、及び希土類のうちの少なくとも１つを含みかつＮＯｘ吸着性能を有する吸着材と、から構成される。なお、ＬＮＣ８としては、上記に限らず、例えばＮＯｘ吸着性能を有するゼオライトを含むＬＮＣを用いてもよい。このようなＬＮＣによれば、上記と同様の効果が得られる。
【００２４】
ＬＮＣ８は、エンジン１で燃焼する混合気の空燃比がストイキよりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高く、還元剤（ＨＣ及びＣＯ）濃度が酸素濃度より低い酸化雰囲気においては、ＮＯｘを捕捉する。一方、逆に空燃比がストイキ、又はストイキよりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的低く、還元剤濃度が酸素濃度より高い還元雰囲気においては、捕捉したＮＯｘを還元剤により還元浄化し、窒素ガス、水蒸気及び二酸化炭素として排出する。
【００２５】
ＬＮＣ８のＮＯｘ捕捉能力の限界、即ち最大ＮＯｘ捕捉量まで、ＮＯｘを捕捉すると、それ以上ＮＯｘを捕捉できなくなる。このため、適時ＮＯｘを脱離させて還元浄化するために、排気のリッチ化を実行し、ＬＮＣ８を再生する必要がある。
また、ディーゼル機関用の燃料に含まれている硫黄分Ｓが酸化して発生したＳＯｘは、ＮＯｘよりもＬＮＣ８に捕捉され易く、一旦捕捉されると、脱離させて還元浄化するのが容易ではない。このため、ＬＮＣ８に捕捉されたＳＯｘは徐々に堆積し、ＬＮＣ８のＮＯｘ捕捉能の低下、ひいてはＮＯｘ浄化率の低下を招く。従って、適時ＳＯｘを脱離させて還元浄化するために、排気のリッチ化を実行し、ＬＮＣ８を再生する必要がある。
なお、ＬＮＣ８の再生は、後述する再生処理の手順に従って、実行される。
【００２６】
また、排気の一部はＥＧＲクーラ１１を通じてインテークマニホールド５に戻され、再びエンジン本体１７の燃焼室１８内に送り込まれる。ＥＧＲ流量は、後述するＥＣＵ２２からの制御信号により、その弁開度が決定されるＥＧＲバルブ１２にて調整される。
【００２７】
タンク１３から供給された燃料は、燃料ポンプ１４にて加圧され、コモンレール１５を経由してインジェクタ１６から燃焼室１８内に送り込まれる。インジェクタ１６は、後述するＥＣＵ２２からの制御信号により、燃料噴射量、噴射タイミングが決定される。
【００２８】
また、本実施形態では、新気量を検出するエアフローセンサ１９、始動時に軽油の着火性を向上させるとともに燃焼リッチ実行時の失火防止のためのグロープラグ２０、排気リッチ実行の際に排気通路内に燃料を噴射する排気インジェクタ２１を備える。これらは、ＥＣＵ２２と電気的に接続されており、エアフローセンサ１９の検出信号がＥＣＵ２２に供給され、ＥＣＵ２２からの制御信号がグロープラグ２０や排気インジェクタ２１に供給される。
【００２９】
ＥＣＵ２２は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下、「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ２２は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、インジェクタ１６、グロープラグ２０、排気インジェクタ２１、スロットル４、ＥＧＲバルブ１２などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００３０】
次に、本実施形態で実行するＬＮＣの再生処理の手順について説明する。
図３は、本実施形態で実行する再生処理の手順を示すフローチャートである。この再生処理では、所定の条件を満たしているときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間の間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。なお、この再生処理は、ＥＣＵにて繰り返し実行される。
【００３１】
ステップＳ１では、ＬＮＣの再生処理が必要であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ２に移り、ＮＯの場合には、再度この判別を繰り返す。
具体的には、ＬＮＣに捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘの捕捉量を、エンジンの回転数や負荷などの運転状態に応じてマップ検索により推定し、推定された捕捉量が、予め実験を行うことにより設定された捕捉量の閾値を超えたときに、ＬＮＣの再生処理が必要であると判別する。
なお、ＮＯｘ捕捉量の閾値は、ＬＮＣの最大ＮＯｘ捕捉量よりも小さい所定の値に設定される。
また、ＮＯｘの捕捉量は、例えば排気通路にＮＯｘセンサを設け、このＮＯｘセンサで排気中のＮＯｘ濃度を検出することにより、ＬＮＣのＮＯｘ捕捉量を求めてもよい。
【００３２】
ステップＳ２では、燃焼リッチによる再生処理を実行したときにＬＮＣに流入する排気中の酸素濃度と、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行したときにＬＮＣに流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差が、所定値以上であるか否かを判別する。この判別が、ＹＥＳの場合には、ステップＳ３に移り、ＮＯの場合には、ステップＳ５に移る。
上記の酸素濃度差は、エンジンの回転数や出力などの運転状態に応じてマップ検索により推定する。また、上記の所定値は、予め実験を行うことにより設定され、燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とで、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離量に差が見られなくなるときの酸素濃度差以上の所定の値に設定される。
【００３３】
ステップＳ３では、燃焼リッチによる再生処理を実行する。燃焼リッチの実行を開始した後は、ステップＳ４に移る。
具体的には、主噴射量を増加することにより、ＬＮＣに流入する排気をリッチ化し、捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させて還元浄化する。これにより、ＬＮＣが再生する。
主噴射量を増加する際には、エアフローセンサの検出値に基づいてスロットルを絞るなどして吸入空気量を調整する。また、主噴射量は、排気通路に設けられた空燃比センサにより検出される空燃比が、所定の目標空燃比に一致するように、フィードバッグ制御される。
なお、低回転、低負荷や外気温度が低い場合に、上記の燃焼リッチを行うと燃焼の悪化ひいては失火を招くおそれがある。かかる場合は、燃焼リッチ制御実施時に、グロープラグを通電させて燃料を該プラグにて着火させることで安定した燃焼を得ることも可能である。
【００３４】
ステップＳ４では、燃焼リッチの実行を開始してから所定時間が経過したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ５に移り、ＮＯの場合には、ステップＳ３に戻る。
上記の所定時間は、予め実験を行うことにより適宜設定される。具体的には、エンジンの運転状態にかかわらず、ポストリッチ又は排気リッチの実行によってはＮＯｘ又はＳＯｘの脱離ができない領域のＮＯｘ又はＳＯｘを全て脱離するのに必要な時間以上の所定の時間に設定される。
【００３５】
ステップＳ５では、燃焼リッチからポストリッチ又は排気リッチに切り替えて、これらによる再生処理を実行する。ポストリッチ又は排気リッチの実行を開始した後は、ステップＳ６に移る。
具体的には、ポストリッチの実行の場合には、燃焼室内においてリーン燃焼が行われた後の膨張行程又は排気工程において、インジェクタから気筒内に対して燃料噴射を実行し、未燃燃料を排気通路内に流通させて排気をリッチ化する。これにより、ＬＮＣからＮＯｘ又はＳＯｘが脱離し、ＬＮＣが再生する。
また、排気リッチの実行の場合には、エンジンの排気通路内に、排気インジェクタから燃料を直接噴射することにより、未燃燃料を排気通路内に流通させて排気をリッチ化する。これにより、ＬＮＣからＮＯｘ又はＳＯｘが脱離し、ＬＮＣが再生する。
なお、ポストリッチ実行時の燃料噴射量（ポスト噴射量）と、排気リッチ実行時の燃料噴射量は、排気通路に設けられた空燃比センサにより検出される空燃比が、所定の目標空燃比に一致するように、フィードバッグ制御される。
【００３６】
ステップＳ６では、ＬＮＣの再生処理が完了したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ＬＮＣの再生処理を終了し、ＮＯの場合には、ステップＳ５に戻る。
具体的には、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離量を、エンジンの回転数や負荷などの運転状態に応じてマップ検索により推定し、推定した脱離量と、ステップＳ１で推定したＮＯｘ捕捉量との差分が０に近い所定の値を下回ったときに、ＬＮＣの再生処理が完了したと判別する。
【００３７】
本実施形態の効果について、図３を参照して説明する。
図３は、燃焼リッチ実行時と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時とにおいて、ＬＮＣ８内の酸素濃度とＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域との関係を示した図である。
通常、ＬＮＣ８にリッチ状態の排気が流入すると、捕捉されていたＮＯｘ又はＳＯｘは脱離するが、排気中に酸素が含まれている場合には、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離反応が妨げられる。このとき、排気中に含まれる酸素は、ＬＮＣ８内の上流側の領域を通過する過程で、排気中のＣＯ又はＨＣの酸化反応に利用されて消費される。そして、排気中の酸素の全てがＨＣの酸化反応で消費されたところより下流側の領域では、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離反応が効率良く進行する。この下流側の領域が、ＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域である。
【００３８】
ここで、燃焼リッチ実行時は、燃焼室内ですでに新気と燃料の比がリッチの状態となっていることから、燃焼完了時においてすでにポストリッチ又は排気リッチ実行時よりも排気中の酸素濃度が低い。このため、図３に示すように、ＬＮＣ８内の上流側の狭い領域で排気中の酸素の全てを消費できるため、ＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域を広く形成することができる。
これに対して、ポストリッチ又は排気リッチ実行時には、燃焼室内はリーンの状態であり、これらは燃焼後の排気に燃料のＨＣを噴射することで結果的に排気をリッチにするものであるため、燃焼リッチ実行時に比べて排気中の酸素濃度が高い。このため、燃焼リッチ実行時よりも、上流側のより広い領域でなければ排気中の酸素を消費しきれない結果、ＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域が燃焼リッチ実行時に比べて狭くなる。
そこで、本実施形態によれば、ポストリッチ又は排気リッチを実行する前に、所定の条件を満たしているときには、燃焼リッチを実行する。これにより、ＬＮＣ８に捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘを効率良く脱離させて還元浄化でき、高いＮＯｘ浄化能を維持できる。
【００３９】
なお、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離は、ＬＮＣ８の下流側に位置するＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域のうち、上流側から順に行われることが本発明者らにより判明している。従って、ＬＮＣ８におけるＮＯｘ又はＳＯｘの脱離においては、燃焼リッチを一定時間実行し、ポストリッチ又は排気リッチの実行によっては脱離できない領域のＮＯｘ又はＳＯｘの脱離が完了した後は、ポストリッチ又は排気リッチの実行によってもＮＯｘ又はＳＯｘを脱離できるため、もはや燃焼リッチを継続して実行する必要はない。
そこで、本実施形態によれば、ポストリッチ又は排気リッチの実行前に実行する燃焼リッチの実行時間を所定の時間に制限する。これにより、燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限してエンジンの信頼性を確保できるとともに、グロープラグ２０の耐久性の問題も解決できる。
【００４０】
また、上述したように、ＬＮＣ８の再生処理において、ポストリッチ又は排気リッチの実行前に燃焼リッチを実行する理由は、ポストリッチ又は排気リッチに比べて燃焼リッチでは排気中の酸素濃度が低く、ＬＮＣ８中のより広範な領域でＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させることができるためである。
しかしながら、エンジンの負荷や回転数によっては、燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とで、ＬＮＣ８に流入する排気中の酸素濃度にあまり差が見られない場合がある。この場合には、燃焼リッチを実行してもＮＯｘ又はＳＯｘの脱離性能はさほど向上せず、燃焼安定性の低下のリスクのみを招くこととなる。
そこで、本実施形態によれば、燃焼リッチ実行時にＬＮＣ８に流入する排気中の酸素濃度と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時にＬＮＣ８に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差が所定値以上であるときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。即ち、上記の酸素濃度差に差があまり見られないときは、燃焼リッチを実行せずに、ポストリッチ又は排気リッチのみを実行する。これにより、燃焼安定性の低下を回避しつつ、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離性能を維持できる。
【００４１】
本実施形態では、ＥＣＵ２２が、再生手段、再生制御手段、第１再生手段、第２再生手段、及び酸素濃度差推定手段を構成する。また、図３の処理の実行に係る手段が再生手段に相当し、図３のステップＳ２の実行に係る手段が酸素濃度差推定手段及び再生制御手段に相当し、ステップＳ３の実行に係る手段が第１再生手段に相当し、ステップＳ４の実行に係る手段が再生制御手段に相当し、ステップＳ５の実行に係る手段が第２再生手段に相当する。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
例えば、エンジンはディーゼルエンジンに限られず、火花式点火機関にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１６ インジェクタ
１９ エアフローセンサ
２０ グロープラグ
２１ 排気インジェクタ
２２ ＥＣＵ（再生手段、再生制御手段、第１再生手段、第２再生手段、酸素濃度差推定手段）
４ スロットル
８ ＬＮＣ（ＮＯｘ浄化触媒）
Ｓ 排気浄化装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるときに還元浄化するＮＯｘ浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有害排出物抑制の観点から、発電機や自動車などの内燃機関から大気中へ排出される排気中のＮＯｘが問題視されている。ＮＯｘは、酸性雨や光化学スモッグの原因物質であり、世界的にその排出量が規制されている。
【０００３】
圧縮着火式（以下、「ディーゼル」という）内燃機関やガソリンのリーンバーン式内燃機関では、通常運転時には希薄燃焼が行われる。このため、これらの内燃機関から排出される排気中には酸素が多く含まれており、その含有量はおよそ数％である。排気中に含まれる有害成分のうち、ＮＯｘは還元反応により浄化が行われるところ、酸素を多く含む排気中でのＮＯｘの浄化は容易ではない。ガソリン内燃機関で通常用いられる三元触媒をもってしても、酸素を多く含む排気中のＮＯｘを浄化するのは困難である。
【０００４】
酸素を多く含む排気中でＮＯｘを浄化する技術として、排気が酸化雰囲気にあるとき（以下、「リーン」という）に排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるとき（以下、「リッチ」という）に還元浄化するＮＯｘ浄化触媒を用いた技術が知られている。
この技術では、先ず、通常運転時のように排気がリーンのときに、排気中のＮＯｘをＮＯｘ浄化触媒で一旦捕捉する。ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ捕捉能には限界があるため、ＮＯｘ捕捉量がＮＯｘ最大捕捉量に達する前に、排気をストイキ又はリッチに制御するリッチ化処理を実行する。これにより、捕捉されたＮＯｘが脱離して還元浄化されるとともに、ＮＯｘ浄化触媒が再生する。
【０００５】
また、ＮＯｘ浄化触媒では、排気がリーンのときに排気中に含まれるＮＯｘを捕捉すると同時に、排気中に含まれるＳＯｘも捕捉する。このＳＯｘは、ＮＯｘよりも捕捉され易いうえ、一旦捕捉されると、脱離させて還元浄化するのが容易ではない。このため、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＳＯｘは徐々に堆積し、ＮＯｘ捕捉能の低下、ひいてはＮＯｘ浄化率の低下を招く。
従って、ＮＯｘ浄化触媒では、ＳＯｘ捕捉量が所定量に達したときに、排気のリッチ化処理を実行する。これにより、捕捉されて堆積したＳＯｘが脱離して還元浄化されるとともに、ＮＯｘ浄化触媒が再生する。
【０００６】
このように、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘやＳＯｘを脱離させて還元浄化し、ＮＯｘ浄化触媒を再生させる目的で、排気のリッチ化処理が実行される。ディーゼル内燃機関における排気のリッチ化手段としては、次の３つが挙げられる。
第１のリッチ化手段は、吸気や燃料の制御といった燃料噴射に基づいて燃焼室内の空燃比をストイキ又はリッチにすることにより、排気をリッチ化する手段である（以下、「燃焼リッチ」という）。
第２のリッチ化手段は、燃焼後の燃焼室や排気通路内に未燃燃料を供給することにより、排気をリッチ化する手段である（以下、「ポストリッチ」という）。
第３のリッチ化手段は、内燃機関の排気通路内に燃料を直接噴射することにより、未燃の燃料を排気通路内に流通させて排気をリッチ化する手段である（以下、「排気リッチ」という）。
【０００７】
ところが、上記リッチ化手段のうち、燃焼リッチは、燃焼制御が困難であり、燃焼安定性の低下を招くという問題がある。また、始動時に軽油の着火性を向上させるとともに、燃焼リッチ実行時の失火を防止するためにグロープラグを併用する場合にあっては、グロープラグの耐久性も問題となる。このため、排気のリッチ化が求められる場合に、燃焼リッチを多用することは好ましくない。
一方、ポストリッチや排気リッチは、燃焼への影響は軽微である。
【０００８】
そこで、例えば、燃焼リッチとポストリッチとを組み合わせたリッチ化処理について、検討がなされている。具体的には、ＮＯｘ浄化装置に堆積したＳＯｘを脱離させて還元浄化し、ＮＯｘ浄化装置を再生する技術において、ポストリッチと燃焼リッチとの切替えを実行する技術が提案されている（特許文献１参照）。
このＮＯｘ浄化装置では、ポストリッチによる再生処理実行中に、ＮＯｘ浄化装置の温度が高温側判定温度を上回ったときには、燃焼リッチによる再生処理に移行する。また、その状態で、ＮＯｘ浄化装置の温度が低温側判定温度を下回ったときには、ポストリッチによる再生処理に移行する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１０１５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、燃焼リッチ実行時には、燃焼室内ですでに新気と燃料の比がリッチの状態となっていることから、燃焼後の排気中に含まれる酸素量は、一般的に１％以下で低い。これに対して、ポストリッチ実行時や排気リッチ実行時には、燃焼室内はリーンの状態であり、これらは燃焼後に燃料の炭化水素（以下、「ＨＣ」という）を噴射することで結果的に排気をリッチにするものであるため、燃焼リッチ実行時に比べて排気中の酸素濃度は高い。
【００１１】
ポストリッチ実行時や排気リッチ実行時のように、酸素濃度が高いリッチ状態の排気がＮＯｘ浄化触媒に流入した場合には、ＮＯｘ浄化触媒内の上流側の領域において、ＣＯ又はＨＣと酸素とが反応する。この上流側の領域では、排気はリッチ状態であるものの、ＣＯ又はＨＣと酸素との反応が優先的に進行し、還元剤であるＨＣが消費されてしまう結果、捕捉されたＮＯｘやＳＯｘを脱離させて還元浄化することができないという問題が生じる。
【００１２】
本発明は上述したような各リッチ化手段の利害得失に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限して内燃機関の信頼性を確保しつつ、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘやＳＯｘを効率良く脱離させて還元浄化することにより、高いＮＯｘ浄化能を維持できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため本発明に係る内燃機関の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置Ｓ）は、前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるときに還元浄化するＮＯｘ浄化触媒（例えば、後述のＬＮＣ８）と、少なくとも前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、前記ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させて還元浄化する再生処理を実行する再生手段と、前記再生手段による再生処理の実行を制御する再生制御手段（例えば、後述のＥＣＵ２２）と、を備え、前記再生手段は、燃料噴射に基づいて燃焼室内の空燃比をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、排気をストイキ又は還元雰囲気に制御して前記再生処理を実行する第１再生手段（例えば、後述のインジェクタ１６，ＥＣＵ２２）と、未燃燃料の供給によって前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、前記再生処理を実行する第２再生手段（例えば、後述のインジェクタ１６，排気インジェクタ２１，ＥＣＵ２２）と、を有し、前記再生制御手段は、前記第２再生手段による再生処理を実行する前に、所定の条件を満たしているときには、前記第１再生手段による再生処理を所定時間実行することを特徴とする。
【００１４】
通常、ＮＯｘ浄化触媒にリッチ状態の排気が流入すると、捕捉されていたＮＯｘ又はＳＯｘは脱離するが、排気中に酸素が含まれている場合には、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離反応が妨げられる。このとき、排気中に含まれる酸素は、ＮＯｘ浄化触媒内の上流側の領域を通過する過程で、排気中のＨＣの酸化反応に利用されて消費される。そして、排気中の酸素の全てがＨＣの酸化反応で消費されたところより下流側の領域では、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離反応が効率良く進行する。
ここで、上述したように、燃焼リッチは、ポストリッチ又は排気リッチに比べて排気中の酸素濃度が低いため、ＮＯｘ浄化触媒内の上流側の狭い領域で排気中の酸素の全てを消費できる。このため、燃焼リッチは、ポストリッチ又は排気リッチに比べて、ＮＯｘ浄化触媒中の下流側のより広範な領域でＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させることができる。
そこで、本発明によれば、ポストリッチ又は排気リッチを実行する前に、所定の条件を満たしているときには、燃焼リッチを実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘを効率良く脱離させて還元浄化でき、高いＮＯｘ浄化能を維持できる。
【００１５】
なお、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離は、ＮＯｘ浄化触媒の下流側に位置するＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域のうち、上流側から順に行われることが本発明者らにより判明している。従って、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ又はＳＯｘの脱離においては、燃焼リッチを一定時間実行し、ポストリッチ又は排気リッチの実行によっては脱離できない領域のＮＯｘ又はＳＯｘの脱離が完了した後は、ポストリッチ又は排気リッチの実行によってもＮＯｘ又はＳＯｘを脱離できるため、もはや燃焼リッチを継続して実行する必要はない。
そこで、本発明によれば、ポストリッチ又は排気リッチの実行前に実行する燃焼リッチの実行時間を所定の時間に制限する。これにより、燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限して内燃機関の信頼性を確保できるとともに、グロープラグの耐久性の問題も解決できる。
【００１６】
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、前記第１再生手段による再生処理を実行したときに前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度と、前記第２再生手段による再生処理を実行したときに前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差を、前記内燃機関の運転状態に基づいて推定する酸素濃度差推定手段（例えば、後述のＥＣＵ２２）をさらに備え、前記再生制御手段は、前記第２再生手段による再生処理を実行する前に、前記酸素濃度差推定手段により推定された酸素濃度差が所定値以上であるときには、前記第１再生手段による再生処理を所定時間実行することが好ましい。
【００１７】
上述したように、ＮＯｘ浄化触媒の再生処理において、ポストリッチ又は排気リッチの実行前に燃焼リッチを実行する理由は、ポストリッチ又は排気リッチに比べて燃焼リッチでは排気中の酸素濃度が低く、ＮＯｘ浄化触媒中のより広範な領域でＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させることができるためである。
しかしながら、エンジンの負荷や回転数によっては、燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とで、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度にあまり差が見られない場合がある。この場合には、燃焼リッチを実行してもＮＯｘ又はＳＯｘの脱離性能はさほど向上せず、燃焼安定性の低下のリスクのみを招くこととなる。
そこで、この発明によれば、燃焼リッチ実行時にＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時にＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差が所定値以上であるときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。即ち、上記の酸素濃度差に差が見られないときは、燃焼リッチを実行せずに、ポストリッチ又は排気リッチのみを実行する。これにより、燃焼安定性の低下を回避しつつ、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離性能を維持できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限して内燃機関の信頼性を確保しつつ、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘやＳＯｘを効率良く脱離させて還元浄化することにより、高いＮＯｘ浄化能を維持できる内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る再生処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とにおけるＮＯｘ浄化触媒内の酸素濃度とＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。本実施形態の内燃機関（以下、「エンジン」という）は、ディーゼルエンジンである。
先ず、本実施形態の全体構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態では、エアクリーナ１、コンプレッサ２、インタークーラ３、新気量調整のためのスロットル４、インテークマニホールド５を備え、新気がこの順に導入される。スロットル４は、後述するＥＣＵ２２からの制御信号により、その弁開度が決定される。
【００２２】
また、本実施形態では、エギゾーストマニホールド６、ターボチャージャ７、排気がリーンのときに排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又はリッチのときに還元浄化するＮＯｘ浄化触媒（以下、「ＬＮＣ」という）８、排気中の粒子状物質を捕捉するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」という）９、サイレンサ１０が備えられており、排気がこの順に排出されて車外に放出される。
【００２３】
ＬＮＣ８は、白金などの貴金属と、例えばアルカリ金属、アルカリ土類金属、及び希土類のうちの少なくとも１つを含みかつＮＯｘ吸着性能を有する吸着材と、から構成される。なお、ＬＮＣ８としては、上記に限らず、例えばＮＯｘ吸着性能を有するゼオライトを含むＬＮＣを用いてもよい。このようなＬＮＣによれば、上記と同様の効果が得られる。
【００２４】
ＬＮＣ８は、エンジン１で燃焼する混合気の空燃比がストイキよりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高く、還元剤（ＨＣ及びＣＯ）濃度が酸素濃度より低い酸化雰囲気においては、ＮＯｘを捕捉する。一方、逆に空燃比がストイキ、又はストイキよりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的低く、還元剤濃度が酸素濃度より高い還元雰囲気においては、捕捉したＮＯｘを還元剤により還元浄化し、窒素ガス、水蒸気及び二酸化炭素として排出する。
【００２５】
ＬＮＣ８のＮＯｘ捕捉能力の限界、即ち最大ＮＯｘ捕捉量まで、ＮＯｘを捕捉すると、それ以上ＮＯｘを捕捉できなくなる。このため、適時ＮＯｘを脱離させて還元浄化するために、排気のリッチ化を実行し、ＬＮＣ８を再生する必要がある。
また、ディーゼル機関用の燃料に含まれている硫黄分Ｓが酸化して発生したＳＯｘは、ＮＯｘよりもＬＮＣ８に捕捉され易く、一旦捕捉されると、脱離させて還元浄化するのが容易ではない。このため、ＬＮＣ８に捕捉されたＳＯｘは徐々に堆積し、ＬＮＣ８のＮＯｘ捕捉能の低下、ひいてはＮＯｘ浄化率の低下を招く。従って、適時ＳＯｘを脱離させて還元浄化するために、排気のリッチ化を実行し、ＬＮＣ８を再生する必要がある。
なお、ＬＮＣ８の再生は、後述する再生処理の手順に従って、実行される。
【００２６】
また、排気の一部はＥＧＲクーラ１１を通じてインテークマニホールド５に戻され、再びエンジン本体１７の燃焼室１８内に送り込まれる。ＥＧＲ流量は、後述するＥＣＵ２２からの制御信号により、その弁開度が決定されるＥＧＲバルブ１２にて調整される。
【００２７】
タンク１３から供給された燃料は、燃料ポンプ１４にて加圧され、コモンレール１５を経由してインジェクタ１６から燃焼室１８内に送り込まれる。インジェクタ１６は、後述するＥＣＵ２２からの制御信号により、燃料噴射量、噴射タイミングが決定される。
【００２８】
また、本実施形態では、新気量を検出するエアフローセンサ１９、始動時に軽油の着火性を向上させるとともに燃焼リッチ実行時の失火防止のためのグロープラグ２０、排気リッチ実行の際に排気通路内に燃料を噴射する排気インジェクタ２１を備える。これらは、ＥＣＵ２２と電気的に接続されており、エアフローセンサ１９の検出信号がＥＣＵ２２に供給され、ＥＣＵ２２からの制御信号がグロープラグ２０や排気インジェクタ２１に供給される。
【００２９】
ＥＣＵ２２は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下、「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ２２は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、インジェクタ１６、グロープラグ２０、排気インジェクタ２１、スロットル４、ＥＧＲバルブ１２などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００３０】
次に、本実施形態で実行するＬＮＣの再生処理の手順について説明する。
図３は、本実施形態で実行する再生処理の手順を示すフローチャートである。この再生処理では、所定の条件を満たしているときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間の間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。なお、この再生処理は、ＥＣＵにて繰り返し実行される。
【００３１】
ステップＳ１では、ＬＮＣの再生処理が必要であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ２に移り、ＮＯの場合には、再度この判別を繰り返す。
具体的には、ＬＮＣに捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘの捕捉量を、エンジンの回転数や負荷などの運転状態に応じてマップ検索により推定し、推定された捕捉量が、予め実験を行うことにより設定された捕捉量の閾値を超えたときに、ＬＮＣの再生処理が必要であると判別する。
なお、ＮＯｘ捕捉量の閾値は、ＬＮＣの最大ＮＯｘ捕捉量よりも小さい所定の値に設定される。
また、ＮＯｘの捕捉量は、例えば排気通路にＮＯｘセンサを設け、このＮＯｘセンサで排気中のＮＯｘ濃度を検出することにより、ＬＮＣのＮＯｘ捕捉量を求めてもよい。
【００３２】
ステップＳ２では、燃焼リッチによる再生処理を実行したときにＬＮＣに流入する排気中の酸素濃度と、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行したときにＬＮＣに流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差が、所定値以上であるか否かを判別する。この判別が、ＹＥＳの場合には、ステップＳ３に移り、ＮＯの場合には、ステップＳ５に移る。
上記の酸素濃度差は、エンジンの回転数や出力などの運転状態に応じてマップ検索により推定する。また、上記の所定値は、予め実験を行うことにより設定され、燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とで、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離量に差が見られなくなるときの酸素濃度差以上の所定の値に設定される。
【００３３】
ステップＳ３では、燃焼リッチによる再生処理を実行する。燃焼リッチの実行を開始した後は、ステップＳ４に移る。
具体的には、主噴射量を増加することにより、ＬＮＣに流入する排気をリッチ化し、捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させて還元浄化する。これにより、ＬＮＣが再生する。
主噴射量を増加する際には、エアフローセンサの検出値に基づいてスロットルを絞るなどして吸入空気量を調整する。また、主噴射量は、排気通路に設けられた空燃比センサにより検出される空燃比が、所定の目標空燃比に一致するように、フィードバッグ制御される。
なお、低回転、低負荷や外気温度が低い場合に、上記の燃焼リッチを行うと燃焼の悪化ひいては失火を招くおそれがある。かかる場合は、燃焼リッチ制御実施時に、グロープラグを通電させて燃料を該プラグにて着火させることで安定した燃焼を得ることも可能である。
【００３４】
ステップＳ４では、燃焼リッチの実行を開始してから所定時間が経過したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ５に移り、ＮＯの場合には、ステップＳ３に戻る。
上記の所定時間は、予め実験を行うことにより適宜設定される。具体的には、エンジンの運転状態にかかわらず、ポストリッチ又は排気リッチの実行によってはＮＯｘ又はＳＯｘの脱離ができない領域のＮＯｘ又はＳＯｘを全て脱離するのに必要な時間以上の所定の時間に設定される。
【００３５】
ステップＳ５では、燃焼リッチからポストリッチ又は排気リッチに切り替えて、これらによる再生処理を実行する。ポストリッチ又は排気リッチの実行を開始した後は、ステップＳ６に移る。
具体的には、ポストリッチの実行の場合には、燃焼室内においてリーン燃焼が行われた後の膨張行程又は排気工程において、インジェクタから気筒内に対して燃料噴射を実行し、未燃燃料を排気通路内に流通させて排気をリッチ化する。これにより、ＬＮＣからＮＯｘ又はＳＯｘが脱離し、ＬＮＣが再生する。
また、排気リッチの実行の場合には、エンジンの排気通路内に、排気インジェクタから燃料を直接噴射することにより、未燃燃料を排気通路内に流通させて排気をリッチ化する。これにより、ＬＮＣからＮＯｘ又はＳＯｘが脱離し、ＬＮＣが再生する。
なお、ポストリッチ実行時の燃料噴射量（ポスト噴射量）と、排気リッチ実行時の燃料噴射量は、排気通路に設けられた空燃比センサにより検出される空燃比が、所定の目標空燃比に一致するように、フィードバッグ制御される。
【００３６】
ステップＳ６では、ＬＮＣの再生処理が完了したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ＬＮＣの再生処理を終了し、ＮＯの場合には、ステップＳ５に戻る。
具体的には、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離量を、エンジンの回転数や負荷などの運転状態に応じてマップ検索により推定し、推定した脱離量と、ステップＳ１で推定したＮＯｘ捕捉量との差分が０に近い所定の値を下回ったときに、ＬＮＣの再生処理が完了したと判別する。
【００３７】
本実施形態の効果について、図３を参照して説明する。
図３は、燃焼リッチ実行時と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時とにおいて、ＬＮＣ８内の酸素濃度とＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域との関係を示した図である。
通常、ＬＮＣ８にリッチ状態の排気が流入すると、捕捉されていたＮＯｘ又はＳＯｘは脱離するが、排気中に酸素が含まれている場合には、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離反応が妨げられる。このとき、排気中に含まれる酸素は、ＬＮＣ８内の上流側の領域を通過する過程で、排気中のＣＯ又はＨＣの酸化反応に利用されて消費される。そして、排気中の酸素の全てがＨＣの酸化反応で消費されたところより下流側の領域では、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離反応が効率良く進行する。この下流側の領域が、ＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域である。
【００３８】
ここで、燃焼リッチ実行時は、燃焼室内ですでに新気と燃料の比がリッチの状態となっていることから、燃焼完了時においてすでにポストリッチ又は排気リッチ実行時よりも排気中の酸素濃度が低い。このため、図３に示すように、ＬＮＣ８内の上流側の狭い領域で排気中の酸素の全てを消費できるため、ＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域を広く形成することができる。
これに対して、ポストリッチ又は排気リッチ実行時には、燃焼室内はリーンの状態であり、これらは燃焼後の排気に燃料のＨＣを噴射することで結果的に排気をリッチにするものであるため、燃焼リッチ実行時に比べて排気中の酸素濃度が高い。このため、燃焼リッチ実行時よりも、上流側のより広い領域でなければ排気中の酸素を消費しきれない結果、ＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域が燃焼リッチ実行時に比べて狭くなる。
そこで、本実施形態によれば、ポストリッチ又は排気リッチを実行する前に、所定の条件を満たしているときには、燃焼リッチを実行する。これにより、ＬＮＣ８に捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘを効率良く脱離させて還元浄化でき、高いＮＯｘ浄化能を維持できる。
【００３９】
なお、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離は、ＬＮＣ８の下流側に位置するＮＯｘ又はＳＯｘ脱離可能領域のうち、上流側から順に行われることが本発明者らにより判明している。従って、ＬＮＣ８におけるＮＯｘ又はＳＯｘの脱離においては、燃焼リッチを一定時間実行し、ポストリッチ又は排気リッチの実行によっては脱離できない領域のＮＯｘ又はＳＯｘの脱離が完了した後は、ポストリッチ又は排気リッチの実行によってもＮＯｘ又はＳＯｘを脱離できるため、もはや燃焼リッチを継続して実行する必要はない。
そこで、本実施形態によれば、ポストリッチ又は排気リッチの実行前に実行する燃焼リッチの実行時間を所定の時間に制限する。これにより、燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限してエンジンの信頼性を確保できるとともに、グロープラグ２０の耐久性の問題も解決できる。
【００４０】
また、上述したように、ＬＮＣ８の再生処理において、ポストリッチ又は排気リッチの実行前に燃焼リッチを実行する理由は、ポストリッチ又は排気リッチに比べて燃焼リッチでは排気中の酸素濃度が低く、ＬＮＣ８中のより広範な領域でＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させることができるためである。
しかしながら、エンジンの負荷や回転数によっては、燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とで、ＬＮＣ８に流入する排気中の酸素濃度にあまり差が見られない場合がある。この場合には、燃焼リッチを実行してもＮＯｘ又はＳＯｘの脱離性能はさほど向上せず、燃焼安定性の低下のリスクのみを招くこととなる。
そこで、本実施形態によれば、燃焼リッチ実行時にＬＮＣ８に流入する排気中の酸素濃度と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時にＬＮＣ８に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差が所定値以上であるときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。即ち、上記の酸素濃度差に差があまり見られないときは、燃焼リッチを実行せずに、ポストリッチ又は排気リッチのみを実行する。これにより、燃焼安定性の低下を回避しつつ、ＮＯｘ又はＳＯｘの脱離性能を維持できる。
【００４１】
本実施形態では、ＥＣＵ２２が、再生手段、再生制御手段、第１再生手段、第２再生手段、及び酸素濃度差推定手段を構成する。また、図３の処理の実行に係る手段が再生手段に相当し、図３のステップＳ２の実行に係る手段が酸素濃度差推定手段及び再生制御手段に相当し、ステップＳ３の実行に係る手段が第１再生手段に相当し、ステップＳ４の実行に係る手段が再生制御手段に相当し、ステップＳ５の実行に係る手段が第２再生手段に相当する。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
例えば、エンジンはディーゼルエンジンに限られず、火花式点火機関にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１６ インジェクタ
１９ エアフローセンサ
２０ グロープラグ
２１ 排気インジェクタ
２２ ＥＣＵ（再生手段、再生制御手段、第１再生手段、第２再生手段、酸素濃度差推定手段）
４ スロットル
８ ＬＮＣ（ＮＯｘ浄化触媒）
Ｓ 排気浄化装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるときに還元浄化するＮＯｘ浄化触媒と、
少なくとも前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、前記ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させて還元浄化する再生処理を実行する再生手段と、
前記再生手段による再生処理の実行を制御する再生制御手段と、を備え、
前記再生手段は、燃料噴射に基づいて燃焼室内の空燃比をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、排気をストイキ又は還元雰囲気に制御して前記再生処理を実行する第１再生手段と、
未燃燃料の供給によって前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、前記再生処理を実行する第２再生手段と、を有し、
前記再生制御手段は、前記第２再生手段による再生処理を実行する前に、所定の条件を満たしているときには、前記第１再生手段による再生処理を所定時間実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１再生手段による再生処理を実行したときに前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度と、前記第２再生手段による再生処理を実行したときに前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差を、前記内燃機関の運転状態に基づいて推定する酸素濃度差推定手段をさらに備え、
前記再生制御手段は、前記第２再生手段による再生処理を実行する前に、前記酸素濃度差推定手段により推定された酸素濃度差が所定値以上であるときには、前記第１再生手段による再生処理を所定時間実行することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１】
内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるときに還元浄化するＮＯｘ浄化触媒と、
少なくとも前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、前記ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘ又はＳＯｘを脱離させて還元浄化する再生処理を実行する再生手段と、
前記再生手段による再生処理の実行を制御する再生制御手段と、を備え、
前記再生手段は、燃料噴射に基づいて燃焼室内の空燃比をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、排気をストイキ又は還元雰囲気に制御して前記再生処理を実行する第１再生手段と、
未燃燃料の供給によって前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、前記再生処理を実行する第２再生手段と、を有し、
前記再生制御手段は、前記第２再生手段による再生処理を実行する前に、所定の条件を満たしているときには、前記第１再生手段による再生処理を所定時間実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１再生手段による再生処理を実行したときに前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度と、前記第２再生手段による再生処理を実行したときに前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差を、前記内燃機関の運転状態に基づいて推定する酸素濃度差推定手段をさらに備え、
前記再生制御手段は、前記第２再生手段による再生処理を実行する前に、前記酸素濃度差推定手段により推定された酸素濃度差が所定値以上であるときには、前記第１再生手段による再生処理を所定時間実行することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−９９３６５（Ｐ２０１１−９９３６５Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５３７６４（Ｐ２００９−２５３７６４）
【出願日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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