内燃機関の排気浄化装置
【課題】ＮＳＲ触媒とＳＣＲとを備える内燃機関において、リッチスパイク時の燃費悪化を抑制するとともに、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとの組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】リーン運転が可能な内燃機関１０の排気浄化装置であって、内燃機関１０の排気通路１２に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）１６と、ＮＳＲ触媒１６の下流に配置されたＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）１８と、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、リーン運転中の所定のタイミングでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、リッチスパイク手段は、ＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満である場合に、リッチスパイク時の目標Ａ／Ｆを所定のスライトリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１３）に制御する。
【解決手段】リーン運転が可能な内燃機関１０の排気浄化装置であって、内燃機関１０の排気通路１２に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）１６と、ＮＳＲ触媒１６の下流に配置されたＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）１８と、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、リーン運転中の所定のタイミングでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、リッチスパイク手段は、ＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満である場合に、リッチスパイク時の目標Ａ／Ｆを所定のスライトリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１３）に制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒とを備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００８−３０３７５９号公報に開示されるように、三元触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＮＳＲ触媒」と称する）、およびＮＯｘ選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ」と称する）が、内燃機関の排気通路の上流側からこの順序で配置されたシステムが知られている。ＮＳＲ触媒は、内燃機関から排出される燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒内部に吸蔵する吸蔵機能と、ＮＯｘおよび炭化水素（ＨＣ）等を浄化処理する触媒機能と、を備えた触媒である。内燃機関がリーン空燃比で運転（リーン運転）されると、ＮＯｘを多量に含む排気ガスが排出される。ＮＳＲ触媒は、このＮＯｘをその内部に吸蔵保持して、該ＮＯｘが触媒下流へ放出される事態を抑制する。
【０００３】
リーン運転中は、時間の経過に伴ってＮＳＲ触媒内のＮＯｘ吸蔵保持量が増加する。そこで、上記従来のシステムでは、該ＮＳＲ触媒内のＮＯｘ吸蔵保持量が所定の吸蔵容量に近づいた地点で、内燃機関の排気空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク制御が実行される。これにより、該ＮＳＲ触媒内に吸蔵保持されていたＮＯｘが浄化される。
【０００４】
また、リッチスパイク制御が実行されると、三元触媒およびＮＳＲ触媒では、アンモニア（ＮＨ３）が生成される。ＳＣＲは、アンモニア（ＮＨ３）を吸着する機能を有しており、三元触媒およびＮＳＲ触媒で生成されたＮＨ３をその内部に吸蔵する。吸蔵されたＮＨ３は、該ＳＣＲに流入するＮＯｘを選択的に還元する際に使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３０３７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、リッチスパイク制御は、上記従来の装置において実行されるタイミングの他に、加速要求等を受けて走行モードがリーン運転からストイキ運転へ移行するタイミングにおいても実行される。この走行モード移行時のリッチスパイクは、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量の多少によらず実行されることとなるため、その実行タイミングによっては、ＮＳＲ触媒にＮＯｘが殆ど吸蔵されていない状態で実行されることも想定される。この場合、常に同じリッチ空燃比でリッチスパイク制御を実行する上記従来の技術においては、リッチガスの過剰供給による燃費の悪化を招く事態が想定される。
【０００７】
また、リッチスパイク時の排気空燃比は、ＮＳＲ触媒内の吸蔵ＮＯｘの浄化度合およびＮＨ３の生成度合に多大な影響を及ぼす。このため、常に同じリッチ空燃比でリッチスパイク制御を実行する上記従来の技術においては、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとの組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現しようとした場合に、最善のリッチスパイクが実行されているとは言い難い。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとを備える内燃機関において、リッチスパイク時の燃費悪化を抑制するとともに、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとの組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、リーン運転が可能な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配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、ＮＳＲ触媒）と、
前記ＮＳＲ触媒の下流に配置されたＮＯｘ選択還元触媒（以下、ＳＣＲ）と、
前記ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、
リーン運転中の所定のタイミングでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、
前記リッチスパイク手段は、前記ＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満である場合に、前記リッチスパイク時の排気空燃比を所定のスライトリッチ空燃比に制御することを特徴としている。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、
前記リッチスパイク手段は、前記リーン運転からストイキ運転に切り替わるタイミングで前記リッチスパイクを実行することを特徴としている。
【００１１】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記リッチスパイク手段は、前記ＮＯｘ吸蔵量が前記吸蔵限界量に達している場合に、前記リッチスパイク時の排気空燃比を前記所定のスライトリッチ空燃比よりもリッチな所定のリッチ空燃比に制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
リッチスパイクが実行されると、ＮＳＲ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）に吸蔵されていたＮＯｘが脱離・浄化されるとともに、該ＮＳＲ触媒においてＮＨ３が生成される。生成されたＮＨ３は、排気通路を流通して下流側に配置されたＳＣＲ（ＮＯｘ選択還元触媒）内に吸蔵される。該ＳＣＲでは、吸蔵されたＮＨ３を用いて、ＮＳＲ触媒の下流に吹き抜けたＮＯｘを選択的に還元する。
【００１３】
第１の発明によれば、リッチスパイクを実行する場合に、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満である場合には、リッチスパイク時の排気空燃比が所定のスライトリッチ空燃比に制御される。ＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満である場合には、リッチスパイク時の排気空燃比がスライトリッチ空燃比であっても、その浄化性能をある程度以上回復させることができる。また、リッチスパイク時の排気空燃比がスライトリッチ空燃比である場合には、ＮＨ３の生成効率の向上によるＳＣＲのＮＯｘ浄化性能向上を図ることができる。このため、本発明によれば、リッチスパイク時の燃費悪化を抑制しつつ、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとの組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、内燃機関の走行モードがリーン運転からストイキ運転に切り替わるタイミングでリッチスパイクが実行される。このため、本発明によれば、ストイキ運転が開始される前にＮＳＲ触媒およびＳＣＲのＮＯｘ浄化性能を向上させることができるので、ストイキ運転時における空燃比のリーンずれが発生した場合であっても、ＮＯｘエミッションの悪化を有効に抑止することができる。
【００１５】
第３の発明によれば、リッチスパイクを実行する場合に、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量に達している場合には、リッチスパイク時の排気空燃比が所定のスライトリッチ空燃比よりもリッチな所定のリッチ空燃比に制御される。このため、本発明によれば、ＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ浄化を優先的に実行することができるので、ＮＳＲ触媒を用いたＮＯｘ浄化を主とした高いＮＯｘ浄化率の実現を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のシステムにおいて実行されるリッチスパイクの基本動作について説明するための図である。
【図３】内燃機関１０の走行パターンの一例を示す図である。
【図４】リーン運転中のリッチスパイクの実行タイミングを説明するための図である。
【図５】リーン運転中のリッチスパイクの実行タイミングの他の例を説明するための図である。
【図６】排気空燃比に対するＮＨ３生成濃度および生成時間の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、右バンク１０１および左バンク１０２を備えたＶ型のガソリンエンジンとして構成されている。右バンク１０１に属する気筒群は、排気通路１２１に連通している。また、左バンク１０２に属する気筒群は、排気通路１２２に連通している。排気通路１２１および１２２は、下流で合流した後に排気通路１２３の一端に連通している。以下、排気通路１２１、１２２、および１２３を特に区別しない場合には、これらを単に「排気通路１２」と称することとする。
【００１９】
排気通路１２１および１２２には、三元触媒であるスタート触媒（以下、「ＳＣ」と称する）１４１および１４２がそれぞれ配置されている。また、排気通路１２３には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）１６が配置されている。更に、排気通路１２３におけるＮＳＲ触媒１６の下流側には、ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）１８が配置されている。以下、ＳＣ１４１および１４２を特に区別しない場合には、これらを単に「ＳＣ１４」と称することとする。
【００２０】
内燃機関１０は、空燃比がリッチである場合に、ＨＣおよびＣＯを排出し易い。また、空燃比がリーンである場合にＮＯｘを排出しやすい。ＳＣ１４は、リーン雰囲気では酸素（Ｏ２）を吸着しながらＮＯｘを還元（Ｎ２に浄化）する。他方、リッチ雰囲気では、酸素を放出しながらＨＣおよびＣＯを酸化（Ｈ２Ｏ、ＣＯ２に浄化）する。また、リッチ雰囲気下では、排気ガス中に含まれる窒素と水素、或いはＨＣとＮＯｘが反応することにより、アンモニア（ＮＨ３）が生成される。
【００２１】
ＮＳＲ触媒１６は、リーン雰囲気下では、排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵する。また、ＮＳＲ触媒１６は、リッチ雰囲気下で吸蔵しているＮＯｘを放出する。リッチ雰囲気下で放出されたＮＯｘは、ＨＣやＣＯにより還元される。この際、ＳＣ１４の場合と同様に、ＮＳＲ１６においてもＮＨ３が生成される。
【００２２】
ＳＣＲ１８は、Ｆｅ系ゼオライト触媒として構成され、ＳＣ１４およびＮＳＲ触媒１６が、リッチ雰囲気下で生成するＮＨ３を吸蔵し、リーン雰囲気下では、ＮＨ３を還元剤として、排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元する機能を有している。ＳＣＲ１８によれば、ＮＳＲ触媒１６の下流に吹き抜けてきたＮＨ３およびＮＯｘが大気中に放出される事態を有効に阻止することができる。
【００２３】
本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０の出力部には、燃料噴射装置（図示せず）等の種々のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ３０の入力部には、機関回転数ＮＥを検出するためのクランク角センサやスロットル開度ＴＡを検出するためのスロットル開度センサ（何れも図示せず）の他、内燃機関１０の運転条件および運転状態を検出するための種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ３０は、入力された各種の情報に基づいて、図１に示すシステムの状態を制御することができる。
【００２４】
[実施の形態１の動作]
（リッチスパイク制御について）
先ず、図２を参照して、本実施の形態のシステムにおいて実行されるリッチスパイク制御について説明する。図２は、本実施の形態１のシステムにおいて実行されるリッチスパイクの基本動作について説明するための図である。
【００２５】
ＥＣＵ３０は、通常、内燃機関１０をリーン空燃比で運転（リーン運転）させる。リーン運転中は、ＮＯｘ等の酸化剤がＨＣ、ＣＯ等の還元剤よりも多量に排出される。このため、三元触媒を用いて当該排気ガスを浄化しようとしても、還元剤の不足によって全てのＮＯｘを浄化することができない。そこで、本実施の形態１のシステムは、排気通路１２３にＮＳＲ触媒１６を備えることとしている。ＮＳＲ触媒１６は、ＮＯｘをＢａ（ＮＯ３）２等の硝酸塩として吸蔵する機能を有している。このため、本実施の形態１のシステムによれば、リーン運転中であっても、該ＮＯｘが大気中に放出されてしまう事態を効果的に抑制することができる。
【００２６】
但し、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵性能は、吸蔵量が増加するにつれて低下してしまう。このため、リーン運転が長時間継続されると、吸蔵されなかったＮＯｘが該触媒下流に吹き抜けてしまう。そこで、本実施の形態１のシステムでは、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されたＮＯｘを定期的に脱離させて処理するリッチスパイク制御が実行される。より具体的には、図２に示すとおり、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されているＮＯｘ量が所定の吸蔵限界量（例えば、最大吸蔵量の８割に相当する量）に達したタイミングで、内燃機関１０の排気空燃比が一時的にリッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１２）に制御される。リッチスパイク実行中の排気ガスには、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２等の還元剤が多量に含まれている。このため、これらの還元剤がＮＳＲ触媒１６内へ導入されると、硝酸塩として吸蔵されていたＮＯｘは、ＮＯまで還元されて塩基から脱離される。脱離したＮＯｘは、ＮＳＲ触媒１６内の触媒上でＮ２等に浄化されて処理される。このように、リーン運転中にリッチスパイクを実行することにより、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されていたＮＯｘを脱離処理することができるので、ＮＯｘ吸蔵性能を有効に回復させることができる。
【００２７】
尚、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量は、例えば、ＥＣＵ３０に組み込まれている公知のＮＯｘカウンタを用いて算出する。具体的には、ＮＯｘカウンタは、内燃機関１０の運転状態を表すパラメータ（例えば、機関回転数、負荷、触媒入ガスの空燃比等）の検出値に基づいて、予め実験的に求められたマップに従って、内燃機関１０から排出されるＮＯｘ量を推定する。そして、このＮＯｘ量を時間経過分積算した値をＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量として出力する。
【００２８】
（ＳＣＲによるＮＯｘ浄化動作）
次に、ＳＣＲ１８の機能について説明する。上述したとおり、リッチスパイクの実行によって、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵性能を有効に回復させることができる。しかしながら、リッチスパイクが実行されると、該ＮＳＲ触媒１６から脱離したＮＯｘの一部が浄化されずにそのまま下流に吹き抜けてしまう。また、上述したとおり、リーン運転中にＮＳＲ触媒１６に吸蔵されずに下流に吹き抜けたＮＯｘも存在する。これらの吹き抜けＮＯｘがそのまま大気中に放出されてしまうとエミッションの悪化を招いてしまう。
【００２９】
そこで、本実施の形態１のシステムは、ＮＳＲ触媒１６の下流側に吹き抜けたＮＯｘを処理するためのＳＣＲ１８を備えることとしている。上述したとおり、ＳＣＲ１８は、ＳＣ１４およびＮＳＲ触媒１６が、リッチ雰囲気下で生成するＮＨ３をその内部に吸蔵している。このため、ＳＣＲ１８によれば、ＮＳＲ触媒１６の下流に吹き抜けてきたＮＯｘをＮＨ３で選択的に還元して浄化することができる。これにより、ＮＯｘが大気中に放出されてエミッションが悪化する事態を有効に阻止することができる。
【００３０】
尚、本出願の発明者の見解によれば、ＳＣＲ１８の床温を４７０℃以下、好ましくは２００〜３５０℃とすることによって、該ＳＣＲ１８における還元反応を活発に行わせることができる。このため、本実施の形態１のシステムでは、ＳＣＲ１８の床温が２００〜３５０℃となるように、その配置が調整されている。これにより、ＳＣＲ１８の下流にＮＯｘが放出される事態を効果的に抑止することができる。
【００３１】
[本実施の形態１の特徴的動作]
次に、図３乃至図６を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。図３は、内燃機関１０の走行パターンの一例を示す図である。尚、この図では、内燃機関１０の速度と運転空燃比（運転モード）との関係を時系列で示している。この図に示す走行パターンでは、ＥＣＵ３０は、内燃機関１０が高速定常運転をしている期間（図３中の期間Ａおよび期間Ｃに相当）に、内燃機関１０をリーン空燃比で運転（リーン運転）させる。これにより、燃費向上を図ることができる。また、ＥＣＵ３０は、リーン運転中に急激な加速要求が出された場合（図３中の期間Ｂに相当）に、内燃機関１０をストイキ空燃比で運転（ストイキ運転）させる。これにより、必要なトルクを確保することができる。
【００３２】
ここで、上述したとおり、リーン運転中は、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されているＮＯｘの浄化を目的としたリッチスパイクが実行される。図４は、リーン運転中のリッチスパイクの実行タイミングを説明するための図である。この図に示すとおり、ＥＣＵ３０は、実行タイミングの異なる第１、第２のリッチスパイク制御を実行する。具体的には、第１のリッチスパイク制御は、上述した通常のリッチスパイクであり、ＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量に達したタイミングで実行されるものである。一方、第２のリッチスパイク制御は、リーン運転からストイキ運転へ移行するタイミングで実行されるものである。この第２のリッチスパイクによれば、ストイキ運転の開始に先立ってＮＳＲ触媒１６内のＮＯｘを浄化することができるので、その後のストイキ運転中にリーンずれが起きた場合であっても、ＮＯｘがＮＳＲ触媒１６の下流に吹き抜ける事態を有効に抑止することができる。
【００３３】
しかしながら、図４に示すとおり、第１のリッチスパイク制御が常にＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が吸蔵限界量に達しているときに実行されるのに対して、第２のリッチスパイク制御はＮＯｘ吸蔵量の多少によらず実行される。このため、この図に示すように、例えば第１のリッチスパイク制御の実行直後に加速要求（ストイキ運転への移行要求）が出されて第２のリッチスパイク制御を実行する場合等においては、ＮＳＲ触媒１６内に殆どＮＯｘが吸蔵されていない状態でリッチスパイクが実行されてしまう。
【００３４】
また、図５は、リーン運転中のリッチスパイクの実行タイミングの他の例を説明するための図である。この走行パターンは、上述した図４に示す走行パターンに比して、リーン運転の期間（期間Ａ）が極端に短い場合を想定している。この走行パターンの場合、ＮＯｘを吸蔵するリーン運転期間が短いため、上記図４の走行パターンと同様に、ＮＳＲ触媒１６内に殆どＮＯｘが吸蔵されていない状態でリッチスパイクが実行されてしまう。
【００３５】
このように、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が吸蔵限界量に達していない状態であるにもかかわらず、第１のリッチスパイク制御と同様のリッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１２）で第２のリッチスパイク制御を実行すると、過剰なリッチスパイクを実行することとなり、エミッションおよび燃費の観点から好ましくない。
【００３６】
そこで、本実施の形態のシステムでは、第２のリッチスパイク制御の目標Ａ／Ｆを、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量に応じて可変に設定することとする。より具体的には、ＥＣＵ３０は、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量に達しているときには、第２のリッチスパイク制御の目標Ａ／Ｆを所定のリッチ空燃比（例えば、目標Ａ／Ｆ＝１２）に制御することとする。これにより、ＮＳＲ触媒１６におけるＮＯｘ浄化を優先的に実行することができるので、ＮＳＲ触媒１６によるＮＯｘ浄化を主とした高いＮＯｘ浄化率の実現を図ることができる。
【００３７】
一方、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が吸蔵限界量未満である場合には、リッチスパイク時の排気空燃比が多少薄いスライトリッチ空燃比であっても、ＮＳＲ触媒１６におけるＮＯｘ浄化をある程度以上期待することができる。更に、本出願の発明者の見解によれば、ＳＣ１４およびＮＳＲ触媒１６（特にＮＳＲ触媒１６）において生成されるＮＨ３量は、リッチスパイク時の排気空燃比によって変動する。図６は、排気空燃比に対するＮＨ３生成濃度および生成時間の関係を示す図である。この図に示すとおり、排気空燃比がＡ／Ｆ＝１３の近傍となるスライトリッチ空燃比である場合に、ＮＨ３濃度が最も高くなっている。
【００３８】
そこで、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満であるときには、第２のリッチスパイク制御の目標Ａ／Ｆを所定のスライトリッチ空燃比（目標Ａ／Ｆ＝１３近傍）に制御する。これにより、ＳＣＲ１８のＮＯｘ浄化性能を有効に高めることができるので、リッチスパイク時の燃費悪化を抑制しつつ、ＮＳＲ触媒１６とＳＣＲ１８との組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現することができる。
【００３９】
但し、図６に示すとおり、排気空燃比がリッチからストイキへ近づくほどＮＨ３が発生するまでの時間が長くなる傾向にある。このため、ＳＣＲ１８のＮＯｘ浄化性能を向上させる観点からは、ＮＨ３の生成濃度だけでなくＮＨ３の生成時間も考慮して、ＳＣＲ１８に流入するＮＨ３量が最大となる目標Ａ／Ｆを適宜設定することが好ましい。
【００４０】
［実施の形態１における具体的処理］
次に、図７を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図７は、ＥＣＵ３０が、第２のリッチスパイク制御を実行するルーチンのフローチャートである。尚、図７に示すルーチンは、内燃機関１０のリーン運転中に繰り返し実行されるものとする。
【００４１】
図７に示すルーチンでは、先ず、ＮＳＲ触媒１６中に吸蔵されている現在の吸蔵ＮＯｘ量が推定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、上述したＮＯｘカウンタの積算値が読み込まれる。次に、リーン運転からストイキ運転への走行モードの変化要求があるか否かが判定される（ステップ１０２）。その結果、走行モードの変化要求がないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了される。
【００４２】
一方、上記ステップ１０２において、走行モードの変化要求があると判定された場合には、リッチスパイクの実行条件が成立したと判断されて、次のステップに移行し、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量に達しているか否かが判定される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において読み込まれたＮＯｘ吸蔵量と所定の吸蔵限界量との大小が比較される。その結果、ＮＯｘ吸蔵量≧吸蔵限界量の成立が認められた場合には、次のステップに移行し、通常のリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１２）を目標Ａ／Ｆとしたリッチスパイクが実行される（ステップ１０６）。次いで、走行モードがリーン運転からストイキ運転へ切り替えられる（ステップ１０８）。
【００４３】
一方、上記ステップ１０４において、ＮＯｘ吸蔵量≧吸蔵限界量の成立が認められない場合には、次のステップに移行し、所定のスライトリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１３）を目標Ａ／Ｆとしたリッチスパイクが実行される（ステップ１１０）。次に、上記ステップ１０８に移行して、走行モードがリーン運転からストイキ運転へ切り替えられる。
【００４４】
以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、走行モードがリーン運転からストイキ運転に切り替えられるタイミングで実行される第２のリッチスパイク制御において、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満であるときには、リッチスパイク時の目標Ａ／Ｆがスライトリッチ空燃比に制御される。これにより、無駄な燃料消費を有効に抑制することができるので、燃費を向上させることができる。また、リッチスパイクをＡ／Ｆ＝１３の近傍となるスライトリッチ空燃比で実行すると、ＮＨ３の生成量が多量となる。これによりＳＣＲ１８のＮＯｘ選択還元性能を向上させることができるので、ＮＳＲ触媒１６とＳＣＲ１８との組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現することができる。
【００４５】
また、本実施の形態のシステムによれば、第２のリッチスパイク制御において、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量に達しているときには、リッチスパイク時の目標Ａ／Ｆが通常のリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１２）に制御される。これにより、ＮＳＲ触媒１６におけるＮＯｘ浄化を優先的に実行することができるので、ＮＳＲ触媒１６によるＮＯｘ浄化を主とした高いＮＯｘ浄化率の実現を図ることができる。
【００４６】
ところで、上述した実施の形態１においては、第２のリッチスパイク制御において、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量を超えていないときには、リッチスパイク時の目標Ａ／Ｆをスライトリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１３）に制御することとしているが、かかるリッチスパイクを２段階のリッチスパイクとして、１段目をリッチ空燃比（例えば、目標Ａ／Ｆ＝１２）に制御し、２段目をスライトリッチ空燃比（目標Ａ／Ｆ＝１３）に制御することとしてもよい。リッチスパイク初期のリッチ成分は、触媒に含まれるＯＳＣ材での酸素吸蔵反応に使用される。このため、上記２段階のリッチスパイクを実行することで、リッチスパイク期間の全域にわたり所望のスライトリッチ空燃比を実現することができる。
【００４７】
また、上述した実施の形態１においては、ＮＳＲ触媒１６の吸蔵限界量を該ＮＳＲ触媒１６の最大吸蔵量の８割に相当する量に設定しているが、使用する触媒の容量や材質等を考慮して、高いＮＯｘ浄化率を実現できる量を適宜設定することとしてもよい。
【００４８】
尚、上述した実施の形態１においては、ＮＳＲ触媒１６が前記第１の発明における「ＮＳＲ触媒」に、ＳＣＲ１８が前記第１の発明における「ＳＣＲ」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第１の発明における「ＮＯｘ吸蔵量推定手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「リッチスパイク手段」が、それぞれ実現されている。
【００４９】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第３の発明における「リッチスパイク手段」が実現されている。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 内燃機関（エンジン）
１２ 排気通路
１４ スタート触媒（ＳＣ）
１６ ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）
１８ ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）
３０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒とを備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００８−３０３７５９号公報に開示されるように、三元触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＮＳＲ触媒」と称する）、およびＮＯｘ選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ」と称する）が、内燃機関の排気通路の上流側からこの順序で配置されたシステムが知られている。ＮＳＲ触媒は、内燃機関から排出される燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒内部に吸蔵する吸蔵機能と、ＮＯｘおよび炭化水素（ＨＣ）等を浄化処理する触媒機能と、を備えた触媒である。内燃機関がリーン空燃比で運転（リーン運転）されると、ＮＯｘを多量に含む排気ガスが排出される。ＮＳＲ触媒は、このＮＯｘをその内部に吸蔵保持して、該ＮＯｘが触媒下流へ放出される事態を抑制する。
【０００３】
リーン運転中は、時間の経過に伴ってＮＳＲ触媒内のＮＯｘ吸蔵保持量が増加する。そこで、上記従来のシステムでは、該ＮＳＲ触媒内のＮＯｘ吸蔵保持量が所定の吸蔵容量に近づいた地点で、内燃機関の排気空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク制御が実行される。これにより、該ＮＳＲ触媒内に吸蔵保持されていたＮＯｘが浄化される。
【０００４】
また、リッチスパイク制御が実行されると、三元触媒およびＮＳＲ触媒では、アンモニア（ＮＨ３）が生成される。ＳＣＲは、アンモニア（ＮＨ３）を吸着する機能を有しており、三元触媒およびＮＳＲ触媒で生成されたＮＨ３をその内部に吸蔵する。吸蔵されたＮＨ３は、該ＳＣＲに流入するＮＯｘを選択的に還元する際に使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３０３７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、リッチスパイク制御は、上記従来の装置において実行されるタイミングの他に、加速要求等を受けて走行モードがリーン運転からストイキ運転へ移行するタイミングにおいても実行される。この走行モード移行時のリッチスパイクは、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量の多少によらず実行されることとなるため、その実行タイミングによっては、ＮＳＲ触媒にＮＯｘが殆ど吸蔵されていない状態で実行されることも想定される。この場合、常に同じリッチ空燃比でリッチスパイク制御を実行する上記従来の技術においては、リッチガスの過剰供給による燃費の悪化を招く事態が想定される。
【０００７】
また、リッチスパイク時の排気空燃比は、ＮＳＲ触媒内の吸蔵ＮＯｘの浄化度合およびＮＨ３の生成度合に多大な影響を及ぼす。このため、常に同じリッチ空燃比でリッチスパイク制御を実行する上記従来の技術においては、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとの組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現しようとした場合に、最善のリッチスパイクが実行されているとは言い難い。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとを備える内燃機関において、リッチスパイク時の燃費悪化を抑制するとともに、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとの組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、リーン運転が可能な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配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、ＮＳＲ触媒）と、
前記ＮＳＲ触媒の下流に配置されたＮＯｘ選択還元触媒（以下、ＳＣＲ）と、
前記ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、
リーン運転中の所定のタイミングでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、
前記リッチスパイク手段は、前記ＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満である場合に、前記リッチスパイク時の排気空燃比を所定のスライトリッチ空燃比に制御することを特徴としている。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、
前記リッチスパイク手段は、前記リーン運転からストイキ運転に切り替わるタイミングで前記リッチスパイクを実行することを特徴としている。
【００１１】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記リッチスパイク手段は、前記ＮＯｘ吸蔵量が前記吸蔵限界量に達している場合に、前記リッチスパイク時の排気空燃比を前記所定のスライトリッチ空燃比よりもリッチな所定のリッチ空燃比に制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
リッチスパイクが実行されると、ＮＳＲ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）に吸蔵されていたＮＯｘが脱離・浄化されるとともに、該ＮＳＲ触媒においてＮＨ３が生成される。生成されたＮＨ３は、排気通路を流通して下流側に配置されたＳＣＲ（ＮＯｘ選択還元触媒）内に吸蔵される。該ＳＣＲでは、吸蔵されたＮＨ３を用いて、ＮＳＲ触媒の下流に吹き抜けたＮＯｘを選択的に還元する。
【００１３】
第１の発明によれば、リッチスパイクを実行する場合に、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満である場合には、リッチスパイク時の排気空燃比が所定のスライトリッチ空燃比に制御される。ＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満である場合には、リッチスパイク時の排気空燃比がスライトリッチ空燃比であっても、その浄化性能をある程度以上回復させることができる。また、リッチスパイク時の排気空燃比がスライトリッチ空燃比である場合には、ＮＨ３の生成効率の向上によるＳＣＲのＮＯｘ浄化性能向上を図ることができる。このため、本発明によれば、リッチスパイク時の燃費悪化を抑制しつつ、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとの組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、内燃機関の走行モードがリーン運転からストイキ運転に切り替わるタイミングでリッチスパイクが実行される。このため、本発明によれば、ストイキ運転が開始される前にＮＳＲ触媒およびＳＣＲのＮＯｘ浄化性能を向上させることができるので、ストイキ運転時における空燃比のリーンずれが発生した場合であっても、ＮＯｘエミッションの悪化を有効に抑止することができる。
【００１５】
第３の発明によれば、リッチスパイクを実行する場合に、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量に達している場合には、リッチスパイク時の排気空燃比が所定のスライトリッチ空燃比よりもリッチな所定のリッチ空燃比に制御される。このため、本発明によれば、ＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ浄化を優先的に実行することができるので、ＮＳＲ触媒を用いたＮＯｘ浄化を主とした高いＮＯｘ浄化率の実現を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のシステムにおいて実行されるリッチスパイクの基本動作について説明するための図である。
【図３】内燃機関１０の走行パターンの一例を示す図である。
【図４】リーン運転中のリッチスパイクの実行タイミングを説明するための図である。
【図５】リーン運転中のリッチスパイクの実行タイミングの他の例を説明するための図である。
【図６】排気空燃比に対するＮＨ３生成濃度および生成時間の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、右バンク１０１および左バンク１０２を備えたＶ型のガソリンエンジンとして構成されている。右バンク１０１に属する気筒群は、排気通路１２１に連通している。また、左バンク１０２に属する気筒群は、排気通路１２２に連通している。排気通路１２１および１２２は、下流で合流した後に排気通路１２３の一端に連通している。以下、排気通路１２１、１２２、および１２３を特に区別しない場合には、これらを単に「排気通路１２」と称することとする。
【００１９】
排気通路１２１および１２２には、三元触媒であるスタート触媒（以下、「ＳＣ」と称する）１４１および１４２がそれぞれ配置されている。また、排気通路１２３には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）１６が配置されている。更に、排気通路１２３におけるＮＳＲ触媒１６の下流側には、ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）１８が配置されている。以下、ＳＣ１４１および１４２を特に区別しない場合には、これらを単に「ＳＣ１４」と称することとする。
【００２０】
内燃機関１０は、空燃比がリッチである場合に、ＨＣおよびＣＯを排出し易い。また、空燃比がリーンである場合にＮＯｘを排出しやすい。ＳＣ１４は、リーン雰囲気では酸素（Ｏ２）を吸着しながらＮＯｘを還元（Ｎ２に浄化）する。他方、リッチ雰囲気では、酸素を放出しながらＨＣおよびＣＯを酸化（Ｈ２Ｏ、ＣＯ２に浄化）する。また、リッチ雰囲気下では、排気ガス中に含まれる窒素と水素、或いはＨＣとＮＯｘが反応することにより、アンモニア（ＮＨ３）が生成される。
【００２１】
ＮＳＲ触媒１６は、リーン雰囲気下では、排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵する。また、ＮＳＲ触媒１６は、リッチ雰囲気下で吸蔵しているＮＯｘを放出する。リッチ雰囲気下で放出されたＮＯｘは、ＨＣやＣＯにより還元される。この際、ＳＣ１４の場合と同様に、ＮＳＲ１６においてもＮＨ３が生成される。
【００２２】
ＳＣＲ１８は、Ｆｅ系ゼオライト触媒として構成され、ＳＣ１４およびＮＳＲ触媒１６が、リッチ雰囲気下で生成するＮＨ３を吸蔵し、リーン雰囲気下では、ＮＨ３を還元剤として、排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元する機能を有している。ＳＣＲ１８によれば、ＮＳＲ触媒１６の下流に吹き抜けてきたＮＨ３およびＮＯｘが大気中に放出される事態を有効に阻止することができる。
【００２３】
本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０の出力部には、燃料噴射装置（図示せず）等の種々のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ３０の入力部には、機関回転数ＮＥを検出するためのクランク角センサやスロットル開度ＴＡを検出するためのスロットル開度センサ（何れも図示せず）の他、内燃機関１０の運転条件および運転状態を検出するための種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ３０は、入力された各種の情報に基づいて、図１に示すシステムの状態を制御することができる。
【００２４】
[実施の形態１の動作]
（リッチスパイク制御について）
先ず、図２を参照して、本実施の形態のシステムにおいて実行されるリッチスパイク制御について説明する。図２は、本実施の形態１のシステムにおいて実行されるリッチスパイクの基本動作について説明するための図である。
【００２５】
ＥＣＵ３０は、通常、内燃機関１０をリーン空燃比で運転（リーン運転）させる。リーン運転中は、ＮＯｘ等の酸化剤がＨＣ、ＣＯ等の還元剤よりも多量に排出される。このため、三元触媒を用いて当該排気ガスを浄化しようとしても、還元剤の不足によって全てのＮＯｘを浄化することができない。そこで、本実施の形態１のシステムは、排気通路１２３にＮＳＲ触媒１６を備えることとしている。ＮＳＲ触媒１６は、ＮＯｘをＢａ（ＮＯ３）２等の硝酸塩として吸蔵する機能を有している。このため、本実施の形態１のシステムによれば、リーン運転中であっても、該ＮＯｘが大気中に放出されてしまう事態を効果的に抑制することができる。
【００２６】
但し、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵性能は、吸蔵量が増加するにつれて低下してしまう。このため、リーン運転が長時間継続されると、吸蔵されなかったＮＯｘが該触媒下流に吹き抜けてしまう。そこで、本実施の形態１のシステムでは、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されたＮＯｘを定期的に脱離させて処理するリッチスパイク制御が実行される。より具体的には、図２に示すとおり、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されているＮＯｘ量が所定の吸蔵限界量（例えば、最大吸蔵量の８割に相当する量）に達したタイミングで、内燃機関１０の排気空燃比が一時的にリッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１２）に制御される。リッチスパイク実行中の排気ガスには、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２等の還元剤が多量に含まれている。このため、これらの還元剤がＮＳＲ触媒１６内へ導入されると、硝酸塩として吸蔵されていたＮＯｘは、ＮＯまで還元されて塩基から脱離される。脱離したＮＯｘは、ＮＳＲ触媒１６内の触媒上でＮ２等に浄化されて処理される。このように、リーン運転中にリッチスパイクを実行することにより、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されていたＮＯｘを脱離処理することができるので、ＮＯｘ吸蔵性能を有効に回復させることができる。
【００２７】
尚、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量は、例えば、ＥＣＵ３０に組み込まれている公知のＮＯｘカウンタを用いて算出する。具体的には、ＮＯｘカウンタは、内燃機関１０の運転状態を表すパラメータ（例えば、機関回転数、負荷、触媒入ガスの空燃比等）の検出値に基づいて、予め実験的に求められたマップに従って、内燃機関１０から排出されるＮＯｘ量を推定する。そして、このＮＯｘ量を時間経過分積算した値をＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量として出力する。
【００２８】
（ＳＣＲによるＮＯｘ浄化動作）
次に、ＳＣＲ１８の機能について説明する。上述したとおり、リッチスパイクの実行によって、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵性能を有効に回復させることができる。しかしながら、リッチスパイクが実行されると、該ＮＳＲ触媒１６から脱離したＮＯｘの一部が浄化されずにそのまま下流に吹き抜けてしまう。また、上述したとおり、リーン運転中にＮＳＲ触媒１６に吸蔵されずに下流に吹き抜けたＮＯｘも存在する。これらの吹き抜けＮＯｘがそのまま大気中に放出されてしまうとエミッションの悪化を招いてしまう。
【００２９】
そこで、本実施の形態１のシステムは、ＮＳＲ触媒１６の下流側に吹き抜けたＮＯｘを処理するためのＳＣＲ１８を備えることとしている。上述したとおり、ＳＣＲ１８は、ＳＣ１４およびＮＳＲ触媒１６が、リッチ雰囲気下で生成するＮＨ３をその内部に吸蔵している。このため、ＳＣＲ１８によれば、ＮＳＲ触媒１６の下流に吹き抜けてきたＮＯｘをＮＨ３で選択的に還元して浄化することができる。これにより、ＮＯｘが大気中に放出されてエミッションが悪化する事態を有効に阻止することができる。
【００３０】
尚、本出願の発明者の見解によれば、ＳＣＲ１８の床温を４７０℃以下、好ましくは２００〜３５０℃とすることによって、該ＳＣＲ１８における還元反応を活発に行わせることができる。このため、本実施の形態１のシステムでは、ＳＣＲ１８の床温が２００〜３５０℃となるように、その配置が調整されている。これにより、ＳＣＲ１８の下流にＮＯｘが放出される事態を効果的に抑止することができる。
【００３１】
[本実施の形態１の特徴的動作]
次に、図３乃至図６を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。図３は、内燃機関１０の走行パターンの一例を示す図である。尚、この図では、内燃機関１０の速度と運転空燃比（運転モード）との関係を時系列で示している。この図に示す走行パターンでは、ＥＣＵ３０は、内燃機関１０が高速定常運転をしている期間（図３中の期間Ａおよび期間Ｃに相当）に、内燃機関１０をリーン空燃比で運転（リーン運転）させる。これにより、燃費向上を図ることができる。また、ＥＣＵ３０は、リーン運転中に急激な加速要求が出された場合（図３中の期間Ｂに相当）に、内燃機関１０をストイキ空燃比で運転（ストイキ運転）させる。これにより、必要なトルクを確保することができる。
【００３２】
ここで、上述したとおり、リーン運転中は、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されているＮＯｘの浄化を目的としたリッチスパイクが実行される。図４は、リーン運転中のリッチスパイクの実行タイミングを説明するための図である。この図に示すとおり、ＥＣＵ３０は、実行タイミングの異なる第１、第２のリッチスパイク制御を実行する。具体的には、第１のリッチスパイク制御は、上述した通常のリッチスパイクであり、ＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量に達したタイミングで実行されるものである。一方、第２のリッチスパイク制御は、リーン運転からストイキ運転へ移行するタイミングで実行されるものである。この第２のリッチスパイクによれば、ストイキ運転の開始に先立ってＮＳＲ触媒１６内のＮＯｘを浄化することができるので、その後のストイキ運転中にリーンずれが起きた場合であっても、ＮＯｘがＮＳＲ触媒１６の下流に吹き抜ける事態を有効に抑止することができる。
【００３３】
しかしながら、図４に示すとおり、第１のリッチスパイク制御が常にＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が吸蔵限界量に達しているときに実行されるのに対して、第２のリッチスパイク制御はＮＯｘ吸蔵量の多少によらず実行される。このため、この図に示すように、例えば第１のリッチスパイク制御の実行直後に加速要求（ストイキ運転への移行要求）が出されて第２のリッチスパイク制御を実行する場合等においては、ＮＳＲ触媒１６内に殆どＮＯｘが吸蔵されていない状態でリッチスパイクが実行されてしまう。
【００３４】
また、図５は、リーン運転中のリッチスパイクの実行タイミングの他の例を説明するための図である。この走行パターンは、上述した図４に示す走行パターンに比して、リーン運転の期間（期間Ａ）が極端に短い場合を想定している。この走行パターンの場合、ＮＯｘを吸蔵するリーン運転期間が短いため、上記図４の走行パターンと同様に、ＮＳＲ触媒１６内に殆どＮＯｘが吸蔵されていない状態でリッチスパイクが実行されてしまう。
【００３５】
このように、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が吸蔵限界量に達していない状態であるにもかかわらず、第１のリッチスパイク制御と同様のリッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１２）で第２のリッチスパイク制御を実行すると、過剰なリッチスパイクを実行することとなり、エミッションおよび燃費の観点から好ましくない。
【００３６】
そこで、本実施の形態のシステムでは、第２のリッチスパイク制御の目標Ａ／Ｆを、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量に応じて可変に設定することとする。より具体的には、ＥＣＵ３０は、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量に達しているときには、第２のリッチスパイク制御の目標Ａ／Ｆを所定のリッチ空燃比（例えば、目標Ａ／Ｆ＝１２）に制御することとする。これにより、ＮＳＲ触媒１６におけるＮＯｘ浄化を優先的に実行することができるので、ＮＳＲ触媒１６によるＮＯｘ浄化を主とした高いＮＯｘ浄化率の実現を図ることができる。
【００３７】
一方、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が吸蔵限界量未満である場合には、リッチスパイク時の排気空燃比が多少薄いスライトリッチ空燃比であっても、ＮＳＲ触媒１６におけるＮＯｘ浄化をある程度以上期待することができる。更に、本出願の発明者の見解によれば、ＳＣ１４およびＮＳＲ触媒１６（特にＮＳＲ触媒１６）において生成されるＮＨ３量は、リッチスパイク時の排気空燃比によって変動する。図６は、排気空燃比に対するＮＨ３生成濃度および生成時間の関係を示す図である。この図に示すとおり、排気空燃比がＡ／Ｆ＝１３の近傍となるスライトリッチ空燃比である場合に、ＮＨ３濃度が最も高くなっている。
【００３８】
そこで、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満であるときには、第２のリッチスパイク制御の目標Ａ／Ｆを所定のスライトリッチ空燃比（目標Ａ／Ｆ＝１３近傍）に制御する。これにより、ＳＣＲ１８のＮＯｘ浄化性能を有効に高めることができるので、リッチスパイク時の燃費悪化を抑制しつつ、ＮＳＲ触媒１６とＳＣＲ１８との組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現することができる。
【００３９】
但し、図６に示すとおり、排気空燃比がリッチからストイキへ近づくほどＮＨ３が発生するまでの時間が長くなる傾向にある。このため、ＳＣＲ１８のＮＯｘ浄化性能を向上させる観点からは、ＮＨ３の生成濃度だけでなくＮＨ３の生成時間も考慮して、ＳＣＲ１８に流入するＮＨ３量が最大となる目標Ａ／Ｆを適宜設定することが好ましい。
【００４０】
［実施の形態１における具体的処理］
次に、図７を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図７は、ＥＣＵ３０が、第２のリッチスパイク制御を実行するルーチンのフローチャートである。尚、図７に示すルーチンは、内燃機関１０のリーン運転中に繰り返し実行されるものとする。
【００４１】
図７に示すルーチンでは、先ず、ＮＳＲ触媒１６中に吸蔵されている現在の吸蔵ＮＯｘ量が推定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、上述したＮＯｘカウンタの積算値が読み込まれる。次に、リーン運転からストイキ運転への走行モードの変化要求があるか否かが判定される（ステップ１０２）。その結果、走行モードの変化要求がないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了される。
【００４２】
一方、上記ステップ１０２において、走行モードの変化要求があると判定された場合には、リッチスパイクの実行条件が成立したと判断されて、次のステップに移行し、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量に達しているか否かが判定される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において読み込まれたＮＯｘ吸蔵量と所定の吸蔵限界量との大小が比較される。その結果、ＮＯｘ吸蔵量≧吸蔵限界量の成立が認められた場合には、次のステップに移行し、通常のリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１２）を目標Ａ／Ｆとしたリッチスパイクが実行される（ステップ１０６）。次いで、走行モードがリーン運転からストイキ運転へ切り替えられる（ステップ１０８）。
【００４３】
一方、上記ステップ１０４において、ＮＯｘ吸蔵量≧吸蔵限界量の成立が認められない場合には、次のステップに移行し、所定のスライトリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１３）を目標Ａ／Ｆとしたリッチスパイクが実行される（ステップ１１０）。次に、上記ステップ１０８に移行して、走行モードがリーン運転からストイキ運転へ切り替えられる。
【００４４】
以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、走行モードがリーン運転からストイキ運転に切り替えられるタイミングで実行される第２のリッチスパイク制御において、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満であるときには、リッチスパイク時の目標Ａ／Ｆがスライトリッチ空燃比に制御される。これにより、無駄な燃料消費を有効に抑制することができるので、燃費を向上させることができる。また、リッチスパイクをＡ／Ｆ＝１３の近傍となるスライトリッチ空燃比で実行すると、ＮＨ３の生成量が多量となる。これによりＳＣＲ１８のＮＯｘ選択還元性能を向上させることができるので、ＮＳＲ触媒１６とＳＣＲ１８との組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を実現することができる。
【００４５】
また、本実施の形態のシステムによれば、第２のリッチスパイク制御において、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量に達しているときには、リッチスパイク時の目標Ａ／Ｆが通常のリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１２）に制御される。これにより、ＮＳＲ触媒１６におけるＮＯｘ浄化を優先的に実行することができるので、ＮＳＲ触媒１６によるＮＯｘ浄化を主とした高いＮＯｘ浄化率の実現を図ることができる。
【００４６】
ところで、上述した実施の形態１においては、第２のリッチスパイク制御において、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量を超えていないときには、リッチスパイク時の目標Ａ／Ｆをスライトリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１３）に制御することとしているが、かかるリッチスパイクを２段階のリッチスパイクとして、１段目をリッチ空燃比（例えば、目標Ａ／Ｆ＝１２）に制御し、２段目をスライトリッチ空燃比（目標Ａ／Ｆ＝１３）に制御することとしてもよい。リッチスパイク初期のリッチ成分は、触媒に含まれるＯＳＣ材での酸素吸蔵反応に使用される。このため、上記２段階のリッチスパイクを実行することで、リッチスパイク期間の全域にわたり所望のスライトリッチ空燃比を実現することができる。
【００４７】
また、上述した実施の形態１においては、ＮＳＲ触媒１６の吸蔵限界量を該ＮＳＲ触媒１６の最大吸蔵量の８割に相当する量に設定しているが、使用する触媒の容量や材質等を考慮して、高いＮＯｘ浄化率を実現できる量を適宜設定することとしてもよい。
【００４８】
尚、上述した実施の形態１においては、ＮＳＲ触媒１６が前記第１の発明における「ＮＳＲ触媒」に、ＳＣＲ１８が前記第１の発明における「ＳＣＲ」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第１の発明における「ＮＯｘ吸蔵量推定手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「リッチスパイク手段」が、それぞれ実現されている。
【００４９】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第３の発明における「リッチスパイク手段」が実現されている。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 内燃機関（エンジン）
１２ 排気通路
１４ スタート触媒（ＳＣ）
１６ ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）
１８ ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）
３０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーン運転が可能な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配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、ＮＳＲ触媒）と、
前記ＮＳＲ触媒の下流に配置されたＮＯｘ選択還元触媒（以下、ＳＣＲ）と、
前記ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、
リーン運転中の所定のタイミングでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、
前記リッチスパイク手段は、前記ＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満である場合に、前記リッチスパイク時の排気空燃比を所定のスライトリッチ空燃比に制御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】
前記リッチスパイク手段は、前記リーン運転からストイキ運転に切り替わるタイミングで前記リッチスパイクを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３】
前記リッチスパイク手段は、前記ＮＯｘ吸蔵量が前記吸蔵限界量に達している場合に、前記リッチスパイク時の排気空燃比を前記所定のスライトリッチ空燃比よりもリッチな所定のリッチ空燃比に制御することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１】
リーン運転が可能な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配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、ＮＳＲ触媒）と、
前記ＮＳＲ触媒の下流に配置されたＮＯｘ選択還元触媒（以下、ＳＣＲ）と、
前記ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、
リーン運転中の所定のタイミングでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、
前記リッチスパイク手段は、前記ＮＯｘ吸蔵量が所定の吸蔵限界量未満である場合に、前記リッチスパイク時の排気空燃比を所定のスライトリッチ空燃比に制御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】
前記リッチスパイク手段は、前記リーン運転からストイキ運転に切り替わるタイミングで前記リッチスパイクを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３】
前記リッチスパイク手段は、前記ＮＯｘ吸蔵量が前記吸蔵限界量に達している場合に、前記リッチスパイク時の排気空燃比を前記所定のスライトリッチ空燃比よりもリッチな所定のリッチ空燃比に制御することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−５７５７１（Ｐ２０１２−５７５７１Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０３０５３（Ｐ２０１０−２０３０５３）
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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