特許第6051850号(P6051850)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6051850
(24)【登録日】2016年12月9日
(45)【発行日】2016年12月27日
(54)【発明の名称】ディーゼルエンジンの排気後処理装置
(51)【国際特許分類】
   F01N 3/24 20060101AFI20161219BHJP
   F01N 3/08 20060101ALI20161219BHJP
   F01N 3/20 20060101ALI20161219BHJP
   F02D 45/00 20060101ALI20161219BHJP
   F02D 41/04 20060101ALI20161219BHJP
   B01D 53/86 20060101ALI20161219BHJP
【FI】
   F01N3/24 R
   F01N3/08 AZAB
   F01N3/20 C
   F02D45/00 314Z
   F01N3/20 B
   F02D41/04 305A
   F02D45/00 368F
   B01D53/86 222
   B01D53/86 223
【請求項の数】9
【全頁数】31
(21)【出願番号】特願2012-283601(P2012-283601)
(22)【出願日】2012年12月26日
(65)【公開番号】特開2014-125976(P2014-125976A)
(43)【公開日】2014年7月7日
【審査請求日】2015年10月29日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100075513
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 政喜
(74)【代理人】
【識別番号】100120260
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅昭
(74)【代理人】
【識別番号】100120178
【弁理士】
【氏名又は名称】三田 康成
(74)【代理人】
【識別番号】100130638
【弁理士】
【氏名又は名称】野末 貴弘
(72)【発明者】
【氏名】石橋 康隆
(72)【発明者】
【氏名】中野 雅彦
(72)【発明者】
【氏名】内藤 哲郎
(72)【発明者】
【氏名】西澤 透
【審査官】 田村 耕作
(56)【参考文献】
【文献】 特開2003−003882(JP,A)
【文献】 特開2006−183525(JP,A)
【文献】 特開2012−241652(JP,A)
【文献】 特開2009−197708(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F01N 3/24
B01D 53/86
F01N 3/08
F01N 3/20
F02D 41/04
F02D 45/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸素雰囲気で排気中のNOxをトラップし、還元雰囲気ではトラップしていたNOxを脱離し、排気中のHCを還元剤として用いて還元・浄化するNOxトラップ触媒と、
前記NOxトラップ触媒上流の排気の空気過剰率である第1空気過剰率を検出する第1空気過剰率検出手段と、
前記NOxトラップ触媒下流の排気の空気過剰率である第2空気過剰率を検出する第2空気過剰率検出手段と、
前記NOxトラップ触媒の再生時期になったとき、初期処理中の排気の空気過剰率をリッチ側の第1基本空気過剰率にする初期処理手段と、
前記排気の空気過剰率を前記第1基本空気過剰率にした後に後期処理中の排気の空気過剰率を1.0近傍の第2基本空気過剰率にする後期処理手段と、
前記NOxトラップ触媒の触媒劣化度合を推定する触媒劣化度合推定手段と、
前記推定される触媒劣化度合によって、前記NOxトラップ触媒の残存酸素量を予測する残存酸素量予測手段と、
前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて前記第1基本空気過剰率より前記第2基本空気過剰率への移行速度を制御する移行速度制御手段、または、前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて前記後期処理中の排気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段、または、前記第2空気過剰率検出手段により検出される第2空気過剰率がリーン側よりしきい値を横切ってリッチ側に反転したとき、排気の空気過剰率を前記第1基本空気過剰率より前記第2基本空気過剰率に切換える場合における前記しきい値を、前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて制御するしきい値制御手段、のいずれか一つである還元剤供給量制御手段と
を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの排気後処理装置。
【請求項2】
前記触媒劣化度合推定手段は、前記触媒劣化度合を、前記初期処理の開始から前記第2空気過剰率検出手段により検出される第2空気過剰率がリーン側より1.0近傍を横切るまでの時間に応じてまたは前記第2空気過剰率検出手段により検出される第2空気過剰率と前記第1空気過剰率検出手段により検出される第1空気過剰率の差分の時間積分値に応じて推定することを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
【請求項3】
前記残存酸素量予測手段は、前記NOxトラップ触媒の残存酸素量を、前記触媒劣化度合が相対的に大きいときには前記触媒劣化度合が相対的に小さいときより少ないと予測することを特徴とする請求項1または2に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
【請求項4】
前記残存酸素量予測手段は、前記NOxトラップ触媒の残存酸素量を、前記排気の空気過剰率を前記第1基本空気過剰率にしている間に前記第2空気過剰率検出手段により検出される第2空気過剰率がリーン側より1.0近傍を横切るときの第2空気過剰率の変化速度によっても予測することを特徴とする請求項1からまでのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
【請求項5】
前記残存酸素量予測手段は、前記NOxトラップ触媒の残存酸素量を、前記変化速度が相対的に小さいときには前記変化速度が相対的に大きいときより多いと予測することを特徴とする請求項に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
【請求項6】
前記還元剤供給量制御手段は、前記変化速度が相対的に小さいときには前記変化速度が相対的に大きいときより前記後期処理中の還元剤の供給量を増やすことを特徴とする請求項4または5に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
【請求項7】
前記移行速度制御手段は、前記変化速度が相対的に小さいときには前記変化速度が相対的に大きいときより前記移行速度を大きくすることを特徴とする請求項4または5に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
【請求項8】
前記空気過剰率制御手段は、前記変化速度が相対的に小さいときには前記変化速度が相対的に大きいときより前記後期処理中の排気の空気過剰率を小さくなる側にすることを特徴とする請求項4または5に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
【請求項9】
前記残存酸素量予測手段は、前記NOxトラップ触媒の残存酸素量を、前記初期処理中に前記第1空気過剰率検出手段により検出される第1空気過剰率と前記第2空気過剰率検出手段により検出される第2空気過剰率との差分によっても予測するものであり、
前記しきい値制御手段は、前記差分が相対的に小さいときには前記差分が相対的に大きいときより前記しきい値を小さくなる側にすることを特徴とする請求項に記載のディーゼルエンジンの排気後処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明はディーゼルエンジンの排気後処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
酸化触媒、NOxトラップ触媒を排気通路に備え、リッチスパイク処理を初期処理と後期処理に分割するものがある(特許文献1参照)。このものでは、初期処理でフロントラムダをリッチ側の第1基本空気過剰率にし、リアラムダがリッチに反転したときに酸化触媒及びNOxトラップ触媒に残存する酸素が全て無くなったと判定する。そして後期処理ではフロントラムダを1.0近傍の第2基本空気過剰率に制御している。ここで、フロントラムダは酸化触媒上流を流れる排気の空気過剰率、リアラムダはNOxトラップ触媒の下流を流れる排気の空気過剰率である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2009−197708号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、酸化触媒及びNOxトラップ触媒の触媒劣化時には、触媒新品時よりも酸素のストレージ能力が低下するため、酸化触媒及びNOxトラップ触媒の残存酸素量が減少する。上記の第1基本空気過剰率を触媒新品時に適合してあると、触媒劣化時には第1基本空気過剰率が小さ過ぎて無駄な還元剤を供給していることになり、燃費が悪化する。しかしながら、上記特許文献1には触媒劣化時について一切記載がない。
【0005】
そこで本発明は、触媒劣化時においても、リッチスパイクに用いる還元剤の供給量を適切にし得る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】
【0006】
本発明のディーゼルエンジンの排気後処理装置は、酸素雰囲気で排気中のNOxをトラップし、還元雰囲気ではトラップしていたNOxを脱離し、排気中のHCを還元剤として用いて還元・浄化するNOxトラップ触媒と、前記NOxトラップ触媒上流の排気の空気過剰率である第1空気過剰率を検出する第1空気過剰率検出手段と、前記NOxトラップ触媒下流の排気の空気過剰率である第2空気過剰率を検出する第2空気過剰率検出手段と、前記NOxトラップ触媒の再生時期になったとき、初期処理中の排気の空気過剰率をリッチ側の第1基本空気過剰率にする初期処理手段と、前記排気の空気過剰率を前記第1基本空気過剰率にした後に後期処理中の排気の空気過剰率を1.0近傍の第2基本空気過剰率にする後期処理手段とを備えている。本発明のディーゼルエンジンの排気後処理装置は、さらに前記NOxトラップ触媒の触媒劣化度合を推定する触媒劣化度合推定手段と、前記推定される触媒劣化度合によって、前記NOxトラップ触媒の残存酸素量を予測する残存酸素量予測手段と、前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて前記第1基本空気過剰率より前記第2基本空気過剰率への移行速度を制御する移行速度制御手段、または、前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて前記後期処理中の排気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段、または、前記第2空気過剰率検出手段により検出される第2空気過剰率がリーン側よりしきい値を横切ってリッチ側に反転したとき、排気の空気過剰率を前記第1基本空気過剰率より前記第2基本空気過剰率に切換える場合における前記しきい値を、前記残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて制御するしきい値制御手段、のいずれか一つである還元剤供給量制御手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【0007】
触媒劣化時には、NOxトラップ触媒の残存酸素量が触媒新品時よりも少ないはずであるから、本発明によれば、予測される残存酸素量に基づいて、触媒劣化時には触媒新品時よりも後期処理中の還元剤の供給量を少なくする側に制御する。触媒新品時のNOxトラップ触媒の残存酸素量と触媒劣化時のNOxトラップ触媒の残存酸素量との差の分だけ、触媒劣化時に後期処理中の還元剤の供給量を減らすことによって、無駄な還元剤の供給を抑制して燃費の悪化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】本発明の第1実施形態のディーゼルエンジンの排気後処理装置の概略構成図である。
図2】触媒新品時かつ負荷変動がないときの従来装置のリッチスパイク処理時のフロントラムダ、リアラムダの変化を示すタイミングチャートである。
図3】触媒新品時かつ負荷変動があるときの従来装置のリッチスパイク処理時のフロントラムダ、リアラムダの変化を示すタイミングチャートである。
図4A】第1実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。
図4B】第1実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。
図5】リーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きに対する酸化触媒及びNOxトラップ触媒の残存酸素量の特性図である。
図6】第1実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率の算出を説明するためフローチャートである。
図7】第1実施形態のリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾き及び触媒の劣化度合に対する目標空気過剰率の制御周期当たり増分の特性図である。
図8】第1実施形態の触媒の劣化度合の算出を説明するためのフローチャートである。
図9】触媒の劣化度合の特性図である。
図10】第1実施形態の他の触媒の劣化度合の算出を説明するためのフローチャートである。
図11】触媒の劣化度合の特性図である。
図12A】第2実施形態のリッチスパイク処理時の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。
図12B】第2実施形態のリッチスパイク処理時の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。
図13】第2実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率の算出を説明するためフローチャートである。
図14】第2実施形態のリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾き及び触媒の劣化度合に対する空気過剰率補正量の特性図である。
図15A】第3実施形態のリッチスパイク処理時の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。
図15B】第3実施形態のリッチスパイク処理時の目標空過剰率及び排気の実空過剰率の変化を示すタイミングチャートである。
図16A】第3実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率及び目標初期処理時間の算出を説明するためフローチャートである。
図16B】第3実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率及び目標初期処理時間の算出を説明するためフローチャートである。
図17】第3実施形態の差分及び触媒の劣化度合に対するしきい値の特性図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0010】
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態のディーゼルエンジンの排気後処理装置を示す概略構成図である。図1において、ディーゼルエンジン1の吸気通路2には可変ノズル型のターボチャージャ3の吸気コンプレッサを備える。吸入空気は吸気コンプレッサによって過給され、インタークーラ4で冷却され、常開のスロットル弁5を通過した後、コレクタ6を経て、各気筒のシリンダ内へ流入する。燃料は、コモンレール式燃料噴射装置により、すなわち、高圧燃料ポンプ7により高圧化されてコモンレール8に送られ、各気筒の燃料噴射弁9からシリンダ内へ直接噴射される。シリンダ内に流入した空気と噴射された燃料はここで圧縮着火により燃焼し、排気は排気通路10へ流出する。
【0011】
排気通路10に流出した排気の一部は、EGRガスとして、EGR通路11によりEGR弁12を介して吸気側に還流される。排気の残りは、可変ノズル型のターボチャージャ3の排気タービンを通り、排気タービンを駆動する。
【0012】
EGR通路11にはEGRクーラ31を備える。EGRクーラ31はEGRガスを冷却水や冷却風を用いて冷却するものである。また、EGRクーラ31をバイパスするバイパス通路32と、このバイパス通路32の分岐部にあってEGRガスの流路を切換え得る流路切換弁33と備える。流路切換弁33は、例えば非通電時にバイパス通路32を遮断してEGRガスをEGRクーラ31に流し、通電時にはEGRクーラ31のある通路を遮断し、EGRガスをバイパス通路32に流すものである。これらバイパス通路32及び流路切換弁33を設けている理由は低温時のHC対策である。
【0013】
エンジンコントローラ21には、アクセルセンサ22からのアクセル開度(アクセルペダルの踏込量のこと)ACC、クランク角センサ23からのエンジン回転速度Neの各信号が入力されている。そしてエンジンコントローラ21では、エンジン負荷(アクセル開度など)及びエンジン回転速度Neに基づいて、メイン噴射の燃料噴射時期及び燃料噴射量を算出し、これらに対応する開弁指令信号を燃料噴射弁9に出力する。また、エンジンコントローラ21では、目標EGR率と目標吸入空気量とが得られるようにEGR制御と過給圧制御を協調して行う。なお、エンジンコントローラ21は中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成されている。
【0014】
排気通路10の排気タービン下流には、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ(Diesel Particulate Filter)13を配置してある。フィルタ13のパティキュレート堆積量が所定値(閾値)に達すると、エンジンコントローラ21ではフィルタ13の再生処理を行う。例えばメイン噴射直後の膨張行程あるいは排気行程でポスト噴射を行うことにより排気をパティキュレートの燃焼する温度にまで上昇させてフィルタ13の再生処理を行い、フィルタ13に堆積しているパティキュレートを燃焼除去し、フィルタ13を再生する。目標となる再生温度が得られるようにエンジンの負荷及び回転速度(運転条件)に応じてポスト噴射量とポスト噴射時期とを予め定めておき、そのときのエンジンの負荷及び回転速度に応じたポスト噴射量とポスト噴射時期とが得られるようにポスト噴射を行う。
【0015】
フィルタ13に堆積しているパティキュレートの全てが燃焼除去される完全再生を行わせるには再生処理時にフィルタ13の許容温度を超えない範囲で少しでもパティキュレートの燃焼温度を高めてやることが必要となる。このため本実施形態ではフィルタ13の上流に酸化触媒(貴金属)14を配置してある。この酸化触媒14によりフィルタ13の再生処理のためのポスト噴射によって流入する排気成分(HC、CO)を燃焼させて排気の温度を高めフィルタ13内のパティキュレートの燃焼を促進させる。なお、フィルタ13を構成する担体に酸化触媒をコーティングしてもよい。このときには、パティキュレートが燃焼する際の酸化反応を促進してその分フィルタ13のベッド温度を実質的に上昇させ、フィルタ13内のパティキュレートの燃焼を促進させることができる。
【0016】
なお、触媒は酸化触媒14に限られない。酸化機能を備える触媒であれば、酸化触媒に代えることができる。図1は酸化触媒14として三元触媒(TWC)を採用する場合である。
【0017】
酸化触媒14とフィルタ13との間には、酸素雰囲気で排気中のNOx(窒素酸化物)をトラップ(例えば吸着)し、還元雰囲気ではトラップしていたNOxを脱離し、排気中のHCを還元剤として用いて還元・浄化するNOxトラップ触媒(LNT)15を備える。酸素雰囲気は排気の空気過剰率が1.0(理論空燃比相当の値)より大きいときに得られる。一方、還元雰囲気は排気の空気過剰率が1.0以下のときに得られる。
【0018】
このため、NOxトラップ触媒15のNOx堆積量が所定値(閾値)に到達したときにはNOxトラップ触媒15を流れる排気を酸素雰囲気から還元雰囲気へと切換えるためリッチスパイク処理を行う必要がある。ここでのリッチスパイク処理は、メイン噴射直後の膨張行程あるいは排気行程でポスト噴射を行って、排気通路10に排出される未燃のHC量を増やし、このHCを還元剤としてNOxトラップ触媒15に供給することである。
【0019】
ディーゼルエンジン1では、通常運転時に1.0(理論空燃比相当の値)よりも大きな値の空気過剰率(理論空燃比よりもリーン側の空燃比)で運転するので、ポスト噴射の追加だけでは排気の空気過剰率を1.0へと切換えることができない。このため、通常運転時に全開位置にあるスロットル弁5をリッチスパイク処理時に閉じてやることでシリンダに流入する吸入空気量(シリンダ吸入空気量)Qacを減らし、これによって、排気の空気過剰率を1.0以下へと切換える。つまり、メイン噴射量とポスト噴射量の合計の燃料噴射量Qfuelと、シリンダ吸入空気量Qacとで定まる空気過剰率が1.0以下となるように、ポスト噴射量とスロットル弁開度(吸入空気量)とを定めるのである。ここで、リッチスパイク処理時のスロットル弁開度を定めてやれば、ポスト噴射量が一義的に定まる。
【0020】
また、所定の時間毎(一定の周期)にNOxトラップ触媒15にトラップされる所定時間当たりのNOx量を算出し、この所定時間当たりのNOx量を加算(積算)してNOxトラップ触媒15に堆積するNOx堆積量を算出する。このNOx堆積量と、予め定めてある閾値とを比較し、NOx堆積量が閾値以上となったとき(NOxトラップ触媒15の再生時期となったとき)、ポスト噴射(リッチスパイク処理)を実行する。
【0021】
このようにして、通常運転時にNOx堆積量が閾値以上となったとき、スロットル弁開度を全開状態から所定のスロットル弁開度へと切換える(スロットル絞りを行う)と共に、ポスト噴射を開始する。そして、一定期間を経過したときポスト噴射を終了しスロットル弁5を全開位置へと戻す。
【0022】
ところで、酸素雰囲気から還元雰囲気へと切換えた直後には、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15に酸素雰囲気中にストレージされた酸素が残存する。このため、酸素雰囲気から還元雰囲気への切換直後には、NOx還元剤としてのHC、COを供給しても、NOxトラップ触媒15にストレージされている酸素が、NOxよりも先に脱離してきてこれらの還元剤を酸化(消費)する。同様に、NOxトラップ触媒15上流の酸化触媒にストレージされている酸素によっても、NOx還元剤としてのHC、COが酸化(消費)される。つまり、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15にストレージされている酸素を全て消費した後でないと、NOxトラップ触媒15に堆積しているNOxを還元することができないのである。
【0023】
このため、リッチスパイク処理を初期処理と後期処理の2段に分離する従来装置がある。これを図2を参照して説明すると、図2はリッチスパイク処理時にフロントラムダ(第1空気過剰率)、リアラムダ(第2空気過剰率)がどのように変化するのかを示している。ここで、フロントラムダとは酸化触媒14上流を流れる排気の空気過剰率のことである。リアラムダとはNOxトラップ触媒15の下流を流れる排気の空気過剰率のことである。
【0024】
図2に示したように、従来装置では、t1のタイミングからの初期処理でフロントラムダを1.0(理論空燃比)より小さいほぼ0.9(リッチ)の第1基本空気過剰率λ0とし、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15にストレージされている酸素を消費させる。この状態でリアラムダが1.0になるのを待ち、リアラムダが1.0になったt2のタイミングで酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15にストレージされている酸素が全て無くなったと判定し、初期処理を終了する。
【0025】
そして、t2のタイミングからの後期処理ではフロントラムダを1.0近傍の第2基本空気過剰率λ1に制御することで還元剤をNOxトラップ触媒15に供給し、NOxトラップ触媒15に堆積しているNOxを還元浄化する。
【0026】
t1のタイミングから一定時間が経過するt3のタイミングでNOxトラップ触媒15に堆積しているNOxを全て還元浄化したと判断し、後期処理を、従ってリッチスパイク処理を終了する。
【0027】
しかしながら、従来装置には改善の余地があることが判明している。これについて図3を参照して説明すると、図3もリッチスパイク処理時にフロントラムダ、リアラムダがどのように変化するのかを示している。ただし、図2と相違して、負荷変動により初期処理でフロントラムダが0.9にまで到達しなかった場合である。このようにフロントラムダが第1基本空気過剰率λ0である0.9に到達できなかった原因がリッチスパイク処理開始直後の負荷変動である。例えば、アクセルペダルを踏み込んで車両を加速したとき、上記のようにNOx堆積量が閾値以上となっていれば、第1基本空気過剰率λ0を0.9とするリッチスパイク処理が開始される。この場合に、初期処理を開始した直後にアクセルペダルが戻されることがある。このときには、燃料噴射量(上記のポスト噴射量)がアクセルペダルが戻されない場合よりも減少し、初期処理中のフロントラムダを0.9にまで到達させることができずに終わる。リッチスパイク処理を開始した直後のエンジン負荷の急激な減少を「リッチスパイク処理開始直後の負荷変動」で定義すれば、当該負荷変動によって、図3に示したように初期処理中のフロントラムダを0.9へと到達させることができなくなるのである。リッチスパイク処理開始直後の負荷変動を、以下単に「負荷変動」という。
【0028】
初期処理中のフロントラムダが0.9まで至らないと、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15にストレージされている酸素を全て消費できず、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15に消費できなかった酸素が残存する。これによって、リアラムダが1.0を横切るのが図2の場合より遅れる。図3では、t11のタイミングでリアラムダが1.0になり、後期処理に移っているが、リアラムダはt11以降もリーン側に居続け、後期処理を終了するt13の手前のt12のタイミングで再び1.0を横切っている。これは、t11からt12までの期間でNOx浄化のために供給する還元剤が酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15に残存する酸素の消費に使われることを意味する。残存酸素の消費に還元剤が使われるのであるから、触媒15に堆積しているNOxの全てを還元することができず、NOx浄化率が悪くなる。
【0029】
そこでリアラムダがリーン側より1.0を横切るときの傾き(変化速度)より酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量を予測することが考えられる。この場合、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の触媒劣化時には触媒新品時よりも酸素のストレージ能力が低下するため、酸化触媒及びNOxトラップ触媒の残存酸素量が減少する。このため、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量を予測する際には、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の触媒劣化度合をも考慮する必要がある。
【0030】
そこで本発明の第1実施形態では、リアラムダがリーン側より1.0を横切るときの傾き(変化速度)及び触媒劣化度合より酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量を予測する。そして、予測した残存酸素量に基づいて第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度を制御する。
【0031】
具体的に図4A図4Bを参照して説明すると、図4A図4Bはリッチスパイク処理時に排気の目標空気過剰率、排気の実空気過剰率であるフロントラムダ及びリアラムダがどのように変化するのかを表したモデル図である。ここで、図4A第1段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率の変化を破線で重ねて示している。図4A第2段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。一方、図4B第1段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を破線で重ねて示している。図4B第2段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。図4A図4Bにおいて横軸のt1、t2、t3のタイミングは図3の場合に合わせている。
【0032】
図4Aにおいて、初期処理を開始するt1のタイミングで第1基本空気過剰率λ0を0.9としたとき、触媒新品時でかつ負荷変動がなければ初期処理中のフロントラムダ(実際値)は、リーン側の値から0.9へと大きく低下し、やがて0.9へと落ち着く。
【0033】
第1基本空気過剰率λ0をリッチ側の0.9とすることによって、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15に残存する酸素が消費され、やがて全ての酸素が消費されたt2のタイミングでリアラムダがリーン側より1.0を横切る。リアラムダがリーン側より1.0を横切るt2のタイミングで初期処理を終了し、後期処理に移行する。
【0034】
ここで、本発明の第1実施形態は、リアラムダがリーン側より1.0を横切ってリッチ側に反転する場合に限定されるものでない。リアラムダと比較するための1.0はしきい値である。しきい値は1.0に限られるものでなく、1.05〜0.95の範囲で任意に取り得る。例えば、リアラムダがリーン側よりしきい値としての1.05を横切ったときにリッチ側に反転したと判定するものや、リアラムダがリーン側よりしきい値としての0.95を横切ったときにリッチ側に反転したと判定するものがある。これらの場合にも本発明の適用があるので、これらの場合をも含ませる場合には「リアラムダがリーン側より1.0近傍を横切る」という表現を用いる。なお、上記のようにしきい値を1.0よりリーン側の1.05や1.0よりリッチ側の0.95へとシフトさせる理由は排気対策である。以下、第1実施形態では、しきい値が1.0である場合で説明する。
【0035】
次に、触媒新品時でかつ負荷変動がないときには第2基本空気過剰率λ1を1.0近傍に設定する。これによって、NOxトラップ触媒15に還元剤が供給されることになり、NOxトラップ触媒15に堆積しているNOxが還元浄化されてゆく。後期処理をどのくらいの期間、継続すればNOxトラップ触媒15に堆積しているNOxの全てを還元できるかは予め分かっている。従って、その期間が経過するt3のタイミング、つまりt1より所定時間Δt2が経過したt3のタイミングで後期処理を終了し、通常運転に戻る。
【0036】
なお、第2基本空気過剰率λ1を1.0よりも少しだけ小さい値(リッチ側の値)に設定している。これは、次の理由による。すなわち、ディーゼルエンジンでは、酸素の利用率が悪く、常に酸素を余らせた状態で燃焼が行われる。このため、第2基本空気過剰率λ1を1.0より少し小さい値としても、実質的には排気中に酸素が存在する。1.0近傍で発生するHC、COをこの排気中に存在する酸素で酸化させるため、第2基本空気過剰率λ1を1.0よりも少しだけ小さい値に設定しているのである。
【0037】
さて、初期処理の終期にリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dt(第2空気過剰率の変化速度)は酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量を予測する値となる。以下、リーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きを、単に「リアラムダの傾き」ともいう。例えば図2に示したように触媒新品時かつ負荷変動がないときにはリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtは相対的に大きい。一方、図3に示したように触媒新品時かつ負荷変動があるときにはリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtは相対的に小さい。これら図2図3をモデルで表したのが図4A第2段目に示すリアラムダである。図4A第2段目に実線で示す触媒新品時かつ負荷変動がないときのリアラムダによれば、リーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが相対的に大きい。一方、図4A第2段目に破線で示す触媒新品時かつ負荷変動があるときのリアラムダによれば、リーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが相対的に小さくなっている。
【0038】
次に、図4B第2段目に実線で示す触媒新品時かつ負荷変動がないときのリアラムダは図4A第2段目に実線で示す触媒新品時かつ負荷変動がないときのリアラムダと同じである。一方、図4B第2段目に破線で示す触媒劣化時かつ負荷変動がないときのリアラムダによれば、リーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが、図4B第2段目に実線で示す触媒新品時かつ負荷変動がないときより小さくなっている。
【0039】
次に、触媒劣化時かつ負荷変動がないときのリアラムダと、触媒劣化時かつ負荷変動があるときのリアラムダとの比較は図面に示していないが次のようになる。すなわち、触媒劣化時かつ負荷変動があるときのリアラムダによれば、リーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが、触媒劣化時かつ負荷変動がないときより小さくなる。リーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtはマイナスとなり扱いにくいので、絶対値で扱う。
【0040】
上記の図4A図4Bの特性から触媒新品時であるか触媒劣化時であるかの違い及びリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtと、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量との特性としてまとめたのが図5である。図5において、細実線が触媒新品時(劣化度合が相対的に小さいとき)の特性、太実線が触媒劣化時(劣化度合が相対的に大きいとき)の特性である。すなわち、触媒新品時には図5に細実線で示したようにリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが相対的に大きいときには酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量が相対的に少ないと予測できる。また、触媒新品時にリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが相対的に小さいときには酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量は相対的に多いと予測できる。一方、触媒劣化時のdλ/dtに対する残存酸素量の特性は、傾向としては触媒新品時と同様であるが、リーン側より1.0を横切るときのdλ/dtの値が同じであっても、触媒劣化時のほうが触媒新品時より残存酸素量が少なくなっている。これは、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の劣化により、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の酸素ストレージ能力が低下するのに対応して、初期処理の終了タイミングでの残存酸素量が少なくなるためである。
【0041】
ここで、リーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtはリアラムダのデータを所定周期でサンプリングし、そのサンプリング値より算出することができる。
【0042】
このように、触媒新品時、触媒劣化時のいずれのときにもdλ/dtによって触媒14、15の残存酸素量を予測する場合に、dλ/dtが相対的に小さいときに、dλ/dtが相対的に大きいときより触媒14、15の残存酸素量が多いことを表す。従って、触媒劣化状態が同じ条件であれば負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときには、負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときより第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ2への移行速度が遅くなるように制御してやればよい。
【0043】
例えば、図4A第1段目に実線で示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)とき、第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度を相対的に速く設定している。一方、図4A第1段目に破線で重ねて示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)とき、第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度を相対的に遅く設定している。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率と触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる(図4A第1段目参照)。つまり、触媒新品時でかつ負荷変動があるときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ多い分の還元剤の供給を後期処理中に行うことができる。後期処理中に還元剤の供給量が増えることによって、酸化触媒及びNOxトラップ触媒の残存酸素を消費することができるのである。
【0044】
次に、図4B第1段目に実線で示したように、触媒新品時(dλ/dtが相対的に大きい)でかつ負荷変動がないとき、第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度を相対的に遅く設定している。一方、図4B第1段目に破線で重ねて示したように、触媒劣化時(dλ/dtが相対的に小さい)でかつ負荷変動がないとき、第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度を相対的に速く設定している。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率と触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる(図4B第1段目参照)。つまり、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ少ない分の還元剤の供給を後期処理中に行うことができる。触媒劣化時には、酸化触媒及びNOxトラップ触媒の残存酸素量が触媒新品時よりも少ないはずであるから、その差の分だけ後期処理中の還元剤の供給量を減らすことによって、無駄な還元剤の供給を抑制して燃費の悪化を防ぐのである。
【0045】
なお、図4A図4Bの各第3段目〜第6段目には、後述する図6のフローチャートで導入している初期処理フラグ、後期処理フラグの動きを示している。ここで、図4Aの第3段目と第4段目は触媒新品時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、後期処理フラグの、第5段目と第6段目は触媒新品時でかつ負荷変動があるときの初期処理フラグ、後期処理フラグの動きである。図4Bの第3段目と第4段目は触媒新品時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、後期処理フラグの、第5段目と第6段目は触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、後期処理フラグの動きである。
【0046】
上記のフロントラムダは酸化触媒14の上流に設けたフロント広域空燃比センサ24(図1参照)により、上記のリアラムダはNOxトラップ触媒15の下流に設けたリア広域空燃比センサ25(図1参照)により検出する。広域空燃比センサは、排気の空燃比をリニアに検出するものである。
【0047】
なお、第1実施形態は酸化触媒14を備えるため、NOxトラップ触媒15に残存する酸素だけでなく、酸化触媒14に残存する酸素をも考慮する必要があるのであるが、酸化触媒14を備えない場合にも本発明の適用がある。この場合には、NOxトラップ触媒15に残存する酸素だけを考慮すればよい。
【0048】
エンジンコントローラ21で行われる本実施形態のリッチスパイク処理を図6のフローチャートを参照して詳述する。
【0049】
図6のフローはリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率mλを算出するためのもので、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。
【0050】
ステップ1では、NOxトラップ触媒15の再生時期になったか否かをみる。これは、例えばNOx堆積量が閾値以上となったとき、再生許可フラグをゼロから1に切換えるようにしておく。そして、この再生許可フラグをみて再生許可フラグ=0であればNOxトラップ触媒15の再生時期になっていないと、再生許可フラグ=1であればNOxトラップ触媒15の再生時期になったと判定させればよい。再生許可フラグ=0よりNOxトラップ触媒15の再生時期になっていないときにはそのまま今回の処理を終了する。
【0051】
ステップ1で再生許可フラグ=1よりNOxトラップ触媒15の再生時期になったときにはステップ2に進み、後期処理フラグ(エンジンの始動時にゼロに初期設定)をみる。ここでは、後期処理フラグ=0であるとしてステップ3に進み、初期処理フラグ(エンジンの始動時にゼロに初期設定)をみる。ここでは、初期処理フラグ=0であるとしてステップ4、5に進む。
【0052】
ステップ4では第1基本空気過剰率λ0を算出し、これをステップ5で排気の目標空気過剰率mλに入れる。第1基本空気過剰率λ0は、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15が新品時でかつ負荷変動がないとした場合に酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15にストレージされている酸素を全て消費するための値である。第1基本空気過剰率λ0は、たとえば運転条件(エンジン負荷と回転速度)に応じたマップ値で与えておけばよい。酸化触媒及びNOxトラップ触媒の残存酸素を消費するため第1基本空気過剰率λ0は1.0より小さい値とする。簡単には一定値(例えば0.9)でかまわない。ステップ6では初期処理フラグ=1として今回の処理を終了する。
【0053】
ステップ6で初期処理フラグ=1としたことより、次回にはステップ3よりステップ7以降へと進む。ステップ7では、リアラムダとしきい値としての1.0を比較する。リアラムダが1.0より大きいときにはリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転していないと判断してステップ8に進む。ステップ8では、前回の排気の目標空気過剰率である「mλ(前回)」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率mλに移すことによって、ステップ5で算出された第1基本空気過剰率λ0を維持する。
【0054】
ステップ7でリアラムダが1.0以下になったときにはリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転したと判断し、後期処理に進ませるためステップ9、10に進む。ステップ9、10では初期処理フラグ=0、後期処理フラグ=1とする。
【0055】
ステップ11では、ステップ8と同じに前回の排気の目標空気過剰率である「mλ(前回)」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率mλに移すことによって、ステップ5で算出された第1基本空気過剰率λ0を維持する。
【0056】
ステップ12では、mλの前回値である「mλ(前回)」に第1基本空気過剰率λ0を入れる。
【0057】
ステップ9、10で初期処理フラグ=0、後期処理フラグ=1としたことより、次回にはステップ2よりステップ13以降へと進む。
【0058】
ステップ13ではリッチスパイク処理の開始から所定時間Δt2が経過したか否かをみる。リッチスパイク処理の開始から所定時間Δt2が経過していなければステップ14に進み、広域空燃比センサ25により検出されるリアラムダのデータに基づいて、リーン側より1.0を横切ったときのリアラムダの傾きdλ/dtを算出する。リアラムダの傾きdλ/dtは負の値で算出されるので、絶対値を採ってプラスの値に変換する。プラスの値に変換したリアラムダの傾きdλ/dtは、触媒新品時にはこの値が相対的に小さいときのほうが、この値が相対的に大きいときより酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量が多いことを表す。また、触媒劣化時にはこの値が相対的に小さいときのほうが、この値が相対的に大きいときより酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量が少ないことを表す。
【0059】
ステップ15では、このようにして算出したリアラムダの傾きdλ/dt(絶対値)及び触媒劣化度合から図7を内容とするマップを検索することにより、目標空気過剰率の制御周期当たり増分Δλを算出する。ここで、触媒劣化度合はメモリに記憶されている(後述する)。図7に示したようにΔλは、リアラムダの傾きdλ/dtと触媒劣化度合の関数である。すなわち、触媒劣化度合が同じ条件であるとき、Δλはdλ/dt(絶対値)が相対的に小さいときのほうが、dλ/dt(絶対値)が相対的に大きいときより小さくなる値である。また、dλ/dtが同じ条件であるとき、Δλは触媒劣化度合が相対的に大きいとき(触媒劣化時)のほうが、触媒劣化度合が相対的に小さいとき(触媒新品時)より大きくなる値である。
【0060】
ステップ16では、この目標空気過剰率の制御周期当たり増分Δλを用いて次式により、後期処理中の目標空気過剰率mλを算出する。
【0061】
mλ=mλ(前回)+Δλ …(1)
ただし、mλ(前回):mλの前回値、
mλの前回値である「mλ(前回)」には初期値として第1基本空気過剰率λ0が入っている(ステップ12参照)。(1)式は、mλの前回値である「mλ(前回)」に制御周期当たり増分Δλを加算した値を今回のmλとするものである。つまり、(1)式の算出を一定周期で繰り返すことにより、後期処理中の目標空気過剰率mλは増分Δλずつ大きくなっていく。
【0062】
ここで、触媒新品時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときと、触媒新品時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときを比較する。触媒新品時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときより上記の増分Δλが大きい。このとき、目標空気過剰率mλはλ0より素早くλ1へと近づいてゆく(図4A第1段目の実線参照)。つまり、第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度が相対的に速くなる。一方、触媒新品時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときより上記の増分Δλが小さい。このとき、目標空気過剰率mλはλ0よりゆっくりとλ1へと近づいてゆく(図4A第1段目の破線参照)。つまり、第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度は相対的に遅くなる。
【0063】
次に、触媒新品時(dλ/dtが相対的に大きい)でかつ負荷変動がないときと、触媒劣化時(dλ/dtが相対的に小さい)でかつ負荷変動がないときを比較する。触媒新品時(dλ/dtが相対的に大きい)でかつ負荷変動がないときには、触媒劣化時(dλ/dtが相対的に小さい)でかつ負荷変動がないときより上記の増分Δλが小さい。このとき、目標空気過剰率mλはλ0よりゆっくりとλ1へと近づいてゆく(図4B第1段目の実線参照)。つまり、第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度が相対的に遅くなる。一方、触媒劣化時(dλ/dtが相対的に小さい)でかつ負荷変動がないときには、触媒新品時(dλ/dtが相対的に大きい)でかつ負荷変動がないときより上記の増分Δλが大きい。このとき、目標空気過剰率mλはλ0より素早くλ1へと近づいてゆく(図4B第1段目の破線参照)。つまり、第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度は相対的に速くなる。
【0064】
次に、触媒劣化時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときと、触媒劣化時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときを比較する。触媒劣化時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときより上記の増分Δλが大きい。このとき、目標空気過剰率mλはλ0より素早くλ1へと近づいてゆく(図示しない)。つまり、第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度は相対的に速くなる。一方、触媒劣化時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときより上記の増分Δλが小さい。このとき、目標空気過剰率mλはλ0よりゆっくりとλ1へと近づいてゆく(図示しない)。つまり、第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度が相対的に遅くなる。
【0065】
このように、触媒劣化度合及び負荷変動の有無(dλ/dt)によって第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度を制御する。
【0066】
ステップ17では、このようにして算出される後期処理中の目標空気過剰率mλと第2基本空気過剰率λ1を比較する。第2基本空気過剰率λ1は、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15が新品時でかつ負荷変動がないとした場合にNOxトラップ触媒15に堆積しているNOxを全て還元浄化するための値である。第2基本空気過剰率λ1としては1.0近傍の値を設定している。実際には1.0でなく1.0より小さい値を設定する。これは、1.0近傍で発生するHC、COを排気中に存在する酸素で酸化させるためである。後期処理中の目標空気過剰率mλがλ1未満であるときには後期処理中の目標空気過剰率mλがまだ第2基本空気過剰率λ1に到達していないと判断し、そのまま今回の処理を終了する。
【0067】
やがてステップ17で後期処理中の目標空気過剰率mλが第2基本空気過剰率λ1に到達したときにはステップ18に進み、第2基本空気過剰率λ1を後期処理中の目標空気過剰率mλに入れる。このようにして、後期処理中の目標空気過剰率mλは第1基本空気過剰率λ0より制御周期当たり増分Δλずつ大きくなり、第2基本空気過剰率λ1に到達した後は第2基本空気過剰率λ1を維持する。
【0068】
後期処理中の目標空気過剰率mλが第2基本空気過剰率λ1を維持している状態で、やがてリッチスパイク処理の開始から所定時間Δt2が経過する。このときにはリッチスパイク処理を終了するためステップ13よりステップ19、20、21に進む。ステップ19では排気の目標空気過剰率に1.0より大きな値(リーン)を入れる。これはエンジンをリーン運転するときの目標空気過剰率である。
【0069】
ステップ20、21では後期処理フラグ=0、再生許可フラグ=0とする。ステップ21で再生許可フラグ=0としたことより、次回にはステップ1よりステップ2以降へと進むことができない。
【0070】
図示しないフローでは、図6のフローにより算出された目標空気過剰率mλが得られるようにスロットル弁開度とポスト噴射量とが制御される。
【0071】
図8のフローは第1実施形態の触媒劣化度合を算出するためのもので、図6とは独立に一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。
【0072】
ステップ31では、劣化度合算出済みフラグをみる。ここでは、劣化度合算出済みフラグ=0であるとしてステップ32に進む。
【0073】
ステップ32、33では初期処理フラグ=1であるか、前回に初期処理フラグ=1であったかをみる。今回に初期処理フラグ=1でありかつ前回に初期処理フラグ=1でなかった、つまり今回初めて初期処理フラグ=1となったときにはステップ34に進んでタイマを起動する(タイマ値t=0)。タイマ値tは、初期処理フラグ=1となってからの経過時間を計測するためのものである。
【0074】
一方、今回に初期処理フラグ=1でありかつ前回にも初期処理フラグ=1であった、つまり初期処理フラグ=1を継続しているときにはステップ35に進んでリア広域空燃比センサ25により検出されるリアラムダと1.0を比較する。リアラムダが1.0を超えているときにはステップ36に進み、タイマ値をインクリメントする。
【0075】
リアラムダが1.0を超えている間、ステップ36の操作を繰り返す。やがて、ステップ35でリアラムダが1.0以下となったときにはリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転したと判断し、ステップ37に進んでそのときのタイマ値tを所定時間Δt3に移す。所定時間Δt3は、初期処理の開始タイミングからリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転したタイミングまでの時間である。さらに述べると、図4B第2段目に示したように、所定時間Δt3は触媒新品時にはt1よりt2までの時間、触媒劣化時にはt1よりt22までの時間となり、触媒劣化時のほうが触媒新品時より短くなる。
【0076】
ステップ38では所定時間Δt3から図9を内容とするテーブルを検索することにより、触媒劣化度合を算出する。ここで、Δt3は触媒劣化度合を推定する値で、図9に示したように触媒劣化度合は、Δt3が相対的に短いときのほうがΔt3が相対的に長いときより大きくなる値である。これは、触媒劣化時(触媒劣化度合が相対的に大きい)のほうが触媒新品時(触媒劣化度合が相対的に小さい)より酸化触媒及びNOxトラップ触媒の残存酸素量が少なくなり、リアラムダが1.0を横切るタイミングが触媒新品時より早くなるためである(図4B第2段目参照)。
【0077】
ステップ39では得られた触媒の劣化度合をメモリに記憶する。このメモリに記憶している触媒劣化度合が図6のステップ15で用いられる。
【0078】
ステップ40では劣化度合算出済みフラグ=1として今回の処理を終了する。
【0079】
次に、図10のフローは第1実施形態の他の触媒の劣化度合を算出するためのもので、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。図8と同一部分には同一のステップ番号を付している。図8と相違する部分を主に説明すると、図8と相違する部分を主に説明すると、ステップ51ではフロントラムダと1.0を比較し、ステップ52ではフロントラムダの微分値Dλfとしきい値を比較する。ここで、フロントラムダは図4Bに示したように初期処理時に小さくなる値であるので、初期処理時のフロントラムダの微分値Dλfはマイナスの値となる。しかしながら、マイナスの値は扱いにくいので、絶対値で扱う。また、上記のしきい値は図4B第2段目に示すように、フロントラムダへの接線である。フロントラムダの微分値Dλfと比較するしきい値にも正の値を採用する。フロントラムダが1.0以下でないか、またはフロントラムダが1.0以下となってもフロントラムダの微分値Dλfがしきい値以下となっていないときには、まだリアラムダとフロントラムダの間の面積を算出するタイミングになっていないと判断する。このときにはそのまま今回の処理を終了する。
【0080】
一方、ステップ51、52でフロントラムダが1.0以下となりかつフロントラムダの微分値Dλfがしきい値以下となったときには、フロントラムダの値が安定した、従ってリアラムダとフロントラムダの間の面積を算出するタイミングになったと判断する。このタイミングは、図4Bではt51のタイミングである。このときにはステップ53に進み、フロント広域空燃比センサ24により検出されるフロントラムダ、リア広域空燃比センサ25により検出されるリアラムダの差分Δλを算出する。ここでは、リアラムダの値のほうがフロントラムダの値より大きいので、リアラムダからフロントラムダを差し引いた値を差分Δλとする。
【0081】
ステップ54では差分Δλの積算値SMΔλを次式により算出する。
【0082】
SMΔλ=SMΔλ(前回)+Δλ …(2)
ただし、SMΔλ(前回):SMΔλの前回値、
(2)式右辺の積算値の前回値であるSMΔλ(前回)の初期値にはゼロを入れておく。
【0083】
ステップ55では差分Δλの積算値SMΔλの算出を開始してから一定時間が経過したか否かをみる。一定時間が経過してないときにはそのまま今回の処理を終了する。
【0084】
差分Δλの積算値SMΔλの算出を継続しつつ、やがて一定時間が経過したタイミングとなったときにはステップ56に進む。一定時間が経過したタイミングは、図4Bではt52のタイミングである。また、触媒新品時に一定時間が経過したタイミングでの差分Δλの積算値SMΔλは、図4Bでは第2段目に示すハッチング部である。一方、触媒劣化時に一定時間が経過したタイミングでの差分Δλの積算値SMΔλは、触媒新品時に一定時間が経過したタイミングでの差分Δλの積算値SMΔλより小さくなる(図示しない)。
【0085】
ステップ56では、そのときの差分Δλの積算値SMΔλから図11を内容とするテーブルを検索することにより、触媒の劣化度合を算出する。算出した触媒の劣化度合はステップ39でメモリに記憶する。このメモリに記憶している触媒劣化度合が図6のステップ15で用いられる。ここで、差分Δλの積算値SMΔλも触媒劣化度合を推定する値で、図11に示したように触媒劣化度合は、差分Δλの積算値SMΔλが相対的に小さいときのほうが差分Δλの積算値SMΔλが相対的に大きいときより大きくなる値である。これは、差分Δλの積算値SMΔλが触媒14、15の残存酸素量を表すところ、触媒劣化時(触媒劣化度合が相対的に大きい)のほうが触媒新品時(触媒劣化度合が相対的に小さい)よりも触媒14、15の残存酸素量が少なくなるためである。
【0086】
リアラムダによれば、排気中の酸素濃度を検出することはできるが、酸化触媒及びNOxトラップ触媒から酸素がじわじわと脱離している状況での残存酸素量を検出することはできない。このような状況での残存酸素量を検出するには初期処理中のリアラムダとフロントラムダの間の面積、つまり差分Δλの積算値SMΔλを算出する必要がある。このように、差分Δλの積算値SMΔλを算出し、この積算値より残存酸素量を予測することで、リアラムダがリーン側より1.0を横切るタイミングに基づいて残存酸素量を予測する場合よりも触媒14、15の残存酸素量を正しく算出することができる。これによって触媒劣化度合の算出精度が向上する。
【0087】
ステップ40では劣化度合算出済みフラグ=1として今回の処理を終了する。
【0088】
ここで、本実施形態の作用効果を説明する。
【0089】
本実施形態では、NOxトラップ触媒15と、フロントラムダ(NOxトラップ触媒15上流の排気の空気過剰率である第1空気過剰率)を検出するフロント広域空燃比センサ24(第1空気過剰率検出手段)と、リアラムダ(NOxトラップ触媒15下流の排気の空気過剰率である第2空気過剰率)を検出するリア広域空燃比センサ25(第2空気過剰率検出手段)と、NOxトラップ触媒15の再生時期になったとき、初期処理中の排気の空気過剰率をリッチ側の第1基本空気過剰率λ0にする初期処理手段(図6のステップ1〜6、ステップ1〜3、7、8参照)と、排気の空気過剰率を第1基本空気過剰率λ0にした後に後期処理中の排気の空気過剰率を1.0近傍の第2基本空気過剰率λ1にする後期処理手段(図6のステップ7、9〜12、ステップ2、13、14〜18参照)と、NOxトラップ触媒15の触媒劣化度合を推定する触媒劣化度合推定手段(図8図9図10図11参照)と、推定される触媒劣化度合によって、NOxトラップ触媒15の残存酸素量を予測する残存酸素量予測手段(図6のステップ2、13、15参照)と、残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて後期処理中の還元剤の供給量を制御する還元剤供給量制御手段(図6のステップ2、13、15〜18参照)とを備えている。触媒劣化時には、NOxトラップ触媒15の残存酸素量が触媒新品時よりも少ないはずであるから、本実施形態によれば、予測される残存酸素量に基づいて、触媒劣化時には触媒新品時よりも後期処理中の還元剤の供給量を少なくする側に制御する。触媒新品時のNOxトラップ触媒15の残存酸素量と触媒劣化時のNOxトラップ触媒15の残存酸素量との差の分だけ、触媒劣化時に後期処理中の還元剤の供給量を減らすことによって、無駄な還元剤の供給を抑制して燃費の悪化を防ぐことができる。
【0090】
本実施形態によれば、触媒劣化度合推定手段は、触媒劣化度合を、初期処理の開始からリアラムダ(第2空気過剰率検出手段により検出される第2空気過剰率)がリーン側より1.0近傍を横切るまでの時間である所定時間Δt3に応じてまたはリアラムダとフロントラムダ(第1空気過剰率検出手段により検出される第1空気過剰率)の差分Δλの積算値SMΔλ(時間積分値)に応じて推定するので(図9図11参照)、触媒劣化度合を簡易に推定できる。
【0091】
本実施形態によれば、残存酸素量予測手段は、NOxトラップ触媒15の残存酸素量を、触媒劣化時(触媒劣化度合が相対的に大きいとき)には触媒新品時(触媒劣化度合が相対的に小さいとき)より少ないと予測するので(図5参照)、触媒劣化度合に応じてNOxトラップ触媒15の残存酸素量を精度良く予測できる。
【0092】
本実施形態によれば、還元剤供給量制御手段は、残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度を制御する移行速度制御手段であるので(図6のステップ2、13、14〜16参照)、移行速度制御手段といった簡単な手段で還元剤供給量制御手段を実現することができる。
【0093】
本実施形態によれば、残存酸素量予測手段は、NOxトラップ触媒15の残存酸素量を、排気の空気過剰率を第1基本空気過剰率λ0にしている間にリアラムダ(第2空気過剰率検出手段により検出される第2空気過剰率)がリーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dt(第2空気過剰率の変化速度)によっても予測するので(図6のステップ2、13、14、15参照)、同じ触媒劣化度合の条件において、負荷変動によりフロントラムダが第1基本空気過剰率λ0まで到達できないことからそのままではNOxトラップ触媒15に酸素が残存することになってしまう場合であっても、後期処理中の還元剤の供給量の制御によってNOxトラップ触媒15の残存酸素を消費することが可能となり、NOx浄化率の悪化を抑制することができる。
【0094】
本実施形態によれば、残存酸素量予測手段は、NOxトラップ触媒15の残存酸素量を、リーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dt(第2空気過剰率の変化速度)が相対的に小さいときにはリーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが相対的に大きいときより多いと予測するので(図5参照)、同じ触媒劣化度合の条件において、リーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtに応じてNOxトラップ触媒15の残存酸素量を精度良く予測できる。
【0095】
本実施形態によれば、還元剤供給量制御手段は、リーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dt(第2空気過剰率の変化速度)が相対的に小さいときにはリーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが相対的に大きいときより後期処理中の還元剤の供給量を増やすので(図6のステップ2、13、14、15、16、図7参照)、同じ触媒劣化度合の条件において負荷変動があり、初期処理中にNOxトラップ触媒15に酸素が残存することになってしまう場合であっても、後期処理中の還元剤の供給量の増量によってNOxトラップ触媒15の残存酸素を消費し、NOx浄化に必要な還元雰囲気にすることができる。
【0096】
本実施形態によれば、移行速度制御手段は、リーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dt(第2空気過剰率の変化速度)が相対的に小さいときにはリーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが相対的に大きいときよりλ0よりλ1への移行速度を大きくするので(図6のステップ2、13、14、15、16、図7参照)、同じ触媒劣化度合の条件において負荷変動があり、初期処理中にNOxトラップ触媒15に酸素が残存することになってしまう場合であっても、移行速度の遅延により後期処理中の還元剤の供給量が増量されることから、NOxトラップ触媒15の残存酸素を消費して、NOx浄化に必要な還元雰囲気にすることができる。
【0097】
(第2実施形態)
図12A図12Bはリッチスパイク処理時に排気の目標空気過剰率、排気の実空気過剰率であるフロントラムダ及びリアラムダがどのように変化するのかを表した第2実施形態のモデル図で、第1実施形態の図4A図4Bと置き換わるものである。第1実施形態の図4A図4Bと同じ部分には同じに記載している。ここで、図12A第1段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率の変化を一点鎖線で重ねて示している。図12A第2段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。一方、図12B第1段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を一点鎖線で重ねて示している。図12B第2段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。
【0098】
第1実施形態では、触媒新品時であるか触媒劣化時であるかの違い及びリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtに基づいて第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1への移行速度を制御した。一方、第2実施形態は、触媒新品時であるか触媒劣化時であるかの違い及びリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtに基づいて後期処理中の排気の目標空気過剰率を制御するものである。
【0099】
詳述すると、図12A第1段目に実線で示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)とき、後期処理中の排気の目標空気過剰率mλとして第2基本空気過剰率λ1を設定する。一方、図12A第1段目に一点鎖線で重ねて示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)とき、第2基本空気過剰率λ1を小さくなる側(リッチ側)に補正した値を後期処理中の排気の目標空気過剰率mλとする。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率と触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる(図12A第1段目参照)。つまり、触媒新品時でかつ負荷変動があるときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ多い分の還元剤の供給を行うことができる。還元剤の供給量が増えることによって、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素を消費することができるのである。
【0100】
次に、図12B第1段目に実線で示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)とき、後期処理中の排気の目標空気過剰率mλとして第2基本空気過剰率λ1を設定する。一方、図12B第1段目に一点鎖線で重ねて示したように、触媒劣化時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に小さい)とき、後期処理中の排気の目標空気過剰率mλとして第2基本空気過剰率λ1を大きくなる側(リーン側)に補正した値とする。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率と触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる(図12B第1段目参照)。つまり、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ少ない分の還元剤の供給を後期処理中に行うことができる。触媒劣化時には、酸化触媒及びNOxトラップ触媒の残存酸素量が触媒新品時よりも少ないはずであるから、その差の分だけ還元剤の供給量を減らすことによって、無駄な還元剤の供給を抑制して燃費の悪化を防ぐのである。
【0101】
図13のフローは第2実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率mλを算出するためのもので、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。第1実施形態の図6と同一部分には同一のステップ番号を付している。
【0102】
第1実施形態の図6と相違する部分は、ステップ14の位置とステップ61〜63である。第1実施形態と相違する部分を主に説明すると、図13においてステップ7でリアラムダが1.0以下になったときにはリアラムダがリーン側より1.0を横切ってリッチ側に反転したと判断し、後期処理に進ませるためステップ14、61、62、9、10に進む。
【0103】
ステップ14では広域空燃比センサ25により検出されるリアラムダのデータに基づいて、リアラムダがリーン側より1.0を横切ったときのリアラムダの傾きdλ/dtを算出する。リアラムダの傾きdλ/dtは負の値で算出されるので、絶対値を採ってプラスの値に変換する。プラスの値に変換した傾きdλ/dtは、触媒新品時にはこの値が相対的に小さいときのほうが、この値が相対的に大きいときより酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量が多いことを表す。また、触媒劣化時にはこの値が相対的に小さいときのほうが、この値が相対的に大きいときより酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量が少ないことを表す。
【0104】
ステップ61では、このようにして算出したリアラムダの傾きdλ/dt(絶対値)及び触媒劣化度合から図14を内容とするテーブルを検索することにより、空気過剰率補正量λHOSを算出する。ここで、触媒劣化度合はメモリに記憶されている(図8図10により算出済み)。図14に示したように空気過剰率補正量λHOSは、リアラムダの傾きdλ/dtと触媒劣化度合(後述する)の関数である。すなわち、触媒新品時にλHOSは正の値をとり、dλ/dt(絶対値)が相対的に小さいときのほうが、dλ/dt(絶対値)が相対的に大きいときより大きくなる値である。一方、触媒劣化時にλHOSは負の値をとり、dλ/dt(絶対値)が相対的に小さいときのほうが、dλ/dt(絶対値)が相対的に大きいときより負の値で大きくなる値である。ここで、触媒劣化度合が所定値以下である場合を触媒新品時、触媒劣化度合が所定値を超える場合を触媒劣化時とする。所定値は適合により定める。
【0105】
ステップ62では、この空気過剰率補正量λHOSを用いて次式により、後期処理中の目標空気過剰率mλを算出する。
【0106】
mλ=λ1−λHOS …(3)
触媒新品時には空気過剰率補正量λHOSは正の値である。このため、(3)式は、触媒新品時には第2基本空気過剰率λ1から空気過剰率補正量λHOSだけ小さい値(リッチ側の値)を後期処理中の排気の目標空気過剰率mλとするものである。一方、触媒劣化時には空気過剰率補正量λHOSは負の値である。このため、(3)式は触媒劣化時には第2基本空気過剰率λ1に空気過剰率補正量λHOSの絶対値だけ大きい値(リーン側の値)を後期処理中の排気の目標空気過剰率mλとするものである。
【0107】
ここで、触媒新品時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときと、触媒新品時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときを比較する。触媒新品時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときより上記の空気過剰率補正量λHOSが小さくてほぼゼロである。このため、後期処理中の目標空気過剰率mλはλ1に近い値をとる(図12A第1段目の実線参照)。一方、触媒新品時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときより上記の空気過剰率補正量λHOSが大きい。このため、後期処理中の目標空気過剰率mλはλ1よりも小さな値をとる(図12A第1段目の一点鎖線参照)。
【0108】
次に、触媒新品時(dλ/dtが相対的に大きい)でかつ負荷変動がないときと、触媒劣化時(dλ/dtが相対的に小さい)でかつ負荷変動がないときを比較する。触媒新品時(dλ/dtが相対的に大きい)でかつ負荷変動がないときには、上記の空気過剰率補正量λHOSが小さくてほぼゼロに近い正の値であることから、後期処理中の目標空気過剰率mλはλ1に近い値をとる(図12B第1段目の実線参照)。一方、触媒劣化時(dλ/dtが相対的に小さい)でかつ負荷変動がないときには、上記の空気過剰率補正量λHOSが小さくてほぼゼロに近い負の値である。これより、後期処理中の目標空気過剰率mλはλ1より少し大きくなる側(リーン側)の値をとる(図12B第1段目の一点鎖線参照)。
【0109】
次に、触媒劣化時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときと、触媒劣化時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときを比較する。触媒劣化時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときより上記の空気過剰率補正量λHOSが小さい負の値である。これより、後期処理中の目標空気過剰率mλはλ1より少し大きくなる側(リーン側)の値をとる。一方、触媒劣化時でかつ負荷変動がある(dλ/dtが相対的に小さい)ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がない(dλ/dtが相対的に大きい)ときより上記の空気過剰率補正量λHOSが大きい負の値である。これより、後期処理中の目標空気過剰率mλはλ1より大きくなる側(リーン側)の値をとる。
【0110】
このように、触媒劣化度合及び負荷変動の有無(dλ/dt)によって後期処理中の目標空気過剰率を制御する。
【0111】
ステップ9、10では後期処理に進ませるため初期処理フラグ=0、後期処理フラグ=1とする。
【0112】
ステップ9、10で初期処理フラグ=0、後期処理フラグ=1としたことより、次回にはステップ2よりステップ13以降へと進む。ステップ13ではリッチスパイク処理の開始から所定時間Δt2が経過したか否かをみる。リッチスパイク処理の開始から所定時間Δt2が経過していなければステップ63に進む。ステップ63では、ステップ8と同じに前回の排気の目標空気過剰率である「mλ(前回)」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率mλに移すことによって、ステップ62で算出された排気の目標空気過剰率mλを維持する。
【0113】
ステップ13でリッチスパイク処理の開始から所定時間Δt2が経過したときにはリッチスパイク処理を終了するためステップ19、20、21に進み、第1実施形態と同じにこれらの操作を実行する。
【0114】
このように、第2実施形態によっても、第1実施形態と同様の作用効果を奏する。さらに、第2実施形態によれば、還元剤供給量制御手段は、残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて後期処理中の排気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段であるので(図13のステップ3、7、14、61、62参照)、空気過剰率制御手段といった簡単な手段で還元剤供給量制御手段を実現することができる。
【0115】
第2実施形態によれば、空気過剰率制御手段は、リーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dt(第2空気過剰率の変化速度)が相対的に小さいときにはリーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが相対的に大きいときより後期処理中の排気の空気過剰率を小さくなる側(リッチ側)にするので(図13のステップ3、7、14、61、62、図14参照)、同じ触媒劣化度合の条件において負荷変動があり、初期処理中にNOxトラップ触媒15に酸素が残存することになってしまう場合であっても、後期処理中の排気の空気過剰率の低下により後期処理中の還元剤の供給量が増量されることから、NOxトラップ触媒15の残存酸素を消費して、NOx浄化に必要な還元雰囲気にすることができる。
【0116】
(第3実施形態)
図15A図15Bはリッチスパイク処理時に排気の目標空気過剰率、排気の実空気過剰率であるフロントラムダ及びリアラムダがどのように変化するのかを表した第3実施形態のモデル図で、第1実施形態の図4A図4Bと置き換わるものである。第1実施形態の図4A図4Bと同じ部分には同じに記載している。ここで、図15A第1段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率の変化を二点鎖線で重ねて示している。図15A第2段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒新品時でかつ負荷変動があるときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。一方、図15B第1段目には触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率の変化を二点鎖線で重ねて示している。図15B第2段目には、触媒新品時でかつ負荷変動がないときのフロントラムダとリアラムダの変化を実線で、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときのリアラムダの変化を破線で重ねて示している。
【0117】
第1実施形態では、触媒新品時であるか触媒劣化時であるかの違い及びリーン側より1.0を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtに基づいて酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量を予測した。一方、第3実施形態は、触媒新品時であるか触媒劣化時であるかの違い及び初期処理中のリアラムダとフロントラムダの差分に基づいて酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量を予測する。そして、予測した残存酸素量に基づいてリアラムダと比較するためのしきい値を制御するものである。
【0118】
詳述すると、図15A第2段目に示したように、初期処理中のリアラムダとフロントラムダの差分を算出する。この差分は酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量を予測する値である。すなわち、触媒新品時でかつ差分が相対的に小さいとき、触媒新品時でかつ差分が相対的に大きいときよりも酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量が多いことを表す。また、触媒劣化時には差分が相対的に小さいときのほうが、差分が相対的に大きいときより酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量が少ないことを表す。
【0119】
図15A第2段目に一点鎖線で示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がない(差分が相対的に大きい)とき、リアラムダと比較するためのしきい値を例えば1.05に設定する。このとき、リアラムダは1.05と比較されるため、リアラムダがリーン側より1.05を横切るt31のタイミングでリーン側よりリッチ側に反転したと判断される。そして、図15A第1段目に実線で示したように、リアラムダがリーン側より1.05を横切るt31のタイミングで目標空気過剰率mλが第1基本空気過剰率λ0から第2基本空気過剰率λ1へと切換えられる。
【0120】
一方、図15A第2段目に破線で重ねて示したように、触媒新品時でかつ負荷変動がある(差分が相対的に小さい)とき、リアラムダと比較するためのしきい値を触媒新品時でかつ負荷変動がないときより小さくなる側(リッチ側)に補正した例えば1.0とする。このとき、リアラムダは1.0と比較されるため、リアラムダがリーン側より1.0を横切るt32のタイミングでリーン側よりリッチ側に反転したと判断される。ここで、t32はt31のタイミングより遅れたタイミングとなる。そして、図15A第1段目に二点鎖線で重ねて示したように、リアラムダがリーン側より1.0を横切るt32のタイミングで目標空気過剰率mλが第1基本空気過剰率λ0から第2基本空気過剰率λ1へと切換えられる。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動があるときの目標空気過剰率と、触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる(図15A第1段目参照)。つまり、触媒新品時でかつ負荷変動があるときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ多い分の還元剤の供給を行うことができる。還元剤の供給量が増えることによって、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素を消費することができるのである。
【0121】
次に、図15B第2段目に一点鎖線で示したように、触媒新品時(dλ/dtが相対的に大きい)でかつ負荷変動がないとき、リアラムダと比較するためのしきい値を例えば1.0に設定する。このとき、リアラムダは1.0と比較されるため、リアラムダがリーン側より1.0を横切るt31のタイミングでリーン側よりリッチ側に反転したと判断される。そして、図15B第1段目に実線で示したように、リアラムダがリーン側より1.0を横切るt31のタイミングで目標空気過剰率mλが第1基本空気過剰率λ0から第2基本空気過剰率λ1へと切換えられる。
【0122】
一方、図4B第2段目に破線で重ねて示したように、触媒劣化時(dλ/dtが相対的に小さい)でかつ負荷変動がないとき、リアラムダと比較するためのしきい値を触媒新品時でかつ負荷変動がないときより大きくなる側(リーン側)に補正した例えば1.05とする。このとき、リアラムダは1.05と比較されるため、リアラムダがリーン側より1.05を横切るt33のタイミングでリーン側よりリッチ側に反転したと判断される。ここで、t33はt31のタイミングより進んだタイミングとなる。そして、図15B第1段目に二点鎖線で重ねて示したように、リアラムダがリーン側より1.05を横切るt33のタイミングで目標空気過剰率mλが第1基本空気過剰率λ0から第2基本空気過剰率λ1へと切換えられる。これによって、触媒新品時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率と、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの目標空気過剰率との間に、ハッチングで示した面積差が生じる(図15B第1段目参照)。つまり、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときには、触媒新品時でかつ負荷変動がないときより当該面積差だけ少ない分の還元剤の供給を後期処理中に行うことができる。触媒劣化時には、酸化触媒及びNOxトラップ触媒の残存酸素量が触媒新品時よりも少ないはずであるから、その差の分だけ還元剤の供給量を減らすことによって、無駄な還元剤の供給を抑制して燃費の悪化を防ぐのである。
【0123】
図15Aではしきい値を1.05(リーン側の値)から1.0(理論空燃比)へと切換える場合で説明したが、この場合に限られるものでない。例えば、1.0から0.95(リッチ側の値)へとしきい値を切換える場合や1.05(リーン側の値)から0.95(リッチ側の値)へとしきい値を切換える場合であってもかまわない。要は、触媒新品時でかつ負荷変動があるときには触媒新品時でかつ負荷変動がないときよりしきい値を小さくなる側(リッチ側)に切換えればよい。同様に、図15Bではしきい値を1.0(理論空燃比)から1.05(リーン側の値)へと切換える場合で説明したが、この場合に限られるものでない。例えば、0.95(リッチ側の値)から1.0へとしきい値を切換える場合や0.95(リッチ側の値)から1.05(リーン側の値)へとしきい値を切換える場合であってもかまわない。要は、触媒劣化時でかつ負荷変動がないときには触媒新品時でかつ負荷変動がないときよりしきい値を大きくなる側(リーン側)に切換えればよい。
【0124】
なお、図15A図15B第3段目〜第8段目には、後述する図16A図16Bのフローチャートで導入している初期処理フラグ、補正フラグ、後期処理フラグの動きを示している。ここで、図15Aの第3段目と第4段目と第5段目は触媒新品時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、補正フラグ、後期処理フラグの、第6段目と第7段目と第8段目は触媒新品時でかつ負荷変動があるときの初期処理フラグ、補正フラグ、後期処理フラグの動きである。図15Bの第3段目と第4段目と第5段目は触媒新品時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、補正フラグ、後期処理フラグの、第6段目と第7段目と第8段目は触媒劣化時でかつ負荷変動がないときの初期処理フラグ、補正フラグ、後期処理フラグの動きである。
【0125】
図16A図16Bのフローは第3実施形態のリッチスパイク処理時の排気の目標空気過剰率mλを算出するためのもので、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。第2実施形態の図13と同一部分には同一のステップ番号を付している。
【0126】
第2実施形態の図13と相違する部分は図16Aのステップ71〜77、図16Bのステップ78〜80である。第2実施形態と相違する部分を主に説明すると、図16Aにおいてステップ6で初期フラグ=1としたことより次回にはステップ3よりステップ71に進み、補正フラグ(エンジンの始動時にゼロに初期設定)をみる。ここでは、補正フラグ=0であるとしてステップ72に進み、初期処理開始タイミングからの経過時間と一定時間Δt1を比較する。ここで、一定時間Δt1は、初期処理の開始後にリアラムダとフロントラムダの差分を算出するタイミングを定める値で、予め定めておく(図15Aの第2段目参照)。初期処理からの経過時間が一定時間Δt1に満たないときにはステップ73に進み、前回の排気の目標空気過剰率である「mλ(前回)」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率mλに移すことによって、第1基本空気過剰率λ0を維持する。
【0127】
初期処理開始タイミングからの経過時間が一定時間Δt1に満たない間はステップ72よりステップ73に進み、ステップ73の操作を繰り返す。やがて、初期処理開始タイミングからの経過時間が一定時間Δt1に到達したとき(図16Aのt41のタイミング)には、初期処理開始後にリアラムダとフロントラムダの差分を算出するタイミングになったと判断する。このときにはステップ74に進み、フロント広域空燃比センサ24により検出されるフロントラムダ、リア広域空燃比センサ25により検出されるリアラムダの差分を算出する。このとき、リアラムダの値のほうがフロントラムダの値より大きいので、リアラムダからフロントラムダを差し引いた値を差分とする。リアラムダとフロントラムダの差分(以下、単に「差分」という。)は酸化酸素14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量を予測する値である。差分が相対的に小さいときには、差分が相対的に大きいときより酸化酸素14及びNOxトラップ触媒15の残存酸素量が多いと予測する。
【0128】
ステップ75では、差分及び触媒劣化度合から図17を内容とするテーブルを検索することにより、リアラムダと比較するためのしきい値を算出する。図17に示したように、しきい値は、差分と触媒劣化度合(後述する)の関数である。すなわち、触媒劣化度合が同じ条件であるとき、しきい値は差分が相対的に小さいときのほうが、差分が相対的に大きいときより小さくなる値である。また、差分が同じ条件であるとき、しきい値は触媒劣化度合が相対的に大きいとき(触媒劣化時)のほうが、触媒の劣化度合が相対的に小さいとき(触媒新品時)より大きくなる値である。
【0129】
ここで、触媒新品時でかつ差分が相対的に大きいときと、触媒新品時でかつ差分が相対的に小さいときを比較する。触媒新品時でかつ負荷変動がない(差分が相対的に大きい)ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がある(差分が相対的に小さい)ときより上記のしきい値が大きい(図15A第2段目の一点鎖線参照)。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に早くなる。一方、触媒新品時でかつ負荷変動がある(差分が相対的に小さい)ときには、触媒新品時でかつ負荷変動がない(差分が相対的に大きい)ときより上記のしきい値が小さい(図15A第2段目の二点鎖線参照)。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に遅くなる。
【0130】
次に、触媒新品時(差分が相対的に大きい)でかつ負荷変動がないときと、触媒劣化時で(差分が相対的に小さい)かつ負荷変動がないときを比較する。触媒新品時(差分が相対的に大きい)でかつ負荷変動がないときには、触媒劣化時(差分が相対的に大きい)でかつ負荷変動がないときより上記のしきい値が小さい(図15B第2段目の一点鎖線参照)。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に遅くなる。一方、触媒劣化時(差分が相対的に小さい)でかつ負荷変動がないときには、触媒新品時(差分が相対的に大きい)でかつ負荷変動がないときより上記のしきい値が大きい(図15B第2段目の二点鎖線参照)。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に早くなる。
【0131】
次に、触媒劣化時でかつ負荷変動がない(差分が相対的に大きい)ときと、触媒劣化時でかつ負荷変動がある(差分が相対的に小さい)ときを比較する。触媒劣化時でかつ負荷変動がない(差分が相対的に大きい)ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がある(差分が相対的に小さい)ときより上記のしきい値が大きい。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に早くなる(図示しない)。一方、触媒劣化時でかつ負荷変動がある(差分が相対的に小さい)ときには、触媒劣化時でかつ負荷変動がない(差分が相対的に大きい)ときより上記のしきい値が小さい。このとき、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切るタイミングが相対的に遅くなる(図示しない)。
【0132】
このように、触媒劣化度合及び負荷変動の有無(差分)によってしきい値を制御する。
【0133】
ステップ76では、ステップ73と同じに、前回の排気の目標空気過剰率である「mλ(前回)」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率mλに移すことによって、第1基本空気過剰率λ0を維持する。ステップ77では補正フラグ=1として今回の処理を終了する。
【0134】
ステップ77で補正フラグ=1としたことより、次回には図16Aのステップ3、71より図16Bのステップ78以降に進む。
【0135】
図16Bにおいてステップ78ではリア広域空燃比センサ25により検出されるリアラムダと、しきい値(図16Aのステップ75で算出済み)を比較する。リアラムダがしきい値を超えているときにはステップ8に進み、前回の排気の目標空気過剰率である「mλ(前回)」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率mλに移すことによって、第1基本空気過剰率λ0を維持する。
【0136】
やがて、ステップ78でリアラムダがしきい値以下となるとリアラムダがリーン側よりリッチ側に反転したと判断し、初期処理より後期処理に移行させるためステップ79、9、10に進む。ステップ79では、排気の目標空気過剰率mλに第2基本空気過剰率λ1を設定する。第2基本空気過剰率λ1は、酸化触媒14及びNOxトラップ触媒15が新品時でかつ負荷変動がないとした場合にNOxトラップ触媒15に堆積しているNOxを全て還元浄化するための値である。λ1としては1.0近傍の値である。詳しくは1.0でなく1.0より小さい値をλ1として設定する。これは、1.0近傍で発生するHC、COを排気中に存在する酸素で酸化させるためである。ステップ9、10では初期フラグ=0、後期処理フラグ=1として今回の処理を終了する。
【0137】
ステップ9、10で初期フラグ=0、後期処理フラグ=1としたことより、次回には図16Aのステップ2より図16Bのステップ13以降に進む。ステップ13ではリッチスパイク処理の開始から所定時間Δt2が経過したか否かをみる。リッチスパイク処理の開始から所定時間Δt2が経過していなければステップ63に進み、前回の排気の目標空気過剰率である「mλ(前回)」の値をそのまま今回の排気の目標空気過剰率mλに移すことによって、第2基本空気過剰率λ1を維持する。
【0138】
やがて、ステップ13でリッチスパイク処理の開始から所定時間Δt2が経過したときにはリッチスパイク処理を終了するためステップ19、80、20、21に進み、第2実施形態と同じにステップ19〜21の操作を実行する。ステップ80では補正フラグ=0とする。
【0139】
このように、第3実施形態によっても、第1実施形態と同様の作用効果を奏する。さらに、第3実施形態によれば、還元剤供給量制御手段は、初期処理中にリアラムダ(第2空気過剰率検出手段により検出される第2空気過剰率)とフロントラムダ(第1空気過剰率検出手段により検出される第1空気過剰率)との差分により、NOxトラップ触媒15の残存酸素量を予測する第2の残存酸素量予測手段(図16Aのステップ3、71、72、74参照)を備え、リアラムダがリーン側よりしきい値を横切ってリッチ側に反転したとき、排気の空気過剰率を第1基本空気過剰率λ0より第2基本空気過剰率λ1に切換える場合におけるしきい値を、前記第2の残存酸素量予測手段により予測される残存酸素量に基づいて制御するしきい値制御手段であるので(図16Aのステップ3、71、72、74、75、77、図16Aのステップ3、71、図16Bのステップ78参照)、しきい値制御手段といった簡単な手段で還元剤供給量制御手段を実現することができる。
【0140】
第3実施形態によれば、しきい値制御手段は、リーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dt(第2空気過剰率の変化速度)が相対的に小さいときにはリーン側より1.0近傍を横切るときのリアラムダの傾きdλ/dtが相対的に大きいときよりしきい値を小さくなる側(リッチ側)にするので(図16Aのステップ3、71、72、74、75、図17参照)、同じ触媒劣化度合の条件において負荷変動があり、初期処理中にNOxトラップ触媒15に酸素が残存することになってしまう場合であっても、しきい値の低下により後期処理中の還元剤の供給量が増量されることから、NOxトラップ触媒15の残存酸素を消費して、NOx浄化に必要な還元雰囲気にすることができる。
【0141】
実施形態では、酸化触媒とNOxトラップ触媒が別体である場合で説明したが、NOxトラップ触媒に酸化触媒を含ませたものであってもかまわない。
【0142】
実施形態では、コモンレール式燃料噴射装置のみを備える場合で説明したが、酸化触媒上流の排気通路に燃料を供給する燃料添加装置を備えるものにも適用がある。
【符号の説明】
【0143】
1 エンジン
5 スロットル弁
9 燃料噴射弁
15 NOxトラップ触媒
21 エンジンコントローラ
24 フロント広域空燃比センサ(第1空気過剰率検出手段)
25 リア広域空燃比センサ(第2空気過剰率検出手段)
図1
図2
図3
図4A
図4B
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12A
図12B
図13
図14
図15A
図15B
図16A
図16B
図17