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JP6405816B2 - 排気浄化システム - Google Patents

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Description

本発明は、排気浄化システムに関する。
従来、内燃機関から排出される排気中の窒素化合物（ＮＯｘ）を還元浄化する触媒として、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が知られている。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気がリーン雰囲気のときに排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵すると共に、排気がリッチ雰囲気のときに排気中に含まれる炭化水素で吸蔵していたＮＯｘを還元浄化により無害化して放出する。このため、触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定量に達した場合は、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させるべく、ポスト噴射や排気管噴射によって排気をリッチ状態にする所謂ＮＯｘパージを定期的に行う必要がある（例えば、特許文献１参照）。
また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒には、排気中に含まれる硫黄酸化物（以下、ＳＯｘという）も吸蔵される。このＳＯｘ吸蔵量が増加すると、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化能力を低下させる課題がある。このため、ＳＯｘ吸蔵量が所定量に達した場合は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒からＳＯｘを離脱させてＳ被毒から回復させるべく、ポスト噴射や排気管噴射によって上流側の酸化触媒に未燃燃料を供給して排気温度をＳＯｘ離脱温度まで上昇させる所謂ＳＯｘパージを定期的に行う必要がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００８−２０２４２５号公報 特開２００９−４７０８６号公報 特開２０１０−１９６５６９号公報
上述のＮＯｘパージやＳＯｘパージを、ポスト噴射や排気管噴射による噴射系制御のみで行うと、燃料消費量が過多となり燃費性能を悪化させる。このため、噴射系制御と、ＭＡＦセンサのセンサ値に基づいて空気系をフィードバック制御する空気系制御とを併用することが好ましい。
一般的に、エンジンの高負荷運転領域では、過給圧を上昇させるべく、ブースト圧センサのセンサ値に基づいて可変容量型過給機の開度を調整する所謂ブースト圧フィードバック制御が行われている。このようなブースト圧フィードバック制御中は、吸気スロットルバルブやＥＧＲバルブの制御が可変容量型過給機の制御と干渉してしまうため、空気系制御と噴射系制御とを併用すると、空気過剰率をパージに必要な所望の目標空気過剰率まで低下させられない可能性がある。
開示のシステムは、エンジンの高負荷運転領域においても、空気過剰率をパージに必要な所望の目標空気過剰率まで効果的に低下させることを目的とする。
開示のシステムは、内燃機関の排気通路に設けられて排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元型触媒と、吸入空気量を減少させる空気系制御と燃料噴射量を増加させる噴射系制御とを併用して排気空燃比をリーン状態からリッチ状態に切り替えることで、前記ＮＯｘ還元型触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させる再生処理を実行する制御部と、を備える排気浄化システムであって、前記制御部は、前記内燃機関の運転状態が所定の高負荷運転領域にある場合は前記空気系制御を禁止して前記噴射系制御のみで前記再生処理を実行する。
開示のシステムによれば、エンジンの高負荷運転領域においても、空気過剰率をパージに必要な所望の目標空気過剰率まで効果的に低下させることができる。
本実施形態に係る排気浄化システムを示す全体構成図である。 本実施形態に係るＳＯｘパージ制御を説明するタイミングチャート図である。 本実施形態に係るＳＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値の設定処理を示すブロック図である。 本実施形態に係るＳＯｘパージリッチ制御時の目標噴射量の設定処理を示すブロック図である。 本実施形態に係るＳＯｘパージ制御の触媒温度調整制御を説明するタイミングチャート図である。 本実施形態に係るＮＯｘパージ制御を説明するタイミングチャート図である。 本実施形態に係るＮＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値の設定処理を示すブロック図である。 本実施形態に係るＮＯｘパージリッチ制御時の目標噴射量の設定処理を示すブロック図である。 本実施形態に係るインジェクタの噴射量学習補正の処理を示すブロック図である。 本実施形態に係る学習補正係数の演算処理を説明するフロー図である。 本実施形態に係るＭＡＦ補正係数の設定処理を示すブロック図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化システムを説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の各気筒には、図示しないコモンレールに畜圧された高圧燃料を各気筒内に直接噴射するインジェクタ１１がそれぞれ設けられている。これら各インジェクタ１１の燃料噴射量や燃料噴射タイミングは、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）５０から入力される指示信号に応じてコントロールされる。
エンジン１０の吸気マニホールド１０Ａには新気を導入する吸気通路１２が接続され、排気マニホールド１０Ｂには排気を外部に導出する排気通路１３が接続されている。吸気通路１２には、吸気上流側から順にエアクリーナ１４、吸入空気量センサ（以下、ＭＡＦセンサという）４０、可変容量型過給機２０のコンプレッサ２０Ａ、インタークーラ１５、吸気スロットルバルブ１６等が設けられている。排気通路１３には、排気上流側から順に可変容量型過給機２０のタービン２０Ｂ、排気後処理装置３０等が設けられている。なお、図１中において、符号４１はエンジン回転数センサ、符号４２はアクセル開度センサ、符号４６はブースト圧センサをそれぞれ示している。
ＥＧＲ装置２１は、排気マニホールド１０Ｂと吸気マニホールド１０Ａとを接続するＥＧＲ通路２２と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２３と、ＥＧＲ量を調整するＥＧＲバルブ２４とを備えている。
排気後処理装置３０は、ケース３０Ａ内に排気上流側から順に酸化触媒３１、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２、パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという）３３を配置して構成されている。また、酸化触媒３１よりも上流側の排気通路１３には、ＥＣＵ５０から入力される指示信号に応じて、排気通路１３内に未燃燃料（主にＨＣ）を噴射する排気管噴射装置３４が設けられている。
酸化触媒３１は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面に酸化触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒３１は、排気管噴射装置３４又はインジェクタ１１のポスト噴射によって未燃燃料が供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面にアルカリ金属等を担持して形成されている。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２は、排気空燃比がリーン状態のときに排気中のＮＯｘを吸蔵すると共に、排気空燃比がリッチ状態のときに排気中に含まれる還元剤（ＨＣ等）で吸蔵したＮＯｘを還元浄化する。
フィルタ３３は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ３３は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積推定量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆるフィルタ強制再生が実行される。フィルタ強制再生は、排気管噴射又はポスト噴射によって上流側の酸化触媒３１に未燃燃料を供給し、フィルタ３３に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。
第１排気温度センサ４３は、酸化触媒３１よりも上流側に設けられており、酸化触媒３１に流入する排気温度を検出する。第２排気温度センサ４４は、酸化触媒３１とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２との間に設けられており、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２に流入する排気温度を検出する。ＮＯｘ／ラムダセンサ４５は、フィルタ３３よりも下流側に設けられており、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２を通過した排気のＮＯｘ値及びラムダ値（以下、空気過剰率ともいう）を検出する。
ＥＣＵ５０は、エンジン１０等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。これら各種制御を行うため、ＥＣＵ５０にはセンサ類４０〜４５のセンサ値が入力される。また、ＥＣＵ５０は、フィルタ強制再生制御部５１と、ＳＯｘ離脱処理部６０と、ＮＯｘ離脱処理部７０と、ＭＡＦ追従制御部８０、噴射量学習補正部９０と、ＭＡＦ補正係数演算部９５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
［フィルタ強制再生制御］
フィルタ強制再生制御部５１は、車両の走行距離、あるいは図示しない差圧センサで検出されるフィルタ前後差圧からフィルタ３３のＰＭ堆積量を推定すると共に、このＰＭ堆積推定量が所定の上限閾値を超えると強制再生フラグＦDPFをオンにする（図２の時刻ｔ1参照）。強制再生フラグＦDPFがオンにされると、排気管噴射装置３４に排気管噴射を実行させる指示信号が送信されるか、あるいは、各インジェクタ１１にポスト噴射を実行させる指示信号が送信されて、排気温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約５５０℃）まで昇温させる。この強制再生フラグＦDPFは、ＰＭ堆積推定量が燃焼除去を示す所定の下限閾値（判定閾値）まで低下するとオフにされる（図２の時刻ｔ2参照）。なお、強制再生フラグＦDPFをオフにする判定閾値は、例えば、フィルタ強制再生開始（ＦDPF＝１）からの上限経過時間や上限累積噴射量を基準にしてもよい。
［ＳＯｘパージ制御］
ＳＯｘ離脱処理部６０は、排気をリッチ状態にして排気温度を硫黄離脱温度（例えば、約６００℃）まで上昇させて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２をＳＯｘ被毒から回復させる制御（以下、この制御をＳＯｘパージ制御という）を実行する。
図２は、本実施形態のＳＯｘパージ制御のタイミングチャートを示している。図２に示すように、ＳＯｘパージ制御を開始するＳＯｘパージフラグＦSPは、強制再生フラグＦDPFのオフと同時にオンにされる（図２の時刻ｔ2参照）。これにより、フィルタ３３の強制再生によって排気温度を上昇させた状態からＳＯｘパージ制御に効率よく移行することが可能となり、燃料消費量を効果的に低減することができる。
本実施形態において、ＳＯｘパージ制御によるリッチ化は、空気系制御によって空気過剰率を定常運転時（例えば、約１．５）から理論空燃比相当値（約１．０）よりもリーン側の第１目標空気過剰率（例えば、約１．３）まで低下させるＳＯｘパージリーン制御と、噴射系制御によって空気過剰率を第１目標空気過剰率からリッチ側の第２目標空気過剰率（例えば、約０．９）まで低下させるＳＯｘパージリッチ制御とを併用することで実現される。以下、ＳＯｘパージリーン制御及び、ＳＯｘパージリッチ制御の詳細について説明する。
［ＳＯｘパージリーン制御の空気系制御］
図３は、ＳＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦSPL_Trgtの設定処理を示すブロック図である。第１目標空気過剰率設定マップ６１は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑ（エンジン１０の燃料噴射量）に基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したＳＯｘパージリーン制御時の空気過剰率目標値λSPL_Trgt（第１目標空気過剰率）が予め実験等に基づいて設定されている。
まず、第１目標空気過剰率設定マップ６１から、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてＳＯｘパージリーン制御時の空気過剰率目標値λSPL_Trgtが読み取られて、ＭＡＦ目標値演算部６２に入力される。さらに、ＭＡＦ目標値演算部６２では、以下の数式（１）に基づいてＳＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦSPL_Trgtが演算される。
ＭＡＦSPL_Trgt＝λSPL_Trgt×Ｑfnl_corrd×ＲｏFuel×ＡＦＲsto／Ｍａｆ_corr・・・（１）
数式（１）において、Ｑfnl_corrdは後述する学習補正された燃料噴射量（ポスト噴射を除く）、ＲｏFuelは燃料比重、ＡＦＲstoは理論空燃比、Ｍａｆ_corrは後述するＭＡＦ補正係数をそれぞれ示している。
ＭＡＦ目標値演算部６２によって演算されたＭＡＦ目標値ＭＡＦSPL_Trgtは、ＳＯｘパージフラグＦSPがオン（図２の時刻ｔ2参照）になるとランプ処理部６３に入力される。ランプ処理部６３は、各ランプ係数マップ６３Ａ，Ｂからエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてランプ係数を読み取ると共に、このランプ係数を付加したＭＡＦ目標ランプ値ＭＡＦSPL_Trgt_Rampをバルブ制御部６４に入力する。
バルブ制御部６４は、ＭＡＦセンサ４０から入力される実ＭＡＦ値ＭＡＦActがＭＡＦ目標ランプ値ＭＡＦSPL_Trgt_Rampとなるように、吸気スロットルバルブ１６を閉側に絞ると共に、ＥＧＲバルブ２４を開側に開くフィードバック制御を実行する。
このように、本実施形態では、第１目標空気過剰率設定マップ６１から読み取られる空気過剰率目標値λSPL_Trgtと、各インジェクタ１１の燃料噴射量とに基づいてＭＡＦ目標値ＭＡＦSPL_Trgtを設定し、このＭＡＦ目標値ＭＡＦSPL_Trgtに基づいて空気系動作をフィードバック制御するようになっている。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けることなく、或いは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けた場合も当該ラムダセンサのセンサ値を用いることなく、排気をＳＯｘパージリーン制御に必要な所望の空気過剰率まで効果的に低下させることが可能になる。
また、各インジェクタ１１の燃料噴射量として学習補正後の燃料噴射量Ｑfnl_corrdを用いることで、ＭＡＦ目標値ＭＡＦSPL_Trgtをフィードフォワード制御で設定することが可能となり、各インジェクタ１１の経年劣化や特性変化、個体差等の影響を効果的に排除することができる。
また、ＭＡＦ目標値ＭＡＦSPL_Trgtにエンジン１０の運転状態に応じて設定されるランプ係数を付加することで、吸入空気量の急激な変化によるエンジン１０の失火やトルク変動によるドライバビリティーの悪化等を効果的に防止することができる。
［ＳＯｘパージリッチ制御の燃料噴射量設定］
図４は、ＳＯｘパージリッチ制御における排気管噴射又はポスト噴射の目標噴射量ＱSPR_Trgt（単位時間当たりの噴射量）の設定処理を示すブロック図である。第２目標空気過剰率設定マップ６５は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したＳＯｘパージリッチ制御時の空気過剰率目標値λSPR_Trgt（第２目標空気過剰率）が予め実験等に基づいて設定されている。
まず、第２目標空気過剰率設定マップ６５から、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてＳＯｘパージリッチ制御時の空気過剰率目標値λSPR_Trgtが読み取られて、噴射量目標値演算部６６に入力される。さらに、噴射量目標値演算部６６では、以下の数式（２）に基づいてＳＯｘパージリッチ制御時の目標噴射量ＱSPR_Trgtが演算される。
ＱSPR_Trgt＝ＭＡＦSPL_Trgt×Ｍａｆ_corr／（λSPR_Target×ＲｏFuel×ＡＦＲsto）−Ｑfnl_corrd・・・（２）
数式（２）において、ＭＡＦSPL_TrgtはＳＯｘパージリーン時のＭＡＦ目標値であって、前述のＭＡＦ目標値演算部６２から入力される。また、ＱfnlRaw_corrdは後述する学習補正されたＭＡＦ追従制御適用前の燃料噴射量（ポスト噴射を除く）、ＲｏFuelは燃料比重、ＡＦＲstoは理論空燃比、Ｍａｆ_corは後述するＭＡＦ補正係数をそれぞれ示している。
噴射量目標値演算部６６によって演算された目標噴射量ＱSPR_Trgtは、後述するＳＯｘパージリッチフラグＦSPRがオンになると、排気管噴射装置３４又は、各インジェクタ１１に噴射指示信号として送信される。
このように、本実施形態では、第２目標空気過剰率設定マップ６５から読み取られる空気過剰率目標値λSPR_Trgtと、各インジェクタ１１の燃料噴射量とに基づいて目標噴射量ＱSPR_Trgtを設定するようになっている。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けることなく、或いは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けた場合も当該ラムダセンサのセンサ値を用いることなく、排気をＳＯｘパージリッチ制御に必要な所望の空気過剰率まで効果的に低下させることが可能になる。
また、各インジェクタ１１の燃料噴射量として学習補正後の燃料噴射量Ｑfnl_corrdを用いることで、目標噴射量ＱSPR_Trgtをフィードフォワード制御で設定することが可能となり、各インジェクタ１１の経年劣化や特性変化等の影響を効果的に排除することができる。
［ＳＯｘパージ制御の触媒温度調整制御］
ＳＯｘパージ制御中にＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２に流入する排気温度（以下、触媒温度ともいう）は、図２の時刻ｔ2〜ｔ4に示すように、排気管噴射又はポスト噴射を実行するＳＯｘパージリッチフラグＦSPRのオン・オフ（リッチ・リーン）を交互に切り替えることで制御される。ＳＯｘパージリッチフラグＦSPRがオン（ＦSPR＝１）にされると、排気管噴射又はポスト噴射によって触媒温度は上昇する（以下、この期間を噴射期間ＴF_INJという）。一方、ＳＯｘパージリッチフラグＦSPRがオフにされると、排気管噴射又はポスト噴射の停止によって触媒温度は低下する（以下、この期間をインターバルＴF_INTという）。
本実施形態において、噴射期間ＴF_INJは、予め実験等により作成した噴射期間設定マップ（不図示）からエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに対応する値を読み取ることで設定される。この噴射時間設定マップには、予め実験等によって求めた排気の空気過剰率を第２目標空気過剰率まで確実に低下させるのに必要となる噴射期間が、エンジン１０の運転状態に応じて設定されている。
インターバルＴF_INTは、触媒温度が最も高くなるＳＯｘパージリッチフラグＦSPRがオンからオフに切り替えられた際に、フィードバック制御によって設定される。具体的には、ＳＯｘパージリッチフラグＦSPRがオフされた際の目標触媒温度と推定触媒温度との偏差ΔＴに比例して入力信号を変化させる比例制御と、偏差ΔＴの時間積分値に比例して入力信号を変化させる積分制御と、偏差ΔＴの時間微分値に比例して入力信号を変化させる微分制御とで構成されるＰＩＤ制御によって処理される。目標触媒温度は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２からＳＯｘを離脱可能な温度で設定され、推定触媒温度は、例えば、第１排気温度センサ４３で検出される酸化触媒３１の入口温度と、酸化触媒３１及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の内部での発熱反応等に基づいて推定すればよい。
図５の時刻ｔ1に示すように、フィルタ強制再生の終了（ＦDPF＝０）によってＳＯｘパージフラグＦSPがオンされると、ＳＯｘパージリッチフラグＦSPRもオンにされ、さらに前回のＳＯｘパージ制御時にフィードバック計算されたインターバルＴF_INTも一旦リセットされる。すなわち、フィルタ強制再生直後の初回は、噴射期間設定マップで設定した噴射期間ＴF_INJ_1に応じて排気管噴射又はポスト噴射が実行される（図５の時刻ｔ1〜ｔ2参照）。このように、ＳＯｘパージリーン制御を行うことなくＳＯｘパージリッチ制御からＳＯｘパージ制御を開始するので、フィルタ強制再生で上昇した排気温度を低下させることなく、速やかにＳＯｘパージ制御に移行され、燃料消費量を低減することができる。
次いで、噴射期間ＴF_INJ_1の経過によってＳＯｘパージリッチフラグＦSPRがオフになると、ＰＩＤ制御によって設定されたインターバルＴF_INT_1が経過するまで、ＳＯｘパージリッチフラグＦSPRはオフとされる（図５の時刻ｔ2〜ｔ3参照）。さらに、インターバルＴF_INT_1の経過によってＳＯｘパージリッチフラグＦSPRがオンにされると、再び噴射期間ＴF_INJ_2に応じた排気管噴射又はポスト噴射が実行される（図５の時刻ｔ3〜ｔ4参照）。その後、これらＳＯｘパージリッチフラグＦSPRのオン・オフの切り替えは、後述するＳＯｘパージ制御の終了判定によってＳＯｘパージフラグＦSPがオフ（図５の時刻ｔn参照）にされるまで繰り返し実行される。
このように、本実施形態では、触媒温度を上昇させると共に空気過剰率を第２目標空気過剰率まで低下させる噴射期間ＴF_INJをエンジン１０の運転状態に基づいて参照されるマップから設定すると共に、触媒温度を降下させるインターバルＴF_INTをＰＩＤ制御によって処理するようになっている。これにより、ＳＯｘパージ制御中の触媒温度をパージに必要な所望の温度範囲に効果的に維持しつつ、空気過剰率を目標過剰率まで確実に低下させることが可能になる。
［ＳＯｘパージ制御の終了判定］
ＳＯｘパージ制御は、（１）ＳＯｘパージフラグＦSPのオンから排気管噴射又はポスト噴射の噴射量を累積し、この累積噴射量が所定の上限閾値量に達した場合、（２）ＳＯｘパージ制御の開始から計時した経過時間が所定の上限閾値時間に達した場合、（３）エンジン１０の運転状態やＮＯｘ／ラムダセンサ４５のセンサ値等を入力信号として含む所定のモデル式に基づいて演算されるＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＳＯｘ吸着量がＳＯｘ除去成功を示す所定の閾値まで低下した場合の何れかの条件が成立すると、ＳＯｘパージフラグＦSPをオフにして終了される（図２の時刻ｔ4、図５の時刻ｔn参照）。
このように、本実施形態では、ＳＯｘパージ制御の終了条件に累積噴射量及び、経過時間の上限を設けたことで、ＳＯｘパージが排気温度の低下等によって進捗しなかった場合に、燃料消費量が過剰になることを効果的に防止することができる。
［ＮＯｘパージ制御］
ＮＯｘ離脱処理部７０は、排気をリッチ雰囲気にしてＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２に吸蔵されているＮＯｘを還元浄化により無害化して放出することで、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＮＯｘ吸蔵能力を回復させる制御（以下、この制御をＮＯｘパージ制御という）を実行する。
ＮＯｘパージ制御を開始するＮＯｘパージフラグＦNPは、エンジン１０の運転状態から単位時間当たりのＮＯｘ排出量を推定し、これを累積計算した推定累積値ΣＮＯｘが所定の閾値を超えるとオンにされる（図６の時刻ｔ1参照）。あるいは、エンジン１０の運転状態から推定される触媒上流側のＮＯｘ排出量と、ＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される触媒下流側のＮＯｘ量とからＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２によるＮＯｘ浄化率を演算し、このＮＯｘ浄化率が所定の判定閾値よりも低くなった場合に、ＮＯｘパージフラグＦNPはオンにされる。
本実施形態において、ＮＯｘパージ制御によるリッチ化は、空気系制御によって空気過剰率を定常運転時（例えば、約１．５）から理論空燃比相当値（約１．０）よりもリーン側の第３目標空気過剰率（例えば、約１．３）まで低下させるＮＯｘパージリーン制御と、噴射系制御によって空気過剰率を第４目標空気過剰率からリッチ側の第２目標空気過剰率（例えば、約０．９）まで低下させるＮＯｘパージリッチ制御とを併用することで実現される。以下、ＮＯｘパージリーン制御及び、ＮＯｘパージリッチ制御の詳細について説明する。
［ＮＯｘパージリーン制御のＭＡＦ目標値設定］
図７は、ＮＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtの設定処理を示すブロック図である。第３目標空気過剰率設定マップ７１は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したＮＯｘパージリーン制御時の空気過剰率目標値λNPL_Trgt（第３目標空気過剰率）が予め実験等に基づいて設定されている。
まず、第３目標空気過剰率設定マップ７１から、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてＮＯｘパージリーン制御時の空気過剰率目標値λNPL_Trgtが読み取られて、ＭＡＦ目標値演算部７２に入力される。さらに、ＭＡＦ目標値演算部７２では、以下の数式（３）に基づいてＮＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtが演算される。
ＭＡＦNPL_Trgt＝λNPL_Trgt×Ｑfnl_corrd×ＲｏFuel×ＡＦＲsto／Ｍａｆ_corr・・・（３）
数式（３）において、Ｑfnl_corrdは後述する学習補正された燃料噴射量（ポスト噴射を除く）、ＲｏFuelは燃料比重、ＡＦＲstoは理論空燃比、Ｍａｆ_corrは後述するＭＡＦ補正係数をそれぞれ示している。
ＭＡＦ目標値演算部７２によって演算されたＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtは、ＮＯｘパージフラグＦSPがオン（図６の時刻ｔ1参照）になるとランプ処理部７３に入力される。ランプ処理部７３は、各ランプ係数マップ７３Ａ，Ｂからエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてランプ係数を読み取ると共に、このランプ係数を付加したＭＡＦ目標ランプ値ＭＡＦNPL_Trgt_Rampをバルブ制御部７４に入力する。
バルブ制御部７４は、ＭＡＦセンサ４０から入力される実ＭＡＦ値ＭＡＦActがＭＡＦ目標ランプ値ＭＡＦNPL_Trgt_Rampとなるように、吸気スロットルバルブ１６を閉側に絞ると共に、ＥＧＲバルブ２４を開側に開くフィードバック制御を実行する。
このように、本実施形態では、第３目標空気過剰率設定マップ７１から読み取られる空気過剰率目標値λNPL_Trgtと、各インジェクタ１１の燃料噴射量とに基づいてＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtを設定し、このＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtに基づいて空気系動作をフィードバック制御するようになっている。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けることなく、或いは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けた場合も当該ラムダセンサのセンサ値を用いることなく、排気をＮＯｘパージリーン制御に必要な所望の空気過剰率まで効果的に低下させることが可能になる。
また、各インジェクタ１１の燃料噴射量として学習補正後の燃料噴射量Ｑfnl_corrdを用いることで、ＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtをフィードフォワード制御で設定することが可能となり、各インジェクタ１１の経年劣化や特性変化等の影響を効果的に排除することができる。
また、ＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtにエンジン１０の運転状態に応じて設定されるランプ係数を付加することで、吸入空気量の急激な変化によるエンジン１０の失火やトルク変動によるドライバビリティーの悪化等を効果的に防止することができる。
［ＮＯｘパージリッチ制御の燃料噴射量設定］
図８は、ＮＯｘパージリッチ制御における排気管噴射又はポスト噴射の目標噴射量ＱNPR_Trgt（単位時間当たりの噴射量）の設定処理を示すブロック図である。第４目標空気過剰率設定マップ７５は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したＮＯｘパージリッチ制御時の空気過剰率目標値λＮPR_Trgt（第４目標空気過剰率）が予め実験等に基づいて設定されている。
まず、第４目標空気過剰率設定マップ７５から、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてＮＯｘパージリッチ制御時の空気過剰率目標値λNPR_Trgtが読み取られて噴射量目標値演算部７６に入力される。さらに、噴射量目標値演算部７６では、以下の数式（４）に基づいてＮＯｘパージリッチ制御時の目標噴射量ＱNPR_Trgtが演算される。
ＱNPR_Trgt＝ＭＡＦNPL_Trgt×Ｍａｆ_corr／（λNPR_Target×ＲｏFuel×ＡＦＲsto）−Ｑfnl_corrd・・・（４）
数式（４）において、ＭＡＦNPL_TrgtはＮＯｘパージリーンＭＡＦ目標値であって、前述のＭＡＦ目標値演算部７２から入力される。また、ＱfnlRaw_corrdは後述する学習補正されたＭＡＦ追従制御適用前の燃料噴射量（ポスト噴射を除く）、ＲｏFuelは燃料比重、ＡＦＲstoは理論空燃比、Ｍａｆ_corは後述するＭＡＦ補正係数をそれぞれ示している。
噴射量目標値演算部７６によって演算される目標噴射量ＱNPR_Trgtは、ＮＯｘパージフラグＦSPがオンになると、排気管噴射装置３４又は各インジェクタ１１に噴射指示信号として送信される（図６の時刻ｔ1）。この噴射指示信号の送信は、後述するＮＯｘパージ制御の終了判定によってＮＯｘパージフラグＦNPがオフ（図６の時刻ｔ2）にされるまで継続される。
このように、本実施形態では、第４目標空気過剰率設定マップ７５から読み取られる空気過剰率目標値λNPR_Trgtと、各インジェクタ１１の燃料噴射量とに基づいて目標噴射量ＱNPR_Trgtを設定するようになっている。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けることなく、或いは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けた場合も当該ラムダセンサのセンサ値を用いることなく、排気をＮＯｘパージリッチ制御に必要な所望の空気過剰率まで効果的に低下させることが可能になる。
また、各インジェクタ１１の燃料噴射量として学習補正後の燃料噴射量Ｑfnl_corrdを用いることで、目標噴射量ＱNPR_Trgtをフィードフォワード制御で設定することが可能となり、各インジェクタ１１の経年劣化や特性変化等の影響を効果的に排除することができる。
［ＮＯｘパージ制御の空気系制御禁止］
ＥＣＵ５０は、エンジン１０の運転状態が低負荷側の領域では、ＭＡＦセンサ４０のセンサ値に基づいて吸気スロットルバルブ１６やＥＧＲバルブ２４の開度をフィードバック制御している。一方、エンジン１０の運転状態が高負荷側の領域では、ＥＣＵ５０はブースト圧センサ４６のセンサ値に基づいて可変容量型過給機２０による過給圧をフィードバック制御している（以下、この領域をブースト圧ＦＢ制御領域という）。
このようなブースト圧ＦＢ制御領域では、吸気スロットルバルブ１６やＥＧＲバルブ２４の制御が可変容量型過給機２０の制御と干渉してしまう現象が生じる。このため、上述の数式（３）で設定されるＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtに基づいて空気系をフィードバック制御するＮＯｘパージリーン制御を実行しても、吸入空気量をＭＡＦ目標値ＭＡＦ NPL_Trgtに維持できない課題がある。その結果、ポスト噴射や排気管噴射を実行するＮＯｘパージリッチ制御を開始しても、空気過剰率をＮＯｘパージに必要な第４目標空気過剰率（空気過剰率目標値λNPR_Trgt）まで低下させられない可能性がある。
このような現象を回避すべく、本実施形態のＮＯｘ離脱処理部７０は、ブースト圧ＦＢ制御領域では、吸気スロットルバルブ１６やＥＧＲバルブ２４の開度を調整するＮＯｘパージリーン制御を禁止し、排気管噴射又はポスト噴射のみで空気過剰率を第４目標空気過剰率（空気過剰率目標値λNPR_Trgt）まで低下させる。これにより、ブースト圧ＦＢ制御領域においても、ＮＯｘパージを確実に行うことが可能になる。なお、この場合、上述の数式（４）のＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtには、エンジン１０の運転状態に基づいて設定されるＭＡＦ目標値を適用すればよい。
［ＮＯｘパージ制御の終了判定］
ＮＯｘパージ制御は、（１）ＮＯｘパージフラグＦNPのオンから排気管噴射又はポスト噴射の噴射量を累積し、この累積噴射量が所定の上限閾値量に達した場合、（２）ＮＯｘパージ制御の開始から計時した経過時間が所定の上限閾値時間に達した場合、（３）エンジン１０の運転状態やＮＯｘ／ラムダセンサ４５のセンサ値等を入力信号として含む所定のモデル式に基づいて演算されるＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＮＯｘ吸蔵量がＮＯｘ除去成功を示す所定の閾値まで低下した場合の何れかの条件が成立すると、ＮＯｘパージフラグＦNPをオフにして終了される（図６の時刻ｔ2参照）。
このように、本実施形態では、ＮＯｘパージ制御の終了条件に累積噴射量及び、経過時間の上限を設けたことで、ＮＯｘパージが排気温度の低下等によって成功しなかった場合に燃料消費量が過剰になることを確実に防止することができる。
［ＭＡＦ追従制御］
ＭＡＦ追従制御部８０は、（１）通常運転のリーン状態からＳＯｘパージ制御又はＮＯｘパージ制御によるリッチ状態への切り替え期間及び、（２）ＳＯｘパージ制御又はＮＯｘパージ制御によるリッチ状態から通常運転のリーン状態への切り替え期間に、各インジェクタ１１の燃料噴射タイミング及び燃料噴射量をＭＡＦ変化に応じて補正する制御（以下、この制御をＭＡＦ追従制御という）を実行する。
［噴射量学習補正］
図９に示すように、噴射量学習補正部９０は、学習補正係数演算部９１と、噴射量補正部９２とを有する。
学習補正係数演算部９１は、エンジン１０のリーン運転時にＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される実ラムダ値λActと、推定ラムダ値λEstとの誤差Δλに基づいて燃料噴射量の学習補正係数ＦCorrを演算する。排気がリーン状態のときは、酸化触媒３１でＨＣの酸化反応が生じないため、酸化触媒３１を通過して下流側のＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される排気中の実ラムダ値λActと、エンジン１０から排出された排気中の推定ラムダ値λEstとは一致すると考えられる。このため、これら実ラムダ値λActと推定ラムダ値λEstとに誤差Δλが生じた場合は、各インジェクタ１１に対する指示噴射量と実噴射量との差によるものと仮定することができる。以下、この誤差Δλを用いた学習補正係数演算部９１による学習補正係数の演算処理を図１０のフローに基づいて説明する。
ステップＳ３００では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて、エンジン１０がリーン運転状態にあるか否かが判定される。リーン運転状態にあれば、学習補正係数の演算を開始すべく、ステップＳ３１０に進む。
ステップＳ３１０では、推定ラムダ値λEstからＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される実ラムダ値λActを減算した誤差Δλに、学習値ゲインＫ1及び補正感度係数Ｋ2を乗じることで、学習値ＦCorrAdptが演算される（ＦCorrAdpt＝（λEst−λAct）×Ｋ1×Ｋ2）。推定ラムダ値λEstは、エンジン回転数Ｎｅやアクセル開度Ｑに応じたエンジン１０の運転状態から推定演算される。また、補正感度係数Ｋ2は、図９に示す補正感度係数マップ９１ＡからＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される実ラムダ値λActを入力信号として読み取られる。
ステップＳ３２０では、学習値ＦCorrAdptの絶対値｜ＦCorrAdpt｜が所定の補正限界値Ａの範囲内にあるか否かが判定される。絶対値｜ＦCorrAdpt｜が補正限界値Ａを超えている場合、本制御はリターンされて今回の学習を中止する。
ステップＳ３３０では、学習禁止フラグＦProがオフか否かが判定される。学習禁止フラグＦProとしては、例えば、エンジン１０の過渡運転時、ＳＯｘパージ制御時（ＦSP＝１）、ＮＯｘパージ制御時（ＦNP＝１）等が該当する。これらの条件が成立する状態では、実ラムダ値λActの変化によって誤差Δλが大きくなり、正確な学習を行えないためである。エンジン１０が過渡運転状態にあるか否かは、例えば、ＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される実ラムダ値λActの時間変化量に基づいて、当該時間変化量が所定の閾値よりも大きい場合に過渡運転状態と判定すればよい。
ステップＳ３４０では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照される学習値マップ９１Ｂ（図９参照）が、ステップＳ３１０で演算された学習値ＦCorrAdptに更新される。より詳しくは、この学習値マップ９１Ｂ上には、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに応じて区画された複数の学習領域が設定されている。これら学習領域は、好ましくは、使用頻度が多い領域ほどその範囲が狭く設定され、使用頻度が少ない領域ほどその範囲が広く設定されている。これにより、使用頻度が多い領域では学習精度が向上され、使用頻度が少ない領域では未学習を効果的に防止することが可能になる。
ステップＳ３５０では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号として学習値マップ９１Ｂから読み取った学習値に「１」を加算することで、学習補正係数ＦCorrが演算される（ＦCorr＝１＋ＦCorrAdpt）。この学習補正係数ＦCorrは、図９に示す噴射量補正部９２に入力される。
噴射量補正部９２は、パイロット噴射ＱPilot、プレ噴射ＱPre、メイン噴射ＱMａｉｎ、アフタ噴射ＱＡｆｔｅｒ、ポスト噴射ＱＰｏｓｔの各基本噴射量に学習補正係数ＦＣｏｒｒを乗算することで、これら燃料噴射量の補正を実行する。
このように、推定ラムダ値λEstと実ラムダ値λActとの誤差Δλに応じた学習値で各インジェクタ１１に燃料噴射量を補正することで、各インジェクタ１１の経年劣化や特性変化、個体差等のバラツキを効果的に排除することが可能になる。
［ＭＡＦ補正係数］
ＭＡＦ補正係数演算部９５は、ＳＯｘパージ制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦＳＰＬ＿Ｔｒｇｔや目標噴射量ＱＳＰＲ＿Ｔｒｇｔの設定及び、ＮＯｘパージ制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtや目標噴射量ＱNPR_Trgtの設定に用いられるＭＡＦ補正係数Ｍａｆ_corrを演算する。
本実施形態において、各インジェクタ１１の燃料噴射量は、ＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される実ラムダ値λActと推定ラムダ値λEstとの誤差Δλに基づいて補正される。しかしながら、ラムダは空気と燃料の比であるため、誤差Δλの要因が必ずしも各インジェクタ１１に対する指示噴射量と実噴射量との差の影響のみとは限らない。すなわち、ラムダの誤差Δλには、各インジェクタ１１のみならずＭＡＦセンサ４０の誤差も影響している可能性がある。
図１１は、ＭＡＦ補正係数演算部９５によるＭＡＦ補正係数Ｍａｆ_corrの設定処理を示すブロック図である。補正係数設定マップ９６は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したＭＡＦセンサ４０のセンサ特性を示すＭＡＦ補正係数Ｍａｆ_corrが予め実験等に基づいて設定されている。
ＭＡＦ補正係数演算部９５は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号として補正係数設定マップ９６からＭＡＦ補正係数Ｍａｆ_corrを読み取ると共に、このＭＡＦ補正係数Ｍａｆ_corrをＭＡＦ目標値演算部６２，７２及び噴射量目標値演算部６６，７６に送信する。これにより、ＳＯｘパージ制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦSPL_Trgtや目標噴射量ＱSPR_Trgt、ＮＯｘパージ制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦNPL_Trgtや目標噴射量ＱNPR_Trgtの設定に、ＭＡＦセンサ４０のセンサ特性を効果的に反映することが可能になる。
［その他］
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
１０ エンジン
１１ インジェクタ
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
１６ 吸気スロットルバルブ
２４ ＥＧＲバルブ
３１ 酸化触媒
３２ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
３３ フィルタ
３４ 排気管噴射装置
４０ ＭＡＦセンサ
４５ ＮＯｘ／ラムダセンサ
５０ ＥＣＵ

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられて排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元型触媒と、吸入空気量を減少させる空気系制御と燃料噴射量を増加させる噴射系制御とを併用して排気空燃比をリーン状態からリッチ状態に切り替えることで、前記ＮＯｘ還元型触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させる再生処理を実行する制御部と、を備える排気浄化システムであって、
    前記制御部は、前記内燃機関の運転状態が所定の高負荷運転領域にある場合は前記空気系制御を禁止して前記噴射系制御のみで前記再生処理を実行し、前記噴射系制御のみで前記再生処理を実行する場合、当該噴射系制御の目標噴射量を、前記内燃機関の運転状態に応じて設定される吸入空気量と、前記内燃機関の運転状態に応じて設定される前記再生処理の目標空気過剰率と、前記内燃機関の燃料噴射量とに基づいて演算すると共に、演算した当該目標噴射量でポスト噴射及び排気管噴射の少なくとも一方の噴射量を制御する
    排気浄化システム。
  2. 前記制御部は、さらに、前記再生処理を開始するリーン状態からリッチ状態への切り替え期間及び前記再生処理を終了するリッチ状態からリーン状態への切り替え期間の少なくとも一方の切り替え期間において、前記内燃機関の吸入空気量に応じて前記内燃機関の燃料噴射時期及び燃料噴射量の少なくとも一方を変化させる追従制御を実行する
    請求項１に記載の排気浄化システム。
  3. 前記所定の高負荷運転領域が、前記内燃機関のブースト圧をブースト圧センサのセンサ値に基づいてフィードバック制御するブースト圧フィードバック制御領域である
    請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
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