JP2000345830A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
内燃機関の排気浄化装置Info
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Abstract
る。 【解決手段】 NOx吸蔵触媒18に吸蔵されていると
推定される第1NOx堆定量が判定レベルを超えたと
き、NOx吸蔵触媒18のNOx吸蔵量が最大吸蔵量に
なっていると推定し、NOx吸蔵触媒18への流入排気
ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替えられたと
き、空燃比センサ22の出力レベルの変化に要する時間
から第2NOx堆定量が推定され、第1NOx推定量と
第2NOx推定量との比較によりNOx吸蔵触媒18の
劣化が判定され、空燃比センサ22の出力レベルの変化
に要する時間が所定時間より短いとき、リッチ運転時の
リッチ度合いを小さくして、空燃比センサ22の出力レ
ベルの変化に要する時間を長くとる。
Description
浄化装置に関するものである。
報で開示された内燃機関1の排気浄化装置を示す構成図
である。図19において、1は内燃機関、2はピスト
ン、3は燃焼室、4は点火栓、5は吸気弁、6は吸気ポ
ート、7は排気弁、8は排気ポートである。吸気ポート
6は対応する枝管9を介してサージタンクに10に連結
され、各枝管9には各々吸気ポート6内に向けて燃料を
噴射する燃料噴射弁11が取り付けられる。サージタン
ク10は吸気ダクト12を介してエアクリーナ13に連
結され、吸気ダクト12内にはスロットル弁14が配置
される。排気ポート8は排気マニホルド15および排気
管16を介してNOx吸蔵触媒18を内蔵したケーシン
グ17に接続される。
ュータからなり、双方向性バス31によって相互に接続
されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ラ
ンダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセ
ッサ)34、常時電源に接続されたバックアップRAM
35、入力ポート36および出力ポート37、AD変換
器38、駆動回路39を備える。サージタンク10内に
はサージタンク10内の絶対圧に比例した出力電圧を出
力する圧力センサ19が配置され、この圧力センサ19
の出力電圧は対応するAD変換器38を介して入力ポー
ト36に入力される。NOx吸蔵触媒18下流の排気マ
ニホルド15内にはO2センサと呼ばれるスイッチング
タイプの空燃比センサ20が配置され、この空燃比セン
サ20の出力は対応するAD変換器38を介して入力ポ
ート36に入力される。NOx吸蔵触媒18下流の排気
管21内にはO2センサと呼ばれるスイッチングタイプ
の別の空燃比センサ22が配置され、この空燃比センサ
22の出力は対応するAD変換器38を介して入力ポー
ト36に接続される。また、入力ポート36には機関回
転数Nを表す出力パルスを発生する回転数センサ23お
よび車速を表す出力パルスを発生する車速センサ24が
接続される。出力ポート37は対応する駆動回路39を
介して各々点火栓4および燃料噴射弁11に接続され
る。
常は、燃焼室3で希薄空燃比(以下、リーンと称する)
の混合気を燃焼し、NOx吸蔵触媒18が吸蔵した窒素
酸化物NOxの量が一定量を超えると、NOx吸蔵触媒
18に流入する排気ガスの空燃比が濃厚空燃比(以下、
リッチと称する)となるように制御することにより、N
Ox吸蔵触媒18のNOx放出作用が開始される。
吸蔵触媒18の劣化は大きく分けて2種類ある。その1
つは熱劣化などのように一度劣化してしまえば元に戻ら
ないものである。もう1つはサルファ被毒による劣化な
どのように何らかの再生処理を施せば、NOx吸蔵触媒
18の吸蔵能力がある程度まで回復するものである。前
述の特開平8−232644号公報で開示された内燃機
関1の排気浄化装置においては、上記2種類の劣化を同
一に扱っており、劣化判定後のNOx吸蔵容量にあわせ
たNOx吸蔵許容量を設定している。また、同公報にお
いては、劣化の判定を行うためのリッチ運転を1つのパ
ターンとして設定された空燃比A/Fにより行っている
ため、図20に示すように判定のための空燃比A/Fの
リッチ度合いが大きければ劣化度合いの差が出にくく、
逆に、図21に示すように判定のための空燃比A/Fの
リッチ度合いが小さければ差は出るものの、判定のため
のリッチ運転が長時間続くことになり、燃費の点で不利
である。
に次第に劣化し、劣化すればするほどNOx吸蔵能力が
低下してついにはNOxを吸蔵できなくなってしまう。
従って、NOx吸蔵触媒18を用いた場合にはNOx吸
蔵触媒18がどの程度劣化しているかを検出することが
必要となる。ところで、NOx吸蔵触媒18に流入する
排気ガスの空燃比をリッチにした場合、NOx吸蔵触媒
18からのNOx放出作用が行われている間は、NOx
吸蔵触媒18から流出する排気ガスの空燃比がわずかば
かりリーンとなっている。そして、NOx吸蔵触媒18
からのNOx放出作用が完了すると、NOx吸蔵触媒1
8から流出する排気ガスの空燃比がリッチになることが
判明している。この場合、NOx吸蔵触媒18に吸蔵さ
れているNOx量が少なくなるほど、NOx吸蔵触媒1
8に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされた後、N
Ox吸蔵触媒18から流出する排気ガスの空燃比がリッ
チになるまでの時間が短くなる。従って、上記時間から
NOx吸蔵触媒18の劣化度合いを検出できる。
るためになされたもので、NOx吸蔵触媒に流入する排
気ガスの空燃比がリッチにされてからNOx吸蔵触媒よ
り流出する排気ガスの空燃比がリッチになるまでの時間
を利用し、NOx触媒の劣化度合いをより正確に把握す
ることができる内燃機関の排気浄化装置を提供すること
である。
燃機関の排気浄化装置は、NOx吸蔵触媒と空燃比セン
サと第1NOx量推定手段と判別手段と空燃比切替手段
と第2NOx量推定手段と劣化判断手段とを備え、NO
x吸蔵触媒が流入する排気ガスの空燃比がリーンのとき
にNOxを吸蔵しリッチのときに吸蔵したNOxを浄化
放出し、空燃比センサがNOx吸蔵触媒より下流の排気
ガス中の酸素濃度を検出し、第1NOx量推定手段がN
Ox吸蔵触媒に吸蔵されていると堆定される第1NOx
推定量を求め、判別手段が第1NOx量推定手段で求め
られた第1NOx推定量がNOx吸蔵触媒のNOx最大
許容吸蔵量になっていると推定しうる判定レベルを超え
たか否かを判別し、空燃比切替手段が判別手段での堆定
NOx量が上記判定レベルを超えた判別結果によりNO
x吸蔵触媒からNOxを放出すべく上記排気ガスの空燃
比をリーンからリッチに切替え、第2NOx量推定手段
が空燃比切替手段での排気ガスの空燃比がリーンからリ
ッチに切り替えられてから上記空燃比センサの出力がリ
ーンからリッチに対応する出力レベルに変化するまでの
時間の長さにより第2NOx推定量を推定し、劣化判断
手段が第2NOx推定量手段による第2NOx推定量と
前記第1NOx推定手段による第1NOx推定量との比
較によりNOx吸蔵触媒の劣化の度合いを判断するとと
もに上記空燃比センサの出力がリーンからリッチに変化
するまでの時間が所定値より短く劣化度合いの判断が困
難なときリーンからリッに切り替えるときの上記排気ガ
スのリッチ度合いを小さくし上記空燃比センサの出力が
リーンからリッチに変化するまでの時間を長くして劣化
度合いの判断を正確に行うことを特徴とする。
装置は、請求項1に記載のNOx吸蔵触媒より上流の排
気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサを備え、空
燃比をリーンからリッチに切替えたとき、上記上流の空
燃比センサの出力がリーンからリッチに変化したときに
時間の計測を開始する手段を前記第2NOx量推定手段
が備えたことを特徴とする。
装置は、請求項1または2に記載の劣化判定手段の劣化
度合いが所定のレベルを超えた判断した結果によりサル
ファ再生制御を実行するサルファ再生手段を備えたこと
を特徴とする。
装置は、請求項1または2または3に記載の劣化判定手
段の劣化度合いが所定のレベルを超えた判断した結果に
より警告を発生する警報発生手段を備えたことを特徴と
する。
形態1について図1〜図17を用いて説明する。図1は
内燃機関1の排気ガス浄化装置を示す構成図である。図
1において、電子制御ユニット300は、前記ディジタ
ルコンピュータからなる電子制御ユニット30に相当す
るものであって、第1NOx量推定手段301、判別手
段302、空燃比切替手段303、第2NOx量推定手
段304、劣化判断手段305、サルファ再生手段30
6、警報発生手段307を備えたことが前記電子制御ユ
ニット30と異なる。電子制御ユニット300のディジ
タルコンピュータにおける双方向性バス31、ROM3
2、RAM33、CPU34、バックアップRAM3
5、入力ポート36、出力ポート37、AD変換器3
8、駆動回路39など要素は前記図19と同じである。
そして、第1NOx量推定手段301、判別手段30
2、空燃比切替手段303、第2NOx量推定手段30
4、劣化判断手段305、サルファ再生手段306、警
報発生手段307などの各手段は、CPU34がROM
32に格納されたプログラムに従いRAM33を記憶手
段として用い、図12〜図15および図17の制御処理
を実行する。40は警報発生手段307からの出力によ
り動作する警報表示器である。また、内燃機関1、ピス
トン2、燃焼室3、点火栓4、吸気弁5、吸気ポート
6、排気弁7、排気ポート8、枝管9、サージタンク1
0、燃料噴射弁11、吸気ダクト12、エアクリーナ1
3、スロットル弁14、排気マニホルド15、排気管1
6、ケーシング17、NOx吸蔵触媒18、圧力センサ
19、空燃比センサ20、排気管21、空燃比センサ2
2、回転数センサ23、車速センサ24などの要素は、
前記図19と同じである。
る。電子制御ユニット300は例えば燃料噴射時間TA
V=TP・K・FAFを算出する。TPは基本燃料噴射
時間、Kは補正係数、FAFはフィードバック補正係数
を各々示す。基本燃料噴射時間TPは、燃焼室3に供給
される混合気の空燃比を理論空燃比(ストイキ)とする
のに必要な燃料噴射時間であって、予め実験により求め
られ、図2に示すようなマップの形で、サージタンク1
0内の絶対圧PMおよび機関回転数Nの関数として、R
OM32に予め記憶されている。補正係数Kは、上記混
合気の空燃比を制御するための係数であって、補正係数
K=1.0であれば混合気の空燃比がストイキとなり、
補正係数K<1.0であれば混合気の空燃比がストイキ
よりも大きい希薄空燃比(リーン)となり、補正係数K
>1.0であれば混合気の空燃比がストイキよりも小さ
い濃厚空燃比(リッチ)となる。
には、補正係数K=1.0のとき、即ち前記混合気の空
燃比をストイキとすべきとき、空燃比センサ20の出力
信号に基づいて、混合気の空燃比をストイキに正確に一
致させるための係数である。このフィードバック補正係
数FAFは、ほぼ1.0を中心として上下動しており、
混合気がリッチになると減少し、混合気がリーンになる
と増大する。なお、補正係数K<1.0または補正係数
K>1.0のときにはフィードバック補正係数FAFが
1.0に固定される。
係数Kの値は、内燃機関1の運転状態に応じて変化し、
実施の形態1では、絶対圧PMと機関回転数Nと補正係
数Kとの関係を表す図3に示されるように、前記絶対圧
PMおよび機関回転数Nの関数として予め定められてい
る。図3において、実線Rよりも低負荷側の低負荷運転
領域ではK<1.0、即ち混合気の空燃比がリーンとさ
れ、実線Rと実線Sの間の高負荷運転領域ではK=1.
0、即ち混合気の空燃比がストイキとされ、実線Sより
も高負荷側の全負荷運転領域ではK>1.0、即ち混合
気の空燃比がリッチとされる。
の代表的な成分としての未燃な炭化水素HC、一酸化炭
素CO、酸素O2の濃度を概略的に示している。図4か
ら分かるように、炭化水素HCおよび一酸化炭素COの
濃度は燃焼室3内に供給される混合気の空燃比がリッチ
になるほど増大し、酸素O2の濃度は上記混合気の空燃
比がリーンになるほど増大する。
ナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリ
ウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカ
リ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカ
リ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類
から選ばれた少なくとも一つと、白金Ptのような貴金
属とを担持している。機関吸気通路およびNOx吸蔵触
媒18上流の排気通路内に供給された空気および燃料
(炭化水素)の比を、NOx吸蔵触媒18への流入排気
ガスの空燃比と称すると、NOx吸蔵触媒18は、流入
排気ガスの空燃比がリーンのときNOxを吸蔵し、流入
排気ガス中の酸素濃度が低下すると、吸蔵した窒素酸化
物NOxを放出する、窒素酸化物NOxの吸放出作用を
行う。なお、NOx吸蔵触媒18上流の排気通路内に燃
料(炭化水素)或いは空気が供給されない場合には、流
入排気ガスの空燃比は燃焼室3内に供給される混合気の
空燃比に一致し、NOx吸蔵触媒18は上記混合気の空
燃比がリーンの時にはNOxを吸蔵し、上記混合気の酸
素濃度が低下すると、吸蔵した窒素酸化物NOxを放出
することになる。
詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある
が、NOx吸蔵触媒18のNOxの吸放出作用を表す図
5に示すようなメカニズムで行われているものと考えら
れる。このメカニズムについて、担体上に白金Ptおよ
びバリウムBaを担持させた場合を例として説明する
が、他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類
を用いても同様なメカニズムとなる。
なりリーンになると、流入排気ガス中の酸素濃度が大幅
に増大する。そして、図5(A)に示すように、酸素O
2が酸素イオンO2 −の形で白金Ptの表面に付着す
る。流入排気ガス中の窒素酸化物NOxは白金Ptの表
面上で酸素イオンO2 −と反応し、二酸化窒素NO2と
なる。(2NO+O2 −>2NO2)。この生成された
二酸化窒素NO2の一部は、白金Pt上で酸化されつつ
NOx吸蔵触媒18内に吸蔵されて酸化バリウムBaO
と結合しながら、図5(A)に示すように、硝酸イオン
NO3 −の形でNOx吸蔵触媒18内に拡散する。この
ようにして、窒素酸化物NOxがNOx吸蔵触媒18内
に吸蔵される。
り、白金Ptの表面で二酸化窒素NO 2が生成され、N
Ox吸蔵触媒18のNOx吸蔵能力が飽和しない限り、
二酸化窒素NO2がNOx吸蔵触媒18内に吸蔵され、
硝酸イオンNO3 −が生成される。これに対し、流入排
気ガスの酸素濃度が低下し、二酸化窒素NO2の生成量
が低下すると、反応が逆方向(NO3 −→NO2)に進
み、NOx吸蔵触媒18内の硝酸イオンNO3 −が二酸
化窒素NO2の形でNOx吸蔵触媒18から放出され
る。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、N
Ox吸蔵触媒18から窒素酸化物NOxが放出されるこ
とになる。一方、図4に示すように、流入排気ガスのリ
ーンの度合いが低くなれば、流入排気ガス中の酸素濃度
が低下し、従って、流入排気ガスのリーンの度合いを低
くすれば、たとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであっ
ても、NOx吸蔵触媒18から窒素酸化物NOxが放出
されることになる。
ッチにされて流入排気ガスの空燃比がリッチになると、
図4に示するように、未燃な炭化水素HCや一酸化炭素
COが多量となる。これらの炭化水素HCや一酸化炭素
COは白金Pt上の酸素イオンO2 −と反応して酸化さ
れる。一方、流入排気ガスの空燃比がリッチになると、
流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するため、NO
x吸蔵触媒18から窒素酸化物NOxが放出される。こ
の窒素酸化物NOxである二酸化窒素NO2は図5
(B)に示すように、未燃な炭化水素HCや一酸化炭素
COと反応して還元される。このようにして、白金Pt
の表面上に二酸化窒素NO2が存在しなくなると、NO
x吸蔵触媒18から二酸化窒素NO2が次から次へと放
出される。従って、流入排気ガスの空燃比をリッチにす
ると、短時間のうちにNOx吸蔵触媒18から窒素酸化
物NOxが放出されることになる。
ると、始めに、炭化水素HCや一酸化炭素COが白金P
t上の酸素イオンO2 −とただちに反応して酸化され、
次いで、白金Pt上の酸素イオンO2 −が消費されても
まだ炭化水素HCや一酸化炭素COが残っていれば、こ
れらの炭化水素HCや一酸化炭素COによってNOx吸
蔵触媒18から放出された窒素酸化物NOxおよび燃焼
室3から排出された窒素酸化物NOxが還元される。従
って、流入排気ガスの空燃比をリッチにすれば、短時間
のうちにNOx吸蔵触媒18に吸蔵されている窒素酸化
物NOxが放出され、この放出された窒素酸化物NOx
が還元されるため、大気中に窒素酸化物NOxが排出さ
れるのを阻止することができる。
と、窒素酸化物NOxがNOx吸蔵触媒18に吸蔵され
る。しかしながら、NOx吸蔵触媒18のNOx吸蔵能
力には限度があり、NOx吸蔵触媒18のNOx吸蔵能
力が飽和すれば、NOx吸蔵触媒18はもはや窒素酸化
物NOxを吸蔵できなくなる。従って、NOx吸蔵触媒
18のNOx吸蔵能力が飽和する前に、NOx吸蔵触媒
18から窒素酸化物NOxを放出させる必要がある。そ
のためには、NOx吸蔵触媒18が窒素酸化物NOxを
どの程度吸蔵しているかを推定する必要がある。
する。リーンの混合気が燃焼するときは、機関負荷が高
くなるほど、単位時間当たり燃焼室3から排出されるN
Ox量が増大するため、単位時間当たりNOx吸蔵触媒
18に吸蔵されるNOx量(以下、NOx吸蔵量と称す
る)NOXAが増大し、また、機関回転数が高くなるほ
ど、単位時間当たり燃焼室3から排出されるNOx量が
増大するため、単位時間当たりNOx吸蔵触媒18に吸
蔵されるNOxが増大する。従って、NOx吸蔵量NO
XAは機関負荷と機関回転数Nの関数となる。この場
合、機関負荷は前記絶対圧PMでもって代表することが
できるので、NOx吸蔵量NOXAは絶対圧PMと機関
回転数Nの関数となる。従って、実施の形態1ではNO
x吸蔵量NOXAが、絶対圧PMおよび機関回転数Nの
関数として予め実験により求められ、図6(A)に示す
マップの形で、絶対圧PMおよび機関回転数Nの関数と
して、ROM32内に予め記憶されている。
比がストイキまたはリッチになると、NOx吸蔵触媒1
8からNOxが放出されるが、このNOx放出量は主に
排気ガス量と混合気の空燃比との影響を受ける。即ち、
排気ガス量が増大するほど、単位時間当たりNOx吸蔵
触媒18から放出されるNOx量(以下、NOx放出
量)NOXDが増大し、混合気の空燃比がリッチとなる
ほど、NOx放出量NOXDが増大する。従って、NO
x放出量NOXDは吸入空気量と機関回転数Nとの関数
となる。この場合、図7(A)に示するように、NOx
放出量NOXDはN・PMが大きくなるほど増大する。
この実施の形態1では、NOx放出量NOXDは、図6
(B)に示すマップの形で、N・PMとKの関数として
ROM32に予め記憶されている。
の場合はNOx吸蔵量NOXAで表され、混合気の空燃
比がストイキまたはリッチの場合はNOx放出量NOX
Dで表されるので、NOx吸蔵触媒18に吸蔵されてい
ると推定される第1NOx推定量1ΣNOX=ΣNOX
+NOXA−NOXDで表されることになる。上記ΣN
OXは前回の処理サイクルまでのNOx推定量である。
タイムチャートを表す図8に示すように、第1NOx推
定量1ΣNOXがNOx最大許容吸蔵量MAXに達した
ときには混合気の空燃比を一時的にリッチに制御するこ
とによって、NOx吸蔵触媒18から窒素酸化物NOx
を放出させるようにしている。
ており、NOx吸蔵触媒18には窒素酸化物NOxばか
りでなく硫黄酸化物SOxも吸蔵される。このNOx吸
蔵触媒18への硫黄酸化物SOxの吸蔵メカニズムは窒
素酸化物NOxの吸蔵メカニズムと同じであると考えら
れる。即ち、NOx吸蔵メカニズムを説明したときと同
様に、担体上に白金PtおよびバリウムBaを担持させ
た場合を例として説明すると、NOx吸蔵触媒18への
流入排気ガスの空燃比がリーンの時には酸素O 2が酸素
イオンO2 −の形で白金Ptの表面に付着している。上
記NOx吸蔵触媒18に流入する排気ガス(以下、流入
排気ガスと称する)中のSO2は白金Ptの表面で酸素
イオンO2 −と反応してSO3となる。この生成された
SO3の一部は、白金Pt上で更に酸化されつつNOx
吸蔵触媒18内で酸化バリウムBaOと結合しながら、
硫酸イオンSO4 2−の形でNOx吸蔵触媒18内に拡
散し、安定した硫酸塩BaSO4を生成する。
ていて分解しづらく、図8に示すような短時間だけ混合
気の空燃比をリッチにしてもほとんど全ての硫酸塩Ba
SO 4は分解されずにそのまま残る。従って、NOx吸
蔵触媒18内には時間が経過するにつれて硫酸塩BaS
O4が増大することになり、斯くして時間が経過するに
つれて、NOx吸蔵触媒18が吸蔵しうる最大NOx吸
蔵量が次第に低下することになる。言い換えると、時間
が経過するにつれてNOx吸蔵触媒18の性能が次第に
劣化することになる。NOx吸蔵触媒18が吸蔵しうる
最大NOx吸蔵量が低下すると、NOx吸蔵触媒18へ
のNOx吸蔵量が少ないうちにNOx吸蔵触媒18から
NOxを放出させる必要がある。そのためには、NOx
吸蔵触媒18が吸蔵しうる最大NOx吸蔵量、即ちNO
x吸蔵触媒18の劣化の度合いを正確に検出することが
必要となる。
際に吸蔵していると思われるNOx吸蔵量、即ちNOx
吸蔵触媒18の劣化の度合いを次のように検出してい
る。混合気の空燃比がリーンからリッチに変化した後、
空燃比センサ22の電圧がリーンを示す電圧からリッチ
を示す電圧に変化するまでの時間により、NOx吸蔵触
媒18の劣化の度合いを検出する。即ち、燃焼室3に供
給される混合気がリッチになると、図4に示すように、
燃焼室3からは未燃な炭化水素HCや一酸化炭素および
酸素O2を含んだ排気ガスが排出される。しかし、酸素
O2は炭化水素HCや一酸化炭素COとほとんど反応せ
ずにNOx吸蔵触媒18を通り過ぎて大気中に排出され
ることになる。
x吸蔵触媒18から窒素酸化物NOxが放出される。こ
の排気ガス中に含まれる未燃な炭化水素HCや一酸化炭
素COはNOx吸蔵触媒18から放出された窒素酸化物
NOxを還元するために使用される。このため、NOx
吸蔵触媒18から窒素酸化物NOxが放出されている間
は、NOX吸蔵触媒18から未燃な炭化水素HCや一酸
化炭素COが全く排出されないことになる。従って、N
Ox吸蔵触媒18から窒素酸化物NOxが放出され続け
ている間は、NOx吸蔵触媒18から排出される排気ガ
ス中には、酸素O2は含まれているが、未燃な炭化水素
HCや一酸化炭素COが全く含まれておらず、NOx吸
蔵触媒18から排出される排気ガスの空燃比はわずかば
かりリーンとなっている。
いるNOxが全部放出されると、排気ガス中の未燃な炭
化水素HCや一酸化炭素COはNOx吸蔵触媒18内で
窒素酸化物NOxの還元のために使用されることなくそ
のままNOx吸蔵触媒18から排出され、NOx吸蔵触
媒18から排出される排気ガスの空燃比がリッチとな
る。即ち、NOx吸蔵触媒18に吸蔵されていた窒素酸
化物NOxが全部放出されると、NOx吸蔵触媒18か
ら排出される排気ガスがリーンからリッチに変化するこ
とになる。この場合、NOx吸蔵量NOXAは、NOx
吸蔵触媒18に流入する排気ガスの空燃比がり一ンから
リッチに切り替えられた後、NOx吸蔵触媒18から排
出される排気ガスの空燃比がリッチになるまでの時間に
おおよそ比例している。従って、この経過時間からNO
x吸蔵量NOXAが分かることになる。
センサ20,22の出力電圧との関係を表す図9を参照
し、もう少し詳しく説明する。図9に示すように、空燃
比センサ20,22は、燃焼室3に供給される混合気の
空燃比がリッチの時には0.9ボルト程度の出力電圧V
を出力し、上記混合気の空燃比がリーンの時には0.1
ボルト程度の出力電圧Vを出力し、上記混合気の空燃比
がストイキ付近では0.45ボルト程度の出力電圧Vを
出力する。
気ガスの空燃比(以下、流入排気ガス空燃比と称する)
A/Finの変化と、空燃比センサ22の出力電圧Vの
変化と、NOx吸蔵触媒18から流出した排気ガスの空
燃比(以下、流出排気ガス空燃比と称する)A/Fou
tの変化との関係を示している。図10に示すように、
流入排気ガス空燃比A/Finがリーンからリッチに切
り替えられると、流出排気ガス空燃比A/Foutはス
トイキ近くまで急速に減少する。しかし、NOx吸蔵触
媒18がNOx放出中は、流出排気ガス空燃比A/Fo
utはわずかばかりリーンの状態に保持される。このた
め、空燃比センサ22の出力電圧Vは0.1ボルト程度
である。次いで、NOx吸蔵触媒18に吸蔵されている
窒素酸化物NOxが全部放出されると、流出排気ガス空
燃比A/Foutは急速に小さくなってリッチとなり、
空燃比センサ22の電圧Vは0.9ボルト付近まで急速
に上昇する。
合の空燃比センサ22の出力電圧Vの変化を示してい
る。なお、図11における100mg、200mg、3
00mg、400mgなど数値は、NOx吸蔵量NOX
Aを示している。図11に示すのように、NOx吸蔵量
NOXAが多いほど空燃比センサ22の電圧Vの立ち上
がりが遅く開始している。
合いを検出するためには第1NOx推定量1ΣNOxが
NOx最大許容吸蔵量MAXになったときに流入排気ガ
ス空燃比A/Finをリーンからリッチに切り替え、こ
のときの経過時間tを求める必要がある。その経過時間
tにより、第2NOx推定量2ΣNOXを求め、第1N
Ox推定量1ΣNOXと第2NOx推定量2ΣNOXと
を比較する。図12および図13は図11に示す空燃比
センサ22の出力電圧Vの変化に要する経過時間tに基
づきNOx吸蔵触媒18の劣化の度合いを判断するルー
チンを示している。
プ100において図2に基づき基本燃料噴射量TPが算
出される。ステップ101ではNOx吸蔵触媒18から
窒素酸化物NOxを放出すべきであることを示すNOx
放出フラグがセットされているか否かが判別される。N
Ox放出フラグがセットされていない時には、ステップ
102においてNOx放出フラグがリセットされた直後
か否かが判別される。NOx放出フラグがセットからリ
セットヘ変わった直後でなければ、ステップ103にお
いて図3に基づき補正係数Kが算出される。ステップ1
04では補正係数Kが1.0であるか否かが判別され
る。補正係数K=1.0の時には、ステップ119にお
いて空燃比のフィードバック制御が行われる。このフィ
ードバック制御は図14に示されている。上記ステップ
104での判別結果が補正係数K=1.0でないときに
は、ステップ105においてフィードバック補正係数F
AFが1.0に固定され、ステップ106において燃料
噴射時間TAV=TP・K・FAFが算出される。
1.0よりも小さいか否かが判別される。補正係数K<
1.0のとき、即ちリーンの混合気を燃焼すべきときに
は、ステップ108において図6(A)に基づきNOx
吸蔵量NOXAが算出され、ステップ109においてN
Ox放出量NOXDがゼロに設定され、ステップ112
に進む。ステップ107での判別結果が補正係数K≧
1.0であるとき、即ちストイキの混合気またはリッチ
の混合気を燃焼すべきときには、ステップ110におい
て図6(B)に基づきNOx排出量NOXDが算出さ
れ、ステップ111においてNOx吸蔵量NOXAがゼ
ロに設定され、ステップ112に進む。
NOX=ΣNOX+NOXA−NOXDが算出され、ス
テップ113では第1NOx推定量1ΣNOXが負にな
ったか否かが判別される。第1NOx推定量1ΣNOX
<0のときには、ステップ114において第1NOx推
定量1ΣNOXがゼロに設定される。ステップ115で
は第1NOx推定量1ΣNOXが最大許容吸蔵量MAX
を超えたか否かが判別される。第1NOx推定量1ΣN
OX>最大許容吸蔵量MAXのときには、ステップ11
6においてNOx放出フラグがセットされる。NOx放
出フラグがセットされると、ステップ117においてN
Ox放出処理が行われる。このNOx放出処理は図15
に示されている。一方、NOx放出フラグがセットから
リセットに変化した直後であると判定される(ステップ
102参照)と、ステップ118において劣化判定が行
われる。この劣化判定は図16に示されている。
れる空燃比センサ20の出力電圧V1に基づいて空燃比
をストイキに維持するためのフィードバック制御につい
て図14を参照しつつ説明する。前述のように空燃比セ
ンサ20は混合気がリッチの時には0.9ボルト程度の
出力電圧V1を発生する。図14に示すように、ステッ
プ130において出力電圧V1が0.45ボルト程度の
第1基準電圧Vr1よりも小さいか否かが判別される。
出力電圧V1≦第1基準電圧Vr1のとき、即ち空燃比
がリーンのときにはステップ131においてディレイカ
ウント値CDLが1だけディクリメントされる。次い
で、ステップ132ではディレイカウント値CDLが最
小値TDRよりも小さくなったかが判別される。ディレ
イカウント値CDL<最小値TDRのときはステップ1
33においてディレイカウント値CDLを最小値TDR
と設定後にステップ137に進む。従って、出力電圧V
1≦第1基準電圧Vr1になると、ディレイカウント値
CLDがルーチン処理の1サイクルごとに徐々に減少
し、ついには、ディレイカウント値CDLは最小値TD
Rに維持される。
1>第1基準電圧Vr1であると判別された空燃比がリ
ッチのときには、ステップ134においてディレイカウ
ント値CDLが1だけインクリメントされる。次いで、
ステップ135ではディレイカウント値CDLが最大値
TDLよりも大きくなったか否かが判別される。ディレ
イカウント値CDL>最大値TDLのときはステップ1
36においてディレイカウント値CDLを最大値TDL
と設定した後にステップ137に進む。従って、出力電
圧V1>第1基準電圧Vr1になると、ディレイカウン
ト値CDLがルーチン処理の1サイクルごとに徐々に増
大し、ついには、ディレイカウント値CDLは最大値T
DLに維持される。
ら今回の処理サイクルの間にディレイカウント値CDL
の符号が正から負へまたは負から正へ反転したか否かが
判別される。ディレイカウント値CDLの符号が反転し
たときにはステップ138において正から負への反転か
否か、即ちリッチからリーンへの反転であるか否かが判
別される。リッチからリーンヘの反転のときにはステッ
プ139においてフィードバック補正係数FAFにリッ
チスキップ値RSRが加算され、斯くして、フィードバ
ック補正係数FAFはリッチスキップ値RSRだけ急激
に増大する。上記ステップ138での判別結果がリーン
からリッチヘの反転でないときにはステップ140にお
いてフィードバック補正係数FAFからリーンスキップ
値RSLが減算され、斯くして、フィードバック補正係
数FAFはリーンスキップ値RSLだけ急激に減少す
る。
イカウント値CDLの符号が反転していないと判別され
たときにはステップ141においてディレイカウント値
CDLが負であるか否か判別される。ディレイカウント
値CDL≦0のときにはステップ142においてフィー
ドバック補正係数FAFにリッチ積分値KIR(KIR
<RSR)が加算され、斯くして、フィードバック補正
係数FAFは処理ルーチンの1サイクルごとに徐々に増
大する。一方、前記ステップ141での判別結果がディ
レイカウント値CDL>0のときにはステップ143に
おいてフィードバック補正係数FAFからリーン積分値
KILが減算され、斯くして、フィードバック補正係数
FAFは処理ルーチンの1サイクルごとに徐々に減少す
る。このようにして空燃比がストイキに制御される。
NOx放出制御について図15を参照しつつ説明する。
図15に示すように、前回の処理サイクルにおけるNO
x放出制御のときの経過時間t’が予め定められた第1
基準時間t1より小さいか否かが判別される。経過時間
t’≧第1基準時間t1のときにはステップ172にお
いて補正係数Kが例えば1.2程度のリッチで比較的大
きな一定値KK2とされ、経過時間t’<第1基準時間
t1のときにはステップ171において補正係数Kが例
えば1.05程度のリッチではあるが比較的小さな一定
値KK1とされる。次いで、ステップ173ではフィー
ドバック補正係数FAFが1.0に固定され、ステップ
174では経過時間t’が1だけインクリメントされ
(経過時間t’←t’+1)、ステップ175では空燃
比センサ22の出力電圧V2が予め定められた第2基準
電圧Vr2(例えば0.45ボルト)より大きくなった
か否かが判別される。出力電圧V2>第2基準電圧Vr
2であると、ステップ176において経過時間t’をイ
ンクリメントされた経過時間tに更新する。次いで、ス
テップ177ではステップ176で更新された経過時間
tが第2基準時間t2より小さいか否かが判別される。
ただし、第2基準時間t2は補正係数KがKKlである
かKK2であるかによって異なった値の定数である。経
過時間t≧第2基準時間t2のときにはステップ178
において図16(A)および(B)に示す関係から経過
時間tに基づいてNOX吸蔵触媒18が吸蔵している第
2NOx堆定量2ΣNOXが算出される。その後、ステ
ップ179において第1NOx推定値1ΣNOXにある
値α(0.9から1.0の範囲内の値が望ましい)を乗
じた値α・ΣNOXと第2NOx推定量2ΣNOXとが
比較される。第2NOx推定量2ΣNOX≧α・ΣNO
Xである場合には触媒の劣化は許容範囲内であるとし、
ステップ180においてNOx吸蔵触媒18のNOx最
大許容吸蔵量MAXを第2NOx堆定量2ΣNOXに更
新する。
第2基準時間t2、または、ステップ179において第
2NOx推定量2ΣNOX<α・ΣNOXである場合
に、ステップ182で行われるサルファ再生制御につい
て図17を参照しつつ説明する。図17に示すように、
ステップ200において前回の処理サイクルにおけるN
Ox放出制御においてサルファ再生制御を実施したか否
かを判別するS再生フラグが立っているか否かを判別す
る。前回の処理サイクルでサルファ再生が行われていな
ければ今回のサイクルにおける被毒等の原因でNOx吸
蔵触媒18が劣化したものと判断し、ステップ201に
おいてサルファ再生を実行する。一方、前記ステップ2
00での判別結果により前回の処理サイクルでサルファ
再生が行われていればステップ202において今回の処
理サイクルにおけるNOx浄化の経過時間tが第2基準
時間t2より大きいか否かが判別される。経過時間t>
第2基準時間t2であればステップ201においてサル
ファ再生制御を実行する。ステップ202での判別結果
が経過時間t≦第2基準時間t2であればステップ20
3において補正係数Kが大きい方の定数KK2に等しい
か否かが判別される。K=KK2であれば劣化の範囲が
許容範囲とみなしステップ201においてサルファ再生
制御を実行する。ステップ203ので判定結果として補
正係数KがKK2でなくKKlであればステップ204
においてNOx吸蔵触媒18は劣化していると判定し、
警報表示器40を動作させて音または画像または音声な
どでNOx吸蔵触媒18の劣化をドライバーに通知す
る。排気ガス中の硫黄酸化物SOxによりNOx吸蔵触
媒18の触媒性能が低下することがサルファ被毒と言わ
れ、この原因である硫酸塩BaSO4を分解し、NOx
吸蔵触媒18のNOx吸蔵能力を回復させることがサル
ファ再生と言う。このサルファ再生制御は、リッチ雰囲
気中でかつNOx吸蔵触媒18の入口温度を600〜7
00℃の運転を一定時間(例えば100秒間)維続する
運転のことである。
7のNOx放出制御におけるステップ173でフィード
バック補正係数FAFが1.0に固定された後、ステッ
プ174で経過時間t’を1だけインクリメントした
(経過時間t’←t’+1)が、図18に示すように、
ステップ173とステップ174との間にステップ17
3’を挿入し、このステップ173’においてNOx吸
蔵触媒18上流の空燃比センサ20の出力電圧V1/分
である出力電圧V1’が第1基準電圧Vr1より大きい
か否かを判別し、出力電圧V1’>第1基準電圧Vr1
のときにはステップ174において経過時間t’を1だ
けインクリメントし、出力電圧V1’≦第1基準電圧V
r1のときにはNOx放出制御の処理を終了する。従っ
て、この図18に示す実施の形態2によれば、NOx吸
蔵触媒18上流の空燃比センサ20により排気ガスの空
燃比を計測し、排気ガスがリッチになってから経過時間
の計測を開始するので、空燃比切替手段により空燃比が
リーンからリッチに切替えられてから実際に排気ガスが
リッチになるまでの遅れ時間に影響されずに、経過時間
tを計測できるので、より正確に第2NOx推定量2Σ
NOxを算出することができる。
蔵触媒に吸蔵されていると推定される第1NOx堆定量
が判定レベルを超えたとき、NOx吸蔵触媒のNOx吸
蔵量が最大吸蔵量になっていると推定し、NOx吸蔵触
媒への流入排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り
替えられ、このとき、空燃比センサの出力レベルの変化
に要する時間から第2NOx堆定量が推定され、第1N
Ox推定量と第2NOx推定量との比較によりNOx吸
蔵触媒の劣化が判定され、上記空燃比センサの出力レベ
ルの変化に要する時間が所定時間より短いとき、リッチ
運転時のリッチ度合いを小さくして、出力レベルの変化
に要する時間を長くとることにより、NOx吸蔵触媒の
劣化度合いの判断がより正確となった。
定のレベルを超えたと判断されたとき、サルファ再生制
御が実行されるので、NOx吸蔵触媒の吸蔵能力をより
正確に引き出すことが可能となる。
の吸蔵能力が劣化したことを警告することにより、排気
ガスが悪化した状態での車両走行継続を防止することが
できる。
ある。
を示す図である。
る。
OおよびO2の濃度を示す図である。
る図である。
びNOx放出量NOXDを示す図である。
す図である。
トである。
力電圧との関係を示すタイムチャートである。
出力電圧との関係を示すタイムチャートである。
出力電圧との関係を示すタイムチャートである。
ートである。
ートである。
ローチャートである。
チャートである。
量との関係を示す図である。
ーチャートである。
ローチャートである。
図である。
との関係を示す図である。
との関係を示す図である。
燃比センサ、40 警報表示器、300 電子制御ユニ
ット、301 第1NOx量推定手段、302 判別手
段、303 空燃比切替手段、304 第2NOx量推
定手段、305 劣化判断手段、306 サルファ再生
手段、307 警報発生手段。
Claims (4)
- 【請求項1】 流入する排気ガスの空燃比がリーンのと
きにNOxを吸蔵しリッチのときに吸蔵したNOxを浄
化放出するNOx吸蔵触媒と、このNOx吸蔵触媒より
下流の排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサ
と、上記NOx吸蔵触媒に吸蔵されていると堆定される
第1NOx推定量を求める第1NOx量推定手段と、こ
の第1NOx量推定手段で求められた第1NOx推定量
がNOx吸蔵触媒のNOx最大許容吸蔵量になっている
と推定しうる判定レベルを超えたか否かを判別する判別
手段と、この判別手段での堆定NOx量が上記判定レベ
ルを超えた判別結果によりNOx吸蔵触媒からNOxを
放出すべく上記排気ガスの空燃比をリーンからリッチに
切替える空燃比切替手段と、この空燃比切替手段での排
気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替えられてか
ら上記空燃比センサの出力がリーンからリッチに対応す
る出力レベルに変化するまでの時間の長さにより第2N
Ox推定量を推定する第2NOx量推定手段と、この第
2NOx推定量手段による第2NOx推定量と前記第1
NOx推定手段による第1NOx推定量との比較により
上記NOx吸蔵触媒の劣化の度合いを判断するとともに
上記空燃比センサの出力がリーンからリッチに変化する
までの時間が所定値より短く劣化度合いの判断が困難な
ときリーンからリッに切り替えるときの上記排気ガスの
リッチ度合いを小さくし上記空燃比センサの出力がリー
ンからリッチに変化するまでの時間を長くして劣化度合
いの判断を正確に行う劣化判断手段とを備えたことを特
徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項2】 NOx吸蔵触媒より上流の排気ガス中の
酸素濃度を検出する空燃比センサを備え、空燃比をリー
ンからリッチに切替えたとき、上記上流の空燃比センサ
の出力がリーンからリッチに変化したときに時間の計測
を開始する手段を前記第2NOx量推定手段が備えたこ
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】 前記劣化判定手段の劣化度合いが所定の
レベルを超えた判断した結果によりサルファ再生制御を
実行するサルファ再生手段を備えた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4】 前記劣化判定手段の劣化度合いが所定の
レベルを超えた判断した結果により警告を発生する警報
発生手段を備えたことを特徴とする請求項1または2ま
たは3記載の内燃機関の排気浄化装置。
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