JP3067685B2 - 火花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

火花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室内に直接燃
料を噴射する筒内噴射型内燃機関において排気の浄化を
行なう排気浄化装置に関し、特に、燃料噴射の制御によ
るイオウ成分(SOX )の脱離に用いて好適の、筒内噴
射型内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒
内噴射型内燃機関が実用化されており、かかる筒内噴射
型内燃機関では、燃料噴射のタイミングを自由に設定で
きるため、低負荷運転域において圧縮行程で燃料噴射を
行い、着火に十分な燃料濃度の混合気を点火プラグ近傍
に部分的に集めて、いわゆる層状燃焼による超希薄燃焼
を行なうことにより、より一層の燃費向上を図ってい
る。
【0003】このような筒内噴射型内燃機関では、前述
したように、この超希薄領域での運転が所定の運転域で
行なわれることから、排気浄化の面でMPI(マルチポ
イントインジェクション)エンジン等で使用される三元
触媒(ストイキオ近傍で三元機能を有する)のみを設け
て排ガス特性を良好にすることは困難である。そこで、
排ガス中の酸素が過剰になる酸素濃度過剰雰囲気でもN
X が浄化できるリーンNOX 触媒が開発されており、
このNOX 触媒を設けることが不可欠となっている。
【0004】このリーンNOX 触媒としては、NOX
触媒上に付着させることにより排ガス中のNOX を浄化
するタイプのもの(吸蔵型リーンNOX 触媒,トラップ
型リーンNOX 触媒)が開発されている。このリーンN
X 触媒は、酸素濃度過剰雰囲気では排ガス中のNOX
を付着し、酸素濃度が低下すると付着したNOX を脱離
する機能を有する。つまり、リーンNOX 触媒は、酸素
濃度過剰雰囲気では、排ガス中のNOを酸化させて硝酸
塩を生成し、これによりNOX を付着する一方、酸素濃
度が低下した雰囲気では、リーンNOX 触媒に付着した
硝酸塩と排ガス中のCOとを反応させて炭酸塩を生成
し、これによりNOX を脱離する機能を有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料や潤滑
油内には、イオウ成分(S成分)が含まれており、この
ようなイオウ成分も排ガス中に含まれている。リーンN
X 触媒では、酸素濃度過剰雰囲気で、NOX の付着と
ともに、このようなイオウ成分も付着する。つまり、イ
オウ成分は燃焼し、更にリーンNOX 触媒上で酸化され
てSO3 になる。そして、このSO3 の一部はリーンN
X 触媒上でさらにNOX 用の吸蔵剤と反応して硫酸塩
となって、リーンNOX 触媒に付着する。
【0006】したがって、リーンNOX 触媒には、硝酸
塩と硫酸塩とが付着することになるが、硫酸塩は硝酸塩
よりも塩としての安定度が高く、酸素濃度が低下した雰
囲気になってもその一部しか分解されないため、リーン
NOX 触媒に残留する硫酸塩の量は時間とともに増加す
る。これにより、リーンNOX 触媒のNOX 付着能力が
時間とともに低下し、リーンNOX 触媒としての性能が
悪化することになる(これを、S被毒という)。
【0007】このように、リーンNOX 触媒のNOX
着能力を低下させる硫酸塩は、温度が高くなると分解す
る性質を有する。このため、例えば、特開昭63−15
0441号公報に開示された技術では、アイドルスピー
ドコントロールバルブの開度を大きくして吸入空気量を
増量し、機関回転数を高い回転域(2000〜3000
rpm)に上昇させて維持し、触媒床温を高温に保つよ
うにしている。そして、この状態で、燃料を増量し空燃
比をリッチにして、触媒上を通る排出ガスを還元雰囲気
にするようにしている。
【0008】しかし、このような特殊な運転状況は機関
の出力トルクに影響してしまうので、どのような機関に
も適用できるものではない。例えば、かかる技術を自動
車用エンジンに適用した場合、上述の特殊な運転状況を
通常の自動車の運転中につくり出すと、自動車の走行に
影響を与えてしまうため、その実用化は難しい。また、
例えば特開平6−66129号公報に開示された技術で
は、リーンNOX 触媒に一定量以上のイオウ成分が付着
したときに、排ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチに
し、排気管周りに配置した電気ヒータにより排ガスを加
熱して温度を上昇させ、これにより、リーンNOX 触媒
からイオウ成分を分解,脱離させるようにしている。
【0009】しかし、この技術では、排ガスの温度を上
昇させるために電気ヒータを配置する必要があり、コス
トが大幅にかかることになる一方、電気ヒータではウォ
ームアップ時間が必要であり、排ガスの温度を上昇させ
るのに時間がかかり、早期に触媒の浄化効率を再生する
ことが困難である。また、空燃比を理論空燃比又はリッ
チにすると機関の出力トルクに変動が生じることにもな
り好ましくない。
【0010】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、追加デバイスを設けることなく、しかも機関
の出力トルクに影響を与えないようにしながら、排気温
度を確実に上昇させることによりNOX 触媒に付着した
イオウ成分を確実に脱離させ、NOX 触媒の耐久性を向
上させることができるようにした、筒内噴射型内燃機関
の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】このため、請求項1記載
の本発明の火花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄化装
置は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備
え、該燃料噴射弁より燃料を噴射してリーン燃焼を行な
わせる火花点火式筒内噴射型内燃機関に備えられた排気
浄化装置において、該内燃機関の排気通路に設けられ、
酸素濃度過剰雰囲気でNOXを付着し酸素濃度低下雰囲
気でNOXを脱離するNOX触媒と、該イオウ成分を該N
X触媒から脱離させるイオウ成分脱離手段とを備え、
該イオウ成分脱離手段が、該リーン燃焼のための主噴射
による主燃焼後の膨張行程の中期又は中期以降の膨張行
程内に追加燃料を噴射させ、該追加燃料を筒内で再燃焼
させて排気温度を所定温度以上に上昇させることで該イ
オウ成分を脱離させることを特徴としている。
【0012】また、膨張行程における追加燃料噴射の噴
射時期は、排気温度が略600℃以上になるように設定
することが好ましい。また、イオウ成分脱離手段の作動
時には、主燃焼の空燃比(筒内の空燃比)は略20以上
であることが好ましい。また、イオウ成分脱離手段によ
るイオウ成分を脱離させる制御は、所定時間(約5分程
度)継続することが好ましい。
【0013】請求項2記載の本発明の火花点火式筒内噴
射型内燃機関の排気浄化装置は、請求項1記載の構成に
おいて、該NOX触媒に付着し該NOX触媒のNOX付着
能力を低下させるイオウ成分の付着量を推定するイオウ
成分付着量推定手段を有し、該イオウ成分付着量推定手
段からの出力に応じて、該イオウ成分脱離手段を作動さ
せることを特徴としている。請求項3記載の本発明の火
花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置は、請求項
2記載の構成において、該イオウ成分付着量推定手段
が、全運転モードのインジェクタ駆動時間の積算値から
求められる総燃料噴射量に基づいてイオウ成分の付着量
を推定することを特徴としている。請求項4記載の本発
明の火花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置は、
請求項1記載の構成において、該内燃機関の冷却水温度
を検出する冷却水温センサを備え、該イオウ成分脱離手
段は、該冷却水温センサにより検出された冷却水温度が
低温の場合には、該リーン燃焼のための主噴射が行なわ
れた後の膨張行程の前期の主燃焼の火炎残存期間内に追
加燃料噴射を行ない、該冷却水温センサにより検出され
た冷却水温度が低温でない場合には、追加燃料噴射を膨
張行程の中期又は中期以降の主燃焼の火炎残存期間後の
自己着火しうる期間に追加燃料噴射を行なうことを特徴
としている。請求項5記載の本発明の火花点火式筒内噴
射型内燃機関の排気浄化装置は、請求項1記載の構成に
おいて、該イオウ成分脱離手段が、主燃焼のための主燃
料噴射量と追加燃料噴射量とを加えた総燃料量の空燃比
を理論空燃比よりもリッチ側になるように設定すること
を特徴としている。請求項6記載の本発明の火花点火式
筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置は、請求項1記載の
構成において、該イオウ成分脱離手段が、主燃焼のため
の主燃料噴射量と追加燃料噴射量とを加えた総燃料量の
空燃比を理論空燃比よりもリッチ側になるように設定し
て、該追加燃料を筒内で再燃焼させて排気温度を上昇さ
せるとともに該NOX触媒に少なくともCOを含む還元
剤として供給することによってNOX触媒からのイオウ
の脱離を促進させることを特徴としている。請求項7記
載の本発明の火花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄化
装置は、請求項1記載の構成において、該内燃機関が複
数の気筒を備え、該イオウ成分脱離手段が、該追加燃料
の噴射を特定気筒のみで行なうように設定することを特
徴としている。請求項8記載の本発明の火花点火式筒内
噴射型内燃機関の排気浄化装置は、請求項1記載の構成
において、該イオウ成分脱離手段が、該追加燃料の噴射
を所定サイクル毎に1回行うように設定することを特徴
としている。請求項9記載の本発明の火花点火式筒内噴
射型内燃機関の排気浄化装置は、燃焼室内に直接燃料を
噴射する燃料噴射弁を備え、該燃料噴射弁より燃料を噴
射してリーン燃焼を行なわせる火花点火式筒内噴射型内
燃機関に備えられた排気浄化装置において、該内燃機関
の排気通路に設けられ、酸素濃度過剰雰囲気でNOX
付着し酸素濃度低下雰囲気でNOXを脱離するNOX
媒と、該イオウ成分を該NOX触媒から脱離させるイオ
ウ成分脱離手段とを備え、該イオウ成分脱離手段が、該
リーン燃焼のための主噴射が行われた後の膨張行程中に
おける主燃焼の火炎残存期間後の自己着火しうる期間に
追加燃料を噴射させ、該追加燃料を筒内で着火させて排
気温度を所定温度以上に上昇させることで該イオウ成分
を脱離させることを特徴としている。
【0014】
【発明の実施形態】以下、図面により、本発明の実施の
形態について説明する。図1〜図7は本発明の一実施形
態にかかる筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置を示すも
のである。まず、本排気浄化装置を備える筒内噴射型内
燃機関について説明すると、この内燃機関は、図3に示
すようになっており、吸気,圧縮,膨張,排気の各行程
を一作動サイクル中にそなえる内燃機関、即ち4サイク
ルエンジンであって、火花点火式で、且つ、燃焼室内に
燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関(筒内噴射エン
ジン)として構成されている。
【0015】燃焼室1には、吸気通路2および排気通路
3が連通しうるように接続されており、吸気通路2と燃
焼室1とは吸気弁4によって連通制御されるとともに、
排気通路3と燃焼室1とは排気弁5によって連通制御さ
れるようになっている。また、吸気通路2には、上流側
から順にエアクリーナ6およびスロットル弁7が設けら
れており、排気通路3には、その上流側から順に排出ガ
ス浄化用触媒コンバータ9および図示しないマフラ (消
音器)が設けられている。なお、吸気通路2には、サー
ジタンク2aが設けられている。
【0016】また、排出ガス再循環装置(以下、EGR
装置という)10が配設されている。つまり、吸気通路
2のサージタンク2a部分と排気通路3の上流側とを接
続するように排気還流通路10bが設けられており、こ
の排気還流通路10bにはEGRバルブ10aが取り付
けられている。そして、このEGRバルブ10aによっ
て、排気通路3から吸気通路2への排出ガス(排気又は
排気ガス又は排ガスともいう)の流量を制御できるよう
になっている。なお、EGRバルブ10aの制御はエン
ジンの運転状態に応じて行なわれるようになっている。
【0017】また、スロットル弁7は図示しないアクセ
ルペダルの踏込み量に応じて開度が変わり、これにより
燃焼室1内に導入される空気量が調整されるようになっ
ている。更に、16は、アイドルスピードコントロール
バルブ(ISCバルブ)であり、吸気通路2のスロット
ル弁7設置部分をバイパスするバイパス路16Aに設け
られ、図示しないステッパモータによって開閉駆動さ
れ、主にスロットル弁7全閉又は略全閉時におけるアイ
ドル回転数を微調整している。
【0018】50はエアバイパスバルブ(ABV)であ
り、吸気通路2のスロットル弁7設置部分をバイパスす
るように、スロットル弁7の上流側の吸気通路2とサー
ジタンク2aとを連通するバイパス路50Aに設けら
れ、スロットル弁7とは別個に吸気量を調整して空燃比
を調整しうるものである。インジェクタ(燃料噴射弁)
8は、気筒内の燃焼室1へ向けて燃料を直接噴射すべ
く、その開口を燃焼室1に臨ませるように、配置されて
いる。また、当然ながら、このインジェクタ8は各気筒
毎に設けられており、例えば本実施形態のエンジンが直
列4気筒エンジンであるとすると、インジェクタ8は4
個設けられていることになる。
【0019】このような構成により、スロットル弁7の
開度に応じエアクリーナ6を通じて吸入された空気が吸
気弁4の開放により燃焼室1内に吸入され、この燃焼室
1内で、吸入された空気とインジェクタ8から直接噴射
された燃料とが混合され、燃焼室1内で点火プラグ35
を適宜のタイミングで点火させることにより、燃焼せし
められて、エンジントルクを発生させたのち、燃焼室1
内から排出ガスとして排気通路3へ排出され、触媒コン
バータ(以下、単に触媒ともいう)9で排出ガス中のC
O,HC,NOx の3つの有害成分を浄化されてから、
マフラで消音されて大気側へ脱離されるようになってい
る。
【0020】特に、本エンジンは、空燃比をリーンにし
ながら節約運転を行なえるエンジンであり、リーン運転
時には、通常の三元触媒だけでは排出ガス中のNOx
十分に浄化できないため、触媒9は、リーンNOx 触媒
(NOx 触媒)9Aと三元触媒9Bとを組み合わせたも
のになっている。つまり、リーンNOx 触媒9Aの下流
に、理論空燃比下で排出ガス中のCO,HC及びNOx
を浄化可能な三元機能を有する三元触媒9Bを備えてい
る。これらの触媒のうち、リーンNOx 触媒9Aが本発
明に関係しているが、この詳細については後述する。
【0021】本エンジンについてさらに説明すると、こ
のエンジンは、吸気通路2から燃焼室1内に流入した吸
気流が縦渦(逆タンブル流)を形成するように構成さ
れ、燃焼室1内で、吸気流がこのような縦渦流を形成す
るので、この縦渦流を利用しながら例えば燃焼室1の頂
部中央に配設された点火プラグ35の近傍のみに少量の
燃料を集めて、点火プラグ35から離隔した部分では極
めてリーンな空燃比状態とすることができ、点火プラグ
35の近傍のみを理論空燃比又はリッチな空燃比とする
ことで、安定した層状燃焼(層状超リーン燃焼)を実現
しながら、燃料消費を抑制することができる。この場合
の最適な燃料噴射のタイミングとしては、空気流動の弱
い圧縮行程後期である。
【0022】また、このエンジンから高出力を得る場合
には、インジェクタ8からの燃料が燃焼室1全体に均質
化され、全燃焼室1内を理論空燃比やリーン空燃比の混
合気状態にさせて予混合燃焼を行なえばよく、もちろ
ん、理論空燃比による方がリーン空燃比によるよりも高
出力が得られるが、これらの際にも、燃料の霧化及び気
化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行
なうことで、効率よく高出力を得ることができる。この
ような場合の最適な燃料噴射のタイミングとしては、吸
気流を利用して燃料の霧化及び気化を促進できるよう
に、吸気行程中には燃料噴射を終えるように設定する。
【0023】ところで、このエンジンを制御するため
に、種々のセンサが設けられている。まず吸気通路2側
には、そのエアクリーナ配設部分に、吸入空気量をカル
マン渦情報から検出するエアフローセンサ11,吸入空
気温度を検出する吸気温センサ12および大気圧を検出
する大気圧センサ13が設けられており、そのスロット
ル弁配設部分に、スロットル弁7の開度を検出するポテ
ンショメータ式のスロットルセンサ14,アイドリング
状態を検出するアイドルスイッチ15等が設けられてい
る。
【0024】また、排気通路3側には、触媒9の上流側
部分に、排ガス中の酸素濃度(O2濃度)を検出する酸
素濃度センサ17(以下、単にO2 センサ17という)
が設けられるとともに、触媒9の下流側部分には、触媒
9若しくはその近傍の温度θC.C (以下、触媒温度θ
C.C という)を検出する触媒温度センサ(高温センサ)
26が設けられている。
【0025】さらに、その他のセンサとして、エンジン
冷却水温を検出する水温センサ19や、図2に示すごと
く、クランク角度を検出するクランク角センサ(クラン
ク角検出手段)21(このクランク角センサ21はエン
ジン回転数を検出する回転数センサも兼ねている)およ
び第1気筒(基準気筒)の上死点を検出するTDCセン
サ(気筒判別センサ)22がそれぞれカム近傍に設けら
れている。
【0026】そして、これらのセンサからの検出信号
は、電子制御ユニット(ECU)23へ入力されるよう
になっている。なお、ECU23へは、アクセルペダル
の踏込量を検出するアクセルポジションセンサ24やバ
ッテリの電圧を検出するバッテリセンサ25からの電圧
信号や始動時を検出するクランキングスイッチ〔あるい
はイグニッションスイッチ(キースイッチ)〕20から
の信号も入力されるようになっている。
【0027】ところで、ECU23のハードウエア構成
は図2のようになるが、このECU23はその主要部と
してCPU27をそなえており、このCPU27へは、
吸気温センサ12,大気圧センサ13,スロットルセン
サ14,O2 センサ17,水温センサ19,アクセルポ
ジションセンサ24,触媒温度センサ26およびバッテ
リセンサ25からの検出信号が入力インタフェイス28
およびアナログ/デジタルコンバータ30を介して入力
されるとともに、エアフローセンサ11,クランク角セ
ンサ21,TDCセンサ22,アイドルスイッチ15,
クランキングスイッチ20,イグニッションスイッチ等
からの検出信号が入力インタフェイス29を介して入力
されようになっている。
【0028】さらに、CPU27は、バスラインを介し
て、プログラムデータや固定値データを記憶するROM
31,更新して順次書き替えられるRAM32,フリー
ランニングカウンタ48およびバッテリが接続されてい
る間はその記憶内容が保持されることによってバックア
ップされたバッテリバックアップRAM(図示せず)と
の間でデータの授受を行なうようになっている。
【0029】なお、RAM32内データはイグニッショ
ンスイッチをオフすると消えてリセットされるようにな
っている。また、CPU27で演算結果に基づく燃料噴
射制御信号は、各気筒毎の(ここでは、4つの)噴射ド
ライバ(燃料噴射弁駆動手段)34を介して、インジェ
クタ8のソレノイド(インジェクタソレノイド)8aへ
出力されるようになっている。
【0030】そして、上述のような筒内噴射エンジンの
特徴から、このエンジンでは、燃料噴射の態様として、
層状超リーン燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上
させるために圧縮行程中(特に、圧縮行程後半)で燃料
噴射を行なう後期噴射モード(後期リーン運転モード)
と、予混合燃焼によるリーン運転を実現し、緩加速によ
る出力を得るために吸気行程中(特に吸気行程前半)に
燃料噴射を行なう前期噴射モード(前期リーン運転モー
ド)と、予混合燃焼によるストイキオ運転(理論空燃比
運転)を実現し、前期噴射モードより出力を向上させる
ために吸気行程中に燃料噴射を行なうストイキオモード
(ストイキオ運転モード)と、予混合燃焼によるリッチ
運転(理論空燃比より空燃比小)を実現し、ストイキオ
運転モードよりも出力を向上させるエンリッチモード
(オープンループモード)とが設けられており、エンジ
ンの運転状態に応じて切り換えられるようになってい
る。なお、上述の運転モードの切換は、機関の燃焼状態
の切換を意味する。
【0031】本排気浄化装置は、このようなエンジン
(筒内噴射式内燃機関)に備えられるが、ここで、本排
気浄化装置について説明する。まず、本装置の原理を説
明する。ここで、リーンNOx 触媒9Aについて説明す
ると、このリーンNOx 触媒9Aは、NOX を触媒上に
付着することにより排ガス中のNOX を浄化するタイプ
のもの(吸蔵型リーンNOX 触媒,トラップ型リーンN
X 触媒)であり、図4(a)に示すように、アルミナ
Al2 3 を担体とし、この担体上にバリウムBa及び
白金Pt、さらに、ロジウムRhも担持されて構成され
る。
【0032】このリーンNOx 触媒9Aは、酸素濃度
剰雰囲気で排ガス中のNOX を付着し、酸素濃度が低下
すると付着したNOX が脱離するというようなNOX
付着,脱離機能を有する。このリーンNOX 触媒9Aに
おけるNOX の付着,脱離機能について説明すると、リ
ーンNOX 触媒9Aは、酸素濃度過剰雰囲気(リーン雰
囲気)では、図4(b)に示すように、まず、O2 が白
金Ptの表面に付着し、排ガス中のNOが白金Ptの表
面上でO2 と反応してNO2 となる(2NO+O2 →2
NO2 )。
【0033】一方、リーンNOX 触媒9Aに担持されて
いるBaの一部はO2 と反応し、酸化バリウムBaOと
なって存在し、この酸化バリウムBaOは、さらに、排
ガス中のCO等と反応して炭酸塩BaCO3 となる。こ
のような状況下で、生成されたNO2 の一部が白金Pt
上でさらに酸化バリウムBaO,COから生成された炭
酸塩(BaCO3 )と反応して硝酸塩〔Ba(NO3
2 〕が生成され、リーンNOX 触媒9Aに付着する。
【0034】このような反応を化学反応式で示すと、以
下の反応式(1)のようになる。 BaCO3 +2NO+(3/2)O2 →Ba(NO3 2 +CO2 ・・・(1) 一方、酸素濃度が低下した雰囲気(リッチ雰囲気)で
は、図4(c)に示すように、NO2 の生成量が低下
し、逆方向の反応が進み、リーンNOX 触媒9AからN
2 が脱離される。
【0035】つまり、リーンNOX 触媒9Aに付着して
いる硝酸塩〔Ba(NO3 2 〕と排ガス中のCOとが
白金Ptの表面上で反応し、NO2 及び炭酸塩(BaC
3)が生成され、NO2 がリーンNOX 触媒9Aから
脱離される。これを化学反応式で示すと、以下の反応式
(2)のようになる。 BaCO3 +2NO+O2 ←Ba(NO3 2 +CO ・・・(2) ただし、2NO+O2 →2NO2 (なお、NOの一部
は、そのまま排出される。)次いで、脱離されたNO2
は排ガス中の未燃HC,COにより還元され、N2とし
て排出される。
【0036】このように、リーンNOX 触媒9Aには、
硝酸塩〔Ba(NO3 2 〕及び炭酸塩(BaCO3
が化学平衡の状態で存在し、リーンNOX 触媒9Aの近
傍の雰囲気に応じて各方向への反応が生じることにな
る。したがって、上式(2)に示すように、残存酸素濃
度が著しく低い状態において、炭酸塩(BaCO3 )の
原料であるCOを大量に供給すれば、このCOを消費す
る向きの化学反応、即ち、硝酸塩〔Ba(NO3 2
を分解し炭酸塩(BaCO3 )を生成する方向〔式
(2)において右から左への反応方向〕への化学反応が
進むことになるため、これにより、リーンNOX 触媒9
Aに付着したNOX を脱離させることができることにな
る。
【0037】このため、本実施形態では、残存酸素濃度
が著しく低い状態において、炭酸塩(BaCO3 )の原
料であるCOの大量供給(即ち、未燃又は不完全燃焼の
ガスの大量供給)を行なって、上記の化学平衡を動か
し、リーンNOX 触媒9Aに付着したNOX を確実に脱
離させ、リーンNOX 触媒9Aの機能を維持するため
に、後述するように追加の燃料噴射を行なうようにして
いる。
【0038】また、このようなリーンNOx 触媒9Aで
は、酸素濃度過剰雰囲気で排ガス中のSOX を付着し、
酸素濃度が低下すると付着したSOX を脱離する性質も
有している。つまり、このリーンNOX 触媒9Aは、図
5に示すように、酸素濃度過剰雰囲気では、O2 が白金
Ptの表面に付着し、燃料や潤滑油に含まれる硫黄成分
が、燃焼後SO2 として排出され、この排ガス中に含ま
れるSO2 が白金Ptの表面上でO2 と反応してSO3
となる(2SO2 +O2 →2SO3 )。次いで、生成さ
れたSO3 の一部が白金Pt上で酸化バリウムBaOと
結合して硫酸塩(BaSO4 )が生成され、リーンNO
X 触媒9Aに付着する。
【0039】これを化学反応式で示すと、以下の反応式
(3)のようになる。 BaCO3 +SO2 +(1/2)O2 →BaSO4 +CO2 ・・・(3) このような化学反応が起こると、リーンNOX 触媒9A
に担持されたBaが硫酸塩(BaSO4 )となってしま
い、この分だけ硝酸塩〔Ba(NO3 2 〕が生成され
なくなるため、硫酸塩(BaSO4 )と炭酸塩(BaC
3 )との間の化学平衡が硫酸塩(BaSO4 )を分解
する方向に移動し、また、リーンNOX触媒9Aによる
NOX の付着能力が低下し、その性能が低下することに
なる。
【0040】一方、酸素濃度が低下した雰囲気では、リ
ーンNOX 触媒9Aに付着している硫酸塩(BaS
4 )の一部と排ガス中のCOとが白金Ptの表面上で
反応し、SO3 及び炭酸塩(BaCO3 )が生成され、
SO3 がリーンNOX 触媒9Aから脱離される。これを
化学反応式で示すと、以下の反応式(4)のようにな
る。 BaCO3 +SO2 + (1/2)O2 ←BaSO4 +CO+ (1/2)O2 ・・・(4) 次いで、脱離されたSO3 は、排ガス中の未燃HC,C
Oにより還元される。
【0041】このようにリーンNOX 触媒9Aには、図
7(a)に示すように、炭酸塩(BaCO3 )及び硫酸
塩(BaSO4 )が化学平衡の状態で存在し、リーンN
X触媒9Aの近傍の雰囲気に応じて各方向への反応が
進み易くなる。つまり、図7(b)は化学平衡計算によ
り得られたもので、この図7(b)に示すように、空燃
比が小さくなる程(即ち、空燃比がリッチになる程)、
硫酸塩(BaSO4 )が分解し易くなり、炭酸塩(Ba
CO3 )が生成され易くなる。逆に、空燃比が大きくな
る程(即ち、空燃比がリーンになる程)、炭酸塩(Ba
CO3 )が分解し易くなり、硫酸塩(BaSO4 )が生
成され易くなる。
【0042】また、リーンNOX 触媒9Aでは、このよ
うな性質に加え、その近傍の温度に応じて各方向への反
応が進み易くなるという性質も有する。つまり、リーン
NOX 触媒9Aでは、図7 (b)に示すように、温度が
上がる程、硫酸塩(BaSO4 )が分解し易くなり、炭
酸塩(BaCO3 )が生成され易くなるという性質を有
し、リーンNOX 触媒9Aが高温になると、リーンNO
X 触媒9Aに付着している硫酸塩(BaSO4 )の一部
が熱分解することになる。
【0043】このような性質に着目し、リーンNOX
媒9Aに供給される排ガス温度を高温(一般には、約6
00℃以上)にすれば、リーンNOX 触媒9Aに付着し
ている硫酸塩(BaSO4 )の熱分解が起こることにな
る。これを化学反応式で示すと、以下の反応式(5)の
ようになる。 BaSO4 →BaO+SO2 +(1/2)O2 ・・・(5) このように、リーンNOX 触媒9Aの近傍を、酸素濃度
が低下した雰囲気とし、かつ、高温(例えば、約600
℃以上)にすれば、リーンNOX 触媒9Aに付着してい
る硫酸塩(BaSO4 )の化学変化による分解が促進さ
れるとともに、熱分解も起こるため、リーンNOX 触媒
9Aからイオウ成分を確実に脱離させることができるこ
とになる。
【0044】そこで、本発明では、後述するように、膨
張行程中に追加燃料を噴射し、排ガスを高温にし、且つ
排ガス中の雰囲気を酸素濃度低下雰囲気とすることによ
り、リーンNOX 触媒9Aからイオウ成分を確実に脱離
させるようにしている。つまり、残留酸素濃度を低くし
た状態で炭酸塩(BaCO3 )の原料であるCOを供給
し、リーンNOX 触媒9Aに付着した硝酸塩〔Ba(N
3 2 〕を分解させ、NO2 として脱離させるととも
に、リーンNOX 触媒9Aに付着した硫酸塩(BaSO
4 )の一部を化学反応により分解させ、SO3 として脱
離させることにより、リーンNOX 触媒9AからNOX
及びイオウ成分(SOX )を脱離させ、更に、リーンN
X 触媒9Aに残留する硫酸塩(BaSO4 )を、排気
温度を上昇させることにより硫酸塩(BaSO4 )と炭
酸塩(BaCO3 )との間の化学平衡が硫酸塩(BaS
4 )を分解する方向に移動し、また、熱分解させ、リ
ーンNOX 触媒9AのNOX 付着能力の低下を防ぐよう
にしている。
【0045】なお、脱離してNO2 はHCにより還元さ
れ、N2 として排出される。このため、追加燃料噴射
は、リーンNOX 触媒9Aに付着したNOX 量(推定さ
れるNOX 量)及びSOX 量(推定されるNOX 量)に
基づき、しかも、排ガス中の還元剤としてのHC,CO
の確保やエンジンの出力トルクへの影響を考慮して各気
筒の膨張行程内(できれば膨張行程でも末期に近いタイ
ミングが好ましい)に追加燃料噴射を行なうようにして
いる。
【0046】そこで、本装置は、図1に示すように、リ
ーンNOX 触媒(NOX 触媒)9Aと、リーンNOX
媒9Aに付着したNOX の付着量を推定するNOX 付着
量推定手段103と、リーンNOX 触媒9Aに付着した
NOX を積極的に脱離させるNOX 脱離手段107Aと
を有するとともに、このリーンNOX 触媒9Aに付着し
たイオウ成分の付着量を推定するイオウ成分付着量推定
手段(SOX 付着量推定手段)109と、リーンNOX
触媒9Aに付着したイオウ成分をリーンNOX触媒9A
から脱離させるイオウ成分脱離手段107とを備えて構
成される。
【0047】すなわち、本装置では、上述のような通常
の燃焼室内での燃焼のための燃料噴射(主噴射)とは別
個に、エンジンの出力に影響し難いタイミングで追加燃
料を噴射し、この追加燃料を燃焼させることにより、N
X 脱離手段107Aでは、リーンNOX 触媒9Aに適
正な濃度のHC,COを供給して化学反応を促進させる
ことによりリーンNOX 触媒9Aに付着したNOX を脱
離させるようにしており、また、イオウ成分脱離手段1
07では、このNOX 脱離機能と同様なHC,CO供給
とともに、排ガス温度を上昇させることで化学平衡を移
動することと熱分解が進むことにより、リーンNOX
媒9Aからイオウ成分(SOX )を脱離させるようにし
ている。
【0048】このように、NOX 脱離手段107A,イ
オウ成分脱離手段107は、いずれも燃料噴射制御(イ
ンジェクタ駆動制御)を利用してNOX の脱離やイオウ
成分の脱離を行なっており、これらのNOX 脱離手段1
07A,イオウ成分脱離手段107は、図1のブロック
図に示すように、燃料噴射制御を行なうための燃料噴射
制御手段101との一部として備えられた追加燃料噴射
判定手段102,追加燃料噴射制御手段104と、燃料
噴射弁8とから構成される。なお、燃料噴射制御手段1
01には、もちろん主燃料噴射にかかる通常燃料噴射制
御手段105が備えられている。
【0049】ここで、図1に示す各構成要素を説明す
る。まず、NOX 付着量推定手段103は、リーン運転
モード時のインジェクタ駆動時間の積算値から求められ
る総燃料噴射量に基づいて、リーンNOX 触媒9Aに付
着したNOX 量を推定するものである。なお、NOX
着量推定手段103は、これに限られるものではなく、
NOXセンサにより検出されたNOX 量に基づいてリー
ンNOX 触媒9Aに付着したNOX 量を推定するものと
して構成してもよい。
【0050】また、SOX 付着量推定手段109は、全
運転モードのインジェクタ駆動時間の積算値から求めら
れる総燃料噴射量に基づいて、リーンNOX 触媒9Aに
付着したSOX 量を推定するものである。なお、SOX
付着量推定手段109は、これに限られるものではな
く、車両の走行距離に基づいてリーンNOX 触媒9Aに
付着したSOX 量を推定するものとして構成してもよ
い。
【0051】また、追加燃料噴射判定手段102は、リ
ーンNOX 触媒9Aに付着したNOX 又はSOX を脱離
させるために追加燃料噴射制御が必要か否かを判定する
ものであり、これらの制御を開始するための条件(制御
開始条件)及びこれらの制御を解除するための条件(制
御解除条件)を満たしているか否かを判定するようにな
っている。
【0052】ここで、リーンNOX 触媒9Aに付着した
NOX を脱離させるための制御開始条件としては、NO
X 付着量が所定量以上であること、主燃焼が後期リーン
運転モードであり、2段燃焼が可能であること〔主燃焼
の空燃比(A/F)が20以上であること、水温WTが
10℃以上であること〕、(いずれもアンド条件)が設
定されている。
【0053】ここでは、NOX 付着量が所定量以上であ
るかは、NOX 付着量推定手段103により推定される
NOX 付着量に基づいて判定され、この判定結果が追加
燃料噴射判定手段102に送られるようになっている。
また、主燃焼の空燃比(A/F)が20以上であるか
(即ち、空燃比がリーンであるか)は、通常燃料噴射制
御手段105により設定される主燃焼の空燃比に基づい
て判定される。このため、通常燃料噴射制御手段105
から空燃比に関する情報が追加燃料噴射制御手段104
に送られるようになっている。これを条件としているの
は、リーン運転時には排ガス中に酸素が多く存在するた
め、追加燃料を確実に燃焼させることができるからであ
る。
【0054】さらに、水温WTが10℃以上であるか
は、冷却水温センサ19からの検出情報に基づいて判定
される。このため、冷却水温センサ19からの検出情報
が追加燃料噴射制御手段104に送られるようになって
いる。これを条件としているのは、水温が低すぎると追
加燃料噴射を行なっても自己着火しにくいからである。
一方、リーンNOX 触媒9Aに付着したSOX を脱離さ
せるための制御開始条件としては、SOX 付着量が所定
量以上であること、主燃焼の空燃比(A/F)が20以
上であること、水温WTが10℃以上であること、(い
ずれもアンド条件)が設定されている。
【0055】ここでは、SOX 付着量が所定量以上であ
るかは、SOX 付着量推定手段109により推定される
SOX 付着量に基づいて判定され、この判定結果が追加
燃料噴射判定手段102に送られるようになっている。
なお、主燃焼の空燃比(A/F)が20以上であるか、
水温WTが10℃以上であるかの判定については、上述
のNOX を脱離させるための制御開始条件と同様である
ため、ここでは、その説明を省略する。
【0056】このようにして、追加燃料噴射判定手段1
02は制御開始条件を満たしているか否かの判定を行な
うが、この追加燃料噴射判定手段102は、これらの制
御開始条件を全て満たしている場合に、追加燃料噴射を
行なわせるべく追加燃料噴射制御手段104に信号を送
るようになっている。次に、リーンNOX 触媒9Aに付
着したNOX 又はSOX を脱離させるための制御の解除
条件について説明する。
【0057】まず、リーンNOX 触媒9Aに付着したN
X を脱離させるための制御解除条件としては、追加燃
料噴射制御が開始されてから所定時間(例えば、5秒程
度)経過したこと、が設定されている。この追加燃料噴
射制御が開始されてから所定時間経過したか否かは、タ
イマ106のカウント結果に基づいて行なうようになっ
ている。このため、追加燃料噴射制御が開始されるとタ
イマ106がそのカウントを開始するようになってお
り、タイマ106のカウント値が追加燃料噴射判定手段
102に送られるようになっている。
【0058】一方、リーンNOX 触媒9Aに付着したS
X を脱離させるための制御の解除条件としては、追加
燃料噴射制御が開始されてから所定時間(例えば、5分
程度)経過したこと、が設定されている。この追加燃料
噴射制御が開始されてから所定時間経過したか否かも、
タイマ106のカウント結果に基づいて行なうようにな
っている。このため、追加燃料噴射制御が開始されると
タイマ106がそのカウントを開始するようになってお
り、タイマ106のカウント値が追加燃料噴射判定手段
102に送られるようになっている。
【0059】このようにして、追加燃料噴射判定手段1
02は、制御解除条件を満たしているか否かを判定し、
この制御解除条件を満たしている場合は、追加燃料噴射
制御を解除するようになっている。また、追加燃料噴射
制御手段104は、追加燃料噴射判定手段102によっ
てリーンNOX 触媒9Aに付着したNOX 又はSOX
脱離させるために追加燃料噴射が必要であると判定され
た場合に、追加燃料噴射の噴射開始時期TINJ を設定す
るとともに、各サイクル内での追加燃料の噴射時間を設
定するものである。
【0060】これらの追加燃料噴射の噴射開始時期T
INJ 及び噴射時間を調整することにより、リーンNOX
触媒9Aに供給されるHC,COの量が調整される。つ
まり、追加燃料噴射の開始時期TINJ をなるべく遅い時
期に設定すれば、燃料が霧化する時間が足りず、燃料の
酸化を抑制することができ、リーンNOX 触媒9Aに供
給されるHC,COの量を増加させることができる。ま
た、追加燃料噴射の噴射時間を長くすれば、追加燃料の
噴射量を増やすことができ、リーンNOX 触媒9Aに供
給されるHC,COの量を増加させることができる。
【0061】まず、NOX を脱離させるための追加燃料
噴射の噴射開始時期TINJ 及び噴射時間の設定について
説明する。この追加燃料噴射の噴射開始時期TINJ は、
各気筒の膨張行程の中期、又はそれ以降の膨張行程中に
追加燃料噴射が行なわれるように設定される。つまり、
追加燃料の噴射開始時期TINJ は、クランク角検出手段
としてのクランク角センサ21からの検出情報に基づい
て、圧縮行程から膨張行程にかかるピストン圧縮上死点
後クランク角90°付近で追加燃料噴射を行なうように
噴射開始時期TINJを設定する。
【0062】このように噴射開始時期TINJ を設定する
のは、追加燃料噴射によって噴射された燃料を、確実に
燃焼(以下、再燃焼ともいう)させ、これによりリーン
NOX 触媒9Aに付着したNOX を脱離させるのに必要
なCO及び高温雰囲気を発生させるためである。このよ
うにして設定された噴射開始時期TINJ に追加燃料噴射
が行なわれると、主燃焼によって燃焼室内に形成された
希薄混合気部分に前炎反応生成物が着火限界近傍の濃度
で存在しているため、筒内の高温雰囲気に噴射された追
加燃料から発生する前炎反応生成物との総量が着火限界
を超えて自己着火し、追加燃料が燃焼することになる。
【0063】ここで、前炎反応生成物濃度が増加し、平
衡濃度を超えて前炎反応速度が指数関数的に爆発的に進
行する時点を着火といい、この時点で火炎(熱炎)が発
生することになる。前炎反応生成物とは、連鎖分岐反応
を推し進めるのに有効な活性な化学反応種であり、例え
ば、CHO,H2 2 ,OH等である。具体的には、追
加燃料噴射制御手段104は、この膨張行程における追
加の燃料噴射において基本となる基本燃料噴射開始時期
TbINJ を、冷却水温度θW ,EGR量,主燃焼におけ
る点火時期TIGによって補正することにより噴射開始時
期TINJ を設定する。このため、主燃焼の目標A/Fに
基づいて予め設定された追加燃料噴射の開始時期用マッ
プをECU23に備えさせるようにしている。
【0064】また、追加燃料噴射の噴射時間、即ちイン
ジェクタ駆動時間tPLUSは、リーンNOX 触媒9Aへ供
給される排気の空燃比(排気目標空燃比)が約14程度
になるように設定される。これは、主燃焼の燃料噴射量
に追加の燃料噴射量を加えた総噴射量の空燃比が約14
程度になるように設定する。このように空燃比を設定し
ているのは、リーンNOX 触媒9AからNOX を脱離さ
せるために、リーンNOX 触媒9Aに多くのHC,CO
を供給する必要があるからである。
【0065】具体的には、追加燃料噴射制御手段104
は、膨張行程における追加の燃料噴射において基本とな
る基本駆動時間tB を、噴射開始時期TINJ によって補
正することによりインジェクタ駆動時間tPLUSを設定す
る。このため、主燃焼の目標A/Fに基づいて予め設定
されたNOX 脱離用マップがECU23に備えられてい
る。このNOX 脱離用マップは、排気目標空燃比が約1
4程度になるように設定されている。そして、このNO
X 脱離用マップは、追加燃料噴射制御手段104によ
り、NOX を脱離させるための追加燃料噴射を行なう場
合のインジェクタ駆動時間tPLUSを設定する際に選択さ
れる。
【0066】次に、SOX を脱離させるための追加燃料
噴射の噴射開始時期TINJ 及び噴射時間の設定について
説明する。この場合、追加燃料噴射の噴射開始時期T
INJ は、排気温度が略600℃以上になるような時期に
設定される。これは、排気温度を略600℃以上にする
ことにより、リーンNOX 触媒9Aに付着した硫酸塩
(BaSO4 )の化学変化を促進させるとともに、熱分
解を促進させるためである。
【0067】なお、本実施形態では、追加燃料噴射制御
を所定時間(約5分程度)継続したら終了するようにし
ているため、リーンNOX 触媒9Aの過昇温のおそれは
少ないが、リーンNOX 触媒9Aの耐久性を考慮し、リ
ーンNOX 触媒9Aの過昇温を確実に防止するために
は、排気温度が略800℃以上にならないように触媒温
度センサ26からの検出情報に基づいて排気温度を調整
するのが好ましい。
【0068】ここでは、追加燃料の噴射開始時期TINJ
は、クランク角検出手段としてのクランク角センサ21
からの検出情報に基づいて、圧縮行程から膨張行程にか
かるピストン圧縮上死点後クランク角90°付近で追加
燃料噴射を行なうように噴射開始時期TINJ を設定して
いる。このように噴射開始時期TINJ を設定するのは、
追加燃料噴射によって噴射された燃料を、確実に燃焼
(以下、再燃焼ともいう)させ、これにより排気温度を
上昇させるためである。
【0069】このようにして設定された噴射開始時期T
INJ に追加燃料噴射が行なわれると、上述したように、
主燃焼によって燃焼室内に形成された希薄混合気部分に
前炎反応生成物が着火限界近傍の濃度で存在しているた
め、筒内の高温雰囲気に噴射された追加燃料から発生す
る前炎反応生成物との総量が着火限界を超えて自己着火
し、追加燃料が燃焼することになる。
【0070】具体的な噴射開始時期TINJ の設定につい
ては、上述のNOX を脱離させるための追加燃料噴射に
おける噴射開始時期TINJ の設定と同様である。また、
追加燃料噴射の噴射時間、即ちインジェクタ駆動時間t
PLUSは、リーンNOX 触媒9Aへ供給される排気の空燃
比(排気目標空燃比)が約11程度になるように設定さ
れる。これは、主燃焼の燃料噴射量に追加の燃料噴射量
を加えた総噴射量の空燃比が約11程度になるように設
定する。このように空燃比を設定しているのは、リーン
NOX 触媒9AからSOX を脱離させるのに、追加燃料
を確実に燃焼させて排気温度を高温にし、かつ、還元剤
としてのHC,COを供給するためである。
【0071】具体的には、追加燃料噴射制御手段104
は、膨張行程における追加の燃料噴射において基本とな
る基本駆動時間tB を、噴射開始時期TINJ によって補
正することによりインジェクタ駆動時間tPLUSを設定す
る。このため、主燃焼の目標A/Fに基づいて予め設定
されたSOX 脱離用マップがECU23に備えられてい
る。このSOX 脱離用マップは、排気目標空燃比が約1
1程度になるように設定されている。そして、このSO
X 脱離用マップは、追加燃料噴射制御手段104によ
り、SOX を脱離させるための追加燃料噴射を行なう場
合のインジェクタ駆動時間tPLUSを設定する際に選択さ
れる。
【0072】なお、この場合、リーンNOX 触媒9Aに
付着したNOX 及びSOX は双方とも脱離させる必要が
あるが、SOX の脱離を優先させ、SOX 脱離用マップ
が選択されるようになっている。ところで、通常燃料噴
射制御手段105における燃料噴射制御を説明すると、
この通常燃料噴射制御手段105は、各種センサ類10
8からの情報に基づいて、通常燃料噴射における燃料噴
射量を設定する機能を有する。
【0073】つまり、燃料噴射量は、燃料噴射時間(イ
ンジェクタの駆動時間であって、実際の制御の上ではイ
ンジェクタ駆動パルス幅という)tAUとして設定される
が、ストイキオモード,前期噴射モードの場合も後期噴
射モードの場合も、機関負荷(1ストローク当たりの吸
入空気量)Q/Neと目標とする空燃比(A/F、以下
AFとする)等に基づいて、基本駆動時間tp が算出さ
れ、水温センサ19で検出されたエンジン冷却水温,吸
気温センサ12で検出された吸気温,大気圧センサ13
で検出された大気圧等に応じて設定される燃料補正係数
f、インジェクタ無駄時間(デッドタイム)tD 等を考
慮して、燃料噴射時間tAUが設定される。
【0074】本実施形態にかかる排気浄化装置は、上述
のように構成されているので、例えば図6のフローチャ
ートに示すようにして排気浄化にかかる制御が行なわれ
る。まず、ステップS10で、NOX 付着量推定手段
(NOX 付着量推定手段)103によりリーンNOX
媒9Aに付着したNOX 付着量が推定されるとともに、
ステップS20で、SOX 付着量推定手段(SOX 付着
量推定手段)109によりリーンNOX 触媒9Aに付着
したSOX 付着量が推定される。
【0075】そして、ステップS30で、追加燃料噴射
判定手段102により、NOX 付着量推定手段103で
推定されたNOX 付着量が所定量以上であるか否かが判
定され、この判定の結果、推定されたNOX 付着量が所
定量以上であるとされた場合はステップS40に進み、
NOX 脱離用フラグNを1にセットする。なお、NOX
脱離用フラグNは、NOX 脱離用マップを選択する場合
に1となり、NOX 脱離用マップを選択しない場合に0
となり、また、初期設定時には0にセットされる。
【0076】次いで、ステップS50では、追加燃料噴
射判定手段102により、SOX 付着量推定手段109
で推定されたSOX 付着量が所定量以上であるか否かが
判定され、この判定の結果、推定されたSOX 付着量が
所定量以上であるとされた場合はステップS60に進
み、SOX 脱離用フラグSを1にセットする。なお、S
X 脱離用フラグSは、SOX 脱離用マップを選択する
場合に1となり、SOX 脱離用マップを選択しない場合
に0となり、また、初期設定時には0にセットされる。
【0077】一方、ステップS30で、NOX 付着量が
所定量以上でないと判定された場合はステップS50に
進み、SOX 付着量が所定量以上か判定する。また、ス
テップS50で、SOX 付着量が所定量以上でないと判
定された場合はステップS70に進む。そして、ステッ
プS70では、追加燃料噴射判定手段102により、空
燃比が20以上であるか否かが判定され、空燃比が20
以上である場合は、ステップS80に進む。
【0078】ステップS80では、追加燃料噴射判定手
段102により、冷却水温センサ19により検出される
水温WTが10℃以上であるか否かが判定され、水温W
Tが10℃以上である場合はステップS90に進む。そ
して、ステップS90では、追加燃料噴射制御手段10
4により、膨張行程における追加燃料噴射の噴射開始時
期TINJ 及びインジェクタ駆動時間tPLUSがマップから
読み込まれる。
【0079】この場合、SOX 脱離用フラグSが1であ
るとき(この場合、NOX 脱離用フラグNも1である)
は、SOX 脱離用マップが選択され、このSOX 脱離用
マップによりインジェクタ駆動時間tPLUSが設定される
一方、SOX 脱離用フラグSが0であるとき(この場
合、NOX 脱離用フラグNは1になっている)は、NO
X 脱離用マップが選択され、このNOX 脱離用マップに
よりインジェクタ駆動時間tPLUSが設定される。
【0080】このようにして膨張行程における追加燃料
噴射の噴射開始時期TINJ 及びインジェクタ駆動時間t
PLUSが設定された後に、ステップS100に進み、この
噴射開始時期TINJ 及びインジェクタ駆動時間tPLUS
基づいて膨張行程における追加燃料噴射が行なわれる。
追加燃料噴射が開始されると、これと同時にタイマ10
6が起動され、追加燃料噴射が開始されてから所定時間
経過したか否かが、タイマ106のカウント値が所定値
を越えたか否かにより判定され、この判定の結果、追加
燃料噴射が開始されてから所定時間経過したと判定され
た場合は、リーンNOX 触媒9Aに付着しているNOX
又はSOX は十分に脱離されたとして膨張行程における
追加燃料噴射を終了する。
【0081】そして、ステップS110で、NOX 脱離
用フラグN及びSOX 脱離用フラグSをリセットし(N
=0,S=0)、リターンする。一方、ステップS70
で空燃比が20以上でないと判定された場合、ステップ
S80で冷却水温センサ19により検出される水温WT
が10℃以上でないと判定された場合は、いずれもリー
ンNOX 触媒9Aに付着したNOX 又はSOX を脱離さ
せるための膨張行程における追加燃料噴射を行なわず、
リターンする。
【0082】本排気浄化装置は、このように動作するた
め、追加デバイスを設けることなく、追加燃料を確実に
燃焼させ、排気温度を上昇させることができるため、リ
ーンNOX 触媒9Aに付着したイオウ成分を確実に脱離
させることができ、これにより、リーンNOX 触媒9A
の耐久性を向上させることができるという利点がある。
【0083】また、ウォームアップ時間が不要であり、
排気温度を短時間で上昇させることができるため、イオ
ウ成分脱離手段107によるリーンNOX 触媒9Aから
のイオウ成分の脱離を短時間で行なうことができるとい
う利点もある。また、SOX 付着量推定手段により推定
されるSOX の付着量に応じて、追加燃料噴射を行なう
ため、リーンNOX 触媒9Aに付着したSOX を効率的
に脱離させることができ、リーンNOX 触媒9AのNO
X 付着能力の低下を抑制することができ、リーンNOX
触媒9Aの性能を、さらに向上させることができるとい
う利点もある。
【0084】また、トルク変動を生じさせることなく、
リーンNOX 触媒9Aに確実にCOを供給することがで
きるため、リーンNOX 触媒9Aに付着したNOX の脱
離反応を促進させ、確実にリーンNOX 触媒9Aの再生
をすることができ、これにより、リーンNOX 触媒9A
の性能を向上させることができるという利点がある。ま
た、追加燃料噴射の噴射時期を変化させることで、リー
ンNOX 触媒9Aに付着していると推定されるNOX
に応じて、排ガス中のHC,CO濃度を変えることがで
き、リーンNOX 触媒9Aに付着したNOX 量に対して
適正な濃度のHC,COを供給できるという利点があ
る。
【0085】つまり、リーンNOX 触媒9Aに付着して
いると推定されるNOX 量が多い場合は、膨張行程にお
ける追加燃料噴射の噴射時期をできるだけ遅らせるよう
にして、燃料の霧化を悪化させ、これにより燃料の酸化
を抑えて、高濃度のHC,COが生成されるようにす
る。このように、排ガス中のHC,CO濃度を変えるこ
とができるため、リーンNOX 触媒9Aに付着している
と推定されるNOX 量に応じて、効率的にリーンNOX
触媒9Aに付着しているNOX を脱離させることができ
るという利点がある。
【0086】また、追加燃料噴射は膨張行程で行なって
いるので、エンジンの出力トルクの変動が少なく、特
に、膨張行程後半で行なうようにすることで、この追加
燃料噴射によりトルク変動がほとんど生じることがない
という利点もある。このため、リーンNOX 触媒9Aに
供給したいHC,COの量に応じて追加燃料噴射の噴射
量を設定することができ、1サイクル中で多くのHC,
COをリーンNOX 触媒9Aに供給することができるた
め、確実にリーンNOX 触媒9AからNOX を脱離させ
ることができる。
【0087】また、主燃焼の空燃比がリーンであれば追
加燃料噴射を行なうことができるため、幅広い運転状況
(例えば、通常の運転中)でリーンNOX 触媒9Aから
のNOX やSOX の脱離を行なうことができるという利
点がある。なお、本実施形態の排気浄化装置では、NO
X 触媒へのイオウ成分付着量をイオウ成分付着量推定手
段により推定しているが、例えば、この推定手段を特に
設けず、ある特定運転時に定期的にイオウ脱離手段を作
動させるようにしても良い。
【0088】また、本実施形態では、追加燃料噴射を膨
張行程の中期又はそれ以降で行なうようにしているが、
これに限られるものではなく、トルク変動を抑えなが
ら、追加燃料を確実に燃焼させることができるのであれ
ば、膨張行程内の他の時期に追加燃料噴射を行なうよう
にしてもよい。特に、冷却水温が低温の場合は、追加燃
料噴射を膨張行程の中期又はそれ以降で行なっても自己
着火しにくいため、この場合は、膨張行程の前期(例え
ば、ピストン圧縮上死点後クランク角35°〜50°付
近)の主燃焼の火炎残存期間内に追加燃料噴射を行なう
ようにすると良い。このようにすれば、冷却水温が低温
の場合であっても、追加燃料を確実に再燃焼させること
ができる。
【0089】また、本実施形態の排気浄化装置では、N
X 付着量推定手段103とSOX付着量推定手段10
9とを備えるように構成し、リーンNOX 触媒9Aから
NOX を脱離させる制御を行なうとともに、リーンNO
X 触媒9AからSOX を脱離させる制御を行なうように
しているが、SOX 付着量推定手段109のみを備える
ように構成し、リーンNOX 触媒9AからSOX を脱離
させる制御のみを行なうようにしてもよい。
【0090】また、本実施形態の排気浄化装置では、リ
ーンNOX 触媒9AからSOX を脱離させる場合に排気
温度を高温にして、硫酸塩の分解反応を促進させるた
め、排気目標空燃比は約14程度になるように設定して
いるが、排気目標空燃比を約11程度に設定すれば、更
に排気温度の高温化、供給するHC,COの高濃化が可
能となり、リーンNOX 触媒9AからのSOX の脱離を
より促進させることができると同時に、リーンNOX
媒9AからのNOX の脱離も促進することができ、且
つ、脱離後のSOX ,NOX の還元ができる。
【0091】また、本実施形態の排気浄化装置では、リ
ーンNOX 触媒9Aは、担体上に白金Pt及びバリウム
Baを担持させたものとしているが、これに限られるも
のではなく、他の貴金属,金属等を担体上に担持させた
ものでもよい。また、本実施形態の排気浄化装置では、
膨張行程における追加燃料噴射が所定時間継続したか否
かにより追加燃料噴射の開始,終了を制御するようにし
ているが、例えば、温度センサにより排気温度を検出
し、この排気温度が550℃以上の状態が所定時間継続
したか否かにより追加燃料噴射の開始,終了を制御する
ようにしてもよい。これにより、燃費の悪化を防止する
ことができる。
【0092】さらに、本実施形態の排気浄化装置では、
各気筒で順次膨張行程噴射を行なうようにしているが、
4気筒のうちの特定気筒のみで膨張行程噴射を行なうよ
うに設定してもよい。また、本実施形態の排気浄化装置
では、所定サイクル毎(例えば、2サイクルに1回)に
膨張行程噴射を行なうように設定してもよい
【0093】
【発明の効果】以上詳述したように、請求項1,3〜9
記載の本発明の火花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄
化装置によれば、追加デバイスを設けることなく、追加
燃料を確実に燃焼させ、排気温度を上昇させることがで
きるため、NOX触媒に付着したイオウ成分を確実に脱
離させることができ、これにより、トルク変動を抑えな
がら、NOX触媒の耐久性を向上させることができると
いう利点がある。
【0094】また、排気温度を短時間で上昇させること
ができるため、イオウ成分脱離手段によるNOX 触媒か
らのイオウ成分の脱離を短時間で行なうことができると
いう利点もある。さらに、内燃機関の出力トルクに影響
を与えないようにしながら、追加燃料を燃焼させ、排気
温度を確実に上昇させることができるという利点もあ
る。
【0095】請求項2記載の本発明の火花点火式筒内噴
射型内燃機関の排気浄化装置によれば、NOX触媒への
イオウ成分の付着量を推定することで、適切な時期にイ
オウ成分脱離手段を作動させることができるという利点
がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機
関の排気浄化装置の制御系の要部構成を模式的に示すブ
ロック図である。
【図2】本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機
関の制御ブロック図である。
【図3】本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機
関の全体構成図である。
【図4】本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機
関の排気浄化装置におけるリーンNOX 触媒を説明する
ための模式図であり、(a)はリーンNOX 触媒の構成
を示す図、(b)はリーンNOX 触媒のNOX 付着機能
を示す図、(c)はリーンNOX 触媒のNOX 脱離機能
を示す図である。
【図5】本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機
関の排気浄化装置におけるリーンNOX 触媒のイオウ成
分の付着・脱離機能を説明するための模式図であり、
(a)はイオウ成分付着機能を示す図、(b)はイオウ
成分脱離機能を示す図である。
【図6】本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機
関の排気浄化装置の追加燃料噴射制御を示すフローチャ
ートである。
【図7】本発明の一実施形態にかかる筒内噴射型内燃機
関の排気浄化装置における化学反応を説明するための図
であり、(a)は化学反応の平衡状態を示すものであ
り、(b)は化学反応と温度との関係を示すものであ
る。
【符号の説明】
8 燃料噴射弁 9 排出ガス浄化用触媒としての排出ガス浄化用触媒コ
ンバータ(触媒装置) 9A リーンNOx 触媒 9B 三元触媒 19 冷却水温センサ 23 電子制御ユニット(ECU) 101 燃料噴射制御手段 102 追加燃料噴射判定手段 103 NOX 付着量推定手段 104 追加燃料噴射制御手段 106 タイマ 107 イオウ成分脱離手段 107A NOX 脱離手段 108 各種センサ類 109 SOX 付着量推定手段
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F02D 41/34 F02D 41/34 H (72)発明者 北田 泰造 東京都港区芝五丁目33番8号 三菱自動 車工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−66129(JP,A) 特開 平8−100638(JP,A) 特開 平8−61052(JP,A) 特開 平8−105318(JP,A) 特開 平8−296485(JP,A) 特開 平8−312408(JP,A) 特開 平8−303290(JP,A) 特開 平7−217474(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/08 - 3/38 F01N 9/00 - 11/00 F02D 41/00 - 41/40 F02D 43/00 - 45/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射
    弁を備え、 該燃料噴射弁より燃料を噴射してリーン燃焼を行なわせ
    る火花点火式筒内噴射型内燃機関に備えられた排気浄化
    装置において、 該内燃機関の排気通路に設けられ、酸素濃度過剰雰囲気
    でNOXを付着し酸素濃度低下雰囲気でNOXを脱離する
    NOX触媒と、 該イオウ成分を該NOX触媒から脱離させるイオウ成分
    脱離手段とを備え、 該イオウ成分脱離手段が、該リーン燃焼のための主噴射
    による主燃焼後の膨張行程の中期又は中期以降の膨張行
    程内に追加燃料を噴射させ、該追加燃料を筒内で再燃焼
    させて排気温度を所定温度以上に上昇させることで該イ
    オウ成分を脱離させることを特徴とする、火花点火式筒
    内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
  2. 【請求項2】 該NOX触媒に付着し該NOX触媒のNO
    X付着能力を低下させるイオウ成分の付着量を推定する
    イオウ成分付着量推定手段を有し、 該イオウ成分付着量推定手段からの出力に応じて、該イ
    オウ成分脱離手段を作動させることを特徴とする、請求
    項1記載の火花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄化装
    置。
  3. 【請求項3】 該イオウ成分付着量推定手段が、全運転
    モードのインジェクタ駆動時間の積算値から求められる
    総燃料噴射量に基づいてイオウ成分の付着量を推定する
    ことを特徴とする、請求項2記載の火花点火式筒内噴射
    型内燃機関の排気浄化装置。
  4. 【請求項4】 該内燃機関の冷却水温度を検出する冷却
    水温センサを備え、 該イオウ成分脱離手段は、該冷却水温センサにより検出
    された冷却水温度が低温の場合には、該リーン燃焼のた
    めの主噴射が行なわれた後の膨張行程の前期の主燃焼の
    火炎残存期間内に追加燃料噴射を行ない、該冷却水温セ
    ンサにより検出された冷却水温度が低温でない場合に
    は、追加燃料噴射を膨張行程の中期又は中期以降の主燃
    焼の火炎残存期間後の自己着火しうる期間に追加燃料噴
    射を行なう ことを特徴とする、請求項1記載の火花点火
    式筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
  5. 【請求項5】 該イオウ成分脱離手段が、主燃焼のため
    の主燃料噴射量と追加燃料噴射量とを加えた総燃料量の
    空燃比を理論空燃比よりもリッチ側になるように設定す
    ることを特徴とする、請求項1記載の火花点火式筒内噴
    射型内燃機関の排気浄化装置。
  6. 【請求項6】 該イオウ成分脱離手段が、主燃焼のため
    の主燃料噴射量と追加燃料噴射量とを加えた総燃料量の
    空燃比を理論空燃比よりもリッチ側になるように設定し
    て、該追加燃料を筒内で再燃焼させて排気温度を上昇さ
    せるとともに該NOX触媒に少なくともCOを含む還元
    剤として供給することによってNOX触媒からのイオウ
    の脱離を促進させることを特徴とする、請求項1記載の
    火花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
  7. 【請求項7】 該内燃機関が複数の気筒を備え、 該イオウ成分脱離手段が、該追加燃料の噴射を特定気筒
    のみで行なうように設定することを特徴とする、請求項
    1記載の火花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄化装
    置。
  8. 【請求項8】 該イオウ成分脱離手段が、該追加燃料の
    噴射を所定サイクル毎に1回行うように設定することを
    特徴とする、請求項1記載の火花点火式筒内噴射型内燃
    機関の排気浄化装置。
  9. 【請求項9】 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射
    弁を備え、 該燃料噴射弁より燃料を噴射してリーン燃焼を行なわせ
    る火花点火式筒内噴射型内燃機関に備えられた排気浄化
    装置において、 該内燃機関の排気通路に設けられ、酸素濃度過剰雰囲気
    でNOXを付着し酸素濃度低下雰囲気でNOXを脱離する
    NOX触媒と、 該イオウ成分を該NOX触媒から脱離させるイオウ成分
    脱離手段とを備え、 該イオウ成分脱離手段が、該リーン燃焼のための主噴射
    が行われた後の膨張行程中における主燃焼の火炎残存期
    間後の自己着火しうる期間に追加燃料を噴射させ、該追
    加燃料を筒内で着火させて排気温度を所定温度以上に上
    昇させることで該イオウ成分を脱離させることを特徴と
    する、火花点火式筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。
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