JP3769944B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気系にＮＯｘ吸収触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
理論空燃比よりも薄いリーン空燃比での運転中に内燃機関から排出されるＮＯｘを吸収保持するＮＯｘ吸収触媒が知られている。このＮＯｘ吸収触媒に吸収されたＮＯｘは、排気空燃比を理論空燃比またはそれよりも濃いリッチ空燃比（還元雰囲気）としたときに触媒から脱離し、かつ還元処理される。ＮＯｘ吸収触媒で吸収されるＮＯｘ量が飽和状態に達するとそれ以上は吸収できず、そこで予め飽和状態に達する前に一時的に空燃比をリッチにしてＮＯｘを脱離し、このとき排気中に含まれるＣＯ、ＨＣ等により脱離したＮＯｘの還元を行い、触媒を再生することが知られている（特許第２６９２５３０号参照）。
【０００３】
このようなＮＯｘ吸収触媒を備えた排気浄化装置を、気筒内に直接的に燃料を噴射供給する直噴式ガソリンエンジンに適用したものが、特開平７−３３２０７１号公報によって提案されている。
【０００４】
直噴式ガソリンエンジンでは、圧縮行程の後半で燃料を噴射することにより、点火時において点火栓の周囲に燃料を滞留させ、燃焼室内での混合気を成層化し、平均空燃比が超リーンであっても安定した燃焼を実現している。この場合、触媒再生を目的として空燃比をリッチ化するのに、圧縮行程噴射を維持したまま平均空燃比を濃くすると、点火栓回りの空燃比が可燃範囲を越えて濃くなり過ぎ、失火することがある。
【０００５】
そこで、触媒再生時には燃料噴射時期を吸気行程に変更し、点火までの間に燃焼室内において燃料と空気を十分に混合することにより、点火栓近傍での過度なリッチ化を抑え、失火を防ぐようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、いずれにしてもＮＯｘ吸収触媒からＮＯｘを脱離させるときには、平均空燃比をリッチ化するということには変わりはなく、このリッチ化に伴う燃費の悪化が避けられない。また一方でリッチ化により高トルクが発生するため、トルクショックを防ぐのに、点火時期を大幅に遅角させたりするなど、トルク変動の抑制制御が必要となるという問題もあった。
【０００７】
本発明は理論空燃比あるいはややリーンの空燃比について、圧縮行程で燃料噴射を行うと、吸気行程での噴射に比較して、排気中のＨＣ、ＣＯなどの未燃物の排出量が多くなることを利用し、触媒再生時に平均空燃比をリッチ化せずに圧縮行程噴射することにより、触媒からのＮＯｘ脱離に必要なＨＣ、ＣＯ量を確保し、燃費を悪化させずにＮＯｘの脱離処理を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、排気通路に設置され、流入する排気の空燃比に応じてＮＯｘを吸収、脱離する触媒と、燃焼室内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、前記触媒に吸収されたＮＯｘを脱離する条件を判断する手段と、前記ＮＯｘの脱離が判断されたときに所定の時間は燃焼室内の平均空燃比が理論空燃比またはこれよりもリーンとなる量の燃料を圧縮行程の後半に噴射させ、かつ点火栓近傍の領域に理論空燃比よりもリッチの空燃比となる混合気層を形成する触媒再生制御手段とを備える。
【０００９】
第２の発明は、排気通路に設置され、流入する排気の空燃比に応じてＮＯｘを吸収、放出する触媒と、燃焼室内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内の平均空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御するリーン運転領域と同じく平均空燃比をほぼ理論空燃比に制御する理論空燃比運転領域とを設定する領域設定手段と、リーン運転領域では燃料を圧縮行程で噴射させ、理論空燃比運転領域では吸気行程で燃料を噴射させる噴射時期制御手段と、機関の運転状態がリーン運転領域から理論空燃比運転領域に移行したときに所定の時間は燃焼室内の平均空燃比が理論空燃比またはこれよりもリーンとなる量の燃料を圧縮行程の後半に燃料噴射弁から噴射させ、点火栓近傍の領域に理論空燃比よりもリッチの空燃比となる混合気層を形成する触媒再生制御手段とを備える。
【００１０】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記触媒再生時の平均空燃比のリーン範囲は、吸気行程噴射による理論空燃比運転時のＣＯ排出量と少なくとも同等のＣＯ排出量となる空燃比までとする。
【００１１】
第４の発明は、第１または第２の発明において、前記触媒再生制御時に、所定の時間は圧縮行程噴射した後、さらに所定の時間は吸気行程噴射と圧縮行程噴射の２回噴射を行う。
【００１２】
第５の発明は、第１〜第４の発明において、前記触媒再生制御時間は、そのときのエンジン回転数、負荷に応じて設定される。
【００１３】
【発明の作用・効果】
第１の発明では、触媒からＮＯｘを脱離させる触媒再生条件が判断されると、平均空燃比としては理論空燃比もしくはこれよりもリーンで、かつ点火栓近傍にはリッチな混合気層が形成されるように圧縮行程の後半で燃料が噴射されるので、同量の燃料が吸気行程で噴射されるの比較して、排気中のＨＣ、ＣＯ等の発生量が多くなる。したがってこのＨＣ、ＣＯを利用して触媒からＮＯｘを脱離させ、かつ還元処理し、触媒を再生させることができる。この場合、ＮＯｘ処理時の平均空燃比は、理論空燃比あるいはこれよりもリーンの空燃比のため、平均空燃比がリッチのときに比較すれば、燃費の悪化が避けられる。また大きなトルクショックも発生しないので、点火時期のリタードなどのトルク変動抑止制御の必要もない。
【００１４】
また、第２の発明では、機関の運転状態がリーン運転領域から理論空燃比運転領域に移行するときに所定の時間は、平均空燃比が理論空燃比またはこれよりもリーンの空燃比となり、かつ点火栓の近傍の空燃比はリッチ空燃比となるように燃料が噴射される。この場合にも、その間は吸気行程で同量の燃料が噴射されるの比較して、排気中のＨＣ、ＣＯ等が増える。この増加したＨＣ、ＣＯ等により触媒からＮＯｘを脱離させ、かつ還元し、燃費を悪化させずに触媒を再生させられる。触媒からのＮＯｘの脱離は運転条件が切換わる度に自動的に行われるので、ＮＯｘを脱離する条件を判断する必要が無く、制御がそれだけ簡素化される。
【００１５】
第３の発明では、触媒再生時の空燃比のリーン値は、吸気行程噴射したときの理論空燃比のときの発生ＣＯ量と同等のＣＯ量となる空燃比までとしたので、燃費の悪化を避けつつ、良好なＮＯｘ脱離還元性能を維持できる。
【００１６】
第４の発明では、触媒再生時の燃料噴射時期を圧縮行程噴射から、吸気行程と圧縮行程との２回噴射にすることで、エンジン負荷の大きいときなど、切換時のトルク変動を滑らかにすることができる。
【００１７】
第５の発明では、エンジンの回転数や負荷に応じて触媒再生時間を制御することにより、適切な再生が行える。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１において、１はエンジンであって、エアクリーナ２で濾過された空気は、スロットル弁３の開度に応じて吸気弁４を介してシリンダ内に吸入される。電磁式の燃料噴射弁５が各気筒毎に設けられ、燃焼室内に直接的に燃料を噴射し、この燃料と空気によりシリンダ内に混合気層を形成する。
【００２０】
この場合、燃料が吸気行程で噴射されると、点火までの間に圧縮行程を経て十分に混合攪拌され、均質的な混合気層が形成されるが、圧縮行程の後半にピストン２０の冠面のキャビティ２１に向けて噴射されると、燃料の拡散が遅くなるため、点火栓６の近傍では濃く、周辺にいくほど薄くなる層状の混合気層が形成される。
【００２１】
混合気は点火栓６の点火により燃焼し、燃焼排気は排気弁７を介してシリンダから排出され、触媒８により浄化されてから大気に放出される。
【００２２】
マイクロコンピュータで構成されるコントローラ１０は、前記燃料噴射弁５による燃料の噴射と、点火栓６による点火を制御する。
【００２３】
このため、コントローラ１０には各種センサから運転状態を代表する信号が入力する。各種センサとしては、エンジン吸入空気量を検出するエアフローメータ１１、エンジン回転角、回転数を検出するクランク角センサ１２、排気中の酸素濃度から空燃比を検出する酸素センサ１５、スロットル弁３の開度を検出するスロットルセンサ１６、エンジン冷却水温を検出する水温センサ１７などが設けられ、これらの信号がコントローラ１０に入力する。
【００２４】
前記触媒８は理論空燃比運転時にＨＣ、ＣＯを酸化すると共に、ＮＯｘを還元する機能をもつと共に、リーン空燃比での運転時にはＮＯｘを吸収保持し、この吸収したＮＯｘを空燃比が理論空燃比もしくはそれよりもリッチな空燃比、換言すると、排気中にＨＣ、ＣＯなどが多く含まれる還元雰囲気において脱離し、かつ還元するようになっている。
【００２５】
コントローラ１０はエンジンの部分負荷域などリーン空燃比（例えばＡ／Ｆ＝４０）で運転する領域と、高負荷域など理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．５）で運転する領域を判断し、リーン空燃比運転領域では燃料噴射時期を圧縮行程の後半に設定して成層燃焼を行い、理論空燃比運転領域では燃料噴射時期を吸気行程に設定して均質混合気燃焼を行わせる。
【００２６】
またコントローラ１０は触媒８にリーン空燃比運転時に吸収されたＮＯｘの吸収量が飽和量に達する前に、触媒８を再生するため、つまり吸収したＮＯｘの脱離を行い、かつ還元処理するため、リーン空燃比運転領域から理論空燃比運転領域に切換わる毎に、所定の期間にわたり、排気中にＨＣ、ＣＯが多く含まれる還元雰囲気を形成する。
【００２７】
本発明では、この触媒再生制御時の燃費の悪化を回避するために、燃焼室内の平均空燃比が理論空燃比またはこれよりもリーン（例えばＡ／Ｆ＝１８）となる量の燃料を圧縮行程の後半に燃料噴射弁５から噴射し、かつ点火栓６の近傍に理論空燃比よりもリッチの空燃比の混合気層を形成し、燃焼ガス中の未燃成分を増やし、これにより排気中のＨＣ、ＣＯ濃度を高めるようになっている。
【００２８】
これらの触媒再生制御について図２、図３のフローチャートにしたがって、それぞれ説明する。
【００２９】
図２の制御例は、リーン空燃比から理論空燃比運転に切換が行われるときに再生制御を行い、かつ切換時のエンジン負荷がそれほど高くないときの場合の制御である。
【００３０】
まず、ステップＳ１で触媒８が再生時期にあるかどうか、すなわち触媒８がＮＯｘの放出（脱離）時期かどうかを判断する。これは例えば、リーン空燃比運転領域から理論空燃比運転領域への切換が行われるかどうかから判断する。触媒８のＮＯｘ脱離時期に達したものと判断したときには、ステップＳ２に進み、タイマーＴＯ＝０かどうかを見て、ゼロのときは、ステップＳ３でタイマーをスタートさせ、ＮＯｘの脱離処理に入る。
【００３１】
なお、タイマーがゼロでないときは、既に脱離処理に入っているので、そのままステップＳ６に移行する。
【００３２】
ステップＳ４でそのときのエンジン回転数Ｎと負荷Ｔｐを読み込み、ステップＳ５ではこれら回転数Ｎと負荷Ｔｐに基づいて、触媒８からのＮＯｘの脱離に必要な空燃比として理論空燃比またはそれよりもややリーンな空燃比Ａ／Ｆ０を算出すると共に、燃料噴射時期として圧縮行程の後半となるような噴射時期ＩＴを演算し、さらに理論空燃比運転のための空燃比Ａ／Ｆ＝１４．５と、そのとき燃料噴射時期として吸気行程での噴射時期ＩＴ’を求め、またＮＯｘの脱離制御時間Ｔ０を算出する。
【００３３】
ステップＳ６ではタイマーＴが設定時間を経過したかどうか、つまりＴ≦Ｔ０かどうか判断し、経過していないときは、ステップＳ７において、脱離用の空燃比Ａ／Ｆ０と噴射時期ＩＴを設定し、圧縮行程において燃料噴射を行い、ＮＯｘの脱離制御を実行する。
【００３４】
これに対して、タイマーＴが設定時間Ｔ０を経過したときには、再生が終了したものとしてステップＳ８に移り、空燃比をＡ／Ｆ＝１４．５に設定すると共に、燃料噴射時期を吸気行程の噴射時期ＩＴ’に設定し、理論空燃比運転を行う。そしてステップＳ９でタイマーＴをクリアする。
【００３５】
これに対して図３の制御例は、リーン空燃比から理論空燃比への切換時のエンジン負荷が比較的高い場合であって、触媒再生時にＮＯｘ脱離用の空燃比Ａ／Ｆ０を維持しながら、燃料の噴射を所定の時間Ｔ０までは圧縮行程でのみ行い、その後Ｔ１までは吸気行程と圧縮行程との２回に分けて行うようにしたものである。
【００３６】
図２と異なる部分を中心に説明すると、ステップＳ１５において、エンジン回転数Ｎと負荷Ｔｐとから脱離用の空燃比Ａ／Ｆ０を演算したら、圧縮行程での噴射時期ＩＴと、吸気行程と圧縮行程での２回噴射のための吸気行程での噴射時期ＩＴ’’と、さらに吸気行程での噴射期間Ｔ０と、その後の吸気と圧縮行程での２回噴射が行われる噴射期間Ｔ１とをそれぞれ演算する。
【００３７】
ステップＳ１６では脱離制御開始後に設定時間Ｔ０を経過したかどうか判断し、経過前ならば、ステップＳ１７で空燃比を脱離用空燃比Ａ／Ｆ０として、噴射時期を吸気行程での噴射時期ＩＴとする。
【００３８】
これに対して、設定時間Ｔ０を経過しているときは、ステップＳ１８に進んでＴ≦Ｔ１かどうか判断し、噴射期間Ｔ１を経過していないときは、ステップＳ１９で脱離用空燃比を維持したまま、燃料噴射時期を吸気行程の噴射時期ＩＴ’’と圧縮行程の噴射時期ＩＴに設定し、２回の噴射により脱離用空燃比Ａ／Ｆ０となるように燃料噴射を分けて行う。なお、燃料噴射量は噴射期間に応じたものとなるので、２回噴射するときは、合計の噴射期間が目標噴射期間と一致するように設定すればよい。
【００３９】
このようにしてＮＯｘの脱離時間Ｔ１が経過し、再生が終了したらステップＳ２０に進み、理論空燃比運転に移行するのであり、空燃比Ａ／Ｆ＝１４．５に設定し、また噴射時期を吸気行程での噴射時期ＩＴ’に設定する。そして、ステップＳ２１でタイマーＴをクリアする。
【００４０】
次に触媒８の再生制御について、図４〜図７を参照しながら説明する。
【００４１】
図４にも示すように、燃料の噴射を圧縮行程で行い、燃焼室内に成層混合層を形成したときのＨＣ、ＣＯの排出量は、噴射時期を変化させると変化し、平均空燃比が理論空燃比の場合でも、噴射時期を遅角するほど点火栓６の周囲の空燃比がリッチとなるため、ＨＣ、ＣＯの排出量が増加する。
【００４２】
図５には吸気行程噴射と、圧縮行程噴射したときのそれぞれの空燃比の変化に対する燃費特性と、排気特性を表す。理論空燃比のときの性能を比較すると、圧縮行程噴射は、吸気行程噴射に対して燃費が悪いが、ＨＣ、ＣＯの排出量が相対的に多い。このことは理論空燃比よりもやや薄いＡ／Ｆ＝１８程度でも同じ傾向があり、Ａ／Ｆ＝２０を越えると燃費、ＨＣ、ＣＯとも逆転する。
【００４３】
したがって、このＨＣ、ＣＯと同じ排出量を圧縮行程噴射でなく、吸気行程噴射で実現しようとすると、空燃比をさらにリッチにする必要があり、同一のＨＣ、ＣＯ排出量のときの燃費は、吸気行程噴射のときの方が悪い。
【００４４】
本発明はこのような現象を利用して、触媒８からＮＯｘを脱離還元処理すべきときに、リッチ空燃比とすることなく、圧縮行程噴射することにより必要量のＨＣ、ＣＯを確保しようとするものである。
【００４５】
こうすることにより、触媒再生時の空燃比としては、理論空燃比あるいはそれよりややリーンな空燃比であっても、理論空燃比で吸気行程噴射したときと同等のＨＣ、ＣＯ排出量となる空燃比、例えばＡ／Ｆ＝１８程度までの空燃比とすることで、燃費を悪化させずに触媒８のＮＯｘ脱離還元処理が行える。しかも理論空燃比よりもリーン側で運転することによりトルクの増大も抑制でき、トルク変動を防止するための点火時期遅角制御なども不要となる。
【００４６】
なお、このＮＯｘ脱離用の要求空燃比については、エンジンのピストン冠面形状や燃料噴射弁の特性が異なれば、これに応じて変化する。
【００４７】
図６は図２の制御での切換特性を示すもので、リーン空燃比運転から理論空燃比運転への切換が判断されると、切換時にそれまで触媒８に吸収されていたＮＯｘを脱離し、還元処理を行うのであるが、この場合は、エンジン負荷がそれほど大きくないときで、平均空燃比が、理論空燃比あるいはそれよりもややリーン空燃比の状態で、圧縮行程の後半に燃料噴射が行われ、これにより触媒８におけるＮＯｘの脱離に必要量のＨＣ、ＣＯが確保される。
【００４８】
また、図７は図３の制御での切換特性を示し、この場合には、リーン空燃比から理論空燃比への切換時に、理論空燃比もしくはややリーン空燃比で、まず圧縮行程噴射を行い、その後に圧縮行程噴射と吸気行程噴射の２回噴射を行い、この間に触媒８からのＮＯｘの脱離、還元を行っている。
【００４９】
なお、圧縮行程噴射に次いで吸気行程と圧縮行程での燃料の２回噴射を行うことにより、その後の吸気行程噴射に至る過程での発生トルクが段階的に制御され、理論空燃比運転に移行したときのトルクショックを緩和している。
【００５０】
このようにして触媒８でのＮＯｘの脱離、還元が完了すると、吸気行程噴射での理論空燃比運転に入る。
【００５１】
なお、この実施形態では触媒８のＮＯｘの脱離還元処理を、リーン空燃比運転から理論空燃比運転に切換わるときを利用し、その都度行うようにしているが、これに限らず、リーン空燃比運転時間が長くなり、その間の触媒８のＮＯｘ吸収量が飽和状態に近づいたときなどに、ＮＯｘ吸収量をリーン運転時間とその間の負荷、回転数となどから推定し、脱離処理を行ってもよい。
【００５２】
この場合には、ＮＯｘの脱離還元が完了したときの運転条件がリーン空燃比運転領域にあれば、空燃比としては例えばＡ／Ｆ＝４０のリーン空燃比を維持しつつ圧縮行程噴射を継続することになる。
【００５３】
また、リーン空燃比と理論空燃比との切換時にその都度ＮＯｘの脱離処理を行う一方で、リーン空燃比運転が長くなり、その間にＮＯｘ吸収量が飽和状態に近づいたことを判断したら、理論空燃比運転への切換を待たずに、ＮＯｘの脱離処理を行うようにしてもよい。
【００５４】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において、様々な変更がなしうることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す概略構成図。
【図２】制御内容を示すフローチャート。
【図３】同じく制御内容のフローチャート。
【図４】圧縮行程での燃料噴射時期と排気特性の関係を表す特性図。
【図５】圧縮行程噴射と吸気行程噴射のときの空燃比と燃費、排気特性の関係を表す特性図。
【図６】燃料噴射パターンの切換えを示す説明図。
【図７】燃料噴射パターンの切換えを示す説明図。
【符号の説明】
１ エンジン
５ 燃料噴射弁
６ 点火栓
８ 触媒
１０ コントローラ
１１ エアフローメータ
１２ クランク角センサ

Claims (5)

1. 排気通路に設置され、流入する排気の空燃比に応じてＮＯｘを吸収、脱離する触媒と、燃焼室内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、前記触媒に吸収されたＮＯｘを脱離する条件を判断する手段と、前記ＮＯｘの脱離が判断されたときに所定の時間は燃焼室内の平均空燃比が理論空燃比またはこれよりもリーンとなる量の燃料を圧縮行程の後半に噴射させ、かつ点火栓近傍の領域に理論空燃比よりもリッチの空燃比となる混合気層を形成する触媒再生制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 排気通路に設置され、流入する排気の空燃比に応じてＮＯｘを吸収、放出する触媒と、燃焼室内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内の平均空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御するリーン運転領域と同じく平均空燃比をほぼ理論空燃比に制御する理論空燃比運転領域とを設定する領域設定手段と、リーン運転領域では燃料を圧縮行程で噴射させ、理論空燃比運転領域では吸気行程で燃料を噴射させる噴射時期制御手段と、機関の運転状態がリーン運転領域から理論空燃比運転領域に移行したときに所定の時間は燃焼室内の平均空燃比が理論空燃比またはこれよりもリーンとなる量の燃料を圧縮行程の後半に燃料噴射弁から噴射させ、点火栓近傍の領域に理論空燃比よりもリッチの空燃比となる混合気層を形成する触媒再生制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記触媒再生時の平均空燃比のリーン範囲は、吸気行程噴射による理論空燃比運転時のＣＯ排出量と少なくとも同等のＣＯ排出量となる空燃比までとする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記触媒再生制御時に、所定の時間は圧縮行程噴射した後、さらに所定の時間は吸気行程噴射と圧縮行程噴射の２回噴射を行う請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記触媒再生制御時間は、そのときのエンジン回転数、負荷に応じて設定される請求項１〜４のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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