JP3911917B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、吸蔵型NOX 触媒をそなえた希薄燃焼内燃機関に用いて好適の、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、排ガス中の酸素が過剰になる酸素過剰雰囲気において、NOX を触媒上に吸蔵させることにより排ガス中のNOX を浄化する、吸蔵型のNOX 触媒(トラップ型NOX 触媒)が開発されている。希薄燃焼内燃機関においては、このNOX 触媒を設けることで希薄燃焼時のNOX を浄化するようにしている。
【0003】
吸蔵型のNOX 触媒は、酸化雰囲気(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 を吸蔵する一方、還元雰囲気(酸素濃度低下雰囲気)では、逆に、吸蔵したNOX を放出する機能を有する。そこで、例えば、特許2586738号公報に開示された技術では、適宜の時間間隔でNOX 触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気とすることにより、触媒上に吸蔵したNOX を放出し、これにより、NOX 触媒の飽和を防止してNOX 吸蔵性能を確保するようにしている。そして、放出したNOX は、NOX 触媒が還元機能も有する場合(三元触媒一体型の場合)にはその還元機能により、NOX 触媒が還元機能を有しない場合には下流にそなえた三元触媒により、HC,COとともに浄化して、大気中への排出を防止している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒の浄化能力は温度に大きく依存しており、触媒温度が活性温度(例えば浄化効率が50%に達する温度)以下の場合には十分な浄化能力を発揮することができない。そして、この活性温度は触媒の種類により異なり、例えばNOX 触媒と三元触媒とでは、三元触媒の活性温度の方がNOX 触媒の活性温度よりも高い場合がある。また、三元触媒の活性温度の方がNOX 触媒の活性温度よりも低い場合でも、NOX 触媒と三元触媒とが別体型の場合には三元触媒はNOX 触媒の下流にそなえられるため流入する排気ガス温度が低く、触媒温度が相対的に低くなり、NOX 触媒の方が先に活性温度に達する可能性がある。さらに、三元触媒一体型のNOX 触媒の場合でも、還元機能が発揮される活性温度の方がNOX 放出が開始される温度よりも高い場合がある。
【0005】
このように、従来の技術では、活性温度の違いや触媒温度の上昇度合いの違いにより、三元触媒(或いは還元機能を有するNOX 触媒)のNOX 還元機能が発揮される前に、NOX 触媒から吸蔵されたNOX が放出される可能性があり、放出されたNOX が浄化されることなく、そのまま大気中に排出されてしまう虞があった。
【0006】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、NOX 触媒から放出されたNOX が還元されることなく大気中に排出されることを防止できるようにした、内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の内燃機関の排気浄化装置では、排ガス中の酸素濃度が過剰な時に排ガス中のNOXを吸蔵する吸蔵能力と、排ガス中の酸度濃度が低下したときに吸蔵されたNOXを放出する放出能力とを有するとともに該内燃機関から排出する排ガスが常時流入するNOX触媒装置と、該NO X 触媒装置の下流に設けられ放出されたNOXを該NOX触媒装置がNOXを放出し得る温度とは異なる温度で還元し得る還元能力とを有ずる装置とを内燃機関の排気通路に設け、NOXの吸蔵量が飽和状態に近づいたときにはNOX放出手段により排ガス中の酸素濃度を低下させてNOX触媒装置からNOXを放出するが、温度検知手段により検出又は推定された触媒装置の温度が触媒装置が還元能力を発揮し得る温度よりも低い場合には、禁止手段によりNOX放出手段の作動を禁止する。
【0008】
なお、NO X 触媒装置及び触媒装置は、排ガス中の酸素濃度が過剰なときにNOX を吸蔵する吸蔵型NOX 触媒と、吸蔵型NOX 触媒の下流に設けられ排ガス中の有害物質を還元し得る三元触媒とから構成すること、若しくは、排ガス中の酸素濃度が過剰なときにNOX を吸蔵して、排ガス中の酸素濃度が低下したときには吸蔵されたNOX を還元する三元触媒一体型の吸蔵型NOX 触媒とすることが好ましい。
【0009】
また、内燃機関の運転開始から所定時間経過しても触媒が還元能力を発揮し得る温度に達しない場合には強制的に触媒を昇温させる昇温手段をそなえることが好ましく、筒内噴射型内燃機関の場合、膨張行程中に追加噴射を行ないこれを燃焼させて触媒を昇温させる2段燃焼を利用することが好ましい。
【0010】
【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4は本発明の一実施形態としての内燃機関の排気浄化装置について示すものであり、図1には本内燃機関の排気浄化装置を適用した希薄燃焼内燃機関の構成について示している。
【0011】
図1に示すように、エンジン(希薄燃焼内燃機関)1は、燃焼室2の上部側縁に高圧噴射弁(インジェクタ)7をそなえ、燃焼室2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。燃焼室2の上部には中央に点火プラグ5が設けられるとともに、吸気通路3および排気通路4が連通している。吸気通路3には、上流側から順に図示しないエアクリーナ,電子制御式スロットル弁(ETV)6が設けられており、排気通路4には、その上流側から順に排ガス浄化用の排気浄化装置8および図示しないマフラが設けられている。また、排気通路4と吸気通路3との間には、排気ガスを還流するEGR装置9がそなえられている。
【0012】
排気浄化装置8は、吸蔵型NOX 触媒(以下、単にNOX 触媒という)8Aと三元触媒8Bとを組み合わせたものになっており、上流側にNOX 触媒8Aを配置し、下流側に三元触媒8Bを配置している。排気浄化装置8では、NOX を酸化雰囲気(即ち、酸素過剰雰囲気)で機能するNOX 触媒8Aにより吸蔵し、還元雰囲気でNOX 触媒8Aから放出し、NOX 触媒8A及び三元触媒8BによりNOX を還元するようになっている。ただし、ここではNOX 触媒8AのNOX 還元機能はあまり高くない設定としているので、主に三元触媒8BによりNOX を還元するようになっている。また、理論空燃比下では三元触媒8Bの機能により排出ガス中のCO,HC,NOX を浄化するようになっている。なお、排気浄化装置8の上流のエンジン1に近接した位置に別途近接触媒(例えば三元触媒)を設け、主に始動時の排ガス浄化を行なうようにしてもよい。
【0013】
さらに、このエンジン1を制御するために、電子制御ユニット(ECU)20と、種々のセンサ類とが設けられている。本エンジン1に設けられるセンサ類として、まず吸気通路3側には、そのエアクリーナ配設部分に、吸入空気量を検出するエアフローセンサ10が設けられており、そのETV6の配設部分には、ETV6の開度を検出するスロットルセンサ11が設けられている。また、排気通路4側には、排気浄化装置8の上流側部分に、排ガス中の酸素濃度を検出するO2 センサ13と、排気温度を検出する高温センサ14とが設けられている。さらに、その他のセンサとして、図示しないクランクシャフトの回転に同期して信号を出力するクランク角センサ15等が設けられている。
【0014】
ECU20の機能について説明すると、ECU20は、図2の機能ブロック図に示すように、その機能要素として噴射制御手段21,ETV開度制御手段22,点火時期制御手段23,EGR開度制御手段24をそなえており、運転状態に応じて空燃比,点火時期,EGR開度を制御するようになっている。例えば、低負荷運転域では、空燃比を大きくすることによるリーン運転を行ない、燃費の向上を図るようになっている。
【0015】
ところで、NOX 触媒8Aは、リーン運転状態においてNOX を吸蔵し続けているとやがて飽和状態に達し、吸蔵しきれなくなったNOX は大気中に放出されてしまうことになる。そこで、ECU20では、その機能要素である開始判定手段25とNOX 放出制御手段(NOX 放出手段)26とにより、NOX 触媒8Aが飽和状態に達する前に、NOX 触媒8Aに吸蔵されたNOX の放出,還元を行なうようになっている。以下、開始判定手段25によるNOX 放出の開始/解除判定、及びNOX 放出制御手段26によるNOX 放出制御について説明する。
【0016】
開始判定手段25では、下記の第1条件と第2条件とが共に成立した時、NOX 放出を開始すると判定するようになっている。まず、第一条件は、触媒温度推定手段(温度検知手段)27により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが、所定の基準温度〔活性温度(例えば浄化効率が50%に達する温度),例えば約250〜300℃〕Th0 以上になることである。これは、三元触媒8Bの還元機能が十分に発揮されていない状態でのNOX 放出を禁止するための条件であり、ここでは開始判定手段25は禁止手段として機能している。なお、触媒温度推定手段27では、高温センサ14で検出される排ガス温度と三元触媒8Bの触媒温度との関係を予め実験で求めてマップに記憶しておき、検出した排ガス温度をマップにより補正することで三元触媒8Bの触媒温度Thを推定するようになっている。
【0017】
また、第2条件は、リーン運転継続時間TL が所定時間(例えば30秒)TL0に達することである。リーン運転時間は長すぎると触媒温度が低下しHC等の浄化効率の低下を招き、短すぎると燃費は悪化するもののNOX 放出に寄与しない空燃比テーリング部分の占める時間割合が増加するので、両者を満たす適当な値に設定する。
【0018】
そして、開始判定手段25により開始判定が行なわれると、NOX 放出制御手段26では、NOX の放出を開始するようになっている。以下、NOX 放出制御について具体的に説明する。NOX 放出制御は、図3に示すように、リッチモードとS−F/B(ストイキオフィードバック)モードとの2つの制御モードから構成されており、NOX 放出制御手段26では、NOX 放出制御の開始判定とともに、まず、リッチモードでのNOX 放出制御を開始するようになっている。
【0019】
リッチモードは、空燃比を理論空燃比(ストイキオ)よりもリッチ側にすることにより、NOX 触媒8Aの周囲雰囲気を還元雰囲気(即ち、酸素不足状態)としてCO過剰雰囲気とし、NOX 触媒8Aに吸蔵されたNOX を放出させるとともに、還元剤としてのHC,COを多量に生成して、三元触媒8BにおけるNOX の還元を促進させる制御モードである。このため、NOX 放出制御手段26では、目標空燃比をリッチ側に設定するとともに、設定した目標空燃比に応じたスロットル開度,点火時期,燃料噴射時期になるように、ETV開度制御手段22,点火時期制御手段23,噴射制御手段21を介して、ETV6,点火プラグ5,インジェクタ7を適宜制御するようになっている。
【0020】
ただし、リーンからリッチへ空燃比が急激に切換わるとトルク変動が発生するため、目標空燃比を開始判定とともにリッチに設定するのではなく、テーリング処理により徐々にリッチ側に設定していくようになっている。そして、目標空燃比が所定の空燃比(例えばストイキオ)までリッチ化されたとき、通常のリッチ放出制御による燃料噴射に加えて、極短時間(例えば、0.1〜1秒程)の間、膨張行程噴射を行なうようになっている。
【0021】
NOX 触媒8AのNOX の放出特性は、空燃比がストイキオに達し周囲雰囲気が還元雰囲気となった当初が最も放出量が多く、次第に減少していくような特性になっているため、NOX を還元するための還元剤は、NOX 放出の開始当初に最も必要となる。そこで、燃料が燃焼に寄与しない膨張行程以降(好ましくは膨張行程後期〜排気行程)において燃料噴射を行なうことにより、未燃ガスを大量に発生させて、還元剤を主に三元触媒8Bに供給するのである。この膨張行程噴射では、通常のリッチモード時の目標空燃比よりもさらにリッチ側に目標空燃比を設定し、設定した目標空燃比に応じた燃料噴射時間を設定するとともに、燃料噴射時期を膨張行程以降の所定時期に設定するようになっている。
【0022】
膨張行程噴射の終了後は通常のリッチモードに戻り、リッチモードでのNOX 放出制御開始から所定時間(例えば、約1〜5秒)TR 経過後、S−F/BモードでのNOX 放出制御に移行するようになっている。上述のように、NOX 触媒8AからのNOX 放出量はNOX 放出開始後次第に低下していくので、NOX の放出量の低下に応じて還元剤の生成量も減らして燃費の悪化を防止すべく、空燃比をストイキオ若しくは僅かにリッチにした状態でNOX 放出を行なうのである。なお、リッチモードからS−F/Bモードへの移行時に突然空燃比を変化させると、トルク変動が発生するので、所定時間TR 経過前から徐々にストイキオ側に切り換えていくようになっている。S−F/Bモードにおいては、NOX 放出制御手段26は、フィードバック積分ゲインを空燃比がストイキオ若しくはストイキオよりもややリッチになる方向に設定するとともに、リッチモード時とのトルク段差が発生しないように点火時期,スロットル開度を設定し、点火時期,スロットル開度に応じて燃料噴射時期を設定するようになっている。
【0023】
S−F/BモードでのNOX 放出制御は、開始から所定時間(S−F/B放出時間)TS 経過するまで行なわれるようになっている。このS−F/B放出時間TS は、、リーン運転継続時間TL に吸入空気量で決まる係数KA を掛けた時間KA ×TL であり(即ち、TS =KA ×TL )、リーン運転継続時間TL 時間が長い程、また、吸入空気量が多い程、長時間S−F/BモードでのNOX 放出制御を行なうようになっている。そして、S−F/B放出時間TS の経過後は、再びリーン運転へ移行するが、ここでも空燃比の急激な変化に伴うトルク変動を防止するため、S−F/B放出時間TS の経過前から徐々にリーン側に切り換えていくようになっている。
【0024】
また、NOX 放出制御手段26は、所定の場合には制御の途中でもNOX 放出制御を解除するようになっている。NOX 放出制御の解除条件は下記の3つであり、何れか1つでも成立した時には解除されるようになっている。まず、第1条件は、触媒温度推定手段26により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが、基準温度Th0 未満になることであり、NOX 触媒8Aから放出されたNOX が、三元触媒8Bの還元機能が不活性であることにより大気中へそのまま放出されるのを防止するための条件である。第2条件は、減速時において燃料がカットされる場合であり、この場合には、燃料が供給されないため必然的にNOX 放出を行なうことはできなくなる。第3条件は、例えばドライバがアクセルを踏み込んだ場合のように、エンジンがリッチ運転状態になった場合である。この場合には、NOX 放出制御を行なうまでもなく自然にNOX 放出が行なわれるからである。
【0025】
本発明の一実施形態としての内燃機関の排気浄化装置は、上述のように構成されているので、例えば図4のフローチャートに示すようにしてNOX 触媒8AからのNOX 放出制御が行なわれる。
まず、ステップS100において、フラグFS が1か否かを判定する。フラグFS が1の場合には、ステップS200に進んでS−F/BモードでのNOX 放出制御を開始し、フラグFS が0の場合には、ステップS110に進んで開始判定手段25によるNOX 放出の開始判定を行なう。即ち、触媒温度推定手段27により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが所定の基準温度(活性温度)Th0 以上か否かを判定し(ステップS110)、リーン運転継続時間TL が所定時間TL0経過したか否かを判定し(ステップS120)、ステップS110,S120の各条件が共に成立した場合には、NOX 触媒8Aに吸蔵されたNOX を脱離して後段の三元触媒8Bで浄化すべく、NOX 放出制御手段26は、NOX 放出制御(リッチ放出制御)を開始する(ステップS130)。
【0026】
また、NOX 放出制御とともに、ステップS140では触媒温度推定手段27により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが所定の基準温度Th0 未満か否かを、ステップS150では燃料がカットされる減速時か否かを、ステップS160ではエンリッチ運転に突入したか否かを、ステップS170ではリッチモードでの制御開始から所定時間TR が経過したか否かをそれぞれ判定する。そして、ステップS140〜S160の何れかの条件が成立した場合には、NOX 放出制御を解除し(ステップS190)、ステップS140〜S160の何れの条件も成立せず且つステップS170の条件が成立した場合には、S−F/Bモードに移行すべくフラグFs を立てる(ステップS180)。
【0027】
フラグFS が立つ(FS =1)ことにより、NOX 放出制御手段26は、S−F/BモードでのNOX 放出制御を開始する(ステップS200)。また、NOX 放出制御とともに、ステップS210では触媒温度推定手段27により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが所定の基準温度Th0 未満か否かを、ステップS220では燃料がカットされる減速時か否かを、ステップS230ではエンリッチ運転に突入したか否かを、ステップS240では制御開始から所定時間Ts が経過したか否かをそれぞれ判定する。そして、ステップS210〜S230の何れかの条件が成立した場合には、NOX 放出制御を解除し(ステップS250)、ステップS210〜S230の何れの条件も成立せず且つステップS240の条件が成立した場合には、NOX 放出が完了したものとしてS−F/BモードでのNOX 放出制御を終了し、フラグFs をリセットする(ステップS260)。
【0028】
このように、本内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒8Bの還元機能が十分に発揮される温度になるまでNOX 放出を行なわないので、NOX 触媒から放出されたNOX が還元されることなく大気中に排出されることを防止することができるという利点がある。
なお、三元触媒8Bの触媒温度Thの推定方法は、上述の実施形態で説明したような推定方法に限定されない。例えば、排ガス温度の他、エンジン負荷,エンジン回転速度,車速,水温,始動後経過時間等のパラメータと三元触媒8Bの触媒温度との関係を実験で求めてマップに記憶しておき、これらのパラメータから触媒温度Thを推定するようにしてもよい。また、制御ロジックにより、高温センサ14で検出される排ガス温度に対する三元触媒8Bの温度の関係を推定し、触媒温度Thを推定するようにしてもよい。
【0029】
また、上述の実施形態では、排気浄化装置8はNOX 触媒8Aの下流に三元触媒8Bをそなえたものになっているが、高いNOX 還元機能を併せ持つ三元触媒一体型のNOX 触媒のみをそなえてもよい。この場合には、NOX 触媒の触媒温度を推定(又は検出)し、還元機能が発揮される触媒温度に達したときに、NOX 放出を開始するようにする。
【0030】
また、上述の実施形態では、NOX 放出制御の開始条件の一つとして、リーン運転継続時間TL が所定時間TL0経過することを条件としているが、ドライバのアクセル操作やエアコン等の外部負荷による運転モードの切換(リーン運転からストイキオフィードバック運転への切換)を条件としてもよい。この条件によれば、ドライバが意図しないときにリーンからリッチに空燃比を切換えることによる燃費の悪化やトルク変動を低減することができる。
【0031】
さらに、エンジン1の運転開始から所定時間経過しても触媒温度Thが所定の基準温度Th0 に達しない場合には、強制的に触媒温度Thを昇温させるようにしてもよい。特に、上述の実施形態のような筒内噴射型内燃機関の場合には、膨張行程中に追加噴射を行ない、燃焼室2内又は排気通路4内で再燃焼させる2段燃焼を利用することがコストや昇温効果の面で有効である。
【0032】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒装置から放出されたNOX が還元されることなく大気中に排出されることを確実に防止す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としての内燃機関の排気浄化装置にかかる希薄燃焼内燃機関の全体構成図である。
【図2】 本実施形態にかかる機能ブロック図である。
【図3】 本実施形態にかかるNOX 放出制御のタイムチャートである。
【図4】 本実施形態にかかるNOX 放出制御のフローチャートである。
【符号の説明】
1 エンジン(内燃機関)
8A 吸蔵型NOX 触媒(NO X 触媒装置)
8B 三元触媒(触媒装置)
25 開始判定手段(禁止手段)
26 NOX 放出制御手段(NOX 放出手段)
27 触媒温度推定手段(温度検知手段)
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中の酸素濃度が過剰なときに排ガス中のNOXを吸蔵する吸蔵能力と、吸蔵されたNOXを排ガス中の酸度濃度が低下したときに放出する放出能力とを有するとともに該内燃機関から排出する排ガスが常時流入するNOX触媒装置と、該NO X 触媒装置の下流に設けられ放出されたNOXを該NOX触媒装置がNOXを放出し得る温度とは異なる温度で還元し得る還元能力とを有する触媒装置と、
該触媒装置の温度を検出又は推定する温度検知手段と、
該NOX触媒装置からNOXを放出するときに排ガス中の酸素濃度を低下させるNOX放出手段と、
該温度検知手段により検出又は推定された触媒温度が該触媒装置の還元能力を発揮し得る温度よりも低い場合、該NOX放出手段の作動を禁止する禁止手段とをそなえた
ことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。 - 該NOX触媒装置は、該触媒装置よりも該排気通路の上流側に配置されることを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 該内燃機関の運転開始から所定時間が経過しても該温度検知手段が検知する該触媒装置の温度が該触媒装置がNOXを還元し得る温度に達しない場合は、該触媒装置の温度を強制的に昇温させて該触媒装置がNOXを還元し得る温度にせしめる昇温手段を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 該昇温手段は該内燃機関を2段燃焼させて該触媒装置を昇温させることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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