JP4122617B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気通路に排気中の大気汚染物質を除去する浄化材を設けた排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、この種のエンジンの排気浄化装置として、エンジンの排気通路に、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でその排気中の窒素酸化物(NOx)を吸収する一方、酸素濃度が低下するとNOxを放出するNOx吸収材を設けるとともに、その下流側に隣接するように三元触媒を配設して、放出されるNOxを還元浄化するようにしたものが知られている(例えば、特開平10−274085号公報参照)。
【0003】
前記のようなNOx吸収材は、一般に、排気中の酸素濃度が高いときにNOxを酸化させて硝酸塩として吸収する一方、酸素濃度が低下すると、吸収した硝酸塩を排気中の一酸化炭素(CO)と置換反応させて、このCOを炭酸塩として吸収しつつ、NOxを放出するという特性を有している。このため、前記従来例のものでは、前記NOx吸収材からNOxを放出させて還元浄化するときには、エンジンの燃焼室の空燃比を理論空燃比近傍に制御して、排気中の酸素濃度を低下させるとともに、気筒の膨張行程や排気行程で追加の燃料を噴射して再燃焼させることにより、排気中のCO濃度を高めて、NOxの放出及び還元浄化を促進するようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、環境保護の観点から自動車用エンジンの排気清浄化に対するニーズは一層、強まっており、このため、前記従来例のような排気浄化装置に対しても、酸素過剰雰囲気におけるNOx吸収材の吸収性能をより一層、高めるとともに、該NOx吸収材からNOxを放出させるときには、その放出作用をさらに促進し、かつ放出されたNOxを略完全に還元浄化することが求められている。
【0005】
これに対し、本願の発明者は前記従来例のようなシステムによるNOx除去のメカニズムについて鋭意研究を進めた結果、NOx吸収材に吸収されているNOxを放出させて還元浄化するときに、排気中のCO濃度を高めることが有効であるとともに、CO濃度を十分に高められるのであれば、それ以外の還元剤成分の濃度はむしろ低いほうが好ましいことを見出した。
【0006】
この点について、前記従来例の排気浄化装置では、NOx吸収材からNOxを放出させるために、気筒の膨張行程以降に追加の燃料を噴射して再燃焼させるようにしており、このことで排気中のCO濃度を十分に高めることができるものの、それ以上に未燃炭化水素(HC)の濃度が大幅に高くなってしまう。つまり、前記従来例の排気浄化装置には、NOx除去性能を向上させる余地が残っている。
【0007】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気中のCO濃度を増大させてNOx除去性能を高めるようにした排気浄化装置において、排気中のCO以外の還元剤成分の濃度を調整することにより、エンジンの運転中に全体としてNOx除去性能の向上を図ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成すべく、この発明では、排気中のCO濃度を高めて、NOx浄化材によるNOxの除去を促進するときに、排気中のHC濃度を低下させるようにした。
【0009】
具体的には、請求項1の発明では、図1に示すように、エンジン1の排気通路22に配設され、排気中のNOxを除去するNOx浄化材25と、排気中のCO濃度が増大するようにエンジン1の燃焼状態を調整するCO濃度増大手段aとを備えたエンジンの排気浄化装置Aを対象とし、このものに、少なくとも前記CO濃度増大手段aにより排気中のCO濃度を増大させるときに、前記NOx浄化材25へ流入する排気中のHC濃度を低下させるHC濃度低減手段bを前記NOx浄化剤よりも上流側の排気通路に設ける構成とする。そして、前記HC濃度低減手段bは、エンジンに供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍にあるときのHCの除去率がCOの除去率よりも高く設定され、且つHC除去率とCO除去率との差は、理論空燃比よりもリーン側においてリッチ側よりも小さくなるように設定されている三元触媒とし、その触媒層には白金及びロジウムが担持されていて、且つそれらの重量比が白金/ロジウム<3である構成する。
【0010】
この場合、三元触媒の白金及びロジウムの重量比が白金/ロジウム<3であるから、エンジンに供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍の所定範囲にあるときのHCの除去率がCOの除去率よりも高くなる。
【0011】
前記の構成により、エンジン1の運転中に、CO濃度増大手段aにより排気中のCO濃度が増大されて、還元剤成分であるCOの濃度の高い排気がNOx浄化材25の周囲に供給され、この排気中のCOがNOx浄化材25に作用することで、NOxの除去が促進される。エンジンの燃焼室からの排気は上流側の三元触媒を流通してから、NOx浄化材に供給されるが、その三元触媒のHC除去率がCO除去率よりも高く設定されているので、NOx浄化材への排気中のCO濃度はあまり低下しないのに対し、HC濃度は大幅に低下 する。つまり、前記三元触媒によりNOx浄化材への排気中のHC濃度を低下させることができる。従って、前記のようにCO濃度増大手段aにより排気中のCO濃度を増大させるときに、三元触媒によりNOx浄化材25への排気中のHC濃度が低下させられるので、排気中のHC濃度が高いことによって、前記のようなCOのNOx浄化材25への作用が妨げられることはなく、該NOx浄化材25にはその周囲の排気中のCOを最大限に作用させることができる。よって、NOxの除去性能を向上させることができる。
【0012】
また、HC除去率とCO除去率との差は、理論空燃比よりもリーン側においてリッチ側よりも小さくなるように設定されているから、リーン側でのCO除去率はそれほど低くならない。
【0013】
請求項2の発明では、エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁が設けられ、CO濃度増大手段は、前記燃料噴射弁により燃料を、気筒の吸気行程から圧縮行程の間で少なくとも2回に分割して噴射させるものとする。
【0014】
このことで、燃料噴射弁により燃料が少なくとも2回に分割して噴射されると、最初に噴射された燃料が燃焼室に均一に拡散して希薄な混合気を形成する一方、その後で噴射された燃料噴霧が過濃混合気を形成し、この過濃混合気部分では酸素が不足しているので、局所的な不完全燃焼によりCOが生成しやすい状態になる。また、その周囲の希薄混合気部分における燃焼は緩慢になるので、ここでもCOは生成しやすくなる。さらに、分割噴射によって開弁初期に噴射される粒の粗い燃料液滴の割合が増えるので、燃料噴霧の気化・霧化状態が悪くなり、このことによってもCOが生成しやすくなる。つまり、燃料噴射の分割により排気中のCO濃度を高めることができる。
【0015】
請求項3の発明では、NOx浄化材は、エンジンの気筒内燃焼室における空燃比が理論空燃比近傍かそれよりもリッチな状態にあるときに、排気中のNOxを還元浄化するNOx還元触媒からなるものとする。このことで、エンジンの気筒内燃焼室における空燃比が理論空燃比近傍かそれよりもリッチな状態のときに、NOx還元触媒により排気中のNOxを還元分解することができる。その際、還元剤成分であるCOの濃度が高まると、触媒上でのNOxの還元分解が早く進行するようになり、NOxの除去が促進される。
【0016】
請求項4の発明では、NOx浄化材は、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でNOxを吸収する一方、酸素濃度が低下するとNOxを放出するNOx吸収材からなるものとする。
【0017】
このことで、例えばエンジンを空燃比がリーンな状態で運転するとき、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でNOx吸収材により排気中のNOxが吸収され、その後、エンジンを理論空燃比近傍で運転すると、排気中の酸素濃度が低下して、前記NOx吸収材からNOxが放出される。このとき、排気中のCO濃度が高まれば、この排気中のCOがNOx吸収材に吸収されているNOと置換反応されることで、NOxの放出が促進される。また、還元性のあるCOの濃度が高くなれば、放出されたNOxの還元分解が促進される。つまり、NOx吸収材からNOxを十分に放出させて還元浄化することで、そのNOx吸収材の性能を十分に回復させることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
(エンジン全体構成)
図2は本発明の実施形態に係る排気浄化装置Aを搭載したエンジンの全体構成を示し、1は例えば車両に搭載された多気筒エンジンである。このエンジン1は複数の気筒2,2,…(1つのみ図示する)を有し、各気筒2内にピストン3が往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン3により気筒2内に燃焼室4が区画されている。この燃焼室4の上壁における気筒軸心上の位置には、点火回路5に接続された点火プラグ6が燃焼室4に臨むように取り付けられている。また、前記燃焼室4の周縁部には、この燃焼室4に燃料を直接噴射供給するようにインジェクタ(燃料噴射弁)7が取り付けられている。
【0019】
前記インジェクタ7には、図示しないが、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されており、この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料を適正な圧力に調整しながら、インジェクタ7に供給するようになっている。また、その燃料圧力を検出する燃圧センサ8が設けられている。そして、前記インジェクタ7により燃料が気筒2の圧縮行程後期に噴射されると、その燃料噴霧はピストン3の頂面に凹設したキャビティ(図示せず)にトラップされて、前記点火プラグ6近傍に比較的濃い混合気の層が形成される。一方、前記インジェクタ7により燃料が気筒2の吸気行程で噴射されると、その燃料噴霧は燃焼室4に拡散して吸気(空気)と混合されて、燃焼室4に均一な混合気が形成される。
【0020】
前記燃焼室4は、図示しない吸気ポートにより吸気弁9を介して吸気通路10に連通されている。この吸気通路10は、エンジン1の燃焼室4に対しエアクリーナ11で濾過した吸気を供給するものであり、上流側から下流側に向かって順に、エンジン1に吸入される吸入空気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ12と、吸気通路10を絞る電気式スロットル弁13と、サージタンク14とがそれぞれ配設されている。前記電気式スロットル弁13は、図外のアクセルペダルに対し機械的には連結されておらず、モータ15により駆動されて開閉するようになっている。さらに、前記スロットル弁13の開度を検出するスロットル開度センサ16と、サージタンク14内の吸気圧を検出する吸気圧センサ17とがそれぞれ設けられている。
【0021】
前記サージタンク14よりも下流側の吸気通路10は、気筒2毎に分岐する独立通路とされていて、その各独立通路の下流端部がさらに2つに分岐してそれぞれ吸気ポートに連通しており、その分岐路のうちの一方にスワール制御弁18が設けられている。このスワール制御弁18はアクチュエータ19により駆動されて開閉するものであり、スワール制御弁18が閉弁すると、吸気は他方の分岐路のみから燃焼室4に供給されて、その燃焼室4に強い吸気スワールが生成される一方、スワール制御弁18が開くに連れて、吸気スワールは弱められるようになっている。また、そのスワール制御弁18の開度を検出するスワール制御弁開度センサ20が設けられている。
【0022】
図2において22は燃焼室4から燃焼ガスを排出する排気通路で、この排気通路22の上流端は気筒2毎に分岐して、図示しない排気ポートにより排気弁23を介して燃焼室4に連通されている。この排気通路22には上流側から下流側に向かって順に、排気中の酸素濃度を検出するO2センサ24と、排気中のHC、CO及びNOxを浄化する三元触媒29と、排気中の酸素濃度の高い雰囲気(酸素過剰雰囲気)でも排気中のNOxを除去できるリーンNOx触媒25とがそれぞれ配設されている。
【0023】
前記O2センサ24の出力(起電力)は、図3に示すように、排気中の酸素濃度が略理論空燃比に対応する濃度(約0.5%)になっているときに基準値E1になるが、それよりも濃い場合(リッチ側)には急増する一方、それよりも薄い場合(リーン側)には急減するようになっている。つまり、O2センサ24は、その出力が理論空燃比を境にステップ状に反転するいわゆるラムダO2センサからなるものである。
【0024】
また、前記リーンNOx触媒25は、酸素過剰雰囲気で排気中のNOxを吸収する一方、排気中の酸素濃度が低下すると、前記吸収したNOxを放出して還元浄化するNOx吸収還元タイプのものである。前記三元触媒29は、酸素過剰雰囲気で排気中のHC及びCOを略100%酸化して浄化する一方、排気中の酸素濃度が低下すると、CO浄化率がHC浄化率よりも低くなるような特性を有するものである。前記各触媒25,29の詳しい構成については後述する。
【0025】
尚、前記酸素過剰雰囲気とは、排気中の酸素濃度が所定値(例えば4〜5%)以上の雰囲気で、エンジン1の燃焼室4の空燃比がかなりリーンな状態に相当する。また、前記の「酸素濃度の減少によって」とは、排気中の酸素濃度が例えば3〜4%未満(好ましくは1〜2%未満)になればよく、燃焼室4の空燃比が理論空燃比付近か或いは理論空燃比よりもリッチな状態に相当する。
【0026】
前記O2センサ24よりも上流側の排気通路22には、EGR通路26の上流端が分岐接続され、このEGR通路26の下流端は前記スロットル弁13とサージタンク14との間の吸気通路10に接続されていて、排気の一部を吸気系に還流させるようになっている。このEGR通路26の下流端寄りには開度調整可能な電気式のEGR弁27が配設されており、EGR通路26による排気の還流量(以下EGR量という)を調整するようになっている。また、そのEGR弁27のリフト量を検出するリフトセンサ28が設けられている。
【0027】
前記点火プラグ6の点火回路5、インジェクタ7、電気式スロットル弁13の駆動モータ15、スワール制御弁18のアクチュエータ19、電気式EGR弁27等はコントロールユニット40(以下、ECUという)によって作動制御されるようになっている。一方、このECU40には、前記エアフローセンサ12、スロットル開度センサ16、吸気圧センサ17、スワール制御弁開度センサ20、O2センサ24及びEGR弁27のリフトセンサ28の各出力信号が入力されており、加えて、エンジン1の冷却水温度(エンジン水温)を検出する水温センサ30、吸気温度を検出する吸気温センサ31、大気圧を検出する大気圧センサ32、エンジン回転数を検出する回転数センサ33、及びアクセルペダルの開度(アクセル操作量)を検出するアクセル開度センサ34の各出力信号が入力されている。
【0028】
(2つの触媒の配置構造)
本発明の第1の特徴は、前記のようにエンジン1の排気通路22にリーンNOx触媒25と三元触媒29とを配置した触媒の配置構造にあり、この2つの触媒25,29により、エンジン1を空燃比がリーンな状態で運転するとき(後述の成層燃焼状態)には、排気中のHC及びCOを略完全に酸化して浄化するとともに、排気中のNOxを吸収して除去することができる。一方、エンジン1を理論空燃比近傍で運転するとき(例えば加速運転時や後述のNOx放出制御を行うとき)には、詳しくは後述するが上流側の三元触媒29により排気中のHC及びNOxを十分に浄化するとともに、COはあまり浄化せずに下流側のリーンNOx触媒25に供給し、このリーンNOx触媒25からのNOxの放出及び還元浄化を促進するようにしている。
【0029】
具体的には、前記リーンNOx触媒25は、図4(a)に示すように、コージェライトからなるハニカム状担体25aを備え、この担体25a上に内側触媒層25b(ベースコート)と、その上の外側触媒層25c(オーバーコート)との2層の触媒層がコートされている。前記内側触媒層25bには、例えば触媒金属となる貴金属としての白金Ptと、NOx吸収材としてのバリウムBaとが多孔質材料であるアルミナ及びセリアをサポート材として担持されている。一方、外側触媒層25cには、貴金属としての白金及びロジウムとバリウムとが多孔質材料であるゼオライトをサポート材として担持されている。
【0030】
尚、不純物は1%以下とする。また、前記バリウムに代えてナトリウムNa、カリウムK、ストロンチウムSr、カルシウムCa等を用いてもよく、或いはそれらやバリウムのうちの2つ又は3つを組み合わせてもよい。要はアルカリ金属又はアルカリ土類金属のうちの少なくとも1種類の金属であればよい。
【0031】
また、内側触媒層25bのサポート材はアルミナ及びセリアに代えてゼオライトを、また外側触媒層25cのサポート材はゼオライトに代えてアルミナ又はセリアをそれぞれ用いてもよく、要はアルミナ、セリア及びゼオライトうちの2つ又は3つを組み合わせればよい。
【0032】
これに対し、前記上流側の三元触媒29は、同図(b)に示すように、例えばコージェライトからなるハニカム状担体29a上に内側触媒層29b(ベースコート)と外側触媒層29c(オーバーコート)との2層がコートされている。前記内側触媒層29bには、例えばアルミナ及びセリアをサポート材としてパラジウムPdが担持されている。
【0033】
一方、外側触媒層29cには、貴金属である白金及びロジウムがセリアをサポート材として担持されている。この白金及びロジウムの重量比はPt/Rh<3(3よりも小)であり、Pt/Rh=3/2〜1/5であることが望ましい。すなわち、白金及びロジウムの重量比をPt/Rh≧3(3以上)とすると、後述の如くCO浄化率を下げる効果が得られないので、Pt/Rh<3とする。また、Pt/Rh=0、つまり白金が担持されていなくてロジウムのみの場合、三元触媒29の製造時に触媒層6,7の焼成の段階で劣化が始まるので、好ましくない。
【0034】
また、三元触媒29の内外触媒層6,7全体に耐熱性向上のために3g/L程度のバリウムを加えてもよい。
【0035】
そして、この外側触媒層29cでセリアにより白金及びロジウムを担持していること、並びに白金及びロジウムの重量比をPt/Rh<3にしたことにより、図12に示すように、空燃比のリーン側への増大に伴って三元触媒29のCO浄化率が所定値(例えば80%)以上に増加する空燃比A1は、HC浄化率が前記所定値(同80%)以上に増加する空燃比A2よりもリーン側(A1>A2)に設定されており、このことで三元触媒29の理論空燃比近傍でのCO浄化率がHC浄化率よりも低く設定されている。また、HC除去率とCO除去率との差は、理論空燃比よりもリーン側においてリッチ側よりも小さくなるように設定されている。
【0036】
具体的に、例えばHCの浄化率が80%以上になる空燃比が理論空燃比よりもリッチなA/F=14.6(=A2)であると、COの浄化率が80%以上となる空燃比は前記A/F=14.6よりも大きいA/F=14.62(=A1)となるように、HCの80%浄化率に対しCOの80%浄化率が空燃比でA/F=0.02以上リーン側に設定されている。また、前記の空燃比A2ではCOの浄化率は約40%になっているので、排気中のCO濃度をあまり低下させないようにしつつ、HC濃度を十分に低下させることができる。さらに、前記CO浄化率が所定値以上となる空燃比の上限値は、NOx浄化率が大きく低下しないように設定されるが、A/F=14.75以上になることはない。
【0037】
尚、前記の浄化率の測定には模擬排気ガスを用いており、空燃比をA/F=14.6とするときの排気ガスの組成は以下の通りである。
すなわち、 HC(フ゜ロヒ゜レン):0.055%、CO2:13.9%、O2:0.55%、
CO:0.7%、H2:0.24%、NO:0.1%、N2:残部。
また、このときの排気ガスの空間速度はSV=60000/hである。
また、、空燃比をA/F=14.62とするときの酸素、一酸化炭素及び水素の濃度は、それぞれ、O2:0.55%、CO:0.68%、H2:0.23%、であり、それ以外は前記と同じである。
【0038】
前記各触媒25,29を製造する場合、例えば内側触媒層25b,29bは含浸法により形成し、また外側触媒層25c,29cはスプレードライ法を利用するのが望ましい。すなわち、リーンNOx触媒25にあっては、バインダと、貴金属を担持しないアルミナ及びセリアのパウダーとを混ぜ合わせてスラリーを調製し、このスラリーを担体25aにウォッシュコートして乾燥焼成し、担体25a上に内側触媒層25bを形成する。また、ゼオライトのパウダーと錯体としてのロジウム溶液と水とを混ぜてスラリーを調製し、このスラリーを加熱雰囲気中に噴霧して乾燥焼成し、オーバーコートパウダーを得る(スプレードライ法)。そして、このオーバーコートパウダーをバインダとを混合してスラリーを調製し、このスラリーを、前記内側触媒層25bの上から担体25aに対しウォッシュコートして乾燥焼成する。そして、このようにして2層の触媒層25b,25cをコートした後、その各触媒層25b,25cに白金及びバリウムの混合溶液を含浸させて白金及びバリウムを担持させる。しかる後に乾燥及び焼成する。
【0039】
一方、三元触媒29にあっては、バインダと、貴金属としてのパラジウムを担持したアルミナ及びセリアのパウダーとを混ぜ合わせてスラリーを調製し、このスラリーを担体29aにウォッシュコートして乾燥焼成し、担体29a上に内側触媒層29bを形成する。また、前記スプレードライ法は噴霧乾固法とも呼ばれる方法であり、セリアのパウダーと錯体としての白金溶液及びロジウム溶液と水とを混ぜてスラリーを調製し、このスラリーを加熱雰囲気中に噴霧して乾燥焼成し、オーバーコートパウダーを生成する。そして、このオーバーコートパウダーをバインダとを混合してスラリーを調製し、このスラリーを、前記内側触媒層29bの上から担体29aに対しウォッシュコートして乾燥及び焼成し、外側触媒層29cを形成する。
【0040】
(エンジン制御の概要)
この実施形態に係るエンジン1は、その運転状態に応じてインジェクタ7による燃料噴射の形態(燃料噴射時期及び空燃比等)が切替えられて、異なる燃焼状態で運転されるようになっている。すなわち、エンジン1の温間時には、例えば図5に示すように、低負荷低回転側の所定領域が成層燃焼領域とされ、図6に示すように、インジェクタ7により圧縮行程後期に燃料を一括して噴射させて、点火プラグ6の近傍に混合気が偏在する成層状態で燃焼させる燃焼モードになる。この成層燃焼モードでは、エンジン1のポンプ損失を低減するためにスロットル弁13の開度を大きくしており、このことで、燃焼室4の平均空燃比は大幅にリーンな状態(例えばA/F=30くらい)になる。
【0041】
一方、それ以外の運転領域は均一燃焼領域とされており、低負荷側のλ=1分割領域では、インジェクタ7により燃料を吸気行程と圧縮行程とでそれぞれ1回ずつ合計2回に分割して噴射させるとともに、燃焼室4における混合気の空燃比が略理論空燃比(A/F=14.7)になるように、燃料噴射量やスロットル開度等を制御する(以下、λ=1分割モードという)。また、均一燃焼領域における高負荷ないし高回転側のエンリッチ領域では、インジェクタ7により燃料を吸気行程前期に一括して噴射させるとともに、空燃比は理論空燃比よりもリッチな状態(例えばA/F=13〜14)にさせる(以下、エンリッチモードという)。
【0042】
また、前記図5の制御マップに斜線を入れて示す領域では、EGR弁27を開弁させて、EGR通路26により排気の一部を吸気通路10に還流させるようにしている。尚、図示しないが、エンジン冷間時には燃焼安定性の向上のためにエンジン1の全ての運転領域を均一燃焼領域としている。
【0043】
より詳しくは、前記ECU40はエンジン出力に関係する各種制御パラメータとして、例えば、インジェクタ7による燃料噴射量及び噴射時期、スロットル弁13により調整される吸入空気量、スワール制御弁18により調整される吸気スワール強さ、EGR弁27により調整されるEGR量等をエンジン1の運転状態に応じて決定するようになっている。
【0044】
具体的に、まず、アクセル開度accel及びエンジン回転数neに基づいて、エンジン1の目標トルクtrqが演算される。この目標トルクtrqは予めベンチテスト等により、要求される出力性能が得られるようにアクセル開度accel及びエンジン回転数neとの対応関係が求められ、この対応関係がマップとしてECU40のメモリに記憶されていて、このマップから、実際のアクセル開度accel及びエンジン回転数neに対応する値が読み込まれる。前記アクセル開度accel及びエンジン回転数neと目標トルクtrqとの対応関係は、例えば、図7(a)に示すようになり、目標トルクtrqはアクセル開度accelが大きくなるに連れて増加し、かつエンジン回転数neが高いほど大きくなる。
【0045】
続いて、前記のように求めた目標トルクtrqとエンジン回転数neとに基づいて、運転モードが設定される。すなわち、例えばエンジン温間時には、前記図5に示すように、目標トルクtrqが所定の低負荷側しきい値trq*よりも低く、かつエンジン回転数neが低いときには成層燃焼モードとする一方、それ以外の運転状態では均一燃焼モードとし、さらにこの場合は、目標トルクtrq及びエンジン回転数neに応じてλ=1分割モードかエンリッチモードかを選択する。
【0046】
続いて、前記運転モード別に目標空燃比afwが設定される。すなわち、成層燃焼モードやエンリッチモードでは目標トルクtrqとエンジン回転数neとに応じて、予め作成されているマップから目標空燃比afwを求め、また、λ=1分割モードでは目標空燃比afwを理論空燃比とする。そして、この目標空燃比afw、エンジン回転数ne及び前記目標トルクtrqに基づいて目標充填効率ceを演算し、さらに、この目標充填効率ceとエンジン回転数neとに応じて、予め作成されているマップ(図7(b)参照)からスロットル開度tvoを求める。尚、エンジン回転数とスロットル開度との対応関係はEGRの有無によって異なり、スロットル開度 tvoはEGRがある場合にはない場合よりも大きめにされる。
【0047】
また、エアフローセンサ12からの出力信号に基づいて、エンジン1の実充填効率ceが演算され、この実充填効率ceと前記目標空燃比afwとに基づいて、基本的な燃料噴射量qbaseが演算される。
【0048】
qbase = KGKF×ce/afw (但し、KGKFは換算用の係数)
これとともに、運転モード別に吸気行程噴射と圧縮行程噴射との燃料の分割比が設定され、成層燃焼モードでは吸気行程噴射割合が0%となる一方、エンリッチモードでは吸気行程噴射割合が100%となり、また、λ=1分割モードでは目標空燃比afw及びエンジン回転数neに応じて分割比が設定される。
【0049】
さらに、燃料噴射時期が前記運転モード別に設定され、図示しないが、成層燃焼モードでは目標トルクtrqとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから圧縮行程噴射用の噴射時期Inj_TTが求められる一方、均一燃焼モードではエンジン回転数neに応じて予め設定されているテーブルから吸気行程噴射用の噴射時期Inj_TLが求められる。また、分割噴射の場合には圧縮行程噴射用の噴射時期Inj_TTとして成層燃焼モードにおけるデータが流用されるとともに、目標空燃比afw及びエンジン回転数neに応じて予め作成されているマップから吸気行程噴射用の噴射時期Inj_TLが求められる。
【0050】
その他、エンジン1の点火時期も運転モード別に設定されており、成層燃焼モードでは、主に目標トルクtrqとエンジン回転数neとに基づいて基本点火時期が求められる一方、λ=1分割モードやエンリッチモードでは、基本点火時期は充填効率ceとエンジン回転数neとに基づいて求められ、この基本点火時期がエンジン水温等に基づいて補正される。さらに、前記スワール制御弁18も運転モード別に制御されるようになっており、成層燃焼モードでは、スワール制御弁18の開度は目標トルクtrqが大きいほど、またエンジン回転数neが高いほど大きくされる一方、λ=1分割モードやエンリッチモードでは、スワール制御弁18の開度は目標トルクtrqが大きいほど、またエンジン回転数neが高いほど小さくされる。尚、EGR量もエンジン1の運転状態に応じて、運転モード別に制御されるようになっている。
【0051】
(燃料噴射制御)
この実施形態では、上述の如く、エンジン1を成層燃焼モードで運転して、燃費の大幅な改善を図るとともに、その成層燃焼モードのように空燃比が極めてリーンな運転状態でも排気中のNOxを低減できるように、いわゆる吸収還元タイプのリーンNOx触媒25を採用している。そして、このリーンNOx触媒25の浄化性能を安定して発揮させるために、リーンNOx触媒25におけるNOxの吸収量がある程度多くなれば、そのNOxを放出させるNOx放出制御を行うようにしている。
【0052】
また、排気に含まれる微量のSOxがリーンNOx触媒25のバリウムに吸収されて、時間の経過とともに徐々にNOxの吸収性能が低下するいわゆる硫黄被毒の問題に対し、前記リーンNOx触媒25におけるSOxの吸収量が所定以上に多くなったときに、そのSOxを強制的に脱離させるSOx脱離制御を行うようにしている。
【0053】
本発明の第2の特徴は、前記のNOx放出制御やSOx脱離制御の実行時に、燃焼室4の空燃比を略理論空燃比近傍に制御するとともに、インジェクタ7による燃料の噴射を2分割することにより、排気中のCO濃度を大幅に高めるようにしたことにある。
【0054】
次に、燃料噴射制御の処理手順を、図8〜図11に示すフローチャート図に沿って具体的に説明すると、まず、前記図8に示すように、スタート後のステップSA1において、エアフローセンサ12、O2センサ24,水温センサ30、回転数センサ33、アクセル開度センサ34等の各種センサ信号を受け入れるとともに、ECU40のメモリから各種データを入力する。続いて、ステップSA2において、上述の如く充填効率ceや目標空燃比afw等に基づいて基本燃料噴射量qbaseを演算して設定する。
【0055】
続いて、ステップSA3〜SA9の各ステップにおいて、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射のそれぞれの噴射パルス幅τL,τTと、それぞれの噴射時期Inj_TL,Inj_TTとを運転モード別に求める。すなわち、まずステップSA3ではλ=1分割モードかどうか判定する。この判定がNOならばステップSA6に進む一方、判定がYESならばステップSA4に進んで、前記基本燃料噴射量qbaseを分割比に応じて吸気行程と圧縮行程とに分け、その各噴射量に対応する噴射パルス幅τをインジェクタ7の流量特性に基づいて、それぞれ吸気行程噴射パルス幅τL=τL1、及び圧縮行程噴射パルス幅τT=τT2として設定する。続いて、ステップSA5において、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射のそれぞれの噴射時期を設定する(Inj_TL=Inj_TL1、Inj_TT=Inj_TT1)。
【0056】
また、前記ステップSA3でλ=1分割モードではないNOと判定されて進んだステップSA6では、成層燃焼モードかどうか判定し、この判定がNOならばステップSA9に進む一方、判定がYESならばステップSA7に進んで、吸気行程噴射パルス幅τL=0とするとともに、圧縮行程噴射パルス幅τTを前記基本燃料噴射量qbaseに対応する値τT1とする。続いて、ステップSA8では、圧縮行程噴射の噴射時期を設定する(Inj_TT=Inj_TT2)。一方、前記ステップSA6で成層燃焼モードではないNOと判定されて進んだステップSA9では、フーエルカット制御を行うかどうか判定し、この判定がYESならばリターンする一方、判定がNOならばステップSA10に進んで、吸気行程噴射パルス幅τLを前記基本燃料噴射量qbaseに対応する値τL1とするとともに、圧縮行程噴射パルス幅τT=0とし、続くステップSA11で、吸気行程噴射の噴射時期を設定する(Inj_TL=Inj_TL3)。
【0057】
前記図8のステップSA5,SA8,SA11に続いて、図9に示すステップSB1では、リーンNOx触媒25におけるNOx吸収量を推定する。この推定は例えば、最後にNOxの放出を促す制御(NOx放出制御)を行ってからの走行距離とその間に消費した燃料の総量とに基づいて行い、その推定結果に基づいて、続くステップSB2において、NOx吸収量が予め設定した所定値以上になったかどうか、即ち、NOxの吸収過剰状態か否か判定する。この判定がNOであればステップSB10に進む一方、判定がYESであればステップSB3に進み、NOx放出制御を行う期間であることを示すフラグF1をオンにする(F1=1)。尚、前記ステップSB2において、エンジン1の加速運転時にはNOx吸収量に拘わらずYESと判定して、後述の如くNOx放出制御を行うようにしてもよい。
【0058】
続いて、ステップSB4では、初期値0の第1タイマ値T1をインクリメントし、続くステップSB5において、この第1タイマ値T1が予め設定したしきい値T10以上になったか否か判別する。この判別がYESであれば、NOx放出制御を行う期間は終了したと判定してステップSB11,SB12に進み、フラグF1をクリアして(F1=0)、第1タイマをリセットする(T1=0)。一方、判定がNOであればステップSB6に進み、このステップSB6〜SB9の各ステップにおいて、O2センサ24からの信号に基づくフィードバック制御演算を行う。
【0059】
具体的に、まず前記ステップSB6では、O2センサ24からの出力Eを理論空燃比に対応する基準値E1と比較し、出力Eが基準値E1よりも大きいYESであればステップSB7に進んで、フィードバック補正値τCL,τCTを演算する。すなわち、フィードバック補正値τCL,τCTの前回値からそれぞれ定数α、βを減算して今回値とする。一方、前記ステップSB6でO2センサ24からの出力Eが基準値E1以下でNOであれば、ステップSB8に進み、フィードバック補正値τCL,τCTの前回値に定数α、βを加算して、今回値を求める。
【0060】
続いて、ステップSB9では、燃焼室4の空燃比が理論空燃比になるように実充填効率ceに応じて求めた噴射パルス幅τL4,τT4と、前記ステップSB7,SB8で求めたフィードバック補正値τCL,τCTとに基づいて、NOx放出制御時の吸気行程及び圧縮行程噴射パルス幅τL,τTをそれぞれ演算するとともに、それらの噴射時期を改めて設定する。
【0061】
τL = τL4+τCL、 Inj_TL = Inj_TL4
τT = τT4+τCT、 Inj_TT = Inj_TT4
つまり、O2センサ24からの出力Eが基準値E1よりも大きい間は、空燃比は理論空燃比よりもリッチなので、制御のサイクル毎に吸気及び圧縮行程での燃料噴射量を一定量α,βずつ徐々に減少させて、空燃比をリーン側に変化させる。一方、前記出力Eが基準値E1よりも小さくなれば、今度は空燃比がリーンになったので、燃料噴射量を徐々に増大させて、空燃比をリッチ側に変化させるようにしている。尚、前記ステップSB7〜SB9では、吸気行程及び圧縮行程噴射量を両方共にフィードバック補正するようにしているが、これに限らず、吸気行程噴射量だけをフィードバック補正するようにしてもよい。これは、吸気行程での燃料噴射量を変更しても、燃焼状態や排気への悪影響は少ないからである。
【0062】
また、前記ステップSB2で、NOと判定されて進んだステップSB10では、フラグF1の状態を判別して、フラグがオンであれば(F1=1)、NOx放出制御を行う期間であると判定して前記ステップSB4に進む一方、フラグがオフであれば(F1=0)、NOx放出制御を行う期間でないと判定して前記ステップSB11,SB12に進む。
【0063】
前記図9のステップSB9,SB12に続いて、図10に示すステップSC1では、今度は、リーンNOx触媒25の硫黄被毒の度合い、即ちSOx吸収量を推定する。この推定も前記ステップSB1におけるNOx吸収量の推定と同様に、最後にSOxの脱離を促す制御(SOx脱離制御)を行ってからの走行距離とその間に消費した燃料の総量とに基づいて、その間の触媒の温度状態を加味して行う。そして、その推定結果に基づいて、続くステップSC2において、SOx吸収量が予め設定した所定値以上になったかどうか、即ち、SOxの吸収過剰状態か否か判定する。ここで、排気中の硫黄成分は僅かなので、通常、SOx吸収過剰状態になるまでの走行距離は、NOx吸収過剰状態になるまでの走行距離よりもはるかに長い。
【0064】
前記ステップSC2における判定がNOであればステップSC13に進む一方、判定がYESであればステップSC3に進み、SOx脱離制御を行う期間であることを示すフラグF2をオンにする(F2=1)。そして、ステップSC4では排気温度thg、即ちリーンNOx触媒25の温度状態を推定する。この推定は、主に推定時の実充填効率ceとエンジン回転数neとに基づいて、そこに推定前の所定時間内における成層燃焼モードでの運転時間や、分割噴射を行った時間を加味して行うが、排気温度thgは、充填効率やエンジン回転数が高いほど高くなるとともに、分割噴射によっても高くなる傾向がある。一方、成層燃焼モードでは排気温度thgがかなり低くなるので、成層燃焼モードでの運転時間が長いほどリーンNOx触媒25の温度状態は低くなる。
【0065】
続いて、ステップSC5では、排気温度thgが設定温度thg0(例えば450°C)以上か否か判別し、この判別がNOならば図11のステップSD1に進む一方、判別がYESならばステップSC6に進んで、SOx脱離制御を実行する。このように排気温度がある程度高いときにのみSOx脱離制御を行うようにするのは、リーンNOx触媒25の温度状態がある程度以上に高くならないと、リーンNOx触媒25からSOxを脱離させることはできないからである。
【0066】
前記ステップSC5に続くステップSC6では、初期値0の第2タイマ値T2をインクリメントし、続くステップSC7において、この第2タイマ値T2が予め設定したしきい値T20以上になったか否か判別する。この判定がNOである間ば、ステップSC8に進んで、このステップSC8〜SC11の各ステップにおいて、O2センサ24からの信号に基づくフィードバック制御演算を行う。このフィードバック制御演算の具体的な手順は前記図9のステップSB6〜SB9と同じなので、説明は省略する。そして、前記しきい値T20に対応する時間が経過して、リーンNOx触媒25からSOxが十分に脱離すれば、前記ステップSC7の判定がYESになってステップSC12に進み、フラグF2をクリアして(F2=0)、図11のステップSD1に進む。
【0067】
一方、前記ステップSC2で、NOと判定されて進んだステップSC13では、フラグF2の状態を判別して、フラグがオンであれば(F2=1)、SOx脱離制御を行う期間であると判定して前記ステップSC4に進む一方、フラグがオフであれば(F2=0)、SOx脱離制御を行う期間でないと判定してステップSC14,SC15に進み、フラグF2をクリアするとともに(F2=0)、第2タイマをリセットして(T2=0)、図11のステップSD1に進む。
【0068】
前記ステップSC5,SC11,SC12,SC15に続いて、図11のステップSD1では、まず吸気行程噴射パルス幅τLが零であるか否か判別して、パルス幅が零でYESあれば(τL=0)ステップSD4に進む一方、パルス幅が零でないNOであればステップSD2に進んで、吸気行程噴射時期Inj_TLのタイミングになったか否か判別する。そして、噴射タイミングになるまで待機して、噴射タイミングになれば(ステップSD2でYES)、ステップSD3に進んでインジェクタ7により吸気行程噴射を実行する。続いて、ステップSD4〜SD6の各ステップにおいて、前記と同様に圧縮行程噴射を実行して、しかる後にリターンする。
【0069】
前記図9に示すフローのステップSB3〜SB9の各ステップ、及び図10に示すフローのステップSC3〜SC11の各ステップによって、それぞれ、インジェクタ7により燃料を気筒の吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ1回ずつ2分割して噴射させることにより、排気中のCO濃度を増大させるCO濃度増大手段40aが構成されている。
【0070】
(作用効果)
次に、前記実施形態の作用効果を説明する。
【0071】
このエンジン1は、例えばアイドル運転時等に成層燃焼モードで運転されて、燃焼室4の空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態になっているときに、排気通路22の上流側に配置されている三元触媒29により、排気中のCO及びHCが浄化されるとともに、下流側のリーンNOx触媒25により排気中のNOxが吸収されて除去される。また、例えば図13に示すように、エンジン1の加速運転状態では、燃焼室4の空燃比が略理論空燃比近傍に制御されるので、前記リーンNOx触媒25からNOxが放出されて還元浄化される。このとき、前記三元触媒29のCO浄化率がHC浄化率よりも低く設定されているので、該三元触媒29を経て下流側のリーンNOx触媒25に供給される排気中には、還元剤として働くCOが多く含まれていて、このCOによりNOxの還元浄化が促進される。
【0072】
その後しばらくの間、エンジン1が成層燃焼モードで運転されると、最後にNOxを放出してからの走行距離とその間の燃料消費量とに基づいて、リーンNOx触媒25のNOx吸収量が過剰になったことが判定され(フラグF1=1)、図9のフローに示すようなNOx放出制御が行われる。すなわち、インジェクタ7により燃料が2分割して噴射され、そのうちの吸気行程で噴射された一部の燃料が燃焼室4に均一に拡散して希薄な混合気を形成する一方、圧縮行程で噴射された残りの燃料が点火プラグ6の近傍に過濃混合気を形成する。この過濃混合気部分では着火直後の初期燃焼速度は速いものの、酸素が不足しているので、局所的な不完全燃焼によりCOが生成しやすい状態になる。また、インジェクタ7の開弁回数が増えることで、開弁初期に噴射される粒の粗い燃料液滴の割合が増えるので、このことによってもCOは生成しやすくなる。
【0073】
一方、希薄混合気の燃焼は緩慢になるので、燃料の一部が燃焼し切らないで排出されるようになり、このことで、排気中のCO濃度はますます高くなる。また、燃焼室4の周縁部まで広がる混合気が希薄になることで、気筒2の内壁やピストン3との間隙に残る未燃燃料は減少し、このことでで、排気中のHC濃度は低下する。
【0074】
つまり、インジェクタ7により燃料を、各気筒2の吸気行程及び圧縮行程で分割して噴射させることによって、排気中のCO濃度が大幅に高まるとともに、HC濃度は低下するようになる。
【0075】
そして、その排気が三元触媒29を通過すると、この三元触媒29によりHCの殆どが浄化される一方、COの多くは浄化されずに残るので、下流側のリーンNOx触媒25にはCO濃度が十分に高くかつHC濃度の低い排気が供給されるようになり、このCOの作用により、リーンNOx触媒25からのNOxの放出が促進される。
【0076】
具体的には、前記リーンNOx触媒25において、NOxはバリウム粒子の表面に硝酸塩の形態で吸着されており、この硝酸バリウムBa(NO3)2がCOの供給により置換されて、炭酸バリウムBaCO3と二酸化窒素NO2とが生成すると考えられる。
【0077】
Ba(NO3)2+CO → BaCO3+NO2↑ (係数省略)
そして、触媒金属上でNO2がHCやCO等と反応して還元浄化される。
【0078】
NO2 +HC+CO → N2 +H2O+CO2 (係数省略)
また、排気中のCO濃度が高くなると、このCOと排気中の水分H2Oとの間でいわゆる水性ガスシフト反応が進行し、これにより、触媒の反応サイトで水素H2が生成される。
【0079】
CO+H2O → H2+CO2
そして、この水素H2は強い還元作用を有しており、バリウム粒子に吸収されているNOxやイオン成分を放出させやすくすると考えられる。
【0080】
要するに、この実施形態によれば、燃料噴射の分割等によって排気中のCO濃度を高めることにより、リーンNOx触媒25の内側触媒層25bに担持されたバリウム粒子の周囲に多量のCOを供給して、このバリウム粒子に吸収されているNOxの放出を促すことができる。また、このときに燃焼室4の空燃比が理論空燃比よりもリッチ側とリーン側とに周期的に変化していて、バリウム粒子の周囲のCO等の分圧が周期的に変動しているので、NOxの放出はさらに促進される。
【0081】
ここで、前記リーンNOx触媒25への排気中のHC濃度が高ければ、その分、COとバリウム粒子との接触の機会が減って、前記のようなCOによるNOx放出作用が阻害される虞れがあるが、この発明では、リーンNOx触媒25よりも排気上流側の三元触媒29により、排気中のHC濃度を大幅に低下させるようにしているので、前記バリウム粒子の周囲のHC濃度は極めて低くなり、このことで、該バリウム粒子に対するCOの作用を最大限に高めて、NOxの放出を最大限に促進することができる。尚、前記リーンNOx触媒25の外側触媒層25cにはゼオライトが担持されており、このゼオライトにより排気中のCOやHCが吸着保持されるとともに、そのHCが部分酸化されてHCOやCOに変わるので、このことによっても、内側触媒層25bに担持されているバリウム粒子に対するCOの作用を強めることができる。
【0082】
したがって、この実施形態の排気浄化装置Aによれば、NOx放出制御時に排気中のCOの作用を最大限に強めて、リーンNOx触媒25からNOxを十分に放出させ、かつその放出されたNOxを略完全に還元浄化することができる。そして、そのようにしてリーンNOx触媒25のNOx吸収性能を十分に回復させることができるので、その後にエンジン1を成層燃焼モードで運転するときにも、前記リーンNOx触媒25によるNOxの吸収性能を十分に発揮させることができる。つまり、エンジン1の運転中に全体としてNOxの除去性能を向上させることができる。
【0083】
さらにまた、この実施形態によれば、リーンNOx触媒25の硫黄被毒によるNOx除去性能の低下を防止することができる。すなわち、例えば、エンジン1を搭載した車両の走行距離が数千kmに及んだときには、エンジン1の運転中にリーンNOx触媒25にSOxが徐々に蓄積されることによりNOxの吸収性能が低下する虞れがある。
【0084】
そこで、前記図10のフローに示すように、エンジン1の運転中にリーンNOx触媒25における硫黄成分の吸収過剰状態が判定されて、フラグF2がオンになると(F2=1)、このときにリーンNOx触媒25が高温状態(例えば450°C以上)になっていて、SOxを脱離可能な状態であれば、前記のNOx放出制御と同じようにSOx放出制御が行われて(図13参照)、排気中のCO濃度が大幅に高められるとともに、三元触媒29によりHCが選択的に酸化されることにより、リーンNOx触媒25への排気中のHC濃度が低くされる。そして、このようにしてCO濃度が極めて高くかつHC濃度の低い排気がリーンNOx触媒25に供給されることで、該リーンNOx触媒25からのSOxの脱離が促進される。
【0085】
前記SOx脱離制御によりSOxの脱離を促進するときの具体的な反応は前記のNOxの放出の場合と同様であり、バリウム粒子の表面に吸収されている硫酸バリウムBaSO4がCOの供給により置換されて、炭酸バリウムBaCO3と二酸化硫黄とが生成すると考えられる。
【0086】
BaSO4+CO → BaCO3+SO2↑ (係数省略)
また、前記NOx放出の場合と同様に、水性ガスシフト反応により触媒の反応サイトで生成した水素H2がSOxを硫化水素H2Sの形態で脱離させることによっても、リーンNOx触媒25からの硫黄成分の脱離が促進されると考えられる。
【0087】
【実施例】
次に、具体的に実施した実施例(試験結果)について説明する。
【0088】
この試験に用いたリーンNOx触媒は、前記各実施形態のものと同じく2層コートのものであり、内側触媒層には、サポート材としてアルミナとセリアとを用い、これに白金PtとバリウムBaとを担持させた。また、外側触媒層には、サポート材としてゼオライトを用い、これに白金Pt及びロジウムRhとBaとを担持させた。そして、前記の触媒を排気量2000ccの筒内噴射式ガソリンエンジンの排気通路に配設し、排気中の酸素濃度が約7%となるリーン状態(空燃比A/F=22くらい)と、排気中の酸素濃度が略0.5%となるλ=1状態(空燃比A/F=14.7くらい)とに交互に切替えて運転して、その運転状態の切替えに伴うNOx除去率の変化を求めたものである。
【0089】
図14(a)は、排気中のHC濃度を略通常通りの値(約4000ppm)とした場合について、燃料を吸気行程及び圧縮行程に2分割して噴射して、CO濃度を増やしたとき(CO濃度が約1〜2%)と、通常の一括噴射のとき(CO濃度が約0.16%)とを対比して示したものである。このように排気中のHC濃度が高いときには、分割噴射によってCO濃度を高めてもNOx除去率は向上せず、むしろλ=1状態でのNOx除去率がやや低下することが分かる。尚、前記HCとしては主にプロピレンC3H6を用いており、このHC、CO及び酸素以外の排気の組成は、NOが約260ppm、H2が約650ppm、そして、残りをN2としている。
【0090】
一方、同図(b)は排気中のHC濃度を大幅に低下させるとともに(約300ppm)、前記と同様に、分割噴射によってCO濃度を増やしたときと、通常の一括噴射とを対比して示したものである。この場合には、通常の一括噴射を行うと排気中のCO濃度が低くなる(約0.16%)ことから、還元剤成分であるCO、HCの両方が少なくなり、λ=1状態になった直後にはリーンNOx触媒から放出されるNOxを還元し切れずに大気中に排出してしまう。また、リーンNOx触媒からのNOxの放出も不十分に終わるので、リーン状態でのNOx吸収性能も低くなってしまい、全体としてNOx除去性能の低下が著しい。
【0091】
これに対し、分割噴射によってCO濃度を高めると(約1〜2%)、λ=1状態でのNOx除去率は極めて高くなる。すなわち、この場合には、排気中にCO及びHCが両方共に十分にあるとき(図(a)参照)よりも、特にリーン状態からリッチ状態に切り替わった後の所定の短い期間でさらにNOx除去性能が向上しており、このことから、排気中のCO濃度が十分に高ければ、HC濃度はむしろ低いほうが好ましいと言うことができる。また、排気中のCOの作用が強まって、リーンNOx触媒からのNOxの放出も良好に促進される結果、このリーンNOx触媒が十分に再生され、リーン状態でのNOx吸収性能も向上している。尚、リーン状態でのNOx除去性能が、HC濃度が高い場合(図(a)参照)よりも高いのは、排気中のHC濃度が低下して、排気通路におけるHCの燃焼が少なくなったことで、排気温度が低下したためであると考えられる。
【0092】
(他の実施形態)
尚、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、CO濃度増大手段40aとして、インジェクタ7により燃料を、2回に分割して各気筒の吸気行程と圧縮行程とでそれぞれ噴射させるようにしているが、これに限らず、例えば3回以上に分割させるようにしてもよい。また、例えば各気筒の膨張行程や排気行程で燃料を噴射することにより、排気中のCO濃度を増大させるようにしてもよく、さらには、排気通路22に直接、COを供給する手段を設けることも可能である。
【0093】
【発明の効果】
以上説明した如く、請求項1の発明に係るエンジンの排気浄化装置によれば、エンジンの運転中にCO濃度増大手段により排気中のCO濃度を増大させて、還元剤成分であるCOをNOx浄化材へ十分に供給するとともに、HC濃度低減手段により前記NOx浄化材への排気中のHC濃度を低下させることによって、該NOx浄化材に対しその周囲の排気中のCOを最大限に強く作用させることができ、このことにより、NOx除去性能の向上が図られる。
【0094】
特にHC濃度低減手段として、NOx浄化材よりも上流側の排気通路に、白金及びロジウムの重量比が白金/ロジウム<3とされて、理論空燃比近傍でのHCの除去率がCOの除去率よりも高く設定され、且つHC除去率とCO除去率との差は、理論空燃比よりもリーン側においてリッチ側よりも小さくなるように設定された三元触媒を配設したから、リーン側でのCO除去率の大きな低下を招くことなく、理論空燃比近傍においてNOx浄化材への排気中のHC濃度を低下させることができ、NOx除去性能の向上に有利になる。
【0095】
請求項2の発明によると、燃料噴射弁により燃料を、気筒の吸気行程から圧縮行程の間で少なくとも2回に分割して噴射させることで、排気中のCO濃度を高めることができる。
【0096】
請求項3の発明によると、NOx浄化材をNOx還元触媒からなるものとしたので、排気中のCO濃度を高めることにより、COのNOx浄化材への作用を強めて、NOxの還元分解を促進できる。
【0097】
請求項4の発明によると、NOx浄化材をNOx吸収材からなるものとしたので、該NOx吸収材からNOxを放出させるときに排気中のCO濃度を高めることにより、NOxの放出と還元分解とを促進して、そのNOx吸収材の性能を十分に回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の構成を示す説明図である。
【図2】 本発明の実施形態に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図3】 空燃比の変化に対するO2センサの出力特性を示す図である。
【図4】 リーンNOx触媒(a)及び三元触媒(b)の概略構成をそれぞれ示す断面図である。
【図5】 エンジンの成層燃焼モード、λ=1分割モード及びエンリチモードの各運転領域を設定したマップの一例を示す図である。
【図6】 エンジンの各運転領域における燃料噴射時期を示すタイムチャート図である。
【図7】 エンジン回転数及びアクセル開度に対応するエンジンの目標トルクを設定したマップ(a)と、エンジン回転数及び目標トルクに対応するスロットル弁の開度を設定したマップ(b)とをそれぞれ例示する説明図である。
【図8】 基本的な燃料噴射量及び燃料噴射時期の設定手順を示すフローチャート図である。
【図9】 NOx放出制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図10】 SOx脱離制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図11】 吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の実行手順を示すフローチャート図である。
【図12】 理論空燃比近傍での三元触媒によるHC、CO及びNOxの浄化特性を示す図である。
【図13】 エンジン運転中にNOx放出制御やSOx脱離制御が行われるときの空燃比の変化を示すタイムチャート図である。
【図14】 排気中のHC濃度が高い場合(a)と低い場合(b)とについて、それぞれ燃料噴射を2分割したときのNOx除去率の変化を、分割しないときと対比して示したグラフ図である。
【符号の説明】
A エンジンの排気浄化装置
1 エンジン
2 気筒
4 燃焼室
7 インジェクタ(燃料噴射弁)
22 排気通路
25 リーンNOx触媒(NOx還元触媒、NOx吸収材、吸収浄化材)
29 三元触媒(HC濃度低減手段)
40 コントロールユニット(ECU)
40a CO濃度増大手段
Claims (4)
- エンジンの排気通路に配設され、排気中のNOxを除去するNOx浄化材と、
排気中のCO濃度が増大するようにエンジンの燃焼状態を調整するCO濃度増大手段とを備えた排気浄化装置において、
少なくとも前記CO濃度増大手段により排気中のCO濃度を増大させるときに、前記NOx浄化材へ流入する排気中のHC濃度を低下させるHC濃度低減手段が前記NOx浄化剤よりも上流側の排気通路に設けられ、
前記HC濃度低減手段は、エンジンに供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍にあるときのHCの除去率がCOの除去率よりも高く設定され、且つHC除去率とCO除去率との差は、理論空燃比よりもリーン側においてリッチ側よりも小さくなるように設定されている三元触媒であって、その触媒層には白金及びロジウムが担持されていて、且つそれらの重量比が白金/ロジウム<3であることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項1において、
エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁が設けられ、
CO濃度増大手段は、前記燃料噴射弁により燃料を、気筒の吸気行程から圧縮行程の間で少なくとも2回に分割して噴射させるものであることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項1において、
NOx浄化材は、エンジンの気筒内燃焼室における空燃比が理論空燃比近傍かそれよりもリッチな状態にあるときに、排気中のNOxを還元浄化するNOx還元触媒からなることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項1において、
NOx浄化材は、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でNOxを吸収する一方、酸素濃度が低下するとNOxを放出するNOx吸収材からなることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
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