JP4433945B2 - Exhaust gas purification system for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気に含まれるNOxを浄化する排気浄化システムに関する。 The present invention relates to an exhaust purification system that purifies NOx contained in exhaust gas from an internal combustion engine.
内燃機関における燃料の燃焼によって生成されるNOxを浄化するために、いわゆるNOx吸蔵還元型触媒(以下、「NOx触媒」という。)が用いられる。NOx触媒は、排気の空燃比がリーン状態であるときは排気中のNOxを触媒内へ吸蔵し、排気の空燃比がストイキ又はリッチ状態となると吸蔵されていたNOxを放出する性質を有している。そこで、排気の酸素濃度がリーン状態のときは排気中のNOxを吸蔵し、その後排気中に、還元剤である燃料を供給し排気中の酸素濃度を低下させて吸蔵されていたNOxを放出させて、且つ該燃料によってNOxを還元、浄化する。 In order to purify NOx generated by the combustion of fuel in an internal combustion engine, a so-called NOx occlusion reduction type catalyst (hereinafter referred to as “NOx catalyst”) is used. The NOx catalyst has the property of storing NOx in the exhaust into the catalyst when the air-fuel ratio of the exhaust is in a lean state, and releasing the stored NOx when the air-fuel ratio of the exhaust becomes stoichiometric or rich. Yes. Therefore, when the oxygen concentration of the exhaust gas is lean, the NOx in the exhaust gas is occluded, and then the fuel as a reducing agent is supplied into the exhaust gas to reduce the oxygen concentration in the exhaust gas and release the stored NOx. NOx is reduced and purified by the fuel.
ここで、EGR装置によって再循環される排気量を、煤の発生量のピーク時における再循環排気量よりも多くすることで、該燃焼室内の燃焼状態を煤の発生量を抑制する低温燃焼状態として、排気空燃比をリッチ状態とする。そして、その低温燃焼によってリッチ状態となった排気を利用して、NOx触媒に吸蔵されたNOxを還元、浄化する技術が公開されている(例えば、特許文献1を参照。)。この技術においては、NOxの浄化時に、排気通路に設けられた空燃比検出手段が排気の空燃比がリッチ状態であることを検出しないときは、燃焼室内をよりリッチな状態にすべく低温燃焼状態が補正される。
内燃機関の燃焼状態を制御して、内燃機関から排出される排気の空燃比をリッチ状態とすることで、NOx触媒に吸蔵されたNOxを還元、浄化することが可能である。しかし、内燃機関の燃焼状態を制御してNOxの浄化を行う場合、NOx触媒に還元剤としての燃料を供給しなければならない一方で、内燃機関に要求される機関出力も発揮しなければならない。そのため、NOx触媒に必要以上の量の燃料を供給し燃料消費量が増加する虞がある。 By controlling the combustion state of the internal combustion engine and making the air-fuel ratio of the exhaust discharged from the internal combustion engine rich, it is possible to reduce and purify NOx stored in the NOx catalyst. However, when NOx purification is performed by controlling the combustion state of the internal combustion engine, fuel as a reducing agent must be supplied to the NOx catalyst, while the engine output required for the internal combustion engine must also be exhibited. Therefore, there is a possibility that an excessive amount of fuel is supplied to the NOx catalyst and fuel consumption increases.
本発明では、上記した問題に鑑み、内燃機関の燃焼状態を制御して内燃機関から排出される排気の空燃比をリッチ状態とすることでNOxの浄化を行う内燃機関の排気浄化システムにおいて、より高いNOx浄化率と、NOx浄化のための燃料消費量の抑制とを両立することを目的とする。 In the present invention, in view of the above problems, in an exhaust gas purification system for an internal combustion engine that purifies NOx by controlling the combustion state of the internal combustion engine to make the air-fuel ratio of the exhaust gas exhausted from the internal combustion engine rich, more The object is to achieve both a high NOx purification rate and a reduction in fuel consumption for NOx purification.
本発明は、上記した課題を解決するために、NOx触媒に供給された排気の空燃比がストイキよりリッチ側の空燃比となっている時間に着目した。NOx触媒に供給された排気の空燃比がストイキよりリッチとなっているときは、NOx触媒において吸蔵されたNOxの還元、浄化が行われているが、その際のNOxの浄化率は一定ではなく、所定の時間を経過した後はNOx浄化率の上昇が鈍くなり、結果的にNOx浄化の効果の低下に伴いNOx浄化に要する燃料消費量が増加する。 In order to solve the above-described problems, the present invention focuses on the time during which the air-fuel ratio of the exhaust gas supplied to the NOx catalyst is richer than the stoichiometric air-fuel ratio. When the air-fuel ratio of the exhaust gas supplied to the NOx catalyst is richer than stoichiometric, NOx occluded in the NOx catalyst is reduced and purified, but the NOx purification rate at that time is not constant After a predetermined time has elapsed, the increase in the NOx purification rate becomes dull, and as a result, the fuel consumption required for NOx purification increases as the effect of NOx purification decreases.
そこで、本発明は、内燃機関の排気浄化システムであって、内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型NOx触媒と、前記吸蔵還元型NOx触媒の下流に設けられ、排気空燃
比を検出する排気空燃比検出手段と、前記内燃機関の燃焼状態を制御して、該内燃機関から排出される排気の空燃比をリッチ状態とする排気空燃比制御手段と、前記排気空燃比制御手段によって排気空燃比をリッチ状態にするとともに、前記排気空燃比検出手段によって排気空燃比がストイキよりリッチ側の空燃比となるのが検出されてから所定時間経過したときに該排気空燃比制御手段による排気空燃比のリッチ状態を中止するNOx浄化手段と、を備える。
Therefore, the present invention is an exhaust purification system for an internal combustion engine, and is provided with a NOx storage reduction catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, and downstream of the NOx storage reduction catalyst, and detects an exhaust air-fuel ratio. Exhaust air / fuel ratio detection means, exhaust air / fuel ratio control means for controlling the combustion state of the internal combustion engine so that the air / fuel ratio of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine is in a rich state, and exhaust air / fuel ratio control means The exhaust air / fuel ratio is controlled by the exhaust air / fuel ratio control means when a predetermined time has elapsed since the exhaust air / fuel ratio detecting means detects that the exhaust air / fuel ratio becomes richer than the stoichiometric air / fuel ratio. NOx purification means for stopping the rich state.
上記の内燃機関の排気浄化システムにおいては、主に吸蔵還元型NOx触媒(NOx触媒)によって、排気に含まれるNOxが浄化される。NOx触媒によるNOxの浄化は、排気の空燃比がリーン状態であるときは排気中のNOxを触媒内へ吸蔵し、排気の空燃比がストイキ又はリッチ状態となると吸蔵されていたNOxを放出させて排気中の還元剤(燃料成分)によってNOxを還元することで行われる。 In the internal combustion engine exhaust gas purification system, NOx contained in the exhaust gas is purified mainly by the NOx storage reduction catalyst (NOx catalyst). The NOx purification by the NOx catalyst is performed by storing NOx in the exhaust into the catalyst when the air-fuel ratio of the exhaust is in a lean state, and releasing the stored NOx when the air-fuel ratio of the exhaust becomes stoichiometric or rich. This is done by reducing NOx with a reducing agent (fuel component) in the exhaust.
そして、該排気浄化システムでは、排気空燃比制御手段による排気空燃比のリッチ状態化をNOx浄化手段が制御することで、NOx触媒に流入する排気の空燃比をリッチ状態として、NOx触媒に吸蔵されているNOxの浄化が行われる。この排気空燃比制御手段による排気空燃比のリッチ状態化は、内燃機関の燃焼室での燃焼状態を制御することで行われる。この燃焼状態の制御とは、例えば燃料噴射弁からの燃料噴射量、燃料噴射時期、着火時期、点火時期、更には吸気量、再循環排気量、吸排気弁の開弁時期等の燃焼状態に関係するパラメータを制御することで、内燃機関の燃焼状態を制御することをいう。 In the exhaust purification system, the NOx purification means controls the enrichment of the exhaust air / fuel ratio by the exhaust air / fuel ratio control means so that the air / fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst is made rich and stored in the NOx catalyst. NOx purification is performed. The rich state of the exhaust air / fuel ratio by the exhaust air / fuel ratio control means is performed by controlling the combustion state in the combustion chamber of the internal combustion engine. The control of the combustion state is, for example, the combustion state such as the fuel injection amount from the fuel injection valve, the fuel injection timing, the ignition timing, the ignition timing, and the intake amount, the recirculation exhaust amount, the intake valve opening timing, etc. It refers to controlling the combustion state of an internal combustion engine by controlling related parameters.
このように排気空燃比制御手段によって内燃機関の燃焼状態を制御して排気の空燃比をリッチ状態とし、もってNOx触媒に吸蔵されたNOxの浄化を行うとき、内燃機関の燃焼室における燃焼は、内燃機関に要求された機関出力の発揮とNOxの浄化のための排気のリッチ状態化の二つの目的を同時に達成する必要がある。そのため、NOxの浄化のために必要な排気のリッチ状態化を適正に行うことが困難であり、過度に排気のリッチ状態化が成されてNOx浄化のための燃料消費量が増加したりする虞がある。 Thus, when the combustion state of the internal combustion engine is controlled by the exhaust air / fuel ratio control means to make the exhaust air / fuel ratio rich, and the NOx stored in the NOx catalyst is purified, the combustion in the combustion chamber of the internal combustion engine is: It is necessary to simultaneously achieve the two purposes of exhibiting the engine output required for the internal combustion engine and enriching the exhaust gas for NOx purification. Therefore, it is difficult to appropriately enrich the exhaust gas necessary for NOx purification, and the exhaust gas may be excessively enriched to increase the amount of fuel consumed for NOx purification. There is.
NOx浄化手段によるNOx浄化では、先ず排気空燃比制御手段によって排気の空燃比をリッチ状態とする。これにより、NOx触媒に流入する排気の空燃比が徐々にリッチ状態となる。そして、NOx触媒から流出する排気の空燃比がストイキよりリッチ側の空燃比となるとき、還元剤としての燃料と吸蔵されていたNOxとの反応が効率的に行われNOxの浄化が進行する。 In the NOx purification by the NOx purification means, first, the exhaust air / fuel ratio is made rich by the exhaust air / fuel ratio control means. As a result, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst gradually becomes rich. When the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing out from the NOx catalyst becomes a richer air-fuel ratio than stoichiometric, the reaction between the fuel as the reducing agent and the stored NOx is efficiently performed, and the purification of NOx proceeds.
ここで、排気空燃比制御手段による排気空燃比のリッチ状態化を長期間にわたって継続すれば、最終的にはNOx触媒に吸蔵されていたNOxをほぼ還元、浄化することは可能である。しかし、排気空燃比のリッチ状態化を長期間にわたって継続した場合、該リッチ状態化に要する燃料量は増える一方で、NOx浄化率(全NOx吸蔵量に対する還元、浄化されたNOx量の比率)は該燃料量に比例して増えず、その増加率は鈍化していく。 Here, if the exhaust air-fuel ratio rich state by the exhaust air-fuel ratio control means is continued for a long period of time, it is possible to finally reduce and purify NOx stored in the NOx catalyst. However, when the exhaust air-fuel ratio enrichment is continued for a long period of time, the amount of fuel required for the enrichment increases, while the NOx purification rate (reduction to the total NOx occlusion amount, the ratio of the purified NOx amount) is It does not increase in proportion to the amount of fuel, and the rate of increase slows down.
そこで、NOx浄化手段によるNOx浄化では、排気空燃比制御手段によって排気の空燃比をリッチ状態した後、排気空燃比検出手段によって排気空燃比がストイキよりリッチ側の空燃比となるのが検出されてから所定時間経過したときに排気空燃比のリッチ状態化を中止する。ここでいう所定時間とは、排気空燃比制御手段による排気空燃比のリッチ状態化が行われているときの単位燃料消費量あたりのNOx浄化率が最大となる、リッチ状態化の継続時間であり、これより長い時間排気空燃比のリッチ状態化を継続しても単位燃料消費量あたりのNOx浄化率は低下する。換言すると、排気空燃比制御手段による排気空燃比のリッチ状態化を所定時間を超えて行うと、NOx浄化率は徐々には増加はするが、NOx浄化に要する燃料量が顕著に増加するため、より高いNOx浄化率と、NOx浄化のための燃料消費量の抑制との両立が困難となる。この所定時間は、経験的に内燃機関
の機関負荷や機関回転速度に影響されず、概ね一定の値であることが分かっている。そこで、予め実験等で、所定時間の値は決定しておくのが好ましい。
Therefore, in the NOx purification by the NOx purification means, after the exhaust air / fuel ratio control means makes the exhaust air / fuel ratio rich, the exhaust air / fuel ratio detection means detects that the exhaust air / fuel ratio becomes richer than the stoichiometric air / fuel ratio. The exhaust air-fuel ratio enrichment is stopped when a predetermined time has elapsed since The predetermined time referred to here is a continuation time of the rich state in which the NOx purification rate per unit fuel consumption is maximized when the exhaust air / fuel ratio is enriched by the exhaust air / fuel ratio control means. Even if the exhaust air-fuel ratio is kept rich for a longer time, the NOx purification rate per unit fuel consumption decreases. In other words, when the exhaust air / fuel ratio control means enriches the exhaust air / fuel ratio over a predetermined time, the NOx purification rate gradually increases, but the amount of fuel required for NOx purification significantly increases. It becomes difficult to achieve both a higher NOx purification rate and a reduction in fuel consumption for NOx purification. This predetermined time is empirically found to be substantially constant without being influenced by the engine load or engine speed of the internal combustion engine. Therefore, it is preferable to determine the value of the predetermined time in advance through experiments or the like.
以上より、NOx浄化手段によるNOx浄化においては、排気空燃比検出手段によって検出される排気空燃比の動きと前記所定時間とから、定常的に、より高いNOx浄化率と、NOx浄化のための燃料消費量の抑制との両立を図ることが可能となる。 As described above, in the NOx purification by the NOx purification means, the higher NOx purification rate and the fuel for NOx purification are steadily determined from the movement of the exhaust air / fuel ratio detected by the exhaust air / fuel ratio detection means and the predetermined time. It is possible to achieve a balance with the consumption reduction.
ここで、前記所定時間は、前記排気空燃比制御手段によって排気空燃比がリッチ状態とされるときの、前記吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたNOxの浄化率と、該排気空燃比制御手段によって排気空燃比をリッチ状態とするために要する燃料量の増加率との関係から決定されるようにしてもよい。即ち、所定時間の決定に際して、NOx浄化率と燃料量の増加率との関係を実験等で測定し、その測定結果に基づいて所定時間を決定すればよい。 Here, the predetermined time includes the purification rate of NOx stored in the NOx storage reduction catalyst when the exhaust air-fuel ratio is made rich by the exhaust air-fuel ratio control means, and the exhaust air-fuel ratio control means. You may make it determine from the relationship with the increase rate of the fuel amount required in order to make an exhaust air fuel ratio rich. That is, when the predetermined time is determined, the relationship between the NOx purification rate and the fuel amount increase rate is measured through experiments or the like, and the predetermined time may be determined based on the measurement result.
また、前記所定時間は、前記排気空燃比制御手段によって排気空燃比がリッチ状態とされ続ける継続時間に対する前記吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたNOxの浄化率の比率の変動に基づいて決定されるようにしてもよい。排気空燃比制御手段によって排気空燃比がリッチ状態とされ続ける継続時間は、結果的に排気空燃比をリッチ状態化するのに要する燃料量と概ね比例的な関係にある。そこで、所定時間の決定に際して、該継続時間とNOx浄化率との関係を実験等で測定し、その測定結果に基づいて所定時間を決定すればよい。例えば、通常、該継続時間が長くなるに従いNOx浄化率は増加するが、該継続時間がある時点より長くなるとNOx浄化率の増加の程度が低下する場合は、そのある時点までの時間を所定時間とすればよい。 The predetermined time is determined based on a change in a ratio of a purification rate of NOx stored in the NOx storage reduction catalyst with respect to a duration during which the exhaust air / fuel ratio is kept rich by the exhaust air / fuel ratio control means. You may do it. The duration during which the exhaust air-fuel ratio is kept in the rich state by the exhaust air-fuel ratio control means is approximately proportional to the amount of fuel required to make the exhaust air-fuel ratio rich as a result. Therefore, when the predetermined time is determined, the relationship between the duration time and the NOx purification rate is measured by experiments or the like, and the predetermined time may be determined based on the measurement result. For example, normally, the NOx purification rate increases as the duration increases, but when the duration increases from a certain point in time, the degree of increase in the NOx purification rate decreases, the time until that point is set to a predetermined time. And it is sufficient.
上述までの内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記内燃機関から排出される排気の一部を吸気系に再循環させるEGR装置を、更に備えるとき、前記排気空燃比制御手段は、前記内燃機関からの排気が前記EGR装置によって再循環されて該内燃機関の燃焼室に供給されることで増加する煤の発生量のピーク時における再循環排気量よりも、該燃焼室への再循環排気量を多くして、該燃焼室内の燃焼状態を煤の発生量を抑制する低温燃焼状態とすることで、該内燃機関から排出される排気の空燃比をリッチ状態としてもよい。 In the exhaust gas purification system for an internal combustion engine up to the above, when the exhaust gas air-fuel ratio control means further includes an EGR device for recirculating a part of the exhaust discharged from the internal combustion engine to an intake system, The amount of recirculated exhaust gas to the combustion chamber is larger than the amount of recirculated exhaust gas at the peak of the amount of soot that increases as the exhaust gas is recirculated by the EGR device and supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. Then, the air-fuel ratio of the exhaust discharged from the internal combustion engine may be made rich by setting the combustion state in the combustion chamber to a low-temperature combustion state in which the amount of soot generated is suppressed.
ここで、低温燃焼状態とは、燃焼室内に供給される再循環排気量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内に供給される再循環排気量を更に増大していくと燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって、煤がほとんど発生しなくなる燃焼状態である。排気空燃比制御手段によって内燃機関での燃焼状態が低温燃焼状態とされると、燃焼室内での煤の発生やNOxの発生が抑制されるとともに、排気中の一酸化炭素量や未燃燃料量が増加する。これにより、排気の空燃比をリッチ状態とすることが可能になる。一方で、排気中の未燃燃料量が増加するため、同一の運転負荷に対する燃料消費量は増加する。 Here, the low temperature combustion state means that as the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and the amount of recirculated exhaust gas supplied into the combustion chamber further increases. As it increases, the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber becomes lower than the soot formation temperature, and soot is hardly generated. When the combustion state in the internal combustion engine is changed to the low temperature combustion state by the exhaust air-fuel ratio control means, the generation of soot and NOx in the combustion chamber is suppressed, and the amount of carbon monoxide and the amount of unburned fuel in the exhaust Will increase. As a result, the air-fuel ratio of the exhaust can be made rich. On the other hand, since the amount of unburned fuel in the exhaust gas increases, the fuel consumption for the same operating load increases.
また、上述までの内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたNOxを浄化するとき、前記NOx浄化手段によるNOx浄化を所定回数繰り返し行ってもよい。ここでいう所定回数とは、NOx触媒に吸蔵されたNOxを浄化するために必要とされる、NOx浄化手段によるNOx浄化の頻度である。 In the exhaust gas purification system for an internal combustion engine described above, when purifying NOx stored in the NOx storage reduction catalyst, NOx purification by the NOx purification means may be repeated a predetermined number of times. The predetermined number here is the frequency of NOx purification by the NOx purification means, which is required to purify NOx stored in the NOx catalyst.
NOx浄化手段によるNOx浄化は、上述したように排気空燃比検出手段によって排気空燃比がストイキよりリッチ側の空燃比になるのが検出されてから所定時間経過後に中止されるため、NOx触媒に吸蔵されたNOxを一回のNOx浄化手段によるNOx浄化で十分に浄化できない可能性がある。そこで、NOx浄化手段によるNOx浄化を所定回数繰り返すことで、より高いNOx浄化率と、NOx浄化のための燃料消費量の抑制との両
立を図りつつ、NOx触媒に吸蔵されたNOxの浄化を可及的に十分に行う。このようにすることで、排気空燃比制御手段によって継続的に排気空燃比をリッチ状態化する場合と比べて、より少ない燃料量でNOx触媒に吸蔵されたNOxの浄化を行うことが可能となる。
The NOx purification by the NOx purification means is stopped after a predetermined time has elapsed since the exhaust air / fuel ratio detecting means has detected that the exhaust air / fuel ratio becomes richer than the stoichiometric ratio, as described above. There is a possibility that the generated NOx cannot be sufficiently purified by NOx purification by a single NOx purification means. Therefore, by repeating NOx purification by the NOx purification means a predetermined number of times, it is possible to purify NOx occluded in the NOx catalyst while achieving both a higher NOx purification rate and a reduction in fuel consumption for NOx purification. Do as much as possible. This makes it possible to purify the NOx stored in the NOx catalyst with a smaller amount of fuel than when the exhaust air / fuel ratio is continuously made rich by the exhaust air / fuel ratio control means. .
内燃機関の燃焼状態を制御して内燃機関から排出される排気の空燃比をリッチ状態とすることでNOxの浄化を行う内燃機関の排気浄化システムにおいて、より高いNOx浄化率と、NOx浄化のための燃料消費量の抑制とを両立することが可能となる。 In an exhaust gas purification system for an internal combustion engine that purifies NOx by controlling the combustion state of the internal combustion engine to make the air-fuel ratio of exhaust gas exhausted from the internal combustion engine rich, for higher NOx purification rate and NOx purification It is possible to achieve both the reduction of fuel consumption.
ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの実施の形態について図面に基づいて説明する。 Here, an embodiment of an exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to the present invention will be described based on the drawings.
図1は、本発明が適用される圧縮着火内燃機関(以下、単に「内燃機関」という。)1およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。内燃機関1は、4つの気筒2を有する圧縮着火式内燃機関である。また、気筒2の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁3を備えている。燃料噴射弁3は、所定圧に加圧された燃料を貯留する蓄圧室4と接続されている。内燃機関1には吸気枝管7が接続されており、吸気枝管7の各枝管は、吸気ポートを介して燃焼室に接続される。同様に、内燃機関1には排気枝管12が接続され、排気枝管12の各枝管は排気ポートを介して燃焼室に接続される。ここで、吸気ポートおよび排気ポートには、各々吸気弁および排気弁が設けられている。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a compression ignition internal combustion engine (hereinafter simply referred to as “internal combustion engine”) 1 to which the present invention is applied and a control system thereof. The
また、吸気枝管7は吸気管8に接続されている。吸気管8の上流部には吸気管8を流れる吸入空気量を検出するエアフローメータ9が設けられ、更にその下流には、吸気管8内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁10が設けられている。この吸気絞り弁10には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁10を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ11が取り付けられている。
The
吸気絞り弁10の下流側の吸気管8には、排気のエネルギーを駆動源として作動する過給機16のコンプレッサ側が設けられ、排気枝管12には過給機16のタービン側が設けられている。過給機16はいわゆる可変容量型過給機であって、その内部に可動式のノズルベーンを有し、該ノズルベーンの開度を調整することで、過給機16による過給圧が制御される。過給機16より下流の吸気管8には、過給機16によって加圧されて高温となった吸入空気を冷却するためのインタークーラ15が設けられている。また、過給機16のタービン側は、排気管13と接続され、この排気管13は、下流にてマフラーに接続されている。そして、排気管13の途中には、いわゆる吸蔵還元型NOx触媒のNOx触媒14が設けられている。更に、NOx触媒14の下流側の排気管13には、排気管13内を流れる排気の流量を調節する排気絞り弁17が設けられている。この排気絞り弁17には、ステップモータ等で構成されて該排気絞り弁17を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ18が取り付けられている。
The
更に、内燃機関1には、EGR装置21が設けられている。EGR装置21は排気管13を流れる排気の一部を吸気管8へ再循環させる。EGR装置21は、主に、NOx触媒14と排気絞り弁17との間に位置する排気管13(上流側)から、吸気絞り弁10と過給機16のコンプレッサ側との間に位置する吸気管8(下流側)へ延出しているEGR通路22と、EGR通路22上に上流側から順に設けられたEGRガス冷却用のEGRクーラ23と、EGRガスの流量調整用のEGR弁24と、から構成される。
Further, the
また、内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニット(以下、「ECU」という)20が併設されている。このECU20は、CPUの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するROM、RAM等を備えており、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態等を制御するユニットである。
The
ここで、燃料噴射弁3は、ECU20からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ECU20からの指令によって、燃料噴射弁3からの燃料噴射時期および燃料噴射量が、内燃機関1の機関負荷や機関回転速度等の運転状態に応じて、噴射弁毎に制御される。また、EGR弁24の開度やアクチュエータ11、18を介して吸気絞り弁10、排気絞り弁17の開度等も、ECU20からの指令に従って制御される。
Here, the
更に、アクセル開度センサ31がECU20と電気的に接続されており、ECU20はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関1に要求される機関負荷等を算出する。また、クランクポジションセンサ30がECU20と電気的に接続されており、ECU20は内燃機関1の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関1の機関回転速度や、該機関回転速度とギア比等から内燃機関1が搭載されている車両の車両速度等を算出する。
Further, an
更に、NOx触媒14から流出した排気の空燃比を検出する排気空燃比センサ32が、NOx触媒14の下流側に設けられ、ECU20と電気的に接続されている。これによりECU20は、NOx触媒14に供給された排気の空燃比を取得する。
Further, an exhaust air /
図1のように構成される内燃機関1の排気浄化システムでは、排気の空燃比がリーン状態であるときは、NOx触媒14によって排気中のNOxが触媒内へ吸蔵される。また、排気の空燃比がストイキ又はリッチ状態となるとNOx触媒14に吸蔵されていたNOxが放出され、排気中の燃料が還元剤として作用し、NOxが還元、浄化される。
In the exhaust purification system of the
ここで、内燃機関1においては、NOx触媒14に吸蔵されているNOxを還元、浄化するために、内燃機関1の燃焼状態を制御することでNOx触媒14に流入する排気の空燃比をリッチ状態とする。その一例として、内燃機関1では気筒2内の燃焼室でいわゆる低温燃焼を行う。低温燃焼を行うには、ECU20によってEGR弁24の開度が制御され、燃焼室内に供給される再循環排気量が、煤の発生量がピークに達する再循環排気量よりも増大される。これによって、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなるとともに、排気中の一酸化炭素量や未燃燃料成分量が増加し排気の空燃比がリッチ状態となる。
Here, in the
しかし、このように内燃機関1の燃焼状態を制御することで、NOx触媒14に吸蔵されたNOxの還元、浄化を行う場合、燃料噴射弁3から噴射された燃料の一部は機関出力の発揮に供される一方で、残りがNOx触媒14へ供給される。そのため、NOxの還元、浄化に供される燃料量を正確に制御することが困難となり、NOx浄化に要する燃料量が過度に増加したりする場合がある。
However, when the NOx stored in the
そこで、図2、3、4に示すNOx浄化率の推移等に基づいて、より高いNOx浄化率と、NOx浄化のための燃料消費量の抑制とを両立する排気浄化に基づいて説明する。図2の横軸は、NOx浄化のために低温燃焼を行うことで、NOx触媒14にリッチ状態の排気が供給される時間である有効リッチ時間を表し、縦軸はNOx触媒14に吸蔵されたNOxの浄化率を表す。尚、図2中、線L1と線L2は、それぞれ白金の含有量が異なるNOx触媒14におけるNOx浄化率の推移を表し、線L1に示されるNOx触媒14の白金の含有量が線L2の場合よりも多い。
Therefore, based on the transition of the NOx purification rate shown in FIGS. 2, 3, and 4, an explanation will be given based on exhaust purification that achieves both higher NOx purification rate and suppression of fuel consumption for NOx purification. The horizontal axis in FIG. 2 represents the effective rich time, which is the time during which the exhaust gas in the rich state is supplied to the
本実施例においては、有効リッチ時間が約1秒を境にして、有効リッチ時間に対するNOx浄化率の増加量が低下する。このことは、有効リッチ時間を、約1秒より長く設定した場合、NOx浄化率は徐々に増加するがその増加の程度は低いため、却ってNOx浄化に要する燃料量の増加が顕著となることを意味する。 In the present embodiment, the increase amount of the NOx purification rate with respect to the effective rich time decreases with an effective rich time of about 1 second as a boundary. This means that when the effective rich time is set longer than about 1 second, the NOx purification rate gradually increases, but the increase is low, so that the increase in the amount of fuel required for NOx purification becomes conspicuous. means.
この点をより明確に示しているのが図3および図4である。図3および図4は、内燃機関1の運転状態が、それぞれ中負荷状態、低負荷状態の時の、有効リッチ時間に対する、NOx浄化率と燃費悪化率との比率の推移を示している。ここで、燃費悪化率とは、NOx浄化のために低温燃焼を行うのに要する燃料量の増加率である。従って、NOx浄化率と燃費悪化率との比率が高くなるに従い、より少ない燃料量でより高いNOx浄化率を発揮することを意味している。
3 and 4 show this point more clearly. FIGS. 3 and 4 show the transition of the ratio between the NOx purification rate and the fuel consumption deterioration rate with respect to the effective rich time when the operating state of the
ここで、図3中の線L3と線L4、および図4中の線L5と線L6は、それぞれ白金の含有量が異なるNOx触媒14におけるNOx浄化率と燃費悪化率との比率の推移を表す。そして、線L3に示されるNOx触媒14の白金の含有量が線L4の場合よりも多く、線L5に示されるNOx触媒14の白金の含有量が線L6の場合よりも多い。図3および図4に示すように、内燃機関1の負荷状態にかかわらず、更に白金の含有量にかかわらず、有効リッチ時間が約1秒程度である状態において、NOx浄化率と燃費悪化率との比率がピーク値を迎え、より少ない燃料量でより高いNOx浄化率が発揮されている。
Here, line L3 and line L4 in FIG. 3, and line L5 and line L6 in FIG. 4 represent the transition of the ratio between the NOx purification rate and the fuel consumption deterioration rate in the
そこで、図2、3、4に示すNOx浄化率の推移等を基に、図5のタイムチャートに示す低温燃焼によるNOx浄化のための排気空燃比の制御を行う。図5(a)は、内燃機関1における低温燃焼の実行(ON)と中止(OFF)を示す。そして、図5(a)の低温燃焼が行われるときの排気空燃比センサ32によって検出される排気空燃比の推移が、図5(b)に示される。
Therefore, based on the transition of the NOx purification rate shown in FIGS. 2, 3 and 4, the exhaust air-fuel ratio for NOx purification by low temperature combustion shown in the time chart of FIG. 5 is controlled. FIG. 5A shows execution (ON) and cancellation (OFF) of low-temperature combustion in the
時刻t0において低温燃焼が開始される。これにより、排気の空燃比が徐々にリッチ側に移行していく。その後、排気空燃比が一時的にストイキに停滞する。これはNOx触媒14が有する酸素ストレージ機能に依る。そして、時刻t1において、排気空燃比がストイキよりリッチ側に移行する。この時点から、NOx触媒14に吸蔵されたNOxが効率的に還元、浄化されていき、従って、時刻t1が上記の有効リッチ時間の開始時刻となる。
Low temperature combustion is started at time t0. As a result, the air-fuel ratio of the exhaust gradually shifts to the rich side. Thereafter, the exhaust air / fuel ratio temporarily stagnates. This depends on the oxygen storage function of the
そして、排気空燃比がストイキよりリッチ側の空燃比となっている時間Δtを、上記したNOx浄化率と燃費悪化率との比率がピーク値となる時間(本実施例においては、約1秒)とし、時刻t1からΔt経過した時刻t2に、低温燃焼を中止する。このようにすることで、より少ない燃料量でより高いNOx浄化率を発揮する状態でNOxの浄化を行い得る。 Then, the time Δt when the exhaust air-fuel ratio is richer than the stoichiometric air-fuel ratio is the time when the ratio of the NOx purification rate and the fuel consumption deterioration rate reaches the peak value (about 1 second in this embodiment). The low temperature combustion is stopped at time t2 when Δt has elapsed from time t1. By doing in this way, NOx purification can be performed in a state in which a higher NOx purification rate is exhibited with a smaller amount of fuel.
ここで、図6に、上述した有効リッチ時間に基づいた排気中のNOx浄化に関する制御(以下、「NOx浄化制御」という。)のフローチャートを示す。尚、本実施例におけるNOx浄化制御は、ECU20によって一定のサイクルで繰り返し実行されるルーチンである。
Here, FIG. 6 shows a flowchart of control related to NOx purification in exhaust based on the above-described effective rich time (hereinafter referred to as “NOx purification control”). Note that the NOx purification control in this embodiment is a routine that is repeatedly executed by the
S101では、NOx触媒14に吸蔵されたNOx量が基準量を越えたか否かが判定される。この基準量は、NOx触媒14に吸蔵されたNOx量が多いために、NOx触媒14によって十分にNOxの吸蔵を行えない状態となる虞があることを判断するための閾値である。また、NOx触媒14のNOx吸蔵量は、内燃機関1の機関負荷や機関回転速度等の運転履歴から推定される。S101でNOx触媒14に吸蔵されたNOx量が基準量を越えたと判定されるとS102へ進み、一方でNOx触媒14に吸蔵されたNOx量が
基準量を越えていないと判定されると本制御を終了する。
In S101, it is determined whether or not the amount of NOx stored in the
S102では、NOx浄化のための低温燃焼が開始される。この時点が図5に示す時刻t0に対応する。S102の処理が終了すると、S103へ進む。 In S102, low temperature combustion for NOx purification is started. This time corresponds to time t0 shown in FIG. When the process of S102 ends, the process proceeds to S103.
S103では、排気空燃比センサ32によって検出される排気空燃比が、ストイキよりリッチ側の空燃比となってから経過した時間が、上述のNOx浄化率と燃費悪化率との比率がピーク値となる所定時間に到達したか否かが判定される。本実施例の場合は、図2、3、4に示すNOx触媒14のNOx浄化率等の特性から所定時間を1秒と設定する。S103で該経過時間が所定時間に到達したと判定されるとS104へ進み、一方で該経過時間が所定時間に到達していないと判定されるとS103の処理が再び行われる。
In S103, the elapsed time after the exhaust air-fuel ratio detected by the exhaust air-
S104では、NOx浄化のために行われていた低温燃焼を中止する。この時点が図5に示すt2に対応する。S104の処理が終了すると、S105へ進む。 In S104, the low-temperature combustion performed for NOx purification is stopped. This time corresponds to t2 shown in FIG. When the process of S104 ends, the process proceeds to S105.
S105では、NOx浄化のための低温燃焼が所定回数実行されたか否かが判定される。尚、S102で低温燃焼が開始されS104でその低温燃焼が中止されることで一回の低温燃焼が実行されたものと扱われる。一回の低温燃焼においては、より高いNOx浄化率と、該NOx浄化に要する燃料量の抑制を両立するために、低温燃焼が継続される時間が所定時間(1秒)によって制限される。そのため、一回の低温燃焼ではNOx触媒14に吸蔵されているNOxを十分に還元、浄化することが困難である。そこで、NOx吸蔵量に応じた所定回数、低温燃焼を行うことで、より高いNOx浄化率と、該NOx浄化に要する燃料量の抑制を両立しつつ、NOx触媒14に吸蔵されたNOxを十分に還元、浄化し得る。
In S105, it is determined whether or not the low temperature combustion for NOx purification has been executed a predetermined number of times. In addition, low temperature combustion is started by S102, and the low temperature combustion is stopped by S104, and it is treated that one low temperature combustion was performed. In one low temperature combustion, in order to achieve both a higher NOx purification rate and a reduction in the amount of fuel required for the NOx purification, the time during which the low temperature combustion is continued is limited by a predetermined time (1 second). Therefore, it is difficult to sufficiently reduce and purify NOx occluded in the
尚、上記の実施例においては、NOx浄化のための排気空燃比のリッチ状態化に、内燃機関1の燃焼状態を低温燃焼状態としているが、その代わりに燃料噴射弁3からの燃料噴射量、燃料噴射時期、吸気絞り弁10の開度、EGR弁24の開度等を介して内燃機関1の燃焼状態に関係するパラメータを制御することで、NOx浄化のためにNOx触媒14に流入する排気の空燃比をリッチ状態としてもよい。
In the above-described embodiment, the combustion state of the
1・・・・圧縮着火内燃機関(内燃機関)
3・・・・燃料噴射弁
7・・・・吸気枝管
8・・・・吸気管
12・・・・排気枝管
13・・・・排気管
14・・・・吸蔵還元型NOx触媒(NOx触媒)
20・・・・ECU
21・・・・EGR装置
24・・・・EGR弁
32・・・・排気空燃比センサ
1. Compression compression internal combustion engine (internal combustion engine)
3 ....
20 .... ECU
21...
Claims (4)
前記吸蔵還元型NOx触媒の下流に設けられ、排気空燃比を検出する排気空燃比検出手段と、
前記内燃機関の燃焼状態を制御して、該内燃機関から排出される排気の空燃比をリッチ状態とする排気空燃比制御手段と、
前記排気空燃比制御手段によって排気空燃比をリッチ状態にするとともに、前記排気空燃比検出手段によって排気空燃比がストイキよりリッチ側の空燃比となるのが検出されてから、前記吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたNOxの浄化率と該排気空燃比制御手段によって排気空燃比をリッチ状態とするために要する燃料量の増加率との関係から決定される所定時間が経過したときに該排気空燃比制御手段による排気空燃比のリッチ状態化を中止するNOx浄化手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。 An NOx storage reduction catalyst provided in the exhaust passage of the internal combustion engine;
An exhaust air-fuel ratio detecting means provided downstream of the NOx storage reduction catalyst for detecting the exhaust air-fuel ratio;
Exhaust air-fuel ratio control means for controlling the combustion state of the internal combustion engine so as to make the air-fuel ratio of the exhaust discharged from the internal combustion engine rich.
The exhaust air-fuel ratio with the exhaust air-fuel ratio by the control means to a rich state, the exhaust air-fuel ratio or exhaust air-fuel ratio by the detecting means is detected that the air-fuel ratio richer than the stoichiometric et al, the NOx storage reduction When a predetermined time elapses determined from the relationship between the purification rate of NOx occluded in the catalyst and the rate of increase in the amount of fuel required to make the exhaust air / fuel ratio rich by the exhaust air / fuel ratio control means, NOx purification means for stopping the rich state of the exhaust air-fuel ratio by the fuel ratio control means;
An exhaust gas purification system for an internal combustion engine, comprising:
前記排気空燃比制御手段は、前記内燃機関からの排気が前記EGR装置によって再循環されて該内燃機関の燃焼室に供給されることで増加する煤の発生量のピーク時における再循環排気量よりも、該燃焼室への再循環排気量を多くして、該燃焼室内の燃焼状態を煤の発生量を抑制する低温燃焼状態とすることで、該内燃機関から排出される排気の空燃比をリッチ状態とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化システム。 An EGR device that recirculates part of the exhaust discharged from the internal combustion engine to the intake system;
The exhaust air-fuel ratio control means is based on the recirculation exhaust amount at the peak of the amount of soot that increases as the exhaust gas from the internal combustion engine is recirculated by the EGR device and supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. However, by increasing the amount of recirculated exhaust gas to the combustion chamber and setting the combustion state in the combustion chamber to a low-temperature combustion state that suppresses the generation amount of soot, the air-fuel ratio of the exhaust discharged from the internal combustion engine can be reduced. The exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the engine is in a rich state.
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