JPH07119447A - 内燃機関の排気浄化方法と、その方法の実施に適する排気浄化装置及び触媒劣化度検出装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化方法と、その方法の実施に適する排気浄化装置及び触媒劣化度検出装置

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JPH07119447A
JPH07119447A JP5264968A JP26496893A JPH07119447A JP H07119447 A JPH07119447 A JP H07119447A JP 5264968 A JP5264968 A JP 5264968A JP 26496893 A JP26496893 A JP 26496893A JP H07119447 A JPH07119447 A JP H07119447A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 三元触媒の上流にリーンNOx触媒を配設し
たリーンバーンエンジンにおいて、リーンNOx触媒の
劣化時にNOx排出総量を増大させない排気浄化方法、
及び、そのための正確かつ安定度の高い劣化判定に資す
ることのできる触媒劣化度検出装置を提供すること。 【構成】 10秒毎に、リーンNOx触媒の温度TCA
Tに基づいて劣化係数Rを算出し、積算し、劣化度Kを
更新する処理を実施する(S10〜S40)。そして、不揮発
性メモリから劣化度Kを読み出し、K≧Kbad のときに
は、ストイキにてフィードバック制御をすべき運転領域
を広げ、リーンバーン運転領域を狭める様に、O2 フィ
ードバック条件を変更する(S110〜S130)。この結果、
三元触媒でNOx浄化をする領域が走行全体について見
ると広がり、燃費は若干落ちるものの、走行全体として
の大気中へのNOx排出量を増大させることがない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、リーンバーンエンジン
における排気浄化方法に係り、特に、三元触媒の上流
に、リーンバーン時にもNOxを浄化する能力を有する
第2の触媒(以下、「リーンNOx触媒」という)を備
えたリーンバーンエンジンにおける排気浄化方法と、こ
の方法の実施に適する排気浄化装置及び触媒劣化度検出
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】リーンNOx触媒は、特開平1−130
735号公報や、特開平1−135543号公報などに
より知られている。これらのリーンNOx触媒は、使用
されるに従って劣化し、NOx浄化率が低下することが
知られている。従って、劣化に対応して適切な処置を取
らないと、排出ガス中のNOx濃度が増加してしまい、
NOx規制を満足できなくなるおそれがある。
【0003】そこで、リーンNOx触媒の劣化の進行度
合を判定し、適切な処置をとるための技術が提案される
ようになった(例えば、特開平4−265414号公
報,特開平4−255521号公報)。これら公報で
は、リーンNOx触媒は劣化が進むに従って最高浄化率
を示す温度範囲が上昇するとの前提の下、次の様な技術
が提案されていた。
【0004】 HC源を設けておいて、触媒劣化が進
行したらHCを強制的に与えて反応を促進する技術。 上記に加えて、劣化が進んだらリーンバーン空燃
比をリッチ側にシフトさせて排ガス温度を上昇させた
り、他の熱源を用いるなどして、触媒床の温度を上昇さ
せる技術。
【0005】また、リーンNOx触媒の劣化度を検出す
る技術として、次の様な技術が記載されていた。 A 車両の積算走行距離に応じてリーンNOx触媒の劣
化の進行度合を検出する技術。
【0006】B リーンNOx触媒の下流にNOxセン
サを配設し、劣化が進んでいることの予想される走行距
離2000km以上になったら、現在のNOxセンサ出
力と、走行距離2000km以下のときに学習しておい
たNOxセンサ出力の学習値とを比較し、劣化の進行度
合を検出する技術。
【0007】C リーンNOx触媒の上流・下流にそれ
ぞれ温度センサを配設し、上流側の温度(入ガス温度T
I)と下流側の温度(出ガス温度TE)との差(TI−
TE)が一定値以下のときには触媒の劣化が進行してい
るとして検出する技術。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これら,
の技術では、HC源を別途用意しなければならず、エン
ジンの構造を複雑化するという問題があった。また、
の技術でも、他の熱源を用いるとなると構造の複雑化と
いう問題を生じる。さらに、の技術中、リーンバーン
空燃比をリッチ側に変更するものでは構造の複雑化は招
かないが、空燃比と排ガス中NOx濃度との関係(図1
5)から明かな様に、排ガス中のNOxが増加した結果
としてHC供給の効果が相殺されてしまうという問題が
ある。
【0009】そこで、本発明は、こうした構造の複雑化
を招くことがなく、効果の高い排気浄化方法を提供する
ことを第1の目的とする。また、その様な排気浄化方法
を実施するための排気浄化装置を提供することを第2の
目的とする。ところで、かかる第1の目的を達成するに
当たって、触媒の劣化判定を正確に行う必要が生じる。
特に、劣化の進行度合の判定結果が変動するのを避ける
必要もある。これに対し、従来の触媒劣化度検出技術
は、上記A〜Cの様であったから、正確さの点、安定性
の点で不十分であった。
【0010】そこで、本発明は、第1の目的である排気
浄化方法を実施するに適する正確で安定度の高い劣化判
定に資することのできる触媒劣化度検出装置を提供する
ことを第3の目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】第1の目的を達成するた
めの本発明の内燃機関の排気浄化方法は、請求項1に記
載した様に、三元触媒より上流側の排気管中に、リーン
バーン時にもNOxを浄化する能力を有する第2の触媒
を配設し、所定の運転領域のときにはリーンバーン制御
を実行する内燃機関の排気浄化方法において、前記第2
の触媒の劣化が進行したとき、前記リーンバーン制御を
実行する運転領域を狭めることを特徴とする。
【0012】第2の目的を達成するための本発明の内燃
機関の排気浄化装置は、請求項2に記載した様に、排気
管中に配設した三元触媒と、該三元触媒よりも上流側の
排気管中に配設され、リーンバーン時にもNOxを浄化
する能力を有する第2の触媒と、内燃機関の運転状態を
検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の検
出した運転状態が所定の運転領域にあるときにはリーン
バーン制御を実行するリーンバーン実行手段とを備えた
内燃機関の排気浄化装置において、前記第2の触媒の劣
化の進行度合を判定する劣化度判定手段と、該劣化度判
定手段の判定結果に基づいて、劣化が進行した場合には
前記リーンバーン実行手段によるリーンバーン制御を実
行する運転領域を狭めるリーン運転領域縮小手段とを備
えたことを特徴とする。
【0013】第3の目的を達成するための本発明の触媒
劣化度検出装置は、請求項3に記載した様に、リーンバ
ーン制御を実行する内燃機関で、三元触媒よりも上流側
の排気管中に配設され、リーンバーン時にもNOxを浄
化する能力を有する第2の触媒の劣化の進行度合を検出
する触媒劣化度検出装置であって、該第2の触媒の受け
る温度履歴に関する情報を検出する温度履歴情報検出手
段と、該温度履歴情報検出手段の検出した温度履歴に関
する情報を累積する温度履歴累積手段とを備えたことを
特徴とする。
【0014】
【作用及び効果】本発明の排気浄化方法及び排気浄化装
置によれば、第2の触媒(リーンNOx触媒)の劣化が
進行したとき、リーンバーン制御を実行する運転領域を
狭め、例えばストイキ(理論空燃比)にて制御する運転
領域を拡大する。ところで、リーンNOx触媒と三元触
媒の、NOx浄化率と空燃比との関係は、図16に示し
た通りである。この結果、「始動→発進→加速→定常走
行→減速→再加速→定常走行→…」といった様な車両の
走行全体を考えたとき、劣化の進んだリーンNOx触媒
の方でNOx浄化を実施する期間の割合が少なくなり、
その分だけ三元触媒にてNOxを浄化する期間の方が長
くなり、総量としてのNOx排出量を増大させることが
ない。従って、本発明の排気浄化方法によれば、NOx
総排出量をいつまでも低く保っていくことができる。
【0015】また、本発明の触媒劣化度検出装置によれ
ば、リーンNOx触媒の受ける温度履歴に関する情報を
累積し、劣化の進行度合を検出する。ここで、リーンN
Ox触媒は、単に長時間使用されると劣化が進むという
ものではなく、短時間であっても、例えば500℃以上
の高温下に曝されると300℃程度に曝されているとき
よりも劣化が進行し易い。従って、上記従来技術のAの
様な積算走行距離では加味することのできない、運転者
の癖,車両の使用条件などをも加味することができ、よ
り正確な劣化判定を可能とする。また、温度履歴の累積
結果にて劣化度を検出するので、それに基づいた劣化判
定が変動することがなく、上記従来技術のBやCに比べ
て安定性の高い判定を可能にすることができる。
【0016】以上の様な作用・効果を奏する結果、本発
明の触媒劣化度検出装置を本発明の排気浄化方法及び排
気浄化装置に適用したとき、正確かつ安定度の高いNO
x総量低減効果を発揮することができる。特に、本発明
の排気浄化方法は、リーン運転領域を変更するので、こ
れが常に変動するようでは問題となるし、本当はリーン
運転領域を狭める必要などないにもかかわらずリーン運
転領域を狭めてしまって燃費向上効果をいたずらに犠牲
にするといった事態も招かない。
【0017】
【実施例】以下、この発明を具体化した実施例を図面に
基づいて説明する。実施例のシステムでは、図1に示す
様に、内燃機関10の吸気系は、吸気管12、スロット
ル弁16を内装したスロットルボディ14、サージタン
ク20、吸気マニホルド24によって構成され、スロッ
トル弁16の開度はスロットルセンサ18、吸気管負圧
は吸気管圧力センサ22によって検出される。各吸気ポ
ートには各気筒独立噴射の電磁制御式燃料噴射弁(イン
ジェクタ)26が設けられる。10aはシリンダ(燃焼
室)で、28は点火プラグである。
【0018】内燃機関10の排気系は、排気マニホルド
30と集合された排気管13から成り、集合された排気
管13には、上流側にリーンNOx触媒2が、下流側に
三元触媒3が設けられる。ここでリーンNOx触媒2と
は、遷移金属或は貴金属を担持せしめたゼオライトから
なり、酸化雰囲気中、HC存在下で、排気中のNOxを
還元する触媒として定義される。また、排気管13に
は、O2 センサ5と、リーンNOx触媒2の温度を検出
する触媒温センサ9とが配設されている。さらに、排気
管13から吸気管12へと排ガスを再循環させるEGR
弁27も配設されている。EGR弁27は、ステップモ
ータにより流量が変えられるもので、電子制御装置(E
CU)36からの信号により制御する。
【0019】32はディストリビュータで、そのディス
トリビュータ軸32aはクランク軸2回転で1回転す
る。ディストリビュータ32には、ディストリビュータ
軸32aの回転に応じて、所定クランク角度毎にクラン
ク角信号を出力するクランク角センサ34が内装されて
いる。ECU36はマイクロコンピュータからなる。E
CU36は、図2に詳細を示すように、演算を実行する
セントラルプロセッサユニット(CPU)40と、O 2
センサ5,触媒温センサ9,吸気管圧力センサ22およ
びスロットルセンサ18からのアナログ信号をディジタ
ル信号に変換するA/D変換器42と、クランク角セン
サ34からの信号をエンジン回転速度信号に変換して取
込むエンジン回転速度信号形成回路44と、クロック発
生回路46と、各種の演算ルーチンを記憶しておくため
の読み出し専用記憶素子のリードオンリメモリ(RO
M)48と、データを一時的に記憶するランダムアクセ
スメモリ(RAM(この中には、一部電源を切ってもデ
ータが消えない不揮発性メモリを含む。))50と、C
PU40における演算結果に応じて駆動回路52を介し
てインジェクタ261〜264及びEGR弁27に開弁
時間信号及び開弁ステップ数を出力するための出力ポー
ト54と、これらを連絡するバス56と、から構成され
ている。
【0020】このECU36は、内燃機関10の運転状
態に応じて、空燃比を14.7(ストイキ運転)、1
3.0(高出力運転)、14.0(暖機運転)、22.
0(リーンバーン)の4種類の制御空燃比A/Fのいず
れかに設定し、ストイキ運転を設定した場合には、O2
センサ5の出力に応じて空燃比をフィードバック制御す
る。これらの空燃比制御自体は、周知の空燃比制御と同
様である。次に、本実施例の一つの特徴であるリーンN
Ox触媒2の劣化度判定のための劣化度検出処理ルーチ
ン(図3(A))について説明する。この劣化度検出ル
ーチンは、10秒毎に実行される。
【0021】まず、触媒温センサ9からリーンNOx触
媒の温度TCATを求め(S10)、図4のマップに基
づいて劣化係数Rを算出する(S20)。実施例でリー
ンNOx触媒に用いたCu/ゼオライト触媒は、低温時
にはそれほど劣化が進まないが、温度に対して弱く、5
00℃付近より急に劣化が進み易くなる性質を有する。
従って、劣化係数マップは、約450℃以下ではR=1
とし、それ以上では対数的に係数が増大するように作成
されている。次に、この劣化係数Rを積算して劣化度K
を算出する(S30)。具体的には、RAMに不揮発性
メモリデータとして記憶されている前回算出の劣化度K
を呼び出し、K=K+Rの演算を実行する。そして、こ
の新たに算出したKを不揮発性メモリにストアして劣化
度Kを更新する(S40)。
【0022】こうして、10秒毎に劣化度Kが更新され
ていく。劣化度Kは、リーンNOx触媒2が450℃以
下では1ずつしか増加しないが、600℃程度だと10
ずつ増加することになる。即ち、高温に曝されている状
態が長いほど劣化度Kは急激に大きな値となり、車両の
走行距離の長さとは直接的に関係しない。次に、この劣
化度Kに基づいていかなる制御を実行するかについて説
明する。図3(B)はそのための演算ルーチンである。
この演算ルーチンでは、まず、不揮発性メモリから劣化
度Kを読み出し(S110)、劣化度Kが所定値Kbad
以上になったか否かを判定する(S120)。K<Kba
d のときにはそのまま処理を終了する。
【0023】しかし、K≧Kbad のときには、ストイキ
にてフィードバック制御をすべき運転領域を広げ、リー
ンバーン運転領域を狭める様に、O2 フィードバック条
件を変更する(S130)。具体的には、O2 フィード
バックによるストイキ制御からリーンバーン制御に切り
換える条件を、加速状態の吸気圧の上昇率△Pが、△P
<10mmHg/100msとしていたのを、△P<5mmHg/
100msに変更する。これによって、例えば図5に示す
ように、新車当時のリーンバーン領域A(ある程度の加
速領域も含んでいた)を、劣化度が進んだときにはB
(ごく緩やかな加速領域だけを含む)の様に狭めるので
ある。この結果、性能の落ちたリーンNOx触媒2によ
るNOx浄化領域が狭まり、その分だけ三元触媒3の方
でNOx浄化をする領域が広がり、燃費は若干落ちるも
のの、走行全体としての大気中へのNOx排出量につい
ては、これを増大させることがないのである。
【0024】なお、この様な効果は、例えば、触媒の劣
化度を判定する手段として、従来技術のA〜Cを採用し
ても発揮することができる。ただし、これら従来技術の
A〜Cを採用した場合には、劣化度判定の正確さや安定
性の点で上記実施例よりも劣る。即ち、本実施例で説明
した触媒劣化度検出装置(CPUの実行するS10〜S
40の処理)は、触媒劣化時のNOx排出抑制を図る上
で、劣化の原因となる温度履歴を累積して劣化度を検出
しているので単なる積算走行距離によるときのような不
正確な劣化判定にならず、かつ、一次的な検出結果に惑
わされることがないので、安定度の高い劣化判定に資す
ることができる。従って、この触媒劣化検出装置は、上
述の実施例に限らず、次の様な変形例にも適用すること
ができ、その場合には、正確で安定度の高い処置を約束
するものである。
【0025】[変形例]第1の変形例を図6,図7に基
づいて説明する。なお、触媒劣化度検出については実施
例と同じである。第1の変形例の演算ルーチンでは、ま
ず、不揮発性メモリから劣化度Kを読み出す(S21
0)。そして、この劣化度Kに基づいて図7のマップよ
りEGR補正係数C1を算出する(S220)。この図
7のマップは、劣化度Kが所定値K1以下ではC1=
1.0とし、それ以上ではC1を1.0より大きい数値
としている。そして、このEGR補正係数C1が算出さ
れたら、これをEGR弁の開度信号Q1に乗算し、EG
R弁開度を大きめにするようにする(S230)。これ
は、EGR率を高めることによって内燃機関10内での
燃焼温度を低下させ、排気された直後の排ガス中のNO
x濃度を低下せしめるためである。このEGR率とNO
x濃度との関係は、例えば図8に示す様になる。
【0026】こうしてEGR率を増加させることによっ
て、例えばNOx濃度Xを0.7Xに低下させると、リ
ーンNOx触媒2のNOx浄化率が80%から70%に
低下していても、次式の通り、大気中へ排出されるNO
x濃度は約0.21Xとなり、劣化前とほぼ同じにな
る。
【0027】
【数1】劣化前:X − 0.8*X = 0.2X 劣化後:0.7X − 0.7*0.7X = 0.21X 従って、この変形例によれば、触媒劣化後も、NOx排
出規制を十分にクリヤすることが可能になる。
【0028】次に第2の変形例を図9,図10にて説明
する。この第2の変形例でも、触媒劣化度検出について
は実施例と同じである。この変形例でも、まず、不揮発
性メモリから劣化度Kを読み出す(S310)。そし
て、この劣化度Kに基づいて図9のマップより点火時期
補正係数C2を算出する(S320)。この図10のマ
ップは、劣化度Kが所定値K2以下ではC2=1.0と
し、それ以上ではC2を1.0より小さい数値としてい
る。そして、この点火時期補正係数C2が算出された
ら、これを点火時期信号Q2に乗算し、点火時期を遅角
する(S330)。
【0029】点火時期を遅角すると気筒内での燃焼温度
が下がるので、図11に示すように、NOxの発生を低
減できるということは一般に知られている。即ち、この
場合にも、第1の変形例と同様に、NOx発生量を低減
させ、これによって大気中へのNOx排出量を増加させ
ないようにすることができるのである。なお、点火時期
信号Q2は、回転数と吸気管圧力より求められる点は、
周知の技術と変わらない。次に、第3の変形例を説明す
る。この第3の変形例でも、触媒劣化度検出については
実施例と同じである。
【0030】この変形例でも、図12に示す様に、ま
ず、不揮発性メモリから劣化度Kを読み出す(S41
0)。そして、この劣化度Kに基づいて図13のマップ
よりリーンバーン制御における制御空燃比A/Fに対し
て乗算すべきA/F補正係数C3を算出する(S42
0)。A/F補正係数C3は、劣化度Kが所定値K3以
下では1.0とし、それ以上では1.0より大きい数値
となるように設定してある。そして、このA/F補正係
数C3が算出されたら、これを制御空燃比(A/F=2
2.0)に乗算し、リーンバーン時の制御空燃比を増大
させる(S430)。なお、失火域(A/F>LL)に
入らないようにガード処理も実施する(S440,S4
50)。
【0031】A/Fと排ガス中のNOx濃度との関係
は、図14に示す様な傾向にある。即ち、A/F=16
をピークに、それよりもA/Fが離れるに従ってNOx
濃度が低くなる。従って、リーンバーンにおけるA/F
を増大させるということはNOx発生濃度自体を低下さ
せ、上記各変形例と同様の効果を奏する。以上、本発明
の実施例及び変形例を説明してきたが、本発明はこれら
に限られるものではなく、さらに種々なる態様にて実施
できることはいうまでもない。例えば、リーンNOx触
媒の劣化検出のための温度履歴は、触媒温センサ9によ
らなくても、排気温に関係するエンジンの運転条件から
演算で求めるようにしてもよい。例えば、エンジン回転
数,吸気管圧力,水温,始動からの時間、及び制御空燃
比などを加味して算出することができる。例えばA/F
=14.7における排ガス温度の推定例を図15に示
す。こうして排ガス温度が推定できたら、これと始動後
の時間などの関係から、冷却水や排気管などへの熱伝導
の条件などを加味して、触媒温度を推定することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例のシステムの概略構成図である。
【図2】 実施例のシステムの制御系の概略構成図であ
る。
【図3】 実施例における触媒劣化度検出処理のフロー
チャート(A)と、触媒劣化時の排出NOxの総量低減
化のための処理のフローチャート(B)である。
【図4】 実施例における触媒劣化度検出処理で用いる
劣化係数算出用のマップである。
【図5】 実施例における作用・効果を例示するタイム
チャートである。
【図6】 第1の変形例における触媒劣化時の排出NO
xの総量低減化のための処理のフローチャートである。
【図7】 第1の変形例におけるEGR補正係数算出用
のマップである。
【図8】 EGR率とNOx発生濃度との関係を示すグ
ラフである。のフローチャートである。
【図9】 第2の変形例における触媒劣化時の排出NO
xの総量低減化のための処理のフローチャートである。
【図10】 第2の変形例における点火時期補正係数算
出用のマップである。
【図11】 点火時期とNOx発生濃度との関係を示す
グラフである。
【図12】 第3の変形例における触媒劣化時の排出N
Oxの総量低減化のための処理のフローチャートであ
る。
【図13】 第3の変形例におけるA/F補正係数算出
用のマップである。
【図14】 A/FとNOx発生濃度との関係を示すグ
ラフである。
【図15】 エンジン回転数,吸気管圧力及び制御空燃
比と排ガス温度との関係を示すグラフである。
【図16】 リーンNOx触媒及び三元触媒のNOx浄
化率と空燃比との関係を例示したグラフである。
【符号の説明】
2・・・リーンNOx触媒、3・・・三元触媒、5・・
・O2 センサ、9・・・触媒温センサ、10・・・内燃
機関、13・・・排気管、18・・・スロットルセン
サ、22・・・吸気管圧力センサ、27・・・EGR
弁、50・・・RAM、34・・・クランク角センサ、
36・・・ECU、40・・・CPU、44・・・エン
ジン回転速度信号形成回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 F01N 3/28 301 C F02B 77/08 E F02D 41/14 310 D 8011−3G 45/00 301 G

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 三元触媒より上流側の排気管中に、リー
    ンバーン時にもNOxを浄化する能力を有する第2の触
    媒を配設し、所定の運転領域のときにはリーンバーン制
    御を実行する内燃機関の排気浄化方法において、 前記第2の触媒の劣化が進行したとき、前記リーンバー
    ン制御を実行する運転領域を狭めることを特徴とする内
    燃機関の排気浄化方法。
  2. 【請求項2】 排気管中に配設した三元触媒と、 該三元触媒よりも上流側の排気管中に配設され、リーン
    バーン時にもNOxを浄化する能力を有する第2の触媒
    と、 内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、 該運転状態検出手段の検出した運転状態が所定の運転領
    域にあるときにはリーンバーン制御を実行するリーンバ
    ーン実行手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置におい
    て、 前記第2の触媒の劣化の進行度合を判定する劣化度判定
    手段と、 該劣化度判定手段の判定結果に基づいて、劣化が進行し
    た場合には前記リーンバーン実行手段によるリーンバー
    ン制御を実行する運転領域を狭めるリーン運転領域縮小
    手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装
    置。
  3. 【請求項3】 リーンバーン制御を実行する内燃機関
    で、三元触媒よりも上流側の排気管中に配設され、リー
    ンバーン時にもNOxを浄化する能力を有する第2の触
    媒の劣化の進行度合を検出する触媒劣化度検出装置であ
    って、 該第2の触媒の受ける温度履歴に関する情報を検出する
    温度履歴情報検出手段と、 該温度履歴情報検出手段の検出した温度履歴に関する情
    報を累積する温度履歴累積手段とを備えたことを特徴と
    する触媒劣化度検出装置。
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