JPH1150894A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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JPH1150894A
JPH1150894A JP9206409A JP20640997A JPH1150894A JP H1150894 A JPH1150894 A JP H1150894A JP 9206409 A JP9206409 A JP 9206409A JP 20640997 A JP20640997 A JP 20640997A JP H1150894 A JPH1150894 A JP H1150894A
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nox
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fuel ratio
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太郎 横井
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康二 石原
Takayuki Toshiro
隆之 戸城
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Abstract

(57)【要約】 【課題】筒内噴射型内燃機関において、NOx吸収触媒
に吸収されたNOxを、燃焼空燃比を変化させることな
く、リーン燃焼運転中に確実に浄化する。 【解決手段】NOx吸収触媒の上流側に酸化触媒を介装
する。そして、NOx吸収触媒におけるNOxの吸収量
がスライスレベルを越えていると推定されたときには、
膨張〜排気行程において燃料を噴射させる。前記膨張〜
排気行程噴射における噴射量TIRSは、理論空燃比燃
焼時の噴射量からリーン燃焼状態の噴射量を減算して得
た燃料量TIO2(S52)と、NOx吸収量SIGNO
から求めた燃料量TINO(S53)との合計として設定
する(S54)。前記燃料量TIO2は、前記酸化触媒に
おいて燃焼してリーン燃焼状態における過剰酸素を消費
し、また、前記燃料量TINOは、NOx吸収触媒から
脱離したNOxの還元処理に用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【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、詳しくは、燃焼室内に直接燃料を噴射す
る燃料噴射弁を備えた筒内噴射型の内燃機関において、
NOx吸収触媒に吸収されたNOxを還元処理するため
の技術に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、排気空燃比がリーンであると
きに排気中のNOxを吸収し、排気空燃比が理論空燃比
(ストイキ)又はリッチであるときに前記吸収したNO
xを放出して還元処理するNOx吸収触媒(NOx吸収
型三元触媒)を備えた筒内噴射型の内燃機関が知られて
いる(特開平9−32619号公報参照)。
【0003】前記特開平9−32619号公報に開示さ
れるものでは、硫黄が前記NOx吸収触媒に付着すると
浄化能力が低下することから、前記硫黄の付着量が所定
量に達したときに、通常の燃料噴射を行いつつ、排気行
程において燃料噴射を行わせ、この排気行程で噴射され
た燃料が排気通路内及びNOx吸収触媒内で燃焼するこ
とで、前記硫黄が除去されるようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記排気行
程噴射では、NOx吸収触媒に付着した硫黄の除去が行
えるとしても、NOxの還元処理は行えないという問題
があった。即ち、前記排気行程での燃料噴射は、リーン
燃焼中に行われ、酸素過剰状態で燃料(HC)がNOx
吸収触媒内に流入することになるので、NOxが脱離さ
れないことになる。また、NOx吸収触媒に酸化作用が
あったとしても、触媒の前部で燃料が燃焼して触媒後部
のみが還元雰囲気になるので、上流側に吸収されていた
NOxは未浄化のまま放置されることになってしまう。
【0005】更に、NOx吸収触媒は通常の三元触媒よ
りも耐熱性が低いので、排気行程で噴射した燃料のNO
x吸収触媒内での燃焼によって触媒内の雰囲気を還元雰
囲気にしようとすると、触媒の温度上昇を招いて触媒劣
化が進んでしまうという問題もあった。本発明は上記問
題点に鑑みなされたものであり、燃焼空燃比を変化させ
ることのない膨張〜排気行程での燃料噴射により、NO
x吸収触媒に吸収されたNOxの浄化を図れ、然も、N
Ox吸収触媒の熱劣化を回避できる排気浄化装置を提供
することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】そのため請求項1記載の
発明は、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料
噴射弁を備え、理論空燃比よりもリーン空燃比での燃焼
運転を行いうる内燃機関の排気浄化装置であって、排気
空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに排気中の
NOxを吸収し、排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃
比よりもリッチであるときに前記吸収したNOxを放出
して還元処理するNOx吸収触媒と、該NOx吸収触媒
よりも上流側の排気通路に介装される酸化触媒とを備
え、リーン燃焼中に前記燃料噴射弁により膨張〜排気行
程で燃料を噴射させることにより、前記NOx吸収触媒
の入口での排気空燃比をリッチにして、前記NOx吸収
触媒に吸収されたNOxの還元処理を行う構成とした。
【0007】かかる構成によると、膨張〜排気行程で噴
射された燃料は、排気通路にリーン燃焼排気と共に排出
され、まず、酸化触媒に流入する。そして、酸化触媒の
酸化作用によって前記燃料が燃焼することで酸素が消費
され、酸化触媒出口では、排気空燃比がリッチになり、
かかるリッチ空燃比の排気がNOx吸収触媒に流入し
て、NOx吸収触媒におけるNOxの脱離,還元処理が
行われる。
【0008】尚、一般的に酸化触媒(三元触媒でも可)
の耐熱性は、NOx吸収触媒よりも高く、膨張〜排気行
程で噴射された燃料の燃焼による酸化触媒の劣化は充分
に小さい。請求項2記載の発明では、前記膨張〜排気行
程で噴射される燃料量を、吸入空気量,燃焼空燃比,N
Ox吸収触媒におけるNOx吸収量に応じて設定する構
成とした。
【0009】かかる構成によると、吸入空気量,燃焼空
燃比,NOx吸収量によって、NOx吸収触媒内がNO
x還元処理に最適な雰囲気となるように、膨張〜排気行
程での燃料噴射における噴射量が設定される。請求項3
記載の発明では、前記吸入空気量と燃焼空燃比とに基づ
いて前記酸化触媒における酸化反応で排気中の酸素を消
費する分の燃料量を演算する一方、前記NOx吸収触媒
におけるNOx吸収量に基づいてNOxを還元処理する
分の燃料量を演算し、これらの合計を膨張〜排気行程で
噴射する燃料量とする構成とした。
【0010】かかる構成によると、吸入空気量と燃焼空
燃比とから排気中の過剰酸素を酸化触媒での燃焼で消費
するための燃料量を判定でき、また、NOxの還元処理
には、同時に酸化されるHCの存在が不可欠であるか
ら、NOx吸収量からNOx還元処理時に必要となる燃
料量を判定でき、前記過剰酸素を消費するための燃料量
と還元処理時に必要となる燃料量との合計を、膨張〜排
気行程において噴射させる。
【0011】請求項4記載の発明は、内燃機関の燃焼室
内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、理論空燃比
よりもリーン空燃比での燃焼運転を行いうる内燃機関の
排気浄化装置であって、図1に示すように構成される。
図1において、NOx吸収触媒は、排気空燃比が理論空
燃比よりもリーンであるときに排気中のNOxを吸収
し、排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッ
チであるときに前記吸収したNOxを放出して還元処理
する触媒であり、酸化触媒は、前記NOx吸収触媒より
も上流側の排気通路に介装される。
【0012】一方、NOx吸収量予測手段は、前記NO
x吸収触媒におけるNOxの吸収量を予測する。そし
て、排気行程噴射制御手段は、リーン燃焼運転中に前記
NOx吸収量予測手段で予測されるNOx吸収量が所定
値以上になったときに、前記燃料噴射弁により膨張〜排
気行程中に燃料噴射を所定期間だけ行わせる。
【0013】ここで、排気行程噴射量演算手段は、前記
排気行程噴射制御手段による燃料噴射量を、機関の吸入
空気量,燃焼空燃比及び前記NOx吸収量予測手段で予
測されたNOx吸収量に基づいて演算する。かかる構成
によると、リーン燃焼中に、NOx吸収触媒に吸収され
たNOx量が所定値以上になると、リーン燃焼混合気形
成のための通常の燃料噴射(吸気行程噴射又は圧縮行程
噴射)の他、膨張〜排気行程でも燃料噴射を行わせる。
【0014】膨張行程又は排気行程で燃焼室内に噴射さ
れた燃料は、燃焼排気と共に燃焼室から排出されて酸化
触媒に流入し、ここでの酸化触媒作用によって燃焼して
リーン燃焼による過剰酸素を消費する。酸化触媒で燃焼
せずに残った燃料(HC)は、リーン排気と共にNOx
吸収触媒に流入し、NOx吸収触媒に吸収されていたN
Oxは、リーン排気の下で脱離し、燃料(HC)の酸化
と同時に還元処理される。
【0015】前記膨張〜排気行程での燃料噴射量は、過
剰酸素量を示す機関の吸入空気量及び燃焼空燃比と、還
元処理するNOx吸収量とに基づいて演算される。請求
項5記載の発明では、前記排気行程噴射量演算手段が、
前記吸入空気量と燃焼空燃比とに基づいて前記酸化触媒
における酸化反応で排気中の酸素を消費する分の燃料量
を演算する一方、前記NOx吸収触媒におけるNOx吸
収量に基づいてNOxを還元処理する分の燃料量を演算
し、これらの合計を膨張〜排気行程で噴射する燃料量と
して演算する構成とした。
【0016】かかる構成によると、吸入空気量と燃焼空
燃比とから過剰酸素を酸化触媒での燃焼で消費するため
の燃料量を演算し、また、NOxの還元処理には、同時
に酸化されるHCが必要であるから、NOx吸収量から
NOx還元処理時に必要となる燃料量(酸化処理される
燃料量)を演算し、これらの合計を膨張〜排気行程にお
いて噴射させる燃料量とする。
【0017】請求項6記載の発明では、前記排気行程噴
射量演算手段が、機関の吸入空気量と燃焼空燃比とに基
づいて、理論空燃比燃焼時相当の燃料噴射量とそのとき
の燃焼空燃比での燃料噴射量との差分を演算し、この差
分を前記酸化触媒における酸化反応で排気中の酸素を消
費する分の燃料量とする構成とした。かかる構成による
と、理論空燃比燃焼を行わせるときの燃料噴射量から、
そのときのリーン燃焼での燃料噴射量との差分が、過剰
酸素を生じさせる燃料の不足分となるから、前記差分を
膨張〜排気行程で噴射させて、一旦過剰酸素として排気
通路に排出された酸素を、膨張〜排気行程噴射で噴射さ
れた燃料の酸化触媒での燃焼で消費させる。
【0018】請求項7記載の発明では、前記酸化触媒の
下流側でかつ前記NOx吸収触媒の上流側の排気通路に
おいて排気空燃比を検出する排気空燃比検出手段と、該
排気空燃比検出手段で検出される排気空燃比に基づいて
前記排気行程噴射制御手段による膨張〜排気行程での燃
料噴射量をフィードバック補正する噴射量フィードバッ
ク手段と、を設ける構成とした。
【0019】かかる構成によると、膨張〜排気行程で燃
料噴射を行わせてリーン燃焼による過剰酸素の消費を図
るときに、酸化触媒の下流側で排気空燃比を検出して、
過剰酸素が実際に消費されているか否かを確認して、膨
張〜排気行程での噴射における燃料量をフィードバック
補正する。
【0020】
【発明の効果】請求項1記載の発明によると、リーン燃
焼中の膨張〜排気行程での噴射により、NOx吸収触媒
内を還元雰囲気としてNOxを脱離・還元処理でき、ま
た、膨張〜排気行程での噴射による燃料は酸化触媒で燃
焼するのでNOx吸収触媒の熱劣化を回避できるという
効果がある。
【0021】請求項2記載の発明によると、NOx吸収
触媒内を還元雰囲気とするための膨張〜排気行程での噴
射量を適切に設定でき、NOxが不完全に浄化された
り、排気,燃費が悪化することを防止できるという効果
がある。請求項3記載の発明によると、過剰酸素の消費
に必要な燃料量と、還元処理に必要とされる燃料量とを
それぞれに求めて、これらの合計を膨張〜排気行程にお
いて噴射させることで、過剰酸素状態を確実に解消し、
かつ、脱離されたNOxの還元処理を確実に行わせるこ
とができるという効果がある。
【0022】請求項4記載の発明によると、NOx吸収
触媒に吸収されたNOxが所定値以上になったときに、
リーン燃焼運転のまま、膨張〜排気行程での燃料噴射に
よってNOx吸収触媒内を還元雰囲気にしてNOxを浄
化でき、かつ、リーン燃焼による酸素過剰状態を、上流
側の酸化触媒での燃焼によって解消するので、NOx吸
収触媒の熱劣化を回避できるという効果がある。
【0023】請求項5記載の発明によると、酸化触媒で
の燃焼による過剰酸素の消費に必要な燃料量と、NOx
吸収触媒における還元処理に必要とされる燃料量とを膨
張〜排気行程において噴射させることで、過剰酸素状態
を確実に解消してNOxを脱離させ、かつ、脱離された
NOxの還元処理を確実に行わせることができるという
効果がある。
【0024】請求項6記載の発明によると、リーン燃焼
状態における酸素過剰状態を、酸化触媒における燃料の
燃焼によって解消するための燃料量を、簡便かつ確実に
求めることができるという効果がある。請求項7記載の
発明によると、酸化触媒における燃料の燃焼によって過
剰酸素状態を解消し得る燃料量を、過不足なく膨張〜排
気行程において噴射させることができるという効果があ
る。
【0025】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。図2は、実施の形態における内燃機関のシステム
構成を示す図であり、内燃機関1には、エアクリーナ2
を通過した空気がスロットル弁3で調量されて吸引され
る。機関1の各気筒には、燃焼室内に直接燃料を噴射す
る燃料噴射弁4がそれぞれ設けられており、該燃料噴射
弁4による燃料噴射によって燃焼室内に混合気が形成さ
れる。
【0026】ここで、吸気行程での燃料噴射による均質
リーン燃焼運転及び/又は圧縮行程での燃料噴射による
成層リーン燃焼運転が行われるようになっており、マイ
クロコンピュータを内蔵したコントロールユニット5は
目標空燃比の混合気を形成させるべく燃料噴射弁4の燃
料噴射量及び噴射タイミングを制御する。前記燃料噴射
弁4からの燃料噴射で形成された混合気は、点火プラグ
6による火花点火によって着火燃焼し、燃焼排気は、上
流側から順に酸化触媒7,NOx吸収触媒8が介装され
た排気通路9を介して大気中に排出される。
【0027】前記酸化触媒7は、酸化作用のある触媒で
あり、三元触媒であっても良い。また、前記NOx吸収
触媒8は、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンである
ときに排気中のNOxを吸収し、排気空燃比が理論空燃
比又は理論空燃比よりもリッチであるときに前記吸収し
たNOxを放出して還元処理するNOx吸収型三元触媒
である。
【0028】前記NOx吸収触媒8におけるNOxの吸
放出作用を、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担持
させた場合を例として説明する。尚、他の貴金属,アル
カリ金属,アルカリ土類,希土類を用いる構成の場合も
同様である。排気空燃比がリーンであるときには、図3
(A)に示すように、排気中の酸素O2 が、O2-形で白
金Ptの表面に付着する。一方、排気中のNOは、白金
Ptの表面上でO2-と反応し、NO2 となる(2NO+
2 →2NO2 )。次いで、生成されたNO2 の一部は
白金Pt上で更に酸化されつつ、硝酸イオンNO3-の形
で吸収物質(バリウム) 内に吸収される。
【0029】一方、ストイキ燃焼又はリッチ燃焼への切
り換えによって排気中の酸素濃度が低下してNO2 の生
成量が低下すると、反応が逆方向(NO3-→NO2 )に
進み、吸収物質内の硝酸イオンNO3-がNO2 の形で吸
収物質から放出される。放出されたNO2 は、CO又は
HCと反応してN2 に還元処理される。前記コントロー
ルユニット5には、燃料噴射制御のために各種センサか
らの検出信号が入力される。
【0030】前記各種センサとしては、機関1の吸入空
気流量Qaを検出するエアフローメータ10,スロットル
弁3の開度TVOを検出するスロットルセンサ11,機関
1の冷却水温度TWを検出する水温センサ12,クランク
角を検出するクランク角センサ13,前記酸化触媒7の上
流側の排気通路9に介装されて排気中の酸素濃度を検出
する酸素センサ14などが設けられている。尚、前記クラ
ンク角センサ13からの検出信号に基づいて機関回転数N
e(rpm)が算出される。
【0031】そして、コントロールユニット5は、図4
の制御ブロック図に示すようにして、燃料噴射弁4によ
る燃料噴射を制御する。リーン・ストイキ切り替え手段
Aは、燃焼空燃比を、リーンとストイキ(理論空燃比)
とに切り替え、該切り替えに応じてストイキ空燃比制御
手段B又はリーン空燃比制御手段Cが、前記燃料噴射弁
4による燃料噴射量を制御して燃焼混合気を形成する。
【0032】一方、リーン空燃比制御手段Cにより燃料
噴射が制御されるリーン燃焼運転時には、NOx吸収量
予測手段Dが前記NOx吸収触媒8に対するNOxの吸
収量を予測し、該予測結果に基づいて2次噴射許可手段
Eが、2次噴射(膨張〜排気行程噴射)の許可判断を下
し、噴射量算出手段F(排気行程噴射制御手段,排気行
程噴射量演算手段)は、前記2次噴射(膨張〜排気行程
噴射)における噴射量を算出して、通常の燃料噴射とは
別に、膨張〜排気行程において燃料噴射弁4による燃料
噴射を行わせる。
【0033】次に図5〜図10のフローチャートに従って
図4に示される各手段を詳細に説明する。図5のフロー
チャートは、リーン燃焼の許可判断を行うルーチン(リ
ーン・ストイキ切り替え手段A)を示し、まず、ステッ
プ1(図中にはS1と記してある。以下同様)では、機
関回転数NeがスライスレベルSLNE未満であるか否
かを判別し、スライスレベルSLNE未満であるときに
はステップ2へ進む。
【0034】ステップ2では、機関負荷がスライスレベ
ルSLTP未満であるか否かを判別する。ここで、機関
負荷は、吸入空気流量Qaと機関回転数Neとに基づい
て演算される理論空燃比相当の基本噴射量Tp(シリン
ダ吸入空気量)で代表させることができる。ステップ2
で、機関負荷がスライスレベルSLTP未満であると判
別されたときには、更に、ステップ3へ進み、スロット
ル開度変化率ΔTVOがスライスレベルSLTVO未満
であるか否かを判別することで、スロットル弁3の開度
が安定している定常状態であるか否かを判別する。
【0035】スロットル開度変化率ΔTVOがスライス
レベルSLTVO未満であるときには、ステップ4へ進
み、水温TWがスライスレベルSLTWを越えているか
否かを判別する。そして、水温TWがスライスレベルS
LTWを越えているとき、即ち、低負荷低回転領域の定
常かつ完暖状態であるときには、ステップ5へ進んで、
リーン燃焼の許可を判定し、フラグFLGLENに1を
セットする。
【0036】一方、ステップ1〜4のリーン許可条件の
うちのいずれか1つでも成立していないときには、ステ
ップ6へ進み、リーン燃焼の不許可を判定して前記フラ
グFLGLENに0をセットする。ステップ7では、前
記NOx吸収触媒8におけるNOx吸収量の予測値であ
るSIGNOに0をセットする。リーン燃焼運転でな
く、理論空燃比(又はリッチ)燃焼運転を行わせるとき
には、前記NOx吸収触媒8においてNOxが逐次還元
処理され、NOxが吸収されることがないので、前述の
ように、吸収量SIGNOに0をセットする。
【0037】図6のフローチャートは、理論空燃比燃焼
時における噴射量Ti制御の様子(ストイキ空燃比制御
手段B)を示すものであり、ステップ11では、吸入空気
流量Qa及び機関回転数Neの検出値を読み込む。ステ
ップ12では、基本噴射量Tpを、 Tp=k×Qa/Ne (kは定数) として演算する。
【0038】ステップ13では、酸素センサ14の信号に基
づいて実際の空燃比の理論空燃比に対するリッチ・リー
ンを判定し、該リッチ・リーンの判定結果に基づいて、
空燃比フィードバック補正係数αを例えば比例・積分制
御する。ステップ14では、前記基本噴射量Tpを、前記
空燃比フィードバック補正係数α等によって補正して最
終的な燃料噴射量Tiを演算する。
【0039】Ti=Tp×α コントロールユニット5は、各気筒の吸気行程に合わせ
た噴射タイミングにおいて、前記燃料噴射量Tiに相当
するパルス幅の噴射パルス信号を燃料噴射弁4に出力し
て、燃料噴射弁4による燃料噴射を制御し、理論空燃比
(ストイキ)燃焼運転を行わせる。
【0040】一方、図7のフローチャートは、リーン燃
焼時における噴射量Ti制御の様子(リーン空燃比制御
手段C)を示すものであり、ステップ21では、吸入空気
流量Qa及び機関回転数Neの検出値を読み込み、ステ
ップ22では、理論空燃比相当の基本噴射量Tpを演算す
る。そして、ステップ23では、そのときの目標空燃比
と、前記理論空燃比相当の基本噴射量Tpとに基づい
て、リーン燃焼時の燃料噴射量Tiを演算する。
【0041】Ti=Tp×14.7/目標空燃比 コントロールユニット5は、成層リーン燃焼を行わせる
場合には各気筒の圧縮行程において、また、均質リーン
燃焼を行わせる場合には各気筒の吸気行程において、前
記燃料噴射量Tiに相当するパルス幅の噴射パルス信号
を燃料噴射弁4に出力して、リーン燃焼運転を行わせ
る。
【0042】ここで、リーン燃焼運転中には、前述のよ
うにNOxがNOx吸収触媒8に吸収されることにな
り、このNOx吸収触媒8に対するNOx吸収量が、図
8のフローチャートに示すようにして推定される(NO
x吸収量予測手段D)。図8のフローチャートは、1se
c 毎に実行されるようになっており、ステップ31では、
前記フラグFLGLENの判別によってリーン燃焼状態
であるか否かを判別する。
【0043】前記フラグFLGLENに1がセットされ
ていてリーン燃焼が許可される条件であるときには、ス
テップ32へ進み、前記NOx吸収触媒8に吸収されたN
Oxを還元処理するための膨張〜排気行程噴射の許可状
態であるか否かを、フラグFLGRSに基づいて判別す
る。尚、上記膨張〜排気行程噴射及びフラグFLGRS
については、後に詳細に説明する。
【0044】前記フラグFLGRSに0がセットされて
いて、NOx還元処理のための膨張〜排気行程噴射が行
われない状態であるとき、換言すれば、NOx吸収触媒
8にNOxが吸収されるリーン燃焼運転時であるときに
は、ステップ33へ進む。ステップ33では、機関回転数N
e及び機関負荷を代表する基本噴射量Tpを読み込む。
【0045】ステップ34では、予め機関回転数Ne及び
機関負荷をパラメータとして1秒当たりのNOx排出量
NOGを記憶したマップを参照し、現在の機関回転数N
e及び機関負荷に対応する排出量NOGを読み出す。ス
テップ35では、前記ステップ34で読み出した排出量NO
Gをそれまでの吸収量SIGNOに加算して、該加算結
果を新たな吸収量SIGNOとする。即ち、リーン燃焼
運転中には、機関回転数Ne及び機関負荷から推定され
る機関1からのNOx排出量を逐次積算して、NOx吸
収触媒8に対するNOxの吸収量を予測する。
【0046】尚、NOx吸収量の予測方法を上記に限定
するものではなく、機関回転数及び機関負荷以外の条件
で燃焼空燃比が変化する場合には、燃焼空燃比をパラメ
ータに含めてNOx吸収量を予測させれば良い。図9の
フローチャートは、前記吸収量SIGNOに基づいてリ
ーン燃焼運転中にNOxを脱離・還元処理するための制
御(2次噴射許可手段E)を示すものである。
【0047】ステップ41では、前記推定された吸収量S
IGNOがスライスレベルSLSNOを越えているか否
かを判別する。そして、NOx吸収触媒8におけるNO
x吸収量SIGNOがスライスレベルSLSNOを越え
ているときには、ステップ42へ進み、NOx処理時間N
OTIME(NOx浄化のための膨張〜排気行程噴射の
継続時間)がスライスレベルSLNOTM未満であるか
否かを判別する。
【0048】NOx処理時間NOTIMEがスライスレ
ベルSLNOTM未満であるときには、NOx吸収触媒
8に吸収されたNOxの脱離・還元を行うための処理を
行わせるべく、ステップ43へ進んで、フラグFLGRS
に1をセットする。一方、NOx処理時間NOTIME
がスライスレベルSLNOTM以上になったときには、
スライスレベルSLSNOを越えるまでに増大したNO
x吸収量SIGNOの脱離・還元処理が終了したものと
見做し、ステップ44で前記NOx吸収量SIGNOをゼ
ロリセットした後、ステップ45へ進んで、前記フラグF
LGRSに0をセットする。
【0049】ステップ41でNOx吸収量SIGNOがス
ライスレベルSLSNO以下であると判別されたときに
も、吸収されたNOxの脱離・還元処理は必要ないもの
と判断して、ステップ45へ進む。前記NOx吸収触媒8
においてはリーン燃焼運転中にNOxを吸収し、運転が
理論空燃比燃焼又はリッチ燃焼に切り換われば、それま
でに吸収したNOxが脱離・還元処理されることになる
が、リーン燃焼運転が継続されてNOxを脱離・還元処
理する機会がないと、NOx吸収量が最大吸収量を越え
るようになってしまい、機関1から排出されるNOxが
そのまま大気中に排出されることになってしまう。
【0050】そこで、リーン燃焼中にNOx吸収量SI
GNOが許容量SLSNOを越えたときには、NOx吸
収触媒8の雰囲気を強制的に還元雰囲気として吸収され
たNOxの脱離・還元を行わせる必要があり、本願発明
では、NOx吸収触媒8の上流側に介装した酸化触媒7
と膨張〜排気行程での燃料噴射との組み合わせによっ
て、リーン燃焼運転を行わせたまま前記還元雰囲気を作
り出せるようにしている。
【0051】図10のフローチャートは、前記膨張〜排気
行程噴射の制御の様子(噴射量算出手段F:排気行程噴
射制御手段,排気行程噴射量演算手段)を示すものであ
り、ステップ51では、前記フラグFLGRSに1がセッ
トされているか否かを判別する。前記フラグFLGRS
に1がセットされている場合には、ステップ52へ進み、
過剰酸素を消費させるために各気筒の膨張〜排気行程で
噴射させる燃料噴射量TIO2を、 TIO2=Tp×(1−14.7/目標空燃比) として演算する。
【0052】前記基本噴射量Tpは、理論空燃比相当の
基本噴射量であり、シリンダ吸入空気量を示すことにな
り、目標空燃比はそのときの燃焼空燃比である。上記燃
料噴射量TIO2は、理論空燃比相当の基本噴射量Tp
からリーン燃焼相当の基本噴射量Tp’を減算した値と
なり、このTIO2分だけ燃焼に供する燃料量が少ない
ために過剰酸素の排気が排出されることになる。前記燃
料噴射弁4は燃焼室内に直接燃料を噴射するから、膨張
〜排気行程で燃料を噴射させると、排気と共に燃料がそ
のまま排気系に流れ出すことになり、この燃焼室から排
出された燃料は、酸化触媒7の酸化作用で燃焼し、酸素
を消費することになる。従って、前記燃料量TIO2だ
け膨張〜排気行程で燃料を噴射させれば、酸化触媒7に
おいて燃料が燃焼することで、過剰酸素が消費される。
【0053】ステップ53では、予めNOx吸収量SIG
NOに応じてNOx還元のための燃料量TINOを記憶
したテーブルを参照し、そのときの吸収量SIGNOに
対応する燃料量TINOを読み出す。そして、ステップ
54では、前記TIO2とTINOとの合計を、最終的な
膨張〜排気行程における燃料噴射量TIRSにセットす
る。コントロールユニット5は、吸気行程又は圧縮行程
での燃焼に供される燃料噴射の他に、各気筒の膨張〜排
気行程において前記燃料噴射量TIRSに相当するパル
ス幅の噴射パルス信号を各燃料噴射弁4に出力する。
【0054】ここで、前記燃料噴射量TIRSによる排
気行程噴射の開始から前記図9のフローチャートのステ
ップ2で判別される一定時間SLNOTMが経過する
と、NOx吸収量SIGNOがゼロリセットされると共
に、フラグFLGRSに1がセットされることで、ステ
ップ51からステップ55に進むようになる。そして、ステ
ップ55で前記燃料噴射量TIRSに0がセットされるよ
うになることで、膨張〜排気行程での燃料噴射が停止さ
れ、通常のリーン燃焼のための吸気或いは圧縮行程での
噴射のみが行われるようになる。
【0055】前記燃料量TIO2だけ膨張〜排気行程で
燃料を噴射させることで、過剰酸素状態を解消して、N
Ox吸収触媒8に流入する排気の空燃比をリッチにでき
るものの、NOxの還元処理には、同時にHCの酸化処
理が行われる必要がある。そのため、酸化触媒7で燃焼
せずにNOx吸収触媒8に到達して、NOx還元処理と
同時に酸化処理されるHCを確保すべく、NOx吸収量
に応じた燃料量TINOを前記燃料量TIO2に加えて
噴射させるものである。
【0056】上記のように燃料噴射量TIRSだけ膨張
〜排気行程噴射を行わせれば、酸化触媒7における燃焼
によって過剰酸素状態が解消されて排気空燃比がリッチ
となり、下流側のNOx吸収触媒8においてNOxの脱
離が行われるようになり、更に、酸化触媒7で燃焼せず
にNOx吸収触媒8に流れ込む燃料(HC)の酸化反応
に伴ってNOxの還元処理が行われることになる。
【0057】上記のように、膨張〜排気行程での噴射
(2次噴射)により供給された燃料は酸化触媒7で燃焼
することになるが、一般に、NOx吸収触媒8に比して
酸化触媒(三元触媒)7の耐熱性が高いために触媒劣化
の原因となることがない。また、上記のように、過剰酸
素状態を解消するのに要する燃料量と、脱離されたNO
xを還元処理するのに要する燃料(HC)量とに基づい
て、膨張〜排気行程で噴射させる燃料量を決定する構成
であれば、確実にNOxの脱離,還元処理を行え、然
も、燃費性能の悪化を回避できる。
【0058】ところで、膨張〜排気行程での燃料噴射に
よって、NOx吸収触媒8に流れ込む排気の空燃比を確
実にリッチにするために、図11に示すように、酸化触媒
7の下流側でNOx吸収触媒8上流側の排気通路9に、
排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を広域に検出で
きる空燃比センサ15(排気空燃比検出手段)を設け、前
記燃料噴射量TIRSを前記空燃比センサ15による検出
結果に基づいてフィードバック制御するようにしても良
い(噴射量フィードバック手段)。
【0059】具体的には、前記空燃比センサ15で検出さ
れる排気空燃比と、NOx吸収触媒8に流入させる排気
の目標空燃比とを比較し、目標よりも実際の空燃比がリ
ーンであるときには噴射量を増量修正し、逆に、リッチ
であるときには噴射量を減量修正するようにする。かか
る構成とすれば、各種のばらつき要因があっても、NO
x吸収触媒8入口における排気空燃比をリッチ状態とし
て、NOx吸収触媒8に吸収されたNOxの脱離・還元
を確実に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項4記載の発明に係る排気浄化装置の基本
構成を示すブロック図。
【図2】実施の形態における内燃機関のシステム構成
図。
【図3】NOx吸収触媒のNOxの吸放出作用を説明す
るための図。
【図4】上記実施の形態における基本的な燃料制御ブロ
ック図。
【図5】リーン・ストイキの切り替え制御を示すフロー
チャート。
【図6】ストイキ燃焼時の燃料噴射制御を示すフローチ
ャート。
【図7】リーン燃焼時の燃料噴射制御を示すフローチャ
ート。
【図8】NOx吸収量の予測制御を示すフローチャー
ト。
【図9】膨張〜排気行程噴射の許可制御を示すフローチ
ャート。
【図10】膨張〜排気行程噴射の噴射量演算を示すフロー
チャート。
【図11】第2の実施の形態における内燃機関のシステム
構成図。
【符号の説明】
1 内燃機関 2 エアクリーナ 3 スロットル弁 4 燃料噴射弁 5 コントロールユニット 6 点火プラグ 7 酸化触媒 8 NOx吸収触媒 9 排気通路 10 エアフローメータ 11 スロットルセンサ 12 水温センサ 13 クランク角センサ 14 酸素センサ 15 空燃比センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F01N 3/24 F01N 3/24 R F02D 41/02 325 F02D 41/02 325A 41/04 305 41/04 305Z 41/14 310 41/14 310A

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する
    燃料噴射弁を備え、理論空燃比よりもリーン空燃比での
    燃焼運転を行いうる内燃機関の排気浄化装置であって、 排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに排気
    中のNOxを吸収し、排気空燃比が理論空燃比又は理論
    空燃比よりもリッチであるときに前記吸収したNOxを
    放出して還元処理するNOx吸収触媒と、該NOx吸収
    触媒よりも上流側の排気通路に介装される酸化触媒とを
    備え、リーン燃焼中に前記燃料噴射弁により膨張〜排気
    行程で燃料を噴射させることにより、前記NOx吸収触
    媒の入口での排気空燃比をリッチにして、前記NOx吸
    収触媒に吸収されたNOxの還元処理を行うことを特徴
    とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 【請求項2】前記膨張〜排気行程で噴射される燃料量
    を、吸入空気量,燃焼空燃比,NOx吸収触媒における
    NOx吸収量に応じて設定することを特徴とする請求項
    1記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 【請求項3】前記吸入空気量と燃焼空燃比とに基づいて
    前記酸化触媒における酸化反応で排気中の酸素を消費す
    る分の燃料量を演算する一方、前記NOx吸収触媒にお
    けるNOx吸収量に基づいてNOxを還元処理する分の
    燃料量を演算し、これらの合計を膨張〜排気行程で噴射
    する燃料量とすることを特徴とする請求項2記載の内燃
    機関の排気浄化装置。
  4. 【請求項4】内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する
    燃料噴射弁を備え、理論空燃比よりもリーン空燃比での
    燃焼運転を行いうる内燃機関の排気浄化装置であって、 排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに排気
    中のNOxを吸収し、排気空燃比が理論空燃比又は理論
    空燃比よりもリッチであるときに前記吸収したNOxを
    放出して還元処理するNOx吸収触媒と、 該NOx吸収触媒よりも上流側の排気通路に介装される
    酸化触媒と、 前記NOx吸収触媒におけるNOxの吸収量を予測する
    NOx吸収量予測手段と、 リーン燃焼運転中に前記NOx吸収量予測手段で予測さ
    れるNOx吸収量が所定値以上になったときに、前記燃
    料噴射弁により膨張〜排気行程中に燃料噴射を所定期間
    だけ行わせる排気行程噴射制御手段と、 前記排気行程噴射制御手段による燃料噴射量を、機関の
    吸入空気量,燃焼空燃比及び前記NOx吸収量予測手段
    で予測されたNOx吸収量に基づいて演算する排気行程
    噴射量演算手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の排気浄
    化装置。
  5. 【請求項5】前記排気行程噴射量演算手段が、前記吸入
    空気量と燃焼空燃比とに基づいて前記酸化触媒における
    酸化反応で排気中の酸素を消費する分の燃料量を演算す
    る一方、前記NOx吸収触媒におけるNOx吸収量に基
    づいてNOxを還元処理する分の燃料量を演算し、これ
    らの合計を膨張〜排気行程で噴射する燃料量として演算
    することを特徴とする請求項4記載の内燃機関の排気浄
    化装置。
  6. 【請求項6】前記排気行程噴射量演算手段が、機関の吸
    入空気量と燃焼空燃比とに基づいて、理論空燃比燃焼時
    相当の燃料噴射量とそのときの燃焼空燃比での燃料噴射
    量との差分を演算し、この差分を前記酸化触媒における
    酸化反応で排気中の酸素を消費する分の燃料量とするこ
    とを特徴とする請求項5記載の内燃機関の排気浄化装
    置。
  7. 【請求項7】前記酸化触媒の下流側でかつ前記NOx吸
    収触媒の上流側の排気通路において排気空燃比を検出す
    る排気空燃比検出手段と、 該排気空燃比検出手段で検出される排気空燃比に基づい
    て前記排気行程噴射制御手段による膨張〜排気行程での
    燃料噴射量をフィードバック補正する噴射量フィードバ
    ック手段と、 を設けたことを特徴とする請求項4〜6のいずれか1つ
    に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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