JP2004068785A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】リッチスパイクのために最適な燃料噴射圧でもってリッチスパイクを行う。
【解決手段】燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置する。ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために、機関減速運転時における主噴射停止時に、燃料噴射弁から燃料を噴射してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＥを一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行う。リッチスパイク時における燃料噴射圧ＰＲが主噴射時における燃料噴射圧ＰＭよりも高くなるように燃料噴射弁の燃料噴射圧ＰＦを制御する。
【選択図】 図３
【解決手段】燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置する。ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために、機関減速運転時における主噴射停止時に、燃料噴射弁から燃料を噴射してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＥを一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行う。リッチスパイク時における燃料噴射圧ＰＲが主噴射時における燃料噴射圧ＰＭよりも高くなるように燃料噴射弁の燃料噴射圧ＰＦを制御する。
【選択図】 図３
Description
【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する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、燃料を筒内に直接噴射するための燃料噴射弁を具備し、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、燃料噴射弁から例えば排気行程中に燃料を噴射して燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関が知られている。
【０００３】
この内燃機関でも、当然、機関出力を得るために例えば圧縮上死点付近で燃料噴射が行われるようになっており、従ってこの内燃機関では１燃焼サイクルに機関出力を得るための燃料噴射即ち主噴射と、リッチスパイクのための燃料噴射とが行われることになる。
【０００４】
一方、燃料噴射弁はいわゆるコモンレールに連結されており、このコモンレール内の燃料圧に応じた噴射圧でもって、主噴射と、リッチスパイクのための燃料噴射とがそれぞれ行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、コモンレール内の燃料圧は主噴射が最適になるように設定されるのが一般的であり、従ってリッチスパイク時における燃料噴射圧はリッチスパイクのために必ずしも最適になっていない。リッチスパイクでは、燃焼が行われる主噴射の場合よりも燃料の微粒化を促進する必要があり、即ち主噴射のために最適な燃料噴射圧はリッチスパイクのために最適な燃料噴射圧よりも低いのが一般的である。
【０００６】
なお、特開２００１−９８９３０号公報や特開２０００−２４０４２９号公報には、ＮＯＸ触媒上流の排気通路内に配置された還元剤供給弁から還元剤を供給することによりリッチスパイクを行うようにした内燃機関において、還元剤供給弁における還元剤供給圧を増大させるようにした内燃機関が開示されている。しかしながら、これらは排気通路内に配置された還元剤供給弁に関わるものであり、上述した課題を何ら解決するものではない。
【０００７】
そこで本発明の目的は、リッチスパイクのために最適な燃料噴射圧でもってリッチスパイクを行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、燃料を筒内に直接噴射するための燃料噴射弁を具備し、燃料噴射弁から燃料を筒内に直接噴射して燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、リッチスパイク時における燃料噴射圧が主噴射時における燃料噴射圧よりも高くなるように燃料噴射弁の燃料噴射圧を制御している。
【０００９】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサを設け、該検出された空燃比に基づき、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するようにリッチスパイク時における燃料噴射圧又は燃料噴射量を補正するようにしている。
【００１０】
また、３番目の発明によれば２番目の発明において、前記検出された空燃比が目標空燃比よりもリーンのときには燃料噴射量を保持しながら燃料噴射圧を増大させ、燃料噴射圧が許容最大圧まで増大されても検出された空燃比が目標空燃比よりもリーンのときには燃料噴射圧を許容最大圧に保持しながら燃料噴射量を増大させるようにしている。
【００１１】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯのような還元剤との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【００１３】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は筒内に燃料を直接噴射するための電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。本発明による実施例では、スロットル開度はほぼ全ての運転領域において最大開度に維持され、要求負荷がかなり小さくなると最大開度よりも小さくされ、要求負荷がゼロになると小さなアイドル開度にされる。
【００１４】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は排気管２０ａを介して触媒コンバータ２２に接続される。触媒コンバータ２２内には、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ２２ａが収容され、パティキュレートフィルタ２２ａ上には後述するようにＮＯＸ触媒２３が担持されている。また、触媒コンバータ２２は排気管２０ｂに接続される。
【００１５】
更に図１を参照すると、排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６が配置される。
【００１６】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００１７】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。排気管２０ａにはＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４８が取り付けられ、空燃比センサ４８の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサから空燃比センサ４８が構成される。排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５上流の吸気ダクト１３ａには、吸入空気質量流量Ｇａを検出するためのエアフロメータ４９が取り付けられ、エアフロメータ４９の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。ここで、アクセルペダル５０の踏み込み量は要求負荷Ｌを表している。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。ＣＰＵ４４ではこの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。
【００１８】
一方、出力ポート４６は対応する駆動回路５３を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、及び燃料ポンプ２８にそれぞれ接続される。
【００１９】
図１に示される内燃機関では、圧縮上死点付近で機関出力を得るための燃料噴射即ち主噴射が行われ、この主噴射が機関減速運転時に一時的に停止される。このことを図２に示される主噴射制御ルーチンを参照しながら簡単に説明する。
【００２０】
図２を参照すると、まずステップ１００では主噴射が停止されていることを表すフラグＸＦＣがセットされている（ＸＦＣ＝１）か否かが判別される。フラグＸＦＣは通常リセットされている（ＸＦＣ＝０）ので次いでステップ１０１に進み、要求負荷Ｌがゼロであるか否か、即ち機関減速運転時であるか否かが判別される。Ｌ＞０のときには処理サイクルを終了し、主噴射を継続する。これに対し、Ｌ＝０のときには次いでステップ１０２に進み、機関回転数Ｎが第１のしきい値Ｎ１よりも高いか否かが判別される。Ｎ≦Ｎ１のときには処理サイクルを終了し、主噴射を継続する。これに対し、Ｎ＞Ｎ１のときには次いでステップ１０３に進み、主噴射が停止される。次いでステップ１０４に進み、フラグＸＦＣがセットされる（ＸＦＣ＝１）。
【００２１】
フラグＸＦＣがセットされたときにはステップ１００からステップ１０５に進み、要求負荷Ｌがゼロよりも大きいか又は機関回転数Ｎが第２のしきい値Ｎ２（＜Ｎ１）よりも低いか否か、即ち機関減速運転時でなくなったか又は機関回転数Ｎがかなり低くなったか否かが判別される。Ｌ＝０かつＮ≧Ｎ２のときには処理サイクルを終了し、主噴射を継続して停止する。これに対し、Ｌ＞０又はＮ＜Ｎ２のときには次いでステップ１０６に進み、主噴射が再開される。続くステップ１０７ではフラグＸＦＣがリセットされる（ＸＦＣ＝０）。
【００２２】
ところで、パティキュレートフィルタ２２ａの隔壁の両側面及び細孔内壁面上にはＮＯＸ触媒２３がそれぞれ担持されている。このＮＯＸ触媒２３は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。
【００２３】
ＮＯＸ触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００２４】
ＮＯＸ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００２５】
即ち、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ＊、ここでＯ＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯＸ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００２６】
これに対し、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ＋２Ｏ＊）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯの形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００２７】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能である。また、活性酸素Ｏ＊に着目すれば、ＮＯＸ触媒はＮＯＸの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００２８】
図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、従ってＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のＮＯＸはＮＯＸ触媒２３内に蓄えられる。
【００２９】
時間の経過と共にＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、例えばＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量が許容量を越えたときにはＮＯＸ触媒２３内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるようにしている。
【００３０】
詳しく説明すると、本発明による実施例では、機関減速運転時の主噴射停止時に、燃料噴射弁６から燃料を噴射して燃焼室５から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行い、それによりＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるようにしている。機関減速運転時には吸入空気量が少なくなっているので、燃焼室５から排出される排気ガスの空燃比をリッチに切り替えるために必要な燃料の量を低減することができる。
【００３１】
また、主噴射が行われないので、１燃焼サイクル中に燃料噴射を２回行う必要がなく、しかも１燃焼サイクル中のあらゆる時期においてリッチスパイクを行うことができる。そこで本発明による実施例では、吸気行程又は圧縮行程にリッチスパイクを行うようにしている。
【００３２】
次に、図３を参照して本発明による実施例を詳しく説明する。図３において矢印ＸはＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量が上述した許容量を越えたときを表している。次いで、要求負荷Ｌがゼロになり従って機関減速運転になったときに、機関回転数Ｎが第１のしきい値Ｎ１よりも高いので、主噴射が停止され、リッチスパイクが開始される。その結果、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＥがリーンからリッチに切り替えられる。次いで、図３に示される例では、機関回転数Ｎが第２のしきい値Ｎ２よりも低くなって主燃料噴射が再開されると、リッチスパイクが停止される。
【００３３】
図３に示されるように、リッチスパイクが行われているときには、コモンレール２７内の燃料圧ＰＦが主噴射のために最適なＰＭから、リッチスパイクのために最適なＰＲに切り替えられる。本発明による実施例では、このリッチスパイクのために最適なＰＲは主噴射のために最適なＰＭよりも高く設定されている。
【００３４】
このようにすると、単に、リッチスパイクによる燃料の微粒化を促進することができるというだけでなく、ＮＯＸ触媒２３内に蓄えられているＮＯＸを確実にかつ速やかに還元することができる。これは次の理由による。
【００３５】
即ち、本発明による実施例では上述したように、吸気行程又は圧縮行程にリッチスパイクが行われる。この場合、リッチスパイクによる燃料は燃焼室内５内を拡散して空気と混合しながら、ピストンの上昇に伴って圧縮され、斯くして燃料温度が次第に上昇する。ところが、燃料が過濃になっているので燃料は燃焼せず、むしろ熱分解する。
【００３６】
即ち、燃料中に含まれる図４（Ａ）に示されるような直鎖状又は環状のＨＣは熱分解によって図４（Ｂ）に示されるような比較的低分子のＨＣに分解される。このように比較的低分子のＨＣはＮＯＸ触媒２３内で速やかに反応し、従ってＮＯＸ触媒２３内のＮＯＸを速やかに還元することが可能になる。
【００３７】
更に注目すべきことは、微粒化された燃料が熱分解されると、酸素Ｏと結合したＨＣや一酸化炭素ＣＯが生成され、言い換えると燃料が周囲の酸素を取り込みながら分解されるということにある。このことはＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガス中に含まれる酸素分子の量が少なくなっているということを意味している。
【００３８】
上述したように排気ガスの空燃比は空気量と燃料量との比であるので、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるといっても、排気ガス中に比較的多くの酸素分子Ｏ２が含まれている場合がある。ところが、この多量の酸素分子Ｏ２がＮＯＸ触媒２３内に流入すると、ＮＯＸ触媒２３が局所的に還元雰囲気にならず、従ってＮＯＸを還元することができない恐れがある。ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比のリッチ度合いを大きくすれば、排気ガス中の酸素濃度を低下させることができるけれども、このためには多量の燃料が必要になる。
【００３９】
また、概略的に言うと、酸素濃度センサ４８はその排気ガス側電極表面に到達した酸素分子Ｏ２の量に応じた出力電圧を発生し、従って多量の酸素分子Ｏ２が酸素濃度センサ４８に到達した場合には、酸素濃度センサ４８により検出される排気ガスの空燃比が実際の空燃比よりもリーンになる。このため、この場合の酸素濃度センサ４８の出力に基づいて排気ガスの空燃比を補正すると、実際の空燃比が過度にリッチになり、従って燃料が過剰に消費されることになる。
【００４０】
これに対し、本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガス中に含まれる酸素分子の量が低減されており、従って燃料消費を抑制しながら、ＮＯＸ触媒２３内のＮＯＸを確実にかつ速やかに還元させることができる。
【００４１】
ところで、本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴになるようにリッチスパイクが行われる。この目標リッチ空燃比ＡＦＴは機関運転状態例えば吸入空気量Ｇａ及び機関回転数Ｎの関数として図５に示されるマップの形で、予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００４２】
更に本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの実際の平均空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴに一致するように、リッチスパイク時における燃料噴射圧ＰＲ又は燃料噴射時間ＴＡＵＲが補正される。次に、このことを図６を参照しながら説明する。
【００４３】
図６において矢印Ｙはリッチスパイクが開始された時期を示している。リッチスパイクが開始されると、酸素濃度センサ４８によって検出される実際の空燃比ＡＦＥがリッチに切り替えられる。しかしながら、図６に示される例では、実際の空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴよりもリーンになっている。この場合、燃料噴射時間ＴＡＵＲを基本燃料噴射時間ＴＲＢに維持しながら、燃料噴射圧ＰＲが初期値ＰＲｉから徐々に増大せしめられ、それによって燃料噴射量が徐々に増大せしめられる。ここで、基本燃料噴射時間ＴＲＢは吸入空気量がＧａでありかつコモンレール２７内の燃料圧即ち噴射圧がＰＦのときに、実際の空燃比ＡＦＥを目標リッチ空燃比ＡＦＴに一致させるのに必要な燃料噴射時間であって、これらＧａ，ＡＦＴ，ＰＦの関数として求めることができる（ＴＲＢ＝ｆ（Ｇａ，ＡＦＴ，ＰＦ））。
【００４４】
次いで、実際の空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴに一致すると、燃料噴射圧ＰＲがそのときのＰＲに保持される。ところが、図６に示されるように燃料噴射圧ＰＲが許容最大圧ＭＡＸまで増大されても、未だ実際の空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴよりもリーンのときには、燃料噴射圧ＰＲを許容最大圧ＭＡＸに維持しながら、燃料噴射時間ＴＡＵＲが基本噴射時間ＴＲＢから徐々に増大せしめられ、それによって燃料噴射量が徐々に増大せしめられる。次いで、実際の空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴに一致すると、燃料噴射時間ＴＡＵＲがそのときのＴＡＵＲに保持される。
【００４５】
このように、リッチスパイク時における燃料噴射量を増大させるために、まず燃料噴射圧ＰＲを増大させるようにしているので、上述した酸素量減少作用が促進され、従ってＮＯＸ還元作用が促進される。
【００４６】
図７及び図８のルーチンを参照しながら、上述したリッチスパイク補正制御を詳しく説明する。
【００４７】
図７は初期化ルーチンを示している。このルーチンは内燃機関が初めて運転されるときに１回だけ実行される。図７を参照すると、まずステップ１１０ではリッチスパイク用燃料噴射圧ＰＲが初期値ＰＲｉにされ、続くステップ１１１では噴射圧補正係数ＫＰＲが１．０とされ、続くステップ１１２では噴射時間補正係数ＫＴＡＵが１．０とされる。
【００４８】
図８は上述した燃料噴射制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００４９】
図８を参照すると、まずステップ１２０ではリッチスパイクを行うための条件が成立したか否かが判別される。本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を還元しＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるべきであり、かつＮＯＸ触媒２３が活性化しており、かつ吸入空気量Ｇａが許容下限量以下であり、かつ機関減速運転時の主噴射停止時であるときに、条件成立と判断され、それ以外は条件不成立と判断される。また、ＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量が許容量を越えてから、ＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量が下限値例えばゼロになるまで、ＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を還元しＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるべきであると判断される。条件不成立のときには次いでステップ１２１に進んで通常制御が行われる。
【００５０】
これに対し、条件成立のときにはステップ１２０からステップ１２２に進み、コモンレール２７内の燃料圧ＰＦがリッチスパイク用燃料噴射圧ＰＲになるように燃料ポンプ２８が制御される。続くステップ１２３では、目標リッチ空燃比ＡＦＴが図５のマップから算出される。続くステップ１２４では、基本燃料噴射時間ＴＲＢが算出される（ＴＲＢ＝ｆ（Ｇａ，ＡＦＴ，ＰＦ））。続くステップ１２５ではリッチスパイク用燃料噴射時間ＴＡＵＲが算出される（ＴＡＵＲ＝ＴＲＢ・ＫＴＡＵ）。続くステップ１２６では燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＡＵにリッチスパイク用燃料噴射時間ＴＡＵＲがセットされる。従って、例えば吸気行程又は圧縮行程において噴射圧ＰＲでもって時間ＴＡＵＲだけリッチスパイクが行われる。
【００５１】
続くステップ１２７では、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴよりもリーンか否かが判別される。ＡＦＥ≦ＡＦＴのときには処理サイクルを終了し、ＡＦＥ＞ＡＦＴのときには次いでステップ１２８に進み、噴射圧補正係数ＫＰＲが一定値ΔＰだけインクリメントされる。続くステップ１２９では、リッチスパイク用燃料噴射圧ＰＲが更新される（ＰＲ＝ＰＲ・ＫＰＲ）。続くステップ１３０では、更新されたリッチスパイク用燃料噴射圧ＰＲが許容最大圧ＭＡＸよりも高いか否かが判別される。ＰＲ≦ＭＡＸのときには処理サイクルを終了し、ＰＲ＞ＭＡＸのときには次いでステップ１３１に進み、リッチスパイク用燃料噴射圧ＰＲが許容最大圧ＭＡＸに抑制される。続くステップ１３２では、噴射時間補正係数ＫＴＡＵが一定値ΔＴだけインクリメントされる。
【００５２】
これまで述べてきた本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるためのリッチスパイクに、本発明を適用している。しかしながら、ＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるためのリッチスパイクに本発明を適用することもできる。
【００５３】
即ち、排気ガス中にはイオウ分がＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒２３内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。このＳＯＸのＮＯＸ触媒２３内への蓄積メカニズムはＮＯＸの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、ＮＯＸ触媒２３に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入する排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒２３内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ４ −の形でＮＯＸ触媒２３内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４ −は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００５４】
ＮＯＸ触媒２３の温度を例えば６００℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒２３に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチにするリッチスパイクを行うと、ＮＯＸ触媒２３内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒２３から放出される。この放出されたＳＯ３は排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応してＳＯ２に還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒２３内に硫酸塩ＢａＳＯ４の形で蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒２３からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００５５】
また、上述した本発明による実施例では、空燃比センサ４８を酸素濃度センサから構成している。しかしながら、空燃比センサ４８を、排気ガス中に含まれる一酸化炭素ＣＯの濃度を検出するためのＣＯセンサから構成することもできる。
【００５６】
【発明の効果】
リッチスパイクのために最適な燃料噴射圧でもってリッチスパイクを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】主噴射制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】本発明による実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図４】燃料の状態を示す模式図である。
【図５】目標リッチ空燃比を示す線図である。
【図６】本発明による実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図７】初期化ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
２０ａ…排気管
２３…ＮＯＸ触媒
２７…コモンレール
２８…燃料ポンプ
【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する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、燃料を筒内に直接噴射するための燃料噴射弁を具備し、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、燃料噴射弁から例えば排気行程中に燃料を噴射して燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関が知られている。
【０００３】
この内燃機関でも、当然、機関出力を得るために例えば圧縮上死点付近で燃料噴射が行われるようになっており、従ってこの内燃機関では１燃焼サイクルに機関出力を得るための燃料噴射即ち主噴射と、リッチスパイクのための燃料噴射とが行われることになる。
【０００４】
一方、燃料噴射弁はいわゆるコモンレールに連結されており、このコモンレール内の燃料圧に応じた噴射圧でもって、主噴射と、リッチスパイクのための燃料噴射とがそれぞれ行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、コモンレール内の燃料圧は主噴射が最適になるように設定されるのが一般的であり、従ってリッチスパイク時における燃料噴射圧はリッチスパイクのために必ずしも最適になっていない。リッチスパイクでは、燃焼が行われる主噴射の場合よりも燃料の微粒化を促進する必要があり、即ち主噴射のために最適な燃料噴射圧はリッチスパイクのために最適な燃料噴射圧よりも低いのが一般的である。
【０００６】
なお、特開２００１−９８９３０号公報や特開２０００−２４０４２９号公報には、ＮＯＸ触媒上流の排気通路内に配置された還元剤供給弁から還元剤を供給することによりリッチスパイクを行うようにした内燃機関において、還元剤供給弁における還元剤供給圧を増大させるようにした内燃機関が開示されている。しかしながら、これらは排気通路内に配置された還元剤供給弁に関わるものであり、上述した課題を何ら解決するものではない。
【０００７】
そこで本発明の目的は、リッチスパイクのために最適な燃料噴射圧でもってリッチスパイクを行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、燃料を筒内に直接噴射するための燃料噴射弁を具備し、燃料噴射弁から燃料を筒内に直接噴射して燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、リッチスパイク時における燃料噴射圧が主噴射時における燃料噴射圧よりも高くなるように燃料噴射弁の燃料噴射圧を制御している。
【０００９】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサを設け、該検出された空燃比に基づき、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するようにリッチスパイク時における燃料噴射圧又は燃料噴射量を補正するようにしている。
【００１０】
また、３番目の発明によれば２番目の発明において、前記検出された空燃比が目標空燃比よりもリーンのときには燃料噴射量を保持しながら燃料噴射圧を増大させ、燃料噴射圧が許容最大圧まで増大されても検出された空燃比が目標空燃比よりもリーンのときには燃料噴射圧を許容最大圧に保持しながら燃料噴射量を増大させるようにしている。
【００１１】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯのような還元剤との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【００１３】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は筒内に燃料を直接噴射するための電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。本発明による実施例では、スロットル開度はほぼ全ての運転領域において最大開度に維持され、要求負荷がかなり小さくなると最大開度よりも小さくされ、要求負荷がゼロになると小さなアイドル開度にされる。
【００１４】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は排気管２０ａを介して触媒コンバータ２２に接続される。触媒コンバータ２２内には、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ２２ａが収容され、パティキュレートフィルタ２２ａ上には後述するようにＮＯＸ触媒２３が担持されている。また、触媒コンバータ２２は排気管２０ｂに接続される。
【００１５】
更に図１を参照すると、排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６が配置される。
【００１６】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００１７】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。排気管２０ａにはＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４８が取り付けられ、空燃比センサ４８の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサから空燃比センサ４８が構成される。排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５上流の吸気ダクト１３ａには、吸入空気質量流量Ｇａを検出するためのエアフロメータ４９が取り付けられ、エアフロメータ４９の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。ここで、アクセルペダル５０の踏み込み量は要求負荷Ｌを表している。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。ＣＰＵ４４ではこの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。
【００１８】
一方、出力ポート４６は対応する駆動回路５３を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、及び燃料ポンプ２８にそれぞれ接続される。
【００１９】
図１に示される内燃機関では、圧縮上死点付近で機関出力を得るための燃料噴射即ち主噴射が行われ、この主噴射が機関減速運転時に一時的に停止される。このことを図２に示される主噴射制御ルーチンを参照しながら簡単に説明する。
【００２０】
図２を参照すると、まずステップ１００では主噴射が停止されていることを表すフラグＸＦＣがセットされている（ＸＦＣ＝１）か否かが判別される。フラグＸＦＣは通常リセットされている（ＸＦＣ＝０）ので次いでステップ１０１に進み、要求負荷Ｌがゼロであるか否か、即ち機関減速運転時であるか否かが判別される。Ｌ＞０のときには処理サイクルを終了し、主噴射を継続する。これに対し、Ｌ＝０のときには次いでステップ１０２に進み、機関回転数Ｎが第１のしきい値Ｎ１よりも高いか否かが判別される。Ｎ≦Ｎ１のときには処理サイクルを終了し、主噴射を継続する。これに対し、Ｎ＞Ｎ１のときには次いでステップ１０３に進み、主噴射が停止される。次いでステップ１０４に進み、フラグＸＦＣがセットされる（ＸＦＣ＝１）。
【００２１】
フラグＸＦＣがセットされたときにはステップ１００からステップ１０５に進み、要求負荷Ｌがゼロよりも大きいか又は機関回転数Ｎが第２のしきい値Ｎ２（＜Ｎ１）よりも低いか否か、即ち機関減速運転時でなくなったか又は機関回転数Ｎがかなり低くなったか否かが判別される。Ｌ＝０かつＮ≧Ｎ２のときには処理サイクルを終了し、主噴射を継続して停止する。これに対し、Ｌ＞０又はＮ＜Ｎ２のときには次いでステップ１０６に進み、主噴射が再開される。続くステップ１０７ではフラグＸＦＣがリセットされる（ＸＦＣ＝０）。
【００２２】
ところで、パティキュレートフィルタ２２ａの隔壁の両側面及び細孔内壁面上にはＮＯＸ触媒２３がそれぞれ担持されている。このＮＯＸ触媒２３は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。
【００２３】
ＮＯＸ触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００２４】
ＮＯＸ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００２５】
即ち、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ＊、ここでＯ＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯＸ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００２６】
これに対し、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ＋２Ｏ＊）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯの形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００２７】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能である。また、活性酸素Ｏ＊に着目すれば、ＮＯＸ触媒はＮＯＸの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００２８】
図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、従ってＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のＮＯＸはＮＯＸ触媒２３内に蓄えられる。
【００２９】
時間の経過と共にＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、例えばＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量が許容量を越えたときにはＮＯＸ触媒２３内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるようにしている。
【００３０】
詳しく説明すると、本発明による実施例では、機関減速運転時の主噴射停止時に、燃料噴射弁６から燃料を噴射して燃焼室５から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行い、それによりＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるようにしている。機関減速運転時には吸入空気量が少なくなっているので、燃焼室５から排出される排気ガスの空燃比をリッチに切り替えるために必要な燃料の量を低減することができる。
【００３１】
また、主噴射が行われないので、１燃焼サイクル中に燃料噴射を２回行う必要がなく、しかも１燃焼サイクル中のあらゆる時期においてリッチスパイクを行うことができる。そこで本発明による実施例では、吸気行程又は圧縮行程にリッチスパイクを行うようにしている。
【００３２】
次に、図３を参照して本発明による実施例を詳しく説明する。図３において矢印ＸはＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量が上述した許容量を越えたときを表している。次いで、要求負荷Ｌがゼロになり従って機関減速運転になったときに、機関回転数Ｎが第１のしきい値Ｎ１よりも高いので、主噴射が停止され、リッチスパイクが開始される。その結果、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＥがリーンからリッチに切り替えられる。次いで、図３に示される例では、機関回転数Ｎが第２のしきい値Ｎ２よりも低くなって主燃料噴射が再開されると、リッチスパイクが停止される。
【００３３】
図３に示されるように、リッチスパイクが行われているときには、コモンレール２７内の燃料圧ＰＦが主噴射のために最適なＰＭから、リッチスパイクのために最適なＰＲに切り替えられる。本発明による実施例では、このリッチスパイクのために最適なＰＲは主噴射のために最適なＰＭよりも高く設定されている。
【００３４】
このようにすると、単に、リッチスパイクによる燃料の微粒化を促進することができるというだけでなく、ＮＯＸ触媒２３内に蓄えられているＮＯＸを確実にかつ速やかに還元することができる。これは次の理由による。
【００３５】
即ち、本発明による実施例では上述したように、吸気行程又は圧縮行程にリッチスパイクが行われる。この場合、リッチスパイクによる燃料は燃焼室内５内を拡散して空気と混合しながら、ピストンの上昇に伴って圧縮され、斯くして燃料温度が次第に上昇する。ところが、燃料が過濃になっているので燃料は燃焼せず、むしろ熱分解する。
【００３６】
即ち、燃料中に含まれる図４（Ａ）に示されるような直鎖状又は環状のＨＣは熱分解によって図４（Ｂ）に示されるような比較的低分子のＨＣに分解される。このように比較的低分子のＨＣはＮＯＸ触媒２３内で速やかに反応し、従ってＮＯＸ触媒２３内のＮＯＸを速やかに還元することが可能になる。
【００３７】
更に注目すべきことは、微粒化された燃料が熱分解されると、酸素Ｏと結合したＨＣや一酸化炭素ＣＯが生成され、言い換えると燃料が周囲の酸素を取り込みながら分解されるということにある。このことはＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガス中に含まれる酸素分子の量が少なくなっているということを意味している。
【００３８】
上述したように排気ガスの空燃比は空気量と燃料量との比であるので、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるといっても、排気ガス中に比較的多くの酸素分子Ｏ２が含まれている場合がある。ところが、この多量の酸素分子Ｏ２がＮＯＸ触媒２３内に流入すると、ＮＯＸ触媒２３が局所的に還元雰囲気にならず、従ってＮＯＸを還元することができない恐れがある。ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比のリッチ度合いを大きくすれば、排気ガス中の酸素濃度を低下させることができるけれども、このためには多量の燃料が必要になる。
【００３９】
また、概略的に言うと、酸素濃度センサ４８はその排気ガス側電極表面に到達した酸素分子Ｏ２の量に応じた出力電圧を発生し、従って多量の酸素分子Ｏ２が酸素濃度センサ４８に到達した場合には、酸素濃度センサ４８により検出される排気ガスの空燃比が実際の空燃比よりもリーンになる。このため、この場合の酸素濃度センサ４８の出力に基づいて排気ガスの空燃比を補正すると、実際の空燃比が過度にリッチになり、従って燃料が過剰に消費されることになる。
【００４０】
これに対し、本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガス中に含まれる酸素分子の量が低減されており、従って燃料消費を抑制しながら、ＮＯＸ触媒２３内のＮＯＸを確実にかつ速やかに還元させることができる。
【００４１】
ところで、本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴになるようにリッチスパイクが行われる。この目標リッチ空燃比ＡＦＴは機関運転状態例えば吸入空気量Ｇａ及び機関回転数Ｎの関数として図５に示されるマップの形で、予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００４２】
更に本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの実際の平均空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴに一致するように、リッチスパイク時における燃料噴射圧ＰＲ又は燃料噴射時間ＴＡＵＲが補正される。次に、このことを図６を参照しながら説明する。
【００４３】
図６において矢印Ｙはリッチスパイクが開始された時期を示している。リッチスパイクが開始されると、酸素濃度センサ４８によって検出される実際の空燃比ＡＦＥがリッチに切り替えられる。しかしながら、図６に示される例では、実際の空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴよりもリーンになっている。この場合、燃料噴射時間ＴＡＵＲを基本燃料噴射時間ＴＲＢに維持しながら、燃料噴射圧ＰＲが初期値ＰＲｉから徐々に増大せしめられ、それによって燃料噴射量が徐々に増大せしめられる。ここで、基本燃料噴射時間ＴＲＢは吸入空気量がＧａでありかつコモンレール２７内の燃料圧即ち噴射圧がＰＦのときに、実際の空燃比ＡＦＥを目標リッチ空燃比ＡＦＴに一致させるのに必要な燃料噴射時間であって、これらＧａ，ＡＦＴ，ＰＦの関数として求めることができる（ＴＲＢ＝ｆ（Ｇａ，ＡＦＴ，ＰＦ））。
【００４４】
次いで、実際の空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴに一致すると、燃料噴射圧ＰＲがそのときのＰＲに保持される。ところが、図６に示されるように燃料噴射圧ＰＲが許容最大圧ＭＡＸまで増大されても、未だ実際の空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴよりもリーンのときには、燃料噴射圧ＰＲを許容最大圧ＭＡＸに維持しながら、燃料噴射時間ＴＡＵＲが基本噴射時間ＴＲＢから徐々に増大せしめられ、それによって燃料噴射量が徐々に増大せしめられる。次いで、実際の空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴに一致すると、燃料噴射時間ＴＡＵＲがそのときのＴＡＵＲに保持される。
【００４５】
このように、リッチスパイク時における燃料噴射量を増大させるために、まず燃料噴射圧ＰＲを増大させるようにしているので、上述した酸素量減少作用が促進され、従ってＮＯＸ還元作用が促進される。
【００４６】
図７及び図８のルーチンを参照しながら、上述したリッチスパイク補正制御を詳しく説明する。
【００４７】
図７は初期化ルーチンを示している。このルーチンは内燃機関が初めて運転されるときに１回だけ実行される。図７を参照すると、まずステップ１１０ではリッチスパイク用燃料噴射圧ＰＲが初期値ＰＲｉにされ、続くステップ１１１では噴射圧補正係数ＫＰＲが１．０とされ、続くステップ１１２では噴射時間補正係数ＫＴＡＵが１．０とされる。
【００４８】
図８は上述した燃料噴射制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００４９】
図８を参照すると、まずステップ１２０ではリッチスパイクを行うための条件が成立したか否かが判別される。本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を還元しＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるべきであり、かつＮＯＸ触媒２３が活性化しており、かつ吸入空気量Ｇａが許容下限量以下であり、かつ機関減速運転時の主噴射停止時であるときに、条件成立と判断され、それ以外は条件不成立と判断される。また、ＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量が許容量を越えてから、ＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量が下限値例えばゼロになるまで、ＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を還元しＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるべきであると判断される。条件不成立のときには次いでステップ１２１に進んで通常制御が行われる。
【００５０】
これに対し、条件成立のときにはステップ１２０からステップ１２２に進み、コモンレール２７内の燃料圧ＰＦがリッチスパイク用燃料噴射圧ＰＲになるように燃料ポンプ２８が制御される。続くステップ１２３では、目標リッチ空燃比ＡＦＴが図５のマップから算出される。続くステップ１２４では、基本燃料噴射時間ＴＲＢが算出される（ＴＲＢ＝ｆ（Ｇａ，ＡＦＴ，ＰＦ））。続くステップ１２５ではリッチスパイク用燃料噴射時間ＴＡＵＲが算出される（ＴＡＵＲ＝ＴＲＢ・ＫＴＡＵ）。続くステップ１２６では燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＡＵにリッチスパイク用燃料噴射時間ＴＡＵＲがセットされる。従って、例えば吸気行程又は圧縮行程において噴射圧ＰＲでもって時間ＴＡＵＲだけリッチスパイクが行われる。
【００５１】
続くステップ１２７では、ＮＯＸ触媒２３内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＥが目標リッチ空燃比ＡＦＴよりもリーンか否かが判別される。ＡＦＥ≦ＡＦＴのときには処理サイクルを終了し、ＡＦＥ＞ＡＦＴのときには次いでステップ１２８に進み、噴射圧補正係数ＫＰＲが一定値ΔＰだけインクリメントされる。続くステップ１２９では、リッチスパイク用燃料噴射圧ＰＲが更新される（ＰＲ＝ＰＲ・ＫＰＲ）。続くステップ１３０では、更新されたリッチスパイク用燃料噴射圧ＰＲが許容最大圧ＭＡＸよりも高いか否かが判別される。ＰＲ≦ＭＡＸのときには処理サイクルを終了し、ＰＲ＞ＭＡＸのときには次いでステップ１３１に進み、リッチスパイク用燃料噴射圧ＰＲが許容最大圧ＭＡＸに抑制される。続くステップ１３２では、噴射時間補正係数ＫＴＡＵが一定値ΔＴだけインクリメントされる。
【００５２】
これまで述べてきた本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２３内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるためのリッチスパイクに、本発明を適用している。しかしながら、ＮＯＸ触媒２３内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるためのリッチスパイクに本発明を適用することもできる。
【００５３】
即ち、排気ガス中にはイオウ分がＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒２３内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。このＳＯＸのＮＯＸ触媒２３内への蓄積メカニズムはＮＯＸの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、ＮＯＸ触媒２３に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入する排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒２３内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ４ −の形でＮＯＸ触媒２３内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４ −は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００５４】
ＮＯＸ触媒２３の温度を例えば６００℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒２３に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチにするリッチスパイクを行うと、ＮＯＸ触媒２３内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒２３から放出される。この放出されたＳＯ３は排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応してＳＯ２に還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒２３内に硫酸塩ＢａＳＯ４の形で蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒２３からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００５５】
また、上述した本発明による実施例では、空燃比センサ４８を酸素濃度センサから構成している。しかしながら、空燃比センサ４８を、排気ガス中に含まれる一酸化炭素ＣＯの濃度を検出するためのＣＯセンサから構成することもできる。
【００５６】
【発明の効果】
リッチスパイクのために最適な燃料噴射圧でもってリッチスパイクを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】主噴射制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】本発明による実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図４】燃料の状態を示す模式図である。
【図５】目標リッチ空燃比を示す線図である。
【図６】本発明による実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図７】初期化ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
２０ａ…排気管
２３…ＮＯＸ触媒
２７…コモンレール
２８…燃料ポンプ
Claims (3)
- 燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、燃料を筒内に直接噴射するための燃料噴射弁を具備し、燃料噴射弁から燃料を筒内に直接噴射して燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、リッチスパイク時における燃料噴射圧が主噴射時における燃料噴射圧よりも高くなるように燃料噴射弁の燃料噴射圧を制御する内燃機関の排気浄化装置。
- ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサを設け、該検出された空燃比に基づき、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するようにリッチスパイク時における燃料噴射圧又は燃料噴射量を補正するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記検出された空燃比が目標空燃比よりもリーンのときには燃料噴射量を保持しながら燃料噴射圧を増大させ、燃料噴射圧が許容最大圧まで増大されても検出された空燃比が目標空燃比よりもリーンのときには燃料噴射圧を許容最大圧に保持しながら燃料噴射量を増大させるようにした請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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| JP2013015065A (ja) * | 2011-07-04 | 2013-01-24 | Denso Corp | エンジンの制御装置 |
-
2002
- 2002-08-09 JP JP2002232832A patent/JP4306204B2/ja not_active Expired - Lifetime
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