JP2006336613A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 燃費の悪化を抑制した上で、良好なＮＯｘパージを行わせることができ排気浄化性能を向上させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】 主噴射と副噴射で行うＮＯｘパージのためのリッチ運転を、主噴射と副噴射の燃料噴射量の割合を比較的副噴射の割合が高い５：１から２：１の範囲で、前段三元触媒(32)の温度が高くなるほど副噴射の割合が上がるように可変設定して行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、リーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵し、この吸蔵したＮＯｘをストイキ空燃比運転時またはリッチ空燃比運転時に放出還元する排気浄化装置の技術に関する。
筒内噴射式エンジンなどの希薄燃焼式エンジンでは、燃費特性や排気特性の向上のため、所定運転域では理論空燃比よりも燃料希薄側のリーン空燃比で運転される。
このような希薄燃焼式のエンジンでは、リーン空燃比運転（以下リーン運転という）が行われる間は排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を三元触媒のみでは十分に浄化できないことから、リーン運転時には排気中のＮＯｘを吸蔵し、この吸蔵したＮＯｘをストイキ空燃比運転（以下ストイキ運転という）時またはリッチ空燃比運転（以下リッチ運転という）時に放出還元（ＮＯｘパージ）するＮＯｘ触媒も設けることにより、大気へのＮＯｘ排出量を低減させている。
そして、このように三元触媒とＮＯｘ触媒を設ける場合には、内燃機関の始動直後の排気浄化性能を確保するため、三元触媒は内燃機関の排気通路の排気上流側に配設され早期活性化が図られている。
しかし、三元触媒がＮＯｘ触媒より排気上流側に配設されると、ＮＯｘパージの際においてもＨＣやＣＯ等の還元剤が当該三元触媒によって浄化されてしまうため、十分にＮＯｘパージできなくなってしまうという問題がある。
そこで、三元触媒がＮＯｘ触媒より排気上流側に配設されている場合であっても、十分なＮＯｘパージを行うことができるように、リッチ運転の時間を長くしたり、リッチ運転時の空燃比をさらに濃くしたり、主燃焼後に追加燃料を噴射する等の技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００２−４９１５号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示された技術にように、リッチ運転の時間を長くしたり、リッチ運転時の空燃比をさらに濃くしたりすると内燃機関の燃費が大幅に悪化するという問題がある。
また、触媒は温度に応じて浄化性能が変化するものであり、三元触媒が活性化するほどＮＯｘパージの際にＮＯｘ触媒に還元剤が供給されなくなり、ＮＯｘ触媒の排気浄化性能は低下してしまうという問題もある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃費の悪化を抑制した上で、良好なＮＯｘパージを行わせることができ排気浄化性能を向上させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関のリーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに、前記内燃機関のストイキ運転時またはリッチ運転時に前記吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ触媒と、前記排気通路の前記ＮＯｘ触媒より排気上流側に設けられる三元触媒と、前記ＮＯｘ触媒および前記三元触媒の少なくとも一方の温度を検出または推定する触媒温度検出手段と、前記ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを放出還元するための前記内燃機関のストイキ運転またはリッチ運転を、吸気行程若しくは圧縮行程で実施する主噴射及び、膨張行程若しくは排気行程で実施する副噴射により行うよう前記燃料噴射手段を制御するＮＯｘ浄化制御手段とを備え、該ＮＯｘ浄化制御手段は、前記触媒温度検出手段により検出される温度に応じて、前記主噴射と前記副噴射の燃料噴射量の割合を可変設定すること特徴としている。
つまり、ＮＯｘ触媒より排気上流側に三元触媒が配設されており、当該ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを放出還元（ＮＯｘパージ）するためのストイキ運転またはリッチ運転は主噴射と副噴射によって行い、当該主噴射と副噴射の燃料噴射量の割合は触媒の温度に応じて可変設定する。
請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１において、前記ＮＯｘ浄化制御手段は、前記主噴射と前記副噴射の燃料噴射量の割合を５：１から２：１の範囲で可変設定することを特徴としている。
つまり、三元触媒が活性状態にあるときは、ＮＯｘパージの際の主噴射と副噴射の燃料噴射量の割合を従来よりも比較的副噴射の割合が高い５：１から２：１の範囲で可変設定する。
請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１または２において、前記ＮＯｘ浄化制御手段は、前記触媒温度検出手段により検出される温度が高温であるほど前記主噴射に対する前記副噴射の燃料噴射量の割合を高く設定することを特徴としている。
つまり、触媒温度が高温であるほど主噴射に対する副噴射の燃料噴射量の割合を高く設定する。
請求項４の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記ＮＯｘ浄化手段は、前記副噴射の燃料噴射終了時期を前記触媒温度検出手段により検出される温度が高温になるほど遅角させるよう前記燃料噴射手段を制御することを特徴としている。
つまり、副噴射の燃料噴射終了時期を触媒温度が高温であるほど遅角させる。
上記手段を用いる本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを放出還元（ＮＯｘパージ）する際の主噴射と副噴射との燃料噴射量の割合を触媒の温度に応じて可変設定することで、燃料消費量を増加させることなく、排気中の還元剤の割合を変化させ、ＮＯｘ触媒へ十分に還元剤を供給させることができ、良好なＮＯｘパージを行うことができる。
これにより、ＮＯｘパージによる燃費悪化を抑制した上で、良好なＮＯｘパージを行うことができ、排気浄化性能を向上させることができる。
請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、三元触媒が活性状態にあるときは、主噴射と副噴射の燃料噴射量の割合を従来よりも比較的副噴射の割合が高い５：１から２：１の範囲で可変設定することで、三元触媒に浄化され難い還元剤を多くすることができ、ＮＯｘ触媒に十分に還元剤を供給させ良好なＮＯｘパージを行わせることができる。
請求項３及び請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒温度が高温であるほど主噴射に対する副噴射の燃料噴射量の割合を高く設定したり、副噴射の燃料噴射終了時期を触媒温度が高温であるほど遅角させることで、触媒温度が高いほど三元触媒に浄化され難い還元剤を多くすることができ、ＮＯｘ触媒にさらに十分に還元剤を供給させより良好なＮＯｘパージを行わせることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されている。
図1に示すように、エンジン１（内燃機関）は、燃焼室２に点火を行う点火プラグ４と燃料を直接噴射可能なインジェクタ６（燃料噴射手段）とが臨んでいる所謂筒内噴射型のエンジンである。
燃焼室２には、エンジン１の略上下方向に延びる吸気ポート８と、エンジン１の略幅方向に延びる排気ポート１０とが連通している。
吸気ポート８には燃焼室２と吸気ポート８との連通と遮断を行う吸気弁１２が設けられ、排気ポート１０には燃焼室２と排気ポート１０との連通と遮断を行う排気弁１４が設けられている。
また、吸気ポート８は吸気マニホールド１６と、排気ポート１０は排気マニホールド１８と接続されいる。
排気マニホールド１８は排気管２０と接続されており、当該排気管２０には排気浄化装置３０が設けられている。
排気浄化装置３０の内部には、排気上流側に前段三元触媒３２（三元触媒）が、その排気下流側にＮＯｘ触媒３４が、さらに排気下流側に後段三元触媒３６が設けられている。
詳しくは、前段三元触媒３２及び後段三元触媒３６は、エンジン１の排気中のＨＣ、ＣＯを酸化させ、ＮＯｘを還元する機能を有している。また、ＮＯｘ触媒３４はエンジン１がリーン運転時のときにはエンジン１の排気中のＮＯｘを吸蔵し、ストイキ運転時やリッチ運転時のときには当該吸蔵したＮＯｘを放出還元、所謂ＮＯｘパージをする機能を有している。
また、排気浄化装置３０の排気入口部分には温度センサ３８（触媒温度検出手段）が設けられている。なお、この温度センサ３８は、温度を推定する手段であっても良い。
そして、点火プラグ４、インジェクタ６、温度センサ３８等の各種装置や各種センサ類はＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０（ＮＯｘ浄化制御手段）と電気的に接続されており、当該ＥＣＵ４０は各種センサ類からの各情報に基づき各種装置を作動制御する。
以下このように構成された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
図２を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置におけるＥＣＵ４０が実行するＮＯｘパージ制御ルーチンがフローチャートで示されている。
なお、ＮＯｘパージを行う時期は、エンジン１の運転状況等によって定まり、例えばここではリーン運転を３０秒行う毎に、ＮＯｘパージのために空燃比（Ａ／Ｆ）１３．０のリッチ運転を２秒間行うものとする。以下この条件を条件Ａという。
当該ＮＯｘパージを行う際には、図２に示すように、まずはステップＳ１において、温度センサ３８より排気浄化装置３０の入口温度を検出し当該排気浄化装置３０内の各触媒の温度を算出する。例えば前段三元触媒３２の温度は温度センサ３８により検出され排気浄化装置３０の入口温度と同等とすることができ、ＮＯｘ触媒の温度は排気浄化装置３０の入口温度に所定温度（例えば１００℃）加算させた温度と推定することができる。
次に、ステップＳ２では、ＮＯｘパージのためのリッチ運転における主噴射と副噴射の燃料噴射量の割合を決定する。
詳しくは、ＮＯｘパージのためのリッチ運転では、吸気行程での燃料噴射である主噴射と、膨張行程での燃料噴射である副噴射とに分割して燃料噴射を行う。
上記条件Ａにおいては、主噴射と副噴射との燃料噴射量の割合を例えば２．５：１と設定する。なお、当該ＮＯｘパージの空燃比は主噴射と副噴射を合わせた全体としての空燃比であり、上記条件Ａであればリッチ運転開始後０．２秒経過した時点から０．５秒間の副噴射を行うものとし、空燃比はＮＯｘパージを行う２秒間全体として１３．０とする。
また、主噴射と副噴射の燃料噴射量の割合は、上記ステップＳ１で検出された前段三元触媒３２の温度が当該三元触媒３２の活性温度内であるときには、比較的副噴射の噴射量が多い範囲である５：１から２：１の範囲内で決定される。
さらに、当該主噴射と副噴射との燃料噴射量の割合は、前段三元触媒３２の温度が高くなるほど副噴射の割合が増加するよう設定されている。つまり三元触媒３２の温度が高くなるほどエンジン１から排出される排気中にはＨＣが多く含まれることとなる。当該ＨＣは他の還元剤ＣＯ等よりも比較的前段三元触媒３２に浄化され難いため、前段三元触媒３２が活性化していても十分にＮＯｘ触媒３４へと供給される。
続いてステップＳ３では、副噴射の燃料噴射終了時期の補正を行う。
詳しくは、当該副噴射の燃料噴射終了時期の補正は、主噴射での燃焼によって副噴射の燃料が点火されない範囲内で、前段三元触媒３２の温度が高くなるほど遅角するように補正される。つまり、当該補正によっても三元触媒３２の温度が高くなるほど排気中にＨＣの多く含まれることとなる。
上記条件Ａであれば、副噴射の燃料噴射終了時期はＡＴＤＣ（上死点後）６５°とする。
そしてステップＳ４では、上記ステップＳ２、Ｓ３で決定した噴射割合と噴射時期からなるＮＯｘパージ制御を開始し、当該ルーチンを抜ける。
ここで、図３乃至図５を参照すると、図３には本実施形態のＮＯｘパージ制御を行った場合の前段三元触媒３２入口温度とＮＯｘ浄化効率との関係を示すグラフが示されており、図４には従来のＮＯｘパージ制御を行った場合の前段三元触媒３２入口温度とＮＯｘ浄化効率との関係を示すグラフが示されており、図５には本実施形態のＮＯｘパージ制御中と従来のＮＯｘパージ制御中におけるＣＯとＨＣの濃度を示すグラフが示されている。なお、従来のＮＯｘパージ制御は上記条件Ａにおいて主噴射と副噴射の燃料噴射量の割合を８．８：１とし、副噴射の燃料噴射終了時期をＡＴＤＣ８９°で行うものである。
図３と図４を比較してわかるように、本実施形態のＮＯｘパージ制御のように副噴射の割合を増加させたことでＮＯｘの浄化効率が大幅に向上している。
また、図５に示すように、従来のＮＯｘパージ制御中の排気浄化装置３０入口では、ＣＯの濃度が高く、ＨＣの濃度が低い。一方、本実施形態のＮＯｘパージ制御中はＣＯの濃度が低くＨＣの濃度が高いことがわかる。
そして、本実施形態のＮＯｘパージ制御では、ＣＯは排気浄化装置３０入口では少ないが、前段三元触媒３２を通過した後に僅かに増加していることがわかる。このことから、本来はＨＣよりもＣＯの方が前段三元触媒３２に浄化されやすいが、前段三元触媒３２に流入するＨＣが大量であると当該ＨＣからＣＯが生成され、前段三元触媒３２によるＣＯの浄化を抑制する効果があると考えられる。
したがって、上記図５のような従来のＮＯｘパージ制御よりも本実施形態のようなＮＯｘパージ制御を行うと前段三元触媒３２によって浄化され難いＨＣの排出量が増える上、ＮＯｘ触媒３４の還元剤として反応のよいＣＯも増加することから、ＮＯｘ触媒３４にはより好適に還元剤が供給されることとなる。
以上のことから、前段三元触媒３２が活性状態にあるときでも、ＮＯｘパージの燃料消費量は変えずに、主噴射と副噴射の燃料噴射量の割合を従来よりも比較的副噴射の割合が高い範囲である５：１から２：１の範囲で、前段三元触媒３２の温度が高くなるほど副噴射の割合が上がるように可変設定し、また副噴射の燃料噴射終了時期を前段三元触媒３２が高温であるほど遅角させることで、ＮＯｘ触媒３４へ十分に還元剤を供給させることができ、良好なＮＯｘパージを行うことができる。
これにより、ＮＯｘパージによる燃費悪化を抑制した上で、排気浄化性能を向上させることができる。
以上で本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、ＮＯｘパージにおけるリッチ運転の空燃比は前段三元触媒３２の容量によって決定されるものであり、上記実施形態では、前段三元触媒３２が１．０Ｌの容量を有していたが、これが０．６Ｌの場合であれば図６に示すように、ＮＯｘパージにおけるリッチ運転の空燃比を１４．０と設定しても十分に高いＮＯｘ浄化効率をえることができることから、前段三元触媒３２の容量が小さい場合には燃費悪化の少ない空燃比へ設定しても構わない。
また、上記実施形態では、ＮＯｘパージをリッチ運転により、これはストイキ運転となっても構わない。
また、上記実施形態では、主噴射は吸気行程に行っているがこれは圧縮行程に行っても構わず、副噴射は膨張行程に行っているがこれは排気行程に行っても構わない。
また、上記実施形態では、３０秒のリーン運転の後、ＮＯｘパージのためのリッチ運転を２秒間行っているがこれに限られるものではなく、他の条件に設定しても構わない。
また、上記実施形態では、リッチ運転開始後０．２sec経過した時点から副噴射を開始し、その噴射期間は０．５secとしているが、副噴射期間を、リッチ運転期間よりも短く設定した場合においては、副噴射がリッチ運転中に終了するタイミングであれば、副噴射は、リッチ運転のどのタイミングから行っても構わない。
また、上記実施形態では触媒温度センサ３８を排気浄化装置３０の排気入口部分に設けたが、この位置に限られるものではなく、触媒の温度が検出できる位置であればどの位置でも構わない。
また、上記実施形態では、前段三元触媒３２の温度から、主噴射と副噴射の燃料噴射量の割合の決定や副噴射の燃料噴射終了時期の補正を行っているが、これに限られるものではなく、例えばＮＯｘ触媒３４の温度によって行っても構わない。
また、後段三元触媒３６は、なくても構わない。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置におけるＥＣＵが実行するＮＯｘパージについての制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における実施形態のＮＯｘパージ制御を行った場合の前段三元触媒の入口温度とＮＯｘ浄化効率との関係を示すグラフである。 従来のＮＯｘパージ制御を行った場合の前段三元触媒の入口温度とＮＯｘ浄化効率との関係を示すグラフである。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における実施形態のＮＯｘパージ制御中と従来のＮＯｘパージ制御中におけるＣＯとＨＣの濃度を示すグラフである。 前段三元触媒の容量と空燃比の影響を示すグラフである。
符号の説明
１ エンジン
４ 点火プラグ
６ インジェクタ（燃料噴射手段）
１０ 排気ポート
１８ 排気マニホールド
２０ 排気管
３０ 排気浄化装置
３２ 前段三元触媒（三元触媒）
３４ ＮＯｘ触媒
３６ 後段三元触媒
３８ 温度センサ（触媒温度検出手段）
４０ ＥＣＵ（ＮＯｘ浄化制御手段）

Claims (4)

  1. 内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、
    前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関のリーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに、前記内燃機関のストイキ運転時またはリッチ運転時に前記吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ触媒と、
    前記排気通路の前記ＮＯｘ触媒より排気上流側に設けられる三元触媒と、
    前記ＮＯｘ触媒および前記三元触媒の少なくとも一方の温度を検出または推定する触媒温度検出手段と、
    前記ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを放出還元するための前記内燃機関のストイキ運転またはリッチ運転を、吸気行程若しくは圧縮行程で実施する主噴射及び、膨張行程若しくは排気行程で実施する副噴射により行うよう前記燃料噴射手段を制御するＮＯｘ浄化制御手段とを備え、
    該ＮＯｘ浄化制御手段は、前記触媒温度検出手段により検出される温度に応じて、前記主噴射と前記副噴射の燃料噴射量の割合を可変設定すること特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記ＮＯｘ浄化制御手段は、前記主噴射と前記副噴射の燃料噴射量の割合を５：１から２：１の範囲で可変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. 前記ＮＯｘ浄化制御手段は、前記触媒温度検出手段により検出される温度が高温であるほど前記主噴射に対する前記副噴射の燃料噴射量の割合を高く設定することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記ＮＯｘ浄化手段は、前記副噴射の燃料噴射終了時期を前記触媒温度検出手段により検出される温度が高温になるほど遅角させるよう前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
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