JP2012127295A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust emission control device for an internal combustion engine including an NSR catalyst and an SCR that suppresses production reaction of N2O and achieves a high NOx purification rate.SOLUTION: The exhaust emission control device for an internal combustion engine 10 having a lean operation mode includes: an NOstorage-reduction catalyst (NSR catalyst) 16 arranged in an exhaust passage 12 of the internal combustion engine 10; an NOselective-reduction catalyst (SCR) 18 arranged downstream from the NSR catalyst 16; and a rich spike device for performing rich spike operation at predetermined timing during the lean operation. The rich spike device is configured to perform two-stage rich spike for switching an exhaust air-fuel ratio during rich spike from a first rich air-fuel ratio (A/F=12) to a second rich air-fuel ratio (A/F=13) after a predetermined lean period.

Description

この発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、NOx吸蔵還元触媒とNOx選択還元触媒とを備える内燃機関の排気浄化装置に関する。   The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine that includes a NOx storage reduction catalyst and a NOx selective reduction catalyst.

従来、例えば日本特開2008−303759号公報に開示されるように、三元触媒、NOx吸蔵還元触媒(以下、「NSR触媒」と称する)、およびNOx選択還元触媒(以下、「SCR」と称する)が、内燃機関の排気通路の上流側からこの順序で配置されたシステムが知られている。NSR触媒は、内燃機関から排出される燃焼ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)を触媒内部に吸蔵する吸蔵機能と、NOxおよび炭化水素(HC)等を浄化処理する触媒機能と、を備えた触媒である。内燃機関がリーン空燃比で運転(リーン運転)されると、NOxを多量に含む排気ガスが排出される。NSR触媒は、このNOxをその内部に吸蔵保持して、該NOxが触媒下流へ放出される事態を抑制する。   Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-303759, a three-way catalyst, a NOx storage reduction catalyst (hereinafter referred to as “NSR catalyst”), and a NOx selective reduction catalyst (hereinafter referred to as “SCR”). Are known in this order from the upstream side of the exhaust passage of the internal combustion engine. The NSR catalyst has an occlusion function that occludes nitrogen oxide (NOx) contained in combustion gas discharged from the internal combustion engine inside the catalyst, and a catalytic function that purifies NOx and hydrocarbons (HC) and the like. It is a catalyst. When the internal combustion engine is operated at a lean air-fuel ratio (lean operation), exhaust gas containing a large amount of NOx is discharged. The NSR catalyst occludes and holds this NOx therein, and suppresses the situation where the NOx is released downstream of the catalyst.

リーン運転中は、時間の経過に伴ってNSR触媒内のNOx吸蔵保持量が増加する。そこで、上記従来のシステムでは、該NSR触媒内のNOx吸蔵保持量が所定の吸蔵容量に近づいた地点で、内燃機関の排気空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク制御が実行される。これにより、該NSR触媒内に吸蔵保持されていたNOxが浄化される。   During lean operation, the NOx occlusion retention amount in the NSR catalyst increases with time. Therefore, in the above-described conventional system, rich spike control for temporarily enriching the exhaust air-fuel ratio of the internal combustion engine is executed at a point where the NOx occlusion holding amount in the NSR catalyst approaches a predetermined occlusion capacity. Thereby, NOx occluded and held in the NSR catalyst is purified.

また、リッチスパイク制御が実行されると、三元触媒およびNSR触媒ではアンモニア(NH)が生成される。SCRはアンモニア(NH)を吸着する機能を有しており、三元触媒およびNSR触媒で生成されたNHをその内部に吸蔵する。吸蔵されたNHは、該SCRに流入するNOxを選択的に還元する際に使用される。このように、上記従来のシステムでは、NSR触媒とSCRとの組み合わせによって、内燃機関から排出されるNOxを浄化することとしている。 When rich spike control is executed, ammonia (NH 3 ) is generated in the three-way catalyst and the NSR catalyst. SCR has a function of adsorbing ammonia (NH 3), absorbing the NH 3 generated by the three-way catalyst and the NSR catalyst therein. The stored NH 3 is used when NOx flowing into the SCR is selectively reduced. Thus, in the conventional system, NOx discharged from the internal combustion engine is purified by a combination of the NSR catalyst and the SCR.

特開2008−303759号公報JP 2008-303759 A 特開2004−211676号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-211676

ところで、リーン運転中にリッチスパイクが実行されると、NSR触媒およびSCRではNOxの浄化反応に加えて亜酸化窒素(NO)の生成反応が起こる。NOは二酸化炭素の約300倍の温室効果ガスであるといわれており、特に触媒床温が低い低活性環境下において生成されやすい傾向にある。このため、内燃機関の低負荷時等に上述したリッチスパイクが実行されると、これらの触媒においてNOが多量に生成されてしまうおそれがあった。 By the way, when the rich spike is executed during the lean operation, the NSR catalyst and the SCR cause a nitrous oxide (N 2 O) generation reaction in addition to the NOx purification reaction. N 2 O is said to be a greenhouse gas about 300 times that of carbon dioxide, and tends to be generated particularly in a low activity environment where the catalyst bed temperature is low. For this reason, if the above-described rich spike is executed when the internal combustion engine is under a low load, a large amount of N 2 O may be generated in these catalysts.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、NSR触媒とSCRとを備える内燃機関において、NOの生成反応を抑制しつつ、高いNOx浄化率を実現す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を目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In an internal combustion engine including an NSR catalyst and an SCR, the present invention achieves a high NOx purification rate while suppressing N 2 O production reaction. An object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、リーン運転が可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の排気通路に配置されたNOx吸蔵還元触媒(以下、NSR触媒)と、
前記NSR触媒の下流に配置されたNOx選択還元触媒(以下、SCR)と、
リーン運転中の所定のタイミングでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、
前記リッチスパイク手段は、前記リッチスパイク中の排気空燃比を第1のリッチ空燃比から所定のリーン期間を挟んで第2のリッチ空燃比へと切り替える2段階のリッチスパイクを実行することを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention is an exhaust purification device for an internal combustion engine capable of lean operation,
A NOx occlusion reduction catalyst (hereinafter referred to as NSR catalyst) disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine;
A NOx selective reduction catalyst (hereinafter referred to as SCR) disposed downstream of the NSR catalyst;
Rich spike means for executing a rich spike at a predetermined timing during lean operation,
The rich spike means executes a two-stage rich spike that switches the exhaust air / fuel ratio in the rich spike from a first rich air / fuel ratio to a second rich air / fuel ratio with a predetermined lean period interposed therebetween. Yes.

第2の発明は、第1の発明において、
前記第2のリッチ空燃比は、前記第1の空燃比よりもリーンなスライトリッチ空燃比であることを特徴としている。
According to a second invention, in the first invention,
The second rich air-fuel ratio is a lean rich air-fuel ratio that is leaner than the first air-fuel ratio.

第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記NSR触媒は、OSC材をその内部に含み、
前記所定のリーン期間は、前記NSR触媒の内部の排気ガスがリッチからリーンへ置換されるまでの期間であることを特徴としている。
According to a third invention, in the first or second invention,
The NSR catalyst includes an OSC material therein,
The predetermined lean period is a period until the exhaust gas inside the NSR catalyst is replaced from rich to lean.

第4の発明は、第1乃至第3の何れか1つの発明において、
前記NSR触媒および/または前記SCRの床温を取得する床温取得手段と、
前記床温が所定の基準値よりも高い場合に、前記リッチスパイク手段における2段階のリッチスパイクの実行を制限する制限手段と、
をさらに備えることを特徴としている。
A fourth invention is any one of the first to third inventions,
A bed temperature acquisition means for acquiring a bed temperature of the NSR catalyst and / or the SCR;
When the bed temperature is higher than a predetermined reference value, limiting means for restricting execution of the two-stage rich spike in the rich spike means;
Is further provided.

リッチスパイクが実行されると、NSR触媒(NOx吸蔵還元触媒)に吸蔵されていたNOxが脱離・浄化されるとともに、該NSR触媒においてNHが生成される。生成されたNHは、排気通路を流通して下流側に配置されたSCR(NOx選択還元触媒)内に吸蔵される。該SCRでは、吸蔵されたNHを用いて、NSR触媒の下流に吹き抜けたNOxを選択的に還元する。 When the rich spike is executed, NOx stored in the NSR catalyst (NOx storage reduction catalyst) is desorbed and purified, and NH 3 is generated in the NSR catalyst. The produced NH 3 is stored in an SCR (NOx selective reduction catalyst) disposed on the downstream side through the exhaust passage. In the SCR, the stored NH 3 is used to selectively reduce NOx blown downstream of the NSR catalyst.

第1の発明によれば、2段階のリッチスパイクにおいて、第1のリッチ空燃比によるリッチスパイクと第2のリッチ空燃比によるリッチスパイクとの間に所定のリーン期間が設けられる。このため、本発明によれば、NSR触媒およびSCRの床温を有効に昇温させることができるので、リッチスパイク時にこれらの触媒でNOが多量に生成される事態を有効に抑制することができる。 According to the first invention, in the two-stage rich spike, a predetermined lean period is provided between the rich spike caused by the first rich air-fuel ratio and the rich spike caused by the second rich air-fuel ratio. For this reason, according to the present invention, the bed temperature of the NSR catalyst and the SCR can be effectively increased, so that the situation in which a large amount of N 2 O is generated by these catalysts during a rich spike can be effectively suppressed. Can do.

第2の発明によれば、第2のリッチ空燃比によるリッチスパイクは第1のリッチ空燃比のそれよりもリーンなスライトリッチ空燃比で実行される。このため、本発明によれば、第1のリッチ空燃比によるリッチスパイクによってNSR触媒におけるNOxの脱離・還元反応を有効に促進するとともに、第2のリッチ空燃比によるリッチスパイクによってNSR触媒でのNHの生成反応を活発化させることができる。 According to the second aspect of the invention, the rich spike due to the second rich air-fuel ratio is executed at a lean rich air-fuel ratio that is leaner than that of the first rich air-fuel ratio. Therefore, according to the present invention, the NOx desorption / reduction reaction in the NSR catalyst is effectively promoted by the rich spike due to the first rich air-fuel ratio, and at the NSR catalyst due to the rich spike due to the second rich air-fuel ratio. NH 3 production reaction can be activated.

第3の発明によれば、NSR触媒の内部には、酸素の吸放出機能を有するOSC材が含まれている。そして、第1のリッチ空燃比によるリッチスパイクと第2のリッチ空燃比によるリッチスパイクとの間の所定のリーン期間が、NSR触媒の内部の排気ガスがリーンガスに置換されるまでの期間に設定されている。このため、本発明によれば、NSR触媒のOSC材に酸素が吸蔵されることなく第2のリッチ空燃比によるリッチスパイクへ移行することができるので、当該第2のリッチ空燃比によるリッチスパイクの開始直後において、リッチスパイクのリッチ成分が該OSC材での酸素の放出に消費される事態を有効に抑止することができる。   According to the third invention, the NSR catalyst contains an OSC material having an oxygen absorption / release function. A predetermined lean period between the rich spike due to the first rich air-fuel ratio and the rich spike due to the second rich air-fuel ratio is set to a period until the exhaust gas inside the NSR catalyst is replaced with the lean gas. ing. For this reason, according to the present invention, it is possible to shift to the rich spike by the second rich air-fuel ratio without oxygen being stored in the OSC material of the NSR catalyst. Immediately after the start, the situation where the rich component of the rich spike is consumed for the release of oxygen in the OSC material can be effectively suppressed.

第4の発明によれば、NSR触媒および/またはSCRの床温が所定の基準温度よりも高い場合には、所定のリーン期間が設けられた2段階のリッチスパイクの実行が制限される。このため、本発明によれば、必要以上に触媒床温が昇温されることによるNOx浄化率の低下を有効に抑止することができる。   According to the fourth invention, when the bed temperature of the NSR catalyst and / or the SCR is higher than the predetermined reference temperature, the execution of the two-stage rich spike provided with the predetermined lean period is restricted. For this reason, according to this invention, the fall of the NOx purification rate by raising a catalyst bed temperature more than necessary can be suppressed effectively.

本発明の実施の形態の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of embodiment of this invention. リッチスパイク中の空燃比を2段階に変化させた場合の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement at the time of changing the air fuel ratio in a rich spike in two steps. リッチスパイクとNSR触媒の床温との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a rich spike and the bed temperature of an NSR catalyst. リッチスパイクとNSR触媒の床温との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a rich spike and the bed temperature of an NSR catalyst. リッチスパイク時の実際の空燃比の変化の様子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the mode of the change of the actual air fuel ratio at the time of a rich spike. SCR床温に対するNOx浄化率を示す図である。It is a figure which shows the NOx purification rate with respect to SCR bed temperature. 本発明の実施の形態1において実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 1 of the present invention.

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態の構成を説明するための図である。図1に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関10を備えている。内燃機関10は、右バンク101および左バンク102を備えたV型のガソリンエンジンとして構成されている。右バンク101に属する気筒群は、排気通路121に連通している。また、左バンク102に属する気筒群は、排気通路122に連通している。排気通路121および122は、下流で合流した後に排気通路123の一端に連通している。以下、排気通路121、122、および123を特に区別しない場合には、これらを単に「排気通路12」と称することとする。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the system of the present embodiment includes an internal combustion engine 10. The internal combustion engine 10 is configured as a V-type gasoline engine including a right bank 101 and a left bank 102. The cylinder group belonging to the right bank 101 communicates with the exhaust passage 121. The cylinder group belonging to the left bank 102 communicates with the exhaust passage 122. The exhaust passages 121 and 122 communicate with one end of the exhaust passage 123 after joining downstream. Hereinafter, when the exhaust passages 121, 122, and 123 are not particularly distinguished, they are simply referred to as “exhaust passage 12”.

排気通路121および122には、三元触媒であるスタート触媒(以下、「SC」と称する)141および142がそれぞれ配置されている。また、排気通路123には、NOx吸蔵還元触媒(NSR触媒)16が配置されている。更に、排気通路123におけるNSR触媒16の下流側には、NOx選択還元触媒(SCR)18が配置されている。以下、SC141および142を特に区別しない場合には、これらを単に「SC14」と称することとする。   In the exhaust passages 121 and 122, start catalysts (hereinafter referred to as “SC”) 141 and 142, which are three-way catalysts, are arranged, respectively. Further, a NOx storage reduction catalyst (NSR catalyst) 16 is disposed in the exhaust passage 123. Further, a NOx selective reduction catalyst (SCR) 18 is disposed downstream of the NSR catalyst 16 in the exhaust passage 123. Hereinafter, when the SCs 141 and 142 are not particularly distinguished, these are simply referred to as “SC 14”.

内燃機関10は、空燃比がリッチである場合に、HCおよびCOを排出し易い。また、空燃比がリーンである場合にNOxを排出しやすい。SC14は、リーン雰囲気では酸素(O)を吸着しながらNOxを還元(Nに浄化)する。他方、リッチ雰囲気では、酸素を放出しながらHCおよびCOを酸化(HO、COに浄化)する。また、リッチ雰囲気下では、排気ガス中に含まれる窒素と水素、或いはHCとNOxが反応することにより、アンモニア(NH)が生成される。 The internal combustion engine 10 easily discharges HC and CO when the air-fuel ratio is rich. Further, it is easy to exhaust NOx when the air-fuel ratio is lean. The SC 14 reduces NOx (purifies to N 2 ) while adsorbing oxygen (O 2 ) in a lean atmosphere. On the other hand, in a rich atmosphere, HC and CO are oxidized (purified to H 2 O, CO 2 ) while releasing oxygen. In a rich atmosphere, ammonia (NH 3 ) is generated by the reaction of nitrogen and hydrogen or HC and NOx contained in the exhaust gas.

NSR触媒16は、リーン雰囲気下では、排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵する。また、NSR触媒16は、リッチ雰囲気下で吸蔵しているNOxを放出する。リッチ雰囲気下で放出されたNOxは、HCやCOにより還元される。この際、SC14の場合と同様に、NSR16においてもNHが生成される。 The NSR catalyst 16 occludes NOx contained in the exhaust gas under a lean atmosphere. Further, the NSR catalyst 16 releases NOx stored in a rich atmosphere. NOx released in a rich atmosphere is reduced by HC and CO. At this time, NH 3 is also generated in the NSR 16 as in the case of the SC 14.

SCR18は、Fe系ゼオライト触媒として構成され、SC14およびNSR触媒16が、リッチ雰囲気下で生成するNHを吸蔵し、リーン雰囲気下では、NHを還元剤として、排気ガス中のNOxを選択的に還元する機能を有している。SCR18によれば、NSR触媒16の下流に吹き抜けてきたNHおよびNOxが大気中に放出される事態を有効に阻止することができる。 The SCR 18 is configured as an Fe-based zeolite catalyst, and the SC 14 and the NSR catalyst 16 occlude NH 3 produced in a rich atmosphere. In the lean atmosphere, the NO 3 in the exhaust gas is selectively used with NH 3 as a reducing agent. It has the function of reducing to According to the SCR 18, it is possible to effectively prevent a situation in which NH 3 and NOx blown downstream of the NSR catalyst 16 are released into the atmosphere.

NSR触媒16およびSCR18の下流側近傍には、温度センサ20,22がそれぞれ配設されている。これらの温度センサ20,22によれば、各触媒から排出される排気ガスの温度を検出することができる。   In the vicinity of the downstream side of the NSR catalyst 16 and the SCR 18, temperature sensors 20 and 22 are arranged, respectively. These temperature sensors 20 and 22 can detect the temperature of the exhaust gas discharged from each catalyst.

本実施の形態のシステムは、図1に示すとおり、ECU(Electronic Control Unit)30を備えている。ECU30の出力部には、燃料噴射装置(図示せず)等の種々のアクチュエータが接続されている。ECU30の入力部には、上述した温度センサ20,22の他、機関回転数を検出するためのクランク角センサやスロットル開度を検出するためのスロットル開度センサ(何れも図示せず)等の種々のセンサ類が接続されている。ECU30は、入力された各種の情報に基づいて、図1に示すシステムの状態を制御することができる。   The system according to the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 30 as shown in FIG. Various actuators such as a fuel injection device (not shown) are connected to the output portion of the ECU 30. In addition to the temperature sensors 20 and 22 described above, the input unit of the ECU 30 includes a crank angle sensor for detecting the engine speed, a throttle opening sensor (not shown) for detecting the throttle opening, and the like. Various sensors are connected. The ECU 30 can control the state of the system shown in FIG. 1 based on various types of input information.

[実施の形態1の動作]
先ず、本実施の形態のシステムにおいて実行されるリッチスパイク制御について説明する。ECU30は、通常、内燃機関10をリーン空燃比で運転(リーン運転)させる。リーン運転中は、NOx等の酸化剤がHC、CO等の還元剤よりも多量に排出される。このため、三元触媒を用いて当該排気ガスを浄化しようとしても、還元剤の不足によって全てのNOxを浄化することができない。そこで、本実施の形態1のシステムは、排気通路123にNSR触媒16を備えることとしている。NSR触媒16は、NOxをBa(NO等の硝酸塩として吸蔵する機能を有している。このため、本実施の形態1のシステムによれば、リーン運転中であっても、該NOxが大気中に放出されてしまう事態を効果的に抑制することができる。
[Operation of Embodiment 1]
First, rich spike control executed in the system of the present embodiment will be described. The ECU 30 normally operates the internal combustion engine 10 at a lean air-fuel ratio (lean operation). During lean operation, oxidizers such as NOx are discharged in a larger amount than reducing agents such as HC and CO. For this reason, even if it is going to purify the exhaust gas using a three-way catalyst, it is not possible to purify all NOx due to a shortage of reducing agent. Therefore, the system according to the first embodiment is provided with the NSR catalyst 16 in the exhaust passage 123. The NSR catalyst 16 has a function of storing NOx as nitrates such as Ba (NO 3 ) 2 . For this reason, according to the system of the first embodiment, it is possible to effectively suppress the situation where the NOx is released into the atmosphere even during the lean operation.

但し、NSR触媒16のNOx吸蔵性能は、吸蔵量が増加するにつれて低下してしまう。このため、リーン運転が長時間継続されると、吸蔵されなかったNOxが該触媒下流に吹き抜けてしまう。そこで、本実施の形態1のシステムでは、NSR触媒16に吸蔵されたNOxを定期的に脱離させて処理するリッチスパイク制御が実行される。より具体的には、NSR触媒16に吸蔵されているNOx量が所定吸蔵量(例えば、最大吸蔵量の8割に相当する量)に達したタイミングで、内燃機関10の排気空燃比が一時的にリッチ(例えば、目標A/F=12)に制御される。リッチスパイク実行中の排気ガスには、HC、CO、H等の還元剤が多量に含まれている。このため、これらの還元剤がNSR触媒16内へ導入されると、硝酸塩として吸蔵されていたNOxは、NOまで還元されて塩基から脱離される。脱離したNOxは、NSR触媒16内の触媒上でN等に浄化されて処理される。このように、リーン運転中にリッチスパイクを実行することにより、NSR触媒16に吸蔵されていたNOxを脱離処理することができるので、NOx吸蔵性能を有効に回復させることができる。 However, the NOx storage performance of the NSR catalyst 16 decreases as the storage amount increases. For this reason, if the lean operation is continued for a long time, NOx that has not been occluded will blow through downstream of the catalyst. Therefore, in the system of the first embodiment, rich spike control is performed in which NOx occluded in the NSR catalyst 16 is periodically desorbed and processed. More specifically, the exhaust air-fuel ratio of the internal combustion engine 10 is temporarily increased at a timing when the NOx amount stored in the NSR catalyst 16 reaches a predetermined storage amount (for example, an amount corresponding to 80% of the maximum storage amount). To rich (for example, target A / F = 12). The exhaust gas during execution of rich spike contains a large amount of reducing agent such as HC, CO, H 2 and the like. For this reason, when these reducing agents are introduced into the NSR catalyst 16, NOx stored as nitrate is reduced to NO and desorbed from the base. The desorbed NOx is purified to N 2 or the like on the catalyst in the NSR catalyst 16 and processed. Thus, by executing the rich spike during the lean operation, the NOx occluded in the NSR catalyst 16 can be desorbed, so that the NOx occlusion performance can be effectively recovered.

尚、リッチスパイク時の目標A/Fは適宜設定可能であるが、NSR触媒16におけるNOx浄化性能向上の観点からはリッチ空燃比であるほど好ましい。但し、背反として燃費が悪化するため、後述するSCR18におけるNOx浄化が期待できる場合には、排気空燃比を出来る限りリーン側に設定することが好ましい。   The target A / F at the time of rich spike can be set as appropriate, but the rich air-fuel ratio is more preferable from the viewpoint of improving the NOx purification performance of the NSR catalyst 16. However, since fuel efficiency deteriorates as a contradiction, it is preferable to set the exhaust air-fuel ratio as lean as possible when NOx purification in the SCR 18 described later can be expected.

次に、SCR18の機能について説明する。上述したとおり、リッチスパイクの実行によって、NSR触媒16のNOx吸蔵性能を有効に回復させることができる。しかしながら、リッチスパイクが実行されると、該NSR触媒16から脱離したNOxの一部が浄化されずにそのまま下流に吹き抜けてしまう。また、上述したとおり、リーン運転中にNSR触媒16に吸蔵されずに下流に吹き抜けたNOxも存在する。これらの吹き抜けNOxがそのまま大気中に放出されてしまうとエミッションの悪化を招いてしまう。   Next, the function of the SCR 18 will be described. As described above, the NOx storage performance of the NSR catalyst 16 can be effectively recovered by executing the rich spike. However, when the rich spike is executed, part of the NOx desorbed from the NSR catalyst 16 is blown downstream without being purified. Further, as described above, there is also NOx that is blown downstream without being stored in the NSR catalyst 16 during the lean operation. If these blow-by NOx are released into the atmosphere as they are, emissions will be deteriorated.

そこで、本実施の形態1のシステムは、NSR触媒16の下流側に吹き抜けたNOxを処理するためのSCR18を備えることとしている。上述したとおり、SCR18は、SC14およびNSR触媒16が、リッチ雰囲気下で生成するNHをその内部に吸蔵している。このため、SCR18によれば、NSR触媒16の下流に吹き抜けてきたNOxをNHを用いて選択的に還元して浄化することができる。これにより、NOxが大気中に放出されてエミッションが悪化する事態を有効に阻止することができる。 Therefore, the system according to the first embodiment includes an SCR 18 for processing NOx blown through the downstream side of the NSR catalyst 16. As described above, the SCR 18 occludes therein NH 3 produced by the SC 14 and the NSR catalyst 16 in a rich atmosphere. For this reason, according to the SCR 18, NOx blown downstream of the NSR catalyst 16 can be selectively reduced and purified using NH 3 . Thereby, the situation where NOx is released into the atmosphere and the emission deteriorates can be effectively prevented.

尚、本出願の発明者の見解によれば、SC14およびNSR触媒16(特にNSR触媒16)において生成されるNH量は、リッチスパイク時の排気空燃比がA/F=13近傍となるスライトリッチ空燃比である場合に多量となる。このため、リッチスパイク時の目標A/Fをこのスライトリッチ空燃比に制御することで、SCR18のNOx浄化性能を有効に高めることができる。 According to the opinion of the inventor of the present application, the amount of NH 3 produced in the SC 14 and the NSR catalyst 16 (particularly the NSR catalyst 16) is a slite in which the exhaust air-fuel ratio at the time of rich spike is around A / F = 13 The amount becomes large when the air-fuel ratio is rich. For this reason, the NOx purification performance of the SCR 18 can be effectively enhanced by controlling the target A / F during the rich spike to the light rich air-fuel ratio.

[本実施の形態1の特徴的動作]
次に、図2乃至図6を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。上述したとおり、NSR触媒16におけるNOx浄化性能を高める観点からは、リッチスパイク時の目標A/Fをリッチ空燃比(例えばA/F=12)に制御することが好ましい。しかしながら、その一方で、SC14およびNSR触媒16において生成されるNH量を増やしてSCR18におけるNOx浄化を促進する観点からは、リッチスパイク時の目標A/Fをスライトリッチ空燃比(例えばA/F=13)に制御することが好ましい。
[Characteristic operation of the first embodiment]
Next, characteristic operations of the present embodiment will be described with reference to FIGS. As described above, from the viewpoint of enhancing the NOx purification performance of the NSR catalyst 16, it is preferable to control the target A / F during the rich spike to a rich air-fuel ratio (for example, A / F = 12). On the other hand, however, from the viewpoint of increasing the amount of NH 3 produced in the SC 14 and the NSR catalyst 16 and promoting NOx purification in the SCR 18, the target A / F at the time of the rich spike is set to a slightly rich air-fuel ratio (for example, A / F = 13) is preferable.

これら2観点の両立を図るための手法として、リッチスパイク中の排気空燃比を段階的に変化させることが考えられる。図2は、リッチスパイク中の空燃比を2段階に変化させた場合の動作を説明するための図である。この図に示す例では、リッチスパイクの前段(1段目)の目標A/Fを所定のリッチ空燃比(A/F=12)に設定し、後段(2段目)の目標A/Fを所定のスライトリッチ空燃比(A/F=13)に設定することとしている。これにより、NSR触媒16とSCR18との組み合わせによって高いNOx浄化率を発揮することができる。   As a technique for achieving both of these two viewpoints, it is conceivable to change the exhaust air-fuel ratio during the rich spike stepwise. FIG. 2 is a diagram for explaining the operation when the air-fuel ratio during the rich spike is changed in two stages. In the example shown in this figure, the target A / F at the front stage (first stage) of the rich spike is set to a predetermined rich air-fuel ratio (A / F = 12), and the target A / F at the rear stage (second stage) is set. It is supposed to be set to a predetermined slight rich air-fuel ratio (A / F = 13). Thereby, a high NOx purification rate can be exhibited by the combination of the NSR catalyst 16 and the SCR 18.

しかしながら、上述した2段階のリッチスパイク制御には、触媒の昇温性に劣るという課題がある。図3は、リッチスパイクとNSR触媒の床温との関係を示す図である。この図に示すとおり、リーン運転中(例えばA/F=25)に上述した2段階のリッチスパイクが実施された場合、NSR触媒16の床温は次第に上昇するものの、その上昇幅は比較的小さなもの(Δ30℃前後)となっている。   However, the above-described two-stage rich spike control has a problem that the temperature rise performance of the catalyst is poor. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the rich spike and the bed temperature of the NSR catalyst. As shown in this figure, when the above-described two-stage rich spike is performed during the lean operation (for example, A / F = 25), the bed temperature of the NSR catalyst 16 gradually increases, but the increase width is relatively small. It is a thing (around Δ30 ° C.).

ここで、NSR触媒16およびSCR18では、NOxの浄化反応に加えて亜酸化窒素(NO)の生成反応が起こる。NOは二酸化炭素の約300倍の温室効果ガスであるといわれており、極力排出を抑制することが好ましい。このNO生成反応は、特に触媒床温が低い低活性環境下において起こり易い傾向にある。このため、上述した2段階のリッチスパイク制御を実施することとすると、リッチスパイクのタイミングでNOが多量に生成されてしまうおそれがある。 Here, in the NSR catalyst 16 and the SCR 18, a nitrous oxide (N 2 O) generation reaction occurs in addition to the NOx purification reaction. N 2 O is said to be a greenhouse gas about 300 times as much as carbon dioxide, and it is preferable to suppress emissions as much as possible. This N 2 O production reaction tends to occur particularly in a low activity environment where the catalyst bed temperature is low. For this reason, if the above-described two-stage rich spike control is performed, a large amount of N 2 O may be generated at the rich spike timing.

そこで、本実施の形態1のシステムでは、1段目のリッチスパイクの終了後2段目のリッチスパイクが開始される前に、排気空燃比を一時的にリーン空燃比に制御するリーン期間を設けることとする。図4は、リッチスパイクとNSR触媒の床温との関係を示す図である。この図に示すとおり、リーン運転中(例えばA/F=25)に上述したリーン期間を挟んだ2段階のリッチスパイクが実施された場合、NSR触媒16の床温は大きく上昇している(Δ50℃前後)。したがって、このようなリッチスパイクを実行することにより、NOの発生を激減させることが可能となる。 Therefore, in the system of the first embodiment, a lean period for temporarily controlling the exhaust air-fuel ratio to the lean air-fuel ratio is provided after the end of the first-stage rich spike and before the second rich spike is started. I will do it. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the rich spike and the bed temperature of the NSR catalyst. As shown in this figure, when the above-described two-stage rich spike is performed during the lean operation (for example, A / F = 25), the bed temperature of the NSR catalyst 16 is greatly increased (Δ50). Around ℃). Therefore, by executing such a rich spike, the generation of N 2 O can be drastically reduced.

尚、三元機能を有するSC14やNSR触媒16には、ロバスト性を高めることを目的として、セリア等のOSC材が担体の一成分として用いられている。このOSC材は酸素吸放出能を有し、リーン雰囲気で酸素を吸収しリッチ雰囲気で酸素を放出する。このため、リッチスパイクの実行初期に排出される還元剤の一部は、OSC材での酸素放出反応に使用されてしまう傾向にある。   For the SC14 and NSR catalyst 16 having a three-way function, an OSC material such as ceria is used as one component of the carrier for the purpose of enhancing robustness. This OSC material has an oxygen absorption / release capability, absorbs oxygen in a lean atmosphere, and releases oxygen in a rich atmosphere. For this reason, a part of the reducing agent discharged in the early stage of the rich spike tends to be used for the oxygen release reaction in the OSC material.

図5は、リッチスパイク時の実際の空燃比の変化の様子を模式的に示す図である。この図中の(A)に示すとおり、上述したリッチスパイクの間のリーン期間が長すぎると、NSR触媒16内部のOSC材に再び酸素が吸蔵されてしまうため、2段目のリッチスパイクの実行初期においても還元剤の一部が消費されてしまい、NOxを還元浄化する目的上好ましくない。   FIG. 5 is a diagram schematically showing how the actual air-fuel ratio changes during a rich spike. As shown in (A) of this figure, if the lean period between the rich spikes described above is too long, oxygen is occluded again in the OSC material inside the NSR catalyst 16, and therefore the execution of the second rich spike is performed. Even in the initial stage, a part of the reducing agent is consumed, which is not preferable for the purpose of reducing and purifying NOx.

そこで、本実施の形態1のリッチスパイク制御では、図中の(B)に示すように、1段目リッチスパイクと2段目リッチスパイクとの間のリーン期間を、OSC材に酸素が吸蔵されない程度の期間に設定することが好ましい。より具体的には、リーン期間は、NSR触媒16の内部がリッチガスからリーンガスへ置換されるまでの期間に設定されることが好ましい。これにより、2段目のリッチスパイクにおける還元剤がOSC材における酸素放出反応に消費される事態を有効に抑止することができる。   Therefore, in the rich spike control of the first embodiment, as shown in (B) in the figure, oxygen is not occluded in the OSC material during the lean period between the first stage rich spike and the second stage rich spike. It is preferable to set a period of about. More specifically, the lean period is preferably set to a period until the inside of the NSR catalyst 16 is replaced from rich gas to lean gas. Thereby, the situation where the reducing agent in the second rich spike is consumed in the oxygen releasing reaction in the OSC material can be effectively suppressed.

また、触媒床温が比較的高い高負荷運転時等(例えば、NSR触媒16の床温>450℃,SCR18の床温>350℃)においては、上述したリッチスパイク制御を実行しなくても、NOの発生は抑制されていることが想定される。逆に必要以上の触媒の昇温は、NOx浄化率の低下を招いてしまう。図6は、SCR床温に対するNOx浄化率を示す図である。この図に示すとおり、SCR18の床温が350℃を超えた付近からNOx浄化率が徐々に低下する傾向が分かる。 Further, during high load operation where the catalyst bed temperature is relatively high (for example, the bed temperature of the NSR catalyst 16> 450 ° C., the bed temperature of the SCR 18> 350 ° C.), the above-described rich spike control is not executed. It is assumed that the generation of N 2 O is suppressed. Conversely, if the catalyst temperature rises more than necessary, the NOx purification rate will decrease. FIG. 6 is a diagram showing the NOx purification rate with respect to the SCR bed temperature. As shown in this figure, it can be seen that the NOx purification rate tends to gradually decrease from the vicinity where the bed temperature of the SCR 18 exceeds 350 ° C.

そこで、本実施の形態1のシステムでは、NSR触媒16およびSCR18の床温を推定し、当該床温が所定の温度よりも高い場合には、リーン期間を挟まない通常の2段階リッチスパイク制御を実行することとする。これにより、NOの発生を抑制しつつNSR触媒16およびSCR18におけるNOx浄化率の低下を有効に抑止することができる。 Therefore, in the system of the first embodiment, the bed temperatures of the NSR catalyst 16 and the SCR 18 are estimated, and when the bed temperature is higher than a predetermined temperature, the normal two-stage rich spike control that does not sandwich the lean period is performed. Execute it. Thereby, it is possible to effectively suppress a decrease in the NOx purification rate in the NSR catalyst 16 and the SCR 18 while suppressing the generation of N 2 O.

[実施の形態1における具体的処理]
次に、図7を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図7は、ECU30が、リッチスパイク制御を実行するルーチンのフローチャートである。尚、図7に示すルーチンは、内燃機関10の運転中に繰り返し実行されるものとする。
[Specific Processing in Embodiment 1]
Next, with reference to FIG. 7, the specific content of the process performed in this Embodiment is demonstrated. FIG. 7 is a flowchart of a routine in which the ECU 30 executes rich spike control. Note that the routine shown in FIG. 7 is repeatedly executed during operation of the internal combustion engine 10.

図7に示すルーチンでは、先ず、リッチスパイクの実行条件が成立したか否かが判定される(ステップ100)。ここでは、具体的には、リーン運転中であるか否か、およびNSR触媒16中に吸蔵されている現在のNOx吸蔵量が所定吸蔵量を越えているか否かが判定される。その結果、リーン運転中でない場合、またはNOx吸蔵量>所定吸蔵量の成立が認められない場合には、リッチスパイクを実行する必要がないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。   In the routine shown in FIG. 7, it is first determined whether or not the rich spike execution condition is satisfied (step 100). Specifically, it is determined whether or not the lean operation is being performed, and whether or not the current NOx storage amount stored in the NSR catalyst 16 exceeds a predetermined storage amount. As a result, when the lean operation is not being performed, or when establishment of NOx occlusion amount> predetermined occlusion amount is not recognized, it is determined that the rich spike need not be executed, and this routine is immediately terminated.

一方、上記ステップ100において、リーン運転中であり、且つNOx吸蔵量>吸蔵限界量の成立が認められた場合には、リッチスパイクを実行する必要があると判断されて、次のステップに移行し、NSR触媒16およびSCR18の床温Tn,Tsが推定される(ステップ102)。ここでは、具体的には、温度センサ20,22によって検出された各排気ガスの温度が、NSR触媒16,SCR18の床温Tn,Tsとして用いられる。   On the other hand, when the lean operation is being performed and the establishment of NOx storage amount> storage limit amount is recognized in step 100, it is determined that the rich spike needs to be executed, and the process proceeds to the next step. The bed temperatures Tn and Ts of the NSR catalyst 16 and the SCR 18 are estimated (step 102). Specifically, the temperatures of the exhaust gases detected by the temperature sensors 20 and 22 are used as the bed temperatures Tn and Ts of the NSR catalyst 16 and SCR 18.

次に、NSR触媒16およびSCR18の床温Tn,Tsが、それぞれ所定温度Kn,Ksよりも高いか否かが判定される(ステップ104)。所定温度Kn,Ksは、各触媒でのNOの発生が抑制される温度として予め設定された温度(例えば、Kn=450℃,Ks=350℃)が使用される。その結果、Tn>Kn、および/またはTs>Ksの成立が認められない場合には、リッチスパイク時にNOが多量に生成されると判断されて、次のステップに移行し、リーン期間を間に挟んだ2段階のリッチスパイク制御が実行される(ステップ106)。ここでは、具体的には、1段目のリッチスパイクが所定のリッチ空燃比(例えばA/F=12)に、2段目のリッチスパイクが所定のスライトリッチ空燃比(例えばA/F=13)に制御される。また、1段目のリッチスパイクと2段目のリッチスパイクとの間のリーン期間は、NSR触媒16内の排気ガスがリッチガスからリーンガスへ置換されるまでの期間に制御される。 Next, it is determined whether or not the bed temperatures Tn and Ts of the NSR catalyst 16 and SCR 18 are higher than the predetermined temperatures Kn and Ks, respectively (step 104). As the predetermined temperatures Kn and Ks, preset temperatures (for example, Kn = 450 ° C., Ks = 350 ° C.) are used as temperatures at which the generation of N 2 O in each catalyst is suppressed. As a result, if the establishment of Tn> Kn and / or Ts> Ks is not recognized, it is determined that a large amount of N 2 O is generated at the time of rich spike, the process proceeds to the next step, and the lean period is set. Two-stage rich spike control is performed between them (step 106). Specifically, the rich spike at the first stage is a predetermined rich air-fuel ratio (for example, A / F = 12), and the rich spike at the second stage is a predetermined rich-rich air-fuel ratio (for example, A / F = 13). ) Is controlled. Further, the lean period between the first stage rich spike and the second stage rich spike is controlled to a period until the exhaust gas in the NSR catalyst 16 is replaced with the rich gas from the rich gas.

一方、上記ステップ106において、Tn>Kn、および/またはTs>Ksの成立が認められた場合には、触媒床温を更に上昇させなくてもNOが発生しないと判断されて、次のステップに移行し、通常の2段階のリッチスパイク制御が実行される(ステップ108)。ここでは、具体的には、リーン期間を間に挟むことなく1段目のリッチスパイクから2段目のリッチスパイクへと切り替える通常の2段階のリッチスパイクが実行される。 On the other hand, if the establishment of Tn> Kn and / or Ts> Ks is recognized in step 106, it is determined that N 2 O is not generated even if the catalyst bed temperature is not further raised, The process proceeds to step, and normal two-stage rich spike control is executed (step 108). Specifically, the normal two-stage rich spike switching from the first-stage rich spike to the second-stage rich spike is executed without interposing the lean period.

以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、触媒床温が所定温度よりも低い場合に、リーン期間を間に挟んだ2段階リッチスパイクが実行される。これにより、触媒床温を上昇させることができるので、リッチスパイク時のNOの発生を有効に抑制することができる。 As described above, according to the system of the present embodiment, when the catalyst bed temperature is lower than the predetermined temperature, the two-stage rich spike with the lean period in between is executed. Thus, it is possible to increase the catalyst bed temperature, can be effectively suppress the occurrence of N 2 O during the rich spike.

また、本実施の形態のシステムによれば、触媒床温が所定温度よりも高い場合に、触媒の無駄な昇温動作が行われることはない。このため、触媒床温が必要以上に上昇してNOx浄化率が低下する事態を有効に抑止することができる。   In addition, according to the system of the present embodiment, when the catalyst bed temperature is higher than the predetermined temperature, the catalyst temperature raising operation is not performed. For this reason, the situation where the catalyst bed temperature rises more than necessary and the NOx purification rate falls can be effectively suppressed.

ところで、上述した実施の形態1においては、温度センサ20,22によって検出された排気ガス温度に基づいて、NSR触媒16,SCR18の床温を推定することとしている。しかしながら、触媒床温を推定する方法はこれに限られず、例えば、内燃機関10の負荷状態から推定することとしてもよい。   By the way, in Embodiment 1 mentioned above, based on the exhaust gas temperature detected by the temperature sensors 20 and 22, the bed temperature of the NSR catalyst 16 and SCR 18 is estimated. However, the method for estimating the catalyst bed temperature is not limited to this. For example, the catalyst bed temperature may be estimated from the load state of the internal combustion engine 10.

尚、上述した実施の形態1においては、NSR触媒16が前記第1の発明における「NSR触媒」に、SCR18が前記第1の発明における「SCR」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態1においては、ECU30が、上記ステップ106の処理を実行することにより、前記第1の発明における「リッチスパイク手段」が、上記ステップ102の処理を実行することにより、前記第4の発明における「床温取得手段」が、上記ステップ104の処理を実行することにより、前記第4の発明における「制限手段」が、それぞれ実現されている。   In the first embodiment described above, the NSR catalyst 16 corresponds to the “NSR catalyst” in the first invention, and the SCR 18 corresponds to the “SCR” in the first invention. In the first embodiment described above, the ECU 30 executes the process of step 106, so that the “rich spike means” in the first aspect of the invention executes the process of step 102. The “restricting means” in the fourth invention is realized by the “floor temperature acquisition means” in the fourth invention executing the processing of step 104 described above.

10 内燃機関(エンジン)
12 排気通路
14 スタート触媒(SC)
16 NOx吸蔵還元触媒(NSR触媒)
18 NOx選択還元触媒(SCR)
20,22 温度センサ
30 ECU(Electronic Control Unit)
10 Internal combustion engine
12 Exhaust passage 14 Start catalyst (SC)
16 NOx storage reduction catalyst (NSR catalyst)
18 NOx selective reduction catalyst (SCR)
20, 22 Temperature sensor 30 ECU (Electronic Control Unit)

Claims (4)

リーン運転が可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の排気通路に配置されたNOx吸蔵還元触媒(以下、NSR触媒)と、
前記NSR触媒の下流に配置されたNOx選択還元触媒(以下、SCR)と、
リーン運転中の所定のタイミングでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、
前記リッチスパイク手段は、前記リッチスパイク中の排気空燃比を第1のリッチ空燃比から所定のリーン期間を挟んで第2のリッチ空燃比へと切り替える2段階のリッチスパイクを実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
An exhaust purification device for an internal combustion engine capable of lean operation,
A NOx occlusion reduction catalyst (hereinafter referred to as NSR catalyst) disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine;
A NOx selective reduction catalyst (hereinafter referred to as SCR) disposed downstream of the NSR catalyst;
Rich spike means for executing a rich spike at a predetermined timing during lean operation,
The rich spike means executes a two-stage rich spike for switching the exhaust air / fuel ratio in the rich spike from a first rich air / fuel ratio to a second rich air / fuel ratio with a predetermined lean period interposed therebetween. An exhaust purification device for an internal combustion engine.
前記第2のリッチ空燃比は、前記第1の空燃比よりもリーンなスライトリッチ空燃比であ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。   2. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the second rich air-fuel ratio is a lean rich air-fuel ratio leaner than the first air-fuel ratio. 前記NSR触媒は、OSC材をその内部に含み、
前記所定のリーン期間は、前記NSR触媒の内部の排気ガスがリッチからリーンへ置換されるまでの期間であ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。
The NSR catalyst includes an OSC material therein,
The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the predetermined lean period is a period until the exhaust gas inside the NSR catalyst is replaced from rich to lean.
前記NSR触媒および/または前記SCRの床温を取得する床温取得手段と、
前記床温が所定の基準値よりも高い場合に、前記リッチスパイク手段における2段階のリッチスパイクの実行を制限する制限手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項記載の内燃機関の排気浄化装置。
A bed temperature acquisition means for acquiring a bed temperature of the NSR catalyst and / or the SCR;
When the bed temperature is higher than a predetermined reference value, limiting means for restricting execution of the two-stage rich spike in the rich spike means;
The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
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