JP2016113950A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排出ガス浄化装置に関するものである。 The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine.
従来から排気ガスの温度が高くなる高負荷運転時における内燃機関の排気ガスを浄化する排出ガス浄化装置が提案されている(特許文献1参照)。この排気浄化装置では、触媒下流に2次空気の供給装置を配置して、高負荷運転での高温の排気ガスから触媒等の排気部品を保護するために、燃料を増量してリッチ化させた排気ガスを触媒に供給し、触媒で浄化しきれないリッチ化成分を触媒下流において2次空気の酸素と酸化反応させて浄化するようにしている。 2. Description of the Related Art An exhaust gas purification device that purifies exhaust gas of an internal combustion engine during high load operation where the temperature of the exhaust gas becomes high has been proposed (see Patent Document 1). In this exhaust purification device, a secondary air supply device is disposed downstream of the catalyst, and the amount of fuel is increased and enriched to protect exhaust components such as the catalyst from high-temperature exhaust gas during high-load operation. Exhaust gas is supplied to the catalyst, and a rich component that cannot be purified by the catalyst is purified by oxidizing it with oxygen in the secondary air downstream of the catalyst.
しかしながら、上記従来例では、触媒の過熱防止のため、触媒下流において排気ガスの温度を確保しつつリッチ化成分を酸化反応のみにより還元せざる得ないため、排気ガスの浄化率を向上させることには限界があった。 However, in the above conventional example, in order to prevent overheating of the catalyst, the enrichment component must be reduced only by the oxidation reaction while ensuring the exhaust gas temperature downstream of the catalyst, so that the exhaust gas purification rate is improved. There was a limit.
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、高負荷運転時における排気ガスの浄化率を向上させるに好適な内燃機関の排出ガス浄化装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an exhaust gas purification device for an internal combustion engine suitable for improving the exhaust gas purification rate during high-load operation.
本発明の内燃機関の排出ガス浄化装置は、高負荷運転時に燃料を増量若しくは減量してストイキを外れた空燃比の混合気で運転される内燃機関と、内燃機関の排気通路の上流側及び下流側に設置されて排気ガスを浄化する上流側触媒及び下流側触媒と、を備える。そして、上流側触媒と下流側触媒との間に配置されて、排気通路を通過する排気ガスを冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する排気ガス冷却装置と、内燃機関の高負荷運転時に、排気ガス冷却装置と下流側触媒との間に二次エア若しくは二次燃料を噴射して下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキとする空燃比補正部と、を備えることを特徴とする。 An internal combustion engine exhaust gas purifying apparatus according to the present invention includes an internal combustion engine that is operated with an air-fuel ratio mixture that increases or decreases fuel during high load operation and deviates from stoichiometry, and upstream and downstream of an exhaust passage of the internal combustion engine. An upstream catalyst and a downstream catalyst that are disposed on the side and purify the exhaust gas. And the exhaust gas cooling device which is arrange | positioned between an upstream catalyst and a downstream catalyst, cools the exhaust gas which passes an exhaust passage, and suppresses that the temperature rises exceeding the preset preset temperature. And an air-fuel ratio in which the air-fuel ratio of the exhaust gas that flows into the downstream catalyst by injecting secondary air or secondary fuel between the exhaust gas cooling device and the downstream catalyst during high-load operation of the internal combustion engine is stoichiometric And a correction unit.
したがって、本発明では、高負荷運転時に内燃機関から排出される高温の排気ガスを排気ガス冷却装置により冷却することで、その温度が予め設定した設定温度を超えて上昇することを抑制する。このため、内燃機関から排出されるストイキを外れた空燃比の排気ガスを空燃比補正部によりストイキ化させて下流側触媒に供給しても、下流側触媒を劣化させることなく排気ガスを浄化でき、排気ガスの浄化率を向上させることができる。 Therefore, in the present invention, the high-temperature exhaust gas discharged from the internal combustion engine during high load operation is cooled by the exhaust gas cooling device, so that the temperature is prevented from rising beyond a preset temperature. For this reason, even if the air-fuel ratio exhaust gas discharged from the internal combustion engine is stoichiometrically exhausted by the air-fuel ratio correction unit and supplied to the downstream catalyst, the exhaust gas can be purified without deteriorating the downstream catalyst. The exhaust gas purification rate can be improved.
以下、本発明の内燃機関の排出ガス浄化装置を各実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, an exhaust gas purifying device for an internal combustion engine of the present invention will be described based on each embodiment.
(第1実施形態)
図1は、本発明を適用した第1実施形態による内燃機関の排出ガス浄化装置の概略構成図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to a first embodiment to which the present invention is applied.
図1において、内燃機関の排出ガス浄化装置は、エンジン1の排気中の有害物質(HC,CO,NOx)を無害な物質(H2O,CO2)に転換し低減させた上で外気に排出するために、排気通路2にマニホールド触媒3及び床下触媒4をこの順に配置して備える。また、内燃機関の排出ガス浄化装置は、マニホールド触媒3と床下触媒4との間に、排気ガスの温度を低下させる排気ガス冷却装置5と二次エア供給装置6とを備える。
In FIG. 1, the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine converts harmful substances (HC, CO, NOx) in the exhaust of the
マニホールド触媒3は、排気中に含まれる炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び窒素酸化物(NOx)を浄化する機能を備えた周知の三元触媒を内蔵する。マニホールド触媒3は、床下触媒4よりも小容量であり排気ガス浄化可能量が小さいが、高温の排気ガスが流れると迅速に活性可能な触媒である。また、マニホールド触媒3は、触媒温度が低いときはHCを吸着し、触媒温度が高くなっていくと吸着したHCを脱離しながら二酸化炭素及び水に酸化することができる。マニホールド触媒3の入口には入口空燃比センサ41が設けられる。
The
床下触媒4は、大容量であり排気ガス浄化容量が大きい。床下触媒4は、触媒温度が活性温度以上になると活性化して、排気中に含まれるHC、CO及びNOxを浄化する機能を備えた周知の三元触媒を内蔵する。三元触媒は、周知のように、供給される排気ガスの空燃比が、ストイキ(14.7)である場合には、未燃焼のHC,CO及びNOxの浄化率が最大となり、リッチ側になる場合には、未燃焼のHC,COの浄化率が低下し、リーン側になる場合には窒素酸化物NOxの浄化率が低下する(図2参照)。また、三元触媒は、供給される排気ガスの温度が、例えば、400〜950[℃]の温度範囲で浄化作用を発揮する(図3参照)。三元触媒は、この温度範囲を超える温度の排気を供給される場合にはその浄化が妨げられ、触媒劣化に至るため、供給する排気ガスは、上記温度範囲内の温度とする必要がある。床下触媒4の入口には排気温度センサ42が設けられる。床下触媒4の出口にはO2センサ43が設けられる。
The
排気ガス冷却装置5は、マニホールド触媒3の下流の排気通路2を分岐させ、床下触媒4の入口で再び合流させるバイパス通路11を備える。排気通路2とバイパス通路11との分岐部には、排気通路2の開口面積を調整することにより排気通路2とバイパス通路11とに流れる排気ガス量を調整する流路切替弁12が配置されている。
The exhaust gas cooling device 5 includes a
流路切替弁12は、バイパス通路11の入口を閉じて排気通路2を全開する場合には排気ガスの全量を排気通路2に流し、排気通路2を閉じてバイパス通路11の入口を全開する場合には排気ガスの全量をバイパス通路11に流す。また、流路切替弁12は、排気通路2を全開状態と全閉状態との中間開度とすることにより、排気通路2の開口割合に応じて排気通路2を流れる排気ガス量とバイパス通路11を流れる排気ガス量とを連続的に調整することができる。流路切替弁12の開閉位置は、排熱回収制御部10により制御される。
When the inlet of the
バイパス通路11には、排気の排熱を回収して、通過する排気ガスの温度を低下させる排熱回収器13が配置されている。排熱回収器13は、エンジン1の冷却水、例えば、ラジエータ15の冷却水を図示しないポンプを介して循環させ、排熱回収器13を通過する排気と循環する冷却水との間で熱交換して、通過する排気ガスの温度を低下させる。排熱回収制御部10には、水温センサ44からの冷却水温度信号と、床下触媒4の入口に設けた排気温度センサ42よりの温度信号と、エンジン制御部7(ECU)からエンジン1の運転状態信号とが、入力される。排熱回収器13へ導入する冷却水量は、排熱回収制御部10により制御される流量制御弁14により調整される。
The
排熱回収制御部10は、エンジン制御部7(ECU)からエンジン1の運転状態が、高負荷燃料増量中である場合に、床下触媒4の入口に設けた排気温度センサ42と水温センサ44からの温度信号に基づいて、流路切替弁12の開閉位置と流量制御弁14の開度とを制御する。
The exhaust heat
即ち、床下触媒4が有効に浄化作用を発揮する排気ガス温度の範囲は、例えば、400〜950[℃]の範囲であり、この温度範囲を超える場合には、床下触媒4による排気浄化が妨げられ、触媒劣化に至る。このため、排熱回収制御部10は、床下触媒4の浄化可能温度範囲の上限温度よりも低い昇温抑制値を設定し、排気ガス温度が設定した昇温抑制値を超えて上昇する場合に、流路切替弁12と流量制御弁14を制御して、排気ガス温度を昇温抑制値以下に低下させる。
That is, the range of the exhaust gas temperature at which the
図4は、排気ガス温度と昇温抑制値との差分を縦軸とし、バイパス通路11の全開状態を1、全閉状態を0とした流路切替弁12の分流率を横軸とした、流路切替弁12の制御線図である。また、図中の縦軸のA点は、流路切替弁12の分流率がゼロでの排気ガス温度であり、当該A点を起点として下方に向かって排気ガス温度と昇温抑制値との差分(目標低下温度)を割り当てる。そして、A点から流路切替弁12の分流率が増加するにつれて右下がりに描かれたB1〜B3線が流路切替弁12の制御線図である。なお、制御線図B1〜B3が複数記載されているのは、排熱回収器13に導入される冷却水の流量および冷却水温に応じて排気ガスと冷却水との熱交換量が増減するためであり、水温が低下するに連れて、また、流量の増加につれて、制御線図の下り勾配が、B1→B2→B3と強くなっている。
FIG. 4 shows the difference between the exhaust gas temperature and the temperature rise suppression value as the vertical axis, the diversion rate of the flow
排熱回収制御部10は、この制御線図に基づいて、例えば、床下触媒4の入口温度をA点からの差分に基づいてC点を求める。次いで、排熱回収器13を循環する冷却水の水温と流量とにより設定される特性線がB2である場合には、流路切替弁12の分流率はD点であると判定する。そして、図示しないアクチュエータにより流路切替弁12を操作して、分流率Dとなるようその開度に調整する。
The exhaust heat
この結果、マニホールド触媒3を通過した排気ガスは、流路切替弁12の開度で設定された分流率に基づいて、排気通路2とバイパス通路11とに分流される。そして、バイパス通路11を通過する排気ガスは排熱回収器13を通過する際に冷却水と熱交換されることにより冷却され、排気ガスの温度が低下する。このため、排気通路2とバイパス通路11との排気ガスが床下触媒4の入口で合流すると、排気通路2を通過した排気ガスとバイパス通路11を通過して冷却された排気ガスとが混合して、昇温抑制値以下に温度低下した排気ガスが床下触媒4に供給される。床下触媒4に流入する排気ガスの温度低下量としては、例えば、100〜150[℃]程度の低下が可能となるため、ストイキ状態の排気ガスを浄化させても、床下触媒4の過熱による劣化を生じる限界温度を超えることを抑制できる。
As a result, the exhaust gas that has passed through the
以上のように、排気ガス冷却装置5は、排気ガスの冷却が必要となった時点で、バイパス通路11へ必要な量だけ流路切替弁12により排気ガスを導入して排熱回収器13により冷却することができる。このため、冷却が必要な時には流路切替弁12によりバイパス通路11を開けば即時に冷却を開始することができる。また、流路切替弁12の開度に応じて、冷却すべき排気ガス量を調整できるため、冷却能力を即時に調整することができる。しかも、排熱回収器13は、排気ガスが常時流れる排気通路2に設置するのでなく、排気ガスが流路切替弁12の作動により選択的に流されるバイパス通路11に設置しているため、排熱回収器13を常時冷却状態に作動させても、排気ガスを過冷却することがない。
As described above, when the exhaust gas cooling device 5 needs to cool the exhaust gas, the exhaust gas is introduced into the
二次エア供給装置6は、二次エアを排気ガス中に噴射して、排気ガスの空燃比をリッチ状態からストイキ状態へ変化させるものである。二次エア供給装置6は、二次エアを溜めるタンク21と、タンク21に二次エアを供給するポンプ22、二次エアを床下触媒4の入口へ供給する二次エアノズル23、及び、二次エアポンプ22及び二次エアノズル23を制御する二次エア制御部20と、を備える。二次エア制御部20は、タンク21に設けた圧力センサ24よりの信号に基づいて二次エアポンプ22を駆動して二次エアタンク21内に常に所定圧の二次エアが充填されている状態とする。
The secondary
二次エア制御部20は、エンジン制御部7(ECU)からエンジン1の運転状態が高負荷で燃料を増量中である場合に、エアフローメータよりのエンジン吸入空気量計測値(AFM)、マニホールド触媒3の入口空燃比センサ41からの上流触媒入口空燃比、O2センサ43の出力値に基づいて、床下触媒4の入口へ二次エアノズル23を介して二次エア供給を制御する。
The secondary
図5は二次エア制御部20で、高負荷で燃料増量中である場合に、実行される二次エア供給制御のフローチャートである。また、図6は排気ガス冷却装置5の動作も含む二次エア供給制御によるタイムチャートであり、図7は図6の時刻t2から時刻t3の範囲をより詳細に表現した二次エア供給制御によるタイムチャートである。以下では、二次エア供給制御の動作を、排気ガス冷却装置5における動作も含めて、図5〜図7に基づいて説明する。
FIG. 5 is a flowchart of secondary air supply control executed by the secondary
図6は車両が、時刻t1において加速を開始し、時刻t3において定常走行に移行し、時刻t5においてフューエルカットを伴う減速走行に移行し、時刻t6で停車する各時刻における(B)〜(H)各部の夫々の変化を示すものである。図6中の(B)は排熱回収制御、(C)は床下触媒4の入口温度、(D)はマニホールド触媒3の入口空燃比、(E)はマニホールド触媒3の出口排気ガスに含まれる未浄化成分、(F)は二次エア供給装置6の動作状態、(G)は床下触媒4の入口空燃比、(H)は床下触媒4から排出される未浄化成分を示す。
FIG. 6 shows that the vehicle starts acceleration at time t1, shifts to steady travel at time t3, shifts to deceleration travel with fuel cut at time t5, and stops at time t6 (B) to (H). ) Shows changes in each part. In FIG. 6, (B) is the exhaust heat recovery control, (C) is the inlet temperature of the
図6において、先ず時刻t1において、車両が加速走行に移行すると、エンジン負荷が上昇し、排気ガス温度が上昇される(図6(C))。図6(C)において、二点鎖線で示すマニホールド触媒3へ流入する排気ガス温度が上昇し、実線で示す床下触媒4へ流入する排気ガス温度も追従して上昇する。エンジン制御部7は、運転状態が高負荷運転状態であると判定して時刻t2において燃料増量を開始すると、マニホールド触媒3へ供給される排気ガスの空燃比がストイキ状態からリッチ側に変化する(図6(D),図7(B)参照)。このため、マニホールド触媒3を通過した排気ガス中には、未浄化成分のHC,COが含まれる(図6(E))。
In FIG. 6, first, when the vehicle shifts to acceleration traveling at time t1, the engine load increases and the exhaust gas temperature rises (FIG. 6C). In FIG. 6C, the exhaust gas temperature flowing into the
本実施形態では、高負荷運転が継続されて、床下触媒4へ流入する排気ガス温度が設定した昇温抑制値を超えると、時刻t2で排熱回収制御が開始され、流路切替弁12がバイパス通路11を開き、排気ガスの温度に応じた一部の排気ガスはバイパス通路11へ分流される。これにより、排熱回収器13を通過して冷却された排気ガスと排気通路2を通過した排気ガスとが床下触媒4入口で混合して冷却された(図6(C)のハッチング領域)排気ガスが床下触媒4へ供給される。このため、床下触媒4は、高負荷運転時に排気ガスの浄化を継続してもその温度上昇が抑制され、過熱による触媒劣化を抑制できる。
In this embodiment, when the high load operation is continued and the exhaust gas temperature flowing into the
一方、二次エア供給装置6の二次エア制御部20は、図5のステップS1において、高負荷で燃料噴射量を増量して空燃比をリッチ化してエンジン1を運転する高負荷燃料増量中であるか否かを判定する。図7(B)に示すように、時刻t2において、高負荷運転で燃料増量中である場合、二次エア制御部20はステップS2の処理を実行し、二次エアタンク21の内圧が既定値を満たしている場合には、ステップS3の処理を実行する。また、ステップS1及びステップS2の判定がNOである場合には、今回の処理は終了する。
On the other hand, the secondary
ステップS3では、噴射すべき二次エア量を演算する。即ち、高負荷燃料増量中は、床下触媒4に流入する排気ガスのリッチ成分濃度が床下触媒4の浄化能力(酸化処理能力)を超えるため、排気ガスの床下触媒4入口空燃比をストイキにするためには、二次エアの追加が必要である。床下触媒4の入口空燃比がリッチな排気ガスをストイキ化するために追加する必要なエア噴射量は、エアフローメータよりのエンジン吸入空気量計測値(AFM)と、入口空燃比センサ41からの上流触媒入口空燃比と、に基づいて、
二次エア量=(14.7−A/Fセンサ値)×エンジン吸入空気量計測値(AFM)
と演算する。そして、演算した空気噴射量となるよう二次エアノズル23を制御して、二次エアを床下触媒4の入口へ供給する(図6(F)、図7(C),時刻t21)。この空気噴射量制御は、吸入空気量計測値(AFM)と上流触媒入口空燃比とに基づいて、フィードフォワード制御(F/F制御)で実行される。
In step S3, the amount of secondary air to be injected is calculated. That is, during the high load fuel increase, the rich component concentration of the exhaust gas flowing into the
Secondary air amount = (14.7−A / F sensor value) × engine intake air amount measurement value (AFM)
And calculate. And the
本実施形態では、床下触媒4の温度が予め設定した設定温度を超えてしまうことを抑制でき、さらに二次エア供給装置6によりストイキ化された排気ガスを床下触媒4に対して供給できるため、過度な温度上昇による触媒劣化を生ずることなく、排気ガスを浄化させることができる。
In the present embodiment, the temperature of the
次いで、二次エア供給装置6の二次エア制御部20は、ステップS4において、空気噴射量制御中に、床下触媒4出口のO2センサ43の出力がリッチ状態からリーン状態に振れたか否かを判定する。そして、リーン状態とならない場合には二次エア噴射を継続し、リーン状態に振れた場合には二次エアの供給を一時停止する。
Next, in step S4, the secondary
床下触媒4には、時刻t21から二次エアが混合された排気ガスが供給され、図7(F)に示すように、触媒の酸素ストレージ量が、リッチな排気ガスの浄化により一時的に低下する。その後ストレージ量は、二次エアの混合により排気ガス浄化により消費される分を補って徐々に増加し、時刻t22において酸素ストレージ量がFULL状態となる。このため、図7(E)に示すように、床下触媒4から排出される排気ガス成分がリッチ状態から急激にリーン状態に変化する。この変化により、二次エア供給装置6は、ステップS4でのO2センサ43の測定値変化判定が満足されたとして、フィードフォワード制御(F/F制御)の二次エア噴射を停止させる。
The exhaust gas mixed with the secondary air is supplied to the
この時刻t22においては、床下触媒4の酸素ストレージ量がFULL状態となるため、床下触媒4から排出される排気ガス中の未浄化成分として、窒素酸化物NOx成分が若干排出される(図7(G)参照)。
At this time t22, the oxygen storage amount of the
二次エア供給装置6の二次エア制御部20は、ステップS5において、減少させた噴射量による二次エアを供給し、O2センサ43のフィードバック制御により、その出力がリッチ側に振れるまで、減少させた噴射量による二次エアを供給する。これにより、床下触媒4中の酸素ストレージ量は、減少させた二次エアによる供給量と排気ガスの浄化作用により消費される量とのバランスにより徐々に適正値まで減少され、床下触媒4出口のO2センサ43の出力値が再びリッチ側に戻される(時刻t3)。
In step S5, the secondary
二次エア供給装置6の二次エア制御部20は、ステップS6によりO2センサ43の測定値がリッチ状態に復帰したことを判定して、ステップS7へ進み二次エアの供給を停止させ、今回の処理を終了させる。二次エア供給装置6の二次エア制御部20は、高負荷燃料増量中の運転状態が継続されている間においては、上記ステップS1〜ステップS7の処理を所定時間毎に実行する。
The secondary
二次エア供給装置6のステップS1〜ステップS7の処理により、時刻t2から時刻t3において、床下触媒4に供給される排気ガス成分は、図6(G)の破線のリッチ状態から実線のストイキ状態とされる。このため、床下触媒4により充分に浄化されて、図6(H)の破線で示すように未浄化成分HC,COがエミッションとして排出されることを阻止できる。
The exhaust gas component supplied to the
車両が時刻t3において定常走行に移行すると、エンジン制御部7は高負荷運転状態から定常運転状態となるため、燃料増量を停止させる。また、エンジン1からの排気ガス温度も徐々に低下するため、床下触媒4入口の排気ガス温度も徐々に低下される。このため、時刻t4において、排熱回収制御部10へ入力される排気ガス温度が昇温抑制値以下に低下すると、排熱回収制御部10は、流路切替弁12によりバイパス通路11を閉じ、排気ガスの全量を排気通路2を経由して床下触媒4へ流入させる。
When the vehicle shifts to steady running at time t3, the engine control unit 7 changes from the high load running state to the steady running state, and therefore stops the fuel increase. Further, since the exhaust gas temperature from the
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, the following effects can be achieved.
(ア)本実施形態の内燃機関の排出ガス浄化装置は、高負荷運転時に燃料を増量してストイキを外れた空燃比の混合気で運転されるエンジン1と、エンジン1の排気通路2の上流側及び下流側に設置されて排気ガスを浄化するマニホールド触媒3及び床下触媒4と、を備える。そして、マニホールド触媒3と床下触媒4との間に配置されて、排気通路2を通過する排気ガスを冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する排気ガス冷却装置5と、エンジン1の高負荷運転時に、排気ガス冷却装置5と床下触媒4との間に二次エアを噴射して床下触媒4に流入する排気ガスの空燃比をストイキとする空燃比補正部としての二次エア供給装置6と、を備えることを特徴とする。
(A) The exhaust gas purifying device for an internal combustion engine according to the present embodiment includes an
即ち、本実施形態では、高負荷運転時にエンジン1から排出される高温の排気ガスを排気ガス冷却装置5により冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する。このため、エンジン1から排出されるストイキを外れた空燃比の排気ガスを二次エアによりストイキ化させて床下触媒4に供給しても、床下触媒4は劣化されることなく排気ガスを浄化でき、排気ガスの浄化率を向上させることができる。
That is, in this embodiment, the high-temperature exhaust gas discharged from the
(イ)排気通路2は、マニホールド触媒3の下流部分と床下触媒4の上流部分とに入口及び出口が開口して排気通路2をバイパスするバイパス通路11を備え、当該バイパス通路11に排気ガス冷却装置5が設置される。そして、排気ガス冷却装置5は、排気通路2を通過する排気ガスの温度が予め設定した設定温度に到達した場合に、排気通路2を流れる排気の流量を絞り、バイパス通路11に流れる排気の流量を増加させるようバイパス通路11に流れる排気の流量を制御するバイパス流量制御部としての流路切替弁12を備えることを特徴とする。
(A) The
即ち、排気ガスの冷却が必要となった時点で、バイパス通路11へ必要な量だけ流路切替弁12により排気ガスを導入して排気ガス冷却装置5により冷却することができる。このため、冷却が必要な時には流路切替弁12によりバイパス通路11を開けば即時に冷却を開始することができる。また、流路切替弁12の開度に応じて、冷却すべき排気ガス量を調整できるため、冷却能力を即時に調整することができる。
That is, when the exhaust gas needs to be cooled, the exhaust gas can be cooled by the exhaust gas cooling device 5 by introducing the exhaust gas into the
(ウ)排気ガス冷却装置5は、エンジン1の冷却水を循環させて排気の排熱を回収する排熱回収器13により構成されていることを特徴とする。このため、エンジン1の冷却水を排気ガスの冷却に有効利用することができる。
(C) The exhaust gas cooling device 5 is configured by an exhaust
(エ)空燃比補正部としての二次エア供給装置6は、高負荷運転時にエンジン1に供給される空気量と、エンジン1から排出される排気ガスの空燃比とストイキとの偏差と、により演算した量の二次エアをフィードフォワード制御により噴射するよう校正されている。このため、フィードフォワード制御により、排気ガスの空燃比を制御遅れなく補正することができる。
(D) The secondary
(第2実施形態)
図8〜図11は、本発明を適用した内燃機関の排出ガス浄化装置の第2実施形態を示す。即ち、図8は内燃機関の排出ガス浄化装置の概略構成図、図9は二次燃料制御部で、高負荷でのリーン状態運転中である場合に、実行される二次燃料供給制御のフローチャートである。また、図10は排気ガス冷却装置5の動作も含む二次燃料供給制御によるタイムチャートであり、図11は時刻t13から時刻t14の部分をより詳細に表す二次燃料供給制御によるタイムチャートである。本実施形態においては、高負荷運転状態において、ノッキング防止等によりストイキとできずに燃料を減量してリーン状態とされる場合に対する構成を第1実施形態に追加したものである。なお、第1実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。また、二次エア供給装置6の記載は省略した。
(Second Embodiment)
FIGS. 8-11 shows 2nd Embodiment of the exhaust gas purification apparatus of the internal combustion engine to which this invention is applied. That is, FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, and FIG. 9 is a flowchart of secondary fuel supply control that is executed when the secondary fuel control unit is operating in a lean state at a high load. It is. FIG. 10 is a time chart based on the secondary fuel supply control including the operation of the exhaust gas cooling device 5, and FIG. 11 is a time chart based on the secondary fuel supply control showing the portion from time t13 to time t14 in more detail. . In the present embodiment, in the high-load operation state, a configuration for the case where the lean state is achieved by reducing the amount of fuel without being stoichiometric due to prevention of knocking or the like is added to the first embodiment. The same devices as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified. The description of the secondary
図8において、本実施形態の内燃機関の排出ガス浄化装置では、高負荷運転状態において燃料を減量してリーン状態とされることに対応して、マニホールド触媒3と床下触媒4との間に、排気ガスの温度を低下させる排気ガス冷却装置5と二次燃料供給装置8とを備える。排気ガス冷却装置5は、第1実施形態と同様に構成され、エンジン制御部7(ECU)からエンジン1が高負荷運転状態でストイキ状態から燃料噴射量を減少させて排気空燃比がリーン化される高負荷リーン運転状態中である場合に、動作するよう構成されている。
In FIG. 8, in the exhaust gas purifying apparatus for the internal combustion engine of the present embodiment, in response to the fuel being reduced to a lean state in the high load operation state, between the
二次燃料供給装置8は、二次燃料を排気ガス中に噴射して、排気ガスの空燃比をリーン状態からストイキ状態へ変化させるものである。二次燃料供給装置8は、二次燃料、例えば、ガソリンを溜めるタンク31と、二次燃料を床下触媒4の入口へ供給する二次燃料ノズル32、及び、二次燃料ノズル32を制御する二次燃料制御部30と、を備える。
The secondary
二次燃料制御部30は、エンジン制御部7(ECU)からエンジン1の運転状態が高負荷リーン運転中である場合に、エアフローメータよりのエンジン吸入空気量計測値(AFM)、マニホールド触媒3の入口空燃比センサ41からの上流触媒入口空燃比、O2センサ43の出力に基づいて、床下触媒4の入口へ二次燃料ノズル32を介して二次燃料供給を制御する。
When the operating state of the
次に、二次燃料供給制御の動作を、排気ガス冷却装置5における動作も含めて、図9〜図11に基づいて説明する。 Next, the operation of the secondary fuel supply control, including the operation in the exhaust gas cooling device 5, will be described based on FIGS.
図10は車両が、時刻t11において加速を開始し、時刻t14において定常走行に移行し、時刻t16においてフューエルカットを伴う減速走行に移行し、時刻t17で停車する各時刻における(B)〜(H)各部の夫々の変化を示すものである。即ち、(B)は排熱回収制御、(C)は床下触媒4の入口温度、(D)はマニホールド触媒3の入口空燃比、(E)はマニホールド触媒3の出口排気ガスに含まれる未浄化成分、(F)は二次燃料供給装置8の動作状態、(G)は床下触媒4の入口空燃比、(H)は床下触媒4から排出される未浄化成分を示す。
FIG. 10 shows (B) to (H) at each time when the vehicle starts acceleration at time t11, shifts to steady travel at time t14, shifts to deceleration travel with fuel cut at time t16, and stops at time t17. ) Shows changes in each part. That is, (B) is exhaust heat recovery control, (C) is the inlet temperature of the
図10において、先ず時刻t11において、車両が加速走行に移行すると、エンジン負荷が上昇し、排気ガス温度が上昇する(図10(C))。図10(C)において、二点鎖線で示すマニホールド触媒3へ流入する排気ガス温度が上昇し、実線で示す床下触媒4へ流入する排気ガス温度も追従して上昇する。エンジン制御部7は、運転状態が高負荷運転状態であると判定して時刻t13において燃料減量が開始されると、マニホールド触媒3へ供給される排気ガスの空燃比がストイキ状態からリーン側に変化する(図10(D),図11(B)参照)。このため、マニホールド触媒3を通過した排気ガス中には、未浄化成分のNOxが含まれる(図10(E))。
In FIG. 10, first, at time t11, when the vehicle shifts to acceleration traveling, the engine load increases and the exhaust gas temperature rises (FIG. 10C). In FIG. 10C, the exhaust gas temperature flowing into the
また、高負荷運転が継続されて、床下触媒4へ流入する排気ガス温度が設定した昇温抑制値を超えると、排熱回収制御が開始され(図10(B))、流路切替弁12が作動されてバイパス通路11が開かれ、排気ガスの温度に応じた一部の排気ガスはバイパス通路11へ分流される。そして、排熱回収器13を通過して冷却された排気ガスと排気通路2を通過した排気ガスとが床下触媒4入口で混合して冷却された(図10(C)のハッチング領域)排気ガスが床下触媒4へ供給される。このため、床下触媒4は、温度上昇が抑制され、過熱による劣化が抑制される。
When the high load operation is continued and the exhaust gas temperature flowing into the
一方、二次燃料供給装置8の二次燃料制御部30は、図9のステップS11において、エンジン1が高負荷で燃料噴射量を減量して排気空燃比がリーン化される高負荷燃料減量中であるか否かを判定する。図11(B)にも示すように、時刻t13において、エンジン1が高負荷運転での燃料減量される運転状態の場合、二次燃料制御部30はステップS12の処理を実行し、二次燃料タンク31の燃料量が既定値を満たしている場合には、ステップS13の処理を実行する。また、ステップS11及びステップS12の判定がNOである場合には、今回の処理は終了する。
On the other hand, the secondary
ステップS13では、二次燃料制御部30は噴射すべき二次燃料量を演算する。即ち、高負荷燃料減量中は、床下触媒4に流入する排気ガスのリーン成分濃度が床下触媒4の浄化能力(酸化処理能力)を超えるため、床下触媒4入口における排気ガスの空燃比をストイキ化するためには、二次燃料の追加が必要である。床下触媒4入口空燃比をストイキにするために追加する必要な燃料噴射量は、エアフローメータよりのエンジン吸入空気量計測値(AFM)と、マニホールド触媒3の入口空燃比センサ41からの上流触媒入口空燃比と、に基づいて、
二次燃料量=(A/Fセンサ値−14.7)×エンジン吸入空気量計測値(AFM)
と演算する。そして、二次燃料制御部30は、演算した燃料噴射量となるよう二次燃料ノズル32を制御して、二次燃料を床下触媒4の入口へ供給させる(図11(C),時刻t31)。この燃料噴射量制御は、吸入空気量計測値(AFM)と上流触媒入口空燃比とに基づいて、フィードフォワード制御(F/F制御)で実行する。
In step S13, the secondary
Secondary fuel amount = (A / F sensor value−14.7) × engine intake air amount measurement value (AFM)
And calculate. And the secondary
次いで、二次燃料供給装置8の二次燃料制御部30は、ステップS14において、燃料噴射量制御中に、床下触媒4出口のO2センサ43の出力値がリーン状態に変化した後、リッチ側に振れたか否かを判定し、リッチ側に振れない場合には二次燃料噴射を継続し、リッチ側に振れた場合には二次燃料の供給を一時停止する。
Next, in step S14, the secondary
床下触媒4には、時刻t31から二次燃料が混合された排気ガスが供給されるが、図11(F)に示すように、床下触媒4の酸素ストレージ量が、リーンな排気ガスの浄化により一時的に上昇する。そして、その後に、二次燃料の混合により排気ガス浄化により消費されて徐々に減少され、時刻t32において酸素ストレージ量がEMPTY状態となる。このため、図11(E)に示すように、床下触媒4から排出される排気ガス成分がリーン状態から急激にリッチ状態に変化する。この変化により、二次燃料供給装置8の二次燃料制御部30は、ステップS14でのO2センサ43の測定値変化判定が満足されたとして、フィードフォワード制御(F/F制御)の二次燃料噴射を停止させる。
The exhaust gas mixed with the secondary fuel is supplied to the
この時刻t32においては、床下触媒4の酸素ストレージ量がEMPTY状態となるため、床下触媒4から排出される排気ガス中の未浄化成分として、HC,CO成分が若干排出される(図11(G)参照)。
At time t32, since the oxygen storage amount of the
次いで、ステップS15に進み、減少させた噴射量による二次燃料を供給し、O2センサ43のフィードバック制御により、その出力がリッチ側に振れるまで、減少させた噴射量により二次燃料を供給する。これにより、床下触媒4中の酸素ストレージ量は、減少させた二次燃料供給量と排気ガスの浄化作用により消費される量とのバランスにより徐々に適正値まで増加され、床下触媒4出口のO2センサ43の出力値が再びリッチ側に戻される(時刻t14)。
Next, the process proceeds to step S15, where the secondary fuel is supplied by the reduced injection amount, and the secondary fuel is supplied by the reduced injection amount until the output fluctuates to the rich side by the feedback control of the
二次燃料供給装置8の二次燃料制御部30は、ステップS16によりO2センサ43の測定値がリッチ状態に復帰したことを判定して、ステップS17へ進み二次燃料の供給を停止させ、今回の処理を終了させる。二次燃料供給装置8の二次燃料制御部30は、エンジン1の運転状態が高負荷燃料減量が継続されている間においては、上記ステップS11〜ステップS17の処理を所定時間毎に実行する。
The secondary
二次燃料供給装置8のステップS11〜ステップS17の処理により、床下触媒4に供給される排気ガス成分は、図10(G)の破線のリーン状態から実線のストイキ状態とされるため、床下触媒4により充分に浄化されて、図10(H)の破線で示すように未浄化成分NOxがエミッションとして排出されることを阻止できる。
The exhaust gas component supplied to the
車両が時刻t14において定常走行に移行すると、エンジン制御部7は高負荷運転状態から定常運転状態となるため、燃料減量を停止させる。また、エンジン1からの排気ガス温度も徐々に低下するため、床下触媒4入口の排気ガス温度も徐々に低下される。このため、時刻t15において、排熱回収制御部10へ入力される排気ガス温度が昇温抑制値以下に低下すると、流路切替弁12によりバイパス通路11を閉じ、排気ガスの全量を排気通路2を経由して床下触媒4へ流入させる。
When the vehicle shifts to steady running at time t14, the engine control unit 7 changes from the high load running state to the steady running state, and therefore stops the fuel reduction. Further, since the exhaust gas temperature from the
本実施形態においては、第1実施形態における効果(イ)、(ウ)に加えて以下に記載した効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effects (A) and (C) in the first embodiment, the following effects can be achieved.
(オ)本実施形態の内燃機関の排出ガス浄化装置は、高負荷運転時に燃料を減量してストイキを外れた空燃比の混合気で運転されるエンジン1と、エンジン1の排気通路2の上流側及び下流側に設置されて排気ガスを浄化するマニホールド触媒3及び床下触媒4と、を備える。そして、マニホールド触媒3と床下触媒4との間に配置されて、排気通路2を通過する排気ガスを冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する排気ガス冷却装置5と、エンジン1の高負荷運転時に、排気ガス冷却装置5と床下触媒4との間に二次燃料を噴射して床下触媒4に流入する排気ガスの空燃比をストイキとする空燃比補正部としての二次燃料供給装置8と、を備えることを特徴とする。
(E) The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment includes an
即ち、高負荷運転時にエンジン1から排出される高温の排気ガスを排気ガス冷却装置5により冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する。このため、エンジン1から排出されるストイキを外れた空燃比の排気ガスを二次燃料によりストイキ化させて床下触媒4に供給しても、床下触媒4は劣化されることなく排気ガスを浄化でき、排気ガスの浄化率を向上させることができる。
That is, the high-temperature exhaust gas discharged from the
(カ)空燃比補正部は、高負荷運転時にエンジン1に供給される空気量と、エンジン1から排出される排気ガスの空燃比とストイキとの偏差と、により演算した量の二次燃料をフィードフォワード制御により噴射する過程を備えることを特徴とする。このため、フィードフォワード制御により、排気ガスの空燃比を制御遅れなく補正することができる。
(F) The air-fuel ratio correction unit calculates the amount of secondary fuel calculated by the amount of air supplied to the
1 エンジン(内燃機関)
2 排気通路
3 マニホールド触媒(上流側触媒)
4 床下触媒(下流側触媒)
5 排気ガス冷却装置
6 二次エア供給装置(空燃比補正手段)
7 エンジン制御部7
8 二次燃料供給装置(空燃比補正手段)
10 排熱回収制御部
11 バイパス通路
12 流路切替弁(バイパス流量制御部)
13 排熱回収器
14 流量制御弁
1 engine (internal combustion engine)
2
4 Underfloor catalyst (downstream catalyst)
5 Exhaust
7 Engine control unit 7
8 Secondary fuel supply device (Air-fuel ratio correction means)
10 Waste heat
13 Waste
Claims (6)
前記内燃機関の排気通路の上流側及び下流側に設置されて排気ガスを浄化する上流側触媒及び下流側触媒と、
前記上流側触媒と下流側触媒との間に配置されて、排気通路を通過する排気ガスを冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する排気ガス冷却装置と、
前記内燃機関の高負荷運転時に、前記排気ガス冷却装置と下流側触媒との間に二次エア若しくは二次燃料を噴射して下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキとする空燃比補正手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排出ガス浄化装置。 An internal combustion engine that is operated with an air-fuel ratio mixture that is out of stoichiometry by increasing or decreasing fuel during high-load operation;
An upstream catalyst and a downstream catalyst installed on the upstream side and downstream side of the exhaust passage of the internal combustion engine to purify exhaust gas;
An exhaust gas cooling device disposed between the upstream catalyst and the downstream catalyst for cooling the exhaust gas passing through the exhaust passage and suppressing the temperature from rising beyond a preset temperature. ,
An air-fuel ratio in which the air-fuel ratio of the exhaust gas injected into the downstream catalyst by injecting secondary air or secondary fuel between the exhaust gas cooling device and the downstream catalyst during high load operation of the internal combustion engine is stoichiometric And an exhaust gas purifying device for an internal combustion engine.
前記空燃比補正手段は、前記内燃機関の高負荷運転時に二次エアを噴射して下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキとすることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。 The internal combustion engine is operated with a rich air-fuel ratio mixture that increases the amount of fuel during high-load operation and deviates from stoichiometry,
2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the air-fuel ratio correction means uses the air-fuel ratio of exhaust gas that injects secondary air and flows into the downstream catalyst during high-load operation of the internal combustion engine as a stoichiometry. Exhaust gas purification equipment.
前記空燃比補正手段は、前記内燃機関の高負荷運転時に二次燃料を噴射して下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキとすることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。 The internal combustion engine is operated with a lean air-fuel ratio mixture in which fuel is reduced and off stoichiometry during high load operation,
2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the air-fuel ratio correction unit uses the air-fuel ratio of exhaust gas that injects secondary fuel and flows into the downstream catalyst during high-load operation of the internal combustion engine as a stoichiometry. Exhaust gas purification equipment.
前記排気ガス冷却装置は、前記バイパス通路に設置され、前記排気通路を通過する排気ガスの温度が予め設定した設定温度に到達した場合に、前記排気通路を流れる排気の流量を絞り、前記バイパス通路に流れる排気の流量を増加させるよう前記バイパス通路に流れる排気の流量を制御するバイパス流量制御手段を備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一つに記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。 The exhaust passage includes a bypass passage that opens at an inlet and an outlet at a downstream portion of the upstream catalyst and an upstream portion of the downstream catalyst to bypass the exhaust passage,
The exhaust gas cooling device is installed in the bypass passage, and restricts the flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust passage when the temperature of the exhaust gas passing through the exhaust passage reaches a preset temperature. The exhaust of the internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, further comprising bypass flow rate control means for controlling a flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass passage so as to increase a flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust gas. Gas purification device.
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