JP2809236B2

JP2809236B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2809236B2
Application number: JP2908191A
Authority: JP
Inventors: 啓野村; 雄彦広瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-01-31
Filing date: 1991-01-31
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: JPH04246275A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エアアシストインジェ
クタを具備し排気系にゼオライト系ＮＯx 還元触媒を有
する内燃機関の排気浄化装置に関し、アシストエアを制
御して触媒のＮＯx 浄化率を向上させるようにした装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開昭６３−２８３７２７号公報は、遷
移金属を担持せしめたゼオライト触媒が空燃比リーン域
にてＮＯx を還元するには、ＨＣ（炭化水素）が必要で
あること、およびＨＣが不足する場合にそれを補うため
に、特別なＨＣ供給装置を設けることを開示している。
一方、噴射燃料流にエアを噴射して燃料を微粒化する、
エアアシストタイプのインジェクタ（燃料噴射弁）を具
備した内燃機関も従来知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、エアアシスト
インジェクタを具備した内燃機関では、燃料の霧化が良
好であるため、未燃ＨＣの排出量が少なく、排気中のＨ
Ｃ量が少ない。したがって、ＮＯx 還元ゼオライト触媒
を排気系に具備しても、ＮＯx の排出量の多い運転領域
ではＨＣが不足し、高いＮＯx 浄化率が得られなくな
る。この場合、特別なＨＣ供給装置を設けることも考え
られるが、システムの構造が複雑化し、信頼性が低下す
るので、実用的でない。

【０００４】本発明の目的は、エアアシストインジェク
タを具備し排気系にＮＯx 還元ゼオライト触媒を設けた
内燃機関において、従来ＨＣ量が不足した運転領域にお
いても、特別なＨＣ供給装置を設けることなく十分なＨ
Ｃ量を供給し、触媒のＮＯx 浄化率を高くする、内燃機
関の排気浄化装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明の内
燃機関の排気浄化装置が次の手段を備えることによって
達成される。エアアシストインジェクタを具備した希薄
燃焼可能な内燃機関、前記内燃機関の排気系に設けられ
た、遷移金属或いは貴金属を担持せしめたゼオライトか
らなり、酸化雰囲気中、ＨＣ存在下で、ＮＯx を還元す
る触媒（以下、リーンＮＯx 触媒という）、内燃機関の
運転状態を検出する運転状態検出手段、前記運転状態検
出手段によって検出された内燃機関運転状態が前記リー
ンＮＯx 触媒へのＨＣ量が不足する運転領域にあるか否
かを判定する運転領域判定手段、および前記運転領域判
定手段が、内燃機関運転状態がＨＣ量の不足する運転領
域にあると判定したときに、前記エアアシストインジェ
クタのアシストエアの供給量を減少或いは供給停止する
アシストエア制御手段。

【０００６】

【作用】ＨＣ量が不足する領域、すなわち中負荷運転時
（ＮＯx 排出量が多い）および排気高温時（供給された
ＨＣが直接酸化するためＨＣが多量に必要となる）に
は、アシストエアが減少或いは停止されるので、燃料の
微粒化（霧化）が悪化して未燃ＨＣの排出量が増加す
る。ただし、触媒床温（排気温と関連）が高い時にはＮ
Ｏx 排出量が多い領域になったら直ちにアシストエアを
停止するが、触媒床温が低い時には停止を遅延するよう
にして、微粒化とＨＣの供給を両立させる。かくして、
構造を複雑にすることなく、リーンＮＯx 触媒へのＮＯ
x 浄化率が向上する。

【０００７】

【実施例】２つの、本発明に係る実施例を説明する。図
１、図２は実施例１に対応し、図３、図４は実施例２に
対応し、図５−図１１は両実施例に適用される共通構成
を示す。

【０００８】始めに、共通構成を説明する。図５におい
て、２は希薄燃焼可能な内燃機関、４はその吸気系、６
は排気系を示す。内燃機関２は、エアの噴射によって燃
料の微粒化が促進されるエアアシストインジェクタ８を
具備している。エアアシストインジェクタ８は電子制御
装置（ＥＣＵ）１０の出力に従って、燃料およびエアの
噴射が制御される。エアアシストインジェクタ８へのア
シストエアは、スロットルバルブ１２より上流より導管
１４を介してエアを供給するようになっている。たとえ
ば、導管１４の途中にエアポンプ２０、圧力調整器２
２、制御弁１６が設けられ、エアポンプ２０で昇圧した
エアを圧力調整器２２で一定圧に調整し、制御弁１６が
ＯＮのときにエアアシストインジェクタ８にエアを供給
するようになっている。アシストエアの供給、供給停止
は、ＥＣＵ１０の出力に従って制御弁１６をＯＮ−ＯＦ
Ｆすることにより行う。

【０００９】図１１は、エアアシストインジェクタ８の
一例を示している。エアアシストインジェクタ８は、燃
料噴射部８２と、エア噴射部８４とから成る。エア噴射
部８４は、ノズル口８６と、ノズル口８６を開閉するニ
ードル８８と、ニードル８８を常時閉方向に付勢する圧
縮スプリング９０と、ソレノイド９２と、ソレノイド９
２に通電されたときにニードル８８をスプリング９０の
付勢に抗して開方向に移動させる可動コア９４とを有す
る。燃料噴射タイミング、アシストエア噴射タイミング
は、ＥＣＵ１０によって制御される。

【００１０】内燃機関２の排気系６には、リーンＮＯx
触媒１８が装着されている。リーンＮＯx 触媒１８は、
酸化雰囲気中（ストイキよりリーン域での燃焼の排
気）、ＨＣ存在下で、排気中のＮＯx を還元し排気を浄
化する。リーンＮＯx 触媒１８のＮＯx 還元メカニズム
は、ＨＣの部分酸化によって生成される活性種とＮＯx
との反応であると推定される。したがって、排気中のＨ
Ｃの量が多い程、またＨＣのＣＯ₂、Ｈ₂Ｏへの直接酸
化が抑えられて活性種への部分酸化が促進される程、リ
ーンＮＯx 触媒１８のＮＯx 浄化率は高くなる。

【００１１】ＨＣ量は、本発明では、特別なＨＣ供給装
置を設けることなく、エアアシストインジェクタ８のア
シストエアの供給を抑制する（供給のＯＮ、ＯＦＦまた
は供給量の大小）ことによって、制御する（図１−４の
制御）。アシストエアの供給を停止または減少すると、
エアアシストインジェクタ８での燃料の微粒化が悪くな
って機関での燃焼性が低下し、未燃ＨＣが増えて排気中
のＨＣ量が増え、逆にアシストエアを供給または供給量
を増加すると、排気中のＨＣ量が低下する。ただし、ア
シストエアの供給停止または供給量減少は、燃焼性、燃
費、ＨＣエミッション等を悪化させるので、リーンＮＯ
x 触媒１８のＮＯx還元上ＨＣが不足する機関運転状態
のときにのみ行うように制御する。このアシストエアの
供給制御は、ＥＣＵ１０によって、制御弁１６を制御す
ることにより行う。

【００１２】ＥＣＵ１０は、マイクロコンピュータから
なり、図６に示すように、入力ポート６２および出力ポ
ート６４からなる入出力部、リードオンリメモリ（ＲＯ
Ｍ）６６およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）６８
からなる記憶部、セントラルプロセッサユニット（ＣＰ
Ｕ）７０の演算部を有し、これらは双方向性バス７２に
よって互いに接続されている。エアフローメータ２４、
吸気圧センサ２６、スロットル開度センサ２８からのア
ナログ信号は、アナログ／ディジタル信号に変換されて
入力ポートに入力され、クランク軸に連動されるディス
トリビュータに内蔵されたクランク角センサ３０、クラ
ンク角基準センサ３２からのディジタル信号はそのまま
入力ポート６２に入力される。出力ポート６４には、制
御弁駆動用の駆動回路７６ａ、エアアシストインジェク
タ８の燃料噴射部８２用の駆動回路７６ｂ、エアアシス
トインジェクタ８のエア噴射部８４用の駆動回路７６ｃ
が接続されている。上記において、各センサ２４、２
６、２８、３０、３２のうち少なくとも一つは、機関回
転速度、機関負荷等の内燃機関の運転状態を検出する運
転状態検出手段を構成する。

【００１３】ＥＣＵ１０は、図７−１０のプログラム手
段、マップ手段をＲＯＭ６６に記憶しており、これらは
ＣＰＵ７０に読出されて以下の演算が実行される。図７
はエアアシストインジェクタ８の作動タイミングを演算
するルーチンを示す。このルーチンは一定時間毎の割込
みによって実行される。

【００１４】図７において、まずステップ３０２におい
て吸入空気量Ｑ（エアフローメータ２４の出力）、機関
回転速度ＮＥ（クランク角センサ３０の出力より演
算）、およびスロットル弁開閉速度ΔＴＡ（スロットル
開度センサ２８の出力より演算）が読込まれる。ここ
で、スロットル弁開閉速度ΔＴＡは単位時間当りのスロ
ットル弁１２の開度変化であり、開弁方向に変化すると
きにΔＴＡは正の値をとる。次いでステップ３０４で
は、燃料噴射部８２の開弁時間（燃料供給時間）ＴＡＵ
Ｆが、ＴＡＵＦ＝ＫＱ／Ｎにより演算される。ここで、
Ｋは各種の補正を含む係数である。次いで、ステップ３
０６において、燃料供給時間ＴＡＵＦがクランク角に換
算され、燃料供給クランク角θ_fが求められる。次いで
ステップ３０８では、スロットル弁開閉速度ΔＴＡに基
づいてマップよりノズル口８６開弁時間、すなわちエア
噴射時間ＴＡＵＡが計算される。ΔＴＡとＴＡＵの関係
は、たとえば図８に示すように、ΔＴＡが予め定められ
たスロットル弁開閉速度ΔＴＡＰ（ΔＴＡＰ＞Ｏ）以下
のときにはＴＡＵＡは一定であり、ΔＴＡＰを超えると
き、すなわち加速運転時には、ＴＡＵＡはΔＴＡの増大
に応じてほぼ直線的に増大する。

【００１５】図７にて、ステップ３１０において、エア
噴射時間ＴＡＵＡがクランク角に換算され、エア噴射ク
ランク角θa が求められる。次いでステップ３１２で
は、燃料供給開始クランク角θ₁が次式により計算され
る。 θ₁＝θ₂−θ_f ここでθ₂は燃料供給停止角であり、予め定められた一
定のクランク角である（図９参照）。ステップ３１４で
は、ノズル口８６開弁クランク角θ₃が次式により計算
される。 θ₃＝θ₄−θ_a ここでθ₄はノズル口８６閉弁クランク角であり、予め
定められた一定のクランク角である（図９参照）。

【００１６】図１０には、エアアシストインジェクタ８
のエア噴射部８４（エアブラスト弁ともいう）の作動を
制御するためのルーチンを示す。このルーチンは一定ク
ランク角毎（クランク角基準位置センサ３２よりの出力
にてカウント）の割込みによって実行される。まずステ
ップ４０２では、機関のクランク角θが燃料供給開始ク
ランク角θ₁となったか否かが判定され、θ＝θ₁とな
るとステップ４０４へ進み、燃料噴射部８２が開弁され
る。次いでステップ４０６では、θが燃料供給停止クラ
ンク角θ₂となったか否かが判定され、θ＝θ₂となる
と、ステップ４０８へ進み、燃料噴射部８２が閉弁され
る。次いでステップ４１０では、クランク角θがノズル
口８６の開弁クランク角θ₃となったか否かが判定さ
れ、θ＝θ₃となるとステップ４１２に進み、ノズル口
８６を開弁して燃料および圧縮空気の噴射を行う。次に
ステップ４１４では、θがノズル口８６の閉弁クランク
角θ₄となったか否かが判定され、θ＝θ₄となると、
ステップ４１６へ進み、ノズル口８６を閉弁し、このル
ーチンを終了する。

【００１７】次に、各実施例に特有の構成を説明する。
図１、図２は本発明の実施例１に関するものであり、ア
シストエアの供給制御のルーチン、およびそのルーチン
の演算に用いられるマップを示している。

【００１８】図１のルーチンは、一定時間毎に、たとえ
ば、５０ミリｓｅｃ毎に割込まれる。ステップ１０２で
は、機関負荷Ｑ／Ｎ、機関回転速度ＮＥ、排気温度Ｔ
（Ｑ／Ｎ、ＮＥよりマップにて求めるか、または排気系
に温度センサを設けてその出力から読む）を読込む、す
なわち、現時点の機関運転状態を読込む。

【００１９】次いでステップ１０４において、現在の機
関運転状態（ステップ１０２で読込まれた機関運転状
態）が、リーンＮＯx 触媒１８におけるＮＯx 浄化反応
上ＨＣが不足する領域にあるか否か、たとえば図２のＱ
／Ｎ対ＮＥマップ（マップ１）において斜線領域、すな
わち中負荷、中速回転領域にあるか否かを判定する。

【００２０】マップ１をさらに詳しく説明すると、軽負
荷、低速回転領域は、エンジン排気中にＮＯx がもとも
と少ない領域であり、ＨＣは不足しない。高負荷、高速
回転領域は、空燃比を出力空燃比にすべくリッチ（ただ
しストイキよりはリーン）側にしているので、ＨＣは比
較的多い。残りの中負荷、中速回転域がＨＣが不足する
可能性のある領域であり、ＨＣを増大させたい領域であ
る。

【００２１】ステップ１０４にて、現在の内燃機関運転
状態が図１の斜線領域にあると判定されたときは、ステ
ップ１１０に進み、制御弁１６を閉じる処理を実行し、
斜線領域にないと判定されたときは、ステップ１０６へ
と進む。ステップ１０６では、排気温度（リーンＮＯx
触媒１８への入りガス温度）Ｔが、予め定めた排気温度
ＴＨＩ（たとえば、５５０°Ｃ）より高いか否かを判定
する。

【００２２】排気温度ＴがＴＨＩより高いと、排気中の
ＨＣのＨ₂Ｏ、ＣＯ₂への直接酸化が進み、部分酸化の
割合が少なくなって、活性種の量が少なくなる。したが
ってＴ＞ＴＨＩのときも、ＨＣの不足する領域に含める
べきである。上記において、ステップ１０４、１０６
は、現在の機関運転状態が、リーンＮＯx 触媒１８への
ＨＣ量が不足する運転領域にあるか否かを判定する運転
領域判定手段を構成する。

【００２３】ステップ１０６にて、Ｔ＞ＴＨＩと判定さ
れたときにはステップ１１０に進んで制御弁１６を閉と
し、ＴがＴＨＩ以下のときにはステップ１０８に進んで
制御弁１６を開とする。ここで、ステップ１１０は、運
転領域判定手段が、内燃機関運転状態ＨＣ量の不足する
運転領域にあると判定したときに、エアアシストインジ
ェクタ８へのエアの供給量を減少或いは供給停止するア
シストエア制御手段を構成する。

【００２４】図３、図４は本発明の実施例２に関するも
のであり、アシストエアの供給制御のルーチン、および
そのルーチンの演算に用いられるマップを示している。
実施例２では、機関運転状態がマップ１の斜線領域に入
っていくときに低負荷、低速回転側から入るときには、
制御弁１６の閉じを一定時間遅らせるようにしたもので
ある。これは、低負荷、低回転側はもともとＮＯx が少
ないので、マップ１の斜線領域に入ってもタイムラグに
よりすぐにはＮＯx も増えないであろうから、すぐには
制御弁１６を閉としないで、機関の燃焼性や燃費を優先
させるようにするためである。

【００２５】図３のルーチンは、一定時間毎、たとえば
５０ミリｓｅｃ毎に割込まれる。ステップ２０２にて、
機関負荷Ｑ／Ｎ、機関回転速度ＮＥを読込む。次いで、
ステップ２０４にて、マップ２から、Ｑ／Ｎ、ＮＥに対
応するカウンタ値Ｃ_Tを算出する。Ｃ_Tは温度条件Ｃを
変化させるカウンタ値で、高負荷、高速回転程Ｃ_Tは大
きな正の値をとり、低負荷、低速回転程Ｃ_Tは絶対値が
大の負の値をとる。次いでステップ２０６にて、前回の
Ｃに今回のステップ２０４で求めたＣ_Tを加算して、今
回のＣを求める。したがって、Ｃが大な程排気は高温領
域にあり、Ｃが小な程排気は低温領域にある。

【００２６】次いでステップ２０８−２１４にて、Ｃが
一定領域内にあるか否かを判定し、Ｃが一定領域の下限
値より小さな値の場合はその下限値に、一定領域の上限
値より大きな値の場合はその上限値にして、Ｃの値が発
散しないようにガードをかける。すなわち、ステップ２
０８でＣ＜０か否かを判定し、Ｃ＜０ならステップ２１
２でＣを０とおき、ステップ２０８にてＣが０以上なら
ステップ２１０に進み、Ｃ＞２５０か否かを判定し、Ｃ
＞２５０ならステップ２１４に進んでＣを２５０とお
き、ステップ２１０にてＣが２５０以下ならそのまま、
次のステップに進む。Ｃが２００と２５０との間の値の
ときは、そのままの値とする。

【００２７】次いで、ステップ２１６に進む。ステップ
２１６−２２２は制御弁１６の閉への切替の時間を制御
するステップである。ステップ２１６にて、Ｃが２００
以上（排気高温時、触媒床温高温時）か否かを判定す
る。Ｃが２００より小のときは、排気が高温でないと判
定して通常のエアアシスト噴射を行う。ステップ２１６
でＣが２００以上のときは排気が高温であると判定して
ステップ２１８に進み、現在の機関運転状態（機関負荷
Ｑ／Ｎ、機関回転速度ＮＥ）がマップ１の斜線領域にあ
るか否かを判定し、なければステップ２２２に進んで制
御弁１６を開き、あればステップ２２０に進んで制御弁
１６を閉じる。したがって、高排気温側からマップ１の
斜線領域に入ってくるときは、ステップ２１６、２１
８、２２０と進むから即座に制御弁１６は閉じるが、低
排気温側からマップ１の斜線領域に入るときは、ステッ
プ２１６からステップ２２２に進むので、Ｃが２００以
上になる迄は制御弁１６は閉じず、制御弁１６の閉じが
遅延される。

【００２８】上記において、ステップ２１６、２１８
は、現在の機関運転状態がＨＣ量が不足する運転領域に
あるか否かを判定する、実施例２における、運転領域判
定手段を構成し、ステップ２２０はＨＣ不足のときにア
シストエアの供給量を減少或いは供給停止する、実施例
２における、アシストエア制御手段を構成する。

【００２９】つぎに、実施例１、実施例２に共通の作用
について説明する。機関運転状態が、ＨＣの不足する運
転状態にあると判定されたとき、すなわち、図１のマッ
プの斜線領域である中負荷、中回転領域にあるかまたは
排気温（触媒床温）が高すぎてＨＣがほとんど直接酸化
されてしまうようなときには、制御弁１６が閉じられて
アシストエアの供給が停止されるかまたは制御弁１６の
開度が小とされてアシストエアの供給量が小とされる。

【００３０】アシストエアの供給が停止されるかまたは
減少されると、折角エアアシストインジェクタ８のエア
噴射部８４が開のタイミングとされてもエア噴射が少な
いので、燃料の微粒化、霧化が促進されず、燃料が燃焼
室内に吸入空気と共に吸引されても、完全燃焼しにくく
なり、一部未燃ＨＣのまま排出される。したがって、排
気系６を通る排気中のＨＣ量は増え、それがリーンＮＯ
x 触媒１８におけるＮＯx 還元反応に用いられて、リー
ンＮＯx 触媒１８のＮＯx 浄化率を向上させる。

【００３１】ＨＣが不足しないときには、わざわざ燃焼
性を悪くさせる必要がないから、制御弁１６は全開とさ
れ、従来通りのエアアシストが実行される。たとえば、
低負荷、低速回転領域では、機関から排出されるＮＯx
がもともと少なく、ＨＣは不足しないので、エアアシス
トを実行し、燃焼性を優先できる。

【００３２】実施例２では、触媒床温が高い時にはＮＯ
x 排出量の多い領域（マップ１の斜線領域）になったら
直ちにアシストエアを停止または減少させるが、触媒床
温が低い時には停止または減少を遅延して、燃料微粒化
とＨＣの供給を両立させることができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、ＨＣ量が不足する領域
（中負荷、中速回転時、および排気高温時）にはアシス
トエアが停止あるいは減少されるので、燃料の微粒化を
若干犠牲にして未燃ＨＣの生成量を増加し、これによっ
てリーンＮＯx触媒のＮＯx 浄化率を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る内燃機関の排気浄化装
置のアシストエア供給制御ルーチンのフローチャートで
ある。

【図２】図１のルーチンの判定に用いる機関負荷（Ｑ／
Ｎ）対機関回転速度（ＮＥ）マップである。

【図３】本発明の実施例２に係る内燃機関の排気浄化装
置のアシストエア供給制御ルーチンのフローチャートで
ある。

【図４】図３のルーチンの演算に用いるカウント値Ｃ_T
を求めるマップである。

【図５】本発明の内燃機関の排気浄化装置の機器系統図
である。

【図６】図５のうちＥＣＵおよびそれに接続される機器
の系統を示すブロック図である。

【図７】エアアシストインジェクタのエア噴射の作動タ
イミング計算のフローチャートである。

【図８】図７の演算でアクセル開閉速度ΔＴＡからエア
噴射量ＴＡＵを求めるのに用いるマップである。

【図９】エアアシストインジェクタにおける燃料噴射タ
イミング、アシストエア噴射タイミングとクランク角度
との関係を示すタイミング図である。

【図１０】エアアシストインジェクタの燃料噴射、アシ
ストエア噴射の実行ルーチンのフローチャートである。

【図１１】エアアシストインジェクタの一例のアシスト
エア噴射部の断面図である。

【符号の説明】

２内燃機関６排気系８エアアシストインジェクタ１０ＥＣＵ１２スロットルバルブ１６制御弁１８リーンＮＯx 触媒２０エアポンプ２４エアフローメータ２６吸気圧センサ２８スロットル開度センサ３０クランク角センサ３２クランク角基準位置センサ８２燃料噴射部８４エア噴射部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−283727（ＪＰ，Ａ) 特開平２−112667（ＪＰ，Ａ) 特開平２−277956（ＪＰ，Ａ) 実開平１−76558（ＪＰ，Ｕ) 実開平４−87357（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02M 69/00 F02M 69/04 F02M 51/00 F01N 3/20 F01N 3/24 F01N 3/28 B01D 53/56 B01J 29/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エアアシストインジェクタを具備した希
薄燃焼可能な内燃機関と、前記内燃機関の排気系に、設
けられた、遷移金属或いは貴金属を担持せしめたゼオラ
イトからなり、酸化雰囲気中、ＨＣ存在下で、ＮＯx を
還元する触媒と、内燃機関の運転状態を検出する運転状
態検出手段と、前記運転状態検出手段によって検出され
た内燃機関運転状態が前記触媒へのＨＣ量が不足する運
転領域にあるか否かを判定する運転領域判定手段と、前
記運転領域判定手段が、内燃機関運転状態がＨＣ量の不
足する運転領域にあると判定したときに、前記エアアシ
ストインジェクタへのアシストエアの供給量を減少或い
は供給停止するアシストエア制御手段と、を有する内燃
機関の排気浄化装置。