JP3646571B2

JP3646571B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3646571B2
Application number: JP18930599A
Authority: JP
Inventors: 公二郎岡田; 保樹田村
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: JP2001020781A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気空燃比がリーン空燃比で排気中のNO_xを吸蔵すると共に排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比で吸蔵したNO_xを放出還元する触媒装置を排気通路に備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費の向上を図るため、リーン空燃比での燃焼を可能とした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、従来の三元触媒ではその浄化特性によりリーン燃焼時の排ガス中のNO_xを十分に浄化できないといった問題がある。そこで、近年では、例えば、リーン空燃比で運転中に排ガス中のNO_xを吸蔵し、理論空燃比（ストイキ）またはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたNO_xを放出還元する触媒装置を備えた排気浄化装置が採用されてきている。
【０００３】
この触媒装置は、リーン空燃比（酸素の過剰状態）で排ガス中のNO_xから硝酸塩を生成し、これによりNO_xを吸蔵する一方、ストイキまたはリッチ空燃比（酸素濃度が低下した雰囲気）では、触媒装置に吸蔵した硝酸塩と排気中のCOとを反応させて炭酸塩を生成し、これによりNO_xを放出させるようになっている。
【０００４】
触媒装置は、リーン空燃比の運転中の酸素過剰雰囲気中ではNO_xを触媒上に吸蔵させることになるが、リーン空燃比の運転を連続して行いNO_xの吸蔵量が飽和量に達した時には排気中のNO_xの大部分が大気に排出されることになる。そこでNO_xの吸蔵量が飽和量に達する前に、空燃比をストイキまたはリッチ空燃比に切替え（NO_xパージ）、排気を酸素濃度が低下した雰囲気にしてNO_xを放出還元させ、触媒装置のNO_x吸蔵能力を回復させるようにしている。
【０００５】
例えば、特許第2605571 号に示されるように、触媒装置からのNO_x放出特性の観点から、触媒装置からNO_xを放出するときに、まず内燃機関の空燃比をリッチとし、その後ストイキとして未燃HC,CO の放出を抑制する技術が従来から知られている。また、触媒装置は、従来の三元触媒でも知られているように劣化を伴うため、例えば、特許第2836523 号に示されるように、触媒装置の劣化度合いが高くなる程触媒装置の吸蔵能力が低下してNO_x放出量も減るので、NO_x放出量を見込んで再生時のリッチ時間を短くし、燃費の悪化及び未燃HCの放出を防止する技術が従来から知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、加速や減速を繰り返す通常の運転におけるリーン空燃比運転の継続時間程度の触媒へのNO_x吸蔵量の比較的少ない場合においては、触媒装置の劣化度合いが進行すると、従来技術のように吸蔵能力の低下に伴うNO_x放出量の総量の変化はあまり大きくなく、その代わりにNO_x放出特性が変化することを本出願人は発見した。具体的には、触媒再生のために内燃機関の空燃比を切り替えた時、一時的に触媒装置からNO_xが多量に放出されるが、特にその後のNO_x放出速度の遅い領域のNO_x放出にかかる時間が触媒装置の劣化に伴い長くなるということである。
【０００７】
このため、従来の技術のように、触媒装置の劣化度合いが進行して、再生時のリッチ時間を短くするだけでは、NO_xを十分に放出還元することができず、燃費の悪化を抑制することができても大気に放出されるNO_xを確実に抑制することができない、といった問題が生じてしまう。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、触媒装置の再生時の燃費悪化及び大気へ放出される未燃HC,CO 量を抑制しながら、大気に放出されるNO_x量を確実に抑制することが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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明では、排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中のNO_xを吸蔵し排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに吸蔵されたNO_xを放出還元する放出還元機能を有する触媒装置を備え、再生手段により、吸蔵されたNO_xを触媒装置から放出還元する際に、第１所定時間の間排気空燃比をリッチ空燃比としその後第２所定時間の間排気空燃比を理論空燃比近傍とし、補正手段により、触媒装置の劣化度合いが高くなると第２所定時間を長くするよう補正することで、第１所定時間の間排気空燃比をリッチ空燃比として一時的に触媒装置からNO_xが多量に放出され、その後のNO_x放出速度が遅い領域でNO_x放出に時間がかかった場合でも、排気空燃比を理論空燃比近傍とする第２所定時間を長くし、NO_xを確実に放出し還元する。
【００１０】
この時、合わせて触媒装置の劣化の度合いが高くなる程、排気空燃比をリッチ空燃比とする第１所定時間については短くすることが、燃費悪化及び大気へ放出される未燃HC,CO の抑制の面で好ましい。
【００１１】
内燃機関が、燃焼室内に燃料を直接噴射する噴射弁を備えた筒内噴射型内燃機関であれば、触媒配置あるいは触媒特性によっては（例えば、NO_xを吸蔵する触媒の下流にNO_x還元のための別の触媒を配置した触媒装置）、再生手段は、内燃機関の空燃比を切り替える空燃比切替え手段と、主噴射（吸気行程噴射または圧縮行程）以降の膨張行程または排気行程に追加燃料を噴射するパルス噴射手段とを有し、空燃比切替え手段及びパルス噴射手段により排気空燃比を変更させ、触媒装置から吸蔵されたNO_xを放出することが好ましい。
【００１２】
パルス噴射手段は、空燃比切替え手段により排気空燃比をリッチ空燃比に切り替える際の所定時期に、膨張行程中期以降に噴射弁を作動させることが、触媒装置から一時的に多量に放出されるNO_xを還元する還元剤として有効であり、大気中へ放出されるNO_x量をより一層低減することができるので好ましい。また、パルス噴射手段の燃料噴射量は、触媒装置の劣化度合いが高くなるほど減量することが、燃費悪化及び大気へ放出される未燃HCの抑制の面で好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本発明の一実施形態例を説明する。本実施形態例は、混合気の空燃比を理論空燃比よりも燃料希薄側に制御して燃焼室内に燃料を直接噴射するようにした火花点火式の多気筒型筒内噴射内燃機関を例に挙げて説明してある。図１には本発明の一実施形態例に係る排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成、図２、図３には排気浄化装置によるNO_xの放出状況を表すフローチャート、図４、図５にはNO_xの放出状況を表すタイムチャートを示してある。また、図６にはNO_xパージ時のリッチ継続時間に対するNO_x放出速度、図７にはリーン継続時間に対するNO_x排出量、図８にはリーン継続時間に対するHC排出値、図９にはNO_xパージ（リッチ化）における無駄時間、図１０にはリーン継続時間の最適時間、図１１には触媒劣化がNO_x放出速度に与える影響を示してある。
【００１４】
多気筒型筒内噴射内燃機関としては、例えば、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（筒内噴射エンジン）１が適用される。筒内噴射エンジン１は、例えば、燃焼モード（運転モード）を切り換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）が実施可能となっている。そして、この筒内噴射エンジン１は、理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に、圧縮行程噴射モードでは、吸気行程でのリーン空燃比運転よりも大きな空燃比となる超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１５】
図１に示すように、筒内噴射エンジン１のシリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ３が取り付けられると共に、各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられている。燃焼室５内には燃料噴射弁４の噴射口が開口し、燃料噴射弁４から噴射される燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。筒内噴射エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球状に窪んだキャビティ８が形成されている。キャビティ８により、図１では時計回りの逆タンブル流を発生させるようになっている。
【００１６】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成され、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド９の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成され、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、排気マニホールド１０には図示しないＥＧＲ装置が設けられている。
【００１７】
一方、エンジン１の排気マニホールド１０には排気管（排気通路）１１が接続され、エンジン１に近接した小型の三元触媒１２及び触媒装置としての排気浄化触媒装置１３を介して図示しないマフラーが接続されている。排気管１１における三元触媒１２と排気浄化触媒装置１３との間の部分には、排気浄化触媒装置１３の直上流、即ち、後述する吸蔵型NO_x触媒１５の直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ１４が設けられている。
【００１８】
排気浄化触媒装置１３は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中のNO_xを吸蔵し、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに吸蔵されたNO_xを放出して還元する放出還元機能を有している吸蔵型NO_x触媒１５と、理論空燃比のときに排ガス中の有害物質（HC,CO,NO_x) を浄化可能な三元機能を有した三元触媒１６とを備えている。三元触媒１６は吸蔵型NO_x触媒１５よりも下流側に配設されている。三元触媒１６は吸蔵型NO_x触媒１５から吸蔵されたNO_xが放出された際に、吸蔵型NO_x触媒１５自身で還元しきれなかったNO_xを還元する役目も行っている。尚、排気浄化触媒装置１３は、吸蔵型NO_x触媒１５がNO_xを還元し、HCとCOを酸化する三元触媒の機能（三元機能）を十分有している場合には、この吸蔵型NO_x触媒１５だけであってもよい。
【００１９】
吸蔵型NO_x触媒１５は、酸化雰囲気においてNO_xを一旦吸蔵させ、主としてCOの存在する還元雰囲気中においてNO_xを放出してN₂（窒素）等に還元させる還元機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型NO_x触媒１５は、貴金属として白金（Pt）、ロジウム（Rh）等を有した触媒として構成され、吸蔵剤としてはバリウム（Ba）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、排気浄化触媒装置１３の下流側にはNO_x濃度を検出するNO_xセンサ１７が設けられている。
【００２０】
一方、吸気マニホールド９にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁２１が接続され、スロットル弁２１にはスロットル開度θthを検出するスロットルポジションセンサ２２が設けられている。エンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ２３が設けられ、クランク角センサ２３はエンジン回転速度Neを検出可能となっている。
【００２１】
車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１が設けられ、このＥＣＵ２３には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。ＥＣＵ３１によって筒内噴射エンジン１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が実施される。各種センサ類の検出情報はＥＣＵ３１に入力され、ＥＣＵ３１は各種センサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして点火時期等を決定し、燃料噴射弁４や点火プラグ３等を駆動制御する。
【００２２】
筒内噴射エンジン１では、吸気マニホールド９から燃焼室５内に流入した吸気流が逆タンブル流を形成し、圧縮行程中期以降に燃料を噴射して逆タンブル流を利用しながら燃焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍のみに少量の燃料を集め、点火プラグ３から離隔した部分で極めてリーンな空燃比状態とする。点火プラグ３の近傍のみを理論空燃比又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら燃料消費を抑制する。
【００２３】
また、筒内噴射エンジン１から高出力を得る場合には、燃料噴射弁４からの燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室５全体に均質化し、燃焼室５内を理論空燃比やリーン空燃比の混合気状態にさせて予混合燃焼を行う。もちろん、理論空燃比もしくはリッチ空燃比の方がリーン空燃比よりも高出力が得られるため、この際にも、燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行ない、効率よく高出力を得るようにしている。
【００２４】
ＥＣＵ３１では、スロットルポジションセンサ２２からのスロットル開度θthとクランク角センサ２３からのエンジン回転速度Neとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち、目標平均有効圧Peが求められ、更に、この目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードが設定される。例えば、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとが共に小さいときは、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Peが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Neが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。そして、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとから各燃料噴射モードでの制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。
【００２５】
排気浄化触媒装置１３の吸蔵型NO_x触媒１５では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のNO_xが硝酸塩として吸蔵されて排気の浄化が行われる。一方、酸素濃度が低下した雰囲気では、吸蔵型NO_x触媒１５に吸蔵した硝酸塩と排気中のCOとが反応して炭酸塩が生成されると共にNO_xが放出される。従って、吸蔵型NO_x触媒１５へのNO_xの吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行うなどして酸素濃度を低下させCOを供給し、吸蔵型NO_x触媒１５からNO_xを放出還元させて機能を維持する。
【００２６】
ＥＣＵ３１には、吸蔵されたNO_xを吸蔵型NO_x触媒１５から放出し還元する際に、第１所定時間の間排気空燃比をリッチ空燃比とし（リッチパージ）、その後第２所定時間の間排気空燃比を理論空燃比近傍（理論空燃比もしくは理論空燃比よりも僅かにリッチなスライトリッチ）とするストイキフィードバック（S-F/B ）パージ機能（再生手段）が備えられている。また、本実施形態例では、再生手段の一つとして排気空燃比をリッチ空燃比とする際の所定時期に、主噴射とは別に膨張行程または排気行程中に燃料の追加噴射を行うパルス噴射手段を備えている。
【００２７】
ここで、リッチパージとストイキフィードバック（S-F/B ）パージ、さらにはパルス噴射を組み合わせたNO_x放出還元（NO_xパージ）制御の基本的な考え方について説明する。図６にリッチ継続時間がNO_x放出還元（NO_xパージ）性能に及ぼす影響を示す。上段は空燃比をリッチの一定値として吸蔵型NO_x触媒１５にCOを供給し、NO_xパージした場合のリッチ継続時間に対するNO_x放出速度のイメージ図である。リッチ開始後の最初の部分では、NO_x放出速度が速くNO_xが急激に大量に放出され、還元剤としてのCOはNO_xの放出のために主に使われてしまっているので還元剤が不足し、還元されずに排出されるNO_x▲１▼が大量に発生する。還元されずに排出されるNO_x▲１▼を還元する還元剤を供給するために、さらにリッチ度合いを高めてCOをより多く供給したとしても、その分吸蔵型NO_x触媒１５から放出されるNO_xも増加しさらにNO_x放出速度が増加するので、結局また還元剤が不足することとなる。そこで、パルス噴射により追加燃料噴射し、未燃燃料、即ちHCを触媒に供給すると、HCはNO_xの放出にあまり寄与しないためNO_x放出速度を速めることがないので、NO_x放出量を増加させることなく放出されたNO_xを還元できる。即ち、パルス噴射量を調整することにより、NO_x放出速度＝NO_x還元速度とすることができ、還元されず排出されるNO_x▲１▼を抑制することができる。
【００２８】
また、リッチ開始からしばらく経った後はNO_x放出速度が遅くなり、一定のリッチ空燃比としたままでは還元剤のCOが余った状態となり、還元に用いられずに排出されるCO▲２▼が大量に発生する。そこで、NO_x放出速度が遅い領域ではCOが過剰に供給されていることから、CO供給量を減らすためにリッチ度合いを低下して空燃比をストイキあるいはスライトリッチとすればよい。これによって還元されずに排出されるCO▲２▼を抑制することができる。
【００２９】
以上のように、リッチパージとS-F/B パージ、さらにはパルス噴射を組み合わせることにより、NO_xパージ中の各種排ガス排出量を最小としてNO_xパージを実施できることが判る。
【００３０】
また、本実施形態例では、吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合いが高くなった際には、触媒再生のためにリッチパージを実施した時、一時的に吸蔵型NO_x触媒１５からNO_xが多量に放出されるが、その後のNO_x放出速度が遅い領域（即ち空燃比を理論空燃比もしくはスライトリッチとしてNO_xパージを行う領域）でのNO_x放出に時間がかかるため、S-F/B パージを実施する第２所定時間を長くしている（補正手段）。これにより、劣化度合いが低い場合に比べてNO_x放出に時間がかかっても燃費の悪化及び大気へ放出される未燃HC,CO 量を抑制しながらNO_xを十分に還元できるようにしている。
【００３１】
上述したNO_xの放出還元制御（NO_xパージ制御）について図２、図３のフローチャート及び図４、図５のタイムチャートに基づいて説明する。図４は吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合いが低い場合の状況で、図５は吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合いが高い場合の状況であり、図４(a) 及び図５(a) には吸蔵型NO_x触媒１５の下流のNO_x濃度（NO_x放出速度に相当）の状況、図４(b) 及び図５(b) には空燃比及び燃料噴射弁４の駆動パルスの状況を示してある。
【００３２】
図２に示すように、ステップＳ１で三元触媒１６の温度ＴがＴs 以上になったか否かが判断され（高温センサ１４で検出される排気温度値で推定）、三元触媒１６の温度ＴがＴs 以上であると判断された場合（即ち、三元触媒１６が活性温度Ｔs に達しており吸蔵型NO_x触媒１５からパージされたNO_xを還元可能と判断された時）、ステップＳ２でリーンモードの継続時間Ｌt が第１規定時間ｔ１以上であるか、もしくは、リーンモードの継続時間Ｌt が第２規定時間ｔ２以上でかつリーンモードからストイキモードへの切替時か否かが判断される。尚、第１規定時間ｔ１（リーン継続時間）は後述する方法により例えば30秒に設定され、リーンモードでの運転が継続的に行われている場合の判定条件であり、第２規定時間ｔ２は例えば５秒に設定され、リーンモードからの加速時等の場合の判定条件である。
【００３３】
ここで、以下にNO_xパージ制御のリーン継続時間の設定の手順を述べる。
【００３４】
(1) リーン運転を継続するうちにNO_xが吸蔵型NO_x触媒１５に吸蔵しきれなくなり、大気中に放出されたNO_x量が規制量に達するまでの時間を許容破過時間とすると、リーン継続時間は許容破過時間以下として強制的にNO_xパージ制御（強制NO_xパージ）を行わなければならない。そのためリーン継続時間は所定値以下であることが望ましい（図７参照）。
【００３５】
(2) 図８に示すように、リーン時間が長く続くと（三元）触媒温度が低下してくる。そうすると、触媒の浄化効率が低下し、HCの排出値が増加する。そのためリーン継続時間は所定値以下であることが好ましい。
【００３６】
(3) NO_xパージ途中においてリーンからストイキまでの時間（NO_xパージ無駄時間）はＡ／Ｆとしてはリーンであるため、NO_xは放出されない一方で、リーン度合いは低下するので燃費は悪化する。そのため、リーン継続時間を短くすることによりNO_xパージの頻度が高まった場合にはNO_xパージ無駄時間が全体に占める割合が増加し、燃費が悪化する。よって、リーン継続時間は所定値以下であることが好ましい（図９参照）。
【００３７】
以上の(1) 乃至(3) の条件により最適なリーン継続時間を設定することができる。リーン継続時間は、例えば、触媒容量、吸蔵型NO_x触媒１５の特性、三元触媒の特性、HC排出規制値等にも幾分影響を受けるが、一般的には、図１０に点線で示すように、上記(2) のHC排出値の点から４０秒程度以下が好ましく、図１０に実線で示すように、上記(3) の燃費の点から２０秒程度以上が好ましい。よって、リーン継続時間は２０秒から４０秒、好ましくは３０秒とするのがよい。実用の運転では、加減速があるため、定常運転（リーン運転）がこれ以上連続して長く続くことは少ないので、実用上問題ないことが判っている。また、リーン継続時間を吸蔵型NO_x触媒１５へのNO_x流入量によって可変とし、例えば、車速に対するマップとしてもよいが、略一定値としてもよい。
【００３８】
ステップＳ２でいずれかの条件が成立した場合（YES の場合）、吸蔵されたNO_xを再生手段により吸蔵型NO_x触媒１５から放出し還元する制御（NO_xパージ）の開始条件が成立したので、第１所定時間の間排気空燃比をリッチ空燃比とするリッチパージを実行するため、ステップＳ３でリッチパージ時間Ａ（第１所定時間）及びパルス噴射時間Ｂを設定する。
【００３９】
リッチパージ時間Ａは、排気流量、例えば吸入空気量によるマップ値と、吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合い、例えば走行距離のマップ値との積に基づいて設定される。リッチパージ時間Ａは、例えば１秒から５秒程度に設定され、走行距離が長くなる程、即ち、劣化度合いが高くなる程2/3 程度までの短い時間になるように設定される。リッチパージ時間Ａを短くするのは、吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合いが高くなると、図４(a) 及び図５(a) に示したように、NO_x放出特性が変化し、NO_x放出速度が速い領域でのNO_x放出量が減少しNO_x放出時間が短くなるためであり、燃費の悪化及び未燃HC,CO の放出の抑制を企図している。
【００４０】
パルス噴射時間Ｂは、排気流量、例えば吸入空気量によるマップ値と、吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合い、例えば走行距離のマップ値との積に基づいて設定される。パルス噴射時間Ｂは、例えば0.1 秒から１秒程度に設定され、走行距離が長くなる程、即ち、劣化度合いが高くなる程1/2 程度までの短い時間になるように設定される。パルス噴射時間Ｂを短くするのは、前述したように吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合いが高くなると、NO_x放出特性が変化し、NO_x放出速度が速い領域でのNO_x放出量が減少するため、還元剤も少量でよいためであり、燃費の悪化及び未燃HCの放出の抑制を企図している。
【００４１】
ステップＳ３でリッチパージ時間Ａ及びパルス噴射時間Ｂを設定した後、空燃比がリッチ（例えばＡ／Ｆ１２）となるように、ステップＳ４でリッチパージ時間Ａによりリッチパージを実行する（図４、図５中ta) 。この時、点火時期、吸入空気量、燃料噴射時期及び目標ＥＧＲ開度等を適宜制御してリーンモード時とリッチパージ時でトルク段差がでないようにし、切替時には空燃比テーリングを行って、空燃比が急激に変更されないようにして切替に伴うトルクショックを低減する。
【００４２】
ステップＳ５で空燃比テーリングの過程で空燃比がストイキになったか否かが判断され、ストイキになったと判断された場合、ステップＳ６でパルス噴射時間Ｂにより燃料の追加噴射を実行する（図４、図５中tb：ここではパルス噴射と呼称) 。空燃比のテーリング途中でリーンからストイキ近傍を越えリッチになるあたりから排ガス中のCOの急増とともに吸蔵型NO_x触媒１５から吸蔵されたNO_xが急激に大量に放出され（図４(a) 及び図５(a) 参照）、還元剤としてのCOまたはHCが十分でなくなる状態になる。このため、空燃比がストイキになったタイミングでパルス噴射が実行され、還元剤が追加される。パルス噴射は、膨張行程の中期から排気行程の初期、特に膨張行程の後期が望ましく、膨張行程の後期に燃料を追加することで、燃焼することなく未燃の燃料（還元剤）が排気通路に供給され触媒上で放出されたNO_xの還元に用いられる。また、膨張行程から排気行程では燃料を噴射しても筒内噴射エンジン１の出力に影響を与えにくい。
【００４３】
また、パルス噴射は空燃比がストイキとなった時点から開始することとしているが、これよりも噴射開始が早すぎると吸蔵型NO_x触媒１５からNO_xがまだあまり放出されていないので、パルス噴射の未燃の燃料（還元剤）がNO_xの還元に用いられずにそのまま放出されHC排出量が増加する。逆に、パルス噴射の開始が遅すぎると、NO_xの放出の急増に対し還元剤が不足しNO_x排出量が増加する。
【００４４】
ステップＳ６でパルス噴射が実行された後、図３に示すように、ステップＳ７でパルス噴射時間がＢ以上になったか否かが判断され、パルス噴射時間がＢに満たないと判断された場合ステップＳ６に移行してパルス噴射を続行し、パルス噴射時間がＢ以上になったと判断された場合、ステップＳ８でパルス噴射を終了する。ステップＳ８でパルス噴射を終了した後、ステップＳ９でリッチパージ時間がＡ以上になったか否かが判断され、リッチパージ時間がＡ以上になったと判断された場合、ステップＳ１０でリッチパージを終了する。
【００４５】
リッチパージを終了した後、排気空燃比を理論空燃比とするS-F/B パージを実行するため、ステップＳ１１でS-F/B パージ時間Ｃ（第２所定時間）を設定する。S-F/B パージは、排気空燃比を理論空燃比近傍である理論空燃比よりも僅かにリッチなスライトリッチとしてもよい。
【００４６】
S-F/B パージ時間Ｃは、直前のリーンモード継続時間と排気流量、例えば吸入空気量によるマップ値と、吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合い、例えば走行距離のマップ値の３つの値の積に基づいて設定される。これによりS-F/B パージ時間Ｃは、例えばリーンモード継続時間の０％〜50％に設定され、走行距離が長くなる程時間が長くなる（％が高くなる）ように設定される。具体的には、吸入空気量のマップ値はS-F/B パージ時間Ｃがリーンモード継続時間の10％〜30％となるよう設定し、それに対して走行距離に応じて（劣化に応じて）０倍から1.5 倍程度まで変化させる。
【００４７】
吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合いに応じてS-F/B パージ時間Ｃを長くするのは、吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合いが高くなると、図４(a) 及び図５(a) に示したように、NO_x放出速度の遅い領域でのNO_x放出に時間がかかるためである。具体的には、吸蔵型NO_x触媒１５の劣化の進行に伴いNO_x放出速度の速い領域でのNO_x放出時間が短くなると共に、NO_x放出速度の遅い領域でのNO_x放出時間が長くなる。このため、S-F/B パージ時間Ｃを長くすることで、劣化度合いが低い場合に比べて還元剤を長い時間供給し、NO_x放出に時間がかかってもNO_xを十分に放出し還元できるようにしている。
【００４８】
ステップＳ１１でS-F/B パージ時間Ｃを設定した後、排気空燃比が理論空燃比となるように、ステップＳ１２でS-F/B パージ時間ＣによりS-F/B パージを実行する（図４、図５中tc〜td) 。この時、点火時期、吸入空気量、燃料噴射時期及び目標ＥＧＲ開度等を適宜制御してリッチパージ時とS-F/B パージ時でトルク段差がでないようにし、さらに切替時に空燃比をテーリング（徐変）させ、空燃比が急激に変更されないようにし、切替に伴うトルクショックを低減する。尚、S-F/B パージをスライトリッチで実行する場合、ストイキフィードバック制御時の積分補正ゲインのリッチ化のゲインをリーン化のゲインより大きく設定すればよい。
【００４９】
ステップＳ１２でS-F/B パージが実行された後、ステップＳ１３でS-F/B パージ時間がＣ以上になったか否かが判断され、S-F/B パージ時間がＣに満たないと判断された場合ステップＳ１２に移行してS-F/B パージを続行し、S-F/B パージ時間がＣ以上になったと判断された場合、ステップＳ１４でS-F/B パージを終了する。
【００５０】
図１１は触媒劣化がNO_x放出速度に与える影響を示したデータで、NO_xパージ中の各種排ガス排出量が最小となるように設定した場合のS-F/B パージ時間、リッチパージ時間、パルス噴射時間を示しているが、この図からも触媒の劣化に伴いS-F/B パージ時間を長くする必要があり、NO_x放出速度の遅い部分が増加していることが判る。その一方で、リッチパージ時間とパルス噴射時間は短くする必要があり、NO_x放出速度の速い部分は減少していることがわかる。
【００５１】
上述した排気浄化装置は、吸蔵されたNO_xを吸蔵型NO_x触媒１５から放出し還元する際に、第１所定時間の間リッチパージを実行し、その後第２所定時間の間S-F/B パージを実行し、吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合いが高くなった際には、S-F/B パージを実施する第２所定時間を長くしたので、吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合いが高くなった際に、触媒再生のためにリッチパージを実施した時、一時的に吸蔵型NO_x触媒１５からNO_xが急激に多量に放出されるが、その後のNO_x放出速度が遅い領域でのNO_x放出に時間がかかる状態になっても、劣化度合いが低い場合に比べて還元剤が長い時間供給されることになる。さらに、吸蔵型NO_x触媒１５の劣化度合いが高くなった際に、NO_x放出速度が速い領域でのNO_x放出にかかる時間が短くなるので、リッチパージを実行する第１所定時間、さらにはパルス噴射時間を短くするようにしている。このため、燃費の悪化及び大気へ放出される未燃HC,CO 量を抑制しながらNO_xが十分に放出還元され、大気に放出されるNO_x量を確実に抑制することができる。
【００５２】
上記実施形態例では、ステップＳ２でリーンモードからストイキモードへの切替か否かを判定し加速時にもリッチパージ、S-F/B パージ、パルス噴射を行うこととしているが、加速時には元来加速増量によりリッチ化がなされると共にその後はストイキ運転となるので、パルス噴射のみを行うこととしてもよい。さらにこの場合、パルス噴射時間は加速増量度合いあるいはリーン継続時間により可変としてもよく、空燃比がストイキに達した時点でパルス噴射を開始するとしてもよい。
【００５３】
また、上記実施形態例では、吸蔵型NO_x触媒１５の下流に別体の三元触媒１６を配置し、吸蔵型NO_x触媒１５から放出されたNO_xの還元を吸蔵型NO_x触媒１５上のみで行うのではなく三元触媒１６上でもNO_x還元を行う場合としているが、吸蔵型NO_x触媒１５に三元触媒の機能を十分に持たせて三元触媒一体型とした吸蔵型NO_x触媒を用いてもよく、その場合はパルス噴射は極短時間あるいはパルス噴射なしとしてもよいことがわかっている。
【００５４】
更に、上記実施形態例では、排気浄化装置を適用する機関として、燃焼室内に燃料を直接噴射するよようにした火花点火式の機関を例に挙げて説明したが、吸蔵型のNO_x触媒を備えてNO_xの放出還元を行う機関であれば、ディーゼルエンジンや、吸気管に燃料を噴射し混合気を燃焼室に導入する火花点火式のリーンバーンエンジンに適用することも可能である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置では、触媒装置が劣化しても、触媒装置の再生時の燃費悪化及び大気へ放出される未燃HC,CO 量を抑制しながら、常に確実にNO_x排出量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成図。
【図２】排気浄化装置によるNO_xの放出状況を表すフローチャート。
【図３】排気浄化装置によるNO_xの放出状況を表すフローチャート。
【図４】 NO_xの放出状況を表すタイムチャート。
【図５】 NO_xの放出状況を表すタイムチャート。
【図６】 NO_xパージ時のリッチ継続時間に対するNO_x放出速度を示す図。
【図７】リーン継続時間に対するNO_x排出量を示す図。
【図８】リーン継続時間に対するHC排出値を示す図。
【図９】 NO_xパージ（リッチ化）における無駄時間を示す図。
【図１０】リーン継続時間の最適時間を説明する図。
【図１１】触媒劣化がNO_x放出速度に与える影響を示す図。
【符号の説明】
１筒内噴射エンジン
４燃料噴射弁
１３排気浄化触媒装置
１５吸蔵型NO_x触媒
１６三元触媒
３１電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中のNO_xを吸蔵し排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに吸蔵されたNO_xを放出還元する放出還元機能を有する触媒装置と、
吸蔵されたNO_xを前記触媒装置から放出還元する際に、第１所定時間の間排気空燃比をリッチ空燃比としその後第２所定時間の間排気空燃比を理論空燃比近傍とする再生手段と、
前記触媒装置の劣化度合いが高くなると前記第２所定時間を長くするよう補正する補正手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。