JP3680637B2 - Diesel engine exhaust purification system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明はディーゼルエンジンの排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
リーン空燃比(理論空燃比よりリーン側の空燃比)の領域で排気中のNOxを吸着し、排気空燃比が理論空燃比やリッチ空燃比(理論空燃比よりリッチ側の空燃比)で触媒に吸着していたNOxを脱離するとともに、この脱離したNOxを理論空燃比やリッチ空燃比の雰囲気に存在するHC、COを還元剤として用いて還元浄化するようにしたNOx触媒を排気通路に設けたものがある(特許公報第2600492号公報参照)。
【0003】
ここで、このNOx触媒は空気過剰率λを変化(変動)させることによって触媒に吸着しているNOxの浄化(触媒の再生)が可能となることから、以下この触媒を「λ変動型触媒」という。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のλ変動型触媒はガソリンエンジンを対象とするものであるため、全運転域において空燃比でほぼ20以上のリーン状態で運転されるディーゼルエンジンにこのλ変動型触媒を適用とすることは難しい。これはディーゼルエンジンで空燃比をリッチにすると、スモークの悪化を招いてしまうためである。
【0005】
ただし、コモンレール式の燃料噴射装置を備えて、高負荷域のような限られた運転域で行う分には、高圧噴射による噴霧燃料の微粒化促進によりスモーク悪化を抑制できるため空燃比をリッチにすることが可能である。言い換えれば、低中負荷域のような実用運転域でスモークの悪化を抑制しつつリッチ燃焼させることは困難である。このように、従来のディーゼルエンジンにおいては、実用運転域で排出されるNOxをλ変動型触媒で処理することができないため、実用運転域でNOxを低減するためにはEGR(排気還流)に頼らざる得ない状況にある。
【0006】
さて、リーン空燃比の領域で排気中のHC濃度がほぼ一定の場合に排気中のNOxを吸着し、同じくリーン空燃比の領域で触媒入口のHC濃度が変化(変動)すると、触媒に吸着していたNOxを脱離するとともに、この脱離したNOxを雰囲気中のHC、COを還元剤として用いて還元浄化するようにしたNOx触媒を本出願人と同一の出願人が先に提案しており(特願平10−291581号、同10−319689号参照)、この触媒を用いれば、実用運転域での触媒の再生が可能となる。なお、この触媒は、HC濃度を変化(変動)させることによって再生が可能となることから、この触媒を以下「HC変動型触媒」という。
【0007】
そこで本発明は、低中負荷域をEGR域として排気還流を行い、高負荷域になるとEGR(排気還流)を停止するエンジンを対象として、λ変動型触媒とHC変動型触媒とを組み合わせて用い、HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、EGR域でこのHC変動型触媒に流入する排気中のHC濃度に変動を与えることによってHC変動型触媒を再生し、これに対してλ変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合にEGR域以外の領域(高負荷域)でこのλ変動型触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化することによってλ変動型触媒を再生し、これによってスモークの悪化を防ぎつつ触媒の再生を可能とすることを目的とする。
【0008】
一方、低中負荷域を低温予混合燃焼域として、圧縮上死点後までの燃料噴射時期を遅延するとともに、排気還流による酸素濃度の低減により、燃料の着火遅れ期間を長くし、この着火遅れ期間中に燃料が十分に気化した予混合気を形成させて低温予混合燃焼を行わせるとともに、この低温予混合燃焼が困難になる高負荷域では拡散燃焼主体の燃焼に移行させるようにしたエンジンがあり(特開平7−4287号公報参照)、このエンジンでは、上記のEGRを行うエンジンよりもNOx排出量がさらに少ない。
【0009】
そこで本発明は、このエンジンをも対象として、λ変動型触媒とHC変動型触媒とを組み合わせて用い、HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、低温予混合燃焼域でこのHC変動型触媒に流入する排気中のHC濃度に変動を与えることによってHC変動型触媒を再生し、これに対してλ変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に低温予混合燃焼域以外の領域(高負荷域)でこのλ変動型触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化することによってλ変動型触媒を再生し、これによって全運転域でのNOxの浄化を一段と進めることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、図25に示すように、λ変動型触媒71と、HC変動型触媒72と、EGR域(低中負荷域)であるかどうかを判定する手段73と、この判定結果よりEGR域で吸気中に還流される排気量(EGR量)を制御する手段74と、前記HC変動型触媒72のNOx吸着量が飽和に達した場合に、前記EGR域でこのHC変動型触媒72に流入する排気中のHC濃度に変動を与える手段75と、前記λ変動型触媒71のNOx吸着量が飽和に達した場合に、前記EGR域でない領域(高負荷域)でこのλ変動型触媒71に流入する排気の空燃比をリッチ(理論空燃比を含む)化する手段76とを備える。
【0011】
第2の発明では、第1の発明において前記λ変動型触媒と前記HC変動型触媒を排気通路の上流側からこの順に配置(直列配置)するとともに、上流側の前記λ変動型触媒にHC吸着能力を持たせる。
【0012】
第3の発明では、第2の発明において排気温度上昇手段を備え、前記EGR域で前記HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前記λ変動型触媒に吸着されており、かつ前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度条件でない場合に前記HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したとき、前記排気温度上昇手段によって前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度まで排気温度を上昇させる。
【0013】
第4の発明では、第2の発明においてHC濃度変動手段を備え、前記EGR域で前記HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前記λ変動型触媒に吸着されておらず、かつ前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度条件でない場合に前記HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したとき、前記HC濃度変動手段によって前記HC変動型触媒を流れる排気中のHC濃度を変動させる。
【0014】
第5の発明では、第1の発明において排気通路を分岐して一方の分岐通路に前記λ変動型触媒を、他方の分岐通路に前記HC変動型触媒を配置(並列配置)するとともに、2つの分岐通路への排気流れを切換可能な手段を備え、この切換手段により前記EGR域で前記HC変動型触媒に排気を流し、前記EGR域でない領域(高負荷域)になると前記λ変動型触媒に排気を流す。
【0015】
第6の発明は、図26に示すように、λ変動型触媒71と、HC変動型触媒72と、低温予混合燃焼域であるかどうかを判定する手段81と、この判定結果より低温予混合燃焼域で圧縮上死点後までの燃料噴射時期を遅延するとともに、排気還流による酸素濃度の低減により、燃料の着火遅れ期間を長くし、この着火遅れ期間中に燃料が十分に気化した予混合気を形成させて低温予混合燃焼を行わせる手段82と、前記HC変動型触媒72のNOx吸着量が飽和に達した場合に、前記低温予混合燃焼域でこのHC変動型触媒72に流入する排気中のHC濃度に変動を与える手段83と、前記λ変動型触媒71のNOx吸着量が飽和に達した場合に、前記低温予混合燃焼域でない領域でこのλ変動型触媒71に流入する排気の空燃比をリッチ(理論空燃比を含む)化する手段84とを備える。
【0016】
第7の発明では、第6の発明において前記λ変動型触媒と前記HC変動型触媒を排気通路の上流側からこの順に配置(直列配置)するとともに、上流側の前記λ変動型触媒にHC吸着能力を持たせる。
【0017】
第8の発明では、第7の発明において排気温度上昇手段を備え、前記低温予混合燃焼域で前記HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前記λ変動型触媒に吸着されており、かつ前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度条件でない場合に前記HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したとき、前記排気温度上昇手段によって前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度まで排気温度を上昇させる。
【0018】
第9の発明では、第7の発明においてHC濃度変動手段を備え、前記低温予混合燃焼域で前記HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前記λ変動型触媒に吸着されておらず、かつ前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度条件でない場合に前記HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したとき、前記HC濃度変動手段によって前記HC変動型触媒を流れる排気中のHC濃度を変動させる。
【0019】
第10の発明では、第6の発明において排気通路を分岐して一方の分岐通路に前記λ変動型触媒を、他方の分岐通路に前記HC変動型触媒を配置(並列配置)するとともに、2つの分岐通路への排気流れを切換可能な手段を備え、この切換手段により前記低温予混合燃焼域で前記HC変動型触媒に排気を流し、前記低温予混合燃焼域でない領域(高負荷域)になると前記λ変動型触媒に排気を流す。
【0020】
第11の発明では、第3または第8の発明において前記排気温度上昇手段が、ポスト噴射、燃料噴射時期の遅角、吸気絞り、前記λ変動型触媒がヒータを備える場合にそのヒータ加熱の少なくとも一つを行う手段である。
【0021】
第12の発明では、第4または第9の発明おいて前記HC濃度変動手段が、ポスト噴射、燃料噴射時期の遅角、早期パイロット噴射の少なくとも一つを行う手段である。
【0022】
第13の発明は、図27に示すように、λ変動型触媒71と、低温予混合燃焼域であるかどうかを判定する手段81と、この判定結果より低温予混合燃焼域で圧縮上死点後までの燃料噴射時期を遅延するとともに、排気還流による酸素濃度の低減により、燃料の着火遅れ期間を長くし、この着火遅れ期間中に燃料が十分に気化した予混合気を形成させて低温予混合燃焼を行わせる手段82と、前記λ変動型触媒71のNOx吸着量が飽和に達した場合に、前記低温予混合燃焼域でない領域(高負荷域)でこのλ変動型触媒71に流入する排気の空燃比をリッチ(理論空燃比を含む)化する手段84とを備える。
【0023】
第14の発明では、第1から第13までのいずれか一つの発明において過給圧制御手段を備え、排気の空燃比をリッチ(理論空燃比を含む)化する手段が、前記過給圧制御手段により過給圧を下げる手段である。
【0024】
第15の発明では、第1から第13までのいずれか一つの発明においてコモンレール式の燃料噴射装置と、コモンレールの圧力制御手段と、過給圧制御手段とを備え、排気の空燃比をリッチ(理論空燃比を含む)化する手段が、前記コモンレール圧力制御手段によりコモンレール圧力を上昇させるとともに、燃料噴射時期を遅角することで噴霧の微粒化を促進し、この場合に燃料噴射時期の遅角によるトルク低下を補うため燃料噴射量を増量し、さらに前記過給圧制御手段により過給圧を低下させる手段である。
【0025】
【発明の効果】
リーン空燃比の条件(通常のディーゼルエンジンの排気条件)で再生を行うことができないλ変動型触媒に対して、HC変動型触媒では、触媒入口のHC濃度を変動させることで、HC変動型触媒を再生することができる。第1の発明によれば、リーン空燃比の条件であるEGR域(低中負荷域)でこのHC変動型触媒を再生し、これに対して空燃比をリッチ(ストイキを含む)にすることが可能となるEGR域を外れた領域(高負荷域)になるとλ変動型触媒を再生する。NOx排出量の大きく異なる領域(EGR域とそれ以外の領域)毎に再生する触媒を異ならせることで、スモークの悪化を防ぎつつ2つの触媒をともに再生することができ、この場合に、空燃比のリッチ化はEGR域でない領域(高負荷域)でしか行わないので、空燃比のリッチ化による燃費悪化を最小限に留めることができる。
【0026】
第2、第7の発明によれば、EGR域や低温予混合燃焼域おける低負荷時に、後段のHC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前段のλ変動型触媒に吸着されていれば、EGR域や低温予混合燃焼域おける加速時等により排気温度が上昇してHCが脱離する温度条件になったとき、前段のλ変動型触媒から十分な量のHCが脱離するので、これによってわざわざ2次的なHCを供給しなくても、後段のHC変動型触媒を再生できる。また、EGR域や低温予混合燃焼域を外れた領域(高負荷域)で排気空燃比をリッチ化したときには、前段のλ変動型触媒だけでなく後段のHC変動型触媒についても再生することができる(λ変動型触媒の再生に伴う排気温度の上昇によって、後段のHC変動型触媒に吸着されているNOxも雰囲気が理論空燃比付近(三元域)にあるとき脱離還元されるため)。
【0027】
EGR域や低温予混合燃焼域おける低負荷時に、後段のHC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前段のλ変動型触媒に吸着されている場合に、HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したとしても、さらに低負荷運転が継続されるのでは、λ変動型触媒からのHCの脱離を望めないのであるが、第3、第8、第11の発明によれば、排気温度上昇手段によってλ変動型触媒に吸着しているHCを脱離させことができるので、HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、さらに低負荷運転が継続されることがあっても、HC変動型触媒を再生できる。
【0028】
EGR域や低温予混合燃焼域においてHC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達しても、HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前段のλ変動型触媒に吸着されていなければ、排気温度上昇手段によってλ変動型触媒からHCが脱離する温度まで排気温度を上昇させても、HC変動型触媒を流れる排気中のHC濃度を十分に変動させることができず、HC変動型触媒の再生が不完全なものとなるのであるが、第4、第9、第12の発明によれば、HC濃度変動手段によってHC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCを2次的に供給するので、EGR域や低温予混合燃焼域においてHC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCがλ変動型触媒に溜まっていなくても、HC変動型触媒を再生できる。
【0029】
燃料中には硫黄分が含まれており、その硫黄によってλ変動型触媒が被毒の影響をうけるのであるが、第5、第10の発明によれば、EGR域や低温予混合燃焼域でない領域(高負荷域)でだけλ変動型触媒に排気を流せばよいので、硫黄分による被毒の影響を受けなくて済み(高負荷領域では排気温度が十分高いため、λ変動型触媒に硫黄が堆積しにくい)、これによってλ変動型触媒の耐久性が向上する。
【0030】
HC変動型触媒のNOx吸着量と脱離還元量の各量はλ変動型触媒よりも現在のところかなり少なく、拡散燃焼を主体とする通常のディーゼルエンジン(EGRなし)を対象とするとき、触媒入口のNOx濃度が低温予混合燃焼に比べて高いことからHC変動型触媒のNOx吸着量がすぐに飽和に達し、この飽和に達した触媒の再生のため、触媒入口のHC濃度をかなりの頻度で変動させる必要がある。このため、触媒入口のHC濃度の変動を、2次的なHC供給によって行わせるのでは、燃費や運転性の悪化を伴ってしまうのであるが、第6の発明は低温予混合燃焼を行わせるエンジンとの組合わせであり、低温予混合燃焼によれば、触媒入口のNOx濃度がもともと低いため、HC変動型触媒を再生する時期が大幅に遅くなり、このHC変動型触媒の再生機会の大幅な減少により燃費や運転性の悪化を抑制することができる。
【0031】
低温予混合燃焼によれば、排気中のNOxを従来のディーゼルエンジン(EGR無し)の1/50程度にまで低減可能であり、NOxの排出量が多くて問題となるのは低温予混合燃焼を行わせることが困難となる運転域、つまり高負荷域である。この高負荷域においては、スモーク性能を悪化させることなく排気の空燃比をリッチ化することが可能である。第13の発明によれば、高負荷域において排出されるNOxをλ変動型触媒を用いて浄化することが可能となり、これによって全運転域においてNOxの排出量を抑制することができる。
【0032】
第14の発明によれば、過給圧の低下で充填効率が低下し、これによって排気の空燃比をリッチ化することができる。
【0033】
第15の発明によれば、スモークの悪化を防ぎつつ、かつトルクを低下させることなく、排気の空燃比をリッチ化することができる。
【0034】
【発明の実施の形態】
図1はディーゼルエンジンの概略的な構成図である。
【0035】
ディーゼルエンジンの燃焼において、NOxの生成量は燃焼温度に大きく依存し、その低減には燃焼温度を相対的に低温化することが有効である。低温予混合燃焼方式では、排気還流システム(EGR)により酸素濃度を低減し、これにより低温燃焼を実現する。このため、排気通路2と吸気通路3とをEGR通路4で接続し、このEGR通路4の途中に負圧制御弁5からの制御負圧に応じて作動するダイヤフラム式のEGR弁6を設け、排気の一部を吸気中に還流する。
【0036】
負圧制御弁5は、コントロールユニット41からのデューティ制御信号により駆動されるもので、エンジンの運転条件に応じて適切なEGR率が得るようにしている。たとえば、低回転低負荷域でEGR率を最大の100パーセント(吸入空気流量とEGRガス流量が同量)とし、回転数、負荷が高くなるに従い、EGR率を減少させる。高負荷側では排気温度が上昇するため、多量のEGRガスを還流すると吸気温度が上昇し、これにより燃焼温度も相対的に上昇し、NOx低減の効果が減少したり、また、噴射燃料の着火遅れ期間が短くなり、予混合燃焼が実現できなくなる。このためにEGR率を高負荷側になるほど、減少させるのである。
【0037】
EGR通路4の途中には、EGRガスの冷却装置7を備える。これは、EGR通路4の周りに形成されウォータジャケット8を有し、ここにはエンジン冷却水の一部が循環され、この冷却水の循環量は、冷却水の導入口7aに設けられた流量制御弁9により調整可能である。コントロールユニット41からの指令により制御弁9の開度が大きくなるほど、EGRガスの冷却度が増す。
【0038】
エンジンの吸気ポート近傍の吸気通路には、スワールコントロールバルブ(図示しない)を備える。コントロールユニット41により、このスワールコントロールバルブの開度が制御され、エンジン低回転低負荷域で閉じられる(開度が減少する)と、燃焼室に吸入される吸気の流速が高まり燃焼室に強いスワールが生成される。ただし、スワールが強くなると、シリンダ内の作動ガスの熱交換率が高まり、作動ガス温度は相対的に低下する。
【0039】
ピストンに形成される窪み状の燃焼室(図示しない)は、大径のトロイダル型燃焼室である。これは、ピストンキャビティを、入口を絞らずピストンの冠面から底部まで円筒状に形成したもので、その底部中央には円錐部が形成され、この円錐部によって、圧縮行程後期にピストンキャビティ内へと旋回しながら流れ込むスワールに抵抗を与えないように、さらに空気と燃料の混合を良好にする。
【0040】
このように、入口を絞らない円筒状のピストンキャビティにより、前述のスワールコントロールバルブによって生成されたスワールは、燃焼過程でピストンが下降していくのに伴い、ピストンキャビティ内からキャビティ外に拡散され、キャビティ外でもスワールが持続される。
【0041】
前記排気通路2には、EGR通路4の分岐点よりも下流において、ターボ過給機を備える。このターボ過給機は、排気タービン52のスクロール入口に、ステップモータ54により駆動される可変ベーン53が設けられる。前記コントロールユニット41により可変ベーン53が制御され、エンジン低回転域から所定の過給圧が得られるように、低回転側では排気タービン52に導入される排気の流速を高めるベーン角度に制御され、高回転側では排気を抵抗なく排気タービン52に導入させるベーン角度(全開状態)に制御される。また、運転条件によって可変ベーン53は、所望の過給圧が得られるベーン角度に制御される。
【0042】
エンジンにはコモンレール式の燃料噴射装置を備える。
【0043】
これは、主として、燃料タンク(図示しない)、サプライポンプ14、コモンレール(蓄圧室)16、気筒ごとに設けられる燃料噴射ノズル17からなり、高圧のサプライポンプ14に生成した高圧燃料をコモンレール16に蓄え、燃料噴射ノズル17内の三方弁25によってノズルニードルの開閉を行うことで、噴射の開始と終了を自由に制御することができる。コモンレール16内の燃料圧力は、圧力センサ(図示しない)とサプライポンプ14の吐出量制御機構(図示しない)により、常にエンジンの求める最適値に制御される。
【0044】
これら燃料噴射量、噴射時期、燃料圧力などの制御は、マイクロプロセッサで構成されるコントロールユニット41により行われる。このため、コントロールユニット41には、アクセル開度センサ33、エンジン回転数とクランク角度を検出するセンサ34、気筒判別のためのセンサ(図示しない)、水温センサ38からの信号が入力し、これらに基づいて、コントロールユニット41は、エンジン回転数とアクセル開度に応じて目標燃料噴射量と、燃料噴射時期を演算し、この目標燃料噴射量に対応してノズル内の三方弁25のオン時間を制御し、また、目標噴射時期に対応して三方弁25のON時期を制御する。また、また図示しない圧力センサにより検出されるコモンレール圧力が、目標圧力と一致するようにサプライポンプ14の吐出量制御機構を介してコモンレール16の燃料圧力をフィードバック制御する。
【0045】
燃料噴射時期は低温予混合燃焼を実現するために、通常の噴射時期よりも遅角される。たとえばクランク角で圧縮上死点後の所定の範囲内で燃料噴射が開始されるように設定される。これにより、噴射された燃料の着火遅れ期間が長くなり、この間に燃料の気化が促進され、十分に空気と混合した状態で着火することが可能となる。これにより、排気還流による低酸素濃度のもとで、低温予混合燃焼が行われ、パティキュレートを増大させることなく、NOxの低減が可能となる。
【0046】
一方、排気タービン52下流の排気通路2に上流側よりλ変動型触媒55とHC変動型触媒56とを備える。
【0047】
ここで、λ変動型触媒55は、リーン空燃比の領域で排気中のNOxを吸着し、排気の空燃比が理論空燃比やリッチ空燃比となったとき触媒に吸着していたNOxを脱離するとともに、この脱離したNOxを理論空燃比の雰囲気やリッチ空燃比の雰囲気に存在するHC、COを還元剤として用いて還元浄化する触媒のことで、このλ変動型触媒は特許公報第2600492号などにより公知である。たとえば、NOx吸着剤は、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムからなるアルカリ金属、バリウム、カルシウムからなるアルカリ土類、ランタン、イットリウムからなる希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金とを含むものである。
【0048】
このλ変動型触媒55は、後述するように、低温予混合燃焼域以外の領域で再生されるが、このλ変動型触媒55にはアルミナ、ゼオライト(ZSM5、β、USY)等も坦持してHCの吸着能力を持たせている。
【0049】
これに対してHC変動型触媒は、リーン空燃比の領域で排気中のHC濃度がほぼ一定の場合に排気中のNOxを吸着し、同じくリーン空燃比の領域で触媒入口のHC濃度が変化(変動)すると、触媒に吸着していたNOxを脱離するとともに、この脱離したNOxを雰囲気中のHC、COを還元剤として用いて還元浄化するNOx触媒のことで、このHC変動型触媒についての詳細は本出願人と同じ出願人により先に提案されている(特願平10−291581号、同10−319689号参照)。
【0050】
これについて具体的に説明すると、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムからなるアルカリ金属、バリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムからなるアルカリ土類金属、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウムからなる希土類、マンガン、鉄、ニッケル、コバルトからなる遷移金属、ジルコニウム、イットリウムから選ばれた少なくとも一つと、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウムから選ばれた少なくとも一つとを含む触媒であり、NOxの吸着過程では図3左側に示したようにNOxがNO3 -(硝酸イオン)の状態で吸着され、脱離還元過程では図3右側のようにしてNO3 -がN2になると考えられている。
【0051】
触媒入口のHC、COの濃度をステップ的に大きくしたとき、EOEレベル(触媒がないときのNOx濃度レベルのこと)を基準にして図4のように触媒出口のNOx濃度が変化する。同図において、EOEレベルより下にある領域Aでは触媒にNOxが吸着され、HC濃度のステップ増加により、EOEレベルを超える領域Bで触媒からNOxが脱離し、HC濃度のステップ増加後にEOEレベルより下になる領域CでNOxが還元浄化される。この結果、A+B−C(≧0)が触媒トータルで浄化されるNOx量となる。
【0052】
この場合に、脱離還元過程の雰囲気酸素濃度が3%(リッチに近い条件)の場合と10%(空燃比で18以上のリーン条件)の場合とでNOx低減率を比較したものを図5に示すと、雰囲気酸素濃度が3%の場合にt1、t2の区間で8%、3%のNOxが低減されるのに対して、雰囲気酸素濃度が10%の場合にはt1、t2の区間で35%、2%のNOxが低減されている。つまり、定常のt2区間では両者で違いがないのに対して、過渡のt1区間ではリーン条件のほうが実に4倍以上ものNOxが低減される。言い換えると、HC変動型触媒では、空燃比で18以上のリーン条件においてHC濃度変動を与えることで、NOxの脱離還元が可能となるのである。
【0053】
ただし、HC変動型触媒により脱離還元できるNOxの量は、λ変動型触媒よりも格段に少ないのが現状である。そこで本実施形態では、低中負荷域を低温予混合燃焼域として低温予混合燃焼を行わせるとともに、この低温予混合燃焼が困難になる高負荷域では拡散燃焼主体の燃焼に移行させるようにしたエンジンを対象として、HC吸着機能を持たせたλ変動型触媒55とHC変動型触媒56とを排気通路の上流側よりこの順に配置したものを用いている。このとき、2種類のNOx触媒55、56を次のようにして再生させる。
【0054】
1)低温予混合燃焼域:
▲1▼HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCがλ変動型触媒に吸着されている状態からHC脱離域になったとき:HC脱離域とは、λ変動型触媒からHCが脱離する温度条件のことである。λ変動型触媒からHCが脱離しない温度条件でHC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCがλ変動型触媒に吸着されていれば、低中負荷域における加速に伴い排気温度が上昇してHC脱離域になったとき、このλ変動型NOx触媒から脱離してくるHCによってHC変動型触媒を流れる排気中のHC濃度が十分に変動するので、これによってHC変動型NOx触媒を再生できる。
【0055】
▲2▼HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCがλ変動型触媒に吸着されており、かつλ変動型触媒からHCが脱離する温度条件でない場合にHC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したときは、排気温度上昇手段によってλ変動型触媒からHCが脱離する温度まで排気温度を上昇させる。λ変動型触媒がHCを脱離する温度まで上昇すると、λ変動型NOx触媒から脱離してくるHCによってHC変動型触媒を流れる排気のHC濃度が変動し、これによってHC変動型触媒が再生する。ここで、排気を昇温させるには、ポスト噴射、燃料噴射時期の遅角、吸気絞り、λ変動型NOx触媒がヒータを備える場合のこのヒータ加熱が考えられる。
【0056】
▲3▼HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCがλ変動型触媒に吸着されておらず、かつλ変動型触媒からHCが脱離する温度条件でない場合にHC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したときは、HC濃度変動手段によってHC変動型触媒を流れる排気中のHC濃度を変動させる。HC濃度変動手段の作動による2次的なHCの供給によってHC変動型触媒を流れる排気のHC濃度が変動し、HC変動型触媒が再生する。ここで、排気中のHC濃度を変動(増加や増減)させるには、ポスト噴射、燃料噴射時期の遅角、早期パイロット噴射等が考えられる。
【0057】
2)高負荷域(低温予混合燃焼域以外の領域):
リッチスパイク処理によってλ変動型NOx触媒を再生する。
【0058】
コントロールユニット41で実行されるこの制御の内容を、以下のフローチャートにしたがって説明する。
【0059】
図6は2つの触媒55、56の再生処理を行うためのもので、一定時間毎に実行する。
【0060】
ステップ1でエンジン回転数Neとアクセル開度(あるいはエンジントルク)などの運転状態を読み込み、ステップ2ではλ変動型触媒のHC吸着量a1を演算する。この演算については図7のフローにより説明する。
【0061】
図7においてステップ21でエンジン回転数Neとλ変動型触媒の触媒温度Tcat1(温度センサ57により検出)を読み込み、これらからステップ22において図8を内容とするマップを検索することにより、HC吸着速度(所定時間(演算周期)当たりのHC吸着量のこと)aa1を演算し、ステップ23でこれを前回のHC吸着量であるa1-1に加算した値を今回のHC吸着量a1として演算する。図8において、触媒温度Tcat1が所定値T1未満の領域がHC吸着域であり、触媒温度Tcat1が所定値T1以上になると、HCが脱離する。この境界を定める温度であるT1は200〜300℃程度の温度であり、このHC脱離温度はNOx脱離温度(400〜500℃以上)より低い温度である。
【0062】
このようにしてHC吸着量a1を演算したら図6に戻り、ステップ3、4で2つの触媒のNOx吸着量b1、b2を演算する。これらNOx吸着量b1、b2の演算については、図9、図10により説明する。
【0063】
図9において、ステップ31でエンジン回転数Neとλ変動型触媒の触媒温度Tcat1を読み込み、これらからステップ32、33において図11を内容とするマップを検索することにより、λ変動型触媒のNOx吸着速度(所定時間当たりのNOx吸着量のこと)bb1を、また前回のNOx吸着量であるb1-1から図12を内容とするテーブルを検索することにより、吸着係数k1を演算し、これらを用いステップ34において、
【0064】
【数1】
b1=b1-1+bb1×k1
の式により、λ変動型触媒のNOx吸着量b1を更新する。
【0065】
図10は図9と同様である。すなわち、ステップ41でエンジン回転数NeとHC変動型触媒の触媒温度Tcat2(温度センサ58により検出)を読み込み、これらからステップ42、43において図11と同内容のマップを検索することにより、HC変動型触媒のNOx吸着速度(所定時間当たりのNOx吸着量のこと)bb2を、また前回のNOx吸着量であるb2-1から図12を内容とするテーブルを検索することにより、吸着係数k2を演算し、これらを用いステップ44において、
【0066】
【数2】
b2=b2-1+bb2×k2
の式により、HC変動型触媒のNOx吸着量b2を更新する。
【0067】
触媒55、56に排気中のNOxがほとんど吸収されてない条件では触媒に排気中のNOxがよく吸着されるのに対して、NOx吸着量が飽和した状態に近くなってくると、触媒にあまり吸着されなくなる。これを表したのが上記の吸着係数k1、k2である。したがって、吸着係数k1、k2は、図12に示したようにNOxがほとんど吸収されてない条件(つまりb1-1≒0、b2-1≒0)で1.0であり、NOx吸着量が増えてくるほど小さくなる値である。また、λ変動型触媒のほうがよく吸着されるため、k1>k2となっている。
【0068】
このようにしてNOx吸着量b1、b2の演算を終了したら図6に戻り、ステップ5でエンジン回転数Neとエンジントルクから定まる運転点が、低温予混合燃焼域にあるかどうかをみる。低温予混合燃焼を行わせることの可能な運転域は、圧縮比などエンジン仕様により予め定まっている。ここでは、図13に示すように、低中負荷域で低温予混合燃焼を行わせることができ、高負荷域になると、低温予混合燃焼を行わせることができない場合で説明する。これは、低中負荷域では大量のEGRにより低温予混合燃焼を行わせることができるものの、高負荷域になると、EGRで燃焼をコントロールしきれなくなり、低温予混合燃焼から拡散燃焼主体の燃焼に移ってしまうためである。
【0069】
運転点が低温予混合燃焼域(図ではMK領域)になければ、ステップ6に進み、λ変動型触媒のNOx吸着量b1と所定値b01を比較する。これは、λ変動型触媒の再生時期であるかどうかを判定する部分で、b1<b01であれば、まだλ変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達していない(再生時期でない)と判断し、そのまま今回の処理を終了する。
【0070】
非低温予混合燃焼域でb1≧b01になれば再生時期になったと判断し、ステップ6からステップ7に進んで、λ変動型触媒を再生するため、リッチスパイク処理を行う。リッチスパイク処理は、空燃比をリッチ(理論空燃比を含む)化することによってHC、COをλ変動型触媒に供給し、このリッチ雰囲気(還元雰囲気)の中で、λ変動型触媒よりNOxを脱離させつつこの脱離してくるNOxを雰囲気中のHC、COを還元剤として浄化させるものである。
【0071】
リッチスパイク処理について具体的に図14のフローにより説明すると、ステップ51でリッチスパイク処理に入ってからの時間trsと所定値trs0を比較する。所定値trs0はリッチスパイク処理の終了時期を定めるものである。trs<trs0であるあいだステップ52に進み、コモンレール圧力を所定値上昇させることにより噴霧の微粒化を促進させて高負荷域におけるスモークの悪化を防ぎつつ、燃料噴射時期を所定量遅角することにより、微粒化した噴霧の気化を増進する。この場合、燃料噴射時期の遅角でエンジンの発生するトルクが低下するので、そのトルク低下を補うため燃料噴射量を所定量だけ増量する。さらに可変ベーン53を所定量だけ開いて過給圧を低下させることで吸気充填効率を低下させ、これによってリッチ空燃比の状態を作り出す。
【0072】
この場合、図示していないが、三元触媒をλ変動型触媒の下流に設置することで、脱離したNOxをさらに浄化させることも可能である。
【0073】
リッチスパイク処理がしばらく続けば(trs≧trs0)、λ変動型触媒に吸着されているNOxがすべて脱離還元される(つまり再生完了)ため、ステップ51よりステップ53に進み、λ変動型触媒のNOx吸着量b1を0に戻した後、ステップ54でコモンレール圧力、燃料噴射時期、燃料噴射量、可変ベーン角度を元に戻す。
【0074】
また、λ変動型触媒の再生に伴ってλ変動型触媒の温度が上昇し、この温度上昇でλ変動型触媒に吸着されているHCも全て酸化されるため、ステップ55でHC吸着量a1を0に戻す。
【0075】
また、λ変動型触媒の再生に伴う排気温度の上昇によって、下流のHC変動型触媒に吸着されているNOxも雰囲気が理論空燃比付近(三元域)にあるとき還元浄化(再生)されるためステップ56でNOx吸着量b2を0に戻す。
【0076】
図6に戻り、低温予混合燃焼域であるときは、ステップ5よりステップ8に進み、λ変動型触媒の触媒温度Tcat1からHC脱離域(λ変動型触媒に吸着されているHCが脱離してくる温度条件のこと)にあるかどうかをみる。HC脱離域は、図8において、触媒温度Tcat1が所定値T1以上となる領域である。このHC脱離域にあるときは、ステップ9以降に進む。
【0077】
ステップ9、10では自然再生フラグ(“0”に初期設定)をみるとともに、λ変動型触媒のHC吸着量a1と所定値a0を比較する。ここで、所定値a0はHC変動型触媒の再生に必要なHC濃度の変動が生じるだけのHC量を設定するものである。HC脱離域に入ったタイミング(自然再生フラグ=0)でa1≧a0であるときは、λ変動型触媒から脱離されるHCを用いてHC変動型触媒の再生が可能であるので、ステップ11に進み、自然再生フラグを立てる(自然再生フラグ=1)。この自然再生フラグを立てた後もHC脱離域にあれば、次回よりステップ9からステップ12に進むことになり、HC脱離域にいる時間tdと所定値td0を比較する。所定値td0は再生終了時期を定めるものである。したがって、td<td0である間はそのまま処理を終了し、やがてtd≧td0になるとHC変動型触媒の再生が終了するので、ステップ13、14に進み、HC変動型触媒のNOx吸着量b2を0に戻し、またHCの脱離によってλ変動型触媒のHC吸着量がなくなるためHC吸着量a1を0に戻す。
【0078】
一方、HC脱離域でないときはステップ8よりステップ15に進み、HC変動型触媒のNOx吸着量b2と所定値b02を比較する。これは、HC変動型触媒の再生時期であるかどうかを判定する部分で、b2<b02であればまだHC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達していない(再生時期でない)と判断し、そのまま今回の処理を終了する。
【0079】
これに対してb2≧b02であるときは再生時期になったと判断し、ステップ15からステップ16に進んで、λ変動型触媒のHC吸着量a1と所定値a0を比較する。a1≧a0であるときは、λ変動型触媒からHCを脱離しさえすれば、HC変動型触媒の再生が可能であるので、ステップ17に進み、排気を昇温させる処理を行う。
【0080】
HC脱離域でλ変動型触媒より十分な量の脱離HCがあれば、この脱離HCの供給によって、HC変動型触媒を流れる排気中のHC濃度に変動を起こすことが可能となるので、低温予混合燃焼域において負荷変動が頻繁に起きるような運転が行われたときは(触媒温度Tcat1がT1以上となる)、ステップ9、10からステップ11〜14に流れることになり、二次的なHCを供給することなくHC変動型触媒が再生される。しかしながら、低負荷の連続運転が続いた場合は、触媒温度Tcat1がT1以上となることがなく、λ変動型触媒からのHC脱離が起きないため、HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達してしまうことがある。そこでこの場合には排気温昇温手段(排気温度上昇手段)によりλ変動型触媒に溜まっている十分な量のHCを強制的に脱離してやるのである。
【0081】
この昇温処理を図15のフローにより説明すると、ステップ61で昇温処理を開始してからの時間tozと所定値toz0を比較する。所定値toz0は再生終了時期を定めるものである。したがって、toz<toz0である間はステップ62に進み、▲1▼ポスト噴射、▲2▼燃料噴射時期の遅角、▲3▼吸気絞り、▲4▼λ変動型NOx触媒がヒータを備える場合のこのヒータ加熱の少なくとも一つを行うことによりλ変動型触媒がHCを脱離する温度である上記のT1まで昇温させる。
【0082】
toz≧toz0になると、HC変動型触媒に吸着したNOxがすべて脱離浄化する(再生が終了する)ので、ステップ61よりステップ63、64、65に進み、HC変動型触媒のNOx吸着量b2とλ変動型触媒のHC吸着量a1とを0に戻した後、ポスト噴射、燃料噴射時期の遅角、吸気絞り、ヒータ加熱の処理を中止する。
【0083】
図6に戻り、ステップ16でa1<a0であるときは、λ変動型触媒のHC吸着量だけではHC変動型触媒を流れる排気のHC変動が不十分となり、HC変動型触媒を再生に至らせることができないので、HC変動型触媒入口のHC濃度を強制的に変動させる処理を行う。
【0084】
このHC濃度変動処理を図16のフローにより説明すると、ステップ71でHC濃度変動処理を開始してからの時間tksと所定値tks0を比較する。所定値tks0は再生終了時期を定めるものである。したがって、tks<tks0である間はステップ72に進み、▲1▼ポスト噴射、▲2▼燃料噴射時期の遅角、▲3▼早期パイロット噴射等の少なくとも一つを行うことによりHC変動型触媒へのHC、COの供給量を増やす。ここで、▲1▼のポスト噴射は、排気行程などで少量の噴射を行うことにより、燃料を未燃のままエンジンアウトに排出させるものである。▲3▼の早期パイロット噴射は、燃焼加振力に伴う振動の低減用に用いるパイロット噴射とは相違して、吸気下死点当たりを噴射時期とするもので(特開平8−218920号公報参照)、実験によればエンジンアウトのHCが増加することを確認している。
【0085】
この処理によりλ変動型触媒にHCが吸着されることになるため、ステップ73では、HC吸着速度(所定時間当たりのHC吸着量)aa2を前回のHC吸着量であるa1-1に加算した値を今回のHC吸着量a1として演算する。HC吸着速度aa2も図8と同様のマップ値で与えることができる。
【0086】
tks≧tks0になると、HC変動型触媒に吸着したNOxがすべて脱離浄化する(再生が終了する)ので、ステップ71よりステップ74、75に進み、HC変動型触媒のNOx吸着量b2を0に戻した後、ポスト噴射、燃料噴射時期の遅角、早期パイロット噴射等の処理を中止する。
【0087】
ここで、第1実施形態の作用効果を説明する。
【0088】
HC変動型触媒のNOx吸着量と脱離還元量の各量はλ変動型触媒よりも現在のところかなり少なく、拡散燃焼を主体とする通常のディーゼルエンジン(EGRなし)を対象とするとき、触媒入口のNOx濃度が低温予混合燃焼に比べて高いことからHC変動型触媒のNOx吸着量がすぐに飽和に達し、この飽和に達した触媒の再生のため、触媒入口のHC濃度をかなりの頻度で変動させる必要がある。このため、触媒入口のHC濃度の変動を、2次的なHC供給によって行わせるのでは、燃費や運転性の悪化を伴ってしまうのであるが、本実施形態は、低温予混合燃焼を行わせるエンジンを対象としており、低温予混合燃焼によれば、触媒入口のNOx濃度がもともと低いため、HC変動型触媒を再生する時期が大幅に遅くなり、このHC変動型触媒の再生機会の大幅な減少により燃費や運転性の悪化を抑制することができる。
【0089】
また、本実施形態によれば、低温予混合燃焼域おける低負荷時に、後段のHC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前段のλ変動型触媒に吸着されていれば(a1≧a0)、低温予混合燃焼域おける加速時等により排気温度が上昇してHCが脱離する温度条件になったとき(Tcat1≧T1)、前段のλ変動型触媒から十分な量のHCが脱離するので、後段のHC変動型触媒を再生することができる。つまり、λ変動型触媒に溜まるHCを利用することで、2次的なHCを供給することなくHC変動型触媒の再生を行えるわけである。
【0090】
また、低温予混合燃焼域を外れた領域(高負荷域)で排気空燃比をリッチ化したときには、前段のλ変動型触媒だけでなく後段のHC変動型触媒についても再生することができる(λ変動型触媒の再生に伴う排気温度の上昇によって、後段のHC変動型触媒に吸着されているNOxも雰囲気が理論空燃比付近(三元域)にあるとき脱離還元されるため)。
【0091】
また、低温予混合燃焼域おける低負荷時に、後段のHC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前段のλ変動型触媒に吸着されている場合に(a1≧a0)、HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したとしても(b2≧b02)、さらに低負荷運転が継続されるのでは、λ変動型触媒からのHCの脱離を望めないのであるが、本実施形態によれば、排気温度上昇手段の作動(つまりポスト噴射、燃料噴射時期の遅角、吸気絞り、λ変動型NOx触媒がヒータを備える場合のこのヒータ加熱の少なくとも一つを行うこと)によってλ変動型触媒に吸着しているHCを脱離させことができるので、HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、さらに低負荷運転が継続されることがあっても、HC変動型触媒を再生させることができる。
【0092】
また、低温予混合燃焼域においてHC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達しても(b2≧b02)、HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前段のλ変動型触媒に吸着されていなければ(a1<a0)、排気温度上昇手段によってλ変動型触媒からHCが脱離する温度まで排気温度を上昇させても、HC変動型触媒を流れる排気中のHC濃度を十分に変動させることができず、HC変動型触媒の再生が不完全なものとなるのであるが、本実施形態によれば、HC濃度変動手段の作動(つまりポスト噴射、燃料噴射時期の遅角、早期パイロット噴射等の少なくとも一つを行うこと)によってHC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCを2次的に供給するので、EGR域や低温予混合燃焼域においてHC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCがλ変動型触媒に溜まっていなくても、HC変動型触媒を再生させることができる。
【0093】
図17の制御システムは第2実施形態で、第1実施形態の図1に対応する。
【0094】
この実施形態は、排気通路2を分岐し、一方の分岐通路61にλ変動型触媒63を、他方の分岐通路62にHC変動型触媒64を配置するとともに、分岐通路61、62への排気流れの切換を行うための流量制御弁65、66を各触媒63、64の上流に設け、図18に示したように、低温予混合燃焼域以外の領域(高負荷域)では、制御弁65を全開かつ制御弁66を全閉とすることによって排気の全量をλ変動型触媒63に流し、低温予混合燃焼域(低中負荷域)になると、今度は制御弁65を全閉かつ制御弁66を全開とすることによって排気の全量をHC変動型触媒64に流すようにしたものである。
【0095】
この実施形態では、2つの触媒63、64が並列配置されるため、λ変動型触媒63にHCを吸着させても、その吸着したHCをHC変動型触媒64の再生に利用できないので、λ変動型触媒63にHC吸着能力を持たせることは必要でない。このため、各触媒63、64に吸着されるNOxが飽和に達したときの各触媒の再生処理は第1実施形態よりも簡単であり、これを図19、図20、図21に示す。図19、図20、図21は、第1実施形態の図6、図14、図16と置き換わるものである。なお、図19において図6と同一部分、図20において図14と同一部分、図21において図16と同一部分には同一のステップ番号を記して、その説明は省略する。
【0096】
燃料中には硫黄分が含まれており、その硫黄によってλ変動型触媒が被毒の影響をうけるのであるが、第2実施形態によれば、低温予混合燃焼域でない領域(高負荷域)でだけλ変動型触媒に排気を流せばよいので、硫黄分による被毒の影響を受けなくて済み(高負荷領域では排気温度が十分高いため、λ変動型触媒に硫黄が堆積しにくい)、これによってλ変動型触媒の耐久性が向上する。
【0097】
実施形態では、λ変動型触媒とHC変動型触媒の組み合わせで説明したが、λ変動型NOx触媒単独と低温予混合燃焼を行わせることのできるエンジンとを組み合わせてもかまわない(図22参照)。このもの(第3実施形態)に対するフローチャートを図23、図24に示す。図23、図24は、第1実施形態の図6、図14と置き換わるおものである。なお、図23において図6と同一部分、図24において図14と同一部分には同一のステップ番号を記して、その説明は省略する。
【0098】
低温予混合燃焼によれば、排気中のNOxを従来のディーゼルエンジン(EGR無し)の1/50程度にまで低減可能であり、NOxの排出量が多くて問題となるのは低温予混合燃焼を行わせることが困難となる運転域、つまり高負荷域である。この高負荷域においては、スモーク性能を悪化させることなく排気の空燃比をリッチ化することが可能である。第3実施形態によれば、高負荷域において排出されるNOxをλ変動型触媒を用いて浄化することが可能となり、これによって全運転域においてNOxの排出量を抑制することができる。
【0099】
第1実施形態では、排気通路の上流側よりλ変動型触媒、HC変動型触媒の順に配置する場合で説明したが、2種類の触媒の配置方法はこれに限られるものでなく、実験してみたところでは、排気通路の上流側よりHC変動型触媒、λ変動型触媒の順に配置しても同様の結果が得られている。ただし、鉄を含む触媒とランタンを含む触媒とだけは、HC濃度が高いとNOx吸着量が減ってしまう特性を有するので(実験結果)、これらの触媒だけは下流側に配置する必要がある。
【0100】
実施形態では、低温予混合燃焼を行うことの可能なエンジンを対象として説明したが、これに限られるものでない。たとえば、低中負荷域をEGR域として予め定めており、運転条件がこのEGR域にあるとき吸気中に還流される排気量(EGR量)を制御し、これに対してEGR域を外れると、EGRを中止するようにしたエンジンを対象としてもかまわない。
【0101】
実施形態では、HC濃度変動処理としてHC濃度を増加させる場合で説明したが、HC濃度の増加とこれに続く減少とを短い周期で繰り返すようにしてもかまわない。
【0102】
第2実施形態では、排気流れの切換のため2つの制御弁を設けているが、これに限られるものでない。たとえば分岐通路の分岐部や2つの分岐通路の集合部に1つの流量制御弁を設けてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の制御システム図。
【図2】低温予混合燃焼を行わせるエンジンのNOx排出量の特性図。
【図3】HC変動型触媒のNOx吸着過程とNOx脱離還元過程を示すモデル図。
【図4】触媒入口のHC濃度をステップ的に大きくしたときのHC変動型触媒の触媒出口におけるNOx濃度の変化波形図。
【図5】2つの酸素濃度条件におけるHC濃度変動によるNOx低減率を示す表図。
【図6】触媒の再生処理を説明するためのフローチャート。
【図7】HC吸着量の演算を説明するためのフローチャート。
【図8】HC吸着速度のマップ特性図。
【図9】λ変動型触媒のNOx吸着量の演算を説明するためのフローチャート。
【図10】HC変動型触媒のNOx吸着量の演算を説明するためのフローチャート。
【図11】NOx吸着速度のマップ特性図。
【図12】吸着係数のマップ特性図。
【図13】運転領域図。
【図14】リッチスパイク処理を説明するためのフローチャート。
【図15】昇温処理を説明するためのフローチャート。
【図16】HC濃度変動処理を説明するためのフローチャート。
【図17】第2実施形態の制御システム図。
【図18】第2実施形態の排気流れの切換処理を説明するためのフローチャート。
【図19】第2実施形態の再生処理を説明するためのフローチャート。
【図20】第2実施形態のリッチスパイク処理を説明するためのフローチャート。
【図21】第2実施形態のHC濃度変動処理を説明するためのフローチャート。
【図22】第3実施形態の制御システム図。
【図23】第3実施形態の再生処理を説明するためのフローチャート。
【図24】第3実施形態のリッチスパイク処理を説明するためのフローチャート。
【図25】第1の発明のクレーム対応図。
【図26】第6の発明のクレーム対応図。
【図27】第13の発明のクレーム対応図。
【符号の説明】
6 EGR弁
33 アクセル開度センサ
34 クランク角センサ
41 コントロールユニット
52 排気タービン
53 可変ベーン
55 λ変動型触媒
56 HC変動型触媒
57、58 温度センサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device for a diesel engine.
[0002]
[Prior art]
NOx in the exhaust is adsorbed in the range of lean air-fuel ratio (the air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio), and the exhaust air-fuel ratio becomes the catalyst at the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio (air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio). A NOx catalyst that desorbs the adsorbed NOx and reduces and purifies the desorbed NOx using HC and CO present in a stoichiometric or rich air-fuel ratio atmosphere as a reducing agent is provided in the exhaust passage. Some are provided (see Japanese Patent Publication No. 2600492).
[0003]
Here, since this NOx catalyst can purify (regenerate the catalyst) NOx adsorbed on the catalyst by changing (fluctuating) the excess air ratio λ, this catalyst is hereinafter referred to as “λ variable catalyst”. That's it.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the above-mentioned λ-variable catalyst is intended for a gasoline engine, this λ-variable catalyst is applied to a diesel engine that is operated in a lean state with an air-fuel ratio of approximately 20 or more in the entire operation range. Is difficult. This is because if the air-fuel ratio is made rich in a diesel engine, smoke will be worsened.
[0005]
However, since the common rail fuel injection device is provided and performed in a limited operating range such as a high load range, the deterioration of smoke can be suppressed by promoting atomization of sprayed fuel by high pressure injection, so the air-fuel ratio is made rich. Is possible. In other words, it is difficult to perform rich combustion while suppressing the deterioration of smoke in a practical operation range such as a low and medium load range. As described above, in the conventional diesel engine, NOx discharged in the practical operation range cannot be treated with the λ fluctuation type catalyst, and therefore, EGR (exhaust gas recirculation) is relied on to reduce NOx in the practical operation range. It is inevitable.
[0006]
Now, when the HC concentration in the exhaust gas is almost constant in the lean air-fuel ratio region, NOx in the exhaust gas is adsorbed, and when the HC concentration at the catalyst inlet changes (fluctuates) in the same lean air-fuel ratio region, it adsorbs to the catalyst. The same applicant as the present applicant previously proposed a NOx catalyst that desorbs the NOx that had been removed and reduced and purified the desorbed NOx using HC and CO in the atmosphere as reducing agents. (Refer to Japanese Patent Application Nos. 10-215881 and 10-319689). If this catalyst is used, the catalyst can be regenerated in a practical operation range. Since this catalyst can be regenerated by changing (fluctuating) the HC concentration, this catalyst is hereinafter referred to as “HC fluctuation type catalyst”.
[0007]
Therefore, the present invention uses a combination of a λ-variable catalyst and an HC-variable catalyst for an engine that performs exhaust gas recirculation in the low-medium load region as an EGR region and stops EGR (exhaust gas recirculation) in the high-load region. When the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation, the HC variable catalyst is regenerated by changing the HC concentration in the exhaust gas flowing into the HC variable catalyst in the EGR region. When the NOx adsorption amount of the λ fluctuation type catalyst reaches saturation, the air / fuel ratio of the exhaust gas flowing into the λ fluctuation type catalyst is enriched in a region other than the EGR region (high load region). The purpose is to regenerate the catalyst while preventing the deterioration of smoke.
[0008]
On the other hand, the low-medium load region is a low-temperature premixed combustion region, the fuel injection timing until after the compression top dead center is delayed, and the oxygen ignition concentration reduction due to exhaust gas recirculation increases the fuel ignition delay period. An engine that forms a premixed mixture in which the fuel is sufficiently vaporized during the period to perform low-temperature premixed combustion, and shifts to diffusion-based combustion in a high load range where this low-temperature premixed combustion becomes difficult (Refer to Japanese Patent Laid-Open No. 7-4287), this engine has a smaller amount of NOx emission than an engine that performs the EGR described above.
[0009]
Therefore, the present invention is also intended for this engine and uses a combination of a λ fluctuation type catalyst and an HC fluctuation type catalyst. When the NOx adsorption amount of the HC fluctuation type catalyst reaches saturation, The HC fluctuation type catalyst is regenerated by changing the HC concentration in the exhaust gas flowing into the HC fluctuation type catalyst, and when the NOx adsorption amount of the λ fluctuation type catalyst reaches saturation, the low temperature premixed combustion region By regenerating the λ-variable catalyst by enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the λ-variable catalyst in a region other than the high-load region, this further promotes the purification of NOx in the entire operation region. Objective.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As shown in FIG. 25, the first invention includes a λ fluctuation type catalyst 71, an HC fluctuation type catalyst 72, means 73 for determining whether or not an EGR region (low / medium load region), and the determination result. Means 74 for controlling the exhaust amount (EGR amount) recirculated into the intake air in the EGR region, and when the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst 72 reaches saturation, the HC variable catalyst 72 in the EGR region. 75 for varying the HC concentration in the exhaust gas flowing into the exhaust gas, and when the NOx adsorption amount of the λ-variable catalyst 71 reaches saturation, the λ-variable catalyst is not in the EGR region (high load region). Means 76 for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into 71 (including the theoretical air-fuel ratio).
[0011]
According to a second aspect, in the first aspect, the λ variation type catalyst and the HC variation type catalyst are arranged in this order from the upstream side of the exhaust passage (in series arrangement), and HC adsorption is performed on the upstream λ variation type catalyst. Give ability.
[0012]
According to a third invention, in the second invention, the exhaust temperature raising means is provided, and HC sufficient to regenerate the HC variable catalyst in the EGR region is adsorbed on the λ variable catalyst, and When the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation when the temperature condition is not such that HC desorbs from the λ variable catalyst, the exhaust temperature increasing means reaches the temperature at which HC is desorbed from the λ variable catalyst. Increase the exhaust temperature.
[0013]
According to a fourth invention, in the second invention, the HC concentration variation means is provided, and HC sufficient to regenerate the HC variation catalyst in the EGR region is not adsorbed on the λ variation catalyst, and The HC concentration in the exhaust gas flowing through the HC variation type catalyst by the HC concentration variation means when the NOx adsorption amount of the HC variation type catalyst reaches saturation when the temperature condition is not desorbing HC from the λ variation type catalyst. Fluctuate.
[0014]
According to a fifth aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the exhaust passage is branched to arrange the λ-variable catalyst in one branch passage and the HC-variable catalyst in the other branch passage (parallel arrangement). Means for switching the exhaust flow to the branch passage is provided. By this switching means, the exhaust gas is caused to flow to the HC variable catalyst in the EGR region, and when the region is not the EGR region (high load region), the λ variable catalyst is Flow exhaust.
[0015]
As shown in FIG. 26, the sixth invention includes a λ fluctuation type catalyst 71, an HC fluctuation type catalyst 72, a means 81 for determining whether or not the low temperature premixed combustion zone, and a low temperature premixing result from the determination result. In the combustion zone, the fuel injection timing until after the compression top dead center is delayed, and the oxygen concentration is reduced by exhaust gas recirculation, so that the fuel ignition delay period is lengthened, and the fuel is sufficiently vaporized during this ignition delay period. When the NOx adsorption amount of the HC fluctuation type catalyst 72 reaches saturation, the means 82 for forming the gas and performing the low temperature premix combustion burns into the HC fluctuation type catalyst 72 in the low temperature premix combustion region. When the NOx adsorption amount of the means 83 for varying the HC concentration in the exhaust gas and the λ variable catalyst 71 reaches saturation, the exhaust gas flowing into the λ variable catalyst 71 in a region that is not in the low temperature premixed combustion region. Rich air / fuel ratio And means 84 for) of including an air-fuel ratio.
[0016]
According to a seventh aspect, in the sixth aspect, the λ variation type catalyst and the HC variation type catalyst are arranged in this order from the upstream side of the exhaust passage (in series arrangement), and HC adsorption is performed on the upstream λ variation type catalyst. Give ability.
[0017]
In an eighth aspect of the invention, the exhaust temperature raising means is provided in the seventh aspect of the invention, and HC sufficient to regenerate the HC variable catalyst is adsorbed on the λ variable catalyst in the low temperature premixed combustion zone. When the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation when the temperature condition is not such that HC desorbs from the λ variable catalyst, HC is desorbed from the λ variable catalyst by the exhaust temperature raising means. Increase the exhaust temperature to the desired temperature.
[0018]
In a ninth aspect, the HC concentration variation means according to the seventh aspect is provided, and HC sufficient to regenerate the HC variation type catalyst in the low temperature premixed combustion zone is adsorbed to the λ variation type catalyst. And when the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation when the temperature condition is not desorbed from the λ variable catalyst, the exhaust gas flowing through the HC variable catalyst by the HC concentration changing means The HC concentration is varied.
[0019]
According to a tenth aspect, in the sixth aspect, the exhaust passage is branched, the λ-variable catalyst is arranged in one branch passage, and the HC-variable catalyst is arranged in the other branch passage (parallel arrangement). A means for switching the exhaust flow to the branch passage is provided, and by this switching means, exhaust gas flows to the HC variable catalyst in the low-temperature premixed combustion region, and when the region is not in the low-temperature premixed combustion region (high load region). Exhaust gas is allowed to flow through the λ variable catalyst.
[0020]
In an eleventh aspect of the invention, in the third or eighth aspect, when the exhaust temperature raising means includes post-injection, retarded fuel injection timing, intake throttle, and the λ-variable catalyst includes a heater, at least heating of the heater is performed. A means to do one.
[0021]
In a twelfth aspect, in the fourth or ninth aspect, the HC concentration changing means is means for performing at least one of post injection, delay of fuel injection timing, and early pilot injection.
[0022]
As shown in FIG. 27, the thirteenth invention includes a λ fluctuation type catalyst 71, a means 81 for determining whether or not the low temperature premixed combustion region, and a compression top dead center in the low temperature premixed combustion region based on the determination result. The fuel injection timing until later is delayed, the oxygen concentration is reduced by exhaust gas recirculation, the fuel ignition delay period is lengthened, and during this ignition delay period, a premixed gas in which the fuel is sufficiently vaporized is formed, and the low temperature pre- When the NOx adsorption amount of the means 82 for performing mixed combustion and the λ-variable catalyst 71 reaches saturation, it flows into the λ-variable catalyst 71 in a region (high load region) that is not the low-temperature premixed combustion region. Means 84 for enriching the air-fuel ratio of the exhaust (including the stoichiometric air-fuel ratio).
[0023]
In a fourteenth aspect of the invention, the supercharging pressure control means according to any one of the first to thirteenth aspects is provided, and means for enriching the air-fuel ratio of exhaust (including the stoichiometric air-fuel ratio) includes the supercharging pressure control. Means for reducing the supercharging pressure by means.
[0024]
According to a fifteenth aspect, in any one of the first to thirteenth aspects, a common rail fuel injection device, a common rail pressure control unit, and a supercharging pressure control unit are provided, and the exhaust air-fuel ratio is rich ( Means for increasing the common rail pressure by the common rail pressure control means and delaying the fuel injection timing to promote atomization of the spray. In this case, the fuel injection timing is retarded. The fuel injection amount is increased in order to compensate for the torque reduction due to the above, and the supercharging pressure is controlled by the supercharging pressure control means.
[0025]
【The invention's effect】
In contrast to the λ fluctuation type catalyst, which cannot be regenerated under lean air-fuel ratio conditions (normal diesel engine exhaust conditions), the HC fluctuation type catalyst changes the HC concentration at the catalyst inlet to change the HC fluctuation type catalyst. Can be played. According to the first aspect of the present invention, the HC variable catalyst is regenerated in the EGR range (low and medium load range), which is a lean air-fuel ratio condition, and the air-fuel ratio is made rich (including stoichiometric). When the region is outside the possible EGR region (high load region), the λ fluctuation type catalyst is regenerated. By differentiating the catalyst to be regenerated for each region (EGR region and other regions) where the NOx emission amount is greatly different, it is possible to regenerate the two catalysts together while preventing the deterioration of smoke. Since the enrichment is performed only in a region (high load region) that is not in the EGR region, it is possible to minimize deterioration in fuel consumption due to enrichment of the air-fuel ratio.
[0026]
According to the second and seventh inventions, at the time of low load in the EGR region and the low temperature premixed combustion region, HC sufficient to enable regeneration of the subsequent HC variable catalyst is adsorbed on the previous λ variable catalyst. Then, when the exhaust gas temperature rises due to acceleration in the EGR region or the low temperature premixed combustion region and the temperature condition is such that HC is desorbed, a sufficient amount of HC is desorbed from the preceding λ fluctuation type catalyst. Therefore, the subsequent HC fluctuation type catalyst can be regenerated without bothering to supply secondary HC. In addition, when the exhaust air-fuel ratio is enriched outside the EGR region and the low temperature premixed combustion region (high load region), not only the previous λ variation type catalyst but also the subsequent HC variation type catalyst can be regenerated. Yes (because the NOx adsorbed by the HC variable catalyst at the latter stage is also desorbed and reduced when the atmosphere is in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio (three-way region) due to the rise in exhaust temperature accompanying regeneration of the λ variable catalyst.) .
[0027]
NOx adsorption of the HC variable catalyst when HC sufficient to regenerate the HC variable catalyst at the rear stage is adsorbed to the λ variable catalyst at the front stage when the load is low in the EGR region or the low temperature premixed combustion region. Even if the amount reaches saturation, if the low load operation is continued, desorption of HC from the λ-variable catalyst cannot be expected. According to the third, eighth, and eleventh inventions, Since the HC adsorbed on the λ fluctuation type catalyst can be desorbed by the exhaust temperature raising means, when the NOx adsorption amount of the HC fluctuation type catalyst reaches saturation, the low load operation is continued. Even if there is, the HC fluctuation type catalyst can be regenerated.
[0028]
Even if the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation in the EGR region or the low temperature premixed combustion region, HC sufficient to regenerate the HC variable catalyst is not adsorbed to the preceding λ variable catalyst. Even if the exhaust temperature is raised to a temperature at which HC is desorbed from the λ fluctuation type catalyst by the exhaust temperature raising means, the HC concentration in the exhaust flowing through the HC fluctuation type catalyst cannot be sufficiently varied, and the HC fluctuation type Although the regeneration of the catalyst is incomplete, according to the fourth, ninth, and twelfth inventions, the HC that can regenerate the HC variable catalyst by the HC concentration changing means is secondary. Therefore, when the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation in the EGR region or the low temperature premixed combustion region, HC sufficient to regenerate the HC variable catalyst is accumulated in the λ variable catalyst. HC fluctuation even if not The catalyst can be reproduced.
[0029]
Sulfur is contained in the fuel, and the λ fluctuation type catalyst is affected by poisoning due to the sulfur, but according to the fifth and tenth inventions, it is not an EGR region or a low temperature premixed combustion region. Since it is only necessary to flow the exhaust through the λ variable catalyst only in the region (high load region), it is not necessary to be affected by poisoning due to sulfur (the exhaust temperature is sufficiently high in the high load region, so the λ variable catalyst has sulfur As a result, the durability of the λ-variable catalyst is improved.
[0030]
The amount of NOx adsorbed and desorbed and reduced by the HC variable type catalyst is currently considerably smaller than that of the λ variable type catalyst. When the target is a normal diesel engine (without EGR) mainly based on diffusion combustion, the catalyst Since the NOx concentration at the inlet is higher than that at low temperature premixed combustion, the NOx adsorption amount of the HC fluctuation type catalyst immediately reaches saturation, and the regeneration of the catalyst that has reached the saturation causes the HC concentration at the catalyst inlet to be considerably increased. It is necessary to fluctuate with. For this reason, if the change in the HC concentration at the catalyst inlet is performed by the secondary HC supply, the fuel efficiency and drivability are deteriorated, but the sixth invention performs the low temperature premixed combustion. This is a combination with an engine. According to low temperature premixed combustion, the NOx concentration at the catalyst inlet is originally low, so the time to regenerate the HC variable catalyst is greatly delayed. Such a reduction can suppress deterioration of fuel consumption and drivability.
[0031]
According to the low temperature premixed combustion, the NOx in the exhaust can be reduced to about 1/50 of that of a conventional diesel engine (without EGR). It is an operating range where it is difficult to perform, that is, a high load range. In this high load region, it is possible to enrich the air-fuel ratio of the exhaust without degrading the smoke performance. According to the thirteenth aspect, it becomes possible to purify NOx discharged in the high load region by using the λ fluctuation type catalyst, thereby suppressing the NOx emission amount in the entire operation region.
[0032]
According to the fourteenth aspect of the invention, the charging efficiency is lowered due to the reduction of the supercharging pressure, thereby making it possible to enrich the air-fuel ratio of exhaust.
[0033]
According to the fifteenth aspect, the air-fuel ratio of the exhaust gas can be enriched while preventing the deterioration of smoke and without reducing the torque.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a diesel engine.
[0035]
In the combustion of a diesel engine, the amount of NOx produced greatly depends on the combustion temperature, and it is effective to lower the combustion temperature relatively for the reduction. In the low temperature premixed combustion system, the oxygen concentration is reduced by an exhaust gas recirculation system (EGR), thereby realizing low temperature combustion. For this reason, the exhaust passage 2 and the intake passage 3 are connected by an EGR passage 4, and a diaphragm type EGR valve 6 that operates according to the control negative pressure from the negative pressure control valve 5 is provided in the middle of the EGR passage 4. A part of the exhaust is recirculated into the intake air.
[0036]
The negative pressure control valve 5 is driven by a duty control signal from the control unit 41 so as to obtain an appropriate EGR rate according to the operating conditions of the engine. For example, the EGR rate is set to a maximum of 100 percent (the intake air flow rate and the EGR gas flow rate are the same amount) in a low rotation and low load range, and the EGR rate is decreased as the rotation speed and load increase. Since the exhaust gas temperature rises on the high load side, when a large amount of EGR gas is recirculated, the intake air temperature rises, which in turn causes the combustion temperature to rise relatively, reducing the effect of reducing NOx, and igniting the injected fuel. The delay period is shortened and premixed combustion cannot be realized. For this reason, the EGR rate is decreased as the load becomes higher.
[0037]
An EGR gas cooling device 7 is provided in the middle of the EGR passage 4. This is formed around the EGR passage 4 and has a water jacket 8 in which a part of the engine cooling water is circulated, and the circulation amount of this cooling water is a flow rate provided at the cooling water inlet 7a. It can be adjusted by the control valve 9. The degree of cooling of the EGR gas increases as the opening degree of the control valve 9 increases according to a command from the control unit 41.
[0038]
The intake passage near the intake port of the engine is provided with a swirl control valve (not shown). When the opening degree of the swirl control valve is controlled by the control unit 41 and is closed in the low engine speed and low load range (the opening degree is decreased), the flow rate of the intake air sucked into the combustion chamber is increased and the swirl strong against the combustion chamber Is generated. However, when the swirl becomes strong, the heat exchange rate of the working gas in the cylinder increases, and the working gas temperature relatively decreases.
[0039]
A hollow combustion chamber (not shown) formed in the piston is a large-diameter toroidal combustion chamber. In this, the piston cavity is formed in a cylindrical shape from the crown to the bottom of the piston without restricting the inlet, and a conical part is formed in the center of the bottom, and this conical part enters the piston cavity later in the compression stroke. In order not to give resistance to the swirl that flows while swirling, the mixing of air and fuel is further improved.
[0040]
Thus, the swirl generated by the swirl control valve is diffused from the inside of the piston cavity to the outside of the cavity as the piston descends during the combustion process, due to the cylindrical piston cavity that does not restrict the inlet. The swirl is maintained outside the cavity.
[0041]
The exhaust passage 2 is provided with a turbocharger downstream of the branch point of the EGR passage 4. This turbocharger is provided with a variable vane 53 driven by a step motor 54 at the scroll inlet of the exhaust turbine 52. The variable vane 53 is controlled by the control unit 41, and is controlled to a vane angle that increases the flow rate of the exhaust gas introduced into the exhaust turbine 52 on the low rotation side so that a predetermined supercharging pressure is obtained from the low engine rotation range. On the high rotation side, the vane angle (full open state) that allows exhaust to be introduced into the exhaust turbine 52 without resistance is controlled. Further, the variable vane 53 is controlled to a vane angle at which a desired supercharging pressure is obtained depending on the operating conditions.
[0042]
The engine is equipped with a common rail fuel injection device.
[0043]
This is mainly composed of a fuel tank (not shown), a supply pump 14, a common rail (accumulation chamber) 16, and a fuel injection nozzle 17 provided for each cylinder, and the high-pressure fuel generated in the high-pressure supply pump 14 is stored in the common rail 16. The start and end of the injection can be freely controlled by opening and closing the nozzle needle by the three-way valve 25 in the fuel injection nozzle 17. The fuel pressure in the common rail 16 is always controlled to an optimum value required by the engine by a pressure sensor (not shown) and a discharge amount control mechanism (not shown) of the supply pump 14.
[0044]
The control of the fuel injection amount, the injection timing, the fuel pressure, and the like is performed by a control unit 41 constituted by a microprocessor. For this reason, the control unit 41 receives signals from an accelerator opening sensor 33, a sensor 34 for detecting the engine speed and crank angle, a sensor (not shown) for cylinder discrimination, and a water temperature sensor 38. Based on this, the control unit 41 calculates the target fuel injection amount and the fuel injection timing according to the engine speed and the accelerator opening, and sets the ON time of the three-way valve 25 in the nozzle corresponding to the target fuel injection amount. In addition, the ON timing of the three-way valve 25 is controlled corresponding to the target injection timing. Further, the fuel pressure of the common rail 16 is feedback-controlled through the discharge amount control mechanism of the supply pump 14 so that the common rail pressure detected by a pressure sensor (not shown) matches the target pressure.
[0045]
The fuel injection timing is delayed from the normal injection timing in order to realize low temperature premixed combustion. For example, the fuel injection is set to start within a predetermined range after compression top dead center at the crank angle. As a result, the ignition delay period of the injected fuel is lengthened, during which the fuel vaporization is promoted, and it is possible to ignite in a state sufficiently mixed with air. As a result, low-temperature premixed combustion is performed under a low oxygen concentration due to exhaust gas recirculation, and NOx can be reduced without increasing particulates.
[0046]
On the other hand, a λ fluctuation type catalyst 55 and an HC fluctuation type catalyst 56 are provided in the exhaust passage 2 downstream of the exhaust turbine 52 from the upstream side.
[0047]
Here, the λ fluctuation type catalyst 55 adsorbs NOx in the exhaust in the lean air-fuel ratio region, and desorbs the NOx adsorbed on the catalyst when the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio. In addition, the λ fluctuation type catalyst is a catalyst that reduces and purifies the desorbed NOx by using HC and CO present in a stoichiometric air-fuel ratio atmosphere or a rich air-fuel ratio atmosphere as a reducing agent. It is known by the number etc. For example, the NOx adsorbent contains at least one selected from an alkali metal consisting of potassium, sodium, lithium and cesium, an alkaline earth consisting of barium and calcium, a rare earth consisting of lanthanum and yttrium, and platinum.
[0048]
As will be described later, the λ variation type catalyst 55 is regenerated in a region other than the low temperature premixed combustion region, but the λ variation type catalyst 55 also carries alumina, zeolite (ZSM5, β, USY) and the like. Therefore, it has HC adsorption capacity.
[0049]
On the other hand, the HC fluctuation type catalyst adsorbs NOx in the exhaust when the HC concentration in the exhaust gas is substantially constant in the lean air-fuel ratio region, and the HC concentration at the catalyst inlet changes in the same lean air-fuel ratio region ( The NOx catalyst that desorbs NOx adsorbed on the catalyst and reduces and purifies the desorbed NOx using HC and CO in the atmosphere as reducing agents. The details have been previously proposed by the same applicant as the present applicant (see Japanese Patent Application Nos. 10-295881 and 10-319689).
[0050]
Specifically, alkali metals consisting of potassium, sodium, lithium and cesium, alkaline earth metals consisting of barium, magnesium, calcium and strontium, rare earths consisting of lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium and samarium, manganese and iron , A catalyst containing at least one selected from transition metals consisting of nickel and cobalt, zirconium and yttrium and at least one selected from platinum, palladium, rhodium and iridium. The NOx adsorption process is shown on the left side of FIG. NOx is NOThree -It is adsorbed in the state of (nitrate ions), and in the desorption reduction process, as shown on the right side of FIG.Three -Is N2It is thought to be.
[0051]
When the concentration of HC and CO at the catalyst inlet is increased stepwise, the NOx concentration at the catalyst outlet changes as shown in FIG. 4 with reference to the EOE level (the NOx concentration level when there is no catalyst). In the figure, NOx is adsorbed to the catalyst in the region A below the EOE level, NOx is desorbed from the catalyst in the region B exceeding the EOE level due to the step increase in the HC concentration, and from the EOE level after the step increase in the HC concentration. NOx is reduced and purified in the lower region C. As a result, A + B−C (≧ 0) is the amount of NOx purified by the total catalyst.
[0052]
In this case, the NOx reduction rate is compared between the case where the atmospheric oxygen concentration in the desorption reduction process is 3% (a condition close to rich) and the case where the atmospheric oxygen concentration is 10% (a lean condition where the air-fuel ratio is 18 or more). When the atmospheric oxygen concentration is 3%, 8% and 3% NOx are reduced in the interval between t1 and t2 when the atmospheric oxygen concentration is 3%, whereas the interval between t1 and t2 when the atmospheric oxygen concentration is 10%. 35% and 2% NOx are reduced. In other words, while there is no difference between the two in the steady t2 interval, the lean condition actually reduces NOx four times or more in the lean condition. In other words, in the HC variable catalyst, NOx can be desorbed and reduced by giving HC concentration fluctuations under lean conditions with an air-fuel ratio of 18 or more.
[0053]
However, at present, the amount of NOx that can be desorbed and reduced by the HC variable catalyst is much smaller than that of the λ variable catalyst. Therefore, in the present embodiment, low-temperature premixed combustion is performed using the low-medium load region as the low-temperature premixed combustion region, and the high-load region where the low-temperature premixed combustion becomes difficult is shifted to the combustion based on diffusion combustion. For an engine, a λ variable catalyst 55 having an HC adsorption function and an HC variable catalyst 56 are arranged in this order from the upstream side of the exhaust passage. At this time, the two types of NOx catalysts 55 and 56 are regenerated as follows.
[0054]
1) Low temperature premixed combustion zone:
(1) When HC sufficient to enable regeneration of the HC variable catalyst is changed to the HC desorption region from a state where the HC is adsorbed on the λ variable catalyst: Is the temperature condition at which is desorbed. If HC that can regenerate the HC variable catalyst is adsorbed to the λ variable catalyst under a temperature condition that does not desorb HC from the λ variable catalyst, the exhaust temperature will increase with acceleration in the low and medium load range. When the HC desorption region is reached, the HC concentration in the exhaust gas flowing through the HC variation type catalyst is sufficiently varied by the HC desorbing from the λ variation type NOx catalyst. Can play.
[0055]
(2) NOx adsorption of the HC variable catalyst when the HC variable catalyst is adsorbed to the λ variable catalyst and the temperature is not desorbed from the λ variable catalyst. When the amount reaches saturation, the exhaust temperature is raised to a temperature at which HC is desorbed from the λ-variable catalyst by the exhaust temperature raising means. When the λ fluctuation type catalyst rises to a temperature at which HC is desorbed, the HC concentration of the exhaust gas flowing through the HC fluctuation type catalyst fluctuates due to the HC desorbing from the λ fluctuation type NOx catalyst, thereby regenerating the HC fluctuation type catalyst. . Here, in order to raise the temperature of the exhaust, this heater heating in the case where the post injection, the delay of the fuel injection timing, the intake throttle, and the λ variable NOx catalyst are provided with a heater can be considered.
[0056]
(3) NOx of the HC variable type catalyst when the HC variable type catalyst is not adsorbed by the λ variable type catalyst and the temperature condition does not desorb HC from the λ variable type catalyst. When the adsorption amount reaches saturation, the HC concentration in the exhaust flowing through the HC variable catalyst is changed by the HC concentration changing means. The HC concentration of the exhaust gas flowing through the HC fluctuation type catalyst fluctuates due to secondary HC supply by the operation of the HC concentration fluctuation means, and the HC fluctuation type catalyst is regenerated. Here, in order to change (increase or increase / decrease) the HC concentration in the exhaust, post injection, delay of fuel injection timing, early pilot injection, and the like are conceivable.
[0057]
2) High load range (regions other than the low temperature premixed combustion range):
The λ fluctuation NOx catalyst is regenerated by the rich spike process.
[0058]
The contents of this control executed by the control unit 41 will be described according to the following flowchart.
[0059]
FIG. 6 is for performing the regeneration process of the two catalysts 55 and 56, and is executed at regular intervals.
[0060]
In step 1, operating conditions such as the engine speed Ne and the accelerator opening (or engine torque) are read. In step 2, the HC adsorption amount a1 of the λ-variable catalyst is calculated. This calculation will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0061]
In FIG. 7, the engine speed Ne and the catalyst temperature Tcat1 (detected by the temperature sensor 57) of the λ fluctuation type catalyst are read in step 21, and a map containing FIG. (HC adsorption amount per predetermined time (calculation cycle)) aa1 is calculated, and in step 23, this is the previous HC adsorption amount a1.-1Is added as the current HC adsorption amount a1. In FIG. 8, the region where the catalyst temperature Tcat1 is lower than the predetermined value T1 is the HC adsorption region, and when the catalyst temperature Tcat1 becomes equal to or higher than the predetermined value T1, HC is desorbed. T1 which is a temperature for defining this boundary is a temperature of about 200 to 300 ° C., and the HC desorption temperature is lower than the NOx desorption temperature (400 to 500 ° C. or more).
[0062]
When the HC adsorption amount a1 is calculated in this way, the process returns to FIG. 6, and in steps 3 and 4, the NOx adsorption amounts b1 and b2 of the two catalysts are calculated. The calculation of these NOx adsorption amounts b1 and b2 will be described with reference to FIGS.
[0063]
In FIG. 9, the engine speed Ne and the catalyst temperature Tcat1 of the λ variable catalyst are read in step 31, and the maps containing the contents of FIG. 11 are retrieved in steps 32 and 33, thereby the NOx adsorption of the λ variable catalyst. Speed (NOx adsorption amount per predetermined time) bb1, and the previous NOx adsorption amount b1-1From FIG. 12, the adsorption coefficient k1 is calculated by searching a table having the contents shown in FIG.
[0064]
[Expression 1]
b1 = b1-1+ Bb1 × k1
The NOx adsorption amount b1 of the λ fluctuation type catalyst is updated by the following equation.
[0065]
FIG. 10 is similar to FIG. That is, in step 41, the engine speed Ne and the catalyst temperature Tcat2 (detected by the temperature sensor 58) of the HC variable catalyst are read, and from these, the map having the same contents as in FIG. NOx adsorption speed (NOx adsorption amount per predetermined time) bb2 of the type catalyst, and b2 which is the previous NOx adsorption amount-1From FIG. 12, a suction coefficient k2 is calculated by searching a table having the contents shown in FIG.
[0066]
[Expression 2]
b2 = b2-1+ Bb2 × k2
The NOx adsorption amount b2 of the HC variable catalyst is updated by the following equation.
[0067]
Under the condition that the NOx in the exhaust gas is hardly absorbed by the catalysts 55 and 56, the NOx in the exhaust gas is well adsorbed by the catalyst. On the other hand, when the NOx adsorption amount approaches a saturated state, It will not be adsorbed. This is represented by the adsorption coefficients k1 and k2. Therefore, the adsorption coefficients k1 and k2 are the conditions under which NOx is hardly absorbed as shown in FIG. 12 (that is, b1-1≒ 0, b2-1≒ 0), which is 1.0, and becomes smaller as the NOx adsorption amount increases. In addition, since the λ variation type catalyst is better adsorbed, k1> k2.
[0068]
When the calculation of the NOx adsorption amounts b1 and b2 is completed in this manner, the process returns to FIG. 6 and it is checked in step 5 whether or not the operating point determined from the engine speed Ne and the engine torque is in the low temperature premixed combustion region. The operating range in which low-temperature premixed combustion can be performed is determined in advance by engine specifications such as the compression ratio. Here, as shown in FIG. 13, a description will be given of a case where low temperature premixed combustion can be performed in a low and medium load region and low temperature premixed combustion cannot be performed in a high load region. This is because low-temperature premixed combustion can be performed by a large amount of EGR in the low and medium load range, but in the high load range, combustion cannot be controlled by EGR, and the low-temperature premixed combustion is changed to the combustion mainly from diffusion combustion. This is because it moves.
[0069]
If the operating point is not in the low temperature premixed combustion region (MK region in the figure), the process proceeds to step 6 where the NOx adsorption amount b1 of the λ variable catalyst is compared with the predetermined value b01. This is a part for determining whether or not it is the regeneration time of the λ variable catalyst. If b1 <b01, it is determined that the NOx adsorption amount of the λ variable catalyst has not yet reached saturation (not the regeneration time). The current process is terminated as it is.
[0070]
If b1 ≧ b01 in the non-low temperature premixed combustion zone, it is determined that the regeneration time has come, and the routine proceeds from step 6 to step 7 where rich spike processing is performed to regenerate the λ-variable catalyst. In the rich spike processing, HC and CO are supplied to the λ variable catalyst by enriching the air / fuel ratio (including the theoretical air / fuel ratio), and NOx is supplied from the λ variable catalyst in this rich atmosphere (reducing atmosphere). While desorbing, the desorbed NOx is purified using HC and CO in the atmosphere as reducing agents.
[0071]
The rich spike process will be specifically described with reference to the flow of FIG. 14. In step 51, the time trs after the rich spike process is entered is compared with a predetermined value trs0. The predetermined value trs0 determines the end time of the rich spike processing. By proceeding to step 52 while trs <trs0, the fuel injection timing is retarded by a predetermined amount while the atomization of the spray is promoted by increasing the common rail pressure by a predetermined value to prevent the deterioration of smoke in the high load range. Enhance vaporization of atomized spray. In this case, since the torque generated by the engine decreases with the delay of the fuel injection timing, the fuel injection amount is increased by a predetermined amount to compensate for the torque decrease. Further, the intake vane efficiency is lowered by opening the variable vane 53 by a predetermined amount to lower the supercharging pressure, thereby creating a rich air-fuel ratio state.
[0072]
In this case, although not shown, it is possible to further purify the desorbed NOx by installing a three-way catalyst downstream of the λ fluctuation type catalyst.
[0073]
If the rich spike process continues for a while (trs ≧ trs0), all NOx adsorbed on the λ-variable catalyst is desorbed and reduced (that is, regeneration is complete), so the process proceeds from step 51 to step 53, where After the NOx adsorption amount b1 is returned to 0, in step 54, the common rail pressure, fuel injection timing, fuel injection amount, and variable vane angle are returned to their original values.
[0074]
Further, the temperature of the λ variable catalyst rises with the regeneration of the λ variable catalyst, and all the HC adsorbed on the λ variable catalyst is oxidized by this temperature increase. Return to zero.
[0075]
Further, the NOx adsorbed on the downstream HC variable catalyst is also reduced and purified (regenerated) when the atmosphere is in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio (three-way region) due to the rise in exhaust temperature accompanying the regeneration of the λ variable catalyst. Therefore, in step 56, the NOx adsorption amount b2 is returned to zero.
[0076]
Returning to FIG. 6, when it is the low temperature premixed combustion region, the process proceeds from step 5 to step 8, where the HC desorption region (HC adsorbed on the λ variation type catalyst is desorbed from the catalyst temperature Tcat1 of the λ variation type catalyst). Check if the temperature condition is coming). The HC desorption region is a region in which the catalyst temperature Tcat1 is equal to or higher than a predetermined value T1 in FIG. When in the HC desorption region, the process proceeds to step 9 and subsequent steps.
[0077]
In steps 9 and 10, the natural regeneration flag (initially set to “0”) is checked, and the HC adsorption amount a1 of the λ fluctuation type catalyst is compared with a predetermined value a0. Here, the predetermined value a0 is set to an amount of HC that causes a change in the HC concentration necessary for regeneration of the HC variable catalyst. When a1 ≧ a0 at the timing of entering the HC desorption region (natural regeneration flag = 0), the HC variable catalyst can be regenerated using HC desorbed from the λ variable catalyst, so step 11 Then, the natural reproduction flag is set (natural reproduction flag = 1). If the natural regeneration flag is set and still in the HC desorption region, the process proceeds from step 9 to step 12 from the next time, and the time td in the HC desorption region is compared with a predetermined value td0. The predetermined value td0 determines the reproduction end time. Therefore, the process is terminated as long as td <td0, and the regeneration of the HC variable catalyst ends when td ≧ td0 is reached. Therefore, the process proceeds to steps 13 and 14, and the NOx adsorption amount b2 of the HC variable catalyst is reduced to 0. In addition, since the HC adsorption amount of the λ-variable catalyst disappears due to HC desorption, the HC adsorption amount a1 is returned to zero.
[0078]
On the other hand, when it is not in the HC desorption region, the process proceeds from step 8 to step 15 to compare the NOx adsorption amount b2 of the HC variable catalyst with a predetermined value b02. This is a part for determining whether or not it is the regeneration timing of the HC variable catalyst. If b2 <b02, it is determined that the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst has not yet reached saturation (not the regeneration timing), The current process is terminated as it is.
[0079]
On the other hand, when b2 ≧ b02, it is determined that the regeneration time has come, and the routine proceeds from step 15 to step 16 where the HC adsorption amount a1 of the λ-variable catalyst is compared with the predetermined value a0. When a1 ≧ a0, it is possible to regenerate the HC variable catalyst as long as HC is desorbed from the λ variable catalyst. Therefore, the process proceeds to step 17 to perform a process for raising the temperature of the exhaust.
[0080]
If there is a sufficient amount of desorbed HC in the HC desorption region than the λ-variable catalyst, supply of this desorbed HC can cause fluctuations in the HC concentration in the exhaust gas flowing through the HC variable-type catalyst. When an operation that causes frequent load fluctuations in the low-temperature premixed combustion region is performed (the catalyst temperature Tcat1 is equal to or higher than T1), the flow from Steps 9 and 10 to Steps 11 to 14 is performed. The HC fluctuation type catalyst is regenerated without supplying basic HC. However, when low load continuous operation continues, the catalyst temperature Tcat1 does not become T1 or higher, and HC desorption from the λ-variable catalyst does not occur, so the NOx adsorption amount of the HC-variable catalyst is saturated. May be reached. Therefore, in this case, a sufficient amount of HC accumulated in the λ fluctuation type catalyst is forcibly desorbed by the exhaust temperature raising means (exhaust temperature raising means).
[0081]
This temperature rising process will be described with reference to the flow of FIG. 15. The time toz after the temperature rising process is started in step 61 is compared with a predetermined value toz0. The predetermined value toz0 determines the reproduction end time. Therefore, while toz <toz0, the routine proceeds to step 62 where (1) post-injection, (2) delay of fuel injection timing, (3) intake throttle, and (4) λ variable NOx catalyst has a heater. By performing at least one of the heater heating, the temperature is raised to the above-described T1, which is a temperature at which the λ variable catalyst desorbs HC.
[0082]
When toz ≧ toz0, all of the NOx adsorbed on the HC variable catalyst is desorbed and purified (regeneration is completed), so the process proceeds from step 61 to steps 63, 64 and 65, where the NOx adsorption amount b2 of the HC variable catalyst is After returning the HC adsorption amount a1 of the λ-variable catalyst to 0, the post-injection, fuel injection timing retardation, intake throttle, and heater heating processes are stopped.
[0083]
Returning to FIG. 6, when a1 <a0 in step 16, the HC fluctuation of the exhaust gas flowing through the HC fluctuation type catalyst becomes insufficient with only the HC adsorption amount of the λ fluctuation type catalyst, and the HC fluctuation type catalyst is regenerated. Therefore, the process of forcibly changing the HC concentration at the inlet of the HC fluctuation type catalyst is performed.
[0084]
This HC concentration fluctuation process will be described with reference to the flow of FIG. 16. In step 71, the time tks after the start of the HC concentration fluctuation process is compared with a predetermined value tks0. The predetermined value tks0 determines the playback end time. Therefore, while tks <tks0, the routine proceeds to step 72, where at least one of (1) post-injection, (2) delay of fuel injection timing, (3) early pilot injection, etc. is performed to achieve the HC variable catalyst. Increase the supply of HC and CO. Here, the post-injection (1) is to discharge the fuel to the engine-out unburned by performing a small amount of injection in an exhaust stroke or the like. The early pilot injection (3) is different from the pilot injection used for reducing the vibration caused by the combustion excitation force, and uses the vicinity of the intake bottom dead center as the injection timing (see Japanese Patent Laid-Open No. 8-218920). ) According to experiments, it has been confirmed that engine-out HC increases.
[0085]
As a result of this process, HC is adsorbed to the λ fluctuation type catalyst. Therefore, in step 73, the HC adsorption speed (HC adsorption amount per predetermined time) aa2 is set to the previous HC adsorption amount a1.-1Is added as the current HC adsorption amount a1. The HC adsorption speed aa2 can also be given by the same map value as in FIG.
[0086]
When tks ≧ tks0, all NOx adsorbed on the HC variable catalyst is desorbed and purified (regeneration is completed), so the process proceeds from Step 71 to Steps 74 and 75, and the NOx adsorption amount b2 of the HC variable catalyst is set to 0. After returning, processing such as post injection, delay of fuel injection timing, and early pilot injection is stopped.
[0087]
Here, the function and effect of the first embodiment will be described.
[0088]
The amount of NOx adsorbed and desorbed and reduced by the HC variable type catalyst is currently considerably smaller than that of the λ variable type catalyst. When the target is a normal diesel engine (without EGR) mainly based on diffusion combustion, the catalyst Since the NOx concentration at the inlet is higher than that at low temperature premixed combustion, the NOx adsorption amount of the HC fluctuation type catalyst immediately reaches saturation, and the regeneration of the catalyst that has reached the saturation causes the HC concentration at the catalyst inlet to be considerably increased. It is necessary to fluctuate with. For this reason, if the fluctuation of the HC concentration at the catalyst inlet is performed by the secondary HC supply, the fuel efficiency and the drivability are deteriorated, but this embodiment performs the low temperature premixed combustion. The target engine is low temperature premixed combustion, because the NOx concentration at the catalyst inlet is originally low, the time to regenerate the HC variable catalyst is greatly delayed, and the chances of regeneration of this HC variable catalyst are greatly reduced. Thus, deterioration of fuel consumption and drivability can be suppressed.
[0089]
Further, according to the present embodiment, when the HC sufficient to regenerate the subsequent HC variable catalyst is adsorbed to the previous λ variable catalyst at a low load in the low temperature premixed combustion region (a1 ≧ a0) When the exhaust gas temperature rises due to acceleration in the low temperature premixed combustion zone and the temperature condition is such that HC is desorbed (Tcat1 ≧ T1), a sufficient amount of HC is desorbed from the preceding λ fluctuation type catalyst. Therefore, the latter HC variable catalyst can be regenerated. That is, by using the HC accumulated in the λ variable catalyst, the HC variable catalyst can be regenerated without supplying secondary HC.
[0090]
Further, when the exhaust air-fuel ratio is enriched in a region outside the low temperature premixed combustion region (high load region), not only the previous λ variable catalyst but also the subsequent HC variable catalyst can be regenerated (λ Due to the rise in the exhaust gas temperature accompanying the regeneration of the variable catalyst, NOx adsorbed on the subsequent HC variable catalyst is also desorbed and reduced when the atmosphere is in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio (three-way region).
[0091]
Further, when HC sufficient to regenerate the HC variable catalyst at the subsequent stage is adsorbed to the λ variable catalyst at the previous stage (a1 ≧ a0) at the time of low load in the low temperature premixed combustion region, the HC variable type Even if the NOx adsorption amount of the catalyst reaches saturation (b2 ≧ b02), if the low-load operation is continued, desorption of HC from the λ-variable catalyst cannot be expected. According to the above, the λ fluctuation type is achieved by the operation of the exhaust gas temperature raising means (that is, performing at least one of the post-injection, the fuel injection timing delay, the intake throttle, and the heater heating when the λ fluctuation NOx catalyst includes a heater). Since the HC adsorbed on the catalyst can be desorbed, even if the low load operation may be continued even when the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation, the HC variable catalyst Can play That.
[0092]
Further, even if the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation in the low temperature premixed combustion region (b2 ≧ b02), HC sufficient to regenerate the HC variable catalyst is adsorbed to the preceding λ variable catalyst. If not (a1 <a0), even if the exhaust temperature is raised to a temperature at which HC is desorbed from the λ fluctuation type catalyst by the exhaust temperature raising means, the HC concentration in the exhaust gas flowing through the HC fluctuation type catalyst is sufficiently fluctuated. However, according to the present embodiment, the operation of the HC concentration changing means (that is, post injection, retarded fuel injection timing, early pilot, etc.) is not possible. The amount of NOx adsorbed by the HC variable type catalyst in the EGR region or the low temperature premixed combustion region is supplied secondarily by HC that enables the regeneration of the HC variable type catalyst by performing at least one of injection and the like. But When saturation is reached, the HC variable catalyst can be regenerated even if HC sufficient to regenerate the HC variable catalyst does not accumulate in the λ variable catalyst.
[0093]
The control system of FIG. 17 is a second embodiment and corresponds to FIG. 1 of the first embodiment.
[0094]
In this embodiment, the exhaust passage 2 is branched, a λ variable catalyst 63 is disposed in one branch passage 61, and an HC variable catalyst 64 is disposed in the other branch passage 62, and the exhaust flow to the branch passages 61, 62 is performed. Are provided upstream of the catalysts 63 and 64, and as shown in FIG. 18, in the region other than the low-temperature premixed combustion region (high load region), the control valve 65 is provided. When the control valve 66 is fully opened and the control valve 66 is fully closed, the entire amount of the exhaust gas is caused to flow through the λ fluctuation type catalyst 63 to enter the low temperature premixed combustion region (low and medium load region), and then the control valve 65 is fully closed and the control valve 66 is closed. Is set to fully open so that the entire amount of exhaust gas flows through the HC variable catalyst 64.
[0095]
In this embodiment, since the two catalysts 63 and 64 are arranged in parallel, even if HC is adsorbed to the λ fluctuation type catalyst 63, the adsorbed HC cannot be used for regeneration of the HC fluctuation type catalyst 64. It is not necessary for the mold catalyst 63 to have HC adsorption capability. For this reason, the regeneration process of each catalyst when the NOx adsorbed to each catalyst 63, 64 reaches saturation is simpler than that of the first embodiment, and this is shown in FIG. 19, FIG. 20, and FIG. 19, 20, and 21 replace FIG. 6, FIG. 14, and FIG. 16 of the first embodiment. 19, the same parts as those in FIG. 6, the same parts as those in FIG. 14 in FIG. 20, and the same parts in FIG.
[0096]
The fuel contains sulfur, and the sulfur variation catalyst is affected by poisoning. However, according to the second embodiment, a region that is not a low temperature premixed combustion region (high load region). Because it is only necessary to flow the exhaust through the λ fluctuation type catalyst, it is not necessary to be affected by poisoning due to sulfur (the exhaust temperature is sufficiently high in the high load region, so it is difficult for sulfur to accumulate on the λ fluctuation type catalyst), This improves the durability of the λ variable catalyst.
[0097]
In the embodiment, the combination of the λ variation type catalyst and the HC variation type catalyst has been described. However, the λ variation type NOx catalyst alone and an engine capable of performing low temperature premixed combustion may be combined (see FIG. 22). . Flow charts for this (third embodiment) are shown in FIGS. 23 and 24 replace FIG. 6 and FIG. 14 of the first embodiment. 23, the same parts as those in FIG. 6 and the same parts as those in FIG. 14 in FIG. 24 are denoted by the same step numbers, and the description thereof is omitted.
[0098]
According to the low temperature premixed combustion, the NOx in the exhaust can be reduced to about 1/50 of that of a conventional diesel engine (without EGR). It is an operating range where it is difficult to perform, that is, a high load range. In this high load region, it is possible to enrich the air-fuel ratio of the exhaust without degrading the smoke performance. According to the third embodiment, it is possible to purify NOx discharged in the high load region using the λ fluctuation type catalyst, and thereby it is possible to suppress the NOx emission amount in the entire operation region.
[0099]
In the first embodiment, the case where the λ variation type catalyst and the HC variation type catalyst are arranged in this order from the upstream side of the exhaust passage has been described. In fact, the same result is obtained even if the HC variation type catalyst and the λ variation type catalyst are arranged in this order from the upstream side of the exhaust passage. However, since only the catalyst containing iron and the catalyst containing lanthanum have the characteristic that the amount of NOx adsorption decreases when the HC concentration is high (experimental results), only these catalysts need to be arranged downstream.
[0100]
In the embodiment, the engine capable of performing low temperature premixed combustion has been described as an object, but the present invention is not limited to this. For example, when the low and middle load range is set in advance as the EGR range and the operating condition is in this EGR range, the exhaust amount recirculated during intake (EGR amount) is controlled, and when the EGR range is deviated from this, It is also possible to target an engine that stops EGR.
[0101]
In the embodiment, the case where the HC concentration is increased as the HC concentration fluctuation processing has been described. However, the increase in the HC concentration and the subsequent decrease may be repeated in a short cycle.
[0102]
In the second embodiment, two control valves are provided for switching the exhaust flow, but the present invention is not limited to this. For example, one flow control valve may be provided at the branch portion of the branch passage or at the assembly portion of the two branch passages.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control system diagram of a first embodiment.
FIG. 2 is a characteristic diagram of NOx emission amount of an engine that performs low-temperature premixed combustion.
FIG. 3 is a model diagram showing a NOx adsorption process and a NOx desorption reduction process of an HC variable catalyst.
FIG. 4 is a waveform diagram showing changes in the NOx concentration at the catalyst outlet of the HC variable catalyst when the HC concentration at the catalyst inlet is increased stepwise.
FIG. 5 is a table showing NOx reduction rates due to HC concentration fluctuations under two oxygen concentration conditions.
FIG. 6 is a flowchart for explaining catalyst regeneration processing;
FIG. 7 is a flowchart for explaining calculation of an HC adsorption amount.
FIG. 8 is a map characteristic diagram of the HC adsorption rate.
FIG. 9 is a flowchart for explaining the calculation of the NOx adsorption amount of the λ variable catalyst.
FIG. 10 is a flowchart for explaining the calculation of the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst.
FIG. 11 is a map characteristic diagram of NOx adsorption speed.
FIG. 12 is a map characteristic diagram of an adsorption coefficient.
FIG. 13 is an operation region diagram.
FIG. 14 is a flowchart for explaining rich spike processing;
FIG. 15 is a flowchart for explaining a temperature raising process;
FIG. 16 is a flowchart for explaining HC concentration fluctuation processing;
FIG. 17 is a control system diagram of the second embodiment.
FIG. 18 is a flowchart for explaining exhaust flow switching processing according to the second embodiment;
FIG. 19 is a flowchart for explaining playback processing according to the second embodiment;
FIG. 20 is a flowchart for explaining rich spike processing according to the second embodiment;
FIG. 21 is a flowchart for explaining HC concentration fluctuation processing according to the second embodiment;
FIG. 22 is a control system diagram of the third embodiment.
FIG. 23 is a flowchart for explaining playback processing according to the third embodiment;
FIG. 24 is a flowchart for explaining rich spike processing according to the third embodiment;
FIG. 25 is a diagram corresponding to claims of the first invention.
FIG. 26 is a diagram corresponding to claims of the sixth invention.
FIG. 27 is a view corresponding to claims of the thirteenth invention.
[Explanation of symbols]
6 EGR valve
33 Accelerator position sensor
34 Crank angle sensor
41 Control unit
52 Exhaust turbine
53 variable vanes
55 λ variable catalyst
56 HC variable catalyst
57, 58 Temperature sensor

Claims (15)

リーン空燃比の領域で排気中のNOxを吸着し、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比で触媒に吸着していたNOxを脱離するとともに、この脱離したNOxを理論空燃比またはリッチ空燃比の雰囲気に存在するHC、COを還元剤として用いて還元浄化するNOx触媒であるλ変動型触媒と、
リーン空燃比の領域で排気中のHC濃度がほぼ一定の場合に排気中のNOxを吸着し、同じくリーン空燃比の領域で触媒入口のHC濃度が変動すると、触媒に吸着していたNOxを脱離するとともに、この脱離したNOxを雰囲気中のHC、COを還元剤として用いて還元浄化するNOx触媒であるHC変動型触媒と、
EGR域であるかどうかを判定する手段と、
この判定結果よりEGR域で吸気中に還流される排気量を制御する手段と、
前記HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、前記EGR域でこのHC変動型触媒に流入する排気中のHC濃度に変動を与える手段と、
前記λ変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、前記EGR域でない領域でこのλ変動型触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化する手段と
を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
NOx in the exhaust is adsorbed in the lean air-fuel ratio region, NOx adsorbed on the catalyst at the exhaust air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, and the desorbed NOx is removed from the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio. A λ variable catalyst that is a NOx catalyst that reduces and purifies HC and CO present in an air-fuel ratio atmosphere as a reducing agent ;
When the HC concentration in the exhaust gas is almost constant in the lean air-fuel ratio region, NOx in the exhaust gas is adsorbed. When the HC concentration at the catalyst inlet fluctuates in the same lean air-fuel ratio region, the NOx adsorbed on the catalyst is removed. An HC variable catalyst that is a NOx catalyst that reduces and purifies the desorbed NOx using HC and CO in the atmosphere as a reducing agent ,
Means for determining whether it is in the EGR range;
Means for controlling the amount of exhaust gas recirculated into the intake air in the EGR region from the determination result;
Means for varying the HC concentration in the exhaust gas flowing into the HC variable catalyst in the EGR region when the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation;
A diesel engine comprising: means for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the λ-variable catalyst when the NOx adsorption amount of the λ-variable catalyst reaches saturation. Exhaust purification equipment.
前記λ変動型触媒と前記HC変動型触媒を排気通路の上流側からこの順に配置するとともに、上流側の前記λ変動型触媒にHC吸着能力を持たせることを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。2. The λ variation type catalyst and the HC variation type catalyst are arranged in this order from the upstream side of the exhaust passage, and the λ variation type catalyst on the upstream side is provided with HC adsorption capability. Diesel engine exhaust purification system. 排気温度上昇手段を備え、前記EGR域で前記HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前記λ変動型触媒に吸着されており、かつ前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度条件でない場合に前記HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したとき、前記排気温度上昇手段によって前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度まで排気温度を上昇させることを特徴とする請求項2に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。A temperature at which HC is adsorbed to the λ-variable catalyst and HC is desorbed from the λ-variable catalyst; The exhaust gas temperature is increased to a temperature at which HC is desorbed from the λ variable catalyst by the exhaust temperature increasing means when the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation when the conditions are not satisfied. Item 3. An exhaust emission control device for a diesel engine according to Item 2. HC濃度変動手段を備え、前記EGR域で前記HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前記λ変動型触媒に吸着されておらず、かつ前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度条件でない場合に前記HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したとき、前記HC濃度変動手段によって前記HC変動型触媒を流れる排気中のHC濃度を変動させることを特徴とする請求項2に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。HC concentration variation means is provided, and HC sufficient to regenerate the HC variation type catalyst in the EGR region is not adsorbed on the λ variation type catalyst, and HC is desorbed from the λ variation type catalyst. 3. The HC concentration in exhaust flowing through the HC variable catalyst is varied by the HC concentration variation means when the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation when the temperature condition is not satisfied. 2. An exhaust emission control device for a diesel engine according to 1. 排気通路を分岐して一方の分岐通路に前記λ変動型触媒を、他方の分岐通路に前記HC変動型触媒を配置するとともに、2つの分岐通路への排気流れを切換可能な手段を備え、この切換手段により前記EGR域で前記HC変動型触媒に排気を流し、前記EGR域でない領域になると前記λ変動型触媒に排気を流すことを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。The exhaust passage is branched, the λ variation type catalyst is disposed in one branch passage, the HC variation type catalyst is disposed in the other branch passage, and the exhaust flow to the two branch passages can be switched. 2. The exhaust gas purification apparatus for a diesel engine according to claim 1, wherein exhaust gas flows through the HC variable catalyst in the EGR region by switching means, and exhaust gas flows through the λ variable catalyst in a region other than the EGR region. . リーン空燃比の領域で排気中のNOxを吸着し、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比で触媒に吸着していたNOxを脱離するとともに、この脱離したNOxを理論空燃比またはリッチ空燃比の雰囲気に存在するHC、COを還元剤として用いて還元浄化するNOx触媒であるλ変動型触媒と、
リーン空燃比の領域で排気中のHC濃度がほぼ一定の場合に排気中のNOxを吸着し、同じくリーン空燃比の領域で触媒入口のHC濃度が変動すると、触媒に吸着していたNOxを脱離するとともに、この脱離したNOxを雰囲気中のHC、COを還元剤として用いて還元浄化するNOx触媒であるHC変動型触媒と、
低温予混合燃焼域であるかどうかを判定する手段と、
この判定結果より低温予混合燃焼域で圧縮上死点後までの燃料噴射時期を遅延するとともに、排気還流による酸素濃度の低減により、燃料の着火遅れ期間を長くし、この着火遅れ期間中に燃料が十分に気化した予混合気を形成させて低温予混合燃焼を行わせる手段と、
前記HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、前記低温予混合燃焼域でこのHC変動型触媒に流入する排気中のHC濃度に変動を与える手段と、
前記λ変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、前記低温予混合燃焼域でない領域でこのλ変動型触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化する手段と
を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
NOx in the exhaust is adsorbed in the lean air-fuel ratio region, NOx adsorbed on the catalyst at the exhaust air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, and the desorbed NOx is removed from the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio. A λ variable catalyst that is a NOx catalyst that reduces and purifies HC and CO present in an air-fuel ratio atmosphere as a reducing agent ;
When the HC concentration in the exhaust gas is almost constant in the lean air-fuel ratio region, NOx in the exhaust gas is adsorbed. When the HC concentration at the catalyst inlet fluctuates in the same lean air-fuel ratio region, the NOx adsorbed on the catalyst is removed. An HC variable catalyst that is a NOx catalyst that reduces and purifies the desorbed NOx using HC and CO in the atmosphere as a reducing agent ,
Means for determining whether it is a low temperature premixed combustion zone;
From this determination result, the fuel injection timing until after the compression top dead center is delayed in the low temperature premixed combustion region, and the oxygen concentration is reduced by exhaust gas recirculation, so that the fuel ignition delay period is lengthened. Means for forming a sufficiently vaporized premixed gas to perform low temperature premixed combustion,
Means for varying the HC concentration in the exhaust gas flowing into the HC variable catalyst in the low temperature premixed combustion zone when the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation;
Means for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the λ-variable catalyst when the NOx adsorption amount of the λ-variable catalyst reaches saturation. Diesel engine exhaust purification system.
前記λ変動型触媒と前記HC変動型触媒を排気通路の上流側からこの順に配置するとともに、上流側の前記λ変動型触媒にHC吸着能力を持たせることを特徴とする請求項6に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。7. The λ fluctuation type catalyst and the HC fluctuation type catalyst are arranged in this order from the upstream side of the exhaust passage, and the λ fluctuation type catalyst on the upstream side is provided with HC adsorption capability. Diesel engine exhaust purification system. 排気温度上昇手段を備え、前記低温予混合燃焼域で前記HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前記λ変動型触媒に吸着されており、かつ前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度条件でない場合に前記HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したとき、前記排気温度上昇手段によって前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度まで排気温度を上昇させることを特徴とする請求項7に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。Exhaust temperature raising means is provided, HC sufficient to regenerate the HC variable catalyst in the low temperature premixed combustion zone is adsorbed to the λ variable catalyst, and HC is desorbed from the λ variable catalyst. When the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation when the temperature condition is not separated, the exhaust temperature is increased to a temperature at which HC is desorbed from the λ variable catalyst by the exhaust temperature increasing means. An exhaust emission control device for a diesel engine according to claim 7. HC濃度変動手段を備え、前記低温予混合燃焼域で前記HC変動型触媒の再生を可能とするだけのHCが前記λ変動型触媒に吸着されておらず、かつ前記λ変動型触媒からHCが脱離する温度条件でない場合に前記HC変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達したとき、前記HC濃度変動手段によって前記HC変動型触媒を流れる排気中のHC濃度を変動させることを特徴とする請求項7に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。HC concentration variation means is provided, and HC sufficient to enable regeneration of the HC variation type catalyst in the low temperature premixed combustion region is not adsorbed by the λ variation type catalyst, and HC varies from the λ variation type catalyst. When the NOx adsorption amount of the HC variable catalyst reaches saturation when it is not a desorbing temperature condition, the HC concentration in the exhaust gas flowing through the HC variable catalyst is changed by the HC concentration changing means. The exhaust emission control device for a diesel engine according to claim 7. 排気通路を分岐して一方の分岐通路に前記λ変動型触媒を、他方の分岐通路に前記HC変動型触媒を配置するとともに、2つの分岐通路への排気流れを切換可能な手段を備え、この切換手段により前記低温予混合燃焼域で前記HC変動型触媒に排気を流し、前記低温予混合燃焼域でない領域になると前記λ変動型触媒に排気を流すことを特徴とする請求項6に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。The exhaust passage is branched, the λ variation type catalyst is disposed in one branch passage, the HC variation type catalyst is disposed in the other branch passage, and the exhaust flow to the two branch passages can be switched. The exhaust gas is caused to flow to the HC variable catalyst in the low temperature premixed combustion region by switching means, and the exhaust gas is flowed to the λ variable catalyst when the region is not the low temperature premixed combustion region. Diesel engine exhaust purification system. 前記排気温度上昇手段は、ポスト噴射、燃料噴射時期の遅角、吸気絞り、前記λ変動型触媒がヒータを備える場合にそのヒータ加熱の少なくとも一つを行う手段であることを特徴とする請求項3または8に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。The exhaust temperature raising means is means for performing at least one of post-injection, retardation of fuel injection timing, intake throttle, and heater heating when the λ-variable catalyst includes a heater. The exhaust emission control device for a diesel engine according to 3 or 8. 前記HC濃度変動手段は、ポスト噴射、燃料噴射時期の遅角、早期パイロット噴射の少なくとも一つを行う手段であることを特徴とする請求項4または9に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。The diesel engine exhaust gas purification apparatus according to claim 4 or 9, wherein the HC concentration changing means is means for performing at least one of post injection, delay of fuel injection timing, and early pilot injection. リーン空燃比の領域で排気中のNOxを吸着し、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比で触媒に吸着していたNOxを脱離するとともに、この脱離したNOxを理論空燃比またはリッチ空燃比の雰囲気に存在するHC、COを還元剤として用いて還元浄化するNOx触媒であるλ変動型触媒と、
低温予混合燃焼域であるかどうかを判定する手段と、
この判定結果より低温予混合燃焼域で圧縮上死点後までの燃料噴射時期を遅延するとともに、排気還流による酸素濃度の低減により、燃料の着火遅れ期間を長くし、この着火遅れ期間中に燃料が十分に気化した予混合気を形成させて低温予混合燃焼を行わせる手段と、
前記λ変動型触媒のNOx吸着量が飽和に達した場合に、前記低温予混合燃焼域でない領域でこのλ変動型触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化する手段と
を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
NOx in the exhaust is adsorbed in the lean air-fuel ratio region, NOx adsorbed on the catalyst at the exhaust air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, and the desorbed NOx is removed from the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio. A λ variable catalyst that is a NOx catalyst that reduces and purifies HC and CO present in an air-fuel ratio atmosphere as a reducing agent ;
Means for determining whether it is a low temperature premixed combustion zone;
From this determination result, the fuel injection timing until after the compression top dead center is delayed in the low temperature premixed combustion region, and the oxygen concentration is reduced by exhaust gas recirculation, so that the fuel ignition delay period is lengthened. Means for forming a sufficiently vaporized premixed gas to perform low temperature premixed combustion,
Means for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the λ-variable catalyst when the NOx adsorption amount of the λ-variable catalyst reaches saturation. Diesel engine exhaust purification system.
過給圧制御手段を備え、排気の空燃比をリッチ化する手段は、前記過給圧制御手段により過給圧を下げる手段であることを特徴とする請求項1から13までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。The means for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas provided with a supercharging pressure control means is a means for reducing the supercharging pressure by the supercharging pressure control means. 2. An exhaust emission control device for a diesel engine according to 1. コモンレール式の燃料噴射装置と、コモンレールの圧力制御手段と、過給圧制御手段とを備え、排気の空燃比をリッチ化する手段は、前記コモンレール圧力制御手段によりコモンレール圧力を上昇させるとともに、燃料噴射時期を遅角することで噴霧の微粒化を促進し、この場合に燃料噴射時期の遅角によるトルク低下を補うため燃料噴射量を増量し、さらに前記過給圧制御手段により過給圧を低下させる手段であることを特徴とする請求項1から13までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。A means for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas, comprising a common rail fuel injection device, a common rail pressure control means, and a supercharging pressure control means, increases the common rail pressure by the common rail pressure control means, and By delaying the timing, atomization of the spray is promoted. In this case, the fuel injection amount is increased to compensate for the torque decrease due to the delay of the fuel injection timing, and the boost pressure is reduced by the boost pressure control means. The diesel engine exhaust gas purification device according to any one of claims 1 to 13, wherein the exhaust gas purification device is a means for causing the exhaust gas to flow.
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