JP3702937B2

JP3702937B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3702937B2
Application number: JP07621299A
Authority: JP
Inventors: 隆堂ヶ原; 公二郎岡田; 保樹田村
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: JP2000274232A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に排ガスの無臭化に好適した内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近年、燃費の向上を目的として車両には希薄（リーン）燃焼型の内燃機関が多く採用されつつある。この種の内燃機関にあっては排気ガス中に多量の窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれるため、その排気通路にいわゆるＮＯｘ触媒を配置している。このＮＯｘ触媒は、内燃機関がリーン空燃比にて運転中にあるときにはその排ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、内燃機関が排気空燃比を理論空燃比以下のリッチ空燃比にて運転されるときにはその吸蔵したＮＯｘを放出し還元する機能を有している。
【０００３】
ところで、この種のＮＯｘ触媒は、排ガス中のＮＯｘのみならずイオウ成分をも吸蔵してしまい、ＮＯｘの浄化能力の低下を招く。つまり、ＮＯｘ触媒はイオウ成分により被毒される性質を有する。このようなＳ被毒を解消するため、例えば特開平6-66129号公報にはＮＯｘ触媒のＳ被毒が許容レベルを超えると、ＮＯｘ触媒を所定の温度以上に昇温し、且つ、その周囲を還元雰囲気、つまり、排気空燃比をリッチ空燃比にすることでＮＯｘ触媒からイオウ成分を急激に放出還元し、その再生を図る技術が開示されている。
【０００４】
しかしながら、上述した特開平6-66129号公報の排気浄化装置にあってはそのＮＯｘ触媒から脱離したイオウ成分が排ガス中の炭化水素（ＨＣ）と反応し、イオウ（Ｓ）化合物（硫化水素：Ｈ₂Ｓ）が一時的に多量に生成する。このようなＳ化合物、つまり、硫化水素が大気中に多量に放出されると、異臭の原因となり、好ましいものではない。
【０００５】
このような事情から特開平8-294618号には大気中への硫化水素の放出を抑制するため、ＮＯｘ触媒の下流に、硫化水素のトラップとその酸化機能を有した触媒コンバータを配置し、一方、排気空燃比を理論空燃比を中心にリーン空燃比とリッチ空燃比との間にて変動、つまり、パータベーションさせる技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平8-294618号の排気浄化装置の場合、上述の空燃比のパータベーションは、触媒コンバータにてトラップした硫化水素を酸化させるために、つまり、触媒コンバータに酸素を供給する上で必要不可欠であるものの、このような空燃比パータベーションは排気空燃比がリーン空燃比にあるときにＮＯｘ触媒へのイオウ成分の更なる吸蔵を招き、このことは、ＮＯｘ触媒の再生に要する時間を長くしてしまうことになる。
【０００７】
また、ＮＯｘ触媒の再生時間が長くなると、空燃比パータベーション中にて排気空燃比がリッチ空燃比となる期間の増大を招き、燃費を悪化させる。
更に、上述の触媒コンバータは特別なものであるから、排気浄化装置がコスト高ともなってしまう。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、排ガス中のＳ化合物を原因する異臭を抑制し、なお且つ、燃費の悪化やコスト高を招くことのない内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は本発明における内燃機関の排気浄化装置によって達成され、この排気浄化装置は、排ガス中のイオウ成分によるＮＯｘ触媒のＳ被毒を検知するＳ被毒検知手段と、このＳ被毒検知手段にてＮＯｘ触媒のＳ被毒が検知されたとき、内燃機関の排気空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の基準のリッチ空燃比を中心とし、且つ、理論空燃比よりもリッチ側の範囲にて変動させる空燃比変動手段とを備えている。
【０００９】
上述の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒からのイオウ成分の脱離時、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の範囲内にて基準のリッチ空燃比を中心として変動されると、つまり、排気空燃比が基準のリッチ空燃比よりもリーン側の空燃比と基準のリッチ空燃比よりもリッチ側のモアリッチ空燃比との間にて変動されると、ＮＯｘ触媒からはそのイオウ成分が徐々に脱離され、排ガス中にＳ化合物が一時的且つ多量に生成されることはない。
【００１０】
空燃比変動手段は、ＮＯｘ触媒からのイオウ成分の放出が所定レベル以上の領域にのみ、排気空燃比を変動させることができる。
前述したＳ被毒検知手段は、ＮＯｘ触媒のＳ被毒のレベルを検出若しくは推定するものであるのが好ましい。
そして、Ｓ被毒検知手段にてＮＯｘ触媒のＳ被毒レベルが検知される場合にあっては、そのＳ被毒レベルが高ければ高い程、空燃比変動手段の基準となるリッチ空燃比を大きな値に設定するか、または、排気空燃比の変動制御の開始から所定の期間に亘り、１サイクル中における前記リーン側の空燃比の時間に対して前記モアリッチ空燃比の時間を短くするか、更には前記リーン側の空燃比への移行頻度に対し、前記モアリッチ空燃比への移行頻度を小さくするのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に概略的に示す内燃機関は、例えば筒内噴射型の直列４気筒ガソリンエンジンである。この種の内燃機関は燃焼室に燃料を直接に噴射可能なフューエルインジェクタ２を備え、その運転状況に応じた種々の燃料噴射モード及び排気空燃比にて燃料の噴射が可能である。具体的には、燃料噴射モードには主として吸気行程にて燃料を噴射し、均一燃焼を行う吸気行程噴射モードと、圧縮行程に燃料を噴射し、層状燃焼を行う圧縮行程噴射モードとがあり、特に圧縮行程噴射モードにあっては吸気行程噴射モードでの空燃比（空燃比１２〜２３程度）に対し、超リーン空燃比（空燃比２５以上）での燃焼が可能である。
【００１２】
内燃機関の排気マニホールド４からは排気管６が延び、この排気管６にはその上流端に小形の三元触媒８が介挿されている。また、排気管６の下流側には触媒コンバータ１０が介挿されている。触媒コンバータ１０は、吸蔵型のＮＯｘ触媒１２と三元触媒１４との組み合わせたもので、ＮＯｘ触媒１２は三元触媒１４の上流側に位置付けられている。ＮＯｘ触媒は酸化雰囲気（排気空燃比がリーン空燃比）であるときＮＯｘを吸蔵する一方、還元雰囲気（排気空燃比がリッチ空燃比）にあるとき、その吸蔵したＮＯｘを窒素（Ｎ₂）等に還元する機能を有する。より具体的には、ＮＯｘ触媒１２は白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒と、バリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属やアルカリ土類金属からなる吸蔵材を有している。前述したようにＮＯｘ触媒１２は排ガス中のＮＯｘのみならず、イオウ成分、即ち、ＳＯｘもまた吸蔵する性質を有しており、ＮＯｘ触媒１２の吸蔵材内でのＳＯｘの安定度は高い。それ故、ＮＯｘ触媒１２からＳＯｘを放出還元するにはＮＯｘ触媒１２を所定のＳＯｘ活性化温度（例えば６５０℃）以上に昇温し、なお且つ、その周囲を還元雰囲気にする必要がある。
【００１３】
それ故、触媒コンバータ１０には、ＮＯｘ触媒１２に流入する排ガスの温度を検出する温度センサ１６や、必要に応じて排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する濃度センサ１８がＮＯｘ触媒１２と三元触媒１４との間に設けられており、これらセンサ１６，１８は電子コントロールユニット（ＥＣＵ）２０に接続されている。また、ＥＣＵ２０には、前述のフューエルインジェクタ２に加え、排ガス中の酸素濃度を検出するＯ₂センサ２２、点火プラグ２４、スロットル開度センサ２６、そして、クランク角センサ２８もまた電気的に接続されている。
【００１４】
ＥＣＵ２０は、マイクロプロセッサを含むワンボード型のマイクロコンピュータからなり、上述のセンサからの検出信号に基づき、前述した燃料噴射モードの切換え制御や、フューエルインジェクタ２、点火コイル２４等を駆動制御する一方、触媒コンバータ１０のＳＯｘ再生制御を実施する。
図２にはそのＳＯｘ再生制御の手順が示されており、この再生制御に関し、図２を参照しながら以下に説明する。
【００１５】
先ず、ＥＣＵ２０は、ＮＯｘ触媒１２のＳＯｘ吸蔵量、つまり、Ｓ被毒量を推定する（ステップＳ１）。具体的には、Ｓ被毒量Ｑｓは、ＥＣＵ２０が実行する燃料噴射制御ルーチンの実行周期毎に次式を実行することで算出される。
Ｑｓ(n)＝Ｑｓ(n-1)＋ΔＱｆ・Ｋ−Ｒｓ
ここで、Ｑｓ(n)は今回算出値、Ｑｓ(n-1)は前回算出値を示す。そして、ΔＱｆ，Ｒｓは実行周期当たりの噴射燃料の積算値、ＳＯｘの放出量、Ｋは補正係数である。
【００１６】
補正係数Ｋは、排気空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた補正係数Ｋ1、燃料中のイオウ成分の含有量に応じた補正係数Ｋ2、そして、ＮＯｘ触媒１２の触媒温度に応じた補正係数Ｋ3の積、即ち、Ｋ1・Ｋ2・Ｋ2で表される。
触媒温度は、前述した温度センサ１６からの検出信号に基づき求められるが、温度センサ１６からの検出信号はＮＯｘ触媒１２の温度を直接に示すものではない。それ故、ＥＣＵ２０は温度センサ１６の検出信号を内燃機関の目標平均有効圧と機関回転速度とから定められたマップに基づき補正することで、ＮＯｘ触媒１２の温度を推定するようにしている。なお、目標平均有効圧及び機関回転数は、スロットル開度センサ及びクランク角センサからの検出信号に基づき求めることができる。
【００１７】
また、ＳＯｘの放出量Ｒｓは次式から算出される。
Ｒｓ＝α・Ｒ１・Ｒ２・ｄＴ
ここで、αは単位時間当たりのＳＯｘの放出率（設定値）、ｄＴは燃料噴射制御ルーチンの実行周期を示し、そして、Ｒ１，Ｒ２は触媒温度に応じたＳＯｘの放出能力係数、及び排気空燃比に応じたＳＯｘの放出能力係数を示す。
【００１８】
ステップＳ１にて、ＮＯｘ触媒１２のＳ被毒量が推定、つまり、検知されると、ＥＣＵ２０はＮＯｘ触媒１２の再生中（Ｓパージ中）であるか否か、即ち、後述する再生フラグがセットされているか否かを判別する（ステップＳ２）。ここでは未だ、再生フラグはセットされていないので、その判別結果は偽（No）となり、ＥＣＵ２０はＮＯｘ触媒１２のＳ被毒量が許容レベル以下であるか否かを判別する（ステップＳ３）。ここでの判別結果が真（Yes）の場合、ＥＣＵ２０はステップＳ１，Ｓ２を繰り返して実施する。ここで、Ｓ被毒量の許容レベルは、ＮＯｘ触媒２１の容量から求められる設定値である。
【００１９】
一方、ステップＳ３の判別結果が偽になると、ＥＣＵ２０は再生フラグをセットする（ステップＳ４）。この後、ステップＳ２の判別結果は真となり、ＥＣＵ２０はＮＯｘ触媒１２の昇温を実施する（ステップＳ５）。このステップＳ５にて、ＥＣＵ２０はフューエルインジェクタ２に燃料の２段噴射を行わせ、排ガスの温度を上昇させる。より詳しくは、フューエルインジェクタ２は、圧縮行程又は吸気行程中での燃料の主噴射に加えて、膨張行程にて燃料の副噴射を実行し、この副噴射の燃料が排気管６内にて燃焼することで、排ガスの温度、即ち、ＮＯｘ触媒１２の温度を昇温させる。ここで、燃料の副噴射量は、ＮＯｘ触媒１２の現在の触媒温度に応じて調整され、また、上述の２段噴射が実行される場合にあっても、その全体の排気空燃比がその運転状況に応じて制御されることは言うまでもない。なお、内燃機関が高速域にあって、ＮＯｘ触媒１２の温度が前述したＳＯｘ活性化温度以上に既に達しているような状況にあっては、燃料の副噴射量は零となり、この場合、燃料の２段噴射は実質的に実行されないことになる。
【００２０】
この後、ステップＳ６に至ると、ＮＯｘ触媒１２の昇温が完了したか否か、つまり、ＮＯｘ触媒１２の温度がＳＯｘ活性化温度以上に達したか否かが判別される。ここでの判別が偽の場合、ステップＳ５が繰り返して実行される。
ステップＳ６の判別結果が真になると、ＥＣＵ２０は排気空燃比（Ａ／Ｆ）の変動制御（ステップＳ７）を実行し、その詳細は以下の通りである。
【００２１】
ステップＳ７では、排気空燃比がリッチ側の基準空燃比Ｘ（例えば１４．３５）を中心とし、上下に所定の期間変動される。具体的には、排気空燃比は基準空燃比Ｘよりもリーン側の空燃比としての理論空燃比（１４．７）とモアリッチ空燃比としての所定のリッチ空燃比（例えば１４．０）との間にて所定時間（例えば５秒）毎に交互に切換えられる。なお、排気空燃比の切換えには、前述したＯ₂センサ２２からの検出信号が使用されることは言うまでもなく、そして、この場合、排気空燃比はＯ₂センサの検出信号から得られる平均値である。
【００２２】
上述したようにして排気空燃比の変動制御（Ｓパージ）が実行されると、図３に示されるように排気空燃比は理論空燃比（ストイキオ）よりもリッチ側の領域内にて、基準のリッチ空燃比Ｘを中心とし、その上下に変動される。それ故、ＮＯｘ触媒１２に吸蔵されたＳＯｘはその排気空燃比がよりリッチ側に変動されたときにより多量に放出還元されることから、排気管６内にてＳ化合物の濃度は周期的に増減され、その時間当たりの濃度平均を減少させることができる。また、図３から明らかなようにＳ化合物の周期的な放出に関して、その放出時におけるＳ化合物の濃度レベルは時間の経過と共に徐々に減少していき、これはＮＯｘ触媒１２内でのＳＯｘの吸蔵量が徐々に減少していくことに因るものである。
【００２３】
従って、上述の変動制御、つまり、ＮＯｘ触媒１２の再生制御が実行されても、排気管６内にＳ化合物が一時的且つ多量に放出されることはない。このことは、排気管６内にてＳ化合物とＨ₂等の還元剤との化学反応により得られる硫化水素（Ｈ₂Ｓ）が一時的且つ多量に生成されないことを意味し、この結果、硫化水素に起因する異臭を効果的に抑制することができる。
【００２４】
図３中には、車両後方域でのＳ化合物の濃度変化もまた示されており、また、図３中の２点鎖線は排気空燃比がよりリッチ側の空燃比に維持され続けた場合での排気管内及び車両後方域でのＳ化合物の濃度変化をそれぞれ示している。Ｓ化合物の濃度変化に関し、図３中の実線と２点鎖線を比較すれば明らかなように、本実施例の場合にはその変動制御の開始直後に、車両後方に多量の硫化水素を排出することはなく、自車や後続車内の乗員が異臭による違和感を受けることはない。
【００２５】
上述したＮＯｘ触媒１２の再生中、排気空燃比が理論空燃比よりも大のリーン空燃比に切換えられることはないので、ＮＯｘ触媒１２の再生を迅速に行え、燃費の向上が図られる。しかも、本実施例の場合には、硫化水素をトラップするための特別な触媒を必要とせず、安価な排気浄化装置を提供することができる。
ステップＳ７の実行後、ＥＣＵ２０は上述のＮＯｘ触媒１２の再生が完了したか否かを判別し（ステップＳ８）、ここでの判別結果が真となるまで、ステップＳ７を繰り返して実行する。一方、ステップＳ８の判別結果が真になると、ＥＣＵ２０は再生フラグをリセットし（ステップＳ９）、この後、ステップＳ３の判別が繰り返して実行される。ここで、ステップＳ８での判別は、排気空燃比の変動制御（ステップＳ７）が開始されてからの経過時間、または、ステップＳ１にて推定したＳ吸蔵量に基づいて実施可能である。
【００２６】
ＥＣＵ２０はその排気空燃比を基準のリッチ側空燃比よりもリーン側の空燃比（理論空燃比）とリッチ側の空燃比との間にて変動させるにあたり、フィードバック制御またはオープンループ制御を利用することができる。
なお、本実施形態では、基準空燃比Ｘに対して理論空燃比とモアリッチ空燃比との間で変動させているが、基準空燃比Ｘに対するリーン側の空燃比は、理論空燃比よりも若干リッチ側の空燃比に設定してもよい。
【００２７】
また、図３におけるＮＯｘ触媒１２の再生ルーチンは車両の走行距離等を考慮し、所定の期間毎に実行されるものであってもよい。この場合、排気空燃比の変動制御（ステップＳ７）を実行するにあたっては、その空燃比の変動幅が一定であるとき、ＮＯｘ触媒１２のＳ被毒量に基づき、その基準のリッチ空燃比Ｘのレベルを図３中矢印Ｙで示すように上下に可変するようにしてもよい。具体的には、Ｓ被毒量が多ければ多いほど、基準のリッチ空燃比Ｘはより理論空燃比側に変位される。このようにして基準のリッチ空燃比Ｘが変位されると、リッチ側への排気空燃比の振れが抑制される結果、排気管６内に一時的且つ多量にＳ化合物が生成されてしまうのを効果的に防止ができる。なお、基準のリッチ空燃比よりリーン側の空燃比は理論空燃比よりもリーン側となることも許容される。
【００２８】
また、同様な趣旨に基づき、基準のリッチ空燃比Ｘが一定である場合には、空燃比の１変動サイクル中、図３に示すように排気空燃比が基準のリッチ空燃比Ｘに対してリーン側となる空燃比に維持される時間Ａと、基準のリッチ空燃比Ｘに対しよりリッチ側となるモアリッチ空燃比に維持される時間Ｂとを考慮した場合、ＮＯｘ触媒１２のＳ被毒量が多ければ多い程、前記時間Ａに対して前記時間Ｂを短くするか、或いは上述の時間Ａ，Ｂに代えて、排気空燃比が前記リーン側の空燃比に移行するリーン化頻度と、前記モアリッチ空燃比に移行するリッチ化頻度とでみた場合、Ｓ被毒量が多ければ多い程、前記リーン化頻度に対して前記リッチ化頻度は小さくされる。この結果、モアリッチ空燃比での運転頻度が少なくなり、一時的に多量のＳ化合物が生成されるのを効果的に防止できる。
【００２９】
更に、上述の排気空燃比の変動制御はＮＯｘ触媒の再生期間（図３参照）の全域に亘って実施しなくとも、ＮＯｘ触媒１２からＳＯｘが所定のレベル以上放出還元される領域のみに実施し、その後は、排気空燃比を理論空燃比または理論空燃比近傍の所定のリッチ空燃比に維持するようにしてもよい。
上述した排気空燃比のフィードバック制御にあたり、排気空燃比はそのフィードバック制御の積分ゲイン、または、その比例ゲインを変更することで、リーン空燃比又はモアリッチ空燃比に切換えることができる。具体的には排気空燃比をモアリッチ空燃比に切換えには排気空燃比のためのリッチ化ゲイン（積分又は比例ゲイン）を大、またはリーン化ゲインを小とする制御の少なくとも一方が実施される。
【００３０】
また、積分または比例ゲインに代えて、そのフィードバック制御の補正係数の上限値または下限値を変更することで、排気空燃比をリーン側の空燃比またはモアリッチ空燃比に切り換えることもできる。この場合、具体的には、排気空燃比をモアリッチ空燃比に切り換えるには、その補正係数の上限値を大、または小とする制御の少なくとも一方が実施される。
【００３１】
更に、上述の実施例ではＮＯｘ触媒１２を昇温させるために、フューエルインジェクタ２の２段噴射を実施するようにしたが、このような２段噴射に代えて、点火時期をリタードさせたり、ＮＯｘ触媒１２を電気ヒータ等の熱源により昇温させるようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒のＳ被毒が許容レベルを超えたときには、その排気空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の基準のリッチ空燃比を中心とし、且つ、理論空燃比よりもリッチ側の範囲にて上下に変動させるようにしたから、排ガスに異臭を発生させることなくＮＯｘ触媒の再生を迅速に行え、燃費の向上とともに、そのコストの低減を図ることができる。
また、排気空熱比の変動制御はＮＯｘ触媒からのイオウ成分の放出レベルが所定のレベル以上の領域のみにて実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例の排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成図である。
【図２】図１のＥＣＵが実行するＮＯｘ触媒の再生制御ルーチンを示したフローチャートである。
【図３】再生制御の実行中、排気空燃比の変動、排気管内でのＳ化合物の濃度変化、そして車両後方でのＳ化合物の濃度変化を示したタイムチャートである。
【符号の説明】
２フューエルインジェクタ
１０触媒コンバータ
１２ＮＯｘ触媒
１４三元触媒
２２Ｏ₂センサ
２０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気空燃比がリーン空燃比であるときには排ガス中の窒素酸化物を吸蔵する一方、排気空燃比が理論空燃比以下のときには吸蔵した窒素酸化物を放出し還元するＮＯｘ触媒と、
前記排ガス中のイオウ成分による前記ＮＯｘ触媒のＳ被毒を検知するＳ被毒検知手段と、
前記Ｓ被毒検知手段にて前記ＮＯｘ触媒のＳ被毒が検知されたとき、前記排気空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の基準のリッチ空燃比を中心とし、且つ、前記理論空燃比よりもリッチ側の範囲にて変動させ、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されているイオウ成分を脱離させる空燃比変動手段と
を具備したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比変動手段は、前記ＮＯｘ触媒からのイオウ成分の放出が所定レベル以上の領域にある場合のみ、前記排気空燃比を変動させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。