JP3800633B2

JP3800633B2 - Engine exhaust gas purification device

Info

Publication number: JP3800633B2
Application number: JP26124994A
Authority: JP
Inventors: 友巳渡辺; 史彦斉藤; 一弘古川; 淳一田賀; 善彦今村
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: JPH08100640A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はエンジンの排気ガス浄化装置、特に排気通路に前置触媒と主触媒とが直列に配置されていると共に、上記主触媒がリーンＮＯｘ触媒で構成されたエンジンの排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用などのエンジンにおいては、燃焼後の排気ガス中に含まれる有害成分を減少させるために、上記有害成分のうち特に環境に対する影響の大きいＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの３成分に対して優れた浄化特性を発揮する三元触媒を排気通路に設置すると共に、燃焼室に供給する混合気の空燃比（＝空気／燃料）を所定の目標空燃比（例えば、理論空燃比＝１４．７）に維持する空燃比制御を行うようにしたものがある。この空燃比制御は、例えば吸入空気量とエンジン回転数とに基づいて目標空燃比となるように燃料供給量（基本燃料供給量）を設定すると共に、三元触媒よりも上流側における排気通路に設置したＯ₂センサの出力信号が目標空燃比よりも空燃比のリッチ状態（燃料が過濃な状態）を示すときには基本燃料供給量を減量補正し、また上記出力信号が目標空燃比よりも空燃比のリーン状態（燃料が希薄な状態）を示すときには基本燃料供給量を増量補正することにより空燃比を目標空燃比に収束させるように行われる。
【０００３】
ところで、近年においては、燃費性能の向上を図るために、所定の条件下で空燃比を理論空燃比よりもリーンな状態に制御する場合がある。その場合に、通常の三元触媒は、周知のように空気過剰率λ（＝空燃比／理論空燃比）が１よりも大きくなるとＮＯｘに対する浄化効率が著しく低下するため、大気中に排出されるＮＯｘ成分が逆に増加する場合がある。この問題に対しては、例えば特開平１−１３５５４１号公報には、リーン雰囲気におけるＮＯｘ成分に対する浄化特性を向上させたリーンＮＯｘ触媒が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種のエンジンにおいては、冷間時などの排気性能を向上を目的として、燃焼室に近接した排気通路に小容量の前置触媒を配設すると共に、該前置触媒の下流側に容量の大きい主触媒を配設する場合がある。その場合に、下流側の主触媒をリーンＮＯｘ触媒で構成すると、次のような問題を発生する可能性がある。
【０００５】
すなわち、この種のエンジンにおいては、エンジンの目標空燃比を理論空燃比に設定する運転領域（理論空燃比領域）と、理論空燃比よりも空燃比が大きい所定のリーン空燃比（例えば、２３．０）に目標空燃比を設定する運転領域（リーン空燃比領域）とが隣接して設けられる場合があり、その場合に、リーン運転中に運転状態が変化してリーン空燃比領域から理論空燃比領域に移行したときに、リーンＮＯｘ触媒から排出されるＮＯｘ成分が増加することがある。これは、燃焼室に供給される混合気の空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に切り換えられて排気ガス中のＨＣ成分の量が減少することから、ＨＣ成分の殆ど全てが前置触媒に吸着されて下流側のリーンＮＯｘ触媒に到達せず、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘ成分が、ＨＣ成分の不足によって有効に浄化されずに流出するものと思われる。特に、エンジンのアイドル運転状態に対応して理論空燃比領域が設けられている場合には、エンジンがアイドル運転となって排気ガスの全体量も減少することから、上記の現象が特に顕著となる。
【０００８】
この発明は、目標空燃比を設定する運転領域として、目標空燃比を理論空燃比に設定する理論空燃比領域と、理論空燃比よりも空燃比が大きい所定のリーン空燃比に目標空燃比を設定するリーン空燃比領域とが隣接して設けられていると共に、排気通路に前置触媒と主触媒とが直列に配置されたエンジンの排気ガス浄化装置において、主触媒をリーンＮＯｘ触媒で構成した場合における上記の問題に対処するもので、特にＮＯｘ成分の排出を効果的に抑制することを目的とする。
【００１５】
すなわち、本願の請求項１に係る発明（以下、第１発明という）は、燃焼室に供給される混合気の目標空燃比を設定する運転領域として、エンジンのアイドル運転状態において目標空燃比を理論空燃比に設定する理論空燃比領域と、理論空燃比よりも空燃比が大きい所定のリーン空燃比に目標空燃比を設定するリーン空燃比領域とが隣接して設けられていると共に、排気通路に前置触媒と主触媒とが直列に配置されたエンジンにおいて、上記主触媒をリーンＮＯｘ触媒で構成すると共に、前置触媒の触媒容量に対する排気ガス容量の比率が所定値よりも小さい場合において、エンジンの運転状態が上記リーン空燃比領域から理論空燃比領域に移行したときは、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に変更する目標空燃比変更手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】
また、本願の請求項２に係る発明（以下、第２発明という）は、上記第１発明における主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒を、少なくとも理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特を高く設定したことを特徴とする。
【００１９】
また、本願の請求項３に係る発明（以下、第３発明という）は、上記第１発明の構成に加えて、少なくとも理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定された触媒を、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒の下流側に配設したことを特徴とする。
【００２０】
【作用】
上記の構成によれば次のような作用が得られる。
【００２８】
そして、第１発明によれば、前置触媒の触媒容量に対する排気ガス容量の比率が所定値よりも小さくなったとき、換言すれば燃焼室から排出される排気ガスの総量が減少した場合において、エンジンの運転状態が上記リーン空燃比領域から理論空燃比領域に移行したときには、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に変更されることになるので、排気ガス中のＨＣ成分の割合が相対的に増加することになり、これによってリーンＮＯｘ触媒に到達するＨＣ成分の量が増加することになって、リーンＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘ成分がＨＣ成分の存在の下に効果的に還元浄化されることになる。
【００３１】
また、第２発明によれば、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒が、理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定されているので、エンジンをリッチ運転したとしても過剰なＨＣ成分やＣＯ成分がリーンＮＯｘ触媒の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになって、排気性能が総合的に向上することになる。
【００３２】
また、第３発明によれば、理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定された触媒が、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒の下流側に配設されているので、エンジンをリッチ運転したとしても過剰なＨＣ成分やＣＯ成分がリーンＮＯｘ触媒の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになって、排気性能が総合的に向上することになる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００３４】
図１に示すように、この実施例に係るエンジン１は、エンジン本体２に形成した上下方向のシリンダボア３に嵌挿されたピストン４を有すると共に、該エンジン本体２の上部に設けられたシリンダヘッド５と上記ピストン４との間に燃焼室６が形成されている。
【００３５】
また、このエンジン１には、吸、排気弁７，８を介して燃焼室６に通じる吸気通路１０及び排気通路２０が備えられている。そして、上記吸気通路１０には、上流側から、エアクリーナ１１、エアフローセンサ１２、スロットルバルブ１３、サージタンク１４及び燃料噴射弁１５が順次設けられている。
【００３６】
一方、上記排気通路２０には、前置触媒としての三元触媒２１を内蔵したプリコンバータ２２と、主触媒としてのリーンＮＯｘ触媒２３を内蔵したメインコンバータ２４とが直列に配置されていると共に、上記プリコンバータ２２の上流側には、排気ガス中の残存酸素濃度にほぼ比例した出力電圧を発生するリニアＯ₂センサ２５が設置されている。その場合に、上記三元触媒２１は通常タイプのものであって、図２に示すように、浄化中心空燃比が理論空燃比（λ＝１）を示す１４．７となるように設定されている。また、リーンＮＯｘ触媒２３についても通常タイプのものであって、図３に示すように、浄化中心空燃比が理論空燃比（λ＝１）を示す１４．７となるように設定されていると共に、理論空燃比よりもリーン側におけるＮＯｘに対する浄化特性が上記三元触媒２１に比べて高められている。
【００３７】
そして、この実施例においては、上記プリコンバータ２２の触媒容量Ｖｃが、排気ガス中のＨＣ成分の一部（例えば、２０％）を下流側に通過させるように設定されている。
【００３９】
さらに、このエンジン１には電子制御式のコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）３０が備えられている。このＥＣＵ３０には、エアフローセンサ１２からの信号、スロットルバルブ１３の開度を検出するスロットルセンサ３１からの信号、スロットルバルブ１３の全閉位置を検知するアイドルスイッチ３２からの信号、リニアＯ2センサ２５からの信号、エンジン回転数を検出するエンジン回転センサ３３からの信号、エンジン水温を検出する水温センサ３４からの信号などが入力される。そして、ＥＣＵ３０は、上記各信号に基づいて、燃料噴射弁１５からの燃料噴射量を制御するようになっている。
【００４０】
ここで、ＥＣＵ３０が行う燃料噴射制御を説明すると、この燃料噴射制御は概略次のように行われる。
【００４１】
すなわち、ＥＣＵ３０は、エンジン回転センサ３３からの信号が示すエンジン回転数Ｎｅと、スロットルセンサ３１からの信号が示すスロットル開度θとを図４に示す運転領域マップに照らし合わせて、現在の運転状態がいずれの領域に属するかを判定する。そして、低回転軽負荷側に設定された理論空燃比領域（以下、λ１領域という）に運転状態が属すると判定したときには、目標空燃比Ｙｏとして理論空燃比Ｙ１（＝１４．７）をセットし、このλ１領域に隣接して設けられたリーンバーン領域（以下、Ｌｂ領域という）に運転状態が属すると判定したときには、目標空燃比Ｙｏとして所定のリーン空燃比Ｙ２（例えば、２３．０）をセットする。また、このＬｂ領域の高負荷高回転側に隣接して設けられたエンリッチ領域（以下、Ｅｒ領域という）に運転状態が属すると判定しときには、目標空燃比Ｙｏとして所定のリッチ空燃比Ｙ３（例えば、１２．０）をセットする。
【００４２】
そして、ＥＣＵ３０は、エンジン回転数Ｎｅとエアフローセンサ１２からの信号が示す空気流量Ｑから１サイクルあたりに燃焼室６に吸入される空気量、すなわち充填効率Ｃｅを演算すると共に、この充填効率Ｃｅに基づいて上記目標空燃比Ｙｏを実現する基本燃料噴射量を算出する。
【００４３】
次いで、ＥＣＵ３０は、図４に斜線を付して示したＬｂ領域もしくはλ１領域のいずれかの領域に運転状態が属する判定したときには、フィードバック補正量を算出する。
【００４４】
すなわち、ＥＣＵ３０はリニアＯ₂センサ２５からの信号が示す実空燃比Ｙｒと目標空燃比Ｙｏとを比較し、実空燃比Ｙｒが目標空燃比Ｙｏよりもリッチであると判定したときには、フィードバック補正量を減少させ、また実空燃比Ｙｒが目標空燃比Ｙｏよりもリーンであると判定したときには、フィードバック補正量を増加させる。さらに、必要ならばその他の補正量を求めて、これらの補正量を基本燃料噴射量に加算することにより最終燃料噴射量を求めると共に、この最終燃料噴射量で燃料が噴射されるように、燃料噴射信号を燃料噴射弁１５に出力する。
【００７６】
次に、図５のフローチャートを参照して空燃比変更処理について説明する。
【００７７】
すなわち、ＥＣＵ３０は、ステップＴ１１，Ｔ１２でエンジン回転数Ｎｅと充填効率Ｃｅとをそれぞれ読み込んだ上で、ステップＴ１３に進んでプリコンバータ２２（三元触媒２１）の触媒容量に対する排気ガス容量の比率を示す値（以下、ＳＶ値という）Ｓｖを、次の関係式（１）に従って算出する。
Ｓｖ＝Ｃｅ・Ｎｅ／Ｖｃ …（１）
ここで、充填効率Ｃｅは、前述したようにエンジン１に吸入される空気流量Ｑをエンジン回転数Ｎｅで徐算したものであるから、上記関係式（１）の右辺の分子は空気流量Ｑとなる。その場合に、排気ガス流量は空気流量Ｑで近似できることから、結局は関係式（１）の右辺でＳＶ値Ｓｖ値が近似的に求められることになる。
【００７８】
ＥＣＵ３０は、ステップＴ１３でＳＶ値Ｓｖを算出すると、ステップＴ１４に進んでＳＶ値Ｓｖが所定値αよりも小さいか否かを判定して、ＳＶ値Ｓｖが所定値αよりも小さくなければステップＴ１５を実行して、図４のマップに従って設定された目標空燃比Ｙｏをそのまま目標空燃比Ｙｏとしてセットする。
【００７９】
一方、ＥＣＵ３０は、上記ステップＴ１４においてＳＶ値Ｓｖが所定値αよりも小さいと判定すると、次にステップＴ１６に進んでスロットル開度θとエンジン回転数Ｎｅとが示す運転状態が、図４のマップにおけるλ１領域に属するか否かを判定し、λ１領域に属すると判定したときにステップＴ１７に進んで、図４のマップに従って設定された目標空燃比Ｙｏに所定値β（例えば０．９７５）を乗算した値を最終的に目標空燃比Ｙｏとしてセットする。
【００８０】
次に、この第１実施例の作用を説明する。すなわち、エンジン１の運転状態が図４のマップにおけるＬｂ領域に属するときには、目標空燃比Ｙｏがリーン空燃比Ｙ２に設定されることになって、エンジン１はリーン運転されることになる。そして、燃焼室６から排気通路２０に排出された排気ガスは、プリコンバータ２２を経て下流側のメインコンバータ２４に導かれることになる。これにより、排気ガス中のＨＣ成分やＣＯ成分は、その大部分がプリコンバータ２２に内蔵された三元触媒２１の触媒作用により酸化されると共に、酸化されなかったＨＣ成分やＣＯ成分の一部とほとんどのＮＯｘ成分はプリコンバータ２２を通過して、下流側のメインコンバータ２４へと導かれることになる。そして、ＮＯｘ成分はメインコンバータ２４に内蔵されたリーンＮＯｘ触媒２３に吸着されて、ＨＣ成分の存在の下に還元浄化されると共に、この還元反応に関与しなかったＨＣ成分の残部とＣＯ成分とはリーンＮＯｘ触媒２３の触媒作用により酸化浄化されることになる。
【００８１】
一方、エンジン１のリーン運転が暫く継続した後、エンジン１の運転状態が図４のマップにおけるＬｂ領域からλ１領域へ移行したときには、目標空燃比Ｙｏが理論空燃比Ｙ１に設定されることになる。その場合において、ＳＶ値Ｓｖが所定値αよりも小さくなると、換言すれば排気ガス流量が一定流量以下に減少したときには、上記フローチャートに示すところに従って目標空燃比Ｙｏが変更されることになる。この場合、変更する前の目標空燃比Ｙｏが１４．７であることから、変更後の目標空燃比Ｙｏは約１４．３となり、エンジン１はリッチ運転されることになる。
【００８２】
したがって、排気ガス中のＨＣ成分の割合が相対的に増大することになり、その分だけプリコンバータ２２を通過してメインコンバータ２４に到達するＨＣ成分が増量されることになって、リーンＮＯｘ触媒２３に吸着されていたＮＯｘ成分がＨＣ成分の存在の下に効果的に還元浄化されることになる。なお、上記還元反応に関与しなかったＨＣ成分の残部とＣＯ成分はリーンＮＯｘ触媒２３の触媒作用により酸化浄化される。
【００８３】
もちろん、ＨＣ成分が多量に発生するエンジン１の冷間運転時においては、この場合においても、目標空燃比Ｙｏを変更するのを禁止してもよい。
【００８７】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００８８】
この実施例においては、例えば白金量を増量することにより、図６に示すように、浄化中心空燃比が１４．３となるように設定されたリーンＮＯｘ触媒２３’が、図１におけるメインコンバータ２４に内蔵されている。
【００８９】
この場合には、エンジン１の運転状態が図４のマップにおけるＬｂ領域からλ１領域へ移行したときには、エンジン１が目標空燃比Ｙｏを例えば１４．３に設定した状態で運転されることになる。
【００９０】
したがって、排気ガス中のＨＣ成分の割合が相対的に増大することになり、その分だけプリコンバータ２２を通過してメインコンバータ２４に到達するＨＣ成分が増量されることになって、リーンＮＯｘ触媒２３’に吸着されていたＮＯｘ成分がＨＣ成分の存在の下に効果的に還元浄化されることになる。
【００９１】
そして、リーンＮＯｘ触媒２３’の理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高くなっているので、過剰なＨＣ成分やＣＯ成分がリーンＮＯｘ触媒２３’の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになる。
【００９２】
次に、図７、図８を参照して本発明の第３実施例について説明する。
【００９３】
この実施例においては、図７に示すように、メインコンバータ２４におけるリーンＮＯｘ触媒２３の下流側に第３触媒２９が配設されている。この第３触媒２９は、図８に示すように、浄化中心空燃比が１４．３となるように設定されている。
【００９４】
そして、この実施例においては、エンジン１′の運転状態が図４のマップにおけるＬｂ領域からλ１領域へ移行したときに、エンジン１′が目標空燃比Ｙｏを例えば上記第３触媒の浄化中心空燃比に設定した状態で運転されることになる。
【００９５】
したがって、この実施例においても、排気ガス中のＨＣ成分の割合が相対的に増大することになり、その分だけプリコンバータ２２を通過してインコンバータ２４に到達するＨＣ成分が増量されることになって、リーンＮＯｘ触媒２３に吸着されていたＮＯｘ成分がＨＣ成分の存在の下に効果的に還元浄化されることになる。
【００９６】
そして、第３触媒２９の理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高くなっているので、過剰なＨＣ成分やＣＯ成分が第３触媒２９の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになる。
【００９７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、主触媒がリーンＮＯｘ触媒で構成されているので、目標空燃比をリーン空燃比に設定したリーン運転時においてもＮＯｘ成分が効果的に還元浄化されることになる。
【０１０４】
そして、第１発明によれば、前置触媒の触媒容量に対する排気ガス容量の比率が所定値よりも小さくなったとき、換言すれば燃焼室から排出される排気ガスの総量が減少した場合において、エンジンの運転状態が上記リーン空燃比領域から理論空燃比領域に移行したときは、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に変更されることになるので、排気ガス中のＨＣ成分の割合が相対的に増加することになり、これによってリーンＮＯｘ触媒に到達するＨＣ成分の量が増加することになって、リーンＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘ成分がＨＣ成分の存在の下に効果的に還元浄化されることになる。
【０１０７】
また、第２発明によれば、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒が、理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定されているので、エンジンをリッチ運転したとしても過剰なＨＣ成分やＣＯ成分がリーンＮＯｘ触媒の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになって、排気性能が総合的に向上することになる。
【０１０８】
また、第３発明によれば、理論空燃比よりもリッチ側におけるＨＣ及びＣＯに対する浄化特性が高く設定された触媒が、主触媒を構成するリーンＮＯｘ触媒の下流側に配設されているので、エンジンをリッチ運転したとしても過剰なＨＣ成分やＣＯ成分がリーンＮＯｘ触媒の触媒作用により効果的に酸化浄化されることになって、排気性能が総合的に向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１〜第３実施例に共通するエンジンの制御システム図である。
【図２】三元触媒の特性図である。
【図３】リーンＮＯｘ触媒の特性図である。
【図４】触媒活性時における空燃比制御領域を示すマップの説明図である。
【図５】目標空燃比の変更処理に関するフローチャート図である。
【図６】第２実施例で使用する三元触媒の特性図ある。
【図７】第３実施例に係るエンジンの制御システム図である。
【図８】第３実施例で使用する第３触媒の特性図ある。
【符号の説明】
１エンジン
６燃焼室
１２エアフローセンサ
１５燃料噴射弁
２０排気通路
２１三元触媒
２２プリコンバータ
２３リーンＮＯｘ触媒
２４メインコンバータ
２５リニアＯ2センサ
２９第３触媒
３０ＥＣＵ
３１スロットルセンサ
３３エンジン回転数センサ
３４水温センサ[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an engine exhaust gas purification device, and more particularly to an engine exhaust gas purification device in which a pre-catalyst and a main catalyst are arranged in series in an exhaust passage, and the main catalyst is composed of a lean NOx catalyst.
[0002]
[Prior art]
In engines for automobiles, etc., in order to reduce harmful components contained in the exhaust gas after combustion, excellent purification of the above three harmful components, especially CO, HC and NOx, which have a large environmental impact A three-way catalyst exhibiting characteristics is installed in the exhaust passage, and the air-fuel ratio (= air / fuel) of the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber is maintained at a predetermined target air-fuel ratio (for example, theoretical air-fuel ratio = 14.7). There is one that performs air-fuel ratio control. In this air-fuel ratio control, for example, the fuel supply amount (basic fuel supply amount) is set so as to reach the target air-fuel ratio based on the intake air amount and the engine speed, and the exhaust passage is arranged upstream of the three-way catalyst. When the output signal of the installed O ₂ sensor indicates a rich state in which the air-fuel ratio is richer than the target air-fuel ratio (fuel is in a rich state), the basic fuel supply amount is corrected to be reduced, and the output signal is less than the target air-fuel ratio. When the fuel ratio is in a lean state (the fuel is lean), the basic fuel supply amount is corrected to increase so that the air / fuel ratio converges to the target air / fuel ratio.
[0003]
In recent years, in order to improve fuel efficiency, the air-fuel ratio may be controlled to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio under predetermined conditions. In this case, as is well known, when the excess air ratio λ (= air / fuel ratio / theoretical air / fuel ratio) is larger than 1, the ordinary three-way catalyst is exhausted into the atmosphere because the purification efficiency for NOx is significantly reduced. Conversely, the NOx component may increase. For this problem, for example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1-135541 proposes a lean NOx catalyst with improved purification characteristics for NOx components in a lean atmosphere.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way , in this type of engine, for the purpose of improving the exhaust performance when cold, etc., a small-capacity pre-catalyst is disposed in the exhaust passage close to the combustion chamber, and on the downstream side of the pre-catalyst. A main catalyst having a large capacity may be provided. In this case, if the downstream main catalyst is composed of a lean NOx catalyst, the following problem may occur.
[0005]
That is, in this type of engine, an operating region (theoretical air-fuel ratio region) in which the target air-fuel ratio of the engine is set to the stoichiometric air-fuel ratio, and a predetermined lean air-fuel ratio (for example, 23. 0) may be provided adjacent to an operation region (lean air-fuel ratio region) for setting the target air-fuel ratio. In this case, the operation state changes during the lean operation, and the stoichiometric air-fuel ratio is changed from the lean air-fuel ratio region. When shifting to the region, the NOx component discharged from the lean NOx catalyst may increase. This is because the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber is switched from the lean air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio, and the amount of HC components in the exhaust gas decreases, so almost all of the HC components are transferred to the front catalyst. It is assumed that the NOx component that has been adsorbed and does not reach the downstream lean NOx catalyst and that has been adsorbed on the lean NOx catalyst during the lean operation flows out without being effectively purified due to the lack of the HC component. In particular, when the stoichiometric air-fuel ratio region is provided corresponding to the engine idling state, the engine becomes idling and the total amount of exhaust gas is reduced, so that the above phenomenon becomes particularly significant. .
[0008]
The present invention sets the target air-fuel ratio to a stoichiometric air-fuel ratio region in which the target air-fuel ratio is set to the stoichiometric air-fuel ratio and a predetermined lean air-fuel ratio in which the air-fuel ratio is larger than the stoichiometric air-fuel ratio. When the main catalyst is composed of a lean NOx catalyst in an exhaust gas purification device for an engine in which a lean air-fuel ratio region is adjacently provided and a pre-catalyst and a main catalyst are arranged in series in the exhaust passage In particular, the object is to effectively suppress the emission of NOx components.
[0015]
That is , the invention according to claim 1 of the present application (hereinafter referred to as the first invention) theoretically calculates the target air-fuel ratio in the engine idle operation state as an operation region for setting the target air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber. A stoichiometric air-fuel ratio region that is set to an air-fuel ratio and a lean air-fuel ratio region that sets a target air-fuel ratio to a predetermined lean air-fuel ratio that is larger than the stoichiometric air-fuel ratio are provided adjacent to each other, and an exhaust passage is provided. In the engine in which the pre-catalyst and the main catalyst are arranged in series, when the main catalyst is constituted by a lean NOx catalyst and the ratio of the exhaust gas capacity to the catalyst capacity of the pre-catalyst is smaller than a predetermined value , the engine this operating condition in which a target air-fuel ratio changing means for changing to the rich side than the stoichiometric air-fuel ratio, the target air-fuel ratio when a transition to the stoichiometric air-fuel ratio range from the lean air-fuel ratio range of The features.
[0018]
The invention according to claim 2 of the present application (hereinafter, referred to as the second invention), purify the lean NOx catalyst constituting the main catalyst in the first shot bright, for HC and CO in the rich side than at least the stoichiometric air-fuel ratio It is characterized by a special setting.
[0019]
In addition, the invention according to claim 3 of the present application (hereinafter referred to as the third invention) has a high purification characteristic for HC and CO at least on the rich side of the stoichiometric air-fuel ratio in addition to the configuration of the first invention. The catalyst is arranged on the downstream side of the lean NOx catalyst constituting the main catalyst.
[0020]
[Action]
According to said structure, the following effects are acquired.
[0028]
Then, according to the first invention, before when the ratio of the exhaust gas volume to catalyst volume of-catalyst is smaller than the predetermined value, when the total amount of exhaust gas discharged from the combustion chamber in other words is reduced, When the engine operating state shifts from the lean air-fuel ratio region to the stoichiometric air-fuel ratio region , the target air-fuel ratio is changed to a richer side than the stoichiometric air-fuel ratio, so the ratio of the HC component in the exhaust gas The amount of HC components that reach the lean NOx catalyst increases, and the NOx component adsorbed on the lean NOx catalyst is effective in the presence of the HC component. Will be reduced and purified.
[0031]
Further, according to the second invention, the lean NOx catalyst constituting the main catalyst is set to have a high purification characteristic for HC and CO on the rich side with respect to the stoichiometric air-fuel ratio. The HC component and the CO component are effectively oxidized and purified by the catalytic action of the lean NOx catalyst, so that the exhaust performance is comprehensively improved.
[0032]
Further, according to the third aspect of the invention, the catalyst having a higher purification characteristic for HC and CO on the rich side than the stoichiometric air-fuel ratio is disposed on the downstream side of the lean NOx catalyst constituting the main catalyst. Even if the engine is richly operated, excess HC components and CO components are effectively oxidized and purified by the catalytic action of the lean NOx catalyst, so that exhaust performance is comprehensively improved.
[0033]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0034]
As shown in FIG. 1, an engine 1 according to this embodiment has a piston 4 fitted into a vertical cylinder bore 3 formed in an engine body 2, and a cylinder head provided at an upper portion of the engine body 2. A combustion chamber 6 is formed between 5 and the piston 4.
[0035]
Further, the engine 1 is provided with an intake passage 10 and an exhaust passage 20 that lead to the combustion chamber 6 through intake and exhaust valves 7 and 8. In the intake passage 10, an air cleaner 11, an air flow sensor 12, a throttle valve 13, a surge tank 14 and a fuel injection valve 15 are sequentially provided from the upstream side.
[0036]
On the other hand, in the exhaust passage 20, a pre-converter 22 incorporating a three-way catalyst 21 as a pre-catalyst and a main converter 24 incorporating a lean NOx catalyst 23 as a main catalyst are arranged in series. On the upstream side of the pre-converter 22, a linear O ₂ sensor 25 that generates an output voltage substantially proportional to the residual oxygen concentration in the exhaust gas is installed. In this case, the three-way catalyst 21 is of a normal type, and as shown in FIG. 2, the purification center air-fuel ratio is set to 14.7 indicating the theoretical air-fuel ratio (λ = 1). Yes. The lean NOx catalyst 23 is also of a normal type, and as shown in FIG. 3, the purification center air-fuel ratio is set to 14.7 indicating the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1). The purification characteristic for NOx on the lean side of the stoichiometric air-fuel ratio is improved as compared with the three-way catalyst 21.
[0037]
In this embodiment, the catalyst capacity Vc of the pre-converter 22 is set so that a part (for example, 20%) of the HC component in the exhaust gas passes downstream.
[0039]
Further, the engine 1 is provided with an electronic control type control unit (hereinafter referred to as ECU) 30. The ECU 30 includes a signal from the air flow sensor 12, a signal from the throttle sensor 31 that detects the opening degree of the throttle valve 13, a signal from the idle switch 32 that detects the fully closed position of the throttle valve 13, and a linear O 2 sensor 25. , A signal from the engine rotation sensor 33 that detects the engine speed, a signal from the water temperature sensor 34 that detects the engine water temperature, and the like. Then, ECU 30, based on the respective signals, and controls the fuel injection amount from the fuel injection valve 15.
[0040]
Here, the fuel injection control performed by the ECU 30 will be described. The fuel injection control is generally performed as follows.
[0041]
That is, the ECU 30 compares the engine speed Ne indicated by the signal from the engine rotation sensor 33 and the throttle opening degree θ indicated by the signal from the throttle sensor 31 with the operation region map shown in FIG. Belongs to which region. When it is determined that the operating state belongs to the stoichiometric air-fuel ratio region (hereinafter referred to as the λ1 region) set on the low rotation light load side, the stoichiometric air-fuel ratio Y1 (= 14.7) is set as the target air-fuel ratio Yo. When it is determined that the operating state belongs to the lean burn region (hereinafter referred to as Lb region) provided adjacent to the λ1 region, a predetermined lean air-fuel ratio Y2 (for example, 23.0) is set as the target air-fuel ratio Yo. set. Further, when it is determined that the operating state belongs to an enriched region (hereinafter referred to as an Er region) provided adjacent to the high-load high-rotation side of the Lb region, a predetermined rich air-fuel ratio Y3 (for example, the target air-fuel ratio Yo) 12.0) is set.
[0042]
Then, the ECU 30 calculates the amount of air sucked into the combustion chamber 6 per cycle, that is, the charging efficiency Ce from the engine speed Ne and the air flow rate Q indicated by the signal from the air flow sensor 12, and the charging efficiency Ce Based on this, the basic fuel injection amount for realizing the target air-fuel ratio Yo is calculated.
[0043]
Next, the ECU 30 calculates a feedback correction amount when it is determined that the operating state belongs to either the Lb region or the λ1 region indicated by hatching in FIG.
[0044]
That is, when the ECU 30 compares the actual air-fuel ratio Yr indicated by the signal from the linear O ₂ sensor 25 with the target air-fuel ratio Yo and determines that the actual air-fuel ratio Yr is richer than the target air-fuel ratio Yo, the feedback correction amount. When it is determined that the actual air-fuel ratio Yr is leaner than the target air-fuel ratio Yo, the feedback correction amount is increased. Further, if necessary, other correction amounts are obtained, and these correction amounts are added to the basic fuel injection amount to obtain the final fuel injection amount, and the fuel is injected so that fuel is injected at this final fuel injection amount. An injection signal is output to the fuel injection valve 15.
[0076]
Next, a description will be given of the air-fuel ratio changing process with reference to a flowchart of FIG.
[0077]
That, ECU 30 includes a charging efficiency Ce and the engine speed Ne on read at steps T11, T1 2, the ratio of the exhaust gas volume to catalyst volume of the pre-converter 22 (three-way catalyst 21) proceeds to step T13 (Hereinafter referred to as SV value) Sv is calculated according to the following relational expression (1).
Sv = Ce · Ne / Vc ... (1)
Here, the charging efficiency Ce is obtained by gradually subtracting the air flow rate Q sucked into the engine 1 by the engine speed Ne as described above, and therefore the numerator on the right side of the relational expression (1) is the air flow rate Q. Become. In that case, since the exhaust gas flow rate can be approximated by the air flow rate Q, eventually, the SV value Sv value is approximately obtained on the right side of the relational expression (1).
[0078]
After calculating the SV value Sv in step T13, the ECU 30 proceeds to step T14 and determines whether or not the SV value Sv is smaller than the predetermined value α. If the SV value Sv is not smaller than the predetermined value α, the ECU 30 proceeds to step T15. And the target air-fuel ratio Yo set according to the map of FIG. 4 is set as the target air-fuel ratio Yo as it is.
[0079]
On the other hand, if the ECU 30 determines in step T14 that the SV value Sv is smaller than the predetermined value α, the ECU 30 then proceeds to step T16, where the operating state indicated by the throttle opening θ and the engine speed Ne is the map of FIG. determines whether belonging to λ1 regions in, the routine proceeds to step T17 when it is determined to belong to λ1 region, Tokoro value β to the target air-fuel ratio Yo which is set according to the map in FIG. 4 (e.g., 0.975) The multiplied value is finally set as the target air-fuel ratio Yo.
[0080]
Next, the operation of the first embodiment will be described. That is, when the operating state of the engine 1 belongs to the Lb region in the map of FIG. 4, the target air-fuel ratio Yo is set to the lean air-fuel ratio Y2, and the engine 1 is operated lean. The exhaust gas discharged from the combustion chamber 6 to the exhaust passage 20 is guided to the downstream main converter 24 via the pre-converter 22. As a result, most of the HC components and CO components in the exhaust gas are oxidized by the catalytic action of the three-way catalyst 21 incorporated in the pre-converter 22, and some of the HC components and CO components that have not been oxidized. Most of the NOx components pass through the pre-converter 22 and are led to the main converter 24 on the downstream side. The NOx component is adsorbed by the lean NOx catalyst 23 built in the main converter 24 and reduced and purified in the presence of the HC component, and the remainder of the HC component that is not involved in the reduction reaction, the CO component, Is oxidized and purified by the catalytic action of the lean NOx catalyst 23 .
[0081]
On the other hand , when the operating state of the engine 1 shifts from the Lb region to the λ1 region in the map of FIG. 4 after the lean operation of the engine 1 continues for a while, the target air-fuel ratio Yo is set to the stoichiometric air-fuel ratio Y1. . In this case, when the SV value Sv is smaller than the predetermined value α, in other words, when the exhaust gas flow rate is reduced to a predetermined flow rate or less, the target air-fuel ratio Yo is changed according to the flow chart shown above. In this case, since the target air-fuel ratio Yo before the change is 14.7, the target air-fuel ratio Yo after the change is about 14.3, and the engine 1 will be rich operation.
[0082]
Therefore, the ratio of the HC component in the exhaust gas is relatively increased, and the amount of the HC component that passes through the pre-converter 22 and reaches the main converter 24 is increased accordingly, and the lean NOx catalyst is increased. Thus, the NOx component adsorbed on 23 is effectively reduced and purified in the presence of the HC component. The remainder of the HC component and the CO component that were not involved in the reduction reaction are oxidized and purified by the catalytic action of the lean NOx catalyst 23.
[0083]
Of course, during the cold operation of the engine 1 in which a large amount of HC component is generated, it may be prohibited to change the target air-fuel ratio Yo even in this case.
[0087]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0088]
In this embodiment, by extending the example platinum amount, as shown in FIG. 6, is set lean NOx catalyst 23 'as purification center air-fuel ratio is 14.3, the main converter 24 in FIG. 1 Built in.
[0089]
In this case, when the operating state of the engine 1 shifts from the Lb region to the λ1 region in the map of FIG. 4, the engine 1 is operated with the target air-fuel ratio Yo set to 14.3, for example.
[0090]
Therefore, the ratio of the HC component in the exhaust gas is relatively increased, and the amount of the HC component that passes through the pre-converter 22 and reaches the main converter 24 is increased accordingly, and the lean NOx catalyst is increased. The NOx component adsorbed by 23 'is effectively reduced and purified in the presence of the HC component.
[0091]
Since the purification characteristics for HC and CO on the richer side than the stoichiometric air-fuel ratio of the lean NOx catalyst 23 'are higher, excess HC components and CO components are effectively oxidized by the catalytic action of the lean NOx catalyst 23'. It will be purified.
[0092]
Next, FIG. 7, a description will be given of a third embodiment of the present invention with reference to FIG.
[0093]
In this embodiment, as shown in FIG. 7 , a third catalyst 29 is disposed on the downstream side of the lean NOx catalyst 23 in the main converter 24. As shown in FIG. 8 , the third catalyst 29 is set so that the purification center air-fuel ratio becomes 14.3.
[0094]
In this embodiment, when the operating state of the engine 1 ′ shifts from the Lb region to the λ1 region in the map of FIG. 4, the engine 1 ′ changes the target air-fuel ratio Yo to, for example, the purification center air-fuel ratio of the third catalyst. Will be operated in the state set to.
[0095]
Therefore, also in this embodiment, the ratio of the HC component in the exhaust gas is relatively increased, and the amount of the HC component that passes through the pre-converter 22 and reaches the in-converter 24 is increased accordingly. Thus, the NOx component adsorbed on the lean NOx catalyst 23 is effectively reduced and purified in the presence of the HC component.
[0096]
Since the purification characteristic for HC and CO on the rich side of the third catalyst 29 is higher than the stoichiometric air-fuel ratio, excessive HC components and CO components are effectively oxidized and purified by the catalytic action of the third catalyst 29. Will be.
[0097]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the main catalyst is composed of the lean NOx catalyst, the NOx component is effectively reduced and purified even during lean operation in which the target air-fuel ratio is set to the lean air-fuel ratio. Become.
[0104]
Then, according to the first invention, before when the ratio of the exhaust gas volume to catalyst volume of-catalyst is smaller than the predetermined value, when the total amount of exhaust gas discharged from the combustion chamber in other words is reduced, When the engine operating state shifts from the lean air-fuel ratio region to the stoichiometric air-fuel ratio region, the target air-fuel ratio is changed to a richer side than the stoichiometric air-fuel ratio, so the ratio of the HC component in the exhaust gas is As a result, the amount of HC components reaching the lean NOx catalyst increases, and the NOx components adsorbed on the lean NOx catalyst are effectively removed in the presence of the HC components. It will be reduced and purified.
[0107]
Further, according to the second invention, the lean NOx catalyst constituting the main catalyst is set to have a high purification characteristic for HC and CO on the rich side with respect to the stoichiometric air-fuel ratio. The HC component and the CO component are effectively oxidized and purified by the catalytic action of the lean NOx catalyst, so that the exhaust performance is comprehensively improved.
[0108]
Further, according to the third aspect of the invention, the catalyst having a higher purification characteristic for HC and CO on the rich side than the stoichiometric air-fuel ratio is disposed on the downstream side of the lean NOx catalyst constituting the main catalyst. Even if the engine is richly operated, excess HC components and CO components are effectively oxidized and purified by the catalytic action of the lean NOx catalyst, so that exhaust performance is comprehensively improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an engine control system diagram common to first to third embodiments.
FIG. 2 is a characteristic diagram of a three-way catalyst.
FIG. 3 is a characteristic diagram of a lean NOx catalyst.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a map showing an air-fuel ratio control region at the time of catalyst activation.
FIG. 5 is a flow chart about the process of changing the target air-fuel ratio.
FIG. 6 is a characteristic diagram of the three-way catalyst used in the second embodiment.
FIG. 7 is an engine control system diagram according to a third embodiment;
FIG. 8 is a characteristic diagram of a third catalyst used in the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1 engine 6 combustion chamber 12 the air flow sensor 15 fuel injection valve 20 exhaust passage 21 three-way catalyst 22 pre converter 23 lean NOx catalyst 24 main converter 25 linear O2 sensor
2 9 Third catalyst 30 ECU
31 Throttle sensor 33 Engine speed sensor 34 Water temperature sensor

Claims

As the operating region for setting the target air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber, the theoretical air-fuel ratio region in which the target air-fuel ratio is set to the stoichiometric air-fuel ratio when the engine is idling, and the air-fuel ratio is larger than the stoichiometric air-fuel ratio An engine exhaust gas purification apparatus in which a lean air-fuel ratio region for setting a target air-fuel ratio to a predetermined lean air-fuel ratio is provided adjacently, and a pre-catalyst and a main catalyst are arranged in series in an exhaust passage. When the main catalyst is composed of a lean NOx catalyst that purifies NOx even in a lean atmosphere and the ratio of the exhaust gas capacity to the catalyst capacity of the pre-catalyst is smaller than a predetermined value , engine operation is performed. when the state has shifted to the stoichiometric air-fuel ratio range from the lean air-fuel ratio region, the target air-fuel ratio changing means is provided, et al to change the target air-fuel ratio to the rich side than the stoichiometric air-fuel ratio An exhaust gas purifying system for an engine, characterized in that are.

2. The engine exhaust gas purification device according to claim 1, wherein the lean NOx catalyst constituting the main catalyst is set to have a high purification characteristic for HC and CO on the rich side at least from the stoichiometric air-fuel ratio.

2. The catalyst according to claim 1, wherein at least a catalyst having a high purification characteristic for HC and CO on the rich side of the stoichiometric air-fuel ratio is disposed downstream of the lean NOx catalyst constituting the main catalyst. Engine exhaust gas purification device.