JP3854013B2

JP3854013B2 - 内燃機関の排出ガス浄化装置

Info

Publication number: JP3854013B2
Application number: JP16358899A
Authority: JP
Inventors: 裕史大内; 敏和知; 秀昭片柴; 敏明米倉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: DE10001837A1; US6519932B2; JP2000352336A; US20020053200A1; DE10001837B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＮＯｘ触媒を用いた内燃機関の排出ガス浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
希薄燃焼エンジンでは、排出ガス浄化のために、ＮＯｘ吸蔵タイプや選択還元タイプなどと呼ばれるＮＯｘ触媒が使用されている。ＮＯｘ吸蔵触媒は、空燃比が希薄空燃比（リーン）のときに排出ガス中に含まれるＮＯｘを貯蔵し、空燃比が濃厚空燃比（リッチ）のときに貯蔵された窒素酸化物ＮＯｘを放出して排出ガス中に含まれる炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯなどの還元剤によって浄化する。すなわち、希薄燃焼エンジンでは、ＮＯｘ触媒を排気管の途中に設置し、リーン運転とリッチ運転とを繰り返すことにより、ＮＯｘを浄化することができる。例えば、特許第２６００４９２号公報で開示された内燃機関の排出ガス浄化装置では、ＮＯｘ触媒から窒素酸化物ＮＯｘを放出するために、全負荷運転のリッチ運転中や、加速運転のストイキ（理論空燃比）運転中や、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力飽和時などにおいて、周期的に、内燃機関をリッチ運転とストイキ運転とを実施している。
【０００３】
また、希薄燃焼エンジンでは、部分負荷運転中は燃費の改善や排出ガス浄化を目的にリーン運転とストイキ運転とを行い、全負荷運転中は出力を必要とするためにリッチ比運転を行うこと、すなわち、運転状態に応じ所定の空燃比に制御する空燃比制御を実施していることも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の希薄燃焼エンジンの空燃比制御では、リーン運転からストイキ運転に直接的に移行するため、運転状態がリーン運転からストイキ運転に切替えられる際、図２の（Ｄ）に示すように、一時的に、ＮＯｘが浄化しきれずに大気中に排出される可能性がある。それは、次の▲１▼〜▲３▼項のような要因ではないかと考えられる。▲１▼ＮＯｘ触媒が、吸蔵していた窒素酸化物ＮＯｘを、Ｂａ（ＮＯ_３）_２→ＢａＯ＋２ＮＯ＋３Ｏ_２／２として放出すること、▲２▼ストイキ運転では、炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯなどの還元剤が不足すること、▲３▼空燃比がストイキ付近では、リーン運転よりもＮＯｘの生成が増加することなどである。
【０００５】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、運転状態がリーン運転からストイキ運転に切替えられる際、窒素酸化物の大気中への放出を抑制できる内燃機関の排出ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る内燃機関の排出ガス浄化装置は、内燃機関の排気通路内に配置されたＮＯｘ触媒と、リーン運転とストイキ運転とリッチ運転とが運転状態に応じて選択される空燃比制御手段とを備えた内燃機関の排出ガス浄化装置において、膨張行程または排気行程での追加燃料噴射を行う追加燃料噴射手段と、前記空燃費制御手段がリーン運転からストイキ運転に切替える際、リッチ運転後にストイキ運転に移行する強制リッチ運転手段とを備え、前記空燃比制御手段がリーン運転からストイキ運転に切替える際は、第一にリッチ運転後にストイキ運転に移行する強制リッチ運転を行い、その後、前記追加燃料噴射手段による追加燃料噴射を行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明に係る内燃機関の排出ガス浄化装置は、請求項１に記載の強制リッチ運転する空燃比が１３．２〜１４．２の範囲に定められたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１について図１〜図５を用いて説明する。図１は内燃機関の排出ガス浄化装置を示す構成図である。図１において、１は内燃機関、２は内燃機関１のシリンダ、３はシリンダ２に格納されたピストン、４は内燃機関１の吸気弁、５は内燃機関１の排気弁、６はシリンダ２とピストン３と吸気弁４と排気弁５とで囲まれた燃焼室、７は燃焼室６に燃料を噴射するインジュクタ、８は燃焼室６内の混合気への点火プラグ、９は内燃機関１の吸気弁４で開閉される吸気ポートに接続された吸気管、１０は吸気管９の上流側内部に配置されて内燃機関１に吸入される空気量を計測する空気量センサ、１１は吸気管９の下流側内部に配置されて内燃機関１に吸入される空気量を制御するスロットルバルブ、１２は内燃機関１の排気弁５で開閉される排気ポートに接続された排気管、１３は排気管１２の上流側内部に配置された３元触媒、１４は排気管１２の下流側内部に配置されたＮＯｘ触媒、１５は排気弁５と３元触媒１３との間で排気管１２に設けられた空燃比センサ、１６は３元触媒１３とＮＯｘ触媒１４との間で排気管１２に設けられた空燃比センサ、１７はＮＯｘ触媒１４より下流側で排気管１２に設けられた空燃比センサ、１８は内燃機関１のクランクシャフト、１９はピストン３とクランクシャフト１８とに連結されたコネクティングロッド、２０はクランクシャフト１８の回転速度をエンジン回転速度として検出する回転センサ、２１はディジタルコンピュータを内蔵したＥＣＵと呼ばれるエンジン制御装置である。エンジン制御装置２１は空気量センサ１０、空燃比センサ１５〜１７、回転センサ２０などの各センサから取り込んだ信号に基づきディジタルコンピュータのプログラムで規定された処理に従いインジェクタ７や点火プラグ８を駆動する。この実施の形態１の場合、エンジン制御装置２１は運転状態判定手段２１０と空燃比制御判定手段２１１および強制リッチ運転手段２１２を備える。運転状態判定手段２１０と空燃比制御判定手段２１１および強制リッチ運転手段２１２などの各手段は、ディジタルコンピュータのＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに従いＲＡＭを記憶手段として用い、図４の空燃比制御処理を実行する。
【００１３】
図３はエンジン制御装置２１の空燃比制御に用いられるマップを示した図である。空燃比制御は内燃機関１の運転状態に応じて変化する。よって、図３では、横軸にエンジン回転数Ｎｅを示し、縦軸に例えば充填効率などのエンジン負荷を表すパラメータである負荷Ｐを示す。空燃比制御では、空気量センサ１０や空燃比センサ１５〜１７などからの入力信号に基づき演算された負荷Ｐと回転センサ２０からの入力信号によるエンジン回転数Ｎｅとを図３のマップに照合して運転状態を定める。図３において、実線Ｌ１より低負荷側の低負荷運転領域はリーン運転と設定され、実線Ｌ１と実線Ｌ２の間の高負荷運転領域はストイキ運連と設定され、実線Ｌ２よりも高負荷側の全負荷運転領域はリッチ運転と設定される。そして、図３のマップに基づき、エンジン回転数Ｎｅが低くかつ負荷Ｐが低い低負荷時はリーン運転が選定され、燃焼室６に供給される混合気の空燃比が希薄空燃比（リーン）に設定される。上記負荷Ｐより高い負荷時はストイキ運転が選定され、燃焼室６に供給される混合気の空燃比が理論空燃比（ストイキ）に設定される。高出力が必要な状態、すなわち、エンジン回転数Ｎｅが高く、かつ、負荷Ｐが高い高負荷時はリッチ運転が選定され、燃焼室６に供給される混合気の空燃比が濃厚空燃比（リッチ）に設定される。例えば、内燃機関１がアイドル回転しているリーン運転から、走行のためアクセルが踏込まれた場合、エンジン回転数Ｎｅと負荷Ｐが増加するので、ストイキ運転に切替る。さらに、アクセルの踏込みが大きく、高い出力が必要な時には、リッチ運転となる。これらリーン運転とストイキ運転とリッチ運転との動きは図３に点線Ｌ３で示されている。
【００１４】
次に、実施の形態１の動作について図４を参照しつつ説明する。図４はリーン運転からストイキ運転に切替る空燃比切替時制御を示すフローチャートである。このフローチャートでは運転状態がリーン運転からストイキ運転に切替るとき強制的に一時的にリッチ運転（以下、強制リッチ運転と称する）に切替った後、ストイキ運転となる。この強制リッチ運転について詳述する。図４は所定の条件ごと、例えば、２５ｍｓｅｃ毎に実施される。図４において、ステップＳ１では運転状態を判定するためエンジン回転数Ｎｅおよび負荷Ｐを読込む。次に、ステップＳ２では読込んだエンジン回転数Ｎｅおよび負荷Ｐに基づき図３のマップにより空燃比制御を判定する。このとき、今回の処理サイクルでの運転状態を今回運転状態として記憶するとともに、前回の処理サイクルでの運転状態を前回運転状態として記憶する。その後、ステップＳ３では今回ストイキ運転でかつ前回リーン運転であったか否かを、上記ステップＳ２における前回運転状態記憶値および今回運転状態記憶値によって判定する。ステップＳ３での判定結果が今回ストイキ運転で前回リーン運転であれば、燃焼条件の切替えが起こったため、Ｙｅｓと判定される。
【００１５】
そして、ステップＳ４では強制リッチ運転するためのフラグをセットし、Ｓ５ではタイマＡをセットし、ステップＳ６において強制リッチ運転を指示した後、一旦、処理を終了する。それから、次の処理開始タイミングにより、ステップＳ１からステップＳ３までの処理が行われる。このとき既に、運転状態による判定では、今回ストイキ運転で前回ストイキ運転と判定される。すなわち、ステップＳ３ではＮｏと判定される。よって、ステップＳ７ではフラグセットか否かが判定される。このとき既に、フラグがセットされているので、ステップＳ８では記述しない別のルーチンによる処理で所定時間毎にカウントダウンされたタイマＡがゼロであるか否かを判定する。このとき、タイマＡがゼロでなければ、ステップＳ６に処理が移り、強制リッチ運転が継続される。逆に、タイマＡがゼロであれば、ステップＳ９においてフラグをクリアする。このことにより、上記次の演算タイミングによるステップＳ１〜ステップＳ３とステップＳ７〜ステップＳ９との処理が行われたときに、フラグがクリアされるため、処理が終了し、リターンする。
【００１６】
図５は運転状態が前記リーン運転からストイキ運転に切替る場合の動作を示すタイムチャートである。図５の（Ａ）において、エンジン回転数Ｎｅおよび負荷Ｐにより運転状態による空燃比制御がリーン運転からストイキ運転に切替ることを判定すると、フラグがクリアからセットに変化し、これと同時に、タイマＡがゼロから所定時間である値Ａに設定された後に値Ａをカウントダウンする。また、上記フラグセットの立上がりおよびタイマＡの値Ａへの設定立上がりと同時に、運転状態がリーン運転から強制リッチ運転に移行される。その後、フラグがセットからクリアに変化し、これと同時に、タイマＡが値Ａからゼロになると、運転状態が強制リッチ運転からストイキ運転に切替る。
【００１７】
要するに、実施の形態１では、運転状態がリーン運転からストイキ運転に切替る際、リーン運転から強制リッチ運転に移行された後、強制リッチ運転からストイキ運転に切替えられるので、上記強制リッチ運転中において、還元剤である炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯがＮＯｘ触媒１４に供給される。よって、ＮＯｘ触媒１４からの一時的なＮＯｘ放出が強制リッチ運転による還元剤投入に伴い抑制され、一時的なＮＯｘ排出が少なくなる。このことについて、図２を参照し、前述の従来と対比して説明する。図２の（Ａ）に示す内燃機関１がアイドル回転ししている状態からアクセルが踏込まれて走行状態に変化した場合、図２の（Ｂ）に示すエンジン回転数Ｎｅが増加し、図２の（Ｄ）に示す空燃比制御がリーン運転から強制リッチ運転にタイマＡで設定された値Ａである所定時間移行した後にストイキ運転となる。よって、図２の（Ｆ）に示すようにＮＯｘ触媒１４（図１参照）では強制リッチ運転による還元剤投入に伴い一時的なＮＯｘ放出が抑制される。これに対し、従来は図２の（Ｃ）に示す空燃比制御がリーン運転からストイキ運転に直接的に切替るので、図２の（Ｅ）に示すように前記ＮＯｘ触媒１４から一時的にＮＯｘが多量に排出される。
【００１８】
また、特開平７−３０５６４４号公報にはリーン運転からリッチ運転に所定時間切替えることによりＮＯｘ触媒に吸着されてたＮＯｘを還元することが記載されているが、この従来例は、図６の（Ｂ）に示すように、リーン運転からリッチ運転に切替えた場合はリッチ運転を所定時間Ｔ１実施後、リーン運転に戻るか、または、図６の（Ｃ）に示すように、リーン運転からリストイキ運転に切替えた場合はストイキ運転を所定時間Ｔ１実施後、リーン運転に戻るものである。よって、特開平７−３０５６４４号のものは、前述の従来と同様、図２の（Ｅ）に示すように前記ＮＯｘ触媒１４から一時的にＮＯｘが多量に排出される。これに対し、実施の形態１は、図６の（Ａ）に示すように、運転状態がリーン運転からストイキ運転に切替えられる場合、リッチ運転からリッチ運転をタイマＡの値Ａ（値Ａによる時間＜Ｔ１）である時間だけ実施後、ストイキ運転に移行し、その後、リーン運転に戻るものである。よって、特開平７−３０５６４４号のものに比べ、実施の形態１は前述同様制リッチ運転による還元剤投入に伴い一時的なＮＯｘ放出が抑制される（図２の（Ｆ）参照）。
【００１９】
実施の形態２．
前記実施の形態１ではタイマＡを一定の値Ａに設定したが、運転状態によっては、タイマＡの値Ａである時間が長くなり、強制リッチ運転時間が長くなり、結果として、炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯなどの還元剤過多となることがある。このため、実施の形態２は、運転状態に応じて強制リッチ運転時間を制御したものである。実施の形態２について図７および図８を用いて説明する。図７は強制リッチ運転でのリッチ空燃比とタイマＡとの関係を定めたマップ、図８はエンジン回転数Ｎｅと負荷Ｐと強制リッチ運転時の空燃比との関係を定めたマップである。図８に示すように、強制リッチ運転の空燃比は、エンジン回転数Ｎｅが低回転領域では燃焼室６（図１参照）に供給される混合気の空気量が少ないためリッチ度合いが例えば１４．０と小さく設定され、エンジン回転数Ｎｅが高回転領域では上記混合気の空気量が多いためリッチ度合いが例えば１３．５と大きく設定されている。このようにエンジン回転数Ｎｅから空燃比のリッチ度合いが選定されたら、その選定されたリッチ度合いを図７のリッチ空燃比として図７の実線Ｌ４に照合し、図７のマップよりタイマＡ時間を選定する。例えば、図８より選定されたリッチ度合いが１４．０の場合は図７のマップよりタイマＡ時間がｔ１と選定され、図８より選定されたリッチ度合いが１３．５の場合は図７のマップよりタイマＡ時間がｔ２（ｔ１＞ｔ２）と選定される。これによって、強制リッチ運転時間が運転状態に応じて最適となり、最適なＮＯｘ抑制制御ができる。
【００２０】
実施の形態３．
前記実施の形態２では運転状態に応じて強制リッチ運転時間を制御したが、強制リッチ運転中の空燃比Ａ／Ｆのリッチ化は炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯの生成過多にならようにすることが必要である。そこで、実施の形態３は、強制リッチ運転時の空燃比Ａ／Ｆを１３．２から１４．２の範囲に設定することにより、炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯの生成過多を防止することができるようにしたものである。図９は公知の炭化水素ＨＣと一酸化炭素ＣＯおよび窒素酸化物ＮＯｘの発生特性を示す図である。図９に示すように、空燃比が１４．２よりリーン側に薄い場合には、炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯが不足し、窒素酸化物ＮＯｘが増加する。また、空燃比が１３．２よりリッチ側に濃い場合には、ＮＯｘ抑制以上に炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯが増加する。よって、設定する強制リッチ運転時の空燃比Ａ／Ｆは１３．２から１４．２の範囲に設定すれば、強制リッチ運転中において炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯの生成過多にならようにすることができる。
【００２１】
実施の形態４．
前記実施の形態１では運転状態がリーン運転からストイキ運転に切替る際に強制リッチ運転を採用したが、実施の形態４では図１０ではエンジン制御装置２１が前記強制リッチ運転手段２１２に代えて追加燃料噴射手段２１３を備える。この追加燃焼噴射手段２１３は図１１に示すように運転状態がリーン運転からストイキ運転に切替る際にタイマＡの値Ａである所定時間だけ膨張／排気行程の追加燃料噴射を行うことにより未燃の炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯをＮＯｘ触媒１４（図１参照）に還元剤として供給することができるようにしたものである。実施の形態４では、前述の図４のステップ６を図１１のステップ１６に代えている。ステップＳ１６では、運転状態がリーン運転からストイキ運転に切替る場合、強制的に膨張／排気行程噴射を実施する。このことにより、強制リッチ運転に代えて強制的な膨張／排気行程での追加燃料噴射が実施される。
【００２２】
図１２は前記膨張／排気行程での追加燃料噴射を示すタイムチャートである。図１２において、回転センサ２０（図１参照）の出力信号は、図１２の（Ａ）に示す１°ＣＡ毎にＨＩ／ＬＯに変化するクランク角度信号と、図１２の（Ｂ）に示す制御の基準的な絶対位置情報を知るための吸気行程でのＢＴＤＣ５°で立上がる基準角度信号とよりなる、２信号で構成される。そして、エンジン制御装置２１（図１参照）は、図３のマップに基づく運転状態による空燃比制御に従い、吸入空気量から所定空燃比となるように、燃料量を決定し、リーン運転であれば、図１２の（Ｃ）に符号ｄ１で示す圧縮行程での燃料噴射を実施する。このときの噴射タイミングＴｉｎｊは、基準位置信号から１°ＣＡ角を積算することで実現できる。即ち、Ｔｉｎｊ＝基準信号＋１°ＣＡ信号積算値である。そして、例えば、吸気ＢＴＤＣ３°で上記燃料噴射ｄ１を開始し、圧縮行程８０°で上記燃料噴射ｄ１を終了する。さらに、図１２の（Ｃ）に符号ｄ２で示す膨張／排気行程での追加燃料噴射を行う。この追加燃料噴射ｄ２は、噴射開始位置と噴射終了位置とを１°ＣＡ信号基準で運転状態に応じて予め決定しておき、１°ＣＡ信号を積算することで、実現できる。
【００２３】
なお、従来、触媒昇温の目的で、膨張行程での燃料を追加噴射し、圧縮行程での燃焼を膨張行程でも持続し、その結果として、排気温度を上昇させる事例がある。これに対し、実施の形態４では、未燃の燃料をＮＯｘ触媒１４（図１参照）にＮＯｘ還元剤として供給する目的で、膨張／排気行程での追加燃料噴射を実施しているため、燃焼持続の膨張行程追加燃料噴射に比べて燃料噴射タイミングが遅れ、噴射タイミングとしては排気行程付近での追加燃料噴射となる。
【００２４】
実施の形態５．
実施の形態４では膨張／排気行程での追加燃料噴射を実施したが、総追加燃料噴射燃料量Ｑｆｕｅｌを、図１３に示す関係で与えても良い。すなわち、総追加噴射燃料量Ｑｆｕｅｌは、タイマＡで与えられる時間（すなわち噴射回数）と一回当たり噴射される燃料量の総和で与えられる。その式は、総追加噴射燃料量Ｑｆｕｅｌ＝噴射回数（ｎ回＝タイマＡで与えたる時間／エンジン回転周期）×一回当たり燃料噴射量［ｃｃ］である。この総追加噴射燃料量Ｑｆｕｅｌは、図１３に実線Ｌ５で示すように所定量を越えない設定とする。また、総追加噴射燃料量Ｑｆｕｅｌは、図１の３元触媒１３やＮＯｘ触媒１４を破損しない量が実験的に、触媒や排気システムに応じて決まるので、この量に応じてタイマＡで与えられる時間や、一回あたり燃料噴射量が決定される。また、運転状態によって吸入空気量が変更され、ＮＯｘ発生量や還元剤としての炭化水素ＨＣ量や一酸化炭素ＣＯ量が変わることから、総追加噴射燃料量Ｑｆｕｅｌは運転状態によって変更しても良い。
【００２５】
実施の形態６．
実施の形態１では強制リッチ手段でＮＯｘ発生を抑制していたが、タイマＡの設定によってはリッチ化燃焼でトルクが大きくなり、運転ショックが発生する場合があった。また、実施の形態４では膨張／排気行程噴射でトルクに関係無くＮＯｘ発生を抑制できるが、逆に、ストイキ運転切換え時にトルクが不足してトルク段差が大きいことでショックが発生する場合があった。このため、図１４のごとく、２つのタイマを利用して時間がタイマＡ内ならば強制リッチ化運転を実施し、その後、タイマＢ内ならば膨張／排気行程噴射を実施する。但し、タイマＡ＜タイマＢである。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、運転状態に応じてリーン運転とストイキ運転とリッチ運転とを選択する空燃比制御装置において、運転状態がリーン運転からストイキ運転に切替えられるとき、強制リッチ化制御の後、膨張／排気行程噴射を実施するため、初期トルク変化は強制リッチで抑制し、その後のトルク変化は膨張／排気行程噴射で抑えることで、ＮＯｘ発生低減とドライバビリティ確保との両立が可能となった。
【００３１】
請求項２の発明によれば、強制リッチ運転を行う場合、空燃比を１３．２〜１４．２の範囲に設定したので、炭化水素や一酸化炭素の生成過多を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】同実施の形態１の作用を説明するための図である。
【図３】同実施の形態１のマップを示す図である。
【図４】同実施の形態１のフローチャートである。
【図５】同実施の形態１のタイムチャートである。
【図６】同実施の形態１の作用を説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態２のマップを示す図である。
【図８】同実施の形態２のマップを示す図である。
【図９】この発明の実施の形態３の特性を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態４を示す構成図である。
【図１１】同実施の形態４のフローチャートである。
【図１２】同実施の形態４のタイムチャートである。
【図１３】この発明の実施の形態５の追加噴射燃料量を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態６のフローチャートである。
【符号の説明】
２１エンジン制御装置、２１０運転状態判定手段、
２１１空燃比制御判定手段、２１２強制リッチ運転手段、
２１３追加燃料噴射手段。

Claims

内燃機関の排気通路内に配置されたＮＯｘ触媒と、リーン運転とストイキ運転とリッチ運転とが運転状態に応じて選択される空燃比制御手段とを備えた内燃機関の排出ガス浄化装置において、膨張行程または排気行程での追加燃料噴射を行う追加燃料噴射手段と、前記空燃費制御手段がリーン運転からストイキ運転に切替える際、リッチ運転後にストイキ運転に移行する強制リッチ運転手段とを備え、前記空燃比制御手段がリーン運転からストイキ運転に切替える際は、第一にリッチ運転後にストイキ運転に移行する強制リッチ運転を行い、その後、前記追加燃料噴射手段による追加燃料噴射を行うことを特徴とする内燃機関の排出ガス浄化装置。
強制リッチ運転する空燃比が１３．２〜１４．２の範囲に定められたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。