JP3912001B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents

Exhaust gas purification device for internal combustion engine Download PDF

Info

Publication number
JP3912001B2
JP3912001B2 JP2000380962A JP2000380962A JP3912001B2 JP 3912001 B2 JP3912001 B2 JP 3912001B2 JP 2000380962 A JP2000380962 A JP 2000380962A JP 2000380962 A JP2000380962 A JP 2000380962A JP 3912001 B2 JP3912001 B2 JP 3912001B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
exhaust
internal combustion
combustion engine
egr
nox
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2000380962A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002180885A (en
Inventor
忍 石山
久 大木
尚史 曲田
正明 小林
大介 柴田
秋彦 根上
富久 小田
泰生 原田
康彦 大坪
太郎 青山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2000380962A priority Critical patent/JP3912001B2/en
Publication of JP2002180885A publication Critical patent/JP2002180885A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3912001B2 publication Critical patent/JP3912001B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/05High pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust system upstream of the turbine and reintroduced into the intake system downstream of the compressor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23Layout, e.g. schematics
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40Engine management systems

Landscapes

  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
  • Control Of Throttle Valves Provided In The Intake System Or In The Exhaust System (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関、特に酸素過剰状態の混合気(所謂、リーン空燃比の混合気)を燃焼可能とするディーゼル機関やリーンバーン・ガソリン機関では、該内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する技術が望まれている。
【0003】
このような要求に対し、内燃機関の排気系にリーンNOx触媒を配置する技術が提案されている。排気中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、選択還元型NOx触媒や吸蔵還元型NOx触媒などのリーンNOx触媒が知られている。
【0004】
選択還元型NOx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素(HC)の存在下でNOxを還元または分解する触媒であり、この選択還元型NOx触媒でNOxを浄化するためには適量のHC成分(還元剤)が必要とされる。この選択還元型NOx触媒を前記内燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関の通常運転時の排気中のHC成分の量は極めて少ないので、通常運転時にNOxを浄化するためには、選択還元型NOx触媒にHC成分を供給する必要がある。
【0005】
一方、吸蔵還元型NOx触媒は、流入排気の空燃比がリーン空燃比のときはNOxを吸収し、流入排気の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出し、N2に還元する触媒である。
【0006】
この吸蔵還元型NOx触媒が内燃機関の排気系に配置されると、内燃機関が希薄燃焼運転されて排気の空燃比が高くなるときは排気中の窒素酸化物(NOx)が吸蔵還元型NOx触媒に吸収され、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比が低くなったときは吸蔵還元型NOx触媒に吸収されていた窒素酸化物(NOx)が放出されつつ窒素(N2)に還元される。
【0007】
これらリーンNOx触媒を用いた排気浄化システムにおいては、リーンNOx触媒の触媒床温の管理が非常に重要である。
【0008】
例えば、リーンNOx触媒には活性温度があり、触媒床温がこの活性温度範囲から外れると、浄化能力が極度に低下する。
【0009】
このような問題に対し、特許第2845056号公報に記載されたような内燃機関の排気浄化装置が提案されている。この公報に記載された内燃機関の排気浄化装置は、吸蔵還元型NOx触媒において排気中の酸素と反応して消費される還元剤の量と吸蔵還元型NOx触媒に吸収されている窒素酸化物(NOx)を還元するために必要となる還元剤の量とを考慮して、還元剤の添加量を決定することにより、還元剤の過剰供給や供給不足を防止、以てNOx吸蔵材の温度の低下の問題を解決しようとするものである。
【0010】
また、内燃機関から排出される窒素酸化物(NOx)の量を低減する方法としては、内燃機関の排気通路を流れる排気の一部を該内燃機関の吸気通路へ再循環させる排気再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)装置を利用する方法が提案されている。
【0011】
EGR装置は、排気中に含まれる水蒸気(H2O)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)等の不活性ガス成分が持つ不燃性及び吸熱性を利用して、内燃機関の燃焼室における混合気の燃焼速度及び燃焼温度を低下させ、以て燃焼時に発生する窒素酸化物(NOx)の量を低減させるものである。
【0012】
尚、上記したようなEGR装置としては、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するEGR通路と、EGR通路内を流れる排気(EGRガス)の流量を調整するEGR弁とから構成される装置や、EGR通路及びEGR弁に加えてEGRガスを冷却するためのEGRクーラをEGR通路の途中に設けて構成される装置等、種々の構成の装置が提案されている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、内燃機関始動直後はリーンNOx触媒が活性温度に達していないため、触媒が機能せず、排気中のNOxは浄化されずにNOx触媒を通過し、大気中に放出されることになる。そこで、内燃機関の始動直後等にNOx触媒を早期に温度上昇させることが重要となる。
【0014】
NOx触媒の温度を早期に上昇させる手段として、内燃機関の気筒内へ機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の機関出力とはならない時期(例えば膨張行程)に再度燃料を噴射させる副噴射(ポスト噴射ともいう)を例示できる。副噴射により噴射された燃料は内燃機関の気筒内で燃焼し排気の温度を上昇させる。この副噴射を用いるとNOx触媒の温度を早期に上昇させることができるが、この場合においてもNOx触媒が活性温度に達するまでにはある程度の時間が必要となる。
【0015】
そこで、NOx触媒が活性温度に達するまでの期間のNOxの排出を抑制することも重要となる。このようなときにEGRを使用するとNOxの排出を低減することが可能となるが、排気のエネルギーの一部をEGRガスとして取り出すため、例えばEGRクーラ装着の場合などはEGRクーラへ排気のエネルギーを与えることになり逆に、再循環した排気の温度は低下するので、NOx触媒が活性温度に達するまでの時間が長くなる。また、EGRガス割合が多くなると失火の原因となりHC排出量が増加する。しかし、反対にEGR量を減少させるとNOxの排出量が多くなるばかりでなく、吸気絞り弁を使用している場合には、内燃機関の吸気量が減少するため圧縮圧力が低下し、失火の原因となりHC排出量が増加する。
【0016】
そこで、NOx排出量低減及びNOx触媒の早期温度上昇を実現するための最適なEGR量を求めることが重要となる。
【0017】
本発明は、上記したような種々の問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、吸気中のEGRガス割合を調整することにより、触媒を早期に温度上昇させ、且つ、その期間のNOxの排出を低減する技術を提供し、以て、始動直後等における触媒冷間時等の排気エミッションの悪化を防止することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
酸素過剰状態の混合気を燃焼可能とする希薄燃焼式の内燃機関と、
前記内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒と、
前記車両の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記内燃機関へ機関出力のための燃料が主噴射された後の機関出力とはならない時期に
再度燃料を噴射させる副噴射手段と、
前記運転状態検出手段により検出された車両の運転状態に基づいて前記副噴射手段の実行の可否を判定する燃料添加判定手段と、
前記内燃機関の吸気系に排気の一部を再循環させるEGR装置と、
前記内燃機関に吸入される新気の量を調整する吸気絞り弁と、
を具備し、
前記EGR装置はEGRガスを冷却するEGRクーラを備え、前記排気浄化触媒が活性温度に達していなく、且つ、前記内燃機関が暖機されていないときには、副噴射を行うとともにEGRガス割合を10パーセント以下に制限し更に吸気絞り弁を閉弁側へ制御することにより、前記排気浄化触媒に到達する排気の温度の低下を抑制することを特徴とする。
【0020】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、排気中の有害成分が排気浄化装置の触媒によって浄化される。また、内燃機関始動直後の排気浄化装置が活性温度に達していないときには、機関出力を発生させるための燃料が内燃機関の気筒内へ主噴射された後に、機関出力に影響しない例えば膨張行程に再度燃料を噴射させる副噴射が行われる。この副噴射により噴射された燃料は気筒内で燃焼し排気の温度が上昇する。このように通常よりも温度の高い排気が排気浄化触媒に到達すると排気浄化触媒の温度が早期に上昇する。
【0021】
また、内燃機関から排出された排気の一部は吸気系に再循環され、再循環ガス(EGRガス)となって新気と共に燃焼室に吸入される。EGRガスは自ら燃焼することはなく、燃焼温度を低下させる働きをし、以て窒素酸化物(NOx)の発生量が抑制される。
【0022】
ここで、NOxの発生を抑制するという点においては、吸気中のEGRガス割合は大きいほど良いが、排気浄化触媒の早期温度上昇という点においては、EGRガス割合は小さいほど良い。
【0023】
また、吸気絞り弁を使用すると、内燃機関に吸入される新気量を調整することができ、空燃比制御が容易に行える。しかし、吸気絞り弁によって内燃機関に吸入される新気の量が制限され気筒内の圧力が低くなるために、内燃機関の圧縮行程における圧縮圧力が上昇せず、失火する虞がある。このようなときには、EGRガスを吸入させることにより圧縮圧力を増加させ、失火を抑制することができる。
【0024】
この場合、EGRガス割合が大きいほど圧縮圧力は大きくなるが、所定割合以上になると、新気量が減少することに起因した失火により排気中の未燃炭化水素量(以下、THC:Total Hydorocarbonsとする)が増加する。
【0025】
また、EGRガスが所定割合よりも少なくなると圧縮圧力が上昇しないことに起因した失火によりTHCが増加する。
【0026】
このように、内燃機関に吸入される吸気中のEGRガス割合は、排気中のガス成分及び排気浄化触媒の温度上昇に影響する。
【0027】
そこで、本発明においては、実験結果に基づけば最適なEGRガス割合は10パーセント以下であり、内燃機関に吸入されるEGRガス割合を調整することにより、有害成分の発生を抑制しつつ排気浄化触媒を早期に温度上昇させることによって、排気中の有害成分が大気中へ放出されることを抑制する。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【0029】
図1は、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【0030】
図1に示す内燃機関1は、4つの気筒2を有する水冷式の4サイクル・ディーゼル機関である。
【0031】
内燃機関1は、各気筒2の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁3を備えている。各燃料噴射弁3は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室(コモンレール)4と接続されている。このコモンレール4には、該コモンレール4内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ4aが取り付けられている。
【0032】
前記コモンレール4は、燃料供給管5を介して燃料ポンプ6と連通している。この燃料ポンプ6は、内燃機関1の出力軸(クランクシャフト)の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ6の入力軸に取り付けられたポンププーリ6aが内燃機関1の出力軸(クランクシャフト)に取り付けられたクランクプーリ1aとベルト7を介して連結されている。
【0033】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ6の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ6は、クランクシャフトから該燃料ポンプ6の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【0034】
前記燃料ポンプ6から吐出された燃料は、燃料供給管5を介してコモンレール4へ供給され、コモンレール4にて所定圧まで蓄圧されて各気筒2の燃料噴射弁3へ分配される。そして、燃料噴射弁3に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁3が開弁し、その結果、燃料噴射弁3から気筒2内へ燃料が噴射される。
【0035】
次に、内燃機関1には、吸気枝管8が接続されており、吸気枝管8の各枝管は、各気筒2の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
【0036】
前記吸気枝管8は、吸気管9に接続され、この吸気管9は、エアクリーナボックス10に接続されている。前記エアクリーナボックス10より下流の吸気管9には、該吸気管9内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ11と、該吸気管9内を流通する吸気の温度に対応した電気信号を出力する吸気温度センサ12とが取り付けられている。
【0037】
前記吸気管9における吸気枝管8の直上流に位置する部位には、該吸気管9内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁13が設けられている。この吸気絞り弁13には、ステッパモータ等で構成されて該吸気絞り弁13を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ14が取り付けられている。
【0038】
前記エアフローメータ11と前記吸気絞り弁13との間に位置する吸気管9には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機(ターボチャージャ)15のコンプレッサハウジング15aが設けられ、コンプレッサハウジング15aより下流の吸気管9には、前記コンプレッサハウジング15a内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ16が設けられている。
【0039】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス10に流入した吸気は、該エアクリーナボックス10内の図示しないエアクリーナによって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管9を介してコンプレッサハウジング15aに流入する。
【0040】
コンプレッサハウジング15aに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング15aに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング15a内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ16にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁13によって流量を調節されて吸気枝管8に流入する。吸気枝管8に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒2の燃焼室へ分配され、各気筒2の燃料噴射弁3から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【0041】
一方、内燃機関1には、排気枝管18が接続され、排気枝管18の各枝管が図示しない排気ポートを介して各気筒2の燃焼室と連通している。
【0042】
前記排気枝管18は、前記遠心過給機15のタービンハウジング15bと接続されている。前記タービンハウジング15bは、排気管19と接続され、この排気管19は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【0043】
前記排気管19の途中には、排気中の有害ガス成分を浄化するための排気浄化触媒20が配置されている。排気浄化触媒20より下流の排気管19には、該排気管19内を流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ23と、該排気管19内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ24とが取り付けられている。
【0044】
前記した空燃比センサ23及び排気温度センサ24より下流の排気管19には、該排気管19内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁21が設けられている。この排気絞り弁21には、ステッパモータ等で構成されて該排気絞り弁21を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ22が取り付けられている。
【0045】
このように構成された排気系では、内燃機関1の各気筒2で燃焼された混合気(既燃ガス)が排気ポートを介して排気枝管18へ排出され、次いで排気枝管18から遠心過給機15のタービンハウジング15bへ流入する。タービンハウジング15bに流入した排気は、該排気が持つ熱エネルギを利用してタービンハウジング15b内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング15aのコンプレッサホイールへ伝達される。
【0046】
前記タービンハウジング15bから排出された排気は、排気管19を介して排気浄化触媒20へ流入し、排気中の有害ガス成分が除去又は浄化される。排気浄化触媒20にて有害ガス成分を除去又は浄化された排気は、必要に応じて排気絞り弁21によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【0047】
また、排気枝管18と吸気枝管8とは、排気枝管18内を流通する排気の一部を吸気枝管8へ再循環させる排気再循環通路(EGR通路)25を介して連通されている。このEGR通路25の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記EGR通路25内を流通する排気(以下、EGRガスと称する)の流量を変更する流量調整弁(EGR弁)26が設けられている。
【0048】
前記EGR通路25においてEGR弁26より上流の部位には、該EGR通路25内を流通するEGRガスを冷却するEGRクーラ27が設けられている。
【0049】
このように構成された排気再循環機構では、EGR弁26が開弁されると、EGR通路25が導通状態となり、排気枝管18内を流通する排気の一部が前記EGR通路25へ流入し、EGRクーラ27を経て吸気枝管8へ導かれる。
【0050】
その際、EGRクーラ27では、EGR通路25内を流通するEGRガスと所定の冷媒との間で熱交換が行われ、EGRガスが冷却されることになる。
【0051】
EGR通路25を介して排気枝管18から吸気枝管8へ還流されたEGRガスは、吸気枝管8の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒2の燃焼室へ導かれ、燃料噴射弁3から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【0052】
ここで、EGRガスには、水(H2O)や二酸化炭素(CO2)などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、吸熱性を有する不活性ガス成分が含まれているため、EGRガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物(NOx)の発生量が抑制される。
【0053】
更に、EGRクーラ27においてEGRガスが冷却されると、EGRガス自体の温度が低下するとともにEGRガスの体積が縮小されるため、EGRガスが燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度が不要に上昇することがなくなるとともに、燃焼室内に供給される新気の量(新気の体積)が不要に減少することもない。
【0054】
次に、本実施の形態に係る排気浄化触媒20について具体的に説明する。
【0055】
排気浄化触媒20は、還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物(NOx)を浄化するNOx触媒である。このようなNOx触媒としては、選択還元型NOx触媒や吸蔵還元型NOx触媒等を例示することができるが、ここでは吸蔵還元型NOx触媒を例に挙げて説明する。以下、排気浄化触媒20を吸蔵還元型NOx触媒20と称するものとする。
【0056】
吸蔵還元型NOx触媒20は、例えば、アルミナを担体とし、その担体上に、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、もしくはセシウム(Cs)等のアルカリ金属と、バリウム(Ba)もしくはカルシウム(Ca)等のアルカリ土類と、ランタン(La)もしくはイットリウム(Y)等の希土類とから選択された少なくとも1つと、白金(Pt)等の貴金属とを担持して構成されている。尚、本実施の形態では、アルミナからなる担体上にバリウム(Ba)と白金(Pt)とを担持して構成される吸蔵還元型NOx触媒を例に挙げて説明する。
【0057】
このように構成された吸蔵還元型NOx触媒20は、該吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物(NOx)を吸収する。
【0058】
一方、吸蔵還元型NOx触媒20は、該吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸収していた窒素酸化物(NOx)を放出する。その際、排気中に炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)等の還元成分が存在していれば、吸蔵還元型NOx触媒20は、該吸蔵還元型NOx触媒20から放出された窒素酸化物(NOx)を窒素(N2)に還元せしめることができる。
【0059】
尚、吸蔵還元型NOx触媒20のNOx吸放出作用については明らかにされていない部分もあるが、おおよそ以下のようなメカニズムによって行われていると考えられる。
【0060】
先ず、吸蔵還元型NOx触媒20では、該吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の空燃比がリーン空燃比となって排気中の酸素濃度が高まると、図2(A)に示されるように、排気中の酸素(O2)がO2 -またはO2-の形で白金(Pt)の表面上に付着する。排気中の一酸化窒素(NO)は、白金(Pt)の表面上でO2 -またはO2-と反応して二酸化窒素(NO2)を形成する(2NO+O2→2NO2)。二酸化窒素(NO2)は、白金(Pt)の表面上で更に酸化され、硝酸イオン(NO3 -)の形で吸蔵還元型NOx触媒20に吸収される。尚、吸蔵還元型NOx触媒20に吸収された硝酸イオン(NO3 -)は、酸化バリウム(BaO)と結合して硝酸バリウム(Ba(NO32)を形成する。
【0061】
このように吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気中の窒素酸化物(NOx)が硝酸イオン(NO3-)として吸蔵還元型NOx触媒20に吸収される。
【0062】
上記したようなNOx吸収作用は、流入排気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ吸蔵還元型NOx触媒20のNOx吸収能力が飽和しない限り継続される。従って、吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、吸蔵還元型NOx触媒20のNOx吸収能力が飽和しない限り、排気中の窒素酸化物(NOx)が吸蔵還元型NOx触媒20に吸収され、排気中から窒素酸化物(NOx)が除去されることになる。
【0063】
これに対して、吸蔵還元型NOx触媒20では、該吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の酸素濃度が低下すると、白金(Pt)の表面上において二酸化窒素(NO2)の生成量が減少するため、酸化バリウム(BaO)と結合していた硝酸イオン(NO3 -)が逆に二酸化窒素(NO2)や一酸化窒素(NO)となって吸蔵還元型NOx触媒20から離脱する。
【0064】
その際、排気中に炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)等の還元成分が存在していれば、それらの還元成分が白金(Pt)上の酸素(O2 -またはO2-)と部分的に反応して活性種を形成する。この活性種は、吸蔵還元型NOx触媒20から放出された二酸化窒素(NO2)や一酸化窒素(NO)を窒素(N2)に還元せしめることになる。
【0065】
従って、吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となって排気中の酸素濃度が低下するとともに還元剤の濃度が高まると、吸蔵還元型NOx触媒20に吸収されていた窒素酸化物(NOx)が放出及び還元され、以て吸蔵還元型NOx触媒20のNOx吸収能力が再生されることになる。
【0066】
ところで、内燃機関1が希薄燃焼運転されている場合は、内燃機関1から排出される排気の空燃比がリーン雰囲気となり排気の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)が吸蔵還元型NOx触媒20に吸収されることになるが、内燃機関1の希薄燃焼運転が長期間継続されると、吸蔵還元型NOx触媒20のNOx吸収能力が飽和し、排気中の窒素酸化物(NOx)が吸蔵還元型NOx触媒20にて除去されずに大気中へ放出されてしまう。
【0067】
特に、内燃機関1のようなディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、吸蔵還元型NOx触媒20のNOx吸収能力が飽和し易い。
【0068】
従って、内燃機関1が希薄燃焼運転されている場合は、吸蔵還元型NOx触媒20のNOx吸収能力が飽和する前に吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高め、吸蔵還元型NOx触媒20に吸収された窒素酸化物(NOx)を放出及び還元させる必要がある。
【0069】
これに対し、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、吸蔵還元型NOx触媒20より上流の排気通路を流通する排気中に還元剤たる燃料(軽油)を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにした。
【0070】
還元剤供給機構は、図1に示されるように、その噴孔が排気枝管18内に臨むよう内燃機関1のシリンダヘッドに取り付けられ、所定の開弁圧以上の燃料が印加されたときに開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁28と、前述した燃料ポンプ6から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁28へ導く還元剤供給路29と、この還元剤供給路29の途中に設けられ該還元剤供給通路29内を流通する燃料の流量を調整する流量調整弁30と、この流量調整弁30より上流の還元剤供給路29に設けられて該還元剤供給路29内の燃料の流通を遮断する遮断弁31と、前記流量調整弁30より上流の還元剤供給路29に取り付けられ該還元剤供給路29内の圧力に対応した電気信号を出力する還元剤圧力センサ32と、を備えている。
【0071】
尚、還元剤噴射弁28は、該還元剤噴射弁28の噴孔が排気枝管18におけるEGR通路25との接続部位より下流であって、排気枝管18における4つの枝管の集合部に最も近い気筒2の排気ポートに突出するとともに、排気枝管18の集合部へ向くようシリンダヘッドに取り付けられることが好ましい。
【0072】
これは、還元剤噴射弁28から噴射された還元剤(未燃の燃料成分)がEGR通路25へ流入するのを防止するとともに、還元剤が排気枝管18内に滞ることなく遠心過給機のタービンハウジング15bへ到達するようにするためである。
【0073】
尚、図1に示す例では、内燃機関1の4つの気筒2のうち1番(#1)気筒2が排気枝管18の集合部と最も近い位置にあるため、1番(#1)気筒2の排気ポートに還元剤噴射弁28が取り付けられているが、1番(#1)気筒2以外の気筒2が排気枝管18の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒2の排気ポートに還元剤噴射弁28が取り付けられるようにする。
【0074】
また、前記還元剤噴射弁28は、シリンダヘッドに形成された図示しないウォータージャケットを貫通、あるいはウォータージャケットに近接して取り付けられるようにし、前記ウォータージャケットを流通する冷却水を利用して還元剤噴射弁28が冷却されるようにしてもよい。
【0075】
このような還元剤供給機構では、流量調整弁30が開弁されると、燃料ポンプ6から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路29を介して還元剤噴射弁28へ印加される。そして、還元剤噴射弁28に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達すると、該還元剤噴射弁28が開弁して排気枝管18内へ還元剤としての燃料が噴射される。
【0076】
還元剤噴射弁28から排気枝管18内へ噴射された還元剤は、排気枝管18の上流から流れてきた排気ととともにタービンハウジング15bへ流入する。タービンハウジング15b内に流入した排気と還元剤とは、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に混合され、リッチ空燃比の排気を形成する。
【0077】
このようにして形成されたリッチ空燃比の排気は、タービンハウジング15bから排気管19を介して吸蔵還元型NOx触媒20に流入し、吸蔵還元型NOx触媒20に吸収されていた窒素酸化物(NOx)を放出させつつ窒素(N2)に還元することになる。
【0078】
その後、流量調整弁30が閉弁されて燃料ポンプ6から還元剤噴射弁28への還元剤の供給が遮断されると、還元剤噴射弁28に印加される燃料の圧力が前記開弁圧未満となり、その結果、還元剤噴射弁28が閉弁し、排気枝管18内への還元剤の添加が停止されることになる。
【0079】
以上述べたように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)35が併設されている。このECU35は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態を制御するユニットである。
【0080】
ECU35には、コモンレール圧センサ4a、エアフローメータ11、吸気温度センサ12、吸気管圧力センサ17、空燃比センサ23、排気温度センサ24、還元剤圧力センサ32、クランクポジションセンサ33、水温センサ34、アクセル開度センサ36等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がECU35に入力されるようになっている。
【0081】
一方、ECU35には、燃料噴射弁3、吸気絞り用アクチュエータ14、排気絞り用アクチュエータ22、EGR弁26、流量調整弁30、遮断弁31等が電気配線を介して接続され、上記した各部をECU35が制御することが可能になっている。
【0082】
ここで、ECU35は、図3に示すように、双方向性バス350によって相互に接続された、CPU351と、ROM352と、RAM353と、バックアップRAM354と、入力ポート356と、出力ポート357とを備えるとともに、前記入力ポート356に接続されたA/Dコンバータ(A/D)355を備えている。
【0083】
前記入力ポート356は、クランクポジションセンサ33のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をCPU351やRAM353へ送信する。
【0084】
前記入力ポート356は、コモンレール圧センサ4a、エアフローメータ11、吸気温度センサ12、吸気管圧力センサ17、空燃比センサ23、排気温度センサ24、還元剤圧力センサ32、水温センサ34、アクセル開度センサ36、等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサのA/D355を介して入力し、それらの出力信号をCPU351やRAM353へ送信する。
【0085】
前記出力ポート357は、燃料噴射弁3、吸気絞り用アクチュエータ14、排気絞り用アクチュエータ22、EGR弁26、流量調整弁30、遮断弁31等と電気配線を介して接続され、CPU351から出力される制御信号を、前記した燃料噴射弁3、吸気絞り用アクチュエータ14、排気絞り用アクチュエータ22、EGR弁26、流量調整弁30、あるいは遮断弁31へ送信する。
【0086】
前記ROM352は、燃料噴射弁3を制御するための燃料噴射制御ルーチン、吸気絞り弁13を制御するための吸気絞り制御ルーチン、排気絞り弁21を制御するための排気絞り制御ルーチン、EGR弁26を制御するためのEGR制御ルーチン、吸蔵還元型NOx触媒20に吸収された窒素酸化物(NOx)を浄化するためのNOx浄化制御ルーチン、吸蔵還元型NOx触媒20の酸化物による被毒を解消するための被毒解消制御ルーチン等のアプリケーションプログラムを記憶している。
【0087】
前記ROM352は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、内燃機関1の運転状態と基本燃料噴射量(基本燃料噴射時間)との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関1の運転状態と基本燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関1の運転状態と吸気絞り弁13の目標開度との関係を示す吸気絞り弁開度制御マップ、内燃機関1の運転状態と排気絞り弁21の目標開度との関係を示す排気絞り弁開度制御マップ、内燃機関1の運転状態とEGR弁26の目標開度との関係を示すEGR弁開度制御マップ、内燃機関1の運転状態と還元剤の目標添加量(もしくは、排気の目標空燃比)との関係を示す還元剤添加量制御マップ、還元剤の目標添加量と流量調整弁30の開弁時間との関係を示す流量調整弁制御マップ等である。
【0088】
前記RAM353は、各センサからの出力信号やCPU351の演算結果等を記憶する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ33がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ33がパルス信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【0089】
前記バックアップRAM354は、内燃機関1の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
【0090】
前記CPU351は、前記ROM352に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射弁制御、吸気絞り制御、排気絞り制御、EGR制御、NOx浄化制御、被毒解消制御等を実行する。
【0091】
例えば、燃料噴射弁制御では、CPU351は、先ず、燃料噴射弁3から噴射される燃料量を決定し、次いで燃料噴射弁3から燃料を噴射する時期を決定する。
【0092】
燃料噴射量を決定する場合は、CPU351は、RAM353に記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ36の出力信号(アクセル開度)とを読み出す。CPU351は、燃料噴射量制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料燃料噴射量(基本燃料噴射時間)を算出する。CPU351は、エアフローメータ11、吸気温度センサ12、水温センサ34等の出力信号値等に基づいて前記基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【0093】
燃料噴射時期を決定する場合は、CPU351は、燃料噴射開始時期制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射時期を算出する。CPU351は、エアフローメータ11、吸気温度センサ12、水温センサ34等の出力信号値をパラメータとして前記基本燃料噴射時期を補正し、最終的な燃料噴射時期を決定する。
【0094】
燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定されると、CPU351は、前記燃料噴射時期とクランクポジションセンサ33の出力信号とを比較し、前記クランクポジションセンサ33の出力信号が前記燃料噴射開始時期と一致した時点で燃料噴射弁3に対する駆動電力の印加を開始する。CPU351は、燃料噴射弁3に対する駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前記燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁3に対する駆動電力の印加を停止する。
【0095】
尚、燃料噴射制御において内燃機関1の運転状態がアイドル運転状態にある場合は、CPU351は、水温センサ34の出力信号値や、車室内用空調装置のコンプレッサのようにクランクシャフトの回転力を利用して作動する補機類の作動状態等をパラメータとして内燃機関1の目標アイドル回転数を算出する。そして、CPU351は、実際のアイドル回転数が目標アイドル回転数と一致するよう燃料噴射量をフィードバック制御する。
【0096】
また、吸気絞り制御では、CPU351は、例えば、RAM353に記憶されている機関回転数とアクセル開度とを読み出す。CPU351は、吸気絞り弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数及びアクセル開度に対応した目標吸気絞り弁開度を算出する。CPU351は、前記目標吸気絞り弁開度に対応した駆動電力を吸気絞り用アクチュエータ14に印加する。その際、CPU351は、吸気絞り弁13の実際の開度を検出して、実際の吸気絞り弁13の開度と目標吸気絞り弁開度との差分に基づいて前記吸気絞り用アクチュエータ14をフィードバック制御するようにしてもよい。
【0097】
また、排気絞り制御では、CPU351は、例えば、内燃機関1が冷間始動後の暖機運転状態にある場合や、車室内用ヒータが作動状態にある場合などに排気絞り弁21を閉弁方向へ駆動すべく排気絞り用アクチュエータ22を制御する。
【0098】
この場合、内燃機関1の負荷が増大し、それに対応して燃料噴射量が増量されることなる。その結果、内燃機関1の発熱量が増加し、内燃機関1の暖機が促進されるとともに、車室内用ヒータの熱源が確保される。
【0099】
次に、NOx浄化制御では、CPU351は、吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的(短時間)にリッチ空燃比とする、リッチスパイク制御を実行する。
【0100】
リッチスパイク制御では、CPU351は、所定の周期毎にリッチスパイク制御実行条件が成立しているか否かを判別する。このリッチスパイク制御実行条件としては、例えば、吸蔵還元型NOx触媒20が活性状態にあるか、排気温度センサ24の出力信号値(排気温度)が所定の上限値以下であるか、被毒解消制御が実行されていないか、等の条件を例示することができる。
【0101】
上記したようなリッチスパイク制御実行条件が成立していると判定された場合は、CPU351は、還元剤噴射弁28からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく流量調整弁30を制御することにより、吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【0102】
具体的には、CPU351は、RAM353に記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ36の出力信号(アクセル開度)、エアフローメータ11の出力信号値(吸入空気量)、燃料噴射量等を読み出す。更に、CPU351は、前記した機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてROM352の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量(目標添加量)を算出する。
【0103】
続いて、CPU351は、前記目標添加量をパラメータとしてROM352の流量調整弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁28から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる流量調整弁30の開弁時間(目標開弁時間)を算出する。
【0104】
流量調整弁30の目標開弁時間が算出されると、CPU351は、流量調整弁30を開弁させる。この場合、燃料ポンプ6から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路29を介して還元剤噴射弁28へ供給されるため、還元剤噴射弁28に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達し、還元剤噴射弁28が開弁する。
【0105】
CPU351は、流量調整弁30を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、流量調整弁30を閉弁させる。この場合、燃料ポンプ6から還元剤噴射弁28への還元剤の供給が遮断されるため、還元剤噴射弁28に印加される燃料の圧力が開弁圧未満となり、還元剤噴射弁28が閉弁する。
【0106】
このように流量調整弁30が目標開弁時間だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁28から排気枝管18内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁28から噴射された還元剤は、排気枝管18の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標リッチ空燃比の混合気を形成して吸蔵還元型NOx触媒20に流入する。
【0107】
この結果、吸蔵還元型NOx触媒20に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な目標リッチ空燃比」とを交互に繰り返すことになり、以て、吸蔵還元型NOx触媒20が窒素酸化物(NOx)の吸収と放出・
還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【0108】
また、EGR制御では、CPU351は、RAM353に記憶されている機関回転数、水温センサ34の出力信号(冷却水温度)、アクセル開度センサ36の出力信号(アクセル開度)等を読み出し、EGR制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。
【0109】
上記したEGR制御実行条件としては、冷却水温度が所定温度以上にある、内燃機関1が始動時から所定時間以上連続して運転されている、アクセル開度の変化量が正値である等の条件を例示することができる。
【0110】
上記したようなEGR制御実行条件が成立していると判定した場合は、CPU351は、機関回転数とアクセル開度とをパラメータとしてEGR弁開度制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した目標EGR弁開度を算出する。CPU351は、前記目標EGR弁開度に対応した駆動電力をEGR弁26に印加する。一方、上記したようなEGR制御実行条件が成立していないと判定した場合は、CPU351は、EGR弁26を全閉状態に保持すべく制御する。
【0111】
ここで、本発明においては、内燃機関1の始動直後等でNOx触媒20が活性温度に達していないときに、吸気中のEGRガス割合を調整して排気中の有害物質を低減し、更に、NOx触媒20を早期に温度上昇させることとした。
【0112】
以下、本発明に係るEGR制御について述べる。
【0113】
内燃機関1の始動直後はNOx触媒20が活性温度に達していないため、NOx触媒20が機能していない。
【0114】
このような状態においては、排気中のNOxは浄化されずにNOx触媒20を通過し、大気中に放出されることになる。
【0115】
ここで、NOx触媒20の温度を早期に上昇させる手段として、内燃機関1の膨張行程中に燃料を副次的に噴射させる副噴射(ポスト噴射)を行うことが有効である。このように膨張行程で燃料を噴射させるのは、圧縮行程中に行う燃料噴射は機関出力を上昇させ運転状態が悪化する虞があるためである。副噴射により噴射された燃料は気筒2内で燃焼し気筒2内のガス温度を上昇させる。温度が上昇したガスは排気となって排気管19を通りNOx触媒20に到達し、NOx触媒20の温度を上昇させる。このように副噴射を用いるとNOx触媒の温度を早期に上昇させることができる。
【0116】
副噴射の量及び噴射時期は、アクセル開度と機関回転数と副噴射量又は副噴射時期との関係を予めマップ化しておきROM352に記憶させておけば、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから算出することができる。更に、パラメータとして内燃機関1の冷却水温度を加えてもよい。
【0117】
しかし、NOx触媒20の温度が上昇し、触媒の活性温度に達するまでにはある程度の時間が必要となる。この間に排出されるNOxは浄化されずにNOx触媒20を通過し、大気中へと放出される。そこで、この間のNOx排出量自体を低減する必要が生じる。
【0118】
NOx排出量を低減する手段としてEGRの使用が挙げられる。図4は、吸気中のEGRガス割合とNOx排出量との関係を求めた図である。この図から、EGRガス割合が大きいほどNOx排出量が減少することが判る。しかし、EGRガスとなって再循環する排気ガスは、NOx触媒20を加熱することなく気筒2内へ吸入される。この間にEGRガスの温度は低下するので、EGRガス割合が大きいほどNOx触媒20に到達する排気の温度は低くなり、NOx触媒20を早期に温度上昇させるという当初の目的に反することとなる。
【0119】
このように、NOxの排出量を低減するという点においては、吸気中のEGRガス割合は大きいほど良いが、NOx触媒20の早期温度上昇という点においては、EGRガス割合は小さいほど良い。
【0120】
また、吸気絞り弁13を使用すると、内燃機関1に吸入される新気量を調整することができ、空燃比制御が容易に行えるため排気浄化に有効である。しかし、吸気絞り弁13によって内燃機関1に吸入される新気の量が制限され気筒2内の圧力が低くなるために、内燃機関の圧縮行程における圧縮圧力が上昇せず、失火する虞がある。図5は、吸気中のEGRガス割合と気筒2内の圧縮圧力との関係を求めた図である。この図から、EGRガス割合が大きいほど圧縮圧力が高くなることが判る。即ち、EGRガスを吸入させると気筒2内の圧力低下を抑制し、圧縮圧力を増加させ、失火を抑制することができる。
【0121】
一方、図6は吸気中のEGRガス割合と未燃炭化水素量(THC:Total Hydorocarbons)との関係を求めた図である。吸気中のEGRガス割合が大きくなると吸気中の新気の割合が小さくなるために失火の原因となりTHC排出量が増加する。反対に排気中のEGRガス割合を小さくすると、吸気絞り弁13を使用している場合には、圧縮圧力が低下するために失火の原因となりTHC排出量が増加する。
【0122】
このように、内燃機関1に吸入された吸気中のEGRガス割合は、排気中のガス成分及びNOx触媒20の温度上昇に影響する。
【0123】
そこで、排気中の有害成分の低減及びNOx触媒20の早期温度上昇を実現するための最適なEGRガス割合を求めることが重要となる。
【0124】
本発明においては、最適なEGRガス割合を定め、その割合となるようにEGR制御を行い上記問題を解決した。
【0125】
ここで、実験により求められた図4乃至図6に基づいて、最適なEGRガス割合は、吸気中の10パーセント以下とするのが好ましい。このような割合にすることにより、NOxの排出を抑制することができ、必要とされる圧縮圧力を確保することができ、THCの排出を抑制することができる。
【0126】
本実施の形態に係るEGR制御では、CPU351は、内燃機関1の吸入新気量をパラメータとしてEGR弁26の開度をフィードバック制御し、吸入新気量及びEGRガス量を調整する。
【0127】
EGR弁フィードバック制御では、例えば、CPU351は、アクセル開度や機関回転数等をパラメータとして内燃機関1の目標吸入新気量を決定する。その際、アクセル開度と機関回転数と目標吸入新気量との関係を予めマップ化しておき、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから目標吸入新気量が算出される。
【0128】
また、上記したようにエミッションの要求から吸気中のEGRガス割合が、10パーセント以下となるようにEGRガス量及び吸入新気量を調整することが好ましい。そこで、CPU351は、算出された目標吸入新気量に基づいて吸気中のEGRガス割合が10パーセント以下となるような目標EGRガス量を算出する。
【0129】
ここで、EGR弁26及び吸気絞り弁13の開弁変化量と内燃機関1に吸入されるEGRガス量との関係を予め実験により求めてマップ化しROM352に記憶させておけば、目標EGRガス量に基づいてEGR弁26及び吸気絞り弁13の開弁量を補正するための開弁補正量を算出することができる。更に、パラメータとして内燃機関1の冷却水温度を加えてもよい。
【0130】
CPU351は、前記算出された開弁補正量に基づいてEGR弁26及び吸気絞り弁13の開弁量を変更しEGRガス量及び吸入新気量を調整する。
【0131】
上記した手順により目標吸入新気量及び目標EGRガス量が決定されると、CPU351は、RAM353に記憶されたエアフローメータ11の出力信号値(実際の吸入新気量)を読み出し、実際の吸入新気量と目標吸入新気量とを比較する。
【0132】
前記した実際の吸入新気量が目標吸入新気量より少ない場合には、CPU351は、EGR弁26を所定量閉弁させ、吸気絞り弁13を所定量開弁させる。この場合、EGR通路25から吸気枝管8へ流入するEGRガス量が減少し、それに応じて内燃機関1の気筒2内に吸入されるEGRガス量が減少することになる。その結果、内燃機関1の気筒2内に吸入される新気の量は、EGRガスが減少した分だけ増加する。
【0133】
一方、実際の吸入新気量が目標吸入新気量より多い場合には、CPU351は、EGR弁26を所定量開弁させ、吸気絞り弁13を所定量閉弁させる。この場合、EGR通路25から吸気枝管8へ流入するEGRガス量が増加し、それに応じて内燃機関1の気筒2内に吸入されるEGRガス量が増加する。この結果、内燃機関1の気筒2内に吸入される新気の量は、EGRガスが増加した分だけ減少する。
【0134】
以上のようにEGRガス量と吸入新気量を調整することにより吸気中のEGRガス割合を10パーセント以下に調整することができる。
【0135】
次に、本実施の形態の制御フローについて説明する。
【0136】
図7は、本実施の形態に係るNOx触媒昇温及びEGR制御のフローチャート図である。
【0137】
ステップ101では、RAM353に記憶されているアクセル開度や機関回転数のデータの読み込みが行われる。
【0138】
ステップ102では、RAM353に記憶されている冷却水温度、排気温度等のデータの読み込みが行われる。
【0139】
ステップ103では、NOx触媒20の床温が所定温度(例えば300℃)以下であり、且つ、内燃機関1の冷却水温度が所定温度(例えば60℃)以下であるか否かの判定を行う。ここでは、副噴射によるNOx触媒20の昇温及びEGRガス割合を所定割合以下にする必要があるか否かの判定が行われる。
【0140】
ここで、NOx触媒20の床温は排気温度センサ24の出力値を代用する。
【0141】
この条件を満たしている場合はステップ105へ進み、満たしていない場合は、ステップ104へ進む。
【0142】
ステップ104では、NOx触媒20が活性温度に達しているか又は内燃機関1が暖機された状態なので、通常どおりの燃料噴射制御及びEGR制御が行われる。即ち、NOx触媒20を早期昇温するための制御は行われない。
【0143】
ステップ105では、NOx触媒20が活性温度に達していないで且つ内燃機関1が暖機されていない状態なので、NOx触媒20を早期に活性温度まで昇温させるための制御が開始される。
【0144】
ステップ106では、副噴射及びEGRガス割合を所定割合以下にするEGR制御が行われる。NOx触媒20の早期昇温が図られ、また、NOx、THC等の有害ガス成分の発生が抑制される。
【0145】
このようにして、NOx触媒20及び内燃機関1の状態に基づいて、EGRガス割合を変更することができる。
【0146】
また、NOx触媒20が活性温度に達していないときには、EGRガス割合を所定値以下に調整することにより、NOx、THC等の有害ガス成分の発生を抑制することができる。
【0147】
さらに、EGRクーラ等を通過するEGRガス量を減少させるので、EGRガスが不要に冷却されることなくNOx触媒20の早期暖機が可能となるので、内燃機関1の始動直後においてもNOxを早期に浄化することができる。
【0148】
このようにしてEGRガス割合に対応した空燃比制御を行うことができ、排気エミッションの悪化を防止することができる
【0149】
【発明の効果】
本発明によれば、吸気中のEGRガス割合を10パーセント以下に調整し、排気の温度を上昇させて排気浄化装置を早期に温度上昇させつつ排気中の有害成分を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図2】(A)は、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸収メカニズムを説明する図である。(B)は、吸蔵還元型NOx触媒のNOx放出メカニズムを説明する図である。
【図3】 ECUの内部構成を示すブロック図である。
【図4】 排気中のEGRガス割合とNOx排出量との関係を示す図である。
【図5】 排気中のEGRガス割合と気筒内の圧縮圧力との関係を示す図である。
【図6】 排気中のEGRガス割合と未燃炭化水素量との関係を示す図である。
【図7】 本発明に係るNOx触媒昇温制御及びEGR制御のフローチャート図である。
1・・・・内燃機関
2・・・・気筒
3・・・・燃料噴射弁
4・・・・コモンレール
5・・・・燃料供給管
6・・・・燃料ポンプ
18・・・排気枝管
19・・・排気管
20・・・吸蔵還元型NOx触媒
21・・・排気絞り弁
23・・・空燃比センサ
25・・・EGR通路
26・・・EGR弁
27・・・EGRクーラ
28・・・還元剤噴射弁
29・・・還元剤供給路
30・・・流量調整弁
31・・・遮断弁
32・・・還元剤圧力センサ
33・・・クランクポジションセンサ
34・・・水温センサ
35・・・ECU
351・・CPU
352・・ROM
353・・RAM
354・・バックアップRAM
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust purification device that purifies exhaust gas from an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in an internal combustion engine mounted on an automobile or the like, particularly a diesel engine or lean burn gasoline engine that can burn an oxygen-rich mixture (so-called lean air-fuel mixture), the exhaust gas from the internal combustion engine A technique for purifying contained nitrogen oxide (NOx) is desired.
[0003]
In response to such demands, a technique for arranging a lean NOx catalyst in the exhaust system of an internal combustion engine has been proposed. As an exhaust gas purification device that purifies harmful components in exhaust gas, lean NOx catalysts such as a selective reduction type NOx catalyst and an occlusion reduction type NOx catalyst are known.
[0004]
The selective reduction type NOx catalyst is a catalyst that reduces or decomposes NOx in the presence of hydrocarbon (HC) in an oxygen-excess atmosphere. In order to purify NOx with this selective reduction type NOx catalyst, an appropriate amount of HC component ( Reducing agent) is required. When this selective reduction type NOx catalyst is used for exhaust purification of the internal combustion engine, the amount of HC components in the exhaust during normal operation of the internal combustion engine is extremely small. Therefore, in order to purify NOx during normal operation, selective reduction It is necessary to supply the HC component to the type NOx catalyst.
[0005]
On the other hand, the NOx storage reduction catalyst absorbs NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, and releases the absorbed NOx when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas decreases,2It is a catalyst that reduces to
[0006]
When this storage reduction type NOx catalyst is arranged in the exhaust system of the internal combustion engine, when the internal combustion engine is operated with lean combustion and the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes high, nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas are stored in the NOx storage reduction catalyst. When the air-fuel ratio of the exhaust gas absorbed into the NOx storage reduction catalyst becomes low, nitrogen oxide (NOx) absorbed in the NOx storage reduction catalyst is released while nitrogen (N2).
[0007]
In the exhaust purification system using these lean NOx catalysts, it is very important to manage the catalyst bed temperature of the lean NOx catalyst.
[0008]
For example, the lean NOx catalyst has an activation temperature, and if the catalyst bed temperature is out of this activation temperature range, the purification capacity is extremely reduced.
[0009]
In order to solve such a problem, an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine as described in Japanese Patent No. 2845056 has been proposed. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine described in this publication includes an amount of reducing agent consumed by reacting with oxygen in exhaust gas in the NOx storage reduction catalyst and nitrogen oxides absorbed in the NOx storage reduction catalyst ( In consideration of the amount of reducing agent required to reduce NOx), the amount of reducing agent added is determined to prevent excessive supply or supply shortage of the reducing agent, thereby reducing the temperature of the NOx storage material. It tries to solve the problem of decline.
[0010]
Further, as a method of reducing the amount of nitrogen oxide (NOx) discharged from the internal combustion engine, exhaust gas recirculation (EGR) in which a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage of the internal combustion engine is recirculated to the intake passage of the internal combustion engine. : Exhaust Gas Recirculation) is proposed.
[0011]
The EGR device uses water vapor (H2O), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), Etc., to reduce the combustion speed and temperature of the air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine, thereby reducing the nitrogen oxide (NOx) generated during combustion. The amount is reduced.
[0012]
The above-described EGR device includes an EGR passage that communicates an exhaust passage and an intake passage of an internal combustion engine, and an EGR valve that adjusts the flow rate of exhaust gas (EGR gas) flowing through the EGR passage. In addition to the EGR passage and the EGR valve, devices having various configurations such as a device configured by providing an EGR cooler for cooling EGR gas in the middle of the EGR passage have been proposed.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the lean NOx catalyst does not reach the activation temperature immediately after the internal combustion engine is started, the catalyst does not function, and NOx in the exhaust gas passes through the NOx catalyst without being purified and is released into the atmosphere. Therefore, it is important to raise the temperature of the NOx catalyst at an early stage immediately after starting the internal combustion engine.
[0014]
As a means for increasing the temperature of the NOx catalyst at an early stage, the sub-injection of fuel is performed again at a time (for example, expansion stroke) that does not become the engine output after the main injection for injecting the fuel for engine output into the cylinder of the internal combustion engine. Examples of the injection (also referred to as post injection) can be given. The fuel injected by the sub-injection burns in the cylinder of the internal combustion engine and raises the temperature of the exhaust. If this sub-injection is used, the temperature of the NOx catalyst can be raised at an early stage, but even in this case, a certain amount of time is required until the NOx catalyst reaches the activation temperature.
[0015]
Therefore, it is also important to suppress NOx emission during the period until the NOx catalyst reaches the activation temperature. If EGR is used in such a case, it becomes possible to reduce NOx emissions. However, in order to extract a part of the exhaust energy as EGR gas, for example, when the EGR cooler is installed, the exhaust gas energy is supplied to the EGR cooler. On the contrary, since the temperature of the recirculated exhaust gas is lowered, the time until the NOx catalyst reaches the activation temperature becomes longer. Moreover, if the EGR gas ratio increases, it causes misfire and HC emission increases. However, conversely, if the EGR amount is decreased, not only the exhaust amount of NOx increases, but also when the intake throttle valve is used, the intake pressure of the internal combustion engine decreases, so the compression pressure decreases, and misfires occur. This causes HC emissions to increase.
[0016]
Therefore, it is important to obtain an optimum EGR amount for realizing a reduction in NOx emission amount and an early temperature increase of the NOx catalyst.
[0017]
The present invention has been made in view of the various problems as described above, and in an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, by adjusting the EGR gas ratio in the intake air, the temperature of the catalyst can be increased quickly, and An object of the present invention is to provide a technique for reducing NOx emission during that period, and to prevent deterioration of exhaust emissions such as when the catalyst is cold immediately after starting.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is
  A lean combustion internal combustion engine capable of combusting an oxygen-rich mixture.
  An exhaust purification catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine for purifying harmful components in the exhaust;
  Driving state detecting means for detecting the driving state of the vehicle;
  At a time when the engine output does not become the engine output after the fuel for engine output is injected into the internal combustion engine.
Sub-injection means for injecting fuel again;
  A fuel addition determination unit that determines whether or not the sub-injection unit can be executed based on a driving state of the vehicle detected by the driving state detection unit;
  An EGR device that recirculates part of the exhaust gas to the intake system of the internal combustion engine;
An intake throttle valve for adjusting the amount of fresh air sucked into the internal combustion engine;
  Comprising
  The EGR device includes an EGR cooler that cools EGR gas, and when the exhaust purification catalyst has not reached the activation temperature and the internal combustion engine is not warmed up, sub-injection is performed and the EGR gas ratio is 10%. Restrict toFurthermore, the intake throttle valve is controlled to the valve closing side.Thus, a decrease in the temperature of the exhaust gas reaching the exhaust purification catalyst is suppressed.
[0020]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine configured as described above, harmful components in the exhaust gas are purified by the catalyst of the exhaust gas purification apparatus. Further, when the exhaust gas purification apparatus immediately after the internal combustion engine is started does not reach the activation temperature, the fuel for generating the engine output is mainly injected into the cylinder of the internal combustion engine and then again, for example, in the expansion stroke that does not affect the engine output. Sub-injection for injecting fuel is performed. The fuel injected by this sub-injection burns in the cylinder and the exhaust temperature rises. In this way, when the exhaust gas having a higher temperature than usual reaches the exhaust purification catalyst, the temperature of the exhaust purification catalyst rises early.
[0021]
Further, a part of the exhaust discharged from the internal combustion engine is recirculated to the intake system to be recirculated gas (EGR gas) and taken into the combustion chamber together with fresh air. The EGR gas does not burn by itself but serves to lower the combustion temperature, thereby suppressing the amount of nitrogen oxide (NOx) generated.
[0022]
Here, in terms of suppressing the generation of NOx, the larger the EGR gas ratio in the intake air, the better. However, in terms of the early temperature rise of the exhaust purification catalyst, the smaller the EGR gas ratio, the better.
[0023]
Further, when the intake throttle valve is used, the amount of fresh air taken into the internal combustion engine can be adjusted, and air-fuel ratio control can be easily performed. However, since the amount of fresh air taken into the internal combustion engine by the intake throttle valve is limited and the pressure in the cylinder is lowered, the compression pressure in the compression stroke of the internal combustion engine does not increase, and there is a risk of misfire. In such a case, the compression pressure can be increased by inhaling EGR gas, and misfire can be suppressed.
[0024]
In this case, the compression pressure increases as the EGR gas ratio increases. However, when the EGR gas ratio exceeds a predetermined ratio, the amount of unburned hydrocarbons in the exhaust (hereinafter referred to as THC: Total Hydorocarbons) due to misfiring due to a decrease in the amount of fresh air. Increase).
[0025]
Further, if the EGR gas is less than a predetermined ratio, THC increases due to misfire caused by the compression pressure not increasing.
[0026]
Thus, the EGR gas ratio in the intake air sucked into the internal combustion engine affects the gas component in the exhaust gas and the temperature increase of the exhaust purification catalyst.
[0027]
Therefore, in the present invention, the optimum EGR gas ratio is 10% or less based on the experimental results. By adjusting the EGR gas ratio sucked into the internal combustion engine, the exhaust purification catalyst is suppressed while suppressing the generation of harmful components. By raising the temperature early, harmful components in the exhaust are prevented from being released into the atmosphere.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of an exhaust emission control device for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the case where the exhaust emission control device according to the present invention is applied to a diesel engine for driving a vehicle will be described as an example.
[0029]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which an exhaust gas purification apparatus according to the present invention is applied and its intake and exhaust system.
[0030]
An internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 is a water-cooled four-cycle diesel engine having four cylinders 2.
[0031]
The internal combustion engine 1 includes a fuel injection valve 3 that injects fuel directly into the combustion chamber of each cylinder 2. Each fuel injection valve 3 is connected to a pressure accumulation chamber (common rail) 4 that accumulates fuel to a predetermined pressure. A common rail pressure sensor 4 a that outputs an electrical signal corresponding to the fuel pressure in the common rail 4 is attached to the common rail 4.
[0032]
The common rail 4 communicates with a fuel pump 6 through a fuel supply pipe 5. The fuel pump 6 is a pump that operates using the rotational torque of the output shaft (crankshaft) of the internal combustion engine 1 as a drive source. A pump pulley 6 a attached to the input shaft of the fuel pump 6 is connected to the output shaft of the internal combustion engine 1 ( And a crank pulley 1a attached to the crankshaft) via a belt 7.
[0033]
In the fuel injection system configured as described above, when the rotational torque of the crankshaft is transmitted to the input shaft of the fuel pump 6, the fuel pump 6 transmits the rotational torque transmitted from the crankshaft to the input shaft of the fuel pump 6. The fuel is discharged at a pressure according to the pressure.
[0034]
The fuel discharged from the fuel pump 6 is supplied to the common rail 4 via the fuel supply pipe 5, accumulated in the common rail 4 up to a predetermined pressure, and distributed to the fuel injection valves 3 of each cylinder 2. When a drive current is applied to the fuel injection valve 3, the fuel injection valve 3 opens, and as a result, fuel is injected from the fuel injection valve 3 into the cylinder 2.
[0035]
Next, an intake branch pipe 8 is connected to the internal combustion engine 1, and each branch pipe of the intake branch pipe 8 communicates with a combustion chamber of each cylinder 2 via an intake port (not shown).
[0036]
The intake branch pipe 8 is connected to an intake pipe 9, and the intake pipe 9 is connected to an air cleaner box 10. The intake pipe 9 downstream of the air cleaner box 10 has an air flow meter 11 for outputting an electric signal corresponding to the mass of the intake air flowing through the intake pipe 9, and the temperature of the intake air flowing through the intake pipe 9. An intake air temperature sensor 12 for outputting the electrical signal is attached.
[0037]
An intake throttle valve 13 for adjusting the flow rate of the intake air flowing through the intake pipe 9 is provided at a portion of the intake pipe 9 located immediately upstream of the intake branch pipe 8. The intake throttle valve 13 is provided with an intake throttle actuator 14 that is configured by a stepper motor or the like and that drives the intake throttle valve 13 to open and close.
[0038]
The intake pipe 9 positioned between the air flow meter 11 and the intake throttle valve 13 is provided with a compressor housing 15a of a centrifugal supercharger (turbocharger) 15 that operates using the thermal energy of exhaust as a drive source. The intake pipe 9 downstream of the housing 15a is provided with an intercooler 16 for cooling the intake air that has been compressed in the compressor housing 15a and has reached a high temperature.
[0039]
In the intake system configured as described above, the intake air that has flowed into the air cleaner box 10 is removed from dust, dust, and the like in the intake air by an air cleaner (not shown) in the air cleaner box 10, and then is connected to the compressor housing via the intake pipe 9. Flows into 15a.
[0040]
The intake air flowing into the compressor housing 15a is compressed by the rotation of the compressor wheel built in the compressor housing 15a. The intake air that has been compressed in the compressor housing 15a and has reached a high temperature is cooled by the intercooler 16, and then the flow rate is adjusted by the intake throttle valve 13 as necessary to flow into the intake branch pipe 8. The intake air that has flowed into the intake branch pipe 8 is distributed to the combustion chambers of the respective cylinders 2 through the respective branch pipes, and is burned using the fuel injected from the fuel injection valves 3 of the respective cylinders 2 as an ignition source.
[0041]
On the other hand, an exhaust branch pipe 18 is connected to the internal combustion engine 1, and each branch pipe of the exhaust branch pipe 18 communicates with the combustion chamber of each cylinder 2 via an exhaust port (not shown).
[0042]
The exhaust branch pipe 18 is connected to the turbine housing 15 b of the centrifugal supercharger 15. The turbine housing 15b is connected to an exhaust pipe 19, and this exhaust pipe 19 is connected downstream to a muffler (not shown).
[0043]
An exhaust purification catalyst 20 for purifying harmful gas components in the exhaust is disposed in the middle of the exhaust pipe 19. In the exhaust pipe 19 downstream of the exhaust purification catalyst 20, an air-fuel ratio sensor 23 that outputs an electrical signal corresponding to the air-fuel ratio of the exhaust gas that flows through the exhaust pipe 19, and the temperature of the exhaust gas that flows through the exhaust pipe 19 And an exhaust gas temperature sensor 24 for outputting an electrical signal corresponding to the above.
[0044]
The exhaust pipe 19 downstream of the air-fuel ratio sensor 23 and the exhaust temperature sensor 24 is provided with an exhaust throttle valve 21 that adjusts the flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 19. The exhaust throttle valve 21 is provided with an exhaust throttle actuator 22 that is configured by a stepper motor or the like and that drives the exhaust throttle valve 21 to open and close.
[0045]
In the exhaust system configured as described above, the air-fuel mixture (burned gas) combusted in each cylinder 2 of the internal combustion engine 1 is discharged to the exhaust branch pipe 18 through the exhaust port, and then is centrifuged from the exhaust branch pipe 18. It flows into the turbine housing 15b of the feeder 15. The exhaust gas flowing into the turbine housing 15b rotates a turbine wheel that is rotatably supported in the turbine housing 15b using the thermal energy of the exhaust gas. At that time, the rotational torque of the turbine wheel is transmitted to the compressor wheel of the compressor housing 15a described above.
[0046]
The exhaust discharged from the turbine housing 15b flows into the exhaust purification catalyst 20 through the exhaust pipe 19, and harmful gas components in the exhaust are removed or purified. The exhaust gas from which harmful gas components have been removed or purified by the exhaust purification catalyst 20 is discharged into the atmosphere through the muffler after the flow rate is adjusted by the exhaust throttle valve 21 as necessary.
[0047]
The exhaust branch pipe 18 and the intake branch pipe 8 are communicated with each other via an exhaust gas recirculation passage (EGR passage) 25 that recirculates a part of the exhaust gas flowing through the exhaust branch pipe 18 to the intake branch pipe 8. Yes. A flow rate adjusting valve (hereinafter referred to as EGR gas) that is configured by an electromagnetic valve or the like in the middle of the EGR passage 25 and changes the flow rate of exhaust gas (hereinafter referred to as EGR gas) that flows through the EGR passage 25 according to the magnitude of applied power. EGR valve) 26 is provided.
[0048]
An EGR cooler 27 that cools the EGR gas flowing through the EGR passage 25 is provided at a location upstream of the EGR valve 26 in the EGR passage 25.
[0049]
In the exhaust gas recirculation mechanism configured as described above, when the EGR valve 26 is opened, the EGR passage 25 becomes conductive, and a part of the exhaust gas flowing through the exhaust branch pipe 18 flows into the EGR passage 25. Then, it is guided to the intake branch pipe 8 through the EGR cooler 27.
[0050]
At that time, in the EGR cooler 27, heat exchange is performed between the EGR gas flowing in the EGR passage 25 and a predetermined refrigerant, and the EGR gas is cooled.
[0051]
The EGR gas recirculated from the exhaust branch pipe 18 to the intake branch pipe 8 through the EGR passage 25 is guided to the combustion chamber of each cylinder 2 while being mixed with fresh air flowing from the upstream side of the intake branch pipe 8. The fuel injected from the injection valve 3 is burned using an ignition source.
[0052]
Here, the EGR gas contains water (H2O) and carbon dioxide (CO2) And the like, and an inert gas component having endothermic properties is contained in the mixture, so if EGR gas is contained in the mixture, the combustion temperature of the mixture is lowered. Therefore, the amount of nitrogen oxide (NOx) generated is suppressed.
[0053]
Further, when the EGR gas is cooled in the EGR cooler 27, the temperature of the EGR gas itself is reduced and the volume of the EGR gas is reduced. Therefore, when the EGR gas is supplied into the combustion chamber, the atmospheric temperature in the combustion chamber is reduced. Is not increased unnecessarily, and the amount of fresh air (volume of fresh air) supplied into the combustion chamber is not unnecessarily reduced.
[0054]
Next, the exhaust purification catalyst 20 according to the present embodiment will be specifically described.
[0055]
The exhaust purification catalyst 20 is a NOx catalyst that purifies nitrogen oxides (NOx) in the exhaust in the presence of a reducing agent. Examples of such a NOx catalyst include a selective reduction type NOx catalyst, a storage reduction type NOx catalyst, and the like. Here, the storage reduction type NOx catalyst will be described as an example. Hereinafter, the exhaust purification catalyst 20 will be referred to as an NOx storage reduction catalyst 20.
[0056]
The NOx storage reduction catalyst 20 uses, for example, alumina as a carrier, and an alkali metal such as potassium (K), sodium (Na), lithium (Li), or cesium (Cs) on the carrier, and barium (Ba). Or at least 1 selected from alkaline earths, such as calcium (Ca), rare earths, such as lanthanum (La) or yttrium (Y), and noble metals, such as platinum (Pt), are carry | supported and comprised. In this embodiment, an occlusion reduction type NOx catalyst constituted by supporting barium (Ba) and platinum (Pt) on a support made of alumina will be described as an example.
[0057]
The NOx storage reduction catalyst 20 configured as described above absorbs nitrogen oxide (NOx) in the exhaust gas when the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 is high.
[0058]
On the other hand, the NOx storage reduction catalyst 20 releases the absorbed nitrogen oxides (NOx) when the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 decreases. At that time, if a reducing component such as hydrocarbon (HC) or carbon monoxide (CO) is present in the exhaust, the NOx storage reduction catalyst 20 oxidizes the nitrogen released from the NOx storage reduction catalyst 20. Things (NOx) to nitrogen (N2).
[0059]
In addition, although there is a part which is not clarified about the NOx absorption / release action of the NOx storage reduction catalyst 20, it is considered that it is performed by the following mechanism.
[0060]
First, in the NOx storage reduction catalyst 20, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 becomes a lean air-fuel ratio and the oxygen concentration in the exhaust gas increases, as shown in FIG. , Oxygen in the exhaust (O2) Is O2 -Or O2-It adheres on the surface of platinum (Pt) in the form of Nitric oxide (NO) in the exhaust is O on the surface of platinum (Pt).2 -Or O2-Reacts with nitrogen dioxide (NO2) (2NO + O)2→ 2NO2). Nitrogen dioxide (NO2) Is further oxidized on the surface of platinum (Pt), and nitrate ions (NO)Three -) Is absorbed by the NOx storage reduction catalyst 20. The nitrate ions (NO) absorbed in the NOx storage reduction catalyst 20Three -) Combines with barium oxide (BaO) to form barium nitrate (Ba (NOThree)2).
[0061]
Thus, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 is a lean air-fuel ratio, nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas are nitrate ions (NO3-) Is absorbed by the NOx storage reduction catalyst 20.
[0062]
The above-described NOx absorption action is continued unless the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is a lean air-fuel ratio and the NOx absorption capacity of the NOx storage reduction catalyst 20 is saturated. Therefore, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 is a lean air-fuel ratio, nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas are stored unless the NOx absorption capacity of the NOx storage reduction catalyst 20 is saturated. It is absorbed by the reduced NOx catalyst 20 and nitrogen oxide (NOx) is removed from the exhaust.
[0063]
On the other hand, in the NOx storage reduction catalyst 20, when the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 decreases, nitrogen dioxide (NO) on the surface of platinum (Pt).2Nitrate ions (NO) bound to barium oxide (BaO).Three -) On the contrary, nitrogen dioxide (NO2) And nitrogen monoxide (NO), and desorbs from the NOx storage reduction catalyst 20.
[0064]
At that time, if reducing components such as hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) are present in the exhaust, these reducing components are converted into oxygen (O) on platinum (Pt).2 -Or O2-) To form an active species. This active species is nitrogen dioxide (NO) released from the NOx storage reduction catalyst 20.2) Or nitric oxide (NO) to nitrogen (N2).
[0065]
Therefore, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas decreases and the concentration of the reducing agent increases, the NOx storage reduction catalyst 20 The absorbed nitrogen oxide (NOx) is released and reduced, so that the NOx absorption capacity of the NOx storage reduction catalyst 20 is regenerated.
[0066]
By the way, when the internal combustion engine 1 is in a lean combustion operation, the air-fuel ratio of the exhaust discharged from the internal combustion engine 1 becomes a lean atmosphere, and the oxygen concentration of the exhaust becomes high. Therefore, nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust Is absorbed by the NOx storage reduction catalyst 20. However, if the lean combustion operation of the internal combustion engine 1 is continued for a long period of time, the NOx absorption capacity of the NOx storage reduction catalyst 20 is saturated, and nitrogen oxidation in the exhaust gas is performed. Things (NOx) are not removed by the NOx storage reduction catalyst 20 but are released into the atmosphere.
[0067]
In particular, in a diesel engine such as the internal combustion engine 1, the lean air-fuel ratio mixture is combusted in most of the operating region, and the exhaust air-fuel ratio becomes the lean air-fuel ratio in most of the operating region accordingly. The NOx absorption capacity of the reduced NOx catalyst 20 is easily saturated.
[0068]
Therefore, when the internal combustion engine 1 is operated in lean combustion, the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 is reduced and the reducing agent before the NOx absorption capacity of the NOx storage reduction catalyst 20 is saturated. Therefore, it is necessary to release and reduce nitrogen oxides (NOx) absorbed by the NOx storage reduction catalyst 20.
[0069]
In contrast, the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment includes a reducing agent supply mechanism that adds fuel (light oil) as a reducing agent into the exhaust gas flowing through the exhaust passage upstream of the NOx storage reduction catalyst 20. In addition, by adding fuel into the exhaust gas from the reducing agent supply mechanism, the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 is lowered and the concentration of the reducing agent is increased.
[0070]
As shown in FIG. 1, the reducing agent supply mechanism is attached to the cylinder head of the internal combustion engine 1 so that its nozzle hole faces the exhaust branch pipe 18, and when a fuel having a predetermined valve opening pressure or higher is applied. A reducing agent injection valve 28 that opens and injects fuel, a reducing agent supply passage 29 that guides the fuel discharged from the fuel pump 6 to the reducing agent injection valve 28, and in the middle of the reducing agent supply passage 29. A flow rate adjusting valve 30 that adjusts the flow rate of the fuel that is provided and flows through the reducing agent supply passage 29, and a fuel in the reducing agent supply passage 29 that is provided in the reducing agent supply passage 29 upstream from the flow amount adjusting valve 30. A shut-off valve 31 that shuts off the flow of the reductant, a reducing agent pressure sensor 32 that is attached to the reducing agent supply path 29 upstream of the flow rate adjusting valve 30 and outputs an electrical signal corresponding to the pressure in the reducing agent supply path 29, It has.
[0071]
The reducing agent injection valve 28 has an injection hole downstream of the connection portion of the exhaust branch pipe 18 with the EGR passage 25 and is formed at a collection portion of the four branch pipes in the exhaust branch pipe 18. The cylinder head is preferably attached to the cylinder head so as to project to the exhaust port of the nearest cylinder 2 and to face the collecting portion of the exhaust branch pipe 18.
[0072]
This prevents the reducing agent (unburned fuel component) injected from the reducing agent injection valve 28 from flowing into the EGR passage 25, and the centrifugal supercharger without the reducing agent remaining in the exhaust branch pipe 18. This is to reach the turbine housing 15b.
[0073]
In the example shown in FIG. 1, the first (# 1) cylinder 2 of the four cylinders 2 of the internal combustion engine 1 is located closest to the collecting portion of the exhaust branch pipe 18, so that the first (# 1) cylinder Although the reducing agent injection valve 28 is attached to the exhaust port of No. 2, when the cylinders 2 other than the first (# 1) cylinder 2 are located closest to the aggregate portion of the exhaust branch pipe 18, the cylinder 2 The reducing agent injection valve 28 is attached to the exhaust port.
[0074]
The reducing agent injection valve 28 is attached to a water jacket (not shown) formed in the cylinder head so as to penetrate or close to the water jacket, and the reducing agent injection is performed using the cooling water flowing through the water jacket. The valve 28 may be cooled.
[0075]
In such a reducing agent supply mechanism, when the flow rate adjustment valve 30 is opened, high-pressure fuel discharged from the fuel pump 6 is applied to the reducing agent injection valve 28 via the reducing agent supply path 29. When the pressure of the fuel applied to the reducing agent injection valve 28 reaches a valve opening pressure or higher, the reducing agent injection valve 28 opens and fuel as a reducing agent is injected into the exhaust branch pipe 18.
[0076]
The reducing agent injected from the reducing agent injection valve 28 into the exhaust branch pipe 18 flows into the turbine housing 15 b together with the exhaust flowing from the upstream side of the exhaust branch pipe 18. The exhaust gas flowing into the turbine housing 15b and the reducing agent are agitated and uniformly mixed by the rotation of the turbine wheel to form a rich air-fuel ratio exhaust gas.
[0077]
The rich air-fuel ratio exhaust gas thus formed flows into the NOx storage reduction catalyst 20 from the turbine housing 15b through the exhaust pipe 19, and is absorbed by the NOx storage reduction catalyst 20 (NOx). ) While releasing nitrogen (N2).
[0078]
Thereafter, when the flow rate adjustment valve 30 is closed and the supply of the reducing agent from the fuel pump 6 to the reducing agent injection valve 28 is shut off, the pressure of the fuel applied to the reducing agent injection valve 28 is less than the valve opening pressure. As a result, the reducing agent injection valve 28 is closed, and the addition of the reducing agent into the exhaust branch pipe 18 is stopped.
[0079]
The internal combustion engine 1 configured as described above is provided with an electronic control unit (ECU) 35 for controlling the internal combustion engine 1. The ECU 35 is a unit that controls the operation state of the internal combustion engine 1 in accordance with the operation conditions of the internal combustion engine 1 and the request of the driver.
[0080]
The ECU 35 includes a common rail pressure sensor 4a, an air flow meter 11, an intake air temperature sensor 12, an intake pipe pressure sensor 17, an air-fuel ratio sensor 23, an exhaust gas temperature sensor 24, a reducing agent pressure sensor 32, a crank position sensor 33, a water temperature sensor 34, an accelerator. Various sensors such as the opening sensor 36 are connected via electric wiring, and output signals of the various sensors described above are input to the ECU 35.
[0081]
On the other hand, the fuel injection valve 3, the intake throttle actuator 14, the exhaust throttle actuator 22, the EGR valve 26, the flow rate adjustment valve 30, the shut-off valve 31, and the like are connected to the ECU 35 via electric wiring. Can be controlled.
[0082]
Here, as shown in FIG. 3, the ECU 35 includes a CPU 351, a ROM 352, a RAM 353, a backup RAM 354, an input port 356, and an output port 357, which are connected to each other by a bidirectional bus 350. , An A / D converter (A / D) 355 connected to the input port 356 is provided.
[0083]
The input port 356 receives an output signal from a sensor that outputs a digital signal format signal, such as the crank position sensor 33, and transmits the output signal to the CPU 351 and the RAM 353.
[0084]
The input port 356 includes a common rail pressure sensor 4a, an air flow meter 11, an intake air temperature sensor 12, an intake pipe pressure sensor 17, an air-fuel ratio sensor 23, an exhaust gas temperature sensor 24, a reducing agent pressure sensor 32, a water temperature sensor 34, an accelerator opening sensor. 36, etc., are input via the A / D 355 of the sensor that outputs signals in the analog signal format, and these output signals are transmitted to the CPU 351 and the RAM 353.
[0085]
The output port 357 is connected to the fuel injection valve 3, the intake throttle actuator 14, the exhaust throttle actuator 22, the EGR valve 26, the flow rate adjustment valve 30, the shutoff valve 31, etc. via electrical wiring, and is output from the CPU 351. The control signal is transmitted to the fuel injection valve 3, the intake throttle actuator 14, the exhaust throttle actuator 22, the EGR valve 26, the flow rate adjustment valve 30, or the cutoff valve 31.
[0086]
The ROM 352 includes a fuel injection control routine for controlling the fuel injection valve 3, an intake throttle control routine for controlling the intake throttle valve 13, an exhaust throttle control routine for controlling the exhaust throttle valve 21, and an EGR valve 26. EGR control routine for controlling, NOx purification control routine for purifying nitrogen oxide (NOx) absorbed by the NOx storage reduction catalyst 20, and elimination of poisoning of the NOx storage reduction catalyst 20 due to oxides Application programs such as a poisoning elimination control routine are stored.
[0087]
The ROM 352 stores various control maps in addition to the application programs described above. The control map is, for example, a fuel injection amount control map showing the relationship between the operating state of the internal combustion engine 1 and the basic fuel injection amount (basic fuel injection time), and the relationship between the operating state of the internal combustion engine 1 and the basic fuel injection timing. The fuel injection timing control map shown, the intake throttle valve opening control map showing the relationship between the operating state of the internal combustion engine 1 and the target opening of the intake throttle valve 13, the operating state of the internal combustion engine 1 and the target opening of the exhaust throttle valve 21 Exhaust throttle valve opening control map showing the relationship between the EGR valve opening control map showing the relationship between the operating state of the internal combustion engine 1 and the target opening of the EGR valve 26, the operating state of the internal combustion engine 1 and the reducing agent target A reducing agent addition amount control map showing the relationship with the addition amount (or the target air-fuel ratio of the exhaust gas), a flow rate adjustment valve control map showing the relationship between the target addition amount of the reducing agent and the valve opening time of the flow rate adjustment valve 30, etc. is there.
[0088]
The RAM 353 stores output signals from the sensors, calculation results of the CPU 351, and the like. The calculation result is, for example, the engine speed calculated based on the time interval at which the crank position sensor 33 outputs a pulse signal. These data are rewritten to the latest data every time the crank position sensor 33 outputs a pulse signal.
[0089]
The backup RAM 354 is a nonvolatile memory capable of storing data even after the internal combustion engine 1 is stopped.
[0090]
The CPU 351 operates in accordance with an application program stored in the ROM 352, and executes fuel injection valve control, intake throttle control, exhaust throttle control, EGR control, NOx purification control, poisoning elimination control, and the like.
[0091]
For example, in the fuel injection valve control, the CPU 351 first determines the amount of fuel injected from the fuel injection valve 3 and then determines the timing for injecting fuel from the fuel injection valve 3.
[0092]
When determining the fuel injection amount, the CPU 351 reads the engine speed and the output signal (accelerator opening) of the accelerator opening sensor 36 stored in the RAM 353. The CPU 351 accesses the fuel injection amount control map and calculates a basic fuel fuel injection amount (basic fuel injection time) corresponding to the engine speed and the accelerator opening. The CPU 351 corrects the basic fuel injection time based on the output signal values of the air flow meter 11, the intake air temperature sensor 12, the water temperature sensor 34, etc., and determines the final fuel injection time.
[0093]
When determining the fuel injection timing, the CPU 351 accesses the fuel injection start timing control map, and calculates the basic fuel injection timing corresponding to the engine speed and the accelerator opening. The CPU 351 corrects the basic fuel injection timing using output signal values of the air flow meter 11, the intake air temperature sensor 12, the water temperature sensor 34, etc. as parameters, and determines the final fuel injection timing.
[0094]
When the fuel injection time and the fuel injection timing are determined, the CPU 351 compares the fuel injection timing with the output signal of the crank position sensor 33, and the output signal of the crank position sensor 33 coincides with the fuel injection start timing. At that time, application of drive power to the fuel injection valve 3 is started. The CPU 351 stops applying the drive power to the fuel injection valve 3 when the elapsed time from the start of the application of the drive power to the fuel injection valve 3 reaches the fuel injection time.
[0095]
In the fuel injection control, when the operation state of the internal combustion engine 1 is an idle operation state, the CPU 351 uses the output signal value of the water temperature sensor 34 or the rotational force of the crankshaft as in the compressor of the air conditioner for the passenger compartment. Then, the target idle speed of the internal combustion engine 1 is calculated using the operating state of the auxiliary machinery operating as a parameter. Then, the CPU 351 feedback-controls the fuel injection amount so that the actual idle speed matches the target idle speed.
[0096]
In the intake throttle control, for example, the CPU 351 reads out the engine speed and the accelerator opening stored in the RAM 353. The CPU 351 accesses the intake throttle valve opening control map and calculates a target intake throttle valve opening corresponding to the engine speed and the accelerator opening. The CPU 351 applies drive power corresponding to the target intake throttle valve opening to the intake throttle actuator 14. At that time, the CPU 351 detects the actual opening of the intake throttle valve 13 and feeds back the intake throttle actuator 14 based on the difference between the actual opening of the intake throttle valve 13 and the target intake throttle valve opening. You may make it control.
[0097]
In the exhaust throttle control, the CPU 351 closes the exhaust throttle valve 21 in the valve closing direction, for example, when the internal combustion engine 1 is in a warm-up operation state after a cold start or when the vehicle interior heater is in an operating state. The exhaust throttle actuator 22 is controlled so as to be driven to the position.
[0098]
In this case, the load on the internal combustion engine 1 increases, and the fuel injection amount is increased correspondingly. As a result, the amount of heat generated by the internal combustion engine 1 increases, warming up of the internal combustion engine 1 is promoted, and a heat source for the vehicle interior heater is secured.
[0099]
Next, in the NOx purification control, the CPU 351 executes rich spike control in which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 is spiked (short time) to a rich air-fuel ratio in a relatively short cycle. .
[0100]
In the rich spike control, the CPU 351 determines whether or not the rich spike control execution condition is satisfied every predetermined cycle. The rich spike control execution condition includes, for example, whether the NOx storage reduction catalyst 20 is in an active state, whether the output signal value (exhaust temperature) of the exhaust temperature sensor 24 is equal to or lower than a predetermined upper limit, or poisoning elimination control. The conditions such as whether or not is executed can be exemplified.
[0101]
When it is determined that the rich spike control execution condition as described above is satisfied, the CPU 351 controls the flow rate adjustment valve 30 to inject fuel as a reducing agent from the reducing agent injection valve 28 in a spike manner. The air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 is temporarily set to a predetermined target rich air-fuel ratio.
[0102]
Specifically, the CPU 351 determines the engine speed, the output signal of the accelerator opening sensor 36 (accelerator opening), the output signal value of the air flow meter 11 (intake air amount), the fuel injection amount, and the like stored in the RAM 353. read out. Further, the CPU 351 accesses the reducing agent addition amount control map in the ROM 352 using the engine speed, the accelerator opening, the intake air amount, and the fuel injection amount as parameters, and sets the air-fuel ratio of the exhaust to a preset target rich air. The amount of addition of the reducing agent (target addition amount) necessary for obtaining the fuel ratio is calculated.
[0103]
Subsequently, the CPU 351 accesses the flow rate adjustment valve control map of the ROM 352 using the target addition amount as a parameter, and opens the flow rate adjustment valve 30 required for injecting the target addition amount of reducing agent from the reducing agent injection valve 28. Calculate the valve time (target valve opening time).
[0104]
When the target valve opening time of the flow rate adjustment valve 30 is calculated, the CPU 351 opens the flow rate adjustment valve 30. In this case, since the high-pressure fuel discharged from the fuel pump 6 is supplied to the reducing agent injection valve 28 via the reducing agent supply path 29, the pressure of the fuel applied to the reducing agent injection valve 28 is equal to or higher than the valve opening pressure. And the reducing agent injection valve 28 is opened.
[0105]
The CPU 351 closes the flow rate adjusting valve 30 when the target valve opening time has elapsed since the flow rate adjusting valve 30 was opened. In this case, since the supply of the reducing agent from the fuel pump 6 to the reducing agent injection valve 28 is interrupted, the fuel pressure applied to the reducing agent injection valve 28 becomes less than the valve opening pressure, and the reducing agent injection valve 28 is closed. I speak.
[0106]
When the flow rate adjusting valve 30 is thus opened for the target valve opening time, the target addition amount of fuel is injected into the exhaust branch pipe 18 from the reducing agent injection valve 28. The reducing agent injected from the reducing agent injection valve 28 mixes with the exhaust gas flowing from the upstream side of the exhaust branch pipe 18 to form a target rich air-fuel ratio mixture and flows into the NOx storage reduction catalyst 20. .
[0107]
As a result, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst 20 repeats “lean” and “spike target rich air-fuel ratio” alternately in a relatively short cycle, thereby Reduced NOx catalyst 20 absorbs and releases nitrogen oxides (NOx)
The reduction is repeated alternately in a short cycle.
[0108]
In the EGR control, the CPU 351 reads out the engine speed, the output signal from the water temperature sensor 34 (cooling water temperature), the output signal from the accelerator opening sensor 36 (accelerator opening), etc. stored in the RAM 353, and the EGR control. It is determined whether or not the execution condition is satisfied.
[0109]
As the EGR control execution condition described above, the cooling water temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, the internal combustion engine 1 is continuously operated for a predetermined time or more from the start, the amount of change in the accelerator opening is a positive value, etc. Conditions can be exemplified.
[0110]
When it is determined that the EGR control execution condition as described above is satisfied, the CPU 351 accesses the EGR valve opening control map using the engine speed and the accelerator opening as parameters, and the engine speed and the accelerator. A target EGR valve opening corresponding to the opening is calculated. The CPU 351 applies drive power corresponding to the target EGR valve opening to the EGR valve 26. On the other hand, when it is determined that the EGR control execution condition as described above is not satisfied, the CPU 351 controls to keep the EGR valve 26 in a fully closed state.
[0111]
Here, in the present invention, when the NOx catalyst 20 has not reached the activation temperature immediately after starting the internal combustion engine 1 or the like, the EGR gas ratio in the intake air is adjusted to reduce harmful substances in the exhaust, The temperature of the NOx catalyst 20 was raised early.
[0112]
Hereinafter, EGR control according to the present invention will be described.
[0113]
Immediately after the internal combustion engine 1 is started, the NOx catalyst 20 has not reached the activation temperature, so the NOx catalyst 20 is not functioning.
[0114]
In such a state, NOx in the exhaust gas passes through the NOx catalyst 20 without being purified and is released into the atmosphere.
[0115]
Here, as a means for increasing the temperature of the NOx catalyst 20 at an early stage, it is effective to perform sub-injection (post-injection) in which fuel is secondarily injected during the expansion stroke of the internal combustion engine 1. The reason why the fuel is injected in the expansion stroke is that fuel injection performed during the compression stroke increases the engine output and may deteriorate the operation state. The fuel injected by the sub-injection burns in the cylinder 2 and raises the gas temperature in the cylinder 2. The gas whose temperature has risen becomes exhaust gas, reaches the NOx catalyst 20 through the exhaust pipe 19, and raises the temperature of the NOx catalyst 20. If the sub-injection is used in this way, the temperature of the NOx catalyst can be raised early.
[0116]
If the relationship between the accelerator opening, the engine speed, the sub-injection amount or the sub-injection timing is mapped in advance and stored in the ROM 352, the map, the accelerator opening, and the engine rotation can be obtained. It can be calculated from the number. Further, the cooling water temperature of the internal combustion engine 1 may be added as a parameter.
[0117]
However, a certain amount of time is required until the temperature of the NOx catalyst 20 rises and reaches the activation temperature of the catalyst. The NOx discharged during this time passes through the NOx catalyst 20 without being purified and is released into the atmosphere. Therefore, it is necessary to reduce the NOx emission amount itself during this period.
[0118]
The use of EGR can be cited as a means for reducing NOx emissions. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the EGR gas ratio during intake and the NOx emission amount. From this figure, it can be seen that the NOx emission decreases as the EGR gas ratio increases. However, the exhaust gas recirculated as EGR gas is sucked into the cylinder 2 without heating the NOx catalyst 20. During this time, the temperature of the EGR gas decreases, so that the larger the EGR gas ratio, the lower the temperature of the exhaust gas that reaches the NOx catalyst 20, which is contrary to the original purpose of raising the temperature of the NOx catalyst 20 at an early stage.
[0119]
Thus, in terms of reducing the NOx emission amount, the larger the EGR gas ratio in the intake air, the better. However, in terms of the early temperature rise of the NOx catalyst 20, the smaller the EGR gas ratio, the better.
[0120]
Further, when the intake throttle valve 13 is used, the amount of fresh air taken into the internal combustion engine 1 can be adjusted, and air-fuel ratio control can be easily performed, which is effective for exhaust purification. However, since the amount of fresh air drawn into the internal combustion engine 1 is limited by the intake throttle valve 13 and the pressure in the cylinder 2 is lowered, the compression pressure in the compression stroke of the internal combustion engine does not increase and there is a risk of misfire. . FIG. 5 shows the relationship between the EGR gas ratio during intake and the compression pressure in the cylinder 2. From this figure, it can be seen that the greater the EGR gas ratio, the higher the compression pressure. That is, when the EGR gas is sucked, the pressure drop in the cylinder 2 can be suppressed, the compression pressure can be increased, and misfire can be suppressed.
[0121]
On the other hand, FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the EGR gas ratio in the intake air and the amount of unburned hydrocarbons (THC: Total Hydorocarbons). When the ratio of EGR gas in the intake air increases, the ratio of fresh air in the intake air decreases, causing a misfire and increasing the THC emission amount. On the other hand, if the EGR gas ratio in the exhaust gas is reduced, when the intake throttle valve 13 is used, the compression pressure decreases, causing a misfire and increasing the THC emission amount.
[0122]
Thus, the ratio of EGR gas in the intake air sucked into the internal combustion engine 1 affects the gas component in the exhaust gas and the temperature increase of the NOx catalyst 20.
[0123]
Therefore, it is important to obtain an optimum EGR gas ratio for realizing reduction of harmful components in the exhaust gas and early temperature increase of the NOx catalyst 20.
[0124]
In the present invention, an optimal EGR gas ratio is determined, and EGR control is performed to achieve the ratio, thereby solving the above problem.
[0125]
Here, based on FIG. 4 thru | or FIG. 6 calculated | required by experiment, it is preferable that an optimal EGR gas ratio shall be 10 percent or less in inhalation | air-intake. By setting such a ratio, NOx emission can be suppressed, a required compression pressure can be secured, and THC emission can be suppressed.
[0126]
In the EGR control according to the present embodiment, the CPU 351 feedback-controls the opening degree of the EGR valve 26 using the intake fresh air amount of the internal combustion engine 1 as a parameter, and adjusts the intake fresh air amount and the EGR gas amount.
[0127]
In the EGR valve feedback control, for example, the CPU 351 determines the target intake fresh air amount of the internal combustion engine 1 using the accelerator opening, the engine speed, and the like as parameters. At that time, the relationship between the accelerator opening, the engine speed, and the target intake fresh air is mapped in advance, and the target intake fresh air amount is calculated from the map, the accelerator opening, and the engine rotational speed.
[0128]
Further, as described above, it is preferable to adjust the EGR gas amount and the intake fresh air amount so that the EGR gas ratio in the intake air is 10% or less from the request for emission. Therefore, the CPU 351 calculates a target EGR gas amount such that the ratio of EGR gas in the intake air is 10% or less based on the calculated target intake fresh air amount.
[0129]
Here, if the relationship between the opening change amount of the EGR valve 26 and the intake throttle valve 13 and the amount of EGR gas sucked into the internal combustion engine 1 is obtained in advance by experiment and mapped and stored in the ROM 352, the target EGR gas amount is obtained. Based on this, it is possible to calculate the valve opening correction amount for correcting the valve opening amounts of the EGR valve 26 and the intake throttle valve 13. Further, the cooling water temperature of the internal combustion engine 1 may be added as a parameter.
[0130]
The CPU 351 adjusts the EGR gas amount and the intake fresh air amount by changing the valve opening amounts of the EGR valve 26 and the intake throttle valve 13 based on the calculated valve opening correction amount.
[0131]
When the target intake fresh air amount and the target EGR gas amount are determined by the above-described procedure, the CPU 351 reads the output signal value (actual intake fresh air amount) of the air flow meter 11 stored in the RAM 353, and the actual intake fresh air amount. Compare air volume with target fresh air volume.
[0132]
When the actual intake fresh air amount is smaller than the target intake fresh air amount, the CPU 351 closes the EGR valve 26 by a predetermined amount and opens the intake throttle valve 13 by a predetermined amount. In this case, the amount of EGR gas flowing into the intake branch pipe 8 from the EGR passage 25 decreases, and the amount of EGR gas sucked into the cylinder 2 of the internal combustion engine 1 decreases accordingly. As a result, the amount of fresh air sucked into the cylinder 2 of the internal combustion engine 1 increases by the amount that the EGR gas has decreased.
[0133]
On the other hand, when the actual intake fresh air amount is larger than the target intake fresh air amount, the CPU 351 opens the EGR valve 26 by a predetermined amount and closes the intake throttle valve 13 by a predetermined amount. In this case, the amount of EGR gas flowing into the intake branch pipe 8 from the EGR passage 25 increases, and the amount of EGR gas sucked into the cylinder 2 of the internal combustion engine 1 increases accordingly. As a result, the amount of fresh air drawn into the cylinder 2 of the internal combustion engine 1 decreases by the amount of increase in EGR gas.
[0134]
As described above, the EGR gas ratio in the intake air can be adjusted to 10% or less by adjusting the EGR gas amount and the fresh intake air amount.
[0135]
Next, the control flow of this embodiment will be described.
[0136]
FIG. 7 is a flowchart of NOx catalyst temperature rise and EGR control according to the present embodiment.
[0137]
In step 101, the accelerator opening degree and engine speed data stored in the RAM 353 are read.
[0138]
In step 102, data such as cooling water temperature and exhaust temperature stored in the RAM 353 is read.
[0139]
In step 103, it is determined whether or not the bed temperature of the NOx catalyst 20 is not higher than a predetermined temperature (for example, 300 ° C.) and the cooling water temperature of the internal combustion engine 1 is not higher than a predetermined temperature (for example, 60 ° C.). Here, it is determined whether or not the temperature rise of the NOx catalyst 20 by the sub-injection and the EGR gas ratio need to be set to a predetermined ratio or less.
[0140]
Here, the output temperature of the exhaust temperature sensor 24 is substituted for the bed temperature of the NOx catalyst 20.
[0141]
If this condition is satisfied, the process proceeds to step 105. If not satisfied, the process proceeds to step 104.
[0142]
In step 104, since the NOx catalyst 20 has reached the activation temperature or the internal combustion engine 1 has been warmed up, normal fuel injection control and EGR control are performed. That is, control for raising the temperature of the NOx catalyst 20 early is not performed.
[0143]
In step 105, since the NOx catalyst 20 has not reached the activation temperature and the internal combustion engine 1 has not been warmed up, control for raising the temperature of the NOx catalyst 20 to the activation temperature early is started.
[0144]
In step 106, EGR control is performed so that the sub-injection and the EGR gas ratio are less than or equal to a predetermined ratio. The NOx catalyst 20 can be raised in temperature early, and generation of harmful gas components such as NOx and THC is suppressed.
[0145]
In this way, the EGR gas ratio can be changed based on the state of the NOx catalyst 20 and the internal combustion engine 1.
[0146]
Further, when the NOx catalyst 20 has not reached the activation temperature, the generation of harmful gas components such as NOx and THC can be suppressed by adjusting the EGR gas ratio to a predetermined value or less.
[0147]
Further, since the amount of EGR gas passing through the EGR cooler or the like is reduced, the NOx catalyst 20 can be warmed up early without unnecessary cooling of the EGR gas, so that the NOx can be quickly increased immediately after the internal combustion engine 1 is started. Can be purified.
[0148]
Thus, air-fuel ratio control corresponding to the EGR gas ratio can be performed, and deterioration of exhaust emission can be prevented.
[0149]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the EGR gas ratio in inhalation | air_intake can be adjusted to 10% or less, the exhaust gas temperature can be raised, and the exhaust gas purification apparatus can be raised in temperature early, and the harmful component in exhaust gas can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is applied and an intake / exhaust system thereof.
FIG. 2 (A) is a view for explaining the NOx absorption mechanism of the NOx storage reduction catalyst. (B) is a diagram illustrating the NOx release mechanism of the NOx storage reduction catalyst.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of an ECU.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an EGR gas ratio in exhaust gas and NOx emission amount.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an EGR gas ratio in exhaust gas and a compression pressure in a cylinder.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the ratio of EGR gas in exhaust gas and the amount of unburned hydrocarbons.
FIG. 7 is a flowchart of NOx catalyst temperature increase control and EGR control according to the present invention.
1 ... Internal combustion engine
2. Cylinder
3. Fuel injection valve
4 ... Common rail
5. Fuel supply pipe
6. Fuel pump
18 ... Exhaust branch pipe
19 ... Exhaust pipe
20 ... NOx storage reduction catalyst
21 ... Exhaust throttle valve
23 ... Air-fuel ratio sensor
25 ... EGR passage
26 ... EGR valve
27 ... EGR cooler
28 ... Reducing agent injection valve
29 ... Reducing agent supply path
30 ... Flow control valve
31 ... Shut-off valve
32 ... Reducing agent pressure sensor
33 ... Crank position sensor
34 ... Water temperature sensor
35 ... ECU
351 ... CPU
352 ... ROM
353 ... RAM
354 ... Backup RAM

Claims (1)

酸素過剰状態の混合気を燃焼可能とする希薄燃焼式の内燃機関と、
前記内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒と、
前記車両の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記内燃機関へ機関出力のための燃料が主噴射された後の機関出力とはならない時期に再度燃料を噴射させる副噴射手段と、
前記運転状態検出手段により検出された車両の運転状態に基づいて前記副噴射手段の実行の可否を判定する燃料添加判定手段と、
前記内燃機関の吸気系に排気の一部を再循環させるEGR装置と、
前記内燃機関に吸入される新気の量を調整する吸気絞り弁と、
を具備し、
前記EGR装置はEGRガスを冷却するEGRクーラを備え、前記排気浄化触媒が活性温度に達していなく、且つ、前記内燃機関が暖機されていないときには、副噴射を行うとともにEGRガス割合を10パーセント以下に制限し更に吸気絞り弁を閉弁側へ制御することにより、前記排気浄化触媒に到達する排気の温度の低下を抑制することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
A lean combustion internal combustion engine capable of combusting an oxygen-rich mixture.
An exhaust purification catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine for purifying harmful components in the exhaust;
Driving state detecting means for detecting the driving state of the vehicle;
Sub-injection means for injecting fuel again at a time when the engine output does not become the engine output after the main output of fuel for engine output to the internal combustion engine;
A fuel addition determination unit that determines whether or not the sub-injection unit can be executed based on a driving state of the vehicle detected by the driving state detection unit;
An EGR device that recirculates part of the exhaust gas to the intake system of the internal combustion engine;
An intake throttle valve for adjusting the amount of fresh air sucked into the internal combustion engine;
Comprising
The EGR device includes an EGR cooler that cools EGR gas, and when the exhaust purification catalyst has not reached the activation temperature and the internal combustion engine is not warmed up, sub-injection is performed and the EGR gas ratio is increased to 10%. An exhaust purification device for an internal combustion engine, characterized in that a reduction in the temperature of the exhaust gas reaching the exhaust purification catalyst is suppressed by controlling the intake throttle valve to the valve closing side in the following manner.
JP2000380962A 2000-12-14 2000-12-14 Exhaust gas purification device for internal combustion engine Expired - Fee Related JP3912001B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000380962A JP3912001B2 (en) 2000-12-14 2000-12-14 Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000380962A JP3912001B2 (en) 2000-12-14 2000-12-14 Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002180885A JP2002180885A (en) 2002-06-26
JP3912001B2 true JP3912001B2 (en) 2007-05-09

Family

ID=18849060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000380962A Expired - Fee Related JP3912001B2 (en) 2000-12-14 2000-12-14 Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3912001B2 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3991789B2 (en) 2002-07-04 2007-10-17 トヨタ自動車株式会社 An internal combustion engine that compresses and ignites the mixture.
JP4556417B2 (en) * 2003-10-29 2010-10-06 トヨタ自動車株式会社 Method for raising the temperature of an exhaust purification catalyst for an internal combustion engine
JP4337809B2 (en) 2005-12-09 2009-09-30 トヨタ自動車株式会社 Exhaust gas purification system for internal combustion engine
JP4325704B2 (en) 2007-06-06 2009-09-02 トヨタ自動車株式会社 Exhaust gas purification system for internal combustion engine
JP4831838B2 (en) * 2008-05-02 2011-12-07 三菱重工業株式会社 EGR controller for 4-cycle gas engine
JP6128122B2 (en) * 2012-06-01 2017-05-17 トヨタ自動車株式会社 Exhaust gas purification device for internal combustion engine
CN111042941B (en) * 2020-01-07 2022-12-13 一汽解放汽车有限公司 Method for diagnosing credibility fault of air inlet temperature sensor
JP2022018819A (en) * 2020-07-16 2022-01-27 いすゞ自動車株式会社 Control device of internal combustion engine

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002180885A (en) 2002-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4288942B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3617450B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3835241B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
US5937639A (en) Internal combustion engine
JP3473583B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
EP1176290A1 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
US6101999A (en) Compression ignition type engine
JP3514230B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3757860B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3912001B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3680727B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3685033B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3674511B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3558019B2 (en) Abnormality detection device for reducing agent supply device
JP3897621B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP2002129996A (en) Exhaust emission control device for internal combustion engine
JP3798623B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3674507B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3747778B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3791312B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP2002161733A (en) Exhaust gas cleaning device for internal combustion engine
JP3624810B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3651382B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3800065B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine
JP3620446B2 (en) Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20050929

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20051004

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20051129

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060530

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060726

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20070109

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20070122

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 3912001

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110209

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110209

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120209

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120209

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130209

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130209

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140209

Year of fee payment: 7

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees