JP3937487B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気空燃比がリーンのときにNOxを吸収し、排気酸素濃度が低下すると吸収していたNOxを放出するNOx吸収剤を備えた内燃機関の排気系において、NOx吸収剤へのNOx吸収量を推定して、推定したNOx吸収量がNOx吸収剤でのNOx吸収許容量を越えたと判断したとき、いわゆる空燃比のリッチ制御によって排気酸素濃度を低下させることでNOxを還元・浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の内燃機関の排気浄化装置として、例えば、WO93/25806号が知られている。
【0003】
この明細書には、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにNOxを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度を低下させると吸収したNOxを放出するNOx吸収剤を機関排気通路内に配置し、NOx吸収剤に吸収されているNOx吸収量を推定するNOx吸収量推定手段と、NOx吸収量推定手段によりNOx吸収剤に吸収されていると推定されたNOx吸収量が予め定められたNOx吸収許容量を越えたときにNOx吸収剤に流入する排気ガス中の酸素濃度を低下させてNOx吸収剤からNOxを放出させるNOx放出手段を具備した排気浄化装置が開示されている。
【0004】
そして、この装置では、NOx吸収剤のNOx吸収許容量は固定であるとして、排気酸素濃度の低下のタイミングをとっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、NOx吸収剤でのNOx吸収容量(NOx吸収剤が吸収可能なNOx最大量であり、NOx飽和量ともいう)は、NOx吸収剤の雰囲気における排気空燃比あるいは排気酸素濃度に依存することが判明した。
【0006】この結果、従来のようにNOx吸収容量を固定値として、リッチ制御を行うと、例えば、外界条件の変化やセンサ類のフェイルなどによってリーン空燃比が変化した場合、リッチ制御のタイミングの最適な時期を逃すこととなり、排気管からの大気へのNOx排出量の増加や、燃費の悪化を招くこととなる。
【0007】本発明は、このような点に鑑みなされたもので、変化するNOx吸収容量に応じて適切なタイミングでリッチ制御を行うことのできる内燃機関の排気浄化装置を提供し、排気管からの大気へのNOx排出量の増加や、燃費の悪化を防止することを課題とする。
【0008】
【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、内燃機関の排気浄化装置において、以下の構成とした。
【0009】
すなわち、本発明は、希薄燃焼の度合いを運転状態に応じて変化させる内燃機関の排気系に設けられ、排気空燃比がリーンのときにNOxを吸収し、排気酸素濃度が低下すると吸収していたNOxを放出するNOx吸収剤と、希薄燃焼時に前記NOx吸収剤に吸収されたNOx吸収量を推定し、推定したNOx吸収量が前記NOx吸収剤でのNOx吸収許容量を越えたと判断したとき、排気酸素濃度を低下させる排気酸素濃度低下制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記排気酸素濃度低下制御手段は、前記推定したNOx吸収量が所定の判定値より大きくなった場合に前記推定したNOx吸収量が前記NOx吸収許容量を越えたと判断するものであり、前記判定値は排気空燃比が大きくなるほど大きな値に設定されることを特徴とする。
【0010】
そして、外界条件の変化やセンサ類のフェイルなどによってリーン空燃比が変化した場合、希薄燃焼(リーン)の度合いが大きくなるほど、遅くしたタイミングで排気酸素濃度低下制御(リッチ制御)を行う。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
<装置の概要>以下で説明する実施の形態は、本発明の排気浄化装置をガソリン機関に適用した例である。
【0012】
実施の形態に係るガソリン機関は、機関本体のシリンダ内にピストンを有するとともに、燃焼室を有している。さらに、前記機関本体には、前記燃焼室内のガソリンに点火する点火栓が設けられるとともに、吸気弁によって開閉されかつガソリンと空気の混合気をシリンダ内に導入する吸気ポート、及び、排気弁によって開閉されかつシリンダ内の燃焼済み排気ガスを排出する排気ポートが設けられている。
【0013】
前記吸気ポートは、対応する枝管を介してサージタンクに連結され、前記各枝管には、それぞれ前記吸気ポート内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁が取付けられている。前記サージタンクは、吸気ダクトを介してエアクリーナに連結され、前記吸気ダクト内にはスロットル弁が配置されている。一方、前記排気ポートは、排気マニホールド及び排気管を介してNOx吸収剤を内蔵したケーシングに接続されている。
【0014】
このガソリン機関は、ディジタルコンピュータからなる電子制御ユニットによって制御されており、この電子制御ユニットは、双方向性バスによって相互に接続されたROM(リードオンリーメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、CPU(マイクロプロセッサ)、入力ポート、及び、出力ポートを備えている。
【0015】
前記入力ポートには、前記サージタンク内に設けた圧力センサ、前記スロットル弁に設けたアイドルスイッチ、クランクシャフトに連結している自動変速機に設けたギア位置検出器及び車速センサ、前記排気管に設けた温度センサ、前記クランクシャフト部分に設けた機関回転数センサが接続されている。
【0016】
前記圧力センサは前記サージタンク内の絶対圧に比例した出力電圧を発生する。前記アイドルスイッチは前記スロットル弁がアイドリング開度であることを検出する。前記ギア位置検出器は前記自動変速機のギアの状態を検出する。前記車速センサは車体速度を検出する。前記温度センサは前記ケーシング上流の前記排気管内の排気ガス温度を検出する。前記機関回転数センサは機関回転数を検出する。なお、前記圧力センサ、前記温度センサの出力電圧は、A/D変換をそれぞれ介して前記入力ポートに入力される。
【0017】
前記出力ポートは、対応する駆動回路を介して、前記点火栓及前記燃料噴射弁に接続される。前記CPUでは、前記各センサ等からの検出結果に基づき、例えば、次式による燃料噴射時間TAUが算出される。
【0018】
TAU=TP・Kここで、TPは基本燃料噴射時間を示し、Kは補正係数を示している。基本燃料噴射時間TPは、機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を理論空燃比とするのに必要な燃料噴射時間を示している。理論空燃比とは、空気と燃料の混合気において、燃料量が空気中の酸素量に対して完全燃焼する量となるような混合比率をいう。
【0019】
基本燃料噴射時間TPは、予め実験により求められ、前記サージタンク内の絶対圧PM及び機関回転数Nの関数として図1に示すようなマップの形で予め前記ROM内に記憶されている。
【0020】
補正係数Kは、機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を調整するための係数であって、K=1.0のとき機関シリンダ内に供給される混合気は理論空燃比となる。これに対し、K<1.0のとき機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比より大きくなり、すなわちリーンとなり、K>1.0のとき機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比より小さくなり、すなわちリッチとなる。
【0021】
この補正係数Kの値は、前記サージタンク内の絶対値PM及び機関回転数Nに対して予め定められており、図2にその一例を示す。この例では、前記サージタンク内の絶対圧PMが比較的低い領域、すなわち一定速度で走行するような機関低中負荷運転領域では補正係数Kの値が、1.0より小さい値とされ、機関シリンダ内供給される混合気の空燃比がリーンとされる。
【0022】
一方、前記サージタンク内の絶対圧PMが比較的高い領域、すなわち、加速運転時のような機関高負荷運転領域では補正係数Kの値が1.0とされ、機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比が理論空燃比とされる。また、前記サージタンク内の絶対圧PMが最も高くなる領域、すなわち機関全負荷運転領域では補正係数Kの値が1.0より大きな値となり、機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比がリッチとされる。
【0023】
内燃機関では、通常、低中負荷運転される頻度が最も高く、運転期間中の大部分においてリーン混合気が燃焼される。次に、前記NOx吸収剤を使用した排気浄化装置について説明する。
【0024】
図3は、前記燃焼室から排出される排気ガス中の代表的な成分の濃度を概略的に示している。図3から明かなように、前記燃焼室から排出される排気ガス中の未燃HC、COの濃度は、前記燃焼室内に供給される混合気の空燃比がリッチになるほど増大し、前記燃焼室から排出される排気ガス中の酸素O2の濃度は、前記燃焼室内に供給される混合気の空燃比がリーンになるほど増大する。
【0025】
前記ケーシング内に収容された前記NOx吸収剤は、NOx吸蔵還元型触媒であり、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ptのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路及び前記NOx吸収剤上流での排気通路内に供給された空気及び燃料(炭化水素)の比を前記NOx吸収剤への流入排気ガスの空燃比と称すると、この前記NOx吸収剤は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはNOxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出する。
【0026】
なお、前記NOx吸収剤上流の排気通路内に燃料(炭化水素)或いは空気が供給されない場合、流入排気ガスの空燃比は前記燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致し、従ってこの場合には、前記NOx吸収剤は前記燃焼室内に供給される混合気の空燃比がリーンのときには、NOxを吸収し、前記燃焼室内に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出・還元する。
<NOxの吸収・放出・還元メカニズム>前記NOx吸収剤(NOx吸蔵還元型触媒)でのNOx吸収・還元は、図4に示したようなメカニズムで行われると考えられている。このメカニズムは、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担持させた場合であるが、他の貴金属,アルカリ金属,アルカリ土類,希土類を用いても同様のメカニズムとなる。
【0027】
まず、排気ガスがかなりリーンになると排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大するため、図4(A)に示すように酸素O2がO2 -又はO2-の形で白金Ptの表面に付着する。次に、排気ガスに含まれるNOは、白金Ptの表面上でO2 -又はO2-と反応し、NO2となる(2NO+O2→2NO2)。
【0028】
その後、生成されたNO2は、前記NOx吸収剤のNOx吸収能力が飽和しない限り、白金Pt上で酸化されながら前記NOx吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合し、図4(A)に示されるように硝酸イオンNO3 -の形で前記NOx吸収剤内に拡散する。このようにしてNOxが前記NOx吸収剤内に吸収される。
【0029】
これに対し、排気ガス中の酸素濃度が低下した場合は、NO2の生成量が低下し、前記反応とは逆の反応によって、前記NOx吸収剤内の硝酸イオンNO3 -は、NO2またはNOの形で前記NOx吸収剤から放出される。
【0030】
つまり、NOxは、排気ガス中の酸素濃度が低下すると、前記NOx吸収剤から放出されることになる。図3に示されたように、流入排気ガスのリーン度合いが低くなれば、流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、従って、流入排気ガスのリーン度合いを低くすれば、たとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであっても前記NOx吸収剤からNOxが放出されることとなる。
【0031】
一方、このとき、前記燃焼室内に供給する混合気がリッチにされて、排気ガスの空燃比がリッチになると、図3に示すように多量の未燃HC,COが機関から排出される。これら未燃HC,COは、白金Pt上の酸素O2 -又はO2-とすぐに反応して酸化される。
【0032】
また、流入排気ガスの空燃比がリッチになると、排気ガス中の酸素濃度は極度に低下するため、前記NOx吸収剤は、NO2またはNOを放出する。このNO2またはNOは、図4(B)に示すように、未燃HC、COと反応して還元される。このようにして白金Pt上のNO2またはNOが存在しなくなると、前記NOx吸収剤から次から次へとNO2またはNOが放出される。従って、流入排気ガスの空燃比をリッチにすると短時間の内に前記NOx吸収剤からNOxが放出される。白金Pt上のO2 -又はO2-を消費しても未燃HC,COが残っていれば、前記NOx吸収剤から放出されたNOxも、機関から排出されたNOxも、この未燃HC,COによって還元される。
【0033】
従って、流入排気ガスの空燃比をリッチにすれば短時間の内に前記NOx吸収剤に吸収されているNOxが放出され、しかも、この放出されたNOxが還元されるために大気中にNOxが排出されるのを阻止することができる。
【0034】
また、前記NOx吸収剤は還元触媒の機能を有しているので、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしても前記NOx吸収剤から放出されたNOxが還元される。しかし、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にした場合、前記NOx吸収剤からはNOxが徐々にしか放出されないため、前記NOx吸収剤に吸収されている全NOxを放出するには長い時間を要する。
【0035】
流入排気ガスの空燃比をリーンの度合いを低くすればたとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであったとしても、前記NOx吸収剤からNOxが放出される。従って、前記NOx吸収剤からNOxを放出させるには、流入排気ガス中の酸素濃度を低下させればよいこととなる。
【0036】
但し、前記NOx吸収剤からNOxが放出されても、流入排気ガスの空燃比がリーンであると、前記NOx吸収剤においてNOxが還元されない。そこで、この場合には、前記NOx吸収剤の下流に還元剤を配置する必要がある。この点を考慮すると、流入排ガスの空燃比をリッチにしてNOx放出させるようにした方が、別途還元剤を設けずにすみ経済的である。
<NOx放出制御装置>低温時の暖機運転時や全負荷運転時は、図2に示すように、前記燃焼室内に供給される混合気の空燃比がリッチとなり、加速運転時は、混合気が理論空燃比となる。それ以外の大部分の運転領域は、リーン混合気が前記燃焼室内において燃焼している。
【0037】
しかし、前記NOx吸収剤は、全負荷運転時および加速運転時にNOxを放出しても、全負荷運転或いは加速運転が行われる頻度が少ない場合、リーン混合気が燃焼している間にNOxが徐々にたまってしまい、NOxの吸収能力が低下する。
【0038】
そうすると、しばらくして前記NOx吸収剤は、NOxを吸収できなくなってしまう。したがって、NOxを前記NOx吸収剤に継続して吸収させるためには、リーン混合気が継続して燃焼している時でも、周期的に流入排気ガスの酸素濃度を低下させる制御、すなわち、流入排気ガスの空燃比を周期的にリッチにするか、あるいは流入排気ガスの空燃比を周期的に理論空燃比にするなどし、前記NOx吸収剤から周期的にNOxを放出させる必要がある。
【0039】
便宜上この制御を以下単にリッチ制御というが、このリッチ制御の周期が長いと、リーン混合気の燃焼が行われている間に前記NOx吸収剤のNOx吸収能力が低下してしまい、NOxを吸収できずに大気に放出してしまう。一方、リッチ制御の周期を短くしすぎると、今度は燃料消費量が増大してしまう。従って、リッチ制御はこれらを考慮した最適なタイミングで行う必要がある。
【0040】
本実施例におけるNOx放出制御装置では、前記NOx吸収剤に吸収されたNOx吸収量が予め定めた基準を越えたときにリッチ制御を行うようにし、しかも、希薄燃焼の度合いに応じてその基準を変化させるようにしている。
【0041】
この例では、前記NOx吸収剤から周期的に放出制御をするためのプログラムが、あらかじめ、前記ROMに記憶され、このプログラムによって前記CPU上に以下の手段がNOx放出制御装置として実現される。
【0042】
すなわち、図5に示したように、本装置は、前記各種センサーから入力された機関回転数、負荷情報、触媒温度等の検出した諸条件から、機関からのNOx排出量を推定するNOx排出量推定手段51と、前記NOx吸収剤に吸収されたNOx吸収量を推定するNOx吸収量推定手段52と、前記各諸条件から前記NOx吸収剤前後の空燃比を算出する空燃比算出手段53と、この空燃比算出手段53で算出した空燃比及び前記各種諸条件とから前記NOx吸収剤におけるNOx吸収容量を推定するNOx吸収容量推定手段54と、このNOx吸収容量推定手段54で推定したNOx吸収容量からNOx飽和判定値を決定するNOx飽和判定値決定手段55と、NOx吸収量推定手段52で推定したNOx吸収量がNOx飽和判定値以上となったときリッチ制御を実行するリッチ制御実行手段56とを備える。ここで、NOx飽和判定値とは、NOx吸収量が前記NOx吸収剤のNOx吸収許容量を越えたか否かを判別するための判定基準値であり、NOx吸収量がNOx飽和判定値を越えた場合にNOx吸収量がNOx吸収許容量を越えたと判定可能なように予め定められる。
【0043】
よって、これら手段が、本発明でいう、希薄燃焼時に前記NOx吸収剤に吸収されたNOx吸収量を推定し、推定したNOx吸収量が前記NOx吸収剤でのNOx吸収許容量を越えたと判断したとき、排気酸素濃度を低下させる排気酸素濃度低下制御手段61である。
【0044】
ここで、本実施例の排気浄化装置における、機関からのNOx排出量を推定するNOx排出量推定手段51と、前記NOx吸収剤に吸収されたNOx吸収量を推定するNOx吸収量推定手段52と、について説明する。
【0045】
前記NOx吸収剤に吸収されているNOx吸収量を求める場合、前記NOx吸収剤に吸収されている総NOx吸収量を直接検出することは困難である。そこで、ここでは機関から排出された排気ガス中のNOx排出量を推定し、そのNOx排出量から前記NOx吸収剤に吸収されるNOx吸収量を推定するようにした。
【0046】
すなわち、機関回転数Nが高くなるほど機関から単位時間あたり排出される排気ガス量が増大するので、機関回転数が高くなるにつれて機関からNOx排出量は増大する。また、機関負荷が高くなるほど、すなわち、前記サージタンク内の絶対圧PMが高くなるほど前記燃焼室から排出される排気ガス量が増大し、しかも、燃焼温度が高くなるので、機関負荷が高くなるほど(前記サージタンク内絶対圧が高くなるほど)機関から単位時間あたりNOx排出量が増大する。
【0047】
図6(A)は実験により求められた単位時間あたり機関からNOx排出量と、前記サージタンク内の絶対圧PM、機関回転数Nとの関係を示しており、各曲線は同一NOx排出量を示している。この図に示されるように、機関からの単位時間あたりNOx排出量は、前記サージタンク内の絶対圧PMが高くなるほど多くなり、また、機関回転数Nが高くなるほど多くなる。なお、図6(A)に示されるNOx排出量は図6(B)に示すようなマップの形で予め前記ROM内に記憶されている。従って、この図6(B)のマップから、NOx排出量を推定できるのである。
【0048】
次に、NOx吸収容量推定手段54について説明する。NOx吸収容量推定手段54は、まず、図7に示したような、前記NOx吸収剤への流入排気ガス温度と、NOx吸収容量との関係から、前記NOx吸収剤のNOx吸収容量を推定する。すなわち、排気ガス温Tが低くなると、触媒(吸収剤)の活性が低下するために、NOx吸収容量NoxCAPが低下し、また排気ガス温度の上昇により前記NOx吸収剤の温度が高くなると、前記NOx吸収剤に含まれていたNOxが分解して自然放出するため、NOx吸収容量は小さくなる。従って、NOx吸収容量は排気ガス温がほぼ350℃から500℃の間で大きくなる。
【0049】
NOx吸収容量は基本的には排気ガス温により決まるが、希薄燃焼すなわちリーンの度合いによっても変化することが知見された。本発明にあっては、空燃比とNOx吸収容量との関係は、図8に示したように、空燃比が大きくなるほど、すなわち、酸素濃度の大きいリーン状態であるほど前記NOx吸収剤でのNOx吸収容量が大きくなることが、実験により判明した。
【0050】
そこで、前記NOx吸収容量推定手段54は、図7で関係から求めたNOx吸収容量に、図8に示した関係を考慮して、修正を加える。空燃比とNOx吸収容量との関係は予めマップの形で前記ROMに備えられ、前記空燃比算出手段53で算出した空燃比に対応するNOx吸収容量を前記ROMのマップから読み出すようにしている。そして、空燃比の変化に応じて、NOx吸収容量の変化の度合いが判明するので、その変化の度合いを図7で求めたNOx吸収容量に乗じれば、修正後のNOx吸収容量を求めることができる。
【0051】
また、マップには、NOx吸収容量に対応するNOx飽和判定値が設定されている。NOx飽和判定値決定手段55は、このマップからNOx吸収容量に対応するNOx飽和判定値を読み出す。
【0052】
リッチ制御実行手段56は、前記NOx吸収剤に吸収されたNOx吸収量がこのNOx飽和判定値を越えたとき、NOx吸収量がNOx吸収許容量を越えたと判断し、リッチ制御を開始する。
【0053】
なお、NOx飽和判定値は、NOx吸収容量の値のX%である。ここでは、X=100すなわちNOx吸収容量自体と同一値でもよいが、たとえばNOx吸収容量の50%等、NOx吸収容量の値より低めに設定しても良い前記NOx吸収剤が劣化したとき、実際のNOx吸収量がNOx吸収容量に至る前に前記NOx吸収剤が飽和してしまうが、このとき、NOx飽和判定値がNOx吸収容量と同一値であると、リッチ制御を開始する前にすでに前記NOx吸収剤が飽和し、吸収できなかったNOxを大気に放出することとなる。NOx飽和判定値を前記のようにNOx吸収容量より低めにすることで、前記NOx吸収剤の劣化に備えてNOx放出制御を確実に行える。
【0054】
本発明の特徴的な点は、リーン(希薄燃焼)の度合いが大きいほど前記排気酸素濃度低下制御手段61による排気酸素濃度低下制御の開始時期を遅延させる遅延手段62を備えた点であるが、本実施例では、空燃比検出手段53と、NOx吸収容量推定手段54と、NOx飽和判定値決定手段55と、リッチ制御実行手段56とが、前記遅延手段62を実現しているといえる。
【0055】
なお、希薄燃焼(リーン)の度合いが変化する原因としては、外界条件の変化やセンサ類のフェイルによって空燃比が変化する場合がある。その他に、運転領域毎にリーンの度合いが変化する。すなわち、定常運転の時にはトルクはそれほど必要ではないので空燃比を大きくリーン側で制御し、加速が必要な運転の時には、理想空燃比(ストイキ)に近いリーンで制御する。
<リッチ制御のタイミング>このように、NOx吸収容量推定手段54で推定するNOx吸収剤のNOx吸収容量が変動することに応じて、NOx飽和判定値も変動し、よって、リッチ制御の実行時期も変動する。この様子を示すリッチ制御のタイミングチャートを図9に示す。
【0056】
(a)リーン度合いが大きいときリーン度合いが大きいとき、図9で太い破線で示したように、機関から排出された、前記NOx吸収剤への流入排気ガスのNOx濃度は比較的低い。また、図から明かなように、前記NOx吸収剤でのNOx吸収容量が大きく(図8の(a))、その結果NOx飽和判定値も高いので、長時間NOxを吸収できる。
【0057】
従って、リッチ制御の周期は図9に示したように長くなる。この時の前記NOx吸収剤の出口側NOx濃度は、図9の下段に太い破線で示したように変化する。なお、参考までに述べるが、仮にリッチ制御を実行しなければ、前記NOx吸収剤NOx濃度は2点鎖線で示したように変化し、流入排気ガスのNOx濃度に近づく。
【0058】
(b)リーン度合いが小さいときリーン度合いが小さいとき、図9で太い実線で示したように、機関から排出された、前記NOx吸収剤への流入排気ガスのNOx濃度は、リーン度合いが大きい(a)の場合に比較して高い。また、図8から明かなように、リーン度合いが大きい(a)の場合に比較して、前記NOx吸収剤でのNOx吸収容量が小さく(図8の(b))、その結果NOx飽和判定値も低いので、あまり長時間NOxを吸収できない。
【0059】
従って、リッチ制御の周期は図9に示したようにリーン度合いが大きい(a)の場合に比較して短くし、頻繁にリッチ制御を行う。この時の前記NOx吸収剤の出口側NOx濃度は、図9の下段に太い実線で示したように変化する。
【0060】
なお、参考までに述べるが、仮にリッチ制御を実行しなければ、前記NOx吸収剤NOx濃度は1点鎖線で示したように変化し、流入排気ガスのNOx濃度に近づく。また、ここで、リーン度合いが大きい(a)の場合に比較して、前記NOx触媒の出口側のNOx濃度の傾きが大きい理由は、図9の中段に示したように、(b)の方が流入排気ガスNOx濃度が大きいためである。
【0061】
このように、NOx飽和判定値を、前記NOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比に応じた可変値とし、前記NOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比が大きくなるほどNOx飽和判定値が大きくな値に設定されるようにすることによって、リーン(希薄燃焼)の度合いが大きいほど、リッチ制御実行手段56(排気酸素濃度低下制御手段)によるリッチ制御(排気酸素濃度低下制御)の周期長くなり、リッチ制御の開始時期を遅延させることができる
<リッチ制御のフロー>NOx放出制御は、前記したように混合気を周期的にリッチにすることで行うが、その制御の手順を図10のフローチャートに従って説明する。図10は一定時間毎の割込で実行される時間割込ルーチンを示している。
【0062】
まず、ステップ101において、燃料噴射時間TAU=TP・Kにおける、補正係数Kが1.0よりも小さいか否かを判断することによって、リーン燃焼かリッチ燃焼かを判定する。
【0063】
補正係数K<1.0のとき、すなわち、混合気をリーンにすべき運転状態のときにはステップ102に進み、カウント値Dが零とされ、次いでステップ103に進む。
【0064】
ステップ103では、前記圧力センサにより検出された前記サージタンク内の絶対圧PM及び機関回転数Nに基づいて図6(B)に示すマップから機関からの単位時間あたりのNOx排出量NijがNOx排出量推定手段51によって算出される。
【0065】
次いで、ステップ104では、NOx吸収量推定手段52が、単位時間あたりのNOx排出量Nijに割込時間間隔△tを乗算し、これらの積(Nij・△t)がΣNOxに加算される。積(Nij・△t)は割込時間間隔△tの間機関からNOx排出量を表しており、これが前記NOx吸収剤に吸収されるので、ΣNOxは前記NOx吸収剤に吸収された総NOx吸収量の推定値を表す。
【0066】
次いで、ステップ105では、前記温度センサにより検出された排気ガス温Tに基づいて、図7に示す関係からNOx吸収容量推定手段54によりNOx吸収容量NoxCAPが算出される。NOx吸収容量NoxCAPが算出されると、ステップ106では、前記酸素濃度センサによって検出した前記NOx吸収剤への流入排気ガス中の酸素濃度を基に前記NOx吸収剤の雰囲気の空燃比を算出し、図8に示したように、この算出した空燃比に従ってNOx吸収容量を修正する。次いで、ステップ107でNOx飽和判定値決定手段55によりNOx飽和判定値が決定される。
【0067】
ステップ108では、前記NOx吸収剤に吸収されたNOx吸収量(ΣNOx)がNOx飽和判定値を越えたか否かを判定し、越えていない場合は、処理サイクルを終了する。このときには、リーン混合気の燃焼が行われており、機関から排出されるNOxが前記NOx吸収剤に順次吸収される。
【0068】
ステップ108で、ΣNOxがNOx飽和判定値を越えたと判断された場合、ステップ109に進み、NOx放出のためにリッチ処理を行う。リッチ処理量は、空燃比のリッチ度、処理時間により定まるので、リッチ度の増減制御、処理時間の長短で処理量を制御する。リッチ処理は、先に説明したTAU=TP・Kにおいて、補正係数Kを変更し、燃料噴射時間(燃料噴射量)TAUを変えることで行う。リッチ処理が完了すると、処理サイクルを終了する。
【0069】
一方、ステップ101でK≧1.0であると判断されたとき、すなわち、混合気をリッチまたは理論空燃比にすべき機関運転状態であるときには、ステップ118に進んでカウント値Dが1だけインクリメントされる。次いで、ステップ119では、カウント値Dが一定値D0より大きくなったか否かが判定される。D>D0となったときには、ステップ120に進み、ΣNOxが零とされる。すなわち、リッチ混合気あるいは理論空燃比の混合気の燃焼が一定時間継続したときには前記NOx吸収剤から全NOxが放出したと考えられるので、NOx吸収量の推定値ΣNOxを零とするのである。
【0070】
最後に、本発明の特徴的な点は、すでに説明したように、リーン(希薄燃焼)の度合いが大きいほど前記排気酸素濃度低下制御手段による排気酸素濃度低下制御の開始時期を遅延させる遅延手段を備えた点であり、具体的には、図8に示したように、空燃比に従ってNOx吸収容量が変動する点に着目して、NOx放出のためのリッチ制御開始トリガーとなるNOx飽和判定値を変動させ、NOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比が大きくなるほどNOx飽和判定値を大きな値に設定することによって、図9に示したように、リーンの度合いが大きいほど、リッチ制御の開始時期遅くなるようにし、あるいは、リッチ制御の周期長くなるようにしたのである。この点を除き、基本的技術は、国際公開番号WO93/25806に記載した技術と同一であり、本公開公報は本発明理解のため、可能な限り参照される。
【0071】
【発明の効果】
本発明は、排気酸素濃度低下制御(リッチ制御)を実行するか否かの判定基準となる判定値を、NOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比に応じた可変値とし、排気空燃比が大きくなるほど判定値を大きな値に設定することによって、希薄燃焼(リーン)の度合いが大きいほど前記排気酸素濃度低下制御手段による排気酸素濃度低下制御の開始時期を遅延させることが可能になりその結果、外界条件の変化やセンサ類のフェイルなどによってリーン空燃比が変化した場合であっても、リーンの度合いに応じて最適なタイミングで排気酸素濃度低下制御(リッチ制御)を行うことができ、排気管からの大気へのNOx排出量の増加や、燃費の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】基本燃料噴射時間のマップを示す図である。
【図2】補正係数を示す図である。
【図3】機関から排出される排気ガス中の未燃HC、CO及び酸素の濃度を概略的に示すグラフ図である。
【図4】NOxの吸放出作用を示す図である。
【図5】NOx放出制御装置を示すブロック図である。
【図6】機関からNOx排出量を示す図である。
【図7】NOx吸収剤のNOx吸収容量と排気ガス温度との関係を示す図である。
【図8】空燃比とNOx吸収容量との関係を示すグラフ図である。
【図9】定常走行時の空燃比制御とNOxの挙動を示すタイミングチャート図である。
【図10】リッチ制御手順を示したフローチャート図である。
【符号の説明】
1…NOx排出量推定手段
52…NOx吸収量推定手段
53…空燃比算出手段
54…NOx吸収容量推定手段
55…NOx飽和判定値決定手段
56…リッチ制御実行手段
61…排気酸素濃度低下制御手段
62…遅延手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an NOx absorbent to an NOx absorbent in an exhaust system of an internal combustion engine having a NOx absorbent that absorbs NOx when the exhaust air-fuel ratio is lean and releases the absorbed NOx when the exhaust oxygen concentration decreases. Estimate the amount absorbed,Estimated NOxThe present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that reduces and purifies NOx by reducing exhaust oxygen concentration by so-called rich control of the air-fuel ratio when it is determined that the amount of absorption exceeds the allowable NOx absorption amount in the NOx absorbent.
[0002]
[Prior art]
For example, WO93 / 25806 is known as an exhaust emission control device for this type of internal combustion engine.
[0003]
In this specification, NOx absorbent that absorbs NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean and releases the absorbed NOx when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas is reduced is described in the engine exhaust passage. NOx absorbed in the NOx absorbentabsorptionNOx to estimate quantityabsorptionQuantity estimation means and NOxabsorptionNOx estimated to be absorbed by the NOx absorbent by the amount estimating meansabsorptionQuantity is predeterminedNOx absorptionAn exhaust purification device is disclosed that includes NOx releasing means for releasing NOx from the NOx absorbent by reducing the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the NOx absorbent when the allowable amount is exceeded.
[0004]
And in this device, the NOx absorption allowable amount of the NOx absorbent is fixed,exhaustThe timing of the decrease in oxygen concentration is taken.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the NOx absorption capacity in the NOx absorbent (the maximum amount of NOx that can be absorbed by the NOx absorbent, also referred to as the NOx saturation amount) is the NOx absorbent capacity in the atmosphere of the NOx absorbent.exhaustAir-fuel ratio orexhaustIt was found to depend on the oxygen concentration.
As a result, when the rich control is performed with the NOx absorption capacity fixed as in the prior art, for example, when the lean air-fuel ratio changes due to a change in external conditions or a failure of sensors, the timing of the rich control is reduced. The optimum time will be missed, resulting in an increase in NOx emissions from the exhaust pipe to the atmosphere and a deterioration in fuel consumption.
The present invention has been made in view of the above points, and provides an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine capable of performing rich control at an appropriate timing according to a changing NOx absorption capacity. It is an object to prevent an increase in NOx emission to the atmosphere and deterioration of fuel consumption.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration in an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine.
[0009]
That is, the present invention is provided in an exhaust system of an internal combustion engine that changes the degree of lean combustion according to the operating state, and absorbs NOx when the exhaust air-fuel ratio is lean and absorbs when the exhaust oxygen concentration decreases. When the NOx absorbent that releases NOx and the NOx absorption amount absorbed by the NOx absorbent during lean combustion are estimated, and the estimated NOx absorption amount is determined to have exceeded the allowable NOx absorption amount in the NOx absorbent, In an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, comprising an exhaust oxygen concentration lowering control means for lowering an exhaust oxygen concentration,The exhaust oxygen concentration lowering control means determines that the estimated NOx absorption amount exceeds the NOx absorption allowable amount when the estimated NOx absorption amount exceeds a predetermined determination value, and the determination value Is set to a larger value as the exhaust air-fuel ratio increases.It is characterized by that.
[0010]
When the lean air-fuel ratio changes due to changes in external conditions, sensor failures, etc., exhaust oxygen concentration lowering control (rich control) is performed at a later timing as the degree of lean combustion (lean) increases.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Outline of device>The embodiment described below isThis is an example in which the exhaust emission control device of the present invention is applied to a gasoline engine.
[0012]
BookAccording to the embodimentGasoline engine, engine bookthe body'sFixie in cylinderTheHave and burnRoomHave. further,SaidInstitutional bookTo the bodyIsSaidIgnition to ignite gasoline in the combustion chamberPlugIntake and intakeTo the valveTherefore, the intake port is opened and closed and introduces a mixture of gasoline and air into the cylinder.GAnd exhaustTo the valveTherefore, an exhaust port that opens and closes and exhausts the burned exhaust gas in the cylinder.GIs provided.
[0013]
The intake portGThe corresponding branchTubeVia Surge TanToConcatenated,SaidEach branchOn the tubeRespectivelySaidIntake portInsideFuel injection to inject fuel towardValveInstalled. The surge tongueIs, Intake ductTheAir cree throughTo naConcatenated,SaidIntake duckInsideNo throttleValveHas been placed. on the other hand,ExhaustPauG, Exhaust manifoldDoExhaustTubeNOx absorption throughAgentBuilt-in caseToIt is connected.
[0014]
This gasoline engine is an electronic control unit consisting of a digital computer.ToTherefore, this electronic control unit is controlled.GBi-directionalToTherefore, ROM (read-only memory) connected to each other),RAM (random access memory)),CPU (microprocessor),Input portGAnd output portTheI have.
[0015]
SaidInput portToIsSaidSurge TanInsidePressure sensorSa, saidthrottleTo the valveIdle switch providedHCrankshaftToGear position detection provided on linked automatic transmissionInstrumentAnd vehicle speedSa, saidexhaustOn the tubeTemperature sensor providedSa, saidEngine speed center provided on the crankshaftSaIt is connected.
[0016]
SaidPressure sensorSa,SaidSurge TanInsideAn output voltage proportional to the absolute pressure is generated.SaidIdle switchThe aboveDetect that the throttle valve is at idling opening.SaidGear position detectionThe vessel isDetect the gear state of the automatic transmission.SaidVehicle speedSaDetect body speed.SaidTemperature sensorSa,SaidCaseinAboveCurrentSaidDetect the exhaust gas temperature in the exhaust pipe.SaidEngine speed sensorSa is an institutionDetect the number of rotations. In addition,SaidPressure sensorSa, saidTemperature sensorSaOutput voltage is A / D conversionvesselThrough eachSaidInput portToEntered.
[0017]
SaidThe output port has a corresponding driveThe roadThrough,SaidignitionPlugAndSaidFuel injectionTo the valveConnected. CPIn UIs calculated based on the detection results from the sensors and the like, for example, the fuel injection time TAU according to the following equation.
[0018]
TAU = TP · K Here, TP represents the basic fuel injection time, and K represents a correction coefficient. The basic fuel injection time TP indicates the fuel injection time required to make the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied into the engine cylinder the stoichiometric air-fuel ratio. The stoichiometric air-fuel ratio refers to a mixing ratio in which the amount of fuel in an air-fuel mixture is such that the amount of fuel is completely combusted with respect to the amount of oxygen in the air.
[0019]
The basic fuel injection time TP is obtained in advance by experiments,SaidSurge TanInsideAs a function of absolute pressure PM and engine speed NFIG.In advance in the form of a map as shown inSaidROWithin MIs remembered.
[0020]
The correction coefficient K is a coefficient for adjusting the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied into the engine cylinder. When K = 1.0, the air-fuel mixture supplied into the engine cylinder becomes the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied into the engine cylinder when K <1.0 is larger than the stoichiometric air-fuel ratio, that is, lean, and when K> 1.0, the air-fuel ratio supplied into the engine cylinder is mixed. The air-fuel ratio of the gas becomes smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, that is, becomes rich.
[0021]
The value of this correction coefficient K isSaidSurge TanInsideIs determined in advance with respect to the absolute value PM and the engine speed N,FIG.An example is shown in. In this example,SaidSurge TanInsideIn the region where the absolute pressure PM of the engine is relatively low, that is, in the engine low and medium load operation region where the vehicle runs at a constant speed, the value of the correction coefficient K is set to a value smaller than 1.0, and the mixture supplied in the engine cylinder The air-fuel ratio is made lean.
[0022]
on the other hand,SaidSurge TanInsideIn a region where the absolute pressure PM of the engine is relatively high, that is, in an engine high load operation region such as during acceleration operation, the value of the correction coefficient K is 1.0, and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied into the engine cylinder is theoretically The air-fuel ratio is assumed. Also,SaidSurge TanInsideIn the region where the absolute pressure PM is highest, that is, in the engine full load operation region, the value of the correction coefficient K is greater than 1.0, and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied into the engine cylinder is made rich.
[0023]
In an internal combustion engine, the frequency of low-medium load operation is usually the highest, and the lean air-fuel mixture is combusted over most of the operation period. next,SaidAn exhaust emission control device using a NOx absorbent will be described.
[0024]
FIG.IsSaidcombustionRoom1 schematically shows the concentration of typical components in the exhaust gas discharged from the exhaust gas.FIG.As you can see,SaidThe concentration of unburned HC and CO in the exhaust gas discharged from the combustion chamber isSaidcombustionIndoorIncreases as the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine becomes richer,SaidcombustionRoomOxygen in exhaust gas discharged from2The concentration ofSaidcombustionIndoorThe air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine increases as the air-fuel ratio becomes leaner.
[0025]
SaidCaseinWithinHoused inSaidNOx absorptionAgentNOx occlusion reduction type catalyst, for example, using alumina as a carrier, and on this carrier, for example, alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, alkaline earth such as barium Ba, calcium Ca, lanthanum At least one selected from rare earths such as La and yttrium Y and a noble metal such as platinum Pt are supported. Engine intake passage andSaidNOx absorptionTopThe ratio of air and fuel (hydrocarbon) supplied in the exhaust passage in the flowSaidNOx absorptionTo the agentThe air-fuel ratio of the inflow exhaust gasSaidNOx absorptionAgentWhen the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, NOx is absorbed, and when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, the absorbed NOx is released.
[0026]
In addition,SaidNOx absorptionTopWhen fuel (hydrocarbon) or air is not supplied into the exhaust passage of the flow, the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas isSaidcombustionIndoorIn accordance with the air / fuel ratio of the mixture supplied to theSaidNOx absorptionThe agent is the abovecombustionIndoorWhen the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is lean, it absorbs NOx,SaidcombustionIndoorWhen the oxygen concentration in the air-fuel mixture supplied to the fuel cell decreases, the absorbed NOx is released and reduced.
<NOx absorption / release / reduction mechanism>SaidNOx absorbent (NOx storage reduction catalyst))soNOx absorption and reduction ofFIG.It is thought that it is performed by the mechanism as shown in. This mechanism is the case where platinum Pt and barium Ba are supported on the support, but the same mechanism can be obtained by using other noble metals, alkali metals, alkaline earths, and rare earths.
[0027]
First, when the exhaust gas becomes considerably leaner, the oxygen concentration in the exhaust gas greatly increases.FIG.Oxygen O as shown in (A)2Is O2 -Or O2-It adheres to the surface of platinum Pt. Next, NO contained in the exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.2 -Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2).
[0028]
Then generated NO2IsSaidAs long as the NOx absorption capacity of the NOx absorbent is not saturated, it is oxidized on platinum Pt.NOxAbsorbed into the absorbent and combined with barium oxide BaO,FIG.Nitrate ion NO as shown in (A)Three -In the form ofSaidNOx absorptionInside the agentTo spread. In this way NOx isSaidNOx absorptionInside the agentTo be absorbed.
[0029]
On the other hand, when the oxygen concentration in the exhaust gas decreases, NO2The amount of produced decreases, and by the reaction opposite to the above reaction,SaidNOx absorptionInside the agentNitrate ion NOThree -Is NO2Or in the form of NOSaidNOx absorptionMedicineReleased.
[0030]
In other words, NOx decreases when the oxygen concentration in the exhaust gas decreases.SaidNOx absorptionMedicineWill be released.FIG.As shown in FIG. 4, if the lean degree of the inflowing exhaust gas is lowered, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas is lowered. Therefore, if the lean degree of the inflowing exhaust gas is lowered, the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is reduced. Even leanSaidNOx will be released from the NOx absorbent.
[0031]
On the other hand,SaidcombustionIndoorWhen the air-fuel mixture supplied to is made rich and the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes rich,FIG.A large amount of unburned HC and COorganDischarged from. These unburned HC and CO are oxygen O on platinum Pt.2 -Or O2-As soon as it reacts and is oxidized.
[0032]
In addition, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes rich, the oxygen concentration in the exhaust gas extremely decreases,SaidNOx absorptionAgent, NO2Or release NO. This NO2Or NOFIG.As shown in (B), it reacts with unburned HC and CO to be reduced. In this way, NO on platinum Pt2Or when NO no longer exists,SaidNOx from NOx absorbent to next2Or NO is released. Therefore, if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich, it will be within a short time.SaidNOx absorptionMedicineNOx is released. O on platinum Pt2 -Or O2-If unburned HC and CO remain after consumingSaidNOx absorptionMedicineNOx released from theorganNOx discharged from the fuel is also reduced by the unburned HC and CO.
[0033]
Therefore, if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich, it will take less time.SaidNOx absorptionTo the agentAbsorbed NOx is released, and the released NOx is reduced, so that NOx can be prevented from being discharged into the atmosphere.
[0034]
Also,SaidNOx absorptionAgentSince it has the function of a reduction catalyst, even if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made the stoichiometric air-fuel ratioSaidNOx released from the NOx absorbent is reduced. However, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio,SaidNOx absorptionMedicineHave released NOx only gradually,SaidNOx absorptionTo the agentIt takes a long time to release all the absorbed NOx.
[0035]
Even if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, if the leanness of the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lowered,SaidNOx absorptionMedicineNOx is released. Therefore,SaidNOx absorptionMedicineIn order to release NOx, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas may be reduced.
[0036]
However,SaidNOx absorptionMedicineEven if NOx is released, if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean,SaidNOx absorptionTo the agentNOx is not reduced. So in this case,SaidNOx absorptionMedicinalIt is necessary to arrange a reducing agent downstream. Considering this point, inflow and outflowspiritNOx with rich air-fuel ratio of gasThereleaseTo letThis is more economical without providing a separate reducing agent.
<NOx release control device> During warm-up operation at low temperatures and full load operation,FIG.As shown inSaidcombustionIndoorThe air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine becomes rich, and the air-fuel mixture becomes the stoichiometric air-fuel ratio during acceleration operation. In most of the other operating areas, the lean mixture isSaidcombustionIndoorIs burning.
[0037]
But,SaidNOx absorptionAgentEven if NOx is released during full load operation and acceleration operation, if the frequency of full load operation or acceleration operation is low, NOx gradually accumulates while the lean air-fuel mixture is burning, and NOx Absorption capacity decreases.
[0038]
Then, after a whileSaidNOx absorptionAgent, NOx cannot be absorbed. Therefore, NOxSaidNOx absorptionTo the agentIn order to continuously absorb, even when the lean air-fuel mixture is continuously burning, control to periodically reduce the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas, that is,InflowThe exhaust gas air-fuel ratio is periodically made rich, orInflowMake the air-fuel ratio of the exhaust gas periodically the stoichiometric air-fuel ratio, etc.SaidNOx absorptionMedicineTherefore, it is necessary to periodically release NOx.
[0039]
For convenience, this control is hereinafter simply referred to as rich control, but if this rich control cycle is long, the lean air-fuel mixture is being burned.SaidNOx absorptionMedicinalThe NOx absorption capacity is reduced, and NOx cannot be absorbed and released to the atmosphere. On the other hand, if the cycle of the rich control is made too short, the fuel consumption will increase this time. Accordingly, the rich control needs to be performed at an optimal timing in consideration of these.
[0040]
In the NOx release control device in this embodiment,SaidNOx absorptionTo the agentAbsorbed NOxabsorptionRich control is performed when the amount exceeds a predetermined reference, and the reference is changed in accordance with the degree of lean combustion.
[0041]
In this example,SaidNOx absorptionMedicineA program for controlling release periodically is stored in advance in the ROM, and the CP is used by the program.On UIn addition, the following means are realized as the NOx release control device.
[0042]
That is,FIG.As shown in FIG. 4, this apparatus includes NOx emission amount estimation means 51 for estimating the NOx emission amount from the engine based on the detected conditions such as the engine speed, the load information, and the catalyst temperature inputted from the various sensors. ,SaidNOx absorptionTo the agentNOx absorption amount estimation means 52 for estimating the absorbed NOx absorption amount, and the above various conditionsSaidFrom the air-fuel ratio calculating means 53 for calculating the air-fuel ratio before and after the NOx absorbent, the air-fuel ratio calculated by the air-fuel ratio calculating means 53 and the various conditions.SaidNOx absorption capacity estimation means 54 for estimating the NOx absorption capacity in the NOx absorbent, NOx saturation determination value determination means 55 for determining the NOx saturation determination value from the NOx absorption capacity estimated by the NOx absorption capacity estimation means 54, NOx absorption Rich control execution means 56 that executes rich control when the NOx absorption amount estimated by the quantity estimation means 52 becomes equal to or greater than the NOx saturation determination value.Here, the NOx saturation determination value is a determination reference value for determining whether the NOx absorption amount exceeds the NOx absorption allowable amount of the NOx absorbent, and the NOx absorption amount exceeds the NOx saturation determination value. The NOx absorption amount is determined in advance so that it can be determined that the NOx absorption allowable amount has been exceeded.
[0043]
Therefore, these means estimate the NOx absorption amount absorbed by the NOx absorbent during lean combustion as referred to in the present invention, and determine that the estimated NOx absorption amount exceeds the NOx absorption allowable amount in the NOx absorbent. The exhaust oxygen concentration lowering control means 61 reduces the exhaust oxygen concentration.
[0044]
Here, in this exampleExhaust purificationNOx emission estimation means 51 for estimating NOx emission from the engine in the apparatus;SaidNOx absorptionTo the agentThe NOx absorption amount estimation means 52 for estimating the absorbed NOx absorption amount will be described.
[0045]
SaidNOx absorptionTo the agentAbsorbed NOxabsorptionWhen determining the quantity,SaidNOx absorptionTo the agentTotal NOx absorbedabsorptionIt is difficult to detect the amount directly. Therefore, the NOx emission amount in the exhaust gas discharged from the engine is estimated here, and the NOxDischargeFrom quantitySaidNOx absorptionTo the agentThe amount of absorbed NOx was estimated.
[0046]
That is, as the engine speed N increases, the amount of exhaust gas discharged from the engine per unit time increases, so that the engine speed increases as the engine speed increases.ofNOxDischargeThe amount increases. Also, the higher the engine load, that is,SaidSurge TanInsideThe higher the absolute pressure PM ofSaidcombustionRoomAs the amount of exhaust gas discharged from the engine increases and the combustion temperature increases, the higher the engine load (Said(The higher the absolute pressure in the surge tank)ofPer unit timeofNOxDischargeThe amount increases.
[0047]
FIG.(A) is per unit time determined by experimentofFrom the institutionofNOxDischargeQuantity,SaidSurge TanInsideThe relationship between the absolute pressure PM and the engine speed N is shown, and each curve is the same NOxDischargeIndicates the amount. As shown in this figure,From the institutionPer unit timeofNOxDischargeThe amount isSaidSurge TanInsideIncreases as the absolute pressure PM increases, and increases as the engine speed N increases. In addition,FIG.NOx shown in (A)DischargeAmountFIG.(B) in advance in the form of a mapSaidROWithin MIs remembered. So thisFIG.The NOx emission amount can be estimated from the map (B).
[0048]
Next, the NOx absorption capacity estimation means 54 will be described. First, the NOx absorption capacity estimation means 54FIG.As shown in theSaidInflow exhaust gas to NOx absorbentofFrom the relationship between temperature and NOx absorption capacity,SaidThe NOx absorption capacity of the NOx absorbent is estimated. That is, when the exhaust gas temperature T decreases, the activity of the catalyst (absorbent) decreases, so the NOx absorption capacity NoxCAP decreases and the exhaust gas temperature increases.SaidWhen the temperature of the NOx absorbent increases,SaidSince NOx contained in the NOx absorbent is decomposed and spontaneously released, the NOx absorption capacity becomes small. Therefore, the NOx absorption capacity increases when the exhaust gas temperature is between approximately 350 ° C. and 500 ° C.
[0049]
It has been found that the NOx absorption capacity is basically determined by the exhaust gas temperature, but also changes depending on the degree of lean combustion, that is, lean. In the present invention, the relationship between the air-fuel ratio and the NOx absorption capacity isFIG.As shown in Fig. 2, the higher the air-fuel ratio, that is, the leaner the oxygen concentration is,SaidNOx absorptionWith agentExperiments have revealed that the NOx absorption capacity of NO increases.
[0050]
Therefore, the NOx absorption capacity estimating means 54FIG.In the NOx absorption capacity obtained from the relationship inFIG.Make corrections in consideration of the relationship shown in. The relationship between air-fuel ratio and NOx absorption capacitySaidProvided in the ROM,SaidThe NOx absorption capacity corresponding to the air-fuel ratio calculated by the air-fuel ratio calculating means 53 isSaidRead from the ROM map. The degree of change in the NOx absorption capacity is determined according to the change in the air-fuel ratio.FIG.By multiplying the NOx absorption capacity obtained in step 1, the corrected NOx absorption capacity can be obtained.
[0051]
Further, a NOx saturation determination value corresponding to the NOx absorption capacity is set in the map. The NOx saturation determination value determining means 55 reads the NOx saturation determination value corresponding to the NOx absorption capacity from this map.
[0052]
The rich control execution means 56SaidWhen the amount of NOx absorbed by the NOx absorbent exceeds this NOx saturation judgment value,NOx absorption isIt is determined that the allowable amount of NOx absorption has been exceeded, and rich control is started.
[0053]
Note that the NOx saturation determination value is X% of the value of the NOx absorption capacity. Here, X = 100, that is, the same value as the NOx absorption capacity itself may be set, but it is set lower than the value of the NOx absorption capacity, for example, 50% of the NOx absorption capacity.May do.SaidWhen the NOx absorbent deteriorates, before the actual NOx absorption reaches the NOx absorption capacitySaidThe NOx absorbent will saturate. At this time, if the NOx saturation determination value is the same value as the NOx absorption capacity, the rich control has already been started.SaidThe NOx absorbent is saturated, and NOx that cannot be absorbed is released to the atmosphere. By making the NOx saturation judgment value lower than the NOx absorption capacity as described above,SaidIn preparation for deterioration of the NOx absorbent, NOx release control can be reliably performed.
[0054]
A characteristic point of the present invention is that it includes delay means 62 that delays the start timing of exhaust oxygen concentration reduction control by the exhaust oxygen concentration reduction control means 61 as the degree of lean (lean combustion) increases. In the present embodiment, it can be said that the air-fuel ratio detection means 53, the NOx absorption capacity estimation means 54, the NOx saturation determination value determination means 55, and the rich control execution means 56 realize the delay means 62.
[0055]
Note that the cause of the change in the lean burn (lean) may be that the air-fuel ratio changes due to a change in external conditions or a failure of sensors. In addition, the degree of lean changes for each operation region. That is, since the torque is not so required during steady operation, the air-fuel ratio is controlled to be largely lean, and during operation that requires acceleration, control is performed with lean that is close to the ideal air-fuel ratio (stoichiometry).
<Rich Control Timing> As described above, the NOx saturation determination value also fluctuates in accordance with the fluctuation of the NOx absorption capacity of the NOx absorbent estimated by the NOx absorption capacity estimation means 54. Therefore, the execution timing of the rich control also changes. fluctuate. Rich control timing chart showing this situationFIG.Shown in
[0056]
(a) When the lean degree is large When the lean degree is large,FIG.As shown by the thick dashed line,organDischarged from theSaidNOx absorptionTo the agentThe inflow exhaust gas has a relatively low NOx concentration. And as you can see from the figure,SaidNOx absorptionWith agentNOx absorption capacity ofFIG.(A)), the resultNOxSince the saturation determination value is also high, NOx can be absorbed for a long time.
[0057]
Therefore, the cycle of rich control isFIG.It becomes longer as shown in. At this timeSaidNOx absorptionMedicinalExit sideofThe NOx concentration isFIG.It changes as shown by the thick broken line at the bottom. For your reference, if rich control is not executed,SaidNOx absorbentofOutmouth~ sideofThe NOx concentration changes as indicated by a two-dot chain line and approaches the NOx concentration of the inflowing exhaust gas.
[0058]
(b) When the lean degree is small When the lean degree is small,FIG.As shown by the thick solid line,organDischarged from theSaidNOx absorptionTo the agentThe NOx concentration of the inflowing exhaust gas is higher than that in the case (a) where the lean degree is large. Also,FIG.As it is clear from the case of (a) where the degree of leanness is large,SaidNOx absorptionWith agentNOx absorption capacity ofFIG.(B)), the resultNOxSince the saturation judgment value is also low, NOx cannot be absorbed for a long time.
[0059]
Therefore, the cycle of rich control isFIG.As shown in FIG. 5, the lean degree is shortened and the rich control is frequently performed as compared with the case where the lean degree is large (a). At this timeSaidNOx absorptionMedicinalExit sideofThe NOx concentration isFIG.It changes as shown by the thick solid line at the bottom.
[0060]
For your reference, if rich control is not executed,SaidNOx absorbentofOutmouth~ sideofThe NOx concentration changes as indicated by the one-dot chain line and approaches the NOx concentration of the inflowing exhaust gas. Also, here, compared to the case where the lean degree is large (a),Of the NOx catalystThe reason for the large slope of the NOx concentration on the outlet side isFIG.As shown in the middle row, (b) is the inflowing exhaust gas.ofThis is because the NOx concentration is high.
[0061]
in this way,The NOx saturation determination value is set to a variable value corresponding to the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx absorbent, and the NOx saturation determination value is set to a larger value as the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx absorbent increases. By doing soAs the degree of lean (lean combustion) increases, the cycle of rich control (exhaust oxygen concentration reduction control) by rich control execution means 56 (exhaust oxygen concentration reduction control means)ButlongBecome, Delay the start of rich controlCan.
<Rich control flow> The NOx release control is performed by periodically enriching the air-fuel mixture as described above.FIG.This will be described with reference to the flowchart of FIG.FIG.Indicates a time interruption routine executed by interruption every predetermined time.
[0062]
First, in step 101, it is determined whether the lean combustion or the rich combustion is performed by determining whether the correction coefficient K is smaller than 1.0 at the fuel injection time TAU = TP · K.
[0063]
When the correction coefficient K <1.0, that is, in the operating state in which the air-fuel mixture should be made lean, the routine proceeds to step 102, the count value D is made zero, and then the routine proceeds to step 103.
[0064]
In step 103,SaidPressure sensorToDetectedSaidSurge TanInsideBased on absolute pressure PM and engine speed NFIG.From the map shown in (B)From the institutionNOx per unit timeDischargeThe amount Nij is calculated by the NOx emission amount estimating means 51.
[0065]
Next, at step 104, the NOx absorption amount estimating means 52Per unit timeNOxDischargeThe quantity Nij is multiplied by the interrupt time interval Δt, and these products (Nij · Δt) are added to ΣNOx. The product (Nij · Δt) is the interrupt time interval ΔtofFrom the institutionofNOxDischargeRepresents the quantity, which isSaidΣNOx is absorbed by NOx absorbentSaidTotal NOx absorbed by NOx absorbentabsorptionRepresents an estimate of the quantity.
[0066]
Next, in step 105,SaidBased on the exhaust gas temperature T detected by the temperature sensor,FIG.The NOx absorption capacity NoxCAP is calculated by the NOx absorption capacity estimation means 54 from the relationship shown in FIG. When the NOx absorption capacity NoxCAP is calculated, in step 106,SaidDetected by oxygen concentration sensorSaidBased on the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the NOx absorbentSaidCalculate the air-fuel ratio of the NOx absorbent atmosphere,FIG.As shown inThis calculatedThe NOx absorption capacity is corrected according to the air-fuel ratio. Next, at step 107, the NOx saturation determination value determining means 55 determines the NOx saturation determination value.
[0067]
In step 108,SaidNOx absorbed in NOx absorbentabsorptionThe amount (ΣNOx) isNOxIt is determined whether or not the saturation determination value has been exceeded. If not, the processing cycle is terminated. At this time, the lean air-fuel mixture is burned and NOx discharged from the engine is reduced.SaidIt is sequentially absorbed by the NOx absorbent.
[0068]
In step 108, ΣNOx isNOxIf it is determined that the saturation determination value has been exceeded, the routine proceeds to step 109, where rich processing is performed to release NOx. Since the rich processing amount is determined by the richness of the air-fuel ratio and the processing time, the processing amount is controlled by increasing / decreasing the richness and the length of the processing time. The rich process is performed by changing the correction coefficient K and changing the fuel injection time (fuel injection amount) TAU in TAU = TP · K described above. When the rich process is completed, the processing cycle ends.
[0069]
On the other hand, when it is determined in step 101 that K ≧ 1.0, that is, in an engine operating state where the air-fuel mixture should be rich or the stoichiometric air-fuel ratio, the routine proceeds to step 118 where the count value D is incremented by 1. Is done. Next, at step 119, the count value D is a constant value D.0It is determined whether or not it has become larger. D> D0When it becomes, it progresses to step 120 and (SIGMA) NOx is made zero. That is, when combustion of a rich mixture or a stoichiometric air-fuel mixture continues for a certain period of timeSaidNOx absorptionMedicineNOx is considered to have been released, so NOxabsorptionThe quantity estimated value ΣNOx is set to zero.
[0070]
Finally, as described above, the characteristic point of the present invention is that the delay means for delaying the start timing of the exhaust oxygen concentration reduction control by the exhaust oxygen concentration reduction control means as the degree of lean (lean combustion) increases. Specifically,FIG.As shown in Fig. 2, focusing on the point that the NOx absorption capacity fluctuates according to the air-fuel ratio, it becomes a rich control start trigger for NOx release.NOxChange the saturation judgment value,By setting the NOx saturation determination value to a larger value as the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx absorbent increases, FIG.As shown in Fig. 3, the richer the degree of leaning, the rich control start timeButlateTo beOr the cycle of rich controlButlongTo beIt was. Except for this point, the basic technique is the same as the technique described in International Publication No. WO93 / 25806, and this publication is referred to as much as possible for understanding the present invention.
[0071]
【The invention's effect】
The present inventionA determination value that is a criterion for determining whether or not to execute exhaust oxygen concentration lowering control (rich control) is a variable value corresponding to the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx absorbent, and the determination value increases as the exhaust air-fuel ratio increases. By setting to a large value,As the degree of lean combustion (lean) increases, the start timing of exhaust oxygen concentration reduction control by the exhaust oxygen concentration reduction control means is delayed.Will be possible,as a result,When the lean air-fuel ratio changes due to changes in external conditions or sensor failuresEvenFurther, exhaust oxygen concentration lowering control (rich control) can be performed at an optimal timing according to the degree of lean, and an increase in NOx emission amount from the exhaust pipe to the atmosphere and deterioration of fuel consumption can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a map of basic fuel injection time.
FIG. 2 is a diagram showing correction coefficients.
FIG. 3 is a graph schematically showing the concentrations of unburned HC, CO and oxygen in exhaust gas discharged from the engine.
FIG. 4 is a diagram showing an NOx absorption / release action.
FIG. 5 is a block diagram showing a NOx release control device.
[Figure 6] From the engineofNOxDischargeIt is a figure which shows quantity.
[Fig. 7] NOx absorbentNOxIt is a figure which shows the relationship between absorption capacity and exhaust gas temperature.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the air-fuel ratio and NOx absorption capacity.
FIG. 9 is a timing chart showing air-fuel ratio control and NOx behavior during steady running.
FIG. 10 is a flowchart showing a rich control procedure.
[Explanation of symbols]
51 ... NOx emission estimation means
52 ... NOx absorption amount estimating means
53. Air-fuel ratio calculating means
54 ... NOx absorption capacity estimating means
55 ... NOx saturation determination value determining means
56: Rich control execution means
61. Exhaust oxygen concentration lowering control means
62 ... Delay means

Claims (1)

希薄燃焼の度合いを運転状態に応じて変化させる内燃機関の排気系に設けられ、排気空燃比がリーンのときにNOxを吸収し、排気酸素濃度が低下すると吸収していたNOxを放出するNOx吸収剤と、希薄燃焼時に前記NOx吸収剤に吸収されたNOx吸収量を推定し、推定したNOx吸収量が前記NOx吸収剤でのNOx吸収許容量を越えたと判断したとき、排気酸素濃度を低下させる排気酸素濃度低下制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記排気酸素濃度低下制御手段は、前記推定したNOx吸収量が所定の判定値より大きくなった場合に前記推定したNOx吸収量が前記NOx吸収許容量を越えたと判断するものであり、前記判定値は排気空燃比が大きくなるほど大きな値に設定されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。NOx absorption provided in an exhaust system of an internal combustion engine that changes the degree of lean combustion according to the operating state, and absorbs NOx when the exhaust air-fuel ratio is lean, and releases the absorbed NOx when the exhaust oxygen concentration decreases. And the NOx absorption amount absorbed by the NOx absorbent during lean combustion, and when it is determined that the estimated NOx absorption amount exceeds the allowable NOx absorption amount in the NOx absorbent, the exhaust oxygen concentration is decreased. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, comprising: an exhaust oxygen concentration lowering control means , wherein the exhaust oxygen concentration lowering control means includes the estimated NOx absorption when the estimated NOx absorption amount becomes larger than a predetermined determination value. is intended to determine the amount exceeds the NOx absorption permissible amount, the determination value is an internal combustion machine, characterized in that it is set to a larger value as the exhaust air-fuel ratio becomes larger Exhaust gas purification device of.
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