JP3997740B2

JP3997740B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Info

Publication number: JP3997740B2
Application number: JP2001309463A
Authority: JP
Inventors: 公二郎岡田; 保樹田村; 康之山口
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2021-10-05
Also published as: JP2003120365A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に吸蔵型ＮＯｘ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して排気エミッションや燃費の向上を図るようにした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を充分に浄化できないという問題があり、最近では、リーン空燃比で運転中に排ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、ストイキまたはリッチ空燃比で運転中に前記吸蔵されたＮＯｘを放出還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒が採用されてきている。
【０００３】
この吸蔵型ＮＯｘ触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態で排ガス中のＮＯｘを硝酸塩（Ｘ−ＮＯ₃）として吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素（ＣＯ）の過剰状態で放出して窒素（Ｎ₂）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ₃が生成される）を有した触媒である。ところが、この吸蔵型ＮＯｘ触媒においては、燃料中にイオウ（Ｓ）成分が含まれていることから、このＳ成分が酸素と反応して硫黄酸化物（ＳＯｘ）となり、このＳＯｘがＮＯｘの代わりに硫酸塩として硝酸塩の代わりに吸蔵型ＮＯｘ触媒に吸蔵されてしまい、これによって触媒の浄化効率が低下してしまうという不具合がある。
【０００４】
しかしながら、触媒に吸蔵されたＳＯｘは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にすることで除去（Ｓパージ）されることがわかっている。例えば、特開平７−２１７４７４号公報等では、触媒に吸蔵されるＳＯｘ量を推定し、このＳＯｘの吸蔵量が許容量を越え、触媒温度が予め設定された所定温度よりも低いときに、触媒を昇温させると共に空燃比を一時的にリッチにすることで、ＳＯｘを放出して吸蔵型ＮＯｘ触媒を再生し、その浄化効率を保持するようにした技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記吸蔵型ＮＯｘ触媒の昇温方法として、従来、点火時期を遅角させる点火時期遅角方式や膨張行程もしくは排気行程に追加燃料を噴射して所謂二段燃焼させたり排気管に直接追加燃料を噴射する追加燃料噴射方式が知られている。前記点火時期遅角方式は、全運転領域で使用でき燃費悪化度合いは少ないものの昇温効果が小さいという欠点がある。一方、追加燃料噴射方式は、昇温効果は大きいものの高負荷領域では使用できない（吸入空気が主噴射の燃焼に使用され、追加噴射で使用できる空気が残らないため）という欠点がある。
【０００６】
ところが、従来では、前記吸蔵型ＮＯｘ触媒の昇温方法として、点火時期遅角方式と追加燃料噴射方式とを搭載する内燃機関によって何れか一方を選択して採用するものであるため、例えば点火時期遅角方式を採用した内燃機関にあっては、低負荷域における触媒昇温に多大な時間がかかるという問題点があり、一方、追加燃料噴射方式を採用した内燃機関にあっては、高負荷域には吸蔵型ＮＯｘ触媒を再生することができないという問題点があった。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するものであって、内燃機関の運転状況に応じて点火時期遅角方式と追加燃料噴射方式とを使い分けることにより、どのような運転状況でも、燃費の悪化を抑制しつつ触媒装置を速やかに昇温して確実に再生することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
車両に搭載される内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排気ガス中のイオウ成分を吸蔵すると共に吸蔵されたイオウ成分を高温且つ還元雰囲気で放出する特性を有する触媒装置と、
前記内燃機関の主噴射とは別に燃料噴射弁により追加燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、
前記内燃機関の点火時期を遅角制御し得る点火時期制御手段と、
前記燃料噴射制御手段及び前記点火時期制御手段を含み該点火時期制御手段と前記燃料噴射制御手段の少なくとも一つを作動させることにより前記触媒装置を昇温させて吸蔵されたイオウ成分を脱離させる再生手段と、
前記触媒装置のイオウ成分の離脱状態を示す触媒再生度合いを検出または推定する再生度合検出手段と、を備え、
前記再生手段は、前記再生度合検出手段により検出または推定された触媒再生度合いが所定値以上とならない状態が所定期間継続した場合に限って前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行する
ことを特徴とする。
【０００９】
また、
車両に搭載される内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排気ガス中のイオウ成分を吸蔵すると共に吸蔵されたイオウ成分を高温且つ還元雰囲気で放出する特性を有する触媒装置と、
前記内燃機関の主噴射とは別に燃料噴射弁により追加燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、
前記内燃機関の点火時期を遅角制御し得る点火時期制御手段と、
前記触媒装置の温度を推定する触媒温度推定手段と、
前記燃料噴射制御手段及び前記点火時期制御手段を含み該点火時期制御手段と前記燃料噴射制御手段の少なくとも一つを作動させることにより前記触媒装置を昇温させて吸蔵されたイオウ成分を脱離させる再生手段と、
前記触媒装置のイオウ成分の吸着量を検出または推定する吸着量検出手段と、を備え、
前記再生手段は、前記吸着量検出手段により検出または推定されたイオウ成分の吸着量が所定値以下とならない状態が所定期間継続した場合に限って前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行する
ことを特徴とする。
【００１０】
また、
前記内燃機関の負荷状態を検出する負荷検出手段を更に備え、
前記再生手段は、前記負荷検出手段により検出された前記内燃機関の低負荷領域である条件も満たす場合に限って前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行する
ことを特徴とする。
【００１１】
また、
前記触媒装置の温度を推定する触媒温度推定手段を更に備え、
前記再生手段は、前記触媒装置の温度が所定温度以上の場合に前記触媒装置を昇温させて吸蔵されたイオウ成分を脱離させると共に前記所定値以上とならない状態が所定走行距離以上継続した場合は前記所定温度をより低く設定する
ことを特徴とする。
【００１２】
また、
前記再生手段は、前記車両の走行速度が所定値以上の場合に、前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行しないことを特徴とする。
【００１３】
また、
前記内燃機関のアイドル運転時等極低負荷域には、前記再生手段による触媒昇温制御を禁止することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に本実施形態の排気浄化装置によるＳパージ制御のフローチャート、図３にＳパージ制御のタイムチャート、図４にＳ再生頻度に対する昇温設定温度を表すグラフ、図５に触媒温度推定値に対する反映係数を表すグラフ、図６にＳ再生頻度とＮＯｘ排出量との関係を表すグラフ、図７にＳ再生Ａ／Ｆに対するＳ再生後の回復したＮＯｘ吸蔵量を表すグラフを示す。
【００１７】
本実施形態の内燃機関（以下、エンジンと称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１８】
本実施形態において、図１に示すように、エンジン１１のシリンダヘッド１２ａには、各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４には、図示しない燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定される。
【００１９】
シリンダヘッド１２ａには、各気筒毎に略直立方向に吸気ポート１６ａが形成されており、各吸気ポート１６ａと連通するようにして吸気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続されており、このスロットル弁１７にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２ａには、各気筒毎に略水平方向に排気ポート１９ａが形成されており、各排気ポート１９ａと連通するようにして排気マニホールド１９の一端がそれぞれ接続されている。
【００２０】
そして、エンジン１１のシリンダブロック１２ｂには、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、このクランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００２１】
また、前記排気マニホールド１９の他端には排気管（排気通路）２１が接続されており、この排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管２１における三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述する吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ２４が設けられている。
【００２２】
この排気浄化触媒装置２３は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されており、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下流側に配設されている。なお、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が三元触媒の機能を十分に有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５だけであってもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵させ、主としてＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘを放出してＮ₂（窒素）等に還元させる機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒として構成されており、吸蔵剤としてはバリウム（Ｂａ）、カリウム（Ｋ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、排気浄化触媒装置２３の下流にはＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２７が設けられている。
【００２３】
更に、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）２８が設けられており、このＥＣＵ２８によりエンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ２８の入力側には、上述した高温センサ２４やＮＯｘセンサ２７等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ２８の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁１４等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１３によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００２４】
実際に、ＥＣＵ２８では、スロットルセンサ１８からのスロットル開度情報θthとクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。
【００２５】
また、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。また、高温センサ２４により検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定される。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義に推定されるようにされている。
【００２６】
以下、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【００２７】
排気浄化触媒装置２３の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のＮＯｘから硝酸塩が生成され、これによりＮＯｘが吸蔵されて排気の浄化が行われる。一方、三元触媒２６では、酸素濃度が低下した雰囲気で、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硝酸塩と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＮＯｘが放出される。従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加燃料噴射（二段燃焼）を行うなどして酸素濃度を低下させてＣＯを排気中に供給し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させて機能を維持する。
【００２８】
ところで、燃料や潤滑油内に含まれるイオウ成分（Ｓ）も排気中に存在し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度過剰雰囲気で、ＮＯｘの吸蔵とともにＳＯｘも吸蔵する。つまり、イオウ成分は酸化されてＳＯｘになり、このＳＯｘの一部は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５上でさらに元来ＮＯｘ吸蔵用である吸蔵剤と反応して硫酸塩となってＮＯｘに代わって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵される。
【００２９】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度が低下すると吸蔵されたＳＯｘを放出する機能を有している。つまり、酸素濃度が低下してＣＯが過剰となった雰囲気では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硫酸塩の一部と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＳＯｘが脱離される。しかし、硫酸塩は硝酸塩よりも塩としての安定度が高く、酸素濃度が低下した雰囲気になっただけではその一部しか分解されないため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に残留する硫酸塩の量は時間とともに増加する。これにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の吸蔵能力が時間と共に低下し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５としての性能が悪化（Ｓ被毒）することになる。
【００３０】
ＮＯｘ吸蔵能力を再生するためには吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ量を推定してＳ被毒状況を推定し、Ｓ被毒がある程度以上進行すると、ＳＯｘを放出するようにする方法もあるが、ＳＯｘ吸蔵量は触媒温度、排気空燃比、燃料中Ｓ濃度（燃料種別）、エンジン運転状態などの種々の要因により影響を受けるため、正確にＳＯｘ吸蔵量を推定することは困難を伴う。このため、本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ吸蔵量を推定することはせず、触媒温度Ｔcat が設定温度以上となった場合に、再生手段が触媒を昇温させ、且つ、空燃比をリッチ化して吸蔵したＳＯｘを放出し、ＮＯｘ吸蔵能力を回復するようにしている。この再生手段は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるように制御する。即ち、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が活性温度（例えば、２５０〜３５０℃）より高く、且つ、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度（例えば、６５０℃）あるいはそれより低く設定された設定温度（例えば、４００℃〜６００℃）以上となった場合に、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温させると共に空燃比をリッチ化してＳＯｘを放出するようにしている。即ち、ある程度触媒温度が高いときにアシスト的に昇温手段を作動させることによりＳ再生速度を速く触媒温度域に到達させ、少ない昇温度合（即ち、少ない燃費悪化度合）で効率よくＳＯｘを放出させるものである。
【００３１】
ここで、Ｓパージ制御について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイムチャートに基づいて詳細に説明する。図２に示すように、まず、ステップＳ１では、高温センサ２４により検出された排気温度情報から吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat を推定する。この場合、前述したように、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定された温度差マップに基づいて、高温センサ２４と実際の触媒温度との誤差が補正される。
【００３２】
次に、ステップＳ２にて、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ被毒からの再生（Ｓ再生）度合を表すＳ再生頻度を算出する（被毒状態検出手段）が、以下にその算出方法について説明する。このＳ再生頻度は下記式（１）に基づいて算出する。
Ｓ再生頻度（ｓ／km）＝７００℃換算Ｓ再生時間／走行距離・・（１）
ここで、７００℃換算Ｓ再生時間とは、推定された触媒温度Ｔcat におけるＳ再生時間を吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が７００℃のときのＳ再生時間に換算した時間の合計であり、この７００℃換算Ｓ再生時間を走行距離で除算することで、走行距離１kmあたりのＳ再生時間、つまり、Ｓ再生頻度を求めることができ、このＳ再生頻度が大きくなるとＳＯｘが良く放出（パージ）され、Ｓ被毒から良く再生されているということである。
【００３３】
この７００℃換算Ｓ再生時間の具体的な算出方法としては、下記式（２）に基づいて算出する。

ここで、Ｓ再生速度係数は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度によりＳ再生速度が異なることを補正するためのもので、各触媒温度でのＳ再生時間を７００℃相当のＳ再生時間に換算するためのものである。Ｓ再生速度は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が高くなるにつれて指数関数的に増加するので、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が５８０℃以下の低温時では０とし、それよりも高温時では、指数関数により近似した下式（３）をもって算出する。
Ｓ再生速度係数＝exp ｛−ｋｋ×（１／Ｔ₁）−（１／Ｔ₀）｝・・（３）
ここで、ｋｋは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ再生反応に応じて設定される所定の係数、Ｔ₁は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat （Ｋ）、Ｔ₀は、９７３（７００＋２７３）（Ｋ）である。
なお、本実施形態では、ＥＣＵ２８内では指数関数による計算は行わずに予め計算した値を記憶した触媒温度に対するＳ再生速度係数マップから求めるようにしている。また、前述したＡ／Ｆ係数は、Ａ／ＦによるＳ再生度合を示すもので、空燃比がリーンモードまたは燃料カット時では０とし、それ以外のモードでは１とする。
【００３４】
なお、Ｓ再生頻度は、所定値Ｄ（例えば、１．５ｓ／km）以上でリセットされ、７００℃換算Ｓ再生時間を０ｓ、走行距離を０kmとする。つまり、Ｓ再生頻度が所定値Ｄ以上であれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は十分にパージされているとして再生を停止する。Ｓ再生頻度をリセットする際のしきい値Ｄの設定方法としては、次のようにすればよい。即ち、図６に示すように、Ｓ再生頻度が高いほどＮＯｘ排出値は小さくなることがわかっており、ＮＯｘの排出規制値以下となるようにＳ再生頻度を設定すればよい。このしきい値Ｄは、触媒特性やＮＯｘ排出規制値にも影響されるが、一般的に概ね１．５ｓ／km以上に設定すればよいことがわかっている。
【００３５】
このようにＳ再生頻度が求められたら、ステップＳ３にて、このＳ再生頻度＜所定値Ｄ（例えば１．５ｓ／km）の状況が走行距離＞Ｌ₁（例えば１０００ｋｍ）続いたかどうかを判定し、続いていなければステップＳ４にて、後述する昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ（℃）の特性の内のモード０が選択される。一方、続いていればステップＳ５にて、さらにＳ再生頻度＜所定値Ｄ（例えば１．５ｓ／km）の状況が走行距離＞Ｌ₂（例えば２０００ｋｍ）続いたかどうかを判定し、続いていなければステップＳ６にて、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ（℃）の特性の内のモード１が選択される。一方、続いていればステップＳ７にて、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ（℃）の特性の内のモード２が選択される（以上、Ｓ再生開始特性変更手段）。つまり、図４に示すように、Ｓ再生頻度に対するＺＳＴＥＭＰのマップが予め設定されているのである。このマップによれば、下限値（ＴＬ）の異なるＺＳＴＥＭＰの特性が、ＴＬ＝６００℃のモード０、ＴＬ＝５００℃のモード１、ＴＬ＝４００℃のモード２として三つ設定されている。いずれもＳ再生頻度の上昇に伴ってＺＳＴＥＭＰが上昇し、所定値Ｄで８００℃としている。
【００３６】
次に、ステップＳ８にて、前記モードマップに基づいて昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ（℃）を算出する。そして、ステップＳ９において、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰ以上であるかどうかを判定し、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰより低ければステップＳ１７にて、Ｓパージ制御を中止して吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温をやめると共に空燃比をリーン化してこのルーチンを抜ける。一方、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰ以上であれば、Ｓ再生頻度がある程度低いと同時に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がある程度昇温されており、Ｓパージしやすい状態にあると推定されるため、ステップＳ１０に移行し、制御モードをＳパージモードに切り換える。これにより吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘの除去（Ｓパージ）が開始される。
【００３７】
この際、ステップ１１にて、先ず前述したマップによりモード２が選択されたかどうかを判定し、選択されていなければ（モード０又はモード１が選択されている）ステップＳ１２にて、点火時期を制御、つまり、リタード（遅角）させることで吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温する（点火時期制御手段）。つまり、点火時期リタードにより吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に流入する排気温度を十分に高めることにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はＳパージに適した温度（例えば、６５０℃〜８００℃）まで迅速に昇温されることになる。この場合、点火時期は下記式（４）によりリタードするように設定される。
点火時期＝ベース点火時期−ＺＳＳＡ×反映係数・・（４）
ここで、ＺＳＳＡは、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定されたリタードマップに基づいて設定されるものであり、燃焼限界となるリタード量に余裕量を考慮した量として設定される。また、反映係数は、図５に示すように、触媒温度推定値、つまり、触媒温度Ｔcat に対応したマップに基づいて設定される。なお、この反映係数は燃料のカット時やスロットル開度が所定値以上のときは０としている。
【００３８】
続いて、ステップＳ１５にて、空燃比を制御する。即ち、リーン運転を禁止し、ストイキＦ／Ｂもしくはオープンループのリッチ運転のみとし、空燃比がストイキもしくはリッチとなるようにする。図７にＳ再生度合い（Ｓ再生後回復したＮＯｘ吸蔵量）とＳ再生時の空燃比（Ｓ再生Ａ／Ｆ）の関係を示すが、リーン以外、即ち、ストイキあるいはリッチであればＳ再生し、ストイキ〜リッチ間ではＳ再生時の空燃比への依存性は小さいことがわかる。ただし、リッチ度合いが大きいほど燃費の悪化度合いが大きく、またリッチ度合いが大きいと臭気の元となるＨ₂Ｓの発生度合いが大きくなる。そのため、Ｓ再生時の空燃比はストイキに近い方が好ましいが、制御誤差も見込んでわずかばかりリッチ（スライトリッチ）に設定するのがよく、即ち、１４〜１４．７とするのが好ましい。尚、図７からＳ再生時の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が６００℃のときには６５０℃や７００℃の１０倍時間をかけているにもかかわらずＳ再生度合いが小さく、また、７００℃のときにはＳ再生度合いが非常に大きくなっており、Ｓ再生度合いにはＳ再生時の触媒温度の影響が大きいことがわかる。
【００３９】
一方、前記ステップＳ１１にて、モード２が選択されていればステップＳ１３にて、内燃機関が低負荷・低回転域かどうかを判定し、低負荷・低回転域でなければ前記ステップＳ１２にて、前述したように点火時期をリタード（遅角）させることで吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温する。逆に、低負荷・低回転域であればステップＳ１４にて、主噴射とは別に、膨張行程もしくは排気行程への追加燃料噴射（二段燃焼）を実施することで吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温する（燃料噴射制御手段）。つまり、二段燃焼により吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に流入する排気温度を十分に高めることにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はＳパージに適した温度（例えば、６５０℃〜８００℃）まで迅速に昇温されることになる。この場合、前述したステップＳ１５における空燃比制御（スライトリッチ化）においては、その燃料噴射量は下記式（５），（６）により設定され、また噴射時期は下記式（７）により設定される。
主噴射目標Ａ／Ｆ＝ベースＡ／Ｆ＋ＺＭＡＦ×反映係数・・（５）
追加噴射目標Ａ／Ｆ＝ＺＳＡＦ×反映係数・・（６）
追加噴射開始クランク角＝負荷（Ｐｅ）／回転数（Ｎｅ）のマップ・・（７）
ここで、ＺＭＡＦ及びＺＳＡＦは、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定された噴射量マップに基づいて設定されるものであり、ＺＭＡＦはＳパージの時の補正の量で、ＺＳＡＦはＳパージのための量である。
。また、反映係数は、前述したように、図５に示すように、触媒温度推定値、つまり、触媒温度Ｔcat に対応したマップに基づいて設定される。なお、この反映係数は燃料のカット時やスロットル開度が所定値以上のときは０としている。また、各目標Ａ／Ｆはテーリングにより徐々に変更される。
【００４０】
そして、ステップＳ１６にて、触媒温度Ｔcat が所定値Ｋ（例えば、６５０℃）よりも低い状態が所定の設定時間Ｃ（例えば、４５sec ）経過したかどうかを判定し、経過したらステップＳ１７にて、Ｓパージ制御を中止して吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温をやめると共に空燃比をリーン化してこのルーチンを抜ける。つまり、Ｓパージモードにしても触媒温度Ｔcat がイオウ成分の脱離に最適な温度（例えば、６５０℃以上）へなかなか近づかない場合に、燃費悪化を抑制するためにＳパージモードを停止させるようにしている。一方、触媒温度Ｔcat が所定時間Ｃが経過するまでに所定値Ｋ以上になれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温及び空燃比のリッチ化を継続する。
【００４１】
このようにしてＳパージモードでは、Ｓパージ制御のルーチンを繰り返すが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘが放出されると、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ再生頻度が大きくなり、図４のマップに基づいてＺＳＴＥＭＰも上昇する。そして、ステップＳ９にてＺＳＴＥＭＰが触媒温度Ｔcat を越えると、前述したようにステップＳ１７において、Ｓパージ制御を中止して吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温をやめると共に空燃比をリーン化してこのルーチンを抜ける。
【００４２】
ここで、上述したＳパージモードへの切換制御をモード０が選択された場合について具体的に説明する。図３に示すように、ＳパージモードがＯＦＦで、Ｓ再生頻度が低いとき、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰは６００℃に設定されている。そして、ドライバの運転状態、例えば、加速時あるいは高速道路や山岳道路などを走行して触媒温度Ｔcat が上昇し、この触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰを越えると、ＳパージモードがＯＮ（ステップＳ９でＹＥＳ）となる。すると、点火時期をリタードして吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温すると共に空燃比をリッチ化するため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘが放出される。そして、Ｓパージモードが継続するとＳ再生が進み、７００℃換算Ｓ再生時間が増加してＳ再生頻度が大きくなり、このＳ再生頻度が大きくなると、図４のマップに基づいてＺＳＴＥＭＰが上昇し、触媒温度Ｔcat を越える。
【００４３】
すると、ＳパージモードがＯＦＦ（ステップＳ９でＮＯ）となり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温をやめるため、触媒温度Ｔcat が低下する。その後、触媒温度Ｔcat が低い状態で走行距離が延びると、Ｓ再生頻度が小さくなると共に、ＺＳＴＥＭＰが低下して６００℃に戻る。
【００４４】
また、ドライバの運転状態により触媒温度Ｔcat が再び上昇し、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰを越えるとＳパージモードがＯＮ（ステップＳ９でＹＥＳ）される。このとき、ドライバが市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態を行っていると、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はＳＯｘを放出するのに必要な高温状態になりにくい。即ち、この場合、触媒温度Ｔcat は最初ＺＳＴＥＭＰ（６００℃）を越えたものの６５０℃よりも低い状態が継続することとなり、この温度域ではＳ再生はされるもののＳ再生効率が低い。そのため、この状態の継続時間が設定時間Ｃを経過したら、ＳパージモードをＯＦＦ（ステップＳ１６でＹＥＳ）とすることで、点火時期リタード及び空燃比リッチ化を中止しＳ再生効率が低い温度域では燃費の悪化を抑制できる。
【００４５】
なお、Ｓパージモードにて、空燃比をリッチ空燃比モードとしてリーン空燃比モードへの移行を禁止しているが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が高温であるときには、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の熱劣化対策のために既にリーン空燃比モードは禁止となっている場合もある。
【００４６】
また、Ｓパージを行うときに点火時期リタードに応じてスロットル弁１７を作動してベーススロットル開度に対してスロットル開度θthを調整し、吸入空気量を操作しており、これによって点火時期リタードによるトルク低下分を補いトルクがほぼ一定となるように制御している。この場合、スロットル開度は下記式（８）により設定される。
スロットル開度ＥＴＶ＝ベースＥＴＶ＋ＺＳＥＴＶ×反映係数・・（８）
ここで、ＺＳＥＴＶは、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定されたスロットル開度補正マップに基づいて設定されるものであり、また、反映係数は、前述したように、図５に示すマップに基づいて設定される。また、ＥＴＶはテーリングにより徐々に変更される。なお、この場合、補正された点火時期（リタード後の点火時期）に対するスロットル開度θthをマップにより設定してもよい。
【００４７】
一方、Ｓパージを行うときに追加燃料噴射（二段噴射）に応じてスロットル弁１７を作動してベーススロットル開度に対してスロットル開度θthを調整し、吸入空気量を操作する場合も、追加燃料噴射（二段噴射）による空気不足分を補うように、上記式（８）により設定される。
【００４８】
このように本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるように制御、つまり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が活性温度（例えば、２５０〜３５０℃）より高く、且つ、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度（例えば、６５０℃〜８００℃）あるいはそれより低く設定された昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ以上となった場合に、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温させると共に空燃比をリッチ化してＳＯｘを放出する。
【００４９】
従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がある程度高温状態にあるときに、アシスト的に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温してＳ再生速度の遅いＳＯｘ放出速度に適した触媒温度域においてＳＯｘを放出して再生している。そのため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が低温状態でＳＯｘの放出に最適な温度まで昇温するのに長時間を要するような場合に無理にＳ再生を実施するものではない。これによって長時間のリッチ化及び昇温の継続による燃費の悪化を抑制できる。
【００５０】
また、Ｓパージモードで触媒温度Ｔcat がイオウ成分の脱離に最適な温度（例えば、６５０℃以上）へ近づかない場合、設定時間Ｃを経過した後にＳパージモードを停止させるようにしている。従って、例えば、車両が市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態のときは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＳＯｘを放出するのに最適な高温状態になりにくいため、設定時間Ｃの経過を待ってＳパージモードを中止させている。このようにＳ再生効率が良くない温度帯では、リッチ化及び昇温の継続に制限を設けることにより、燃費の悪化を抑制できる。
【００５１】
加えて、本実施形態では、Ｓ再生頻度に対するＺＳＴＥＭＰのマップにおいて、下限値（ＴＬ）の異なるＺＳＴＥＭＰの特性が、ＴＬ＝６００℃のモード０、ＴＬ＝５００℃のモード１、ＴＬ＝４００℃のモード２として三つ設定され、前述した運転状況（ステップＳ３及びステップＳ５参照）に応じて下限値の低いモードへと変更するようになっているので、触媒温度Ｔcat が低い運転状況においても、確実にＳパージできる。つまり、下限値の高い例えばモード０しか設定されていない場合には、運転状況によっては条件に入る頻度が少なく、Ｓ再生に時間がかかるが、本実施形態では、それが未然に回避されるのである。
【００５２】
また、前記下限値の低いモード２へと変更した場合における内燃機関の低負荷・低回転域には、点火時期遅角方式に比べより昇温効果の高い追加燃料噴射（二段燃焼）方式を用いて吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温させるので、燃費の面では不利であるが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を速やかに昇温でき、確実にＳパージできる。一方、追加空気量の確保が困難で追加燃料噴射（二段燃焼）方式を使用できない内燃機関の高負荷・高回転域には、昇温し易い条件下にあるモード０又はモード１を選択した場合と同様に、昇温し易い条件下にあるため、点火時期遅角方式により、燃費を悪化を抑制しつつ吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を速やかに昇温でき、確実にＳパージできる。
【００５３】
また、本実施形態において、モード１もしくはモード２が選択された場合においても、Ｓ再生頻度≧所定値Ｄとなった場合には、最初の状態（モード０）へと戻る。走行距離は、Ｓ再生頻度≧所定値Ｄとなったらリセットする。また、モード２を選択した場合と同様の点火時期遅角方式と追加燃料噴射（二段燃焼）方式の使い分けを、最初の状態（モード０）及び／又はモード１を選択した場合でも用いるようにしても良い。また、触媒が昇温しやすい場合には（吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がエンジン１１に比較的近い位置に配置されている場合等）、モード１及びモード２は省略して、モード０のみとし上述の点火時期遅角方式と追加燃料噴射（二段燃焼）方式を使い分けるようにしてもよい。
【００５４】
また、ステップＳ１４の制御条件下でも、触媒温度Ｔcat が所定温度（例えば５５０℃）以上のときや平均車速が所定値（例えば４０ｋｍ／ｈ）以上のときは、点火時期遅角方式でも十分Ｓパージできるので、追加燃料噴射（二段燃焼）方式に代えて点火時期遅角方式を用い燃費の悪化を抑制するようにしてもよい。また、Ｓ再生頻度≧所定値Ｄの状況が所定走行距離続いた場合Ｓ再生開始の最低温度（ＺＳＴＥＭＰの下限値ＴＬ）の変更を行わずに、Ｓ再生頻度≧所定値Ｄの状況が、走行距離＞Ｌ₁（例えば１０００ｋｍ）続いた場合、点火時期遅角方式と追加燃料噴射（二段燃焼）方式の使い分けを運転状況に応じて行うようにしてもよい。
【００５５】
また、アイドル運転時（あるいは車両停止時＝車速０ｋｍ／ｈ時）等の極低負荷域は、排気流量も少なく、元々の触媒温度も低いので、昇温に多大なエネルギーを必要とし、燃費悪化も大きいため、昇温制御（Ｓ再生）を禁止してもよい。もしくは、極低負荷領域においては昇温制御の実施に上限を設けてもよい（最大３０秒まで実施する等）。また、追加燃料噴射（二段燃焼）を行う際に、圧縮行程噴射＋追加燃料噴射、吸気行程噴射＋追加燃料噴射として、運転状況に応じて主噴射の噴射時期を変えるようにしてもよい。また、追加燃料噴射（二段燃焼）時に点火時期遅角も同時に併用してより一層昇温効果を上げるようにしてもよい。
【００５６】
また、モード２を選択した場合においてもＳ再生頻度≧所定値Ｄとならない場合、即ち、Ｓ再生頻度≧所定値Ｄの状況が走行距離＞Ｌ₃（例えば３０００ｋｍ。Ｌ₃＞Ｌ₂）続いた場合、モード３としてリーン運転禁止としてもよい（その後、Ｓ再生頻度≧所定値Ｄとなった場合には、最初の状態（モード０）へと戻る）。リーン運転禁止の領域としては、走行中のみリーン運転禁止として、アイドル時にはリーン運転許可としても良い。これによって、ストイキまたはリッチ運転することになるので三元触媒により高いＮＯ_X浄化効率でＮＯ_Xを浄化でき、ＮＯ_X排出量をより確実に低減できる。また、上述の例では、所定期間を走行距離により判定したが、走行距離の代わりに、走行時間、燃料消費量を用いてもよい。また、上述の例では、モード１とモード２の２段階としたが、段階はさらに細分化してもよい。
【００５７】
また、モード１もしくはモード２が選択（実行）された頻度に応じて学習し、下記のように所定走行距離を短くする、もしくはモードを省略して、より確実にＳパージできるようにしてもよい。
例１：モード１に入る頻度（下記参照）が、所定値以上（例えば５０％以上）のとき、Ｌ₁を短くする（例えば５００ｋｍ）。
例１−１：モード１に入る頻度が、所定値未満（例えば５０％未満）に戻ったとき、Ｌ₁を元に戻し長くする（例えば１０００ｋｍ）。
例２：モード２に入る頻度が、所定値以上（例えば５０％以上）のとき、Ｌ₁を短くする（例えば５００ｋｍ）及び／又はＬ₂を短くする（例えば１０００ｋｍ）。及び／又はモード０を省略する。
例２−２：モード２に入る頻度が、所定値未満（例えば５０％未満）に戻ったとき、Ｌ₁及び／又はＬ₂を元に戻し長くする（例えばＬ₁＝１０００ｋｍ、Ｌ₂＝２０００ｋｍ）。及び／又はモード０を復活させる。
頻度：前回リセット（Ｓ再生頻度≧所定値Ｄ）されてからの、全走行距離に占めるモード１となっている走行距離＝モード１となっている走行距離／全走行距離
【００５８】
また、本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が所定温度以上となった場合にアシスト的に昇温する例について述べたが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度によらず昇温する場合にも、点火時期遅角方式と追加燃料噴射（二段燃焼）方式の使い分けを適用することができる。また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が活性温度を２５０℃〜３５０℃とし、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度を６５０℃〜８００℃、より好ましくは７００℃以上、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰの下限値ＴＬを４００℃，５００℃及び６００℃としてＳ再生頻度の状況（履歴）により選択させるようにしたが、各温度は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の特性あるいはエンジン形態や排気温度などにより適宜設定すればよいものであり、上述した実施形態に限定されるものではない。また、上述した実施形態では、触媒装置の昇温手段としての追加燃料噴射方式に二段燃焼を用いたが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の上流の排気管２１内に直接燃料を噴射する追加燃料噴射方式を用いてもよい。
【００５９】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるようにＳパージを行うようにしたが、従来のような吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ量を推定してＳパージを行う装置を用いてもよい。この場合、従来のＳパージを行う装置は、副次的に使うことが好ましく、例えば、上述の実施形態のようにＳ再生頻度（再生度合）に基づくＳパージ制御に入るような運転をドライバが行わなかったときに限り触媒の再生を目的として強制的に、または、ＳＯｘ量の推定結果に基づいて作動させることが燃費等の面で好ましい。更に、上述の実施形態では、エンジン１１を筒内噴射型火花点火式直列ガソリンエンジンとしたが、エンジン１１は吸蔵型ＮＯｘ触媒を有するものであれば、吸気管噴射型のリーンバーンエンジンあるいはディーゼルエンジンであってもよい。また、吸蔵型ＮＯ_X触媒としては、酸化雰囲気においてＮＯ_Xを吸着し、還元雰囲気においてＮＯ_Xを放出することなく直接還元するタイプのものであってもよいことは無論である。
【００６０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、内燃機関の運転状況に応じて点火時期遅角方式と追加燃料噴射方式とを使い分けられ、どのような運転状況でも、燃費の悪化を抑制しつつ触媒装置を速やかに昇温して確実に再生することができ、常に確実にＮＯx 浄化効率をキープしてＮＯx 排出量を低減できるという本来的な作用・効果に加えて、触媒再生度合いに応じて触媒装置を速やかに昇温でき、効率よく触媒装置を再生できるという特有の作用・効果が得られる。
【００６１】
請求項２の発明によれば、内燃機関の運転状況に応じて点火時期遅角方式と追加燃料噴射方式とを使い分けられ、どのような運転状況でも、燃費の悪化を抑制しつつ触媒装置を速やかに昇温して確実に再生することができ、常に確実にＮＯ x 浄化効率をキープしてＮＯ x 排出量を低減できるという本来的な作用・効果に加えて、イオウ成分の吸着量（被毒状態）に応じて触媒装置を速やかに昇温でき、効率よく触媒装置を再生できるという特有の作用・効果が得られる。
【００６２】
請求項３及び４の発明によれば、燃費の必要以上の悪化を防止しつつゾーン分けにより制御を精密化できる。
【００６３】
請求項５の発明によれば、燃費の必要以上の悪化を防止しつつゾーン分けにより制御を簡略化できる。
【００６４】
請求項６の発明によれば、燃費の必要以上の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の排気浄化装置によるＳパージ制御のフローチャートである。
【図３】Ｓパージ制御のタイムチャートである。
【図４】Ｓ再生頻度に対する昇温設定温度を表すグラフである。
【図５】触媒温度推定値に対する反映係数を表すグラフである。
【図６】Ｓ再生頻度とＮＯｘ排出量との関係を表すグラフである。
【図７】Ｓ再生Ａ／Ｆに対するＳ再生後の回復したＮＯｘ吸蔵量を表すグラフである。
【符号の説明】
１１エンジン（内燃機関）
１３点火プラグ
１４燃料噴射弁
１５燃焼室
１７スロットル弁
１８スロットルセンサ
２０クランク角センサ
２１排気管（排気通路）
２２三元触媒
２３排気浄化触媒装置（触媒装置）
２４高温センサ
２５吸蔵型ＮＯｘ触媒
２６三元触媒
２８ＥＣＵ（電子コントロールユニット）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine having a storage type NOx catalyst in an exhaust passage.
[0002]
[Prior art]
In recent years, lean combustion internal combustion engines in which an internal combustion engine is operated at a lean air-fuel ratio to improve exhaust emission and fuel consumption have been put into practical use. In this lean combustion internal combustion engine, when operating at a lean air-fuel ratio, there is a problem that the three-way catalyst cannot sufficiently purify NOx (nitrogen oxide) in the exhaust gas due to its purification characteristics. Recently, it is operating at a lean air-fuel ratio. On the other hand, a storage type NOx catalyst that stores NOx in exhaust gas and releases and reduces the stored NOx during operation at a stoichiometric or rich air-fuel ratio has been adopted.
[0003]
This occlusion type NOx catalyst occludes NOx in exhaust gas as nitrate (X-NO ₃ ) in an oxygen excess state of an internal combustion engine, and releases the occluded NOx in an excess state of carbon monoxide (CO) to form nitrogen ( N ₂ ) is a catalyst having the property of reducing to N ₂ ) (at the same time, carbonate X—CO ₃ is produced). However, in this storage-type NOx catalyst, since the fuel contains a sulfur (S) component, this S component reacts with oxygen to become sulfur oxide (SOx), and this SOx is substituted for NOx. There is a problem in that the sulfate is stored in the NOx catalyst instead of nitrate as a sulfate, thereby reducing the purification efficiency of the catalyst.
[0004]
However, it has been found that SOx occluded in the catalyst is removed (S purge) by making the air-fuel ratio rich and bringing the catalyst to a high temperature state. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-217474, the amount of SOx stored in the catalyst is estimated, and when the stored amount of SOx exceeds an allowable amount and the catalyst temperature is lower than a predetermined temperature, the catalyst In addition, a technique is disclosed in which SOx is released by regenerating the NOx catalyst by maintaining the purification efficiency by raising the temperature of the catalyst and temporarily enriching the air-fuel ratio.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, as a method for raising the temperature of the storage type NOx catalyst, conventionally, an ignition timing retarding method for retarding the ignition timing, an additional fuel is injected in the expansion stroke or the exhaust stroke, so-called two-stage combustion, or directly added to the exhaust pipe An additional fuel injection method for injecting fuel is known. The ignition timing retarding method can be used in the entire operation range and has a drawback that the temperature rise effect is small although the degree of deterioration in fuel consumption is small. On the other hand, although the additional fuel injection method has a large temperature rise effect, it cannot be used in a high load region (since intake air is used for combustion of main injection, and no air that can be used for additional injection remains).
[0006]
However, conventionally, as the method for raising the temperature of the storage-type NOx catalyst, either one of the internal combustion engine equipped with the ignition timing retarding method and the additional fuel injection method is selected and adopted. The internal combustion engine that uses the retarded angle method has a problem that it takes a long time to raise the catalyst in the low load range, while the internal combustion engine that uses the additional fuel injection method has a high load. There was a problem that the storage type NOx catalyst could not be regenerated in the region.
[0007]
The present invention solves such a problem, and by properly using the ignition timing retarding method and the additional fuel injection method according to the operating state of the internal combustion engine, the fuel consumption deteriorates in any operating state. An object of the present invention is to provide an exhaust emission control device for an internal combustion engine that can quickly regenerate and reliably regenerate the catalyst device while suppressing the above.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Exhaust purification equipment of an internal combustion engine according to the present invention for achieving the above object,
It is provided in the exhaust passage of an internal combustion engine mounted on a vehicle and has a characteristic of storing sulfur components in exhaust gas when the exhaust air-fuel ratio is at least a lean air-fuel ratio and releasing the stored sulfur components in a high temperature reducing atmosphere. Having a catalytic device;
Fuel injection control means for injecting additional fuel by a fuel injection valve separately from the main injection of the internal combustion engine;
Ignition timing control means capable of retarding the ignition timing of the internal combustion engine;
Including the fuel injection control means and the ignition timing control means, by operating at least one of the ignition timing control means and the fuel injection control means, the catalyst device is heated to desorb the stored sulfur component. Reproduction means;
A regeneration degree detecting means for detecting or estimating a catalyst regeneration degree indicating a separation state of the sulfur component of the catalyst device ,
The regeneration means executes the catalyst temperature increase by the fuel injection control means only when a state where the catalyst regeneration degree detected or estimated by the regeneration degree detection means does not exceed a predetermined value continues for a predetermined period.
It is characterized by that.
[0009]
Also,
It is provided in the exhaust passage of an internal combustion engine mounted on a vehicle and has a characteristic of storing sulfur components in exhaust gas when the exhaust air-fuel ratio is at least a lean air-fuel ratio and releasing the stored sulfur components in a high temperature reducing atmosphere. Having a catalytic device;
Fuel injection control means for injecting additional fuel by a fuel injection valve separately from the main injection of the internal combustion engine;
Ignition timing control means capable of retarding the ignition timing of the internal combustion engine;
Catalyst temperature estimating means for estimating the temperature of the catalyst device;
Including the fuel injection control means and the ignition timing control means, by operating at least one of the ignition timing control means and the fuel injection control means, the catalyst device is heated to desorb the stored sulfur component. Reproduction means;
An adsorption amount detection means for detecting or estimating the adsorption amount of the sulfur component of the catalyst device,
The regeneration means executes the catalyst temperature increase by the fuel injection control means only when a state where the adsorption amount of the sulfur component detected or estimated by the adsorption amount detection means does not become a predetermined value or less continues for a predetermined period.
It is characterized by that.
[0010]
Also,
A load detecting means for detecting a load state of the internal combustion engine;
The regeneration means executes the catalyst temperature increase by the fuel injection control means only when the condition that is the low load region of the internal combustion engine detected by the load detection means is also satisfied.
It is characterized by that.
[0011]
Also,
A catalyst temperature estimating means for estimating the temperature of the catalyst device;
The regeneration means raises the temperature of the catalyst device when the temperature of the catalyst device is equal to or higher than a predetermined temperature, desorbs the stored sulfur component, and continues the state not exceeding the predetermined value for a predetermined travel distance or more. Is characterized in that the predetermined temperature is set lower .
[0012]
Also,
The regeneration means does not execute catalyst temperature increase by the fuel injection control means when the traveling speed of the vehicle is equal to or higher than a predetermined value .
[0013]
Also,
The catalyst temperature increase control by the regeneration means is prohibited in an extremely low load region such as during idling of the internal combustion engine .
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a schematic configuration of an exhaust purification device for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a flowchart of S purge control by the exhaust purification device of this embodiment, FIG. 3 is a time chart of S purge control, and FIG. FIG. 5 is a graph showing the temperature rise set temperature with respect to the S regeneration frequency, FIG. 5 is a graph showing the reflection coefficient for the estimated catalyst temperature value, FIG. 6 is a graph showing the relationship between the S regeneration frequency and the NOx emission amount, and FIG. The graph showing the NOx occlusion amount recovered after S regeneration with respect to / F is shown.
[0017]
The internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) according to the present embodiment switches, for example, a fuel injection mode (operation mode), thereby fuel injection in an intake stroke (intake stroke injection mode) or fuel injection in a compression stroke ( This is an in-cylinder injection type spark ignition type in-line four-cylinder gasoline engine capable of performing a compression stroke injection mode). The in-cylinder injection type engine 11 can be easily operated at a stoichiometric air fuel ratio (stoichiometric) or at a rich air fuel ratio (rich air fuel ratio operation), or at a lean air fuel ratio (lean air fuel ratio). In particular, in the compression stroke injection mode, it is possible to operate at an ultra lean air-fuel ratio.
[0018]
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, an electromagnetic fuel injection valve 14 is attached to the cylinder head 12 a of the engine 11 together with a spark plug 13 for each cylinder. The fuel can be directly injected into 15. A fuel supply device (fuel pump) having a fuel tank is connected to the fuel injection valve 14 via a fuel pipe (not shown). The fuel in the fuel tank is supplied at a high fuel pressure, and this fuel is injected into the fuel. The fuel is injected from the valve 14 into the combustion chamber 15 at a desired fuel pressure. At this time, the fuel injection amount is determined from the fuel discharge pressure of the fuel pump and the valve opening time (fuel injection time) of the fuel injection valve 14.
[0019]
An intake port 16a is formed in the cylinder head 12a in a substantially upright direction for each cylinder, and one end of the intake manifold 16 is connected so as to communicate with each intake port 16a. A drive-by-wire (DBW) type electric throttle valve 17 is connected to the other end of the intake manifold 16, and the throttle valve 17 is provided with a throttle sensor 18 for detecting a throttle opening θth. Further, an exhaust port 19a is formed in the cylinder head 12a in a substantially horizontal direction for each cylinder, and one end of the exhaust manifold 19 is connected to communicate with each exhaust port 19a.
[0020]
The cylinder block 12b of the engine 11 is provided with a crank angle sensor 20 that detects a crank angle. The crank angle sensor 20 can detect the engine rotational speed Ne. Note that the above-described in-cylinder injection engine 11 is already known, and a detailed description thereof will be omitted here.
[0021]
An exhaust pipe (exhaust passage) 21 is connected to the other end of the exhaust manifold 19, and this exhaust pipe 21 is connected to a small three-way catalyst 22 and an exhaust purification catalyst device 23 that are close to the engine 11. A muffler (not shown) is connected. A portion of the exhaust pipe 21 between the three-way catalyst 22 and the exhaust purification catalyst device 23 is located immediately upstream of the exhaust purification catalyst device 23, that is, immediately upstream of the storage type NOx catalyst 25 described later. A high temperature sensor 24 for detecting the exhaust temperature is provided.
[0022]
The exhaust purification catalyst device 23 includes two catalysts, a storage type NOx catalyst 25 and a three-way catalyst 26, and the three-way catalyst 26 is arranged downstream of the storage type NOx catalyst 25. It is installed. Note that if the storage-type NOx catalyst 25 has a sufficient function as a three-way catalyst, only this storage-type NOx catalyst 25 may be used. The storage-type NOx catalyst 25 has a function of temporarily storing NOx in an oxidizing atmosphere, releasing NOx in a reducing atmosphere mainly containing CO, and reducing it to N ₂ (nitrogen) or the like. Specifically, the storage-type NOx catalyst 25 is configured as a catalyst having platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh) or the like as a noble metal, and barium (Ba), potassium (K) as storage agents. Alkali metals such as alkaline earth metals are employed. A NOx sensor 27 that detects the NOx concentration is provided downstream of the exhaust purification catalyst device 23.
[0023]
Further, an ECU (electronic control unit) 28 having an input / output device, a storage device (ROM, RAM, nonvolatile RAM, etc.), a central processing unit (CPU), a timer counter, etc. is provided. Inclusive control of the exhaust emission control device of the present embodiment is included. That is, various sensors such as the above-described high temperature sensor 24 and NOx sensor 27 are connected to the input side of the ECU 28, and detection information from these sensors is input. On the other hand, the ignition plug 13 and the fuel injection valve 14 described above are connected to the output side of the ECU 28 via an ignition coil. The ignition coil, the fuel injection valve 14 and the like are detected information from various sensors. Optimal values such as the fuel injection amount and ignition timing calculated based on the Thereby, an appropriate amount of fuel is injected from the fuel injection valve 14 at an appropriate timing, and ignition is performed at an appropriate timing by the spark plug 13.
[0024]
Actually, the ECU 28 determines the target in-cylinder pressure corresponding to the engine load, that is, the target average effective pressure Pe, based on the throttle opening information θth from the throttle sensor 18 and the engine rotational speed information Ne from the crank angle sensor 20. Further, the fuel injection mode is set from a map (not shown) according to the target average effective pressure Pe and the engine rotational speed information Ne. For example, when both the target average effective pressure Pe and the engine rotational speed Ne are small, the fuel injection mode is set to the compression stroke injection mode, and fuel is injected in the compression stroke, while the target average effective pressure Pe increases, or the engine When the rotational speed Ne increases, the fuel injection mode is changed to the intake stroke injection mode, and fuel is injected in the intake stroke.
[0025]
Further, a target air-fuel ratio (target A / F) as a control target is set from the target average effective pressure Pe and the engine speed Ne, and an appropriate amount of fuel injection is determined based on the target A / F. Further, the catalyst temperature Tcat is estimated from the exhaust gas temperature information detected by the high temperature sensor 24. Specifically, in order to correct an error caused by the high temperature sensor 24 and the storage-type NOx catalyst 25 being somewhat apart from each other, the temperature is determined according to the target average effective pressure Pe and the engine rotational speed information Ne. The difference map is set in advance by experiments or the like, and the catalyst temperature Tcat is uniquely estimated when the target average effective pressure Pe and the engine rotational speed information Ne are determined.
[0026]
Hereinafter, the operation of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present embodiment configured as described above will be described.
[0027]
In the storage type NOx catalyst 25 of the exhaust purification catalyst device 23, nitrate is generated from NOx in the exhaust gas in an oxygen concentration excess atmosphere as in the super lean combustion operation in the lean mode, whereby NOx is stored and the exhaust gas is purified. Is done. On the other hand, in the three-way catalyst 26, the nitrate stored in the storage-type NOx catalyst 25 reacts with CO in the exhaust in an atmosphere where the oxygen concentration is reduced, whereby carbonate is generated and NOx is released. Accordingly, when NOx occlusion proceeds to the occlusion-type NOx catalyst 25, the oxygen concentration is lowered by enriching the air-fuel ratio or performing additional fuel injection (two-stage combustion), etc., and CO is supplied into the exhaust gas. The function is maintained by releasing NOx from the type NOx catalyst 25.
[0028]
By the way, the sulfur component (S) contained in the fuel and the lubricating oil is also present in the exhaust gas, and the storage-type NOx catalyst 25 stores SOx together with NOx storage in an oxygen concentration excess atmosphere. In other words, the sulfur component is oxidized to SOx, and a part of this SOx reacts with the storage agent that is originally used for NOx storage on the storage type NOx catalyst 25 to become a sulfate, and is stored in place of NOx. The NOx catalyst 25 is occluded.
[0029]
The occlusion-type NOx catalyst 25 has a function of releasing the occluded SOx when the oxygen concentration is lowered. In other words, in an atmosphere where the oxygen concentration is reduced and CO is excessive, a portion of the sulfate stored in the storage-type NOx catalyst 25 reacts with CO in the exhaust to produce carbonate, and SOx is removed. Be released. However, since sulfate is more stable as nitrate than nitrate, and only a part of it is decomposed only in an atmosphere having a reduced oxygen concentration, the amount of sulfate remaining in the storage-type NOx catalyst 25 increases with time. To increase. As a result, the storage capacity of the storage-type NOx catalyst 25 decreases with time, and the performance of the storage-type NOx catalyst 25 deteriorates (S poisoning).
[0030]
In order to regenerate the NOx storage capacity, there is a method in which the amount of SOx stored in the storage type NOx catalyst 25 is estimated to estimate the S poisoning situation, and when the S poisoning proceeds to a certain extent, SOx is released. However, since the SOx occlusion amount is affected by various factors such as the catalyst temperature, the exhaust air-fuel ratio, the S concentration in the fuel (type of fuel), and the engine operating state, it is difficult to accurately estimate the SOx occlusion amount. . Therefore, in the present embodiment, the SOx occlusion amount occluded in the occlusion-type NOx catalyst 25 is not estimated, and when the catalyst temperature Tcat becomes equal to or higher than the set temperature, the regeneration means raises the catalyst temperature, In addition, the stored SOx is released by enriching the air-fuel ratio, and the NOx storage capacity is recovered. The regeneration means controls so that the regeneration degree for releasing SOx from the storage-type NOx catalyst 25 is maintained within a predetermined range. That is, the temperature of the storage-type NOx catalyst 25 is set to be higher than the activation temperature (for example, 250 to 350 ° C.) and suitable for desorbing the stored SOx (for example, 650 ° C.) or lower. When the temperature becomes higher than the set temperature (for example, 400 ° C. to 600 ° C.), the storage NOx catalyst 25 is heated and the air-fuel ratio is enriched to release SOx. That is, when the catalyst temperature is high to some extent, the temperature raising means is operatively operated to quickly reach the catalyst temperature range, and the SOx is efficiently released with a small increase in temperature (ie, a small degree of fuel consumption deterioration). It is something to be made.
[0031]
Here, the S purge control will be described in detail based on the flowchart shown in FIG. 2 and the time chart shown in FIG. As shown in FIG. 2, first, in step S1, the catalyst temperature Tcat of the storage NOx catalyst 25 is estimated from the exhaust gas temperature information detected by the high temperature sensor 24. In this case, as described above, the error between the high temperature sensor 24 and the actual catalyst temperature is corrected based on the temperature difference map set according to the target average effective pressure Pe and the engine rotational speed information Ne.
[0032]
Next, in step S2, the S regeneration frequency indicating the degree of regeneration (S regeneration) from the S poisoning of the storage NOx catalyst 25 (S regeneration) is calculated (poisoning state detection means). The calculation method will be described below. . This S regeneration frequency is calculated based on the following equation (1).
S regeneration frequency (s / km) = 700 ° C conversion S regeneration time / travel distance (1)
Here, the 700 ° C. converted S regeneration time is the sum of the times obtained by converting the S regeneration time at the estimated catalyst temperature Tcat into the S regeneration time when the catalyst temperature Tcat of the storage NOx catalyst 25 is 700 ° C. By dividing the 700 ° C. converted S regeneration time by the travel distance, the S regeneration time per 1 km of travel distance, that is, the S regeneration frequency can be obtained. When this S regeneration frequency increases, SOx is well released (purged). And is well regenerated from S poison.
[0033]
As a specific method of calculating the 700 ° C. converted S regeneration time, the S regeneration time is calculated based on the following formula (2).

Here, the S regeneration rate coefficient is for correcting that the S regeneration rate varies depending on the temperature of the occlusion-type NOx catalyst 25, and the S regeneration time at each catalyst temperature is converted into an S regeneration time equivalent to 700 ° C. Is for. Since the S regeneration rate increases exponentially as the temperature of the storage NOx catalyst 25 increases, it is set to 0 when the catalyst temperature Tcat of the storage NOx catalyst 25 is 580 ° C. or less, and at a temperature higher than that, It calculates with the following Formula (3) approximated by the exponential function.
S reproduction speed coefficient = exp {−kk × (1 / T ₁ ) − (1 / T ₀ )} (3)
Here, kk is a predetermined coefficient set according to the S regeneration reaction of the storage type NOx catalyst 25, T ₁ is the catalyst temperature Tcat (K) of the storage type NOx catalyst 25, and T ₀ is 973 (700 + 273). (K).
In the present embodiment, calculation by an exponential function is not performed in the ECU 28, and a value calculated in advance is obtained from an S regeneration rate coefficient map for the stored catalyst temperature. The A / F coefficient described above indicates the degree of S regeneration by A / F, and is 0 when the air-fuel ratio is in the lean mode or when the fuel is cut, and 1 in other modes.
[0034]
The S regeneration frequency is reset at a predetermined value D (for example, 1.5 s / km) or more, and the 700 ° C. converted S regeneration time is 0 s and the travel distance is 0 km. That is, if the S regeneration frequency is equal to or higher than the predetermined value D, the storage type NOx catalyst 25 is sufficiently purged and the regeneration is stopped. A method for setting the threshold value D when resetting the S reproduction frequency may be as follows. That is, as shown in FIG. 6, it is known that the NOx emission value decreases as the S regeneration frequency increases, and the S regeneration frequency may be set so as to be equal to or less than the NOx emission regulation value. Although this threshold value D is influenced by the catalyst characteristics and the NOx emission regulation value, it is generally known that the threshold value D may be set to approximately 1.5 s / km or more.
[0035]
When the S regeneration frequency is obtained in this manner, in step S3, it is determined whether or not the condition of S regeneration frequency <predetermined value D (for example, 1.5 s / km) continues for travel distance> L ₁ (for example, 1000 km). If not, in step S4, mode 0 is selected from the characteristics of the temperature setting temperature ZSTEMP (° C.) described later. On the other hand, if it continues, in step S5, it is further determined whether or not the situation of S regeneration frequency <predetermined value D (for example, 1.5 s / km) continues for travel distance> L ₂ (for example, 2000 km). In step S6, mode 1 is selected from the characteristics of the temperature rise set temperature ZSTEMP (° C.). On the other hand, if it continues, in step S7, the mode 2 is selected from the characteristics of the temperature rise set temperature ZSTEMP (° C.) (the S regeneration start characteristic changing means). That is, as shown in FIG. 4, a ZSTTEMP map with respect to the S reproduction frequency is set in advance. According to this map, three characteristics of ZSTEMP having different lower limit values (TL) are set as mode 0 at TL = 600 ° C., mode 1 at TL = 500 ° C., and mode 2 at TL = 400 ° C. In either case, ZSTTEMP increases with an increase in the S regeneration frequency, and the predetermined value D is set to 800 ° C.
[0036]
Next, in step S8, a temperature rise set temperature ZSTEMP (° C.) is calculated based on the mode map. In step S9, it is determined whether or not the catalyst temperature Tcat of the storage type NOx catalyst 25 is equal to or higher than ZSTTEMP. If the catalyst temperature Tcat is lower than ZSTTEMP, in step S17, the S purge control is stopped and the storage type NOx catalyst. The temperature rise of 25 is stopped and the air-fuel ratio is made lean, and this routine is exited. On the other hand, if the catalyst temperature Tcat is equal to or higher than ZSTTEMP, it is estimated that the S regeneration frequency is low to some extent and the temperature of the storage-type NOx catalyst 25 has been raised to some extent and is likely to be purged. Then, the control mode is switched to the S purge mode. Thereby, the removal (S purge) of SOx stored in the storage-type NOx catalyst 25 is started.
[0037]
At this time, in step 11, it is first determined whether or not mode 2 is selected based on the above-described map. If not selected (mode 0 or mode 1 is selected), the ignition timing is controlled in step S12. That is, the storage NOx catalyst 25 is heated by retarding (retarding) (ignition timing control means). That is, by sufficiently raising the exhaust gas temperature flowing into the NOx storage catalyst 25 by the ignition timing retard, the NOx storage catalyst 25 is quickly heated to a temperature suitable for S purge (for example, 650 ° C. to 800 ° C.). Will be. In this case, the ignition timing is set to retard according to the following equation (4).
Ignition timing = Base ignition timing-ZSSA x Reflection coefficient (4)
Here, ZSSA is set based on the retard map set in accordance with the target average effective pressure Pe and the engine rotational speed information Ne, and is an amount that takes into account the allowance amount to the retard amount that becomes the combustion limit. Is set. Further, as shown in FIG. 5, the reflection coefficient is set based on a catalyst temperature estimated value, that is, a map corresponding to the catalyst temperature Tcat. This reflection coefficient is set to 0 when the fuel is cut or when the throttle opening is a predetermined value or more.
[0038]
Subsequently, in step S15, the air-fuel ratio is controlled. That is, lean operation is prohibited and only stoichiometric F / B or open loop rich operation is performed so that the air-fuel ratio becomes stoichiometric or rich. FIG. 7 shows the relationship between the degree of S regeneration (NOx occlusion amount recovered after S regeneration) and the air-fuel ratio at the time of S regeneration (S regeneration A / F). If it is other than lean, that is, stoichiometric or rich, S regeneration is performed. It can be seen that the dependence on the air-fuel ratio during S regeneration is small between stoichiometric and rich. However, the greater the degree of richness, the greater the degree of deterioration of fuel consumption, and the greater the degree of richness, the greater the degree of occurrence of H ₂ S that is the source of odor. Therefore, it is preferable that the air-fuel ratio at the time of S regeneration is close to stoichiometric, but it is preferable to set it slightly rich (slight rich) in consideration of a control error, that is, preferably 14 to 14.7. From FIG. 7, when the temperature of the NOx storage catalyst 25 during S regeneration is 600 ° C., the degree of S regeneration is small, even though it takes 10 times as long as 650 ° C. or 700 ° C., and when it is 700 ° C. It can be seen that the degree of S regeneration is very large, and the influence of the catalyst temperature during S regeneration is large on the degree of S regeneration.
[0039]
On the other hand, if mode 2 is selected in step S11, it is determined in step S13 whether the internal combustion engine is in a low load / low rotation range. As described above, the ignition-type NOx catalyst 25 is heated by retarding the ignition timing. On the other hand, if the load is low and the engine speed is low, in step S14, the additional fuel injection (two-stage combustion) to the expansion stroke or the exhaust stroke is performed separately from the main injection, thereby raising the storage NOx catalyst 25. Warm up (fuel injection control means). That is, by sufficiently increasing the exhaust gas temperature flowing into the storage-type NOx catalyst 25 by the two-stage combustion, the storage-type NOx catalyst 25 is quickly heated to a temperature suitable for S purge (for example, 650 ° C. to 800 ° C.). Will be. In this case, in the air-fuel ratio control (slight enrichment) in step S15 described above, the fuel injection amount is set by the following equations (5) and (6), and the injection timing is set by the following equation (7). .
Main injection target A / F = Base A / F + ZMAF x Reflection coefficient (5)
Additional injection target A / F = ZSAF × reflection coefficient (6)
Additional injection start crank angle = load (Pe) / rotation speed (Ne) map (7)
Here, ZMAF and ZSAF are set based on the injection amount map set according to the target average effective pressure Pe and the engine rotational speed information Ne, and ZMAF is the amount of correction at the time of S purge. , ZSAF is the amount for S purge.
. Further, as described above, the reflection coefficient is set based on the estimated catalyst temperature value, that is, the map corresponding to the catalyst temperature Tcat as shown in FIG. This reflection coefficient is set to 0 when the fuel is cut or when the throttle opening is a predetermined value or more. Each target A / F is gradually changed by tailing.
[0040]
In step S16, it is determined whether or not a predetermined set time C (for example, 45 seconds) has elapsed when the catalyst temperature Tcat is lower than a predetermined value K (for example, 650 ° C.). The S purge control is stopped, the temperature of the storage NOx catalyst 25 is stopped, and the air-fuel ratio is made lean to exit from this routine. That is, when the catalyst temperature Tcat is not close to the optimum temperature for desorption of sulfur components (for example, 650 ° C. or higher) even in the S purge mode, the S purge mode is stopped in order to suppress fuel consumption deterioration. ing. On the other hand, if the catalyst temperature Tcat becomes equal to or higher than the predetermined value K before the predetermined time C elapses, the temperature rise of the storage NOx catalyst 25 and the enrichment of the air-fuel ratio are continued.
[0041]
In this way, in the S purge mode, the routine of the S purge control is repeated. However, when the SOx stored in the storage NOx catalyst 25 is released, the S regeneration frequency of the storage NOx catalyst 25 increases, and FIG. Based on the map, ZSTEMP also increases. When ZSTEMP exceeds the catalyst temperature Tcat in step S9, as described above, in step S17, the S purge control is stopped, the temperature of the storage NOx catalyst 25 is stopped, the air-fuel ratio is made lean, and this routine is executed. Exit.
[0042]
Here, the switching control to the S purge mode described above will be specifically described in the case where mode 0 is selected. As shown in FIG. 3, when the S purge mode is OFF and the S regeneration frequency is low, the temperature rise set temperature ZSTEMP is set to 600 ° C. Then, when the driving temperature of the driver, for example, when accelerating or traveling on a highway or a mountain road, the catalyst temperature Tcat rises, and this catalyst temperature Tcat exceeds ZSTEMP, the S purge mode is ON (YES in step S9). It becomes. Then, in order to retard the ignition timing to raise the temperature of the storage type NOx catalyst 25 and to enrich the air-fuel ratio, SOx stored in the storage type NOx catalyst 25 is released. When the S purge mode continues, S regeneration proceeds, the 700 ° C. converted S regeneration time increases, and the S regeneration frequency increases. When this S regeneration frequency increases, ZSTEMP increases based on the map of FIG. Exceeds catalyst temperature Tcat.
[0043]
Then, the S purge mode is turned OFF (NO in step S9), and the temperature of the storage NOx catalyst 25 is stopped, so that the catalyst temperature Tcat decreases. Thereafter, when the travel distance is extended while the catalyst temperature Tcat is low, the S regeneration frequency is reduced, and ZSTEMP is lowered to 600 ° C.
[0044]
Further, if the catalyst temperature Tcat rises again due to the operating state of the driver and the catalyst temperature Tcat exceeds ZSTTEMP, the S purge mode is turned ON (YES in step S9). At this time, if the driver is performing an operation state in which acceleration / deceleration is repeated in a place such as an urban area, the storage NOx catalyst 25 is unlikely to reach a high temperature state necessary for releasing SOx. That is, in this case, the catalyst temperature Tcat initially exceeds ZSTTEMP (600 ° C.), but continues to be lower than 650 ° C. In this temperature range, S regeneration is performed but S regeneration efficiency is low. Therefore, when the duration time of this state has passed the set time C, the S purge mode is turned OFF (YES in step S16), so that the ignition timing retard and the air-fuel ratio enrichment are stopped and the S regeneration efficiency is low. Deterioration of fuel consumption can be suppressed.
[0045]
In the S purge mode, the air-fuel ratio is set to the rich air-fuel ratio mode and the transition to the lean air-fuel ratio mode is prohibited. However, when the storage NOx catalyst 25 is at a high temperature, measures against thermal deterioration of the storage NOx catalyst 25 are performed. Therefore, the lean air-fuel ratio mode may already be prohibited.
[0046]
Further, when performing the S purge, the throttle valve 17 is operated in accordance with the ignition timing retard to adjust the throttle opening θth with respect to the base throttle opening, and the intake air amount is manipulated, whereby the ignition timing retard is performed. The torque is reduced so that the torque is compensated for and the torque is controlled to be substantially constant. In this case, the throttle opening is set by the following equation (8).
Throttle opening ETV = Base ETV + ZSETV x Reflection coefficient (8)
Here, ZSETV is set based on the throttle opening correction map set according to the target average effective pressure Pe and the engine speed information Ne, and the reflection coefficient is as described above. It is set based on the map shown in FIG. The ETV is gradually changed by tailing. In this case, the throttle opening degree θth with respect to the corrected ignition timing (ignition timing after retarding) may be set by a map.
[0047]
On the other hand, when the S purge is performed, the throttle valve 17 is operated according to the additional fuel injection (two-stage injection) to adjust the throttle opening θth with respect to the base throttle opening, and the intake air amount is manipulated. The above equation (8) is set so as to compensate for the air shortage due to the additional fuel injection (two-stage injection).
[0048]
Thus, in the present embodiment, control is performed so that the regeneration degree for releasing SOx from the storage-type NOx catalyst 25 is maintained within a predetermined range, that is, the catalyst temperature Tcat of the storage-type NOx catalyst 25 is set to the activation temperature (for example, 250 to Higher than 350 ° C.) and suitable for desorbing the stored SOx (for example, 650 ° C. to 800 ° C.) or lower than the temperature setting temperature ZSTEP set lower than that, occlusion The temperature of the NOx catalyst 25 is raised and the air-fuel ratio is enriched to release SOx.
[0049]
Therefore, when the storage NOx catalyst 25 is in a high temperature state to some extent, the storage NOx catalyst 25 is assisted to raise the temperature and release SOx in a catalyst temperature range suitable for the SOx release speed with a slow S regeneration speed. is doing. For this reason, the S regeneration is not forcedly performed when it takes a long time for the storage-type NOx catalyst 25 to rise to a temperature optimum for SOx release in a low temperature state. As a result, it is possible to suppress deterioration in fuel consumption due to long-time enrichment and continued temperature rise.
[0050]
Further, when the catalyst temperature Tcat does not approach the optimum temperature for desorption of sulfur components (for example, 650 ° C. or more) in the S purge mode, the S purge mode is stopped after the set time C has elapsed. Therefore, for example, when the vehicle is in an operation state where acceleration / deceleration is repeated in a place such as an urban area, the storage-type NOx catalyst 25 is unlikely to reach a high temperature state that is optimal for releasing SOx, so that the set time C has elapsed. The S purge mode is stopped. Thus, in the temperature range where the S regeneration efficiency is not good, deterioration of fuel consumption can be suppressed by providing a restriction on enrichment and continuation of temperature rise.
[0051]
In addition, in the present embodiment, in the ZSTTEMP map with respect to the S reproduction frequency, the characteristics of ZSTemp having different lower limit values (TL) are TL = 600 ° C. mode 0, TL = 500 ° C. mode 1, TL = 400 ° C. Three modes are set as mode 2, and the mode is changed to a mode with a lower lower limit value according to the above-described operating conditions (see step S3 and step S5), so even in an operating condition where the catalyst temperature Tcat is low. S purge. That is, when only mode 0 having a high lower limit value is set, for example, depending on the driving situation, the frequency of entering the condition is small and S regeneration takes time, but in this embodiment, this is avoided in advance. is there.
[0052]
In addition, in the low load / low rotation region of the internal combustion engine when the mode is changed to the mode 2 with the lower lower limit value, an additional fuel injection (two-stage combustion) method having a higher temperature rise effect than the ignition timing retarding method is used. Since the temperature of the storage NOx catalyst 25 is raised by using it, it is disadvantageous in terms of fuel consumption, but the temperature of the storage NOx catalyst 25 can be quickly raised and S purge can be performed reliably. On the other hand, Mode 0 or Mode 1 under the condition that the temperature rises easily is selected in the high load / high rotation range of the internal combustion engine in which it is difficult to secure the additional air amount and the additional fuel injection (two-stage combustion) method cannot be used. Similarly to the case, since the temperature is easily raised, the ignition timing retarding method can quickly raise the temperature of the storage-type NOx catalyst 25 while suppressing the deterioration of the fuel consumption, and the S purge can be performed reliably.
[0053]
In the present embodiment, even when Mode 1 or Mode 2 is selected, if S reproduction frequency ≧ predetermined value D, the initial state (Mode 0) is restored. The travel distance is reset when S regeneration frequency ≧ predetermined value D. In addition, the ignition timing retarding method and the additional fuel injection (two-stage combustion) method, which are the same as when mode 2 is selected, are used even when the initial state (mode 0) and / or mode 1 is selected. May be. Further, when the temperature of the catalyst is likely to rise (when the storage-type NOx catalyst 25 is disposed at a position relatively close to the engine 11 or the like), the mode 1 and the mode 2 are omitted and only the mode 0 is set as described above. The ignition timing retarding method and the additional fuel injection (two-stage combustion) method may be used properly.
[0054]
Even when the catalyst temperature Tcat is equal to or higher than a predetermined temperature (for example, 550 ° C.) or the average vehicle speed is equal to or higher than the predetermined value (for example, 40 km / h) even under the control conditions of step S14, the ignition timing retarding system is sufficiently purged. Therefore, instead of the additional fuel injection (two-stage combustion) method, an ignition timing retarding method may be used to suppress deterioration of fuel consumption. Further, when the condition of S regeneration frequency ≧ predetermined value D continues for a predetermined travel distance, the condition of S regeneration frequency ≧ predetermined value D is not changed without changing the minimum temperature for starting S regeneration (lower limit value TL of ZSTEMP). When the distance> L ₁ (for example, 1000 km) continues, the ignition timing retarding method and the additional fuel injection (two-stage combustion) method may be selectively used according to the operating conditions.
[0055]
Also, in the extremely low load range such as when idling (or when the vehicle is stopped = vehicle speed 0 km / h), the exhaust flow rate is small and the original catalyst temperature is low. Therefore, the temperature rise control (S regeneration) may be prohibited. Alternatively, in the extremely low load region, an upper limit may be set for the temperature rise control (for example, up to 30 seconds). In addition, when performing additional fuel injection (two-stage combustion), the injection timing of the main injection may be changed according to the driving situation as compression stroke injection + additional fuel injection and intake stroke injection + additional fuel injection. In addition, the ignition timing retardation may be used simultaneously at the time of additional fuel injection (two-stage combustion) to further increase the temperature rise effect.
[0056]
Further, even when Mode 2 is selected, if the S regeneration frequency ≧ predetermined value D is not satisfied, that is, the situation of S regeneration frequency ≧ predetermined value D continues for travel distance> L ₃ (for example, 3000 km, L ₃ > L ₂ ). In this case, lean operation may be prohibited as mode 3 (then, when S regeneration frequency ≧ predetermined value D, the initial state (mode 0) is restored). As an area for prohibiting lean operation, lean operation may be prohibited only during traveling, and lean operation may be permitted during idling. Thus, it means the stoichiometric or rich operation can purify NO _X at a high NO _X purification efficiency by the three-way catalyst, it can be more reliably reduced NO _X emissions. In the above example, the predetermined period is determined based on the travel distance. However, the travel time and the fuel consumption may be used instead of the travel distance. In the above example, the mode 1 and mode 2 are two stages, but the stages may be further subdivided.
[0057]
Further, learning may be performed according to the frequency at which mode 1 or mode 2 is selected (executed), and the predetermined mileage may be shortened as described below, or the mode may be omitted so that the S purge can be performed more reliably. .
Example 1: When the frequency of entering mode 1 (see below) is a predetermined value or more (for example, 50% or more), L ₁ is shortened (for example, 500 km).
Example 1-1: When the frequency of entering mode 1 returns to less than a predetermined value (for example, less than 50%), L ₁ is restored and lengthened (for example, 1000 km).
Example 2: When the frequency of entering mode 2 is equal to or higher than a predetermined value (for example, 50% or more), L ₁ is shortened (for example, 500 km) and / or L ₂ is shortened (for example, 1000 km). And / or omit mode 0.
Example 2-2: When the frequency of entering mode 2 returns to less than a predetermined value (for example, less than 50%), L ₁ and / or L ₂ is restored and lengthened (for example, L ₁ = 1000 km, L ₂ = 2000 km) ). And / or restore mode 0.
Frequency: Travel distance in mode 1 occupying all travel distances since the last reset (S regeneration frequency ≧ predetermined value D) = travel distance in mode 1 / total travel distance
Further, in the present embodiment, the example in which the temperature is increased assistively when the temperature of the storage NOx catalyst 25 becomes equal to or higher than the predetermined temperature has been described. However, when the temperature is increased regardless of the temperature of the storage NOx catalyst 25. Alternatively, the ignition timing retarding method and the additional fuel injection (two-stage combustion) method can be used properly. Further, the temperature of the storage type NOx catalyst 25 is set to an activation temperature of 250 ° C. to 350 ° C., and a temperature suitable for desorbing the stored SOx is 650 ° C. to 800 ° C., more preferably 700 ° C. or higher. The lower limit value TL of the temperature ZSTEP is set to 400 ° C., 500 ° C., and 600 ° C., and is selected according to the situation (history) of the S regeneration frequency, but each temperature depends on the characteristics of the storage NOx catalyst 25 or the engine configuration, exhaust temperature, etc. What is necessary is just to set suitably, and it is not limited to embodiment mentioned above. In the above-described embodiment, the two-stage combustion is used for the additional fuel injection method as the temperature raising means of the catalyst device. However, the additional fuel injection for directly injecting the fuel into the exhaust pipe 21 upstream of the storage type NOx catalyst 25 is used. A method may be used.
[0059]
In addition, the S purge is performed so that the regeneration degree of releasing SOx from the storage NOx catalyst 25 is maintained within a predetermined range. However, the amount of SOx stored in the conventional storage NOx catalyst 25 is estimated. An apparatus for performing S purge may be used. In this case, the conventional apparatus for performing S purge is preferably used as a secondary device. For example, as in the above-described embodiment, the driver performs an operation that enters S purge control based on the S regeneration frequency (regeneration degree). It is preferable from the standpoint of fuel economy and the like to operate forcibly for the purpose of regeneration of the catalyst or based on the estimation result of the SOx amount only when not performed. Further, in the above-described embodiment, the engine 11 is an in-cylinder injection type spark ignition type in-line gasoline engine. However, if the engine 11 has an occlusion type NOx catalyst, an intake pipe injection type lean burn engine or a diesel engine is used. It may be. Of course, the occlusion-type NO _x catalyst may be of a type that adsorbs NO _x in an oxidizing atmosphere and directly reduces it without releasing NO _x in a reducing atmosphere.
[0060]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention , the ignition timing retarding method and the additional fuel injection method can be properly used according to the operating state of the internal combustion engine, and the catalyst device can be quickly operated while suppressing deterioration of fuel consumption in any operating state. the Ki and out be reproduced reliably heated, in addition to the inherent operation and effect of keeping the reliable NOx purification efficiency in normal and can reduce NOx emissions, the catalyst system according to the catalyst regeneration degree Can be quickly raised in temperature, and the catalyst device can be efficiently regenerated.
[0061]
According to the invention of claim 2, the ignition timing retarding method and the additional fuel injection method can be properly used according to the operating state of the internal combustion engine, and the catalyst device can be quickly operated while suppressing deterioration of fuel consumption in any operating state. It was heated can be reliably reproduced, in addition to the inherent operation and effect of reducing NO x emissions amount always reliably to keep the NO x purification efficiency, the amount of adsorption of sulfur components (poisoning The catalyst device can be quickly heated according to the state), and a specific action and effect that the catalyst device can be efficiently regenerated is obtained.
[0062]
According to the third and fourth aspects of the invention , the control can be refined by zoning while preventing the fuel consumption from being deteriorated more than necessary.
[0063]
According to the invention of claim 5, the control can be simplified by zoning while preventing the fuel consumption from being deteriorated more than necessary.
[0064]
According to the invention of claim 6, it is possible to prevent the fuel consumption from being deteriorated more than necessary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of S purge control by the exhaust gas purification apparatus of the present embodiment.
FIG. 3 is a time chart of S purge control.
FIG. 4 is a graph showing a temperature rise setting temperature with respect to S regeneration frequency.
FIG. 5 is a graph showing a reflection coefficient with respect to an estimated catalyst temperature value.
FIG. 6 is a graph showing a relationship between S regeneration frequency and NOx emission amount.
FIG. 7 is a graph showing the NOx storage amount recovered after S regeneration with respect to S regeneration A / F.
[Explanation of symbols]
11 Engine (Internal combustion engine)
13 Spark plug 14 Fuel injection valve 15 Combustion chamber 17 Throttle valve 18 Throttle sensor 20 Crank angle sensor 21 Exhaust pipe (exhaust passage)
22 Three-way catalyst 23 Exhaust purification catalyst device (catalyst device)
24 High temperature sensor 25 Occlusion type NOx catalyst 26 Three way catalyst 28 ECU (electronic control unit)

Claims

It is provided in the exhaust passage of an internal combustion engine mounted on a vehicle and has a characteristic of storing sulfur components in exhaust gas when the exhaust air-fuel ratio is at least a lean air-fuel ratio and releasing the stored sulfur components in a high temperature reducing atmosphere. Having a catalytic device;
Fuel injection control means for injecting additional fuel by a fuel injection valve separately from the main injection of the internal combustion engine;
Ignition timing control means capable of retarding the ignition timing of the internal combustion engine;
Including the fuel injection control means and the ignition timing control means, by operating at least one of the ignition timing control means and the fuel injection control means, the catalyst device is heated to desorb the stored sulfur component. Reproduction means;
A regeneration degree detecting means for detecting or estimating a catalyst regeneration degree indicating a separation state of the sulfur component of the catalyst device ,
The regeneration means performs the catalyst temperature increase by the fuel injection control means only when a state where the catalyst regeneration degree detected or estimated by the regeneration degree detection means does not exceed a predetermined value continues for a predetermined period. An exhaust purification device for an internal combustion engine.

It is provided in the exhaust passage of an internal combustion engine mounted on a vehicle and has a characteristic of storing sulfur components in exhaust gas when the exhaust air-fuel ratio is at least a lean air-fuel ratio and releasing the stored sulfur components in a high temperature reducing atmosphere. Having a catalytic device;
Fuel injection control means for injecting additional fuel by a fuel injection valve separately from the main injection of the internal combustion engine;
Ignition timing control means capable of retarding the ignition timing of the internal combustion engine;
Catalyst temperature estimating means for estimating the temperature of the catalyst device;
Including the fuel injection control means and the ignition timing control means, by operating at least one of the ignition timing control means and the fuel injection control means, the catalyst device is heated to desorb the stored sulfur component. Reproduction means;
An adsorption amount detection means for detecting or estimating the adsorption amount of the sulfur component of the catalyst device,
The regeneration means executes the catalyst temperature increase by the fuel injection control means only when a state where the adsorption amount of the sulfur component detected or estimated by the adsorption amount detection means does not become a predetermined value or less continues for a predetermined period. exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine you characterized.

A load detecting means for detecting a load state of the internal combustion engine;
Said reproducing means according to claim 1, characterized in that executing the catalyst heating by the fuel injection control means only when satisfying also conditions the low load region of the engine detected by the load detecting means, or 2. An exhaust emission control device for an internal combustion engine according to 2 .

A catalyst temperature estimating means for estimating the temperature of the catalyst device;
The regeneration means raises the temperature of the catalyst device when the temperature of the catalyst device is equal to or higher than a predetermined temperature, desorbs the stored sulfur component, and continues the state not exceeding the predetermined value for a predetermined travel distance or more. 2. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the predetermined temperature is set lower .

Said reproducing means, when the running speed of the vehicle is a predetermined value or more, the internal combustion engine according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that not run catalyst heating by the fuel injection control means Exhaust purification device.

The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, 2, 3, or 4 , wherein the catalyst temperature rise control by the regeneration means is prohibited in an extremely low load region such as during idling of the internal combustion engine.