JP4114322B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に排気ガス中の有害物質を浄化する排気浄化用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】
一般に、内燃機関の排気系には排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを浄化処理する三元触媒が設けられており、例えば、特開平８−１４０２９号公報に開示されたものがある。
【０００３】
この公報に開示された「内燃機関の排気ガス浄化装置」では、機関の排気通路内に上流側触媒と三元触媒からなる下流側触媒とを配設し、上流側触媒の流入側で排気ガス中のＣＯやＨＣが酸化されて下流側でＣＯが酸化されると共にＮＯｘが還元され、下流側触媒でＣＯが酸化されると共にＮＯｘが還元されることで、触媒の酸化還元能力を高めて排気ガスを活性化するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した「内燃機関の排気ガス浄化装置」にあっては、内燃機関の運転状態や触媒温度、経年変化などにより触媒反応が低下する場合があり、この触媒反応が低下すると、排気ガスの浄化反応が低下して安定した排気浄化性能が得られなくなるという問題がある。そして、このような排気浄化性能の低下は、触媒に流入する排気ガスが還元雰囲気である状態が継続することに大きく起因しているものと考えられる。
【０００５】
例えば、三元触媒では、ＣＯやＨＣを酸化すると共に、ＮＯｘから酸素を分離して無害な窒素（Ｎ2 ）や酸素（Ｏ2 ）に変える還元作用を行っている。この三元触媒におけるＮＯｘの還元処理では、吸着、解離、脱離という作用で反応するが、排気ガスが還元雰囲気であると、ＣＯが過剰となって酸化しきれずに吸着してしまい、ＮＯｘが吸着、解離（還元処理）されずに排出されてしまうものと推測される。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するものであって、性能が低下した触媒を適正に再生することで排気浄化性能の向上を図った内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【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請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置では、筒内噴射式内燃機関の排気通路に設けられて排気ガス中の有害物質を浄化する三元触媒と、該三元触媒に流入する排気ガスが還元雰囲気である状態の継続に関連して変化する指標を検出する還元雰囲気継続指標検出手段と、膨張行程又は排気行程での燃料の副噴射により排気ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記還元雰囲気継続指標が所定の基準値より還元雰囲気の継続側に外れたときに一時的に排気ガスを酸化雰囲気にする排気空燃比制御手段とを具えたことを特徴とする。
【０００８】
従って、排気浄化用触媒の反応は、触媒に流入する排気ガスが還元雰囲気である状態が一定期間継続すると低下傾向を示すが、このときに触媒に流入する排気ガスを酸化雰囲気とすることでこれを防止し、触媒反応を再生することができ、排気浄化性能の低下を効率よく抑制できる。また、触媒反応が低下傾向を示した場合に触媒に流入する排気ガスを酸化雰囲気としたときに、ＣＯ、ＴＨＣ、Ｈ２が不足してＮＯｘが浄化できないときでも、還元剤を供給することによってＮＯｘを確実に浄化できる。
【０００９】
また、請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記三元触媒に流入する排気ガスが酸化雰囲気である状態の継続に関連して変化する指標を検出する酸化雰囲気継続指標検出手段を設け、前記排気空燃比制御手段は該酸化雰囲気継続指標に応じて排気ガスを酸化雰囲気にする期間を制御することを特徴としている。従って、触媒反応が低下傾向を示した場合に触媒に流入する排気ガスを酸化雰囲気としたときに、酸化雰囲気継続指標に応じて排気ガスを酸化雰囲気にする期間を制御することで、触媒反応を効率的に再生できる。
【００１１】
なお、還元雰囲気継続指標検出手段は、ストイキまたはリッチ運転の継続時間、ストイキまたはリッチ運転間の車両の走行距離、ストイキまたはリッチ運転間の触媒通過総流量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒温度、ストイキまたはリッチ運転間の触媒流入総ＣＯ量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒流入総Ｏ2 量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒ＣＯ被毒量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒不活性量、及び、これらと相関のあるパラメータの少なくとも１つを還元雰囲気継続指標として検出するのが好ましい。また、酸化雰囲気継続指標検出手段は、リーン運転の継続時間、リーン運転間の車両の走行距離、リーン運転間の触媒通過総流量、リーン運転間の触媒温度、リーン運転間の触媒流入総ＣＯ量、リーン運転間の触媒流入総Ｏ2 量、リーン運転間の触媒ＣＯ被毒量、リーン運転間の触媒不活性量、及び、これらと相関のあるパラメータの少なくとも１つを酸化雰囲気継続指標として検出するのが好ましい。
【００１２】
【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。
【００１３】
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が適用された筒内噴射式内燃機関の概略構成、図２に本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の制御のフローチャート、図３に本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるＣＯの吸着量及びＮＯｘの排出量を表すタイムチャートを示す。
【００１４】
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置において、図１に示すように、エンジン１０は燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型直列ガソリンエンジンであって、シリンダヘッド１１には各気筒毎に点火プラグ１２が取付けられると共に、インジェクタ１３が取付けられている。燃焼室１４内にはインジェクタ１３の噴射口が開口し、ドライバ１５を介してインジェクタ１３から噴射される燃料が燃焼室１４内に直接噴射されるようになっている。エンジン１０のシリンダ１６にはピストン１７が上下に摺動自在に支持され、ピストン１７の頂面には半球状に窪んだキャビティ１８が形成され、キャビティ１８によって燃焼室１４内に流入する吸気が反転される。そして、このキャビティ１８及び後述する吸気ポート１９によって、吸気流に通常のタンブル流とは逆の逆タンブル流を発生させることができる。
【００１５】
シリンダヘッド１１には燃焼室１４を臨む吸気ポート１９及び排気ポート２０が形成され、吸気ポート１９は吸気弁２１の駆動によって開閉され、排気ポート２０は排気弁２２の駆動によって開閉される。シリンダヘッド１１の上部には吸気側のカムシャフト２３及び排気側のカムシャフト２４が回転自在に支持され、吸気側のカムシャフト２３の回転により吸気弁２１が駆動され、排気側のカムシャフト２４の回転により排気弁２２が駆動される。
【００１６】
各気筒の所定のクランク位置でクランク角信号SGT を出力するベーン型のクランク角センサ２５が設けられ、クランク角センサ２５はエンジン回転速度を検出可能としている。また、クランクシャフトの半分の回転数で回転するカムシャフト２３，２４には気筒識別信号SGC を出力する識別センサ２６が設けられ、気筒識別信号SGC によりクランク角信号SGT がどの気筒のものか識別可能とされている。
【００１７】
吸気ポート１９には吸気マニホールド２７を介して吸気管２８が接続され、吸気管２８の空気取入口にはエアクリーナ２９が取付けられている。また、吸気管２８にはスロットルボデー３０が設けられ、スロットルボデー３０には流路を開閉するバタフライ式のスロットル弁３１が設けられると共に、スロットル弁３１の開度を検出するスロットルポジションセンサ３２が取付けられている。このスロットルポジションセンサ３２からは、スロットル弁３１の開度に応じたスロットル電圧が出力され、スロットル電圧に基づいてスロットル弁３１の開度が認識されるようになっている。また、スロットルボデー３０にはアイドル時にスロットル弁３１をバイパスして吸気を導入するパイパス通路３３が形成され、更に、このパイパス通路３３に同パイパス通路３３を開閉するアイドルスピードコントロールバルブ３４が設けられている。
【００１８】
一方、排気ポート２０には排気マニホールド３５を介して排気管３６が接続され、この排気管３６の下流側には排気ガス中の有害物質を浄化するＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８が設けられている。また、このＮＯｘ触媒３７の上流側にはＯ2 センサ３９が取付けられ、三元触媒３８の下流側にはＮＯｘセンサ４０が取付けられ、更に図示しないマフラーが取付けられている。
【００１９】
また、車両には制御装置としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）４１が設けられ、このＥＣＵ４１には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が具備されており、このＥＣＵ４１によって筒内噴射エンジン１０の総合的な制御が実施される。即ち、前述した各種センサ類２５，２６，３２，３９，４０の検出情報がＥＣＵ４１に入力され、ＥＣＵ４１は各種センサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして点火時期等を決定し、インジェクタ１３のドライバ１５や点火プラグ１２やアイドルスピードコントロールバルブ３４等を駆動制御する。
【００２０】
このように構成された筒内噴射エンジン１０では、吸気ポート１９から燃焼室１４内に空気が吸入されると共にインジェクタ１３が燃焼室１４に燃料を噴射すると、この燃焼室１４で燃料噴霧の旋回流が発生し、この旋回流に点火プラグ１２が点火することで、燃焼室１４内で吸気、圧縮、爆発、排気の各行程が繰り返される。そして、燃焼室１４で発生した排気ガスは、排気ポート２０から排気マニホールド３５を介して排気管３６に流出し、ＣＯやＨＣやＮＯｘなどの有害物質がＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８で浄化され、マフラーで消音されて大気に開放される。
【００２１】
このように構成された筒内噴射エンジン１０において、ＮＯｘ触媒３７や三元触媒３８は、エンジン１０の運転状態や触媒温度、経年変化などにより触媒反応が低下する場合があり、この触媒反応が低下すると、排気ガスの浄化反応が低下してしまう。この排気浄化性能の低下は、触媒に流入する排気ガスが還元雰囲気（排気空燃比がストイキまたはリッチ空燃比）である状態が継続することに大きく起因するものと考えられる。例えば、三元触媒では、酸化還元能力を高めるためにプラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属を触媒表面に担持しており、排気ガスが還元雰囲気であると、ＣＯが貴金属の表面に吸着してＮＯｘを還元できなくなることが考えられる。
【００２２】
そこで、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置にあっては、ＮＯｘ触媒３７や三元触媒３８に流入する排気ガスが還元雰囲気である状態の継続に関連して変化する指標を検出（還元雰囲気継続指標検出手段）し、ＥＣＵ４１はこの還元雰囲気継続指標が所定の基準値より還元雰囲気の継続側に外れたときに排気ガスを酸化雰囲気にする（排気空燃比制御手段）ようにしている。また、この排気ガスが酸化雰囲気である状態の継続に関連して変化する指標を検出（酸化雰囲気継続指標検出手段）し、ＥＣＵ４１はこの酸化雰囲気継続指標に応じて排気ガスを酸化雰囲気にする期間を制御するようにしている。更に、必要に応じて、ＥＣＵ４１は排気ガスを酸化雰囲気にすると共に、排気ガス中に還元剤を供給（還元剤供給手段）するようにしている。
【００２３】
なお、還元雰囲気継続指標検出手段は、ストイキまたはリッチ運転の継続時間、ストイキまたはリッチ運転間の車両の走行距離、ストイキまたはリッチ運転間の排気ガスの触媒通過総流量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒温度、ストイキまたはリッチ運転間の触媒流入総ＣＯ量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒流入総Ｏ2 量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒ＣＯ被毒量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒不活性量、及び、これらと相関のあるパラメータの少なくとも１つを還元雰囲気継続指標として検出する。なお、還元雰囲気継続指標とストイキまたはリッチ運転間の触媒流入総Ｏ2 量とは反比例の関係にあり、還元雰囲気継続指標とその他の上述の還元雰囲気継続指標とは比例関係にある。また、上述の触媒不活性量とは、触媒の浄化性能を測定、或いは推定して求める。例えば、触媒前後のＨＣ、ＣＯ、或いはＮＯｘ濃度を計測または推測して、触媒の浄化性能を推測したり、または、触媒温度と触媒流入排気ガス温度との差から触媒の浄化性能を推測する。なお、この温度差による浄化性能の推測は、触媒の反応熱分だけ触媒温度が触媒流入排気ガス温度よりも高くなることに起因するものである。
【００２４】
また、酸化雰囲気継続指標検出手段は、リーン運転の継続時間、リーン運転間の車両の走行距離、リーン運転間の排気ガスの触媒通過総流量、リーン運転間の触媒温度、リーン運転間の触媒流入総ＣＯ量、リーン運転間の触媒流入総Ｏ2 量、リーン運転間の触媒ＣＯ被毒量、リーン運転間の触媒不活性量、及び、これらと相関のあるパラメータの少なくとも１つを酸化雰囲気継続指標として検出する。なお、酸化雰囲気継続指標とリーン運転間の触媒流入総ＣＯ量、またはリーン運転間の触媒ＣＯ被毒量とは反比例の関係にあり、酸化雰囲気継続指標とその他の上述の酸化雰囲気継続指標とは比例関係にある。なお、酸化雰囲気継続指標としてリーン運転間の排気ガスの触媒通過総流量を検出している状態で２次エアの供給を行う場合には、２次エアも含めた排気ガスの触媒通過総流量を検出する。
【００２５】
ここで、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置による触媒再生制御について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００２６】
まず、ステップＳ１において、還元雰囲気継続指標としての非リーン継続指標ＷＯＬと、酸化雰囲気継続指標としてのリーン継続指標ＷＬと、副噴射継続指標ＳＵＢを読み込む。この場合、例えば、非リーン継続指標ＷＯＬをストイキ及びリッチ運転の継続時間とし、リーン継続指標ＷＬをリーン運転の継続時間とし、副噴射継続指標ＳＵＢを膨張行程または排気行程での燃料噴射時間とする。
【００２７】
そして、ステップＳ２では、非リーン継続指標ＷＯＬ（例えば、ストイキ及びリッチ運転の継続時間）がその判定値ＷＯＬS より大きい（例えば、３０秒より長い）かどうかを判定し、判定値ＷＯＬS 以下であれば何もせずにこのルーチンを抜けるが、判定値ＷＯＬS よりも大きければステップＳ３に移行する。このステップＳ３では、リーン継続指標ＷＬ（例えば、リーン運転の継続時間）がその判定値ＷＬS （例えば、０．５秒）以下かどうかを判定する。なお、この判定値ＷＯＬS 及び判定値ＷＬS は固定値としてもよいが、各指標ＷＯＬ、ＷＬと同様に車両の走行距離やストイキまたはリッチ（リーン）運転の継続時間等の関数とすることが望ましい。
【００２８】
また、リーンスパイクを行う間隔は、非リーン継続指標ＷＯＬによって変更される。例えば、非リーン継続指標ＷＯＬとしてストイキ及びリッチ運転間の触媒流入総ＣＯ量を選択した場合には、非リーン運転時の空燃比のリッチ度合いがＣＯ濃度と相関があるため、触媒流入総ＣＯ量に相関するパラメータとして非リーン運転時の空燃比を用いる。具体的には、非リーン運転時の空燃比のリッチ度合いによってＣＯ濃度を推定して、非リーン継続指標ＷＯＬとして求める。その結果、非リーン継続指標ＷＯＬの変化度合いが空燃比のリッチ度合いによって変わるため、リーンスパイクを行う間隔も変更される。
【００２９】
また、例えば、非リーン継続指標ＷＯＬとしてストイキ及びリッチ運転間の触媒温度を選択した場合には、触媒温度が高いほど触媒表面が活性化されてＣＯが吸着され易い状態となるため、触媒温度が高いほど非リーン継続指標ＷＯＬの変化度合いも大きくなり、リーンスパイクを行う間隔が短くなる。更に、非リーン継続指標ＷＯＬとしてストイキ及びリッチ運転間の触媒ＣＯ被毒量を選択した場合には、この触媒ＣＯ被毒量は、触媒ＣＯ被毒量と相関のあるパラメータとして、触媒下流に設けられた排気空燃比センサの出力を用いて求められる。具体的には、排気空燃比センサの出力の振幅が所定値以上のとき、或いは出力の変化率が所定以上のときに、ＣＯ被毒量が所定量以上と判断する。
【００３０】
そして、非リーン継続指標ＷＯＬが判定値ＷＯＬS より大きくて、リーン継続指標ＷＬが判定値ＷＬS 以下であるときには、排気ガスの還元雰囲気状態の継続によりＮＯｘ触媒３７や三元触媒３８の触媒反応が低下していると判定し、ステップＳ４では、ＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８を強制的にリーン化する。具体的には、排気空燃比をリーン空燃比としたり、ＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８の上流側に２次エアを供給すればよい。この場合、フィーリングが悪化しないように燃焼空燃比や点火時期、噴射時期等を補正制御したり、各テーリング係数を設定したりするとよい。
【００３１】
一方、ステップＳ３にて、リーン継続指標ＷＬが判定値ＷＬS より大きいと判定されると、ステップＳ５にて非リーン継続指標ＷＯＬ及びリーン継続指標ＷＬをリセット（ＷＯＬ及びＷＬを０）してリターンする。このとき、ステップＳ４にて、ＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８を強制的にリーン化した後であれば、強制的なリーン化の解除も同時に行い、例えば、０．５秒の強制的なリーン化が完了する。一方、ステップＳ４でＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８を強制的にリーン化した後、ステップＳ６では、副噴射継続指標ＳＵＢ（例えば、副噴射時間）がその判定値ＳＵＢS （例えば、０．５秒）以下かどうかを判定し、以下であればリーン運転状態の継続により排気ガスにＣＯ、ＴＨＣ、Ｈ2 が不足してＮＯｘが浄化できない虞があるため、ステップＳ７にて副噴射を実行し、還元剤としてＣＯ、あるいはＴＨＣ、Ｈ2 を供給することでＮＯｘを確実に浄化できる。なお、このステップＳ７の副噴射による還元剤の供給の代わりに、ＥＧＲの増量、点火時期リタード等でＮＯｘ排出を抑制してもよい。
【００３２】
そして、ステップＳ７を経過した後はリターンしてステップＳ１以降の処理を繰り返す。また、ステップＳ６で副噴射継続指標ＳＵＢが判定値ＳＵＢS より大きいと判定されると、ステップＳ８にて、設定した副噴射継続指標ＳＵＢをリセット（ＳＵＢを０）してリターンするが、このとき、ステップＳ７で副噴射を行った後であれば、副噴射の終了も同時に行い、例えば、０．５秒の副噴射が完了する。ここで、ステップＳ８における副噴射継続指標ＳＵＢのリセットの前に、ステップＳ３にて、リーン継続指標ＷＬが判定値ＷＬS より大きいと判定されると、ステップＳ５にて非リーン継続指標ＷＯＬ及びリーン継続指標ＷＬをリセットすると共に、副噴射継続指標ＳＵＢをリセットし、副噴射も同時に終了される。
【００３３】
また、リーンスパイクの継続時間は、リーン継続指標ＷＬによって変更される。例えば、リーン継続指標ＷＬとしてリーン運転間の触媒流入総Ｏ2 量を選択した場合には、リーン運転時の空燃比のリーン度合いがＯ2 濃度と相関があるため、触媒流入総Ｏ2 量に相関するパラメータとしてリーン運転時の空燃比を用いる。具体的には、リーン運転時の空燃比のリーン度合いによってＯ2 濃度を推定して、リーン継続指標ＷＬとして求める。その結果、リーン継続指標ＷＬの変化度合いが空燃比のリーン度合いによって変わるため、リーンスパイクの継続時間も変更される。
【００３４】
このような触媒再生制御を具体的に説明すると、図３に示すように、ＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８の下流側では、時間の経過と共にＮＯｘ排出量が増加すると共に、触媒でのＣＯ吸着量が増加するため、リーンスパイク（触媒のリーン化）を行うことで、ＮＯｘ排出量及びＣＯ吸着量が直ちに減少することとなり、前述したように、Ｏ2 の供給により触媒の貴金属に付着したＣＯが脱離し、ＮＯｘを適正に還元できる。
【００３５】
このように本実施形態の内燃機関の排気浄化装置にあっては、リーン運転状態が所定期間継続したら排気空燃比をリーン空燃比とすることで、ＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８をリーン化して直ちに再生することができ、触媒性能の低下を防止できる。
【００３６】
なお、上述の実施形態では、排気管３６の排気浄化用触媒としてＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８を設けたが、三元触媒３８だけであってもよい。また、エンジン１０を筒内噴射型ガソリンエンジンとしたが、空気とガソリンの混合気を燃焼室に供給する型式のエンジンであってもよい。また、副噴射については、省略することも可能である。一方、リーン運転状態の継続により排気ガスにＣＯ、ＴＨＣ、Ｈ2 が不足してＮＯｘが浄化できない虞があるときに、副噴射を実行して還元剤を供給してＮＯｘを浄化してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、還元雰囲気継続指標が所定の基準値より還元雰囲気の継続側に外れたときに一時的に排気ガスを酸化雰囲気にするので、触媒性能の低下を防止して触媒反応を再生することができ、排気浄化性能の低下を効率よく抑制することができる。
また、一時的に排気ガスを酸化雰囲気にすると共に膨張行程又は排気行程での燃料の副噴射により排気ガス中に還元剤を供給するので、触媒反応が低下傾向を示して触媒に流入する排気ガスを酸化雰囲気したときに、ＣＯ、ＴＨＣ、Ｈ2が不足してＮＯｘが浄化できないときでも還元剤を供給することでＮＯｘを確実に浄化することができる。
【００３８】
また、請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、酸化雰囲気継続指標に応じて排気ガスを酸化雰囲気にする期間を制御するので、触媒反応を効率的に再生することができる。
【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が適用された筒内噴射式内燃機関の概略構成図である。
【図２】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の制御のフローチャートである。
【図３】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるＣＯの吸着量及びＮＯｘの排出量を表すタイムチャートである。
【符号の説明】
１０ 筒内噴射エンジン
１３ インジェクタ
１４ 燃焼室
３６ 排気管
３７ ＮＯｘ触媒（排気浄化用触媒）
３８ 三元触媒（排気浄化用触媒）
４１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ、還元雰囲気継続指標検出手段、酸化雰囲気継続指標検出手段、排気空燃比制御手段、還元剤供給手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に排気ガス中の有害物質を浄化する排気浄化用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】
一般に、内燃機関の排気系には排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを浄化処理する三元触媒が設けられており、例えば、特開平８−１４０２９号公報に開示されたものがある。
【０００３】
この公報に開示された「内燃機関の排気ガス浄化装置」では、機関の排気通路内に上流側触媒と三元触媒からなる下流側触媒とを配設し、上流側触媒の流入側で排気ガス中のＣＯやＨＣが酸化されて下流側でＣＯが酸化されると共にＮＯｘが還元され、下流側触媒でＣＯが酸化されると共にＮＯｘが還元されることで、触媒の酸化還元能力を高めて排気ガスを活性化するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した「内燃機関の排気ガス浄化装置」にあっては、内燃機関の運転状態や触媒温度、経年変化などにより触媒反応が低下する場合があり、この触媒反応が低下すると、排気ガスの浄化反応が低下して安定した排気浄化性能が得られなくなるという問題がある。そして、このような排気浄化性能の低下は、触媒に流入する排気ガスが還元雰囲気である状態が継続することに大きく起因しているものと考えられる。
【０００５】
例えば、三元触媒では、ＣＯやＨＣを酸化すると共に、ＮＯｘから酸素を分離して無害な窒素（Ｎ2 ）や酸素（Ｏ2 ）に変える還元作用を行っている。この三元触媒におけるＮＯｘの還元処理では、吸着、解離、脱離という作用で反応するが、排気ガスが還元雰囲気であると、ＣＯが過剰となって酸化しきれずに吸着してしまい、ＮＯｘが吸着、解離（還元処理）されずに排出されてしまうものと推測される。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するものであって、性能が低下した触媒を適正に再生することで排気浄化性能の向上を図った内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【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請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置では、筒内噴射式内燃機関の排気通路に設けられて排気ガス中の有害物質を浄化する三元触媒と、該三元触媒に流入する排気ガスが還元雰囲気である状態の継続に関連して変化する指標を検出する還元雰囲気継続指標検出手段と、膨張行程又は排気行程での燃料の副噴射により排気ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記還元雰囲気継続指標が所定の基準値より還元雰囲気の継続側に外れたときに一時的に排気ガスを酸化雰囲気にする排気空燃比制御手段とを具えたことを特徴とする。
【０００８】
従って、排気浄化用触媒の反応は、触媒に流入する排気ガスが還元雰囲気である状態が一定期間継続すると低下傾向を示すが、このときに触媒に流入する排気ガスを酸化雰囲気とすることでこれを防止し、触媒反応を再生することができ、排気浄化性能の低下を効率よく抑制できる。また、触媒反応が低下傾向を示した場合に触媒に流入する排気ガスを酸化雰囲気としたときに、ＣＯ、ＴＨＣ、Ｈ２が不足してＮＯｘが浄化できないときでも、還元剤を供給することによってＮＯｘを確実に浄化できる。
【０００９】
また、請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記三元触媒に流入する排気ガスが酸化雰囲気である状態の継続に関連して変化する指標を検出する酸化雰囲気継続指標検出手段を設け、前記排気空燃比制御手段は該酸化雰囲気継続指標に応じて排気ガスを酸化雰囲気にする期間を制御することを特徴としている。従って、触媒反応が低下傾向を示した場合に触媒に流入する排気ガスを酸化雰囲気としたときに、酸化雰囲気継続指標に応じて排気ガスを酸化雰囲気にする期間を制御することで、触媒反応を効率的に再生できる。
【００１１】
なお、還元雰囲気継続指標検出手段は、ストイキまたはリッチ運転の継続時間、ストイキまたはリッチ運転間の車両の走行距離、ストイキまたはリッチ運転間の触媒通過総流量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒温度、ストイキまたはリッチ運転間の触媒流入総ＣＯ量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒流入総Ｏ2 量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒ＣＯ被毒量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒不活性量、及び、これらと相関のあるパラメータの少なくとも１つを還元雰囲気継続指標として検出するのが好ましい。また、酸化雰囲気継続指標検出手段は、リーン運転の継続時間、リーン運転間の車両の走行距離、リーン運転間の触媒通過総流量、リーン運転間の触媒温度、リーン運転間の触媒流入総ＣＯ量、リーン運転間の触媒流入総Ｏ2 量、リーン運転間の触媒ＣＯ被毒量、リーン運転間の触媒不活性量、及び、これらと相関のあるパラメータの少なくとも１つを酸化雰囲気継続指標として検出するのが好ましい。
【００１２】
【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。
【００１３】
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が適用された筒内噴射式内燃機関の概略構成、図２に本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の制御のフローチャート、図３に本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるＣＯの吸着量及びＮＯｘの排出量を表すタイムチャートを示す。
【００１４】
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置において、図１に示すように、エンジン１０は燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型直列ガソリンエンジンであって、シリンダヘッド１１には各気筒毎に点火プラグ１２が取付けられると共に、インジェクタ１３が取付けられている。燃焼室１４内にはインジェクタ１３の噴射口が開口し、ドライバ１５を介してインジェクタ１３から噴射される燃料が燃焼室１４内に直接噴射されるようになっている。エンジン１０のシリンダ１６にはピストン１７が上下に摺動自在に支持され、ピストン１７の頂面には半球状に窪んだキャビティ１８が形成され、キャビティ１８によって燃焼室１４内に流入する吸気が反転される。そして、このキャビティ１８及び後述する吸気ポート１９によって、吸気流に通常のタンブル流とは逆の逆タンブル流を発生させることができる。
【００１５】
シリンダヘッド１１には燃焼室１４を臨む吸気ポート１９及び排気ポート２０が形成され、吸気ポート１９は吸気弁２１の駆動によって開閉され、排気ポート２０は排気弁２２の駆動によって開閉される。シリンダヘッド１１の上部には吸気側のカムシャフト２３及び排気側のカムシャフト２４が回転自在に支持され、吸気側のカムシャフト２３の回転により吸気弁２１が駆動され、排気側のカムシャフト２４の回転により排気弁２２が駆動される。
【００１６】
各気筒の所定のクランク位置でクランク角信号SGT を出力するベーン型のクランク角センサ２５が設けられ、クランク角センサ２５はエンジン回転速度を検出可能としている。また、クランクシャフトの半分の回転数で回転するカムシャフト２３，２４には気筒識別信号SGC を出力する識別センサ２６が設けられ、気筒識別信号SGC によりクランク角信号SGT がどの気筒のものか識別可能とされている。
【００１７】
吸気ポート１９には吸気マニホールド２７を介して吸気管２８が接続され、吸気管２８の空気取入口にはエアクリーナ２９が取付けられている。また、吸気管２８にはスロットルボデー３０が設けられ、スロットルボデー３０には流路を開閉するバタフライ式のスロットル弁３１が設けられると共に、スロットル弁３１の開度を検出するスロットルポジションセンサ３２が取付けられている。このスロットルポジションセンサ３２からは、スロットル弁３１の開度に応じたスロットル電圧が出力され、スロットル電圧に基づいてスロットル弁３１の開度が認識されるようになっている。また、スロットルボデー３０にはアイドル時にスロットル弁３１をバイパスして吸気を導入するパイパス通路３３が形成され、更に、このパイパス通路３３に同パイパス通路３３を開閉するアイドルスピードコントロールバルブ３４が設けられている。
【００１８】
一方、排気ポート２０には排気マニホールド３５を介して排気管３６が接続され、この排気管３６の下流側には排気ガス中の有害物質を浄化するＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８が設けられている。また、このＮＯｘ触媒３７の上流側にはＯ2 センサ３９が取付けられ、三元触媒３８の下流側にはＮＯｘセンサ４０が取付けられ、更に図示しないマフラーが取付けられている。
【００１９】
また、車両には制御装置としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）４１が設けられ、このＥＣＵ４１には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が具備されており、このＥＣＵ４１によって筒内噴射エンジン１０の総合的な制御が実施される。即ち、前述した各種センサ類２５，２６，３２，３９，４０の検出情報がＥＣＵ４１に入力され、ＥＣＵ４１は各種センサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして点火時期等を決定し、インジェクタ１３のドライバ１５や点火プラグ１２やアイドルスピードコントロールバルブ３４等を駆動制御する。
【００２０】
このように構成された筒内噴射エンジン１０では、吸気ポート１９から燃焼室１４内に空気が吸入されると共にインジェクタ１３が燃焼室１４に燃料を噴射すると、この燃焼室１４で燃料噴霧の旋回流が発生し、この旋回流に点火プラグ１２が点火することで、燃焼室１４内で吸気、圧縮、爆発、排気の各行程が繰り返される。そして、燃焼室１４で発生した排気ガスは、排気ポート２０から排気マニホールド３５を介して排気管３６に流出し、ＣＯやＨＣやＮＯｘなどの有害物質がＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８で浄化され、マフラーで消音されて大気に開放される。
【００２１】
このように構成された筒内噴射エンジン１０において、ＮＯｘ触媒３７や三元触媒３８は、エンジン１０の運転状態や触媒温度、経年変化などにより触媒反応が低下する場合があり、この触媒反応が低下すると、排気ガスの浄化反応が低下してしまう。この排気浄化性能の低下は、触媒に流入する排気ガスが還元雰囲気（排気空燃比がストイキまたはリッチ空燃比）である状態が継続することに大きく起因するものと考えられる。例えば、三元触媒では、酸化還元能力を高めるためにプラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属を触媒表面に担持しており、排気ガスが還元雰囲気であると、ＣＯが貴金属の表面に吸着してＮＯｘを還元できなくなることが考えられる。
【００２２】
そこで、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置にあっては、ＮＯｘ触媒３７や三元触媒３８に流入する排気ガスが還元雰囲気である状態の継続に関連して変化する指標を検出（還元雰囲気継続指標検出手段）し、ＥＣＵ４１はこの還元雰囲気継続指標が所定の基準値より還元雰囲気の継続側に外れたときに排気ガスを酸化雰囲気にする（排気空燃比制御手段）ようにしている。また、この排気ガスが酸化雰囲気である状態の継続に関連して変化する指標を検出（酸化雰囲気継続指標検出手段）し、ＥＣＵ４１はこの酸化雰囲気継続指標に応じて排気ガスを酸化雰囲気にする期間を制御するようにしている。更に、必要に応じて、ＥＣＵ４１は排気ガスを酸化雰囲気にすると共に、排気ガス中に還元剤を供給（還元剤供給手段）するようにしている。
【００２３】
なお、還元雰囲気継続指標検出手段は、ストイキまたはリッチ運転の継続時間、ストイキまたはリッチ運転間の車両の走行距離、ストイキまたはリッチ運転間の排気ガスの触媒通過総流量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒温度、ストイキまたはリッチ運転間の触媒流入総ＣＯ量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒流入総Ｏ2 量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒ＣＯ被毒量、ストイキまたはリッチ運転間の触媒不活性量、及び、これらと相関のあるパラメータの少なくとも１つを還元雰囲気継続指標として検出する。なお、還元雰囲気継続指標とストイキまたはリッチ運転間の触媒流入総Ｏ2 量とは反比例の関係にあり、還元雰囲気継続指標とその他の上述の還元雰囲気継続指標とは比例関係にある。また、上述の触媒不活性量とは、触媒の浄化性能を測定、或いは推定して求める。例えば、触媒前後のＨＣ、ＣＯ、或いはＮＯｘ濃度を計測または推測して、触媒の浄化性能を推測したり、または、触媒温度と触媒流入排気ガス温度との差から触媒の浄化性能を推測する。なお、この温度差による浄化性能の推測は、触媒の反応熱分だけ触媒温度が触媒流入排気ガス温度よりも高くなることに起因するものである。
【００２４】
また、酸化雰囲気継続指標検出手段は、リーン運転の継続時間、リーン運転間の車両の走行距離、リーン運転間の排気ガスの触媒通過総流量、リーン運転間の触媒温度、リーン運転間の触媒流入総ＣＯ量、リーン運転間の触媒流入総Ｏ2 量、リーン運転間の触媒ＣＯ被毒量、リーン運転間の触媒不活性量、及び、これらと相関のあるパラメータの少なくとも１つを酸化雰囲気継続指標として検出する。なお、酸化雰囲気継続指標とリーン運転間の触媒流入総ＣＯ量、またはリーン運転間の触媒ＣＯ被毒量とは反比例の関係にあり、酸化雰囲気継続指標とその他の上述の酸化雰囲気継続指標とは比例関係にある。なお、酸化雰囲気継続指標としてリーン運転間の排気ガスの触媒通過総流量を検出している状態で２次エアの供給を行う場合には、２次エアも含めた排気ガスの触媒通過総流量を検出する。
【００２５】
ここで、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置による触媒再生制御について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００２６】
まず、ステップＳ１において、還元雰囲気継続指標としての非リーン継続指標ＷＯＬと、酸化雰囲気継続指標としてのリーン継続指標ＷＬと、副噴射継続指標ＳＵＢを読み込む。この場合、例えば、非リーン継続指標ＷＯＬをストイキ及びリッチ運転の継続時間とし、リーン継続指標ＷＬをリーン運転の継続時間とし、副噴射継続指標ＳＵＢを膨張行程または排気行程での燃料噴射時間とする。
【００２７】
そして、ステップＳ２では、非リーン継続指標ＷＯＬ（例えば、ストイキ及びリッチ運転の継続時間）がその判定値ＷＯＬS より大きい（例えば、３０秒より長い）かどうかを判定し、判定値ＷＯＬS 以下であれば何もせずにこのルーチンを抜けるが、判定値ＷＯＬS よりも大きければステップＳ３に移行する。このステップＳ３では、リーン継続指標ＷＬ（例えば、リーン運転の継続時間）がその判定値ＷＬS （例えば、０．５秒）以下かどうかを判定する。なお、この判定値ＷＯＬS 及び判定値ＷＬS は固定値としてもよいが、各指標ＷＯＬ、ＷＬと同様に車両の走行距離やストイキまたはリッチ（リーン）運転の継続時間等の関数とすることが望ましい。
【００２８】
また、リーンスパイクを行う間隔は、非リーン継続指標ＷＯＬによって変更される。例えば、非リーン継続指標ＷＯＬとしてストイキ及びリッチ運転間の触媒流入総ＣＯ量を選択した場合には、非リーン運転時の空燃比のリッチ度合いがＣＯ濃度と相関があるため、触媒流入総ＣＯ量に相関するパラメータとして非リーン運転時の空燃比を用いる。具体的には、非リーン運転時の空燃比のリッチ度合いによってＣＯ濃度を推定して、非リーン継続指標ＷＯＬとして求める。その結果、非リーン継続指標ＷＯＬの変化度合いが空燃比のリッチ度合いによって変わるため、リーンスパイクを行う間隔も変更される。
【００２９】
また、例えば、非リーン継続指標ＷＯＬとしてストイキ及びリッチ運転間の触媒温度を選択した場合には、触媒温度が高いほど触媒表面が活性化されてＣＯが吸着され易い状態となるため、触媒温度が高いほど非リーン継続指標ＷＯＬの変化度合いも大きくなり、リーンスパイクを行う間隔が短くなる。更に、非リーン継続指標ＷＯＬとしてストイキ及びリッチ運転間の触媒ＣＯ被毒量を選択した場合には、この触媒ＣＯ被毒量は、触媒ＣＯ被毒量と相関のあるパラメータとして、触媒下流に設けられた排気空燃比センサの出力を用いて求められる。具体的には、排気空燃比センサの出力の振幅が所定値以上のとき、或いは出力の変化率が所定以上のときに、ＣＯ被毒量が所定量以上と判断する。
【００３０】
そして、非リーン継続指標ＷＯＬが判定値ＷＯＬS より大きくて、リーン継続指標ＷＬが判定値ＷＬS 以下であるときには、排気ガスの還元雰囲気状態の継続によりＮＯｘ触媒３７や三元触媒３８の触媒反応が低下していると判定し、ステップＳ４では、ＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８を強制的にリーン化する。具体的には、排気空燃比をリーン空燃比としたり、ＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８の上流側に２次エアを供給すればよい。この場合、フィーリングが悪化しないように燃焼空燃比や点火時期、噴射時期等を補正制御したり、各テーリング係数を設定したりするとよい。
【００３１】
一方、ステップＳ３にて、リーン継続指標ＷＬが判定値ＷＬS より大きいと判定されると、ステップＳ５にて非リーン継続指標ＷＯＬ及びリーン継続指標ＷＬをリセット（ＷＯＬ及びＷＬを０）してリターンする。このとき、ステップＳ４にて、ＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８を強制的にリーン化した後であれば、強制的なリーン化の解除も同時に行い、例えば、０．５秒の強制的なリーン化が完了する。一方、ステップＳ４でＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８を強制的にリーン化した後、ステップＳ６では、副噴射継続指標ＳＵＢ（例えば、副噴射時間）がその判定値ＳＵＢS （例えば、０．５秒）以下かどうかを判定し、以下であればリーン運転状態の継続により排気ガスにＣＯ、ＴＨＣ、Ｈ2 が不足してＮＯｘが浄化できない虞があるため、ステップＳ７にて副噴射を実行し、還元剤としてＣＯ、あるいはＴＨＣ、Ｈ2 を供給することでＮＯｘを確実に浄化できる。なお、このステップＳ７の副噴射による還元剤の供給の代わりに、ＥＧＲの増量、点火時期リタード等でＮＯｘ排出を抑制してもよい。
【００３２】
そして、ステップＳ７を経過した後はリターンしてステップＳ１以降の処理を繰り返す。また、ステップＳ６で副噴射継続指標ＳＵＢが判定値ＳＵＢS より大きいと判定されると、ステップＳ８にて、設定した副噴射継続指標ＳＵＢをリセット（ＳＵＢを０）してリターンするが、このとき、ステップＳ７で副噴射を行った後であれば、副噴射の終了も同時に行い、例えば、０．５秒の副噴射が完了する。ここで、ステップＳ８における副噴射継続指標ＳＵＢのリセットの前に、ステップＳ３にて、リーン継続指標ＷＬが判定値ＷＬS より大きいと判定されると、ステップＳ５にて非リーン継続指標ＷＯＬ及びリーン継続指標ＷＬをリセットすると共に、副噴射継続指標ＳＵＢをリセットし、副噴射も同時に終了される。
【００３３】
また、リーンスパイクの継続時間は、リーン継続指標ＷＬによって変更される。例えば、リーン継続指標ＷＬとしてリーン運転間の触媒流入総Ｏ2 量を選択した場合には、リーン運転時の空燃比のリーン度合いがＯ2 濃度と相関があるため、触媒流入総Ｏ2 量に相関するパラメータとしてリーン運転時の空燃比を用いる。具体的には、リーン運転時の空燃比のリーン度合いによってＯ2 濃度を推定して、リーン継続指標ＷＬとして求める。その結果、リーン継続指標ＷＬの変化度合いが空燃比のリーン度合いによって変わるため、リーンスパイクの継続時間も変更される。
【００３４】
このような触媒再生制御を具体的に説明すると、図３に示すように、ＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８の下流側では、時間の経過と共にＮＯｘ排出量が増加すると共に、触媒でのＣＯ吸着量が増加するため、リーンスパイク（触媒のリーン化）を行うことで、ＮＯｘ排出量及びＣＯ吸着量が直ちに減少することとなり、前述したように、Ｏ2 の供給により触媒の貴金属に付着したＣＯが脱離し、ＮＯｘを適正に還元できる。
【００３５】
このように本実施形態の内燃機関の排気浄化装置にあっては、リーン運転状態が所定期間継続したら排気空燃比をリーン空燃比とすることで、ＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８をリーン化して直ちに再生することができ、触媒性能の低下を防止できる。
【００３６】
なお、上述の実施形態では、排気管３６の排気浄化用触媒としてＮＯｘ触媒３７及び三元触媒３８を設けたが、三元触媒３８だけであってもよい。また、エンジン１０を筒内噴射型ガソリンエンジンとしたが、空気とガソリンの混合気を燃焼室に供給する型式のエンジンであってもよい。また、副噴射については、省略することも可能である。一方、リーン運転状態の継続により排気ガスにＣＯ、ＴＨＣ、Ｈ2 が不足してＮＯｘが浄化できない虞があるときに、副噴射を実行して還元剤を供給してＮＯｘを浄化してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、還元雰囲気継続指標が所定の基準値より還元雰囲気の継続側に外れたときに一時的に排気ガスを酸化雰囲気にするので、触媒性能の低下を防止して触媒反応を再生することができ、排気浄化性能の低下を効率よく抑制することができる。
また、一時的に排気ガスを酸化雰囲気にすると共に膨張行程又は排気行程での燃料の副噴射により排気ガス中に還元剤を供給するので、触媒反応が低下傾向を示して触媒に流入する排気ガスを酸化雰囲気したときに、ＣＯ、ＴＨＣ、Ｈ2が不足してＮＯｘが浄化できないときでも還元剤を供給することでＮＯｘを確実に浄化することができる。
【００３８】
また、請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、酸化雰囲気継続指標に応じて排気ガスを酸化雰囲気にする期間を制御するので、触媒反応を効率的に再生することができる。
【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が適用された筒内噴射式内燃機関の概略構成図である。
【図２】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の制御のフローチャートである。
【図３】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるＣＯの吸着量及びＮＯｘの排出量を表すタイムチャートである。
【符号の説明】
１０ 筒内噴射エンジン
１３ インジェクタ
１４ 燃焼室
３６ 排気管
３７ ＮＯｘ触媒（排気浄化用触媒）
３８ 三元触媒（排気浄化用触媒）
４１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ、還元雰囲気継続指標検出手段、酸化雰囲気継続指標検出手段、排気空燃比制御手段、還元剤供給手段）
Claims (2)
- 筒内噴射式内燃機関の排気通路に設けられて排気ガス中の有害物質を浄化する三元触媒と、
該三元触媒に流入する排気ガスが還元雰囲気である状態の継続に関連して変化する指標を検出する還元雰囲気継続指標検出手段と、
膨張行程又は排気行程での燃料の副噴射により排気ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記還元雰囲気継続指標が所定の基準値より還元雰囲気の継続側に外れたときに一時的に排気ガスを酸化雰囲気にする排気空燃比制御手段とを具えた
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記三元触媒に流入する排気ガスが酸化雰囲気である状態の継続に関連して変化する指標を検出する酸化雰囲気継続指標検出手段を設け、前記排気空燃比制御手段は該酸化雰囲気継続指標に応じて排気ガスを酸化雰囲気にする期間を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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