JP4122617B2

JP4122617B2 - Engine exhaust purification system

Info

Publication number: JP4122617B2
Application number: JP05791599A
Authority: JP
Inventors: 明秀高見; 誠京極; 啓司山田; 謙治岡本; 誠治三好
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: JP2000257469A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気通路に排気中の大気汚染物質を除去する浄化材を設けた排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のエンジンの排気浄化装置として、エンジンの排気通路に、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でその排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収する一方、酸素濃度が低下するとＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材を設けるとともに、その下流側に隣接するように三元触媒を配設して、放出されるＮＯｘを還元浄化するようにしたものが知られている（例えば、特開平１０−２７４０８５号公報参照）。
【０００３】
前記のようなＮＯｘ吸収材は、一般に、排気中の酸素濃度が高いときにＮＯｘを酸化させて硝酸塩として吸収する一方、酸素濃度が低下すると、吸収した硝酸塩を排気中の一酸化炭素（ＣＯ）と置換反応させて、このＣＯを炭酸塩として吸収しつつ、ＮＯｘを放出するという特性を有している。このため、前記従来例のものでは、前記ＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させて還元浄化するときには、エンジンの燃焼室の空燃比を理論空燃比近傍に制御して、排気中の酸素濃度を低下させるとともに、気筒の膨張行程や排気行程で追加の燃料を噴射して再燃焼させることにより、排気中のＣＯ濃度を高めて、ＮＯｘの放出及び還元浄化を促進するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、環境保護の観点から自動車用エンジンの排気清浄化に対するニーズは一層、強まっており、このため、前記従来例のような排気浄化装置に対しても、酸素過剰雰囲気におけるＮＯｘ吸収材の吸収性能をより一層、高めるとともに、該ＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させるときには、その放出作用をさらに促進し、かつ放出されたＮＯｘを略完全に還元浄化することが求められている。
【０００５】
これに対し、本願の発明者は前記従来例のようなシステムによるＮＯｘ除去のメカニズムについて鋭意研究を進めた結果、ＮＯｘ吸収材に吸収されているＮＯｘを放出させて還元浄化するときに、排気中のＣＯ濃度を高めることが有効であるとともに、ＣＯ濃度を十分に高められるのであれば、それ以外の還元剤成分の濃度はむしろ低いほうが好ましいことを見出した。
【０００６】
この点について、前記従来例の排気浄化装置では、ＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させるために、気筒の膨張行程以降に追加の燃料を噴射して再燃焼させるようにしており、このことで排気中のＣＯ濃度を十分に高めることができるものの、それ以上に未燃炭化水素（ＨＣ）の濃度が大幅に高くなってしまう。つまり、前記従来例の排気浄化装置には、ＮＯｘ除去性能を向上させる余地が残っている。
【０００７】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気中のＣＯ濃度を増大させてＮＯｘ除去性能を高めるようにした排気浄化装置において、排気中のＣＯ以外の還元剤成分の濃度を調整することにより、エンジンの運転中に全体としてＮＯｘ除去性能の向上を図ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成すべく、この発明では、排気中のＣＯ濃度を高めて、ＮＯｘ浄化材によるＮＯｘの除去を促進するときに、排気中のＨＣ濃度を低下させるようにした。
【０００９】
具体的には、請求項１の発明では、図１に示すように、エンジン１の排気通路２２に配設され、排気中のＮＯｘを除去するＮＯｘ浄化材２５と、排気中のＣＯ濃度が増大するようにエンジン１の燃焼状態を調整するＣＯ濃度増大手段ａとを備えたエンジンの排気浄化装置Ａを対象とし、このものに、少なくとも前記ＣＯ濃度増大手段ａにより排気中のＣＯ濃度を増大させるときに、前記ＮＯｘ浄化材２５へ流入する排気中のＨＣ濃度を低下させるＨＣ濃度低減手段ｂを前記ＮＯｘ浄化剤よりも上流側の排気通路に設ける構成とする。そして、前記ＨＣ濃度低減手段ｂは、エンジンに供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍にあるときのＨＣの除去率がＣＯの除去率よりも高く設定され、且つＨＣ除去率とＣＯ除去率との差は、理論空燃比よりもリーン側においてリッチ側よりも小さくなるように設定されている三元触媒とし、その触媒層には白金及びロジウムが担持されていて、且つそれらの重量比が白金／ロジウム＜３である構成する。
【００１０】
この場合、三元触媒の白金及びロジウムの重量比が白金／ロジウム＜３であるから、エンジンに供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍の所定範囲にあるときのＨＣの除去率がＣＯの除去率よりも高くなる。
【００１１】
前記の構成により、エンジン１の運転中に、ＣＯ濃度増大手段ａにより排気中のＣＯ濃度が増大されて、還元剤成分であるＣＯの濃度の高い排気がＮＯｘ浄化材２５の周囲に供給され、この排気中のＣＯがＮＯｘ浄化材２５に作用することで、ＮＯｘの除去が促進される。エンジンの燃焼室からの排気は上流側の三元触媒を流通してから、ＮＯｘ浄化材に供給されるが、その三元触媒のＨＣ除去率がＣＯ除去率よりも高く設定されているので、ＮＯｘ浄化材への排気中のＣＯ濃度はあまり低下しないのに対し、ＨＣ濃度は大幅に低下する。つまり、前記三元触媒によりＮＯｘ浄化材への排気中のＨＣ濃度を低下させることができる。従って、前記のようにＣＯ濃度増大手段ａにより排気中のＣＯ濃度を増大させるときに、三元触媒によりＮＯｘ浄化材２５への排気中のＨＣ濃度が低下させられるので、排気中のＨＣ濃度が高いことによって、前記のようなＣＯのＮＯｘ浄化材２５への作用が妨げられることはなく、該ＮＯｘ浄化材２５にはその周囲の排気中のＣＯを最大限に作用させることができる。よって、ＮＯｘの除去性能を向上させることができる。
【００１２】
また、ＨＣ除去率とＣＯ除去率との差は、理論空燃比よりもリーン側においてリッチ側よりも小さくなるように設定されているから、リーン側でのＣＯ除去率はそれほど低くならない。
【００１３】
請求項２の発明では、エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁が設けられ、ＣＯ濃度増大手段は、前記燃料噴射弁により燃料を、気筒の吸気行程から圧縮行程の間で少なくとも２回に分割して噴射させるものとする。
【００１４】
このことで、燃料噴射弁により燃料が少なくとも２回に分割して噴射されると、最初に噴射された燃料が燃焼室に均一に拡散して希薄な混合気を形成する一方、その後で噴射された燃料噴霧が過濃混合気を形成し、この過濃混合気部分では酸素が不足しているので、局所的な不完全燃焼によりＣＯが生成しやすい状態になる。また、その周囲の希薄混合気部分における燃焼は緩慢になるので、ここでもＣＯは生成しやすくなる。さらに、分割噴射によって開弁初期に噴射される粒の粗い燃料液滴の割合が増えるので、燃料噴霧の気化・霧化状態が悪くなり、このことによってもＣＯが生成しやすくなる。つまり、燃料噴射の分割により排気中のＣＯ濃度を高めることができる。
【００１５】
請求項３の発明では、ＮＯｘ浄化材は、エンジンの気筒内燃焼室における空燃比が理論空燃比近傍かそれよりもリッチな状態にあるときに、排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒からなるものとする。このことで、エンジンの気筒内燃焼室における空燃比が理論空燃比近傍かそれよりもリッチな状態のときに、ＮＯｘ還元触媒により排気中のＮＯｘを還元分解することができる。その際、還元剤成分であるＣＯの濃度が高まると、触媒上でのＮＯｘの還元分解が早く進行するようになり、ＮＯｘの除去が促進される。
【００１６】
請求項４の発明では、ＮＯｘ浄化材は、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収する一方、酸素濃度が低下するとＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材からなるものとする。
【００１７】
このことで、例えばエンジンを空燃比がリーンな状態で運転するとき、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘ吸収材により排気中のＮＯｘが吸収され、その後、エンジンを理論空燃比近傍で運転すると、排気中の酸素濃度が低下して、前記ＮＯｘ吸収材からＮＯｘが放出される。このとき、排気中のＣＯ濃度が高まれば、この排気中のＣＯがＮＯｘ吸収材に吸収されているＮＯと置換反応されることで、ＮＯｘの放出が促進される。また、還元性のあるＣＯの濃度が高くなれば、放出されたＮＯｘの還元分解が促進される。つまり、ＮＯｘ吸収材からＮＯｘを十分に放出させて還元浄化することで、そのＮＯｘ吸収材の性能を十分に回復させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（エンジン全体構成）
図２は本発明の実施形態に係る排気浄化装置Ａを搭載したエンジンの全体構成を示し、１は例えば車両に搭載された多気筒エンジンである。このエンジン１は複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）を有し、各気筒２内にピストン３が往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン３により気筒２内に燃焼室４が区画されている。この燃焼室４の上壁における気筒軸心上の位置には、点火回路５に接続された点火プラグ６が燃焼室４に臨むように取り付けられている。また、前記燃焼室４の周縁部には、この燃焼室４に燃料を直接噴射供給するようにインジェクタ（燃料噴射弁）７が取り付けられている。
【００１９】
前記インジェクタ７には、図示しないが、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されており、この燃料供給回路によって燃料タンクからの燃料を適正な圧力に調整しながら、インジェクタ７に供給するようになっている。また、その燃料圧力を検出する燃圧センサ８が設けられている。そして、前記インジェクタ７により燃料が気筒２の圧縮行程後期に噴射されると、その燃料噴霧はピストン３の頂面に凹設したキャビティ（図示せず）にトラップされて、前記点火プラグ６近傍に比較的濃い混合気の層が形成される。一方、前記インジェクタ７により燃料が気筒２の吸気行程で噴射されると、その燃料噴霧は燃焼室４に拡散して吸気（空気）と混合されて、燃焼室４に均一な混合気が形成される。
【００２０】
前記燃焼室４は、図示しない吸気ポートにより吸気弁９を介して吸気通路１０に連通されている。この吸気通路１０は、エンジン１の燃焼室４に対しエアクリーナ１１で濾過した吸気を供給するものであり、上流側から下流側に向かって順に、エンジン１に吸入される吸入空気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ１２と、吸気通路１０を絞る電気式スロットル弁１３と、サージタンク１４とがそれぞれ配設されている。前記電気式スロットル弁１３は、図外のアクセルペダルに対し機械的には連結されておらず、モータ１５により駆動されて開閉するようになっている。さらに、前記スロットル弁１３の開度を検出するスロットル開度センサ１６と、サージタンク１４内の吸気圧を検出する吸気圧センサ１７とがそれぞれ設けられている。
【００２１】
前記サージタンク１４よりも下流側の吸気通路１０は、気筒２毎に分岐する独立通路とされていて、その各独立通路の下流端部がさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポートに連通しており、その分岐路のうちの一方にスワール制御弁１８が設けられている。このスワール制御弁１８はアクチュエータ１９により駆動されて開閉するものであり、スワール制御弁１８が閉弁すると、吸気は他方の分岐路のみから燃焼室４に供給されて、その燃焼室４に強い吸気スワールが生成される一方、スワール制御弁１８が開くに連れて、吸気スワールは弱められるようになっている。また、そのスワール制御弁１８の開度を検出するスワール制御弁開度センサ２０が設けられている。
【００２２】
図２において２２は燃焼室４から燃焼ガスを排出する排気通路で、この排気通路２２の上流端は気筒２毎に分岐して、図示しない排気ポートにより排気弁２３を介して燃焼室４に連通されている。この排気通路２２には上流側から下流側に向かって順に、排気中の酸素濃度を検出するＯ2センサ２４と、排気中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒２９と、排気中の酸素濃度の高い雰囲気（酸素過剰雰囲気）でも排気中のＮＯｘを除去できるリーンＮＯｘ触媒２５とがそれぞれ配設されている。
【００２３】
前記Ｏ2センサ２４の出力（起電力）は、図３に示すように、排気中の酸素濃度が略理論空燃比に対応する濃度（約０．５％）になっているときに基準値Ｅ1になるが、それよりも濃い場合（リッチ側）には急増する一方、それよりも薄い場合（リーン側）には急減するようになっている。つまり、Ｏ2センサ２４は、その出力が理論空燃比を境にステップ状に反転するいわゆるラムダＯ2センサからなるものである。
【００２４】
また、前記リーンＮＯｘ触媒２５は、酸素過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸収する一方、排気中の酸素濃度が低下すると、前記吸収したＮＯｘを放出して還元浄化するＮＯｘ吸収還元タイプのものである。前記三元触媒２９は、酸素過剰雰囲気で排気中のＨＣ及びＣＯを略１００％酸化して浄化する一方、排気中の酸素濃度が低下すると、ＣＯ浄化率がＨＣ浄化率よりも低くなるような特性を有するものである。前記各触媒２５，２９の詳しい構成については後述する。
【００２５】
尚、前記酸素過剰雰囲気とは、排気中の酸素濃度が所定値（例えば４〜５％）以上の雰囲気で、エンジン１の燃焼室４の空燃比がかなりリーンな状態に相当する。また、前記の「酸素濃度の減少によって」とは、排気中の酸素濃度が例えば３〜４％未満（好ましくは１〜２％未満）になればよく、燃焼室４の空燃比が理論空燃比付近か或いは理論空燃比よりもリッチな状態に相当する。
【００２６】
前記Ｏ2センサ２４よりも上流側の排気通路２２には、ＥＧＲ通路２６の上流端が分岐接続され、このＥＧＲ通路２６の下流端は前記スロットル弁１３とサージタンク１４との間の吸気通路１０に接続されていて、排気の一部を吸気系に還流させるようになっている。このＥＧＲ通路２６の下流端寄りには開度調整可能な電気式のＥＧＲ弁２７が配設されており、ＥＧＲ通路２６による排気の還流量（以下ＥＧＲ量という）を調整するようになっている。また、そのＥＧＲ弁２７のリフト量を検出するリフトセンサ２８が設けられている。
【００２７】
前記点火プラグ６の点火回路５、インジェクタ７、電気式スロットル弁１３の駆動モータ１５、スワール制御弁１８のアクチュエータ１９、電気式ＥＧＲ弁２７等はコントロールユニット４０（以下、ＥＣＵという）によって作動制御されるようになっている。一方、このＥＣＵ４０には、前記エアフローセンサ１２、スロットル開度センサ１６、吸気圧センサ１７、スワール制御弁開度センサ２０、Ｏ2センサ２４及びＥＧＲ弁２７のリフトセンサ２８の各出力信号が入力されており、加えて、エンジン１の冷却水温度（エンジン水温）を検出する水温センサ３０、吸気温度を検出する吸気温センサ３１、大気圧を検出する大気圧センサ３２、エンジン回転数を検出する回転数センサ３３、及びアクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ３４の各出力信号が入力されている。
【００２８】
（２つの触媒の配置構造）
本発明の第１の特徴は、前記のようにエンジン１の排気通路２２にリーンＮＯｘ触媒２５と三元触媒２９とを配置した触媒の配置構造にあり、この２つの触媒２５，２９により、エンジン１を空燃比がリーンな状態で運転するとき（後述の成層燃焼状態）には、排気中のＨＣ及びＣＯを略完全に酸化して浄化するとともに、排気中のＮＯｘを吸収して除去することができる。一方、エンジン１を理論空燃比近傍で運転するとき（例えば加速運転時や後述のＮＯｘ放出制御を行うとき）には、詳しくは後述するが上流側の三元触媒２９により排気中のＨＣ及びＮＯｘを十分に浄化するとともに、ＣＯはあまり浄化せずに下流側のリーンＮＯｘ触媒２５に供給し、このリーンＮＯｘ触媒２５からのＮＯｘの放出及び還元浄化を促進するようにしている。
【００２９】
具体的には、前記リーンＮＯｘ触媒２５は、図４（ａ）に示すように、コージェライトからなるハニカム状担体２５ａを備え、この担体２５ａ上に内側触媒層２５ｂ（ベースコート）と、その上の外側触媒層２５ｃ（オーバーコート）との２層の触媒層がコートされている。前記内側触媒層２５ｂには、例えば触媒金属となる貴金属としての白金Ｐｔと、ＮＯｘ吸収材としてのバリウムＢａとが多孔質材料であるアルミナ及びセリアをサポート材として担持されている。一方、外側触媒層２５ｃには、貴金属としての白金及びロジウムとバリウムとが多孔質材料であるゼオライトをサポート材として担持されている。
【００３０】
尚、不純物は１％以下とする。また、前記バリウムに代えてナトリウムＮａ、カリウムＫ、ストロンチウムＳｒ、カルシウムＣａ等を用いてもよく、或いはそれらやバリウムのうちの２つ又は３つを組み合わせてもよい。要はアルカリ金属又はアルカリ土類金属のうちの少なくとも１種類の金属であればよい。
【００３１】
また、内側触媒層２５ｂのサポート材はアルミナ及びセリアに代えてゼオライトを、また外側触媒層２５ｃのサポート材はゼオライトに代えてアルミナ又はセリアをそれぞれ用いてもよく、要はアルミナ、セリア及びゼオライトうちの２つ又は３つを組み合わせればよい。
【００３２】
これに対し、前記上流側の三元触媒２９は、同図（ｂ）に示すように、例えばコージェライトからなるハニカム状担体２９ａ上に内側触媒層２９ｂ（ベースコート）と外側触媒層２９ｃ（オーバーコート）との２層がコートされている。前記内側触媒層２９ｂには、例えばアルミナ及びセリアをサポート材としてパラジウムＰｄが担持されている。
【００３３】
一方、外側触媒層２９ｃには、貴金属である白金及びロジウムがセリアをサポート材として担持されている。この白金及びロジウムの重量比はＰｔ／Ｒｈ＜３（３よりも小）であり、Ｐｔ／Ｒｈ＝３／２〜１／５であることが望ましい。すなわち、白金及びロジウムの重量比をＰｔ／Ｒｈ≧３（３以上）とすると、後述の如くＣＯ浄化率を下げる効果が得られないので、Ｐｔ／Ｒｈ＜３とする。また、Ｐｔ／Ｒｈ＝０、つまり白金が担持されていなくてロジウムのみの場合、三元触媒２９の製造時に触媒層６，７の焼成の段階で劣化が始まるので、好ましくない。
【００３４】
また、三元触媒２９の内外触媒層６，７全体に耐熱性向上のために３ｇ／Ｌ程度のバリウムを加えてもよい。
【００３５】
そして、この外側触媒層２９ｃでセリアにより白金及びロジウムを担持していること、並びに白金及びロジウムの重量比をＰｔ／Ｒｈ＜３にしたことにより、図１２に示すように、空燃比のリーン側への増大に伴って三元触媒２９のＣＯ浄化率が所定値（例えば８０％）以上に増加する空燃比Ａ１は、ＨＣ浄化率が前記所定値（同８０％）以上に増加する空燃比Ａ２よりもリーン側（Ａ１＞Ａ２）に設定されており、このことで三元触媒２９の理論空燃比近傍でのＣＯ浄化率がＨＣ浄化率よりも低く設定されている。また、ＨＣ除去率とＣＯ除去率との差は、理論空燃比よりもリーン側においてリッチ側よりも小さくなるように設定されている。
【００３６】
具体的に、例えばＨＣの浄化率が８０％以上になる空燃比が理論空燃比よりもリッチなＡ／Ｆ＝１４．６（＝Ａ２）であると、ＣＯの浄化率が８０％以上となる空燃比は前記Ａ／Ｆ＝１４．６よりも大きいＡ／Ｆ＝１４．６２（＝Ａ１）となるように、ＨＣの８０％浄化率に対しＣＯの８０％浄化率が空燃比でＡ／Ｆ＝０．０２以上リーン側に設定されている。また、前記の空燃比Ａ２ではＣＯの浄化率は約４０％になっているので、排気中のＣＯ濃度をあまり低下させないようにしつつ、ＨＣ濃度を十分に低下させることができる。さらに、前記ＣＯ浄化率が所定値以上となる空燃比の上限値は、ＮＯｘ浄化率が大きく低下しないように設定されるが、Ａ／Ｆ＝１４．７５以上になることはない。
【００３７】
尚、前記の浄化率の測定には模擬排気ガスを用いており、空燃比をＡ／Ｆ＝１４．６とするときの排気ガスの組成は以下の通りである。
すなわち、ＨＣ（フ゜ロヒ゜レン）：0.055%、ＣＯ2：13.9%、Ｏ2：0.55%、
ＣＯ：0.7%、Ｈ2：0.24%、ＮＯ：0.1%、Ｎ2：残部。
また、このときの排気ガスの空間速度はＳＶ＝６００００/hである。
また、、空燃比をＡ／Ｆ＝１４．６２とするときの酸素、一酸化炭素及び水素の濃度は、それぞれ、Ｏ2：0.55%、ＣＯ：0.68%、Ｈ2：0.23%、であり、それ以外は前記と同じである。
【００３８】
前記各触媒２５，２９を製造する場合、例えば内側触媒層２５ｂ，２９ｂは含浸法により形成し、また外側触媒層２５ｃ，２９ｃはスプレードライ法を利用するのが望ましい。すなわち、リーンＮＯｘ触媒２５にあっては、バインダと、貴金属を担持しないアルミナ及びセリアのパウダーとを混ぜ合わせてスラリーを調製し、このスラリーを担体２５ａにウォッシュコートして乾燥焼成し、担体２５ａ上に内側触媒層２５ｂを形成する。また、ゼオライトのパウダーと錯体としてのロジウム溶液と水とを混ぜてスラリーを調製し、このスラリーを加熱雰囲気中に噴霧して乾燥焼成し、オーバーコートパウダーを得る（スプレードライ法）。そして、このオーバーコートパウダーをバインダとを混合してスラリーを調製し、このスラリーを、前記内側触媒層２５ｂの上から担体２５ａに対しウォッシュコートして乾燥焼成する。そして、このようにして２層の触媒層２５ｂ，２５ｃをコートした後、その各触媒層２５ｂ，２５ｃに白金及びバリウムの混合溶液を含浸させて白金及びバリウムを担持させる。しかる後に乾燥及び焼成する。
【００３９】
一方、三元触媒２９にあっては、バインダと、貴金属としてのパラジウムを担持したアルミナ及びセリアのパウダーとを混ぜ合わせてスラリーを調製し、このスラリーを担体２９ａにウォッシュコートして乾燥焼成し、担体２９ａ上に内側触媒層２９ｂを形成する。また、前記スプレードライ法は噴霧乾固法とも呼ばれる方法であり、セリアのパウダーと錯体としての白金溶液及びロジウム溶液と水とを混ぜてスラリーを調製し、このスラリーを加熱雰囲気中に噴霧して乾燥焼成し、オーバーコートパウダーを生成する。そして、このオーバーコートパウダーをバインダとを混合してスラリーを調製し、このスラリーを、前記内側触媒層２９ｂの上から担体２９ａに対しウォッシュコートして乾燥及び焼成し、外側触媒層２９ｃを形成する。
【００４０】
（エンジン制御の概要）
この実施形態に係るエンジン１は、その運転状態に応じてインジェクタ７による燃料噴射の形態（燃料噴射時期及び空燃比等）が切替えられて、異なる燃焼状態で運転されるようになっている。すなわち、エンジン１の温間時には、例えば図５に示すように、低負荷低回転側の所定領域が成層燃焼領域とされ、図６に示すように、インジェクタ７により圧縮行程後期に燃料を一括して噴射させて、点火プラグ６の近傍に混合気が偏在する成層状態で燃焼させる燃焼モードになる。この成層燃焼モードでは、エンジン１のポンプ損失を低減するためにスロットル弁１３の開度を大きくしており、このことで、燃焼室４の平均空燃比は大幅にリーンな状態（例えばＡ/Ｆ＝３０くらい）になる。
【００４１】
一方、それ以外の運転領域は均一燃焼領域とされており、低負荷側のλ＝１分割領域では、インジェクタ７により燃料を吸気行程と圧縮行程とでそれぞれ１回ずつ合計２回に分割して噴射させるとともに、燃焼室４における混合気の空燃比が略理論空燃比（Ａ/Ｆ＝１４．７）になるように、燃料噴射量やスロットル開度等を制御する（以下、λ＝１分割モードという）。また、均一燃焼領域における高負荷ないし高回転側のエンリッチ領域では、インジェクタ７により燃料を吸気行程前期に一括して噴射させるとともに、空燃比は理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ/Ｆ＝１３〜１４）にさせる（以下、エンリッチモードという）。
【００４２】
また、前記図５の制御マップに斜線を入れて示す領域では、ＥＧＲ弁２７を開弁させて、ＥＧＲ通路２６により排気の一部を吸気通路１０に還流させるようにしている。尚、図示しないが、エンジン冷間時には燃焼安定性の向上のためにエンジン１の全ての運転領域を均一燃焼領域としている。
【００４３】
より詳しくは、前記ＥＣＵ４０はエンジン出力に関係する各種制御パラメータとして、例えば、インジェクタ７による燃料噴射量及び噴射時期、スロットル弁１３により調整される吸入空気量、スワール制御弁１８により調整される吸気スワール強さ、ＥＧＲ弁２７により調整されるＥＧＲ量等をエンジン１の運転状態に応じて決定するようになっている。
【００４４】
具体的に、まず、アクセル開度accel及びエンジン回転数neに基づいて、エンジン１の目標トルクtrqが演算される。この目標トルクtrqは予めベンチテスト等により、要求される出力性能が得られるようにアクセル開度accel及びエンジン回転数neとの対応関係が求められ、この対応関係がマップとしてＥＣＵ４０のメモリに記憶されていて、このマップから、実際のアクセル開度accel及びエンジン回転数neに対応する値が読み込まれる。前記アクセル開度accel及びエンジン回転数neと目標トルクtrqとの対応関係は、例えば、図７（ａ）に示すようになり、目標トルクtrqはアクセル開度accelが大きくなるに連れて増加し、かつエンジン回転数neが高いほど大きくなる。
【００４５】
続いて、前記のように求めた目標トルクtrqとエンジン回転数neとに基づいて、運転モードが設定される。すなわち、例えばエンジン温間時には、前記図５に示すように、目標トルクtrqが所定の低負荷側しきい値trq*よりも低く、かつエンジン回転数neが低いときには成層燃焼モードとする一方、それ以外の運転状態では均一燃焼モードとし、さらにこの場合は、目標トルクtrq及びエンジン回転数neに応じてλ＝１分割モードかエンリッチモードかを選択する。
【００４６】
続いて、前記運転モード別に目標空燃比afwが設定される。すなわち、成層燃焼モードやエンリッチモードでは目標トルクtrqとエンジン回転数neとに応じて、予め作成されているマップから目標空燃比afwを求め、また、λ＝１分割モードでは目標空燃比afwを理論空燃比とする。そして、この目標空燃比afw、エンジン回転数ne及び前記目標トルクtrqに基づいて目標充填効率ceを演算し、さらに、この目標充填効率ceとエンジン回転数neとに応じて、予め作成されているマップ（図７（ｂ）参照）からスロットル開度tvoを求める。尚、エンジン回転数とスロットル開度との対応関係はＥＧＲの有無によって異なり、スロットル開度 tvoはＥＧＲがある場合にはない場合よりも大きめにされる。
【００４７】
また、エアフローセンサ１２からの出力信号に基づいて、エンジン１の実充填効率ceが演算され、この実充填効率ceと前記目標空燃比afwとに基づいて、基本的な燃料噴射量qbaseが演算される。
【００４８】
qbase ＝ KGKF×ce/afw （但し、KGKFは換算用の係数）
これとともに、運転モード別に吸気行程噴射と圧縮行程噴射との燃料の分割比が設定され、成層燃焼モードでは吸気行程噴射割合が０％となる一方、エンリッチモードでは吸気行程噴射割合が１００％となり、また、λ＝１分割モードでは目標空燃比afw及びエンジン回転数neに応じて分割比が設定される。
【００４９】
さらに、燃料噴射時期が前記運転モード別に設定され、図示しないが、成層燃焼モードでは目標トルクtrqとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから圧縮行程噴射用の噴射時期Inj_TTが求められる一方、均一燃焼モードではエンジン回転数neに応じて予め設定されているテーブルから吸気行程噴射用の噴射時期Inj_TLが求められる。また、分割噴射の場合には圧縮行程噴射用の噴射時期Inj_TTとして成層燃焼モードにおけるデータが流用されるとともに、目標空燃比afw及びエンジン回転数neに応じて予め作成されているマップから吸気行程噴射用の噴射時期Inj_TLが求められる。
【００５０】
その他、エンジン１の点火時期も運転モード別に設定されており、成層燃焼モードでは、主に目標トルクtrqとエンジン回転数neとに基づいて基本点火時期が求められる一方、λ＝１分割モードやエンリッチモードでは、基本点火時期は充填効率ceとエンジン回転数neとに基づいて求められ、この基本点火時期がエンジン水温等に基づいて補正される。さらに、前記スワール制御弁１８も運転モード別に制御されるようになっており、成層燃焼モードでは、スワール制御弁１８の開度は目標トルクtrqが大きいほど、またエンジン回転数neが高いほど大きくされる一方、λ＝１分割モードやエンリッチモードでは、スワール制御弁１８の開度は目標トルクtrqが大きいほど、またエンジン回転数neが高いほど小さくされる。尚、ＥＧＲ量もエンジン１の運転状態に応じて、運転モード別に制御されるようになっている。
【００５１】
（燃料噴射制御）
この実施形態では、上述の如く、エンジン１を成層燃焼モードで運転して、燃費の大幅な改善を図るとともに、その成層燃焼モードのように空燃比が極めてリーンな運転状態でも排気中のＮＯｘを低減できるように、いわゆる吸収還元タイプのリーンＮＯｘ触媒２５を採用している。そして、このリーンＮＯｘ触媒２５の浄化性能を安定して発揮させるために、リーンＮＯｘ触媒２５におけるＮＯｘの吸収量がある程度多くなれば、そのＮＯｘを放出させるＮＯｘ放出制御を行うようにしている。
【００５２】
また、排気に含まれる微量のＳＯｘがリーンＮＯｘ触媒２５のバリウムに吸収されて、時間の経過とともに徐々にＮＯｘの吸収性能が低下するいわゆる硫黄被毒の問題に対し、前記リーンＮＯｘ触媒２５におけるＳＯｘの吸収量が所定以上に多くなったときに、そのＳＯｘを強制的に脱離させるＳＯｘ脱離制御を行うようにしている。
【００５３】
本発明の第２の特徴は、前記のＮＯｘ放出制御やＳＯｘ脱離制御の実行時に、燃焼室４の空燃比を略理論空燃比近傍に制御するとともに、インジェクタ７による燃料の噴射を２分割することにより、排気中のＣＯ濃度を大幅に高めるようにしたことにある。
【００５４】
次に、燃料噴射制御の処理手順を、図８〜図１１に示すフローチャート図に沿って具体的に説明すると、まず、前記図８に示すように、スタート後のステップＳＡ１において、エアフローセンサ１２、Ｏ2センサ２４，水温センサ３０、回転数センサ３３、アクセル開度センサ３４等の各種センサ信号を受け入れるとともに、ＥＣＵ４０のメモリから各種データを入力する。続いて、ステップＳＡ２において、上述の如く充填効率ceや目標空燃比afw等に基づいて基本燃料噴射量qbaseを演算して設定する。
【００５５】
続いて、ステップＳＡ３〜ＳＡ９の各ステップにおいて、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射のそれぞれの噴射パルス幅τL，τTと、それぞれの噴射時期Inj_TL，Inj_TTとを運転モード別に求める。すなわち、まずステップＳＡ３ではλ＝１分割モードかどうか判定する。この判定がＮＯならばステップＳＡ６に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＡ４に進んで、前記基本燃料噴射量qbaseを分割比に応じて吸気行程と圧縮行程とに分け、その各噴射量に対応する噴射パルス幅τをインジェクタ７の流量特性に基づいて、それぞれ吸気行程噴射パルス幅τL＝τL1、及び圧縮行程噴射パルス幅τT＝τT2として設定する。続いて、ステップＳＡ５において、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射のそれぞれの噴射時期を設定する（Inj_TL＝Inj_TL1、Inj_TT＝Inj_TT1）。
【００５６】
また、前記ステップＳＡ３でλ＝１分割モードではないＮＯと判定されて進んだステップＳＡ６では、成層燃焼モードかどうか判定し、この判定がＮＯならばステップＳＡ９に進む一方、判定がＹＥＳならばステップＳＡ７に進んで、吸気行程噴射パルス幅τL＝０とするとともに、圧縮行程噴射パルス幅τTを前記基本燃料噴射量qbaseに対応する値τT1とする。続いて、ステップＳＡ８では、圧縮行程噴射の噴射時期を設定する（Inj_TT＝Inj_TT2）。一方、前記ステップＳＡ６で成層燃焼モードではないＮＯと判定されて進んだステップＳＡ９では、フーエルカット制御を行うかどうか判定し、この判定がＹＥＳならばリターンする一方、判定がＮＯならばステップＳＡ１０に進んで、吸気行程噴射パルス幅τLを前記基本燃料噴射量qbaseに対応する値τL1とするとともに、圧縮行程噴射パルス幅τT＝０とし、続くステップＳＡ１１で、吸気行程噴射の噴射時期を設定する（Inj_TL＝Inj_TL3）。
【００５７】
前記図８のステップＳＡ５，ＳＡ８，ＳＡ１１に続いて、図９に示すステップＳＢ１では、リーンＮＯｘ触媒２５におけるＮＯｘ吸収量を推定する。この推定は例えば、最後にＮＯｘの放出を促す制御（ＮＯｘ放出制御）を行ってからの走行距離とその間に消費した燃料の総量とに基づいて行い、その推定結果に基づいて、続くステップＳＢ２において、ＮＯｘ吸収量が予め設定した所定値以上になったかどうか、即ち、ＮＯｘの吸収過剰状態か否か判定する。この判定がＮＯであればステップＳＢ１０に進む一方、判定がＹＥＳであればステップＳＢ３に進み、ＮＯｘ放出制御を行う期間であることを示すフラグＦ１をオンにする（Ｆ１＝１）。尚、前記ステップＳＢ２において、エンジン１の加速運転時にはＮＯｘ吸収量に拘わらずＹＥＳと判定して、後述の如くＮＯｘ放出制御を行うようにしてもよい。
【００５８】
続いて、ステップＳＢ４では、初期値０の第１タイマ値Ｔ１をインクリメントし、続くステップＳＢ５において、この第１タイマ値Ｔ１が予め設定したしきい値Ｔ１0以上になったか否か判別する。この判別がＹＥＳであれば、ＮＯｘ放出制御を行う期間は終了したと判定してステップＳＢ１１，ＳＢ１２に進み、フラグＦ１をクリアして（Ｆ１＝０）、第１タイマをリセットする（Ｔ１＝０）。一方、判定がＮＯであればステップＳＢ６に進み、このステップＳＢ６〜ＳＢ９の各ステップにおいて、Ｏ2センサ２４からの信号に基づくフィードバック制御演算を行う。
【００５９】
具体的に、まず前記ステップＳＢ６では、Ｏ2センサ２４からの出力Ｅを理論空燃比に対応する基準値Ｅ1と比較し、出力Ｅが基準値Ｅ1よりも大きいＹＥＳであればステップＳＢ７に進んで、フィードバック補正値τCL，τCTを演算する。すなわち、フィードバック補正値τCL，τCTの前回値からそれぞれ定数α、βを減算して今回値とする。一方、前記ステップＳＢ６でＯ2センサ２４からの出力Ｅが基準値Ｅ1以下でＮＯであれば、ステップＳＢ８に進み、フィードバック補正値τCL，τCTの前回値に定数α、βを加算して、今回値を求める。
【００６０】
続いて、ステップＳＢ９では、燃焼室４の空燃比が理論空燃比になるように実充填効率ceに応じて求めた噴射パルス幅τL4，τT4と、前記ステップＳＢ７，ＳＢ８で求めたフィードバック補正値τCL，τCTとに基づいて、ＮＯｘ放出制御時の吸気行程及び圧縮行程噴射パルス幅τL，τTをそれぞれ演算するとともに、それらの噴射時期を改めて設定する。
【００６１】
τL ＝ τL4＋τCL、 Inj_TL ＝ Inj_TL4
τT ＝ τT4＋τCT、 Inj_TT ＝ Inj_TT4
つまり、Ｏ2センサ２４からの出力Ｅが基準値Ｅ1よりも大きい間は、空燃比は理論空燃比よりもリッチなので、制御のサイクル毎に吸気及び圧縮行程での燃料噴射量を一定量α，βずつ徐々に減少させて、空燃比をリーン側に変化させる。一方、前記出力Ｅが基準値Ｅ1よりも小さくなれば、今度は空燃比がリーンになったので、燃料噴射量を徐々に増大させて、空燃比をリッチ側に変化させるようにしている。尚、前記ステップＳＢ７〜ＳＢ９では、吸気行程及び圧縮行程噴射量を両方共にフィードバック補正するようにしているが、これに限らず、吸気行程噴射量だけをフィードバック補正するようにしてもよい。これは、吸気行程での燃料噴射量を変更しても、燃焼状態や排気への悪影響は少ないからである。
【００６２】
また、前記ステップＳＢ２で、ＮＯと判定されて進んだステップＳＢ１０では、フラグＦ１の状態を判別して、フラグがオンであれば（Ｆ１＝１）、ＮＯｘ放出制御を行う期間であると判定して前記ステップＳＢ４に進む一方、フラグがオフであれば（Ｆ１＝０）、ＮＯｘ放出制御を行う期間でないと判定して前記ステップＳＢ１１，ＳＢ１２に進む。
【００６３】
前記図９のステップＳＢ９，ＳＢ１２に続いて、図１０に示すステップＳＣ１では、今度は、リーンＮＯｘ触媒２５の硫黄被毒の度合い、即ちＳＯｘ吸収量を推定する。この推定も前記ステップＳＢ１におけるＮＯｘ吸収量の推定と同様に、最後にＳＯｘの脱離を促す制御（ＳＯｘ脱離制御）を行ってからの走行距離とその間に消費した燃料の総量とに基づいて、その間の触媒の温度状態を加味して行う。そして、その推定結果に基づいて、続くステップＳＣ２において、ＳＯｘ吸収量が予め設定した所定値以上になったかどうか、即ち、ＳＯｘの吸収過剰状態か否か判定する。ここで、排気中の硫黄成分は僅かなので、通常、ＳＯｘ吸収過剰状態になるまでの走行距離は、ＮＯｘ吸収過剰状態になるまでの走行距離よりもはるかに長い。
【００６４】
前記ステップＳＣ２における判定がＮＯであればステップＳＣ１３に進む一方、判定がＹＥＳであればステップＳＣ３に進み、ＳＯｘ脱離制御を行う期間であることを示すフラグＦ２をオンにする（Ｆ２＝１）。そして、ステップＳＣ４では排気温度thg、即ちリーンＮＯｘ触媒２５の温度状態を推定する。この推定は、主に推定時の実充填効率ceとエンジン回転数neとに基づいて、そこに推定前の所定時間内における成層燃焼モードでの運転時間や、分割噴射を行った時間を加味して行うが、排気温度thgは、充填効率やエンジン回転数が高いほど高くなるとともに、分割噴射によっても高くなる傾向がある。一方、成層燃焼モードでは排気温度thgがかなり低くなるので、成層燃焼モードでの運転時間が長いほどリーンＮＯｘ触媒２５の温度状態は低くなる。
【００６５】
続いて、ステップＳＣ５では、排気温度thgが設定温度thg0（例えば４５０°Ｃ）以上か否か判別し、この判別がＮＯならば図１１のステップＳＤ１に進む一方、判別がＹＥＳならばステップＳＣ６に進んで、ＳＯｘ脱離制御を実行する。このように排気温度がある程度高いときにのみＳＯｘ脱離制御を行うようにするのは、リーンＮＯｘ触媒２５の温度状態がある程度以上に高くならないと、リーンＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを脱離させることはできないからである。
【００６６】
前記ステップＳＣ５に続くステップＳＣ６では、初期値０の第２タイマ値Ｔ２をインクリメントし、続くステップＳＣ７において、この第２タイマ値Ｔ２が予め設定したしきい値Ｔ２0以上になったか否か判別する。この判定がＮＯである間ば、ステップＳＣ８に進んで、このステップＳＣ８〜ＳＣ１１の各ステップにおいて、Ｏ2センサ２４からの信号に基づくフィードバック制御演算を行う。このフィードバック制御演算の具体的な手順は前記図９のステップＳＢ６〜ＳＢ９と同じなので、説明は省略する。そして、前記しきい値Ｔ２0に対応する時間が経過して、リーンＮＯｘ触媒２５からＳＯｘが十分に脱離すれば、前記ステップＳＣ７の判定がＹＥＳになってステップＳＣ１２に進み、フラグＦ２をクリアして（Ｆ２＝０）、図１１のステップＳＤ１に進む。
【００６７】
一方、前記ステップＳＣ２で、ＮＯと判定されて進んだステップＳＣ１３では、フラグＦ２の状態を判別して、フラグがオンであれば（Ｆ２＝１）、ＳＯｘ脱離制御を行う期間であると判定して前記ステップＳＣ４に進む一方、フラグがオフであれば（Ｆ２＝０）、ＳＯｘ脱離制御を行う期間でないと判定してステップＳＣ１４，ＳＣ１５に進み、フラグＦ２をクリアするとともに（Ｆ２＝０）、第２タイマをリセットして（Ｔ２＝０）、図１１のステップＳＤ１に進む。
【００６８】
前記ステップＳＣ５，ＳＣ１１，ＳＣ１２，ＳＣ１５に続いて、図１１のステップＳＤ１では、まず吸気行程噴射パルス幅τLが零であるか否か判別して、パルス幅が零でＹＥＳあれば（τL＝０）ステップＳＤ４に進む一方、パルス幅が零でないＮＯであればステップＳＤ２に進んで、吸気行程噴射時期Inj_TLのタイミングになったか否か判別する。そして、噴射タイミングになるまで待機して、噴射タイミングになれば（ステップＳＤ２でＹＥＳ）、ステップＳＤ３に進んでインジェクタ７により吸気行程噴射を実行する。続いて、ステップＳＤ４〜ＳＤ６の各ステップにおいて、前記と同様に圧縮行程噴射を実行して、しかる後にリターンする。
【００６９】
前記図９に示すフローのステップＳＢ３〜ＳＢ９の各ステップ、及び図１０に示すフローのステップＳＣ３〜ＳＣ１１の各ステップによって、それぞれ、インジェクタ７により燃料を気筒の吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ１回ずつ２分割して噴射させることにより、排気中のＣＯ濃度を増大させるＣＯ濃度増大手段４０ａが構成されている。
【００７０】
（作用効果）
次に、前記実施形態の作用効果を説明する。
【００７１】
このエンジン１は、例えばアイドル運転時等に成層燃焼モードで運転されて、燃焼室４の空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態になっているときに、排気通路２２の上流側に配置されている三元触媒２９により、排気中のＣＯ及びＨＣが浄化されるとともに、下流側のリーンＮＯｘ触媒２５により排気中のＮＯｘが吸収されて除去される。また、例えば図１３に示すように、エンジン１の加速運転状態では、燃焼室４の空燃比が略理論空燃比近傍に制御されるので、前記リーンＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが放出されて還元浄化される。このとき、前記三元触媒２９のＣＯ浄化率がＨＣ浄化率よりも低く設定されているので、該三元触媒２９を経て下流側のリーンＮＯｘ触媒２５に供給される排気中には、還元剤として働くＣＯが多く含まれていて、このＣＯによりＮＯｘの還元浄化が促進される。
【００７２】
その後しばらくの間、エンジン１が成層燃焼モードで運転されると、最後にＮＯｘを放出してからの走行距離とその間の燃料消費量とに基づいて、リーンＮＯｘ触媒２５のＮＯｘ吸収量が過剰になったことが判定され（フラグＦ１＝１）、図９のフローに示すようなＮＯｘ放出制御が行われる。すなわち、インジェクタ７により燃料が２分割して噴射され、そのうちの吸気行程で噴射された一部の燃料が燃焼室４に均一に拡散して希薄な混合気を形成する一方、圧縮行程で噴射された残りの燃料が点火プラグ６の近傍に過濃混合気を形成する。この過濃混合気部分では着火直後の初期燃焼速度は速いものの、酸素が不足しているので、局所的な不完全燃焼によりＣＯが生成しやすい状態になる。また、インジェクタ７の開弁回数が増えることで、開弁初期に噴射される粒の粗い燃料液滴の割合が増えるので、このことによってもＣＯは生成しやすくなる。
【００７３】
一方、希薄混合気の燃焼は緩慢になるので、燃料の一部が燃焼し切らないで排出されるようになり、このことで、排気中のＣＯ濃度はますます高くなる。また、燃焼室４の周縁部まで広がる混合気が希薄になることで、気筒２の内壁やピストン３との間隙に残る未燃燃料は減少し、このことでで、排気中のＨＣ濃度は低下する。
【００７４】
つまり、インジェクタ７により燃料を、各気筒２の吸気行程及び圧縮行程で分割して噴射させることによって、排気中のＣＯ濃度が大幅に高まるとともに、ＨＣ濃度は低下するようになる。
【００７５】
そして、その排気が三元触媒２９を通過すると、この三元触媒２９によりＨＣの殆どが浄化される一方、ＣＯの多くは浄化されずに残るので、下流側のリーンＮＯｘ触媒２５にはＣＯ濃度が十分に高くかつＨＣ濃度の低い排気が供給されるようになり、このＣＯの作用により、リーンＮＯｘ触媒２５からのＮＯｘの放出が促進される。
【００７６】
具体的には、前記リーンＮＯｘ触媒２５において、ＮＯｘはバリウム粒子の表面に硝酸塩の形態で吸着されており、この硝酸バリウムＢａ（ＮＯ3）2がＣＯの供給により置換されて、炭酸バリウムＢａＣＯ3と二酸化窒素ＮＯ2とが生成すると考えられる。
【００７７】
Ｂａ（ＮＯ3）2＋ＣＯ → ＢａＣＯ3＋ＮＯ2↑ （係数省略）
そして、触媒金属上でＮＯ2がＨＣやＣＯ等と反応して還元浄化される。
【００７８】
ＮＯ2 ＋ＨＣ＋ＣＯ → Ｎ2 ＋Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2 （係数省略）
また、排気中のＣＯ濃度が高くなると、このＣＯと排気中の水分Ｈ2Ｏとの間でいわゆる水性ガスシフト反応が進行し、これにより、触媒の反応サイトで水素Ｈ2が生成される。
【００７９】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → Ｈ2＋ＣＯ2
そして、この水素Ｈ2は強い還元作用を有しており、バリウム粒子に吸収されているＮＯｘやイオン成分を放出させやすくすると考えられる。
【００８０】
要するに、この実施形態によれば、燃料噴射の分割等によって排気中のＣＯ濃度を高めることにより、リーンＮＯｘ触媒２５の内側触媒層２５ｂに担持されたバリウム粒子の周囲に多量のＣＯを供給して、このバリウム粒子に吸収されているＮＯｘの放出を促すことができる。また、このときに燃焼室４の空燃比が理論空燃比よりもリッチ側とリーン側とに周期的に変化していて、バリウム粒子の周囲のＣＯ等の分圧が周期的に変動しているので、ＮＯｘの放出はさらに促進される。
【００８１】
ここで、前記リーンＮＯｘ触媒２５への排気中のＨＣ濃度が高ければ、その分、ＣＯとバリウム粒子との接触の機会が減って、前記のようなＣＯによるＮＯｘ放出作用が阻害される虞れがあるが、この発明では、リーンＮＯｘ触媒２５よりも排気上流側の三元触媒２９により、排気中のＨＣ濃度を大幅に低下させるようにしているので、前記バリウム粒子の周囲のＨＣ濃度は極めて低くなり、このことで、該バリウム粒子に対するＣＯの作用を最大限に高めて、ＮＯｘの放出を最大限に促進することができる。尚、前記リーンＮＯｘ触媒２５の外側触媒層２５ｃにはゼオライトが担持されており、このゼオライトにより排気中のＣＯやＨＣが吸着保持されるとともに、そのＨＣが部分酸化されてＨＣＯやＣＯに変わるので、このことによっても、内側触媒層２５ｂに担持されているバリウム粒子に対するＣＯの作用を強めることができる。
【００８２】
したがって、この実施形態の排気浄化装置Ａによれば、ＮＯｘ放出制御時に排気中のＣＯの作用を最大限に強めて、リーンＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを十分に放出させ、かつその放出されたＮＯｘを略完全に還元浄化することができる。そして、そのようにしてリーンＮＯｘ触媒２５のＮＯｘ吸収性能を十分に回復させることができるので、その後にエンジン１を成層燃焼モードで運転するときにも、前記リーンＮＯｘ触媒２５によるＮＯｘの吸収性能を十分に発揮させることができる。つまり、エンジン１の運転中に全体としてＮＯｘの除去性能を向上させることができる。
【００８３】
さらにまた、この実施形態によれば、リーンＮＯｘ触媒２５の硫黄被毒によるＮＯｘ除去性能の低下を防止することができる。すなわち、例えば、エンジン１を搭載した車両の走行距離が数千ｋｍに及んだときには、エンジン１の運転中にリーンＮＯｘ触媒２５にＳＯｘが徐々に蓄積されることによりＮＯｘの吸収性能が低下する虞れがある。
【００８４】
そこで、前記図１０のフローに示すように、エンジン１の運転中にリーンＮＯｘ触媒２５における硫黄成分の吸収過剰状態が判定されて、フラグＦ２がオンになると（Ｆ２＝１）、このときにリーンＮＯｘ触媒２５が高温状態（例えば４５０°Ｃ以上）になっていて、ＳＯｘを脱離可能な状態であれば、前記のＮＯｘ放出制御と同じようにＳＯｘ放出制御が行われて（図１３参照）、排気中のＣＯ濃度が大幅に高められるとともに、三元触媒２９によりＨＣが選択的に酸化されることにより、リーンＮＯｘ触媒２５への排気中のＨＣ濃度が低くされる。そして、このようにしてＣＯ濃度が極めて高くかつＨＣ濃度の低い排気がリーンＮＯｘ触媒２５に供給されることで、該リーンＮＯｘ触媒２５からのＳＯｘの脱離が促進される。
【００８５】
前記ＳＯｘ脱離制御によりＳＯｘの脱離を促進するときの具体的な反応は前記のＮＯｘの放出の場合と同様であり、バリウム粒子の表面に吸収されている硫酸バリウムＢａＳＯ4がＣＯの供給により置換されて、炭酸バリウムＢａＣＯ3と二酸化硫黄とが生成すると考えられる。
【００８６】
ＢａＳＯ4＋ＣＯ → ＢａＣＯ3＋ＳＯ2↑ （係数省略）
また、前記ＮＯｘ放出の場合と同様に、水性ガスシフト反応により触媒の反応サイトで生成した水素Ｈ2がＳＯｘを硫化水素Ｈ2Ｓの形態で脱離させることによっても、リーンＮＯｘ触媒２５からの硫黄成分の脱離が促進されると考えられる。
【００８７】
【実施例】
次に、具体的に実施した実施例（試験結果）について説明する。
【００８８】
この試験に用いたリーンＮＯｘ触媒は、前記各実施形態のものと同じく２層コートのものであり、内側触媒層には、サポート材としてアルミナとセリアとを用い、これに白金ＰｔとバリウムＢａとを担持させた。また、外側触媒層には、サポート材としてゼオライトを用い、これに白金Ｐｔ及びロジウムＲｈとＢａとを担持させた。そして、前記の触媒を排気量２０００ｃｃの筒内噴射式ガソリンエンジンの排気通路に配設し、排気中の酸素濃度が約７％となるリーン状態（空燃比Ａ/Ｆ＝２２くらい）と、排気中の酸素濃度が略０．５％となるλ＝１状態（空燃比Ａ/Ｆ＝１４．７くらい）とに交互に切替えて運転して、その運転状態の切替えに伴うＮＯｘ除去率の変化を求めたものである。
【００８９】
図１４（ａ）は、排気中のＨＣ濃度を略通常通りの値（約４０００ppm）とした場合について、燃料を吸気行程及び圧縮行程に２分割して噴射して、ＣＯ濃度を増やしたとき（ＣＯ濃度が約１〜２％）と、通常の一括噴射のとき（ＣＯ濃度が約０．１６％）とを対比して示したものである。このように排気中のＨＣ濃度が高いときには、分割噴射によってＣＯ濃度を高めてもＮＯｘ除去率は向上せず、むしろλ＝１状態でのＮＯｘ除去率がやや低下することが分かる。尚、前記ＨＣとしては主にプロピレンＣ3Ｈ6を用いており、このＨＣ、ＣＯ及び酸素以外の排気の組成は、ＮＯが約２６０ppm、Ｈ2が約６５０ppm、そして、残りをＮ2としている。
【００９０】
一方、同図（ｂ）は排気中のＨＣ濃度を大幅に低下させるとともに（約３００ppm）、前記と同様に、分割噴射によってＣＯ濃度を増やしたときと、通常の一括噴射とを対比して示したものである。この場合には、通常の一括噴射を行うと排気中のＣＯ濃度が低くなる（約０．１６％）ことから、還元剤成分であるＣＯ、ＨＣの両方が少なくなり、λ＝１状態になった直後にはリーンＮＯｘ触媒から放出されるＮＯｘを還元し切れずに大気中に排出してしまう。また、リーンＮＯｘ触媒からのＮＯｘの放出も不十分に終わるので、リーン状態でのＮＯｘ吸収性能も低くなってしまい、全体としてＮＯｘ除去性能の低下が著しい。
【００９１】
これに対し、分割噴射によってＣＯ濃度を高めると（約１〜２％）、λ＝１状態でのＮＯｘ除去率は極めて高くなる。すなわち、この場合には、排気中にＣＯ及びＨＣが両方共に十分にあるとき（図（ａ）参照）よりも、特にリーン状態からリッチ状態に切り替わった後の所定の短い期間でさらにＮＯｘ除去性能が向上しており、このことから、排気中のＣＯ濃度が十分に高ければ、ＨＣ濃度はむしろ低いほうが好ましいと言うことができる。また、排気中のＣＯの作用が強まって、リーンＮＯｘ触媒からのＮＯｘの放出も良好に促進される結果、このリーンＮＯｘ触媒が十分に再生され、リーン状態でのＮＯｘ吸収性能も向上している。尚、リーン状態でのＮＯｘ除去性能が、ＨＣ濃度が高い場合（図（ａ）参照）よりも高いのは、排気中のＨＣ濃度が低下して、排気通路におけるＨＣの燃焼が少なくなったことで、排気温度が低下したためであると考えられる。
【００９２】
（他の実施形態）
尚、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、ＣＯ濃度増大手段４０ａとして、インジェクタ７により燃料を、２回に分割して各気筒の吸気行程と圧縮行程とでそれぞれ噴射させるようにしているが、これに限らず、例えば３回以上に分割させるようにしてもよい。また、例えば各気筒の膨張行程や排気行程で燃料を噴射することにより、排気中のＣＯ濃度を増大させるようにしてもよく、さらには、排気通路２２に直接、ＣＯを供給する手段を設けることも可能である。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明した如く、請求項１の発明に係るエンジンの排気浄化装置によれば、エンジンの運転中にＣＯ濃度増大手段により排気中のＣＯ濃度を増大させて、還元剤成分であるＣＯをＮＯｘ浄化材へ十分に供給するとともに、ＨＣ濃度低減手段により前記ＮＯｘ浄化材への排気中のＨＣ濃度を低下させることによって、該ＮＯｘ浄化材に対しその周囲の排気中のＣＯを最大限に強く作用させることができ、このことにより、ＮＯｘ除去性能の向上が図られる。
【００９４】
特にＨＣ濃度低減手段として、ＮＯｘ浄化材よりも上流側の排気通路に、白金及びロジウムの重量比が白金／ロジウム＜３とされて、理論空燃比近傍でのＨＣの除去率がＣＯの除去率よりも高く設定され、且つＨＣ除去率とＣＯ除去率との差は、理論空燃比よりもリーン側においてリッチ側よりも小さくなるように設定された三元触媒を配設したから、リーン側でのＣＯ除去率の大きな低下を招くことなく、理論空燃比近傍においてＮＯｘ浄化材への排気中のＨＣ濃度を低下させることができ、ＮＯｘ除去性能の向上に有利になる。
【００９５】
請求項２の発明によると、燃料噴射弁により燃料を、気筒の吸気行程から圧縮行程の間で少なくとも２回に分割して噴射させることで、排気中のＣＯ濃度を高めることができる。
【００９６】
請求項３の発明によると、ＮＯｘ浄化材をＮＯｘ還元触媒からなるものとしたので、排気中のＣＯ濃度を高めることにより、ＣＯのＮＯｘ浄化材への作用を強めて、ＮＯｘの還元分解を促進できる。
【００９７】
請求項４の発明によると、ＮＯｘ浄化材をＮＯｘ吸収材からなるものとしたので、該ＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させるときに排気中のＣＯ濃度を高めることにより、ＮＯｘの放出と還元分解とを促進して、そのＮＯｘ吸収材の性能を十分に回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図３】空燃比の変化に対するＯ2センサの出力特性を示す図である。
【図４】リーンＮＯｘ触媒（ａ）及び三元触媒（ｂ）の概略構成をそれぞれ示す断面図である。
【図５】エンジンの成層燃焼モード、λ＝１分割モード及びエンリチモードの各運転領域を設定したマップの一例を示す図である。
【図６】エンジンの各運転領域における燃料噴射時期を示すタイムチャート図である。
【図７】エンジン回転数及びアクセル開度に対応するエンジンの目標トルクを設定したマップ（ａ）と、エンジン回転数及び目標トルクに対応するスロットル弁の開度を設定したマップ（ｂ）とをそれぞれ例示する説明図である。
【図８】基本的な燃料噴射量及び燃料噴射時期の設定手順を示すフローチャート図である。
【図９】ＮＯｘ放出制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１０】ＳＯｘ脱離制御の処理手順を示すフローチャート図である。
【図１１】吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の実行手順を示すフローチャート図である。
【図１２】理論空燃比近傍での三元触媒によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化特性を示す図である。
【図１３】エンジン運転中にＮＯｘ放出制御やＳＯｘ脱離制御が行われるときの空燃比の変化を示すタイムチャート図である。
【図１４】排気中のＨＣ濃度が高い場合（ａ）と低い場合（ｂ）とについて、それぞれ燃料噴射を２分割したときのＮＯｘ除去率の変化を、分割しないときと対比して示したグラフ図である。
【符号の説明】
Ａエンジンの排気浄化装置
１エンジン
２気筒
４燃焼室
７インジェクタ（燃料噴射弁）
２２排気通路
２５リーンＮＯｘ触媒（ＮＯｘ還元触媒、ＮＯｘ吸収材、吸収浄化材）
２９三元触媒（ＨＣ濃度低減手段）
４０コントロールユニット（ＥＣＵ）
４０ａＣＯ濃度増大手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an exhaust emission control device provided with a purification material for removing air pollutants in exhaust gas in an exhaust passage of an engine.
[0002]
[Prior art]
  Conventionally, as an exhaust emission control device of this type of engine, when the oxygen concentration is lowered while the exhaust passage of the engine absorbs nitrogen oxide (NOx) in the exhaust gas in an oxygen-excess atmosphere where the oxygen concentration in the exhaust gas is high. A NOx absorber that releases NOx is provided, and a three-way catalyst is disposed adjacent to the downstream side of the NOx absorber so as to reduce and purify the released NOx (for example, Japanese Patent Laid-Open No. Hei. 10-274085 gazette).
[0003]
  The NOx absorbent as described above generally oxidizes NOx and absorbs it as nitrate when the oxygen concentration in the exhaust gas is high. On the other hand, when the oxygen concentration decreases, the absorbed nitrate is carbon monoxide (CO) in the exhaust gas. It has a characteristic of releasing NOx while absorbing this CO as a carbonate through a substitution reaction. Therefore, in the conventional example, when reducing NOx by releasing NOx from the NOx absorbent, the air-fuel ratio of the combustion chamber of the engine is controlled to be close to the theoretical air-fuel ratio to reduce the oxygen concentration in the exhaust gas. At the same time, additional fuel is injected and recombusted in the expansion stroke and exhaust stroke of the cylinder to increase the CO concentration in the exhaust gas, thereby promoting NOx release and reduction purification.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
  By the way, in recent years, needs for exhaust purification of automobile engines have been further strengthened from the viewpoint of environmental protection. For this reason, NOx absorbents in an oxygen-excess atmosphere are also used for exhaust purification apparatuses such as the conventional example. In addition to further enhancing the absorption performance, when releasing NOx from the NOx absorbent, it is required to further promote the releasing action and to reduce and purify the released NOx almost completely.
[0005]
  In contrast, as a result of earnest research on the mechanism of NOx removal by the system as in the conventional example, the inventor of the present application released NOx absorbed in the NOx absorbent and released and reduced it. It has been found that it is effective to increase the CO concentration of the other components, and if the CO concentration can be sufficiently increased, the concentration of the other reducing agent components is preferably lower.
[0006]
  With respect to this point, in the exhaust gas purification apparatus of the conventional example, in order to release NOx from the NOx absorbent, additional fuel is injected and recombusted after the expansion stroke of the cylinder. Although the concentration of CO can be sufficiently increased, the concentration of unburned hydrocarbon (HC) becomes much higher than that. That is, there is still room for improving the NOx removal performance in the conventional exhaust purification device.
[0007]
  The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to improve the NOx removal performance by increasing the CO concentration in the exhaust gas, in addition to the CO in the exhaust gas. By adjusting the concentration of the reducing agent component, the overall NOx removal performance is improved during engine operation.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, in the present invention, the CO concentration in the exhaust gas is increased, and the HC concentration in the exhaust gas is lowered when the removal of NOx by the NOx purification material is promoted.
[0009]
  SpecificallyIsIn the invention of claim 1, as shown in FIG. 1, the engine 1 is disposed in the exhaust passage 22 of the engine 1 and removes NOx in the exhaust, and the CO concentration in the exhaust increases. The engine exhaust purification device A provided with the CO concentration increasing means a for adjusting the combustion state of 1 is used as an object, and when the CO concentration in the exhaust gas is increased at least by the CO concentration increasing means a, HC concentration reduction means b for reducing the HC concentration in the exhaust gas flowing into the NOx purification material 25In the exhaust passage upstream of the NOx purifierIt is set as the structure to provide.The HC concentration reduction means b is such that the HC removal rate when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is close to the stoichiometric air-fuel ratio is set higher than the CO removal rate, and the HC removal rate and the CO The difference from the removal rate is a three-way catalyst that is set to be smaller on the lean side than the stoichiometric air-fuel ratio on the lean side, and platinum and rhodium are supported on the catalyst layer, and their weight The ratio is platinum / rhodium <3.
[0010]
In this case, since the weight ratio of platinum and rhodium of the three-way catalyst is platinum / rhodium <3, the HC removal rate when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is in a predetermined range near the stoichiometric air-fuel ratio is It becomes higher than the removal rate of CO.
[0011]
  With the above configuration, the CO concentration in the exhaust gas is increased by the CO concentration increasing means a during the operation of the engine 1, and the exhaust gas having a high concentration of CO as the reducing agent component is supplied around the NOx purification material 25. The CO in the exhaust gas acts on the NOx purification material 25, so that the removal of NOx is promoted.The exhaust from the combustion chamber of the engine flows through the upstream three-way catalyst and then is supplied to the NOx purification material. However, the HC removal rate of the three-way catalyst is set higher than the CO removal rate. While the CO concentration in the exhaust gas to the NOx purification material does not decrease so much, the HC concentration decreases significantly To do. That is, the three-way catalyst can reduce the HC concentration in the exhaust to the NOx purification material. Therefore,When increasing the CO concentration in the exhaust by the CO concentration increasing means a as described above,Three-way catalystAs a result, the HC concentration in the exhaust gas to the NOx purification material 25 is reduced, so that the action of CO on the NOx purification material 25 as described above is not hindered by the high HC concentration in the exhaust gas. The purifying material 25 can make CO in the surrounding exhaust gas act to the maximum extent. Therefore, the NOx removal performance can be improved.
[0012]
Further, since the difference between the HC removal rate and the CO removal rate is set to be smaller on the lean side than on the rich side on the lean side, the CO removal rate on the lean side is not so low.
[0013]
  Claim 2In the present invention, a fuel injection valve that directly injects fuel into the in-cylinder combustion chamber of the engine is provided, and the CO concentration increasing means supplies at least 2 fuel between the intake stroke and the compression stroke of the cylinder by the fuel injection valve. It is assumed that the fuel is injected in divided times.
[0014]
  As a result, when the fuel is divided and injected at least twice by the fuel injection valve, the initially injected fuel is uniformly diffused into the combustion chamber to form a lean mixture, and then injected. The fuel spray forms a rich mixture, and oxygen is insufficient in the rich mixture portion, so that CO is likely to be generated due to local incomplete combustion. Further, since the combustion in the surrounding lean mixture portion becomes slow, CO is easily generated here. Furthermore, since the ratio of coarse fuel droplets injected at the initial stage of valve opening by split injection increases, the vaporization / atomization state of the fuel spray deteriorates, and this also facilitates the generation of CO. That is, the CO concentration in the exhaust gas can be increased by dividing the fuel injection.
[0015]
  Claim 3In this invention, the NOx purification material is composed of a NOx reduction catalyst that reduces and purifies NOx in the exhaust gas when the air-fuel ratio in the cylinder combustion chamber of the engine is in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio or richer than that. To do. Thus, when the air-fuel ratio in the in-cylinder combustion chamber of the engine is in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio or richer than that, NOx in the exhaust can be reduced and decomposed by the NOx reduction catalyst. At this time, when the concentration of CO, which is a reducing agent component, increases, the NOx reductive decomposition proceeds on the catalyst faster, and the removal of NOx is promoted.
[0016]
  Claim 4In this invention, the NOx purifying material is composed of a NOx absorbing material that absorbs NOx in an oxygen-excess atmosphere having a high oxygen concentration in the exhaust gas and releases NOx when the oxygen concentration decreases.
[0017]
  Thus, for example, when the engine is operated in a lean air-fuel ratio, NOx in the exhaust is absorbed by the NOx absorbent in an oxygen-excess atmosphere with a high oxygen concentration in the exhaust, and then the engine is operated near the stoichiometric air-fuel ratio. During operation, the oxygen concentration in the exhaust gas decreases, and NOx is released from the NOx absorbent. At this time, if the CO concentration in the exhaust gas increases, the CO in the exhaust gas undergoes a substitution reaction with NO absorbed in the NOx absorbent, thereby promoting the release of NOx. Further, when the concentration of reducing CO increases, the reductive decomposition of released NOx is promoted. That is, by sufficiently releasing NOx from the NOx absorbent and reducing and purifying it, the performance of the NOx absorbent can be sufficiently recovered.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  (Entire engine configuration)
  FIG. 2 shows the overall configuration of an engine equipped with an exhaust emission control device A according to an embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a multi-cylinder engine mounted on a vehicle, for example. This engine 1 has a plurality of cylinders 2, 2,... (Only one is shown), and a piston 3 is fitted in each cylinder 2 so as to be able to reciprocate. The piston 3 burns in the cylinder 2. Chamber 4 is partitioned. A spark plug 6 connected to the ignition circuit 5 is attached to a position on the cylinder axial center on the upper wall of the combustion chamber 4 so as to face the combustion chamber 4. An injector (fuel injection valve) 7 is attached to the peripheral edge of the combustion chamber 4 so as to directly inject and supply fuel to the combustion chamber 4.
[0019]
  Although not shown, the injector 7 is connected to a fuel supply circuit having a high-pressure fuel pump, a pressure regulator, and the like. The fuel supply circuit adjusts the fuel from the fuel tank to an appropriate pressure, and the injector 7 It comes to supply. Further, a fuel pressure sensor 8 for detecting the fuel pressure is provided. When the fuel is injected by the injector 7 in the latter half of the compression stroke of the cylinder 2, the fuel spray is trapped in a cavity (not shown) formed in the top surface of the piston 3, and near the spark plug 6. A relatively dense mixture layer is formed. On the other hand, when fuel is injected by the injector 7 in the intake stroke of the cylinder 2, the fuel spray is diffused into the combustion chamber 4 and mixed with intake air (air), and a uniform air-fuel mixture is formed in the combustion chamber 4. The
[0020]
  The combustion chamber 4 communicates with an intake passage 10 via an intake valve 9 by an intake port (not shown). The intake passage 10 supplies intake air filtered by the air cleaner 11 to the combustion chamber 4 of the engine 1 and is a hot for detecting the intake air amount sucked into the engine 1 in order from the upstream side to the downstream side. A wire type air flow sensor 12, an electric throttle valve 13 that throttles the intake passage 10, and a surge tank 14 are provided. The electric throttle valve 13 is not mechanically connected to an accelerator pedal (not shown), and is driven by a motor 15 to open and close. Further, a throttle opening sensor 16 for detecting the opening of the throttle valve 13 and an intake pressure sensor 17 for detecting the intake pressure in the surge tank 14 are provided.
[0021]
  The intake passage 10 on the downstream side of the surge tank 14 is an independent passage branched for each cylinder 2, and the downstream end portion of each independent passage is further branched into two to communicate with the intake ports. A swirl control valve 18 is provided on one of the branch paths. The swirl control valve 18 is driven by an actuator 19 to open and close. When the swirl control valve 18 is closed, intake air is supplied to the combustion chamber 4 only from the other branch path, and strong intake air is supplied to the combustion chamber 4. While the swirl is generated, the intake swirl is weakened as the swirl control valve 18 opens. Further, a swirl control valve opening sensor 20 that detects the opening of the swirl control valve 18 is provided.
[0022]
  In FIG. 2, reference numeral 22 denotes an exhaust passage for discharging combustion gas from the combustion chamber 4. The upstream end of the exhaust passage 22 branches for each cylinder 2 and communicates with the combustion chamber 4 through an exhaust valve 23 (not shown) through an exhaust valve 23. Has been. In this exhaust passage 22, in order from the upstream side to the downstream side, an O2 sensor 24 that detects the oxygen concentration in the exhaust, a three-way catalyst 29 that purifies HC, CO, and NOx in the exhaust, and oxygen in the exhaust A lean NOx catalyst 25 that can remove NOx in the exhaust gas even in a high-concentration atmosphere (oxygen-excess atmosphere) is provided.
[0023]
  As shown in FIG. 3, the output (electromotive force) of the O2 sensor 24 becomes the reference value E1 when the oxygen concentration in the exhaust gas is a concentration (about 0.5%) substantially corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio. However, when it is darker (rich side), it increases rapidly, while when it is thinner (lean side), it decreases rapidly. That is, the O2 sensor 24 is a so-called lambda O2 sensor whose output reverses stepwise with the theoretical air-fuel ratio as a boundary.
[0024]
  The lean NOx catalyst 25 is of the NOx absorption reduction type that absorbs NOx in the exhaust in an excess oxygen atmosphere and releases and absorbs the absorbed NOx when the oxygen concentration in the exhaust decreases. . The three-way catalyst 29 oxidizes and purifies approximately 100% of HC and CO in the exhaust in an oxygen-excess atmosphere, while the CO purification rate becomes lower than the HC purification rate when the oxygen concentration in the exhaust decreases. It has characteristics. The detailed configuration of each of the catalysts 25 and 29 will be described later.
[0025]
  The oxygen-excess atmosphere corresponds to an atmosphere in which the oxygen concentration in the exhaust gas is a predetermined value (for example, 4 to 5%) or more and the air-fuel ratio of the combustion chamber 4 of the engine 1 is considerably lean. The above-mentioned “by reducing the oxygen concentration” is sufficient if the oxygen concentration in the exhaust gas is, for example, less than 3 to 4% (preferably less than 1 to 2%). This corresponds to a state near or richer than the stoichiometric air-fuel ratio.
[0026]
  An upstream end of an EGR passage 26 is branchedly connected to the exhaust passage 22 upstream of the O 2 sensor 24, and the downstream end of the EGR passage 26 is connected to the intake passage 10 between the throttle valve 13 and the surge tank 14. It is connected to recirculate part of the exhaust to the intake system. An electric EGR valve 27 whose opening degree can be adjusted is disposed near the downstream end of the EGR passage 26, and an exhaust gas recirculation amount (hereinafter referred to as an EGR amount) through the EGR passage 26 is adjusted. . Further, a lift sensor 28 for detecting the lift amount of the EGR valve 27 is provided.
[0027]
  The ignition circuit 5 of the spark plug 6, the injector 7, the drive motor 15 of the electric throttle valve 13, the actuator 19 of the swirl control valve 18, the electric EGR valve 27 and the like are controlled by a control unit 40 (hereinafter referred to as ECU). It has become so. On the other hand, the ECU 40 receives the output signals of the air flow sensor 12, the throttle opening sensor 16, the intake pressure sensor 17, the swirl control valve opening sensor 20, the O2 sensor 24, and the lift sensor 28 of the EGR valve 27. In addition, a water temperature sensor 30 for detecting the coolant temperature (engine water temperature) of the engine 1, an intake air temperature sensor 31 for detecting the intake air temperature, an atmospheric pressure sensor 32 for detecting the atmospheric pressure, and a rotational speed for detecting the engine speed. Each output signal of the sensor 33 and the accelerator opening sensor 34 for detecting the opening of the accelerator pedal (accelerator operation amount) is input.
[0028]
  (Arrangement structure of two catalysts)
  The first feature of the present invention is the catalyst arrangement structure in which the lean NOx catalyst 25 and the three-way catalyst 29 are arranged in the exhaust passage 22 of the engine 1 as described above. When 1 is operated with a lean air-fuel ratio (stratified combustion state described later), HC and CO in the exhaust are substantially completely oxidized and purified, and NOx in the exhaust is absorbed and removed. Can do. On the other hand, when the engine 1 is operated in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio (for example, during acceleration operation or when NOx release control described later is performed), the HC and NOx in the exhaust gas are exhausted by the upstream three-way catalyst 29, which will be described in detail later. In addition, the CO is supplied to the downstream lean NOx catalyst 25 without being purified so much that the release of NOx from the lean NOx catalyst 25 and the reduction purification are promoted.
[0029]
  Specifically, as shown in FIG. 4A, the lean NOx catalyst 25 includes a honeycomb carrier 25a made of cordierite, and an inner catalyst layer 25b (basecoat) is formed on the carrier 25a. Two catalyst layers are coated with the outer catalyst layer 25c (overcoat). The inner catalyst layer 25b carries, for example, platinum Pt as a noble metal as a catalyst metal and barium Ba as a NOx absorbent as a support material made of alumina and ceria, which are porous materials. On the other hand, platinum, rhodium and barium as noble metals are supported on the outer catalyst layer 25c as a support material, which is a porous material.
[0030]
  Impurities are 1% or less. Further, instead of barium, sodium Na, potassium K, strontium Sr, calcium Ca, or the like may be used, or two or three of them or barium may be combined. In short, it may be at least one kind of alkali metal or alkaline earth metal.
[0031]
  The support material for the inner catalyst layer 25b may be zeolite instead of alumina and ceria, and the support material for the outer catalyst layer 25c may be alumina or ceria instead of zeolite. Any two or three of these may be combined.
[0032]
  On the other hand, the upstream three-way catalyst 29 has an inner catalyst layer 29b (base coat) and an outer catalyst layer 29c (overcoat) on a honeycomb carrier 29a made of, for example, cordierite, as shown in FIG. ) And 2 layers are coated. The inner catalyst layer 29b carries palladium Pd using, for example, alumina and ceria as a support material.
[0033]
  On the other hand, platinum and rhodium which are noble metals are supported on the outer catalyst layer 29c using ceria as a support material. The weight ratio of platinum and rhodium is Pt / Rh <3 (smaller than 3), and it is desirable that Pt / Rh = 3/2 to 1/5. That is, if the weight ratio of platinum and rhodium is Pt / Rh ≧ 3 (3 or more), the effect of lowering the CO purification rate cannot be obtained as will be described later, so Pt / Rh <3. Further, when Pt / Rh = 0, that is, when platinum is not supported and only rhodium is used, the deterioration starts at the stage of firing the catalyst layers 6 and 7 when the three-way catalyst 29 is manufactured, which is not preferable.
[0034]
  Further, about 3 g / L of barium may be added to the entire inner and outer catalyst layers 6 and 7 of the three-way catalyst 29 in order to improve heat resistance.
[0035]
  The outer catalyst layer 29c supports platinum and rhodium with ceria, and the weight ratio of platinum and rhodium is set to Pt / Rh <3. The air-fuel ratio A1 in which the CO purification rate of the three-way catalyst 29 increases to a predetermined value (for example, 80%) or more with the increase to the air-fuel ratio A2 in which the HC purification rate increases to the predetermined value (80% or more). Therefore, the CO purification rate in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio of the three-way catalyst 29 is set lower than the HC purification rate.Further, the difference between the HC removal rate and the CO removal rate is set to be smaller on the lean side than the stoichiometric air-fuel ratio and on the rich side.
[0036]
  Specifically, for example, if the air-fuel ratio at which the HC purification rate is 80% or more is A / F = 14.6 (= A2) richer than the theoretical air-fuel ratio, the CO purification rate is 80% or more. The A / F = 14.62 (= A1) is greater than the A / F = 14.6, and the 80% purification rate of CO is 80% of the HC. F = 0.02 or more is set on the lean side. Further, since the CO purification rate is about 40% at the air-fuel ratio A2, the HC concentration can be sufficiently lowered while the CO concentration in the exhaust gas is not lowered so much. Further, the upper limit value of the air-fuel ratio at which the CO purification rate is equal to or higher than a predetermined value is set so that the NOx purification rate is not greatly reduced, but does not become A / F = 14.75 or higher.
[0037]
  In addition, simulated exhaust gas is used for the measurement of the purification rate, and the composition of the exhaust gas when the air-fuel ratio is A / F = 14.6 is as follows.
That is, HC (fluoropropylene): 0.055%, CO2: 13.9%, O2: 0.55%,
            CO: 0.7%, H2: 0.24%, NO: 0.1%, N2: balance.
The space velocity of the exhaust gas at this time is SV = 60000 / h.
The oxygen, carbon monoxide, and hydrogen concentrations when the air-fuel ratio is A / F = 14.62 are O2: 0.55%, CO: 0.68%, and H2: 0.23%, respectively. Is the same as above.
[0038]
  When manufacturing the catalysts 25 and 29, for example, the inner catalyst layers 25b and 29b are preferably formed by an impregnation method, and the outer catalyst layers 25c and 29c are preferably used by a spray drying method. That is, in the lean NOx catalyst 25, a slurry is prepared by mixing a binder, powder of alumina and ceria not supporting a noble metal, this slurry is wash-coated on the carrier 25a, dried and fired, and then on the carrier 25a. The inner catalyst layer 25b is formed. Further, a zeolite powder, a rhodium solution as a complex, and water are mixed to prepare a slurry, and this slurry is sprayed in a heating atmosphere and dried and fired to obtain an overcoat powder (spray drying method). Then, a slurry is prepared by mixing the overcoat powder with a binder, and this slurry is washed on the carrier 25a from above the inner catalyst layer 25b, and then dried and fired. Then, after coating the two catalyst layers 25b and 25c in this manner, the catalyst layers 25b and 25c are impregnated with a mixed solution of platinum and barium to carry platinum and barium. Thereafter, it is dried and fired.
[0039]
  On the other hand, in the three-way catalyst 29, a slurry is prepared by mixing a binder with alumina and ceria powder supporting palladium as a noble metal, and this slurry is washed on the carrier 29a and dried and fired. An inner catalyst layer 29b is formed on the carrier 29a. The spray-drying method is also called a spray-drying method. A slurry is prepared by mixing a ceria powder, a platinum solution as a complex, a rhodium solution, and water, and spraying the slurry in a heated atmosphere. Dry and fire to produce overcoat powder. Then, a slurry is prepared by mixing the overcoat powder with a binder, and this slurry is washed on the carrier 29a from above the inner catalyst layer 29b, dried and fired to form the outer catalyst layer 29c. .
[0040]
  (Outline of engine control)
  The engine 1 according to this embodiment is operated in different combustion states by switching the fuel injection mode (fuel injection timing, air-fuel ratio, etc.) by the injector 7 according to the operating state. That is, when the engine 1 is warm, for example, as shown in FIG. 5, a predetermined region on the low load and low rotation side is a stratified combustion region, and as shown in FIG. And a combustion mode in which combustion is performed in a stratified state where the air-fuel mixture is unevenly distributed in the vicinity of the spark plug 6. In this stratified combustion mode, the opening degree of the throttle valve 13 is increased in order to reduce the pump loss of the engine 1, whereby the average air-fuel ratio of the combustion chamber 4 is in a significantly lean state (for example, A / F). = About 30).
[0041]
  On the other hand, the other operation region is a uniform combustion region, and in the low load side λ = 1 division region, the fuel is divided into two times by the injector 7 in the intake stroke and the compression stroke, respectively. The fuel injection amount and the throttle opening are controlled so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber 4 becomes substantially the stoichiometric air-fuel ratio (A / F = 14.7) (hereinafter referred to as λ = 1 division). Mode). Further, in the high load or high rotation rich region in the uniform combustion region, the fuel is injected collectively by the injector 7 in the first half of the intake stroke, and the air-fuel ratio is richer than the stoichiometric air-fuel ratio (for example, A / F = 13-14) (hereinafter referred to as an enrichment mode).
[0042]
  In the region indicated by hatching in the control map of FIG. 5, the EGR valve 27 is opened, and a part of the exhaust gas is recirculated to the intake passage 10 by the EGR passage 26. Although not shown in the drawings, the entire operation region of the engine 1 is a uniform combustion region in order to improve combustion stability when the engine is cold.
[0043]
  More specifically, the ECU 40 includes, as various control parameters related to the engine output, for example, the fuel injection amount and injection timing by the injector 7, the intake air amount adjusted by the throttle valve 13, and the intake swirl adjusted by the swirl control valve 18. The strength, the EGR amount adjusted by the EGR valve 27, and the like are determined according to the operating state of the engine 1.
[0044]
  Specifically, first, the target torque trq of the engine 1 is calculated based on the accelerator opening degree accel and the engine speed ne. This target torque trq is obtained in advance by a bench test or the like so as to obtain a correspondence relationship between the accelerator opening degree accel and the engine speed ne so that the required output performance can be obtained, and this correspondence relationship is stored in the memory of the ECU 40 as a map. Thus, values corresponding to the actual accelerator opening degree accel and the engine speed ne are read from this map. The correspondence relationship between the accelerator opening degree accel and the engine speed ne and the target torque trq is, for example, as shown in FIG. 7A, and the target torque trq increases as the accelerator opening degree accel increases. And the higher the engine speed ne, the larger.
[0045]
  Subsequently, the operation mode is set based on the target torque trq and the engine speed ne obtained as described above. That is, for example, when the engine is warm, as shown in FIG. 5, the stratified combustion mode is set when the target torque trq is lower than a predetermined low load side threshold value trq * and the engine speed ne is low. In the other operating states, the uniform combustion mode is selected. In this case, the λ = 1 split mode or the enrich mode is selected according to the target torque trq and the engine speed ne.
[0046]
  Subsequently, a target air-fuel ratio afw is set for each operation mode. That is, in the stratified combustion mode and the enrich mode, the target air-fuel ratio afw is obtained from a map prepared in advance according to the target torque trq and the engine speed ne, and in the λ = 1 split mode, the target air-fuel ratio afw is theoretically calculated. Let the air-fuel ratio. Then, a target charging efficiency ce is calculated based on the target air-fuel ratio afw, the engine speed ne and the target torque trq, and is created in advance according to the target charging efficiency ce and the engine speed ne. The throttle opening tvo is obtained from the map (see FIG. 7B). Note that the correspondence relationship between the engine speed and the throttle opening varies depending on the presence or absence of EGR, and the throttle opening tvo is made larger than when there is no EGR.
[0047]
  An actual charging efficiency ce of the engine 1 is calculated based on an output signal from the air flow sensor 12, and a basic fuel injection amount qbase is calculated based on the actual charging efficiency ce and the target air-fuel ratio afw. The
[0048]
      qbase = KGKF x ce / afw (where KGKF is a conversion factor)
At the same time, the fuel split ratio between the intake stroke injection and the compression stroke injection is set for each operation mode. In the stratified combustion mode, the intake stroke injection ratio becomes 0%, while in the enrich mode, the intake stroke injection ratio becomes 100%. In the λ = 1 split mode, the split ratio is set according to the target air-fuel ratio afw and the engine speed ne.
[0049]
  Further, although the fuel injection timing is set for each operation mode and not shown, in the stratified combustion mode, the injection timing Inj_TT for the compression stroke injection is obtained from a map prepared in advance according to the target torque trq and the engine speed ne. On the other hand, in the uniform combustion mode, the injection timing Inj_TL for intake stroke injection is obtained from a table set in advance according to the engine speed ne. In the case of split injection, the data in the stratified combustion mode is diverted as the injection timing Inj_TT for compression stroke injection, and intake stroke injection is performed from a map prepared in advance according to the target air-fuel ratio afw and the engine speed ne. Injection timing Inj_TL is obtained.
[0050]
  In addition, the ignition timing of the engine 1 is also set for each operation mode. In the stratified combustion mode, the basic ignition timing is obtained mainly on the basis of the target torque trq and the engine speed ne, while the λ = 1 split mode and the enrichment mode. In the mode, the basic ignition timing is obtained based on the charging efficiency ce and the engine speed ne, and the basic ignition timing is corrected based on the engine water temperature or the like. Further, the swirl control valve 18 is also controlled according to the operation mode. In the stratified combustion mode, the opening degree of the swirl control valve 18 is increased as the target torque trq is increased and the engine speed ne is increased. On the other hand, in the λ = 1 split mode and the enrich mode, the opening degree of the swirl control valve 18 is decreased as the target torque trq is increased and the engine speed ne is increased. The EGR amount is also controlled for each operation mode according to the operation state of the engine 1.
[0051]
  (Fuel injection control)
  In this embodiment, as described above, the engine 1 is operated in the stratified combustion mode to greatly improve the fuel consumption, and NOx in the exhaust gas can be reduced even in an operation state in which the air-fuel ratio is extremely lean as in the stratified combustion mode. A so-called absorption reduction type lean NOx catalyst 25 is employed so that the reduction can be achieved. In order to stably exhibit the purification performance of the lean NOx catalyst 25, NOx release control for releasing NOx is performed when the amount of NOx absorbed in the lean NOx catalyst 25 increases to some extent.
[0052]
  Further, the SOx in the lean NOx catalyst 25 is a problem against the so-called sulfur poisoning in which a small amount of SOx contained in the exhaust gas is absorbed by the barium of the lean NOx catalyst 25 and the NOx absorption performance gradually decreases with time. SOx desorption control is performed to forcibly desorb the SOx when the amount of absorption increases beyond a predetermined level.
[0053]
  The second feature of the present invention is that when performing the NOx release control and SOx desorption control, the air-fuel ratio of the combustion chamber 4 is controlled to be approximately in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio, and the fuel injection by the injector 7 is divided into two. Thus, the CO concentration in the exhaust gas is greatly increased.
[0054]
  Next, the processing procedure of the fuel injection control will be described in detail with reference to the flowcharts shown in FIGS. 8 to 11. First, as shown in FIG. 8, the air flow sensor 12, While receiving various sensor signals such as the O2 sensor 24, the water temperature sensor 30, the rotation speed sensor 33, the accelerator opening sensor 34, etc., various data are input from the memory of the ECU 40. Subsequently, in step SA2, the basic fuel injection amount qbase is calculated and set based on the charging efficiency ce, the target air-fuel ratio afw and the like as described above.
[0055]
  Subsequently, in steps SA3 to SA9, the injection pulse widths τL and τT of the intake stroke injection and the compression stroke injection and the injection timings Inj_TL and Inj_TT are obtained for each operation mode. That is, first, in step SA3, it is determined whether or not λ = 1 division mode. If this determination is NO, the process proceeds to step SA6, while if the determination is YES, the process proceeds to step SA4, and the basic fuel injection amount qbase is divided into an intake stroke and a compression stroke according to a division ratio, and each injection amount is handled. The injection pulse width τ to be set is set as the intake stroke injection pulse width τL = τL1 and the compression stroke injection pulse width τT = τT2, respectively, based on the flow rate characteristics of the injector 7. Subsequently, in step SA5, the injection timings of the intake stroke injection and the compression stroke injection are set (Inj_TL = Inj_TL1, Inj_TT = Inj_TT1).
[0056]
  In step SA6, which is determined to be NO that is not the λ = 1 split mode in step SA3, it is determined whether or not it is the stratified combustion mode. If this determination is NO, the process proceeds to step SA9. Proceeding to SA7, the intake stroke injection pulse width τL = 0 is set, and the compression stroke injection pulse width τT is set to a value τT1 corresponding to the basic fuel injection amount qbase. Subsequently, in step SA8, the injection timing of the compression stroke injection is set (Inj_TT = Inj_TT2). On the other hand, in step SA9, which is determined to be NO that is not the stratified combustion mode in step SA6, it is determined whether or not the fuel cut control is performed. If this determination is YES, the process returns. If the determination is NO, step SA10 is performed. Then, the intake stroke injection pulse width τL is set to a value τL1 corresponding to the basic fuel injection amount qbase, the compression stroke injection pulse width τT is set to 0, and the injection timing of the intake stroke injection is set in the subsequent step SA11. (Inj_TL = Inj_TL3).
[0057]
  Subsequent to steps SA5, SA8, and SA11 in FIG. 8, in step SB1 shown in FIG. 9, the NOx absorption amount in the lean NOx catalyst 25 is estimated. For example, this estimation is performed based on the distance traveled since the last NOx release control (NOx release control) and the total amount of fuel consumed in the meantime, and in the subsequent step SB2 based on the estimation result. Then, it is determined whether or not the NOx absorption amount is equal to or greater than a predetermined value set in advance, that is, whether or not the NOx absorption is excessive. If this determination is NO, the process proceeds to step SB10. If the determination is YES, the process proceeds to step SB3, and a flag F1 indicating that it is a period for performing NOx release control is turned on (F1 = 1). In step SB2, when the engine 1 is accelerating, the determination may be YES regardless of the NOx absorption amount, and NOx release control may be performed as described later.
[0058]
  Subsequently, in step SB4, the first timer value T1 having an initial value of 0 is incremented, and in the subsequent step SB5, it is determined whether or not the first timer value T1 is equal to or greater than a preset threshold value T10. If this determination is YES, it is determined that the period for performing NOx release control has ended, the process proceeds to steps SB11 and SB12, the flag F1 is cleared (F1 = 0), and the first timer is reset (T1 = 0). ). On the other hand, if the determination is NO, the process proceeds to step SB6, and in each of steps SB6 to SB9, feedback control calculation based on the signal from the O2 sensor 24 is performed.
[0059]
  Specifically, first, in step SB6, the output E from the O2 sensor 24 is compared with a reference value E1 corresponding to the theoretical air-fuel ratio, and if the output E is greater than the reference value E1, the process proceeds to step SB7. The feedback correction values τCL and τCT are calculated. That is, constants α and β are subtracted from the previous values of the feedback correction values τCL and τCT, respectively, to obtain the current value. On the other hand, if the output E from the O2 sensor 24 is equal to or less than the reference value E1 in step SB6, the process proceeds to step SB8, where constants α and β are added to the previous values of the feedback correction values τCL and τCT to obtain the current value. Ask for.
[0060]
  Subsequently, at step SB9, the injection pulse widths τL4, τT4 obtained according to the actual charging efficiency ce so that the air-fuel ratio of the combustion chamber 4 becomes the stoichiometric air-fuel ratio, and the feedback correction value τCL obtained at the steps SB7, SB8. , ΤCT, the intake stroke and the compression stroke injection pulse widths τL, τT at the time of NOx release control are calculated, and the injection timings are set again.
[0061]
      τL = τL4 + τCL, Inj_TL = Inj_TL4
      τT = τT4 + τCT, Inj_TT = Inj_TT4
  That is, while the output E from the O2 sensor 24 is larger than the reference value E1, the air-fuel ratio is richer than the stoichiometric air-fuel ratio, so that the fuel injection amount in the intake and compression strokes is set to a constant amount α, β for each control cycle. Gradually decrease gradually to change the air-fuel ratio to the lean side. On the other hand, if the output E becomes smaller than the reference value E1, the air-fuel ratio becomes lean this time, so the fuel injection amount is gradually increased to change the air-fuel ratio to the rich side. In steps SB7 to SB9, both the intake stroke and the compression stroke injection amount are feedback corrected. However, the present invention is not limited to this, and only the intake stroke injection amount may be feedback corrected. This is because even if the fuel injection amount in the intake stroke is changed, there is little adverse effect on the combustion state and exhaust.
[0062]
  Further, in step SB10, which is determined to be NO in step SB2, and proceeds to step SB10, the state of the flag F1 is determined. If the flag is on (F1 = 1), it is determined that it is a period for performing NOx release control. On the other hand, if the flag is off (F1 = 0), it is determined that it is not a period for performing NOx release control, and the process proceeds to steps SB11 and SB12.
[0063]
  Subsequent to steps SB9 and SB12 in FIG. 9, in step SC1 shown in FIG. 10, the degree of sulfur poisoning of the lean NOx catalyst 25, that is, the SOx absorption amount is estimated. Similar to the estimation of the NOx absorption amount in step SB1, this estimation is also based on the distance traveled since the last control for promoting SOx desorption (SOx desorption control) and the total amount of fuel consumed during that time. , Taking into account the temperature state of the catalyst in the meantime. Then, based on the estimation result, in the subsequent step SC2, it is determined whether or not the SOx absorption amount has exceeded a predetermined value set in advance, that is, whether or not the SOx absorption is excessive. Here, since the sulfur component in the exhaust gas is small, the travel distance until the SOx absorption excessive state is reached is usually much longer than the travel distance until the NOx absorption excessive state is reached.
[0064]
  If the determination in step SC2 is NO, the process proceeds to step SC13. If the determination is YES, the process proceeds to step SC3, and a flag F2 indicating that it is a period for performing SOx desorption control is turned on (F2 = 1). . In step SC4, the exhaust gas temperature thg, that is, the temperature state of the lean NOx catalyst 25 is estimated. This estimation is mainly based on the actual charging efficiency ce and engine speed ne at the time of estimation, and taking into account the operation time in the stratified combustion mode and the time of split injection within the predetermined time before the estimation. However, the exhaust temperature thg tends to increase as the charging efficiency and the engine speed increase, and also to increase due to split injection. On the other hand, since the exhaust gas temperature thg becomes considerably low in the stratified combustion mode, the temperature state of the lean NOx catalyst 25 becomes lower as the operation time in the stratified combustion mode becomes longer.
[0065]
  Subsequently, in step SC5, it is determined whether or not the exhaust gas temperature thg is equal to or higher than a set temperature thg0 (for example, 450 ° C.). If this determination is NO, the process proceeds to step SD1 in FIG. Then, the SOx desorption control is executed. As described above, the SOx desorption control is performed only when the exhaust gas temperature is high to some extent. If the temperature state of the lean NOx catalyst 25 is not higher than a certain level, the SOx is desorbed from the lean NOx catalyst 25. It is not possible.
[0066]
  In step SC6 following step SC5, the second timer value T2 having an initial value of 0 is incremented. In subsequent step SC7, it is determined whether or not the second timer value T2 is equal to or greater than a preset threshold value T20. If this determination is NO, the process proceeds to step SC8, and in each step of steps SC8 to SC11, feedback control calculation based on the signal from the O2 sensor 24 is performed. The specific procedure of this feedback control calculation is the same as steps SB6 to SB9 in FIG. If the time corresponding to the threshold value T20 has elapsed and SOx is sufficiently desorbed from the lean NOx catalyst 25, the determination in step SC7 is YES and the process proceeds to step SC12, where the flag F2 is cleared. (F2 = 0), the process proceeds to step SD1 in FIG.
[0067]
  On the other hand, in step SC13, which is determined to be NO in step SC2, and proceeds to step SC13, the state of flag F2 is determined. If the flag is on (F2 = 1), it is determined that it is a period for performing SOx desorption control. In step SC4, if the flag is off (F2 = 0), it is determined that it is not the period for performing the SOx desorption control, the process proceeds to steps SC14 and SC15, and the flag F2 is cleared (F2 = 0). ), The second timer is reset (T2 = 0), and the process proceeds to step SD1 in FIG.
[0068]
  Subsequent to steps SC5, SC11, SC12, and SC15, in step SD1 in FIG. 11, it is first determined whether or not the intake stroke injection pulse width τL is zero, and if the pulse width is zero and YES (τL = 0). ) While the process proceeds to step SD4, if the pulse width is not zero, the process proceeds to step SD2, and it is determined whether or not the intake stroke injection timing Inj_TL has been reached. And it waits until it becomes an injection timing, and if it becomes an injection timing (it is YES at step SD2), it will progress to step SD3 and will perform intake stroke injection by the injector 7. FIG. Subsequently, in each of steps SD4 to SD6, the compression stroke injection is executed in the same manner as described above, and then the process returns.
[0069]
  Each of the steps SB3 to SB9 in the flow shown in FIG. 9 and the steps SC3 to SC11 in the flow shown in FIG. 10 respectively causes the fuel to be injected by the injector 7 once in the intake stroke and the compression stroke of the cylinder. The CO concentration increasing means 40a is configured to increase the CO concentration in the exhaust gas by injecting the fuel into two parts.
[0070]
  (Function and effect)
  Next, the function and effect of the embodiment will be described.
[0071]
  The engine 1 is disposed in the upstream side of the exhaust passage 22 when the engine 1 is operated in the stratified combustion mode, for example, during idle operation, and the air-fuel ratio of the combustion chamber 4 is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. The three-way catalyst 29 purifies the CO and HC in the exhaust gas, and the downstream lean NOx catalyst 25 absorbs and removes the NOx in the exhaust gas. For example, as shown in FIG. 13, in the acceleration operation state of the engine 1, the air-fuel ratio of the combustion chamber 4 is controlled to be approximately near the stoichiometric air-fuel ratio, so NOx is released from the lean NOx catalyst 25 and reduced and purified. The At this time, since the CO purification rate of the three-way catalyst 29 is set lower than the HC purification rate, the exhaust gas supplied to the lean NOx catalyst 25 on the downstream side through the three-way catalyst 29 contains a reducing agent. As a result, the reduction and purification of NOx is promoted by this CO.
[0072]
  When the engine 1 is operated in the stratified combustion mode for a while after that, the NOx absorption amount of the lean NOx catalyst 25 becomes excessive based on the distance traveled since the last release of NOx and the fuel consumption during that time. Is determined (flag F1 = 1), and NOx release control as shown in the flow of FIG. 9 is performed. That is, the fuel is divided into two parts by the injector 7 and a part of the fuel injected in the intake stroke is uniformly diffused into the combustion chamber 4 to form a lean air-fuel mixture, while being injected in the compression stroke. The remaining fuel forms a rich mixture in the vicinity of the spark plug 6. Although the initial combustion rate immediately after ignition is high in this rich mixture portion, since oxygen is insufficient, CO is likely to be generated by local incomplete combustion. In addition, since the ratio of coarse fuel droplets injected at the initial stage of valve opening increases as the number of valve opening times of the injector 7 increases, CO is easily generated also by this.
[0073]
  On the other hand, since the combustion of the lean air-fuel mixture becomes slow, a part of the fuel is exhausted without being burned out, and this increases the CO concentration in the exhaust gas. In addition, since the air-fuel mixture extending to the peripheral edge of the combustion chamber 4 becomes lean, the amount of unburned fuel remaining on the inner wall of the cylinder 2 and the gap with the piston 3 is reduced, which reduces the HC concentration in the exhaust gas. To do.
[0074]
  That is, by injecting fuel by the injector 7 by dividing it into the intake stroke and the compression stroke of each cylinder 2, the CO concentration in the exhaust gas is significantly increased and the HC concentration is decreased.
[0075]
  When the exhaust gas passes through the three-way catalyst 29, most of the HC is purified by the three-way catalyst 29, while most of the CO remains without being purified, so that the lean NOx catalyst 25 on the downstream side has a CO concentration. The exhaust gas having a sufficiently high value and a low HC concentration is supplied, and the action of CO promotes the release of NOx from the lean NOx catalyst 25.
[0076]
  Specifically, in the lean NOx catalyst 25, NOx is adsorbed on the surface of barium particles in the form of nitrate, and this barium nitrate Ba (NO3) 2 is replaced by the supply of CO, so that barium carbonate BaCO3 and dioxide are obtained. It is thought that nitrogen NO2 is generated.
[0077]
      Ba (NO3) 2 + CO → BaCO3 + NO2 ↑ (coefficient omitted)
Then, NO2 reacts with HC, CO, etc. on the catalyst metal to be reduced and purified.
[0078]
      NO2 + HC + CO → N2 + H2O + CO2 (coefficient omitted)
  Further, when the CO concentration in the exhaust gas becomes high, a so-called water gas shift reaction proceeds between this CO and the moisture H 2 O in the exhaust gas, thereby generating hydrogen H 2 at the reaction site of the catalyst.
[0079]
      CO + H2O → H2 + CO2
And this hydrogen H2 has a strong reducing action, and it is thought that it is easy to discharge | release NOx and the ion component which are absorbed by the barium particle.
[0080]
  In short, according to this embodiment, a large amount of CO is supplied around the barium particles carried on the inner catalyst layer 25b of the lean NOx catalyst 25 by increasing the CO concentration in the exhaust gas by dividing fuel injection or the like. The release of NOx absorbed in the barium particles can be promoted. At this time, the air-fuel ratio of the combustion chamber 4 periodically changes between the rich side and the lean side with respect to the stoichiometric air-fuel ratio, and the partial pressure of CO or the like around the barium particles fluctuates periodically. Therefore, NOx release is further promoted.
[0081]
  Here, if the HC concentration in the exhaust gas to the lean NOx catalyst 25 is high, the chance of contact between CO and barium particles is reduced correspondingly, and the NOx releasing action by CO as described above may be hindered. However, in the present invention, the HC concentration in the exhaust gas is greatly reduced by the three-way catalyst 29 upstream of the lean NOx catalyst 25, so that the HC concentration around the barium particles is extremely low. This lowers the maximum effect of CO on the barium particles and maximizes the release of NOx. Incidentally, zeolite is supported on the outer catalyst layer 25c of the lean NOx catalyst 25, and CO and HC in the exhaust gas are adsorbed and held by the zeolite, and the HC is partially oxidized to be converted to HCO and CO. This also enhances the action of CO on the barium particles supported on the inner catalyst layer 25b.
[0082]
  Therefore, according to the exhaust gas purification apparatus A of this embodiment, the action of CO in the exhaust gas is maximized at the time of NOx release control, and NOx is sufficiently released from the lean NOx catalyst 25, and the released NOx is released. It can be almost completely reduced and purified. Since the NOx absorption performance of the lean NOx catalyst 25 can be sufficiently recovered as described above, the NOx absorption performance of the lean NOx catalyst 25 can be improved even when the engine 1 is subsequently operated in the stratified combustion mode. It can be fully demonstrated. That is, the NOx removal performance as a whole can be improved during operation of the engine 1.
[0083]
  Furthermore, according to this embodiment, it is possible to prevent a decrease in NOx removal performance due to sulfur poisoning of the lean NOx catalyst 25. That is, for example, when the travel distance of the vehicle on which the engine 1 is mounted reaches several thousand km, the NOx absorption performance deteriorates due to the gradual accumulation of SOx in the lean NOx catalyst 25 during operation of the engine 1. There is a fear.
[0084]
  Therefore, as shown in the flow of FIG. 10, when the excessive absorption state of the sulfur component in the lean NOx catalyst 25 is determined during the operation of the engine 1 and the flag F2 is turned on (F2 = 1), the lean is performed at this time. If the NOx catalyst 25 is in a high temperature state (for example, 450 ° C. or higher) and SOx can be desorbed, the SOx release control is performed in the same manner as the NOx release control (see FIG. 13). The CO concentration in the exhaust gas is significantly increased, and HC is selectively oxidized by the three-way catalyst 29, so that the HC concentration in the exhaust gas to the lean NOx catalyst 25 is lowered. In this way, exhaust gas having an extremely high CO concentration and a low HC concentration is supplied to the lean NOx catalyst 25, so that the desorption of SOx from the lean NOx catalyst 25 is promoted.
[0085]
  The specific reaction when accelerating the SOx desorption by the SOx desorption control is the same as in the case of the NOx release, and the barium sulfate BaSO4 absorbed on the surface of the barium particles is replaced by the supply of CO. It is considered that barium carbonate BaCO3 and sulfur dioxide are generated.
[0086]
      BaSO4 + CO → BaCO3 + SO2 ↑ (Coefficient omitted)
  As in the case of the NOx release, hydrogen H2 produced at the reaction site of the catalyst by the water gas shift reaction also desorbs sulfur components from the lean NOx catalyst 25 by desorbing SOx in the form of hydrogen sulfide H2S. It is thought that separation is promoted.
[0087]
【Example】
  Next, specific examples (test results) will be described.
[0088]
  The lean NOx catalyst used in this test is a two-layered coating as in the above embodiments, and the inner catalyst layer uses alumina and ceria as support materials, and platinum Pt, barium Ba, and the like. Was supported. Further, zeolite was used as a support material for the outer catalyst layer, and platinum Pt, rhodium Rh and Ba were supported on the outer catalyst layer. The catalyst is disposed in the exhaust passage of a cylinder-injection gasoline engine having a displacement of 2000 cc, the lean state where the oxygen concentration in the exhaust gas is about 7% (air-fuel ratio A / F = 22), and the exhaust gas. Changes in the NOx removal rate associated with the switching of the operating state by alternately switching to the λ = 1 state (air-fuel ratio A / F = 14.7) where the oxygen concentration in the inside becomes approximately 0.5% Is what we asked for.
[0089]
  FIG. 14 (a) shows a case where the fuel concentration is increased to the CO concentration by injecting the fuel into the intake stroke and the compression stroke in the case where the HC concentration in the exhaust is set to a substantially normal value (about 4000 ppm) ( This is a comparison between the case where the CO concentration is about 1-2% and the case of normal batch injection (the CO concentration is about 0.16%). Thus, it can be seen that when the HC concentration in the exhaust gas is high, the NOx removal rate does not improve even if the CO concentration is increased by split injection, but rather the NOx removal rate in the λ = 1 state slightly decreases. Note that propylene C3H6 is mainly used as the HC, and the composition of the exhaust gas other than HC, CO and oxygen is about 260 ppm for NO, about 650 ppm for H2, and N2 for the rest.
[0090]
  On the other hand, (b) of FIG. 5 shows a significant reduction in the HC concentration in the exhaust (about 300 ppm), and also shows a comparison between the case where the CO concentration is increased by split injection and normal batch injection, as described above. It is a thing. In this case, if ordinary batch injection is performed, the CO concentration in the exhaust gas becomes low (about 0.16%), so both the reducing agent components CO and HC are reduced, and the state becomes λ = 1. Immediately after that, NOx released from the lean NOx catalyst is exhausted into the atmosphere without being completely reduced. Moreover, since the release of NOx from the lean NOx catalyst ends inadequately, the NOx absorption performance in the lean state is also lowered, and the NOx removal performance is significantly lowered as a whole.
[0091]
  On the other hand, when the CO concentration is increased by split injection (about 1 to 2%), the NOx removal rate in the λ = 1 state becomes extremely high. That is, in this case, the NOx removal performance is further improved in a predetermined short period after switching from the lean state to the rich state, compared to when both of CO and HC are sufficiently present in the exhaust gas (see FIG. (A)). From this, it can be said that if the CO concentration in the exhaust gas is sufficiently high, it is preferable that the HC concentration is rather low. Further, the action of CO in the exhaust gas is strengthened and the release of NOx from the lean NOx catalyst is favorably promoted. As a result, the lean NOx catalyst is sufficiently regenerated and the NOx absorption performance in the lean state is also improved. . Note that the NOx removal performance in the lean state is higher than when the HC concentration is high (see FIG. 1 (a)), because the HC concentration in the exhaust gas has decreased and the combustion of HC in the exhaust passage has decreased. This is considered to be because the exhaust temperature was lowered.
[0092]
  (Other embodiments)
  The present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes other various embodiments. That is, in the above embodiment, as the CO concentration increasing means 40a, the fuel is divided into two by the injector 7 and injected in the intake stroke and the compression stroke of each cylinder. For example, it may be divided into three or more times. Further, for example, the CO concentration in the exhaust gas may be increased by injecting fuel in the expansion stroke or exhaust stroke of each cylinder, and further, a means for supplying CO directly to the exhaust passage 22 is provided. Is also possible.
[0093]
【The invention's effect】
  As described above, according to the engine exhaust gas purification apparatus of the first aspect of the present invention, the CO concentration in the exhaust gas is increased by the CO concentration increasing means during the operation of the engine, and the CO that is the reducing agent component is NOx purified. The HC concentration reducing means lowers the HC concentration in the exhaust gas to the NOx purification material by using the HC concentration reducing means, and causes the CO in the surrounding exhaust gas to act on the NOx purification material maximally and strongly. This can improve the NOx removal performance.
[0094]
  Especially as HC concentration reduction meansIn the exhaust passage upstream of the NOx purification material, Platinum and rhodium weight ratio of platinum / rhodium <3,HC removal rate is set higher than CO removal rateIn addition, the difference between the HC removal rate and the CO removal rate is set to be smaller on the lean side than the stoichiometric air-fuel ratio than on the rich side.A three-way catalystTherefore, in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio without causing a large reduction in the CO removal rate on the lean side.HC concentration in exhaust to NOx purification material can be reducedThis is advantageous for improving the NOx removal performance.
[0095]
  Claim 2According to the invention, the fuel concentration can be increased by dividing the fuel by at least two injections between the intake stroke and the compression stroke of the cylinder by the fuel injection valve.
[0096]
  Claim 3According to the present invention, since the NOx purification material is composed of the NOx reduction catalyst, the action of CO on the NOx purification material can be strengthened by increasing the CO concentration in the exhaust, and the reductive decomposition of NOx can be promoted.
[0097]
  Claim 4According to the invention, since the NOx purifying material is made of the NOx absorbent, the NOx release and the reductive decomposition are promoted by increasing the CO concentration in the exhaust when releasing NOx from the NOx absorbent. Thus, the performance of the NOx absorbent can be sufficiently recovered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an exhaust purification device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing output characteristics of an O 2 sensor with respect to changes in the air-fuel ratio.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing schematic configurations of a lean NOx catalyst (a) and a three-way catalyst (b), respectively.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a map in which operating regions of an engine stratified combustion mode, λ = 1 split mode, and enriched mode are set.
FIG. 6 is a time chart showing fuel injection timing in each operation region of the engine.
FIG. 7 is a map (a) in which target engine torque corresponding to engine speed and accelerator opening is set, and a map (b) in which throttle valve opening corresponding to engine speed and target torque is set. It is explanatory drawing which illustrates each.
FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for setting a basic fuel injection amount and fuel injection timing.
FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure for NOx release control.
FIG. 10 is a flowchart showing a processing procedure for SOx desorption control.
FIG. 11 is a flowchart showing an execution procedure of intake stroke injection and compression stroke injection.
FIG. 12 is a diagram showing the purification characteristics of HC, CO, and NOx by a three-way catalyst in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio.
FIG. 13 is a time chart showing changes in the air-fuel ratio when NOx release control and SOx desorption control are performed during engine operation.
FIG. 14 is a graph showing the change in the NOx removal rate when the fuel injection is divided into two when the HC concentration in the exhaust is high (a) and when it is low (b), in contrast to when the fuel injection is not divided. FIG.
[Explanation of symbols]
  A Engine exhaust purification system
  1 engine
  2-cylinder
  4 Combustion chamber
  7 Injector (fuel injection valve)
  22 Exhaust passage
  25 Lean NOx catalyst (NOx reduction catalyst, NOx absorbent, absorption purification material)
  29 Three-way catalyst (HC concentration reduction means)
  40 Control unit (ECU)
  40a CO concentration increasing means

Claims

A NOx purification material that is disposed in the exhaust passage of the engine and removes NOx in the exhaust;
In an exhaust emission control device comprising CO concentration increasing means for adjusting the combustion state of the engine so that the CO concentration in the exhaust gas increases,
At least when the CO concentration in the exhaust is increased by the CO concentration increasing means, an HC concentration reducing means for reducing the HC concentration in the exhaust flowing into the NOx purification material is provided in the exhaust passage upstream of the NOx purifying agent. Provided ,
The HC concentration reduction means is such that the HC removal rate when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine is close to the stoichiometric air-fuel ratio is set higher than the CO removal rate, and the HC removal rate and the CO removal rate are Is a three-way catalyst that is set to be smaller on the lean side than on the rich side than the stoichiometric air-fuel ratio, and the catalyst layer carries platinum and rhodium, and the weight ratio thereof. Exhaust gas purification device for engines, characterized in that platinum / rhodium <3 .

In claim 1,
A fuel injection valve that directly injects fuel into the cylinder combustion chamber of the engine is provided,
The CO concentration increasing means is an engine exhaust gas purification device that injects fuel by the fuel injection valve by dividing it into at least two times from the intake stroke to the compression stroke of the cylinder.

In claim 1,
The NOx purification material is composed of a NOx reduction catalyst that reduces and purifies NOx in the exhaust gas when the air-fuel ratio in the cylinder combustion chamber of the engine is in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio or richer than that. Exhaust purification equipment.

In claim 1,
The engine exhaust purification apparatus is characterized in that the NOx purification material is composed of a NOx absorbent that absorbs NOx in an oxygen-excess atmosphere having a high oxygen concentration in the exhaust gas, and releases NOx when the oxygen concentration decreases.