JP4273797B2

JP4273797B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Info

Publication number: JP4273797B2
Application number: JP2003075348A
Authority: JP
Inventors: 仁小野寺; 浩昭金子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP2004285832A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、三元触媒とＨＣトラップ触媒とＮＯｘ触媒とを組み合わせて用いた内燃機関の排気浄化装置、特に、ディーゼル機関のような基本的に希薄燃焼を行う機関に好適な排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
希薄燃焼を行う内燃機関において、排気空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）をトラップし、トラップしたＮＯｘを、排気空燃比をリッチに切り換えることにより放出浄化するＮＯｘトラップ触媒を用いた排気浄化装置が公知である。そのＮＯｘ処理機能は年々進歩し、その処理性能も進歩にあわせ非常に高いものとなってきている。処理性能の向上において、特に低温における性能向上は非常に大きく進歩しており、特許文献１に開示されているように、排気ガス温度が２００℃という低温でも、希薄燃焼の内燃機関から排出されるＮＯｘの処理を可能としている。
【０００３】
さらに機関冷間時の排気有害成分を低減すると、全体的な排気の清浄化により貢献できるようになる。例えば火花点火を行う内燃機関においては、冷間始動時に問題となるＨＣ（炭化水素）の浄化として、すでにＨＣトラップ触媒システムを用いた自動車が実用化されている。
【０００４】
冷間始動時に排出される排気ガス成分の浄化には、上記のようにＨＣトラップ触媒のような後処理装置での対策に合わせて、排気通路に流入する排気空燃比を理論空燃比（所謂ストイキ）近傍に制御する必要があり、ガソリン機関においては、その制御による空燃比制御精度は非常に高いものとなっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２９８８３２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼル機関においても、有害な排気ガス成分の大気中への放出を防止するには、ガソリン機関同様に冷間始動時の排気ガス成分の浄化が必要となる。しかし、ディーゼル機関においては、冷間始動時における排気空燃比はリーンであり、ディーゼル機関の特徴である優れた燃焼効率とリーン空燃比とにより、排気通路内に流入する熱エネルギーはガソリン機関に比べて非常に少ないので、冷間始動後における触媒機能の早期活性化を困難なものとしている。
【０００７】
また、ディーゼル機関においては、上記のように冷間始動時における排気空燃比がリーンであることから、冷間始動時に排出されるＮＯｘは、ＮＯｘトラップ触媒が活性に至る温度に達するまでの間、大気中に排出されてしまう。
【０００８】
また、冷間始動時に排気空燃比を理論空燃比に保つように制御したとしても、従来配置されている酸化触媒ではＮＯｘの還元機能に乏しく、ＮＯｘトラップ触媒が活性温度に達するまでの昇温時間を短縮するだけの効果しか得られない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、ディーゼル機関からなる希薄燃焼を行う内燃機関の排気通路に、上流側から順に、三元触媒と、機関冷間時のＨＣをトラップし、かつ温度上昇時にトラップしたＨＣを酸化処理する機能を有するＨＣトラップ触媒と、流入する排気ガスの排気空燃比がリーンのときに、排気ガス中のＮＯｘをトラップし、かつトラップしたＮＯｘを、排気空燃比がリッチのときに脱離浄化する機能を有するＮＯｘトラップ触媒と、を配置してある。そして、このような構成において、特に、機関冷間時のＮＯｘ濃度と酸素濃度とを制御して、各触媒を早期に活性化し、冷間時におけるＮＯｘの排出を低減するようになっている。具体的には、冷間始動後に、排気通路に流入する排気ガスの排気空燃比をリッチとして排気通路に流入するＮＯｘ濃度を低下させ、かつ三元触媒の昇温を早めるとともに、ＨＣトラップ触媒の温度上昇に伴うＨＣの脱離開始を判断して排気空燃比をリッチから理論空燃比に切り換え、さらに、下流のＮＯｘトラップ触媒が活性したときに排気空燃比を理論空燃比からリーンに切り換えることを特徴としている。
【００１０】
この発明によれば、機関の冷間始動後の排気ガス温度が低く、かつ触媒活性が十分でないときに、排気通路に流入するＮＯｘ濃度を極力低くし、加えて酸素濃度を制御することにより、未浄化のまま排出されるＮＯｘを極力少なくでき、かつ触媒、特に最上流に配置した三元触媒を早期に活性化することができる。そして、ＨＣトラップ触媒からのＨＣの脱離開始に伴いリッチから理論空燃比に切り換えることで、脱離するＨＣの酸化反応を促進し、その熱エネルギーにより後段に配置されたＮＯｘトラップ触媒を早期に活性化させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図１は、この発明に係る排気浄化装置の一実施例を示す構成説明図であって、１はディーゼル機関、２はこのディーゼル機関１の運転を制御する制御装置を示している。ディーゼル機関１の吸気系は図示していないが、その吸気系には、各気筒に流入する空気量を制御する手段、例えば吸気絞弁を具備しているとともに、その流量を検知する手段、例えば熱線式エアフロメータを具備している（いずれも図示せず）。
【００１３】
ディーゼル機関１の排気通路１２には、その上流側から順に、三元触媒３、ＨＣトラップ触媒４、ＮＯｘトラップ触媒５、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）６、が配置されている。上記ＨＣトラップ触媒４は、ディーゼル機関１から冷間時に排出されるＨＣのうち分子径の大きいＨＣをトラップする機能を有し、さらに、トラップしたＨＣを所定の触媒温度以上において脱離浄化する機能を有している。上記ＮＯｘトラップ触媒５は、所定の温度範囲において、ディーゼル機関１から排出される排気ガスの排気空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップし、かつリッチのときには、トラップしていたＮＯｘを放出して浄化する機能を有する。上記ディーゼルパティキュレートフィルタ６は、カーボン等の排気微粒子を捕集除去するものである。この例では、三元触媒３とＨＣトラップ触媒４とが同じケーシング１３内に収容されており、ＮＯｘトラップ触媒５およびディーゼルパティキュレートフィルタ６は、それぞれ別個のケーシング１４，１５を備えている。
【００１４】
排気通路１２の三元触媒３よりも上流側の位置に、排気通路１２に流入する排気ガスの排気空燃比を検知する空燃比センサ１０が配置されている。制御装置２は、この空燃比センサ１０によって検出される実際の排気空燃比と、前述したエアフロメータにより検出されるディーゼル機関１に流入する空気量と、に基づいて、所望の空燃比となるように燃料噴射量および噴射時期を決定し、図示せぬ燃料噴射駆動回路を制御して、燃料噴射弁１６から所望の燃料量を噴射するようになっている。
【００１５】
また、排気通路１２のケーシング１３入口部には、ＨＣトラップ触媒４の入口側での排気温度つまりＨＣトラップ入口温度Ｔ_INを測定する第１温度センサ７が設けられ、かつＨＣトラップ触媒４の内部には、ＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_HCを測定する第２温度センサ８が設けられている。同様に、ＮＯｘトラップ触媒５の内部には、ＮＯｘトラップ触媒内部温度Ｔ_NOXを測定する第３温度センサ９が設けられている。なお、この実施例では、上記第１温度センサ７は三元触媒３の上流側に位置するので、その検出温度によって、同時に、三元触媒３の入口温度が検知される。また、三元触媒３はＨＣトラップ触媒４と同じケーシング１３内にあるので、第２温度センサ８の検出温度が、同時に三元触媒３の内部温度を示すものとして用いられる。勿論、三元触媒３の内部温度を直接測定する温度センサやＨＣトラップ触媒４直前の排気ガス温度を測定する温度センサを別途設けることも可能である。これらの温度センサ７，８，９の検出信号は、制御装置２に入力される。制御装置２は、これらの検出温度に基づいて、冷間始動後に、ＨＣトラップ触媒４が活性域に達しているか否か、ＮＯｘトラップ触媒５が排気ガス中のＮＯｘをトラップできる温度に達しているか否か、を判定し、後述するように、ディーゼル機関１から排出される排気ガスの排気空燃比を制御して、冷間時に排出されるＨＣ、ＮＯｘを低減する。
【００１６】
図２は、上記実施例における冷間時の排気空燃比の制御の流れを示すフローチャートであり、以下、これに基づいて、上記実施例の排気浄化装置の冷間時の作用を説明する。
【００１７】
ディーゼル機関１の始動後、まずステップ１０１において、ＨＣトラップ触媒４の内部温度Ｔ_HCがあらかじめ定めた所定の温度Ｔ₀より低いか否かを判別する。ＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_HCが所定温度Ｔ₀に満たないときは、ＨＣトラップ触媒４は活性状態にないと判定し、ステップ１０２へ移行して、触媒システムの昇温途中であることを示す触媒昇温フラグをＯＮにする。一方、暖機再始動等でＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_HCが所定温度Ｔ₀以上であるときは、ＨＣトラップ触媒４は活性温度に達していると判定して、そのまま処理を終了する。
【００１８】
ステップ１０２で触媒昇温フラグをＯＮとした後、ステップ１０３に移行して、排気空燃比をリッチとしたリッチ運転を開始する。これは、吸入空気量の制限や燃料噴射量の増量あるいはポスト噴射などによって実現される。このように冷間始動後に排気通路１２内に流入する排気ガスの排気空燃比をリッチにすることにより、排気通路１２に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度を低下させることができ、かつ流入する還元剤濃度が高くなるため、還元剤の酸化反応により三元触媒３の昇温を早めることができる。この三元触媒３の早期活性化により排気空燃比がリッチ側でのＮＯｘ還元機能を有効に利用し、冷間時におけるＮＯｘが低減できる。また、排気空燃比をリッチにすることで、リッチ期間のＨＣ排出量は増加するが、排気通路１２にＨＣトラップ触媒４が配置されており、冷間時に排出される未浄化のＨＣはＨＣトラップ触媒４によってトラップされるので、冷間時における大気中へのＨＣ排出は防止できる。
【００１９】
次にステップ１０４へ進み、ここで、ＨＣトラップ触媒４の内部温度Ｔ_HCがあらかじめ定めた所定の温度Ｔ_r以上であるか否か判別する。この所定温度Ｔ_rは、ＨＣトラップ触媒４が、トラップしたＨＣを脱離する温度である。ＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_HCが所定温度Ｔ_rより低い場合は、トラップしたＨＣをまだ脱離浄化できる温度にないと判定してリッチ運転を継続する。また所定温度Ｔ_r以上であれば、ステップ１０５へ進んで、さらにＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_HCがＨＣトラップ触媒入口温度Ｔ_in以上であるか否かを判別する。ＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_HCがＨＣトラップ触媒入口温度Ｔ_inよりも低ければ、トラップしたＨＣをまだ脱離浄化できる温度にないと判定して、やはりリッチ運転を継続する。ＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_HCがＨＣトラップ触媒入口温度Ｔ_in以上であれば、三元触媒３およびＨＣトラップ触媒４において十分な触媒作用が得られていて、トラップしたＨＣの脱離浄化が可能であると判定し、ステップ１０６以降へ進んで、ディーゼル機関１から排出される排気ガスの排気空燃比をリーンないし理論空燃比に切り換え、トラップしたＨＣの脱離浄化を促進させる。
【００２０】
ステップ１０６では、ＨＣトラップ触媒４の後流に位置するＮＯｘトラップ触媒５の内部温度Ｔ_NOxがあらかじめ定めた所定温度Ｔ₂以上であるか否かを判定する。この所定温度Ｔ₂は、ＮＯｘ触媒トラップ触媒５がＮＯｘをトラップし得る最低温度である。このステップ１０６へ進んだ時点で、まだＮＯｘトラップ触媒内部温度Ｔ_NOxが所定温度Ｔ₂に達していない場合には、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘをトラップできる状態にないと判断し、ステップ１０９で排気空燃比を理論空燃比としたストイキ運転を実施する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘをトラップできない段階でのＮＯｘの排出が抑制される。
【００２１】
ステップ１０６でＮＯｘトラップ触媒内部温度Ｔ_NOxが所定温度Ｔ₂以上であれば、ＮＯｘトラップ触媒５はＮＯｘをトラップできると判定し、ステップ１０７へ進んで、排気空燃比をリーンとするリーン運転に切り換える。そして、触媒システムの昇温が完了したことを示すために、ステップ１０８で、触媒昇温フラグをＯＦＦとし、一連の処理を終了する。
【００２２】
以上の処理によって、冷間時におけるＨＣおよびＮＯｘを低減することが可能となる。
【００２３】
このように、本発明によれば、三元触媒入口温度と内部温度とを検知する手段を具備しており、触媒入口温度に対して三元触媒の活性開始によって起こる内部温度の急激な変化を検知して、三元触媒の活性状態を知ることができ、三元触媒が活性した時点から、排気空燃比を理論空燃比またはリーンに切り換えることで、排気ガス中のＮＯｘとともにＨＣ、ＣＯも浄化することができる。
【００２４】
また、ＨＣトラップ触媒入口温度または内部温度の少なくとも一方を検知する手段を具備しており、ＨＣトラップ触媒のＨＣ脱離開始温度に到達したかを判定でき、その判定に応じて、流入する排気ガスの排気空燃比をリッチから理論空燃比またはリーンに切り換えて、脱離するＨＣの酸化反応を促進し、後段に配置される触媒を早期に活性化させるための熱エネルギーを供給することができる。
【００２５】
さらに、ＨＣトラップ触媒入口温度または内部温度の少なくとも一方を検知する手段と、ＮＯｘトラップ触媒入口温度または内部温度の少なくとも一方を検知する手段と、を具備しており、冷間時の排気空燃比をリッチからリーンに切り換える際の判定を、ＨＣトラップ触媒の活性状態に加えて、ＮＯｘトラップ触媒がＮＯｘをトラップできる状態にあるか否かを考慮して行うことで、さらに冷間時のＮＯｘの排出を低減することが可能となる。
【００２６】
次に、本発明の異なる実施例を図３に示す。この実施例においては、各触媒の配置等の基本的な構成は図１の実施例と同様であるが、前述した第１，第２温度センサ７，８は具備しておらず、温度センサとしては、ＮＯｘトラップ触媒５の内部温度Ｔ_NOXを測定する温度センサ９のみを備えている。また、空燃比センサとして、図１の実施例と同じく、排気通路１２の三元触媒３よりも上流側の位置に、排気通路１２に流入する排気ガスの排気空燃比を検知する第１空燃比センサ１０を備えているが、この実施例では、さらに、ＨＣトラップ触媒４を通過した排気ガスの排気空燃比を検知するために、ＨＣトラップ触媒４出口側つまりＨＣトラップ触媒４とＮＯｘトラップ触媒５との間に、第２空燃比センサ１１が配置されている。
【００２７】
この実施例においては、冷間始動後の排気空燃比は、ＨＣトラップ触媒４がＨＣを脱離するときに生じるＨＣトラップ触媒４出口側の空燃比変化と、ＮＯｘトラップ触媒５の内部温度Ｔ_NOXと、に基づいて制御される。
【００２８】
図４は、上記実施例における冷間時の排気空燃比の制御の流れを示すフローチャートであり、以下、これに基づいて、上記実施例の排気浄化装置の冷間時の作用を説明する。
【００２９】
ディーゼル機関１の始動後、まずステップ２０１において、上流側の第１空燃比センサ１０の出力値λ_inと、下流側の第２空燃比センサ１１の出力値λ_outと、が等しいか否かを判別する。λ_inとλ_outとが等しい場合には、三元触媒３およびＨＣトラップ触媒４はいずれも活性状態にないと判定し、ステップ２０２へ移行して、触媒システムの昇温途中であることを示す触媒昇温フラグをＯＮにする。λ_in＞λ_outであるときは、ＨＣトラップ触媒４が活性温度に達していると判定して、そのまま処理を終了する。
【００３０】
ステップ２０２で触媒昇温フラグをＯＮとした後、ステップ２０３に移行して、排気空燃比をリッチとしたリッチ運転を開始する。これにより、前述したように、ＮＯｘを低減しつつ三元触媒３の早期活性化が図れる。また、冷間時のＨＣは、ＨＣトラップ触媒４によってトラップされる。
【００３１】
そしてステップ２０４において、第１，第２空燃比センサ１０，１１の出力値λ_in，λ_outを比較し、λ_in＞λ_outであるか否かを判別する。なお、このλの値が大きい方が、相対的にリーンであることを示す。λ_in＞λ_outとなるまでは、そのままリッチ運転を継続する。λ_in＞λ_outとなったときに、ＨＣトラップ触媒４がトラップしたＨＣを脱離し始めたと判定し、ステップ２０５へ進む。
【００３２】
ステップ２０５においては、ＨＣトラップ触媒４の後流に位置するＮＯｘトラップ触媒５の内部温度Ｔ_NOxがあらかじめ定めた所定温度Ｔ₂以上であるか否かを判定する。所定温度Ｔ₂は、前述したように、ＮＯｘ触媒トラップ触媒５がＮＯｘをトラップする最低温度である。このステップ２０５へ進んだ時点で、まだＮＯｘトラップ触媒内部温度Ｔ_NOxが所定温度Ｔ₂に達していない場合には、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘをトラップできる状態にないと判断し、ステップ２０６で排気空燃比を理論空燃比としたストイキ運転を実施する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘをトラップできない段階でのＮＯｘの排出が抑制される。
【００３３】
ステップ２０５でＮＯｘトラップ触媒内部温度Ｔ_NOxが所定温度Ｔ₂以上であれば、ＮＯｘトラップ触媒５はＮＯｘをトラップできると判定し、ステップ２０７へ進んで、排気空燃比をリーンとするリーン運転に切り換える。そして、触媒システムの昇温が完了したことを示すために、ステップ２０８で、触媒昇温フラグをＯＦＦとし、一連の処理を終了する。
【００３４】
以上の処理によって、冷間時におけるＨＣおよびＮＯｘを低減することが可能となる。
【００３５】
このように、上記実施例では、ＨＣトラップ触媒４出口側の第２空燃比センサ１１によって検出される空燃比の変化によって、ＨＣトラップ触媒４からのＨＣの脱離開始が検知され、排気通路１２に流入する排気ガスの排気空燃比を適切なタイミングでリッチから理論空燃比またはリーンに切り換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る排気浄化装置の一実施例を示す構成説明図。
【図２】この実施例の冷間時の制御を示すフローチャート。
【図３】この発明に係る排気浄化装置の異なる実施例を示す構成説明図。
【図４】この実施例の冷間時の制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…ディーゼル機関
２…制御装置
３…三元触媒
４…ＨＣトラップ触媒
５…ＮＯｘトラップ触媒
６…ディーゼルパティキュレートフィルタ
７…第１温度センサ
８…第２温度センサ
９…第３温度センサ（温度センサ）
１０…空燃比センサ（第１空燃比センサ）
１１…第２空燃比センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust purification device for an internal combustion engine using a combination of a three-way catalyst, an HC trap catalyst, and a NOx catalyst, and more particularly to an exhaust purification device suitable for an engine that performs basically lean combustion, such as a diesel engine.
[0002]
[Prior art]
In an internal combustion engine that performs lean combustion, NOx (nitrogen oxide) contained in exhaust gas is trapped when the exhaust air-fuel ratio is lean, and the trapped NOx is released and purified by switching the exhaust air-fuel ratio to rich An exhaust emission control device using a trap catalyst is known. The NOx treatment function has progressed year by year, and the treatment performance has become very high with progress. In the improvement of the processing performance, the performance improvement particularly at a low temperature has made great progress. As disclosed in Patent Document 1, even when the exhaust gas temperature is as low as 200 ° C., it is exhausted from the lean combustion internal combustion engine. It is possible to process NOx.
[0003]
Further, reducing harmful exhaust components when the engine is cold can contribute to overall exhaust purification. For example, in an internal combustion engine that performs spark ignition, an automobile using an HC trap catalyst system has already been put into practical use as a purification of HC (hydrocarbon) that becomes a problem during cold start.
[0004]
In order to purify the exhaust gas component discharged at the cold start, the exhaust air / fuel ratio flowing into the exhaust passage is adjusted to the stoichiometric air / fuel ratio (so-called stoichiometric) in accordance with the countermeasures in the aftertreatment device such as the HC trap catalyst as described above. ) It is necessary to control in the vicinity, and in a gasoline engine, the air-fuel ratio control accuracy by the control is very high.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-299832
[Problems to be solved by the invention]
Even in a diesel engine, in order to prevent the release of harmful exhaust gas components into the atmosphere, it is necessary to purify the exhaust gas components at the time of cold start like the gasoline engine. However, in diesel engines, the exhaust air-fuel ratio at the time of cold start is lean, and due to the excellent combustion efficiency and lean air-fuel ratio that are the characteristics of diesel engines, the heat energy flowing into the exhaust passage is compared to gasoline engines Therefore, it is difficult to activate the catalyst function early after cold start.
[0007]
Further, in the diesel engine, since the exhaust air-fuel ratio at the time of cold start is lean as described above, NOx discharged at the time of cold start is until the temperature at which the NOx trap catalyst becomes active is reached. It will be discharged into the atmosphere.
[0008]
Further, even if the exhaust air-fuel ratio is controlled to be kept at the stoichiometric air-fuel ratio during cold start, the conventional oxidation catalyst has a poor NOx reduction function, and the temperature rise time until the NOx trap catalyst reaches the activation temperature Only the effect of shortening can be obtained.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An exhaust purification device for an internal combustion engine according to the present invention traps a three-way catalyst and HC when the engine is cold in order from the upstream side in an exhaust passage of an internal combustion engine consisting of a diesel engine that performs lean combustion, and increases the temperature. HC trap catalyst that has a function to oxidize trapped HC from time to time, and traps NOx in the exhaust gas when the exhaust air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, and the trapped NOx is rich in the exhaust air-fuel ratio a NOx trap catalyst having the function of desorption purification and are then placed at. In such a configuration, in particular, the NOx concentration and the oxygen concentration when the engine is cold are controlled to activate each catalyst at an early stage, thereby reducing NOx emissions during the cold time. Specifically, after the cold start, the exhaust air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust passage is made rich, the NOx concentration flowing into the exhaust passage is reduced, the temperature of the three-way catalyst is increased, and the HC trap catalyst The exhaust air-fuel ratio is switched from rich to the stoichiometric air-fuel ratio by judging the start of HC desorption with temperature rise, and further, the exhaust air-fuel ratio is switched from the stoichiometric air-fuel ratio to lean when the downstream NOx trap catalyst is activated. It is a feature.
[0010]
According to this invention, when the exhaust gas temperature after the cold start of the engine is low and the catalytic activity is not sufficient, the NOx concentration flowing into the exhaust passage is made as low as possible, and in addition, the oxygen concentration is controlled, NOx discharged without purification can be reduced as much as possible, and the catalyst, particularly the three-way catalyst arranged in the uppermost stream, can be activated at an early stage. Then, by switching from rich to the stoichiometric air-fuel ratio with the start of HC desorption from the HC trap catalyst, the oxidation reaction of the desorbed HC is promoted, and the NOx trap catalyst arranged in the subsequent stage is accelerated by the thermal energy. Can be activated.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 1 is a structural explanatory view showing an embodiment of an exhaust emission control device according to the present invention, in which 1 is a diesel engine and 2 is a control device for controlling the operation of the diesel engine 1. Although the intake system of the diesel engine 1 is not shown, the intake system includes means for controlling the amount of air flowing into each cylinder, for example, an intake throttle valve, and means for detecting the flow rate, for example, A hot-wire air flow meter is provided (not shown).
[0013]
In the exhaust passage 12 of the diesel engine 1, a three-way catalyst 3, an HC trap catalyst 4, a NOx trap catalyst 5, and a diesel particulate filter (DPF) 6 are arranged in this order from the upstream side. The HC trap catalyst 4 has a function of trapping HC having a large molecular diameter out of HC discharged from the diesel engine 1 in the cold state, and further, a function of desorbing and purifying the trapped HC at a predetermined catalyst temperature or higher. have. The NOx trap catalyst 5 traps NOx in the exhaust gas when the exhaust air-fuel ratio of the exhaust gas discharged from the diesel engine 1 is lean in a predetermined temperature range, and trapped NOx when it is rich. It has a function to release and purify. The diesel particulate filter 6 collects and removes exhaust particulates such as carbon. In this example, the three-way catalyst 3 and the HC trap catalyst 4 are accommodated in the same casing 13, and the NOx trap catalyst 5 and the diesel particulate filter 6 are provided with separate casings 14 and 15, respectively.
[0014]
An air-fuel ratio sensor 10 that detects the exhaust air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust passage 12 is disposed at a position upstream of the three-way catalyst 3 in the exhaust passage 12. Based on the actual exhaust air / fuel ratio detected by the air / fuel ratio sensor 10 and the amount of air flowing into the diesel engine 1 detected by the air flow meter, the control device 2 has a desired air / fuel ratio. The fuel injection amount and the injection timing are determined, and a fuel injection drive circuit (not shown) is controlled to inject a desired fuel amount from the fuel injection valve 16.
[0015]
A first temperature sensor 7 for measuring an exhaust temperature on the inlet side of the HC trap catalyst 4, that is, an HC trap inlet temperature T _IN is provided at the inlet portion of the casing 13 of the exhaust passage 12. the second temperature sensor 8 for measuring the HC trap catalyst internal temperature T _HC is provided. Similarly, a third temperature sensor 9 for measuring the NOx trap catalyst internal temperature T _NOX is provided inside the NOx trap catalyst 5. In this embodiment, since the first temperature sensor 7 is located on the upstream side of the three-way catalyst 3, the inlet temperature of the three-way catalyst 3 is simultaneously detected by the detected temperature. Further, since the three-way catalyst 3 is in the same casing 13 as the HC trap catalyst 4, the temperature detected by the second temperature sensor 8 is used to indicate the internal temperature of the three-way catalyst 3 at the same time. Of course, a temperature sensor that directly measures the internal temperature of the three-way catalyst 3 and a temperature sensor that measures the exhaust gas temperature immediately before the HC trap catalyst 4 may be provided separately. Detection signals from these temperature sensors 7, 8, 9 are input to the control device 2. Based on these detected temperatures, the control device 2 determines whether or not the HC trap catalyst 4 has reached the active region after the cold start, or whether the NOx trap catalyst 5 has reached a temperature at which NOx in the exhaust gas can be trapped. As described later, the exhaust air / fuel ratio of the exhaust gas discharged from the diesel engine 1 is controlled to reduce HC and NOx discharged in the cold state.
[0016]
FIG. 2 is a flowchart showing the flow of control of the exhaust air-fuel ratio during cold in the above embodiment. Hereinafter, the operation during cold of the exhaust purification apparatus of the above embodiment will be described based on this flowchart.
[0017]
After the diesel engine 1 started, first, in step 101, to determine lower or not than the predetermined temperature T ₀ of the internal temperature T _HC is predetermined for HC trapping catalyst 4. When HC trap catalyst internal temperature T _HC is less than a predetermined temperature T _0, the catalyst indicating that HC trapping catalyst 4 is determined not in the activated state, the process proceeds to step 102, in the middle heated catalyst systems Turn on the temperature rise flag. On the other hand, when the HC trap catalyst internal temperature T _HC is equal to or higher than the predetermined temperature T _{0 due to} warm-up restart or the like, it is determined that the HC trap catalyst 4 has reached the activation temperature, and the processing is ended as it is.
[0018]
After the catalyst temperature raising flag is set to ON in step 102, the routine proceeds to step 103, where the rich operation with the exhaust air-fuel ratio rich is started. This is realized by limiting the intake air amount, increasing the fuel injection amount, or post injection. Thus, by making the exhaust air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust passage 12 after the cold start rich, the NOx concentration of the exhaust gas flowing into the exhaust passage 12 can be reduced, and the reducing agent that flows in Since the concentration increases, the temperature of the three-way catalyst 3 can be increased by the oxidation reaction of the reducing agent. The early activation of the three-way catalyst 3 can effectively use the NOx reduction function when the exhaust air-fuel ratio is rich and can reduce NOx during cold. Further, by making the exhaust air-fuel ratio rich, the HC emission amount in the rich period increases, but the HC trap catalyst 4 is disposed in the exhaust passage 12, and unpurified HC discharged in the cold state is HC trap. Since it is trapped by the catalyst 4, it is possible to prevent HC emission into the atmosphere when it is cold.
[0019]
Next, the routine proceeds to step 104 where it is determined whether or not the internal temperature T _HC of the HC trap catalyst 4 is _{equal to} or higher than a predetermined temperature _Tr . The predetermined temperature _Tr is a temperature at which the HC trap catalyst 4 desorbs the trapped HC. If HC trap catalyst internal temperature T _HC is lower than the predetermined temperature T _r continues the rich operation is determined not on temperature which can still leaving purifying trapped HC. Also if more than the predetermined temperature T _r, the process proceeds to step 105, further HC trap catalyst internal temperature T _HC is determined whether a HC trap catalyst inlet temperature T _in above. If HC trap catalyst internal temperature T _HC is lower than the HC trap catalyst inlet temperature T _in, it is determined that no temperature which can still leaving purifying trapped HC, which also continues to rich operation. If HC trap catalyst internal temperature T _HC is HC trap catalyst inlet temperature T _in above, the three-way sufficient catalysis in the catalyst 3 and the HC trapping catalyst 4 is not obtained, can be desorbed purification trapped HC If it is determined that there is, the routine proceeds to step 106 and thereafter, the exhaust air-fuel ratio of the exhaust gas discharged from the diesel engine 1 is switched to the lean or stoichiometric air-fuel ratio, and the trapped HC desorption purification is promoted.
[0020]
In step 106, it is determined whether the internal temperature T _NOx of NOx trap catalyst 5 located on the downstream of the HC trapping catalyst 4 is the predetermined temperature T ₂ greater than or equal to the predetermined. The predetermined temperature T ₂ is the lowest temperature at which the NOx catalyst trap catalyst 5 can trap NOx. If the NOx trap catalyst internal temperature T _NOx has not yet reached the predetermined temperature T ₂ when the routine proceeds to step 106, it is determined that the NOx trap catalyst 5 is not in a state where it can trap NOx. The stoichiometric operation is performed with the air-fuel ratio as the stoichiometric air-fuel ratio. As a result, NOx emission at a stage where the NOx trap catalyst 5 cannot trap NOx is suppressed.
[0021]
If NOx trap catalyst internal temperature T _NOx is the predetermined temperature T ₂ or higher in step 106, NOx trap catalyst 5 is judged to be trapped NOx, the process proceeds to step 107, switched to lean operation to make the exhaust gas air-fuel ratio lean . Then, in order to indicate that the temperature increase of the catalyst system has been completed, in step 108, the catalyst temperature increase flag is turned OFF, and the series of processes is terminated.
[0022]
With the above processing, it is possible to reduce HC and NOx during cold.
[0023]
As described above, according to the present invention, there is provided means for detecting the three-way catalyst inlet temperature and the internal temperature, and the rapid change in the internal temperature caused by the start of the three-way catalyst activation with respect to the catalyst inlet temperature. It is possible to detect the active state of the three-way catalyst by detecting it, and purify HC and CO together with NOx in the exhaust gas by switching the exhaust air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio or lean from the time when the three-way catalyst is activated can do.
[0024]
Further, it has means for detecting at least one of the HC trap catalyst inlet temperature and the internal temperature, and can determine whether the HC desorption start temperature of the HC trap catalyst has been reached, and inflow exhaust gas according to the determination By switching the exhaust air-fuel ratio of the engine from rich to the stoichiometric air-fuel ratio or lean, it is possible to promote the oxidation reaction of the desorbed HC and supply thermal energy for activating the catalyst disposed in the subsequent stage at an early stage.
[0025]
And a means for detecting at least one of the HC trap catalyst inlet temperature and the internal temperature, and a means for detecting at least one of the NOx trap catalyst inlet temperature and the internal temperature. In addition to the active state of the HC trap catalyst, the determination at the time of switching from rich to lean is performed in consideration of whether the NOx trap catalyst is in a state where it can trap NOx. Can be reduced.
[0026]
Next, a different embodiment of the present invention is shown in FIG. In this embodiment, the basic configuration such as the arrangement of each catalyst is the same as that of the embodiment of FIG. 1, but the first and second temperature sensors 7 and 8 described above are not provided, and the temperature sensor _Includes only a temperature sensor 9 for measuring the internal temperature T _NOX of the NOx trap catalyst 5. As the air-fuel ratio sensor, as in the embodiment of FIG. 1, a first air-fuel ratio that detects the exhaust air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust passage 12 at a position upstream of the three-way catalyst 3 in the exhaust passage 12. In this embodiment, in order to detect the exhaust air-fuel ratio of the exhaust gas that has passed through the HC trap catalyst 4, the sensor 10 is provided, that is, the HC trap catalyst 4 outlet side, that is, the HC trap catalyst 4 and the NOx trap catalyst 5. The second air-fuel ratio sensor 11 is disposed between the two.
[0027]
In this embodiment, the exhaust air-fuel ratio after the cold start depends on the change in the air-fuel ratio at the outlet side of the HC trap catalyst 4 generated when the HC trap catalyst 4 desorbs HC and the internal temperature T _NOX of the NOx trap catalyst 5. And is controlled based on the above.
[0028]
FIG. 4 is a flowchart showing the flow of control of the exhaust air-fuel ratio during cold in the above embodiment. Hereinafter, the operation during cold of the exhaust purification apparatus of the above embodiment will be described based on this flowchart.
[0029]
After starting the diesel engine 1, first, in step 201, it is determined whether or not the output value λ _in of the upstream first air-fuel ratio sensor 10 and the output value λ _out of the downstream second air-fuel ratio sensor 11 are equal. Determine. If λ _in and λ _out are equal, it is determined that neither the three-way catalyst 3 nor the HC trap catalyst 4 is in the active state, and the routine proceeds to step 202 to indicate that the catalyst system is in the middle of temperature rise. Turn on the catalyst temperature rise flag. When λ _in > λ _out , it is determined that the HC trap catalyst 4 has reached the activation temperature, and the processing is ended as it is.
[0030]
After the catalyst temperature raising flag is set to ON in step 202, the routine proceeds to step 203, where the rich operation with rich exhaust air-fuel ratio is started. Thereby, as mentioned above, the three-way catalyst 3 can be activated early while reducing NOx. Further, HC during cold is trapped by the HC trap catalyst 4.
[0031]
In step 204, the output values λ _in and λ _out of the first and second air-fuel ratio sensors 10 and 11 are compared to determine whether or not λ _in > λ _out . Note that a larger value of λ indicates relatively lean. The rich operation is continued as it is until λ _in > λ _out . When λ _in > λ _out is _satisfied , it is determined that the HC trap catalyst 4 has started to desorb the trapped HC, and the process proceeds to step 205.
[0032]
In step 205, it is determined whether or not the internal temperature T _NOx of NOx trap catalyst 5 located on the downstream of the HC trapping catalyst 4 is the predetermined temperature T ₂ greater than or equal to the predetermined. As described above, the predetermined temperature T ₂ is the lowest temperature at which the NOx catalyst trap catalyst 5 traps NOx. If the NOx trap catalyst internal temperature T _NOx has not yet reached the predetermined temperature T ₂ when the routine proceeds to step 205, it is determined that the NOx trap catalyst 5 is not in a state where it can trap NOx. The stoichiometric operation is performed with the air-fuel ratio as the stoichiometric air-fuel ratio. As a result, NOx emission at a stage where the NOx trap catalyst 5 cannot trap NOx is suppressed.
[0033]
If NOx trap catalyst internal temperature T _NOx is the predetermined temperature T ₂ or higher in step 205, NOx trap catalyst 5 is judged to be trapped NOx, the process proceeds to step 207, switched to lean operation to make the exhaust gas air-fuel ratio lean . Then, in order to indicate that the temperature raising of the catalyst system has been completed, in step 208, the catalyst temperature raising flag is turned OFF, and the series of processes is ended.
[0034]
With the above processing, it is possible to reduce HC and NOx during cold.
[0035]
Thus, in the above embodiment, the start of desorption of HC from the HC trap catalyst 4 is detected by the change in the air / fuel ratio detected by the second air / fuel ratio sensor 11 on the outlet side of the HC trap catalyst 4, and the exhaust passage 12. The exhaust air / fuel ratio of the exhaust gas flowing into the engine can be switched from rich to the stoichiometric air / fuel ratio or lean at an appropriate timing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of an embodiment of an exhaust emission control device according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing control during cold according to this embodiment.
FIG. 3 is a structural explanatory view showing another embodiment of the exhaust emission control device according to the present invention.
FIG. 4 is a flowchart showing control during cold according to this embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Diesel engine 2 ... Control apparatus 3 ... Three-way catalyst 4 ... HC trap catalyst 5 ... NOx trap catalyst 6 ... Diesel particulate filter 7 ... 1st temperature sensor 8 ... 2nd temperature sensor 9 ... 3rd temperature sensor (temperature sensor) )
10. Air-fuel ratio sensor (first air-fuel ratio sensor)
11: Second air-fuel ratio sensor

Claims

In order from the upstream side to the exhaust passage of the internal combustion engine consisting of a diesel engine ,
Three-way catalyst,
An HC trap catalyst having a function of trapping HC (hydrocarbon) when the engine is cold and oxidizing the trapped HC when the temperature rises;
NOx having a function of trapping NOx (nitrogen oxide) in the exhaust gas when the exhaust air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, and desorbing and purifying the trapped NOx when the exhaust air-fuel ratio is rich A trap catalyst,
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine in which
After the cold start, the exhaust air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust passage is made rich, the NOx concentration flowing into the exhaust passage is reduced, and the temperature of the three-way catalyst is accelerated,
Judging the start of HC desorption accompanying the temperature rise of the HC trap catalyst, switching the exhaust air-fuel ratio from rich to the stoichiometric air-fuel ratio,
An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, wherein the exhaust air / fuel ratio is switched from the stoichiometric air / fuel ratio to lean when the downstream NOx trap catalyst is activated .

The internal combustion engine according to claim 1, further comprising means for detecting at least one of an inlet temperature and an internal temperature of the HC trap catalyst, and determining the start of desorption of HC from the HC trap catalyst based on the temperature. Exhaust purification device.

2. The apparatus according to claim 1, further comprising means for detecting an exhaust air-fuel ratio on the outlet side of the HC trap catalyst, and determining the start of desorption of HC from the HC trap catalyst based on a change in the exhaust air-fuel ratio on the outlet side. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine as described.

Comprising means for detecting at least one of the inlet temperature or internal temperature of N Ox trap catalyst, according to any one of claims 1-3, characterized in that to determine the activated state of the NOx trap catalyst by this temperature Exhaust gas purification device for internal combustion engine.