JP4406958B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に吸蔵型ＮＯｘ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して燃費の向上を図るようにした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を充分に浄化できないという問題があり、最近では、例えば、リーン空燃比で運転中に排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、理論空燃比（ストイキ）またはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたＮＯｘを放出還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒を備えた排気浄化触媒装置が採用されてきている。
【０００３】
この吸蔵型ＮＯｘ触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態で排ガス中のＮＯｘを硝酸塩（Ｘ−ＮＯ3 ）として付着させて吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを主として一酸化炭素（ＣＯ）の過剰状態で放出して窒素（Ｎ2 ）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ3 が生成される）を有した触媒である。従って、実際には、リーン空燃比運転が所定時間継続すると、燃焼室内の空燃比の切換えあるいは排気管への還元剤の供給等により排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に制御するようなリッチ空燃比運転に定期的に切換え、これによって酸素濃度低下雰囲気でＣＯの多い還元雰囲気を生成し、吸蔵したＮＯx を放出して浄化還元（ＮＯx パージ）することで吸蔵型ＮＯx 触媒の再生を図ることができる。このような技術は、例えば、特許第２６００４９２号公報等に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の「排気浄化装置」では、ＮＯx パージを実行する場合、排気空燃比をリッチ側にかなり大きく変更するようにしており、燃費を悪化させてしまうと共に運転フィーリングが悪化してしまう。特に、筒内噴射型の内燃機関においては、吸蔵型ＮＯx 触媒の再生時に、例えば、リーン運転（空燃比４０程度）からリッチ運転（空燃比１２程度）へ変更し、それに伴って燃焼形態も層状燃焼から均一燃焼へ切り換わるため、吸気管噴射型の希薄燃焼内燃機関に比べて燃費や運転フィーリングが悪化する。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するものであって、吸蔵型ＮＯｘ触媒装置の再生時における燃費や運転フィーリングの悪化を抑制可能とした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する機能を有する吸蔵型ＮＯｘ触媒装置を設け、制御手段は、この吸蔵型ＮＯｘ触媒装置に吸蔵されたＮＯｘを放出させるときにＮＯｘ濃度変更手段を作動することで、少なくとも触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させるようにしている。
【０００７】
従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒装置に吸蔵されたＮＯｘを放出させるときには、触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させればよく、空燃比をリーンからリッチへ変更する必要はなく、燃費や運転フィーリングの悪化が抑制される。
【０００８】
なお、ＮＯｘ濃度変更手段は、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる手段であり、好ましくは、点火時期を遅角する点火時期制御手段や吸気ガス中に排気ガスを戻す排気再循環手段などが良い。また、これら以外に燃料カットあるいは点火カットや圧縮リーンから吸気リーンへの切換などがある。更に、ＮＯｘ濃度変更手段は、触媒層近傍のＮＯｘ濃度のみを低下させるものでもよく、触媒層に磁場を与えてＮＯｘを一時的に引き離すようにしたり、還元剤を供給するなどしてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１０】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に本実施形態の排気浄化装置によるＮＯｘ放出抑制制御のフローチャート、図３にＮＯx 濃度の低下による吸蔵型ＮＯｘ触媒からのＮＯx 放出の原理を表す概略、図４(ａ)にＮＯx 濃度の低下によるＮＯｘ吸蔵量の変化を表すグラフ、図４(ｂ)にＯ2 濃度の低下によるＮＯｘ吸蔵量の変化を表すグラフを示す。
【００１１】
本実施形態の内燃機関（以下、エンジンと称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、吸気行程でのリーン空燃比運転より大きな空燃比となる超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１２】
本実施形態において、図１に示すように、エンジン１１のシリンダヘッド１２には、各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４には、図示しない燃料パイプを介して燃料タンク擁した燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定される。
【００１３】
シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続されており、このスロットル弁１７にはスロットル開度θthを検出するスロットルポジションセンサ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１９の一端がそれぞれ接続されている。
【００１４】
そして、エンジン１１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、このクランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００１５】
また、エンジン１１の排気マニホールド１９には排気管（排気通路）２１が接続されており、この排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管２１における三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述する吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ２４が設けられている。
【００１６】
この排気浄化触媒装置２３は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中にＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ低減機能と、排気空燃比が理論空燃比近傍のときに排気ガス中の有害物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を浄化する還元機能とをもたせるために、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されており、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下流側に配設されている。この三元触媒２６は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から吸蔵されたＮＯｘが放出された際に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５自身で還元しきれなかったＮＯｘを還元する役目も行っている。
【００１７】
なお、排気浄化触媒装置２３は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＮＯｘを還元し、ＨＣとＣＯを酸化する三元触媒の機能（ここでは、三元機能と称する。）を十分有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５だけであってもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵させ、主としてＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘを放出してＮ2 （窒素）等に還元させる還元機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒として構成されており、吸蔵材としてはバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、排気浄化触媒装置２３の下流側にはＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２７が設けられている。
【００１８】
更に、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）２８が設けられており、このＥＣＵ２８によりエンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ２８の入力側には、上述した高温センサ２４やＮＯｘセンサ２７等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ２８の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁１４等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１３によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００１９】
実際に、ＥＣＵ２８では、スロットルセンサ１８からのスロットル開度情報θthとクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。
【００２０】
そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。また、高温センサ２４により検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定される。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義に推定されるようにされている。
【００２１】
以下、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【００２２】
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、排気浄化触媒装置２３の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気ガス中のＮＯｘを硝酸塩として吸蔵して排気の浄化を行う。そして、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進むと、少なくともこの吸蔵型ＮＯｘ触媒２５における触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下（ＮＯｘ濃度変更手段）させることで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵または吸着したＮＯと周囲のＮＯとのバランスが崩れ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＮＯｘを放出（作動制御手段）させ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の機能が再生されるようになっている。
【００２３】
ここで、排気浄化触媒装置２３によるＮＯx 放出抑制制御について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００２４】
ステップＳ１では、リーン空燃比での運転状態が所定時間（例えば、３０秒）以上継続しているかどうかを判定し、リーン運転状態が所定時間以上継続していなければ、何もしないでこのルーチンを抜ける。一方、リーン運転状態が所定時間以上継続していれば、排気ガス中のＮＯｘの吸蔵型ＮＯｘ触媒２５への吸蔵が進行し、ＮＯｘの吸蔵型ＮＯｘ触媒２５でのＮＯｘ吸蔵機能が低下していると判断してＮＯｘ放出制御に入る。
【００２５】
まず、ステップＳ２では、ＮＯｘ放出制御のタイマＣをリセットしてから、ステップＳ３にて、このタイマＣを１とする。そして、ステップＳ４において、点火時期を遅角（リタード）することで、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる。すると、排気ガス中のＮＯｘ濃度の低下により、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵または吸着したＮＯと周囲のＮＯとのバランスが崩れ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが放出される。
【００２６】
即ち、図３(ａ)に示すように、排気ガスがリーン雰囲気であるとき、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒層の白金（Ｐｔ）にＮＯとＯが吸着されると共に、バリウム（Ｂａ）にＮＯとＯが吸着される。このとき、Ｐｔに吸着したＮＯと排気ガス中のＮＯとの濃度がバランスしている。この状態から、点火時期リタードにより排気ガス中のＮＯｘ濃度が低下すると、図３(ｂ)に示すように、Ｐｔに吸着したＮＯと排気ガス中のＮＯとの濃度バランスが崩れる。すると、崩れた濃度バランスを元に戻そうと、Ｐｔに吸着しているＮＯが放出されるため、Ｂａに吸蔵されたＮＯが放出されることとなって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが放出される。
【００２７】
この理論からすると、従来のように、排気ガスをリッチ雰囲気としてＯ2 濃度を低下させることでも、Ｐｔに吸着したＯと排気ガス中のＯとの濃度バランスが崩れ、Ｐｔに吸着しているＯが放出されることでＢａに吸蔵されたＮＯを放出することができるが、この場合は主としてＯを放出させているため、ＮＯの放出効率は低くなってしまう。従って、排気ガス中のＯ2 濃度を低下させるよりも、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる方が、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＮＯｘの放出効率の点からすると望ましい。そして、排気ガス中のＯ2 濃度を低下させるには、排気空燃比をリッチ側にかなり大きく変更する必要があり、燃費や運転フィーリングの面からも、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる方が望ましい。
【００２８】
このようにしてステップＳ４にて、点火時期リタードにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させることで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からのＮＯｘの放出を開始すると、ステップＳ５では、膨張行程噴射により吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から放出されたＮＯｘを還元する。即ち、ＮＯx 放出制御としてリーン運転で点火時期リタードによりＮＯｘ濃度を低下させる場合、例えば、全体のＡ／Ｆをリーン空燃比のままで変えないでリーン運転すると共に、点火時期リタードした最初の期間においてＮＯｘが多量に放出されるので、ＮＯｘを還元するＨＣを触媒に供給するために膨張行程噴射を、例えば０．１〜０．５秒間実行し、その後はＮＯｘはゆっくりと放出されるので、ＨＣを少量供給すればよい。この膨張行程噴射移行がＮＯx 抑制制御となる。なお、副噴射での膨張行程噴射により増加した燃料噴射量は、主噴射での燃料噴射量を補正することで、全体の燃料噴射量、つまり、全体のＡ／Ｆをリーン空燃比のままで維持する。また、膨張行程噴射の時間は運転状態や触媒の劣化状態に応じて変更する。
【００２９】
そして、ステップＳ６では、ＮＯｘ放出制御のタイマＣが予め設定された設定値Ｃ0 を越えたか、つまり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が十分再生されたかどうかを判定し、タイマＣが設定値Ｃ0 を越えていなければ吸蔵型ＮＯｘ触媒２５再生が不十分であるため、ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返す。一方、タイマＣが設定値Ｃ0 を越えて吸蔵型ＮＯｘ触媒２５再生が十分であれば、ここでＮＯｘ抑制制御を停止する。
【００３０】
ここで、点火時期リタードにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させたときのＮＯｘ放出量を、排気ガス中のＯ2 濃度を低下させのＮＯｘ放出量と比較して説明する。
【００３１】
図４(ａ)に示すグラフは、Ｏ2 濃度が一定の状態で排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させたときのＮＯｘ吸蔵（放出）量の変化率を表すグラフであって、時間の経過と共にＮＯｘ吸蔵量が増加するために変化率は水平状態となることで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５におけるＮＯｘ吸蔵機能が低下していることがわかる。そして、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させると、ＮＯｘ吸蔵量の変化率が放出側に大きくなって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが放出されることで、ＮＯｘ吸蔵機能が再生されていることがわかる。この場合、ＮＯｘ濃度が一定の状態で図４(ｂ)に示すように、排気ガス中のＯ2 濃度を低下させても、ＮＯｘ吸蔵量の変化率が放出側に変化して吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが放出されているが、その変化量がＮＯｘ濃度を低下させた場合に比べて小さいことが明白であり、Ｏ2 濃度の低下では、ＮＯｘ吸蔵機能の再生が不十分であることがわかる。
【００３２】
なお、上述した実施形態では、所定時間リーン運転継続後に、点火時期リタードにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出するようにしたが、この排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる手段は点火時期リタードに限るものではない。
【００３３】
例えば、このＮＯｘ濃度変更手段は、吸気ガス中に排気ガス量を戻す排気再循環装置としてもよい。つまり、ＮＯｘは燃焼ガスの高温のもとで空気中の窒素と酸素が反応してできるため、排気還流により燃焼ガスの温度を下げてこの反応を抑制することで、ＮＯｘ濃度を低下させることができる。また、燃料カットや点火カットによりＮＯｘ濃度を低下させてもよい。更に、リーン運転モードでは、圧縮リーンに比べて吸気リーンの方がＮＯｘ濃度が低い領域があり、このときに圧縮リーンから吸気リーンへ切り換えることでＮＯｘ濃度を低下させてもよい。
【００３４】
更に、ＮＯｘ濃度変更手段は、触媒層近傍の排気ガス中のＮＯｘ濃度のみを低下させるものであってもよい。即ち、ＮＯは磁性をもっており、触媒層に磁場を与えて両者を反発させることで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを一時的に引き離すようにしてＮＯｘ濃度を低下させることもできる。また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に還元剤（ＴＨＣ、ＣＯなど）を供給して触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させることができる。
【００３５】
また、上述した実施形態では、点火時期リタードにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させることで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出するようにしたが、従来のような空燃比をストイキまたはリッチ化して排気ガス中のＯ2 濃度を低下させることで吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出する技術を組み合わせ、併用したり、選択的に使用するようにしてもよい。
【００３６】
そして、上述した本実施形態では、エンジン１１を筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンとしたが、エンジン１１は吸蔵型ＮＯｘ触媒を有するものであれば、吸気管噴射型のリーンバーンエンジンであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒装置に吸蔵されたＮＯｘを放出させるときに少なくとも触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させるようにしたので、空燃比をリーンからリッチへ変更する必要はなく、吸蔵型ＮＯｘ触媒装置の再生時における燃費や運転フィーリングの悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の排気浄化装置によるＮＯｘ放出抑制制御のフローチャートである。
【図３】ＮＯx 濃度の低下による吸蔵型ＮＯｘ触媒からのＮＯx 放出の原理を表す概略図である。
【図４】ＮＯx 濃度の低下によるＮＯｘ吸蔵量の変化とＯ2 濃度の低下によるＮＯｘ吸蔵量の変化の比較を表すグラフである。
【符号の説明】
１１ エンジン（内燃機関）
１３ 点火プラグ
１４ 燃料噴射弁
１５ 燃焼室
１７ スロットル弁
２１ 排気管（排気通路）
２２ 三元触媒
２３ 排気浄化触媒装置
２４ 高温センサ
２５ 吸蔵型ＮＯｘ触媒
２６ 三元触媒
２８ 電子コントロールユニット，ＥＣＵ（ＮＯｘ濃度変更手段、制御手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に吸蔵型ＮＯｘ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して燃費の向上を図るようにした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を充分に浄化できないという問題があり、最近では、例えば、リーン空燃比で運転中に排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、理論空燃比（ストイキ）またはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたＮＯｘを放出還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒を備えた排気浄化触媒装置が採用されてきている。
【０００３】
この吸蔵型ＮＯｘ触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態で排ガス中のＮＯｘを硝酸塩（Ｘ−ＮＯ3 ）として付着させて吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを主として一酸化炭素（ＣＯ）の過剰状態で放出して窒素（Ｎ2 ）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ3 が生成される）を有した触媒である。従って、実際には、リーン空燃比運転が所定時間継続すると、燃焼室内の空燃比の切換えあるいは排気管への還元剤の供給等により排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に制御するようなリッチ空燃比運転に定期的に切換え、これによって酸素濃度低下雰囲気でＣＯの多い還元雰囲気を生成し、吸蔵したＮＯx を放出して浄化還元（ＮＯx パージ）することで吸蔵型ＮＯx 触媒の再生を図ることができる。このような技術は、例えば、特許第２６００４９２号公報等に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の「排気浄化装置」では、ＮＯx パージを実行する場合、排気空燃比をリッチ側にかなり大きく変更するようにしており、燃費を悪化させてしまうと共に運転フィーリングが悪化してしまう。特に、筒内噴射型の内燃機関においては、吸蔵型ＮＯx 触媒の再生時に、例えば、リーン運転（空燃比４０程度）からリッチ運転（空燃比１２程度）へ変更し、それに伴って燃焼形態も層状燃焼から均一燃焼へ切り換わるため、吸気管噴射型の希薄燃焼内燃機関に比べて燃費や運転フィーリングが悪化する。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するものであって、吸蔵型ＮＯｘ触媒装置の再生時における燃費や運転フィーリングの悪化を抑制可能とした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する機能を有する吸蔵型ＮＯｘ触媒装置を設け、制御手段は、この吸蔵型ＮＯｘ触媒装置に吸蔵されたＮＯｘを放出させるときにＮＯｘ濃度変更手段を作動することで、少なくとも触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させるようにしている。
【０００７】
従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒装置に吸蔵されたＮＯｘを放出させるときには、触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させればよく、空燃比をリーンからリッチへ変更する必要はなく、燃費や運転フィーリングの悪化が抑制される。
【０００８】
なお、ＮＯｘ濃度変更手段は、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる手段であり、好ましくは、点火時期を遅角する点火時期制御手段や吸気ガス中に排気ガスを戻す排気再循環手段などが良い。また、これら以外に燃料カットあるいは点火カットや圧縮リーンから吸気リーンへの切換などがある。更に、ＮＯｘ濃度変更手段は、触媒層近傍のＮＯｘ濃度のみを低下させるものでもよく、触媒層に磁場を与えてＮＯｘを一時的に引き離すようにしたり、還元剤を供給するなどしてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１０】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に本実施形態の排気浄化装置によるＮＯｘ放出抑制制御のフローチャート、図３にＮＯx 濃度の低下による吸蔵型ＮＯｘ触媒からのＮＯx 放出の原理を表す概略、図４(ａ)にＮＯx 濃度の低下によるＮＯｘ吸蔵量の変化を表すグラフ、図４(ｂ)にＯ2 濃度の低下によるＮＯｘ吸蔵量の変化を表すグラフを示す。
【００１１】
本実施形態の内燃機関（以下、エンジンと称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、吸気行程でのリーン空燃比運転より大きな空燃比となる超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１２】
本実施形態において、図１に示すように、エンジン１１のシリンダヘッド１２には、各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４には、図示しない燃料パイプを介して燃料タンク擁した燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定される。
【００１３】
シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続されており、このスロットル弁１７にはスロットル開度θthを検出するスロットルポジションセンサ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１９の一端がそれぞれ接続されている。
【００１４】
そして、エンジン１１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、このクランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００１５】
また、エンジン１１の排気マニホールド１９には排気管（排気通路）２１が接続されており、この排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管２１における三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述する吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ２４が設けられている。
【００１６】
この排気浄化触媒装置２３は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排気ガス中にＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ低減機能と、排気空燃比が理論空燃比近傍のときに排気ガス中の有害物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を浄化する還元機能とをもたせるために、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されており、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下流側に配設されている。この三元触媒２６は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から吸蔵されたＮＯｘが放出された際に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５自身で還元しきれなかったＮＯｘを還元する役目も行っている。
【００１７】
なお、排気浄化触媒装置２３は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＮＯｘを還元し、ＨＣとＣＯを酸化する三元触媒の機能（ここでは、三元機能と称する。）を十分有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５だけであってもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵させ、主としてＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘを放出してＮ2 （窒素）等に還元させる還元機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒として構成されており、吸蔵材としてはバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、排気浄化触媒装置２３の下流側にはＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２７が設けられている。
【００１８】
更に、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）２８が設けられており、このＥＣＵ２８によりエンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ２８の入力側には、上述した高温センサ２４やＮＯｘセンサ２７等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ２８の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁１４等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１３によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００１９】
実際に、ＥＣＵ２８では、スロットルセンサ１８からのスロットル開度情報θthとクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。
【００２０】
そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。また、高温センサ２４により検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定される。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義に推定されるようにされている。
【００２１】
以下、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【００２２】
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、排気浄化触媒装置２３の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気ガス中のＮＯｘを硝酸塩として吸蔵して排気の浄化を行う。そして、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進むと、少なくともこの吸蔵型ＮＯｘ触媒２５における触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下（ＮＯｘ濃度変更手段）させることで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵または吸着したＮＯと周囲のＮＯとのバランスが崩れ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＮＯｘを放出（作動制御手段）させ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の機能が再生されるようになっている。
【００２３】
ここで、排気浄化触媒装置２３によるＮＯx 放出抑制制御について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００２４】
ステップＳ１では、リーン空燃比での運転状態が所定時間（例えば、３０秒）以上継続しているかどうかを判定し、リーン運転状態が所定時間以上継続していなければ、何もしないでこのルーチンを抜ける。一方、リーン運転状態が所定時間以上継続していれば、排気ガス中のＮＯｘの吸蔵型ＮＯｘ触媒２５への吸蔵が進行し、ＮＯｘの吸蔵型ＮＯｘ触媒２５でのＮＯｘ吸蔵機能が低下していると判断してＮＯｘ放出制御に入る。
【００２５】
まず、ステップＳ２では、ＮＯｘ放出制御のタイマＣをリセットしてから、ステップＳ３にて、このタイマＣを１とする。そして、ステップＳ４において、点火時期を遅角（リタード）することで、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる。すると、排気ガス中のＮＯｘ濃度の低下により、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵または吸着したＮＯと周囲のＮＯとのバランスが崩れ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが放出される。
【００２６】
即ち、図３(ａ)に示すように、排気ガスがリーン雰囲気であるとき、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒層の白金（Ｐｔ）にＮＯとＯが吸着されると共に、バリウム（Ｂａ）にＮＯとＯが吸着される。このとき、Ｐｔに吸着したＮＯと排気ガス中のＮＯとの濃度がバランスしている。この状態から、点火時期リタードにより排気ガス中のＮＯｘ濃度が低下すると、図３(ｂ)に示すように、Ｐｔに吸着したＮＯと排気ガス中のＮＯとの濃度バランスが崩れる。すると、崩れた濃度バランスを元に戻そうと、Ｐｔに吸着しているＮＯが放出されるため、Ｂａに吸蔵されたＮＯが放出されることとなって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが放出される。
【００２７】
この理論からすると、従来のように、排気ガスをリッチ雰囲気としてＯ2 濃度を低下させることでも、Ｐｔに吸着したＯと排気ガス中のＯとの濃度バランスが崩れ、Ｐｔに吸着しているＯが放出されることでＢａに吸蔵されたＮＯを放出することができるが、この場合は主としてＯを放出させているため、ＮＯの放出効率は低くなってしまう。従って、排気ガス中のＯ2 濃度を低下させるよりも、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる方が、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＮＯｘの放出効率の点からすると望ましい。そして、排気ガス中のＯ2 濃度を低下させるには、排気空燃比をリッチ側にかなり大きく変更する必要があり、燃費や運転フィーリングの面からも、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる方が望ましい。
【００２８】
このようにしてステップＳ４にて、点火時期リタードにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させることで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からのＮＯｘの放出を開始すると、ステップＳ５では、膨張行程噴射により吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から放出されたＮＯｘを還元する。即ち、ＮＯx 放出制御としてリーン運転で点火時期リタードによりＮＯｘ濃度を低下させる場合、例えば、全体のＡ／Ｆをリーン空燃比のままで変えないでリーン運転すると共に、点火時期リタードした最初の期間においてＮＯｘが多量に放出されるので、ＮＯｘを還元するＨＣを触媒に供給するために膨張行程噴射を、例えば０．１〜０．５秒間実行し、その後はＮＯｘはゆっくりと放出されるので、ＨＣを少量供給すればよい。この膨張行程噴射移行がＮＯx 抑制制御となる。なお、副噴射での膨張行程噴射により増加した燃料噴射量は、主噴射での燃料噴射量を補正することで、全体の燃料噴射量、つまり、全体のＡ／Ｆをリーン空燃比のままで維持する。また、膨張行程噴射の時間は運転状態や触媒の劣化状態に応じて変更する。
【００２９】
そして、ステップＳ６では、ＮＯｘ放出制御のタイマＣが予め設定された設定値Ｃ0 を越えたか、つまり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が十分再生されたかどうかを判定し、タイマＣが設定値Ｃ0 を越えていなければ吸蔵型ＮＯｘ触媒２５再生が不十分であるため、ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返す。一方、タイマＣが設定値Ｃ0 を越えて吸蔵型ＮＯｘ触媒２５再生が十分であれば、ここでＮＯｘ抑制制御を停止する。
【００３０】
ここで、点火時期リタードにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させたときのＮＯｘ放出量を、排気ガス中のＯ2 濃度を低下させのＮＯｘ放出量と比較して説明する。
【００３１】
図４(ａ)に示すグラフは、Ｏ2 濃度が一定の状態で排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させたときのＮＯｘ吸蔵（放出）量の変化率を表すグラフであって、時間の経過と共にＮＯｘ吸蔵量が増加するために変化率は水平状態となることで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５におけるＮＯｘ吸蔵機能が低下していることがわかる。そして、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させると、ＮＯｘ吸蔵量の変化率が放出側に大きくなって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが放出されることで、ＮＯｘ吸蔵機能が再生されていることがわかる。この場合、ＮＯｘ濃度が一定の状態で図４(ｂ)に示すように、排気ガス中のＯ2 濃度を低下させても、ＮＯｘ吸蔵量の変化率が放出側に変化して吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが放出されているが、その変化量がＮＯｘ濃度を低下させた場合に比べて小さいことが明白であり、Ｏ2 濃度の低下では、ＮＯｘ吸蔵機能の再生が不十分であることがわかる。
【００３２】
なお、上述した実施形態では、所定時間リーン運転継続後に、点火時期リタードにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出するようにしたが、この排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる手段は点火時期リタードに限るものではない。
【００３３】
例えば、このＮＯｘ濃度変更手段は、吸気ガス中に排気ガス量を戻す排気再循環装置としてもよい。つまり、ＮＯｘは燃焼ガスの高温のもとで空気中の窒素と酸素が反応してできるため、排気還流により燃焼ガスの温度を下げてこの反応を抑制することで、ＮＯｘ濃度を低下させることができる。また、燃料カットや点火カットによりＮＯｘ濃度を低下させてもよい。更に、リーン運転モードでは、圧縮リーンに比べて吸気リーンの方がＮＯｘ濃度が低い領域があり、このときに圧縮リーンから吸気リーンへ切り換えることでＮＯｘ濃度を低下させてもよい。
【００３４】
更に、ＮＯｘ濃度変更手段は、触媒層近傍の排気ガス中のＮＯｘ濃度のみを低下させるものであってもよい。即ち、ＮＯは磁性をもっており、触媒層に磁場を与えて両者を反発させることで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを一時的に引き離すようにしてＮＯｘ濃度を低下させることもできる。また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に還元剤（ＴＨＣ、ＣＯなど）を供給して触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させることができる。
【００３５】
また、上述した実施形態では、点火時期リタードにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を低下させることで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出するようにしたが、従来のような空燃比をストイキまたはリッチ化して排気ガス中のＯ2 濃度を低下させることで吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出する技術を組み合わせ、併用したり、選択的に使用するようにしてもよい。
【００３６】
そして、上述した本実施形態では、エンジン１１を筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンとしたが、エンジン１１は吸蔵型ＮＯｘ触媒を有するものであれば、吸気管噴射型のリーンバーンエンジンであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒装置に吸蔵されたＮＯｘを放出させるときに少なくとも触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させるようにしたので、空燃比をリーンからリッチへ変更する必要はなく、吸蔵型ＮＯｘ触媒装置の再生時における燃費や運転フィーリングの悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の排気浄化装置によるＮＯｘ放出抑制制御のフローチャートである。
【図３】ＮＯx 濃度の低下による吸蔵型ＮＯｘ触媒からのＮＯx 放出の原理を表す概略図である。
【図４】ＮＯx 濃度の低下によるＮＯｘ吸蔵量の変化とＯ2 濃度の低下によるＮＯｘ吸蔵量の変化の比較を表すグラフである。
【符号の説明】
１１ エンジン（内燃機関）
１３ 点火プラグ
１４ 燃料噴射弁
１５ 燃焼室
１７ スロットル弁
２１ 排気管（排気通路）
２２ 三元触媒
２３ 排気浄化触媒装置
２４ 高温センサ
２５ 吸蔵型ＮＯｘ触媒
２６ 三元触媒
２８ 電子コントロールユニット，ＥＣＵ（ＮＯｘ濃度変更手段、制御手段）
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に設けられて排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する機能を有する吸蔵型ＮＯｘ触媒装置と、
少なくとも該吸蔵型ＮＯｘ触媒装置における触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させるＮＯｘ濃度変更手段と、
前記吸蔵型ＮＯｘ触媒装置に吸蔵されたＮＯｘを放出させるＮＯｘ放出制御の実行に際して該ＮＯｘ濃度変更手段を作動させる制御手段と
を具え、
前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度変更手段の作動時に空燃比をリーンとする
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記ＮＯｘ濃度変更手段は、燃料カットにより、少なくとも前記吸蔵型ＮＯｘ触媒装置における触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記ＮＯｘ濃度変更手段は、点火カットにより、少なくとも前記吸蔵型ＮＯｘ触媒装置における触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記ＮＯｘ濃度変更手段は、リーン運転モードを圧縮リーンから吸気リーンへ切換えることにより、少なくとも前記吸蔵型ＮＯｘ触媒装置における触媒層近傍のＮＯｘ濃度を低下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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