JP4416868B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特に排気系に窒素酸化物(NOx)の吸収剤を内蔵するNOx浄化装置を備えた排気ガス浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行すると、NOxの排出量が増加する傾向があるため、リーン運転中にNOxを吸収するNOx吸収剤を有し、吸収したNOxを適時還元することによりNOxを浄化するNOx浄化装置を機関排気系に設けることが従来より知られている(例えば特許第2586739号公報)。
【0003】
このようなNOx浄化装置のNOx吸収剤は、空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い(NOxが多い)状態(以下「排気ガスリーン状態」という)においては、NOxを吸収する一方、逆に空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的低い状態(以下「排気ガスリッチ状態」という)においては、吸収したNOxを放出する特性を有する。このNOx浄化装置は、排気ガスリッチ状態においては、NOx吸収剤から放出されるNOxはHC、COにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またHC、COは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
NOx浄化装置のNOx吸収剤は、NOxだけでなくSOx(硫黄酸化物)も吸収するので、燃料に含まれる硫黄(S)がSOxとして徐々に蓄積する。そのため、NOx吸収剤のNOx吸収能力が著しく低下する(例えば、80%の吸収能力が20%程度まで低下する)という硫黄被毒の問題が避けられない。NOx吸収剤に吸収されたSOxは、NOx吸収剤が高温(600℃以上)の状態でNOx吸収剤から放出されるので、その状態で空燃比をリッチ化することにより還元可能である。ところが、NOx吸収剤が600℃以上の高温となるのは、高負荷運転を比較的長時間継続したような場合に限られるため、実際にSOxを除去するための空燃比リッチ化を実行できる運転状態が限定され、SOxの除去を十分に行うことができないという問題があった。
【0005】
本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、NOx吸収剤を短時間のうちにSOxが放出される温度まで昇温させ、NOx吸収剤に吸収されたSOxを効率よく除去することができる排気ガス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】
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態のとき排気ガス中の窒素酸化物を吸収する窒素酸化物浄化手段を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物浄化手段の劣化を検出する劣化検出手段と、前記劣化検出手段により前記窒素酸化物浄化手段の劣化が検出されたときに、所定時間以下に設定される周期で、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動させる空燃比変動手段と、該空燃比変動手段の作動により前記窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、劣化再生時間に亘って前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する劣化再生手段とを備え、前記空燃比変動手段は、前記空燃比を前記リッチ側に制御するリッチ時間を、前記リーン側に制御するリーン時間の1/2以下とするように設定するとともに、前記リーン時間を0.5秒から2秒の範囲に設定することを特徴とする。
【0007】
ここで「所定時間」は、窒素酸化物浄化手段を昇温させるのに適した時間、例えば3秒以下に設定される。具体的には、空燃比変動制御中の燃費を重視する場合には、空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御するリーン時間を2秒以下の時間とし、空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御するリッチ時間をリーン時間の1/2以下の時間としたときの(リーン時間+リッチ時間)に設定することが望ましく、また空燃比変動制御により窒素酸化物浄化手段の早期昇温を重視する場合、特に機関の直ぐ下流に三元触媒を配置し、窒素酸化物浄化手段を三元触媒の下流側であって機関から若干離れた位置に配置する場合には、リーン時間及びリッチ時間をほぼ同一の値に設定することが望ましい。
【0008】
「劣化再生温度」は、窒素酸化物浄化手段の窒素酸化物吸収剤がSOxを放出し始めるほぼ最低の温度、あるいは劣化再生手段によって空燃比リッチ化を開始すると温度が下がることを考慮して前記最低の温度より50〜100℃程度高い温度とする。また「劣化再生時間」は、劣化検出手段により劣化が検出される劣化度合、すなわち劣化が検出される時点での窒素酸化物浄化手段に蓄積したSOx量に対応して、例えば該蓄積したSOxのほぼ全部を還元可能な時間に設定される。
【0009】
窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったことは、実際に窒素酸化物浄化手段の温度を検出する温度検出手段を設けて、その検出値によって判定することが望ましいが、温度検出手段を使用せずに前記空燃比変動手段による空燃比変動制御の実行時間が、所定昇温時間を越えたことにより判定するようにしてもよい。この場合「所定昇温時間」は、対象となる複数の装置について実験を行い、例えば劣化再生温度に達するのに要する実測時間に応じて設定する。
【0010】
この構成によれば、劣化検出手段により窒素酸化物浄化手段の劣化が検出されたときに、所定時間以下に設定される周期で、機関に供給する混合気の空燃比が理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動制御され、該空燃比変動制御中に窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、劣化再生時間に亘って前記空燃比が理論空燃比よりリッチ側に維持されるので、窒素酸化物浄化手段の温度をSOxの除去が可能な劣化再生温度まで速やかに昇温させ、効率的に窒素酸化物浄化手段に吸収されたSOxを除去することができる。その結果、長期間に亘って良好な排気ガス特性を維持することができる。また空燃比をリッチ側に制御するリッチ時間が、リーン側に制御するリーン時間の1/2以下に設定されるとともに、リーン時間が0.5秒から2秒の範囲に設定されるので、リーン運転することによる燃費の向上と50%程度以上のNOx浄化率が得られる。
【0011】
請求項2に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態のとき排気ガス中の窒素酸化物を吸収する窒素酸化物浄化手段を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物浄化手段の劣化度合を検出する劣化度合検出手段と、前記機関の排気ガス流量が大きい特定運転状態において、所定時間以下に設定される周期で、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動させる空燃比変動手段と、前記窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、前記検出された劣化度合に応じた劣化再生時間に亘って前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する劣化再生手段とを備え、前記空燃比変動手段は、前記空燃比を前記リッチ側に制御するリッチ時間を、前記リーン側に制御するリーン時間の1/2以下とするように設定するとともに、前記リーン時間を0.5秒から2秒の範囲に設定することを特徴とする。
【0012】
ここで「特定運転状態」は、前記機関の回転速度が所定回転速度より高くかつ吸気管内絶対圧が所定圧より高い運転状態であり、さらに前記窒素酸化物浄化手段の温度が前記劣化再生温度より低い所定温度より高いという条件を追加してもよく、さらに前記機関が搭載された車両の速度が所定速度より高いという条件を追加してもよい。この場合、前記所定回転速度、所定圧、所定温度及び所定速度は、使用する窒素酸化物浄化手段の特性や機関の仕様によって変化するので、実験により適切な値に設定される。
【0013】
また「所定時間」及び「劣化再生温度」は、請求項1に記載の排気ガス浄化装置と同様であり、また「劣化再生時間」は、劣化度合検出手段により検出された劣化度合が大きいほど、すなわち窒素酸化物浄化手段に蓄積したSOx量が多いほど、長く設定される。
【0014】
この構成によれば、機関の排気ガス流量が大きい特定運転状態において、所定時間以下に設定される周期で、機関に供給する混合気の空燃比が理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動制御され、窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、検出された劣化度合に応じた劣化再生時間に亘って前記空燃比が理論空燃比よりリッチ側に維持されるので、前記特定運転状態において高い窒素酸化物浄化率を達成しつつ、窒素酸化物浄化手段の温度をSOxの除去が可能な劣化再生温度まで速やかに昇温させ、効率的に窒素酸化物浄化手段に吸収されたSOxを除去することができる。その結果、長期間に亘って良好な排気ガス特性を維持することができる。また空燃比をリッチ側に制御するリッチ時間が、リーン側に制御するリーン時間の1/2以下に設定されるとともに、リーン時間が0.5秒から2秒の範囲に設定されるので、リーン運転することによる燃費の向上と50%程度以上のNOx浄化率が得られる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る排気ガス浄化装置を含む、内燃機関(以下「エンジン」という)及びその制御装置の全体構成図であり、例えば4気筒のエンジン1の吸気管2の途中にはスロットル弁3が配されている。スロットル弁3にはスロットル弁開度(θTH)センサ4が連結されており、当該スロットル弁3の開度に応じた電気信号を出力してエンジン制御用電子コントロールユニット(以下「ECU」という)5に供給する。
【0016】
燃料噴射弁6はエンジン1とスロットル弁3との間かつ吸気管2の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にECU5に電気的に接続されて当該ECU5からの信号により燃料噴射弁6の開弁時間が制御される。
【0017】
一方、スロットル弁3の直ぐ下流には吸気管内絶対圧(PBA)センサ7が設けられており、この絶対圧センサ7により電気信号に変換された絶対圧信号は前記ECU5に供給される。また、その下流には吸気温(TA)センサ8が取付けられており、吸気温TAを検出して対応する電気信号を出力してECU5に供給する。
【0018】
エンジン1の本体に装着されたエンジン水温(TW)センサ9はサーミスタ等から成り、エンジン水温(冷却水温)TWを検出して対応する温度信号を出力してECU5に供給する。
エンジン1の図示しないカム軸周囲又はクランク軸周囲には、エンジン回転数(NE)センサ10及び気筒判別(CYL)センサ11が取り付けられている。エンジン回転数センサ10は、エンジン1の各気筒の吸入行程開始時の上死点(TDC)に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で(4気筒エンジンではクランク角180゜毎に)TDC信号パルスを出力し、気筒判別センサ11は、特定の気筒の所定クランク角度位置で気筒判別信号パルスを出力するものであり、これらの各信号パルスはECU5に供給される。
【0019】
排気管12には窒素酸化物浄化手段としてのNOx浄化装置16が設けられている。NOx浄化装置16は、NOxを吸収するNOx吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。NOx吸収剤としては、エンジン1に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い(NOxが多い)排気ガスリーン状態においては、NOxを吸蔵する一方、逆にエンジン1に供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的低い排気ガスリッチ状態においては、吸蔵したNOxを放出する特性を有する吸蔵式のもの、あるいは排気ガスリーン状態においてはNOxを吸着し、排気ガスリッチ状態において還元する吸着式のものを使用する。NOx浄化装置16は、排気ガスリーン状態においては、NOx吸収剤にNOxを吸収させる一方、排気ガスリッチ状態においては、NOx吸収剤から放出されるNOxがHC、COにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またHC、COは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。吸蔵式のNOx吸収剤としては、例えば酸化バリウム(Ba0)が使用され、吸着式のNOx吸収剤としては、例えばナトリウム(Na)とチタン(Ti)またはストロンチウム(Sr)とチタン(Ti)が使用され、触媒としては吸蔵式及び吸着式のいずれにおいても、例えばロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)などの貴金属が使用される。
【0020】
NOx浄化装置16は、NOx吸収剤を内蔵したNOx浄化装置であるが、後述するようにエンジン1に供給する混合気の空燃比を比較的短い周期で変動させる短周期空燃比変動制御を特定のエンジン運転状態において実行することにより、NOx吸収剤にNOxを吸収する作用なしに触媒のみの作用によってNOxを効率よく還元することができる。
【0021】
NOx吸収剤のNOx吸収能力の限界、すなわち最大NOx吸収量まで、NOxを吸収すると、それ以上NOxを吸収できなくなるので、適時NOxを放出させて還元するために空燃比のリッチ化、すなわち還元リッチ化を実行する。
NOx浄化装置16には、その温度(以下「触媒温度」という)TCATを検出する触媒温度センサ17が設けられており、その検出信号がECU5に供給される。触媒温度TCATは、NOx吸収剤及び触媒の温度を示している。
【0022】
NOx浄化装置16の上流位置には、比例型空燃比センサ14(以下「LAFセンサ14」という)が装着されており、このLAFセンサ14は排気ガス中の酸素濃度(空燃比)にほぼ比例した電気信号を出力し、ECU5に供給する。
ECU5には、さらにエンジン1が搭載され、エンジン1によって駆動される車両の走行速度(車速)VCARを検出する車速検出手段としての車速センサ21が接続されており、その検出信号がECU5に供給される。
【0023】
エンジン1は、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを、エンジンの高速回転領域に適した高速バルブタイミングと、低速回転領域に適した低速バルブタイミングとの2段階に切換可能なバルブタイミング切換機構30を有する。このバルブタイミングの切換は、弁リフト量の切換も含み、さらに低速バルブタイミング選択時は2つの吸気弁のうちの一方を休止させて、空燃比を理論空燃比よりリーン化する場合においても安定した燃焼を確保するようにしている。
【0024】
バルブタイミング切換機構30は、バルブタイミングの切換を油圧を介して行うものであり、この油圧切換を行う電磁弁及び油圧センサがECU5に接続されている。油圧センサの検出信号はECU5に供給され、ECU5は電磁弁を制御してエンジン1の運転状態に応じたバルブタイミングの切換制御を行う。
【0025】
ECU5は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路5a、中央演算処理回路(以下「CPU」という)5b、CPU5bで実行される各種演算プログラム、該演算プログラムで使用されるテーブルやマップ、演算結果等を記憶する記憶手段5c、前記燃料噴射弁6に駆動信号を供給する出力回路5d等から構成される。
【0026】
CPU5bは、上述の各種エンジンパラメータ信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式(1)に基づき、前記TDC信号パルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁6の燃料噴射時間TOUTを演算する。
TOUT=TI×KCMD×KLAF×K1+K2…(1)
ここに、TIは燃料噴射弁6の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じて設定されたTIマップを検索して決定される。TIマップは、マップ上のエンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに対応する運転状態において、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように設定されている。
【0027】
KCMDは目標空燃比係数であり、エンジン回転数NE、吸気管内絶対圧PBA、エンジン水温TW等のエンジン運転パラメータに応じて設定される。目標空燃比係数KCMDは、空燃比A/Fの逆数、すなわち燃空比F/Aに比例し、理論空燃比のとき値1.0をとるので、目標当量比ともいう。
【0028】
KLAFは、LAFセンサ14の検出値から算出される検出当量比KACTが目標当量比KCMDに一致するようにPID制御により算出される空燃比補正係数である。
K1及びK2は夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定される。
CPU5bは上述のようにして求めた燃料噴射時間TOUTに基づいて燃料噴射弁6を開弁させる駆動信号を出力回路5dを介して燃料噴射弁6に供給する。
【0029】
図2は、前記式(1)に適用される目標空燃比係数KCMDを算出する処理のフローチャートである。本処理は一定時間毎にCPU5bで実行される。
ステップS11では、リーン運転中か否か、すなわち通常制御時に後述するステップS19で記憶された目標空燃比係数KCMDの記憶値KCMDBが「1.0」より小さいか否かを判別する。その結果、KCMDB≧1.0であってリーン運転中でないときは、直ちにステップS17に進み、後述するステップS21で参照するダウンカウントタイマtmRRに還元リッチ化時間TRR(例えば1〜2秒)をセットしてスタートさせる。次いで、通常制御、すなわちエンジン運転状態に応じて目標空燃比係数KCMDの設定を行う(ステップS18)。目標空燃比係数KCMDは、基本的には、エンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じて算出し、エンジン水温TWの低温状態や所定の高負荷運転状態では、それらの運転状態に応じた値に変更される。次いでステップS18で算出した目標空燃比係数KCMDを記憶値KCMDBとして記憶して(ステップS19)、本処理を終了する。
【0030】
ステップS11でKCMDB<1.0であってリーン運転中であるときは、図3の処理により設定され、エンジン1の排気ガス流量が多く、かつ触媒温度TCATがSOxを除去可能な程度に高温(600℃以上)であるエンジン運転状態(以下「SOx除去可能運転状態」という)にあることを「1」で示すSOx除去フラグFHLSOxが「1」であるか否かを判別する(ステップS12)。そして、FHLSOx=1であってエンジン1がSOx除去可能運転状態にあるときは、空燃比をリッチ化し、SOxを還元するSOx除去処理(図7)を実行する(ステップS24)。
【0031】
ステップS12でFHLSOx=0であるときは、図3の処理により設定され、エンジン1の排気ガス流量が多く、かつ触媒温度TCATが高いエンジン運転状態(以下「特定運転状態」という)にあることを「1」で示す特定運転状態フラグFHLが「1」であるか否かを判別する(ステップS13)。そして、FHL=1であってエンジン1が特定運転状態にあるときは、図5に示す短周期空燃比変動制御を実行する(ステップS23)一方、FHL=0であってエンジン1が前記特定運転状態以外の運転状態にあるときは、短周期空燃比変動制御に比べて空燃比変動の周期が長くなるステップS14以下の処理を実行する。なお、上記SOx除去可能運転状態は、前記特定運転状態において特に触媒温度TCATが高い状態に相当し、前記特定運転状態に含まれる運転状態である。
【0032】
先ずステップS14では、エンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じて、次のステップS15で使用する増分値ADDNOxを決定する。増分値ADDNOxは、リーン運転中に単位時間当たりに排出されるNOx量に対応するパラメータであり、エンジン回転数NEが増加するほど、また吸気管内絶対圧PBAが増加するほど、増加するように設定されている。
【0033】
ステップS15では、下記式にステップS14で決定した増分値ADDNOxを適用し、NOx量カウンタCNOxをインクリメントする。これによりNOx排出量、すなわちNOx吸収剤に吸収されたNOx量に相当するカウント値が得られる。
CNOx=CNOx+ADDNOx
【0034】
続くステップS16では、NOx量カウンタCNOxの値が、許容値CNOxREFを越えたか否かを判別する。この答が否定(NO)であるときは、前記ステップS17に進み、通常制御、すなわちエンジン運転状態に応じた目標空燃比係数KCMDの設定を行う。許容値CNOxREFは、NOx吸収剤の最大NOx吸収量より若干小さいNOx量に対応する値、あるいは余裕を持たせて最大NOx吸収量の1/2程度のNOx量に対応する値に設定される。
【0035】
ステップS16で、CNOx>CNOxREFとなると、目標空燃比係数KCMDを空燃比14.0相当程度の値に対応するリッチ化所定値KCMDR1に設定し、還元リッチ化を実行する(ステップS20)。そして、タイマtmRRの値が「0」か否かを判別し(ステップS21)、tmRR>0である間は直ちに本処理を終了し、tmRR=0となるとNOx量カウンタCNOxの値を「0」にリセットする(ステップS22)。これにより、次回からはステップS16の答が否定(NO)となるので、通常制御に移行する。
【0036】
図2の処理によれば、FHL=0であって特定運転状態以外のリーン運転可能な運転状態におけるリーン運転継続時間、すなわちNOx量カウンタCNOxの値が0から許容値CNOxREFに達する時間は、エンジン運転状態によって変化するが、おおむね8〜30秒程度である。したがって、前記特定運転状態以外の運転状態においては、リーン運転継続時間が、8から30秒程度で、還元リッチ化実行時間(=TRR)が、1から2秒程度である空燃比変動制御が実行される。
【0037】
図3は、図2のステップS12及びS13で参照されるSOx除去フラグFHLSOx及び特定運転状態フラグFHLの設定を行う運転状態判別処理のフローチャートである。本処理は、一定時間毎にCPU5bで実行される。
先ず車速VCARが所定車速SVCAR(例えば60km/h)より高いか否かを判別し(ステップS31)、VCAR>SVCARであるときは、エンジン回転数NEが所定回転数SNE(例えば1800rpm)より高いか否かを判別し(ステップS32)、NE>SNEであるときは、吸気管内絶対圧PBAが所定圧SPBA(例えば360mmHg)より高いか否かを判別する(ステップS33)。そして、ステップS31〜S33のいずれかの答が否定(NO)のときは、特定運転状態フラグFHL及びSOx除去フラグFHLSOxをともに「0」に設定して(ステップS39)、本処理を終了する。
【0038】
一方ステップS31〜S33の答がすべて肯定(YES)であるときは、図4の処理で設定され、NOx浄化装置16のNOx吸収剤に吸収されたSOx量が許容値を越えたこと、すなわちNOx浄化装置16が劣化していることを「1」で示す劣化フラグFDSOxが「1」であるか否かを判別し(ステップS34)、FDSOx=0であってSOx量が許容値を越えていないときは、触媒温度TCATが所定温度STCAT1(例えば500℃)より高いか否かを判別する(ステップS35)。そして、TCAT>STCAT1であって、エンジン1の排気ガス流量が多く、触媒温度TCATが高い特定運転状態にあるときは、特定運転状態フラグFHLを「1」に設定し、SOx除去フラグFHLSOxを「0」として(ステップS38)、本処理を終了する。一方TCAT≦STCAT1であるときは、前記ステップS39に進む。
【0039】
ステップS34でFDSOx=1であってNOx浄化装置16が劣化しているときは、触媒温度TCATが前記所定温度STCAT1より高い劣化再生温度STCAT2(例えば600℃)より高いか否かを判別する(ステップS36)。この劣化再生温度STCAT2は、NOx吸収剤が吸収したSOxを放出し始める温度、すなわちNOx吸収剤がSOxを放出可能なほぼ最低の温度である。ステップS36でTCAT≦STCAT2であるときは、触媒温度TCATを速やかに昇温させるべく、前記ステップS38に進む。ステップS38で特定運転状態フラグFHLを「1」に設定することにより、短周期空燃比変動制御(図2,ステップS23)が実行され、触媒温度TCATの昇温が促進される。
ステップS36でTCAT>STCAT2であるときは、SOxの除去が可能な運転状態であるので、特定運転状態フラグFHL及びSOx除去フラグFHLSOxをともに「1」に設定して(ステップS37)、本処理を終了する。
【0040】
図4は、NOx浄化装置16のNOx吸収剤に吸収されたSOx量を推定する処理のフローチャートであり、本処理は一定時間毎にCPU5bで実行される。
先ずエンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じて次のステップS53で使用する増分値ADDSOxを決定する(ステップS52)。増分値ADDSOxは、リーン運転中に単位時間当たりに排出されるSOx量に対応するパラメータであり、エンジン回転数NEが増加するほど、また吸気管内絶対圧PBAが増加するほど、増加するように設定されている。単位時間当たりのSOx排出量は、NOx排出量に比べてはるかに小さいので、増分値ADDSOxは、NOx排出量に対応する増分値ADDNOxより小さい。
【0041】
ステップS53では、下記式にステップS52で決定した増分値ADDSOxを適用し、SOx量カウンタCSOxをインクリメントする。これによりSOx排出量、すなわちNOx吸収剤に吸収されたSOx量に相当するカウント値が得られる。
CSOx=CSOx+ADDSOx
【0042】
続くステップS54では、SOx量カウンタCSOxの値が、許容値CSOxREFを越えたか否かを判別する。CSOx≦CSOxREFであるときは、劣化フラグFDSOxを「0」とし(ステップS55)、CSOx>CSOxREFであるときは、劣化フラグFDSOxを「1」に設定する(ステップS56)。許容値CSOxREFは、例えばNOx吸収剤の吸収能力が新品の1/2程度の低下した状態に対応する値に設定される。
【0043】
図4の処理によりNOx吸収剤に吸収されたSOx量が推定され、そのSOx量が許容値を越えると劣化フラグFDSOxが「1」に設定される。その結果図3のステップS34からステップS36に進む処理が実行され、触媒温度TCATが低いときは(TCAT≦STCAT2)ときは、短周期空燃比変動制御によりNOx吸収剤の昇温が促進され(ステップS38,図2のステップS13,S23)、TCAT>STCAT2となると、SOx除去処理が実行される(ステップS37,図2のステップS12,S24)。
【0044】
図5は、図2のステップS22で実行される短周期空燃比変動制御のフローチャートである。
ステップS41では図2の処理の前回実行時において特定運転状態フラグFHLが「1」であったか否かを判別し、前回FHL=0であったときは、リーン運転継続時間を計時するダウンカウントタイマtmLEANにリーン時間TLEAN(例えば1秒)をセットしてスタートさせる(ステップS42)とともに、リッチ運転継続時間を計時するダウンカウントタイマtmRICHにリッチ時間TRICH(例えば0.2秒)をセットしてスタートさせる(ステップS43)。次いで、目標空燃比係数KCMDを空燃比22程度に相当するリーン化所定値KCMDLに設定して(ステップS44)、本処理を終了する。
【0045】
次回以降は、ステップS41の答が肯定(YES)となるので、ステップS45に進み、タイマtmLEANの値が「0」か否かを判別する。最初はtmLEAN>0であるので、前記ステップS43に進み、リーン運転を継続する。ステップS45でtmLEAN=0となると、ステップS46でタイマtmRICHの値が「0」であるか否かを判別する。最初はtmRICH>0であるので、目標空燃比係数KCMDを空燃比11程度に相当するリッチ化所定値KCMDR2に設定して(ステップS47)、本処理を終了する。tmRICH=0となるまでは、ステップS41からS45,S46,S47を実行し、リッチ運転が継続される。そしてtmRICH=0となると、ステップS46からステップS42に進む。
図5の処理により、図6に示すように、リーン時間TLEANのリーン運転と、リッチ時間TRICHのリッチ運転とを繰り返す短周期空燃比変動制御が実行される。
【0046】
図7は、図2のステップS24で実行されるSOx除去処理のフローチャートである。
ステップS61では、図2の処理の前回実行時においてSOx除去フラグFHLSOxが「1」であったか否かを判別し、FHLSOx=0であったとき、すなわちFHLSOx=0の状態からFHLSOx=1の状態に移行したときは、SOx除去のためのリッチ運転継続時間を計時するダウンカウントタイマtmRSOxに劣化再生時間TRSOx(例えば8分)を設定して(ステップS62)、ステップS63に進む。次回以降はステップS61から直ちにステップS63に進む。
【0047】
ステップS63では目標空燃比係数KCMDを例えば空燃比11程度に相当するSOx還元リッチ化所定値KCMDR3に設定し、次いでタイマtmRSOxの値が「0」であるか否かを判別する(ステップS64)。tmRSOx>0である間は、直ちに本処理を終了し、tmRSOx=0となると、SOx量カウンタCSOxを「0」にリセットするとともに、劣化フラグFDSOxを「0」に設定して(ステップS65)、本処理を終了する。ステップS65を実行することにより、SOx除去フラグFHLSOxが「0」に戻され(図3,ステップS34,S35,S38)、SOx除去処理が終了する。
【0048】
図8は、時刻t0から空燃比変動制御を開始した場合の、触媒温度TCATの昇温特性の一例を示す図である。同図(a)のラインL6は、短周期空燃比変動制御(リーン時間1秒、リッチ時間0.26秒)を実行した場合に対応し、ラインL7は、長周期空燃比変動制御(リーン時間10秒、リッチ時間2秒)を実行した場合に対応する。この図から明らかなように、短周期空燃比変動制御を実行することに長周期空燃比変動制御に比べてより短時間で触媒温度TCATを上昇させることができるので、NOx吸収剤が硫黄被毒した場合にSOxを除去する際に有効である。すなわち、NOx吸収剤に吸収されたSOxは、NOx吸収剤が高温であるほど放出され易いので、短周期空燃比変動制御を実行することにより、NOx吸収剤に吸収されたSOxの除去を容易に行うことが可能となる。
【0049】
同図(b)は、短周期空燃比変動制御におけるリッチ運転時の空燃比を変化させた場合の昇温特性を示す。ラインL6は、同図(a)のラインL6と同一であって、リッチ空燃比を11とした場合の特性を示し、ラインL8,L9,L10は、それぞれリッチ空燃比を12,13,14.5とした場合の特性を示す。この特性により、リッチ空燃比を小さくするほど(空燃比をリッチ化するほど)、NOx吸収剤が昇温が速まるとともに、定常状態での温度を高くすることができる。リッチ空燃比が13であれば、触媒温度TCATは、SOxが放出される劣化再生温度STCAT2(約600℃)まで達するので、リッチ空燃比は13以下とする必要があり、好ましくは11程度までリッチ化することが望ましい。
【0050】
以上のように本実施形態では、図4の処理によりNOx吸収剤に吸収されたSOx量に対応するSOx量カウンタCSOxの値が許容値CSOxREFを越えたときは、劣化フラグFDSOxが「1」に設定され、図5の短周期空燃比変動制御が実行されてNOx吸収剤の昇温が促進される。そして、前記特定運転状態において触媒温度TCAT、すなわちNOx吸収剤の温度が劣化再生温度STCAT2を越えると、図6のSOx除去処理が実行され、劣化再生時間TRSOxに亘って空燃比が理論空燃比よりリッチ側に維持され(KCMD=KCMDR3)、NOx吸収剤からSOxが除去される。このように本実施形態では短周期空燃比変動制御を導入することにより、NOx吸収剤の温度を早期にSOxを放出可能な温度まで高め、SOxを確実に効率よく除去することができる。その結果良好な排気ガス特性を長期間に亘って維持することができる。
【0051】
次に図9及び10を参照して短周期空燃比変動制御を実行することにより達成されるNOx浄化率について説明する。
図9は、触媒温度TCATが570℃程度の高温でありかつエンジン1の高負荷運転状態、すなわち前記特定運転状態におけるNOx浄化率を示す図であり、横軸はリッチ化所定値KCMDR1またはKCMDR2に対応するリッチ運転中の空燃比AFRである。ラインL1は、短周期空燃比変動制御を実行した場合の特性を示し、ラインL2は、リーン運転時間10秒、リッチ運転時間2秒を繰り返す長周期空燃比変動制御(従来のリーン運転と還元リッチ化の繰り返しに対応する制御)を、NOx吸収剤が硫黄被毒していない状態で実行した場合の特性を示している。この図から明らかなように、前記特定運転状態においては、短周期空燃比変動制御を実行することにより、従来の長周期空燃比変動制御に比べてより高いNOx浄化率を達成することができる。しかも、NOx吸収剤が硫黄被毒した場合には、ラインL2の特性は著しく悪化するのに対し、ラインL1の特性は、NOx吸収剤のNOx吸収放出作用を利用せずに得られるので、NOx吸収剤が硫黄被毒しても全く影響を受けず、高いNOx浄化率を維持することができる。
【0052】
図10は、リーン時間TLEANを1秒に固定し、リッチ時間TRICHを変化させた場合の、NOx浄化率を示している。ここで、ラインL3,L4及びL5は、それぞれ吸気管内絶対圧PBA=660mmHg,460mmHg及び310mmHgに対応している。すなわち、短周期空燃比変動制御を実行した場合のNOx浄化率は、エンジン負荷が増加するほど(排気ガス流量が増加するほど)高くなり、短周期空燃比変動制御が特に高負荷運転状態において有効であることがわかる。
【0053】
したがって、排気ガス流量の多い高負荷運転状態において短周期空燃比変動制御を実行するとともに、排気ガス流量が少ない低負荷運転状態で従来の還元リッチ化、すなわち長周期空燃比変動制御を実行することにより、エンジン運転状態の広い範囲で高いNOx浄化率を達成することができる。さらに、高負荷運転状態では、硫黄被毒の影響を排除することができる。
【0054】
次に、短周期空燃比変動制御を実行する場合の、リーン時間TLEAN及びリッチ時間TRICHの設定範囲について検討する。
【0055】
図11は、リッチ時間TRICHを0.26秒に固定し、リーン時間TLEANを変化させた場合のNOx浄化率を示している。この図から明らかなようにリーン時間TLEANは短いほど高いNOx浄化率が得られる。ここで、NOx浄化率を50%程度以上確保するためには、リーン時間TLEANは2秒以下とする必要がある。
【0056】
リーン時間TLEANの下限値は、図11からは明らかではないが、0.5秒程度とするのが妥当である。リーン時間TLEANを短縮していくと、良好な燃費を実現するためには、リッチ時間TRICHも短縮する必要があるが、リーン時間TLEANが0.5秒より短くなると、リッチ時間TRICHを短縮することが難しくなって良好な燃費を確保できなくなるからである。
したがって、リーン時間TLEANは0.5秒から2秒の範囲に設定することが望ましい。
リッチ時間TRICHは、最大でもリーン時間TLEANの1/2以下とすることが望ましい。リーン時間TLEANの1/2より長くすると、リーン運転することによる燃費の向上が僅かとなり、三元触媒を使用して空燃比を理論空燃比近傍に設定するストイキ運転を行う場合と大差なくなってしまうからである。
【0057】
一方リーン時間TLEANを一定として、リッチ時間TRICHを短縮すると、図10に示したようにNOx浄化率は低下する。この図に示した例では、NOx浄化率50%を確保するためには、PBA=460mmHg(ラインL4)でリッチ時間TRICHを0.15秒(=TLEAN(1秒)/6.7)以上とする必要がある。すなわちリッチ時間TRICHの下限値は、上述した特定運転状態をどの範囲に設定するかという点及びNOx浄化率の目標値によって決まるものであり、一義的に決めることは困難である。
【0058】
例えばNOx浄化率の目標値を40%以上とし、特定運転状態を定義するための所定圧SPBAを460mmHgとすると、リッチ時間TRICHの下限値は、0.1秒、すなわちTLEAN/10となる。
本実施形態は、請求項1に記載した排気ガス浄化装置に対応し、図4の劣化フラグFDSOxの設定を行う処理が劣化検出手段に相当し、図3のステップS34、S36及びS38、図2のステップS13並びに短周期空燃比変動制御を行う図5の処理が空燃比変動手段に相当し、図3のステップS36,S37,図2のステップS12並びに図7のSOx除去処理が劣化再生手段に相当する。
【0059】
(第2の実施形態)
本実施形態は、劣化フラグFDSOxが「1」に設定される前でも、触媒温度TCATが劣化再生温度STCAT2より高くなったときは、NOx浄化装置16の劣化度合、すなわちSOx量カウンタCSOxの値に応じて劣化再生時間TRSOxを設定し、SOxを還元するための空燃比リッチ化を劣化再生時間TRSOxに亘って実行するようにしたものである。
【0060】
本実施形態では、図3の運転状態判別処理に代えて、図12の運転状態判別処理を実行し、図7のSOx除去処理に代えて図13のSOx除去処理がCPU5bで実行される。本実施形態は、図3及び図7の処理に代えて図12及び図13の処理を実行する点以外は、第1の実施形態と同一である。
【0061】
図12の運転状態判別処理は、図3のステップS34を削除して、その位置にステップS36を移動させ、ステップS40をステップS36とS37の間に追加したものである。これ以外は図3の処理と同一である。
ステップS31からS33の答がすべて肯定(YES)であるときは、触媒温度TCATが劣化再生温度STCAT2より高いか否かを判別し(ステップS36)、TCAT>STCAT2であるときは、ステップS40に進み、TCAT≦STCAT2であるときは、ステップS35に進む。
【0062】
ステップS40では、SOx量カウンタCSOxの値が下側閾値CSOxLより大きいか否かを判別し、CSOx≦CSOxLであるときは、ステップS38に進み、SOx除去フラグFHLSOxを「0」に設定して、SOx除去処理を実行しないようにする。一方、CSOx>CSOxLであるときは、ステップS37に進んでSOx除去フラグFHLSOxを「1」に設定し、SOx除去処理を実行する。
【0063】
ステップS40は、SOx除去処理が終了した時点では、触媒温度TCATが劣化再生温度STCAT2より高いので、再度SOx除去処理が開始されることを防止するために設けられており、下側閾値CSOxLは、例えば前記許容値CSOxREFの1/10程度の値に設定される。
【0064】
したがって、図12の処理によれば、通常はステップS31〜S33の答がすべて肯定(YES)でかつ触媒温度TCATが劣化再生温度STCAT2を越えると、劣化フラグFDSOxの値に拘わらずSOx除去フラグFHLSOxが「1」に設定されSOx除去処理が実行されるが、ステップS31からS33及びS36の答がすべて肯定(YES)であっても、SOx量カウンタCSOxの値が下側閾値CSOxL以下である間は、SOx除去処理は実行されない。
【0065】
図13のSOx除去処理は、図7のステップS61とS62の間にステップS66を追加したものであり、これ以外は図7の処理と同一である。
SOx除去フラグFHLSOxが「0」から「1」に移行した直後は、先ずSOx量カウンタCSOxの値に応じて劣化再生時間TRSOxを設定する(ステップS66)。ここで劣化再生時間TRSOxは、SOx量カウンタCSOxの値が大きいほど長く設定される。
続くステップS62では、ステップS66で設定した劣化再生時間TRSOxをダウンカウントタイマtmRSOxに設定してスタートさせる。
【0066】
図13の処理によれば、NOx浄化装置16の劣化度合、具体的にはNOx浄化装置16に吸収されたSOx量に対応するSOx量カウンタCSOxの値に応じた劣化再生時間TRSOxに亘ってリッチ空燃比が維持され、SOx除去が実行される。
【0067】
以上のように本実施形態では、エンジン1の前記特定運転状態においては短周期空燃比変動制御が実行され、NOx吸収剤の昇温が促進される。そして、排気ガス流量が大きく(図12のステップS31〜S33の答が肯定(YES))、かつ触媒温度TCATが劣化再生温度STCAT2より高くなったときは、NOx浄化装置16の劣化度合、すなわちSOx量カウンタCSOxの値に応じて劣化再生時間TRSOxが設定され、SOxを還元するための空燃比リッチ化が劣化再生時間TRSOxに亘って実行される。その結果、NOx吸収剤に吸収されたSOxを効率よく除去することができ、良好な排気ガス特性を長期間に亘って維持することができる。
【0068】
本実施形態は、請求項2に記載の排気ガス浄化装置に相当し、図4のNOx吸収剤に吸収されたSOx量の推定を行う処理が劣化度合検出手段に相当し、図12のステップS31〜S33,S35及びS38、並びに図2のステップS13及び短周期空燃比変動制御を行う図5の処理が、空燃比変動手段に相当し、図12のステップS36,S40及びS37,図2のステップS12並びに図13のSOx除去処理が劣化再生手段に相当する。
【0069】
(第3の実施形態)
本実施形態は、NOx吸収剤の硫黄被毒が進行し、SOx量カウンタCSOxの値が許容値CSOxREFに達したときは、所定昇温時間TSRに亘って短周期空燃比変動制御を実行し、次いでSOx除去処理を実行するようにしたものである。すなわち、本実施形態では、所定昇温時間TSRに亘る短周期空燃比変動制御の実行により触媒温度TCATが劣化再生温度STCAT2に達したと推定して、SOx除去処理を実行する。所定昇温時間TSRは、短周期空燃比変動制御により触媒温度TCATがSOx除去処理が可能な温度まで昇温するのに要する時間を複数の装置について実測し、その実測時間に応じて(例えば平均値+標準偏差×3に)設定される。
【0070】
本実施形態では、図2のKCMD算出処理、図3の運転状態判別処理、図5の短周期空燃比変動処理及び図7のSOx除去処理に代えて、図14のKCMD算出処理、図15の運転状態判別処理、図16の短周期空燃比変動処理及び図17のSOx除去処理が、それぞれCPU5bで実行される。本実施形態は、図2、図3、図5及び図7の処理に代えて図14〜図17の処理を実行する点以外は、第1の実施形態と同一である。
【0071】
図14は、本実施形態におけるKCMD算出処理のフローチャートであり、この図のステップS81,S84〜S92は、図2のステップS11,S14〜S22と同一の処理である。
ステップS71では、図15の処理により設定され、NOx吸収剤の劣化再生モードであることを「1」で示す劣化再生モードフラグFSRCMODEが「1」であるか否かを判別し、FSRCMODE=0であるときは、短周期空燃比変動処理を実行する時間を計測するダウンカウントタイマtmSRに所定昇温時間TSR(例えば60秒)を設定してスタートさせ(ステップS72)、さらにSOx除去処理を実行中であることを「1」で示すSOx除去実行フラグFSCATOKを「0」に設定して(ステップS73)、ステップS81以下の処理を実行する。
【0072】
ステップS71でFSRCMODE=1となると、タイマtmSRの値が「0」か否かを判別する(ステップS74)。tmSR>0である間はステップS75に進んで短周期空燃比変動制御を実行し、tmSR=0となると触媒温度TCATがSOx除去処理が可能な温度まで昇温したと判定して、SOx除去実行フラグFSCATOKを「1」に設定し(ステップS76)、SOx除去処理を実行する(ステップS77)。
【0073】
図15は、図14のステップS71で参照される劣化再生モードフラグFSRCMODEの設定を行うエンジン運転状態判別処理である。この処理は、図3のエンジン運転状態判別処理のステップS35〜S39を削除し、ステップS40及びS41を追加したものである。すなわちこの処理によれば、ステップS31〜S34の答がすべて肯定(YES)であるとき、すなわち排気ガス流量が多くかつ劣化フラグFDSOxが「1」であるときは、劣化再生モードフラグFSRCMODEを「1」に設定され、ステップS31〜S34のいずれかの答が否定(NO)のときは、劣化再生モードフラグFSRCMODEが「0」に設定される。劣化再生モードフラグFSRCMODEが「1」に設定されると、図2の処理のステップS74以下の処理、すなわち短周期空燃比変動処理及びSOx除去処理が実行され、NOx吸収剤に蓄積したSOxの除去が行われる。
【0074】
図16は、図14のステップS75における短周期空燃比変動処理のフローチャートである。この処理は図5のステップS41をステップS48に変更するとともに、ステップS49及びS50を追加したものであり、これ以外の点は、図5の処理と同一である。
【0075】
本実施形態では、短周期空燃比変動制御の実行条件を劣化再生モードフラグFSRCMODE=1であることとしたので、そのために図5のステップS41の特定運転状態フラグFHLがステップS48では劣化再生モードフラグFSRCMODEに置き換えられている。
【0076】
すなわちステップS48では、前回劣化再生モードフラグFSRCMODEが「1」であったか否かを判別し、FSRCMODE=0であったとき、すなわちフラグFSRCMODEが「0」から「1」に変化した直後であるときはステップS42に進み、その後はステップS48からステップS45に進む。
【0077】
またステップS49では、リーン化所定値KCMDLをエンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じて決定し、ステップS44では目標空燃比係数KCMDをステップS49で決定されたリーン化所定値KCMDLに設定する。またステップS50ではリッチ化所定値KCMDR2をエンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じて決定し、ステップS47では目標空燃比係数KCMDをステップS50で決定されたリッチ化所定値KCMDR2に設定する。
【0078】
図16の処理により、図5の処理と同様に短周期空燃比変動制御が実行され、さらに本実施形態では、エンジン運転状態に応じてリーン化所定値KCMDL及びリッチ化所定値KCMDR2を設定され、エンジン運転状態に応じて最適な空燃比設定を行うことができる。
【0079】
図17は、図14のステップS77におけるSOx除去処理のフローチャートである。この処理は図7のステップS61をステップS101に置き換え、ステップS102及びS103を追加したものであり、これ以外の点は図7の処理と同一である。
【0080】
ステップS101では、前回SOx除去実行フラグFSCATOKが「1」であったか否かを判別し、FSCATOK=0であったとき、すなわちSOx除去実行フラグFSCATOKが「0」から「1」に変化した直後であるときは、タイマtmRSOxに劣化再生時間TRSOxを設定してスタートさせ(ステップS62)、以後はステップS101から直ちにステップS102に進む。
【0081】
ステップS102では、エンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じてSOx還元リッチ化所定値KCMDR3を決定する。
次いで目標空燃比係数KCMDをリッチ化所定値KCMDR3に設定し(ステップS63)、タイマtmRSOx>0である間は直ちに終了し、tmRSOx=0となると、カウンタCSOxの値を「0」にリセットし、劣化フラグFDSOxを「0」にリセットする(ステップS65)とともに、SOx除去実行フラグFSCATOKを「0」にリセットして(ステップS103)、本処理を終了する。
【0082】
この処理により、劣化再生時間TRSOxに亘って目標空燃比係数KCMDがSOx還元リッチ化所定値KCMDR3に設定され、NOx吸収剤のSOxが除去される。また、リッチ化所定値KCMDR3は、エンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じて設定されるので、エンジン運転状態に拘わらず劣化再生時間TRSOx内にSOxの除去を完了することが可能となる。
【0083】
本実施形態によれば、SOxの吸収によりNOx吸収剤が劣化したと判定したときは、短周期空燃比変動制御によりNOx吸収剤の温度を早期にSOxを放出可能な劣化再生温度まで高め、SOxを確実に効率よく除去することができる。その結果良好な排気ガス特性を長期間に亘って維持することができる。
【0084】
次に、図18に示すようにエンジン1の直ぐ下流に三元触媒18を配置し、NOx浄化装置16を三元触媒18の下流側であってエンジン1から若干離れた位置、すなわちエンジン1を搭載した車両の車室の床下に配置する構成を採用する場合における短周期空燃比変動制御のリーン時間TLEAN、リッチ時間TRICH、リーン化所定値KCMDLに対応するリーン化空燃比AFL及びリッチ化所定値KCMDR2に対応するリッチ空燃比AFRの設定について検討する。
【0085】
図19(a)は、リーン時間TLEANとリッチ時間TRICHとの組み合わせを変えて実験した結果を説明するための図であり、A〜Dを記入した格子点が各組み合わせに対応する(以下「組み合わせA」、「組み合わせB」などという)。組み合わせC、すなわちリーン時間TEAN及びリッチ時間TRICHをともに0.2秒以下に設定したときは、それぞれの時間が短すぎるため、LAFセンサ14の出力に応じたフィードバック制御が正常に動作しないという問題があり、また組み合わせD、すなわちリーン時間TLEANとリッチ時間TRICHとがアンバランスである場合は、NOx吸収剤の昇温が遅くなる(昇温速度が低下する)傾向が見られた。したがって、組み合わせAあるいはBのように、変動周期が比較的長く、リーン時間TLEANとリッチ時間TRICHとが等しい設定が好ましいが、組み合わせBでは、床下に配置したNOx吸収剤の温度TCATがSOxを除去可能な温度(600℃)まで達しないという問題がある。変動周期(TLEAN+TRICH)を長くするすると昇温が不十分となるのは、リッチ空燃比に設定したとき排出されるHC、CO成分がNOx浄化装置16に達する時点と、リーン空燃比に設定したとき増加する酸素がNOx浄化装置16に達する時点との時間差が大きくなり、NOx浄化装置16近傍で燃焼するHC、COの量が減少するためと推測される。
【0086】
以上の実験結果から、床下に配置したNOx吸収剤の早期昇温を重視するという観点では、リーン時間TLEANとリッチ時間TRICHはともに0.3秒に設定する場合が最も好ましい。なお図19に結果を示す実験におけるエンジン運転状態は、エンジン回転数NEが2000rpmで、吸気管内絶対圧PBAが660mmHgである。
【0087】
図19(b)は、リーン空燃比AFLとリッチ空燃比AFRとの組み合わせを変えて実験した結果を説明するための図であり、E〜Hを記入した格子点が各組み合わせに対応する。なお、空欄は実験を行っていない組み合わせである。
前述したようにリッチ空燃比AFRを小さくする(リッチ化する)ほどNOx吸収剤の昇温が速まり、定常状態での温度を高くすることができるが、組み合わせGのように小さくし過ぎると、上流側の三元触媒18の温度が上がりすぎるという問題が発生する。またリーン空燃比AFLを小さくするほどNOx吸収剤の昇温速度が低下する傾向があるため、組み合わせFやHでは、NOx吸収剤の昇温が遅いという問題がある。また組み合わせHでは、三元触媒18の温度が上がり過ぎるという問題もある。したがって、三元触媒18及びNOx浄化装置16のNOx吸収剤の両者の温度上昇を考慮し、三元触媒18の過度の温度上昇を回避しつつNOx浄化装置16の早期昇温を実現するには、組み合わせE、すなわちリーン空燃比AFL=20、リッチ空燃比AFR=11とする場合が最も好ましい。
【0088】
図20は、上述したエンジン運転状態(NE=2000rpm,PBA=660mmHg)で、リーン時間TLEAN=リッチ時間TRICH=0.3秒、リーン空燃比AFL=20,リッチ空燃比AFR=11とした場合の昇温特性の一例を示すタイムチャートである。同図(a)は、三元触媒18が無い場合に、床下に配置したNOx吸収剤の昇温特性を示し、初期温度が390℃程度であるときは、短周期空燃比変動制御開始から約12秒で600℃に達する。同図のTLBCRSは、リーン運転のクルーズ状態における温度(約430℃)であり、この温度TLBCRSからは約8秒で600℃に達する。
【0089】
同図(b)は、図18の配置を採用した場合の三元触媒18の昇温特性(ラインL11)及びNOx吸収剤の昇温特性(ラインL12)を示す。このように、三元触媒18が存在することにより、NOx吸収剤の昇温速度はかなり低下し、短周期空燃比変動制御の開始から600℃に達するまでに約57秒を要する。
【0090】
本実施形態は、請求項1に記載した排気ガス浄化装置に対応し、図14のステップS71,S72,S74及びステップS75が空燃比変動手段に相当し、ステップS72,S74,S76及びS77が劣化再生手段に相当する。
【0091】
(その他の実施形態)
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、エンジン1の特定運転状態を定義する図3の処理は、少なくともエンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAによって判定するステップS32,S33を備えていればよく、ステップS31やS34の判定はなくてもよい。
また内燃機関は、燃料を吸気管内に噴射するものに限らず、各気筒の燃焼室内に直接噴射するものであってもよい。
【0092】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項1に記載の発明によれば、劣化検出手段により窒素酸化物浄化手段の劣化が検出されたときに、所定時間以下に設定される周期で、機関に供給する混合気の空燃比が理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動制御され、該空燃比変動制御中に窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、劣化再生時間に亘って前記空燃比が理論空燃比よりリッチ側に維持されるので、窒素酸化物浄化手段の温度をSOxの除去が可能な劣化再生温度まで速やかに昇温させ、効率的に窒素酸化物浄化手段に吸収されたSOxを除去することができる。その結果、長期間に亘って良好な排気ガス特性を維持することができる。また空燃比をリッチ側に制御するリッチ時間が、リーン側に制御するリーン時間の1/2以下に設定されるとともに、リーン時間が0.5秒から2秒の範囲に設定されるので、リーン運転することによる燃費の向上と50%程度以上のNOx浄化率が得られる。
【0093】
請求項2に記載の発明によれば、機関の排気ガス流量が大きい特定運転状態において、所定時間以下に設定される周期で、機関に供給する混合気の空燃比が理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動制御され、窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、検出された劣化度合に応じた劣化再生時間に亘って前記空燃比が理論空燃比よりリッチ側に維持されるので、前記特定運転状態において高い窒素酸化物浄化率を達成しつつ、窒素酸化物浄化手段の温度をSOxの除去が可能な劣化再生温度まで速やかに昇温させ、効率的に窒素酸化物浄化手段に吸収されたSOxを除去することができる。その結果、長期間に亘って良好な排気ガス特性を維持することができる。また空燃比をリッチ側に制御するリッチ時間が、リーン側に制御するリーン時間の1/2以下に設定されるとともに、リーン時間が0.5秒から2秒の範囲に設定されるので、リーン運転することによる燃費の向上と50%程度以上のNOx浄化率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図2】目標空燃比係数(KCMD)の設定を行う処理のフローチャートである。
【図3】特定運転状態及びSOx除去可能な運転状態を判別するための処理のフローチャートである。
【図4】NOx吸収剤に吸収されたSOx量を推定する処理のフローチャートである。
【図5】短周期空燃比変動制御を行う処理のフローチャートである。
【図6】図5の処理を説明するためのタイムチャートである。
【図7】NOx吸収剤に吸収されたSOxを除去する処理のフローチャートである。
【図8】NOx浄化装置の温度上昇特性を説明するためのタイムチャートである。
【図9】短周期空燃比変動制御を実行した場合のNOx浄化率を説明するための図である。
【図10】リッチ時間(TRICH)とNOx浄化率との関係を示す図である。
【図11】リーン時間(TLEAN)とNOx浄化率との関係を示す図である。
【図12】特定運転状態及びSOx除去可能な運転状態を判別するための処理(第2の実施形態)のフローチャートである。
【図13】NOx吸収剤に吸収されたSOxを除去する処理(第2の実施形態)のフローチャートである。
【図14】目標空燃比係数(KCMD)の設定を行う処理(第3の実施形態)のフローチャートである。
【図15】NOx吸収剤の劣化再生モードを判定する処理(第3の実施形態)のフローチャートである。
【図16】短周期空燃比変動処理(第3の実施形態)のフローチャートである。
【図17】NOx吸収剤に吸収されたSOxを除去する処理(第3の実施形態)のフローチャートである。
【図18】NOx浄化装置の上流側に三元触媒を配置する構成を示す図である。
【図19】制御パラメータ値を決定するための実験結果を説明するための図である。
【図20】NOx吸収剤及び三元触媒の昇温特性を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
1 内燃機関
5 電子コントロールユニット(劣化検出手段、劣化度合検出手段、空燃比変動手段、劣化再生手段)
6 燃料噴射弁
7 吸気管内絶対圧センサ
10 エンジン回転数センサ
12 排気管
16 NOx浄化装置(窒素酸化物浄化手段)
17 触媒温度センサ(温度検出手段)
Claims (2)
- 内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態のとき排気ガス中の窒素酸化物を吸収する窒素酸化物浄化手段を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、
前記窒素酸化物浄化手段の劣化を検出する劣化検出手段と、
前記劣化検出手段により前記窒素酸化物浄化手段の劣化が検出されたときに、所定時間以下に設定される周期で、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動させる空燃比変動手段と、
該空燃比変動手段の作動により前記窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、劣化再生時間に亘って前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する劣化再生手段とを備え、
前記空燃比変動手段は、前記空燃比を前記リッチ側に制御するリッチ時間を、前記リーン側に制御するリーン時間の1/2以下とするように設定するとともに、前記リーン時間を0.5秒から2秒の範囲に設定することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。 - 内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態のとき排気ガス中の窒素酸化物を吸収する窒素酸化物浄化手段を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、
前記窒素酸化物浄化手段の劣化度合を検出する劣化度合検出手段と、
前記機関の排気ガス流量が大きい特定運転状態において、所定時間以下に設定される周期で、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比を境としてリーン側とリッチ側とに変動させる空燃比変動手段と、
前記窒素酸化物浄化手段の温度が劣化再生温度より高くなったとき、前記検出された劣化度合に応じた劣化再生時間に亘って前記空燃比を理論空燃比よりリッチ側に維持する劣化再生手段とを備え、
前記空燃比変動手段は、前記空燃比を前記リッチ側に制御するリッチ時間を、前記リーン側に制御するリーン時間の1/2以下とするように設定するとともに、前記リーン時間を0.5秒から2秒の範囲に設定することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
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