JP4457442B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、近接触媒と吸蔵型NOx触媒とをそなえた希薄燃焼内燃機関に用いて好適の、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、排ガス中の酸素が過剰になる酸素過剰雰囲気において、NOxを触媒上に吸蔵させることにより排ガス中のNOxを浄化する、吸蔵型のNOx触媒(トラップ型NOx触媒)が開発されている。希薄燃焼内燃機関においては、このNOx触媒を設けることで希薄燃焼時のNOxを浄化するようにしている。
【0003】
吸蔵型のNOx触媒は、酸化雰囲気(酸素濃度過剰雰囲気)では、排ガス中のNOxを酸化させて硝酸塩を生成し、これによりNOxを吸蔵する一方、還元雰囲気(酸素濃度低下雰囲気)では、逆に、吸蔵したNOxを放出する機能を有する。そこで、例えば、特許2600492号公報に開示された技術では、適宜の時間間隔でNOx触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気とすることにより、触媒上に吸蔵したNOxを放出し、これにより、NOx触媒の飽和を防止してNOx吸蔵性能を確保するようにしている。そして、放出したNOxは、NOx触媒が還元機能も有する場合(三元触媒一体型の場合)にはその還元機能により、NOx触媒が還元機能を有しない場合には下流にそなえた三元触媒により、HC,COとともに浄化して、大気中への排出を防止している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のNOx触媒や三元触媒の浄化能力は温度に大きく依存しており、触媒温度が活性温度以下の場合には十分な浄化能力を発揮することができない。このためエンジンの始動時には排気ガスが浄化されないで大気中に放出されてしまうことになる。
【0005】
そこで、NOx触媒や三元触媒の上流側でエンジンの近傍に近接触媒(酸化触媒や三元触媒)を配置し、この近接触媒によりエンジン始動時の排気ガスを浄化することが行なわれている。
ところが、近接触媒として酸化触媒を配置した場合、酸化触媒はHC,COは浄化するもののNOxを浄化する機能は有していないので、NOxは浄化されずにそのまま下流のNOx触媒に流入することになる。NOx触媒は上述のように酸素濃度過剰雰囲気でNOxを吸蔵するとともに、NOx濃度過剰雰囲気でもNOxを吸蔵する性質があるため、流入したNOxはNOx触媒に吸蔵されることになる。
【0006】
このため、エンジンの始動後、エンジンの運転状態がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換わったときには既にNOx触媒は飽和状態に達しており、これ以上NOxを吸蔵できなくなっている虞がある。
また、NOx触媒のNOx吸蔵量をリーン運転状態での運転時間から推定し、推定したNOx吸蔵量が所定値を超えたときにはNOx触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気として吸蔵したNOxを放出させる技術も提案されているが、上記のように酸化触媒を近接触媒として設置した場合には、ストイキオ運転状態でもNOx触媒にNOxが流入して吸蔵されるため、推定した吸蔵量が所定値に達する前に実際の吸蔵量が所定値を超えてしまいNOx触媒が飽和状態になってしまう虞もある。
【0007】
さらに、三元触媒を近接触媒として設置した場合でも、劣化によりNOx浄化効率が低下したときには、ストイキオ運転状態でもNOx濃度が低下せず、NOx触媒にNOxが吸蔵されることになる。したがって、エンジンの運転状態がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換わったときには既にNOx触媒は飽和状態に達しており、これ以上NOxを吸蔵できなくなっている虞がある。
【0008】
また、吸蔵型NOx触媒としては、上述したようなNOxを硝酸塩として吸蔵するタイプのほか、酸化雰囲気ではNOxを触媒に吸着させ、還元雰囲気では吸着されているNOxを触媒上で直接還元するタイプも存在するが、上記の課題はこのようなタイプの吸蔵型NOx触媒にも共通するものである。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、ストイキオ運転状態でのNOx触媒のNOx吸蔵作用を考慮することにより、常に確実にNOxの排出量を低減できるようにした、内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置では、少なくともストイキオ運転状態とリーン運転状態とに切り換え可能な内燃機関の排気通路の上流側に酸化触媒を設置し、その下流側に排気ガス中の酸素濃度が過剰なときに排気ガス中のNOxを吸蔵する吸蔵能力と、排気ガス中の酸度濃度が低下したときに吸蔵されたNOxを還元する還元能力とを有するNOx浄化手段を設置した構成において、内燃機関がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられるときに、制御手段によりNOx浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させるようにする。
【0011】
また、請求項2記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置では、少なくともストイキオ運転状態とリーン運転状態とに切り換え可能な内燃機関の排気通路の上流側に三元触媒を設置し、その下流側に排気ガス中の酸素濃度が過剰なときに排気ガス中のNOxを吸蔵する吸蔵能力と、排気ガス中の酸度濃度が低下したときに吸蔵されたNOxを還元する還元能力とを有するNOx浄化手段を設置した構成において、浄化能力低下検出手段により三元触媒のNOx浄化能力の低下が検出され、内燃機関がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられるときに、制御手段によりNOx浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させるようにする。
【0013】
【発明の実施形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図1〜図4は本発明の第1実施形態としての内燃機関の排気浄化装置について示すものであり、図1には本内燃機関の排気浄化装置を適用した希薄燃焼内燃機関の構成について示している。
【0014】
本触媒劣化検出装置が適用される希薄燃焼内燃機関は、燃焼室内に燃料を直接噴射可能なガソリン筒内噴射式内燃機関であり、燃料噴射の態様として、吸気行程中に燃料噴射を行ない予混合燃焼によるストイキオ運転を実現するストイキオフィードバックモード(S−F/Bモード)と、理論空燃比よりも過濃な空燃比で運転を行なうエンリッチモードと、吸気行程中(特に吸気行程前半)に燃料噴射を行ない予混合燃焼によるリーン運転を実現する前期リーン噴射モードと、圧縮行程中で燃料噴射を行ない層状燃焼によるリーン運転を実現する後期リーン噴射モードとが設けられている。
【0015】
図1に示すように、エンジン(希薄燃焼内燃機関)1は、燃焼室2の上部側縁に高圧噴射弁(インジェクタ)7をそなえ、燃焼室2内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関(筒内噴射エンジン)として構成されている。燃焼室2の上部には中央に点火プラグ5が設けられるとともに、吸気通路3および排気通路4が連通している。吸気通路3には、上流側から順に図示しないエアクリーナ,電子制御式スロットル弁(ETV)6が設けられており、排気通路4には、その上流側から順に排ガス浄化用の排気浄化装置8および図示しないマフラが設けられている。また、排気通路4と吸気通路3との間には、排気ガスを還流するEGR装置9がそなえられている。
【0016】
排気浄化装置8は、吸蔵型NOx触媒(以下、単にNOx触媒という)8A,三元触媒8B及び近接触媒としての酸化触媒8Cを組み合わせたものになっており、エキゾーストマニホールドの近傍(或いはエキゾーストマニホールドと一体)に近接触媒8Cを配置し、その下流にNOx触媒8Aと三元触媒8Bとを配置している。このような配置構成により、始動直後のようにNOx触媒8A,三元触媒8Bが十分に機能するまで暖まっていない間は、エンジン1に近く暖まりやすい酸化触媒8Cにより排気ガスの浄化を行ない、暖機後の理論空燃比下では三元触媒8Bにより排出ガス中のCO,HC,NOxを浄化するようになっている。また、リーン運転時に発生するNOxは、酸化雰囲気(即ち、酸素過剰雰囲気)で機能するNOx触媒8Aにより吸蔵し、吸蔵したNOxは還元雰囲気でNOx触媒8Aから放出して三元触媒8Bにより還元するようになっている。すなわち、ここでは、NOx触媒8Aと三元触媒8BとによりNOx浄化手段を構成している。
【0017】
さらに、このエンジン1を制御するために、制御装置20と、種々のセンサ類とが設けられている。本エンジン1に設けられるセンサ類として、まず吸気通路3側には、そのエアクリーナ配設部分に、吸入空気量を検出するエアフローセンサ10が設けられており、そのETV6の配設部分には、ETV6の開度を検出するスロットルセンサ11が設けられている。また、排気通路4側には、NOx触媒8の上流側部分に、排ガス中の酸素濃度を検出するO2センサ13と、排気温度を検出する高温センサ14とが設けられている。さらに、その他のセンサとして、図示しないクランクシャフトの回転に同期して信号を出力するクランク角センサ15等が設けられている。
【0018】
次に、制御装置20の機能について説明すると、制御装置20はCPU,RAM,ROM,I/O等の要素からなる電子制御ユニット(ECU)として構成されており、図2の機能ブロック図に示すように、その機能要素として噴射制御手段21,ETV開度制御手段22,点火時期制御手段23,EGR開度制御手段24及び運転モード選択手段25をそなえている。
【0019】
運転モード選択手段25は、エンジン回転速度Neやエンジン負荷(平均有効圧力)Peからエンジン1の運転状態を把握し、エンジン1の運転状態に応じて上述した各運転モードの中から適宜のモードを選択する手段である。そして、噴射制御手段21,ETV開度制御手段22,点火時期制御手段23,EGR開度制御手段24では、選択された運転モードに応じて空燃比,点火時期,EGR開度を制御するようになっている。
【0020】
ところで、NOx触媒8Aは、リーン運転状態においてNOxを吸蔵し続けているとやがて飽和状態に達し、吸蔵しきれなくなったNOxは大気中に放出されてしまうことになる。そこで、ECU20では、その機能要素である開始判定手段26と制御手段としてのNOx放出制御手段27とにより、NOx触媒8Aが飽和状態に達する前に、NOx触媒8Aに吸蔵されたNOxの放出,還元を行なうようになっている。以下、開始判定手段26によるNOx放出の開始/解除判定、及びNOx放出制御手段27によるNOx放出制御について説明する。
【0021】
開始判定手段26では、下記の第1条件と第2条件とが共に成立した時、NOx放出を開始すると判定するようになっている。まず、第一条件は、触媒温度推定手段28により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが、所定の基準温度〔活性温度(例えば浄化効率が50%に達する温度),例えば約250〜300℃〕Th0以上になることである。これは、三元触媒8Bの還元機能が十分に発揮されていない状態でのNOx放出を禁止するための条件である。なお、触媒温度推定手段28では、高温センサ14で検出される排ガス温度と三元触媒8Bの触媒温度との関係を予め実験で求めてマップに記憶しておき、検出した排ガス温度をマップにより補正することで三元触媒8Bの触媒温度Thを推定するようになっている。
【0022】
第2条件は、次の3つのいずれかの条件が成立することである。まず、一つ目の条件は、リーン運転の継続時間TLが所定時間TL0に達することである。この所定時間TL0の設定は、長すぎるとNOx触媒8Aが飽和に達して浄化効率の低下を招き、短すぎると燃費が悪化することになるので、両者の要求を共に満たす適当な値(例えば30秒)に設定する。二つ目の条件は、リーン運転の継続時間TLが所定時間TL1に達した後に、運転モードがリーンモードからS−F/Bモードに切り換わることである。これは、運転モードの切り換わりを利用してNOxパージを行なうことにより燃費の悪化やトルク変動を低減しようとしたものであり、所定時間TL1は前記の所定時間TL0よりも短い時間(例えば5秒)に設定する。
【0023】
三つ目の条件は、ストイキオ運転の継続時間TFが所定時間TF0に達した後に、運転モードがS−F/Bモードからリーンモードに切り換わることである。近接触媒として酸化触媒8Cをそなえた場合、酸化触媒8CはNOx浄化機能を有していないため、ストイキオ運転では排気ガス中のNOx濃度が高くNOx触媒8Aの周囲雰囲気はNOx濃度過剰雰囲気になるので、ストイキオ運転中でもNOx触媒8AにNOxが吸蔵されることになる。そこで、ストイキオ運転中においてNOx触媒8Aに吸蔵されたNOxを放出させるべく、リーンモードに切り換わる際にNOxパージを実行するようにしたのである。なお、上記の所定時間TF0は例えば5秒程度に設定する。
【0024】
そして、開始判定手段26により開始判定が行なわれると、NOx放出制御手段27では、NOxの放出を開始するようになっている。以下、NOx放出制御について具体的に説明する。NOx放出制御は、図3に示すようにリッチパージ制御モードとS−F/Bパージ制御モードとの2つの制御モードから構成されており、NOx放出制御手段27では、NOx放出制御の開始判定とともに、まず、リッチパージ制御モードでのNOx放出制御を開始するようになっている。
【0025】
リッチパージ制御モードは、空燃比を理論空燃比(ストイキオ)よりもリッチ側にすることにより、NOx触媒8Aの周囲雰囲気を還元雰囲気(即ち、酸素不足状態)としてCO過剰雰囲気とし、NOx触媒8Aに吸蔵されたNOxを放出させるとともに、還元剤としてのHC,COを多量に生成して、三元触媒8BにおけるNOxの還元を促進させる制御モードである。このため、NOx放出制御手段27では、目標空燃比をリッチ側に設定するとともに、設定した目標空燃比に応じたスロットル開度,点火時期,燃料噴射時期になるように、ETV開度制御手段22,点火時期制御手段23,噴射制御手段21を介して、ETV6,点火プラグ5,インジェクタ7を適宜制御するようになっている。
【0026】
ただし、リーン(或いはストイキオ)からリッチへ空燃比が急激に切換わるとトルク変動が発生するため、目標空燃比をNOx放出制御の開始判定とともにリッチに設定するのではなく、テーリング処理により徐々にリッチ側に設定していくようになっている。そして、目標空燃比が所定の空燃比までリッチ化されたとき、通常のリッチ放出制御による燃料噴射に加えて、極短時間(例えば、0.1〜1秒程であり走行距離が長くなるほど短く設定する)の間、膨張行程噴射を行なうようになっている。
【0027】
NOx触媒8AのNOxの放出特性は、空燃比がストイキオに達し周囲雰囲気が還元雰囲気となった当初が最も放出量が多く、次第に減少していくような特性になっているため、NOxを還元するための還元剤は、NOx放出の開始当初に最も必要となる。そこで、燃料が燃焼に寄与しない膨張行程以降(好ましくは膨張行程後期〜排気行程)において燃料噴射を行なうことにより、未燃ガスを大量に発生させて、還元剤を主に三元触媒8Bに供給してNOxを還元するのである。この膨張行程噴射では、設定した目標空燃比に応じた燃料噴射時間を設定するとともに、燃料噴射時期を膨張行程以降の所定時期に設定するようになっている。
【0028】
膨張行程噴射の終了後は通常のリッチパージ制御モードに戻り、リッチパージ制御モードでのNOx放出制御開始から所定時間(例えば、約1〜5秒であり走行距離が長くなるほど短く設定する)TR経過後、S−F/Bパージ制御モードでのNOx放出制御に移行するようになっている。上述のように、NOx触媒8AからのNOx放出量はNOx放出開始後次第に低下していくので、NOxの放出量の低下に応じて還元剤の生成量も減らして燃費の悪化を防止すべく、空燃比をストイキオ若しくは僅かにリッチにした状態でNOx放出を行なうのである。なお、リッチパージ制御モードからS−F/Bパージ制御モードへの移行時に突然空燃比を変化させると、トルク変動が発生するので、所定時間TR経過前から徐々にストイキオ側に切り換えていくようになっている。
【0029】
S−F/Bパージ制御モードにおいては、NOx放出制御手段27は、フィードバック積分ゲインを空燃比がストイキオよりもややリッチになる方向に設定し空燃比をスライトリッチにするとともに、リッチモード時とのトルク段差が発生しないように点火時期,スロットル開度を設定し、点火時期,スロットル開度に応じて燃料噴射時期を設定するようになっている。
【0030】
S−F/Bパージ制御モードでのNOx放出制御は、開始から所定時間TSが経過するまで行なわれるようになっている。この所定時間TSの設定は、リーン運転継続時間TL時間が長い程、また、吸入空気量が多い程、また、走行距離が長い程、長時間に設定するようになっている。そして、所定時間TS経過後は、再びリーン運転へ移行するが、ここでも空燃比の急激な変化に伴うトルク変動を防止するため、所定時間TS経過前から徐々にリーン側に切り換えていくようになっている。
【0031】
また、NOx放出制御手段27は、所定の場合には制御の途中でもNOx放出制御を解除するようになっている。NOx放出制御の解除条件は下記の3つであり、何れか1つでも成立した時には解除されるようになっている。まず、第1条件は、触媒温度推定手段28により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが、基準温度Th0未満になることであり、NOx触媒8Aから放出されたNOxが、三元触媒8Bの還元機能が不活性であることにより大気中へそのまま放出されるのを防止するための条件である。第2条件は、減速時において燃料がカットされる場合であり、この場合には、燃料が供給されないため必然的にNOx放出を行なうことはできなくなる。第3条件は、例えばドライバがアクセルを踏み込んだ場合のように、エンジンがリッチ運転状態になった場合である。この場合には、NOx放出制御を行なうまでもなく自然にNOx放出が行なわれるからである。
【0032】
本発明の第1実施形態としての内燃機関の排気浄化装置は、上述のように構成されているので、例えば図4のフローチャートに示すようにしてNOx触媒8AからのNOx放出制御が行なわれる。
まず、ステップS100において、フラグFSが1か否かを判定する。フラグFSが1の場合には、ステップS200に進んでS−F/Bパージ制御モードでのNOx放出制御を開始し、フラグFSが0の場合には、ステップS110に進んで開始判定手段26によるNOx放出の開始判定を行なう。即ち、触媒温度推定手段28により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが所定の基準温度(活性温度)Th0以上か否かを判定し(ステップS110)、ステップS110の条件が成立した場合には、リーン運転継続時間TLが所定時間TL0経過したか否か(ステップS120)、リーン運転継続時間TLが所定時間TL1に達した後に運転モードがリーンモードからS−F/Bモードに切り換わったか否か(ステップS130)、ストイキオ運転継続時間TFが所定時間TF0に達した以降に運転モードがS−F/Bモードからリーンモードに切り換わったか否か(ステップS140)をそれぞれ判定し、ステップS120,S130,S140の各条件のうちいずれかが成立した場合には、NOx触媒8Aに吸蔵されたNOxを脱離して後段の三元触媒8Bで浄化すべく、NOx放出制御手段27は、NOx放出制御(リッチパージ制御モード)を開始する(ステップS150)。
【0033】
また、NOx放出制御とともに、ステップS160では触媒温度推定手段28により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが所定の基準温度Th0未満か否かを、ステップS170では燃料がカットされる減速時か否かを、ステップS180ではエンリッチ運転に突入したか否かを、ステップS190ではリッチパージ制御モードでの制御開始から所定時間TRが経過したか否かをそれぞれ判定する。そして、ステップS160〜S180の何れかの条件が成立した場合には、NOx放出制御を解除し(ステップS210)、ステップS160〜S180の何れの条件も成立せず且つステップS190の条件が成立した場合には、S−F/Bパージ制御モードに移行すべくフラグFSを立てる(ステップS200)。
【0034】
フラグFSが立つ(FS=1)ことにより、NOx放出制御手段27は、S−F/Bパージ制御モードでのNOx放出制御を開始する(ステップS220)。また、NOx放出制御とともに、ステップS230では触媒温度推定手段28により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが所定の基準温度Th0未満か否かを、ステップS240では燃料がカットされる減速時か否かを、ステップS250ではエンリッチ運転に突入したか否かを、ステップS260では制御開始から所定時間TSが経過したか否かをそれぞれ判定する。そして、ステップS230〜S250の何れかの条件が成立した場合には、NOx放出制御を解除し(ステップS270)、ステップS230〜S250の何れの条件も成立せず且つステップS260の条件が成立した場合には、NOx放出が完了したものとしてS−F/Bパージ制御モードでのNOx放出制御を終了し、フラグFSをリセットする(ステップS280)。
【0035】
以上詳述したように、近接触媒として酸化触媒8Cを設置している場合は、ストイキオ運転状態において酸化触媒8Cで浄化されないNOxがNOx触媒8Aに吸蔵されてしまうが、本内燃機関の排気浄化装置によれば、運転モードをストイキオモードからリーンモードへ切り換える際にNOx放出制御を実行してからリーンモードへ切り換えるので、リーン運転状態においてNOx触媒8Aを効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのNOx排出量を低減できるという利点がある。
【0036】
次に、本発明の第2実施形態としての内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、第1実施形態とはNOx放出制御の開始判定条件に相違があり、以下、この相違点について重点的に説明する。なお、上述した第1実施形態と同一の部位については同一の符号を用い、説明は省略するものとする。
【0037】
本実施形態にかかる制御装置(ECU)30は、図5に示すように、その機能要素として噴射制御手段31,ETV開度制御手段32,点火時期制御手段33,EGR開度制御手段34,運転モード選択手段35,開始判定手段36,NOx放出制御手段37,触媒温度推定手段38及びNOx吸蔵量推定手段39をそなえている。このうち、符号31〜35,37,38で示す機能要素については、第1実施形態と同一機能であるので説明を省略し、第1実施形態とは機能の異なる開始判定手段36と新たな機能であるNOx吸蔵量推定手段39について説明する。
【0038】
本実施形態にかかる開始判定手段36は、下記の第1条件と第2条件とが共に成立した時、NOx放出を開始すると判定するようになっている。まず、第一条件は第1の実施形態と同様であり、触媒温度推定手段38により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが、所定の基準温度Th0以上になることである。
第2条件は第1実施形態とは異なり、NOx触媒8AのNOx吸蔵量Qが所定値Q0以上になることを条件としている。つまり、本実施形態では、リーン運転継続時間やストイキオ運転継続時間からNOx触媒8Aの飽和を推定するのではなく、NOx吸蔵量Q自体を用いて正確にNOx触媒8Aの飽和を判断するようにしているのである。
【0039】
そして、このNOx吸蔵量Qを推定する手段がNOx吸蔵量推定手段39であり、NOx吸蔵量推定手段39では次式で示すように単位時間当たりの流入NOx量qnoxを積算することによりNOx吸蔵量を推定している。
Q(n)=Q(n-1)+qnox
単位時間当たりの流入NOx量qnoxは、エンジン回転速度Neとエンジン負荷Peとをパラメータとするマップに記憶されており、リーンモードとストイキオモードとで別々のマップが用意されている。つまり、NOx吸蔵量推定手段39では、リーン運転状態でNOx触媒8Aに吸蔵されるNOxのみならず、ストイキオ運転状態で酸化触媒8Cにより浄化されずにNOx触媒8Aに吸蔵されるNOxをも考慮してNOx吸蔵量Qを推定するようになっているのである。なお、流入NOx量qnoxのマップは実験やシュミレーション等の結果を用いて作成する。
【0040】
本発明の第2実施形態の排気浄化装置は、上述のように構成されるので、近接触媒として酸化触媒8Cを設置している場合は、ストイキオ運転状態において酸化触媒8Cで浄化されないNOxがNOx触媒8Aに吸蔵されてしまうが、本内燃機関の排気浄化装置によれば、リーン運転状態下のみならずストイキオ運転状態下で吸蔵されるNOxをも考慮してNOx吸蔵量Qを推定してNOx放出制御の開始判定を行なっているので、NOx触媒8Aをさらに効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのNOx排出量を低減できるという利点がある。
【0041】
次に、本発明の第3実施形態としての内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、上述の第1実施形態とは近接触媒に相違があり、ここでは三元触媒を近接触媒として設置している。図6は本実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の排気系の構成を示す図であるが、図6に示すように、エキゾーストマニホールドの近傍(或いはエキゾーストマニホールドと一体)に三元触媒(近接触媒)8Dを配置し、その下流にNOx触媒8Aと三元触媒8Bとを配置している。また、本実施形態では、三元触媒8Dの下流側にNOxセンサ19を設置している。なお、上述した第1実施形態と同一の部位については同一の符号を用い、説明は省略するものとする。
【0042】
本実施形態にかかる制御装置(ECU)40は、図7に示すように、その機能要素として噴射制御手段41,ETV開度制御手段42,点火時期制御手段43,EGR開度制御手段44,運転モード選択手段45,開始判定手段46,NOx放出制御手段47,触媒温度推定手段48及び浄化能力低下検出手段49をそなえている。このうち、符号41〜45,47,48で示す機能要素については、第1実施形態と同一機能であるので説明を省略し、第1実施形態とは機能の異なる開始判定手段46と新たな機能である浄化能力低下検出手段49について説明する。
【0043】
本実施形態にかかる開始判定手段46は、下記の第1条件と第2条件とが共に成立した時、NOx放出を開始すると判定するようになっている。まず、第一条件は第1の実施形態と同様であり、触媒温度推定手段48により推定される三元触媒8Bの触媒温度Thが、所定の基準温度Th0以上になることである。
第2条件は第1実施形態と一部相違しており、次の3つの条件のいずれかが成立することである。まず、一つ目の条件と二つ目の条件とは第1実施形態と同様であり、一つ目の条件はリーン運転の継続時間TLが所定時間TL0に達することであり、二つ目の条件はリーン運転の継続時間TLが所定時間TL1に達した後に運転モードがリーンモードからS−F/Bモードに切り換わることである。
【0044】
そして、三つ目の条件は、浄化能力低下検出手段49により三元触媒8Dの浄化能力の低下が検出され、ストイキオ運転の継続時間TFが所定時間TF1(例えば、5秒程度)に達した後に、運転モードがS−F/Bモードからリーンモードに切り換わることである。
近接触媒として三元触媒8Dをそなえた場合、三元触媒8Dの浄化能力が十分機能しているならば、ストイキオ運転状態で生じるNOxはHC,COとともに三元触媒8Dによりある程度浄化されるため、NOx触媒8Aの周囲雰囲気がNOx濃度過剰雰囲気になることはなく、NOx触媒8AにNOxが吸蔵されることはない。ところが、劣化により三元触媒8DのNOx浄化効率が低下したときには、ストイキオ運転状態でもNOx濃度が低下せず、NOx触媒8AにNOxが吸蔵されることになる。そこで、浄化能力低下検出手段49により三元触媒8Dの浄化能力の低下が検出されたときには、ストイキオ運転継続時間TFが所定時間TF1に達したら、ストイキオ運転中においてNOx触媒8Aに吸蔵されたNOxを放出させるべく、リーンモードに切り換わる際にNOxパージを行なうようにしたのである。
【0045】
浄化能力低下検出手段49では、ストイキオ運転状態におけるNOxセンサ19の出力に基づき三元触媒8Dの浄化能力を判断するようになっている。つまり、三元触媒8Dが十分に機能している場合には、ストイキオ運転状態での三元触媒8Dの下流側でのNOx濃度は微少であるが、劣化するにつれNOx濃度は増加しNOxセンサ19の出力も大きくなっていく。そこで、浄化能力低下検出手段49では、NOxセンサ19の出力が所定値以上になったときには三元触媒8Dの浄化能力の低下したものと判定するようになっている。
【0046】
本発明の第3実施形態としての排気浄化装置は、上述のように構成されるので、近接触媒として三元触媒8Dを設置している場合でも、三元触媒8Dの浄化能力が低下したときには、ストイキオ運転状態において三元触媒8Dで浄化されないNOxがNOx触媒8Aに吸蔵されてしまうが、本内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒8DのNOx浄化能力の低下を検出したときには、運転モードをストイキオモードからリーンモードへ切り換える際にNOx放出制御を実行してからリーンモードへ切り換えるので、リーン運転状態においてNOx触媒8Aを効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのNOx排出量を低減できるという利点がある。
【0047】
また、上記第3実施形態の変形例として、図7中に2点鎖線で示すように上記第2実施形態で用いたNOx吸蔵量推定手段39を組み合わせた形態も考えられる。この場合、三元触媒8Dの浄化能力の低下が検出される状況化では、NOx吸蔵量推定手段39によりストイキオモード及びリーンモードでのNOx触媒8AのNOx吸蔵量を推定する。そして、推定されるNOx吸蔵量からNOx触媒8Aの飽和が判断されたときにNOx放出制御の開始を判定することになる。これにより、三元触媒8Dの能力が低下したときでもNOx触媒8Aを効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのNOx排出量を低減できるという利点がある。
【0048】
以上、本発明の内燃機関の排気浄化装置について3つの実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。例えば、上述の各実施形態では、NOx触媒8Aと三元触媒8BとによりNOx浄化手段を構成しているが、三元触媒一体型のNOx触媒を設置してNOx浄化手段としてもよい。
【0049】
また、上述の各実施形態では、酸化触媒8C又は三元触媒8Dを近接触媒としてNOx浄化手段(NOx触媒8A及び三元触媒8B)から上流側に離れた位置に設置した場合について説明したが、図8に示すように、NOx浄化手段(NOx触媒8A及び三元触媒8B)からの直近に酸化触媒8C又は三元触媒8Dを設置してもよい。この場合でも上述した効果を得ることができる。
【0050】
また、第3実施形態において、下流側に設置したNOxセンサ19のストイキオ運転時の出力に基づき三元触媒8Dの浄化能力の低下を検出しているが、リーン運転時の出力に基づいて浄化能力の低下を検出してもよいし、三元触媒8Dの上流及び下流にそれぞれリニアO2センサ又はO2センサを設置して、ストイキオ運転状態下での両者の出力差を用いて三元触媒8Dの浄化能力の低下を検出してもよい。
【0051】
なお、上記各実施形態では、酸化雰囲気でNOxを吸蔵し還元雰囲気でNOxを放出還元するタイプのNOx触媒8Aを使用した例について示したが、このようなNOx触媒8Aにかえて、酸化雰囲気ではNOxを吸着させることで吸蔵し、還元雰囲気では吸着されたNOxを直接還元するタイプのNOx触媒を使用してもよい。
【0052】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項1記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ストイキオ運転状態において酸化触媒で浄化されないNOxがNOx浄化手段に吸蔵されてしまう場合でも、ストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられるときにNOx浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させ、吸蔵されたNOxを還元させるので、リーン運転状態においてNOx浄化手段を効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのNOx排出量を低減できるという利点がある。
【0053】
請求項2記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ストイキオ運転状態において酸化触媒で浄化されないNOxがNOx浄化手段に吸蔵されてしまう場合でも、NOx吸蔵量が所定値以上になったときにはNOx浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させ、吸蔵されたNOxを還元させるので、リーン運転状態においてNOx浄化手段を効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのNOx排出量を低減できるという利点がある。
【0054】
請求項3記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒の浄化能力の低下によりストイキオ運転状態において三元触媒で浄化されないNOxがNOx浄化手段に吸蔵されてしまう場合でも、ストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられるときにNOx浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させ、吸蔵されたNOxを還元させるので、リーン運転状態においてNOx浄化手段を効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのNOx排出量を低減できるという利点がある。
【0055】
請求項4記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒の浄化能力の低下によりストイキオ運転状態において三元触媒で浄化されないNOxがNOx浄化手段に吸蔵されてしまう場合でも、NOx吸蔵量が所定値以上になったときにはNOx浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させ、吸蔵されたNOxを還元させるので、リーン運転状態においてNOx浄化手段を効率よく機能させることができ、常に確実に大気中へのNOx排出量を低減できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる希薄燃焼内燃機関の全体構成図である。
【図2】 本発明の第1実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる機能ブロック図である。
【図3】 本発明の第1実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかるNOx放出制御のタイムチャートである。
【図4】 本発明の第1実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかるNOx放出制御のフローチャートである。
【図5】 本発明の第2実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる機能ブロック図である。
【図6】 本発明の第3実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる希薄燃焼内燃機関の排気系の構成図である。
【図7】 本発明の第3実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる機能ブロック図である。
【図8】 触媒の他の配置例を示す図である。
【符号の説明】
1 エンジン(内燃機関)
4 排気通路
8A NOx浄化手段を構成する吸蔵型NOx触媒
8B NOx浄化手段を構成する三元触媒
8C 酸化触媒(近接触媒)
8D 三元触媒(近接触媒)
19 NOxセンサ
26,36,46 NOx放出制御手段
39 NOx吸蔵量推定手段
49 浄化能力低下検出手段
Claims (2)
- 少なくともストイキオ運転状態とリーン運転状態とに切り換え可能な内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が過剰なときに排気ガス中のNOxを吸蔵する吸蔵能力と、排気ガス中の酸度濃度が低下したときに吸蔵されたNOxを還元する還元能力とを有するNOx浄化手段と、
該排気通路の該NOx浄化手段の上流に設けられた酸化触媒と、
該内燃機関がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられるときに該NOx浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させる制御手段とをそなえた
ことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。 - 少なくともストイキオ運転状態とリーン運転状態とに切り換え可能な内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が過剰なときに排気ガス中のNOxを吸蔵する吸蔵能力と、排気ガス中の酸度濃度が低下したときに吸蔵されたNOxを還元する還元能力とを有するNOx浄化手段と、
該排気通路の該NOx浄化手段の上流に設けられた三元触媒と、
該三元触媒のNOx浄化能力の低下を検出する浄化能力低下検出手段と、
該浄化能力低下検出手段により該三元触媒のNOx浄化能力の低下が検出されたとき、該内燃機関がストイキオ運転状態からリーン運転状態に切り換えられると、該NOx浄化手段に流入する排気ガス中の酸素濃度を強制的に低下させる制御手段とをそなえた
ことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
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