JP6197994B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に微粒子状物質捕集用フィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine equipped with a particulate matter collecting filter.
従来より、理論空燃比付近で運転するガソリンエンジンでは、理論空燃比付近でのエンジン運転領域にて、排気中の炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び窒素酸化物(NOx)等を浄化することのできる三元触媒が備えられている。
一方で、ガソリンエンジンには、燃費向上を目的して空燃比をリーン空燃比としたガソリンリーンバーンエンジンが開発されている。
Conventionally, in gasoline engines that operate near the stoichiometric air-fuel ratio, hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx), etc. in the exhaust are exhausted in the engine operating region near the stoichiometric air-fuel ratio. A three-way catalyst that can be purified is provided.
On the other hand, a gasoline lean burn engine in which the air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio has been developed as a gasoline engine for the purpose of improving fuel efficiency.
そして、このような主な運転領域がリーン空燃比で制御されるガソリンリーンバーンエンジンでは、三元触媒で排気中のNOxを十分に浄化することが困難である。これは、リーン空燃比によって、三元触媒のNOx浄化能力が乏しいためである。
そこで、特許文献1では、上流側三元触媒と下流側三元触媒とを設け、更に上流側三元触媒と下流側三元触媒との間に、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)等の貴金属とゼオライトとを含む下層とアルカリ金属又はアルカリ土類金属と貴金属とを含む上層とからなる排気浄化用触媒を備え、ガソリンリーンバーンエンジンのリーン空燃比でのエンジン運転において排出されるHC、CO及びNOxを浄化している。
In such a gasoline lean burn engine in which the main operating region is controlled at a lean air-fuel ratio, it is difficult to sufficiently purify NOx in the exhaust gas with a three-way catalyst. This is because the NOx purification capacity of the three-way catalyst is poor due to the lean air-fuel ratio.
Therefore, in
このように、上記特許文献1の排気浄化用触媒では、HC及びNOxをトラップするための排気浄化用触媒を上流側三元触媒と下流側三元触媒との間に設けることで、各触媒温度が低温であるときの排気を浄化している。
一方、ガソリンリーンバーンエンジンでは、更なる燃費向上のためにリーン空燃比化をすることにより発生する排気中の微粒子状物質(PM)を捕集し、燃焼除去するガソリンパティキュレートフィルタを備えるものがある。
As described above, in the exhaust purification catalyst disclosed in
On the other hand, some gasoline lean burn engines are equipped with a gasoline particulate filter that collects particulate matter (PM) in the exhaust gas generated by changing the lean air-fuel ratio to further improve fuel efficiency, and burns and removes it. is there.
しかしながら、このようなガソリンパティキュレートフィルタを備えるガソリンリーンバーンエンジンに、HC、CO及びNOxの浄化を目的として特許文献1の技術を適用することは、排気通路上に複数の触媒やフィルタが配設されることにより、排気圧力が上昇してエンジン性能の低下を招く虞や、触媒の増加によるコスト増加を招く虞があり好ましいことではない。
However, applying the technology of
本発明は、主に理論空燃比付近で運転するガソリンエンジンにおいて、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡易な構造で触媒の温度が低温であっても確実に排気を浄化することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve such problems mainly in gasoline engines that are operated near the stoichiometric air-fuel ratio. The object of the present invention is to provide a simple structure with a low catalyst temperature. Another object of the present invention is to provide an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that can reliably purify exhaust gas.
上記の目的を達成するために、請求項1の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に配設され、触媒層の温度が第1所定温度未満のときにHCを吸着し、前記第1所定温度以上のときにHCを脱離する第1触媒層と、触媒層の温度が前記第1所定温度より高い第2所定温度未満のときにNOxを吸着し、前記第2所定温度以上のときにNOxを脱離する第2触媒層とを有し、前記第1触媒層と前記第2触媒層との排気流れ方向の下流側に、触媒層の温度が前記第2所定温度未満ではHC浄化をし前記第2所定温度以上で活性状態となる三元触媒機能を含む第3触媒層を有するパティキュレートフィルタと、前記第1又は第2触媒層の温度に応じて前記内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to
また、請求項2の内燃機関の排気浄化装置では、請求項1において、前記第3触媒層は、前記第1触媒層、及び前記第2触媒層より排気との接触面積が大きくなるように形成されることを特徴とする。
また、請求項3の内燃機関の排気浄化装置では、請求項1或いは2において、前記空燃比制御手段は、前記第1触媒層の温度が前記第2所定温度未満であるときには、前記空燃比を理論空燃比よりもリーンとすることを特徴する。
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to
According to a third aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the first or second aspect, wherein the air-fuel ratio control means sets the air-fuel ratio when the temperature of the first catalyst layer is lower than the second predetermined temperature. It is characterized by leaner than the stoichiometric air-fuel ratio.
また、請求項4の内燃機関の排気浄化装置では、請求項1から3のいずれか1項において、前記空燃比制御手段は、前記第2触媒層の温度が前記第2所定温度以上であるときには、前記空燃比を理論空燃比よりもややリッチな空燃比であるスライトリッチとすることを特徴する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to any one of the first to third aspects, wherein the air-fuel ratio control means is configured such that the temperature of the second catalyst layer is equal to or higher than the second predetermined temperature. The air-fuel ratio is characterized by being a rich rich air-fuel ratio that is slightly richer than the stoichiometric air-fuel ratio.
請求項1の発明によれば、第1触媒層または第2触媒層の温度に応じて内燃機関の空燃比を制御しており、例えば、内燃機関の始動時等で第2触媒層の温度が第2所定温度未満である場合には、内燃機関より排出されるNOxを第2触媒層に吸着させることができる。そして、第2触媒層の温度がNOxの脱離を開始する第2所定温度以上である場合には、空燃比をNOxの還元反応が進行しやすいスライトリッチとすることで、下流の第3触媒層にて脱離したNOxを効率よく浄化することができる。また、第1触媒層の温度が第2所定温度よりも低い第1所定温度未満である場合には、内燃機関から排出される炭化水素(HC)を第1触媒層にトラップすることができる。そして、第1触媒層の温度が第1所定温度以上である場合には、空燃比をリーンとすることで、下流の第3触媒層にて脱離したHCをより高い効率で浄化することができる。また、内燃機関より排出される微粒子状物質(PM)は、パティキュレートフィルタにて捕集することができる。 According to the first aspect of the present invention, the air-fuel ratio of the internal combustion engine is controlled according to the temperature of the first catalyst layer or the second catalyst layer. When the temperature is lower than the second predetermined temperature, NOx discharged from the internal combustion engine can be adsorbed to the second catalyst layer. When the temperature of the second catalyst layer is equal to or higher than the second predetermined temperature at which the desorption of NOx starts, the air-fuel ratio is made to be a rich rich gas that facilitates the reduction reaction of NOx, so that the downstream third catalyst NOx desorbed in the layer can be efficiently purified. Further, when the temperature of the first catalyst layer is lower than the first predetermined temperature lower than the second predetermined temperature, hydrocarbons (HC) discharged from the internal combustion engine can be trapped in the first catalyst layer. When the temperature of the first catalyst layer is equal to or higher than the first predetermined temperature, the HC desorbed in the downstream third catalyst layer can be purified with higher efficiency by making the air-fuel ratio lean. it can. Moreover, the particulate matter (PM) discharged from the internal combustion engine can be collected by a particulate filter.
このように、第1触媒層と第2触媒層と第3触媒層とを有するパティキュレートフィルタと空燃比制御手段とからなる簡単な構成にて、排気圧力の上昇による内燃機関の性能低下を抑制しつつ、触媒の温度が低温であっても確実に排気を浄化することができる。
また、請求項2の発明によれば、第3触媒層を第1触媒層、及び第2触媒層より排気との接触面積が大きくなるように形成しており、例えば、接触面積が大きくなるように貴金属層の排気流れ方向の長さを第1触媒層、及び第2触媒層の排気流れ方向の長さよりも長く形成することで、第1触媒層より脱離したHC及び第2触媒層より脱離したNOxを確実に第3触媒層で浄化することができる。
In this way, with a simple configuration comprising the particulate filter having the first catalyst layer, the second catalyst layer, and the third catalyst layer, and the air-fuel ratio control means, the performance deterioration of the internal combustion engine due to the increase in exhaust pressure is suppressed. However, exhaust gas can be reliably purified even if the temperature of the catalyst is low.
According to the invention of
また、請求項3の発明によれば、第1触媒層の温度が第2所定温度未満であるときに、空燃比をリーンとしており、第2触媒層にて内燃機関の始動時より排出されるNOxを吸着することができる。また、第1触媒層の温度が第2所定温度未満では、第1触媒層からHCが脱離することから、空燃比をリーンにすることで、触媒の温度が低温であっても第1触媒層の排気流れ方向の下流側に備えられる第3触媒層にて、脱離したHCを浄化することができる。
According to the invention of
また、請求項4の発明によれば、第2触媒層の温度が第2所定温度以上あるときには、空燃比をスライトリッチとすることで、第2触媒層の排気流れ方向の下流側に備えられる第3触媒層にて、第2触媒層より脱離するNOxを浄化することができる。 According to a fourth aspect of the present invention, when the temperature of the second catalyst layer is equal to or higher than the second predetermined temperature, the air-fuel ratio is made rich at the downstream side of the second catalyst layer in the exhaust flow direction. NOx desorbed from the second catalyst layer can be purified by the third catalyst layer.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図1は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジンの概略構成図である。図2は、多機能触媒の概略の構成を示す図である。図2中の矢印は、排気の流れ方向を示している。図3は、図2のA部の拡大図である。そして、図4は、図3の断面B−Bの拡大図であり、図5は、図3の断面C−Cの拡大図である。また、図6は、エンジンの運転状態と多機能触媒の温度と各触媒層の状態の一例を時系列で示す図である。図6の縦軸は、上段より、空燃比、三元触媒及び多機能触媒でのHC、CO、NOxの浄化範囲、多機能触媒の各触媒層の状態、多機能触媒温度Tmを示している。なお、図6中の三元触媒及び多機能触媒でのHC、CO、NOxの浄化範囲と多機能触媒の各触媒層の状態は、三元触媒の温度、或いは多機能触媒温度Tmにおける三元触媒及び多機能触媒でのHC、CO、NOxの浄化可能範囲と多機能触媒の各触媒層の状態を示すものである。図7は、スライトリッチ運転での空燃比制御の詳細を時系列で示す図である。図7中の縦軸は、空燃比を示している。なお、本実施例では、低温HCトラップ触媒層(本発明の第1触媒層に相当)26cと、低温NOx吸着触媒層(本発明の第2触媒層に相当)26dと、三元触媒機能を有するPM燃焼触媒層(本発明の第3触媒層に相当)26eとを、多機能触媒26のケーシング26a内に一体で構成していることから、多機能触媒温度Tmをそれぞれの触媒層の温度としている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine to which an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is applied. FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the multifunctional catalyst. The arrows in FIG. 2 indicate the flow direction of the exhaust gas. FIG. 3 is an enlarged view of part A in FIG. 4 is an enlarged view of a cross section BB in FIG. 3, and FIG. 5 is an enlarged view of a cross section CC in FIG. FIG. 6 is a diagram showing an example of the operating state of the engine, the temperature of the multifunctional catalyst, and the state of each catalyst layer in time series. The vertical axis in FIG. 6 indicates the air-fuel ratio, the purification range of HC, CO, and NOx in the three-way catalyst and the multifunctional catalyst, the state of each catalyst layer of the multifunctional catalyst, and the multifunctional catalyst temperature Tm from the top. . Note that the HC, CO, NOx purification range and the state of each catalyst layer of the multifunction catalyst in the three-way catalyst and multifunctional catalyst in FIG. 6 are the three-way catalyst temperature or the three-way catalyst temperature Tm. This shows the purifiable range of HC, CO, NOx in the catalyst and the multifunctional catalyst and the state of each catalyst layer of the multifunctional catalyst. FIG. 7 is a diagram showing details of the air-fuel ratio control in the light rich operation in time series. The vertical axis in FIG. 7 indicates the air-fuel ratio. In this embodiment, the low-temperature HC trap catalyst layer (corresponding to the first catalyst layer of the present invention) 26c, the low-temperature NOx adsorption catalyst layer (corresponding to the second catalyst layer of the present invention) 26d, and the three-way catalyst function Since the PM combustion catalyst layer (equivalent to the third catalyst layer of the present invention) 26e is integrally formed in the
図1に示すように、エンジン(内燃機関)1は、シリンダヘッド3とピストン6とで形成される燃焼室10に臨むようにシリンダヘッド3に配設された筒内噴射用インジェクタ(空燃比制御手段)21より燃焼室10内へ燃料を直接噴射する筒内噴射を行う4サイクル直列4気筒型ガソリンエンジンである。
図1にはエンジン1の1つの気筒についての縦断面が示されている。なお、他の気筒についても同様の構成をしているものとして図示及び説明を省略する。
As shown in FIG. 1, an engine (internal combustion engine) 1 includes an in-cylinder injector (air-fuel ratio control) disposed in a
FIG. 1 shows a longitudinal section of one cylinder of the
図1に示すように、エンジン1は、シリンダブロック2にシリンダヘッド3が載置されて構成されている。
シリンダブロック2には、エンジン1を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサ4が設けられている。また、シリンダブロック2に形成されているシリンダ5内には上下摺動可能にピストン6が設けられている。当該ピストン6は、コンロッド7を介してクランクシャフト8に連結されている。また、シリンダブロック2には、当該エンジン1の回転速度及びクランクシャフト8の位相を検出するクランク角センサ9が設けられている。そして、燃焼室10は、シリンダヘッド3とシリンダ5とピストン6とで形成されている。
As shown in FIG. 1, the
The
シリンダヘッド3には、燃焼室10に臨むようにして点火プラグ11が設けられている。また、シリンダヘッド3には、燃焼室10からシリンダヘッド3の一側面に向かって吸気ポート12が形成されており、燃焼室10からシリンダヘッド3の他側面に向かって排気ポート13が形成されている。そして、シリンダヘッド3には、燃焼室10と吸気ポート12との連通及び遮断を行う吸気バルブ14と、燃焼室10と排気ポート13との連通及び遮断を行う排気バルブ15が設けられている。また、シリンダヘッド3の上部には吸気バルブ14を駆動する吸気カム16を有した吸気カムシャフト18と、排気バルブ15を駆動する排気カム17を有した排気カムシャフト19とがそれぞれ設けられている。また、シリンダヘッド3の一側面には吸気ポート12と連通するように吸気マニホールド20が接続されている。更にシリンダヘッド3の吸気マニホールド20が接続された側面には、燃焼室10内に臨むように筒内噴射用インジェクタ21が設けられている。一方、シリンダヘッド3の吸気マニホールド20が接続された側面とは反対側の側面には、排気ポート13と連通するように排気マニホールド23が接続されている。
The
筒内噴射用インジェクタ21には、図示しない燃料配管を介して燃料の供給圧力を可変可能であって、高圧の燃料を供給する高圧ポンプと、高圧ポンプに燃料タンク内の燃料を供給するフィードポンプが接続されている。そして、筒内噴射用インジェクタ21は、燃焼室10内に高圧の燃料を噴射するものである。
吸気マニホールド20の吸気上流端には、図示しない吸気管、吸入空気流量を調節する図示しない電子制御スロットルバルブが設けられている。そして、電子制御スロットルバルブには、スロットルバルブの開き度合を検出する図示しないスロットルポジションセンサが備えられている。また、電子制御スロットルバルブの上流側の吸気管には、吸入空気流量を検出する図示しないエアフローセンサが設けられているとともに、吸気管の吸気上流端には、図示しないエアクリーナが設けられている。
The in-
An intake pipe (not shown) and an electronic control throttle valve (not shown) for adjusting the intake air flow rate are provided at the intake upstream end of the
また、排気マニホールド23の排気下流端には、排気管(排気通路)24を介して、上流側より三元触媒25と多機能触媒26とが備えられている。そして、多機能触媒26の上流側の排気管24には、多機能触媒26の上流の排気の圧力を検出する排気圧センサ27と、排気の空燃比を検出する空燃比センサ28とが設けられている。更に多機能触媒26の下流側の排気管24には、多機能触媒26の下流の排気の圧力を検出する排気圧センサ29と、排気の温度を検出する排気温センサ30とが設けられている。
Further, a three-
三元触媒25は、担体に貴金属触媒として白金(Pt)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)等の貴金属を有し、空燃比がストイキ近傍にあり、触媒が活性状態であるときに炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び窒素酸化物(NOx)を除去する機能を有するものである。なお、本発明では、三元触媒が約300℃〜約400℃であるときに、三元触媒が実用上有効な排気浄化性能を得られる活性開始状態であるとし、上記温度を活性温度と呼ぶ。
The three-
図2に示すように、多機能触媒26は、筒状のケーシング26aと、ケーシング26a内に設けられるガソリンパティキュレートフィルタ(パティキュレートフィルタ)26bと、低温HCトラップ触媒層(第1触媒層)26cと、低温NOx吸着触媒層(第2触媒層)26dと、PM燃焼触媒層(第3触媒層)26eとで形成されている。
ガソリンパティキュレートフィルタ26bは、排気が通過する通路26fの上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖されたハニカム担体であるウォールフローフィルタである。そして、通路26fは、多孔質の壁26gで形成されている。なお、ガソリンパティキュレートフィルタ26bは、排気中の微粒子状物質(PM)を捕集する機能を有している。
As shown in FIG. 2, the
The
低温HCトラップ触媒層26cは、第1所定温度(約200℃)未満の低温でHCをトラップすることのできるゼオライト等のHCトラップ剤を含む触媒層である。なお、ゼオライトは、遷移金属(鉄(Fe)、銀(Ag)など)で修飾した材料であってもよい。そして、低温HCトラップ触媒層26cは、図2、3及び4に示すようにガソリンパティキュレートフィルタ26bの排気流れ方向の上流側に担持されている。なお、低温HCトラップ触媒層26cは、触媒層にHCトラップ剤としてのゼオライトを含んでおり、図6に示すように、低温HCトラップ触媒層26cの温度、即ち多機能触媒26の温度である多機能触媒温度Tmが第1所定温度(約200℃)未満の低温である時に排気中のHCをトラップし、低温HCトラップ触媒層26cの温度が第1所定温度以上で、且つ第2所定温度(約300℃)未満であるときに、トラップしたHCを脱離する機能を有している。
The low temperature HC
低温NOx吸着触媒層26dは、アルミナ(Al2O3)等の母材に、三元触媒25の活性温度であって吸着したNOxの脱離を開始する温度である第2所定温度(約300℃)未満の低温でNOxを吸着することのできる遷移金属である鉄(Fe)或いは銀(Ag)等のNOx吸着剤と、酸化セリウム(CeO2)や酸化チタン(TiO2)等の助触媒とを含む触媒層である。そして、低温NOx吸着触媒層26dは、図2、3及び4に示すように低温HCトラップ触媒層26c上に担持されている。即ち、低温HCトラップ触媒層26cと低温NOx吸着触媒層26dは、ガソリンパティキュレートフィルタ26bの排気流れ方向の上流側に積層して担持されている。なお、低温NOx吸着触媒層26dは、触媒層にNOx吸着剤としてのFe或いはAgなどの遷移金属を含んでおり、図6に示すように、低温NOx吸着触媒層26dの温度、即ち多機能触媒26の温度である多機能触媒温度Tmが第2所定温度(約300℃)未満の低温である時に排気中のNOxを吸着し、低温NOx吸着触媒層26dの温度が第2所定温度以上で第3所定温度(約400℃)未満であるときに、即ち、三元触媒においてNOx浄化性能が得られる温度で、吸着したNOxを脱離する機能を有している。
The low-temperature NOx
三元触媒機能を有するPM燃焼触媒層26eは、アルミナ(Al2O3)等の母材に、ロジウム(Rh)等の貴金属と、酸化セリウム(CeO2)やジルコニア(ZrO2)等の助触媒とを含む触媒層である。そして、PM燃焼触媒層26eは、図2、3及び5に示すように、低温HCトラップ触媒層26cと低温NOx吸着触媒層26dとの排気流れ方向の下流側のガソリンパティキュレートフィルタ26b上に担持されている。なお、PM燃焼触媒層26eの排気流れ方向の長さL2は、低温HCトラップ触媒層26cと低温NOx吸着触媒層26dとが積層して形成される触媒層の排気流れ方向の担持長さL1より長くなるように担持されている。そして、PM燃焼触媒層26eは、触媒層に貴金属を含んでいる。即ち、三元触媒としての機能を有しており、上記三元触媒25と同様に、空燃比がストイキ近傍にあり、触媒が活性状態であるときに炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び窒素酸化物(NOx)を除去する機能を有する。さらに、図6に示すように、PM燃焼触媒層26eの温度、即ち多機能触媒26の温度である多機能触媒温度Tmが活性温度に達していない場合でも(第2所定温度未満であるとき)、空燃比をストイキよりもリーンとすることで低温HCトラップ触媒層26cより脱離したHCを浄化する機能を有している。また、PM燃焼触媒層26eは、PM燃焼触媒層26eの温度、即ち多機能触媒26の温度である多機能触媒温度Tmを三元触媒のPM燃焼が短時間に進行しやすい第5所定温度(約650℃)とし、ガソリンパティキュレートフィルタ26bにて捕集され堆積したPMを燃焼するときに発生するCO等の浄化する機能も有している。
The PM
そして、上記水温センサ4、クランク角センサ9、排気圧センサ27、空燃比センサ28、排気圧センサ29、排気温センサ30、吸気圧センサ、スロットルポジションセンサ、エアフローセンサ及び車両の車速を検出する図示しない車速センサ等の各種センサ類は、車両に搭載されている電子コントロールユニット(空燃比制御手段)40の入力側に電気的に接続されており、これらセンサ類からの検出情報が電子コントロールユニット40に入力される。
The water temperature sensor 4, the
一方、電子コントロールユニット40の出力側には、上記点火プラグ11、筒内噴射用インジェクタ21、電子制御スロットルバルブ等の各種装置が電気的に接続されており、これら各種装置には各種センサ類からの検出情報に基づき演算された点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等がそれぞれ出力される。
電子コントロールユニット40は、排気温センサ30にて検出される排気温より多機能触媒26内の温度である多機能触媒温度(本発明の各触媒層の温度に相当)Tmを算出する。そして、電子コントロールユニット40は、多機能触媒温度Tmに基づいて、所望の多機能触媒温度Tm及び所望の空燃比となるように筒内噴射用インジェクタ21からの燃料噴射量を制御する多機能触媒26の空燃比及び温度制御を行う。詳しくは、電子コントロールユニット40は、多機能触媒温度Tmが第2所定温度未満であると、空燃比がリーンとなるように筒内噴射用インジェクタ21の作動を制御する(図6のリーン運転)。また、多機能触媒温度Tmが第2所定温度以上で第3所定温度未満であると、空燃比がスライトリッチとなるように筒内噴射用インジェクタ21の作動を制御する(図6のスライトリッチ運転)。図6のスライトリッチ運転では、図7に示すように、空燃比の平均値がスライトリッチとなるように、所定時間(例えば、約1sec)内に空燃比をリッチとリーンとに変化させるサイクルを複数回実施して、平均空燃比をスライトリッチ(例えば、平均空燃比が理論空燃比よりも0.3〜3.0%リッチ)とする。ここで、平均空燃比を過度のリッチ設定(理論空燃比より3.0%を上回るリッチ設定)にすると、NOxの還元性能は高まるが、HCやCOの酸化性能が低下するため、好ましくない。また、平均空燃比を過少のリッチ設定(理論空燃比より0.3%を下回るリッチ設定)にすると、NOxの還元性能が低下するため、好ましくない。さらに、平均空燃比をスライトリッチにしたうえで、空燃比をリッチとリーンとに交互に変動させることで、NOxの還元性能だけでなく、HCやCOの酸化性能の低下も抑制できる。そして、多機能触媒温度Tmが、第3所定温度以上であるときには、空燃比センサ28にて検出される空燃比がストイキとなるように、筒内噴射用インジェクタ21の作動を制御する(図6のストイキフィードバック運転)。
On the other hand, various devices such as the spark plug 11, in-
The
また、電子コントロールユニット40は、排気圧センサ27にて検出される多機能触媒26の上流側の排気圧力と、排気圧センサ29にて検出される多機能触媒26の下流側の排気圧力との差に基づき、多機能触媒26内のPM堆積量を推定する。そして、PM堆積量が閾値を越えると、多機能触媒温度Tmが第4所定温度(約500℃)以上で、第5所定温度(約650℃)未満であれば、多機能触媒温度Tmが第5所定温度以上となるように、筒内噴射用インジェクタ21の作動を制御する(図6の触媒昇温運転)。また、多機能触媒温度Tmが第5所定温度以上であれば、多機能触媒26内のPMが燃焼するように筒内噴射用インジェクタ21の作動を制御する(図6のPM燃焼運転)。
In addition, the
次に電子コントロールユニット40での多機能触媒26の空燃比及び温度制御について説明する。
図8は、電子コントロールユニット40が実行する多機能触媒26の空燃比及び温度制御のフローチャートの一部であり、図9は、電子コントロールユニット40が実行する多機能触媒26の空燃比及び温度制御のフローチャートの残部である。
Next, the air-fuel ratio and temperature control of the
FIG. 8 is a part of a flowchart of air-fuel ratio and temperature control of the
図8及び図9に示すように、ステップS10では、エンジン1の運転条件を検出する。詳しくは、クランク角センサ9、吸気圧センサ、スロットルポジションセンサ、エアフローセンサ及び車速センサ等の各種センサ類での検出結果より、エンジン1の運転条件を検出する。そして、ステップS12に進む。
ステップS12では、エンジン水温Tcを検出する。詳しくは、水温センサ4にてエンジン1の冷却水の温度であるエンジン水温Tcを検出する。そして、ステップS14に進む。
As shown in FIGS. 8 and 9, in step S10, the operating condition of the
In step S12, the engine coolant temperature Tc is detected. Specifically, the water temperature sensor 4 detects the engine water temperature Tc which is the temperature of the cooling water of the
ステップS14では、エンジン水温Tcが0℃以上であるか、否かを判別する。判別結果が真(Yes)でエンジン水温Tcが0℃以上であれば、ステップS16に進む。また、判別結果が否(No)でエンジン水温Tcが0℃以上でなければ、本ルーチンをリターンする。
ステップS16では、多機能触媒温度Tmを検出する。詳しくは、排気温センサ30にて検出される多機能触媒26の下流側の排気温度より、多機能触媒26の温度である多機能触媒温度Tmを算出する。そして、ステップS18に進む。
In step S14, it is determined whether or not the engine water temperature Tc is 0 ° C. or higher. If the determination result is true (Yes) and the engine water temperature Tc is 0 ° C. or higher, the process proceeds to step S16. If the determination result is negative (No) and the engine water temperature Tc is not 0 ° C. or higher, this routine is returned.
In step S16, the multifunctional catalyst temperature Tm is detected. Specifically, the multifunction catalyst temperature Tm that is the temperature of the
ステップS18では、多機能触媒温度Tmが第2所定温度未満か、否かを判別する。判別結果が真(Yes)で多機能触媒温度Tmが第2所定温度未満であれば、ステップS20に進む。また、判別結果が否(No)で多機能触媒温度Tmが第2所定温度未満でなければ、ステップS22に進む。
ステップS20では、リーン運転を実施する。詳しくは、空燃比がリーン空燃比となるように筒内噴射用インジェクタ21の作動を制御するリーン運転を実施する(図6のリーン運転)。そして、本ルーチンをリターンする。
In step S18, it is determined whether or not the multifunctional catalyst temperature Tm is lower than a second predetermined temperature. If the determination result is true (Yes) and the multifunctional catalyst temperature Tm is less than the second predetermined temperature, the process proceeds to step S20. If the determination result is negative (No) and the multifunctional catalyst temperature Tm is not less than the second predetermined temperature, the process proceeds to step S22.
In step S20, a lean operation is performed. Specifically, the lean operation for controlling the operation of the in-
一方、ステップS22では、多機能触媒温度Tmが第3所定温度未満か、否かを判別する。判別結果が真(Yes)で多機能触媒温度Tmが第3所定温度未満であれば、ステップS24に進む。また、判別結果が否(No)で多機能触媒温度Tmが第3所定温度未満でなければ、ステップS26に進む。
ステップS24では、スライトリッチ運転を実施する。詳しくは、空燃比がスライトリッチとなるように筒内噴射用インジェクタ21の作動を制御するスライトリッチ運転を実施する(図6のスライトリッチ運転)。スライトリッチ運転では、図7に示すように、空燃比の平均値がスライトリッチとなるように、所定時間(約1sec)内に空燃比をリッチとリーンとに変化させるサイクルを複数回実施して、空燃比をスライトリッチとする。そして、本ルーチンをリターンする。
On the other hand, in step S22, it is determined whether or not the multifunctional catalyst temperature Tm is lower than a third predetermined temperature. If the determination result is true (Yes) and the multifunctional catalyst temperature Tm is less than the third predetermined temperature, the process proceeds to step S24. If the determination result is negative (No) and the multifunctional catalyst temperature Tm is not less than the third predetermined temperature, the process proceeds to step S26.
In step S24, a light rich operation is performed. Specifically, a light rich operation is performed in which the operation of the in-
一方、ステップS26では、ストイキフィードバック運転を実施する。詳しくは、空燃比センサ28にて検出される空燃比がストイキとなるように、筒内噴射用インジェクタ21の作動を制御するストイキフィードバック運転を実施する(図6のストイキフィードバック運転)。そして、ステップS28に進む。
ステップS28では、PM堆積量を推定する。詳しくは、排気圧センサ27にて検出される多機能触媒26の上流側の排気圧力と、排気圧センサ29にて検出される多機能触媒26の下流側の排気圧力との差に基づいて、PM堆積量を推定する。そして、ステップS30に進む。
On the other hand, in step S26, stoichiometric feedback operation is performed. Specifically, the stoichiometric feedback operation for controlling the operation of the in-
In step S28, the PM accumulation amount is estimated. Specifically, based on the difference between the exhaust pressure upstream of the
ステップS30では、PM再生条件が成立したか、否かを判別する。詳しくは、PM堆積量が閾値以上、且つ、ステップS10にて検出されるエンジン運転条件が所定条件となるPM再生条件が成立したか、否かを判別する。判別結果が真(Yes)でPM堆積量が閾値を越え、エンジン運転条件が所定条件を満たしていれば、PM再生条件が成立したと判別し、ステップS32に進む。また、判別結果が否(No)でPM堆積量及びエンジン運転条件のいずれかが条件を満たしていなければ、PM再生条件が成立していないと判別し、本ルーチンをリターンする。 In step S30, it is determined whether or not the PM regeneration condition is satisfied. Specifically, it is determined whether or not a PM regeneration condition in which the PM accumulation amount is equal to or greater than a threshold value and the engine operation condition detected in step S10 is a predetermined condition is satisfied. If the determination result is true (Yes), the PM accumulation amount exceeds the threshold value, and the engine operating condition satisfies the predetermined condition, it is determined that the PM regeneration condition is satisfied, and the process proceeds to step S32. If the determination result is NO (No) and either the PM accumulation amount or the engine operating condition does not satisfy the condition, it is determined that the PM regeneration condition is not satisfied, and this routine is returned.
ステップS32では、多機能触媒温度Tmが第4所定温度以上であって、第5所定温度未満であるか、否かを判別する。判別結果が真(Yes)で多機能触媒温度Tmが第4所定温度以上であって、第5所定温度未満であれば、ステップS34に進む。また、判別結果が否(No)で多機能触媒温度Tmが第4所定温度以上であって、第5所定温度未満でなければ、ステップS38に進む。 In step S32, it is determined whether or not the multifunctional catalyst temperature Tm is equal to or higher than the fourth predetermined temperature and lower than the fifth predetermined temperature. If the determination result is true (Yes) and the multifunctional catalyst temperature Tm is equal to or higher than the fourth predetermined temperature and lower than the fifth predetermined temperature, the process proceeds to step S34. If the determination result is NO (No) and the multifunctional catalyst temperature Tm is not lower than the fourth predetermined temperature and lower than the fifth predetermined temperature, the process proceeds to step S38.
ステップS34では、昇温条件が成立しているか、否かを判別する。判別結果が真(Yes)で昇温条件が成立していれば、ステップS36に進む。また、判別結果が否(No)で昇温条件が成立していなければ、本ルーチンをリターンする。
ステップS36では、触媒昇温運転を実施する。詳しくは、多機能触媒温度Tmが第5所定温度以上となるように、筒内噴射用インジェクタ21の作動を制御する触媒昇温運転を実施する(図6の触媒昇温運転)。そして、本ルーチンをリターンする。
In step S34, it is determined whether or not the temperature raising condition is satisfied. If the determination result is true (Yes) and the temperature raising condition is satisfied, the process proceeds to step S36. If the determination result is negative (No) and the temperature raising condition is not satisfied, the routine is returned.
In step S36, a catalyst temperature raising operation is performed. Specifically, the catalyst temperature increasing operation for controlling the operation of the in-
一方、ステップS38では、多機能触媒温度Tmが第5所定温度以上であるか、否かを判別する。判別結果が真(Yes)で多機能触媒温度Tmが第5所定温度以上であれば、ステップS40に進む。また、判別結果が否(No)で多機能触媒温度Tmが第5所定温度以上でなければ、本ルーチンをリターンする。
ステップS40では、PM燃焼運転を実施する。詳しくは、多機能触媒26に堆積したPMが燃焼するように、筒内噴射用インジェクタ21の作動を制御するPM燃焼運転を実施する(図6のPM燃焼運転)。そして、本ルーチンをリターンする。
On the other hand, in step S38, it is determined whether or not the multifunctional catalyst temperature Tm is equal to or higher than a fifth predetermined temperature. If the determination result is true (Yes) and the multifunctional catalyst temperature Tm is equal to or higher than the fifth predetermined temperature, the process proceeds to step S40. If the determination result is negative (No) and the multifunctional catalyst temperature Tm is not equal to or higher than the fifth predetermined temperature, the present routine is returned.
In step S40, a PM combustion operation is performed. Specifically, the PM combustion operation for controlling the operation of the in-
このように本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、図6に示すように、エンジン1の始動時等で多機能触媒温度Tmが第2所定温度未満である場合には、エンジン1より排出されるNOxを低温NOx吸着触媒層26dに吸着させることができる。そして、多機能触媒温度Tmが第2所定温度以上である場合には、空燃比をスライトリッチとすることで、下流のPM燃焼触媒層26eにて低温NOx吸着触媒層26dより脱離したNOxを効率よく浄化することができる。また、多機能触媒温度Tmが第1所定温度未満である場合には、エンジン1から排出される炭化水素(HC)を低温HCトラップ触媒層26cにトラップすることができる。そして、多機能触媒温度Tmが第1所定温度以上である場合に、空燃比をリーンとすることで、下流のPM燃焼触媒層26eにて低温HCトラップ触媒層26cより脱離したHCをより高い効率で浄化することができる。また、エンジン1より排出される微粒子状物質(PM)は、ガソリンパティキュレートフィルタ26bにて捕集することができる。
Thus, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, as shown in FIG. 6, when the multifunctional catalyst temperature Tm is lower than the second predetermined temperature at the time of starting the
このように、低温HCトラップ触媒層26cと低温NOx吸着触媒層26dとPM燃焼触媒層26eとを担持したガソリンパティキュレートフィルタ26bと電子コントロールユニット40とからなる簡単な構成とすることで、排気圧力の上昇によるエンジン1の性能低下を抑制しつつ、各触媒の温度が低温であっても確実に排気を浄化することができる。
In this way, the exhaust pressure can be reduced by adopting a simple configuration including the
また、PM燃焼触媒層26eの排気流れ方向の長さL2を低温HCトラップ触媒層26cと低温NOx吸着触媒層26dとが積層して形成される触媒層の排気流れ方向の担持長さL1より長く、即ちPM燃焼触媒層26eの排気との接触面積が大きくなるようにすることで、低温用NOx吸着層26dより脱離したNOx及び低温用HCトラップ層26cより脱離したHCを確実にPM燃焼触媒層26eで浄化することができる。
Further, the length L2 of the PM
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は本実施形態に限定されるものではない。
本実施形態では、低温用NOx吸着層26dを低温用HCトラップ層26c上に担持するようにしているが、これに限定されるものではなく、低温用HCトラップ層26cを低温用NOx吸着層26d上に担持するようにしてもよい。
This is the end of the description of the embodiment of the invention, but the invention is not limited to this embodiment.
In this embodiment, the low-temperature
また、PM燃焼触媒層26eを低温HCトラップ触媒層26cと低温NOx吸着触媒層26dとが積層して形成される触媒層の排気流れ方向の下流側のガソリンパティキュレートフィルタ26bのみに担持しているが、これに限定されるものではなく、低温NOx吸着触媒層26dとが積層して形成される触媒層の排気流れ方向の下流側と共に、低温HCトラップ触媒層26cと低温NOx吸着触媒層26dとが積層して形成される触媒層上側に担持してもよい。
Further, the PM
1 エンジン(内燃機関)
21 筒内噴射用インジェクタ(空燃比制御手段)
24 排気管(排気通路)
25 三元触媒
26 多機能触媒
26b ガソリンパティキュレートフィルタ(パティキュレートフィルタ)
26c 低温HCトラップ触媒層(第1触媒層)
26d 低温NOx吸着触媒層(第2触媒層)
26e PM燃焼触媒層(第3触媒層)
30 排気温センサ
40 電子コントロールユニット(空燃比制御手段)
1 engine (internal combustion engine)
21 In-cylinder injector (air-fuel ratio control means)
24 Exhaust pipe (exhaust passage)
25 Three-
26c Low temperature HC trap catalyst layer (first catalyst layer)
26d Low temperature NOx adsorption catalyst layer (second catalyst layer)
26e PM combustion catalyst layer (third catalyst layer)
30
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