JPH0610725A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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JPH0610725A
JPH0610725A JP4190214A JP19021492A JPH0610725A JP H0610725 A JPH0610725 A JP H0610725A JP 4190214 A JP4190214 A JP 4190214A JP 19021492 A JP19021492 A JP 19021492A JP H0610725 A JPH0610725 A JP H0610725A
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Toshiaki Tanaka
俊明 田中
Satoru Iguchi
哲 井口
Kenji Kato
健治 加藤
Tetsuo Kihara
哲郎 木原
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 NOx吸収分解触媒を再生するための排気還
元雰囲気を過不足なく提供する。 【構成】 希薄燃焼可能な内燃機関2の排気通路4にN
Ox吸収分解触媒6を設けた内燃機関の排気浄化装置に
おいて、排気雰囲気を、触媒温度が高温時には還元状態
の度合が深くかつ還元状態保持時間が短かくなるように
制御し、触媒温度が低温時には還元状態の度合が浅くか
つ還元状態保持時間が長くなるように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、希薄燃焼可能な内燃機
関の排気通路にNOx吸収分解触媒を備えた排気浄化装
置であって、NOx吸収分解触媒の再生を過不足なく行
うことによって、良好な燃費と触媒の飽和防止とを両立
させた排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】希薄燃焼可能な内燃機関は、燃費の改善
とCO2 の低減の両方を達成できるものとして注目さ
れ、一部実用化されている。しかし、空燃比リーン域で
は従来の三元触媒がNOx浄化能力をもたないので、N
Ox浄化システムの開発が望まれている。
【0003】空燃比リーンの燃焼の排気中でNOxを浄
化できる装置として、本出願人により、先に、機関排気
通路にNOx吸収材と三元触媒を配設し、空燃比リーン
域ではNOx吸収材にNOxを吸収させ、空燃比リーン
状態が一定時間以上継続したときは空燃比をリッチにし
てNOx吸収材にNOxを放出させて触媒を再生すると
ともに、放出NOxを下流の三元触媒で還元するように
した排気浄化装置が出願されている(特願平3−284
095、平成3年10月4日出願)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記先願では、
NOx吸収材のNOx放出特性が、低温時は比較的浅く
また長くなり高温時は比較的深くまた短かくなるという
ように、触媒温度に応じて変化するのに、触媒再生時に
一律なリッチ状態に排気雰囲気を制御していたため、次
の問題が残っていた。すなわち、排気高温時に空燃比リ
ッチ度合が小さすぎればNOx放出速度が速いためNO
xを浄化しきれず、高温時のリッチ保持時間が長すぎれ
ばHCエミッションの問題が生じる。また、排気低温時
に空燃比リッチ度合いが大きすぎるとアンモニアの生成
やHCの大気への排出が問題となり、低温時のリッチ保
持時間が短かすぎると触媒の再生が不完全となるという
問題が生じる。
【0005】本発明の目的は、内燃機関の排気通路にN
Ox吸収分解触媒を配設した排気浄化装置であって、N
Ox吸収分解触媒の再生に必要な排気の還元雰囲気状態
を過不足なく生成できる排気浄化装置を提供することに
ある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、次の内燃機関の排気浄化装置によって達成され
る。すなわち、希薄燃焼可能な内燃機関およびその排気
通路と、前記排気通路に設けられた、酸化雰囲気中でN
Oxを吸収し還元雰囲気中で吸収したNOxを分解する
NOx吸収分解触媒と、前記NOx吸収分解触媒の温度
を代表する温度を検出する温度検出手段と、前記NOx
吸収分解触媒の再生時点を決定する触媒再生時点決定手
段と、前記触媒再生時点決定手段が前記NOx吸収分解
触媒の再生時点がきたと判定したときに、前記内燃機関
の排気雰囲気を触媒温度に応じて変更する排気雰囲気制
御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置。
【0007】
【作用】NOx吸収分解触媒のNOx放出特性は、触媒
温度(触媒温度と排気温度との間には相関関係があるの
で、排気温度としてもよい)に応じて変化することが発
明者により見出された。さらに具体的には、触媒温度ま
たは排気温度が高い場合には、NOxは触媒から多量に
放出されて比較的短時間で放出が完了するが、触媒温度
または排気温度が低い場合には、NOxは触媒から緩慢
に放出され比較的長時間をかけて放出される。
【0008】本発明では、上記のNOx放出特性に合せ
て、排気雰囲気制御手段により、触媒再生時の排気還元
状態を制御するようにしたので、触媒再生のための排気
還元状態を過不足なく生成できる。したがって、NOx
吸収分解触媒の再生は、過不足なく行われる。
【0009】
【実施例】以下に、本発明に係る望ましい実施例を、図
面を参照して説明する。図1において、希薄燃焼可能な
内燃機関2(ディーゼルエンジンであってもよい)の排
気通路4には、酸化雰囲気中でNOxを吸収し還元雰囲
気中で吸収したNOxを分解するNOx吸収分解触媒6
が配設されている。
【0010】NOx吸収分解触媒6は、図3に示すよう
に、担体(たとえば、Al2 3 )6cに、酸化および
還元能力を有する貴金属(たとえば白金Pt、または白
金PtとロジウムRh)6aと、アルカリ土類(たとえ
ば、Ba)、ランタン、アルカリ金属(たとえば、K)
から成る類から選ばれた1種以上の元素6bとを担持し
た触媒から成る。さらに、必要に応じて遷移金属(たと
えば、Cu)を担持してもよい。
【0011】図3のNOx吸収分解触媒6では、酸化雰
囲気中で、NOとO2 とがPt表面で酸化してNO2
なり、これがBa(Ba(OH)2 、BaO)層にNO
3 -の形で固体拡散することにより、NOxがBa層中
に吸収される。また、還元雰囲気中で、吸収されていた
NO3 - が放出されてNO2 になり、排気中のHC、C
O等の還元剤によりPt表面で還元されてN2 になる。
【0012】図1のNOx吸収分解触媒6は、図2に示
すように、NOx吸収材6Aとその下流の三元触媒6B
との組合せであってもよい。NOx吸収材6Aとして
は、酸化能力を有する貴金属あるいは遷移金属と、NO
xを吸収できるアルカリ土類、ランタン、アルカリ金属
等を複合したもので、たとえばBa−Cu−O系があ
る。
【0013】NOx吸収分解触媒6およびNOx吸収材
6Aは、空燃比リーンでの燃焼の排気中(酸素過剰状態
の排気中、以下酸化雰囲気中ともいう)でNOxを吸収
し、空燃比リッチでの燃焼の排気中(酸素不足状態でC
OやHCの還元剤の比較的多い排気中、以下、還元雰囲
気中ともいう)でNOxを放出して、再生される。ここ
で、触媒再生のために還元雰囲気状態の提供が多すぎれ
ば、大気へのHCの排出が増大したり燃費が悪化し、還
元雰囲気状態の提供が少なすぎれば、NOxの吸収効率
が悪くなりNOxの大気への排出が多くなる。これを防
止するために還元雰囲気状態の生成を最適に制御した
い。
【0014】この制御を実行するために、種々の手段が
設けられている。たとえば、触媒温度あるいは排気温T
eを測定するために、排気通路4には、触媒上流に温度
検出手段としての排気温センサ10が設けられている。
また、エンジン運転条件を検出するために、負荷センサ
(たとえば、吸気負圧センサ)12、およびエンジン回
転速度センサ(ディストリビュータに内蔵されたクラン
ク角度センサの出力から演算によりエンジン回転速度N
eを求めるようにしてもよい)14が設けられている。
これらのセンサ10、12、14の出力は、電子制御装
置(エレクトロニックコントロールユニット、ECUの
略記)8に供給される。
【0015】ECU8は、マイクロコンピュータから成
り、通常のマイクロコンピュータと同様に、入出力イン
タフェース、読出し専用メモリのリードオンリメモリ
(ROM)、一時記憶用メモリのランダムアクセスメモ
リ(RAM)、演算を実行するセントラルプロセッサユ
ニット(CPU)を有している。また、センサ10、1
2、14からの信号がアナログ信号である場合には、ア
ナログ/ディジタル変換器でディジタル信号に変換して
入力インタフェースに入力するようにしてある。CPU
での演算結果の指令信号は出力インタフェースから電子
制御式燃料噴射弁16に送られ、燃料噴射量を制御する
ことによって空燃比、ひいては排気雰囲気を制御できる
ようにしてある。
【0016】排気雰囲気の制御は燃料噴射量制御による
場合に限られるものではなく、空燃比リーンの排気の酸
化雰囲気を一時的に還元雰囲気に変更できるものであれ
ばよい。ディーゼルエンジンの場合には排気中に燃料の
一部等からなる還元剤を小量噴射して排気を還元雰囲気
にしてもよい。
【0017】排気雰囲気制御が燃料噴射量制御である場
合を以下に説明する。図4はNOx吸収分解触媒6の再
生時点を決定する触媒再生時点決定手段の一例としての
制御ルーチンであり、ROMに記憶されており、CPU
に読出されて演算が実行される。このルーチンは、一定
時間間隔毎あるいは一定クランク角毎に割込まれる。
【0018】図4のルーチンは、ステップ100にて割
込まれる。続いて、ステップ102で触媒温あるいは排
気温Teを読込み、ステップ103でTeが所定温Te
0以下か否かを判定し、以下ならステップ104に進
み、高温時には触媒はNOxを放出した状態にあるの
で、そのままリターンする。続いてステップ104で、
リッチ再生フラグRF(NOx吸収分解触媒6に吸収さ
れているNOx吸収量が大になって触媒を再生すべき時
期がきたとき及び再生中がRF=1、NOx吸収分解触
媒6のNOx吸収量が大でなく触媒を再生しなくてよい
ときがRF=0)が0か否かを判定する。ステップ10
4でRF=0であると判定されると、ステップ106に
進む。RF=0のときは空燃比はリーンである。
【0019】ステップ106でリーン時間をカウントし
ていく。たとえば、前回の割込みのリーンカウントCに
1を加えたものを今回の割込みのリーンカウントCと
し、図4のルーチンへの割込み間隔を△tとすると、C
・△tがリーン時間の積算となる。
【0020】続いて、ステップ108に進み、リーンカ
ウントCが所定値C0 以上か否かを判定する。CがC0
以上になったならば、リーン状態が十分長い時間続いて
NOx吸収分解触媒6が飽和してしまい再生時期がきた
とみなして、ステップ110に進み、リッチ再生フラグ
RFを1にし、ステップ118に進んでリターンする。
ステップ108でリーンカウントCが所定値C0 を超え
ていないなら、触媒6はまだ飽和していないとみなして
そのままリターンする。
【0021】ステップ104でリッチ再生フラグRFが
1(触媒再生のためのリッチ制御が行われるとき)と判
定されると、ステップ112に進む。空燃比がリッチま
たはストイキでは、NOx吸収分解触媒6(またはNO
x吸収材6A)に吸収されていたNOxは触媒から放出
されるので、その状態が所定時間以上続くと触媒の再生
が完了したとみなしてリッチ再生フラグRFを0にクリ
アする。
【0022】この意味で、ステップ112では、リッチ
タイマ(後述の図5のルーチンで、空燃比リッチのとき
にONとされるタイマ)のカウント時間Tが所定時間T
0 以上になったかどうかが判定される。TがT0 より小
のときは、触媒6は十分には再生されていないからその
ままリターンし、TがT0 以上のときは、触媒6の再生
が完了したとみなして、ステップ114に進み、リーン
カウントCを0にクリアし、さらにステップ116に進
んで、リッチ再生フラグRFを0にし、リッチタイマを
OFFにして、リターンする。
【0023】図5および図6の制御ルーチンは、排気雰
囲気を触媒温度(排気温度であってもよい)に応じて制
御する排気雰囲気制御手段としてのルーチンであり、図
4のルーチンの後に割込まれる。図5、図6のルーチン
もROMに格納されており、CPUに読出されて演算が
実行される。
【0024】図5のルーチンはステップ200で割込ま
れる。続いて、ステップ202に進み、リッチ再生フラ
グRFが0か否かが判定される。リッチ再生フラグRF
が0のときは、触媒6にNOxが過量に吸収されておら
ず触媒6をリッチ再生する必要がない時であるから、そ
のままリターンする。しかし、ステップ202でリッチ
再生フラグRFが1と判定されると、触媒6にNOxが
過量に吸収されて飽和かまたは飽和に近い状態にあり、
リッチ再生されるべき時であるから、ステップ204、
206、208側に進み、NOx吸収分解触媒6のリッ
チ再生を実行する。第1回目にステップ204を通ると
きはリッチタイマはONになっていないからステップ2
06に進み、リッチタイマをONに切替え、第2回目以
後にステップ204を通るときはリッチタイマはONに
なっているから、ステップ206をスキップしてステッ
プ208に進む。ステップ208で、図6の排気雰囲気
を制御するために空燃比を制御する制御ルーチンを呼
ぶ。図6のルーチンから図5のルーチンにリターンした
後は、ステップ210に進み、リターンする。空燃比制
御以外の手段で排気雰囲気を制御するときは、その手段
の制御のための制御ルーチンをステップ208で呼ぶこ
とになる。
【0025】図6の燃料噴射リッチ制御ルーチンは、ス
テップ300で割込まれ、ステップ302に進んで、エ
ンジン負荷P、エンジン回転速度Ne、触媒温あるいは
排気温Teが読込まれる。エンジン負荷Pは、たとえば
吸気管負圧センサの出力から演算され、エンジン回転速
度Neはエンジンに連動するディストリビュータに内蔵
されたクランク角度センサの出力から演算される。触媒
温あるいは排気温Teは、排気温センサ10の出力から
演算されるか、または予じめ試験で求めておいたP、N
eとTeとの関係をマップ化したものから、現在のP、
Neに対応したTeを読みとって求める。
【0026】ここで、どのような排気雰囲気制御を行う
べきかを見るために、空燃比をリーンからストイキ(ま
たはリッチ)に変化させた直後のNOx吸収分解触媒6
のNOx放出特性を調べた。結果を図7に示す。すなわ
ち、排気温高温時には、短時間に大量のNOxが触媒6
から放出されるが、排気低温時には、比較的長い時間を
かけてゆっくりとNOxが放出される。NOx放出がほ
ぼ完了したにかかわらずなお還元雰囲気を続けると、ア
ンモニアや炭化水素の排出量が増えることもわかり、N
Ox放出後はリーンに速やかに戻したい。このNOx放
出特性に合せて、燃料噴射制御が実行されるようにす
る。すなわち、ステップ304で、リッチの度合をマッ
プから読取る。触媒温度あるいは排気温度が高い時は大
量のNOxが放出されるからリッチの度合を深くする
(A/Fが小の値をとるようにする)。逆に触媒温度あ
るいは排気温度が低い時はNOx濃度が低いので、リッ
チの度合を浅くする(A/Fがストイキに近い値をとる
ようにする)。
【0027】つぎに、ステップ306にて、NOx放出
特性に合せてリッチ保持時間(リッチ状態を保持してい
る時間の長さ、このリッチ保持時間がステップ112の
0となる)を決定する。すなわち、触媒温度あるいは
排気温度が高いときはリッチ保持時間を短かくし、触媒
温度あるいは排気温度が低いときはリッチ保持時間を長
くする。続いて、ステップ308に進み、図7のNOx
放出特性に合せて決定されたリッチ処理波形によってリ
ッチ処理のための燃料噴射補正係数Kを求める。ここ
で、触媒温度あるいは排気温度が高い時はの波形を使
用し、触媒温度あるいは排気温度が低い時はの波形を
使用する。そして、通常の燃料噴射制御ルーチン(図示
略)に入ったときに、基本燃料噴射量を各種補正係数で
補正して得た燃料噴射量に(1+K)をかけて、本発明
の燃料噴射リッチ制御による空燃比A/Fのリッチ化が
行われることになる。ステップ308からステップ31
0に進み、リターンする。
【0028】図4−図6のルーチンは、比較的長時間に
わたってリーン運転が継続するときのNOx吸収分解触
媒6の再生にとくに有効である。しかし、市街地走行時
のような低速でかつ加減速がひんぱんに行われるような
ときには、たとえば加速時の空燃比リッチ状態がひんぱ
んに生じて、自然にNOx吸収分解触媒6の再生が行わ
れるので、そのような自然再生状態が行われたときには
図4のリッチ再生フラグRFを0にクリアするとともに
リッチタイマをOFFにして、再生のために図4−図6
のルーチンによる空燃比を強制的にリッチにする回数を
減少させ燃費の向上をさらにはかるようにすることが望
まれる。
【0029】図8、図9のルーチンはそのためのもの
で、ROMに格納されておりCPUに読出されて、一定
時間毎に演算が実行される。すなわち、図8のルーチン
はステップ500で割込まれ、ステップ502でエンジ
ン負荷P、エンジン回転速度Neが読込まれる。P、N
eから現在のエンジン運転状態、したがって空燃比がリ
ッチ状態かどうかがわかり、ステップ504でリッチ領
域と判定されると、ステップ506に進んで自然リッチ
フラグNRFを1とする。そしてステップ508に進ん
で、自然リッチタイマがONか否かを判定し、ONにな
っていないならONにし、既にONであればそのままス
テップ512に進んでリッチ時間を積算していき、つい
でステップ518でリターンする。ステップ504でリ
ッチ領域にないなら、ステップ514に進んで自然リッ
チフラグNRFを0にし、ステップ516で自然リッチ
タイマをストップして、ステップ518に進みリターン
する。
【0030】つぎに、図9のルーチンは、ステップ60
0で割込まれ、ステップ612において、ステップ51
2で積算されたリッチ時間積算時間が所定値以上か否か
判定し、以上なら自然に触媒は再生されたとみなして、
ステップ614に進みリッチ再生フラグRF(図4、図
5にあらわれるリッチ再生フラグRF)を0にクリアす
るとともに、リッチタイマ(図4、図5にあらわれるリ
ッチタイマ)をOFFにする。ステップ612で所定値
以下ならステップ616に進みリターンする。
【0031】つぎに作用を説明する。車両走行状態が市
街地走行状態のような場合は、空燃比リッチ状態すなわ
ち排気還元雰囲気が繰返してあらわれ、NOx吸収分解
触媒6は自然に再生されている。このようなときには図
8、図9のルーチンによりリッチ再生フラグRFが0に
クリアされるので、図4−図6の強制的な空燃比リッチ
状態の作成は行われない。
【0032】車両走行状態が、田舎の国道や、高速道路
での穏やかな運転時のように、比較的長いリーン走行が
続くときは、図4−図6のルーチンが働いて、触媒の再
生が行われる。すなわち、空燃比リーン時にはNOxが
NOx吸収分解触媒6に吸収されていき、そのまま大気
に放出されることが抑制される。しかし、比較的長い時
間NOxを吸収していると、NOx吸収分解触媒6が飽
和してしまい、再生しなければならない。
【0033】この触媒再生を過不足なく行うために、図
4のルーチンでリッチ再生時期を決定し、すなわち、継
続するリーン状態の時間が所定時間をこえたかでリッチ
再生時期を求め、リーン状態が所定時間続いてリッチ再
生フラグRFが1になると、図5のルーチンでリッチタ
イマをONにし、リッチタイマのカウント時間が所定時
間をこえるまで、図6の燃料噴射リッチ制御ルーチンを
呼び、排気を強制的に一時的に還元雰囲気にして、触媒
6の再生を実行する。図6の制御では、ステップ30
4、306、308で、リーンからストイキに変化させ
た時のNOx吸収分解触媒のNOx放出特性に合せて、
リッチ制御(排気雰囲気制御)を行うようにしてあるの
で、触媒再生制御は理想的に行われる。
【0034】
【発明の効果】本発明によれば、排気雰囲気を排気雰囲
気制御手段により触媒温度に応じて変更するようにした
ので、触媒高温時には還元度合が深くかつ還元状態保持
時間が短かくなり、触媒低温時には還元度合が浅くかつ
還元状態保持時間が長くなるように、制御でき、したが
ってNOx吸収分解触媒のNOx放出特性に合せて排気
の還元雰囲気を制御でき、過不足ない触媒再生制御を達
成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置の系統図である。
【図2】本発明のもう一つの実施例に係る内燃機関の排
気浄化装置の系統図である。
【図3】本発明に利用できるNOx吸収分解触媒のNO
x吸収、分解作動原理図である。
【図4】本発明におけるNOx吸収分解触媒の再生時点
を決定する制御ルーチンのフロー図である。
【図5】本発明における排気雰囲気を制御するための制
御ルーチンのフロー図である。
【図6】本発明における排気雰囲気制御を空燃比制御で
行う場合の燃料噴射リッチ制御のルーチンのフロー図で
ある。
【図7】空燃比ストイキ変換後のNOx吸収分解触媒の
NOx放出特性図である。
【図8】自然リッチ状態を判定する制御ルーチンのフロ
ー図である。
【図9】自然リッチ状態が所定時間続いたときにリッチ
再生フラグをクリアする制御ルーチンのフロー図であ
る。
【符号の説明】
2 内燃機関 4 排気通路 6 NOx吸収分解触媒 6A NOx吸収材 6B 三元触媒 8 ECU 10 排気温センサ 12 エンジン負荷センサ 14 エンジン回転速度センサ 16 燃料噴射弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 健治 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 木原 哲郎 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 希薄燃焼可能な内燃機関およびその排気
    通路と、 前記排気通路に設けられた、酸化雰囲気中でNOxを吸
    収し還元雰囲気中で吸収したNOxを分解するNOx吸
    収分解触媒と、 前記NOx吸収分解触媒の温度を代表する温度を検出す
    る温度検出手段と、 前記NOx吸収分解触媒の再生時点を決定する触媒再生
    時点決定手段と、 前記触媒再生時点決定手段が前記NOx吸収分解触媒の
    再生時点がきたと判定したときに、前記内燃機関の排気
    雰囲気を触媒温度に応じて変更する排気雰囲気制御手段
    と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装
    置。
JP4190214A 1992-06-12 1992-06-25 内燃機関の排気浄化装置 Expired - Lifetime JP2722951B2 (ja)

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