JPH06200751A

JPH06200751A - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JPH06200751A
Application number: JP5018205A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Tanaka; 和明田中; Osamu Kimura; 修木村
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1993-01-07
Filing date: 1993-01-07
Publication date: 1994-07-19

Abstract

(57)【要約】【目的】リーンＮＯ_X触媒によって必要浄化率を得る
ことのできる触媒温度範囲から外れた領域での排気浄化
性能の低下を有効に防止する。【構成】貴金属（Ｐｔ，ＩｒおよびＲｈ）をゼオライ
ト粒子に担持しバインダーを用いてセラミック担体にコ
ートしたＮＯ_X触媒を排気系に設け、エンジン水温が一
定水温に達し、エンジンの回転数および負荷が予め設定
されたリーンバーン領域にあって、かつ、触媒入口ガス
温度が必要浄化率が得られる設定温度範囲内のときには
リーンバーン制御を実行する。また、触媒入口ガス温度
が設定温度範囲から外れた高温側では多量ＥＧＲ（Ｄ／
Ｂ）を実行するとともに、空燃比制御を理論空燃比を目
標空燃比とするλ＝１制御に切り換え、触媒入口ガス温
度が設定温度範囲の低温側に外れた場合にはＥＧＲを制
限し空燃比制御はλ＝１制御に切り換える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃費性能を高めるため理
論空燃比よりもリーン（希薄）側の空燃比で運転するエ
ンジンの排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの排気浄化装置として、排気系
に理論空燃比付近でＮＯ_X,ＨＣおよびＣＯを同時に浄化
する三元触媒を設け、所定運転領域でエンジンの空燃比
（Ａ／Ｆ）を理論空燃比（１４.７）近傍に制御するよ
う構成したものが知られている。また、これとは別に、
エンジンの燃費性能を高めるため、空燃比を理論空燃比
よりもリーン側（例えばＡ／Ｆ＝２２）に制御するリー
ンバーンエンジンがあり、このようなエンジンでは、従
来の三元触媒ではＮＯ_Xを浄化できないことから、酸化
雰囲気中でＮＯ_Xを浄化するリーンＮＯ_X触媒が使用され
ている。

【０００３】特開平４−３１６１５号公報に記載された
ものはこのようなリーンＮＯ_X触媒を使用した排気浄化
装置の一例であって、この場合、三元触媒（または酸化
触媒）とリーンＮＯ_X触媒を並列に設け、更にリーンＮ
Ｏ_X触媒の直下流に他の三元触媒（または酸化触媒）を
設けて、暖機時には排気ガスを三元触媒（または酸化触
媒）側に流し、暖機後は排気ガスをリーンＮＯ_X触媒側
に流すよう排気通路を切替えることにより、暖機時には
暖機性のよい三元触媒（または酸化触媒）によってＨ
Ｃ，ＣＯを低減し、暖機後はリーンＮＯ_X触媒によって
ＮＯ_Xを浄化するとともに、リーンＮＯ_X触媒によって浄
化しきれなかったＨＣ，ＣＯを下流の三元触媒（または
酸化触媒）によって低減するようにしている。また、こ
の公報には、排気ガス温度が所定値（例えば４５０゜
Ｃ）以上でＥＧＲ（排気ガス還流）を行うとともに、Ｅ
ＧＲ作動中は空燃比をリーン設定でもややリッチめにす
ることが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】リーンＮＯ_X触媒とし
ては、例えば、貴金属であるＰｔ（白金），Ｉｒ（イリ
ジュウム）およびＲｈ（ロジュウム）をゼオライト粒子
に担持したものをバインダーを用いてセラミック担体に
コートしたものが考えられるが、この種のＮＯ_X触媒は
触媒温度によってＮＯ_X浄化率が大きく変化し、必要浄
化率が得られる温度範囲が狭い。そのため、この種のＮ
Ｏ_X触媒を使用した場合に、設定温度範囲から外れたと
ころでは浄化性能が低下してしまい、高温側ではＮＯ_X
が増大し、低温側ではＨＣおよびＣＯが増大するという
問題が生ずる。上記従来の装置のようにリーンＮＯＸ触
媒と三元触媒を併設する場合に、リーンＮＯＸ触媒と三
元触媒の切り替えをエンジン温度以外に触媒温度に基づ
いて行うようにすることにより、リーンＮＯ_X触媒の浄
化率が低下する領域の浄化性能を三元触媒によって高め
ることも考えられるが、このようにリーンＮＯ_X触媒と
三元触媒を併設すると装置の大型化，コストの増大等が
避けられない。また、上記公報に示されているように、
空燃比をリーン設定とし、排気ガス温度が所定値以上で
ＥＧＲを行うようにすると、触媒温度が上記設定温度範
囲から外れても排気ガス温度が所定値以上であればＥＧ
ＲによってＮＯ_X浄化率を維持できるが、この場合はＥ
ＧＲを行うことによってＨＣおよびＣＯが悪化する。ま
た、上記のようにＥＧＲ作動中に空燃比を多少リッチに
する程度では燃焼性の低下による運転性の悪化を避ける
ことはできない。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であって、リーンＮＯ_X触媒によって必要浄化率を得る
ことのできる触媒温度範囲から外れた領域での排気浄化
性能の低下を装置の大型化や運転性の悪化を招くことな
く有効に防止できるようにすることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、エンジンの排
気系に酸化雰囲気中でＮＯ_Xを浄化する貴金属担持のＮ
Ｏ_X触媒を備えたエンジンの排気浄化装置に係り、特に
ＮＯ_X触媒および排気還流を触媒温度と関連づけた制御
によって有効に活用するようにしたものであって、前記
ＮＯ_X触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、この
触媒温度検出手段の出力を受けＮＯ_X触媒の浄化率が所
定浄化率以上となる予め設定された温度範囲内でエンジ
ンの空燃比が理論空燃比よりもリーン側の設定空燃比に
なるよう該エンジンの空燃比調整装置を制御するリーン
制御手段と、エンジンの排気ガスの一部を吸気系に還流
させる排気ガス還流装置と、前記触媒温度検出手段の出
力を受け、前記温度範囲外の高温側で排気ガス還流装置
を作動させて排気ガス還流を実行する還流実行手段とを
備えたことを特徴とする。

【０００７】また、特に高温側でも排気浄化性能を高め
るためには、触媒温度検出手段の出力を受け設定された
温度範囲外の高温側でエンジンの空燃比が理論空燃比を
含むリッチ側の設定空燃比になるよう空燃比調整装置を
制御する高温時リッチ制御手段を備えたものとする。

【０００８】また、低温側での燃焼安定性を高めるため
には、設定された温度範囲外の低温側で排気還流装置の
作動を制限して排気ガス還流を制限する還流制限手段
と、低温側でエンジンの空燃比が理論空燃比を含むリッ
チ側の設定空燃比になるよう空燃比調子装置を制御する
低温時リッチ制御手段を設ける。

【０００９】図１は本発明の全体構成図である。

【００１０】

【作用】本発明の排気浄化装置においては、ＮＯ_X触媒
の温度が検出され、触媒温度が予め設定された温度範囲
内のときはリーン制御手段による空燃比調整装置の制御
が行われ、エンジンの空燃比は理論空燃比よりもリーン
側の設定空燃比に制御される。このリーン制御が実行さ
れる温度範囲では、ＮＯ_X触媒のＮＯ_X浄化率が所定浄化
率以上であることによって、ＮＯ_Xは必要レベルまで浄
化される。また、ＨＣおよびＣＯは空燃比がリーンであ
るため元々排出量が少なく、しかも、ＮＯ_X触媒は貴金
属を担持するものであってＨＣおよびＣＯを酸化浄化す
る作用もあつことからＨＣおよびＣＯも低減され、また
ＨＣの場合はＮＯ_Xの還元に不可欠であって、ＮＯ_X浄化
に伴って低減される。そして、設定温度範囲から外れた
高温側では、排気ガス還流が実行されて、排気ガス還流
の効果でＮＯ_Xが低減され、その結果、ＮＯ_X触媒の浄化
率が低い高温側でもＮＯ_Xが必要レベルまで低減され
る。このとき、エンジン温度も高く、ＨＣおよびＣＯの
排出は少ない。

【００１１】また、高温時リッチ制御手段を設けたもの
では、触媒温度が設定温度範囲から外れた高温側では排
気ガス還流が行われるととともにエンジンの空燃比がリ
ッチ側の設定空燃比に制御される。この場合、ＮＯ_X触
媒は理論空燃比近傍では触媒温度が高くても浄化特性が
低下しないという特性があり、そのため、ＮＯ_X触媒に
よって必要浄化率が達成され、それに排気ガス還流の効
果が加わって浄化性能が一層高まる。

【００１２】また、低温側で排気ガス還流を制限する還
流制限手段と低温時リッチ制御手段とを設けたもので
は、触媒温度が設定温度範囲から外れた低温側では排気
ガス還流が制限されるとともに、エンジンの空燃比がリ
ッチ側の設定空燃比に制御され、それによって燃焼安定
性が確保される。このときは、エンジン温度も低いため
ＮＯ_Xは元々低レベルである。また、ＨＣおよびＣＯは
ＮＯ_X触媒の貴金属によって酸化され浄化される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１４】図２は本発明の一実施例の全体システム図
である。図において１はエンジンを示す。該エンジン１
には吸気通路２と排気通路３が延設されている。そし
て、吸気通路２はエアクリーナ３に接続され、該吸気通
路２のエアクリーナ３下流にはエンジン１への吸入空気
量を検出するエアフローセンサ４が介設され、その下流
には吸入空気量を調整するスロットル弁５が設置されて
いる。また、吸気通路２にはスロットル弁５の直下流に
サージタンク６が設けられ、サージタンク６の下流でエ
ンジン１への接続部近傍には燃料噴射弁７が設置されて
いる。また、エンジン１の排気通路３にはＮＯ_X触媒８
が設けられ、その入口部分にはガス温センサ９が設置さ
れている。また、排気通路３のＮＯ_X触媒８の上流側に
は排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ₂センサ１０が設
けられている。

【００１５】また、エンジン１には、排気通路３のＮＯ
_X触媒８上流側と吸気通路２のサージタンク６下流側を
連通するＥＧＲ通路１１が設けられ、該ＥＧＲ通路１１
には該通路１１を開閉するＥＧＲ制御弁１２が介設され
ている。

【００１６】上記ＮＯ_X触媒８は、貴金属（Ｐｔ，Ｉｒ
およびＲｈ）をゼオライト粒子に担持しバインダーを用
いてセラミック担体にコートしたものであって、そのＮ
Ｏ_X浄化率は空燃比および触媒温度によって変化し、例
えば図３に示すような特性を示す。

【００１７】図３に示す浄化特性は、触媒容量が１.３
リットル、触媒容量１リットルあたりの貴金属全体量が
６ｇ、ＰｔとＩｒとＲｈの重量比率が３０：１０：１の
触媒を用いた場合の実測結果である。図で、Ａ／Ｆは各
空燃比を、また、λは空気過剰率を示す。なお、図の破
線は三元触媒（ＴＷＣ）の場合を比較例として示したも
のである。

【００１８】エンジン１には上記燃料噴射弁７の制御に
よって空燃比を制御するコントロールユニット１３が設
けられている。そして、空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比
よりもリーン側の設定空燃比（例えばＡ／Ｆ＝２２）に
制御するリーンバーン制御の領域（リーンバーン領域）
がエンジンの回転数および負荷によって予め設定され、
また、リーンバーン状態でＮＯ_X触媒により必要浄化率
を達成できる触媒温度範囲に見合った触媒入口ガス温度
の温度範囲が予め設定される。そして、エンジン水温が
リーンバーンフィードバック制御実行可能水温に達した
後、リーンバーン領域においては触媒入口ガス温度が設
定温度範囲内であることを条件にリーンバーン制御が実
行される。また、リーンバーン領域であっても、触媒入
口ガス温度が高温側に外れた場合には、ＥＧＲ制御弁１
２が開かれて多量ＥＧＲ（Ｄ／Ｂ）が行われるととも
に、エンジン１の空燃比を理論空燃比に制御するλ＝１
制御が行われる。一方、触媒入口ガス温度が設定温度範
囲の低温側に外れた場合には、λ＝１制御が行われ、Ｅ
ＧＲは少量に制限される。

【００１９】図４は触媒入口ガス温度によって切り換え
る上記各制御の温度領域を示している。図で縦軸はＮＯ
_X浄化率であり、破線がそのＮＯ_X浄化率の特性曲線であ
る。

【００２０】エンジン１には、クランク角を検出するク
ランクアングルセンサ１４が設けられ、また、エンジン
水温を検出する水温センサ１５が設けられている。そし
て、これらクランクアングルセンサ１４および水温セン
サ１５の出力が上記コントロールユニット１３に入力さ
れ、クランク角からエンジン回転数が演算される。ま
た、コントロールユニット１３には、エアフローセンサ
４から吸入空気量信号が入力され、Ｏ₂センサ１０から
空燃比信号が入力され、スロットル弁５に付設されたス
ロットル弁全閉のアイドル状態を検知するアイドルスイ
ッチ１６からアイドルスイッチ信号が入力され、ガス温
センサ９から触媒入口ガス温度の検出信号が入力され
る。そして、コントロールユニット１３はこれら入力情
報に基づいてリーンバーン領域で各温度領域に応じてリ
ーンバーン制御あるいはλ＝１制御を実行し、また、ソ
レノイドバルブ１７を介してＥＧＲ制御を実行する。そ
して、リーンバーン制御あるいはλ＝１制御では、エン
ジン回転数および吸入空気量に応じて基本噴射量が演算
され、これにＯ₂センサ１０の出力に基づいたフィード
バック補正等が加えられ、こうして設定された最終噴射
量に相当するパルス幅のパルス信号が燃料噴射弁７に印
加され、それにより、所定のリーンバーン領域で上記の
ように各温度領域に応じてエンジン１の空燃比がリーン
側あるいはλ＝１の設定空燃比に制御される。

【００２１】また、触媒温度を直接検出することは難し
く、そのため、この実施例では上記のように触媒入口ガ
ス温を検出して触媒温度を推測する方法をとっている
が、その場合に、特に触媒入口ガス温度が下降する際に
は触媒入口ガス温とＮＯ_X触媒８本体の温度（ベッド
温）とのずれを補償するため、リーンバーン制御の設定
温度範囲を越えたλ＝１制御の温度領域から設定温度範
囲へ移行する際、および設定温度範囲から低温側へ移行
する際の空燃比制御の切り換えにそれぞれヒスを設けて
いる。また、そのヒスの大きさを適正なものとするた
め、高温側から設定温度範囲へ移行する際には高温側で
の滞在時間からベッド温を推定し、設定温度範囲から低
温側へ移行する際には設定温度範囲での滞在時間からベ
ッド温を推定することによってヒスを変更している。

【００２２】図５は触媒温度に応じた上記制御を実行す
るフローチャートである。この制御はＳ１〜Ｓ１４の各
ステップからなり、スタートすると、Ｓ１でエンジン回
転数，負荷（吸入空気量），空燃比，エンジン水温，ア
イドルスイッチ信号，触媒入口ガス温等の各種信号を読
み込み、まず、Ｓ２でエンジン水温（ＴＷ）がリーンバ
ーンフィードバック実行可能水温（ＴＷＬ）に達してい
るかどうかを判定する。そして、ＴＷ≧ＴＷＬであれ
ば、Ｓ３でアイドルスイッチがＯＦＦであるかどうかを
見て、アイドルスイッチがＯＦＦでアイドル時でないと
いうことであれば、Ｓ４へ進む。

【００２３】Ｓ４ではエンジン回転数と負荷から、リー
ンバーン領域かどうかを判定する。そして、リーンバー
ン領域であれば、Ｓ５で触媒入口ガス温（Ｔ_A）が最低
必要浄化率が得られる下限側のガス温（Ｔ₁）より高い
かどうかを判定し、Ｔ_A＞Ｔ₁であれば、次いで、Ｓ７で
触媒入口ガス温（Ｔ_A）が最低必要浄化率が得られる上
限側のガス温（Ｔ₂）より低いかどうかを判定する。そ
して、Ｔ_A＜Ｔ₂であれば、すなわちＴ₁＜Ｔ_A＜Ｔ₂とい
うことで、このときはＳ７へ進んでリーンバーン制御を
実行する。

【００２４】また、Ｓ６の判定でＴ_A≧Ｔ₂というとき
は、Ｓ８で多量ＥＧＲを実行し、かつ、λ＝１制御を実
行する。そして、Ｓ９へ進み、触媒入口ガス温（Ｔ_A）
が上限ガス温（Ｔ₂）を一旦越えた後でＴ_A＝Ｔ₂まで下
がったかどうかを判定し、Ｔ_A＝Ｔ₂に下がるまでＳ８〜
Ｓ９を繰り返す。そして、Ｔ_A＝Ｔ₂まで下がったという
ときは、Ｓ１０でＴ₂を越えてからそれまでの経過時間
（ｔ₂）を演算する。そして、Ｓ１１へ進んで、触媒入
口ガス温がＴ₂の状態でｔ₂時間経過したことから推定さ
れるベッド温（Ｔ₂₀）を求め、触媒入口ガス温（Ｔ_A）
が推定ベッド温（Ｔ₂₀）より低くなった（Ｔ_A＜Ｔ₂₀）
かどうかを判定して、Ｔ_A＜Ｔ₂₀になるまでは、触媒入
口ガス温（Ｔ_A）が下がったがベッド温はまだ高いとい
うことでＳ１０〜Ｓ１１を繰り返し、その間はＥＧＲお
よびλ＝１制御を続け、Ｔ_A＜Ｔ₂₀になったところでＳ
７へ進んでリーンバーン制御に切り換える。

【００２５】また、Ｓ５の判定で触媒入口ガス温
（Ｔ_A）が下限側ガス温（Ｔ₁）まで下がった（Ｔ_A≦
Ｔ₁）というときは、Ｓ１２へ進んで、それまでのリー
ンバーン領域での滞在時間（ｔ₁）を演算し、次いで、
Ｓ１３で触媒入口ガス温がＴ₁の状態でｔ₂時間リーンバ
ーン領域に滞在したことから推定されるベッド温
（Ｔ₁₀）を求め、触媒入口ガス温（Ｔ_A）がこの場合の
推定ベッド温（Ｔ₁₀）より高い（Ｔ_A＞Ｔ₁₀）かどうか
を見る。そして、Ｔ_A≦Ｔ₁₀であれば、ベッド温はまだ
高いということで、Ｓ７へ進んでそのままリーンバーン
制御を続け、Ｔ_A＞Ｔ₁₀となったら、触媒入口ガス温が
下限側ガス温（Ｔ₁）より低く、ベッド温がそれより更
に低いということで、Ｓ１４へ進んでλ＝１制御に切り
換える。

【００２６】なお、上記実施例では触媒温度が設定温度
範囲を外れた領域での空燃比をλ＝１すなわち理論空燃
比としているが、これら設定温度範囲外での空燃比制御
は理論空燃比よりさらにリッチ側に制御するものであっ
てもよい。

【００２７】また、本発明は、例えば上記実施例のよう
に、触媒温度が設定温度範囲内ではリーンバーン制御を
行い、高温側にずれた場合にはＥＧＲとともに空燃比制
御をλ＝１制御に切り換え、低温側にずれた場合にはＥ
ＧＲは制限して空燃比制御をλ＝１制御に切り換えるこ
とにより設定温度範囲外での排気浄化性能の低下を防ぐ
ものであるが、他に、図３に示すようにＮＯ_X触媒には
浄化率が最大となる触媒温度（触媒入口ガス温）が空燃
比が大きくなるにつれて低温側にずれるという特性があ
ることを利用して、エンジンの空燃比をリーン側の例え
ばＡ／Ｆ＝１６に設定したまま、ＮＯ_X触媒の上流に２
次エアーを供給し、その２次エアー量を触媒入口温度に
応じて調整することで特に低温側で高い浄化率を保つよ
うにすることも可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、ＮＯ_X触媒の温度が高く浄化率の落ちる領域で排気
ガス還流によって浄化性能を維持でき、そのために装置
の大型化を招くことがない。また、排気ガス還流に加え
て空燃比をリッチ側へ制御することにより、リッチ側で
は触媒温度が高くても浄化率が落ちないというＮＯ_X触
媒の特性を利用して、また、リッチ設定であるため排気
ガス還流による運転性の悪化を招くこともなく、浄化性
能の低下が一層有効に防止できる。また、触媒温度の低
い領域では空燃比をリッチ側へ制御することによって燃
焼安定性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体構成図

【図２】本発明の一実施例の全体システム図

【図３】本発明の一実施例におけるＮＯ_X触媒の浄化特
性図

【図４】本発明の一実施例の制御領域図

【図５】本発明の一実施例の制御を実行するフローチャ
ート

【符号の説明】

１エンジン７燃料噴射弁８ＮＯ_X触媒９ガス温センサ１１ＥＧＲ通路１２ＥＧＲ制御弁１３コントロールユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンの排気系に酸化雰囲気中でＮＯ
_Xを浄化する貴金属担持のＮＯ_X触媒を備えたエンジンの
排気浄化装置であって、前記ＮＯ_X触媒の温度を検出す
る触媒温度検出手段と、前記触媒温度検出手段の出力を
受け前記ＮＯ_X触媒の浄化率が所定浄化率以上となる予
め設定された温度範囲内でエンジンの空燃比が理論空燃
比よりもリーン側の設定空燃比となるよう該エンジンの
空燃比調整装置を制御するリーン制御手段と、エンジン
の排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流装
置と、前記触媒温度検出手段の出力を受け、前記温度範
囲外の高温側で前記排気ガス還流装置を作動させて排気
ガス還流を実行する還流実行手段とを備えたことを特徴
とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】前記触媒温度検出手段の出力を受け前記
温度範囲外の高温側でエンジンの空燃比が理論空燃比を
含むリッチ側の設定空燃比になるよう前記空燃比調整装
置を制御する高温時リッチ制御手段を備えた請求項１記
載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】前記触媒温度検出手段の出力を受け前記
温度範囲外の低温側で前記排気還流装置の作動を制限し
て排気ガス還流を制限する還流制限手段と、前記温度検
出手段の出力を受け前記低温側でエンジンの空燃比が理
論空燃比を含むリッチ側の設定空燃比になるよう前記空
燃比調整装置を制御する低温時リッチ制御手段を備えた
請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。