JPH1047113A

JPH1047113A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JPH1047113A
Application number: JP8202310A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kihara; 哲郎木原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 1998-02-17
Anticipated expiration: 2016-07-31
Also published as: JP3123438B2

Abstract

(57)【要約】【課題】機関燃焼室内の成層の度合いに応じて、吸蔵
還元型リーンＮＯx 触媒に吸蔵されたＮＯx を好適に放
出還元させる。【解決手段】排気系には空燃比がリーンの時にはＮＯ
x を吸蔵し、リッチの時にはその吸蔵したＮＯx を放出
還元する吸蔵還元型リーンＮＯx 触媒１７と、リーン運
転状態の中で、ヘリカルポートから流入するスワール流
の流速を可変するか、または吸気行程の燃料噴射時期を
可変することにより、燃焼室内の混合気の成層度合いを
変更する混合気成層度合い可変手段２７と、成層度合い
に応じて空燃比をリッチにするタイミング又はリッチ時
間を補正する補正手段３０と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の排気浄化
装置に関し、特に吸蔵還元型リーンＮＯx 触媒を備え、
該触媒に吸蔵されたＮＯx を好適に放出還元させる内燃
機関の排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】吸蔵還元型リーンＮＯx 触媒を備え、機
関がリーン空燃比運転状態のときに排出したＮＯx を該
触媒に吸蔵させ、該触媒のＮＯx の吸蔵能力（ワーキン
グキャパシティ）を維持するため、短時間、リッチ空燃
比運転状態にして排気ガス中の酸素濃度を薄くして該触
媒が吸蔵したＮＯx を放出還元させるとともに三元触媒
としても該触媒を作用させる内燃機関の排気浄化装置が
提案されている（ＷＯ９３／０７３６３参照）。上記排
気浄化装置は、機関から排出されるＮＯx 量の大小にか
かわらず大気中に放出される有害成分を良好に低減する
ため、機関の回転数および負荷にそれぞれ比例する該触
媒の単位時間当たりのＮＯx 吸蔵量から該触媒に吸蔵さ
れるＮＯx 量を推定し、該触媒に吸蔵されたＮＯx 量
が、該触媒の温度に応じて変化する該触媒のＮＯx 吸収
容量の許容量を越えたとき、例えば排気ガス温度から検
出される該触媒の温度に比例する単位時間当たりのＮＯ
x 放出量の時間変化に基づき、空燃比をリッチにして放
出されたＮＯx を還元するのに適量な未燃ＨＣ、ＣＯの
量を機関から排出させるように制御している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記排気浄化装置は、
上述したように吸蔵還元型リーンＮＯx 触媒に吸蔵され
るＮＯx 量を、機関の運転状態、すなわち回転数や負荷
に基づいて推定しているが、この排気浄化装置を、安定
したリーン空燃比運転可能とするためスワールコントロ
ールバルブ（ＳＣＶ）を設けた機関に適用した場合、下
記のような問題が生じる。すなわち、機関の運転状態が
同一であっても過渡時に、例えば低負荷加速時にＳＣＶ
を閉から開へ、高負荷減速時にＳＣＶを開から閉へ切り
換えらることがあり、ＳＣＶの開閉状態によって機関か
らのＮＯx 排出量が異なるので、該触媒に吸蔵されるＮ
Ｏx 量の推定が不正確になる。より詳細に説明すると、
ＳＣＶ閉のときのＮＯx 排出量を推定してＳＣＶ開のと
きの該触媒のＮＯx 吸蔵量を算出すると、ＳＣＶ閉のと
きは強いスワール流により燃焼速度が上がるとともに燃
焼室内の混合気の成層化が進み、燃焼温度が上がりＮＯ
x の発生が増大するものと推定されるので、早期に該触
媒のＮＯx 吸収容量が許容値を越えたと判断され、早期
にリッチ運転状態とされ、燃費が悪化するという問題が
ある。一方、ＳＣＶ開のときのＮＯx 排出量を推定して
ＳＣＶ閉のときの該触媒のＮＯx 吸蔵量を算出すると、
ＳＣＶ開のときは弱いスワール流により燃焼速度が下が
るとともに燃焼室内の混合気の均質化が進み、燃焼温度
が下がりＮＯx の発生が減少するものと推定されるの
で、該触媒のＮＯx 吸収容量が許容値を越えても、リッ
チ運転状態とされず、ＮＯx が該触媒に吸蔵されず素通
りとなり、排気浄化性が悪化するという問題がある。

【０００４】それゆえ、本発明は上記問題を解決するた
め、例えばスワールコントロールバルブの開閉状態で異
なる機関燃焼室内の成層の度合いに応じて、吸蔵還元型
リーンＮＯx 触媒に吸蔵されるＮＯx を好適に放出還元
させる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決する本発
明の内燃機関の排気浄化装置は、排気系には空燃比がリ
ーンの時にはＮＯx を吸蔵し、リッチの時にはその吸蔵
したＮＯx を放出還元する吸蔵還元型リーンＮＯx 触媒
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、リーン運転
状態の中で燃焼室内の成層度合いを変更する混合気成層
度合い可変手段と、成層度合いに応じて空燃比をリッチ
にするタイミング又はリッチ時間を補正する補正手段
と、を備えたことを特徴とする。

【０００６】燃焼室内の混合気の成層度合い、すなわち
混合気の状態が均質であるか成層であるかあるいはその
中間であるか、によって異なるＮＯx の排出量に応じ
て、リッチスパイクの発生タイミング（空燃比をリッチ
にするタイミング）またはリッチスパイクの発生時間
（リッチ時間）を可変するので、吸蔵還元型リーンＮＯ
x触媒に吸蔵されたＮＯx を好適に放出還元できる。し
たがって、吸蔵還元型リーンＮＯx 触媒の吸蔵還元作用
を維持しつつ排気浄化性を良好にするとともに、余分な
リッチスパイクを発生させないので、燃費が向上する。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ本発
明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実
施例の概略構成図である。本図において、１は機関、２
はピストン、３は燃焼室、４は点火栓、５は吸気弁、６
は吸気ポート、７は排気弁、８は排気ポートをそれぞれ
示す。吸気ポート６は対応する枝管９を介してサージタ
ンク１０に連結され、各枝管９は隔壁により２つの通路
に分割され図示しないストレートポートとヘリカルポー
トに接続される。隔壁の下流とストレートポートおよび
ヘリカルポートの上流との間に燃料噴射弁１１が配設さ
れ、ストレートポートの上流の枝管９内にはスワールコ
ントロールバルブ（ＳＣＶ）２７が配設される。アクチ
ュエータ２８の作動によりＳＣＶ２７が閉弁されるとス
ワールポートから燃焼室３に吸引される空気の流速が速
くなり、燃焼室内の混合気の成層度が上がり、成層度合
いの高い混合気が生成され、ＳＣＶ２７が開弁されると
スワールポートから燃焼室３に吸引される空気の流速が
遅くなり、燃焼室内の混合気の成層度が下がり、均質な
混合気が生成される。サージタンク１０は、吸気ダクト
１２を介してエアクリーナ１３に連結され、吸気ダクト
１２内にはスロットル弁１４が配置される。一方、排気
ポート８は排気マニホルド１５および排気管１６を介し
て吸蔵還元型リーンＮＯx 触媒１７を内蔵したケーシン
グ１８に接続される。

【０００８】電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０は、デジ
タルコンピュータからなり、双方向バス３１によって相
互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、Ｒ
ＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（中央処
理装置）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を
備える。サージタンク１０内にはサージタンク内の絶対
圧に比例した出力電圧を発生する吸気圧センサ１９が取
り付けられ、この吸気圧センサ１９の出力電圧がＡＤ変
換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、
排気マニホルド１５内には排気ガス中の酸素濃度を検出
するＯ₂センサ２０が取り付けられ、このＯ₂センサ２
０の出力電圧がＡＤ変換器３８を介して入力ポート３５
に入力される。

【０００９】一方、イグナイタ２６を介して電力供給を
受け点火栓４を点火するディストリビュータ２２は、ク
ランクシャフト２１の回転に対し、クランク角に換算し
て７２０°ＣＡ毎に基準位置を検出してパルス信号を発
生するクランク角基準センサ２３と、３０°ＣＡ毎のク
ランク角度を検出してパルス信号を発生するクランク角
センサ２４とを備える。これらクランク角基準センサ２
３とクランク角センサ２４の出力信号は入力ポート３５
に入力される。また、ケーシング１８の上流の排気管１
６内には排気ガス温を検出しその温度に比例した出力電
圧を発生する温度センサ２５が取り付けられ、この温度
センサ２５の出力電圧がＡＤ変換器３９を介して入力ポ
ート３５に入力される。また、機関１のウォータージャ
ケットには水温センサ２９が取り付けられ、この水温セ
ンサ２９の出力電圧がＡＤ変換器４０を介して入力ポー
ト３５に入力される。一方、出力ポート３６には、対応
する駆動回路４１、４２および４３を介してそれぞれイ
グナイタ２６、アクチュエータ２８および燃料噴射弁１
１に接続される。

【００１０】次に、機関から排出されるＮＯx の排出量
について以下に説明する。図２はＮＯx 排出量と空燃比
との関係を示す図である。本図は機関の回転数および負
荷が略一定の条件下で目標空燃比を変化させたときのＮ
Ｏx 排出量の実験結果を示す。本図において、横軸は空
燃比Ａ／Ｆを、縦軸は単位時間当たりのＮＯx 排出量
を、それぞれ示す。スワールコントロールバルブＳＣＶ
２７の開閉状態により、機関から排出されるＮＯx の単
位時間当たりの排出量は異なり、実験結果からＳＣＶ２
７が開のときは実線で示す曲線が得られ、ＳＣＶ２７が
閉のときは破線で示す曲線が得られた。

【００１１】ところで、一般的に、空燃比が高くなると
燃焼室内の酸素濃度が減少し、排出ガス中にはほとんど
酸素がなくなり、ＨＣ、ＣＯが過剰に排出されＮＯx は
これらＨＣ、ＣＯにより還元される。図２から、空燃比
Ａ／Ｆ＞１７におけるＳＣＶ閉のときは、ＳＣＶ開のと
きと比して、強いスワール流が生成され、燃焼速度が上
がるとともに燃焼室内の混合気の成層化が進み、燃焼温
度が上がるので、ＳＣＶ閉のときの単位時間当たりのＮ
Ｏx 排出量は、ＳＣＶ開のときより多くなることが判
る。一方、空燃比Ａ／Ｆ≦１７におけるＳＣＶ閉のとき
は、ＮＯx の排出量は、ＳＣＶ開のときより低くなるこ
とが判る。これは、Ａ／Ｆ≦１７におけるＳＣＶ開のと
きは、燃焼室内の混合気が均質状態となるので、燃焼効
率が上がり、燃焼温度が上がるので、ＳＣＶ開のときの
単位時間当たりのＮＯx 排出量は、ＳＣＶ閉のときより
多くなるからである。

【００１２】次に、図１に示す内燃機関の排気浄化装置
において実行される本発明によるＥＣＵ３０のエンジン
制御処理について、以下に説明する。また、本発明によ
るリーン運転状態の中で燃焼室内の成層度合いを変更す
る混合気成層度合い可変手段は、以下の実施例で説明す
るように、スワールコントロールバルブ２７を流量制御
弁に変えたもの、あるいはＥＣＵにより燃料噴射時期を
変更すること、により達成される。一方、本発明による
成層度合いに応じて空燃比をリッチにするタイミング又
はリッチ時間を補正する補正手段は、ＥＣＵにより後述
のリッチスパイクＲＳ制御ルーチンを実行することによ
り達成される。

【００１３】先ず、燃料噴射制御について説明する。図
３は実施例の燃料噴射時間算出ルーチンのフローチャー
トである。本ルーチンはメインルーチンの中で１msecの
処理周期で実行される。先ず、ステップ３０１では、機
関の運転状態を検出する。具体的にはクランク角センサ
２４から算出された回転数ＮＥや、吸気圧センサ１９に
より検出された吸気管内圧力ＰＭ、すなわち負荷状態を
読み込む。ステップ３０２では、ＲＯＭ３２に格納され
たＮＥ、ＰＭの２次元マップ（図示せず）から機関の運
転状態に応じた基本燃料噴射時間ＴＰを算出する。後述
するリッチスパイク制御実行中を示すフラグＲＳＦＬＧ
によりリッチスパイク制御実行中か否かを判別し、リッ
チスパイク制御実行中でないとき（ＲＳＦＬＧ＝０）は
ステップ３０４へ進み、リッチスパイク制御実行中のと
き（ＲＳＦＬＧ＝１）はステップ３０５へ進み、ステッ
プ３０５では、リーン空燃比補正係数ＦＬＥＡＮを、例
えば１．４５にセットする。このＦＬＥＡＮ＝１．４５
は、空燃比１０を示す。ステップ３０４では、ＲＯＭ３
２に格納されたＮＥ、ＰＭの２次元マップ（図示せず）
から機関の運転状態に応じたリーン空燃比補正係数ＦＬ
ＥＡＮを算出する。このＦＬＥＡＮは、低中速、軽負荷
のとき例えば０．５０（Ａ／Ｆ＝２９）に設定され、高
速、中高負荷のとき例えばため０．６７（Ａ／Ｆ＝２
２）に設定される。ステップ３０６では、燃料噴射時間
ＴＡＵを次式に基づき算出する。ＴＡＵ＝ＴＰ＊ＦＬＥＡＮ

【００１４】ステップ３０７では、Ｏ₂センサ２０から
検出される空燃比に応じてＲＯＭ３２に格納されたマッ
プ（図示せず）から点火時期θを算出する。この点火時
期θは空燃比が理論空燃比１４．５からリーンとなるに
つれてより進角側となっている。これは空燃比がリーン
となると機関の燃焼が不安定になりトルク変動率が上が
り、このトルク変動率を低く抑えるためには点火時期を
進角側へ移すとよいからである。

【００１５】ステップ３０８では、水温センサ２９から
水温ＴＨＷを読み込む。ステップ３０９では、機関が冷
間時（暖機中）であるかをＴＨＷが、例えば８０°Ｃに
到達していないか否かにより判別し、ＴＨＷ＜８０のと
きは冷間時とみなしステップ３１０へ進み、ＴＨＷ≧８
０のときは暖機完了とみなし本ルーチンを終了する。ス
テップ３１０では、水温ＴＨＷに基づき機関の暖機状態
を示す暖機補正係数ＦＷＬをＲＯＭ３２に格納されたマ
ップ（図示せず）から算出しステップ３０６で算出した
燃料噴射時間ＴＡＵに暖機補正係数ＦＷＬを乗算して新
たなＴＡＵを求め（ＴＡＵ←ＴＡＵ＊ＦＷＬ）、増量補
正する。またステップ３１１では、水温ＴＨＷに基づき
ステップ３０７で算出した点火時期θを水温が低い程進
角側に補正する。これは、水温が低いので、燃焼ガスの
温度を上げ早期に暖機するためとドライバビリティを向
上させるためである。

【００１６】このように実施例の燃料噴射制御は、ステ
ップ３１０で算出した燃料噴射時間ＴＡＵだけクランク
各基準センサ２３およびクランク角センサ２４からの出
力信号から算出した各気筒の燃料噴射時期に駆動回路４
３を駆動して燃料噴射弁１１を開弁するよう制御する。
また、実施例の点火時期制御は、ステップ３１１で算出
した点火時期θをクランク角センサ２４からの出力信号
から検出し、その検出時に駆動回路４１を駆動してイグ
ナイタ２６に点火信号を送り、ディストリビュータ２２
を介して点火栓４に電流を流し、燃焼室内の混合気に点
火するよう制御する。なお、この点火時期は、クランク
角センサ２４からの出力信号が３０°ＣＡ毎の信号であ
るため、この出力信号間を例えば３０内挿して１°ＣＡ
毎に設定できるようにしてある。

【００１７】次に、本発明のリッチスパイク（ＲＳ）制
御について以下に説明する。図４は第１実施例のＲＳ制
御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、例
えば１０msecの処理周期で実行される。先ず、ステップ
４００では、リッチスパイクＲＳ制御実行中を示すフラ
グＲＳＦＬＧによりＲＳ制御実行中か否かを判別し、Ｒ
Ｓ制御実行中でないとき（ＲＳＦＬＧ＝０）はステップ
４０１へ進み、ＲＳ制御実行中のとき（ＲＳＦＬＧ＝
１）はステップ４１３へ進む。このフラグＲＳＦＬＧ
は、イグニッションキーをオンにする時にリセットされ
る。

【００１８】ステップ４０１では、機関の運転状態、す
なわちクランク角センサ２４から回転数ＮＥ、吸気圧セ
ンサ１９から負荷ＰＭ、等をそれぞれ読み込む。ステッ
プ４０２では、機関の運転状態、ステップ４０１で読み
込んだＮＥ、ＰＭに基づいて図示しないＲＯＭ３２に格
納されたマップから単位時間当たり機関から排出される
ＮＯx 量Ｎ_ijを算出する。ステップ４０３では、スワー
ルコントロールバルブＳＣＶ２７の開閉状態を示すフラ
グＳＦＬＧ読み込み、ＳＣＶ２７が開（ＳＦＬＧ＝０）
のときはステップ４０４へ進み、ＳＣＶ２７が閉（ＳＦ
ＬＧ＝１）のときはステップ４０５へ進む。このＳＣＶ
２７の開閉は、機関の運転状態に応じて定められてお
り、例えば暖機時には開、加速時には開、減速時には
閉、および回転数ＮＥと負荷ＰＭから求められる低中速
軽中負荷時には閉、高速高負荷時には開、とするよう設
定されている。

【００１９】ステップ４０４では、ＳＣＶ開のときの目
標リーン空燃比Ａ／Ｆを、本実施例ではＡ／Ｆ＝２２に
設定する。ステップ４０６では、ステップ４０１で読み
込んだ機関のＮＥ、ＰＭに応じてステップ４０２で算出
した単位時間当たりのＮＯx排出量Ｎ_ijと、ステップ４
０４で設定した目標リーン空燃比Ａ／Ｆ＝２２に対応し
て図２に実線で示すＲＯＭ３２に格納されたマップから
算出される単位時間当たりのＮＯx 排出量Ｎ_kと、から
今回処理周期の単位時間当たりのＮＯx 排出量ＮＶＯＬ
を算出する。

【００２０】このＮＶＯＬの算出は、次のように行う。
先ず、図２のマップ算出の際に機関の回転数ＮＥ、負荷
ＰＭはそれぞれ所定値ＮＥＣ、ＰＭＣに設定されてお
り、機関のＮＯx 排出量はＮＥ、ＰＭにそれぞれ比例
（Ｋ₁、Ｋ₂は比例定数）するので、今回処理周期のＮ
_ijはステップ４０１で読み込んだ機関のＮＥ、ＰＭと、
これらＮＥ、ＰＭからステップ４０２で算出したＮ_ijと
から次式で算出される。Ｎ_ij＝Ｎ_ij＊（Ｋ₁＊ＮＥ／ＮＥＣ）＊（Ｋ₂＊ＰＭ／
ＰＭＣ）

【００２１】しかるに、ステップ４０２で算出したＮ_ij
は、機関の運転条件として、空燃比Ａ／Ｆが２２、ＳＣ
Ｖが開のときの実験データであるので、今回処理周期の
空燃比Ａ／Ｆが２２、ＳＣＶが開であり、機関の回転数
と吸気圧がそれぞれＮＥ、ＰＭであれば、図２のマップ
から算出される単位時間当たりのＮＯx 排出量Ｎ_kは、
上式で算出したＮ_ijと一致する。したがって、機関の運
転条件として、空燃比Ａ／Ｆが２２、ＳＣＶが開、機関
の回転数がＮＥＣ、吸気圧がＰＭＣのときの単位時間当
たりのＮＯx 基準排出量を、Ｎ_k0とすると、最終的に今
回処理周期の単位時間当たりのＮＯx 排出量ＮＶＯＬ
は、次式で与えられる。ＮＶＯＬ＝Ｎ_ij＊Ｎ_k／Ｎ_k0

【００２２】一方、ステップ４０５では、ステップ４０
４と同様に、ＳＣＶ閉のときの目標スーパーリーン空燃
比Ａ／Ｆを、Ａ／Ｆ＝３０に設定する。ステップ４０７
では、ステップ４０６と同様に、ステップ４０１で読み
込んだ機関のＮＥ、ＰＭに応じてステップ４０２で算出
した単位時間当たりのＮＯx 排出量Ｎ_ijと、ステップ４
０５で設定した目標スーパーリーン空燃比Ａ／Ｆ＝３０
に対応して図２に破線で示すＲＯＭ３２に格納されたマ
ップから算出される単位時間当たりのＮＯx 排出量Ｎ_k
と、から今回処理周期の単位時間当たりのＮＯx 排出量
ＮＶＯＬを算出する。

【００２３】次いで、ステップ４０８では、ｎ＝ｎ＋１
を演算する。ステップ４０９では、処理周期が１０msec
であるので、単位時間当たりのＮＯx 排出量ＮＶＯＬ
に、吸蔵還元型リーンＮＯx 触媒（以下、単にＮＯx 触
媒と記す）１７へのＮＯx 吸蔵開始からの時間ｎ／１０
０(sec）を、乗算しＮＯx 触媒１７に吸蔵されるＮＯx
の積算値ＡＮＶＯＬを次式から求める。ＡＮＶＯＬ＝ＮＶＯＬ＊（ｎ／１００）

【００２４】ステップ４１０では、ＮＯx の積算値ＡＮ
ＶＯＬがＮＯx 触媒１７のＮＯx の吸蔵許容値ａを越え
たか否かを判断し、その判断結果がＹＥＳのときはステ
ップ４１１へ進み、その判断結果がＮＯのときは本ルー
チンを終了する。ステップ４１１では、ＮＯx 触媒１７
がＮＯx の吸蔵許容値ａを越えたので、ＮＯx 積算値Ａ
ＮＶＯＬを０にクリアーする。ステップ４１２では、リ
ッチスパイクフラグＲＳＦＬＧを１にセットする。この
ＲＳＦＬＧが１にセットされると、図３のフローチャー
トにおけるステップ３０３でＲＳ制御実行中と判断さ
れ、次いでステップ３０５でリーン空燃比補正係数ＦＬ
ＥＡＮが１．４５にセットされ、リッチスパイク制御が
実行される。

【００２５】ここで、リッチスパイクの最適曲線につい
て以下に説明する。図５はＮＯx 放出特性を示す図であ
り、図６はリーン空燃比補正係数ＦＬＥＡＮの変化を示
す図である。図５は、機関の空燃比をリーンからリッチ
に切り換えた時に、ＮＯx を吸蔵したＮＯx 触媒１７か
ら放出されるＮＯx 放出量の曲線を示す。実線は温度セ
ンサ２５から検出される機関の排気温度が高いとき、破
線は低いときをそれぞれ示す。

【００２６】従って、リッチスパイクの最適曲線は、図
６に示すように、排気温に応じて図５に示すＮＯx 放出
特性に合わせて設定することが最適である。具体的に
は、リーンからリッチに切り換わってから、すなわちＮ
Ｏx 触媒１７がＮＯx 放出開始してから、時刻ｔ₁まで
はαで示すように徐々にリーン空燃比補正係数ＦＬＥＡ
Ｎを増加し、時刻ｔ₁からｔ₂までは時刻ｔ₁のＦＬＥ
ＡＮを維持し、時刻ｔ₂からｔ₃まではβで示すように
徐々にＦＬＥＡＮを減少するよう設定する。矩形なリッ
チスパイクを発生させた場合は、０＜ｔ＜ｔ₁およびｔ
₂＜ｔ＜ｔ₃の間に、機関から排出される未燃ＨＣ、Ｃ
Ｏの量がＮＯx 触媒１７から放出されたＮＯx を還元し
得るより多くなり余剰のＨＣ、ＣＯとして大気へ放出さ
れるが、このようにＦＬＥＡＮを設定してリッチスパイ
クを発生させることにより、余剰のＨＣ、ＣＯの大気へ
の放出が防止できる。一方、この間に、リッチの度合い
が低い矩形リッチスパイクを発生させた場合は、機関か
ら排出される未燃ＨＣ、ＣＯの量がＮＯx 触媒１７から
放出されたＮＯx を還元し得るより少ないので還元され
ないＮＯx が大気へ放出される。したがって、図６に示
すリッチスパイクを発生させるのが最適であるが、上記
時刻ｔ₃は排気温が変化しても０．２〜０．４秒程度で
あるので、本実施例では、説明の便宜上、排気温に応じ
た矩形スパイクを発生させる例で説明する。

【００２７】次に、ステップ４１３では、リッチスパイ
ク時間カウンタを１だけインクリメントする。すなわ
ち、ＣＲＳ＝ＣＲＳ＋１を算出する。ステップ４１４で
は、リッチスパイク時間カウンタＣＲＳが温度センサ２
５から検出される機関の排気温に応じて設定される所定
時間ｂを経過したか否かを判断し、その判断結果がＹＥ
Ｓのときはステップ４１５へ進み、その判断結果がＮＯ
のときは本ルーチンを終了する。ステップ４１５では、
リッチスパイク時間カウンタＣＲＳをリセットし、ステ
ップ４１６では、リッチスパイクフラグＲＳＦＬＧを０
にリセットする。次回からの処理周期では、ＲＳＦＬＧ
が０なのでステップ４００でＹＥＳと判別され、ステッ
プ４０１〜４１０が実行され、ＮＯx 触媒１７がＮＯx
吸蔵許容値ａを越えるまでの間、ステップ４１０でＮＯ
と判別されるので、ステップ４１１〜４１６までの処理
は実行されない。

【００２８】このように、第１実施例のリッチスパイク
制御は、ＮＯx 触媒１７が吸蔵したＮＯx を略完全に放
出した後、再びＮＯx を吸蔵開始してからＮＯx 吸蔵許
容値ａを越えるまでの間、空燃比Ａ／Ｆ＝２２または３
０のリーン運転し、次いでリッチスパイク時間カウンタ
ＣＲＳで設定された設定値ｂに相当する時間（０．２〜
０．４秒）、例えば空燃比Ａ／Ｆ＝１０のリッチ運転し
て、この短い時間にＮＯx 触媒１７に吸蔵されたＮＯx
を放出還元し、これを繰り返し実行する。

【００２９】第１実施例では、ＳＣＶ開のときは目標リ
ーン空燃比２２に、ＳＣＶ閉のときは目標スーパーリー
ン空燃比３０に設定したが、目標空燃比を機関の運転状
態に応じて連続的に、例えば負荷が大きい程低い空燃比
に、すなわちリッチに、設定する第２実施例と第３実施
例について以下に説明する。第２実施例においては、図
１に示すＳＣＶ２７は、流量制御弁ＦＣＶに置き換えら
れ、ＦＣＶの開閉位置を機関の負荷状態に応じて、全閉
位置から全開位置まで連続的に可変させて、ＦＣＶを通
過する空気の通路断面積を調整して空気流量を制御でき
るようにする。機関の負荷状態に応じて、この流量制御
弁ＦＣＶの開閉位置を変え、燃焼室に生成される混合気
の成層度合いを変えることができる。なお、第１および
２実施例の成層状態として、点火栓近傍にリッチな層
が、点火栓から半径方向に遠ざかった所ではリーンな層
が、それぞれ生成される。一方、第３実施例において
は、図１に示すＳＣＶ２７は、第１実施例と同様な開閉
可能な切換弁であって、ＳＣＶ２７が開の状態で、機関
の負荷状態に応じて、燃料噴射時期を可変することによ
り、燃焼室に生成される混合気の成層度合いを変えるこ
とができる。なお、第３実施例の成層状態として、点火
栓近傍のシリンダ上方にリッチな層が、点火栓からシリ
ンダ下方に遠ざかった所ではリーンな層が、それぞれ生
成される。

【００３０】第２実施例と第３実施例を説明する前に、
機関の燃焼室内の成層度合いを変化させたときのＮＯx
排出量と空燃比との関係を図７を用いて以下に説明す
る。本図は機関の回転数および負荷が略一定の条件下で
目標空燃比を変化させたときのＮＯx 排出量の実験結果
を示す。本図において、横軸は空燃比Ａ／Ｆを、縦軸は
単位時間当たりのＮＯx 排出量を、それぞれ示す。第２
実施例において、流量制御弁ＦＣＶの開閉位置を変更さ
せると、機関から排出されるＮＯx の単位時間当たりの
排出量が変化し、実験結果からＦＣＶが開のときは実線
で示す曲線が得られ、ＦＣＶが閉のときは破線で示す曲
線が得られ、ＦＣＶを全開から全閉へ徐々に閉じて行く
と、単位時間当たりのＮＯx 排出量が徐々に増大し、例
えば一点鎖線で示す曲線が得られた。これは、ＦＣＶを
全開から全閉へ徐々に閉じて行くと、燃焼室内で生成さ
れる混合気の成層度合いが徐々に高められ、燃焼速度が
上がり、燃焼温度が上がり、その結果、ＮＯx の発生が
増大するからである。

【００３１】一方、第３実施例において、燃料噴射時期
を吸気行程の初期から中期、後期へ向けて徐々に遅らせ
ると、機関から排出されるＮＯx の単位時間当たりの排
出量が変化し、実験結果から燃料噴射時期が吸気行程の
初期のときは実線で示す曲線が得られ、後期のときは破
線で示す曲線が得られ、燃料噴射時期を吸気行程の前期
から後期へ向けて徐々に遅らせて行くと、単位時間当た
りのＮＯx 排出量が徐々に増大し、例えば一点鎖線で示
す曲線が得られた。これは、燃料噴射時期を吸気行程の
前期から後期へ向けて徐々に遅らせて行くと、燃焼室内
で生成される混合気の成層度合いが徐々に高められ、燃
焼速度が上がり、燃焼温度が上がり、その結果、ＮＯx
の発生が増大するからである。

【００３２】次に、第１実施例におけるスワールコント
ロールバルブに流量制御弁ＦＣＶを用いた第２実施例の
ＦＣＶの開閉位置に基づくリッチスパイク（ＲＳ）制御
について図８に示すフローチャートを用いて以下に説明
する。図８において、図４のフローチャートに示す同様
な処理は同一ステップ番号で示し、その説明は省略す
る。ステップ６０３では、ステップ４０１で読み込んだ
機関の回転数ＮＥ、負荷ＰＭに応じて、流量制御弁ＦＣ
Ｖの開閉位置を決定し、ＦＣＶがその開閉位置で開弁す
るようにＦＣＶの駆動回路にその駆動信号を供給する。
ステップ６０４では、ステップ４０１で読み込んだＮ
Ｅ、ＰＭに応じて、ＲＯＭ３２に格納した図示しないマ
ップから目標空燃比Ａ／Ｆを算出する。ステップ６０５
では、ステップ６０３で決定したＦＣＶの開閉位置およ
びステップ６０４で算出した目標空燃比Ａ／Ｆに応じ
て、図７のマップから算出される単位時間当たりのＮＯ
x 排出量Ｎ_kを読み込む。ステップ６０６では、図４の
フローチャートのステップ４０６および４０７において
説明したように、ＮＥ、ＰＭ、Ａ／Ｆおよび成層度合い
から今回処理周期の単位時間当たりのＮＯx 排出量ＮＶ
ＯＬを算出する。すなわち、ステップ４０１で読み込ん
だＮＥ、ＰＭに応じてステップ４０２で算出した単位時
間当たりのＮＯx 排出量Ｎ_ijと、ステップ６０４で算出
した目標空燃比Ａ／ＦとＦＣＶの開閉位置に対応して図
７のマップから算出した単位時間当たりのＮＯx 排出量
Ｎ_kと、から今回処理周期の単位時間当たりのＮＯx 排
出量ＮＶＯＬを算出する。以上から、第２実施例によ
り、成層度合いに応じたＮＯx 排出量の積算値ＡＮＶＯ
ＬとＮＯx 触媒１７の吸蔵許容値ａとを比較し、許容値
ａを越える毎にリッチスパイクが発生され、ＮＯx 触媒
１７に吸蔵されたＮＯx が放出還元されることが判る。

【００３３】次に、第３実施例の燃料噴射時期に基づく
リッチスパイク（ＲＳ）制御について図９に示すフロー
チャートを用いて以下に説明する。図９において、図４
のフローチャートに示す同様な処理は同一ステップ番号
で示し、その説明は省略する。ステップ７０３では、ス
テップ４０１で読み込んだ機関の回転数ＮＥ、負荷ＰＭ
に応じて、ＲＯＭ３２に格納した図示しないマップから
低速、軽負荷から高速、高負荷に向かう程、燃料噴射時
期を吸気行程の前期から後期に向かうように設定する。
燃料噴射時期が吸気行程の前期から後期に向かう程、燃
料噴射後の吸気時間が短くなるので、成層度合いは弱め
られる。ステップ７０４では、ステップ４０１で読み込
んだＮＥ、ＰＭに応じて、ＲＯＭ３２に格納した図示し
ないマップから目標空燃比Ａ／Ｆを算出する。ステップ
７０５では、ステップ７０３で設定した燃料噴射時期お
よびステップ７０４で算出した目標空燃比Ａ／Ｆに応じ
て、図７のマップから算出される単位時間当たりのＮＯ
x 排出量Ｎ_kを読み込む。ステップ７０６では、図８の
ステップ６０６と同様に、図４のフローチャートのステ
ップ４０６および４０７において説明したように、Ｎ
Ｅ、ＰＭ、Ａ／Ｆおよび成層度合いから今回処理周期の
単位時間当たりのＮＯx 排出量ＮＶＯＬを算出する。以
上から、第３実施例により、成層度合いに応じたＮＯx
排出量の積算値ＡＮＶＯＬとＮＯx 触媒１７の吸蔵許容
値ａとを比較し、許容値を越える毎にリッチスパイクが
発生され、ＮＯx 触媒１７に吸蔵されたＮＯx が放出還
元されることが判る。

【００３４】以上、第１〜第３実施例により、ＮＯx 排
出量の積算値ＡＮＶＯＬがＮＯx の吸蔵許容値ａを越え
る毎に、リッチスパイクを発生させるよう制御する例を
説明したが、次に、一定時間にＮＯx 触媒１７に吸蔵さ
れたＮＯx の吸蔵量を推定し、その一定時間にＮＯx 触
媒１７に吸蔵されたＮＯx を、全て放出還元させるよう
にリッチスパイクを発生させるリッチ時間を制御する第
４実施例について、以下に説明する。

【００３５】図１０と図１１は第４実施例のＲＳ制御ル
ーチンのフローチャートである。第４実施例は、第１実
施例におけるスワールコントロールバルブに流量制御弁
ＦＣＶを用いた第２実施例のＦＣＶの開閉位置に基づく
リッチスパイク（ＲＳ）制御において、一定時間ＮＯx
触媒１７に吸蔵されたＮＯx を放出還元させるためのリ
ッチスパイクを発生させるリッチ時間を制御するように
した例である。図１０と図１１において、図８のフロー
チャートに示す同様な処理は同一ステップ番号で示し、
その説明は省略する。ステップ８１１では、ＮＯx 触媒
１７にＮＯx が吸蔵されている時間をカウントするリー
ン時間カウンタＣＬＮを１だけインクリメントする。ス
テップ８１２では、ＣＬＮが所定時間ｃを経過したか否
かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ８
１３へ進み、ＮＯのときは本ルーチンを終了する。ステ
ップ８１２で所定時間ｃが経過する時までに機関が排出
するＮＯx 量、すなわちＮＯx 触媒１７に吸蔵されるＮ
Ｏx の積算値ＡＮＶＯＬは、機関の回転数ＮＥ、負荷Ｐ
Ｍ、空燃比および成層度合いに応じて異なるので、この
所定時間ｃは、これらの条件において機関から単位時間
当たり最大のＮＯx量が排出し続けられたときにＮＯx
触媒１７がＮＯx 吸蔵許容値ａを越えるに要する時間を
設定する。

【００３６】ステップ８１３では、ステップ４０９で算
出されたＮＯx 触媒１７に吸蔵されたＮＯx 積算値ＡＮ
ＶＯＬに対応するリッチ時間ｂを算出する。このリッチ
時間ｂは、ＮＯx 吸蔵許容値ａに相当するＮＯx 触媒１
７の吸蔵量を排気温に応じて完全放出するのに要する時
間ｂ_maxが判っているので、次式から算出する。ｂ＝ｂ_max＊（ＡＮＶＯＬ／ａ）次いで、ステップ８１４では、リーン時間カウンタＣＬ
Ｎをリセットし、図１１のステップ４１１へ進む。

【００３７】以上から、第４実施例により、一定時間に
ＮＯx 触媒１７に吸蔵されたＮＯxの吸蔵量を推定し、
その一定時間にＮＯx 触媒１７に吸蔵されたＮＯx を全
て放出還元させるようにリッチスパイクを発生させるリ
ッチ時間が制御されることが判る。

【００３８】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、機関燃焼室内の成層度合いに応じて、吸蔵還元型リ
ーンＮＯx 触媒に吸蔵されたＮＯx の積算値を算出し、
該積算値と該触媒のＮＯx 吸蔵許容値とを比較して、空
燃比をリッチにするタイミングまたはリッチ時間を決定
するので、該触媒に吸蔵されたＮＯx を好適に放出還元
できる。それゆえ、該触媒に吸蔵されたＮＯx の積算値
が該触媒のＮＯx 吸蔵許容値に到達するより早くに空燃
比をリッチにすることがなくなり、余分なリッチスパイ
クを発生させなくなり、燃費損失を低減できる。一方、
該触媒に吸蔵されたＮＯx の積算値が該触媒のＮＯx 吸
蔵許容値に到達するより遅くに空燃比をリッチにするこ
とがなくなり、該触媒の吸蔵還元作用が失われＮＯx を
大気へ放出することを防止でき、排気浄化性を良好にで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略構成図である。

【図２】ＮＯx 排出量と空燃比の関係を示す図である。

【図３】実施例の燃料噴射時間算出ルーチンのフローチ
ャートである。

【図４】第１実施例のＲＳ制御ルーチンのフローチャー
トである。

【図５】ＮＯx 放出特性を示す図である。

【図６】リーン空燃比補正係数ＦＬＥＡＮの変化を示す
図である。

【図７】燃焼室内の混合気の成層度合いを変化させたと
きのＮＯx 排出量と空燃比の関係を示す図である。

【図８】第２実施例のＲＳ制御ルーチンのフローチャー
トである。

【図９】第３実施例のＲＳ制御ルーチンのフローチャー
トである。

【図１０】第４実施例のＲＳ制御ルーチンの前半フロー
チャートである。

【図１１】第４実施例のＲＳ制御ルーチンの後半フロー
チャートである。

【符号の説明】

１…機関２…ピストン３…燃焼室４…点火栓５…吸気弁６…吸気ポート７…排気弁８…排気ポート９…枝管１０…サージタンク１１…燃料噴射弁１２…吸気ダクト１３…エアクリーナ１４…スロットル弁１５…排気マニホルド１６…排気管１７…吸蔵還元型リーンＮＯx 触媒１８…ケーシング１９…吸気圧センサ２０…Ｏ₂センサ２１…クランクシャフト２２…ディストリビュータ２３…クランク角基準センサ２４…クランク角センサ２５…温度センサ２６…イグナイタ２７…スワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）２８…アクチュエータ３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｄ 41/02 ３３０Ｆ０２Ｄ 41/02 ３３０Ｆ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気系に空燃比がリーンの時にはＮＯx
を吸蔵しリッチの時にはその吸蔵したＮＯx を放出還元
する吸蔵還元型リーンＮＯx 触媒を備えた内燃機関の排
気浄化装置において、リーン運転状態の中で燃焼室内の成層度合いを変更する
混合気成層度合い可変手段と、成層度合いに応じて空燃比をリッチにするタイミング又
はリッチ時間を補正する補正手段と、を備えたことを特
徴とする内燃機関の排気浄化装置。