JPH11107813A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼室に燃料を直接噴射する内燃機関であっ
て、その排気通路にＮＯx触媒を備え、排気空燃比をリ
ッチ化してＮＯx触媒に吸着されたイオウ成分を効果的
に放出させることのできる燃焼制御装置を提供する。 【解決手段】 ＮＯx触媒に吸着されたイオウ成分を放
出させる際、燃料噴射制御手段として、燃焼サイクルに
おける吸気行程と膨張行程との２回に分けて燃料を噴射
する燃料噴射モードを備え、効果的に触媒温度を上昇さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気通路にＮＯx
触媒を設けた内燃機関に係り、特にＮＯx触媒に吸着さ
れたイオウ成分（ＳＯx）を放出させてＮＯx触媒を再生
する内燃機関の燃焼制御装置に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】理論空燃比よりも希薄な空燃比の
混合気で運転される、所謂リーンバーン・エンジンにお
いては、リーン運転時に排出されるＮＯxを浄化して排
気ガス特性を高めるべく、その排気通路にＮＯx触媒が
設けられる。またこのＮＯx触媒の上流側に、三元触媒
を設けたり、排気ガス中に含まれるイオウ成分によるＮ
Ｏx触媒の被害を防止するＳＯx触媒を設けることも行わ
れる。

【０００３】ちなみに上記ＮＯx触媒は、排気空燃比が
リーンのときに排気ガス中のＮＯxを吸着し、前記排気
ガス中の酸素濃度が低下したときに既に吸着したＮＯx
を放出するものであり、またＳＯx触媒は排気ガス中の
ＳＯxを吸収し、前記排気空燃比がリッチなときに既に
吸着したＳＯxを分解して放出するものである。また三
元触媒は、その触媒近傍に存在する炭化水素（ＨＣ）と
一酸化炭素（ＣＯ）とを用いてＮＯxを還元する作用を
呈する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところでＮＯx触媒に
イオウ成分（ＳＯx）が吸着すると、その触媒能力が大
幅に低下することから、排気空燃比をリッチ化すると共
に、触媒温度を高温化してＳＯxを放出させる、所謂触
媒再生処理が実行される。この触媒再生処理は、内燃機
関を一時的にリッチ運転すると共に、例えば点火時期を
遅角制御することで排気ガス温度を高めることによって
実行される。また燃焼室内に燃料を直接噴射するタイプ
の内燃機関においては、例えば特開平８−１００６３８
号公報に示されるように、その燃焼サイクルの圧縮行程
と膨張行程との２回に分けて燃料を噴射することで、排
気ガス温度を高めて触媒を活性化することが行われる。

【０００５】しかしながら上述した如く燃料噴射を２回
に分けて内燃機関の燃焼を制御する場合、スモークの発
生の問題から圧縮行程で噴く燃料量に制約があり、必然
的に膨張行程における燃料噴射量を多くせざるを得な
い。すると内燃機関から未燃焼状態の燃料が排出され易
くなり、ＮＯx触媒やＳＯx触媒の上流側荷設けられた三
元触媒での反応が活発化する。即ち、空燃比をリッチ化
すると雖も全ての空気が燃焼に供されず、三元触媒上で
反応すると言う現象が生じる。この結果、ＮＯx触媒や
ＳＯx触媒がＳＯxの放出に必要な触媒温度に至る前に、
三元触媒が過昇温し、その耐熱温度を超える虞が生じ
る。

【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、三元触媒の過昇温を防止しなが
らＮＯx触媒の温度を高め、且つ排気空燃比をリッチ化
してＮＯx触媒に吸着されたイオウ成分を効果的に放出
させることのできる内燃機関の燃焼制御装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置は、燃焼室に
燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関の排気
通路に、ＮＯx触媒を設けたものであって、ＮＯx触媒に
吸着されたイオウ成分を放出させる際、前記内燃機関の
燃焼を制御して前記排気空燃比をリッチ化する燃焼制御
手段が、その燃焼サイクルにおける吸気行程と膨張行程
との２回に分けて燃料を噴射する燃料噴射モードを備え
ていることを特徴としている。

【０００８】特に請求項２に記載するように燃焼制御手
段においては、ＮＯx触媒に吸着されたイオウ成分を放
出させる際の内燃機関の運転状態に応じて、上記吸気行
程と膨張行程との２回に分けて燃料噴射する燃料噴射モ
ードと、吸気行程で噴射した燃料に対する点火時期を制
御する点火時期制御モードとを選択的に実行することを
特徴としている。

【０００９】即ち、本発明は、排気空燃比をリッチ化し
てＮＯx触媒に吸着されたイオウ成分を放出させる際、
燃焼サイクルにおける吸気行程と膨張行程との２回に分
けて燃料を噴射することで膨張行程における燃料噴射量
を少なくし、これによって未燃焼燃料の排出を抑え、Ｎ
Ｏx触媒からのイオウ成分の放出を効率的に行わせ得る
ようにしたことを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る内燃機関の燃焼制御装置について説明す
る。図１は実施形態に係る燃焼制御装置の概略構成図
で、１は燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（図
示せず）を備えた、所謂筒内直接噴射型のエンジン本体
である。このエンジン本体１の排気通路２には、三元触
媒３、ＳＯx触媒４，およびＮＯx触媒５がその上流側か
ら順に組み込まれており、エンジン本体１から排出され
た排気ガス中のＳＯxやＮＯxが浄化された後、そのテー
ルパイプに導かれるようになっている。

【００１１】一方、前記エンジン本体１の燃焼を制御す
る燃焼制御装置６は、例えばマイクロプロセッサを主体
として構成され、基本的にはアクセル操作状態やエンジ
ン負荷の状態等に応じてその燃焼モードを制御する。例
えば図２に示すようにエンジン回転数Ｎeとエンジン負
荷Ｐeとに応じて、その空燃比（Ａ／Ｆ）を制御するも
のとなっている。具体的には、軽負荷状態でエンジン回
転数Ｎeが小さい場合には、燃焼サイクルにおける圧縮
行程で燃料を噴射して希薄燃焼を実現する圧縮リーンモ
ードで運転し、また軽・中負荷状態の場合には、吸気行
程で燃料を噴射して希薄燃焼を実現する吸気行程噴射モ
ードで運転する。またアクセル操作に伴うエンジン出力
が要求される場合には、ストイキオモードで運転し、更
に高負荷状態の場合にはエンリッチモードで運転するも
のとなっている。前述したＮＯx触媒５は、エンジン本
体１が上述したリーンモードで運転される際、該エンジ
ン本体１から多量に排出されるＮＯxを吸着し、これに
よって排気特性を向上させる役割を担う。

【００１２】さて基本的には上述した如くエンジン本体
１の燃焼を制御する燃焼制御部６において本発明が特徴
とする機能は、ＮＯx触媒５に吸着されたイオウ成分で
あるＳＯx吸着量を推定する推定手段６ａと、ＳＯx吸着
量が所定量を越えたとき、運転状態検出手段６ｂにて検
出される運転状態に応じて、例えば一時的にエンジン本
体１をリッチ運転して排気空燃比のリッチ化を図り、こ
れによってＮＯx触媒５に吸着されたＳＯxを分解して放
出させる為の燃焼モードを備えている。

【００１３】この燃焼モードは、例えば点火時期を遅角
制御して排気ガスの温度を低下させる点火時期制御手段
６ｃ、または燃料の噴射を燃焼サイクルの吸気行程と膨
張行程との２回に分ける燃料噴射制御手段６ｄを、エン
ジン本体１の運転状態に応じて選択的に作動させること
によって実現される。具体的には、エンジン本体１が圧
縮リーンモードで運転されており、この状態で一時的に
空燃比をリッチ化する場合には、図２において斜線部Ａ
で示すように吸気行程と膨張行程との２回噴射で、未燃
焼燃料の排出を抑制しながら排気ガスの温度を高め、そ
の燃焼が制御される。またエンジン本体１が図２におい
て斜線部Ｂで示すような領域で運転される手いる場合に
は、吸気行程噴射で空燃比をリッチとし、点火時期を遅
角制御して排気がすの温度が高められる。

【００１４】ちなみに、例えば空燃比を［２４］以上に
してリーン運転を行う場合には圧縮行程噴射が行われ、
空燃比が［２４］未満のリーン運転やストイキオ運転、
或いはエンリッチ運転を行う場合には、専ら吸気行程噴
射が行われる。このような燃料の噴射時期に対し、ＮＯ
x触媒再生の為のリッチ化と排温上昇とを、更に膨張行
程で燃料を噴射することで実現する場合、そのトータル
空燃比を、例えば［１２］程度に合わせるべく、図３に
示すように圧縮行程噴射に膨張行程噴射を追加すると、
三元触媒とＮＯx触媒との温度差が大きくなってしま
う。このような状態は、ＮＯx触媒が所定の温度に達す
る前に、三元触媒がその耐熱温度を超えてしまうことを
意味し、その耐久性が著しく悪化する。

【００１５】一方、吸気行程噴射でリッチ運転し、点火
時期を遅角して排気温度を上げるようにすれば、上述し
た２回噴射に比較してＮＯx触媒の再生に必要なＣＯを
多量に生成することができる。しかし図２の領域Ａに示
すような運転状態では、点火時期の遅角だけでは排気温
度を十分に上げることができず、ＮＯx触媒を効率的に
再生することができない。

【００１６】本実施形態では、エンジン本体１の運転状
態に応じて、図３に示すような温度変化の傾向を示す触
媒温度に着目し、前記燃焼制御部６においてＮＯx触媒
５からのＳＯxの放出による触媒再生が必要なとき、そ
のときの運転状態に応じて前述した点火時期調整手段６
ｃおよび燃焼制御手段６ｄを選択的に作動させ、これに
よって各触媒３,４,５の温度を適正に制御するものとな
っている。具体的には、三元触媒３の過昇温を抑えなが
ら、ＮＯx触媒５を適当な温度まで昇温するものとなっ
ている。

【００１７】図４はこのような観点に立脚して実行され
る前記燃焼制御部６での処理手続きの概略的な流れを示
すもので、先ずＮＯx触媒５におけるＳＯxの吸着量を推
定することから開始される［ステップＳ１］。このＳＯ
x吸着量の推定は、例えばエンジン本体１をリーン運転
している際の燃料噴射パルスの時間幅を積算することに
よって行われる。しかして推定されたＳＯx吸着量を所
定の閾値と比較し、そのＳＯx吸着量が、ＮＯx触媒５か
らＳＯxを放出させて該ＮＯx触媒５を再生する必要が生
じたレベルに達したかを判定する［ステップＳ２］。
尚、ＳＯx吸着量が少ない場合には、以下に示すＳＯxの
放出によるＮＯx触媒５の再生処理を実行することな
く、そのままリターンする。

【００１８】さてＳＯx吸着量が所定の閾値を超えた場
合には、先ずそのときの空燃比（Ａ／Ｆ）やエンジン回
転数Ｎe等を読み込み、エンジン本体１の運転状態を検
出する［ステップＳ３］。そして検出された運転状態か
ら、例えば図２において領域Ｂであるか否かを判定する
［ステップＳ４］。このような判定処理の下で、そのと
きの運転状態に応じてエンジン本体１の運転を制御す
る。

【００１９】具体的には、エンジン本体１が領域Ｂで運
転されている場合には、空燃比をリッチ化すると共に、
前記点火時期制御手段６ｃを作動させてその点火時期を
調整して排気ガスの温度を調整する［ステップＳ５］。
例えば温度センサを用いて検出される三元触媒３やＮＯ
x触媒５の温度に基づいて点火時期を遅角／進角制御
し、排気ガスの温度を調整しながら、その排気空燃比を
リッチ化する。

【００２０】一方、エンジン本体１が領域Ａで運転され
ている場合には、空燃比をリッチ化すると共に、燃料噴
射制御部６ｄを作動させて噴射燃料量を吸気行程と膨張
行程の２回に分けて噴射する［ステップＳ６］。即ち、
吸気行程と膨張行程との２回に分けて燃料を噴射するこ
とで、ある程度の燃料量を吸気行程で噴射するように
し、膨張行程で噴射する燃料量を少なくする。このよう
な２回噴射により、膨張行程で噴射された燃料が未燃焼
状態のまま排出される量を極力抑える。そして未燃焼燃
料の三元触媒３における反応を抑え、その過昇温を防止
する。

【００２１】かくして上述した如く排気空燃比をリッチ
化してＮＯx触媒５に吸着されたイオウ成分（ＳＯx）を
放出させる際、そのときの運転モードに応じて点火時期
を遅角制御することで排気ガスの温度自体を制御し、或
いは吸気行程と膨張行程との２回噴射により未燃焼燃料
の放出を抑えるので、三元触媒３の過昇温を防止しなが
ら、ＮＯx触媒５の温度をＳＯxの放出に必要な温度にま
で十分高めることができる。

【００２２】特にＮＯx触媒５からＳＯxを放出させる場
合、例えばその排気空燃比を[１２]程度にリッチ化し、
ＮＯx触媒５の温度を略６００℃以上にする必要があ
り、これらの条件を満たすエンジン本体１の運転モード
の１つとして、吸気行程と膨張行程の２回に分けて燃料
を噴射するモードを採用している。このような２回噴射
のモードによれば、膨張行程で噴いた燃料の燃焼によ
り、排気ガスの温度を安定的に高めることができる。し
かも主たる燃料の噴射を圧縮行程ではなく、吸気行程に
て行うので、スモークの発生やＨＣの増加の問題を招く
ことがない。従って膨張行程で噴く燃料量を少なく抑え
ることができるので、未燃焼燃料がそのまま排出される
虞がなくなり、三元触媒３における未燃焼燃料の不本意
な反応を抑え、その過昇温を防止することが可能とな
る。この結果、前述したように三元触媒３の過昇温を防
止しながら、ＮＯx触媒５の温度をＳＯxの放出に必要な
温度にまで十分高めることが可能となる。

【００２３】また上述した制御によれば、三元触媒３の
過昇温を効果的に抑えることができるので、排気ガス温
度によるＮＯx触媒５の温度制御を広範囲に亘って行う
ことが可能となるので、ＮＯx触媒５からのＳＯxの放出
を効率的に行うことが可能となる等の効果が奏せられ
る。尚、吸気行程と膨張行程との２回に分けて噴く燃料
量の割合は、エンジン回転数や、ＮＯx触媒５に要求さ
れる温度等に従って、例えば排気ガスの温度を管理しな
がら調整するようにすれば良い。またＮＯx触媒５とそ
の上流側の三元触媒３との間にＳＯx触媒４が設けられ
る場合であっても、同様に燃焼制御を実行することが可
能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲
で種々変形して実施することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、排
気ガスの温度を安定的に、且つ効果的に上昇させてＮＯ
x触媒からのイオウ成分の放出に必要な触媒温度を確保
することができる等の実用上多大なる効果が奏せられ
る。またＮＯx触媒の上流に別の触媒を配置したシステ
ムでは、別の触媒に対する過昇温を抑制しながら、効率
的にＮＯx触媒の温度を上昇させ得る等の効果が奏せら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃焼制御
装置の概略構成を示す図。

【図２】内燃機関の燃焼モードと、点火時期制御および
燃料の２回噴射による排気ガス温度の制御領域を示す
図。

【図３】２回噴射合計の空燃比を所定リッチにしたとき
の内燃機関の運転状態による三元触媒とＮＯx触媒との
温度差の傾向を示す図。

【図４】本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃焼制御
の処理手順の例を示す図。

【符号の説明】

１ エンジン本体 ３ 三元触媒 ４ ＳＯx触媒 ５ ＮＯx触媒 ６ 燃焼制御部 ６ａ ＳＯx吸着量推定手段 ６ｂ 運転状態検出手段 ６ｃ 点火時期制御手段 ６ｄ 燃焼噴射制御手段（吸着行程と膨張行程の２回噴
射）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 3/08 ＺＡＢ Ｆ０１Ｎ 3/24 ＺＡＢＬ 3/20 ＺＡＢ Ｆ０２Ｄ 41/34 ＺＡＢＨ 3/24 ＺＡＢ Ｂ０１Ｄ 53/36 ＺＡＢ Ｆ０２Ｄ 41/34 ＺＡＢ １０１Ａ Ｆ０２Ｐ 5/15 ＺＡＢ Ｆ０２Ｐ 5/15 ＺＡＢＢ (72)発明者 田村 保樹 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁
   を備えた内燃機関と、 この内燃機関の排気通路に設けられて、排気空燃比がリ
   ーンのときに排気ガス中のＮＯxを吸着し、前記排気ガ
   ス中の酸素濃度が低下したときに既に吸着したＮＯxを
   放出するＮＯx触媒と、 前記内燃機関の燃焼サイクルにおける吸気行程と膨張行
   程との２回に分けて燃料を噴射する燃料噴射モードを備
   え、ＮＯx触媒に吸着されたイオウ成分を放出させる
   際、前記内燃機関の燃焼を制御して前記排気空燃比をリ
   ッチ化する燃焼制御手段とを具備したことを特徴とする
   内燃機関の燃焼制御装置。
2. 【請求項２】 前記燃焼制御手段は、ＮＯx触媒に吸着
   されたイオウ成分を放出させる際の内燃機関の運転状態
   に応じて、吸気行程と膨張行程との２回に分けて燃料噴
   射する燃料噴射モードと、吸気行程で噴射した燃料に対
   する点火時期を制御する点火時期制御モードとを選択的
   に実行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関
   の燃焼制御装置。