JP3747693B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に吸蔵型NOx触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して燃費の向上を図るようにした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排ガス中のNOx(窒素酸化物)を充分に浄化できないという問題があり、最近では、リーン空燃比で運転中に排ガス中のNOxを吸蔵し、ストイキまたはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたNOxを放出還元する吸蔵型NOx触媒が採用されてきている。
【0003】
この吸蔵型NOx触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態で排ガス中のNOxを硝酸塩(X−NO3 )として吸蔵し、吸蔵したNOxを一酸化炭素(CO)の過剰状態で放出して窒素(N2 )に還元させる特性(同時に炭酸塩X−CO3 が生成される)を有した触媒である。ところが、燃料中にはイオウ(S)成分が含まれており、このS成分は酸素と反応して硫黄酸化物(SOx)となり、このSOxがNOxの代わりに硫酸塩として硝酸塩の代わりに吸蔵型NOx触媒に吸蔵されてしまい、触媒の浄化効率が低下してしまうという問題がある。しかしながら、触媒に吸蔵されたSOxは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にすることで除去(Sパージ)されることがわかっている。例えば、特開平7−217474号公報では、触媒に吸蔵されるSOx量を推定し、このSOxの吸蔵量が許容量を越え、触媒温度が予め設定された所定温度よりも低いときに、触媒を昇温させると共に空燃比を一時的にリッチにすることで、SOxを放出して吸蔵型NOx触媒の浄化効率を復活させるようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した公報では、触媒でのSOx吸蔵量が許容量を越え、且つ、温度が低いことを条件として、内燃機関の運転状態に拘らず、触媒を昇温して空燃比をリッチにすることで、吸蔵型NOx触媒からのSOxの放出を実行している。
【0005】
そのため、例えば、車両が市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態のときは、吸蔵型NOx触媒がSOxを放出するのに必要な高温状態に安定しくく、結果としてSOxはあまり放出できていないにも拘らず、吸蔵型NOx触媒のSOx放出手段を長時間を作動させることとなってしまう。即ち、吸蔵型NOx触媒が昇温しにくい条件でも昇温させるために、例えば、触媒がある程度高温となる安定した走行時での昇温に比べて永井時間にわたってリッチ化及び触媒昇温を行う必要があり、昇温度合も大きくしなければならず、燃費を悪化させてしまうという問題がある。
【0006】
本発明はこのような問題を解決するものであって、効率よく触媒装置からイオウ成分を脱離させることで燃費の悪化を抑制しながら触媒装置の再生を可能とした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項1の発明の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排気ガス中のイオウ成分を吸蔵する触媒装置を設け、この触媒装置の温度が活性温度より高く且つ吸蔵されたイオウ成分を脱離するのに適した温度あるいはそれより低く設定された設定温度以上となった場合に、再生手段により触媒装置を昇温してイオウ成分を触媒装置から脱離させる一方、前記再生手段が作動した後、触媒装置の温度がイオウ成分を脱離するのに適した所定温度を越えない場合には、停止手段により同再生手段の作動を停止するようにしている。即ち、触媒装置が適正状態のときに昇温してイオウ成分を触媒装置から脱離させることとなり、効率よく触媒装置からイオウ成分を脱離させることで、燃費の悪化を抑制しながら触媒装置の再生が可能となる。一方、前記再生手段の作動後に、触媒装置の温度が所定時間経過してもイオウ成分の脱離に最適な温度へ十分に近づかない場合に、同再生手段を停止させる停止手段を設けることが燃費悪化をより一層抑制する上で好ましい。
【0008】
この場合、再生手段は、触媒を昇温するために点火時期を制御する点火時期制御手段などを用いた触媒昇温手段と、機関の空燃比を制御する空燃比制御手段とを有し、触媒温度が所定温度以上となった場合、昇温手段としての点火時期制御手段により点火時期を遅角させ、空燃比制御手段により空燃比をリッチとすることが、触媒装置を再生する上で好ましい。
【0009】
また、請求項2の発明の内燃機関の排気浄化装置では、作動制御手段が、再生手段の作動するときの触媒装置の触媒再生情報またはイオウ成分による被毒情報に基づいて再生手段の作動を制御するようにしている。この場合、作動制御手段は、例えば、所定期間においてイオウ成分が脱離される触媒再生頻度を検出する脱離頻度検知手段を有し、この脱離頻度検知手段が検知した触媒再生頻度が予め設定された所定頻度より少ない場合に、再生手段を作動させることが燃費悪化を抑制する上で好ましい。また、作動制御手段が脱離頻度検知手段を有する場合には、脱離頻度情報に基づいて設定温度を変更する設定温度変更手段を設けることが燃費悪化を抑制する上で好ましい。また、触媒装置のイオウ成分による被毒情報を用いる場合には、被毒状況を検知または推定する被毒状況検知手段を有し、被毒状況検知手段が検知または推定した被毒量が所定値よりも大きい場合に根作動制御手段により再生手段を作動させればよい。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0011】
図1に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図2に本実施形態の排気浄化装置によるSパージ制御のフローチャート、図3にSパージ制御のタイムチャート、図4にS再生頻度に対する昇温設定温度を表すグラフ、図5に触媒温度推定値に対する反映係数を表すグラフ、図6にS再生頻度とNOx排出量との関係を表すグラフ、図7にS再生A/Fに対するS再生後の回復したNOx吸蔵触媒を表すグラフ、図8に一般走行において本実施形態を使用したときと使用しなかったときの触媒温度の時間頻度を表すグラフを示す。
【0012】
本実施形態の内燃機関(以下、エンジンと称する。)は、例えば、燃料噴射モード(運転モード)を切換えることで、吸気行程での燃料噴射(吸気行程噴射モード)または圧縮行程での燃料噴射(圧縮行程噴射モード)を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列4気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン11は、容易にして理論空燃比(ストイキ)での運転やリッチ空燃比での運転(リッチ空燃比運転)の他、リーン空燃比での運転(リーン空燃比運転)が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【0013】
本実施形態において、図1に示すように、エンジン11のシリンダヘッド12には、各気筒毎に点火プラグ13と共に電磁式の燃料噴射弁14が取付けられており、この燃料噴射弁14によって燃焼室15内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁14には、図示しない燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置(燃料ポンプ)が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁14から燃焼室15内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁14の開弁時間(燃料噴射時間)とから決定される。
【0014】
シリンダヘッド12には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド16の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド16の他端にはドライブバイワイヤ(DBW)方式の電動スロットル弁17が接続されており、このスロットル弁17にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ18が設けられている。また、シリンダヘッド12には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド19の一端がそれぞれ接続されている。
【0015】
そして、エンジン11には、クランク角を検出するクランク角センサ20が設けられており、このクランク角センサ20はエンジン回転速度Neを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン11は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【0016】
また、エンジン11の排気マニホールド19には排気管(排気通路)21が接続されており、この排気管21にはエンジン11に近接した小型の三元触媒22及び排気浄化触媒装置23を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管21における三元触媒22と排気浄化触媒装置23との間の部分には、排気浄化触媒装置23の直上流、即ち、後述する吸蔵型NOx触媒25のに直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ24が設けられている。
【0017】
この排気浄化触媒装置23は、吸蔵型NOx触媒25と三元触媒26との2つの触媒を有して構成されており、三元触媒26の方が吸蔵型NOx触媒25よりも下流側に配設されている。なお、吸蔵型NOx触媒25が三元触媒の機能を十分に有している場合には、この吸蔵型NOx触媒25だけであってもよい。この吸蔵型NOx触媒25は、酸化雰囲気においてNOxを一旦吸蔵させ、主としてCOの存在する還元雰囲気中においてNOxを放出してN2 (窒素)等に還元させる機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型NOx触媒25は、貴金属として白金(Pt)、ロジウム(Rh)等を有した触媒として構成されており、吸蔵剤としてはバリウム(Ba)等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、排気浄化触媒装置23の下流にはNOx濃度を検出するNOxセンサ27が設けられている。
【0018】
更に、入出力装置、記憶装置(ROM、RAM、不揮発性RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等を有するECU(電子コントロールユニット)28が設けられており、このECU28によりエンジン11を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ECU28の入力側には、上述した高温センサ24やNOxセンサ27等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ECU28の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ13や燃料噴射弁14等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁14等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁14から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ13によって適正なタイミングで点火が実施される。
【0019】
実際に、ECU28では、スロットルセンサ18からのスロットル開度情報θthとクランク角センサ20からのエンジン回転速度情報Neとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Peを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Peとエンジン回転速度情報Neとに応じてマップ(図示せず)より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Peが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Neが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。
【0020】
そして、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとから制御目標となる目標空燃比(目標A/F)が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標A/Fに基づいて決定される。また、高温センサ24により検出された排気温度情報からは触媒温度Tcat が推定される。詳しくは、高温センサ24と吸蔵型NOx触媒25とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度情報Neとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Tcat は、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度情報Neとが決まると一義に推定されるようにされている。
【0021】
以下、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【0022】
排気浄化触媒装置23の吸蔵型NOx触媒25では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のNOxから硝酸塩が生成され、これによりNOxが吸蔵されて排気の浄化が行われる。一方、三元触媒26では、酸素濃度が低下した雰囲気で、吸蔵型NOx触媒25に吸蔵した硝酸塩と排気中のCOとが反応して炭酸塩が生成されると共にNOxが放出される。従って、吸蔵型NOx触媒25へのNOxの吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行うなどして酸素濃度を低下させてCOを排気中に供給し、吸蔵型NOx触媒25からNOxを放出させて機能を維持する。
【0023】
ところで、燃料や潤滑油内に含まれるイオウ成分(SOx)も排気中に存在し、吸蔵型NOx触媒25は、酸素濃度過剰雰囲気で、NOxの吸蔵とともにSOxも吸蔵する。つまり、イオウ成分は酸化されてSOxになり、このSOxの一部は吸蔵型NOx触媒25上でさらに元来NOx吸蔵用である吸蔵剤と反応して硫酸塩となってNOxに代わって吸蔵型NOx触媒25に吸蔵される。
【0024】
また、吸蔵型NOx触媒25は、酸素濃度が低下すると吸蔵されたSOxを放出する機能を有している。つまり、酸素濃度が低下してCOが過剰となった雰囲気では、吸蔵型NOx触媒25に吸蔵した硫酸塩の一部と排気中のCOとが反応して炭酸塩が生成されると共にSOxが脱離される。しかし、硫酸塩は硝酸塩よりも塩としての安定度が高く、酸素濃度が低下した雰囲気になっただけではその一部しか分解されないため、吸蔵型NOx触媒25に残留する硫酸塩の量は時間とともに増加する。これにより、吸蔵型NOx触媒25の吸蔵能力が時間と共に低下し、吸蔵型NOx触媒25としての性能が悪化することになる(S被毒)。
【0025】
NOx吸蔵能力を再生するためには吸蔵型NOx触媒25に吸蔵されたSOx量を推定してS被毒状況を推定し、S被毒がある程度以上進行すると、SOxを放出するようにする方法もあるが、SOx吸蔵量は触媒温度、排気空燃比、燃料中S濃度(燃料種別)、エンジン運転状態などの種々の要因により影響を受けるため、正確にSOx吸蔵量を推定することは困難を伴う。このため、本実施形態では、吸蔵型NOx触媒25に吸蔵されたSOx吸蔵量を推定することはせず、触媒温度Tcat が設定温度以上となった場合に、再生手段が触媒を昇温させ、且つ、空燃比をリッチ化して吸蔵したSOxを放出し、NOx吸蔵能力を回復するようにしている。この再生手段は、吸蔵型NOx触媒25からSOxを放出する再生度合が所定範囲に保たれるように制御する。即ち、吸蔵型NOx触媒25の温度が活性温度(例えば、250〜350℃)より高く、且つ、吸蔵されたSOxを脱離するのに適した温度(例えば、650℃)あるいはそれより低く設定された設定温度(例えば、600℃〜800℃)以上となった場合に、吸蔵型NOx触媒25を昇温させると共に空燃比をリッチ化してSOxを放出するようにしている。即ち、ある程度触媒温度が高いときにアシスト的に僅かに昇温手段を作動させることによりS再生速度を速く触媒温度域に到達させ、少ない昇温度合(即ち、少ない燃費悪化度合)で効率よくSOxを放出させるものである。
【0026】
ここで、Sパージ制御について、図2に示すフローチャート及び図3に示すタイムチャートに基づいて詳細に説明する。図2に示すように、まず、ステップS1では、高温センサ24により検出された排気温度情報から吸蔵型NOx触媒25の触媒温度Tcat を推定する。この場合、前述したように、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度情報Neとに応じて設定された温度差マップに基づいて、高温センサ24と実際の触媒温度との誤差が補正される。
【0027】
次に、ステップS2にて、吸蔵型NOx触媒25のS被毒からの再生(S再生)度合を表すS再生頻度を算出する(脱離頻度検知手段)が、以下にその算出方法について説明する。このS再生頻度は下記式(1)に基づいて算出する。
S再生頻度(s/km)=700℃換算S再生時間/走行距離 ・・(1)
ここで、700℃換算S再生時間とは、推定された触媒温度Tcat におけるS再生時間を吸蔵型NOx触媒25の触媒温度Tcat が700℃のときのS再生時間に換算した時間の合計であり、この700℃換算S再生時間を走行距離で除算することで、走行距離1kmあたりのS再生時間、つまり、S再生頻度を求めることができ、このS再生頻度が大きくなるとSOxが良く放出(パージ)され、S被毒から良く再生されているということである。
【0028】
この700℃換算S再生時間の具体的な算出方法としては、下記式(2)に基づいて算出する。
ここで、S再生速度係数は、吸蔵型NOx触媒25の温度によりS再生速度が異なることを補正するためのもので、各触媒温度でのS再生時間を700℃相当のS再生時間に換算するためのものである。S再生速度は吸蔵型NOx触媒25の温度が高くなるにつれて指数関数的に増加するので、吸蔵型NOx触媒25の触媒温度Tcat が580℃以下の低温時では0とし、それよりも高温時では、指数関数により近似した下式(3)をもって算出する。
S再生速度係数=exp {−kk×(1/T1 )−(1/T0 )}・・(3)
ここで、kkは、吸蔵型NOx触媒25のS再生反応に応じて設定される所定の係数、T1 は、吸蔵型NOx触媒25の触媒温度Tcat (K)、T0 は、973(700+273)(K)である。
なお、本実施形態では、ECU28内では指数関数による計算は行わずに予め計算した値を記憶した触媒温度に対するS再生速度係数マップから求めるようにしている。また、前述したA/F係数は、A/FによるS再生度合を示すもので、空燃比がリーンモードまたは燃料カット時では0とし、それ以外のモードでは1とする。
【0029】
なお、S再生頻度は、所定値D(例えば、1.5s/km)以上でリセットされ、700℃換算S再生時間を0s、走行距離を0kmとする。つまり、S再生頻度が所定値D以上であれば、吸蔵型NOx触媒25は十分にパージされているとして再生を停止する。S再生頻度をリセットする際のしきい値Dの設定方法としては、次のようにすればよい。即ち、図6に示すように、S再生頻度が高いほどNOx排出値は小さくなることがわかっており、NOxの排出規制値以下となるようにS再生頻度を設定すればよい。このしきい値Dは、触媒特性やNOx排出規制値にも影響されるが、一般的に概ね1.5s/km以上に設定すればよいことがわかっている。
【0030】
このようにS再生頻度が求められたら、ステップS3にて、昇温設定温度ZSTEMP(℃)を算出する。この場合、図4に示すように、S再生頻度に対するZSTEMPのマップが予め設定されている。このマップによれば、S再生頻度が低いときには、ZSTEMPは600℃に設定され、S再生頻度の上昇に伴ってZSTEMPが上昇し、所定値Dで800℃としている。即ち、昇温設定温度ZSTEMPはS再生頻度(脱離頻度検知手段の脱離頻度情報)に基づいて変更されるようになっている(設定温度変更手段)。
【0031】
そして、ステップS4において、吸蔵型NOx触媒25の触媒温度Tcat がZSTEMP以上であるかどうかを判定し、触媒温度Tcat がZSTEMPより低ければ何もせずにこのルーチンを抜ける。一方、触媒温度Tcat がZSTEMP以上であれば、S再生頻度がある程度低いと同時に吸蔵型NOx触媒25がある程度昇温されており、Sパージしやすい状態にあると推定されるため、ステップS5に移行し、制御モードをSパージモードに切り換える(作動制御手段)。これにより吸蔵型NOx触媒25に吸蔵されたSOxの除去(Sパージ)が開始される。
【0032】
即ち、ステップS6では、点火時期を制御、つまり、リタード(遅角)させることで吸蔵型NOx触媒25を昇温する(点火時期制御手段)。つまり、点火時期リタードにより吸蔵型NOx触媒25に流入する排気を十分に加熱させることにより、吸蔵型NOx触媒25はSパージに適した温度(例えば、650℃〜800℃)まで迅速に昇温されることになる。この場合、点火時期は下記式(4)によりリタードするように設定される。
点火時期=ベース点火時期−ZSSA×反映係数 ・・(4)
ここで、ZSSAは、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度情報Neとに応じて設定されたリタードマップに基づいて設定されるものであり、燃焼限界となるリタード量に余裕量を考慮した量として設定される。また、反映係数は、図5に示すように、触媒温度推定値、つまり、触媒温度Tcat に対応したマップに基づいて設定される。なお、この反映係数は燃料のカット時やスロットル開度が所定値以上のときは0としている。
【0033】
続いて、ステップS7では、空燃比を制御する。即ち、リーン運転を禁止し、ストイキF/Bもしくはオープンループのリッチ運転のみとし、空燃比がストイキもしくはリッチとなるようにする。図7にS再生度合い(S再生後回復したNOx吸蔵量)とS再生時の空燃比(S再生A/F)の関係を示すが、リーン以外、即ち、ストイキあるいはリッチであればS再生し、ストイキ〜リッチ間ではS再生時の空燃比への依存性は小さいことがわかる。ただし、リッチ度合いが大きいほど燃費の悪化度合いが大きく、またリッチ度合いが大きいと臭気の元となるH2 Sの発生度合いが大きくなる。そのため、S再生時の空燃比はストイキに近い方が好ましいが、制御誤差も見込んでわずかばかりリッチ(スライトリッチ)に設定するのがよく、即ち、14〜14.7とするのが好ましい。尚、図7からS再生時の吸蔵型NOx触媒25の温度が600℃のときには650℃や700℃の10倍時間をかけているにもかかわらずS再生度合いが小さく、また、700℃のときにはS再生度合いが非常に大きくなっており、S再生度合いにはS再生時の触媒温度の影響が大きいことがわかる。
【0034】
そして、ステップS8では、触媒温度Tcat が所定値K(例えば、650℃)よりも低い状態が所定の設定時間C(例えば、45sec )経過したら、吸蔵型NOx触媒25の昇温をやめると共に空燃比をリーン化してこのルーチンを抜ける。つまり、Sパージモードにしても触媒温度Tcat がイオウ成分の脱離に最適な温度(例えば、650℃以上)へなかなか近づかない場合に、燃費悪化を抑制するためにSパージモードを停止させる(停止手段)ようにしている。一方、触媒温度Tcat が所定時間Cが経過するまでに所定値K以上になれば、吸蔵型NOx触媒25の昇温及び空燃比のリッチ化を継続する。
【0035】
このようにしてSパージモードでは、Sパージ制御のルーチンを繰り返すが、吸蔵型NOx触媒25に吸蔵されたSOxが放出されると、吸蔵型NOx触媒25のS再生頻度が大きくなり、図4のマップに基づいてZSTEMPも上昇する。そして、ZSTEMPが触媒温度Tcat を越えると、ステップS4において、吸蔵型NOx触媒25の触媒温度Tcat がZSTEMPより低くなってこのルーチンを抜け、Sパージモードを停止する。
【0036】
ここで、上述したSパージモードへの切換制御を具体的に説明する。図3に示すように、SパージモードがOFFで、S再生頻度が低いとき、昇温設定温度ZSTEMPは600℃に設定されている。そして、ドライバの運転状態、例えば、加速時あるいは高速道路や山岳道路などを走行して触媒温度Tcat が上昇し、この触媒温度Tcat がZSTEMPを越えると、SパージモードがON(ステップS4でYes)となる。すると、点火時期をリタードして吸蔵型NOx触媒25を昇温すると共に空燃比をリッチ化するため、吸蔵型NOx触媒25に吸蔵されたSOxが放出される。そして、Sパージモードが継続するとS再生が進み、700℃換算S再生時間が増加してS再生頻度が大きくなり、このS再生頻度が大きくなると、図4のマップに基づいてZSTEMPが上昇し、触媒温度Tcat を越える。
【0037】
すると、SパージモードがOFF(ステップS4でNo)となり、吸蔵型NOx触媒25の昇温をやめるため、触媒温度Tcat が低下する。その後、触媒温度Tcat が低い状態で走行距離が延びると、S再生頻度が小さくなると共に、ZSTEMPが低下して600℃に戻る。
【0038】
また、ドライバの運転状態により触媒温度Tcat が再び上昇し、触媒温度Tcat がZSTEMPを越えるとSパージモードがON(ステップS4でYes)される。このとき、ドライバが市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態を行っていると、吸蔵型NOx触媒25はSOxを放出するのに必要な高温状態になりにくい。即ち、この場合、触媒温度Tcat は最初ZSTEMP(600℃)を越えたものの650℃よりも低い状態が継続することとなり、この温度域ではS再生はされるもののS再生効率が低い。そのため、この状態の継続時間が設定時間Cを経過したら、SパージモードをOFF(ステップS4でNo)とすることで、点火時期リタード及びリッチ化を中止しS再生効率が低い温度域では燃費の悪化を抑制できる。
【0039】
なお、Sパージモードにて、空燃比をリッチ空燃比モードとしてリーン空燃比モードへの移行を禁止しているが、吸蔵型NOx触媒25が高温であるときには、吸蔵型NOx触媒25の熱劣化対策のために既にリーン空燃比モードは禁止となっている場合もある。
【0040】
また、Sパージを行うときに点火時期リタードに応じてスロットル弁17を作動してベーススロットル開度に対してスロットル開度θthを調整し、吸入空気量を操作しており、これによって点火時期リタードによるトルク低下分を補いトルクがほぼ一定となるように制御している。この場合、スロットル開度は下記式(5)により設定される。
スロットル開度=ベーススロットル開度−ZSETV×反映係数・・(5)
ここで、ZSETVは、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度情報Neとに応じて設定されたスロットル開度補正マップに基づいて設定されるものであり、また、反映係数は、前述したように、図5に示すマップに基づいて設定される。なお、この場合、補正された点火時期(リタード後の点火時期)に対するスロットル開度θthのマップにより設定してもよい。
【0041】
このように本実施形態では、吸蔵型NOx触媒25からSOxを放出する再生度合が所定範囲に保たれるように制御、つまり、吸蔵型NOx触媒25の触媒温度Tcat が活性温度(例えば、250〜350℃)より高く、且つ、吸蔵されたSOxを脱離するのに適した温度(例えば、650℃〜800℃)あるいはそれより低く設定された昇温設定温度ZSTEMP以上となった場合に、点火時期をリタードして吸蔵型NOx触媒25を昇温させると共に空燃比をリッチ化してSOxを放出する。
【0042】
従って、吸蔵型NOx触媒25がある程度高温状態にあるときに、アシスト的に吸蔵型NOx触媒25を昇温してS再生速度の遅いSOx放出速度に適した触媒温度域においてSOxを放出して再生している。そのため、吸蔵型NOx触媒25が低温状態でSOxの放出に最適な温度まで昇温するのに長時間を要するような場合に無理にS再生を実施するものではない。これによって長時間のリッチ化及び点火時期リタード、及び低温から大きく昇温しなければならないための大幅なリタードを行う必要がなく、燃費の悪化を抑制できる。
【0043】
図8に一般的な走行時において本実施形態によるアシスト的な昇温によるS再生制御を使用したときと、使用しなかったときの吸蔵型NOx触媒25の触媒ベット温度の時間頻度の比較を示す。本制御を使用することにより、S再生速度が速くS再生に適した650℃以上の時間頻度が大きく増加し、よりS再生速度の速い700℃以上の時間頻度も増加しており、効率よくS再生できていることがわかる。
【0044】
また、Sパージモードで触媒温度Tcat がイオウ成分の脱離に最適な温度(例えば、650℃以上)へ近づかない場合、設定時間Cを経過した後にSパージモードを停止させるようにしている。従って、例えば、車両が市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態のときは、吸蔵型NOx触媒25がSOxを放出するのに最適な高温状態になりにくいため、設定時間Cの経過を待ってSパージモードを中止させており、これによってS再生効率が良くない温度帯ではリッチ化及び昇温の継続に制限を設けることにより燃費の悪化を抑制できる。
【0045】
なお、本実施形態では、吸蔵型NOx触媒25の温度が活性温度を250℃〜350℃とし、吸蔵されたSOxを脱離するのに適した温度を650℃〜800℃、より好ましくは700℃以上、昇温設定温度ZSTEMPを600℃から開始しS再生頻度により変化させるようにしたが、各温度は吸蔵型NOx触媒25の特性あるいはエンジン形態や排気温度などにより適宜設定すればよいものであり、上述した実施形態に限定されるものではない。また、上述した実施形態では、触媒装置の昇温手段として点火時期リタードとしたが、吸蔵型NOx触媒25を昇温させるようなものであれば、昇温手段は膨張行程に追加燃料噴射を行う2段噴射や吸蔵型NOx触媒25の上流の排気管21内に直接燃料を噴射するようなもの、あるいは電気加熱触媒を用いるものであってもよい。また、Sパージ時のリッチ化方法としても、前述の2段噴射あるいは排気管21内への直接燃料噴射を用いてもよい。
【0046】
また、吸蔵型NOx触媒25からSOxを放出する再生度合が所定範囲に保たれるようにSパージを行うようにしたが、これに加えて、従来のような吸蔵型NOx触媒25に吸蔵されたSOx量を推定してSパージを行う装置を併設してもよい。この場合、従来のSパージを行う装置は、副次的に使うことが好ましく、例えば、本発明のSパージ制御に入る運転をドライバが行わなかったときに限り触媒の再生を目的として強制的に、または、SOx量の推定結果に基づいて作動させることが燃費等の面で好ましい。更に、上述の実施形態では、エンジン11を筒内噴射型火花点火式直列ガソリンエンジンとしたが、エンジン11は吸蔵型NOx触媒を有するものであれば、吸気管噴射型のリーンバーンエンジンあるいはディーゼルエンジンであってもよい。
【0047】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項1の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、燃費の悪化を抑制しながら、触媒装置の再生を効率的に行うことができる。
【0048】
また、請求項2の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒装置の触媒再生情報またはイオウ成分による被毒情報に基づいて再生するようにしたので、触媒装置の被毒または再生状態を把握することで、触媒装置を効率よく再生することができる。
【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排気浄化装置の概略構成図である。
【図2】本実施形態の排気浄化装置によるSパージ制御のフローチャートである。
【図3】Sパージ制御のタイムチャートである。
【図4】S再生頻度に対する昇温設定温度を表すグラフである。
【図5】触媒温度推定値に対する反映係数を表すグラフである。
【図6】S再生頻度とNOx排出量との関係を表すグラフである。
【図7】S再生A/Fに対するS再生後の回復したNOx吸蔵触媒を表すグラフである。
【図8】一般走行において本実施形態を使用したときと使用しなかったときの触媒温度の時間頻度を表すグラフである。
【符号の説明】
11 エンジン(内燃機関)
13 点火プラグ
14 燃料噴射弁
15 燃焼室
17 スロットル弁
18 スロットルセンサ
20 クランク角センサ
21 排気管(排気通路)
22 三元触媒
23 排気浄化触媒装置(触媒装置)
24 高温センサ
25 吸蔵型NOx触媒
26 三元触媒
28 電子コントロールユニット,ECU(再生手段、作動制御手段、脱離頻度検知手段、設定温度変更手段)
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排気ガス中のイオウ成分を吸蔵する触媒装置と、該触媒装置の温度が活性温度より高く且つ吸蔵されたイオウ成分を脱離するのに適した温度あるいはそれより低く設定された設定温度以上となった場合に前記触媒装置を昇温させて前記イオウ成分を該触媒装置から脱離させる再生手段と、該再生手段が作動した後、前記触媒装置の温度がイオウ成分を脱離するのに適した所定温度を越えない場合には同再生手段の作動を停止する停止手段と、を具えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記再生手段の作動するときの前記触媒装置の触媒再生情報またはイオウ成分による被毒情報に基づいて該再生手段の作動を制御する作動制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 請求項2記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記作動制御手段は、所定期間においてイオウ成分が脱離される触媒再生頻度を検出する脱離頻度検知手段を有し、この脱離頻度検知手段が検知した触媒再生頻度が予め設定された所定頻度より少ない場合に、再生手段を作動させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 請求項3記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記脱離頻度検知手段からの脱離頻度情報に基づいて設定温度を変更する設定温度変更手段を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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