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JP3997740B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置 Download PDF

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JP3997740B2
JP3997740B2 JP2001309463A JP2001309463A JP3997740B2 JP 3997740 B2 JP3997740 B2 JP 3997740B2 JP 2001309463 A JP2001309463 A JP 2001309463A JP 2001309463 A JP2001309463 A JP 2001309463A JP 3997740 B2 JP3997740 B2 JP 3997740B2
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  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

【0001】
【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排気エミッションや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を吸蔵する一方、ストイキまたはリッチ空燃比で運転中に前記吸蔵された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、この吸蔵型NOx触媒においては、燃料中にイオウ(S)成分が含まれていることから、このS成分が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、これによって触媒の浄化効率が低下してしまうという不具合がある。
【0004】
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号公報等では、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触媒を再生し、その浄化効率を保持するようにした技術が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記吸蔵型NOx触媒の昇温方法として、従来、点火時期を遅角させる点火時期遅角方式や膨張行程もしくは排気行程に追加燃料を噴射して所謂二段燃焼させたり排気管に直接追加燃料を噴射する追加燃料噴射方式が知られている。前記点火時期遅角方式は、全運転領域で使用でき燃費悪化度合いは少ないものの昇温効果が小さいという欠点がある。一方、追加燃料噴射方式は、昇温効果は大きいものの高負荷領域では使用できない(吸入空気が主噴射の燃焼に使用され、追加噴射で使用できる空気が残らないため)という欠点がある。
【0006】
ところが、従来では、前記吸蔵型NOx触媒の昇温方法として、点火時期遅角方式と追加燃料噴射方式とを搭載する内燃機関によって何れか一方を選択して採用するものであるため、例えば点火時期遅角方式を採用した内燃機関にあっては、低負荷域における触媒昇温に多大な時間がかかるという問題点があり、一方、追加燃料噴射方式を採用した内燃機関にあっては、高負荷域には吸蔵型NOx触媒を再生することができないという問題点があった。
【0007】
本発明はこのような問題点を解決するものであって、内燃機関の運転状況に応じて点火時期遅角方式と追加燃料噴射方式とを使い分けることにより、どのような運転状況でも、燃費の悪化を抑制しつつ触媒装置を速やかに昇温して確実に再生することができ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。
【0008】
【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本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は
車両に搭載される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と共に吸蔵されたイオウ成分を高温且つ還元雰囲気で放出する特性を有する触媒装置と、
前記内燃機関の主噴射とは別に燃料噴射弁により追加燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、
前記内燃機関の点火時期を遅角制御し得る点火時期制御手段と、
前記燃料噴射制御手段及び前記点火時期制御手段を含み該点火時期制御手段と前記燃料噴射制御手段の少なくとも一つを作動させることにより前記触媒装置を昇温させて吸蔵されたイオウ成分を脱離させる再生手段と、
前記触媒装置のイオウ成分の離脱状態を示す触媒再生度合いを検出または推定する再生度合検出手段と、を備え、
前記再生手段は、前記再生度合検出手段により検出または推定された触媒再生度合いが所定値以上とならない状態が所定期間継続した場合に限って前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行する
ことを特徴とする。
【0009】
また、
車両に搭載される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と共に吸蔵されたイオウ成分を高温且つ還元雰囲気で放出する特性を有する触媒装置と、
前記内燃機関の主噴射とは別に燃料噴射弁により追加燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、
前記内燃機関の点火時期を遅角制御し得る点火時期制御手段と、
前記触媒装置の温度を推定する触媒温度推定手段と、
前記燃料噴射制御手段及び前記点火時期制御手段を含み該点火時期制御手段と前記燃料噴射制御手段の少なくとも一つを作動させることにより前記触媒装置を昇温させて吸蔵されたイオウ成分を脱離させる再生手段と、
前記触媒装置のイオウ成分の吸着量を検出または推定する吸着量検出手段と、を備え、
前記再生手段は、前記吸着量検出手段により検出または推定されたイオウ成分の吸着量が所定値以下とならない状態が所定期間継続した場合に限って前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行する
ことを特徴とする。
【0010】
また、
前記内燃機関の負荷状態を検出する負荷検出手段を更に備え、
前記再生手段は、前記負荷検出手段により検出された前記内燃機関の低負荷領域である条件も満たす場合に限って前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行する
ことを特徴とする。
【0011】
また、
前記触媒装置の温度を推定する触媒温度推定手段を更に備え、
前記再生手段は、前記触媒装置の温度が所定温度以上の場合に前記触媒装置を昇温させて吸蔵されたイオウ成分を脱離させると共に前記所定値以上とならない状態が所定走行距離以上継続した場合は前記所定温度をより低く設定する
ことを特徴とする。
【0012】
また、
前記再生手段は、前記車両の走行速度が所定値以上の場合に、前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行しないことを特徴とする。
【0013】
また、
前記内燃機関のアイドル運転時等極低負荷域には、前記再生手段による触媒昇温制御を禁止することを特徴とする。
【0015】
【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。
【0016】
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吸蔵量を表すグラフを示す。
【0017】
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。
【0018】
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12a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。
【0019】
シリンダヘッド12aには、各気筒毎に略直立方向に吸気ポート16aが形成されており、各吸気ポート16a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12aには、各気筒毎に略水平方向に排気ポート19aが形成されており、各排気ポート19a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。
【0020】
そして、エンジン11のシリンダブロック12b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。
【0021】
また、前記排気マニホールド19の他端には排気管(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。
【0022】
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)、パラジウム(Pd)、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)、カリウム(K)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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
また、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。
【0026】
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。
【0027】
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燃料噴射(二段燃焼)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。
【0028】
ところで、燃料や潤滑油内に含まれるイオウ成分(S)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。
【0029】
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(S被毒)することになる。
【0030】
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、400℃〜600℃)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。
【0031】
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。
【0032】
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(被毒状態検出手段)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。
【0033】
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。
Figure 0003997740
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。
【0034】
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。
【0035】
このようにS再生頻度が求められたら、ステップS3にて、このS再生頻度<所定値D(例えば1.5s/km)の状況が走行距離>L1 (例えば1000km)続いたかどうかを判定し、続いていなければステップS4にて、後述する昇温設定温度ZSTEMP(℃)の特性の内のモード0が選択される。一方、続いていればステップS5にて、さらにS再生頻度<所定値D(例えば1.5s/km)の状況が走行距離>L2 (例えば2000km)続いたかどうかを判定し、続いていなければステップS6にて、昇温設定温度ZSTEMP(℃)の特性の内のモード1が選択される。一方、続いていればステップS7にて、昇温設定温度ZSTEMP(℃)の特性の内のモード2が選択される(以上、S再生開始特性変更手段)。つまり、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のである。このマップによれば、下限値(TL)の異なるZSTEMPの特性が、TL=600℃のモード0、TL=500℃のモード1、TL=400℃のモード2として三つ設定されている。いずれも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。
【0036】
次に、ステップS8にて、前記モードマップに基づいて昇温設定温度ZSTEMP(℃)を算出する。そして、ステップS9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より低ければステップS17にて、Sパージ制御を中止して吸蔵型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。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S10に移行し、制御モードをSパージモードに切り換える。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。
【0037】
この際、ステップ11にて、先ず前述したマップによりモード2が選択されたかどうかを判定し、選択されていなければ(モード0又はモード1が選択されている)ステップS12にて、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に流入する排気温度を十分に高めることにより、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。
【0038】
続いて、ステップS15にて、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。
【0039】
一方、前記ステップS11にて、モード2が選択されていればステップS13にて、内燃機関が低負荷・低回転域かどうかを判定し、低負荷・低回転域でなければ前記ステップS12にて、前述したように点火時期をリタード(遅角)させることで吸蔵型NOx触媒25を昇温する。逆に、低負荷・低回転域であればステップS14にて、主噴射とは別に、膨張行程もしくは排気行程への追加燃料噴射(二段燃焼)を実施することで吸蔵型NOx触媒25を昇温する(燃料噴射制御手段)。つまり、二段燃焼により吸蔵型NOx触媒25に流入する排気温度を十分に高めることにより、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、前述したステップS15における空燃比制御(スライトリッチ化)においては、その燃料噴射量は下記式(5),(6)により設定され、また噴射時期は下記式(7)により設定される。
主噴射目標A/F=ベースA/F+ZMAF×反映係数 ・・(5)
追加噴射目標A/F=ZSAF×反映係数 ・・(6)
追加噴射開始クランク角=負荷(Pe)/回転数(Ne)のマップ・・(7)
ここで、ZMAF及びZSAF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噴射量マップに基づいて設定されるものであり、ZMAFはSパージの時の補正の量で、ZSAFはSパージのための量である。
。また、反映係数は、前述したように、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。また、各目標A/Fはテーリングにより徐々に変更される。
【0040】
そして、ステップS16にて、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 )経過したかどうかを判定し、経過したらステップS17にて、Sパージ制御を中止して吸蔵型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。
【0041】
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、ステップS9にてZSTEMPが触媒温度Tcat を越えると、前述したようにステップS17において、Sパージ制御を中止して吸蔵型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。
【0042】
ここで、上述したSパージモードへの切換制御をモード0が選択された場合について具体的に説明する。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S9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。
【0043】
すると、SパージモードがOFF(ステップS9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。
【0044】
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S9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S16でYES)とすることで、点火時期リタード及び空燃比リッチ化を中止しS再生効率が低い温度域では燃費の悪化を抑制できる。
【0045】
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。
【0046】
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(8)により設定される。
スロットル開度ETV=ベースETV+ZSETV×反映係数 ・・(8)
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。また、ETVはテーリングにより徐々に変更される。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をマップにより設定してもよい。
【0047】
一方、Sパージを行うときに追加燃料噴射(二段噴射)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、吸入空気量を操作する場合も、追加燃料噴射(二段噴射)による空気不足分を補うように、上記式(8)により設定される。
【0048】
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、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。
【0049】
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昇温の継続による燃費の悪化を抑制できる。
【0050】
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いる。このように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。
【0051】
加えて、本実施形態では、S再生頻度に対するZSTEMPのマップにおいて、下限値(TL)の異なるZSTEMPの特性が、TL=600℃のモード0、TL=500℃のモード1、TL=400℃のモード2として三つ設定され、前述した運転状況(ステップS3及びステップS5参照)に応じて下限値の低いモードへと変更するようになっているので、触媒温度Tcat が低い運転状況においても、確実にSパージできる。つまり、下限値の高い例えばモード0しか設定されていない場合には、運転状況によっては条件に入る頻度が少なく、S再生に時間がかかるが、本実施形態では、それが未然に回避されるのである。
【0052】
また、前記下限値の低いモード2へと変更した場合における内燃機関の低負荷・低回転域には、点火時期遅角方式に比べより昇温効果の高い追加燃料噴射(二段燃焼)方式を用いて吸蔵型NOx触媒25を昇温させるので、燃費の面では不利であるが、吸蔵型NOx触媒25を速やかに昇温でき、確実にSパージできる。一方、追加空気量の確保が困難で追加燃料噴射(二段燃焼)方式を使用できない内燃機関の高負荷・高回転域には、昇温し易い条件下にあるモード0又はモード1を選択した場合と同様に、昇温し易い条件下にあるため、点火時期遅角方式により、燃費を悪化を抑制しつつ吸蔵型NOx触媒25を速やかに昇温でき、確実にSパージできる。
【0053】
また、本実施形態において、モード1もしくはモード2が選択された場合においても、S再生頻度≧所定値Dとなった場合には、最初の状態(モード0)へと戻る。走行距離は、S再生頻度≧所定値Dとなったらリセットする。また、モード2を選択した場合と同様の点火時期遅角方式と追加燃料噴射(二段燃焼)方式の使い分けを、最初の状態(モード0)及び/又はモード1を選択した場合でも用いるようにしても良い。また、触媒が昇温しやすい場合には(吸蔵型NOx触媒25がエンジン11に比較的近い位置に配置されている場合等)、モード1及びモード2は省略して、モード0のみとし上述の点火時期遅角方式と追加燃料噴射(二段燃焼)方式を使い分けるようにしてもよい。
【0054】
また、ステップS14の制御条件下でも、触媒温度Tcat が所定温度(例えば550℃)以上のときや平均車速が所定値(例えば40km/h)以上のときは、点火時期遅角方式でも十分Sパージできるので、追加燃料噴射(二段燃焼)方式に代えて点火時期遅角方式を用い燃費の悪化を抑制するようにしてもよい。また、S再生頻度≧所定値Dの状況が所定走行距離続いた場合S再生開始の最低温度(ZSTEMPの下限値TL)の変更を行わずに、S再生頻度≧所定値Dの状況が、走行距離>L1 (例えば1000km)続いた場合、点火時期遅角方式と追加燃料噴射(二段燃焼)方式の使い分けを運転状況に応じて行うようにしてもよい。
【0055】
また、アイドル運転時(あるいは車両停止時=車速0km/h時)等の極低負荷域は、排気流量も少なく、元々の触媒温度も低いので、昇温に多大なエネルギーを必要とし、燃費悪化も大きいため、昇温制御(S再生)を禁止してもよい。もしくは、極低負荷領域においては昇温制御の実施に上限を設けてもよい(最大30秒まで実施する等)。また、追加燃料噴射(二段燃焼)を行う際に、圧縮行程噴射+追加燃料噴射、吸気行程噴射+追加燃料噴射として、運転状況に応じて主噴射の噴射時期を変えるようにしてもよい。また、追加燃料噴射(二段燃焼)時に点火時期遅角も同時に併用してより一層昇温効果を上げるようにしてもよい。
【0056】
また、モード2を選択した場合においてもS再生頻度≧所定値Dとならない場合、即ち、S再生頻度≧所定値Dの状況が走行距離>L3 (例えば3000km。L3 >L2 )続いた場合、モード3としてリーン運転禁止としてもよい(その後、S再生頻度≧所定値Dとなった場合には、最初の状態(モード0)へと戻る)。リーン運転禁止の領域としては、走行中のみリーン運転禁止として、アイドル時にはリーン運転許可としても良い。これによって、ストイキまたはリッチ運転することになるので三元触媒により高いNOX浄化効率でNOXを浄化でき、NOX排出量をより確実に低減できる。また、上述の例では、所定期間を走行距離により判定したが、走行距離の代わりに、走行時間、燃料消費量を用いてもよい。また、上述の例では、モード1とモード2の2段階としたが、段階はさらに細分化してもよい。
【0057】
また、モード1もしくはモード2が選択(実行)された頻度に応じて学習し、下記のように所定走行距離を短くする、もしくはモードを省略して、より確実にSパージできるようにしてもよい。
例1:モード1に入る頻度(下記参照)が、所定値以上(例えば50%以上)のとき、L1 を短くする(例えば500km)。
例1−1:モード1に入る頻度が、所定値未満(例えば50%未満)に戻ったとき、L1 を元に戻し長くする(例えば1000km)。
例2:モード2に入る頻度が、所定値以上(例えば50%以上)のとき、L1 を短くする(例えば500km)及び/又はL2 を短くする(例えば1000km)。及び/又はモード0を省略する。
例2−2:モード2に入る頻度が、所定値未満(例えば50%未満)に戻ったとき、L1 及び/又はL2 を元に戻し長くする(例えばL1 =1000km、L2 =2000km)。及び/又はモード0を復活させる。
頻度:前回リセット(S再生頻度≧所定値D)されてからの、全走行距離に占めるモード1となっている走行距離=モード1となっている走行距離/全走行距離
【0058】
また、本実施形態では、吸蔵型NOx触媒25の温度が所定温度以上となった場合にアシスト的に昇温する例について述べたが、吸蔵型NOx触媒25の温度によらず昇温する場合にも、点火時期遅角方式と追加燃料噴射(二段燃焼)方式の使い分けを適用することができる。また、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の下限値TLを400℃,500℃及び600℃としてS再生頻度の状況(履歴)により選択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の追加燃料噴射方式に二段燃焼を用いたが、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追加燃料噴射方式を用いてもよい。
【0059】
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、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用いてもよい。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、上述の実施形態のようにS再生頻度(再生度合)に基づくSパージ制御に入るような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。また、吸蔵型NOX触媒としては、酸化雰囲気においてNOXを吸着し、還元雰囲気においてNOXを放出することなく直接還元するタイプのものであってもよいことは無論である。
【0060】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、内燃機関の運転状況に応じて点火時期遅角方式と追加燃料噴射方式とを使い分けられ、どのような運転状況でも、燃費の悪化を抑制しつつ触媒装置を速やかに昇温して確実に再生することができ、常に確実にNOx 浄化効率をキープしてNOx 排出量を低減できるという本来的な作用・効果に加えて、触媒再生度合いに応じて触媒装置を速やかに昇温でき、効率よく触媒装置を再生できるという特有の作用・効果が得られる。
【0061】
請求項2の発明によれば、内燃機関の運転状況に応じて点火時期遅角方式と追加燃料噴射方式とを使い分けられ、どのような運転状況でも、燃費の悪化を抑制しつつ触媒装置を速やかに昇温して確実に再生することができ、常に確実にNO x 浄化効率をキープしてNO x 排出量を低減できるという本来的な作用・効果に加えて、イオウ成分の吸着量(被毒状態)に応じて触媒装置を速やかに昇温でき、効率よく触媒装置を再生できるという特有の作用・効果が得られる。
【0062】
請求項3及び4の発明によれば、燃費の必要以上の悪化を防止しつつゾーン分けにより制御を精密化できる。
【0063】
請求項5の発明によれば、燃費の必要以上の悪化を防止しつつゾーン分けにより制御を簡略化できる。
【0064】
請求項6の発明によれば、燃費の必要以上の悪化を防止することができる。
【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吸蔵量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 ECU(電子コントロールユニット)

Claims (6)

  1. 車両に搭載される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と共に吸蔵されたイオウ成分を高温且つ還元雰囲気で放出する特性を有する触媒装置と、
    前記内燃機関の主噴射とは別に燃料噴射弁により追加燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、
    前記内燃機関の点火時期を遅角制御し得る点火時期制御手段と、
    前記燃料噴射制御手段及び前記点火時期制御手段を含み該点火時期制御手段と前記燃料噴射制御手段の少なくとも一つを作動させることにより前記触媒装置を昇温させて吸蔵されたイオウ成分を脱離させる再生手段と、
    前記触媒装置のイオウ成分の離脱状態を示す触媒再生度合いを検出または推定する再生度合検出手段と、を備え、
    前記再生手段は、前記再生度合検出手段により検出または推定された触媒再生度合いが所定値以上とならない状態が所定期間継続した場合に限って前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行する
    ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 車両に搭載される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と共に吸蔵されたイオウ成分を高温且つ還元雰囲気で放出する特性を有する触媒装置と、
    前記内燃機関の主噴射とは別に燃料噴射弁により追加燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、
    前記内燃機関の点火時期を遅角制御し得る点火時期制御手段と、
    前記触媒装置の温度を推定する触媒温度推定手段と、
    前記燃料噴射制御手段及び前記点火時期制御手段を含み該点火時期制御手段と前記燃料噴射制御手段の少なくとも一つを作動させることにより前記触媒装置を昇温させて吸蔵されたイオウ成分を脱離させる再生手段と、
    前記触媒装置のイオウ成分の吸着量を検出または推定する吸着量検出手段と、を備え、
    前記再生手段は、前記吸着量検出手段により検出または推定されたイオウ成分の吸着量が所定値以下とならない状態が所定期間継続した場合に限って前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行する
    ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記内燃機関の負荷状態を検出する負荷検出手段を更に備え、
    前記再生手段は、前記負荷検出手段により検出された前記内燃機関の低負荷領域である条件も満たす場合に限って前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記触媒装置の温度を推定する触媒温度推定手段を更に備え、
    前記再生手段は、前記触媒装置の温度が所定温度以上の場合に前記触媒装置を昇温させて吸蔵されたイオウ成分を脱離させると共に前記所定値以上とならない状態が所定走行距離以上継続した場合は前記所定温度をより低く設定する
    ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記再生手段は、前記車両の走行速度が所定値以上の場合に、前記燃料噴射制御手段による触媒昇温を実行しないことを特徴とする請求項1,2,3又は4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記内燃機関のアイドル運転時等極低負荷域には、前記再生手段による触媒昇温制御を禁止することを特徴とする請求項1,2,3又は4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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