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JP3570306B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents

Exhaust gas purification device for internal combustion engine Download PDF

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JP3570306B2
JP3570306B2 JP23453499A JP23453499A JP3570306B2 JP 3570306 B2 JP3570306 B2 JP 3570306B2 JP 23453499 A JP23453499 A JP 23453499A JP 23453499 A JP23453499 A JP 23453499A JP 3570306 B2 JP3570306 B2 JP 3570306B2
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fuel
catalyst
fuel ratio
air
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信也 広田
俊祐 利岡
孝充 浅沼
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
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    • F01N3/0807Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0828Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents characterised by the absorbed or adsorbed substances
    • F01N3/0842Nitrogen oxides
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/021Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
    • F02D41/0235Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/024Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/0255Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus to accelerate the warming-up of the exhaust gas treating apparatus at engine start
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Throttle Valves Provided In The Intake System Or In The Exhaust System (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

【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する。
【0002】
【従来の技術】
機関排気通路内に第1の触媒とその下流に第2の触媒を配置し、機関始動後に主燃料に加え膨張行程中に副燃料を噴射して排気ガス温を上昇させ、それによって第1の触媒および第2の触媒を早期に活性化させるようにした内燃機関が公知である(特開平10−212995号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの場合、第2の触媒よりも第1の触媒の方が高温となるので第2の触媒が活性化するまで排気ガス温が上昇され続けると第1の触媒が過熱され、その結果第1の触媒が熱劣化するという危険性がある。即ち、このように二つの触媒を見えている場合には第1の触媒が予め定められた温度に達したら排気ガスの上昇作用を停止させる必要がある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
そこで1番目の発明では、機関排気通路内に第1の触媒を配置し、第1の触媒下流の機関排気通路内に第2の触媒と排気制御弁を配置し、第1の触媒の温度が予め定められた温度まで上昇するまでの間、排気制御弁をほぼ全閉にすると共に、機関出力を発生するために燃焼室内に噴射された主燃料を空気過剰のもとで燃焼させることに加え副燃料を副燃料が燃焼しうる膨張行程中又は排気行程中の予め定められた時期に燃焼室内に追加噴射し、第1の触媒の温度が予め定められた温度を越えたときには排気制御弁を全開するようにしている。
【0005】
2番目の発明では1番目の発明において、第1の触媒の温度が予め定められた温度を越えるまでは排気ガスの空燃比がリーンとされる。
3番目の発明では1番目の発明において、第1の触媒の温度が予め定められた温度を越えたときには排気ガスの空燃比を理論空燃比又はわずかばかりリッチに維持するようにしている。
【0006】
4番目の発明では3番目の発明において、第2の触媒の温度が予め定められた温度に達するまでの間、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はわずかばかりリッチに維持するようにしている。
5番目の発明では3番目の発明において、第1の触媒が酸化機能を有する触媒からなり、第2の触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のNOを吸収し、排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOを放出するNO吸収剤からなる。
【0007】
6番目の発明では5番目の発明において、NOx 吸収剤を迂回する排気バイパス通路を設け、第1の触媒がSOx を捕獲する機能を有し、第1の触媒からのSOx の放出作用が完了するまで排気ガスの空燃比を理論空燃比又はわずかばかりリッチに維持しかつ排気ガスがNOx 吸収剤を迂回して排気バイパス通路を流れるようにしている。
7番目の発明では1番目の発明において、排気制御弁がほぼ全閉せしめられたときには、同一の機関運転状態のもとで排気制御弁が全開せしめられた場合の機関の発生トルクに近づくように同一の機関運転状態のもとで排気制御弁が全開せしめられた場合に比べて燃料の噴射量が増量される。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1および図2は本発明を成層燃焼式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明は均一リーン空燃比のもとで燃焼が行われる火花点火式内燃機関、および空気過剰のもとで燃焼が行われるディーゼル機関にも適用することができる。
【0009】
図2を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6はシリンダヘッド3の内壁面周縁部に配置された燃料噴射弁、7はシリンダヘッド3の内壁面中央部に配置された点火栓、8は吸気弁、9は吸気ポート、10は排気弁、11は排気ポートを夫々示す。
図1および図2を参照すると、吸気ポート9は対応する吸気枝管12を介してサージタンク13に連結され、サージタンク13は吸気ダクト14およびエアフローメータ15を介してエアクリーナ16に連結される。吸気ダクト14内にはステップモータ17により駆動されるスロットル弁18が配置される。一方、各気筒の排気ポート11は排気マニホルド19に連結され、排気マニホルド19の出口には酸化機能を有する第1の触媒20を収容した触媒コンバータ20aが連結される。触媒コンバータ20aの出口は排気管21を介して第2の触媒22を収容した触媒コンバータ22aに連結され、触媒コンバータ22aの出口には排気管23が連結される。
【0010】
図1に示される実施例では第1の触媒20は三元触媒からなり、第2の触媒22はNO吸収剤からなる。図1に示されるように排気管23内には負圧ダイアフラム装置又は電気モータからなるアクチュエータ25により駆動される排気制御弁24が配置される。この排気制御弁は図1において符号24′で示されるように排気管21内に配置することもできる。
【0011】
図1に示されるように排気マニホルド19とサージタンク13とは排気ガス再循環(以下EGRと称す)通路26を介して互いに連結され、EGR通路26内には電気制御式EGR制御弁27が配置される。燃料噴射弁6は共通の燃料リザーバ、いわゆるコモンレール28に連結される。このコモンレール28内へは燃料タンク29内の燃料が電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ30を介して供給され、コモンレール28内に供給された燃料が各燃料噴射弁6に供給される。コモンレール28にはコモンレール28内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ31が取付けられ、燃料圧センサ31の出力信号に基づいてコモンレール28内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ30の吐出量が制御される。
【0012】
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45および出力ポート46を具備する。エアフローメータ15は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。機関本体1には機関冷却水温を検出するための水温センサ32が取付けられ、この水温センサ32の出力信号は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。更に入力ポート45には燃料圧センサ31の出力信号が対応するAD変換器47を介して入力される。
【0013】
一方、触媒コンバータ20aには三元触媒20の温度を検出するための温度センサ33が取付けられ、触媒コンバータ20aにはNO吸収剤22の温度を検出するための温度センサ34が取付けられる。これら温度センサ33,34の出力信号は夫々対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。また、排気マニホルド19内には空燃比センサ35が配置され、この空燃比センサ35の出力信号が対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。
【0014】
アクセルペダル50にはアクセルペダル50の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ51が接続され、負荷センサ51の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。また、入力ポート45にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ52が接続される。一方、出力ポート46は対応する駆動回路48を介して燃料噴射弁6、点火栓7、スロットル弁制御用ステップモータ17、排気制御弁制御用アクチュエータ25、EGR制御弁27および燃料ポンプ30に接続される。
【0015】
図3は燃料噴射量Q1,Q2,Q(=Q+Q)、噴射開始時期θS1,θS2、噴射完了時期θE1,θE2および燃焼室5内における平均燃料比A/Fを示している。なお、図3において横軸Lはアクセルペダル50の踏込み量、即ち要求負荷を示している。
図3からわかるように要求負荷LがLよりも低いときには圧縮行程末期のθS2からθE2の間において燃料噴射Q2が行われる。このときには平均空燃比A/Fはかなりリーンとなっている。要求負荷LがLとLの間のときには吸気行程初期のθS1からθE1の間において第1回目の燃料噴射Q1が行われ、次いで圧縮行程末期のθS2からθE2の間において第2回目の燃料噴射Q2が行われる。このときにも空燃比A/Fはリーンとなっている。要求負荷LがLよりも大きいときには吸気行程初期のθS1からθE1の間において燃料噴射Q1が行われる。このときには要求負荷Lが低い領域では平均空燃比A/Fがリーンとされており、要求負荷Lが高くなると平均空燃比A/Fが理論空燃比とされ、要求負荷Lが更に高くなると平均空燃比A/Fがリッチとされる。なお、圧縮行程末期にのみ燃料噴射Q2が行われる運転領域、二回に亘って燃料噴射Q1およびQ2が行われる運転領域および吸気行程初期にのみ燃料噴射Q1が行われる運転領域は要求負荷Lのみにより定まるのではなく、実際には要求負荷Lおよび機関回転数により定まる。
【0016】
図2は要求負荷LがL(図3)よりも小さいとき、即ち圧縮行程末期においてのみ燃料噴射Q2が行われる場合を示している。図2に示されるようにピストン4の頂面上にはキャビティ4aが形成されており、要求負荷LがLよりも低いときには燃料噴射弁6からキャビティ4aの底壁面に向けて圧縮行程末期に燃料が噴射される。この燃料はキャビティ4aの周壁面により案内されて点火栓7に向かい、それによって点火栓7の周りに混合気Gが形成される。次いでこの混合気Gは点火栓7により着火せしめられる。
【0017】
一方、前述したように要求負荷LがLとLとの間にあるときには二回に分けて燃料噴射が行われる。この場合、吸気行程初期に行われる第1回目の燃料噴射Q1によって燃焼室5内に稀薄混合気が形成される。次いで圧縮行程末期に行われる第2回目の燃料噴射Q2によって点火栓7周りに最適な濃度の混合気が形成される。この混合気が点火栓7により着火せしめられ、この着火火炎によって稀薄混合気が燃焼せしめられる。
【0018】
一方、要求負荷LがLよりも大きいときには図3に示されるように燃焼室5内にはリーン又は理論空燃比又はリッチ空燃比の均一混合気が形成され、この均一混合気が点火栓7により着火せしめられる。
触媒コンバータ20a内に収容されているNO吸収剤22は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ptのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路、燃焼室5およびNO吸収剤22上流の排気通路内に供給された空気および燃料(炭化水素)の比を排気ガスの空燃比と称するとこのNO吸収剤22は排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOを吸収し、排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOを放出するNOの吸放出作用を行う。
【0019】
このNO吸収剤22を機関排気通路内に配置すればNO吸収剤22は実際にNOの吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図4に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金PtおよびバリウムBaを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【0020】
図1に示される内燃機関では通常燃焼室5における空燃比がリーンの状態で燃焼が行われる。このように空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図4(A)に示されるようにこれら酸素OがO 又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO 又はO2−と反応し、NOとなる(2NO+O→2NO)。次いで生成されたNOの一部は白金Pt上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら図4(A)に示されるように硝酸イオンNO の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてNOがNO吸収剤22内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面でNOが生成され、吸収剤のNO吸収能力が飽和しない限りNOが吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO が生成される。
【0021】
一方、流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果白金Ptの表面でのNOの生成量が低下する。NOの生成量が低下すると反応が逆方向(NO →NO)に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO がNOの形で吸収剤から放出される。このときNO吸収剤22から放出されたNOは図4(B)に示されるように排気ガス中に含まれる多量の未燃HC,COと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ptの表面上にNOが存在しなくなると吸収剤から次から次へとNOが放出される。従って排気ガスの空燃比がリッチにされると短時間のうちにNO吸収剤22からNOが放出され、しかもこの放出されたNOが還元されるために大気中にNOが排出されることはない。
【0022】
なお、この場合、排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもNO吸収剤22からNOが放出される。しかしながら排気ガスの空燃比を理論空燃比にした場合にはNO吸収剤22からNOが徐々にしか放出されないためにNO吸収剤22に吸収されている全NOを放出させるには若干長い時間を要する。
ところでNO吸収剤22のNO吸収能力には限度があり、従ってNO吸収剤22のNO吸収能力が飽和する前にNO吸収剤22からNOを放出させる必要がある。そこで本発明による実施例ではNO吸収剤22に吸収されているNO量が許容量を越えたと判断されたときには排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってNO吸収剤22からNOを放出させるようにしている。
【0023】
さて、機関始動後暫らくの間は燃焼室5内の温度が低く、従って多量の未燃HCが発生する。一方、機関始動後暫らくの間は三元触媒20およびNO吸収剤22の温度が低く、従ってこれら三元触媒20等における未燃HCの酸化反応は期待できない。斯くして機関始動後暫らくの間は多量の未燃HCが大気中に排出されることになる。この場合、大気中に排出される未燃HCを低減する方法は二つある。一つの方法は発生する未燃HCの酸化反応を促進することにある。他の方法は三元触媒20をできるだけ早く活性化させることにある。本発明ではこれらを同時に行いうる方法を用いており、まず初めにこの方法について図5を参照しつつ説明する。なお、図5において横軸はクランク角を示しており、BTDCおよびATDCは夫々上死点前および上死点後を示している。
【0024】
図5(A)は本発明による方法によって特に未燃HCを低減する必要のない場合であって要求負荷LがLよりも小さいときの燃料噴射時期を示している。図5(A)に示されるようにこのときには圧縮行程末期に主燃料Qmのみが噴射され、このとき排気制御弁24は全開状態に保持されている。
これに対し、本発明による方法によって未燃HCを低減する必要がある場合には排気制御弁24がほぼ全閉せしめられ、更に図5(B)に示されるように機関出力を発生させるための主燃料Qmの噴射に加え、膨張行程中に、図5(B)に示される例では圧縮上死点後(ATDC)60°付近において副燃料Qaが追加噴射される。なおこの場合、主燃料Qmの燃焼後、副燃料Qaを完全に燃焼せしめるのに十分な酸素が燃焼室5内に残存するように主燃料Qmは空気過剰のもとで燃焼せしめられる。また、図5(A)と図5(B)とは機関負荷と機関回転数が同一であるときの燃料噴射期間を示しており、従って期間負荷と期間回転数が同一である場合には図5(B)に示される場合の主燃料Qmの噴射量の方が図5(A)に示される場合の主燃料Qmの噴射量に比べて増量せしめられている。
【0025】
図6は機関排気通路の各位置における排気ガス中の未燃HCの濃度(ppm) の一例を示している。図6に示す例において黒三角は排気制御弁24を全開にした状態で図5(A)に示す如く圧縮行程末期において主燃料Qmを噴射した場合の排気ポート11出口における排気ガス中の未燃HCの濃度(ppm) を示している。この場合には排気ポート11出口における排気ガス中の未燃HCの濃度は6000ppm 以上の極めて高い値となる。
【0026】
一方、図6に示す例において黒丸および実線は排気制御弁24をほぼ全閉とし、図5(B)に示されるように主燃料Qmおよび副燃料Qaを噴射した場合の排気ガス中の未燃HCの濃度(ppm) を示している。この場合には排気ポート11出口における排気ガス中の未燃HCの濃度は2000ppm 以下となり、排気制御弁24の付近においては排気ガス中の未燃HCの濃度は150ppm 低度まで減少する。従ってこの場合には大気中に排出される未燃HCの量が大巾に低減せしめられることがわかる。
【0027】
このように排気制御弁24上流の排気通路内において未燃HCが減少するのは未燃HCの酸化反応が促進されているからである。しかしながら図6の黒三角で示されるように排気ポート11出口における未燃HCの量が多い場合、即ち燃焼室5内での未燃HCの発生量が多い場合にはたとえ排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進しても大気中に排出される未燃HCの量はさほど低減しない。即ち、排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進することによって大気中に排出される未燃HCの量を大巾に低減しうるのは図6の黒丸で示されるように排気ポート11出口における未燃HCの濃度が低いとき、即ち燃焼室5内での未燃HCの発生量が少ないときである。
【0028】
このように大気中に排出される未燃HCの量を低減させるためには燃焼室5内での未燃HCの発生量を低下させかつ排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進させるという二つの要求を同時に満たす必要がある。そこでまず初めに2番目の要求、即ち排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進させることから説明する。
【0029】
本発明の方法によれば大気中に排出される未燃HCの量を低減すべきときには排気制御弁24がほぼ全閉とされる。このように排気制御弁24がほぼ全閉にされると排気ポート11内、排気マニホルド19内、および排気制御弁24上流の排気管21内の圧力、即ち背圧はかなり高くなる。
背圧が高くなるということは燃焼室5内から排気ポート11内に排気ガスが排出されたときに排気ガスの圧力がさほど低下せず、従って燃焼室5から排出された排気ガス温もさほど低下しないことを意味している。従って排気ポート11内に排出された排気ガス温はかなり高温に維持されている。一方、背圧が高いということは排気ガスの密度が高いことを意味しており、排気ガスの密度が高いということは排気ポート11から排気制御弁24に致る排気通路内における排気ガスの流速が遅いことを意味している。従って排気ポート11内に排出された排気ガスは高温のもとで長時間に亘り排気制御弁24上流の排気通路内に滞留することになる。
【0030】
このように排気ガスが高温のもとで長時間に亘り排気制御弁24上流の排気通路内に滞留せしめられるとその間に未燃HCの酸化反応が促進される。この場合、本発明者による実験によると排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進するためには排気ポート11出口における排気ガス温をほぼ750℃以上、好ましくは800℃以上にする必要があることが判明している。
【0031】
また、高温の排気ガスが排気制御弁24上流の排気通路内に滞留している時間が長くなればなるほど未燃HCの低減量は増大する。この滞留時間は排気制御弁24の位置が排気ポート11出口から離れれば離れるほど長くなり、従って排気制御弁24は排気ポート11出口から未燃HCを十分に低減するのに必要な距離を隔てて配置する必要がある。排気制御弁24を排気ポート11出口から未燃HCを十分に低減するのに必要な距離を隔てて配置すると図6の実線に示されるように未燃HCの濃度は大巾に低減する。なお、本発明者による実験によると未燃HCを十分に低減するためには排気ポート11出口から排気制御弁24までの距離を1メートル以上とすることが好ましいことが判明している。
【0032】
ところで前述したように排気通路内における未燃HCの酸化反応を促進するためには排気ポート11出口における排気ガス温をほぼ750℃以上、好ましくは800℃以上にする必要がある。また、大気中に排出される未燃HCの量を低減するためには前述した1番目の要求を満たさなければならない。即ち燃焼室5内での未燃HCの発生量を低下させる必要がある。そのために本発明では機関出力を発生するための主燃料Qmに加え、主燃料Qmの噴射後に副燃料Qaを追加噴射して副燃料Qaを燃焼室5内で燃焼せしめるようにしている。
【0033】
即ち、副燃料Qaを燃焼室5内で燃焼せしめると副燃料Qaの燃焼時に主燃料Qmの燃え残りである多量の未燃HCが燃焼せしめられる。また、この副燃料Qaは高温ガス中に噴射されるので副燃料Qaは良好に燃焼せしめられ、従って副燃料Qaの燃え残りである未燃HCはさほど発生しなくなる。斯くして最終的に燃焼室5内で発生する未燃HCの量はかなり少なくなる。
【0034】
また、副燃料Qaを燃焼室5内で燃焼せしめると主燃料Qm自身および副燃料Qa自身の燃焼による発熱に加え、主燃料Qmの燃え残りである未燃HCの燃焼熱が追加的に発生するので燃焼室5内の既燃ガス温はかなり高くなる。このように主燃料Qmに加え副燃料Qaを追加噴射して副燃料Qaを燃焼させることにより燃焼室5内で発生する未燃HCの量を低減しかつ排気ポート11出口における排気ガス温を750℃以上、好ましくは800℃以上にすることができる。
【0035】
このように本発明による方法では副燃料Qaを燃焼室5内で燃焼せしめる必要があり、そのためには副燃料Qaの燃焼時に燃焼室5内に十分な酸素が残存していることが必要であり、しかも噴射された副燃料Qaが燃焼室5内で良好に燃焼せしめられる時期に副燃料Qaを噴射する必要がある。
そこで本発明による方法では副燃料Qaの燃焼時に燃焼室5内に十分な酸素が残存しうるように主燃料Qmは空気過剰のもとで燃焼せしめられる。また、図2に示される成層燃焼式内燃機関において噴射された副燃料Qaが燃焼室5において良好に燃焼せしめられる噴射時期は図5において矢印Zで示される圧縮上死点後(ATDC)ほぼ50°からほぼ90°の膨張行程であり、従って図2に示される成層燃焼式内燃機関においては副燃料Qaは圧縮上死点後(ATDC)ほぼ50°からほぼ90°の膨張行程において噴射される。なお、圧縮上死点後(ATDC)ほぼ50°からほぼ90°の膨張行程において噴射された副燃料Qaは機関の出力の発生には寄与しない。
【0036】
ところで本発明者による実験によると図2に示される成層燃焼式内燃機関では副燃料Qaが圧縮上死点後(ATDC)60°付近において噴射されたときに大気中に排出される未燃HCの量は最も少なくなる。従って本発明による実施例では図5(B)に示されるように副燃料Qaの噴射時期はほぼ圧縮上死点後(ATDC)60°付近とされる。
【0037】
副燃料Qaの最適な噴射時期は機関の型式によって異なり、例えばディーゼル機関では副燃料Qaの最適な噴射時期は膨張行程中か又は排気行程中となる。従って本発明では副燃料Qaの燃料噴射は膨張行程中又は排気行程中に行われる。一方、燃焼室5内の既燃ガス温は主燃料Qmの燃焼熱と副燃料Qaの燃焼熱の双方の影響を受ける。即ち、燃焼室5内の既燃ガス温は主燃料Qmの噴射量が増大するほど高くなり、副燃料Qaの噴射量が増大するほど高くなる。更に、燃焼室5内の既燃ガス温は背圧の影響を受ける。即ち、背圧が高くなるほど燃焼室5から既燃ガスが流出しにくくなるために燃焼室5内に残留する既燃ガス量が多くなり、斯くして排気制御弁24がほぼ全閉せしめられると燃焼室5内の既燃ガス温が上昇せしめられる。
【0038】
ところで排気制御弁24がほぼ閉弁せしめられ、それによって背圧が高くなると機関の発生トルクが最適な要求発生トルクに対して減少する。そこで本発明による実施例では図5(B)に示されるように排気制御弁24がほぼ全閉せしめられたときには図5(A)に示されるように同一の機関運転状態のもとで排気制御弁24が全開せしめられた場合の機関の要求発生トルクに近づくように同一の機関運転状態のもとで排気制御弁24が全開せしめられた場合に比べて主燃料Qmの噴射量が増量せしめられる。なお、本発明による実施例では排気制御弁24がほぼ全閉せしめられたときにはそのときの機関の発生トルクが同一の機関運転状態のもとで排気制御弁24が全開せしめられた場合の機関の要求発生トルクに一致するように主燃料Qmが増量される。
【0039】
図7は要求負荷Lに対して機関の要求発生トルクを得るのに必要な主燃料Qmの変化を示している。なお、図7において実線は排気制御弁24がほぼ全閉せしめられた場合を示しており、破線は排気制御弁24が全開せしめられた場合を示している。
一方、図8は排気制御弁24をほぼ全閉せしめた場合において排気ポート11出口における排気ガス温をほぼ750℃からほぼ800℃にするのに必要な主燃料Qmと副燃料Qaの関係を示している。前述したように主燃料Qmを増量しても燃焼室5内の既燃ガス温は高くなり、副燃料Qaを増量しても燃焼室5内の既燃ガス温は高くなる。従って排気ポート11出口における排気ガス温をほぼ750℃からほぼ800℃にするのに必要な主燃料Qmと副燃料Qaとの関係は図8に示されるように主燃料Qmを増大すれば副燃料Qaは減少し、主燃料Qmを減少すれば副燃料Qaは増大する関係となる。
【0040】
ただし、主燃料Qmおよび副燃料Qaを同一量増大した場合には副燃料Qaを増量した場合の方が主燃料Qmを増量した場合に比べて燃焼室5内の温度上昇量がはるかに大きくなる。従って燃料消費量の低減という観点からみると副燃料Qaを増大させることによって燃焼室5内の既燃ガス温を上昇させることが好ましいと言える。
【0041】
従って本発明による実施例では排気制御弁24をほぼ全閉せしめたときに機関の発生トルクを要求発生トルクまで上昇させるのに必要な分だけ主燃料Qmを増量し、主として副燃料Qaの燃焼熱によって燃焼室5内の既燃ガス温を上昇させるようにしている。
このように排気制御弁24をほぼ全閉せしめ、排気ポート11出口における排気ガスをほぼ750℃以上、好ましくはほぼ800℃以上とするのに必要な量の副燃料Qaを噴射すると排気ポート11から排気制御弁24に至る排気通路内において未燃HCの濃度を大巾に減少することができる。このとき排気ポート11から排気制御弁24に至る排気通路内において図6に示されるように未燃HCの濃度をほぼ150p.p.m 程度まで低下させるには排気制御弁24上流の排気通路内の圧力をゲージ圧でもってほぼ80KPa 以上にする必要がある。このときの排気制御弁24による排気通路断面積の閉鎖割合はほぼ95パーセント以上である。従って図1に示される実施例では大気中への未燃ガスの排出量を大巾に低減すべきときには排気制御弁24による排気通路断面積の閉鎖割合がほぼ90パーセント以上となるように排気制御弁24がほぼ全閉せしめられる。
【0042】
また、上述したように本発明による方法では排気ポート11出口における排気ガス温が750℃以上と極めて高くなり、従って排気マニホルド19の出口における排気ガス温もかなり高くなる。従って機関が始動されると三元触媒20は短時間でもって活性化温度に達する。
ところで本発明による方法では未燃HCは低減するがNOx は低減せしめられない。この場合、NOx を低減するにはNOx 吸収剤22によりNOx を吸収させるか、或いは排気ガスの空燃比を理論空燃比に維持して三元触媒20によりNOx を還元させるかのいずれかの方法がある。ところがNOx 吸収剤22は元触媒20よりも容量が大きく、しかも下流側に位置しているために容易に活性化温度に達しず、これに対して上述したように三元触媒20は短時間で活性化温度に達する。そこで本発明による第1実施例では三元触媒20が活性化温度に達したらNOx 吸収剤22が活性化温度に達するまで空燃比を理論空燃比に維持するようにしている。
【0043】
即ち、この第1実施例では図9に示されるように機関が始動されると排気制御弁24がほぼ全閉せしめられ、副燃料Qaが噴射される。このとき燃焼室5内における平均空燃比、即ち排気ガスの空燃比はリーンとなっており、大気中に排出される未燃HCの量は極めて少量となっている。一方、排気制御弁24がほぼ全閉せしめられ、副燃料Qaが噴射されると排気ガス温が高くなるために三元触媒20の温度T1が急速に上昇する。次いで三元触媒20の温度T1が活性化温度、例えば300℃に達すると排気制御弁24が全開せしめられ、副燃料Qaの噴射が停止され、燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比となるように空燃比センサ35の出力信号に基づいて噴射量がフィードバック制御される。
【0044】
燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比に維持されると排気ガス中の未燃HC,COおよびNOが三元触媒20において浄化せしめられ、斯くして大気中に排出される未燃HC,COおよびNOの量が大巾に低減せしめられる。一方、燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比に維持されると酸化還元反応熱により三元触媒20の温度T1は上昇し続け、NO吸収剤22の温度T2も徐々に上昇する。次いでNO吸収剤22の温度T2が活性化温度、例えば300℃に達すると図3に示される通常の運転状態に切換えられ、燃焼室5内における平均空燃比がリーンとされる。NO吸収剤22が活性化すると排気ガス中のNOがNO吸収剤22内に吸収される。
【0045】
なお、燃焼室5内の平均空燃比をわずかばかりリッチにしても未燃HC,COおよびNOは三元触媒20によって浄化される。従って三元触媒20が活性化温度を越えてからNO吸収剤22が活性化温度を越えるまでの間、燃焼室5内の平均空燃比をわずかばかりリッチに維持することもできる。
図10は第1実施例を実行するための運転制御ルーチンを示している。
【0046】
図10を参照すると、まず初めにステップ100において触媒の昇温処理等が完了したことを示す完了フラグがセットされているか否かが判別される。完了フラグがセットされていないときにはステップ101に進んで三元触媒20の温度T1が活性化温度、例えば300℃を越えたか否かが判別される。T1≦300℃のときにはステップ102に進んで排気制御弁24がほぼ全閉せしめられる。次いでステップ103では主燃料Qmの噴射制御が行われ、次いでステップ104において副燃料Qaの噴射制御が行われる。
【0047】
次いでステップ101においてT1>300℃になったと判断されたときにはステップ105に進んで排気制御弁24が全開せしめられ、次いでステップ106では燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比又はわずかばかりリッチに制御される。このとき副燃料Qaの噴射は行われない。次いでステップ107ではNO吸収剤22の温度T2が活性化温度、例えば300℃を越えたか否かが判別される。T2≦300℃のときには処理サイクルを完了する。
【0048】
一方、ステップ107においてT2≧300℃になったと判別されたときにはステップ108に進んで完了フラグがセットされる。完了フラグがセットされるとステップ100からステップ109に進んで図3に示される通常の噴射制御が開始される。次いでステップ110ではNO吸収剤22に吸収されているNO量が許容量を越えたときにNO吸収剤22からNOを放出させるNO放出処理が行われる。
【0049】
次に第2実施例について説明する。この第2実施例では機関始動後、排気制御弁24をほぼ全閉とし、副燃料Qaを噴射して三元触媒20の温度を三元触媒20が熱劣化を生じない範囲で最大の許容温度、例えば800℃付近まで上昇させる。次いで排気制御弁24を全開し、主燃料Qmをリーンの状態で燃焼せしめ、膨張行程中に副燃料Qaを噴射して燃焼室5内の平均空燃比、即ち排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように空燃比センサ35の出力信号に基づいて副燃料Qaの噴射量をフィードバック制御する。副燃料Qaを噴射して燃焼室5内の平均空燃比を理論空燃比に維持すると燃焼室5からは多量の未燃HCが排出され、三元触媒20上におけるこれら多量の未燃HCの酸化反応熱により三元触媒20は例えば800℃低度の高温に保持される。その結果、NO吸収剤22は急速に温度上昇し、短時間のうちに活性化温度に達することになる。
即ち、この第2実施例でも図11に示されるように機関が始動されると排気制御弁24がほぼ全閉せしめられ、副燃料Qaが噴射される。このとき燃焼室5内における平均空燃比、即ち排気ガスの空燃比はリーンとなっており、大気中に排出される未燃HCの量は極めて少量となっている。一方、排気制御弁24がほぼ全閉せしめられ、副燃料Qaが噴射されると排気ガス温が高くなるために三元触媒20の温度T1が急速に上昇する。次いで三元触媒20の温度T1が許容温度800℃よりも少し低い温度、例えば750℃に達すると排気制御弁24が全開せしめられ、燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比となるように空燃比センサ35の出力信号に基づいて副燃料Qaの噴射量がフィードバック制御される。
【0050】
燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比に維持されると排気ガス中の未燃HC,COおよびNOが三元触媒20において浄化せしめられ、斯くして大気中に排出される未燃HC,COおよびNOの量が大巾に低減せしめられる。一方、副燃料Qaが噴射され、燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比に維持されると三元触媒20の温度T1は高温に維持され、斯くして、NO吸収剤22の温度T2が急速に上昇する。次いでNO吸収剤22の温度T2が活性化温度、例えば300℃に達すると図3に示される通常の運転状態に切換えられ、燃焼室5内における平均空燃比がリーンとされる。NO吸収剤22が活性化すると排気ガス中のNOがNO吸収剤22内に吸収される。
【0051】
なお、この場合も三元触媒20が許容温度付近まで上昇せしめられた後NO吸収剤22が活性化温度を越えるまでの間、燃焼室5内の平均空燃比をわずかばかりリッチに維持することもできる。
図12は第2実施例を実行するための運転制御ルーチンを示している。
図12を参照すると、まず初めにステップ200において触媒の昇温処理等が完了したことを示す完了フラグがセットされているか否かが判別される。完了フラグがセットされていないときにはステップ201に進んで三元触媒20の温度T1が許容温度よりも少し低い温度800℃−α(αは一定値)を越えたか否かが判別される。T1≦800℃−αのときにはステップ202に進んで排気制御弁24がほぼ全閉せしめられる。次いでステップ203では主燃料Qmの噴射制御が行われ、次いでステップ204において副燃料Qaの噴射制御が行われる。
【0052】
次いでステップ201においてT1>800℃−αになったと判断されたときにはステップ205に進んで排気制御弁24が全開せしめられ、次いでステップ206では燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比又はわずかばかりリッチとなるように副燃料Qaの噴射量が制御される。次いでステップ207ではNO吸収剤22の温度T2が活性化温度、例えば300℃を越えたか否かが判別される。T2≦300℃のときには処理サイクルを完了する。
【0053】
一方、ステップ207においてT2≧300℃になったと判別されたときにはステップ208に進んで完了フラグがセットされる。完了フラグがセットされるとステップ200からステップ209に進んで図3に示される通常の噴射制御が開始される。次いでステップ210ではNO吸収剤22に吸収されているNO量が許容量を越えたときにNO吸収剤22からNOを放出させるNO放出処理が行われる。
【0054】
次に第3実施例について説明する。
前述したように排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のNOがNO吸収剤22に吸収される。ところが排気ガス中にはSOが含まれており、NO吸収剤22にはNOばかりでなくSOも吸収される。このNO吸収剤22へのSOの吸収メカニズムはNOの吸収メカニズムと同じであると考えられる。
【0055】
即ち、NOの吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金PtおよびバリウムBaを担持させた場合を例にとって説明すると、前述したように流入排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素OがO 又はO2−の形で白金Ptの表面に付着しており、流入排気ガス中のSOは白金Ptの表面でO 又はO2−と反応してSOとなる。次いで生成されたSOの一部は白金Pt上で更に酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、硫酸イオンSO 2− の形で吸収剤内に拡散し、安定した硫酸塩BaSOを生成する。
【0056】
しかしながらこの硫酸塩BaSOは安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしても硫酸塩BaSOは分解されずにそのまま残る。従ってNO吸収剤22内には時間が経過するにつれて硫酸塩BaSOが増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてNO吸収剤22が吸収しうるNO量が低下することになる。
【0057】
そこでこの実施例では排気ガス中のSOを捕獲してNO吸収剤22にSOが流入しないようにするために第1の触媒20として、排気ガスの空燃比がリーンであるときにSOを吸収し、触媒の温度が予め定められた温度よりも高くかつ排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになるとSOを放出する触媒が用いられている。
【0058】
このような第1の触媒20として三元触媒を用いることもできるし、又NO吸収剤22と同様なSO吸収能力を有する吸収剤を用いることもできる。この場合、第1の触媒20の温度が一定温度、例えば600℃以上になると第1の触媒20内において硫酸塩BaSOが分解し、斯くしてこのとき排気ガスの空燃比をリッチにすると第1の触媒20からSOが放出されることになる。
【0059】
そこで本発明による実施例では機関始動時に排気制御弁24をほぼ全閉とし、副燃料Qaを噴射することによって第1の触媒20の温度を600℃以上まで上昇させ、次いで排気制御弁24を全開し、主燃料Qmをリーンの状態で燃焼せしめ、膨張行程中に副燃料Qaを噴射して燃焼室5内の平均空燃比、即ち排気ガスの空燃比がすこしばかりリッチとなるように空燃比センサ35の出力信号に基づいて副燃料Qaの噴射量をフィードバック制御し、この間に第1の触媒20からSOx を放出させるようにしている。
【0060】
なお、第1の触媒20からSOが放出されているときに放出されたSOがNO吸収剤22内に流入しないようにする必要があり、そのために図13に示されるように主通路36に対し、NO吸収剤22を迂回する排気バイパス通路37が併設され、NO吸収剤22上流の主通路36内と排気バイパス通路37内に夫々アクチュエータ25a,25bによって作動せしめられる排気制御弁24a,24bが配置されている。
【0061】
即ち、この第3実施例では図14に示されるように機関が始動されると両排気制御弁24a,24bがほぼ全閉せしめられ、副燃料Qaが噴射される。このとき燃焼室5内における平均空燃比、即ち排気ガスの空燃比はリーンとなっており、大気中に排出される未燃HCの量は極めて少量となっている。一方、両排気制御弁24a,24bがほぼ全閉せしめられ、副燃料Qaが噴射されると排気ガス温が高くなるために第1の触媒20の温度T1が急速に上昇する。次いで第1の触媒20の温度T1がほぼ600℃に達すると排気制御弁24aが全閉せしめられると共に排気制御弁24bが全開せしめられ、燃焼室5内における平均空燃比がすこしばかりリッチとなるように空燃比センサ35の出力信号に基づいて副燃料Qaの噴射量がフィードバック制御される。副燃料Qaが噴射され、燃焼室5内における平均空燃比がすこしばかりリッチに維持されると酸化還元反応熱により三元触媒20の温度T1は600℃以上に維持され、斯くして第1の触媒20からのSOの放出が開始される。
【0062】
一方、このように燃焼室5内における平均空燃比がすこしばかりリッチに維持されると排気ガス中の未燃HC,COおよびNOが第1の触媒20において浄化せしめられ、斯くして大気中に排出される未燃HC,COおよびNOの量が大巾に低減せしめられる。なお、このとき排気ガスはNO吸収剤22内に流入していないので図14に示されるようにNO吸収剤22の温度は低温のままである。
【0063】
次いで第1の触媒20からのSOの放出が完了したと判断されると図3に示される通常の運転状態に切換えられ、燃焼室5内における平均空燃比がリーンとされる。このとき排気制御弁24aが全開せしめられ、排気制御弁24bが全閉せしめられる。従って排気ガスがNO吸収剤22内に流入するようになり、斯くしてNO吸収剤22の温度が上昇する。
【0064】
なお、この実施例においても第1の触媒20がほぼ600℃を越えてからSOの放出を完了するまでの間、燃焼室5内の平均空燃比を理論空燃比に維持することもできる。
図15は第3実施例を実行するための運転制御ルーチンを示している。
図15を参照すると、まず初めにステップ300において触媒の昇温処理等が完了したことを示す完了フラグがセットされているか否かが判別される。完了フラグがセットされていないときにはステップ301に進んで第1の触媒20の温度T1が600℃を越えたか否かが判別される。T1≦600℃のときにはステップ302に進んで両排気制御弁24a,24bがほぼ全閉せしめられる。次いでステップ303では主燃料Qmの噴射制御が行われ、次いでステップ304において副燃料Qaの噴射制御が行われる。
【0065】
次いでステップ301においてT1>600℃になったと判断されたときにはステップ305に進んで排気制御弁24aが全閉せしめられると共に排気制御弁24bが全開せしめられ、次いでステップ306では燃焼室5内における平均空燃比が理論空燃比又はわずかばかりリッチとなるように副燃料Qaの噴射量が制御される。次いでステップ307では第1の触媒20からのSOの放出が完了したか否かが判別され、SOの放出が完了したときにはステップ308に進んで完了フラグがセットされる。
【0066】
完了フラグがセットされるとステップ300からステップ309に進んで排気制御弁24aが全開せしめられ、排気制御弁24bが全閉せしめられる。次いでステップ310では図3に示される通常の噴射制御が開始される。次いでステップ311ではNO吸収剤22に吸収されているNO量が許容量を越えたときにNO吸収剤22からNOを放出させるNO放出処理が行われる。
【0067】
【発明の効果】
第1の触媒を熱劣化させることなく早期に活性化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】燃焼室の側面断面図である。
【図3】噴射量、噴射時期および空燃比を示す図である。
【図4】NOの吸放出作用を説明するための図である。
【図5】噴射時期を示す図である。
【図6】未燃HCの濃度を示す図である。
【図7】主燃料の噴射量を示す図である。
【図8】主燃料の噴射量と副燃料の噴射量との関係を示す図である。
【図9】第1実施例における空燃比等の変化を示すタイムチャートである。
【図10】運転制御のためのフローチャートである。
【図11】第2実施例における空燃比等の変化を示すタイムチャートである。
【図12】運転制御のためのフローチャートである。
【図13】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図14】第3実施例における空燃比等の変化を示すタイムチャートである。
【図15】運転制御のためのフローチャートである。
【符号の説明】
6…燃料噴射弁
20…第1の触媒
22…第2の触媒
24…排気制御弁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
A first catalyst and a second catalyst downstream from the engine exhaust passage are disposed in the engine exhaust passage, and after the engine is started, the auxiliary fuel is injected during the expansion stroke in addition to the main fuel to raise the exhaust gas temperature. An internal combustion engine in which the catalyst and the second catalyst are activated at an early stage is known (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-212995).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this case, since the temperature of the first catalyst is higher than that of the second catalyst, if the exhaust gas temperature continues to rise until the second catalyst is activated, the first catalyst is overheated. There is a danger that the catalyst of the heat deteriorates. That is, when two catalysts are visible in this way, it is necessary to stop the exhaust gas rising action when the first catalyst reaches a predetermined temperature.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the first invention, the first catalyst is disposed in the engine exhaust passage, the second catalyst and the exhaust control valve are disposed in the engine exhaust passage downstream of the first catalyst, and the temperature of the first catalyst is increased. In addition to almost completely closing the exhaust control valve until it rises to a predetermined temperature, in addition to burning the main fuel injected into the combustion chamber under excess air to generate engine output The auxiliary fuel is additionally injected into the combustion chamber at a predetermined time during the expansion stroke or the exhaust stroke in which the auxiliary fuel can be combusted, and when the temperature of the first catalyst exceeds the predetermined temperature, the exhaust control valve is turned on. Fully open.
[0005]
In the second invention, in the first invention, the air-fuel ratio of the exhaust gas is made lean until the temperature of the first catalyst exceeds a predetermined temperature.
In the third invention, in the first invention, when the temperature of the first catalyst exceeds a predetermined temperature, the air-fuel ratio of the exhaust gas is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio or slightly rich.
[0006]
In the fourth invention, in the third invention, the air-fuel ratio of the exhaust gas is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio or slightly rich until the temperature of the second catalyst reaches a predetermined temperature.
According to a fifth aspect, in the third aspect, the first catalyst is a catalyst having an oxidation function, and the second catalyst is NO in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean.xNO is absorbed when the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich.xNO releasexIt consists of an absorbent.
[0007]
In the sixth invention, in the fifth invention, NOx An exhaust bypass passage that bypasses the absorbent is provided, and the first catalyst is SOx Has a function of capturing SO, and SO from the first catalyst.x The exhaust gas air-fuel ratio is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio or slightly rich until the release action of the exhaust gas is completed, and the exhaust gas is NOx It bypasses the absorbent and flows through the exhaust bypass passage.
In the seventh invention, in the first invention, when the exhaust control valve is almost fully closed, the torque generated by the engine when the exhaust control valve is fully opened under the same engine operating condition is approached. The fuel injection amount is increased as compared with the case where the exhaust control valve is fully opened under the same engine operating state.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 show a case where the present invention is applied to a stratified combustion internal combustion engine. However, the present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine in which combustion is performed under a uniform lean air-fuel ratio and a diesel engine in which combustion is performed under excess air.
[0009]
Referring to FIG. 2, 1 is an engine main body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is a fuel injection valve disposed on the peripheral edge of the inner wall surface of the cylinder head 3, and 7 is An ignition plug disposed at the center of the inner wall surface of the cylinder head 3, 8 is an intake valve, 9 is an intake port, 10 is an exhaust valve, and 11 is an exhaust port.
Referring to FIGS. 1 and 2, the intake port 9 is connected to a surge tank 13 via a corresponding intake branch pipe 12, and the surge tank 13 is connected to an air cleaner 16 via an intake duct 14 and an air flow meter 15. A throttle valve 18 driven by a step motor 17 is disposed in the intake duct 14. On the other hand, the exhaust port 11 of each cylinder is connected to an exhaust manifold 19, and the outlet of the exhaust manifold 19 is connected to a catalytic converter 20 a that houses a first catalyst 20 having an oxidation function. The outlet of the catalytic converter 20a is connected to the catalytic converter 22a containing the second catalyst 22 via the exhaust pipe 21, and the exhaust pipe 23 is connected to the outlet of the catalytic converter 22a.
[0010]
In the embodiment shown in FIG. 1, the first catalyst 20 is a three-way catalyst, and the second catalyst 22 is NO.xIt consists of an absorbent. As shown in FIG. 1, an exhaust control valve 24 driven by an actuator 25 comprising a negative pressure diaphragm device or an electric motor is disposed in the exhaust pipe 23. This exhaust control valve can also be arranged in the exhaust pipe 21 as indicated by reference numeral 24 'in FIG.
[0011]
As shown in FIG. 1, the exhaust manifold 19 and the surge tank 13 are connected to each other via an exhaust gas recirculation (hereinafter referred to as EGR) passage 26, and an electrically controlled EGR control valve 27 is disposed in the EGR passage 26. Is done. The fuel injection valve 6 is connected to a common fuel reservoir, so-called common rail 28. The fuel in the fuel tank 29 is supplied into the common rail 28 via an electrically controlled fuel pump 30 with variable discharge amount, and the fuel supplied in the common rail 28 is supplied to each fuel injection valve 6. A fuel pressure sensor 31 for detecting the fuel pressure in the common rail 28 is attached to the common rail 28, and a fuel pump 30 is set so that the fuel pressure in the common rail 28 becomes a target fuel pressure based on an output signal of the fuel pressure sensor 31. The discharge amount is controlled.
[0012]
The electronic control unit 40 comprises a digital computer and is connected to each other by a bidirectional bus 41. A ROM (read only memory) 42, a RAM (random access memory) 43, a CPU (microprocessor) 44, an input port 45 and an output port 46 are connected. It comprises. The air flow meter 15 generates an output voltage proportional to the amount of intake air, and this output voltage is input to the input port 45 via the corresponding AD converter 47. A water temperature sensor 32 for detecting the engine cooling water temperature is attached to the engine body 1, and the output signal of the water temperature sensor 32 is input to the input port 45 via the corresponding AD converter 47. Further, the output signal of the fuel pressure sensor 31 is input to the input port 45 via the corresponding AD converter 47.
[0013]
On the other hand, a temperature sensor 33 for detecting the temperature of the three-way catalyst 20 is attached to the catalytic converter 20a.xA temperature sensor 34 for detecting the temperature of the absorbent 22 is attached. The output signals of these temperature sensors 33 and 34 are input to the input port 45 via corresponding AD converters 47, respectively. An air-fuel ratio sensor 35 is disposed in the exhaust manifold 19, and an output signal from the air-fuel ratio sensor 35 is input to the input port 45 via the corresponding AD converter 47.
[0014]
A load sensor 51 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 50 is connected to the accelerator pedal 50, and the output voltage of the load sensor 51 is input to the input port 45 via the corresponding AD converter 47. . The input port 45 is connected to a crank angle sensor 52 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, 30 °. On the other hand, the output port 46 is connected to the fuel injection valve 6, spark plug 7, throttle valve control step motor 17, exhaust control valve control actuator 25, EGR control valve 27, and fuel pump 30 through corresponding drive circuits 48. The
[0015]
FIG. 3 shows fuel injection amounts Q1, Q2, Q (= Q1+ Q2), Injection start timings θS1 and θS2, injection completion timings θE1 and θE2, and an average fuel ratio A / F in the combustion chamber 5. In FIG. 3, the horizontal axis L indicates the amount of depression of the accelerator pedal 50, that is, the required load.
As can be seen from FIG. 3, the required load L is L.1If it is lower, the fuel injection Q2 is performed between θS2 and θE2 at the end of the compression stroke. At this time, the average air-fuel ratio A / F is considerably lean. Required load L is L1And L2During the period, the first fuel injection Q1 is performed between θS1 and θE1 at the beginning of the intake stroke, and then the second fuel injection Q2 is performed between θS2 and θE2 at the end of the compression stroke. Also at this time, the air-fuel ratio A / F is lean. Required load L is L2If it is larger than that, the fuel injection Q1 is performed between θS1 and θE1 in the initial stage of the intake stroke. At this time, the average air-fuel ratio A / F is lean in the region where the required load L is low, the average air-fuel ratio A / F is made the stoichiometric air-fuel ratio when the required load L increases, and the average air-fuel ratio A / F becomes higher when the required load L becomes higher. The fuel ratio A / F is made rich. Note that only the required load L is the operation region in which the fuel injection Q2 is performed only at the end of the compression stroke, the operation region in which the fuel injections Q1 and Q2 are performed twice, and the operation region in which the fuel injection Q1 is performed only in the early stage of the intake stroke. Is actually determined by the required load L and the engine speed.
[0016]
FIG. 2 shows that the required load L is L1It shows a case where the fuel injection Q2 is performed only when it is smaller than (FIG. 3), that is, at the end of the compression stroke. As shown in FIG. 2, a cavity 4a is formed on the top surface of the piston 4, and the required load L is L.1When it is lower than that, fuel is injected from the fuel injection valve 6 toward the bottom wall surface of the cavity 4a at the end of the compression stroke. This fuel is guided by the peripheral wall surface of the cavity 4 a and travels toward the spark plug 7, whereby an air-fuel mixture G is formed around the spark plug 7. Next, the air-fuel mixture G is ignited by the spark plug 7.
[0017]
On the other hand, as described above, the required load L is L1And L2When it is between, fuel injection is performed twice. In this case, a lean air-fuel mixture is formed in the combustion chamber 5 by the first fuel injection Q1 performed at the beginning of the intake stroke. Next, an air-fuel mixture having an optimum concentration is formed around the spark plug 7 by the second fuel injection Q2 performed at the end of the compression stroke. The air-fuel mixture is ignited by the spark plug 7, and the lean air-fuel mixture is combusted by the ignition flame.
[0018]
On the other hand, the required load L is L2If it is greater than that, a homogeneous mixture of lean, stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio is formed in the combustion chamber 5 as shown in FIG. 3, and this homogeneous mixture is ignited by the spark plug 7.
NO contained in catalytic converter 20axThe absorbent 22 has, for example, alumina as a carrier. On this carrier, for example, potassium K, sodium Na, lithium Li, alkali metal such as cesium Cs, alkaline earth such as barium Ba, calcium Ca, lanthanum La, yttrium Y, etc. At least one selected from such rare earths and a noble metal such as platinum Pt are supported. Engine intake passage, combustion chamber 5 and NOxIf the ratio of air and fuel (hydrocarbon) supplied into the exhaust passage upstream of the absorbent 22 is called the air-fuel ratio of the exhaust gas, this NOxThe absorbent 22 is NO when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean.xNO is absorbed when the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich.xNO releasexPerforms absorption and release action.
[0019]
This NOxIf the absorbent 22 is placed in the engine exhaust passage, NOxThe absorbent 22 is actually NOxThe detailed mechanism of the absorption / release action is not clear. However, this absorption / release action is considered to be performed by the mechanism shown in FIG. Next, this mechanism will be described by taking as an example the case where platinum Pt and barium Ba are supported on the support, but the same mechanism can be obtained by using other noble metals, alkali metals, alkaline earths, and rare earths.
[0020]
In the internal combustion engine shown in FIG. 1, combustion is normally performed with the air-fuel ratio in the combustion chamber 5 being lean. Thus, when combustion is performed with the air-fuel ratio being lean, the oxygen concentration in the exhaust gas is high. At this time, as shown in FIG.2Is O2 Or O2-It adheres to the surface of platinum Pt in the form of On the other hand, NO in the inflowing exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.2 Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2). Then the generated NO2As shown in FIG. 4 (A), a part of is absorbed in the absorbent while being oxidized on platinum Pt and combined with barium oxide BaO.3 Diffuses into the absorbent in the form of In this way NOxIs NOxAbsorbed in the absorbent 22. As long as the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas is high, NO on the surface of platinum Pt2Is produced and NO in the absorbentxNO unless absorption capacity is saturated2Is absorbed into the absorbent and nitrate ion NO.3 Is generated.
[0021]
On the other hand, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, and as a result, NO on the surface of platinum Pt.2The production amount of is reduced. NO2When the production amount of NO decreases, the reaction proceeds in the reverse direction (NO3 → NO2) And thus nitrate ion NO in the absorbent3 Is NO2Is released from the absorbent in the form of NO at this timexNO released from absorbent 22xAs shown in FIG. 4 (B), it is reduced by reacting with a large amount of unburned HC and CO contained in the exhaust gas. In this way, NO on the surface of platinum Pt.2NO from the absorbent to the next when no longer exists2Is released. Therefore, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, NO will be shortened in a short time.xNO from absorbent 22xIs released, and this released NOxNO in the atmosphere becausexWill not be discharged.
[0022]
In this case, even if the air-fuel ratio of the exhaust gas is the stoichiometric air-fuel ratio, NOxNO from absorbent 22xIs released. However, if the exhaust gas air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, NOxNO from absorbent 22xNO is released only graduallyxTotal NO absorbed by absorbent 22xIt takes a little longer time to release.
By the way NOxNO of absorbent 22xAbsorption capacity is limited, so NOxNO of absorbent 22xNO before absorption capacity saturatesxNO from absorbent 22xNeed to be released. Therefore, in the embodiment according to the present invention, NO is used.xNO absorbed by absorbent 22xWhen it is determined that the amount exceeds the allowable amount, the air-fuel ratio of the exhaust gas is temporarily made rich so that NOxNO from absorbent 22xTo be released.
[0023]
Now, for a while after the engine is started, the temperature in the combustion chamber 5 is low, and thus a large amount of unburned HC is generated. On the other hand, for a while after the engine is started, the three-way catalyst 20 and NOxSince the temperature of the absorbent 22 is low, the oxidation reaction of unburned HC in the three-way catalyst 20 or the like cannot be expected. Thus, for a while after the engine is started, a large amount of unburned HC is discharged into the atmosphere. In this case, there are two methods for reducing unburned HC discharged into the atmosphere. One method is to promote the oxidation reaction of the unburned HC generated. Another method consists in activating the three-way catalyst 20 as soon as possible. In the present invention, a method capable of performing these simultaneously is used. First, this method will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the crank angle, and BTDC and ATDC indicate before the top dead center and after the top dead center, respectively.
[0024]
FIG. 5A shows a case where it is not particularly necessary to reduce unburned HC by the method according to the present invention, and the required load L is L.1The fuel injection timing when it is smaller than is shown. As shown in FIG. 5A, at this time, only the main fuel Qm is injected at the end of the compression stroke, and at this time, the exhaust control valve 24 is held in a fully opened state.
On the other hand, when it is necessary to reduce the unburned HC by the method according to the present invention, the exhaust control valve 24 is almost fully closed, and further, as shown in FIG. In addition to the injection of the main fuel Qm, during the expansion stroke, in the example shown in FIG. 5B, the auxiliary fuel Qa is additionally injected in the vicinity of 60 ° after compression top dead center (ATDC). In this case, after combustion of the main fuel Qm, the main fuel Qm is burned under excess air so that sufficient oxygen remains in the combustion chamber 5 to completely burn the sub fuel Qa. FIG. 5A and FIG. 5B show the fuel injection period when the engine load and the engine speed are the same. Therefore, when the period load and the period speed are the same, FIG. The injection amount of the main fuel Qm in the case shown in FIG. 5 (B) is increased compared to the injection amount of the main fuel Qm in the case shown in FIG. 5 (A).
[0025]
FIG.organAn example of the concentration (ppm) of unburned HC in the exhaust gas at each position of the exhaust passage is shown. In the example shown in FIG. 6, the black triangle indicates unburned in the exhaust gas at the outlet of the exhaust port 11 when the main fuel Qm is injected at the end of the compression stroke as shown in FIG. 5A with the exhaust control valve 24 fully opened. The concentration of HC (ppm) is shown. In this case, the concentration of unburned HC in the exhaust gas at the outlet of the exhaust port 11 becomes an extremely high value of 6000 ppm or more.
[0026]
On the other hand, in the example shown in FIG. 6, the black circles and solid lines indicate that the exhaust control valve 24 is almost fully closed, and the unburned gas in the exhaust gas when the main fuel Qm and the sub fuel Qa are injected as shown in FIG. 5B. The concentration of HC (ppm) is shown. In this case, the concentration of unburned HC in the exhaust gas at the outlet of the exhaust port 11 is 2000 ppm or less, and in the vicinity of the exhaust control valve 24, the concentration of unburned HC in the exhaust gas is reduced to 150 ppm. Therefore, in this case, it can be seen that the amount of unburned HC discharged into the atmosphere is greatly reduced.
[0027]
The reason why the unburned HC is reduced in the exhaust passage upstream of the exhaust control valve 24 is that the oxidation reaction of the unburned HC is promoted. However, as shown by the black triangle in FIG. 6, when the amount of unburned HC at the outlet of the exhaust port 11 is large, that is, when the amount of unburned HC generated in the combustion chamber 5 is large, unburned in the exhaust passage. Even if the oxidation reaction of HC is promoted, the amount of unburned HC discharged into the atmosphere is not reduced so much. That is, by promoting the oxidation reaction of unburned HC in the exhaust passage, the amount of unburned HC discharged into the atmosphere can be greatly reduced as shown by the black circle in FIG. This is when the concentration of unburned HC is low, that is, when the amount of unburned HC generated in the combustion chamber 5 is small.
[0028]
Thus, in order to reduce the amount of unburned HC discharged into the atmosphere, the amount of unburned HC generated in the combustion chamber 5 is reduced and the oxidation reaction of unburned HC in the exhaust passage is promoted. It is necessary to satisfy two requirements at the same time. First, the second requirement, that is, promoting the oxidation reaction of unburned HC in the exhaust passage will be described.
[0029]
According to the method of the present invention, when the amount of unburned HC discharged into the atmosphere is to be reduced, the exhaust control valve 24 is almost fully closed. As described above, when the exhaust control valve 24 is almost fully closed, the pressure in the exhaust port 11, the exhaust manifold 19, and the exhaust pipe 21 upstream of the exhaust control valve 24, that is, the back pressure becomes considerably high.
An increase in the back pressure means that when the exhaust gas is discharged from the combustion chamber 5 into the exhaust port 11, the pressure of the exhaust gas does not decrease so much, and therefore the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber 5 also decreases significantly. It means not to. Therefore, the temperature of the exhaust gas discharged into the exhaust port 11 is maintained at a considerably high temperature. On the other hand, a high back pressure means a high exhaust gas density, and a high exhaust gas density means that the exhaust gas flow velocity in the exhaust passage from the exhaust port 11 to the exhaust control valve 24 is high. Means slow. Accordingly, the exhaust gas discharged into the exhaust port 11 stays in the exhaust passage upstream of the exhaust control valve 24 for a long time at a high temperature.
[0030]
As described above, when the exhaust gas is retained in the exhaust passage upstream of the exhaust control valve 24 for a long time under a high temperature, the oxidation reaction of unburned HC is promoted during that time. In this case, according to experiments by the present inventor, in order to promote the oxidation reaction of unburned HC in the exhaust passage, the exhaust gas temperature at the outlet of the exhaust port 11 needs to be about 750 ° C. or higher, preferably 800 ° C. or higher. It has been found.
[0031]
Further, as the time during which the high-temperature exhaust gas stays in the exhaust passage upstream of the exhaust control valve 24 becomes longer, the reduction amount of unburned HC increases. This residence time becomes longer as the position of the exhaust control valve 24 is further away from the outlet of the exhaust port 11, so that the exhaust control valve 24 is separated from the outlet of the exhaust port 11 by a distance necessary to sufficiently reduce unburned HC. Need to be placed. If the exhaust control valve 24 is arranged at a distance necessary to sufficiently reduce unburned HC from the outlet of the exhaust port 11, the concentration of unburned HC is greatly reduced as shown by the solid line in FIG. According to experiments by the present inventors, it has been found that the distance from the outlet of the exhaust port 11 to the exhaust control valve 24 is preferably 1 meter or more in order to sufficiently reduce unburned HC.
[0032]
As described above, in order to promote the oxidation reaction of unburned HC in the exhaust passage, the exhaust gas temperature at the outlet of the exhaust port 11 needs to be about 750 ° C. or higher, preferably 800 ° C. or higher. Further, in order to reduce the amount of unburned HC discharged into the atmosphere, the first requirement described above must be satisfied. That is, it is necessary to reduce the amount of unburned HC generated in the combustion chamber 5. Therefore, in the present invention, in addition to the main fuel Qm for generating the engine output, the auxiliary fuel Qa is additionally injected after the injection of the main fuel Qm, and the auxiliary fuel Qa is burned in the combustion chamber 5.
[0033]
That is, when the auxiliary fuel Qa is burned in the combustion chamber 5, a large amount of unburned HC, which is the unburned main fuel Qm, is burned when the auxiliary fuel Qa is burned. Further, since the auxiliary fuel Qa is injected into the high-temperature gas, the auxiliary fuel Qa is burned well, so that unburned HC which is the unburned residue of the auxiliary fuel Qa is not generated so much. Thus, the amount of unburned HC finally generated in the combustion chamber 5 is considerably reduced.
[0034]
Further, when the auxiliary fuel Qa is burned in the combustion chamber 5, in addition to the heat generated by the combustion of the main fuel Qm and the auxiliary fuel Qa itself, the combustion heat of the unburned HC that is the unburned main fuel Qm is additionally generated. Therefore, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 becomes considerably high. In this way, the auxiliary fuel Qa is additionally injected in addition to the main fuel Qm to burn the auxiliary fuel Qa, thereby reducing the amount of unburned HC generated in the combustion chamber 5 and reducing the exhaust gas temperature at the outlet of the exhaust port 11 to 750. C. or higher, preferably 800.degree. C. or higher.
[0035]
Thus, in the method according to the present invention, the auxiliary fuel Qa needs to be combusted in the combustion chamber 5, and for that purpose, it is necessary that sufficient oxygen remains in the combustion chamber 5 when the auxiliary fuel Qa is burned. In addition, it is necessary to inject the auxiliary fuel Qa at a time when the injected auxiliary fuel Qa is burned well in the combustion chamber 5.
Therefore, in the method according to the present invention, the main fuel Qm is burned under excess air so that sufficient oxygen can remain in the combustion chamber 5 during the combustion of the auxiliary fuel Qa. Further, the injection timing at which the auxiliary fuel Qa injected in the stratified combustion internal combustion engine shown in FIG. 2 is burned well in the combustion chamber 5 is approximately 50 after compression top dead center (ATDC) indicated by an arrow Z in FIG. Therefore, in the stratified combustion internal combustion engine shown in FIG. 2, the auxiliary fuel Qa is injected after the compression top dead center (ATDC) in the expansion stroke of approximately 50 ° to approximately 90 °. . The secondary fuel Qa injected in the expansion stroke from approximately 50 ° to approximately 90 ° after the compression top dead center (ATDC) does not contribute to the generation of engine output.
[0036]
By the way, according to an experiment by the present inventor, in the stratified combustion internal combustion engine shown in FIG. 2, the unburned HC discharged into the atmosphere when the auxiliary fuel Qa is injected in the vicinity of 60 ° after compression top dead center (ATDC). The amount is the least. Therefore, in the embodiment according to the present invention, as shown in FIG. 5B, the injection timing of the auxiliary fuel Qa is approximately 60 ° after compression top dead center (ATDC).
[0037]
The optimal injection timing of the auxiliary fuel Qa varies depending on the engine type. For example, in a diesel engine, the optimal injection timing of the auxiliary fuel Qa is in the expansion stroke or in the exhaust stroke. Therefore, in the present invention, the fuel injection of the auxiliary fuel Qa is performed during the expansion stroke or the exhaust stroke. On the other hand, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 is affected by both the combustion heat of the main fuel Qm and the combustion heat of the auxiliary fuel Qa. That is, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 increases as the injection amount of the main fuel Qm increases, and increases as the injection amount of the auxiliary fuel Qa increases. Furthermore, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 is affected by the back pressure. That is, as the back pressure increases, the amount of burned gas remaining in the combustion chamber 5 increases because the burned gas does not easily flow out of the combustion chamber 5, and thus the exhaust control valve 24 is almost fully closed. The burnt gas temperature in the combustion chamber 5 is raised.
[0038]
By the way, when the exhaust control valve 24 is almost closed, and the back pressure becomes high, the generated torque of the engine decreases with respect to the optimum required generated torque. Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the exhaust control valve 24 is almost fully closed as shown in FIG. 5 (B), the exhaust control is performed under the same engine operating state as shown in FIG. 5 (A). The injection amount of the main fuel Qm is increased as compared with the case where the exhaust control valve 24 is fully opened under the same engine operating state so as to approach the required generation torque of the engine when the valve 24 is fully opened. . In the embodiment according to the present invention, when the exhaust control valve 24 is almost fully closed, the engine generated when the exhaust control valve 24 is fully opened under the same engine operating state at that time. The main fuel Qm is increased so as to match the required generated torque.
[0039]
FIG. 7 shows a change in the main fuel Qm required to obtain the required generation torque of the engine with respect to the required load L. In FIG. 7, the solid line indicates the case where the exhaust control valve 24 is substantially fully closed, and the broken line indicates the case where the exhaust control valve 24 is fully opened.
On the other hand, FIG. 8 shows the relationship between the main fuel Qm and the sub fuel Qa required to bring the exhaust gas temperature at the outlet of the exhaust port 11 from about 750 ° C. to about 800 ° C. when the exhaust control valve 24 is almost fully closed. ing. As described above, even if the main fuel Qm is increased, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 is increased, and even if the sub fuel Qa is increased, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 is increased. Therefore, the relationship between the main fuel Qm and the sub fuel Qa required to change the exhaust gas temperature at the outlet of the exhaust port 11 from about 750 ° C. to about 800 ° C. is shown in FIG. Qa decreases, and if the main fuel Qm is decreased, the auxiliary fuel Qa increases.
[0040]
However, when the main fuel Qm and the auxiliary fuel Qa are increased by the same amount, the temperature increase in the combustion chamber 5 is much larger when the auxiliary fuel Qa is increased than when the main fuel Qm is increased. . Therefore, it can be said that it is preferable to raise the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 by increasing the auxiliary fuel Qa from the viewpoint of reducing the fuel consumption.
[0041]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the exhaust control valve 24 is almost fully closed, the main fuel Qm is increased by an amount necessary to increase the generated torque of the engine to the required generated torque, and mainly the combustion heat of the auxiliary fuel Qa. Thus, the burnt gas temperature in the combustion chamber 5 is raised.
In this way, when the exhaust control valve 24 is almost fully closed and the amount of the auxiliary fuel Qa required to bring the exhaust gas at the outlet of the exhaust port 11 to about 750 ° C. or higher, preferably about 800 ° C. or higher, is injected from the exhaust port 11. In the exhaust passage leading to the exhaust control valve 24, the concentration of unburned HC can be greatly reduced. At this time, in the exhaust passage from the exhaust port 11 to the exhaust control valve 24, as shown in FIG. p. In order to reduce the pressure to about m 2, the pressure in the exhaust passage upstream of the exhaust control valve 24 needs to be about 80 KPa or more with gauge pressure. At this time, the closing ratio of the exhaust passage sectional area by the exhaust control valve 24 is approximately 95% or more. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 1, when the discharge amount of unburned gas to the atmosphere should be greatly reduced, the exhaust control is performed so that the closing ratio of the exhaust passage cross-sectional area by the exhaust control valve 24 becomes approximately 90% or more. The valve 24 is almost fully closed.
[0042]
Further, as described above, in the method according to the present invention, the exhaust gas temperature at the outlet of the exhaust port 11 becomes extremely high at 750 ° C. or higher, and therefore the exhaust gas temperature at the outlet of the exhaust manifold 19 becomes considerably high. Therefore, when the engine is started, the three-way catalyst 20 reaches the activation temperature in a short time.
By the way, in the method according to the present invention, unburned HC is reduced, but NO.x Cannot be reduced. In this case, NOx NO to reducex NO due to absorbent 22x Or the exhaust gas air-fuel ratio is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio and the three-way catalyst 20x There is one of the methods of reducing. But NOx The absorbent 22threeSince the capacity is larger than that of the original catalyst 20 and it is located on the downstream side, the activation temperature is not easily reached. On the other hand, as described above, the three-way catalyst 20 reaches the activation temperature in a short time. Therefore, in the first embodiment according to the present invention, when the three-way catalyst 20 reaches the activation temperature, NO.x The air-fuel ratio is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio until the absorbent 22 reaches the activation temperature.
[0043]
That is, in the first embodiment, as shown in FIG. 9, when the engine is started, the exhaust control valve 24 is almost fully closed and the auxiliary fuel Qa is injected. At this time, the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5, that is, the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, and the amount of unburned HC discharged into the atmosphere is extremely small. On the other hand, when the exhaust control valve 24 is almost fully closed and the auxiliary fuel Qa is injected, the temperature of the three-way catalyst 20 rises rapidly because the exhaust gas temperature rises. Next, when the temperature T1 of the three-way catalyst 20 reaches the activation temperature, for example, 300 ° C., the exhaust control valve 24 is fully opened, the injection of the auxiliary fuel Qa is stopped, and the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes the stoichiometric air-fuel ratio. Thus, the injection amount is feedback-controlled based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 35.
[0044]
When the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio, unburned HC, CO and NO in the exhaust gasxIs purified in the three-way catalyst 20 and thus discharged into the atmosphere, unburned HC, CO and NOxIs greatly reduced. On the other hand, when the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio, the temperature T1 of the three-way catalyst 20 continues to rise due to the oxidation-reduction reaction heat, and NOxThe temperature T2 of the absorbent 22 also gradually increases. Then NOxWhen the temperature T2 of the absorbent 22 reaches an activation temperature, for example, 300 ° C., the normal operation state shown in FIG. 3 is switched to make the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 lean. NOxWhen the absorbent 22 is activated, NO in the exhaust gasxIs NOxAbsorbed in the absorbent 22.
[0045]
Note that even if the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is slightly rich, unburned HC, CO and NOxIs purified by the three-way catalyst 20. Therefore, after the three-way catalyst 20 exceeds the activation temperature, NOxUntil the absorbent 22 exceeds the activation temperature, the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 can be kept slightly rich.
FIG. 10 shows an operation control routine for executing the first embodiment.
[0046]
Referring to FIG. 10, first, at step 100, it is judged if a completion flag indicating that the catalyst temperature raising process or the like has been completed is set. When the completion flag is not set, the routine proceeds to step 101 where it is judged if the temperature T1 of the three-way catalyst 20 has exceeded the activation temperature, for example, 300 ° C. When T1 ≦ 300 ° C., the routine proceeds to step 102 where the exhaust control valve 24 is almost fully closed. Next, at step 103, injection control of the main fuel Qm is performed, and then at step 104, injection control of the auxiliary fuel Qa is performed.
[0047]
Next, when it is judged at step 101 that T1> 300 ° C., the routine proceeds to step 105, where the exhaust control valve 24 is fully opened, then at step 106, the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes the stoichiometric air-fuel ratio or slightly richer. Be controlled. At this time, the auxiliary fuel Qa is not injected. Next, in step 107, NOxIt is determined whether or not the temperature T2 of the absorbent 22 has exceeded an activation temperature, for example, 300 ° C. When T2 ≦ 300 ° C., the processing cycle is completed.
[0048]
On the other hand, when it is determined at step 107 that T2 ≧ 300 ° C., the routine proceeds to step 108 where the completion flag is set. When the completion flag is set, the routine proceeds from step 100 to step 109, where the normal injection control shown in FIG. 3 is started. Next, at step 110, NOxNO absorbed by absorbent 22xNO when the amount exceeds the allowable amountxNO from absorbent 22xNO to releasexRelease processing is performed.
[0049]
Next, a second embodiment will be described. In this second embodiment, after the engine is started, the exhaust control valve 24 is almost fully closed, the auxiliary fuel Qa is injected, and the temperature of the three-way catalyst 20 is the maximum allowable temperature within a range where the three-way catalyst 20 does not cause thermal deterioration. For example, the temperature is raised to about 800 ° C. Next, the exhaust control valve 24 is fully opened, the main fuel Qm is burned in a lean state, the auxiliary fuel Qa is injected during the expansion stroke, and the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5, that is, the air-fuel ratio of the exhaust gas is the stoichiometric air-fuel ratio. Based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 35, the injection amount of the auxiliary fuel Qa is feedback-controlled so that When the auxiliary fuel Qa is injected to maintain the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 at the stoichiometric air-fuel ratio, a large amount of unburned HC is discharged from the combustion chamber 5 and oxidation of these large amounts of unburned HC on the three-way catalyst 20 is performed. The three-way catalyst 20 is maintained at a high temperature of, for example, 800 ° C. by the heat of reaction. As a result, NOxThe absorbent 22 rapidly rises in temperature and reaches the activation temperature within a short time.
That is, also in the second embodiment, as shown in FIG. 11, when the engine is started, the exhaust control valve 24 is almost fully closed and the auxiliary fuel Qa is injected. At this time, the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5, that is, the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, and the amount of unburned HC discharged into the atmosphere is extremely small. On the other hand, when the exhaust control valve 24 is almost fully closed and the auxiliary fuel Qa is injected, the temperature of the three-way catalyst 20 rises rapidly because the exhaust gas temperature rises. Next, when the temperature T1 of the three-way catalyst 20 reaches a temperature slightly lower than the allowable temperature 800 ° C., for example, 750 ° C., the exhaust control valve 24 is fully opened so that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes the stoichiometric air-fuel ratio. Based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 35, the injection amount of the auxiliary fuel Qa is feedback-controlled.
[0050]
When the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio, unburned HC, CO and NO in the exhaust gasxIs purified in the three-way catalyst 20 and thus discharged into the atmosphere, unburned HC, CO and NOxIs greatly reduced. On the other hand, when the auxiliary fuel Qa is injected and the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio, the temperature T1 of the three-way catalyst 20 is maintained at a high temperature.xThe temperature T2 of the absorbent 22 rises rapidly. Then NOxWhen the temperature T2 of the absorbent 22 reaches an activation temperature, for example, 300 ° C., the normal operation state shown in FIG. 3 is switched to make the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 lean. NOxWhen the absorbent 22 is activated, NO in the exhaust gasxIs NOxAbsorbed in the absorbent 22.
[0051]
In this case as well, after the three-way catalyst 20 is raised to near the allowable temperature, the NOxUntil the absorbent 22 exceeds the activation temperature, the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 can be kept slightly rich.
FIG. 12 shows an operation control routine for executing the second embodiment.
Referring to FIG. 12, first, at step 200, it is judged if a completion flag indicating that the catalyst temperature raising process or the like has been completed is set. When the completion flag is not set, the routine proceeds to step 201, where it is judged if the temperature T1 of the three-way catalyst 20 has exceeded a temperature 800 ° C.-α (α is a constant value) that is slightly lower than the allowable temperature. When T1 ≦ 800 ° C.−α, the routine proceeds to step 202 where the exhaust control valve 24 is almost fully closed. Next, at step 203, injection control of the main fuel Qm is performed, and then at step 204, injection control of the auxiliary fuel Qa is performed.
[0052]
Next, when it is judged at step 201 that T1> 800 ° C.−α, the routine proceeds to step 205, where the exhaust control valve 24 is fully opened, then at step 206, the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is the stoichiometric air-fuel ratio or slightly lower. The injection amount of the auxiliary fuel Qa is controlled so as to be rich. Next, in step 207, NOxIt is determined whether or not the temperature T2 of the absorbent 22 has exceeded an activation temperature, for example, 300 ° C. When T2 ≦ 300 ° C., the processing cycle is completed.
[0053]
On the other hand, when it is determined at step 207 that T2 ≧ 300 ° C., the routine proceeds to step 208 where the completion flag is set. When the completion flag is set, the routine proceeds from step 200 to step 209, where the normal injection control shown in FIG. 3 is started. Next, at step 210, NOxNO absorbed by absorbent 22xNO when the amount exceeds the allowable amountxNO from absorbent 22xNO to releasexRelease processing is performed.
[0054]
Next, a third embodiment will be described.
As described above, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, the NO in the exhaust gasxIs NOxAbsorbed by the absorbent 22. However, in the exhaust gas, SOxIs included, NOxAbsorbent 22 contains NOxNot only SOxIs also absorbed. This NOxSO to absorbent 22xNO absorption mechanismxIt is considered that the absorption mechanism is the same.
[0055]
That is, NOxThe case where platinum Pt and barium Ba are supported on a carrier as in the case of explaining the absorption mechanism of oxygen will be described as an example. As described above, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, oxygen O2Is O2 Or O2-Is attached to the surface of platinum Pt in the form of SO2Is O on the surface of platinum Pt.2 Or O2-Reacts with SO3It becomes. The generated SO3Part of the catalyst is further oxidized on platinum Pt and absorbed into the absorbent and combined with barium oxide BaO, while sulfate ion SO4 2-Diffused into the absorbent in the form of a stable sulfate BaSO4Is generated.
[0056]
However, this sulfate BaSO4Is stable and difficult to decompose, even if the air-fuel ratio of the exhaust gas is simply rich, sulfate BaSO4Remains undisassembled. Therefore NOxIn the absorbent 22, sulfate BaSO as time passes.4Will increase, so NO over timexNO which the absorbent 22 can absorbxThe amount will decrease.
[0057]
In this embodiment, therefore, SO in the exhaust gas is used.xCapture NOxAbsorbent 22 with SOxAs the first catalyst 20 in order to prevent the inflow of the exhaust gas, the SO 2 when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean is used.xWhen the catalyst temperature is higher than a predetermined temperature and the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich, the SOxThe catalyst which releases | releases is used.
[0058]
A three-way catalyst can be used as such a first catalyst 20, or NO.xSO similar to absorbent 22xIt is also possible to use an absorbent having an absorption capacity. In this case, when the temperature of the first catalyst 20 reaches a certain temperature, for example, 600 ° C. or higher, the sulfate BaSO is contained in the first catalyst 20.4Therefore, if the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich at this time, the SOxWill be released.
[0059]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, the exhaust control valve 24 is almost fully closed when the engine is started, the temperature of the first catalyst 20 is increased to 600 ° C. or more by injecting the auxiliary fuel Qa, and then the exhaust control valve 24 is fully opened. The main fuel Qm is leancombustionThe auxiliary fuel Qa is injected during the expansion stroke so that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5, that is, the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes slightly rich, based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 35. The injection amount is feedback controlled, and during this time, the first catalyst 20 performs SO control.x To be released.
[0060]
It should be noted that the SO 2 from the first catalyst 20xSO released when is releasedxIs NOxIt is necessary not to flow into the absorbent 22, and as a result, as shown in FIG.xAn exhaust bypass passage 37 that bypasses the absorbent 22 is provided, and NO.xExhaust control valves 24a and 24b that are actuated by actuators 25a and 25b are disposed in the main passage 36 and the exhaust bypass passage 37 upstream of the absorbent 22, respectively.
[0061]
That is, in this third embodiment, as shown in FIG. 14, when the engine is started, the exhaust control valves 24a and 24b are almost fully closed, and the auxiliary fuel Qa is injected. At this time, the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5, that is, the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, and the amount of unburned HC discharged into the atmosphere is extremely small. On the other hand, when both the exhaust control valves 24a and 24b are almost fully closed and the auxiliary fuel Qa is injected, the exhaust gas temperature rises, and therefore the temperature T1 of the first catalyst 20 rises rapidly. Next, when the temperature T1 of the first catalyst 20 reaches approximately 600 ° C., the exhaust control valve 24a is fully closed and the exhaust control valve 24b is fully opened, so that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes slightly rich. In addition, the injection amount of the auxiliary fuel Qa is feedback controlled based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 35. When the auxiliary fuel Qa is injected and the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is kept slightly rich, the temperature T1 of the three-way catalyst 20 is maintained at 600 ° C. or higher by the oxidation-reduction reaction heat, and thus the first SO from catalyst 20xThe release of.
[0062]
On the other hand, when the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is kept slightly rich in this way, unburned HC, CO and NO in the exhaust gasxIs purified in the first catalyst 20 and thus discharged into the atmosphere, unburned HC, CO and NOxIs greatly reduced. At this time, the exhaust gas is NO.xSince it does not flow into the absorbent 22, NO as shown in FIG.xThe temperature of the absorbent 22 remains low.
[0063]
Next, the SO from the first catalyst 20xWhen it is determined that the release of the fuel has been completed, the engine is switched to the normal operation state shown in FIG. At this time, the exhaust control valve 24a is fully opened, and the exhaust control valve 24b is fully closed. Therefore, the exhaust gas is NOxInto the absorbent 22 and thus NO.xThe temperature of the absorbent 22 rises.
[0064]
In this embodiment as well, the SO 2 after the first catalyst 20 exceeds approximately 600 ° C.xIt is also possible to maintain the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 at the stoichiometric air-fuel ratio until the release of the fuel is completed.
FIG. 15 shows an operation control routine for executing the third embodiment.
Referring to FIG. 15, first, at step 300, it is judged if a completion flag indicating that the catalyst temperature raising process or the like has been completed is set. When the completion flag is not set, the routine proceeds to step 301, where it is judged if the temperature T1 of the first catalyst 20 has exceeded 600 ° C. When T1 ≦ 600 ° C., the routine proceeds to step 302 where both the exhaust control valves 24a, 24b are almost fully closed. Next, at step 303, injection control of the main fuel Qm is performed, and then at step 304, injection control of the auxiliary fuel Qa is performed.
[0065]
Next, when it is judged at step 301 that T1> 600 ° C., the routine proceeds to step 305, where the exhaust control valve 24a is fully closed and the exhaust control valve 24b is fully opened, then at step 306, the average empty in the combustion chamber 5 is reached. The injection amount of the auxiliary fuel Qa is controlled so that the fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio or slightly rich. Next, at step 307, the SO from the first catalyst 20.xIt is determined whether or not the release of SO has been completed, and SOxWhen the discharge is completed, the routine proceeds to step 308, where the completion flag is set.
[0066]
When the completion flag is set, the routine proceeds from step 300 to step 309, where the exhaust control valve 24a is fully opened and the exhaust control valve 24b is fully closed. Next, at step 310, the normal injection control shown in FIG. 3 is started. Next, at step 311, NOxNO absorbed by absorbent 22xNO when the amount exceeds the allowable amountxNO from absorbent 22xNO to releasexRelease processing is performed.
[0067]
【The invention's effect】
The first catalyst can be activated early without causing thermal degradation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
FIG. 2 is a side sectional view of a combustion chamber.
FIG. 3 is a diagram showing an injection amount, an injection timing, and an air-fuel ratio.
FIG. 4 NOxIt is a figure for demonstrating the absorption-and-release function of.
FIG. 5 is a diagram showing injection timing.
FIG. 6 is a diagram showing the concentration of unburned HC.
FIG. 7 is a diagram showing an injection amount of main fuel.
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between an injection amount of main fuel and an injection amount of sub fuel.
FIG. 9 is a time chart showing changes in the air-fuel ratio and the like in the first embodiment.
FIG. 10 is a flowchart for operation control.
FIG. 11 is a time chart showing changes in air-fuel ratio and the like in the second embodiment.
FIG. 12 is a flowchart for operation control.
FIG. 13 is an overall view showing another embodiment of the internal combustion engine.
FIG. 14 is a time chart showing changes in air-fuel ratio and the like in the third embodiment.
FIG. 15 is a flowchart for operation control.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
20 ... 1st catalyst
22 ... Second catalyst
24. Exhaust control valve

Claims (7)

機関排気通路内に第1の触媒を配置し、第1の触媒下流の機関排気通路内に第2の触媒と排気制御弁を配置し、第1の触媒の温度が予め定められた温度まで上昇するまでの間、排気制御弁をほぼ全閉にすると共に、機関出力を発生するために燃焼室内に噴射された主燃料を空気過剰のもとで燃焼させることに加え副燃料を副燃料が燃焼しうる膨張行程中又は排気行程中の予め定められた時期に燃焼室内に追加噴射し、第1の触媒の温度が予め定められた温度を越えたときには排気制御弁を全開するようにした内燃機関の排気浄化装置。A first catalyst is disposed in the engine exhaust passage, a second catalyst and an exhaust control valve are disposed in the engine exhaust passage downstream of the first catalyst, and the temperature of the first catalyst rises to a predetermined temperature. In the meantime, the exhaust control valve is almost fully closed, and in addition to burning the main fuel injected into the combustion chamber under excess air to generate engine output, the auxiliary fuel is burned by the auxiliary fuel. An internal combustion engine in which additional injection is performed into the combustion chamber at a predetermined time during an expansion stroke or an exhaust stroke, and the exhaust control valve is fully opened when the temperature of the first catalyst exceeds a predetermined temperature Exhaust purification equipment. 第1の触媒の温度が予め定められた温度を越えるまでは排気ガスの空燃比がリーンとされる請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the air-fuel ratio of the exhaust gas is made lean until the temperature of the first catalyst exceeds a predetermined temperature. 第1の触媒の温度が予め定められた温度を越えたときには排気ガスの空燃比を理論空燃比又はわずかばかりリッチに維持するようにした請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。2. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein when the temperature of the first catalyst exceeds a predetermined temperature, the air-fuel ratio of the exhaust gas is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio or slightly rich. 第2の触媒の温度が予め定められた温度に達するまでの間、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はわずかばかりリッチに維持するようにした請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 3, wherein the air-fuel ratio of the exhaust gas is maintained at a stoichiometric air-fuel ratio or slightly rich until the temperature of the second catalyst reaches a predetermined temperature. 第1の触媒が酸化機能を有する触媒からなり、第2の触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のNOx を吸収し、排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOx を放出するNOx 吸収剤からなる請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。The first catalyst is composed of a catalyst having an oxidation function, and the second catalyst absorbs NO x in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, and the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich. an exhaust purification system of an internal combustion engine according to claim 3 consisting of the NO x absorbent to release the the absorbed NO x. NOx 吸収剤を迂回する排気バイパス通路を設け、第1の触媒がSOx を捕獲する機能を有し、第1の触媒からのSOx の放出作用が完了するまで排気ガスの空燃比を理論空燃比又はわずかばかりリッチに維持しかつ排気ガスがNOx 吸収剤を迂回して排気バイパス通路を流れるようにした請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置。An exhaust bypass passage that bypasses the NO x absorbent is provided, the first catalyst has a function of capturing SO x, and the air-fuel ratio of the exhaust gas is calculated until the SO x releasing action from the first catalyst is completed. air-fuel ratio or just slightly exhaust purification system of an internal combustion engine according to claim 5 maintained at the rich and the exhaust gas is to flow the exhaust bypass passage bypassing the the NO x absorbent. 排気制御弁がほぼ全閉せしめられたときには、同一の機関運転状態のもとで排気制御弁が全開せしめられた場合の機関の発生トルクに近づくように同一の機関運転状態のもとで排気制御弁が全開せしめられた場合に比べて燃料の噴射量が増量される請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。When the exhaust control valve is almost fully closed, the exhaust control is performed under the same engine operating condition so as to approach the engine generated torque when the exhaust control valve is fully opened under the same engine operating condition. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the fuel injection amount is increased as compared with a case where the valve is fully opened.
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