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JP3584798B2 - 車載用内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

車載用内燃機関の排気浄化装置 Download PDF

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JP3584798B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リーン燃焼を行う内燃機関に適用され、その排気通路に設けられた触媒により排気を浄化するようにした車載用内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、燃費の向上を図るべく、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に設定するリーン燃焼を行うようにした車載用内燃機関が知られている。また、こうしたリーン燃焼の態様としては、点火プラグの近傍にのみ濃い混合気層を形成する成層燃焼や、気筒内に均質な混合気層を形成する均質リーン燃焼がよく知られている。
【0003】
ところで、リーン燃焼時には、空燃比を理論空燃比に設定した、いわゆるストイキ燃焼を行うときと比較して燃焼熱量が少ないため、排気温度が低くなる傾向がある。特に成層燃焼時にあっては、均質リーン燃焼時よりも燃焼熱量が更に少なくなるため、こうした傾向も一層顕著なものとなる。このため、例えば、成層燃焼での低負荷運転が継続して行われることがあると、排気通路に設けられたNOx吸蔵還元触媒や三元触媒といった排気を浄化するための触媒の温度が低下し、その浄化性能の悪化を招くおそれがある。
【0004】
そこで従来では、成層燃焼中に触媒の温度低下が検出された場合に、燃焼形態を成層燃焼から均質リーン燃焼へと切り替えることにより触媒の温度低下を抑制するようにしている(例えば特開平10−47040号公報参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者の実験によると、成層燃焼中に車両が停止状態から走行状態に移行した場合に、触媒の温度は以下のような態様をもって変化することが確認されている。
【0006】
即ち、成層燃焼中に車両が発進すると、機関負荷(燃料噴射量)の増大に伴って燃焼熱量は増大するものの、発進直後においては燃焼室(の内壁)や排気系の温度が未だ低いため、この燃焼熱量の増大が排気温度の上昇に直ぐに反映されることがない。また一方で、車両発進時には、機関負荷の増大に伴って吸入空気量が増大するため、排気流量も増大するようになる。その結果、車両の発進直後にあっては、十分に温度上昇してない排気が多量に触媒に流れ込むこととなり、触媒は急速に温度低下するようになる。その後、燃焼室や排気系の温度が高められ、排気温度が触媒の温度以上にまで上昇すると、同触媒の温度低下はおさまり、触媒の温度は上昇し始めるようになる。
【0007】
このように車両の発進直後にあっては触媒の温度が急速に低下することから、触媒の温度低下を検出したときに燃焼形態を切り替えるようにしても、その切り替えにより触媒が所定の浄化性能を確保し得る温度にまで温度上昇するのには長い時間を要するようになる。このため、従来の排気浄化装置にあっては、車両の発進直後に、浄化性能の低下している触媒に多量の排気が流れ込むこととなり、一時的にせよ排気性状の悪化が避けきれないものとなっていた。
【0008】
また、上記従来の装置にあっても、例えば触媒の温度低下を判定する際の判定温度を予め十分に高く設定しておけば、こうした車両発進時における触媒の温度低下にも対応することは可能である。しかしながら、この場合には、本来その必要が無いのにもかかわらず、触媒を温度上昇させるための燃焼形態の切り替えが頻繁に行われることとなり、燃費の悪化を招くこととなり好ましくない。
【0009】
この発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両発進時の触媒の温度低下に伴う排気性状の悪化を抑制することのできる車載用内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための構成及びその作用効果について以下に記載する。
請求項に記載した発明では、リーン燃焼を行う内燃機関に適用され、その排気通路に配設されるNOx吸蔵還元触媒により排気を浄化する車載用内燃機関の排気浄化装置において、車両発進時か否かを判断する判断手段と、車両発進時である旨判断されたときに前記NOx吸蔵還元触媒の最大吸蔵量の減少量に応じて該NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxを予め放出させるための還元剤を供給する供給手段とを備えるようにしている。
【0021】
上記構成によれば、車両発進時を判断してその発進時にNOx吸蔵還元触媒の最大吸蔵量の減少量に応じて該NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxを予め還元して放出させるための還元剤をNOx吸蔵還元触媒に対して供給するようにしているため、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されていたNOxはこの還元剤により還元されて同触媒から放出されるようになる。従って、車両発進直後におけるNOx吸蔵還元触媒の温度低下に伴って、その吸蔵能力(最大吸蔵量)が低下したとしても、同触媒からNOxが還元されないまま排出されるのを回避することができ、こうした温度低下に伴う排気性状の悪化を抑制することができるようになる。
【0022】
請求項に記載した発明では、請求項に記載の車載用内燃機関の排気浄化装置において、前記供給手段は車両停車中の前記NOx吸蔵還元触媒の温度が、車両発進に伴って前記NOx吸蔵還元触媒が温度低下したときにその最大吸蔵量が実際の吸蔵量よりも少なくなる所定温度未満であることを条件に前記車両発進時の還元剤の供給を行うものであるとしている。
【0023】
上記構成によれば、車両発進直後にNOx吸蔵還元触媒が温度低下したとしても、その温度低下によって同触媒の吸蔵能力が大きく低下するおそれがないときには、還元剤の供給が行われないようになる。従って、請求項に記載した発明の作用効果に加えて、還元剤が不必要に供給されるのを回避することができるようになる。
【0024】
請求項に記載した発明では、請求項又は請求項に記載の車載用内燃機関の排気浄化装置において、前記供給手段は前記内燃機関の燃焼形態をリーン燃焼からリッチ燃焼に強制的に切り替えることにより前記還元剤の供給を行うものであるとしている。
【0025】
上記構成によれば、内燃機関の燃焼形態をリーン燃焼から未燃成分(炭化水素HC及び一酸化炭素CO)の排出量が多いリッチ燃焼に切り替え、排気に含まれる未燃成分を還元剤としてNOx吸蔵還元触媒に供給するようにしているため、例えば還元剤の供給機構を排気浄化装置に対して別途設ける必要がない。従って、請求項に記載した発明の上記構成によれば、構成の複雑化を招くことなく、請求項又は請求項に記載した発明の作用効果を奏することができるようになる。
【0026】
【発明の実施の形態】
[第1の実施形態]
以下、本発明の第1の実施形態について図1〜図6を参照して説明する。
【0027】
図1は本実施形態にかかる排気浄化装置及び同装置が適用されるエンジン10の概略構成を示している。
同図1に示されるように、車両Cに搭載されるエンジン10には、その燃焼室12に燃料を直接噴射するインジェクタ14と、この噴射された燃料に点火する点火プラグ16とがそれぞれ設けられている。本実施形態のエンジン10では、上記インジェクタ14による燃料噴射態様が変更されることにより、その燃焼形態が成層燃焼(リーン燃焼)、ストイキ燃焼、及びリッチ燃焼の間で切り替えられる。
【0028】
例えば、成層燃焼時においては、燃料噴射時期は圧縮行程後期に設定される。従って、点火時において点火プラグ16近傍の混合気のみが部分的に点火可能なリッチな状態となる。また、混合気の平均的な空燃比(A/F)は理論空燃比(A/F=14.5)よりもリーン(例えばA/F=25〜50)に設定される。一方、ストイキ燃焼時には、燃料噴射時期は吸気行程中に設定される。従って、点火時での燃焼室12内における空燃比は略均一になる。また、この空燃比は理論空燃比近傍に設定される。
【0029】
これら成層燃焼とストイキ燃焼との間における燃焼形態の切り替えは、機関負荷及び機関回転数といったエンジン10の運転状態に基づいて行われ、低負荷低回転域では燃焼形態が成層燃焼に、高負荷高回転域では燃焼形態がストイキ燃焼にそれぞれ設定される。
【0030】
また、リッチ燃焼時においては、燃料噴射時期はストイキ燃焼時と同様、吸気行程中に設定されるが、燃料噴射量はストイキ燃焼時よりも増量される。従って、空燃比は理論空燃比よりもリッチ(A/F=11〜13)に設定される。
【0031】
このリッチ燃焼は、後述するNOx吸蔵還元触媒22のNOx吸蔵量が所定量以上にまで増大したときに行われる(リッチスパイク処理)他、後述するNOx還元処理を通じても行われる。
【0032】
燃焼室12に接続される排気通路18には、三元触媒20と、その下流側に位置するNOx吸蔵還元触媒(以下、「NOx触媒」と略記する)22とがそれぞれ配設されている。これら三元触媒20及びNOx触媒22によって、排気に含まれるHC(炭化水素)、CO(一酸化炭素)、及びNOx(窒素酸化物)が浄化される。
【0033】
即ち、三元触媒20においては、排気に含まれるHC、CO、及びNOxが酸化還元反応によってそれぞれ同時に浄化される。一方、NOx触媒22においては、成層燃焼中の排気に含まれるNOxが一旦吸蔵され、リッチ燃焼(或いはストイキ燃焼)中の排気に含まれるHC及びCOを還元剤として還元され浄化される。
【0034】
車両Cには、機関回転数を検出するための回転数センサ31、アクセルペダル(図示略)の踏込量を検出するアクセルセンサ32、及び車両Cの走行速度(車速SPD)を検出する車速センサ33が設けられている。これら各センサ31〜33の検出信号は、エンジン10の各種制御を実行する電子制御装置40に入力される。また、上記アクセルセンサ32からはアクセルペダルの踏込量に応じた信号の他、同ペダルが踏み込まれていないときに「ON」となり、踏み込まれているときに「OFF」となる信号(全閉信号LL)が出力され、電子制御装置40に入力される。
【0035】
電子制御装置40は、これらセンサ31〜33等によって検出されるエンジン10の運転状態や車両の走行状態に基づいて、燃料噴射制御や上記触媒の浄化性能の低下を抑制するための制御等、各種制御を実行する。
【0036】
また、電子制御装置40は、こうした各種制御を実行するためのプログラムや演算用マップ、制御の実行に際して算出される各種データ等を記憶するメモリ41を備えている。例えば、このメモリ41には、上記車速センサ33の検出信号に基づいて更新される車両Cの総走行距離が記憶されている。この車両Cの総走行距離は、上記各触媒20,22の劣化度を反映するものとして、電子制御装置40により実行される制御において適宜参照される。
【0037】
こうした構成を備えた本実施形態の排気浄化装置では、車両Cの発進に伴って、三元触媒20及びNOx触媒22の温度が浄化性能の低下が無視できない温度にまで低下すると判断される場合に、燃焼形態を強制的にストイキ燃焼に切り替えて排気温度を上昇させ、これら各触媒20,22の昇温を促進させることにより、その温度低下を抑制する処理(昇温促進処理)を実行するようにしている。
【0038】
次に、こうした昇温促進処理の詳細について図2〜図6を併せ参照して説明する。
この昇温促進処理においては、車両停車中に、燃焼形態の切り替えを実行するか否かを判断するためのフラグ(ストイキ燃焼フラグXACSJ)が各触媒20,22の温度状態に基づいて設定される。そして、車両発進時に、このストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」に設定されている場合には、燃焼形態がストイキ燃焼に強制的に切り替えられる。
【0039】
図2及び図3は、このストイキ燃焼フラグXACSJを設定する際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、所定のクランク角周期の割込処理として電子制御装置40により実行される。
【0040】
この処理では、まず、上記三元触媒20及びNOx触媒22の温度(触媒床温Tc)が、機関負荷及び機関回転数等の運転状態や、それまでのエンジン10の運転履歴(例えば上記リッチスパイク処理が実行された場合にはその実行後からの経過時間等)に基づいて推定される(図2のステップ100)。尚、三元触媒20は排気通路18においてNOx触媒22よりも上流側に配設されているため、同NOx触媒22よりも若干高い温度になっていると推定されるが、ここではこれら各触媒20,22の温度は略同一であるとみなし、その温度を上記触媒床温Tcとして代表させている。
【0041】
次に、ストイキ燃焼フラグXACSJが「OFF」であるか否かが判断される(ステップ110)。このストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」である場合には(ステップ110:NO)、処理が図3に示すステップ150に移行される。
【0042】
一方、ストイキ燃焼フラグXACSJが「OFF」である場合には(ステップ110:YES)、次に全閉信号LLが「ON」であり、且つ、車速SPDが所定速度α(例えば「10km/h」)未満であるか否かが判断される(ステップ120)。即ち、ここでは車両Cが停車状態(車速が極めて低く、アクセルペダルも踏み込まれていないため、その後間もなく車両Cが停車すると予想される状態をも含む)にあるか否かが判断される。
【0043】
そして、車両Cが停車状態にはないと判断されると(ステップ120:NO)、処理は図3のステップ150に移行される。一方、車両Cが停車状態であると判断されると(ステップ120:YES)、次に触媒床温Tcと下限判定値T1とが比較される(ステップ130)。
【0044】
この下限判定値T1は、停車中の車両Cがその後発進して各触媒20,22が温度低下したとしても、各触媒20,22が浄化性能の低下が無視できない状態にまで温度低下しないことを車両停車中における各触媒20,22の温度状態(触媒床温Tc)に基づいて判定するためのものである。
【0045】
また、この下限判定値T1は車両Cの総走行距離に基づいて設定される。図4は、この下限判定値T1と車両Cの総走行距離との関係を示している。同図に示されるように、下限判定値T1は車両Cの総走行距離が長くなるほど大きい値に設定される。これは車両Cの総走行距離が長くなるほど、換言すれば各触媒20,22の総使用時間が長くなってその劣化度が大きくなるほど、各触媒20,22の活性化温度が上昇し、より高い温度に維持されなければ、それらの所期の浄化性能を発揮できなくなるためである。こうした下限判定値T1と総走行距離との関係は予め実験により求められ、下限判定値T1を算出するためのデータとして電子制御装置40のメモリ41に記憶されている。
【0046】
触媒床温Tcがこの下限判定値T1未満である場合には(ステップ130:YES)、車両Cの発進に伴って各触媒20,22が温度低下し、それによって各触媒20,22の浄化性能が大きく低下するものと判定される。そしてこの場合には、ストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」に設定される(ステップ140)。
【0047】
一方、触媒床温Tcがこの下限判定値T1以上である場合には(ステップ130:NO)、車両Cの発進に伴って、浄化性能の低下が無視できない状態にまで各触媒20,22が温度低下することはないと判定され、処理が図3のステップ150に移行される。従って、この場合には、ストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」に設定されることはなく、燃焼形態の強制的な切り替えが実行されることはない。
【0048】
次に、上記各ステップ100〜140の処理を通じてストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」に設定されているか否かが判断される(図3のステップ150)。ここで、ストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」であると判断された場合(ステップ150:YES)には、次に触媒床温Tcと上限判定値T2とが比較される(ステップ160)。
【0049】
この上限判定値T2は、各触媒20,22が所期の浄化性能を確実に維持できる状態にあることをそれらの温度状態(触媒床温Tc)に基づいて判定するためのものであり、上記下限判定値T1よりも高い温度(T2>T1)に設定されている。
【0050】
また、この上限判定値T2は、下限判定値T1と同様に、車両Cの総走行距離に基づいて設定される。即ち、図4に示されるように、上限判定値T2は車両Cの総走行距離が長くなるほど大きい値に設定される。これは前述した下限判定値T1と車両Cの総走行距離との関係と同様に、総走行距離が長くなり、各触媒20,22の劣化度が大きくなるほど、各触媒20,22をより高い温度に維持しなければ、それらの所期の浄化性能を発揮できなくなるためである。こうした上限判定値T2と総走行距離との関係は予め実験により求められ、上限判定値T2を算出するためのデータとして電子制御装置40のメモリ41に記憶されている。
【0051】
そして、触媒床温Tcがこの上限判定値T2を上回っている場合には(ステップ160:YES)、各触媒20,22において所期の浄化性能が確実に確保されており、燃焼形態の切り替えによる昇温の促進を継続する必要はないものとして、ストイキ燃焼フラグXACSJが「OFF」に設定される(ステップ170)。こうしてストイキ燃焼フラグXACSJが「OFF」に設定された後、或いは、ストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」に設定されていない場合(ステップ150:NO)や、触媒床温Tcが上限判定値T2以下である場合(ステップ160:NO)にはいずれも、本ルーチンの処理が一旦終了される。
【0052】
次に、このストイキ燃焼フラグXACSJに基づいて燃焼形態を切り替える際の処理手順について図5のフローチャートを参照して説明する。このフローチャートに示される一連の処理は、所定のクランク角周期の割込処理として電子制御装置40により実行される。
【0053】
この処理に際しては、まず、全閉信号LLが「OFF」であるか否か、即ちアクセルペダルが踏み込まれることにより、車両Cが発進状態に移行したか否かが判断される(ステップ210)。全閉信号LLが「OFF」であると判断されると(ステップ210:YES)、次にストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」であるか否かが判断される(ステップ220)。
【0054】
ここでストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」であると判断されると(ステップ220:YES)、車両Cが発進状態に移行することにより、各触媒20,22の温度が所期の浄化性能を発揮できなくなる状態にまで温度低下するものとして、燃焼形態が強制的にストイキ燃焼に設定される(ステップ230)。
【0055】
一方、全閉信号LLが「ON」である場合(ステップ210:NO)、或いはストイキ燃焼フラグXACSJが「OFF」である場合(ステップ220:NO)にはいずれも、燃焼形態は運転状態に応じた燃焼形態に設定される(ステップ240)。
【0056】
このようにして燃焼形態が設定された後(ステップ230、ステップ240)、本ルーチンの処理は一旦終了される。
図6は、この昇温促進処理に基づく燃焼形態の切替態様の一例を示すタイミングチャートである。
【0057】
同図に示されるように、成層燃焼中に、アクセルペダルの踏み込みが解除(全閉信号LLが「ON」)され(タイミングt1)、車速SPDが所定速度αを下回るようになった後(タイミングt2)、触媒床温Tcが低下して下限判定値T1に達すると(タイミングt3)、ストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」に設定される。但し、このようにストイキ燃焼フラグXACSJが「ON」に設定されても、車両Cが発進状態に移行するまでの間は、燃焼形態はエンジン10の運転状態に基づく燃焼形態(成層燃焼)のまま維持される(タイミングt3〜t4)。
【0058】
そしてその後、アクセルペダルが踏み込まれて(全閉信号LLが「OFF」)、車両Cが発進すると同時に、燃焼形態が成層燃焼からストイキ燃焼に強制的に切り替えられる(タイミングt4)。
【0059】
このように燃焼形態が成層燃焼からストイキ燃焼に切り替えられると、排気温度が上昇し、各触媒20,22の温度(触媒床温Tc)は、そのまま成層燃焼を継続した場合(この場合における触媒床温Tcの変化態様を図6(b)に二点鎖線で示す)と比較して、その上昇が早められるようになり(タイミングt4〜t5)、各触媒20,22は高温の状態に保持されるようになる。その結果、車両発進直後であっても、各触媒20,22の浄化性能が良好に維持されるようになる。また特に、三元触媒20においては、車両発進時における温度低下に起因した未燃成分(HCやCO)の排出が好適に抑制されるようになる。
【0060】
そして、ストイキ燃焼が継続されることによって触媒床温Tcが上昇し、同触媒床温Tcが上限判定値T2に達すると、ストイキ燃焼フラグXACSJが「OFF」に設定され、その設定に伴って燃焼形態がストイキ燃焼から再びエンジン10の運転状態に基づく燃焼形態(成層燃焼)に戻されるようになる(タイミングt5)。
【0061】
また、こうした燃焼形態の切り替えは、触媒床温Tcが下限判定値T1に達した後の車両発進時に開始され、同触媒床温Tcが上限判定値T2に達したときに終了されるため、ストイキ燃焼が実行される期間、即ち燃焼形態の切り替えによって各触媒20,22の昇温が促進される期間(タイミングt4〜t5の期間)は、これら各判定値T1,T2の大きさに応じて設定されるようになる。また前述したように、これら判定値T1,T2は、各触媒20,22の劣化度に応じて設定されているため、上記昇温期間の設定に際しては、この各触媒20,22の劣化度が反映されるようになる。
【0062】
以上説明した態様をもって上記昇温促進処理を実行する本実施形態の排気浄化装置によれば、
(1)車両発進時を判断し、同発進時に燃焼形態をストイキ燃焼に切り替えて触媒の昇温を促進するようにしているため、車両発進直後における温度低下の発生を予め抑えて各触媒20,22をより早期に温度上昇させることができる。従って、車両発進時においても各触媒20,22の浄化性能を良好に維持し、排気性状の悪化を抑制することができるようになる。
【0063】
(2)また、車両停車中の触媒床温Tcが下限判定値T1未満であることを条件に、燃焼形態の切り替えを行うようにしているため、車両発進直後に各触媒20,22が温度低下したとしても、その温度低下によって浄化性能が悪化するおそれがないときには、燃焼形態が切り替えられず、各触媒20,22の強制的な昇温は行われないようになる。従って、各触媒20,22が不必要に昇温されるのを回避することができるようになり、ストイキ燃焼を行うことによる燃費の悪化も極力抑えることができるようになる。
【0064】
(3)燃焼形態をストイキ燃焼に設定して各触媒20,22の昇温を促進する期間(昇温期間)を、これら各触媒20,22の劣化度に応じて設定するようにしているため、この劣化によって浄化性能を確保し得る温度が変化した場合であっても、その変化に合わせて触媒の昇温を促進させることができ、車両発進時における排気性状の悪化をより好適に抑制することができるようになる。
【0065】
(4)更に、こうした各触媒20,22の劣化度を車両Cの総走行距離に基づいて判断するようにしているため、同劣化度を容易に且つ適正に判断することができるようになり、上記(3)に記載した作用効果を更に確実に奏することができるようになる。
【0066】
(5)また、燃焼形態を成層燃焼からストイキ燃焼に強制的に切り替えることにより、排気温度を上昇させ、各触媒20,22の昇温を促進するようにしているため、例えば昇温機構を排気浄化装置に対し別途設ける必要がない。従って、構成の複雑化を招くことなく、上記(1)〜(4)に記載した作用効果を奏することができる。
等々の優れた作用効果を奏することができるようになる。
【0067】
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態について上記第1の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、本実施形態での排気浄化装置は、第1の実施形態にて説明した装置と同様の構成を備えたものを想定しているため、その構成にかかる説明については省略する。
【0068】
三元触媒20及びNOx触媒22は、その温度が活性化温度以下にまで低下すると、所期の浄化性能が確保できなくなる点については既に説明したが、特にNOx触媒22については、更に以下に示すような温度低下に起因する浄化性能の低下もみられる。
【0069】
即ち、NOx触媒22は、成層燃焼中に排気に含まれるNOxを一旦吸蔵するが、この吸蔵量の最大値(以下、「最大吸蔵量」という)は一定ではなく、図7に示されるように、同触媒22の温度(同図では上記触媒床温Tcとの関係において示す)に応じて変化するものとなっている。このため、同図に示されるように、例えば触媒床温Tc及び最大吸蔵量がそれぞれ、「Tc2」、「QMAX2」であり、NOx触媒22の実際の吸蔵量が最大吸蔵量(=QMAX2)未満の「Q2」である状態から、同触媒床温Tcが所定温度Tc1にまで低下し、最大吸蔵量が減少して所定量QMAX1になると、その最大吸蔵量(=QMAX1)が実際の吸蔵量(=Q2)よりも少なくなる。その結果、このNOx吸蔵量の余剰分(=Q2−QMAX1)をNOx触媒22において吸蔵しておくことができなくなり、同余剰分は還元されないままNOx触媒22から排出されるようになって、その浄化性能が実質的に低下することとなる。
【0070】
本実施形態の排気浄化装置では、こうした温度低下に伴って発生するNOxの排出を回避すべく、触媒床温Tcが急速に低下する車両発進時には、燃焼形態をリッチ燃焼に強制的に切り替えることにより、NOx触媒22に吸蔵されているNOxを予め還元して放出させる処理(NOx還元処理)を実行するようにしている。
【0071】
以下、こうしたNOx還元処理の詳細について図8〜図11を併せ参照して説明する。
このNOx還元処理においては、車両停車中に、燃焼形態の切り替えを実行するか否かを判断するためのフラグ(リッチ燃焼フラグXRICHS)がNOx触媒22の温度状態に基づいて設定される。そして、車両発進時に、このリッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」に設定されている場合には、上記燃焼形態がリッチ燃焼に強制的に切り替えられる。
【0072】
図8及び図9は、このリッチ燃焼フラグXRICHSを設定する際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は所定のクランク角周期の割込処理として電子制御装置40により実行される。
【0073】
この処理では、まず、先の図2のステップ100における処理と同様にして、触媒床温Tcが推定される(ステップ300)。
次に、リッチ燃焼フラグXRICHSが「OFF」であるか否かが判断される(ステップ310)。このリッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」である場合には(ステップ310:NO)、処理が図9に示すステップ350に移行される。
【0074】
一方、リッチ燃焼フラグXRICHSが「OFF」である場合には(ステップ310:YES)、次に全閉信号LLが「ON」であり、且つ、車速SPDが所定速度α未満であるか否かが判断される(ステップ320)。即ち、ここでは図2のステップ120での処理と同様に、車両Cが停車状態にあるか否かが判断される。
【0075】
そして、車両Cが停車状態にはないと判断されると(ステップ320:NO)、処理は図9のステップ350に移行される。一方、車両Cが停車状態であると判断されると(ステップ320:YES)、次に触媒床温Tcと所定の判定値Toとが比較される(ステップ330)。
【0076】
この判定値Toは、停車中の車両Cがその後発進してNOx触媒22が温度低下したとしても、その最大吸蔵量の減少が無視できない状態にまでは温度低下しないことを車両停車中におけるNOx触媒22の温度状態(触媒床温Tc)に基づいて判定するためのものである。
【0077】
触媒床温Tcがこの判定値To未満である場合には(ステップ330:YES)、車両Cの発進に伴ってNOx触媒22が温度低下し、それによって同触媒22の最大吸蔵量が極めて少量になるため、その減少が無視できないと判定される。そして、この場合には、リッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」に設定される(ステップ340)。
【0078】
一方、触媒床温Tcがこの判定値To以上である場合には(ステップ330:NO)、車両Cの発進に伴ってNOx触媒22が温度低下したとしても、NOx触媒22の最大吸蔵量が大きく減少しないものと判定され、処理が図9のステップ350に移行される。従って、この場合には、リッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」に設定されることはなく、燃焼形態の強制的な切り替えが実行されることはない。
【0079】
次に、上記各ステップ300〜340の処理を通じてリッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」に設定されているか否かが判断される(図9のステップ350)。ここで、リッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」であると判断された場合(ステップ350:YES)には、次にNOxカウンタ値CNOXが「0」であるか否かが判断される(ステップ360)。
【0080】
このNOxカウンタ値CNOXは、NOx触媒22における実際の吸蔵量の程度を示すものであり、本ルーチンとは別の処理を通じて、機関負荷及び機関回転数等の運転状態に基づき増減されるカウンタ値である。
【0081】
例えば、このNOxカウンタ値CNOXは、成層燃焼中においては、排気に含まれるNOxの量が増大するため、運転状態に基づき設定される所定値ずつインクリメントされるようになる。また例えば、リッチ燃焼中においては、排気に含まれるHC及びCOの量が増大し、これらを還元剤としてNOx触媒22に吸蔵されているNOxが還元されるため、NOxカウンタ値CNOXは運転状態に基づき設定される所定値ずつデクリメントされるようになる。
【0082】
従って、このNOxカウンタ値CNOXが小さくなるほど、NOx触媒22における実際のNOx吸蔵量が少なくなっており、例えばNOxカウンタ値CNOXが「0」に設定されている場合には、NOx触媒22にNOxが吸蔵されていない旨判断することができる。
【0083】
このNOxカウンタ値CNOXが「0」である場合には(ステップ360:YES)、NOx触媒22にNOxが吸蔵されておらず、燃焼形態の切り替えによるNOxの還元を継続する必要はないものとして、リッチ燃焼フラグXRICHSが「OFF」に設定される(ステップ370)。こうしてリッチ燃焼フラグXRICHSを「OFF」に設定した後、或いは、リッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」に設定されていない場合(ステップ350:NO)や、NOxカウンタ値CNOXが「0」ではない場合(ステップ360:NO)にはいずれも、本ルーチンの処理が一旦終了される。
【0084】
次に、このリッチ燃焼フラグXRICHSに基づいて燃焼形態を切り替える際の処理について図10のフローチャートを参照して説明する。このフローチャートに示される処理は、所定のクランク角周期の割込処理として電子制御装置40により実行される。
【0085】
この処理に際しては、まず、全閉信号LLが「OFF」であるか否か、即ちアクセルペダルが踏み込まれることにより、車両Cが発進状態に移行したか否かが判断される(ステップ410)。全閉信号LLが「OFF」であると判断されると(ステップ410:YES)、次にリッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」であるか否かが判断される(ステップ420)。
【0086】
ここでリッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」であると判断されると(ステップ420:YES)、車両Cが発進状態に移行することにより、その温度低下に伴ってNOx触媒22の最大吸蔵量が大きく減少するものとして、燃焼形態が強制的にリッチ燃焼に設定される(ステップ430)。
【0087】
一方、全閉信号LLが「ON」である場合(ステップ410:NO)、或いはリッチ燃焼フラグXRICHSが「OFF」である場合(ステップ420:NO)にはいずれも、こうした燃焼形態の強制的な設定は行われず、同燃焼形態は機関負荷及び機関回転数等の運転状態に基づいて設定される(ステップ440)。
【0088】
このようにして燃焼形態が設定された後(ステップ430、ステップ440)、本ルーチンの処理は一旦終了される。
図11は、以上説明したNOx還元処理に基づく燃焼形態の切替態様の一例を示すタイミングチャートである。
【0089】
同図に示されるように、成層燃焼中に、アクセルペダルの踏み込みが解除(全閉信号LLが「ON」)され(タイミングt1)、車速SPDが所定速度αを下回るようになった後(タイミングt2)、触媒床温Tcが低下して判定値Toに達すると(タイミングt3)、リッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」に設定される。但し、このようにリッチ燃焼フラグXRICHSが「ON」に設定されても、車両Cが発進状態に移行するまでは、燃焼形態はエンジン10の運転状態に基づく燃焼形態(成層燃焼)のまま維持される(タイミングt3〜t4)。
【0090】
そしてその後、アクセルペダルが踏み込まれて(全閉信号LLが「OFF」)、車両Cが発進すると同時に、燃焼形態が成層燃焼からリッチ燃焼に強制的に切り替えられる(タイミングt4)。
【0091】
このように燃焼形態が成層燃焼からリッチ燃焼に切り替えられると、排気に含まれるHC及びCOが増大し、これら未燃成分が還元剤としてNOx触媒22に供給されるようになるため、NOx触媒22に吸蔵されているNOxは還元されて同触媒22から放出されるようになる。その結果、NOx触媒22における実際のNOx吸蔵量(NOxカウンタ値CNOX)は、そのまま成層燃焼を継続した場合(この場合における触媒床温Tc、NOx触媒22の最大吸蔵量、並びにNOxカウンタ値CNOXの変化態様を図11(b)、(c)にそれぞれ二点鎖線で示す)とは異なり、大きく減少するようになる。従って、車両発進直後において触媒床温Tcが低下し、その低下に伴って最大吸蔵量が減少しても、NOx触媒22からNOxが還元されないまま排出されるのを回避することができるようになる。
【0092】
そして、この燃焼形態の切り替えに伴ってNOx触媒22のNOx吸蔵量が減少し、NOxカウンタ値CNOXが「0」になると、リッチ燃焼フラグXRICHSが「OFF」に設定されるとともに、その設定に伴って燃焼形態がリッチ燃焼から再びエンジン10の運転状態に基づく燃焼形態(成層燃焼)に戻されるようになる(タイミングt5)。
【0093】
以上説明した態様をもって上記NOx還元処理を実行する本実施形態の装置によれば、
(6)車両発進時を判断し、同発進時に燃焼形態をリッチ燃焼に切り替えて、排気に含まれるHC及びCOを還元剤としてNOx触媒22に供給することにより、同NOx触媒22に吸蔵されているNOxを還元して放出するようにしている。このため、車両発進直後におけるNOx触媒22の温度低下に伴って、最大吸蔵量が減少したとしても、同触媒22からNOxが還元されないまま排出されるのを回避することができ、こうした温度低下に伴う排気性状の悪化を抑制することができるようになる。
【0094】
(7)また、車両停車中の触媒床温Tcが上記判定値To未満であることを条件に、燃焼形態の切り替えを行うようにしているため、車両発進直後にNOx触媒22が温度低下したとしても、その温度低下によって同触媒22の最大吸蔵量が大きく減少するおそれがないときには、燃焼形態が切り替えられることはなく、還元剤の供給が行われないようになる。従って、NOx触媒22に対して還元剤が不必要に供給されるのを回避することができるようになり、リッチ燃焼を行うことによる燃費の悪化を極力抑えることができるようにもなる。
【0095】
(8)また、燃焼形態を成層燃焼からリッチ燃焼に強制的に切り替え、これにより増大する排気中の未燃成分(HC及びCO)を還元剤としてNOx触媒22に供給するようにしているため、例えば還元剤の供給機構を排気浄化装置に対して別途設ける必要がない。従って、構成の複雑化を招くことなく、上記(6),(7)の作用効果を奏することができる。
等々の優れた作用効果を奏することができるようになる。
【0096】
尚、以上説明した各実施形態は以下のように構成を変更して実施することができる。
・第1の実施形態では、燃焼形態を成層燃焼からストイキ燃焼に切り替えることにより、各触媒20,22の昇温を促進させるようにしたが、例えば、均質リーン燃焼やリッチ燃焼、或いは上記成層燃焼よりも成層強度を弱めた燃焼形態(弱成層燃焼)等、成層燃焼よりも排気温度が高くなるその他の燃焼形態に切り替えるようにしてもよい。また、車両停車中の触媒床温Tcに応じて、切り替え後の燃焼形態をこれら均質リーン燃焼、リッチ燃焼、及び弱成層燃焼から適宜選択するようにしてもよい。更に、こうした燃焼形態の切り替えに限らず、例えば点火プラグ16による点火時期を遅角させることによって各触媒20,22の昇温を促進させるようにしてもよい。尚、上記のように成層強度を弱めるに際しては、例えば、燃料噴射時期を圧縮行程後期よりも早めたり、一部の燃料を圧縮行程の他、吸入行程中に噴射したりすることにより、これを実現することができる。
【0097】
・第1の実施形態では、車両停車中の触媒床温Tcが上記下限判定値T1未満にまで低下したことを条件に、車両発進時に燃焼形態を成層燃焼からストイキ燃焼に切り替えるようにしたが、こうした条件を設定せず、車両発進時には常に燃焼形態を所定期間の間、成層燃焼からストイキ燃焼に切り替えるようにしてもよい。
【0098】
・第1の実施形態では、上記判定値T1,T2を車両Cの総走行距離に応じて可変設定するようにしたが、これらを触媒20,22の劣化度を反映するその他のパラメータ(例えばエンジン10の総稼動時間等)に応じて可変設定するようにしてもよい。或いは、これら判定値T1,T2を一定値として設定することも可能である。
【0099】
・第2の実施形態では、車両停車中の触媒床温Tcが上記判定値To未満にまで低下したことを条件として、車両発進時に燃焼形態を成層燃焼からリッチ燃焼に切り替えるようにしたが、例えば、車両停車中のNOx吸蔵量が所定量以上であること(NOxカウンタ値CNOXが所定値以上であること)を条件に、或いは、車両停車中において、触媒床温Tcより求められるNOx触媒22の最大吸蔵量と実際のNOx吸蔵量との差が所定量以下になったことを条件に、上記燃焼形態の切り替えを実行するようにしてもよい。また、こうした条件を設定せず、車両発進時には常に燃焼形態を所定期間の間、リッチ燃焼に切り替えるようにしてもよい。
【0100】
・第2の実施形態では、NOx吸蔵量が「0」になったときに、燃焼形態の切り替えを終了するようにしたが、例えば、燃焼形態をリッチ燃焼に切り替える期間を触媒床温Tcに応じて設定するようにしてもよい。
【0101】
・第2の実施形態では、燃焼形態をリッチ燃焼に切り替えることで増大する排気中の未燃成分を還元剤としてNOx触媒22に供給するようにしたが、例えば燃料タンクの燃料を加熱してHCを生成し、これを還元剤として排気通路18のNOx触媒22よりも上流側部分に供給するようにしてもよい。
【0102】
・第2の実施形態では、燃焼形態をリッチ燃焼にのみ切り替えるようにしたが、例えば車両停車中における触媒床温Tcの低下が著しい場合には、リッチ燃焼の後、引き続いてストイキ燃焼を所定期間行うことにより、各触媒20,22の昇温を促進させるようにしてもよい。こうした構成によれば、三元触媒20におけるHCの浄化能力とNOx触媒22におけるNOxの吸蔵能力の双方を良好に維持することができるようになる。
【0103】
・上記各実施形態では、触媒床温Tcをエンジン10の運転状態に基づいて推定するようにしたが、排気通路18に設けられ同通路18内の排気の温度を検出する排気温センサ等の検出信号に基づいて、同触媒床温Tcを推定することもできる。
【0104】
・上記各実施形態では、この発明にかかる排気浄化装置をリーン燃焼として特に成層燃焼が行われるエンジン10に適用する場合を想定しているが、このリーン燃焼として例えば、均質リーン燃焼や弱成層燃焼が行われるエンジン10に対してこの発明にかかる排気浄化装置を適用することもできる。
【0105】
・上記各実施形態では、この発明にかかる排気浄化装置を燃焼室12内にインジェクタ14から燃料を直接噴射する、いわゆる筒内噴射式のエンジン10に適用する場合を想定しているが、燃料を吸気ポート内に噴射する吸気ポート噴射式のエンジンに対してこの発明にかかる排気浄化装置を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態にかかる排気浄化装置及びエンジンの概略構成図。
【図2】第1の実施形態でのストイキ燃焼フラグを設定する際の処理手順を示すフローチャート。
【図3】同じくストイキ燃焼フラグを設定する際の処理手順を示すフローチャート。
【図4】車両の総走行距離と下限判定値及び上限判定値との関係を示すマップ。
【図5】第1の実施形態における燃焼形態の切り替えの際の処理手順を示すフローチャート。
【図6】第1の実施形態での昇温促進処理に基づく燃焼形態の切替態様の一例を示すタイミングチャート。
【図7】触媒床温とNOx触媒の最大吸蔵量との関係を示すグラフ。
【図8】第2の実施形態でのリッチ燃焼フラグを設定する際の処理手順を示すフローチャート。
【図9】同じくリッチ燃焼フラグを設定する際の処理手順を示すフローチャート。
【図10】第2の実施形態における燃焼形態の切り替えの際の処理手順を示すフローチャート。
【図11】第2の実施形態でのNOx還元処理に基づく燃焼形態の切替態様の一例を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
10…エンジン、12…燃焼室、14…インジェクタ、16…点火プラグ、18…排気通路、20…三元触媒、22…NOx触媒、31…回転数センサ、32…アクセルセンサ、33…車速センサ、40…電子制御装置、41…メモリ、C…車両。

Claims (3)

  1. リーン燃焼を行う内燃機関に適用され、その排気通路に配設されるNOx吸蔵還元触媒により排気を浄化する車載用内燃機関の排気浄化装置において、
    車両発進時か否かを判断する判断手段と、
    車両発進時である旨判断されたときに前記NOx吸蔵還元触媒の最大吸蔵量の減少量に応じて該NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxを予め還元して放出させるための還元剤を供給する供給手段
    を備えることを特徴とする車載用内燃機関の排気浄化装置。
  2. 請求項1に記載の車載用内燃機関の排気浄化装置において、
    前記供給手段は車両停車中の前記NOx吸蔵還元触媒の温度が、車両発進に伴って前記NOx吸蔵還元触媒が温度低下したときにその最大吸蔵量が実際の吸蔵量よりも少なくなる所定温度未満であることを条件に前記車両発進時の還元剤の供給を行うものである
    ことを特徴とする車載用内燃機関の排気浄化装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の車載用内燃機関の排気浄化装置において、
    前記供給手段は前記内燃機関の燃焼形態をリーン燃焼からリッチ燃焼に強制的に切り替えることにより前記還元剤の供給を行うものである
    ことを特徴とする車載用内燃機関の排気浄化装置。
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