JP3622612B2

JP3622612B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Info

Publication number: JP3622612B2
Application number: JP36714399A
Authority: JP
Inventors: 卓山田; 秀俊伊藤; 聡西井; 公良西沢
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2001182530A

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。より詳細には、圧縮天然ガスを燃料とする内燃機関（ＣＮＧ機関）において、排気通路に触媒を介装して排気を浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料とし、理論空燃比よりリーンな空燃比で運転するリーン燃焼ＣＮＧ機関が開発されている（特開平８−２９６４３３号公報参照）。この内燃機関では、排気の浄化のため、排気中に含まれるＨＣ（炭化水素）を酸化浄化する触媒を用いるとともに、ＮＯｘ（窒素酸化物）の生成量自体が少ない空燃比領域（空気過剰率で１．５〜１．７の範囲）で運転することによってＮＯｘの放出量を低減している。しかし、このものでは、生成されたＮＯｘを後処理で浄化するための手段が設けられていないため、少量とはいえ、生成されたＮＯｘが大気中に放出されてしまう。上記のリーンな空燃比領域にあっては、一般的な三元触媒を用いてＮＯｘを満足に還元浄化することはできない。
【０００３】
このようなリーンな空燃比領域においても排気中に含まれるＮＯｘを後処理で除去しうる技術として、排気通路にＮＯｘ吸収剤を介装する方法がある（特許第２６００４９２号公報参照）。このＮＯｘ吸収剤は、排気の空燃比が理論空燃比よりリーン側にあるときに排気中に含まれるＮＯｘを吸収し、さらに、排気中の酸素濃度が必要に応じて低下せしめられると、吸収されているＮＯｘを放出するものである。そして、放出されたＮＯｘは、排気中に含まれる未燃焼成分（ＨＣ，ＣＯ）によって還元浄化される。
【０００４】
このＮＯｘ吸収剤を上記のようなリーン燃焼ＣＮＧ機関に適用すれば、生成されたＮＯｘを除去することができる。また、ＮＯｘ吸収剤は一般に白金系貴金属を担持しているので、リーン燃焼時には、ＨＣを酸化浄化しつつＮＯｘを除去することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、次のような問題がある。
ＣＮＧ機関において生成されるＨＣの殆どはメタン（ＣＨ４）であることが知られているが、メタンは非常に安定した分子であるため、触媒を用いてこれを酸化するには、排気と触媒とを高温で接触させる必要がある。これに反し、上記のＮＯｘ吸収剤は、高温になるとＮＯｘ吸収能力が低下するという性質があることから比較的低温に保つ必要がある。
【０００６】
このように、白金系貴金属を担持しているとはいえ、ＮＯｘ吸収剤を単に排気通路に介装しただけでは、ＮＯｘの除去とメタンの酸化とを両立させることが困難である。
【０００７】
かかる実情に鑑み、本発明は、圧縮天然ガスを燃料とし、理論空燃比よりリーン側の空燃比を含む空燃比領域で運転されるリーン燃焼機関において、メタンを含むＨＣの浄化とＮＯｘの浄化とを両立させて排気を浄化することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、圧縮天然ガスを燃料とし、理論空燃比よりリーン側の空燃比を含む空燃比領域で運転される内燃機関の排気浄化装置であって、排気通路のマニホールド部直下位置に介装され、排気中に含まれる少なくともメタンを酸化する第１の触媒と、排気通路の前記第１の触媒の下流側に介装され、流入した排気の空燃比に応じて該流入した排気中に含まれるＮＯｘをトラップするか又は放出する第２の触媒と、を含んで構成され、前記第１の触媒は、この内燃機関のリーン空燃比運転時におけるメタン排出量に対する目標浄化率がこの触媒により単独で得られる容量を有することを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、第１の触媒は、マニホールド部直下位置にあって高温の排気と接触するため、高温に保たれて酸化作用が促進される。一方、第２の触媒は、比較的低温に保たれてＮＯｘトラップ作用が良好に維持される。ここで、第１の触媒は、リーン燃焼時におけるメタン排出量に対する目標浄化率がこの触媒により単独で得られる容量を有し、リーン燃焼時では、第１の触媒において排気中の少なくともメタンが効率よく酸化浄化されるとともに、第２の触媒において排気中のＮＯｘがトラップされて除去される。さらに、第２の触媒にトラップされているＮＯｘは空燃比に応じて放出されることとなるが、この放出されたＮＯｘは、第１の触媒において少なくともメタンが酸化されて該第１の触媒を通過した排気中に含まれる還元剤成分と反応して、還元浄化される。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記第１の触媒の容量が機関排気量の０．５〜１．０倍に設定されていることを特徴とする。
すなわち、リーン燃焼時におけるメタンの最大放出量に対して要求される第１の触媒のメタン浄化能力と、ＮＯｘが放出されるときに第１の触媒を通過して放出されたＮＯｘの還元に寄与すべき還元剤成分の通過量を確保しつつメタンを酸化するために要求されるメタン浄化能力と、を共に満たすべく、第１の触媒の容量を機関排気量の０．５〜１．０倍に設定するのである。
【００１１】
請求項３に係る発明によれば、前記第２の触媒の容量が機関排気量の０．５〜１．２倍に設定されていることを特徴とする。
すなわち、機関運転領域全体に対して要求される第２の触媒によるＮＯｘ浄化効率を確保するために必要な容量のみを用いるべく、第２の触媒の容量を機関排気量の０．５〜１．２倍に設定するのである。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記第２の触媒にトラップされているＮＯｘを放出すべきか否かを判定するＮＯｘ放出判定手段と、前記ＮＯｘ放出判定手段によって前記トラップされているＮＯｘを放出すべきと判定されたときに空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御する空燃比制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、前記第２の触媒は、少なくとも前記空燃比制御手段によって空燃比が理論空燃比よりリッチ側に制御されたときに、トラップされているＮＯｘを放出することとなる。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、圧縮天然ガスを燃料とし、理論空燃比よりリーン側の空燃比を含む空燃比領域で運転されるリーン燃焼機関において、メタンの酸化とＮＯｘの除去（トラップ）とを両立させて排気を浄化できる。
【００１５】
請求項２に係る発明によれば、メタンの浄化率を良好に維持しつつＮＯｘを確実に還元できる。
請求項３に係る発明によれば、むだな第２の触媒の使用を回避できる。
【００１６】
請求項４に係る発明によれば、第２の触媒のＮＯｘトラップ量を制御してそのＮＯｘトラップ能力を良好に維持することができるため、ＮＯｘを確実に除去（トラップ）して排気を浄化できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関であるＣＮＧ機関Ｅの構成を概略示したものである。機関Ｅの吸気通路１には、空気中に含まれるダストを除去するエアクリーナ１１を介した空気の流量（吸入空気量）を検出するエアフロメータ１２、及びアクセルペダル６１と連動して吸入空気量を制御するスロットル弁１３が設けられ、さらに、マニホールド部の各分岐通路内には、機関Ｅの負荷に応じて開度が調節されるようにしたスワール制御弁１４及び燃料供給装置としての電磁駆動式インジェクタ１５が設けられている。
【００１８】
各インジェクタ１５は、後述する電子制御ユニット４１からの電気信号に応じて駆動され、燃料タンク５１からの燃料（ＣＮＧ）を各気筒毎に噴射供給する。燃料タンク５１からの燃料は、圧力調節器５２において所定の圧力に減圧された後、燃料供給通路５３を介して各インジェクタ１５に供給される。なお、２つの遮断弁５４は、機関Ｅの運転が停止されたときに燃料タンク５１と燃料供給通路５３との間を遮断する。
【００１９】
また、吸気通路１のマニホールド部の各分岐通路は、各気筒の一側において燃焼室２１に通じており、各燃焼室２１の略中央には、導入された混合気に点火する点火プラグ２２が設けられている。
【００２０】
一方、排気通路３には、本発明に係る第１の触媒３１を内蔵する第１の触媒コンバータ３２、及び本発明に係る第２の触媒３３を内蔵する第２の触媒コンバータ３４が設けられている。
【００２１】
第１の触媒３１は、白金系貴金属（Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ）を少なくとも１種担持しており、排気の温度が高温に保たれるマニホールド部直下位置に配置されている。そして、機関運転時には、第１の触媒３１は高温の排気と接触して高温に維持され、メタンを含むＨＣが効率よく酸化される。
【００２２】
一方、第２の触媒３３はＮＯｘトラップ触媒であり、排気が高温となる運転状態が継続した場合にあってもＮＯｘトラップ能力が良好に維持されるような下流側位置（例えば、第２の触媒３３の温度が５００℃以下に維持される位置）に配置される。そして、機関運転時には、第２の触媒３３は常に比較的低温に保たれ、リーン燃焼時において排気中のＮＯｘがトラップされる。
【００２３】
トラップされたＮＯｘは、空燃比に応じて第２の触媒３３から放出される。この第２の触媒３３からのＮＯｘ放出作用は、リッチ燃焼時において効率よく行われる。一方、リッチ燃焼時では、排気中にＨＣの他相当量のＣＯ（一酸化炭素）も含まれており、これらの未燃焼成分は、第１の触媒３１で完全には酸化されずに第１の触媒３１を通過することとなる。そして、通過した成分は、排気中のＮＯｘ及び第２の触媒３３から放出されたＮＯｘと反応し、これらを還元する。
【００２４】
従って、第１の触媒３１は、運転中最もメタンの排出量が多くなる条件下においても十分なメタン酸化能力を有する必要があるためその容量は可能な限り大きくすべきであるが、第１の触媒３１が過大な容量に設定されていると、リッチ燃焼時に排出される未燃焼成分が殆ど第１の触媒３１で酸化されてしまい、第２の触媒３３に到達して放出されたＮＯｘの還元に寄与すべき還元剤成分が不足することとなる。その結果、ＮＯｘの浄化効率が低下する。
【００２５】
これらの知見に基づき、第１の触媒３１の最適容量を実験によって求めた結果を図２に示す。この図では、第１の触媒３１の容量（機関排気量（Ｌ）に対する割合）を、ＨＣ浄化率と還元成分到達率とによって評価している。ＨＣ浄化率は、下式（１）によって算出されるものであり、ＨＣ量はメタンを含む全ての炭化水素の量を示し、リーン空燃比運転時における平均値をとっている。また、還元成分到達率は、下式（２）によって算出されるものであり、リッチ空燃比運転時における平均値をとっている。
【００２６】

図２から明らかなように、第１の触媒３１の容量は、ＨＣ浄化率からは機関排気量の５０％以上とするのが好ましく、還元成分到達率からは機関排気量の１００％以下とするのがよい。そこで、本実施形態では、第１の触媒３１の容量は、機関排気量の７０％（例えば、機関排気量１．８Ｌに対して第１の触媒容量１．３Ｌ）に設定されている。
【００２７】
また、第２の触媒３３については、ある値まではその容量を大きくするほどＮＯｘの浄化効率が高くなるものの、その値を超えると、容量の増大による効果が頭打ちとなる。図３は、第２の触媒３３の容量とＮＯｘの浄化効率との関係を表しており、同図から、第２の触媒３３の容量は、機関排気量（Ｌ）の５０％から１２０％の範囲内であるのが好ましい。そこで、本実施形態では、第２の触媒３３の容量は、機関排気量の９０％に設定されている。
【００２８】
図１の説明に戻ると、電子制御ユニット（ＥＣＵ）４１は、吸入空気量の他クランク角センサ７１からの信号に基づいて算出される機関回転数を用いて、以下に示すように機関Ｅの燃焼空燃比を制御する。
【００２９】
図４は、電子制御ユニット４１による制御の流れを概略示している。
電子制御ユニット４１は、この制御を１０ｍｓ毎に実行する。Ｓ１において各種検出値を読み込んだ後、Ｓ２において基本燃料噴射量Ｔｐを算出する。基本燃料噴射量Ｔｐは、理論空燃比に相当する燃料量であり、吸入空気量Ｑａ及び機関回転数Ｎｅに基づいて下式（３）によって算出される。Κは、定数である。
【００３０】
Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ・・・（３）
続くＳ３では、後述するＮＯｘ放出制御ルーチンの結果に基づいて、ＮＯｘ放出条件が成立しているか否かを判定する。ＮＯｘ放出条件が成立していれば（Ｆｎｏｘ＝１）、第２の触媒３３にトラップされているＮＯｘを放出し及び還元すべく、Ｓ４に進んで目標当量比Ｔｆｂｙａを、機関Ｅの燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチ側にするために予め定められた定数Ｔｒｉｃｈ（Ｔｒｉｃｈ＞１．０）に設定する。一方、ＮＯｘ放出条件が成立していなければ（Ｆｎｏｘ ≠１）、機関Ｅの燃焼空燃比を機関運転状態に応じた空燃比とすべく、Ｓ５に進んで目標当量比Ｔｆｂｙａを、機関負荷Ｔｐ及び機関回転数Ｎｅに応じた値Ｔ（Ｔ＜１．０）に設定する。なお、Ｓ３が本発明に係るＮＯｘ放出判定手段を構成し、Ｓ４が本発明に係る空燃比制御手段を構成する。
【００３１】
さらに、Ｓ６では、Ｓ４又はＳ５で設定された目標当量比Ｔｆｂｙａを用いて、下式（４）によって出力燃料噴射量Ｔｉ（燃料噴射パルス幅）を算出する。Ｔｓは、インジェクタ１５の無効噴射量を示す。
【００３２】
Ｔｉ＝Ｔｐ×Ｔｆｂｙａ＋Ｔｓ・・・（４）
そして、算出された出力燃料噴射量Ｔｉはメモリに記憶され、機関Ｅの回転に同期して実行される図示しない燃料噴射ルーチンにおいて読み出される。同ルーチンでは、インジェクタ１５に駆動信号（パルス信号）が出力され、相当量の燃料が噴射される。
【００３３】
次に、ＮＯｘ放出制御ルーチンについて、図５を参照して説明する。
このルーチンでは、第２の触媒３３のＮＯｘトラップ量を推定し、トラップされているＮＯｘを放出させるべきか否かを判定する。そして、トラップされているＮＯｘを放出させるべきである場合には判定用フラグＦｎｏｘを１に設定し、それ以外の場合にはＦｎｏｘを０に設定する。電子制御ユニット４１は、この制御を１０ｍｓ毎に実行する。
【００３４】
Ｓ１１では、判定用フラグＦｎｏｘが０であるか否かを判定する。Ｆｎｏｘが０である場合は、Ｓ１２へ進んで、所定時間（本ルーチンの実行時間間隔、即ち１０ｍｓ）当たりに機関Ｅから排出されるＮＯｘ量の推定値であるＮＯｘ排出推定量ΔＮＯｘを算出する。ΔＮＯｘは、機関運転状態（機関負荷Ｔｐ及び機関回転数Ｎｅ）に応じて算出される。
【００３５】
Ｓ１３では、第２の触媒３３にトラップされているＮＯｘ量の推定値であるＮＯｘトラップ推定量ΣＮＯｘを算出する。ΣＮＯｘは、Ｓ１２で算出されたＮＯｘ排出推定量ΔＮＯｘの累積値として算出される（即ち、ΣＮＯｘ＝ΣＮＯｘ＋ΔＮＯｘ）。
【００３６】
Ｓ１４では、ＮＯｘトラップ推定量ΣＮＯｘが、予め定められた許容量ＮＯｘｔｈを超えたか否かを判定する。超えていない場合は判定用フラグＦｎｏｘを０のままとし、超えた場合はＦｎｏｘを１に設定する。そして、Ｆｎｏｘが１に設定されているときは、図４のＳ３においてＮＯｘ放出条件が成立し、燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチ側に制御されることとなる。
【００３７】
一方、Ｓ１１において判定用フラグＦｎｏｘが０でない場合は、Ｓ１６に進んで前回（即ち、１０ｍｓ前）にＦｎｏｘが０であったか否かを判定する。Ｆｎｏｘの前回値が０であった場合は、Ｓ１７へ進んでカウント値Ｃを０にリセットする。このカウンタは、燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御することによる第２の触媒３３からのＮＯｘの放出処理の実行時間をカウントするためのものであり、Ｆｎｏｘの今回値が１であり且つＦｎｏｘの前回値が０である場合、即ち、Ｆｎｏｘが０から１になった直後においてのみリセットされる。
【００３８】
Ｓ１６において判定用フラグＦｎｏｘの前回値が０でない場合は、Ｓ１８に進んでカウント値Ｃを１だけ加算し、続くＳ１９においてカウント値Ｃが予め定めた所定値Ｃｔｈを超えたか否かを判定する。ＣがＣｔｈを超えた場合は、ＮＯｘ放出処理の実行時間が所定の時間（＝１０ｍｓ×Ｃｔｈ）を超え、ＮＯｘの放出及び還元浄化が完了したものと判断してＳ２０でＦｎｏｘを０にリセットし、さらにＳ２１でＮＯｘトラップ推定量ΣＮＯｘを初期値（０）にリセットする。
【００３９】
このように、ＮＯｘ放出条件は、ＮＯｘトラップ推定量ΣＮＯｘを既定の許容量と比較して判定することができるが、その他の方法として、次のようにすることもできる。ＮＯｘ放出条件を、ＮＯｘ放出処理が終了した後吸入空気量Ｑａと機関負荷Ｔｐとの積の累積値Σ（Ｑａ×Ｔｐ）が予め定められた所定値を超えたときに成立したものとして判定するか、または、車速に応じた加算値を設定してこの加算値の累積値に基づいて同様に判定するのである。
【００４０】
次に、図６を参照して、ＮＯｘ放出制御ルーチンの別の例を示す。
このルーチンでは、前回のＮＯｘ放出処理が終了した時（即ち、空燃比を理論空燃比よりリッチ側の空燃比からリーン側の空燃比に制御した時）を起点とした経過時間から次のＮＯｘ放出条件の成立を判定する。このため、ＮＯｘ放出処理の実行時間をカウントするためのカウンタの他、第２のカウンタを備える。電子制御ユニット４１は、この制御を１０ｍｓ毎に実行する。
【００４１】
Ｓ３１では、判定用フラグＦｎｏｘが０であるか否かを判定する。Ｆｎｏｘが０である場合は、Ｓ３２へ進んで、第２のカウント値Ｃ２が、予め定められた所定値Ｃ２ｔｈを超えているか否かを判定する。超えている場合は、Ｓ３３へ進んでＦｎｏｘが１に設定され、図４のＳ３においてＮＯｘ放出条件が成立する。Ｃ２がＣ２ｔｈを超えていない場合は、Ｓ３４に進んでＣ２が１だけ加算される。
【００４２】
一方、Ｓ３１において判定用フラグＦｎｏｘが０でない場合は、Ｓ３５に進んで前回（即ち、１０ｍｓ前）にＦｎｏｘが０であったか否かを判定する。Ｆｎｏｘの前回値が０であった場合は、Ｓ３６へ進んでカウント値Ｃを０にリセットする。このカウンタは、ＮＯｘ放出処理の実行時間をカウントするためのものである。
【００４３】
Ｓ３５において判定用フラグＦｎｏｘの前回値が０でない場合は、Ｓ３７に進んでカウント値Ｃを１だけ加算し、続くＳ３８においてカウント値Ｃが予め定めた所定値Ｃｔｈを超えたか否かを判定する。ＣがＣｔｈを超えた場合は、ＮＯｘの放出及び還元浄化が完了したものと判断してＳ３９でＦｎｏｘを０に設定し、さらにＳ４０で第２のカウント値を０にリセットする。
【００４４】
ここでは、経過時間の起算点（Ｃ２＝０を与える点）を前回のＮＯｘ放出処理が終了した時としたが、代わりに、この起算点を前回スパイクをかけた時、即ち、前回判定用フラグＦｎｏｘが０から１になった時としてもよい。
【００４５】
なお、図１には示されていないが、ＥＧＲ（排気還流）を実施することによってＮＯｘの生成量自体を低減させたうえで、第２の触媒３３によるＮＯｘの後処理を行うようにしてもよい。この場合、ＥＧＲガスを流通するＥＧＲ通路は、第１の触媒３１の上流側の排気通路から分岐して吸気通路に連結されるのが好ましい。
【００４６】
以上説明したように、本発明によれば、排気中に含まれるＮＯｘを後処理によって除去しつつ、これと両立させてメタンを効率よく酸化することができるため、リーンな空燃比で運転されるＣＮＧ機関において排気をより良好に浄化することができる。また、第２の触媒３３のＮＯｘトラップ量を制御してそのＮＯｘトラップ能力を良好に維持することができるため、ＮＯｘを確実に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の構成を概略示す図
【図２】第１の触媒容量とＨＣ浄化率及び還元成分到達率との関係を示す図
【図３】第２の触媒容量とＮＯｘの浄化効率との関係を示す図
【図４】本発明の一実施形態に係る空燃比制御の流れを示す図
【図５】同上空燃比制御におけるＮＯｘ放出制御ルーチンの一例を示す図
【図６】同上ＮＯｘ放出制御ルーチンの別の例を示す図
【符号の説明】
Ｅ内燃機関
１吸気通路
１１エアクリーナ
１２エアフロメータ
１３スロットル弁
１４スワール制御弁
１５インジェクタ
２１燃焼室
２２点火プラグ
３排気通路
３１第１の触媒
３２第１の触媒コンバータ
３３第２の触媒
３４第２の触媒コンバータ
４１電子制御ユニット
５１燃料タンク
５２圧力調節器
５３燃料供給通路
５４遮断弁
６１アクセルペダル
７１クランク角センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine. More specifically, the present invention relates to an exhaust gas purification device that purifies exhaust gas by using a catalyst in an exhaust passage in an internal combustion engine (CNG engine) that uses compressed natural gas as fuel.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a lean combustion CNG engine that uses compressed natural gas (CNG) as a fuel and operates at an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio has been developed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-296433). In this internal combustion engine, a catalyst for oxidizing and purifying HC (hydrocarbon) contained in the exhaust is used for purifying exhaust gas, and an air-fuel ratio region (with an excess air ratio) in which the amount of NOx (nitrogen oxide) generated is small. The amount of NOx released is reduced by operating in the range of 1.5 to 1.7. However, in this case, since a means for purifying the generated NOx by post-processing is not provided, the generated NOx is released into the atmosphere although it is a small amount. In the lean air-fuel ratio region, NOx cannot be satisfactorily reduced and purified using a general three-way catalyst.
[0003]
As a technique that can remove NOx contained in exhaust gas by post-processing even in such a lean air-fuel ratio region, there is a method of interposing an NOx absorbent in the exhaust passage (see Japanese Patent No. 2600492). This NOx absorbent absorbs NOx contained in the exhaust when the air-fuel ratio of the exhaust is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and is absorbed when the oxygen concentration in the exhaust is lowered as necessary. NOx is released. The released NOx is reduced and purified by unburned components (HC, CO) contained in the exhaust gas.
[0004]
If this NOx absorbent is applied to the above-described lean combustion CNG engine, the generated NOx can be removed. In addition, since the NOx absorbent generally carries a platinum-based noble metal, NOx can be removed while oxidizing and purifying HC during lean combustion.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, this method has the following problems.
It is known that most of the HC produced in CNG engines is methane (CH4). However, since methane is a very stable molecule, in order to oxidize it using a catalyst, exhaust and catalyst Need to be contacted at high temperature. On the other hand, the above-mentioned NOx absorbent has a property that the NOx absorption capacity is lowered at a high temperature, and therefore needs to be kept at a relatively low temperature.
[0006]
As described above, even though the platinum-based noble metal is supported, it is difficult to achieve both NOx removal and methane oxidation by simply interposing the NOx absorbent in the exhaust passage.
[0007]
In view of such circumstances, the present invention is directed to purifying HC containing methane and purifying NOx in a lean combustion engine that is operated in an air-fuel ratio region that includes compressed natural gas as a fuel and that includes an air-fuel ratio that is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purification device for an internal combustion engine that can purify exhaust gas in a balanced manner.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the invention according to claim 1 is an exhaust purification device for an internal combustion engine that uses compressed natural gas as a fuel and is operated in an air-fuel ratio region that includes an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and includes an exhaust passage manifold A first catalyst that is interposed immediately below the first section and that oxidizes at least methane contained in the exhaust gas, and is disposed downstream of the first catalyst in the exhaust passage, and the exhaust gas flows in accordance with the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas. And a second catalyst for trapping or releasing NOx contained in the exhaust gas that has flowed in. The first catalyst is a target purification for the methane emission amount during the lean air-fuel ratio operation of the internal combustion engine. The rate is characterized by having a capacity obtained solely by this catalyst .
[0009]
According to such a configuration, the first catalyst is in a position directly below the manifold portion and comes into contact with the high-temperature exhaust gas. Therefore, the first catalyst is maintained at a high temperature to promote the oxidation action. On the other hand, the second catalyst is kept at a relatively low temperature and the NOx trapping action is well maintained. Here, the first catalyst has a capacity such that the target purification rate with respect to the methane emission amount at the time of lean combustion can be obtained by this catalyst alone, and at the time of lean combustion, at least methane in the exhaust is efficient in the first catalyst. well-oxidized and purified Rutotomoni, NOx in the exhaust gas is removed are trapped in the second catalyst. Further, the NOx trapped in the second catalyst is released according to the air-fuel ratio, but this released NOx is oxidized at least by methane in the first catalyst. It reacts with the reducing agent component contained in the exhaust gas that has passed through and is reduced and purified.
[0010]
The invention according to claim 2 is characterized in that the capacity of the first catalyst is set to 0.5 to 1.0 times the engine displacement.
That is, it contributes to the methane purification capacity of the first catalyst required for the maximum emission amount of methane during lean combustion, and the reduction of NOx released through the first catalyst when NOx is released. The capacity of the first catalyst is 0.5 to 1.0 times the engine displacement in order to satisfy both the methane purification capacity required to oxidize methane while securing the amount of reducing agent component to be passed. It is set to.
[0011]
According to the invention of claim 3, the capacity of the second catalyst is set to 0.5 to 1.2 times the engine displacement.
That is, the capacity of the second catalyst is set to 0.5 to 1. .0 of the engine displacement so as to use only the capacity necessary for ensuring the NOx purification efficiency by the second catalyst required for the entire engine operation region. It is set to 2 times.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, NOx release determining means for determining whether or not NOx trapped by the second catalyst should be released, and NOx trapped by the NOx release determining means is released. And an air-fuel ratio control means for controlling the air-fuel ratio to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio when it is determined to be.
[0013]
According to such a configuration, the second catalyst releases the trapped NOx at least when the air-fuel ratio is controlled to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio by the air-fuel ratio control means.
[0014]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, in a lean combustion engine that uses compressed natural gas as fuel and operates in an air-fuel ratio region that includes an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, methane oxidation and NOx removal (trap) It is possible to purify the exhaust gas at the same time.
[0015]
According to the invention which concerns on Claim 2, NOx can be reduce | restored reliably, maintaining the purification | cleaning rate of methane favorable.
According to the invention which concerns on Claim 3, use of a useless 2nd catalyst can be avoided.
[0016]
According to the invention of claim 4, since the NOx trap amount of the second catalyst can be controlled and the NOx trap ability can be maintained well, NOx can be reliably removed (trapped) and exhaust gas can be purified. .
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows a configuration of a CNG engine E which is an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. In the intake passage 1 of the engine E, the intake air amount is linked with an air flow meter 12 for detecting the flow rate of air (intake air amount) through an air cleaner 11 for removing dust contained in the air and an accelerator pedal 61. A throttle valve 13 to be controlled is provided, and a swirl control valve 14 whose opening is adjusted according to the load of the engine E and an electromagnetic drive type as a fuel supply device are provided in each branch passage of the manifold section. An injector 15 is provided.
[0018]
Each injector 15 is driven in accordance with an electric signal from an electronic control unit 41 described later, and injects fuel (CNG) from the fuel tank 51 for each cylinder. The fuel from the fuel tank 51 is decompressed to a predetermined pressure by the pressure regulator 52 and then supplied to each injector 15 via the fuel supply passage 53. The two shutoff valves 54 shut off the fuel tank 51 and the fuel supply passage 53 when the operation of the engine E is stopped.
[0019]
Further, each branch passage of the manifold portion of the intake passage 1 communicates with the combustion chamber 21 on one side of each cylinder, and an ignition plug 22 for igniting the introduced air-fuel mixture is provided at the approximate center of each combustion chamber 21. Is provided.
[0020]
On the other hand, the exhaust passage 3 is provided with a first catalytic converter 32 incorporating the first catalyst 31 according to the present invention and a second catalytic converter 34 incorporating the second catalyst 33 according to the present invention. Yes.
[0021]
The first catalyst 31 carries at least one platinum-based noble metal (Pt, Pd, Rh), and is disposed at a position immediately below the manifold portion where the exhaust temperature is kept high. During engine operation, the first catalyst 31 is kept at a high temperature in contact with the high-temperature exhaust, and HC containing methane is efficiently oxidized.
[0022]
On the other hand, the second catalyst 33 is a NOx trap catalyst, and the downstream position (for example, the second catalyst) can maintain the NOx trap ability well even when the operation state where the exhaust gas becomes high temperature continues. The temperature of 33 is maintained at 500 ° C. or lower). During engine operation, the second catalyst 33 is always kept at a relatively low temperature, and NOx in the exhaust is trapped during lean combustion.
[0023]
The trapped NOx is released from the second catalyst 33 in accordance with the air-fuel ratio. The NOx releasing action from the second catalyst 33 is efficiently performed during rich combustion. On the other hand, at the time of rich combustion, the exhaust gas also contains a considerable amount of CO (carbon monoxide) in addition to HC, and these unburned components are not completely oxidized by the first catalyst 31 and are first oxidized. The catalyst 31 passes through. The components that have passed through react with NOx in the exhaust and NOx released from the second catalyst 33 to reduce them.
[0024]
Therefore, the capacity of the first catalyst 31 should be as large as possible because it is necessary to have sufficient methane oxidation capacity even under conditions where the amount of methane emission is the largest during operation. If the catalyst 31 is set to an excessive capacity, most of the unburned components discharged during rich combustion are oxidized by the first catalyst 31 and reach the second catalyst 33 to reduce NOx released. Therefore, the reducing agent component to be contributed to is insufficient. As a result, the NOx purification efficiency decreases.
[0025]
Based on these findings, the optimum capacity of the first catalyst 31 obtained through experiments is shown in FIG. In this figure, the capacity of the first catalyst 31 (ratio to the engine displacement (L)) is evaluated by the HC purification rate and the reduction component arrival rate. The HC purification rate is calculated by the following equation (1), and the HC amount indicates the amount of all hydrocarbons including methane, and takes an average value during lean air-fuel ratio operation. The reducing component arrival rate is calculated by the following equation (2), and takes an average value during the rich air-fuel ratio operation.
[0026]

As is apparent from FIG. 2, the capacity of the first catalyst 31 is preferably 50% or more of the engine displacement from the HC purification rate, and is 100% or less of the engine displacement from the reduction component arrival rate. It is good. Therefore, in the present embodiment, the capacity of the first catalyst 31 is set to 70% of the engine displacement (for example, the first catalyst capacity 1.3 L with respect to the engine displacement 1.8 L).
[0027]
Further, the NOx purification efficiency increases as the capacity of the second catalyst 33 is increased up to a certain value. However, when the capacity is exceeded, the effect of the increase in capacity reaches a peak. FIG. 3 shows the relationship between the capacity of the second catalyst 33 and the NOx purification efficiency. From FIG. 3, the capacity of the second catalyst 33 is 50% to 120% of the engine displacement (L). It is preferable to be within the range. Therefore, in the present embodiment, the capacity of the second catalyst 33 is set to 90% of the engine displacement.
[0028]
Returning to the description of FIG. 1, the electronic control unit (ECU) 41 uses the engine rotational speed calculated based on the signal from the crank angle sensor 71 in addition to the intake air amount, as shown below. Control the combustion air-fuel ratio.
[0029]
FIG. 4 schematically shows the flow of control by the electronic control unit 41.
The electronic control unit 41 executes this control every 10 ms. After reading various detection values in S1, a basic fuel injection amount Tp is calculated in S2. The basic fuel injection amount Tp is a fuel amount corresponding to the theoretical air-fuel ratio, and is calculated by the following equation (3) based on the intake air amount Qa and the engine speed Ne. Κ is a constant.
[0030]
Tp = K × Qa / Ne (3)
In subsequent S3, it is determined whether or not a NOx release condition is satisfied based on a result of a NOx release control routine described later. If the NOx release condition is satisfied (Fnox = 1), the process proceeds to S4 to release the NOx trapped in the second catalyst 33 and reduce it, and the target equivalent ratio Tfbya is set to the combustion air-fuel ratio of the engine E. Is set to a predetermined constant Trich (Trich> 1.0) in order to make it richer than the theoretical air-fuel ratio. On the other hand, if the NOx release condition is not satisfied (Fnox ≠ 1), the process proceeds to S5 in order to set the combustion air-fuel ratio of the engine E to the air-fuel ratio according to the engine operating state, and the target equivalent ratio Tfbya is set to the engine load Tp and A value T (T <1.0) according to the engine speed Ne is set. Note that S3 constitutes the NOx release determination means according to the present invention, and S4 constitutes the air-fuel ratio control means according to the present invention.
[0031]
Further, in S6, the output fuel injection amount Ti (fuel injection pulse width) is calculated by the following equation (4) using the target equivalent ratio Tfbya set in S4 or S5. Ts indicates the invalid injection amount of the injector 15.
[0032]
Ti = Tp × Tfbya + Ts (4)
The calculated output fuel injection amount Ti is stored in the memory and read out in a fuel injection routine (not shown) executed in synchronization with the rotation of the engine E. In this routine, a drive signal (pulse signal) is output to the injector 15 and a considerable amount of fuel is injected.
[0033]
Next, the NOx release control routine will be described with reference to FIG.
In this routine, the NOx trap amount of the second catalyst 33 is estimated, and it is determined whether or not the trapped NOx should be released. If the trapped NOx is to be released, the determination flag Fnox is set to 1; otherwise, Fnox is set to 0. The electronic control unit 41 executes this control every 10 ms.
[0034]
In S11, it is determined whether or not the determination flag Fnox is zero. When Fnox is 0, the routine proceeds to S12, where a NOx emission estimated amount ΔNOx that is an estimated value of the NOx amount discharged from the engine E per predetermined time (execution time interval of this routine, that is, 10 ms) is calculated. ΔNOx is calculated according to the engine operating state (engine load Tp and engine speed Ne).
[0035]
In S13, an NOx trap estimated amount ΣNOx, which is an estimated value of the NOx amount trapped by the second catalyst 33, is calculated. ΣNOx is calculated as a cumulative value of the estimated NOx emission amount ΔNOx calculated in S12 (that is, ΣNOx = ΣNOx + ΔNOx).
[0036]
In S14, it is determined whether or not the NOx trap estimated amount ΣNOx exceeds a predetermined allowable amount NOxth. If it does not exceed, the determination flag Fnox remains 0, and if it exceeds, Fnox is set to 1. When Fnox is set to 1, the NOx release condition is satisfied in S3 of FIG. 4, and the combustion air-fuel ratio is controlled to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio.
[0037]
On the other hand, if the determination flag Fnox is not 0 in S11, the process proceeds to S16 to determine whether Fnox was 0 in the previous time (that is, 10 ms before). When the previous value of Fnox is 0, the process proceeds to S17 and the count value C is reset to 0. This counter is for counting the execution time of the NOx release process from the second catalyst 33 by controlling the combustion air-fuel ratio to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and the current value of Fnox is 1. And when the previous value of Fnox is 0, that is, it is reset only immediately after Fnox is changed from 0 to 1.
[0038]
If the previous value of the determination flag Fnox is not 0 in S16, the process proceeds to S18 and the count value C is incremented by 1, and in S19, it is determined whether or not the count value C exceeds a predetermined value Cth. When C exceeds Cth, the execution time of the NOx release process exceeds a predetermined time (= 10 ms × Cth), and it is determined that NOx release and reduction purification are completed, and Fnox is reset to 0 in S20. Further, in step S21, the NOx trap estimated amount ΣNOx is reset to the initial value (0).
[0039]
As described above, the NOx release condition can be determined by comparing the NOx trap estimated amount ΣNOx with the predetermined allowable amount, but as another method, it can be as follows. It is determined that the NOx release condition is satisfied when the cumulative value Σ (Qa × Tp) of the product of the intake air amount Qa and the engine load Tp exceeds a predetermined value after the NOx release process is completed. Alternatively, an addition value corresponding to the vehicle speed is set, and the same determination is made based on the cumulative value of the addition value.
[0040]
Next, another example of the NOx release control routine will be shown with reference to FIG.
In this routine, the next NOx release from the elapsed time starting from when the previous NOx release process is completed (that is, when the air-fuel ratio is controlled from the rich air-fuel ratio to the lean air-fuel ratio from the stoichiometric air-fuel ratio). Determine whether the condition is met. Therefore, a second counter is provided in addition to a counter for counting the execution time of the NOx releasing process. The electronic control unit 41 executes this control every 10 ms.
[0041]
In S31, it is determined whether or not the determination flag Fnox is zero. If Fnox is 0, the process proceeds to S32, and it is determined whether or not the second count value C2 exceeds a predetermined value C2th. If it exceeds, the process proceeds to S33, where Fnox is set to 1, and the NOx release condition is satisfied in S3 of FIG. If C2 does not exceed C2th, the process proceeds to S34 and C2 is incremented by one.
[0042]
On the other hand, if the determination flag Fnox is not 0 in S31, the process proceeds to S35 to determine whether or not Fnox was 0 in the previous time (that is, 10 ms before). When the previous value of Fnox is 0, the process proceeds to S36 and the count value C is reset to 0. This counter is for counting the execution time of the NOx releasing process.
[0043]
If the previous value of the determination flag Fnox is not 0 in S35, the process proceeds to S37 and the count value C is incremented by 1, and in S38, it is determined whether or not the count value C exceeds a predetermined value Cth. If C exceeds Cth, it is determined that NOx release and reduction purification have been completed, Fnox is set to 0 in S39, and the second count value is reset to 0 in S40.
[0044]
Here, the starting point of the elapsed time (point at which C2 = 0 is given) is the time when the previous NOx release process has ended, but instead, when this starting point is spiked last time, that is, the flag for previous determination It may be when Fnox changes from 0 to 1.
[0045]
Although not shown in FIG. 1, the NOx generation amount itself is reduced by performing EGR (exhaust gas recirculation), and then the NOx post-treatment by the second catalyst 33 is performed. Good. In this case, the EGR passage through which the EGR gas flows is preferably branched from the exhaust passage on the upstream side of the first catalyst 31 and connected to the intake passage.
[0046]
As described above, according to the present invention, since NOx contained in the exhaust gas is removed by the post-treatment, methane can be efficiently oxidized in combination with this, so that the operation is performed at a lean air-fuel ratio. In the CNG engine, the exhaust gas can be purified better. In addition, since the NOx trap amount of the second catalyst 33 can be controlled and the NOx trap ability can be maintained satisfactorily, NOx can be reliably removed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing a flow of air-fuel ratio control according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is an example of a NOx release control routine in the same air-fuel ratio control. FIG. 6 is a diagram showing another example of the NOx release control routine.
E Internal combustion engine 1 Intake passage 11 Air cleaner 12 Air flow meter 13 Throttle valve 14 Swirl control valve 15 Injector 21 Combustion chamber 22 Spark plug 3 Exhaust passage 31 First catalyst 32 First catalytic converter 33 Second catalyst 34 Second catalyst Converter 41 Electronic control unit 51 Fuel tank 52 Pressure regulator 53 Fuel supply passage 54 Shut-off valve 61 Accelerator pedal 71 Crank angle sensor

Claims

An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that uses compressed natural gas as a fuel and is operated in an air-fuel ratio region including an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. A first catalyst that oxidizes at least contained methane and an exhaust passage downstream of the first catalyst and traps NOx contained in the inflowing exhaust according to the air-fuel ratio of the inflowing exhaust. Or a second catalyst to be released ,
The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, wherein the first catalyst has a capacity capable of independently obtaining a target purification rate with respect to the methane emission amount during the lean air-fuel ratio operation of the internal combustion engine.

2. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the capacity of the first catalyst is set to 0.5 to 1.0 times the engine displacement.

The exhaust purification device for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the capacity of the second catalyst is set to 0.5 to 1.2 times the engine displacement.

NOx release determining means for determining whether or not NOx trapped in the second catalyst should be released, and empty when the NOx release determining means determines that the trapped NOx should be released. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, further comprising an air-fuel ratio control means for controlling the fuel ratio to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio.