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JP3788049B2 - Exhaust gas purification device for lean combustion internal combustion engine - Google Patents

Exhaust gas purification device for lean combustion internal combustion engine Download PDF

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JP3788049B2 JP19563898A JP19563898A JP3788049B2 JP 3788049 B2 JP3788049 B2 JP 3788049B2 JP 19563898 A JP19563898 A JP 19563898A JP 19563898 A JP19563898 A JP 19563898A JP 3788049 B2 JP3788049 B2 JP 3788049B2
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  • 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し、詳細にはO2 ストレージ機能を有する排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
理論空燃比付近で運転される機関の排気通路にO2 ストレージ機能を有する三元触媒等の排気浄化三元触媒を配置して排気中のHC、CO、NOX の三成分を浄化する技術が知られている。三元触媒のO2 ストレージ機能とは、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中の酸素成分を触媒内に吸収、保持し、流入する排気の空燃比がリッチのときに吸収した酸素を放出する機能をいう。周知のように、三元触媒は流入する排気空燃比が理論空燃比付近の狭い範囲にあるときに排気中のHC、CO、NOX の三成分を同時に浄化することができるが、排気空燃比が理論空燃比からずれると上記三成分を同時に浄化することができなくなる性質を有する。一方、三元触媒にO2 ストレージ機能を付加すると、三元触媒に流入する排気が理論空燃比よりリーンになったときには触媒に排気中の余剰酸素が吸収され、リッチになったときには触媒から酸素が放出されるようになり、触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比から外れた場合でも三元触媒の雰囲気を理論空燃比近傍に維持することが可能となる。このため、理論空燃比付近の空燃比で運転される機関の排気をO2 ストレージ機能を有する三元触媒を用いて浄化することにより、HC、CO、NOX の三成分を良好に浄化することが可能となる。
【0003】
一方、流入する排気空燃比がリーンのときに排気中のNOX (窒素酸化物)を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したNOX を放出するNOX 吸蔵還元触媒が知られている。
NOX 吸蔵還元触媒を使用した排気浄化装置の例としては、例えば特許登録第2600492号に記載されたものがある。上記特許の排気浄化装置は、リーン空燃比運転を行う機関の排気通路にNOX 吸蔵還元触媒を配置し、機関のリーン空燃比運転中にNOX 吸蔵還元触媒に排気中のNOX を吸収させ、NOX 吸蔵還元触媒のNOX 吸収量が増大したときに、機関を短時間理論空燃比またはリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行うことにより、NOX 吸蔵還元触媒から吸収したNOX を放出させるとともに、放出されたNOX を還元浄化している。すなわち、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると、リーン空燃比の排気に較べて排気中の酸素濃度が急激に低下するとともに、排気中の未燃HC、CO成分の量が急激に増大する。このため、リッチスパイク操作により機関運転空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えられると、NOX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比はリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に変化し、排気中の酸素濃度の低下によりNOX 吸蔵還元触媒からNOX が放出される。また、上記のように理論空燃比またはリッチ空燃比の排気中には比較的多量の未燃HC、CO成分が含まれるため、NOX 吸蔵還元触媒から放出されたNOX は排気中の未燃HC、CO成分と反応し還元される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許登録第2600492号に記載の排気浄化装置によれば、機関リーン空燃比運転中に発生するNOX を効率よく浄化することが可能となる。しかし、上記特許登録第2600492号の装置に、スタートキャタリストとしてO2 ストレージ機能を有する三元触媒を付加する場合には問題が生じる場合がある。
【0005】
スタートキャタリストは、機関始動時に機関から多量に放出されるHC、CO成分を除去することを主な目的としており、機関始動後短時間で昇温し触媒活性化温度に到達するように排気通路のできるだけ機関に近い位置に配置する必要がある。このため、上記特許登録第2600492号の排気浄化装置に付加する場合には、スタートキャタリストはNOX 吸蔵還元触媒の上流側の排気通路に配置される。
【0006】
ところが、O2 ストレージ機能を有する触媒をスタートキャタリストとしてNOX 吸蔵還元触媒の上流側排気通路に配置した場合には、リーン空燃比運転中にNOX 吸蔵還元触媒からのNOX の放出、還元浄化のためのリッチスパイク操作を行うとリッチスパイク操作初期にNOX がNOX 吸蔵還元触媒から浄化されないまま放出される問題が生じることが判明している。
【0007】
この問題は、リッチスパイク操作時にNOX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比のリーンからリッチへの変化がスタートキャタリストのO2 ストレージ作用のために遅れを生じるためと考えられる。
すなわち、リッチスパイク操作が行われると機関からの排気の空燃比はリーンからリッチに急激に変化するが、スタートキャタリストがO2 ストレージ機能を有するため、このリッチ空燃比の排気がスタートキャタリストに流入するとスタートキャタリストからは吸収した酸素が放出されてしまい、スタートキャタリストから流出する排気の空燃比は理論空燃比近傍に維持される。このため、リッチスパイク操作を開始してもNOX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比はスタートキャタリストが吸収した酸素の全量を放出し終わるまでは充分なリッチ空燃比にならず、理論空燃比に近いリーン空燃比に維持される場合が生じる。
【0008】
NOX 吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に近いリーン空燃比に変化すると、NOX 吸蔵還元触媒の表面付近の酸素濃度は急激に低下する。後述するように、NOX 吸蔵還元触媒はアルカリ土類(例えばBa)等と結合した硝酸イオンの形でNOX を触媒内部に保持しているが、触媒表面付近の酸素濃度が低下すると、NOX 吸蔵還元触媒の表面付近に保持されたNOX が一斉に触媒表面から放出されるようになる。この場合、NOX 吸蔵還元触媒に流入する排気が理論空燃比に近いリーン空燃比に維持されていると、排気中には放出されたNOX の全量を還元するのに充分な量のHC、COが含まれていないため、放出されたNOX の一部は還元されずにそのままNOX 吸蔵還元触媒下流側に流出するようになってしまう。このため、スタートキャタリストのO2 ストレージ機能により、リッチスパイク操作時にNOX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比が充分にリッチな空燃比に到達するのが遅れるとNOX 吸蔵還元触媒から未浄化のNOX が流出するようになると考えられる。
【0009】
上述したように、スタートキャタリストに吸収された酸素の全量が放出されるとスタートキャタリスト下流側の排気の空燃比もスタートキャタリスト上流側と同じリッチ空燃比となるため、NOX 吸蔵還元触媒には充分にリッチな空燃比の排気が供給されるようになる。従って、リッチスパイク操作を開始してからある程度の時間が経過するとNOX 吸蔵還元触媒から放出されたNOX はNOX 吸蔵還元触媒上でその全量が浄化されるようになり、NOX 吸蔵還元触媒からの未浄化のNOX の流出は停止する。しかし、上述のようにリッチスパイク操作毎にNOX 吸蔵還元触媒から未浄化のNOX が流出したのでは全体としてのNOX 浄化率が低下する問題が生じる。
【0010】
また、機関の運転状態に応じて機関の運転空燃比をリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えるような機関では、リッチスパイク操作を行わなくても機関からの排気の空燃比はリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えられる場合があるが、この場合も排気浄化触媒のO2 ストレージ機能のために、運転空燃比切り換えの際にNOX 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比が一時的に理論空燃比近傍のリーン空燃比に維持される期間が生じると、上記と同様未浄化のNOX が放出され、排気性状が悪化する問題が生じる。
【0011】
本発明は上記問題に鑑み、O2 ストレージ機能を有する排気浄化触媒を排気通路に配置した場合の排気浄化触媒下流側の排気空燃比の、リーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比への変化の遅れを防止することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、必要に応じてリーン空燃比の運転と理論空燃比またはリッチ空燃比の運転とに運転空燃比の切り換えを行なう内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置されたO2ストレージ機能を有する排気浄化触媒と、
前記機関をリーン空燃比運転から理論空燃比またはリッチ空燃比運転に切り換える際に、燃焼に寄与しない燃料を機関に供給し前記排気浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にすることにより前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減するストレージ低減手段と、更に、前記排気浄化触媒下流側の排気通路に、流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のNO X を吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したNO X を放出するNO X 吸蔵還元触媒とを備え、前記ストレージ低減手段は更に、NO X 吸蔵還元触媒から吸収したNO X を放出させるべきときに排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減する内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0013】
また、請求項2に記載の発明によれば、前記機関のリーン空燃比運転中に前記NO X 吸蔵還元触媒から吸収したNO X を放出させるべきときに短時間機関の運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なう手段を備え、リッチスパイク操作時に前記ストレージ低減手段により前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減する請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0014】
すなわち、請求項1及び請求項2の発明では機関の運転空燃比がリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えられる際に、機関に燃焼に寄与しない燃料が供給される。この燃料は燃焼しないまま未燃HC成分となり、排気とともに機関から排出される。このため、排気浄化触媒にはリッチ空燃比でかつ未燃HCを多量に含む排気が流入する。この場合、排気浄化触媒のO 2 ストレージ機能により、排気浄化触媒からは酸素が放出される。しかし、O 2 ストレージによる酸素の放出速度には限界があるため、流入する排気中に多量の未燃HC成分が含まれると放出された酸素では排気中の未燃HC成分の全量を酸化することができなくなり、排気浄化触媒下流側の排気の空燃比は理論空燃比よりリッチ側の空燃比となる。すなわち、排気浄化触媒に貯蔵された酸素が放出され直ちに消費されるので、排気浄化触媒下流側の排気空燃比も直ちにリッチ空燃比に変化するようになる。このため、排気浄化触媒のO 2 ストレージ機能による空燃比変化の遅れが防止される。なお、燃焼に寄与しない燃料の供給は排気浄化触媒に貯蔵された酸素量が充分に低減されると(すなわち、排気浄化触媒からの酸素の放出が実用上問題にならない程度まで低下すると)停止される。また、ストレージ低減手段としては、気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を有する機関にあっては、各気筒の膨張行程または排気行程において気筒内に燃料を噴射するものであってもよいし、各気筒排気ポートに燃料噴射を行う排気ポート燃料噴射弁を有する機関にあっては排気ポートに燃料を噴射するものであっても良い。また、O 2 ストレージ低減手段による燃焼に寄与しない燃料の供給は、機関運転空燃比の切り換え直前のリーン空燃比運転中に行っても良いし、切り換え直後の理論空燃比またはリッチ空燃比の運転中に行っても良い。
【0016】
更に、請求項1と請求項2との発明ではO2ストレージ機能を有する排気浄化触媒の下流側にNOX吸蔵還元触媒が配置されており、NOX吸蔵還元触媒から吸収したNOXを放出させるべきときにストレージ低減手段による排気浄化のO2ストレージ機能の低減が行われる。このため、運転状態の変化により機関運転空燃比がリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換えられる場合のみならず、NOX吸蔵還元触媒からNOXを放出させる際にNOX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に変化させる場合にもNOX吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比は直ちにリーン空燃比から充分なリッチ空燃比に変化するようになりNOX吸蔵還元触媒から未浄化のNOXが流出することが防止される。
【0017】
請求項3に記載の発明によれば、必要に応じてリーン空燃比運転を行なう内燃機関の排気浄化装置であって、機関排気通路に配置されたO2ストレージ機能を有する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒下流側の排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のNOXを吸収し流入する排気の空燃比がリッチ空燃比になったときに吸収したNOXを放出するNOX吸蔵還元触媒と、機関のリーン空燃比運転中に前記NOX吸蔵還元触媒から吸収したNOXを放出させるべきときに短時間機関の運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なう手段と、前記リッチスパイク操作開始直後の所定期間前記排気浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチスパイク操作中の空燃比より更にリッチにすることにより、排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減するストレージ低減手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0018】
すなわち、請求項3の発明では、NOX吸蔵還元触媒からのNOXの放出と還元浄化のためにリッチスパイク操作を行うときに、リッチスパイク開始直後の所定期間排気浄化触媒に流入する排気の空燃比が、その後のリッチスパイク操作中の排気空燃比より更にリッチに保持される。これにより、排気浄化触媒からO2ストレージ機能により酸素が放出されている間も排気中には放出された酸素の全量を消費するのに充分な量の未燃HC、CO成分が含まれるようになり、排気浄化触媒から酸素が放出されている間も排気浄化触媒下流側の排気空燃比は充分なリッチ空燃比となる。従って、排気浄化触媒下流側のNOX吸蔵還元触媒にはリッチスパイク操作開始時から充分にリッチな空燃比の排気が供給されるようになり、NOX吸蔵還元触媒からの未浄化のNOXの流出が防止される。なお、リッチスパイク開始直後に排気浄化触媒に流入する排気の空燃比は、排気浄化触媒から放出された酸素の全量を消費するのに充分な量と下流側のNOX吸蔵還元触媒から放出されるNOXの全量を浄化するのに充分な量とを合計した量の未燃HC、CO成分を含むように設定される。また、ストレージ低減手段としては、請求項1から2のように、気筒の膨張または排気行程中に気筒内に燃料噴射を行うものや排気ポートに燃料噴射を行うもののように機関に燃焼に寄与しない燃料を供給するものの他、リッチスパイク開始後所定の期間、その後のリッチスパイク操作中より機関の運転空燃比を更にリッチにするものであっても良い。また、上記所定期間は、排気浄化触媒から吸収した酸素の全量が放出されるのに充分な時間に設定される。
【0019】
請求項4に記載の発明によれば、前記ストレージ低減手段は、前記機関の運転状態に基づいて前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を推定するストレージ推定手段を備え、推定した貯蔵酸素量に応じて前記酸素量低減操作を行なう請求項1から3のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項4の発明ではストレージ低減手段は排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を推定するとともに、推定した酸素量に応じて酸素量低減操作を行う。例えばストレージ低減手段は、貯蔵酸素量が多いほど排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を低下させ(すなわちリッチの度合いを深め)、または酸素量低減操作を継続する時間を長くする。これにより、酸素量低減操作が正確に行なわれるようになり、排気浄化触媒下流側の排気空燃比の変化の遅れが確実に防止されるようになる。なお、ストレージ低減手段による排気浄化触媒の貯蔵酸素量推定は、例えば触媒温度、排気流量、機関の空燃比変化の履歴(リーン空燃比運転とリッチ空燃比運転の継続時間)等の機関運転状態に基づいて行なわれる。
【0020】
請求項5に記載の発明によれば、前記ストレージ推定手段は、前記機関の運転状態に加えて前記排気浄化触媒の劣化状態に基づいて排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を推定する請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
請求項5の発明では、ストレージ低減手段は、機関運転状態に加えて排気浄化触媒の劣化状態に基づいて貯蔵酸素量を推定する。O2ストレージ機能は排気浄化触媒の劣化とともに低下し、排気浄化触媒の貯蔵可能な酸素量(飽和酸素量)は排気浄化触媒の劣化とともに少なくなる。すなわち、排気浄化触媒には飽和酸素量以上の量の酸素は貯蔵されない。従って、排気浄化触媒の劣化状態を考慮することにより、排気浄化触媒の貯蔵酸素量をより正確に推定することが可能となり、酸素量低減操作を更に正確に行なうことが可能となる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
図1において、1は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関1は#1から#4の4つの気筒を備えた4気筒ガソリン機関とされ、#1から#4気筒には直接気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁111から114が設けられている。後述するように、本実施形態の内燃機関1は、理論空燃比より高い(リーンな)空燃比で運転可能なリーンバーンエンジンとされている。
【0022】
また、本実施形態では#1から#4の気筒は互いに点火時期が連続しない2つの気筒からなる2つの気筒群にグループ分けされている。(例えば、図1の実施形態では、気筒点火順序は1−3−4−2であり、#1、#4の気筒と#2、#3の気筒とがそれぞれ気筒群を構成している。)また、各気筒の排気ポートは気筒群毎に排気マニホルドに接続され、気筒群毎の排気通路に接続されている。図1において、21aは#1、#4気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路2aに接続する排気マニホルド、21bは#2、#4気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路2bに接続する排気マニホルドである。本実施形態では、個別排気通路2a、2b上には、三元触媒からなるスタートキャタリスト(以下「SC」と呼ぶ)5aと5bがそれぞれ配置されている。また、個別排気通路2a、2bはSC下流側で共通の排気通路2に合流している。
【0023】
共通排気通路2上には、後述するNOX 吸蔵還元触媒7が配置されている。図1に29a、29bで示すのは、個別排気通路2a、2bのスタートキャタリスト5a、5b上流側に配置された空燃比センサ、31で示すのは、排気通路2のNOX 吸蔵還元触媒7出口に配置された空燃比センサである。空燃比センサ29a、29b及び31は、広い空燃比範囲で排気空燃比に対応する電圧信号を出力する、いわゆるリニア空燃比センサとされている。
更に、図1に30で示すのは機関1の電子制御ユニット(ECU)である。ECU30は、本実施形態ではRAM、ROM、CPUを備えた公知の構成のマイクロコンピュータとされ、機関1の点火時期制御や燃料噴射制御等の基本制御を行なっている。また、本実施形態では、ECU30は上記の基本制御を行う他に、後述するように機関運転状態に応じて筒内噴射弁111から114の燃料噴射モードを変更し機関の運転空燃比を変更する制御を行なうとともに、更にNOX 吸蔵還元触媒7から吸収したNOX を放出させるために機関のリーン空燃比運転中に短時間運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なっている。さらにECU30は機関運転空燃比をリーンからリッチに変化させる際やリッチスパイク操作の際にSC5a、5bに貯蔵された酸素量を低減させる貯蔵酸素量低減操作を行う。
【0024】
ECU30の入力ポートには、空燃比センサ29a、29bからスタートキャタリスト5a、5b入口における排気空燃比を表す信号と、空燃比センサ31からNOX 吸蔵還元触媒7出口における排気空燃比を表す信号が、また、図示しない機関吸気マニホルドに設けられた吸気圧センサ33から機関の吸気圧力に対応する信号がそれぞれ入力されている他、機関クランク軸(図示せず)近傍に配置された回転数センサ35から機関回転数に対応する信号が入力されている。更に、本実施形態では、ECU30の入力ポートには機関1のアクセルペダル(図示せず)近傍に配置したアクセル開度センサ37から運転者のアクセルペダル踏込み量(アクセル開度)を表す信号が入力されている。また、ECU30の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御するために、図示しない燃料噴射回路を介して各気筒の燃料噴射弁111から114に接続されている。
【0025】
本実施形態では、ECU30は機関1を機関の運転状態に応じて以下の5つの燃焼モードで運転する。
▲1▼ リーン空燃比成層燃焼(圧縮行程1回噴射)
▲2▼ リーン空燃比均質混合気/成層燃焼(吸気行程/圧縮行程2回噴射)
▲3▼ リーン空燃比均質混合気燃焼(吸気行程1回噴射)
▲4▼ 理論空燃比均質混合気燃焼(吸気行程1回噴射)
▲5▼ リッチ空燃比均質混合気燃焼(吸気行程1回噴射)
すなわち、機関1の軽負荷運転領域では、上記▲1▼のリーン空燃比成層燃焼が行なわれる。この状態では、筒内燃料噴射は各気筒の圧縮行程後半に1回のみ行なわれ噴射された燃料は気筒点火プラグ近傍に可燃混合気の層を形成する。また、この運転状態での燃料噴射量は極めて少なく、気筒内の全体としての空燃比は25から30程度になる。
【0026】
また、上記▲1▼の状態から負荷が増大して低負荷運転領域になると、上記▲2▼リーン空燃比均質混合気/成層燃焼が行なわれる。機関負荷が増大するにつれて気筒内に噴射する燃料は増量されるが、上記▲1▼の成層燃焼では燃料噴射を圧縮行程後半に行なうため、噴射時間が限られてしまい成層させることのできる燃料量には限界がある。そこで、この負荷領域では圧縮行程後半の燃料噴射だけでは不足する燃料の量を予め吸気行程前半に噴射することにより目標量の燃料を気筒に供給するようにしている。吸気行程前半に気筒内に噴射された燃料は着火時までに極めてリーンな均質混合気を生成する。圧縮行程後半ではこの極めてリーンな均質混合気中に更に燃料が噴射され点火プラグ近傍に着火可能な可燃混合気の層が生成される。着火時にはこの可燃混合気層が燃焼を開始し周囲の希薄な混合気層に火炎が伝播するため安定した燃焼が行なわれるようになる。この状態では吸気行程と圧縮行程での噴射により供給される燃料量は▲1▼より増量されるが、全体としての空燃比はやや低いリーン(例えば空燃比で20から30程度)になる。
【0027】
更に機関負荷が増大すると、機関1では上記▲3▼のリーン空燃比均質混合気燃焼が行なわれる。この状態では燃料噴射は吸気行程前半に1回のみ実行され、燃料噴射量は上記▲2▼より更に増量される。この状態で気筒内に生成される均質混合気は理論空燃比に比較的近いリーン空燃比(例えば空燃比で15から25程度)となる。
【0028】
更に機関負荷が増大して機関高負荷運転領域になると、▲3▼の状態から更に燃料が増量され、上記▲4▼の理論空燃比均質混合気運転が行なわれる。この状態では、気筒内には理論空燃比の均質な混合気が生成されるようになり、機関出力が増大する。また、更に機関負荷が増大して機関の全負荷運転になると、▲4▼の状態から燃料噴射量が更に増量され▲5▼のリッチ空燃比均質混合気運転が行なわれる。この状態では、気筒内に生成される均質混合気の空燃比はリッチ(例えば空燃比で12から14程度)になる。
【0029】
本実施形態では、アクセル開度(運転者のアクセルペダル踏込み量)と機関回転数とに応じて予め実験等に基づいて最適な運転モード(上記▲1▼から▲5▼)が設定されており、ECU30のROMにアクセル開度と機関回転数とを用いたマップとして格納してある。機関1運転中、ECU30はアクセル開度センサ37で検出したアクセル開度と機関回転数とに基づいて、現在上記▲1▼から▲5▼のいずれの運転モードを選択すべきかを決定し、それぞれのモードに応じて燃料噴射量及び燃料噴射時期及び回数を決定する。
【0030】
すなわち、上記▲1▼から▲3▼のモード(リーン空燃比燃焼)が選択された場合には、ECU30は上記▲1▼から▲3▼のモード毎に予め準備されたマップに基づいて、アクセル開度と機関回転数とから燃料噴射量を決定する。又、上記▲4▼と▲5▼のモード(理論空燃比またはリッチ空燃比均質混合気燃焼)が選択された場合には、ECU30は上記▲4▼と▲5▼のモード毎に予め準備されたマップに基づいて、吸気圧センサ33で検出された吸気圧力と機関回転数とに基づいて燃料噴射量を設定する。
【0031】
また、モード▲4▼(理論空燃比均質混合気燃焼)が選択された場合には、ECU30は更に上記により算出した燃料噴射量を、機関排気空燃比が理論空燃比となるように空燃比センサ29a、29bの出力に基づいてフィードバック補正する。
上述のように、本実施形態の機関1では機関負荷が増大するにつれて燃料噴射量が増量され、燃料噴射量に応じて運転モードが変更される。
【0032】
次に、本実施形態のスタートキャタリスト5a、5b及びNOX 吸蔵還元触媒について説明する。
スタートキャタリスト(SC)5a、5bは、ハニカム状に成形したコージェライト等の担体を用いて、この担体表面にアルミナの薄いコーティングを形成し、このアルミナ層に白金Pt、パラジウムPd、ロジウムRh等の貴金属触媒成分を担持させた三元触媒として構成される。三元触媒は理論空燃比近傍でHC、CO、NOX の3成分を高効率で浄化する。三元触媒は、流入する排気の空燃比が理論空燃比より高くなるとNOX の還元能力が低下するため、機関1がリーン空燃比運転されているときの排気中のNOX を充分に浄化することはできない。
【0033】
また、SC5a、5bは機関始動後短時間で触媒の活性温度に到達し、触媒作用を開始することができるように、排気通路2a、2bの機関1に近い部分に配置され、熱容量を低減するために比較的小容量のものとされている。
次に、SC5a、5bのO2 ストレージ機能について説明する。
一般に三元触媒等の排気浄化触媒に触媒成分以外にセリウム(Ce)等の金属成分を担持させると排気浄化触媒が酸素貯蔵機能(O2 ストレージ機能)を発揮するようになることが知られている。すなわち、添加剤として触媒に担持されたセリウムは、触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比より高いときに(排気空燃比がリーンのときに)排気中の酸素と結合してセリア(酸化セリウム)を形成し酸素を貯蔵する。また、流入する排気の空燃比が理論空燃比以下のときに(排気空燃比がリッチのときに)は、セリアは酸素を放出して金属セリウムに戻るため酸素が放出される。O2 ストレージ機能を有する排気浄化触媒では、触媒に流入する排気空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変化した場合でも排気中の酸素がセリウムに吸収されるため流入排気中の酸素濃度は低下する。このため、セリウムに酸素が吸収されている間は触媒出口での排気空燃比は理論空燃比近傍になる。また、触媒の担持するセリウムの全量が酸素と結合して(すなわち、触媒が酸素で飽和して)それ以上酸素を吸収することができなくなると、排気浄化出口における排気空燃比は触媒入口における排気空燃比と同じリーン空燃比に変化する。また、同様に、セリウムが充分に酸素を吸収した状態では、触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化するとセリウムから酸素が放出され、排気中の酸素濃度が増大して触媒出口における空燃比は理論空燃比近傍になる。この場合も、セリウムと結合した酸素の全量が放出された後は、それ以上触媒から酸素が放出されることがないので、触媒出口における排気空燃比は触媒入口における空燃比と同様リッチ空燃比となる。すなわち、排気浄化触媒がO2 ストレージ機能を有していると、触媒下流側の排気空燃比のリーンからリッチまたはリッチからリーンの変化は触媒上流側に較べて遅れを生じることになる。
【0034】
本実施形態のSC5a、5bはO2 ストレージ機能を付加されているため、機関の運転空燃比がリーンからリッチに変化するとSC5a、5bの下流側における排気空燃比の変化は遅れ、一時的に理論空燃比近傍の空燃比に維持される期間が生じることになる。
次に、本実施形態のNOX 吸蔵還元触媒7について説明する。本実施形態のNOX 吸蔵還元触媒7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 、セリウムCe、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の成分と、白金Ptのような貴金属とを担持したものである。NOX 吸蔵還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気中のNOX (NO2 、NO)を硝酸イオンNO3 - の形で吸収し、流入排気ガスがリッチになると吸収したNOX を放出するNOX の吸放出作用を行う。
【0035】
この吸放出のメカニズムについて、以下に白金PtおよびバリウムBaを使用し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。
流入排気中の酸素濃度が増大すると(すなわち排気の空燃比がリーン空燃比になると)、これら酸素は白金Pt上にO2 - またはO2-の形で付着し、排気中のNOX は白金Pt上のO2 - またはO2-と反応し、これによりNO2 が生成される。また、流入排気中のNO2 及び上記により生成したNO2 は白金Pt上で更に酸化されつつ吸収剤中に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら硝酸イオンNO3 - の形で吸収剤内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のNOX がNOX 吸収剤内に硝酸塩の形で吸収されるようになる。
【0036】
また、流入排気中の酸素濃度が大幅に低下すると(すなわち、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると)、白金Pt上でのNO2 生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、吸収剤内の硝酸イオンNO3 - はNO2 の形で吸収剤から放出されるようになる。この場合、排気中にCO等の還元成分やHC、CO2 等の成分が存在すると白金Pt上でこれらの成分によりNO2 が還元される。
【0037】
本実施形態では、リーン空燃比運転可能な機関1が使用されており、機関1がリーン空燃比で運転されているときには、NOX 吸蔵還元触媒は流入する排気中のNOX を吸収する。また、機関1がリッチ空燃比で運転されると、NOX 吸蔵還元触媒7は吸収したNOX を放出、還元浄化する。本実施形態では、リーン空燃比運転中にNOX 吸蔵還元触媒7に吸収されたNOX 量が増大すると、短時間機関空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク運転を行い、NOX 吸蔵還元触媒からのNOX の放出と還元浄化(NOX 吸蔵還元触媒の再生)を行なうようにしている。
本実施形態では、ECU30はNOX カウンタの値を増減することによりNOX 吸蔵還元触媒7が吸収保持しているNOX 量を推定する。NOX 吸蔵還元触媒7に単位時間当たりに吸収されるNOX の量はNOX 吸蔵還元触媒に単位時間当たりに流入する排気中のNOX 量、すなわち機関1で単位時間当たりに生成されるNOX 量に比例している。一方、機関で単位時間当たりに発生するNOX の量は機関への燃料供給量、空燃比、排気流量等によって定まるため、機関運転条件が定まればNOX 吸蔵還元触媒に吸収されるNOX 量を知ることができる。本実施形態では、予め機関運転条件(アクセル開度、機関回転数、吸入空気量、吸気圧力、空燃比、燃料供給量など)を変えて機関が単位時間当たりに発生するNOX 量を実測し、NOX 吸蔵還元触媒7に単位時間当たりに吸収されるNOX 量を、例えば機関負荷(燃料噴射量)と機関回転数とを用いた数値マップの形でECU30のROMに格納している。ECU30は一定時間毎(上記の単位時間毎)に機関負荷(燃料噴射量)と機関回転数とからこのマップを用いて単位時間当たりにNOX 吸蔵還元触媒に吸収されたNOX 量を算出し、NOX カウンタをこのNOX 吸収量だけ増大させる。これによりNOX カウンタの値は常にNOX 吸蔵還元触媒7に吸収されたNOX の量を表すようになる。ECU30は、機関のリーン空燃比運転中に、上記NOX カウンタの値が所定値以上に増大したときに、短時間(例えば0.5から1秒程度)機関を前述の▲4▼または▲5▼のモード(理論空燃比またはリッチ空燃比均質混合気燃焼)で運転するリッチスパイク操作を行なう。これにより、NOX 吸蔵還元触媒から吸収したNOX が放出され、還元浄化される。なお、リッチスパイクで排気空燃比をリッチに保持する時間は詳細にはNOX 吸蔵還元触媒の種類、容量などに基づいて実験等により決定される。また、リッチスパイクを実行してNOX 吸蔵還元触媒からNOX が放出、還元浄化された後はNOX カウンタの値は0にリセットされる。このように、NOX 吸蔵還元触媒7のNOX 吸収量に応じてリッチスパイクを行なうことにより、NOX 吸蔵還元触媒7は適切に再生され、NOX 吸蔵還元触媒が吸収したNOX で飽和することが防止される。
【0038】
ところが、前述のように本実施形態ではNOX 吸蔵還元触媒7上流側の排気通路にO2 ストレージ機能を有するSC5a、5bが設けられている。このため、リッチスパイク時に機関からリッチ空燃比の排気がSC5a、5bに流入してもSC5a、5b下流のNOX 吸蔵還元触媒7にはSC5a、5bでの酸素の放出がある間は理論空燃比近傍のリーン空燃比の排気が流入する場合が生じ、リッチスパイク開始直後にNOX 吸蔵還元触媒7から未浄化のNOX が流出する可能性がある。また、同様に機関1の運転条件の変化により機関の運転空燃比がリーン空燃比(前述の▲1▼から▲3▼の運転モード)から理論空燃比またはリッチ空燃比(前述の▲4▼または▲5▼の運転モード)に切り換えられた場合にも切換え直後にNOX 吸蔵還元触媒7から未浄化のNOX の流出が生じる可能性がある。
【0039】
そこで、以下に説明する実施形態ではリッチスパイク操作や運転モード切り換え等のために機関空燃比をリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換える際に予めSC5a、5bに流入する排気の空燃比をリッチにすることにより上記SC5a、5bのO2 ストレージにより生じる問題を解決している。
SC5a、5bに流入する排気空燃比をリッチ空燃比にすることにより、SC5a、5bには多量のHC、CO成分を含む排気が流入する。このため、O2 ストレージにより触媒内に貯蔵された酸素は排気中のHC、CO成分を酸化するのに消費され、短時間で触媒からの酸素の放出が終了する。また、上記HC、CO成分量は触媒から放出される酸素の全量を消費する量より多く設定することによりO2 ストレージ機能により触媒から酸素が放出されている間もSC5a、5b下流側の排気はリッチ空燃比に維持されるようになる。これにより、NOX 吸蔵還元触媒7から未浄化のNOX が流出することが防止される。
【0040】
機関空燃比切り換え時にSC5a、5bに流入する排気空燃比をリッチ空燃比にする貯蔵酸素低減操作としては、例えば(A) 各気筒の筒内噴射弁から気筒膨張行程または排気行程時に筒内に燃料を噴射する(以下「二次燃料噴射」という)、(B) 各気筒の排気ポートに燃料を噴射する排気ポート燃料噴射弁を設け機関排気ポートに燃料噴射を噴射する(以下「排気ポート噴射」という)、(C) 機関空燃比切り換え時に一時的に機関燃焼空燃比を大幅にリッチにする、等の方法がある。上記(A) 、(B) の方法では、気筒の膨張、排気行程や排気ポートに噴射された燃料は燃焼せずに気化して排気中に多量のHC、CO成分を生成する。すなわち、これらの燃料は燃焼に寄与しないため比較的多量の燃料を供給した場合でも機関出力の変動等が生じない利点がある。一方、これらの燃料は燃焼に寄与しないため機関がリーン空燃比で運転されている場合には排気には比較的多量の酸素が残存する。すなわち、上記のように燃焼に寄与しない燃料を機関に供給した場合には、排気の空燃比は全体としてリッチ空燃比になるものの、排気中には未反応の酸素とHC、CO成分とが別々に存在することになる。このため、これらの酸素とHC、CO成分とがSC5a、5b上で反応を生じ、運転条件によってはSC5a、5bの温度が過度に上昇する可能性がある。
【0041】
また、上記(C) の方法では、機関の燃焼空燃比そのものが一時的に大幅なリッチ空燃比になるため、排気中の未反応の酸素はほとんどなくなりSC5a、5bの過熱の問題は生じないが、多量の燃料の燃焼により機関発生トルクが増大して機関の運転状態によっては出力トルク変動が生じる可能性がある。
従って、上記(A) から(C) の方法のいずれをとるかは機関の特性や運転状態に応じて選択することが好ましい。
【0042】
なお、上記(B) (排気ポート燃料噴射)の方法を適用する場合は、上記(A) (二次燃料噴射)の場合とほぼ同様になるため、以下の実施形態では上記(A) と(C) の方法を適用する場合を例にとって説明することとする。
(1)第1の実施形態
図2は本発明の第1の実施形態におけるSC5a、5bの貯蔵酸素量低減操作を説明するフローチャートである。本操作は、ECU30により所定間隔毎(例えばクランク軸一定回転角毎)に実行される。
【0043】
図2の操作では、機関の運転条件変化によるリーン空燃比運転から理論空燃比またはリッチ空燃比運転への運転空燃比切り換え時、及びNOX 吸蔵還元触媒7からのNOX 放出のためのリッチスパイク操作時に、機関の運転空燃比を切り換える直前に、各気筒の膨張又は排気行程に筒内燃料噴射弁から燃料を噴射することによりSC5a、5bの貯蔵酸素量を低減している。すなわち、本実施形態ではSC5a、5bからのO2 ストレージ機能による酸素放出が終了してから機関の運転空燃比を切り換えるようにしている。
【0044】
これにより、機関の運転空燃比がリーンからリッチ(または理論空燃比)に切り換えられる時にはSC5a、5bからの酸素放出が生じないため、NOX 吸蔵還元触媒7に流入する排気の空燃比はリーン空燃比から直ちにリッチ空燃比(または理論空燃比)に変化するようになり、NOX 吸蔵還元触媒7からの未浄化のNOX の放出が防止される。
【0045】
図2において操作がスタートすると、ステップ201では、前述のアクセル開度センサ37からアクセル開度(運転者のアクセルペダル踏込み量)ACCPが、また回転数センサ35の出力に基づいて算出された機関回転数NEと、SC5a、5bの貯蔵酸素量OSCとが、それぞれ読み込まれる。なお、SC5a、5bの貯蔵酸素量OSCの算出については後に詳述する。
【0046】
次いで、ステップ203では上記により読み込んだアクセル開度ACCPと機関回転数NEとに基づいて、前述の▲1▼から▲5▼の運転モードのうち最適な運転モードM1 が選択される。本実施形態では、各アクセル開度と機関回転数とにおける最適な運転モードがアクセル開度ACCPと回転数NEとをパラメータとして用いた数値テーブルとしてECU30のROMに格納されており、ECU30はステップ201で読み込んだACCPとNEとに基づいてこの数値テーブルから最適な運転モード(▲1▼〜▲5▼)を選択する。ステップ203におけるM 1(M1 =▲1▼〜▲5▼)の値は、現在の機関運転条件から見て最適な運転モード(すなわち、後述するステップ223で切り換え操作の目標となる運転モード)を表している。
【0047】
次いでステップ205では、現在の運転モードM0 がリーン空燃比運転(前述の▲1▼から▲3▼のモードのいずれか)か否かが判定される。M0 は現在▲1▼から▲5▼のいずれの運転モードで機関が運転されているかを表すパラメータである(M0 =▲1▼〜▲5▼)。ステップ205で現在リーン空燃比運転が行なわれていなければ、すなわち現在理論空燃比またはリッチ空燃比運転が行なわれている場合には、目標運転モードM1 が▲1▼から▲5▼のいずれであってもリーン空燃比からリッチ空燃比(または理論空燃比)への空燃比の切り換えは生じず、NOX 吸蔵還元触媒7から未浄化のNOX が流出する可能性はないため、直ちにステップ223が実行され機関の運転モードが目標運転モードM1 に切り換えられる(現在目標運転モードで運転されている場合には現在のモードが継続される)。そして、切り換え完了後ステップ225では現在の運転モードM0 が切り換え後の運転モード(M 1)に応じた値に更新される。
【0048】
一方、ステップ205で現在▲1▼から▲3▼の運転モードで機関が運転されていた場合には、ステップ207で、現在NOX 吸蔵還元触媒7からNOX を放出させるためのリッチスパイク操作実行が要求されているか否かがリッチスパイクフラグFRの値に基づいて判定される。前述のように、本実施形態ではECU30は別途実行される図示しないルーチンにより、機関運転状態に基づいてNOX 吸蔵還元触媒7に吸収されたNOX 量を表すNOX カウンタCNOXの値を積算しており、カウンタCNOXの値が所定値を越えて増大した場合にはリッチスパイクフラグFRの値を1にセットする。ステップ207で現在リッチスパイク操作が要求されている場合には後述する貯蔵酸素量低減操作(ステップ213から217)を実行する必要があるため、操作は直接ステップ211に進む。また、現在リッチスパイク操作が要求されていない場合には次にステップ209で、目標運転モードM1 がリッチ空燃比または理論空燃比運転(モード▲4▼または▲5▼)か否かが判定される。目標運転モードM1 がモード▲4▼と▲5▼のいずれでもない場合には、この場合もリーン空燃比運転からリッチ空燃比運転への切り換えは生じないためステップ223に進み運転モードの目標モードへの切り換えが実行される。
【0049】
一方、ステップ207でFR=1(リッチスパイク要求)だった場合、及びステップ209で目標運転モードが▲4▼または▲5▼であった場合には、すなわち機関運転空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比(または理論空燃比)に切り換える必要があるため、ステップ211に進み、現在酸素量低減操作が完了したか否かを判定する。そして、低減操作が完了していない場合にはステップ213から217の酸素量低減のための二次燃料噴射(膨張または排気行程における筒内燃料噴射)を実行し、燃焼に寄与しない燃料を気筒に供給する。
【0050】
すなわち、ステップ213ではステップ201で読み込んだSC5a、5bの現在の貯蔵酸素量OSCから、SC5a、5bに貯蔵された酸素の全量を消費し、かつSC5a、5b下流側の排気を理論空燃比よりリッチ側に維持するのに必要な合計燃料量(HC量)を計算するとともに、この合計燃料量を予め定められた二次燃料噴射実行回数(後述)で割って1回当たりに必要とされる二次燃料噴射量が算出される。そして、ステップ215では現在いずれかの気筒の二次燃料噴射量をセットするタイミングか否かが判定され、セットタイミングであった場合には算出した二次燃料噴射量がステップ217で燃料噴射回路にセットされる。これにより、二次燃料噴射タイミング(膨張または排気行程)になると各気筒では二次燃料噴射が実行される。なお、予め定めた回数(気筒数)だけ二次燃料噴射が実行されるとステップ211では酸素量低減操作が終了したと判定され、ステップ219以下が実行される。
【0051】
すなわち、貯蔵酸素量低減操作が終了しSC5a、5bからの酸素放出が終了すると、ステップ219では現在リッチスパイク操作が要求されている(FR=1)か否かが判定され、リッチスパイク操作が要求されていればステップ221でリッチスパイク操作が実行され、要求されていない場合にはステップ223で目標運転モードM 1(この場合はリッチまたは理論空燃比運転モード)への切り換えが実行される。
【0052】
なお、ステップ221のリッチスパイク操作では、機関はNOX カウンタCNOXの値が0になるまでモード▲5▼のリッチ空燃比均質混合気燃焼で運転され、NOX 吸蔵還元触媒7に吸収されたNOX の全量が放出され、還元浄化される。
次に、本実施形態における二次燃料噴射の回数について説明する。本実施形態では二次燃料噴射は#1、4の気筒群と#2、3の気筒群について各1回または#1から#4の全気筒について1回のいずれかが行なわれる。すなわち、SC5a、5bの容量が比較的小さいため各SC5a、5bそれぞれにつき1回の二次燃料噴射でSCの貯蔵酸素量を低減することができる場合には各気筒群につき1回のみ二次燃料噴射が実行され、比較的SC5a、5bの容量が大きく、1回の二次燃料噴射では貯蔵酸素量を充分に低減できない場合には各SC5a、5bにつきそれぞれ2回の(すなわち#1から#4の全気筒につき1回ずつ)二次燃料噴射が実行される。いずれの二次燃料噴射を実行するかはSC5a、5bの容量に応じて予め決定される。なお、各気筒群は点火順序の連続しない気筒から構成されているため、各気筒群毎に1回二次燃料噴射を実行する場合には、前述のステップ211では連続した点火順序の2つの気筒で(例えば#1と#3、または#3と#2等)1回ずつ二次燃料噴射を実行すると貯蔵酸素量低減操作が完了したと判定される。
【0053】
また、上述したように、本実施形態では貯蔵酸素量低減操作実行中は機関ではリーン空燃比の運転モード(▲1▼から▲3▼)が継続される。
(2)第2の実施形態
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。上記第1の実施形態では、二次燃料噴射のみによってSC5a、5bの貯蔵酸素量低減操作を行い、貯蔵酸素量低減操作(二次燃料噴射)が完了するまでリッチ空燃比運転への運転モードの切り換えを行なわなかった。本実施形態では、全気筒に1回ずつ二次燃料噴射が必要な機関では、リーン空燃比運転モードからリッチ空燃比運転モードへの切り換え指令が出たタイミングにより、運転モード切り換え(吸気行程燃料噴射への移行)ができるタイミングの気筒については吸気行程燃料噴射に切り換えるとともに吸気行程燃料噴射量を二次燃料噴射量相当分だけ増量し、吸気行程燃料噴射への移行が間に合わない気筒については二次燃料噴射を行なう。
【0054】
図3は、本実施形態の二次燃料噴射(図3では膨張行程終期から排気行程初期にかけて二次燃料噴射を実施する例を示す)と吸気行程燃料噴射増量のタイミングを説明する図である。図3はモード▲1▼(リーン成層燃焼(圧縮行程1回噴射)からモード▲4▼(理論空燃比均質混合気燃焼(吸気行程噴射))への切り換えのタイミングを示しているが、他のモード間の切り換えも図3と同様になる。
【0055】
図3は、#1から#4気筒のそれぞれの燃料噴射タイミングとその燃料噴射を行なうための燃料噴射量セットタイミングを示している。図3においてCSETは圧縮行程燃料噴射量セットタイミング、CINJは圧縮行程燃料噴射実行タイミング、EXSETは二次燃料噴射量セットタイミング、EXINJは二次燃料噴射実行タイミング、ISETは吸気行程燃料噴射量セットタイミング、IINJは吸気行程燃料噴射実行タイミングをそれぞれ示している。また、図3にCHで示すのは運転モード切り換えのための貯蔵酸素量低減操作開始タイミングを示している。また、図3において「吸」、「圧」、「膨」、「排」はそれぞれ各気筒の吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を表している。図3に示すように本実施形態では、二次燃料噴射量は圧縮行程終期にセットされ(EXSET)、吸気行程燃料噴射量は排気行程初期にセットされる(ISET)。
【0056】
今、図3CHのタイミングで運転モード切り換えのための触媒の貯蔵酸素量低減操作が開始されたとすると、#1気筒ではCHは圧縮行程中期に相当するため、既に吸気行程燃料噴射タイミング(IINJ)は終わっており、タイミングCSETで圧縮行程燃料噴射量のセットが完了している。従って#1気筒では直ちには運転モードの切換ができないため、圧縮行程燃料噴射IINJはそのまま実行することとして、タイミングEXSETで二次燃料噴射量をセットして二次燃料噴射(EXINJ)を実行する。
【0057】
一方、#3気筒ではCHのタイミングは吸気行程中期に相当するが、このタイミングでは既に吸気行程燃料噴射量セットタイミングは過ぎてしまっているため直ちに吸気行程燃料噴射に移行することはできない。このため、#3気筒ではそのまま圧縮行程燃料噴射を実行することとしてCSETで圧縮行程燃料噴射量をセットするとともに、その後の圧縮行程終期の二次燃料噴射量セットタイミング(EXSET)で二次燃料噴射量をセットして二次燃料噴射を実行することとする。
【0058】
また、同様に、#4気筒ではCHのタイミングは排気行程中期に相当するが、この場合も吸気行程燃料噴射量セットタイミング(IINJ)が過ぎてしまっているため直ちに吸気行程燃料噴射に移行することはできない。従って、#3気筒と同様圧縮行程燃料噴射(CINJ)を継続したままで二次燃料噴射(EXINJ)が実行される。
【0059】
一方、#2気筒ではCHのタイミングは膨張行程中期に相当するため、吸気行程燃料噴射量セットタイミング(ISET)にはまだ到達しておらず、吸気行程燃料噴射に移行することができる。そこで、#2気筒では運転モードを切り換えて吸気行程燃料噴射を行なうとともに、ISETでセットする燃料噴射量を二次燃料噴射量相当分だけ増量する。すなわち、#2気筒については二次燃料噴射を行なわずに運転モードの切り換えを実行し、その代わりに運転モード切り換え直後の吸気行程燃料噴射量に二次燃料噴射量相当分を上乗せして燃料噴射量を設定する。
【0060】
図3のタイミングチャートから判るように、本実施形態では運転モード切り換えのための触媒貯蔵酸素量低減操作が開始後、二次燃料噴射量セットタイミングが吸気行程燃料噴射量セットタイミングより先になる気筒(図3の場合には#1、#3、#4気筒)については圧縮行程燃料噴射を継続したままで(すなわち運転モードを切り換えずに)二次燃料噴射を実行するが、吸気行程燃料噴射量セットタイミングが二次燃料噴射量セットタイミングより先になる気筒(#2気筒)については運転モードを切り換えて吸気行程燃料噴射を行い、吸気行程燃料噴射時に他の気筒の二次燃料噴射量相当分の燃料を増量するようにしている。なお、この場合も全気筒で1回ずつ二次燃料噴射または吸気行程燃料噴射量の増量が行なわれた時点で触媒の貯蔵酸素量低減操作は終了し、その後は全気筒で運転モードが切り換えられる。
【0061】
すなわち、本実施形態では触媒の貯蔵量低減操作は運転モード切り換え前に開始され(#1、#3、#4気筒)、運転モード切り換え後(#2気筒)に終了することになる。これにより、運転モード切り換え時間を短縮することができる。図4は、本実施形態の上記貯蔵酸素量低減操作を説明するフローチャートである。図4の操作はECU30により所定間隔毎に実行されるルーチンとして行なわれる。図4のフローチャートは、図2のフローチャートのステップ213から217をステップ413、414、415、416及び417で置換した点のみが図2のフローチャートと相違している。そこで、ここでは相違点についてのみ説明する。
【0062】
ステップ413では、図2ステップ213と同様にSC5a、5bの貯蔵酸素量OSCから1回の二次燃料噴射の量が設定される、そしてステップ41では現在吸気行程燃料噴射量のセットタイミング(図3ISET)にある場合にはステップ41で運転モード切り換え後の吸気行程燃料噴射量にステップ413で算出した二次燃料噴射量を上乗せして増量した量を吸気行程燃料噴射量としてセットする。また、吸気行程燃料噴射量セットタイミングにない場合には、ステップ41、ステップ417で二次燃料噴射量のセットが行なわれる。これにより、吸気行程燃料噴射量のセットタイミング(ISET)に間に合う気筒では、二次燃料噴射の代わりに運転モードの切り換えと燃料噴射量の増量とが行なわれるようになる。
【0063】
なお、本実施形態では吸気行程燃料噴射のセットタイミングに間に合う気筒以外の気筒では二次燃料噴射を実行することにより貯蔵酸素量の低減操作を行なっているが、二次燃料噴射を実行せずに、各気筒とも次の吸気行程燃料噴射量セットタイミングから上記の#2気筒のように二次燃料噴射量相当分だけ吸気行程燃料噴射量を増量するようにしても良い。この場合には各気筒で運転モード切り換え直後に触媒の貯蔵酸素量低減操作が行なわれることになる。
【0064】
(3)第3の実施形態
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。前述の第1の実施形態では機関運転モード切り換えの際に、触媒の貯蔵酸素量低減操作終了後に運転モードを切り換えており、第2の実施形態では一部の気筒又は全部の気筒で運転モード切り換え直後に低減操作が行われる。これに対して本実施形態では、貯蔵酸素量低減操作は運転モードの切り換えとは独立して行なわれる。すなわち、各気筒では運転モードの切り換えを通常通り実施し、各気筒の運転モードの切り換えが終了するまで運転モードとは無関係に二次燃料噴射が実行される。実際の運転では例えばモード▲1▼(リーン空燃比成層燃焼(圧縮行程1回噴射))の非常にリーンな燃焼状態から急加速等で▲5▼(リッチ空燃比均質混合気燃焼(吸気行程1回噴射))のリッチ空燃比燃焼に移行する必要が生じる場合があるが、このような場合には直接▲1▼から▲5▼に運転モードを切り換えると燃焼空燃比の急激な変化のために出力トルクの急激な変動が生じる場合がある。そこで、このような場合にはモード▲1▼から▲4▼に直接運転モードを切り換えずに一旦モード▲1▼から▲2▼(リーン空燃比均質混合気/成層燃焼(吸気行程/圧縮行程2回噴射))と▲3▼(リーン空燃比均質混合気燃焼(吸気行程1回噴射))を経由して▲5▼に運転モードを切り換えるようにする場合がある。
【0065】
本実施形態では、運転モード切り換え時には上記▲1▼→▲2▼→▲3▼→▲5▼等の切り換え操作は独立して実行し、同時にモード切り換え完了まで二次燃料噴射を実行するようにしている。すなわち、本実施形態では運転モードの切り換えと触媒の貯蔵酸素量低減操作とが並行して行なわれることになる。これにより貯蔵酸素量低減操作実行により運転モード切り換え時間が影響を受けることが防止される。
【0066】
図5は、本実施形態の触媒の貯蔵酸素量低減操作を説明するフローチャートである。本操作は、ECU30により所定間隔で実行されるルーチンとして行なわれる。
図5において、ステップ501から509は図2のステップ201から209と同一の操作を示す。本実施形態においても、ステップ501から509でリーン空燃比からリッチ空燃比への運転モードの切り換えが無い場合には直ちにステップ523に進み目標運転モードM1 と現在の運転モードM0 に応じたモード切り換え操作が実行される。
【0067】
一方、ステップ501から509でリーン空燃比運転からリッチ空燃比運転への運転モードの切り換えが必要とされる場合には、ステップ511に進み、目標運転モードM1 と現在の運転モードM0 とから、M0 →M1 への移行に要するサイクル数に基づいて、二次燃料噴射を何回実行可能かが算出され、二次燃料噴射実行回数と現在の触媒貯蔵酸素量OSCとから一回当たりの二次燃料噴射量が算出される。二次燃料噴射量は、SC5a、5bから放出される酸素の全量を消費し、かつSC5a、5b下流側の排気をリッチ空燃比に維持するだけのHCを生成できる量として算出される。
【0068】
そして、二次燃料噴射量算出後、ステップ513から521では運転モードの切り換えが終了するまで二次燃料噴射が実行される。又、このときステップ521、523では、二次燃料噴射と並行してリッチスパイク操作への移行(ステップ521)及び現在の運転モードM0 と目標運転モードM1 とに応じた移行操作が行なわれる。そして、ステップ513またはステップ521の移行操作が完了すると、ステップ513ではモード切り換えが終了したと判定され、二次燃料噴射が停止される。
【0069】
次に、上記各実施形態で二次燃料噴射量算出のために使用されるSC5a、5bの貯蔵酸素量OSCの推定方法について説明する。本実施形態では、SC5a、5b入口に配置した空燃比センサ29a、29bで検出したSC5a、5b入口の排気空燃比AFと、機関吸入空気重量流量(グラム/秒)GAとからSC5a、5bの貯蔵酸素量OSCを算出する。
【0070】
前述のように、触媒のO2 ストレージ機能により、SC5a、5bに流入する排気空燃比が理論空燃比よりリーンのときには排気中の余剰酸素がSC5a、5bに吸収され、また、理論空燃比よりリッチのときにはSC5a、5bから吸収した酸素が放出され、どちらの場合もSC5a、5b出口における排気空燃比は理論空燃比近傍になる。従って、SC5a、5bに吸収、またはSC5a、5bから放出される酸素量は、空燃比AFの排気を理論空燃比にするために必要な酸素量に相当する。
【0071】
今、ある量Fの燃料を燃焼して空燃比AFの排気を生成するために必要な空気の重量がGAであったとすると、GA=AF×Fとなる。また、同じ量Fの燃料を燃焼して理論空燃比STの排気を生成するために必要な空気重量をGA′とすると、GA′=ST×Fとなる。一方、空気中の酸素濃度をAO2 とすると、重量GA及びGA′の空気中には、それぞれAO2 ×GAとAO2 ×GA′となる。すなわち、ある量Fの燃料を燃焼して理論空燃比STの排気を生成するために必要な酸素量はAO2 ×GA′=AO2 ×ST×Fとなる。一方、同じ燃料を燃焼して空燃比AFの排気を生成した場合の酸素量はAO2 ×GA=AO2 ×AF×Fとなる。従って、空燃比AFの排気を理論空燃比にするために必要とされる酸素量、すなわち、AF>STとした場合にSC5a、5bに吸収される酸素量は(AO2 ×GA)−(AO2 ×GA′)=AO2 ×F×(AF−ST)となる。また、F=GA/AFであるので、結局酸素の放出/吸収量は、
AO2 ×GA×(AF−ST)/AF=AO2 ×GA×(ΔAF/AF)となる。ここで、ΔAF=(AF−ST)である。また、GAは単位時間(秒)当たりの空気流量であるため、AF>STであれば機関運転中に触媒には単位時間あたりAO2 ×GA×(ΔAF/AF)の酸素が吸収され、触媒の貯蔵酸素量OSCはAO2 ×GA×(ΔAF/AF)だけ増大することになる。(AF<STであればΔAFはマイナスとなり、触媒の貯蔵酸素量OSCは減少する)。
【0072】
従って、本来排気空燃比がAF、吸入空気重量流量がGAの場合、SC5a、5bの時間Δt当たりの貯蔵酸素量OSCの変化量は、AO2 ×GA×(ΔAF/AF)×Δtとなるが、実際にはOSCの変化量は触媒の酸素吸放出速度に影響を受けるため、実際のOSC変化量は、AO2 ×GA×(ΔAF/AF)×Δt×Kとして表される(Kは酸素吸放出速度に基づく補正係数)。また、実際には酸素の吸放出速度は触媒温度に影響を受け、触媒温度が高い程大きくなる。更に、酸素の吸収と放出とでは速度が異なり、酸素の吸収速度は放出速度より高い。従って、本実施形態ではOSCの時間Δt当たりの変化量を吸収(AF≧ST)と放出(AF<ST)との場合に分けて以下の式で表している。
【0073】
吸収(AF≧ST):AO2 ×GA×(ΔAF/AF)×Δt×A
放出(AF<ST):AO2 ×GA×(ΔAF/AF)×Δt×B
ここで、A、Bは酸素の吸放出速度や触媒温度により定まる補正係数である。
図6は、本実施形態におけるSC5a、5bの貯蔵酸素量算出操作を説明するフローチャートである。本操作はECU30により上記Δtに相当する一定時間間隔で実行されるルーチンにより行なわれる。本操作では、上記の式を用いてSC5a、5bの時間Δt当たりの貯蔵酸素量OSCの変化量を算出し、機関始動時からこの変化量を積算することにより現在のSC5a、5bの貯蔵酸素量OSCを推定している。
【0074】
図6の操作では、まずステップ601でSC5a、5b入口の排気空燃比AF、機関の吸入空気重量流量GA、及びSC5a、5b温度TCATが読み込まれる。本実施形態では、排気空燃比AFはSC5a、5b入口の空燃比センサ29a、29bにより検出された排気空燃比の平均値として求められる。また、吸入空気重量流量GAは、単位時間当たりに機関に供給される燃料量(燃料噴射量)と排気空燃比AFの積として算出される。また、SC5a、5bの温度TCATは触媒床に温度センサを配置して計測しても良いし、予め機関負荷(燃料噴射量)、回転数と排気温度との関係を求めておき、機関燃料噴射量(機関負荷)と回転数とに基づいて排気温度を算出してこの排気温度を近似的にTCATとして用いても良い。
【0075】
上記によりAF、GA、TCATを読み込んだ後、ステップ603ではAF≧ST(STは理論空燃比)か否かが算出され、AF≧STの場合には現在排気浄化触媒は酸素を吸収しており、貯蔵酸素量OSCは増大しているので、ステップ605でSC5a、5bの酸素吸収速度と触媒温度TCATとから補正係数Aを算出する。そして、ステップ607では貯蔵酸素量OSCの値が、(AO2 ×GA×(ΔAF/AF)×Δt×A)だけ増大される。そして、ステップ609では増大後のOSCの値が最大値OSCMAX を越える場合にはOSCの値がOSCMAX に設定される。OSCMAX は、SC5a、5bの貯蔵可能な最大酸素量(飽和量)である。
【0076】
一方、ステップ603でAF<STであった場合には、SC5a、5bは現在酸素を放出中であるため、ステップ613で酸素放出速度と触媒温度TCATとに基づいて補正係数Bを算出し、ステップ615ではOSCの値が、(AO2 ×GA×(ΔAF/AF)×Δt×B)だけ増大される(この場合ΔAF<0であるため、OSCは減少する)。そして、ステップ617、619ではOSCの値を最小値0で制限して今回の操作を終了する。なお、機関始動時にはステップ607、615におけるOSCの初期値はOSCMAX に設定される。機関停止時にはSC5a、5b大気雰囲気(リーン空燃比)になっておりSC5a、5bは酸素で飽和しているためである。
【0077】
図6の操作により推定された触媒の貯蔵酸素量OSCを用いてSC5a、5bの貯蔵酸素量低減操作に必要な燃料量を算出することにより前述の各実施形態では正確な貯蔵酸素量低減操作が行なわれ、リーン空燃比からリッチ空燃比への機関運転モードの切り換え時にNOX 吸蔵還元触媒7から未浄化のNOX が流出することが防止される。
【0078】
次に、図7から図9を用いて図6の操作に使用するSC5a、5bの飽和酸素量OSCMAX の補正について説明する。図6の操作では飽和酸素量OSCMAX を適宜な一定値として貯蔵酸素量OSCを算出するようにしても良いが、より正確には触媒の劣化に応じてOSCMAX の値を補正することが好ましい。触媒のO2 ストレージ機能は触媒の劣化とともに低下し、触媒が貯蔵できる最大酸素量(飽和量)OSCMAX も低下して行く。そこで、本実施形態では触媒の劣化状態を判別し、劣化状態に応じてOSCMAX の値を補正する。
【0079】
まず触媒の劣化状態の判別方法について説明する。本実施形態では、SC5a、5b上流側の空燃比センサ29a、29bの出力信号曲線の軌跡長とNOX 吸蔵還元触媒7下流側の空燃比センサ31出力信号曲線の軌跡長とに基づいて触媒の劣化状態を判定する。
図7は機関空燃比が理論空燃比にフィードバック制御されているときの、排気浄化触媒上流側に設けた空燃比センサ出力VOMと触媒下流側に設けた空燃比センサ出力VOSの一般的波形を示している。図7において(A) は排気浄化触媒のO2 ストレージ機能が高い場合の波形を、図7(B) はO2 ストレージ機能が低下した場合の波形をそれぞれ示している。
【0080】
図7(A) 、(B) に示すように、理論空燃比にフィードバック制御されている状態では、機関空燃比(排気空燃比)は理論空燃比を中心として比較的小さな範囲でリッチとリーンに変動する。このため、上流側空燃比センサ出力VOMも理論空燃比を中心として周期的な変動を示す。この場合、触媒のO2 ストレージ機能が充分に高ければ、触媒に流入する排気空燃比が理論空燃比を中心として多少変動しても触媒出口の排気空燃比は理論空燃比近傍に維持される。このため、O2 ストレージ機能が充分に高い触媒では下流側空燃比センサ出力VOSは図7(A) に示すようにあまり変動しない。従って、出力VOSの軌跡に沿った長さはLOVSは比較的小さくなる。ところが、触媒が劣化してO2 ストレージ機能が低下すると触媒の酸素吸放出量が低下するため下流側における空燃比も上流側の空燃比変動に応じて変動するようになる。このため、下流側空燃比センサ出力VOSの軌跡長LVOSはO2 ストレージ機能の低下とともに大きくなり図7(B) に示すようにO2 ストレージ機能が完全に失われた状態では上流側の空燃比センサ出力VOMの軌跡長LVOMと等しくなってしまう。すなわち、空燃比フィードバック制御中の下流側空燃比センサ出力VOSの軌跡長LVOSと上流側空燃比センサ出力VOMの軌跡長LVOMとの比LR(LR=LVOS/LVOM)をとると、O2 ストレージ機能が充分に高い場合にはLRは1よりはるかに小さい値となり、O2 ストレージ機能が低下するにつれて増大して1に近づくようになる。本実施形態では、上記に基づいて上流側空燃比センサ29a、29b出力と下流側空燃比センサ31出力との軌跡長の比LRをSC5a、5bのO2 ストレージ機能低下を表すパラメータとして使用している。なお、本実施形態のように2つの排気浄化触媒5a、5bと2つの上流側空燃比センサ29a、29bがある機関の場合には2つの上流側空燃比センサ29a、29bの出力の平均値を上流側空燃比センサ出力VOMとして用いて軌跡長LVOMを算出しても良いし、あるいは空燃比センサ29a、29b毎に出力軌跡長を算出し、両方の軌跡長を平均したものを上流側空燃比センサ出力軌跡長LVOMとして用いても良い。
図8は、本実施形態のSC5a、5bの劣化を考慮した貯蔵酸素量最大値OSCMAX の演算操作を説明するフローチャートである。本操作は、ECU30により一定時間毎に実行されるルーチンとして行なわれる。
【0081】
図8において操作がスタートすると、ステップ801では劣化パラメータ演算実行条件が成立しているか否かが判定される。本実施形態では、ステップ801の条件は、機関がモード▲4▼(理論空燃比均質混合気燃焼(吸気行程1回噴射))で運転されており、かつ空燃比センサ29a、29bに基づく空燃比フィードバック制御が実施されていることとされる。図7で説明したように、軌跡長比LRを触媒のO2 ストレージ機能を表すパラメータとして使用するためには、軌跡長比LRを機関空燃比が理論空燃比にフィードバック制御されている状態で算出する必要があるためである。
【0082】
ステップ801で条件が成立した場合には、ステップ803で上流側空燃比センサ29a、29bの出力電圧VOMと下流側空燃比センサ31の出力電圧VOSとが読み込まれる。なお、本実施形態ではセンサ29a、29bの出力電圧の平均値をVOMとして使用する。次いでステップ805では上流側空燃比センサ出力VOMの軌跡長LVOMと下流側空燃比センサ出力VOSの軌跡長LVOSとが、
LVOM=LVOM+|VOM−VOMi-1
LVOS=LVOS+|VOS−VOSi-1
として算出される。ここでVOMi-1 、VOSi-1 は、それぞれ前回本操作実行時のVOMとVOSとの値であり、LVOM、LVOS算出毎にステップ807で更新される。すなわち、本実施形態では図9に示すように、|VOM−VOMi-1 |と|VOS−VOSi-1 |の積算値をそれぞれLVOM、LVOSとして用いる近似計算を行なっている。
【0083】
ステップ809、ステップ811は軌跡長の算出期間の判定操作である。本実施形態では、上記LVOM、LVOSの積算は操作実行毎に1ずつ増大されるカウンタCTの値が所定値Tに到達するまで行なわれる。なお、所定値Tは上記積算期間の合計が数十秒程度になるように設定されている。
ステップ811で期間Tが経過した場合には、ステップ813で、期間内に積算されたLVOM、LVOSの値から軌跡長比LRが、LR=LVOS/LVOMとして算出される。また、ステップ815では上記軌跡長比LR(O2 ストレージ機能パラメータ)の値から予め設定された関係に基づいてOSCMAX の補正係数RDが求められる。そして、ステップ819では現在のSC5a、5bの貯蔵酸素量最大値OSCMAX が、OSCMAX =OSCMAX0×RDとして算出される。ここで、OSCMAX0はSC5a、5bが全く劣化していない新品の状態での貯蔵酸素量最大値である。
【0084】
図10は、図8ステップ817で補正係数RDを求めるのに使用される、軌跡長比LRと補正係数RDとの関係を示すグラフである。図10に示すように、補正係数RDの値は触媒が全く劣化していない状態(LR≪1.0)では1.0に設定され、触媒の劣化が進むにつれて(LRの値が1に近づくにつれて)小さくなるように設定される。
【0085】
図10によりSC5a、5bの貯蔵酸素量最大値OSCMAX を触媒の劣化程度に応じて設定することにより、前述の各実施形態におけるSC5a、5bの貯蔵酸素量OSCの推定精度が向上するため、前述の各実施形態において更に正確な貯蔵酸素量低減操作を行なうことが可能となる。
【0086】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、O2 ストレージ機能を有する排気浄化触媒を排気通路に配置した場合の触媒下流側の排気空燃比の、リーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比への変化の遅れを防止することが可能となる共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
【図2】本発明の排気浄化触媒の貯蔵酸素量低減操作の第1の実施形態を説明するフローチャートである。
【図3】本発明の排気浄化触媒の貯蔵酸素量低減操作の第2の実施形態を説明するタイミング図である。
【図4】本発明の排気浄化触媒の貯蔵酸素量低減操作の第2の実施形態を説明するフローチャートである。
【図5】本発明の排気浄化触媒の貯蔵酸素量低減操作の第3の実施形態を説明するフローチャートである。
【図6】第1から第3の実施形態で使用する排気浄化触媒の貯蔵酸素量推定操作を説明するフローチャートである。
【図7】排気浄化触媒の劣化による、上流側空燃比センサ出力と下流側空燃比センサ出力との変化を説明する図である。
【図8】排気浄化触媒劣化を考慮した貯蔵酸素量推定操作を説明するフローチャートである。
【図9】図8の操作で使用する空燃比センサ出力軌跡長の算出方法を説明する図である。
【図10】排気浄化触媒のO2 ストレージ機能の補正係数と軌跡長比との関係を説明する図である。
【符号の説明】
1…内燃機関
2…排気通路
5a、5b…スタートキャタリスト(SC)
7…NOX 吸蔵還元触媒
29a、29b、31…空燃比センサ
30…電子制御ユニット(ECU)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine, and more particularly to O.2The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine provided with an exhaust gas purification catalyst having a storage function.
[0002]
[Prior art]
O in the exhaust passage of an engine operated near the stoichiometric air-fuel ratio2HC, CO, NO in exhaust by arranging exhaust purification three-way catalyst such as three-way catalyst with storage functionXTechniques for purifying these three components are known. Three-way catalyst O2The storage function is a function of absorbing and holding oxygen components in the exhaust gas in the catalyst when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, and releasing the absorbed oxygen when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is rich. . As is well known, the three-way catalyst has HC, CO, NO in the exhaust when the inflowing exhaust air-fuel ratio is in a narrow range near the stoichiometric air-fuel ratio.XThese three components can be purified at the same time, but when the exhaust air-fuel ratio deviates from the stoichiometric air-fuel ratio, the three components cannot be purified simultaneously. On the other hand, O2When the storage function is added, when the exhaust gas flowing into the three-way catalyst becomes leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, excess oxygen in the exhaust gas is absorbed by the catalyst, and when it becomes rich, oxygen is released from the catalyst. Even when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst deviates from the stoichiometric air-fuel ratio, the atmosphere of the three-way catalyst can be maintained near the stoichiometric air-fuel ratio. For this reason, the exhaust of an engine operated at an air-fuel ratio near the stoichiometric air-fuel ratio is reduced to O2By purifying using a three-way catalyst having a storage function, HC, CO, NOXThese three components can be purified well.
[0003]
On the other hand, when the inflowing exhaust air-fuel ratio is lean, the NO in the exhaustX(Nitrogen oxide) absorbed, NO absorbed when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreasesXNO releaseXOcclusion reduction catalysts are known.
NOXAs an example of an exhaust gas purification apparatus using an occlusion reduction catalyst, for example, there is one described in Japanese Patent Registration No. 2600492. The exhaust purification device of the above-mentioned patent has NO in an exhaust passage of an engine that performs lean air-fuel ratio operation.XAn NOx storage reduction catalyst is installed and NO during the lean air-fuel ratio operation of the engine.XNO in exhaust gas to storage reduction catalystXAbsorbs NOXNO of storage reduction catalystXBy performing a rich spike operation in which the engine is operated at a stoichiometric air-fuel ratio or a rich air-fuel ratio for a short time when the amount of absorption increases, NOXNO absorbed from the storage reduction catalystXAs well as released NOXReduce and purify. That is, when the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas rapidly decreases as compared to the lean air-fuel ratio exhaust gas, and the amount of unburned HC and CO components in the exhaust gas rapidly increases. To increase. Therefore, when the engine operating air-fuel ratio is switched to the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio by the rich spike operation, NOXThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the storage reduction catalyst changes from the lean air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, and NO decreases due to a decrease in the oxygen concentration in the exhaust gas.XNO from the storage reduction catalystXIs released. In addition, since the stoichiometric or rich air-fuel ratio exhaust gas contains a relatively large amount of unburned HC and CO components as described above, NO.XNO released from the storage reduction catalystXReacts with unburned HC and CO components in the exhaust and is reduced.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
According to the exhaust purification device described in the above-mentioned Patent Registration No. 2600602, NO generated during engine lean air-fuel ratio operationXCan be efficiently purified. However, the device of the above-mentioned Patent Registration No.2Problems may arise when a three-way catalyst having a storage function is added.
[0005]
The main purpose of the start catalyst is to remove HC and CO components that are released in large quantities from the engine when the engine is started. The exhaust passage is designed to increase the temperature in a short time after the engine starts and to reach the catalyst activation temperature. It is necessary to place it as close to the engine as possible. For this reason, when adding to the exhaust gas purification device of the above-mentioned Patent Registration No. 2600492, the start catalyst is NOXArranged in the exhaust passage upstream of the storage reduction catalyst.
[0006]
However, O2NO with a catalyst having a storage function as a start catalystXWhen it is placed in the exhaust passage upstream of the storage reduction catalyst, NO is applied during lean air-fuel ratio operation.XNO from storage reduction catalystXWhen rich spike operation is performed for release and reduction purification of NOXIs NOXIt has been found that there is a problem of being released from the storage reduction catalyst without being purified.
[0007]
The problem is NO during rich spike operation.XThe change in the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the storage reduction catalyst from lean to rich is the start catalyst's O2This is thought to be due to a delay due to the storage function.
That is, when the rich spike operation is performed, the air-fuel ratio of the exhaust gas from the engine changes rapidly from lean to rich, but the start catalyst is O2Due to the storage function, when this rich air-fuel ratio exhaust gas flows into the start catalyst, the absorbed oxygen is released from the start catalyst, and the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing out from the start catalyst is maintained near the stoichiometric air-fuel ratio. Is done. For this reason, even if the rich spike operation is started, NOXThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the storage reduction catalyst does not become a sufficiently rich air-fuel ratio until the start catalyst completely releases all the oxygen absorbed, and may be maintained at a lean air-fuel ratio close to the theoretical air-fuel ratio. .
[0008]
NOXWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the storage reduction catalyst changes from the lean air-fuel ratio to the lean air-fuel ratio close to the stoichiometric air-fuel ratio, NOXThe oxygen concentration near the surface of the storage reduction catalyst decreases rapidly. As will be described later, NOXThe storage reduction catalyst is NO in the form of nitrate ions combined with alkaline earth (eg, Ba).XIs retained inside the catalyst, but if the oxygen concentration near the catalyst surface decreases, NOXNO retained near the surface of the storage reduction catalystXAre simultaneously released from the catalyst surface. In this case, NOXIf the exhaust gas flowing into the storage reduction catalyst is maintained at a lean air-fuel ratio close to the stoichiometric air-fuel ratio, the released NO is released into the exhaust gas.XNO is released because it does not contain sufficient amounts of HC and CO to reduce the total amount of NO.XPart of theXIt will flow out to the downstream side of the storage reduction catalyst. For this reason, start catalyst O2With storage function, NO during rich spike operationXIf the exhaust air-fuel ratio flowing into the storage reduction catalyst is delayed until it reaches a sufficiently rich air-fuel ratio, NOXUnpurified NO from the storage reduction catalystXWill be leaked.
[0009]
As described above, when the entire amount of oxygen absorbed by the start catalyst is released, the air-fuel ratio of the exhaust on the downstream side of the start catalyst also becomes the same rich air-fuel ratio as that on the upstream side of the start catalyst.XA sufficiently rich air-fuel ratio exhaust gas is supplied to the storage reduction catalyst. Therefore, if a certain amount of time has elapsed since the start of the rich spike operation, NOXNO released from the storage reduction catalystXIs NOXThe total amount of the NOx storage reduction catalyst is purified, and NOXUnpurified NO from the storage reduction catalystXThe outflow stops. However, as described above, NO is determined for each rich spike operation.XUnpurified NO from the storage reduction catalystXAs a result, NO as a wholeXThere arises a problem that the purification rate is lowered.
[0010]
Further, in an engine in which the operating air-fuel ratio of the engine is switched from the lean air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio according to the operating state of the engine, the air-fuel ratio of the exhaust from the engine does not become lean even without performing a rich spike operation. In some cases, the air-fuel ratio can be switched to the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio.2Due to the storage function, NO when switching the operating air-fuel ratioXWhen the exhaust air-fuel ratio flowing into the storage reduction catalyst is temporarily maintained at a lean air-fuel ratio in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio, an unpurified NO as in the above case is generated.XIs emitted, and the exhaust property deteriorates.
[0011]
In view of the above problems, the present invention provides O2It is intended to prevent a delay in the change of the exhaust air-fuel ratio downstream of the exhaust purification catalyst from the lean air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio when an exhaust purification catalyst having a storage function is arranged in the exhaust passage. .
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  According to the first aspect of the present invention, there is provided an exhaust emission control device for an internal combustion engine that performs switching of an operating air-fuel ratio between a lean air-fuel ratio operation and a stoichiometric or rich air-fuel ratio operation as required.
  O placed in the engine exhaust passage2An exhaust purification catalyst having a storage function;
  When the engine is switched from lean air-fuel ratio operation to stoichiometric air-fuel ratio operation or rich air-fuel ratio operation, fuel that does not contribute to combustion is supplied to the engine, and the exhaust air-fuel ratio flowing into the exhaust purification catalyst is made rich air-fuel ratio. Storage reduction means for reducing the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst;Further, when the air-fuel ratio of the exhaust flowing into the exhaust passage downstream of the exhaust purification catalyst is a lean air-fuel ratio, the NO in the exhaust X NO absorbed when the oxygen concentration in the exhaust gas X NO release X A storage reduction catalyst, and the storage reducing means further includes NO. X NO absorbed from the storage reduction catalyst X An exhaust purification device for an internal combustion engine is provided that reduces the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst when it should be released.
[0013]
  According to the invention of claim 2, the NO during the lean air-fuel ratio operation of the engine. X NO absorbed from the storage reduction catalyst X For reducing the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst by the storage reduction means during the rich spike operation. An exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 1 is provided.
[0014]
  That is, in the first and second aspects of the invention, when the operating air-fuel ratio of the engine is switched from the lean air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, fuel that does not contribute to combustion is supplied to the engine. This fuel becomes an unburned HC component without burning, and is discharged from the engine together with the exhaust. For this reason, exhaust gas having a rich air-fuel ratio and containing a large amount of unburned HC flows into the exhaust purification catalyst. In this case, the exhaust purification catalyst O 2 Oxygen is released from the exhaust purification catalyst by the storage function. But O 2 Since there is a limit to the rate of oxygen released by storage, if a large amount of unburned HC components are contained in the inflowing exhaust, the released oxygen cannot oxidize the entire amount of unburned HC components in the exhaust, The air-fuel ratio of the exhaust downstream of the exhaust purification catalyst becomes an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio. That is, since oxygen stored in the exhaust purification catalyst is released and immediately consumed, the exhaust air-fuel ratio downstream of the exhaust purification catalyst immediately changes to the rich air-fuel ratio. For this reason, the exhaust purification catalyst O 2 The delay of the air-fuel ratio change due to the storage function is prevented. The supply of fuel that does not contribute to combustion is stopped when the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst is sufficiently reduced (that is, when the release of oxygen from the exhaust purification catalyst does not cause a practical problem). The Further, as the storage reducing means, in an engine having an in-cylinder fuel injection valve that directly injects fuel into the cylinder, the fuel may be injected into the cylinder in the expansion stroke or the exhaust stroke of each cylinder. Alternatively, an engine having an exhaust port fuel injection valve that injects fuel into each cylinder exhaust port may inject fuel into the exhaust port. O 2 Supply of fuel that does not contribute to combustion by the storage reduction means may be performed during lean air-fuel ratio operation immediately before switching of the engine operating air-fuel ratio, or during operation of the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio immediately after switching. good.
[0016]
  Furthermore, Claim 1 and Claim 2In the invention of2NO on the downstream side of the exhaust purification catalyst with storage functionXThe NOx storage reduction catalyst is arranged, NOXNO absorbed from the storage reduction catalystXExhaust gas purification by storage reduction means when it should be released2Storage function is reduced. Therefore, not only when the engine operating air-fuel ratio is switched from the lean air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio due to changes in the operating state,XNO from the storage reduction catalystXNO when releasingXNO is also used when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the storage reduction catalyst is changed from the lean air-fuel ratio to the stoichiometric or rich air-fuel ratio.XThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the storage reduction catalyst immediately changes from a lean air-fuel ratio to a sufficiently rich air-fuel ratio, and NO.XUnpurified NO from the storage reduction catalystXIs prevented from flowing out.
[0017]
  Claim 3According to the invention described in the above, it is an exhaust purification device for an internal combustion engine that performs a lean air-fuel ratio operation as necessary, and includes an O disposed in the engine exhaust passage.2An exhaust purification catalyst having a storage function and NO in the exhaust when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust disposed in the exhaust passage downstream of the exhaust purification catalyst is a lean air-fuel ratioXNO is absorbed when the air-fuel ratio of the exhaust that absorbs and flows in becomes rich.XNO releaseXThe storage reduction catalyst and the NO during the lean air-fuel ratio operation of the engineXNO absorbed from the storage reduction catalystXA rich spike operation for switching the operating air-fuel ratio of the engine to a rich air-fuel ratio for a short time when the engine should be released, and a rich spike operation for the exhaust air-fuel ratio flowing into the exhaust purification catalyst for a predetermined period immediately after the start of the rich spike operation There is provided an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, comprising a storage reduction means for reducing the amount of oxygen stored in the exhaust gas purification catalyst by making it richer than the air-fuel ratio therein.
[0018]
  That is,Claim 3In the invention of NOXNO from storage reduction catalystXWhen the rich spike operation is performed for release and reduction purification, the air-fuel ratio of the exhaust flowing into the exhaust purification catalyst for a predetermined period immediately after the start of the rich spike is kept richer than the exhaust air-fuel ratio during the subsequent rich spike operation Is done. As a result, the exhaust purification catalyst removes O2While oxygen is released by the storage function, the exhaust gas contains sufficient amounts of unburned HC and CO components to consume the entire amount of released oxygen, and oxygen is released from the exhaust purification catalyst. Even during this time, the exhaust air-fuel ratio downstream of the exhaust purification catalyst becomes a sufficiently rich air-fuel ratio. Therefore, the NO on the downstream side of the exhaust purification catalystXThe storage reduction catalyst is supplied with exhaust gas with a sufficiently rich air-fuel ratio from the start of the rich spike operation.XUnpurified NO from the storage reduction catalystXIs prevented from flowing out. Note that the air-fuel ratio of the exhaust flowing into the exhaust purification catalyst immediately after the start of the rich spike is sufficient to consume the entire amount of oxygen released from the exhaust purification catalyst, and downstream NO.XNO released from the storage reduction catalystXThe amount of unburned HC and CO components is set so as to include the amount sufficient to purify the total amount. In addition, as storage reduction means,Claims 1 to 2In addition to supplying fuel that does not contribute to combustion, such as those that inject fuel into the cylinder during cylinder expansion or exhaust stroke, or those that inject fuel into the exhaust port, The operating air-fuel ratio of the engine may be made richer than during the period and the subsequent rich spike operation. The predetermined period is set to a time sufficient for releasing the entire amount of oxygen absorbed from the exhaust purification catalyst.
[0019]
  Claim 4According to the invention described above, the storage reduction means includes storage estimation means for estimating the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst based on the operating state of the engine, and the storage reduction means includes the storage reduction means according to the estimated stored oxygen amount. Claims for performing oxygen reduction operation1 to 3An exhaust emission control device for an internal combustion engine according to any one of the above is provided.
  That is,Claim 4In this invention, the storage reduction means estimates the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst, and performs an oxygen amount reduction operation according to the estimated amount of oxygen. For example, the storage reduction means decreases the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust purification catalyst as the amount of stored oxygen increases (that is, deepens the degree of richness), or lengthens the time for continuing the oxygen amount reduction operation. As a result, the oxygen amount reduction operation can be performed accurately, and a delay in the change of the exhaust air-fuel ratio downstream of the exhaust purification catalyst can be surely prevented. It should be noted that the storage oxygen amount estimation of the exhaust purification catalyst by the storage reducing means is based on the engine operating state such as the catalyst temperature, the exhaust flow rate, the history of engine air-fuel ratio change (duration of lean air-fuel ratio operation and rich air-fuel ratio operation), Based on.
[0020]
  Claim 5According to the present invention, the storage estimation means estimates the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst based on the deterioration state of the exhaust purification catalyst in addition to the operating state of the engine.Claim 4An exhaust emission control device for an internal combustion engine as described in 1) is provided.
  Claim 5In this invention, the storage reduction means estimates the stored oxygen amount based on the deterioration state of the exhaust purification catalyst in addition to the engine operating state. O2The storage function decreases with the deterioration of the exhaust purification catalyst, and the oxygen amount (saturated oxygen amount) that can be stored in the exhaust purification catalyst decreases with the deterioration of the exhaust purification catalyst. That is, the exhaust purification catalyst does not store oxygen in an amount greater than the saturated oxygen amount. Therefore, by considering the deterioration state of the exhaust purification catalyst, it is possible to estimate the stored oxygen amount of the exhaust purification catalyst more accurately, and it is possible to perform the oxygen amount reduction operation more accurately.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment in which the present invention is applied to an automobile internal combustion engine.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an automobile internal combustion engine. In the present embodiment, the engine 1 is a four-cylinder gasoline engine having four cylinders # 1 to # 4, and the fuel injection valves 111 to 114 for injecting fuel directly into the cylinders are provided for the # 1 to # 4 cylinders. Is provided. As will be described later, the internal combustion engine 1 of the present embodiment is a lean burn engine that can be operated at an air fuel ratio higher (lean) than the stoichiometric air fuel ratio.
[0022]
Further, in the present embodiment, the cylinders # 1 to # 4 are grouped into two cylinder groups including two cylinders whose ignition timings are not continuous with each other. (For example, in the embodiment of FIG. 1, the cylinder firing order is 1-3-4-2, and the cylinders # 1 and # 4 and the cylinders # 2 and # 3 each constitute a cylinder group. In addition, the exhaust port of each cylinder is connected to an exhaust manifold for each cylinder group, and is connected to an exhaust passage for each cylinder group. In FIG. 1, reference numeral 21a denotes an exhaust manifold for connecting the exhaust ports of the cylinder group consisting of # 1 and # 4 cylinders to the individual exhaust passage 2a, and 21b denotes the exhaust port of the cylinder group consisting of # 2 and # 4 cylinders to the individual exhaust passage 2b. Is an exhaust manifold connected to In the present embodiment, start catalysts (hereinafter referred to as “SC”) 5a and 5b made of a three-way catalyst are disposed on the individual exhaust passages 2a and 2b, respectively. Further, the individual exhaust passages 2a and 2b merge with the common exhaust passage 2 on the downstream side of the SC.
[0023]
On the common exhaust passage 2, NO, which will be described later, is provided.XAn occlusion reduction catalyst 7 is arranged. In FIG. 1, 29a and 29b indicate air-fuel ratio sensors disposed upstream of the start catalyst 5a and 5b of the individual exhaust passages 2a and 2b, and 31 indicates the NO in the exhaust passage 2.XAn air-fuel ratio sensor disposed at the outlet of the storage reduction catalyst 7. The air-fuel ratio sensors 29a, 29b, and 31 are so-called linear air-fuel ratio sensors that output a voltage signal corresponding to the exhaust air-fuel ratio in a wide air-fuel ratio range.
Further, an electronic control unit (ECU) of the engine 1 is indicated by 30 in FIG. In this embodiment, the ECU 30 is a microcomputer having a known configuration including a RAM, a ROM, and a CPU, and performs basic control such as ignition timing control and fuel injection control of the engine 1. In the present embodiment, the ECU 30 performs the basic control described above, and changes the fuel injection mode of the in-cylinder injection valves 111 to 114 in accordance with the engine operating state to change the operating air-fuel ratio of the engine, as will be described later. In addition to controlling, NOXNO absorbed from the storage reduction catalyst 7XIn order to release the engine, a rich spike operation is performed to switch the air-fuel ratio for a short time to the rich air-fuel ratio during the lean air-fuel ratio operation of the engine. Further, the ECU 30 performs a stored oxygen amount reduction operation for reducing the oxygen amount stored in the SCs 5a and 5b when the engine operating air-fuel ratio is changed from lean to rich or during the rich spike operation.
[0024]
The input port of the ECU 30 includes a signal indicating the exhaust air / fuel ratio at the inlets of the start catalyst 5a and 5b from the air / fuel ratio sensors 29a and 29b, and the NO / NO from the air / fuel ratio sensor 31.XIn addition to a signal representing the exhaust air / fuel ratio at the outlet of the storage reduction catalyst 7 and a signal corresponding to the intake pressure of the engine from an intake pressure sensor 33 provided in an unillustrated engine intake manifold, an engine crankshaft ( A signal corresponding to the engine speed is input from a speed sensor 35 arranged in the vicinity. Furthermore, in the present embodiment, a signal representing the accelerator pedal depression amount (accelerator opening) of the driver is input to an input port of the ECU 30 from an accelerator opening sensor 37 disposed in the vicinity of an accelerator pedal (not shown) of the engine 1. Has been. Further, the output port of the ECU 30 is connected to the fuel injection valves 111 to 114 of each cylinder through a fuel injection circuit (not shown) in order to control the fuel injection amount and fuel injection timing to each cylinder.
[0025]
In the present embodiment, the ECU 30 operates the engine 1 in the following five combustion modes according to the operating state of the engine.
(1) Lean air-fuel ratio stratified combustion (injection once in the compression stroke)
(2) Lean air-fuel ratio homogeneous mixture / stratified combustion (intake stroke / compression stroke twice injection)
(3) Lean air-fuel ratio homogeneous mixture combustion (intake stroke one injection)
(4) Theoretical air-fuel ratio homogeneous mixture combustion (intake stroke one injection)
(5) Rich air-fuel ratio homogeneous mixture combustion (intake stroke one injection)
That is, in the light load operation region of the engine 1, the lean air-fuel ratio stratified combustion (1) is performed. In this state, in-cylinder fuel injection is performed only once in the latter half of the compression stroke of each cylinder, and the injected fuel forms a combustible mixture layer near the cylinder spark plug. Further, the fuel injection amount in this operation state is extremely small, and the air-fuel ratio as a whole in the cylinder is about 25 to 30.
[0026]
Further, when the load increases from the state (1) to the low load operation region, (2) the lean air-fuel ratio homogeneous mixture / stratified combustion is performed. As the engine load increases, the amount of fuel injected into the cylinder increases. However, in the stratified combustion of (1), the fuel injection is performed in the latter half of the compression stroke, so the injection time is limited and the amount of fuel that can be stratified Has its limits. Therefore, in this load region, a target amount of fuel is supplied to the cylinders by injecting in advance into the first half of the intake stroke an amount of fuel that is insufficient only by fuel injection in the latter half of the compression stroke. The fuel injected into the cylinder in the first half of the intake stroke generates a very lean homogeneous mixture by the time of ignition. In the latter half of the compression stroke, further fuel is injected into this extremely lean homogeneous mixture to generate a combustible mixture layer that can be ignited in the vicinity of the spark plug. At the time of ignition, the combustible air-fuel mixture layer starts to burn, and the flame propagates to the surrounding lean air-fuel mixture layer, so that stable combustion is performed. In this state, the amount of fuel supplied by the injection in the intake stroke and the compression stroke is increased from (1), but the overall air-fuel ratio becomes slightly low (for example, about 20 to 30 in the air-fuel ratio).
[0027]
When the engine load further increases, the engine 1 performs the lean air-fuel ratio homogeneous mixture combustion of (3) above. In this state, fuel injection is executed only once in the first half of the intake stroke, and the fuel injection amount is further increased from the above (2). In this state, the homogeneous air-fuel mixture generated in the cylinder has a lean air-fuel ratio that is relatively close to the stoichiometric air-fuel ratio (for example, about 15 to 25 as the air-fuel ratio).
[0028]
When the engine load further increases and the engine high load operation region is reached, the fuel is further increased from the state (3), and the stoichiometric air-fuel ratio homogeneous mixture operation (4) is performed. In this state, a homogeneous air-fuel mixture having a stoichiometric air-fuel ratio is generated in the cylinder, and the engine output increases. When the engine load is further increased and the engine is fully loaded, the fuel injection amount is further increased from the state (4), and the rich air-fuel ratio homogeneous mixture operation (5) is performed. In this state, the air-fuel ratio of the homogeneous mixture generated in the cylinder becomes rich (for example, about 12 to 14 as the air-fuel ratio).
[0029]
In the present embodiment, the optimum operation mode (above (1) to (5)) is set in advance based on experiments or the like according to the accelerator opening (the amount by which the driver depresses the accelerator pedal) and the engine speed. , Stored in the ROM of the ECU 30 as a map using the accelerator opening and the engine speed. During the engine 1 operation, the ECU 30 determines which one of the above operation modes (1) to (5) should be selected based on the accelerator opening detected by the accelerator opening sensor 37 and the engine speed, The fuel injection amount, the fuel injection timing and the number of times are determined according to the mode.
[0030]
That is, when the mode (1) to (3) (lean air-fuel ratio combustion) is selected, the ECU 30 determines the accelerator based on the map prepared in advance for each mode (1) to (3). The fuel injection amount is determined from the opening degree and the engine speed. When the modes (4) and (5) (theoretical air-fuel ratio or rich air-fuel ratio homogeneous mixture combustion) are selected, the ECU 30 is prepared in advance for each of the modes (4) and (5). Based on the map, the fuel injection amount is set based on the intake pressure detected by the intake pressure sensor 33 and the engine speed.
[0031]
When mode (4) (stoichiometric air-fuel ratio homogeneous mixture combustion) is selected, the ECU 30 further calculates the fuel injection amount calculated as described above from the air-fuel ratio sensor so that the engine exhaust air-fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio. Feedback correction is performed based on the outputs of 29a and 29b.
As described above, in the engine 1 of the present embodiment, the fuel injection amount is increased as the engine load increases, and the operation mode is changed according to the fuel injection amount.
[0032]
Next, the start catalyst 5a, 5b and NO of this embodimentXThe storage reduction catalyst will be described.
The start catalyst (SC) 5a, 5b uses a carrier such as cordierite formed in a honeycomb shape, and a thin coating of alumina is formed on the surface of the carrier, and platinum Pt, palladium Pd, rhodium Rh, etc. are formed on the alumina layer. It is comprised as a three-way catalyst which supported the noble metal catalyst component. The three-way catalyst is near HC, CO, NO near the stoichiometric air-fuel ratio.XThese three components are purified with high efficiency. The three way catalyst is NO when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes higher than the stoichiometric air-fuel ratio.XBecause the reduction capacity of the engine 1 is reduced, the NO in the exhaust when the engine 1 is operated with a lean air-fuel ratio is reduced.XCannot be sufficiently purified.
[0033]
Further, the SCs 5a and 5b are arranged in portions close to the engine 1 in the exhaust passages 2a and 2b so that the activation temperature of the catalyst can be reached in a short time after the engine is started and the catalytic action can be started, thereby reducing the heat capacity. Therefore, it has a relatively small capacity.
Next, SC5a, 5b O2The storage function will be described.
In general, when an exhaust purification catalyst such as a three-way catalyst is loaded with a metal component such as cerium (Ce) in addition to the catalyst component, the exhaust purification catalyst functions as an oxygen storage function (O2It is known that the storage function will be exhibited. That is, cerium supported on the catalyst as an additive is combined with oxygen in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is higher than the stoichiometric air-fuel ratio (when the exhaust air-fuel ratio is lean). Cerium) to store oxygen. When the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is equal to or lower than the stoichiometric air-fuel ratio (when the exhaust air-fuel ratio is rich), oxygen is released because ceria releases oxygen and returns to metallic cerium. O2In the exhaust purification catalyst having a storage function, even when the exhaust air-fuel ratio flowing into the catalyst changes from the rich air-fuel ratio to the lean air-fuel ratio, oxygen in the exhaust is absorbed by cerium, so that the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases. For this reason, the exhaust air-fuel ratio at the catalyst outlet is close to the stoichiometric air-fuel ratio while oxygen is absorbed by cerium. Further, when the total amount of cerium supported by the catalyst is combined with oxygen (that is, when the catalyst is saturated with oxygen) and can no longer absorb oxygen, the exhaust air-fuel ratio at the exhaust purification outlet becomes the exhaust gas at the catalyst inlet. It changes to the same lean air-fuel ratio as the air-fuel ratio. Similarly, in a state where cerium has sufficiently absorbed oxygen, when the air-fuel ratio of the exhaust flowing into the catalyst changes from the lean air-fuel ratio to the rich air-fuel ratio, oxygen is released from cerium, and the oxygen concentration in the exhaust increases. Thus, the air-fuel ratio at the catalyst outlet is close to the theoretical air-fuel ratio. Also in this case, after the total amount of oxygen combined with cerium is released, oxygen is not released from the catalyst any more, so the exhaust air-fuel ratio at the catalyst outlet is the same as the rich air-fuel ratio at the catalyst inlet. Become. That is, the exhaust purification catalyst is O2If the storage function is provided, the change from lean to rich or rich to lean of the exhaust air-fuel ratio on the downstream side of the catalyst will be delayed as compared to the upstream side of the catalyst.
[0034]
SC5a and 5b of this embodiment are O2Since the storage function is added, when the operating air-fuel ratio of the engine changes from lean to rich, the change in the exhaust air-fuel ratio downstream of the SCs 5a and 5b is delayed and temporarily maintained at the air-fuel ratio in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio. A period will occur.
Next, NO of this embodimentXThe storage reduction catalyst 7 will be described. NO of this embodimentXThe occlusion reduction catalyst 7 uses, for example, alumina as a carrier, and an alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, and cesium Cs, alkaline earth such as barium Ba and calcium Ca, lanthanum La, cerium, and the like. It carries at least one component selected from rare earths such as Ce and yttrium Y and a noble metal such as platinum Pt. NOXThe NOx storage reduction catalyst is used when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean.X(NO2, NO) to nitrate ion NOThree -NO is absorbed when the inflowing exhaust gas becomes richXNO releaseXPerforms absorption and release action.
[0035]
This absorption / release mechanism will be described below using platinum Pt and barium Ba as an example, but the same mechanism can be obtained by using other noble metals, alkali metals, alkaline earths, and rare earths.
When the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas increases (that is, when the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes a lean air-fuel ratio), these oxygens become O on the platinum Pt.2 -Or O2-NO in the exhaustXIs O on platinum Pt2 -Or O2-To react with NO2Is generated. In addition, NO in inflow exhaust2And NO produced by the above2Is absorbed in the absorbent while being further oxidized on platinum Pt and combined with barium oxide BaO and nitrate ions NO.Three -Diffuses into the absorbent in the form of For this reason, NO in the exhaust gas in a lean atmosphereXIs NOXIt becomes absorbed in the form of nitrate in the absorbent.
[0036]
Further, when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas is greatly reduced (that is, when the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio), NO on the platinum Pt is increased.2Since the production amount decreases, the reaction proceeds in the reverse direction, and nitrate ion NO in the absorbentThree -Is NO2From the absorbent in the form of In this case, reducing components such as CO, HC, CO2If there are components such as NO on the platinum Pt,2Is reduced.
[0037]
In the present embodiment, the engine 1 capable of lean air-fuel ratio operation is used, and when the engine 1 is operated at the lean air-fuel ratio, NOXThe storage reduction catalyst is NO in the exhaust gas flowing in.XAbsorbs. Further, when the engine 1 is operated at a rich air-fuel ratio, NOXThe NOx storage reduction catalyst 7 has absorbed NO.XRelease, reduce and purify. In this embodiment, NO during lean air-fuel ratio operation.XNO absorbed by the storage reduction catalyst 7XWhen the amount increases, a rich spike operation is performed in which the engine air-fuel ratio is switched from a lean air-fuel ratio to a rich air-fuel ratio for a short time.XNO from storage reduction catalystXRelease and reduction purification (NOXThe regeneration of the storage reduction catalyst is performed.
In this embodiment, the ECU 30 is NOXNO by increasing or decreasing the counter valueXNO absorbed and stored by the storage reduction catalyst 7XEstimate the amount. NOXNO absorbed by the storage reduction catalyst 7 per unit timeXAmount of NOXNO in exhaust flowing into the storage reduction catalyst per unit timeXQuantity, ie NO generated per unit time in engine 1XIt is proportional to the amount. On the other hand, NO generated per unit time in the engineXIs determined by the amount of fuel supplied to the engine, air-fuel ratio, exhaust flow rate, etc., so if the engine operating conditions are determined, NOXNO absorbed by the storage reduction catalystXYou can know the amount. In the present embodiment, the engine operation conditions (accelerator opening, engine speed, intake air amount, intake air pressure, air fuel ratio, fuel supply amount, etc.) are changed in advance, and the NO generated by the engine per unit time.XMeasure the amount, NOXNO absorbed by the storage reduction catalyst 7 per unit timeXThe amount is stored in the ROM of the ECU 30 in the form of a numerical map using, for example, the engine load (fuel injection amount) and the engine speed. The ECU 30 uses this map to determine NO per unit time from the engine load (fuel injection amount) and the engine speed at regular intervals (every unit time).XNO absorbed by the storage reduction catalystXCalculate the amount, NOXSet this counter to NOXIncrease the amount absorbed. This makes NOXThe counter value is always NOXNO absorbed by the storage reduction catalyst 7XTo represent the amount of. The ECU 30 performs the above NO during the lean air-fuel ratio operation of the engine.XWhen the counter value increases to a predetermined value or more, the engine is operated for a short time (for example, about 0.5 to 1 second) in the above-described mode (4) or (5) (theoretical air-fuel ratio or rich air-fuel ratio homogeneous mixture combustion) ) Perform a rich spike operation. As a result, NOXNO absorbed from the storage reduction catalystXIs released and reduced and purified. Note that the time required to keep the exhaust air-fuel ratio rich with a rich spike is NO in detail.XIt is determined by experiments or the like based on the type and capacity of the storage reduction catalyst. Also, execute rich spike and NOXNO from the storage reduction catalystXNO is released and reduced and purifiedXThe counter value is reset to zero. Like this, NOXNO of storage reduction catalyst 7XBy performing rich spike according to the amount of absorption, NOXThe storage reduction catalyst 7 is properly regenerated, and NOXNO absorbed by the storage reduction catalystXSaturation is prevented.
[0038]
However, as described above, in this embodiment, NO is used.XO in the exhaust passage upstream of the storage reduction catalyst 72SCs 5a and 5b having a storage function are provided. For this reason, even if rich air-fuel ratio exhaust gas flows into the SC 5a, 5b from the engine during a rich spike, the NO on the downstream of the SC 5a, 5bXOccurrence of lean air-fuel ratio exhaust near the stoichiometric air-fuel ratio occurs when the storage reduction catalyst 7 releases oxygen at SCs 5a and 5b.XUnpurified NO from the storage reduction catalyst 7XMay leak. Similarly, the operating air-fuel ratio of the engine changes from the lean air-fuel ratio (the operating modes from (1) to (3) described above) to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio (the above-mentioned (4) or (5) Operation mode is switched to NO immediately after switching.XUnpurified NO from the storage reduction catalyst 7XMay occur.
[0039]
Therefore, in the embodiment described below, when the engine air-fuel ratio is switched from the lean air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio for rich spike operation, operation mode switching, etc., the air-fuel ratio of the exhaust gas that flows into the SCs 5a, 5b in advance. By making the SC 5a, 5b O2Resolves problems caused by storage.
By making the exhaust air-fuel ratio flowing into the SCs 5a and 5b rich, the exhaust gas containing a large amount of HC and CO components flows into the SCs 5a and 5b. For this reason, O2Oxygen stored in the catalyst by the storage is consumed to oxidize HC and CO components in the exhaust, and the release of oxygen from the catalyst is completed in a short time. The amount of the HC and CO components is set to be larger than the amount that consumes the total amount of oxygen released from the catalyst.2Even when oxygen is released from the catalyst by the storage function, the exhaust on the downstream side of SC5a and 5b is maintained at a rich air-fuel ratio. As a result, NOXUnpurified NO from the storage reduction catalyst 7XIs prevented from flowing out.
[0040]
The operation for reducing the stored oxygen that makes the exhaust air-fuel ratio flowing into the SCs 5a, 5b rich when the engine air-fuel ratio is switched is, for example, (A) From the in-cylinder injection valve of each cylinder into the cylinder during the cylinder expansion stroke or exhaust stroke (B) An exhaust port fuel injection valve that injects fuel into the exhaust port of each cylinder is provided to inject fuel into the engine exhaust port (hereinafter referred to as “exhaust port injection”) (C) There is a method of temporarily enriching the engine combustion air-fuel ratio temporarily when switching the engine air-fuel ratio. In the methods (A) and (B) described above, the fuel injected into the cylinder expansion, exhaust stroke, and exhaust port is vaporized without burning, and a large amount of HC and CO components are generated in the exhaust. That is, since these fuels do not contribute to combustion, even when a relatively large amount of fuel is supplied, there is an advantage that the engine output does not fluctuate. On the other hand, since these fuels do not contribute to combustion, a relatively large amount of oxygen remains in the exhaust when the engine is operated at a lean air-fuel ratio. That is, when fuel that does not contribute to combustion is supplied to the engine as described above, the exhaust air-fuel ratio becomes a rich air-fuel ratio as a whole, but unreacted oxygen, HC, and CO components are separated in the exhaust. Will exist. For this reason, these oxygen, HC, and CO components react on SC5a and 5b, and the temperature of SC5a and 5b may rise excessively depending on the operating conditions.
[0041]
In the method (C), the combustion air-fuel ratio of the engine itself temporarily becomes a rich rich air-fuel ratio, so that there is almost no unreacted oxygen in the exhaust, and the problem of overheating of the SCs 5a and 5b does not occur. The engine-generated torque increases due to combustion of a large amount of fuel, and output torque fluctuations may occur depending on the operating state of the engine.
Accordingly, it is preferable to select which of the methods (A) to (C) is selected according to the engine characteristics and the operating state.
[0042]
In addition, since the case of applying the method (B) (exhaust port fuel injection) is almost the same as the case of the above (A) (secondary fuel injection), the following embodiments (A) and ( The case where the method of C) is applied will be described as an example.
(1) First embodiment
FIG. 2 is a flowchart for explaining the stored oxygen amount reducing operation of the SCs 5a and 5b in the first embodiment of the present invention. This operation is executed by the ECU 30 at predetermined intervals (for example, every constant crankshaft rotation angle).
[0043]
In the operation of FIG. 2, when the operating air-fuel ratio is switched from the lean air-fuel ratio operation to the stoichiometric air-fuel ratio operation or the rich air-fuel ratio operation due to a change in the engine operating conditions, and NOXNO from the storage reduction catalyst 7XDuring the rich spike operation for releasing, immediately before switching the operating air-fuel ratio of the engine, the amount of stored oxygen in the SCs 5a and 5b is reduced by injecting fuel from the in-cylinder fuel injection valve during the expansion or exhaust stroke of each cylinder. Yes. That is, in this embodiment, O from SC5a, 5b.2The engine operating air-fuel ratio is switched after the oxygen release by the storage function is completed.
[0044]
As a result, when the engine operating air-fuel ratio is switched from lean to rich (or stoichiometric air-fuel ratio), oxygen release from the SCs 5a and 5b does not occur.XThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the storage reduction catalyst 7 immediately changes from the lean air-fuel ratio to the rich air-fuel ratio (or stoichiometric air-fuel ratio).XUnpurified NO from the storage reduction catalyst 7XIs prevented from being released.
[0045]
When the operation starts in FIG. 2, in step 201, the accelerator opening (the driver's accelerator pedal depression amount) ACCP from the accelerator opening sensor 37 is calculated based on the output of the rotation speed sensor 35. The number NE and the stored oxygen amount OSC of the SCs 5a and 5b are read. The calculation of the stored oxygen amount OSC of SC5a and 5b will be described in detail later.
[0046]
Next, at step 203, based on the accelerator opening ACCP and the engine speed NE read in the above, the optimum operation mode M among the operation modes {circle around (1)} to {circle around (5)} above.1Is selected. In this embodiment, the optimum operation mode for each accelerator opening and engine speed is stored in the ROM of the ECU 30 as a numerical table using the accelerator opening ACCP and the rotational speed NE as parameters. The optimum operation mode (1) to (5) is selected from this numerical table based on the ACCP and NE read in. M in step 2031(M1= (1) to (5)) represents an optimum operation mode in view of the current engine operation conditions (that is, an operation mode that is a target of the switching operation in step 223 described later).
[0047]
Next, at step 205, the current operation mode M0Is a lean air-fuel ratio operation (any one of the above-mentioned modes (1) to (3)). M0Is a parameter indicating in which operation mode (1) to (5) the engine is currently operated (M0= (1) to (5)). If the lean air-fuel ratio operation is not currently performed in step 205, that is, if the current stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio operation is currently performed, the target operation mode M1No change of the air-fuel ratio from the lean air-fuel ratio to the rich air-fuel ratio (or stoichiometric air-fuel ratio) occurs even if is any of (1) to (5), NOXUnpurified NO from the storage reduction catalyst 7XTherefore, step 223 is executed immediately and the engine operation mode is set to the target operation mode M.1(If the vehicle is currently operating in the target operation mode, the current mode is continued). Then, after the switching is completed, in step 225, the current operation mode M0Is the operation mode after switching (M1) Is updated to a value according to.
[0048]
On the other hand, if the engine is currently operated in the operation mode from (1) to (3) in step 205, the current NO is determined in step 207.XNO from the storage reduction catalyst 7XIt is determined based on the value of the rich spike flag FR whether or not execution of a rich spike operation for releasing the battery is required. As described above, in the present embodiment, the ECU 30 performs NO based on the engine operating state by a routine (not shown) that is separately executed.XNO absorbed by the storage reduction catalyst 7XNO representing quantityXThe value of the counter CNOX is integrated, and when the value of the counter CNOX exceeds a predetermined value, the value of the rich spike flag FR is set to 1. If the rich spike operation is currently requested in step 207, the stored oxygen amount reducing operation (steps 213 to 217) to be described later needs to be executed, so the operation directly proceeds to step 211. On the other hand, if the rich spike operation is not currently requested, in step 209, the target operation mode M1Is rich air fuel ratio or theoretical air fuel ratio operation (mode (4) or (5)). Target operation mode M1If the mode is neither mode {circle over (4)} nor {circle over (5)}, the switching from the lean air-fuel ratio operation to the rich air-fuel ratio operation does not occur in this case as well, so the routine proceeds to step 223 and the operation mode is switched to the target mode. Is done.
[0049]
On the other hand, if FR = 1 (rich spike request) in step 207 and if the target operation mode is (4) or (5) in step 209, that is, the engine operating air-fuel ratio is rich from the lean air-fuel ratio. Since it is necessary to switch to the air-fuel ratio (or the stoichiometric air-fuel ratio), the process proceeds to step 211 to determine whether or not the current oxygen amount reduction operation has been completed. If the reduction operation is not completed, secondary fuel injection (in-cylinder fuel injection in the expansion or exhaust stroke) for reducing the amount of oxygen in steps 213 to 217 is performed, and fuel that does not contribute to combustion is supplied to the cylinder. Supply.
[0050]
That is, in step 213, the entire amount of oxygen stored in SC5a, 5b is consumed from the current stored oxygen amount OSC of SC5a, 5b read in step 201, and the exhaust on the downstream side of SC5a, 5b is richer than the stoichiometric air-fuel ratio. The total amount of fuel (HC amount) required to maintain the fuel amount is calculated, and the total amount of fuel is divided by a predetermined number of secondary fuel injections (described later) to obtain two The next fuel injection amount is calculated. Then, in step 215, it is determined whether or not it is time to set the secondary fuel injection amount for any of the cylinders. If it is set timing, the calculated secondary fuel injection amount is sent to the fuel injection circuit in step 217. Set. Thus, when the secondary fuel injection timing (expansion or exhaust stroke) comes, secondary fuel injection is executed in each cylinder. When secondary fuel injection is executed a predetermined number of times (the number of cylinders), it is determined in step 211 that the oxygen amount reduction operation has been completed, and step 219 and subsequent steps are executed.
[0051]
That is, when the stored oxygen amount reduction operation is finished and the oxygen release from the SCs 5a and 5b is finished, it is determined in step 219 whether the rich spike operation is currently requested (FR = 1), and the rich spike operation is requested. If so, the rich spike operation is executed in step 221. If not, the target operation mode M is executed in step 223.1Switching to the rich or stoichiometric air-fuel ratio operation mode in this case is executed.
[0052]
Note that in the rich spike operation of step 221, the engine is NO.XUntil the value of the counter CNOX becomes 0, it is operated by the rich air-fuel ratio homogeneous mixture combustion in the mode (5), and NOXNO absorbed by the storage reduction catalyst 7XIs released and reduced and purified.
Next, the number of secondary fuel injections in this embodiment will be described. In the present embodiment, the secondary fuel injection is performed once for each of the cylinder groups # 1, 4 and # 2, 3 or once for all the cylinders # 1 to # 4. That is, since the capacity of the SCs 5a and 5b is relatively small, when the amount of oxygen stored in the SC can be reduced by one secondary fuel injection for each SC 5a and 5b, the secondary fuel is only once for each cylinder group. When the injection is performed and the capacity of the SCs 5a and 5b is relatively large, and the amount of stored oxygen cannot be sufficiently reduced by one secondary fuel injection, the SCs 5a and 5b are twice (ie, # 1 to # 4). Secondary fuel injection is performed once for each cylinder). Which secondary fuel injection is to be executed is determined in advance according to the capacity of the SCs 5a and 5b. Since each cylinder group is composed of cylinders whose firing order is not continuous, when the secondary fuel injection is executed once for each cylinder group, the two cylinders having the continuous firing order are performed in step 211 described above. (For example, # 1 and # 3, or # 3 and # 2 etc.), when the secondary fuel injection is executed once, it is determined that the stored oxygen amount reduction operation is completed.
[0053]
Further, as described above, in the present embodiment, the lean air-fuel ratio operation mode (1 to 3) is continued in the engine while the stored oxygen amount reduction operation is being executed.
(2) Second embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the operation of reducing the stored oxygen amount of the SCs 5a and 5b is performed only by the secondary fuel injection, and the operation mode of the rich air-fuel ratio operation is changed until the stored oxygen amount reducing operation (secondary fuel injection) is completed. No switching was performed. In the present embodiment, in an engine that requires secondary fuel injection once for all cylinders, the operation mode switching (intake stroke fuel injection) is performed at the timing when the switching command from the lean air-fuel ratio operation mode to the rich air-fuel ratio operation mode is issued. For cylinders that can be switched to intake stroke fuel injection, the intake stroke fuel injection amount is increased by the amount corresponding to the secondary fuel injection amount, and for cylinders that do not make the transition to intake stroke fuel injection in time Perform fuel injection.
[0054]
FIG. 3 is a diagram for explaining the timing of secondary fuel injection (in FIG. 3, an example in which secondary fuel injection is performed from the end of the expansion stroke to the beginning of the exhaust stroke) and the intake stroke fuel injection increase amount according to the present embodiment. FIG. 3 shows the timing of switching from mode (1) (lean stratified charge combustion (single compression stroke injection) to mode (4) (stoichiometric air-fuel ratio homogeneous mixture combustion (intake stroke injection)). Switching between modes is the same as in FIG.
[0055]
FIG. 3 shows the fuel injection timing of each of the # 1 to # 4 cylinders and the fuel injection amount setting timing for performing the fuel injection. In FIG. 3, CSET is the compression stroke fuel injection amount setting timing, CINJ is the compression stroke fuel injection execution timing, EXSET is the secondary fuel injection amount setting timing, EXINJ is the secondary fuel injection execution timing, and ISET is the intake stroke fuel injection amount setting timing. , IINJ indicate the intake stroke fuel injection execution timing, respectively. Further, CH in FIG. 3 indicates the start timing of the stored oxygen amount reduction operation for switching the operation mode. In FIG. 3, “suction”, “pressure”, “expansion”, and “exhaust” represent the intake stroke, compression stroke, expansion stroke, and exhaust stroke of each cylinder, respectively. As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the secondary fuel injection amount is set at the end of the compression stroke (EXSET), and the intake stroke fuel injection amount is set at the beginning of the exhaust stroke (ISET).
[0056]
Now, assuming that an operation for reducing the amount of oxygen stored in the catalyst for switching the operation mode is started at the timing of FIG. 3CH, CH corresponds to the middle of the compression stroke in the # 1 cylinder, so the intake stroke fuel injection timing (IINJ) has already been set. The compression stroke fuel injection amount has been set at the timing CSET. Accordingly, since the operation mode cannot be switched immediately for the # 1 cylinder, the compression stroke fuel injection IINJ is executed as it is, and the secondary fuel injection amount is set at the timing EXSET and the secondary fuel injection (EXINJ) is executed.
[0057]
On the other hand, in the # 3 cylinder, the CH timing corresponds to the middle stage of the intake stroke, but at this timing, the intake stroke fuel injection amount set timing has already passed, so that it is not possible to immediately shift to the intake stroke fuel injection. Therefore, in the # 3 cylinder, the compression stroke fuel injection is executed as it is, the compression stroke fuel injection amount is set by CSET, and the secondary fuel injection amount set timing (EXSET) at the end of the subsequent compression stroke is set. The secondary fuel injection is executed with the amount set.
[0058]
Similarly, in the # 4 cylinder, the CH timing corresponds to the middle of the exhaust stroke, but in this case as well, since the intake stroke fuel injection amount set timing (IINJ) has passed, the process immediately shifts to intake stroke fuel injection. I can't. Accordingly, the secondary fuel injection (EXINJ) is executed while continuing the compression stroke fuel injection (CINJ) as in the case of the # 3 cylinder.
[0059]
On the other hand, in the # 2 cylinder, since the CH timing corresponds to the middle stage of the expansion stroke, the intake stroke fuel injection amount set timing (ISET) has not yet been reached, and it is possible to shift to the intake stroke fuel injection. Therefore, in the # 2 cylinder, the operation mode is switched to perform the intake stroke fuel injection, and the fuel injection amount set by ISET is increased by the amount corresponding to the secondary fuel injection amount. That is, for the # 2 cylinder, the operation mode is switched without performing the secondary fuel injection, and instead, the fuel injection is performed by adding the equivalent amount of the secondary fuel injection to the intake stroke fuel injection amount immediately after the operation mode switching. Set the amount.
[0060]
As can be seen from the timing chart of FIG. 3, in this embodiment, after the start of the catalyst storage oxygen amount reduction operation for switching the operation mode, the secondary fuel injection amount set timing precedes the intake stroke fuel injection amount set timing. For the cylinders (# 1, # 3, and # 4 in the case of FIG. 3), the secondary fuel injection is executed while continuing the compression stroke fuel injection (that is, without switching the operation mode). For the cylinder (# 2 cylinder) whose amount set timing is ahead of the secondary fuel injection amount set timing, the operation mode is switched to perform the intake stroke fuel injection, and during the intake stroke fuel injection, it corresponds to the secondary fuel injection amount of the other cylinders The amount of fuel for the minute is increased. In this case as well, the operation for reducing the amount of oxygen stored in the catalyst is completed when the secondary fuel injection or the intake stroke fuel injection amount is increased once for all cylinders, and thereafter the operation mode is switched for all cylinders. .
[0061]
That is, in this embodiment, the operation for reducing the storage amount of the catalyst is started before the operation mode is switched (# 1, # 3, # 4 cylinder) and is ended after the operation mode is switched (# 2 cylinder). Thereby, the operation mode switching time can be shortened. FIG. 4 is a flowchart for explaining the stored oxygen amount reducing operation of the present embodiment. 4 is performed as a routine executed by the ECU 30 at predetermined intervals. The flowchart of FIG. 4 includes steps 213 to 217 of the flowchart of FIG.414, 415, 416 and 4172 is different from the flowchart of FIG. Therefore, only the differences will be described here.
[0062]
In step 413, the amount of one secondary fuel injection is set from the stored oxygen amount OSC of SC5a, 5b as in step 213 in FIG.4If the current intake stroke fuel injection amount set timing (FIG. 3 ISET) is reached, step 41 is performed.6Then, an amount obtained by adding the secondary fuel injection amount calculated in step 413 to the intake stroke fuel injection amount after the operation mode switching is increased and set as the intake stroke fuel injection amount. If the intake stroke fuel injection amount setting timing is not reached, step 41 is performed.5, Step 417Then, the secondary fuel injection amount is set. As a result, in the cylinder in time for the intake stroke fuel injection amount set timing (ISET), the operation mode is switched and the fuel injection amount is increased instead of the secondary fuel injection.
[0063]
In the present embodiment, the operation for reducing the stored oxygen amount is performed by executing the secondary fuel injection in the cylinders other than the cylinders in time for the set timing of the intake stroke fuel injection, but the secondary fuel injection is not performed. In each cylinder, the intake stroke fuel injection amount may be increased from the next intake stroke fuel injection amount setting timing by the amount corresponding to the secondary fuel injection amount as in the above-described # 2 cylinder. In this case, the operation for reducing the amount of oxygen stored in the catalyst is performed immediately after switching the operation mode in each cylinder.
[0064]
(3) Third embodiment
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment described above, when the engine operation mode is switched, the operation mode is switched after the operation for reducing the amount of oxygen stored in the catalyst is completed. In the second embodiment, the operation mode is switched for some or all cylinders. Immediately after that, a reduction operation is performed. On the other hand, in this embodiment, the stored oxygen amount reducing operation is performed independently of the switching of the operation mode. That is, the operation mode is switched as usual in each cylinder, and the secondary fuel injection is executed regardless of the operation mode until the switching of the operation mode of each cylinder is completed. In actual operation, for example, from the very lean combustion state of mode (1) (lean air-fuel ratio stratified combustion (injection once in the compression stroke)), sudden acceleration or the like (5) (rich air-fuel ratio homogeneous mixture combustion (intake stroke 1) It may be necessary to shift to the rich air-fuel ratio combustion)), but in such a case, switching the operation mode directly from (1) to (5) causes a sudden change in the combustion air-fuel ratio. There may be sudden fluctuations in the output torque. In such a case, the mode (1) to (2) (lean air-fuel ratio homogeneous mixture / stratified combustion (intake stroke / compression stroke 2) is temporarily performed without switching the operation mode directly from mode (1) to (4). In some cases, the operation mode is switched to (5) via (3) (3) (lean air-fuel ratio homogeneous mixture combustion (intake of one intake stroke))).
[0065]
In this embodiment, when the operation mode is switched, the switching operations such as (1) → (2) → (3) → (5) are executed independently, and at the same time, the secondary fuel injection is executed until the mode switching is completed. ing. That is, in the present embodiment, the operation mode switching and the catalyst storage oxygen amount reduction operation are performed in parallel. This prevents the operation mode switching time from being affected by the execution of the stored oxygen amount reduction operation.
[0066]
FIG. 5 is a flowchart illustrating an operation for reducing the amount of stored oxygen in the catalyst according to the present embodiment. This operation is performed as a routine executed by the ECU 30 at predetermined intervals.
In FIG. 5, steps 501 to 509 indicate the same operations as steps 201 to 209 in FIG. Also in this embodiment, if the operation mode is not switched from the lean air-fuel ratio to the rich air-fuel ratio in steps 501 to 509, the process immediately proceeds to step 523 and the target operation mode M1And current operation mode M0A mode switching operation corresponding to is performed.
[0067]
On the other hand, when it is necessary to switch the operation mode from the lean air-fuel ratio operation to the rich air-fuel ratio operation in steps 501 to 509, the process proceeds to step 511 and the target operation mode M1And current operation mode M0And M0→ M1The number of secondary fuel injections that can be executed is calculated on the basis of the number of cycles required for the transition to, and the amount of secondary fuel injection per one time is calculated from the number of secondary fuel injections executed and the current catalyst storage oxygen amount OSC Is calculated. The secondary fuel injection amount is calculated as an amount capable of generating HC that consumes the entire amount of oxygen released from the SCs 5a and 5b and maintains the exhaust gas downstream of the SCs 5a and 5b at a rich air-fuel ratio.
[0068]
Then, after calculating the secondary fuel injection amount, in steps 513 to 521, the secondary fuel injection is executed until the switching of the operation mode is completed. At this time, in steps 521 and 523, the shift to the rich spike operation (step 521) and the current operation mode M are performed in parallel with the secondary fuel injection.0And target operation mode M1A transition operation is performed according to. When the transition operation of step 513 or step 521 is completed, it is determined in step 513 that the mode switching has been completed, and the secondary fuel injection is stopped.
[0069]
Next, a method for estimating the stored oxygen amount OSC of the SCs 5a and 5b used for calculating the secondary fuel injection amount in each of the above embodiments will be described. In this embodiment, SC5a and 5b are stored from the exhaust air-fuel ratio AF at the SC5a and 5b inlets detected by the air-fuel ratio sensors 29a and 29b disposed at the SC5a and 5b inlets, and the engine intake air weight flow rate (gram / second) GA. An oxygen amount OSC is calculated.
[0070]
As mentioned above, the catalyst O2Due to the storage function, when the exhaust air-fuel ratio flowing into SC5a, 5b is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, surplus oxygen in the exhaust is absorbed by SC5a, 5b, and when it is richer than the stoichiometric air-fuel ratio, oxygen absorbed from SC5a, 5b In both cases, the exhaust air-fuel ratio at the SC5a and 5b outlets is close to the stoichiometric air-fuel ratio. Accordingly, the amount of oxygen absorbed in or released from the SCs 5a and 5b corresponds to the amount of oxygen required to make the exhaust of the air-fuel ratio AF the stoichiometric air-fuel ratio.
[0071]
Now, assuming that the weight of air necessary for burning a certain amount of fuel to generate exhaust with an air-fuel ratio AF is GA, GA = AF × F. Also, GA ′ = ST × F, where GA ′ is the air weight necessary for burning the same amount of fuel to generate exhaust with the stoichiometric air-fuel ratio ST. On the other hand, the oxygen concentration in the air2Then, in the air of weight GA and GA ′, AO respectively2× GA and AO2× GA '. That is, the amount of oxygen required to burn a certain amount of fuel to produce exhaust with the stoichiometric air-fuel ratio ST is AO2× GA '= AO2× ST × F. On the other hand, the amount of oxygen when the same fuel is burned to produce the exhaust of air-fuel ratio AF is AO2× GA = AO2× AF × F. Therefore, the amount of oxygen required to make the exhaust of the air-fuel ratio AF the stoichiometric air-fuel ratio, that is, the amount of oxygen absorbed by the SCs 5a and 5b when AF> ST is (AO2× GA)-(AO2× GA ′) = AO2× F × (AF-ST). Also, since F = GA / AF, the oxygen release / absorption amount is
AO2× GA × (AF-ST) / AF = AO2× GA × (ΔAF / AF). Here, ΔAF = (AF−ST). Further, since GA is an air flow rate per unit time (second), if AF> ST, the catalyst has an AO per unit time during engine operation.2Oxygen of × GA × (ΔAF / AF) is absorbed, and the stored oxygen amount OSC of the catalyst is AO2It will increase by × GA × (ΔAF / AF). (If AF <ST, ΔAF becomes negative and the stored oxygen amount OSC of the catalyst decreases).
[0072]
Therefore, when the exhaust air / fuel ratio is AF and the intake air weight flow rate is GA, the change amount of the stored oxygen amount OSC per time Δt of SC5a and 5b is AO.2× GA × (ΔAF / AF) × Δt, but since the amount of change in OSC is actually affected by the oxygen absorption / release rate of the catalyst, the actual amount of change in OSC is AO2It is expressed as × GA × (ΔAF / AF) × Δt × K (K is a correction coefficient based on the oxygen absorption / release rate). In practice, the oxygen absorption / release rate is affected by the catalyst temperature, and increases as the catalyst temperature increases. Furthermore, the rate of oxygen absorption and release is different, and the rate of oxygen absorption is higher than the rate of release. Therefore, in the present embodiment, the amount of change in the OSC per time Δt is represented by the following equation for absorption (AF ≧ ST) and emission (AF <ST).
[0073]
Absorption (AF ≧ ST): AO2× GA × (ΔAF / AF) × Δt × A
Release (AF <ST): AO2× GA × (ΔAF / AF) × Δt × B
Here, A and B are correction coefficients determined by the oxygen absorption / release rate and the catalyst temperature.
FIG. 6 is a flowchart for explaining the stored oxygen amount calculation operation of the SCs 5a and 5b in the present embodiment. This operation is performed by a routine executed by the ECU 30 at regular time intervals corresponding to the above Δt. In this operation, the change amount of the stored oxygen amount OSC per time Δt of the SCs 5a and 5b is calculated using the above formula, and this change amount is integrated from the start of the engine, whereby the current stored oxygen amount of the SCs 5a and 5b. OSC is estimated.
[0074]
In the operation of FIG. 6, first, in step 601, the exhaust air-fuel ratio AF at the inlets of SC5a and 5b, the intake air weight flow rate GA of the engine, and the SC5a and 5b temperature TCAT are read. In the present embodiment, the exhaust air-fuel ratio AF is obtained as an average value of the exhaust air-fuel ratios detected by the air-fuel ratio sensors 29a and 29b at the SC5a and 5b inlets. The intake air weight flow rate GA is calculated as the product of the amount of fuel supplied to the engine per unit time (fuel injection amount) and the exhaust air-fuel ratio AF. Further, the temperature TCAT of the SCs 5a and 5b may be measured by arranging a temperature sensor on the catalyst bed, or the relationship between the engine load (fuel injection amount), the rotational speed and the exhaust temperature is obtained in advance, and the engine fuel injection is performed. The exhaust temperature may be calculated based on the amount (engine load) and the rotational speed, and this exhaust temperature may be approximately used as TCAT.
[0075]
After reading AF, GA, and TCAT as described above, it is calculated in step 603 whether AF ≧ ST (ST is the stoichiometric air-fuel ratio). If AF ≧ ST, the exhaust purification catalyst currently absorbs oxygen. Since the stored oxygen amount OSC has increased, the correction coefficient A is calculated from the oxygen absorption rate of the SCs 5a and 5b and the catalyst temperature TCAT in step 605. In step 607, the value of the stored oxygen amount OSC is (AO2X GA x (ΔAF / AF) x Δt x A). In step 609, the increased OSC value is changed to the maximum value OSC.MAXIf the value exceeds OSC, the value of OSCMAXSet to OSCMAXIs the maximum oxygen amount (saturation amount) that SC5a and 5b can store.
[0076]
On the other hand, if AF <ST in step 603, the SCs 5a and 5b are currently releasing oxygen. Therefore, in step 613, the correction coefficient B is calculated based on the oxygen release rate and the catalyst temperature TCAT. In 615, the value of OSC is (AO2* GA * (ΔAF / AF) * Δt * B) (in this case, since ΔAF <0, OSC decreases). In steps 617 and 619, the OSC value is limited to the minimum value 0, and the current operation is terminated. When the engine is started, the initial value of OSC in steps 607 and 615 is OSC.MAXSet to This is because when the engine is stopped, SC5a and 5b are in an atmospheric atmosphere (lean air-fuel ratio), and SC5a and 5b are saturated with oxygen.
[0077]
By calculating the amount of fuel required for the stored oxygen amount reduction operation of the SCs 5a and 5b using the catalyst stored oxygen amount OSC estimated by the operation of FIG. 6, in each of the foregoing embodiments, an accurate stored oxygen amount reduction operation is performed. NO when the engine operation mode is switched from the lean air-fuel ratio to the rich air-fuel ratio.XUnpurified NO from the storage reduction catalyst 7XIs prevented from flowing out.
[0078]
Next, the saturated oxygen amount OSC of SC5a and 5b used for the operation of FIG. 6 using FIG. 7 to FIG.MAXNext, the correction will be described. In the operation of FIG. 6, the saturated oxygen amount OSCMAXThe amount of stored oxygen OSC may be calculated with an appropriate constant value, but more precisely the OSC according to the deterioration of the catalyst.MAXIt is preferable to correct the value of. O of catalyst2The storage function decreases as the catalyst deteriorates, and the maximum oxygen (saturation) OSC that the catalyst can storeMAXAlso go down. Therefore, in this embodiment, the deterioration state of the catalyst is determined, and the OSC is determined according to the deterioration state.MAXCorrect the value of.
[0079]
First, a method for determining the deterioration state of the catalyst will be described. In the present embodiment, the locus lengths of the output signal curves of the air-fuel ratio sensors 29a and 29b upstream of the SCs 5a and 5b and the NOXThe deterioration state of the catalyst is determined based on the locus length of the output signal curve of the air-fuel ratio sensor 31 downstream of the storage reduction catalyst 7.
FIG. 7 shows general waveforms of the air-fuel ratio sensor output VOM provided upstream of the exhaust purification catalyst and the air-fuel ratio sensor output VOS provided downstream of the catalyst when the engine air-fuel ratio is feedback controlled to the stoichiometric air-fuel ratio. ing. In FIG. 7, (A) is O of the exhaust purification catalyst.2Figure 7 (B) shows the waveform when the storage function is high.2The waveforms when the storage function deteriorates are shown.
[0080]
As shown in FIGS. 7A and 7B, the engine air-fuel ratio (exhaust air-fuel ratio) becomes rich and lean within a relatively small range centering on the stoichiometric air-fuel ratio in a state where feedback control is performed to the stoichiometric air-fuel ratio. fluctuate. For this reason, the upstream air-fuel ratio sensor output VOM also exhibits periodic fluctuations centering on the theoretical air-fuel ratio. In this case, the catalyst O2If the storage function is sufficiently high, the exhaust air / fuel ratio at the catalyst outlet is maintained in the vicinity of the stoichiometric air / fuel ratio even if the exhaust air / fuel ratio flowing into the catalyst slightly fluctuates around the stoichiometric air / fuel ratio. For this reason, O2In the case of a catalyst having a sufficiently high storage function, the downstream air-fuel ratio sensor output VOS does not vary much as shown in FIG. Therefore, LOVS is relatively small in length along the locus of the output VOS. However, the catalyst deteriorates and O2When the storage function is lowered, the amount of oxygen absorbed and released by the catalyst is lowered, so that the air-fuel ratio on the downstream side also varies in accordance with the fluctuation of the air-fuel ratio on the upstream side. Therefore, the locus length LVOS of the downstream air-fuel ratio sensor output VOS is O2As the storage function declines, it becomes larger as shown in FIG.2When the storage function is completely lost, the locus length LVOM of the upstream air-fuel ratio sensor output VOM becomes equal. That is, if the ratio LR (LR = LVOS / LVOM) between the locus length LVOS of the downstream air-fuel ratio sensor output VOS and the locus length LVOM of the upstream air-fuel ratio sensor output VOM during the air-fuel ratio feedback control is taken,2When the storage function is sufficiently high, LR is much smaller than 1, and O2As the storage function decreases, it increases and approaches 1. In the present embodiment, based on the above, the ratio LR of the trajectory lengths of the upstream air-fuel ratio sensors 29a, 29b output and the downstream air-fuel ratio sensor 31 output is set to O of SC5a, 5b.2It is used as a parameter indicating storage function degradation. In the case of an engine having two exhaust purification catalysts 5a, 5b and two upstream air-fuel ratio sensors 29a, 29b as in the present embodiment, the average value of the outputs of the two upstream air-fuel ratio sensors 29a, 29b is obtained. The trajectory length LVOM may be calculated using the upstream air-fuel ratio sensor output VOM, or the output trajectory length is calculated for each of the air-fuel ratio sensors 29a and 29b, and the average of both trajectory lengths is used as the upstream air-fuel ratio. The sensor output trajectory length LVOM may be used.
FIG. 8 shows the maximum stored oxygen amount OSC in consideration of the deterioration of the SCs 5a and 5b of the present embodiment.MAXIt is a flowchart explaining the calculation operation of. This operation is performed as a routine executed by the ECU 30 at regular intervals.
[0081]
When the operation starts in FIG. 8, it is determined in step 801 whether or not the deterioration parameter calculation execution condition is satisfied. In this embodiment, the condition of step 801 is that the engine is operated in mode (4) (theoretical air-fuel ratio homogeneous mixture combustion (intake stroke one injection)) and the air-fuel ratio based on the air-fuel ratio sensors 29a and 29b. It is assumed that feedback control is performed. As described with reference to FIG. 7, the trajectory length ratio LR is set to 0% of the catalyst.2This is because the trajectory length ratio LR needs to be calculated in a state where the engine air-fuel ratio is feedback controlled to the stoichiometric air-fuel ratio in order to use it as a parameter representing the storage function.
[0082]
If the condition is satisfied in step 801, the output voltage VOM of the upstream air-fuel ratio sensors 29a and 29b and the output voltage VOS of the downstream air-fuel ratio sensor 31 are read in step 803. In this embodiment, the average value of the output voltages of the sensors 29a and 29b is used as the VOM. Next, at step 805, the locus length LVOM of the upstream air-fuel ratio sensor output VOM and the locus length LVOS of the downstream air-fuel ratio sensor output VOS are calculated as follows:
LVOM = LVOM + | VOM-VOMi-1
LVOS = LVOS + | VOS-VOSi-1
Is calculated as Where VOMi-1, VOSi-1Are values of VOM and VOS at the time of the previous execution of this operation, and are updated at step 807 every time LVOM and LVOS are calculated. That is, in this embodiment, as shown in FIG. 9, | VOM-VOMi-1| And | VOS-VOSi-1Approximate calculation is performed using the integrated values of | as LVOM and LVOS, respectively.
[0083]
Steps 809 and 811 are operations for determining the locus length calculation period. In the present embodiment, the integration of the LVOM and LVOS is performed until the value of the counter CT that is incremented by 1 every time the operation is performed reaches a predetermined value T. The predetermined value T is set so that the total of the integration periods is about several tens of seconds.
If the period T has elapsed in step 811, the trajectory length ratio LR is calculated as LR = LVOS / LVOM from the values of LVOM and LVOS accumulated in the period in step 813. In step 815, the locus length ratio LR (O2OSC based on the relationship set in advance from the value of the storage function parameter)MAXCorrection coefficient RD is obtained. In step 819, the stored oxygen amount maximum value OSC of the current SC 5a, 5b.MAXBut OSCMAX= OSCMAX0* Calculated as RD. Where OSCMAX0Is the maximum stored oxygen amount in a new state in which SC5a and 5b are not deteriorated at all.
[0084]
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the locus length ratio LR and the correction coefficient RD, which is used to obtain the correction coefficient RD in step 817 of FIG. As shown in FIG. 10, the value of the correction coefficient RD is set to 1.0 when the catalyst is not deteriorated at all (LR << 1.0), and the value of LR approaches 1 as the deterioration of the catalyst proceeds. To be smaller).
[0085]
According to FIG. 10, the maximum stored oxygen amount OSC of SC5a, 5bMAXIs set according to the degree of deterioration of the catalyst, so that the estimation accuracy of the stored oxygen amount OSC of the SCs 5a and 5b in each of the above-described embodiments is improved. Therefore, the operation for reducing the stored oxygen amount more accurately in each of the above-described embodiments. Can be performed.
[0086]
【The invention's effect】
According to the invention described in each claim, O2When an exhaust purification catalyst having a storage function is arranged in the exhaust passage, it is possible to prevent a delay in the change of the exhaust air / fuel ratio downstream of the catalyst from the lean air / fuel ratio to the stoichiometric or rich air / fuel ratio. There is an effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment in which the present invention is applied to an automobile internal combustion engine.
FIG. 2 is a flowchart for explaining a first embodiment of an operation for reducing the amount of stored oxygen of the exhaust purification catalyst of the present invention.
FIG. 3 is a timing chart for explaining a second embodiment of the stored oxygen amount reducing operation of the exhaust purification catalyst of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart for explaining a second embodiment of the stored oxygen amount reducing operation of the exhaust purification catalyst of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart for explaining a third embodiment of the operation for reducing the amount of stored oxygen in the exhaust purification catalyst of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart illustrating an operation for estimating the stored oxygen amount of the exhaust purification catalyst used in the first to third embodiments.
FIG. 7 is a diagram for explaining a change between an upstream air-fuel ratio sensor output and a downstream air-fuel ratio sensor output due to deterioration of an exhaust purification catalyst.
FIG. 8 is a flowchart for explaining a stored oxygen amount estimation operation in consideration of deterioration of an exhaust purification catalyst.
9 is a diagram illustrating a method for calculating an air-fuel ratio sensor output trajectory length used in the operation of FIG.
FIG. 10 shows exhaust purification catalyst O.2It is a figure explaining the relationship between the correction coefficient of a storage function, and locus | trajectory length ratio.
[Explanation of symbols]
1. Internal combustion engine
2 ... Exhaust passage
5a, 5b ... Start Catalyst (SC)
7 ... NOXOcclusion reduction catalyst
29a, 29b, 31 ... air-fuel ratio sensor
30 ... Electronic control unit (ECU)

Claims (5)

必要に応じてリーン空燃比の運転と理論空燃比またはリッチ空燃比の運転とに運転空燃比の切り換えを行なう内燃機関の排気浄化装置であって、
機関排気通路に配置されたO2ストレージ機能を有する排気浄化触媒と、
前記機関をリーン空燃比運転から理論空燃比またはリッチ空燃比運転に切り換える際に、燃焼に寄与しない燃料を機関に供給し前記排気浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にすることにより前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減するストレージ低減手段と、
更に、前記排気浄化触媒下流側の排気通路に、流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のNO X を吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したNO X を放出するNO X 吸蔵還元触媒と、を備え、
前記ストレージ低減手段は更に、NO X 吸蔵還元触媒から吸収したNO X を放出させるべきときに排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減する内燃機関の排気浄化装置。
An exhaust purification device for an internal combustion engine that switches the operation air-fuel ratio between a lean air-fuel ratio operation and a stoichiometric or rich air-fuel ratio operation as required,
An exhaust purification catalyst having an O 2 storage function disposed in the engine exhaust passage;
When the engine is switched from lean air-fuel ratio operation to stoichiometric air-fuel ratio operation or rich air-fuel ratio operation, fuel that does not contribute to combustion is supplied to the engine, and the exhaust air-fuel ratio flowing into the exhaust purification catalyst is made rich air-fuel ratio. Storage reduction means for reducing the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst;
Further, when the air-fuel ratio of the exhaust flowing into the exhaust passage downstream of the exhaust purification catalyst is a lean air-fuel ratio, the NO X in the exhaust is absorbed, and the absorbed NO X is released when the oxygen concentration in the exhaust flowing in decreases. comprising a the NO X storage reduction catalyst that, the,
The storage reduction means further includes an exhaust purification device for an internal combustion engine that reduces the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst when NO x absorbed from the NO x storage reduction catalyst is to be released.
前記機関のリーン空燃比運転中に前記NOThe NO during the lean air-fuel ratio operation of the engine XX 吸蔵還元触媒から吸収したNONO absorbed from the storage reduction catalyst XX を放出させるべきときに短時間機関の運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なう手段を備え、リッチスパイク操作時に前記ストレージ低減手段により前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減する請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。For reducing the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst by the storage reduction means during the rich spike operation. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 1. 必要に応じてリーン空燃比運転を行なう内燃機関の排気浄化装置であって、An exhaust purification device for an internal combustion engine that performs lean air-fuel ratio operation as required,
機関排気通路に配置されたOO placed in the engine exhaust passage 22 ストレージ機能を有する排気浄化触媒と、An exhaust purification catalyst having a storage function;
前記排気浄化触媒下流側の排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のNONO in the exhaust when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust disposed in the exhaust passage downstream of the exhaust purification catalyst is a lean air-fuel ratio XX を吸収し流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収したNONO absorbed when the oxygen concentration in the exhaust gas XX を放出するNONO release XX 吸蔵還元触媒と、An occlusion reduction catalyst;
機関のリーン空燃比運転中に前記NONO during engine lean air-fuel ratio operation XX 吸蔵還元触媒から吸収したNONO absorbed from the storage reduction catalyst XX を放出させるべきときに短時間機関の運転空燃比をリッチ空燃比に切り換えるリッチスパイク操作を行なう手段と、Means for performing a rich spike operation for switching the operating air-fuel ratio of the engine to a rich air-fuel ratio for a short time when
前記リッチスパイク操作開始直後の所定期間前記排気浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチスパイク操作中の空燃比より更にリッチにすることにより、排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を低減するストレージ低減手段と、Storage reduction means for reducing the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst by making the exhaust air / fuel ratio flowing into the exhaust purification catalyst for a predetermined period immediately after the start of the rich spike operation further richer than the air / fuel ratio during the rich spike operation When,
を備えた内燃機関の排気浄化装置。An exhaust purification device for an internal combustion engine, comprising:
前記ストレージ低減手段は、前記機関の運転状態に基づいて前記排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を推定するストレージ推定手段を備え、推定した貯蔵酸素量に応じて前記酸素量低減操作を行なう請求項1から3のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。The storage reduction means includes storage estimation means for estimating an oxygen amount stored in the exhaust purification catalyst based on an operating state of the engine, and performs the oxygen amount reduction operation according to the estimated stored oxygen amount. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3. 前記ストレージ推定手段は、前記機関の運転状態に加えて前記排気浄化触媒の劣化状態に基づいて排気浄化触媒に貯蔵された酸素量を推定する請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to claim 4, wherein the storage estimation means estimates the amount of oxygen stored in the exhaust gas purification catalyst based on a deterioration state of the exhaust gas purification catalyst in addition to an operating state of the engine.
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