JP3899775B2

JP3899775B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3899775B2
Application number: JP2000106044A
Authority: JP
Inventors: 彰田山; 俊一椎野; 要長沼; 博文土田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: JP2001289094A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に搭載される内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン始動直後に排出される排気ガス中の還元剤成分（ＨＣ、ＣＯ）の浄化と、エンジンをリーン空燃比で運転するときに排出される排気ガス中のＮＯｘの浄化とを両立させるため、エンジン始動後速やかに活性温度に達する始動用触媒を上流側に配設し、空燃比リーンな排気ガス中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤を始動用触媒の下流側に配設する排気浄化装置が公知（例えば特開平１１−６２５６３号公報）である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような装置に使用される始動用触媒としては、アルミナをコーティングしたハニカム状の担体に白金系貴金属を担持したものが一般的である。
【０００４】
このような触媒は、流入する排気ガスの空燃比かリーン空燃比であるときに排気ガス中の酸素をトラップして保持する機能を備えており、この酸素保持機能は触媒の酸化機能を安定化させるのに非常に有効に働くが、下流側に配設したＮＯｘ吸収剤に還元剤成分を供給しようとするときにはこの酸素保持機能が邪魔になる。
【０００５】
すなわち、リーン運転の継続によってＮＯｘ吸収剤にある程度のＮＯｘが吸収されると、ＮＯｘ吸収剤に還元剤成分を供給して吸収ＮＯｘを還元し、ＮＯｘ吸収剤を再生するのであるが、このとき始動用触媒には多くの酸素が保持されており、始動用触媒がこの保持酸素を使ってＮＯｘ吸収剤に供給されるべき還元剤成分を酸化してしまうので、始動用触媒の保持酸素量が０になるまではＮＯｘ吸収剤に還元剤成分が届かない。よって、ＮＯｘ吸収剤の再生に要する時間が長くなり、リーン空燃比運転を行なえる時間が短くなる分だけ燃費を悪化させるという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明では、
機関の排気通路に配設され、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中の酸素をトラップして保持する機能を備え、保持可能な酸素量が雰囲気の酸素濃度に応じて変化する上流側触媒と、
この上流側触媒の下流の排気通路に配設され、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していたＮＯｘを排気ガス中の還元剤成分で還元する機能を備える下流側触媒と、
この下流側触媒が保持しているＮＯｘを還元すべきときに、前記上流側触媒に流入する排気ガスを、機関の燃焼室内に圧縮行程後半に燃焼室内全体として理論空燃比相当量の燃料を噴射して点火栓の近傍に理論空燃比よりリッチな混合気層を形成し、その周囲に燃料がほとんど存在しないリーン混合気層を形成し、この混合気形態で燃焼を行わせることでリーン混合気層の酸素を未反応のまま残すとともに、膨張行程〜排気行程に燃料を追加噴射することにより、空燃比がリッチ空燃比であって酸素濃度が酸素濃度に対する前記上流側触媒の保持可能酸素量が飽和に達する所定酸素濃度より高い状態に制御する制御手段と、
を備える構成とした。
所定酸素濃度としては、酸素濃度に対する前記上流側触媒の保持可能酸素量が飽和に達する酸素濃度（図１のＡ点）とすれば良い。
【０００７】
【発明の作用および効果】
普通排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にしようとすると、排気ガスの酸素濃度は極めて低くなってしまうので、そのような排気ガスが上流側触媒に流入すると、上流側触媒に保持されていた全ての酸素が放出される状態となり、前述のような問題が発生する。
【０００８】
一方、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にする際の燃料噴射を工夫すると、空燃比をリッチ空燃比としつつ酸素濃度を比較的高く保つことが可能であり、そのような排気ガスを上流側触媒に流入させれば、上流側触媒からの酸素放出を抑制することができ、結果として下流側触媒の再生に要する時間を短くすることができる。
【０００９】
なお、リッチ空燃比かつ高酸素濃度の排気ガスを上流側触媒に流入させても、触媒内で排気ガス中の酸素と還元剤成分とが反応するため、触媒の下流側ほど排気ガスの酸素濃度が低下することになる。よって、触媒の下流側では保持酸素の放出を回避することが出来ない。すなわち、本発明の構成によっても、上流側触媒に保持されている酸素を全く放出させないようにするのは不可能であり、再生制御の開始直後は下流側触媒に還元剤成分が届かない時間帯が発生する。しかしながら、リッチ空燃比かつ酸素濃度０の排気ガスによって下流側触媒の再生を行なうよりはそのような時間を短くすることができる。
【００１０】
本明細書で使用する「排気ガスの空燃比」は、吸入空気量と上流側触媒より上流側に供給された燃料の総量との比を意味する。例えば、通常の燃料供給に加えて機関の膨張〜排気行程で燃焼室に追加の燃料供給を行なったり、排気通路へ追加の燃料供給を行なったりした場合、吸入空気量／（通常燃料供給量＋追加燃料供給量）によって求められる空燃比である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（実施の形態）
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図２は、本発明の実施の形態の構成を示すものである。エンジン１の排気管２内には上流側触媒３が設けられており、その下流側には、下流側触媒４が設置されている。吸気管５には燃料噴射弁６が設置されており、吸入空気とともに混合気を形成してエンジン１で燃焼するものである。またこの燃料噴射は、吸気管５の上流部に設置された吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ７と、エンジン１の回転数Ｎｅを検出するクランク角センサ８の出力に基づき、コントロールユニット（ＥＣＵ）９において基本燃料噴射パルス幅が演算され、これに目標空燃比等の各種補正を行なった結果により燃料噴射するものである。またＥＣＵ９にはアクセル開度も入力され、これからエンジン負荷Ｌを算出し、電制スロットルチャンバー１０を駆動する。
【００１２】
上流側触媒３としては、例えばアルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｂ等の貴金属とセリウムＣｅとを担持したものであり、排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるとき、排気ガス中の酸素をトラップして保持し、リッチ空燃比であるとき流入する排気ガス中の還元剤成分を保持していた酸素で酸化する機能（酸素保持機能）を備えている。
【００１３】
保持可能な酸素量は雰囲気の酸素濃度に応じて変化し、濃度が高いほど保持可能な量が増加するが、ある程度（Ａ点）以上では飽和に達する。
【００１４】
下流側触媒４としては、例えばアルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を担持した触媒をベースに、バリウムＢａで代表されるアルカリ土類、セシウムＣｓで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも１つの成分を担持して構成されるものであり、この下流側触媒４は排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるとき排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、リッチ空燃比であるとき排気ガス中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２）により保持していたＮＯｘを還元浄化する機能を有するものである。
【００１５】
この作動を図３と図８のフローチャートで説明する。図３では目標空燃比の設定と下流側触媒４の再生処理の動作を説明する。本ルーチンは例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行されるものである。
【００１６】
Ｓ１でリッチスパイクフラグＦＲＳが１であるか否かを判定する。ＦＲＳは下流側触媒４に所定以上のＮＯｘが保持され、リッチ空燃比を与えてＮＯｘの還元浄化が必要と判定された場合にＦＲＳ＝１にセットされ、ＦＲＳ＝１の期間は目標空燃比をリッチにするものである。従ってＦＲＳ≠１（ＦＲＳ＝０）の時はリーン空燃比でエンジンを運転しても良いことを示している。Ｓ１でＦＲＳ≠１（ＦＲＳ＝０）と判定された場合は、Ｓ２に進み、エンジン負荷Ｌとエンジン回転数Ｎｅから目標空燃比ＴＦＢＹＡを求める。（マップは図４参照）
【００１７】
Ｓ３では、リーン運転かを判定する。すなわちＳ２で求めたＴＦＢＹＡが１．０未満かを判定する。
【００１８】
リーンでエンジンを運転する場合には、エンジンから排出されたＮＯｘは下流側触媒４にトラップされるため、Ｓ４〜Ｓ７でＮＯｘの保持量の推定とリッチスパイクによるＮＯｘの還元処理の必要性を判断する。
【００１９】
Ｓ３でリーン運転である判定した場合、Ｓ４に進み、エンジン負荷Ｌとエンジン回転数ＮｅからＮＯｘ排出濃度ＣＮＯｘをマップから検索する。（マップは図５参照）
【００２０】
このマップはあらかじめ実験で求めたものである。Ｓ５で下流側触媒４でのＮＯｘ保持量ＴＮＯｘを計算するが、これはこれまでのＴＮＯｘに、ＮＯｘ排出濃度ＣＮＯｘと吸入空気量Ｑａを乗じ、さらに定数Ｋ１を乗じた値を加算することで求める。
Ｋ１は単位換算のための定数である。
【００２１】
Ｓ６ではＮＯｘ保持量ＴＮＯｘが所定量ＴＮＯｘ０より多くなったか否かを判定する。この所定量ＴＮＯｘ０は、あらかじめ実験的に求めた、下流側触媒４の飽和ＮＯｘ保持量のある割合（例えば１／２程度）とするものであり、触媒劣化に伴って減少させることも有効である。ＴＮＯｘ＞ＴＮＯｘ０となるとＳ７に進み、リッチスパイクフラグＦＲＳを１にセットし、リッチスパイクによる下流側触媒４の再生処理に移行する。
ＦＲＳ＝１なのでＳ１の判定によりＳ８へ進むことになる。
【００２２】
Ｓ８ではエンジン負荷Ｌとエンジン回転数Ｎｅから下流側触媒４の触媒温度Ｔｃａｔの推定値をマップから検索する。（マップは図６参照）Ｓ９でのＮＯｘ放出濃度ＲＮＯｘを求める。リッチスパイク時のＮＯｘ放出濃度ＲＮＯｘは触媒温度Ｔｃａｔとその時のＮＯｘ保持量ＴＮＯｘによって変化するため、あらかじめ実験で求めたマップから検索する。（マップは図７参照）
【００２３】
Ｓ１０では、このＲＮＯｘ還元浄化に必要な分の空燃比ＴＦＢＹＡＲＮＯｘを次式で計算する。
ＴＦＢＹＡＲＮＯｘ＝１＋Ｋ３・ＲＮＯｘ
ここで、１は理論空燃比の分であり、Ｋ３・ＲＮＯｘが放出ＮＯｘの還元浄化に必要な空燃比の分である。Ｋ３はＮＯｘ濃度を空燃比に換算するための定数である。Ｓ１１では供給した還元剤のＮＯｘ還元浄化に使用される効率を考慮して、過剰の還元成分を供給するために、Ｓ１０で計算した必要な空燃比にある割合（フローチャートの中では１．２と記述）を乗じた空燃比ＴＦＢＹＡを計算する。次に図Ｓ１２ではＮＯｘの放出によるＮＯｘ保持量ＴＮＯｘの変化を計算する。ＴＮＯｘは、これまでのＴＮＯｘから、Ｓ９で求めた放出されるＮＯｘ濃度ＲＮＯｘに吸入空気量Ｑａを乗じ、さらに定数Ｋ１を乗じた値を減算することで求める。Ｓ１３でこの計算したＴＮＯｘが０より低いか否かを判定し、低い場合はリッチスパイクを終了する。この場合Ｓ１４でＴＮＯｘ＝０とすることで、ＴＮＯｘの値が０より低くならないように制限している。Ｓ１５ではリッチスパイクフラグを０に戻し、リッチスパイクを終了する。
【００２４】
以上説明したルーチンで、リッチスパイク中とリーン運転中のＴＦＢＹＡを求めるのであるが、実際の燃料噴射量Ｔｉと噴射時期ＩＴ、吸入空気量Ｑの制御について図８のフローチャートで説明する。
【００２５】
Ｓ１６でアクセルポジションＡｐｓから必要トルクＴＴＣをマップから演算し、必要トルクＴＴＣを発生させるための吸入空気量Ｑを目標空燃比ＴＦＢＹＡと機関効率ＩＴＡを考慮して演算する。リッチスパイク時は機関効率ＩＴＡと燃料噴射時期の設定が異なるため、Ｓ１７ではリッチスパイクフラグＦＲＳが１であるか否かを判定する。ＦＲＳ≠１（ＦＳＲ＝０）と判定された場合は、Ｓ１８に進み、図３のフローチャートで求められたＴＦＢＹＡのうち燃焼トルクに変換されるＴＦＢＹＡ１とトルクに変換されないＴＦＢＹＡ２を求めるが、Ｓ１８では通常運転のため、ＴＦＢＹＡ１＝ＴＦＢＹＡ、ＴＦＢＹＡ２＝０となる。ＴＦＢＹＡ１とエンジン回転数Ｎｅに応じて、機関効率ＩＴＡをＳ１９で、燃料噴射時期ＩＴ１をＳ２０でマップから演算する。
【００２６】
Ｓ１７でＦＲＳ＝１でリッチスパイクを実行する場合は、Ｓ２１に進み、図３のフローチャートで求められたＴＦＢＹＡから、圧縮行程後半に噴射する燃料分のＴＦＢＹＡ１と膨張〜排気行程に噴射する燃料分のＴＦＢＹＡ２とを算出する。
【００２７】
ここでは、ＴＦＢＹＡ１を理論空燃比相当値である１とし、ＴＦＢＹＡ−１をＴＦＢＹＡ２とする。理論空燃比相当の燃料を吸気行程で噴射した場合、燃焼室内には均質な混合気が形成され、この混合気が燃焼した後の排気ガスの酸素濃度は極めて低くなる。一方、理論空燃比相当の燃料を圧縮行程後半で噴射すると、点火栓の近傍に理論空燃比よりリッチな混合気層を形成し、その周囲に燃料がほとんど存在しない層を形成することが可能である。このような混合気形態で燃焼を行なうと、リーン混合気層の酸素を未反応のまま残すことができるので、排気ガスの空燃比を理論空燃比としつつ排気ガスの酸素濃度を比較的高く保つことができる。さらに、このような混合気形態で燃焼を行なった後の膨張〜排気行程に追加燃料を噴射すれば、排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチな空燃比としつつ排気ガスの酸素濃度を比較的高く保つことができる。
【００２８】
Ｓ２２では、圧縮行程後半に噴射した理論空燃比相当分の燃料の全てが燃焼してエンジンのトルクになるのではないことを考慮して機関効率ＩＴＡを算出し、Ｓ２３では圧縮行程後半の燃料噴射時期ＩＴ１と膨張〜排気行程の燃料噴射時期ＩＴ２とを算出する。
【００２９】
次にＳ２４では必要トルクＴＴＣを発生させるのに必要な吸入空気量Ｑを（１）式で求め、この吸入空気量Ｑになるように電制スロットルを駆動する。
Ｑ＝ＴＴＣ／ＴＦＢＹＡ１／ＩＴＡ・・・（１）
【００３０】
Ｓ２５ではトルクに変換される燃料量Ｔｉ１とトルクに変換されないＴｉ２を吸入空気量Ｑａ／回転数Ｎｅに基づいて計算される基本燃料噴射パルス幅ＴｐにＴＦＢＹＡを乗じた量を演算し、噴射する。すなわち、燃料噴射パルス幅Ｔｉは次式で計算される。
Ｔｉｎ＝Ｔｐ・ＴＦＢＹＡｎ＋Ｔｓ
ここで、Ｔｓは無効噴射パルス幅である。（ｎは１と２）
【００３１】
以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】触媒の酸素貯蔵量を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明のフローチャートその１を示す図である。
【図４】目標空燃比マップを示す図である。
【図５】ＮＯｘ排出濃度マップを示す図である。
【図６】触媒温度予測マップを示す図である。
【図７】ＮＯｘ浄化度マップを示す図である。
【図８】本発明のフローチャートその２を示す図である。
【符号の説明】
１エンジン
２排気管
３上流側触媒
４下流側触媒
５吸気管
６燃料噴射弁
７エアフローメータ
８クランク角センサ
１０電制スロットルチャンバー

Claims

機関の排気通路に配設され、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中の酸素をトラップして保持する機能を備え、保持可能な酸素量が雰囲気の酸素濃度に応じて変化する上流側触媒と、
この上流側触媒の下流の排気通路に配設され、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中のＮＯｘをトラップして保持し、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに保持していたＮＯｘを排気ガス中の還元剤成分で還元する機能を備える下流側触媒と、
この下流側触媒が保持しているＮＯｘを還元すべきときに、前記上流側触媒に流入する排気ガスを、機関の燃焼室内に圧縮行程後半に燃焼室内全体として理論空燃比相当量の燃料を噴射して点火栓の近傍に理論空燃比よりリッチな混合気層を形成し、その周囲に燃料がほとんど存在しないリーン混合気層を形成し、この混合気形態で燃焼を行わせることでリーン混合気層の酸素を未反応のまま残すとともに、膨張行程〜排気行程に燃料を追加噴射することにより、空燃比がリッチ空燃比であって酸素濃度が酸素濃度に対する前記上流側触媒の保持可能酸素量が飽和に達する所定酸素濃度より高い状態に制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。