JP4389141B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に少なくともＮＯｘ吸蔵還元型の触媒を設置した内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の燃費向上等を目的として、空燃比をストイキ（理論空燃比）よりもリーン側に制御するいわゆるリーンバーンエンジンや筒内噴射エンジンが実用化されている。これらのエンジンでは、通常のエンジンよりもＮＯｘ（窒素酸化物）の発生量が多くなるため、ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒（以下「ＮＯｘ触媒」という）を採用して、ＮＯｘ排出量を低減するようにしたものがある。このＮＯｘ触媒は、排出ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチ（又はストイキ）になったときに吸蔵ＮＯｘを還元浄化してパージ（放出）する。従って、リーン運転が長く続くような場合は、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が飽和するのを防止するため、リーン運転中に間欠的に目標空燃比をリッチに切り換えてＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘをパージするＮＯｘパージ制御（ＮＯｘ還元浄化制御）を実施するようにしている。
【０００３】
更に、最近では、排出ガス浄化率を高めるために、特開平１１−６２６６６号公報に示すように、ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒を設置したものがある。この公報のシステムでは、ＮＯｘパージ制御中に、ＮＯｘ触媒下流側の空燃比を空燃比センサで検出して、ＮＯｘパージ制御開始後にＮＯｘ触媒下流側の空燃比がストイキ近傍に維持されている時間とその後のリッチ状態に維持されている時間を測定して、その測定結果からＮＯｘパージ制御のリッチレベル（目標空燃比のリッチ度合）とその継続時間を学習補正するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ触媒の上流側に設置した三元触媒には、排出ガス中の酸素を吸蔵する能力があるため、ＮＯｘパージ制御開始後、暫くは、排出ガス中のリッチ成分（ＨＣ、ＣＯ等）が三元触媒の吸蔵酸素と反応して消費され、その下流側のＮＯｘ触媒には、十分なリッチ成分が供給されないが、ＮＯｘパージ制御開始直後からＮＯｘ触媒に流入する排出ガス中の酸素濃度（リーン成分濃度）がリーン運転中よりも低下するため、ＮＯｘ触媒からリーン成分であるＮＯｘが離脱し始める。しかし、上述したように、ＮＯｘパージ制御開始後、暫くは、ＮＯｘ触媒に、吸蔵ＮＯｘの還元剤となるリッチ成分が十分に供給されないため、ＮＯｘ触媒から離脱するＮＯｘが十分に還元浄化されずに排出されてしまう。従って、ＮＯｘパージ制御開始後に、三元触媒の吸蔵酸素をできるだけ早期に消費してＮＯｘ触媒に早期に十分なリッチ成分を供給するためには、ＮＯｘパージ制御のリッチレベルをある程度大きくする必要がある。
【０００５】
しかし、リッチレベルを大きくした状態で、ＮＯｘ触媒下流側の空燃比がリッチに切り換わったときに、ＮＯｘパージ制御を終了すると、その終了時点で、ＮＯｘ触媒下流側の空燃比センサからエンジンの燃焼室までの排気通路内に多量のリッチ成分が残ってしまい、その多量のリッチ成分が２つの触媒で消費されずに大気中に排出されてしまう。その結果、ＮＯｘパージ制御終了直後の排気エミッションが悪化してしまう。
【０００６】
この対策として、前述した特開平１１−６２６６６号公報では、ＮＯｘパージ制御開始時にリッチレベルを最大にして時間の経過と共にリッチレベルを低下させるようにしている。しかし、前述したように、ＮＯｘ触媒の上流側に三元触媒を設置した構成では、ＮＯｘパージ制御開始後、暫くは、排出ガス中のリッチ成分（ＨＣ、ＣＯ等）が三元触媒の吸蔵酸素と反応して消費されるため、ＮＯｘパージ制御中のリッチレベルの低下速度を速くすると、初期にＮＯｘ触媒から離脱するＮＯｘが十分に還元浄化されずに排出されてしまう可能性がある。その反対に、ＮＯｘパージ制御中のリッチレベルの低下速度を遅くすると、ＮＯｘパージ制御終了直後に過剰なリッチ成分が排出されてしまう可能性がある。
【０００７】
そこで、前述した特開平１１−６２６６６号公報では、ＮＯｘパージ制御開始後にＮＯｘ触媒下流側の空燃比センサの出力がストイキ近傍に維持されている時間とその後のリッチ状態に維持されている時間を測定して、その測定結果からＮＯｘパージ制御開始時の最大リッチレベルとリッチレベルの低下速度を学習補正するようにしている。
【０００８】
しかし、三元触媒の酸素吸蔵量とＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量との関係は、複雑に変化する。例えば、ＮＯｘパージ制御開始時の運転条件が同じでも、それ以前の運転条件が異なれば、三元触媒の酸素吸蔵量とＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量との関係が異なってくる。また、各触媒の酸素吸蔵量やＮＯｘ吸蔵量は、各触媒の劣化度合によっても変化してくる。従って、ＮＯｘパージ制御中のリッチレベルを正確に学習補正するためには、三元触媒の酸素吸蔵量とＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量を正確に推定する必要があるが、ＮＯｘ触媒下流側の空燃比センサの出力に基づいて三元触媒の酸素吸蔵量とＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定してリッチレベルを正確に学習補正することは不可能である。従って、ＮＯｘ触媒下流側の空燃比センサの出力に基づく学習補正では、ＮＯｘパージ制御時にリッチ成分供給量に過不足が生じてしまい、一時的に排気エミッションが悪化することは避けられない。
【０００９】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、ＮＯｘパージ制御時に三元触媒とＮＯｘ触媒の状態や運転条件等の影響を受けずに両触媒にリッチ成分を過不足なく供給することができて、排気エミッションを低減することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置は、上流側触媒として三元触媒を用い、下流側触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型の触媒（ＮＯｘ触媒）を用いると共に、三元触媒の下流側とＮＯｘ触媒の下流側に、それぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン又はガス成分濃度を検出するセンサを設置し、ＮＯｘパージ制御手段によって、目標空燃比をリッチ度合の大きい第１のリッチレベルに設定してＮＯｘパージ制御を開始し、ＮＯｘパージ制御の途中で、三元触媒の下流側のセンサの出力に基づいて目標空燃比を前記第１のリッチレベルよりもリッチ度合の小さい第２のリッチレベルに切り換えるようにしたものである。
【００１１】
この構成では、ＮＯｘパージ制御開始後、暫くは、目標空燃比をリッチ度合の大きい第１のリッチレベルに維持して、三元触媒に対して多量のリッチ成分を供給して三元触媒の吸蔵酸素を速やかにパージする。これにより、三元触媒の吸蔵酸素が残り少なくなると、三元触媒を通過してＮＯｘ触媒に供給されるリッチ成分（ＨＣ、ＣＯ等）の濃度が増加し始め、それに伴って、三元触媒下流側のセンサの出力がストイキ近傍からリッチ側に変化する。この特性から、三元触媒下流側のセンサの出力に基づいて三元触媒へのリッチ成分供給量が増加し始める時期を判定し、その時期に、目標空燃比を前記第１のリッチレベルよりもリッチ度合の小さい第２のリッチレベルに切り換えることで、ＮＯｘ触媒へのリッチ成分供給量が過剰になるのを防止しながら、ＮＯｘ触媒に適量のリッチ成分を供給してＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘをパージすることができる。
【００１２】
更に、請求項２のように、ＮＯｘ触媒下流側のセンサの出力に基づいてＮＯｘパージ制御の終了時期を判定するようにすると良い。つまり、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が残り少なくなると、ＮＯｘ触媒を通過するリッチ成分の濃度が増加し、それに伴って、ＮＯｘ触媒下流側のセンサの出力がストイキ近傍からリッチ側に変化する。この特性から、ＮＯｘ触媒下流側のセンサの出力に基づいてＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘがほぼ無くなる時期（ＮＯｘ触媒の状態がストイキ付近に回復する時期）を判定し、その時期にＮＯｘパージ制御を終了して、通常のリーン運転に戻る。
【００１３】
このように、ＮＯｘ触媒下流側のセンサの出力に基づいてＮＯｘパージ制御の終了時期を判定して、ＮＯｘパージ制御を終了しても、その終了時に排気通路中に存在するリッチガス成分が多いと、そのリッチガス成分が大気中に排出されることで排気エミッションが悪化してしまう。しかし、本発明では、ＮＯｘパージ制御の途中で、目標空燃比を第１のリッチレベルよりもリッチ度合の小さい第２のリッチレベルに切り換えるため、ＮＯｘパージ制御を終了するときに、排気通路中に存在するリッチガス成分を低減することができ、大気中に排出されるエミッションを低減することができる。
【００１４】
この場合、請求項３のように、ＮＯｘパージ制御中にＮＯｘ触媒の下流側のセンサの出力がストイキ近傍からリッチ側に変化したときにＮＯｘパージ制御を終了するようにすると良い。このようにすれば、ＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘのパージがほぼ終了したことを確認してＮＯｘパージ制御を最も適切な時期に終了することができる。
【００１５】
また、請求項４のように、ＮＯｘパージ制御中に三元触媒の下流側のセンサの出力がストイキ近傍からリッチ側に変化したときに目標空燃比を第１のリッチレベルから第２のリッチレベルに切り換えるようにすると良い。このようにすれば、三元触媒の吸蔵酸素のパージがほぼ終了したことを確認して目標空燃比を最も適切な時期に第２のリッチレベルに切り換えることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をリーンバーンエンジンに適用した一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、スロットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。
【００１７】
更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。
【００１８】
一方、エンジン１１の排気管２１（排気通路）の途中には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒２２とＮＯｘ触媒２３（ＮＯｘ吸蔵還元型の触媒）が直列に設置されている。この場合、ＮＯｘ触媒２３の上流側に配置された三元触媒２２は、始動時に早期に暖機が完了して始動時の排気エミッションを低減するように比較的小容量に形成されている。一方、下流側のＮＯｘ触媒２３は、排出ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチ（又はストイキ）になったときに吸蔵ＮＯｘを還元浄化して放出する。このＮＯｘ触媒２３は、排出ガス中のＮＯｘ量が多くなる高負荷域でも、ＮＯｘを十分に吸蔵できるように比較的大容量に形成されている。
【００１９】
また、三元触媒２２の上流側には、排出ガスの空燃比に応じたリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ２４（Ａ／Ｆセンサ）が設けられ、三元触媒２２の下流側とＮＯｘ触媒２３の下流側には、それぞれ排出ガスの空燃比がストイキ（理論空燃比）に対してリッチかリーンかによって出力電圧が反転する酸素センサ２５，２６が設けられている。以下、三元触媒２２の下流側の酸素センサ２５を第１の酸素センサ２５と呼び、ＮＯｘ触媒２３の下流側の酸素センサ２６を第２の酸素センサ２６と呼ぶ。
【００２０】
尚、三元触媒２２の上流側に空燃比センサ２４の代わりに酸素センサを設けても良く、また、三元触媒２２の下流側及び／又はＮＯｘ触媒２３の下流側に、酸素センサ２５の代わりに空燃比センサ設けても良く、或は、ＨＣ、ＣＯ等のガス成分濃度を検出するガスセンサ等を設けても良い。
【００２１】
また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２７や、エンジン回転速度を検出するクランク角センサ２８が取り付けられている。
【００２２】
これら各種のセンサ出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２９に入力される。このＥＣＵ２９は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された図２のＮＯｘパージ制御プログラムを実行することで、特許請求の範囲でいうＮＯｘパージ制御手段としての役割を果たす。
【００２３】
図２のＮＯｘパージ制御プログラムが起動されると、まずステップ１０１で、ＮＯｘパージ制御実行条件が成立しているか否かを判定する。ここで、ＮＯｘパージ制御実行条件の判定は、リーン運転中にＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量が飽和する前にＮＯｘパージ制御が実施されるように、例えば、リーン運転時間がＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量が飽和しない範囲で設定された所定時間を経過したか否かによって判定すれば良い。この際、エンジン運転条件に応じて排出ガス中のＮＯｘ濃度が変化してＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量の増加率が変化することを考慮して、ＮＯｘパージ制御を開始するまでのリーン運転時間（所定時間）をエンジン運転条件（例えばエンジン回転速度、吸気管圧力、吸入空気量、目標空燃比等）に応じて変化させるようにしても良い。
【００２４】
そして、ＮＯｘパージ制御実行条件が成立した時点で、ステップ１０１からステップ１０２に進み、図３に示すように、目標空燃比をリッチ度合の大きい第１のリッチレベルに切り換えて、次式により燃料噴射量ＴＡＵを算出し（ステップ１０３）、ＮＯｘパージ制御を開始する。
ＴＡＵ＝ＴＰ×ＬＦＡＦ×ＦＡＬＬ×Ｋ1
【００２５】
ここで、ＴＰは基本噴射量であり、現在のエンジン回転速度と吸気管圧力に応じてマップ等により算出される。ＬＦＡＦはリーン運転時の空燃比補正係数、ＦＡＬＬは水温補正係数等の他の補正係数である。Ｋ1 は、排出ガスの空燃比を第１のリッチレベルにリッチ化するための第１の燃料増量係数であり、後述する第２の燃料増量係数Ｋ2 よりも大きな値に設定されている。これにより、ＮＯｘパージ制御開始時の燃料噴射量ＴＡＵは大幅に増量され、ＨＣ、ＣＯ等のリッチ成分を多量に含む排出ガスがエンジン１１から排出される。
【００２６】
ＮＯｘパージ制御開始後、リッチ化された排出ガスが三元触媒２２を通過し始めると、図３に示すように、三元触媒２２の下流側の第１の酸素センサ２５の出力がストイキ近傍まで変化する。つまり、ＮＯｘパージ制御開始後、三元触媒２２の吸蔵酸素がある程度残っている間は、排出ガス中のリッチ成分（ＨＣ、ＣＯ等）が三元触媒２２の吸蔵酸素と反応して消費されるため、三元触媒２２から流出する排出ガスの空燃比はストイキ近傍となる。その結果、ＮＯｘパージ制御開始後、三元触媒２２の吸蔵酸素が残り少なくなるまでの間は、三元触媒２２の下流側の第１の酸素センサ２５の出力がストイキ近傍に維持される。
【００２７】
この期間中は、ステップ１０３で、第１の酸素センサ２５の出力がストイキ近傍からリッチに変化したか否かを判定し、第１の酸素センサ２５の出力がストイキ近傍であれば、目標空燃比をリッチ度合の大きい第１のリッチレベルに維持して、三元触媒２２に対して多量のリッチ成分を供給して三元触媒２２の吸蔵酸素を速やかにパージする。
【００２８】
これにより、三元触媒２２の吸蔵酸素が残り少なくなると、三元触媒２２を通過してＮＯｘ触媒２３に供給されるリッチ成分の濃度が増加し始め、それに伴って、図３に示すように、三元触媒２２の下流側の第１の酸素センサ２５の出力がストイキ近傍からリッチ側に変化する。
【００２９】
そして、第１の酸素センサ２５の出力がストイキ近傍からリッチ側に変化した時点で、ステップ１０３からステップ１０４に進み、図３に示すように、目標空燃比を第１のリッチレベルよりもリッチ度合の小さい第２のリッチレベルに切り換えて、次式により燃料噴射量ＴＡＵを算出し（ステップ１０４）、ＮＯｘパージ制御を続行する。
ＴＡＵ＝ＴＰ×ＬＦＡＦ×ＦＡＬＬ×Ｋ2
【００３０】
ここで、Ｋ2 は、排出ガスの空燃比を第２のリッチレベルにリッチ化するための第２の燃料増量係数であり、前述した第１の燃料増量係数Ｋ1 よりも小さい値に設定されている。これにより、燃料噴射量ＴＡＵの増量度合をＮＯｘパージ制御開始時よりも小さくして、リッチ成分量がＮＯｘパージ制御開始時よりも少ない排出ガスがエンジン１１から排出される。これにより、ＮＯｘ触媒２３へのリッチ成分供給量が過剰になるのを防止しながら、ＮＯｘ触媒２３に適量のリッチ成分を供給してＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘをパージする。
【００３１】
この期間中は、ステップ１０５で、第２の酸素センサ２６の出力がストイキ近傍からリッチに変化したか否かを判定し、第２の酸素センサ２６の出力がストイキ近傍であれば、目標空燃比を第１のリッチレベルよりもリッチ度合の小さい第２のリッチレベルに維持して、ＮＯｘ触媒２３の吸蔵ＮＯｘをパージする。これにより、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ吸蔵量が残り少なくなると、ＮＯｘ触媒２３を通過するリッチ成分の濃度が増加し、それに伴って、ＮＯｘ触媒２３の下流側の第２の酸素センサ２６の出力がストイキ近傍からリッチ側に変化する。
【００３２】
そして、第２の酸素センサ２６の出力がストイキ近傍からリッチ側に変化した時点で、ＮＯｘパージ制御を終了し、図３に示すように、目標空燃比を第２のリッチレベルからリーン運転時の目標空燃比に切り換えて、前述した処理を繰り返す。
【００３３】
以上説明した本実施形態では、ＮＯｘパージ制御開始時に目標空燃比をリッチ度合の大きい第１のリッチレベルに設定してＮＯｘパージ制御を開始し、ＮＯｘパージ制御の途中で、三元触媒２２の下流側の第１の酸素センサ２５の出力がストイキ近傍からリッチ側に変化したときに目標空燃比を第１のリッチレベルよりもリッチ度合の小さい第２のリッチレベルに切り換えてＮＯｘパージ制御を続行し、ＮＯｘ触媒２３の下流側の第２の酸素センサ２６の出力がストイキ近傍からリッチ側に変化したときにＮＯｘパージ制御を終了するようにしたので、ＮＯｘパージ制御時に三元触媒２２とＮＯｘ触媒２３の状態や運転条件等の影響を受けずに両触媒２２，２３にリッチ成分を過不足なく供給することができて、排気エミッションを低減することができる。
【００３４】
尚、本実施形態では、ＮＯｘパージ制御時に、排出ガスの空燃比を第１のリッチレベルにリッチ化するための第１の燃料増量係数Ｋ1 と、排出ガスの空燃比を第２のリッチレベルにリッチ化するための第２の燃料増量係数Ｋ2 を用いて、燃料噴射量ＴＡＵを算出するようにしたが、ＮＯｘパージ制御中に、三元触媒２２の上流側の空燃比センサ２４で検出した実空燃比と目標空燃比（第１のリッチレベル又は第２のリッチレベル）との偏差に基づいて空燃比補正係数ＦＡＦを算出し、この空燃比補正係数ＦＡＦとその他の補正係数ＦＡＬＬを基本噴射量ＴＰに乗算して燃料噴射量ＴＡＵを求めるようにしても良い。
ＴＡＵ＝ＴＰ×ＦＡＦ×ＦＡＬＬ
【００３５】
尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、排気管２１に３個以上の触媒を設置しても良く、要は、少なくとも１つの触媒をＮＯｘ触媒とし、その上流側の触媒を三元触媒とした構成とすれば良い。
【００３６】
その他、本発明は、リーンバーンエンジンの他に、筒内噴射エンジン等、空燃比をリーンに制御するエンジンに適用して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】ＮＯｘパージ制御プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図３】ＮＯｘパージ制御時の目標空燃比、第１の酸素センサ出力、第２の酸素センサ出力の挙動を示すタイムチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、２０…燃料噴射弁、２１…排気管（排気通路）、２２…三元触媒、２３…ＮＯｘ触媒、２４…空燃比センサ、２５…第１の酸素センサ、２６…第２の酸素センサ、２９…ＥＣＵ（ＮＯｘパージ制御手段）。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に少なくとも２つの触媒を直列に設置した内燃機関の排気浄化装置において、
   上流側触媒として三元触媒を用い、下流側触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型の触媒（以下「ＮＯｘ触媒」という）を用い、
   前記三元触媒の下流側と前記ＮＯｘ触媒の下流側にそれぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン又はガス成分濃度を検出するセンサを設置し、
   リーン運転中に一時的に目標空燃比をリッチに切り換えて前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘをパージするＮＯｘパージ制御を実施するＮＯｘパージ制御手段を備え、
   前記ＮＯｘパージ制御手段は、目標空燃比をリッチ度合の大きい第１のリッチレベルに設定してＮＯｘパージ制御を開始し、ＮＯｘパージ制御の途中で、前記三元触媒の下流側のセンサの出力に基づいて目標空燃比を前記第１のリッチレベルよりもリッチ度合の小さい第２のリッチレベルに切り換えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＮＯｘパージ制御手段は、前記ＮＯｘ触媒の下流側のセンサの出力に基づいてＮＯｘパージ制御の終了時期を判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ＮＯｘパージ制御手段は、前記ＮＯｘ触媒の下流側のセンサの出力がストイキ近傍からリッチ側に変化したときにＮＯｘパージ制御を終了することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記ＮＯｘパージ制御手段は、ＮＯｘパージ制御中に前記三元触媒の下流側のセンサの出力がストイキ近傍からリッチ側に変化したときに目標空燃比を前記第１のリッチレベルから前記第２のリッチレベルに切り換えることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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