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JP4496615B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents

Exhaust gas purification device for internal combustion engine Download PDF

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JP4496615B2
JP4496615B2 JP2000223060A JP2000223060A JP4496615B2 JP 4496615 B2 JP4496615 B2 JP 4496615B2 JP 2000223060 A JP2000223060 A JP 2000223060A JP 2000223060 A JP2000223060 A JP 2000223060A JP 4496615 B2 JP4496615 B2 JP 4496615B2
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exhaust
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combustion engine
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広樹 松岡
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Toyota Motor Corp
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (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係り、特に、排気中の窒素酸化物(以下特に断らない限り「NOx」という。)を除去するNOx触媒を有する排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化装置として、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 、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と、白金Pt のような貴金属とから成るNOx触媒を使用した排気浄化装置が知らている。
【0003】
吸蔵還元型NOx触媒は、ディーゼルエンジン等の圧縮着火式内燃機関やリーンバーンガソリンエンジン等の希薄燃焼式内燃機関から排出される排気を浄化可能な触媒である。
【0004】
吸蔵還元型NOx触媒は、当該触媒内に流入する排気ガスの空燃比(以下「排気空燃比(排気A/F)」という。)がリーンのときはNOxを吸収し、流入排気の酸素濃度が低下するとそれまで吸収していたNOxを放出するというNOxの吸放出作用を行う。
【0005】
前記圧縮着火式内燃機関や希薄燃焼式内燃機関では、それらの定常運転状態における排気空燃比がリーンであるから、吸蔵還元型NOx触媒をこれら内燃機関の排気浄化装置に適用すると排気中のNOxがNOx触媒に吸収される。しかし、その吸収能力には限界があるのでやがて飽和し、それ以上吸収できなくなってNOxがリークしてしまう虞がある。
【0006】
リーク回避のためにはNOx吸収能力を回復させなければならない。そのためにはそれまで吸蔵還元型NOx触媒が吸収していたNOxを放出させて吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸収能力を回復させる必要がある。
【0007】
そこで吸蔵還元型NOx触媒が飽和状態になる前に流入排気ガスの空燃比を所定タイミングでリッチにして酸素濃度を極度に低下させて吸蔵還元型NOx触媒からNOxを放出させることにより、そのNOx吸収能力の回復(以下「吸蔵還元型NOx触媒の再生」という。)を行うようにしている。
【0008】
しかし単なるNOxの放出だけでは吸蔵還元型NOx触媒の再生はできてもNOx触媒本来の機能であるNOx浄化はできずエミッションの悪化につながる。そこで例えば排気ポートに燃料噴射弁を備え付け、この燃料噴射弁から内燃機関の運転状態に応じて連続的あるいは間欠的に機関燃料を噴射して当該機関燃料を還元剤として吸蔵還元型NOx触媒に添加することで放出されたNOxをN2に還元し、もってNOx浄化を行う。
【0009】
ところで機関燃料は硫黄成分を多く含んでいるので燃焼すると硫黄酸化物(以下特に断らない限り「SOx」という。)を生成する。そして、SOxはNOxと同じメカニズムで吸蔵還元型NOx触媒に吸収されてしまう。
【0010】
SOx は安定な硫酸塩を形成するため一般に分解、放出されにくく、吸蔵還元型NOx触媒に蓄積されやすい。
【0011】
するとSOxを吸収した分、吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化率が低下し、吸蔵還元型NOx触媒の機能であるNOx浄化に支障を来す現象、いわゆるS被毒を生じる虞がある。よってS被毒状態にある吸蔵還元型NOx触媒は回復させる必要があり、そのための処理を吸蔵還元型NOx触媒のS被毒回復処理という。
【0012】
しかし、上述のように吸蔵還元型NOx触媒内に蓄積された硫酸塩は比較的安定的であるため、吸蔵還元型NOx触媒がその再生を行なう温度(例えば、500 ℃程度)にあったのでは吸蔵還元型NOx触媒が吸収したSOx を放出させることは困難である。
【0013】
S被毒回復処理を行うには、吸蔵還元型NOx触媒の再生を行う前記温度よりも高い例えば600〜700℃程度の高温度にまで吸蔵還元型NOx触媒の温度を高めるとともに排気空燃比をストイキあるいはリッチに定期的にすることで対処する。
【0014】
一方、ディーゼルエンジンは従来からあるガソリンエンジンに比べて排気温度が低く、S被毒回復処理を行うに必要な前記高温度にするのは困難である。
【0015】
またディーゼルエンジンが例えば高負荷運転状態にある場合、すなわちディーゼルエンジンにとっては高温となる状態でディーゼルエンジンが作動している時に排気空燃比をストイキやリッチにすると、すすや、未燃燃料成分などの粒子状物質であるいわゆるパティキュレートマター(以下特に断らない限り「PM」という。)等の微粒子が排出され易くなる。よって、当該高温時に排気空燃比をストイキやリッチにすることはできない。
【0016】
よって前記高温時に何らかの手法で吸蔵還元型NOx触媒の温度(以下「触媒床温」という。)を上げ、さらに煤等の微粒子の排出されにくい軽負荷運転時に排気空燃比をストイキやリッチにすることでS被毒を回復するようにしている。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、S被毒回復処理を行うに適した前記温度の確保のためにディーゼルエンジンを例えば加速運転すると、その運転状態における機関出力を維持するために燃料噴射量が増え、よって燃費面で好ましくない。
【0018】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、NOx触媒の機能を確保しつつ、内燃機関が減速走行している時にS被毒回復処理を行うことで燃料消費を抑制することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明内燃機関の排気浄化装置は次の手段を採用した。
【0020】
(1)本発明内燃機関の排気浄化装置は、排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxを吸収し排気中の酸素濃度が低下するとそれまで吸収していたNOxを放出し還元剤の添加によってNOxの還元浄化を行うNOx触媒と、このNOx触媒のS被毒を回復すべき場合において、内燃機関が加速運転状態または定常運転状態にある時は、前記NOx触媒をNOx浄化に適した温度範囲内で温度上昇させ、前記内燃機関が減速運転状態にある時に、排気空燃比をリーンにすることで前記NOx触媒の温度をS被毒回復に適した温度にする昇温手段と、を有するようにした。
【0021】
ここで、内燃機関全体の制御を行うECUについて簡単に述べるとともに、本項の構成要素について説明する。
【0022】
ECUは、周知のごとくデジタルコンピュータからなり、双方向性バスによって相互に接続した、中央処理制御装置であるCPU,読み出し専用メモリであるROM,ランダムアクセスメモリであるRAM,入力ポート,出力ポート等から構成する。
【0023】
入力ポートは、内燃機関や車輌に取り付けた各種センサと電気的に接続され、これら各種センサの出力信号が入力ポートを介してECU内に入ると、これら各センサに係るパラメータは一時的にRAMに記憶される。
【0024】
そして、CPUは専用メモリROMに記憶しておいた各種アプリケーションプログラムを実行するにあたり、双方向性バスを通じてランダムアクセスメモリRAMに記憶していた前記パラメータやROMに記憶しておいたマップを必要に応じて呼び出し、前記パラメータに基づいてCPUが必要とする演算処理を行い、この演算処理の結果、出力ポートを介して内燃機関の各種構成部材を作動する。
【0025】
「NOx触媒」としては、選択還元型NOx触媒や吸蔵還元型NOx触媒を例示できる。これらの触媒に用いるNOx浄化用の還元剤は、軽油やガソリンなどHC成分を含むもの、すなわち内燃機関の燃焼用に用いる機関燃料を兼用するとよい。
【0026】
「昇温手段」としては、内燃機関が加速運転状態または定常運転状態にある時は、前記NOx触媒をNOx浄化に適した温度範囲内で上昇させ、前記内燃機関が減速運転状態にある時は、排気空燃比をリーンにすることで前記NOx触媒の温度をS被毒回復に適した温度にするように設定されたアプリケーションプログラムを挙げられる。前記アプリケーションプログラムの実行はCPUによってなされCPUの属性はECUにある。よって、ECUのことを昇温手段ということもできる。
【0027】
「内燃機関が定常運転状態にある」とは、アクセルの踏み込み量が一定でかつ機関回転数が一定の状態での機関運転状態を意味する。
【0028】
「NOx浄化に適した温度範囲」とは例えば200〜500°C程度の温度を挙げられる。
【0029】
「S被毒回復に適した温度」とは例えば600〜700°C程度の温度を挙げられる
「内燃機関」としては、希薄燃焼式内燃機関であるリーンバーンガソリンエンジンや圧縮着火式内燃機関であるディーゼルエンジンを例示できる。
【0030】
このような構成の本発明内燃機関の排気浄化装置では、NOx触媒のS被毒を回復すべき場合において、内燃機関が加速運転状態または定常運転状態にある時は、前記NOx触媒をNOx浄化に適した温度範囲内で上昇にさせるので、その時に還元剤を添加することでNOxの還元浄化ができる。
【0031】
また、内燃機関が減速運転状態にある時に、排気空燃比をリーンにすることで排気中の酸素量を増大できるため、当該増大した酸素が前記NOx触媒に向けて供給されれば酸化反応を促進できる。この結果、それだけ反応熱が多くなってNOx触媒の温度を上げられる。よってS被毒回復に適した温度にまで当該反応熱を増加できるように前記酸素量を増大するように前記アプリケーションプログラムを設定しておけば、燃料を燃焼することによる触媒温度の上昇を意図する必要がない。この結果、少ない燃料でもNOx触媒をS被毒回復を行うに十分な温度にまで高められるようになるため燃料消費量を減らすことができる。
【0032】
(2)また前記NOx触媒がS被毒回復に適した温度に達した後は、所定時間、前記NOx触媒に流れる排気ガスの空燃比をリッチにするとともに、前記昇温手段は、前記NOx触媒の温度をS被毒回復処理に適した温度に維持することが好ましい。
【0033】
ここで「所定時間」とは、S被毒状態にある吸蔵還元型NOx触媒を回復させるに十分な時間をいう。
【0034】
所定時間、前記NOx触媒に流れる排気ガスの空燃比をリッチにするとともに、前記昇温手段は、前記NOx触媒の温度をS被毒回復処理に適した温度に維持することでS被毒回復処理を確実に実行できる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施態様について添付した図面に基づいて説明する。
【0036】
まず、図1を参照して本発明内燃機関の排気浄化装置を採用した内燃機関の全体構成を説明する。
【0037】
図1に示す内燃機関1は、4つの気筒2を有する水冷式の4ストローク・サイクル・ディーゼル機関である。
【0038】
内燃機関1は、各気筒2の燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタ3を備えており、各インジェクタ3は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室(コモンレール)4と接続してある。このコモンレール4は、該コモンレール4内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ4aを備えており、また燃料供給管5を介して燃料ポンプ6と連通している。
【0039】
燃料ポンプ6は、内燃機関1の出力軸(クランクシャフト)の回転トルクを駆動源として作動し、この燃料ポンプ6の入力軸に取り付けたポンププーリ6aと内燃機関1の出力軸(クランクシャフト)に取り付けたクランクプーリ1aとがベルト7でつながっている。
【0040】
クランクシャフトが回転しその回転トルクが燃料ポンプ6の入力軸にクランクプーリ1a−ベルト7−ポンププーリ6aを介して伝わると、燃料ポンプ6は、クランクシャフトから燃料ポンプ6の入力軸に伝わる回転トルクの大きさに応じたポンプ圧を生じ、このポンプ圧に応じた量の燃料を燃料供給管5を介してコモンレール4に送る。
【0041】
コモンレール4に送られた燃料は所定圧まで蓄圧されて各気筒2のインジェクタ3に分配される。そして、インジェクタ3に駆動電流が印加されると、インジェクタ3が開きインジェクタ3から気筒2内に燃料を噴射する。
【0042】
次に、内燃機関1には、吸気枝管8を接続してあり、吸気枝管8の各枝管は、各気筒2の燃焼室と図示しない吸気ポートを介してつながっている。
【0043】
前記吸気枝管8は吸気管9と接続しており、吸気管9はその始端にエアクリーナボックス10を有する。吸気管9のうちエアクリーナボックス10よりも下流部分には、吸気管9内を流れる吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ11と、吸気管9内を流れる吸気の温度に対応した電気信号を出力する吸気温度センサ12とを取り付けてある。
【0044】
前記吸気管9における吸気枝管8の上流近傍には、吸気管9内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁13を設けてある。吸気絞り弁13は、ステッパモータ等で構成された吸気絞り用アクチュエータ14と連結されており、吸気絞り用アクチュエータ14の作動によって開閉する。
【0045】
吸気管9のうちエアフローメータ11と吸気絞り弁13との間には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機(ターボチャージャ)15のコンプレッサハウジング15aを設けてある。コンプレッサハウジング15aに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング15aに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮されて高温度の吸気となる。この吸気は、吸気管9のうちコンプレッサハウジング15aよりも下流に設けたインタークーラ16によって冷却される。これにより空気密度の低下が防止され内燃機関のパワーダウンを図る。なお、コンプレッサホイールは遠心過給機15の別の構成部材であり排気系に配置したタービンハウジング15bのタービンホイールと同軸でつながっている。
【0046】
インタークーラ16を経由することで冷却された吸気は、吸気絞り弁13によって流量調節されて吸気枝管8に流入する。吸気枝管8に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒2の燃焼室に向けて分配され、各気筒2のインジェクタ3から噴射された燃料の燃焼に供される。
【0047】
一方、内燃機関1には各気筒2の図示しない排気ポートを介して前記各気筒の燃焼室とつながっている排気枝管18を有する。
【0048】
排気枝管18は、前記遠心過給機15のタービンハウジング15bと接続され、タービンハウジング15bは排気管19と接続してある。そして排気管19の下流には図示しないマフラーを取り付けてある。
【0049】
また、排気管19の途中には、排気中の有害ガス成分を浄化するための排気浄化触媒を包蔵する排気浄化装置としての触媒コンバータ20を配置してある。そして、排気管19のうち触媒コンバータ20よりも下流には、排気空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ23と、排気温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ24とを取り付けてある。
【0050】
また空燃比センサ23や排気温度センサ24よりも下流には、排気管19内における排気流量を調節する排気絞り弁21を取り付けてある。排気絞り弁21は、ステッパモータ等で構成した排気絞り用アクチュエータ22とつながっており、排気絞り用アクチュエータ14が作動することで開閉する。
【0051】
そして、各気筒2で燃焼された混合気は排気ガスとなって排気ポート経由で排気枝管18に排出され、次いで排気枝管18から遠心過給機15のタービンハウジング15bに入る。タービンハウジング15bに流入した排気ガスは、タービンハウジング15b内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転し、このタービンホイールと同軸でつながっている前記コンプレッサハウジング15aのコンプレッサホイールを回転することで吸入空気を高圧にする。
【0052】
タービンハウジング15bから排出された排気ガスは、排気管19を介して触媒コンバータ20に流入し、そこで排気ガスに含まれる有害ガス成分を除去又は浄化する。触媒コンバータ20にて有害ガス成分が除去又は浄化された排気ガスは、排気絞り弁21により必要に応じて流量調整され、マフラーを通った後、大気中に放出される。
【0053】
また、排気枝管18と吸気枝管8とは、排気枝管18内を流れる排気の一部を吸気枝管8に再循環させる排気再循環通路(以下「EGR通路」と称する。)25でつながっている。EGR通路25は、そこを流れる排気再循環ガス(以下、「EGRガス」と称する。)の流量変更をする流量調整弁(以下、「EGR弁」と称する。)26を有する。EGR弁26は、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じてその開度が定まり、当該開度に応じてEGRガスの流量が変わる。
【0054】
また、EGR通路25のうちEGR弁26よりも上流には、該EGR通路25内を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラ27を設けてある。
【0055】
EGR弁26が開くと、EGR通路25が導通状態となり、排気枝管18内を流れる排気ガスの一部がEGR通路25に流入し、EGRクーラ27を経由して吸気枝管8に流れる。
【0056】
その際にEGRクーラ27では、EGR通路25内を流れるEGRガスと所定の冷媒との間で熱交換が行われてEGRガスを冷却する。
【0057】
EGR通路25を介して排気枝管18から吸気枝管8に還流したEGRガスは、吸気枝管8の上流から流れてきた新気と混ざり合いながら各気筒2の燃焼室に導かれ、インジェクタ3が噴射する燃料の燃焼に供される。しかしながら、EGRガスには、水(H2O)や二酸化炭素(CO2)などのように、自ら燃焼することなく、且つ、吸熱性を有する不活性ガス成分が含まれているため、EGRガスが混合気中に含有されると混合気の燃焼温度が下がり、以て窒素酸化物(NOx)の発生量を抑制する。
【0058】
更に、EGRクーラ27によりEGRガスを冷却すると、その温度が低下してEGRガスの体積が小さくなる。このため、EGRガスが燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度を上昇することを抑制し、かつ燃焼室内に供給される新気の量が極端に減少することがないので、内燃機関1の作動に支障を来すこともない。
【0059】
また、内燃機関1は、触媒コンバータ20より上流の排気通路を流れる排気中に還元剤としての燃料(軽油)を添加する還元剤供給機構を備える。
【0060】
この還元剤供給機構は、図1に示すように、その噴孔が排気枝管18内に臨むよう内燃機関1のシリンダヘッドに取り付けられ、所定圧以上の燃料が印加されたときに開く還元剤噴射弁28と、前述した燃料ポンプ6から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁28へ導く還元剤供給路29と、この還元剤供給路29の途中に設けられ該還元剤供給通路29内を流れる燃料の流量を調整する流量調整弁30と、この流量調整弁30より上流の還元剤供給路29に設けられて該還元剤供給路29内の燃料の流れを遮断する遮断弁31とを備えている。
【0061】
尚、還元剤噴射弁28は、該還元剤噴射弁28の噴孔が排気枝管18におけるEGR通路25の接続部位より下流であって、排気枝管18における4つの枝管の集合部に最も近い気筒2の排気ポートに突出するとともに、排気枝管18の集合部へ向くようにシリンダヘッドに取り付けることが好ましい。
【0062】
これは、還元剤噴射弁28から噴射された還元剤(未燃の燃料成分)がEGR通路25へ流入するのを防止するとともに、還元剤が排気枝管18内に滞ることなく遠心過給機15のタービンハウジング15bへ到達するようにするためである。
【0063】
尚、図1に示す例では、内燃機関1の4つの気筒2のうち1番(#1)気筒2が排気枝管18の集合部に最も近い位置にある関係で、1番(#1)気筒2の排気ポートに還元剤噴射弁28を取り付けてあるが、1番(#1)気筒2以外の気筒2が排気枝管18の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒2の排気ポートに還元剤噴射弁28を取り付けるようにする。
【0064】
このような還元剤供給機構では、流量調整弁30が開くと、燃料ポンプ6から送られた高圧燃料が還元剤供給路29を介して還元剤噴射弁28に印加される。そして、還元剤噴射弁28に印加される燃料の圧力が所定圧以上に達すると、該還元剤噴射弁28が開弁して排気枝管18内に還元剤としての燃料を噴射する。
【0065】
還元剤噴射弁28から排気枝管18内に噴射された還元剤は、排気枝管18の上流から流れてきた排気ととともにタービンハウジング15bに流入する。タービンハウジング15b内に流入した排気と還元剤とは、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に混合されてリッチ空燃比の排気となる。
【0066】
この排気は、タービンハウジング15bから排気管19を介して触媒コンバータ20に流入し、触媒コンバータ20の排気浄化触媒が吸蔵していた窒素酸化物(NOx)を放出させつつ窒素(N2)に還元される。
【0067】
その後、流量調整弁30が閉じて燃料ポンプ6から還元剤噴射弁28への還元剤の供給が断たれると、還元剤噴射弁28に印加される燃料の圧力が前記所定圧未満となり、その結果、還元剤噴射弁28が閉じて排気枝管18内への還元剤の添加を停止する。
【0068】
上記内燃機関1には、該内燃機関1を制御する電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)35を有する。このECU35は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態を制御するユニットであり、図示しない、双方向性バスによって相互に接続された、中央処理制御装置CPU,読み出し専用メモリROM,ランダムアクセスメモリRAM,入力インタフェース回路、出力インタフェース回路等から構成されている。
【0069】
前記入力インタフェース回路は、コモンレール圧センサ4a、エアフローメータ11、吸気温度センサ12、吸気管圧力センサ17、空燃比センサ23、排気温度センサ24、還元剤圧力センサ32、クランクポジションセンサ33、水温センサ34、アクセル開度センサ36等の各種センサと電気的に接続されている。これら各種センサの出力信号が入力インタフェース回路からECU35内に入ると、これらのパラメータは、一時的にランダムアクセスメモリRAMに記憶される。そして、CPUが、これらのパラメータに基づいて必要とする演算処理を、読み出し専用メモリROMに記憶しておいた各種アプリケーションプログラムにしたがって実行するにあたり、双方向性バスを通じてランダムアクセスメモリRAMが記憶していた前記パラメータやROMに記憶しておいたマップを必要に応じて呼び出す。
【0070】
前記出力インタフェース回路は、前記各種センサの出力信号に基づいて作動するインジェクタ3、吸気絞り用アクチュエータ14、排気絞り用アクチュエータ22、EGR弁26、流量調整弁30、遮断弁31等の各種装置と電気的に接続され、これら各種装置は、CPUの演算結果に基づいて適宜作動する。
【0071】
次に、排気浄化装置である触媒コンバータ20について具体的に説明する。
【0072】
触媒コンバータ20は、ケース内に還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物(NOx)を浄化するNOx触媒を包蔵するものであり、このようなNOx触媒としては、選択還元型NOx触媒や吸蔵還元型NOx触媒等を例示できるが、ここでは吸蔵還元型NOx触媒を例に挙げて説明する。
【0073】
吸蔵還元型NOx触媒は、例えば、アルミナ(Al23)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と、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、のようなアルカリ土類と、ランタン(La)イットリウム(Y)のような希土類との中から選ばれた少なくとも1つと、白金(Pt)のような貴金属とを坦持して構成される。
【0074】
このような構成の吸蔵還元型NOx触媒は、排気空燃比がリーン空燃比であるときは排気中の窒素酸化物(NOx)を吸蔵し、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気ガスの酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときはそれまで吸蔵していた窒素酸化物(NOx)を放出しつつ還元及び浄化する。
【0075】
尚、ここでいう排気空燃比とは、触媒コンバータ20より上流の排気管19、燃焼室、吸気管9等に供給された空気量の合計と燃料(炭化水素)量の合計との比を意味するものとする。従って、触媒コンバータ20より上流の排気系に燃料、還元剤、あるいは空気が供給されない限り、排気空燃比は燃焼室に供給される混合気の空燃比と一致する。
【0076】
ここで、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸放出メカニズムについて、アルミナからなる担体上に白金(Pt)及びバリウム(Ba)が担持された吸蔵還元型NOx触媒を例に挙げて説明する。
【0077】
吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸放出作用は、おおよそ図2に示されるようなメカニズムで行われていると考えられている。
【0078】
先ず、吸蔵還元型NOx触媒は、該吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比となって排気中の酸素濃度が高まると、図2(A)に示されるように、排気中の酸素(O2)がO2 -またはO2-の形で白金(Pt)の表面上に付着し、排気中の一酸化窒素(NO)が白金(Pt)の表面上でO2 -またはO2-と反応して二酸化窒素(NO2)を形成する(2NO+O2→2NO2)。
【0079】
二酸化窒素(NO2)は、白金(Pt)の表面上で酸化されつつ酸化バリウム(BaO)と結合して硝酸イオン(NO3 -)を形成する。このように排気中の窒素酸化物(NOx)は、硝酸イオン(NO3-)として吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵される。
【0080】
このような作用をNOx吸蔵作用といい、NOx吸蔵作用は、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気空燃比がリーンであり、且つ吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力が飽和しない限り継続される。
【0081】
これに対して、流入排気の酸素濃度が低下すると、二酸化窒素(NO2)の生成量が減少するため、酸化バリウム(BaO)と結合していた硝酸イオン(NO3-)が逆に二酸化窒素(NO2)や一酸化窒素(NO)となって吸蔵還元型NOx触媒から離脱する。
【0082】
すなわち、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下すると、硝酸イオン(NO3-)の形で吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されていた窒素酸化物(NOx)が二酸化窒素(NO2)や一酸化窒素(NO)となって吸蔵還元型NOx触媒から放出される。
【0083】
吸蔵還元型NOx触媒から放出した窒素酸化物(NOx)は、図2(B)に示すように、排気中に含まれる還元成分(例えば、吸蔵還元型NOx触媒の白金(Pt)上の酸素O2-またはO2-と反応して部分酸化した炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)等の活性種)と反応して窒素(N2)等に還元される。
【0084】
即ち、排気中の炭化水素(HC)及び一酸化炭素(CO)は、白金(Pt)上でO2 -またはO2-と反応して酸化し、それにより白金(Pt)上のO2 -またはO2-が消費されてもなお炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)が残存していれば、それらの炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)が吸蔵還元型NOx触媒から放出された窒素酸化物(NOx)及び内燃機関1から排出された窒素酸化物(NOx)が窒素(N2)に還元される。
【0085】
従って、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比もしくはリッチ空燃比とすることにより、吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されていた窒素酸化物(NOx)を放出させつつ還元することが可能となる。
【0086】
ところで、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力には限りがあるため、長期にわたってリーン空燃比の排気が吸蔵還元型NOx触媒に流入すると、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力が飽和し、排気中の窒素酸化物(NOx)が吸蔵還元型NOx触媒にて除去又は浄化されずに大気中に放出されてしまう。
【0087】
しかしながら、例えばディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力が飽和し、それ以上吸収できなくなってNOxがリークしてしまう虞がある。
【0088】
リーク回避のためにはNOx吸収能力を回復させなければならず、そのためにはそれまで吸蔵還元型NOx触媒が吸収していたNOxを放出させて吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸収能力を回復させる必要がある。
【0089】
そこで吸蔵還元型NOx触媒が飽和状態になる前に流入排気ガスの空燃比を所定タイミングでリッチにして酸素濃度を極度に低下させて吸蔵還元型NOx触媒からNOxを放出させることにより、そのNOx吸収能力の回復を行う吸蔵還元型NOx触媒の再生処理を行う必要がある。
【0090】
しかし単なるNOxの放出を行うだけでは吸蔵還元型NOx触媒の再生はできてもNOx触媒本来の機能であるNOx浄化ができずエミッションの悪化につながる。そこで例えば排気ポートに燃料噴射弁を備え付け、この燃料噴射弁から内燃機関の運転状態に応じて連続的あるいは間欠的に機関燃料を噴射して当該機関燃料を還元剤として吸蔵還元型NOx触媒に添加することで、放出されたNOxをN2に還元しもってNOx浄化を行う。
【0091】
ところで機関燃料は硫黄成分を多く含んでいるので燃焼すると硫黄酸化物(以下特に断らない限り「SOx」という。)を生成する。そして、SOxはNOxと同じメカニズムで吸蔵還元型NOx触媒に吸収される。
【0092】
SOx は安定な硫酸塩を形成するため、分解および放出されにくく、吸蔵還元型NOx触媒に蓄積されやすい。すると吸蔵還元型NOx触媒がSOxを吸収した分、吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化率が低下し、吸蔵還元型NOx触媒の機能であるNOx浄化に支障を来す現象、いわゆるS被毒を生じる虞がある。よってS被毒状態にある吸蔵還元型NOx触媒は回復させる必要があり、そのための処理を吸蔵還元型NOx触媒のS被毒回復処理という。
【0093】
しかし、上述のように吸蔵還元型NOx触媒内に蓄積された硫酸塩は比較的安定的であるため、吸蔵還元型NOx触媒がその再生を行なう温度(例えば、250〜500 ℃程度)にあったのでは吸蔵還元型NOx触媒が吸収したSOx を放出させることは困難である。
【0094】
S被毒回復処理を行うには、吸蔵還元型NOx触媒の再生を行う前記温度よりも高い例えば600〜700℃程度の高温度にまで吸蔵還元型NOx触媒の温度を高めるとともに排気空燃比をストイキあるいはリッチに定期的にすることで対処する。
【0095】
一方、ディーゼルエンジンは従来からあるガソリンエンジンに比べて排気温度が低く、S被毒回復処理を行うに必要な前記高温度にするのは困難である。またディーゼルエンジンが例えば高負荷運転状態にある場合、すなわちディーゼルエンジンにとっては高温となる状態でディーゼルエンジンが作動している時に排気空燃比をストイキやリッチにすると、すすや、未燃燃料成分などの粒子状物質であるPM等の微粒子が排出され易くなる。よって、当該高温時に排気空燃比をストイキやリッチにすることはできない。
【0096】
よって前記高温時に吸蔵還元型NOx触媒の温度である触媒床温を上げ、さらに煤等の微粒子の排出されにくい軽負荷運転時に排気空燃比をストイキやリッチにすることでS被毒を回復することが考えられる。
【0097】
しかし、S被毒回復処理を行うに適した前記温度の確保のためにディーゼルエンジンを例えば加速運転すると、その運転状態における機関出力を維持するために燃料噴射量が増え、よって燃費面で好ましくない。以上の問題点については従来技術の説明で既に述べた通りである。
【0098】
これに対し、本実施の形態に係る内燃機関1は、吸蔵還元型NOx触媒の機能を確保しつつ、内燃機関が減速走行している時にS被毒回復処理を行うことで燃費を良くするという技術である。
【0099】
すなわち、内燃機関1が加速運転状態または定常運転状態にある時は、前記NOx触媒をNOx浄化に適した温度範囲内で上昇させ、内燃機関1が減速運転状態にある時は、排気空燃比をリーンにすることでNOx触媒の温度をS被毒回復に適した温度にする昇温手段を内燃機関1は有する。
【0100】
なお、「内燃機関1が加速運転状態または定常運転状態にある」のうち「定常運転状態にある」とは、ドライバによるアクセルの踏み込み量が一定でかつ機関回転数が一定の状態での機関運転状態を意味する。
【0101】
次に図3のフローチャートを参照してECU35によるエンジン1のS被毒回復処理実行ルーチンを実現するためのプログラムについて述べる。
【0102】
このプログラムは、以下に述べるステップ101〜ステップ108からなる。また、これらのステップからなるプログラムは、ECU35のROMに記憶してあり必要に応じて呼び出される。前記各ステップにおける処理は、すべてECU35のCPUによる。なお、記号Sを用い、例えばステップ101であればS101と省略して示す。
【0103】
燃料消費量から吸蔵還元型NOx触媒のS被毒量を概算し、既定値以上に達している場合は、吸蔵還元型NOx触媒がS被毒を回復すべき場合にあると判断してこのルーチンに移行する。
【0104】
すなわちS101でS被毒回復処理の必要性の有無を判定し、肯定判定すればS102に進み、否定判定すれば本制御を終了する。なおS被毒回復のためには、触媒床温が600°C以上で排気空燃比が14.5以下である必要があり、当該条件を満足しなければS被毒の回復はできない。
【0105】
S102ではまず触媒床温を検出し、500°C以下の場合に昇温制御を実施する。すなわち500°Cよりも高いかどうかを判定し、否定判定すればS103に進み、肯定判定した場合は否定判定するまでこの処理を繰り返す。
【0106】
触媒床温が500°Cよりも高い場合、S103よりも後の処理に進まないようにしたのは、内燃機関1が減速運転状態にある時に排気空燃比をリーンにすることで燃料の燃焼に期することなくNOx触媒の温度をS被毒回復に適した前記600°C以上の温度にするという本発明の技術的思想にもとるからである。
【0107】
なお、S被毒回復のための条件である600°Cからあまり離れていない500°Cに判定値を設定することで無駄な燃費悪化を防止している。また500°CはNOx触媒20の還元性能悪化の限界値であり、それ以上の温度になると還元性能が悪化するけれどもNOx浄化に適した温度ではある。なおNOx浄化に適した温度範囲として250〜500°Cを挙げられる。
【0108】
S103では触媒床温が500°C以下である場合には昇温制御の実行を行うというものであり、内燃機関の運転状態に応じて還元剤噴射弁28から噴射される燃料による昇温制御、インジェクタ3が噴く主噴射以外の副次的噴射であるいわゆるポスト噴射される燃料による昇温制御、空燃比をリッチにするいわゆるエンジンリッチによる昇温制御のいずれかまたはこれらの組み合わせにより機関運転状態に応じた昇温制御を行う。この昇温制御により吸蔵還元型NOx触媒をNOx浄化に適した温度範囲内にまで上昇させる。
【0109】
S104では内燃機関1が加速運転状態または定常運転状態にあるかどうかを判定し、肯定判定した場合は、S102に戻り、否定判定した場合、すなわち内燃機関1が減速運転状態にある時はS105に進む。
【0110】
内燃機関1が減速運転状態にある時に進むS105では排気空燃比を瞬時リーンにする。このようにすることで、吸蔵還元型NOx触媒は瞬間的に酸素過剰な雰囲気状態におかれる。すなわち排気中の酸素量が増大するため当該増大した酸素が前記吸蔵還元型NOx触媒に向けて供給されるようになる。この結果、酸化反応を促進させてそれだけ反応熱が多くなり吸蔵還元型NOx触媒の温度を上げられる。
【0111】
S106では触媒床温がS被毒回復に必要な前記600°Cよりも高いかどうかを判定し、肯定判定すればS107に進み、否定判定した場合はS105に戻り、S106で肯定判定されるまで当該処理を繰り返す。このようにすることで触媒床温を前記600°Cまで昇温制御する。S106は、内燃機関1が減速運転状態にある時に排気空燃比が瞬時リーンな状態で行う処理である(S104,S105参照)。よって、S104〜S106は、内燃機関1が減速運転状態にある時に排気空燃比をリーンにすることで吸蔵還元型NOx触媒の温度をS被毒回復に適した温度にする昇温手段といえる。またこのS104〜S106を含む本プログラムはROMに記憶され、ROMの属性はECU9にあるので、ECU35を内燃機関1が減速運転状態にある時は排気空燃比をリーンにすることで吸蔵還元型NOx触媒の温度をS被毒回復に適した温度にする昇温手段ということができる。また、当該昇温手段は内燃機関1が加速運転状態または定常運転状態にある時は、前記NOx触媒をNOx浄化に適した温度に維持する昇温手段でもある(S102、S103、S104参照)。
【0112】
S107では還元剤噴射弁28からの燃料噴射の実行またはエンジンリッチの実行により排気空燃比をS103で行った昇温制御と同じ昇温制御を行うことで所定時間、リッチにする。
【0113】
S108では、S107での所定時間を図示しない適宜のタイマでカウントする。この所定時間は実験により、また適宜の演算式を用いることによって得たものである。そして、当該所定時間が経過した後にS被毒回復制御が終了する。
【0114】
このような構成の内燃機関1によれば次のような作用効果を奏する。
【0115】
NOx触媒のS被毒を回復すべき場合において、内燃機関1が加速運転状態または定常運転状態にある時は、吸蔵還元型NOx触媒をNOx浄化に適した温度範囲に属する例えば500°Cに上昇させるので、その時に還元剤を添加することでNOxの還元浄化ができる。
【0116】
また、内燃機関1が減速運転状態にある時に、排気空燃比をリーンにすることで排気中の酸素量を増大できるため、当該増大した酸素が吸蔵還元型NOx触媒に向けて供給されれば酸化反応を促進できる。よって、それだけ反応熱が多くなってNOx触媒の温度を上げられるのでS被毒回復に適した温度にまで当該反応熱を増加できるように前記酸素量を増大する(S105参照)ことにより、これまでの技術のように燃料を燃焼することによる触媒温度の上昇を意図する必要がない。この結果、少ない燃料でもNOx触媒をS被毒回復処理を行うに十分な温度にまで高めることができるため燃料消費量を減らすことができる。
【0117】
また タイマにて前記所定時間をカウントし、その間、前記吸蔵還元型NOx触媒に流れる排気ガスの空燃比をリッチにするとともに、前記昇温手段であるECU35は、前記吸蔵還元型NOx触媒の温度をS被毒回復処理に適した温度に維持することでS被毒回復処理を確実に行える。
【0118】
【発明の効果】
本出願内燃機関の排気浄化装置によれば、NOx触媒の機能を確保しつつ、内燃機関が減速走行している時にS被毒回復処理を行うことで燃料消費を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明内燃機関の排気浄化装置を適用した内燃機関の全体構成を示す図
【図2】吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸放出作用図
【図3】内燃機関のS被毒回復処理実行ルーチンを実現するためのプログラムを説明するためのフローチャート
【符号の説明】
1 内燃機関
2 気筒
3 インジェクタ
4 コモンレール
4a コモンレール圧センサ
5 燃料供給管
6 燃料ポンプ
6a ポンププーリ
1a クランクプーリ
7 ベルト
8 吸気枝管
9 吸気管
10 エアクリーナボックス
11 エアフローメータ
12 吸気温度センサ
13 吸気絞り弁
14 吸気絞り用アクチュエータ
15 遠心過給機
15a コンプレッサハウジング
16 インタークーラ
15b タービンハウジング
18 排気枝管
19 排気管
20 触媒コンバータ
23 空燃比センサ
24 排気温度センサ
22 排気絞り用アクチュエータ
21 排気絞り弁
25 EGR通路
26 EGR弁
27 EGRクーラ
28 還元剤噴射弁
29 還元剤供給路
30 流量調整弁
31 遮断弁
35 ECU
17 吸気管圧力センサ
32 還元剤圧力センサ
33 クランクポジションセンサ
34 水温センサ
35 ECU(昇温手段)
36 アクセル開度センサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification apparatus having a NOx catalyst that removes nitrogen oxides in exhaust gas (hereinafter referred to as “NOx” unless otherwise specified).
[0002]
[Prior art]
As an exhaust gas purification device for purifying exhaust gas of an internal combustion engine, alkaline metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li and cesium Cs, alkaline earth materials such as barium Ba and calcium Ca, lanthanum La and yttrium Y An exhaust emission control device using a NOx catalyst comprising at least one selected from rare earths and a noble metal such as platinum Pt is known.
[0003]
The NOx storage reduction catalyst is a catalyst capable of purifying exhaust gas emitted from a lean-ignition internal combustion engine such as a compression ignition internal combustion engine such as a diesel engine or a lean burn gasoline engine.
[0004]
The NOx storage reduction catalyst absorbs NOx when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst (hereinafter referred to as “exhaust air-fuel ratio (exhaust A / F)”) is lean, and the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas When it falls, the NOx absorption / release action of releasing the NOx that has been absorbed is performed.
[0005]
In the compression ignition internal combustion engine and the lean combustion internal combustion engine, the exhaust air-fuel ratio in the steady operation state is lean. Therefore, when the NOx storage reduction catalyst is applied to the exhaust gas purification device of these internal combustion engines, NOx in the exhaust gas is reduced. Absorbed by NOx catalyst. However, there is a limit to the absorption capacity, so it will eventually saturate, and it may not be able to absorb any more and NOx may leak.
[0006]
In order to avoid leaks, the NOx absorption capacity must be restored. For this purpose, it is necessary to release the NOx absorbed by the NOx storage reduction catalyst so far and restore the NOx absorption capacity of the NOx storage reduction catalyst.
[0007]
Therefore, before the NOx storage reduction catalyst is saturated, the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich at a predetermined timing to extremely reduce the oxygen concentration and release NOx from the NOx storage reduction catalyst, thereby absorbing the NOx. Capacity recovery (hereinafter referred to as “regeneration of NOx storage reduction catalyst”) is performed.
[0008]
However, even if the NOx storage reduction catalyst can be regenerated by simply releasing NOx, NOx purification, which is the original function of the NOx catalyst, cannot be achieved, leading to deterioration of emissions. Therefore, for example, a fuel injection valve is provided in the exhaust port, and engine fuel is injected from the fuel injection valve continuously or intermittently according to the operating state of the internal combustion engine, and the engine fuel is added to the NOx storage reduction catalyst as a reducing agent. NOx released by N2To NOx purification.
[0009]
By the way, since engine fuel contains a large amount of sulfur components, it generates sulfur oxides (hereinafter referred to as “SOx” unless otherwise specified) when burned. SOx is absorbed by the NOx storage reduction catalyst by the same mechanism as NOx.
[0010]
Since SOx forms a stable sulfate, it is generally difficult to be decomposed and released and is easily accumulated in the NOx storage reduction catalyst.
[0011]
As a result, the NOx purification rate of the NOx storage reduction catalyst is reduced by the amount of SOx absorbed, and there is a possibility of causing a phenomenon that hinders NOx purification, which is a function of the NOx storage reduction catalyst, so-called S poisoning. Therefore, it is necessary to recover the NOx storage reduction catalyst in the S poison state, and the process for this is called the S poison recovery processing of the NOx storage reduction catalyst.
[0012]
However, since the sulfate accumulated in the NOx storage reduction catalyst is relatively stable as described above, the NOx storage reduction catalyst was at a temperature (for example, about 500 ° C.) at which it was regenerated. It is difficult to release SOx absorbed by the NOx storage reduction catalyst.
[0013]
In order to perform the S poisoning recovery process, the temperature of the NOx storage reduction catalyst is raised to a high temperature of, for example, about 600 to 700 ° C., which is higher than the temperature at which the NOx storage regeneration catalyst is regenerated, and the exhaust air-fuel ratio is stoichiometrically increased. Or deal with it regularly by making it rich.
[0014]
On the other hand, the diesel engine has a lower exhaust temperature than a conventional gasoline engine, and it is difficult to achieve the high temperature necessary for the S poison recovery process.
[0015]
For example, when the diesel engine is in a high-load operation state, that is, when the diesel engine is operating at a high temperature for the diesel engine, if the exhaust air-fuel ratio is made stoichiometric or rich, soot, unburned fuel components, etc. Particulate matter such as so-called particulate matter (hereinafter referred to as “PM” unless otherwise specified) is easily discharged. Therefore, the exhaust air-fuel ratio cannot be stoichiometric or rich at the high temperature.
[0016]
Therefore, the temperature of the NOx storage reduction catalyst (hereinafter referred to as “catalyst bed temperature”) is raised by some method at the high temperature, and the exhaust air-fuel ratio is made stoichiometric or rich during light load operation where particulates such as soot are difficult to be discharged. To recover S poison.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the diesel engine is accelerated, for example, to secure the temperature suitable for the S poison recovery process, the fuel injection amount increases to maintain the engine output in the operating state, which is not preferable in terms of fuel consumption. .
[0018]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the problem to be solved is to perform the S poison recovery process when the internal combustion engine is decelerating while ensuring the function of the NOx catalyst. It is to control consumption.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention employs the following means.
[0020]
(1) The exhaust purification system for an internal combustion engine of the present invention absorbs NOx in the exhaust when the exhaust air-fuel ratio is lean, and releases the NOx that has been absorbed until then when the oxygen concentration in the exhaust decreases, and the addition of the reducing agent In the case where the NOx catalyst for reducing and purifying NOx and the NO poisoning of this NOx catalyst should be recovered, when the internal combustion engine is in the acceleration operation state or the steady operation state, the temperature of the NOx catalyst is suitable for NOx purification. A temperature raising means for raising the temperature within a range and setting the exhaust air-fuel ratio lean to make the temperature of the NOx catalyst suitable for S poison recovery when the internal combustion engine is in a decelerating operation state. I did it.
[0021]
Here, the ECU that controls the entire internal combustion engine will be briefly described, and the components of this section will be described.
[0022]
The ECU is composed of a digital computer as is well known, and is connected to each other by a CPU as a central processing control device, a ROM as a read-only memory, a RAM as a random access memory, an input port, an output port, etc. Constitute.
[0023]
The input port is electrically connected to various sensors attached to the internal combustion engine and the vehicle. When output signals of these various sensors enter the ECU via the input port, parameters related to these sensors are temporarily stored in the RAM. Remembered.
[0024]
When the CPU executes various application programs stored in the dedicated memory ROM, the parameters stored in the random access memory RAM through the bidirectional bus and the map stored in the ROM are used as necessary. Based on the parameters, the CPU performs a calculation process required by the CPU, and as a result of the calculation process, various components of the internal combustion engine are operated via the output port.
[0025]
Examples of the “NOx catalyst” include a selective reduction type NOx catalyst and a storage reduction type NOx catalyst. The reducing agent for purifying NOx used for these catalysts may be used also as a fuel containing HC components such as light oil and gasoline, that is, an engine fuel used for combustion of an internal combustion engine.
[0026]
As "temperature raising means", when the internal combustion engine is in an acceleration operation state or a steady operation state, the NOx catalyst is raised within a temperature range suitable for NOx purification, and when the internal combustion engine is in a deceleration operation state An application program set to make the temperature of the NOx catalyst suitable for S poison recovery by making the exhaust air-fuel ratio lean. The application program is executed by the CPU, and the attribute of the CPU is in the ECU. Therefore, the ECU can also be referred to as a temperature raising means.
[0027]
“The internal combustion engine is in a steady operation state” means an engine operation state in which the accelerator depression amount is constant and the engine speed is constant.
[0028]
The “temperature range suitable for NOx purification” includes, for example, a temperature of about 200 to 500 ° C.
[0029]
Examples of the “temperature suitable for S poison recovery” include a temperature of about 600 to 700 ° C.
Examples of the “internal combustion engine” include a lean burn gasoline engine that is a lean combustion internal combustion engine and a diesel engine that is a compression ignition internal combustion engine.
[0030]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention having such a configuration, when the S poisoning of the NOx catalyst is to be recovered, when the internal combustion engine is in an acceleration operation state or a steady operation state, the NOx catalyst is subjected to NOx purification. Since the temperature is raised within a suitable temperature range, NOx can be reduced and purified by adding a reducing agent at that time.
[0031]
Further, when the internal combustion engine is in a decelerating operation state, the amount of oxygen in the exhaust gas can be increased by making the exhaust air-fuel ratio lean, so that if the increased oxygen is supplied toward the NOx catalyst, the oxidation reaction is promoted. it can. As a result, the heat of reaction increases and the temperature of the NOx catalyst can be raised. Therefore, if the application program is set so as to increase the amount of oxygen so that the reaction heat can be increased to a temperature suitable for S poison recovery, the catalyst temperature is increased by burning the fuel. There is no need. As a result, even with a small amount of fuel, the NOx catalyst can be raised to a temperature sufficient to recover S poisoning, so that the fuel consumption can be reduced.
[0032]
(2) Further, after the NOx catalyst reaches a temperature suitable for S poison recovery, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing through the NOx catalyst is made rich for a predetermined time, and the temperature raising means includes the NOx catalyst. It is preferable to maintain the temperature at a temperature suitable for the S poison recovery process.
[0033]
Here, the “predetermined time” refers to a time sufficient to recover the NOx storage reduction catalyst in the S poison state.
[0034]
While enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing through the NOx catalyst for a predetermined time, the temperature raising means maintains the temperature of the NOx catalyst at a temperature suitable for the S poisoning recovery process, thereby allowing the S poison recovery process. Can be executed reliably.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an exhaust emission control device for an internal combustion engine according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0036]
First, an overall configuration of an internal combustion engine that employs an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described with reference to FIG.
[0037]
An internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 is a water-cooled four-stroke cycle diesel engine having four cylinders 2.
[0038]
The internal combustion engine 1 includes an injector 3 that directly injects fuel into the combustion chamber of each cylinder 2, and each injector 3 is connected to a pressure accumulation chamber (common rail) 4 that accumulates fuel to a predetermined pressure. The common rail 4 includes a common rail pressure sensor 4 a that outputs an electric signal corresponding to the fuel pressure in the common rail 4, and communicates with the fuel pump 6 through a fuel supply pipe 5.
[0039]
The fuel pump 6 operates using the rotational torque of the output shaft (crankshaft) of the internal combustion engine 1 as a drive source, and is attached to the pump pulley 6a attached to the input shaft of the fuel pump 6 and the output shaft (crankshaft) of the internal combustion engine 1. The crank pulley 1a is connected by a belt 7.
[0040]
When the crankshaft rotates and the rotational torque is transmitted to the input shaft of the fuel pump 6 via the crank pulley 1a-belt 7-pump pulley 6a, the fuel pump 6 has a rotational torque transmitted from the crankshaft to the input shaft of the fuel pump 6. A pump pressure corresponding to the size is generated, and an amount of fuel corresponding to the pump pressure is sent to the common rail 4 through the fuel supply pipe 5.
[0041]
The fuel sent to the common rail 4 is accumulated up to a predetermined pressure and distributed to the injectors 3 of each cylinder 2. When a drive current is applied to the injector 3, the injector 3 opens and fuel is injected from the injector 3 into the cylinder 2.
[0042]
Next, an intake branch pipe 8 is connected to the internal combustion engine 1, and each branch pipe of the intake branch pipe 8 is connected to a combustion chamber of each cylinder 2 via an intake port (not shown).
[0043]
The intake branch pipe 8 is connected to an intake pipe 9, and the intake pipe 9 has an air cleaner box 10 at its starting end. An air flow meter 11 for outputting an electric signal corresponding to the mass of the intake air flowing in the intake pipe 9 and an electric power corresponding to the temperature of the intake air flowing in the intake pipe 9 are provided in a portion downstream of the air cleaner box 10 in the intake pipe 9. An intake air temperature sensor 12 for outputting a signal is attached.
[0044]
An intake throttle valve 13 for adjusting the flow rate of the intake air flowing through the intake pipe 9 is provided in the intake pipe 9 in the vicinity of the intake branch pipe 8 upstream. The intake throttle valve 13 is connected to an intake throttle actuator 14 composed of a stepper motor or the like, and opens and closes by the operation of the intake throttle actuator 14.
[0045]
A compressor housing 15 a of a centrifugal supercharger (turbocharger) 15 that operates using the heat energy of exhaust gas as a drive source is provided between the air flow meter 11 and the intake throttle valve 13 in the intake pipe 9. The intake air that has flowed into the compressor housing 15a is compressed by the rotation of a compressor wheel built in the compressor housing 15a to become high-temperature intake air. The intake air is cooled by an intercooler 16 provided downstream of the compressor housing 15a in the intake pipe 9. As a result, the air density is prevented from lowering and the internal combustion engine is powered down. The compressor wheel is another component of the centrifugal supercharger 15 and is coaxially connected to the turbine wheel of the turbine housing 15b disposed in the exhaust system.
[0046]
The intake air cooled by way of the intercooler 16 is adjusted in flow rate by the intake throttle valve 13 and flows into the intake branch pipe 8. The intake air that has flowed into the intake branch pipe 8 is distributed to the combustion chamber of each cylinder 2 via each branch pipe, and is used for combustion of fuel injected from the injector 3 of each cylinder 2.
[0047]
On the other hand, the internal combustion engine 1 has an exhaust branch pipe 18 connected to the combustion chamber of each cylinder via an exhaust port (not shown) of each cylinder 2.
[0048]
The exhaust branch pipe 18 is connected to the turbine housing 15 b of the centrifugal supercharger 15, and the turbine housing 15 b is connected to the exhaust pipe 19. A muffler (not shown) is attached downstream of the exhaust pipe 19.
[0049]
In the middle of the exhaust pipe 19, a catalytic converter 20 is disposed as an exhaust purification device that contains an exhaust purification catalyst for purifying harmful gas components in the exhaust. Further, an air-fuel ratio sensor 23 that outputs an electric signal corresponding to the exhaust air-fuel ratio and an exhaust temperature sensor 24 that outputs an electric signal corresponding to the exhaust temperature are attached downstream of the catalytic converter 20 in the exhaust pipe 19. It is.
[0050]
Further, an exhaust throttle valve 21 for adjusting the exhaust flow rate in the exhaust pipe 19 is attached downstream of the air-fuel ratio sensor 23 and the exhaust temperature sensor 24. The exhaust throttle valve 21 is connected to an exhaust throttle actuator 22 constituted by a stepper motor or the like, and opens and closes when the exhaust throttle actuator 14 is operated.
[0051]
Then, the air-fuel mixture burned in each cylinder 2 becomes exhaust gas and is discharged to the exhaust branch pipe 18 via the exhaust port, and then enters the turbine housing 15 b of the centrifugal supercharger 15 from the exhaust branch pipe 18. The exhaust gas flowing into the turbine housing 15b rotates a turbine wheel rotatably supported in the turbine housing 15b, and the intake air is rotated by rotating the compressor wheel of the compressor housing 15a that is coaxially connected to the turbine wheel. To high pressure.
[0052]
Exhaust gas discharged from the turbine housing 15b flows into the catalytic converter 20 through the exhaust pipe 19, where harmful gas components contained in the exhaust gas are removed or purified. Exhaust gas from which harmful gas components have been removed or purified by the catalytic converter 20 is adjusted in flow rate as necessary by the exhaust throttle valve 21, passes through the muffler, and is then released into the atmosphere.
[0053]
Further, the exhaust branch pipe 18 and the intake branch pipe 8 are exhaust recirculation passages (hereinafter referred to as “EGR passages”) 25 for recirculating a part of the exhaust gas flowing in the exhaust branch pipe 18 to the intake branch pipe 8. linked. The EGR passage 25 has a flow rate adjusting valve (hereinafter referred to as “EGR valve”) 26 for changing the flow rate of exhaust gas recirculation gas (hereinafter referred to as “EGR gas”) flowing therethrough. The EGR valve 26 is configured by an electromagnetic valve or the like, and its opening degree is determined according to the magnitude of applied power, and the flow rate of EGR gas changes according to the opening degree.
[0054]
Further, an EGR cooler 27 that cools the EGR gas flowing in the EGR passage 25 is provided upstream of the EGR valve 26 in the EGR passage 25.
[0055]
When the EGR valve 26 is opened, the EGR passage 25 becomes conductive, and a part of the exhaust gas flowing in the exhaust branch pipe 18 flows into the EGR passage 25 and flows into the intake branch pipe 8 via the EGR cooler 27.
[0056]
At that time, in the EGR cooler 27, heat exchange is performed between the EGR gas flowing in the EGR passage 25 and a predetermined refrigerant to cool the EGR gas.
[0057]
The EGR gas recirculated from the exhaust branch pipe 18 to the intake branch pipe 8 via the EGR passage 25 is guided to the combustion chamber of each cylinder 2 while being mixed with fresh air flowing from the upstream side of the intake branch pipe 8. Is used for combustion of the injected fuel. However, EGR gas contains water (H2O) and carbon dioxide (CO2) And the like, and since an inert gas component having endothermic properties is contained without being combusted by itself, if the EGR gas is contained in the mixture, the combustion temperature of the mixture decreases, Reduces the amount of nitrogen oxide (NOx) generated.
[0058]
Further, when the EGR gas is cooled by the EGR cooler 27, the temperature is lowered and the volume of the EGR gas is reduced. For this reason, when the EGR gas is supplied into the combustion chamber, the increase in the atmospheric temperature in the combustion chamber is suppressed, and the amount of fresh air supplied into the combustion chamber is not extremely reduced. The operation of the engine 1 is not hindered.
[0059]
The internal combustion engine 1 also includes a reducing agent supply mechanism that adds fuel (light oil) as a reducing agent to the exhaust gas flowing through the exhaust passage upstream of the catalytic converter 20.
[0060]
As shown in FIG. 1, this reducing agent supply mechanism is attached to the cylinder head of the internal combustion engine 1 so that its injection hole faces the exhaust branch pipe 18 and opens when fuel of a predetermined pressure or higher is applied. An injection valve 28, a reducing agent supply path 29 for guiding the fuel discharged from the fuel pump 6 described above to the reducing agent injection valve 28, and an inside of the reducing agent supply path 29 provided in the reducing agent supply path 29. A flow rate adjusting valve 30 that adjusts the flow rate of the flowing fuel, and a shutoff valve 31 that is provided in the reducing agent supply path 29 upstream from the flow rate adjusting valve 30 and blocks the fuel flow in the reducing agent supply path 29 are provided. ing.
[0061]
Note that the reducing agent injection valve 28 has the injection hole of the reducing agent injection valve 28 downstream of the connection portion of the EGR passage 25 in the exhaust branch pipe 18, and is most at the gathering portion of the four branch pipes in the exhaust branch pipe 18. It is preferable to attach to the cylinder head so that it protrudes to the exhaust port of the near cylinder 2 and faces the collecting portion of the exhaust branch pipe 18.
[0062]
This prevents the reducing agent (unburned fuel component) injected from the reducing agent injection valve 28 from flowing into the EGR passage 25, and the centrifugal supercharger without the reducing agent remaining in the exhaust branch pipe 18. This is to reach the 15 turbine housings 15b.
[0063]
In the example shown in FIG. 1, the first (# 1) cylinder 2 of the four cylinders 2 of the internal combustion engine 1 is in the position closest to the collecting portion of the exhaust branch pipe 18 so that the first (# 1) The reducing agent injection valve 28 is attached to the exhaust port of the cylinder 2, but when the cylinders 2 other than the first (# 1) cylinder 2 are located closest to the aggregate portion of the exhaust branch pipe 18, the cylinder 2 A reducing agent injection valve 28 is attached to the exhaust port.
[0064]
In such a reducing agent supply mechanism, when the flow rate adjustment valve 30 is opened, the high-pressure fuel sent from the fuel pump 6 is applied to the reducing agent injection valve 28 via the reducing agent supply path 29. When the pressure of the fuel applied to the reducing agent injection valve 28 reaches a predetermined pressure or higher, the reducing agent injection valve 28 is opened to inject fuel as a reducing agent into the exhaust branch pipe 18.
[0065]
The reducing agent injected into the exhaust branch pipe 18 from the reducing agent injection valve 28 flows into the turbine housing 15 b together with the exhaust gas flowing from the upstream side of the exhaust branch pipe 18. The exhaust gas and the reducing agent that have flowed into the turbine housing 15b are agitated by the rotation of the turbine wheel and mixed homogeneously to form a rich air-fuel ratio exhaust gas.
[0066]
The exhaust gas flows into the catalytic converter 20 from the turbine housing 15b through the exhaust pipe 19, and releases nitrogen oxides (NOx) stored in the exhaust purification catalyst of the catalytic converter 20 while nitrogen (N2).
[0067]
Thereafter, when the flow rate adjusting valve 30 is closed and the supply of the reducing agent from the fuel pump 6 to the reducing agent injection valve 28 is cut off, the pressure of the fuel applied to the reducing agent injection valve 28 becomes less than the predetermined pressure. As a result, the reducing agent injection valve 28 is closed and the addition of the reducing agent into the exhaust branch pipe 18 is stopped.
[0068]
The internal combustion engine 1 has an electronic control unit (ECU) 35 that controls the internal combustion engine 1. The ECU 35 is a unit that controls the operation state of the internal combustion engine 1 in accordance with the operation conditions of the internal combustion engine 1 and the driver's request, and is a central processing control unit CPU that is mutually connected by a bidirectional bus (not shown). , Read-only memory ROM, random access memory RAM, input interface circuit, output interface circuit, and the like.
[0069]
The input interface circuit includes a common rail pressure sensor 4a, an air flow meter 11, an intake air temperature sensor 12, an intake pipe pressure sensor 17, an air-fuel ratio sensor 23, an exhaust gas temperature sensor 24, a reducing agent pressure sensor 32, a crank position sensor 33, and a water temperature sensor 34. These are electrically connected to various sensors such as the accelerator opening sensor 36. When the output signals of these various sensors enter the ECU 35 from the input interface circuit, these parameters are temporarily stored in the random access memory RAM. The random access memory RAM stores the arithmetic processing required by the CPU based on these parameters in accordance with various application programs stored in the read-only memory ROM. The map stored in the parameter or ROM is called up as necessary.
[0070]
The output interface circuit is electrically connected to various devices such as an injector 3, an intake throttle actuator 14, an exhaust throttle actuator 22, an EGR valve 26, a flow rate adjusting valve 30, and a shutoff valve 31 that operate based on output signals of the various sensors. These various devices are appropriately operated based on the calculation result of the CPU.
[0071]
Next, the catalytic converter 20 that is an exhaust purification device will be described in detail.
[0072]
The catalytic converter 20 contains a NOx catalyst for purifying nitrogen oxide (NOx) in the exhaust gas in the presence of a reducing agent in the case. Examples of such a NOx catalyst include a selective reduction type NOx catalyst and an occlusion. Although a reduction type NOx catalyst etc. can be illustrated, an occlusion reduction type NOx catalyst will be described as an example here.
[0073]
The NOx storage reduction catalyst is, for example, alumina (Al2OThree) As a carrier, and an alkali metal such as potassium (K), sodium (Na), lithium (Li), and cesium (Cs) and an alkali such as barium (Ba) and calcium (Ca) on the carrier. It is configured to carry at least one selected from earth and a rare earth such as lanthanum (La) yttrium (Y) and a noble metal such as platinum (Pt).
[0074]
The NOx storage reduction catalyst configured as described above stores nitrogen oxides (NOx) in the exhaust when the exhaust air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio, and the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst has an oxygen concentration. When it is reduced and a reducing agent is present, it is reduced and purified while releasing nitrogen oxides (NOx) that have been occluded.
[0075]
The exhaust air-fuel ratio here means the ratio of the total amount of air supplied to the exhaust pipe 19 upstream of the catalytic converter 20, the combustion chamber, the intake pipe 9 and the like and the total amount of fuel (hydrocarbon). It shall be. Therefore, unless the fuel, reducing agent, or air is supplied to the exhaust system upstream from the catalytic converter 20, the exhaust air-fuel ratio matches the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber.
[0076]
Here, the NOx absorption / release mechanism of the NOx storage reduction catalyst will be described by taking as an example an NOx storage reduction catalyst in which platinum (Pt) and barium (Ba) are supported on a support made of alumina.
[0077]
It is considered that the NOx absorption / release action of the NOx storage reduction catalyst is performed by the mechanism shown in FIG.
[0078]
First, the NOx storage reduction catalyst, when the oxygen concentration in the exhaust gas increases as the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage catalyst becomes a lean air-fuel ratio, as shown in FIG. Oxygen (O2) Is O2 -Or O2-The nitrogen monoxide (NO) in the exhaust gas is deposited on the surface of platinum (Pt) in the form of2 -Or O2-Reacts with nitrogen dioxide (NO2) (2NO + O2→ 2NO2).
[0079]
Nitrogen dioxide (NO2) Is oxidized on the surface of platinum (Pt) and combined with barium oxide (BaO) to form nitrate ions (NOThree -). Thus, nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas are nitrate ions (NO3-) Is stored in the NOx storage reduction catalyst.
[0080]
Such an action is called a NOx occlusion action, and the NOx occlusion action is continued as long as the exhaust air-fuel ratio flowing into the occlusion reduction type NOx catalyst is lean and the NOx occlusion capacity of the occlusion reduction type NOx catalyst is not saturated.
[0081]
In contrast, when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, nitrogen dioxide (NO2Nitrate ions (NO) bound to barium oxide (BaO).3-) On the contrary, nitrogen dioxide (NO2) Or nitrogen monoxide (NO) and is released from the NOx storage reduction catalyst.
[0082]
That is, when the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst decreases, nitrate ions (NO3-) In the form of nitrogen oxides (NOx) stored in the NOx storage reduction catalyst.2) And nitrogen monoxide (NO) and released from the NOx storage reduction catalyst.
[0083]
As shown in FIG. 2B, the nitrogen oxide (NOx) released from the NOx storage reduction catalyst is reduced by a reducing component (for example, oxygen O on platinum (Pt) of the NOx storage reduction catalyst).2-Or O2-Reacts with partially oxidized hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) and other active species) to react with nitrogen (N2) Etc.
[0084]
That is, hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) in the exhaust gas are oxidized on platinum (Pt).2 -Or O2-Reacts with and oxidizes, thereby O on platinum (Pt)2 -Or O2-If hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) still remain after the consumption of NO, these hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) are released from the NOx storage reduction catalyst. Oxides (NOx) and nitrogen oxides (NOx) discharged from the internal combustion engine 1 are nitrogen (N2).
[0085]
Therefore, by reducing the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst to the stoichiometric or rich air-fuel ratio, the NOx stored in the NOx storage reduction catalyst is reduced while being released. Is possible.
[0086]
By the way, since the NOx storage capacity of the NOx storage reduction catalyst is limited, when the lean air-fuel ratio exhaust gas flows into the NOx storage reduction catalyst over a long period of time, the NOx storage capacity of the NOx storage reduction catalyst is saturated and the exhaust The nitrogen oxide (NOx) is released into the atmosphere without being removed or purified by the NOx storage reduction catalyst.
[0087]
However, for example, in a diesel engine, the lean air-fuel ratio mixture is burned in the most operating region, and the exhaust air-fuel ratio becomes the lean air-fuel ratio in the most operating region accordingly. There is a possibility that the NOx occlusion capacity is saturated and no more can be absorbed and NOx leaks.
[0088]
In order to avoid leakage, the NOx absorption capacity must be restored. To that end, the NOx absorption capacity of the NOx storage reduction catalyst must be restored by releasing the NOx that had previously been absorbed by the NOx storage reduction catalyst. There is.
[0089]
Therefore, before the NOx storage reduction catalyst is saturated, the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is made rich at a predetermined timing to extremely reduce the oxygen concentration and release NOx from the NOx storage reduction catalyst, thereby absorbing the NOx. It is necessary to regenerate the NOx storage reduction catalyst that recovers its capacity.
[0090]
However, if the NOx storage reduction catalyst can be regenerated by simply releasing NOx, NOx purification, which is the original function of the NOx catalyst, cannot be achieved, leading to deterioration of emissions. Therefore, for example, a fuel injection valve is provided in the exhaust port, and engine fuel is injected from the fuel injection valve continuously or intermittently according to the operating state of the internal combustion engine, and the engine fuel is added to the NOx storage reduction catalyst as a reducing agent. As a result, the released NOx is reduced to N2NOx purification is carried out by reducing the amount.
[0091]
By the way, since engine fuel contains a large amount of sulfur components, it generates sulfur oxides (hereinafter referred to as “SOx” unless otherwise specified) when burned. SOx is absorbed by the NOx storage reduction catalyst by the same mechanism as NOx.
[0092]
Since SOx forms a stable sulfate, it is difficult to be decomposed and released, and is easily accumulated in the NOx storage reduction catalyst. As a result, the NOx purification rate of the NOx storage reduction catalyst is reduced by the amount of SOx absorbed by the NOx storage reduction catalyst, causing a phenomenon that hinders NOx purification, which is a function of the NOx storage reduction catalyst, so-called S poisoning. There is a fear. Therefore, it is necessary to recover the NOx storage reduction catalyst in the S poison state, and the process for this is called the S poison recovery processing of the NOx storage reduction catalyst.
[0093]
However, since the sulfate accumulated in the NOx storage reduction catalyst is relatively stable as described above, it was at a temperature at which the NOx storage reduction catalyst regenerates it (for example, about 250 to 500 ° C.). Therefore, it is difficult to release SOx absorbed by the NOx storage reduction catalyst.
[0094]
In order to perform the S poisoning recovery process, the temperature of the NOx storage reduction catalyst is raised to a high temperature of, for example, about 600 to 700 ° C., which is higher than the temperature at which the NOx storage regeneration catalyst is regenerated, and the exhaust air-fuel ratio is stoichiometrically increased. Or deal with it regularly by making it rich.
[0095]
On the other hand, the diesel engine has a lower exhaust temperature than a conventional gasoline engine, and it is difficult to achieve the high temperature necessary for the S poison recovery process. For example, when the diesel engine is in a high load operation state, that is, when the diesel engine is operating at a high temperature for the diesel engine, if the exhaust air-fuel ratio is made stoichiometric or rich, soot, unburned fuel components, etc. Particulate matter such as PM is easily discharged. Therefore, the exhaust air-fuel ratio cannot be stoichiometric or rich at the high temperature.
[0096]
Therefore, the sulfur poisoning is recovered by raising the catalyst bed temperature, which is the temperature of the NOx storage reduction catalyst at the high temperature, and making the exhaust air / fuel ratio stoichiometric or rich at the time of light load operation in which particulates such as soot are difficult to be discharged. Can be considered.
[0097]
However, if the diesel engine is accelerated, for example, to secure the temperature suitable for the S poison recovery process, the fuel injection amount increases to maintain the engine output in the operating state, which is not preferable in terms of fuel consumption. . The above problems are as already described in the description of the prior art.
[0098]
In contrast, the internal combustion engine 1 according to the present embodiment improves the fuel consumption by performing the S poison recovery process when the internal combustion engine is decelerating while ensuring the function of the NOx storage reduction catalyst. Technology.
[0099]
That is, when the internal combustion engine 1 is in an acceleration operation state or a steady operation state, the NOx catalyst is raised within a temperature range suitable for NOx purification, and when the internal combustion engine 1 is in a deceleration operation state, the exhaust air-fuel ratio is increased. The internal combustion engine 1 has a temperature raising means for making the temperature of the NOx catalyst suitable for S poison recovery by making lean.
[0100]
Note that “in the steady operation state” of “the internal combustion engine 1 is in the acceleration operation state or the steady operation state” means that the engine is operated in a state where the amount of depression of the accelerator by the driver is constant and the engine speed is constant. Means state.
[0101]
Next, a program for realizing the S poison recovery process execution routine of the engine 1 by the ECU 35 will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0102]
This program includes steps 101 to 108 described below. Moreover, the program which consists of these steps is memorize | stored in ROM of ECU35, and is called as needed. All processes in the steps are performed by the CPU of the ECU 35. For example, step 101 is abbreviated as S101 using the symbol S.
[0103]
This routine estimates the S poisoning amount of the NOx storage reduction catalyst from the fuel consumption, and if it reaches a predetermined value or more, it is determined that the NOx storage reduction catalyst should recover the S poisoning. Migrate to
[0104]
That is, in S101, it is determined whether or not there is a need for the S poison recovery process. In order to recover S poison, it is necessary that the catalyst bed temperature is 600 ° C. or higher and the exhaust air / fuel ratio is 14.5 or lower. If the conditions are not satisfied, S poison cannot be recovered.
[0105]
In S102, first, the catalyst bed temperature is detected, and when the temperature is 500 ° C. or lower, temperature increase control is performed. That is, it is determined whether the temperature is higher than 500 ° C. If a negative determination is made, the process proceeds to S103. If an affirmative determination is made, this process is repeated until a negative determination is made.
[0106]
When the catalyst bed temperature is higher than 500 ° C., the process after S103 is prevented from proceeding to the combustion of fuel by making the exhaust air-fuel ratio lean when the internal combustion engine 1 is in the decelerating operation state. This is because the technical idea of the present invention is that the temperature of the NOx catalyst is set to the temperature of 600 ° C. or more, which is suitable for the recovery of S poison.
[0107]
In addition, useless deterioration of fuel consumption is prevented by setting the determination value to 500 ° C., which is not far from 600 ° C., which is a condition for recovery from S poisoning. Further, 500 ° C. is a limit value for the deterioration of the reduction performance of the NOx catalyst 20, and although the reduction performance deteriorates at a temperature higher than that, it is a temperature suitable for NOx purification. A temperature range suitable for NOx purification is 250 to 500 ° C.
[0108]
In S103, when the catalyst bed temperature is 500 ° C. or lower, the temperature increase control is executed, and the temperature increase control by the fuel injected from the reducing agent injection valve 28 according to the operating state of the internal combustion engine, Either the so-called post-injected fuel temperature rise control, which is a secondary injection other than the main injection injected by the injector 3, or the so-called engine rich temperature rise control that makes the air-fuel ratio rich, or a combination thereof, brings the engine into operation. Perform the temperature rise control accordingly. By this temperature increase control, the NOx storage reduction catalyst is raised to a temperature range suitable for NOx purification.
[0109]
In S104, it is determined whether the internal combustion engine 1 is in an acceleration operation state or a steady operation state. If an affirmative determination is made, the process returns to S102. If a negative determination is made, that is, if the internal combustion engine 1 is in a deceleration operation state, the process returns to S105. move on.
[0110]
In S105, which proceeds when the internal combustion engine 1 is in a decelerating operation state, the exhaust air-fuel ratio is instantaneously leaned. By doing so, the NOx storage reduction catalyst is instantaneously placed in an oxygen-excess atmosphere. That is, since the amount of oxygen in the exhaust gas increases, the increased oxygen is supplied toward the NOx storage reduction catalyst. As a result, the oxidation reaction is promoted to increase the heat of reaction, and the temperature of the NOx storage reduction catalyst can be raised.
[0111]
In S106, it is determined whether or not the catalyst bed temperature is higher than the above-mentioned 600 ° C. necessary for S poison recovery. If an affirmative determination is made, the process proceeds to S107. The process is repeated. In this way, the temperature of the catalyst bed is controlled to rise to 600 ° C. S106 is a process performed in a state where the exhaust air-fuel ratio is instantaneously lean when the internal combustion engine 1 is in a decelerating operation state (see S104 and S105). Therefore, S104 to S106 can be said to be temperature raising means for making the temperature of the NOx storage reduction catalyst suitable for S poison recovery by making the exhaust air-fuel ratio lean when the internal combustion engine 1 is in the decelerating operation state. Further, this program including S104 to S106 is stored in the ROM, and the attribute of the ROM is in the ECU 9. Therefore, when the internal combustion engine 1 is in the decelerating operation state, the ECU 35 makes the exhaust air-fuel ratio lean so that the NOx storage reduction type NOx. It can be said that the temperature of the catalyst is raised to a temperature suitable for S poison recovery. The temperature raising means is also a temperature raising means for maintaining the NOx catalyst at a temperature suitable for NOx purification when the internal combustion engine 1 is in an acceleration operation state or a steady operation state (see S102, S103, and S104).
[0112]
In S107, the exhaust air-fuel ratio is made rich for a predetermined time by performing the same temperature rise control as the temperature rise control performed in S103 by executing fuel injection from the reducing agent injection valve 28 or executing engine rich.
[0113]
In S108, the predetermined time in S107 is counted by an appropriate timer (not shown). This predetermined time is obtained by experiment and using an appropriate arithmetic expression. Then, after the predetermined time has elapsed, the S poison recovery control ends.
[0114]
The internal combustion engine 1 having such a configuration has the following operational effects.
[0115]
When S poisoning of the NOx catalyst is to be recovered, when the internal combustion engine 1 is in the acceleration operation state or the steady operation state, the NOx storage reduction catalyst is raised to, for example, 500 ° C. which belongs to a temperature range suitable for NOx purification. Therefore, NOx can be reduced and purified by adding a reducing agent at that time.
[0116]
In addition, when the internal combustion engine 1 is in a decelerating operation state, the amount of oxygen in the exhaust can be increased by making the exhaust air-fuel ratio lean, so that if the increased oxygen is supplied toward the NOx storage reduction catalyst, oxidation will occur. The reaction can be promoted. Therefore, since the reaction heat increases and the temperature of the NOx catalyst can be increased, the oxygen amount is increased so that the reaction heat can be increased to a temperature suitable for S poison recovery (see S105). There is no need to intend to increase the catalyst temperature by burning the fuel as in this technique. As a result, even with a small amount of fuel, the NOx catalyst can be raised to a temperature sufficient to perform the S poisoning recovery process, so that the fuel consumption can be reduced.
[0117]
In addition, the timer counts the predetermined time, during which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing through the NOx storage reduction catalyst is made rich, and the ECU 35 as the temperature raising means sets the temperature of the NOx storage reduction catalyst. By maintaining the temperature suitable for the S poison recovery process, the S poison recovery process can be performed reliably.
[0118]
【The invention's effect】
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present application, fuel consumption can be suppressed by performing the S poison recovery process when the internal combustion engine is running at a reduced speed while ensuring the function of the NOx catalyst.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an internal combustion engine to which an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention is applied.
FIG. 2 NOx absorption / release action diagram of NOx storage reduction catalyst
FIG. 3 is a flowchart for explaining a program for realizing an S poison recovery process execution routine of the internal combustion engine;
[Explanation of symbols]
1 Internal combustion engine
2-cylinder
3 Injector
4 Common rail
4a Common rail pressure sensor
5 Fuel supply pipe
6 Fuel pump
6a Pump pulley
1a Crank pulley
7 Belt
8 Intake branch pipe
9 Intake pipe
10 Air cleaner box
11 Air flow meter
12 Intake air temperature sensor
13 Inlet throttle valve
14 Inlet throttle actuator
15 Centrifugal supercharger
15a Compressor housing
16 Intercooler
15b Turbine housing
18 Exhaust branch pipe
19 Exhaust pipe
20 Catalytic converter
23 Air-fuel ratio sensor
24 Exhaust temperature sensor
22 Exhaust throttle actuator
21 Exhaust throttle valve
25 EGR passage
26 EGR valve
27 EGR cooler
28 Reducing agent injection valve
29 Reducing agent supply path
30 Flow control valve
31 Shut-off valve
35 ECU
17 Intake pipe pressure sensor
32 Reducing agent pressure sensor
33 Crank position sensor
34 Water temperature sensor
35 ECU (temperature raising means)
36 Accelerator position sensor

Claims (3)

排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxを吸収し排気中の酸素濃度が低下するとそれまで吸収していたNOxを放出し還元剤の添加によってNOxの還元浄化を行うNOx触媒と、
このNOx触媒のS被毒を回復すべき場合において、内燃機関が加速運転状態または定常運転状態にある時は、前記NOx触媒での燃料の燃焼により、前記NOx触媒をNOx浄化に適した範囲内の温度であって、前記NOx触媒のS被毒回復に適した温度より低い温度を超えないように温度上昇させ、前記内燃機関が減速運転状態にある時に、排気空燃比をリーンにすることで前記NOx触媒の温度を前記S被毒回復に適した温度にする昇温手段と、
を有する内燃機関の排気浄化装置。
A NOx catalyst that absorbs NOx in the exhaust when the exhaust air-fuel ratio is lean and releases the NOx that has been absorbed when the oxygen concentration in the exhaust decreases, and performs NOx reduction purification by adding a reducing agent;
In the case where the S poisoning of the NOx catalyst is to be recovered, when the internal combustion engine is in an acceleration operation state or a steady operation state, the NOx catalyst is within a range suitable for NOx purification by combustion of fuel in the NOx catalyst . And the exhaust air-fuel ratio is made lean when the internal combustion engine is in a decelerating operation state so as not to exceed a temperature lower than the temperature suitable for S poison recovery of the NOx catalyst. a temperature increase device that the temperature of the NOx catalyst to a temperature suitable for the S poisoning elimination,
An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine having
前記NOx浄化に適した範囲内の温度であって、前記NOx触媒のS被毒回復に適した温度より低い温度とは、前記NOx触媒の還元性能悪化の上限温度である、The temperature within the range suitable for the NOx purification and lower than the temperature suitable for the S poison recovery of the NOx catalyst is the upper limit temperature for the deterioration of the reduction performance of the NOx catalyst.
請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。  The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 1.
前記NOx触媒がS被毒回復に適した温度に達した後は、所定時間、前記NOx触媒に流れる排気ガスの空燃比をリッチにするとともに、前記昇温手段は、前記NOx触媒の温度をS被毒回復処理に適した温度に維持することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。After the NOx catalyst reaches a temperature suitable for S poison recovery, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing through the NOx catalyst is made rich for a predetermined time, and the temperature raising means sets the temperature of the NOx catalyst to S. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the exhaust gas purification apparatus is maintained at a temperature suitable for poisoning recovery processing.
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