(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に配設され、燃焼室からの排気ガスを導入し、該排気ガス中の水蒸気とＨＣとを反応させてＨ２を発生させる水蒸気改質機能を有する上流側触媒と、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保持していたＮＯx を排気ガス中の還元剤成分を用いて還元する機能を有する下流側触媒と、この下流側触媒に保持されているＮＯx を還元浄化するときに、前記上流側触媒へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とする触媒再生手段と、を備えるエンジンの排気浄化装置において、前記触媒再生手段は、燃焼室内の空燃比がほぼ理論空燃比となる主燃料を点火実行までに供給すると共に、点火によって前記主燃料が燃焼した後の燃焼室あるいは排気通路に追加燃料を供給することで前記上流側触媒へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とすることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記触媒再生手段は、前記追加燃料の供給量を前記上流側触媒の温度に応じて可変設定することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
前記触媒再生手段は、吸気行程中に前記燃料噴射弁を噴射駆動して前記主燃料を供給すると共に、膨張行程乃至排気行程中に前記燃料噴射弁を噴射駆動して前記追加燃料を供給することを特徴とする請求項１または２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記触媒再生手段は、前記主燃料の量とエンジンの吸入空気量とに応じて前記追加燃料の噴射時期を可変設定することを特徴とする請求項３記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
エンジンの排気通路に配設され、燃焼室からの排気ガスを導入し、該排気ガス中の水蒸気とＨＣとを反応させてＨ２を発生させる水蒸気改質機能と、流入する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、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるとき保持していたＮＯx を排気ガス中の還元剤成分を用いて還元する機能とを併有する触媒と、この触媒に保持されているＮＯx を還元浄化するときに、前記触媒へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とする触媒再生手段と、を備えるエンジンの排気浄化装置において、前記触媒再生手段は、燃燃室内の空燃比がほぼ理論空燃比となる燃料を点火実行までに供給すると共に、点火による主燃焼後の燃焼室あるいは排気通路に追加燃料を供給することで前記触媒へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とすることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【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エンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リーン空燃比運転を行なうエンジンから排出される排気ガスを浄化する触媒として、特開平１０−３５６号公報や特開平１１−２２６４０４号公報には、多孔質粒子にロジウムＲｈを担持した粉末と多孔質粒子に白金ＰｔとＮＯｘ  吸蔵材を担持した粉末とを混在させた触媒が開示されている。
この触媒は、リーン空燃比運転中の排気ガスに含まれるＮＯをＰｔ、ＲｈでＮ０２  に酸化した後ＮＯｘ  吸蔵材に吸蔵し、その後のリッチ空燃比運転時に吸蔵していたＮＯｘ  をＰｔ、Ｒｈ上で排気ガス中の還元剤成分（ＨＣ、ＣＯ）と反応させて浄化するものである。
特に、分離担持されたＲｈが水蒸気とＨＣ、ＣＯとの反応を促進させて還元力の強いＨ２  を発生させるので、リッチ空燃比運転時の吸蔵ＮＯｘ  の還元浄化が良好なものとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各公報には、リッチ空燃比運転時により多くのＨ２  を発生させるための方法が開示されておらず、上記の触媒を十分有効に活用できるものではなかった。
そこで本発明は、水蒸気とＨＣとからＨ２  を発生させる機能（水蒸気改質機能）を有する触媒に対し、リッチ空燃比運転時の燃料供給形態を特定することにより、より多くのＨ２  を発生させ、ＮＯｘ  の還元浄化率を向上させることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明の請求項１記載のエンジンの排気浄化装置では、エンジンの排気通路に配設され、燃焼室からの排気ガスを導入し、該排気ガス中の水蒸気とＨＣとを反応させてＨ２を発生させる水蒸気改質機能を有する上流側触媒と、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保持していたＮＯx を排気ガス中の還元剤成分を用いて還元する機能を有する下流側触媒と、この下流側触媒に保持されているＮＯxを還元浄化するときに、前記上流側触媒へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とする触媒再生手段と、を備えるエンジンの排気浄化装置において、前記触媒再生手段は、燃焼室内の空燃比がほぼ理論空燃比となる主燃料を点火実行までに供給すると共に、点火によって前記主燃料が燃焼した後の燃焼室あるいは排気通路に追加燃料を供給することで前記上流側触媒へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とすることを特徴とする。
【０００５】
請求項２記載の発明では、請求項１記載のエンジンの排気浄化装置において、前記触媒再生手段は、前記追加燃料の供給量を前記上流側触媒の温度に応じて可変設定することを特徴とする。
【０００６】
請求項３記載の発明では、請求項１または２記載のエンジンの排気浄化装置のいて、エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、前記触媒再生手段は、吸気行程中に前記燃料噴射弁を噴射駆動して前記主燃料を供給すると共に、膨張行程乃至排気行程中に前記燃料噴射弁を噴射駆動して前記追加燃料を供給することを特徴とする。
【０００７】
請求項４記載の発明では、請求項３記載の園児の排気浄化装置において、前記触媒再生手段は、前記主燃料の量とエンジンの吸入空気量とに応じて前記追加燃料の噴射時期を可変設定することを特徴とする。
【０００８】
請求項５記載のエンジンの排気浄化装置では、エンジンの排気通路に配設され、燃焼室からの排気ガスを導入し、該排気ガス中の水蒸気とＨＣとを反応させてＨ２を発生させる水蒸気改質機能と、流入する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、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるとき保持していたＮＯx を排気ガス中の還元剤成分を用いて還元する機能とを併有する触媒と、この触媒に保持されているＮＯx を還元浄化するときに、前記触媒へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とする触媒再生手段と、を備えるエンジンの排気浄化装置において、前記触媒再生手段は、燃燃室内の空燃比がほぼ理論空燃比となる燃料を点火実行までに供給すると共に、点火による主燃焼後の燃焼室あるいは排気通路に追加燃料を供給することで前記触媒へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とすることを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明のエンジンの排気浄化装置は、上記の通り構成されているので、以下に示す効果を奏する。
追加噴射によって排気ガスの空燃比をリッチ化するので、主燃料の燃料自体をリッチ化するのと比較して大幅なリッチ化が可能であり、水蒸気改質反応の一方の材料であるＨＣを排気ガス中に多量に含ませることが出来る。
さらに、主燃料の燃焼自体はほぼ理論空燃比とするので、水蒸気改質反応の他方の材料である水蒸気を排気ガス中に多量に含ませることが出来る。
よって、水蒸気改質反応の２つの材料を多量に含む排気ガスを上流側触媒へ流入させることができ、より多くのＨ２  を発生させることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるエンジンの排気浄化装置の全体構成図である。
エンジン本体１には、吸気通路２と排気通路３とが接続されており、吸気通路２にはエンジンが吸入する空気の量を調量する電制スロットルチャンバー４が配設される一方、排気通路３には上流側触媒５と下流側触媒６とが配設されている。このエンジンは、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁７を備えた直噴エンジンであり、理論空燃比運転を行なうときは吸気行程で燃料を噴射して燃焼室内に均質な混合気を形成する一方、リーン空燃比運転を行なうときは圧縮行程後半で燃料を噴射して点火栓８の周囲の限られた領域にほぼ理論空燃比の混合気層を偏在化させるようにしている。
【００１１】
上流側触媒５は、エンジン始動後速やかに昇温して早期に排気浄化能力を発揮する触媒であり、排気ガス中のＨＣ、ＣＯを酸化する機能を有している。また、触媒成分として水蒸気改質反応を促進する成分（ロジウムＲｈ等）を担持しており、流入する排気ガス中の水蒸気とＨＣとを反応させてＨ２  を発生させる機能を有している。
下流側触媒６は、流入する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、流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるとき保持していたＮＯｘ  を排気ガス中の還元剤成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２  ）を用いて還元する機能を有している。
【００１２】
エンジンコントロールモジュール（以下、ＥＣＭと称す。）１１は、エンジンの運転状態を検出する各種の運転状態検出センサ（吸入空気量センサ１２，クランク角センサ１３，アクセル開度センサ１４）、上流側触媒の温度を検出する触媒温度センサ１５から送られる各種の信号に基づいて各種の制御値を算出し、電制スロットルチャンバー４、燃料噴射弁７、点火栓８へ制御信号を送ってこれらを制御する。
ＥＣＭ１１が行なう各種制御のうち、本発明の触媒再生制御に関わる燃料噴射制御を図２から図８に基づいて説明する。すなわち、本発明の触媒再生手段は、ＥＣＭ１１がソフトウェア的に備えている。
【００１３】
図２は、下流側触媒６に保持されているＮＯｘ  を還元浄化して下流側触媒６のＮＯｘ  保持機能を再生する必要があるか否かを判断する触媒再生制御判断ルーチンであり、ＥＣＭ１１内で所定時間毎に実行される。
先ず、ステップ（以下、Ｓと表記する）１０１では、主燃焼の目標当量比ＴＦＢＹＡ１が１より小さいか否か、すなわち、現在リーン空燃比運転が行われているか否かを判断する。なお、目標当量比ＴＦＢＹＡ１は直前に実行した目標当量比算出ルーチン（図３）で算出された値である。また、当量比は空燃比／理論空燃比を表す値であり、ＴＦＢＹＡ１が１より小さいときは主燃焼の空燃比がリーン空燃比であることになる。
現在リーン空燃比運転中であると判断された場合はＳ１０２へ進み、リーン空燃比運転の継続時間ＴＬＮを算出する。具体的には、前回本ルーチンを実行したときに算出したリーン空燃比運転の継続時間前回値ＴＬＮｚに本ルーチンの実行時間間隔に等しい△ｔを加算し、新たなリーン空燃比運転の継続時間ＴＬＮを算出する。
【００１４】
次に、Ｓ１０３でリーン空燃比運転の縦続時間ＴＬＮを所定値ＳＬＬＮと比較し、ＴＬＮがＳＬＬＮを越えていればＳ１０４で触媒再生制御フラグＦＲＳを１に設定する一方、ＴＬＮがＳＬＬＮ以下であればＳ１０５で触媒再生制御フラグＦＲＳを０に設定する。なお、触媒再生制御フラグＦＲＳは１のとき触媒再生制御を実行することを表す制御フラグである。ここでは、リーン空燃比運転を一定時間以上継続して行なったとき、下流側触媒６に保持されているＮＯｘ  を還元浄化し、下流側触媒６のＮＯｘ  保持機能を再生するようにしている。
Ｓ１０１の判断がＮＯであった場合はＳ１０６へ進み、現在触媒再生制御フラグＦＲＳが１に設定されているか否かを判断する。
【００１５】
フラグＦＲＳの設定から現在触媒再生制御中であると判断された場合はＳ１０７へ進み、触媒再生制御の継続時間ＴＲＳを算出した後、Ｓ１０８で触媒再生制御の継続時間ＴＲＳが所定値ＳＬＲＳより小さいか否かを判断する。ＴＲＳがＳＬＲＳより小さいときはまだ十分な再生が行われていないと判断し、Ｓ１０９で触媒再生制御フラグＦＲＳを１に設定する。
Ｓ１０６、Ｓ１０８の何れかの判断がＮＯであるときは、Ｓ１１０でリーン空燃比運転の継続時間ＴＬＮと触媒再生制御の継続時間ＴＲＳを０にリセットした後、Ｓ１１１で触媒再生制御フラグＦＲＳを０に設定する。
【００１６】
図３は、主燃焼の目標当量比ＴＦＢＹＡ１と追加燃料の目標当量比ＴＦＢＹＡ２とを算出する目標当量比算出ルーチンであり、ＥＣＭ１１内で所定時間毎に実行される。
先ず、Ｓ２０１では、現在触媒再生制御フラグＦＲＳが０に設定されているか否かを判断する。フラグＦＲＳは、直前に実行した触媒再生制御判断ルーチン（図２）で設定した値である。
フラグＦＲＳの設定から現在触媒再生制御中でないと判断された場合は、Ｓ２０２で運転条件（目標トルクＴＴＣ、エンジン回転数ＮＥ）に応じた主燃焼の目標当量比ＴＦＢＹＡ１を算出すると共に、Ｓ２０３で追加燃料の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を０に設定する。すなわち、触媒再生制御を行なわない通常制御時は追加燃料の供給を行なわない。なお、目標トルクＴＴＣはアクセル開度センサ１４の出力信号から求めたアクセル開度とクランク角センサ１３の出力信号から求めたエンジン回転数ＮＥとから算出した値を使用する。
【００１７】
Ｓ２０１の判断がＮＯであるときは、Ｓ２０４に進んで、主燃焼の目標当量比ＴＦＢＹＡ１を１（理論空燃比相当）に設定する。この設定により、主燃焼による水蒸気の発生を最大とすることができる（図４）。
続くＳ２０５からＳ２０７では、追加燃料の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を算出する。詳細には、Ｓ２０５で追加燃料の目標当量比の基本値ＢＴＦＢＹＡ２を吸入空気量ＱＡに基づいて算出し、Ｓ２０６で補正係数ＫＴＩを上流側触媒５の温度ＴＣＵに基づいて算出し、Ｓ２０７で基本値ＢＴＦＢＹＡ２に補正係数ＫＴＩを乗じて追加燃料の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を算出する。なお、吸入空気量ＱＡは吸入空気量センサ１２の出力信号から求めた値であり、上流側触媒５の温度ＴＣＵは触媒温度センサ１５の出力信号から求めた値である。
【００１８】
ここで、Ｓ２０５の演算では、吸入空気量ＱＡが多いほど追加燃料の目標当量比の基本値ＢＴＦＢＹＡ２が大きくなるようにする（図５）。これは、吸入空気量ＱＡが多いほど主燃焼で発生する水蒸気の量が多くなるので、これにＨＣの量を合わせるためである。また、Ｓ２０６の演算では、上流側触媒５の温度ＴＣＵが特定温度であるとき補正係数ＫＴＩが最大値（１）となるようにする（図６）。これは、特定温度のときに上流側触媒５での水蒸気改質反応性が最大となる特性に合わせたもので、下流側触蝶６を通過してしまう還元剤成分量を一定以下に抑制しつつＮＯｘ  の還元率を最大化させる設定である。なお、常に一定以上のＮＯｘ  還元率を確保したい場合は上記と逆（特定温度でＫＴＩが最低値を取る）の役定とすれば良い。
【００１９】
このルーチンでは、触媒再生制御の有無によって主燃焼の目標当量比ＴＦＢＹＡ１を全く異なる方法で算出・設定しているが、ＥＣＭ１１は目標当量比ＴＦＢＹＡ１と目標トルクとから目標吸入空気量を算出し、この目標吸入空気量が得られるように電制スロットルチャンバー４内のスロットルバルブ開度を制御する吸入空気量制御を行なっているので、目標当量比ＴＦＢＹＡ１を任意に算出・設定しても、それによってエンジンのトルクが変化するようなことはない。
【００２０】
図７は、主燃料噴射量Ｔｉ１、主燃焼噴射時期ＩＴ１、追加燃料噴射量Ｔｉ２、追加燃料噴射時期ＩＴ２を算出する燃料噴射制御値算出ルーチンであり、ＥＣＭ１１内で所定時間毎に実行される。
先ず、Ｓ３０１では、吸入空気量ＱＡとエンジン回転数ＮＥとから基本燃料噴射量Ｔｐを算出する。基本燃料噴射量Ｔｐは、燃焼室内の空燃比を理論空燃比とする燃料量である。
【００２１】
続くＳ３０２では、基本燃料噴射量Ｔｐに主燃焼の目標当量比ＴＦＢＹＡ１を乗じて主燃料噴射量Ｔｉ１を算出する。
Ｓ３０３では、主燃焼の目標当量比ＴＦＢＹＡ１、主燃料噴射量Ｔｉ１、エンジン回転数ＮＥに応じて、主燃料噴射時期ＩＴ１を算出する。目標当量比ＴＦＢＹＡ１が１以上であるとき、ＩＴ１は吸気行程中とされ、１より小さいときは圧縮行程後期とされる。各行程内での詳細設定は、Ｔｉ１とＮＥに応じて燃焼安定性や発生トルクが良好となる時期に設定される。
Ｓ３０４では、基本燃料噴射量Ｔｐに追加燃料の目標当量比ＴＦＢＹＡ２を乗じて追加燃料噴射量Ｔｉ２を算出し、次のＳ３０５で追加燃料噴射量Ｔｉ２が０であるか否かを判断する。
【００２２】
追加燃料噴射量Ｔｉ２が０であるときは、Ｓ３０６で追加燃料噴射時期ＩＴ２を無効な値に設定する一方、追加燃料噴射量Ｔｉ２が０でないときは、Ｓ３０７からＳ３０９で追加燃料噴射時期ＩＴ２を算出する。詳細には、Ｓ３０７で追加燃料噴射時期の基本値ＢＩＴ２を吸入空気量ＱＡに基づいて算出し、Ｓ３０８で補正量ＤＩＴを主燃料噴射量Ｔｉ１に基づいて算出し、Ｓ３０９で基本値ＢＩＴ２に補正量ＤＩＴを加算して追加燃料噴射時期ＩＴ２を算出する。ＩＴ２は、膨張〜排気行程中の時期とされる。
【００２３】
ここで、Ｓ３０７の演算では、吸入空気量ＱＡが多いほど追加燃料噴射時期の基本値ＢＩＴ２が進み側となるようにする（図８）。これは、追加噴射された燃料が上流側触媒５へ到達するまでの時間をほぼ一定とするための設定である。また、Ｓ３０８の演算では、主燃料噴射量Ｔｉ１が多いほど補正量ＤＩＴが大（より遅い側へ補正）となるようにする（図９）。これは、主燃焼の温度が高いほど、すなわち、追加噴射された燃料がさらされる既燃ガスの温度が高いほど追加燃料噴射時期を遅らせて追加噴射された燃料が上流側触媒５へ到達するまでの時間を減少させるための設定である。これらの設定により、追加噴射された燃料は常に最も水蒸気反応し易い状態まで改質された状態で上流側触媒５へ流入する。
【００２４】
このルーチンで算出された主燃料噴射量Ｔｉ１、主燃料噴射時期ＩＴ１、追加燃料噴射量Ｔｉ２、追加燃料噴射時期ＩＴ２は、エンジンの回転に同期して実行される燃料噴射ルーチン（図示略）で使用される。具体的には、Ｔｉ１に対応する幅の燃料噴射パルス信号をクランク角センサ１３の出力信号から求めたクランク角がＩＴ１と一致したときに燃料噴射弁７へ送り、同様にＴｉ２に対応する幅の燃料噴射パルス信号をクランク角がＩＴ２と一致したときに燃料噴射弁７へ送る処理を行なう。
【００２５】
なお、本実施の形態では、水蒸気改質機能を有する上流側触媒とＮＯｘ  トラップ保持機能を有する下流側触媒とをそれぞれ別個の触媒として配設しているが、単一の触媒に２つの機能を併有させるようにした触媒を用いるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるエンジンの排気浄化装置の全体構成図である。
【図２】実施の形態における触媒再生制御判断ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】実施の形態における目標当量比算出ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】主燃焼の空燃比と排気ガス中の水蒸気濃度との関係を示す特性図である。
【図５】吸入空気量ＱＡに応じて追加燃料の目標当量比の基本値ＢＴＦＢＹＡ２を記憶するテーブルを示す図である。
【図６】上流側触媒の温度ＴＣＵに応じて追加燃料の目標当量比の基本値ＢＴＦＢＹＡ２に対する補正係数ＫＴＩを記憶するテーブルを示す図である。
【図７】実施の形態における燃料噴射制御値算出ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】吸入空気量ＱＡに応じて追加燃料噴射時期の基本値ＢＩＴ２を記憶するテーブルを示す図である。
【図９】主燃料噴射量Ｔｉ１に応じて追加燃料噴射時期の基本値ＢＩＴ２に対する補正量ＤＩＴを記憶するテーブルを示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン本体
２  吸気通路
３  排気通路
４  電制スロットルチャンバー
５  上流側触媒
６  下流側触媒
７  燃料噴射弁
８  点火栓
１１  エンジンコントロールモジュール（触媒再生手段）
１２  吸入空気量センサ
１３  クランク角センサ
１４  アクセル開度センサ
１５  触媒温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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