(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、触媒が炭化水素により被毒しているか否かを判断し、触媒が炭化水素により被毒していないと判断されたときには、機関膨張行程または排気行程において副燃料噴射による燃料のうち燃焼室内で燃焼せしめられる割合が低い時期に実施される、ＮＯXを浄化するための副燃料噴射を行うことにより機関排気通路内に配置された触媒に炭化水素を供給し、該触媒において該炭化水素でもって流入する排気中のＮＯXを還元するようにし、触媒が炭化水素により被毒していると判断されたときには、ＮＯXを浄化するための副燃料噴射を停止し、機関膨張行程において副燃料噴射による燃料のうち燃焼室内で燃焼せしめられる割合が高い時期に実施される、触媒を再生するための副燃料噴射を行い、次いで触媒の再生が完了すると触媒を再生するための副燃料噴射を停止してＮＯXを浄化するための副燃料噴射を再開するようにした内燃機関の触媒再生装置。
【請求項２】
上記触媒の温度が活性温度範囲内にありかつ触媒に流入する排気の温度が触媒の下流側端部の温度よりも低く維持されているときに、触媒に炭化水素を供給したときの触媒の下流側端部の温度に基づいて触媒が炭化水素により被毒しているか否かを判断するようにした請求項１に記載の触媒再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の触媒再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、燃料噴射弁から機関膨張行程または排気行程に副燃料噴射を行うことにより機関排気通路内に配置された触媒に炭化水素を供給し、触媒においてこの炭化水素でもって流入する排気中のＮＯＸ  を還元するようにした内燃機関が公知である（特開平４−２３１６４５号公報参照）。
【０００３】
ところで、触媒に炭化水素が付着して堆積すると触媒がこの炭化水素により被毒せしめられ、すなわち触媒活性が低下する。この場合、触媒を加熱して再生する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば触媒に電気ヒータを組み込んでこの電気ヒータにより触媒を加熱しようとすると多量の電力を必要とする。また、内燃機関の点火時期や空燃比などを制御して触媒に流入する排気の温度を上昇させるようにすると複雑な制御を必要とし、しかも燃費が著しく悪化する。すなわち、簡易な構成でもって触媒を再生することができない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために１番目の発明によれば、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、触媒が炭化水素により被毒しているか否かを判断し、触媒が炭化水素により被毒していないと判断されたときには、機関膨張行程または排気行程において副燃料噴射による燃料のうち燃焼室内で燃焼せしめられる割合が低い時期に実施される、ＮＯXを浄化するための副燃料噴射を行うことにより機関排気通路内に配置された触媒に炭化水素を供給し、触媒において該炭化水素でもって流入する排気中のＮＯXを還元するようにし、触媒が炭化水素により被毒していると判断されたときには、ＮＯXを浄化するための副燃料噴射を停止し、機関膨張行程において副燃料噴射による燃料のうち燃焼室内で燃焼せしめられる割合が高い時期に実施される、触媒を再生するための副燃料噴射を行い、次いで触媒の再生が完了すると触媒を再生するための副燃料噴射を停止してＮＯXを浄化するための副燃料噴射を再開するようにしている。すなわち１番目の発明では、触媒を再生するために追加の構成要素を必要としない。
【０００６】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、上記触媒の温度が活性温度範囲内にありかつ触媒に流入する排気の温度が触媒の下流側端部の温度よりも低く維持されているときに、触媒に炭化水素を供給したときの触媒の下流側端部の温度に基づいて触媒が炭化水素により被毒しているか否かを判断するようにしている。すなわち２番目の発明では、触媒の下流側端部の温度が高く維持されたときには触媒が活性状態にあると判断して触媒が炭化水素により被毒していないと判断され、触媒の下流側端部の温度は触媒に流入する排気の温度に向けて低下しているときには触媒が被毒していると判断される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をディーゼル機関に適用した場合を示している。しかしながら、本発明を火花点火式機関に適用することもできる。
図１を参照すると、１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４は燃焼室、５は吸気ポート、６は吸気弁、７は排気ポート、８は排気弁、９は燃焼室４内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁をそれぞれ示す。各気筒の吸気ポート５はそれぞれ対応する吸気枝管１０を介して共通のサージタンク１１に接続され、サージタンク１１は吸気ダクト１２を介してエアクリーナ１３に接続される。吸気ダクト１２内にはアクセルペダルと連動する吸気絞り弁１４が配置される。一方、各気筒の排気ポート７は共通の排気マニホルド１５に接続され、この排気マニホルド１５は排気浄化触媒１６を内蔵した触媒コンバータ１７に接続される。また、各気筒の燃料噴射弁９は共通の燃料用蓄圧室１８を介して燃料ポンプ１９に接続される。このようにすると各気筒の１燃焼サイクルにおいて複数回燃料噴射を行うことができる。なお、各燃料噴射弁９は電子制御ユニット３０からの出力信号に基づいて制御される。
【０００８】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１を介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５、および出力ポート３６を具備する。サージタンク１１にはサージタンク１１内の負圧に比例した出力電圧を発生する負圧センサ３７が取り付けられ、触媒コンバータ１７には排気浄化触媒１６に流入する排気の温度および排気浄化触媒１６から流出した排気の温度に比例した出力電圧を発生する温度センサ３８ｕ，３８ｄがそれぞれ取り付けられる。これら負圧センサ３７および温度センサ３８ｕ，３８ｄの出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器３９を介して入力ポート３５に入力される。なお、排気浄化触媒１６に流入する排気の温度すなわち入口温度ＴＩＮは排気浄化触媒１６の上流側端部の温度を代表しており、排気浄化触媒１６から流出した排気の温度すなわち出口温度ＴＯＵＴは排気浄化触媒１６の下流側端部の温度を代表している。入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０度回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４０が接続される。ＣＰＵ３４ではこの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出される。さらに、アクセルペダル４１の踏み込み量ＤＥＰに比例した出力電圧を発生する踏み込み量センサ４２の出力電圧がＡＤ変換器３９を介して入力ポート３５に入力される。一方、出力ポート３６はそれぞれ対応する駆動回路４３を介して各燃料噴射弁９にそれぞれ接続される。
【０００９】
排気浄化触媒１６はどのような触媒でもよいが、図１の内燃機関ではゼオライト、アルミナなどの多孔質担体上に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄなどの貴金属、または銅Ｃｕ、鉄Ｆｅなどの遷移金属をイオン交換により担持させることにより形成される。ゼオライトとして例えばＺＳＭ−５型、フェリエライト、モルデナイトなどの高シリカ含有ゼオライトを用いることができる。この排気浄化触媒１６は例えば炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの還元剤を含む酸素雰囲気において流入する排気中のＮＯＸ  をこれらＨＣ、ＣＯなどと選択的に反応せしめ、それによってＮＯＸ  を窒素Ｎ２  に還元することができる。すなわち、排気浄化触媒１６は流入する排気中が還元剤を含んでいると、たとえ酸素雰囲気であっても流入する排気中のＮＯＸ  を還元する。
【００１０】
ところで、図１のディーゼル機関では機関から排出されるスモークやパティキュレートを低減するために空燃比が理論空燃比よりもリーンに維持される。このため、排気浄化触媒１６は酸素雰囲気に維持されることになる。したがって、排気浄化触媒１６に還元剤が存在すれば流入する排気中のＮＯＸ  は排気浄化触媒１６において良好に還元される。この場合、機関から排出される未燃ＨＣやＣＯなどが還元剤として作用しうる。しかしながら、ディーゼル機関から排出される未燃ＨＣなどに比べて浄化すべきＮＯＸ  量は圧倒的に多く、すなわちＮＯＸ  を良好に浄化するための還元剤が不足する。そこで、燃料噴射弁９から副燃料噴射を行うことによって排気浄化触媒１６に還元剤としての燃料（炭化水素）を２次的に供給し、それによってＮＯＸ  に対し還元剤が不足しないようにしている。
【００１１】
すなわち、例えば圧縮上死点周りに行われる通常の燃料噴射（主燃料噴射）に加えて、燃料噴射弁９から膨張行程または排気行程、例えば圧縮上死点後（以下、ＡＴＤＣと称する）１５０°、に２回目の燃料噴射すなわち副燃料噴射を行い、それによって排気中に燃料（炭化水素）を２次的に供給するようにしている。なお、この副燃料噴射による燃料は機関出力にほとんど寄与しない。
【００１２】
ところで、排気浄化触媒１６が活性温度範囲内にないときに副燃料噴射を行って排気浄化触媒１６に炭化水素を供給してもこの炭化水素はＮＯＸ  を浄化することなく或いは酸化されることなく排気浄化触媒１６から排出されてしまう。一方、排気浄化触媒１６の下流側端部の温度を代表する出口温度ＴＯＵＴが活性温度ＴＡＣＴよりも高いときには排気浄化触媒１６全体の温度が活性温度範囲内にあると判断することができる。そこで、本実施態様では出口温度ＴＯＵＴが活性温度ＴＡＣＴよりも高いときには副燃料噴射を行い、出口温度ＴＯＵＴが活性温度ＴＡＣＴよりも低いときには副燃料噴射を停止するようにしている。
【００１３】
ところで、冒頭で述べたように、排気浄化触媒１６に炭化水素、すなわち未燃ＨＣや可溶性有機物質などが付着して堆積すると排気浄化触媒１６がこの炭化水素により被毒せしめられ、すなわち触媒活性が低下する。したがって、排気浄化触媒１６を加熱して再生する必要がある。
一方、膨張行程または排気行程において副燃料噴射時期が早いときほど副燃料噴射による燃料のうち燃焼室４内で燃焼せしめられる割合が多くなり、斯くして排気の温度が高められる。そこで、本実施態様では排気浄化触媒１６を再生すべきときには副燃料噴射時期を一定期間だけ、通常の副燃料噴射時期よりも膨張行程または排気行程において早めるようにしている。すなわち副燃料噴射時期をＡＴＤＣ１５０°からＡＴＤＣ９０°に早めている。その結果、高温の排気により排気浄化触媒１６が加熱せしめられ、斯くして排気浄化触媒１６が再生せしめられる。このようにすると、排気浄化触媒１６を再生するために追加の要素を必要とせず、複雑な制御も必要としない。なお、排気浄化触媒１６を再生すべきときの副燃料噴射時期はＡＴＤＣ９０°から１２０°程度に定めることができる。
【００１４】
次に、排気浄化触媒１６が被毒しているか否かを判断する方法について説明する。
排気浄化触媒１６の温度が活性温度範囲内にある場合、排気浄化触媒１６が被毒していなければ排気浄化触媒１６において副燃料噴射による炭化水素とＮＯＸ  または酸素との発熱反応が生じる。これに対し、排気浄化触媒１６が被毒しているときには発熱反応はほとんど生じない。したがって、出口温度ＴＯＵＴに基づいて排気浄化触媒１６が被毒しているか否かを判断することができると考えられる。
【００１５】
ところが、入口温度ＴＩＮが出口温度ＴＯＵＴよりも高いときには排気浄化触媒１６が被毒しているか否かに関わらず出口温度ＴＯＵＴが上昇し、或いは高く維持される。したがって、この場合には排気浄化触媒１６が被毒しているか否かを正確に判断することができない。
これに対し、入口温度ＴＩＮが出口温度ＴＯＵＴよりも低く維持されているときには、排気浄化触媒１６が被毒していなければ出口温度ＴＯＵＴは入口温度ＴＩＮに対して一定温度以上高く維持され、これに対し排気浄化触媒１６が被毒していると出口温度ＴＯＵＴは入口温度ＴＩＮに向けて低下する。そこで本実施態様では、入口温度ＴＩＮが出口温度ＴＯＵＴよりも低く維持されてから一定時間経過した後に出口温度ＴＯＵＴが入口温度ＴＩＮに対し一定温度ＤＬＴ以上高いときには排気浄化触媒１６が炭化水素により被毒してないと判断し、出口温度ＴＯＵＴが入口温度ＴＩＮに対し一定温度ＤＬＴ以上高くないときには排気浄化触媒１６が炭化水素により被毒していると判断するようにしている。
【００１６】
すなわち、一般的に表現すれば、排気浄化触媒１６の温度が活性温度範囲内にありかつ排気浄化触媒１６に流入する排気の温度が排気浄化触媒１６の下流側端部の温度よりも低く維持されているときに、排気浄化触媒１６に炭化水素を供給したときの排気浄化触媒１６の下流側端部の温度が排気浄化触媒１６に流入する排気の温度に応じて定まるしきい値よりも高いときには排気浄化触媒１６が被毒してないと判断し、排気浄化触媒１６の下流側端部の温度がしきい値よりも低いときには排気浄化触媒１６が被毒していると判断している。
【００１７】
このようにすると、排気浄化触媒１６が被毒しているときの出口温度ＴＯＵＴと、排気浄化触媒１６が被毒していないときの出口温度ＴＯＵＴとの差を大きくすることができる。したがって、排気浄化触媒１６が被毒しているか否かを正確に判定することができる。排気浄化触媒１６が被毒していると判断されたときには上述の再生作用が実行される。
【００１８】
次に、図２から図４を参照して本実施態様をさらに詳細に説明する。
まず、図２および図３は排気浄化触媒１６の再生処理ルーチンを示している。このルーチンは例えばメインルーチン内で実行される。
図２を参照すると、まずステップ５０では、排気浄化触媒１６を再生すべきときにセットされ、排気浄化触媒１６の再生作用が完了したときにリセットされる再生フラグがセットされているか否かが判別される。再生フラグがリセットされているときには次いでステップ５１に進み、排気浄化触媒１６が被毒しているか否かの被毒判定処理を行うべきときにセットされ、被毒判定処理を行うべきでないときにリセットされる判定フラグがセットされているか否かが判別される。判定フラグがリセットされているときには次いで図３のステップ５２に進む。
【００１９】
ステップ５２では被毒判定処理を実行する条件が成立しているか否かが判別される。本実施態様では、例えば前回の被毒判定処理または触媒再生作用から予め定められた時間だけ機関運転が行われ、かつ排気浄化触媒１６内の温度が概ね均一であると判断されたきに条件が成立したと判別される。なお、予め定められた時間にわたって定常運転が継続されたときに排気浄化触媒１６内の温度が概ね均一であると判断することができる。条件が成立していないと判別されたときには次いで処理サイクルを終了する。これに対し、条件が成立していると判別されたときには次いでステップ５３に進み、出口温度ＴＯＵＴが活性温度ＴＡＣＴよりも高いか否かが判別される。ＴＯＵＴ≦ＴＡＣＴのときには次いで処理サイクルを終了する。これに対しＴＯＵＴ＞ＴＡＣＴのときには次いでステップ５４に進み、判定フラグをセットして処理サイクルを終了する。
【００２０】
判定フラグがセットされたときにはステップ５１からステップ５５に進み、入口温度ＴＩＮが出口温度ＴＯＵＴよりも低いか否かが判別される。ＴＩＮ＜ＴＯＵＴのときには次いでステップ５６に進み、判定フラグがセットされかつＴＩＮ＜ＴＯＵＴに維持されてから一定時間だけ経過したか否かが判別される。一定時間だけ経過していないときには次いで処理サイクルを終了し、一定時間だけ経過すると次いでステップ５７に進む。なお、このとき排気浄化触媒１６には副燃料噴射によって炭化水素が供給されている。
【００２１】
ステップ５７では出口温度ＴＯＵＴが入口温度ＴＩＮと一定温度ＤＬＴの和よりも低いか否かが判別される。ＴＯＵＴ＜ＴＩＮ＋ＤＬＴのとき、すなわち出口温度ＴＯＵＴが入口温度ＴＩＮよりも一定温度ＤＬＴ以上高くないときには排気浄化触媒１６が被毒していると判断して次いでステップ５８に進み、再生フラグをセットする。次いでステップ５９に進んで判定フラグをリセットする。これに対しステップ５７においてＴＩＮ≧ＴＯＵＴのとき、すなわち出口温度ＴＯＵＴが入口温度ＴＩＮよりも一定温度ＤＬＴ以上高いときには排気浄化触媒１６が被毒していないと判断して次いでステップ５９に進み、判定フラグをリセットする。また、ステップ５５においてＴＩＮ≧ＴＯＵＴのときには正確に判定することができないと判断してステップ５９に進み、判定フラグをリセットする。
【００２２】
再生フラグがセットされたときにはステップ５０からステップ６０に進み、再生フラグがセットされてから一定時間経過したか否かが判別される。一定時間経過していないときには処理サイクルを終了し、一定時間経過すると次いでステップ６１に進み、再生フラグをリセットして処理サイクルを終了する。後述するように再生フラグがセットされているときに触媒再生作用が行われるようになっており、したがって触媒再生作用は再生フラグがセットされてから一定時間だけ行われることがわかる。
【００２３】
図４は副燃料噴射の制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定クランク角毎の割り込みによって実行される。
図４を参照すると、まずステップ７０では上述の再生フラグがセットされているか否か判別される。再生フラグがリセットされているときには次いでステップ７１に進み、出口温度ＴＯＵＴが活性温度ＴＡＣＴよりも高いか否かが判別される。ＴＯＵＴ≦ＴＡＣＴのときには次いでステップ７２に進み、副燃料噴射が停止される。これに対しＴＯＵＴ＞ＴＡＣＴのときには次いでステップ７３に進み、ＮＯＸ  を浄化するために必要な炭化水素量に相当する副燃料噴射時間ＳＴＡＵが算出される。この副燃料噴射時間ＳＴＡＵは機関運転状態、例えば空燃比、機関負荷、機関回転数などに応じて定めることができる。続くステップ７４では副燃料噴射時期ＩＴがＡＴＤＣ１５０°とされる。続くステップ７５では副燃料噴射時間ＳＴＡＵおよび副燃料噴射時期ＩＴでもって副燃料噴射が実行される。なお、この場合には排気浄化触媒１６を再生するための副燃料噴射は停止されることになる。
【００２４】
一方、再生フラグがセットされているときにはステップ７０からステップ７６に進み、排気浄化触媒１６を再生するのに必要な炭化水素量に相当する副燃料噴射時間ＳＴＡＵが算出される。この副燃料噴射時間ＳＴＡＵは一定とすることができる。続くステップ７７では副燃料噴射時期ＩＴがＡＴＤＣ９０°とされる。次いでステップ７５に進み、副燃料噴射時間ＳＴＡＵおよび副燃料噴射時期ＩＴでもって副燃料噴射が実行される。なお、この場合にはＮＯＸ  を浄化するための副燃料噴射は停止されることになる。
【００２５】
上述の実施態様では、排気浄化触媒１６が活性温度範囲内にありかつ排気浄化触媒１６に流入する排気の温度が排気浄化触媒１６の下流側端部の温度よりも低く維持されているときに排気浄化触媒１６が被毒しているか否かの判定処理を行うようにしている。しかしながら、排気浄化触媒１６が活性温度範囲内にありかつ機関アイドリング運転が行われているときに、すなわち機関負荷が比較的高い運転からアイドリング運転に切り替わったときに判定処理を行うようにすることもできる。
【００２６】
【発明の効果】
簡易な構成でもって触媒を再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】触媒再生処理を制御するためのフローチャートである。
【図３】触媒再生処理を制御するためのフローチャートである。
【図４】副燃料噴射制御を実行するためのフローチャートである。
【符号の説明】
４…燃焼室
９…燃料噴射弁
１５…排気マニホルド
１６…排気浄化触媒
１８…燃料用蓄圧室
３８ｕ，３８ｄ…温度センサ
【図１】
0003557842.tif 000002
【図２】
0003557842.tif 000003
【図３】
0003557842.tif 000004
【図４】
0003557842.tif 000005