(57)【要約】【課題】  燃費の悪化を抑制しつつ、排気浄化性能を向上させ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。【解決手段】  ＮＯｘパージとは別に、リーン空燃比運転中にＮＯｘ触媒が酸素被毒すると、圧縮行程に燃料噴射を実施する主噴射と、膨張行程に燃料噴射を実施する副噴射とによる酸素被毒パージを行う。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、
前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関のリーン空燃比運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに、前記内燃機関の理論空燃比運転時またはリッチ空燃比運転時に前記吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒に含まれる貴金属が所定の酸素被毒状態となったことを検出する酸素被毒状態検出手段と、
前記ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを放出還元するのとは別に、前記内燃機関のリーン空燃比運転中に前記酸素被毒状態検出手段により前記ＮＯｘ触媒に含まれる貴金属が所定の酸素被毒状態となったことが検出されると、前記燃料噴射手段により、吸気行程若しくは圧縮行程に実施する主噴射、及び膨張行程若しくは排気行程に実施する副噴射による燃料噴射を行うよう制御する酸素被毒パージ制御手段と
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
さらに、前記内燃機関の燃焼室内で点火を行う点火手段を備え、
前記酸素被毒パージ制御手段は、前記副噴射の燃料がトルクの発生に寄与しないように該副噴射の時期を制御するとともに前記点火手段による主噴射の点火時期を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
さらに、前記ＮＯｘ触媒の温度を検出する触媒温度検出手段を備え、
前記酸素被毒パージ制御手段は、前記副噴射の燃料噴射量を前記触媒温度検出手段により検出されるＮＯｘ触媒の温度に応じて制御することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記酸素被毒パージ制御手段による前記副噴射を行う期間は、前記ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを放出還元するための理論空燃比運転またはリッチ空燃比運転を行う期間よりも短いことを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは触媒の貴金属に吸着した酸素を離脱させる所謂酸素被毒パージの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内噴射式エンジンなどの希薄燃焼式エンジンでは、燃費特性や排気特性の向上のため、所定運転域では理論空燃比（ストイキ）よりも燃料希薄側のリーン空燃比で運転される。
このような希薄燃焼式のエンジンによるリーン空燃比での運転では、排気中に酸素が多く含まれている。当該酸素は触媒の貴金属に吸着するものであり、触媒の貴金属に酸素が過剰に吸着されていくと、当該触媒は所謂酸素被毒状態となり排気浄化機能は悪化してしまう。
【０００３】
このような酸素被毒状態となった触媒には、空燃比をリッチまたはストイキとし還元剤を供給することで吸着した酸素を脱離させる所謂酸素被毒パージを行い排気浄化機能を回復させることができる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６４４１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示された技術では、酸素被毒やＮＯｘ吸蔵の影響等により触媒の排気浄化機能が劣化した状態にあると判定すると、リッチ空燃比運転を行い排気中の酸素濃度を低下させることで触媒を回復させている。
しかしながら、酸素被毒は比較的頻繁に生じるため、酸素被毒を検出する度にリッチ空燃比運転を行うと、燃費が大幅に悪化してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃費の悪化を抑制しつつ、排気浄化性能を向上させ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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関のリーン空燃比運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに、前記内燃機関の理論空燃比運転時またはリッチ空燃比運転時に前記吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ触媒と、前記ＮＯｘ触媒に含まれる貴金属が所定の酸素被毒状態となったことを検出する酸素被毒状態検出手段と、前記ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを放出還元するのとは別に、前記内燃機関のリーン空燃比運転中に前記酸素被毒状態検出手段により前記ＮＯｘ触媒に含まれる貴金属が所定の酸素被毒状態となったことが検出されると、前記燃料噴射手段により、吸気行程若しくは圧縮行程に実施する主噴射、及び膨張行程若しくは排気行程に実施する副噴射による燃料噴射を行うよう制御する酸素被毒パージ制御手段とを備えることを特徴としている。
【０００７】
つまり、ＮＯｘ触媒を有する内燃機関において、ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを放出還元するのとは別に、ＮＯｘ触媒が酸素被毒したとき、吸気行程若しくは圧縮行程に実施する主噴射と、膨張行程若しくは排気行程に実施する副噴射とによる燃料噴射を行うことで、当該副噴射によりＮＯｘ触媒に最適な還元剤を供給し当該ＮＯｘ触媒の貴金属に吸着した酸素を脱離させる酸素被毒パージを行う。
【０００８】
請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１において、さらに、内燃機関の燃焼室内で点火を行う点火手段を備え、前記酸素被毒パージ制御手段は、前記副噴射の燃料がトルクの発生に寄与しないように該副噴射の時期を制御するとともに前記点火手段による主噴射の点火時期を制御することを特徴としている。
つまり、酸素被毒パージでは副噴射の燃料がトルクの発生に寄与しないように当該副噴射の時期や主噴射の点火時期を制御する。
【０００９】
請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１または２において、さらに、前記ＮＯｘ触媒の温度を検出する触媒温度検出手段を備え、前記酸素被毒パージ制御手段は、前記副噴射の燃料噴射量を前記触媒温度検出手段により検出されるＮＯｘ触媒の温度に応じて制御することを特徴としている。
つまり、酸素被毒パージの副噴射の燃料噴射量はＮＯｘ触媒の温度に応じて制御される。
【００１０】
請求項４の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記酸素被毒パージ制御手段による前記副噴射を行う期間は、前記ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを放出還元するための理論空燃比運転またはリッチ空燃比運転を行う期間よりも短いことを特徴としている。
つまり、酸素被毒パージを行う期間は、ＮＯｘ触媒の吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘパージの期間よりも短いものとする。
【発明の効果】
【００１１】
上記手段を用いる本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘパージとは別に、ＮＯｘ触媒に吸着した酸素を脱離させる酸素被毒パージを行うことで、ＮＯｘ触媒の排気浄化性能は常時良好に保たれる上、ＮＯｘパージをする際に酸素被毒パージをほとんど行わずにすむことからＮＯｘパージを短期間で終了することができる。したがって、全体としてリーン運転を行う時間が長くなり、リーン運転による燃費低減を増加させることができる。
【００１２】
また、酸素被毒パージは、主噴射がリーン空燃比を保っているため、酸素被毒パージによる燃料の消費を抑制することができる。
これにより、燃費の悪化を抑制しつつ、排気浄化性能を向上させることができる。
請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、酸素被毒パージの際の副噴射がトルクの発生に寄与しないように副噴射の時期や主噴射の点火時期は制御されることから、酸素被毒パージによるトルクショックを抑制することができる。
【００１３】
請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、副噴射の燃料噴射量はＮＯｘ触媒の活性状態に応じて制御されることで、効率よく酸素被毒パージを行うことができる。
請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、酸素被毒パージを行う期間はＮＯｘパージを行う期間よりも短いため、全体としての燃料消費量を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されている。
図１に示すように、エンジン１（内燃機関）は燃焼室２に、点火を行う点火プラグ４（点火手段）と燃料を直接噴射可能なインジェクタ６（燃料噴射手段）とが臨んでいる所謂筒内噴射型のエンジンである。
【００１５】
また、燃焼室２には、エンジン１の略上下方向に延びる吸気ポート８と、エンジン１の略幅方向に延びる排気ポート１０とが連通している。
吸気ポート８には燃焼室２と吸気ポート８との連通と遮断を行う吸気弁１２が設けられ、排気ポート１０には燃焼室２と排気ポート１０との連通と遮断を行う排気弁１４が設けられている。
【００１６】
また、吸気ポート８は吸気マニホールド１６と、排気ポート１０は排気マニホールド１８と接続されている。
吸気マニホールド１６にはスロットル弁１７が設けられており、当該スロットル弁１７にはスロットル開度を検出するスロットルセンサ１７ａが設けられている。
一方、排気マニホールド１８は排気管２０と接続されており、当該排気管２０には排気浄化装置３０が設けられている。
【００１７】
当該排気浄化装置３０の内部には、排気上流側にＮＯｘ触媒３２が、その排気下流側に三元触媒３４が設けられている。
詳しくは、ＮＯｘ触媒３２は貴金属として白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有し、吸蔵材としてカリウム（Ｋ）、バリウム（Ｂａ）、ナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されて構成されており、エンジン１がリーン空燃比運転（以下リーン運転という）を行っているときにはエンジン１の排気中のＮＯｘを吸蔵し、理論空燃比運転（以下ストイキ運転という）時やリッチ空燃比運転（以下リッチ運転という）を行っているときに当該吸蔵したＮＯｘを放出還元する所謂ＮＯｘパージを行う機能を有している。
【００１８】
また、三元触媒３４は、担体に貴金属として、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）のいずれかを有し、エンジン１の排気中のＨＣ、ＣＯを酸化させ、ＮＯｘを還元する機能を有している。
また、ＮＯｘ触媒３２及び三元触媒３４の貴金属は、酸素を吸着する機能も有している。
【００１９】
また、排気浄化装置３０の排気入口部分には温度センサ３６（触媒温度検出手段）が設けられている。
そして、上記の点火プラグ４、インジェクタ６、スロットル弁１７、スロットルセンサ１７ａ、温度センサ３６等の各種装置や各種センサ類はＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０（酸素被毒状態検出手段、酸素被毒パージ制御手段）と電気的に接続されている。当該ＥＣＵ４０はスロットルセンサ１７ａや温度センサ３６等の各種センサ類からの各情報に基づき点火プラグ４による点火時期、インジェクタ６による燃料噴射量、噴射時期、スロットル弁１７のスロットル開度等、各種装置の作動制御を行う。また、ＥＣＵ４０内にはタイマ４０ａが設けられており、当該タイマ４０ａはエンジン１のリーン運転の積算時間の計測を行う。
【００２０】
以下このように構成された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
図２を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置におけるＥＣＵ４０が実行するパージ制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに基づき説明する。
【００２１】
まず、ステップＳ１では、エンジン１がリーン運転中であるか否かを判別する。判別気結果が偽（Ｎｏ）である場合は、特にパージ制御を行う必要はないため当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合はステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、上記タイマ４０ａやスロットルセンサ１７ａ等から、リーン運転の積算時間やスロットル開度等のエンジン１の運転条件を検出する。
【００２２】
次にステップＳ３では、上記温度センサ３６より検出される排気浄化装置３０の入口部分の温度からＮＯｘ触媒３２の温度を検出する。
続いてステップＳ４では、ＮＯｘパージ条件を決定する。
当該ＮＯｘパージ条件は、ＮＯｘ触媒３２のＮＯｘ吸蔵量が飽和状態であると判断される条件であり、例えばここでは上記ステップＳ２で検出したリーン運転の積算時間などによりＮＯｘの吸蔵量を推定し、上記ステップＳ３で検出したＮＯｘ触媒３２の温度に基づきＮＯｘ吸蔵量の飽和状態となるような所定のリーン運転積算時間を決定する。
【００２３】
そして、ステップＳ５において上記ステップＳ４で決定されたＮＯｘパージ条件が成立しているか否か、即ちリーン運転積算時間が所定のリーン運転積算時間に達したか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ちリーン運転積算時間が未だ所定のリーン運転積算時間に達していない場合は、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６では、酸素被毒パージ条件を決定する。
【００２４】
当該酸素被毒パージ条件は、ＮＯｘ触媒３２に含まれる貴金属に酸素が吸着し、所定の酸素被毒状態とみなせる条件であり、例えばここでは、上記ステップＳ２で検出したスロットル開度から吸入空気量を求め、当該吸入空気量から酸素通過量の積算量を算出し、上記ステップＳ３で検出したＮＯｘ触媒３２の温度に基づいた所定の酸素通過積算量を決定することで、所定の酸素被毒状態を決定する。
【００２５】
そしてステップＳ７において、上記ステップＳ６で決定された酸素被毒パージ条件が成立しているか否か、即ち所定の酸素通過積算量に達したか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち上記所定の酸素通過積算量に達していない場合には当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち上記所定の酸素被毒状態に達しており酸素被毒パージを行う必要がある場合はステップＳ８に進む。
【００２６】
ステップＳ８では、酸素被毒パージの制御内容を決定する。
具体的には、酸素被毒パージ制御では、リーン運転のリーン空燃比を保ったままで圧縮行程に燃料を噴射する主噴射と、膨張行程に燃料を噴射する副噴射による燃料噴射を行う。なお、当該主噴射と副噴射の全体としての空燃比はリーン空燃比とすることで、燃費悪化を抑制することができる。
【００２７】
そして、当該副噴射を行う期間や燃料噴射量は上記ステップＳ３で検出したＮＯｘ触媒３２の温度に基づいて決定し、例えばＮＯｘ触媒３２の温度が高温である場合には副噴射による燃料噴射量を多くし、反対にＮＯｘ触媒３２の温度が低い場合には少なくし、またエンジン１のアイドル運転時等でＮＯｘ触媒の温度が極低温状態にある場合には副噴射を行わないようする。このように、触媒温度に応じて副噴射の燃料噴射量を決定することで、ＮＯｘ触媒３２の活性状態に応じた効率のよい酸素被毒パージを可能とする。
【００２８】
さらに、当該副噴射は、トルクの発生に寄与しないように、噴射時期が設定され、当該副噴射の燃料噴射量や主噴射の点火時期が設定される。
そして、次のステップＳ９において、上記ステップＳ８で決定された内容の酸素被毒パージ制御を実行し当該ルーチンを抜ける。
当該酸素被毒パージ制御が実行されることで、主噴射による燃焼の後に、副噴射が行われ、当該副噴射によりＮＯｘ触媒３２及び三元触媒３４にはＨＣやＣＯ等の還元剤が十分に供給される。還元剤が供給されたＮＯｘ触媒３２及び三元触媒３４では貴金属に吸着した酸素が脱離され触媒の排気浄化性能が回復する。そして、当該酸素被毒パージ制御が終了した際には、上記酸素通過積算量がリセットされる。
【００２９】
また、上記ステップＳ５のＮＯｘパージ条件が成立しているか否かの判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は、ステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０では、ＮＯｘ触媒３２が吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘパージ制御の内容を決定する。
具体的には、ＮＯｘパージ制御において吸気行程に燃料を噴射する主噴射と、膨張行程に燃料を噴射する副噴射による燃料噴射を行う。ただし、主噴射、副噴射は、全体としてリッチ空燃比となるように運転する。
【００３０】
当該ＮＯｘパージを行う期間や、主噴射と副噴射の燃料噴射量は上記ステップＳ３で検出された触媒温度によって決定される。なお、ＮＯｘは酸素より還元し難くいため、ＮＯｘパージを行う期間は少なくとも酸素被毒パージを行う期間よりも長いものとなる。
そして、ステップＳ１１において、上記ステップＳ１０で決定された内容のＮＯｘパージ制御を実行し当該ルーチンを抜ける。
【００３１】
当該ＮＯｘパージ制御が実行されることで、リッチ空燃比の主噴射による燃焼と副噴射によりＮＯｘ触媒３２にはＨＣやＣＯ等の還元剤が十分に供給される。還元剤が供給されたＮＯｘ触媒３２では吸蔵されたＮＯｘが放出還元されＮＯｘ吸蔵機能が回復する。そして、当該ＮＯｘパージ制御が終了した際には、タイマ４０ａによるリーン運転の積算時間及び酸素通過積算量がリセットされる。
【００３２】
ここで、図３を参照すると、本実施形態における上記パージ制御を行ったときのタイムチャートが示されており、図４を参照すると従来の一般的なパージ制御を行ったときのタイムチャートが示されている。
まず、図４に示すように従来のパージ制御では、特別酸素被毒パージを行わずＮＯｘパージのみを行っており、このような制御では当該ＮＯｘパージ時に同時に酸素被毒パージも行うこととなるため、ＮＯｘパージを行う期間は比較的長いものとなってしまう。
【００３３】
一方、図３に示すように、本実施形態におけるパージ制御を行った場合は、ＮＯｘパージを行い、次のＮＯｘパージを行う間に数回の酸素被毒パージが行われることとなる。
このように、ＮＯｘパージ間に酸素被毒パージが行われることで、ＮＯｘ触媒３２及び三元触媒３４の排気浄化性能は常に良好に保たれる。またＮＯｘパージの際も酸素被毒パージをほとんど行わずにすむことから短期間で終了することができる。したがって、全体としてリーン運転を行う時間を長くすることができ、リーン運転による燃費低減効果を増加させることができる。
【００３４】
また、本実施例における酸素被毒パージは、主噴射はリーン空燃比を保っているため、燃料の消費を抑制することができる上、副噴射はトルクの発生に寄与しないため酸素被毒パージによるトルクショックも防止することができる。
このように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、燃費の悪化を抑制しつつ、排気浄化性能を向上させることができる。
【００３５】
以上で本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
上記実施形態では、排気浄化装置３０の内部の排気上流側にＮＯｘ触媒３２が、排気下流側に三元触媒３４が設けられているが、当該排気浄化装置３０の構成はこれに限られるものではなく、排気上流側に三元触媒が排気下流側にＮＯｘ触媒が設けられていても構わず、さらにその排気下流側に三元触媒を設けても構わない。
【００３６】
また、上記実施形態では、酸素被毒パージ制御では、主噴射と副噴射の全体としての空燃比は、リーン空燃比に設定されているが、ストイキ運転、もしくは、リッチ運転であっても構わない。
また、上記実施形態では、ＮＯｘパージ制御では、主噴射と副噴射の全体としての空燃比は、リッチ空燃比に設定されているが、ストイキ運転であっても構わない。さらに、副噴射を行わなくてもよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、酸素被毒パージ制御では、主噴射は圧縮行程に行われるよう設定されているがこれは吸気行程に行っても構わず、副噴射は膨張行程に行われるよう設定されているがこれは排気行程に行っても構わない。
また、上記実施形態では、ＮＯｘパージ制御では、主噴射は吸気行程に行われるよう設定されているがこれは圧縮行程に行っても構わず、副噴射は膨張行程に行われるよう設定されているがこれは排気行程に行っても構わない。さらに、副噴射を行わなくてもよい。
【００３８】
また、ＮＯｘパージ制御の後半部分にストイキ運転を加えてもよい。
また、上記実施形態では触媒温度センサ３８を排気浄化装置３０の排気入口部分に設けたが、この位置に限られるものではなく、ＮＯｘ触媒３２の温度が検出できる位置であればどの位置でも構わない。
また、上記実施形態では酸素被毒パージ条件を吸入空気量から算出される酸素通過積算量によって決定しているが、これに限られるものではなく、例えば排気通路にＯ２センサを設けて酸素通過量から判定しても構わない。
【００３９】
また、上記実施形態ではＮＯｘパージ条件をリーン運転の積算時間によって決定しているが、これに限られるものではなく、例えば、ＮＯｘの吸蔵量を検出するＮＯｘセンサを設けてＮＯｘの吸蔵量を求めて構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置におけるＥＣＵが実行するパージ制御ルーチンを示したフローチャートである。
【図３】本実施形態におけるパージ制御を行ったときのタイムチャートである。
【図４】従来の一般的なパージ制御を行ったときのタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１  エンジン（内燃機関）
４  点火プラグ（点火手段）
６  インジェクタ（燃料噴射手段）
１０  排気ポート
１７  スロットル弁
１７ａ  スロットルセンサ
１８  排気マニホールド
２０  排気管
３０  排気浄化装置
３２  ＮＯｘ触媒
３４  三元触媒
３６  温度センサ（触媒温度検出手段）
４０  ＥＣＵ（酸素被毒状態検出手段、酸素被毒パージ制御手段）
４０ａ  タイマ
【図１】
2006336614.tif 000003
【図２】
2006336614.tif 000004
【図３】
2006336614.tif 000005
【図４】
2006336614.tif 000006