(57)【要約】【課題】  トラップ中に蓄積される汚染物質の量を安価に減らす。【解決手段】  エンジン１８に供給される混合気の空燃比を変調して、リーン気筒動作中には酸素をトラップ３２内に格納し、リッチ気筒動作中には必要な発熱反応を起こす、窒素酸化物用トラップの脱硫方法である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気システムに配置され、酸素吸蔵能力を持つ窒素酸化物用トラップと、
上記窒素酸化物用トラップの上流側に配置され、そのトラップよりも小さい酸素吸蔵能力を持つ三元触媒と、
上記窒素酸化物用トラップがパージされるべきことを判定し、そして、そのトラップをパージするためにリッチ空燃比を上記内燃機関に供給するようにプログラムされたコンピューターと、を有することを特徴とするエンジン制御装置。
【請求項２】
上記コンピューターが、さらに、上記窒素酸化物用トラップに蓄積された硫黄酸化物をパージすべき時期を決定し、そのトラップの温度をパージ温度まで上昇させるために、上記内燃機関に供給される混合気の空燃比を調整し、そして、上記トラップの温度が上記パージ温度に到達したときに、そのトラップの硫黄酸化物をパージするために空燃比をリッチ側に偏向させるようにプログラムされていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。
【請求項３】
排気酸素センサーが少なくとも１つ上記排気システムに配置されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のエンジン制御装置。
【請求項４】
排気酸素センサーが上記三元触媒コンバーターの上流側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のエンジン制御装置。
【請求項５】
上記内燃機関へ燃料を噴射する燃料インジェクターをさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のエンジン制御装置。
【請求項６】
上記窒素酸化物用トラップが温度センサーを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のエンジン制御装置。
【請求項７】
上記コンピューターが、さらに、上記窒素酸化物用トラップの温度をコンピューター・モデルを用いて予測するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のエンジン制御装置。
【請求項８】
上記三元触媒コンバーターが、セリウムを含むウォッシュコート層を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載のエンジン制御装置。
【請求項９】
上記コンピューターが、さらに、上記窒素酸化物用トラップのパージ中に点火時期を調整するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載のエンジン制御装置。
【請求項１０】
上記内燃機関の吸気部に質量空気量センサーが配置されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載のエンジン制御装置。
【請求項１１】
上記窒素酸化物用トラップのパージには、窒素酸化物のパージが含まれることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１つに記載のエンジン制御装置。
【請求項１２】
上記コンピューターが、さらに、上記窒素酸化物用トラップがパージされた後で、空燃比をリーン側に偏向させるようにプログラムされていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１つに記載のエンジン制御装置。
【請求項１３】
内燃機関の排気システムに配置された窒素酸化物用トラップと、
上記窒素酸化物用トラップの上流側に配置され、そのトラップよりも小さい酸素吸蔵能力を持つ三元触媒と、
上記窒素酸化物用トラップから蓄積された硫黄酸化物をパージすべきことを判定する手段と、
上記窒素酸化物用トラップの温度をパージ温度まで上昇させるように、上記内燃機関に供給される混合気の空燃比を調整する手段と、
上記窒素酸化物用トラップの温度が上記パージ温度に到達したときに、そのトラップから硫黄酸化物をパージするように、上記内燃機関に供給される混合気の空燃比をリッチ側に偏向させる手段と、を有することを特徴とするエンジン制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの排気後処理に関し、より具体的には、窒素酸化物用トラップに堆積する汚染物質を除去する方法と装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料経済性を向上させるために、リーンバーン・エンジンは空燃比（Ａ／Ｆ）が１８以上で運転されるのが普通である。しかしながら、通常の三元触媒は略理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６５）において、最も効率的である。従って、リーン空燃比動作中において窒素酸化物を貯留しその後でエンジンをリッチ空燃比で運転することによって窒素酸化物を窒素と酸素に転化するために、三元触媒の下流に窒素酸化物用トラップを配置することが提案されている。（例えば特許文献１を参照）。この窒素酸化物の転化は、摂氏約３００から４００度の理想的な温度ウインドウの中で起こる。激しい、スロットルが高開度の運転中において、トラップの温度が摂氏８００度を越えない様に、トラップをボデーの下側に配置するのが好ましい。三元触媒の温度は摂氏約１０００度を越えるべきではない。
【特許文献１】特開平０８−２９４６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
硫黄のような汚染物質を含む燃料を用いて運転する場合に、トラップ中に蓄積される汚染物質は、トラップが吸収可能な窒素酸化物の量を減らすことになる。汚染物質は、摂氏６７５度以上の温度で、１４．６５以下のリッチ空燃比で、焼き払うか脱離しなければならない。上記の汚染物質パージの際にトラップ温度を上昇させるための空燃比の調整に際しては、三元触媒の酸素吸蔵能力を越えて、窒素酸化物用トラップ内でのリーン及びリッチへの変化を起こすために、大きな空燃比変調強度が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、三元触媒の下流側に配置された窒素酸化物用トラップの酸素吸蔵能力が三元触媒の酸素吸蔵能力よりも大きいため、汚染物質パージの際に、窒素酸化物用トラップ内での空燃比のリーン及びリッチへの変化を確実に起こすことができる。
【発明の効果】
【０００５】
パージによってトラップ中に蓄積される汚染物質の量を安価に減らすことが出来る。汚染物質の量が減るので、トラップが吸収可能な窒素酸化物の量が減ることがなく、リッチ空燃比での運転により窒素酸化物を窒素と酸素に十分転化することが出来、効果的な排気後処理が行なえる。
【０００６】
図面に関連して読むべきである以下の詳細な説明から、本発明のより完全な理解が得られると思われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ここで図面、最初に図１を参照すると、本発明のブロック図が示されている。燃料ポンプ１０は、タンク１２からの燃料を燃料ライン１４を介して、燃料を内燃機関１８へ噴射する一組のインジェクター１６へと圧送する。燃料インジェクター１６は一般的な構造であって、電子エンジン制御器（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ略してＥＥＣ）２０により決定される正確な量で対応する気筒へと燃料を噴射する様に、配置されている。燃料タンク１２は、例えばガソリン、メタノール又は複数の燃料種の混合物などである、液体燃料をその中に格納している。
【０００８】
符号２４で示される、一つ以上の排気管と排気フランジを有する排気システム２２は、エンジン中の空気燃料混合物の燃焼により生じる排気を三元触媒コンバーター２６へと輸送する。コンバーター２６は、排気を化学的に変化させて、触媒反応後の排気を生成する。加熱された排気酸素センサー（ｈｅａｔｅｄ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｎｓｏｒ略してＨＥＧＯセンサー）２８が、エンジン１８により生成された排気の酸素成分を検出し、導線３０を通して信号をＥＥＣ２０へと送信する。
【０００９】
窒素酸化物用トラップ３２は、コンバーター２６を活性化させる排気中に含まれる窒素酸化物を取り込むために、コンバーター２６の下流側に配置される。ＨＥＧＯセンサー３４がトラップ３２の上流側の排気の酸素成分を検出するのに対し、ＨＥＧＯセンサー３６はトラップ３２の下流側の排気の酸素成分を検出する。センサー３４と３６は各々導線３８，４０を通して信号をＥＥＣ２０へ送信する。窒素酸化物用トラップ３２は、導線４４を通ってＥＥＣ２０へと送られるトラップのベッドの中央部の温度を計測する温度センサー４２を有している。代わりに、ベッド中央部の温度は、コンピューター・モデルを用いて予測することも出来る。
【００１０】
全体として符号４６で示されている更に別のセンサーは、エンジンの状態についての、クランクシャフト位置、角速度、スロットル位置、空気温度などの別の情報をＥＥＣ２０に送る。これらのセンサーからの情報が、ＥＥＣ２０によりエンジン作動を制御するのに用いられる。
【００１１】
エンジン１８の吸気部に位置している質量流量センサー４８が、エンジンの吸入システムへと吸入される空気の量を検出して、導線５２を通してＥＥＣ２０へ空気流量信号を送る。空気流量信号は、吸入システムへの質量空気流量をポンド／分の単位で示す値を計算するために、ＥＥＣ２０により用いられる。
【００１２】
ＥＥＣ２０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）５４、制御プログラムを格納する読み出し専用メモリー（ＲＯＭ）５６、カウンターやタイマーにも用いられる一時データ格納部としてのランダム・アクセス・メモリー（ＲＡＭ）及び学習値を格納するためのキープ・アライブ・メモリー（ｋｅｅｐ ａｌｉｖｅ ｍｅｍｏｒｙ略してＫＡＭ）を含むマイクロ・コンピューターを有している。全体として符号６２で示されている入出力ポートを通ってデータが入力及び出力され、内部では、全体として符号６４で示されている一般的なデータ・バスを通ってやり取りされる。ＥＥＣ２０は燃料インジェクター信号を信号線６４を介してインジェクター１６へと送る。燃料インジェクター信号は、ＥＥＣ２０により決定された空燃比を保つために、ＥＥＣ２０により時間経過と共に変化させられる。全体として符号６６で示されているインジケーター・ランプがＥＥＣ２０により制御され、種々のセンサーからの入力データにより決められる窒素酸化物用トラップ３２の状態を示すことになる。
【００１３】
ＲＯＭ５８に格納されたプログラムは、エンジンのある回転数／負荷状態において燃料経済性のために、リーン・モードつまり比較的大きな空燃比でエンジンを運転するという、考え方を取り込んでいる。三元触媒２６は、効率と耐久性の点から摂氏４００から１０００度の温度で作動する。トラップ３２は、効率の点から摂氏３００から４００度のウインドウで作動する。燃料が硫黄を含んでいる場合には、硫黄はトラップ中に残って、トラップの窒素酸化物捕獲効率及び窒素酸化物を無害な窒素と酸素にトラップ内で最終的に転化する効率を低くする。捕獲された硫黄をパージするためには、トラップを摂氏約６５０度まで加熱しなければならない。パージ動作は、この温度で３から１０分を必要とするのが普通である。リーン・モード中において、窒素酸化物と硫黄酸化物が窒素酸化物用トラップ内に蓄積する。トラップ３２のほぼ全体で吸収した後で、パージ動作が実行される。パージ動作が完了した後で、ＥＥＣは通常リーン・モード動作へと戻る。
【００１４】
本発明によれば、燃料噴射量の操作を通して、エンジンの気筒へと供給される空気／燃料混合気を変調することにより、十分な温度上昇をする発熱反応がトラップ１６内によって生じる。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
表１は、典型的な燃料噴射パターンの例を示している。このパターンでは、全ての気筒はリーン（Ｌ）で１０回動作し、リッチ（Ｒ）で１０回動作する。その結果の変調期間は、２０回のエンジン作動に等しくなる。その期間は決まった回数の作動として選ばれるか、決まった時間τとして選ばれる。後者の場合には、エンジン作動回数はエンジン回転数に応じて変化することになる。典型的な変調期間としては、２回のエンジン作動回数から数秒までの範囲となる。表１中においてエンジン動作は、膨張工程はＰ、排気工程はＥ、吸気工程はＩ、圧縮工程はＣとして表されている。エンジン動作は気筒番号１番の上死点が基準とされている。エンジンの点火順序は１３４２である。
【００１７】
図２と３は、空燃比の変調を行なうことで得られる、摂氏７００度近くまでの窒素酸化物用トラップ内の中間部温度を示している。実験用パルス炎燃焼器を用い、窒素酸化物用トラップへの入口ガスが予熱されて、摂氏３５０度に制御されている条件で、これらの結果が得られた。両方の場合において、空燃比の変調強度は０と４又は５の間で変化させられている。例えば、平均空燃比が１４．５（つまりほぼ理論空燃比）とされた場合には、空燃比変調強度４は、リーン空燃比１８．５とリッチ空燃比１０．５との間での変調となる。図２は、トラップの上流側に三元触媒がない場合の、窒素酸化物用トラップの発熱温度上昇における、空燃比変調の強度と周波数の影響を示している。発熱温度上昇が最速なのは、変調期間が１秒（τ＝１．０）の場合である。空燃比変調期間を１秒間に固定して、図３は、窒素酸化物用トラップの上流側に三元触媒が無い場合（グラフＡ）を、三元触媒と窒素酸化物用トラップを直列に配置した場合（グラフＢ）に対して比較している。上流側の三元触媒が無い場合には、窒素酸化物用トラップの中間ベッド温度が摂氏約６５０度になるのに、空燃比の変調強度が２であれば良い。窒素酸化物用トラップの上流側に三元触媒が位置している場合には、窒素酸化物用トラップの温度を脱硫温度である摂氏６５０度まで上昇させるために、空燃比変調強度が４．５である必要がある。窒素酸化物用トラップの上流側に三元触媒が位置していると、大きな空燃比変調強度が、三元触媒の酸素吸蔵能力を越えて、窒素酸化物用トラップ内でのリーン及びリッチへの変化を起こすために、必要とされる。空燃比変調強度と周波数を適切に選択することによって、発熱温度上昇の一部は、全体としては上流の三元触媒でも起きるというのではなく、窒素酸化物用トラップ内で直接起こる様にすることが出来る。対称的な変調について今まで述べてきたが、非対称の変調を発熱反応を起こすのに用いることも出来る。
【００１８】
このシステムは、炭化水素、一酸化炭素及び酸素が三元触媒を通り抜ける様にされている。これは、化学エネルギーが三元触媒の出口から、排気管を通って、トラップへと輸送されるのを許容することになる。トラップの設計目的は、トラップ中の発熱作用を起こしその温度を上昇させる、炭化水素、一酸化炭素及び酸素の化学反応を促進させることにある。トラップを通り抜ける量は、最小であるのが好ましい。このシステム設計は、以下の条件を満たしている。エンジンの質量空気量と空燃比の変調の組み合わせが、三元触媒の酸素吸蔵能力を飽和させ、そしてトラップの酸素吸蔵能力も殆ど飽和させることになる。三元触媒とトラップの酸素格納サイトが酸素で満たされる率は、エンジンの質量空気流量と酸素濃度の積に比例する。リーン空燃比に対しては、酸素濃度は排気空燃比と理論空燃比（典型的には約１４．５）との差に比例する。
【００１９】
空燃比変調期間τは、三元触媒中の酸素吸蔵サイトを満たすのに必要な時間を考慮すれば長く出来る（即ち、その時間よりも長くするのがよい）し、トラップ中の酸素吸蔵サイトを満たすのに必要な時間を考慮すれば短く出来る（即ち、その時間よりも短くするのがよい）。満たす時間は、エンジン質量空気流量と酸素濃度とに反比例する。後者は空燃比の変調周期に比例する。
【００２０】
三元触媒とトラップの酸素吸蔵能力は周知の方法により変化させることが出来る。ウォッシュコート工程中におけるセリウム濃度を変化させたり、三元触媒とトラップの物理的な大きさを変えることが出来る。両者を大きくすることは、酸素吸蔵力を増加させる傾向にある。トラップの酸素吸蔵能力Ｃ２は、三元触媒の酸素吸蔵能力Ｃ１よりも遥かに大きい。Ｃ１は、三元触媒というよりもトラップ中で、殆どの発熱反応が起こる様に、最小化される。
【００２１】
脱硫過程において、空燃比と点火時期が制御される。述べた通り、空燃比の周期により発熱作用が変わってくる。しかしながら、出力変動や低下を避けるために、点火時期を制御するのが好ましい。リーン空燃比での脱硫作用時には、点火時期は最適点火時期に調整される。リッチ空燃比での脱硫作用時には、点火時期はリタードされる。脱硫過程は、リーンへの変調で始まり、トラップ中に酸素を貯留する。トラップの酸素吸蔵能力が満たされた後で、空燃比がリッチに切り換えられる。動作のリッチ過程において、トラップ内で触媒発熱作用が起こり、トラップ温度を上昇させる。温度が所望の温度、例えば摂氏６５０度に到達し、その間は空燃比がリッチにされる所定の時間この所望の温度に維持された後で、脱硫作動は終了する。
【００２２】
図４を参照すると、脱硫過程のフローチャートが示されている。ブロック７０において判断される様に、脱硫開始条件が存在する場合に、初期化ブロック７２に示される様に、リッチ・フラグＲＦＬＧ及びタイマーＤＥＳＯＸＴＭＲとＴＯＴＴＭＲがリセットされて、空燃比が理論空燃比へと設定される。脱硫開始条件は、現在係属中の１９９６年１０月１６日付け米国特許出願０８／７３３１７９号に記載されている様に、上流及び下流のＨＥＧＯセンサーのリーンとリッチの間の切り替わり時間の差に基づくことが出来る。トラップが硫黄酸化物をパージする時期を決定するために他の周知の現象を用いることも出来る。ブロック７４において、トラップ温度ＬＮＴＴＭＰが、例えば摂氏６５０度である、所定の所望脱硫温度ＤＥＳＯＸＴＭＰと比較される。ＬＮＴＴＭＰは熱電対から得ても良いし、モデル化しても良い。ブロック７４における比較の後で、ブロック７６において、ブロック７８からの入力としてのエンジン回転数と負荷とＬＮＴＴＭＰとに基づいて空燃比変調強度と周波数が決定される。エンジン回転数と負荷は、所望の発熱状態に到達するのに必要な空燃比の変調を決定するのに用いられる開ループ成分である。トラップ温度は、回転数と負荷とから決定された強度と周波数を調整するのに用いられる帰還成分を、与えることになる。ブロック８０において、リーン及びリッチへの変調時のエンジン・トルクをバランスさせるための所望の点火時期が、予め実験的に得られルックアップ・テーブルに格納されたデータから求められる。ブロック８２においては、空燃比変調周波数とエンジン回転数とに基づいて、リッチ気筒動作回数ＮＲＣＥＲとリーン気筒動作回数ＮＬＣＥＲが決定される。ブロック８２において決定された必要動作回数は、ブロック８４から供給される下流側ＥＧＯ信号入力によって示される様に、略理論空燃比である所望の空燃比を達成するために調節される。ブロック８６において判断される様に、トラップ温度が所望の脱硫温度ＤＥＳＯＸＴＭＰより下がった場合には、ブロック９０においてリッチ・フラグＲＦＬＧがチェックされる。この脱硫ループを最初に通る場合には、そのフラグはブロック７２でリセットされているので、ブロック９２で示す様に、全ての気筒に対してリーン空燃比が適用される。ブロック９４において、点火時期がブロック８０において決定された値に設定され、ブロック９４において既に起こったリーン気筒動作の回数を記録するためにカウンターＮＬＣＥがインクリメントされる。ブロック９８において、この回数がブロック８２において決定された要求リーン気筒動作回数ＮＬＣＥＲと比較される。カウントされた動作回数が要求回数以上の場合には、ブロック１００においてリッチ・フラグＲＦＬＧがセットされ、カウンターＮＬＣＥがリセットされる。これが起こるまでは、ＲＦＬＧと、リッチ気筒動作回数をカウントするカウンターＮＲＣＥとが、各リーン気筒動作毎にブロック１０２においてリセットされる。
【００２３】
ブロック１００においてリッチ・フラグＲＦＬＧがセットされる場合には、ブロック１０４で示される様に、次のルーチンにおいてリッチ空燃比の混合気が全気筒に供給されることになる。ブロック１０６において、リッチ点火時期が設定され、ブロック１０８においてカウンターＮＲＣＥがインクリメントされ、ブロック１１０において要求気筒動作回数ＮＲＣＥＲと比較される。気筒動作回数が必要回数以上となるまでブロック１１２においてリッチ・フラグＲＦＬＧがセットされる。必要回数となると、ブロック１０２においてフラグＲＦＬＧとカウンターＮＲＣＥがリセットされる。パージ開始条件が満たされた時には、空燃比が変調されて、トラップの温度を所望の硫黄酸化物パージ温度ＤＥＳＯＸＴＭＰまで上昇させる。ブロック８６において決定された様にトラップ温度がＤＥＳＯＸＴＭＰ以上となる際には、空燃比はブロック８８において示される様にリッチ側に偏向される。この偏向は、リッチ気筒動作回数をリーン気筒動作回数に比して多くしたり、各変調期間においてエンジンに比較的リッチな混合気を供給することによって、なされる。比較的リッチな空燃比の混合気は時間ＤＥＳＯＸＴＩＭの間供給される。ブロック７４において判断される様にトラップ温度がＤＥＳＯＸＴＭＰ以上である間タイマーＤＥＳＯＸＴＭＲは各ルーチンのブロック１１４においてインクリメントされて、ブロック１１８においてＤＥＳＯＸＴＩＭと比較される。時間間隔ＤＥＳＯＸＴＩＭの間、トラップ温度がＤＥＳＯＸＴＭＰ以上であった場合には、プログラムはブロック１２０において終了する。
【００２４】
ブロック１２２においては、開始条件が未だ存在するか否かが判断される。もし存在しなければ、ＤＥＳＯＸＴＩＭの満了前にプログラムが終了する。もし存在していれば、各ルーチン毎のブロック１２４においてタイマーＴＯＴＴＭＲがインクリメントされ、ブロック１２６において固定最大時間ＭＡＸＴＩＭと比較される。ＭＡＸＴＩＭ以上の場合には、トラップの損傷が予想され、故障コードがブロック１２８において設定され、プログラムが終了する。図１のインジケーター・ランプ６６が点灯され、損傷コードが設定されたことを示す。
【００２５】
以上の様に、一般的な三元触媒の下流側に配置された窒素酸化物用トラップの実質的な発熱作用を起こすためにエンジンの気筒に供給される混合気の空燃比を変調して、トラップの温度を上昇させてトラップからの硫黄酸化物のパージを許容する制御システムについて述べてきた。
【００２６】
本発明を実現する最良の態様が詳細に述べられたが、本発明が関連する分野の当業者ならば、添付の請求項により規定された発明を実現する種々の変更案及び実施例を想到すると思われる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のトラップの脱硫システムのブロック図である。
【図２】窒素酸化物用トラップの中央部温度と、空燃比変調強度と、空燃比変調期間との関係を示すグラフである。
【図３】窒素酸化物用トラップの中央部温度と、空燃比変動強度との関係を、排気通路内の三元触媒の有無について比較するグラフである。
【図４】本発明の脱硫方法のフローチャートである。
【図５】本発明の脱硫方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００２８】
１８ エンジン
２２ 排気通路
２６ 三元触媒
３２ トラップ
【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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