WO2005111388A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Yoshinaka Takeda
Yasuhiro Tsutsui
Nobuhiro Kondo
Yoshinori Takahashi
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, and more particularly to a technique for improving exhaust gas purification performance at the time of a single idle in a diesel engine.
  • NOx catalysts include, for example, occlusion-type NOx catalysts, selective catalytic reduction systems (SCR systems), and the like.
  • a large storage-type NOx catalyst has a function of storing NOx in an oxidizing atmosphere and reducing the NOx stored in a reducing atmosphere. As shown in FIG. 6, the catalyst does not activate (light off) unless the catalyst temperature exceeds a certain temperature, as shown in FIG.
  • an oxidation catalyst is separately provided at a position where the exhaust gas temperature is relatively higher on the exhaust gas upstream side of the catalyst (for example, near the exhaust manifold or turbocharger), and it is in a high-temperature atmosphere.
  • a technology has been developed for raising the temperature of the exhaust gas purification catalyst downstream of the exhaust gas by utilizing the heat of the oxidation reaction of the oxidation catalyst which is easily activated (see, for example, JP-A-10-159545). .
  • the oxidation catalyst does not activate (light-off) until the catalyst temperature reaches a certain temperature or higher, and does not sufficiently activate HC and CO. It has the characteristic that the rate cannot be obtained. Specifically, for oxidation catalysts, until the light-off temperature is reached HC and CO are trapped by adsorption, and when the light-off temperature is reached, the trapped HC and CO gradually begin to oxidize.After that, the oxidation reaction of HC and CO accelerates as the catalyst temperature rises. That! / ⁇ ⁇ Has characteristics! /
  • the oxidation catalyst has such characteristics, for example, low idling is maintained and the temperature is gradually increased until the oxidation catalyst is fully activated.
  • the temperature of the dani catalyst is lower than the light-off temperature for a long time, the acceleration of the diesel engine increases the load, and the load comes out of the low idle state.
  • the temperature of the catalyst becomes sharply higher than the light-off temperature, the trapped HC and CO oxidize to a large extent, generating a large amount of heat of reaction, and the oxidation catalyst becomes excessively heated. There is a problem of reaching.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide an exhaust gas purification catalyst that uses an oxidation reaction heat of an oxidation catalyst provided upstream of the exhaust during idling operation. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that can maintain the temperature of the oxidation catalyst higher than the light-off temperature and prevent the oxidation catalyst from overheating.
  • an exhaust purification device of the present invention is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and is capable of purifying harmful components in exhaust gas.
  • An oxidation catalyst provided upstream of the exhaust gas is provided, and the catalyst capacity of the oxidation catalyst is determined by the exhaust gas flow rate divided by the catalyst capacity and the degree of catalyst activity.
  • the catalyst activity degree is set to be maximum, and the value obtained by dividing the exhaust flow rate by the catalyst capacity is set to be maximum or close thereto.
  • FIG. 8 shows the relationship between the value obtained by dividing the exhaust flow velocity of the oxidation catalyst by the catalyst capacity (exhaust flow velocity Z catalyst capacity) and the degree of catalytic activity (CO and HC purification rates).
  • the oxidation catalyst has a large degree of catalytic activity in a range where the exhaust flow rate Z catalyst capacity is small, and the oxidation reaction is promoted, while the exhaust flow rate Z catalyst capacity increases and exceeds a certain value. Then, when the catalyst activity level is rapidly reduced and the oxidation reaction is attenuated, it is likely that the catalyst has a characteristic.
  • the larger the catalyst capacity of the oxidation catalyst with respect to the exhaust flow velocity during idling operation (low idling)
  • the present invention has been made based on such knowledge, and therefore, according to the first aspect of the present invention, when the exhaust flow velocity is the exhaust flow velocity in the idle operation state of the internal combustion engine, the catalyst activity level!
  • the catalyst capacity of the oxidation catalyst on the exhaust upstream side of the exhaust purification catalyst is set so that ⁇ is maximum (for example, a predetermined maximum activity range) and the value obtained by dividing the exhaust flow velocity by the catalyst capacity is maximum or close to the maximum.
  • the exhaust gas flow rate during idling operation (low idling), ie, the exhaust gas flow rate Z is set so that the catalyst capacity becomes maximum or close to within a predetermined maximum activity range of the catalyst activity level.
  • Flow velocity Z Exhaust velocity so that the catalyst capacity is close to the value (activity limit) just before the decrease starts.
  • the oxidation catalyst functions almost only at the time of idling, the exhaust purification catalyst is maintained at a temperature higher than the light-off temperature during the idling operation, and, for example, the vehicle starts immediately after starting.
  • the load may be reduced.
  • the oxidation reaction in the medium is greatly attenuated, and HC and CO trapped by the oxidation catalyst do not oxidize until reaching the light-off temperature, and a large amount of reaction heat is generated in the oxidation catalyst. Be suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust gas purification device for an internal combustion engine mounted on a vehicle according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the exhaust flow rate Z catalyst capacity at low idle according to the present invention in relation to the exhaust flow rate Z catalyst capacity and the degree of catalytic activity.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a control routine of low idle exhaust gas temperature rise control according to the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing an oxidation catalyst temperature (a) and HC and CO concentrations (b) when a throttle valve is closed.
  • FIG. 5 is a diagram showing a main injection timing and a pilot injection timing when retarding the fuel injection timing.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the temperature of the NOx catalyst and the NOx purification ratio.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the temperature of the oxidation catalyst and the CO and HC purification rates.
  • FIG. 8 is a diagram showing a conventional exhaust flow rate Z catalyst capacity at low idling in relation to the exhaust flow rate Z catalyst capacity and the degree of catalytic activity.
  • FIG. 1 there is shown a schematic configuration diagram of an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine mounted on a vehicle according to the present invention.
  • an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described.
  • the configuration of the device will be described.
  • the engine 1 that is an internal combustion engine is, for example, a common rail type in-line four-cylinder diesel engine.
  • an electromagnetic fuel injection nozzle 4 is provided for each cylinder facing the combustion chamber 2, and each fuel injection nozzle 4 is connected to the common rail 6 via a high-pressure pipe.
  • the common rail 6 is connected to a high-pressure pump via a high-pressure pipe, and further connected to a low-pressure pipe. Connected to the fuel tank. Since engine 1 is a diesel engine, light oil is used as fuel.
  • An intake passage 10 of the engine 1 is provided with an electromagnetic (DC motor type) throttle valve 12, and a compressor of an intercooler 14 and a turbocharger 16 is provided upstream of the throttle valve 12.
  • An air flow sensor (AFS) 18 for detecting the intake air amount Qa via the air flow sensor is provided.
  • the throttle valve 12 is formed of, for example, a butterfly valve, and the air flow sensor 18 may be a force Karman vortex air flow sensor or the like in which a hot wire air flow sensor is employed here.
  • a storage NOx catalyst (exhaust gas purifying catalyst) 22 is interposed in the exhaust passage 20.
  • the storage NOx catalyst 22 includes, for example, an alkali metal such as potassium (K) and an alkaline earth metal such as barium (Ba), which are NOx storage agents, in addition to noble metals such as platinum (Pt).
  • an alkali metal such as potassium (K)
  • an alkaline earth metal such as barium (Ba)
  • noble metals such as platinum (Pt).
  • the excess air ratio ⁇ of the exhaust gas is large, the NOx (harmful component) in the exhaust gas is stored in an oxidizing atmosphere (ie, lean air-fuel ratio), while the excess air ratio of the exhaust gas is small (that is, rich). It is configured to release NOx stored in a reducing atmosphere (of air-fuel ratio), reduce (hereinafter NOx purge), and purify.
  • the storage NOx catalyst 22 also has an oxidation function due to the presence of the noble metal, and can also purify HC and CO.
  • a reducing agent indicator 24 for mixing a reducing agent (light oil or the like) into the exhaust gas to reduce the excess air ratio ⁇ of the exhaust gas during NOx purging is provided. Have been.
  • a small-sized oxidation catalyst 26 is disposed upstream of the storage NOx catalyst 22 in the exhaust passage 20 immediately downstream of the turbine of the turbocharger 16.
  • the turbine of the turbocharger 16 is disposed immediately downstream of an exhaust manifold (not shown) of the engine 1.
  • the oxidation catalyst 26 is a commonly used acid catalyst, and is configured to have a noble metal such as platinum (Pt). However, it is provided for the purpose of raising the temperature of the storage NOx catalyst 22 located downstream of the exhaust gas by the reaction heat of the oxidation reaction. In other words, the exhaust gas of the oxidation catalyst 26 has a relatively high temperature even at low idle (idle operation) when the exhaust temperature is low because the exhaust catalyst is close to the exhaust manifold. Since it is maintained in an active (light-off) state by heat, HC and CO in exhaust gas can always be oxidized.On the other hand, since the storage NOx catalyst 22 is located far from the engine 1, the temperature is low at low idle.
  • a noble metal such as platinum (Pt).
  • the oxidation catalyst 26 upstream of the storage NOx catalyst 22 on the exhaust side, the oxidation reaction of the oxidation catalyst 26 in the light-off state is likely to occur.
  • the generated reaction heat makes it possible to raise the temperature and maintain the temperature of the storage NOx catalyst 22 on the downstream side of the exhaust gas.
  • the oxidation catalyst 26 As described above, for example, immediately after the start of the engine 1, for example, when the vehicle is started or when acceleration is performed after deceleration, the oxidation catalyst 26 When the engine 1 is accelerated while the temperature is lower than the light-off temperature to increase the load and escape from the idle state, the temperature of the oxidation catalyst 26 decreases as the load increases. When the temperature rises rapidly and reaches the light-off temperature, the oxidation catalyst 26 oxidizes the trapped HC and CO so that a large amount of reaction heat is generated, and the oxidation catalyst 26 is overheated. There is a problem when the temperature rises.
  • the problem is that, as the catalyst capacity of the oxidation catalyst becomes larger with respect to the exhaust flow rate at low idling, the exhaust flow rate during idling operation Z catalyst capacity (exhaust flow rate (Value divided by the catalyst capacity) is small. Due to the relationship between the exhaust flow rate Z catalyst capacity and the catalyst activity (CO, HC purification rate) shown in FIG. One possible reason is that the state in which the dani reaction is promoted continues.
  • the catalyst activity is large at low idling, and the oxidation reaction is promoted.
  • the catalyst capacity is set so that the state in which the oxidation reaction is promoted does not continue.
  • the exhaust flow velocity Z at low idling is such that the catalyst capacity is at or near the maximum within a predetermined maximum activity range of the degree of catalytic activity (CO, HC purification ratio).
  • the exhaust flow velocity Z catalyst capacity is adjusted so that the exhaust flow velocity Z catalyst capacity becomes close to the value (activity limit) immediately before the decrease starts, and the catalyst capacity of the oxidation catalyst 26 is set.
  • the throttle valve 12 is closed so that as much HC and CO as possible are reacted by the oxidation catalyst 26 during low idling.
  • the throttle valve 12 is closed in this manner, the exhaust flow rate changes and the exhaust flow velocity decreases, so here, the exhaust flow rate when the throttle valve 12 is closed to a predetermined opening degree is reduced.
  • the catalyst capacity of the oxidation catalyst 26 is set so that the exhaust flow rate Z catalyst capacity at the time of low idling becomes maximum or close to within a predetermined maximum activity range of the catalyst activity.
  • the catalyst capacity of the oxidation catalyst 26 is set based on the exhaust flow speed in a state where the throttle valve 12 is closed to a predetermined opening degree, the catalyst capacity of the oxidation catalyst 26 is minimized.
  • the size of the oxidation catalyst 26 can be reduced, and even if the exhaust heat is relatively low during low idling, the oxidation catalyst 26 can be heated to the light-off temperature in a short time.
  • the carrier of the oxidation catalyst 26 is preferably composed of a metal carrier having a high thermal conductivity. This allows the oxidation catalyst 26 to be written in a shorter time. The temperature can be raised to the off temperature, and the generation of reaction heat when the load on the engine 1 increases can be further suppressed.
  • an EGR passage 30 for returning a part of the exhaust gas as EGR gas to the intake system extends from the exhaust manifold, and the end of the EGR passage 30 is a throttle valve of the intake passage 10. It is connected downstream from the lube 12.
  • the EGR passage 30 is provided with an electromagnetic (DC motor type) EGR valve 32 whose opening can be adjusted to an arbitrary opening to adjust the EGR gas flow rate.
  • an EGR cooler 34 is interposed in the EGR passage 30 near the exhaust manifold.
  • the electronic control unit (ECU) 40 is a control device that controls various kinds of vehicle control including fuel injection control of the engine 1 (engine control means), and also includes an input / output interface, a CPU, a memory, and the like. ing.
  • a Ne sensor 42 for detecting the engine rotation speed Ne based on the crank angle of the engine 1
  • an accelerator sensor 43 for detecting the driver's accelerator operation
  • Various sensors such as a temperature sensor 44 for detecting the temperature of the storage type NOx catalyst 22 are connected.
  • various devices such as the fuel injection nozzle 4, the throttle valve 12, the reducing agent injector 24, and the EGR valve 32 are connected to the output side of the ECU 40.
  • a control routine of the low idle exhaust gas temperature raising control according to the present invention is shown in a flowchart, and will be described below with reference to the flowchart.
  • step S10 it is determined whether or not the engine 1 is currently in a low idle state. Specifically, based on the information from the Ne sensor 42, it is determined whether or not the detected engine rotation speed Ne is the rotation speed Ni corresponding to one idle and the accelerator opening degree detected by the accelerator sensor 43 is 0%. It is determined whether or not there is a certain force. If the result of the determination is false (No) and it is determined that it is not a loader, the routine exits. On the other hand, if the result of the determination is true (Yes) and it is determined that the vehicle is low idle, the process proceeds to step S12.
  • step S12 it is determined whether or not the temperature Teat of the storage NOx catalyst 22 is lower than the light-off temperature T of the storage NOx catalyst 22. If the determination result is false (No) and it is determined that the temperature Teat of the storage NOx catalyst 22 is equal to or higher than the light-off temperature T1, it can be determined that the storage NOx catalyst 22 is functioning sufficiently, and the routine exits. . On the other hand, the judgment result is true (Yes) If it is determined that the temperature Teat is lower than the light-off temperature T, then it is determined that the temperature of the occlusion type catalyst 22 needs to be raised, and the process proceeds to step S14.
  • step S14 the EGR valve 32 is closed to prohibit the recirculation of the EGR gas to the intake system.
  • step S16 the throttle valve 12 is closed to a predetermined opening degree, and the intake air amount Qa is reduced to a small value (throttle control means).
  • step S18 the main injection timing of the fuel injected by the fuel injection nozzle 4 is retarded from the fuel injection timing during normal operation other than at low idle (fuel injection control means). Specifically, the fuel injection timing of the main injection is retarded from the fuel injection timing during normal operation (for example, ATDC5 °) to the vicinity of the misfire limit point, and the fuel injection timing dedicated to low idling (for example, ATDC20 °). And
  • the throttle injection plays a role as a kind of fuel of the main injection so that the fuel of the main injection stably ignites. Therefore, the pilot injection amount is extremely small compared to the fuel amount of the main injection. Also, the pilot injection may be performed only once, but in consideration of its role as a fire, it is desirable to perform the injection multiple times, for example, twice. Specifically, as shown in Fig. 5, the first pilot injection is performed near the compression top dead center where the in-cylinder pressure (solid line) is maximum, and the second pilot injection is performed near ATDC10 ° (double pilot injection).
  • the exhaust flow velocity at the time of low idling is based on the exhaust flow velocity when the throttle valve 12 is closed to a predetermined opening.
  • the catalyst capacity of the oxidation catalyst 26 is set to be as small as possible so that the Z catalyst capacity is at or near the maximum within the predetermined maximum activity range of the degree of catalytic activity (see FIG. 2).
  • the throttle valve 12 is closed to a predetermined opening and the fuel injection timing is delayed to increase the temperature of the oxidation catalyst 26 and to promote the oxidation reaction in the oxidation catalyst 26, thereby achieving a storage-type NOx catalyst.
  • the temperature is raised so as to promote the temperature rise in step 22 (see FIG. 3).
  • the oxidation catalyst 26 is effectively operated only when the engine 1 is in the low idle state, and the oxidation reaction of the oxidation catalyst 26 is reduced.
  • the heat of reaction raises the temperature of the storage NOx catalyst 22 to maintain the temperature of the storage NOx catalyst 22 well above the light-off temperature, improve the NOx purification performance, and lighten the temperature of the oxidation catalyst 26.
  • the oxidation reaction in the oxidation catalyst 26 is greatly attenuated, and HC and CO captured by the oxidation catalyst 26 until the light-off temperature is reached. It is possible to suppress a rapid and large amount of heat of reaction caused by the oxidation reaction and prevent the temperature of the oxidation catalyst 26 from excessively rising.
  • the catalyst capacity of the oxidation catalyst 26 is set based on the exhaust flow rate in a state where the throttle valve 12 is closed to a predetermined opening degree, and the low idle exhaust temperature raising control is performed. In a low idle state, a force that causes the throttle valve 12 to close to a predetermined opening degree. In a system that does not have the throttle valve 12, even if the throttle valve 12 is provided, The catalyst capacity of the oxidation catalyst 26 is set on the basis of the exhaust flow velocity at a normal low idling without closing the valve 12, and the mouth idle exhaust gas temperature rise control, that is, the closing operation of the throttle valve 12 and the delay of the fuel injection timing are performed. However, a sufficient effect can be obtained even if this is not performed.
  • the storage type NOx catalyst 22 is not limited to the storage type NOx catalyst 22.
  • Any exhaust gas purification catalyst may be provided at the position of the NOx catalyst 22, for example, a selective catalyst reduction system (SCR system) may be provided!
  • both the closing operation of the throttle valve 12 and the retarding of the fuel injection timing are performed in response to the low idle exhaust gas temperature raising control (steps S16 and S18). ), Only the closing operation of the throttle valve 12 may be performed, or only the fuel injection timing delay and the pilot injection may be performed (step S16 or step S18).

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Abstract

　排気浄化触媒の排気上流側に酸化触媒を備え、該酸化触媒の触媒容量は、排気流速を触媒容量で除した値（排気流速／触媒容量）と触媒活性度合いとの関係において、排気流速が前記内燃機関のアイドル運転状態時における排気流速であるときに、触媒活性度合いが最大（所定の最大活性範囲）で且つ前記排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるよう設定される。

Description

明 細 書
内燃機関の排気浄化装置
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、ディーゼル機関において口 一アイドル時における排気浄ィ匕性能の向上を図る技術に関する。
背景技術
[0002] ディーゼル機関を搭載した車両では、通常運転時にはディーゼル機関における空 燃比がリーン空燃比であることから、 NOxが生成され易ぐその NOx浄ィ匕のために排 気系に排気浄ィ匕触媒として NOx触媒の配設が検討されて 、る。 NOx触媒としては、 例えば吸蔵型 NOx触媒、選択的触媒還元システム（SCRシステム： Selective catalytic reduction system)等; 0举げられる。
[0003] ところで、カゝかる吸蔵型 NOx触媒では、酸化雰囲気中において NOxを吸蔵し、還 元雰囲気中で吸蔵した NOxを還元する機能を有する力 当該 NOxの吸蔵機能、還 元機能 (NOx浄化率）は、図 6に示すように、触媒温度が一定温度以上にならないと 活性 (ライトオフ）しな 、と 、う特性を有して 、る。
[0004] 従って、例えば、ディーゼル機関のローアイドル (通常のアイドル運転）時には、燃 料噴射量が極めて少なくなるため、排気温度ひいては触媒温度がライトオフ温度より も低くなり易ぐ当該ローアイドル時において NOx触媒が十分に機能せず、 NOx浄 化性能が低下するという問題がある。
[0005] このようなことから、触媒よりも排気上流側の比較的排気温度が高い位置 (例えば、 排気マ-ホールド或いはターボチャージャ近傍）に酸化触媒を別途設け、高温雰囲 気下であるために活性し易い当該酸ィ匕触媒の酸ィ匕反応熱を利用して排気下流側の 排気浄ィ匕触媒の昇温を図る技術が開発されている (例えば特開平 10— 159545号 公報参照)。
[0006] ところで、酸化触媒は、図 7に示すように、上記 NOx触媒の場合と同様、触媒温度 が一定温度以上にならな 、と活性 (ライトオフ)せず十分な HC、 CO浄ィ匕率が得られ ないという特性を有している。詳しくは、酸化触媒では、ライトオフ温度に達するまで は HC、 COが吸着により捕捉され、ライトオフ温度に達すると当該捕捉された HC、 C Oが徐々に酸化反応し始め、その後は触媒温度の上昇に伴って HC、 COの酸化反 応が加速されると！/ヽぅ特性を有して！/、る。
[0007] ところが、酸ィ匕触媒がこのような特性を有して 、ると、例えば酸化触媒が完全活性 状態となるまでローアイドルが維持され緩やかに昇温する場合はよいが、例えば酸ィ匕 触媒の温度がライトオフ温度以下である状態が長時間続き、その後にディーゼル機 関が加速操作されて負荷が増大し、ローアイドル状態を脱するようなことになると、負 荷増大に伴って酸ィ匕触媒の温度がライトオフ温度を越えて急激に上昇することになり 、捕捉された HC、 COがー気に酸化反応して大量の反応熱が発生し、酸化触媒が 過昇温に至るという問題がある。
[0008] この問題は、酸化触媒の触媒容量が大きいほど、またライトオフ温度に達するまで に時間が力かるほど酸ィ匕触媒への HC、 COの捕捉量が多くなり、顕著なものとなる。 発明の開示
[0009] 本発明はこのような問題点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、アイドル運転時において排気上流側に設けた酸化触媒の酸化反応熱により排気 浄ィ匕触媒をライトオフ温度以上に良好に維持でき、且つ、酸化触媒の過昇温を防止 可能な内燃機関の排気浄ィ匕装置を提供することにある。
[0010] 上記した目的を達成するために、本発明の排気浄ィ匕装置では、内燃機関の排気通 路に設けられ、排気中の有害成分を浄化可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒 の排気上流側に設けられた酸化触媒とを備え、該酸化触媒の触媒容量は、排気流 速を触媒容量で除した値と触媒活性度合いとの関係において、排気流速が前記内 燃機関のアイドル運転状態時における排気流速であるときに、触媒活性度合いが最 大で且つ前記排気流速を触媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるよう設定 されていることを特徴とする。
[0011] 図 8を参照すると、酸化触媒における排気流速を触媒容量で除した値 (排気流速 Z 触媒容量)と触媒活性度合い (CO、 HC浄化率)との関係が示されており、同図によ れば、酸化触媒は、排気流速 Z触媒容量が小さい範囲では触媒活性度合いが大き く酸化反応が促進され、一方、排気流速 Z触媒容量が大きくなり、ある一定の値を越 えると触媒活性度合 ヽが急激に減少して酸ィ匕反応が減衰すると ヽぅ特性を有して ヽ ることがゎカゝる。そして、同図によれば、アイドル運転 (ローアイドル）時の排気流速に 対して酸化触媒の触媒容量が大き!ヽほど、アイドル運転時の排気流速 Z触媒容量 は小さくなつている。
[0012] し力しながら、このようにアイドル運転時の排気流速 Z触媒容量が小さくなつている と、内燃機関の負荷が増大 (排気流速増大)したとしても、触媒活性度合いが大きぐ 酸化反応が促進された状態が暫く維持されることとなる。
[0013] 上述した酸化触媒の過昇温の問題は、このような排気流速 Z触媒容量と触媒活性 度合いとの関係により、内燃機関の負荷が増大しても酸化反応が促進された状態が 継続して ヽることが一因と考免られる。
[0014] 本発明はこのような知見に基づきなされたものであり、故に、請求項 1の発明では、 排気流速が内燃機関のアイドル運転状態時における排気流速であるときに、触媒活 性度合!ヽが最大 (例えば、所定の最大活性範囲)で且つ排気流速を触媒容量で除し た値が最大或いはその近傍となるように排気浄化触媒の排気上流側の酸化触媒の 触媒容量を設定する。
[0015] 即ち、図 2に示すように、アイドル運転 (ローアイドル）時の排気流速 Z触媒容量が 触媒活性度合 、の所定の最大活性範囲内で最大或いはその近傍となるように、つま り排気流速 Z触媒容量が減少開始直前の値 (活性限界)近傍となるように排気流速
Z触媒容量を調整し、酸化触媒の触媒容量を設定する。
[0016] このように排気流速 Z触媒容量を調整して酸化触媒の触媒容量を設定すると、アイ ドル運転時には、触媒活性度合いが大きいことから酸化触媒の酸化反応の反応熱に よって排気浄化触媒が良好に昇温する。一方、内燃機関の負荷が増大 (排気流速増 大)したときには、触媒活性度合いが急激に減少して酸ィ匕反応が大きく減衰する。
[0017] これにより、酸ィ匕触媒がほぼアイドル運転時にのみ機能して当該アイドル運転時に おいて排気浄ィ匕触媒がライトオフ温度以上に良好に維持されるとともに、例えば始動 直後に車両を発進させる場合や減速後の加速時のように、酸化触媒の温度がライト オフ温度以下であるときに内燃機関が加速操作されて負荷が増大し、アイドル運転 状態を脱するような場合には、負荷増大に伴い触媒温度が上昇する一方で酸化触 媒における酸化反応が大きく減衰し、ライトオフ温度に至るまでに酸化触媒に捕捉さ れた HC、 COがー気に酸化反応してしまうことがなくなり、酸化触媒での大量の反応 熱の発生が抑制される。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]本発明に係る車両に搭載された内燃機関の排気浄化装置の概略構成図であ る。
[図 2]排気流速 Z触媒容量と触媒活性度合いの関係において本発明に係るローアイ ドル時の排気流速 Z触媒容量を示す図である。
[図 3]本発明に係るローアイドル排気昇温制御の制御ルーチンを示すフローチャート である。
[図 4]スロットルバルブを閉作動させたときの酸ィ匕触媒温度 (a)と HC、 CO濃度 (b)と を示す図である。
[図 5]燃料噴射時期を遅角させる際の主噴射時期とパイロット噴射時期とを示す図で ある。
[図 6]NOx触媒の温度と NOx浄ィ匕率との関係を示す図である。
[図 7]酸化触媒の温度と CO、HC浄化率との関係を示す図である。
[図 8]排気流速 Z触媒容量と触媒活性度合いの関係において従来のローアイドル時 の排気流速 Z触媒容量を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0019] 以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
[0020] 図 1を参照すると、本発明に係る車両に搭載された内燃機関の排気浄化装置の概 略構成図が示されており、以下、同図に基づき本発明に係る内燃機関の排気浄ィ匕 装置の構成を説明する。
[0021] 図 1に示すように、内燃機関であるエンジン 1は例えばコモンレール式直列 4気筒の ディーゼルエンジンである。コモンレール式のディーゼルエンジン 1では、燃焼室 2に 臨んで電磁式の燃料噴射ノズル 4が各気筒毎に設けられており、各燃料噴射ノズル 4は高圧パイプを介してコモンレール 6に接続されている。そして、コモンレール 6は、 図示しないが、高圧パイプを介して高圧ポンプに接続され、さらに低圧パイプを介し て燃料タンクに接続されている。なお、エンジン 1がディーゼルエンジンであるため、 燃料としては軽油が使用される。
[0022] エンジン 1の吸気通路 10には電磁式（DCモータ式）のスロットルバルブ 12が設けら れており、スロットルバルブ 12よりも上流側には、インタークーラ 14、ターボチャージ ャ 16のコンプレッサを介して吸入空気量 Qaを検出するエアフローセンサ (AFS) 18 が設けられている。スロットルバルブ 12は例えばバタフライバルブからなり、ェアフロ 一センサ 18は、ここでは例えば熱線式エアフローセンサが採用される力 カルマン渦 式エアフローセンサ等であってもよ 、。
[0023] 一方、排気通路 20には、吸蔵型 NOx触媒 (排気浄化触媒) 22が介装されている。
吸蔵型 NOx触媒 22は、例えば白金 (Pt)等の貴金属の他に、 NOx吸蔵剤であるカリ ゥム (K)等のアルカリ金属やバリウム (Ba)等のアルカリ土類金属を包含しており、排 気の空気過剰率 λの大き、（即ち、リーン空燃比の）酸ィ匕雰囲気中で排気中の NOx (有害成分)を吸蔵する一方、排気の空気過剰率えの小さい (即ち、リッチ空燃比の） 還元雰囲気中で吸蔵した NOxを放出し、還元（以下、 NOxパージ)して浄ィ匕するよう に構成されている。なお、吸蔵型 NOx触媒 22は貴金属の存在により酸化機能をも併 せ有しており、 HC、 COをも浄ィ匕可能である。
[0024] 排気通路 20の吸蔵型 NOx触媒 22の直上流には、 NOxパージ時において排気の 空気過剰率 λを小さくすべく還元剤 (軽油等)を排気に混入させる還元剤インジエタ タ 24が設けられている。
[0025] さらに、排気通路 20の吸蔵型 NOx触媒 22よりも上流側には、ターボチャージャ 16 のタービンの直下流に位置して、小型の酸化触媒 26が介装されている。なお、ター ボチャージャ 16のタービンはエンジン 1の排気マ-ホールド（図示せず）の直下流に 位置するよう配設されて 、る。
[0026] 酸化触媒 26は、一般に使用される酸ィヒ触媒であり、白金 (Pt)等の貴金属を有して 構成されているが、ここでは、排気中の HC、 CO等を酸化処理し、当該酸化反応の 反応熱によって排気下流側に位置する吸蔵型 NOx触媒 22の昇温を行うことを目的 として設けられている。つまり、酸ィ匕触媒 26は排気マ-ホールドに近接しているため に排気温度の低くなるローアイドル (アイドル運転）時にお 1ヽても比較的高温の排気 熱で活性 (ライトオフ)状態に維持されるため、排気中の HC、 COを常に酸化処理可 能であり、一方、吸蔵型 NOx触媒 22はエンジン 1から遠い位置にあるため、ローアイ ドル時には温度が低下し易くライトオフ状態力 外れる傾向にあり、ここでは、吸蔵型 NOx触媒 22の排気上流側に酸化触媒 26を配設することで、ライトオフ状態にある当 該酸化触媒 26の酸化反応により発生する反応熱によって排気下流側の吸蔵型 NOx 触媒 22の昇温及び温度維持を行うことを可能にしている。
[0027] ところで、酸ィ匕触媒 26においては、上述したように、例えばエンジン 1の始動直後 等にお 1、て車両を発進させる場合や減速後の加速の場合のように、酸化触媒 26の 温度がライトオフ温度以下であるときにエンジン 1が加速操作されて負荷が増大し、口 一アイドル状態を脱するようなことになると、負荷増大に伴って酸化触媒 26の温度が ライトオフ温度を越えて急激に上昇し、ライトオフ温度に達するまでに酸化触媒 26〖こ 捕捉された HC、 COがー気に酸化反応して急激且つ大量の反応熱が発生し、酸ィ匕 触媒 26が過昇温に至ると 、う問題がある。
[0028] そして、この問題は、図 8に示したように、ローアイドル時の排気流速に対して酸ィ匕 触媒の触媒容量が大き ヽほどアイドル運転時の排気流速 Z触媒容量 (排気流速を 触媒容量で除した値)が小さぐ当該図 8に示す排気流速 Z触媒容量と触媒活性度 合い（CO、 HC浄ィ匕率）との関係により、エンジン 1の負荷が増大しても酸ィ匕反応が 促進された状態が継続してしまうことが一因と考えられる。
[0029] このようなことから、酸ィ匕触媒 26については、排気流速 Z触媒容量と触媒活性度合 いとの関係に基づき、ローアイドル時には触媒活性度合いが大きく酸ィ匕反応が促進 された状態となる一方、エンジン 1の負荷が増大すると酸化反応が促進された状態が 継続しな ヽよう触媒容量を設定するようにして ヽる。
[0030] 具体的には、図 2に示すように、ローアイドル時の排気流速 Z触媒容量が触媒活性 度合い（CO、 HC浄ィ匕率)の所定の最大活性範囲内で最大或いはその近傍となるよ うに、つまり排気流速 Z触媒容量が減少開始直前の値 (活性限界)近傍となるよう排 気流速 Z触媒容量を調整し、酸化触媒 26の触媒容量を設定する。
[0031] 詳しくは、後述するように、ローアイドル時には酸ィ匕触媒 26によってできるだけ多く の HC、 COを酸ィ匕反応させるよう、スロットルバルブ 12を閉弁作動させるようにしてお り、このようにスロットルバルブ 12を閉弁作動させると、排気流量が変化して排気流速 力 、さくなるため、ここでは、スロットルバルブ 12を所定開度まで閉作動させた状態で の排気流速に基づ ヽて、ローアイドル時の排気流速 Z触媒容量が触媒活性度合 、 の所定の最大活性範囲内で最大或いはその近傍となるよう酸ィ匕触媒 26の触媒容量 を設定する。
[0032] このように排気流速 Z触媒容量が調整され、酸化触媒 26の触媒容量が設定されて いると、ローアイドル時には、図 2に示すように触媒活性度合いが大きいことから、酸 化触媒 26の酸化反応の反応熱によって排気下流側の吸蔵型 NOx触媒 22が良好に 昇温することになり、ローアイドル時であっても吸蔵型 NOx触媒 22がライトオフ温度 以上に維持され、吸蔵型 NOx触媒 22において NOxの吸蔵と放出還元とが良好に実 施され、 NOx浄ィ匕性能の向上が図られる。一方、エンジン 1の負荷が増大 (負荷増大 )し、ローアイドル状態を脱したときには、図 2に示すように触媒活性度合いが急激に 減少して酸化反応が大きく減衰することになり、ライトオフ温度に至るまでに酸化触媒 26に捕捉された HC、 COの酸化反応による大量の反応熱の発生が抑制され、酸ィ匕 触媒 26の過昇温が防止される。これにより酸化触媒 26の延命が図られる。
[0033] また、このようにスロットルバルブ 12を所定開度まで閉作動させた状態での排気流 速に基づいて酸化触媒 26の触媒容量を設定するようにすると、酸化触媒 26の触媒 容量を極力小さく設定して酸ィ匕触媒 26の小型化を図ることができることになり、ロー アイドル時の比較的低温の排気熱であっても酸ィ匕触媒 26を短時間でライトオフ温度 に昇温でき、ライトオフ温度に達するまでに酸ィ匕触媒 26に捕捉される HC、 COの量 を低減することが可能である。これにより、エンジン 1の負荷が増大した場合における 反応熱の発生が上記酸化反応の減衰と相俟って十分に抑制される。
[0034] また、この際、酸化触媒 26の担体にっ ヽては熱伝導率の高!ヽメタル担体で構成し ておくのがよぐこれにより、酸ィ匕触媒 26をより短時間でライトオフ温度に昇温でき、 エンジン 1の負荷が増大した場合における反応熱の発生をさらに抑制することができ る。
[0035] 図 1に戻り、排気マ-ホールドからは排気の一部を EGRガスとして吸気系に還流さ せる EGR通路 30が延びており、該 EGR通路 30の終端は吸気通路 10のスロットルバ ルブ 12よりも下流部分に接続されている。そして、 EGR通路 30には、 EGRガス流量 を調整すべく任意の開度に開度調節可能な電磁式 (DCモータ式)の EGRバルブ 32 が介装されている。さらに、 EGR通路 30の排気マ-ホールド寄りには、 EGRクーラ 3 4が介装されている。
[0036] 電子コントロールユニット（ECU) 40は、エンジン 1の燃料噴射制御を含め車両の種 々の制御を司る制御装置であり（機関制御手段）、入出力インターフェイス、 CPU,メ モリ等力も構成されている。そして、 ECU40の入力側には、上述したエアフローセン サ 18の他、例えばエンジン 1のクランク角に基づいてエンジン回転速度 Neを検出す る Neセンサ 42、ドライバのアクセル操作を検出するアクセルセンサ 43、吸蔵型 NOx 触媒 22の温度を検出する温度センサ 44等の各種センサ類が接続されている。
[0037] 一方、 ECU40の出力側には、上記燃料噴射ノズル 4、スロットルバルブ 12、還元 剤インジェクタ 24、 EGRバルブ 32等の各種デバイス類が接続されて ヽる。
[0038] これにより、各種センサ類力 の入力情報に基づき各種デバイス類が作動制御され 、エンジン 1や車両が適正に運転制御される。
[0039] 以下、上記のように構成された内燃機関の排気浄ィ匕装置の本発明に係るローアイ
Figure imgf000010_0001
、て説明する。
[0040] 図 3を参照すると、本発明に係るローアイドル排気昇温制御の制御ルーチンがフロ 一チャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
[0041] 先ず、ステップ S 10では、エンジン 1が現在ローアイドル状態であるか否かを判別す る。具体的には、 Neセンサ 42からの情報に基づき、検出されるエンジン回転速度 Ne 力 一アイドルに対応した回転速度 Niであるか否か且つアクセルセンサ 43により検 出されるアクセル開度が 0%である力否かを判別する。判別結果が偽 (No)でローァ ィドルではないと判定された場合には、当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真 (Yes)でローアイドルと判定された場合には、ステップ S12に進む。
[0042] ステップ S 12では、吸蔵型 NOx触媒 22の温度 Teatが吸蔵型 NOx触媒 22のライト オフ温度 Tはり低 、か否かを判別する。判別結果が偽 (No)で吸蔵型 NOx触媒 22 の温度 Teatがライトオフ温度 T1以上と判定された場合には、吸蔵型 NOx触媒 22は 十分に機能していると判断でき、当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真 (Yes) で温度 Teatがライトオフ温度 Tはり低 ヽと判定された場合には、吸蔵型 ΝΟχ触媒 22 の昇温が必要と判断し、ステップ S 14に進む。
[0043] ステップ S 14では、 EGRバルブ 32を閉弁とし、 EGRガスの吸気系への還流を禁止 する。
[0044] そして、ステップ S 16では、スロットルバルブ 12を所定開度まで閉作動させ、吸入空 気量 Qaを小さく絞る (スロットル制御手段)。
[0045] このように、スロットルバルブ 12の閉作動により吸入空気量 Qaが小さく絞られると、 EGRバルブ 32が閉弁されて EGRガスの吸気系への還流が無いことから、エンジン 1 においてボンビングロスが増加することになり、これに対向してローアイドルを維持す ベく燃料噴射量を増大することになる。さらに、ディーゼルエンジン 1では筒内圧力の 低下によって燃料の着火時期が遅延するという現象が起こる。これにより、エンジン 1 の排気温度が上昇し、酸化触媒 26の温度が高温に保持される。
[0046] また、このように着火時期が遅延すると、燃焼が緩慢となり、図 4 (b)に示すように上 記燃料噴射量の増大と相俟って排気中の HC、 CO濃度が増加して酸化触媒 26で の HC、 COの酸化反応による反応熱量が増大し、図 4 (a)に実線で示すように酸ィ匕 触媒 26がターボチャージャ 16のタービンの出口温度 (破線)よりも昇温することに伴 い吸蔵型 NOx触媒 22が確実に昇温することになる。
[0047] ステップ S 18では、燃料噴射ノズル 4により噴射する燃料の主噴射時期をローアイド ル時以外の通常運転時の燃料噴射時期よりも遅角させる (燃料噴射制御手段)。具 体的には、主噴射の燃料噴射時期を通常運転時の燃料噴射時期（例えば、 ATDC5 ° )から失火限界点近傍まで遅角させ、ローアイドル時専用の燃料噴射時期（例えば 、ATDC20° )とする。
[0048] このように、主噴射の燃料噴射時期を失火限界点近傍まで遅角させると、燃焼が不 完全となって排気中の HC、 CO濃度が増加し、酸化触媒 26での HC、 COの酸化反 応による反応熱量がさらに増大することになり、吸蔵型 NOx触媒 22がより一層確実 に昇温することになる。
[0049] なお、このように主噴射の燃料噴射時期を失火限界点近傍まで遅角させると、燃料 の着火が不安定になり、燃焼悪ィ匕を招いたり最悪の場合失火したりすることから、同 時に主噴射の直前にぉ ヽてノィロット噴射を実施するようにする (燃料噴射制御手段
) o
[0050] ここに、ノ ィロット噴射は主噴射の燃料が安定して着火するよう当該主噴射による燃 料の火種としての役割を果たすものである。従って、パイロット噴射については、主噴 射の燃料量に比べて極少量とする。また、パイロット噴射は一回だけでもよいが、火 種としての役割を考慮すると、複数回実施することが望ましぐここでは、例えば二回 実施する。具体的には、図 5に示すように、筒内圧力（実線)が最大となる圧縮上死 点近傍で最初のパイロット噴射を行 ヽ、 ATDC10° 近傍で二回目のパイロット噴射を 行う（ダブルパイロット噴射)。
[0051] これより、主噴射の燃料噴射時期を失火限界点近傍まで遅角させても、主噴射によ る燃料が安定して確実に燃焼し、失火や燃焼悪化が防止される。
[0052] 以上説明したように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、スロットルバル ブ 12を所定開度まで閉作動させた状態での排気流速を基準に、ローアイドル時の排 気流速 Z触媒容量が触媒活性度合いの所定の最大活性範囲内で最大或いはその 近傍となるよう酸化触媒 26の触媒容量を極力小さく設定するようにし (図 2参照）、さ らに、ローアイドル排気昇温制御により、ローアイドル時において、スロットルバルブ 1 2を所定開度まで閉作動させるとともに燃料噴射時期を遅延させ、酸化触媒 26の昇 温と酸化触媒 26における酸化反応の促進を図り、吸蔵型 NOx触媒 22の昇温を促進 するようにして 、る（図 3参照)。
[0053] 従って、本発明に係る内燃機関の排気浄ィ匕装置によれば、エンジン 1がローアイド ル状態にあるときにのみ酸化触媒 26を有効に機能させて当該酸化触媒 26の酸化反 応の反応熱で吸蔵型 NOx触媒 22を昇温させ、吸蔵型 NOx触媒 22の温度をライトォ フ温度以上に良好に維持して NOx浄ィ匕性能を向上できるとともに、酸化触媒 26の温 度がライトオフ温度以下であるときにエンジン 1が加速操作されて負荷が増大した場 合において、酸化触媒 26における酸化反応を大きく減衰させ、ライトオフ温度に至る までに酸化触媒 26に捕捉された HC、 COの酸化反応による急激且つ大量の反応熱 の発生を抑制し、酸ィ匕触媒 26の過昇温を防止することができる。
[0054] 以上で本発明の実施形態についての説明を終えるが、実施態様は上記実施形態 に限られるものではない。
[0055] 例えば、上記実施形態では、スロットルバルブ 12を所定開度まで閉作動させた状 態での排気流速を基準に酸化触媒 26の触媒容量を設定するようにし、ローアイドル 排気昇温制御により、ローアイドル時においてはスロットルバルブ 12を所定開度まで 閉作動させるようにした力 スロットルバルブ 12を有さないシステムにおいては、或い はスロットルバルブ 12を有している場合であっても、スロットルバルブ 12を閉作動させ ない通常のローアイドルでの排気流速を基準に酸化触媒 26の触媒容量を設定し、口 一アイドル排気昇温制御、即ちスロットルバルブ 12の閉作動及び燃料噴射時期の遅 角を実施しな 、ようにしてもよぐこのようにしても十分な効果が得られる。
[0056] また、上記実施形態では、吸蔵型 NOx触媒 22の排気上流側に酸化触媒 26を配 設する場合を例に説明したが、吸蔵型 NOx触媒 22に限られるものではなぐ当該吸 蔵型 NOx触媒 22の位置には如何なる排気浄ィ匕触媒を配設するようにしてもよぐ例 えば選択的触媒還元システム（SCRシステム）を配設してもよ!ヽ。
[0057] また、上記実施形態では、ローアイドル排気昇温制御にぉ 、て、スロットルバルブ 1 2の閉作動と燃料噴射時期の遅角の両方を実施するようにしたが (ステップ S16及び ステップ S18)、スロットルバルブ 12の閉作動だけを実施するようにしてもよぐまた、 燃料噴射時期の遅角及びパイロット噴射だけを実施するようにしてもょ 、 (ステップ S 16またはステップ S 18)。
[0058] また、上記実施形態では、吸蔵型 NOx触媒 22の温度 Teatが吸蔵型 NOx触媒 22 のライトオフ温度 Tはり小さい場合にスロットルバルブ 12の閉作動及び燃料噴射時 期の遅角を実施するようにした力 吸蔵型 NOx触媒 22の温度 Teatに拘わらず、ロー アイドル時には常にスロットルバルブ 12の閉作動及び燃料噴射時期の遅角を実施 するようにしてちょい。

Claims

請求の範囲
[1] 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の有害成分を浄化可能な排気浄化触媒と 該排気浄化触媒の排気上流側に設けられた酸化触媒とを備え、
該酸化触媒の触媒容量は、排気流速を触媒容量で除した値と触媒活性度合 ヽと の関係において、排気流速が前記内燃機関のアイドル運転状態時における排気流 速であるときに、触媒活性度合いが最大で且つ前記排気流速を触媒容量で除した 値が最大或いはその近傍となるよう設定されていることを特徴とする内燃機関の排気 浄化装置。
[2] 前記排気浄化触媒は NOx触媒を含んでなることを特徴とする、請求項 1に記載の内 燃機関の排気浄化装置。
[3] 前記内燃機関は吸気系にスロットルバルブを有するディーゼル機関であって、該スロ ットルバルブの開閉作動を行うスロットル制御手段を備えると共に、該ディーゼル機 関の運転を制御する機関制御手段を有し、
前記スロットル制御手段は、前記内燃機関が前記アイドル運転状態にあるとき、前 記スロットルバルブを所定開度まで閉作動させ、
前記酸化触媒の触媒容量は、内燃機関がアイドル運転状態であって排気流速が 前記機関制御手段により前記スロットルバルブを前記所定開度まで閉作動させた状 態の排気流速であるときに、前記触媒活性度合いが最大で且つ前記排気流速を触 媒容量で除した値が最大或いはその近傍となるよう設定されていることを特徴とする 、請求項 1に記載の内燃機関の排気浄ィ匕装置。
[4] 前記機関制御手段は、さらに、燃料噴射量と燃料噴射時期とを制御する燃料噴射制 御手段を含み、
該燃料噴射制御手段は、前記内燃機関が前記アイドル運転状態にあるとき、主噴 射の燃料噴射時期を通常時期よりも遅延させ、該主噴射の直前に該主噴射よりも燃 料噴射量の少ないパイロット噴射を少なくとも一回以上行うことを特徴とする、請求項 3に記載の内燃機関の排気浄ィ匕装置。
[5] 前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関が前記アイドル運転状態にあるとき、主噴 射の燃料噴射時期を失火限界近傍まで遅角させることを特徴とする、請求項 4に記 載の内燃機関の排気浄化装置。
前記内燃機関はディーゼル機関であって、燃料噴射量と燃料噴射時期とを制御する 燃料噴射制御手段を備えると共に、該ディーゼル機関の運転を制御する機関制御 手段を有し、
前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関が前記アイドル運転状態にあるとき、主 噴射の燃料噴射時期を通常時期よりも遅延させ、該主噴射の直前に該主噴射よりも 燃料噴射量の少ないパイロット噴射を少なくとも一回以上行うことを特徴とする、請求 項 1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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