JP4311066B2

JP4311066B2 - Exhaust gas purification system for internal combustion engine

Info

Publication number: JP4311066B2
Application number: JP2003098373A
Authority: JP
Inventors: 太郎青山; 静夫佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: JP2004301109A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸蔵還元型ＮＯx触媒を内燃機関の排気系に配置し、還元雰囲気のときに排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵（吸着、吸収、付着でも良い。）し、酸化雰囲気となったときは吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されていたＮＯxを還元して排気中のＮＯxを浄化する技術が知られている。
【０００３】
そして、ＮＯx触媒に流入する排気中の酸素濃度を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）に低くする、所謂リッチスパイクによりＮＯxを浄化する技術として例えば、ＮＯx吸蔵量が所定量以上となったときにＮＯx還元のためのリッチスパイクを実施する技術（例えば、特許文献１参照）、低温燃焼によりリッチスパイクを実施する技術（例えば、特許文献２参照）、排気上死点での気筒内への燃料噴射によりリッチスパイクを実施する技術（例えば、特許文献３参照）、減速時の気筒内への燃料噴射によりリッチスパイクを実施する技術（例えば、特許文献４参照）、排気系への燃料添加によりリッチスパイクを実施する技術（例えば、特許文献５参照）が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１３９３４０号公報（第４−９頁）
【特許文献２】
特開平１１−３６９２３号公報（第４−９頁）
【特許文献３】
特開２００１−３２９９００号公報（第３−１０頁）
【特許文献４】
特開平６−２００７３９号公報（第３−６頁）
【特許文献５】
特開平７−２５９５４１号公報（第４−７頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リッチスパイクを行う手段は上記のように複数あるが、そのＮＯx還元効率は夫々異なる。また、リッチスパイクを実施可能な内燃機関の運転領域も夫々異なる。ここで、適切な手段によりリッチスパイクを行えば、ＮＯx還元効率を高く、また、還元を行う機会をより多く確保することが可能となる。
【０００６】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化システムにおいて、複数の還元剤供給手段の中から最適な手段を選択してＮＯxの還元を行う技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化システムは、以下の手段を採用した。即ち、第１の発明は、
酸化雰囲気のときにＮＯxを吸蔵し還元雰囲気で吸蔵していたＮＯxを還元するＮＯx触媒と、
前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給し、且つ、還元剤を供給可能な内燃機関の運転領域の少なくとも一部が異なる複数の還元剤供給手段と、
前記ＮＯx触媒に吸蔵されるＮＯxの吸蔵速度を推定するＮＯx吸蔵速度推定手段と、
を備え、
前記ＮＯx吸蔵速度推定手段により推定されたＮＯx吸蔵速度が低くなるに従って、還元剤を供給可能な機会がより増加する還元剤供給手段により還元剤を供給することを特徴とする。
【０００８】
本発明の最大の特徴は、ＮＯx吸蔵速度が低下したときに、還元剤供給可能な機会がより多い還元剤供給手段により還元剤を供給して、還元剤供給の機会を増加させることにある。
【０００９】
ここで、「ＮＯx吸蔵速度」とは、単位時間あたりにＮＯx触媒に吸蔵されるＮＯxの量で表される。
【００１０】
そして、ＮＯx触媒に還元剤を供給する手段としては、例えば、気筒内での燃料の燃焼により内燃機関からリッチ空燃比の排気を排出する、車両減速時に気筒内へ燃料噴射を行いリッチ空燃比の排気を排出する、内燃機関の排気系に還元剤を添加する等の複数の手段がある。これらの手段は、夫々、実施可能な内燃機関の運転領域や、ＮＯx還元効率が異なる。ここで、ＮＯxの吸蔵速度が高い場合には、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が十分であるため、還元剤を供給可能な運転状態となる機会が少なくても、還元剤供給可能な運転状態となるまでＮＯx触媒にＮＯxを吸蔵しておくことが可能である。この場合、例え還元剤を供給可能な運転領域となる機会が少なくても、ＮＯx還元効率の高い手段により還元剤の供給を行えば、還元剤を供給可能な運転領域でない場合にはＮＯx触媒にＮＯxを吸蔵することができ、また、還元剤を供給可能な運転領域である場合にはＮＯx還元効率の高い手段による還元剤の供給を行うことができる。これにより、還元剤の消費を抑制することができる。そして、還元剤に燃料を用いている場合には、燃費を向上させることが可能となる。例えば、気筒内での燃料の燃焼により内燃機関からリッチ空燃比の排気を排出させてＮＯx触媒に還元剤を供給する場合には、ＮＯx還元効率が高い。そして、ＮＯxの吸蔵速度が高い場合には、ＮＯx還元効率が低い手段による還元剤の供給を行わないようにすれば、燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００１１】
一方、ＮＯxの吸蔵速度が低い場合には、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が低下するため、ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを早期に還元する必要がある。このような場合には、還元剤を供給可能な機会がより多い還元剤供給手段により還元剤の供給を行う。これにより、還元剤供給の機会を増加させることができるのでＮＯxの還元を早期に行うことが可能となる。例えば、排気系の燃料添加では、内燃機関の運転領域には殆ど影響されずにＮＯx触媒に還元剤を供給することが可能である。また、例えば、車両減速時の気筒内への燃料噴射では、ＮＯx還元効率及び還元剤供給の機会の多さにおいて、気筒内での燃料の燃焼による還元剤の供給と、排気系の燃料添加と、の中間となる。
【００１２】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化システムは、以下の手段を採用した。即ち、第２の発明は、
酸化雰囲気のときにＮＯxを吸蔵し還元雰囲気で吸蔵していたＮＯxを還元するＮＯx触媒と、
前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給し、且つ、還元剤を供給可能な内燃機関の運転領域の少なくとも一部若しくはＮＯx還元効率が異なる複数の還元剤供給手段と、
前記ＮＯx触媒に吸蔵されるＮＯxの吸蔵速度を推定するＮＯx吸蔵速度推定手段と、
前記ＮＯx吸蔵速度推定手段により推定されたＮＯx吸蔵速度が低くなるに従って、還元剤を供給可能な機会がより増加する還元剤供給手段をも選択可能として、選択可能な還元剤供給手段を増加させる選択範囲設定手段と、
前記選択範囲設定手段により選択可能とされた還元剤供給手段の中で、還元剤を供給可能な内燃機関の運転領域となっており、且つ、ＮＯx還元効率が一番高い還元剤供給手段を選択して還元剤を供給させる選択手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の最大の特徴は、ＮＯx吸蔵速度が低下するに従い、還元剤を供給可能な機会がより多くなる還元剤供給手段をも選択可能として選択可能な還元剤供給手段の数を増加させ、ＮＯx還元の機会を増加させつつ、その中でＮＯx還元効率の高い還元手段を優先して適用することにより、還元剤の消費量を低減させることにある。
【００１４】
ここで、「ＮＯx吸蔵速度」については前記したものと同様である。
【００１５】
また、ＮＯx還元効率が高いほど少量の還元剤でＮＯxを還元することが可能となる。換言すると、同量の還元剤を消費する場合には、ＮＯx還元効率が高いほど、より多くのＮＯxを還元することが可能となる。
【００１６】
前記したように、複数ある還元剤供給手段は、夫々、実施可能な内燃機関の運転領域や、ＮＯx還元効率が異なる。
【００１７】
そして、ＮＯxの吸蔵速度が低い場合には、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が低下するため、ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを早期に還元する必要がある。このような場合には、還元剤を供給可能な機会がより多い還元剤供給手段をも選択可能とする。これにより、選択可能な還元剤供給手段の数が増加し、これらの手段は夫々還元剤供給可能な運転領域が異なるため、還元剤供給の機会を増加させることができ、ＮＯxの還元を早期に行うことが可能となる。そして、ＮＯx吸蔵速度が低下した場合であっても、ＮＯx還元効率のより高い還元剤供給手段により還元剤の供給が可能な場合には、この手段を選択して還元剤の供給を行う。これにより、ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxの早期還元及び還元剤消費量の低減が可能となる。
【００１８】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化システムは、以下の手段を採用した。即ち、第３の発明は、
酸化雰囲気のときにＮＯxを吸蔵し還元雰囲気で吸蔵していたＮＯxを還元するＮＯx触媒と、
前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給し、且つ、還元剤を供給可能な内燃機関の運転領域の少なくとも一部若しくはＮＯx還元効率が異なる複数の還元剤供給手段と、
前記ＮＯx触媒に吸蔵されるＮＯxの吸蔵速度を推定するＮＯx吸蔵速度推定手段と、
前記ＮＯx吸蔵速度推定手段により推定されたＮＯx吸蔵速度が低くなるに従って、ＮＯx還元効率がより低くなる還元剤供給手段をも選択可能として、選択可能な還元剤供給手段を増加させる選択範囲設定手段と、
前記選択範囲設定手段により選択可能とされた還元剤供給手段の中で、還元剤を供給可能な内燃機関の運転領域となっており、且つ、ＮＯx還元効率が一番高い還元剤供給手段を選択して還元剤を供給させる選択手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の最大の特徴は、ＮＯx吸蔵速度が低下するに従い、ＮＯx還元効率の低い還元剤供給手段をも選択可能として選択可能な還元剤供給手段の数を増加させ、ＮＯx還元の機会を増加させつつ、その中でＮＯx還元効率の高い還元手段を優先して適用することにより、還元剤の消費量を低減させることにある。
【００２０】
ここで、「ＮＯx吸蔵速度」については前記したものと同様である。
【００２１】
そして、ＮＯxの吸蔵速度が低い場合には、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が低下するため、ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを早期に還元する必要がある。このような場合には、ＮＯx還元効率のより低い還元剤供給手段をも選択可能とする。ここで、ＮＯx還元効率の低いＮＯx還元手段によりＮＯxの還元を行うと、還元剤の消費量が多くなってしまう。しかし、ＮＯx吸蔵速度が低下した場合には、早期にＮＯxを還元させる必要があるため、ＮＯx還元効率の低い手段をも選択可能とする。これにより、選択可能な還元剤供給手段の数が増加し、これらの手段は夫々還元剤供給可能な運転領域が異なるため、還元剤供給の機会を増加させることができ、ＮＯxの還元を早期に行うことが可能となる。そして、ＮＯx吸蔵速度が低下した場合であっても、ＮＯx還元効率のより高い還元剤供給手段により還元剤の供給が可能な場合には、この手段を選択して還元剤の供給を行う。これにより、ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxの早期還元及び還元剤消費量の低減が可能となる。
【００２２】
また、ＮＯx吸蔵速度が高い場合には、ＮＯx還元効率の低い還元剤供給手段を選択することはできないので、還元剤消費量を低減させることが可能となる。
【００２３】
第１から第３の発明においては、前記還元剤供給手段は、燃焼室内の既燃ガス成分を煤の発生量が最大となるよりも増加させて前記内燃機関を運転させる低温燃焼、排気上死点での気筒内への燃料噴射による燃焼、燃料主噴射後の膨張行程若しくは排気行程中に再度燃料を噴射させる副噴射、予混合圧縮着火燃焼、減速時の燃料噴射、排気系への燃料添加の少なくとも２つであっても良い。
【００２４】
ここで、低温燃焼、排気上死点での燃料噴射、燃料主噴射後の膨張行程若しくは排気行程中に再度燃料を噴射させる副噴射、予混合圧縮着火燃焼では、気筒内で燃料を燃焼させるので、排気中の残留酸素が少なく、また、排気中に含まれる還元剤としてのＣＯやＨＣもガス化しているため、ＮＯx触媒でのＮＯx還元効率が高い。その一方で、気筒内での燃焼の安定性や、燃焼騒音の発生、スモークの発生等により実施可能な内燃機関の運転領域が低回転軽負荷時に限られる。
【００２５】
また、減速時の燃料噴射では、内燃機関の吸入空気量が少ない状態で燃料を燃焼させることができるので、少量の燃料でリッチ空燃比の排気を排出することができる。そして、排気中には残留酸素が存在するものの、燃料の一部はガス化しておりＮＯx触媒にＣＯ、ＨＣを供給することができる。しかし、この手段による還元剤の供給は、当然に減速状態でなければ実施することができない。また、減速感を得るために、減速時であっても燃料噴射を実施することができない場合がある。
【００２６】
排気系への燃料添加では、触媒の温度が活性化温度に達していれば実施することが可能であり、内燃機関のほぼ全運転領域で実施することが可能である。その一方で、排気中には残留酸素が存在し、還元剤も液体の状態で噴射されるので、ＮＯx触媒の上流側ではＮＯx還元効率が低くなり、全体としてもＮＯx還元効率が低い。
【００２７】
このように、ＮＯx還元効率の点では、低温燃焼、排気上死点での燃料噴射、燃料主噴射後の膨張行程若しくは排気行程中に再度燃料を噴射させる副噴射、予混合圧縮着火燃焼等の気筒内での燃焼による還元剤の供給が一番優れており、減速時の燃料噴射、排気系への燃料添加が順に続く。また、還元剤を供給可能な機会が多いという点では、排気系への燃料添加が一番優れており、減速時の気筒内燃料噴射、気筒内での燃焼による還元剤の供給が順に続く。
【００２８】
以上のことから、ＮＯx吸蔵速度が高い場合には、ＮＯx還元効率が高い気筒内での燃焼による還元剤の供給に限り行う。そして、第１の発明においては、ＮＯx吸蔵速度が低くなるに従い、還元剤を供給可能な機会がより多い減速時の燃料噴射、更には排気系への燃料添加により還元剤の供給を行う。また、第２及び第３の発明においては、ＮＯx吸蔵速度が低くなるに従い、還元剤を供給可能な機会がより多い減速時の燃料噴射、更には排気系への燃料添加を選択可能にする。ただし、還元剤の供給は、内燃機関の運転領域により実施可能である還元剤供給手段の中で一番ＮＯx還元効率の高い手段により還元剤の供給を行う。これにより、大気中へのＮＯxの放出を抑制しつつ、還元剤の消費量を低減させることが可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムを車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００３０】
図１は、本実施の形態に係る排気浄化システムを適用するエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００３１】
図１に示すエンジン１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００３２】
エンジン１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。
【００３３】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａがエンジン１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００３４】
このように構成された燃料噴射系では、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００３５】
次に、エンジン１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と吸気ポート（図示省略）を介して連通している。
【００３６】
前記吸気枝管８は吸気管９に接続されている。吸気管９には、該吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１０が取り付けられている。
【００３７】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１１が設けられている。この吸気絞り弁１１には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１１を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１２が取り付けられている。
【００３８】
このように構成された吸気系では、吸気は、吸気管９を介して吸気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３９】
一方、エンジン１には、排気枝管１３が接続され、排気枝管１３の各枝管が排気ポート１ｂを介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００４０】
前記排気枝管１３は、排気管１４と接続され、この排気管１４は、下流にて大気へと通じている。
【００４１】
前記排気管１４の途中には、排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Particulate Matter：以下、「ＰＭ」という。）を捕獲するためのパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）１５が設けられている。このフィルタ１５には、吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒とする。）が担持されている。本実施の形態では、アルミナからなる担体上にバリウム（Ｂａ）と白金（Ｐｔ）とを担持し、更に酸素貯蔵（Ｏ₂ストレージ）能のある例えばセリア（ＣｅＯ₂）等の遷移金属が添加されている。
【００４２】
また、本実施の形態においては、フィルタ１５にＮＯx触媒を担持した場合について説明するが、フィルタ構造を有しない単なるＮＯx触媒についても適用することができる。
【００４３】
ＮＯx触媒は、該フィルタ１５に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵（吸収、吸着、付着でも良い。）し、一方、該フィルタ１５に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していたＮＯxを放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、放出されたＮＯxが還元される。また、セリア（ＣｅＯ₂）等の遷移金属は、排気の特性に応じて酸素を一時的に保持し、活性化酸素として放出する能力を有する。
【００４４】
フィルタ１５より下流の排気管１４には、該排気管１４内を流通する排気中のＮＯx濃度に対応した電気信号を出力するＮＯxセンサ１６が取り付けられている。
【００４５】
このように構成された排気系では、エンジン１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポート１ｂを介して排気枝管１３へ排出され、次いで排気枝管１３から排気管１４を介してフィルタ１５へ流入し、排気中のＮＯxが吸蔵され、ＰＭが捕獲される。その後、排気は排気管１４を流通して大気中へと放出される。
【００４６】
また、排気枝管１３と吸気枝管８とは、排気枝管１３内を流通する排気の一部を吸気枝管８へ再循環させる排気再循環通路（ＥＧＲ通路）１７を介して連通されている。このＥＧＲ通路１７の途中には、電磁弁等で構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路１７内を流通する排気（以下、ＥＧＲガスと称する）の流量を変更する流量調整弁（ＥＧＲ弁）１８が設けられている。
【００４７】
ところで、エンジン１が希薄燃焼運転されている場合は、エンジン１から排出される排気の空燃比がリーンとなり排気中の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれるＮＯxがＮＯx触媒に吸蔵されることになるが、エンジン１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和し、排気中のＮＯxがＮＯx触媒にて吸蔵されずに大気中へ放出されてしまう。
【００４８】
ここで、「排気の空燃比がリーン」である状態とは、例えば理論空燃比の混合気を燃焼して得られる排気中の成分比（酸化成分と還元成分の比）よりも、酸化成分が多い（濃い）状態に相当する。換言すると、吸気系へ排気が還流されたり、還元成分が直接排気系に供給されたりといった外乱がない場合、機関燃焼に供される混合気の空燃比が、概ね「１４．６」（理論空燃比）よりも大きい（リーン寄りである）ときの排気の状態を意味する。一方、「排気の空燃比がリッチ」である状態とは、同じく吸気系へ排気が還流されたり、還元成分が直接排気系に供給されたりといった外乱がない場合、機関燃焼に供される混合気の空燃比が、概ね「１４．６」（理論空燃比）よりも小さい（リッチ寄りである）ときの排気の状態を意味する。
【００４９】
特に、エンジン１のようなディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和し易い。
【００５０】
従って、エンジン１が希薄燃焼運転されている場合は、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和する前にＮＯx触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高め、ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを還元させる必要がある。
【００５１】
例えば、排気中の燃料添加では、フィルタ１５より上流の排気管１４を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、フィルタ１５に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めることができる。
【００５２】
還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気枝管１３内に臨むように取り付けられ、後述するＥＣＵ２１からの信号により開弁して燃料を噴射する燃料添加弁１９と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料を前記燃料添加弁１９へ導く還元剤供給路２０と、を備えている。
【００５３】
このような還元剤供給機構では、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２０を介して燃料添加弁１９へ印加される。そして、ＥＣＵ２１からの信号により該燃料添加弁１９が開弁して排気枝管１３内へ還元剤としての燃料が噴射される。
【００５４】
燃料添加弁１９から排気枝管１３内へ噴射された燃料は、排気枝管１３の上流から流れてきた排気の酸素濃度を低下させると共に、フィルタ１５に到達し、フィルタ１５に吸蔵されていたＮＯxを還元することになる。
【００５５】
その後、ＥＣＵ２１からの信号により燃料添加弁１９が閉弁し、排気枝管１３内への燃料の添加が停止される。
【００５６】
また、エンジン１には、クランクシャフトの回転位置に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ２２が設けられている。
【００５７】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２１が併設されている。このＥＣＵ２１は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００５８】
ＥＣＵ２１には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号の他、運転者がアクセルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ２３の出力信号が入力されるようになっている。
【００５９】
一方、ＥＣＵ２１には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１２、燃料添加弁１９等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ２１により制御することが可能になっている。
【００６０】
例えば、ＮＯx浄化制御では、ＥＣＵ２１は、フィルタ１５に流入する排気中の酸素濃度を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）に低くする、所謂リッチスパイク制御を実行する。
【００６１】
このように排気中の酸素濃度を比較的に短い周期でスパイク的に低くする方法としては、例えば、前記した排気中への燃料添加の他に、再循環するＥＧＲガス量を増大させて煤の発生量が増加して最大となるよりも、更にＥＧＲガス量を増大させる低温燃焼（特許第３１１６８７６号）、燃料主噴射後の膨張行程若しくは排気行程中に再度燃料を噴射させる副噴射、排気行程終期若しくは吸気行程初期のピストンが上死点付近にあるときに行う燃料噴射、吸気行程若しくは排気行程中に燃料を予め燃料を噴射させて圧縮着火を行う予混合圧縮着火燃焼、車両減速時の燃料噴射等の方法が考えられる。
【００６２】
前記低温燃焼では、燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度が低いためにＨＣの成長が煤に至る前の途中の段階で停止する。このＨＣは、ＮＯx触媒にて還元剤として働く。
【００６３】
燃料主噴射後の膨張行程若しくは排気行程中に再度燃料を噴射させる副噴射では、エンジン１から未燃燃料であるＨＣが多く排出される。このＨＣは、ＮＯx触媒にて還元剤として働く。
【００６４】
排気行程終期若しくは吸気行程初期のピストンが上死点付近にあるときに行う燃料噴射では、吸気行程中及び圧縮行程中で燃料が蒸発して着火しやすいものとなるので、気筒内での空燃比を低くしても燃焼状態を安定させることができる。そして、空燃比を低下させることにより、ＮＯx触媒に還元剤としてのＨＣを供給することが可能となる。
【００６５】
吸気行程中若しくは圧縮行程中に燃料を予め噴射させて圧縮着火を行う予混合圧縮着火燃焼では、吸気行程中若しくは圧縮行程中で燃料が蒸発して着火しやすいものとなるので、気筒内での空燃比を低くしても燃焼状態を安定させることができる。そして、空燃比を低下させることにより、ＮＯx触媒に還元剤としてのＨＣを供給することが可能となる。
【００６６】
車両減速時の燃料噴射では、吸気絞り弁１１が閉弁されるのでエンジン１の吸入空気量が減少する。従って、少量の燃料で空燃比を低下させ、ＮＯx触媒にＨＣを供給することが可能となる。
【００６７】
このように、ＮＯx触媒に還元剤を供給する方法は複数ある。そして、ＮＯx還元効率及び実施可能な運転領域は夫々異なる。
【００６８】
例えば、低温燃焼、排気上死点での燃料噴射、副噴射、予混合圧縮着火燃焼等の気筒２内で燃料を燃焼させてＮＯx触媒に還元剤を供給する方法（以下、単に「気筒２内で燃料を燃焼させてＮＯx触媒に還元剤を供給する方法」とする。）では、気筒２内で燃料を燃焼させるため排気中の残留酸素が少なく、また、還元剤としてのＣＯやＨＣもガス化しているためＮＯx触媒での反応性が良い。そのため、ＮＯx還元効率が高くなる。ここで、本願発明においては、「ＮＯx還元効率」を「ＮＯx触媒における還元剤の反応性」若しくは「ＮＯx触媒における還元剤の反応のしやすさ」と置き換えて適用しても良い。その一方で、これらの方法では、気筒２内での燃焼安定性確保や、燃焼騒音の発生の抑制、スモークの発生の抑制等を考慮すると、エンジン１の運転領域が低回転軽負荷のときに限り実施可能である。
【００６９】
また、減速時の気筒２内への燃料噴射では、還元剤の供給は減速状態でなければ行うことができない。また、減速時であっても減速感を得るために燃料噴射を実施することができない場合もある。一方、減速時の気筒２内への燃料噴射では、排気中には残留酸素が存在するものの、燃料の一部はガス化しておりＮＯx触媒にＣＯ、ＨＣを供給することができる。
【００７０】
そして、排気系への燃料添加では、触媒の温度が活性化温度に達していれば、燃料添加を実施することが可能であり、燃料添加を実施可能なエンジン運転領域が広い（燃料添加を実施可能な機会が多い）。その一方で、排気中には残留酸素が多く存在し、還元剤も液体の状態で噴射されるので、ＮＯx触媒の上流側ではＮＯx還元効率が低くなる。
【００７１】
このように、ＮＯx還元効率の点では、気筒２内での燃焼による還元剤の供給が一番優れており、減速時の気筒２内への燃料噴射、排気系への燃料添加がそれに続く。また、ＮＯx触媒への還元剤供給の機会を多く取ることができるという点では、排気系への燃料添加が一番優れており、次に、減速時の気筒２内への燃料噴射、そして、気筒２内での燃焼による還元剤の供給がそれに続く。
【００７２】
ここで、従来の内燃機関の排気浄化システムでは、前記複数の還元剤供給手段による還元剤の供給を適切に使い分けてはいなかった。即ち、還元効率を優先させて還元剤を供給可能なエンジン運転領域が狭いもののみを使用していたり、ＮＯx還元の機会の増加を優先させてＮＯx還元効率が低いもののみを使用していたりした。還元効率を優先させた場合には、還元剤供給可能なエンジン運転領域が狭いために、エンジン１の運転領域によってはＮＯxの還元を行うことができなかった。また、ＮＯx還元の機会の増加を優先させた場合には、ＮＯx還元効率の低下により、燃費の悪化を誘発していた。
【００７３】
その点、本実施の形態では、ＮＯx吸蔵速度を三段階に分けて、各段階毎に還元剤の供給を行う手段を予め定めておく。
【００７４】
即ち、ＮＯx吸蔵速度が高い段階の場合には、ＮＯx還元効率が高い方法による還元剤の供給を行う。そして、ＮＯx吸蔵速度が低下した段階となるに従って、還元剤供給の機会がより増加する方法により還元剤の供給を行う。
【００７５】
ＮＯx吸蔵速度が一番高い段階の場合には、還元剤を供給することができなくても、ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されるため、ＮＯxが大気中へ放出されることは殆どない。この場合、ＮＯx還元効率の一番高い気筒２内での燃焼による還元剤の供給を行う。気筒２内での燃焼による還元剤の供給では、実施可能なエンジン１の運転領域が限られているが、ＮＯxの還元ができない状態であってもＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されるため、大気中へのＮＯxの放出は殆どない。このようにして、ＮＯx吸蔵速度が高い場合には、ＮＯx還元効率の高い方法によりＮＯxの還元を行い、燃費の悪化を抑制することができる。
【００７６】
また、ＮＯx吸蔵速度が低下して次の段階となった場合には、減速時の気筒２内への燃料噴射により還元剤の供給を行う。これにより、還元剤供給可能な機会が増加し、ＮＯx吸蔵速度を高めることができる。
【００７７】
更に、ＮＯx吸蔵速度が低下して一番低い段階となった場合には、排気系への燃料添加により還元剤の供給を行う。この場合には、ＮＯx吸蔵速度を早期に高める必要があるため、ＮＯx還元効率は劣るが実施可能な機会が多い排気系の燃料添加を行って、還元剤供給の機会を増加させる。これにより、早期にＮＯx吸蔵速度を上昇させることができる。
【００７８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＮＯx吸蔵速度が高い場合には、ＮＯx還元効率の高い還元剤の供給手段を適用して還元剤の消費を抑制することができる。そして、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵速度が低くなるに従い、還元剤を供給可能な機会が多い還元剤の供給手段を適用して、還元剤の供給の機会を増加させることが可能となり、大気中へのＮＯxの放出を抑制することができる。
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、ＮＯx吸蔵速度が低下した場合であっても、ＮＯx還元効率の高いＮＯx還元手段により還元剤の供給を可能としている点で相違する。尚、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００７９】
本実施の形態では、ＮＯx吸蔵速度を三段階に分けて、各段階毎に選択可能な還元剤供給手段を予め定めておき、その中で、還元剤供給可能なエンジン１の運転領域となっており、且つ、ＮＯx還元効率が一番高い還元剤供給手段を優先して選択し、還元剤の供給を行う。
【００８０】
即ち、ＮＯx吸蔵速度が高い段階の場合には、ＮＯx還元効率が高い方法による還元剤の供給のみを行う。そして、ＮＯx吸蔵速度が低下した段階となるに従って、ＮＯx還元効率がより低くなる方法を順次選択可能とする。ここで、エンジン１の運転領域によっては、ＮＯx還元効率が高い方法を実施することができるため、そのときには、ＮＯx還元効率が高い方法による還元剤の供給を優先して実施する。
【００８１】
図２は、ＮＯx吸蔵速度と還元剤供給手段との関係を示した図である。（１）は、気筒２内での燃焼による、（２）は、減速時の気筒２内への燃料噴射による、（３）は、排気系の燃料添加による還元剤の供給を行う範囲を示している。また、要求吸蔵速度とは、ＮＯxの浄化率を想定範囲内に維持するためにＮＯx触媒に要求されるＮＯxの吸蔵速度である。この想定範囲は、規制値等に基づいて定められる。
【００８２】
また、図３は、ＮＯx吸蔵量とＮＯx吸蔵速度との関係を示した図である。ここで、ＮＯx吸蔵量が多くなるほど、ＮＯx吸蔵速度は遅くなる。
【００８３】
ＮＯx吸蔵量が少ない、即ち、ＮＯx吸蔵速度が高い場合には、ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されるため、ＮＯxが大気中へ放出されることは殆どない。この場合、ＮＯx還元効率の一番高い気筒２内での燃焼による還元剤の供給を行う。気筒２内での燃焼による還元剤の供給では、実施可能なエンジン１の運転領域が限られているが、ＮＯxの還元ができない状態であってもＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されるため、大気中へのＮＯxの放出は殆どない。このように、ＮＯx触媒の吸蔵速度が十分に高い場合には、気筒２内での燃焼による還元剤の供給に限り行う。このようにして、ＮＯx還元効率の高い方法によりＮＯxの還元を行い、燃費の悪化を抑制することができる。
【００８４】
また、ＮＯx吸蔵速度が要求吸蔵速度近辺まで低下した場合には、気筒２内での燃焼、若しくは、減速時の気筒２内への燃料噴射の何れかにより還元剤の供給を行う。この場合、気筒２内での燃焼による還元剤の供給を行うことができるエンジン運転領域では、こちらを優先的に行う。これにより、ＮＯx還元効率の低下を抑制しつつ、還元剤供給可能な機会を増加させ、ＮＯx吸蔵速度が要求吸蔵速度以下となることを抑制することができる。
【００８５】
更に、ＮＯx吸蔵速度が要求吸蔵速度よりも低下した場合には、気筒２内での燃焼、減速時の気筒２内への燃料噴射、排気系への燃料添加の何れかにより還元剤の供給を行う。ＮＯx吸蔵速度が要求吸蔵速度よりも低下した場合には、ＮＯx吸蔵速度を早期に高める必要があるため、ＮＯx還元効率は劣るが実施可能なエンジン運転領域が広い（実施可能な機会が多い）排気系の燃料添加を行って、還元剤供給の機会を増加させる。この場合、気筒２内での燃焼による還元剤の供給を行うことができるエンジン運転領域では、こちらを優先的に行う。また、気筒２内での燃焼による還元剤の供給を行うことができないエンジン運転領域であっても、減速時の気筒２内への燃料噴射を行うことができるエンジン運転領域であれば、減速時の気筒２内への燃料噴射を優先的に行う。これにより、ＮＯx還元効率の低下を抑制しつつ、早期にＮＯx吸蔵速度を上昇させることができる。
【００８６】
ここで、ＮＯx吸蔵速度は、先ずＮＯx吸蔵量を求め、このＮＯx吸蔵量を図３へ代入して得ることができる。ＮＯx吸蔵量は、エンジン回転数とエンジン負荷とエンジン１からのＮＯx排出量との関係を予め実験等により求めてマップ化しＥＣＵ２１に記憶させておく。このマップへエンジン回転数（クランクポジションセンサ２２からの出力信号）及びエンジン負荷（燃料噴射量若しくはアクセル開度センサ２３からの出力信号）を代入して得られるＮＯx排出量を積算してＮＯx吸蔵量を得ることができる。
【００８７】
尚、本実施の形態では、ＮＯx吸蔵速度に代えて、ＮＯx吸蔵量に基づいてＮＯx触媒に還元剤を供給しても良い。即ち、ＮＯx吸蔵量を三段階に分けて、各段階毎に選択可能な還元剤供給手段を予め定めておき、その中で、ＮＯx還元効率が一番高い還元剤供給手段を優先して実施するようにしても良い。
【００８８】
また、本実施の形態においては、ＮＯx触媒下流のＮＯxセンサ１６により検出されたＮＯx濃度に応じてＮＯx吸蔵速度を求めても良い。
【００８９】
更に、本実施の形態では、ＮＯx吸蔵速度に代えて、ＮＯx触媒下流の排気中のＮＯx濃度に基づいてＮＯx触媒に還元剤を供給しても良い。
【００９０】
図４は、単位時間あたりにＮＯx触媒から放出されるＮＯx量と還元剤供給手段との関係を示した図である。（１）は、気筒２内での燃焼による、（２）は、減速時の気筒２内への燃料噴射による、（３）は、排気系の燃料添加による還元剤の供給を行う範囲を示している。また、要求出ガスＮＯxクライテリアとは、大気中へのＮＯxの放出量を想定範囲内に維持するためにＮＯx触媒に要求される単位時間当たりのＮＯxの放出量である。この想定範囲は、規制値等に基づいて定められる。また、単位時間あたりにＮＯx触媒から放出されるＮＯx量は、ＮＯxセンサにより検出されるＮＯx濃度とエンジン１の吸入空気量とから得ることができる。
【００９１】
ここで、図３に示すように、ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量が多くなるほど、ＮＯx吸蔵速度が低くなる。そして、ＮＯxの吸蔵速度を上回る量のＮＯxがＮＯx触媒へ流入すると、ＮＯx触媒に吸蔵されないＮＯxが該ＮＯx触媒下流へ流出することがある。この流出したＮＯxは、ＮＯxセンサ１６により検出される。そして、ＮＯxセンサ１６により検出されるＮＯx濃度と吸入空気量とから単位時間当たりに流出するＮＯx量を求めることができる。
【００９２】
単位時間あたりにＮＯx触媒から放出されるＮＯx量が少ない場合、即ち、ＮＯx触媒からのＮＯx放出量が要求出ガスＮＯxクライテリアよりも十分低い場合には、ＮＯxはＮＯx触媒に吸蔵されていると考えられる。この場合、ＮＯx還元効率の一番高い気筒２内での燃焼による還元剤の供給を行う。気筒２内での燃焼による還元剤の供給では、実施可能なエンジン１の運転領域が限られているが、還元剤を供給することができない運転領域であっても、ＮＯxはＮＯx触媒に吸蔵されるので、大気中へはＮＯxが殆ど放出されない。このようにして、ＮＯx還元効率の高い方法によりＮＯxの還元を行い、燃費の悪化を抑制する。
【００９３】
また、単位時間あたりにＮＯx触媒から放出されるＮＯx量が要求出ガスＮＯxクライテリア近辺まで上昇した場合には、気筒２内での燃焼、若しくは、減速時の気筒２内への燃料噴射の何れかにより還元剤の供給を行う。この場合、気筒２内での燃焼による還元剤の供給を行うことができるエンジン運転領域では、こちらを優先的に行う。これにより、ＮＯx還元効率の低下を抑制しつつ、還元剤供給可能な機会が多くなり、単位時間あたりにＮＯx触媒から放出されるＮＯx量が要求出ガスＮＯxクライテリア以上となることを抑制することができる。
【００９４】
更に、単位時間あたりにＮＯx触媒から放出されるＮＯx量が要求出ガスＮＯxクライテリアよりも多くなった場合には、気筒２内での燃焼、減速時の気筒２内への燃料噴射、排気系への燃料添加の何れかにより還元剤の供給を行う。この場合には、ＮＯx触媒から流出するＮＯx量を早期に減少させる必要があるため、ＮＯx還元効率は劣るが実施可能なエンジン運転領域が広い排気系の燃料添加を行って、還元剤供給の機会を増加させる。この場合、気筒２内での燃焼による還元剤の供給を行うことができるエンジン運転領域では、こちらを優先的に行う。また、気筒２内での燃焼による還元剤の供給を行うことができないエンジン運転領域であっても、減速時の気筒２内への燃料噴射を行うことができるエンジン運転領域であれば、減速時の気筒２内への燃料噴射を優先的に行う。これにより、ＮＯx還元効率の低下を抑制しつつ、早期にＮＯxの流出を低減させることができる。
【００９５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＮＯx還元効率の高い還元剤の供給手段を優先的に適用し、還元剤の消費を抑制することが可能となる。そして、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵速度が低くなるに従い、還元剤を供給可能なエンジン運転領域が異なる還元剤の供給手段を選択可能とし、還元剤の供給の機会を増加させることが可能となる。
＜その他の実施の形態＞
第１及び第２の実施の形態においては、気筒２内での燃焼は、低温燃焼、排気上死点での燃料噴射、副噴射、予混合圧縮着火燃焼等の何れか１つでも良いし、２つ以上を選択可能としても良い。２つ以上とした場合には、これらのＮＯx還元効率及び実施可能なエンジン運転領域は、設計要件等により異なるため、予め実験等によりＮＯx還元効率及び実施可能なエンジン運転領域を求め、還元効率の高い順に優先的に実施するようにしても良い。
【００９６】
また、第１及び第２の実施の形態においては、ＮＯx吸蔵速度、若しくは単位時間あたりにＮＯx触媒から放出されるＮＯx量をその大きさにより三段階に分け、各段階毎に選択可能な還元剤供給手段を設定した例について説明したが、これに代えて、二段階若しくは四段階以上に分けて、各段階毎に選択可能な還元剤供給手段を設定しても良い。ここで、低温燃焼、排気上死点での燃料噴射、副噴射、予混合圧縮着火燃焼等の気筒２内での燃焼による還元剤の供給を夫々別の段階としても良い。これらのＮＯx還元効率及び実施可能なエンジン運転領域は、設計要件等により異なるため、予め実験等によりＮＯx還元効率及び実施可能なエンジン運転領域を求め、還元効率の高い順に優先的に実施するようにしても良い。
【００９７】
第１及び第２の実施の形態においては、排気中への燃料添加、低温燃焼、排気行程終期若しくは吸気行程初期のピストンが上死点付近にあるときに行う燃料噴射、副噴射、予混合圧縮着火燃焼、車両減速時の燃料噴射を還元剤供給手段として適用した例について説明したが、これらに限らず、他の還元剤供給手段についても適用することもできる。この場合、ＮＯx還元効率及び実施可能なエンジン運転領域を予め求めておき、ＮＯx還元効率の高いものを優先的に適用する。
【００９８】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化システムでは、ＮＯx吸蔵速度が高い場合には、ＮＯx還元効率の高い還元剤供給手段を優先的に適用し、還元剤の消費を抑制することができる。そして、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵速度が低くなるほど、還元剤を供給することができる機会がより多い還元剤供給手段により還元剤の供給を行うことができ、還元剤の供給の機会を増加させることができる。
【００９９】
以上により、還元剤に燃料を使用している場合には燃費の悪化を抑制することができる。また、ＮＯxが大気中へ放出されることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る排気浄化システムを適用するエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図２】ＮＯx吸蔵速度と還元剤供給手段との関係を示した図である。
【図３】ＮＯx吸蔵量とＮＯx吸蔵速度との関係を示した図である。
【図４】単位時間あたりにＮＯx触媒から放出されるＮＯx量と還元剤供給手段との関係を示した図である。
【符号の説明】
１エンジン
１ａクランクプーリ
１ｂ排気ポート
２気筒
３燃料噴射弁
４コモンレール
５燃料供給管
６燃料ポンプ
６ａポンププーリ
７ベルト
８吸気枝管
９吸気管
１０エアフローメータ
１１吸気絞り弁
１２吸気絞り用アクチュエータ
１３排気枝管
１４排気管
１５パティキュレートフィルタ（吸蔵還元型ＮＯx触媒）
１６ＮＯxセンサ
１７ＥＧＲ通路
１８ＥＧＲ弁
１９燃料添加弁
２０還元剤供給路
２１ＥＣＵ
２２クランクポジションセンサ
２３アクセル開度センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification system for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
When a NOx storage reduction catalyst is placed in the exhaust system of an internal combustion engine, and nitrogen oxide (NOx) in the exhaust is stored (adsorption, absorption, or adhesion) in a reducing atmosphere, and an oxidizing atmosphere is created. A technique for purifying NOx in exhaust gas by reducing NOx stored in the NOx storage reduction catalyst is known.
[0003]
As a technique for purifying NOx by a so-called rich spike that lowers the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the NOx catalyst in a spike manner (short time) in a relatively short cycle, for example, the NOx occlusion amount becomes a predetermined amount or more. Technology for performing rich spike for NOx reduction (see, for example, Patent Document 1), technology for performing rich spike by low-temperature combustion (for example, see Patent Document 2), and in-cylinder at exhaust top dead center Technology for performing rich spike by fuel injection (see, for example, Patent Document 3), technology for performing rich spike by injecting fuel into a cylinder during deceleration (for example, see Patent Document 4), and addition of fuel to an exhaust system A technique (for example, refer to Patent Document 5) that performs rich spike is known.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-7-139340 (pages 4-9)
[Patent Document 2]
JP 11-36923 A (page 4-9)
[Patent Document 3]
JP 2001-329900 A (page 3-10)
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 6-200249 (page 3-6)
[Patent Document 5]
JP-A-7-259541 (page 4-7)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, there are a plurality of means for performing the rich spike as described above, but the NOx reduction efficiency is different. In addition, the operating range of the internal combustion engine that can perform the rich spike is different. Here, if the rich spike is performed by an appropriate means, the NOx reduction efficiency can be increased, and more opportunities for reduction can be secured.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described problems. In an exhaust gas purification system for an internal combustion engine, a technique for reducing NOx by selecting an optimum means from among a plurality of reducing agent supply means. The purpose is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the exhaust gas purification system for an internal combustion engine of the present invention employs the following means. That is, the first invention is
A NOx catalyst for storing NOx in an oxidizing atmosphere and reducing NOx stored in a reducing atmosphere;
A plurality of reducing agent supply means for supplying a reducing agent to the NOx catalyst and having at least a part of an operating region of the internal combustion engine capable of supplying the reducing agent;
NOx occlusion speed estimation means for estimating the occlusion speed of NOx occluded in the NOx catalyst;
With
The reducing agent is supplied by the reducing agent supply means that increases the chances of supplying the reducing agent as the NOx storage speed estimated by the NOx storage speed estimating means decreases.
[0008]
The greatest feature of the present invention is that when the NOx occlusion speed is lowered, the reducing agent is supplied by the reducing agent supply means that has more opportunities for supplying the reducing agent, thereby increasing the opportunity for supplying the reducing agent.
[0009]
Here, “NOx occlusion speed” is represented by the amount of NOx occluded in the NOx catalyst per unit time.
[0010]
As a means for supplying the reducing agent to the NOx catalyst, for example, exhaust of rich air-fuel ratio is discharged from the internal combustion engine by combustion of fuel in the cylinder, fuel is injected into the cylinder during vehicle deceleration, and the rich air-fuel ratio is reduced. There are a plurality of means such as exhausting exhaust gas and adding a reducing agent to the exhaust system of the internal combustion engine. These means are different in the operating range of the internal combustion engine that can be implemented and the NOx reduction efficiency. Here, when the NOx occlusion speed is high, the NOx occlusion capacity of the NOx catalyst is sufficient, so that the operation state in which the reducing agent can be supplied is obtained even if the operation state in which the reducing agent can be supplied is small. It is possible to store NOx in the NOx catalyst. In this case, even if there are few opportunities to enter the operating region in which the reducing agent can be supplied, if the reducing agent is supplied by means having high NOx reduction efficiency, the NOx catalyst can be used if the operating region is not capable of supplying the reducing agent. In the operating region where NOx can be stored and the reducing agent can be supplied, the reducing agent can be supplied by means having high NOx reduction efficiency. Thereby, consumption of a reducing agent can be suppressed. When fuel is used as the reducing agent, fuel efficiency can be improved. For example, when the reducing agent is supplied to the NOx catalyst by exhausting the rich air-fuel ratio from the internal combustion engine by the combustion of fuel in the cylinder, the NOx reduction efficiency is high. If the NOx occlusion speed is high, deterioration of fuel consumption can be suppressed by not supplying the reducing agent by means having low NOx reduction efficiency.
[0011]
On the other hand, when the NOx occlusion speed is low, the NOx occlusion capacity of the NOx catalyst is lowered, so that NOx occluded in the NOx catalyst needs to be reduced early. In such a case, the reducing agent is supplied by the reducing agent supply means that has more opportunities to supply the reducing agent. As a result, the opportunity for supplying the reducing agent can be increased, so that NOx can be reduced early. For example, when adding fuel to the exhaust system, it is possible to supply the reducing agent to the NOx catalyst with almost no influence on the operating region of the internal combustion engine. Further, for example, in fuel injection into the cylinder at the time of deceleration of the vehicle, the supply of the reducing agent by the combustion of the fuel in the cylinder, the addition of the fuel in the exhaust system, in many opportunities for NOx reduction efficiency and reducing agent supply , In between.
[0012]
In order to achieve the above object, the exhaust gas purification system for an internal combustion engine of the present invention employs the following means. That is, the second invention is
A NOx catalyst for storing NOx in an oxidizing atmosphere and reducing NOx stored in a reducing atmosphere;
A plurality of reducing agent supply means for supplying a reducing agent to the NOx catalyst and having at least a part of an operating region of the internal combustion engine capable of supplying the reducing agent or different NOx reduction efficiency;
NOx occlusion speed estimation means for estimating the occlusion speed of NOx occluded in the NOx catalyst;
Selection to increase the selectable reducing agent supply means by making it possible to select the reducing agent supply means that increases the chance of supplying the reducing agent as the NOx storage speed estimated by the NOx storage speed estimating means decreases. Range setting means;
Among the reducing agent supply means that can be selected by the selection range setting means, the reducing agent supply means that is in the operating range of the internal combustion engine capable of supplying the reducing agent and has the highest NOx reduction efficiency is selected. Selecting means for supplying a reducing agent;
It is characterized by providing.
[0013]
The greatest feature of the present invention is that as the NOx occlusion speed decreases, the number of reductant supply means that can be selected is increased by increasing the number of reductant supply means that can select reductant supply means that have more opportunities to supply the reductant. It is to reduce the consumption of the reducing agent by preferentially applying reducing means having high NOx reduction efficiency while increasing the opportunities for reduction.
[0014]
Here, “NOx occlusion speed” is the same as described above.
[0015]
Further, the higher the NOx reduction efficiency, the more NOx can be reduced with a smaller amount of reducing agent. In other words, when the same amount of reducing agent is consumed, the higher the NOx reduction efficiency, the more NOx can be reduced.
[0016]
As described above, the plurality of reducing agent supply means have different operating ranges of the internal combustion engine and NOx reduction efficiency, respectively.
[0017]
When the NOx occlusion speed is low, the NOx occlusion capacity of the NOx catalyst is reduced, so that NOx occluded in the NOx catalyst needs to be reduced early. In such a case, it is possible to select a reducing agent supply means that has more opportunities to supply the reducing agent. This increases the number of reductant supply means that can be selected, and these means have different operating ranges in which the reductant can be supplied. Therefore, it is possible to increase the opportunity for reductant supply and reduce NOx early. Can be done. Even when the NOx occlusion speed is reduced, if the reducing agent can be supplied by the reducing agent supply means having higher NOx reduction efficiency, this means is selected to supply the reducing agent. Thereby, the early reduction of NOx stored in the NOx catalyst and the reduction of the reducing agent consumption can be achieved.
[0018]
In order to achieve the above object, the exhaust gas purification system for an internal combustion engine of the present invention employs the following means. That is, the third invention is
A NOx catalyst for storing NOx in an oxidizing atmosphere and reducing NOx stored in a reducing atmosphere;
A plurality of reducing agent supply means for supplying a reducing agent to the NOx catalyst and having at least a part of an operating region of the internal combustion engine capable of supplying the reducing agent or different NOx reduction efficiency;
NOx occlusion speed estimation means for estimating the occlusion speed of NOx occluded in the NOx catalyst;
A selection range setting means for increasing the selectable reducing agent supply means so that the reducing agent supply means having a lower NOx reduction efficiency can be selected as the NOx occlusion speed estimated by the NOx occlusion speed estimation means becomes lower; ,
Among the reducing agent supply means that can be selected by the selection range setting means, the reducing agent supply means that is in the operating range of the internal combustion engine capable of supplying the reducing agent and has the highest NOx reduction efficiency is selected. Selecting means for supplying a reducing agent;
It is characterized by providing.
[0019]
The greatest feature of the present invention is that, as the NOx occlusion speed decreases, the number of selectable reducing agent supply means can be increased by selecting a reducing agent supply means having a low NOx reduction efficiency, thereby increasing the chance of NOx reduction. On the other hand, it is to reduce the consumption of the reducing agent by giving priority to reducing means having high NOx reduction efficiency.
[0020]
Here, “NOx occlusion speed” is the same as described above.
[0021]
When the NOx occlusion speed is low, the NOx occlusion capacity of the NOx catalyst is reduced, so that NOx occluded in the NOx catalyst needs to be reduced early. In such a case, it is possible to select a reducing agent supply means having a lower NOx reduction efficiency. Here, if NOx is reduced by NOx reducing means having low NOx reduction efficiency, the amount of reducing agent consumed increases. However, when the NOx occlusion speed decreases, it is necessary to reduce NOx at an early stage, and therefore, a means with low NOx reduction efficiency can be selected. This increases the number of reductant supply means that can be selected, and these means have different operating ranges in which the reductant can be supplied. Therefore, it is possible to increase the opportunity for reductant supply and reduce NOx early. Can be done. Even when the NOx occlusion speed is reduced, if the reducing agent can be supplied by the reducing agent supply means having higher NOx reduction efficiency, this means is selected to supply the reducing agent. Thereby, the early reduction of NOx stored in the NOx catalyst and the reduction of the reducing agent consumption can be achieved.
[0022]
Further, when the NOx occlusion speed is high, it is not possible to select a reducing agent supply means having a low NOx reduction efficiency, so that it is possible to reduce the reducing agent consumption.
[0023]
In the first to third aspects of the invention, the reducing agent supply means increases the burnt gas component in the combustion chamber more than the maximum amount of soot generated, and operates the internal combustion engine for low temperature combustion and exhaust top dead. Combustion due to fuel injection into the cylinder at the point, secondary injection in which fuel is injected again during the expansion stroke or exhaust stroke after the main fuel injection, premixed compression ignition combustion, fuel injection during deceleration, addition of fuel to the exhaust system There may be at least two of these.
[0024]
Here, in low-temperature combustion, fuel injection at the exhaust top dead center, secondary injection in which fuel is injected again during the expansion stroke or exhaust stroke after fuel main injection, and premixed compression ignition combustion, fuel is burned in the cylinder. Further, since there is little residual oxygen in the exhaust gas, and CO and HC as reducing agents contained in the exhaust gas are also gasified, the NOx reduction efficiency in the NOx catalyst is high. On the other hand, the operating range of the internal combustion engine that can be implemented by the stability of combustion in the cylinder, the generation of combustion noise, the generation of smoke, and the like is limited to low rotation and light loads.
[0025]
Further, in the fuel injection at the time of deceleration, the fuel can be burned with the intake air amount of the internal combustion engine being small, so that the rich air-fuel ratio exhaust gas can be discharged with a small amount of fuel. Although there is residual oxygen in the exhaust, part of the fuel is gasified and CO and HC can be supplied to the NOx catalyst. However, the supply of the reducing agent by this means cannot be performed unless the vehicle is decelerated. In addition, in order to obtain a feeling of deceleration, fuel injection may not be performed even during deceleration.
[0026]
The fuel addition to the exhaust system can be performed if the temperature of the catalyst has reached the activation temperature, and can be performed in almost the entire operation region of the internal combustion engine. On the other hand, residual oxygen is present in the exhaust gas, and the reducing agent is injected in a liquid state. Therefore, the NOx reduction efficiency is low on the upstream side of the NOx catalyst, and the NOx reduction efficiency is low as a whole.
[0027]
Thus, in terms of NOx reduction efficiency, low-temperature combustion, fuel injection at exhaust top dead center, secondary injection for injecting fuel again during the expansion stroke or exhaust stroke after main fuel injection, premixed compression ignition combustion, etc. The supply of reducing agent by combustion in the cylinder is the best, followed by fuel injection during deceleration and fuel addition to the exhaust system in order. In addition, fuel addition to the exhaust system is the best in that there are many opportunities to supply the reducing agent, and in-cylinder fuel injection at the time of deceleration and supply of the reducing agent by combustion in the cylinder successively follow.
[0028]
From the above, when the NOx occlusion speed is high, the reductant is supplied only by combustion in a cylinder having high NOx reduction efficiency. In the first aspect of the invention, as the NOx occlusion speed decreases, the reducing agent is supplied by fuel injection at the time of deceleration with more opportunities for supplying the reducing agent, and further by adding fuel to the exhaust system. In the second and third inventions, as the NOx occlusion speed becomes lower, fuel injection at the time of deceleration with more opportunities for supplying the reducing agent and further addition of fuel to the exhaust system can be selected. However, the reducing agent is supplied by the means having the highest NOx reduction efficiency among the reducing agent supply means that can be implemented depending on the operating region of the internal combustion engine. This makes it possible to reduce the amount of reducing agent consumed while suppressing the release of NOx into the atmosphere.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<First Embodiment>
A specific embodiment of an exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, a case where the exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to the present invention is applied to a diesel engine for driving a vehicle will be described as an example.
[0030]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an engine 1 and its intake / exhaust system to which the exhaust purification system according to the present embodiment is applied.
[0031]
An engine 1 shown in FIG. 1 is a water-cooled four-cycle diesel engine having four cylinders 2.
[0032]
The engine 1 includes a fuel injection valve 3 that injects fuel directly into the combustion chamber of each cylinder 2. Each fuel injection valve 3 is connected to a pressure accumulation chamber (common rail) 4 that accumulates fuel to a predetermined pressure.
[0033]
The common rail 4 communicates with a fuel pump 6 through a fuel supply pipe 5. This fuel pump 6 is a pump that operates using the rotational torque of the output shaft (crankshaft) of the engine 1 as a drive source, and a pump pulley 6 a attached to the input shaft of the fuel pump 6 is connected to the output shaft (crankshaft) of the engine 1. ) And the belt pulley 7 are connected to each other.
[0034]
In the fuel injection system configured as described above, the fuel pump 6 discharges fuel at a pressure corresponding to the rotational torque transmitted from the crankshaft to the input shaft of the fuel pump 6. The fuel discharged from the fuel pump 6 is supplied to the common rail 4 through the fuel supply pipe 5, accumulated in the common rail 4 to a predetermined pressure, and distributed to the fuel injection valves 3 of each cylinder 2. When a drive current is applied to the fuel injection valve 3, the fuel injection valve 3 opens, and as a result, fuel is injected from the fuel injection valve 3 into the cylinder 2.
[0035]
Next, an intake branch pipe 8 is connected to the engine 1, and each branch pipe of the intake branch pipe 8 communicates with a combustion chamber of each cylinder 2 via an intake port (not shown).
[0036]
The intake branch pipe 8 is connected to an intake pipe 9. An air flow meter 10 that outputs an electrical signal corresponding to the mass of the intake air flowing through the intake pipe 9 is attached to the intake pipe 9.
[0037]
An intake throttle valve 11 for adjusting the flow rate of the intake air flowing through the intake pipe 9 is provided at a portion of the intake pipe 9 located immediately upstream of the intake branch pipe 8. The intake throttle valve 11 is provided with an intake throttle actuator 12 that is configured by a step motor or the like and that drives the intake throttle valve 11 to open and close.
[0038]
In the intake system configured as described above, the intake air flows into the intake branch pipe 8 through the intake pipe 9. The intake air that has flowed into the intake branch pipe 8 is distributed to the combustion chambers of the respective cylinders 2 through the respective branch pipes, and is burned using the fuel injected from the fuel injection valves 3 of the respective cylinders 2 as an ignition source.
[0039]
On the other hand, an exhaust branch pipe 13 is connected to the engine 1, and each branch pipe of the exhaust branch pipe 13 communicates with a combustion chamber of each cylinder 2 via an exhaust port 1b.
[0040]
The exhaust branch pipe 13 is connected to an exhaust pipe 14, and the exhaust pipe 14 communicates with the atmosphere downstream.
[0041]
In the middle of the exhaust pipe 14, a particulate filter (hereinafter referred to as “PM”) typified by particulate matter (hereinafter referred to as “PM”) typified by soot, which is a suspended particulate matter contained in the exhaust gas. , Simply referred to as a filter) 15. The filter 15 carries an NOx storage reduction catalyst (hereinafter simply referred to as NOx catalyst). In the present embodiment, barium (Ba) and platinum (Pt) are supported on a support made of alumina, and oxygen storage (O ₂ For example, ceria (CeO) with storage capability ₂ ) And the like are added.
[0042]
In this embodiment, the case where the NOx catalyst is supported on the filter 15 will be described. However, the present invention can also be applied to a simple NOx catalyst having no filter structure.
[0043]
When the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the filter 15 is high, the NOx catalyst occludes (absorbs, adsorbs or adheres) NOx in the exhaust gas, while the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the filter 15 decreases. When this happens, the stored NOx is released. At that time, if a reducing component such as hydrocarbon (HC) or carbon monoxide (CO) is present in the exhaust, the released NOx is reduced. Also, ceria (CeO ₂ Transition metals such as) have the ability to temporarily hold oxygen and release it as activated oxygen according to the characteristics of the exhaust.
[0044]
A NOx sensor 16 that outputs an electrical signal corresponding to the concentration of NOx in the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 14 is attached to the exhaust pipe 14 downstream of the filter 15.
[0045]
In the exhaust system configured as described above, the air-fuel mixture (burned gas) combusted in each cylinder 2 of the engine 1 is discharged to the exhaust branch pipe 13 through the exhaust port 1b, and then from the exhaust branch pipe 13 to the exhaust pipe. 14 flows into the filter 15 via NO 14, NOx in the exhaust is occluded, and PM is captured. Thereafter, the exhaust gas flows through the exhaust pipe 14 and is released into the atmosphere.
[0046]
The exhaust branch pipe 13 and the intake branch pipe 8 are communicated with each other via an exhaust gas recirculation passage (EGR passage) 17 that recirculates a part of the exhaust gas flowing through the exhaust branch pipe 13 to the intake branch pipe 8. Yes. In the middle of the EGR passage 17, a flow rate adjusting valve (which is constituted by an electromagnetic valve or the like and changes the flow rate of exhaust gas (hereinafter referred to as EGR gas) flowing through the EGR passage 17 according to the magnitude of applied power ( EGR valve) 18 is provided.
[0047]
By the way, when the engine 1 is in a lean burn operation, the air-fuel ratio of the exhaust discharged from the engine 1 becomes lean and the oxygen concentration in the exhaust becomes high, so NOx contained in the exhaust is occluded in the NOx catalyst. However, if the lean combustion operation of the engine 1 is continued for a long period of time, the NOx storage capability of the NOx catalyst is saturated, and NOx in the exhaust is released into the atmosphere without being stored in the NOx catalyst.
[0048]
Here, the state in which “the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean” means that, for example, the oxidation component is larger than the component ratio (ratio of the oxidation component and the reduction component) in the exhaust gas obtained by burning the stoichiometric air-fuel mixture. This corresponds to a large (dark) state. In other words, if there is no disturbance such as the exhaust gas recirculating to the intake system or the reducing component being directly supplied to the exhaust system, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture used for engine combustion is approximately “14.6” (theoretical air). It means the state of the exhaust when it is greater than (fuel ratio) (close to lean). On the other hand, “the exhaust air-fuel ratio is rich” means that the air-fuel mixture is used for engine combustion when there is no disturbance such as the exhaust gas recirculating to the intake system or the reducing component is directly supplied to the exhaust system. This means the state of exhaust when the air-fuel ratio is smaller than “14.6” (theoretical air-fuel ratio) (close to the rich).
[0049]
In particular, in a diesel engine such as the engine 1, the lean air-fuel ratio mixture is combusted in most of the operating region, and the exhaust air-fuel ratio becomes the lean air-fuel ratio in most of the operating region accordingly. The NOx occlusion capacity is easily saturated.
[0050]
Therefore, when the engine 1 is in lean burn operation, before the NOx occlusion capacity of the NOx catalyst is saturated, the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the NOx catalyst is lowered and the concentration of the reducing agent is increased and occluded in the NOx catalyst. It is necessary to reduce the generated NOx.
[0051]
For example, in addition of fuel in the exhaust, a reductant supply mechanism that adds fuel (light oil) as a reductant to the exhaust flowing through the exhaust pipe 14 upstream of the filter 15 is provided, and fuel is supplied from the reductant supply mechanism into the exhaust. As a result, the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the filter 15 can be reduced and the concentration of the reducing agent can be increased.
[0052]
As shown in FIG. 1, the reducing agent supply mechanism is attached so that its nozzle hole faces the exhaust branch pipe 13, and a fuel addition valve 19 that opens by a signal from the ECU 21 to be described later and injects fuel. And a reducing agent supply path 20 for guiding the fuel discharged from the fuel pump 6 to the fuel addition valve 19.
[0053]
In such a reducing agent supply mechanism, high-pressure fuel discharged from the fuel pump 6 is applied to the fuel addition valve 19 via the reducing agent supply path 20. The fuel addition valve 19 is opened by a signal from the ECU 21 and fuel as a reducing agent is injected into the exhaust branch pipe 13.
[0054]
The fuel injected from the fuel addition valve 19 into the exhaust branch pipe 13 reduces the oxygen concentration of the exhaust flowing from the upstream of the exhaust branch pipe 13 and reaches the filter 15, and the NOx stored in the filter 15. Will be reduced.
[0055]
Thereafter, the fuel addition valve 19 is closed by a signal from the ECU 21, and the addition of fuel into the exhaust branch pipe 13 is stopped.
[0056]
The engine 1 is also provided with a crank position sensor 22 that outputs an electrical signal corresponding to the rotational position of the crankshaft.
[0057]
The engine 1 configured as described above is provided with an electronic control unit (ECU) 21 for controlling the engine 1. The ECU 21 is a unit that controls the operating state of the engine 1 in accordance with the operating conditions of the engine 1 and the driver's request.
[0058]
Various sensors are connected to the ECU 21 via electric wiring, and in addition to the output signals of the various sensors described above, an output signal of the accelerator opening sensor 23 that outputs an electric signal according to the amount of depression of the accelerator by the driver. It is designed to be entered.
[0059]
On the other hand, the fuel injection valve 3, the intake throttle actuator 12, the fuel addition valve 19 and the like are connected to the ECU 21 via electric wiring, and the above-described parts can be controlled by the ECU 21.
[0060]
For example, in the NOx purification control, the ECU 21 executes so-called rich spike control in which the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the filter 15 is reduced in a spike manner (short time) in a relatively short cycle.
[0061]
As a method for reducing the oxygen concentration in the exhaust gas in a spike manner in a relatively short cycle, for example, in addition to adding the fuel to the exhaust gas, increasing the amount of recirculated EGR gas and Low-temperature combustion (Japanese Patent No. 3116876) that further increases the amount of EGR gas, rather than the maximum amount of generated gas, the secondary injection that exhausts the fuel again during the expansion stroke or exhaust stroke after the main fuel injection, and the exhaust stroke Fuel injection that is performed when the piston at the end or the beginning of the intake stroke is near top dead center, premixed compression ignition combustion that performs compression ignition by injecting fuel in advance during the intake stroke or exhaust stroke, fuel during vehicle deceleration A method such as injection is conceivable.
[0062]
In the low temperature combustion, the temperature of the fuel and the surrounding gas at the time of combustion in the combustion chamber is low, so that it stops at an intermediate stage before the growth of HC reaches soot. This HC acts as a reducing agent in the NOx catalyst.
[0063]
In the sub-injection in which the fuel is injected again during the expansion stroke or the exhaust stroke after the main fuel injection, a large amount of unburned fuel HC is discharged from the engine 1. This HC acts as a reducing agent in the NOx catalyst.
[0064]
In the fuel injection performed when the piston at the end of the exhaust stroke or the initial stage of the intake stroke is near top dead center, the fuel evaporates easily during the intake stroke and the compression stroke, so the air-fuel ratio in the cylinder Even if the value is lowered, the combustion state can be stabilized. By reducing the air-fuel ratio, HC as a reducing agent can be supplied to the NOx catalyst.
[0065]
In the premixed compression ignition combustion in which the fuel is pre-injected during the intake stroke or the compression stroke to perform the compression ignition, the fuel evaporates during the intake stroke or the compression stroke, so that it is easy to ignite. Even if the air-fuel ratio is lowered, the combustion state can be stabilized. By reducing the air-fuel ratio, HC as a reducing agent can be supplied to the NOx catalyst.
[0066]
In fuel injection at the time of vehicle deceleration, the intake throttle valve 11 is closed, so that the intake air amount of the engine 1 decreases. Therefore, the air-fuel ratio can be reduced with a small amount of fuel, and HC can be supplied to the NOx catalyst.
[0067]
As described above, there are a plurality of methods for supplying the reducing agent to the NOx catalyst. The NOx reduction efficiency and the operating range where it can be implemented are different.
[0068]
For example, a method of supplying a reducing agent to the NOx catalyst by burning fuel in the cylinder 2 such as low temperature combustion, fuel injection at exhaust top dead center, sub-injection, premixed compression ignition combustion, etc. In this method, the fuel is combusted in the cylinder 2 to reduce the residual oxygen in the exhaust gas, and CO and HC as the reducing agent are also gases. Therefore, the reactivity with NOx catalyst is good. Therefore, NOx reduction efficiency is increased. Here, in the present invention, “NOx reduction efficiency” may be replaced with “reactivity of the reducing agent in the NOx catalyst” or “ease of reaction of the reducing agent in the NOx catalyst”. On the other hand, in these methods, in consideration of securing combustion stability in the cylinder 2, suppression of combustion noise generation, suppression of smoke generation, and the like, when the operating region of the engine 1 is a low rotation light load, As long as possible.
[0069]
In addition, in the fuel injection into the cylinder 2 at the time of deceleration, the reducing agent cannot be supplied unless it is in a deceleration state. In some cases, fuel injection cannot be performed to obtain a feeling of deceleration even during deceleration. On the other hand, in the fuel injection into the cylinder 2 at the time of deceleration, although residual oxygen is present in the exhaust, a part of the fuel is gasified and CO and HC can be supplied to the NOx catalyst.
[0070]
In addition, in the fuel addition to the exhaust system, if the temperature of the catalyst has reached the activation temperature, the fuel addition can be performed, and the engine operating range in which the fuel addition can be performed is wide (the fuel addition is performed). Many opportunities available). On the other hand, a large amount of residual oxygen is present in the exhaust gas, and the reducing agent is also injected in a liquid state, so that the NOx reduction efficiency is lowered on the upstream side of the NOx catalyst.
[0071]
Thus, in terms of NOx reduction efficiency, the supply of reducing agent by combustion in the cylinder 2 is the best, followed by fuel injection into the cylinder 2 during deceleration and fuel addition to the exhaust system. In addition, in terms of being able to take many opportunities for supplying the reducing agent to the NOx catalyst, the addition of fuel to the exhaust system is the best. Next, the fuel injection into the cylinder 2 during deceleration, and Supply of the reducing agent by combustion in the cylinder 2 follows.
[0072]
Here, in the exhaust purification system of the conventional internal combustion engine, the supply of the reducing agent by the plurality of reducing agent supply means is not properly used properly. That is, only those with a narrow engine operating range in which reducing agent can be supplied giving priority to reduction efficiency were used, or only those with low NOx reduction efficiency were used giving priority to an increase in NOx reduction opportunities. . When the reduction efficiency is prioritized, NOx cannot be reduced depending on the operation region of the engine 1 because the engine operation region in which the reducing agent can be supplied is narrow. Further, when priority is given to an increase in the opportunity for NOx reduction, a reduction in NOx reduction efficiency has caused a deterioration in fuel consumption.
[0073]
In this respect, in the present embodiment, the NOx occlusion speed is divided into three stages, and means for supplying the reducing agent for each stage is determined in advance.
[0074]
That is, when the NOx occlusion speed is high, the reducing agent is supplied by a method having high NOx reduction efficiency. Then, as the NOx occlusion speed is lowered, the reducing agent is supplied by a method in which the opportunity for supplying the reducing agent is further increased.
[0075]
In the stage where the NOx occlusion speed is the highest, even if the reducing agent cannot be supplied, NOx is occluded in the NOx catalyst, so that NOx is hardly released into the atmosphere. In this case, the reducing agent is supplied by combustion in the cylinder 2 having the highest NOx reduction efficiency. In the supply of the reducing agent by combustion in the cylinder 2, the operating range of the engine 1 that can be carried out is limited. However, even if NOx cannot be reduced, NOx is occluded in the NOx catalyst, so There is almost no release of NOx. Thus, when the NOx occlusion speed is high, NOx is reduced by a method with high NOx reduction efficiency, and deterioration of fuel consumption can be suppressed.
[0076]
Further, when the NOx occlusion speed is reduced to the next stage, the reducing agent is supplied by fuel injection into the cylinder 2 at the time of deceleration. Thereby, the opportunity which can supply a reducing agent increases, and NOx occlusion speed can be raised.
[0077]
Further, when the NOx occlusion speed decreases and reaches the lowest stage, the reducing agent is supplied by adding fuel to the exhaust system. In this case, since it is necessary to increase the NOx occlusion speed at an early stage, the fuel supply to the exhaust system that has a lot of feasible opportunities is performed although the NOx reduction efficiency is inferior, and the opportunity for supplying the reducing agent is increased. Thereby, the NOx occlusion speed can be increased at an early stage.
[0078]
As described above, according to the present embodiment, when the NOx occlusion speed is high, consumption of the reducing agent can be suppressed by applying a reducing agent supply means with high NOx reduction efficiency. Then, as the NOx occlusion speed of the NOx catalyst becomes lower, it is possible to apply a reducing agent supply means that has many opportunities to supply the reducing agent, thereby increasing the opportunity for supplying the reducing agent. Release of NOx can be suppressed.
<Second Embodiment>
The present embodiment is different from the first embodiment in that the reducing agent can be supplied by the NOx reduction means having high NOx reduction efficiency even when the NOx occlusion speed is reduced. . In the present embodiment, the basic configuration of the engine and other hardware to be applied is the same as that in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
[0079]
In the present embodiment, the NOx occlusion speed is divided into three stages, and a reducing agent supply means that can be selected for each stage is determined in advance. In addition, the reducing agent supply means having the highest NOx reduction efficiency is preferentially selected to supply the reducing agent.
[0080]
That is, when the NOx occlusion speed is high, only the reducing agent is supplied by a method with high NOx reduction efficiency. Then, as the NOx occlusion speed is lowered, it is possible to sequentially select a method in which the NOx reduction efficiency becomes lower. Here, depending on the operating region of the engine 1, a method with high NOx reduction efficiency can be implemented. At that time, the supply of the reducing agent by the method with high NOx reduction efficiency is performed with priority.
[0081]
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the NOx occlusion speed and the reducing agent supply means. (1) is due to combustion in the cylinder 2, (2) is due to fuel injection into the cylinder 2 during deceleration, and (3) is a range in which the reducing agent is supplied by adding fuel in the exhaust system. ing. The required storage speed is the NOx storage speed required for the NOx catalyst in order to maintain the NOx purification rate within the assumed range. This assumed range is determined based on a regulation value or the like.
[0082]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the NOx occlusion amount and the NOx occlusion speed. Here, the NOx occlusion speed decreases as the NOx occlusion amount increases.
[0083]
When the NOx occlusion amount is small, that is, when the NOx occlusion speed is high, NOx is occluded in the NOx catalyst, so that NOx is hardly released into the atmosphere. In this case, the reducing agent is supplied by combustion in the cylinder 2 having the highest NOx reduction efficiency. In the supply of the reducing agent by combustion in the cylinder 2, the operating range of the engine 1 that can be carried out is limited. However, even if NOx cannot be reduced, NOx is occluded in the NOx catalyst, so There is almost no release of NOx. Thus, when the storage rate of the NOx catalyst is sufficiently high, the reductant is supplied only by combustion in the cylinder 2. In this way, NOx can be reduced by a method having high NOx reduction efficiency, and deterioration of fuel consumption can be suppressed.
[0084]
Further, when the NOx occlusion speed decreases to the vicinity of the required occlusion speed, the reducing agent is supplied by either combustion in the cylinder 2 or fuel injection into the cylinder 2 at the time of deceleration. In this case, this is preferentially performed in the engine operation region where the reducing agent can be supplied by combustion in the cylinder 2. Thereby, while suppressing the fall of NOx reduction efficiency, the opportunity which can supply a reducing agent can be increased and it can suppress that NOx occlusion speed becomes below a required occlusion speed.
[0085]
Further, when the NOx occlusion speed falls below the required occlusion speed, the reducing agent is supplied by either combustion in the cylinder 2, fuel injection into the cylinder 2 during deceleration, or fuel addition to the exhaust system. Do. When the NOx occlusion speed is lower than the required occlusion speed, it is necessary to increase the NOx occlusion speed at an early stage. Add fuel to the system to increase opportunities for reducing agent supply. In this case, this is preferentially performed in the engine operation region where the reducing agent can be supplied by combustion in the cylinder 2. Further, even in an engine operation region where the reducing agent cannot be supplied by combustion in the cylinder 2, if the engine operation region can perform fuel injection into the cylinder 2 during deceleration, The fuel is injected into the cylinder 2 with priority. As a result, the NOx occlusion speed can be increased at an early stage while suppressing a decrease in NOx reduction efficiency.
[0086]
Here, the NOx occlusion speed can be obtained by first obtaining the NOx occlusion amount and substituting this NOx occlusion amount into FIG. The NOx occlusion amount is obtained by mapping the relationship among the engine speed, the engine load, and the NOx emission amount from the engine 1 in advance through experiments or the like, and is stored in the ECU 21. By integrating the engine speed (output signal from the crank position sensor 22) and the engine load (fuel injection amount or output signal from the accelerator opening sensor 23) into this map, the NOx emissions obtained by integrating the NOx emission amount are integrated. Can be obtained.
[0087]
In the present embodiment, instead of the NOx occlusion speed, a reducing agent may be supplied to the NOx catalyst based on the NOx occlusion amount. That is, the NOx occlusion amount is divided into three stages, and a reducing agent supply means that can be selected for each stage is determined in advance. Among them, the reducing agent supply means having the highest NOx reduction efficiency is given priority. You may do it.
[0088]
In the present embodiment, the NOx occlusion speed may be obtained according to the NOx concentration detected by the NOx sensor 16 downstream of the NOx catalyst.
[0089]
Furthermore, in this embodiment, instead of the NOx occlusion speed, a reducing agent may be supplied to the NOx catalyst based on the NOx concentration in the exhaust downstream of the NOx catalyst.
[0090]
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the amount of NOx released from the NOx catalyst per unit time and the reducing agent supply means. (1) is due to combustion in the cylinder 2, (2) is due to fuel injection into the cylinder 2 during deceleration, and (3) is a range in which the reducing agent is supplied by adding fuel in the exhaust system. ing. The required output gas NOx criteria is the amount of NOx released per unit time required for the NOx catalyst in order to maintain the amount of NOx released into the atmosphere within the assumed range. This assumed range is determined based on a regulation value or the like. Further, the amount of NOx released from the NOx catalyst per unit time can be obtained from the NOx concentration detected by the NOx sensor and the intake air amount of the engine 1.
[0091]
Here, as shown in FIG. 3, the NOx occlusion speed decreases as the amount of NOx occluded in the NOx catalyst increases. When NOx in an amount exceeding the NOx occlusion speed flows into the NOx catalyst, NOx that is not occluded by the NOx catalyst may flow out downstream of the NOx catalyst. This outflowed NOx is detected by the NOx sensor 16. The amount of NOx flowing out per unit time can be determined from the NOx concentration detected by the NOx sensor 16 and the intake air amount.
[0092]
When the amount of NOx released from the NOx catalyst per unit time is small, that is, when the amount of NOx released from the NOx catalyst is sufficiently lower than the required output gas NOx criteria, it is considered that NOx is occluded in the NOx catalyst. It is done. In this case, the reducing agent is supplied by combustion in the cylinder 2 having the highest NOx reduction efficiency. In the supply of the reducing agent by combustion in the cylinder 2, the operating range of the engine 1 that can be implemented is limited, but NOx is occluded by the NOx catalyst even in the operating range where the reducing agent cannot be supplied. Therefore, almost no NOx is released into the atmosphere. In this way, NOx is reduced by a method having high NOx reduction efficiency, and deterioration of fuel consumption is suppressed.
[0093]
Further, when the amount of NOx released from the NOx catalyst per unit time rises to the vicinity of the required output gas NOx criteria, either combustion in the cylinder 2 or fuel injection into the cylinder 2 during deceleration is performed. To supply the reducing agent. In this case, this is preferentially performed in the engine operation region where the reducing agent can be supplied by combustion in the cylinder 2. As a result, it is possible to increase the opportunities for supplying the reducing agent while suppressing a decrease in NOx reduction efficiency, and to suppress the amount of NOx released from the NOx catalyst per unit time from exceeding the required output gas NOx criteria. it can.
[0094]
Furthermore, when the amount of NOx released from the NOx catalyst per unit time becomes larger than the required output gas NOx criteria, combustion in the cylinder 2, fuel injection into the cylinder 2 during deceleration, and exhaust system The reducing agent is supplied by any of the fuel additions. In this case, the amount of NOx flowing out from the NOx catalyst needs to be reduced at an early stage. Therefore, the NOx reduction efficiency is inferior, but the engine operating range that can be implemented is wide and the fuel is added to the exhaust system. Increase. In this case, this is preferentially performed in the engine operation region where the reducing agent can be supplied by combustion in the cylinder 2. Further, even in an engine operation region where the reducing agent cannot be supplied by combustion in the cylinder 2, if the engine operation region can perform fuel injection into the cylinder 2 during deceleration, The fuel is injected into the cylinder 2 with priority. Thereby, the outflow of NOx can be reduced at an early stage while suppressing a decrease in NOx reduction efficiency.
[0095]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to preferentially apply a reducing agent supply means with high NOx reduction efficiency and suppress consumption of the reducing agent. Then, as the NOx occlusion speed of the NOx catalyst becomes lower, it becomes possible to select a reducing agent supply means having a different engine operating range in which the reducing agent can be supplied, and it is possible to increase opportunities for supplying the reducing agent.
<Other embodiments>
In the first and second embodiments, the combustion in the cylinder 2 may be any one of low temperature combustion, fuel injection at exhaust top dead center, sub-injection, premixed compression ignition combustion, etc. Two or more may be selectable. In the case of two or more, these NOx reduction efficiencies and practicable engine operating ranges differ depending on design requirements, etc., so the NOx reduction efficiencies and practicable engine operating ranges are obtained in advance through experiments and the like. You may make it implement preferentially in an order from the highest.
[0096]
In the first and second embodiments, the NOx occlusion speed or the amount of NOx released from the NOx catalyst per unit time is divided into three stages according to the magnitude, and the reducing agent can be selected for each stage. Although an example in which the supply means is set has been described, instead of this, a reducing agent supply means that can be selected for each stage may be set in two stages or four or more stages. Here, the supply of the reducing agent by combustion in the cylinder 2 such as low temperature combustion, fuel injection at exhaust top dead center, sub-injection, premixed compression ignition combustion, and the like may be performed at different stages. Since these NOx reduction efficiency and practicable engine operation range differ depending on design requirements, etc., NOx reduction efficiency and practicable engine operation range are obtained in advance through experiments, etc., and are performed preferentially in descending order of reduction efficiency. May be.
[0097]
In the first and second embodiments, fuel injection into the exhaust, low temperature combustion, fuel injection, sub-injection, and premixed compression performed when the piston at the end of the exhaust stroke or at the beginning of the intake stroke is near top dead center Although an example in which ignition combustion and fuel injection during vehicle deceleration is applied as the reducing agent supply means has been described, the present invention is not limited thereto, and may be applied to other reducing agent supply means. In this case, the NOx reduction efficiency and the practicable engine operating region are obtained in advance, and those having high NOx reduction efficiency are preferentially applied.
[0098]
【The invention's effect】
In the exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to the present invention, when the NOx occlusion speed is high, the reducing agent supply means having high NOx reduction efficiency can be preferentially applied to suppress the consumption of the reducing agent. Further, as the NOx occlusion speed of the NOx catalyst becomes lower, the reducing agent can be supplied by the reducing agent supply means having more opportunities for supplying the reducing agent, and the opportunity for supplying the reducing agent can be increased. it can.
[0099]
As described above, when fuel is used as the reducing agent, deterioration of fuel consumption can be suppressed. Moreover, it is possible to suppress the release of NOx into the atmosphere.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an engine to which an exhaust purification system according to the present embodiment is applied and an intake / exhaust system thereof.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between NOx occlusion speed and reducing agent supply means.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the NOx occlusion amount and the NOx occlusion speed.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the amount of NOx released from the NOx catalyst per unit time and the reducing agent supply means.
[Explanation of symbols]
1 engine
1a Crank pulley
1b Exhaust port
2-cylinder
3 Fuel injection valve
4 Common rail
5 Fuel supply pipe
6 Fuel pump
6a Pump pulley
7 Belt
8 Intake branch pipe
9 Intake pipe
10 Air flow meter
11 Intake throttle valve
12 Inlet throttle actuator
13 Exhaust branch pipe
14 Exhaust pipe
15 Particulate filter (NOx storage reduction catalyst)
16 NOx sensor
17 EGR passage
18 EGR valve
19 Fuel addition valve
20 Reducing agent supply path
21 ECU
22 Crank position sensor
23 Accelerator position sensor

Claims

A NOx catalyst for storing NOx in an oxidizing atmosphere and reducing NOx stored in a reducing atmosphere;
A plurality of reducing agent supply means for supplying a reducing agent to the NOx catalyst and having at least a part of an operating region of the internal combustion engine capable of supplying the reducing agent;
NOx occlusion speed estimation means for estimating the occlusion speed of NOx occluded in the NOx catalyst;
With
An exhaust gas purification system for an internal combustion engine, characterized in that the reducing agent is supplied by the reducing agent supply means that increases the chance of supplying the reducing agent as the NOx storage speed estimated by the NOx storage speed estimating means decreases. .

A NOx catalyst for storing NOx in an oxidizing atmosphere and reducing NOx stored in a reducing atmosphere;
A plurality of reducing agent supply means for supplying a reducing agent to the NOx catalyst and having at least a part of an operating region of the internal combustion engine capable of supplying the reducing agent or different NOx reduction efficiency;
NOx occlusion speed estimation means for estimating the occlusion speed of NOx occluded in the NOx catalyst;
Selection to increase the selectable reducing agent supply means by making it possible to select the reducing agent supply means that increases the chance of supplying the reducing agent as the NOx storage speed estimated by the NOx storage speed estimating means decreases. Range setting means;
Among the reducing agent supply means that can be selected by the selection range setting means, the reducing agent supply means that is in the operating range of the internal combustion engine capable of supplying the reducing agent and has the highest NOx reduction efficiency is selected. Selecting means for supplying a reducing agent;
An exhaust gas purification system for an internal combustion engine, comprising:

A NOx catalyst for storing NOx in an oxidizing atmosphere and reducing NOx stored in a reducing atmosphere;
A plurality of reducing agent supply means for supplying a reducing agent to the NOx catalyst and having at least a part of an operating region of the internal combustion engine capable of supplying the reducing agent or different NOx reduction efficiency;
NOx occlusion speed estimation means for estimating the occlusion speed of NOx occluded in the NOx catalyst;
A selection range setting means for increasing the selectable reducing agent supply means so that the reducing agent supply means having a lower NOx reduction efficiency can be selected as the NOx occlusion speed estimated by the NOx occlusion speed estimation means becomes lower; ,
Among the reducing agent supply means that can be selected by the selection range setting means, the reducing agent supply means that is in the operating range of the internal combustion engine capable of supplying the reducing agent and has the highest NOx reduction efficiency is selected. Selecting means for supplying a reducing agent;
An exhaust gas purification system for an internal combustion engine, comprising:

The reducing agent supply means is configured to increase the burnt gas component in the combustion chamber more than the maximum amount of soot generated to operate the internal combustion engine, and to perform fuel injection into the cylinder at the exhaust top dead center. It is characterized by at least two of combustion, sub-injection in which fuel is injected again during the expansion stroke or exhaust stroke after the main fuel injection, premixed compression ignition combustion, fuel injection during deceleration, and fuel addition to the exhaust system An exhaust purification system for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3.