JP2005048673A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘトラップ触媒を備えたディーゼルエンジンにおいて、リッチスパイク制御によるＮＯｘ脱離処理結果に過不足が生じる。
【解決手段】リーン燃焼運転時に算出したＮＯｘ堆積量に基づきリッチスパイク制御の開始時期を決定すると共に、ＮＯｘ堆積量とＮＯｘ脱離速度に基づきリッチスパイク制御の終了時期を決定する。リッチスパイク制御の間のＮＯｘ脱離速度に基づいてＮＯｘトラップ触媒に残存している実ＮＯｘ量を推定することができるので、所定の目標ＮＯｘ残存量に達した時点でリッチスパイク制御を終了させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明はエンジンの排気浄化装置に関し、特に排気系にＮＯｘトラップ触媒を備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置の改良に関する。

ＮＯｘトラップ触媒を備えたエンジンでは、通常はリーン燃焼運転を行い、その間に発生したＮＯｘをＮＯｘ吸収剤に堆積させ、ある程度ＮＯｘが堆積した時点で排気の空気過剰率（以下、符号「λ」で表す。）を一時的にリッチ化することでＮＯｘを吸収剤から脱離させ還元処理するようにしている。このような制御は、λを一時的にリッチ方向に操作することからリッチスパイク制御と称される。ディーゼルエンジンでは通常はλが２〜３のリーン燃焼状態で運転しており、前述したリッチスパイク制御の際にはλを０．８程度まで変化させる。

特許文献１に示されるような従来のリッチスパイク制御手法では、リーン燃焼運転の間にＮＯｘトラップ触媒に堆積されるＮＯｘの量をエンジン運転状態に応じて積算し、ＮＯｘ堆積量の積算結果がある限度に達した時点で、当該ＮＯｘ堆積量に応じた期間だけリッチスパイク制御を実施して空気過剰率を低下させるようにしている。
特許第2600492号公報

従来は、ＮＯｘ堆積量の積算結果に基づいてリッチスパイク制御の時間を決定し、リッチスパイク制御下での実際のＮＯｘ脱離速度に関わらず一定時間だけλを低下させる制御を行っていた。すなわちＮＯｘトラップ触媒に残存しているＮＯｘの量に関わらずリッチスパイク制御が行われていたのであり、このためＮＯｘ処理量に過不足を生じるという問題があった。

本発明では、排気の空気過剰率を減じることによりＮＯｘトラップ触媒に堆積したＮＯｘを脱離させるリッチスパイク制御手段を備えたディーゼルエンジンを前提として、リーン燃焼運転時に算出したＮＯｘ堆積量に基づきリッチスパイク制御の開始時期を決定すると共に、ＮＯｘ堆積量とＮＯｘ脱離速度に基づきリッチスパイク制御の終了時期を決定する。前記ＮＯｘ脱離速度は単位時間当たりのＮＯｘ脱離量であり、リッチスパイク制御下でのエンジン回転速度および燃料噴射量等のエンジン運転状態に基づき演算することが可能である。

本発明によれば、リッチスパイク制御の間のＮＯｘ脱離速度に基づいてＮＯｘトラップ触媒に残存している実ＮＯｘ量を推定することができるので、所定の目標ＮＯｘ残存量に達した時点でリッチスパイク制御を終了させることができる。このためＮＯｘ残存量に過不足を生じることがなく、ＮＯｘトラップ触媒を常に有効利用することができる。また、リッチスパイク制御を必要最小限度で行うことができるので、燃費や排気エミッションを改善することができる。

図１は、本発明を適用可能な過給機付ディーゼルエンジンの一例を示した概略構成図である。図に示すように、エンジン本体１には、コモンレール２、燃料噴射弁３および図示しない燃料ポンプを構成要素とするコモンレール燃料噴射系が設けられており、高圧の燃料をエンジン本体１に供給する。前記燃料噴射弁３は、燃焼室に燃料を直接噴射し、かつメイン噴射の前にパイロット噴射が可能であり、またコモンレール２内の設定燃料圧力を変更することにより、燃料噴射圧力を可変制御できる。

過給機４のコンプレッサ４ａは吸気通路５に介装されており、排気タービン４ｂにより駆動されて圧縮空気をエンジン本体１に供給する。排気タービン４ｂは排気通路６に介装されており、エンジン本体１からの排気により回転して前記コンプレッサ４ａを駆動する。なお、本実施形態においては、過給機４として可変容量型のものを用いており、低速域においてはタービン４ｂ側に設けられた可変ノズルを絞ってタービン効率を高め、高速域においては前記可変ノズルを開いてタービン容量を拡大させることにより、広い運転領域で高い過給効果を得ることができる。

吸気通路５には、前記コンプレッサ４ａの上流側にエアフローメータ７が、下流側に吸気絞り弁８が介装されている。吸気絞り弁８は、例えば、ステップモータを用いて開度変更が可能な電子制御式のものであり、その開度に応じてエンジン本体１に吸入される吸入空気量を制御する。

排気通路６には、エンジン本体１と排気タービン４ｂとの間から分岐して吸気通路５に接続するＥＧＲ通路９が設けられ、このＥＧＲ通路９にはＥＧＲ弁１０が介装されている。前記ＥＧＲ弁１０は、例えば、ステップモータを用いた電子制御式のものであり、その開度に応じて吸気側に還流する排気の量、すなわち、エンジン本体１に吸入されるＥＧＲ量を制御する。排気通路６には、排気タービン４ｂの下流側にＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１、ＮＯｘトラップ触媒１２および排気微粒子フィルタ（以下「ＤＰＦ」という。）１３が順に設けられている。

前記ＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１は低温時に吸着した排気中のＨＣを高温時に放出する特性を有する。活性状態ではＨＣ、ＣＯを酸化処理する。ＮＯｘトラップ触媒１２は、希薄空燃比運転状態で吸着した排気中のNOxを、濃空燃比運転状態で放出する特性を有する。活性状態ではNOｘを還元浄化する。ＤＰＦ１３は排気中のＰＭ（微粒子状物質）を捕集する。捕集したＰＭは排気温度を高温化する再生制御により燃焼処理される。前記ＮＯｘトラップ触媒およびＤＰＦ１３は、酸化触媒としての機能を併有するものもある。

各種状態を検出するセンサとして、吸入空気量Ｑａを検出する前記エアフローメータ７の他、エンジン回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１６、前記コモンレール２内の燃料圧力（すなわち、燃料噴射圧）を検出するレール圧センサ１７等が設けられる。また、それぞれ前記ＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１、ＮＯｘトラップ触媒１２およびＤＰＦ１３の出口排気温度を検出する温度センサ２１、２２、２３が設けられている。排気通路６の酸化触媒１１よりも上流側には排気空燃比または酸素濃度を検出する排気センサ２４が設けられている。

２０はＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されたコントロールユニットであり、前記各種センサからの検出信号に基づいて燃料噴射量Ｑｆ、噴射時期ＩＴを設定して前記燃料噴射弁３の駆動を制御すると共に、前記吸気絞り弁８およびＥＧＲ弁１０の開度制御を行う。特に、本発明に係る制御としては、前記ＮＯｘトラップ触媒１２の再生（ＮＯｘ脱離）のためのリッチスパイク制御を行う。本発明との関係では、コントロールユニット２０は、リッチスパイク制御手段、ＮＯｘ堆積量演算手段、ＮＯｘ脱離速度演算手段の各手段の機能に対応している。

図２〜図３はコントロールユニット２０により実行される前記リッチスパイク制御の制御ルーチンを示す。この制御ルーチンはエンジン運転中に予め定められた所定の条件、例えばアイドルを含む低負荷低速運転状態であることを条件に一定時間間隔で周期的に実行される。なお図２以下の各流れ図および以下の説明において符号Sは処理ステップ番号を表している。

この制御ではまずS11にて図１に示した各種センサ類からの信号を読みとり、次いでこれらの信号を用いてS12にてＮＯｘトラップ触媒１２のＮＯｘ堆積量を計算する。ＮＯｘ堆積量の計算手法は各種知られており、例えばエンジン回転速度Ne、燃料噴射量Qf、冷却水温Tw等の運転状態信号から推定したＮＯｘ量を運転履歴に応じて積算してゆくことでＮＯｘ堆積量を求めることができる。

S13では前記計算により求めたＮＯｘ堆積量NOx0を基準値NOx1と比較し、ＮＯｘ堆積量NOx0がNOx1以下であれば何もせずに今回のルーチンは終了する。ＮＯｘ堆積量がNOx1を超えたときは、次いでS14にてリッチスパイク制御状態であることを示すspフラグを1にセットしたのち、S15にてリッチスパイク制御のルーチンへと移行する。

リッチスパイク制御では、図３に示したようにまずS21にて排気λを理論空燃比以下にまでリッチ化するエンジン制御として、吸気絞り弁８およびＥＧＲ弁１０の開度を減じる制御を実施する。目標λを達成する必要上から、燃焼行程後期から排気行程の間にポスト噴射を実施して燃料を追加する等の操作を加える場合もある。λが大きいリーン燃焼運転状態にてＮＯｘトラップ触媒１２に堆積していたＮＯｘは、前記リッチスパイク制御によるλの濃化によりＮＯｘ吸収剤から脱離し、触媒での還元処理により浄化される。

S22ではＮＯｘ脱離速度Reg＿spdを算出する。前記ＮＯｘ脱離速度Reg＿spdは単位時間（この場合、一制御周期）あたりにＮＯｘトラップ触媒１２から脱離するＮＯｘの量であり、基本的にはエンジン運転状態、この場合燃料噴射量Qfと回転速度Neとに応じて定まるので、QfとNeとに応じてReg＿spdを与えるように予め実験的に作成しておいたテーブルを検索して求めるようにする。

次いで、より精度の高いＮＯｘ脱離速度を得るために、S23にて排気λに応じた補正係数Reg＿spd＿hosを求める。この補正係数Reg＿spd＿hosは、排気λから予め図４に示したように形成されたテーブルを検索して求めるようにする。Reg＿spd＿hosは前記ＮＯｘ脱離速度Reg＿spdに重み付けをする補正係数であり、その特性として、排気λが減少するほど、すなわち空気過剰率が減少するほどＮＯｘ脱離速度が増大するように設定されている。なお、λは空燃比センサ24により直接検出するか、もしくはエンジン運転状態から演算により求めることができる。

S24では、前述のようにして求めたＮＯｘ脱離速度Reg＿spdに補正係数Reg＿spd＿hosを乗じたもの、つまりその時点でのＮＯｘ脱離量を、図２の処理により求めたＮＯｘ堆積量NOx0から減じて、これを新たなＮＯｘ堆積量（残存量）NOx0として更新する。

S25での判定により、前記ＮＯｘ脱離量の減算処理結果NOx0を所定の終了基準値NOx2と比較し、NOx0＞NOx2である間はS22に戻って減算処理を再実行する。この減算処理の繰り返しの結果、NOx0≦NOx2となった時点でS26に移行し、リッチスパイク制御を終了させる。リッチスパイク制御終了時は次いでS27にてspフラグを0に設定して図２のルーチンに戻る。

前記のリッチスパイク制御ではＮＯｘ脱離速度Reg＿spdを排気λに応じた補正係数Reg＿spd＿hosにより重み付け補正するようにしているが、さらにＮＯｘトラップ触媒１２のベッド温度、出口側排気温度、排気流量、ＨＣやＣＯ等の還元剤の排出量等をパラメータとした補正を施すことでより精度の高いＮＯｘ脱離速度を求めることが可能である。すなわち、ベッド温度や出口側排気温度が高いほど、あるいは排気流量や還元剤排出量が多いほどＮＯｘ脱離速度が増大する特性を有することから、これらをパラメータとした補正を施すことが可能である。

本発明を適用可能なディーゼルエンジンの一例を示す概略構成図。 本発明による制御の一実施形態の動作内容を示す第１の流れ図。 本発明による制御の一実施形態の動作内容を示す第２の流れ図。 ＮＯｘ脱離速度の補正量Reg＿spd＿hosを付与するテーブルの概略説明図。

符号の説明

１ エンジン本体
２ コモンレール
３ 燃料噴射弁
４ ターボ過給器
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ エアフローメータ
８ 吸気絞り弁
９ ＥＧＲ通路
１０ ＥＧＲ弁
１１ 酸化触媒
１２ ＮＯｘトラップ触媒
１３ ＤＰＦ（排気微粒子フィルタ）
１４ 回転速度センサ
１５ アクセル開度センサ
１６ 水温センサ
１７ レール圧センサ
２０ コントロールユニット
２１，２２，２３ 温度センサ

Claims (8)

1. ディーゼルエンジンの排気通路に介装されるＮＯｘトラップ触媒と、
   リーン燃焼状態にて前記ＮＯｘトラップ触媒に堆積するＮＯｘの量を演算するＮＯｘ堆積量演算手段と、
   リッチ燃焼状態にて前記ＮＯｘトラップ触媒から脱離するＮＯｘの脱離速度を演算するＮＯｘ脱離速度演算手段と、
   排気の空気過剰率を減じることにより前記ＮＯｘトラップ触媒に堆積したＮＯｘを脱離させるリッチスパイク制御手段と、を備え、
   前記リッチスパイク制御手段は、前記ＮＯｘ堆積量に基づき前記リッチスパイク制御の開始時期を決定すると共に、前記ＮＯｘ堆積量とＮＯｘ脱離速度に基づき前記リッチスパイク制御の終了時期を決定するように構成したことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記ＮＯｘ脱離速度演算手段は、リッチスパイク制御時のエンジンの燃料噴射量と回転速度とに基づいてＮＯｘ脱離速度を推定するように構成されている請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記ＮＯｘ脱離速度演算手段は、推定したＮＯｘ脱離速度に、リッチスパイク制御時の空気過剰率に基づく補正を行うように構成されている請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記ＮＯｘ脱離速度の補正として、リッチスパイク制御時の空気過剰率が小さいほどＮＯｘ脱離速度が大となる方向に重み付け補正を行う請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記ＮＯｘ脱離速度演算手段は、リッチスパイク制御時のＮＯｘトラップ触媒の出口側排気温度に基づいてＮＯｘ脱離速度を推定するように構成されている請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記ＮＯｘ脱離速度演算手段は、リッチスパイク制御時の排気流量に基づいてＮＯｘ脱離速度を推定するように構成されている請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 前記ＮＯｘ脱離速度演算手段は、リッチスパイク制御時の還元剤の排出量に基づいてＮＯｘ脱離速度を推定するように構成されている請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記リッチスパイク制御手段は、リッチスパイク制御開始時のＮＯｘ堆積量からＮＯｘ脱離速度に応じてＮＯｘ量を減算した結果が基準値以下となったときにリッチスパイク制御を終了するように構成されている請求項１または請求項２の何れかに記載のエンジンの排気浄化装置。
   

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