JP2006348905A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の排気浄化システムにおいて、再生制御の実行中における排気エミッションの悪化を抑制することを課題とする。
【解決手段】 排気浄化装置の排気浄化能力を再生させる再生制御において、酸化機能を有する触媒より上流側から還元剤を供給することで該触媒より下流側に設けられた排気浄化装置に還元剤を供給する場合、触媒の温度および内燃機関の吸入空気量の増加率に基づいて還元剤供給量の上限値を補正する（Ｓ１０９）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、該排気浄化装置より上流側の排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気浄化システムにおいては、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、該排気浄化装置より上流側の排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、を備えたものが知られている。ここで、排気浄化装置としては、酸化機能を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタと称する）や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒と称する）が例示できる。フィルタは排気中の粒子状物質（以下、ＰＭと称する）を捕集する。また、ＮＯｘ触媒は、その周囲雰囲気が酸化雰囲気のときにＮＯｘを吸蔵し還元雰囲気のときに吸蔵していたＮＯｘを還元する。

また、特許文献１には、上記のような内燃機関の排気浄化システムであって、排気浄化装置としてフィルタを備え、酸化機能を有する触媒としてＮＯｘ触媒を備えたものが開示されている。この特許文献１では、内燃機関の吸入空気量の変化量に基づいてフィルタにおけるＰＭの捕集状態を検出し、さらに、検出されたＰＭの捕集状態に基づいてＮＯｘ触媒への還元剤供給量を制御する。
特開２００１−１９３４４０号公報 特開２００３−８３０２９号公報

内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、該排気浄化装置より上流側の排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいては、排気浄化装置の排気浄化能力を再生させるべく再生制御が行われる。この再生制御では、触媒を活性温度にまで昇温させると共に、触媒より上流側から該触媒および排気浄化装置に還元剤を供給する場合がある。

活性温度にまで昇温された触媒に還元剤が供給されると、触媒において還元剤が酸化され酸化熱が発生する。その酸化熱によって、排気浄化装置に流入する排気が昇温される。これにより、排気浄化装置の温度を上昇させることが出来る。

また、触媒において酸化されなかった還元剤は排気浄化装置に供給される。これにより、例えば、排気浄化装置が酸化機能を有する触媒を担持したフィルタである場合、該フィルタに担持された触媒において還元剤が酸化することになる。そのため、フィルタをさらに昇温することが出来、その結果、該フィルタに捕集されたＰＭを酸化・除去することが出来る。また、排気浄化装置がＮＯｘ触媒である場合、該ＮＯｘ触媒を昇温させることが出来ると共に、その周囲雰囲気を還元雰囲気とすることが出来る。その結果、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを還元することが出来る。

しかしながら、再生制御において、触媒で酸化されずに排気浄化装置に供給される還元剤が過剰な量となると、その還元剤の一部が酸化したり還元反応に使用されたりすることなしに排気浄化装置を通過し外部に放出される虞がある。その結果、排気エミッションの悪化を招く場合がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、内燃機関の排気浄化システムにおいて、再生制御の実行中における排気エミッションの悪化を抑制することが可能な技術を提供することを課題とする。

本発明は、排気浄化装置の排気浄化能力を再生させる再生制御において、酸化機能を有する触媒より上流側から還元剤を供給することで該触媒より下流側に設けられた排気浄化装置に還元剤を供給する場合、触媒の温度および内燃機関の吸入空気量の増加率に基づいて還元剤供給量の上限値を補正するものである。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、
該排気浄化装置より上流側の前記排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、
該触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記内燃機関の吸入空気量の単位時間当たりの増加量である吸入空気量増加率を算出する増加率算出手段と、
前記触媒を活性温度にまで昇温させると共に、前記触媒より上流側から前記触媒および前記排気浄化装置に還元剤を供給することで、前記排気浄化装置の排気浄化能力を再生させる再生制御を実行する再生制御実行手段と、
前記再生制御において前記触媒および前記排気浄化装置へ還元剤を供給するときの還元剤供給量を補正する補正手段と、を備え、
前記補正手段は、還元剤供給量の上限値である上限供給量を前記触媒の温度が低いほど少なくし、また、該上限供給量を前記吸入空気量増加率が高いほど少なくすることを特徴とする。

本発明では、再生制御において触媒および排気浄化装置へ還元剤を供給する場合、補正手段によって上限供給量が補正される。

ここで、触媒より上流側から該触媒および排気浄化装置へ還元剤が供給される場合、触媒の温度が低いほど該触媒において還元剤が酸化され難くなる。そのため、排気浄化装置に還元剤が供給され易くなる。一方、吸入空気量増加率が高いほど触媒およびフィルタを通る排気流量の単位時間当たりの増加量（以下、排気流量増加率と称する）も高くなる。そして、排気流量増加率が高いほど還元剤が触媒を通過し易くなる。そのため、排気浄化装置に還元剤が供給され易くなる。また、排気流量増加率が高いほど還元剤がフィルタをも通過し易くなる。

そこで、補正手段は、触媒の温度が低いほど上限供給量をより少ない量に補正する。また、吸入空気量増加率が高いほど上限供給量をより少ない量に補正する。

これによれば、排気浄化装置への還元剤供給量が過剰な量となることを抑制することが出来る。つまり、フィルタを通過し外部に放出される還元剤の量を抑制することが出来る。従って、再生制御の実行中における排気エミッションの悪化を抑制することが出来る。

本発明においては、補正手段が前記上限供給量を設定する上限供給量設定手段を有していても良い。この場合、上限供給量設定手段は、触媒の温度が低いほど上限供給量をより少ない量に設定する。また、吸入空気量増加率が高いほど上限供給量をより少ない量に設定する。

これにより、触媒の温度が低いほど上限供給量をより少ない量に補正することが出来、また、吸入空気量増加率が高いほど上限供給量をより少ない量に補正することが出来る。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムによれば、再生制御の実行中における排気エミッションの悪化を抑制することが出来る。

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の形態について図面に基づいて説明する。

＜内燃機関とその吸排気系の概略構成＞
ここでは、本発明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。図１は、本実施例に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。

内燃機関１は車両駆動用のディーゼル機関である。この内燃機関１には、吸気通路３および排気通路２が接続されている。吸気通路３には、エアフロメータ７が設けられている。

一方、排気通路２には、排気中のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタ４（以下、単にフィルタ４と称する）が設けられている。このフィルタ４には酸化触媒が担持されている。また、このフィルタ４より上流側の排気通路２には酸化触媒５が設けられている。尚、フィルタ４に担持されている酸化触媒および酸化触媒５は酸化機能を有する触媒であれば良く、例えば、ＮＯｘ触媒であっても良い。本実施例では、フィルタ４が本発明に係る排気浄化装置を構成し、酸化触媒５が本発明に係る触媒を構成する。

また、排気通路２には、フィルタ４の前後における排気通路２内の圧力差に対応した電気信号を出力する差圧センサ１１が設けられている。さらに、排気通路２における酸化触媒５より下流側且つフィルタ４より上流側には、排気の温度に対応した電気信号を出力する温度センサ１３が設けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、この内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ１０には、エアフロメータ７および差圧センサ１１、温度センサ１３、さらに、内燃機関１のクランクシャフトの回転角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１４、および、内燃機関１を搭載した車両のアクセル開度に対応した電気信号を出力するアクセル開度センサ１５が電気的に接続されている。そして、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。

ＥＣＵ１０は、差圧センサ１１の検出値に基づいてフィルタ４におけるＰＭ捕集量を推定する。また、ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１４の検出値に基づいて内燃機関１の回転数を算出し、アクセル開度センサ１５の検出値に基づいて内燃機関１の負荷を算出する。さらに、ＥＣＵ１０は、温度センサ１３の検出値に基づいて酸化触媒５の温度を推定する。

また、ＥＣＵ１０には、内燃機関１の燃料噴射弁が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０によってこの燃料噴射弁が制御される。

＜フィルタ再生制御＞
本実施例においては、フィルタ４におけるＰＭ捕集量が第一規定捕集量以上となった場合、ＰＭを酸化・除去すべくフィルタ再生制御が開始される。ここで、第一規定捕集量とは、内燃機関１の運転状態への影響が過剰に大きくなる捕集量よりも少ない量であり、また、ＰＭが酸化したときにフィルタ４が過昇温する虞がある捕集量よりも少ない量である。この第一規定捕集量は実験等によって予め定められている。尚、本実施例では、フィルタ再生制御が本発明に係る再生制御に相当する。

本実施例に係るフィルタ再生制御では、内燃機関１から排出される排気(以下、機関排出排気と称する)を昇温させる排気昇温制御される。この排気昇温制御による機関排出排気の昇温に伴って酸化触媒５およびフィルタ４の温度が上昇する。これにより、酸化触媒５が活性温度にまで昇温される。尚、排気昇温制御としては、内燃機関１での主燃料噴射時期を遅角する制御を例示することが出来る。

さらに、本実施例に係るフィルタ再生制御では、活性状態となった酸化触媒５およびフィルタ４に還元剤として燃料を供給すべく、内燃機関１において主燃料噴射より後の時期に副燃料噴射が実行される。この副燃料噴射は、該副燃料噴射によって噴射された燃料の少なくとも一部が未燃の状態で内燃機関１から排出されるようなタイミングで実行される。

副燃料噴射が実行されることによって酸化触媒５に燃料が供給されると、該燃料が酸化触媒５において酸化され、そのときの酸化熱によって、フィルタ４に流入する排気が昇温する。これに伴い、フィルタ４の温度がさらに上昇する。

また、本実施例においては、副燃料噴射が実行されることによって酸化触媒５に供給された燃料の一部が、酸化触媒５において酸化されずに該酸化触媒５を通過する。この酸化触媒５を通過した燃料がフィルタ４に供給されることになる。そして、フィルタ４に供給された燃料は、該フィルタ４に担持された酸化触媒のよって酸化される。このときの酸化熱によってフィルタ４の温度がさらに上昇する。

このようなフィルタ再生制御によって、フィルタ４の温度が規定フィルタ温度に制御される。ここで、規定フィルタ温度とは、捕集されているＰＭを酸化・除去することが可能な温度であって、且つ、フィルタ４の劣化を抑制することが可能な温度である。この規定フィルタ温度は実験等によって予め定められている。これにより、ＰＭが酸化・除去される。

そして、フィルタ再生制御の実行開始後、フィルタ４におけるＰＭ捕集量が第二規定捕集量以下にまで減少すると、該フィルタ再生制御の実行が停止される。ここで、第二規定捕集量とは、ＰＭ捕集量が再度第一規定捕集量Ｑ１となるまでにはある程度時間がかかると判断出来る閾値となる量、即ち、ＰＭ捕集量が十分に減少したと判断出来る閾値となる量である。この第二規定捕集量も実験等によって予め定められた量である。

＜フィルタ再生制御における上限噴射量の設定＞
フィルタ再生制御において副燃料噴射を実行する場合、内燃機関１の吸入空気量および酸化触媒５の温度に基づいて副燃料噴射量の基準値である基準噴射量を算出する。この基準噴射量は、内燃機関１の運転状態が定常運転状態であればフィルタ４の温度を規定フィルタ温度に制御することが可能な量である。

ここで、内燃機関１の運転状態が、加速要求などにより吸入空気量が増加する過渡運転状態となった場合、酸化触媒５やフィルタ４を流れる排気流量も増加する。そして、内燃機関１の運転状態がこのような過渡運転状態にあるときに副燃料噴射が実行された場合、
内燃機関１の運転状態が定常運転状態にある場合よりも酸化触媒５において燃料が酸化され難くなる。また、フィルタ４に担持された酸化触媒においても燃料が酸化され難くなる。つまり、酸化触媒５およびフィルタ４を燃料が通過し易くなる。

そのため、内燃機関１の運転状態が上記のような過渡運転状態にあるときに基準噴射量を副燃料噴射量として副燃料噴射が実行された場合、フィルタ４に供給される燃料が過剰な量となる虞がある。つまり、フィルタ４を通過して外部に放出される燃料の量が過剰な量となる虞がある。そこで、本実施例では、副燃料噴射を実行するときの酸化触媒５の温度および吸入空気量増加率に基づいて、副燃料噴射量の上限値である上限噴射量を設定する。

副燃料噴射が実行された場合、酸化触媒５の温度が低いほど該酸化触媒５において燃料が酸化され難くなる。そのため、フィルタ４に燃料が供給され易くなる。一方、吸入空気量増加率が高いほど排気流量増加率も高くなり、排気流量増加率が高いほど燃料が酸化触媒５を通過し易くなる。そのため、フィルタ４に燃料が供給され易くなる。また、排気流量増加率が高いほど燃料がフィルタ４をも通過し易くなる。

そこで、本実施例では、酸化触媒５の温度が低いほど上限噴射量をより少ない量に設定する。また、吸入空気量増加率が高いほど上限噴射量をより少ない量に設定する。

＜フィルタ再生制御の制御ルーチン＞
次に、本実施例に係るフィルタ再生制御の制御ルーチンについて図２に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、規定間隔毎に実行されるルーチンである。

本ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１において、フィルタ４におけるＰＭ捕集量Ｑｐｍが第一規定捕集量Ｑ１以上であるか否かを判別する。このＳ１０１において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。

Ｓ１０２において、ＥＣＵ１０は、上述した排気昇温制御を実行する。

次に、ＥＣＵ１０は、酸化触媒５の温度Ｔｃが活性温度の下限値Ｔｃ０以上であるか否かを判別する。このＳ１０３において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０４に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０３を繰り返す。

Ｓ１０４に進んだＥＣＵ１０は、現時点での内燃機関１の吸入空気量および酸化触媒５の温度Ｔｃに基づいて基準噴射量Ｑｆｓｂａｓｅを算出する。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０５に進み、アクセル開度が増加したか否かを判別する。即ち、内燃機関１の運転状態が、吸入空気量が増加する過渡運転状態に移行するか否かを判別する。このＳ１０５において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０６に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１１４に進む。

Ｓ１０６に進んだＥＣＵ１０は、アクセル開度から要求主燃料噴射量Ｑｆｍを算出する。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０７に進み、要求主燃料噴射量Ｑｆｍを主燃料噴射量とした場合における吸入空気量の最大値Ｇａｍａｘを算出する。ここでは、先ず、要求主燃料噴射量Ｑｆｍを主燃料噴射量とした場合における内燃機関１の最高回転数Ｎｍａｘが算出さ
れる。主燃料噴射量と最高回転数Ｎｍａｘとの関係は実験等によって予め求めることが出来る。そして、要求主燃料噴射量Ｑｆｍおよび最高回転数Ｎｍａｘに基づいて吸入空気量の最大値Ｇａｍａｘが算出される。本実施例では、要求主燃料噴射量Ｑｆｍおよび最高回転数Ｎｍａｘと吸入空気量の最大値Ｇａｍａｘとの関係がマップとしてＥＣＵ１０に予め記憶されている。このマップから吸入空気量の最大値Ｇａｍａｘが算出される。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０８に進み、吸入空気量増加率ＲＧａを算出する。ここでは、吸入空気量の最大値Ｇａｍａｘから現時点での吸入空気量、即ち、主燃料噴射量が要求主燃料噴射量Ｑｆｍに増加する前の吸入空気量を減算することで吸入空気量の増加量ΔＧａを算出する。そして、この吸入空気量の増加量ΔＧａを、現時点の内燃機関１の回転数が最高回転数Ｎｍａｘにまで上昇するのにかかる時間Δｔで除算することで吸入空気量増加率ＲＧａを算出する。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０９に進み、酸化触媒５の温度Ｔｃおよび吸入空気量増加率ＲＧａに基づいて上限噴射量Ｑｆｓｍａｘを算出し、この上限噴射量Ｑｆｓｍａｘを副燃料噴射量の上限値として設定する。本実施例では、図３に示すような、酸化触媒５の温度Ｔｃおよび吸入空気量増加率ＲＧａと上限燃料噴射量Ｑｆａｍａｘとの関係を示すマップがＥＣＵ１０に予め記憶されている。このマップから上限噴射量Ｑｆｓｍａｘが算出される。このマップにおいては、酸化触媒５の温度Ｔｃが低いほど上限噴射量Ｑｆｓｍａｘがより少ない量となっている。また、吸入空気量増加率ＲＧａが高いほど上限噴射量Ｑｆｓｍａｘがより少ない量となっている。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１１０に進み、基準噴射量Ｑｆｓｂａｓｅが上限噴射量Ｑｆｓｍａｘより多いか否かを判別する。このＳ１１０において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１１１に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１１４に進む。

Ｓ１１１に進んだＥＣＵ１０は、上限噴射量Ｑｆｓｍａｘを副燃料噴射量として副燃料噴射を実行する。その後、ＥＣＵ１０はＳ１１２に進む。

一方、Ｓ１１４に進んだＥＣＵ１０は、基準噴射量Ｑｆｓｂａｓｅを副燃料噴射量として副燃料噴射を実行する。その後、ＥＣＵ１０はＳ１１２に進む。

Ｓ１１２において、ＥＣＵ１０は、フィルタ４におけるＰＭ捕集量が第二規定捕集量Ｑ２以下にまで減少したか否かを判別する。このＳ１１２において肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１１３に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０４に進む。

Ｓ１１３において、ＥＣＵ１０は、排気昇温制御および副燃料噴射を停止する。即ち、フィルタ再生制御の実行を停止する。その後、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦停止する。

以上説明した制御ルーチンによれば、フィルタ再生制御において副燃料噴射が実行される場合であって、内燃機関１の運転状態が吸入空気量が増加する過渡運転状態となる場合、上限噴射量Ｑｆｓｍａｘが設定される。

そして、この上限噴射量Ｑｆｓｍａｘは、酸化触媒５の温度Ｔｃが低いほど、また、吸入空気量増加率ＲＧａが高いほど、より少ない量に設定される。

これによれば、フィルタ４への燃料供給量が過剰な量となることを抑制することが出来る。つまり、フィルタ４を通過して外部に放出される燃料の量を抑制することが出来る。従って、フィルタ再生制御の実行中における排気エミッションの悪化を抑制することが出
来る。

＜変形例＞
次に、本実施例の変形例として、フィルタ４の代わりにＮＯｘ触媒を設けた場合について説明する。このような場合、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを還元すべくＳＯｘ被毒再生制御が行われる。尚、この場合、ＮＯｘ触媒が本発明に係る排気浄化装置を構成する。また、ＳＯｘ再生制御が本発明に係る再生制御に相当する。

ＳＯｘ被毒再生制御においても、フィルタ再生制御と同様、排気昇温制御および副燃料噴射が実行される。これらの制御によってＮＯｘ触媒が昇温されると共に、副燃料噴射によってＮＯｘ触媒に還元剤として燃料が供給される。これによって、ＮＯｘ触媒の周囲が還元雰囲気となり、ＳＯｘが還元される。

このＳＯｘ被毒再生制御においても、内燃機関１の運転状態が吸入空気量が増加する過渡運転状態のときに副燃料噴射が実行されると、燃料が酸化触媒５およびＮＯｘ触媒を通過して外部に放出され易くなる。

そこで、ＳＯｘ被毒再生制御においても、上記フィルタ再生制御の場合と同様の方法で副燃料噴射量の上限値を設定する。これにより、ＮＯｘ触媒への燃料供給量が過剰な量となることを抑制することが出来る。つまり、ＮＯｘ触媒を通過して外部に放出される燃料の量を抑制することが出来る。従って、ＳＯｘ被毒再生制御の実行中における排気エミッションの悪化を抑制することが出来る。

尚、本実施例では、内燃機関１において副燃料噴射を実行することで酸化触媒５およびフィルタ４（または、ＮＯｘ触媒）に燃料を供給する場合について説明したが、酸化触媒５より上流側の排気通路２に燃料添加弁を設け、副燃料噴射の代わりに該燃料添加弁から燃料を添加しても良い。この場合、燃料添加弁による燃料添加量の上限値を前記上限噴射量と同様の方法で設定する。

実施例に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図。 フィルタ再生制御の制御ルーチンを示すフローチャート。 酸化触媒の温度および吸入空気量増加率と上限燃料噴射量との関係を示すマップ。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・排気通路
４・・・パティキュレートフィルタ
５・・・酸化触媒
７・・・エアフロメータ
１０・・ＥＣＵ
１１・・差圧センサ
１３・・温度センサ
１４・・クランクポジションセンサ
１５・・アクセル開度センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、
   該排気浄化装置より上流側の前記排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、
   該触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記内燃機関の吸入空気量の単位時間当たりの増加量である吸入空気量増加率を算出する増加率算出手段と、
   前記触媒を活性温度にまで昇温させると共に、前記触媒より上流側から前記触媒および前記排気浄化装置に還元剤を供給することで、前記排気浄化装置の排気浄化能力を再生させる再生制御を実行する再生制御実行手段と、
   前記再生制御において前記触媒および前記排気浄化装置へ還元剤を供給するときの還元剤供給量を補正する補正手段と、を備え、
   前記補正手段は、還元剤供給量の上限値である上限供給量を前記触媒の温度が低いほど少なくし、また、該上限供給量を前記吸入空気量増加率が高いほど少なくすることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記補正手段が、前記上限供給量を設定する上限供給量設定手段を有し、
   該上限供給量設定手段は、前記触媒の温度が低いほど前記上限供給量をより少ない量に設定し、また、前記吸入空気量増加率が高いほど前記上限供給量をより少ない量に設定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化システム。

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