JP2007255304A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省エネルギ化を図り燃費の悪化を防止しつつ排気浄化触媒を良好に活性温度以上に昇温維持可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには触媒の温度を大きく速やかに上昇させる第１の昇温手段により触媒の温度を上昇させ(S12)、所定の活性下限温度以上所定温度範囲内にあるときには上記第１の昇温手段よりも小さく緩やかに上昇させる第２の昇温手段により触媒の温度を上昇させる(S16)。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気浄化装置に係り、特に、排気浄化触媒を活性温度以上にまで昇温する技術に関する。

内燃機関（エンジン）の排気通路には一般に排気浄化触媒が介装されており、当該排気浄化触媒により排気中の有害物質（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯx等）が酸化或いは還元されて除去される。
ところで、排気浄化触媒は触媒温度が活性温度（ライトオフ温度）以上の所定の温度範囲において良好に機能する特性を有し、当該活性温度未満では上記有害物質を十分に浄化することはできず、触媒温度を活性温度以上に維持することが必要とされる。

特に、最近ではＮＯxを浄化可能な吸蔵型ＮＯx触媒や選択還元型ＮＯx触媒等のＮＯx触媒が種々開発され実用化されているが、エンジンがディーゼルエンジンのようにＮＯxを排出し易いエンジンの場合にあっては、ＮＯxの大気中への拡散を確実に防止することが要求され、これらＮＯx触媒の温度を活性温度以上に維持することが極めて重要である。
しかしながら、エンジンが長期間に亘りアイドル運転状態にある場合のように低負荷運転状態が長く継続される場合には、排気温度が低いことから排気浄化触媒の温度も低下し易く、排気浄化触媒を上記活性温度以上の温度に維持し難いという問題がある。

そこで、例えばアイドル運転時において、排気浄化触媒を活性温度以上の温度に維持すべく強制的に排気昇温を行う技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１３２２２４号公報

ところで、上記特許文献に開示される技術では、排気通路に設けた排気ブレーキ（バタフライ弁）を閉作動させたり、燃料供給量を増量する等して排気温度を上昇させて触媒を昇温させるようにしている。これにより、排気浄化触媒を速やかにして高温域にまで昇温可能である。
しかしながら、排気ブレーキを閉作動させるとエンジン出力の低下を伴い、燃料供給量を増量すると燃料消費量が増大して燃費の悪化を招くという問題がある。

この点に関し、上記特許文献に開示される技術では、上記排気昇温操作を間欠的に実施するようにしているが、排気ブレーキを閉作動させたり燃料消費量を増大させる以上、燃費の悪化を改善できるとはいい難い。
一方、吸気通路に設けた吸気絞り弁を閉作動させると、エンジン出力の低下や燃料消費量の増大をほとんど伴わず、燃費をそれほど悪化させることもなく低エネルギで排気昇温可能であることが知られており、上記問題を回避するには吸気絞り弁を閉作動させることが考えられる。

しかしながら、吸気絞り弁を閉作動させる手法は、筒内圧が低下して筒内温度がそれほど高くならないために昇温が緩やかであり、上記排気ブレーキの閉作動や燃料供給量の増量ほど排気浄化触媒を速やかに且つ高温域まで昇温させることができないという欠点がある。
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、省エネルギ化を図り燃費の悪化を防止しつつ排気浄化触媒を活性温度以上に昇温維持可能な排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排出ガスを浄化する触媒と、前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、前記触媒の温度を大きく速やかに上昇させる第１の昇温手段と、前記触媒の温度を前記第１の昇温手段よりも小さく緩やかに上昇させる第２の昇温手段と、前記触媒温度検出手段により検出される前記触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには前記第１の昇温手段により前記触媒の温度を上昇させ、前記所定の活性下限温度以上所定温度範囲内にあるときには前記第２の昇温手段により前記触媒の温度を上昇させる昇温制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の排気浄化装置では、請求項１において、前記第１の昇温手段は、前記第２の昇温手段よりも昇温到達温度が高く且つ昇温速度が大きいことを特徴とする。
請求項３の排気浄化装置では、請求項１または２において、内燃機関の排気通路には排気流量を調節する排気絞り弁を有し、内燃機関がアイドル運転状態にあるとき、前記第１の昇温手段は、前記排気絞り弁の排気絞り操作及び内燃機関のアイドル回転速度の上昇操作の少なくともいずれか一方であることを特徴とする。

請求項４の排気浄化装置では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、内燃機関の吸気通路には吸気流量を調節する吸気絞り弁を有し、前記第２の昇温手段は、前記吸気絞り弁の吸気絞り操作であることを特徴とする。

請求項１の排気浄化装置によれば、昇温制御手段により、触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには第１の昇温手段により大きく速やかに触媒の温度を上昇させ、所定の活性下限温度以上所定温度範囲内にあるときには第２の昇温手段により触媒の温度を小さく緩やかに上昇させるようにしたので、触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには触媒の温度を急速に活性温度にまで確実に上昇させるようにでき、触媒の温度が所定の活性下限温度以上所定温度範囲内のときには触媒の温度を緩やかな昇温で低エネルギにて活性温度以上に維持することができる。

これにより、全体として省エネルギ化を図りながら排気浄化触媒を良好に活性温度以上に昇温維持可能である。
請求項２の排気浄化装置によれば、触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには触媒の温度を高い昇温到達温度且つ大きな昇温速度で急速に活性温度にまで確実に上昇させるようにでき、触媒の温度が所定の活性下限温度以上所定温度範囲内のときには触媒の温度を比較的低い昇温到達温度且つ比較的小さな昇温速度の昇温で低エネルギにて活性温度以上に良好に維持することができる。

請求項３の排気浄化装置によれば、内燃機関がアイドル運転状態にある場合、触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには触媒の温度を排気絞り弁の排気絞り操作及び内燃機関のアイドル回転速度の上昇操作の少なくともいずれか一方を行うことで急速に活性温度にまで確実に上昇させるようにでき、触媒の温度が所定の活性下限温度以上所定温度範囲内のときには触媒の温度を緩やかな昇温で低エネルギにて活性温度以上に良好に維持することができる。

請求項４の排気浄化装置によれば、触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには触媒の温度を急速に活性温度にまで確実に上昇させるようにでき、触媒の温度が所定の活性下限温度以上所定温度範囲内のときには触媒の温度を吸気絞り弁の吸気絞り操作を行うことにより緩やかな昇温で低エネルギにて燃費の悪化少なく活性温度以上に良好に維持することができる。

特に、第１の昇温手段が排気絞り弁の排気絞り操作や内燃機関のアイドル回転速度の上昇操作である場合には燃費悪化を伴うのであるが、触媒の温度を活性温度以上に維持するだけであれば第２の昇温手段としてこのような排気絞り弁の排気絞り操作や内燃機関のアイドル回転速度の上昇操作は必要なく、第２の昇温手段として燃費悪化の小さい吸気絞り弁の吸気絞り操作を行うことにより、触媒の温度を燃費の悪化少なく活性温度以上に良好に維持することができる。

これにより、全体として省エネルギ化を図り燃費の悪化を防止しつつ排気浄化触媒を良好に活性温度以上に昇温維持することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明に係る排気浄化装置の一実施形態を説明する。
図１は本発明に係る排気浄化装置を含む内燃機関全体のシステム構成図であり、図１において、符号１は、例えばコモンレール式ディーゼルエンジンを示し、符号１０は、エンジン制御装置の主要部をなす電子コントロールユニット（以下、ＥＣＵという）を示す。
詳細な図示を省略するが、コモンレール式ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１は、ニードル弁ならびにこのニードル弁の先端側および基端側に設けられた燃料室および制御室を有した燃料インジェクタを気筒毎に備え、燃料室および制御室は燃料通路を介して蓄圧室に接続され、制御室は燃料戻し通路を介して燃料タンクに接続されている。そして、ＥＣＵ１０の制御下で、燃料インジェクタに設けられた電磁弁が開くと、蓄圧室内から供給された高圧燃料が燃料インジェクタを通じてエンジン１の燃焼室に噴射され、電磁弁が閉じると燃料噴射が終了するものとなっており、このように電磁弁の開閉弁時期を制御することで燃料噴射開始・終了時期（燃料噴射量）が調節される。

エンジン１は、吸気マニホールド１１に接続された吸気管（吸気通路）１２と、排気マニホールド１３に接続された排気管（排気通路）１４とを有している。吸気管１２の途中には、過給機２０のコンプレッサ２１とインタークーラ３１と吸気スロットル弁（吸気絞り弁）３２が配されている。吸気スロットル弁３２の開度はＥＣＵ１０により可変調整される。一方、排気管１４の途中には、過給機２０のタービン２２、排気ブレーキ（排気絞り弁）１５、軽油添加インジェクタ５０、後処理装置４０および図示しないマフラが設けられている。

図１中、符号３６は、排気マニホールド１３から吸気管１２に延びるＥＧＲ通路を示し、このＥＧＲ通路３６を介して排ガスの一部がＥＧＲガスとしてエンジン１に供給される。ＥＧＲ通路３６の途中には、ＥＧＲガスを冷却してエンジン１へのガス充填密度を高めるＥＧＲクーラ３７とＥＧＲガスのエンジン１への供給および供給遮断のためのＥＧＲ弁３８とが設けられている。ＥＧＲ弁３８はＥＣＵ１０により開閉制御または開度調整される。

後処理装置４０は、パティキュレートマター（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４１と、当該ＤＰＦ４１の前段に位置して酸化雰囲気（リーン空燃比）で排ガス中のＮＯxを吸蔵するとともに還元雰囲気（リッチ空燃比）で吸蔵させたＮＯxを放出し還元除去（ＮＯxパージ）するＮＯｘ吸蔵触媒（吸蔵型ＮＯx触媒）４２と、ＤＰＦ４１の後段に位置して余剰のＨＣ、ＣＯを酸化除去する後段触媒４３とを備えて構成されている。そして、後処理装置４０の前段には軽油添加インジェクタ５０が設けられている。

軽油添加インジェクタ５０は、ＮＯｘ吸蔵触媒４２のＮＯxパージ時にはＮＯｘ吸蔵触媒４２に対し還元雰囲気の生成及びＮＯxの還元剤として、或いはＤＰＦ４１に捕集されたＰＭを燃焼除去するＤＰＦ４１の強制再生時には前段のＮＯx吸蔵触媒４２を昇温させることでＤＰＦ４１を昇温させるように、排ガス中に軽油（ＨＣ）を噴射するものであり、ＥＣＵ１０により駆動制御される。

図１中、符号６０は触媒出口排気温度センサ（触媒温度検出手段）であり、当該触媒出口排気温度センサ６０は、ＮＯｘ吸蔵触媒４２とＤＰＦ４１との間に挿入された温度検出端を有し、ＮＯｘ吸蔵触媒４２の出口側における排気温度（触媒温度、特にＮＯｘ吸蔵触媒４２の温度）を検出可能である。
さらに、ＥＣＵ１０には負荷センサ６１、クランク角センサ６２などの各種センサ類が接続されている。負荷センサ６１は、図示しないアクセルペダルの踏込量すなわちアクセル開度をエンジン負荷として検出し、クランク角センサ６２は、クランク角を検出することでエンジン１のクランクシャフト（図示せず）の回転をエンジン回転速度Ｎeとして検出するものである。

これより、ＥＣＵ１０は、負荷センサ６１により検出されたエンジン負荷とクランク角センサ６２により検出されたエンジン回転速度Ｎeとに基づいてエンジン１の運転領域を判別し、エンジン運転領域に応じてエンジン１の各燃料インジェクタの電磁弁をオンオフして燃料噴射タイミングおよび燃料噴射量を制御可能である。
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用及び効果について説明する。

図２を参照すると、本発明に係る排気浄化装置における触媒昇温維持制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに基づき説明する。
ステップＳ１０では、触媒出口排気温度センサ６０からの温度情報に基づき、触媒温度が活性下限温度Ｔa未満であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で触媒温度が活性下限温度Ｔa未満である場合には、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、昇温優先制御を実施する。即ち、触媒温度を活性下限温度Ｔaにまで上昇させる制御を実施する（第１の昇温手段）。
具体的には、排気ブレーキ１５を閉弁側に操作（排気絞り操作）して排気流量を絞り、排気圧を上昇させることでエンジン負荷を増大させ、この負荷増大分だけエンジン１への燃料供給量を増大させることによって排気温度を上昇させ、触媒温度を大きく速やかに上昇させる。

特にエンジン１がアイドル運転状態にある場合には、このように排気ブレーキ１５を閉弁側に操作してもよいし、燃料インジェクタから噴射する燃料量を増量し（アイドル回転速度の上昇操作）、燃焼温度を上昇させることで触媒温度を大きく速やかに上昇させるようにしてもよい。或いは、排気ブレーキ１５を閉弁側に操作するとともに併せてアイドルアップを行うようにしてもよい。

これにより、触媒温度が活性下限温度Ｔaにまで急速に上昇する。
一方、ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）で触媒温度が活性下限温度Ｔa以上である場合には、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、触媒温度が活性下限温度Ｔa以上所定温度範囲内にあるか否かを判別する。即ち、触媒温度が活性下限温度Ｔaを超えて当該活性下限温度Ｔa近傍の所定温度範囲内にあるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で触媒温度が活性下限温度Ｔa以上所定温度範囲内にある場合には、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、昇温維持制御を実施する。即ち、触媒温度を活性下限温度Ｔa以上に維持する制御を実施する（第２の昇温手段）。
具体的には、吸気スロットル弁３２を閉弁側に操作（吸気絞り操作）して吸気流量を絞り、筒内の空気過剰率減少による燃焼温度の増大を図るとともに全体として排気流量を減らしてＮＯｘ吸蔵触媒４２等からの熱の持ち去りを抑制して触媒温度を小さく緩やかに上昇させる。即ち、触媒温度をもはや急速に上昇させないようにして触媒温度の温度低下の防止を図る。

これにより、触媒温度が良好に活性下限温度Ｔa以上に維持される。
一方、ステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）で触媒温度が所定温度範囲にない場合や所定温度範囲を脱した場合には、ステップＳ１８に進み、昇温優先制御は勿論のこと昇温維持制御を中止し、それ以上触媒温度が上昇しないようにする。
ところで、図３を参照すると、排気温度Ｔexの時間変化が排気ブレーキ１５を閉弁側に操作した場合（実線）と吸気スロットル弁３２を閉弁側に操作した場合（破線）とで比較して示されており、図４を参照すると、燃費と排気昇温量ΔＴexとの関係が排気ブレーキ１５を閉弁側に操作した場合（実線）と吸気スロットル弁３２を閉弁側に操作した場合（破線）とで比較して示されているが、これらの図によれば、排気ブレーキ１５を閉弁側に操作した場合（実線）には、吸気スロットル弁３２を閉弁側に操作した場合よりも昇温到達温度が高く且つ温度勾配ｄＴex／ｄｔが値Ｘ1と大きく昇温速度が大きい一方、燃費の悪化を招き、吸気スロットル弁３２を閉弁側に操作した場合（破線）には昇温到達温度が比較的低く且つ温度勾配ｄＴex／ｄｔが値Ｘ2（＜Ｘ1）と小さく昇温速度が比較的小さい一方、それほど燃費が悪化しないことがわかる。なお、排気ブレーキ１５の閉弁側への操作（実線）についてはアイドルアップと置き換えることもできる。

つまり、排気ブレーキ１５を閉弁側に操作する場合或いはアイドルアップを行う場合には昇温に有利である一方、燃費が悪く高エネルギを必要とするのに対し、吸気スロットル弁３２を閉弁側に操作する場合にはそれほど昇温は期待できない一方、それほど燃費が悪くないために低エネルギで足りることがわかる。
本発明に係る排気浄化装置の触媒昇温維持制御について見れば、上記のように活性下限温度Ｔaに達するまでの昇温優先制御では、排気ブレーキ１５を閉弁側に操作し或いはアイドルアップを行って触媒温度を大きく速やかに上昇させており、一方活性下限温度Ｔaに達した後の昇温維持制御では、吸気スロットル弁３２を閉弁側に操作して触媒温度を小さく緩やかに上昇させている。

従って、昇温優先制御においては昇温を優先して触媒温度を急速に上昇させることが可能であり、昇温維持制御においては触媒温度を燃費の悪化少なく低エネルギで上昇させるようにして良好に活性下限温度Ｔa以上に維持することが可能である。
ここで、図５を参照すると、上記触媒昇温維持制御を実施した場合の触媒温度Ｔcatの時間変化の一例がタイムチャートで示され、図中「昇」が昇温優先制御の期間を示し、「維」が昇温維持制御の期間を表しているが、上記触媒昇温維持制御を実施することで、同図に示すように、コールドスタート期間（冷態始動時）やアイドル運転が長期間に亘り継続したときのように触媒温度が活性下限温度Ｔa未満である場合には、昇温優先制御が実施されて触媒温度が急速に上昇し、当該昇温優先制御が実施され或いは有負荷運転（加速運転等）が実施されて触媒温度が活性下限温度Ｔa以上所定温度範囲内である場合には、昇温維持制御が実施されて燃費の悪化少なく低エネルギにて触媒温度が良好に活性下限温度Ｔa以上に維持される。

これにより、本発明に係る排気浄化装置によれば、全体として省エネルギ化を図り燃費の悪化を防止しつつ後処理装置４０、特にＮＯｘ吸蔵触媒４２を良好に活性下限温度Ｔa以上に昇温維持することができる。
故に、排気中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯx等を後処理装置４０によって常に良好に浄化することができる。

以上で本発明に係る排気浄化装置の一実施形態の説明を終えるが、本発明の実施形態は上記に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、後処理装置４０をＤＰＦ４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２及び後段触媒４３で構成した場合を例に説明したが、触媒等の組み合わせはこれに限られるものではなく、吸蔵型ＮＯx触媒であるＮＯｘ吸蔵触媒４２に代えて選択還元型ＮＯx触媒（Selective Catalytic Reduction ＮＯx触媒、略してＳＣＲ触媒）を用いるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、昇温優先制御において排気ブレーキ１５の閉弁側への操作さやアイドルアップを行うようにしているが、触媒温度を急速に上昇させることができればこれらに限られるものではない。また、昇温維持制御において吸気スロットル弁３２の閉弁側への操作を行うようにしているが、触媒温度を燃費の悪化少なく低エネルギで活性下限温度Ｔa以上に維持できればこれに限られるものではない。

本発明に係る排気浄化装置を含む内燃機関全体のシステム構成図である。 本発明に係る触媒昇温維持制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 排気温度Ｔexの時間変化を排気ブレーキを閉弁側に操作した場合（実線）と吸気スロットル弁を閉弁側に操作した場合（破線）とで比較して示す図である。 燃費と排気昇温量ΔＴexとの関係を排気ブレーキを閉弁側に操作した場合（実線）と吸気スロットル弁を閉弁側に操作した場合（破線）とで比較して示す図である。 本発明に係る触媒昇温維持制御を実施した場合の触媒温度Ｔcatの時間変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ エンジン（ディーゼルエンジン）
１０ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
１５ 排気ブレーキ（排気絞り弁）
３２ 吸気スロットル弁（吸気絞り弁）
４０ 後処理装置
４２ ＮＯｘ吸蔵触媒
６０ 触媒出口排気温度センサ（触媒温度検出手段）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排出ガスを浄化する触媒と、
   前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記触媒の温度を大きく速やかに上昇させる第１の昇温手段と、
   前記触媒の温度を前記第１の昇温手段よりも小さく緩やかに上昇させる第２の昇温手段と、
   前記触媒温度検出手段により検出される前記触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには前記第１の昇温手段により前記触媒の温度を上昇させ、前記所定の活性下限温度以上所定温度範囲内にあるときには前記第２の昇温手段により前記触媒の温度を上昇させる昇温制御手段と、
   を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記第１の昇温手段は、前記第２の昇温手段よりも昇温到達温度が高く且つ昇温速度が大きいことを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
3. 内燃機関の排気通路には排気流量を調節する排気絞り弁を有し、
   内燃機関がアイドル運転状態にあるとき、前記第１の昇温手段は、前記排気絞り弁の排気絞り操作及び内燃機関のアイドル回転速度の上昇操作の少なくともいずれか一方であることを特徴とする、請求項１または２記載の排気浄化装置。
4. 内燃機関の吸気通路には吸気流量を調節する吸気絞り弁を有し、
   前記第２の昇温手段は、前記吸気絞り弁の吸気絞り操作であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の排気浄化装置。

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