JP3925273B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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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制御に関し、特に、ＮＯｘ浄化制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた内燃機関においては、ＮＯｘトラップ触媒にトラップされるＮＯｘの堆積量が大きくなると、空燃比をリッチにしてＮＯｘを還元するようにしている。
【０００３】
従来、機関運転状態（機関回転速度及び燃料噴射量）に応じて決定される所定の加算量を一定時間毎に加算する積算処理を行って、ＮＯｘトラップ触媒に堆積するＮＯｘ量を演算するようにしたものがある（特開２０００−１３０１５４号参照）。
ところで、機関から排出されるＮＯｘ排出量は機関に吸収される作動ガス（吸入空気量及びＥＧＲガス）中の空気量に依存しており、作動ガス中の空気量が大きいほど燃焼速度が速くなって前記ＮＯｘ排出量は増加する。そして、吸気絞り弁、ＥＧＲ弁、過給機等によって吸入空気量及びＥＧＲ量を制御する際、過渡状態では吸入空気量及びＥＧＲ量の実際値が目標値に対して遅れを伴うため、前記ＮＯｘ排出量は定常状態と過渡状態とで異なる値となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術のように機関回転速度と燃料噴射量だけでＮＯｘ堆積量を推定していると、作動ガス中の空気量の遅れを考慮することにならないため、過渡状態では推定値と実際値との間に差異が生じるといった問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
内燃機関の排気通路に配置され、排気空燃比がリーンのとき流入する排気中のＮＯｘをトラップし、排気空燃比がリッチのときトラップしたＮＯｘを脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒と、
前記ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ総量に応じて排気空燃比をリッチにする空燃比制御手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
予め求められた機関に吸入される作動ガス中の空気量と機関が排出する単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量との相関に基づき、機関に吸入される作動ガス中の空気量に応じて機関が排出する単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量を算出し、この単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量から求められる単位時間当たりのＮＯｘ排出量に基づいて前記ＮＯｘトラップ総量を推定する一方、前記単位時間当たりのＮＯｘ排出量を前記ＮＯｘトラップ触媒にトラップされる単位時間当たりのＮＯｘトラップ量とみなし、該単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を前記ＮＯｘトラップ総量の大きさに応じて補正するＮＯｘトラップ総量推定手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００６】
請求項１に係る発明によると、
既述のように、単位出力単位時間当たりに機関から排出されるＮＯｘ量は、機関に流入する作動ガス中の空気量に相関し、該空気量は過渡運転時に大きく変化する（図２参照）。
したがって、該作動ガス中の空気量に応じて算出した単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量から求められる単位時間当たりのＮＯｘ排出量に基づいて、過渡運転時でも精度良くＮＯｘトラップ総量を推定できる。これにより、排気空燃比リッチ制御によるＮＯｘの還元処理を開始するタイミングを適切に設定でき、排気浄化性能が向上する。
また、ＮＯｘ排出量をＮＯｘトラップ量とみなすことで、ＮＯｘトラップ総量を容易に推定することができる。
【０００７】
また、ＮＯｘトラップ触媒は、排気中のＮＯｘを硫酸塩として化学的にトラップするため、ＮＯｘトラップ総量の増加に伴い、単位時間にトラップできるＮＯｘ量も減少する。そこで、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、ＮＯｘトラップ総量の大きさに応じて補正することにより精度良く推定することができる。
また、請求項２に係る発明は、
運転状態に基づいて機関出力を演算する機関出力演算手段を備え、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量に機関出力を乗じて単位時間当たりのＮＯｘ排出量を演算し、この単位時間あたりのＮＯｘ排出量を積算して前記ＮＯｘトラップ総量を推定することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明によると、
作動ガス中の空気量に応じて先に算出した単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量に、機関出力を乗じることで容易に単位時間当たりのＮＯｘ排出量に換算でき、この単位時間当たりのＮＯｘ排出量を積算することにより、ＮＯｘトラップ総量を推定することができる。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、
前記機関出力演算手段は、機関回転速度と燃料噴射量とを乗じた値に基づいて前記機関出力を演算することを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
機関出力は、機関回転速度と機関トルクとを乗じて算出されるが、このうち機関トルクは、燃料噴射量に略比例し強い相関がある。機関回転速度は、クランク軸に取り付けられた回転速度センサから、燃料噴射量は燃料噴射弁への通電時間（パルス幅）から容易に検出可能であり、比較的簡単に機関出力相当値を演算できる。したがって、機関回転速度と燃料噴射量とから演算した機関出力相当値で置き換えることで、簡素な演算によりＮＯｘ排出量を十分な精度で推定することができる。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は、
機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記吸入空気量が前記作動ガス中の空気量とみなすことを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
例えば、吸気絞り弁開度が一定であっても、ＥＧＲ量が変化することにより、そのＥＧＲ量の変化に伴って吸入空気量も変化するので、吸入空気量を検出して検出値を作動ガス中の空気量とみなすことにより、過渡運転時でも高精度に作動ガス中の空気量に応じた単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量を算出することができる。
【００１２】
また、請求項５に係る発明は、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、前記単位時間当たりのＮＯｘ排出量の大きさに応じて補正することを特徴とする。
請求項５に係る発明によると、
ＮＯｘトラップ触媒は、その触媒担体上に担持されたトラップ剤に一時的にＮＯｘを保持する。そのトラップ剤が排気と接する表面積は有限であり、よって、単位時間当たりにトラップできるＮＯｘ量も限られている。即ち、トラップ能力を超えたＮＯｘ量が機関から排出されると、その一部のみがトラップされることになる。そこで、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、単位時間当たりのＮＯｘ排出量の大きさに応じて補正することにより精度良く推定することができる。
【００１３】
また、請求項６に係る発明は、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、前記単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を機関の排気流量の大きさに応じて補正することを特徴とする。
請求項６に係る発明によると、
上述したように、トラップ剤が排気と接する表面積は有限であるため、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量は、排気流量の影響も受けることになる。すなわち、単位時間当たりのＮＯｘ排出量が同一であっても、排気流量が大きくなってくると相対的にトラップされるＮＯｘ量は減少してくる。そこで、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、排気流量の大きさに応じて補正することにより精度良く推定することができる。
【００１４】
また、請求項７に係る発明は、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、機関回転速度と燃料噴射量とに基づき前記排気流量を演算する排気流量演算手段を有することを特徴とする。
請求項７に係る発明によると、
排気流量を機関回転速度と燃料噴射量から簡易に推定演算することができる。
【００１６】
また、請求項８に係る発明は、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を前記ＮＯｘトラップ触媒の担体温度に応じて補正することを特徴とする。
請求項８に係る発明によると、
ＮＯｘトラップ触媒の単位時間当たりのトラップ量は、触媒担体温度の関数である。そこで、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、ＮＯｘトラップ触媒の担体温度に応じて補正することにより精度良く推定することができる。
【００１７】
また、請求項９に係る発明は、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、機関の冷却水温に基づき前記担体温度を演算する担体温度演算手段を有することを特徴とする。
請求項９に係る発明によると、
冷間時のＮＯｘトラップ触媒の触媒担体温度は、機関冷却水温との相関が強い。そこで、一般的でかつ容易に検出可能な機関冷却水温を用いて触媒担体温度を推定演算することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、過給機付ディーゼルエンジンのシステム図である。
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及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（以下噴射圧という）を可変に制御できる。
【００１９】
過給機４のコンプレッサ４ａは吸気通路５に接続されており、駆動されて圧縮空気をエンジン本体１に供給する。
過給機４のタービン４ｂは排気通路６に接続されており、エンジン本体１からの排気により回転されて前記コンプレッサ４ａを駆動する。
吸気通路５には、前記過給機４のコンプレッサ４ａの上流側に配設されたエアフローメータ７と、吸気絞り弁８とが設けられている。
【００２０】
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と過給機のタービン４ｂとの間から分岐して吸気通路５に接続するＥＧＲ通路９と、該ＥＧＲ通路９に介装されたＥＧＲ弁１０と、前記過給機４のタービン４ｂの下流側に配設されたＮＯｘトラップ触媒１１が設けられている。
【００２１】
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。
前記ＮＯｘトラップ触媒１１は、排気中のＮＯｘをトラップしつつ還元浄化する。
【００２２】
各種状態を検出するセンサとして、吸入空気量Ｑａｓ０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１２、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１３、冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１４、前記ＮＯｘトラップ触媒１１の触媒担体温度を検出する熱電対１５等が設けられる。
【００２３】
コントロールユニット２０は、前記各種センサからの検出信号に基づいて前記燃料噴射弁３の駆動制御、前記吸気絞り弁８及びＥＧＲ弁１０の開度制御を行う。また、特に、本発明に係る制御として、前記ＮＯｘトラップ触媒１１にトラップされたＮＯｘを空燃比をリッチ化して還元浄化するに際し、トラップされたＮＯｘの総量を正確に推定する。
【００２４】
上記ＮＯｘトラップ総量を推定するルーチンを、図３のフローチャートにしたがって、説明する。
ステップ１では、前記回転速度センサ１２によって検出されたエンジン回転速度Ｎｅ、アクセル開度センサ１３で検出されたアクセル開度Ａｃｃと前記エンジン回転速度Ｎｅとに基づいてマップからの参照等により設定された燃料噴射量Ｑｆ、エアフローメータ７によって検出された吸入空気量Ｑａｓ０に基づき後述するように演算される単位時間あたりの吸入空気量Ｑac＿mg＿s、熱電対１５によって検出されたＮＯｘトラップ触媒１１の触媒担体温度Ｔｂｅｄ（または、水温センサ１４によって検出された冷却水温Ｔｗ）を読み込む。
【００２５】
ステップ２では、例えば図４に示したような単位時間あたりの吸入空気量Ｑac＿mg＿sとＮＯｘ量との相関を表したテーブルから、エンジン１から排出される単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量：ＮＯｘ＿g＿kw＿20msを演算する。このＮＯｘ排出量の単位は、ｇ／ｋＷ／２０ｍｓ（２０ｍｓｅｃ．ｊｏｂの場合）である。図示のように、既述した特性に合わせて吸入空気量Ｑａｃが大きくなるほど、ＮＯｘ＿g＿kw＿20msが大きくなるように設定してある。
【００２６】
ステップ３では、ステップ２で演算したＮＯｘ＿g＿kw＿20msと、そのときのエンジン出力Ｐｅとの積によりエンジン１から排出される単位時間当たりのＮＯｘ排出量を演算し、これをＮＯｘトラップ触媒１１にトラップされる単位時間あたりのＮＯｘトラップ量：ＮＯｘ＿g＿20msとする。ここでは、ステップ１で検出した燃料噴射量Ｑｆをエンジントルクとみなし、以下の式によりエンジンの出力相当値Ｐｅを演算してもよい。
【００２７】
Ｐｅ＝Ｎｅ×Ｑｆ
ステップ４では、例えば、図５に示すようなテーブルにより単位時間当たりのＮＯｘ排出量による補正係数ｋＮＯｘ＿eoeを演算する。他の方法としては、エンジンの排気流量とＮＯｘトラップ量との関係を考慮した、図６に示すようなテーブルにより演算したｋＮＯｘ＿qexhや、運転条件によりＮＯｘトラップ量が変化することを考慮した、図７に示すようなマップにより演算したｋＮＯｘ＿ne＿qfに置き換えることができる。
【００２８】
ステップ５では、ＮＯｘトラップ量が触媒担体温度に依存することを考慮して、図８に示すようなテーブルにより、補正係数ｋＮＯｘ＿bedを演算する。他の方法としては、図９に示すように、触媒担体温度とエンジン冷却水温との相関性をりようして、図１０に示すようなテーブルにより、ｋＮＯｘ＿twを演算し、ｋＮＯｘ＿bedと置き換えることができる。
【００２９】
ステップ６では、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量が、それまでに触媒へトラップされたＮＯｘの総量：ＮＯｘ＿trapの影響を受けることを考慮した図１１に示すようなテーブルにより補正係数ｋＮＯｘ＿trapを演算する。
ステップ７では、ステップ１〜６にて演算した各補正係数を乗算し、最終補正係数ｋＮＯｘを演算する。
【００３０】
ステップ８では、次式のように、前回までのＮＯｘトラップ総量（図でＮＯｘ＿trap(n-1)：n-1は前回の演算結果を示す）に、ステップ３で演算した今回の単位時間当たりのＮＯｘトラップ量：ＮＯｘ＿g＿20msと、ステップ７で演算した最終補正係数：ｋＮＯｘとの積を加算し、今回のＮＯｘトラップ総量：ＮＯｘ＿trapを演算する。
【００３１】
ＮＯｘ＿trap＝ＮＯｘ＿trap(n-1)＋ＮＯｘ＿g＿20ms×ｋＮＯｘ
次に、前記単位時間あたりの吸入空気量Ｑac＿mg＿sを演算するルーチンを、図１２のフローチャートにしたがって、説明する。
ステップ１１では、エンジン回転速度Ｎｅとエアフローメータ７により検出される吸入空気量Ｑａｓ０とを読み込み、ステップ１２ではこれらの値に基づいて、次式により１シリンダあたりの吸入空気量Ｑａｃ０を演算する。
【００３２】
Ｑａｃ０＝（Ｑａｓ０／Ｎｅ）×ＫＣＯＮ♯
ただし、ＫＣＯＮ♯：気筒数に応じて定まる定数
図１に示したように、エアフローメータ７はコンプレッサ４ａ上流の吸気通路５に設けており、該エアフローメータ７からコンプレッサ４ａ下流のコレクタ部までの遅れ処理を行うため、ステップ１３では、Ｌ（ただし、Ｌは整数の定数）回前のＱａｃ０の値をコレクタ入口部における１シリンダあたりの吸入空気量Ｑａｃｎとして求めている。
【００３３】
そして、ステップ１４では、このＱａｃｎに対して、次式（一次遅れの式）により吸気弁位置における１シリンダあたりの吸入空気量Ｑａｃを演算する。
Ｑａｃ＝Ｑａｃn-1×（１−ＫＩＮ×ＫＶＯＬ）＋Ｑａｃｎ×ＫＩＮ×ＫＶＯＬ
ただし、ＫＩＮ：体積効率相当値（ＥＧＲによる体積効率の変化を補正するための値）
ＫＶＯＬ：ＶＥ／ＮＣ／ＶＭ
ＶＥ：排気量
ＮＣ：気筒数
ＶＭ：吸気系容積
Ｑａｃn-1：前回のＱａｃ
これは、コレクタ入口部から吸気弁までのダイナミクスを補償するためのものである。
【００３４】
さらに、ステップ１５では、１シリンダあたりの吸入空気量Ｑａｃを単位時間あたりの吸入空気量Ｑac＿mg＿sに変換する。
Ｑac＿mg＿s＝Ｑａｃn-1×Ｋｎ♯×｛Ｎｅ／（６０×２）｝
ただし、Ｋｎ♯：定数（４気筒の場合４、６気筒の場合６）
このように、作動ガス中の空気量（吸入空気量）に基づいて算出した単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量に機関出力を乗じて単位時間当たりのＮＯｘ排出量を求め、該単位時間当たりのＮＯｘ排出量に各種補正を行って算出した単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を積算することで、過渡運転時にも高精度にＮＯｘトラップ総量を推定演算できる。
【００３５】
そして、上記にように高精度に推定演算されたＮＯｘトラップ総量に基づいて、ＮＯｘトラップ触媒の再生時期を適切に設定して、空燃比リッチ化による再生処理を行うことができ、ＮＯｘを含めた排気汚染成分を効率よく浄化することができる。
なお、本実施形態では、単位出力単位時間あたりのＮＯｘ排出量ＮＯｘ＿g＿kw＿20msを演算するのに際して、吸入空気量の遅れを正確に把握するために、エアフローメータの検出値Ｑａｓ０に基づき演算される単位時間あたりの吸入空気量Ｑac＿mg＿sを用いたが、エアフローメータの検出値Ｑａｓ０をそのものをそのまま用いてもよい。
【００３６】
すなわち、図２に示したように、吸入空気量は燃料噴射量Ｑｆとエンジン回転速度Ｎｅとの変化に応じて一点鎖線で示したｔＱａのように変化することが望ましいが、実際は遅れを伴うためＱac＿mg＿sのように変化する。ここで、エアフローメータの検出値Ｑａｓ０を用いてＮＯｘ＿g＿kw＿20msを演算する場合であっても吸入空気量の遅れを把握することができ、Ｑac＿mg＿sを用いて演算する場合より、吸入空気量の遅れを検出する精度は２０％程度低下することになるが、制御ロジックの簡素化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置のシステム構成を示す図。
【図２】過渡運転時の燃料噴射量、機関回転速度、吸入空気量、ＮＯｘ排出量の変化を示す図。
【図３】本発明の一実施形態の制御を示すフローチャート。
【図４】吸入空気量と単位時間当たりのＮＯｘ排出量との関係を示す図。
【図５】単位時間当たりのＮＯｘ排出量により補正係数を求めるためのマップ。
【図６】排気流量により補正係数を求めるためのマップ。
【図７】機関回転速度と燃料噴射量により補正係数を求めるためのマップ。
【図８】機関始動後の触媒担体温度と機関冷却水温との関係を示す図。
【図９】触媒担体温度により補正係数を求めるためのマップ。
【図１０】機関冷却水温により補正係数を求めるためのマップ。
【図１１】ＮＯｘトラップ総量により補正係数を求めるためのマップ。
【図１２】単位時間あたりの吸入空気量を求めるためのフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン本体
３ 燃料噴射弁
４ 過給機
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 ＮＯｘトラップ触媒
１２ 回転速度センサ
１３ アクセルセンサ
１４ 水温センサ
１５ 熱電対
２０ コントロールユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化制御に関し、特に、ＮＯｘ浄化制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流入する排気の空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離、浄化するＮＯｘトラップ触媒を備えた内燃機関においては、ＮＯｘトラップ触媒にトラップされるＮＯｘの堆積量が大きくなると、空燃比をリッチにしてＮＯｘを還元するようにしている。
【０００３】
従来、機関運転状態（機関回転速度及び燃料噴射量）に応じて決定される所定の加算量を一定時間毎に加算する積算処理を行って、ＮＯｘトラップ触媒に堆積するＮＯｘ量を演算するようにしたものがある（特開２０００−１３０１５４号参照）。
ところで、機関から排出されるＮＯｘ排出量は機関に吸収される作動ガス（吸入空気量及びＥＧＲガス）中の空気量に依存しており、作動ガス中の空気量が大きいほど燃焼速度が速くなって前記ＮＯｘ排出量は増加する。そして、吸気絞り弁、ＥＧＲ弁、過給機等によって吸入空気量及びＥＧＲ量を制御する際、過渡状態では吸入空気量及びＥＧＲ量の実際値が目標値に対して遅れを伴うため、前記ＮＯｘ排出量は定常状態と過渡状態とで異なる値となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術のように機関回転速度と燃料噴射量だけでＮＯｘ堆積量を推定していると、作動ガス中の空気量の遅れを考慮することにならないため、過渡状態では推定値と実際値との間に差異が生じるといった問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
内燃機関の排気通路に配置され、排気空燃比がリーンのとき流入する排気中のＮＯｘをトラップし、排気空燃比がリッチのときトラップしたＮＯｘを脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒と、
前記ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ総量に応じて排気空燃比をリッチにする空燃比制御手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
予め求められた機関に吸入される作動ガス中の空気量と機関が排出する単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量との相関に基づき、機関に吸入される作動ガス中の空気量に応じて機関が排出する単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量を算出し、この単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量から求められる単位時間当たりのＮＯｘ排出量に基づいて前記ＮＯｘトラップ総量を推定する一方、前記単位時間当たりのＮＯｘ排出量を前記ＮＯｘトラップ触媒にトラップされる単位時間当たりのＮＯｘトラップ量とみなし、該単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を前記ＮＯｘトラップ総量の大きさに応じて補正するＮＯｘトラップ総量推定手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００６】
請求項１に係る発明によると、
既述のように、単位出力単位時間当たりに機関から排出されるＮＯｘ量は、機関に流入する作動ガス中の空気量に相関し、該空気量は過渡運転時に大きく変化する（図２参照）。
したがって、該作動ガス中の空気量に応じて算出した単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量から求められる単位時間当たりのＮＯｘ排出量に基づいて、過渡運転時でも精度良くＮＯｘトラップ総量を推定できる。これにより、排気空燃比リッチ制御によるＮＯｘの還元処理を開始するタイミングを適切に設定でき、排気浄化性能が向上する。
また、ＮＯｘ排出量をＮＯｘトラップ量とみなすことで、ＮＯｘトラップ総量を容易に推定することができる。
【０００７】
また、ＮＯｘトラップ触媒は、排気中のＮＯｘを硫酸塩として化学的にトラップするため、ＮＯｘトラップ総量の増加に伴い、単位時間にトラップできるＮＯｘ量も減少する。そこで、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、ＮＯｘトラップ総量の大きさに応じて補正することにより精度良く推定することができる。
また、請求項２に係る発明は、
運転状態に基づいて機関出力を演算する機関出力演算手段を備え、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量に機関出力を乗じて単位時間当たりのＮＯｘ排出量を演算し、この単位時間あたりのＮＯｘ排出量を積算して前記ＮＯｘトラップ総量を推定することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明によると、
作動ガス中の空気量に応じて先に算出した単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量に、機関出力を乗じることで容易に単位時間当たりのＮＯｘ排出量に換算でき、この単位時間当たりのＮＯｘ排出量を積算することにより、ＮＯｘトラップ総量を推定することができる。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、
前記機関出力演算手段は、機関回転速度と燃料噴射量とを乗じた値に基づいて前記機関出力を演算することを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
機関出力は、機関回転速度と機関トルクとを乗じて算出されるが、このうち機関トルクは、燃料噴射量に略比例し強い相関がある。機関回転速度は、クランク軸に取り付けられた回転速度センサから、燃料噴射量は燃料噴射弁への通電時間（パルス幅）から容易に検出可能であり、比較的簡単に機関出力相当値を演算できる。したがって、機関回転速度と燃料噴射量とから演算した機関出力相当値で置き換えることで、簡素な演算によりＮＯｘ排出量を十分な精度で推定することができる。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は、
機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記吸入空気量が前記作動ガス中の空気量とみなすことを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
例えば、吸気絞り弁開度が一定であっても、ＥＧＲ量が変化することにより、そのＥＧＲ量の変化に伴って吸入空気量も変化するので、吸入空気量を検出して検出値を作動ガス中の空気量とみなすことにより、過渡運転時でも高精度に作動ガス中の空気量に応じた単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量を算出することができる。
【００１２】
また、請求項５に係る発明は、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、前記単位時間当たりのＮＯｘ排出量の大きさに応じて補正することを特徴とする。
請求項５に係る発明によると、
ＮＯｘトラップ触媒は、その触媒担体上に担持されたトラップ剤に一時的にＮＯｘを保持する。そのトラップ剤が排気と接する表面積は有限であり、よって、単位時間当たりにトラップできるＮＯｘ量も限られている。即ち、トラップ能力を超えたＮＯｘ量が機関から排出されると、その一部のみがトラップされることになる。そこで、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、単位時間当たりのＮＯｘ排出量の大きさに応じて補正することにより精度良く推定することができる。
【００１３】
また、請求項６に係る発明は、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、前記単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を機関の排気流量の大きさに応じて補正することを特徴とする。
請求項６に係る発明によると、
上述したように、トラップ剤が排気と接する表面積は有限であるため、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量は、排気流量の影響も受けることになる。すなわち、単位時間当たりのＮＯｘ排出量が同一であっても、排気流量が大きくなってくると相対的にトラップされるＮＯｘ量は減少してくる。そこで、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、排気流量の大きさに応じて補正することにより精度良く推定することができる。
【００１４】
また、請求項７に係る発明は、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、機関回転速度と燃料噴射量とに基づき前記排気流量を演算する排気流量演算手段を有することを特徴とする。
請求項７に係る発明によると、
排気流量を機関回転速度と燃料噴射量から簡易に推定演算することができる。
【００１６】
また、請求項８に係る発明は、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を前記ＮＯｘトラップ触媒の担体温度に応じて補正することを特徴とする。
請求項８に係る発明によると、
ＮＯｘトラップ触媒の単位時間当たりのトラップ量は、触媒担体温度の関数である。そこで、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、ＮＯｘトラップ触媒の担体温度に応じて補正することにより精度良く推定することができる。
【００１７】
また、請求項９に係る発明は、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、機関の冷却水温に基づき前記担体温度を演算する担体温度演算手段を有することを特徴とする。
請求項９に係る発明によると、
冷間時のＮＯｘトラップ触媒の触媒担体温度は、機関冷却水温との相関が強い。そこで、一般的でかつ容易に検出可能な機関冷却水温を用いて触媒担体温度を推定演算することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、過給機付ディーゼルエンジンのシステム図である。
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及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（以下噴射圧という）を可変に制御できる。
【００１９】
過給機４のコンプレッサ４ａは吸気通路５に接続されており、駆動されて圧縮空気をエンジン本体１に供給する。
過給機４のタービン４ｂは排気通路６に接続されており、エンジン本体１からの排気により回転されて前記コンプレッサ４ａを駆動する。
吸気通路５には、前記過給機４のコンプレッサ４ａの上流側に配設されたエアフローメータ７と、吸気絞り弁８とが設けられている。
【００２０】
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と過給機のタービン４ｂとの間から分岐して吸気通路５に接続するＥＧＲ通路９と、該ＥＧＲ通路９に介装されたＥＧＲ弁１０と、前記過給機４のタービン４ｂの下流側に配設されたＮＯｘトラップ触媒１１が設けられている。
【００２１】
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。
前記ＮＯｘトラップ触媒１１は、排気中のＮＯｘをトラップしつつ還元浄化する。
【００２２】
各種状態を検出するセンサとして、吸入空気量Ｑａｓ０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１２、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１３、冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１４、前記ＮＯｘトラップ触媒１１の触媒担体温度を検出する熱電対１５等が設けられる。
【００２３】
コントロールユニット２０は、前記各種センサからの検出信号に基づいて前記燃料噴射弁３の駆動制御、前記吸気絞り弁８及びＥＧＲ弁１０の開度制御を行う。また、特に、本発明に係る制御として、前記ＮＯｘトラップ触媒１１にトラップされたＮＯｘを空燃比をリッチ化して還元浄化するに際し、トラップされたＮＯｘの総量を正確に推定する。
【００２４】
上記ＮＯｘトラップ総量を推定するルーチンを、図３のフローチャートにしたがって、説明する。
ステップ１では、前記回転速度センサ１２によって検出されたエンジン回転速度Ｎｅ、アクセル開度センサ１３で検出されたアクセル開度Ａｃｃと前記エンジン回転速度Ｎｅとに基づいてマップからの参照等により設定された燃料噴射量Ｑｆ、エアフローメータ７によって検出された吸入空気量Ｑａｓ０に基づき後述するように演算される単位時間あたりの吸入空気量Ｑac＿mg＿s、熱電対１５によって検出されたＮＯｘトラップ触媒１１の触媒担体温度Ｔｂｅｄ（または、水温センサ１４によって検出された冷却水温Ｔｗ）を読み込む。
【００２５】
ステップ２では、例えば図４に示したような単位時間あたりの吸入空気量Ｑac＿mg＿sとＮＯｘ量との相関を表したテーブルから、エンジン１から排出される単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量：ＮＯｘ＿g＿kw＿20msを演算する。このＮＯｘ排出量の単位は、ｇ／ｋＷ／２０ｍｓ（２０ｍｓｅｃ．ｊｏｂの場合）である。図示のように、既述した特性に合わせて吸入空気量Ｑａｃが大きくなるほど、ＮＯｘ＿g＿kw＿20msが大きくなるように設定してある。
【００２６】
ステップ３では、ステップ２で演算したＮＯｘ＿g＿kw＿20msと、そのときのエンジン出力Ｐｅとの積によりエンジン１から排出される単位時間当たりのＮＯｘ排出量を演算し、これをＮＯｘトラップ触媒１１にトラップされる単位時間あたりのＮＯｘトラップ量：ＮＯｘ＿g＿20msとする。ここでは、ステップ１で検出した燃料噴射量Ｑｆをエンジントルクとみなし、以下の式によりエンジンの出力相当値Ｐｅを演算してもよい。
【００２７】
Ｐｅ＝Ｎｅ×Ｑｆ
ステップ４では、例えば、図５に示すようなテーブルにより単位時間当たりのＮＯｘ排出量による補正係数ｋＮＯｘ＿eoeを演算する。他の方法としては、エンジンの排気流量とＮＯｘトラップ量との関係を考慮した、図６に示すようなテーブルにより演算したｋＮＯｘ＿qexhや、運転条件によりＮＯｘトラップ量が変化することを考慮した、図７に示すようなマップにより演算したｋＮＯｘ＿ne＿qfに置き換えることができる。
【００２８】
ステップ５では、ＮＯｘトラップ量が触媒担体温度に依存することを考慮して、図８に示すようなテーブルにより、補正係数ｋＮＯｘ＿bedを演算する。他の方法としては、図９に示すように、触媒担体温度とエンジン冷却水温との相関性をりようして、図１０に示すようなテーブルにより、ｋＮＯｘ＿twを演算し、ｋＮＯｘ＿bedと置き換えることができる。
【００２９】
ステップ６では、単位時間当たりのＮＯｘトラップ量が、それまでに触媒へトラップされたＮＯｘの総量：ＮＯｘ＿trapの影響を受けることを考慮した図１１に示すようなテーブルにより補正係数ｋＮＯｘ＿trapを演算する。
ステップ７では、ステップ１〜６にて演算した各補正係数を乗算し、最終補正係数ｋＮＯｘを演算する。
【００３０】
【００３１】
ＮＯｘ＿trap＝ＮＯｘ＿trap(n-1)＋ＮＯｘ＿g＿20ms×ｋＮＯｘ
次に、前記単位時間あたりの吸入空気量Ｑac＿mg＿sを演算するルーチンを、図１２のフローチャートにしたがって、説明する。
ステップ１１では、エンジン回転速度Ｎｅとエアフローメータ７により検出される吸入空気量Ｑａｓ０とを読み込み、ステップ１２ではこれらの値に基づいて、次式により１シリンダあたりの吸入空気量Ｑａｃ０を演算する。
【００３２】
Ｑａｃ０＝（Ｑａｓ０／Ｎｅ）×ＫＣＯＮ♯
ただし、ＫＣＯＮ♯：気筒数に応じて定まる定数
図１に示したように、エアフローメータ７はコンプレッサ４ａ上流の吸気通路５に設けており、該エアフローメータ７からコンプレッサ４ａ下流のコレクタ部までの遅れ処理を行うため、ステップ１３では、Ｌ（ただし、Ｌは整数の定数）回前のＱａｃ０の値をコレクタ入口部における１シリンダあたりの吸入空気量Ｑａｃｎとして求めている。
【００３３】
そして、ステップ１４では、このＱａｃｎに対して、次式（一次遅れの式）により吸気弁位置における１シリンダあたりの吸入空気量Ｑａｃを演算する。
Ｑａｃ＝Ｑａｃn-1×（１−ＫＩＮ×ＫＶＯＬ）＋Ｑａｃｎ×ＫＩＮ×ＫＶＯＬ
ただし、ＫＩＮ：体積効率相当値（ＥＧＲによる体積効率の変化を補正するための値）
ＫＶＯＬ：ＶＥ／ＮＣ／ＶＭ
ＶＥ：排気量
ＮＣ：気筒数
ＶＭ：吸気系容積
Ｑａｃn-1：前回のＱａｃ
これは、コレクタ入口部から吸気弁までのダイナミクスを補償するためのものである。
【００３４】
さらに、ステップ１５では、１シリンダあたりの吸入空気量Ｑａｃを単位時間あたりの吸入空気量Ｑac＿mg＿sに変換する。
Ｑac＿mg＿s＝Ｑａｃn-1×Ｋｎ♯×｛Ｎｅ／（６０×２）｝
ただし、Ｋｎ♯：定数（４気筒の場合４、６気筒の場合６）
このように、作動ガス中の空気量（吸入空気量）に基づいて算出した単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量に機関出力を乗じて単位時間当たりのＮＯｘ排出量を求め、該単位時間当たりのＮＯｘ排出量に各種補正を行って算出した単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を積算することで、過渡運転時にも高精度にＮＯｘトラップ総量を推定演算できる。
【００３５】
そして、上記にように高精度に推定演算されたＮＯｘトラップ総量に基づいて、ＮＯｘトラップ触媒の再生時期を適切に設定して、空燃比リッチ化による再生処理を行うことができ、ＮＯｘを含めた排気汚染成分を効率よく浄化することができる。
なお、本実施形態では、単位出力単位時間あたりのＮＯｘ排出量ＮＯｘ＿g＿kw＿20msを演算するのに際して、吸入空気量の遅れを正確に把握するために、エアフローメータの検出値Ｑａｓ０に基づき演算される単位時間あたりの吸入空気量Ｑac＿mg＿sを用いたが、エアフローメータの検出値Ｑａｓ０をそのものをそのまま用いてもよい。
【００３６】
すなわち、図２に示したように、吸入空気量は燃料噴射量Ｑｆとエンジン回転速度Ｎｅとの変化に応じて一点鎖線で示したｔＱａのように変化することが望ましいが、実際は遅れを伴うためＱac＿mg＿sのように変化する。ここで、エアフローメータの検出値Ｑａｓ０を用いてＮＯｘ＿g＿kw＿20msを演算する場合であっても吸入空気量の遅れを把握することができ、Ｑac＿mg＿sを用いて演算する場合より、吸入空気量の遅れを検出する精度は２０％程度低下することになるが、制御ロジックの簡素化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置のシステム構成を示す図。
【図２】過渡運転時の燃料噴射量、機関回転速度、吸入空気量、ＮＯｘ排出量の変化を示す図。
【図３】本発明の一実施形態の制御を示すフローチャート。
【図４】吸入空気量と単位時間当たりのＮＯｘ排出量との関係を示す図。
【図５】単位時間当たりのＮＯｘ排出量により補正係数を求めるためのマップ。
【図６】排気流量により補正係数を求めるためのマップ。
【図７】機関回転速度と燃料噴射量により補正係数を求めるためのマップ。
【図８】機関始動後の触媒担体温度と機関冷却水温との関係を示す図。
【図９】触媒担体温度により補正係数を求めるためのマップ。
【図１０】機関冷却水温により補正係数を求めるためのマップ。
【図１１】ＮＯｘトラップ総量により補正係数を求めるためのマップ。
【図１２】単位時間あたりの吸入空気量を求めるためのフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン本体
３ 燃料噴射弁
４ 過給機
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 ＮＯｘトラップ触媒
１２ 回転速度センサ
１３ アクセルセンサ
１４ 水温センサ
１５ 熱電対
２０ コントロールユニット
Claims (9)
- 内燃機関の排気通路に配置され、排気空燃比がリーンのとき流入する排気中のＮＯｘをトラップし、排気空燃比がリッチのときトラップしたＮＯｘを脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒と、
前記ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ総量に応じて排気空燃比をリッチにする空燃比制御手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
予め求められた機関に吸入される作動ガス中の空気量と機関が排出する単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量との相関に基づき、機関に吸入される作動ガス中の空気量に応じて機関が排出する単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量を算出し、この単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量から求められる単位時間当たりのＮＯｘ排出量に基づいて前記ＮＯｘトラップ総量を推定する一方、前記単位時間当たりのＮＯｘ排出量を前記ＮＯｘトラップ触媒にトラップされる単位時間当たりのＮＯｘトラップ量とみなし、該単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を前記ＮＯｘトラップ総量の大きさに応じて補正するＮＯｘトラップ総量推定手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 運転状態に基づいて機関出力を演算する機関出力演算手段を備え、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記単位出力単位時間当たりのＮＯｘ排出量に機関出力を乗じて単位時間当たりのＮＯｘ排出量を演算し、この単位時間あたりのＮＯｘ排出量を積算して前記ＮＯｘトラップ総量を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記機関出力演算手段は、機関回転速度と燃料噴射量とを乗じた値に基づいて前記機関出力を演算することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
- 機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記吸入空気量が前記作動ガス中の空気量とみなすことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。 - 前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を、前記単位時間当たりのＮＯｘ排出量の大きさに応じて補正することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
- 前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を機関の排気流量の大きさに応じて補正することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
- 前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、機関回転速度と燃料噴射量とに基づき前記排気流量を演算する排気流量演算手段を有することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
- 前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、前記単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を前記ＮＯｘトラップ触媒の担体温度に応じて補正することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
- 前記ＮＯｘトラップ総量推定手段は、機関の冷却水温に基づき前記担体温度を演算する担体温度演算手段を有することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
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