JP4276910B2 - NOx触媒の管理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ排気中のNOx を還元するNOx 触媒を管理する方法に関し、特に、NOx 触媒の機能を再生する方法に関する。
従来、ディーゼルエンジン等の排気通路に設けられ、リーン雰囲気の混合気を燃焼に供して機関運転が行われている条件下で、排気中の窒素酸化物(NOx )を効率的に吸蔵するNOx 触媒が知られている。
NOx 触媒は、酸化雰囲気の排気中ではNOx を吸蔵し、還元雰囲気の排気中ではNOx を放出する特性を有する。ちなみに排気中に放出されたNOx は、排気中に炭化水素(HC)等の還元成分が存在していれば、それら還元成分と速やかに反応して窒素(N2 )に還元される。
そこで、このようなNOx 触媒を排気通路に備えた内燃機関では、NOx 触媒に流入する排気を、酸化雰囲気と還元雰囲気に適宜切り替えることにより、排気中のNOx を効率的に還元(浄化)する。
ところで、内燃機関の燃料には硫黄成分が含まれているのが通常であり、排気中にはNOx の他、このような燃料中の硫黄成分を起源とする硫黄成分も存在する。排気中に存在する硫黄成分は、NOx に比べてより高い効率でNOx 触媒と結合し、しかも、同触媒に吸蔵されているNOx を放出するために十分な条件下(排気中の還元成分濃度が所定値を上回る条件下)にあっても当該触媒から容易には放出されない。このため、機関運転の継続に伴い、排気中の硫黄成分が徐々にNOx 触媒に蓄積されていくといった所謂硫黄被毒が生じることとなる。硫黄被毒が進行すると、NOx 触媒によるNOx の吸蔵量の限界値や、NOx の吸蔵効率が減少し、結果としてNOx の浄化効率が低下することになる。
NOx 触媒に蓄積した硫黄成分は、通常の還元剤供給制御で達成される条件よりも、排気中の還元成分濃度や、NOx 触媒の温度をさらに高くする条件を成立させることで当該触媒から離脱することが知られている。このため、NOx 触媒のように、機関運転の継続に伴い硫黄成分が徐々に蓄積する性質を有する触媒を排気通路に備えたエンジンでは、NOx 触媒上流における排気中の還元成分濃度を高め、且つ、NOx 触媒を高温状態(例えば690℃程度)にする制御(以下、硫黄処理(S処理)制御という)を実行することにより、NOx 触媒に蓄積する硫黄成分を放出させるのが一般的である。
特許文献1には、エンジンの燃焼状態に影響が及ばない範囲(運転領域)で、機関燃焼に供される混合気の空燃比を低くする前処理を行いながら、排気通路のNOx 触媒上流に噴霧状態の還元剤を直接添加することによって硫黄を放出させる方法が記載されている。このようにして、空燃比の調整(前処理)と、還元剤の添加とを併用すれば、還元剤の消費を抑えた効率的なS処理制御を行える。
特許3104692号公報
ところで、空燃比の低下(リッチ化)を伴う前処理の実行に伴い、機関の燃焼状態、ひいては排気特性が変動をきたす傾向がある。このため、S処理制御を実行する際、その初期の段階において、排気の空燃比をNOx 触媒に蓄積する硫黄成分を放出させるための最適値に制御することが困難であった。この結果、排気特性を一時的に悪化させる懸念があった。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、排気通路にNOx 触媒を備えたディーゼルエンジンにおいて、そのNOx 触媒に蓄積した硫黄成分を、排気特性の悪化を伴うことなく効率的に処理できる方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、各請求項に記載の発明では、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ排気中のNOx を還元するNOx 触媒を管理する方法であって、当該エンジンの燃焼に供される混合気の空燃比を低下させる第1の処理と、前記排気通路のNOx 触媒上流に還元剤を添加させる第2の処理と、を実行することにより、前記NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程を含み、且つ、前記工程において、前記第1の処理の開始後、前記排気通路内のNOx 触媒上流の排気の空燃比が安定したことを条件として、前記第2の処理を開始する。
同構成によれば、第2の処理による排気の空燃比の制御性が高まる。従って、当該第2の処理の開始後、排気の空燃比を速やかに目標値(NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させるために適した値)に収束させることができる。例えば、第2の処理の開始に伴って排気の空燃比が過剰に低下する(リッチになる)こともない。
また、請求項1〜請求項3に記載の発明では、前記第1の処理の開始後、前記排気通路内のNOx 触媒上流の排気の空燃比が安定するために必要な所定期間が経過したことを前記条件とする。
同構成によれば、簡易な制御構造に基づいて、第2の処理による排気の空燃比の制御性を高めることができる。例えば、排気の空燃比の安定を確認するための複雑な制御構造を要しない。
また、請求項4〜請求項6に記載の発明では、前記第1の処理の開始後、前記ディーゼルエンジンの燃焼に供される燃料の燃料噴射毎にデクリメントされるカウンタが所定値以下になったことを前記条件とする。
第1の処理の過程で、ディーゼルエンジンの燃焼に供される燃料の燃料噴射量が徐々に増量される場合、この増量は同エンジンの燃料噴射毎に行われる。そして、こうした燃料噴射毎の燃料噴射量の増量が、第1の処理の実行中における排気の空燃比に影響を及ぼすこととなる。従って、第1の処理の開始後、ディーゼルエンジンの燃料噴射毎にデクリメントされるカウンタは、燃料噴射毎の燃料噴射量の増量に伴う排気の空燃比への影響に関係する値となる。上記構成によれば、このカウンタが所定値未満になったことに基づき第2の処理が開始されるため、第1の処理の過程で燃料噴射量の増量が行われるという状況のもとで、第2の処理を適切なタイミングで開始することができる。
とくに、請求項1及び請求項4に記載の発明では、当該エンジンの吸入空気量に関するパラメータが所定値未満である場合には、前記条件を解除する。
例えば排気の空燃比が低下しすぎ、過剰な還元成分がNOx 触媒に流入した場合であっても、当該エンジンの吸入空気量がある程度低ければ、その過剰な還元成分はNOx 触媒の酸素(O2 )ストレージ作用によって浄化される。同構成によれば、NOx 触媒のO2 ストレージ作用が高い場合には前記条件を解除することで、前記NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程の所要時間を全体として短縮することができる。これにより、同工程に必要な還元剤の消費量を低減することができる。
とくに、請求項2及び請求項5に記載の発明では、前記NOx 触媒の劣化度合いに関するパラメータが所定値未満である場合には、前記条件を解除する。
例えば排気の空燃比が低下しすぎ、過剰な還元成分がNOx 触媒に流入した場合であっても、NOx 触媒の浄化機能が十分高ければ、その過剰な還元成分はNOx 触媒のO2 ストレージ作用によって浄化される。つまり同構成によっても、NOx 触媒のO2 ストレージ作用が高い場合には前記条件を解除することで、前記NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程の所要時間を全体として短縮することができる。これにより、同工程に必要な還元剤の消費量を低減することができる。
とくに、請求項3及び請求項6に記載の発明では、前記第1の処理に基づく前記排気通路のNOx 触媒上流の空燃比の変化量を検出し、その変化量を学習する工程を含み、前記学習が完了した後は、前記条件を解除する。
前記第1の処理に基づく前記排気通路のNOx 触媒上流の空燃比の変化量を検出し、その変化量を一旦学習することになる。このため、第1の処理に基づく排気の空燃比の変化量を加味し、第2の処理を通じて添加される還元剤の量を調整することができる。この結果、前記条件を解除しても第2の処理の開始に伴い排気特性が悪化することはない。結局、第2の処理の開始に伴う排気特性の悪化を招くことなく、NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を効率的に放出させることができる
請求項7に記載の発明では、前記ディーゼルエンジンが、大量のEGRガスを燃焼室に導入する低温燃焼モードに切り換え可能で、且つ、低温燃焼モードの開始後に同エンジンの燃料噴射毎にデクリメントされるカウンタが初期値から「0」になるまでの間に燃料噴射量が所定値まで徐々に増量されるものであり、前記第1の処理は、前記低温燃焼モードへの切り換えによって実現されるものである場合、前記低温燃焼モードの開始後、前記カウンタが所定値未満になったことを前記条件とする。
低温燃焼モードでは、燃焼室への大量のEGRガスの導入に伴い、燃焼室に吸入される空気の量が少なくなるため、ディーゼルエンジンの燃焼に供される混合気の空燃比が低下するようになる。この低温燃焼モードの実行によって第1の処理が実現される。そして、低温燃焼モードの実行に伴う第1の処理の実施中、ディーゼルエンジンの燃料噴射毎にデクリメントされるカウンタが初期値から「0」になるまでの間は、同エンジンの燃料噴射量が所定値まで徐々に増量される。この燃料噴射量の増量は燃料噴射毎に行われる。そして、こうした燃料噴射毎の燃料噴射量の増量が、第1の処理(低温燃焼モード)の実施中における排気の空燃比に影響を及ぼすこととなる。上記カウンタは、燃料噴射毎にデクリメントされるものであることから、燃料噴射毎の燃料噴射量の増量に伴う排気の空燃比への影響に関係する値となる。上記構成によれば、このカウンタが所定値未満になったことに基づき第2の処理が開始されるため、低温燃焼モードの実行に伴い燃料噴射量の増量が行われるディーゼルエンジンにあって、第2の処理を適切なタイミングで開始することができる。
なお、第2の処理の開始タイミングが適切でないタイミングとなる場合、例えば開始タイミングが早すぎる場合には、第1の処理での排気の空燃比の低下が進んでいない状態で、第2の処理によるNOx 触媒上流への還元剤(燃料)の添加が開始されることとなる。このため、排気の空燃比をNOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出可能な値に低下させるのに上記還元剤が多く必要になり、このように還元剤を多くすることに伴い触媒床温や排気の空燃比の制御性の面で不具合が生じる。即ち、添加される還元剤が多いことに伴う触媒床温度の上昇や排気の空燃比の制御性悪化が生じる。上記構成によれば、こうした不具合が生じるのを抑制することができる。
以上説明したように、本発明の方法によれば、NOx 触媒に蓄積した硫黄を、排気特性の悪化を伴うことなく効率的に処理できるようになる。
[第1の実施の形態]
以下、本発明を、ディーゼルエンジンの排気浄化装置として具体化した第1の実施の形態について説明する。
〔エンジンの構造及び機能〕
図1において、内燃機関(以下、エンジンという)1は、燃料供給系10、燃焼室20、吸気通路30及び排気通路40等を主要部として構成される直列4気筒のディーゼルエンジンである。
先ず、燃料供給系10は、サプライポンプ11、コモンレール12、燃料噴射弁13、燃料添加弁14、機関燃料通路P1及び添加燃料通路P2等を備えて構成される。サプライポンプ11は、燃料タンク(図示略)から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路P1を介してコモンレール12に供給する。コモンレール12は、サプライポンプ11から供給された高圧燃料を所定圧力に保持(蓄圧)する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁13に分配する。燃料噴射弁13は、その内部に電磁ソレノイド(図示略)を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室20内に燃料を噴射供給する。他方、サプライポンプ11は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路P2を介して燃料添加弁14に供給する。燃料添加弁14は、その内部に電磁ソレノイド(図示略)を備えた電磁弁であり、還元剤として機能する燃料を、適宜のタイミングで、適宜の量、排気通路40の触媒ケーシング41上流に添加する。
吸気通路30に設けられたスロットル弁31は、その開度を無段階に調節することのできる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を変更し、同吸入空気の供給量(流量)を調整する機能を有する。
また、排気通路40の燃料添加弁14下流には、触媒ケーシング41が設けられている。触媒ケーシング41の内部には、多孔質材料を主成分とする周知のウォールフロー型パティキュレートフィルタが収容されている。パティキュレートフイルタの表面には、周知の吸蔵還元型NOx 触媒(以下、NOx 触媒という)が担持されている。NOx 触媒は、NOx 吸蔵剤と貴金属触媒とによって構成される。
また、エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。例えば、排気通路40の触媒ケーシング41上流に設けられた酸素濃度センサ60は、排気中の酸素濃度に応じ連続的に変化する検出信号を出力する。酸素濃度センサ60の検出信号は、機関燃焼に供される混合気の空燃比の他、燃料添加弁14を通じて排気中に供給される還元成分の量を併せて反映し、排気中の酸化成分(酸素(O2 )等)と還元成分(炭化水素(HC)等)の量を直接的に示す指標となる。このように、酸素濃度センサ60の検出信号に基づいて算出される排気中の酸化成分と還元成分の成分比率を、便宜上、排気の空燃比(A/FEHT)という。ちなみに、燃料添加弁14を通じて還元剤が多くなるほど、機関燃焼に供される混合気の空燃比A/Fに対し排気の空燃比が相対的に低くなる(リッチ化する)。一方、燃料添加弁14を通じて供給される還元剤の量が「0」である場合、機関燃焼に供される混合気の空燃比と排気の空燃比とは略等しくなる。酸素濃度センサ60は、電子制御ユニット(ECU)50と電気的に接続されている。
ECU50は、中央処理装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及びバックアップRAM、タイマーカウンタ95等からなる論理演算回路を備える。このように構成されたECU50は、エンジン1の運転状態に関する各種制御を実行する。例えば、所定の条件下においてECU50は、酸素濃度センサ60の検出信号に基づいて把握される排気の空燃比A/FEHTが、目標となる値に収束するように燃料噴射弁13を動作させる制御(フィードバック制御)を行う。また、所定の条件下においてECU50は、エンジン1の運転状態に基づき、予め設定されたマップ(図示略)等を参照して燃料噴射弁13を動作させる制御(フィードフォワード制御)を行う。
〔NOx 触媒の機能〕
上述したように、NOx 触媒はNOx 吸蔵剤と貴金属触媒とによって構成される。
NOx 吸蔵剤は、排気中の酸素濃度が高い状態ではNOx を吸蔵く保持)し、排気中の酸素濃度が低い状態(還元成分の濃度が高い状態)ではNOx を放出する特性を有する。また、排気中にNOx が放出されたとき、排気中にHCやCO等が存在していれば、貴金属触媒がこれらHCやCOの酸化反応を促すことで、NOx を酸化成分、HCやCOを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、HCやCOはCO2 やH2O に酸化され、NOx はN2 に還元される。
一方、NOx 吸蔵剤は排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界量のNOx を吸蔵すると、それ以上NOx を吸蔵しなくなる。エンジン1では、燃料添加を通じて排気通路40の触媒ケーシング41上流に断続的に還元成分が供給され、排気中の還元成分の濃度が高まる。NOx 触媒(NOx 吸蔵剤)のNOx吸蔵量が限界量に達する前に、この還元成分がNOx 触媒に吸蔵されたNOxを周期的に放出および還元浄化することになり、NOx 吸蔵剤のNOx 吸蔵能力を回復させることになる。
〔S処理制御の概要〕
機関運転の継続に伴い、燃料に含まれる硫黄成分を起源とする硫黄成分が、NOx 触媒に蓄積する(所謂硫黄被毒が生じる)。NOx 触媒に蓄積する硫黄成分を除去するための処理として、ECU50は、硫黄処理(S処理)制御を実行する。S処理制御は、燃料添加弁14の駆動制御や、エンジン1の燃焼状態の制御等を通じ、NOx 触媒の晒される排気の空燃比A/FEHTによって定義づけられる特定条件を成立させるものである。
図2は、S処理制御の実行中に観測される排気の空燃比A/FEHTの推移を示すタイムチャートの一例である。
S処理制御の実行要求があると(時刻t1)、ECU50は、燃料添加を通じて供給される噴霧状態の燃料がNOx 触媒に対して効率的に作用するように、排気の空燃比A/FEHTを所定の目標値(例えば25程度:以下、空燃比前処理値という)αまで低下させる(リッチ化する)前処理を行う。この前処理としては、例えばスロットル弁31を絞り、燃焼室20に導入される空気を減量する制御を行えばよい。また、燃料噴射弁13を通じた燃料噴射のタイミングや量の制御を前処理として行うこともできる。例えば、機関出力を得るために圧縮上死点近傍で主たる燃料噴射を行う他、これと異なるタイミングで副燃料噴射を行うことで、排気の空燃比A/FEHTを低下させる(リッチ化する)ことができる。
前処理によって排気の空燃比A/FEHTが空燃比前処理値αに達した後、実際に硫黄を放出させる処理(S放出処理)が開始される(時刻t2)。S放出処理の開始に伴い、燃料添加弁14を通じて断続的な燃料添加が実行される。これにより、排気の空燃比A/FEHTがリッチ(A/FEHT=β(例えば14程度))とりーン(A/FEHT=α)との間で変動を繰り返すようになる。また、添加燃料が触媒ケーシング41内で酸化する際に発生する反応熱により、NOx 触媒の床温は所定値(例えば700℃程度)まで上昇し、その後は、概ね一定の値を保持する。
NOx 触媒に蓄積されている硫黄成分の放出され易さは、NOx 触媒が晒されている排気の空燃比A/FEHTに関係している。一般には、排気の空燃比A/Fが低くなる(リッチ化される)ほど硫黄成分は効率的に放出されるようになる。
〔待機時間TSの設定〕
ここで、空燃比の低下(リッチ化)を伴う前処理の実行に伴い、機関の燃焼状態、ひいては排気特性が変動をきたす傾向がある。前処理の開始に伴って排気の空燃比A/FEHTを目標値を大幅に変更した場合、排気の空燃比A/FEHTを速やかに目標値に収束させることが困難であるからである。この結果、前処理の実行と同時、又は前処理の開始直後にS放出処理を開始すると、その初期の段階において、排気の空燃比A/FEHTが目標値から乖離し易くなる。
排気の空燃比A/FEHTを目標値に収束させる制御が酸素濃度センサ60の検出信号に基づくフィードバック制御として行われている場合、目標値の大幅な変更に起因する排気の空燃比A/FEHTの変動は特に顕著なものとなる。
これに対し、本実施の形態では、前処理の開始後、排気の空燃比A/FEHTが空燃比前処理値α近傍で安定するまでに要する時間を、待機時間TSとして予め設定する。そして、待機時間TSの経過後にS放出処理を開始する。これにより、S放出処理において、特に初期の段階における制御性(排気の空燃比A/FEHTの目標値への収束性)が高まる。
一方、所定の条件が成立した場合には、待機時間TSの設定を解除し、前処理の開始と同時又は前処理の開始直後にS放出処理を開始する。
例えば、エンジン1の吸入空気量がある程度低ければ、NOx 触媒のO2 ストレージ作用(能力)が大きいため、排気の空燃比A/FEHTに起因して過剰な還元成分がNOx 触媒に流入しても、NOx 触媒が通常よりも高い効率で過剰な還元成分を浄化する。このため本実施の形態では、吸入空気量GAが所定値未満である場合には、待機時間TSの設定を解除する。
また、NOx 触媒は、その使用に伴いO2 ストレージ能力が経時的に低下する。言い換えれば、NOx 触媒の劣化度合いが小さい場合、排気の空燃比A/FEHTに起因して過剰な還元成分がNOx 触媒に流入しても、NOx 触媒が十分に高い効率で過剰な還元成分を浄化する。このため本実施の形態では、例えばNOx触媒の使用期間、NOx 触媒を通過した排気の総流量等、NOx 触媒の劣化度合いを数値として代表する指標(以下、触媒劣化指数という)CATDGを算出する。そして、この触媒劣化指数CATDGが所定値以上である場合には、待機時間TSの設定を解除する。
また、本実施の形態では、前処理及びS処理の実行にあたり、酸素濃度センサ60の検出信号に基づくフィードバック制御を行って排気の空燃比A/FEHTを目標値に収束させる。そして、前処理又はS処理を実行する際、エンジン1の各種要素(燃料噴射弁13、燃料添加弁14、スロットル弁31等)の動作状態に対応する排気の空燃比の実測値(酸素濃度センサ60の信号に基づく値)A/FEHTと目標値との偏差をモニタし、その偏差を学習値FAFGとして記憶する。そして、次回以降に前処理又はS処理を実行する場合、この学習値FAFGを用いて燃料噴射弁13、燃料添加弁14、スロットル弁31等の動作を修正する。これにより、前処理及びS処理における排気の空燃比A/FEHTの目標値への収束速度や精度が高まる。このため本実施の形態では、学習値FAFGの設定が既に完了している場合(学習値FAFGが既に記憶されている場合)には、待機時間TSの設定を解除する。なお、学習値FAFGは、エンジン1の運転領域(負荷や回転数等によって規定される運転領域)毎に異なる数値として設定するのが好ましい。
〔S放出処理の具体的な手順〕
図3は、本実施の形態にかかるS放出処理の具体的な手順(ルーチン)を示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン1の始動後、ECU50を通じて所定時間毎に繰り返し実行される。
本ルーチンにおいて、ECU50は先ずステップS101でエンジン1の運転状態を反映する各種情報(例えば燃料噴射量Qやエンジン回転数NE等)を取得する。
続くステップS102においてECU50は、現在、S放出処理の要求があるか否か、言い換えればNOx 触媒に所定量を上回る硫黄成分が蓄積しているか否かを判断する。ステップS102における判断が肯定である場合、ECU50による処理はステップS103に移行する。ステップS102での判断が否定である場合、ECU50による処理は本ルーチンを一旦抜ける。なお、現時点でS放出処理が行われておらず、その必要性も認められないような状況のみならず、現時点までS放出処理が行われ、既に十分な量の硫黄成分がNOx 触媒から放出されたような状況にあっても、ステップS102において否定の判断がなされる。また、ステップS102において否定の判断がなされたときに前処理又はS処理が実行されている場合、ECU50は実行中の前処理及びS処理を中断する(又は、終了する)。
ステップS103においてECU50は、前処理を開始する(又は、前処理の実行を継続する)。なお、ECU50は、前処理の開始と同時にエンジン1の運転状態に見合った待機時間TSを設定し、時間計測を開始する。
続く一連のステップS104,S105,S106において、ECU50は、吸入空気量GAが所定値γ以上であるか否か(S104)、触媒劣化指数CATDGが所定値δ以上であるか否か(S105)、空燃比学習が未完了であるか否か(S106)を判断する。そして、ステップS104,S105,S106の全てにおいて肯定の判断がなされた場合、ECU50による処理はステップS107に移行する。一方、ステップS104,S105,S106の何れかにおいて否定の判断がなされた場合、ECU50による処理はステップS108にジャンプする。ステップS108においてECUは、S処理を開始する(又は、S処理の実行を継続する)。
また、ステップS107においてECU50は、前処理の継続時間txが、(今回の前処理を開始する際に設定された)待機時間TS以上であるか否かを判断し、その判断が肯定である場合、ステップS108においてS処理を開始する(又は、S処理の実行を継続する)。一方、ステップS107での判断が否定である場合、ECU50による処理は本ルーチンを一旦抜ける。
このような手順に従ってS処理制御を行うNOx 触媒の管理方法によれば、S処理の開始後、排気の空燃比A/FEHTを速やかに目標値(NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させるために適した値)に収束させることができる。例えば、S処理の開始に伴って排気の空燃比A/FEHTが過剰に低下する(リッチになる)こともない。よって、S処理の開始後、初期の段階における白煙や硫黄臭の発生が効果的に抑制される。
また、エンジン1の運転状態に基づいて待機時間TSを設定するといった簡易な制御構造に基づいて、第2の処理による排気の空燃比の制御性を高めることができる。例えば、排気の空燃比A/FEHTの安定を確認するための複雑な制御構造を要しない。
また、特定の条件下(「GA<γ」、「CATDG<δ」、又は「学習値FAFGの設定が完了」)には待機時間TSを解除することにより、NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程の所要時間を全体として短縮することができる。これにより、同工程に必要な燃料又は還元剤の消費量を低減することができる。
なお、本実施の形態では、前処理の開始時におけるエンジン1の運転状態に基づいて待機時間TSを決定するようにした。これに対し、予め決定された数値を採用しても本実施の形態に準ずる効果を得ることはできる。また、前処理の開始後(実行中)におけるエンジン1の運転状態の変化に対応し、待機時間TSを逐次伸縮するようにしてもよい。
また、待機時間TSを設定する制御構造に替え、前処理の開始後、例えば酸素濃度センサ60の出力の変動幅等をモニタし、排気の空燃比が十分に安定した(排気の空燃比が十分に目標値に収束した)と判断した場合にS処理を開始してもよい。この場合、制御構造は複雑化するものの、制御の緻密性は一層向上する。
また、例えば排気通路40のNOx 触媒下流に酸素濃度センサ等を設置し、エンジン1の運転状態に対応する酸素濃度センサの検出信号の推移の履歴を参照し、触媒劣化指数CATDGを算出することにしてもよい。
また、S処理制御ルーチンのステップS104においては、「吸入空気量が所定値以上である」という条件を採用した。これに替え、「アクセルペダルの踏込量が所定値以上である」又は「燃料噴射弁13を通じた燃料噴射量が所定値以上である」等、「吸入空気量に関する任意のパラメータが所定値以上である」旨の他の条件を設定してもよい。
また、S処理制御ルーチンのステップS106の条件設定に採用される学習値FAFGは、酸素濃度センサ60の検出信号に基づくフィードバック制御の実行に伴って設定されるパラメータである。しかし、これに限らず前処理の実行に起因する排気の空燃比の変化量に関連するものであれば、学習値FAFGと同様の意義を有するものとして他のパラメータを採用することもできる。
また、NOx 触媒としては、排気中のNOx を還元する機能を有する各種の材料を用い、本実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果を奏することができる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態を図4〜図8に従って説明する。
図4は、この実施の形態におけるエンジン1の概略構成を示すものである。同エンジン1は、第1の実施の形態のエンジン1にEGR機構71を追加したものであり、EGR機構71に関係する部分以外の部分については当該エンジン1と同じものとなっている。上記EGR機構71は、排気通路40の触媒ケーシング41よりも上流部分を吸気通路30におけるスロットル弁31よりも下流部分に繋ぐEGR通路72と、このEGR通路72の流通面積を可変とすべく開閉動作してEGRガスの流量を調節するEGR弁73とを備えている。
ECU50は、エンジン1の運転状態に基づいて、スロットル弁31の開度制御、及びEGR弁73の開度制御を実行する。例えば、吸入空気量がエンジン負荷(または燃料噴射量)とエンジン回転数NEとに基づいて設定される目標吸入空気量(エンジン1の一回転当たりの目標値)となるようにEGR弁73の開度が調節される吸入空気量フィードバック制御が行われる。更に、EGR率がエンジン負荷(または燃料噴射量)とエンジン回転数NEとに基づいて設定される目標EGR率となるよう、スロットル弁31の開度、及びEGR弁73の開度を調節するEGR制御が行われる。
なお、エンジン1においては、EGR制御に伴う燃焼モードを、通常燃焼モードと低温燃焼モードとの二種類の燃焼モードの間で切り換え可能となっている。ここで低温燃焼モードとは、燃焼室20への大量のEGRガスの導入により燃焼温度の上昇を緩慢にしてNOx とスモークとを同時に低減させる燃焼モードである。そして、これ以外の燃焼モードが通常のEGR制御(EGRしない場合も含める)を実行する通常燃焼モードである。低温燃焼モードでは、燃焼室20への大量のEGRガスの導入に伴い、燃焼室20に吸入される空気の量が少なくなるため、エンジン1の燃焼に供される混合気の空燃比A/Fが低下し、それに応じて排気の空燃比A/FEHTも低下するようになる。この実施の形態では、排気の空燃比A/FEHTを空燃比前処理値αまで低下させる前処理を、低温燃焼モードの実行によって実現するようにしている。
ところで、低温燃焼モードと通常燃焼モードとでは、エンジン1における燃料噴射系の各パラメータ、例えば燃料噴射時期、燃料噴射圧、及び燃料噴射量といったパラメータの最適値が異なるため、上記二種類の燃焼モードの間での切り換えが行われるときには燃料噴射系のパラメータも切り換え後の燃焼モードに応じた最適値へと変更されることとなる。例えば、通常燃焼モードから低温燃焼モードへと切り換えられるとき、燃料噴射時期は進角側に変更され、燃料噴射圧は増加側に変更され、燃料噴射量は増量側に変更される。上記のように燃料噴射時期を進角側に変更するとともに、燃料噴射圧を増加側に変更するのは、低温燃焼モードでは燃焼室20に大量のEGRガスが存在して燃料への着火性が低下する傾向があり、その着火性の改善を図るためである。また、燃料噴射量を増量側に変更するのは、低温燃焼モードでは燃焼室20への大量のEGRガスの導入に伴い、ディーゼルエンジン1の出力トルクが低下する傾向があり、この出力トルクの低下を抑制するためである。
次に、本実施の形態にかかるS放出処理の具体的な手順(ルーチン)について、図5のフローチャートを参照して説明する。本ルーチンは、ECU50を通じてエンジン1での燃料噴射毎に実行される。このルーチンにおいては、第1の実施の形態における図3のフローチャートのステップS101,S103〜S106,S108,S110に相当する処理(S201,S203〜S206,S208,S210)以外の処理(S203,S207,S211)が第1の実施の形態と異なっている。
図5において、ステップS201ではエンジン1の運転状態を反映する各種情報が取得され、ステップS202ではS放出処理の要求があるか否かが判断される。ここで肯定判断がなされると、ステップS203の処理として、S処理を実行するための低温燃焼モードが開始される(又は低温燃焼モードの実行が継続される)。こうした低温燃焼モードの実行によって前処理が実現され、排気の空燃比A/FEHTが空燃比前処理値αに向けて低下するようになる。また、ステップS203の処理では、低温燃焼モード(前処理)の開始後、S処理を実行すべきか否かを判断するための許可フラグFが、所定の条件のもとで「1(許可)」に設定される。なお、上記ステップS202で否定判断がなされたとき、低温燃焼モード(前処理)やS処理が実行されている場合、それらが中断又は終了させられる。更に、許可フラグFが「0(禁止)」に設定される(S211)。
ステップS203に続く一連のステップS204,S205,S206において、吸入空気量GAが所定値γ以上であるか否か(S204)、触媒劣化指数CATDGが所定値δ以上であるか否か(S205)、空燃比学習が未完了であるか否か(S206)が判断され、それら全てが肯定である場合には、ステップS207に移行する。このステップS207の処理では、S処理を実行すべきか否かを判断するための許可フラグFが「1(許可)」であるか否かが判断される。このため、上記低温燃焼モードの実行後、所定の条件のもとで許可フラグFが「1(許可)」になると、ステップS207で肯定判断がなされるようになる。そして、ステップS207で肯定である場合、ステップS208に進んでS処理が実行され(又はS処理が継続され)、燃料添加弁14を通じての断続的な燃料添加が行われることとなる。
一方、ステップS204,S205,S206の何れかにおいて否定の判断がなされた場合には、許可フラグFが「1(許可)」であるか否かに関わりなく、ステップS208にジャンプしてS処理が実行される。
ここで、許可フラグFを「1(許可)」に設定する手順について、その概要を図6のタイムチャートを参照して説明する。
許可フラグFは、S処理を実行するための低温燃焼モードの開始後、所定の条件のもとで「1(許可)」に設定される。この低温燃焼モードでは、燃焼室20への大量のEGRガスを導入すべく、通常燃焼モードの実行時に比べてスロットル弁31が閉じ側に制御されるとともにEGR弁73が開き側に制御される。また、燃料噴射時期、燃料噴射圧、及び燃料噴射量といった燃料噴射系の各パラメータについても、低温燃焼モードに適した値へと制御されるようになる。
図6(a)に示されるように、タイミングt3でS処理を実行するための低温燃焼モードが開始されたとすると、そのタイミングでスロットル弁31の目標開度が閉じ側に変化するとともに(図6(c)の実線)、EGR弁73の目標開度が開き側に変化する(図6(d)の実線)。その後、スロットル弁31の実開度が目標開度の変化に対し所定の応答遅れをもって徐々に閉じ側に変化するとともに(図6(c)の破線)、EGR弁73の実開度も目標開度の変化に対し所定の応答遅れをもって徐々に閉じ側に変化する(図6(d)の破線)。更に、これらスロットル弁31及びEGR弁73の実開度の変化に対し、EGRガスの流量が増加側に変化するのにも応答遅れが生じる。
このように低温燃焼モードの開始に伴うEGRガスの流量の増加に応答遅れが生じるのに対し、燃料噴射系の各パラメータの低温燃焼モードに適した値への変更はほとんど応答遅れなく行うことが可能である。従って、低温燃焼モードの開始(t3)と同時に上記各パラメータの変更を開始すると、EGRガスの流量が変更しきっていない状態で上記各パラメータの変更が完了してしまい、EGRガスの流量の変更が完了するまでの間は上記各パラメータが当該EGRガスの流量に対応しない値になるという不具合が生じる。
このため、上記各パラメータの変更については、低温燃焼モードの開始時(t3)から所定の遅れをもって、即ち上記EGRガスの流量の応答遅れに対応した分の遅れをもって開始される。具体的には、エンジン1の燃料噴射毎にデクリメントされるディレーカウンタC1をタイミングt3にて図6(b)に示されるように「0」よりも大きい初期値に設定し、このディレーカウンタC1が「0」に達したとき(タイミングt4)に上記各パラメータの変更を開始する。このように各パラメータの変更開始を遅らせることで、上述した不具合の発生を抑制することができる。
また、上記各パラメータの変更開始後の所定期間は、これらパラメータの変更を徐々に行うための徐変期間となっている。こうした徐変期間を設定するのは、上記各パラメータの急変を避けて当該急変に伴うショック等を抑制するためである。図6(e)の徐変カウンタC2は、上記徐変期間を設定するためのものである。この徐変カウンタC2は、ディレーカウンタC1の「0」への到達時(タイミングt4)に「0」よりも大きい初期値に設定され、エンジン1の燃料噴射毎にデクリメントされる。そして、同徐変カウンタC2が「0」よりも大きい期間(t4〜t5)が上記徐変期間であって、当該徐変期間中に上記各パラメータの変更が完了するよう徐変カウンタC2の初期値が設定される。これらパラメータのうちの一つである燃料噴射量の徐変期間中の推移を図6(f)に示す。
本実施の形態では、徐変カウンタC2が所定値まで低下したとき、例えば「0」まで低下したとき(タイミングt5)、図6(g)に示されるように許可フラグFを「1(許可)」に設定する。そして、許可フラグFが「1」に設定されることに伴い、図5のステップS207で肯定判定がなされると、ステップS208のS処理が開始されるようになる。この場合、S処理が行われるのは、低温燃焼モード(前処理)の開始後に許可フラグFが「1」になってからということになる。従って、低温燃焼モード開始後、許可フラグFが「1」になるまでの間、言い換えれば徐変カウンタC2が「0」よりも大である間においてはS処理が行われず、その間に排気の空燃比A/FEHTが安定化する方向に向かう。このため、当該S処理は排気の空燃比A/FEHTの安定化が図られてから開始されるようになり、S処理の開始後の同空燃比A/FEHTの目標値への収束を速やかなものとすることができる。
ところで、上記徐変期間中、即ち徐変カウンタC2が「0」よりも大である期間中での燃料噴射量の増量側への徐変は燃料噴射毎に行われることとなる。そして、この燃料噴射毎の燃料噴射量の増量が低温燃焼モード(前処理)の実行中における排気の空燃比A/FEHTに影響を及ぼす。ここで、上記徐変カウンタC2は燃料噴射毎にデクリメントされるものであることから、燃料噴射毎の燃料噴射量の増量に伴う排気の空燃比A/FEHTへの影響に関係する値となる。本実施の形態では、この徐変カウンタC2に応じて、即ち徐変カウンタC2が「0」になったことに基づきS処理が開始されるため、低温燃焼モード(前処理)の実行に伴い燃料噴射量が増量されるエンジン1において、上記S処理を排気の空燃比A/FEHTに関係した適切なタイミングで開始することができる。
次に、許可フラグFを「1(許可)」に設定する手順の詳細について、図7及び図8の低温燃焼実行ルーチンを示すフローチャートに基づき説明する。この低温燃焼実行ルーチンは、ECU50を通じて、図5のフローチャートのステップS203に進む毎に実行される。
低温燃焼実行ルーチンにおいては、まず低温燃焼モードの開始時点であるか否かが判断される(図7のS301)。ここで肯定であれば、EGR率を増大するためのスロットル弁31及びEGR弁73の開度変更が指示され(S302)、これにより低温燃焼モードでの燃焼室20への大量のEGRガスの導入が開始される。続いて、ディレーカウンタC1の初期設定として、同カウンタC1が初期値に設定される(S303)。このように初期値に設定されたディレーカウンタC1は、ステップS304で「C1=0」でない旨判断されたとき、ステップS105の処理でデクリメントされる(S305)。従って、初期値に設定された後のディレーカウンタC1は、燃料噴射毎にデクリメントされて「0」に近づくようになる。
そして、ディレーカウンタC1が「0」に達すると(S304:YES)、同カウンタC1が「0」になった直後か否かが判断される(S306)。ここで肯定であれば、燃料噴射時期、燃料噴射圧、燃料噴射量といった燃料噴射系の各パラメータの低温燃焼モードに対応した値への変更が指示され(S307)、続いて徐変カウンタC2の初期設定として同カウンタC2が初期値に設定される(S308)。徐変カウンタC2が初期値に設定されると、図8のステップS309で「C2=0」でない旨判断され、上記各パラメータの低温燃焼モードに対応した値に向けての徐変が実行されるとともに(S310)、徐変カウンタC2がデクリメントされる(S311)。従って、上記各パラメータの一つである燃料噴射量が低温燃焼モードに対応した値に向けての徐変として燃料噴射毎に徐々に増量されると、それに併せて徐変カウンタC2も燃料噴射毎にデクリメントされて「0」に近づくようになる。
そして、徐変カウンタC2が「0」に達すると(S309:YES)、同カウンタC2が「0」になった直後か否かが判断される(S312)。ここで肯定であれば、許可フラグFが「1(許可)」に設定される。このように許可フラグFが「1」に設定されることに伴い、図5のステップS207で肯定判定がなされると、ステップS208のS処理が実行されるようになる。
以上詳述した本実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に加え、更に以下の効果が得られるようになる。
S処理を実行するための低温燃焼モード(前処理)の開始後、燃料噴射量が低温燃焼モードに対応した値に向けて燃料噴射毎に増量されるが、その際の燃料噴射毎の燃料噴射量の増量が排気の空燃比A/FEHTに影響を及ぼすことになる。しかし、この燃料噴射量の増量に対応して燃料噴射毎にデクリメントされる徐変カウンタC2に応じて、即ち同カウンタC2が「0」になったことに基づきS処理を開始することで、低温燃焼モードの実行に伴い燃料噴射量の増量が行われるエンジン1においても、同S処理を適切なタイミングで開始することができる。
なお、上記S処理の開始タイミングが適切でないタイミングとなる場合、例えば開始タイミングが早すぎる場合には、低温燃焼モード(前処理)での排気の空燃比A/FEHTの空燃比前処理値αへの低下が進んでいない状態で、S処理による燃料添加弁14からNOx 触媒上流への還元剤(燃料)の添加が行われることとなる。このため、排気の空燃比A/FEHTをNOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出可能な値に低下させるのに上記還元剤が多く必要になり、それに伴い触媒床温度の上昇や排気の空燃比A/FEHTの制御性悪化といった不具合が生じる。本実施の形態によれば、こうした不具合が生じるのを抑制することができる。
本発明の第1の実施の形態にかかるディーゼエンジンを示す概略構成図。 S処理制御中に観測される排気の空燃比の推移を示すタイムチャート。 第1の実施の形態にかかるS処理制御の具体的な手順を示すフローチャート。 本発明の第2の実施の形態にかかるディーゼエンジンを示す概略構成図。 第2の実施の形態にかかるS処理制御の具体的な手順を示すフローチャート。 (a)〜(g)は、S処理の実行に際しての燃焼モード、ディレーカウンタ、スロットル弁及びEGR弁の開度、徐変カウンタ、燃料噴射量、並びに許可フラグFの変化態様を示すタイムチャート。 低温燃焼モードの実行手順、及び許可フラグFの設定手順を示すフローチャート。 低温燃焼モードの実行手順、及び許可フラグFの設定手順を示すフローチャート。
符号の説明
1…ディーゼルエンジン、10…燃料供給系、11…サプライポンプ、12…コモンレール、13…燃料噴射弁、14…燃料添加弁、20…燃焼室、30…吸気通路、31…スロットル弁、40…排気通路、41…触媒ケーシング、50…電子制御ユニット(ECU)、60…酸素濃度センサ、P1…機関燃料通路、P2…添加燃料通路、71…EGR機構、72…EGR通路、73…EGR弁。

Claims (7)

  1. ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ排気中のNOx を還元するNOx 触媒を管理する方法であって、
    当該エンジンの燃焼に供される混合気の空燃比を低下させる第1の処理と、前記排気通路のNOx 触媒上流に還元剤を添加させる第2の処理と、を実行することにより、前記NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程を含み、且つ、
    前記工程において、前記第1の処理の開始後、前記排気通路内のNOx 触媒上流の排気の空燃比が安定するために必要な所定期間が経過したことを条件として、前記第2の処理を開始し、
    当該エンジンの吸入空気量に関するパラメータが所定値未満である場合には、前記条件を解除する
    ことを特徴とするNOx 触媒の管理方法。
  2. ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ排気中のNOx を還元するNOx 触媒を管理する方法であって、
    当該エンジンの燃焼に供される混合気の空燃比を低下させる第1の処理と、前記排気通路のNOx 触媒上流に還元剤を添加させる第2の処理と、を実行することにより、前記NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程を含み、且つ、
    前記工程において、前記第1の処理の開始後、前記排気通路内のNOx 触媒上流の排気の空燃比が安定するために必要な所定期間が経過したことを条件として、前記第2の処理を開始し、
    前記NOx 触媒の劣化度合いに関するパラメータが所定値未満である場合には、前記条件を解除する
    ことを特徴とするNOx 触媒の管理方法。
  3. ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ排気中のNOx を還元するNOx 触媒を管理する方法であって、
    当該エンジンの燃焼に供される混合気の空燃比を低下させる第1の処理と、前記排気通路のNOx 触媒上流に還元剤を添加させる第2の処理と、を実行することにより、前記NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程を含み、且つ、
    前記工程において、前記第1の処理の開始後、前記排気通路内のNOx 触媒上流の排気の空燃比が安定するために必要な所定期間が経過したことを条件として、前記第2の処理を開始し、
    前記第1の処理に基づく前記排気通路のNOx 触媒上流の空燃比の変化量を検出し、その変化量を学習する工程を含み、
    前記学習が完了した後は、前記条件を解除する
    ことを特徴とするNOx 触媒の管理方法。
  4. ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ排気中のNOx を還元するNOx 触媒を管理する方法であって、
    当該エンジンの燃焼に供される混合気の空燃比を低下させる第1の処理と、前記排気通路のNOx 触媒上流に還元剤を添加させる第2の処理と、を実行することにより、前記NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程を含み、且つ、
    前記工程において、前記第1の処理の開始後、前記ディーゼルエンジンの燃焼に供される燃料の燃料噴射毎にデクリメントされるカウンタが所定値以下になったことを条件として、前記第2の処理を開始し、
    当該エンジンの吸入空気量に関するパラメータが所定値未満である場合には、前記条件を解除する
    ことを特徴とするNOx 触媒の管理方法。
  5. ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ排気中のNOx を還元するNOx 触媒を管理する方法であって、
    当該エンジンの燃焼に供される混合気の空燃比を低下させる第1の処理と、前記排気通路のNOx 触媒上流に還元剤を添加させる第2の処理と、を実行することにより、前記NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程を含み、且つ、
    前記工程において、前記第1の処理の開始後、前記ディーゼルエンジンの燃焼に供される燃料の燃料噴射毎にデクリメントされるカウンタが所定値以下になったことを条件として、前記第2の処理を開始し、
    前記NOx 触媒の劣化度合いに関するパラメータが所定値未満である場合には、前記条件を解除する
    ことを特徴とするNOx 触媒の管理方法。
  6. ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ排気中のNOx を還元するNOx 触媒を管理する方法であって、
    当該エンジンの燃焼に供される混合気の空燃比を低下させる第1の処理と、前記排気通路のNOx 触媒上流に還元剤を添加させる第2の処理と、を実行することにより、前記NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程を含み、且つ、
    前記工程において、前記第1の処理の開始後、前記ディーゼルエンジンの燃焼に供される燃料の燃料噴射毎にデクリメントされるカウンタが所定値以下になったことを条件として、前記第2の処理を開始し、
    前記第1の処理に基づく前記排気通路のNOx 触媒上流の空燃比の変化量を検出し、その変化量を学習する工程を含み、
    前記学習が完了した後は、前記条件を解除する
    ことを特徴とするNOx 触媒の管理方法。
  7. ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ排気中のNOx を還元するNOx 触媒を管理する方法であって、
    当該エンジンの燃焼に供される混合気の空燃比を低下させる第1の処理と、前記排気通路のNOx 触媒上流に還元剤を添加させる第2の処理と、を実行することにより、前記NOx 触媒に蓄積した硫黄成分を放出させる工程を含み、且つ、
    前記工程において、前記第1の処理の開始後、前記排気通路内のNOx 触媒上流の排気の空燃比が安定したことを条件として、前記第2の処理を開始し、
    前記ディーゼルエンジンは、大量のEGRガスを燃焼室に導入する低温燃焼モードに切り換え可能で、且つ、低温燃焼モードの開始後に同エンジンの燃焼に供される燃料の燃料噴射毎にデクリメントされるカウンタが初期値から「0」になるまでの間に、同エンジンの燃料噴射量が所定値まで徐々に増量されるものであり、
    前記第1の処理は、前記低温燃焼モードへの切り換えによって実現され、
    前記低温燃焼モードの開始後、前記カウンタが所定値以下になったことを前記条件とする
    ことを特徴とするNOx 触媒の管理方法。
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