JP4435300B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、排出ガス中の窒素酸化物を還元浄化するためのＮＯ_Ｘ浄化触媒から硫黄分を除去する処理を行う際の排気系の過度な昇温を抑制するための制御装置に関するものである。

例えばディーゼル内燃機関の排気通路には、特に希薄燃焼中に多く発生する排出ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯ_Ｘと記す）を還元浄化するためのリーンＮＯ_Ｘ触媒（以下、ＬＮＣと記す）が設けられることがある。

このＬＮＣにおいては、排気中の酸素濃度が相対的に高い希薄燃焼時に捕捉したＮＯ_Ｘを、排気中の未燃成分濃度が相対的に高くなるリッチ燃焼時に無害化して放出する還元処理を行っている。またＬＮＣは、ＮＯ_Ｘ捕捉量の増大に連れてその浄化性能が低下するので、適時、強制的に燃焼状態を変化させることにより、ＬＮＣに捕捉されたＮＯ_Ｘの放出および還元処理を行うようにしている。

他方、燃料には硫黄分が含まれているため、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）や硫化水素（Ｈ_２Ｓ）も燃焼室から排出される。これらの硫黄分もＮＯ_Ｘと同様のメカニズムでＬＮＣに吸着した状態（以下、硫黄被毒と記す）になるが、この硫黄被毒の進行に連れてＬＮＣのＮＯ_Ｘ浄化性能が低下するので、ＬＮＣに吸着した硫黄分を適時放出する必要がある。このＬＮＣからの硫黄分の放出処理（以下、サルファパージと記す）を行うには、ＬＮＣ内を所定の温度と所定の排気空燃比（以下排気Ａ／Ｆと記す）とが両立した雰囲気にする必要があり、そのための技術として、吸入行程中に噴射される主燃料噴射に加えて燃焼後補助燃料噴射（ 以下、ポスト噴射と記す）を行うことにより、排気Ａ／Ｆをリッチ状態にしてＬＮＣ温度を所定値以上に上昇させる技術が知られている（特許文献１を参照されたい）。
特開平９−３２６１９号公報

しかるに、この従来技術においては、専らＬＮＣ温度に基づいてポスト噴射量のフィードバック制御を行っているが、ＬＮＣ以外の排気処理手段が排気系に設けられる場合は、他の排気処理手段とＬＮＣとの活性温度領域および劣化が懸念される温度領域が互いに異なるため、ＬＮＣ温度のみに基づく排気Ａ／Ｆの制御では、他の排気処理手段にとって良好な環境を維持することができなくなることもあり得た。

本発明は、このような従来技術の不都合を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、サルファパージの実行中にＬＮＣと他の排気処理手段との双方にとって劣化が懸念されるような過度な昇温を抑制し得る内燃機関の制御装置を提供することにある。

このような課題を解決するため、本発明の請求項１は、排気系に直列に設けられた排気処理手段（例えばＴＷＣ８）およびＮＯ_Ｘ浄化触媒（ＬＮＣ９）と、該ＮＯ _Ｘ 浄化触媒内を所定の温度と所定の排気空燃比とが両立した雰囲気に制御することで、該ＮＯ_Ｘ浄化触媒に捕捉された硫黄分を除去する再生処理手段とを有する内燃機関の制御装置（ＥＣＵ１８）を、排気処理手段の温度を検出する第１の温度検出手段（ＴＷＣ温度センサ２９）と、ＮＯ_Ｘ浄化触媒の温度を検出する第２の温度検出手段（ＬＮＣ温度センサ３０）と、排気系の温度を制御する複数の温度制御手段と、前記再生処理手段の実行中において、第１の温度検出手段の出力が排気処理手段の劣化が懸念される温度領域であるか否かに基づいて、排気処理手段の劣化懸念度を判定するとともに、第２の温度検出手段の出力がＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化が懸念される温度領域であるか否かに基づいて、ＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化懸念度を判定する判定手段（４１）と、判定手段の判定結果に基づいて、複数の温度制御手段のいずれかを選択する制御モード選択手段（４４）とを備え、複数の温度制御手段は、燃焼時の主噴射の噴射量によって空燃比を制御する主噴射量制御手段（燃焼リッチ制御モード４２）と、主噴射の後に行う副噴射の噴射量によって空燃比を制御する副噴射量制御手段（ポストリッチ制御モード４３）とを備え、副噴射量制御手段による温度制御時に、排気処理手段とＮＯ_Ｘ浄化触媒との少なくともいずれか一方が所定の劣化懸念度であると判定された場合には、制御モード選択手段が主噴射量制御手段による温度制御モードに切り換えることを特徴とするものとした。

このような本発明によれば、サルファパージの実行中は、ＬＮＣと他の排気処理手段との双方の温度を監視し、これらのうちのいずれか一方が過度に昇温した場合には、その時の状況に応じて最適な制御によって排気系の温度を低下させることができるため、ＬＮＣ並びに他の排気処理手段の過度な昇温を抑制した上で高効率にサルファパージを実行することができる。
特にポスト噴射を用いて排気系を還元雰囲気にしている時に触媒温度が上昇したときは、ポスト噴射を停止することで触媒温度の上昇を防ぎ、さらに温度が上昇する場合は、排気中の未燃成分が過多であると判断し、主噴射量でリッチ化することによって排気系へ供給される酸素量および未燃成分を減らして反応熱の発生を抑制し、これによって排気系の昇温を防ぐことができる。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される内燃機関Ｅの基本的な全体構成図である。この内燃機関（ディーゼルエンジン）Ｅは、その機械的な構成自体は周知のものと何ら変わるところはなく、過給圧可変機構付きターボチャージャ１を備えるものであり、ターボチャージャ１のコンプレッサ側に吸気通路２が連結され、ターボチャージャ１のタービン側に排気通路３が連結されている。そして吸気通路２の上流端にエアクリーナ４が接続され、吸気通路２の適所に燃焼室に流入する新気の流量を調節するための吸気制御弁５と、低回転・低負荷運転域で流路断面積を絞って吸気流速を高めるためのスワールコントロール弁６とが設けられている。また排気通路３の下流側には、排気処理手段として例えば酸化機能と還元機能とを備える三元触媒（以下、ＴＷＣと記す）８と、上記したＬＮＣ９とを排気の流れに沿ってこの順に連設してなる排気浄化装置１０が接続されている。なお、排気浄化装置１０には、煤などの粒子状物質を除去するフィルタ（図示省略）も含まれている。

スワールコントロール弁６と排気通路３における燃焼室の直後との間は、排出ガス再循環（以下、ＥＧＲと記す）通路１１を介して互いに連結されている。このＥＧＲ通路１１は、切換弁１２を介して分岐されたクーラー通路１１ａとバイパス通路１１ｂとからなり、その合流部に、燃焼室に流入するＥＧＲ量を調節するＥＧＲ制御弁１３が設けられている。

内燃機関Ｅのシリンダヘッドには、その先端を燃焼室に臨ませた燃料噴射弁１４が設けられている。この燃料噴射弁１４は、燃料を所定の高圧状態で蓄えるコモンレール１５に連結され、コモンレール１５には、クランク軸にて駆動されて燃料タンク１６から燃料を汲み上げる燃料ポンプ１７が接続されている。

これらのターボチャージャ１の過給圧可変機構１９、吸気制御弁５、ＥＧＲ通路切換弁１２およびＥＧＲ制御弁１３、燃料噴射弁１４、燃料ポンプ１７・・・等は、電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す）１８からの制御信号によって作動するように構成されている（図２参照）。

一方、ＥＣＵ１８には、図２に示すように、内燃機関Ｅの所定箇所に配置された吸気弁開度センサ２０、クランク軸回転速度センサ２１、吸気流量センサ２２、過給圧センサ２３、ＥＧＲ弁開度センサ２４、コモンレール圧センサ２５、アクセルペダル操作量センサ２６、Ｏ_２センサ２７Ｕ・２７Ｌ、ＮＯ_Ｘセンサ２８Ｕ・２８Ｌ、ＴＷＣ温度センサ２９、ＬＮＣ温度センサ３０・・・等からの出力信号が入力されている。

ＥＣＵ１８のメモリには、クランク軸回転速度および要求トルク（アクセルペダル操作量）に応じて実験等によって予め求めた最適燃料噴射量をはじめとする各制御対象の制御目標値を設定したマップが格納されており、内燃機関Ｅの負荷状況に応じて最適な燃焼状態が得られるように、各部の制御が行われる。

次に本発明による排気系の温度制御要領について説明する。本発明は、ＴＷＣ温度センサ２９（第１の温度検出手段）とＬＮＣ温度センサ３０（第２の温度検出手段）との出力を比較して両者の温度範囲からＴＷＣ８とＬＮＣ９との劣化懸念度を判別する劣化懸念度判定手段４１と、劣化懸念度の判定結果に応じて切り換えるＡ／Ｆ制御モードとして、吸入行程での燃焼室への主噴射量を制御する燃焼リッチ制御４２と、燃焼後の補助噴射量を制御するポストリッチ制御４３とのいずれかを選択する制御モード選択手段４４とからなっている（図３）。

図４に示すように、ＴＷＣ８とＬＮＣ９との双方についての温度判定領域は、再生可能領域（Ａ）、劣化懸念小領域（Ｂ）、劣化懸念大領域（Ｃ）との３つに分けられており、ＴＷＣについては、Ａ領域が７００℃以下、Ｂ領域が７００℃〜７５０℃、Ｃ領域が７５０℃以上、と設定されている。またＬＮＣについては、Ａ領域が６００℃以下、Ｂ領域が６００℃〜６５０℃、Ｃ領域が６５０℃以上、と設定されている。

そしてサルファパージの実行中は、ＴＷＣ温度センサ２９とＬＮＣ温度センサ３０との双方の出力を常時監視し、両温度の関係に基づいて排気Ａ／Ｆ制御モードを選択するものとした。

制御モードの選択判定は、図５に示すように、ＴＷＣ温度がＡ領域にあるときのＬＮＣ温度が、Ａ領域ならば判定１、Ｂ領域ならば判定２、Ｃ領域ならば判定３が選択される。

同様に、ＴＷＣ温度がＢ領域にあるときのＬＮＣ温度が、Ａ領域ならば判定２、Ｂ領域ならば判定２、Ｃ領域ならば判定３が選択され、ＴＷＣ温度がＣ領域にあるときのＬＮＣ温度が、Ａ領域ならば判定３、Ｂ領域ならば判定３、Ｃ領域ならば判定３が選択される。

上述の温度に基づく制御モード選択判定時に実行されているＡ／Ｆ制御モードが、ポストリッチ制御である時、つまり燃焼後副噴射量のフィーバック制御により排気Ａ／Ｆが１４．０〜１４．３の範囲に保たれている時には、判定１（ＴＷＣ、ＬＮＣ共に再生可能領域にある）の場合は、現状が適正温度と判断してポストリッチ制御を継続する。また判定２（ＴＷＣ、ＬＮＣの少なくともいずれか一方が劣化懸念小）の場合は、このまま排気系に未燃成分の供給を継続すると昇温が過度になると予測してポスト噴射を停止する。これにより、未燃成分が減量した分、排気Ａ／Ｆは相対的にリーン（１７〜２０）となり、昇温が抑制される。この状態では、排気Ａ／Ｆのフィードバック制御は行わない。そして判定３（ＴＷＣ、ＬＮＣの少なくともいずれか一方が劣化懸念大）の場合は、排気Ａ／Ｆが１４前後となるように吸入行程での主噴射量をフィードバック制御する燃焼リッチ制御に切り換える。これにより、直前までのポストリッチ制御による未燃成分が排気中に存在していても、排気中の酸素濃度が低下するために発熱反応が低下し、過度な昇温が抑制される。

他方、制御モード選択判定時に実行されているＡ／Ｆ制御モードが燃焼リッチ制御である時、つまり吸入行程での主噴射量のフィードバック制御によって排気Ａ／Ｆが１４前後に保たれている時には、判定１の場合は、燃焼リッチ制御を継続する。これはポスト噴射をしなくても適度な排気温度を維持することができる高負荷／高回転運転状態であるならば、主噴射によるＡ／Ｆ制御を継続する方が燃費の点で有利となるからである。しかもこれにより、還元雰囲気の時間を長くし得るので、サルファパージ処理を速やかに終了させることができる。また判定２の場合は、リーン化制御を行い、排気Ａ／Ｆが２５〜３０の範囲となるようにする。この時は、実質的にサルファパージ制御は行われず、通常の希薄燃焼運転時の制御と同等となる。そして判定３の場合も、上記と同様にリーン化制御を行う。この場合は、直前まで燃焼リッチ制御を行っていたので排気中に未燃成分は多く存在せず、酸素量が増大しても昇温することはなく、排気温度は低下する。

以上、詳述したように本発明によれば、ＴＷＣ２９とＬＮＣ３０との双方の温度状態を監視することにより、双方が劣化懸念状態に陥ることを抑制しつつサルファパージを実行することができる。なお、ＬＮＣ３０以外の排気処理手段としては、ＴＷＣ２９のみならず、酸化触媒、還元触媒、あるいは粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を捕捉するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）などであっても、本発明は同様に適用できる。また制御モードの判定に用いる温度は、触媒温度を直接に実測した値のみならず、排気温度からの推定値でも良い。

本発明が適用される内燃機関の概略全体構成図である。 本発明が適用される制御装置のブロック図である。 本発明の要部構成を示すブロック図である。 ＴＷＣとＬＮＣとの温度領域の比較図である。 ＴＷＣの温度範囲とＬＮＣの温度範囲と判定種別との関係図である。 判定と制御モードとの関係図である。

符号の説明

Ｅ 内燃機関
８ ＴＷＣ
９ ＬＮＣ
１８ ＥＣＵ
２９ ＴＷＣ温度センサ
３０ ＬＮＣ温度センサ
４１ 劣化懸念度判定手段
４２ 制御モード判定手段
４３ 燃焼リッチ制御モード
４４ ポストリッチ制御モード

Claims (1)

1. 排気系に直列に設けられた排気処理手段およびＮＯ_Ｘ浄化触媒と、該ＮＯ _Ｘ 浄化触媒内を所定の温度と所定の空燃比とが両立した雰囲気に制御することで、該ＮＯ_Ｘ浄化触媒に捕捉された硫黄分を除去する再生処理手段とを有する内燃機関の制御装置であって、
   前記排気処理手段の温度を検出する第１の温度検出手段と、
   前記ＮＯ_Ｘ浄化触媒の温度を検出する第２の温度検出手段と、
   前記排気系の温度を制御する複数の温度制御手段と、
   前記再生処理手段の実行中において、前記第１の温度検出手段の出力が前記排気処理手段の劣化が懸念される温度領域であるか否かに基づいて、前記排気処理手段の劣化懸念度を判定するとともに、前記第２の温度検出手段の出力が前記ＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化が懸念される温度領域であるか否かに基づいて、前記ＮＯ_Ｘ浄化触媒の劣化懸念度を判定する判定手段と、
   前記判定手段の判定結果に基づいて、前記複数の温度制御手段のいずれかを選択する制御モード選択手段とを備え、
   前記複数の温度制御手段は、燃焼時の主噴射の噴射量によって空燃比を制御する主噴射量制御手段と、主噴射の後に行う副噴射の噴射量によって空燃比を制御する副噴射量制御手段とを備え、
   前記副噴射量制御手段による温度制御時に、前記排気処理手段と前記ＮＯ _Ｘ 浄化触媒とのいずれか一方が所定の劣化懸念度であると判定された場合には、前記制御モード選択手段が前記主噴射量制御手段による温度制御モードに切り換えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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