JP4441973B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンの排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の排気を浄化するための触媒としては、略理論空燃比付近で排気中のHC(炭化水素)、CO及びNOx(窒素酸化物)を同時にかつ極めて有効に浄化できる三元触媒が知られており、ガソリンエンジンにおいては、この三元触媒を用いるとともに、全負荷域等を除く大部分の運転領域において空燃比を略理論空燃比付近に制御することが一般に行われている。
【0003】
しかしながら、ディーゼルエンジンは通常のあらゆる運転領域において空燃比がかなりリーンな状態(例えばA/F≧18)とされるので、前記三元触媒を用いることはできず、しかも、空燃比がリーンな状態では排気中の酸素濃度がかなり高くなるので、そのような雰囲気でNOxを十分に還元浄化すること自体が困難である。
【0004】
これに対して、排気中の酸素濃度が所定値(例えば4%)以上の酸素過剰雰囲気でNOxを吸収する一方、酸素濃度の減少によって、吸収しているNOxを放出するいわゆるNOxトラップ触媒を用いる技術がある。このNOxトラップ触媒は、NOx吸収量が増えると吸収性能が低下するため、そうなる前に吸収しているNOxを放出させるいわゆるリフレッシュを行う必要がある。
【0005】
そこで、例えば特開平6−212961号公報に記載されているように、ディーゼルエンジンにおいて、前記のリフレッシュを行うべきときに燃料主噴射の後の膨張行程中期から排気行程にかけて少量の燃料を後噴射することにより排気ガス中の酸素濃度を低下させるようにしている。
【0006】
一方、特開平9−347524号公報には、ディーゼルエンジンにおいて、その排気通路の上流側に低温域でNOxを還元浄化するに適した第1触媒装置を配置し、その下流側に高温域でNOxを還元浄化するに適した第2触媒装置を配置し、圧縮行程上死点付近で機関出力発生のための主燃料噴射を行なうとともに、膨張行程又は排気行程において触媒に対する炭化水素供給量を増大させるための後燃料噴射を行なうようにし、その後燃料噴射量を触媒温度に応じて制御することにより、NOx浄化を効果的に行なうことが記載されている。
【0007】
すなわち、後燃料噴射によって排気ガス中のHC量が増大すると触媒でのHC酸化反応熱によって触媒温度が上昇することに鑑み、第1及び第2の各触媒装置に対してNOx浄化活性がピークとなる温度より低温時には後燃料噴射量を多くしてピーク温度付近でNOx浄化が行なわれるようにし、ピーク温度より高温時には後燃料噴射量を少なくして触媒の温度上昇を抑え、できるだけピーク温度付近でNOxの浄化を行なおうとするものである。
【0008】
また、特開平8−261052号公報には、エンジンの圧縮行程上死点近傍で燃料の主噴射を行ない、膨張行程又は排気行程で燃料の後噴射を行なうようにしたものにおいて、NOx還元用触媒の温度が高いときには低いときに比べて後噴射時期を遅らせることが記載されている。すなわち、後噴射時期の制御によって、触媒温度が低いときに排気ガス中に炭素数が小さいHCが多くなるようにし、触媒温度が高いときには排気ガス中の炭素数が大きいHCが多くなるようにするというものである。これは、炭素数が小さいHCは低温側でのNOxの浄化に還元剤として有効に働き、炭素数が大きいHCは高温側でのNOxの浄化に還元剤として有効に働くという知見に基づく。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の如きNOxトラップ触媒は、例えばゼオライトにNOxを吸収するBa等の触媒成分とNOxを還元分解するPt等の触媒成分とを担持させて構成されているが、酸化触媒としての機能は一般にあまり高くない。従って、このNOxトラップ触媒よりも上流側の排気通路に酸化触媒を配置し、排気ガス中のHCやCOをこの上流側の触媒で酸化浄化することが必要になる場合が多い。
【0010】
しかし、そのような酸化触媒を設けると、NOxトラップ触媒でのNOxの還元に必要な排気ガス中のHCやCOがこの酸化触媒によって酸化浄化され、NOxトラップ触媒には必要量の還元剤が供給され難くなる。
【0011】
本発明は、このようなNOxトラップ触媒よりも上流側に酸化触媒を設けた場合の上記問題を解決するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明は、NOxトラップ触媒からNOxを放出させるために排気ガス中のHC等の還元剤量を上述の後噴射によって増大させるとともに、その還元剤が上流側の酸化触媒でできるだけ酸化分解され難くなるように当該後噴射を制御するようにしている。
【0013】
すなわち、本発明は、エンジンの燃焼室内を臨み該燃焼室内に燃料を噴射する噴射弁と、
前記燃焼室から延びる排気通路に配置され排気ガス中の酸素濃度が高いときに該排気ガス中のNOxを吸収し、前記酸素濃度の低下によってNOxを放出するとともにこれを還元するNOxトラップ触媒と、
前記NOxトラップ触媒からNOxを放出させるべく、前記噴射弁によって前記エンジンの圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射後の膨張行程又は排気行程の所定時期に該噴射弁から燃料を噴射する後噴射により排気ガス中の還元剤量を所定期間増大させる還元剤増量手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、
前記NOxトラップ触媒よりも上流側の前記排気通路に酸化触媒機能を有する酸化触媒が配置され、
前記還元剤増量手段は、前記後噴射の時期を圧縮行程上死点後の10〜50゜CAに設定し、前記還元剤の増大量が所定時間毎に増減変化するように前記後噴射を0.2秒〜2秒に1回の間隔で後噴射量が増大するよう制御し、
前記後噴射量の増大時には、該後噴射量の増大が行なわれる気筒に対して当該後噴射前に実行される前記主噴射の量が減じられることを特徴とする。
【0014】
ここで、前記の「酸素濃度の低下によって」とは、排気ガス中の酸素濃度が高い状態から例えば3〜4%未満(好ましくは1〜2%未満)になればよく、排気ガスの空燃比が略理論空燃比付近か或いは理論空燃比よりも小さいリッチ状態に相当する。なお、排気ガスの空燃比とは、排気通路に供給された全空気量の全燃料量に対する比のことであり、排気通路に2次エアや燃料を供給するものでなければ、燃焼室の空燃比(燃焼室の空燃比の平均値のことであり、以下同様とする)に一致するものである。この酸素濃度の低下は、還元剤増量手段による燃料の後噴射制御によって排気ガス中の還元剤量を増大させることによって行なわれる。
【0015】
そうして、本発明においては、前記還元剤の増大量が所定時間毎に増減変化するから、その還元剤が上流側の酸化触媒によって酸化分解されることなくこれを吹き抜け易くなり、下流側のNOxトラップ触媒に供給される還元剤量多くすることができるものである。これにより、NOxトラップ触媒ではNOxが還元浄化され易くなる。
【0016】
このような吹き抜けを生じ易くなる理由は定かでないが、酸化触媒は還元剤が定常的に供給される場合は、その時の温度及び触媒能力に応じて略一定の割合で還元剤を酸化分解する、つまり平衡状態になるものの、還元剤量が間欠的に増大すると、そのような平衡状態がとれないために還元剤の酸化分解率が低下し、比較的多量の吹き抜けを生ずるものと考えられる。
【0017】
なお、ここで、酸化触媒機能を有する触媒としては、主に貴金属やCu等を担持した触媒であって、酸化触媒や三元触媒だけでなく、HC等を部分酸化させた状態でNOxと反応させることでNOxを還元するNOx浄化用触媒であってもよい。
【0018】
また、本発明は、前記後噴射の時期を圧縮行程上死点後の10〜50゜CAに設定し、前記還元剤増大量が所定時間毎に増減変化するように0.2秒〜2秒に1回の間隔で後噴射量を増大させる。
【0019】
これにより、還元剤増大量が所定時間毎に増減変化し、還元剤が上流側の酸化触媒を吹き抜けて下流側のNOxトラップ触媒に供給され易くなる。後噴射時期を圧縮行程上死点後の10゜CA以降とするのは、主噴射終了後に後噴射を行なうことができるようにするためである。50゜CA以前に後噴射を行なうのは、この後噴射によって燃焼ガスは若干冷却され高温に晒される時間が短くなり、NOxの発生を抑える上で有利になるからである。後噴射量を増大させる間隔を前記のように設定するのは、0.2秒よりも短くなると、還元剤の吹き抜けが少なくなり、2秒よりも長くなると、NOxトラップ触媒からNOxが放出されるときにせっかくの還元剤が間に合わず有効に利用されなくなるからである。
【0020】
なお、後噴射量の増大を0.2秒に1回の間隔で行なうということは、例えばエンジン回転数が1500rpmであれば、主噴射10回につき1回の間隔で行なうことになり、後噴射量の増大を2秒に1回の間隔で行なうということは、主噴射100回につき1回の間隔で行なうことになる。
【0021】
また、本発明は、上述の如く後噴射の時期を圧縮行程上死点後の10〜50゜CAに設定し、0.2秒〜2秒に1回の間隔で後噴射量を増大させる場合において、その後噴射量の増大時には、該後噴射量の増大が行なわれる気筒に対して当該後噴射前に実行される前記主噴射の量を減じることを特徴とする。後噴射量が増大すると、それがエンジン出力を高める方向に働くから、主燃料噴射量を低減させるものであり、また、この主燃料噴射量の低減によって、空燃比が大きくリッチになることを避けることができる。
【0022】
また、本発明は、上述の如く0.2秒〜2秒に1回の間隔で後噴射量を増大させる場合に、その後噴射時期を圧縮行程上死点後の30〜50゜CAに設定することができる。これにより、NOxの発生を抑える上で有利になるとともに、スモークの発生量も少なくなる。
【0023】
また、本発明は、上述の如きエンジンの排気浄化装置において、前記還元剤増量手段は、前記排気ガス中の還元剤量を増大させる所定期間の当初に還元剤の増大量が大きくなるように前記後噴射を制御することができる。すなわち、排気ガス中の還元剤量を増大させて排気ガス中の酸素濃度を低下させると、この酸素濃度が低下した直後にNOxトラップ触媒から多量のNOxが放出されるから、この多量に放出されるNOxに対して還元剤が不足する状態になることを避けるものである。
【0024】
また、本発明の別の態様は、エンジンの燃焼室内を臨み該燃焼室内に燃料を噴射する噴射弁と、
前記燃焼室から延びる排気通路に配置され排気ガス中の酸素濃度が高いときに該排気ガス中のNOxを吸収し、前記酸素濃度の低下によってNOxを放出するとともにこれを還元するNOxトラップ触媒と、
前記NOxトラップ触媒からNOxを放出させるべく、前記噴射弁によって前記エンジンの圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射後の膨張行程又は排気行程の所定時期に該噴射弁から燃料を噴射する後噴射により排気ガス中の還元剤量を所定期間増大させる還元剤増量手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、
前記NOxトラップ触媒よりも上流側の前記排気通路に酸化触媒機能を有する酸化触媒が配置され、
前記還元剤増量手段は、前記還元剤の増大量が所定時間毎に増減変化するように前記後噴射を後噴射量が間欠的に増大するよう制御し、
前記後噴射量の増大時には、該後噴射量の増大が行なわれる気筒に対して当該後噴射前に実行される前記主噴射の量が減じられることを特徴とする。
【0025】
従って、前記還元剤の増大量が所定時間毎に増減変化するから、その還元剤が上流側の酸化触媒によって酸化分解されることなくこれを吹き抜け易くなり、下流側のNOxトラップ触媒に供給される還元剤量多くすることができる。これにより、NOxトラップ触媒ではNOxが還元浄化され易くなる。また、後噴射量が増大すると、それがエンジン出力を高める方向に働くから、主燃料噴射量を低減させるものであり、この主燃料噴射量の低減によって、空燃比が大きくリッチになることを避けることができる。
【0026】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、NOxトラップ触媒よりも上流側の排気通路に酸化触媒が配置され、NOxトラップ触媒からNOxを放出させるべく、主噴射後の後噴射によって排気ガス中の還元剤量を所定期間増大させるようにしたエンジンの排気浄化装置において、この還元剤の増大量が所定時間毎に増減変化するように前記後噴射を制御するとともに、その増減変化のための後噴射量の増大時に主噴射量を減じるようにしたから、その還元剤が上流側の酸化触媒を吹き抜けて下流側のNOxトラップ触媒に供給され易くなり、NOxトラップ触媒でのNOxの還元浄化に有利になるとともに、エンジン出力が余分に高くなることを防止する上で有利になり、また、空燃比が大きくリッチになることを避けることができる。
【0027】
また、前記後噴射の時期を圧縮行程上死点後の10〜50゜CAに設定するとともに、0.2秒〜2秒に1回の間隔で後噴射量を増大させるようにしたものによれば、還元剤増大量が所定時間毎に増減変化し、還元剤が上流側の酸化触媒を吹き抜けて下流側のNOxトラップ触媒に供給され易くなり、さらに、その後噴射時期を圧縮行程上死点後の30〜50゜CAに設定したものによれば、NOx及びスモークの発生を抑える上で有利になる。
【0028】
また、前記排気ガス中の還元剤量を増大させる所定期間の当初に還元剤の増大量が大きくなるように前記後噴射を制御するものによれば、排気ガス中の酸素濃度が低下した直後の、NOxトラップ触媒から多量のNOxが放出されるときに多量の還元剤を供給することができ、NOxの還元浄化に有利になる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0030】
図1は本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置Aの全体構成を示し、1は車両に搭載された多気筒ディーゼルエンジンのエンジン本体である。このエンジン本体1は複数の気筒2(1つのみ図示する)を有し、その各気筒2内にピストン3が往復動可能に嵌挿されていて、この気筒2とピストン3によって各気筒2内に燃焼室4が形成されている。また、燃焼室4の上面の略中央部には、インジェクタ(燃料噴射弁)5が先端部の噴孔を燃焼室4に臨ませて配設され、各気筒毎に所定の噴射タイミングで噴孔が開閉作動されて、燃焼室4に燃料を直接噴射するようになっている。
【0031】
前記各インジェクタ5は高圧の燃料を蓄える共通のコモンレール(蓄圧室)6に接続されていて、そのコモンレール6にはクランク軸7により駆動される高圧供給ポンプ8が接続されている。この高圧供給ポンプ8は、圧力センサ6aによって検出されるコモンレール6内の燃圧が所定値以上に保持されるように作動する。また、クランク軸7の回転角度を検出するクランク角センサ9が設けられており、このクランク角センサ9は、クランク軸7の端部に設けた被検出用プレート(図示省略)と、その外周に相対向するように配置され電磁ピックアップとからなり、その電磁ピックアップが被検出用プレートの外周部全周に所定角度おきに形成された突起部の通過に対応してパルス信号を出力するようになっている。
【0032】
10はエンジン本体1の燃焼室4に対しエアクリーナ(図示省略)で濾過した吸気(空気)を供給する吸気通路であり、この吸気通路10の下流端部には、図示しないがサージタンクが設けられ、このサージタンクから分岐した各通路が吸気ポートにより各気筒2の燃焼室4に接続されている。また、サージタンクには各気筒2に供給される過給圧力を検出する吸気圧センサ10aが設けられている。前記吸気通路10には上流側から下流側に向かって順に、エンジン本体1に吸入される吸気流量を検出するホットフィルム式エアフローセンサ11と、後述のタービン21により駆動されて吸気を圧縮するブロワ12と、このブロワ12により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ13と、吸気通路10の断面積を絞る吸気絞り弁(吸気量調節手段)14とがそれぞれ設けられている。この吸気絞り弁14は、全閉状態でも吸気が流通可能なように切り欠きが設けられたバタフライバルブからなり、後述のEGR弁24と同様、ダイヤフラム15に作用する負圧の大きさが負圧制御用の電磁弁16により調節されることで、弁の開度が制御されるようになっている。また、前記吸気絞り弁14にはその開度を検出するセンサ(図示省略)が設けられている。
【0033】
20は各気筒2の燃焼室4から排気ガスを排出する排気通路で、排気マニホールドを介して各気筒2の燃焼室4に接続されている。この排気通路20には、上流側から下流側に向かって順に、排気ガス中の酸素濃度を検出するO2センサ17と、排気流により回転されるタービン21と、排気ガス中のHC、CO及びNOxを浄化可能な触媒コンバータ22とが配設されている。また、触媒コンバータ22には触媒の温度を検出するための温度センサ18が設けられている。
【0034】
前記触媒コンバータ22は、図2に示すようにHC及びCOを酸化させて浄化するための酸化触媒22aとNOxトラップ触媒22bとを排気ガス流れ方向における上流側と下流側に直列的に並べたものである。
【0035】
触媒22a,22bはいずれも、軸方向に平行に延びる多数の貫通孔を有するハニカム構造のコージェライト製担体の各貫通孔壁面に触媒層を形成したものである。酸化触媒22aの触媒層は、アルミナ及びセリアにPtを担持させてなる触媒粉をバインダによって前記担体に担持させることによって形成されている。NOxトラップ触媒22bの触媒層はゼオライトにPt及びBaを担持させてなる触媒粉をバインダによって前記担体に担持させることによって形成されている。NOxトラップ触媒22bは、排気ガスの酸素濃度が高いとき(例えば理論空燃比よりもリーンな空燃比(例えばA/F≧18)で燃焼し酸素濃度4%以上になっているときの)該排気ガス中のNOxをBaによって吸収し、酸素濃度が低下して例えば酸素過剰率λ=1付近になると、吸収していたNOxを放出するとともに、そのNOxをPtによって還元浄化する機能を有する。
【0036】
前記排気通路20のタービン21よりも上流側の部位からは、排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気還流通路(以下EGR通路という)23が分岐し、このEGR通路23の下流端は吸気絞り弁14よりも下流側の吸気通路10に接続されている。EGR通路23の途中の下流端寄りには、開度調節可能な排気還流量調節弁(排気還流量調節手段:以下EGR弁という)24が配置されていて、排気通路20の排気ガスの一部をEGR弁24により流量調節しながら吸気通路10に還流させるようになっている。
【0037】
前記EGR弁24は、負圧応動式のものであって、その弁箱の負圧室に負圧通路27が接続されている。この負圧通路27は、負圧制御用の電磁弁28を介してバキュームポンプ(負圧源)29に接続されており、電磁弁28が後述のECU35からの制御信号(電流)によって負圧通路27を連通・遮断することによって、負圧室のEGR弁駆動負圧が調節され、それによって、EGR通路23の開度がリニアに調節されるようになっている。
【0038】
前記ターボ過給機25は、VGT(バリアブルジオメトリーターボ)であって、これにはダイヤフラム30が取り付けられていて、負圧制御用の電磁弁31によりダイヤフラム30に作用する負圧が調節されることで、排気ガス流路の断面積が調節されるようになっている。
【0039】
前記各インジェクタ5、高圧供給ポンプ8、吸気絞り弁14、EGR弁24、ターボ過給機25等はコントロールユニット(Engine Contorol Unit:以下ECUという)35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。一方、このECU35には、前記圧力センサ6aからの出力信号と、クランク角センサ9からの出力信号と、圧力センサ10aからの出力信号と、エアフローセンサ11からの出力信号と、O2センサ17からの出力信号と、温度センサ18からの出力信号と、EGR弁24のリフトセンサ26からの出力信号と、車両の運転者による図示しないアクセルペダルの操作量(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサ32からの出力信号とが少なくとも入力されている。
【0040】
そして、インジェクタ5による燃料噴射量及び燃料噴射時期がエンジン本体1の運転状態及び触媒22a,22bの状態に応じて制御されるとともに、高圧供給ポンプ8の作動によるコモンレール圧力、即ち燃量噴射圧の制御が行なわれ、これに加えて、吸気絞り弁14の作動による吸入空気量の制御と、EGR弁24の作動による排気還流量の制御と、ターボ過給機25の作動制御(VGT制御)とが行なわれるようになっている。
【0041】
(燃料噴射制御)
前記ECU35には、エンジン本体1の目標トルク及び回転数の変化に応じて実験的に決定した最適な燃料噴射量Qbを記録した燃料噴射量マップが、メモリ上に電子的に格納して備えられている。そして、アクセル開度センサ32からの出力信号に基づいて求めた目標トルクとクランク角センサ9からの出力信号に基づいて求めたエンジン回転数とに基づいて、前記燃料噴射量マップから主噴射量Qbが読み込まれ、この主噴射量Qbと圧力センサ6aにより検出されたコモンレール圧力とに基づいて、各インジェクタ5の励磁時間(開弁時間)が決定されるようになっている。この主燃料噴射制御によって、エンジン本体1の目標トルクに対応する分量の燃料が供給され、エンジン本体1は燃焼室4における平均的空燃比がかなりリーンな状態(A/F≧18)で運転される。
【0042】
また、定常運転時(アクセル開度の変化が小さい時)には、NOxトラップ触媒22bのNOxトラップ量が所定値以上になっているときに、λ=1としてNOxトラップ触媒22bからNOxを放出させてこれを還元浄化すべく、排気ガス中の還元剤量を増大させる後噴射制御が実行される。後噴射は主噴射(主燃料噴射)後の膨張行程又は排気行程において燃料を適量噴射するというものである。
【0043】
本発明の特徴は前記後噴射制御にあり、還元剤増大量を所定時間毎に増減変化させるようにしている。
【0044】
以下、図3に示す制御フローに基づいて制御内容を具体的に説明する。尚、この制御は所定クランク角毎に実行される。
【0045】
まず、スタート後のステップS1において、クランク角信号、エアフローセンサ出力、アクセル開度、温度センサ出力等を読み込む。続くステップS2においてNOxトラップ触媒22bのNOxトラップ量Nxを推定する。このNOxトラップ量Nxは、エンジン始動又は前回のNOx放出制御からのエンジン回転数、エンジン負荷についての履歴に基づいて推定することができ、あるいは単にエンジンの運転時間に基づいて推定するようにしても、あるいはNOxトラップ触媒22bよりも下流側の排気通路20に排気ガス中のNOx濃度を検出するセンサを配置して推定するようにしてもよい。
【0046】
続くステップS3においてNOxトラップ量Nxが所定値Nxoを越えていることが判別されると、ステップS4に進んでタイマTをインクリメントし、NOxトラップ量Nxが所定値Nxoを越えていない場合でもステップS5でタイマTのカウント中であることが判別されると、ステップS4に進んでこれをインクリメントする。所定値NxoはNOxトラップ触媒22bでのNOxトラップが飽和する限界値近くのNOxトラップ量である。
【0047】
続くステップS6でタイマTが所定値Toに達していないことが判別されるとステップS9以下のλ=1とするための噴射制御に進み、タイマTが所定値Toに達しているときはステップS7に進んでタイマTを零とし、さらにステップS8に進んで通常の空燃比リーンでエンジンを運転するための噴射量及び噴射時期の設定を行なう。ステップS5でタイマTのカウント中でないことが判別されたときもステップS8に進む。前記所定値ToはNOxの放出制御を行なう時間(例えば2〜5秒)に相当する。
【0048】
先にステップS8について説明すると、ここでは、エンジン運転状態に応じて主噴射量Qb及びその噴射時期Ibを設定する。主噴射量Qbはアクセル開度とエンジン回転数とに基づいて燃料噴射量マップから読み込む。燃料噴射量マップは、アクセル開度及びエンジン回転数の変化に応じて実験的に決定した最適な噴射量Qbを記録したものであり、主噴射量Qbは、アクセル開度が大きいほど、またエンジン回転数が高いほど、多くなるように設定されている。主噴射時期Ibは圧縮行程上死点付近に設定され、例えばBTDC5°CA(クランク角度)を基準として、噴射量Qbが多いほど進角され、反対に噴射量Qbが少ないほど遅角される。また、エンジン水温に基づいて、該水温が低いときには主噴射時期Ibが所定量リタードされて暖機運転される。また、後噴射量Qpについては零に設定する。
【0049】
次にλ=1とする(排気ガス中の酸素濃度を0.5%以下とする)ための噴射制御について説明すると、ステップS9では後噴射量Qpλを増量すべき気筒を決定する。後噴射量Qpλの増量は最初に後噴射が行なわれる気筒に対して行なわれるとともに、その気筒から数えて後噴射25回に1回の間隔で行なう。従って、後噴射量Qpλを増量すべき気筒は、タイマT=1のときの気筒と、後噴射25回でタイマTが例えば20を刻むのであれば、タイマTが21、41、61、…となるときの各気筒である。
【0050】
続くステップS10ではλ=1とするための主噴射量Qbλ及びその噴射時期Ibλ、並びに後噴射量Qpλ及びその噴射時期Ibλを設定する。後噴射はすべての気筒に対して主噴射の後に行なわれるものであり、主噴射量Qbλは後噴射の影響でエンジン出力が余分に上昇することを避けるべく通常のリーン運転時の主噴射量Qbよりも若干少なめに設定し、後噴射量Qpλは主噴射量Qbλの例えば30〜50%(例えば40%)に設定する。主噴射時期Ibλはリーン運転時の噴射時期Ibと同じにすることができる。後噴射時期Ibλは圧縮行程上死点後(ATDC)の10〜50゜CAに、例えばATDC15゜CAに設定する。
【0051】
続くステップS11で後噴射量を増量すべき気筒であるか否かを判別し、増量すべき気筒であれば、ステップS12に進んで主噴射量QbλについてΔαだけ減量し、後噴射量QpλについてはΔαだけ増量する。Δαとしては主噴射量Qbの0.5〜7%、例えば5%を与える。これにより、後噴射量Qpλは25回に1回増量されることになるが、これは排気ガス中の還元剤としてのHCが上流側の酸化触媒22aで酸化されることなくこれを吹き抜けて下流側のNOxトラップ触媒22b到達し易くするためである。主噴射量Qbλの減量は後噴射量Qpλの増量に伴ってエンジン出力が余分に上昇することを避けるためである。
【0052】
続くステップS13でタイマT=1であることが判別されると、ステップS14に進んで主噴射量QbλについてさらにΔβだけ減量し、後噴射量QpλについてはさらにΔβだけ増量する。Δβとしては主噴射量Qbの数%、例えば5%を与える。このように初回の後噴射量Qpλを増量するのは、λ=1運転に移行した当初はNOxトラップ触媒22bから多量にNOxが放出されるため、これを還元するための還元剤としてのHCが不足状態になることを避けるためである。主噴射量Qbλの減量は後噴射量Qpλの増量に伴ってエンジン出力が余分に上昇することを避けるためである。これにより、リーンからλ=1への移行時のトルクショックが緩和される。
【0053】
また、上記λ=1の運転時にはリーン運転時よりもEGR量が増量するようにエアフローセンサ11の出力に基づいてEGRのフィードバック制御を行なう。これは、λ=1運転ではリーン運転よりも燃費が悪化するが、EGRの増量によってポンピングロスの低減を図るとともに、高温の排気ガスを燃焼室に多く導入することによって燃料の気化・霧化を促進するためである。
【0054】
続くステップS15において、以上のようにして設定したQbλ、Ibλ、Qpλ及びIbλを主噴射量Qb、主噴射時期Ib、後噴射量Qp及び後噴射時期Ibとして与え、ステップS16以下へ進む。ステップS8で通常のリーン運転のための噴射量及び噴射時期を設定したときもステップS16以下へ進む。すなわち、主噴射時期Ibになると主噴射を実行し(ステップS16,S17)、その主噴射を行なった気筒について後噴射を行なうべきときは(ステップS18)、後噴射時期Ipになった時点で後噴射を実行し、リターンする(ステップS19,S20)。
【0055】
図4は燃料噴射時期を模式的に示すタイムチャートであり、同図の(a)は後噴射量をステップS10で設定したままとして増量しないとき、同図(b)はステップS12で後噴射量を増量させたとき、同図(c)はステップS14で後噴射量を増量させたときである。なお、後噴射量の増量Δα及びΔβの各々に関して、同図(b),(c)のような増量形態はなく、同図(d)に示すように、ATDC30〜40゜CAで第2の後噴射を行なう形態としてもよい。この場合は、第2の後噴射による後噴射量増大の影響がエンジン出力に与える影響は少なくなるため、主噴射量の減量を省略することが可能になる。
【0056】
図5は後噴射量の増減を模式的に示すタイムチャートであり、後噴射量は、λ=1運転に移行した当初はステップS12によるΔαとステップS14によるΔβとが加算されるため最も多くなり、その後は25回毎にステップS12によるΔαの加算分だけ増大することになる。
【0057】
図6はエンジン中回転・中負荷運転において、後噴射時期をATDC90゜CAとして、後噴射を「毎回」行なったとき及び「25回毎」に行なったときの、上流側触媒22aに流入する排気ガスのHC濃度(入口HC)及び該触媒22aから流出した排気ガスのHC濃度(出口HC)のタイムチャートである。
【0058】
後噴射を「毎回」行なうとは、主噴射が各気筒に対して所定の順番で行なわれていくとき、各気筒に対する主噴射のたびに後噴射を行なうという意味である。後噴射を「25回毎」に行なうとは、主噴射が各気筒に対して所定の順番で行なわれていくとき、主噴射25回に1回の間隔で後噴射を行なうという意味であり、例えばA,B,C,Dの4気筒があってこの順番で主噴射行なっていく場合、最初にA気筒について後噴射を行なうと、その後のB,C,D,A…と続く24番目までの各気筒に対しては後噴射を行なわず(間引き)、その次のB気筒に対して後噴射を行なうという意味である。なお、同図において、「毎回A」の後噴射量は「25回毎」の後噴射量と総量が同じ、つまり「25回毎」の1回の後噴射量は「毎回A」の1回の後噴射量の25倍であり、「毎回B」は「毎回A」よりも後噴射量を多くし、「毎回C」は後噴射量をさらに多くしたものである。
【0059】
図7は「25回毎」についてのみ、その後噴射時期をATDC45゜CAとしたときのデータを上記「毎回A」、「毎回B」及び「毎回C」のデータとともに図示したものである。
【0060】
図6によれば、後噴射量の総量が同じである「25回毎」と「毎回A」とでは排気ガス中のHCが上流側触媒22aで酸化されることなく吹き抜けている量に大差がない。しかし、図7に示すように「25回毎」の後噴射時期をATDC45゜CAとすると、その出口HCが後噴射量が多い「毎回C」に近い値まで上昇している。これから、ATDC50゜CA以下(進角側)で「25回毎」の後噴射とすると、排気ガス中のHCが上流側触媒22aを酸化されることなく吹き抜けやすくなることがわかる。
【0061】
図8はエンジン回転数1500rpm、中負荷運転において、後噴射を「毎回」行なったとき、「5回毎」に行なったとき、並びに「25回毎」に行なったときの各々の場合について、後噴射時期と、後噴射開始10秒後の上流側触媒22aに流入する排気ガスのHC濃度(触媒前HC)及び該触媒22aから流出した排気ガスのHC濃度(触媒後HC)との関係を示す。図9は後噴射開始30秒後の同関係を示し、図10は後噴射開始90秒後の同関係を示す。なお、上流側触媒22aの入口での排気ガス温度は270℃程度である。また、「毎回」、「5回毎」及び「25回毎」の後噴射量の総量は互いに同じである。
【0062】
図8乃至図10から、「25回毎」の後噴射の場合は後噴射時期がATDC60゜CA未満(進角側)になると、上流側触媒22aで酸化されることなくこれを通り抜ける吹き抜けHC量が多くなること、特に「25回毎」で後噴射時期をATDC30〜50゜CAにすると、HCの吹き抜け性がよいことがわかる。
【0063】
以上の図6乃至図10の実験結果から、上述の実施形態の如く、λ=1運転において後噴射を毎回行なうが、その後噴射量を所定時間毎(上記実施形態では25回毎」に増大させる、という後噴射制御を行なえば、後噴射量の総量をそれほど多くしなくても、上流側触媒22aを吹き抜けて下流側のNOxトラップ触媒22bに到達するHCが多くなり、このNOxトラップ触媒22bから放出されるNOxを効率良く、すなわち、燃費を悪化させることなく、還元浄化する上で有利になることがわかる。
【0064】
図11はエンジン回転数1500rpm、中負荷運転において、後噴射を「毎回」行なったとき、「5回毎」に行なったとき、並びに「25回毎」に後噴射を行なったときの各々の場合について、後噴射時期と、後噴射開始10秒後及び30秒後の上流側触媒22aに流入する排気ガスのNOx濃度との関係を示す。後噴射量の総量はいずれの場合も主噴射量の総量の4%程度になるようにした。
【0065】
後噴射時期を進角させると、「毎回」、「5回毎」及び「25回毎」のいずれの場合もNOx濃度が低くなっているが、「25回毎」では後噴射時期をATDC30〜50゜CA付近にするとNOx濃度の低下が顕著である。従って、上述の実施形態の如く、λ=1運転において後噴射を毎回行なうが、その後噴射量を所定時間毎(上記実施形態では25回毎」に増大させる、という後噴射制御を行なえば、NOx発生量の低減効果が得られることがわかる。
【0066】
図12はエンジン回転数2000rpm、Pe=0.57MPaの運転(EGRなし)において、毎回後噴射(後噴射量は主噴射量の5%)を行なった場合の後噴射時期とスモーク(煤)量との関係を示す。図10によれば、後噴射を行なうと、後噴射無しの場合よりもスモーク量が低減すること、また、後噴射時期を進角させるとスモーク低減に有利であることがわかる。
【0067】
なお、上記実施形態は直噴式ディーゼルエンジンに関するが、本発明は直噴式のガソリンエンジンにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の全体構成を示す図。
【図2】 触媒コンバータの構成を示す図。
【図3】 燃料噴射制御のフロー図。
【図4】 燃料噴射時期を模式的に示すタイムチャート図。
【図5】 後噴射量の増減を模式的に示すタイムチャート図。
【図6】 上流側触媒に流入する排気ガスのHC濃度(入口HC)及び該触媒から流出した排気ガスのHC濃度(出口HC)のタイムチャート図。
【図7】 上流側触媒に流入する排気ガスのHC濃度(入口HC)及び該触媒から流出した排気ガスのHC濃度(出口HC)のタイムチャート図。
【図8】 後噴射時期と、後噴射開始10秒後の上流側触媒前HC濃度及び上流側触媒後HC濃度との関係を示すグラフ図。
【図9】 後噴射時期と、後噴射開始30秒後の上流側触媒前HC濃度及び上流側触媒後HC濃度との関係を示すグラフ図。
【図10】 後噴射時期と、後噴射開始90秒後の上流側触媒前HC濃度及び上流側触媒後HC濃度との関係を示すグラフ図。
【図11】 後噴射時期と、後噴射開始10秒後及び30秒後の上流側触媒に流入する排気ガスのNOx濃度との関係を示すグラフ図。
【図12】 後噴射時期とスモーク(煤)量との関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
A 排気浄化装置
1 ディーゼルエンジン
2 気筒
4 燃焼室
5 インジェクタ(燃料噴射弁)
20 排気通路
22 触媒コンバータ
22a 上流側の酸化触媒
22b 下流側のNOxトラップ触媒
35 ECU(コントロールユニット)
Claims (4)
- エンジンの燃焼室内を臨み該燃焼室内に燃料を噴射する噴射弁と、
前記燃焼室から延びる排気通路に配置され排気ガス中の酸素濃度が高いときに該排気ガス中のNOxを吸収し、前記酸素濃度の低下によってNOxを放出するとともにこれを還元するNOxトラップ触媒と、
前記NOxトラップ触媒からNOxを放出させるべく、前記噴射弁によって前記エンジンの圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射後の膨張行程又は排気行程の所定時期に該噴射弁から燃料を噴射する後噴射により排気ガス中の還元剤量を所定期間増大させる還元剤増量手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、
前記NOxトラップ触媒よりも上流側の前記排気通路に酸化触媒機能を有する酸化触媒が配置され、
前記還元剤増量手段は、前記後噴射の時期を圧縮行程上死点後の10〜50゜CAに設定し、前記還元剤の増大量が所定時間毎に増減変化するように前記後噴射を0.2秒〜2秒に1回の間隔で後噴射量が増大するよう制御し、
前記後噴射量の増大時には、該後噴射量の増大が行なわれる気筒に対して当該後噴射前に実行される前記主噴射の量が減じられることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置において、
前記後噴射時期が圧縮行程上死点後の30〜50゜CAであることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置において、
前記還元剤増量手段は、前記排気ガス中の還元剤量を増大させる所定期間の当初に還元剤の増大量が大きくなるように前記後噴射を制御することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - エンジンの燃焼室内を臨み該燃焼室内に燃料を噴射する噴射弁と、
前記燃焼室から延びる排気通路に配置され排気ガス中の酸素濃度が高いときに該排気ガス中のNOxを吸収し、前記酸素濃度の低下によってNOxを放出するとともにこれを還元するNOxトラップ触媒と、
前記NOxトラップ触媒からNOxを放出させるべく、前記噴射弁によって前記エンジンの圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射後の膨張行程又は排気行程の所定時期に該噴射弁から燃料を噴射する後噴射により排気ガス中の還元剤量を所定期間増大させる還元剤増量手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、
前記NOxトラップ触媒よりも上流側の前記排気通路に酸化触媒機能を有する酸化触媒が配置され、
前記還元剤増量手段は、前記還元剤の増大量が所定時間毎に増減変化するように前記後噴射を後噴射量が間欠的に増大するよう制御し、
前記後噴射量の増大時には、該後噴射量の増大が行なわれる気筒に対して当該後噴射前に実行される前記主噴射の量が減じられることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
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