JP4645471B2

JP4645471B2 - 硫黄被毒回復制御装置

Info

Publication number: JP4645471B2
Application number: JP2006044008A
Authority: JP
Inventors: 聡谷口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: JP2007224749A

Description

本発明は、硫黄被毒回復制御装置に関する。

内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒という。）を配置する技術が知られている。このＮＯx触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときに排気中
のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときに吸蔵し
ていたＮＯxを還元する。

ところで、ＮＯx触媒には燃料に含まれる硫黄成分もＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵された硫黄成分はＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒内に蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒によりＮＯx触媒でのＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期に硫黄被毒から回復させる硫黄被毒回復処理を施す必要がある。この硫黄被毒回復処理は、ＮＯx触媒を高温にし、且つ酸素濃度を低下させた排気をＮＯx触媒に流通させて行われる。

そして、複数の燃料を混合して用いる内燃機関においても、排気中にＮＯxが含まれる
ため、排気通路に吸蔵還元型ＮＯx触媒を備えることがある（例えば、特許文献１参照。
）。このような場合でも混合燃料の中に硫黄成分が含まれていると、吸蔵還元型ＮＯx触
媒の硫黄被毒が発生する。

ところで、複数の燃料を混合して用いる内燃機関においては、燃料の混合割合により燃焼状態が変わるので、燃料の混合割合に応じて点火時期等を変えることがある。これにより、排気の温度が変化する。

ここで、硫黄被毒回復処理を行なうときには、ＮＯx触媒の温度を高温にしなければな
らないが、内燃機関の運転状態によってはＮＯx触媒が高温にならない。そのため、硫黄
被毒回復処理は、ＮＯx触媒を高温にし得る所定の運転状態のときに行なわれる。しかし
、ＮＯx触媒を高温にし得る運転状態とならなければ、硫黄被毒回復処理を行なうことが
できないので、この状態が長く続くとＮＯx触媒でのＮＯx浄化率が低下するおそれがある。
特許第２６９２３１１号公報特開平３−１２４９６５号公報

そして、複数の燃料を混合して用いる場合には、燃料の混合割合により排気の温度が変わるので、ＮＯx触媒を高温にし得る運転状態も変わることがある。これに対し、可及的
に広い運転範囲で硫黄被毒回復を行なうことができれば、ＮＯxの浄化率を向上させるこ
とができる。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、硫黄被毒回復制御装置において、より広い運転領域で硫黄被毒回復処理を行なうことができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による硫黄被毒回復制御装置は、以下の手段を採用し
た。すなわち、本発明による硫黄被毒回復制御装置は、
複数の燃料を混合して用いる内燃機関の排気通路に備わる吸蔵還元型ＮＯx触媒の硫黄
被毒量が所定量以上となったときに硫黄被毒回復処理を行なう硫黄被毒回復制御装置であって、
前記内燃機関に供給される燃料中の所定の種類の燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
前記燃料濃度検出手段により検出される濃度に基づいて、前記硫黄被毒回復処理を行う運転領域を決定する硫黄被毒回復領域決定手段と、
を具備することを特徴とする。

前記内燃機関は、複数の燃料を混合したものを混合燃料として使用する。混合燃料中の夫々の燃料の燃焼速度、燃焼温度、または点火時期が異なることがある。したがって、燃料の混合割合により排気の温度が異なることがある。そうすると、吸蔵還元型ＮＯx触媒
の温度を硫黄被毒の回復に必要となる温度まで上昇可能な運転状態は、燃料の混合割合により異なることとなる。

そのため、硫黄被毒回復領域決定手段は、燃料濃度検出手段より検出される濃度に基づいて硫黄被毒回復処理を行なう運転領域を決定する。ここで運転領域は、例えば機関回転数および機関負荷に基づいて分けられる。そして、排気温度が高くなる燃料の割合が多いほど、より低回転または低負荷で硫黄被毒回復処理を行なうことができる。これにより、硫黄被毒回復処理を行なうことが可能な運転領域が広がるので、硫黄被毒回復処理を行なうことができないことに起因するＮＯxの浄化率の低下を抑制することができる。

また、本発明においては、前記内燃機関は、少なくともアルコールを含む複数の燃料を混合して用い、
前記燃料濃度検出手段は、前記内燃機関に供給される燃料中のアルコールの濃度を検出し、
前記硫黄被毒回復領域決定手段は、前記燃料濃度検出手段により検出されるアルコールの濃度が高いほど、前記硫黄被毒回復処理を行う運転領域を内燃機関の低回転側または低負荷側に広げることができる。

アルコールはガソリン等と比較して燃焼速度が速いため、一般に、アルコール濃度が高いほど点火時期は遅角される。これにより、内燃機関で同じトルクを発生させる場合には、アルコール濃度が高いほど排気の温度が高くなる。したがって、アルコール濃度が高いほど、より低回転または低負荷で硫黄被毒回復処理が可能となる。

また、アルコール濃度が高くなるほど、ノッキングの発生が抑制されるため、高負荷での運転が可能となる。そして、高負荷での運転が可能となった領域では硫黄被毒回復処理を行なうこともできる。すなわち、アルコール濃度が高くなるほど、より高負荷でも硫黄被毒回復処理が可能となる。

本発明によれば、より広い運転領域で硫黄被毒回復処理を行なうことができる。これにより、硫黄被毒回復処理を行なう機会を多くすることができるので、ＮＯxの浄化率を向
上させることができる。

以下、本発明に係る硫黄被毒回復制御装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る硫黄被毒回復制御装置を適用する内燃機関１、並びにその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクルエンジンである。内燃機関１は、ガソリンおよびアルコールを任意の割合で混合した混合燃料を用いることができる。また、内燃機関１は、均質リーンまたは成層リーンで燃焼可能である。

内燃機関１には、燃焼室２へ通じる吸気通路３が接続されている。この吸気通路３の途中には、内燃機関１の吸入空気量を測定するエアフローメータ４が取り付けられている。また、エアフローメータ４よりも内燃機関１側の吸気通路３には、スロットル５が設けられている。このスロットル５には、該スロットル５の開度に応じた信号を出力するスロットル開度センサ５１が取り付けられている。このスロットル開度センサ５１の出力信号により内燃機関１の負荷を検出することができる。そして、エアフローメータ４またはスロットル開度センサ５１の出力信号に基づいて内燃機関１に供給する燃料量が算出される。

スロットル５よりも内燃機関１側の吸気通路３には、該吸気通路３内に燃料を噴射する燃料噴射弁６が取り付けられている。燃料噴射弁６には、燃料供給管６１が接続され該燃料供給管６１内には燃料が流れている。また、燃料供給管６１には、該燃料供給管６１内を流れる燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサ６２が取り付けられている。なお、本実施例ではアルコール濃度センサ６２が、本発明における燃料濃度検出手段に相当する。

一方、内燃機関１には、燃焼室２へ通じる排気通路７が接続されている。排気通路７の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒という。）８が設けられている。ＮＯx触媒８は、流入する排気の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときに吸蔵していたＮＯxを還元する機能
を有する。このＮＯx触媒８よりも上流の排気通路７には、該排気通路７を流通する排気
の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ９が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御する。ＥＣＵ１０には前記センサの他、機関回転数に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ１１が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号が入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１０には、燃料噴射弁６が電気配線を介して接続され、この燃料噴射弁６はＥＣＵ１０により制御される。

ところで、ＮＯx触媒８にはガソリンに含まれる硫黄成分がＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵された硫黄成分はＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒８内に蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒によりＮＯx触媒８におけるＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期に硫黄被毒から回復させる硫黄被毒回復処理を施す必要がある。この硫黄被毒回復処理は、ＮＯx触媒８を高温にし、且つ酸素濃度を低下させた
排気をＮＯx触媒８に流通させて行われる。そして、硫黄被毒回復処理では、ＥＣＵ１０
は、ＮＯx触媒８に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。そ
して、ＮＯx触媒８の温度の上昇とともに該ＮＯx触媒８から硫黄成分が放出される。これにより、ＮＯx触媒８の硫黄被毒を回復することが可能となる。

ここで、混合燃料中のアルコールの濃度が高くなるほど、燃焼速度が速くなるために点火時期が遅角されるので、排気の温度が高くなる。そのため、より低回転または低負荷で硫黄被毒回復処理が可能となる。また、アルコール濃度が高くなるほどノッキングの発生
が抑制されるので、内燃機関１は、より高負荷で運転することが可能となる。そのため、より高負荷で硫黄被毒回復処理が可能となる。これらの関係を図２に示す。

図２は、機関回転数と機関負荷とアルコール濃度毎の硫黄被毒回復処理が可能な運転領域との関係を示した図である。実線（１）および（１１）はアルコール濃度が０％のとき、すなわちガソリンのみのときを示し、一点鎖線（２）および（１２）はアルコール濃度が５０％のときを示し、破線（３）および（１３）はアルコール濃度が１００％のときを夫々示している。また、上に凸の線（１）、（２）および（３）は、夫々の機関回転数での最高負荷を示し、下に凸の線（１１）、（１２）および（１３）は夫々の機関回転数で硫黄被毒回復処理を行なうことができる機関負荷の下限を示している。

すなわち、アルコール濃度が０％のときに硫黄被毒回復処理が可能な運転領域は、線（１）よりも負荷が低い側で且つ線（１１）よりも負荷が高い側、すなわち斜線で占められる領域である。また、アルコール濃度が５０％のときに硫黄被毒回復処理が可能な運転領域は、線（２）よりも負荷が低い側で且つ線（１２）よりも負荷が高い側である。さらに、アルコール濃度が１００％のときに硫黄被毒回復処理が可能な運転領域は、線（３）よりも負荷が低い側で且つ線（１３）よりも負荷が高い側である。

このように、アルコール濃度が高いほど被毒回復処理が可能な運転領域が広くなる。なお、図２における機関負荷は、燃料噴射量としてもよい。

そこで、本実施例では、混合燃料中のアルコール濃度に応じて、ＮＯx触媒８の硫黄被
毒回復処理を行なう運転領域を変更する。

次に、本実施例に係る硫黄被毒回復処理のフローについて説明する。図３は、本実施例に係る硫黄被毒回復処理のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、アルコール濃度が読み込まれる。本ステップでは、燃料のアルコール濃度がアルコール濃度センサ６２により検出され、その値がＥＣＵ１０に記憶される。なお、アルコール濃度センサ６２を用いずに、空燃比センサ９により検出される空燃比に基づいた燃料供給量のフィードバック制御時のフィードバック値からアルコール濃度を推定してもよい。

ステップＳ１０２では、アルコール濃度に基づいて硫黄被毒量が積算される。硫黄被毒量は、ガソリン１００％の燃料を供給した場合を基準とし、アルコール濃度に応じた補正を行なうことで求められる。積算値Ｓ（ｎ＋１）の算出式は以下のようになる。

Ｓ（ｎ＋１）＝Ｆ×Ｒ×Ｔ×Ｋ×ＫＡＬ＋Ｓ（ｎ）

ただし、Ｆは内燃機関１の１回転当たり燃料噴射量、Ｒは単位時間当たりの機関回転数、Ｔは前回積算時から今回積算時までの経過時間、Ｋは係数、ＫＡＬはアルコール濃度係数、Ｓ（ｎ）は前回の処理時に求められた硫黄被毒量の積算値である。またアルコール濃度係数ＫＡＬは、アルコール濃度に応じて硫黄被毒量を補正する値である。アルコールには硫黄成分が含まれないことから、アルコール濃度係数ＫＡＬは次式により求まる。

ＫＡＬ＝（１００−ＡＬ）／１００

ただし、ＡＬはアルコール濃度（％）である。

燃料噴射量Ｆは、ＥＣＵ１０が燃料噴射弁６を開弁させるための指令値から求めることができる。また、エアフローメータ４により得られる吸入空気量またはスロットル開度センサ５１により得られるスロットル開度に基づいて燃料噴射量Ｆを求めてもよい。機関回転数Ｒはクランクポジションセンサ１１から求めることができる。経過時間Ｔは前回のフローが実行されてから今回のフローが実行されるまでの時間を積算して求めることができる。係数Ｋは例えばガソリン中の硫黄成分の濃度（％）であり、予め実験等により求めておく。また、他の補正が必要な場合にも、係数Ｋにより補正を行うようにする。

このように、硫黄被毒量を積算することにより、ＮＯx触媒８に吸蔵されている硫黄成
分の量を求めることができる。

ステップＳ１０３では、硫黄被毒回復処理を行なわなくても硫黄被毒が回復される運転状態であるか否か判定される。すなわち、ＮＯx触媒８の温度が硫黄被毒回復を行うこと
のできる温度まで上昇しており、且つ排気の空燃比がリッチであるか否か判定される。内燃機関１の運転状態によっては、硫黄被毒回復処理を行なわなくても硫黄被毒が回復されるため、このような場合には硫黄被毒回復処理を行なわない。これにより、燃費の悪化およびＮＯx触媒８の熱劣化を抑制することができる。ステップＳ１０３で肯定判定がなさ
れた場合にはステップＳ１０７へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４では、硫黄被毒量の積算値Ｓ（ｎ＋１）が所定量以上であるか否か判定される。所定量は、硫黄被毒回復処理が必要な値として予め設定しておく。すなわち、本ステップでは、ＮＯx触媒８の硫黄被毒の回復処理が必要となっているか否か判定され
る。ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０５では、燃料噴射量が閾値以上であるか否か判定される。本ステップでは、機関回転数、アルコール濃度、および燃料噴射量に基づいて硫黄被毒回復処理を行なうことが可能な運転領域であるか否か判定される。

図４は、機関回転数とアルコール濃度と燃料噴射量の閾値との関係を示した図である。

クランクポジションセンサ１１により得られる機関回転数およびアルコール濃度センサ６２により得られるアルコール濃度を図４に代入して、燃料噴射量（ｍｍ³／ｓｔ）の閾
値を得る。この燃料噴射量の閾値とは、燃料噴射弁６から噴射される燃料量であって、硫黄被毒回復処理を行なうことが可能となる燃料噴射量の下限値である。この閾値よりも燃料噴射量が多ければ、硫黄被毒回復処理に必要な排気の温度となっており、硫黄被毒回復処理を行なうことができる。なお、硫黄被毒回復処理を行なうことができない運転領域では、燃料噴射量の閾値が有り得ない値（例えば１０００）とされる。

ところで、単位体積当たりのアルコールの発熱量はガソリンよりも小さいため、同じトルクを発生させようとした場合アルコール濃度が高くなるほど燃料噴射量を多くしなければならない。しかし図４では、理解しやすいようにアルコール濃度に応じた燃料噴射量の増量を考慮せずに概念的に示している。実際には、アルコール濃度に応じた燃料噴射量の補正が行われる。このようにアルコール濃度に応じた燃料噴射量の補正を行った後の閾値を図４のようにマップ化してもよい。

なお、本実施例ではステップＳ１０５の処理を行なうＥＣＵ１０が、本発明における硫黄被毒回復領域決定手段に相当する。

ステップＳ１０６では、硫黄被毒回復処理が実行される。硫黄被毒回復処理は、前記したようにＮＯx触媒８を高温にしつつ排気の空燃比をリッチとして行われる。

ステップＳ１０７では、硫黄被毒量の積算値Ｓ（ｎ＋１）が０とされる。また、硫黄被毒回復処理が途中で中止された場合には、回復した分だけ硫黄被毒量の積算値Ｓ（ｎ＋１）を減じてもよい。その後本ルーチンを一旦終了させる。

このようにして、混合燃料中のアルコール濃度が高いほど、硫黄被毒回復処理を行なう運転領域を広くすることができる。すなわち、ガソリンのみを供給した場合に硫黄被毒回復処理が可能な領域をそのまま適用するよりも、硫黄被毒回復処理を行なう機会を多くすることができるので、ＮＯxの浄化率の低下を抑制することができる。また、給油により
混合燃料中のアルコール濃度が変わった場合でも、その都度、硫黄被毒回復処理を行なうことが可能な運転領域を求めることができる。なお、他の種類の燃料を混合する場合でも、図４に示したマップを同様にして求めておくことで、より広い運転領域で硫黄被毒回復処理を行なうことができる。

以上説明したように、本実施例によれば、ＮＯx触媒８の硫黄被毒回復処理をより広い
運転領域で行うことができるので、ＮＯxの浄化率を向上させることができる。

実施例に係る硫黄被毒回復制御装置を適用する内燃機関、並びにその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。機関回転数と機関負荷とアルコール濃度毎の硫黄被毒回復処理が可能な運転領域との関係を示した図である。実施例に係る硫黄被毒回復処理のフローを示したフローチャートである。機関回転数とアルコール濃度と燃料噴射量の閾値との関係を示した図である。

符号の説明

１内燃機関
２燃焼室
３吸気通路
４エアフローメータ
５スロットル
６燃料噴射弁
７排気通路
８吸蔵還元型ＮＯx触媒
９空燃比センサ
１０ＥＣＵ
１１クランクポジションセンサ
５１スロットル開度センサ
６１燃料供給管
６２アルコール濃度センサ

Claims

複数の燃料を混合して用いる内燃機関の排気通路に備わる吸蔵還元型ＮＯx触媒の硫黄
被毒量が所定量以上となったときに硫黄被毒回復処理を行なう硫黄被毒回復制御装置であって、
前記内燃機関に供給される燃料中の所定の種類の燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
前記燃料濃度検出手段により検出される濃度に基づいて、前記硫黄被毒回復処理を行う運転領域を決定する硫黄被毒回復領域決定手段と、
を具備することを特徴とする硫黄被毒回復制御装置。
前記内燃機関は、少なくともアルコールを含む複数の燃料を混合して用い、
前記燃料濃度検出手段は、前記内燃機関に供給される燃料中のアルコールの濃度を検出し、
前記硫黄被毒回復領域決定手段は、前記燃料濃度検出手段により検出されるアルコールの濃度が高いほど、前記硫黄被毒回復処理を行う運転領域を内燃機関の低回転側または低負荷側に広げることを特徴とする請求項１に記載の硫黄被毒回復制御装置。