JP4780335B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気通路に還元剤を噴射して排気浄化触媒に還元剤を供給する技術に関する。

ディーゼルエンジンの排気を浄化する装置として、ＮＯx（窒素酸化物）吸蔵触媒が知られている。
ＮＯx吸蔵触媒は、リーン雰囲気において排気中のＮＯxを吸蔵する。そして、ＮＯx吸蔵触媒に燃料等の還元剤を供給することで、ＮＯx吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯxを還元、無害化して放出させるＮＯx吸蔵触媒の再生方法が知られている。ＮＯx吸蔵触媒に燃料等を供給する装置として、ＮＯx吸蔵触媒の上流側に燃料噴射弁を設け、排気通路内に燃料を直接噴射する方法（パージ処理)が知られている。

ここで、排気通路に設けられた燃料噴射弁からの燃料噴射量は、通常、エンジンの回転速度等の運転状態に基づいて設定される。しかしながら、排気中のすすによる燃料噴射弁の噴孔のつまりや経時劣化を原因として、エンジンの運転状態から設定された目標燃料噴射量に対して実燃料噴射量に誤差が生じる場合がある。そこで、更に、燃料噴射弁の下流側の排気通路に空燃比検出手段を設け、この空燃比センサにより検出した排気の実空燃比をフィードバックすることで、排気の実空燃比を目標空燃比に近づけるとともに、排気通路内への燃料噴射の終了時でのフィードバック量を学習値として記憶し、以降のパージ処理時に利用する方法が知られている（特許文献１)。更に、この特許文献１では、ＮＯx吸蔵触媒でのＯ_２ストレージ機能を原因とする学習精度の低下を防止するために、排気通路に燃料を噴射してからＯ_２ストレージが解消するまで待機した後に学習を行う。
特開２００４−３１６６０４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、学習機会がパージ処理時に限られるとともに、Ｏ_２ストレージが解消した後に学習することから、学習頻度の確保が困難であり、学習精度が想定するほど確保できない虞がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、触媒でのＯ_２ストレージ機能を原因とする燃料噴射量の学習精度の低下を回避した上で学習頻度を十分に確保可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する浄化触媒と、浄化触媒の上流側の排気通路に設けられ、排気通路内に燃料を噴射する排気通路内燃料噴射弁と、排気通路内燃料噴射弁の下流側の排気通路に設けられ、排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、内燃機関が定常運転状態である場合に、排気空燃比がリーンとなる範囲内で排気通路内燃料噴射弁から燃料を噴射させ、空燃比検出手段により検出された排気空燃比の実測値に基づいて排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量を演算し、該実燃料噴射量と排気通路内燃料噴射弁における目標燃料噴射量との関係を学習する学習手段と、排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、排気通路内燃料噴射弁を制御して排気通路内に燃料を噴射させ、フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去しフィルタを再生するフィルタ再生手段と、を備え、学習手段は、フィルタ再生手段によるフィルタ再生時に排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量と目標燃料噴射量との関係を学習することを特徴とする。なおフィルタの下流側に空燃比センサがある場合の学習の実施時期は，粒子状物質の燃焼が空燃比に及ぼす影響の小さいフィルタ再生後半または再生終了直後が望ましい。

また、請求項２の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、リーン空燃比雰囲気下で排気中の窒素酸化物を吸蔵し、この吸蔵した窒素酸化物をストイキまたはリッチ空燃比雰囲気下で還元除去する窒素酸化物吸蔵触媒と、窒素酸化物吸蔵触媒の上流側の排気通路に設けられ、排気通路内に燃料を噴射する排気通路内燃料噴射弁と、排気通路内燃料噴射弁の下流側の排気通路に設けられ、排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、内燃機関が定常運転状態である場合に、排気空燃比がリーンとなる範囲内で排気通路内燃料噴射弁から燃料を噴射させ、空燃比検出手段により検出された排気空燃比の実測値に基づいて排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量を演算し、該実燃料噴射量と排気通路内燃料噴射弁における目標燃料噴射量との関係を学習する学習手段と、窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵された窒素酸化物または硫黄酸化物が還元除去されるように、排気通路内燃料噴射弁を制御して、窒素酸化物吸蔵触媒に還元剤としての燃料を供給させるパージ処理手段と、を備え、学習手段は、パージ処理手段によるパージ処理時に一時的に目標燃料噴射量を排気空燃比がリーンとなる範囲内で増減させて、排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量と目標燃料噴射量との関係を学習することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２において、パージ処理手段は、排気通路内燃料噴射弁に排気空燃比がリッチとなる目標燃料噴射量を間欠的に複数回噴射させ、学習手段は、複数回噴射される燃料の少なくとも１回の目標燃料噴射量を排気空燃比がリーンとなる範囲内とし、排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量と目標燃料噴射量との関係を学習することを特徴とする。

好ましくは、排気空燃比をリーンする噴射時期は、排気管内の温度が高いパージ処理後半がよい。

本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気空燃比がリーンとなる範囲内で排気通路内に燃料を噴射させて目標燃料噴射量と実燃料噴射量との関係が学習されるので、浄化触媒がＯ_２ストレージ機能を有していてもこれに影響されることなく学習が可能となる。したがって、学習頻度を増加させることができ、学習効果を十分に得ることができる。そして、この学習結果から例えばその後の燃料噴射量制御の精度を向上させることができる。

特に、フィルタ再生時に排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量と目標燃料噴射量との関係を学習するので、パージ処理時に学習する場合と比較して、学習機会を増加させることができる。また、フィルタ再生により排気管内の温度が上昇している状態で学習をすることで、この学習時において排気通路内燃料噴射弁から噴射した燃料を全て燃焼させることができ、学習時における空燃比検出精度を向上させることができる。フィルタの下流側に空燃比センサがある場合の学習の実施時期は，粒子状物質の燃焼が空燃比に及ぼす影響の小さいフィルタ再生後半または再生終了直後とすることで排気空燃比を正しく検出できる。

また、本発明の請求項２および３の内燃機関の排気浄化装置によれば、浄化触媒は、リーン空燃比雰囲気下で排気中の窒素酸化物を吸蔵し、この吸蔵した窒素酸化物をストイキまたはリッチ空燃比雰囲気下で還元除去する窒素酸化物吸蔵触媒であって、窒素酸化物や硫黄酸化物のパージ処理時に一時的に燃料噴射量を排気空燃比がリーンとなる範囲内で燃料噴射量を増減させ、排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量と目標燃料噴射量との関係を学習するので、窒素酸化物のパージ処理時に学習する場合と比較して排気管内の温度が上昇していることから、排気通路内燃料噴射弁から噴射した燃料をより完全に燃焼させることができ、学習時における空燃比検出精度を向上できる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置が適用されたエンジン（内燃機関）１の排気系の概略構成図である。
エンジン１はディーゼルエンジンであって、その排気管２には、上流側から順番に、酸化触媒３、ＮＯx吸蔵触媒４、ＤＰＦ（フィルタ）５が介装されている。酸化触媒３は、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する機能を有する。

ＮＯx吸蔵触媒４は、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を含んだ担体に、バリウム（Ｂａ），カリウム（Ｋ）等のＮＯx吸蔵剤を担持させて構成されており、リーン空燃比雰囲気（酸化雰囲気）下でＮＯxを捕捉する一方、リッチ空燃比雰囲気（還元雰囲気）下で、捕捉しているＮＯxを放出し、排気中のＨＣ、ＣＯと反応させて還元する機能を有している。

ＤＰＦ５は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖して、排気中のＰＭを捕集する機能を有しており、更に、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。
酸化触媒３の上流側には、排気管内燃料噴射弁（排気通路内燃料噴射弁)６が設置されている。排気管内燃料噴射弁６には、図示しない燃料タンクから、エンジン１によって駆動される燃料ポンプによって燃料が供給される。排気管内燃料噴射弁６は、供給された燃料を排気管２内に噴射する機能を有している。

排気管２には、酸化触媒３の上流側に第１の温度センサ７、酸化触媒３とＮＯx吸蔵触媒４との間に第２の温度センサ８、ＮＯx吸蔵触媒４に第３の温度センサ９、ＤＰＦ５の下流側に第４の温度センサ１０が備えられている。第１の温度センサ７は酸化触媒３に流入する排気の温度を、第２の温度センサ８はＮＯx吸蔵触媒４に流入する排気の温度を、第３の温度センサ９はＮＯx吸蔵触媒４の触媒温度を、第４の温度センサ１０はＤＰＦ５から流出した排気の温度を検出する機能を有する。また、排気管２には、排気の空燃比を検出する空燃比センサ（空燃比検出手段)１１がＤＰＦ５の下流側に備えられるとともに、ＤＰＦ５の上流側と下流側との差圧を検出する差圧センサ１２が備えられている。

ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ２０の入力側には、上述する第１〜４の温度センサ７〜１０、空燃比センサ１１、差圧センサ１２の他にエンジン１の吸気流量を検出するエアフローセンサ、クランク角を検出するクランク角センサ、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルポジションセンサ等が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。

一方、ＥＣＵ２０の出力側には、上述した排気管内燃料噴射弁６の他に、エンジン１の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁や図示しない吸気絞り弁等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサ類からの検出情報に基づいて燃焼室への燃料噴射量、燃料噴射時期等を演算し、各種出力デバイスにそれぞれ出力することで、適正なタイミングで燃料噴射弁や吸気絞り弁等を制御する。

ところで、以上のようにＤＰＦ５の上流に酸化触媒３を配置することにより、リッチ空燃比雰囲気下では、酸化触媒３からＮＯ_２が排出され、ＮＯx吸蔵触媒４を通過してＤＰＦ５に流入し、ＤＰＦ５に捕集され堆積しているＰＭ中の炭素成分であるすすと反応してこれを酸化させる。酸化したすすはＣＯ_２となり、ＤＰＦ５から除去され、ＤＰＦ５が連続的に再生される。

上記の連続再生では、エンジン１の運転状況により十分にＤＰＦ５の再生が行われない場合がある。そこで、本実施形態では、差圧センサ１２により検出された差圧と排気流量とに基づいてＤＰＦ５でのＰＭの堆積量を推定し、この推定量が許容量以上となったときに、強制再生を実施させる。強制再生は、ＥＣＵ２０が排気管内燃料噴射弁６を制御して排気管２内に燃料を供給させることで実行される。排気管２内に供給された燃料は、酸化触媒３に流入し、酸化触媒３で酸化することで、排気温度を上昇させる。これにより、ＤＰＦ５に堆積したＰＭを燃焼させ、ＤＰＦ５を再生させる（フィルタ再生手段）。

また、エンジン１には、ＮＯx吸蔵触媒４に吸蔵されたＮＯxを排出させるＮＯxパージ機能が備えられている。ＮＯxパージは、ＥＣＵ２０により、上述する各種センサ類からの検出情報、即ちエンジン１の運転状態に基づいて排気管内燃料噴射弁６を制御して排気管２内に燃料を噴射させ、ＮＯx吸蔵触媒４に流入する排気の空燃比をリッチ化させることで実行される。排気管内燃料噴射弁６の燃料噴射は、間欠的に複数回にわたって行われ、排気空燃比が燃料噴射時はリッチ、燃料噴射停止時はリーンと周期的に変動する。また、ＮＯx吸蔵触媒４には、燃料中の硫黄成分の酸化によるＳＯxも硫酸塩として堆積されるので、この堆積した硫黄成分をＮＯx吸蔵触媒４から除去するために、エンジン１にはＳパージ機能も備えられている。このＳパージも、ＥＣＵ２０により排気管内燃料噴射弁６を制御して排気管２内に燃料を噴射させ、ＮＯx吸蔵触媒４に流入する排気を高温に制御するとともに空燃比をリッチ化させることで実行される（パージ処理手段）。

本発明に係る排気浄化装置では、ＥＣＵ２０は、定常運転時に排気管内燃料噴射を一時的に行わせ、このときの排気空燃比の変化に基づいて排気管内燃料噴射弁６からの実燃料噴射量を演算し、実燃料噴射量と目標燃料噴射量との関係を学習する排気管内噴射量学習を実行する（学習手段）。
図２は、排気管内噴射量学習制御の制御手順を示すフローチャートである。本ルーチンはエンジン作動時に繰り返し実行される。

先ず、ステップＳ１０では、エンジン１が定常運転状態であるか否か、即ちエンジン１から排出される排気の空燃比が一定であるか否かを判別する。詳しくは、エンジン１の回転速度や負荷が略一定に安定しているか否かを判別する。定常運転状態である場合は、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、排気管２内に目標燃料噴射量Ｑftの燃料を噴射させる制御信号を排気管内燃料噴射弁６に出力する。目標燃料噴射量Ｑtは、排気管内燃料噴射弁６からの燃料噴射により排気空燃比が下降しても、リーンに留まる範囲内で適宜設定すればよい。そして、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、空燃比センサ１１から排気空燃比Ａ/Ｆrichを入力し、記憶装置に記憶する。そして、ステップＳ１６に進む。
ステップＳ１６では、排気管内燃料噴射弁６からの燃料の噴射を停止する。そして、ステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、空燃比センサ１１から排気空燃比Ａ/Ｆleanを入力し、記憶装置に記憶する。そして、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、エアフローメータにより検出した吸入空気量Ｑair、燃料密度Ｂ、ステップＳ１２、Ｓ１６にて入力し記憶装置に記憶された排気空燃比Ａ/Ｆrich、Ａ/Ｆleanを用いて、以下（１）式により実燃料噴射量Ｑfrを演算する。
Ｑfr＝Ｑair／（Ａ/Ｆrich）／Ｂ−Ｑair／（Ａ/Ｆlean）／Ｂ・・・（１）
そして、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、ステップＳ１２で設定されている目標燃料噴射量ＱftとステップＳ１８で演算した実燃料噴射量Ｑfrを用いて、下式（２）により補正係数Ｃfを演算する。
Ｃf＝Ｑft／Ｑfr・・・（２）
補正係数Ｃfを記憶装置に記憶し、目標燃料噴射量Ｑftと実燃料噴射量Ｑfrとの関係として学習する。そして、本ルーチンをリターンする。

一方、ステップＳ１０において、定常運転状態でないと判定した場合は、本ルーチンをリターンする。
図３は、本実施形態における排気管内噴射量学習制御時での排気空燃比の推移を示すタイムチャートである。
図３に示すように、本実施形態では、排気管内噴射量学習制御時において、排気管内燃料噴射弁６からの燃料噴射をＯＮ、ＯＦＦすることで、排気空燃比が上下変動する。また、燃料噴射時であっても排気空燃比はリーンの範囲内に留まる。

以上の制御により、エンジン１が定常運転状態であるときに、排気管内噴射量学習が実施される。この排気管内噴射量学習は、排気管内燃料噴射弁６から一時的に燃料噴射させ、燃料噴射時の排気空燃比Ａ/Ｆrichと燃料噴射停止時の排気空燃比Ａ/Ｆleanを検出し、これらの排気空燃比Ａ/Ｆrich及びＡ/Ｆleanの偏差に基づいて実燃料噴射量Ｑfrを演算する。更に、この実燃料噴射量Ｑfrと目標燃料噴射量Ｑftとの比を補正係数として演算し学習する。

そして、上記のようにして演算した補正係数Ｃfを、その後のＳパージまたはＮＯxパージ処理時等に用いて、排気管内燃料噴射弁６の駆動時間を補正する。したがって、排気中のすすにより排気管内燃料噴射弁６がつまりを発生している場合や、排気管内燃料噴射弁６が経時劣化している場合でも、排気管内燃料噴射弁６から燃料を精度良く噴射させることができ、ＳパージまたはＮＯxパージを精度良く行うことが可能となる。

特に、本実施形態では、排気管内噴射量学習時に排気管内燃料噴射弁６から燃料を噴射させる際に、排気空燃比がリーンに留まる範囲内に燃料噴射量が設定されているので、排気管内噴射量学習時に燃料がＮＯx吸蔵触媒４におけるＯ_２ストレージ機能の影響を受けることなく、排気管内噴射量学習を正確に実施することができるとともに，ＮＯxパージ，Sパージ時に限らず排気管内噴射量学習が可能となり学習頻度を増加させることができる。また、本実施形態では、エンジン１が定常運転状態であるときに排気管内噴射量学習が行われるので、エンジン１の燃料噴射弁の噴***度に拘わらず排気管内噴射量学習が可能となる。

なお、ＤＰＦ再生時にこの排気管内噴射量学習を行うとよい。ＤＰＦ再生時は、排気管内燃料噴射弁６から燃料を噴射して排気空燃比を下降させていても排気空燃比をリーンに留める場合が多いので、排気管内噴射量学習が可能である。そして、ＤＰＦ再生による排気温度の上昇により、排気管内噴射量学習時に噴射された燃料が空燃比センサ１１の下流で完全に燃焼され、空燃比検出精度を向上させることができる。学習の実施時期は，粒子状物質の燃焼が空燃比に及ぼす影響の小さいDPF再生後半または再生終了直後とすることで排気空燃比を正しく検出できる。

また、ＮＯxパージやＳパージ時に間欠的に複数回にわたって行われる燃料噴射の少なくとも１回において排気空燃比がリーンとなるように目標燃料噴射量を設定して排気管内噴射量学習を行っても良い。この場合、複数回行われる噴射インターバルでは排気空燃比がリーンとなり、ＮＯx吸蔵触媒４におけるＯ_２ストレージ機能が飽和状態となるため、Ｏ_２ストレージ機能の影響を受けることなく、排気管内噴射量学習を正確に実施することができる。また、排気温度が高くなるＳパージに行えば更に好ましい。なかでも，排気管内噴射量学習のためのリーンを目標とした燃料噴射を，排気温度が高く安定しているＳパージ処理後半で行えば空燃比の検出精度を更に向上できる。

本発明に係る内燃機関の排気系の概略構成図である。 排気管内噴射量学習制御の制御手順を示すフローチャートである。 排気管内噴射量学習制御時での排気空燃比の推移を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ 排気管
３ 酸化触媒
４ ＮＯx吸蔵触媒
５ ＤＰＦ
６ 排気管内燃料噴射弁
１１ 空燃比センサ
２０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する浄化触媒と、
   前記浄化触媒の上流側の排気通路に設けられ、前記排気通路内に燃料を噴射する排気通路内燃料噴射弁と、
   前記排気通路内燃料噴射弁の下流側の排気通路に設けられ、排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記内燃機関が定常運転状態である場合に、排気空燃比がリーンとなる範囲内で前記排気通路内燃料噴射弁から燃料を噴射させ、前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比の実測値に基づいて前記排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量を演算し、該実燃料噴射量と前記排気通路内燃料噴射弁における目標燃料噴射量との関係を学習する学習手段と、
   前記排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記排気通路内燃料噴射弁を制御して前記排気通路内に燃料を噴射させ、前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去し前記フィルタを再生するフィルタ再生手段と、を備え、
   前記学習手段は、前記フィルタ再生手段によるフィルタ再生時に前記排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量と目標燃料噴射量との関係を学習することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 内燃機関の排気通路に設けられ、リーン空燃比雰囲気下で排気中の窒素酸化物を吸蔵し、この吸蔵した窒素酸化物をストイキまたはリッチ空燃比雰囲気下で還元除去する窒素酸化物吸蔵触媒と、
   前記窒素酸化物吸蔵触媒の上流側の排気通路に設けられ、前記排気通路内に燃料を噴射する排気通路内燃料噴射弁と、
   前記排気通路内燃料噴射弁の下流側の排気通路に設けられ、排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記内燃機関が定常運転状態である場合に、排気空燃比がリーンとなる範囲内で前記排気通路内燃料噴射弁から燃料を噴射させ、前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比の実測値に基づいて前記排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量を演算し、該実燃料噴射量と前記排気通路内燃料噴射弁における目標燃料噴射量との関係を学習する学習手段と、
   前記窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵された窒素酸化物または硫黄酸化物が還元除去されるように、前記排気通路内燃料噴射弁を制御して、前記窒素酸化物吸蔵触媒に還元剤としての燃料を供給させるパージ処理手段と、を備え、
   前記学習手段は、前記パージ処理手段によるパージ処理時に一時的に目標燃料噴射量を排気空燃比がリーンとなる範囲内で増減させて、前記排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量と目標燃料噴射量との関係を学習することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記パージ処理手段は、前記排気通路内燃料噴射弁に排気空燃比がリッチとなる目標燃料噴射量を間欠的に複数回噴射させ、
   前記学習手段は、複数回噴射される燃料の少なくとも１回の目標燃料噴射量を排気空燃比がリーンとなる範囲内とし、前記排気通路内燃料噴射弁からの実燃料噴射量と目標燃料噴射量との関係を学習することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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