JP6519297B2

JP6519297B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP6519297B2
Application number: JP2015086565A
Authority: JP
Inventors: 訓己金山; 敏広竹内; 直輝阪本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2035-04-21
Also published as: JP2016205207A; EP3085932A1

Description

この発明は、排気ガスに含まれる窒素酸化物等の有害物質を浄化する浄化手段を備えた内燃機関に関する。

内燃機関の排気ガスに含まれる窒素酸化物（NOx）等の有害物質を浄化する浄化手段として、例えばＮＯｘトラップ触媒が知られている。

ＮＯｘトラップ触媒を備えた内燃機関として、例えば特許文献１に示されるように、ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された窒素酸化物の量がいっぱいになった場合に排気ガスの空燃比をリッチとする燃焼を行い、これによりＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された窒素酸化物を還元して浄化し、ＮＯｘトラップ触媒を再生するものがある。なお、この再生に際しては、ＮＯｘトラップ触媒が再生し易い活性状態にあるか否かをＮＯｘトラップ触媒の温度から判定し、活性状態にある場合は予混合燃焼を実行し、活性状態にない場合は拡散燃焼を実行してＮＯｘトラップ触媒の温度を高めるようにしている。

特開２００３−６５１１６号公報

ＮＯｘトラップ触媒を再生するべく排気ガスの空燃比をリッチにする場合、燃焼形式によってはエンジン負荷やエンジン回転数とうまく適合せず、騒音発生、異常温度上昇、スモーク発生等の不具合を生じる可能性がある。

この発明の目的は、騒音発生、異常温度上昇、スモーク発生等の不具合を生じることなく浄化手段を再生することができる内燃機関を提供することである。

請求項１に係る発明の内燃機関は、浄化手段および制御手段を備える。浄化手段は、排気ガスの空燃比がリーンの場合に前記排気ガス中の有害物質を吸蔵し、前記排気ガスの空燃比がリッチの場合に前記吸蔵した有害物質を還元し浄化する。制御手段は、前記浄化手段に吸蔵された有害物質を還元し浄化するべく前記排気ガスの空燃比をリッチにする際に、内燃機関の負荷が設定値未満の場合はポスト噴射を実施して空燃比リッチを実現する第１燃焼を実行し、前記負荷が前記設定値以上の場合はポスト噴射を実施せずに、前記内燃機関の燃焼室内のピストン位置が上死点となる前に燃料をプレ噴射し、このプレ噴射の後、前記ピストン位置が上死点となる前に燃料を主噴射し、この主噴射による熱発生率の重心位置が前記上死点より前に存する燃焼である第２燃焼を実行する。

請求項２に係る発明の内燃機関は、請求項１に係る発明の制御手段について限定している。制御手段は、前記負荷が前記設定値以上の場合であっても、前記浄化手段の温度を所定値以上に高める必要がある場合には前記第２燃焼を禁止して前記第１燃焼を実行する。

請求項３に係る発明の内燃機関は、請求項１又は２に係る発明の第１燃焼について限定している。第１燃焼は、燃焼室内のピストン位置が上死点となる前に燃料をプレ噴射し、前記ピストン位置が上死点近傍となるタイミングで燃料を主噴射し、前記ピストン位置が下死点となる前に燃料をポスト噴射する燃焼である。

請求項４に係る発明の内燃機関は、請求項１から請求項３のいずれか１項に係る発明の制御手段について限定している。制御手段は、前記負荷が前記設定値未満の場合であって、前記負荷が安定状態にある場合には、ピストン位置が上死点となった後で燃料を噴射し、その噴射から所定期間遅れて着火を生じさせ空燃比リッチを実現する第３燃焼を実行する。

この発明によれば、騒音発生、異常温度上昇、スモーク発生等の不具合を生じることなく浄化手段を再生することができる。

この発明の一実施形態の構成を示す図。同実施形態における早期ポスト噴射リッチ燃焼の燃料噴射タイミングを示す図。同実施形態における主噴射拡散リッチ燃焼の燃料噴射タイミングを示す図。同実施形態における予混合リッチ燃焼の燃料噴射タイミングを示す図。同実施形態の制御を示すフローチャート。同実施形態における燃焼区分チャート。

以下、この発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１は、吸気ポート２から燃焼室１ａに取込んだ空気をピストン３で圧縮し、その圧縮空気に対し燃料噴射インジェクタ４から燃料を噴射することで着火・燃焼を行い、燃焼により生じる排気ガスを排気ポート５から排出する。

吸気ポート２は、吸気管（吸気路）１１およびその吸気管１１に配置されたインタークーラ１２を介してターボチャージャ１３の過給側流路に連通される。ターボチャージャ１３は、吸気管（吸気路）１４およびその吸気管１４に配置された塵埃除去用のフィルタ１５を通して空気を取込み、その取込み空気をタービン回転により圧縮し吐出する。吐出される空気は、吸気管１１およびインタークーラ１２を通って吸気ポート２に流入する。また、吸気管１１には、吸気の流れ方向においてインタークーラ１２より下流側の位置に、吸気流量調整用の吸気スロットル弁１６が配置される。

排気ポート５から排出される排気ガスは、排気管（排気路）２１、ターボチャージャ１３のタービン側流路、排気管（排気路）２２、その排気管２２に配置された浄化手段であるＮＯｘトラップ触媒（ＮＴＣ）２３およびディーゼルパティキュレートフィルタ２４を通り、さらに排気管２２の末端（床下）側に配置された浄化手段であるＮＯｘトラップ触媒（ＮＴＣ）２５を通って大気中に放出される。ＮＯｘトラップ触媒２３の近傍に、そのＮＯｘトラップ触媒２３の温度を検知する温度センサ２６が配置される。

ＮＯｘトラップ触媒２３，２５は、排気ガスの空燃比がリーンの場合にその排気ガス中の有害物質である窒素酸化物（NOx）や硫黄(Sulfur)を吸蔵し、排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチの場合に上記吸蔵した有害物質を還元し浄化する。吸蔵した有害物質を還元し浄化することを、ＮＯｘトラップ触媒の再生という。なお、硫黄を還元し浄化するために必要な雰囲気温度は、窒素酸化物を還元し浄化するために必要な雰囲気温度より高い。また、窒素酸化物を還元し浄化することを一般にＮＯｘパージ、硫黄を還元し浄化することを一般にＳパージという。

ディーゼルパティキュレートフィルタ２４は、排気ガスに含まれる微粒子状物質（Particulate）を除去する。

排気管２１に排気再循環路である高圧ＥＧＲ流路（配管）１７の一端が接続され、その高圧ＥＧＲ流路１７の他端が吸気管１１における吸気スロットル弁１６より下流側の位置に接続される。そして、高圧ＥＧＲ流路１７の中途部に、高圧ＥＧＲバルブ１８が配置される。高圧ＥＧＲ流路１７は、排気管２１に流れる排気ガスの一部を吸気管１１に導く。高圧ＥＧＲバルブ１８は、全閉から全開まで開度が連続的に変化する流量調整弁であり、開度変化によって排気ガスの流量を調整する。

一方、コントロールユニット３０に、燃料噴射インジェクタ４、吸気スロットル弁１６、高圧ＥＧＲバルブ１８、温度センサ２６．クランク角センサ３１、およびアクセル開度センサ３２が接続される。

クランク角センサ３１は、ピストン３の上下動に連動するクランクシャフトの位置ならびに回転角度を検知する。アクセル開度センサ３２は、アクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）を検知する。

コントロールユニット３０は、エンジン１の運転を制御するもので、とくにＮＯｘトラップ触媒２３，２５の再生に関わる主要な機能として次の（１）（２）の手段を備える。
（１）ＮＯｘトラップ触媒２３，２５を再生するべく排気ガスの空燃比をリッチにする際に、アクセル開度センサ３２の検知結果に基づくエンジン負荷Ｌが設定値Ｌ２未満の中・低負荷の場合、エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎが安定状態にないことを条件に“早期ポスト噴射による空燃比リッチの燃焼”即ち“第１燃焼”を実行し、エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎが安定状態にあれば“空燃比リッチの予混合燃焼”即ち“第３燃焼”を実行する第１制御手段。

エンジン負荷Ｌは、アクセル開度センサ３２の検知結果から検出する。エンジン回転数Ｎは、クランク角センサ３１の検知結果から検出する。エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎの安定状態とは、エンジン負荷Ｌの単位時間当たりの変化量が所定値以下で、かつエンジン回転数Ｎの単位時間当たりの変化量も所定値以下の状態であり、例えば高速道路の定速走行時に相当する。

（２）ＮＯｘトラップ触媒２３，２５を再生するべく排気ガスの空燃比をリッチにする際に、エンジン負荷Ｌが設定値Ｌ２以上の高負荷の場合、ＮＯｘトラップ触媒２３，２５の温度を所定値以上の高温状態に高める必要がないことを条件に“空燃比リッチの主噴射拡散燃焼”即ち“第２燃焼”を実行し、ＮＯｘトラップ触媒２３，２５の温度を所定値以上の高温状態に高める必要があれば“早期ポスト噴射による空燃比リッチの燃焼”を実行する第２制御手段。

所定値とは、ＮＯｘトラップ触媒２３，２５に吸蔵された有害物質のうち、硫黄を還元・浄化するのに必要な温度のことである。つまり、ＮＯｘトラップ触媒２３，２５の温度を所定値以上の高温状態に高める必要がないというのは、還元・浄化の対象が窒素酸化物であって硫黄ではないことを意味する。

上記“早期ポスト噴射による空燃比リッチの燃焼”は、燃料噴射タイミングを図２に示すように、ピストン３の位置（ピストン位置という）が上死点（ＴＤＣ）となる少し前に燃料をプレ噴射し、ピストン位置が上死点となるタイミングで燃料を主噴射し、ピストン位置が下死点（ＢＤＣ）となる前の早いタイミング（クランク角で４０°〜５０°）で多量の燃料をポスト噴射（後噴射）して燃焼室１ａ内の酸素を消費しつくす燃焼のことである。この燃焼のことを、以下、早期ポスト噴射リッチ燃焼という。

早期ポスト噴射リッチ燃焼は、排気ガスを空燃比リッチの雰囲気にすることには最適であるが、エンジン負荷Ｌが高いところで実行すると、スモークが多く出たり、排気温度が高くなり過ぎてターボチャージャ１３等の部品に悪影響を及ぼすという課題がある。

上記“空燃比リッチの主噴射拡散燃焼”は、図３に示すように、ピストン位置が上死点となる前に燃料をプレ噴射し、このプレ噴射の後、ピストン位置が上死点となる前に燃料を主噴射し、この主噴射による熱発生率の重心位置が上死点より前に存する燃焼である。この燃焼のことを、以下、主噴射拡散リッチ噴射という。

主噴射拡散リッチ噴射は、排気温度が比較的低く、エンジン負荷Ｌが高い側ではエンジン音が目立たないという利点があるが、エンジン負荷Ｌが低いところで実行すると、エンジン音が大きくなったりスモークの発生が避けられないといった課題がある。

上記“空燃比リッチの予混合燃焼”は、図４に示すように、ピストン位置が上死点となった後で燃料を噴射し、その噴射から所定期間遅れて着火を生じさせる燃焼である。この燃焼のことを、以下、予混合リッチ燃焼という。

予混合リッチ燃焼は、燃費が良くてスモークの発生も非常に少ないといった利点があるが、着火遅れのコントロールが難しい。とくに、エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎが安定状態にない場合は、着火遅れを適切にコントロールできなくなり、騒音が発生したり失火を招く可能性がある。

つぎに、コントロールユニット３０が実行する制御を図５のフローチャートおよび図６の燃焼区分チャートを参照しながら説明する。

コントロールユニット３０は、エンジン１の運転積算時間、周囲環境、温度センサ２６の検知温度などに基づき、ＮＯｘトラップ触媒２３，２５の再生が必要な状況であるか否かを監視する（ステップＳ１）。再生が必要な状況にあれば（ステップＳ１のＹＥＳ）、コントロールユニット３０は、エンジン回転数Ｎが図６に示す設定値Ｎ１以上・設定値Ｎ２未満の所定運転域において、エンジン負荷Ｌが設定値Ｌ１以上・Ｌ２未満の中・低負荷であるか否かを判定する（ステップＳ２）。エンジン負荷Ｌが設定値Ｌ１以上・Ｌ２未満の中・低負荷領域にある場合（ステップＳ２のＹＥＳ）コントロールユニット３０は、エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎが安定状態であるか否かを判定する（ステップＳ３）。エンジン負荷Ｌが設定値Ｌ１以上・Ｌ２未満の中・低負荷領域は、図６に示す斜線領域のうち、一点鎖線の矩形状枠を除いた部分の領域である。

エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎが安定状態にない場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、コントロールユニット３０は、早期ポスト噴射リッチ燃焼を実行する（ステップＳ４）。一方、高速道路の定速走行時など、エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎが安定状態にある場合（ステップＳ３のＮＯ）、コントロールユニット３０は、予混合リッチ燃焼を実行する（ステップＳ５）。

こうして、早期ポスト噴射リッチ燃焼または予混合リッチ燃焼を実行することにより、排気ガスの空燃比がリッチとなる。この空燃比リッチの雰囲気にＮＯｘトラップ触媒２３，２５にさらされることにより、ＮＯｘトラップ触媒２３，２５に吸蔵された窒素酸化物を還元し浄化することができる。

燃費が良くてスモークの発生も少ないという点では早期ポスト噴射リッチ燃焼よりも予混合リッチ燃焼の方が優れるが、エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎが安定状態にない場合の予混合リッチ燃焼はコントロールが難しい。よって、中・低負荷時は、基本的には早期ポスト噴射リッチ燃焼を実行しながらも、エンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎが安定状態にある場合のみ予混合リッチ燃焼を実行するようにしている。限定的ではあるが予混合リッチ燃焼が適宜に加わることで、燃費をできるだけ高めることができ、スモークの発生もできるだけ抑制することができる。

また、再生が必要な状況において（ステップＳ１のＹＥＳ）、エンジン負荷Ｌが設定値Ｌ２以上・設定値Ｌ３未満の高負荷領域にある場合（ステップＳ２のＮＯ）コントロールユニット３０は、ＮＯｘトラップ触媒２３，２５の温度を所定値以上の高温状態に高める必要がないことを条件に（ステップＳ６のＹＥＳ）、つまり窒素酸化物を還元・浄化の対象とするＮＯｘパージであることを条件に、主噴射拡散リッチ燃焼を実行する（ステップＳ７）。エンジン負荷Ｌが設定値Ｌ２以上・Ｌ３未満の高負荷領域は、図６に一点鎖線で示す矩形状枠で囲まれた領域である。

ＮＯｘトラップ触媒２３，２５の再生が必要な状況として、窒素酸化物を還元・浄化の対象とするＮＯｘパージ、および硫黄を還元・浄化の対象とするＳパージがある。コントロールユニット３０は、ＮＯｘパージモードとＳパージモードを時間経過やエンジン１の運転状況などに応じて適宜に選択する。

このように、ＮＯｘパージに際しては主噴射拡散リッチ燃焼を実行することで、排気ガスの空燃比がリッチとなり、ＮＯｘトラップ触媒２３，２５に吸蔵された窒素酸化物を還元し浄化することができる。

主噴射拡散リッチ燃焼は、高負荷では排気温度を抑えつつエンジン音が目立たず、反面、中・低負荷ではエンジン音が大きくなったりスモークが発生することから、高負荷側での実行に適している。早期ポスト噴射リッチ燃焼は、排気ガスを空燃比リッチの雰囲気にすることには最適であるが、高負荷ではスモークが多く出たり排気温度が高くなり過ぎるという課題がある。これらの点を考慮すると、高負荷側では、窒素酸化物を還元・浄化の対象とするNOxパージにおいて、主噴射拡散リッチ燃焼を実行するのが最良である。結果として、早期ポスト噴射リッチ燃焼だけ再生を行う場合よりも、再生可能運転域を高負荷側に拡げることができる。

また、コントロールユニット３０は、ＮＯｘトラップ触媒２３，２５の温度を所定値以上の高温状態に高める必要がある場合（ステップＳ６のＮＯ）、つまり硫黄を還元・浄化の対象とするＳパージに際しては、早期ポスト噴射リッチ燃焼を実行する（ステップＳ４）。この早期ポスト噴射リッチ燃焼の実行領域は、図６において、一点鎖線の矩形状枠内に存在する斜線領域である。

早期ポスト噴射リッチ燃焼は、高負荷ではスモークが出る可能性があるが、排気温度が高くなるので、Ｓパージを確実に行うことができる。

そして、コントロールユニット３０は、再生開始から一定時間が経過した場合、あるいは窒素酸化物や硫黄の吸蔵量低減を何らかの手段で検出した場合、上記各燃焼によるＮＯｘトラップ触媒２３，２５の再生を終了する。

以上のように、早期ポスト噴射リッチ燃焼、主噴射拡散リッチ燃焼、予混合リッチ燃焼をエンジン負荷Ｌおよびエンジン回転数Ｎに応じて選択的に実行することにより、早期ポスト噴射リッチ燃焼、主噴射拡散リッチ燃焼、予混合リッチ燃焼のそれぞれの利点を活かしながら、ひいては騒音発生、異常温度上昇、スモーク発生等の不具合を生じることなく、ＮＯｘトラップ触媒２３，２５を再生することができる。さらに、再生可能運転域が高負荷側に拡がる。

なお、上記実施形態では、排気管２２に２つのＮＯｘトラップ触媒２３，２５が配置されている場合を例に説明したが、ＮＯｘトラップ触媒の個数に限定はない。また、浄化手段がＮＯｘトラップ触媒である場合を例に説明したが、空燃比をリッチとすることで還元・浄化が可能となるものであれば、他の浄化手段についても同様に適用可能である。

その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
（１）排気ガスの空燃比がリーンの場合に前記排気ガス中の有害物質を吸蔵し、前記排気ガスの空燃比がリッチの場合に前記吸蔵した有害物質を還元し浄化する浄化手段と、前記浄化手段に吸蔵された有害物質を還元し浄化するべく前記排気ガスの空燃比をリッチにする際に、当該内燃機関の負荷が設定値未満の場合はポスト噴射を実施して空燃比リッチを実現する第１燃焼を実行し、前記負荷が前記設定値以上の場合はポスト噴射を実施せずに空燃比リッチを実現する第２燃焼を実行する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関。
（２）前記制御手段は、前記負荷が前記設定値以上の場合であっても、前記浄化手段の温度を所定値以上に高める必要がある場合には前記第２燃焼を禁止して前記第１燃焼を実行する、ことを特徴とする（１）記載の内燃機関。
（３）前記制御手段は、前記還元し浄化する有害物質の種類に応じて前記設定値を可変設定する、ことを特徴とする（２）記載の内燃機関。
（４）前記第１燃焼は、燃焼室内のピストン位置が上死点となる前に燃料をプレ噴射し、前記ピストン位置が上死点近傍となるタイミングで燃料を主噴射し、前記ピストン位置が下死点となる前に燃料をポスト噴射する燃焼であり、前記第２燃焼は、前記ピストン位置が上死点となる前に燃料をプレ噴射し、このプレ噴射の後、前記ピストン位置が上死点となる前に燃料を主噴射し、この主噴射による熱発生率の重心位置が前記上死点より前に存する燃焼である、ことを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の内燃機関。
（５）前記制御手段は、前記負荷が前記設定値未満の場合であって、前記負荷が安定状態にある場合には、ピストン位置が上死点となった後で燃料を噴射し、その噴射から所定期間遅れて着火を生じさせ空燃比リッチを実現する第３燃焼を実行する、ことを特徴とする請求項（１）から（４）のいずれかに記載の内燃機関。

１…ディーゼルエンジン、１ａ…燃焼室、２…吸気ポート、３…ピストン、４…燃料噴射インジェクタ、５…排気ポート、１１…吸気管（吸気路）、１２…インタークーラ、１３…ターボチャージャ、１４…吸気管（吸気路）、１５…フィルタ、２１，２２…排気管（排気路）、２３…ＮＯｘトラップ触媒（浄化手段）、２４…ディーゼルパティキュレートフィルタ、２５…ＮＯｘトラップ触媒（浄化手段）、２６…温度センサ、３０…コントロールユニット、３１…クランク角センサ、３２…アクセル開度センサ

Claims

排気ガスの空燃比がリーンの場合に前記排気ガス中の有害物質を吸蔵し、前記排気ガスの空燃比がリッチの場合に前記吸蔵した有害物質を還元し浄化する浄化手段と、
前記浄化手段に吸蔵された有害物質を還元し浄化するべく前記排気ガスの空燃比をリッチにする際に、内燃機関の負荷が設定値未満の場合はポスト噴射を実施して空燃比リッチを実現する第１燃焼を実行し、前記負荷が前記設定値以上の場合はポスト噴射を実施せずに、前記内燃機関の燃焼室内のピストン位置が上死点となる前に燃料をプレ噴射し、このプレ噴射の後、前記ピストン位置が上死点となる前に燃料を主噴射し、この主噴射による熱発生率の重心位置が前記上死点より前に存する燃焼である第２燃焼を実行する制御手段と、を備える
ことを特徴とする内燃機関。
前記制御手段は、前記負荷が前記設定値以上の場合であっても、前記浄化手段の温度を所定値以上に高める必要がある場合には前記第２燃焼を禁止して前記第１燃焼を実行する、
ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
前記第１燃焼は、燃焼室内のピストン位置が上死点となる前に燃料をプレ噴射し、前記ピストン位置が上死点近傍となるタイミングで燃料を主噴射し、前記ピストン位置が下死点となる前に燃料をポスト噴射する燃焼である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
前記制御手段は、前記負荷が前記設定値未満の場合であって、前記負荷が安定状態にある場合には、ピストン位置が上死点となった後で燃料を噴射し、その噴射から所定期間遅れて着火を生じさせ空燃比リッチを実現する第３燃焼を実行する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関。