WO2011055456A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a control device for an internal combustion engine, and more particularly to a control device for an internal combustion engine provided with a NOx catalyst or an S trap catalyst.
- a control device for an internal combustion engine having a NOx catalyst such as an NSR (NOx-Storage-Reduction) catalyst is known.
- NOx catalyst can store nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas in an oxidizing atmosphere and reduce the stored NOx in a reducing atmosphere.
- NOx nitrogen oxides
- the performance of the NOx catalyst is degraded by the sulfur content in the exhaust gas being deposited on the catalyst.
- the temperature (bed temperature) of the catalyst is detected by a sensor, and the amount of accumulated sulfur is estimated based on the degree of increase in the catalyst temperature. Yes.
- the amount of sulfur deposited is estimated based on the degree of increase in the catalyst temperature when the reducing agent is introduced.
- a reducing agent is introduced carelessly when the amount of accumulated sulfur is large, even if it is temporary, a high concentration of sulfur may be desorbed from the catalyst and discharged, resulting in a deterioration in exhaust emission.
- a reducing agent is introduced in a situation where it is difficult to desorb the sulfur from the NOx catalyst (the catalyst is at a low temperature or the exhaust air-fuel ratio is lean). In some cases, a long time is required until the catalyst temperature rises. Therefore, in this case, there is a problem that the consumption of the reducing agent (fuel) is increased and the fuel consumption is deteriorated or an excessive heat load is applied to the catalyst.
- the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to accurately estimate the amount of sulfur deposited on the main catalyst while avoiding the emission of sulfur and the deterioration of fuel consumption. It is an object of the present invention to provide a control device for an internal combustion engine capable of achieving the above.
- a first aspect of the present invention is a main engine which is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and is constituted by any one of a NOx catalyst for storing NOx in exhaust gas and an S trap catalyst for capturing SOx in exhaust gas.
- a catalyst, A sub-catalyst provided in the exhaust passage on the upstream side of the main catalyst and having a storage agent for storing SOx in the exhaust gas;
- a catalyst temperature detecting means for detecting the temperature of the sub catalyst or the temperature of the exhaust gas passing through the sub catalyst on the upstream side of the main catalyst;
- Regeneration control means for performing S regeneration control for desorbing at least SOx stored in the sub-catalyst;
- a sulfur accumulation amount estimating means for calculating the amount of increase in the catalyst temperature during execution of the S regeneration control, and estimating the amount of sulfur accumulated in the main catalyst based on the amount of temperature increase; It is characterized by providing.
- the sub-catalyst is configured to have a smaller heat capacity than the main catalyst.
- the sub-catalyst is formed using a material that is less basic than the main catalyst.
- the main catalyst is configured to include an OSC material having an oxygen storage capacity.
- the regeneration control means executes the S regeneration control when the operating state of the internal combustion engine is any one of decelerating operation, idle operation, and immediately before operation stop, and the sulfur accumulation amount estimating means In this configuration, the amount of sulfur accumulated is estimated during the S regeneration control.
- a sulfur concentration calculating means for calculating the sulfur concentration is provided.
- a correcting means for correcting an inflow amount of a sulfur component flowing into the main catalyst based on a sulfur concentration in the fuel.
- the eighth invention is configured to include a notifying means for notifying that the sulfur concentration is high when the sulfur concentration in the fuel is higher than a reference value.
- the temperature of the sub catalyst is made to reach the S desorption temperature earlier than the main catalyst after the start of the S regeneration control. be able to.
- the temperature increase amount of the sub-catalyst that has increased due to the desorption reaction of the sulfur content is detected. Therefore, it is possible to accurately estimate the sulfur deposition amount of the main catalyst based on the temperature increase amount. And based on this estimation result, the control for avoiding the discharge
- the temperature of the sub catalyst can reach the S desorbable temperature earlier than the main catalyst after the start of the S regeneration control.
- a period from when the temperature of the sub catalyst reaches the S desorbable temperature to immediately before the temperature of the main catalyst reaches the S desorbable temperature that is, a detection period for detecting the temperature increase amount of the sub catalyst. It can be secured sufficiently. Therefore, for example, even when the temperature of the sub-catalyst gradually rises, the temperature rise amount can be accurately detected during the detection period. Thereby, the estimation precision of the amount of sulfur deposition based on the amount of temperature rise can be improved.
- the S-decomposable temperature of the sub-catalyst can be set lower than that of the main catalyst. Therefore, the period for detecting the temperature rise amount of the sub-catalyst can be lengthened, and the temperature rise amount can be accurately detected during this detection period. Thereby, the estimation precision of the amount of sulfur deposition based on the amount of temperature rise can be improved.
- the main catalyst can efficiently capture SOx desorbed from the sub-catalyst in the presence of oxygen stored in the OSC material.
- the sulfur content is desorbed from the sub catalyst during the detection period in which the temperature increase amount of the sub catalyst is detected, the exhaust emission can be maintained satisfactorily.
- the operation state of the internal combustion engine is stable and the change in the flow rate and temperature of the exhaust gas is small during the deceleration operation and the idle operation. Even in the state immediately before the internal combustion engine is stopped, the flow rate and temperature of the exhaust gas are stable. Therefore, if the process for estimating the amount of accumulated sulfur is executed in these operating states, the amount of temperature increase of the sub-catalyst can be accurately detected with little disturbance. Thereby, the estimation precision of the amount of sulfur deposition can be improved.
- the sulfur concentration calculating means calculates the sulfur concentration in the fuel based on the fuel consumption amount and oil consumption amount between the intervals of the S regeneration control and the estimated value of the sulfur accumulation amount. Can do. Thereby, appropriate control for suppressing the sulfur accumulation amount of the catalyst based on the sulfur concentration in the fuel can be performed.
- the correcting means can correct the inflow amount of the sulfur component flowing into the main catalyst based on the sulfur concentration in the fuel, and suppress the sulfur poisoning of the main catalyst as much as possible. it can.
- the notification means when the sulfur concentration in the fuel is higher than the reference value, can notify the driver or the like of this state, and urges attention about the use of the fuel having a high sulfur concentration. be able to.
- Embodiment 1 of this invention it is explanatory drawing which shows the structure of an exhaust system.
- Embodiment 1 of this invention it is a characteristic diagram which shows the temperature change of the main catalyst and sub catalyst in S regeneration control.
- Embodiment 1 of this invention it is a flowchart which shows the control performed by ECU.
- Embodiment 2 of this invention it is explanatory drawing which shows the structure of an exhaust system.
- Embodiment 2 of this invention it is a characteristic diagram which shows the temperature change of the main catalyst and sub catalyst in S regeneration control.
- Embodiment 3 of this invention it is explanatory drawing which shows the structure of an exhaust system.
- Embodiment 4 of this invention it is a characteristic diagram which shows the exhaust air fuel ratio of the upstream of a main catalyst, and a downstream.
- it is explanatory drawing which shows the structure of an exhaust system. It is explanatory drawing which shows the state which estimates the amount of sulfur deposits during a deceleration driving
- it is a flowchart which shows the control performed by ECU.
- FIG. 1 is an overall configuration diagram for explaining a system configuration according to the first embodiment of the present invention.
- the system of the present embodiment includes a multi-cylinder internal combustion engine 10 made of, for example, a diesel engine.
- a piston 14 is provided in each cylinder 12 of the internal combustion engine 10 so as to be able to reciprocate. These pistons 14 form a combustion chamber 16 in each cylinder 12.
- Each piston 14 is connected to a crankshaft 18 of the internal combustion engine 10.
- the internal combustion engine 10 includes an intake passage 20 that sucks intake air into each cylinder 12 and an exhaust passage 22 through which exhaust gas is discharged from each cylinder 12.
- the intake passage 20 is provided with an air flow meter 24 for detecting the intake air amount and a throttle valve 26 for increasing or decreasing the intake air amount.
- the throttle valve 26 is constituted by an electronically controlled valve, for example, and is driven by a throttle motor 28 based on the accelerator opening and the like.
- a main catalyst 30 and a sub catalyst 32 are provided in the exhaust passage 22. These catalysts will be described later.
- Each cylinder 12 is provided with an intake valve 38, an exhaust valve 40, and the like in addition to a fuel injection valve 34 for injecting fuel into the cylinder.
- the system of the present embodiment includes a sensor system including a crank angle sensor 42, a catalyst temperature sensor 44, air-fuel ratio sensors 46, 48, and the like, an ECU (Electronic Control Unit) 50 that controls the operating state of the internal combustion engine 10. It has.
- the crank angle sensor 42 outputs a signal synchronized with the rotation of the crankshaft 18, and the ECU 50 can detect the engine speed and the crank angle based on this signal.
- the catalyst temperature sensor 44 constitutes the catalyst temperature detecting means of the present embodiment, and is provided in the exhaust passage 22 at a position upstream of the main catalyst 30 and downstream of the sub catalyst 32.
- the catalyst temperature sensor 44 detects the temperature of the sub-catalyst 32 (bed temperature) or the temperature of the exhaust gas immediately after passing through the sub-catalyst 32 as the catalyst temperature. 1 and 2, the exhaust gas temperature downstream of the sub catalyst 32 is detected by the catalyst temperature sensor 44.
- the present invention is not limited to this, and the floor of the sub catalyst 32 is detected by the catalyst temperature sensor 44. It is good also as a structure which detects temperature.
- the upstream air-fuel ratio sensor 46 detects the exhaust air-fuel ratio at a position upstream of the main catalyst 30 and downstream of the sub-catalyst 32, and the downstream air-fuel ratio sensor 48 is connected to the main catalyst 30.
- the exhaust air / fuel ratio is detected downstream.
- the ECU 50 can perform air-fuel ratio feedback control for controlling the exhaust air-fuel ratio to be close to the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometry) by adjusting the fuel injection amount based on the signals of the air-fuel ratio sensors 46 and 48.
- the sensor system includes various sensors necessary for controlling the vehicle and the internal combustion engine in addition to the sensors 42 to 48 and the air flow meter 24 described above. Examples of such sensors include a water temperature sensor that detects the cooling water temperature of the internal combustion engine, an accelerator opening sensor that detects the accelerator opening, and the like. These sensors are connected to the input side of the ECU 50.
- various actuators including the throttle motor 28 and the fuel injection valve 34 described above are connected to the output side of the ECU 50. Then, the ECU 50 controls the operation state by driving each actuator while detecting the operation state of the internal combustion engine by the sensor system.
- the fuel injection amount and the injection timing are set based on the intake air amount detected by the air flow meter, and the fuel injection control for driving the fuel injection valve 34 is executed based on the set content.
- FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the exhaust system in the first embodiment of the present invention.
- the present embodiment is characterized in that the amount of sulfur accumulated in the main catalyst 30 is estimated based on the temperature of the sub catalyst 32.
- the main catalyst 30 will be described.
- the main catalyst 30 is composed of, for example, a NOx catalyst. That is, the main catalyst 30 can store NOx in the exhaust gas in an oxidizing atmosphere and reduce the stored NOx in a reducing atmosphere.
- the ECU 50 executes NOx reduction control at an appropriate timing in order to reduce NOx stored in the main catalyst 30.
- the exhaust air-fuel ratio is temporarily enriched by rich spike control or the like, or fuel is added to the exhaust gas by a fuel addition valve or the like.
- the exhaust air-fuel ratio changes to a richer side than the stoichiometric air-fuel ratio, resulting in a reducing atmosphere, so that the main catalyst 30 can reduce the stored NOx.
- the NOx catalyst also stores sulfur oxide (SOx) in the exhaust gas in an oxidizing atmosphere.
- SOx sulfur oxide
- the stored SOx is not released at the catalyst temperature (for example, about 250 ° C.) during the NOx reduction control.
- the ECU 50 executes the S regeneration control at an appropriate timing to regenerate the NOx storage capacity of the main catalyst 30.
- fuel as a reducing agent is added to the catalyst while the catalyst bed temperature is raised to a predetermined temperature at which sulfur in the catalyst can be desorbed (hereinafter referred to as S desorbable temperature). To do.
- the temperature at which S can be desorbed varies depending on the material of the catalyst, the component ratio, and the like, but is a high temperature of 600 ° C. or higher, for example.
- the sulfur accumulation amount of the main catalyst 30 is estimated using the sub-catalyst 32 before the temperature of the main catalyst 30 is increased to the S desorption possible temperature.
- the sub-catalyst 32 is constituted by a small catalyst having a smaller heat capacity than that of the main catalyst 30, for example, and is arranged on the upstream side of the main catalyst 30.
- the sub-catalyst 32 is coated with a storage agent that stores SOx in the exhaust gas, and this storage agent has an S detachable temperature substantially equal to that of the main catalyst 30. For this reason, the sulfur content in the exhaust gas is deposited at the same degree on both the catalysts 30 and 32 in the normal operation state except during the S regeneration control.
- FIG. 3 is a characteristic diagram showing temperature changes of the main catalyst and the sub catalyst during the S regeneration control in the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, when the S regeneration control is started, the bed temperatures of the catalysts 30 and 32 increase with the exhaust temperature. However, there is a time difference at the timing when the bed temperature of both reaches the S desorbable temperature for the reason described above. During a period corresponding to this time difference (detection period A in FIG.
- the temperature increase amount of the sub-catalyst 32 during the detection period A has a characteristic that it increases as the amount of SOx stored in the catalyst increases. Therefore, considering that the sulfur content in the exhaust gas accumulates on the catalysts 30 and 32 in the same degree, the sulfur content deposited on the main catalyst 30 is determined based on the amount of increase in the catalyst temperature detected by the catalyst temperature sensor 44. The amount of deposition can be estimated. For this reason, the ECU 50 stores in advance map data in which the relationship between the temperature increase amount of the sub catalyst 32 during the detection period A and the sulfur accumulation amount of the main catalyst 30 is converted into data. This map data is set so that the estimated value of the sulfur deposition amount increases as the temperature increase amount of the sub-catalyst 32 increases.
- the ECU 50 detects the amount of temperature increase during the detection period A based on the output of the catalyst temperature sensor 44 after starting the S regeneration control. In this case, the ECU 50 determines that the detection period A has started when the temperature detected by the catalyst temperature sensor 44 becomes equal to or higher than the S detachable temperature. Further, the bed temperature of the main catalyst 30 is estimated from the temperature detected by the catalyst temperature sensor 44, and it is determined that the detection period A has ended immediately before the bed temperature reaches the S desorption possible temperature. In the present invention, in order to determine the end point of the detection period A, a temperature sensor or the like for detecting the bed temperature of the main catalyst 30 may be provided.
- the ECU 50 can estimate the sulfur accumulation amount of the main catalyst 30 based on the temperature increase amount of the sub-catalyst 32 and the map data, and can execute appropriate control to cope with this estimation result.
- control executed according to the amount of sulfur deposition will be described.
- the S regeneration control is repeatedly executed by the ECU 50 at appropriate intervals. Since the sulfur content deposited on the sub-catalyst 32 is relatively smaller than that of the main catalyst 30, it can be considered that the sulfur accumulation amount of the sub-catalyst 32 becomes almost zero every time the S regeneration control is executed. Therefore, the sulfur accumulation amount estimated (detected) by the above method during the execution of the S regeneration control is the internal combustion engine between the previous S regeneration control and the current S regeneration control, that is, during the S regeneration control interval. This corresponds to the amount of SOx discharged from the factory. On the other hand, the sulfur content deposited on the catalyst is the sulfur content originally contained in the fuel or the sulfur content in the lubricating oil of the internal combustion engine mixed with the fuel.
- the ECU 50 calculates the sulfur concentration in the fuel based on the fuel consumption amount and oil consumption amount during the interval and the estimated value of the sulfur accumulation amount (SOx emission amount).
- the amount of SOx flowing into the main catalyst 30 is corrected based on the calculated sulfur concentration.
- the ECU 50 can first calculate the fuel consumption amount between the intervals by integrating the injection amount of fuel injected in each cylinder for each combustion cycle. Further, since the oil consumption (the amount of lubricating oil mixed into the cylinder from the oil pan side) has a correlation with parameters such as the engine speed and the load factor, the ECU 50 has these parameters per combustion cycle. Map data in which the relationship with the oil consumption is converted into data is stored in advance. The ECU 50 can calculate the oil consumption amount between the intervals by integrating the oil consumption amount calculated based on these parameters and map data, and can further calculate the sulfur concentration in the fuel. .
- the ECU 50 activates an alarm (not shown) for notifying the vehicle driver that the sulfur concentration in the fuel is high.
- This notification device performs a notification operation by a lamp, a buzzer, a voice, or the like.
- FIG. 4 is a flowchart showing the control executed by the ECU in the first embodiment of the present invention. Note that the routine shown in FIG. 4 is repeatedly executed during operation of the internal combustion engine. In this routine, first, it is determined whether or not the operation state is such that the S regeneration control can be executed (for example, the operation state that does not adversely affect the drivability even if the S regeneration control is executed) (step 100). ). If this determination is not established, the current control is terminated. If the determination in step 100 is established, S regeneration control is started (step 102).
- the temperature of the sub-catalyst 32 is detected based on the output of the catalyst temperature sensor 44 (step 104), and it is determined whether or not the detected catalyst temperature is equal to or higher than the S-desorbable temperature of the sub-catalyst 32 (step 104). 106). If this determination is not satisfied, the processes of steps 104 and 106 are repeatedly executed until the determination is satisfied. If the determination in step 106 is established, it is the start time of the above-described detection period A, so the amount of temperature increase of the sub catalyst 32 is detected based on the output of the catalyst temperature sensor 44 (step 108). In parallel with this detection process, it is determined whether or not the end point of the detection period A has been reached by the above-described method (step 110). If this determination is not satisfied, the processes of steps 108 and 110 are repeatedly executed until the determination is satisfied.
- step 110 the amount of sulfur deposited on the main catalyst 30 is estimated based on the detected temperature rise amount and the map data (step 112).
- step 112 the fuel consumption and the oil consumption between the intervals of the S regeneration control are calculated, and the sulfur concentration in the fuel is calculated based on these calculated values and the estimated value of the sulfur accumulation amount.
- step 114 Based on the calculated value of the sulfur concentration, control corresponding to the sulfur accumulation amount is executed (step 116).
- the sub-catalyst 32 is disposed upstream of the main catalyst 30 and has a smaller heat capacity than the main catalyst 30. For this reason, after the start of the S regeneration control, the temperature of the sub-catalyst 32 can reach the S desorbable temperature earlier than the main catalyst 30. As a result, the temperature increase amount of the sub-catalyst 32 that has increased due to the sulfur desorption reaction before the temperature of the main catalyst 30 reaches the S-desorbable temperature (that is, before the sulfur component is desorbed from the main catalyst 30). Can be detected, and the amount of sulfur deposition on the main catalyst 30 can be accurately estimated based on the temperature increase.
- control for avoiding sulfur emissions and fuel consumption deterioration can be executed based on the estimation result of the sulfur accumulation amount. Further, even if the sulfur content is desorbed from the sub-catalyst 32 during the period in which the temperature increase amount of the sub-catalyst 32 is detected, this sulfur content can be occluded by the main catalyst 30 on the downstream side. Therefore, it is possible to reliably prevent the sulfur content in the exhaust gas and the sulfur content desorbed from the catalyst from being discharged to the outside, and the exhaust emission and fuel consumption can be improved.
- the period from when the temperature of the sub-catalyst 32 reaches the S-decomposable temperature to immediately before the temperature of the main catalyst 30 reaches the S-decomposable temperature is made smaller than that of the main catalyst 30, the period from when the temperature of the sub-catalyst 32 reaches the S-decomposable temperature to immediately before the temperature of the main catalyst 30 reaches the S-decomposable temperature. That is, a sufficient detection period A for detecting the temperature rise amount of the sub-catalyst 32 can be secured. Therefore, for example, even when the temperature of the sub-catalyst 32 rises gently, the amount of temperature rise can be accurately detected during the detection period A. Thereby, the estimation precision of the amount of sulfur deposition based on the amount of temperature rise can be improved.
- the sulfur concentration in the fuel can be calculated based on the fuel consumption amount and oil consumption amount between the intervals of the S regeneration control and the estimated value of the sulfur accumulation amount.
- appropriate control for suppressing the sulfur accumulation amount of the catalyst based on the sulfur concentration in the fuel can be performed.
- the inflow amount of the sulfur component flowing into the main catalyst 30 can be corrected based on the sulfur concentration in the fuel, and sulfur poisoning of the main catalyst 30 can be suppressed as much as possible.
- this state can be notified to the driver and the like, and attention can be urged about the use of the fuel having a high sulfur concentration.
- a NOx catalyst is used as the main catalyst 30.
- the present invention is not limited to this, and the main catalyst 30 may be composed of an S trap catalyst that captures / releases SOx in the exhaust gas.
- the S trap catalyst traps SOx when the exhaust air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric ratio. Further, when the exhaust air-fuel ratio becomes richer than the stoichiometric ratio and the catalyst temperature becomes equal to or higher than a predetermined S desorption temperature, the SOx trapped in the S trap catalyst is desorbed. Therefore, according to the present invention, even when an S trap catalyst is used as the main catalyst 30, the same effects as those of the NOx catalyst can be obtained, and the scope of application of the invention can be expanded.
- Embodiment 2 a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
- the present embodiment employs the same system configuration and control (FIGS. 1 and 4) as those of the first embodiment, the constituent material of the sub-catalyst is different from that of the first embodiment.
- the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
- FIG. 5 is an explanatory diagram showing the configuration of the exhaust system in the second embodiment of the present invention.
- the sub-catalyst 60 is composed of a small-capacity catalyst carrying an SOx occluding agent in substantially the same manner as in the first embodiment, and is arranged on the upstream side of the main catalyst 30.
- the sub-catalyst 60 is formed using a material that is less basic than the main catalyst 30.
- the S-desorbable temperature of the sub catalyst 60 is set to a temperature lower than that of the main catalyst 30.
- the system of the present embodiment is intended to purify NOx by the main catalyst 30, and does not depend on the NOx purification performance of the sub-catalyst 60. Even if it is changed, the purification performance of the entire system is not affected.
- FIG. 6 is a characteristic diagram showing temperature changes of the main catalyst and the sub catalyst during the S regeneration control in the second embodiment of the present invention.
- the S-desorbable temperature of the sub catalyst 60 is set lower than that of the main catalyst 30. For this reason, when the S regeneration control is started, the temperature of the sub-catalyst 60 reaches the S-desorbable temperature at an early stage, and the start point of the detection period A ′ is advanced by that amount. Therefore, according to the present embodiment, since a long time can be secured as the detection period A ′, for example, even when the temperature of the sub-catalyst 60 rises gradually, the amount of temperature rise is detected during the detection period A ′. It can be detected accurately. Thereby, the estimation precision of the amount of sulfur deposition based on the amount of temperature rise can be improved.
- Embodiment 3 FIG. Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. 7 and FIG.
- the present embodiment employs the same system configuration and control (FIGS. 1 and 4) as those of the first embodiment, the OSC material is supported on the main catalyst. And the configuration is different.
- the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
- FIG. 7 is an explanatory diagram showing the configuration of the exhaust system in the third embodiment of the present invention.
- the main catalyst 70 is composed of a NOx catalyst that is substantially the same as that of the first embodiment, but carries an OSC material (Oxygen Storage Capacity) having an oxygen storage capacity. According to this configuration, the main catalyst 70 can efficiently capture the SOx desorbed from the sub catalyst 32 when the S regeneration control is executed.
- OSC material Oxygen Storage Capacity
- the exhaust gas is held in a rich atmosphere (reducing atmosphere) by the fuel that serves as the reducing agent, but the reducing agent components such as SOx, HC, CO, and H 2 contained in the exhaust gas. Reacts with oxygen released from the OSC material.
- SOx is captured by the main catalyst 70 by reaction with oxygen. Therefore, the main catalyst 70 can efficiently capture the SOx desorbed from the sub catalyst 32 in the presence of oxygen stored in the OSC material.
- the air-fuel ratio value and the enrichment duration time are appropriately controlled in consideration of the oxygen storage capacity of the OSC material.
- the exhaust air-fuel ratio is kept stoichiometric on the downstream side of the catalyst 70.
- FIG. 8 is a characteristic diagram showing the exhaust air-fuel ratio on the upstream side and downstream side of the main catalyst.
- the value of the air-fuel ratio and the duration of enrichment are the total amount of reducing agent for the overrich (total amount of reducing agent contributing to enrichment) is the amount of OSC of the main catalyst 70 (the OSC material).
- the total amount of oxygen occluded is controlled so as not to exceed. This control is performed as part of the air-fuel ratio feedback control described above.
- Embodiment 4 FIG. Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
- the present embodiment employs a system configuration similar to that of the first embodiment (FIG. 1), it is configured to estimate the amount of sulfur deposition in a specific operation state. And the configuration is different.
- the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
- FIG. 9 is an explanatory diagram showing the configuration of the exhaust system in the fourth embodiment of the present invention.
- the exhaust passage 22 is provided with a fuel addition valve 80 and a glow plug (spark plug) 82.
- the fuel addition valve 80 is composed of an electromagnetic valve or the like controlled by the ECU 50 and is disposed on the upstream side of the sub catalyst 32.
- the fuel addition valve 80 adds the fuel that becomes the reducing agent into the exhaust gas when the above-described NOx reduction control and S regeneration control are executed.
- the glow plug 82 is disposed downstream of the fuel addition valve 80 and upstream of the sub-catalyst 32, and is configured to heat exhaust gas when energized from the ECU 50. Therefore, the ECU 50 can stabilize the temperature of the exhaust gas flowing into the sub-catalyst 32 by operating the glow plug 82, and can maintain this temperature in a constant reference state.
- FIG. 10 is an explanatory diagram showing a state in which the sulfur accumulation amount is estimated during the deceleration operation or the idle operation. While the deceleration operation and the idle operation are being performed, the operation state of the internal combustion engine is stable, and changes in the exhaust gas flow rate and temperature are small. Even in the state immediately before the internal combustion engine is stopped, the flow rate and temperature of the exhaust gas are stable.
- the process for estimating the amount of accumulated sulfur is executed while stabilizing the exhaust temperature by, for example, operating the glow plug 82, the amount of temperature increase of the sub-catalyst 32 can be accurately determined with little disturbance. Can be detected. Thereby, the estimation precision of the amount of sulfur deposition can be improved.
- FIG. 11 is a flowchart showing the control executed by the ECU in the fourth embodiment of the present invention.
- the routine shown in FIG. 11 is repeatedly executed during operation of the internal combustion engine.
- this routine first, it is determined whether or not the operating state of the internal combustion engine corresponds to any one of a deceleration operation, an idle operation, or just before the operation is stopped (step 200). If this determination is not established, the current control is terminated. If the determination in step 200 is established, the processing in steps 202 to 216 is executed. Steps 202 to 216 are the same processes as steps 102 to 116 in the first embodiment (FIG. 4). Thereby, the sulfur accumulation amount of the main catalyst 30 can be estimated in a stable state.
- steps 100 and 102 in FIG. 4 show a specific example of the reproduction control means in claim 1
- steps 200 and 202 in FIG. 11 show a specific example of the reproduction control means in claim 5.
- steps 112 and 212 are specific examples of the sulfur accumulation amount estimation means
- steps 114 and 214 are specific examples of the sulfur concentration calculation means
- steps 116 and 216 are specific examples of the correction means and the notification means. Show.
- the present invention is applied to the internal combustion engine 10 including a diesel engine as an example.
- the present invention is not limited to diesel engines, and can be widely applied to various internal combustion engines including gasoline engines.
- the present invention is not limited to individually realizing the configurations described in the first to fourth embodiments, and for example, any two of the configurations described in the first to fourth embodiments.
- the system may be realized by combining three or four configurations.
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Abstract
この発明は、硫黄分の排出や燃費の悪化を回避しつつ、NOx触媒の硫黄堆積量を正確に推定することを目的とする。 内燃機関10の排気通路22には、NOx触媒またはSトラップ触媒により構成されたメイン触媒30と、メイン触媒30の上流側に位置してSOx吸蔵剤を有するサブ触媒32とを設ける。ECU50は、S再生制御の実行中にサブ触媒32の温度上昇量を検出し、この温度上昇量に基いてメイン触媒30に堆積した硫黄分の堆積量を推定する。これにより、メイン触媒30に対してS再生制御が実行される前に、サブ触媒32を用いて硫黄分の堆積量を推定することができ、この推定結果に基いて硫黄分の排出や燃費の悪化を回避するための制御を実行することができる。
Description
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、NOx触媒またはSトラップ触媒を備えた内燃機関の制御装置に関する。
従来技術として、例えば特許文献1(日本特開2009-138525号公報)に開示されているように、NSR(NOx Storage-Reduction)触媒等のNOx触媒を備えた内燃機関の制御装置が知られている。NOx触媒は、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を酸化雰囲気で吸蔵し、吸蔵したNOxを還元雰囲気で還元することができる。しかし、NOx触媒の性能は、排気ガス中の硫黄分が触媒に堆積することにより低下する。このため、従来技術では、NOx触媒に還元剤を導入するときに、触媒の温度(床温)をセンサにより検出し、触媒温度の上昇度合いに基いて硫黄分の堆積量を推定するようにしている。
ところで、上述した従来技術では、還元剤を導入したときの触媒温度の上昇度合いに基いて、硫黄分の堆積量を推定する構成としている。しかしながら、硫黄分の堆積量が多い場合に、還元剤を不用意に導入すると、一時的であっても高濃度の硫黄分が触媒から脱離して排出されることがあり、排気エミッションが悪化するという問題がある。また、多量の硫黄分が堆積していることを想定して、NOx触媒から硫黄分が脱離し難い状況(触媒が低温であったり、排気空燃比がリーンである状況)で還元剤を導入した場合には、触媒温度が上昇するまでに長い時間が必要となる。従って、この場合には、還元剤(燃料)の消費量が増えて燃費が悪化したり、触媒に余分な熱負荷を与えるという問題もある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、硫黄分の排出や燃費の悪化を回避しつつ、メイン触媒の硫黄堆積量を正確に推定することが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。
第1の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中のNOxを吸蔵するNOx触媒と排気ガス中のSOxを捕捉するSトラップ触媒のうち、何れか一方の触媒により構成されたメイン触媒と、
前記メイン触媒の上流側で前記排気通路に設けられ、排気ガス中のSOxを吸蔵する吸蔵剤を備えたサブ触媒と、
前記サブ触媒の温度または前記サブ触媒を通過した排気ガスの温度である触媒温度を前記メイン触媒の上流側で検出する触媒温度検出手段と、
少なくとも前記サブ触媒に吸蔵されたSOxを脱離させるためのS再生制御を行う再生制御手段と、
前記S再生制御の実行中に前記触媒温度の上昇量を算出し、当該温度上昇量に基いて前記メイン触媒に堆積した硫黄分の堆積量を推定する硫黄堆積量推定手段と、
を備えることを特徴とする。
前記メイン触媒の上流側で前記排気通路に設けられ、排気ガス中のSOxを吸蔵する吸蔵剤を備えたサブ触媒と、
前記サブ触媒の温度または前記サブ触媒を通過した排気ガスの温度である触媒温度を前記メイン触媒の上流側で検出する触媒温度検出手段と、
少なくとも前記サブ触媒に吸蔵されたSOxを脱離させるためのS再生制御を行う再生制御手段と、
前記S再生制御の実行中に前記触媒温度の上昇量を算出し、当該温度上昇量に基いて前記メイン触媒に堆積した硫黄分の堆積量を推定する硫黄堆積量推定手段と、
を備えることを特徴とする。
第2の発明によると、前記サブ触媒は、前記メイン触媒よりも熱容量を小さく形成する構成としている。
第3の発明によると、前記サブ触媒は、前記メイン触媒よりも塩基性の低い材料を用いて形成する構成としている。
第4の発明によると、前記メイン触媒は、酸素吸蔵能を有するOSC材を備える構成としている。
第5の発明によると、前記再生制御手段は、内燃機関の運転状態が減速運転、アイドル運転及び運転停止直前の何れかである場合に前記S再生制御を実行し、前記硫黄堆積量推定手段は、当該S再生制御中に前記硫黄分の堆積量を推定する構成としている。
第6の発明は、前記S再生制御がインターバルをもって繰返し実行されるときに、前記インターバル間の燃料消費量及びオイル消費量と、前記硫黄分の堆積量の推定値とに基いて、燃料中の硫黄濃度を算出する硫黄濃度算出手段を備える構成としている。
第7の発明は、前記燃料中の硫黄濃度に基いて前記メイン触媒に流入する硫黄分の流入量を補正する補正手段を備える構成としている。
第8の発明は、前記燃料中の硫黄濃度が基準値よりも高い場合に、硫黄濃度が高いことを報知する報知手段を備える構成としている。
第1の発明によれば、サブ触媒はメイン触媒よりも上流側に配置されているので、S再生制御の開始後には、サブ触媒の温度をメイン触媒よりも早くS脱離可能温度に到達させることができる。これにより、メイン触媒の温度がS脱離可能温度に達する前(即ち、メイン触媒から硫黄分が脱離する前)に、硫黄分の脱離反応により上昇したサブ触媒の温度上昇量を検出することができ、この温度上昇量に基いてメイン触媒の硫黄堆積量を正確に推定することができる。そして、この推定結果に基いて硫黄分の排出や燃費の悪化を回避するための制御を実行することができる。また、サブ触媒の温度上昇量を検出している期間中に、サブ触媒から硫黄分が脱離しても、この硫黄分を下流側のメイン触媒によって吸蔵することができる。従って、排気エミッションや燃費を向上させることができる。
第2の発明によれば、サブ触媒はメイン触媒よりも熱容量が小さいので、S再生制御の開始後には、サブ触媒の温度をメイン触媒よりも早くS脱離可能温度に到達させることができる。これにより、サブ触媒の温度がS脱離可能温度に達してからメイン触媒の温度がS脱離可能温度に達する直前までの期間、即ち、サブ触媒の温度上昇量を検出するための検出期間を十分に確保することができる。従って、例えばサブ触媒の温度が緩やかに上昇する場合でも、その温度上昇量を検出期間中に正確に検出することができる。これにより、温度上昇量に基いた硫黄堆積量の推定精度を向上させることができる。
第3の発明によれば、サブ触媒に塩基性の低い材料を用ることにより、サブ触媒のS脱離可能温度をメイン触媒よりも低く設定することができる。従って、サブ触媒の温度上昇量を検出するための期間を長くすることができ、この検出期間中に温度上昇量を正確に検出することができる。これにより、温度上昇量に基いた硫黄堆積量の推定精度を向上させることができる。
第4の発明によれば、メイン触媒は、OSC材に吸蔵されていた酸素の存在下で、サブ触媒から脱離したSOxを効率よく捕捉することができる。これにより、サブ触媒の温度上昇量を検出している検出期間中に、サブ触媒から硫黄分が脱離しても、排気エミッションを良好に保持することができる。
第5の発明によれば、減速運転やアイドル運転の実施中には、内燃機関の運転状態が安定しており、排気ガスの流量や温度の変化が小さい。また、内燃機関が停止される直前の状態においても、排気ガスの流量や温度は安定した状態となる。従って、これらの運転状態において、硫黄堆積量の推定処理を実行すれば、外乱の少ない状態でサブ触媒の温度上昇量を正確に検出することができる。これにより、硫黄堆積量の推定精度を高めることができる。
第6の発明によれば、硫黄濃度算出手段は、S再生制御のインターバル間の燃料消費量及びオイル消費量と、硫黄堆積量の推定値とに基いて、燃料中の硫黄濃度を算出することができる。これにより、燃料中の硫黄濃度に基いて触媒の硫黄堆積量を抑制するための適切な制御を行うことができる。
第7の発明によれば、補正手段は、燃料中の硫黄濃度に基いてメイン触媒に流入する硫黄分の流入量を補正することができ、メイン触媒の硫黄被毒を可能な限り抑えることができる。
第8の発明によれば、報知手段は、燃料中の硫黄濃度が基準値よりも高い場合に、この状態を運転者等に報知することができ、硫黄濃度が高い燃料の使用について注意を促すことができる。
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
以下、図1乃至図4を参照しつつ、本発明の実施の形態1について説明する。図1は、本発明の実施の形態1のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、例えばディーゼルエンジンからなる多気筒型の内燃機関10を備えている。内燃機関10の各気筒12内にはピストン14が往復動可能に設けられており、これらのピストン14は各気筒12内に燃焼室16を形成している。また、各ピストン14は、内燃機関10のクランク軸18に連結されている。
[実施の形態1の構成]
以下、図1乃至図4を参照しつつ、本発明の実施の形態1について説明する。図1は、本発明の実施の形態1のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、例えばディーゼルエンジンからなる多気筒型の内燃機関10を備えている。内燃機関10の各気筒12内にはピストン14が往復動可能に設けられており、これらのピストン14は各気筒12内に燃焼室16を形成している。また、各ピストン14は、内燃機関10のクランク軸18に連結されている。
また、内燃機関10は、各気筒12内に吸入空気を吸込む吸気通路20と、各気筒12から排気ガスが排出される排気通路22とを備えている。吸気通路20には、吸入空気量を検出するエアフロメータ24と、吸入空気量を増減させるスロットルバルブ26とが設けられている。スロットルバルブ26は、例えば電子制御式のバルブによって構成され、アクセル開度等に基づいてスロットルモータ28により駆動される。一方、排気通路22には、メイン触媒30とサブ触媒32とが設けられている。なお、これらの触媒については後述する。また、各気筒12には、筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁34に加えて、吸気バルブ38、排気バルブ40等が設けられている。
さらに、本実施の形態のシステムは、クランク角センサ42、触媒温度センサ44、空燃比センサ46,48等を含むセンサ系統と、内燃機関10の運転状態を制御するECU(Electronic Control Unit)50とを備えている。クランク角センサ42は、クランク軸18の回転に同期した信号を出力するもので、ECU50は、この信号に基いて機関回転数やクランク角を検出することができる。触媒温度センサ44は、本実施の形態の触媒温度検出手段を構成するもので、メイン触媒30の上流側かつサブ触媒32の下流側となる位置で排気通路22に設けられている。そして、触媒温度センサ44は、サブ触媒32の温度(床温)か、またはサブ触媒32を通過した直後の排気ガスの温度を、触媒温度として検出するものである。なお、図1及び図2においては、触媒温度センサ44によりサブ触媒32の下流側の排気温度を検出するものとしたが、本発明はこれに限らず、触媒温度センサ44によりサブ触媒32の床温を検出する構成としてもよい。
また、上流側の空燃比センサ46は、メイン触媒30の上流側かつサブ触媒32の下流側となる位置で排気空燃比を検出するもので、下流側の空燃比センサ48は、メイン触媒30の下流側で排気空燃比を検出する。ECU50は、空燃比センサ46,48の信号に基いて燃料噴射量を調整することにより、排気空燃比が理論空燃比(ストイキ)の近傍となるように制御する空燃比フィードバック制御を行うことができる。センサ系統には、上述したセンサ42~48、エアフロメータ24の他に、車両や内燃機関の制御に必要な各種のセンサが含まれている。このようなセンサの一例を挙げれば、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサ、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ等である。これらのセンサはECU50の入力側に接続されている。
一方、ECU50の出力側には、上述したスロットルモータ28、燃料噴射弁34等を含む各種のアクチュエータが接続されている。そして、ECU50は、内燃機関の運転状態をセンサ系統により検出しつつ、各アクチュエータを駆動することにより運転状態を制御する。具体例を挙げれば、エアフロメータにより検出した吸入空気量等に基いて燃料の噴射量及び噴射時期を設定し、この設定内容に基いて燃料噴射弁34を駆動する燃料噴射制御を実行する。
[実施の形態1の特徴]
図2は、本発明の実施の形態1において、排気系統の構成を示す説明図である。本実施の形態は、メイン触媒30に堆積した硫黄分の堆積量を、サブ触媒32の温度に基いて推定することを特徴としている。まず、メイン触媒30について説明すると、メイン触媒30は、例えばNOx触媒により構成されている。即ち、メイン触媒30は、排気ガス中のNOxを酸化雰囲気で吸蔵し、吸蔵したNOxを還元雰囲気で還元することができる。ECU50は、メイン触媒30に吸蔵されたNOxを還元するために、適切なタイミングでNOx還元制御を実行する。NOx還元制御では、例えばリッチスパイク制御等によって排気空燃比を一時的にリッチ化したり、燃料添加弁等によって排気ガス中に燃料を添加する。これにより、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に変化し、還元雰囲気となるので、メイン触媒30は、吸蔵したNOxを還元することができる。
図2は、本発明の実施の形態1において、排気系統の構成を示す説明図である。本実施の形態は、メイン触媒30に堆積した硫黄分の堆積量を、サブ触媒32の温度に基いて推定することを特徴としている。まず、メイン触媒30について説明すると、メイン触媒30は、例えばNOx触媒により構成されている。即ち、メイン触媒30は、排気ガス中のNOxを酸化雰囲気で吸蔵し、吸蔵したNOxを還元雰囲気で還元することができる。ECU50は、メイン触媒30に吸蔵されたNOxを還元するために、適切なタイミングでNOx還元制御を実行する。NOx還元制御では、例えばリッチスパイク制御等によって排気空燃比を一時的にリッチ化したり、燃料添加弁等によって排気ガス中に燃料を添加する。これにより、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に変化し、還元雰囲気となるので、メイン触媒30は、吸蔵したNOxを還元することができる。
一方、NOx触媒は、酸化雰囲気において、排気ガス中の硫黄酸化物(SOx)も吸蔵する。吸蔵されたSOxは、NOx還元制御中の触媒温度(例えば、250℃程度)では放出されない。このSOxが触媒に堆積すると、触媒のNOx吸蔵能が低下することになり、いわゆる硫黄被毒が生じる。このため、ECU50は、適切なタイミングでS再生制御を実行し、メイン触媒30のNOx吸蔵能を再生する。S再生制御では、触媒中の硫黄分が脱離可能となる所定の温度(以下、S脱離可能温度と称す)まで触媒床温を上昇させた状態で、還元剤となる燃料を触媒に添加する。これにより、メイン触媒30に堆積した硫黄分を還元雰囲気で脱離させることができる。なお、S脱離可能温度は、触媒の材料や成分比等によって異なるが、一例を挙げれば600℃以上の高い温度である。
しかし、単にS再生制御を実行すると、メイン触媒30の状態によっては、触媒に堆積していた硫黄分が排気ガス中に排出されたり、還元剤が余分に必要となる虞れがある。そこで、本実施の形態では、メイン触媒30の温度をS脱離可能温度まで上昇させる前に、サブ触媒32を利用してメイン触媒30の硫黄堆積量を推定する。サブ触媒32は、例えばメイン触媒30よりも熱容量が小さな小型の触媒により構成され、メイン触媒30の上流側に配置されている。また、サブ触媒32には、排気ガス中のSOxを吸蔵する吸蔵剤がコーティングされており、この吸蔵剤は、メイン触媒30とほぼ等しいS脱離可能温度を有している。このため、排気ガス中の硫黄分は、S再生制御中を除く通常の運転状態において、触媒30,32の両方に同じ度合いで堆積する。
また、サブ触媒32は、メイン触媒30の上流側に配置され、かつ熱容量が小さいので、S再生制御の開始後には、サブ触媒32の温度がメイン触媒30よりも早くS脱離可能温度に達する。図3は、本発明の実施の形態1において、S再生制御中のメイン触媒とサブ触媒の温度変化を示す特性線図である。図3に示すように、S再生制御が開始されると、触媒30,32の床温は排気温度と共に上昇する。しかし、両者の床温がS脱離可能温度に達するタイミングには、前述した理由により時間差が生じる。この時間差に対応する期間(図4中の検出期間A)中には、S脱離可能温度に達していないメイン触媒30からSOxが脱離することはない。一方、サブ触媒32の温度は、検出期間Aの開始時点でS脱離可能温度に達しているので、サブ触媒32に吸蔵されていたSOxは、検出期間A中に脱離することになる。この脱離反応は発熱反応であるため、サブ触媒32の床温は、SOxが脱離するにつれて上昇する。
即ち、検出期間A中におけるサブ触媒32の温度上昇量は、当該触媒に吸蔵されていたSOxの量が多いほど、大きくなる特性を有している。従って、排気ガス中の硫黄分が触媒30,32に同じ度合いで堆積することを考慮すれば、触媒温度センサ44により検出した触媒温度の上昇量に基いて、メイン触媒30に堆積した硫黄分の堆積量を推定することができる。このため、ECU50には、検出期間A中におけるサブ触媒32の温度上昇量と、メイン触媒30の硫黄堆積量との関係をデータ化したマップデータが予め記憶されている。このマップデータは、サブ触媒32の温度上昇量が大きくなるほど、硫黄堆積量の推定値が増大するように設定されている。
ECU50は、S再生制御を開始した後に、触媒温度センサ44の出力に基いて検出期間A中の温度上昇量を検出する。この場合、ECU50は、触媒温度センサ44により検出した温度がS脱離可能温度以上となった時点で、検出期間Aが開始したと判定する。また、触媒温度センサ44の検出温度からメイン触媒30の床温を推定し、この床温がS脱離可能温度に達する直前の時点で、検出期間Aが終了したと判定する。なお、本発明では、検出期間Aの終了時点を判定するために、メイン触媒30の床温を検出する温度センサ等を設ける構成としてもよい。そして、ECU50は、サブ触媒32の温度上昇量と前記マップデータとに基いてメイン触媒30の硫黄堆積量を推定し、この推定結果に対処するために適切な制御を実行することができる。以下、硫黄堆積量に応じて実行される制御の一例について説明する。
(硫黄堆積量に対応した制御)
S再生制御は、ECU50により適切なインターバルをもって繰返し実行される。サブ触媒32に堆積する硫黄分は、メイン触媒30よりも相対的に少量であるから、サブ触媒32の硫黄堆積量は、S再生制御が実行される毎にほぼ零になると考えることができる。従って、S再生制御の実行中に上記方法で推定(検出)された硫黄堆積量は、前回のS再生制御から今回のS再生制御までの間、即ち、S再生制御のインターバルの間に内燃機関から排出されたSOxの排出量に対応している。一方、触媒に堆積する硫黄分は、燃料中に元々含まれている硫黄分や、内燃機関の潤滑オイル中の硫黄分がオイルと共に燃料に混入したものである。
S再生制御は、ECU50により適切なインターバルをもって繰返し実行される。サブ触媒32に堆積する硫黄分は、メイン触媒30よりも相対的に少量であるから、サブ触媒32の硫黄堆積量は、S再生制御が実行される毎にほぼ零になると考えることができる。従って、S再生制御の実行中に上記方法で推定(検出)された硫黄堆積量は、前回のS再生制御から今回のS再生制御までの間、即ち、S再生制御のインターバルの間に内燃機関から排出されたSOxの排出量に対応している。一方、触媒に堆積する硫黄分は、燃料中に元々含まれている硫黄分や、内燃機関の潤滑オイル中の硫黄分がオイルと共に燃料に混入したものである。
このため、ECU50は、前記インターバル間の燃料消費量及びオイル消費量と、前記硫黄堆積量の推定値(SOxの排出量)とに基いて、燃料中の硫黄濃度を算出する。そして、算出した硫黄濃度に基いて、メイン触媒30に流入するSOxの量を補正するように構成されている。具体的に述べると、ECU50は、まず、1燃焼サイクル毎に各気筒で噴射される燃料の噴射量を積算することにより、前記インターバル間の燃料消費量を算出することができる。また、オイル消費量(オイルパン側から筒内に混入する潤滑オイルの量)は、機関回転数、負荷率等のパラメータと相関があるので、ECU50には、これらのパラメータと1燃焼サイクル当りのオイル消費量との関係をデータ化したマップデータが予め記憶されている。ECU50は、これらのパラメータとマップデータとに基いて算出したオイル消費量を積算することにより、前記インターバル間のオイル消費量を算出することができ、更に燃料中の硫黄濃度を算出することができる。
そして、燃料中の硫黄濃度が高い場合には、例えば燃料噴射量を調整することにより、メイン触媒30に流入するSOxの流入量を補正し、これによりメイン触媒30の硫黄堆積量を抑制するようにする。また、ECU50は、燃料中の硫黄濃度が所定の基準値よりも高い場合に、車両の運転者に燃料中の硫黄濃度が高いことを報知するための報知器(図示せず)を作動させる。この報知器は、ランプ、ブザー、音声等により報知動作を行うものである。
[実施の形態1を実現するための具体的な処理]
図4は、本発明の実施の形態1において、ECUにより実行される制御を示すフローチャートである。なお、図4に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰り返し実行されるものである。このルーチンでは、まず、S再生制御を実行可能な運転状態であるか(例えば、S再生制御を実行しても運転性に悪影響を与えない運転状態であるか)否かを判定する(ステップ100)。この判定が不成立の場合には、今回の制御を終了する。また、ステップ100の判定が成立した場合には、S再生制御を開始する(ステップ102)。
図4は、本発明の実施の形態1において、ECUにより実行される制御を示すフローチャートである。なお、図4に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰り返し実行されるものである。このルーチンでは、まず、S再生制御を実行可能な運転状態であるか(例えば、S再生制御を実行しても運転性に悪影響を与えない運転状態であるか)否かを判定する(ステップ100)。この判定が不成立の場合には、今回の制御を終了する。また、ステップ100の判定が成立した場合には、S再生制御を開始する(ステップ102)。
次に、触媒温度センサ44の出力に基いてサブ触媒32の温度を検出し(ステップ104)、検出した触媒温度がサブ触媒32のS脱離可能温度以上であるか否かを判定する(ステップ106)。この判定が不成立の場合には、判定が成立するまでステップ104,106の処理を繰返し実行する。ステップ106の判定が成立した場合には、前述した検出期間Aの開始時点であるから、触媒温度センサ44の出力に基いてサブ触媒32の温度上昇量を検出する(ステップ108)。また、この検出処理と並行して、前述の方法により検出期間Aの終了時点が到来したか否かを判定する(ステップ110)。そして、この判定が不成立の場合には、判定が成立するまでステップ108,110の処理を繰返し実行する。
また、ステップ110の判定が成立した場合には、検出された温度上昇量と前記マップデータとに基いて、メイン触媒30に堆積した硫黄分の堆積量を推定する(ステップ112)。次の処理では、前述したように、S再生制御のインターバル間の燃料消費量及びオイル消費量を算出し、これらの算出値と硫黄堆積量の推定値とに基いて、燃料中の硫黄濃度を算出する(ステップ114)。そして、硫黄濃度の算出値に基いて、硫黄堆積量に対応した制御を実行する(ステップ116)。
以上詳述した通り、本実施の形態によれば、サブ触媒32はメイン触媒30よりも上流側に配置され、かつメイン触媒30よりも熱容量が小さい。このため、S再生制御の開始後には、サブ触媒32の温度をメイン触媒30よりも早くS脱離可能温度に到達させることができる。これにより、メイン触媒30の温度がS脱離可能温度に達する前(即ち、メイン触媒30から硫黄分が脱離する前)に、硫黄分の脱離反応により上昇したサブ触媒32の温度上昇量を検出することができ、この温度上昇量に基いてメイン触媒30の硫黄堆積量を正確に推定することができる。
そして、硫黄堆積量の推定結果に基いて硫黄分の排出や燃費の悪化を回避するための制御を実行することができる。また、サブ触媒32の温度上昇量を検出している期間中に、サブ触媒32から硫黄分が脱離しても、この硫黄分を下流側のメイン触媒30によって吸蔵することができる。従って、排気ガス中の硫黄分や触媒から脱離した硫黄分が外部に排出されるのを確実に防止でき、排気エミッションや燃費を向上させることができる。
特に、サブ触媒32の熱容量をメイン触媒30よりも小さくすることにより、サブ触媒32の温度がS脱離可能温度に達してからメイン触媒30の温度がS脱離可能温度に達する直前までの期間、即ち、サブ触媒32の温度上昇量を検出するための検出期間Aを十分に確保することができる。従って、例えばサブ触媒32の温度が緩やかに上昇する場合でも、その温度上昇量を検出期間A中に正確に検出することができる。これにより、温度上昇量に基いた硫黄堆積量の推定精度を向上させることができる。
また、本実施の形態によれば、S再生制御のインターバル間の燃料消費量及びオイル消費量と、硫黄堆積量の推定値とに基いて、燃料中の硫黄濃度を算出することができる。これにより、燃料中の硫黄濃度に基いて触媒の硫黄堆積量を抑制するための適切な制御を行うことができる。具体的には、燃料中の硫黄濃度に基いてメイン触媒30に流入する硫黄分の流入量を補正することができ、メイン触媒30の硫黄被毒を可能な限り抑えることができる。また、燃料中の硫黄濃度が基準値よりも高い場合には、この状態を運転者等に報知することができ、硫黄濃度が高い燃料の使用について注意を促すことができる。
(実施の形態1の変形例)
なお、実施の形態1では、メイン触媒30としてNOx触媒を用いるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、メイン触媒30は、排気ガス中のSOxを捕捉/放出するSトラップ触媒により構成してもよい。Sトラップ触媒は、一般的に知られているように、排気空燃比がストイキよりもリーンであるときに、SOxを捕捉する。また、排気空燃比がストイキよりもリッチとなり、かつ触媒温度が所定のS脱離可能温度以上となったときには、Sトラップ触媒に捕捉されていたSOxが脱離する。従って、本発明によれば、メイン触媒30としてSトラップ触媒を用いた場合でも、NOx触媒の場合と同様の作用効果を得ることができ、発明の適用範囲を広げることができる。
なお、実施の形態1では、メイン触媒30としてNOx触媒を用いるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、メイン触媒30は、排気ガス中のSOxを捕捉/放出するSトラップ触媒により構成してもよい。Sトラップ触媒は、一般的に知られているように、排気空燃比がストイキよりもリーンであるときに、SOxを捕捉する。また、排気空燃比がストイキよりもリッチとなり、かつ触媒温度が所定のS脱離可能温度以上となったときには、Sトラップ触媒に捕捉されていたSOxが脱離する。従って、本発明によれば、メイン触媒30としてSトラップ触媒を用いた場合でも、NOx触媒の場合と同様の作用効果を得ることができ、発明の適用範囲を広げることができる。
実施の形態2.
次に、図5及び図6を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態1と同様のシステム構成及び制御(図1,図4)を採用しているものの、サブ触媒の構成材料が実施の形態1と異なっている。なお、本実施の形態では、実施の形態1と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
次に、図5及び図6を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態1と同様のシステム構成及び制御(図1,図4)を採用しているものの、サブ触媒の構成材料が実施の形態1と異なっている。なお、本実施の形態では、実施の形態1と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
[実施の形態2の特徴]
図5は、本発明の実施の形態2において、排気系統の構成を示す説明図である。サブ触媒60は、実施の形態1とほぼ同様に、SOx吸蔵剤を担持した小容量触媒により構成され、メイン触媒30の上流側に配置されている。また、サブ触媒60は、メイン触媒30よりも塩基性の低い材料を用いて形成されている。これにより、サブ触媒60のS脱離可能温度は、メイン触媒30よりも低い温度に設定されている。なお、本実施の形態のシステムは、メイン触媒30によってNOxを浄化することを目的としており、サブ触媒60のNOx浄化性能には依存していないので、サブ触媒60の材料やS脱離可能温度を変更したとしても、システム全体の浄化性能に影響することはない。
図5は、本発明の実施の形態2において、排気系統の構成を示す説明図である。サブ触媒60は、実施の形態1とほぼ同様に、SOx吸蔵剤を担持した小容量触媒により構成され、メイン触媒30の上流側に配置されている。また、サブ触媒60は、メイン触媒30よりも塩基性の低い材料を用いて形成されている。これにより、サブ触媒60のS脱離可能温度は、メイン触媒30よりも低い温度に設定されている。なお、本実施の形態のシステムは、メイン触媒30によってNOxを浄化することを目的としており、サブ触媒60のNOx浄化性能には依存していないので、サブ触媒60の材料やS脱離可能温度を変更したとしても、システム全体の浄化性能に影響することはない。
図6は、本発明の実施の形態2において、S再生制御中のメイン触媒とサブ触媒の温度変化を示す特性線図である。図6に示すように、サブ触媒60のS脱離可能温度は、メイン触媒30よりも低く設定されている。このため、S再生制御が開始されると、サブ触媒60の温度は、早期にS脱離可能温度に達することになり、その分だけ検出期間A′の開始時点が早くなる。従って、本実施の形態によれば、検出期間A′として長い時間を確保することができるので、例えばサブ触媒60の温度が緩やかに上昇する場合でも、その温度上昇量を検出期間A′中に正確に検出することができる。これにより、温度上昇量に基いた硫黄堆積量の推定精度を向上させることができる。
実施の形態3.
次に、図7及び図8を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態1と同様のシステム構成及び制御(図1,図4)を採用しているものの、メイン触媒にOSC材を担持させており、この点で実施の形態1と構成が異なっている。なお、本実施の形態では、実施の形態1と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
次に、図7及び図8を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態1と同様のシステム構成及び制御(図1,図4)を採用しているものの、メイン触媒にOSC材を担持させており、この点で実施の形態1と構成が異なっている。なお、本実施の形態では、実施の形態1と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
[実施の形態3の特徴]
図7は、本発明の実施の形態3において、排気系統の構成を示す説明図である。メイン触媒70は、実施の形態1とほぼ同様のNOx触媒により構成されているが、酸素吸蔵能を有するOSC材(Oxygen Storage Capacity)を担持している。この構成によれば、メイン触媒70は、S再生制御の実行時にサブ触媒32から脱離したSOxを効率よく捕捉することができる。
図7は、本発明の実施の形態3において、排気系統の構成を示す説明図である。メイン触媒70は、実施の形態1とほぼ同様のNOx触媒により構成されているが、酸素吸蔵能を有するOSC材(Oxygen Storage Capacity)を担持している。この構成によれば、メイン触媒70は、S再生制御の実行時にサブ触媒32から脱離したSOxを効率よく捕捉することができる。
即ち、S再生制御の実行時には、還元剤となる燃料により排気ガスがリッチ雰囲気(還元雰囲気)に保持されるが、この排気ガス中に含まれるSOx、HC、CO、H2等の還元剤成分は、OSC材から放出される酸素と反応する。このとき、SOxは、酸素との反応によりメイン触媒70に捕捉される。従って、メイン触媒70は、OSC材に吸蔵されていた酸素の存在下で、サブ触媒32から脱離したSOxを効率よく捕捉することができる。これにより、サブ触媒32の温度上昇量を検出している検出期間中に、サブ触媒32から硫黄分が脱離しても、排気エミッションを良好に保持することができる。
また、本実施の形態では、S再生制御により排気空燃比をリッチ化するときに、OSC材の酸素吸蔵能を考慮して空燃比の値とリッチ化の継続時間とを適切に制御し、メイン触媒70の下流側で排気空燃比をストイキに保持する。図8は、メイン触媒の上流側と下流側の排気空燃比を示す特性線図である。この図に示すように、空燃比の値とリッチ化の継続時間とは、オーバーリッチ分の総還元剤量(リッチ化に寄与する還元剤の総量)がメイン触媒70のOSC量(前記OSC材に吸蔵されている酸素の総量)を超えないように制御される。なお、この制御は、前述した空燃比フィードバック制御の一部として行われるものである。
実施の形態4.
次に、図9乃至図11を参照して、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態1と同様のシステム構成(図1)を採用しているものの、特定の運転状態において硫黄堆積量の推定を行う構成としており、この点で実施の形態1と構成が異なっている。なお、本実施の形態では、実施の形態1と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
次に、図9乃至図11を参照して、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態1と同様のシステム構成(図1)を採用しているものの、特定の運転状態において硫黄堆積量の推定を行う構成としており、この点で実施の形態1と構成が異なっている。なお、本実施の形態では、実施の形態1と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
[実施の形態4の特徴]
図9は、本発明の実施の形態4において、排気系統の構成を示す説明図である。この図に示すように、排気通路22には、燃料添加弁80とグロープラグ(スパークプラグ)82が設けられている。燃料添加弁80は、ECU50によって制御される電磁弁等からなり、サブ触媒32の上流側に配置されている。そして、燃料添加弁80は、前述したNOx還元制御やS再生制御の実行時に、還元剤となる燃料を排気ガス中に添加する。一方、グロープラグ82は、燃料添加弁80の下流側でサブ触媒32の上流側に配置されており、ECU50から通電されることにより排気ガスを加熱するように構成されている。このため、ECU50は、グロープラグ82を作動させることにより、サブ触媒32に流入する排気ガスの温度を安定させ、この温度を一定の基準状態に保持することができる。
図9は、本発明の実施の形態4において、排気系統の構成を示す説明図である。この図に示すように、排気通路22には、燃料添加弁80とグロープラグ(スパークプラグ)82が設けられている。燃料添加弁80は、ECU50によって制御される電磁弁等からなり、サブ触媒32の上流側に配置されている。そして、燃料添加弁80は、前述したNOx還元制御やS再生制御の実行時に、還元剤となる燃料を排気ガス中に添加する。一方、グロープラグ82は、燃料添加弁80の下流側でサブ触媒32の上流側に配置されており、ECU50から通電されることにより排気ガスを加熱するように構成されている。このため、ECU50は、グロープラグ82を作動させることにより、サブ触媒32に流入する排気ガスの温度を安定させ、この温度を一定の基準状態に保持することができる。
そして、本実施の形態では、内燃機関の運転状態が減速運転、アイドル運転及び運転停止直前の何れかである場合に、S再生制御を実行し、当該制御の実行中に前述した硫黄堆積量の推定処理を行う構成としている。図10は、減速運転またはアイドル運転中に硫黄堆積量を推定する状態を示す説明図である。減速運転やアイドル運転の実施中には、内燃機関の運転状態が安定しており、排気ガスの流量や温度の変化が小さい。また、内燃機関が停止される直前の状態においても、排気ガスの流量や温度は安定した状態となる。従って、これらの運転状態において、例えばグロープラグ82を作動させることにより排気温度を安定させつつ、硫黄堆積量の推定処理を実行すれば、外乱の少ない状態でサブ触媒32の温度上昇量を正確に検出することができる。これにより、硫黄堆積量の推定精度を高めることができる。
[実施の形態4を実現するための具体的な処理]
図11は、本発明の実施の形態4において、ECUにより実行される制御を示すフローチャートである。なお、図11に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰り返し実行されるものである。このルーチンでは、まず、内燃機関の運転状態が減速運転、アイドル運転または運転停止直前の何れかに該当するか否かを判定する(ステップ200)。この判定が不成立の場合には、今回の制御を終了する。また、ステップ200の判定が成立した場合には、ステップ202~216の処理を実行する。ステップ202~216は、実施の形態1(図4)のステップ102~116と同様の処理である。これにより、メイン触媒30の硫黄堆積量を安定した状態で推定することができる。
図11は、本発明の実施の形態4において、ECUにより実行される制御を示すフローチャートである。なお、図11に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰り返し実行されるものである。このルーチンでは、まず、内燃機関の運転状態が減速運転、アイドル運転または運転停止直前の何れかに該当するか否かを判定する(ステップ200)。この判定が不成立の場合には、今回の制御を終了する。また、ステップ200の判定が成立した場合には、ステップ202~216の処理を実行する。ステップ202~216は、実施の形態1(図4)のステップ102~116と同様の処理である。これにより、メイン触媒30の硫黄堆積量を安定した状態で推定することができる。
なお、前記実施の形態では、図4中のステップ100,102が請求項1における再生制御手段の具体例を示し、図11中のステップ200,202は、請求項5における再生制御手段の具体例を示している。また、図4、図11中のステップ112,212は硫黄堆積量推定手段の具体例、ステップ114,214は硫黄濃度算出手段の具体例、ステップ116,216は補正手段及び報知手段の具体例を示している。
また、実施の形態では、ディーゼルエンジンからなる内燃機関10に適用する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンを含む各種の内燃機関に広く適用することができる。
さらに、本発明は、実施の形態1乃至4に記載された構成を個別に実現することに限定されるものではなく、例えば実施の形態1乃至4に記載された構成のうち、任意の2つ、3つまたは4つの構成を組合わせることによりシステムを実現してもよい。
10 内燃機関
12 気筒
14 ピストン
16 燃焼室
18 クランク軸
20 吸気通路
22 排気通路
24 エアフロメータ
26 スロットルバルブ
28 スロットルモータ
30,70 メイン触媒
32,60 サブ触媒
34 燃料噴射弁
38 吸気バルブ
40 排気バルブ
42 クランク角センサ
44 触媒温度センサ(触媒温度検出手段)
46,48 空燃比センサ
50 ECU
80 燃料添加弁
82 グロープラグ
12 気筒
14 ピストン
16 燃焼室
18 クランク軸
20 吸気通路
22 排気通路
24 エアフロメータ
26 スロットルバルブ
28 スロットルモータ
30,70 メイン触媒
32,60 サブ触媒
34 燃料噴射弁
38 吸気バルブ
40 排気バルブ
42 クランク角センサ
44 触媒温度センサ(触媒温度検出手段)
46,48 空燃比センサ
50 ECU
80 燃料添加弁
82 グロープラグ
Claims (8)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中のNOxを吸蔵するNOx触媒と排気ガス中のSOxを捕捉するSトラップ触媒のうち、何れか一方の触媒により構成されたメイン触媒と、
前記メイン触媒の上流側で前記排気通路に設けられ、排気ガス中のSOxを吸蔵する吸蔵剤を備えたサブ触媒と、
前記サブ触媒の温度または前記サブ触媒を通過した排気ガスの温度である触媒温度を前記メイン触媒の上流側で検出する触媒温度検出手段と、
少なくとも前記サブ触媒に吸蔵されたSOxを脱離させるためのS再生制御を行う再生制御手段と、
前記S再生制御の実行中に前記触媒温度の上昇量を算出し、当該温度上昇量に基いて前記メイン触媒に堆積した硫黄分の堆積量を推定する硫黄堆積量推定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記サブ触媒は、前記メイン触媒よりも熱容量を小さく形成してなる請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記サブ触媒は、前記メイン触媒よりも塩基性の低い材料を用いて形成してなる請求項1または2に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記メイン触媒は、酸素吸蔵能を有するOSC材を備えてなる請求項1乃至3のうち何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記再生制御手段は、内燃機関の運転状態が減速運転、アイドル運転及び運転停止直前の何れかである場合に前記S再生制御を実行し、前記硫黄堆積量推定手段は、当該S再生制御中に前記硫黄分の堆積量を推定する構成としてなる請求項1乃至4のうち何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記S再生制御がインターバルをもって繰返し実行されるときに、前記インターバル間の燃料消費量及びオイル消費量と、前記硫黄分の堆積量の推定値とに基いて、燃料中の硫黄濃度を算出する硫黄濃度算出手段を備えてなる請求項1乃至5のうち何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記燃料中の硫黄濃度に基いて前記メイン触媒に流入する硫黄分の流入量を補正する補正手段を備えてなる請求項6に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記燃料中の硫黄濃度が基準値よりも高い場合に、硫黄濃度が高いことを報知する報知手段を備えてなる請求項6または7に記載の内燃機関の制御装置。
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