JP2003120392A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
条件に関わらず、スモークの発生を抑制しつつNOx触
媒に対する十分な昇温効果を安定して得るとともに、エ
ネルギー効率の最適化も併せて図ることのできる内燃機
関の排気浄化装置を提供する。 【解決手段】 エンジン1の運転状態を統括制御するE
CU80は、燃料噴射量及びエンジン回転数に基づき、
機関燃焼状態を間接的に把握し、この燃焼状態に関連す
る4つの運転領域を設定しておく。そして、重複適用す
ることが可能な複数の制御項目(パイロット噴射、ポス
ト噴射、EGR制御に基づく低温燃焼、燃料添加弁を通
じた排気系への燃料添加)を組み合わせて使用する制御
モードを、4領域の各々に対応する制御モードとして実
施する。
Description
含まれる有害成分や微粒子等を浄化する排気浄化装置に
関し、とくに、NOxの還元反応を促進する触媒を排気
通路に備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
い運転領域において高い空燃比(リーン雰囲気)の混合
気を燃焼に供して機関運転を行う内燃機関では、一般
に、排気中の窒素酸化物(NOx)を浄化する機能を備
えたNOx触媒がその排気通路に備えられる。NOx触
媒としては、例えば多孔質セラミックのハニカム構造体
(担体)に、酸素の存在下でNOxを吸収する能力を有
するNOx吸収剤と、炭化水素(HC)を酸化させる能
力を有する貴金属触媒(貴金属)とを併せて担持したも
のが採用される。
態ではNOxを吸収し、排気中の酸素濃度が低い状態で
はNOxを放出する特性を有する。また、排気中にNO
xが放出されたとき、排気中にHCやCO等が存在して
いれば、貴金属触媒がこれらHCやCOの酸化反応を促
すことで、NOxを酸化成分、HCやCOを還元成分と
する酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、HCや
COはCO2やH2Oに酸化され、NOxはN2に還元さ
れる。
が高い状態にあるときでも所定の限界量のNOxを吸収
すると、それ以上NOxを吸収しなくなる。そこで、こ
のようなNOx触媒を排気通路に備えた内燃機関では、
同NOx触媒のNOx吸収量が限界量に達する前に、排
気通路のNOx触媒上流に軽油等の還元剤を供給するこ
とで、NOx触媒に吸収されたNOxを放出および還元
浄化し、NOx触媒のNOx吸収能力を回復させるとい
った制御(再生制御)を所定のインターバルで繰り返す
のが一般的である(例えば特許2845056号公報に
記載の内燃機関)。
供給されると、この還元剤(とくにその高沸点成分)が
結合剤(バインダ)として作用し、排気中に微粒子(煤
等)が形成され易くなる。そして排気中に形成された微
粒子は、NOx触媒の構造体、とくに排気通路の上流側
に面する構造体の端面に堆積し、この端面を閉塞させる
懸念があった。このようなNOx触媒への微粒子の堆
積、或いはこの微粒子の堆積による構造体端面の閉塞
は、当該NOx触媒による排気浄化の効率低下や、内燃
機関が排気通路から受ける背圧上昇に起因する燃費や機
関出力の低下等、種々の不具合を引き起こすことにな
る。
れているのが通常であり、排気中にはNOxの他、この
ような燃料中の硫黄成分を起源とする硫黄酸化物(SO
x)も存在する。排気中に存在するSOxは、NOxに
比べてより高い効率でNOx触媒に吸収され、しかも、
同触媒に吸蔵されているNOxを放出するために十分な
条件下(排気中の酸素濃度が所定値を下回る条件下)に
あっても当該触媒から容易には放出されない。このた
め、機関運転の継続に伴い、排気中のSOxが徐々にN
Ox触媒に堆積していくといった所謂SOx被毒が生じ
ることとなる。
被毒を防止或いは抑制するための方策としては、NOx
触媒を所定周期で昇温し、堆積した微粒子やSOxを分
解・除去する制御(昇温制御)が知られている。
料噴射弁を通じて)噴射供給される燃料を増量する方法
や、排気系のNOx触媒上流に別途の噴射弁を設けて同
噴射弁を通じて排気系に燃料を供給するといった方法を
採用するのが一般的である。何れの場合も、NOx触媒
上流の排気中に発熱源となる成分の量が増大し、結果と
してNOx触媒の床温が上昇することになる。
うに、昇温制御が実施されると発熱源となる成分(多く
の場合、燃料)が排気中において増量することとなるた
め、当該機関の運転条件によっては、スモークを発生さ
せる等、かえって排気特性を悪化させてしまうことがあ
る。また、各種の昇温制御を実施することにより達成さ
れるNOx触媒の昇温効果(消費燃料に対する昇温効
率)は、当該機関の運転条件によって異なる。このた
め、各種の昇温制御を実施する上で、NOx触媒に対す
る十分な昇温効果を確保しつつ(NOx触媒を所望の温
度条件に保持しつつ)、消費燃料の最少化(エネルギー
効率の最適化)を図ることは困難であった。
たものであって、その目的とするところは、内燃機関の
排気系において、当該機関の運転条件に関わらず、スモ
ークの発生を抑制しつつNOx触媒に対する十分な昇温
効果を安定して得るとともに、エネルギー効率の最適化
も併せて図ることのできる内燃機関の排気浄化装置を提
供することにある。
に、第1の発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射供
給する燃料噴射手段と、当該機関の排気系に設けられ、
排気中の還元成分濃度が高くなるとNOxの還元反応を
促す特性を備えたNOx触媒と、当該機関の燃焼ガスの
特性を制御することによって前記NOx触媒を昇温させ
る制御モードを複数記憶する記憶手段と、機関回転数及
び機関負荷の少なくとも一方に関するパラメータに基づ
いて、当該機関の燃焼特性を認識する認識手段と、前記
NOx触媒の昇温要求と前記認識された燃焼特性とに基
づき、前記複数の制御モードのうち何れかを選択して実
行する制御手段と、を有することを要旨とする。
は、少なくとも、主たる燃料噴射に先立つ副燃料噴射を
前記燃料噴射手段に実行させる制御モードと、主たる燃
料噴射に後続する副噴射を前記燃料噴射手段に実行させ
る制御モードと、が含まれるのがよい。
ら当該機関の吸気系に排気を還流させる排気還流通路
と、を有して、且つ、前記記憶される複数の制御モード
には、少なくとも、前記排気還流通路内を還流する排気
の流量を調整して前記吸気系内の不活性ガスを増量する
制御モードが含まれるのがよい。
NOx触媒上流に還元剤を直接添加する還元剤添加手段
を備えて、且つ、前記記憶される複数の制御モードに
は、当該内燃機関の排気系における前記NOx触媒上流
への還元剤の添加を前記還元剤添加手段に実行させる制
御モードが含まれるのがよい。
目のみを含むものとは限られない。例えば、「主たる燃
料噴射に先立つ副燃料噴射を前記燃料噴射手段に実行さ
せる制御モード」は、少なくとも主たる燃料噴射に先立
つ副噴射を実行させる制御モードを意味し、その他の制
御項目を併せて実行させるものであっても構わない。
噴射に先立つ副噴射、主たる燃料噴射に後続する副噴
射、前記排気還流通路内を還流する排気の流量調整、燃
料添加手段を通じた排気系への燃料添加)を組み合わせ
て構成した複数の制御モードを、エンジン1の燃焼状態
に応じて使い分けることにより、各制御項目の利点が最
大限に活用されNOx触媒を効率的に昇温させることが
できるばかりでなく、機関燃焼音の低減やスモークの抑
制が広範囲の運転領域で併せ図られるようになる。
に直接燃料を噴射供給する燃料噴射手段と、内燃機関の
排気系に設けられ、排気中の還元成分濃度が高くなると
NOxの還元反応を促す特性を備えたNOx触媒と、前
記NOx触媒上流に流入する排気中の還元成分を増量す
る還元成分増量手段と、前記還元剤増量手段を所定時間
連続的に動作させることにより前記NOx触媒を昇温さ
せる昇温制御手段と、を有する内燃機関の排気浄化装置
であって、前記NOx触媒の排気流入部位における温度
を認識する温度認識手段と、前記認識される温度と前記
増量される還元成分の量とに基づいて、前記還元剤増量
手段の連続的な動作を所定期間禁止する禁止手段と、を
有することを要旨とする。
中、過剰な還元成分がNOx触媒(特に触媒前面)に滞
留することで、当該触媒を冷却し、不活性な状態にして
しまうといった不具合が好適に解消されるようになる。
よって、NOx触媒に堆積したSOx等の除去が効率的
に行われ、NOx触媒の安定した排気浄化機能を長期に
亘って保証することができるようになる。
にかかる内燃機関の排気浄化装置を、ディーゼルエンジ
ンシステムに適用した第1の実施の形態について説明す
る。
において、内燃機関(以下、エンジンという)1は、燃
料供給系10、燃焼室20、吸気系30及び排気系40
等を主要部として構成される直列4気筒のディーゼルエ
ンジンシステムである。
11、コモンレール12、燃料噴射弁13、遮断弁1
4、調量弁16、還元剤添加弁17、機関燃料通路P1
及び添加燃料通路P2等を備えて構成される。
略)から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路P1
を介してコモンレール12に供給する。コモンレール1
2は、サプライポンプ11から供給された高圧燃料を所
定圧力に保持(蓄圧)する蓄圧室としての機能を有し、
この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁13に分配する。燃料
噴射弁13は、その内部に電磁ソレノイド(図示略)を
備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室20内に燃料
を噴射供給する。
から汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路P2を介して
還元剤添加弁17に供給する。添加燃料通路P2には、
サプライポンプ11から還元剤添加弁17に向かって遮
断弁14及び調量弁16が順次配設されている。遮断弁
14は、緊急時において添加燃料通路P2を遮断し、燃
料供給を停止する。調量弁16は、還元剤添加弁17に
供給する燃料の圧力(燃圧)PGを制御する。還元剤添
加弁17は、燃料噴射弁13と同じくその内部に電磁ソ
レノイド(図示略)を備えた電磁弁であり、還元剤とし
て機能する燃料を、適宜の量、適宜のタイミングで排気
系40の触媒ケーシング42上流に添加供給する。
る吸入空気の通路(吸気通路)を形成する。一方、排気
系40は、各燃焼室20から排出される排気ガスの通路
(排気通路)を形成する。
(ターボチャージャ)50が設けられている。ターボチ
ャージャ50は、シャフト51を介して連結された2つ
のタービンホイール52,53を備える。一方のタービ
ンホイール(吸気側タービンホイール)52は、吸気系
30内の吸気に晒され、他方のタービンホイール(排気
側タービンホイール)53は排気系40内の排気に晒さ
れる。このような構成を有するターボチャージャ50
は、排気側タービンホイール52が受ける排気流(排気
圧)を利用して吸気側タービンホイール53を回転さ
せ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行う。
0に設けられたインタークーラ31は、過給によって昇
温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ31よ
りもさらに下流に設けられたスロットル弁32は、その
開度を無段階に調節することのできる電子制御式の開閉
弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を
変更し、同吸入空気の供給量(流量)を調整する機能を
有する。
(吸気系30)及び下流(排気系40)をバイパスする
排気還流通路(EGR通路)60が形成されている。こ
のEGR通路60は、排気の一部を適宜吸気系30に戻
す機能を有する。EGR通路60には、電子制御によっ
て無段階に開閉され、同通路を流れる排気(EGRガ
ス)の流量を自在に調整することができるEGR弁61
と、EGR通路60を通過(還流)する排気を冷却する
ためのEGRクーラ62が設けられている。
及びEGR通路60の連絡部位の下流には、吸蔵還元型
NOx触媒(以下、単にNOx触媒という)を収容した
触媒ケーシング42が設けられている。
サが取り付けられており、当該部位の環境条件や、エン
ジン1の運転状態に関する信号を出力する。
レール12内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出
信号を出力する。燃圧センサ71は、添加燃料通路P2
内を流通する燃料のうち、調量弁16を介して還元剤添
加弁17に導入される燃料の圧力(燃圧)PGに応じた
検出信号を出力する。エアフロメータ72は、吸気系3
0内のスロットル弁32下流において吸入空気の流量
(吸気量)GAに応じた検出信号を出力する。空燃比
(A/F)センサ73aは、排気系40の触媒ケーシン
グ42上流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に
変化する検出信号を出力する。空燃比(A/F)センサ
73bは、排気系40の触媒ケーシング42下流におい
て排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号
を出力する。排気温センサ74は、排気系40において
触媒ケーシング42の排気流入部位に取り付けられ、当
該部位における排気の温度(排気温度)TEXに応じた
検出信号を出力する。NOxセンサ75は、同じく排気
系40の触媒ケーシング42下流において排気中のNO
x濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。
ンジン1のアクセルペダル(図示略)に取り付けられ、
同ペダルの踏み込み量ACCに応じた検出信号を出力す
る。クランク角センサ77は、エンジン1の出力軸(ク
ランクシャフト)が一定角度回転する毎に検出信号(パ
ルス)を出力する。これら各センサ70〜77は、電子
制御装置(ECU)80と電気的に接続されている。
1、読み出し専用メモリ(ROM)82、ランダムアク
セスメモリ(RAM)83及びバックアップRAM8
4、タイマーカウンタ85等を備え、これら各部81〜
85と、A/D変換器を含む外部入力回路86と、外部
出力回路87とが双方向性バス88により接続されて構
成される論理演算回路を備える。
各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、
これら信号に基づき燃料噴射弁13の開閉弁動作に関す
る制御や、EGR弁61の開度調整、或いはスロットル
弁32の開度調整等、エンジン1の運転状態に関する各
種制御を実施する。
以上説明したエンジン1の構成要素のうち、排気系40
に設けられた触媒ケーシング42について、その構造及
び機能を詳しく説明する。
元型NOx触媒(以下、NOx触媒という)を収容す
る。
2O3)を主材料とするハニカム形状の構造体(パティキ
ュレートフィルタ)を担体とし、このパティキュレート
フィルタ(担体)の表面にNOx吸収剤として機能する
例えばカリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム
(Li)、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウ
ムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタ
ン(La)、或いはイットリウム(Y)のような希土類
と、酸化触媒(貴金属触媒)として機能する例えば白金
Ptのような貴金属とが担持されることによって構成さ
れる。
状態ではNOxを吸収し、排気中の酸素濃度が低い状態
ではNOxを放出する特性を有する。また、排気中にN
Oxが放出されたとき、排気中にHCやCO等が存在し
ていれば、貴金属触媒がこれらHCやCOの酸化反応を
促すことで、NOxを酸化成分、HCやCOを還元成分
とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、HC
やCOはCO2やH2Oに酸化され、NOxはN2に還元
される。
高い状態にあるときでも所定の限界量のNOxを吸収す
ると、それ以上NOxを吸収しなくなる。エンジン1で
は、触媒ケーシング42内に収容されたNOx吸収剤の
NOx吸収量が限界量に達する前に、燃料添加弁17を
通じて排気通路の触媒ケーシング42上流に還元剤(本
実施の形態では燃料)を添加供給することで、NOx触
媒に吸収されたNOxを放出および還元浄化し、NOx
吸収剤(NOx触媒)のNOx吸収能力を回復させると
いった制御を所定のインターバルで繰り返す。
をなすパティキュレートフィルタは、排気中に含まれる
煤等の微粒子やNOx等の有害成分を、以下のメカニズ
ムに基づいて浄化する。
吸収剤及び貴金属触媒の協働により、排気中の酸素濃度
や還元成分量に応じてNOxの吸収、放出及び浄化を繰
り返し行うことは上述した通りである。その一方、NO
x触媒は、このようなNOxの浄化を行う過程で副次的
に活性酸素を生成する特性を有する。パティキュレート
フィルタを排気が通過する際、その排気中に含まれる煤
等の微粒子は構造体(多孔質材料)に捕捉される。ここ
で、NOx触媒の生成する活性酸素は、酸化剤として極
めて高い反応性(活性)を有しているため、捕捉された
微粒子のうちNOx触媒の表面や近傍に堆積した微粒子
は、この活性酸素と(輝炎を発することなく)速やかに
反応し、浄化されることになる。
種センサの検出信号から把握されるエンジン1の運転状
態に基づき燃料噴射制御を実施する。本実施の形態にお
いて燃料噴射制御とは、各燃料噴射弁13を通じた各燃
焼室20内への燃料噴射の実施に関し、燃料の噴射量
Q、噴射タイミング、噴射パターンといったパラメータ
を設定し、これら設定されたパラメータに基づいて個々
の燃料噴射弁13の開閉弁操作を実行する一連の処理を
いう。
エンジン1の運転中所定時間毎に繰り返し行う。燃料の
噴射量Q及び噴射タイミングは、基本的にはアクセルペ
ダルへの踏み込み量ACCおよびエンジン回転数NE
(クランク角センサのパルス信号に基づいて演算するこ
とができるパラメータ)に基づき、予め設定されたマッ
プ(図示略)を参照して決定する。
ECU80は、圧縮上死点近傍での燃料噴射を主噴射と
して各気筒について行うことで機関出力を得る他、主噴
射に先立つ燃料噴射(以下、パイロット噴射という)
や、主噴射に後続する燃料噴射(以下、ポスト噴射とい
う)を、副噴射として適宜選択された時期、選択された
気筒について行う。
は一般に、圧縮行程終期において、燃焼室内が燃料の自
己着火を誘発する温度に達する。とくにエンジンの運転
状態が中高負荷領域にある場合、燃焼に供される燃料が
燃焼室内に一括して噴射供給されると、この燃料は騒音
を伴い爆発的に燃焼する。パイロット噴射を実行するこ
とにより、主噴射に先立って供給された燃料が熱源(或
いは種火)となり、その熱源が燃焼室内で徐々に拡大し
て燃焼に至るようになるため、燃焼室内における燃料の
燃焼状態が比較的緩慢となり、しかも着火遅れ時間が短
縮されるようになる。このため、機関運転に伴う騒音が
軽減され、さらには排気中のNOx量も低減される。
態を適用すると、消費燃料に対する機関出力は減少する
傾向にある。このため、主噴射において要求される燃料
噴射量が増大し、排気の温度が上昇する。また、燃焼室
20内において完全に燃焼せず排気系40に排出される
軽質なHCやCOの量が増大し、これらのHCやCOが
NOx触媒を介して発熱反応を起こす。すなわち、パイ
ロット噴射を実施することにより、触媒ケーシング42
内のNOx触媒を昇温させることもできる。
20内に供給される燃料は、燃焼ガス中で軽質なHCに
改質され、排気系40に排出される。すなわち、還元剤
として機能する軽質なHCが、ポスト噴射を通じて排気
系40に添加され、排気中の還元成分濃度を高めること
となる。排気系40に添加された還元成分は、触媒ケー
シング42内のNOx触媒を介し、同NOx触媒から放
出されるNOxや、排気中に含まれるその他の酸化成分
と反応する。このとき発生する反応熱は、NOx触媒の
床温を上昇させる。
センサの検出信号から把握されるエンジン1の運転状態
に基づきEGR制御を実施する。本実施の形態において
EGR制御とは、EGR通路に設けられた電子制御式の
開閉弁(EGR弁)61を操作して、EGR通路を通過
するガスの流量、言い換えれば排気系40から吸気系3
0に還流される排気の流量調整を行う処理をいう。
目標開弁量)は、基本的にはエンジン1の負荷や回転数
等の運転状態に基づき、予め設定されたマップ(図示
略)を参照して決定される。ECU80は、この目標開
弁量をエンジン1の運転中所定時間毎に更新し、逐次、
EGR弁61の実際の開弁量が更新された目標開弁量に
合致するよう同EGR弁61の駆動回路に指令信号を出
力する。
一連の処理により排気の一部が吸気系30に還流される
と、その還流量に応じ機関燃焼に供される混合気中の不
活性ガス成分が増量することになる。この結果、エンジ
ン1の燃焼温度が低下し(エンジン1がいわゆる低温燃
焼の状態となり)、排気中のNOx量が低減される他、
例えばEGR率(EGRガスの流量/(EGRガスの流
量+吸入空気の流量))が55%程度を上回る条件下に
おいてスモークがほとんど発生しなくなる。
HC(還元成分)が増量することになるため、結果とし
て、還元剤として機能する軽質なHCが排気系40に添
加され排気中の還元成分濃度を高めることとなる。すな
わち、EGR制御(低温燃焼)の実施によっても、ポス
ト噴射と同様、NOx触媒の床温を上昇させる効果を得
ることもできる。
燃料(還元剤)を排気系40に直接添加することによっ
ても、ポスト噴射と同様、排気中の還元成分濃度を高
め、結果としてNOx触媒の床温を上昇させることがで
きる。燃料添加弁17によって添加された燃料は、ポス
ト噴射によるものに比べ、排気中においてより高分子の
状態を保持しつつ不均一に分布する傾向がある。また、
燃料添加弁17による燃料添加では、一度に添加するこ
とのできる燃料量や添加タイミングの自由度が、ポスト
噴射による場合よりも大きい。
御との関係〕上記パイロット噴射、ポスト噴射、EGR
制御(低温燃焼)および燃料添加制御は、共通して排気
中の還元成分を増量するように作用するため、何れかの
制御を所定のインターバルで繰り返し実施することによ
り、NOx触媒に吸収されたNOxを放出および還元浄
化し、NOx触媒のNOx吸収能力を回復させることが
できる。
うに、エンジン1の機関運転の継続に伴い徐々にNOx
触媒に堆積するSOx等を除去するため、NOx触媒を
所定周期で昇温する制御(昇温制御)を実施するのが望
ましい。NOx触媒を所定終期で昇温する制御は、上記
パイロット噴射、ポスト噴射、EGR制御(低温燃焼)
および燃料添加制御の何れかを、NOx触媒に吸収され
たNOxを放出および還元浄化するために要する時間よ
りも長期に亘って継続実施すればよい。
射、EGR制御(低温燃焼)、或いは燃料添加制御は、
何れの制御の実施によっても触媒ケーシング42内のN
Ox触媒を昇温させるといった点で、互いに同質の作用
効果を期待することのできる制御ではある。しかしなが
ら、個々の昇温制御が共通してNOx触媒の昇温効果を
もたらす一方、エンジン1の運転状態に関する他のパラ
メータに対し各々が特有の作用を及ぼす側面もある。例
えば、パイロット噴射の実施はエンジン1の運転に伴う
騒音の発生を抑制し、低温燃焼の実施はスモークの発生
を抑制するようにもなる。また、個々の昇温制御による
NOx触媒の昇温作用の大きさ(効率)はエンジン1の
運転条件によって変動し、また、たとえエンジン1の運
転条件が同一であっても相互間で異なる。言い換えれ
ば、エンジン1の運転条件によって、NOx触媒を昇温
させるため最も効率的に作用する制御は異なる。
テムでは、各昇温制御の実施による燃料(または還元
剤)消費の最小化、スモーク発生の抑制及び機関運転に
伴って発生する燃焼音の抑制といった観点から、エンジ
ン1の運転条件に対応する最適な制御態様を選択し、こ
れを実行する。また、最適な制御態様を選択するにあた
り判断基準となる運転条件としては、燃料噴射量Qとエ
ンジン回転数NEとから決定づけられるエンジン1の燃
焼状態を適用する。
実施の形態にかかるNOx触媒の昇温制御について、E
CU80による具体的な実行手順を説明する。
実行される昇温制御ルーチンを示すフローチャートであ
る。
0は先ずステップS101において、燃料噴射弁13を
通じて個々の燃焼室20に噴射供給される燃料量(燃料
噴射量Q)と、エンジン回転数NEとに基づき、エンジ
ン1の現在の燃焼状態を反映する運転領域を把握する。
より具体的には、燃料噴射量Qとエンジン回転数NEと
から決定づけられるように予め設定されたマップ上に区
画された4つの運転領域のうち、何れかの領域を選択す
ることになる。
用されるマップ上で、エンジン1の燃焼状態に対応する
各運転領域が、燃料噴射量Qとエンジン回転数NEとの
関係からどのように区画されているかその一例を示す。
線で囲まれた昇温制御の実行領域が、領域(1)、領域
(2)、領域(3)及び領域(4)に区画されている。
エンジン回転数NEが高くなるに従い、また燃料噴射量
Qが増大するに従い、適用領域は、(1)→(2)→
(3)→(4)へと移行する。
属する場合、ECU80は、EGR制御に基づいて低温
燃焼を実行するか、若しくはパイロット噴射を実行す
る。当該領域(1)は、例えばエンジン1がアイドルを
行っている状態や、エンジン1を搭載した車両が降坂走
行を行っている状態等に相当し、このような条件下で
は、NOx触媒の床温が下降し易い傾向にある。このた
め、エンジン1の燃焼状態が領域(1)にある場合に
は、NOx触媒に堆積するSOx等を除去するために昇
温制御を実施するばかりでなく、触媒ケーシング42内
のNOx触媒を活性化された状態に維持することを目的
として同様の制御を実施することもある。より具体的に
は、排気温度TEXの履歴に基づき触媒ケーシング42
内のNOx触媒の床温が所定温度(例えば250℃)以
上であると推定される場合、ECU80は、NOx触媒
は活性化された状態にあると判断し、EGR制御に基づ
く低温燃焼を通じてNOx触媒の床温を現在値に維持す
る。一方、排気温度TEXの履歴に基づき触媒ケーシン
グ42内のNOx触媒の床温が所定温度(例えば250
℃)未満であると推定される場合、若しくは現時点が、
NOx触媒に堆積したSOxを除去すべきタイミングで
ある場合には、NOx触媒に対して低温燃焼よりも大き
な昇温効果を期待できる昇温制御としてパイロット噴射
を実行する。なお、パイロット噴射の実施によってもN
Ox触媒に対して十分な昇温効果を得られない場合に
は、低温燃焼や、燃料添加弁17を通じて排気系40内
に直接燃料を添加する制御(燃料添加制御)をパイロッ
ト噴射と併せて実行してもよい。
属している場合には、燃焼ガスの温度と排気系40内の
空間速度との関係に起因し、触媒ケーシング42に流入
する排気の温度が低くなる傾向にある。このため、この
領域(2)においてNOx触媒を昇温させる必要性が場
合には、パイロット噴射及びポスト噴射を併わせて実行
する。なお、NOx触媒に対し更なる昇温効果が必要な
場合、低温燃焼や、燃料添加弁17を通じて排気系40
内に直接燃料を添加する制御(燃料添加制御)をパイロ
ット噴射やポスト噴射と併せて実行してもよい。
属する場合には、同じく燃焼ガスの温度と排気系40内
の空間速度との関係に起因し、触媒ケーシング42に流
入する排気の温度は高くなる傾向にある。このため、こ
の領域(3)においてNOx触媒を昇温させる必要性が
ある場合には、ポスト噴射は行わずにパイロット噴射の
みを実行する。なお、NOx触媒に対し更なる昇温効果
が必要な場合、低温燃焼や、燃料添加弁17を通じて排
気系40内に直接燃料を添加する制御(燃料添加制御)
をパイロット噴射と併せて実行してもよい。
属する場合、エンジン1の運転に伴う未燃HCの発生量
は増大する傾向にある。このような条件下でパイロット
噴射を実施すると、その噴射形態の特性上、機関燃焼が
緩慢となる上、主噴射の噴射タイミングが遅角するた
め、排気中の未燃HCが増大しスモークが発生しやす
い。このため、この領域(4)においては、NOx触媒
を昇温させる必要性の有無に関わらずパイロット噴射の
実施は禁止する。すなわち、NOx触媒を昇温させる必
要性がある場合には、パイロット噴射以外の昇温制御の
形態(制御モード)を適用する。
上記ステップS101で選択された昇温制御の形態を適
用し、必要に応じて触媒ケーシング42内のNOx触媒
を昇温する。
本ルーチンを一旦抜ける。
かるエンジンシステムでは、NOx触媒を昇温させる機
能を有する複数の制御形態のうち、エンジン1の燃焼状
態に応じ、燃料(還元剤)消費量の最小化やスモーク発
生の抑制といった観点から最適な制御形態を選択適用す
る。また、上記領域(1)においてNOx触媒に過剰な
HCやCOを供給する懸念や、上記領域(4)において
スモークの発生を誘発する懸念が生じない限り、パイロ
ット噴射を実施することによって、広範囲な運転領域で
エンジン1の燃焼音を低減する。
の運転状態を検出する幾つかのパラメータを基にして、
エンジン1の燃焼状態を間接的に把握し、この燃焼状態
に関連する複数の運転領域(本実施の形態では4領域)
を設定しておく。そして、重複適用することが可能な複
数の制御項目(本実施の形態では、パイロット噴射、ポ
スト噴射、EGR制御に基づく低温燃焼、燃料添加弁を
通じた排気系への燃料添加)のうち、単一の項目を選ん
で、或いは複数の項目を組み合わせて使用する制御モー
ドを、4領域の各々に対応する制御モードとして実施す
る。
を昇温する効果を得るといった点では共通するが、その
適用可能範囲、昇温効果の大きさ、燃料消費量、また、
その他の機能(例えば機関燃焼音の低減やスモークの抑
制等)の有無といった点に関しては相互に異なる特性を
有する。そして、これら相互に異なる特性はエンジン1
の燃焼状態によって決定づけられる。
目(パイロット噴射、ポスト噴射、EGR制御に基づく
低温燃焼、燃料添加弁を通じた排気系への燃料添加)を
組み合わせて構成した複数の制御モードを、エンジン1
の燃焼状態に応じて使い分けることにより、各制御項目
の利点が最大限に活用されNOx触媒を効率的に昇温さ
せることができるばかりでなく、機関燃焼音の低減やス
モークの抑制が広範囲の運転領域で併せ図られるように
なる。
することとしたマップ(図3)は、NOx触媒の昇温、
機関燃焼温の低減、及びスモークの抑制を併せ図り、エ
ンジン1の運転状態を最適化する制御モードを、エンジ
ン1の機関負荷を代表するパラメータと、エンジン回転
数NEに基づいて決定するものであった。ここで、本実
施の形態では、エンジン1の機関負荷を代表するパラメ
ータとして燃料噴射量Qを適用することとしたが、これ
に限らず、例えば吸気量GAや排気温度TEX等を適用
することとしてもよい。また、燃料噴射量Q、吸気量G
A、排気温度TEXおよびエンジン回転数NEのうち、
何れか1つのパラメータに基づいて、マップや関数を作
成しても、本実施の形態に準ずる効果を得ることはでき
る。
への燃料添加(燃料添加制御)は、その適用範囲が広く
一回の燃料添加で供給し得る燃料量も多量であることか
ら有用性も大きいが、エンジン1の燃焼状態に直接的に
は関与しないため、これを除外しても、上記制御ルーチ
ン(図2)に準じた効果を奏する制御構造を構築するこ
とはできる。この場合、燃料添加弁17及び同弁17に
燃料(還元剤)を供給する装置構成をエンジンシステム
から除外することもできる。 (第2の実施の形態)次に、本発明にかかる内燃機関の
排気浄化装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用し
た第2の実施の形態について、上記第1の実施の形態と
異なる点を中心に説明する。なお、当該第2の実施の形
態にあって、適用対象とするエンジンシステムの基本構
成は、排気系に設けられた触媒ケーシング及びこれに内
蔵されたNOx触媒や、ECU及びその周辺の電気的構
成を含めて先の第1の実施の形態と略同等である(図1
参照)。そこで、第1の実施の形態の構成要素と同等の
構造及び機能を有するものについては同一の符号を用
い、ここでの重複する説明は割愛する。
う場合、排気系40内のNOx触媒に対し、所定期間
(例えば数分間)に亘って霧状の燃料が連続的に供給さ
れることになる。触媒ケーシング42内にこの霧状燃料
が過剰に流入すると(例えば気化熱を介して)NOx触
媒から熱を奪い、結果としてNOx触媒の床温を低下さ
せてしまう(NOx触媒に対し冷却作用を及ぼしてしま
う)。このため、昇温制御として燃料添加制御を所定期
間以上連続して行うと、その冷却効果が増し、NOx触
媒が不活性な状態になるばかりでなく、霧状の燃料がN
Ox触媒の表面に付着するといった不具合も生じかねな
い。
では、連続的な燃料添加制御を通じて行う昇温制御の実
施中に特定の条件が成立した場合(NOx触媒に対する
冷却効果がある程度大きくなったと判断した場合)、燃
料添加制御を一旦中断し、NOx触媒の温度条件が回復
するのを待って、連続的な燃料添加制御の実施を再開す
る。なお、この気化熱によるNOx触媒の冷却効果は、
触媒ケーシング42内のNOx触媒前面(最上流部位)
において最も顕著であることが発明者らによって確認さ
れており、本実施の形態では、当該冷却効果の程度をN
Ox触媒前面の温度に基づいて把握するように制御構造
を構築する。
態において、触媒ケーシング42に内蔵されたNOx触
媒前面の温度変化(図4(a))と、触媒ケーシング4
2に流入する排気中の還元成分を増量すべくECU80
の出力する指令信号の変化(図4(b))とを、同一時
間軸上に示すタイムチャートの一例である。なお、同図
中において、期間T1,T3は燃料添加制御が周期的に
実施されている期間に相当し、期間T2は昇温制御が実
施されている期間に相当する。
T1,T2は燃料添加制御の実行期間に相当する。燃料
添加制御の実行期間中には、所定周期(時刻t1,t
2,t3,t8…)でECU80が指令信号(ON)を
出力し、この指令信号に同期し所定量の燃料が燃料添加
弁17を通じて排気系40の触媒ケーシング42上流に
添加される。また、期間T2は昇温制御の実行期間に相
当する。昇温制御の実行期間中には、燃料添加制御と同
等の方法で、しかしながらより短い周期で(より高い頻
度で)燃料添加が行われることにより、触媒ケーシング
42内のNOx触媒に対して燃料添加制御よりも高い昇
温効果が得られる。
状燃料が継続的に触媒ケーシング42に流入することに
より、NOx触媒前面の温度TPCATが徐々に低下し
ていく(図4(a))。本実施の形態においては、昇温
制御の実行期間中、徐々に低下していくNOx触媒前面
の温度TPCATを逐次推定し、その推定温度が所定値
を下回った場合には燃料添加の実施を一旦停止し(時刻
t5)、NOx触媒前面の温度TPCATが所定値まで
回復したところで(時刻t6)、燃料添加の実施を再開
する。なお、昇温制御の完了後(時刻t7以降)には、
通常の燃料添加制御が再開されるようになる。
以下、NOx触媒の昇温制御の実施中、特定の条件下で
燃料添加弁17を通じて行う排気系40への燃料添加を
禁止する制御(燃料添加禁止制御)について、ECU8
0による具体的な実行手順を説明する。なお、本ルーチ
ンの実行時も含め、エンジン1の運転中には、別途のル
ーチンに従い燃料添加制御及び昇温制御が択一的に実施
されているものとする(図4を併せ参照)。
実行される燃料添加禁止制御ルーチンを示すフローチャ
ートである。
0は先ずステップS201において、現在、昇温制御が
実施されているか否かを判断する。そしてその判断が肯
定であれば処理をステップS202に移行し、その判断
が否定であれば本ルーチンを一旦抜ける。
添加禁止フラグF1が「オフ(OFF)」に設定されて
いるか否かを判断する。添加禁止フラグF1は燃料添加
弁17を通じた排気系40への燃料添加を規制するフラ
グであり、同フラグF1が「オン(ON)」に設定され
ると燃料添加が禁止される。すなわち、同ステップS2
02における判断が肯定であるということは、現在、別
途ルーチンに従い昇温制御が実行されており、且つ、燃
料添加弁17を通じた連続的な燃料添加が継続している
ことを意味する。上記ステップS202における判断が
肯定である場合、ECU80はステップS203に処理
を移行する。
ング42内のNOx触媒前面の温度を推定するために必
要な情報として、現在の排気温度TEXと、燃料添加弁
17を通じて添加された燃料量(添加燃料量)の最新値
とを認識する。
03において認識された添加燃料量のうち未蒸発の燃料
分(NOx触媒前面に滞留している燃料分)Qattachを
現在の排気温度TEXに基づきマップ等を参照して推定
する。燃料添加弁17を通じて等量の燃料が添加された
場合であっても、添加燃料を触媒ケーシング42に移送
する媒体である排気の温度が低いほど、触媒ケーシング
42内で添加燃料が液化し易いものと推定することがで
きる。
attachについて、昇温制御の開始時から現在に至るまで
に取得した値の積算値ΣQattachを算出する。
attachが所定値αを上回っているか否かを判断する。そ
して、その判断が肯定である場合、過剰な燃料添加によ
りNOx触媒(前面)が冷却され不活性状態となってい
ると推定し、燃料添加を一時的に禁止する処理(添加禁
止フラグF1を「ON」に設定する処理)を行った上で
(ステップS207)、本ルーチンを一旦抜ける。
否定である場合、NOx触媒は活性化された状態を保持
していると推定する。この場合ECU80は、燃料添加
が許容されている状態(添加禁止フラグF1が「OF
F」に設定されている状態)を保持して、本ルーチンを
一旦抜ける。
が否定であった場合、すなわち、昇温制御が現在実行さ
れており、且つ、添加禁止フラグF1が既に「オン(O
N)」の状態である場合(燃料添加が禁止されている場
合)、ECU80は処理をステップS210に移行し、
NOx触媒前面の温度が回復したか否かを判断する。例
えば、添加禁止フラグF1が「ON」に設定された後、
所定時間が経過すればNOx触媒前面の温度は回復した
ものと判断することができる。
である場合、ECU80は添加禁止フラグF1を「O
N」の状態に保持したまま本ルーチンを一旦抜ける。一
方、ステップS210における判断が否定である場合、
ECU80は添加禁止フラグF1を「OFF」の状態に
解除した後(ステップS211)、本ルーチンを一旦抜
ける。
るエンジンシステムでは、昇温制御の実行期間、過剰な
燃料がNOx触媒(特に触媒前面)に滞留することで、
当該触媒を冷却し、不活性な状態にしてしまうといった
不具合が好適に解消されるようになる。
除去が効率的に行われ、NOx触媒の安定した排気浄化
機能を長期に亘って保証することができるようになる。
媒ケーシング42内において未蒸発の状態にある燃料
を、排気の温度と添加燃料量とに基づいて把握し、この
未蒸発の燃料量に基づいてNOx触媒前面の温度を間接
的に求めることとした。このような構成に替え、例えば
触媒ケーシング42内のNOx触媒前面に温度センサを
取り付け、NOx触媒前面若しくはその近傍部位の温度
を直接検出する構成を適用してもよい。
を通じて排気系40へ燃料を添加することにより燃料添
加制御や昇温制御を実施することとしたが、これら制御
と同等の効果を得るために、第1の実施の形態で説明し
たポスト噴射を実行することとしてもよい。
ば、各種の制御項目(主たる燃料噴射に先立つ副噴射、
主たる燃料噴射に後続する副噴射、前記排気還流通路内
を還流する排気の流量調整、燃料添加手段を通じた排気
系への燃料添加)を組み合わせて構成した複数の制御モ
ードを、エンジン1の燃焼状態に応じて使い分けること
により、各制御項目の利点が最大限に活用されNOx触
媒を効率的に昇温させることができるばかりでなく、機
関燃焼音の低減やスモークの抑制が広範囲の運転領域で
併せ図られるようになる。
の動作期間中、過剰な還元成分がNOx触媒(特に触媒
前面)に滞留することで、当該触媒を冷却し、不活性な
状態にしてしまうといった不具合が好適に解消されるよ
うになる。よって、NOx触媒に堆積したSOx等の除
去が効率的に行われ、NOx触媒の安定した排気浄化機
能を長期に亘って保証することができるようになる。
ルエンジンシステムを示す概略構成図。
フローチャート。
に対応する制御モードを決定するために適用されるマッ
プの一例。
度変化と、触媒ケーシングに流入する排気中の還元成分
を増量すべくECUの出力する指令信号の変化とを同一
時間軸上に示すタイムチャートの一例。
禁止制御の手順を示すフローチャート。
Claims (5)
- 【請求項1】 内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射供
給する燃料噴射手段と、 当該機関の排気系に設けられ、排気中の還元成分濃度が
高くなるとNOxの還元反応を促す特性を備えたNOx
触媒と、 当該機関の燃焼ガスの特性を制御することによって前記
NOx触媒を昇温させる制御モードを複数記憶する記憶
手段と、 機関回転数及び機関負荷の少なくとも一方に関するパラ
メータに基づいて、当該機関の燃焼特性を認識する認識
手段と、 前記NOx触媒の昇温要求と前記認識された燃焼特性と
に基づき、前記複数の制御モードのうち何れかを選択し
て実行する制御手段と、 を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項2】 前記記憶される複数の制御モードには、
少なくとも、 主たる燃料噴射に先立つ副燃料噴射を前記燃料噴射手段
に実行させる制御モードと、 主たる燃料噴射に後続する副噴射を前記燃料噴射手段に
実行させる制御モードと、 が含まれることを特徴とする請求項1記載の内燃機関の
排気浄化装置。 - 【請求項3】 前記排気系の前記NOx触媒上流から当
該機関の吸気系に排気を還流させる排気還流通路と、 を有して、且つ、 前記記憶される複数の制御モードには、少なくとも、前
記排気還流通路内を還流する排気の流量を調整して前記
吸気系内の不活性ガスを増量する制御モードが含まれる
ことを特徴とする請求項1又は2記載の内燃機関の排気
浄化装置。 - 【請求項4】 当該内燃機関の排気系における前記NO
x触媒上流に還元剤を直接添加する還元剤添加手段を備
えて、且つ、 前記記憶される複数の制御モードには、当該内燃機関の
排気系における前記NOx触媒上流への還元剤の添加を
前記還元剤添加手段に実行させる制御モードが含まれる
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の内燃機
関の排気浄化装置。 - 【請求項5】 内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射供
給する燃料噴射手段と、 内燃機関の排気系に設けられ、排気中の還元成分濃度が
高くなるとNOxの還元反応を促す特性を備えたNOx
触媒と、 前記NOx触媒上流に流入する排気中の還元成分を増量
する還元成分増量手段と、 前記還元剤増量手段を所定時間連続的に動作させること
により前記NOx触媒を昇温させる昇温制御手段と、 を有する内燃機関の排気浄化装置であって、 前記NOx触媒の排気流入部位における温度を認識する
温度認識手段と、 前記認識される温度と前記増量される還元成分の量とに
基づいて、前記還元剤増量手段の連続的な動作を所定期
間禁止する禁止手段と、 を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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