JP2003201828A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
内燃機関の排気浄化装置Info
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Abstract
F)の再生を、同時に行えるようにして、トータルの再
生時間を短縮し、燃費の悪化を防止する。 【解決手段】 エンジン1の排気通路3にNOxトラッ
プ触媒20bを配置し、その下流側にDPF21aを配
置する。NOxトラップ触媒20bの再生時は、燃料噴
射弁15によりポスト噴射を行って、NOxトラップ触
媒20bに流入する排気の空燃比をリッチ化し、これを
再生する。同時に、空気導入通路8及び開閉弁9によ
り、下流側のDPF21aに空気を供給して、DPF2
1aに流入する排気の空燃比をリーン化し、DPF21
aを再生する。
Description
化装置(排気浄化用の後処理システム)に関し、特にそ
の再生技術に関する。
特開平9−53442号公報に記載の装置がある。この
装置では、ディーゼルエンジンから排出されるNOx
(窒素酸化物)と排気微粒子であるPM(Particulate
Matter)の浄化処理のため、排気通路に、PMをトラッ
プするPMトラップを配置し、更にその下流側に、流入
する排気の空燃比がリーンのときNOxをトラップし、
流入する排気の空燃比がリッチになって排気中のO2
(酸素)濃度が低下すると排気中の還元成分であるHC
(炭化水素)、CO(一酸化炭素)によりトラップした
NOxを還元浄化するNOxトラップ触媒を配置してい
る。
らトラップしたNOxを放出させてNOxトラップ能力
を回復させる操作(NOxトラップ触媒の再生操作)
と、PMトラップにトラップされたPMを燃焼除去して
圧損を低減させる操作(PMトラップの再生操作)とを
行うようにしている。従来のNOxトラップ触媒の再生
操作は、数十秒から数分程度の間隔で、短時間、ディー
ゼルエンジンの通常の燃料噴射に加えて排気行程に燃料
噴射を行い、排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側(1
3程度)にし、燃料の未燃成分を排気通路に排出するこ
とで実現している。つまり排気空燃比をリッチにして排
気中のO2濃度を急激に低下させ、HC、CO成分を増
加させてNOxトラップ触媒を再生する。
時間の間隔で、数分程度、NOxトラップ触媒の再生と
同様、通常の燃料噴射に加えて排気行程に燃料噴射を行
うが、排気温度を上昇させてPMトラップの再生を促進
するためであり、排気空燃比は20程度のリーンに維持
されている。そして、PMトラップの再生操作中にNO
xトラップ触媒の再生操作のタイミングになった場合に
は、PMトラップの再生操作の間に、NOxトラップ触
媒の再生のための排気空燃比のリッチ化が行われる。
うな従来の内燃機関の排気浄化装置にあっては、比較的
短い時間間隔で短時間の排気空燃比のリッチ化が行われ
るNOxトラップ触媒の再生操作と、NOxトラップ触
媒の再生操作よりも長い時間間隔で長い時間リーン状態
を維持して排気温度上昇が行われるPMトラップの再生
操作という2種類の再生操作を実施する必要がある。
り、NOxトラップ触媒の再生に費やされるエネルギー
(燃料消費)はNOxトラップ触媒の再生中はPMトラ
ップの再生には利用できず、またPMトラップの再生に
費やされるエネルギー(燃料消費)はPMトラップの再
生中はNOxトラップ触媒の再生には利用できない。こ
のためエネルギー効率が悪くて燃費悪化が大であるとい
う問題点があった。
み、NOxトラップ触媒及びPMトラップを用いて、N
Ox及びPMの大気への放出を防止すると共に、NOx
トラップ触媒及びPMトラップの再生を、夫々独立する
ことなく一度の操作で行えるようにして、トータルの再
生時間を短縮し、かつ燃費の大きな犠牲を伴わない内燃
機関の排気浄化装置を実現することを目的とする。
排気通路にNOxトラップ触媒を配置し、その下流側に
PMトラップを配置する。そして、前記NOxトラップ
触媒に流入する排気の空燃比を制御可能な空燃比制御装
置と、前記PMトラップの上流側排気通路に空気を供給
可能な空気供給装置とを用い、前記NOxトラップ触媒
の再生時期に、前記NOxトラップ触媒に流入する排気
の空燃比をリッチにすると共に、前記PMトラップの上
流側排気通路に空気を供給して前記PMトラップに流入
する排気の空燃比をリーンにする。
再生とPMトラップの再生という2種類の再生操作を夫
々個別に行わずに同時に行える。このため、再生に費や
されるエネルギーが大幅に低減するので、燃費悪化への
影響を最小限にすることが可能となる。
に基づいて説明する。先ず本発明の第1実施形態を説明
するが、これに先立って、実施形態レベルで、背景技術
について説明する。従来の自動車用ガソリン機関のよう
に酸化成分と還元成分とがほぼ等しく含まれている排気
を浄化するためには、触媒として、三元触媒が広く用い
られている。これは、Pt(白金)、Pd(パラジウ
ム)、Rh(ロジウム)等の貴金属成分及びCe(セリ
ア)成分をはじめとする各種成分を担持した活性アルミ
ナを主成分とする触媒であり、排気中の有害成分である
HC、CO及びNOxを高い効率で浄化できる。
炭素)の排出量の削減といった観点から、理論空燃比よ
り高い空燃比でも運転するいわゆるリーンバーンエンジ
ンが注目されている。この種のエンジンの希薄燃焼時の
排気は、理論空燃比近傍で運転される従来のエンジンの
排気に比較して、酸素含有率が高く、上記の三元触媒で
は、NOxの浄化が不十分となる。そこで、リーンバー
ンエンジンにおける希薄燃焼時の排気中のNOxを高効
率で除去できる新たな触媒が望まれていた。
リーンであるときにNOxをトラップし、流入する排気
の空燃比がリッチになるとNOxを還元浄化するNOx
トラップ触媒を用いることが提案されている。一方、N
Oxトラップ触媒ではNOxは除去できても、PMは除
去できないので、PMを放出する内燃機関、例えばディ
ーゼルエンジンにおいては、排気中のPMをトラップす
るPMトラップを設ける必要がある。
2号公報では、既に述べたように、排気通路にPMトラ
ップ(DPF;Diesel Particulate Filter )を配置
し、更にその下流側に、NOxトラップ触媒(NOx吸
収剤)を配置しており、定期的に、NOxトラップ触媒
の再生操作と、PMトラップの再生操作とを、別々に行
うようにしている。
722987号公報では、ウォールフローハニカムタイ
プのPMトラップ(DPF)の壁面にNOxトラップ触
媒(NOx吸収剤)を担持させ、NOxトラップ触媒の
再生開始条件であると判定されたときに、吸気絞り弁を
閉じて還元剤供給装置から燃料をPMトラップ入口の排
気中に供給し、供給された燃料がNOxトラップ触媒の
触媒作用によって燃焼して排気中の酸素が消費されるこ
とで、排気空燃比をリッチ化し、これによってNOxト
ラップ触媒を再生する。
したと判定されると、還元剤供給装置からの燃料供給を
継続し、吸気絞りを解除して多量の空気を供給すること
で、PMトラップにトラップされているPMを着火燃焼
させ、PMトラップを再生する。更に、特許27279
06号公報では、PMトラップの再生が終了したら、吸
気絞り弁を再度閉じて還元剤供給装置から燃料を供給
し、高温かつリッチな排気条件にして、NOxトラップ
触媒からSOx(硫黄酸化物)を放出させ、SOx被毒
解消を行う。
特許2722987号公報でも、各々の再生操作(NO
xトラップ触媒の再生操作、PMトラップの再生操作、
SOx被毒解消操作)は作用が独立しており、NOxト
ラップ触媒の再生中は排気がリッチであるためPMトラ
ップは再生できず、PMトラップの再生中は排気がリー
ンであるためNOxトラップ触媒は再生できず、当然S
Ox被毒解消操作中にもPMトラップは再生できない。
これらは、単に各々の再生操作を順番に行うものであ
る。
xトラップ触媒の再生操作とPMトラップの再生操作と
を別々に行うもの(特開平9−53442号公報)と、
順番に行うもの(特許2727906号公報や特許27
22987号公報)とがあるが、別々又は順番に行われ
ることにより(同時ではないので)、トータルの再生時
間が長くなるばかりか、エネルギー効率が悪くて燃費悪
化が大であるという欠点がある。
722987号公報では、還元剤供給装置から燃料を供
給しているので、実用上は再生中のエンジン運転条件の
変化によってPMトラップに流入する排気温度が低下す
ると(例えばアイドリングでは100℃程度)、触媒反
応が起こらず、供給燃料が未燃のまま排出される恐れが
ある。
触媒及びPMトラップの再生を、夫々独立することなく
一度の操作で行えるようにして、トータルの再生時間を
短縮し、エネルギー効率の向上による燃費の向上を図り
得るようにする。図1は本発明の第1実施形態を示す内
燃機関の排気浄化装置(排気浄化用の後処理システム)
の構成図である。
ィーゼルエンジンとし、以下単にエンジンと称する)の
本体、2は吸気通路、3は排気通路である。排気通路3
には、過給機の排気タービン3aの下流に、酸化触媒2
0aと、流入する排気の空燃比がリーンであるときにN
Oxをトラップし、流入する排気の空燃比がリッチのと
きにトラップしたNOxを還元浄化するNOxトラップ
触媒20bとを内部に介装するケーシング20が配置さ
れる。さらにその下流には、排気中のPM(Particulat
e Matter)をトラップするPMトラップとしてのDPF
(Diesel Particulate Filter )21aを内部に介装す
るケーシング21が直列に配置される。DPF21aに
はその表面上に酸化触媒を担持させることで、酸化機能
を持たせてある。
ミナをベースにPdやPt等の貴金属を担持したもの
や、貴金属(特にPt)をイオン交換したゼオライト、
又はこれら両材料を組み合せたものが利用できる。ま
た、DPF21aは、従来より公知のウォールフローハ
ニカムタイプのものや、筒の部分に多数の孔を設けた有
底円筒状の芯部材にセラミックファイバーを幾層にも巻
き回したものが利用できる。
触媒20aの出口部)には、排気温度T1を検出する排
温センサ36が設けられ、DPF21aの入口部には、
排気温度T2を検出する排温センサ37と、酸素濃度O
2を検出する酸素濃度センサ38とが設けられる。NO
xトラップ触媒20bの出口部には、下流側のDPF2
1aに空気を供給するため、空気供給源である吸気通路
2における過給機の吸気コンプレッサ2b下流の圧力チ
ャンバー部に接続される空気導入通路8の開口部8aが
臨む。この空気導入通路8には、エンジン用コントロー
ルユニット30により制御される例えばステッピングモ
ータ駆動の開閉弁9が設けられ、この開閉弁9は空気導
入通路8を開閉する他、流路面積を可変にして空気供給
量を制御可能である。
3a上流からは、吸気通路2の吸気管2cに、排気の一
部を還流するため、EGR通路4が設けられ、このEG
R通路4には、エンジン用コントロールユニット30に
より制御される例えばステッピングモータ駆動のEGR
弁5が設けられている。吸気通路2には上流から、エア
クリーナ2a、過給機の吸気コンプレッサ2b、エンジ
ン用コントロールユニット30によりアクチュエータ
(例えばステッピングモータ)6を介して開閉駆動され
る吸気絞り弁7が設けられ、下流側の吸気管2cにより
吸入空気をエンジン1の各気筒に分配している。
タンク60、ディーゼル用燃料をエンジン1の燃料噴射
装置10へ供給するための燃料供給通路16、燃料噴射
装置10からのリターン燃料(スピル燃料)を燃料タン
ク60に戻すための燃料戻り通路19で構成される。エ
ンジン1の燃料噴射装置10は公知のコモンレール式の
燃料噴射装置であって、サプライポンプ11、燃料供給
通路12、コモンレール(蓄圧室)14、気筒毎に設け
られる燃料噴射弁15からなり、サプライポンプ11に
より加圧された燃料は燃料供給通路12を介してコモン
レール14に一旦蓄えられた後、コモンレール14内の
高圧燃料が気筒数分の燃料噴射弁15に分配される。
ため、サプライポンプ11からの吐出燃料の一部は途中
に一方向弁18が設けられたオーバーフロー通路17を
介して燃料供給通路16に戻される。そして、オーバー
フロー通路17の流路面積を変えることのできる圧力制
御弁13が設けられ、この圧力制御弁13は、エンジン
用コントロールユニット30からのデューティ信号に応
じてオーバーフロー通路17の流路面積を変えることで
コモンレール14への燃料吐出量を調整することにより
コモンレール14の圧力を制御する。
ルユニット30からのON−OFF信号によってエンジ
ン燃焼室への燃料供給通路を開閉する電磁駆動式の噴射
弁であって、ON信号によって燃料を燃焼室に噴射し、
OFF信号によって噴射を停止する。ここで、燃料噴射
弁15へのON信号が長いほど燃料噴射量が多くなる
が、後述するようにコモンレール14の燃料圧力によっ
ても燃料噴射量は変化する。
は、水温センサ31の信号(Tw)、クランク角センサ
32の信号(これによりエンジン回転数Neを検出可
能)、気筒判別センサ33の信号(Cyl)、コモンレ
ール圧力を検出する圧力センサ34の信号(PCR)、
アクセル開度センサ35の信号(L)、NOxトラップ
触媒20bの入口部(酸化触媒20aの出口部)の排気
温度を検出する排温センサ36の信号(T1)、DPF
21aの入口部の排気温度を検出する排温センサ37の
信号(T2)、酸素濃度センサ38の信号(O2)が入
力される。
燃料を噴射するポスト噴射の可能なコモンレール式の燃
料噴射装置10が、NOxトラップ触媒20bに流入す
る排気の空燃比を制御可能な空燃比制御装置を構成す
る。また、空気導入通路8及び開閉弁9が、DPF21
aの上流側排気通路に空気を供給可能な空気供給装置を
構成する。また、エンジン用コントロールユニット30
が、再生時期判断手段及び再生制御手段を構成する。
ニット30による排気浄化装置(排気浄化用の後処理シ
ステム)の制御について、図2〜図7のフローチャート
により説明する。図2は、コントロールユニット30に
よって行われるエンジン出力制御に関するメインルーチ
ンである。
て、ステップ100(図にはS100と記す。以下同
様)では、エンジン冷却水温Tw、エンジン回転数N
e、気筒判別信号Cyl、コモンレール圧力PCR、ア
クセル開度L、NOxトラップ触媒20bの入口部(酸
化触媒20aの出口部)の排気温度T1、DPF21a
の入口部の排気温度T2と酸素濃度O2を読込み、ステ
ップ200に進む。
ルーチンに従って、コモンレール圧力制御を行い、次の
ステップ300では、後述する図4のサブルーチンに従
って、エンジン出力制御のための主噴射制御を行い、ス
テップ400に進む。ステップ400では、後処理シス
テム(特にNOxトラップ触媒20bとDPF21a)
の再生中を示すフラグが1であって、後処理システムの
再生中であるか否かを判定する。
処理システムの再生中でない場合は、ステップ500に
進み、後述する図5のサブルーチンに従ってエンジン燃
焼制御を行い、次のステップ600で、後述する図6の
サブルーチンに従って、NOxトラップ触媒20bのN
Oxトラップ量を積算し、これに基づいてNOxトラッ
プ触媒20bの再生の要否の判定を行い、リターンとな
る。
後処理システムの再生中である場合は、ステップ700
に進み、後述する図7のサブルーチンに従って、後処理
システムの再生制御を開始又は継続して、リターンとな
る。図3は、図2のメインルーチンのステップ200で
行われるコモンレール圧力制御に関するサブルーチンで
ある。
いて、ステップ201、ステップ202では、エンジン
回転数Neと主燃料噴射量(アクセル開度L等に対応し
て予め設定され、負荷を代表する)Qmainとをパラメー
タとして、コントロールユニット30内のROMに予め
記憶されている所定のマップを検索して、コモンレール
14の目標基準圧力PCR0と、この目標基準圧力PC
R0を得るための圧力制御弁13の基準デューティ比
(基準制御信号)Duty0とを求め、ステップ203
に進む。
0と実際のコモンレール圧力PCRとの差の絶対値|P
CR0−PCR|を求め、これを目標基準圧力PCR0
に対して予め設定された許容圧力差ΔPCR0と比較す
る。|PCR0−PCR|が許容範囲内である場合は、
ステップ204に進んで、基準デューティ比Duty0
を開弁デューティ比(制御信号)Dutyとすることに
よって同じデューティ比を維持し、ステップ207にお
いて、この開弁デューティ比Dutyからデューティ信
号を作って、圧力制御弁13を駆動する。
にない場合は、ステップ203よりステップ205に進
んで、PCR0−PCR(=ΔP)に対応して予め設定
されているROMのテーブルを検索して、デューティ比
補正係数KDutyを求める。ここで、例えばΔPがマ
イナス(PCR0よりもPCRが大きい)の場合は、K
Dutyが1よりも小さい値に、この逆にΔPがプラス
(PCR0よりもPCRが小さい)の場合は、KDut
yが1よりも大きい値になる。具体的には圧力制御弁1
3の特性に合わせてデューティ比補正係数KDutyの
テーブルデータを設定する。
ーティ比Duty0をこの補正係数KDutyにより補
正した値(Duty0×KDuty)を開弁デューティ
比(補正制御信号)Dutyとした後、ステップ207
の操作を実行する。図4は図2のメインルーチンのステ
ップ300で行われる主噴射制御に関するサブルーチン
である。
ップ301では、主燃料噴射量Qmainとコモンレール圧
力PCRとをパラメータとして、コントロールユニット
30内のROMに予め記憶されている所定のマップを検
索して、主噴射期間Mperiodを求め、ステップ302に
進む。ここで、主噴射期間Mperiodはmsec単位で設
定され、図9に示すように主燃料噴射量Qmainが同じな
らばコモンレール圧力PCRが高いほど主噴射期間Mpe
riodが短くなり、コモンレール圧力PCRが同じならば
主燃料噴射量Qmainが多いほど主噴射期間Mperiodが長
くなる。
と主燃料噴射量Qmainとをパラメータとして、コントロ
ールユニット30内のROMに予め記憶されている所定
のマップを検索して、主噴射開始時期Mstart を求め、
ステップ303に進む。ステップ303では、エンジン
冷却水温Twに基づいて主噴射開始時期Mstart を補正
し、ステップ304に進む。
開始時期Mstart を進角させる。水温Twが低いほどエ
ンジン燃焼室の温度も低くなるため着火開始時期が相対
的に遅れることになるので、HC、CO、PM(特にS
OF;Soluble Organic Fraction)の排出量を増加させ
ないために、主噴射開始時期Mstart を進角補正して燃
焼開始時期を一定に保つのが望ましいからである。
が供給されるように、主噴射開始時期Mstart よりMpe
riodの期間、主噴射すべき気筒の燃料噴射弁15を、ク
ランク角センサ32及び気筒判別センサ33の信号に基
づいて開弁駆動する。図5は、図2のメインルーチンの
ステップ500で行われるエンジン燃焼制御に関するサ
ブルーチンであり、図10に示す運転領域に対応して、
EGRを行ったり、停止したりする制御を行う。
て、ステップ501では、運転領域を判定する。すなわ
ち、エンジン回転数Neと主燃料噴射量(負荷)Qmain
とに基づいて、EGR領域か否かを判定する。ここでい
うEGR領域とは、図10における領域A1の常用運転
領域であり、従ってここでは、図10における領域A1
の常用運転領域であるか、それ以外の運転領域(領域A
2、A3)であるかを判定する。
れば、ステップ502に進む。ステップ502では、E
GRを実行するための目標EGRのデータ(EGR弁5
と吸気絞り弁7の駆動信号)を、エンジン回転数Neと
主燃料噴射量Qmainとをパラメータとして、コントロー
ルユニット30内のROMに予め記憶されている所定の
マップを検索して求め、ステップ503へ進む。
wに基づいてEGRを補正し、ステップ504に進む。
具体的には、例えば水温Twが低いときにEGRを減量
補正する。水温Twが低いほどエンジン燃焼室の温度も
低くなるため着火開始時期が相対的に遅れることになる
ので、HC、CO、PM(特にSOF)の排出量を増加
させないために、EGRを減量補正して燃焼開始時期を
一定に保つのが望ましいからである。
絞り弁7を夫々の補正された駆動信号に基づいて駆動制
御してEGRを行う。その一方、ステップ501での判
定でEGR領域でなければ、ステップ505に進む。ス
テップ505では、EGRを停止又は停止保持すべく、
EGR弁5及び吸気絞り弁7の作動を停止する。
600で行われるNOxトラップ触媒20bのNOxト
ラップ量積算と再生要否判定とに関するサブルーチンで
ある。本ルーチンが再生時期判断手段に相当する。図6
のNOxトラップ量積算・判定ルーチンにおいて、ステ
ップ601では、NOxトラップ触媒20bのNOxト
ラップ量(単位時間当たりのNOxトラップ量)を、エ
ンジン回転数Neと主燃料噴射量(負荷)Qmainとをパ
ラメータとして、コントロールユニット30内のROM
に予め記憶されている所定のマップを検索して求め、ス
テップ602に進む。
wに基づいてNOxトラップ量を補正し、ステップ60
3に進む。具体的には、例えば水温Twが低いときにN
Oxトラップ量を減量補正する。水温Twが低いほどエ
ンジン燃焼室の温度も低くなるため着火開始時期が相対
的に遅れることになるので、前述したように図4のステ
ップ303、及び図5のステップ503では、HC、C
O、PM(特にSOF)の排出量を増加させないため
に、主噴射開始時期Mstart を進角補正し、EGRを減
量補正して、燃焼開始時期を一定に保つようにしてい
る。しかし、燃焼開始時期を一定に保つようにしてもエ
ンジン燃焼室の温度が低いほど燃焼期間が長期化して燃
焼温度も低温化する傾向にあり、NOx排出量が減少す
る傾向にある。そして、NOx排出量が減少するとNO
xトラップ量も減少する傾向にある。このため、水温T
wをパラメータとして水温Twが低いほどNOxトラッ
プ量を減量補正する補正係数を設定し、NOxトラップ
量を減量補正するのが望ましい。このNOxトラップ量
の補正係数は予め実験によって求める。
Oxトラップ量に同期した所定時間間隔でNOxトラッ
プ量を積算し、ステップ604に進む。ステップ604
では、積算したNOxトラップ量がNOxトラップ触媒
20bにおいて設定した所定のトラップ限界量を超えて
おり、NOxトラップ触媒20bの再生(NOxの放出
・還元)が必要か否かを判定する。
再生が必要でないときはリターンとなる。ステップ60
4での判定がYESであって、NOxトラップ量がトラ
ップ限界量を超えており、NOxトラップ触媒20bの
再生が必要であると判定された場合は、ステップ605
に進む。
ため、再生中フラグを1にする(フラグを立てて再生開
始信号とする)。そしてステップ606に進み、再生終
了の指標値、例えば時間のカウントを開始して、リター
ンとなる。この再生終了の指標値は、時間の例だけでな
く、NOxトラップ触媒20bの入口部(酸化触媒20
aの出口部)の排気温度T1と時間との乗数を積算して
もよく、このようにすれば、再生時期算出の精度が向上
する。
700で行われる後処理システム(NOxトラップ触媒
20bとDPF21a)の再生制御に関するサブルーチ
ンである。本ルーチンが再生制御手段に相当する。図7
の後処理システム再生制御ルーチンにおいて、ステップ
701では、後処理システムの所定の再生操作が終了し
たか否かを、指標値である時間経過から判定する。
生が終了していない場合には、ステップ702に進み、
排気空燃比リッチ化のためのポスト噴射のデータ、すな
わちポスト噴射量Qpost、ポスト噴射期間Pperiod、ポ
スト噴射開始時期Pstart を、エンジン回転数Neと主
燃料噴射量(負荷)Qmainとを運転状態のパラメータと
して、コントロールユニット30内のROMに記憶され
ている所定のマップから検索して求め、ステップ703
に進む。
期間Pperiod、ポスト噴射開始時期Pstart は、酸化触
媒20aの酸化反応を促進させ、かつNOxトラップ触
媒20bが再生(NOxを放出・還元)できるように、
NOxトラップ触媒20bに流入する排気空燃比をリッ
チ化して、排気温度を上昇させ、かつ後述するようにD
PF21aを再生するための空気を供給しても、DPF
21aを再生するために必要な温度と排気組成とが得ら
れるように、予め実験によって求めて設定されている。
が供給されるように、ポスト噴射開始時期Pstart より
Pperiodの期間、ポスト噴射すべき気筒の燃料噴射弁1
5を、クランク角センサ32及び気筒判別センサ33の
信号に基づいて、開弁駆動する。そしてステップ704
に進み、NOxトラップ触媒20bの入口部(酸化触媒
20aの出口部)の排温センサ36の信号(T1)に基
づいてポスト噴射(Qpost)のフィードバック制御、つ
まり上述の所定のポスト噴射を行ってもNOxトラップ
触媒20bの触媒反応が促進されない温度である場合に
ポスト噴射の増量補正を行い、後処理システムの再生に
必要な基本排気条件を確保する。
媒20bの再生を行うため、排気空燃比をリッチ化(例
えば空燃比13以下)できるだけの燃料量を、主噴射と
は別に各気筒の膨張行程もしくは排気行程で噴射するも
のであり、出力を得るための燃料噴射ではない。したが
って、ポスト噴射された燃料の一部は気筒内で燃焼して
排気温度を上昇させ、残りは未燃の状態(HC、CO)
で酸化触媒20aに流入する。ここでは、酸化触媒20
aの酸化反応を促進させるために、酸化触媒20aに流
入する排気の温度を、酸化触媒20aの活性温度である
例えば250℃以上とする。
内で燃焼しないので、酸化触媒20aには気筒内で消費
されなかった酸素(O2)と未燃燃料成分(HC、C
O)とが、最低でも250℃の排気温度を保って流入す
ることになる。そして、流入した未燃燃料の一部とO2
とが酸化触媒20aで反応することによってO2が消費
され、さらに温度が上昇する。ここでは、下流側のDP
F21aを再生することも考慮して、NOxトラップ触
媒20bに流入する排気の温度を例えば500℃以上と
する。
(例えば空燃比13以下)でエンジンを燃焼させたのと
同じ、O2をほとんど含まず、還元剤としての未燃成分
を多く含んだ状態で、高温の排気がNOxトラップ触媒
20bに流入する結果、NOxトラップ触媒20bが再
生され、NOxトラップ触媒20bにおける触媒反応に
よってさらに温度が上昇する。
必要な基本排気条件を確保した後は、ステップ705に
進む。ステップ705では、DPF21aの再生(DP
F21aに流入する排気空燃比のリーン化)のための空
気供給に関するデータ、すなわち、DPF21aに供給
する空気量Qair を、エンジン回転数Neと主燃料噴射
量(負荷)Qmainとを運転状態のパラメータとして、コ
ントロールユニット30内のROMに記憶されている所
定のマップから検索して求め、ステップ706に進む。
されるように、開閉弁9を開弁駆動する。この結果、酸
化触媒20a及びNOxトラップ触媒20bによる触媒
反応で高温化され、かつ空気供給によってO2を多く含
む排気が、DPF21aに流入するため、DPF21a
に捕集されて堆積しているPMが燃焼して、DPF21
aも再生される。
Fについては、比較的低温度で除去(約200℃以上で
酸化処理)することができるのに対し、PM成分の中の
ドライスートについてはカーボンが主成分であり、カー
ボンが安定した物質であるため、通常は約600℃以上
の比較的高温度でなければ焼却処理できないが、DPF
21aの表面に酸化触媒を担持させて、O2による酸化
反応を促進させることで、DPF21aに捕集されたP
M成分がほとんどカーボンであっても、約450℃以上
で燃焼を開始させることができる。したがって、触媒担
持のDPF21aに流入する排気の温度は約450℃以
上になるようにする。
ップ触媒を再生するのに要する時間は、触媒の容量や再
生インターバル(NOxトラップ量)によっても異なる
が、近年のエンジンでは、おおよそ時間比率で1〜2%
程度は必要である。DPFを再生するのに要する時間
も、DPFの容量や再生インターバル(PM堆積量)に
よって異なるが、近年のエンジンでは触媒担持のDPF
で、450℃以上の温度での運転頻度が2〜4%程度は
必要である。
ない運転)では450℃以上の温度での運転頻度は1〜
2%程度しかなく、最大で3%程度の頻度不足が生じ
る。このため、強制的な温度上昇操作(リーンな状態で
の再生操作)が必要となる。この点は、本出願人の研究
においても確認している。特開平9−53442号公報
のように、これらのリッチ化によるNOxトラップ触媒
の再生(還元反応)とリーンな状態でのDPFの再生
(酸化反応)とを夫々別々に実施すると、どうしても燃
費悪化が大きくなる。
ができれば、再生頻度を約半分にすることが可能とな
り、再生に使用するエネルギーの利用効率を高めること
ができるので、燃費悪化を最小限に止めることができ
る。ステップ706での空気供給の後は、ステップ70
7に進む。ステップ707では、DPF21aの入口部
の排温センサ37の信号(T2)と酸素濃度センサ38
の信号(O2)とに基づいて、空気供給(Qair )のフ
ィードバック制御、つまり上述の所定の空気供給を行っ
てDPF21aの再生を行うのに適した排気条件(温度
とO2濃度)を維持するようにQair の補正を行い、D
PF23aの再生を行うのに適した排気条件を維持し、
リターンとなる。
ほとんどカーボンであるとして、O2による酸化反応で
DPF21aを再生する場合に好適な排気条件とは、前
述したように、温度としては約450℃以上が必要であ
る。そしてO2濃度としては、最低でも4%程度は必要
である。この排気条件(特に温度)は、ステップ70
3、704のポスト噴射、酸化触媒20a及びNOxト
ラップ触媒20bによる触媒反応、そしてステップ70
6のリーン化のための空気供給によって得られるように
予め設定されている。
制御は、前記温度条件(触媒担持のDPFで約450℃
以上)を維持して最低必要なO2濃度(例えば4%)を
確保するフィードバック増減補正制御を行う。ステップ
701での判定でYESとなって、所定の再生操作が終
了したと判定された場合は、ステップ708に進む。ス
テップ708では、後処理システムの再生制御の初期化
を行う。つまりポスト噴射を停止し、空気供給を停止
し、再生中フラグ、NOxトラップ量積算値、再生時間
カウントを夫々0にリセットし、リターンとなる。
トラップ触媒20bを配置し、その下流側にDPF21
aを配置した上で、再生時期に、NOxトラップ触媒2
0bに流入する排気の空燃比をリッチにすると共に、D
PF21aの上流側排気通路に空気を供給してDPF2
1aに流入する排気の空燃比をリーンにすることで、N
Oxトラップ触媒20bの再生とDPF21aの再生と
いう2種類の再生操作を夫々個別に行わずに同時に行え
るので、再生に費やされるエネルギーが大幅に低減し、
燃費悪化への影響を最小限にすることができる。
プ触媒20bに流入する排気の空燃比をリッチにする
際、排気の温度を制御して、DPF21aの入口の排気
温度をDPF21aの再生が可能な温度(PMの燃焼可
能な温度)にすることで、DPF21aの再生を確実な
ものとすることができる。また、本実施形態によれば、
NOxトラップ触媒21bの上流側排気通路に配置さ
れ、流入する排気成分を酸化する酸化触媒20aを備え
ることで、酸化触媒20aの酸化熱を利用できるため、
すなわち、排気空燃比のリッチ化のため、エンジンから
未燃のまま排出されるHC、COを増加させたときに、
O2との触媒反応によって燃焼してさらに温度が上昇す
るため、排気の温度を制御する際に、この排気温度を低
く抑えることができ、これにより再生に費やすエネルギ
ー消費を低下させて、燃費悪化への影響を最小限にする
ことができる。そして理論混合比よりもリッチな状態で
エンジンを燃焼させたのと同じ、O2をほとんど含ま
ず、還元剤としての未燃成分を多く含んだ状態で、高温
の排気がNOxトラップ触媒20bに流入する結果、N
Oxトラップ触媒20bの再生も促進される。
に触媒を担持させて酸化機能を持たせることで、DPF
21aの再生が可能な温度(PMの燃焼可能な温度)を
450℃程度に低下させることができるため、排気の温
度を制御する際に、この排気温度を低く抑えることがで
き(特にNOxトラップ触媒の上流側に酸化触媒を備え
るものとの組み合わせでは、250℃程度に低下させる
ことができ)、これにより再生に費やすエネルギー消費
を低下させて、燃費悪化への影響を最小限にすることが
できると共に、DPF21aの再生をより確実なものと
することができる。
プ触媒20bに流入する排気の空燃比をリッチにするた
め、ポスト噴射を行うようにしたので、ポスト噴射の可
能な燃料噴射装置(コモンレール式の燃料噴射装置)を
備えていれば実施でき、特別な装置を設ける必要がな
い。また、本実施形態によれば、ポスト噴射の噴射量、
噴射期間、噴射開始時期、及び、空気供給の空気量のう
ち少なくとも1つを運転状態(エンジン負荷、エンジン
回転数)に応じて設定するので、運転状態に適した排気
空燃比のリッチ化、リーン化が可能となる。
の上流側排気通路に空気を供給するための空気導入通路
8が、過給機の吸気コンプレッサ2b下流側の吸気通路
2に連通するため、吸気コンプレッサ2bの過給圧を利
用して、排気通路へ空気を確実に供給することが可能と
なり、空気供給用に電動式エアポンプ等を設けることな
く実施可能となる。
する。近年のディーゼルエンジンは、電子制御によるE
GRや燃料噴射の制御技術、過給機の装着、あるいはコ
モンレール式燃料噴射装置等の技術が採用されており、
排気の清浄化や燃費の向上が格段に進んでいるため燃焼
効率の向上に伴ってその排気温度特性は低下傾向であ
る。
エンジンの運転領域が図10に示すようなA1からA3
の領域に区分されることになる。 〔領域A1〕運転頻度の高い常用運転領域であってほと
んどの領域は250℃以下の低排温で運転される。ま
た、近年のディーゼルエンジンでは、この領域ではEG
RによってNOxが低減されている。
特性を向上させることに重点が置かれている領域であっ
て、近年のディーゼルエンジンでは過給機が装着された
り、4弁化技術等の採用によって空気充填率が高められ
ている。また、EGRは少なく、かつ高負荷では停止さ
れる。そして当然ながら領域A1に比べて排気温度も高
い。
にトルクを高めることに重点が置かれている領域であっ
て、スモークが目視できないレベル以下の範囲で許容さ
れる最大の燃料をエンジンに供給している。一般的に低
回転では空気充填効率が比較的低く、過給機の効率も比
較的低い。領域A2と同様に高負荷ではEGRが停止さ
れ、排気温度は比較的高めである。
ム再生制御ルーチン)では、後処理システムの再生のた
めの排気空燃比のリッチ化は運転領域によらずポスト噴
射で行うようにした。但し、前述したように、領域A1
は負荷の低い常用運転領域であって、EGRが行われて
いても空気過剰率は比較的大きい(λ=3〜5程度)。
このような負荷の低い運転領域でポスト噴射を行って排
気空燃比をリッチ化するためには、主噴射燃料の2倍か
ら4倍の量の燃料をポスト噴射する必要があり、短時間
(時間比率で1〜2%程度)であっても燃費悪化率は大
きくなる。
リッチ化を補助するためにEGRの強化(吸気絞り弁開
度の減少、EGR弁開度の増大)を併用してポスト噴射
を行うのが望ましく、吸気絞りによる吸気量の減少によ
る排気温度上昇や触媒を通過するガス量の低下(SV比
の低下)によって、NOxの放出・還元反応が向上す
る。
圧縮着火が成立する範囲(失火を招かない程度のEGR
強化)で実施するのが望ましく、この程度のEGR強化
なら領域A1は空気過剰率が大きいので、カーボンを主
成分とするドライスートは増加せず、HCやCO等の触
媒で処理できるガス成分が増加するため、後処理を行う
上で好都合である。
領域であって空気過剰率も比較的小さい(λ=1.5〜
3程度)。したがってポスト噴射を行って排気空燃比を
リッチ化するのに必要なポスト噴射量は、主噴射燃料の
0.5倍から多くても2倍の程度の量の燃料を噴射する
ことで対応できるため、燃費悪化率は比較的小さくて済
む。
EGRを行うとカーボンを主成分とするドライスート
(スモーク)が激増し、後処理システムを再生したいの
に逆に再生中にDPFの目詰まりを引き起こすことにな
る。したがって、領域A2やA3ではポスト噴射によっ
て排気空燃比をリッチ化することが好適である。そこ
で、本発明の第2実施形態では、運転状態(領域A1
と、領域A2、A3)に応じて、再生制御(空燃比リッ
チ化)の方法を変更する。
形態(図1)と同じである。但し、第2実施形態では、
主噴射の後に少量の燃料を噴射するポスト噴射の可能な
コモンレール式の燃料噴射装置10に加え、吸気絞り弁
7及びEGR弁5が、NOxトラップ触媒20bに流入
する排気の空燃比を制御可能な空燃比制御装置を構成す
る。
のフロー(第1実施形態と共通)と、図7のフローに代
えて実行される図8のフローとからなる。図8は第2実
施形態での後処理システムの再生制御に関するサブルー
チンであり、図2のメインルーチンのステップ700に
て、図7のサブルーチンに代えて、実行される。尚、図
8において、図7と同様の機能部分については、その説
明を簡略に行う。
おいて、ステップ711では、後処理システムの所定の
再生操作が終了したか否かを、指標値である時間経過か
ら判定する。ステップ711での判定でNOであって再
生が終了していない場合には、ステップ712に進む。
る。すなわち、エンジン回転数Neと主燃料噴射量(負
荷)Qmainとに基づいて、図10に示すような領域A1
の常用運転領域であるか、それ以外の運転領域(領域A
2、A3)であるかを判定する。そして、領域A1の常
用運転領域であればステップ713に進む。ステップ7
13では、排気空燃比のリッチ化を補助するためのEG
R強化のデータ(吸気絞り弁7とEGR弁5の駆動信
号)を、エンジン回転数Neと主燃料噴射量(負荷)Q
mainとを運転状態のパラメータとして、コントロールユ
ニット30内のROMに予め記憶されている所定のマッ
プを検索して求める。そして、ステップ714に進み、
吸気絞り弁7及びEGR弁5を夫々の駆動信号に基づい
て駆動制御して、排気空燃比のリッチ化を補助するため
のEGRの強化を行い、ステップ715に進む。
Oxトラップ触媒20bを再生(排気空燃比をリッチ
化)するためのポスト噴射のデータ(ポスト噴射量Qpo
st1 、ポスト噴射期間Pperiod1 、ポスト噴射開始時期
Pstart1)を、所定のマップから検索して求める。そし
て、ステップ716に進み、ポスト噴射量Qpost1 が供
給されるように、ポスト噴射開始時期Pstart1よりPpe
riod1 の期間、ポスト噴射すべき気筒の燃料噴射弁15
を開弁駆動する。
ップ触媒20bの入口部(酸化触媒20aの出口部)の
排温センサ36の信号(T1)に基づいてポスト噴射
(Qpost1 )のフィードバック制御を行う。ステップ7
17で後処理システムの再生に必要な基本排気条件を確
保した後は、ステップ718に進む。
PF21aを再生(DPF21aに流入する排気空燃比
をリーン化)するための空気供給に関するデータ、すな
わち、DPF21aに供給する空気量Qair1を、所定の
マップから検索して求める。そして、ステップ719に
進み、空気量Qair1が供給されるように、開閉弁9を開
弁駆動する。
aの入口部の排温センサ37の信号(T2)と酸素濃度
センサ38の信号(O2)とに基づいて、空気供給(Q
air1)のフィードバック制御を行い、領域A1において
DPF21aの再生を行うのに適した排気条件を確保
し、リターンとなる。ステップ712での判定で常用運
転領域でない場合(領域A2、A3の場合)は、EGR
強化は行わず、ステップ721に進む。
いてNOxトラップ触媒20bを再生(排気空燃比をリ
ッチ化)するためのポスト噴射のデータ(ポスト噴射量
Qpost2 、ポスト噴射期間Pperiod2 、ポスト噴射開始
時期Pstart2)を、所定のマップから検索して求める。
そして、ステップ722に進み、ポスト噴射量Qpost2
が供給されるように、ポスト噴射開始時期Pstart2より
Pperiod2 の期間、ポスト噴射すべき気筒の燃料噴射弁
15を開弁駆動する。
ップ触媒20bの入口部(酸化触媒20aの出口部)の
排温センサ36の信号(T1)に基づいてポスト噴射
(Qpost2 )のフィードバック制御を行う。ステップ7
23で後処理システムの再生に必要な基本排気条件を確
保した後は、ステップ724に進む。
いてDPF21aを再生(DPF21aに流入する排気
空燃比をリーン化)するための空気供給に関するデー
タ、すなわち、DPF21aに供給する空気量Qair2
を、所定のマップから検索して求める。そして、ステッ
プ725に進み、空気量Qair2が供給されるように、開
閉弁9を開弁駆動する。
aの入口部の排温センサ37の信号(T2)と酸素濃度
センサ38の信号(O2)とに基づいて、空気供給(Q
air2)のフィードバック制御を行い、領域A2、A3に
おいてDPF21aの再生を行うのに適した排気条件を
確保し、リターンとなる。ステップ711での判定でY
ESとなって、所定の再生操作が終了したと判定された
場合は、ステップ727に進む。ステップ727では、
後処理システムの再生制御の初期化を行う。つまりポス
ト噴射を停止し、EGR強化を停止し、空気供給を停止
し、再生中フラグ、NOxトラップ量積算値、再生時間
カウントを夫々0にリセットし、リターンとなる。
触媒に流入する排気の空燃比をリッチにするため、運転
状態に応じて、低負荷(低負荷低回転)のとき、吸気絞
り弁開度の減少、及び、EGR弁開度の増大のうち、少
なくとも一方(EGR強化)を行うと共に、ポスト噴射
を行い、高負荷(高負荷高回転、あるいは中負荷中回転
以上)のとき、ポスト噴射のみを行うので、ポスト噴射
可能な燃料噴射装置(コモンレール式の燃料噴射装
置)、吸気絞り弁、EGR弁を備えていれば実施でき、
特別な装置を設ける必要はないばかりか、エンジンの運
転状態に適した方法で、排気空燃比をリッチ化でき、再
生に費やすエネルギー消費をさらに節約することができ
るので、燃費悪化への影響をさらに少なくすることがで
きる。
噴射量、噴射期間、噴射開始時期、及び、空気供給の空
気量のうち少なくとも1つを運転状態(エンジン負荷、
エンジン回転数)に応じて設定し、特にEGR強化領域
とそれ以外の領域とで別々に設定するので、運転状態に
適したポスト噴射、空気供給の設定が可能となり、無駄
がなく、高い効率で後処理システムの再生が行える。
ンに適用した場合について説明してきたが、本発明の排
気浄化装置は直列配置のエンジンだけでなく、V型配置
の6気筒や8気筒エンジンにも適用できる。また、実施
形態は過給機付きエンジンの例で示しているが、自然吸
気のエンジンであってもよい。但し、自然吸気のエンジ
ンの場合は、排気系への空気供給を行う場合に、吸気コ
ンプレッサの過給圧を利用できないので、空気供給用に
電動式エアポンプ等を備えるのが望ましい。
理システムの構成図
ート
ーチャート
ーチンのフローチャート
ーチンのフローチャート
噴射量の特性図
Claims (8)
- 【請求項1】機関の排気通路に配置され、流入する排気
の空燃比がリーンのときNOxをトラップし、流入する
排気の空燃比がリッチのときトラップしたNOxを還元
浄化するNOxトラップ触媒と、 前記NOxトラップ触媒の下流側排気通路に配置され、
流入する排気中のPMをトラップするPMトラップと、 前記NOxトラップ触媒に流入する排気の空燃比を制御
可能な空燃比制御装置と、 前記PMトラップの上流側排気通路に空気を供給可能な
空気供給装置と、 前記NOxトラップ触媒の再生時期を判断する再生時期
判断手段と、 前記NOxトラップ触媒の再生時期に、前記空燃比制御
装置により、前記NOxトラップ触媒に流入する排気の
空燃比をリッチにすると共に、前記空気供給装置によ
り、前記PMトラップの上流側排気通路に空気を供給し
て前記PMトラップに流入する排気の空燃比をリーンに
する再生制御手段と、 を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項2】前記再生制御手段は、前記NOxトラップ
触媒に流入する排気の空燃比をリッチにする際、排気の
温度を制御して、前記PMトラップ入口の排気温度を前
記PMトラップの再生が可能な温度にすることを特徴と
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NOxトラップ触媒の上流側排気通路
に配置され、流入する排気成分を酸化する酸化触媒を備
えることを特徴とする請求項2記載の内燃機関の排気浄
化装置。 - 【請求項4】前記PMトラップは、酸化機能を有するこ
とを特徴とする請求項2又は請求項3記載の内燃機関の
排気浄化装置。 - 【請求項5】前記空燃比制御装置は、主噴射の後に少量
の燃料を噴射するポスト噴射の可能な燃料噴射装置を備
え、 前記再生制御手段は、前記NOxトラップ触媒に流入す
る排気の空燃比をリッチにするため、ポスト噴射を行う
ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに
記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項6】前記空燃比制御装置は、主噴射の後に少量
の燃料を噴射するポスト噴射の可能な燃料噴射装置と、
吸気量を制御可能な吸気絞り弁と、吸気通路への排気還
流量を制御可能なEGR弁とを備え、 前記再生制御手段は、前記NOxトラップ触媒に流入す
る排気の空燃比をリッチにするため、運転状態に応じ
て、低負荷のとき、吸気絞り弁開度の減少、及び、EG
R弁開度の増大のうち、少なくとも一方を行うと共に、
ポスト噴射を行い、高負荷のとき、ポスト噴射のみを行
うことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つ
に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項7】前記再生制御手段は、前記ポスト噴射の噴
射量、噴射期間、噴射開始時期、及び、前記空気供給の
空気量のうち、少なくとも1つを運転状態に応じて設定
することを特徴とする請求項5又は請求項6記載の内燃
機関の排気浄化装置。 - 【請求項8】前記空気供給装置は、前記PMトラップの
上流側排気通路に空気を供給するための空気導入通路
が、吸気コンプレッサ下流側の吸気通路に連通すること
を特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載
の内燃機関の排気浄化装置。
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