JP2004245046A

JP2004245046A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004245046A
Application number: JP2003032474A
Authority: JP
Inventors: Yasuhisa Kitahara; 靖久北原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】内燃機関のＮＯｘトラップ触媒の再生性能を向上する。
【解決手段】ＮＯｘトラップ触媒にトラップしたＮＯｘを空燃比をリッチ化制御（リッチスパイク制御）して浄化し、触媒を再生するときに、触媒を通過する排気流量が多すぎるＮＯｘ浄化反応時間が短くなって良好な再生効率が得られない。そこで、本発明では排気流量が多い条件で、特に高回転高負荷条件でＥＧＲ量を多くして新気量を減少し、触媒を通過するガス量を減少することによりＮＯｘ浄化率を高め、触媒再生効率を向上する。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気中のＮＯｘをリーン雰囲気で保持し、リッチ雰囲気で保持していたＮＯｘを浄化して再生するＮＯｘトラップ触媒を有する内燃機関におけるＮＯｘトラップ触媒の再生技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記ＮＯｘトラップ触媒を再生する技術として、混合気を一時的にリッチ化するいわゆるリッチスパイク制御を行うに際し、単に燃料噴射量を増量するのではなく、基本的にスロットル開度を小さくして新気量を低減させることにより空燃比を低減（リッチ化）させるようにしたものがある。これにより、ＮＯｘの還元が実行されて再生を行えると共に、燃料噴射量の増量を抑えられるため、トルクが急激に増大してしまうことがなく、また、点火時期の遅角を行う必要もない（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１８４４１８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このものでもリッチスパイク制御時には機関の燃焼室から還元剤（ＨＣ，ＣＯ）が供給されるが、触媒でトラップしたＮＯｘを還元処理するためには反応時間がある程度は必要である。特に、高回転高負荷条件のように触媒を流れるガス量が多いときにおいてもリッチスパイク制御を行うと、ガス流速が大きいため触媒での反応時間が稼げずに、ＮＯｘを浄化しきれないばかりか、還元剤として供給したＨＣ，ＣＯの処理もままならないという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、ＮＯｘトラップ触媒に流れるガス流量を適度に制限することにより、触媒の再生効率を確保できるようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、ＮＯｘトラップ触媒の再生時に、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ浄化率により規定される上限の新気量を超えないように新気量を補正する構成とした。
【０００７】
このようにすれば、ＮＯｘトラップ触媒の再生時に触媒での反応が確実に行われるように、触媒を通過するガス量を制限することができ、以って触媒の機能を十分に活かしてＮＯｘトラップ触媒の再生を効率よく行え、ひいては排気浄化性能を向上することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るディーゼルエンジン（内燃機関）の排気浄化装置のシステム構成を示す。
【０００９】
このディーゼルエンジン１は、いわゆるコモンレール式燃料噴射装置を備え、高圧燃料ポンプ２によって所定圧力に加圧された燃料は、コモンレール３に導入され、該コモンレール３を介して、各気筒の燃料噴射ノズル４に供給される。
【００１０】
また、このディーゼルエンジン１は、可変ノズル型のターボ過給機５を備え、排気通路６にタービンが、吸気通路７にコンプレッサが、それぞれ配置されるとともに、前記吸気通路７のコンプレッサ下流に、インタークーラー８を備え、該インタークーラー８下流には、吸気絞り弁９を備える。前記ターボ過給機５の可変ノズルのノズル開度は、図示しないセンサによって検出され、ノズル開度信号として前記コントロールユニット１０に入力される。
【００１１】
前記排気通路６のタービン下流側には、貴金属を担持した酸化機能を有するＮＯｘトラップ触媒１１が介装され、その下流側に排気温度を測定する温度センサ１２と、排気の空燃比を測定する空燃比センサ１３を備える。前記温度センサ１２は、このように下流の排気温度を測定することで間接的にＮＯｘトラップ触媒１１の温度を測定してもよいが、ＮＯｘトラップ触媒１１の内部に設置して直接測定するようにしてもよい。また、図示はしていないが、ＮＯｘトラップ触媒１１の上流に温度センサを設置して、触媒上流の排気温度から間接的に触媒温度を測定することもできる。
【００１２】
また、このディーゼルエンジン１は、排気還流装置を備える。すなわち、排気通路６の前記ターボ過給機５のタービン下流と吸気通路７との間にＥＧＲ通路１４を備え、該ＥＧＲ通路１４にＥＧＲバルブ１５が介装されている。このＥＧＲバルブ１５の開度は、前記コントロールユニット１０が出力するＥＧＲバルブ制御信号によって制御される。なお、大量ＥＧＲを行ってもターボ過給機５の過渡応答性に問題が無ければ、排気還流取り出しはタービン上流でも構わない。
【００１３】
さらに、前記ディーゼルエンジン１は、クランク角を検出するクランク角センサ１６と、運転者により操作されるアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１７と、吸入空気量を検出するエアフロメータ１８と、を備え、これらの検出信号も前記コントロールユニット１０に入力されている。なお。前記クランク角センサ１６により、検出されるクランク角によりエンジン回転速度Ｎｅを検出できる。
【００１４】
かかるシステム構成において、本発明に係る構成として、前記ＮＯｘトラップ触媒１１の再生時の制御を以下のように実行する。
図２、図３は、上記ＮＯｘトラップ触媒再生制御のフローを示す。
【００１５】
図２において、ステップ（図ではＳと記す。以下同様）１では、前記クランク角センサ１６、アクセル開度センサ１７、エアフロメータ１８等に基づいて求められるエンジンの運転状態、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン負荷、吸入空気量Ｑａを読みこむ。
【００１６】
ステップ２では、ＮＯｘトラップ触媒１１に堆積（トラップ）されたＮＯｘの量を算出する。例えば特許公報２６００４９２号の６頁に記載されているＮＯｘ吸着量の計算のように、エンジン回転速度の積算値から推測することとしてもよいし、所定の距離や時間を走行する毎に所定量ずつＮＯｘ吸着量を加算していく方法でもよい。
【００１７】
ステップ３では、高ＳＶ条件でのリッチスパイク制御（以下Ｒ／Ｓ制御という）モードであるかを判定する。ここで、ＳＶとは空間速度であり、ＮＯｘトラップ触媒１１のガス通過量を触媒容量で割った値として算出される。図４に示すように、ＳＶが所定の値以上になると触媒での反応時間が短くなるので、と触媒の浄化性能は低下する。このＳＶ値が所定値ＳＶ０以上のときを前記高ＳＶ条件としてあり、後述するように該高ＳＶ条件下でのＲ／Ｓ制御モードの場合はｓｐ１フラグが立っており、その場合は、ステップＳ１１以降のフローに移行する。
【００１８】
ステップ３でｓｐ１フラグが立っていないときは、ステップ４へ進んでＳＶ値が前記所定値ＳＶ０未満の低ＳＶ条件でのＲ／Ｓ制御モードであるかを判定する。低ＳＶ条件下でのＲ／Ｓ制御モードの場合は、ｓｐ２フラグが立っているのでＳ１６以降のフローに移行する。
【００１９】
ステップ４でｓｐ２フラグが立っていないときは、ステップ５へ進んでＮＯｘトラップ触媒１１に吸着したＮＯｘの量が所定の量ＮＯｘ１に達して再生時期になったかを判定する。
【００２０】
所定の量ＮＯｘ１が吸着されて、ＮＯｘトラップ触媒１１の再生が必要と判定された場合は、ステップ６以降でＮＯｘ再生フラグを立てて、ＮＯｘトラップ触媒１１の再生処理を実行する。
【００２１】
ステップ６では、吸入空気量と運転条件から、ＳＶ値が所定の値ＳＶ０より大きいかを判定する。既述したように、ＳＶが所定の値以上になると触媒の浄化性能は低下するので、ＳＶ値が目標のＮＯｘ浄化性能つまりＮＯｘトラップ触媒１１の再生性能を下回ってしまうＳＶ０を超えているかを判定する。
【００２２】
ステップ６で、ＳＶ値がＳＶ０を超えていると判定されたときは、ＳＶ値が高すぎて良好な再生機能が得られないので、ステップ７へ進んでｓｐ１のフラグを立てて、高ＳＶ時のＲ／Ｓ制御に移行する。
【００２３】
一方、ステップ６で、ＳＶ値がＳＶ０を超えていないと判定されたときは、そのままのＳＶ値で良好な再生機能が得られるので、ステップ８へ進んでｓｐ２のフラグを立てて、低ＳＶ時のＲ／Ｓ制御に移行する。
【００２４】
次に、ステップ１１以降に進んで実行される高ＳＶ条件でのＲ／Ｓ制御について説明する。
ステップ１１では、エンジン回転速度Ｎｅが所定値Ｎｅ１より大きい高回転条件かを判定する。
【００２５】
ステップ１２では、燃料噴射量ｑが所定値ｑ１より小さい低負荷条件かを判定する。
高回転低負荷条件で、大量ＥＧＲ下でリッチ運転を行うと、燃焼の安定が悪いことから、図６の特性マップに示すように高回転低負荷条件ではＲ／Ｓ制御モード時にＳＶが上限を超えてしまっても、ＥＧＲを禁止する設定とする。
【００２６】
したがって、ステップ１１，１２が共に成立（ＹＥＳ）した高回転低負荷条件では高ＳＶ条件であっても図７に示すＥＧＲ禁止領域であることから、ステップ１３へ進んでＥＧＲを禁止する。
【００２７】
ステップ１４では新気量を図５に示す特性マップで求めた所定の値にして、ＥＧＲを行わずにＲ／Ｓ制御を行う。具体的には、エアフロメータ１８によって吸入空気量を検出しつつ前記吸気絞り弁９の絞り制御とターボ過給機５の可変ノズルのノズル開度制御との少なくとも一方によって新気量（吸入空気量）の制御を行い、かつ、燃料噴射量をリッチスパイク状にフィードフォワード制御する（簡易的にはエアフロメータを省略して新気量をフィードフォワード制御してもよい）。
【００２８】
あるいは、ＮＯｘトラップ触媒１１下流の空燃比センサ１３の値が目標の空燃比になるように新気量と燃料噴射量をフィードバック制御するようにしてもよい。
【００２９】
なお、図５に示すように、目標吸入空気量は低負荷条件では小に設定され、かかる低負荷条件では主として吸気絞り制御によってＳＶを小さくしてＮＯｘトラップ触媒１１の再生効率を高めることになり、一方、高回転高負荷条件（＝高ＳＶ条件）では吸入空気量は確保され、後述する図６の特性で主としてＥＧＲによりＮＯｘトラップ触媒１１の再生効率を高めることになる。
【００３０】
ステップ１５では、前記ＥＧＲを禁止する所定の高回転低負荷条件ではない高ＳＶ条件であるので、図６のマップに示す高ＳＶ条件用の目標ＥＧＲ量（目標ＥＧＲバルブリフト量）に設定して、ＥＧＲバルブ１５の開度を制御しつつ排気空燃比を目標空燃比λ１に設定し、該目標空燃比λ１となるように制御する。すなわち、主としてＥＧＲによって、新気量をＥＧＲ分減少制御しつつ空燃比をリッチ化する。ここで、図７に示すように、新気量補正のためのＥＧＲ量は、高回転ほど、また、高負荷ほど多くしてＳＶの増加を制限できるように設定されている。
【００３１】
このようにすれば、ＥＧＲガスはＮＯｘトラップ触媒１１の上流側から取り出されるので、ＮＯｘトラップ触媒１１に流れるガス流量が減少し、ＳＶ値を減少できるのでＮＯｘトラップ触媒１１でＮＯｘを十分に還元浄化反応させて効率良く再生することができ、ひいては長期的に排気浄化性能を向上させることができる。
【００３２】
また、新気量を減少しつつ空燃比のリッチ制御を行うことで、燃料噴射量の増量を少なくすることができ、Ｒ／Ｓ制御時のトルクショックを軽減でき運転性も改善される。
【００３３】
次に、ステップ１６に進んで実行される低ＳＶ条件でのＲ／Ｓ制御について説明する。
ステップ１６では、新気量を図５に示す特性マップで求めた所定の値にするとともに、図７のマップに示す低ＳＶ条件用の目標ＥＧＲ量（目標ＥＧＲバルブリフト量）に設定して、ＥＧＲバルブ１５の開度を制御してＥＧＲ制御を行いつつＲ／Ｓ制御を行う。その際ＮＯｘトラップ触媒１１下流の空燃比センサ１３の値が目標空燃比λになるように新気量と燃料噴射量をフィードバック制御するようにしてもよい。
【００３４】
低ＳＶ条件では、ＮＯｘトラップ触媒１１のＮＯｘ還元浄化性能は、十分に確保されるので、本来のエンジン燃焼室からのＮＯｘ量を低減するように設定された目標ＥＧＲ量に従ってＥＧＲ制御を行う。
【００３５】
以上のようにして、高ＳＶ条件または低ＳＶ条件でそれぞれのＲ／Ｓ制御を行いつつステップ１７へ進む。
ステップ１７では、リッチスパイク状態の経過時間が所定の時間過ぎたかを判定する。
【００３６】
ステップ１８では、所定の時間を経過したのでＮＯｘトラップ触媒１１へのＮＯｘ堆積量を０にリセットする。
これにより、この回のＲ／Ｓ制御を終了する。
【００３７】
なお、本実施形態においては、ターボ過給機５のタービン下流で、かつＮＯｘトラップ触媒１１の上流にＥＧＲガスの取り出し口を設けたので、ターボ過給機５のタービンを通過するガス量は確保し、ターボ過給機５を通過した後にＥＧＲガスを吸気系に戻すことで、運転性と高回転高負荷時のエミッションの両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示す図。
【図２】同上実施形態によるＲ／Ｓ制御の前段を示すフローチャート。
【図３】同上実施形態によるＲ／Ｓ制御の後段を示すフローチャート。
【図４】空間速度ＳＶとＮＯｘ浄化率との関係を示す図。
【図５】Ｒ／Ｓ制御中の目標吸入空気量ｔＱを設定した特性マップ。
【図６】高ＳＶ条件での目標ＥＧＲ量ｔＥＧＲを設定した特性マップ。
【図７】低ＳＶ条件での目標ＥＧＲ量ｔＥＧＲを設定した特性マップ。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン
３コモンレール
４燃料噴射ノズル
５ターボ過給機
６排気通路
７吸気通路
９吸気絞り弁
１０コントロールユニット
１１ＮＯｘトラップ触媒
１３空燃比センサ
１４ＥＧＲ通路
１５ＥＧＲバルブ
１６クランク角センサ
１７アクセル開度センサ
１８エアフロメータ
１７アクセル開度センサ

Claims

排気中のＮＯｘをリーン雰囲気で保持し、リッチ雰囲気で保持していたＮＯｘを浄化して再生するＮＯｘトラップ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘトラップ触媒を再生するときに、機関に供給される新気量が、該ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ浄化率により規定される上限の新気量を超えないように補正することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記新気量の補正を、前記ＮＯｘトラップ触媒を通過するガス量を該触媒の容量で割った空間速度値に基づいて行うことを特徴とする請求項１に内燃機関の排気浄化装置。
前記新気量の補正を、主にＥＧＲによって行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の運転条件が所定の負荷より小さい場合、新気量の補正は主に吸気絞りによって行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
所定の高回転低負荷時は、ＥＧＲを禁止することを特徴とする請求項３〜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。
前記所定の高回転低負荷時は、ＥＧＲを禁止するともに、供給燃料量を増量してリッチとするリッチスパイク制御を行うか、又はＮＯｘトラップ触媒下流の排気空燃比が所定の空燃比となるように吸入空気量と供給燃料量の少なくとも一方をフィードバック制御することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記ＮＯｘトラップ触媒を通過するガス量を該触媒の容量で割った空間速度値が所定値以上の条件では、前記所定の高回転低負荷時を除き、高回転ほど、また、高負荷ほどＥＧＲ量を多くすることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記ＮＯｘトラップ触媒を通過するガス量を該触媒の容量で割った空間速度値が所定値未満の条件では、ＥＧＲを行うとともに、供給燃料量を増量してリッチとするリッチスパイク制御を行うか、又はＮＯｘトラップ触媒下流の排気空燃比が所定の空燃比となるように吸入空気量と供給燃料量の少なくとも一方をフィードバック制御することを特徴とする請求項２〜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。
高回転ほど、また、高負荷ほど多くなるように設定されたＮＯｘトラップ触媒再生時の目標吸入空気量となるように吸入空気量を制御することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
ターボ過給機のタービン下流で、かつＮＯｘトラップ触媒の上流にＥＧＲガスの取り出し口があることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。