JP2005076509A

JP2005076509A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2005076509A
Application number: JP2003306778A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Onodera; 仁小野寺; Hiroaki Kaneko; 浩昭金子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】排気通路にＮＯｘトラップ触媒を具備する場合に、ＮＯｘトラップ触媒の状態に応じて、ＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘをトラップさせる際の運転条件を最適化する。
【解決手段】ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘのトラップ容量と、ＮＯｘのトラップ速度とをそれぞれ推定する（１０２、１０３）。推定されたトラップ容量及びトラップ速度に基づいて、ＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘをトラップさせる際の運転条件を算定し、その算定条件に従って機関運転手段を操作する（２０１、２０２）。例えば、トラップ容量は大きいが、トラップ速度が遅いときには、ＮＯｘトラップ触媒に流入する還元ガス成分の濃度を下げる運転条件を算定し、操作する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特にＮＯｘトラップ触媒を具備するものに関する。

内燃機関の排気浄化装置として、特許文献１に示されるように、排気通路に、ＮＯｘトラップ触媒を配置することが知られており、ＮＯｘトラップ触媒は、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップするが、そのトラップ能力には限界があるので、ＮＯｘトラップ量を推定し、これが閾値に達した場合には、ＮＯｘトラップ触媒の再生のため、排気空燃比をストイキないしリッチに切換えて、トラップしたＮＯｘを脱離浄化させている。

ＮＯｘトラップ量の推定方法としては、機関運転条件に応じて算出される単位時間当たりのＮＯｘトラップ量を積算する方法（特許文献１参照）の他、例えば、ＮＯｘトラップ触媒の前後にＮＯｘセンサを設けて、これらのセンサの出力信号に基づいて、触媒前後のＮＯｘ濃度（又はＮＯｘ量）の差を求め、この差の積分値からＮＯｘトラップ量を算出する方法などがある。

いずれにしても、算出したＮＯｘトラップ量に基づいて、ＮＯｘトラップ触媒を再生（トラップしたＮＯｘを脱離浄化）するタイミングを判定し、再生を実施している。
特開平７−２７９７１８号公報

しかしながら、実際の機関運転において、ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度と排気温度は、機関の回転、負荷や排圧に応じて常に変化する。
ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘのトラップ容量は排気中のＮＯｘ濃度や排気温度によって変化するので、ＮＯｘトラップ触媒のトラップ容量も機関の運転状態と共に常に変化している。

また、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘのトラップ速度も排気中のＮＯｘ濃度や排気温度によって変化するので、機関の運転状態と共に常に変化している。
よって、従来のようなＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ量を推定する方法では、ＮＯｘトラップ触媒の機能状態を正しく検知又は推定することはできず、ＮＯｘトラップ触媒の機能状態に基づいたＮＯｘトラップ環境を設定することができない。

例えば、運転状態の変化によって、ＮＯｘトラップ触媒が流入するＮＯｘをトラップできない、あるいはトラップする量が少ない状態になったとき、ＮＯｘトラップ触媒が流入するＮＯｘをトラップできるだけのトラップ容量がないからか、あるいはトラップ速度が遅いからか、どうかを、ＮＯｘトラップ量のみで判断するのは困難であり、結果として、例えばＮＯｘトラップ触媒は十分なトラップ容量があり、トラップ速度が遅いだけであるにも関わらず、数多く再生を実施して、排気性能の悪化、又は燃費の悪化を招くという問題を生じる。

そこで、本発明は、上記の問題点を解決すべくなしたものである。

本発明では、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘのトラップ容量と、ＮＯｘのトラップ速度とをそれぞれ推定し、推定されたトラップ容量及びトラップ速度に基づいて、ＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘをトラップさせる際の運転条件を算定し、その算定条件に従って機関運転手段を操作する構成とする。

本発明によれば、機関運転中において、ＮＯｘのトラップ容量とＮＯｘのトラップ速度とを常に推定することで、機関運転におけるＮＯｘトラップ触媒の状態を精度良く推定できるようになり、その状態に合わせて、ＮＯｘをトラップさせる際の運転条件を算定し、その算定条件に従って機関運転手段を操作するので、ＮＯｘトラップ触媒の性能を十分に利用できるようになる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置を備えたディーゼル機関のシステム構成図であり、このディーゼル機関は軽油を燃料としている。
図１において、１はディーゼル機関（以下エンジンという）を示し、３はこのエンジン１の排気通路を示す。

エンジン１の排気通路３の上流側部分を構成する排気出口通路３ａは、過給機のタービン３ｂに接続されており、その下流に、ケーシングに収納させたＮＯｘトラップ触媒２０が直列に配置されている。上記ＮＯｘトラップ触媒２０の入口部には、空燃比検出手段となる空燃比センサ３７が設けられている。この空燃比センサ３７は、例えば、酸素イオン伝導性固体電解質を用いて、排気中の酸素濃度を検出し、酸素濃度から空燃比を求める。

上記ＮＯｘトラップ触媒２０は、流入する排気の空燃比がリーンであるときにＮＯｘをトラップ（吸着又は吸収）し、流入する排気の酸素濃度を低下させると、トラップしていたＮＯｘを放出して浄化処理する機能を有している。そして、ＮＯｘトラップ触媒２０の出口部には、ＮＯｘ濃度検出手段となるＮＯｘセンサ３８が設けられている。
排気還流装置として、吸気通路２の吸気コレクタ２ｃと排気出口通路３ａとの間に、排気の一部を還流するためのＥＧＲ通路４が設けられており、ここに、ステッピングモータ等によって開度が連続的に制御可能なＥＧＲ弁５が介装されている。

吸気通路２は、上流位置にエアクリーナ２ａを備え、その出口側に、吸入空気量検出手段となるエアフローメータ７が設けられている。そして、エアフローメータ７の下流に、過給機のコンプレッサ２ｂが配置されていると共に、このコンプレッサ２ｂと吸気コレクタ２ｃとの間に、ステッピングモータ等によって開閉駆動される吸気絞り弁６が介装されている。

エンジン１の燃料供給系は、ディーゼル用燃料である軽油を蓄える燃料タンク６０と、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と、エンジン１の燃料噴射装置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と、を備えている。
このエンジン１の燃料噴射装置１０は、公知のコモンレール式燃料噴射装置であって、サプライポンプ１１と、コモンレール（蓄圧室）１４と、気筒毎に設けられた燃料噴射弁１５と、から大略構成され、サプライポンプ１１により加圧された燃料が燃料供給通路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内の高圧燃料が各気筒の燃料噴射弁１５に分配される。

上記コモンレール１４には、該コモンレール１４内の燃料の圧力及び温度を検出するために、圧力センサ３４及び温度センサ３５が設けられている。また、コモンレール１４内の燃料圧力を制御するために、サプライポンプ１１からの吐出燃料の一部が、一方向弁１８を具備したオーバーフロー通路１７を介して燃料供給通路１６に戻されるようになっている。詳しくは、オーバーフロー通路１７の流路面積を変える圧力制御弁１３が設けられており、この圧力制御弁１３がエンジン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の流路面積を変化させる。これにより、サプライポンプ１１からコモンレール１４への実質的な燃料吐出量が調整され、コモンレール１４内の燃料圧力が制御される。

燃料噴射弁１５は、エンジンコントロールユニット３０からのＯＮ−ＯＦＦ信号によって開閉される電磁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。そして、燃料噴射弁１５へ印加されるＯＮ信号の期間が長いほど燃料噴射量が多くなり、またコモンレール１４の燃料圧力が高いほど燃料噴射量が多くなる。

また、エンジン１の適宜位置には、エンジン１の温度を代表するものとして、冷却水温度を検出する水温センサ３１が取付けられている。
エンジンコントロールユニット３０には、吸入空気量を検出するエアフローメータ７の信号（Ｑａ）、水温センサ３１の信号（冷却水温度Ｔｗ）、クランク角度検出用クランク角センサ３２の信号（エンジン回転数Ｎｅの基礎となるクランク角度信号）、気筒判別用クランク角センサ３３の信号（気筒判別信号Ｃｙｌ）、コモンレール１４の燃料圧力を検出する圧力センサ３４の信号（コモンレール圧力ＰＣＲ）、燃料温度を検出する温度センサ３５の信号（燃料温度ＴＦ）、負荷に相当するアクセルペダルの踏込み量を検出するアクセル開度センサ３６の信号（アクセル開度（負荷）Ｌ）、空燃比センサ３７の信号（Ｏ２）、ＮＯｘセンサ３８の信号（ＮＯｘ）がそれぞれ入力される。これらの信号及び他の運転状態を検知する信号によってエンジン１の燃焼室内に供給される燃料噴射量、燃料噴射時期等が決定される。また、ＮＯｘトラップ触媒２０のＮＯｘトラップ容量やトラップ速度から再生のタイミングを決定する。

次に、本発明のフローチャートを図２に示す。本発明のフローは、ＮＯｘトラップ触媒状態推定部１００と、ＮＯｘ触媒環境制御部２００とからなる。
ＮＯｘトラップ触媒状態推定部１００は、エンジンの運転状態を読込み（ステップ１０１）、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ容量推定手段（ステップ１０２）と、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ速度速度推定手段（ステップ１０３）とにより、ＮＯｘトラップ容量（現時点でＮＯｘトラップ触媒がトラップ可能なＮＯｘの残量）及びＮＯｘトラップ速度（現時点でＮＯｘトラップ触媒が単位時間当たりにトラップ可能なＮＯｘ量）をそれぞれ推定した後、両推定手段における推定結果に基づいて、ＮＯｘトラップ触媒状態を判定する（ステップ１０４）。

一方、ＮＯｘ触媒環境制御部２００は、上記ＮＯｘトラップ触媒状態の判定（ステップ１０４）に基づいて、ＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘをトラップさせる際の機関運転条件を算定し（ステップ２０１）、その算定条件に従って機関運転手段を操作する（ステップ２０２）。
ＮＯｘトラップ触媒状態推定部１００の具体的な一例を図３に示す。

先ず、ステップ１でエンジンの各種信号を読込む。各種信号とは、ＮＯｘトラップ触媒のトラップ容量及びトラップ速度に対するパラメータを表している。
次に、ステップ２において、ＮＯｘトラップ触媒のトラップ容量を、またステップ３において、ＮＯｘトラップ触媒のトラップ速度を、それぞれ推定する。
トラップ容量推定手段は何ら限定するものではないが、本実施形態では、予め図１に示したエンジンコントロールユニット３０内に、機関回転数、負荷、及び還元ガス成分濃度のマップとして記憶されており、ステップ１にて読込んだ各種信号から推定している。

同様に、トラップ速度推定手段も何ら限定するものではない。ＮＯｘトラップ容量の推定と同様に、予め図１に示したエンジンコントロールユニット３０内に、機関回転数、負荷、及び還元ガス成分濃度のマップとして記憶しておき、ステップ１にて読込んだ各種信号から推定することもでき、別手段として、予め図１に示したエンジンコントロールユニット３０内に反応速度式を記憶しておき、ステップ１にて読込んだ各種信号から反応速度を算出してもよい。

そして、ステップ４において、ステップ２で推定されたトラップ容量及びステップ３で推定されたトラップ速度から、ＮＯｘトラップ触媒状態を判定する。判定方法としては、推定されたトラップ容量及びトラップ速度に対して、それぞれ、ある閾値、あるいは規定範囲を設け、その値によってＮＯｘトラップ触媒の機能状態及び環境条件を判定する。
そして、判定された状態に基づいて、ＮＯｘ触媒環境制御部２００にて、ＮＯｘトラップ触媒の環境の変更条件を決定し、変更条件を成立する運転に切換えるのである。

具体的には、ＮＯｘのトラップ容量が大きく、かつＮＯｘのトラップ速度が遅いときには、ＮＯｘトラップ触媒に流入する還元ガス成分の濃度を下げる運転条件を算定し、その算定条件に従って機関運転手段を操作する。
トラップ容量は大きいが、トラップ速度が遅いということは、ＮＯｘトラップ触媒がＮＯｘをトラップする機能は十分にあるのに、ＮＯｘをトラップできる環境にないということを意味している。従って、ＮＯｘトラップ触媒に流入する還元ガス成分の濃度を下げ、トラップできる排気成分の環境を成立させれば、本来機能するＮＯｘトラップ触媒のトラップ機能を利用することができる。

又は、ＮＯｘのトラップ容量が大きく、かつＮＯｘのトラップ速度が遅いときには、ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気温度を下げる運転条件を算定し、その算定条件に従って機関運転手段を操作する。
トラップ容量は大きいが、トラップ速度が遅いということは、ＮＯｘトラップ触媒がＮＯｘをトラップする機能は十分にあるのに、ＮＯｘをトラップできる環境にないということを意味している。従って、ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気温度を下げ、トラップできる温度環境を成立させれば、本来機能するＮＯｘトラップ触媒のトラップ機能を利用することができる。

また、ＮＯｘのトラップ容量が小さく、かつＮＯｘのトラップ速度が速いときには、ＮＯｘトラップ触媒に流入するＮＯｘ濃度及びＯ２濃度を下げる運転条件を算定し、その算定条件に従って機関運転手段を操作する。
トラップ容量は小さいが、トラップ速度が速いということは、その機関運転条件において、ＮＯｘを多くトラップできる環境にはあるが、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘをトラップする機能が下がっている状態にあるということを意味している。、従って、ＮＯｘをトラップできる状態まで、ＮＯｘ濃度を低下させる運転条件を実施することで、大気中へのＮＯｘの放出を防ぐことができる。

また、ＮＯｘのトラップ容量が小さく、かつＮＯｘのトラップ速度が遅いときには、ＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘがトラップされる運転を禁止する。
トラップ容量が小さく、かつトラップ速度が遅いということは、ＮＯｘトラップ触媒のトラップ機能も低下し、かつ触媒も飽和トラップ状態にあると言え、ＮＯｘをトラップするという機能、環境ともに不成立なので、ＮＯｘをトラップする雰囲気であるリーン運転を禁止することで、未浄化で大気中にＮＯｘが放出されるのを未然に防ぐことができる。この場合、より具体的には、ストイキないしリッチ運転によりＮＯｘトラップ触媒の再生を図る。

本発明の排気浄化装置を備えたディーゼル機関のシステム構成図本発明の実施形態を表したフローチャート本発明の実施形態におけるＮＯｘトラップ触媒状態推定部の具体的な一例を表したフローチャート

符号の説明

１ディーゼル機関
２吸気通路
３排気通路
１０燃料噴射装置
２０ＮＯｘトラップ触媒
３０エンジンコントロールユニット

Claims

排気通路に、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを排気空燃比がストイキないしリッチのときに脱離浄化する機能を有するＮＯｘトラップ触媒を具備した内燃機関の排気浄化装置において、
ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘのトラップ容量を推定する手段と、
ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘのトラップ速度を推定する手段と、
前記トラップ容量及びトラップ速度に基づいて、ＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘをトラップさせる際の運転条件を算定し、その算定条件に従って機関運転手段を操作する手段と、
を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記運転条件算定・操作手段は、ＮＯｘのトラップ容量が大きく、かつＮＯｘのトラップ速度が遅いときには、ＮＯｘトラップ触媒に流入する還元ガス成分の濃度を下げる運転条件を算定し、その算定条件に従って機関運転手段を操作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。
前記運転条件算定・操作手段は、ＮＯｘのトラップ容量が大きく、かつＮＯｘのトラップ速度が遅いときには、ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気温度を下げる運転条件を算定し、その算定条件に従って機関運転手段を操作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。
前記運転条件算定・操作手段は、ＮＯｘのトラップ容量が小さく、かつＮＯｘのトラップ速度が速いときには、ＮＯｘトラップ触媒に流入するＮＯｘ濃度及びＯ２濃度を下げる運転条件を算定し、その算定条件に従って機関運転手段を操作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。
前記運転条件算定・操作手段は、ＮＯｘのトラップ容量が小さく、かつＮＯｘのトラップ速度が遅いときには、ＮＯｘトラップ触媒にＮＯｘがトラップされる運転を禁止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。
内燃機関はディーゼル機関であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。