JP2005214098A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空燃比をリッチ化したときに生成されるアンモニアをリーンバーン運転時にＮＯｘの還元に利用し、特にＮＯｘ浄化装置の温度が低いときにおけるＮＯｘ浄化率を高めることができる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 ＮＯｘ浄化装置１５に吸収されたＮＯｘ量に対応する積算ＮＯｘ量ΣＮＯｘが第１閾値ＡＣＮＯｘＴＨを越えると（Ｓ１３）、吸収されたＮＯｘを還元するための空燃比リッチ化が実行される。このとき、ＮＯｘ浄化装置１５におけるＮＯｘからアンモニアへの変換率に対応するＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐが、触媒温度ＴＣＡＴが低下するほど小さくなるように設定され（Ｓ１７）、ＮＯｘ量積算値ΣＮＯｘの減少速度が低下して、リッチ化実行時間が長くなるように制御される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特にＮＯｘ吸収能力を有するＮＯｘ浄化装置を備えるものに関する。

ＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収材を有するＮＯｘ浄化装置を備えた排気浄化装置が、特許文献１に示されている。この装置では、ＮＯｘ浄化装置に吸収されたＮＯｘ量が所定量に達した時点で、機関に供給する混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、吸収されたＮＯｘの還元が行われる。

この排気浄化装置によれば、吸収されたＮＯｘを還元するための空燃比リッチ化は、排気温度が高くなるほど、リッチ化の度合が大きくなり、かつリッチ化実行時間が短くなるように行われる。これは、ＮＯｘ吸収材のＮＯｘ放出特性が、温度によって変化し、低温時は比較的ＮＯｘ放出速度（単位時間当たりの放出量）が小さく、温度が上昇するほど、ＮＯｘ放出速度が大きくなることを考慮し、ＮＯｘの放出量と、排気中の還元成分量とのバランスが適切なものとなるようにしたものである。

特開平６−１０７２５号公報

上記従来の装置では、排気温度が低いときは、アンモニアの生成量が増加しないようにするため、リッチ化の度合を低くしている。しかしながら、生成されるアンモニアを保持する能力を有するＮＯｘ浄化装置を用いた場合には、保持したアンモニアがリーンバーン運転時にＮＯｘを還元できるので、アンモニアの生成を抑制することは不要であり、むしろアンモニアの生成量を増加させることが望ましい。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、空燃比をリッチ化したときに生成されるアンモニアをリーンバーン運転時にＮＯｘの還元に利用し、特にＮＯｘ浄化装置の温度が低いときにおけるＮＯｘ浄化率を高めることができる排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、ＮＯｘ吸収能力を有し、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段（１５）が排気系（１３）に設けられた内燃機関（１）の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化手段（１５）は、前記機関（１）で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に設定したときに、アンモニアを生成するとともに、該生成したアンモニアを保持し、前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定したときに、前記保持したアンモニアによりＮＯｘを浄化するものであり、前記ＮＯｘ浄化手段（１５）の温度（ＴＣＡＴ）を検出する温度検出手段と、前記ＮＯｘ浄化手段（１５）に流入する排気中の還元成分量を増加させるために、前記空燃比を理論空燃比よりリッチ化するリッチ化手段（Ｓ１７〜Ｓ２０）とをさらに備え、該リッチ化手段は、前記温度検出手段により検出した温度（ＴＣＡＴ）に応じて、前記ＮＯｘ浄化手段（１５）においてＮＯｘがアンモニアに変換される変換率（Ｋｔｅｍｐ）を算出する変換率算出手段（Ｓ１７）と、前記変換率（Ｋｔｅｍｐ）に応じてリッチ化パラメータを設定するリッチ化パラメータ設定手段（Ｓ１８，Ｓ２０）とを有し、該設定されたリッチ化パラメータに基づいて、前記リッチ化を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記リッチ化パラメータは、前記リッチ化手段によるリッチ化の実行時間であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ＮＯｘ浄化手段においてＮＯｘがアンモニアに変換される変換率が、ＮＯｘ浄化手段の温度に応じて算出され、該算出された変換率に応じてリッチ化パラメータが設定される。空燃比をリッチ化したときのアンモニアの生成は、温度依存性が高く、温度が低下すると生成量が大きく減少する。したがって、低温時にアンモニアへの変換率に応じてリッチ化パラメータを設定することにより、アンモニアの生成量を増加させて、リーンバーン運転時におけるＮＯｘの浄化率を高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば、ＮＯｘがアンモニアに変換される変換率に応じて、リッチ化実行時間が設定される。したがって、低温時にアンモニアへの変換率に応じてリッチ化時間を長くすることにより、アンモニアの生成量が増加し、生成されたアンモニアがＮＯｘ浄化手段に保持される。その結果、リーンバーン運転時におけるＮＯｘの浄化率を高めることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関とその燃料噴射制御装置の構成を示す図である。図１において、例えば４気筒を有する内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、燃焼室内に直接燃料を噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に電気的に接続されており、燃料噴射弁６の開弁時間は、ＥＣＵ５により制御される。

吸気管２には、吸気温（ＴＡ)センサ９が取付けられており、吸気温ＴＡを検出して対応する電気信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ１０はサーミスタ等から成り、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号を出力してＥＣＵ５に供給する。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１１が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらのパルスは、燃料噴射時期制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

エンジン１の排気管１３には、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１４が設けられ、酸素濃度センサ１４の下流側には、ＮＯｘ浄化装置１４が設けられている。酸素濃度センサ１４は、排気中の酸素濃度（空燃比）に比例する検出信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。

ＮＯｘ浄化装置１５は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）担体に担持された、触媒として作用する白金（Ｐｔ）と、ＮＯｘ吸収能力を有するＮＯｘ吸収剤としてのセリアと、排気中のアンモニア（ＮＨ₃）を、アンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）として、保持する機能を有するゼオライトとを備えている。

ＮＯｘ浄化装置１５には、ＮＯｘ浄化装置１５の触媒の温度ＴＣＡＴを検出する触媒温度センサ１６が設けられており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。またＥＣＵ５には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ３１が接続されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５は各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路のほか、燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路から構成される。

ＥＣＵ５のＣＰＵは、上記センサの出力信号に基づいて、次式（１）により、ＴＤＣパルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＣＭＤ×ＫＬＡＦ×Ｋ１＋Ｋ２ （１）
ここで、ＴＩＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて設定されたＴＩマップ（図示せず）を検索して決定される。

ＫＣＭＤは目標空燃比係数であり、エンジン回転数ＮＥ、アクセルペダル操作量ＡＰ、エンジン水温ＴＷ等のエンジン運転パラメータに応じて設定される。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、目標当量比ともいう。また目標空燃比係数ＫＣＭＤは、ＮＯｘ浄化装置１５に吸収されたＮＯｘを還元するための空燃比リッチ化（以下「還元リッチ化」という）を実行するときは、リッチ化所定値ＫＣＭＤＲ（＞１．０）に設定される。空燃比リッチ化を実行すると、排気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ）の量（濃度）が増加する。

ＫＬＡＦは、フィードバック制御の実行条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１４の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するように算出される空燃比補正係数である。
Ｋ１及びＫ２は夫々エンジン運転状態に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定される。

図２は、ＮＯｘ浄化装置１５におけるＮＯｘ浄化を説明するするための図である。先ず初期状態において、エンジン１で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定し、いわゆるリーンバーン運転を行うと、図２（ａ）に示すように、排気中のＮＯ（一酸化窒素）と酸素（Ｏ₂）とが、触媒の作用で反応し、ＮＯ₂として、セリアに吸着される。また酸素と反応していない一酸化窒素も、セリアに吸着される。

次に空燃比を理論空燃比よりリッチ側に設定すると、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）が水（Ｈ₂Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）が生成され、また排気中の炭化水素（ＨＣ）が水と反応して、一酸化炭素及び二酸化炭素とともに、水素が生成される。さらに図２（ｂ）に示すように、、排気中に含まれるＮＯｘ、及びセリア（及び白金）に吸着されているＮＯｘ（ＮＯ，ＮＯ₂）と、生成された水素とが触媒の作用で反応し、アンモニア（ＮＨ₃）及び水が生成される。これを化学反応式で示すと、下記式（２）〜（４）のようになる。

ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ （２）
２ＮＯ₂＋７Ｈ₂→２ＮＨ₃＋４Ｈ₂Ｏ （３）
２ＮＯ＋５Ｈ₂→２ＮＨ₃＋２Ｈ₂Ｏ （４）
生成されたアンモニアは、アンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）の形で、ゼオライトに吸着される。

次に空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定し、リーンバーン運転を行うと、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）と同様にセリアにＮＯｘが吸着される。さらに、ゼオライトにアンモニウムイオンが吸着した状態では、下記式（５）及び（６）で示すように、排気中のＮＯｘ及び酸素と、アンモニアとが反応して、窒素（Ｎ₂）と水が生成される。
４ＮＨ₃＋４ＮＯ＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ （５）
２ＮＨ₃＋ＮＯ＋ＮＯ₂→２Ｎ₂＋２Ｈ₂Ｏ （６）

このように、ＮＯｘ浄化装置１５によれば、空燃比を理論空燃比よりリッチ側に設定するリッチ運転中に生成されるアンモニアがゼオライトに吸着され、リーンバーン運転中にアンモニアが還元剤としてＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率よく行うことができる。

図３は、前記式（１）に適用される目標空燃比係数ＫＣＭＤを設定する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。
ステップＳ１０では、触媒温度センサ１６により検出される触媒温度ＴＣＡＴを読み込む。ステップＳ１１では、リッチ化フラグＦＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。リッチ化フラグＦＲＩＣＨは、還元リッチ化を実行するとき「１」に設定される。ＦＲＩＣＨ＝０であるときは、下記式（８）により、積算ＮＯｘ量ΣＮＯｘを算出する（ステップＳ１２）。積算ＮＯｘ量ΣＮＯｘは、ＮＯｘ浄化装置１５内のセリアに吸着されたＮＯｘ量を示すパラメータである。
ΣＮＯｘ＝ΣＮＯｘ＋ＱＡＩＲ×Ｍｎｏｘ （８）

ここで、ＱＡＩＲは、排気流量であり、前記基本燃料量ＴＩＭに換算係数を乗算することにより算出される。Ｍｎｏｘは、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出されるＮＯｘ濃度マップ値である。

ステップＳ１３では、触媒温度ＴＣＡＴに応じて図４（ａ）に示すＡＣＮＯｘＴＨテーブルを検索し、第１閾値ＡＣＮＯｘＴＨを算出する。ＡＣＮＯｘＴＨテーブルは、触媒温度ＴＣＡＴが２００℃から３００℃の範囲では、触媒温度ＴＣＡＴが高くなるほど、第１閾値ＡＣＮＯｘＴＨが増加するように設定されている。第１閾値ＡＣＮＯｘＴＨは、ＮＯｘ浄化装置１５内のセリア（及び白金）に吸着可能な最大ＮＯｘ量より小さい所定値に設定される。

ステップＳ１４では、積算ＮＯｘ量ΣＮＯｘが第１閾値ＡＣＮＯｘＴＨより大きいか否かを判別する。ΣＮＯｘ＜ＡＣＮＯｘＴＨであるときは、ステップＳ１５に進んで、通常制御、すなわちエンジン運転状態に応じた目標空燃比係数ＫＣＭＤの設定を行う。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、基本的には、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出し、エンジン水温ＴＷの低温状態や所定の高負荷運転状態では、それらの運転状態に応じた値に変更される。

ステップＳ１４でΣＮＯｘ≧ＡＣＮＯｘＴＨとなると、ステップＳ１６に進んで、リッチ化フラグＦＲＩＣＨを「１」に設定する。
ステップＳ１９では、目標空燃比係数ＫＣＭＤをリッチ化所定値ＫＣＭＤＲ（例えば１．０５）に設定し、還元リッチ化を実行する。ステップＳ２０では、積算ＮＯｘ量ΣＮＯｘが、第２閾値ＡＣＮＯｘＺより小さいか否かを判別する。第２閾値ＡＣＮＯｘＺは、還元リッチ化の終了時期を判別するための閾値であり、「０」より若干大きい値に設定される。ステップＳ２０の答が否定（ＮＯ）である間は、直ちに本処理を終了し、還元リッチ化を継続する。

ステップＳ１６でリッチ化フラグＦＲＩＣＨが「１」に設定された後は、ステップＳ１１からステップＳ１７に進み、触媒温度ＴＣＡＴに応じて図４（ｂ）に示すＫｔｅｍｐテーブルを検索し、ＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐを算出する。Ｋｔｅｍｐテーブルは、触媒温度ＴＣＡＴが３００℃以下の範囲では、触媒温度ＴＣＡＴが低くなるほど、ＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐが減少するように設定されている。ＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐは、ＮＯｘ浄化装置１５内においてＮＯｘがアンモニアに変換（還元）される変換率（以下「ＮＯｘ−アンモニア変換率」という）に対応するパラメータであり、ＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐの値が増加するほど、ＮＯｘがアンモニアに変換される割合が大きいことを示す。

ステップＳ１８では、ＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐを下記式（９）に適用し、積算ＮＯｘ量ΣＮＯｘを算出する。
ΣＮＯｘ＝ΣＮＯｘ−ＱＡＩＲ×Ｄｎｏｘ×Ｋｔｅｍｐ （９）
ここで、Ｄｎｏｘは、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出されるＮＯｘ還元割合マップ値である。式（９）により、還元リッチ化によって減少する積算ＮＯｘ量が算出される。

ステップＳ１８実行後は、前記ステップＳ１９に進む。その後ＮＯｘの還元が進み、ステップＳ２０の答が肯定（ＹＥＳ）となると、ステップＳ２１に進んでリッチ化フラグＦＲＩＣＨを「０」に戻す。

以上のように図３の処理では、ＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐは、触媒温度ＴＣＡＴが３００℃以下の範囲では、触媒温度ＴＣＡＴが低くなるほど、減少するように設定される。したがって、式（９）により算出される積算ＮＯｘ量ΣＮＯｘは、触媒温度ＴＣＡＴが低くなるほど減少速度が遅くなり、還元リッチ化の実行時間が長くなる。

図５は、触媒温度ＴＣＡＴとＮＯｘ浄化装置１５のＮＯｘ浄化率との関係を示しており、同図のラインＬ１は、ＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐによる補正を行わない場合に対応し、ラインＬ２は、ＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐによる補正を行った場合に対応する。図５に示す触媒温度ＴＣＡＴ１は、例えば３００℃程度である。この図に示すように、触媒温度ＴＣＡＴに応じたＮＨ３生成温度係数ＫｔｅｍｐによるＮＯｘ還元量の補正を行うことにより、リッチ化実行時間が適切なものとなり、適量のアンモニアが生成されて、触媒温度ＴＣＡＴが低い領域において、ＮＯｘ浄化率の低下を抑制することができる。

本実施形態では、ＮＯｘ浄化装置１５がＮＯｘ浄化手段に対応し、触媒温度センサ１６が温度検出手段に対応する。またＥＣＵ５がリッチ化手段を構成し、図３のステップＳ１７〜Ｓ２０がリッチ化手段に相当する。より具体的には、ステップＳ１７が変換率算出手段に相当し、ステップＳ１８及びステップＳ２０がリッチ化パラメータ設定手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、触媒温度ＴＣＡＴに応じてＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐを設定し、リッチ化時間を変化させるようにしたが、ＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐに応じてリッチ化所定値ＫＣＭＤＲ（リッチ化度合）を変更するようにしてもよい。この場合には、ＮＨ３生成温度係数Ｋｔｅｍｐが小さくなるほど、リッチ化所定値ＫＣＭＤＲを増加させる。この例では、リッチ化所定値ＫＣＭＤＲにより決まるリッチ化度合が、リッチ化パラメータに相当する。

さらに、触媒温度ＴＣＡＴが低下するほどリッチ化時間を長くするとともに、リッチ化度合を大きくするように目標空燃比係数ＫＣＭＤを設定するようにしてもよい。

また上述した実施形態では、本発明をディーゼル内燃機関に適用した例を示したが、ガソリン内燃機関にも適用可能である。さらに本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの空燃比制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。 図１に示すＮＯｘ浄化装置を説明するための図である。 目標空燃比係数（ＫＣＭＤ）を設定する処理のフローチャートである。 図３に示す処理で使用されるテーブルを示す図である。 触媒温度（ＴＣＡＴ）とＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
５ 電子制御ユニット（リッチ化手段、変換率算出手段、リッチ化パラメータ設定手段）
６ 燃料噴射弁
１５ ＮＯｘ浄化装置（ＮＯｘ浄化手段）
１６ 触媒温度センサ（温度検出手段）

Claims (2)

1. ＮＯｘ吸収能力を有し、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段が排気系に設けられた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ＮＯｘ浄化手段は、前記機関で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側に設定したときに、アンモニアを生成するとともに、該生成したアンモニアを保持し、前記空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定したときに、前記保持したアンモニアによりＮＯｘを浄化するものであり、
   前記ＮＯｘ浄化手段の温度を検出する温度検出手段と、
   前記ＮＯｘ浄化手段に流入する排気中の還元成分量を増加させるために、前記空燃比を理論空燃比よりリッチ化するリッチ化手段とをさらに備え、
   該リッチ化手段は、前記温度検出手段により検出した温度に応じて、前記ＮＯｘ浄化手段においてＮＯｘがアンモニアに変換される変換率を算出する変換率算出手段と、前記変換率に応じてリッチ化パラメータを設定するリッチ化パラメータ設定手段とを有し、該設定されたリッチ化パラメータに基づいて、前記リッチ化を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記リッチ化パラメータは、前記リッチ化手段によるリッチ化の実行時間であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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