JP2005291098A - エンジンの排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効果の無いリッチスパイクを禁止することで燃費の悪化を防止するとともに、ＣＯ，ＨＣのスリップ及びＨＣ吸着による触媒の過昇温を防止し、効率よくＮＯｘ浄化を行う。
【解決手段】ディーゼルエンジン２０の排気通路３０に設けられ、排気通路３０に流入する排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、かつ、空燃比がリッチとなったときに還元処理されるＮＯｘ吸蔵触媒４１と、空燃比を一時的にリッチ側に制御するリッチスパイク制御を所定時間毎に行うリッチスパイク制御部７０と、ＮＯｘ吸蔵触媒４１の温度を計測する入口温度センサ７１、出口温度センサ７２を備え、リッチスパイク制御部７０は、温度センサ７１，７２に基づいて、リッチスパイク制御を禁止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの排ガスを浄化するための触媒装置に関し、特に触媒上流の排ガス空燃比をリッチ化して、触媒の再生を図るものに関する。

従来、ディーゼルエンジンの排気管にＮＯｘ吸蔵還元触媒が設けられた排ガス浄化装置が知られている（例えば特許文献１参照）。このようなＮＯｘ触媒を用いた排ガス浄化装置は、吸蔵したＮＯｘを還元・放出するためにエンジンの燃焼制御やＮＯｘ吸蔵還元触媒の排気上流側に軽油等の還元剤を定期的に供給することにより触媒に入るガスの空気過剰率（以下、「触媒前λ」と称する）を１以下に低下させるリッチスパイクと呼ばれる動作が必要となる。なお、リッチスパイクによるＮＯｘ放出・還元を行う場合には、ＮＯｘ触媒が活性温度（例えば２５０℃）以上である必要がある。
特開２００２−１３０００８号公報

上述したエンジンシステムであると次のような問題があった。すなわち、定期的にリッチスパイクを実施する方式の場合には、ＮＯｘ触媒の温度に無関係に行われるため、ＮＯｘ触媒が活性温度以下である場合には、ＮＯｘ放出・還元が行われないばかりでなく、リッチスパイクに伴って大量のＣＯ、ＨＣが処理されずにＮＯｘ触媒を通過してしまうスリップ現象が生じる虞があった。

図５は上述したような現象を示すグラフである。すなわち、グラフＰ１はリッチ信号Ｒ、グラフＰ２はエンジンに対する負荷Ｌ、グラフＰ３はＣＯ，ＨＣスリップ量Ｓ、グラフＰ４は触媒温度Ｔｃの時間変化を示している。図５からもわかるようにリッチスパイク制御が定期的に行われる場合（図５中Ｒ）、負荷が高く触媒温度が高いとき（図５中Ｑ１）には、ＮＯｘ放出・還元及びＣＯ，ＨＣの処理が行われてＣＯ，ＨＣスリップ現象は発生しない。しかし、負荷が低く触媒温度が低下しているとき（図５中Ｑ２）すると、ＣＯ，ＨＣの処理が行われずＣＯ，ＨＣスリップ現象（図５中Ｓ）が発生する。

このように、触媒温度が低く、ＮＯｘ放出・還元が行われない場合にリッチスパイクを行うことは燃費の悪化に繋がるとともに、ＨＣのスリップ現象やＨＣが触媒に吸着され、その後の負荷増大時に吸着されたＨＣが一気に燃焼してしまい過昇温になる虞があった。

そこで本発明は、効果の無いリッチスパイクを禁止することで燃費の悪化を防止するとともに、ＣＯ，ＨＣのスリップ及び触媒の過昇温を防止できると共に、適切なＮＯｘ浄化を可能とする排ガス浄化装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明のエンジンの排ガス浄化装置は次のように構成されている。

（１）ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、前記排気通路に流入する排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、かつ、排ガス空燃比がリッチとなったときに再生処理される触媒と、排ガス空燃比を一時的にリッチ側に制御するリッチスパイク制御を所定時間毎に行うリッチスパイク制御部と、前記触媒の温度を計測する触媒温度計測部とを備え、前記リッチスパイク制御部は、前記触媒の温度に基づいて、前記リッチスパイク制御を禁止することを特徴とするエンジンシステム。

（２）上記（１）に記載されたエンジンの排ガス浄化装置であって、前記触媒温度計測部は、前記触媒の入口温度を計測する入口温度センサと、前記触媒の出口温度を計測する出口温度センサとを備え、
前記リッチスパイク制御部は、前記ディーゼルエンジンの負荷増大時において前記入口温度センサによって計測された入口温度が閾値温度よりも低い場合にリッチスパイク制御を禁止する。

（３）上記（１）に記載されたエンジンの排ガス浄化装置であって、前記触媒温度計測部は、前記触媒の入口温度を計測する入口温度センサと、前記触媒の出口温度を計測する出口温度センサとを備え、
前記リッチスパイク制御部は、前記ディーゼルエンジンの負荷減少時において前記出口温度センサによって計測された出口温度が閾値温度よりも低い場合にリッチスパイク制御を禁止する。

（４）上記（１）に記載されたエンジンの排ガス浄化装置であって、前記触媒温度計測部は、前記触媒の入口温度を計測する入口温度センサと、前記触媒の出口温度を計測する出口温度センサとを備え、前記リッチスパイク制御部は、前記入口温度センサによって計測された入口温度及び前記出口温度センサによって計測された出口温度のいずれも閾値温度よりも低い場合にリッチスパイク制御を禁止することを特徴とする。

本発明によれば、効果の無いリッチスパイクを禁止することで燃費の悪化を防止するとともに、ＣＯ，ＨＣのスリップ及び触媒に吸着されるＨＣ量を低減できうるので、負荷増大における触媒の過昇温を防止できる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係るエンジンシステム１０の構成を示すブロック図、図２のグラフＧ１〜Ｇ４は加速時のリッチスパイク制御における各値の変化を示す説明図、図３のグラフＨ１〜Ｈ４は減速時のリッチスパイク制御における各値の変化を示す説明図である。

エンジンシステム１０は、ディーゼルエンジン２０を備えている。ディーゼルエンジン２０の入口側には吸気配管３０が接続され、出口側には排気配管４０が接続されている。さらにディーゼルエンジン２０の排気側と吸気配管３０とは、排ガス（ＥＧＲガス）を吸気配管３０に還流するＥＧＲ配管５０で接続されている。なお、図１中６０は過給機、７０はリッチスパイク制御部、８０はアクセルを示している。

吸気配管３０には、吸気側からエアフローセンサ３１、過給機６０のタービン６１と、インタークーラ３２と、吸気スロットル３３と、ＥＧＲ配管５０との接続部３４とが設けられている。

排気配管４０には、ディーゼルエンジン２０側から、過給機６０のコンプレッサ６２と、ＮＯｘ吸蔵触媒４１とが設けられている。ＮＯｘ吸蔵触媒４１は排気配管４０に流入する排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、かつ、排ガス中の空燃比がリッチとなったときに吸蔵したＮＯｘを放出還元処理する。

ＥＧＲ配管５０には、還流ガスを冷却するＥＧＲクーラ５１と、還流ガスの流量を調節するＥＧＲバルブ５２とが設けられている。

リッチスパイク制御部７０は、排気配管４０のＮＯｘ吸蔵触媒４１の入口側に設けられた入口温度センサ７１と、出口側に設けられた出口温度センサ７２と、これら入口温度センサ７１及び出口側に設けられた出口温度センサ７２の入口温度値Ｔｉｎ、出口温度値Ｔｏｕｔが入力され、後述するアクセル８０からの加減速判定信号に基づいて、判定温度Ｔｊとして出力される温度出力部７３と、予め触媒活性温度閾値Ｔａが記憶されたメモリ７４と、判定温度Ｔｊとメモリ７４からの閾値温度Ｔａとを比較し、判定温度Ｔｊ＜閾値温度Ｔａのときにリッチスパイク禁止信号を出力する比較部７５と、リッチ信号が周期的に入力され、リッチ信号が入力されたときに、リッチスパイク信号をディーゼルエンジン２０に向けて出力するリッチスパイク指令部７６とを備えている。

なお、リッチスパイク指令部７６は、前述したリッチスパイク禁止信号が入力されたときは、リッチ信号が入力されていても、ディーゼルエンジン２０に向けてリッチスパイク信号を出力しない。アクセル８０は、その開度に基づいて加速か減速かを判断し、加減速判定信号を出力する。

このように構成されたエンジンシステム１０では、次のようにしてリッチスパイク制御が行われる。すなわち、運転が行われている過程で、入口温度センサ７１から入口温度値Ｔｉｎが、出口温度センサ７２から出口温度値Ｔｏｕｔが出力され、それぞれ温度出力部７３に入力される。

最初に加速時におけるリッチスパイク制御について図２を参照しながら説明する。リッチスパイク信号Ｒは周期的なタイミングＱ１〜Ｑ３でリッチスパイク指令部７６に入力されている。アクセル８０の開度が大きく、負荷Ｌが増大する過程（グラフＧ２参照）においては、加速状態であることを示す加減速判定信号が温度出力部７３に入力され、入口温度値Ｔｉｎが判定温度Ｔｊとして出力される。

一方、図２のグラフＧ４に示すように、タイミングＱ１においては、入口温度値Ｔｉｎ、出口温度値Ｔｏｕｔ共にメモリ７４に記憶された触媒活性温度閾値Ｔａを下回っている。このため、比較部７５では、リッチスパイク禁止信号をリッチスパイク指令部７６に入力する。リッチスパイク指令部７６では、リッチ信号が入力されても、リッチスパイク禁止信号が入力されている状態では、リッチスパイク信号をディーゼルエンジン２０に向けて出力しない（図２のグラフＧ１のＦ参照）。このため、効果の無いリッチスパイクが行われないこととなり、燃費の悪化を防止でき、ＨＣの触媒への吸着及びＣＯ，ＨＣのスリップを防止できる。なお、図中のＴｃは触媒自体の温度を示しており、タイミングＱ１では、Ｔｃ＜Ｔａであるため、リッチスパイクを行っても効果は得られない。

次に、タイミングＱ２においては、入口温度値Ｔｉｎはメモリ７４に記憶された触媒活性温度閾値Ｔａを上回り、出口温度値Ｔｏｕｔは触媒活性温度閾値Ｔａを下回っている。このため、比較部７５では、リッチスパイク禁止信号が発生しない。したがって、リッチスパイク指令部７６では、リッチ信号が入力されると、リッチスパイク信号をディーゼルエンジン２０に向けて出力する。このタイミングＱ２では、Ｔｃ＞Ｔａとなっており、リッチスパイクが可能である。

さらに、タイミングＱ３においては、入口温度値Ｔｉｎ、出口温度値Ｔｏｕｔ共にはメモリ７４に記憶された触媒活性温度閾値Ｔａを上回っている。このため、比較部７５では、リッチスパイク禁止信号が発生しない。したがって、リッチスパイク指令部７６では、リッチ信号が入力されると、リッチスパイク信号をディーゼルエンジン２０に向けて出力する。このタイミングＱ３では、Ｔｃ＞Ｔａとなっており、リッチスパイクが可能である。

上述したように負荷増大時においては、触媒出口温度Ｔｏｕｔよりも触媒入口温度Ｔｉｎの方が高温となる。本発明の場合、負荷増大時に高温となるべきところの触媒入口温度Ｔｉｎと閾値Ｔａとを比較してリッチスパイクの可否を決定するので、確実に無駄なリッチスパイクが防止され、ＣＯ，ＨＣのスリップやＨＣの触媒吸着による負荷増大時の過昇温を防止することができると共に、リッチスパイクを実施する場合には、迅速にリッチスパイクを開始することができる。

次に、減速時におけるリッチスパイク制御について図３を参照しながら説明する。リッチスパイク信号Ｒは周期的なタイミングＱ１〜Ｑ３でリッチスパイク指令部７６に入力されている。アクセル８０が閉じており、負荷Ｌが減少する過程（グラフＭ２参照）においては、減速状態であることを示す加減速判定信号が温度出力部７３に入力され、出口温度値Ｔｏｕｔが判定温度Ｔｊとして出力される。

図３のグラフＭ４に示すように、タイミングＱ１においては、入口温度値Ｔｉｎ、出口温度値Ｔｏｕｔ共にメモリ７４に記憶された触媒活性温度閾値Ｔａを上回っている。このため、比較部７５では、リッチスパイク禁止信号が発生しない。したがって、リッチスパイク指令部７６では、リッチ信号が入力されると、リッチスパイク信号をディーゼルエンジン２０に向けて出力する。このタイミングＱ１では、Ｔｃ＞Ｔａとなっており、リッチスパイクが可能である。

次に、Ｍ２に示される負荷Ｌが減少する減速過程のタイミングＱ２においては、入口温度値Ｔｉｎはメモリ７４に記憶された触媒活性温度閾値Ｔａを下回り、出口温度値Ｔｏｕｔは触媒活性温度閾値Ｔａを上回っている。このため、比較部７５では、リッチスパイク禁止信号が発生しない。したがって、リッチスパイク指令部７６では、リッチ信号が入力されると、リッチスパイク信号をディーゼルエンジン２０に向けて出力する。このタイミングＱ２では、Ｔｃ＞Ｔａとなっており、リッチスパイクが可能である。

さらに、タイミングＱ３においては、入口温度値Ｔｉｎ、出口温度値Ｔｏｕｔ共にはメモリ７４に記憶された触媒活性温度閾値Ｔａを下回っている。このため、比較部７５では、リッチスパイク禁止信号をリッチスパイク指令部７６に入力する。リッチスパイク指令部７６では、リッチ信号が入力されても、リッチスパイク禁止信号が入力されている状態では、リッチスパイク信号をディーゼルエンジン２０に向けて出力しない（グラフＭ１のＦ参照）。このため、効果の無いリッチスパイクが行われないこととなり、燃費の悪化を防止でき、ＨＣの触媒への吸着及びＣＯ，ＨＣのスリップを防止できる。なお、このタイミングＱ３では、Ｔｃ＜Ｔａであるため、リッチスパイクの効果は得られない。

上述したように減速時においては、触媒入口の温度が先に低下し、遅れて触媒出口温度が低下するため、触媒出口温度Ｔｏｕｔと触媒入口温度Ｔｉｎとの関係が反転する。したがって、グラフＭ４のタイミングＱ２に示すように触媒入口側温度Ｔｉｎが閾値Ｔａを下回ったとしても、触媒自体の温度Ｔｃ及び触媒出口温度Ｔｏｕｔの温度が閾値Ｔａを上回っている状態が有りうる。この状態を鑑みて本発明の場合には、減速時において触媒出口温度Ｔｏｕｔと閾値Ｔａとを比較してリッチスパイクの可否を決定しているので、例えば触媒入口温度によりリッチスパイクを禁止してしまう場合に対して効率よくＮＯｘの放出・還元を行うことができる。

図４は本発明の第２の実施の形態に係るエンジンシステム１１の構成を示すブロック図である。図４において図１と同一機能部分には同一符号を付した。

エンジンシステム１１は、ディーゼルエンジン２０を備えている。ディーゼルエンジン２０の入口側には吸気配管３０が接続され、出口側には排気配管４０が接続されている。さらにディーゼルエンジン２０の排気側と吸気配管３０とは、排ガス（ＥＧＲガス）を吸気配管３０に還流するＥＧＲ配管５０とで接続されている。なお、図４中６０は過給機、９０はリッチスパイク制御部を示している。

吸気配管３０には、吸気側からエアフローセンサ３１、過給機６０のタービン６１と、インタークーラ３２と、吸気スロットル３３と、ＥＧＲ配管５０との接続部３４とが設けられている。

排気配管４０には、ディーゼルエンジン２０側から、過給機６０のコンプレッサ６２と、ＮＯｘ吸蔵触媒４１とが設けられている。ＮＯｘ吸蔵触媒４１は排気配管４０に流入する排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、かつ、排ガス中の空燃比がリッチとなったときに吸蔵したＮＯｘを還元処理する。

ＥＧＲ配管５０には、還流ガスを冷却するＥＧＲクーラ５１と、還流ガスの流量を調節するＥＧＲバルブ５２とが設けられている。

リッチスパイク制御部９０は、排気配管４０のＮＯｘ吸蔵触媒４１の入口側に設けられた入口温度センサ９１と、出口側に設けられた出口温度センサ９２と、予め触媒活性温度閾値Ｔａが記憶されたメモリ９３と、入口温度センサ９１の入口温度値Ｔｉｎとメモリ９３からの触媒活性温度閾値Ｔａとを比較し、入口温度値Ｔｉｎ＜閾値温度ＴａのときにＯＦＦ信号を出力する第１比較部９４と、出口温度センサ９２の出口温度値Ｔｏｕｔとメモリ９３からの触媒活性温度閾値Ｔａとを比較し、出口温度値Ｔｏｕｔ＜閾値温度ＴａのときにＯＦＦ信号を出力する第２比較部９５と、第１比較部９４及び第２比較部９５の出力との論理積がＯＦＦである場合にリッチスパイク禁止信号を出力する判定部９６と、リッチ信号が周期的に入力され、リッチ信号が入力されたときに、リッチスパイク信号をディーゼルエンジン２０に向けて出力するリッチスパイク指令部９７とを備えている。

なお、リッチスパイク指令部９７は、前述したリッチスパイク禁止信号が入力されたときは、リッチ信号が入力されていても、ディーゼルエンジン２０に向けてリッチスパイク信号を出力しない。

このように構成されたエンジンシステム１１では、次のようにしてリッチスパイク制御が行われる。すなわち、運転が行われている過程で、入口温度センサ９１から入口温度値Ｔｉｎが、出口温度センサ９２から出口温度値Ｔｏｕｔが出力され、それぞれ第１比較部９４、第２比較部９５に入力される。リッチスパイク信号Ｒは周期的なタイミングでリッチスパイク指令部９７に入力されている。

第１比較部９４では、入口温度センサ９１の入口温度値Ｔｉｎとメモリ９３からの触媒活性温度閾値Ｔａとが比較され、入口温度値Ｔｉｎ＜閾値温度ＴａのときにＯＦＦ信号が出力され、判定部９６に入力される。第２比較部９５では、出口温度センサ９２の出口温度値Ｔｏｕｔとメモリ９３からの触媒活性温度閾値Ｔａとを比較し、出口温度値Ｔｏｕｔ＜閾値温度ＴａのときにＯＦＦ信号を出力され、判定部９６に入力される。

判定部９６では、第１比較部９４及び第２比較部９５の出力との論理積がＯＦＦである場合にリッチスパイク禁止信号を出力し、リッチスパイク指令部９７に入力される。リッチスパイク指令部９７では、リッチ信号が入力されても、リッチスパイク禁止信号が入力されている状態では、リッチスパイク信号をディーゼルエンジン２０に向けて出力しない。このため、効果の無いリッチスパイクが行われないこととなり、燃費の悪化を防止でき、ＣＯ，ＨＣのスリップ及びＨＣ吸着による触媒の過昇温を防止できる。

上述したように第２の実施の形態に係るエンジンシステム１１によれば、入口温度値Ｔｉｎ及び出口温度値Ｔｏｕｔが共に触媒活性温度閾値Ｔａを下回っている場合にのみ、ＮＯｘ吸蔵触媒４１の触媒温度が低いと判断する。このため、触媒温度が低くＮＯｘ放出・還元が行われない場合にリッチスパイクを禁止することになり、効果の無いリッチスパイクを行わず、燃費の悪化を防止することができる。また、ＨＣが処理されずにＮＯｘ吸蔵触媒４１を通過するＨＣのスリップの発生の防止や、触媒にＨＣが吸着し、その後の負荷増大時に吸着されたＨＣが一気に燃焼してしまい過昇温になる等の不具合を防止することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものでなく、例えばエンジンシステム１１においてＯＦＦ信号の論理積を判断基準としたがＯＦＦ信号の論理和を判断基準としてもよい。本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の第１の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示すブロック図。 加速時のリッチスパイク制御における各値の変化を示す説明図。 減速時のリッチスパイク制御における各値の変化を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示すブロック図。 従来のエンジンシステムにおけるリッチスパイク制御における各値の変化を示す説明図。

符号の説明

１０，１１…エンジンシステム、２０…ディーゼルエンジン、３０…吸気配管、４０…排気配管、４１…ＮＯｘ吸蔵触媒、５０…ＥＧＲ配管、７０，９０…リッチスパイク制御部、７１，９１…入口温度センサ、７２，９２…出口温度センサ、８０…アクセル。

Claims (4)

1. エンジンの排気通路に設けられ、前記排気通路に流入する排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、かつ、排ガス空燃比がリッチとなったときに再生処理される触媒と、
   排ガス空燃比を一時的にリッチ側に制御するリッチスパイク制御を所定時間毎に行うリッチスパイク制御部と、
   前記触媒の温度を計測する触媒温度計測部とを備え、
   前記リッチスパイク制御部は、前記触媒の温度に基づいて、前記リッチスパイク制御を禁止することを特徴とするエンジンの排ガス浄化装置。
2. 前記触媒温度計測部は、前記触媒の入口温度を計測する入口温度センサと、前記触媒の出口温度を計測する出口温度センサとを備え、
   前記リッチスパイク制御部は、前記ディーゼルエンジンの負荷増大時において前記入口温度センサによって計測された入口温度が閾値温度よりも低い場合にリッチスパイク制御を禁止することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排ガス浄化装置。
3. 前記触媒温度計測部は、前記触媒の入口温度を計測する入口温度センサと、前記触媒の出口温度を計測する出口温度センサとを備え、
   前記リッチスパイク制御部は、前記ディーゼルエンジンの負荷減少時において前記出口温度センサによって計測された出口温度が閾値温度よりも低い場合にリッチスパイク制御を禁止することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排ガス浄化装置。
4. 前記触媒温度計測部は、前記触媒の入口温度を計測する入口温度センサと、前記触媒の出口温度を計測する出口温度センサとを備え、
   前記リッチスパイク制御部は、前記入口温度センサによって計測された入口温度及び前記出口温度センサによって計測された出口温度のいずれも閾値温度よりも低い場合にリッチスパイク制御を禁止することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排ガス浄化装置。

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