JP2005291099A - エンジンの排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の還元を行うためのリッチスパイク実行時においてエンジンλを低下させる際に、高速高負荷時における黒煙悪化や触媒の過昇温を防止すること。
【解決手段】排気通路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低下したときにＮＯｘを還元処理する触媒４２と、ディーゼルエンジン２０の気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２３と、排気通路４０内に軽油を噴射可能な排気軽油添加インジェクタ４１と、排気通路４０内の空燃比を低下させるようにディーゼルエンジン２０の燃焼を制御する制御部１００とを備え、制御部１００は、燃料を気筒の圧縮行程上死点近傍でのメイン噴射と、メイン噴射後の膨張行程でポスト噴射とに分割して噴射するとともに、ポスト噴射の時期を高速高負荷領域において上死後２０度クランクアングルまでの間とするように燃料噴射弁２３の作動を制御する。
【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を有する排ガス浄化装置に関し、特にＮＯｘの還元処理時に気筒内の燃焼室に燃料を直接噴射することで排ガス空燃比を低下させるものに関する。

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。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ＮＯｘ還元触媒の排気上流側に軽油等の還元剤を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。具体的には触媒前λを１以下まで下げる。

リッチスパイクを実施する際、排気通路への軽油添加のみで目標のλまで低下させようとすると、図４のＧ１，Ｇ３に破線で示されるように、多量の軽油が必要となり、燃費が悪化するとともに、触媒温度が上昇し過昇温となる惧れがあった。

このため、リッチスパイクは、燃費悪化防止及び触媒過昇温防止の観点からエンジン側の吸気系制御によりエンジンから出たガスの空燃比（以下、「エンジンλ」と称する）も合せて低下させて行うのが一般的である。また、一方でリッチスパイク時の制御として、圧縮上死点近傍におけるメイン噴射に加えてポスト噴射を実施するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

その際の黒煙低減手法としては、噴射時期を早める噴射時期進角や、噴射圧力の増大が一般的である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−９０５９４号公報

上述したエンジンの排ガス浄化装置であると次のような問題があった。特に、小型高速エンジンでは、低λ化の為に吸気系を制御し、その際黒煙の発生を抑制する為に、噴射時期進角や、噴射圧力の増大を行うと図５に示すように、高速高負荷領域で黒煙増大を招き、十分にエンジンλが低下しないことがあった。なお、図５中Ｐ１は通常噴射時、Ｐ２は噴射時期進角又は噴射圧力の増大時における空燃比と黒煙との関係を示している。これは、高速高負荷領域では、エンジンの筒内温度が高いことにより、着火までの燃料と空気の混合期間が十分に確保できないためと推測される。また、触媒の過昇温が生じる惧れがあった。また、特許文献１に記載された燃料噴射の制御手法は、リッチに移行した初期の大量のＮＯｘ放出に合せてＨＣを多量に供給すべくポスト噴射時期を制御するものであり、高速高負荷時における黒煙発生を考慮したものではない。

そこで本発明は、ＮＯｘの還元を行うためのリッチスパイク実行時においてエンジンλを低下させる際に、高速高負荷時における黒煙悪化や触媒の過昇温を防止できるエンジンの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）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、前記排ガス中の空燃比が低下したときに再生処理される触媒と、前記エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記触媒より排気上流側の排気通路に設けられ、通路内に軽油を噴射可能な軽油添加部と、前記触媒の再生開始時期を判定する再生開始時期判定手段と、この再生開始時期判定手段の判定結果に基づいて、前記触媒上流の排ガス空燃比を低下させるようにエンジンの燃焼を制御する制御部とを備え、前記制御部は、高速高負荷における空燃比低下制御時に気筒内への燃料噴射を圧縮行程上死点近傍でのメイン噴射と、該メイン噴射後の膨張行程でポスト噴射とに分割して噴射するとともに、前記ポスト噴射の時期を上死点後クランクアングルまでの間とするように前記燃料噴射弁の作動を制御する燃料噴射制御手段とを備えていることを特徴とする。

（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、前記ポスト噴射の量をメイン噴射とポスト噴射の総噴射量の２割以上としたことを特徴とする。

（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、前記ポスト噴射により前記触媒上流の排ガス空燃比が所定の値まで低下した場合に前記軽油添加部から軽油を噴射して、排ガス空燃比を理論空燃比以下にすることを特徴とする。

本発明によれば、触媒の還元を行うためのリッチスパイク実行時においてエンジンλを低下させる際に、高速高負荷時における黒煙悪化や触媒の過昇温の防止が可能となる。

図１は本発明の一実施の形態に係るエンジンシステム１０の構成を示す説明図、図２は筒内圧力の時間変化とメイン噴射及びポスト噴射との関係を示すグラフ、図３はエンジンλと黒煙量との関係を示すグラフ、図４はエンジンシステム１０における排気軽油添加流量（グラフＧ１）、触媒前λ（グラフＧ２）、触媒温度（グラフＧ３）の時間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とで接続されている。なお、図１中６０は過給機、１００は各部を連携制御する制御部を示している。

ディーゼルエンジン２０は例えば４つの気筒２１を有し、その各気筒２１内に往復動可能にピストン（不図示）が嵌挿されていて、このピストンによって各気筒２１内に燃焼室２２が形成されている。また、燃焼室２２の上面の略中央部には、燃料噴射弁２３が先端部の噴孔を燃焼室２２に臨ませて配設され、各気筒毎に所定の噴射タイミングで開閉作動されて、燃焼室２２に燃料を直接噴射するようになっている。

吸気配管３０には、吸気側からエアフローセンサ３４、過給機６０のコンプレッサ６１と、インタークーラ３１と、吸気スロットル３２と、ＥＧＲ配管５０との接続部３３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のタービン６２と、排気軽油添加インジェクタ４１と、ＮＯｘ吸蔵触媒４２とが設けられている。

ＮＯｘ吸蔵触媒４２は排気配管４０に流入する排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、かつ、排ガス中の空燃比を低下させたときに吸蔵したＮＯｘを還元処理する。

ＥＧＲ配管５０には、排気配管４０側から排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ５１と、排ガスの流量を調節するＥＧＲバルブ５２とが設けられている。

制御部１００の制御入力部には、エンジン回転速度、アクセル開度信号、エアフローセンサ３４、λセンサ４３の出力等が接続され、制御出力部には、吸気スロットル３３、ＥＧＲバルブ５２、排気軽油添加インジェクタ４１が接続されている。なお、図１中１０１は再生開始時期判定手段であり、再生開始判定手段１０１は再生開始のタイミングを決めるタイマの機能を有している。

このように構成されたエンジンシステム１０では、次のような動作でリッチスパイクを行い、ＮＯｘ吸蔵触媒４２を再生させる。すなわち、通常のエンジン動作が行われている状況下で、再生開始タイミングが再生開始時期判定手段１０１により検出される。再生開始タイミングは、一定時間（例えば１分）の経過として設定されている。

再生開始時期判定手段１０１からの検出信号により、リッチスパイクが開始されと、ディーゼルエンジン２０による低λ化制御が行われる。高速高負荷域における具体例として、ディーゼルエンジン２０の圧縮行程終期（上死点近傍）でメイン噴射が行われる（図２中Ｅ１）。次に、上死点後２０度クランクアングルまでの間にポスト噴射が行われる（図２中Ｅ２）。なお、ポスト噴射における総噴射量に対する割合は２０％程度とされる。この割合についてはポスト噴射量を増させていくと、エンジン出力が低下するとともに黒煙は低減され、逆にポスト噴射を減少させると出力は確保できるが黒煙が悪化してしまう。このような出力と黒煙の関係を考慮して最適な量として２０％程度に設定されている。なお、このポスト噴射は、低速低負荷領域、低速高負荷領域、高速低負荷領域には行われない。

図４のグラフＧ２に示すように、エンジンの吸気系及び噴射系の制御によりエンジンλが低下し、触媒前λが１．７程度であったものが１．３まで低下してゆく。その後、排気軽油添加インジェクタ４１から軽油が噴射される（グラフＧ１の実線）。すなわち、触媒前λが１．３に達した時点で排気軽油添加インジェクタ４１から軽油が噴射されることになるので、燃費の悪化を抑制しながら目標の触媒前λが１に達することができる。なお、グラフＧ２中破線は排気軽油添加インジェクタ４１から軽油が噴射されなかった場合の触媒前λの変化を示している。

リッチスパイクの開始から所定時間（例えば４秒）後に、リッチスパイク動作が終了し、触媒前λが１．７程度に戻り、通常のエンジン動作が行われることとなる。

上述したように、本実施の形態に係るエンジンシステム１０においては、エンジンλが十分に低下した状態で、排気軽油添加インジェクタ４１からの軽油の噴射を開始するようにしているので、軽油の添加流量を減らすことができ、燃費の悪化を防止できるとともに、ＮＯｘ吸蔵触媒４２に過剰な軽油が添加されないため、ＮＯｘ吸蔵触媒４２の過昇温を防止することができる。

また、エンジンλを低下させる過程で、高速高負荷領域にある場合には、気筒内燃焼室に軽油を噴射する際に、気筒の圧縮行程上死点近傍でのメイン噴射と、メイン噴射後の膨張行程でポスト噴射とに分割して噴射することで、黒煙悪化を防止できる。すなわち、メイン噴射における噴射量を低減することになるため、短い着火遅れ期間であっても黒煙悪化を防止できる。またポスト噴射においても筒内温度が低下していることにより予混合が十分に行われるため黒煙が回避できる。なお、図３中Ｑ１は通常噴射時、Ｑ２はリッチスパイク時に本発明を適用した場合における空燃比と黒煙との関係を示している。図からも分かるように、低λ域における黒煙が低減されている。また本発明の実施形態ではポスト噴射が上死後２０度クランクアングルまでの間に行われるため、オイルダイリューションの発生も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はなく、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。

本発明の一実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示す説明図。 同エンジンシステムにおける筒内圧力の時間変化を示すグラフ。 同エンジンシステムにおけるエンジンλと黒煙量との関係を示すグラフ。 同エンジンシステムにおける排気軽油添加流量、触媒前λ、触媒温度の時間変化を示す説明図。 従来のエンジンシステムにおけるエンジンλと黒煙量との関係を示すグラフ。

符号の説明

１０…エンジンシステム、２０…ディーゼルエンジン、２３…燃料噴射弁、３０…吸気配管、３２…吸気スロットル、４０…排気配管、４１…排気軽油添加インジェクタ、５０…ＥＧＲ配管、６０…過給機、１００…制御部、１０１…再生開始時期判定手段。

Claims (3)

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、前記排ガス中の空燃比が低下したときに再生処理される触媒と、
   前記エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   前記触媒より排気上流側の排気通路に設けられ、通路内に軽油を噴射可能な軽油添加部と、
   前記触媒の再生開始時期を判定する再生開始時期判定手段と、
   この再生開始時期判定手段の判定結果に基づいて、前記触媒上流の排ガスの空燃比を低下させるようにエンジンの燃焼を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、高速高負荷域における空燃比低下制御時に気筒内の燃料噴射を圧縮行程上死点近傍でのメイン噴射と、該メイン噴射後の膨張行程でポスト噴射とに分割して噴射するとともに、前記ポスト噴射の時期を上死点後２０度クランクアングルまでの間とするように前記燃料噴射弁の作動を制御する燃料噴射制御手段とを備えていることを特徴とするエンジンの排ガス浄化装置。
2. 前記ポスト噴射の量をメイン噴射とポスト噴射の総噴射量の２割以上とした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. 前記ポスト噴射により、前記触媒上流の排ガス空燃比が所定の値まで低下した場合に前記軽油添加部から軽油を噴射し、当該排ガス空燃比を理論空燃比以下と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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