JP2006200473A - 排ガス後処理装置付きエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排ガス後処理装置付きエンジンにおいてＮＯｘ浄化および燃費向上を両立可能とする。
【解決手段】 ＥＣＵ（１０）は、温度センサ（５１）により検出された排ガス後処理装置（４０）の触媒部（４２）の温度がその活性温度よりも高い場合には、触媒部によるＮＯｘ浄化が行われているとの判断の下で、インジェクタ（１１）からの燃料噴射の時期を進角させて燃費を低減させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排気ガスを浄化する後処理装置を装備したエンジンに関し、特に、この様な排ガス後処理装置付きエンジンの燃費を低減可能な制御装置に関する。

自動車用エンジンとくにディーゼルエンジンには、エンジンから排出される排気ガスに含まれるパティキュレートを捕集して除去する排気浄化装置を装備したものがある。この排気浄化装置は、例えば、排ガス中のＮＯを酸化する酸化触媒の下流にパティキュレートを捕集するフィルタを備え、酸化触媒温度がＮＯの酸化に最適な温度範囲内にある場合、エンジンから酸化触媒へ流入した排ガス中のＮＯを酸化触媒により酸化してＮＯ₂に転換し、このＮＯ₂をパティキュレート中のカーボンと反応させてＮＯ、ＣＯ、ＣＯ₂を生成させることにより大気中へのパティキュレートの排出を抑制するものとなっている。しかしながら、排ガス中のＮＯｘ量がエンジン運転状態によって変化することから、酸化触媒温度が最適温度範囲内にある場合にも排ガス中のＮＯｘ量の不足に起因してフィルタの再生を効果的に行えないことがある。

そこで、特許文献１の排気浄化装置は、排ガス中のＮＯｘ量を調節するＮＯｘ量調節手段、排ガス中のＮＯを酸化する酸化手段、排ガス中の煤塵を捕集する煤塵捕集手段、および、排ガスまたは酸化手段の温度を検出する温度手段を備え、温度データに基づいてＮＯｘ量調節手段を制御して（例えば燃料噴射時期を進角させて）酸化手段に流入するＮＯｘ量を調整するようにしている。すなわち、酸化手段がＮＯを酸化し易い温度にある場合はＮＯｘを増量させることによりＮＯ₂を積極的に生成させ、このＮＯ₂を煤塵と反応させて煤塵捕集手段を効率的に再生する一方、酸化手段がその様な温度にない場合にはＮＯｘ量を減少させて余分なＮＯが酸化手段に流入しないようにしている。
特開２００１−２９５６３１号公報

上記特許文献１に記載の排気浄化装置によれば、煤塵捕集手段（フィルタ）の再生を効率的に実施することができるが、ＮＯｘ調節制御を行った結果として燃費が増大するおそれがあり、また、ＮＯｘ量の増大制御を実施した場合に排気浄化装置の下流におけるＮＯｘ量が増大するおそれがある。更に、特許文献１記載の排気浄化装置は、酸化触媒の温度に応じてＮＯｘ量を調節するものに過ぎず、触媒温度制御を行うものではなく、このため、酸化触媒の温度が最適温度となる頻度を増大させることができず、また、酸化触媒を早期に最適温度に到達させることができないおそれがある。

本発明の目的は、排ガス後処理装置付きエンジンにおいてＮＯｘ浄化および燃費向上を両立可能とする制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、排ガス後処理装置の触媒部の温度を検出する温度検出手段と、燃料噴射時期を調節する噴射時期調節手段と、触媒部温度が活性温度よりも高い場合に噴射時期調節手段により燃料噴射時期を進角させて燃費を低減させる燃費低減手段とを備えることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１記載の噴射時期調節手段に代えて燃料噴射圧力を調節する噴射圧力調節手段を備え、触媒部温度が活性温度範囲内にある場合に燃費低減手段が噴射圧力調節手段を介して燃料噴射圧力を増大させて燃費を低減するものになっている。

請求項３の発明は、請求項１記載の噴射時期調節手段に代えて、可変容量過給機への排ガス導入量を開度調節により変化させる排ガス導入量変化手段の開度を調節する開度調節手段を備え、触媒部温度が活性温度範囲内にある場合に燃費低減手段が開度調節手段を介して排ガス導入量変化手段の開度を絞ることにより吸入空気量を増大させて燃費を低減するものになっている。

請求項１〜３のいずれかに従属する請求項４の発明による制御装置は、触媒部温度が活性温度よりも低い場合に排ガス温度を上昇させる排ガス温度上昇手段を備える。
請求項１〜３のいずれかに従属する請求項５の発明による制御装置は、排ガス後処理装置が、尿素を還元剤にして排ガス中ＮＯｘを選択還元する尿素型選択還元触媒を含むものである。

請求項１の発明は、排ガス後処理装置の触媒部の温度が活性温度よりも高い場合に燃料噴射時期を進角させて燃費を低減させるようにしたので、活性化された触媒部によりＮＯｘを浄化しつつ噴射時期の進角により燃費を低減することができ、ＮＯｘ浄化および燃費低減を両立させることができる。
請求項２の発明は、活性化された触媒部によりＮＯｘを浄化しつつ燃料噴射圧力の増大により燃費を低減することができ、ＮＯｘ浄化及び燃費低減を両立させることができる。

請求項３の発明は、活性化された触媒部によりＮＯｘを浄化しつつ、可変容量過給機が備える排ガス導入量変化手段の開度を絞ることにより吸入空気量を増大させて燃費を低減することができ、ＮＯｘ浄化および燃費低減を両立させることができる。
請求項４の発明は、触媒部温度が活性温度よりも低い場合に排ガス温度を上昇させるので、触媒部を早期に活性化することができ、従って、触媒部が活性化されている場合に行われる請求項１、２または３記載の発明によるＮＯｘ浄化および燃費低減を早期に実現することができる。

請求項５の発明は、排ガス後処理装置が尿素型選択還元触媒を含むものとなっており、尿素型選択還元触媒による効率的なＮＯｘ浄化作用を利用しつつ請求項１、２または３記載の発明によるＮＯｘ浄化および燃費低減を両立させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態による排ガス後処理装置付きエンジンの制御装置を説明する。
図１において、参照符号１はエンジンたとえばコモンレール式ディーゼルエンジンを示す。詳細な図示を省略するが、例えば、コモンレール式ディーゼルエンジン１は、各気筒毎にインジェクタ１１を備え、各インジェクタ１１はその噴孔を開閉するニードル弁を有し、ニードル弁の先端側および基端側にそれぞれ設けられた燃料室および制御室を燃料通路１２を介して蓄圧室（コモンレール）１３に接続すると共に、制御室を燃料戻し通路を介して燃料タンクに接続したものである。

図１中、参照符号１０は、エンジン制御装置の主要部をなす電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１０を示す。詳細な図示を省略するが、ＥＣＵ１０の制御下で、インジェクタ１１に設けられた電磁弁が開くと、蓄圧室１３内から供給された高圧燃料がインジェクタ１１を通じてエンジン１の燃焼室に噴射されることになる。そして、電磁弁を閉じると燃料噴射が終了するように構成されており、ＥＣＵ１０により電磁弁の開弁時期を制御することで燃料の噴射時期を調節している（噴射時期調節手段）。

エンジン１は、吸気マニホールドに接続された吸気管１４を含むエンジン吸気系と、排気マニホールドに接続された排気管１５を含むエンジン排気系とを有している。
吸気管１４の途中には、過給機２０のコンプレッサ２１とインタークーラ３１と吸気スロットル弁３２が配されている。吸気スロットル弁３２の開度は、ＥＣＵ１０の制御下で動作するスロットル弁アクチュエータ３３により可変調節できるようになっている。

一方、排気管１５の途中には、過給機２０のタービン２２、排気ブレーキ弁３４、排ガス後処理装置（以下、後処理装置という）４０、および図示しないマフラが設けられている。排気ブレーキ弁３４の開度は、ＥＣＵ１０の制御下で動作するブレーキ弁アクチュエータ３５により可変調節可能である。
過給機２０のコンプレッサ２１とタービン２２は図示しない連結シャフトにより同期回転可能に連結され、エンジン１から排出される排気ガスの流れにより発生したタービン２２の回転力によりコンプレッサ２１を回転させ、コンプレッサ２１により加圧された吸気をエンジン１に供給するようになっている。また、コンプレッサ２１により加圧されて高温になった空気はインタークーラ３１で冷却され、これにより吸入空気の密度を高めて充填効率を向上させて、エンジン出力を増大するようにしている。

図１中、参照符号３６は、エンジン排気側から吸気通路１４に延びるＥＧＲ通路を示し、このＥＧＲ通路３６を介して排ガスの一部を再還流ガスとしてエンジン１に供給するようになっている。ＥＧＲ通路３６の途中には、再還流ガスを冷却してエンジン１へのガス充填密度を高めるＥＧＲクーラ３７と、再還流ガスのエンジン１への供給および供給遮断のためのＥＧＲ弁３８が設けられている。ＥＣＵ１０の制御下で動作するＥＧＲ弁アクチュエータ３９によりＥＧＲ弁３８の開閉あるいはその開度が調節されるようになっている。

後処理装置４０は、これに流入した排気ガスに含まれるＮＯｘなどの有害成分を浄化するものである。本実施形態の後処理装置４０は、前段酸化触媒４１とその下流側に配された尿素型選択還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）４２とを有し、触媒４１、４２は後処理装置４０の触媒部を構成している。ＳＣＲ触媒４２は、アンモニア（尿素）を還元剤にして排ガス中のＮＯｘを選択還元するものである。還元剤としてのアンモニアは、尿素添加装置（還元剤供給手段）４３からＳＣＲ触媒４２に供給される。尿素添加装置４３は、アンモニアの素となる尿素水を貯蔵した尿素タンク４４と図示しないエア源とに接続され、尿素水にエアを混合したものを尿素噴射ノズル４５からＳＣＲ触媒４２の上流側に供給するようになっている。また、尿素添加装置４３は、温度センサ（温度検出手段）５１により検出された触媒部温度（例えばＳＣＲ触媒温度）に応じて、ＥＣＵ１０の制御下で尿素水の供給量を調節することができる。

なお、尿素水の過剰添加により生じる余剰のアンモニアを分解するための酸化触媒をＳＣＲ触媒４２の下流側に必要に応じて設けることができる。また、ＳＣＲ触媒４２に代えて、ＮＯｘ浄化機能を有する触媒たとえばＮＯｘ吸蔵触媒を用いることができる。本実施形態では、ＳＣＲ触媒４２に近接した配された一つの温度センサ５１を用いてＳＣＲ触媒温度を触媒部温度として検出したが、ＳＣＲ触媒４２の上流側および下流側のそれぞれに温度センサを設けて両温度センサによる検出した温度の平均値を触媒部温度として検出しても良く、また、前段酸化触媒４１の温度や、ＳＣＲ触媒４２の代わりに設けられたＮＯｘ触媒またはその前段触媒の温度を触媒部温度として検出し、あるいは触媒近傍での排気ガス温度を触媒部温度として検出しても良い。

上記構成のエンジン制御装置は、ＮＯｘ浄化および燃費向上を両立させるべく、図２に示すエンジン制御ルーチンを所定周期で実施する。
この制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１０は温度センサ５１から温度データを読込み、この温度データに基づいて後処理装置４０の触媒部温度を検出し（ステップＳ１）、検出した触媒部温度が所定温度ｔ１よりも低いか否かを判別する（ステップＳ２）。本実施形態では、ＳＣＲ触媒温度が触媒部温度として検出され、ＳＣＲ触媒４２の活性温度またはこれよりも高い温度（以下、活性温度という）が所定温度ｔ１として設定されている。

図３に示すように、触媒部温度が所定温度ｔ１以上の高温領域では、触媒部（ここではＳＣＲ触媒４２）のＮＯｘ浄化率は高く、触媒部温度が所定温度ｔ１未満の低温領域ではＮＯｘ浄化率が低くなる。また、燃費、ＮＯｘ量および排気ガス温度は、燃料噴射時期に応じて図４に示すように変化する。なお、図４に示すＮＯｘ量および排気ガス温度は、エンジンアウトにおけるものであり、後処理装置４０下流側でのものではない。

本実施形態では、触媒部温度が低温領域または高温領域のどちらに入っているかに応じてエンジン制御に用いるマップを選択し、選択したマップに基づきエンジン回転数およびエンジン負荷に適した燃料噴射時期などの各種エンジン制御パラメータの値を求めるようにしている。燃料噴射時期に関していえば、低温領域用マップには排気ガス温度が高く且つＮＯｘ量が少なくなるような遅角側の燃料噴射時期θ１が設定される一方、高温領域用マップには燃費が低減するような進角側の燃料噴射時期θ２が設定されている。なお、触媒部温度と所定温度ｔ１との差に応じて低温領域用マップでのパラメータ値と高温領域用マップでのパラメータ値とを補間し、この補間処理によって求められたパラメータ値に基づくエンジン制御を行うこともできる。

さて、エンジン始動直後のように排気ガス温度が低く、ＳＣＲ触媒温度が活性温度ｔ１よりも低いことがステップＳ２で判別され、ステップＳ２での判別結果が肯定（Ｙｅｓ）になると、ステップＳ３に移行して排ガス昇温制御が実施される。本実施形態の排ガス昇温制御では、ＥＣＵ１０の制御下で吸気スロットル弁３２または排気ブレーキ弁３４の開度を小さくしたり或いはＥＧＲ弁３８の開度を大きくすることにより排ガス温度を上昇させる。

次回周期では、ＳＣＲ触媒温度の検出（ステップＳ１）および活性温度ｔ１に対するＳＣＲ触媒温度の大小判定（ステップＳ２）が行われ、ＳＣＲ触媒温度が活性温度ｔ１に達するまで排ガス昇温制御が実施される。既述のように、ＳＣＲ触媒温度が活性温度ｔ１より低い低温領域にある場合、燃料噴射時期が遅角側の値θ１に設定され、ＮＯｘ量の低減および排気ガス温度の上昇が図られる。低温領域では後処理装置４０のＮＯｘ浄化効率が低いが、燃料噴射時期を遅角するというエンジン制御を行うことによりＮＯｘを低減することができる。また、燃料噴射時期の遅角により排ガス温度を上昇させるので、ステップＳ３での排ガス昇温制御の実施と相俟って、触媒部温度を高ＮＯｘ浄化率となる高温領域に早期に近づけることができる。

その後、排ガス昇温制御および燃料噴射時期の遅角によって排ガス温度が上昇し、この排ガス温度上昇に伴ってＳＣＲ触媒温度が活性温度ｔ１に達すると、ステップＳ２での判別結果が否定（Ｎｏ）になり、ステップＳ４に移行して燃費低減制御が実施される。
本実施形態の燃費低減制御では、燃料噴射時期が、ＥＣＵ１０（燃費低減手段）の制御下で低温領域用の値θ１から高温領域用の値θ２に進角される（図４参照）。既述のように、燃料噴射時期を進角させることにより燃費低減を図ることができる。また、燃料噴射時期の進角に伴ってエンジンアウトでの排気ガス温度が低下するので、触媒部温度の過上昇を抑制することができる。なお、燃料噴射時期の進角により、エンジンアウトでのＮＯｘ排出量が増大するが、触媒部（ＳＣＲ触媒４２）が既に活性化しているので、触媒部による還元作用によりＮＯｘ量の増大が抑制される。

以上説明したように、触媒部温度が低温領域にあるときに行われる排ガス昇温制御と高温領域にあるときに行われる燃費低減制御とが相俟って、高ＮＯｘ浄化率となる高温領域になる頻度が増大すると共に燃費が低減するので、トータルでＮＯｘ低減と燃費低減とが両立可能になる。
なお、ＥＣＵ１０による燃料噴射制御では、例えば、アクセルペダル踏込量によって決まる要求トルクに応じた燃料噴射量を予め設定した要求トルク・燃料噴射量マップから求めることができる。従って、燃料噴射時期が進角側または遅角側のいずれに設定されているかに関わらず所要のエンジントルクを発生させることができ、燃料噴射時期の変化に伴うトルク変動を抑制することができる。

第２実施形態
本発明の第２実施形態によるエンジン制御装置は、触媒部温度が高温領域にある場合に行われる燃費低減制御で燃料噴射時期を進角させる第１実施形態に比べ、燃費低減制御において燃料噴射圧力を増大させる点が相違し、その他については第１実施形態のものと同様である。図示を省略するが、燃料噴射圧力の変化に伴う排ガス温度、ＮＯｘ量および燃費の変化は、燃料噴射時期を変化させる場合（図４）の変化に類似している。

燃料噴射圧力制御に係る装置構成については詳細は図示しないが、一つの蓄圧室１３からエンジン１の各インジェクタ１１に燃料通路１２を介して高圧燃料を供給するようにした第１実施形態の構成（図１にその一部を図示）のもので良い。この場合、ＥＣＵ１０に設定された蓄圧室１３の圧力（触媒部温度＜ｔ１の場合に設定される圧力）と圧力センサ５２により検出された実際の圧力が上記の設定圧力となるように供給ポンプから蓄圧室１３に供給される燃料量を調節することにより蓄圧室１３の圧力を増大させて、インジェクタ１１から噴射される燃料の噴射圧力を増大側に調節することができる（噴射圧力調節手段）。

第２実施形態では、図２のエンジン制御ルーチンのステップＳ２において触媒部温度が所定温度ｔ１未満であると判別すると、ステップＳ３で排ガス昇温制御が実施される。そして、この様に触媒部温度が低温領域にある間、燃料噴射圧力が予め設定された低い圧力値になるように燃料噴射圧力制御が行われ、ＮＯｘ量が低減し且つ排ガス温度が上昇する。一方、触媒部温度が所定温度ｔ１以上の高温領域に入るとステップＳ４の燃費低減制御が開始され、予め設定された高い圧力値になるように燃料噴射圧力が制御され、燃費が低減する。また、活性化している触媒部によりＮＯｘ量が抑制される。

第３実施形態
本発明の第３実施形態によるエンジン制御装置は、燃費低減制御において、可変容量過給機のタービンへの排ガス導入面積を絞る点が第１および第２実施形態と相違し、その他については第１及び第２実施形態と同様である。図示を省略するが、可変容量過給機のタービンへの排ガス導入量の変化に伴う排ガス温度、ＮＯｘ量および燃費の変化は、燃料噴射時期を変化させる場合（図４）の変化に類似している。

第３実施形態で用いる可変容量過給機の構成は特に限定しないが、例えば、ＶＧ（Variable Geometry）ターボチャージャを用いることができる。ＶＧターボチャージャは従来公知であり、詳細な図示を省略するが、例えば、ターボチャージャ（過給機）２０のタービン２１の外周を囲むように配された複数の可動ベーン（排ガス導入量変化手段）と、ＥＣＵ１０（燃費低減手段）の制御下で動作するベーンアクチュエータ（開度調節手段）とを備え、各ベーンの開度をベーンアクチュエータにより可変してターボチャージャ２０への排ガス導入量を可変調節できるようになっている。

第３実施形態では、図２のエンジン制御ルーチンのステップＳ２において触媒部温度が所定温度ｔ１未満であることが判別されると、ステップＳ３で排ガス昇温制御を実施すると共に、排ガス導入量変化手段の開度が予め設定された大きい開度になるように開度制御が行われ、ＮＯｘ量が低減し且つ排ガス温度が上昇する。一方、触媒部温度が所定温度ｔ１以上の高温領域に入るとステップＳ４の燃費低減制御が開始され、排ガス導入量変化手段の開度が予め設定された小さい開度になるように開度制御が実施され、吸入空気量が増大して燃費が低減する。また、活性化している触媒部によりＮＯｘ量が抑制される。

以上で本発明の好適実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されず、種々に変形可能である。例えば、上記実施形態では、前段酸化触媒４１及びＳＣＲ触媒４２を触媒部として含む後処理装置４０を用いると共に、触媒部温度が低温領域にあるときに排ガス昇温制御を実施するようにしたが、後処理装置４０の触媒部は既述のようにＮＯｘ吸蔵触媒などで構成可能である。また、排ガス昇温制御は省略しても良く、例えば排気ブレーキ弁３４は省略可能である。エンジン１に過給機２０を装備することは必須ではない。その他の点についても本発明は種々に変形可能である。

本発明の第１実施形態による排ガス後処理装置付きエンジンの制御装置を示す概略図である。 図１に示したＥＣＵが実施するエンジン制御ルーチンのフローチャートである。 図１に示した排ガス後処理装置における触媒部温度とＮＯｘ浄化率との関係を例示する図である。 図１に示したエンジンにおける排気ガス温度、ＮＯｘ量および燃費と燃料噴射時期との関係を例示する図である。

符号の説明

１ エンジン
１０ ＥＣＵ
２０ 過給機
３２ 吸気スロットル弁
３３ スロットル弁アクチュエータ
３４ 排気ブレーキ弁
３５ ブレーキ弁アクチュエータ
３８ ＥＧＲ弁
３９ ＥＧＲ弁アクチュエータ
４０ 後処理装置
４２ ＳＣＲ触媒
５１ 温度センサ

Claims (5)

1. エンジン排気系に設けられ排ガス中のＮＯｘを浄化する排ガス後処理装置が備える触媒部の温度を検出する温度検出手段と、
   燃料噴射時期を調節する噴射時期調節手段と、
   前記温度検出手段により検出された前記触媒部の温度がその活性温度よりも高い場合に前記噴射時期調節手段により燃料噴射時期を進角させて燃費を低減させる燃費低減手段と
   を備える排ガス後処理装置付きエンジンの制御装置。
2. エンジン排気系に設けられ排ガス中のＮＯｘを浄化する排ガス後処理装置が備える触媒部の温度を検出する温度検出手段と、
   燃料噴射圧力を調節する噴射圧力調節手段と、
   前記温度検出手段により検出された前記触媒部の温度がその活性温度よりも高い場合に前記噴射圧力調節手段により燃料噴射圧力を増大させて燃費を低減させる燃費低減手段と
   を備える排ガス後処理装置付きエンジンの制御装置。
3. エンジン排気系に設けられ排ガス中のＮＯｘを浄化する排ガス後処理装置が備える触媒部の温度を検出する温度検出手段と、
   可変容量過給機への排ガス導入量を開度調節により変化させる排ガス導入量変化手段の開度を調節する開度調節手段と、
   前記温度検出手段により検出された前記触媒部の温度がその活性温度よりも高い温度範囲内にある場合に前記開度調節手段により排ガス導入量変化手段の開度を絞って燃費を低減させる燃費低減手段と
   を備える排ガス後処理装置付きエンジンの制御装置。
4. 前記温度手段により検出された前記触媒部の温度が前記活性温度よりも低い場合に排ガス温度を上昇させる排ガス温度上昇手段を備える、請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス後処理装置付きエンジンの制御装置。
5. 前記排ガス後処理装置が、尿素を還元剤にして排ガス中のＮＯｘを選択還元する尿素型選択還元触媒を含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス後処理装置付きエンジンの制御装置。

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