JP2006274856A

JP2006274856A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2006274856A
Application number: JP2005092514A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Nishioka; 寛真西岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP4438662B2

Abstract

【課題】還元剤添加弁の異常の原因に応じて還元剤の増量又は供給圧力の増圧のいずれかを使い分けることができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】本発明の排気浄化装置は、排気浄化触媒１５の上流に還元剤を噴射する還元剤添加弁２０と、還元剤添加弁２０に還元剤を供給する還元剤供給通路２１と、還元剤供給通路２１に設けられた加圧ポンプ２３と、を備え、排気浄化触媒１５に吸蔵されたＮＯｘを還元する必要がある場合には、排気空燃比が目標値に到達するように還元剤の量及び供給圧力をそれぞれ制御する。更に、排気空燃比が目標値に到達しない場合に還元剤の噴射に伴う圧力低下量が正常か否かを判定し、その結果、圧力低下量が正常でない場合には還元剤添加弁２０の詰まりを判断して供給圧力を増圧補正する一方、圧力低下量が正常である場合には還元剤の不足を判断して還元剤の量を増量補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、還元剤の存在下で排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気浄化触媒として、排気中の窒素酸化物を吸蔵し、還元剤たる燃料の存在を条件に吸蔵された窒素酸化物を還元して浄化する吸蔵還元型のＮＯｘ触媒等が広く知られている。また、ＮＯｘ触媒の上流側に還元剤を燃料添加弁から適時に噴射することによりＮＯｘ触媒の還元作用を促す排気浄化装置が知られている。このような排気浄化装置において、還元剤添加弁の詰まりを還元剤供給路内の圧力降下量（低下量）から判定し、還元剤添加弁の詰まりが判定された場合に還元剤を増量補正するもの（特許文献１）、還元剤添加弁の詰まりが推定された場合に還元剤の噴射圧（供給圧力）を増圧させて還元剤添加弁の詰まりを解消するもの（特許文献２）などがある。

特開２００２−２４２６６３号公報特開２００３−２２２０１９号公報

還元剤添加弁の詰まりが判定されたときに還元剤を増量補正する場合には、還元剤添加弁の開弁期間が延びることにより噴射期間が長くなり、結果として単位時間当たりの噴射量（噴射率）が低下する。そのため、還元剤を増量補正したにもかかわらず、目標となる排気空燃比に到達しない場合も起こり得る。また、還元剤添加弁の詰まりが推定されたときに還元剤の供給圧力を増圧補正する場合には、還元剤添加弁の詰まり以外の原因、例えば還元剤添加弁の経年劣化により本来噴射すべき量の還元剤が噴射されない異常に対して適切に対応できないおそれがある。

そこで、本発明は、還元剤添加弁の異常の原因に応じて還元剤の増量又は供給圧力の増圧のいずれかを使い分けることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられて還元剤の存在下で排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の上流に還元剤を噴射する還元剤添加弁と、前記還元剤添加弁に還元剤を供給する還元剤供給通路と、前記還元剤供給通路に設けられて前記還元剤添加弁に対する還元剤の供給圧力を調整する供給圧力調整手段と、前記還元剤添加弁から還元剤を噴射させる必要がある場合、前記内燃機関の排気空燃比が目標値に到達するように、前記還元剤添加弁が噴射する還元剤の量及び前記供給圧力調整手段が調整する前記供給圧力をそれぞれ制御する還元剤添加制御手段と、を備え、前記還元剤添加制御手段は、前記還元剤添加弁から還元剤を噴射させた際に前記排気空燃比が前記目標値に到達しない場合において還元剤の噴射に伴う前記還元剤供給通路内の圧力低下量が正常か否かを判定する圧力低下量判定手段と、前記圧力低下量判定手段にて前記圧力低下量が正常でないと判定されたときに前記還元剤添加弁の詰まりを判断して前記供給圧力調整手段が調整する前記供給圧力を増圧補正する一方で、前記圧力低下量判定手段にて前記圧力低下量が正常であると判定されたときに還元剤の不足を判断して前記還元剤添加弁が噴射する還元剤の量を増量補正する還元剤添加補正手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

還元剤添加弁から還元剤を噴射させた際に、排気空燃比が目標値に到達しない場合には還元剤添加弁に何らかの異常があると推定される。還元剤添加弁の異常には経年劣化や詰まり等により本来噴射すべき量の還元剤が噴射されない態様がある。この排気浄化装置によれば、還元剤の噴射に伴う還元剤供給通路の圧力低下量に基づいて、排気空燃比が目標値に到達しない異常の原因が還元剤の不足であるか又は還元剤添加弁の詰まりであるかを判断できる。そして、判断した原因に応じて還元剤の増量又は供給圧力の増圧を使い分けることができる。

本発明の排気浄化装置においては、還元剤添加弁に還元剤を噴射させる態様、還元剤を増量補正する態様、又は還元剤の供給圧力を増圧補正する態様に制限はないが、例えば、前記還元剤添加制御手段は、前記還元剤添加弁による還元剤の噴射が複数回の噴射に分けられるように前記還元剤添加弁の動作を制御するものであり、前記還元剤添加補正手段は、還元剤の量を増量補正する場合に前記複数回の噴射のそれぞれの噴射量を増量させるとともに、前記供給圧力を増圧補正する場合に前記複数回の噴射のそれぞれの前記供給圧力を増圧させてもよい（請求項２）。

以上説明したように、本発明によれば、排気空燃比が目標値に到達しない異常の原因が還元剤の不足であるか又は還元剤添加弁の詰まりであるかを判断できるので、異常の原因に応じて還元剤の増量又は供給圧力の増圧を使い分けることができる。

図１は本発明の排気浄化装置が適用された内燃機関の一実施形態を示している。内燃機関１は４つの気筒２が一列に並べられた直列４気筒型のディーゼルエンジンであり、内燃機関１に対して過給を行うターボ過給機３を有している。各気筒２には燃料噴射弁４が設けられ、各燃料噴射弁４はコモンレール５に接続される。コモンレール５には燃料供給通路６を介してサプライポンプ７が連結される。サプライポンプ７は図示しないクランク軸の回転を駆動源とし、燃料をコモンレール５に所定の圧力で圧送する。これにより、燃料が気筒２毎に設けられた燃料噴射弁４に供給され、燃料噴射弁４が適宜に開閉されて各気筒２に対して燃料が噴射される。

内燃機関１の吸気通路８には、上流側から順番に、吸気濾過用のエアクリーナ１０、ターボ過給機３のコンプレッサ３ａ、コンプレッサ３ａにて圧縮された吸気を冷却するインタークーラ１２、及び、吸気流量を調整するスロットル弁１３がそれぞれ設けられる。一方、排気通路９には、ターボ過給機３のタービン３ｂと、排気中の粒子状物質を捕捉可能なフィルタを内蔵し、かつ、このフィルタに窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵する機能を持つカリウム（Ｋ）、バリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属や、カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）等の希土類等の一つ又はこれらの組合せからなるＮｏｘ吸蔵物質が担持された排気浄化触媒１５と、排気浄化触媒１５の下流側に配置されて排気空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた信号を出力するＡ／Ｆセンサ１６がそれぞれ設けられている。吸気通路８と排気通路９とはＥＧＲ通路１７にて連通され、これにより排気通路９から排気の一部が取り出されて吸気通路８に還流される。ＥＧＲ通路１７には、排気の還流量を調整するＥＧＲバルブ１８と、還流する排気を冷却するＥＧＲクーラ１９とがそれぞれ設けられている。

排気浄化触媒１５は還元剤としての燃料（軽油）の存在下で吸蔵したＮＯｘを還元して浄化する機能を持つ。そのため、排気浄化触媒１５の上流側の排気通路９には、還元剤としての燃料を噴射して排気浄化触媒１５に燃料を適時に供給するための還元剤添加弁２０が設けられている。還元剤添加弁２０は、還元剤供給通路２１を介してサプライポンプ７に連結される。還元剤供給通路２１には、サプライポンプ７からの燃料供給の許可又は遮断を適宜に切り替える切替弁２２と、還元剤添加弁２０に対する還元剤の供給圧力を調整可能な供給圧力調整手段としての加圧ポンプ２３と、切替弁２２と加圧ポンプ２３との間に配置されて還元剤供給通路２１の圧力に応じた信号を出力する圧力センサ２４とがそれぞれ設けられている。加圧ポンプ２３は、図示しないクランク軸又は電動機の回転を駆動源としてよい。

還元剤添加弁２０、切替弁２２、及び加圧ポンプ２３のそれぞれの動作はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０にて制御される。ＥＣＵ３０は、各種センサからの出力信号を参照して内燃機関１の運転状態を適切に制御するコンピュータであり、ＣＰＵ及びこれを動作させるためのＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を備えている。ＥＣＵ３０には、上述したＡ／Ｆセンサ１６、圧力センサ２４の他、図示を省略したが、吸入空気量を検出するエアフローメータ、機関回転数（回転速度）を検出する回転数センサ等の各種センサの出力信号が入力される。還元剤添加弁２０による還元剤の噴射の許否は、ＥＣＵ３０がＲＯＭに保持する所定のプログラムに基づいて判断される。図示を省略したが、ＥＣＵ３０は内燃機関１の運転状態から排気浄化触媒１５に吸蔵されたＮＯｘ量を推定し、その推定結果に基づいて排気浄化触媒１５が吸蔵したＮＯｘを還元させる必要性を判断する。その結果、還元の必要があると判定した場合には、ＥＣＵ３０のＲＡＭの所定領域に割り当てられたＮＯｘ還元要求フラグをセット（ＯＮ）する。また、還元の必要がない場合には、ＮＯｘ還元要求フラグをクリア（ＯＦＦ）の状態に維持する。ＮＯｘの吸蔵量の推定は各種の方法で行ってよいが、例えば、前回実施した還元剤添加弁２０による還元剤の噴射からの経過時間、内燃機関１の運転時間の積算値等の運転履歴に基づいて行ってもよい。

図２は、上述した還元剤添加弁２０による燃料噴射の実施の許否の判定処理と並行してＥＣＵ３０が実行する還元剤添加制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ３０のＲＯＭに保持され、所定間隔で繰り返し実行される。まず、ステップＳ１において、ＥＣＵ３０は、上述したＮＯｘ還元要求フラグがＯＮされているか否かを判定する。ＮＯｘ還元要求フラグがＯＮされていない場合には還元剤添加弁２０から還元剤を噴射させる必要がないので今回の処理を終了する。一方、ＮＯｘ還元要求フラグがＯＮされている場合には、処理をステップＳ２に進めて、目標となる排気空燃比（目標値）に到達するように、還元剤添加弁２０に還元剤の噴射（添加）を実施させる。目標値は適宜に定めてよいが、本実施形態では目標値をストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．７）としている。ＥＣＵ３０は還元剤供給通路２１への燃料供給が許可されるように切替弁２２を制御するとともに、所定の噴射量及び供給圧力で燃料添加弁２０から還元剤が噴射されるように還元剤添加弁２０及び加圧ポンプ２３をそれぞれ制御する。なお、本実施形態の場合、還元剤添加弁２０による還元剤の噴射が複数回に分割されるように駆動パルスが供給されて還元剤添加弁２０が開閉制御される（図３参照）。分割された一回あたりの噴射は、それぞれ同一の噴射量（開弁時間）及び供給圧力で実施される。噴射量及び供給圧力は、内燃機関１の運転状態に関連付けられたベースマップに基づいて算出されたベース値に、前回の処理（後述するステップＳ５、Ｓ６の処理）で得た噴射量及び供給圧力の補正値を加味して算出される。ベースマップはＥＣＵ３０のＲＯＭに予め保持されている。

次に、ステップＳ３において、ＥＣＵ３０は、還元剤添加弁２０の異常を判断するため、還元剤の噴射後の排気空燃比が目標値に到達しているか否か、具体的にはＡ／Ｆセンサ１６の出力値のピーク値がストイキよりも小さいか否かを判定する。Ａ／Ｆセンサ１６のピーク値がストイキよりも小さい場合には、適切な還元剤の噴射が実施されたといえるので、以後の処理をスキップして今回のルーチンを終える。一方、このピーク値がストイキ以上の場合、つまりストイキに到達しない場合には、本来必要とされる量の還元剤が噴射されなかった異常があると推定される。図３は、還元剤添加弁２０に供給される駆動パルス、排気空燃比（Ａ／Ｆ）、及びＮＯｘ及び炭化水素（ＨＣ）の変化を同一時間軸で示した説明図であり、図３（ａ）は正常時を、図３（ｂ）は異常時をそれぞれ示している。還元剤添加弁２０の経年劣化や詰まり等が発生すると、還元剤添加弁２０に供給される駆動パルスが同一であっても、図３（ｂ）のＸで示されるように排気空燃比のピーク値がストイキに到達しない異常が発生する。この異常により、図３（ｂ）のＹに示したようにＮＯｘの還元量が図３（ａ）の正常時によりも減少してＮＯｘの還元効率が悪化する。そこで、この異常を適切に解消するため、ＥＣＵ３０は処理をステップＳ４に進めて異常の原因を判断する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３０は圧力センサ２４の出力に基づいて還元剤の噴射に伴う還元剤供給通路２１の圧力低下量を算出し、算出された圧力低下量の異常の有無を判定する。ＥＣＵ３０は、例えば図４に示すように、正常時の圧力低下量と噴射量との相関を予め実験的に求めてＲＯＭに保持しておいたマップを参照し、このマップから得た圧力低下量の正常値と圧力センサ２４から得た値とを比較する。このマップは還元剤の噴射前の還元剤供給通路２１の圧力毎にそれぞれ準備される。還元剤添加弁２０に詰まりが生じている場合には、予定量の還元剤が還元剤添加弁２０から噴射されないため圧力低下量が正常値よりも小さくなる。そこで、本実施形態では圧力低下量が正常値よりも小さい場合を圧力低下量が正常でない場合とし、ＥＣＵ３０は、圧力センサ２４から得た圧力低下量が正常値よりも小さい場合に還元剤添加弁２０の詰まりを判断し、処理をステップＳ５に進める。

ステップＳ５においては、ＥＣＵ３０は還元剤添加弁２０に対する供給圧力を増圧補正するため供給圧力の補正値を算出し、これをＲＡＭの所定領域に記憶する。補正値は一定値でもよいし、正常値との差に応じて段階的に補正値を設定してもよい。次回の還元剤の噴射の際には、ステップＳ２において補正値が加味されて供給圧力が増圧補正されるので、図５に示したように、Ａ／Ｆセンサ２４の出力波形４１がベース４０よりもリッチ側にシフトする。このため排気空燃比をストイキに到達させることができる。更に、供給圧力が増圧補正されることにより、還元剤添加弁２０の詰まりを吹き飛ばして詰まりを解消することもできる。なお、図５には、比較例として供給圧力を変えずに噴射量を増量補正した場合が示されている。この場合には、噴射量を増量しても噴射率が低下するため、Ａ／Ｆセンサ２４の出力波形４２がリッチ側にシフトせずに排気空燃比がストイキに到達できない場合が起こり得る。

一方、圧力センサ２４から得た圧力低下量が正常値以上の場合には、還元剤添加弁２０の異常の原因として詰まり以外の原因、例えば経年劣化による還元剤の不足が推認される。本実施形態では圧力低下量が正常値以上の場合を圧力低下量が正常である場合とする。ＥＣＵ３０は、ステップＳ５において圧力低下量が正常値以上であると判断した場合には還元剤の不足を判断し、処理をステップＳ６に進めて噴射量を増量補正するため噴射量の補正値を算出する。噴射量の補正値は、供給圧力の補正値と同様に一定値でもよいし段階的に変化させてもよい。次回の還元剤の噴射の際には、ステップＳ２において補正値が加味されて還元剤が増量補正されるので、還元剤の不足が解消される。

こうして、図２の処理がＥＣＵ３０にて繰り返し実行されることにより、還元剤添加弁２０の異常の原因が詰まりの場合には供給圧力が増圧補正され、還元剤の不足の場合には還元剤が増量補正される。これにより、異常の原因に応じた増圧補正又は増量補正が使い分けられて還元剤添加弁２０の異常が適切に解消される。なお、本実施形態において、図２の処理が実行されることにより、ＥＣＵ３０が本発明の還元剤添加制御手段として、図２のステップＳ４が実行されることにより、ＥＣＵ３０が本発明の圧力低下量判定手段として、図２のステップＳ５及びＳ６において補正値が算出された後にステップＳ２が実行されることにより、ＥＣＵ３０が本発明の還元剤添加補正手段として、それぞれ機能する。

本発明は以上の実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態で実施できる。本発明の適用対象となる内燃機関は必ずしもディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンでもよい。ガソリンエンジンに適用する場合には、希薄燃焼式のガソリンエンジンに好適である。

排気浄化触媒１５は上記の形態に制限されず、粒子状物質を捕捉可能なフィルタを備えていないものでもよい。また、還元剤の存在下で排気中の有害物質としてのＮＯｘを浄化できるものであれば、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒に限らず、いわゆる選択還元型のＮＯｘ触媒でもよい。この場合には、還元剤として尿素等のアンモニア由来の化合物を用いてもよい。

還元剤添加弁２０による還元剤の噴射形態は、複数回に分割して噴射する形態に限定されず、更に、分割した噴射のそれぞれに関して噴射量又は供給圧力を一定にしなくてもよい。また、分割した噴射のぞれぞれに関して噴射量を増量補正又は供給圧力を増圧補正してもよいし、分割した噴射のうち少なくとも一回に関して噴射量を増量補正又は供給圧力を増圧補正してもよい。

本発明の排気浄化装置が適用された内燃機関の一実施形態を示した図。還元剤添加制御ルーチンの一例を示したフローチャート。還元剤添加弁に供給される駆動パルス、排気空燃比（Ａ／Ｆ）、及びＮＯｘ及び炭化水素（ＨＣ）の変化を同一時間軸で示した説明図であり、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常時をそれぞれ示す。正常時の圧力低下量を噴射量に関連させたマップの一例を示した図。供給圧力の増圧補正又は噴射量の増量補正が行われた際のＡ／Ｆセンサの出力波形の変化を示した説明図。

符号の説明

１内燃機関
９排気通路
１５排気浄化触媒
２０還元剤添加弁
２１還元剤供給通路
２３加圧ポンプ（供給圧力調整手段）
３０ＥＣＵ（還元剤添加制御手段、圧力低下量判定手段、還元剤添加補正手段）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられて還元剤の存在下で排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の上流に還元剤を噴射する還元剤添加弁と、前記還元剤添加弁に還元剤を供給する還元剤供給通路と、前記還元剤供給通路に設けられて前記還元剤添加弁に対する還元剤の供給圧力を調整する供給圧力調整手段と、前記還元剤添加弁から還元剤を噴射させる必要がある場合、前記内燃機関の排気空燃比が目標値に到達するように、前記還元剤添加弁が噴射する還元剤の量及び前記供給圧力調整手段が調整する前記供給圧力をそれぞれ制御する還元剤添加制御手段と、を備え、
前記還元剤添加制御手段は、前記還元剤添加弁から還元剤を噴射させた際に前記排気空燃比が前記目標値に到達しない場合において還元剤の噴射に伴う前記還元剤供給通路内の圧力低下量が正常か否かを判定する圧力低下量判定手段と、前記圧力低下量判定手段にて前記圧力低下量が正常でないと判定されたときに前記還元剤添加弁の詰まりを判断して前記供給圧力調整手段が調整する前記供給圧力を増圧補正する一方で、前記圧力低下量判定手段にて前記圧力低下量が正常であると判定されたときに還元剤の不足を判断して前記還元剤添加弁が噴射する還元剤の量を増量補正する還元剤添加補正手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記還元剤添加制御手段は、前記還元剤添加弁による還元剤の噴射が複数回の噴射に分けられるように前記還元剤添加弁の動作を制御するものであり、
前記還元剤添加補正手段は、還元剤の量を増量補正する場合に前記複数回の噴射のそれぞれの噴射量を増量させるとともに、前記供給圧力を増圧補正する場合に前記複数回の噴射のそれぞれの前記供給圧力を増圧させ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。