JP2006299952A - 排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 ＮＯｘ浄化触媒を備えた排気ガス浄化システムにおいて、リッチ状態への移行期やリーン状態への移行期間の間で、シリンダ内への燃料噴射の噴射時期の過度の進角や過度の遅角から生じる失火や燃焼騒音やトルク変動やドライバビィテ−等の悪化を防止できる排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】 吸気量を減少する吸気系の制御とシリンダ内への燃料噴射量を増加する燃料系の制御とを併用して前記再生制御のリッチ状態の制御を行う排気ガス浄化システム１において、前記ＮＯｘ浄化触媒１２の再生制御に際してのリーン状態とリッチ状態の切り替え期間の間ｔ１、ｔ２、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化λｎに対応させて、シリンダ内への燃料噴射の噴射時期Ｔｎを変化させる。
【選択図】 図３
【解決手段】 吸気量を減少する吸気系の制御とシリンダ内への燃料噴射量を増加する燃料系の制御とを併用して前記再生制御のリッチ状態の制御を行う排気ガス浄化システム１において、前記ＮＯｘ浄化触媒１２の再生制御に際してのリーン状態とリッチ状態の切り替え期間の間ｔ１、ｔ２、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化λｎに対応させて、シリンダ内への燃料噴射の噴射時期Ｔｎを変化させる。
【選択図】 図３
Description
本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元して浄化するＮＯｘ浄化触媒を備えた排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムに関する。
ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からＮＯｘを還元除去するためのＮＯｘ触媒について種々の研究や提案がなされている。その中に、ディーゼルエンジン用のＮＯｘ低減触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒やＮＯｘ直接還元型触媒等があり、有効に排気ガス中のＮＯｘを浄化できる。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、ゼオライト等の酸化物担持層に、酸化・還元反応を促進する触媒貴金属と、ＮＯｘ吸蔵機能を有するＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持した触媒である。この触媒貴金属としては、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等が用いられ、ＮＯｘ吸蔵材には、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｅ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類等の中の幾つかが用いられる。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーン（酸素過多）状態であって雰囲気中にＯ2 （酸素）が存在する場合には、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）が貴金属類により酸化されてＮＯ2 （二酸化窒素）となり、このＮＯ2 はＮＯｘ吸蔵材に硝酸塩（Ｂａ2 ＮＯ4 等）として蓄積される。
また、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比やリッチ（低酸素濃度）状態になって雰囲気中に酸素が存在しなくなると、Ｂａ等のＮＯｘ吸蔵材は一酸化炭素（ＣＯ）と結合し、硝酸塩からＮＯ2 が分解放出され、この放出されたＮＯ2 は貴金属類の三元機能により排気ガス中に含まれている未燃炭化水素（ＨＣ）やＣＯ等で還元され窒素（Ｎ2 ）となり、排気ガス中の諸成分は、二酸化炭素（ＣＯ2 ），水（Ｈ2 Ｏ），窒素（Ｎ2 ）等の無害な物質として大気中に放出される。
そのため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた排気ガス浄化システムでは、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近くなると、吸蔵されたＮＯｘを放出させて触媒を再生するために、理論空燃比より、燃料を多くして排気ガスの空燃比をリッチにして、流入する排気ガスの酸素濃度を低下させて還元組成排気ガスを触媒に供給する必要がある。このＮＯｘ吸蔵能力回復用のリッチ制御を行うことにより吸収したＮＯｘを放出させて、この放出されたＮＯｘを貴金属触媒により還元させる再生操作を行っている。
そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を効果的に機能させるためには、リーン状態で吸蔵したＮＯｘを還元するのに必要十分な量の還元剤をリッチ状態時に供給する必要があり、ディーゼル機関では、リッチの状態を燃料系のみで実現しようとすると、燃費が悪化するので、還元排気ガスを発生させるために、吸気を絞り弁で絞ると共に、ＥＧＲ弁を開いて、ＥＧＲガスを大量に供給し、吸気量を減少すると共に、リッチ深さを深くするため燃料を追加し、シリンダ内燃焼をリッチ燃焼に切り替えている（例えば、特許文献１参照。）。
一方、ＮＯｘ直接還元型触媒は、β型ゼオライト等の担体に触媒成分であるロジウム（Ｒｈ）やパラジウム（Ｐｄ）等の金属を担持させたものである。更に、金属の酸化作用を軽減し、ＮＯｘ還元能力の保持に寄与するセリウム（Ｃｅ）を配合したり、下層に三元触媒を設けて酸化還元反応、特にリッチ状態におけるＮＯｘの還元反応を促進するようにしたり、ＮＯｘの浄化率を向上させるために担体に鉄（Ｆｅ）を加える等しているものもある。
このＮＯｘ直接還元型触媒は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスの空燃比が、リーン状態の排気ガスのような酸素濃度が高い雰囲気では、ＮＯｘを窒素（Ｎ2 ）に直接還元するが、この還元の際に、触媒の活性物質である金属に酸素（Ｏ2 ）が吸着して還元性能が悪化する。そのため、排気ガスの空燃比が理論空燃比やリッチ状態になるように、排気ガス中の酸素濃度を略ゼロに近い状態にして、触媒の活性物質を再生して活性化する必要がある。
そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と同様に、通常のエンジン運転状態である排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、この浄化に際して、酸化した触媒をリッチ状態の場合に還元して、ＮＯｘ浄化能力を回復する。
しかし、この再生制御のリッチ燃焼時に、リーン燃焼時の燃料噴射時期と同じタイミングで燃料噴射を行うと、大量の不活性ガス（ＥＧＲガス）と吸気絞りによって吸気量が減少しているので、着火遅れが増大し失火が生じる。そこで、リッチ燃焼に切り替えると同時に、燃料噴射時期を１０°程度進角させている。
しかしながら、吸気系と燃料系を組み合わせて、リッチ制御を行う場合には、この吸気系制御と燃料系制御とでは、応答性に違いがある。つまり、吸気系によるリッチ制御では、大量のＥＧＲガスを循環させて吸気中の酸素濃度を下げるが、このＥＧＲガスの循環には時間が掛かるので、目標空燃比になるのに時間が掛かる。従って、応答は緩慢となり、空気系の制御の応答性は悪い。一方、燃料系によるリッチ制御では、吸気系の比較的穏やかな変化に対して、燃料系の噴射時期の進角や遅角は極めて迅速に行われるので、図７のｔ１に示すように、通常運転のリーン状態から再生制御のリッチ状態に移行する時、即ち、リッチ燃焼への初期過渡期には、吸気系の空気過剰率λがリッチ条件λｑに達する前に、燃料系の噴射時期Ｔの進角が完了してしまい、また、図７のｔ２に示すように、再生制御のリッチ状態から通常運転のリーン状態に移行する時、即ち、リーン燃焼への初期過渡期には、吸気系の空気過剰率λがリ−ン条件λｌに達する前に、燃料系の噴射時期Ｔの遅角が完了してしまう。そのため、ＮＯｘの発生量Ｃnoxin や燃焼騒音やトルク等が急増加し、ドライバビィテーの著しい悪化を招くという問題が発生する。
なお、空気過剰率の切換時に、目標吸入空気量の変化に対して実吸入空気量の変化が遅れて、実吸入空気量の変化が燃料噴射量の変化よりも遅れるために、オーバーリッチになって失火したり、エミッションが悪化したり、トルクショックが発生するので、これを防止するために、検出又は推定した実吸入空気量と、設定された、混合気が安定燃焼する安定燃焼λ範囲とに基づいて、実際の空気過剰率λが安定燃焼λ範囲内となるように燃料噴射量を制限し、更に、燃料噴射量と安定燃焼λ範囲との関係に基づいて、燃料噴射時期を変更する内燃機関制御装置が提案され、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ還元浄化制御中（再生制御中）は、燃料噴射時期を均質燃焼モードに切り換えている（例えば、特許文献２参照。）。
しかしながら、この内燃機関制御装置における燃料噴射時期の変更とは、λ＝１．３〜３に対する成層燃焼モードと、λ＝０．７〜１．４に対する均質燃焼モードとの間における変更であり、各モード内における燃料噴射時期の時々刻々の変更では無く、上記のような電子制御による非常に高速で行われる噴射時期の変更と、応答の遅い吸気系の変化とから生じる、リッチ燃焼への過渡期やリーン燃焼への過渡期における問題を解決することができない。
特開平６−３３６９１６号公報
特開２０００−１５４７４８号公報
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、排気ガス中のＮＯｘの浄化のために、流入する排気ガスがリッチ状態の時にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ浄化触媒を備えた排気ガス浄化システムにおいて、リッチ状態への移行期やリーン状態への移行期間の間で、シリンダ内への燃料噴射の噴射時期の過度の進角や過度の遅角から生じる失火や燃焼騒音やトルク変動やドライバビィテ−等の悪化を防止できる排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化方法は、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ浄化触媒と、前記ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化能力を回復するための再生制御を行う触媒再生制御手段とを備え、吸気量を減少する吸気系の制御とシリンダ内への燃料噴射量を増加する燃料系の制御とを併用して前記再生制御のリッチ状態の制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、前記ＮＯｘ浄化触媒の再生制御に際してのリーン状態とリッチ状態の切り替え期間の間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に対応させて、シリンダ内への燃料噴射の噴射時期を変化させることを特徴とする。
ここでいうＮＯｘ浄化触媒にはＮＯｘ吸蔵還元型触媒やＮＯｘ直接還元型触媒等があり、ＮＯｘ浄化能力の回復には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復や硫黄被毒からの回復、また、ＮＯｘ直接還元型触媒のＮＯｘ還元能力の回復や硫黄被毒からの回復等を含む。
この方法により、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化能力の回復のための再生制御に際して、リーン燃焼形態とリッチ燃焼形態との切替時において、燃料噴射時期を所定の目標時期まで一気に進角又は遅角させること無く、吸気系の吸気絞りやＥＧＲ制御によって比較的遅い変化をするシリンダ内の燃焼空燃比に対応させて、燃料噴射時期を進角又は遅角させることにより、ＮＯｘの発生、燃焼騒音の発生、トルクの急激変化、ドライバビリィテーの悪化等が抑制される。
そして、上記の排気ガス浄化方法において、前記再生制御の初期のリーン状態からリッチ状態への切り替えの間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に基づいて算出された燃料噴射時期になるように、シリンダ内への燃料噴射時期を進角させることを特徴とする。
また、上記の排気ガス浄化方法において、前記再生制御の終期のリッチ状態からリーン状態への切り替えの間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に基づいて算出された燃料噴射時期になるように、シリンダ内への燃料噴射時期を遅角させることを特徴とする。
そして、上記の目的を達成するための排気ガス浄化システムは、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ浄化触媒と、前記ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化能力を回復するための再生制御を行う触媒再生制御手段とを備え、吸気量を減少する吸気系の制御とシリンダ内への燃料噴射量を増加する燃料系の制御とを併用して前記再生制御のリッチ状態の制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御手段が、前記ＮＯｘ浄化触媒の再生制御に際してのリーン状態とリッチ状態の切り替え期間の間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に対応させて、シリンダ内への燃料噴射の噴射時期を変化させるように構成される。
この構成の排気ガス浄化システムにより、上記の排気ガス浄化方法を実施でき、同様な効果を奏することができる。
そして、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御手段が、前記再生制御の初期のリーン状態からリッチ状態への切り替えの間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に基づいて算出された燃料噴射時期になるように、シリンダ内への燃料噴射時期を進角させるように構成される。
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御手段が、前記再生制御の終期のリッチ状態からリーン状態への切り替えの間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に基づいて算出された燃料噴射時期になるように、シリンダ内への燃料噴射時期を遅角させるように構成される。
この排気ガス浄化システムは、前記ＮＯｘ浄化触媒が、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒、又は、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを還元浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ直接還元型触媒である場合に提供でき、大きな効果を奏することができる。
なお、ここでいうシリンダ内の燃焼空燃比とは、シリンダ内における燃焼の空燃比を意味するものであり、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダ内で燃焼した分も含めて）との比である排気ガスの空燃比と区別するために使用している。
以上説明したように、本発明に係る排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムによれば、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化能力の回復のための再生制御に際して、シリンダ内の燃焼空燃比がリーンとなる燃焼形態とリッチとなる燃焼形態との間の燃焼形態の切替時において、燃料噴射時期を所定の目標時期まで一気に進角又は遅角させること無く、吸気系の吸気絞りやＥＧＲ制御によって変化するシリンダ内の燃焼空燃比（空気過剰率λ）の変化に対応させて、燃料噴射時期を進角又は遅角させることにより、ＮＯｘの発生量、燃焼騒音、トルクの急激変化、ドライバビリィテー等が極端に悪化することを防止できる。
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１では、エンジン（内燃機関）Ｅの排気通路３に酸化触媒２１とＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２を有する排気ガス浄化装置２０が配置される。
この酸化触媒２１は、ハニカム状のコージェライトあるいは耐熱鋼からなる担体の表面に、活性酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属からなる触媒活性成分を担持させて形成する。この酸化触媒は流入してくる排気ガス中のＨＣ，ＣＯ等を酸化して、排気ガスをを低酸素状態にすると共に燃焼熱により排気温度を上げる。
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２は、コージェライト若しくは炭化珪素（ＳｉＣ）極薄板ステンレスで形成されたモノリス触媒に、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化チタン（ＴｉＯ）等の触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の触媒金属とバリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構成される。このモノリス触媒の構造材の担体は、多数のセルを有しており、また、このセルの内壁に設けられる触媒コート層は、大きな表面積を持っており、排気ガスとの接触効率を高めている。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２では、酸素濃度が高い排気ガスの状態（リーン空燃比状態）の時に、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いかゼロの排気ガス状態（リッチ空燃比状態）の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。
そして、この酸化触媒２１の上流側に第１排気成分濃度センサ２３を配置し、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の下流側に第２排気成分濃度センサ２４を配置する。この排気成分濃度センサ２３、２４は、λセンサ（空気過剰率センサ）とＮＯｘ濃度センサと酸素濃度センサとが一体化したものである。なお、第１及び第２排気成分濃度センサ２３，２４の代りに、酸素濃度センサ又は空気過剰率センサを用いることもできるが、この場合には、ＮＯｘ濃度センサを別に設けるか、ＮＯｘ濃度の測定値を使用しない制御とする。また、排気ガスの温度を検出するために酸化触媒２１の上流側に第１温度センサー２５を配置し、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の下流側に第２温度センサー２６を配置する。
そして、エンジンＥの運転の全般的な制御を行うと共に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２のＮＯｘ浄化能力の回復制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）３０が設けられる。この制御装置３０に第１及び第２排気成分濃度センサ２３，２４や第１及び第２温度センサ２５，２６等からの検出値が入力され、この制御装置３０からエンジンＥの吸気絞り弁（吸気スロットル弁）８、ＥＧＲ弁１２、燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置の燃料噴射弁１６等を制御する信号が出力される。
この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａは、吸気通路２の空気清浄器５、マスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）６を通過して、ターボチャージャ７のコンプレッサにより圧縮昇圧され、吸気絞り弁８によりその量を調整されて吸気マニホールドよりシリンダ内に入る。そして、シリンダ内で発生した排気ガスＧは、排気マニホールドから排気通路３に出て、ターボチャージャ７のタービンを駆動した後、排気ガス浄化装置２０を通過して浄化された排気ガスＧｃとなって、図示しない消音器を通って大気中に排出される。また、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスＧｅとして、ＥＧＲ通路４のＥＧＲクーラー１１を通過し、ＥＧＲ弁１２でその量を調整されて吸気マニホールドに再循環される。
そして、排気ガス浄化システム１の制御装置が、エンジンＥの制御装置３０に組み込まれ、エンジンＥの運転制御と並行して、排気ガス浄化システム１の制御を行う。この排気ガス浄化システム１の制御装置は、図２に示すような、再生開始判定手段Ｃ１１、リッチ移行制御手段Ｃ１２、再生継続制御手段Ｃ１３、再生終了判定手段Ｃ１４、リーン移行制御手段Ｃ１５、吸気系リッチ制御手段Ｃ１６と燃料系リッチ制御手段Ｃ１７を有する再生制御手段Ｃ１０を備えて構成される。
なお、ここでいう再生制御には、ＮＯｘ吸蔵物質のＮＯｘ吸蔵能力を回復するための触媒再生制御と、燃料中の硫黄成分による触媒の硫黄被毒に対して硫黄を触媒からパージする脱硫再生制御とを含むものとする。
再生開始判定手段Ｃ１１には、触媒再生制御の場合には、エンジンの運転状態から単位時間当たりのＮＯｘの排出量ΔＮＯｘを算出し、これを累積計算したＮＯｘ累積値ΣＮＯｘが所定の判定値Ｃｎを超えた時に再生を開始すると判定する。あるいは、第１及び第２排気成分濃度センサ２３、２４で検出したＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の上流側と下流側のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出し、このＮＯｘ浄化率が所定の判定値より低くなった場合にＮＯｘ触媒の再生を開始すると判定する。
また、硫黄被毒からの回復の脱硫制御の場合には、硫黄（サルファ）蓄積量Ｓを累積計算し、この硫黄累積値ΣＳが所定の判定値Ｃｓを超えた時に再生を開始すると判定する等の方法で、ＮＯｘ吸蔵能力が低下するまで硫黄が蓄積したか否かを判定する。
また、リッチ移行制御手段Ｃ１２は、再生制御の初期のリーン状態からリッチ状態への切り替えの間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比（空気過剰率λｎ）の変化に基づいて算出された燃料噴射時期Ｔｎになるように、シリンダ内への主燃料噴射の燃料噴射時期Ｔを進角させる手段である。この制御では、リッチ移行開始時に吸気系リッチ制御手段Ｃ１６と燃料系リッチ制御手段Ｃ１７により、吸気量を減少するとともに、燃料量を増加する。その後、過渡期の比較的遅い燃焼空燃比（空気過剰率λｎ）の変化に対応させながら、リーン燃料噴射時期Ｔｌからリッチ燃焼の目標燃料噴射時期Ｔｑになるまで徐々に燃料噴射時期Ｔを進角させる。
また、再生継続制御手段Ｃ１３は、吸気系リッチ制御手段Ｃ１６と燃料系リッチ制御手段Ｃ１７により、吸気量を減少すると共に燃料量を増加し、燃料噴射時期Ｔを目標燃料噴射時期Ｔｑにした状態のまま、空燃比（空気過剰率λ）をストイキ空燃比（理論空燃比）又はリッチ空燃比である目標空燃比（目標空気過剰率λｑ）の状態を継続するように制御する手段である。
再生終了判定手段Ｃ１４は、触媒再生制御の場合には、再生制御の継続時間が所定の時間を経過した時に、ＮＯｘ触媒の再生を終了すると判定したり、エンジンの運転状態から単位時間当たりのＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０からのＮＯｘの放出量ΔＮＯｘout を算出し、これを累積計算したＮＯｘ累積放出値ΣＮＯｘout が所定の判定値Ｃｎout を超えた時に再生を終了すると判定する。あるいは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０の上流側と下流側のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出し、このＮＯｘ浄化率が所定の判定値より高くなった場合にＮＯｘ触媒の再生を終了すると判定する。また、脱硫制御の場合には、硫黄（サルファ）パージ量Ｓout を積算し、この累積硫黄パージ量ΣＳout が再生開始時の硫黄蓄積量ΣＳを上回った時に再生制御を終了すると判定する。
そして、リーン移行制御手段Ｃ１５は、再生制御の終期のリッチ状態からリーン状態への切り替えの間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比（空気過剰率λｎ）の変化に基づいて算出された燃料噴射時期Ｔｎになるように、シリンダ内への主燃料噴射の燃料噴射時期Ｔを遅角させる手段である。この制御では、リーン移行開始時に、吸気系リッチ制御手段Ｃ１６と燃料系リッチ制御手段Ｃ１７により、吸気量を減少するとともに、燃料量を増加する。その後、比較的遅い燃焼空燃比（空気過剰率λｎ）の変化に対応させながら、目標燃料噴射時期Ｔｑからリーン燃料噴射時期Ｔｌになるまで徐々に燃料噴射時期Ｔを遅角させる。
そして、この排気ガス浄化システム１では、エンジンＥの制御装置３０に組み込まれた再生制御手段Ｃ１０により、図３〜図５に例示するような制御フローに従って、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０の再生制御が行われる。また、図６に、この図３〜図５の制御フローによる、空気過剰率λと主燃料噴射時期Ｔとエンジンから排出されるＮＯｘ濃度Ｃnoxin の時系列の一例を示す。このＮＯｘ濃度Ｃnoxin は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０の上流側のＮＯｘ濃度である。
なお、この図３の制御フローは、エンジンＥの運転に際して、エンジンＥの他の制御フローと並行して、繰返し実行されるものとして示してある。
この図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０で、ＮＯｘ触媒の再生開始判定手段Ｃ１１により、再生開始か否か、即ち、触媒の再生処理用のリッチ制御が必要であるか否かを判定する。このステップＳ１０で再生開始であると判定された場合には、ステップＳ２０に行き、再生開始ではないと判定された場合には、ステップＳ１１で所定の時間（再生開始の判定を行うインターバルに関係する時間：例えば、Δｔ１）の間、通常運転を行い、その後、ステップＳ１０に戻り、再生開始の判定を繰り返し行う。
この再生開始の判定は、例えば、予め設定され入力された、エンジンの回転数や負荷等のエンジンの運転状態を示す量とＮＯｘ排出量の関係を示すマップデータを基に、エンジンの運転状態から単位時間当たりのＮＯｘの蓄積量ΔＮＯｘを算出し、これを前回の再生制御後から累積計算してＮＯｘ蓄積量ΣＮＯｘを算出し、このＮＯｘ累積値ΣＮＯｘが所定の判定値Ｃｎを超えたか否かで行う。なお、測定したＮＯｘ濃度を使用する場合には、入口ＮＯｘ濃度Ｃnoxin と出口ＮＯｘ濃度Ｃnoxoutの差ΔＣm （＝Ｃnoxin −Ｃnoxout）と、マスエアフローセンサ６で測定される吸気量Ｖａとから、単位時間当たりのＮＯｘ累積量ΔＮＯｘ（＝ΔＣm ×Ｖａ）を計算し、これを累積計算する。
ステップＳ２０では、リッチ移行制御手段Ｃ１２により、過渡期の燃焼空燃比（空気過剰率λｎ）の変化に対応させながら、リーン燃料噴射時期Ｔｌからリッチ燃焼の目標燃料噴射時期Ｔｑになるまで徐々に燃料噴射時期Ｔを進角させる。
より詳細には、図４に示すように、ステップＳ２１で、吸気系リッチ制御手段Ｃ１６により、吸気絞り弁８を絞る制御と共にＥＧＲ弁１２を開けてＥＧＲ量を増加させる制御をして、新気の吸気量を減少させる。そして、次のステップＳ２２で、燃料系リッチ制御手段Ｃ１７により、燃料噴射弁１６を制御してシリンダ内噴射における燃料噴射を、再生制御用の所定の燃料噴射量に増加する。
そして、ステップＳ２３で、第１排気成分濃度センサ（又は酸素濃度センサ）２３で計測した酸素濃度から、又は、シリンダ内に噴射される燃料量とマスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）６で検出した吸入空気量等から、瞬時空気過剰率λｎ（時々刻々の空気過剰率λ）を算出する。
次のステップＳ２４で、瞬時噴射時期Ｔｎを、例えば、Ｔｎ＝ｆ（λｎ）＝（Ｔｑ−Ｔｌ）×（（λｌ−λｎ）／（λｌ−λｑ））＋Ｔｌの計算式等で算出する。ここで、Ｔｑは目標噴射時期、Ｔｌはリーン制御時の燃料噴射時期、λｑは目標リッチ空気過剰率、λｌはリーン空気過剰率である。この瞬時噴射時期Ｔｎの算出は、この様な関数の値として求めてもよく、予め入力されたマップデータ等から算出してもよい。
そして、次のステップＳ２５で、この瞬時噴射時期Ｔｎになるように、主燃料噴射の噴射時期Ｔを進角して、所定の時間（例えば、Δｔ２）の間、再生制御を行う。この後に、ステップＳ２６において、瞬時噴射時期Ｔｎが目標噴射時期Ｔｑ以上になった（Ｔｎ≧Ｔｑ）か否かをチェックし、以上であれば、ステップＳ２０を終了する。また、瞬時噴射時期Ｔｎが目標噴射時期Ｔｑ以上でなければ、ステップＳ２３に戻る。
つまり、このステップＳ２０では、瞬時空気過剰率λｎが触媒再生用の目標空気過剰率λｑになるまで、所定の時間Δｔ２間隔で、瞬時噴射時期Ｔｎをその時々刻々の瞬時空気過剰率λｎからＴｎ＝ｆ（λｎ）で算出し、この瞬時噴射時期Ｔｎで主燃料噴射を行い、徐々にリーン制御時の燃料噴射時期Ｔｌから目標噴射時期Ｔｑに進角させる。
ステップＳ２０を終了すると、図３に示すように、ステップＳ３０の再生継続制御に行き、吸気系リッチ制御手段Ｃ１６により、吸気絞り弁８を絞る制御と共にＥＧＲ弁１２を開けてＥＧＲ量を増加させる制御を継続し、新気の吸気量の減少を継続する。また、燃料系リッチ制御手段Ｃ１７により、シリンダ内の燃料噴射において、増加した燃料噴射量で、かつ、主燃料噴射を目標噴射時期Ｔｑに進角した状態で所定の時間（例えば、Δｔ３）の間、再生制御を継続する。
このステップＳ３０の再生継続制御により、排気ガスの状態を所定の目標空燃比λｑのリッチ状態に維持すると共に、所定の温度範囲（触媒にもよるが、触媒再生では、概ね２００℃〜６００℃、硫黄被毒回復では、脱硫可能な温度で概ね５００℃〜７５０℃）に維持する。
このステップＳ３０の後は、ステップＳ４０で再生終了判定手段Ｃ１４により、再生終了か否かを判定する。この判定で、再生終了でなければ、ステップＳ３０に戻り、再生終了まで再生継続制御を繰り返す。そして、再生終了であれば、ステップＳ５０のリーン移行制御に行く。
この再生終了の判定は、再生継続時間が予め設定された所定の再生制御完了時間を経過したか否かで判定し、経過した場合に再生終了と判定する。また、ＮＯｘ濃度を計測している場合は、入口ＮＯｘ濃度Ｃnoxin と出口ＮＯｘ濃度Ｃnoxoutの差ΔＣm （＝Ｃnoxin −Ｃnoxout）が所定の判定値Ｄｎよりも大きいか否かによって判定する。つまり、ΔＣm が所定の判定値Ｄｎ以上となった場合にはＮＯｘ浄化能力が回復されたとして、リッチ制御を終了する。あるいは、出口ＮＯｘ濃度Ｃnoxoutと入口ＮＯｘ濃度Ｃnoxin の比ＲＣm （＝Ｃnoxout／Ｃnoxin ）が所定の判定値Ｒｎよりも大きいか否かによって判定する。
ステップＳ５０では、図５に示すように、ステップＳ５１で、吸気系リッチ制御手段Ｃ１６により、吸気絞り弁８を絞る制御を止めると共にＥＧＲ弁１２を通常運転のＥＧＲ用の弁開度に閉じて、リッチ制御で行ったＥＧＲ量の増加を止める制御をして、新気の吸気量を通常運転の量に戻す。そして、次のステップＳ５２で、燃料系リッチ制御手段Ｃ１７により、燃料噴射弁１６を制御して、シリンダ内噴射における燃料噴射を、通常運転用、即ち、リーン運転用の燃料噴射量に戻す。
そして、ステップＳ５３で、第１排気成分濃度センサ（又は酸素濃度センサ）２３で計測した酸素濃度から、又は、シリンダ内に噴射される燃料量と、マスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）６で検出した吸入空気量等とから、瞬時空気過剰率λｎ（時々刻々の空気過剰率λ）を算出する。
次のステップＳ５４で、瞬時噴射時期Ｔｎを、ステップＳ２４と同じ、Ｔｎ＝ｆ（λｎ）の計算式等で算出する。そして、次のステップＳ５５で、この瞬時噴射時期Ｔｎになるように、主燃料噴射の噴射時期を遅角して、所定の時間（例えば、Δｔ４）の間、再生制御を行う。この後に、ステップＳ５６において、瞬時噴射時期Ｔｎがリーン噴射時期Ｔｌ以下になった（Ｔｎ≦Ｔｌ）か否かをチェックし、以下であれば、ステップＳ５０を終了する。また、以下でなければ、ステップＳ５３に戻る。
つまり、このステップＳ５０では、瞬時空気過剰率λｎが通常運転のリーン空気過剰率λｌになるまで、所定の時間Δｔ４間隔で、瞬時噴射時期Ｔｎをその時々刻々の瞬時空気過剰率λｎからＴｎ＝ｆ（λｎ）で算出し、この瞬時噴射時期Ｔｎで主燃料噴射を行い、徐々に目標噴射時期Ｔｑからリーン制御時の燃料噴射時期Ｔｌに遅角させる。
このステップＳ２０〜ステップＳ５０における制御により、ＮＯｘ浄化能力を回復し、ステップＳ１０に戻る。このステップＳ１０〜ステップＳ５０を繰り返すが、エンジンの停止などにより割り込みが生じると、制御の途中からステップＳ６０に行き、割り込み発生前のデータを記憶したり、各制御や各種操作の終了作業などの制御終了操作を行って、制御を停止（ストップ）し、制御を終了（エンド）する。
この図３〜図５の制御フローによれば、ＮＯｘ浄化触媒１２の再生制御に際してのリーン状態とリッチ状態の切り替え期間ｔ１，ｔ２の間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比（空気過剰率λｎ）の変化に対応させて、シリンダ内への主燃料噴射の噴射時期Ｔを変化させることができる。
そして、上記の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム１によれば、ＮＯｘ浄化触媒１２のＮＯｘ浄化能力の回復のための再生制御に際して、シリンダ内の燃焼空燃比がリーンとなる燃焼形態とリッチとなる燃焼形態との間の燃焼形態の切替時において、燃料噴射時期Ｔを所定の目標時期Ｔｑ，Ｔｌまで一気に進角又は遅角させること無く、吸気系の吸気絞りやＥＧＲ制御によって変化するシリンダ内の燃焼空燃比（空気過剰率λｎ）の変化に対応させて、燃料噴射時期Ｔｎを進角又は遅角させることにより、ＮＯｘの発生量、燃焼騒音、トルクの急激変化、ドライバビリィテー等が極端に悪化することを防止できる。
なお、上記では、ＮＯｘ浄化触媒として、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を例にして説明したが、ＮＯｘ浄化触媒として、直接還元型触媒を使用した場合でも、同様であり、要は、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ浄化触媒であれば、本発明を適用できる。
Ｅ エンジン
１ 排気ガス浄化システム
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ ＥＧＲ通路
８ 吸気絞り弁（吸気スロットル弁）
１２ ＥＧＲ弁
１６ 燃料噴射弁
２０ 排気ガス浄化装置
２１ 酸化触媒
２２ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
２３ 第１排気成分濃度センサ
２４ 第２排気成分濃度センサ
Ｃ１０ 再生制御手段
Ｃ１１ 再生開始判定手段
Ｃ１２ リッチ移行制御手段
Ｃ１３ 再生継続制御手段
Ｃ１４ 再生終了判定手段
Ｃ１５ リーン移行制御手段
Ｃ１６ 吸気系リッチ制御手段
Ｃ１７ 燃料系リッチ制御手段
１ 排気ガス浄化システム
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ ＥＧＲ通路
８ 吸気絞り弁（吸気スロットル弁）
１２ ＥＧＲ弁
１６ 燃料噴射弁
２０ 排気ガス浄化装置
２１ 酸化触媒
２２ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
２３ 第１排気成分濃度センサ
２４ 第２排気成分濃度センサ
Ｃ１０ 再生制御手段
Ｃ１１ 再生開始判定手段
Ｃ１２ リッチ移行制御手段
Ｃ１３ 再生継続制御手段
Ｃ１４ 再生終了判定手段
Ｃ１５ リーン移行制御手段
Ｃ１６ 吸気系リッチ制御手段
Ｃ１７ 燃料系リッチ制御手段
Claims (7)
- 排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ浄化触媒と、前記ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化能力を回復するための再生制御を行う触媒再生制御手段とを備え、吸気量を減少する吸気系の制御とシリンダ内への燃料噴射量を増加する燃料系の制御とを併用して前記再生制御のリッチ状態の制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、
前記ＮＯｘ浄化触媒の再生制御に際してのリーン状態とリッチ状態の切り替え期間の間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に対応させて、シリンダ内への燃料噴射の噴射時期を変化させることを特徴とする排気ガス浄化方法。 - 前記再生制御の初期のリーン状態からリッチ状態への切り替えの間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に基づいて算出された燃料噴射時期になるように、シリンダ内への燃料噴射時期を進角させることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化方法。
- 前記再生制御の終期のリッチ状態からリーン状態への切り替えの間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に基づいて算出された燃料噴射時期になるように、シリンダ内への燃料噴射時期を遅角させることを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス浄化方法。
- 排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ浄化触媒と、前記ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化能力を回復するための再生制御を行う触媒再生制御手段とを備え、吸気量を減少する吸気系の制御とシリンダ内への燃料噴射量を増加する燃料系の制御とを併用して前記再生制御のリッチ状態の制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、
前記触媒再生制御手段が、前記ＮＯｘ浄化触媒の再生制御に際してのリーン状態とリッチ状態の切り替え期間の間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に対応させて、シリンダ内への燃料噴射の噴射時期を変化させることを特徴とする排気ガス浄化システム。 - 前記触媒再生制御手段が、前記再生制御の初期のリーン状態からリッチ状態への切り替えの間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に基づいて算出された燃料噴射時期になるように、シリンダ内への燃料噴射時期を進角させることを特徴とする請求項４記載の排気ガス浄化システム。
- 前記触媒再生制御手段が、前記再生制御の終期のリッチ状態からリーン状態への切り替えの間、時々刻々のシリンダ内の燃焼空燃比の変化に基づいて算出された燃料噴射時期になるように、シリンダ内への燃料噴射時期を遅角させることを特徴とする請求項４又は５記載の排気ガス浄化システム。
- 前記ＮＯｘ浄化触媒が、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒、又は、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを還元浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ直接還元型触媒であることを特徴とする請求項４〜６記載の排気ガス浄化システム。
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