JP2006300025A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯｘ吸蔵還元触媒を再生する際の空気過剰率の低減を迅速に行うことができるディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】 燃料噴射装置９及びＥＧＲ装置１９を制御する制御装置２６を備えたディーゼルエンジンにおいて、制御装置２６は、エンジンの運転状態が所定の運転状態よりも低負荷・低回転領域にあるときには、ＥＧＲ装置１９によるＥＧＲ率を拡散燃焼を実現させるときよりも高くし、空気過剰率を拡散燃焼を実現させるときよりも低くすると共に、ピストン４の圧縮上死点よりも早期に燃料を噴射して、予混合燃焼を実現するものであり、制御装置２６は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０に所定量のＮＯｘが吸蔵された場合、エンジンの運転状態が予混合燃焼を実現させる領域にあるときに、通常の燃料噴射の他にＮＯｘ還元用の燃料噴射を行って空気過剰率を下げる再生制御を実行するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えたディーゼルエンジンに係り、特に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化する際に、空気過剰率を迅速に低減できるようにしたディーゼルエンジンに関するものである。

従来から、ディーゼルエンジンの排気ガス規制を満足するために、エンジン側の改良に加えて、排気ガス中の大気汚染物質を浄化する後処理装置の開発が進められている。

例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、空気過剰率が高いとき（空燃比がリーンのとき）に、排気ガスに含まれるＮＯｘを吸蔵し、空気過剰率が低いとき（空燃比がリッチのとき）に、吸蔵したＮＯｘと排気ガス中のＨＣ、ＣＯとを反応させてＮ₂、ＣＯ₂、Ｏ₂ 等として還元浄化するものである。

ディーゼルエンジンでは通常、拡散燃焼を主体とした空気過剰率の高いリーンな燃焼が実現されるため、通常運転ではＮＯｘを吸蔵するばかりで還元することができない。このため、ディーゼルエンジンでは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒にＮＯｘがある程度吸蔵されたならば、空気過剰率を強制的且つ一時的に低下させる再生制御を実行してＮＯｘを還元浄化し、触媒を再生するようにしている。

例えば、特許文献１には、ＮＯｘ吸蔵量が所定量に達したときに、通常の燃料噴射に加えてＮＯｘ還元用の燃料噴射（ポスト噴射）を行うと共に、吸気絞り弁を閉じて吸入空気量を低減して、空気過剰率の低い状態を作り出し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を再生させることが開示されている。

特開２００３−１２０３６９号公報

しかしながら、このように吸気絞り弁を用いて空気過剰率を変化させる従来のディーゼルエンジンでは、空気過剰率を、通常運転時の状態（空気過剰状態）から再生に必要なレベルまで低下させるのに時間がかかり、触媒の再生に時間がかかるという問題があった。

また、吸気絞り弁による吸入空気量の低減にある程度時間がかかるのに対して、燃料噴射量の増量は短期間（１サイクル）で実行できるため、再生制御に移行する際に排出されたＨＣ、ＣＯがそのまま排出されてしまうおそれもある。特に、従来のディーゼルエンジンでは、通常運転時の酸素量が多いため、触媒再生用のポスト噴射に多量の燃料（通常運転の燃料噴射量の２倍程度）を必要とし、これもＨＣ、ＣＯの発生につながっていた。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を再生する際の空気過剰率の低減を迅速に行うことができるディーゼルエンジンを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、排気ガスの一部をシリンダ内に還流するＥＧＲ装置と、排気通路に設けられ、空気過剰率が所定値よりも高いときにはＮＯｘを吸蔵し、空気過剰率が所定値以下のときには吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、上記燃料噴射装置及びＥＧＲ装置を制御する制御装置と、を備えたディーゼルエンジンにおいて、上記制御装置は、エンジンの運転状態が所定の運転状態よりも高負荷・高回転領域にあるときには、ピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射して、燃料の噴射中に着火を生じさせて拡散燃焼を実現し、エンジンの運転状態が上記所定の運転状態よりも低負荷・低回転領域にあるときには、上記ＥＧＲ装置によるＥＧＲ率を上記拡散燃焼を実現させるときよりも高くし、空気過剰率を上記拡散燃焼を実現させるときよりも低くすると共に、ピストンの圧縮上死点よりも早期に燃料を噴射して、燃料の噴射終了後に圧縮自己着火を生じさせて予混合燃焼を実現するものであり、上記制御装置は、上記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に所定量のＮＯｘが吸蔵された場合、エンジンの運転状態が上記予混合燃焼を実現させる領域にあるときに、通常の燃料噴射の他にＮＯｘ還元用の燃料噴射を行って空気過剰率を上記所定値以下に下げる再生制御を実行するものである。

ここで、上記制御装置が、上記予混合燃焼を実現するときは、ＥＧＲ率を５０％以上、空気過剰率を１〜３の範囲内とすることが好ましい。

本発明によれば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を再生する際の空気過剰率の低減を迅速に行うことができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本実施形態に係るディーゼルエンジンの概略図である。なお、図１では明瞭化のため単気筒エンジンとして示しているが、本発明はエンジンの気筒数に関わらず適用可能なものである。

図１において、エンジン本体１は、シリンダ２、シリンダヘッド３、ピストン４、吸気ポート５、排気ポート６、吸気弁７、排気弁８、インジェクタ９（燃料噴射装置）等を備えている。シリンダ２、シリンダヘッド３及びピストン４で囲まれた空間に燃焼室１０が形成される。ピストン４の頂部にはキャビティ１１が凹設されており、燃焼室１０内に臨んで設けられたインジェクタ９からキャビティ１１に向かって燃料が直接噴射される。

インジェクタ９はコモンレール２４に接続され、そのコモンレール２４に貯留された高圧燃料（例えば、２０〜２００ＭＰａ）がインジェクタ９に常時供給される。コモンレール２４への燃料圧送は高圧サプライポンプ２５により行われる。

吸気ポート５及び排気ポート６はそれぞれ、吸気管１２及び排気管１３に接続されており、これら吸気管１２と排気管１３との間には、排気管１３内を流れる排気ガスの一部を燃焼室１０（シリンダ２）内に還流するためのＥＧＲ装置１９が設けられる。

ＥＧＲ装置１９は、吸気管１２と排気管１３とを結ぶＥＧＲ管２０と、このＥＧＲ管２０を通って燃焼室１０内に還流されるＥＧＲガス（排気ガス）の流量を調節するためのＥＧＲ弁２１と、ＥＧＲ弁２１の上流側にてＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２２とを備える。吸気管１２におけるＥＧＲ管２０との接続部よりも上流側には、吸気を適宜絞るための吸気絞り弁２３が設けられており、ＥＧＲ弁２１及び／又は吸気絞り弁２３を開閉制御することで、ＥＧＲ装置１９によるＥＧＲ率及びＥＧＲ量を調節できるようになっている。

排気管１３（排気通路）におけるＥＧＲ管２０との接続部よりも下流側には、排気ガス中のＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ吸蔵還元触媒３０が設けられる。本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０は、三元触媒にＮＯｘ吸蔵材としてアルカリ性の物質を加えたものであり、モノリス担体にアルミナをコートして、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、及び種々のアルカリ類、アルカリ土類、希土類酸化物を担持したものである。ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０は、流入する排気ガスの空気過剰率λが所定値よりも高い（空燃比がリーン）ときにはＮＯｘを硝酸塩として吸蔵し、空気過剰率λが所定値以下（空燃比がリッチ）のときには吸蔵したＮＯｘを排気ガス中のＨＣ、ＣＯと反応させて、Ｎ₂、ＣＯ₂、Ｏ₂ 等として還元浄化する。

エンジンの各種装置を電子制御するためのＥＣＵ２６（制御装置）が設けられており、ＥＣＵ２６は各種センサ類の検出値に基づいてエンジンの運転状態を判断し、そのエンジン運転状態に基づいてインジェクタ９、ＥＧＲ弁２１、吸気絞り弁２３、高圧ポンプ２５等を制御する。前記センサ類としては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１４、エンジンのクランクシャフト（図示せず）の回転速度を検出するエンジン回転速度センサ１５、クランクシャフトの角度を検出するクランク角度センサ１６、コモンレール２４内の燃料の圧力を検出するコモンレール圧センサ１７、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０よりも上流側の排気ガス中に含まれる酸素量を検出するためのＯ₂ センサ３１等が含まれ、これらセンサの検出値、つまり、アクセル開度、エンジン回転速度、クランクシャフト角度、コモンレール圧、酸素量等がＥＣＵ２６に送信される。

インジェクタ９は、ＥＣＵ２６によりＯＮ／ＯＦＦ制御される電磁ソレノイド（図示せず）を有しており、ＥＣＵ２６によって、インジェクタ９による燃料の噴射時期、噴射期間などが任意に調節できるようになっている。ＥＣＵ２６は、アクセル開度センサ１４及びエンジン回転速度センサ１５等の検出値に基づいて、燃料の噴射時期及び噴射期間などの目標値を決定し、それら目標値に従ってインジェクタ９の電磁ソレノイドをＯＮ／ＯＦＦする。噴射時期及び噴射期間などの目標値は、ＥＣＵ２６に予めマップ等の形式で入力される。なお、ＥＣＵ２６は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０に所定量のＮＯｘが吸蔵されたときには、マップ等に基づく通常の燃料噴射に加えて、ＮＯｘ還元用の燃料噴射（ポスト噴射）を別途行うのであるが、この点については後程説明する。

本実施形態のエンジンは、アクセル開度センサ１４及びエンジン回転速度センサ１５等の検出値に基づいて判断されるエンジンの運転状態に基づいて、予混合燃焼と拡散燃焼とを切り換えるものである。

即ち、図２に示すように、ＥＣＵ２６は、アクセル開度センサ１４及びエンジン回転速度センサ１５等の検出値に基づいて判断したエンジンの運転状態（エンジン負荷及びエンジン回転速度）が、予め定められた所定の運転状態（切換ラインＡ）よりも高負荷・高回転領域にあるときには、ピストン４の圧縮上死点近傍で燃料を噴射して、燃料の噴射中に着火を生じさせて拡散燃焼を実現し、エンジンの運転状態が、上記所定の運転状態（切換ラインＡ）よりも低負荷・低回転領域にあるときには、ピストン４の圧縮上死点よりも早期に燃料を噴射して、燃料の噴射終了後に圧縮自己着火を生じさせて予混合燃焼を実現する。

ここで、図２中にパーセントで示す数値は、混合気のＥＧＲ率の目標値を示しており、ＥＣＵ２６はエンジンの運転状態に基づいて、混合気の実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率と一致するように、ＥＧＲ弁２１及び吸気絞り弁２３を開閉制御する。

図から分かるように、本実施形態のエンジンでは、拡散燃焼を実現させる領域と予混合燃焼を実現させる領域とで、目標ＥＧＲ率に比較的大きな隔たりが設けられている。

具体的に説明すると、エンジンの運転状態が拡散燃焼を実現させる領域では、混合気のＥＧＲ率が比較的低く制御される（図例では５〜３０％）。従って、拡散燃焼を実現させる領域では、空燃比がリーンとなり、排気ガスの空気過剰率λが高くなる。

他方、エンジンの運転状態が予混合燃焼を実現させる領域では、混合気のＥＧＲ率が、拡散燃焼を実現させるときよりも高く制御される（図例では５０〜６０％）。ＥＧＲ率を高くすると、燃焼室１０内に導入される空気（新気）の量が減るため、予混合燃焼を実現させる領域では、空燃比が拡散燃焼を実現させるときよりもリッチとなり、排気ガスの空気過剰率λが低くなる。本実施形態では、ＥＣＵ２６は、予混合燃焼を実現させる領域では、排気ガスの空気過剰率λが１〜３の範囲内となるように、ＥＧＲ弁２１及び／又は吸気絞り弁２３を制御する。つまり、本実施形態のエンジンは、予混合燃焼を実現させる領域において、燃料噴射の早期化と併せて多量のＥＧＲ（ＥＧＲ率にして５０％以上）を実行することで、従来のディーゼルエンジンの通常運転（従来のディーゼルエンジンの拡散燃焼運転及び予混合燃焼運転）よりも、空気過剰率λの低い状態で予混合燃焼を実現するようにしている。

このように本実施形態のディーゼルエンジンは、エンジンの運転状態が所定の運転状態よりも高負荷・高回転領域にあるときには、空気過剰率λの高い燃焼を実現し、エンジンの運転状態が所定の運転状態よりも低負荷・低回転領域にあるときには、空気過剰率λの低い燃焼を実現する。

しかしながら、いずれの燃焼形態で運転している場合であっても、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０に流れ込む排気ガスの空気過剰率λは、ＮＯｘを還元浄化するために必要なレベル（例えば、０．９２〜０．９３程度）よりも高い。従って、通常の運転では、全ての運転領域においてＮＯｘを吸蔵するばかりで還元することができない。そこで、ＥＣＵ２６は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０に所定量のＮＯｘが吸蔵された場合、空気過剰率λを強制的且つ一時的に低下させる再生制御を実行して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０を再生する。以下、この再生制御について説明する。

まず、ＥＣＵ２６は、アクセル開度センサ１４及びエンジン回転速度センサ１５等の検出値に基づいて判断したエンジンの運転状態に基づいて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０のＮＯｘ吸蔵量の積算値を算出・推定し、その値が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０の最大容量よりも若干小さい所定値に達したならば、「再生制御の必要あり」と判断する。

しかしながら、ＥＣＵ２６は、「再生制御の必要あり」と判断した場合であっても、エンジンの運転状態が拡散燃焼を実現する領域にあるとき、つまり、拡散燃焼を実現している間は、再生制御は実行しない。拡散燃焼を実現させているときは、空気過剰率λが高く、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０の再生に必要なレベルまで空気過剰率λを低下させるのに時間がかかる上、ＨＣ、ＣＯの発生につながる可能性があるからである。

そして、ＥＣＵ２６は、「再生制御の必要あり」と判断し、かつエンジンの運転状態が予混合燃焼を実現させる領域にあるときに、図３（ａ）に示すような再生制御を実行する。つまり、ピストン４の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも前に行う通常の燃料噴射（メイン噴射）の他に、ピストン４の圧縮上死点よりも後に行うＮＯｘ還元用の燃料噴射（ポスト噴射）を実行する。

これにより、燃料噴射量が増加して未燃燃料が排気ガス中に排出され、排気ガスの空気過剰率λがＮＯｘの還元浄化に必要なレベルまで低下し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０が再生される。この再生制御を実行するにあたって、ＥＣＵ２６は、吸気絞り弁２３やＥＧＲ弁２１の開閉による吸気系の制御は行わず、インジェクタ９による燃料噴射パターンの切り換えのみを実行する。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０の再生が終了したならば、ＥＣＵ２６は「再生制御の必要なし」と判断してポスト噴射を停止し、図３（ｂ）で示すような通常の予混合噴射パターンへと以降する。再生制御から通常運転へと移行する際も、吸気絞り弁２３やＥＧＲ弁２１の開閉による吸気系の制御は実行せず、インジェクタ９による燃料噴射パターンの切り換えのみを実行する。

なお、図３から分かるように、再生制御時（図３（ａ））と、通常の予混合燃焼運転時（図３（ｂ））とで、筒内圧力に特別な違いは見られない。これは、ポスト噴射が燃焼に寄与していないことを意味しており、再生制御前後でトルク変動が生じないようになっている。

以上説明してきたように、本実施形態のディーゼルエンジンは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０の再生を行うときに、燃料噴射パターンのみを切り換えるので、空気過剰率λの適正化（低減）を極めて短期間で（１サイクルで）行うことができる。つまり、制御速度の遅い吸気系の制御を行わないので、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３０の再生に要する時間を、従来よりも著しく短くすることができるのである。

燃料噴射パターンの切り換えのみで空気過剰率λの適正化が図れる理由を説明すると、上述したように、本実施形態のディーゼルエンジンでは、予混合燃焼を実現させる領域では多量のＥＧＲを実行するため、元々排気ガスの空気過剰率λが低いからである。つまり、元々空気過剰率λが低い状態（１〜３の範囲内）であるため、燃料噴射量を増加するだけで空気過剰率λを再生に必要なレベルまで低減できるのである。

また、本実施形態のディーゼルエンジンでは、予混合燃焼運転時の酸素量が少ないため、空気過剰率λの低減に必要な燃料の量（ポスト噴射の噴射量）を従来よりも少なくすることができる。例えば、本実施形態では、ポスト噴射の噴射量は通常運転の噴射量（メイン噴射の噴射量）の８０〜１００％程度であり、従来のディーゼルエンジンの半分以下となっている。これにより、再生制御に移行する際にＨＣやＣＯが排出されることを抑制できる。

更に、本実施形態のディーゼルエンジンでは、予混合燃焼運転時の空気過剰率λが低く、再生制御に要求される空気過剰率λの変化幅が小さいため、空気過剰率λを目標値に迅速に到達させることができる上、目標値に安定して維持することができる。これにより、再生時のＨＣ、ＣＯの排出を抑制でき、ＮＯｘの浄化率も向上する。

図４に、従来のディーゼルエンジンにおける再生制御時のＨＣ、ＣＯ排出量と、本実施形態のディーゼルエンジンにおける再生制御時のＨＣ、ＣＯ排出量とを比較した結果を示す。図中左側のグラフが従来のディーゼルエンジンの結果であり、右側が本実施形態のディーゼルエンジンの結果である。この図では、従来のディーゼルエンジンの再生時のＨＣ、ＣＯ排出量をそれぞれ１．０として、両者の比較を行った。

図から明らかなように、本実施形態のディーゼルエンジンでは、ＨＣ排出量が従来の約３割程度、ＣＯ排出量が従来の約６割程度となっている。このことから、本実施形態のディーゼルエンジンによれば、再生時のＨＣ、ＣＯ排出量を大幅に低減できることが分かる。

図５に、従来のディーゼルエンジンのＮＯｘ浄化率と、本実施形態のディーゼルエンジンのＮＯｘ浄化率とを比較した結果を示す。図中左側のグラフが従来のディーゼルエンジンの結果であり、右側が本実施形態のディーゼルエンジンの結果である。この図では、従来のディーゼルエンジンのＮＯｘ浄化率を１．０として両者の比較を行った。

図から明らかなように、本実施形態のディーゼルエンジンのＮＯｘ浄化率は従来よりも高く、本実施形態のディーゼルエンジンによればＮＯｘ浄化率を向上できることが分かる。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの概略図である。 予混合燃焼運転と拡散燃焼運転の実行領域と、目標ＥＧＲ率とを示す図である。 （ａ）は、再生制御時の燃料噴射パターンと筒内圧力とを示す図である。（ｂ）は、通常の予混合燃焼運転時の燃料噴射パターンと筒内圧力とを示す図である。 従来のディーゼルエンジンにおける再生制御時のＨＣ、ＣＯ排出量と、本実施形態のディーゼルエンジンにおける再生制御時のＨＣ、ＣＯ排出量とを示す図である。 従来のディーゼルエンジンのＮＯｘ浄化率と、本実施形態のディーゼルエンジンのＮＯｘ浄化率とを示す図である。

符号の説明

２ シリンダ
４ ピストン
９ インジェクタ（燃料噴射装置）
１９ ＥＧＲ装置
２１ ＥＧＲ弁
２６ ＥＣＵ（制御装置）
３０ ＮＯｘ吸蔵還元触媒

Claims (2)

1. シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、排気ガスの一部をシリンダ内に還流するＥＧＲ装置と、排気通路に設けられ、空気過剰率が所定値よりも高いときにはＮＯｘを吸蔵し、空気過剰率が所定値以下のときには吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、上記燃料噴射装置及びＥＧＲ装置を制御する制御装置と、を備えたディーゼルエンジンにおいて、
   上記制御装置は、エンジンの運転状態が所定の運転状態よりも高負荷・高回転領域にあるときには、ピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射して、燃料の噴射中に着火を生じさせて拡散燃焼を実現し、エンジンの運転状態が上記所定の運転状態よりも低負荷・低回転領域にあるときには、上記ＥＧＲ装置によるＥＧＲ率を上記拡散燃焼を実現させるときよりも高くし、空気過剰率を上記拡散燃焼を実現させるときよりも低くすると共に、ピストンの圧縮上死点よりも早期に燃料を噴射して、燃料の噴射終了後に圧縮自己着火を生じさせて予混合燃焼を実現するものであり、
   上記制御装置は、上記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に所定量のＮＯｘが吸蔵された場合、エンジンの運転状態が上記予混合燃焼を実現させる領域にあるときに、通常の燃料噴射の他にＮＯｘ還元用の燃料噴射を行って空気過剰率を上記所定値以下に下げる再生制御を実行する ことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 上記制御装置は、上記予混合燃焼を実現するときは、ＥＧＲ率を５０％以上、空気過剰率を１〜３の範囲内とする
   ことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジン。
   

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