JP2007255209A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒への燃料の過剰供給をより好適に抑制可能な技術を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気に燃料を供給して空燃比を低下させること(リッチスパイク制御)で、NOx触媒の性能を再生する内燃機関の排気浄化装置において、リッチスパイク制御中における理論空燃比以下の空燃比値を積算した積算値が所定の判定値を超える場合には、燃料供給を中止させる。これにより、NOx触媒に燃料が過剰に供給されることをより好適に抑制できる。
【選択図】図2
【解決手段】内燃機関の排気に燃料を供給して空燃比を低下させること(リッチスパイク制御)で、NOx触媒の性能を再生する内燃機関の排気浄化装置において、リッチスパイク制御中における理論空燃比以下の空燃比値を積算した積算値が所定の判定値を超える場合には、燃料供給を中止させる。これにより、NOx触媒に燃料が過剰に供給されることをより好適に抑制できる。
【選択図】図2
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
ディーゼル機関などの内燃機関の排気通路に、吸蔵還元型NOx触媒(以下、「NOx触媒」という。)を配置し、窒素酸化物(以下、「NOx」という。)を除去して排気を浄化する技術が知られている。
排気通路にNOx触媒が備えられている場合には、NOx触媒のNOx吸蔵能力を再生するために、NOx触媒に吸蔵されたNOxあるいは硫黄酸化物(以下、「SOx」という。)を放出及び還元して除去する必要がある。そのために、例えばNOx触媒より上流の排気通路に取り付けた還元剤添加弁から還元剤である燃料を供給し、NOx触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比あるいはリッチ(理論空燃比以下)に低下させている。
しかし、NOx触媒に短時間に大量の燃料が供給されると、NOx触媒で作用しない燃料が白煙となって大気中に排出され、排気エミッションの悪化を招いてしまう場合がある。また、排気エミッションの改善だけを考えてNOx触媒への燃料供給を禁止すると、燃料供給禁止期間が長くなってしまい、燃料供給を伴うNOx触媒の性能の再生が迅速に行えなくなってしまう場合がある。
そこで、排気エミッションを改善するために、排気通路に供給された燃料堆積量が基準堆積量より大きくなった場合には、燃料供給を禁止し、また、NOx触媒の性能の再生を迅速に行うために、累積吸入空気量が大きくなるほど、燃料供給禁止解除のタイミングを早くする技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−180290号公報
特開2004−239081号公報
特開2005−83351号公報
本発明の目的とするところは、内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒への燃料の過剰供給をより好適に抑制可能な技術を提供することにある。
本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
内燃機関の排気に燃料を供給して空燃比を低下させる空燃比低下制御を行うことで、排気浄化触媒の性能を再生する内燃機関の排気浄化装置において、前記空燃比低下制御中の所定空燃比以下の空燃比値を積算した積算値に基づいて、前記空燃比低下制御における燃料の供給量を低減させる供給量低減手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
内燃機関の排気に燃料を供給して空燃比を低下させる空燃比低下制御を行うことで、排気浄化触媒の性能を再生する内燃機関の排気浄化装置において、前記空燃比低下制御中の所定空燃比以下の空燃比値を積算した積算値に基づいて、前記空燃比低下制御における燃料の供給量を低減させる供給量低減手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
従来より、排気エミッションを改善するために空燃比低下制御において燃料供給を禁止したり、空燃比低下制御による排気浄化触媒の性能の再生を迅速に行うために空燃比低下制御において燃料供給禁止を早期に解除したりする技術が知られている。
しかし、燃料供給禁止やその解除といったタイミングは従来において最適なタイミングが定まっているものではなかった。このため、これらのタイミングが最適なタイミングか
らずれ、排気浄化触媒に燃料が過剰に供給される場合がある。
らずれ、排気浄化触媒に燃料が過剰に供給される場合がある。
例えば、加速時などの過渡状態においては排気通路内の空燃比変動が起こり易く、排気浄化触媒の下流に配置された空燃比センサの検出値を基にフィードバック制御を行う際には、空燃比変動にフィードバック制御が追従しきれず間に合わなくなり、燃料供給禁止のタイミングが最適なタイミングからずれ、排気浄化触媒に燃料が過剰に供給される場合がある。
そこで、本発明では、空燃比低下制御中の所定空燃比以下の空燃比値を積算した積算値に基づいて、空燃比低下制御における燃料の供給量を低減させる。
ここで、所定空燃比は、予め定められた基準の空燃比であり、例えば理論空燃比に設定される。所定空燃比以下の空燃比値は、所定空燃比から実際の空燃比を差し引いた値である。
これによると、空燃比低下制御中の所定空燃比以下の空燃比値を積算した積算値に基づいて、以後の空燃比低下制御における燃料の供給量が低減されようになる。このため、排気浄化触媒に燃料が過剰に供給されることをより好適に抑制できる。
内燃機関の排気に燃料を供給して空燃比を低下させる空燃比低下制御を行うことで、排気浄化触媒の性能の再生する内燃機関の排気浄化装置において、前記空燃比低下制御中の所定空燃比以下の空燃比値を積算した積算値に基づいて、前記空燃比低下制御を中止させる制御中止手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
ここで、所定空燃比は、予め定められた基準の空燃比であり、例えば理論空燃比に設定される。所定空燃比以下の空燃比値は、所定空燃比から実際の空燃比を差し引いた値である。
これによると、空燃比低下制御中の所定空燃比以下の空燃比値を積算した積算値に基づいて、空燃比低下制御が中止され、以後の空燃比低下制御の燃料供給が禁止されるようになる。このため、排気浄化触媒に燃料が過剰に供給されることをより好適に抑制できる。
前記積算値に基づく条件は、前記積算値が所定値を超える場合であるとよい。
ここで、所定値は、積算値が当該所定値を超える場合に空燃比低下制御における燃料の供給量の低減又は空燃比低下制御の中止が必要となる臨界値であり、予め実験などによって定められる。
これによると、空燃比低下制御中の所定空燃比以下の空燃比値を積算した積算値が所定値を超える場合には、空燃比低下制御における燃料の供給量が低減されるようになったり、空燃比低下制御が中止されるようになったりする。
前記所定値は、前記空燃比低下制御中における現時点までの空燃比の最小値に基づいて変更されるとよい。
これによると、所定値が空燃比の最小値に基づいて変更される。よって、空燃比低下制御における燃料の供給量が低減される条件や、空燃比低下制御が中止される条件がより好適に設定でき、排気浄化触媒に燃料が過剰に供給されることをより好適に抑制できる。特に、前記空燃比低下制御中における現時点までの空燃比の最小値が小さくなるほど、前記所定値は小さくなるとよい。
前記積算値に基づく条件は、前記積算値と吸入空気量とをかけた乗算値が第2所定値を超える場合であるとよい。
ここで、第2所定値は、乗算値が当該第2所定値を超える場合に、空燃比低下制御における燃料の供給量の低減又は空燃比低下制御の中止が必要となる臨界値であり、予め実験などによって定められる。
これによると、空燃比低下制御中の所定空燃比以下の空燃比値を積算した積算値と吸入空気量とをかけた乗算値が第2所定値を超える場合には、空燃比低下制御における燃料の供給量が低減されるようになったり、空燃比低下制御が中止されるようになったりする。
前記第2所定値は、前記空燃比低下制御中における現時点までの空燃比の最小値に基づいて変更されるとよい。
これによると、第2所定値が最小値に基づいて変更される。よって、空燃比低下制御における燃料の供給量が低減される条件や、空燃比低下制御が中止される条件がより好適に設定でき、排気浄化触媒に燃料が過剰に供給されることをより好適に抑制できる。特に、前記空燃比低下制御中における現時点までの空燃比の最小値が小さくなるほど、前記第2所定値は小さくなるとよい。
本発明によると、内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒への燃料の過剰供給をより好適に抑制可能となる。
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。
図1は、本発明の実施例1に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
図1に示す内燃機関1は、4つの気筒を有する水冷式の4サイクル・ディーゼル機関であり、各気筒の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えている。
内燃機関1からは排気通路2が延びている。排気通路2は、下流にて不図示のマフラーと接続されている。排気通路2の途中には、内燃機関1の気筒から排出される排気を浄化するための吸蔵還元型NOx触媒(以下、NOx触媒という)3が配置されている。
また、NOx触媒3より上流側の排気通路2には、排気通路2内を流通する排気中に還元剤たる燃料を供給する燃料添加弁4が取り付けられている。
また、燃料添加弁4より下流側且つNOx触媒3より上流側の排気通路2には、排気の空燃比を検出する空燃比センサ5が設けられている。
以上の構成の内燃機関1には、内燃機関1を制御するための電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)6が併設されている。このECU6は、CPU、ROM、
RAM、バックアップRAMなどからなる制御コンピュータである。
RAM、バックアップRAMなどからなる制御コンピュータである。
ECU6には、空燃比センサ5が電気的に接続されており、空燃比センサ5の出力信号
がECU6に入力される。また、ECU6には、燃料添加弁4が電気的に接続されており、ECU6が燃料添加弁4での燃料供給/停止や燃料供給量を調節することが可能になっている。
がECU6に入力される。また、ECU6には、燃料添加弁4が電気的に接続されており、ECU6が燃料添加弁4での燃料供給/停止や燃料供給量を調節することが可能になっている。
ここで、内燃機関1に配置されるNOx触媒3は、NOx触媒3に流入する排気の空燃比がリーン(理論空燃比以上)であるときには、排気中のNOxを吸蔵して大気中に放出しないようにし、NOx触媒3に流入する排気の空燃比が理論空燃比あるいはリッチであるときには、吸蔵されていたNOxを放出及び還元して除去するものである。また、NOx触媒3は、NOx触媒3に流入する排気の空燃比がリーンであるときには、排気中のSOxをも吸蔵してしまう。
このため、内燃機関1が希薄燃焼運転されている場合には、内燃機関1から排出される排気の空燃比がリーンとなり排気の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれるNOxあるいはSOxがNOx触媒3に吸蔵されることになるが、内燃機関1の希薄燃焼運転が長期間継続されると、NOx触媒3のNOx吸蔵能力が飽和し、排気中のNOxがNOx触媒に吸蔵されずに大気中へ放出されてしまう。
特に、内燃機関1のようなディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーンの混合気が燃焼され、それに応じて排気の空燃比がリーンとなるため、NOx触媒3のNOx吸蔵能力が飽和し易い。
したがって、内燃機関1が希薄燃焼されている場合には、NOx触媒3のNOx吸蔵能力が飽和する前にNOx触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させると共に燃料の濃度を高め、NOx触媒3に吸蔵されたNOxあるいはSOxを放出及び還元する必要がある。
このため、ECU6は、ROMに記憶されたアプリケーションプログラムに従って、NOx還元処理又はSOx被毒回復処理といった、NOx触媒3に流入する排気の空燃比を比較的短い周期でスパイク的に(短時間に)リッチとする、リッチスパイク制御を実行する。ここで、このリッチスパイク制御が本発明の空燃比低下制御に相当する。
なお、NOx還元処理は、スパイク的に燃料添加弁4から排気中へ燃料を添加させることにより、NOx触媒3に流入する排気の空燃比をリッチとし、NOx触媒3に吸蔵されたNOxを放出及び還元する処理である。
SOx被毒回復処理は、スパイク的に燃料添加弁4から排気中へ燃料を添加させることにより、添加した燃料をNOx触媒3において酸化させ、酸化反応に伴う熱によって触媒温度を600℃〜800℃に昇温させると共にNOx触媒3に流入する排気の空燃比をリッチとし、NOx触媒3に吸蔵されたSOxを放出及び還元させる処理である。
ここで、リッチスパイク制御によって、NOx触媒3に流入する燃料が過剰供給されると、NOx触媒3で作用しない燃料が白煙となって大気中に排出され、排気エミッションの悪化を招いてしまう。このため、排気エミッションを改善するためにリッチスパイク制御において燃料供給を禁止したり、リッチスパイク制御によるNOx触媒3のNOxあるいはSOxの放出及び還元を迅速に行うためにリッチスパイク制御において燃料供給禁止を早期に解除したりする。特に、NOx触媒3に燃料が過剰に供給されることを抑制するため、燃料供給禁止のタイミングは最適なタイミングであることが望まれる。
そこで、本実施例では、リッチスパイク制御中において、理論空燃比以下の空燃比値を積算した積算値が所定の判定値を超える場合には、燃料供給を中止させるようにしている
。
。
ここで、本実施例のリッチスパイク制御中における燃料供給を中止させる燃料供給中止の制御ルーチンについて、図2に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、本ルーチンは、ECU6に予め記憶されており、リッチスパイク制御の実行の際に、周期的に実行されるルーチンである。
本ルーチンの処理が開始されると、ECU6は、まず、S101においては、リッチスパイク制御中における理論空燃比以下の空燃比値を積算した積算値を算出する。積算値は、図3の空燃比における斜線部領域を示すものであり、リッチスパイク制御中において、空燃比センサ5が検出する検出空燃比が理論空燃比以下となった時点t1から現時点t2までの間の、理論空燃比から検出空燃比を差し引いた空燃比値を積算した値である。
次に、ECU6は、S102において、S101で算出した積算値を用いて、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態か否かの判定を行う。具体的には、ECU6は、現時点での積算値が所定の判定値を超える場合に、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態と判定し、そうでない場合は、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給されていない状態と判定する。
そして、ECU6は、積算値が所定の判定値を超え、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態であれば、S103に移行する。また、積算値が所定の判定値を超えず、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給されていない状態であれば、S104に移行する。
ECU6は、S103においては、現在の燃料供給を中止し、本ルーチンの処理を一旦終了する。図4に、リッチスパイク制御中での燃料供給中止を行った状態を示す。図4に示すように、t3の時点までは燃料供給が行われ、t3の時点での積算値が所定の判定値を超えたのを境に、以後の燃料供給を中止する。このため、燃料供給が続行される場合の点線の空燃比に比して、空燃比は実線のように早期に上昇することになる。
一方、ECU6は、S104においては、リッチスパイク制御中における現在の燃料供給を続行し、本ルーチンの処理を一旦終了する。
そして、以後のリッチスパイク制御においては、その制御の度に本ルーチンの処理が行われる。
このように、本実施例では、積算値が所定の判定値を超える場合に、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態と判定し、燃料供給を中止する。これにより、燃料供給を中止するタイミングが最適なタイミングとなり、NOx触媒3に燃料が過剰に供給されることをより好適に抑制できる。
実施例1では、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態となったことを、積算値の推移に基づいて判定していた。実施例2では、これと同様の判定を、積算値の推移と空燃比の最小値とに基づいて行う。なお、実施例1と同様な部分は説明を省略する。
本実施例のリッチスパイク制御中における燃料供給を中止させる燃料供給中止の制御ルーチンについて、図5に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、本ルーチンは、ECU6に予め記憶されており、リッチスパイク制御の実行の際に、周期的に実行されるルーチンである。
本ルーチンの処理が開始されると、ECU6は、まず、S201においては、実施例1と同様に求める積算値を算出すると共に、現時点までの空燃比の最小値を抽出する。最小値は、図3の空燃比のグラフにおける最も空燃比が低い値を示すものであり、リッチスパイク制御中において、空燃比センサ5が検出する検出空燃比が理論空燃比以下となった時点t1から現時点t2までの間の、検出空燃比の中での最小値である。
次に、ECU6は、S202において、S201で算出した積算値及び抽出した最小値を用いて、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態か否かの判定を行う。ここでは、図6に示すマップを用いる。図6のマップは、横軸に最小値をとり、縦軸に積算値をとり、燃料供給続行領域が右下側に存在し、燃料供給中止領域が左上側に存在し、燃料供給続行領域と燃料供給中止領域とが白煙限界の所定の臨界線で分けられている2次元マップであり、予め実験などから求められている。白煙限界の所定の臨界線は、言い換えれば、実施例1での所定の判定値が、最小値が小さくなるほどそれに応じて小さくなるように変更された変化線であるとも言える。具体的に、ECU6は、現時点での積算値及び最小値の交点が図6のマップ中で燃料供給中止領域に存在する場合に、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態と判定し、そうでない場合は、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給されていない状態と判定する。
そして、ECUは、積算値及び最小値の交点が燃料供給中止領域に存在し、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態であれば、S203に移行する。また、積算値及び最小値の交点が燃料供給続行領域に存在し、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給されていない状態であれば、S204に移行する。
ECUは、S203においては、現在の燃料供給を中止し、本ルーチンの処理を一旦終了する。
一方、ECUは、S204においては、リッチスパイク制御中における現在の燃料供給を続行し、本ルーチンの処理を一旦終了する。
このように、本実施例では、積算値及び最小値の交点がマップ中の燃料供給中止領域に存在する場合に、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態と判定し、燃料供給を中止する。これにより、燃料供給を中止するタイミングが最適なタイミングとなり、NOx触媒3に燃料が過剰に供給されることをより好適に抑制できる。
なお、本実施例では、積算値及び最小値の交点がマップ中の燃料供給中止領域に存在する場合に、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態と判定し、燃料供給を中止していた。しかし、このような複合条件ではなく、積算値が所定の判定値を超える条件と、最小値が所定の判定値以下となる条件との2つの条件からNOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態と判定してもよい。
実施例1では、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態となったことを、積算値の推移に基づいて判定していた。実施例3では、これと同様の判定を、積算値と吸入空気量とをかけた乗算値の推移に基づいて行う。なお、実施例1と同様な部分は説明を省略する。
本実施例のリッチスパイク制御中における燃料供給を中止させる燃料供給中止の制御ルーチンについて、図7に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、本ルーチンは、ECU6に予め記憶されており、リッチスパイク制御の実行の際に、周期的に実行されるルーチンである。
本ルーチンの処理が開始されると、ECU6は、まず、S301においては、実施例1と同様に求める積算値と吸入空気量とをかけた乗算値を算出する。吸入空気量は、図1に示す内燃機関1の吸気通路7に配置されたエアフロメータ8が検出する現時点での値である。
次に、ECU6は、S302において、S301で算出した乗算値を用いて、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態か否かの判定を行う。具体的には、ECU6は、現時点での乗算値が所定の判定値を超える場合に、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態と判定し、そうでない場合は、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給されていない状態と判定する。
そして、ECU6は、乗算値が所定の判定値を超え、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態であれば、S303に移行する。また、乗算値が所定の判定値を超えず、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給されていない状態であれば、S304に移行する。
ECUは、S303においては、現在の燃料供給を中止し、本ルーチンの処理を一旦終了する。
一方、ECUは、S304においては、リッチスパイク制御中における現在の燃料供給を続行し、本ルーチンの処理を一旦終了する。
このように、本実施例では、乗算値が所定の判定値を超える場合に、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態と判定し、燃料供給を中止する。これにより、燃料供給を中止するタイミングが最適なタイミングとなり、NOx触媒3に燃料が過剰に供給されることをより好適に抑制できる。
なお、本実施例では、NOx触媒3へ燃料が過剰に供給される状態となったことを、乗算値の推移に基づいて判定していた。加えて、これと同様の判定を、乗算値の推移と空燃比の最小値とに基づいても行うようにしてもよい。なお、この例は実施例2の説明中、積算値が乗算値に変更されるだけであるので、ここでは説明を省略する。
上記実施例では、燃料供給中止の制御ルーチンが本発明の制御中止手段に相当している。ここで、燃料供給の中止は、燃料の供給量を0にまで低減することでもある。このため、上記実施例の燃料供給中止の制御ルーチンは本発明の供給量低減手段にも相当する。よって、上記実施例のように燃料供給の中止に限られず、燃料の供給量を低減することも本発明に包含されるものである。
上記実施例では、排気へ燃料供給する燃料添加弁を有する構成であった。しかし、本発明は、内燃機関の気筒内または吸気ポートへ燃料を噴射する燃料噴射弁を用いて、排気の排出と共に燃料噴射を行うこと(アフター噴射)による燃料供給にも適用できる。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、上述の実施例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内において種々の変更を加えてもよい。
1 内燃機関
2 排気通路
3 NOx触媒
4 燃料添加弁
5 空燃比センサ
7 吸気通路
8 エアフロメータ
2 排気通路
3 NOx触媒
4 燃料添加弁
5 空燃比センサ
7 吸気通路
8 エアフロメータ
Claims (8)
- 内燃機関の排気に燃料を供給して空燃比を低下させる空燃比低下制御を行うことで、排気浄化触媒の性能を再生する内燃機関の排気浄化装置において、
前記空燃比低下制御中の所定空燃比以下の空燃比値を積算した積算値に基づいて、前記空燃比低下制御における燃料の供給量を低減させる供給量低減手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 内燃機関の排気に燃料を供給して空燃比を低下させる空燃比低下制御を行うことで、排気浄化触媒の性能を再生する内燃機関の排気浄化装置において、
前記空燃比低下制御中の所定空燃比以下の空燃比値を積算した積算値に基づいて、前記空燃比低下制御を中止させる制御中止手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記積算値に基づく条件は、前記積算値が所定値を超える場合であることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記所定値は、前記空燃比低下制御中における現時点までの空燃比の最小値に基づいて変更されることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記空燃比低下制御中における現時点までの空燃比の最小値が小さくなるほど、前記所定値は小さくなることを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記積算値に基づく条件は、前記積算値と吸入空気量とをかけた乗算値が第2所定値を超える場合であることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第2所定値は、前記空燃比低下制御中における現時点までの空燃比の最小値に基づいて変更されることを特徴とする請求項6に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記空燃比低下制御中における現時点までの空燃比の最小値が小さくなるほど、前記第2所定値は小さくなることを特徴とする請求項7に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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