JP2008025467A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、燃料の排気浄化装置のすり抜けを抑制しつつ該排気浄化装置の性能を回復させることを課題とする。
【解決手段】内燃機関の吸入空気量が増加しているときに排気浄化装置の性能を回復させる場合(S101、S103)、排気通路に設けられた燃料添加弁によって添加される燃料添加量に上限値を設ける(S104)。そして、排気浄化装置に供給すべき目標燃料供給量が該上限値よりも多い場合(S105)、燃料添加弁によって上限値分の燃料を添加すると共に内燃機関における副燃料噴射によって不足分の燃料を噴射する(S110、S111、S112)。
【選択図】図2

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。
内燃機関の排気浄化システムとして、吸蔵還元型NOx触媒(以下、単にNOx触媒と称する)やNOx触媒を担持したパティキュレートフィルタ等の排気浄化装置を備えたものが知られている。このような排気浄化装置を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいては、排気浄化装置の性能を回復すべく、該排気浄化装置を昇温したり該排気浄化装置に流入する排気の空燃比を低下させたりするために該排気浄化装置に燃料を供給する場合がある。
特許文献1には、内燃機関において主燃料噴射よりも後の時期であって噴射された燃料が燃焼に供される時期に副燃料噴射を実行することで排気を昇温させ、それによってNOx触媒を活性化させる技術、および、NOx触媒よりも上流側の排気通路に設けられた燃料添加弁から排気中に燃料を添加することで活性化したNOx触媒に該燃料を供給し、それによって該NOx触媒に吸蔵されたNOxを還元する技術が開示されている。
特開2003−97254号公報
車両を加速させる場合等のように内燃機関の運転状態が吸入空気量が増加する状態にある場合、必然的に排気の流量も増加する。排気浄化装置の性能を回復させるべく燃料添加弁による排気中への燃料添加を実行するときに排気の流量が増加中であると、燃料添加弁から添加された燃料が排気浄化装置をすり抜け易くなる。即ち、添加された燃料が排気浄化装置の性能を回復させるための化学反応に供されずに該排気浄化装置より下流側に流出し易くなる。その結果、燃料の外部への放出量の増加や燃費の悪化を招く虞がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、燃料の排気浄化装置のすり抜けを抑制しつつ該排気浄化装置の性能を回復させることが可能な技術を提供することを目的とする。
本発明では、排気通路に排気浄化装置と燃料添加弁が設けられている。そして、内燃機関の吸入空気量が増加しているときに排気浄化装置の性能を回復させる場合、燃料添加弁によって添加される燃料添加量に上限値を設け、排気浄化装置に供給すべき目標燃料供給量が該上限値よりも多い場合、燃料添加弁によって上限値分の燃料を添加すると共に内燃機関における副燃料噴射によって不足分の燃料を噴射する。
より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、
内燃機関の排気通路に設けられ且つ酸化機能を有する触媒を含んで構成される排気浄化装置と、
前記内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気通路に設けられ排気中に燃料を添加する燃料添加弁と、
前記排気浄化装置の性能を回復させるために必要となる前記排気浄化装置への燃料供給量である目標燃料供給量を算出する目標燃料供給量算出手段と、
前記内燃機関の吸入空気量が増加しているときに前記燃料添加弁による燃料添加を実行する場合の燃料添加量の上限値を設定する上限値設定手段と、を備え、
前記内燃機関の吸入空気量が増加しているときに前記排気浄化装置の性能を回復させる場合において、前記目標燃料供給量算出手段によって算出される目標燃料供給量が前記上限値設定手段によって設定される燃料添加量の上限値よりも多い場合、前記燃料添加弁によって該上限値分の燃料を添加すると共に、前記燃料噴射弁によって主燃料噴射よりも後の時期であって且つ噴射された燃料が前記気筒から排出される時期に副燃料噴射を実行することで不足分の燃料を噴射することを特徴とする。
ここで、燃料添加量の上限値は、燃料添加弁による燃料添加を実行した場合に排気浄化装置をすり抜ける燃料量が許容範囲内となると判断出来る値である。
燃料噴射弁から噴射される燃料は燃料添加弁から添加される燃料に比べて粒径が小さい。そのため、副燃料噴射によって噴射された燃料は排気浄化装置の性能を回復させるための化学反応に供され易く、排気浄化装置をすり抜け難い。
そこで、本発明では、排気浄化装置の性能を回復させるときに、目標燃料供給量が燃料添加量の上限値よりも多い場合、燃料添加弁によって該上限値分の燃料を添加する。さらに、内燃機関気において副燃料噴射を実行することで不足分の燃料を噴射し、それによって、排気浄化装置に供給される総燃料供給量が目標燃料供給量となるようにする。
これにより、内燃機関の吸入空気量が増加しているときに排気浄化装置の性能を回復させる場合であっても、燃料の排気浄化装置のすり抜けを抑制しつつ目標燃料供給量の燃料を排気浄化装置に供給することが可能となる。従って、本発明によれば、燃料の排気浄化装置のすり抜けを抑制しつつ該排気浄化装置の性能を回復させることが出来る。
本発明において、上限値設定手段は、排気浄化装置の温度が低いほど、また、内燃機関の吸入空気量の単位時間当たりの増加量が多いほど、燃料添加量の上限値をより少ない量に設定してもよい。
排気浄化装置の温度が低いほど、該排気浄化装置に供給された燃料がその性能を回復させるための化学反応に供され難くなる。そのため、燃料が排気浄化装置をすり抜け易くなる。また、内燃機関の吸入空気量の単位時間当たりの増加量が多いときは、排気の流量の単位時間当たりの増加量も必然的に多くなる。そして、排気の流量の単位時間当たりの増加量が多いほど、燃料が排気浄化装置をすり抜け易くなる。
そのため、燃料添加量の上限値を上記のように設定することで、燃料の排気浄化装置のすり抜けをより抑制することが可能となる。
本発明においては、燃料噴射弁による副燃料噴射によって不足分の燃料を噴射するときに、内燃機関の吸入空気量が少ないほど副燃料噴射量を増量する補正を行ってもよい。
上述したように燃料噴射弁から噴射される燃料は燃料添加弁から添加される燃料に比べて粒径が小さいため、副燃料噴射によって噴射された燃料は燃料添加弁によって添加された燃料に比べて排気中において拡散し易い。副燃料噴射によって噴射された燃料が排気浄化装置に到達するまでの間に排気中で拡散すると該排気浄化装置の性能を回復させるための化学反応が促進し難くなる。
また、吸入空気量が少ないほど、即ち、排気の流量が少ないほど、副燃料噴射によって噴射された燃料が排気浄化装置に到達するまでの時間が長くなる。そのため、燃料が排気
中でより拡散することになる。
従って、副燃料噴射量を上記のように補正することで、排気浄化装置の性能を回復させるための化学反応をより促進させることが可能となる。その結果、排気浄化装置の性能をより回復させることが出来る。
本発明によれば、燃料の排気浄化装置のすり抜けを抑制しつつ該排気浄化装置の性能を回復させることが出来る。
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。
<内燃機関およびその吸排気系の概略構成>
図1は、本実施例に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関1は4つの気筒2を有する車両駆動用のディーゼルエンジンである。各気筒2には該気筒2内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁3がそれぞれ設けられている。
内燃機関1には、インテークマニホールド5およびエキゾーストマニホールド7が接続されている。インテークマニホールド5には吸気通路4の一端が接続されている。エキゾーストマニホールド7には排気通路6の一端が接続されている。
吸気通路4には、エアフローメータ11およびターボチャージャ(過給機)8のコンプレッサ8aが設置されている。排気通路6にはターボチャージャ8のタービン8bが設置されている。
排気通路6におけるタービン8bより下流側には、NOx触媒9が設けられている。本実施例においては、該NOx触媒9が本発明に係る排気浄化装置に相当する。排気通路6におけるNOx触媒9より下流側には排気の温度を検出する温度センサ13が設けられている。エキゾーストマニホールド7には排気中に燃料を添加する燃料添加弁12が設けられている。
内燃機関1には内燃機関1の運転状態を制御する電子制御ユニット(ECU)10が併設されている。ECU10には、エアフローメータ11及び温度センサ13が電気的に接続されている。そして、各センサの出力信号がECU10に入力される。ECU10は、温度センサ13の検出値に基づいてNOx触媒9の温度を推定する。
また、ECU10には、燃料噴射弁3および燃料添加弁12が電気的に接続されている。そして、ECU10によってこれらが制御される。
<NOx還元制御>
以下、本実施例において、NOx触媒9に吸蔵されたNOxを還元するために行われるNOx還元制御の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。本ルーチンは、ECU10に予め記憶されており、内燃機関1の運転中、所定の間隔で繰り返し実行されるルーチンである。
本ルーチンでは、ECU10は、先ずS101において、NOx触媒9におけるNOx吸蔵量Qnが所定吸蔵量Qn0以上となったか否かを判別する。ここで、所定吸蔵量Qn0は、NOx還元制御の実行開始の閾値となる値であって、実験等によって予め定められ
ている。S101において、肯定判定された場合、ECU10はS102に進み、否定判定された場合、ECU10は本ルーチンの実行を一旦終了する。
S102において、ECU10は、NOx触媒9に供給する燃料量の目標値である目標燃料供給量Qftを、内燃機関1の吸入空気量および燃料噴射弁3からの主燃料噴射量に基づいて算出する。ここで、目標燃料供給量Qftは、NOx触媒9流入する排気の空燃比が該NOx触媒9に吸蔵されたNOxを還元することが可能な目標リッチ空燃比となる値として算出される。ここでの目標リッチ空燃比は実験等によって予め定められた値である。
次に、ECU10は、S103に進み、吸入空気量が増加中であるか否かを判別する。このS103において、肯定判定された場合、ECU10はS104に進み、否定判定された場合、ECU10はS106に進む。
S104に進んだECU10は、NOx触媒9の温度および吸入空気量の単位時間当たりの増加量に基づいて、燃料添加弁12によって添加される燃料添加量の上限値Qfamaxを設定する。吸入空気量が増加しているときは、排気の流量も増加しているため、燃料添加弁12から添加された燃料がNOx触媒9をすり抜け易い。燃料添加量の上限値Qfamaxは、燃料添加弁12による燃料添加を実行した場合にNOx触媒9をすり抜ける燃料量が許容範囲の上限値となる値として設定される。
尚、NOx触媒9の温度および吸入空気量の単位時間当たりの増加量と燃料添加量の上限値Qfamaxとの関係は予め実験等によって求められており、マップとしてECU10に記憶されている。このマップにおいては、NOx触媒9の温度が低いほど、また、吸入空気量の単位時間当たりの増加量が多いほど、燃料添加量の上限値Qfamaxがより少ない量となっている。
次に、ECU10は、S105に進み、目標燃料供給量Qftが燃料添加量の上限値Qfamax以下であるか否かを判別する。このS105において、肯定判定された場合、ECU10はS106に進み、否定判定された場合、ECU10はS110に進む。
S106に進んだECU10は、燃料添加弁12によって添加される燃料添加量Qfaを目標燃料供給量Qftに設定する。
次に、ECU10は、S107に進み、燃料添加弁12による燃料添加を実行する。
次に、ECU10は、S108に進み、燃料添加弁12による燃料添加を開始した時点からの経過時間t1が所定時間t0以上となったか否かを判別する。ここで、所定時間t0は、NOx触媒9に吸蔵されていたNOxが十分に還元されたと判断出来る時間であって、実験等によって予め定められている。このS108において、肯定判定された場合、ECU10はS109に進み、否定判定された場合、ECU10はS107に戻る。
S109において、ECU10は、燃料添加弁12による燃料添加を停止させる。その後、ECU10は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
一方、S110に進んだECU10は、目標燃料供給量Qftから燃料添加量の上限値Qfamaxを減算することで基準副燃料噴射量Qfsub0を算出する。基準副燃料噴射量Qfsub0は、主燃料噴射時期よりも後の時期であって且つ噴射された燃料が気筒2から排出される時期に燃料噴射弁3によって行われる副燃料噴射での燃料噴射量である。
次に、ECU10は、S111に進み、燃料添加弁12によって添加される燃料添加量Qfaを上限値Qfamaxに設定すると共に、副燃料噴射量Qfsubを基準副燃料噴射量Qfsub0に設定する。
次に、ECU10は、S112に進み、燃料添加弁12による燃料添加及び燃料噴射弁3による副燃料噴射を実行する。
次に、ECU10は、S113に進み、燃料添加弁12による燃料添加及び燃料噴射弁3による副燃料噴射を開始した時点からの経過時間t2が所定時間t0以上となったか否かを判別する。ここでの所定時間t0はS108における所定時間t0と同様である。このS113において、肯定判定された場合、ECU10はS114に進み、否定判定された場合、ECU10はS112に戻る。
S114において、ECU10は、燃料添加弁12による燃料添加及び燃料噴射弁3による副燃料噴射を停止させる。その後、ECU10は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
以上説明したルーチンによれば、内燃機関1の吸入空気量が増加しているときにNOx還元制御を実行する場合、燃料添加弁12によって添加される燃料添加量Qfaに上限値Qfamaxを設ける。そして、目標燃料供給量Qftが該上限値Qfamaxよりも多い場合、燃料添加量Qfaを上限値Qfamaxに制御して燃料添加弁12による燃料添加を実行する。さらに、不足分の燃料を副燃料噴射によって噴射し、それによって、NOx触媒9に供給される総燃料供給量が目標燃料供給量Qftとなるようにする。
燃料噴射弁3から噴射される燃料は燃料添加弁12から添加される燃料に比べて粒径が小さい。そのため、副燃料噴射によって噴射された燃料はNOx触媒9におけるNOx還元反応に供され易く、NOx触媒9をすり抜け難い。
従って、上記ルーチンによれば、内燃機関1の吸入空気量が増加しているときにNOx還元制御を実行する場合であっても、燃料のNOx触媒9のすり抜けを抑制しつつ、目標燃料供給量Qftの燃料をNOx触媒9に供給することが可能となる、即ち、NOx触媒9に流入する排気の空燃比を目標リッチ空燃比とすることが可能となる。そのため、燃料のNOx触媒9のすり抜けを抑制しつつ該NOx触媒9に吸蔵されたNOxを還元し該NOx触媒9のNOx吸蔵能力を回復させることが出来る。
また、NOx還元制御の実行時においては、NOx触媒9の温度が低いほど、NOx触媒9に供給された燃料がNOxの還元反応に供され難くなる。そのため、燃料がNOx触媒9をすり抜け易くなる。また、内燃機関1の吸入空気量の単位時間当たりの増加量が多いほど、即ち、排気の流量の単位時間当たりの増加量が多いほど、NOx触媒9に供給された燃料がNOx触媒9をすり抜け易くなる。
そこで、上記ルーチンにおいては、NOx触媒9の温度が低いほど、また、吸入空気量の単位時間当たりの増加量が多いほど、燃料添加量の上限値Qfamaxをより少ない量に設定する。これにより、NOx触媒9に供給される総燃料供給量における、燃料添加弁12から添加された燃料の割合が少なくなる。その結果、燃料のNOx触媒9のすり抜けをより抑制することが可能となる。
<変形例>
ここで、本実施例の変形例について図3に基づいて説明する。図3は、該変形例に係る
NOx還元制御のルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、ECU10に予め記憶されており、内燃機関1の運転中、所定の間隔で繰り返し実行されるルーチンである。尚、本ルーチンと図2に示すルーチンと相違点は、S211およびS212を加えると共にS111をS213に置き換えた点のみである。そのため、図2に示すルーチンと同様の処理には同様の参照番号を付しその説明を省略する。
本ルーチンでは、ECU10は、S110の次にS211に進む。S211において、ECU10は、基準副燃料噴射量Qfsub0を補正するための補正係数cを内燃機関1の吸入空気量に基づいて算出する。補正係数cと吸入空気量との関係はマップとしてECU10に予め記憶されている。このマップにおいては、吸入空気量が少ないほど補正係数cが大きい値となっている。
次に、ECU10は、S212に進み、基準副燃料噴射量Qfsub0に補正係数cを乗算することで補正副燃料噴射量Qfsub1を算出する。補正副燃料噴射量Qfsub1は吸入空気量が少ないほど多くなる。
次に、ECU10は、S213に進み、燃料添加弁12によって添加される燃料添加量Qfaを上限値Qfamaxに設定すると共に、副燃料噴射量Qfsubを補正副燃料噴射量Qfsub1に設定する。その後、ECU10はS112に進む。
燃料噴射弁3から噴射される燃料は燃料添加弁12から添加される燃料に比べて粒径が小さいため、副燃料噴射によって噴射された燃料は燃料添加弁12によって添加された燃料に比べて排気中において拡散し易い。副燃料噴射によって噴射された燃料がNOx触媒9に到達するまでの間に排気中で拡散すると、該NOx触媒9に流入する排気の空燃比が目標リッチ空燃比にまで低下し難くなる。そのため、NOx触媒9におけるNOx還元反応が促進し難くなる。
また、吸入空気量が少ないほど、即ち、排気の流量が少ないほど副燃料噴射によって噴射された燃料がNOx触媒9に到達するまでの時間が長くなる。そのため、燃料が排気中でより拡散することになり、NOx触媒9に流入する排気の空燃比がより低下し難くなる。
上記ルーチンによれば、NOx還元制御において副燃料噴射を実行する場合に、吸入空気量が少ないほど副燃料噴射量Qfsubが多くなるように基準副燃料噴射量Qfsub0が補正される。副燃料噴射によって噴射された燃料が排気中において拡散する場合であっても、副燃料噴射量Qfsubを増量することでNOx触媒9に流入する排気の空燃比が目標リッチ空燃比にまで低下し易くなる。
従って、この変形例によれば、NOx触媒9におけるNOx還元制御をより促進させることが可能となる。その結果、NOx触媒9のNOx吸蔵能力をより回復させることが出来る。
尚、本実施例において、目標燃料供給量Qftおよび燃料供給量の上限値Qfamax、基準副燃料噴射量Qfsub0、補正副燃料噴射量Qfsub1は、それぞれ、内燃機関1の一燃焼サイクル当たりの量として算出される。
また、本実施例に係るNOx還元制御での燃料添加量及び副燃料噴射量の制御を、NOx触媒9に吸蔵されたSOxを還元するための所謂SOx被毒回復制御に適用してもよい。この場合、内燃機関1の吸入空気量が増加しているときにSOx被毒回復制御を実行する場合であっても、燃料のNOx触媒9のすり抜けを抑制しつつ該NOx触媒9に吸蔵さ
れたSOxを還元することが出来る。また、本実施例において、NOx触媒9に代えて、NOx触媒を担持したパティキュレートフィルタを設けた場合、本実施例に係るNOx還元制御での燃料添加量及び副燃料噴射量の制御をパティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を酸化し除去する所謂フィルタ再生制御に適用してもよい。この場合、内燃機関1の吸入空気量が増加しているときにフィルタ再生制御を実行する場合であっても、燃料のパティキュレートフィルタのすり抜けを抑制しつつ該パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を酸化させ除去することが出来る。
実施例に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図。 実施例に係るNOx還元制御のルーチンを示すフローチャート。 実施例の変形例に係るNOx還元制御のルーチンを示すフローチャート。
符号の説明
1・・・内燃機関
2・・・気筒
3・・・燃料噴射弁
4・・・吸気通路
5・・・インテークマニホールド
6・・・排気通路
7・・・エキゾーストマニホールド
8・・・ターボチャージャ
8a・・コンプレッサ
8b・・タービン
9・・・吸蔵還元型NOx触媒
10・・ECU
11・・エアフローメータ
12・・燃料添加弁
13・・温度センサ

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられ且つ酸化機能を有する触媒を含んで構成される排気浄化装置と、
    前記内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
    前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気通路に設けられ排気中に燃料を添加する燃料添加弁と、
    前記排気浄化装置の性能を回復させるために必要となる前記排気浄化装置への燃料供給量である目標燃料供給量を算出する目標燃料供給量算出手段と、
    前記内燃機関の吸入空気量が増加しているときに前記燃料添加弁による燃料添加を実行する場合の燃料添加量の上限値を設定する上限値設定手段と、を備え、
    前記内燃機関の吸入空気量が増加しているときに前記排気浄化装置の性能を回復させる場合において、前記目標燃料供給量算出手段によって算出される目標燃料供給量が前記上限値設定手段によって設定される燃料添加量の上限値よりも多い場合、前記燃料添加弁によって該上限値分の燃料を添加すると共に、前記燃料噴射弁によって主燃料噴射よりも後の時期であって且つ噴射された燃料が前記気筒から排出される時期に副燃料噴射を実行することで不足分の燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  2. 前記上限値設定手段が、前記排気浄化装置の温度が低いほど、また、前記内燃機関の吸入空気量の単位時間当たりの増加量が多いほど、燃料添加量の上限値をより少ない量に設定することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気浄化システム。
  3. 前記燃料噴射弁による副燃料噴射によって不足分の燃料を噴射するときに、前記内燃機関の吸入空気量が少ないほど副燃料噴射量を増量する補正を行うことを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の排気浄化システム。
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