JP2008057365A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、触媒の目標温度が変化する場合であっても、適正量の還元剤を供給することができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路２に備えられ酸化能力を有する触媒３と、触媒３よりも上流側から該触媒３へ還元剤を供給する還元剤供給手段５と、還元剤供給手段５により供給される還元剤により触媒３において発生する熱量から、触媒３の温度を推定する触媒温度推定手段６と、還元剤供給手段５により還元剤が供給されるときの触媒３の温度を検出する触媒温度検出手段４と、触媒温度推定手段６により得られる温度と触媒温度検出手段４により得られる温度との差を小さくするように還元剤供給手段５から供給される還元剤量を補正する補正手段６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気通路に設けられるＮＯx触媒へ還元剤を供給する場合、該触媒で還元剤が酸化され
ることにより、該触媒の温度が上昇する。ここで、還元剤の供給量が多すぎると該還元剤が触媒をすり抜け、還元剤の供給量が少なすぎると触媒の排気浄化能力が低下する。そのため、触媒へは適正量の還元剤を供給することが望ましい。

例えば内燃機関の排気浄化装置において、目標昇温量と実際の昇温量との割合を補正係数として求め、該補正係数を乗じた還元剤の供給量を補正後の還元剤の供給量として触媒へ供給することにより還元剤の過不足を解消する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１４８１３３号公報 特開平７−１１９５１４号公報

しかし、触媒の目標温度は内燃機関の負荷等に応じて時々刻々と変化する。例えば内燃機関１のアイドル運転時には、排気の流量が少ないために、還元剤を供給すると温度が上昇しやすい。そのため、アイドル運転時には目標温度が低くされる。そのため、還元剤供給量の補正値を算出したときの目標温度と、その補正値に基づいた還元剤が実際に供給されるときの目標温度と、に差が生じることがある。この場合、適正な量の還元剤を供給することができなくなる虞がある。

また、排気温度が低いときは触媒の排気浄化能力が低下し、触媒床温の維持ができずに還元剤のすり抜け等が起こりやすくなるため、還元剤の供給量を減らす必要もある。

さらに、触媒の目標温度が変化している場合に還元剤供給量の補正や学習を禁止することも考えられるが、これではその最中に触媒の実際の温度を目標温度に合わせることが困難となる。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、触媒の目標温度が変化する場合であっても、適正量の還元剤を供給することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に備えられ酸化能力を有する触媒と、
前記触媒よりも上流側から該触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記還元剤供給手段により供給される還元剤により前記触媒において発生する熱量から、前記触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、
前記還元剤供給手段により還元剤が供給されるときの前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記触媒温度推定手段により得られる温度と前記触媒温度検出手段により得られる温度との差を小さくするように前記還元剤供給手段から供給される還元剤量を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、還元剤の供給量に基づいて触媒の温度を推定し、該推定した温度をそのときの目標値とすることにある。つまり、計算上求まる触媒の温度を用いて還元剤供給量の補正値を求めている。

そのため、触媒温度推定手段は、還元剤の供給により触媒の温度がどれだけ上昇するのかを推定する。ここで、還元剤供給手段により触媒へ還元剤が供給されると、該還元剤が触媒にて酸化されることにより該触媒の温度が上昇する。このときに、触媒にて反応する還元剤量と触媒の温度上昇値とには相関関係があり、触媒にて反応する還元剤量が多くなるほど、触媒の温度上昇値は多くなる。この関係に基づいて触媒温度推定手段は、還元剤の供給による触媒の理論上の温度（つまり、あるべき温度）を推定する。以下、触媒温度推定手段により推定される温度を「モデルオープン推定値」という。

このモデルオープン推定値は、計算上求まる値であり、本来ならば実際の温度も同一となっているはずである。したがって、検出される温度と、モデルオープン推定値と、に差がある場合には、還元剤供給量に過不足が生じていると判断することができる。ここで、触媒温度検出手段は、少なくとも触媒の温度に関するパラメータを直接検出している。これは、触媒に温度センサを取り付けて直接検出してもよいし、排気通路にセンサを取り付けて排気の温度を検出し、該排気の温度から触媒の温度を推定してもよい。

そして、検出される温度がモデルオープン推定値よりも小さい場合には、還元剤が不足しているので該還元剤の供給量を増加させる。また、検出される温度がモデルオープン推定値よりも大きい場合には、還元剤が過剰であるため該還元剤の供給量を減少させる。このようにして、補正手段は還元剤の供給量を補正することができる。これにより、実際の温度をモデルオープン推定値に近づけることができる。つまり、実際の温度を理論上の温度に近づけることができる。

なお、触媒温度推定手段により推定される触媒の温度は、還元剤供給量以外の原因によっても変わり得る。例えば、触媒の熱容量、触媒に流入する排気の量、触媒に流入する排気の温度等によっても触媒の温度は変わり得る。したがって、これらを検出したり予め求めておいたりする手段を備え、これらの手段により得られる値に基づいて触媒の温度を推定してもよい。ここで、これらの数値と触媒の温度との関係を予め求めておいてもよい。

本発明によれば、内燃機関の排気浄化装置において、触媒の目標温度が変化する場合であっても、適正量の還元剤を供給することができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関１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、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、該内燃機関の気筒内に燃料を供給する燃料噴射弁１１が備えられている。また、内燃機関１には、燃焼室へ通じる排気通路２が接続されている。この排気通路２は、下流にて大気へと通じている。

前記排気通路２の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒３（以下、ＮＯx触媒３という。）が設けられている。ＮＯx触媒３は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低く且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯx
を還元する機能を有する。このＮＯx触媒３は、排気中の粒子状物質を捕集するパティキ
ュレートフィルタに担持されていてもよい。なお、本実施例においてはＮＯx触媒３が、
本発明における酸化能力を有する触媒に相当する。

また、ＮＯx触媒３よりも下流の排気通路２には、該排気通路２内を流れる排気の温度
に応じた信号を出力する下流側排気温度センサ４が取り付けられている。さらに、ＮＯx
触媒３よりも上流の排気通路２には、該排気通路２内を流れる排気の温度に応じた信号を出力する上流側排気温度センサ９が取り付けられている。下流側排気温度センサ４により、ＮＯx触媒３から流出する排気の温度が検出され、上流側排気温度センサ９により、Ｎ
Ｏx触媒３へ流入する排気の温度が検出される。

ＮＯx触媒３よりも上流の排気通路２には、該排気通路２を流通する排気中に還元剤た
る燃料（軽油）を添加する燃料添加弁５を備えている。燃料添加弁５は、後述するＥＣＵ６からの信号により開弁して排気中へ燃料を噴射する。燃料添加弁５から排気通路２内へ噴射された燃料は、排気通路２の上流から流れてきた排気の空燃比をリッチにする。そして、ＮＯx還元時には、ＮＯx触媒３に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にリッチとする、所謂リッチスパイク制御を実行する。還元剤は、ＮＯx
触媒３にてＮＯxを還元するとき、ＮＯx触媒３の硫黄被毒を回復させるとき、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるときに燃料添加弁５から添加される。なお、本実施例においては燃料添加弁５が、本発明における還元剤供給手段に相当する。

さらに、内燃機関１には、燃焼室へ通じる吸気通路７が接続されている。この吸気通路７の途中には、該吸気通路７を流れる空気の量に応じた信号を出力するエアフローメータ８が設けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ６が併設されている。このＥＣＵ６は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ６には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１２を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１３、及び機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１４が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ６に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ６には、燃料噴射弁１１および燃料添加弁５が電気配線を介して接続され、該ＥＣＵ６により燃料噴射弁１１および燃料添加弁５の開閉時期が制御される。

そして本実施例では、燃料添加弁５からの燃料添加量を補正するときに、モデルオープン推定値と、実測値と、の差が０となるようにしている。ここで、モデルオープン推定値は、燃料添加弁５から添加される燃料量に対し、ＮＯx触媒３の温度がこれだけ上昇する
はずであるという値として設定される。

ＮＯx触媒３の温度は、該ＮＯx触媒３において反応する燃料量に応じて変わるため、このＮＯx触媒３において反応する燃料量に基づいてＮＯx触媒３の温度を算出することができる。ＮＯx触媒３において反応する燃料量は、燃料添加弁５から添加される燃料量と、
ＮＯx触媒３において反応する燃料の率（浄化率としてもよい。）と、に基づいて得るこ
とができる。さらにＮＯx触媒３において反応する燃料の率は、該ＮＯx触媒３の温度と相
関があるため、該ＮＯx触媒３の実際の温度に基づいて得ることができる。

なお、ＮＯx触媒３の温度は、該ＮＯx触媒３の熱容量、該ＮＯx触媒３に流入する排気
の量、該ＮＯx触媒３に流入する排気の温度等によっても変わり得る。したがって、これ
らの値をさらに考慮してモデルオープン推定値を算出してもよい。また、これらの数値とモデルオープン推定値との関係を予め求めておきマップ化してＥＣＵ６に記憶させておいてもよく、これらの数値からモデルオープン推定値を求める算出式をＥＣＵ６に記憶させておいてもよい。

ここで、ＮＯx触媒３の熱量量は予め実験等により求めることができる。また、ＮＯx触媒３に流入する排気の量は、エアフローメータ８により検出される吸入空気量と燃料噴射弁１１から噴射される燃料噴射量との和として求めることができる。さらに、ＮＯx触媒
３に流入する排気の温度は、上流側排気温度センサ９により得ることができる。

なお、本実施例ではモデルオープン推定値を算出するＥＣＵ６が、本発明における触媒温度推定手段に相当する。

ここで図２は、ＮＯx触媒３の目標温度、モデルオープン推定値、ＮＯx触媒３の実測温度の時間推移を示したタイムチャートである。

ＮＯx触媒３の目標温度は、内燃機関１の負荷や、ＮＯx触媒３の要求に基づいて設定される。ＮＯx触媒３の要求とは、例えばＮＯx還元や硫黄被毒回復が必要な場合を示している。

ＮＯx触媒３の実測温度は、下流側排気温度センサ４に基づいて得られるＮＯx触媒３の温度である。これは、ＮＯx触媒３の直ぐ下流の排気の温度そのものをＮＯx触媒３の実測温度としてもよく、排気がＮＯx触媒３から下流側排気温度センサ４に至る間の温度の低
下分を考慮してＮＯx触媒３の温度を推定してもよい。また、ＮＯx触媒３に直接温度センサを取り付けて温度を検出してもよい。さらに、下流側排気温度センサ４により得られる排気の温度に基づいてモデルオープン推定値を補正した値をＮＯx触媒の実測温度として
もよい。

つまり、ＮＯx触媒３の実測温度とは、センサにより測定される値に基づいて得られる
温度である。なお、本実施例では下流側排気温度センサ４に基づいてＮＯx触媒３の温度
を検出するＥＣＵ６及び該下流側排気温度センサ４が、本発明における触媒温度検出手段に相当する。

一方、モデルオープン推定値は、温度に関するセンサによる測定値を含まずに算出されるＮＯx触媒３の推定温度である。

ここで、ＮＯx触媒３の目標温度は、内燃機関１の負荷等により変更されるため、短時
間で大きく変化することがある。しかし、ＮＯx触媒３には熱容量があるため、燃料添加
量を変更しても該ＮＯx触媒３の温度は直ぐには変わらない。つまり、実際の温度が目標
温度に収束するまでに時間がかかる。そして、実際の温度が目標温度に収束するまでに燃料添加量の補正を行うと、実際の温度と目標温度との差が大きいために、補正値が大きくなる。しかし、このときに実測温度と目標温度との差が大きいとしても、これは応答遅れによるものであり、燃料添加量の過不足によるものではない。そのため、実測温度と目標温度とに差があったとしても、燃料添加量の補正が必要とは限らない。したがって、このような場合に補正を行うと、適正な燃料添加量を得ることが困難となり、実際の温度を目標温度に収束させることが困難となる。

例えば、従来では以下の式により燃料添加量の補正値を求めていた。
補正値＝（目標温度−入ガス温度Ｔ６）／（実測温度−入ガス温度Ｔ６）
ただし入ガス温度Ｔ６はＮＯx触媒３に流入する排気の温度、すなわち上流側排気温度
センサ９により得られる排気の温度である。

燃料添加を行なわない状態で内燃機関１の定常運転が十分長く行なわれた場合には、入ガス温度Ｔ６とＮＯx触媒３の実測温度とは等しくなる。そして、（目標温度−入ガス温
度Ｔ６）は、目標とされる温度上昇値であり、（実測温度−入ガス温度Ｔ６）は、燃料添加による実際の温度上昇値である。つまり、目標の温度上昇値と、測定した温度上昇値と、の比を求めることにより補正値を求め、このときの燃料添加量に補正値を乗じることにより次回の燃料添加量を求めている。

一方、モデルオープン推定値は、ＮＯx触媒３のあるべき温度である。つまり、燃料添
加量に応じて変化する値である。そして、実測温度とモデルオープン推定値とに差がある場合には、実測温度があるべき温度となっていないことを意味し、燃料添加量の補正が必要であることを意味している。

つまり、ＮＯx触媒３の目標温度が変化しても、ＮＯx触媒３の実際の温度は直ぐには変化しないため、目標温度と実測温度との差は燃料添加量の過不足を表しているとは限らない。一方、モデルオープン推定値は、計算上求まるＮＯx触媒３の温度であるため、該モ
デルオープン推定値はＮＯx触媒３の実際の温度と同様に徐々に変化する。そして、モデ
ルオープン推定値と実測温度との差は燃料添加量の過不足を表している。

したがって、モデルオープン推定値を用いて燃料添加量の補正や学習を行うことにより、燃料添加量の適正化を図ることができる。

そして、本実施例では、以下の式により燃料添加量の補正値を求める。
補正値＝（モデルオープン推定値−入ガス温度Ｔ６）／（実測温度−入ガス温度Ｔ６）

ここで、（モデルオープン推定値−入ガス温度Ｔ６）は、実際に添加した燃料による温度上昇を考慮して求めた計算上の温度上昇値（つまり、あるべき温度上昇値）である。この計算上の温度上昇値は、実際の温度上昇値と等しくなるはずであるため、両者に差がある場合には燃料添加量が補正される。つまり、計算上の温度上昇値と、測定した温度上昇値と、の比を求めることにより補正値を求め、このときの燃料添加量に補正値を乗じることにより次回の燃料添加量を求めている。この補正値はＥＣＵ６に記憶される。このようにして、燃料添加量の学習制御を行う。なお、本実施例ではこのように燃料添加量を補正するＥＣＵ６が、本発明における補正手段に相当する。

このように、ＮＯx触媒３の目標温度の代わりにモデルオープン推定値を用いて燃料添
加量を補正または学習することにより、計算上の温度（つまり、あるべき温度）に向けて燃料添加量を補正することができる。これにより、燃料添加量を適切に補正することができる。したがって、燃料添加量の誤補正や誤学習が起こることを抑制したり、燃料添加量の補正や学習の機会を増やしたりすることができる。そのため、ＮＯx触媒３の温度制御
が容易となる。

実施例に係る内燃機関の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。 ＮＯx触媒の目標温度、モデルオープン推定値、ＮＯx触媒の実測温度の時間推移を示したタイムチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 吸蔵還元型ＮＯx触媒
４ 下流側排気温度センサ
５ 燃料添加弁
６ ＥＣＵ
７ 吸気通路
８ エアフローメータ
９ 上流側排気温度センサ
１１ 燃料噴射弁
１２ アクセルペダル
１３ アクセル開度センサ
１４ クランクポジションセンサ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に備えられ酸化能力を有する触媒と、
   前記触媒よりも上流側から該触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記還元剤供給手段により供給される還元剤により前記触媒において発生する熱量から、前記触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、
   前記還元剤供給手段により還元剤が供給されるときの前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記触媒温度推定手段により得られる温度と前記触媒温度検出手段により得られる温度との差を小さくするように前記還元剤供給手段から供給される還元剤量を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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