JP2008057369A - 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、SOx被毒回復制御に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することを課題とする。
【解決手段】内燃機関での燃焼に供されるガスの空燃比を制御することで該内燃機関から排出される排気における空気とNOx触媒において還元剤として機能する燃料成分との比率である排気空燃比を制御する機関空燃比制御手段と、排気通路におけるNOx触媒よりも上流側に設けられ排気中に燃料を添加する燃料添加手段とを備え、SOx被毒回復制御の実行時において、NOx触媒に吸蔵されたSOxを還元することが可能な条件を成立させるために内燃機関において噴射される燃料の量と燃料添加手段から添加される燃料の量との和が最少となるように、機関空燃比制御手段によって内燃機関から排出される排気の排気空燃比を制御すると共に燃料添加手段から添加される燃料の量を制御する。
【選択図】図2

Description

本発明は、排気通路に設けられた吸蔵還元型NOx触媒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、排気通路に設けられた吸蔵還元型NOx触媒(以下、単にNOx触媒と称する)を備えたものが知られている。NOx触媒は、周囲雰囲気が酸化雰囲気のときは排気中のNOxを吸蔵し、周囲雰囲気が還元雰囲気となると吸蔵していたNOxを還元する。
このようなNOx触媒には、排気中のNOxのみならずSOxも吸蔵される。そのため、NOx触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいては、NOx触媒に吸蔵されたSOxを還元すべく、所謂SOx被毒回復制御が行われる。SOx被毒回復制御では、NOx触媒に流入する排気における空気と前記吸蔵還元型NOx触媒において還元剤として機能する燃料成分との比率である排気空燃比をSOxの還元が可能となる目標排気空燃比まで低下させると共にNOx触媒の温度をSOxの還元が可能となる目標温度まで上昇させる。
特許文献1には、SOx被毒回復制御において、内燃機関での副燃料噴射量およびまたは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の燃料添加量を制御することで排気空燃比を制御する技術が開示されている。
特開2002−155724号公報 特開2001−280125号公報 特開2003−120373号公報
本発明は、排気通路に設けられたNOx触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、SOx被毒回復制御に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。
本発明は、内燃機関での燃焼に供されるガスの空燃比を制御することで該内燃機関から排出される排気の排気空燃比を制御する機関空燃比制御手段と、排気通路におけるNOx触媒よりも上流側に設けられ排気中に燃料を添加する燃料添加手段とを備えている。そして、SOx被毒回復制御の実行時において、NOx触媒に吸蔵されたSOxを還元することが可能な条件を成立させるために内燃機関において噴射される燃料の量と燃料添加手段から添加される燃料の量との和が最少となるように、機関空燃比制御手段によって内燃機関から排出される排気の排気空燃比を制御すると共に燃料添加手段から添加される燃料の量を制御する。
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た吸蔵還元型NOx触媒と、
前記内燃機関での燃焼に供されるガスの空燃比を制御することで、前記内燃機関から排出される排気における空気と前記吸蔵還元型NOx触媒において還元剤として機能する燃料成分との比率である排気空燃比を制御する機関空燃比制御手段と、
前記排気通路における前記吸蔵還元型NOx触媒よりも上流側に設けられ排気中に燃料
を添加する燃料添加手段と、
前記機関空燃比制御手段によって前記内燃機関から排出される排気の排気空燃比を制御すると共に前記燃料添加手段によって排気中に燃料を添加することで、前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の排気空燃比をSOxの還元が可能となる目標排気空燃比まで低下させると共に前記吸蔵還元型NOx触媒の温度をSOxの還元が可能となる目標温度まで上昇させ、それによって、前記吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたSOxを還元させるSOx被毒回復制御を実行するSOx被毒回復制御実行手段と、を備え、
前記SOx被毒回復制御手段は、前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の排気空燃比を前記目標排気空燃比まで低下させると共に前記吸蔵還元型NOx触媒の温度を前記目標温度まで上昇させるために前記内燃機関において噴射される燃料の量と前記燃料添加手段から添加される燃料の量との和が最少となるように、前記機関空燃比制御手段によって前記内燃機関から排出される排気の排気空燃比を制御すると共に前記燃料添加手段から添加される燃料の量を制御することを特徴とする。
本発明によれば、SOx被毒回復制御に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することが出来る。
本発明において、SOx被毒回復制御手段は、機関空燃比制御手段によって、内燃機関から排出される排気に含まれるNOx触媒において還元剤として機能しない燃料成分(以下、非還元剤燃料成分と称する)の量が上限値となるまで内燃機関から排出される排気の排気空燃比を低下させてもよい。この場合、SOx被毒回復制御手段は、不足分の燃料を燃料添加手段によって排気中に添加することで、NOx触媒に流入する排気の排気空燃比を目標排気空燃比まで低下させる。
内燃機関での燃焼に供されるガスの空燃比を低下させることで該内燃機関から排出される排気の排気空燃比を低下させる場合、内燃機関での燃焼に供されるガスの空燃比を過剰に低下させると該内燃機関において燃料が十分に燃焼することが困難となる。この場合、内燃機関から排出される、十分に燃焼されていない状態の燃料、即ち非還元剤燃料成分の量が増加する。内燃機関において噴射される燃料のうち非還元剤燃料成分となる燃料の割合が増加すると、該内燃機関から排出される排気の排気空燃比を低下させるために(即ち、NOx触媒において還元剤として機能する燃料成分の量を増加させるために)該内燃機関において噴射する燃料の量をより増加させることが必要となる。
そこで、上記のように、内燃機関での燃焼に供されるガスの空燃比を低下させることで該内燃機関から排出される排気の排気空燃比を低下させるのは、該内燃機関から排出される排気に含まれる非還元剤燃料成分の量が上限値に達するまでとする。そして、NOx触媒に流入する排気の排気空燃比を目標排気空燃比までさらに低下させるために不足する分の燃料を燃料添加手段によって排気中に添加する。
ここで、非還元剤燃料成分の量の上限値とは、内燃機関から排出される排気に含まれる非還元剤燃料成分の量が該上限値より多くなると、NOx触媒に流入する排気の排気空燃比をその時点よりもさらに低下させようとした場合、内燃機関での燃焼に供されるガスの空燃比を低下させることで該内燃機関から排出される排気の排気空燃比を低下させるよりも、燃料添加手段によって排気中に燃料を添加した方が、消費する燃料がより少なくてすむと判断出来る閾値である。
上記によれば、内燃機関において噴射される燃料の量と燃料添加手段から添加される燃料の量との和を最少としつつNOx触媒に流入する排気の排気空燃比を目標排気空燃比とすることが出来る。
上記の場合においは、NOx触媒に流入する排気の排気空燃比を前記目標排気空燃比まで低下させたときにNOx触媒の温度が目標温度に達しない場合がある。この場合、SOx被毒回復制御手段は、燃料添加手段からの燃料添加量を増加させることでNOx触媒の温度を目標温度まで上昇させてもよい。
燃料添加手段からの燃料添加量を増加させるとNOx触媒において酸化される燃料の量が増加するため、燃料が酸化することで生じる酸化熱が増加する。その結果、NOx触媒を昇温することが出来る。
しかしながら、燃料添加手段からの燃料添加量を増加させるとNOx触媒に流入する排気の排気空燃比が目標排気空燃比よりもさらに低下することになる。そこで、このような場合は、燃料添加手段からの燃料添加量が増加した分、機関空燃比制御手段によって内燃機関から排出される排気の排気空燃比を上昇させることで、NOx触媒に流入する排気の排気空燃比を目標排気空燃比に制御する。
これによれば、燃費の悪化を抑制しつつ、NOx触媒に流入する排気の排気空燃比を目標排気空燃比に制御すると共にNOx触媒の温度を目標温度に制御することが出来る。
本発明によれば、排気通路に設けられたNOx触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、SOx被毒回復制御に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することが出来る。
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。
<実施例1>
<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。吸気通路4におけるコンプレッサ8aよりも上流側にはスロットル弁16が設けられている。
排気通路6におけるタービン8bより上流側には、排気中に燃料を添加する燃料添加弁17が設けられている。また、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。さらに、排気通路6におけるNOx触媒9より上流側には排気の排気空燃比を検出する空燃比センサ14が設けられており、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15が設けられている。尚、ここで、排気空燃比とは、排気における空気とNOx触媒において還元剤として機能する燃料成分との比率のことである。
また、本実施例に係る内燃機関1の吸排気系には排気をEGRガスとして吸気系に導入するEGR装置11が設けられている。該EGR装置11は、一端がエキゾーストマニホ
ールド7に接続され他端がインテークマニホールド5に接続されたEGR通路12を備えている。該EGR通路12を介してEGRガスがエキゾーストマニホールド7からインテークマニホールド5に導入される。また、EGR通路12には、インテークマニホールド5に導入されるEGRガス量を制御するEGR弁13が設けられている。
内燃機関1には電子制御ユニット(ECU)10が併設されている。ECU10には、空燃比センサ14及び温度センサ15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15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およびスロットル弁16、燃料添加弁17、EGR弁13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。
<SOx被毒回復制御>
本実施例においては、NOx触媒9に吸蔵されたSOxを還元すべくSOx被毒再生制御が行われる。SOx被毒回復制御においては、NOx触媒に流入する排気(以下、流入排気と称する)の排気空燃比をSOxの還元が可能となる目標排気空燃比まで低下させると共にNOx触媒の温度をSOxの還元が可能となる目標温度まで上昇させる必要がある。
内燃機関1の気筒2内での燃焼に供されるガスの空燃比を低下させることによって該内燃機関1から排出される排気(以下、機関排気と称する)の排気空燃比を低下させることが出来、以って、流入排気の排気空燃比を低下させることが出来る。
機関排気の排気空燃比を低下させる方法としては、(1)スロットル弁16を閉弁方向に制御することで吸入空気量を減少させる方法、および、(2)EGR弁を開弁方向に制御することでEGRガス量を増加させる方法、(3)燃料噴射弁3による燃料噴射時期を遅角すると共に燃料噴射量を増加させる方法、(4)燃料噴射弁3による主燃料噴射量を減少させると共に主燃料噴射時期よりも後であって噴射された燃料が燃焼する時期に副燃料噴射を実行する方法等を例示することが出来る。本実施例においては、(1)〜(4)のうちいずれかの方法で、もしくは、(1)〜(4)の方法のうち少なくとも2つを組み合わせて機関排気の排気空燃比を低下させる。
上記(1)〜(4)の方法で機関排気の排気空燃比を低下させる場合、燃料噴射弁3から噴射された燃料が気筒2内で十分に燃焼すれば、該燃料は内燃機関1のトルクの発生に寄与するため、燃費の悪化を抑制しつつ流入排気の排気空燃比を低下させることが出来る。
しかしながら、上記のような方法で機関排気の排気空燃比を過剰に低下させると、燃料噴射弁3から噴射された燃料が気筒2内で十分に燃焼することが出来なくなる。その結果、内燃機関1から排出されるスモーク(smoke)が増加する。スモークはNOx触媒9に供給されても還元剤として機能しない。そのため、燃料噴射弁3から噴射される燃料のうちスモークとなる燃料の割合が増加すると、機関排気の排気空燃比を低下させるために(即ち、NOx触媒9に供給される還元剤として機能する燃料の量を増加させるために)燃料噴射弁3から噴射する燃料の量をより増加させることが必要となる。尚、本実施例においては、スモークが本発明に係る非還元剤燃料成分に相当する。
一方、燃料添加弁17によって排気中に燃料を添加することによっても流入排気の排気空燃比を低下させることが出来る。燃料添加弁17によって添加される燃料は内燃機関1のトルクの発生に寄与しないがスモークになることはない。
本実施例に係るSOx被毒回復制御においては、流入排気の排気空燃比を目標排気空燃比まで低下させると共にNOx触媒9の温度を目標温度まで上昇させるために燃料噴射弁3から噴射される燃料の量と燃料添加弁17から添加される燃料の量との和が最少となるように、機関排気の排気空燃比を低下させると共に燃料添加弁17から添加される燃料の量を制御する。
ここで、本実施例に係るSOx被毒回復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、SOx被毒回復制御の実行条件が成立したか否かを判別する。SOx被毒回復制御の実行条件としては、前回のSOx被毒回復制御を実行してからの経過時間が所定時間以上となること等を例示することが出来る。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、上記(1)〜(4)の方法によって機関排気の排気空燃比Reを低下させる場合の下限値Relimitを算出する。ここで、機関排気の排気空燃比Reの下限値Relimitとは、内燃機関1から排出されるスモークの量が上限値となる値である。スモークの量の上限値とは、機関排気中のスモークの量が該上限値より多くなると、流入排気の排気空燃比Rinをその時点よりもさらに低下させようとした場合、内燃機関1での燃焼に供されるガスの空燃比を低下させることで機関排気の排気空燃比Reを低下させるよりも、燃料添加弁17によって排気中に燃料を添加した方が、消費する燃料がより少なくてすむと判断出来る閾値である。
尚、上記(1)〜(4)のいずれの方法を用いて機関排気の排気空燃比Reを低下させるのかは内燃機関1の運転状態に応じて決定される。また、機関排気の排気空燃比Reの下限値Relimitも内燃機関1の運転状態に基づいて定められる。
次に、ECU20は、S103に進み、機関排気の排気空燃比Reの下限値Relimitが目標排気空燃比Rtより高いか否かを判別する。S103において、肯定判定された場合、ECU10はS104に進む。一方、S103において、否定判定された場合、機関排気の排気空燃比Reを目標排気空燃比Rtまで低下させることのみで流入排気の排気空燃比Rinを目標排気空燃比Rtまで低下させることが出来るため、ECU10はS112に進む。
S104に進んだECU10は、機関排気の排気空燃比Reを下限値Relimitまで低下させたときに、流入排気の排気空燃比Rinをさらに目標排気空燃比Rtまで低下させるために必要な燃料量である不足燃料量Qfdを算出する。
次に、ECU10は、S105に進み、上記(1)〜(4)の方法によって機関排気の排気空燃比Reを下限値Relimitまで低下させる。
次に、ECU10は、S106に進み、燃料添加弁17から不足燃料量Qfd分の燃料を排気中に添加する。これにより、流入排気の排気空燃比Rinを目標排気空燃比Rtに制御することが出来る。
次に、ECU10は、S107に進み、現時点のNOx触媒9の温度Tcが目標温度Ttより低いか否かを判別する。S107において、肯定判定された場合、ECU10はS
108に進む。一方、S107において、否定判定された場合、流入排気の排気空燃比Rinは目標排気空燃比Rtとなっており且つNOx触媒9の温度Tcは目標温度Tt以上となっている。つまり、NOx触媒9に吸蔵されたSOxの還元が可能となっている。そのため、ECU10は本ルーチンの実行を一旦終了する。
S108に進んだECU10は、燃料添加弁17から添加する燃料の量を増加させる。これにより、NOx触媒9において酸化される燃料の量が増加するため、該燃料が酸化することで生じる酸化熱が増加する。その結果、NOx触媒9を昇温することが出来る。
次に、ECU10は、S109に進み、NOx触媒9の温度Tcが目標温度Tt以上となった否かを判別する。S109において、肯定判定された場合、ECU10はS110に進む。一方、S109において、否定判定された場合、ECU10はS108に戻り燃料添加弁17から添加する燃料の量をさらに増加させる。
S110に進んだECU10は、燃料添加弁17から添加する燃料の量を増加させることによって低下した流入排気の排気空燃比Rinの低下量ΔRinを算出する。
次に、ECU10は、S111に進み、機関排気の排気空燃比Reを流入排気の排気空燃比Rinの低下量ΔRin分上昇させる制御を行う。これにより、NOx触媒9の温度Tcが目標温度Tt以上となり且つ流入排気の排気空燃比Rinが目標排気空燃比Rtとなる。つまり、NOx触媒9に吸蔵されたSOxの還元が可能となる。その後、ECU10は本ルーチンの実行を一旦終了する。
一方、S112に進んだECU10は、上記(1)〜(4)の方法によって機関排気の排気空燃比Reを目標排気空燃比Rtまで低下させる。その後、ECU10はS107に進む。この場合において、S107の後にS108に進んだECU10は、燃料添加弁17からの燃料添加を実行し、その後、S109に進む。
以上説明したルーチンによれば、流入排気の排気空燃比Rinを目標排気空燃比Rtまで低下させると共にNOx触媒9の温度Tcを目標温度Ttまで上昇させるために燃料噴射弁3から噴射される燃料の量と燃料添加弁17から添加される燃料の量との和を最少とすることが出来る。
従って、本実施例によれば、SOx被毒回復制御に伴う燃費の悪化を抑制することが出来る。
尚、上記においては、本発明に係る非還元剤燃料成分をスモークとした場合について説明した。しかしながら、燃料噴射弁3から噴射された燃料が気筒2内において十分に燃焼されない場合、該燃料はスート(soot)となる場合もある。該スートも、スモークと同様、NOx触媒9に供給されても還元剤として機能しない。そのため、上記SOx被毒再生制御においては、機関排気の排気空燃比Reの下限値Relimitを、内燃機関1から排出されるスートの量が上限値となる値としてもよい。この場合、スートの量の上限値とは、スモークの場合と同様、機関排気中のスートの量が該上限値より多くなると、流入排気の排気空燃比Rinをその時点よりもさらに低下させようとした場合、内燃機関1での燃焼に供されるガスの空燃比を低下させることで機関排気の排気空燃比Reを低下させるよりも、燃料添加弁17によって排気中に燃料を添加した方が、消費する燃料がより少なくてすむと判断出来る閾値である。
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SOx被毒回復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
9・・・吸蔵還元型NOx触媒
10・・ECU
11・・EGR装置
12・・EGR通路
13・・EGR弁
14・・空燃比センサ
15・・温度センサ
16・・スロットル弁
17・・燃料添加弁

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型NOx触媒と、
    前記内燃機関での燃焼に供されるガスの空燃比を制御することで、前記内燃機関から排出される排気における空気と前記吸蔵還元型NOx触媒において還元剤として機能する燃料成分との比率である排気空燃比を制御する機関空燃比制御手段と、
    前記排気通路における前記吸蔵還元型NOx触媒よりも上流側に設けられ排気中に燃料を添加する燃料添加手段と、
    前記機関空燃比制御手段によって前記内燃機関から排出される排気の排気空燃比を制御すると共に前記燃料添加手段によって排気中に燃料を添加することで、 前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の排気空燃比をSOxの還元が可能となる目標排気空燃比まで低下させると共に前記吸蔵還元型NOx触媒の温度をSOxの還元が可能となる目標温度まで上昇させ、それによって、前記吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたSOxを還元させるSOx被毒回復制御を実行するSOx被毒回復制御実行手段と、を備え、
    前記SOx被毒回復制御手段は、前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の排気空燃比を前記目標排気空燃比まで低下させると共に前記吸蔵還元型NOx触媒の温度を前記目標温度まで上昇させるために前記内燃機関において噴射される燃料の量と前記燃料添加手段から添加される燃料の量との和が最少となるように、前記機関空燃比制御手段によって前記内燃機関から排出される排気の排気空燃比を制御すると共に前記燃料添加手段から添加される燃料の量を制御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SOx被毒回復制御手段は、前記機関空燃比制御手段によって、前記内燃機関から排出される排気に含まれる前記吸蔵還元型NOx触媒において還元剤として機能しない燃料成分の量が上限値となるまで前記内燃機関から排出される排気の排気空燃比を低下させ、さらに、不足分の燃料を前記燃料添加手段によって排気中に添加することで、前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の排気空燃比を前記目標排気空燃比まで低下させ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SOx被毒回復制御手段は、前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の排気空燃比を前記目標排気空燃比まで低下させたときに前記吸蔵還元型NOx触媒の温度が前記目標温度に達しない場合は、前記燃料添加手段からの燃料添加量を増加させることで前記吸蔵還元型NOx触媒の温度を前記目標温度まで上昇させ、さらに、前記燃料添加手段からの燃料添加量を増加させた分だけ前記機関空燃比制御手段によって前記内燃機関から排出される排気の排気空燃比を上昇させることで、前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の排気空燃比を前記目標排気空燃比に制御することを特徴とする請求項2記載の内燃機関の排気浄化システム。
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