JP2009185617A - 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、排気浄化ユニットの排気浄化能力をより好適に回復させる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路２に配置されたＮＳＲ触媒３と、ＮＳＲ触媒３よりも上流の排気に燃料を添加する燃料添加弁４と、排気通路２を流通する排気にＮＳＲ触媒３をバイパスさせるバイパス通路５と、バイパス通路５に配置されバイパス通路５を開閉するバイパス弁６と、を備え、燃料添加弁４から燃料を添加しＮＳＲ触媒３を高温にすると共に排気空燃比をリッチ若しくはストイキにしＮＳＲ触媒３から硫黄成分を放出させるＳ再生の開始時に、バイパス弁６の直上流に排気脈動の密部が到達した場合に、バイパス弁６を開弁する。
【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。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であるＮＳＲ触媒と、ＮＳＲ触媒に還元剤を供給するために排気に還元剤を添加する還元剤添加手段と、排気にＮＳＲ触媒をバイパスさせるバイパス通路と、を備える技術が開示されている（例えば、特許文献１，２参照）。また触媒早期暖機制御の実行中に、排気を排気通路とバイパス通路の両方に流して両者の排気脈動を互いに打消し合うようにし排気脈動の影響を少なくする技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−３４９２３６号公報 特開平８−１４０２７号公報 特開２００２−３０３１６４号公報

ところで内燃機関の排気通路に配置されたＮＳＲ触媒の排気浄化能力を回復させるために排気に還元剤を供給して排気空燃比を制御した際に、排気空燃比が目標空燃比に到達するまでには時間がかかる場合がある。排気空燃比が目標空燃比に到達するのが遅いと、ＮＳＲ触媒の排気浄化能力を回復させることも遅くなってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、そ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、排気浄化ユニットの排気浄化能力をより好適に回復させる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、本発明は、
内燃機関の排気通路に配置された排気浄化ユニットと、
前記排気浄化ユニットよりも上流の排気に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から還元剤を供給し前記排気浄化ユニットに流入する排気空燃比を目標空燃比に低下させ前記排気浄化ユニットの排気浄化能力を回復させる回復制御手段と、
前記排気通路を流通する排気に前記排気浄化ユニットをバイパスさせるバイパス通路と、
前記バイパス通路に配置され前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
を備え、
前記回復制御手段の開始時に、前記バイパス弁の直上流に前記内燃機関が排気を周期的に排出することで生じる排気脈動の密部が到達した場合又は前記バイパス弁の直下流に前記排気脈動の疎部が到達した場合に、前記バイパス弁を開弁することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

回復制御手段の実施時には、排気浄化ユニットの排気浄化能力を回復させるために還元剤供給手段から還元剤を供給し排気浄化ユニットに流入する排気空燃比を目標空燃比のリッチ若しくはストイキに低下させる。このとき排気空燃比が目標空燃比に到達し易いように、バイパス弁を開弁しバイパス通路へ排気を流入させて排気浄化ユニットへ流入する排気を減量することが行われる。しかしこれによっても排気空燃比が目標空燃比に到達するまでには時間がかかる場合がある。排気空燃比が目標空燃比に到達するのが遅いと、排気
浄化ユニットの排気浄化能力を回復させることも遅くなってしまう。

そこで本発明では、回復制御手段の開始時に、バイパス弁の直上流に内燃機関が排気を周期的に排出することで生じる排気脈動の密部が到達した場合又はバイパス弁の直下流に排気脈動の疎部が到達した場合に、バイパス弁を開弁するようにした。

本発明でバイパス弁の直上流に排気脈動の密部が到達した場合にバイパス弁を開弁すると、排気脈動の密部が排気流れ方向へ最大速度を有することから、バイパス弁開弁時に排気がバイパス通路に引き込まれる。これによりバイパス通路との分岐部よりも下流の排気通路へ流入する排気速度が瞬時に低減される（低ＳＶ(Space Velocity)化される）。

またバイパス弁の直下流に排気脈動の疎部が到達した場合にバイパス弁を開弁すると、排気脈動の疎部が排気流れ方向とは反対方向（逆流方向）へ最大速度を有することから、バイパス弁開弁時にバイパス弁の直下流の排気がバイパス通路の排気流れ方向とは反対方向に押し込まれる。これによりバイパス弁開弁時にバイパス通路では排気が排気流れ方向へ向かう勢いが抑えられ、そしてその作用が排気通路にも伝達され排気通路でも排気速度が瞬時に低減される（低ＳＶ(Space Velocity)化される）。

このように排気浄化ユニットへ流入する排気速度が瞬時に低減されるので、回復制御手段の開始から排気空燃比を目標空燃比に速やかに到達させることができる。よって排気浄化ユニットの排気浄化能力を速やかに回復させることができる。

前記回復制御手段の実施時に、前記排気脈動の周期に同期して前記バイパス弁を制御するとよい。また前記回復制御手段の実施時に、前記排気脈動の周期に同期して前記還元剤供給手段を制御するとよい。

本発明によると、排気脈動を考慮して排気空燃比を制御でき、排気空燃比の制御精度を向上できる。

本発明によると、内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化ユニットの排気浄化能力をより好適に回復させることができる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

＜実施例１＞
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及びその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ストロークサイクル・ディーゼルエンジンである。内燃機関１は、車両に搭載されている。

内燃機関１には、内燃機関１からの排気が排出される排気通路２が接続されている。排気通路２には、ＮＳＲ触媒３が配置されている。ＮＳＲ触媒３は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であり、内燃機関１が通常運転状態のように排気空燃比がリーンのときには、排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がリッチ若しくはストイキになり且つ排気中に還元成分が存在するとき（還元雰囲気のとき）には、吸蔵したＮＯｘを放出する特性を有する。またＮＳＲ触媒３は、ＮＯｘと共に燃料などに含まれる硫黄成分（ＳＯｘ）を吸蔵し、高温且つ排気空燃比がリッチ若しくはストイキのときに吸蔵した硫黄成分を放出する特性も有する。本実施例におけるＮＳＲ触媒３が本発明の排気浄化ユニットに相当する。またＮＳＲ触媒３のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵能力が排気浄化能力に相当する。

ＮＳＲ触媒３の直上流の排気通路２には、排気通路２内の排気に還元剤として燃料を添加する燃料添加弁４が配置されている。本実施例における燃料添加弁４が本発明の還元剤供給手段に相当する。なお還元剤供給手段として排気通路２に配置される添加弁としては、燃料以外にも他の還元剤を添加するものでもよい。また還元剤供給手段としては、内燃機関１におけるアフター噴射などによって排気に燃料を供給するものであってもよい。

排気通路２には、排気にＮＳＲ触媒３をバイパスさせるバイパス通路５が設けられている。バイパス通路５は、燃料添加弁４よりも上流の排気通路２と分岐し、ＮＳＲ触媒３よりも下流の排気通路２に合流する。なおバイパス通路５は、排気にＮＳＲ触媒３を迂回させることができればよいので、燃料添加弁４よりも下流且つＮＳＲ触媒３よりも上流の排気通路２と分岐するものでもよい。

バイパス通路５には、バイパス通路５に流入する排気流量を調節するバイパス弁６が備えられている。バイパス弁６は、電動アクチュエータにより開閉される。バイパス弁６がバイパス通路５に流入する排気流量を調節する場合には、同時にバイパス通路５との分岐部よりも下流の排気通路２を流れＮＳＲ触媒３に流入する排気流量も相対的に調節される。ＮＳＲ触媒３に流入する排気流量とバイパス通路５に流入する排気流量とはどちらか一方が増加すれば他方が減少する相関関係にある。排気通路２及び排気通路２に備えられるこれらの機器によって内燃機関１の排気系が構成される。

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ＥＣＵ７が併設されている。ＥＣＵ７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。

ＥＣＵ７には、エアフローメータ８や各種センサ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ＥＣＵ７に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ７には、燃料添加弁４及びバイパス弁６の各アクチュエータが電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ７によりこれらの機器が制御される。

ＥＣＵ７は、不図示のクランクポジションセンサやアクセルポジションセンサなどの出力信号を受けて内燃機関１の運転状態を判別し、判別された機関運転状態に基づいて内燃機関１や上記機器を電気的に制御する。

ところで、排気通路２に配置されたＮＳＲ触媒３はＮＯｘと共に吸蔵する硫黄成分が内燃機関１の運転時間と共に増加する。そしてＮＳＲ触媒３は吸蔵した硫黄成分が増加して行くと、ＮＯｘ吸蔵能力が低下してしまう。そこでＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるために、ＮＳＲ触媒３に堆積した硫黄成分堆積量が所定量以上になると、燃料添加弁４から燃料を添加しＮＳＲ触媒３を高温にすると共にＮＳＲ触媒３に流入する排気空燃比を目標空燃比のリッチ若しくはストイキに低下させＮＳＲ触媒３から硫黄成分を放出させるＳ再生を実施する場合がある。本実施例におけるＳ再生が本発明の回復制御手段に相当する。

ここでＳ再生の実施時には、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるために燃料添加弁４から燃料を添加しＮＳＲ触媒３に流入する排気空燃比を目標空燃比のリッチ若しくはストイキに低下させる。このとき排気空燃比が目標空燃比に到達し易いように、バイパス弁６を開弁しバイパス通路５へ排気を流入させてＮＳＲ触媒３へ流入する排気を減量することが行われる。しかしこれによっても排気空燃比が目標空燃比に到達するまでには時間がかかる場合がある。排気空燃比が目標空燃比に到達するのが遅いと、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復させることも遅くなってしまうし、燃料添加弁４からの添加燃料を
無駄に消費してしまうことになる。

そこで本実施例では、Ｓ再生の開始時に、バイパス弁６の直上流に内燃機関１が排気を周期的に排出することで生じる排気脈動の密部が到達した場合に、バイパス弁６を開弁するようにした。

本実施例でバイパス弁６の直上流に排気脈動の密部が到達した場合にバイパス弁６を開弁すると、排気脈動の密部が排気流れ方向へ最大速度を有することから、バイパス弁６開弁時に排気がバイパス通路５に引き込まれる。これによりバイパス通路５との分岐部よりも下流の排気通路２へ流入する排気速度が瞬時に低減される（低ＳＶ(Space Velocity)化される）。

このようにＮＳＲ触媒３へ流入する排気速度が瞬時に低減されるので、図２の実線Ａに示すようにＳ再生の開始から排気空燃比を目標空燃比に速やかに到達させることができる。よってＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を速やかに回復させることができる。これに対し従来技術では、排気脈動を利用せず燃料添加の後にバイパス弁を開弁すると、図２の破線Ｂに示すように排気空燃比は鋭く目標空燃比に向かうものの少しなまってしまう。また燃料添加の前にバイパス弁を開弁すると、ＮＳＲ触媒３に流入する排気速度を低減する効果を長く得られるものの図２の破線Ｃに示すように排気空燃比は目標空燃比に到達するまでなまってしまう傾向がある。またバイパス通路を有していない場合には、図２の一点鎖線Ｄに示すように排気空燃比が一旦は目標空燃比に向かって低下するものの上昇してしまう場合がある。

なおＳ再生の開始時に、排気脈動がバイパス通路５に回り込むことを考慮してバイパス弁６の直下流に内燃機関１が排気を周期的に排出することで生じる排気脈動の疎部が到達した場合に、バイパス弁６を開弁するようにしてもよい。バイパス弁６の直下流に排気脈動の疎部が到達した場合にバイパス弁６を開弁すると、排気脈動の疎部が排気流れ方向とは反対方向（逆流方向）へ最大速度を有することから、バイパス弁６開弁時にバイパス弁６の直下流の排気がバイパス通路５の排気流れ方向とは反対方向に押し込まれる。これによりバイパス弁６開弁時にバイパス通路５では排気が排気流れ方向へ向かう勢いが抑えられ、そしてその作用が排気通路２にも伝達され排気通路でも排気速度が瞬時に低減される（低ＳＶ(Space Velocity)化される）。これによってもＳ再生の開始から排気空燃比を目標空燃比に速やかに到達させることができ、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を速やかに回復させることができる。

次に、本実施例によるＳ再生開始制御ルーチンについて説明する。図３は、本実施例によるＳ再生開始制御ルーチンを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、ＥＣＵ７は、Ｓ再生の実施要求があるか否かを判別する。具体的には各種センサの出力値から内燃機関１の運転状態を検出し、ＮＳＲ触媒３に流入するＮＯｘ量、触媒状態、還元効率、燃費悪化などの情報に鑑みＳ再生を実施する必要があるか否かを判別する。

ステップＳ１０１においてＳ再生の実施要求がないと否定判定された場合には、本ルーチンを一旦終了する。ステップＳ１０１においてＳ再生の実施要求があると肯定判定された場合には、ステップＳ１０２へ移行する。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ７は、排気脈動周期を算出する。具体的には、排気脈動周期Ｔ＝６０／（ｉ×Ｎｅ）で算出される。ここでｉ＝気筒数／２であり、Ｎｅ＝内燃機
関１の機関回転数である。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ７は、排気の輸送遅れを算出する。具体的には、排気の輸送遅れｔ１＝ｘ／ｖで算出される。ここでｘ＝内燃機関１からバイパス弁６直上流までの距離であり、ｖ＝エアフローメータ８が検出する吸気量などに基づく排気の流速である。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ７は、バイパス弁６の開弁時期を算出する。具体的には、バイパス弁６開弁時期ｔ２＝ｔ１と設定される。

ステップＳ１０５では、ＥＣＵ７は、燃料添加弁４からの燃料添加時期を算出する。具体的には、燃料添加時期ｔ４＝ｔ２−ｔ３で算出される。ここでｔ３＝燃料添加弁４で添加した添加燃料がＮＳＲ触媒３の上流側端面に到達するまでの時間である。

ステップＳ１０６では、ＥＣＵ７は、Ｓ再生を開始する。この開始時に、燃料添加時期ｔ４で燃料添加弁４から燃料を添加し、バイパス弁６開弁時期ｔ２でバイパス弁６を開弁する。これによりＳ再生の開始時に、バイパス弁６の直上流に排気脈動の密部が到達した場合にバイパス弁６を開弁することになる。

ステップＳ１０６の処理の後、本ルーチンを一旦終了すると共に、Ｓ再生実施を行う。

ここでＳ再生実施時には、排気空燃比を継続して目標空燃比に維持するので、排気脈動の周期に同期させてバイパス弁６の開度量を制御するようにした。

バイパス弁６の開度量が一定のままであると、図４の破線で示すように排気空燃比が目標空燃比に対して上下に振動してしまう。これに対し本実施例によると、図４に示すようにバイパス弁６の開度量を排気脈動に応じて制御することで、図４の実線で示すように排気空燃比を継続して目標空燃比にほぼ維持できる。ここでバイパス弁６の開度量は、図４に示すように例えば排気空燃比が目標空燃比よりも上昇する場合に大開度とし、排気空燃比が目標空燃比よりも下降する場合に小開度とするような制御となる。このように排気脈動を考慮して排気空燃比を制御でき、排気空燃比を目標空燃比に維持する制御精度を向上できる。

なおＳ再生実施時には、排気空燃比を継続して目標空燃比に維持するために、排気脈動の周期に同期させて燃料添加弁４からの燃料添加量を制御するようにしてもよい。これによっても図４に示すバイパス弁６の開度量と同じように燃料添加弁４からの燃料添加量を制御することで、図４の実線で示すように排気空燃比を継続して目標空燃比にほぼ維持できる。ここで燃料添加量は、図４のバイパス弁６の開度量と類似して例えば排気空燃比が目標空燃比よりも上昇する場合に添加量を多くし、排気空燃比が目標空燃比よりも下降する場合に添加量を少なくするような制御となる。

以上説明した本ルーチンによれば、Ｓ再生の開始から排気空燃比を目標空燃比になまることなく速やかに鋭く到達させることができ、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を速やかに回復させることができる。また上記のように排気空燃比を目標空燃比に速やかに到達させるので、燃料添加弁４からの添加燃料を無駄にすることなく有効利用できる。

なお、上記実施例では、回復制御手段としてＳ再生を例に挙げたがこれに限られない。例えばＳ再生と同様に排気空燃比を目標空燃比のリッチ若しくはストイキに低下させるＮＯｘ還元処理であっても本発明を適用することができる。

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。

実施例１に係る内燃機関及びその排気系の概略構成を示す図。 実施例１に係るＳ再生開始時の排気空燃比を示す図。 実施例１に係るＳ再生開始制御ルーチンを示すフローチャート。 実施例１に係るＳ再生実施時における排気空燃比及びバイパス弁開度量を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ ＮＳＲ触媒
４ 燃料添加弁
５ バイパス通路
６ バイパス弁
７ ＥＣＵ
８ エアフローメータ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配置された排気浄化ユニットと、
   前記排気浄化ユニットよりも上流の排気に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から還元剤を供給し前記排気浄化ユニットに流入する排気空燃比を目標空燃比に低下させ前記排気浄化ユニットの排気浄化能力を回復させる回復制御手段と、
   前記排気通路を流通する排気に前記排気浄化ユニットをバイパスさせるバイパス通路と、
   前記バイパス通路に配置され前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
   を備え、
   前記回復制御手段の開始時に、前記バイパス弁の直上流に前記内燃機関が排気を周期的に排出することで生じる排気脈動の密部が到達した場合又は前記バイパス弁の直下流に前記排気脈動の疎部が到達した場合に、前記バイパス弁を開弁することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記回復制御手段の実施時に、前記排気脈動の周期に同期して前記バイパス弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記回復制御手段の実施時に、前記排気脈動の周期に同期して前記還元剤供給手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
   

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