JP2010024957A

JP2010024957A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2010024957A
Application number: JP2008187207A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nakazawa; 聡中澤; Kazuo Kurata; 和郎倉田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-07-18
Also published as: JP4962740B2

Abstract

【課題】排気系の温度低下に拘わらず、排気特性の低下を抑制しつつ排気浄化触媒を十分に再生可能にする。
【解決手段】ＮＯｘ吸蔵触媒の上流側の排気管に燃料を間欠的に噴射し、ＮＯｘ吸蔵触媒に流入する排気の空燃比をリーンとリッチとで交互に切り換えて、ＮＯｘ吸蔵触媒を再生するエンジンの排気浄化装置において、再生時において、再生制御のために必要な第１リッチ度合いと、温度制御のために必要な第２リッチ度合いと、第１リッチ度合いで還元剤を供給するリッチ時間とによりリーン時間を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気浄化触媒の上流側の排気通路に還元剤を供給して排気浄化触媒を再生する技術に関する。

ディーゼルエンジンの排気通路に、排気浄化触媒として、ＮＯx（窒素酸化物）吸蔵触媒を備えたものがある。ＮＯx吸蔵触媒は、リーン雰囲気下で排気中のＮＯｘを吸蔵し、リッチ雰囲気下でＮＯｘを還元除去する機能を有する。
ＮＯx吸蔵触媒は、経時使用に伴い、排気中の硫黄成分によって被毒し徐々に性能が低下してしまう。そこで、ＮＯx吸蔵触媒を高温かつリッチ雰囲気とすることで、ＮＯx吸蔵触媒に蓄積した硫黄成分を還元除去して、ＮＯx吸蔵触媒の性能を回復（再生）させるＳパージ処理が行われている。

Ｓパージ処理としては、例えば排気系に燃料を供給することで、排気通路の触媒を高温かつリッチ化する方法が知られている。しかしながら、例えば高負荷運転時のように吸気量が多い状態では、排気をリッチ化すべく燃料供給量を増加させると、触媒温度が必要以上に上昇して、ＮＯx吸蔵触媒を劣化させてしまう虞がある。したがって、Ｓパージ処理の実施機会が限定され、ＮＯx吸蔵触媒の性能維持が困難となる場合がある。吸気を絞ることで排気をリッチ化させる方法も考えられるが、エンジン筒内の燃料過多もしくは空気不足による不完全燃焼のため黒鉛の増加を招いてしまう。また、エンジンの筒内で追加燃焼を行うことで燃料を供給する場合、エンジンのトルク制御が煩雑化してしまうといった問題点がある。

そこで、ＮＯx吸蔵触媒温度が所定の目標値となるよう燃料等の還元剤の噴射供給を行い、リッチ空燃比とリーン空燃比を交互に切り替える空燃比制御をかけ、還元剤を酸化反応させることで、ＮＯx吸蔵触媒を高温かつ還元剤として機能する炭化水素や一酸化炭素の多いリッチ雰囲気にする方法が開発されている（特許文献１）。
特開２００３−２７９２５号公報

しかしながら、上記の特許文献１のようにＮＯx吸蔵触媒温度が所定の目標値となるようリッチ空燃比とリーン空燃比を交互に切り替える方式のＳパージ処理では、設定された一種類のリッチ空燃比期間とリーン空燃比期間で空燃比を上下させることでＮＯｘ吸蔵触媒温度の昇温と目標温度付近での温度維持を為すため、昇温を目的として排気のリッチ度合いをよりリッチとした場合、還元剤過多により酸素が不足し、酸化反応が制限されてしまう。さらに、空燃比を大きくリッチ化したことによりＨＣやＣＯ、Ｈ_２Ｓの排出量が増加して、排気特性が低下する虞がある。一方、温度維持を目的として排気のリッチ度合いを抑制した場合は、還元剤の不足により酸化反応による発熱が十分ではないため、いずれにしても速やかな触媒温度の昇温は困難となる。そのため、排気系が低温状態である場合には昇温するまでの間、ＮＯx吸蔵触媒での浄化反応が期待できず、排気特性が低下する虞がある。また、ＮＯx吸蔵触媒を速やかに昇温させるためにリッチ時に単位時間当たりに供給する還元剤量を増加させると、目標温度を超えて温度が上昇する超過温度分と目標温度を割って温度が低下する不足温度分との差が大きくなり還元反応に求められる触媒温度の維持が困難となる虞がある。

本発明は、かかる従来の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気特性の低下を抑制しつつ排気浄化触媒を速やかに昇温かつ触媒温度を目的値近傍に維持し、燃費よく触媒を再生可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する排気浄化触媒と、排気浄化触媒に還元剤を噴射供給する還元剤供給手段と、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比がリーンとリッチとで交互に切り換わるように還元剤供給手段を制御して、排気浄化触媒を再生する再生制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、再生制御手段は、再生制御のために必要な第１リッチ度合いを設定する第１リッチ度合い設定手段と、温度制御のために必要な第２リッチ度合いを設定する第２リッチ度合い設定手段と、第１リッチ度合い設定手段で設定された第１リッチ度合いで還元剤を供給する時間を設定するリッチ時間設定手段と、第１リッチ度合いと第２リッチ度合いの差に基づいて還元剤の供給を抑制する時間を設定するリーン時間設定手段とを備え、リッチ時間設定手段で設定されたリッチ時間とリーン時間設定手段で設定されたリーン時間とに基づいてリーンとリッチとで交互に切り換わるように還元剤供給手段を制御することを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１において、再生制御手段は、第１リッチ度合いと第２リッチ度合いの差と該第２リッチ度合いとの比をリッチ時間に掛け合わせて、再生時におけるリーン時間を算出することを特徴とする。
また、請求項３の発明では、請求項１又は２において、排気浄化触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段を更に備え、再生制御手段は、触媒温度検出手段によって検出された触媒温度に基づいて、再生時における第２リッチ度合いを設定することを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、再生時に排気浄化触媒に流入する排気の空燃比がリーンとリッチとで交互に切り換わるように制御されるので、排気浄化触媒から還元剤等の流出が抑制され、再生時における排気特性の低下を抑制することができる。
特に、本発明では、再生時において、再生制御のために必要な第１リッチ度合いを設定する第１リッチ度合い設定手段と、温度制御のために必要な第２リッチ度合いを設定する第２リッチ度合い設定手段と、第１リッチ度合い設定手段で設定された第１リッチ度合いで還元剤を供給する時間を設定するリッチ時間設定手段と、第１リッチ度合いと第２リッチ度合いの差に基づいて還元剤の供給を抑制する時間を設定するリーン時間設定手段とを備え、リッチ時間設定手段で設定されたリッチ時間とリーン時間設定手段で設定されたリーン時間とに基づいてリーンとリッチとで交互に切り換わるように還元剤供給手段を制御するので、比較的短い時間のリッチ雰囲気が頻繁に形成され、触媒温度の昇温を速やかに為すことができる。また、リッチ時間設定手段によって一度のリッチ空燃比期間で供給される還元剤が目標空燃比の達成に必要とされる最低限の量に抑えられるため、ＨＣやＣＯ、Ｈ_２Ｓの放出を抑制することができるとともに、目標触媒温度からの超過や不足が抑制される。

また、本発明の請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、リーン時間は、再生制御のために必要な第１リッチ度合いと温度制御のために必要な第２リッチ度合いの差と第２リッチ度合いとの比をリッチ時間に掛け合わせて算出する為、触媒に供給される還元剤量の平均値は目標触媒温度を実現する量と等しくなる。前記の適切なリーン時間を設けることで触媒温度の過剰昇温を回避することができるとともに、昇温に必要な還元剤の供給量に対して最適な酸素供給をすることが出来る。

また、本発明の請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、実測された触媒温度に基づいて第２リッチ度合いが設定されるので、再生時において触媒温度を適正に維持することができ、効率的な再生を可能にすることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置が適用されたディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）の排気系の概略構成図である。
エンジン１の排気管２には、排気浄化触媒として、ＮＯx（窒素酸化物）吸蔵触媒３が介装されている。ＮＯx吸蔵触媒３は、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等の触媒貴金属を含んだ担体に、バリウム（Ｂａ），カリウム（Ｋ）等のＮＯx吸蔵剤を担持させて構成されており、リーン空燃比雰囲気（酸化雰囲気）下でＮＯxを捕捉する一方、リッチ空燃比雰囲気（還元雰囲気）下で、捕捉しているＮＯxを放出し、排気中のＨＣ、ＣＯと反応させて還元する機能を有している。

ＮＯx吸蔵触媒３においてＮＯｘを放出すべく、エンジン１にはパージ装置が備えられている。パージ装置は、排気管内燃料噴射弁１０（還元剤供給手段）及びこれを制御するＥＣＵ１１（再生制御手段）を備えて構成されている。排気管内燃料噴射弁１０は、ＮＯx吸蔵触媒３の上流側に配置され、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって燃料が供給されて、燃料（ＨＣ）をＮＯx吸蔵触媒の上流側の排気管２内に噴射する機能を有している。ＮＯx吸蔵触媒３の上流側の排気管２には排気温度を検出する第１の温度センサ１２が、ＮＯx吸蔵触媒３の下流側の排気管２には触媒温度の関連情報としての排気温度を検出する第２の温度センサ１３（触媒温度検出手段）が設けられている。ＥＣＵ１１は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されており、第１の温度センサ１２、第２の温度センサ１３の他に図示しないエアフローセンサ、クランク角センサ、アクセルポジションセンサ等の各種センサ類からの検出情報、即ちエンジン１の運転状態に基づいて排気管内燃料噴射弁１０を制御して、排気管２内に燃料を還元剤として噴射供給させることで、ＮＯx吸蔵触媒３からＮＯxを還元除去するＮＯxパージ処理を実施する。

また、ＮＯx吸蔵触媒３には燃料中の硫黄成分の酸化によるＳＯxも硫酸塩として堆積されるので、この堆積した硫黄成分をＮＯx吸蔵触媒３から除去して、ＮＯx吸蔵触媒３が再生されるように、エンジン１にはＳパージ処理機能が備えられている。
Ｓパージ処理は、上述のＮＯｘパージ処理と同様にパージ装置によって排気管２内に燃料を噴射させることで行われる。Ｓパージ処理では、硫黄成分をＮＯx吸蔵触媒３から除去するために、ＮＯｘパージ処理時よりもＮＯx吸蔵触媒３を高温にする必要があり、これに対処すべくＮＯｘパージ処理時より多く燃料を噴射させる。パージ装置によるＮＯxパージ及びＳパージ処理時において、排気管内燃料噴射弁１０からの燃料噴射は間欠的に行われ、これに伴いＮＯx吸蔵触媒３に流入する排気の空燃比がリーンとリッチとの間で交互に切り換えられる。

図２は、ＥＣＵ１１におけるＳパージ処理時の制御要領を示すフローチャートである。また、図３は、Ｓパージ処理時における燃料噴射量の設定要領を示す説明図である。
本ルーチンは、エンジン１作動時に所定期間間隔をおいて実行される。
先ず、図２に示すように、ステップＳ１０では、Ｓパージ処理開始条件が成立したか否かを判別する。詳しくは、Ｓパージ処理を必要とするとともに実施可能である場合には、開始条件が成立したと判定し、ステップＳ２０に進む。Ｓパージ処理を必要としないまたは実施可能でない場合には、開始条件が成立しないと判定し、本ルーチンを終了する。本ステップでは、Ｓパージ処理を必要とするか否かとして、ＮＯｘ吸蔵触媒３に硫黄成分が所定以上堆積したか否かを判別する。硫黄成分の堆積量は、エンジンの稼働状況に基づいて、例えば筒内への燃料噴射量の積算値に基づいて推定すればよい。また、Ｓパージ処理が実施可能であるか否かは、例えばエンジン１の水温、排気温度、車速に基づいて判定すればよい。

ステップＳ２０では、排気流量Ｑｅを演算する。排気流量Ｑｅは、図示しないエアフローセンサにより検出された吸気流量及び筒内への燃料噴射量から演算すればよい。そして、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０では、リッチ時間Ｔrichを演算する。リッチ時間Ｔrichは、ステップＳ２０において演算した排気流量Ｑｅ、エンジン回転速度、要求トルクに基づいて、一度にリッチ化することができる時間を触媒許容温度及びＳパージ効率を考慮した上で設定され、例えばあらかじめ設定されたマップから読み出すことで求められる。そして、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、第１リッチ度合いを為すに必要なリッチ時の燃料噴射量Ｑrichを演算する。燃料噴射量Ｑrichは、Ｓパージ処理によるＮＯx吸蔵触媒３の再生に最適な空燃比であるＳ再生目標空燃比が実現できるような値に設定すればよい。そして、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０では、ステップＳ４０において設定された燃料噴射量Ｑrich及びステップＳ３０において設定されたリッチ時間Ｔrichと、後述のステップＳ１００にて演算されるリーン時間Ｔleanに応じて、燃料噴射を間欠的に行う。そして、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、Ｓパージ処理による再生が完了したか否かを判別する。具体的には、例えばＳパージ処理を開始し、触媒が高温かつリッチ雰囲気になった積算時間によって再生が完了したか否かを判別し、再生が完了した場合には本ルーチンを終了する。再生が完了していない場合には、ステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、目標排気温度Ｔ2taを演算する。詳しくは、第２の温度センサ１３から入力した現状の排気温度Ｔ2、ステップＳ２０において演算された排気流量Ｑe及び燃料噴射量等から演算する。本ステップは、排気温度Ｔ2とＮＯx吸蔵触媒３の触媒温度との時間差を考慮して、触媒温度を一定にするために目標排気温度Ｔ2taをフィードバック補正するものである。そして、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ８０では、ステップＳ７０において演算した目標排気温度Ｔ2taを実現する第２リッチ度合いを為すに必要な燃料噴射量Ｑtempを次式（１）により算出する。
Ｑtemp＝Ｑgas＋Ｑcat＋Ｑloss・・・（１）
上記（１）式において、Ｑgasは、排気温度の上昇に必要な熱量であって、第１の温度センサ１２から入力した排気温度Ｔ1とステップＳ７０において演算した目標排気温度Ｔ2taとステップＳ２０において演算した排気流量Ｑeとから演算する。ＱcatはＮＯｘ吸蔵触媒３の触媒温度上昇に必要な熱量であって、第２の温度センサ１３から入力した排気温度Ｔ2とステップＳ７０において演算した目標排気温度Ｔ2taとに基づいて演算する。Ｑlossは、ＮＯｘ吸蔵触媒３において損失する熱量であって、外気温、車速及び第２の温度センサ１３から入力した排気温度Ｔ2に基づいて演算する。そして、ステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０では、下記の（３）式によりリッチ／リーン比（Ｒ／Ｌ比）を算出する。
本実施形態では、図３に示すように、Ｓパージ時におけるリーン時には触媒温度上昇のための燃料噴射を禁止している。したがって、次式（２）の関係が成り立っている。
Ｑrich×Ｔrich＝Ｑtemp×（Ｔrich＋Ｔlean）・・・（２）
上記（２）式をＲ／Ｌ比を求める式、Ｒ／Ｌ比＝Ｔrich／Ｔleanに代入すると、以下の（３）式となる。
Ｒ／Ｌ比＝Ｔrich／Ｔlean＝１／（（Ｑrich−Ｑtemp）／Ｑtemp）・・・（３）
そして、ステップＳ１００に進む。

ステップＳ１００では、ステップＳ３０において演算したリッチ時間Ｔrich及びステップＳ９０において演算したＲ／Ｌ比に基づいて、次式（４）によりリーン時間Ｔleanを算出する。
Ｔlean＝Ｔrich／（Ｒ／Ｌ比）・・・（４）
ただし、リーン時間Ｔleanは、第２の温度センサ１３から入力した排気温度Ｔ2に拘わらず０より大きい値に設定される。そして、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１００において演算したリーン時間Ｔleanの間は燃料噴射を禁止する噴射禁止制御を行う。上述のように排気温度Ｔ2に拘わらず、リーン時間Ｔleanは０より大きい値に設定されるので、燃料噴射を行わないリーン時間Ｔleanが確保されることとなる。そして、ステップＳ２０に戻る。
以上のように、本実施形態では、Ｓパージ処理時に燃料を間欠的に噴射供給するので、ＨＣやＣＯ、Ｈ_２ＳのＮＯｘ吸蔵触媒３からの流出が抑制され、Ｓパージ処理（再生）時における排気特性の低下を抑制することができる。

特に本実施形態では、再生制御のために必要な第１リッチ度合いを設定する第１リッチ度合い設定手段と、温度制御のために必要な第２リッチ度合いを設定する第２リッチ度合い設定手段と、第１リッチ度合い設定手段で設定された第１リッチ度合いで還元剤を供給する時間を設定するリッチ時間設定手段と、第１リッチ度合いと第２リッチ度合いの差に基づいて還元剤の供給を抑制する時間を設定するリーン時間設定手段とを備え、リッチ時間設定手段で設定されたリッチ時間とリーン時間設定手段で設定されたリーン時間とに基づいてリーンとリッチとで交互に切り換わるように還元剤供給手段を制御するので、比較的短い時間のリッチ雰囲気が頻繁に形成され、触媒温度の昇温を速やかに為すことができる。また、一度のリッチ空燃比期間で供給される還元剤が目標空燃比の達成に必要とされる最低限の量に抑えられるため、ＨＣやＣＯ、Ｈ_２Ｓの放出を抑制することができるとともに、目標触媒温度からの超過や不足が抑制される。さらに、リーン時間は、第１リッチ度合いと第２リッチ度合いの差と第２リッチ度合いとの比をリッチ時間に掛け合わせて算出する為、触媒温度の過剰昇温を回避することができるとともに、昇温に必要な還元剤の供給量に対して最適な酸素供給をすることが出来る。また、本発明の請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒温度に基づいて第２リッチ度合いが設定されるので、再生時において触媒温度を適正に維持することができ、効率的な再生を可能にすることができる。

図４は、Ｓパージ処理時における排気空燃比及び触媒温度の推移を示すグラフである。
図４に示すように、本実施形態の排気浄化装置を採用したエンジン１では、上記のようにＳパージ処理時に、燃料が間欠的に噴射供給されて、ＮＯｘ吸蔵触媒３に流入する排気がリーンとなるリーン時間が触媒温度に基づいてフィードバック制御される。詳しくは、Ｓパージ処理時において、触媒温度がＳ再生目標温度より低く触媒温度を上昇させる必要がある場合にはＲ／Ｌ比を高く、触媒温度がＳ再生目標温度より高く触媒温度を下降させる必要がある場合にはＲ／Ｌ比を低くしている。これにより、触媒温度をＳ再生目標温度付近に維持させることが可能となり、効率的な再生が可能となる。また、Ｓパージ処理時において触媒温度の過剰な上昇を防止することができ、ＮＯｘ吸蔵触媒３の熱劣化を抑制して寿命を向上させることができる。

また、ＮＯｘ吸蔵触媒３の下流にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を備えている場合には、Ｓパージ処理時において、リーン時間中は、ＮＯｘ吸蔵触媒３から排出される排気が高温かつ酸素過剰雰囲気であるため、ＤＰＦに堆積しているすすを燃焼させる効果があり、ＤＰＦの再生処理も同時に行うことができる。したがって、例えばＤＰＦの再生処理時の後半に本実施形態のＳパージ処理を行えば、ＮＯｘ吸蔵触媒及びＤＰＦの総合再生時間を短縮することができる。

なお、本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵触媒３の上流側で排気に燃料（還元剤）を噴射しているが、本発明はこれに限定するものではなく、例えばＮＯｘ吸蔵触媒３の上流側に酸化触媒を設け、酸化触媒の上流側で還元剤を噴射供給する構成のエンジンにも、本発明を適用することができる。

本発明に係るエンジンの排気系の概略構成図である。Ｓパージ処理時の制御要領を示すフローチャートである。Ｓパージ処理時における燃料噴射量の設定要領を示す説明図である。Ｓパージ処理時における排気空燃比及び触媒温度の推移を示すグラフである。

符号の説明

１エンジン
３ＮＯｘ吸蔵触媒
１０排気管内燃料噴射弁
１１ＥＣＵ
１３第２の温度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒へ還元剤を噴射供給する還元剤供給手段と、
前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比がリーンとリッチとで交互に切り換わるように前記還元剤供給手段を制御して、前記排気浄化触媒を再生する再生制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記再生制御手段は、
再生制御のために必要な第１リッチ度合いを設定する第１リッチ度合い設定手段と、
温度制御のために必要な第２リッチ度合いを設定する第２リッチ度合い設定手段と、
前記第１リッチ度合い設定手段で設定された第１リッチ度合いで還元剤を供給する時間を設定するリッチ時間設定手段と、
前記第１リッチ度合いと第２リッチ度合いの差に基づいて還元剤の供給を抑制する時間を設定するリーン時間設定手段とを備え、
前記リッチ時間設定手段で設定されたリッチ時間と前記リーン時間設定手段で設定されたリーン時間とに基づいてリーンとリッチとで交互に切り換わるように前記還元剤供給手段を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記再生制御手段は、前記第１リッチ度合いと前記第２リッチ度合いの差と該第２リッチ度合いとの比を前記リッチ時間に掛け合わせて、前記再生時におけるリーン時間を算出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。
前記排気浄化触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段を更に備え、
前記再生制御手段は、前記触媒温度検出手段によって検出された触媒温度に基づいて、前記再生時における第２リッチ度合いを設定す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。