JP2010031776A

JP2010031776A - 内燃機関の排ガス浄化装置

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Publication number: JP2010031776A
Application number: JP2008195741A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kabashima; 俊幸樺島; Hikari Odajima; 光小田島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: JP4914875B2

Abstract

【課題】内燃機関の負荷と触媒の温度に応じた適切な領域で還元制御を実行することによって、排ガス特性および燃費を向上させることができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】この内燃機関３の排ガス浄化装置１では、排ガス中のＮＯｘが、排気通路５に設けられた触媒７に捕捉される。また、捕捉されたＮＯｘは、検出された内燃機関３の負荷ＮＥ，ＰＭＣＭＤが上限値ＮＨ，ＰＨよりも小さいときに、触媒７に流入する排ガスを還元雰囲気に制御することによって還元される。これらの上限値ＮＨ、ＰＨは、取得された触媒の温度ＴＣＡＴが低いほど、より小さな値に設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関から排出された排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、捕捉されたＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

従来のこの種の排ガス浄化装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この排ガス浄化装置では、排気系に設けられた触媒に捕捉されたＮＯｘを還元するために、未燃燃料を増量することによって、触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御するリッチスパイクを実行する。このリッチスパイクは、触媒の上流側の温度（以下「上流側温度」という）または触媒の下流側の温度（以下「下流側温度」という）に基づいて、次のように制御される。すなわち、内燃機関が加速運転状態にある場合には、上流側温度が所定の温度に上昇するまでは、触媒が未だ活性化していないとして、リッチスパイクを禁止する。一方、内燃機関が減速運転状態にある場合には、下流側温度が上記温度を下回ったときに、触媒が活性状態から非活性状態になったとして、それ以降のリッチスパイクを禁止する。

しかし、触媒が活性状態にあっても、リッチスパイクにより供給された還元剤（未燃燃料）が触媒をそのまま通過（スリップ）することがある。この還元剤のスリップ量は、触媒の温度が低いほど、また、内燃機関の負荷が大きいほど、多くなる。これは、触媒が活性状態にある場合でも、触媒の温度が低いほど、その活性度合いが低いことで、還元剤がスリップしやすくなり、また、内燃機関の負荷が大きいほど、触媒に流入する排ガスのボリュームが多いことで、やはり還元剤がスリップしやすくなるからである。これに対して、従来の排ガス浄化装置では、上流側温度または下流側温度に基づいて、触媒が活性状態にあるか否かを判定し、その判定結果に基づいてリッチスパイクを実行するにすぎない。このため、触媒の温度が低いときや、内燃機関の負荷が大きいときには、還元剤のスリップ量が増大するおそれがある。その場合には、より多くの未燃燃料が大気中に放出されることによって、排ガス特性が低下するとともに、燃料が無駄に消費されることによって、燃費が悪化する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の負荷と触媒の温度に応じた適切な領域で還元制御を実行することによって、排ガス特性および燃費を向上させることができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

特開２００５−２９１０９８号公報

上記の目的を達成するため、請求項１に係る内燃機関３の排ガス浄化装置１は、内燃機関３の排気通路（実施形態における（以下、本項において同じ）排気管５）に設けられ、排ガス中のＮＯｘを捕捉する触媒７と、内燃機関３の負荷（エンジン回転数ＮＥ、要求トルクＰＭＣＭＤ）を検出する負荷検出手段（クランク角センサ１０、アクセル開度センサ１３、ＥＣＵ２）と、検出された内燃機関３の負荷が上限値ＮＨ，ＰＨよりも小さいときに、触媒７に捕捉されたＮＯｘを還元するために、触媒７に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する制御手段（ＥＣＵ２、インジェクタ６）と、触媒７の温度（触媒温度ＴＣＡＴ）を取得する温度取得手段（触媒温度センサ１２）と、取得された触媒の温度が低いほど、上限値ＮＨ，ＰＨをより小さな値に設定する上限値設定手段（ＥＣＵ２、図２のステップ３および４）と、を備えることを特徴とする。

この排ガス浄化装置によれば、内燃機関から排出された排ガス中のＮＯｘが、排気通路に設けられた触媒に捕捉される。捕捉されたＮＯｘは、検出された内燃機関の負荷が上限値よりも小さいときに、触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する（以下「還元制御」という）ことによって、還元される。前述したように、内燃機関の負荷が大きいほど、還元剤のスリップ量は多くなるので、上記のように内燃機関の負荷が上限値よりも小さいことを条件とすることによって、還元制御を内燃機関の負荷に応じて適切に実行することができる。

また、本発明によれば、この上限値を、検出された触媒の温度が低いほど、より小さな値に設定する。これは、前述したように、触媒の温度が低いほど、還元剤のスリップ量は多くなるので、上限値を上記のように設定することにより、触媒の温度が低いほど、還元制御の実行領域をより制限するためである。以上から、内燃機関の負荷と触媒の温度に応じた適切な領域で還元制御を実行することができ、それにより、還元剤のスリップ量を抑制でき、排ガス特性を向上させることができる。また、還元剤の無駄な消費がなくなり、還元剤として未燃燃料を用いる場合には、燃費を向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の排ガス浄化装置１において、内燃機関３の負荷は、内燃機関の回転数（エンジン回転数ＮＥ）および要求トルクＰＭＣＭＤの少なくとも一方であることを特徴とする。

この構成によれば、内燃機関の回転数および要求トルクは、内燃機関の負荷を表すパラメータであるため、これらの少なくとも一方を用い、内燃機関の負荷に応じた適切な領域で還元制御を実行することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本実施形態による排ガス浄化装置１を内燃機関３とともに示している。この内燃機関（以下「エンジン」という）３は、車両（図示せず）に搭載されたディーゼルエンジンである。

エンジン３のシリンダヘッド３ａには、吸気管４および排気管５が接続されるとともに、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６が、燃焼室３ｂに臨むように取り付けられている。

このインジェクタ６は、燃焼室３ｂの天壁中央部に配置されており、燃料タンク（図示せず）の燃料を燃焼室３ｂに噴射する。インジェクタ６からの燃料噴射量は、後述するＥＣＵ２によって設定され、ＥＣＵ２からの駆動信号により、設定した燃料噴射量が得られるように、インジェクタ６の開弁時間が制御される。

エンジン３には、クランク角センサ１０が設けられている。クランク角センサ１０は、クランクシャフト３ｃの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ２に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。

吸気管４には、エアフローセンサ１１が設けられている。このエアフローセンサ１１は、エンジン３に吸入される吸入空気量ＧＡＩＲを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

排気管５には、触媒７が設けられている。この触媒７は、例えばＮＯｘ触媒で構成されており、流入する排ガスが、酸素濃度が高い酸化雰囲気のときに、排ガス中のＮＯｘを捕捉する。一方、排ガス中のＨＣやＣＯが多く、排ガスが、酸素濃度が低い還元雰囲気のときに、触媒７は、排ガス中の還元剤（未燃燃料）により、捕捉したＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する。触媒７には、その温度（以下「触媒温度」という）ＴＣＡＴを検出する触媒温度センサ１２が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２に出力される。

また、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ１３から、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が出力される。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェースなどから成るマイクロコンピュータ（いずれも図示せず）で構成されており、前述した各種のセンサ１０〜１３からの検出信号などに応じて、エンジン３の運転状態を判別し、判別した運転状態に応じて、燃料噴射制御処理などの各種の制御処理を実行する。また、ＥＣＵ２は、触媒７に捕捉されたＮＯｘを還元するために、リッチスパイクを実行する。このリッチスパイクは、燃焼室３ｂに供給する燃料噴射量を増大させ、未燃燃料を増量することによって、空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に制御し、排ガスを酸化雰囲気から還元雰囲気に切り換えることにより行われる。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、負荷検出手段、制御手段および上限値設定手段に相当する。

図２は、このリッチスパイクを実行するか否かを判定する実行判定処理を示すフローチャートである。本処理は、所定時間ごとに実行される。本処理では、まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、触媒温度ＴＣＡＴが所定温度ＴＲＥＦ（例えば２５０℃）以上であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯのときには、触媒７が活性状態にないため、リッチスパイクの実行条件が成立していないとして、そのことを表すために、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」にセットし（ステップ２）、本処理を終了する。

一方、ステップ１の判別結果がＹＥＳで、触媒７が活性状態にあるときには、触媒温度ＴＣＡＴに応じ、所定のテーブル（図示せず）を検索することによって、エンジン回転数ＮＥの上限値ＮＨを算出する（ステップ３）。この上限値ＮＨは、エンジン回転数ＮＥに応じたリッチスパイクの実行領域の上限を定めるものである。このように上限値ＮＨを設定するのは、エンジン回転数ＮＥが大きいほど、触媒７に流入する排ガスのボリュームが多いことで、未燃燃料がスリップしやすくなるためである。また、エンジン回転数ＮＥが同じでも、触媒７の温度が低いほど、その活性度合いが低いことで、未燃燃料がスリップしやすくなる。このため、上記のテーブルでは、上限値ＮＨは、触媒温度ＴＣＡＴが低いほど、還元剤のスリップを抑制するために、より小さな値に設定されている。

次に、触媒温度ＴＣＡＴに応じ、所定のテーブル（図示せず）を検索することによって、要求トルクＰＭＣＭＤの上限値ＰＨを算出する（ステップ４）。この上限値ＰＨは、要求トルクＰＭＣＭＤに応じたリッチスパイクの実行領域の上限を定めるものである。このように上限値ＰＨを設定するのは、上述したエンジン回転数ＮＥの場合と同様、要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、触媒７に流入する排ガスのボリュームが多いことで、やはり未燃燃料がスリップしやすくなるためである。また、要求トルクＰＭＣＭＤが同じでも、触媒７の温度が低いほど、その活性度合いが低いことで、未燃燃料がスリップしやすくなる。このため、上記のテーブルでは、上限値ＰＨは、触媒温度ＴＣＡＴが低いほど、より小さな値に設定されている。なお、要求トルクＰＭＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。

次いで、エンジン回転数ＮＥが所定の下限値ＮＬ以上で、かつ前記ステップ３で算出した上限値ＮＨ以下であるか否かを判別する（ステップ５）。この判別結果がＮＯのときには、リッチスパイクの実行条件が成立していないとして、前記ステップ２を実行し、本処理を終了する。

一方、ステップ５の判別結果がＹＥＳのときには、要求トルクＰＭＣＭＤが所定の下限値ＰＬ以上で、かつ前記ステップ４で算出した上限値ＰＨ以下であるか否かを判別する（ステップ６）。この判別結果がＮＯのときには、リッチスパイクの実行条件が成立していないとして、前記ステップ２を実行し、本処理を終了する。

また、ステップ６の判別結果がＹＥＳのとき、すなわち、下限値ＮＬ≦エンジン回転数ＮＥ≦上限値ＮＨでかつ下限値ＰＬ≦要求トルクＰＭＣＭＤ≦上限値ＰＨのときには、リッチスパイクの実行条件が成立しているとして、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「１」にセットし（ステップ７）、本処理を終了する。

以上のように、本実施形態によれば、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤがそれぞれの下限値ＮＬ、ＰＬ以上でかつ上限値ＮＨ、ＰＨ以下のときにリッチスパイクを実行する。これにより、未燃燃料のスリップ量が少ない負荷の領域でリッチスパイクを実行することができる。また、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤがいずれも上限値ＮＨ、ＰＨ以下のときにリッチスパイクを実行するので、その実行領域が負荷に応じてより厳しく制限されることで、未燃燃料のスリップ量を確実に抑制することができる。さらに、上限値ＮＨ、ＰＨを、触媒温度ＴＣＡＴが低いほど、より小さな値に設定することによって、リッチスパイクの実行領域をより制限する。したがって、エンジン回転数ＮＥ、要求トルクＰＭＣＭＤおよび触媒温度ＴＣＡＴに応じた適切な領域でリッチスパイクを実行でき、それにより、未燃燃料のスリップ量を抑制でき、排ガス特性を向上させることができるとともに、未燃燃料の無駄な消費がなくなり、燃費を向上させることができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、上限値ＮＨ、ＰＨを、触媒温度ＴＣＡＴに基づいて直接、算出しているが、これに限らず、他の適当な手法で算出してもよい。例えば、上限値の基本値をあらかじめ設定するとともに、触媒温度に応じて算出した補正項で基本値を補正することによって、上限値を算出してもよい。また、実施形態では、触媒温度ＴＣＡＴを、触媒温度センサ１２で直接、検出しているが、これに限らず、他の適当なパラメータ、例えば触媒の上流側の温度や下流側の温度などに応じて推定してもよい。

さらに、実施形態では、リッチスパイクを、燃焼室３ｂに供給する燃料量を増大させることによって行っているが、排気管５の触媒７よりも上流側に直接、燃料を供給することによって行ってもよい。また、この場合、燃料に代えて他の還元剤、例えば尿素などを用いてもよい。

また、実施形態では、触媒７はＮＯｘ触媒であるが、排ガスが酸化雰囲気のときに排ガス中のＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気のときに還元するとともに、排ガスを浄化するタイプの触媒であれば、他の任意の触媒、例えば三元触媒を用いてもよい。

さらに、実施形態では、リッチスパイクの実行判定を、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤの双方に応じて行っているが、いずれか一方に応じて行ってもよい。

さらに、実施形態は、本発明を車両に搭載されたディーゼルエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、ディーゼルエンジン以外のガソリンエンジンなどの各種のエンジンに適用してもよく、また、車両用以外のエンジン、例えば、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明の実施形態による排ガス浄化装置を内燃機関とともに示している。リッチスパイクを実行するか否かを判定する実行判定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１排ガス浄化装置
２ＥＣＵ（負荷検出手段、制御手段および上限値設定手段）
３エンジン
５排気管（排気通路）
６インジェクタ（制御手段）
７触媒
１０クランク角センサ（負荷検出手段）
１２触媒温度センサ（温度取得手段）
１３アクセル開度センサ（負荷検出手段）
ＮＥエンジン回転数（内燃機関の負荷）
ＴＣＡＴ触媒温度（触媒の温度）
ＰＭＣＭＤ要求トルク（内燃機関の負荷）
ＮＨ上限値
ＰＨ上限値

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中のＮＯｘを捕捉する触媒と、
前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
当該検出された内燃機関の負荷が上限値よりも小さいときに、前記触媒に捕捉されたＮＯｘを還元するために、前記触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する制御手段と、
前記触媒の温度を取得する温度取得手段と、
当該取得された触媒の温度が低いほど、前記上限値をより小さな値に設定する上限値設定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
前記内燃機関の負荷は、当該内燃機関の回転数および要求トルクの少なくとも一方であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。