以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒(例えば直列4気筒)ディーゼルエンジン(内燃機関)に本発明を適用した場合について説明する。
−エンジンの構成−
まず、本実施形態に係るディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の概略構成について説明する。図1は本実施形態に係るエンジン1およびその制御系統の概略構成図である。また、図2は、ディーゼルエンジン1の燃焼室3およびその周辺部を示す断面図である。
図1に示すように、本実施形態に係るエンジン1は、燃料供給系2、燃焼室3、吸気系6、排気系7等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されており、このうち燃料供給系2は、全ての気筒に共通のコモンレール22と各気筒毎のインジェクタ(燃料噴射弁)23とを備えた、所謂コモンレールシステムである。
上記コモンレール22には、図示省略の燃料タンクから汲み上げられてサプライポンプ21(図3参照)によって昇圧された燃料が供給される。コモンレール22は、高圧燃料を所定圧力に保持(蓄圧)する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ23(図1では右端のものにのみ符号を付す)に分配する。インジェクタ23は、その内部に圧電素子(ピエゾ素子)を備え、適宜開弁して燃焼室3内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。
吸気系6は、シリンダヘッド15(図2参照)に形成された吸気ポート15aに接続される吸気マニホールド63を備え、この吸気マニホールド63には吸気管64が接続されて、吸気通路を構成している。吸気通路には、吸気の流れの上流側から順にエアクリーナ65、エアフローメータ43、吸気絞り弁(ディーゼルスロットル)62が配設されている。上記エアフローメータ43は、エアクリーナ65を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力する。
排気系7は、シリンダヘッド15に形成された排気ポート71に接続される排気マニホールド72を備え、この排気マニホールド72に排気管73が接続されて排気通路を構成している。この排気通路には一例として酸化触媒74と、NOx吸蔵還元型の排気浄化触媒であるNSR(NOx Storage Reduction)触媒75と、DPF(Diesel Particulate Filter)76とが備えられている。なお、NSR触媒75およびDPF76の代わりにDPNR(Diesel Particulate-NOx Reduction system)触媒を用いてもよい。
上記NSR触媒75は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはNOxを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、且つ還元成分(例えば燃料の未燃成分(HC))が多量に存在している状態においてはNOxをNO2若しくはNOに還元して放出する。NO2やNOとして放出されたNOxは、排気中のHCやCOと速やかに反応することによってさらに還元されてN2となる。また、HCやCOは、NO2やNOを還元することで、自身は酸化されてH2OやCO2となる。即ち、NSR触媒75に導入される排気中の酸素濃度やHC成分を適宜調整することにより、排気中のHC、CO、NOxを浄化することができるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やHC成分の調整を上記インジェクタ23からの燃料噴射動作(アフター噴射、ポスト噴射)や吸気絞り弁62の開度制御によって行うようになっている。
また、DPF76は、例えば多孔質セラミック構造体で成り、排気ガスが多孔質の壁を通過する際に、この排気ガス中に含まれるPM(Particulate Matter:粒子状物質)を捕集するようになっている。このDPF76には、DPF再生運転時に、上記捕集したPMを酸化・燃焼するための触媒(例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒)が担持されている。
ここで、エンジン1の燃焼室3およびその周辺部の構成について、図2を用いて説明する。この図2に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック11には、各気筒(図の例では4気筒)毎に円筒状のシリンダボア12が形成されており、各シリンダボア12の内部にはピストン13が上下方向に摺動可能に収容されている。
ピストン13の頂面13aの上側には上記燃焼室3が形成されている。つまり、この燃焼室3は、シリンダブロック11の上部に取り付けられたシリンダヘッド15の下面と、シリンダボア12の内壁面と、ピストン13の頂面13aとにより区画形成されている。そして、ピストン13の頂面13aの略中央部には、キャビティ(凹陥部)13bが凹設されており、このキャビティ13bも燃焼室3の一部を構成している。
上記ピストン13は、コネクティングロッド18によってエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア12内でのピストン13の往復移動がコネクティングロッド18を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。
また、燃焼室3に向けてグロープラグ19が配設されている。このグロープラグ19は、エンジン1の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。
上記シリンダヘッド15には、上記吸気ポート15aおよび上記排気ポート71がそれぞれ形成されているとともに、吸気ポート15aを開閉する吸気バルブ16および排気ポート71を開閉する排気バルブ17が配設されている。また、シリンダヘッド15には、燃焼室3の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ23が取り付けられている。このインジェクタ23は、シリンダ中心線Pに沿う起立姿勢で燃焼室3の略中央上部に配設されており、上記コモンレール22から導入される燃料を燃焼室3に向けて所定のタイミングで噴射する。
さらに、図1に示す如く、このエンジン1には、過給機(ターボチャージャ)5が設けられている。このターボチャージャ5は、タービンシャフト51によって連結されたタービンホイール52およびコンプレッサホイール53を備えている。コンプレッサホイール53は吸気管64内部に臨んで配置され、タービンホイール52は排気管73内部に臨んで配置されている。そして、ターボチャージャ5は、タービンホイール52が受ける排気流(排気圧)を利用してコンプレッサホイール53を回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行う。
また、ターボチャージャ5(コンプレッサホイール53)よりも吸気の流れの下流側において吸気管64には、ターボチャージャ5での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ61が設けられている。なお、本実施形態におけるターボチャージャ5は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール52側に可変ノズルベーン機構54(図3参照)が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン1の過給圧を調整することができる。
さらにまた、このエンジン1には、吸気系6と排気系7とを接続する排気還流通路(EGR通路)8が設けられている。このEGR通路8は、排気マニホールド72(NSR触媒75よりも排気の流れの上流側の排気通路:上流側排気通路)の集合部付近から分岐して高圧の排気の一部を取り出し、吸気マニホールド63および吸気管64の接続部付近(吸気絞り弁62よりも下流側の吸気通路)へ還流させるもので、以下、高圧EGR通路8という。
そうして排気の一部を吸気系6に還流させて、燃焼室3へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってNOx生成量を低減することができるが、高温の排気によって吸気温が上昇するきらいがあり、また、還流させる排気(以下、EGRガスともいう)の量が多くなると燃焼状態が悪化するおそれもある。そこで、高圧EGR通路8には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路8を流れる排気流量を自在に調整することができるEGRバルブ(EGR弁)81と、高圧EGR通路8を流通(還流)する排気を冷却するためのEGRクーラ82とが設けられている。
また、このエンジン1には、上記高圧EGR通路8の他に、DPF76よりも下流側の排気通路から分岐して比較的低圧の排気の一部を取り出し、ターボチャージャ5(コンプレッサホイール53)よりも上流側の吸気通路へ還流させる低圧EGR通路83も設けられている。この低圧EGR通路83により、大量の排気をより低圧で吸気系に還流させることができる。低圧EGR通路83にも高圧EGR通路8と同様のEGR弁84とEGRクーラ85とが設けられている。なお、図示の符号86は、低圧EGR通路83への排気の還流を促すための排気絞り弁である。
−センサ類−
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
例えば、上記エアフローメータ43は、吸気系6内の吸気絞り弁62上流において吸入空気の流量(吸入空気量)に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ41はコモンレール22内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ42は吸気絞り弁62の開度を検出する。吸気圧センサ48は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ49は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。
また、A/F(空燃比)センサ44a,44bはそれぞれ、酸化触媒74の上流側およびNSR触媒75の下流側に配設され、排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。なお、A/Fセンサの配設位置としては、酸化触媒74の上流側のみとしてもよいし、NSR触媒75の上流側としてもよいし、NSR触媒75の下流側のみとしてもよい。
同様に排気温センサ45a,45bはそれぞれ、酸化触媒74の上流側およびNSR触媒75の下流側に配設され、排気ガスの温度(排気温度)に応じた検出信号を出力する。なお、排気温センサの配設位置も、酸化触媒74の上流側のみとしてもよいし、NSR触媒75の上流側としてもよいし、NSR触媒75の下流側のみとしてもよい。
−ECU−
ECU100は、図示しないCPU、ROM、RAM等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えている。図3に示すように、ECU100の入力回路には、上記レール圧センサ41、スロットル開度センサ42、エアフローメータ43、A/Fセンサ44a,44b、排気温センサ45a,45b、吸気圧センサ48、吸気温センサ49が接続されている。さらに、入力回路には、エンジン1の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ46、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ47、エンジン1の出力軸(クランクシャフト)が一定角度回転する毎に検出信号(パルス)を出力するクランクポジションセンサ40などが接続されている。
一方、ECU100の出力回路には、上記サプライポンプ21、インジェクタ23、吸気絞り弁62、EGRバルブ81,84、および、上記ターボチャージャ5の可変ノズルベーン機構(可変ノズルベーンの開度を調整するアクチュエータ)54が接続されている。
そして、ECU100は、上記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値に基づき、必要に応じて上記ROMに記憶された各種マップを参照して、エンジン1の各種制御を実行する。一例としてECU100は、インジェクタ23による燃料噴射制御(噴射量・噴射時期の制御)、吸気絞り弁62の開度(スロットル開度)の制御、EGRバルブ81,84の開度の制御等を含むエンジン1の各種制御を実行する。
例えばインジェクタ23の燃料噴射制御としては、図4に模式的に示すようにパイロット噴射やメイン噴射(主としてエンジン1のトルク生成に寄与する燃料噴射)の他、必要に応じてアフター噴射やポスト噴射を実行する。公知のようにパイロット噴射は、メイン噴射に先立って噴射した少量の燃料を燃焼させることにより、引き続いてメイン噴射される燃料の着火遅れを抑制して、安定した拡散燃焼に導くためのものである。
また、メイン噴射は一般的にエンジン1のトルク発生のための噴射動作であり、その噴射量は基本的には、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。例えばエンジン回転数(クランクポジションセンサ40の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数;エンジン回転速度)が高いほど、また、アクセル開度(アクセル開度センサ47により検出されるアクセルペダルの踏み込み量)が大きいほどエンジン1への要求トルクは高くなり、それに応じてメイン噴射量が多く設定される。
具体的な燃料噴射形態の一例としては、各気筒毎の圧縮上死点前に上記パイロット噴射(インジェクタ23に形成された複数の噴孔からの燃料噴射)が実行され、燃料噴射が一旦停止された後、所定のインターバルを経て圧縮上死点近傍にて上記メイン噴射が実行される。これにより燃料が自己着火によって燃焼し、この燃焼により発生したエネルギは、ピストン13を下死点に向かって押し下げる運動エネルギ(エンジン出力となるエネルギ)、燃焼室3内を温度上昇させる熱エネルギ、シリンダブロック11やシリンダヘッド15を経て外部(例えば冷却水)に放熱される熱エネルギとなる。
なお、燃料噴射を実行する際の噴射圧は、コモンレール22の内圧により決定される。このコモンレール内圧として一般に、コモンレール22からインジェクタ23へ供給される燃料圧力の目標値、即ち目標レール圧は、エンジン負荷(機関負荷)が高くなるほど、および、エンジン回転数(機関回転数)が高くなるほど高いものとされる。この目標レール圧は例えば上記ROMに記憶された燃圧設定マップに従って設定される。
なお、アフター噴射やポスト噴射は、後述するようにNOx還元制御やS被毒回復制御において、排気の空燃比(排気A/F)を調整したり、NSR触媒75やDPF76の温度を上昇させたりするのに利用される。
さらに、ECU100は、エンジン1の運転状態に応じて吸気絞り弁62やEGRバルブ81,84の開度を制御し、吸気(新気)の量や排気の還流量(EGRガス量)を調整する。この制御は、予め実験やシミュレーション等によって作成されてROMに記憶されている吸気量マップやEGRマップに基づいて行われる。一例としてエンジン1への要求トルクやエンジン回転数の上昇に伴い、吸気絞り弁62の開度は大きくなりEGRバルブ81,84の開度は小さくなる。
また、以下に説明するように本実施形態では、S被毒回復制御において排気の空燃比(排気A/F)をリッチ側、リーン側に切り替える際に、リッチ側では吸気絞り弁62の開度を小さくするとともに適宜、EGRガスを還流させて吸気(新気)量を減少させる一方、リーンにする場合は吸気絞り弁62の開度を大きくして吸量を増大させ、EGRガスは還流させない。
−内燃機関の制御装置の制御動作−
以下に、本実施形態の内燃機関の制御装置によるNOx還元制御およびS被毒回復制御についてそれぞれ説明する。まず、NOx還元制御について簡単に説明した後に、本実施形態の特徴とするS被毒回復制御について詳細に説明する。
(NOx還元制御)
一般的にディーゼルエンジン1においては、大部分の運転領域で排気の空燃比はリーン空燃比となり、通常の運転状態ではNSR触媒75の周囲雰囲気は酸素濃度の高い状態になって、排気中のNOxがNSR触媒75に吸蔵される。そして、NSR触媒75の周囲雰囲気が低酸素濃度となる状況は非常に少ないため、NOxの吸蔵量は徐々に増大し、これに連れてNSR触媒75のNOx吸蔵能力が低下してゆく。
そこで、エンジン運転状態などに基づいて推定されるNOx吸蔵量が所定の閾値((NSR触媒75のNOx吸蔵能力が飽和する前の適値))に達した場合に、インジェクタ23からのポスト噴射によって排気中に燃料を供給することにより、その空燃比(A/F)を一時的にリッチ化させて、還元剤成分(HC等)の量を増大させる。これにより、NSR触媒75の周囲が還元雰囲気になって吸蔵されているNOxが放出され、還元浄化されることで、NSR触媒75のNOx吸蔵能が回復する。
なお、上記NOx吸蔵量の推定手法としては、エンジン回転数とインジェクタ23からの燃料噴射量とに応じたNOx吸蔵量を予め実験やシミュレーションにより求めてマップ化しておき、このマップにより求められるNOx吸蔵量を積算するという方法が挙げられる。
(S被毒回復制御)
次に、本実施形態の特徴とするS被毒回復制御について説明する。上記したNOx還元制御ではNSR触媒75に流入する排気の空燃比を瞬間的にリッチ化することで、吸蔵されているNOxを放出させることはできるが、NSR触媒75では、NOxを吸蔵するのと同様のメカニズムで硫黄成分(SOx)の吸着が生じている。一旦、吸着されたSOxはNOxよりも離脱し難いので、上記のNOx還元制御が行われてもSOxは離脱せずに、次第にNSR触媒75内に蓄積されていく。
より詳しくは、S被毒のメカニズムはおよそ以下のとおりである。まず、エンジン1の燃焼室3内で燃料や潤滑油が燃焼するときには、二酸化硫黄(SO2)や三酸化硫黄(SO3)などのSOxが生成される。そして、NSR触媒75に流入する排気の酸素濃度が高いときには、流入排気中のSO2やSO3等のSOxが白金(Pt)の表面上で酸化され、例えば硫酸イオン)の形態でNSR触媒75に吸着される。
こうしてNSR触媒75に吸着された硫酸イオンは、酸化バリウム(BaO)と結合して硫酸塩(BaSO4)を形成するが、これは硝酸バリウム(Ba(NO3)2)に比して安定していて分解され難い。このため、上記NOx還元制御などによってNSR触媒75に流入する排気の酸素濃度が低くなっても、硫酸塩は分解されずにNSR触媒75内に残留し、時間とともに蓄積されてゆく。
そうしてNSR触媒75における硫酸塩(BaSO4)の蓄積量が増加するほど、NOxの吸蔵に関与することができる酸化バリウム(BaO)の量が減少することになるので、NSR触媒75のNOx吸蔵能力が低下して、NOx浄化率を低下させる原因となる(S被毒)。なお、NSR触媒75内におけるSOxの蓄積量の計測は、前回のS被毒回復制御の終了時点からのインジェクタ2の総燃料噴射量と燃料中における硫黄濃度とに基づいて行われる。
上記のようなS被毒を解消する方法として、NSR触媒75の雰囲気温度をおよそ600〜700℃の高温域まで昇温させるとともに、NSR触媒75に流入する排気の酸素濃度を低くする(排気空燃比をリッチにする)ことにより、NSR触媒75に吸着されている硫酸バリウム(BaSO4)を熱分解して、排気中の炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)と反応させ、気体状のSO2に還元する方法が挙げられる。
本実施形態では、上述したアフター噴射やポスト噴射と吸気絞り弁62およびEGRバルブ81,84の開度の制御とによって、排気の空燃比をリッチ、リーンに切り替えて、S被毒の解消を図るようにしている。具体的には、リーンな排気中ではポスト噴射された燃料がNSR触媒75において酸化し、その反応熱によってNSR触媒75の床温度が効果的に上昇する。その後、空燃比をリッチ側に切り替えてNSR触媒75に還元剤成分を供給する。
以下、上記した図4の他に図5も参照して、S被毒回復制御の動作についてより詳細に説明する。図5は、S被毒回復制御実行時における排気空燃比、触媒床温、NSR触媒75からのSOx放出率(クランクシャフトの単位回転角度当たりのSOx放出量)、NSR触媒75のSOx残量それぞれの変化の一例を示すタイミングチャート図である。
S被毒回復制御では、排気空燃比をリーンに設定するリーン期間と、排気空燃比をリッチに設定するリッチ期間とが交互に現れ、そのリーン期間においてNSR触媒75の床温を、SOxの離脱が可能になる温度(硫酸バリウム(BaSO4)を熱分解できる温度)まで上昇させる。一方、リッチ期間では、排気空燃比をリッチにすることで、NSR触媒75からSOxを離脱させ、排気中の炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)と反応させて還元浄化する。
一例として、上記リーン期間からリッチ期間への切り替えタイミングは、NSR触媒75の床温度が、SOxを離脱させるのに十分な温度(例えば680℃)に達した時点としている。一方、リッチ期間からリーン期間への切り替えタイミングは、NSR触媒75の床温度が所定温度(例えば630℃)まで低下した時点としている。このようにリーン期間とリッチ期間とが切り替えられて、交互に繰り返されることにより、NSR触媒75からSOxが離脱されていく。
より具体的には上記図4も参照すると、S被毒量(SOxの蓄積量)が所定値に達してS被毒回復制御が開始された場合、まず、図4(a)に示すように空燃比のリーン期間において、メイン噴射の実行後、気筒の膨張行程の後半(例えばATDC100〜130°CA)でポスト噴射が実行され、触媒床温が上昇する。このポスト噴射では燃料が燃焼室3内では燃焼せず、高温下で熱分解されて排気通路に流れ、NSR触媒75を通過しながら酸化されることで、触媒床温を効果的に上昇させる。
こうしてNSR触媒75の床温度が上昇して所定温度(例えば680℃)に達すると、リーン期間からリッチ期間に切り替えられる(図5におけるタイミングT1)。このリッチ期間では、図4(b)に示すように、メイン噴射の後に燃料の燃焼するようなタイミング(例えばATDC30〜60°CA)で燃料をアフター噴射し、パイロット噴射およびメイン噴射と合わせた総噴射量を増量する。
同時に吸気絞り弁62の開度が所定開度まで小さくされて、吸気(新気)の量が減少するので、上記燃料の総噴射量の増量と併せて空燃比を理論空燃比よりもリッチ(例えばA/Fで14以下)にすることができ、これにより排気の空燃比も理論空燃比よりもリッチになる。なお、アフター噴射された燃料の燃焼によるトルクの増分は、吸気絞り弁62の開度の減少によって相殺される。言い換えると、トルク変動が生じないようにアフター噴射の量およびタイミング、並びに吸気絞り弁62の開度が互いに対応づけて予め実験やシミュレーションにより適合され、マップとしてECU100のROMに記憶されている。
そうしてリッチ期間においては、NSR触媒75の床温度が十分に上昇(SOxの離脱を可能にする温度まで上昇)されている状態で排気空燃比がリッチになり、NSR触媒75からSOxが離脱される。すなわち、図5のSOx放出率のグラフに示すようにNSR触媒75からSOxが放出され、NSR触媒75におけるSOx残量は次第に減少していく。同時にリッチ期間においてはNSR触媒75の床温度が次第に低下していき、その床温度が所定温度(例えば630℃)に達すると、リッチ期間からリーン期間に切り替えられる(タイミングT2)。
このようにして、NSR触媒75の床温度が600〜700℃の高温域に維持されたまま、その床温度の変化に応じて排気の空燃比がリッチ、リーンに切り替えられることで、NSR触媒75からSOxが次第に放出されていき、このNSR触媒75におけるSOxの蓄積量(SOx残量)が減少していく。そして、SOx蓄積量が所定量未満になると、S被毒回復制御は終了する。
なお、NSR触媒75からのSOx放出量の計測は、NSR触媒75の床温度と上記リッチ期間とに基づいて行われる。つまり、NSR触媒75の床温度が高いほど、また、上記リッチ期間が長いほどSOx放出量は多くなっていくので、これらNSR触媒75の床温度とリッチ期間とを計測していくことにより、SOx放出量が求められることになる。そして、このSOx放出量が、S被毒回復制御開始時におけるSOx吸着量(インジェクタ23の総燃料噴射量と燃料中における硫黄濃度とに基づいて計測されたSOxの吸着量)に一致すると、NSR触媒75内のSOxの略全量が放出されたとしてS被毒回復制御が終了することになる。
以上が、S被毒回復制御の基本動作である。
ところで、上記のようにS被毒回復制御においてはNSR触媒75をかなり高い温度域に維持しながら空燃比をリッチ、リーンに切り替えているが、ポスト噴射された燃料がNSR触媒75を通過しながら酸化されるリーン期間とは異なり、リッチ期間でアフター噴射された燃料は各気筒の燃焼室3で燃焼する。よって、排気ポート71から噴き出す排気の温度はリッチ期間の方が高くなり、既に高温になっている排気マニホールド72の温度がさらに上昇して、その耐久信頼性が損なわれるおそれがあった。
すなわち、上述したS被毒回復制御によって排気マニホールド72の温度は、一例として図13に示すように、空燃比のリッチ期間では上昇し、リーン期間では下降することになるが、そのリーン期間の終了時点でもリッチ期間の開始時点よりも高くなっている。このため、空燃比のリッチ、リーンの切り替えによって排気マニホールド72の温度は上昇および下降を繰り返しながらも徐々に上昇していき、許容上限値を超えてしまう(図13のタイミングT1)。
これに対し、例えば図14に示すようにリーン期間を延長して、排気マニホールド72の温度がリッチ期間の開始前の温度に低下するまでは、空燃比をリッチ側へ切り替えないようにすれば、その温度が許容上限値を超えてしまうことはない。しかしながら、こうして排気マニホールド72の温度が下がるのを待っている間(リーン期間)もNSR触媒75は高温域に保つ必要があるので、S被毒回復制御の期間が長くなった分は、燃費が悪化することになる。
そこで本実施形態では、上記のように排気マニホールド72の過熱が懸念されるS被毒回復制御のリッチ期間において、高温の排気を適宜、高圧EGR通路8へと流出させて、排気マニホールド72の温度上昇を抑制するようにした。こうすることで、排気マニホールド72の過度の温度上昇を防止しながらも、S被毒回復制御の期間が徒に長くなることはなく、燃費の悪化を抑制することができる。
−具体的な制御手順−
以下、本実施形態のS被毒回復制御の具体的な動作手順について図6および図7のフローチャートに沿って説明する。図6は、上記したS被毒回復制御の基本的な動作手順を示しており、図7は、S被毒回復制御において実行される排気空燃比切替動作の手順を示している。これらのフローチャートはエンジン1の始動後、所定期間毎(例えば数msec毎、または、クランクシャフトの所定回転角度毎)に実行される。
(S被毒回復制御の基本動作)
まず、図6のステップST1において、予めECU100に記憶されているS被毒回復制御実行フラグがONとなっているか否かを判定する。このS被毒回復制御実行フラグは、S被毒回復制御の開始に伴ってONされ、このS被毒回復制御が終了すると(NSR触媒75内のSOxの略全量が放出されたとしてS被毒回復制御が終了すると)OFFされる。車両の走行開始時や、前回のS被毒回復制御が終了した直後である場合には、NSR触媒75における硫黄成分の蓄積量(S被毒量)が少ないため、S被毒回復制御は開始されておらず、S被毒回復制御実行フラグはOFFとなっている。
S被毒回復制御実行フラグがOFFであり、ステップST1でNO判定された場合には、ステップST2に進み、S被毒量が回復制御開始量以上となっているか否か判定する。この回復制御開始量は、上記S被毒量がこの回復制御開始量に達した場合にS被毒回復制御が必要となる値として、予め実験やシミュレーションによって設定されている。車両の走行開始時や、前回のS被毒回復制御が終了した直後である場合には、このS被毒量が回復制御開始量以上となっていないため、ステップST2ではNOと判定し、そのままリターンする。
そして、エンジン1の運転が継続されるとNSR触媒75のS被毒量が多くなっていき、回復制御開始量以上となった場合には、ステップST2でYES判定してステップST3に進む。このステップST3では、上述したS被毒回復制御を開始するとともに、S被毒回復制御実行フラグをOFFからONに切り替える。そして、ステップST4に進んで、上述したようにNSR触媒75の床温度に応じて空燃比をリッチ、リーンに交互に切り替える排気空燃比切替動作を実行する。
こうしてS被毒回復のための排気空燃比の切り替え動作が始まった後、ステップST5において、NSR触媒75からのS排出量(離脱量)が所定量に達したか否かを判定する。この所定量は、S被毒回復制御を終了させるためのS排出量であって、例えば、S被毒回復制御の開始時におけるSOx吸着量に相当する値、または、このS被毒回復制御の開始時におけるSOxの蓄積量よりも僅かに小さい値に設定されている。なお、このNSR触媒75からのS排出量は、上述したようにその床温度と排気空燃比とから求められる。
そして、NSR触媒75からのS排出量が所定量に達していない場合は、ステップST5でNOと判定しリターンする。この場合、次回のルーチンではステップST1でYES判定され、ステップST1、ST4、ST5の動作が繰り返されて、NSR触媒75からのS排出量が所定量に達するまでS被毒回復制御が継続されることになる。
その結果、NSR触媒75からのS排出量が所定量に達し、ステップST5でYES判定された場合には、ステップST6に進んでS被毒回復制御の終了処理を行う。すなわち、空燃比のリッチ、リーンの切り替えおよびポスト噴射を停止するとともに、S被毒回復制御実行フラグをOFFにする。これによりS被毒回復制御は終了し、NSR触媒75のNOx吸蔵能力が回復された状態で、通常のエンジン制御に移行する。
(排気空燃比切替動作)
次に、上記ステップST4で実行される排気空燃比切替動作について、図7のフローチャートに沿って説明する。この排気空燃比切替動作においては、上記したようにS被毒の回復のために排気の空燃比をリッチ期間、リーン期間、リッチ期間、…というように交互に繰り返すとともに、リーン期間を間に挟んで連続する2回のリッチ期間のうち、一方ではEGRバルブ81を開状態に制御し、他方では閉状態に制御するようにしている。
図7に示すステップST11では、まず、空燃比のリッチ期間か否かをフラグのON・OFFによって判定する。このフラグは、NSR触媒75の床温度に応じてON・OFFされ、SOxを離脱させるのに十分な触媒床温(例えば680℃)になればONになり、その後、触媒床温が所定温度(例えば630℃)まで低下すればOFFになる。以下、リッチ化フラグという。
図5を参照して上述したように排気空燃比切替動作はリーン期間から始まり、リッチ化フラグはOFFであるから、ステップST11ではNOと判定して空燃比リーン制御を実行する(ステップST12)。すなわち、吸気絞り弁62は比較的大きく開き、インジェクタ23によりメイン噴射の後にポスト噴射を実行する。そして、ステップST13に進んでEGRバルブ81を閉状態に制御して、リターンする。
一方、上記ステップST12でYESと判定すれば空燃比リッチ制御を実行する(ステップST14)。すなわち、吸気絞り弁62の開度を小さくし、インジェクタ23によりメイン噴射の後にアフター噴射を実行して、空燃比を理論空燃比よりもリッチになるように制御する。続くステップST15では排気空燃比切替動作における1回目のリッチ期間か否か判定し、YESであれば上記ステップST13に進んでEGRバルブ81を閉状態に制御して、リターンする。
つまり、排気空燃比切替動作の1回目のリッチ期間では、空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御するとともに、EGRバルブ81を閉状態にする(第2の制御動作)。このとき、排気ポート71から噴き出す高温の排気は全て排気マニホールド72から酸化触媒74、NSR触媒75へと流れるようになる。
これに対し、上記ステップST15で1回目のリッチ期間ではない(NO)と判定されれば、即ち排気空燃比切替動作の2回目以降のリッチ期間であればステップST16に進み、今度は前回のリッチ期間ではEGRバルブ81が閉状態であったか否か判定する。この前回のリッチ期間でのEGRバルブ81の状態については、それぞれのリッチ期間においてEGRバルブ81が開状態および閉状態のいずれであるかECU100のRAMに記憶するようにすればよい。
そして、例えば2回目のリッチ期間であれば、前回1回目のリッチ期間においてEGRバルブ81が閉状態になっていたので、YESと判定してステップST17に進み、EGRバルブ81を開状態に制御してリターンする。つまり、空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御するとともに、EGRバルブ81を開状態にする(第1の制御動作)。また、例えば3回目のリッチ期間であれば、前回2回目のリッチ期間においてEGRバルブ81が開状態になっていたので、NOと判定して上記ステップST13に進み、EGRバルブ81を閉状態に制御してリターンする。
こうして排気空燃比切替動作において交互に繰り返される空燃比のリッチ期間、リーン期間、リッチ期間、…のうち、リーン期間を間に挟んで連続する2回のリッチ期間について見れば、EGRバルブ81の開状態および閉状態が交互に繰り返されるようになる(1回目は閉状態、2回目は開状態、…)。EGRバルブ81の閉状態では高温の排気によって排気マニホールド72の温度が急上昇する一方、EGRバルブ81の開状態では高温の排気の一部が高圧EGR通路8に流出するので、排気マニホールド72の温度上昇が緩和される。
詳しくは図8に、上記の排気空燃比切替動作における排気マニホールド72および高圧EGR通路8の温度の変化を示す。同図(a)に示すように排気マニホールド72の温度は、EGRバルブ81が閉状態の1回目のリッチ期間において急上昇し、その後、リーン期間への切り替えに伴い下降するものの、リッチ期間の開始時点の温度にまでは低下せず、それよりもやや高くなってしまう。このため、2回目のリッチ期間でもEGRバルブ81が閉じていると、図13を参照して上述したように徐々に排気マニホールド72の温度が上昇していき、図8(a)にも破線で示すように許容上限値を超えてしまう。
これに対し本実施形態では、上記の如く2回目のリッチ期間ではEGRバルブ81が開状態とされ、高温の排気の一部が高圧EGR通路8に流出するので、この2回目のリッチ期間では排気マニホールド72の温度上昇が緩和され、その後のリーン期間において排気マニホールド72の温度は、1回目のリッチ期間の開始時点の温度にまで低下するようになる。よって、排気空燃比切替動作において空燃比のリッチ期間、リーン期間が交互に繰り返される間に排気マニホールド72の温度が許容上限値に達することはない。
一方で高圧EGR通路8の温度は図8(d)に示すようになり、EGRバルブ81が閉状態の1回目のリッチ期間においては高温の排気が流入して来ないので、高圧EGR通路8の温度は上昇しない。また、2回目のリッチ期間においてEGRバルブ81が開かれると、高温の排気の流入によって高圧EGR通路8の温度は急上昇するが、3回目のリッチ期間では再びEGRバルブ81が閉状態になり、その前後のリーン期間と併せて十分な放熱期間が得られるので、高圧EGR通路8の温度は2回目のリッチ期間の開始時点の温度にまで低下する。
すなわち、仮にリッチ期間において常にEGRバルブ81を開状態にした場合は、図8(d)に破線で示すように高圧EGR通路8やEGRバルブ81の温度が過度に高くなってしまい、その許容上限値にまで達するおそれがあるが、本実施形態のようにEGRバルブ81をリッチ期間において交互に開閉させるようにすれば、同図に実線で示すようにEGR系の過熱も防止することができる。
したがって、本実施形態に係る内燃機関の制御装置によると、排気の空燃比をリッチ、リーンに切り替えてNSR触媒75からSOxを放出させるS被毒回復制御の際に、排気温度の高い空燃比リッチ期間においてEGRバルブ81の開状態および閉状態を交互に繰り返すことで、排気マニホールド72および高圧EGR通路8の両方の過熱を防止することができる。
このため、排気マニホールド72の放熱のためにリーン期間を延長する必要がなく、NSR触媒75を高温域に維持するS被毒回復制御の期間が徒に長くなることもないので、燃費の悪化を抑制できる。しかも、リッチ期間においてEGRが行われると、吸気絞り弁62はあまり閉じなくても吸気(新気)量が減り、空燃比のリッチ化のための燃料増分が少なくて済むので、このことも燃費悪化の抑制に寄与する。
さらに、そうして排気系の過熱を防止できることから、それが過熱することを懸念して従来はS被毒回復制御を実行できなかった運転領域(例えば排気の熱量が多く排気系の過熱する心配がある高回転領域)においても、S被毒回復制御を実行可能になって、NSR触媒75の浄化性能を安定的に確保しやすい、という効果も得られる。
(変形例1)
次に、変形例1について説明する。この変形例1は、上記図7、8を参照して説明した排気空燃比切替動作の変形例であって、その他の構成および動作は上述した実施形態のものと同じなので、ここでは排気空燃比切替動作についてのみ説明する。
この変形例1の排気空燃比切替動作においては、空燃比のリーン期間を挟んで連続する2回のリッチ期間において交互にEGRバルブ81を開状態および閉状態とするのではなく、1回のリッチ期間内においてEGRバルブ81を開状態および閉状態に切り替えるようにしている。
一例として図9のフローチャートに示すように、ステップST21〜ST24ではそれぞれ上記実施形態の排気空燃比切替動作(図7のフローのステップST11〜ST14)と同じ手順で処理を行い、ステップST24にて空燃比リッチ制御を開始した後に、ステップST25ではリッチに切り替えた後の所定時間(例えば2〜3秒間)内であるか否か判定する。
この判定がYESで所定時間内であればステップST23に進んで、EGRバルブ81を閉状態に制御してリターンする一方、既に所定時間が経過していて判定がNOであれば、ステップST26に進んでEGRバルブ81を開状態に制御し、リターンする。
その他の動作は上述した実施形態と同様であるが、この変形例1によると、リッチ期間の途中でEGRバルブ81を開き、高温の排気の一部を高圧EGR通路8へと流出させることで、排気マニホールド72の過度の温度上昇を抑制することができる。
すなわち、例えばエンジン1の高回転領域のように排気の熱量が多くて、元々排気系全体の温度が高い状況下では、S被毒回復制御の1回のリッチ期間内で、図10に破線で示すように排気マニホールド72の温度が許容上限値を越えてしまうおそれがあった。このため、従来はリッチ期間の時間を短く(例えば2〜3秒程度に)したり、或いはS被毒回復制御の実行を制限したりする必要があった。
これに対し、この変形例のようにリッチ期間の途中でEGRバルブ81を開き、高温の排気の一部を高圧EGR通路8へ流出させるようにすれば、同図に実線で示すように所要の時間(例えば5〜7秒程度)、排気マニホールド72の温度を許容上限値未満に維持することができる。よって、排気熱量の大きな運転状態においても十分なリッチ期間を確保して、S被毒回復制御の実効を担保することができる。
さらに、この変形例は、S被毒回復制御のように排気の空燃比をリッチ、リーンに切り替えるような回復制御だけでなく、例えばNOx還元制御のように短時間、空燃比をリッチ側に制御する(リッチスパイク)ような回復制御にも適用できる。
(変形例2)
次に、変形例2について説明する。この変形例2も上記の変形例1と同じく排気空燃比切替動作の変形例であって、その他の構成および動作は上述した実施形態のものと同じである。そして、この変形例2の排気空燃比切替動作では、図11のフローチャートに示すように、ステップST31〜ST34ではそれぞれ上記変形例1の排気空燃比切替動作(図9のフローのステップST21〜ST24)と同じ手順で処理を行う。
そして、ステップST34にて空燃比リッチ制御を開始した後に、ステップST35で例えば排気温センサ45aの出力信号から、排気マニホールド71の温度が所定値以下か否か判定する。リッチ期間の開始時点では排気マニホールド71の温度は低いので、判定はYESとなりステップST33に進んでEGRバルブ81を閉状態に制御する。なお、リッチ期間の開始時点ではリーン期間から継続してEGRバルブ81は閉じられている。
そのため、高温の排気が全て排気マニホールド72を流れるようになり、その温度が急上昇して所定値を越えると上記ステップST35でNOと判定し、ステップST36に進んでEGRバルブ81を開状態に制御する。これにより高温の排気の一部が高圧EGR通路8へと流出するようになり、排気マニホールド72の温度上昇が緩和される。
その他の動作は上述した変形例1と同様であるが、この変形例2によると、排気マニホールド72の実際の温度状態に基づいて、EGRバルブ81をより適切なタイミングで開閉制御することができる。
(変形例3)
次に変形例3について説明すると、これは上記変形例2とは逆に空燃比のリッチ期間の初期にはEGRバルブ81を開状態にし、その後、必要に応じて閉じるようにしたものであって、変形例2と同様の効果が得られる。すなわち、この変形例3では、図12のフローチャートに示すようにステップST41〜ST44においてそれぞれ上記図11のフローのステップST31〜ST34と同じ手順で処理を行う。
そして、ステップST44にて空燃比リッチ制御を開始した後に、ステップST45で例えば高圧EGR通路8に設けた温度センサ(図示せず)の出力信号から、高圧EGR通路8の温度が所定値以上か否か判定する。リッチ期間の開始時点ではリーン期間から継続してEGRバルブ81は閉じられており、高圧EGR通路8の温度は低いので、判定はNOとなりステップST46に進んでEGRバルブ81を開状態に制御する。
つまり、リーン期間では閉じられていたEGRバルブ81が、リッチ期間の開始時点で開かれ、高温の排気の一部が排気マニホールド72から高圧EGR通路8へと流入するようになる。これにより高圧EGR通路8の温度が急上昇して所定値を越えると上記ステップST45でYESと判定し、ステップST43に進んでEGRバルブ81を閉状態に制御する。こうすると、高温の排気は全て排気マニホールド72を流れるようになり、高圧EGR通路8の温度は下降に転じる。
−他の実施形態−
以上、説明した実施形態および変形例では、自動車に搭載されたコモンレール式の筒内直噴型多気筒ディーゼルエンジン1に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン、水平対向型エンジン等の別)についても特に限定されることはなく、排気浄化触媒を備えた例えば筒内噴射式のガソリンエンジンに対して適用することも可能である。
また、上記実施形態および変形例では、S被毒回復制御などにおいて空燃比を理論空燃比よりもリッチ側、リーン側に切り替える場合について説明したが、空燃比をリッチ側に制御する場合は必ずしも理論空燃比よりもリッチにする必要はなく、略理論空燃比またはそれよりも少しリーン側であってもよい。
また、上記実施形態では、S被毒回復制御において空燃比をリッチ、リーンに交互に切り替える場合に、リーン期間を間に挟んで連続する2回のリッチ期間で、EGRバルブ81を交互に開状態および閉状態に制御するようにしているが、これにも限定されず、リッチ期間においてEGRバルブ81を開状態にする第1の制御動作と、EGRバルブ81を閉状態にする第2の制御動作と、を少なくとも1回ずつ行えばよい。
一例として、リッチ、リーン、リッチ、リーン、リッチ、…というように、間に2回のリーン期間を挟んで連続する3回のリッチ期間のうち、2回のリッチ期間ではEGRバルブ81を閉状態にし、残りの1回では開状態にしてもよい。反対に2回のリッチ期間ではEGRバルブ81を開状態にし、残りの1回では閉状態にしてもよい。
また、上記実施形態では、S被毒回復制御の最初のリーン期間に続く1回目のリッチ期間ではEGRバルブ81を閉状態にし、2回目のリッチ期間でEGRバルブ81を開くようにしているが、反対に1回目のリッチ期間でEGRバルブ81を開状態にし、2回目のリッチ期間でEGRバルブ81を閉じるようにしてもよい。
同様に変形例1においても、リッチ期間の初期の所定期間内はEGRバルブ81を閉状態にし、所定期間の経過後にEGRバルブ81を開くようにしているが、反対に初期の所定期間内はEGRバルブ81を開状態にし、所定期間の経過後にEGRバルブ81を閉じるようにしてもよい。
また、上記実施形態のように空燃比をリッチ、リーンに交互に切り替える場合に、リーン期間を間に挟んで連続する2回のリッチ期間で、EGRバルブ81を交互に開状態および閉状態に制御するようにしておいて、さらに変形例2、3のように排気マニホールド72や高圧EGR通路8の温度の判定結果に応じて、EGRバルブ81を開閉制御するようにしてもよい。