JP2016050547A - 排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】高空間速度時での排気浄化の性能の維持あるいは向上を、触媒容量を大きくしたり、触媒金属を増量したりすることなく、内燃機関の制御側で行えるようにする。【解決手段】内燃機関１０の排気ライン１１に取り付けられた触媒１，２と、排気ライン１１の最下流に取り付けられた排気絞り弁３と、最前方の触媒上流に取り付けられた圧力センサ４と、吸入空気量を計測するエアフローメータ６と、触媒入りガス温度を計測する温度センサ５と、を少なくとも備えた排気浄化システムＡにおいて、制御手段（ＥＣＵ）７は、吸入空気量と触媒入りガス温度から計算されるガス流量が一定値以上になったときに、排気絞り弁３を調整して排気圧力を一定範囲内となるように制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気浄化性能を向上させるために種々の提案がなされている。例えば特許文献１には、リーンバーンガソリンエンジンでのＮＯｘ吸蔵触媒の冷間始動時の性能向上を目的として、排気絞り弁と筒内噴射を併用し、排気損失増加や排気温度上昇により早期にＮＯｘ触媒を昇温させるようにした排気浄化装置が記載されている。具体的には、内燃機関の冷態時に、圧縮行程噴射モードでのリーン運転と点火時期リタードと排気絞り弁の閉制御とを併用した冷態時始動制御を実行し、圧縮行程噴射モードでのリーン運転により生成したＣＯおよびＨＣとＯ_２との反応熱による昇温作用、点火時期リタードによる昇温作用、排気絞り弁による排気圧力上昇の昇温作用を利用してＮＯｘ触媒を迅速に昇温させるようにしている。

特開２００７−０５６７１９号公報

環境保全等の観点から、内燃機関の排気浄化に対する社会的要請は厳しいものとなってきており、今後は、排気規制が実際の走行に即した条件で実施されることも予定されている。その対処の一つとして、高流速時や溶媒容積低減時のような高空間速度時での触媒の排気浄化の性能を向上させることがあげられるが、特許文献１に記載されるような従来の排気浄化システムでは、この点についての配慮は特になされていない。

本来、高空間速度時での対処は触媒側での対策を行う必要があるが、触媒の性能向上には限界があり、容易ではない。触媒容量を大きくしたり、触媒金属を増量することで高空間速度時での排気浄化の性能向上が可能であるとしても、このような手法は、スペースやコストの面から現実的な解決策とは言い難く、実現性に欠ける。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、高空間速度時での排気浄化の性能の維持あるいは向上を、触媒容量を大きくしたり、触媒金属を増量したりすることなく、内燃機関の制御側で行えるようにした排気浄化システムを提供することを課題とする。

本発明による排気浄化システムは、内燃機関の排気ラインに取り付けられた１つ以上の触媒と、前記排気ラインの最下流に取り付けられた排気絞り弁と、最前方の触媒上流に取り付けられた圧力センサと、吸入空気量を計測するエアフローメータと、触媒入りガス温度を計測する温度センサと、を少なくとも備えた排気浄化システムであって、前記排気浄化システムは、吸入空気量と触媒入りガス温度から計算されるガス流量が一定値以上になったときに、前記排気絞り弁を調整して排気圧力を一定範囲内とする制御手段を備えることを特徴とする。

本発明による排気浄化システムでは、制御手段は、吸入空気量と触媒入りガス温度から計算されるガス流量が一定値以上になったときに、前記排気絞り弁を調整して排気圧力を一定範囲内となるように制御する。その結果、排気圧力の増加とそれに伴う拡散促進が生じ、排気は触媒全域に浸入して触媒全体が有効に使用される状態となる。それにより、高流速時や触媒容量低減時のような高空間速度時であっても、触媒容積を増加せず、もしくは、触媒金属を増量せずに、内燃機関の制御側でもって、浄化性能の向上を図ることが可能となる。

本発明において、触媒そのものに制限はなく、従来自動車の排ガス浄化に用いられている三元触媒など、すべての触媒をそのまま用いることができる。なかでも、触媒がウォッシュコート層が連通孔を有する多孔質構造であることは、排気が触媒全体に浸入しやすくなることから特に好ましい。また、制御手段は、吸入空気量と触媒入りガス温度から計算されるガス流量が一定値以上になったときに、前記排気絞り弁の調整に加えて、還流ガス（ＥＧＲ）バルブを調整することで排気圧力を一定範囲内とするようにしてもよい。

本発明によれば、高流速時や触媒容量低減時のような高空間速度時であっても、触媒容積を増加せず、もしくは、触媒金属を増量せずに、内燃機関の制御側でもって、浄化性能の維持あるいは向上が可能となる。

本発明による排気浄化システムを示す全体構成図。 図１に示す排気浄化システムにおいて、ＥＣＵが実行する制御ルーチンのフローチャート。 本発明による排気浄化システムの他の実施の形態を示す全体構成図。 図３に示す排気浄化システムにおいて、ＥＣＵが実行する制御ルーチンのフローチャート。 排気絞り弁の絞り量と還流ガスバルブの開度に対する排気圧力挙動を示すグラフ。 本発明による排気浄化システムの効果をモデルガス評価装置で確認した結果を示すグラフ。 本発明による排気浄化システムの効果を実際の車両で確認した結果を示すグラフ。

以下、本発明による排気浄化システムの実施の形態を説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態のエンジンの排気浄化システムＡを示す全体構成図である。内燃機関であるエンジン１０の排気ライン１１には、１つ以上の触媒、図示のものでは、触媒１と触媒２が取り付けられ、排気ライン１１の最下流、図示のものでは触媒２の下流側には、排気量を絞って排気圧力を上げるための排気絞り弁３が取り付けられている。排気ライン１１における最前方の触媒（触媒１）の上流側には排気圧力を計測できる圧力センサ４と、触媒１へ流入する触媒入りガス温度を計測する温度センサ５が取り付けられている。また、エンジン１０の吸気側には吸入空気量を計測するエアフローメータ６が取り付けられている。そして、システムは、システム全体を制御するＥＣＵ７を備えている。

上記排気浄化システムＡの制御方法を説明する。排気浄化において、「空間速度」の概念が用いられており、空間速度ＳＶ＝Ｑ（ｍ^３／ｈｒ）／Ｖ（ｍ^３）で表される。ここで、Ｑは排気流量であり、Ｖは触媒容量である。車両が低空間速度範囲で運転されれば、排気浄化システムは十分に所期の目的を達成することができる。しかし、高流速時や溶媒容積低減時のような高空間速度時、すなわち、触媒の処理能力を超えた量の排気流量が排気ラインに流入する場合には、十分な排気浄化が行われないことが起こりうる。したがって、実際の排気浄化システムは、その排気浄化システムに固有の触媒通過ガス流量が通常設定されており、それを超えないように車両を運転することが推奨されている。

しかし、運転環境によっては、あらかじめ設定した触媒通過ガス流量を超えた運転状態となることが起こりうる。本発明の排気浄化システムは、そのような状態となったとき、すなわち高空間速度時においても、内燃機関の制御側でもって、排気浄化の性能を維持あるいは向上することを可能とする。

図１に示す排気浄化システムＡでは、図２にＥＣＵ７が実行する制御ルーチンに示すように、ＥＣＵ７は、常時、触媒通過ガス流量を計測している。なお、ここで、「触媒通過ガス流量」は、エアフローメータ６が測定する吸入空気量および温度センサ５が計測する触媒へ流入する触媒入りガス温度から計算される値である。Ｓ１０において、ＥＣＵ７は触媒通過ガス流量が当該排気浄化システムに固有のあらかじめ定められた一定値以上かどうかを判断する。ＮＯの場合、すなわち一定値以下の場合には排気浄化は所期どおりに遂行されているので、判断を停止する（Ｓ１１）。ＹＥＳと判断したときは、ＥＣＵ７は、排圧（排気圧力）狙い値を計算する（Ｓ１２）。

なお、ここで「排圧狙い値」とは、当該排気浄化システムにおいて、排気圧力が高くなることで、反応速度が増加し、また触媒内での排気の拡散促進が生じ、排気が触媒全域に浸入して触媒全体が有効に使用される状態となり得る排気圧力であり、具体的には、「排圧狙い値」は次のようにして算出される。

「排圧狙い値」＝（１．２〜１．５）×Ｐ_Ｏ、または、Ｐ_Ｌ
ここで、Ｐ_Ｏ：排気絞り弁未使用時での排圧、Ｐ_Ｌ：出力点での許容排圧。

ＥＣＵ７は、圧力センサ４が計測する実際の排気圧力値がＳ１２で計算した一定範囲内であるかどうかを判断する（Ｓ１３）。ＹＥＳの場合には、所期の排気浄化が進行している状態であり、Ｓ１０に戻って触媒通過ガス流量の計測を継続する。ＮＯの場合は、いわゆる「高空間速度値」での運転状態であることを示しているので、ＥＣＵ７は、排気絞り弁３の調整を行い（Ｓ１４）、Ｓ１３に戻って、圧力センサ４が計測する実際の排気圧力値がＳ１２で計算した一定範囲内であるかどうかの判断を継続する。

上記のように、排気浄化システムＡでは、ＥＣＵ７が吸入空気量および触媒入りガス温度から計算される触媒通過排気ガス量が一定値以上となったと判断したときは、ＥＣＵ７は排気絞り弁３の絞り量を調整して、排気圧力が計算された排圧狙い値を中心とする一定範囲内となるように制御する。それにより排圧は所要に高くなり、圧力増加によって反応速度が増加し、また触媒内での排気ガスの拡散促進が生じ、排気の浄化性能が向上するようになる。

［第２の実施の形態］
図３は、第２の実施の形態のエンジンの排気浄化システムＢを示す全体構成図である。この排気浄化システムＢは、排ガス再循環（ＥＧＲ）を備えている点で、図１に示した排気浄化システムＡと相違する。他の点は図１に示した排気浄化システムＡと同じであり、同じ符号を付すことで、詳細な説明は省略する。

図示のように、排気浄化システムＢでは、排気ライン１１とエンジン吸気側とを接続する排ガス還流通路１２が設けられており、排気の一部が吸気側に案内される。排ガス還流通路１２には還流ガスバルブ１３が取り付けてあり、ＥＣＵ７からの指令により、還流排気量が制御される。

図３に示す排気浄化システムＢでのＥＣＵ７が実行する制御ルーチンが図４に示される。このフローに示すように、この制御ルーチンは、排気浄化システムＡの制御ルーチンとほぼ同じであり、同じ内容の制御ステップには同じ符号を付すことで、当該ステップの説明を省略する。図４に示すフローでは、Ｓ１３の判断がＮＯであるときの次のステップＳ１４１が、排気浄化システムＡの制御ルーチンでのＳ１４と相違する。すなわち、Ｓ１４１では、ＥＣＵ７は、排気絞り弁３の調整に加えて還流ガスバルブ１３の調整も同時に行う。そして、Ｓ１３に戻り、圧力センサ４が計測する実際の排気圧力値がＳ１２で計算した排圧狙い値の一定範囲内であるかどうかの判断を継続する。

図５は、図４に示す制御での排気絞り弁３の絞り量と還流ガスバルブ１３の開度に対する排圧の挙動を示している。排気絞り弁３の絞り量は大きいほど、還流ガスバルブ１３の開度は小さいほど、排圧は大きくなる。このことは、図３に示した排気浄化システムＢにおいては、図１に示した排気浄化システムＡと比較して、排圧制御の自由度が高いことを示しており、排気成分も同時に制御することができるようになる。

［本発明による排気浄化システムの評価］
次に、本発明による排気浄化システムの評価を説明する。

［評価１］
図６は、第１の実施の形態である排気浄化システムＡについて、モデルガス評価装置を用いてその効果を確認した結果を示している。評価にあたっては、触媒として、ウォッシュコート層が連通孔を有する多孔質構造のものを用いた。排圧は、標準と＋２０％の２態様とし、触媒のウォッシュコート層の気孔率も標準気孔（メソ気孔率２６％）と＋１０％の高気孔（メソ気孔率３６％）の２態様とした。モデルガス温度は５００℃とし、吸入空気量を６０ｇ／ｓ（図６（ａ））、８０ｇ／ｓ（図６（ｂ））、１００ｇ／ｓ（図６（ｃ））の３態様とした。浄化性能の評価は、ＣＯとＮＯの浄化率で行った。

図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、標準排圧に対して２０％排圧を増加させると、いずれの吸入空気量においても浄化性能は向上した。そして、その効果は、触媒通過排ガス量が多いほど大きくなっていることがわかる。また、触媒のウォッシュコート層構造をより高気孔化することで、浄化性能はわずかではあるがさらに向上することもわかる。

［評価２］
次に、第１の実施の形態である排気浄化システムＡについて、実際の車両での効果確認を行った。その結果を図７に示した。評価は、過渡条件であるＵＳ０６モードで走行を行い、吸入空気量をモニタしながら３０ｇ／ｓ以上となった場合に、排気絞り弁３を使用して排圧を標準排圧に対して２０％増加させた結果である。なお、排圧を増加させたのは全体の時間の約４０％である。触媒は、ウォッシュコート層が連通孔を有する多孔質構造のものを用い、気孔率も標準気孔（メソ気孔率２６％）と＋１０％の高気孔（メソ気孔率３６％）の２態様について行った。

図７に示すように、標準排圧に対して２０％排圧増加させると浄化性能は、図６の場合と同様に向上しており、さらに、触媒のウォッシュコート層構造をより高気孔化することで、浄化性能はわずかではあるがさらに向上することもわかる。

［考察］
上記評価１および評価２での浄化性能の向上は、排圧増加により反応速度が向上したことと、排気の触媒内での拡散促進により排気成分が触媒内、特にウォッシュコート層深部まで侵入しウォッシュコート層全体が排気浄化に使われた結果であると推測され、本発明の有効性が確認される。

Ａ、Ｂ…本発明による排気浄化システム、
１、２…触媒、
３…排気絞り弁、
４…圧力センサ、
５…温度センサ、
６…エアフローメータ、
７…ＥＣＵ、
１０…エンジン、
１１…排気ライン、
１２…排ガス還流通路、
１３…還流ガスバルブ。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気ラインに取り付けられた１つ以上の触媒と、前記排気ラインの最下流に取り付けられた排気絞り弁と、最前方の触媒上流に取り付けられた圧力センサと、吸入空気量を計測するエアフローメータと、触媒入りガス温度を計測する温度センサと、を少なくとも備えた排気浄化システムであって、
   前記排気浄化システムは、吸入空気量と触媒入りガス温度から計算されるガス流量が一定値以上になったときに、前記排気絞り弁を調整して排気圧力を一定範囲内とする制御手段を備えることを特徴とする排気浄化システム。

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