JP2016113974A - 内燃機関の排気浄化制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒の温度が上がりにくい条件の下でもＳＯｘを放出可能とする。【解決手段】排気浄化触媒２８の温度が、ＳＯｘ放出温度に達しておらず、かつＥＧＲを停止することによりＳＯｘ放出温度に昇温される温度である場合、ＥＧＲ弁３２を閉じてＥＧＲを停止する。ＥＧＲを停止することで、排気温度が上がり、排気浄化触媒の温度がＳＯｘ放出温度に達する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化に関し、特に、排気浄化触媒に吸着されたＳＯｘ（硫黄酸化物）の放出処理に関する。

内燃機関の排気を浄化する排気浄化触媒が知られている。また、リーン（空気過剰）の空燃比で運転されることがある内燃機関においては、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が用いられる。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガス中のＮＯｘを一旦吸蔵し、吸蔵されたＮＯｘは、所定の時期に空燃比をリッチ（燃料過剰）にして内燃機関を運転することにより触媒から放出・還元される。

内燃機関の燃料には硫黄分が含まれ、燃料の燃焼によってＳＯｘが発生する。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、ＮＯｘと同様、ＳＯｘも吸着する。吸着されたＳＯｘは、触媒からＮＯｘを放出・還元するときの温度では触媒から放出されづらく、ＮＯｘが放出されても触媒に蓄積されていく。ＳＯｘを触媒から放出するためには、触媒の温度を、ＮＯｘを放出する際の温度よりも高くする必要があることが知られている。下記特許文献１の段落０００４には、排気浄化触媒からＳＯｘを放出するために、高温時に排気ガスをリッチ状態とすることが記載されている。

特開２００４−１７６６３２号公報

排気浄化触媒からＳＯｘを放出するためには触媒を高温にする必要があるが、低速走行時などでは、排気浄化触媒の温度が上がりにくく、ＳＯｘを十分放出することができない。

本発明は、排気浄化触媒の温度を高めやすくして、ＳＯｘが放出されやすくすることを目的とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化制御装置は、排気浄化触媒に吸着されたＳＯｘが所定量以上になると空燃比をリッチにして吸着されたＳＯｘを放出させる内燃機関の排気浄化制御装置であって、排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得部と、排気浄化触媒に吸着されたＳＯｘが所定量以上のとき、取得された触媒温度が、ＳＯｘ放出温度に達しておらず、かつＥＧＲ（排気再循環）を停止することによりＳＯｘ放出温度に昇温される温度である場合、ＥＧＲを停止指令するＥＧＲ停止指令部と、を有する。

燃焼後のガス（排気ガス）は、空気に比べて比熱が大きく、ＥＧＲによってこれが吸気に混合されると、シリンダ室内の混合ガスの比熱が下がる。このため、ＥＧＲを行うと、燃焼による温度上昇が抑えられ、排気ガスの温度が低くなる。ＥＧＲを停止することで、ＥＧＲを行う場合に比べて排気ガスの温度を高くすることができる。

ＥＧＲを停止することで、ＥＧＲを行う場合に比べて排気ガスを高くすることができ、ＳＯｘの放出が促進される。

内燃機関の排気浄化に係る構成を示す図である。 ＳＯｘ放出処理に係るフローを示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、内燃機関１０の排気浄化に係る構成を模式的に示す図である。以下の説明では、内燃機関１０の例として火花点火機関を挙げて説明するが、他の形式の機関、例えば圧縮着火機関であってもよい。

内燃機関１０は、シリンダ１２と、シリンダ１２内で往復運動するピストン１４と、シリンダ１２の開放端を覆うように設けられたシリンダヘッド１６を有する。シリンダ１２、ピストン１４およびシリンダヘッド１６で囲まれる空間をシリンダ室１８と記す。シリンダ室１８には、シリンダ室１８へ供給される空気（吸気）が流れる吸気流路２０と、シリンダ室１８から排出された燃焼後のガス（排気）が流れる排気流路２２が接続されている。吸気流路２０は、シリンダヘッド１６に形成された吸気ポートと、シリンダヘッド１６に接続される吸気管により形成される。多気筒機関の場合、吸気管は、吸気を各シリンダ室１８に分配する吸気マニホルドを含む。排気流路２２は、シリンダヘッド１６に形成された排気ポートと、シリンダヘッド１６に接続される排気管により形成される。多気筒機関の場合、排気管は、各シリンダ室１８からの排気をまとめる排気マニホルドを含む。シリンダ室１８には、点火プラグ２４が設けられる。

吸気流路２０には、燃料噴射弁２６が設けられ、ここから噴射された燃料は、吸気流路を流れる空気に混合してシリンダ１２内に送られる。燃料噴射弁は、シリンダ室１８内に直接燃料を噴射するようシリンダヘッド１６に設けてもよい。吸気流路２０とシリンダ室１８のそれぞれに燃料噴射弁を設けてもよい。

排気流路２２には、排気浄化触媒２８が設けられている。排気浄化触媒２８は、ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒であってよい。また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、三元触媒を分離して設けてもよい。排気浄化触媒２８の上流側の排気流路２２と吸気流路２０とを結び、排気の一部を吸気に混入するためのＥＧＲ配管３０が設けられている。ＥＧＲ配管３０には、ＥＧＲ弁３２が設けられる。ＥＧＲ弁３２が開かれると、排気が吸気に混入される排気再循環が行われる。ＥＧＲ弁３２が閉じられると、吸気に排気は混合されず、シリンダ室１８内には、新気のみが供給される。

燃料噴射弁２６の燃料噴射量、点火プラグ２４の点火時期、ＥＧＲ弁３２の開閉制御は、内燃機関１０の運転状態に基づき、制御部３４が制御する。内燃機関１０の運転状態を把握するために、各種センサが設けられている。例えば、内燃機関１０の回転速度を検出するための回転速度センサ３６、吸入空気量を検出する吸入空気量センサ３８、空燃比を検出する空燃比センサ４０が設けられている。

排気浄化触媒２８にＳＯｘが吸着すると（硫黄被毒）、触媒の性能が低下するため、定期的に吸着したＳＯｘを放出する必要がある。以下、ＳＯｘの放出に関する制御を説明する。

排気浄化触媒２８に吸着されたＳＯｘの蓄積量は、燃料中の硫黄濃度、燃料噴射量、触媒温度に基づき、制御部３４にて算出される。燃料の硫黄濃度は、あらかじめ定められた値を用いる。燃料噴射量は、制御部３４によって制御される燃料噴射弁２６の噴射時間に基づき算出される。燃料噴射量と燃料の硫黄濃度の積が排気ガス中に含まれる硫黄の量であり、これが全て触媒に蓄積されるとして積算して、ＳＯｘの蓄積量を算出する。また、排ガス中の硫黄が触媒に吸着される割合をあらかじめ求めておき、排ガス中の硫黄の量にこの割合を掛けてＳＯｘの蓄積量を算出してもよい。さらに、排気浄化触媒２８の温度が高いときには、吸着されていたＳＯｘが一部放出されるので、この放出量を、上記の蓄積量から減算することもできる。この放出量は、排気浄化触媒２８の温度およびＳＯｘの蓄積量と、ＳＯｘの放出量の関係をあらかじめ求めて記憶しておき、この関係に基づき求める。排気浄化触媒２８の温度は、後述するように、内燃機関１０の各センサから取得された変数に基づき推定算出することができる。また、排気浄化触媒２８に温度センサを設け、この温度センサの出力値に基づき取得されてもよい。

排気浄化触媒２８の温度の推定算出は、ある算出周期における温度に対し、触媒に出入りする熱に対応する温度を加算して次の算出周期の温度を推定して行われる。算出周期(n)における温度の推定値をＴ(n)、このときの内燃機関の運転条件が継続して定常状態となったときに到達する温度をＴsとし、次の算出周期(n+1)の温度の推定値Ｔ(n+1)を次式（１）により算出する。
Ｔ(n+1)＝Ｔ(n)＋α（Ｔs−Ｔ(n)） ・・・（１）
現在の温度Ｔ(n)から定常状態となった温度Ｔsに達するには時間を要するので、なまし率α（０＜α＜１）を掛ける。なまし率αは、吸入空気量に関連し、吸入空気量となまし率αの対応関係をあらかじめ求めて記憶しておき、この対応関係と吸入空気量センサの検出値を適用して、なまし率αを決定する。

定常状態における温度Ｔsは、機関回転速度と空気量負荷率に基づく基本温度Ｔs'に対し、走行風および点火時期の遅角に基づく影響（補正値ΔＴa,ΔＴb）を補正して算出する。
Ｔs＝Ｔs'＋ΔＴa＋ΔＴb ・・・（２）
機関回転速度は回転速度センサ３６の出力に基づき取得する。空気量負荷率とは、内燃機関１０の１サイクルで吸入可能な空気量に対する実際に吸入された空気量の体積比である。１サイクルで吸入可能な空気量は、シリンダのボア、ピストンのストローク、吸気弁および排気弁の開閉時期で定まる値である。実際に吸入された空気量は、吸入空気量センサ３８の出力に基づき取得する。一定の回転速度、一定の空気量負荷率で運転を継続すると、触媒の温度が飽和し、定常状態となる。機関回転速度および空気量負荷率と、定常状態の温度（基本温度Ｔs'）の関係をあらかじめ求めて記憶しておく。

内燃機関１０が車両に搭載されたものである場合、車両の走行により排気浄化触媒２８に風が当たると、排気浄化触媒２８が冷やされる。車速が高いほど、より冷やされると考えられ、車速と走行風による冷却の影響（補正値ΔＴa）の関係をあらかじめ求めて記憶しておく。車速は、車輪等の回転部材の回転速度を検出する車速センサ４２の出力に基づき取得することができる。

点火時期は、基本進角度を各種の条件に基づき補正して決定される。補正は、例えばノッキングの発生により点火時期を遅角する補正、加速時に一時的に点火時期を遅角する補正などがある。点火時期を遅角すると排気温度は上昇する傾向があり、よって排気浄化触媒２８の温度も上昇する。点火時期の遅角量と遅角による影響（補正値ΔＴb）をあらかじめ求めて記憶しておく。

制御部３４は、算出周期(n)において、機関回転速度と空気量負荷率を取得し、これらに対応した基本温度Ｔs'を、記憶されている対応関係に基づき取得する。さらに、車速および点火遅角を取得して、それぞれに対応した補正値ΔＴa,ΔＴbを、記憶されている対応関係に基づき取得する。基本温度Ｔs'と補正値ΔＴa,ΔＴbから、式（２）を用いて触媒の温度Ｔsを算出する。さらに、この温度Ｔsと、前回の算出周期(n-1)において算出された温度Ｔ(n)に基づき、式（１）を用いて次の算出周期(n+1)の温度Ｔ(n+1)を算出する。

図２は、ＳＯｘの放出処理に係る処理フローを示す図である。制御部３４は、積算されたＳＯｘ蓄積量を参照し、所定値以上蓄積しているか判断する（Ｓ１００）。この所定値は、排気浄化触媒２８の浄化能力に影響を及ぼす程度の蓄積量とすることができる。蓄積量が所定値に達していない場合は、ＳＯｘの放出制御は行わず、ＥＧＲについては、これを許可する通常の制御を維持する（Ｓ１０２）。ステップＳ１００において、ＳＯｘの蓄積量が所定値以上とされた場合、排気浄化触媒２８の温度を取得し、これとＳＯｘ放出温度の下限値（以下、放出下限温度Ｔ2と記す。）を比較する（Ｓ１０４）。放出下限温度Ｔ2は、ＳＯｘを放出するために最低限必要な温度である。触媒の温度は、前述した推定方法により算出することができ、このとき、制御部３４は触媒温度取得部として機能する。ステップＳ１０４において、排気浄化触媒２８の温度が放出下限温度Ｔ2以上の場合、空燃比の目標値をリッチに設定する（Ｓ１０６）。制御部３４は、空燃比センサ４０で検出される空燃比が設定された目標値となるよう、燃料噴射弁２６を制御して燃料を増量する。これにより、内燃機関１０が空燃比がリッチな状態、すなわち理論空燃比より燃料が過剰な状態で運転され、排気浄化触媒２８に蓄積されたＳＯｘが放出・還元される。

ステップＳ１０４で、排気浄化触媒２８の温度が放出下限温度Ｔ2に達していない場合、さらに触媒の温度が、ＥＧＲを停止することによりＳＯｘ放出温度に昇温される温度（以下、昇温可能温度Ｔ1と記す。）を超えているかが判断される（Ｓ１０８）。触媒の温度が、昇温可能温度Ｔ1を超えていなければ、通常の制御が継続され、ＥＧＲの許可が維持される（Ｓ１０２）。一方、排気浄化触媒２８の温度が昇温可能温度Ｔ1を超えていれば、ＥＧＲが停止される（Ｓ１１０）。ＥＧＲの停止は、制御部３４がＥＧＲ弁３２に対し閉じる指令を行うことで実現される。よって、制御部３４は、ＥＧＲを停止指令するＥＧＲ停止指令部として機能する。ＥＧＲを停止することにより、排気温度が上昇し、排気浄化触媒２８の温度がＳＯｘが放出される温度に達する。ＥＧＲ停止により排気温度は、条件によって異なるものの５０℃程度上昇することが知られている。この場合、昇温可能温度Ｔ1は、ＳＯｘ放出下限温度Ｔ2より５０℃低い温度に設定することができる。

ＥＧＲを停止する排気浄化触媒２８の温度条件は、昇温可能温度Ｔ1を超え、かつ放出下限温度Ｔ2未満である。図２のフローにおける、排気触媒温度と昇温可能温度Ｔ1との比較、および放出下限温度Ｔ2との比較は、順序を変えて行ってもよい。

１０ 内燃機関、１８ シリンダ室、２０ 吸気流路、２２ 排気流路、２８ 排気浄化触媒、３０ ＥＧＲ配管、３２ ＥＧＲ弁、３４ 制御部（触媒温度取得部、ＥＧＲ停止指令部）、３６ 回転速度センサ、３８ 吸入空気量センサ、４０ 空燃比センサ、４２ 車速センサ、Ｔ1 昇温可能温度、Ｔ2 放出下限温度。

Claims (1)

1. 排気浄化触媒に吸着されたＳＯｘが所定量以上になると空燃比をリッチにして吸着されたＳＯｘを放出させる内燃機関の排気浄化制御装置であって、
   排気浄化触媒の温度を取得する触媒温度取得部と、
   排気浄化触媒に吸着されたＳＯｘが所定量以上のとき、取得された触媒温度が、ＳＯｘ放出温度に達しておらず、かつＥＧＲを停止することによりＳＯｘ放出温度に昇温される温度である場合、ＥＧＲを停止指令するＥＧＲ停止指令部と、
   を有する、内燃機関の排気浄化制御装置。

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