JP2016200110A - 排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】選択還元型ＮＯｘ触媒から排出されるＮＯｘ量が許容上限値に対し比較的余裕がある場合に、制御値を燃費向上側に補正する。【解決手段】本発明の一態様に係る排気浄化システムは、エンジン１の排気通路４に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒２４と、エンジンの燃焼室から排出される第１ＮＯｘ量の実際値を取得する取得部４７，１００と、ＮＯｘ触媒から排出される第２ＮＯｘ量の目標値を算出する第２ＮＯｘ量目標値算出部１００と、第２ＮＯｘ量の目標値に基づいて第１ＮＯｘ量の目標値を算出する第１ＮＯｘ量目標値算出部１００と、第１ＮＯｘ量の実際値が第１ＮＯｘ量の目標値より所定値以上少ないとき、制御値を燃費向上側に補正する補正部１００とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は排気浄化システムに係り、特に、エンジンの排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒を備える排気浄化システムに関する。

排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒を備えるエンジンを搭載した車両が公知である。かかる車両においては、選択還元型ＮＯｘ触媒から排出されるＮＯｘ量、ひいてはテールパイプから大気に放出されるＮＯｘ量が、所定の運転条件下（例えば排ガスモードにおける運転条件下）において、所定の許容上限値（例えば排ガス規制値、開発目標値等）を超えぬよう、適合（排ガス適合）を行っている。

特開２００５−２９０５号公報

しかし、実際に市場で走行される車両のエンジン運転状態によっては、選択還元型ＮＯｘ触媒から排出されるＮＯｘ量が、許容上限値に対し比較的余裕がある場合がある。この場合にも一律に適合によって定められた制御値（燃料噴射時期等）を用いることは、燃費向上の観点からすると必ずしも得策ではない。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、選択還元型ＮＯｘ触媒から排出されるＮＯｘ量が許容上限値に対し比較的余裕がある場合に、制御値を燃費向上側に補正することができる排気浄化システムを提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
エンジンの排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記エンジンの燃焼室から排出される第１ＮＯｘ量の実際値を取得する取得部と、
前記ＮＯｘ触媒から排出される第２ＮＯｘ量の目標値を算出する第２ＮＯｘ量目標値算出部と、
前記第２ＮＯｘ量の目標値に基づいて前記第１ＮＯｘ量の目標値を算出する第１ＮＯｘ量目標値算出部と、
前記第１ＮＯｘ量の実際値が前記第１ＮＯｘ量の目標値より所定値以上少ないとき、制御値を燃費向上側に補正する補正部と、
を備えたことを特徴とする排気浄化システムが提供される。

好ましくは、前記第１ＮＯｘ量目標値算出部が、前記第２ＮＯｘ量の目標値と、前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率とに基づいて前記第１ＮＯｘ量の目標値を算出する。

好ましくは、前記第１ＮＯｘ量目標値算出部が、前記第２ＮＯｘ量の目標値と、前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率と、前記第１ＮＯｘ量の実際値と、前記ＮＯｘ触媒に供給される排気中のＮＯ２／ＮＯｘ比率とに基づいて前記第１ＮＯｘ量の目標値を算出する。

好ましくは、前記制御値が、燃料噴射時期、コモンレール圧、ブースト圧、ＥＧＲ率、および吸気スロットルバルブ開度の少なくとも一つである。

好ましくは、前記第２ＮＯｘ量目標値算出部が、エンジン回転速度と燃料噴射量に基づいて前記第２ＮＯｘ量の目標値を算出する。

本発明によれば、選択還元型ＮＯｘ触媒から排出されるＮＯｘ量が許容上限値に対し比較的余裕がある場合に、制御値を燃費向上側に補正することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。 本実施形態における制御ルーチンのフローチャートである。 第２ＮＯｘ量目標値の算出マップを示す。 基本ＮＯｘ浄化率の算出マップを示す。 第１補正係数の算出マップを示す。 第２補正係数の算出マップを示す。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態の構成を示す概略図である。エンジン（内燃機関）１は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。図示例は直列４気筒エンジンを示すが、エンジンのシリンダ配置形式、気筒数等は任意である。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９内すなわち燃焼室内に燃料を直接噴射する。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量（吸気流量）を検出するためのセンサ（吸気量センサ）である。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に配置された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合する。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気管２１には、上流側から順に、酸化触媒２２、パティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）２３、選択還元型ＮＯｘ触媒２４およびアンモニア酸化触媒２６が設けられる。

酸化触媒（DOC：Diesel Oxidation Catalyst）２２は、排気ガス中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化する。酸化触媒２２は、ＨＣ，ＣＯの酸化時に生じた熱で排気ガスを加熱、昇温する機能を有する。また酸化触媒２２は、排気中の窒素酸化物ＮＯｘを二酸化窒素ＮＯ２に酸化する機能をも有する。排気中のＮＯｘは大部分がＮＯであるが、これをＮＯ２に酸化することにより、後段の選択還元型ＮＯｘ触媒２４におけるＮＯｘ浄化率を向上できる。

ＤＰＦ２３は、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集して除去するものである。またＤＰＦ２３は、その内壁にＰｔ等の貴金属を担持させた所謂連続再生式の触媒付きＤＰＦからなる。この場合、ＤＰＦに供給された排気中のＨＣが触媒作用で酸化、燃焼し、このとき同時にＤＰＦ内部に堆積しているＰＭが燃焼除去される。

選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR：Selective Catalytic Reduction）２４は、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを浄化するための触媒である。ＮＯｘ触媒２４は、還元剤が添加されたときにＮＯｘを連続的に還元し得る。ＮＯｘ触媒２４の上流側、特に入口近傍の排気通路４には、還元剤としての尿素水をＮＯｘ触媒２４に添加する添加弁２５が設けられる。尿素水が添加されると、触媒上で尿素水が加水分解され、アンモニアが生成される。このアンモニアがＮＯｘと反応してＮＯｘが還元される。

アンモニア酸化触媒２６は、所謂アンモニアスリップが生じたとき、ＮＯｘ触媒２４から排出された余剰アンモニアを酸化して浄化する触媒である。

エンジン１はＥＧＲ装置３０をも備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内（特に排気マニホールド２０内）の排気ガスの一部（「ＥＧＲガス」という）を吸気通路３内（特に吸気マニホールド１０内）に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３３とを備える。

また本実施形態において、制御ユニットもしくはコントローラをなす電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、インジェクタ７、吸気スロットルバルブ１６、添加弁２５およびＥＧＲ弁３３等を制御する。

センサ類に関して、上述のエアフローメータ１３の他、エンジンの回転速度（ｒｐｍ）を検出するための回転速度センサ４０、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４１が設けられる。また、酸化触媒２２、ＤＰＦ２３、ＮＯｘ触媒２４の各々の上流側ないし入口近傍の排気温度を検出するための排気温センサ４２，４３，４４が設けられている。また、ＤＰＦ２３の上流側および下流側の排気圧の差圧を検出するための差圧センサ４５が設けられている。また、エンジンの燃焼室から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ４７が設けられている。これらセンサ類の出力信号はＥＣＵ１００に送られる。

ＥＣＵ１００は、排気温センサ４２，４３，４４により検出された排気温に基づき酸化触媒２２、ＤＰＦ２３、ＮＯｘ触媒２４の温度をそれぞれ推定する。なおこれら各要素に各々に設けられた温度センサにより各温度を直接検出しても構わないし、推定と検出を組み合わせてもよい。これら推定と検出を総称して取得という。またＥＣＵ１００は、差圧センサ４５により検出された差圧に基づきＤＰＦ２３のＰＭ堆積量を推定する。なおＰＭ堆積量は、車両の走行距離、エンジン運転時間、燃料噴射量積算値等に基づいて推定することもできる。

図示しないが、コモンレール圧を検出するためのコモンレール圧センサが設けられ、ＥＣＵ１００は、コモンレール圧センサにより検出された実際のコモンレール圧が目標コモンレール圧に一致するようフィードバック制御を行う。

次に、本実施形態の制御について説明する。前述したように、エンジンの運転状態によっては、ＮＯｘ触媒２４から排出されるＮＯｘ量が許容上限値に対し比較的余裕がある場合がある。この場合にも一律に適合によって定められた制御値（燃料噴射時期等）を用いることは、燃費向上の観点からすると必ずしも得策ではない。そこで本実施形態では、かかる場合に、制御値を燃費向上側に補正することとしている。

以下の説明において、エンジンの燃焼室から排出されるＮＯｘを「第１ＮＯｘ」、その量（単位時間当たりの量）を「第１ＮＯｘ量」という。第１ＮＯｘは、エンジンアウトＮＯｘと言い換えることもできる。またＮＯｘ触媒２４から排出されるＮＯｘを「第２ＮＯｘ」、その量（単位時間当たりの量）を「第２ＮＯｘ量」という。第２ＮＯｘは、テールパイプアウトＮＯｘと言い換えることもできる。

図２を参照して、本実施形態における制御ルーチンを説明する。図示するルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

なお、本実施形態では単一のＥＣＵ１００により演算処理を行うが、システムの中には、エンジンを制御するＥＣＵと、尿素添加量を制御するＥＣＵ（ＤＣＵと称される）とが別体で構成され、両者が通信可能に接続されるものがある。このものでは、両者間で情報をやり取りしつつ両者で演算処理を行うが、こうしたシステムにおいても本発明は適用可能である。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、ＮＯｘセンサ４７により検出されたＮＯｘ濃度（第１ＮＯｘ濃度）と、エアフローメータ１３により検出された単位時間当たりの吸入空気量Ｇａおよびインジェクタ７により噴射された燃料噴射量Ｇｆを加算した排気流量Ｇｅとに基づいて、第１ＮＯｘ量の実際値Ｍ１Ｒを取得（検出）する。例えば第１ＮＯｘ濃度と排気流量Ｇｅの積を第１ＮＯｘ量の実際値Ｍ１Ｒとする。なお本実施形態ではＮＯｘセンサ４７がタービン１４Ｔと酸化触媒２２の間に設置されているが、ＮＯｘ触媒２４の上流側における他の位置に設置されてもよい。また本実施形態では第１ＮＯｘ量の実際値Ｍ１Ｒを検出するが、エンジンモデル等に基づき推定してもよい。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、第２ＮＯｘ量の目標値Ｍ２Ｔを算出する。この第２ＮＯｘ量目標値Ｍ２Ｔは、上述の許容上限値に相当する値であり、この第２ＮＯｘ量目標値Ｍ２Ｔまでは、第２ＮＯｘ量の実際値の上昇が許容される。第２ＮＯｘ量目標値Ｍ２Ｔは、エンジン運転状態に応じて時々刻々と変化する値であり、エンジン運転状態に基づいて算出される。特に第２ＮＯｘ量目標値Ｍ２Ｔは、検出された実際のエンジン回転速度ＮＥと、指示値としての目標燃料噴射量Ｑとに基づき、図３に示すような所定のマップｍｐ１に従って算出される。目標燃料噴射量Ｑは、実際のエンジン回転速度ＮＥとアクセル開度ＡＣとに基づき図示しない別のマップに従って算出される。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ１００は、ＮＯｘ触媒２４の効率すなわちＮＯｘ浄化率ηを次の手順で算出する。

まず、基本ＮＯｘ浄化率ηｂが、アンモニア吸着量ＳＴＲと、ＮＯｘ触媒２４の触媒温度Ｔｃとに基づき（いずれも推定値）、図４に示すような所定のマップｍｐ２に従って算出される。アンモニア吸着量ＳＴＲとは、ＮＯｘ触媒２４に吸着（ストレージ）されているアンモニアの量である。アンモニア吸着量ＳＴＲが多いほど、また触媒温度Ｔｃが高いほど、基本ＮＯｘ浄化率ηｂは高くなる傾向にある。特に基本ＮＯｘ浄化率ηｂは触媒温度Ｔｃに影響を受け易い。なおアンモニア吸着量ＳＴＲは公知方法を含む任意の方法で推定可能である。例えばＥＣＵ１００は、添加弁２５から添加された尿素水量（具体的には添加量指示値）に基づいて添加アンモニア量を算出し、ＮＯｘ触媒２４においてＮＯｘ（第１ＮＯｘ）の還元に使用された使用アンモニア量を算出し、添加アンモニア量から使用アンモニア量を減算して余剰アンモニア量を算出し、余剰アンモニア量を演算周期毎に積算してアンモニア吸着量ＳＴＲを算出する。

こうして算出された基本ＮＯｘ浄化率ηｂを、そのまま最終的に求めるＮＯｘ浄化率ηとしてもよいが、本実施形態では精度向上のため、基本ＮＯｘ浄化率ηｂを補正して最終的なＮＯｘ浄化率ηとする。

すなわち、第１補正係数Ｋ１が、ＮＯｘ触媒２４の触媒温度Ｔｃと、第１ＮＯｘ量の実際値Ｍ１Ｒとに基づき、図５に示すような所定のマップｍｐ３に従って算出される。なお第１ＮＯｘ量の実際値Ｍ１Ｒは第１ＮＯｘの質量流量と言い換えることができる。図示されるように、第１補正係数Ｋ１は、大凡１であるが、第１ＮＯｘ量の実際値Ｍ１Ｒが少ない領域において若干１を超える。また第１補正係数Ｋ１は、図では判別不能であるが、触媒温度Ｔｃに応じて１近傍で微妙に変化する。

次に第２補正係数Ｋ２が、ＮＯｘ触媒２４の触媒温度Ｔｃと、ＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒとに基づき、図６に示すような所定のマップｍｐ４に従って算出される。ＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒとは、ＮＯｘ触媒２４に供給される排気中の窒素酸化物ＮＯｘ濃度に対する二酸化窒素ＮＯ２濃度の比率をいう。図示されるように、第２補正係数Ｋ２は、ＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒが０．５のとき極大値１を取り、ＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒが０．５から離れるにつれ極大値１から減少していく。また第２補正係数Ｋ２は、図では判別不能であるが、触媒温度Ｔｃに応じて微妙に変化する。なおＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒは公知方法を含む任意の方法で推定可能である。例えばＥＣＵ１００は、第１ＮＯｘ量の実際値Ｍ１Ｒと酸化触媒２２の推定温度とに基づいてＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒを算出する。

こうして第１補正係数Ｋ１および第２補正係数Ｋ２が算出されたら、これらを基本ＮＯｘ浄化率ηｂに乗じて最終的なＮＯｘ浄化率η（＝Ｋ１×Ｋ２×ηｂ）が算出される。

次に、ステップＳ１０４においてＥＣＵ１００は、第１ＮＯｘ量目標値Ｍ１Ｔを算出する。第１ＮＯｘ量目標値Ｍ１Ｔは、現状の第２ＮＯｘ量目標値Ｍ２ＴおよびＮＯｘ浄化率ηに鑑みて、燃焼室から排出されることが許容されるＮＯｘ量の上限値である。

ここで、ＮＯｘ浄化率ηは次式（１）で表すことができる。

これを変形すると次式（２）のようになる。

従って式（２）より、第２ＮＯｘ量目標値Ｍ２ＴおよびＮＯｘ浄化率ηに基づいて第１ＮＯｘ量目標値Ｍ１Ｔが算出される。

次に、ステップＳ１０５においてＥＣＵ１００は、第１ＮＯｘ量実際値Ｍ１Ｒが第１ＮＯｘ量目標値Ｍ１Ｔより所定値α（＞０）以上少ないか否かを判断する。具体的には、第１ＮＯｘ量目標値Ｍ１Ｔから第１ＮＯｘ量実際値Ｍ１Ｒを減じてなる差が、所定値α以上か否かを判断する。

イエスの場合、これは、第１ＮＯｘ量実際値Ｍ１Ｒが第１ＮＯｘ量目標値Ｍ１Ｔに対し比較的余裕がある場合に相当するから、ステップＳ１０６に進んで、制御値が、エンジン運転状態に応じて定められる基本値から、燃費向上側に補正される。他方、ノーの場合には直ちにルーチンが終了される。

制御値は、燃料噴射時期、コモンレール圧、ブースト圧、ＥＧＲ率、および吸気スロットルバルブ開度の少なくとも一つである。好ましくは、制御値は燃料噴射時期（燃料噴射開始時期）であり、補正の際、燃料噴射時期は基本値から所定角度だけ進角される。補正された燃料噴射時期において燃料が噴射され（燃料噴射が開始され）、これによりエンジン出力が増加し、燃費が向上する。

制御値がコモンレール圧である場合、補正に際してコモンレール圧は基本値から所定値だけ上昇される。補正されたコモンレール圧で燃料噴射が行われ、これにより燃料噴霧が微粒化または燃料噴射率が高まり、燃焼効率の向上により燃費が向上する。制御値がブースト圧である場合、補正に際してブースト圧は基本値から所定値だけ上昇され、これによりエンジン出力が増加し、燃費が向上する。なお図示しないが、本実施形態では可変ノズル等のブースト圧可変機構がタービン１４Ｔに備えられ、ブースト圧可変機構がＥＣＵ１００により制御される。

制御値がＥＧＲ率である場合、補正に際してＥＧＲ率は基本値から所定値だけ減少される。これによりＥＧＲ弁３３の開度が所定開度だけ減少され、吸気中の新気割合が増え、エンジン出力が増加し、燃費が向上する。制御値が吸気スロットルバルブ開度である場合、補正に際して吸気スロットルバルブ開度は基本値から所定値だけ増大される。これにより吸気中の新気割合が増え、エンジン出力が増加し、燃費が向上する。

このように、第１ＮＯｘ量実際値Ｍ１Ｒの余裕分を燃費向上側に振り替えて有効活用できるので、実用上大変有利である。

以上の説明で明らかなように、ＥＣＵ１００およびＮＯｘセンサ４７は本発明にいう取得部をなす。またＥＣＵ１００は、本発明にいう第２ＮＯｘ量目標値算出部、第１ＮＯｘ量目標値算出部および補正部をなす。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は他の実施形態も可能である。例えば、第１ＮＯｘ量目標値Ｍ１Ｔから第１ＮＯｘ量実際値Ｍ１Ｒを減じてなる差が所定値α以上である場合に、その差が大きいほど制御値の補正量を増大させてもよい。差が大きいほど第１ＮＯｘ量実際値Ｍ１Ｒの余裕分が大きいからである。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ エンジン
４ 排気通路
２４ 選択還元型ＮＯｘ触媒
４７ ＮＯｘセンサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (5)

1. エンジンの排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記エンジンの燃焼室から排出される第１ＮＯｘ量の実際値を取得する取得部と、
   前記ＮＯｘ触媒から排出される第２ＮＯｘ量の目標値を算出する第２ＮＯｘ量目標値算出部と、
   前記第２ＮＯｘ量の目標値に基づいて前記第１ＮＯｘ量の目標値を算出する第１ＮＯｘ量目標値算出部と、
   前記第１ＮＯｘ量の実際値が前記第１ＮＯｘ量の目標値より所定値以上少ないとき、制御値を燃費向上側に補正する補正部と、
   を備えたことを特徴とする排気浄化システム。
2. 前記第１ＮＯｘ量目標値算出部が、前記第２ＮＯｘ量の目標値と、前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率とに基づいて前記第１ＮＯｘ量の目標値を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
3. 前記第１ＮＯｘ量目標値算出部が、前記第２ＮＯｘ量の目標値と、前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率と、前記第１ＮＯｘ量の実際値と、前記ＮＯｘ触媒に供給される排気中のＮＯ２／ＮＯｘ比率とに基づいて前記第１ＮＯｘ量の目標値を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
4. 前記制御値が、燃料噴射時期、コモンレール圧、ブースト圧、ＥＧＲ率、および吸気スロットルバルブ開度の少なくとも一つである
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気浄化システム。
5. 前記第２ＮＯｘ量目標値算出部が、エンジン回転速度と燃料噴射量に基づいて前記第２ＮＯｘ量の目標値を算出する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化システム。