JP2017227171A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】適切なＮＯxパージ及びＳパージを可能にする。【解決手段】ＮＯxパージ制御及びＳパージ制御が可能なエンジン２の排気浄化装置において、エンジンコントロールユニット３０は、Ｓパージにおいては、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の劣化度合が大きくなるに伴ってパージ時間を固定しつつリッチ深さを小さくし合計燃料噴射量を減少させる。ＮＯxパージにおいては、劣化度合に拘わらずリッチ深さ及びパージ時間は変更せず、エンジン負荷が増加するに伴ってリッチ深さを大きくするとともにパージ時間を短くする。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置のパージ制御に関する。

内燃機関の排気通路には、排気を浄化するための排気浄化装置が備えられている。例えば、内燃機関の排気中のＮＯx(窒素酸化物)を浄化するために、ＮＯx吸蔵還元触媒等の排気浄化触媒が開発されている。
ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、例えば貴金属を含んだ担体にＮＯx吸蔵剤を担持させて構成されており、リーン空燃比雰囲気（酸化雰囲気）下でＮＯxを捕捉する機能を有している。そして、内燃機関の燃料噴射制御等によって排気をリッチ空燃比とするとともに、触媒温度を適正範囲に制御するＮＯxパージを行うことで、捕捉しているＮＯxを放出し、排気中のＨＣ、ＣＯと反応させて還元する。

しかし、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、排気中のＮＯxを吸蔵するとともに、排気中の硫黄が吸着されてしまう。そこで、ＮＯx吸蔵還元触媒に吸着した硫黄を除去するために、内燃機関の燃料噴射制御等によって排気をリッチ空燃比とするとともに、触媒温度を上昇させるＳパージが必要に応じて行われる。
更に、特許文献１には、ＮＯxパージにおいて、排気空燃比をリーンとリッチとの間で周期的に切換え、このリッチ時間を触媒の劣化度合に基づいて変更することで、燃料消費及び未燃燃料の排出を抑制する技術が開示されている。

特許第２８３６５２３号公報

しかしながら、ＮＯxパージについては、Ｓパージよりも触媒温度を適正範囲に制御することが困難であり、またＮＯx吸蔵還元触媒の硫黄の吸着量によってＮＯxの吸蔵・還元状況が大きく異なる可能性があり、ＮＯxパージを常に適正に行なうよう調整することが困難であるといった問題点がある。
また、ＮＯxパージだけでなくＳパージにおいても燃料消費及び未燃燃料の排出を抑制するとともに、パージの実行時間を短縮させることが要求されている。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、排気通路に窒素酸化物吸蔵還元触媒を備えた内燃機関において、第１のパージ制御（ＮＯxパージ）及び第２のパージ制御（Ｓパージ）を夫々適切に可能とする排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の窒素酸化物を吸蔵する窒素酸化物吸蔵還元触媒と、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に流入する排気をリッチ空燃比とするとともに当該リッチ空燃比にする時間であるパージ時間を制御して、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に吸蔵されている窒素酸化物を前記窒素酸化物吸蔵還元触媒から除去する第１のパージ制御を実行する第１のパージ制御部と、前記リッチ空燃比及び前記パージ時間を制御して、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に吸着している硫黄成分を前記窒素酸化物吸蔵還元触媒から除去する第２のパージ制御を実行する第２のパージ制御部と、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の劣化度合を推定する劣化度合推定部と、を備え、前記第１のパージ制御部及び前記第２のパージ制御部の一方が、前記劣化度合に基づいて前記リッチ空燃比及び前記パージ時間の少なくとも一方を変更し、前記第１のパージ制御部及び前記第２のパージ制御部の他方が前記劣化度合に拘らず前記リッチ空燃比及び前記パージ時間を制御することを特徴とする。

また、好ましくは、前記第２のパージ制御部は、前記劣化度合に拘わらず前記パージ時間を固定し、前記劣化度合に応じて前記リッチ空燃比を変更するとよい。
また、好ましくは、前記内燃機関の負荷を演算する負荷演算部を備え、前記第１のパージ制御部は、前記劣化度合に拘わらず前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に供給する未燃燃料量を一定量にし、前記負荷に基づいて前記リッチ空燃比及び前記パージ時間を変更して前記未燃燃料量を前記一定量に制御するとよい。

また、好ましくは、前記第１のパージ制御部は、前記負荷が増加するに伴って前記リッチ空燃比をリッチ側に変更するとともに前記パージ時間を短くするとよい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒の劣化度合に基づいて、第１のパージ制御及び第２のパージ制御の少なくとも一方において、リッチ空燃比及びパージ時間が制御されるので、劣化度合に応じてリッチ空燃比及びパージ時間を適切に設定して、第１のパージ制御または第２のパージ制御における燃料消費を抑制するとともにパージ制御の実行時間を低減させることができる。

更に、第１のパージ制御と第２のパージ制御とで劣化度合に対する排気のリッチ空燃比及びパージ時間の制御が異なるので、第１のパージ制御及び第２のパージ制御において夫々に適したリッチ空燃比及びパージ時間に設定することができ、第１のパージ制御及び第２のパージ制御を夫々適切に実行して、燃料消費、未燃燃料の排出、パージ時間の抑制を図ることができる。

本発明の実施形態におけるエンジンの吸排気系の概略構成図である。 エンジンコントロールユニットにおけるＳパージ、ＮＯxパージ制御手順を示すフローチャートである。 各パージにおけるＮＯx吸蔵還元触媒の劣化度合と合計燃料噴射量との関係を示すグラフである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置１が適用されたディーゼルエンジン（内燃機関：以下、エンジン２という）の吸排気系の概略構成図である。
エンジン２は、走行駆動源として車両に搭載されており、多気筒の筒内直接噴射式エンジンであって、図１では簡略して１つの気筒のみ記載している。エンジン２は、各気筒に設けられた筒内燃料噴射弁３（燃料噴射手段）から、任意の噴射時期及び噴射量で各気筒の燃焼室４内に燃料を噴射可能な構成となっている。

エンジン２の吸気通路５には、新気の流量を調整するための電子制御スロットルバルブ６が設けられている。
エンジン２の排気通路１０には、エンジン２から下流に向かって順番に、ＮＯx吸蔵還元触媒１１（窒素酸化物吸蔵還元触媒）、ディーゼルパティキュレートフィルタ１２が設けられている。ＮＯx吸蔵還元触媒１１及びディーゼルパティキュレートフィルタ１２は、エンジン２の排気ポート１３に近接して配置されている。

ＮＯx吸蔵還元触媒１１は、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を含んだ担体に、バリウム（Ｂａ），カリウム（Ｋ）等のＮＯx吸蔵剤を担持させて構成されており、リーン空燃比雰囲気（酸化雰囲気）下でＮＯx（窒素酸化物）を捕捉する一方、リッチ空燃比雰囲気（還元雰囲気）下で、捕捉しているＮＯxを放出し、排気中のＨＣ、ＣＯと反応させて還元する機能を有している。

ディーゼルパティキュレートフィルタ１２は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖して、排気中のＰＭを捕集する機能を有しており、更に、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。
更に、エンジン２には、エンジン２の回転速度を検出する回転速度センサ２０が設けられている。エンジン２の吸気通路５には、吸気流量を検出するエアフローセンサ２１が設けられている。

エンジン２の排気通路１０には、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の上流側に排気空燃比を検出する上流側空燃比センサ２２と、排気温度を検出する上流側排気温度センサ２３が設けられている。また、ディーゼルパティキュレートフィルタ１２の下流側の排気通路には、排気空燃比を検出する下流側空燃比センサ２４が設けられている。
エンジンコントロールユニット３０（第１のパージ制御部、第２のパージ制御部、劣化度合推定部、負荷演算部）は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、タイマ及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成され、回転速度センサ２０、エアフローセンサ２１、上流側空燃比センサ２２、上流側排気温度センサ２３、下流側空燃比センサ２４等の各種センサの検出情報と、その他車両のアクセル操作量等の車両運転情報を入力し、当該各種情報に基づいて、筒内燃料噴射弁３からの燃料噴射量及び燃料噴射時期、電子制御スロットルバルブ６の開度を演算して、上記各種機器の作動制御を行うことで、エンジン２の運転制御を行う。

また、エンジンコントロールユニット３０は、ポスト噴射により排気空燃比を低下させることで、ＮＯx吸蔵還元触媒１１に吸蔵したＮＯxを除去するＮＯxパージ（第１のパージ制御）と、ポスト噴射により排気空燃比を低下させるとともに、未燃燃料を排気通路に排出し、排気通路やＮＯx吸蔵還元触媒１１において燃焼（酸化）させて、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の温度を上昇させることで、ＮＯx吸蔵還元触媒１１に吸着した硫黄成分を除去するＳパージ（第２のパージ制御）とが可能となっている。

次に、図２、３を用いて、本実施形態のエンジンにおけるＳパージ及びＮＯxパージの制御について説明する。図２は、エンジンコントロールユニット３０において実行するＳパージ、ＮＯxパージ制御手順を示すフローチャートである。図３は、各パージにおけるＮＯx吸蔵還元触媒１１の劣化度合と合計燃料噴射量との関係を示すグラフである。
本実施形態の制御は、例えばエンジン運転中に所定時間経過毎に行なわれる。

始めにステップＳ１０では、ＮＯx吸蔵還元触媒１１のＳ被毒量を推定する。Ｓ被毒量は、ＮＯx吸蔵還元触媒１１における排気中の硫黄成分の吸着量であり、例えば前回のＳパージからのエンジン２の運転積算時間や燃料噴射量の積算量等に基づいて推定すればよい。なお、本ステップにおける制御が本発明の劣化度合推定部に該当する。そして、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、Ｓパージが必要か否かを判別する。ステップＳ１０において推定されたＳ被毒量が許容値近辺に設定された閾値を超えている場合には、Ｓパージが必要であると判定し、ステップＳ３０に進む。Ｓ被毒量が閾値以下である場合には、Ｓパージが必要でないと判定し、ステップＳ６０に進む。
ステップＳ３０では、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の劣化度合（触媒劣化度合）を求める劣化推定を行なう。ＮＯx吸蔵還元触媒１１の劣化度合は、例えばエンジン運転積算時間や積算走行距離等に基づいて求めればよい。あるいは、例えば特開２０１２−０３６７６２号公報に記載されているように、ポスト噴射をしてＮＯx吸蔵還元触媒１１の下流側の空燃比の変化状況に基づいてＮＯx吸蔵還元触媒１１の劣化度合を求めて記憶しておき、次回のエンジン始動時に劣化推定をする場合等に用いてもよい。そして、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、ステップＳ３０で推定した劣化度合に基づいて、Ｓパージにおけるリッチ深さ（リッチ空燃比）を設定する。リッチ深さの基準は触媒が劣化していない場合のＳパージが最もリッチ側の目標空燃比であり、筒内燃料噴射弁３からパルス状に噴射される燃料のデューティ比の制御によって、リッチ深さが制御される。そして、劣化度合が大きくなるに伴ってリッチ深さを小さく、即ちリッチ空燃比をリーン側に変更するよう設定する。なお、本ステップでは、劣化度合に拘わらずパージ時間（上記リッチ空燃比にする時間の合計時間）は一定とする。そして、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、ステップＳ４０において設定したリッチ深さと、あらかじめ設定してあるパージ時間とするＳパージを実行する。なお、図３の実線に示すように、Ｓパージにおける合計燃料噴射量（１回のＳパージにおけるポスト噴射量の合計値）は、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の劣化度合が大きくなるに伴って減少する。そして、本ルーチンを終了する。

ステップＳ６０では、ＮＯx吸蔵還元触媒１１のＮＯx吸蔵量を推定する。ＮＯx吸蔵量は、例えば前回のＮＯxパージからのエンジン２の運転積算時間や燃料噴射量の積算量等に基づいて推定すればよい。そして、ステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、ＮＯxパージが必要か否かを判別する。ステップＳ６０において推定されたＮＯx吸蔵量が許容値近辺に設定された閾値を超えている場合には、ＮＯxパージが必要であると判定し、ステップＳ８０に進む。ＮＯx吸蔵量が閾値以下である場合には、ＮＯxパージが必要でないと判定し、本ルーチンを終了する。

ステップＳ８０では、エンジン負荷に基づいて、ＮＯxパージにおけるリッチ深さ及びパージ時間を設定する。ＮＯxパージにおいては、図３の破線に示すように劣化に拘わらず合計燃料噴射量を一定にした上で（エンジン回転数及び負荷が一定の場合）、エンジン負荷が大きくなるに伴って、リッチ深さを大きくするとともにパージ時間を短くする。そして、ステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０では、ステップＳ８０において設定したリッチ深さとパージ時間で、ＮＯxパージを実行する。そして、本ルーチンを終了する。
以上の制御により、本実施形態では、Ｓパージを実施する際に、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の劣化度合に基づいてリッチ深さを変更する。ＮＯx吸蔵還元触媒１１において、劣化度合が小さい場合には、ＮＯx吸蔵材と硫黄とが強固に結合しているため、Ｓパージを実行しても硫黄が放出され難い。そこで、劣化度合が小さい場合には、リッチ深さを大きくすることで、Ｓパージの実行時間を長くせずにＮＯx吸蔵還元触媒１１から十分に硫黄を放出することができる。劣化度合が小さい場合には、リッチ深さを小さくすることで、スリップガスの流出を抑えつつＳパージを完了させることができ、Ｓパージを実施した際の合計燃料消費量を抑制することができる。

一方、ＮＯxパージを実行する際には、エンジン２の負荷に基づいて、リッチ深さ及びパージ時間を変更する。エンジン負荷が大きい場合には、リッチ深さを大きくかつパージ時間を短くする。高負荷である場合には、メイン噴射量が大きいので、リッチ深さを深くしてもエンジン出力への影響は少なく、パージ時間を短くすることで、ＮＯxパージの実行時間を抑制することができる。エンジン負荷が小さい場合には、リッチ深さを小さく抑えパージ時間を長くする。低負荷である場合にリッチ深さを小さく抑えることで、パージによるエンジン出力に対する影響を抑え、ドライバビリティへの影響を抑制することができる。

また、ＮＯxパージでは、Ｓ被毒状況（硫黄成分の吸着状況）によってＮＯxの吸蔵量や放出量が変化するため、ＮＯx吸蔵還元触媒１１のＮＯx流入量や流出量の推定が困難であり、パージの際に要する燃料量の推定が困難である。また、ＮＯxパージにおいては、触媒温度の適正範囲がＳパージよりも狭い。よってＮＯxパージの調整はＳパージよりも困難である。本実施形態では、ＮＯxパージにおいては、劣化度合に拘わらず、リッチ深さとパージ時間との積算値である合計燃料噴射量、即ちＮＯx吸蔵還元触媒１１に供給する未燃燃料量を一定量にすることで、容易にＮＯxパージ制御を実行させることができる。

以上のように、本実施形態では、ＮＯxパージ及びＳパージにおいて、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の劣化度合に対するパージ手法の変更方法が異なることで、Ｓパージ及びＮＯxパージの両方を適切に行なうことができる。
なお、本願発明は、上記実施形態に限定するものではない。例えば、上記実施形態のＮＯxパージにおいて、リッチ深さ及びパージ時間を一定にしてもよい。またＮＯxパージにおいて、リッチ深さ及びパージ時間のいずれか一方を固定してエンジン負荷に基づいて他方を制御してもよいし、エンジン負荷に基づいて合計燃料噴射量を簡易的に変更してもよい。

また、Ｓパージにおいては、劣化度合に基づいてリッチ深さ及びパージ時間の両方を制御してもよい。
また、上記実施形態では、筒内燃料噴射弁３からのポスト噴射の制御により、ＮＯxパージ及びＳパージの制御を行なうが、例えば排気通路１０やＮＯx吸蔵還元触媒１１に燃料あるいはその他還元剤を供給して各パージを行なうものにも本発明を適用できる。

本発明は、ＮＯxパージ及びＳパージの少なくとも一方が、劣化度合に基づいて排気のリッチ深さ及びパージ時間の少なくとも一方を制御し、ＮＯxパージとＳパージとで劣化度合に対する排気のリッチ深さ及びパージ時間の制御が異なるものであればよい。
本発明は、排気浄化装置として排気通路にＮＯx吸蔵還元触媒を備え、ＮＯxパージ及びＳパージを行なう内燃機関に広く適用することができる。

２ エンジン（内燃機関）
３ 筒内燃料噴射弁（燃料噴射手段）
１１ ＮＯx吸蔵還元触媒（排気浄化触媒）
３０ エンジンコントロールユニット（第１のパージ制御部、第２のパージ制御部、劣化度合推定部、負荷演算部）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の窒素酸化物を吸蔵する窒素酸化物吸蔵還元触媒と、
   前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に流入する排気をリッチ空燃比とするとともに当該リッチ空燃比にする時間であるパージ時間を制御して、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に吸蔵されている窒素酸化物を前記窒素酸化物吸蔵還元触媒から除去する第１のパージ制御を実行する第１のパージ制御部と、
   前記リッチ空燃比及び前記パージ時間を制御して、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に吸着している硫黄成分を前記窒素酸化物吸蔵還元触媒から除去する第２のパージ制御を実行する第２のパージ制御部と、
   前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の劣化度合を推定する劣化度合推定部と、を備え、
   前記第１のパージ制御部及び前記第２のパージ制御部の一方が、前記劣化度合に基づいて前記リッチ空燃比及び前記パージ時間の少なくとも一方を変更し、前記第１のパージ制御部及び前記第２のパージ制御部の他方が前記劣化度合に拘らず前記リッチ空燃比及び前記パージ時間を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第２のパージ制御部は、前記劣化度合に拘わらず前記パージ時間を固定し、前記劣化度合に応じて前記リッチ空燃比を変更することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記内燃機関の負荷を演算する負荷演算部を備え、
   前記第１のパージ制御部は、前記劣化度合に拘わらず前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に供給する未燃燃料量を一定量にし、前記負荷に基づいて前記リッチ空燃比及び前記パージ時間を変更して前記未燃燃料量を前記一定量に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記第１のパージ制御部は、前記負荷が増加するに伴って前記リッチ空燃比をリッチ側に変更するとともに前記パージ時間を短くすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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