JP2018162722A - ディーゼルエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】三元触媒装置を早期に安定状態にさせつつも、燃費の悪化を抑制できるディーゼルエンジンシステムを提供する。【解決手段】ディーゼルエンジンシステムの制御装置は、還元触媒装置の前記ＮＯｘ浄化率が床温の上昇に起因して低下している浄化率低下状態か否かを判定するとともに、三元触媒装置の酸素吸蔵量が規定の基準吸蔵量以上である吸蔵量過大状態か否かを判定し、前記浄化率低下状態でない場合には、前記空燃比をリーンに設定し、前記浄化率低下状態でありかつ前記吸蔵量過大状態でない場合には、前記空燃比をストイキに設定し、前記浄化率低下状態でありかつ前記吸蔵量過大状態である場合には、前記空燃比をリッチに設定する。前記リッチとして設定される空燃比は、燃料単位量あたりの前記酸素吸蔵量の減少量である単位酸素放出量が最大となるときの空燃比である最適空燃比を含む、規定の基準空燃比範囲内に収まる空燃比である。ことを特徴とする。【選択図】図１１

Description

本明細書は、ディーゼルエンジンの排ガス浄化のために還元触媒装置と三元触媒装置とを有するディーゼルエンジンシステムを開示する。

従来から、内燃機関の排ガスを浄化するために、内燃機関の排ガス流路途中に三元触媒装置を配したエンジンシステムが知られている。三元触媒装置は、排ガス中の３種類の有害成分、すなわち、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を、酸化・還元によって同時に浄化する装置である。

ただし、三元触媒装置で、ＮＯｘを効率よく浄化するためには、燃料が完全燃焼し、かつ、酸素が余らない状態、すなわち、空燃比がストイキの状態で運転される必要がある。ディーゼルエンジンでは、通常、ストイキよりも燃料比率が小さいリーンで運転されることが多い。このリーンにおいては、三元触媒装置によるＮＯｘの浄化能力が低下するため、通常、ディーゼルエンジンシステムには、還元触媒装置が設けられている。還元触媒装置は、ＮＯｘを、吸蔵した後に還元、あるいは、吸蔵することなくその都度、還元剤により還元する。かかる還元触媒装置を設けることで、リーンにおいても、効率的にＮＯｘを浄化できる。

国際公開第２０１４／０１３５５２号公報

ここで、還元触媒装置は、その床温の上昇に伴い、ＮＯｘ浄化能力が低下することが知られている。そこで、リーンで運転している場合には、還元触媒装置で、ＮＯｘの浄化を行い、還元触媒装置のＮＯｘの浄化能力が低下すれば、空燃比をストイキに移行させ、三元触媒装置によりＮＯｘ浄化を行う技術が知られている。しかし、三元触媒装置に吸蔵される酸素量が多量になると、リーンからストイキに変化させても、ＮＯｘの浄化を安定して行うことができない。すなわち、実際の制御では、空燃比を、厳密にストイキに維持することは、難しく、実際には、空燃比は、僅かに、リーン側やリッチ側に振れる。このとき、三元触媒装置における酸素吸蔵量が、飽和に近付き、新たな酸素吸蔵が困難な場合には、リーン側に僅かに振れた時に余剰の酸素を吸蔵できず、ＮＯｘ浄化率が大幅に悪化する。換言すれば、三元触媒装置における酸素吸蔵量が、飽和吸蔵量に近い場合には、三元触媒装置で安定してＮＯｘを浄化できない。

そこで、一部では、三元触媒装置の酸素を迅速に放出させるために、空燃比をリッチにすることも考えられている（例えば特許文献１等）。かかる技術によれば、比較的、短時間で、三元触媒装置の吸蔵酸素を放出しつつ、空燃比をストイキにした状態でＮＯｘを安定して浄化できる安定状態に移行させることができる。しかし、単に、空燃比をリッチにした場合、燃費の悪化を招くおそれがあった。

そこで、本明細書では、三元触媒装置を早期に安定状態にさせつつも、燃費の悪化を抑制できるディーゼルエンジンシステムを開示する。

本明細書で開示するディーゼルエンジンシステムは、還元触媒装置と、三元触媒装置とを有するディーゼルエンジンシステムであって、前記還元触媒装置のＮＯｘ浄化率に関連する物理量を検出する第一検出部と、前記三元触媒装置の酸素吸蔵量に関連する物理量を検出する第二検出部と、前記第一検出部および前記第二検出部で検出された物理量に基づいて、ディーゼルエンジンの空燃比を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記第一検出部で検出された物理量に基づいて前記還元触媒装置の前記ＮＯｘ浄化率が床温の上昇に起因して低下している浄化率低下状態か否かを判定するとともに、前記第二検出部で検出された物理量に基づいて前記三元触媒装置の酸素吸蔵量が規定の基準吸蔵量以上である吸蔵量過大状態か否かを判定し、前記浄化率低下状態でない場合には、前記空燃比をリーンに設定し、前記浄化率低下状態でありかつ前記吸蔵量過大状態でない場合には、前記空燃比をストイキに設定し、前記浄化率低下状態でありかつ前記吸蔵量過大状態である場合には、前記空燃比をリッチに設定し、前記リッチとして設定される空燃比は、燃料単位量あたりの前記酸素吸蔵量の減少量である単位酸素放出量が最大となるときの空燃比である最適空燃比を含む、規定の基準空燃比範囲内に収まる空燃比である、ことを特徴とする。

吸蔵量過大状態のときには、空燃比をリッチにすることで、三元触媒装置を、早期に安定状態にできる。また、そのリッチとして設定される空燃比を、最適空燃比を含む、規定の基準空燃比範囲内に収まる空燃比とすることで、燃費の悪化も抑制できる。

また、前記制御装置は、前記リッチとして設定される空燃比を、少なくとも、前記三元触媒の床温と、排ガスの流量と、に応じて変化させてもよい。

単位酸素放出量の変化曲線は、床温および流量に応じて変動するため、リッチとして設定される空燃比も床温および流量に応じて変動させることで、より適切な空燃比を設定できる。結果として、燃費の悪化をより効果的に抑制できる。

また、前記基準空燃比範囲は、前記最適空燃比と、前記最適空燃比よりもストイキ側にある空燃比と、の間であってもよい。

かかる構成とすることで、燃費の悪化が効果的に抑制できる。

また、前記基準空燃比範囲は、前記最適空燃比と、前記空燃比に対する前記単位酸素放出量の変化曲線を微分して得られる微分曲線が立ち下がり始めるときの空燃比である臨界空燃比と、の間であってもよい。

かかる構成とすることで、酸素吸蔵量を早期に減少できると同時に、燃費の悪化を効果的に抑制できる。結果として、三元触媒装置を早期に安定状態にさせつつも、燃費の悪化を抑制できる。

また、前記基準空燃比範囲は、前記単位酸素放出量が、前記最適空燃比における前記単位酸素放出量の８０％以上となる空燃比範囲であってもよい。

かかる構成とすることで、酸素吸蔵量を早期に減少でき、三元触媒装置をより早期に安定状態にできる。

また、前記基準空燃比範囲は、前記最適空燃比と実質的にみなせる範囲であってもよい。

かかる構成とすることで、三元触媒装置をより早期に安定状態にさせつつも、燃費の悪化をより効果的に抑制できる。

また、前記還元触媒装置は、前記三元触媒装置の下流に配されていてもよい。

また、前記還元触媒装置は、選択還元型触媒装置、および、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置の少なくとも一方を含んでもよい。

また、前記還元触媒装置のＮＯｘ浄化率に関連する物理量は、前記還元触媒装置の床温であり、前記制御装置では、前記還元触媒装置の床温が、予め規定された基準温度以上の場合に、前記浄化率低下状態であると判定してもよい。

本明細書で開示するディーゼルエンジンシステムによれば、酸素吸蔵量過大状態のときには、空燃比をリッチにすることで、三元触媒装置を、早期に安定状態にできる。また、そのリッチとして設定される空燃比を、最適空燃比を含む、規定の基準空燃比範囲内に収まる空燃比とすることで、燃費の悪化も抑制できる。

ディーゼルエンジンシステムの構成を示す図である。 還元触媒装置の床温とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。 三元触媒装置の床温と酸素吸蔵量の飽和量との関係を示す図である。 空燃比と酸素吸蔵量との変化の一例を示す図である。 空燃比と酸素吸蔵量との変化の一例を示す図である。 空燃比による酸素吸蔵量の変化の違いを示す図である。 空燃比に対する単位酸素放出量の変化を示す図である。 図８に示す単位酸素放出量の変化曲線を微分した微分曲線を示す図である。 三元触媒装置の床温と最適空燃比Ｒｏｐとの関係を示す図である。 三元触媒装置に流入する排ガス流量と最適空燃比Ｒｏｐとの関係を示す図である。 空燃比の設定の流れを示すフローチャートである。

以下、ディーゼルエンジンシステム１０の構成について図面を参照して説明する。図１は、ディーゼルエンジンシステム１０の構成を示す図である。ディーゼルエンジンシステム１０は、ディーゼルエンジン１２を備える。このディーゼルエンジン１２は、周知の構成を採用できる。ディーゼルエンジン１２には、各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁（図示せず）が設けられている。この燃料噴射弁を駆動するアクチュエータは、制御装置１４に電磁的に接続されている。制御装置１４は、所望の空燃比Ｒが得られるように、燃料噴射弁からの燃料噴射量を調整する。

ディーゼルエンジン１２には、排ガスが流れる排ガス流路１６が接続されている。この排ガス流路１６の途中には、三元触媒装置１８と還元触媒装置２０と、が設けられている。図示例では、三元触媒装置１８の下流に、還元触媒装置２０を設けている。ただし、この配置は、変更されてもよく、例えば、還元触媒装置２０の下流に三元触媒装置１８を設けたり、三元触媒装置１８の上流および下流の双方に、還元触媒装置２０を設けたりしてもよい。

三元触媒装置１８は、ディーゼルエンジン１２の排ガス中に含まれる有害物質である炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を、プラチナ、パラジウム、ロジウム等を使用した触媒装置により同時に除去する。具体的には、ＨＣを、水と二酸化炭素に酸化し、ＣＯを、二酸化炭素に酸化し、ＮＯｘを、窒素に還元する。こうした酸化・還元反応を同時に行う関係上、三元触媒装置１８では、排ガス中の酸素が多いリーン燃焼時には、ＮＯｘの浄化率が低いことが知られている。

そのため、本例では、リーン燃焼時であってもＮＯｘを効果的に浄化するために、還元触媒装置２０を設けている。還元触媒装置２０は、排ガス中のＮＯｘを還元（Ｎ_２化）させる装置である。かかる還元触媒装置２０としては、尿素等の還元剤を用いてＮＯｘを還元させる選択還元型と、排ガス中のＮＯｘを一時的に吸蔵した後に還元する吸蔵還元型と、がある。図示例では、還元触媒装置２０を、選択還元型触媒装置としており、尿素供給源２２と、尿素噴射装置２４と、を備えている。ただし、選択還元型触媒装置に替えて、または、加えて、吸蔵還元型触媒装置を設けてもよい。

排ガス流路１６には、さらに、排ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ２６，３２と、排ガスの流量を検出する流量センサ２８と、が設けられている。上流酸素センサ２６および流量センサ２８は、三元触媒装置１８の上流に設けられており、当該三元触媒装置１８に流入する排ガスの酸素濃度Ｃ１と、流量Ｑを検出する。下流酸素センサ３２は、三元触媒装置１８の下流に設けられており、当該三元触媒装置１８から流出する排ガスの酸素濃度Ｃ２を検出する。

また、三元触媒装置１８には、当該三元触媒装置１８の床温Ｔ２を検出する温度センサ３０が、また、還元触媒装置２０には、当該還元触媒装置２０の床温Ｔ１を検出する温度センサ３４が、それぞれ、設けられている。各種センサで検出された酸素濃度Ｃ１，Ｃ２、流量Ｑ、床温Ｔ１，Ｔ２は、いずれも、制御装置１４に送られる。

制御装置１４は、ディーゼルエンジン１２を含む各部の駆動を制御する。この制御装置１４は、各種演算を行うＣＰＵと、各種制御パラメータや演算結果、測定データ、制御プログラム等を記憶するメモリと、を備えている。制御装置１４は、既述した通り、所望の空燃比Ｒとなるように、ディーゼルエンジン１２の燃料噴射弁からの燃料噴射量を調整する。また、制御装置１４は、後に詳説するように、還元触媒装置２０の床温Ｔ２に基づいて、当該還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率を推定する。また、制御装置１４は、酸素濃度Ｃ１，Ｃ２、流量Ｑ、三元触媒装置１８の床温Ｔ２に基づいて、三元触媒装置１８における酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔも推定する。さらに、制御装置１４は、推定された還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率や、三元触媒装置１８における酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔに基づいて、ディーゼルエンジン１２の空燃比Ｒを決定する。以下、この空燃比Ｒの決定方法について詳説する。

ディーゼルエンジン１２は、燃費の関係上、空燃比ＲをストイキＲｓｔよりも、燃料比率の低いリーンとすることが多い。リーンの場合、既述した通り、三元触媒装置１８によるＮＯｘ浄化率が低下する。そのため、リーンの場合には、主に、還元触媒装置２０で、ＮＯｘの浄化を行う。

ただし、還元触媒装置２０は、その床温Ｔ１の上昇に伴いＮＯｘの浄化率が低下することが知られている。図２は、還元触媒装置２０における床温Ｔ１と、ＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。図２に示すように、時間の経過とともに、床温Ｔ１が上昇していくとする。この場合、還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率は、床温Ｔ１が、所定の温度Ｔａ未満の場合、大きく変化しない。一方、時刻ｔ１において、床温Ｔ１が、所定の温度Ｔａに達すると、以降、還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率は、急激に低下する。

つまり、還元触媒装置２０において、床温Ｔ１は、当該還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率に関連する物理量であり、還元触媒装置２０に設けられた温度センサ３４は、還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率に関連する物理量を検出する第一検出部として機能する。制御装置１４は、この温度センサ３４で検出された床温Ｔ１が、予め規定された基準温度Ｔｄｅｆ以上となれば、還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率が、規定の基準未満に低下した浄化率低下状態になったと判定する。浄化率低下状態になった場合、制御装置１４は、三元触媒装置１８でのＮＯｘ浄化ができるように、空燃比Ｒを変更する。なお、基準温度Ｔｄｅｆは、予め、シミュレーションや実験により求められる値であり、ＮＯｘの浄化率が急激に低下し始める際の床温Ｔ１、図２の例で言えば、所定の温度Ｔａに相当する温度である。

この基準温度Ｔｄｅｆは、固定値でもよいし、排ガスの流量Ｑや、還元触媒装置２０やディーゼルエンジン１２の劣化度合いや使用状況等に応じて変化する可変値としてもよい。いずれにしても、制御装置１４のメモリには、この基準温度Ｔｄｅｆが記憶されている。そして、制御装置１４は、温度センサ３４で検出された床温Ｔ１が、当該基準温度Ｔｄｅｆ以上となれば、浄化率低下状態であると判定し、空燃比Ｒを、ストイキＲｓｔ、または、ストイキＲｓｔよりも燃料比率の高いリッチにする。

Ｔ１≧Ｔｄｅｆの場合において、空燃比Ｒを、ストイキＲｓｔ、リッチのいずれにするかは、三元触媒装置１８における酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔに基づいて決定する。すなわち、三元触媒装置１８では、ＨＣとＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元と、を同時に行う関係上、これら酸化・還元を効率よく行うためには、燃料が完全燃焼し、かつ、酸素の余らない、空燃比ＲをストイキＲｓｔとして運転されることが望まれる。しかし、実際の制御では、空燃比Ｒを、厳密にストイキＲｓｔに維持することは、難しく、実際には、空燃比Ｒは、僅かに、リーンやリッチ側に振れる。このとき、三元触媒装置１８における酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが、飽和に近付き、新たな酸素吸蔵が困難な場合には、リーンに僅かに振れた時に余剰の酸素を吸蔵できず、ＮＯｘの浄化率が大幅に悪化する。換言すれば、三元触媒装置１８における酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが、飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘに近い場合には、三元触媒装置１８で安定してＮＯｘを浄化できない。以下では、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが十分に下がり、三元触媒装置１８が、ストイキＲｓｔにおいて安定してＮＯｘを浄化できるような状態を、「安定状態」と呼ぶ。

三元触媒装置１８を、早期に安定状態に移行させるために、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが飽和に近い場合には、空燃比Ｒを一時的にリッチにし、三元触媒装置１８に吸蔵されている酸素を積極的に消費することが望ましい。そのため、制御装置１４は、Ｔ１≧Ｔｄｅｆとなれば、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔを、規定の基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆと比較し、Ｏ２ｓｔ＜Ｏ２ｄｅｆの場合には、空燃比Ｒをストイキに設定する。一方、Ｏ２ｓｔ≧Ｏ２ｄｅｆの場合、制御装置１４は、吸蔵量過大状態であると判定し、この場合には、空燃比Ｒをリッチに設定する。ここで、基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆは、シミュレーションや実験により求められる値であり、飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘに基づいて定められる値である。

飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘは、三元触媒装置１８で、吸蔵でき得る酸素の最大量である。この飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘは、三元触媒装置１８の床温Ｔ２に応じて変化する。図３は、床温Ｔ２に対する飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘの一例を示す図である。図３に示す通り、飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘは、床温Ｔ２が特定の温度Ｔｂになったときに最大値をとる放物線状に変化する。基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆは、例えば、この飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘに規定の係数Ｋを乗算した値であり、係数Ｋとしては、例えば、０．８〜０．９を採用できる。制御装置１４のメモリには、床温Ｔ２ごとの基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆ、あるいは、係数Ｋと、図３に例示した飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘのマップが記憶されている。

ここで、既述した通り、制御装置１４は、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔは、三元触媒装置１８の床温Ｔ１、三元触媒装置１８の上流および下流における排ガス中の酸素濃度Ｃ１，Ｃ２、排ガスの流量Ｑに基づいて、推定する。この酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔの推定方法としては、種々考えられる。例えば、三元触媒装置１８の上流および下流における酸素濃度の差（Ｃ１−Ｃ２）に流量Ｑを乗算することで求まる酸素減少量Ｏ２ｄｅｃ＝Ｑ×（Ｃ１−Ｃ２）と、三元触媒装置１８の床温Ｔ２および流量Ｑに基づいて定まる酸素吸速度および飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘと、に基づいて酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔを推定する。したがって、酸素濃度Ｃ１，Ｃ２、流量Ｑ、床温Ｔ２は、いずれも、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量に関連する物理量に該当し、これらを検出するセンサ２６，２８，３０，３２は、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量に関連する物理量を検出する第二検出部を構成する。

繰り返し述べるように、制御装置１４は、還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率が規定の基準未満に低下した浄化率低下状態となった場合、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが、規定の基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆ未満の場合には、空燃比ＲをストイキＲｓｔに、基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆ以上の場合には、空燃比Ｒをリッチに設定する。空燃比Ｒをリッチとすることで、三元触媒装置１８において吸蔵される酸素が積極的に消費される。そして、これにより、空燃比Ｒを、ストイキＲｓｔに移行させても、三元触媒装置１８で安定してＮＯｘを浄化できる。結果として、燃費の悪化を抑制しつつ、三元触媒装置１８で、安定してＮＯｘを浄化できる。

図４、図５は、本明細書で開示するディーゼルエンジンシステム１０における空燃比Ｒと酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔとの変化の一例を示す図である。図４、図５は、いずれも、上段が空燃比Ｒの時間変化を、下段が三元触媒装置１８の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔの時間変化を示している。また、図４、図５は、いずれも、時刻ｔ１において、還元触媒装置２０の床温Ｔ１が、基準温度Ｔｄｅｆ以上になった、すなわち、還元触媒装置２０が浄化率低下状態になったとする。

図４に示す通り、Ｔ１≧Ｔｄｅｆとなる時刻ｔ１において、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが、規定の基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆ未満の場合、制御装置１４は、空燃比Ｒを、リーンからストイキＲｓｔへと徐々に移行させる。そして、時刻ｔ２において、空燃比ＲがストイキＲｓｔに達すれば、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔは、殆ど変化することなく、ほぼ一定の値を維持する。ただし、空燃比Ｒを厳密にストイキＲｓｔに維持することは難しく、実際には、僅かに、リーン側、あるいは、リッチ側に振れる。このとき、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが、飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘに達している場合、空燃比Ｒが僅かにリーン側に振れたとしても、ＮＯｘの浄化率が急激に低下する。しかし、本例では、空燃比ＲをストイキＲｓｔにするとき、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔは、飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘよりも十分に低いため、空燃比Ｒが僅かにリーン側に振れたとしても、余剰の酸素を吸蔵することができ、ＮＯｘの浄化率の急激な低下を避けることができる。つまり、三元触媒装置１８で安定してＮＯｘを浄化できる。

一方、図５に示す通り、Ｔ１≧Ｔｄｅｆとなる時刻ｔ１において、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが、規定の基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆ以上の場合、制御装置１４は、空燃比Ｒを、リーンからリッチへと徐々に以降させる。そして、時刻ｔ２において、空燃比Ｒが、リッチになれば、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが徐々に低下し始める。制御装置１４は、空燃比Ｒが、所定の目標空燃比（リッチ）に達すれば、その状態を維持する。そして、時刻ｔ３において、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが規定の基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆ未満となれば、制御装置１４は、空燃比Ｒを、リッチからストイキＲｓｔへと移行させる。このとき、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔは、飽和吸蔵量Ｏ２ｍａｘよりも十分に低いため、空燃比Ｒが僅かにリーン側に振れたとしても、余剰の酸素を吸蔵することができ、ＮＯｘの浄化率の急激な低下を避けることができる。つまり、三元触媒装置１８で安定してＮＯｘを浄化できる。

ところで、空燃比Ｒをリッチとした場合、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが早期に減少する一方で、ディーゼルエンジン１２の燃費は、ストイキＲｓｔに比べて、悪化する。そのため、本明細書で開示するディーゼルエンジンシステム１０では、三元触媒装置１８によるＮＯｘ浄化機能を早期に安定させつつも、燃費の悪化を抑制できるように、リッチとして設定される空燃比Ｒを、燃料単位量当たりの酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔの減少量が、最大となるときの空燃比Ｒである、最適空燃比Ｒｏｐを含む、規定の基準空燃比範囲内に収まる空燃比としている。

すなわち、三元触媒装置１８における酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔの減少速度（酸素放出速度）は、空燃比Ｒに応じて変化する。図６は、空燃比Ｒごとの酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔの変化を示す図である。図６において、横軸は、時間ｔを、縦軸は、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔを示している。また、図６において、破線は、空燃比ＲをストイキＲｓｔに比べて僅かにリッチとした場合の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔの変化を示している。また、実線は、空燃比ＲをＲｓｔ−ｋとして、一点鎖線は、空燃比ＲをＲｓｔ−２×ｋ、二点鎖線は、空燃比ＲをＲｓｔ−３×ｋとして、運転した場合の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔの変化を示している。なお、ｋは、所定の定数で、例えば、０．５である。したがって、破線、実線、一点鎖線、二点鎖線は、いずれも、リッチで運転した場合を示しており、燃料の比率は、破線、実線、一点鎖線、二点鎖線の順で高くなっている。

図６から明らかな通り、空燃比ＲがストイキＲｓｔに比べて僅かにリッチの場合、時間の経過とともに酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔは、徐々に低下するが、その低下速度は、空燃比Ｒをよりリッチにした場合に比べて、大幅に遅い。一方、空燃比Ｒをよりリッチとした場合、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔは、急激に低下する。そして、その低下速度は、空燃比Ｒが低いほど（燃料の比率が高いほど）、大きいことが分かる。したがって、空燃比Ｒを低くするほど、三元触媒装置１８での酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔを早期に低下させることができ、三元触媒装置１８を、ストイキＲｓｔでも安定してＮＯｘを浄化できる安定状態に、早期に移行させることができる。

しかしながら、空燃比Ｒを低くするほど、当然ながら、燃費が悪化する。そこで、本例のディーゼルエンジンシステム１０では、リッチとして設定する空燃比Ｒを、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅに基づいて決定している。これについて、図７を参照して説明する。

図７は、空燃比Ｒと、燃料１ｇ当たりの酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔの減少量との関係を示す図である。なお、以下では、燃料１ｇ当たりの酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔの減少量を「単位酸素放出量Ｏ２ｒe」と呼ぶ。図７において、横軸は、空燃比Ｒを示しており、右側にいくほど、空燃比Ｒが増加している。また、図７において、縦軸は、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅを示している。図７から明らかな通り、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅは、所定の空燃比Ｒ６において最大値をとる。以下では、この単位酸素放出量Ｏ２ｒｅが最大となる空燃比Ｒ６を、「最適空燃比Ｒｏｐ」と呼ぶ。

空燃比Ｒが、最適空燃比Ｒｏｐよりも低下すると、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅも徐々に低下する。ただし、この低下の度合いは、比較的、緩やかである。一方、空燃比Ｒが、最適空燃比Ｒｏｐよりも増加すると、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅは、低下する。この低下の度合いは、Ｒ＜Ｒｏｐの場合よりも、急峻であり、特に、空燃比Ｒが、所定の値Ｒ７を超えると、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅは、急激に低下する。

したがって、空燃比Ｒを、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅが急激に低下し始めるＲ７より高くした場合、最適空燃比Ｒｏｐを選択した場合に比べて、三元触媒装置１８が安定状態に移行するまでの時間が、大幅に増加するといえる。一方、空燃比Ｒを、最適空燃比Ｒｏｐよりも低下させると、最適空燃比Ｒｏｐを選択した場合に比べて、三元触媒装置１８が安定状態に移行するまでの時間は大きく変わらないが、燃費が悪化すると言える。

リッチとして設定される空燃比Ｒは、こうした事情を考慮し、最適空燃比Ｒｏｐを含む規定の基準空燃比範囲内となるように設定する。

基準空燃比範囲は、最適空燃比Ｒｏｐを含むのであれば、特に限定されない。しかし、燃費を重視するのであれば、基準空燃比範囲は、最適空燃比Ｒｏｐと、最適空燃比ＲｏｐよりもストイキＲｓｔ側にある上限空燃比Ｒｍａｘとの間の範囲とすることが望ましい。かかる構成とすれば、リッチとして設定される空燃比Ｒは、常に、最適空燃比Ｒｏｐ以上となる。これにより、燃費の悪化を抑制しつつも、三元触媒装置１８を、早期に、安定状態に移行させることができる。

ここで、上限空燃比Ｒｍａｘは、最適空燃比ＲｏｐよりもストイキＲｓｔ側にあるのであれば、特に限定されない。しかし、上限空燃比Ｒｍａｘが、過度にストイキＲｓｔに近いと、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅが低下し、三元触媒装置１８が安定状態に移行するまでの期間が長くなる。そこで、上限空燃比Ｒｍａｘは、例えば、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線を空燃比Ｒで微分した微分曲線が立ち下がり始めるときの空燃比である臨界空燃比Ｒｃｒとしてもよい。換言すれば、基準空燃比範囲を、最適空燃比Ｒｏｐと、臨界空燃比Ｒｃｒとの間の範囲としてもよい。図８は、図７に示す単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線を、空燃比Ｒで微分した微分曲線の一例を示す図である。図８の例では、この微分曲線が立ち下がり始めるときの空燃比の値、すなわち、Ｒ７より僅かに小さい値が、臨界空燃比Ｒｃｒとなる。基準空燃比範囲は、最適空燃比Ｒｏｐと、この臨界空燃比Ｒｃｒとの間の値としてもよい。かかる構成とすることで、三元触媒装置１８が安定状態に移行するまでの期間を短くしつつも、燃費の悪化を効果的に抑制できる。

また、別の形態として、基準空燃比範囲は、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅが、基準放出量Ｏ２ｒｅ＿ｄｅｆ以上となる空燃比範囲としてもよい。すなわち、図７の例では、基準放出量Ｏ２ｒｅ＿ｄｅｆに対応する空燃比ＲａとＲｂとの間の範囲を基準空燃比範囲としてもよい。この基準放出量Ｏ２ｒｅ＿ｄｅｆは、種々の条件に基づいて決定すればよい。例えば、最適空燃比Ｒｏｐにおける単位酸素放出量Ｏ２ｒｅを、最大放出量Ｏ２ｒｅ＿ｍａｘとした場合において、当該最大放出量Ｏ２ｒｅ＿ｍａｘに所定の係数を乗じた値を、基準放出量Ｏ２ｒｅ＿ｄｅｆとして設定してもよい。この係数は、０．８以上であり、より望ましくは、０．８５以上、より望ましくは、０．９以上、より望ましくは、０．９５以上である。かかる構成とすることで、三元触媒装置１８を、より早期に安定状態に移行させることができる。

また、別の形態では、基準空燃比範囲を、最適空燃比Ｒｏｐと実質的にみなせる範囲としてもよい。空燃比Ｒを、最適空燃比Ｒｏｐとした場合、燃費の悪化を効果的に抑制しつつ、三元触媒装置１８を、早期に、安定状態に移行させることができる。ただし、実際の制御においては、多少の制御誤差が生じるため、空燃比Ｒを、常に、最適空燃比Ｒｏｐに保つことは難しい。したがって、実際には、基準空燃比範囲は、実質的に、最適空燃比Ｒｏｐとみなせる範囲とすればよい。実質的に、最適空燃比Ｒｏｐとみなせる範囲とは、空燃比を最適空燃比Ｒｏｐに保とうとしたときに生じ得る制御誤差範囲内である。

なお、図７に示した単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線は、三元触媒装置１８の床温Ｔ２、および、三元触媒装置１８に流入する排ガス流量Ｑに応じて、変化する。具体的には、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線は、床温Ｔ２が高いほど、また、排ガスの流量Ｑが大きいほど、グラフ右側へとずれる。図９は、床温Ｔ２に対する最適空燃比Ｒｏｐの変化を、図１０は、流量Ｑに対する最適空燃比Ｒｏｐの変化を示す図である。図９、図１０から明らかな通り、最適空燃比Ｒｏｐは、床温Ｔ２および流量Ｑの上昇に伴い、上昇する。単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線は、この最適空燃比Ｒｏｐと同様の比率で変化する。

ここで、制御装置１４は、現在の三元触媒装置１８の状態に応じた単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線に基づいて、リッチとして設定する空燃比Ｒを決定する。この現在の三元触媒装置１８の状態に応じた単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線を得るために、制御装置１４は、各床温Ｔ２、各流量Ｑごとに、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線を記憶してもよい。また、別の形態として、制御装置１４は、特定の床温Ｔ２、特定の流量Ｑにおける単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線を記憶しておくとともに、当該記憶している変化曲線を現在の床温Ｔ２、流量Ｑに基づいて補正することで、現在の単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線を決定するようにしてもよい。いずれにしても、制御装置１４は、少なくとも、三元触媒装置１８の床温Ｔ２と、流量Ｑとに応じて、基準空燃比範囲、および、リッチとして設定する空燃比Ｒを変化させる。

次に、本ディーゼルエンジンシステム１０における空燃比Ｒの設定の流れについて図１１を参照して説明する。図１１は、空燃比Ｒの設定の流れを示すフローチャートである。制御装置１４は、まず、還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率に関連する物理量として、当該還元触媒装置２０の床温Ｔ１を取得する（Ｓ１０）。この床温Ｔ１は、還元触媒装置２０に設けられた温度センサ３４で検出される。

続いて、制御装置１４は、三元触媒の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔに関連する物理量として、三元触媒装置１８に流入する排ガスの流量Ｑ、三元触媒装置１８の上流および下流における排ガスの酸素濃度Ｃ１，Ｃ２、三元触媒装置１８の床温Ｔ２を取得する（Ｓ１２）。制御装置１４は、これらＱ，Ｃ１，Ｃ２，Ｔ２の値に基づいて、三元触媒装置１８における酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔを推定する（Ｓ１４）。

次に、制御装置１４は、得られた床温Ｔ１と、メモリに予め規定された基準温度Ｔｄｅｆとを比較する（Ｓ１６）。比較の結果、Ｔ１＜Ｔｄｅｆの場合（ステップＳ１６でＹｅｓ）、制御装置１４は、空燃比Ｒをリーンに設定する（Ｓ１８）。このリーンとして設定される空燃比Ｒの具体的な値は、ディーゼルエンジン１２に要求される出力や燃費等を考慮して決定されればよい。一方、Ｔ１≧Ｔｄｅｆの場合（ステップＳ１６でＮｏ）、制御装置１４は、還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率が低下していると判断する。この場合、制御装置１４は、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔとメモリに記憶された基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆとを比較する（Ｓ２０）。比較の結果、Ｏ２ｓｔ＜Ｏ２ｄｅｆの場合（ステップＳ２０でＮｏ）、制御装置１４は、空燃比Ｒを、ストイキＲｓｔに設定する。その後は、ステップＳ１０に戻り、ステップＳ１０〜Ｓ２０を、定期的に行う。したがって、ストイキＲｓｔに移行した後も、還元触媒装置２０の床温Ｔ１が低下すれば、空燃比Ｒをリーンに移行する。

一方、Ｏ２ｓｔ≧Ｏ２ｄｅｆの場合（ステップＳ２０でＹｅｓ）、制御装置１４は、リッチとして設定する空燃比Ｒを決定する（Ｓ２４）。リッチとして設定する空燃比Ｒは、既述した通り、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅに基づいて決定され、三元触媒装置１８の床温Ｔ１および排ガスの流量Ｑに応じて変動する。制御装置１４は、現在の床温Ｔ１、流量Ｑに応じた単位酸素放出量Ｏ２ｒｅの変化曲線を決定し、この変化曲線に基づいて、リッチとして設定する空燃比Ｒを決定する。

リッチとして設定する空燃比Ｒが決定できれば、空燃比Ｒを、リッチに設定する（Ｓ２６）。その後、制御装置１４は、流量Ｑ、床温Ｔ２の取得（Ｓ２８）と、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔの推定（Ｓ３０）と、を定期的に行い、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが、基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆ以上の場合（Ｓ３２でＹｅｓ）には、ステップＳ２４に戻る。一方、酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが、基準吸蔵量Ｏ２ｄｅｆ未満になれば（Ｓ３２でＮｏ）、ステップＳ２２に進み、空燃比ＲをストイキＲｓｔに設定する。

以上の説明から明らかな通り、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔが多い場合には、空燃比Ｒをリッチに移行するため、三元触媒装置１８を早期に安定状態に移行させることができる。また、リッチとして設定する空燃比Ｒを、単位酸素放出量Ｏ２ｒｅを基準として設定するため、燃費の悪化を抑制することができる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、適宜、変更されてもよい。例えば、上述の説明では、還元触媒装置２０を一つだけとしたが、還元触媒装置２０を複数設けてもよい。還元触媒装置２０が複数の場合、全ての還元触媒装置２０のＮＯｘ浄化率が基準以下となったときに、三元触媒装置１８の空燃比Ｒを、ストイキＲｓｔまたはリッチに移行させればよい。

また、これまでの説明では、還元触媒装置２０のＮＯｘの浄化率を、床温Ｔ１に基づいて判定しているが、他の物理量に基づいて、ＮＯｘ浄化率を推定してもよい。例えば、還元触媒装置２０の下流に、ＮＯｘの濃度を検知するＮＯｘセンサを設け、当該ＮＯｘセンサの検出値に基づいて、還元触媒装置２０のＮＯｘの浄化率を推定してもよい。同様に、三元触媒装置１８の酸素吸蔵量Ｏ２ｓｔも、他の物理量に基づいて、推定してもよい。また、三元触媒装置１８の上流側の排ガス中の酸素濃度Ｃ１は、ディーゼルエンジン１２の運転状態と、事前に設定されたマップやモデル等と、を用いて推定してもよい。

１０ ディーゼルエンジンシステム、１２ ディーゼルエンジン、１４ 制御装置、１６ 排ガス流路、１８ 三元触媒装置、２０ 還元触媒装置、２２ 尿素供給源、２４ 尿素噴射装置、２６，３２ 酸素センサ、２８ 流量センサ、３０，３４ 温度センサ。

Claims (9)

1. 還元触媒装置と、三元触媒装置とを有するディーゼルエンジンシステムであって、
   前記還元触媒装置のＮＯｘ浄化率に関連する物理量を検出する第一検出部と、
   前記三元触媒装置の酸素吸蔵量に関連する物理量を検出する第二検出部と、
   前記第一検出部および前記第二検出部で検出された物理量に基づいて、ディーゼルエンジンの空燃比を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記第一検出部で検出された物理量に基づいて前記還元触媒装置の前記ＮＯｘ浄化率が床温の上昇に起因して低下している浄化率低下状態か否かを判定するとともに、前記第二検出部で検出された物理量に基づいて前記三元触媒装置の酸素吸蔵量が規定の基準吸蔵量以上である吸蔵量過大状態か否かを判定し、前記浄化率低下状態でない場合には、前記空燃比をリーンに設定し、前記浄化率低下状態でありかつ前記吸蔵量過大状態でない場合には、前記空燃比をストイキに設定し、前記浄化率低下状態でありかつ前記吸蔵量過大状態である場合には、前記空燃比をリッチに設定し、
   前記リッチとして設定される空燃比は、燃料単位量あたりの前記酸素吸蔵量の減少量である単位酸素放出量が最大となるときの空燃比である最適空燃比を含む、規定の基準空燃比範囲内に収まる空燃比である、
   ことを特徴とするディーゼルエンジンシステム。
2. 請求項１に記載のディーゼルエンジンシステムであって、
   前記制御装置は、前記リッチとして設定される空燃比を、少なくとも、前記三元触媒の床温と、排ガスの流量と、に応じて変化させる、ことを特徴とするディーゼルエンジンシステム。
3. 請求項１または２に記載のディーゼルエンジンシステムであって、
   前記基準空燃比範囲は、前記最適空燃比と、前記最適空燃比よりもストイキ側にある空燃比と、の間である、ことを特徴とするディーゼルエンジンシステム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンシステムであって、
   前記基準空燃比範囲は、前記最適空燃比と、前記空燃比に対する前記単位酸素放出量の変化曲線を微分して得られる微分曲線が立ち下がり始めるときの空燃比である臨界空燃比と、の間である、ことを特徴とするディーゼルエンジンシステム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンシステムであって、
   前記基準空燃比範囲は、前記単位酸素放出量が、前記最適空燃比における前記単位酸素放出量の８０％以上となる空燃比範囲である、ことを特徴とするディーゼルエンジンシステム。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンシステムであって、
   前記基準空燃比範囲は、前記最適空燃比と実質的にみなせる範囲である、ことを特徴とするディーゼルエンジンシステム。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンシステムであって、
   前記還元触媒装置は、前記三元触媒装置の下流に配されている、ことを特徴とするディーゼルエンジンシステム。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンシステムであって、
   前記還元触媒装置は、選択還元型触媒装置、および、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置の少なくとも一方を含む、ことを特徴とするディーゼルエンジンシステム。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンシステムであって、
   前記還元触媒装置のＮＯｘ浄化率に関連する物理量は、前記還元触媒装置の床温であり、
   前記制御装置では、前記還元触媒装置の床温が、予め規定された基準温度以上の場合に、前記浄化率低下状態であると判定する、
   ことを特徴とするディーゼルエンジンシステム。
   

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