JP2019132228A - エンジンの排気浄化制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】NOxの外部への排出をより確実に抑制できるエンジンの排気浄化制御装置を提供する。【解決手段】排気通路40に設けられて排気ガス中のNOxを吸蔵可能なNOx触媒41と、気筒2内の空気と燃料の混合気の空燃比を変更可能な空燃比変更手段10とを設け、排気ガスの流量が所定の基準流量以上のときは、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きい基準空燃比以上に維持されるように空燃比変更手段を制御する空燃比規制制御を実施し、排気ガスの流量が前記基準流量未満のときは、前記空燃比規制制御の実施を制限する。【選択図】図8
Description
本発明は、気筒が形成されたエンジン本体と、当該エンジン本体から排出された排気ガスが流通する排気通路とを備えたエンジンに適用される排気浄化制御装置に関する。
従来、エンジンにおいて排ガス性能を良好にすることが求められている。
これに対して、例えば、特許文献1に開示されているように、排気通路から外部に排出されるNOxの量を低減するために、NOxを吸蔵可能なNOx触媒を排気通路に設けることが行われている。また、このようなNOx触媒において、NOxの吸蔵性能を高く維持するために、NOx触媒に吸蔵されているNOxを所定のタイミングで還元してNOx触媒から排出させることが行われている。
具体的には、特許文献1のエンジンでは、NOxを還元してNOx触媒から排出させるべく、所定のタイミングで気筒内の混合気の空燃比および排気ガスの空燃比を理論空燃比以下に低下させて未燃のHCやCOを多量にNOx触媒に供給する。このように多量の未燃HCやCOがNOx触媒に供給されると、これら未燃HCやCOの作用によってNOx触媒からNOxが離脱し、その後、離脱したNOxが未燃HCやCOの作用によって還元されることで、NOx触媒からNOxが還元されつつ排出される。
しかしながら、所定の運転条件では、意図せずNOx触媒からNOxが離脱し、離脱したNOxが還元されることなくNOx触媒から排出されてしまい、排気通路から外部に排出されるNOxの量を十分に低減できないことが分かった。
本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、NOxの外部への排出をより確実に抑制できるエンジンの排気浄化制御装置を提供することを目的とする。
前記課題について鋭意研究した結果、本願発明者らは、次のことを突き止めた。すなわち、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍またはこれよりも低く排気ガス中のHCやCOが十分に多いときは、既に述べたとおり、一部のHCやCOの作用によってNOx触媒からNOxが離脱し、残りのHCやCOの作用によって離脱したNOxが適切に還元される。一方、排気ガスの空燃比が理論空燃比に対して十分に高いときは、NOx触媒からのNOxの離脱は生じ難い。しかし、排気ガスの空燃比が理論空燃比より高いものの十分に高くないときでも、排気ガスに含まれる少量のHCやCOの作用によってNOx触媒からNOxが離脱する場合がある。そして、この場合には、NOxを還元する還元剤として利用可能なHCやCOがほとんど残っていないことで、離脱したNOxを適切に還元させることができず、NOxがそのままNOx触媒から排出されるという現象が生じる。さらに、このようなNOxがNOx触媒から離脱した後還元されることなく排出される現象は、排気ガスの流量が多く、排気ガス中のHCやCOの絶対量が多いときに発生しやすい。
本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、気筒が形成されたエンジン本体と、当該エンジン本体から排出された排気ガスが流通する排気通路とを備えたエンジンに適用される排気浄化制御装置であって、前記排気通路に設けられて排気ガス中のNOxを吸蔵可能なNOx触媒と、排気ガスの空燃比を変更可能な空燃比変更手段と、前記空燃比変更手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、排気ガスの流量が所定の基準流量以上のときは、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きい基準空燃比以上に維持されるように前記空燃比変更手段を制御する空燃比規制制御を実施し、排気ガスの流量が前記基準流量未満のときは、前記空燃比規制制御の実施を制限する、ことを特徴とする(請求項1)。
この装置によれば、排気ガスの流量が基準流量以上と多いとき、つまり、NOxがNOx触媒から離脱した後還元されることなく排出されるという現象が生じやすいときに、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きい基準空燃比以上に維持されて、つまり、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンな基準空燃比あるいはこれよりもさらにリーンに維持されて、NOx触媒に導入されるHCやCOの量が少なくされる。そのため、NOxがNOx触媒から離脱すること自体を抑制でき、NOxの排気通路の外部への排出をより確実に抑制できる。
一方で、排気ガスの流量が基準流量未満であって前記現象が生じ難いときは、排気ガスの空燃比が基準空燃比未満になることが制限されない。そのため、気筒内の混合気の空燃比を、要求されるエンジントルク等に応じた適切な空燃比にすることができる。
前記構成において、前記空燃比変更手段は、気筒内に燃料を噴射可能で且つその噴射量を増減可能な燃料噴射装置を有し、前記制御手段は、排気ガスの流量が前記基準流量以上のときは、排気ガスの空燃比が前記基準空燃比になるような量の燃料を前記燃料噴射装置に噴射させる、のが好ましい(請求項2)。
この構成によれば、気筒内に噴射する燃料の量を増減するという簡単な構成で排気ガスの空燃比を変更できる。また、この構成によれば、排気ガスの空燃比が基準空燃比になるように気筒内に噴射される燃料の量が調整される。そのため、前記現象が生じるのを回避しつつ、排気ガスの空燃比が過剰に高くなるのを防止できる。
ここで、本願発明者らは、NOx触媒の温度が高いときの方が低いときよりも、NOx触媒からNOxが離脱しやすいという知見を得た。
従って、前記構成において、前記基準空燃比は、前記NOx触媒の温度が高いときの方が低いときよりも高い値に設定される、のが好ましい(請求項3)。
この構成によれば、NOx触媒の温度が高くNOx触媒からNOxが離脱しやすいときに、排気の空燃比を高くしてNOx触媒に導入されるHCやCOの量をより少なくすることができ、NOx触媒からのNOxの排出をより確実に抑制できるとともに、NOx触媒の温度が低くNOx触媒からNOxが離脱しにくいときには、排気の空燃比を比較的低く抑えてエンジントルクを確保することができる。
本願発明者らは、さらに、NOx触媒に吸蔵されているNOxの量であるNOx吸蔵量が多いときの方が少ないときよりも、NOx触媒からNOxが離脱しやすいという知見を得た。
従って、前記構成において、前記基準空燃比は、前記NOx触媒に吸蔵されているNOxの量であるNOx吸蔵量が多いときの方が少ないときよりも高い値に設定される、のが好ましい(請求項4)。
この構成によれば、NOx吸蔵量が多くNOx触媒からNOxが離脱しやすいときに、NOx触媒に導入されるHCやCOの量をより少なくすることができ、NOx触媒からのNOxの排出をより確実に抑制できるとともに、NOx吸蔵量が少なくNOx触媒からNOxが離脱しにくいときには、排気の空燃比を比較的低く抑えてエンジントルクを確保することができる。
また、NOx吸蔵量が所定量以上のときは、NOx触媒の温度が高いときの方が低いときよりもNOx触媒の温度変化に対するNOx触媒から離脱されるNOx量の増大率が大きくなることが分かった。
従って、前記構成において、前記基準空燃比が、前記NOx触媒の温度が高いときの方が低いときよりも大きい値に設定され、且つ、前記NOx吸蔵量が所定量以上の場合において、前記NOx触媒の温度が高いときの方が低いときよりも当該NOx触媒の温度変化に対する前記基準空燃比の増加率が大きくなるように設定される、ように構成すれば、NOx触媒からのNOxの排出をより少なく抑えることができる(請求項5)。
前記構成において、前記NOx触媒と一体に設けられて排気ガスを酸化可能な酸化触媒をさらに備える、のが好ましい(請求項6)。
この構成によれば、酸化触媒での酸化反応に伴ってNOx触媒の温度が高くなり、NOx触媒からNOxが離脱しやすくなったときにも、前記のようにこのNOxの離脱を抑制することができる。
本発明によれば、NOxの外部への排出をより確実に抑制できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るエンジンの排気浄化制御装置について説明する。
(1)全体構成
図1は、本実施形態のエンジンの排気浄化制御装置が適用されたエンジンシステム100の概略構成図である。
図1は、本実施形態のエンジンの排気浄化制御装置が適用されたエンジンシステム100の概略構成図である。
エンジンシステム100は、4ストロークのエンジン本体1と、エンジン本体1に空気(吸気)を導入するための吸気通路20と、エンジン本体1から外部に排気を排出するための排気通路40と、第1ターボ過給機51と、第2ターボ過給機52とを備えている。このエンジンシステム100は車両に設けられ、エンジン本体1は車両の駆動源として用いられる。エンジン本体1は、例えば、ディーゼルエンジンであり、図1の紙面に直交する方向に並ぶ4つの気筒2を有する。
エンジン本体1は、気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。ピストン5の上方には燃焼室6が区画されている。
ピストン5はクランク軸7と連結されており、ピストン5の往復運動に応じてクランク軸7はその中心軸回りに回転する。
シリンダヘッド4には、燃焼室6内(気筒2内)に燃料を噴射するインジェクタ(燃料噴射装置)10と、燃焼室6内の燃料と空気の混合気を昇温するためのグロープラグ11とが、各気筒2につきそれぞれ1組ずつ設けられている。
図1に示した例では、インジェクタ10は、燃焼室6の天井面の中央に、燃焼室6を上方から臨むように設けられている。また、グロープラグ11は、通電されることで発熱する発熱部を先端に有しており、この発熱部が、インジェクタ10の先端部分の近傍に位置するように燃焼室6の天井面に取り付けられている。例えば、インジェクタ10は、その先端に複数の噴口を備え、グロープラグ11は、その発熱部がインジェクタ10の複数の噴口からの複数の噴霧の間に位置して燃料の噴霧と直接接触しないように、配置されている。
インジェクタ10は、主としてエンジントルクを得るために実施される噴射であって圧縮上死点付近で燃焼する燃料を燃焼室6内に噴射するメイン噴射と、メイン噴射よりも遅角側であって燃焼してもその燃焼エネルギーがエンジントルクにほとんど寄与しない時期に燃焼室6内に燃料を噴射するポスト噴射とを実施できるようになっている。
シリンダヘッド4には、吸気通路20から供給される空気を各燃焼室6(気筒2)に導入するための吸気ポートと、吸気ポートを開閉する吸気弁12と、各燃焼室6(気筒2)で生成された排気を排気通路40に導出するための排気ポートと、排気ポートを開閉する排気弁13とが設けられている。
吸気通路20には、上流側から順に、エアクリーナ21、第1ターボ過給機51のコンプレッサ51a(以下、適宜、第1コンプレッサ51aという)、第2ターボ過給機52のコンプレッサ52a(以下、適宜、第2コンプレッサ52aという)、インタークーラ22、スロットルバルブ23、サージタンク24が設けられている。また、吸気通路20には、第2コンプレッサ52aをバイパスする吸気側バイパス通路25と、これを開閉する吸気側バイパスバルブ26とが設けられている。吸気側バイパスバルブ26は、駆動装置(不図示)によって全閉の状態と全開の状態とに切り替えられる。
排気通路40には、上流側から順に、第2ターボ過給機52のタービン52b(以下、適宜、第2タービン52bという)、第1ターボ過給機51のタービン51b(以下、適宜、第1タービン51bという)、複合触媒装置43、DPF(Diesel Particulate Filter)44、尿素インジェクタ45、SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒46、スリップ触媒47、が設けられている。
DPF44は、排気中のPM(Particulate Matter、微粒子状物質)を捕集する。DPF44に捕集されたPMは、高温に晒され且つ酸素の供給を受けることで燃焼し、DPF44から除去される。
尿素インジェクタ45は、DPF44の下流側の排気通路40中に尿素を噴射する装置である。尿素インジェクタ45は、尿素が貯留された尿素タンク(不図示)に接続されており、この尿素タンクから供給される尿素を排気通路40中に噴射する。
SCR触媒46は、アンモニアを用いて排気中のNOxを選択的に還元する触媒装置である。尿素インジェクタ45から噴射された尿素はSCR触媒46にて加水分解されてアンモニアとなる。SCR触媒46は、尿素から生成されたこのアンモニアを吸着する。また、後述するように、NOx触媒41からアンモニアが放出される場合があり、SCR触媒46は、NOx触媒41から放出されたアンモニアも吸着する。そして、SCR触媒46は、吸着したアンモニアを排気中のNOxと反応させることでNOxを還元する。SCR触媒46は、例えば、アンモニアによってNOxを還元する触媒金属(Fe、Ti、Ce、W等)がアンモニアをトラップするゼオライトに担持されることで形成された触媒成分が、ハニカム担体のセル壁に担持されることで形成される。
スリップ触媒47は、SCR触媒46から排出された未反応のアンモニアを酸化させて浄化する。つまり、SCR触媒46が吸着可能なアンモニアの量には限界があり、スリップ触媒47は、SCR触媒46をすり抜けたアンモニアを浄化する。
複合触媒装置43は、NOxを浄化するNOx触媒41と、酸化触媒(DOC: Diesel Oxidation Catalyst)42とを含む。
酸化触媒42は、排気中の酸素を用いて炭化水素(HC)すなわち未燃燃料や一酸化炭素(CO)などを酸化して水と二酸化炭素に変化させる。酸化触媒42で生じるこの酸化反応は発熱反応であり、酸化触媒42で酸化反応が生じると排気の温度は高められる。
NOx触媒41は、NOx吸蔵還元型触媒(NSC:NOx Storage Catalyst)であり、排気の空燃比(A/F、F:排気ガスに含まれる燃料(H)に対するA:排気ガスに含まれる空気(酸素)の割合)が理論空燃比よりも大きい、つまり、排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態(排気の空気過剰率λがλ>1の状態)において排気中のNOxを吸蔵し、この吸蔵したNOxを、排気の空燃比が理論空燃比近傍である状態(λ≒1)、あるいは、理論空燃比よりも小さい、つまり、排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチな状態(λ<1)であってNOx触媒41を通過する排気が未燃のHCやCOを多量に含む還元雰囲気下において還元する。
詳細には、NOx触媒41は、Pt等の貴金属と、Ba(バリウム)等の塩基性物質からなりNOxを吸着する吸着材とを有している。排気の空燃比が理論空燃比よりも高いリーンな状態(λ>1)では、排気中のNOが貴金属の作用によって酸化されて、NO2となり、その後、NO2が硝酸塩の形でNOx吸着材に吸着される。例えば、NOx吸着材がBaのときは、NOx触媒41は、Ba(NO3)2等の形でNOxを吸蔵する。一方、NOx触媒41にHCやCO等の還元剤が供給されると、硝酸塩が還元されてNO2が生成される。つまり、NOx吸着材からNOxが離脱される。さらに、この離脱したNO2がHCやCOと反応することでNO2は還元されてN2となり、NOx触媒41から排出される。
ここで、NOx触媒41に多量のHCが導入されたとき、NOx吸着材に吸着されているNOxは主としてN2に変換されるが、NOxの一部(NOxに含まれるN(窒素)の一部)は排気中のHCと反応してNH3となる。そして、生成されたNH3すなわちアンモニアが、NOx触媒41から放出される。
なお、本実施形態では、排気通路40に別途空気や燃料を供給する装置が設けられておらず、排気の空燃比と燃焼室6内の混合気の空燃比とは対応する。つまり、燃焼室6内の混合気の空燃比が理論空燃比よりも高いときは、排気の空燃比も理論空燃比よりも高くなり、燃焼室6内の混合気の空燃比が理論空燃比近傍あるいは理論空燃比よりも低いときは、排気の空燃比も理論空燃比近傍であるいは理論空燃比よりも低くなる。
本実施形態では、酸化触媒42とNOx触媒41とは、一体に形成されている。例えば、複合触媒装置43は、酸化触媒42の触媒材層の表面に、NSCの触媒材がコーティングされることで形成されている。
NOx触媒41には、NOxに加えてSOxも吸蔵(吸着)される。具体的には、NOx触媒41には、排気の空燃比が理論空燃比よりも大きいリーンな状態(λ>1)において排気中のSOxが吸蔵される。NOx触媒41に吸蔵されたSOxは、排気の空燃比が理論空燃比近傍である状態(λ≒1)あるいは理論空燃比よりも小さいリッチな状態(λ<1)において還元する。
SCR触媒46とNOx触媒41とは、いずれもNOxを浄化可能であるが、これらは浄化率(NOx吸蔵率)が高くなる温度が互いに異なっており、SCR触媒46のNOx浄化率(NOx吸蔵率)は排気の温度が比較的高温のときに高くなり、NOx触媒41のNOx浄化率は排気の温度が比較的低温のときに高くなる。
排気通路40には、第2タービン52bをバイパスする排気側バイパス通路48と、これを開閉する排気側バイパスバルブ49と、第1タービン51bをバイパスするウエストゲート通路53と、これを開閉するウエストゲートバルブ54とが設けられている。これら排気側バイパスバルブ49とウエストゲートバルブ54とは、それぞれ、駆動装置(不図示)によって全閉と全開の状態に切り替えられるとともに、これらの間の任意の開度に変更される。
本実施形態によるエンジンシステム100は、排気の一部を吸気に還流させるEGR装置55を有する。EGR装置55は、排気通路40のうち排気側バイパス通路48の上流端よりも上流側の部分と、吸気通路20のうちスロットルバルブ23とサージタンク24との間の部分とを接続するEGR通路56と、これを開閉する第1EGRバルブ57と、EGR通路56を通過する排気を冷却するEGRクーラー58とを有する。また、EGR装置55は、EGRクーラー58をバイパスするEGRクーラバイパス通路59と、これを開閉する第2EGRバルブ60とを有する。
(2)制御系
図2を用いて、エンジンシステムの制御系について説明する。本実施形態のエンジンシステム100は、主として、車両に搭載されたPCM(制御手段、パワートレイン制御モジュール)200によって制御される。PCM200は、CPU、ROM、RAM、I/F等から構成されるマイクロプロセッサである。
図2を用いて、エンジンシステムの制御系について説明する。本実施形態のエンジンシステム100は、主として、車両に搭載されたPCM(制御手段、パワートレイン制御モジュール)200によって制御される。PCM200は、CPU、ROM、RAM、I/F等から構成されるマイクロプロセッサである。
PCM200には、各種センサからの情報が入力される。例えば、PCM200は、クランク軸7の回転数つまりエンジン回転数を検出する回転数センサSN1、エアクリーナ21付近に設けられて吸気通路20を流通する吸気(空気)の量である吸気量を検出するエアフローセンサSN2、サージタンク24に設けられてターボ過給機51、52によって過給された後のサージタンク24内の吸気の圧力つまり過給圧を検出する吸気圧センサSN3、排気通路40のうち第1ターボ過給機51と複合触媒装置43との間の部分の酸素濃度を検出する排気O2センサSN4、NOx触媒41の直上流側に設けられた第1排気温度センサSN5、SCR46の直上流側に設けられた第2排気温度センサSN6、等と電気的に接続されており、これらのセンサSN1〜SN6からの入力信号を受け付ける。また、車両には、運転者により操作されるアクセルペダル(不図示)の開度であるアクセル開度を検出するアクセル開度センサSN7や、車速を検出する車速センサSN8等が設けられており、これらのセンサSN7、SN8による検出信号もPCM200に入力される。PCM200は、各センサ(SN1〜SN8等)からの入力信号に基づいて種々の演算等を実行して、インジェクタ10等を制御する。
(2−1)通常制御
後述するDeNOx制御、NOx離脱回避制御、DeSOx制御およびDPF再生制御を実施しない通常運転時に実施する通常制御では、燃費性能を高めるべく、燃焼室6内の混合気の空燃比(以下、単に、混合気の空燃比という場合がある)が理論空燃比よりも大きく(リーンに)される。つまり、混合気の空気過剰率をλとしてλ>1にされる。例えば、通常制御では、混合気の空気過剰率λはλ=1.7程度とされる。通常制御では、ポスト噴射は停止されてメイン噴射のみが実施される。
後述するDeNOx制御、NOx離脱回避制御、DeSOx制御およびDPF再生制御を実施しない通常運転時に実施する通常制御では、燃費性能を高めるべく、燃焼室6内の混合気の空燃比(以下、単に、混合気の空燃比という場合がある)が理論空燃比よりも大きく(リーンに)される。つまり、混合気の空気過剰率をλとしてλ>1にされる。例えば、通常制御では、混合気の空気過剰率λはλ=1.7程度とされる。通常制御では、ポスト噴射は停止されてメイン噴射のみが実施される。
通常制御では、PCM200は、まず、アクセル開度センサSN7で検出されたアクセル開度と回転数センサSN1で検出されたエンジン回転数等に基づいて、エンジンに要求されるトルクである要求エンジントルク(エンジン負荷)を算出する。次に、PCM200は、この要求エンジントルクとエンジン回転数等から、メイン噴射の噴射量の目標値である目標メイン噴射量を、要求エンジントルクが実現される量に設定する。そして、PCM200は、この目標メイン噴射量の燃料がメイン噴射によって燃焼室6内に噴射されるように、インジェクタ10を駆動する。
通常制御では、グロープラグ11の作動は停止される。また、通常制御では、第1EGRバルブ57、第2EGRバルブ60、吸気側バイパスバルブ26、排気側バイパスバルブ49、ウエストゲートバルブ54は、それぞれ、エンジン本体1の運転状態、例えば、エンジン回転数とエンジン負荷等に応じて、EGRガスの量および過給圧がそれぞれ適切な値になるように制御される。
(2−2)DeNOx制御
NOx触媒41によるNOx吸蔵性能を維持するためには、NOx触媒41に吸蔵されたNOx(以下、適宜、吸蔵NOxという)が多くなると、NOx触媒41からNOxを還元して排出させる必要がある。そこで、吸蔵NOxの量(NOx触媒41に吸蔵されているNOxの量)であるNOx吸蔵量が所定量以上であるという条件を含むDeNOx条件が成立すると、NOx触媒41からNOxを還元して排出させるための制御であるDeNOx制御を実施する。
NOx触媒41によるNOx吸蔵性能を維持するためには、NOx触媒41に吸蔵されたNOx(以下、適宜、吸蔵NOxという)が多くなると、NOx触媒41からNOxを還元して排出させる必要がある。そこで、吸蔵NOxの量(NOx触媒41に吸蔵されているNOxの量)であるNOx吸蔵量が所定量以上であるという条件を含むDeNOx条件が成立すると、NOx触媒41からNOxを還元して排出させるための制御であるDeNOx制御を実施する。
本実施形態では、ポスト噴射を実施して排気の空燃比を理論空燃比近傍あるいは理論空燃比よりも低い値に設定されたDeNOx空燃比まで低下させ、これによりNOx触媒41からNOxを還元しつつ排出させる。つまり、PCM200は、DeNOx制御として、排気の空燃比がDeNOx空燃比になるように、インジェクタ10にポスト噴射を行わせる。本実施形態では、DeNOx空燃比は、DeNOx空燃比を理論空燃比で割ることで得られる値(DeNOx空燃比/理論空燃比)であって、DeNOx空燃比に対応する空気過剰率λが0.96〜1.04程度となる値に設定されている。つまり、DeNOx制御では、排気の空気過剰率λが0.96〜1.04程度とされる。
本実施形態では、DeNOx制御を、図3に示す第1領域R1と第2領域R2とでのみ実施する。第1領域R1は、エンジン回転数が予め設定された第1基準回転数N1以上且つ予め設定された第2基準回転数N2(>N1)以下で、エンジン負荷が予め設定された第1基準負荷Tq1以上且つ予め設定された第2基準負荷Tq2(>Tq1)以下の領域である。第2領域R2は、第1領域R1よりもエンジン負荷が高い領域であって、エンジン負荷が予め設定された第3基準負荷Tq3(>Tq2)以上となる領域である。
PCM200は、第1領域R1では、ポスト噴射された燃料が燃焼室6内で燃焼するタイミングでポスト噴射を実施するアクティブDeNOx制御を実施する。このポスト噴射の実施タイミングは予め設定されており、例えば、膨張行程の前半であって、圧縮上死点後30〜70°CAの間の時期とされる。本実施形態では、アクティブDeNOx制御の実施時に、ポスト噴射された燃料の燃焼を促進するためにグロープラグ11を通電して混合気を加熱する。
アクティブDeNOx制御では、ポスト噴射された燃料の燃焼を促進しつつこの燃焼によって生成される煤の量を少なく抑えるために、EGRガスを燃焼室6に導入しつつ第1EGRバルブ57および第2EGRバルブ60の開度を通常運転時よりも小さく(閉じ側に)する。つまり、これらEGRバルブ57、60の開度を、仮にアクティブDeNOx制御を実施しなかったとしたときの開度よりも小さくする。例えば、アクティブDeNOx制御では、第1EGRバルブ60は全閉とされ、第2EGRバルブ57は開弁されるもののその開度が通常運転時よりも小さくされる。
一方、PCM200は、第2領域R2では、ポスト噴射された燃料が燃焼室6内で燃焼しないタイミングでポスト噴射を実施するパッシブDeNOx制御を実施する。このポスト噴射の実施タイミングは予め設定されており、例えば、膨張行程の後半であって、圧縮上死点後110°CA程度とされる。パッシブDeNOx制御では、未燃燃料に起因するデポジットによってEGRクーラー58等が閉塞するのを回避するべく、第1EGRバルブ57および第2EGRバルブ60は全閉にされる。
アクティブDeNOx制御を第1領域R1で、パッシブDeNOx制御を第2領域R2で実施するのは、次の理由による。
燃焼室6内で燃料が燃焼しないタイミングでポスト噴射を実施するパッシブDeNOx制御では、ポスト噴射された燃料が燃焼しないため、この燃料に起因する煤の発生は抑制されるが、未燃燃料に起因するデポジットが発生しやすい。また、未燃燃料がピストン5とシリンダブロック3との隙間からエンジンオイルに混入してオイル希釈が生じやすい。一方、燃焼室6内で燃料が燃焼するタイミングでポスト噴射を実施するアクティブDeNOx制御では、デポジットの発生やオイル希釈は抑制されるものの、煤が増大しやすい。
ここで、エンジン負荷が非常に高いときはメイン噴射の噴射量が多く、メイン噴射のみによっても混合気の空燃比が比較的小さくされる。そのため、エンジン負荷が非常に高いときは、メイン噴射の実施のみによっても煤が生じやすい。従って、このときに、さらにポスト噴射に起因する煤が生じると、車両から排出される煤の量が過大になるおそれがある。また、エンジン負荷が非常に高いときは、前記のようにメイン噴射のみによっても混合気の空燃比が比較的小さく抑えられることで、混合気および排気の空燃比を理論空燃比近傍(または理論空燃比よりも低い値)まで低下させるのに必要なポスト噴射の噴射量は少なく抑えられる。そのため、ポスト噴射を燃焼室6内で燃料が燃焼しないタイミングで実施しても、発生するデポジットの量およびエンジンオイルに混入する燃料の量を少なくすることができる。
これより、本実施形態では、エンジン負荷が非常に高い第2領域では、パッシブDeNOx制御を実施する。
一方、エンジン負荷が比較的低いときは、前記のエンジン負荷が非常に高いときとは反対に、メイン噴射の実施のみでは煤が生じ難い。また、混合気および排気の空燃比を理論空燃比近傍(または理論空燃比よりも低い値)まで低下させるのに必要なポスト噴射の噴射量が多くなりやすく、ポスト噴射を燃焼室6内で燃料が燃焼しないタイミングで実施すると、発生するデポジットの量およびエンジンオイルに混入する燃料の量が多くなりやすい。
これより、本実施形態では、エンジン負荷が低い領域では、アクティブDeNOx制御を実施する。
ただし、エンジン負荷が非常に低い、あるいは、エンジン回転数が低い領域では、排気の温度が低いことに伴ってNOx触媒41の温度が吸蔵NOxを還元できる温度よりも低くなりやすい。また、エンジン負荷が第2領域R2よりは低いが十分に低くない場合、および、エンジン負荷は低いがエンジン回転数が高いために燃料と空気の混合が不十分になって煤が生じやすい場合は、ポスト噴射を燃料が燃焼室6で燃焼するタイミングで実施すると煤が比較的多くなり、ポスト噴射を燃料が燃焼室6で燃焼しないタイミングで実施するとデポジットの量およびエンジンオイルに混入する量が比較的多くなる。
これより、本実施形態では、第2領域R2よりもエンジン負荷が低い領域のうち、エンジン負荷およびエンジン回転数のいずれもが低すぎず且つ高すぎない第1領域R1でのみ、アクティブDeNOx制御を実施する。
(2−3)NOx離脱回避制御(空燃比規制制御)
前記のように、NOx触媒41は、基本的に、排気の空燃比が理論空燃比よりも高いときに排気中のNOxを吸蔵し、排気の空燃比が理論空燃比近傍あるいは理論空燃比よりも低いときに吸蔵したNOxを還元して放出する。しかしながら、本願発明者らは、車両の加速時等において、排気の空燃比が理論空燃比よりも高いにも関わらず、NOx触媒41の下流側のNOxが十分に小さく抑えられない場合があることを突き止めた。
前記のように、NOx触媒41は、基本的に、排気の空燃比が理論空燃比よりも高いときに排気中のNOxを吸蔵し、排気の空燃比が理論空燃比近傍あるいは理論空燃比よりも低いときに吸蔵したNOxを還元して放出する。しかしながら、本願発明者らは、車両の加速時等において、排気の空燃比が理論空燃比よりも高いにも関わらず、NOx触媒41の下流側のNOxが十分に小さく抑えられない場合があることを突き止めた。
これについて鋭意研究の結果、本願発明者らは、次の知見を得た。すなわち、排気の空燃比が理論空燃比近傍またはこれよりも低く排気中のHCやCOが十分に多いときは、一部のHCやCOの作用によってNOx触媒41からNOxが離脱し、残りのHCやCOの作用によって、離脱したNOxが適切に還元される。一方、排気の空燃比が理論空燃比に対して十分に高いときは、前記のようにNOx触媒41はNOxを吸蔵していっており、NOx触媒41からのNOxの離脱は生じ難い。しかし、排気の空燃比が理論空燃比より高いものの十分に高くないときは、NOxがNOx触媒41から離脱するものの還元されることなく排出されてしまう。具体的には、HCやCO等の還元剤がNOx触媒41に供給されると、NOx触媒41のNOx吸着材に吸着されていた硝酸塩が還元されてNO2が生成される。ところが、排気の空燃比が十分に低くなくNOx触媒41に導入されるHCやCO等の還元剤の量が少ないと、生成されたNO2つまりNOx触媒41から離脱したNOxを還元するだけのHCやCOが残っておらず、NO2が還元されることなくNOx41触媒41から排出されてしまう。
そして、車両の加速時は、タービンの応答遅れ等のために、燃焼室6内の空気の増加が、メイン噴射の噴射量の増加よりも遅れてしまう。そのため、車両の加速時には、混合気および排気の空燃比が、通常制御時よりも低い値であって理論空燃比より高いものの十分に高くない値になりやすく、NOx触媒41からNOxが還元されることなく排出されるため、NOx触媒41の下流側のNOxが十分に小さく抑えられないという現象が起こる。
図4は、これを示したグラフである。具体的には、図4は、排気の空気過剰率を横軸とし、NOx触媒41から離脱するものの還元されないNOxである未還元離脱NOxの量を縦軸とした図である。この図4にも示されるように、排気の空気過剰率λが1.0以上(排気の空燃比が理論空燃比以上)であっても、排気の空気過剰率λが低くなるほど、未還元離脱NOxの量は大きくなっていく。そして、排気の空気過剰率λが所定値λ01以下になると、未還元離脱NOxの量が所定値M1を超えてしまう。
また、本願発明者らは、図5に示すように、NOxがNOx触媒41から離脱するものの還元されることなく排出されるのは、排気の流量が多く、排気中のHCやCOの絶対量が多いときであることを突き止めた。具体的には、図5は、排気の流量である排気流量を横軸とし、未還元離脱NOxの量を縦軸としたグラフである。図5に示されるように、排気流量が大きくなるほど、未還元離脱NOxの量は増大し、排気流量が所定値Vex01以上になると、未還元離脱NOxの量は所定値M1を超えてしまう。
以上より、本実施形態では、NOx触媒41からNOxが離脱するものの還元されることなく排出されるのを抑制するために、排気流量が予め設定された基準流量以上のときに、排気の空燃比を、理論空燃比よりも大きい値(リーン側)に設定された基準空燃比に維持するというNOx離脱回避制御(空燃比規制制御)を実施する。つまり、排気流量が基準流量以上のときに、加速等に伴って排気の空燃比が基準空燃比未満(基準空燃比よりもリッチ)になると、排気の空燃比を基準空燃比まで高くする(リーンにする)。そして、これによって、NOx触媒41からNOxが離脱すること自体を抑制する。
本実施形態では、排気流量が基準流量以上のときに、メイン噴射の噴射量を通常制御時の量から低下させることで排気の空燃比を基準空燃比まで高くする。このように、本実施形態では、インジェクタ10によって実施されるメイン噴射の噴射量を変更することで混合気の空燃比を変更し、これにより排気の空燃比を変更しており、インジェクタ10が、請求項における空燃比変更手段として機能する。
基準流量は、未還元離脱NOxの量が予め設定された所定値M1以下となる排気流量の最大値に設定されている。例えば、この所定値M1は、NOx触媒41からのNOxの離脱速度が0.007g/s程度となる値に設定されている。
また、基準空燃比は、未還元離脱NOxの量が所定値M1以下となる排気の空燃比の最小値に設定されている。
ここで、本願発明者らは、未還元離脱NOxの量が多くなる運転条件についてさらに詳細に調べた結果、未還元離脱NOxの量は、NOx触媒41の温度およびNOx触媒41に吸蔵されているNOxの量によっても変化することを突き止めた。
図6は、NOx触媒41の温度であるNOx触媒温度を横軸とし、未還元離脱NOxの量を縦軸としたグラフである。また、このグラフにおいて、ラインL1、L2、L3は、NOx触媒41のNOx吸蔵量が異なるときのラインであって、ラインL1が最もNOx吸蔵量が多いライン、ラインL3が最もNOx吸蔵量が少ないラインである。図6に示されるように、NOx触媒41の温度が高いほど、また、NOx触媒41のNOx吸蔵量が多いほど、未還元離脱NOxの量は多くなる。
従って、未還元離脱NOxの量が所定値M1以下となる排気の空燃比の最小値は、NOx触媒41の温度が高いほど高くなり、NOx触媒41のNOx吸蔵量が多いほど高くなる。これに伴い、本実施形態では、NOx触媒41の温度が高いほど基準空燃比を高い値に設定するとともに、NOx吸蔵量が多いほど基準空燃比を高い値に設定する。
また、図6に示されるように、ラインL1であってNOx触媒41のNOx吸蔵量が所定量以上のときは、NOx触媒41の温度が高い方が、NOx触媒41の温度変化に対する未還元離脱NOxの量の変化割合が大きくなる。これに伴い、本実施形態では、NOx触媒41の温度が高い方が、NOx触媒41の温度変化に対する基準空燃比の変化割合が大きくなるように、基準空燃比を設定する。具体的には、図7に示すように基準空燃比を設定する。図7は、NOx触媒41の温度を横軸とし、基準空燃比を縦軸としたグラフである。また、このグラフにおいて、ラインL11、L12、L13は、NOx触媒41のNOx吸蔵量が異なるときのラインであって、ラインL11が最もNOx吸蔵量が多いライン、ラインL13が最もNOx吸蔵量が少ないラインである。
(2−4)DeNOx制御およびNOx離脱回避制御の流れ
図8のフローチャートを用いて、DeNOx制御およびNOx離脱回避制御の流れについて説明する。
図8のフローチャートを用いて、DeNOx制御およびNOx離脱回避制御の流れについて説明する。
まず、PCM200は、ステップS10にて、車両における各種情報を読み込む。CPM200は、少なくとも、NOx触媒41の温度であるNOx触媒温度、SCR46の温度であるSCR温度、NOx触媒41に吸蔵されているNOxの量であるNOx吸蔵量を読み込む。NOx触媒温度は、例えば、第1排気温度センサSN5の検出値に基づいて推定される。なお、これに代えて、NOx触媒41とDPF44の間に温度センサを設け、この温度センサの検出値に基づいてNOx触媒温度を推定してもよい。また、SCR温度は、第2排気温度センサSN6の検出値に基づいて推定される。また、NOx吸蔵量は、エンジン回転数、エンジン負荷、排気の流量および排気ガスの温度等に基づいて排気中のNOx量が推定されて、このNOx量が積算されていくことで推定される。
次に、PCM200は、ステップS11にて、SCR温度が予め設定されたSCR判定温度未満か否かを判定する。SCR判定温度は、SCR触媒46がNOxを浄化可能なSCR触媒41の温度の下限値である。
ステップS11の判定がNOであってSCR温度がSCR判定温度以上のときは、SCR触媒46でNOxを浄化させればよいので、PCM200は、ステップS30に進み通常制御を実施する。ステップS30の後は、処理を終了する(ステップS10に戻る)。
一方、ステップS11の判定がYESであってSCR温度がSCR判定温度未満のときは、ステップS12に進む。ステップS12では、PCM200は、NOx触媒温度が予め設定されたNOx触媒判定温度以上であるか否かを判定する。NOx触媒判定温度は、NOx触媒41がNOxを還元可能(NOx触媒41からNOxが離脱可能)なNOx触媒41の温度の下限値である。
ステップS12の判定がNOであってNOx触媒温度がNOx触媒判定温度未満のときは、NOx触媒41からのNOxの離脱はなくNOx離脱回避制御する必要はない。また、このときは、DeNOx制御を実施してもNOxを還元できない。従って、ステップS12の判定がNOのときはステップS30に進む。
一方、ステップS12の判定がYESであってNOx触媒温度がNOx触媒判定温度以上のときは、ステップS13に進む。ステップS13では、PCM200は、第1領域R1でエンジンが運転されており、且つ、NOx触媒41のNOx吸蔵量が予め設定された第1吸蔵量判定値以上であるという条件が成立しているか否かを判定する。本実施形態では、第1吸蔵量判定値は、NOx触媒41が吸蔵可能なNOx量の最大値付近の値(例えば、最大値の2/3程度の値)に設定されている。なお、この第1吸蔵量判定値は、アクティブDeNOx制御が前回実施されてからの走行距離等に応じて変更されてもよい。
ステップS13の判定がYESであって、第1領域R1でエンジンが運転されており、且つ、NOx触媒41のNOx吸蔵量が第1吸蔵量判定値以上のときは、PCM200は、ステップS14に進み、アクティブDeNOx制御を実施する。
ステップS14の後は、ステップS15に進み、PCM200は、NOx触媒41のNOx吸蔵量が予め設定された第2吸蔵量判定値以下になったか否かを判定する。第2吸蔵量判定値は、第1吸蔵量判定値よりも小さい値に設定されており、例えば0付近の値とされている。
ステップS15の判定がNOであってNOx触媒41のNOx吸蔵量が第2吸蔵量判定値よりも大きいときは、ステップ14に戻る。一方、ステップS15の判定がYESであってNOx触媒41のNOx吸蔵量が第2吸蔵量判定値以下になると、処理を終了する(アクティブDeNOx制御を停止し、ステップS10に戻る)。つまり、本実施形態では、アクティブDeNOx制御は、基本的に、NOx触媒41のNOx吸蔵量が第2吸蔵量判定値以下の値に低下するまで継続して実施される。ただし、図示は省略したが、NOx触媒41のNOx吸蔵量がまだ第2吸蔵量判定値以下の値に低下していないときであっても、ステップS11の判定がYESとなる、あるいは、ステップS12の判定がNOになると、アクティブDeNOx制御は停止される。また、エンジンの運転領域が第1領域R1を外れたときも、アクティブDeNOx制御は停止される。
ステップS13に戻り、ステップS13の判定がNOであって、第1領域R1でエンジンが運転されていない、あるいは、NOx触媒41のNOx吸蔵量が第1吸蔵量判定値未満であるときは、ステップS16に進む。
ステップS16では、PCM200は、第2領域R2でエンジンが運転されており、且つ、NOx触媒41のNOx吸蔵量が予め設定された第3吸蔵量判定値以上であるという条件が成立しているか否かを判定する。第3吸蔵量判定値は、第1吸蔵量判定値よりも小さい値に設定されている。例えば、第3吸蔵量判定値は、NOx触媒41が吸蔵可能なNOx量の最大値の1/3程度の値に設定されている。
ステップS16の判定がYESであって、第2領域R2でエンジンが運転されており、且つ、NOx触媒41のNOx吸蔵量が第3吸蔵量判定値以上のときは、PCM200は、ステップS17に進み、パッシブDeNOx制御を実施する。なお、この例に代えて、ステップS16の判定がYESであっても、パッシブDeNOx制御の実行頻度が高いときにはパッシブDeNOx制御を実施しないように構成してもよい。また、ステップS16の判定がYESであっても、ポスト噴射の噴射量が所定量未満と少なくなってポスト噴射の実施によるNOxの還元効果が少ないとわかっているときは(ポスト噴射の実施によるオイル希釈の問題の方が大きくなるときは)、パッシブDeNOx制御を実施しないように構成してもよい。
ステップS17の後は、ステップS18に進み、PCM200は、NOx触媒41のNOx吸蔵量が予め設定された第4吸蔵量判定値以下になったか否かを判定する。第4吸蔵量判定値は、第3吸蔵量判定値よりも小さい値に設定されており、例えば0付近の値とされている。
ステップS18の判定がNOであってNOx触媒41のNOx吸蔵量が第4吸蔵量判定値よりも大きいときは、ステップ17に戻る。一方、ステップS18の判定がYESであってNOx触媒41のNOx吸蔵量が第4吸蔵量判定値以下になると、処理を終了する(パッシブDeNOx制御を停止し、ステップS10に戻る)。つまり、本実施形態では、パッシブDeNOx制御は、基本的に、NOx触媒41のNOx吸蔵量が第4吸蔵量判定値以下の値に低下するまで継続して実施される。ただし、図示は省略したが、NOx触媒41のNOx吸蔵量がまだ第4吸蔵量判定値以下の値に低下していないときであっても、ステップS11の判定がNOとなる、あるいは、ステップS12の判定がNOになると、パッシブDeNOx制御は停止される。また、エンジンの運転領域が第2領域R2を外れたときも、パッシブDeNOx制御は停止される。
一方、ステップS16の判定がNOであって、第2領域R2でエンジンが運転されていない、あるいは、NOx触媒41のNOx吸蔵量が第3吸蔵量判定値未満のときは、ステップS19に進む。
ステップS19では、PCM200は、排気流量が基準流量以上であるか否かを判定する。この判定がNOであって排気流量が基準流量未満のときは、PCM200は、ステップS30に進む。一方、この判定がYESであって排気流量が基準流量以上のときは、PCM200は、ステップS20に進み、NOx離脱回避制御を実施する。
具体的には、まず、ステップS20において、PCM200は、基準空燃比を設定するとともに、排気の空燃比が基準空燃比となるようなメイン噴射の噴射量である離脱回避用噴射量を設定する。
前記のように、本実施形態では、NOx触媒41の温度が高いほど基準空燃比が高くなり、NOx触媒41のNOx吸蔵量が多いほど基準空燃比が高くなるように基準空燃比が設定される。また、本実施形態では、NOx吸蔵量が所定量以上のときは、NOx触媒41の温度が高い方がNOx触媒41の温度変化に対する基準空燃比の変化割合(増加率)が大きくなるように、基準空燃比が設定される。
基準空燃比が設定されると、次に、PCM200は、エアフローセンサSN2により検出された吸気量、吸気圧センサSN3で検出された吸気圧等と、基準空燃比とに基づいて、排気の空燃比が基準空燃比となるようなメイン噴射の噴射量を離脱回避用噴射量として算出する。
ステップS20の次は、ステップS21に進む。ステップS21では、PCM200は、ステップS20で算出した離脱回避用噴射量と、仮に通常制御を実施したときのメイン噴射量である目標メイン噴射量(以下、通常目標メイン噴射量という)とを比較する。つまり、PCM200は、常時、通常目標メイン噴射量を、前記のように、要求エンジントルクとエンジン回転数等から算出しており、この値と離脱回避用噴射量とを比較する。ステップS21では、通常目標メイン噴射量が離脱回避用噴射量より大きいか否かを判定する。
ステップS21の判定がNOであって通常目標メイン噴射量が離脱回避用噴射量以下のときは、通常目標メイン噴射量の燃料をメイン噴射しても空燃比は基準空燃比以上に維持される。従って、ステップS21の判定がNOのときは、ステップS30に進み通常制御を実施する。つまり、通常目標メイン噴射量の燃料をメイン噴射によって燃焼室6内に噴射させる。
一方、ステップS21の判定がYESであって通常目標メイン噴射量が離脱回避用噴射量より大きいときは、仮に通常目標メイン噴射量の燃料を燃焼室6内に噴射すると、排気の空燃比が基準空燃比よりも小さくなる。そこで、ステップS21の判定がNOのときは、ステップS22に進み、メイン噴射の噴射量を離脱回避用噴射量とし、この離脱回避用噴射量の燃料をメイン噴射によって燃焼室6内に噴射させる。ステップS22の後は、処理を終了する(ステップS10に戻る)。これにより、ステップS19の判定がYESであって排気流量が基準流量以上のときは、排気の空燃比が基準空燃比以上に維持される。
(2−5)DPF再生制御、DeSOx制御
DPF44に捕集されたPMを除去してDPF44の浄化能力を再生するための制御であるDPF再生制御について簡単に説明する。
DPF44に捕集されたPMを除去してDPF44の浄化能力を再生するための制御であるDPF再生制御について簡単に説明する。
DPF再生制御は、酸化触媒42の温度が酸化反応が可能な温度であり、且つ、DPF44に捕集されているPMの量が所定値以上になると開始されてこのPMの量が所定値以下になると停止される。DPF再生制御では、混合気の空燃比を理論空燃比よりも高くしつつ、ポスト噴射を、噴射された燃料が燃焼室6で燃焼しないタイミングで実施する。これにより、酸化触媒42での未燃燃料と空気との酸化反応量が増大されて排気の温度ひいてはDPF44の温度が高められ、DPF44に捕集されているPMが燃焼除去される。
NOx触媒41に吸蔵されたSOx(以下、適宜、吸蔵SOxという)を還元して除去するための制御であるDeSOx制御について簡単に説明する。
吸蔵SOxは、前記のように、排気の空燃比が理論空燃比近傍あるいは理論空燃比よりも小さい状態で還元される。これに伴い、DeSOx制御では、混合気および排気の空燃比を理論空燃比近傍である状態(λ≒1)あるいは理論空燃比よりも小さいリッチな状態(λ<1)にするべく、メイン噴射に加えてポスト噴射を実施する。ただし、SOxはNOxに比べて結合力が強いため、吸蔵SOxを還元するためには、DeNOx制御時よりもNOx触媒41の温度をより高温(600℃程度)にする必要がある。
そこで、本実施形態では、DeSOx制御として、DeNOx制御と同様にポスト噴射を行って混合気および排気の空燃比を理論空燃比近傍あるいはこれよりも低くするリッチステップと、混合気および排気の空燃比を理論空燃比よりも高くしつつポスト噴射を行って酸化触媒42に空気と未燃の燃料とを供給してこれらを酸化触媒42で酸化させるリーンステップとを、交互に実施する。これにより、酸化触媒42での酸化反応を促進してNOx触媒41の温度を高温にしつつ、排気の空燃比を低くして吸蔵SOxを還元する。
(3)作用等
以上のように、本実施形態では、排気の流量が基準流量以上のときは、排気の空燃比が理論空燃比よりも高い基準空燃比に維持されるようにメイン噴射の噴射量を変更するNOx離脱回避制御(空燃比規制制御)を実施し、排気の流量が基準流量未満のときはNOx離脱回避制御(空燃比規制制御)を実施せず通常制御を実施する。
以上のように、本実施形態では、排気の流量が基準流量以上のときは、排気の空燃比が理論空燃比よりも高い基準空燃比に維持されるようにメイン噴射の噴射量を変更するNOx離脱回避制御(空燃比規制制御)を実施し、排気の流量が基準流量未満のときはNOx離脱回避制御(空燃比規制制御)を実施せず通常制御を実施する。
そのため、排気の流量が基準流量以上と多いときであって、NOxがNOx触媒41から離脱した後還元されることなく排出される現象が生じやすいときに、排気の空燃比が理論空燃比よりも高い基準空燃比に維持されて、NOx触媒41に導入されるHCやCOの量が少なくされる。そのため、NOxがNOx触媒41から離脱すること自体を抑制して、NOxが還元されることなくNOx触媒41から排出されるという現象が生じるのを抑制できる。従って、NOxの排気通路40の外部への排出をより確実に抑制できる。
一方で、排気の流量が基準流量未満であって前記現象が生じ難いときは、通常制御が実施される。そのため、気筒内の混合気の空燃比を要求されるエンジントルク等に応じた適切な空燃比にすることができる。
図9は、本実施形態に係るエンジンシステムが搭載された車両を加速させた時の各パラメータの時間変化を示したグラフである。この図9には、上から順に、車速、エンジン回転数、排気流量、排気の空気過剰率λ、NOx離脱回避制御の実行フラグ、メイン噴射の噴射量、NOx触媒41から放出されるNOxの量であるNOx放出量が示されている。NOx離脱回避制御の実行フラグは、NOx離脱回避制御が実行されると、つまり、メイン噴射量が通常制御時のメイン噴射量(前記の通常目標メイン噴射量)よりも小さくされると、1となり、その他のときは0となるパラメータである。
図9において、実線が本実施形態に係る各パラメータの時間変化を示しており、破線は比較例であってNOx離脱回避制御を実施しなかったときの各パラメータの時間変化を示している。
時刻t1にてアクセルペダルが踏み込まれると、メイン噴射量が増大していく。これに伴いエンジン回転数、車速、および排気流量が増大していく。一方、タービン51a、52aの応答遅れ等に伴い空気の増加がメイン噴射量の増大に追従しないことで、排気の空燃比および排気の空気過剰率λは低下していく。そして、時刻t3にて、排気流量が基準流量を超え、排気の空燃比が基準空燃比よりも低くなる。なお、図9には、基準空燃比に対応する空気過剰率を基準空燃比として示している。
比較例では、時刻t3以後も、排気流量が基準流量を超え、且つ、排気の空燃比が基準空燃比よりも低い状態(排気の空気過剰率λが基準空燃比に対応する空気過剰率よりも低い状態)が継続される。そのため、比較例では、時刻t3以後、NOx放出量が大きくなる。これに対して、本実施形態では、時刻t3にて、NOx離脱回避制御が開始され、メイン噴射量が低減されて排気の空燃比が基準空燃比まで高められる(排気の空気過剰率λが基準空燃比に対応する空気過剰率まで高められる)。これにより、本実施形態ではNOx放出量が小さく抑えられる。
図9の例では、時刻t4にて、排気の空燃比が基準空燃比よりも高くなることで(排気の空気過剰率λが基準空燃比に対応する空気過剰率よりも高くなることで)、NOx離脱回避制御は停止され、メイン噴射量が通常制御時と同程度の量となる。
ここで、図9に示されるように、加速初期は排気流量は比較的小さく、NOx離脱回避制御が実施されるのは加速が開始してから所定時間が経過した後である。そのため、本実施形態によれば、排気の流量が基準流量未満ではNOx離脱回避制御を実施せず、排気流量が基準流量以上になってはじめてNOx離脱回避制御を実施していることで、加速初期の加速性能を確保することができ、加速感を良好にできる。
なお、図9は、別途、排気の空燃比が所定値以下に低下するのを規制する制御を実施するように構成された車両の例であり、時刻t2から時刻t3の間は、この制御によって排気の空燃比が所定値に維持されている。
また、本実施形態では、基準空燃比が、NOx触媒41の温度が高いときの方が低いときよりも大きい値に設定される。そのため、NOx触媒41の温度が高くNOx触媒41からNOxが離脱しやすいときに、NOx触媒41に導入されるHCやCOの量をより少なくすることができ、NOx触媒41からのNOxの排出をより確実に抑制できる。
特に、本実施形態では、NOx触媒41と酸化触媒42とが一体に設けられており、酸化触媒42での酸化反応に伴ってNOx触媒41の温度が高くなって、NOx触媒41からNOxが離脱しやすくなる。これに対して、前記のように、NOx触媒41の温度が高いときの方が低いときよりも大きい値に設定されていることで、NOx触媒41からのNOxの排出をより確実に抑制できる。
また、本実施形態では、基準空燃比が、NOx触媒41に吸蔵されているNOxの量であるNOx吸蔵量が多いときの方が少ないときよりも高い値に設定される。そのため、NOx吸蔵量が多くNOx触媒41からNOxが離脱しやすいときに、NOx触媒41に導入されるHCやCOの量をより少なくすることができ、NOx触媒41からのNOxの排出をより確実に抑制できる。
また、本実施形態では、NOx吸蔵量が所定量以上の場合において、基準空燃比が、NOx触媒41の温度が高いときの方が低いときよりもNOx触媒41の温度変化に対する基準空燃比の増加率が大きくなるように設定される。そのため、NOx触媒41からのNOxの排出をより少なく抑えることができる。
(4)変形例
前記実施形態では、メイン噴射の噴射量を変更することで混合気および排気の空燃比を変更した場合について説明したが、燃焼室6に導入される空気の量を変更することでこの空燃比を変更してもよい。ただし、メイン噴射の噴射量を変更すれば、容易に且つ迅速に混合気および排気の空燃比を変更できる。
前記実施形態では、メイン噴射の噴射量を変更することで混合気および排気の空燃比を変更した場合について説明したが、燃焼室6に導入される空気の量を変更することでこの空燃比を変更してもよい。ただし、メイン噴射の噴射量を変更すれば、容易に且つ迅速に混合気および排気の空燃比を変更できる。
また、前記実施形態では、NOx離脱回避制御において、排気の空燃比を基準空燃比に変更する場合について説明したが、この空燃比を基準空燃比よりも大きい値(リーンな値)に変更してもよい。ただし、排気の空燃比を基準空燃比に変更すれば、空燃比の変更量ひいてはメイン噴射の噴射量の変更量を小さく抑えることができる。従って、加速時にメイン噴射の噴射量を多く確保することができ加速性能の悪化を防止できる。また、空燃比が過剰に高くなるのが抑制される。
1 エンジン本体
10 インジェクタ(空燃比変更手段)
41 NOx触媒
42 酸化触媒
200 PCM(制御手段)
10 インジェクタ(空燃比変更手段)
41 NOx触媒
42 酸化触媒
200 PCM(制御手段)
Claims (6)
- 気筒が形成されたエンジン本体と、当該エンジン本体から排出された排気ガスが流通する排気通路とを備えたエンジンに適用される排気浄化制御装置であって、
前記排気通路に設けられて排気ガス中のNOxを吸蔵可能なNOx触媒と、
排気ガスの空燃比を変更可能な空燃比変更手段と、
前記空燃比変更手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、排気ガスの流量が所定の基準流量以上のときは、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きい基準空燃比以上に維持されるように前記空燃比変更手段を制御する空燃比規制制御を実施し、排気ガスの流量が前記基準流量未満のときは、前記空燃比規制制御の実施を制限する、ことを特徴とするエンジンの排気浄化制御装置。 - 請求項1に記載のエンジンの排気浄化制御装置において、
前記空燃比変更手段は、気筒内に燃料を噴射可能で且つその噴射量を増減可能な燃料噴射装置を有し、
前記制御手段は、排気ガスの流量が前記基準流量以上のときは、排気ガスの空燃比が前記基準空燃比になるような量の燃料を前記燃料噴射装置に噴射させる、ことを特徴とするエンジンの排気浄化制御装置。 - 請求項1または2に記載のエンジンの排気浄化制御装置において、
前記基準空燃比は、前記NOx触媒の温度が高いときの方が低いときよりも高い値に設定される、ことを特徴とするエンジンの排気浄化制御装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のエンジンの排気浄化制御装置において、
前記基準空燃比は、前記NOx触媒に吸蔵されているNOxの量であるNOx吸蔵量が多いときの方が少ないときよりも高い値に設定される、ことを特徴とするエンジンの排気浄化制御装置。 - 請求項4に記載のエンジンの排気浄化制御装置において、
前記基準空燃比は、前記NOx触媒の温度が高いときの方が低いときよりも大きい値に設定され、且つ、前記NOx吸蔵量が所定量以上の場合において、前記NOx触媒の温度が高いときの方が低いときよりも当該NOx触媒の温度変化に対する前記基準空燃比の増加率が大きくなるように設定される、ことを特徴とするエンジンの排気浄化制御装置。 - 請求項3〜5のいずれか1項に記載のエンジンの排気浄化制御装置において、
前記NOx触媒と一体に設けられて排気ガスを酸化可能な酸化触媒をさらに備える、ことを特徴とするエンジンの排気浄化制御装置。
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-
2018
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