JP2022114661A - Temperature controller of exhaust emission control catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気浄化触媒の温度制御装置に関する。 The present invention relates to a temperature control device for an exhaust purification catalyst.
従来、触媒が被毒したと判定されたときに、空燃比をリーンに補正することで被毒を再生させることが公知である(例えば、特許文献1を参照)。 Conventionally, when it is determined that the catalyst has been poisoned, it is known to regenerate the poisoning by correcting the air-fuel ratio to be lean (see, for example, Patent Document 1).
しかし、上記特許文献1に記載された技術は、触媒が被毒した後に被毒した触媒を再生させる技術に関するものであり、触媒が被毒して浄化性能が低下する現象を回避することは想定していない。このため、被毒現象そのものを回避するという観点からは改善の余地がある。
However, the technique described in
また、内燃機関の排気通路には、排気通路の上流側に設けられた前段の排気浄化触媒と、前段の排気浄化触媒よりも排気通路の下流側に設けられた後段の排気浄化触媒とが設けられる場合があるが、上記特許文献に記載された技術は、前段の排気浄化触媒と後段の排気浄化触媒の被毒特性の相違を考慮したものではない。 Further, the exhaust passage of the internal combustion engine is provided with a front-stage exhaust purification catalyst provided on the upstream side of the exhaust passage, and a rear-stage exhaust purification catalyst provided on the downstream side of the exhaust passage from the front-stage exhaust purification catalyst. However, the technique described in the above patent document does not consider the difference in poisoning characteristics between the front-stage exhaust purification catalyst and the rear-stage exhaust purification catalyst.
上段の排気浄化触媒では、流入する排気ガスの空燃比が、燃料リッチと燃料リーンが交互に繰り返されるように制御されると、排気浄化触媒に吸着されたHCまたはCは燃料リーンな排気ガスが流れたときに酸化される。このため、上段の排気浄化触媒は、被毒が比較的発生しにくい環境下にある。 In the upper exhaust purification catalyst, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is controlled so that fuel-rich and fuel-lean alternately, HC or C adsorbed to the exhaust purification catalyst becomes fuel-lean exhaust gas. Oxidized when flowing. Therefore, the upper-stage exhaust purification catalyst is in an environment in which poisoning is relatively difficult to occur.
一方、後段の排気浄化触媒には、上段の排気浄化触媒を通過した排気ガスが流入するため、燃料リーンな排気ガスが排気通路を流れたときに排気ガス中に含まれる酸素の殆どは上段の排気浄化触媒で消費されてしまう。したがって、後段の排気浄化触媒では、燃料リーンな排気ガスが流入した場合であっても被毒が回復しない傾向があり、被毒が蓄積されてしまう問題がある。したがって、特に後段の排気浄化触媒について、被毒を抑制して排気ガスの浄化性能を向上することが望ましい。 On the other hand, since the exhaust gas that has passed through the upper-stage exhaust purification catalyst flows into the latter-stage exhaust purification catalyst, most of the oxygen contained in the exhaust gas when the fuel-lean exhaust gas flows through the exhaust passage is in the upper-stage exhaust purification catalyst. It will be consumed by the exhaust purification catalyst. Therefore, even when fuel-lean exhaust gas flows into the latter exhaust purification catalyst, there is a tendency that the poisoning does not recover and the poisoning accumulates. Therefore, it is desirable to suppress the poisoning and improve the purification performance of the exhaust gas, particularly for the latter exhaust purification catalyst.
そこで、本発明は、排気浄化触媒の被毒を抑制することで排気ガスの浄化性能を向上することが可能な排気浄化触媒の温度制御装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a temperature control device for an exhaust purification catalyst capable of improving exhaust gas purification performance by suppressing poisoning of the exhaust purification catalyst.
本開示の要旨は以下のとおりである。 The gist of the present disclosure is as follows.
(1) 内燃機関の排気通路に設けられた第1排気浄化触媒を通過した排気ガスが流入する第2排気浄化触媒の触媒温度を取得する触媒温度取得部と、
予め定められた前記第2排気浄化触媒の温度域であって該温度域の低温側および高温側よりも前記第2排気浄化触媒の被毒量が増加する所定温度域に基づき、前記触媒温度が前記所定温度域にあるとき、前記触媒温度が前記所定温度域外となるように前記触媒温度を昇温または降温させる触媒温度制御部と、
を備える、排気浄化触媒の温度制御装置。
(1) a catalyst temperature acquisition unit that acquires the catalyst temperature of a second exhaust purification catalyst into which exhaust gas that has passed through a first exhaust purification catalyst provided in an exhaust passage of an internal combustion engine flows;
The catalyst temperature is adjusted based on a predetermined temperature range of the second exhaust purification catalyst in which the amount of poisoning of the second exhaust purification catalyst is greater than that on the low temperature side and the high temperature side of the temperature range. a catalyst temperature control unit that raises or lowers the temperature of the catalyst so that the temperature of the catalyst is outside the predetermined temperature range when the temperature is within the predetermined temperature range;
A temperature control device for an exhaust purification catalyst, comprising:
本発明によれば、排気浄化触媒の被毒を抑制することで排気ガスの浄化性能を向上することが可能な排気浄化触媒の温度制御装置を提供することが可能になるという効果を奏する。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide an exhaust purification catalyst temperature control device capable of improving exhaust gas purification performance by suppressing poisoning of the exhaust purification catalyst.
以下、本発明に係る幾つかの実施形態について図を参照しながら説明する。しかしながら、これらの説明は、本発明の好ましい実施形態の単なる例示を意図するものであって、本発明をこのような特定の実施形態に限定することを意図するものではない。 Several embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. These descriptions, however, are intended as illustrations of preferred embodiments of the invention only, and are not intended to limit the invention to such specific embodiments.
(第1の実施形態)
図1に内燃機関の全体図を示す。図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の燃焼室、3は各気筒の燃焼室2内に配置された点火栓、4は各気筒に燃料、例えば、ガソリンを供給するための燃料噴射弁、5はサージタンク、6は吸気枝管、7は排気マニホルドを夫々示す。サージタンク5は吸気ダクト8を介して排気ターボチャージャ9のコンプレッサ9aの出口に連結され、コンプレッサ9aの入口は吸入空気量検出器10を介してエアクリーナ11に連結される。吸気ダクト8内にはアクチュエータ13により駆動されるスロットル弁12が配置され、また、吸気ダクト8周りには吸気ダクト8内を流れる吸入空気を冷却するためのインタクーラ14が配置される。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an overall view of an internal combustion engine. Referring to FIG. 1, 1 is an engine main body, 2 is a combustion chamber of each cylinder, 3 is a spark plug arranged in the
一方、排気マニホルド7は排気ターボチャージャ9の排気タービン9bの入口に連結され、排気タービン9bの出口は排気管15aを介して、排気浄化触媒16aを内蔵した触媒コンバータ16に連結される。触媒コンバータ16の出口は排気管15bを介して、排気浄化触媒17aを内蔵した触媒コンバータ17に連結される。本実施形態では、排気浄化触媒16aは内燃機関の排気通路に設けられた第1排気浄化触媒の一態様であり、排気浄化触媒17aは第1排気浄化触媒を通過した排気ガスが流入する第2排気浄化触媒の一態様であり、ともに三元触媒からなる。排気マニホルド7とサージタンク5とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路18を介して互いに連結され、EGR通路18内にはEGR制御弁19が配置される。各燃料噴射弁4は燃料分配管20に連結され、この燃料分配管20は燃料ポンプ21を介して燃料タンク22に連結される。図1に示されるようにサージタンク5には、夫々サージタンク5内の圧力および温度を検出するための圧力センサ23および温度センサ24が配置される。また、排気管15a内には、触媒コンバータ16へ流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ25と、排気ガス中のHC濃度を検出するためのHC濃度センサ26又は排気ガス中のCO濃度を検出するためのCO濃度センサ26が配置されている。また、排気管15b内には、触媒コンバータ17へ流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ28が配置されている。更に、排気浄化触媒16aには排気浄化触媒16aの温度を検出するための温度センサ27aが配置されており、排気浄化触媒17aには排気浄化触媒17aの温度を検出するための温度センサ27bが配置されている。なお、図1では、内燃機関が排気ターボチャージャ9を備える構成例を示したが、内燃機関は排気ターボチャージャ9を備えていなくてもよい。
On the other hand, the
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。入力ポート35には、吸入空気量検出器10、圧力センサ23、温度センサ24、空燃比センサ25,28、HC濃度センサ26又はCO濃度センサ26、および温度センサ27a,27bの出力信号が、対応するAD変換器37を介して入力される。アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。CPU34内ではクランク角センサ42の出力信号に基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して点火栓3、燃料噴射弁4、スロットル弁駆動用アクチュエータ13、EGR制御弁19および燃料ポンプ21に接続される。また、出力ポート36は、後述する昇温装置50、および降温装置52に接続される。
The
三元触媒からなる排気浄化触媒16aおよび排気浄化触媒17bは、HCを酸化させて水と二酸化炭素に、COを酸化させて二酸化炭素に、そしてNOxを還元して窒素と酸素に、それぞれ変換する。このため、排気浄化触媒16aおよび排気浄化触媒17bは、触媒成分としてPt(白金)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)などの貴金属を有している。以下では、これらの貴金属をPGM(Platinum Group Metal)として総称する。
The exhaust purification catalysts 16a and 17b, which are three-way catalysts, oxidize HC to water and carbon dioxide, oxidize CO to carbon dioxide, and reduce NOx to nitrogen and oxygen, respectively. . Therefore, the
図2は、上流側の触媒コンバータ16について、排気浄化触媒16aの触媒温度(横軸)と触媒コンバータ16から排出された排気ガス中のTHC(total hydrocarbon)濃度(縦軸)との関係を示す特性図である。また、図3は、下流側の触媒コンバータ17について、排気浄化触媒17aの触媒温度(横軸)と触媒コンバータ17から排出された排気ガス中のTHC濃度(縦軸)との関係を示す特性図である。
FIG. 2 shows the relationship between the catalyst temperature (horizontal axis) of the
図2及び図3において、□印は排気ガスの流量(Ga)が10[g/s]の場合を示しており、白抜きの□印はEGR有りの場合を、塗りつぶした□印はEGR無しの場合を示している。なお、EGR有りの場合は、EGR制御弁19を開いてEGR通路18に排気ガスを再循環させた場合に相当し、EGR無しの場合はEGR制御弁19を閉じてEGR通路18に排気ガスを再循環させない場合に相当する。また、◇印は排気ガスの流量(Ga)が20[g/s]の場合を示しており、白抜きの◇印はEGR有りの場合を、塗りつぶした◇印はEGR無しの場合を示している。また、〇印は排気ガスの流量(Ga)が30[g/s]の場合を示しており、白抜きの〇印はEGR有りの場合を、塗りつぶした〇印はEGR無しの場合を示している。
In FIGS. 2 and 3, the □ mark indicates the case where the flow rate (Ga) of the exhaust gas is 10 [g/s], the white □ mark indicates the case with EGR, and the solid □ mark indicates the case without EGR. is shown for the case of When EGR is present, the
図2に示すように、上流側の触媒コンバータ16については、触媒温度が上昇すると反応速度が上がるため、排気ガス中のTHC濃度が低下し、THCの排出が抑制される。一方、図3に示すように、下流側の触媒コンバータ17については、触媒温度が上昇すると排気ガス中のTHC濃度が増加し、触媒温度が更に上昇するとTHC濃度が減少する傾向があり、特定の温度域でTHC濃度が増加して浄化率が低下することが本発明者らによって新規知見として得られた。図3に示すように、特に500~600℃の温度域でTHC濃度が増加する傾向にあることが判る。
As shown in FIG. 2, with respect to the upstream
このように、上流側の触媒コンバータ16と下流側の触媒コンバータ17では、触媒温度に対するTHC濃度の特性が異なる。下流側の触媒コンバータ17において、500~600℃の温度域で排気浄化性能が低下するのは、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aが排気ガス中のHCまたはCによって被覆されることで発生するC被毒が要因と考えられるので、以下に詳細に説明する。なお、図2及び図3では、THCの浄化性能の温度依存性が示されているが、C被毒に起因するNOxの浄化性能の温度依存性も図2及び図3と同様の特性を示す。
Thus, the characteristics of the THC concentration with respect to the catalyst temperature differ between the upstream
排気ガス中に含まれるHCは、触媒上での水蒸気改質により水(H2O)とCO2に変換され、無害化される。C被毒は、水蒸気改質の過程で水が不十分になり、C(炭素)のみが取り残されてPGM上に析出し、PGM上をCが被覆して堆積することで発生する。C被毒は、機関本体1から排出される排気ガスが燃料リッチになるほど、排気中の未燃成分が多くなるため、発生し易くなる。図4は、排気ガス中のスチームカーボン比(横軸)と触媒のC被毒量(触媒への堆積C量、縦軸)との関係を示す特性図である。横軸のスチームカーボン比は排気ガス中のカーボン(炭素)に対するスチーム(水蒸気)の比である。図4に示すように、水(スチーム)の量が少ないほど、またカーボンの量が多いほど、C被毒量が増加し、被毒の影響が大きくなることが判る。そして、C被毒が発生すると、酸化ガスと還元ガスのPGMに対する衝突頻度が低下するため、触媒の活性状態が低下し、排気浄化性能が低下する。
HC contained in the exhaust gas is converted to water (H 2 O) and CO 2 by steam reforming on the catalyst and rendered harmless. C poisoning occurs when water becomes insufficient in the process of steam reforming, and only C (carbon) is left behind and precipitates on the PGM, and the PGM is covered with C and deposited. C poisoning is more likely to occur as the exhaust gas discharged from the
本実施形態において、上流側の触媒コンバータ16に流入する排気ガスの空燃比は、燃料リッチと燃料リーンが交互に繰り返されるように制御される。このため、上流側の触媒コンバータ16の排気浄化触媒16aに吸着されたHCまたはCは燃料リーンな排気ガスが流れたときに酸化され、水およびCO2となって排出される。したがって、燃料リッチな排気ガスと燃料リーンな排気ガスが交互に流入する上流側の触媒コンバータ16は、C被毒が比較的発生しにくい環境下にあり、下流側へのTHCの排出を抑制できる。
In this embodiment, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the upstream
一方、下流側の触媒コンバータ17には、上流側の触媒コンバータ16を通過した排気ガスが流入する。上流側の触媒コンバータ16に燃料リーンな排気ガスが流入すると、上流側の触媒コンバータ16の酸素吸蔵能力と酸素の反応性の高さに起因して、流入した酸素の殆どは上流側の触媒コンバータ16で吸蔵されてしまうため、下流側の触媒コンバータ17にはNOxしか流入しない。したがって、燃料リーンな排気ガスが流入した場合であっても、燃料リーンな排気ガスに含まれるNOxではC被毒が回復しないため、被毒が蓄積されてしまう。このように、酸素が殆ど流入しない下流側の触媒コンバータ17は、C被毒が発生し易い環境下にある。
On the other hand, exhaust gas that has passed through the upstream
C被毒は水蒸気改質反応が起点であるため、C被毒が促進するためには、水蒸気改質が発生する程度に高い温度が必要である。図3によれば、触媒温度が500℃以上になるとTHC濃度が急激に増加しているため、500℃程度の高温で水蒸気改質が発生し、C被毒が促進されることによって排気浄化性能が低下していると考えられる。 Since the C poisoning starts from the steam reforming reaction, a temperature high enough to cause the steam reforming is required to accelerate the C poisoning. According to FIG. 3, when the catalyst temperature reaches 500 ° C. or higher, the THC concentration increases rapidly, so steam reforming occurs at a high temperature of about 500 ° C., and carbon poisoning is promoted, resulting in exhaust gas purification performance. is considered to be declining.
また、一般的に、高温になるほど反応速度は向上するため、高温ほどC被毒を含めた全ての吸着現象は起こりにくくなる。換言すれば、高温ほど触媒への吸着物質は酸化され易くなり、触媒から脱離し易くなる。このため、ある温度以上になると触媒に堆積したCの脱離が支配的となり、C被毒は回復する。図3によれば、触媒床温が650℃程度以上でTHC濃度が急激に減少しており、脱離が支配的になることが判る。 In general, the higher the temperature, the higher the reaction rate. Therefore, the higher the temperature, the less likely all adsorption phenomena, including carbon poisoning, will occur. In other words, the higher the temperature, the easier the substances adsorbed on the catalyst are oxidized and the easier they are to desorb from the catalyst. Therefore, when the temperature rises above a certain level, desorption of C deposited on the catalyst becomes dominant, and C poisoning is recovered. According to FIG. 3, when the catalyst bed temperature is about 650° C. or higher, the THC concentration sharply decreases, indicating that desorption becomes dominant.
なお、上流側の触媒コンバータ16に流入する排気ガスの空燃比がストイキになるように制御したとしても、実際の空燃比は燃料リッチ側または燃料リーン側にシフトするため、上記と同様に被毒が発生する。したがって、本実施形態は、上流側の触媒コンバータ16に流入する排気ガスの空燃比が、燃料リッチと燃料リーンが交互に繰り返されるように制御されるものに限定されるものではない。
Even if the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the upstream
図5は、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aに堆積したC量(横軸)と、触媒コンバータ17による排気ガスの浄化率(縦軸)との関係を示す模式図である。図5に示すように、触媒コンバータ17による排気ガスの浄化率は、触媒コンバータ17に堆積したC量が多いほど低下し、堆積C量が閾値THを超えると0になる。なお、図5の横軸をPGMへのC被覆率に置き換えても同様の特性が得られる。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the relationship between the amount of C deposited on the
以上のように、下流側の触媒コンバータ17の触媒温度が500~650℃の被毒温度域であり、排気浄化触媒17aが被毒しやすい状態(燃料リッチ、または酸化剤がNOxのみの低濃度リーン)が継続すると、排気浄化触媒17aへの堆積C量が増加して浄化率低下が生じる。触媒における浄化反応(吸着反応)はPGM上で起こるため、燃料カット(Fuel Cut)または十分に深い燃料リーン制御などの被毒再生制御を実施しないと浄化率は回復しない。
As described above, the catalyst temperature of the
一方、被毒再生制御により下流側の触媒コンバータ17に酸素を供給すると、下流側の触媒コンバータ17からNOxが排出されてしまう場合がある。したがって、被毒再生制御は可能な限り行わないことが好ましく、被毒再生制御を行うことなく浄化性能の低下を抑えるためには、排気浄化触媒17aの触媒温度を500℃以下とし、または650℃以上とすることで、触媒温度が被毒温度域となることを避けることが好ましい。
On the other hand, if oxygen is supplied to the
このため、第1の実施形態では、下流側の触媒コンバータ17の触媒温度が被毒温度域である500~650℃とならないように制御される。また、下流側の触媒コンバータ17のC被毒量を推定し、C被毒量が所定値を超えると被毒回復制御が実施される。
Therefore, in the first embodiment, the catalyst temperature of the downstream
図6は、上流側の触媒コンバータ16および下流側の触媒コンバータ17の周辺の構成を詳細に示す模式図である。図6に示すように、上流側の触媒コンバータ16よりも上流側の排気管15aには、排気ガスの温度を昇温させる昇温装置50が配置されている。昇温装置50は、例えば電気ヒータ(Electric Heater)から構成され、車両のバッテリ等から供給された電力により排気管15aを通過する排気ガスを加熱し、排気ガスの温度を昇温させる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing in detail the configuration around the
また、上流側の触媒コンバータ16と下流側の触媒コンバータ17の間の排気管15bには、排気ガスの温度を降温させる降温装置52が配置されている。一例として、降温装置52は、排気管15bから分岐したバイパス流路52aと、バイパス流路52aに設けられた熱交換器52bと、排気管15bからバイパス流路52aが分岐する部位に設けられ、バイパス流路52aに流れる排気ガスの流量を制御する流量制御弁52cとから構成される。降温装置52は、排気管15bを流れる排気ガスの一部または全部をバイパス流路52aに流し、熱交換器52bで排気ガスと外気との間で熱交換させることで、排気ガスの温度を降温させる。なお、流量制御弁52cの代わりに、排気管15bに流れる排気ガスの流量とバイパス流路52aに流れる排気ガスの流量の双方を制御する弁(例えば、三方弁)が設けられていてもよい。また、降温装置52は、熱交換器52bの代わりに、排気ガスの熱を蓄熱する蓄熱部を備えていてもよい。
A
これらの昇温装置50と降温装置52により、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの温度が被毒温度域である500~650℃とならないように制御される。
The
なお、触媒温度の昇温は、燃料噴射弁4による燃料の噴射タイミングを遅角側に制御して燃料を触媒側で燃焼させること、または燃料噴射量を増量することによっても行われる。更に、触媒温度はEGR率を変化させることによっても制御可能である。
The catalyst temperature can also be raised by retarding the fuel injection timing of the
図7は、以上のような処理を実現するための電子制御ユニット30のCPU34の機能ブロックを示す模式図である。CPU34は、排気浄化触媒の温度制御装置の一態様であり、触媒温度取得部34aと、触媒温度判定部34bと、堆積C量推定部34cと、触媒温度制御部34dと、被毒再生制御部34eと、触媒劣化度判定部34fと、を有している。CPU34が有するこれらの各部は、例えば、CPU34上で動作するコンピュータプログラムにより実現される機能モジュールである。つまり、CPU34の機能ブロックは、CPU34とこれを機能させるためのプログラム(ソフトウェア)から構成される。また、そのプログラムは、電子制御ユニット30が備えるROM32または外部から接続される記録媒体に記録されていてもよい。あるいは、CPU34が有するこれらの各部は、CPU34に設けられる専用の演算回路であってもよい。
FIG. 7 is a schematic diagram showing functional blocks of the
CPU34の触媒温度取得部34aは、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの触媒温度(触媒床温)を取得する。触媒温度取得部34aは、温度センサ27bの検出値から触媒温度を取得する。また、触媒温度取得部34aは、内燃機関の運転状態に応じた熱収支から触媒温度を推定することで触媒温度を取得してもよい。
The catalyst
CPU34の触媒温度判定部34bは、触媒温度取得部34aにより取得された下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの触媒温度が、被毒温度域に属しているか否かを判定する。
The catalyst
CPU34の堆積C量推定部34cは、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aに堆積したC量、すなわちC被毒量を推定する。より詳細には、堆積C量推定部34cは、以下の式(1)に基づいて堆積C量を算出する。
堆積C量=流入C量-酸化C量-脱離C量 ・・・(1)
The deposited C
Deposited C amount = Inflow C amount - Oxidized C amount - Desorbed C amount (1)
式(1)において、流入C量は、水蒸気改質によって発生するC量であり、上流側の触媒コンバータ16から排出されるHCの濃度、排気ガスの流量、および反応率を乗算することによって求まる。また、酸化C量は、水蒸気改質によって発生したC量のうち酸素またはNOxと反応して酸化されるC量であり、下流側の触媒コンバータ17へ流入する酸化剤の量、排気ガスの流量、および反応率を乗算することによって求まる。流入C量、酸化C量における反応率は、アレニウス型の反応を表す以下の式(2)から求まる。なお、式(2)において、Aは衝突頻度因子、Eは活性化エネルギー、Tは温度である。温度Tとして、触媒温度取得部34aが取得した値を用いることができる。
反応率∝A・exp(-E/T) ・・・(2)
In equation (1), the inflow C amount is the amount of C generated by steam reforming, and is obtained by multiplying the concentration of HC discharged from the upstream
Reaction rate ∝A・exp(-E/T) (2)
また、式(1)において、脱離C量は、排気浄化触媒17aに吸着されたCが脱離する量であり、以下の式(3)で表されるラングミュア吸着等温式から求まる。式(3)において、Vは被毒量(堆積C量)、Vmaxは被毒キャパシティ、Kは吸着脱離並行定数、pは被毒物質の分圧である。また、吸着脱離平行定数Kは、温度の関数であり、アレニウス型の反応を表す式(2)から求まる。
V=(Vmax・p・K)/(1+p・K) ・・・(3)
In equation (1), the amount of desorbed C is the amount of desorbed carbon adsorbed on the
V=(Vmax・p・K)/(1+p・K) (3)
式(3)において、被毒物質の分圧pを脱離C量とみなして変形すると、以下の式(4)が得られる。
脱離C量=(1/K)・V/(Vmax-V) ・・・(4)
By considering the partial pressure p of the poisoning substance as the amount of desorbed C and modifying the equation (3), the following equation (4) is obtained.
Amount of desorbed C = (1/K) V/(V max -V) (4)
図8は、式(1)における堆積C量、流入C量、酸化C量、脱離C量が温度に応じて変化する様子を示す特性図である。図8において、太い実線で示す特性C1は堆積C量、破線で示す特性C2は流入C量、一点鎖線で示す特性C3は酸化C量と脱離C量を合計した流出C量、をそれぞれ示している。流入C量(特性C2)は、水蒸気改質に起因するものであるため、水蒸気改質の反応の立ち上がりに応じて500℃程度から増加し始め、温度の上昇に応じて増加する。流出C量(特性C3)は、燃料リッチ環境下では、酸化C量が0になり脱離C量のみとなるため、流入Cよりも遅れて立ち上がる傾向がある。図8の特性C2,C3から式(1)に従って堆積C量の温度依存性を求めると、図8の特性C1に示すように、堆積C量は温度上昇に応じた単純増加ではなく、温度500℃と温度650℃の間で堆積C量が極大値を持つことが判る。したがって、被毒温度域では堆積C量が多くなる。 FIG. 8 is a characteristic diagram showing how the amount of deposited C, the amount of inflow, the amount of oxidized C, and the amount of desorbed C in equation (1) change according to temperature. In FIG. 8, the characteristic C1 indicated by the thick solid line indicates the amount of deposited C, the characteristic C2 indicated by the dashed line indicates the amount of inflow C, and the characteristic C3 indicated by the one-dot chain line indicates the amount of outflow C, which is the sum of the amount of oxidized C and the amount of desorbed C. ing. Since the inflow C amount (characteristic C2) is caused by steam reforming, it starts to increase from about 500° C. as the reaction of steam reforming starts, and then increases as the temperature rises. The outflow C amount (characteristic C3) tends to rise later than the inflow C because the oxidized C amount becomes 0 and only the desorbed C amount is present in a fuel-rich environment. When the temperature dependence of the amount of deposited C is obtained from the characteristics C2 and C3 of FIG. C. and a temperature of 650.degree. Therefore, the amount of deposited C increases in the poisoning temperature range.
以上をまとめると、時刻tにおける瞬時のC被毒量の変化量、すなわち堆積C量の微小変化量をVtとすると、Vtの推定式は以下の式(5)で表すことができる。なお、式(5)において、α,β,γは単位換算係数または反応速度定数であり、Gaは排気ガスの流量[g/s]である。また、A1は流入C量に関する衝突頻度因子、E1は流入C量に関する活性化エネルギーであり、A2は酸化C量に関する衝突頻度因子、E2は酸化C量に関する活性化エネルギーである。また、[THC]は上流側の触媒コンバータ16から排出されるHCの濃度であり、[酸化剤]は下流側の触媒コンバータ17へ流入する酸化剤の濃度である。排気ガスの流量Gaとしては、吸入空気量検出器10の検出値を用いることができる。[THC]、[酸化剤]は、内燃機関の運転状態とこれら濃度との関係を規定したマップから求めるか、または排気ガスの空燃比から推定する。α,β,γ,A1,A2,E1,E2,Vmax,K等の値は、例えば式(5)に基づく堆積C量の推定値と実測値との差分が最小となるように適合することで求まる。吸着脱離平行定数Kに関する衝突頻度因子A、活性化エネルギーEについても同様である。なお、適合は、右辺の3つの項ごとに個別に行ってもよい。
Vt=α・Ga・(β・[THC]・A1・exp(-E1/T)-γ・[酸化剤]・A2・exp(-E2/T))-(1/K)・(Vt-1/Vmax-Vt-1)
・・・(5)
触媒温度判定部34bは、式(5)で表される堆積C量の微小変化量を積算することで、排気浄化触媒17aにおける堆積C量を算出する。
In summary, if Vt is the amount of instantaneous change in the poisoning amount of C at time t , that is, the amount of minute change in the amount of deposited C, the estimation formula for Vt can be expressed by the following formula (5). In equation (5), α, β, and γ are unit conversion factors or reaction rate constants, and Ga is the exhaust gas flow rate [g/s]. Further, A1 is a collision frequency factor related to the amount of C inflow, E1 is the activation energy related to the amount of C inflow, A2 is the collision frequency factor related to the amount of C oxide, and E2 is the activation energy related to the amount of C oxide. [THC] is the concentration of HC discharged from the
V t =α·Ga·(β·[THC]·A 1 ·exp (−E 1 /T)−γ·[oxidizing agent]·A 2 ·exp (−E 2 /T))−(1/K )・(V t−1 /V max −V t−1 )
... (5)
The catalyst
また、堆積C量推定部34cは、簡易的には、下流側の触媒コンバータ17へ流入する排気ガスの空燃比に基づき、被毒量と被毒回復量の差分から堆積C量を推定する。ここで、被毒量と被毒回復量は以下の式(6)、式(7)で表すことができる。また、排気浄化触媒のトータルの堆積C量、すなわちC被毒量は、式(6)の被毒量と式(7)の被毒量の差分であり、以下の式(8)から算出される。
The accumulated
被毒量=Σ((AFstoici-AFRr)/AFtrg)・Ga・0.23
・・・(6)
被毒回復量=Σ((AFRr-AFstoici)/AFtrg)・Ga・0.23
・・・(7)
堆積C量=Σ(被毒量-被毒回復量) ・・・(8)
Poisoning amount = Σ ((AF stoici −AF Rr )/AF trg )·Ga·0.23
... (6)
Amount of recovery from poisoning=Σ((AF Rr −AF stoici )/AF trg )·Ga·0.23
... (7)
Accumulated C amount = Σ (poisoning amount - poisoning recovery amount) (8)
式(6)、式(7)において、AFRrは下流側の触媒コンバータ17の上流に設けられた空燃比センサ28による空燃比の検出値、AFstoiciは理論空燃比、AFtrgは目標空燃比、Gaは下流側の触媒コンバータ17へ流入する排気ガスの流量である。また、式(6)、式(7)において、0.23は空気中の酸素重量比率を表す。
In equations (6) and (7), AF Rr is the air-fuel ratio detected by the air-
図9は、下流側の触媒コンバータ17の上流に設けられた空燃比センサ28が検出した空燃比が時間の経過に伴って変化する様子を示す特性図である。図9に示すように、空燃比センサの検出値の特性C4は理論空燃比(AFstoici)を中心として上下に変動する。図9において、式(6)の被毒量は、理論空燃比AFstoiciよりも燃料リッチ側で特性C4と理論空燃比AFstoiciの間で囲まれた領域の面積A1に相当する。また、図9において、式(7)の被毒回復量は、理論空燃比AFstoiciよりも燃料リーン側で特性C4と理論空燃比AFstoiciの間で囲まれた領域の面積A2に相当する。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing how the air-fuel ratio detected by the air-
図9に示す例では、時刻t1とt2の間において、面積A1の方が面積A2よりも大きく、排気ガスの空燃比が燃料リッチ側となっている。このため、時刻t1とt2の間では、燃料リッチな排気ガスにより被毒が進行し、堆積C量が増加する。以上のようにして、堆積C量推定部34cは、式(8)から簡易的に堆積C量を算出することができる。
In the example shown in FIG. 9, between times t1 and t2, the area A1 is larger than the area A2, and the air-fuel ratio of the exhaust gas is on the fuel-rich side. Therefore, between times t1 and t2, poisoning progresses due to fuel-rich exhaust gas, and the amount of deposited C increases. As described above, the deposited
CPU34の触媒温度制御部34dは、予め定められた排気浄化触媒17aの温度域であって該温度域の低温側および高温側よりも排気浄化触媒17aの被毒量が増加する所定温度域(被毒温度域)に基づき、排気浄化触媒17aの触媒温度が所定温度域にあるとき、触媒温度が所定温度域外となるように触媒温度を昇温または降温させる。この際、昇温装置50または降温装置52を制御することで、排気浄化触媒17aの触媒温度を制御する。触媒温度制御部34dは、昇温装置50を制御することで触媒温度を昇温し、降温装置52を制御することで触媒温度を降温する。触媒温度制御部34dは、触媒温度を昇温する場合は、昇温装置50により排気ガスを加熱することで、排気浄化触媒17aの触媒温度を上昇させる。また、触媒温度制御部34dは、触媒温度を降温する場合は、降温装置52の流量制御弁52cを開き、排気ガスをバイパス流路52aに流すことで、熱交換器52bにて排気ガスの熱を外気などに放熱し、温度が低下した排気ガスを触媒コンバータ17に送ることで、排気浄化触媒17aの触媒温度を低下させる。
The catalyst
また、触媒温度制御部34dは、燃料噴射弁4による燃料の噴射タイミングを遅角側に制御して燃料を触媒側で燃焼させることで、触媒温度を昇温してもよい。また、触媒温度制御部34dは、EGR率を制御することにより、触媒温度を変化させてもよい。
Further, the catalyst
CPU34の被毒再生制御部34eは、排気浄化触媒17aの堆積C量が所定値を超えると、被毒再生制御を行う。被毒再生制御部34eは、燃料カットまたは十分に深い燃料リーン制御などを行うことで、排気浄化触媒17aを被毒から再生する制御を行う。なお、燃料カットを行った場合は、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aに酸素が供給されるため、確実に被毒再生を行うことができる。被毒再生のために十分に深い燃料リーン制御を行う場合は、例えば排気ガスの空燃比が15~16程度に制御され、上流側の触媒コンバータ16の排気浄化触媒16aに吸着されたHC,Cが酸化された後も燃料リーンな排気ガスが下流側の触媒コンバータ17に供給される。
The poisoning
また、被毒再生制御部34eは、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの被毒が増加する空燃比(燃料リッチ)が所定時間以上継続された場合に被毒再生制御を行ってもよい。
Further, the poisoning
CPU34の触媒劣化度判定部34fは、上流側の触媒コンバータ16の排気浄化触媒16aの劣化度を判定する。なお、触媒劣化度判定部34fは後述する第5の実施形態に関連する構成要素であるため、触媒劣化度判定部34fが行う処理については、第5の実施形態で説明する。
A catalyst deterioration
図10は、排気浄化触媒17aの触媒温度と堆積C量に基づいて、排気浄化触媒17aの昇温または降温制御と、被毒再生制御のいずれを行うかを決定するためのマップを示す模式図である。図10に示すように、排気浄化触媒17aの温度が被毒温度域であり、且つ堆積C量が閾値TH1以下では、触媒温度制御部34dにより排気浄化触媒17aの昇温制御または降温制御が行われる。また、排気浄化触媒17aの温度が被毒温度域であり、且つ堆積C量が閾値TH1を超える場合は、昇温制御または降温制御を行うことなく、被毒再生制御部34eにより排気浄化触媒17aの被毒再生制御が行われる。排気浄化触媒17aの温度が被毒温度域でない場合は、昇温制御、降温制御、および被毒再生制御のいずれも行われない。
FIG. 10 is a schematic diagram showing a map for determining which of the temperature increase/decrease control and the poisoning regeneration control of the
排気浄化触媒17aの温度が被毒温度域であり、且つ堆積C量が閾値TH1以下の場合に、昇温制御と降温制御のいずれを行うかは、排気浄化触媒17aの触媒温度と排気浄化触媒17aの時系列の温度勾配によって決定される。図11は、排気浄化触媒17aの触媒温度と排気浄化触媒17aの時系列の温度勾配に基づいて、昇温制御と降温制御のいずれを行うかを決定するためのマップを示す模式図である。図11に示すマップでは、昇温領域(1)と降温領域(2)とが境界線L1を境に分けられており、排気浄化触媒17aの触媒温度と排気浄化触媒17aの時系列の温度勾配によって定まる点が昇温領域(1)に属する場合、触媒温度制御部34dにより排気浄化触媒17aの昇温制御が行われる。また、排気浄化触媒17aの触媒温度と排気浄化触媒17aの時系列の温度勾配によって定まる点が降温領域(2)に属する場合、触媒温度制御部34dにより排気浄化触媒17aの降温制御が行われる。
When the temperature of the
図11のマップによれば、基本的には、被毒温度域の中間の温度である575℃を境に、触媒温度が575℃より高い場合は昇温制御が行われ、触媒温度が575℃以下の場合は昇温制御が行われるが、触媒温度が575℃の近傍では、温度勾配が0よりも大きい場合(触媒温度が増加傾向の場合)は触媒温度が575℃以下であっても昇温制御が行われ、温度勾配が0よりも小さい場合(触媒温度が減少傾向の場合)は触媒温度が575℃より高くても降温制御が行われる。例えば、触媒温度が575℃以下であっても温度勾配が0よりも大きい場合は触媒温度が増加傾向であり、降温制御を行うよりも昇温制御を行った方がより容易に触媒温度を被毒温度域に制御できる場合がある。同様に、触媒温度が575℃より高い場合であっても温度勾配が0よりも小さい場合は触媒温度が減少傾向であり、昇温制御を行うよりも降温制御を行った方がより容易に触媒温度を被毒温度域に制御できる場合がある。このような制御により、触媒温度と排気浄化触媒17aの時系列の温度勾配に応じて、昇温制御と降温制御のうち触媒温度を被毒温度域外に制御するのに効率のよい方が選択されるので、触媒温度を被毒温度域外に迅速に制御することができる。
According to the map of FIG. 11, basically, when the catalyst temperature is higher than 575°C with the boundary of 575°C, which is the temperature in the middle of the poisoning temperature range, temperature increase control is performed, and the catalyst temperature reaches 575°C. Temperature increase control is performed in the following cases, but when the catalyst temperature is near 575°C, if the temperature gradient is greater than 0 (when the catalyst temperature tends to increase), even if the catalyst temperature is 575°C or less, Temperature control is performed, and when the temperature gradient is less than 0 (when the catalyst temperature tends to decrease), temperature drop control is performed even if the catalyst temperature is higher than 575°C. For example, even if the catalyst temperature is 575° C. or less, if the temperature gradient is greater than 0, the catalyst temperature tends to increase, and it is easier to increase the catalyst temperature by temperature increase control than by temperature decrease control. In some cases, it can be controlled within the poison temperature range. Similarly, even when the catalyst temperature is higher than 575° C., when the temperature gradient is smaller than 0, the catalyst temperature tends to decrease, and it is easier to control the catalyst temperature by controlling the temperature decrease than by increasing the temperature. In some cases, the temperature can be controlled within the poisoning temperature range. Through such control, either temperature increase control or temperature decrease control, which is more efficient for controlling the catalyst temperature outside the poisoning temperature range, is selected in accordance with the time-series temperature gradient of the catalyst temperature and the
なお、図11のマップにおける昇温領域(1)と降温領域(2)の設定は一例であり、昇温領域(1)と降温領域(2)とは、図11中に破線で示す境界線L2またはL3によって分けられていてもよい。 The setting of the temperature rising region (1) and the temperature falling region (2) in the map of FIG. 11 is an example. It may be separated by L2 or L3.
また、昇温装置50が電気ヒータから構成される場合、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの温度を650℃以上とするためには、電力消費が多くなる可能性がある。一方、降温装置52による降温では電力を消費しないため、降温制御の方がエネルギー的にリーズナブルである。したがって、エネルギー消費の観点からは、昇温制御よりも降温制御を積極的に活用することが好ましい場合がある。なお、昇温制御よりも降温制御を積極的に活用する場合は、図11のマップにおいて、昇温領域(1)よりも降温領域(2)を広くすればよい。
Further, when the
図12は、第1の実施形態において、電子制御ユニット30のCPU34が所定の制御周期毎に行う処理を示すフローチャートである。先ず、触媒温度判定部34bが、触媒温度取得部34aが取得した排気浄化触媒17aの温度Tが500℃<T<650℃であるか否かを判定する(ステップS10)。500℃<T<650℃の場合は、堆積C量推定部34cが推定した堆積C量が所定値以下であるか否かが判定される(ステップS12)。一方、500℃<T<650℃でない場合は、本制御周期における処理が終了する(End)。
FIG. 12 is a flow chart showing processing performed by the
ステップS12で堆積C量が所定値以下である場合は、触媒温度制御部34dが、図11のマップに基づいて、昇温/降温係数を決定する(ステップS14)。触媒温度制御部34dは、排気浄化触媒17aの温度と排気浄化触媒17aの時系列の温度勾配によって定まる点が図11のマップ中の昇温領域(1)に属する場合、昇温/降温係数を“1”に決定し、排気浄化触媒17aの温度と排気浄化触媒17aの時系列の温度勾配によって定まる点が降温領域(2)に属する場合、昇温/降温係数を“2”に決定する。
If the deposited C amount is equal to or less than the predetermined value in step S12, the catalyst
次に、昇温/降温係数が“1”であるか否かが判定され(ステップS16)、昇温/降温係数が“1”の場合は、触媒温度制御部34dが昇温制御を行うことで排気浄化触媒17aを昇温させる(ステップS18)。
Next, it is determined whether or not the temperature increase/temperature decrease coefficient is "1" (step S16). to raise the temperature of the
また、ステップS16で昇温/降温係数が“1”でない場合、昇温/降温係数が“2”であるか否かが判定され(ステップS20)、昇温/降温係数が“2”の場合は、触媒温度制御部34dが降温制御を行うことで排気浄化触媒17aを降温させる(ステップS22)。
If the temperature rise/drop coefficient is not "1" in step S16, it is determined whether or not the temperature rise/drop coefficient is "2" (step S20). , the temperature of the
ステップS18,S22の後、本制御周期における処理は終了する。また、ステップS20で昇温/降温係数が“2”でない場合は、排気浄化触媒17aの温度と排気浄化触媒17aの時系列の温度勾配によって定まる点が図11のマップ中の昇温領域(1)と降温領域(2)のいずれにも属していないため、昇温制御と降温制御のいずれも行うことなく、本制御周期における処理は終了する。
After steps S18 and S22, the processing in this control cycle ends. Further, when the temperature increase/temperature decrease coefficient is not "2" in step S20, the point determined by the temperature of the
また、ステップS12で堆積C量が所定値以下でない場合は、被毒再生制御部34eが排気浄化触媒17aの被毒再生制御を行う(ステップS24)。ステップS24の後、本制御周期における処理は終了する。
Further, when the deposited C amount is not equal to or less than the predetermined value in step S12, the poisoning
図13は、本実施形態に係る処理を行った場合に、排気浄化触媒17aの触媒温度、昇温/降温係数、および排気浄化触媒17aの堆積C量が変化する様子を示すタイミングチャートである。図13に示すように、時刻t0から触媒温度が上昇し、時刻t11で触媒温度が500℃を超えると、触媒温度と温度勾配とに基づいて、図11のマップから昇温/降温係数が“1”に設定される。これにより、昇温制御が行われるので、触媒温度は時刻12で650℃を超える。したがって、触媒温度が被毒温度域である500~650℃から外れるため、堆積C量の増加が抑えられる。
FIG. 13 is a timing chart showing how the catalyst temperature of the
その後、触媒温度が低下して時刻t13で650℃よりも小さくなると、触媒温度と温度勾配とに基づいて、図11のマップから昇温/降温係数が“1”に設定される。これにより、再び昇温制御が行われるので、触媒温度は時刻14で650℃を超える。したがって、触媒温度が被毒温度域である500~650℃から外れるため、堆積C量の増加が抑えられる。
Thereafter, when the catalyst temperature drops below 650° C. at time t13, the temperature rise/fall coefficient is set to "1" from the map of FIG. 11 based on the catalyst temperature and the temperature gradient. As a result, temperature increase control is performed again, so the catalyst temperature exceeds 650° C. at
そして、図13に示すように、堆積C量の増加が抑えられることにより、堆積C量が被毒再生制御を行うための回復閾値(図12のステップS12の所定値)に到達するまでの間隔(インターバル)が長くなる。 Then, as shown in FIG. 13, by suppressing an increase in the amount of deposited C, the interval until the amount of deposited C reaches the recovery threshold value (predetermined value in step S12 in FIG. 12) for performing poisoning regeneration control. (interval) becomes longer.
以上のように、本実施形態によれば、触媒温度が被毒温度帯である500~650℃になることを避けることができるため、堆積C量の増加を抑制することができる。したがって、被毒再生制御を行うまでのインターバルが長くなり、被毒再生制御の頻度が低下する。更に、被毒再生制御を行うまでのインターバルが長くなることにより、そのインターバルの間に燃料カットや加速による急激な触媒の昇温など外的要因が入る確率も上昇するため、被毒再生制御の回数がより減少する。被毒再生制御により下流側の触媒コンバータ17に酸素を供給すると、下流側の触媒コンバータ17からNOxが排出される場合があるが、被毒再生制御の回数が減少することにより下流側の触媒コンバータ17からのNOxの排出が抑制される。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to prevent the catalyst temperature from reaching the poisoning temperature range of 500 to 650° C., thereby suppressing an increase in the deposited C amount. Therefore, the interval until poisoning regeneration control is performed becomes longer, and the frequency of poisoning regeneration control decreases. Furthermore, the longer the interval until poisoning regeneration control is performed, the higher the probability that external factors such as a fuel cut or a sudden temperature rise in the catalyst due to acceleration will occur during that interval. less frequent. When oxygen is supplied to the downstream
なお、図13では、時刻t11で触媒温度が500℃を超えた時点で昇温/降温係数が“1”に設定されるため、図11のマップの昇温領域(1)と降温領域(2)の境界線がL2またはL3の場合に相当する。 In FIG. 13, the temperature increase/temperature decrease coefficient is set to "1" when the catalyst temperature exceeds 500° C. at time t11. ) is L2 or L3.
また、図13では、図11のマップから昇温/降温係数が“1”に設定される場合が示されており、触媒温度が被毒温度域よりも昇温される場合が例示されているが、図11のマップから昇温/降温係数が“2”に設定される場合、触媒温度は被毒温度域よりも降温される。例えば、時刻13において、触媒温度が低下して時刻t13で650℃よりも小さくなった場合に、温度の減少傾向が大きい場合は、降温制御が行われる。 Further, FIG. 13 shows a case where the temperature increase/temperature decrease coefficient is set to "1" from the map of FIG. 11, exemplifying a case where the catalyst temperature rises above the poisoning temperature range. However, when the temperature increase/temperature decrease coefficient is set to "2" from the map of FIG. 11, the catalyst temperature is decreased below the poisoning temperature range. For example, when the catalyst temperature decreases at time t13 and becomes lower than 650° C. at time t13, temperature decrease control is performed if the temperature tends to decrease significantly.
一方、図14は、本実施形態に係る処理を行わない場合に、排気浄化触媒17aの触媒温度、および排気浄化触媒17aの堆積C量が変化する様子を示すタイミングチャートである。図14に示すように、時刻t0から触媒温度が上昇し、時刻t21で触媒温度が500℃を超えても、本実施形態に係る処理を行わない場合は、昇温制御または降温制御が行われない。したがって、触媒温度が被毒温度帯である500~650℃になる時間が長くなり、堆積C量が増加する。このため、燃料カットや加速による急激な触媒の昇温などの外的要因が無い限り、堆積C量が蓄積され、図13よりも早く堆積C量が被毒再生制御を行うための回復閾値に到達し、被毒再生制御が行われる。これにより、被毒再生制御を行うまでのインターバルが短くなり、被毒再生制御の頻度が増加する。
On the other hand, FIG. 14 is a timing chart showing how the catalyst temperature of the
図15は、上から順に、機関本体1から排出される排気ガスの空燃比(A/F)の指示値、機関本体1から排出された排気ガスの空燃比の実測値、上流側の触媒コンバータ16から排出された排気ガスの空燃比、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの触媒温度、上流側の触媒コンバータ16から排出されたTHCの濃度、下流側の触媒コンバータ17から排出されたTHCの濃度、下流側の触媒コンバータ17から排出されたCOの濃度、下流側の触媒コンバータ17から排出されたNOxの濃度、が時系列に変化する様子を示すタイミングチャートである。下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの触媒温度、下流側の触媒コンバータ17から排出されたTHCの濃度、下流側の触媒コンバータ17から排出されたCOの濃度、下流側の触媒コンバータ17から排出されたNOxの濃度のそれぞれにおいて、特性C5は下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aが被毒していない状態(初期状態)での特性を示しており、特性C6は排気浄化触媒17aが被毒している状態での特性を示しており、特性C7は排気浄化触媒17aの被毒を燃料カットで解除した状態での特性を示している。同様に、上流側の触媒コンバータ16から排出された排気ガスの空燃比、上流側の触媒コンバータ16から排出されたTHCの濃度のそれぞれにおいて、特性C5は上流側の触媒コンバータ16の排気浄化触媒16aが被毒していない状態(初期状態)での特性を示しており、特性C6は排気浄化触媒16aが被毒している状態での特性を示しており、特性C7は排気浄化触媒16aの被毒を燃料カットで解除した状態での特性を示している。
FIG. 15 shows, from top to bottom, the indicated value of the air-fuel ratio (A/F) of the exhaust gas discharged from the
図15において、時刻t3以前には、機関本体1から排出される排気ガスの空燃比が燃料リッチと燃料リーンが交互に繰り返されるように制御されている。また、時刻t3以降では、機関本体1から排出される排気ガスの空燃比が燃料リッチに制御されている。下流側の触媒コンバータ17から排出されたTHCの濃度の特性C5~C6によれば、空燃比が燃料リッチに制御されている状態が継続すると、被毒が進行し、THCの濃度が増大することが判る。特に、特性C6によれば、排気浄化触媒17aが被毒している状態では、空燃比を燃料リッチにした直後からTHCの濃度が増大することが判る。また、特性C5によれば、排気浄化触媒17aが被毒していない状態であっても、空燃比を燃料リッチにするとTHC濃度が徐々に増加することが判る。同様に、下流側の触媒コンバータ17から排出されたCOの濃度、およびNOxの濃度の特性においても、被毒している状態での特性C6では、空燃比を燃料リッチにするとCO,NOxの排出量が増大していることが判る。一方、上流側の触媒コンバータ16から排出されたTHCの濃度の特性C5~C6によれば、時刻t3以降に燃料リッチになるとTHCの濃度は増加するものの、被毒状態に応じたTHCの濃度の相違は下流側の排気浄化触媒17aに比較して相対的に小さい。したがって、排気ガスの浄化性能を高めるためには、下流側の排気浄化触媒17aの被毒を抑制することが効果的であることが判る。
In FIG. 15, before time t3, the air-fuel ratio of the exhaust gas discharged from the
また、下流側の触媒コンバータ17から排出されたTHC,CO,NOxの濃度において、特性C7は、被毒再生制御として排気浄化触媒17aの触媒温度を600℃程度まで上げて燃料カットを行った後の特性を示している。このような被毒再生制御により、初期状態の特性C5と同等のレベルまで排気浄化性能が回復することが判る。
Further, with respect to the concentrations of THC, CO, and NOx discharged from the downstream
以上説明したように第1の実施形態によれば、下流側の触媒コンバータ17の堆積C量を推定し、堆積C量が所定値以下であり、下流側の触媒コンバータ17の触媒温度が被毒温度域である場合は、触媒温度が被毒温度域から外れるように昇温制御または降温制御が行われる。これにより、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの堆積C量が抑制される。また、被毒再生制御を行うまでのインターバルが長くなるため、被毒再生制御を行う頻度を低下させることが可能となる。また、C被毒量が所定値を超えると被毒再生制御が実施されるため、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化性能を回復させることができる。
As described above, according to the first embodiment, the amount of deposited C in the downstream
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、第1の実施形態の処理をより簡素にしたものであり、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの触媒温度Tが500℃<T<650℃の場合は、触媒温度Tが500℃<T<650℃とならないように排気浄化触媒17aを昇温する。第2の実施形態では、触媒温度が被毒温度域の場合は昇温制御のみが行われ、降温制御は行われない。このため、第2の実施形態では、図6に示した降温装置52は設けられていなくてよい。
(Second embodiment)
The second embodiment simplifies the processing of the first embodiment. The temperature of the
図16は、第2の実施形態において、電子制御ユニット30のCPU34が所定の制御周期毎に行う処理を示すフローチャートである。先ず、触媒温度判定部34bが、排気浄化触媒17aの触媒温度Tが、T>650℃であるか否かを判定する(ステップS30)。T>650℃の場合は、排気浄化触媒17aの触媒温度Tが被毒温度域よりも高いため、本制御周期における処理が終了する(End)。
FIG. 16 is a flow chart showing processing performed by the
ステップS30において、T≦650℃の場合、触媒温度判定部34bが、T<500℃であるか否かを判定する(ステップS32)。T<500℃の場合は、排気浄化触媒17aの触媒温度Tが被毒温度域よりも低いため、本制御周期における処理が終了する。
If T≦650° C. in step S30, the catalyst
ステップS32において、T≧500℃の場合、昇温係数が“1”に設定され、触媒温度制御部34dが昇温制御を行うことで排気浄化触媒17aを昇温させる(ステップS34)。ステップS34の後、本制御周期における処理が終了する。なお、第2の実施形態では降温制御は行われないため、降温係数は設定されない。
In step S32, if T≧500° C., the temperature increase coefficient is set to “1”, and the catalyst
図17は、本実施形態に係る処理を行った場合に、排気浄化触媒17aの触媒温度、および昇温/降温係数が変化する様子を示すタイミングチャートである。図17に示すように、時刻t0から触媒温度が上昇し、時刻t31で触媒温度が500℃を超えると、昇温係数が“1”に設定される。これにより、昇温制御が行われるので、触媒温度は時刻t32で650℃を超える。したがって、触媒温度が被毒温度域である500~650℃から外れるため、堆積C量の増加が抑えられる。
FIG. 17 is a timing chart showing how the catalyst temperature of the
その後、触媒温度が低下して時刻t33で650℃よりも小さくなると、昇温係数が“1”に設定される。これにより、昇温制御が行われるので、触媒温度は時刻34で650℃を超える。したがって、触媒温度が被毒温度域である500~650℃から外れるため、堆積C量の増加が抑えられる。
After that, when the catalyst temperature drops below 650° C. at time t33, the temperature increase coefficient is set to "1". As a result, temperature increase control is performed, and the catalyst temperature exceeds 650° C. at
以上説明したように第2の実施形態によれば、下流側の触媒コンバータ17の触媒温度が被毒温度域である場合は、触媒温度が被毒温度域よりも高くなるように昇温制御が行われる。これにより、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの堆積C量を抑制することができる。
As described above, according to the second embodiment, when the catalyst temperature of the
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、第1の実施形態に対して、堆積C量を考慮することなく、昇温制御または降温制御を行うものである。
(Third embodiment)
3rd Embodiment performs temperature-increase control or temperature-decrease control, without considering the amount of deposition C with respect to 1st Embodiment.
図18は、第3の実施形態において、電子制御ユニット30のCPU34が所定の制御周期毎に行う処理を示すフローチャートである。図18に示すフローチャートは、第1の実施形態で説明した図12のフローチャートからステップS12とステップS24が除かれている点で図12のフローチャートと相違する。このため、以下の説明では、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。
FIG. 18 is a flow chart showing processing performed by the
図18の処理では、ステップS10において、500℃<T<650℃の場合は、触媒温度制御部34dが、図11のマップに基づいて、昇温/降温係数を決定する(ステップS14)。ステップS14以降の処理は図12と同様である。500℃<T<650℃でない場合は、本制御周期における処理が終了する(End)。
In the process of FIG. 18, if 500° C.<T<650° C. in step S10, the catalyst
第3の実施形態においても、下流側の触媒コンバータ17の触媒温度が被毒温度域である場合は、触媒温度が被毒温度域から外れるように昇温制御または降温制御が行われる。これにより、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの堆積C量を抑制することができる。
In the third embodiment as well, when the catalyst temperature of the downstream
(第4の実施形態)
第1の実施形態で説明したように、触媒の被毒はスチームカーボン比が小さいほど進行する。第4の実施形態では、被毒温度域では、被毒が進行しないようEGRを増量し、CO濃度の低減と水分増加によりスチームカーボン比が大きくなる方向に改善することで、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの堆積C量を抑制する。
(Fourth embodiment)
As described in the first embodiment, catalyst poisoning progresses as the steam carbon ratio decreases. In the fourth embodiment, in the poisoning temperature range, the amount of EGR is increased so that the poisoning does not progress, and the steam carbon ratio is improved by reducing the CO concentration and increasing the water content, so that the downstream side
図19は、第4の実施形態において、電子制御ユニット30のCPU34が所定の制御周期毎に行う処理を示すフローチャートである。図19に示すフローチャートは、第3の実施形態で説明した図18のフローチャートに対して、EGRを増量する処理(ステップS40)が追加されている点で図18のフローチャートと相違する。このため、以下の説明では、第3の実施形態と異なる点を中心に説明する。
FIG. 19 is a flow chart showing processing performed by the
図19の処理では、ステップS10において、500℃<T<650℃の場合は、EGRを増量する処理が行われる(ステップS40)。EGRを増量すると、排気ガス中の未燃成分が機関本体1にて燃焼するため、排気ガス中のHC濃度、CO濃度は低下する。また、HCが燃焼することで、排気ガス中の水分(H2O)が増加する。このように、EGRを増量して再燃焼させることで、排気ガス中のCOが減り、水分が増加するため、水蒸気改質が促進される。なお、EGRの増量は、排気ガス再循環通路18を流れる排気ガスを増量すること、または、内部EGRを増量することによって実現される。EGRの増量によりスチームカーボン比が大きくなる方向に改善されることで、堆積C量が抑制されるため、浄化率の低下が抑制される。
In the process of FIG. 19, if 500° C.<T<650° C. in step S10, the EGR is increased (step S40). When the amount of EGR is increased, the unburned components in the exhaust gas are burned in the
以上のように第4の実施形態によれば、下流側の触媒コンバータ17の触媒温度が被毒温度域である場合は、EGRが増量されるため、スチームカーボン比が増加し、堆積C量が抑制されるため、浄化率の低下が抑えられる。
As described above, according to the fourth embodiment, when the catalyst temperature of the
(第5の実施形態)
第5の実施形態は、下流側の触媒コンバータ17の排気浄化触媒17aの劣化度を考慮して排気浄化触媒17aの昇温制御、降温制御を行う。
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, temperature increase control and temperature decrease control of the
触媒が劣化すると、低温側での浄化率が下がる傾向にある。このため、排気浄化触媒17aが劣化した状態で排気浄化触媒17aの触媒温度を被毒温度域より低温側に制御すると浄化率が低下する可能性がある。このため、第5の実施形態では、排気浄化触媒17aの劣化した場合は、降温制御よりも昇温制御を積極的に活用する。
When the catalyst deteriorates, the purification rate tends to decrease on the low temperature side. Therefore, if the catalyst temperature of the
図20は、第5の実施形態において、電子制御ユニット30のCPU34が所定の制御周期毎に行う処理を示すフローチャートである。図20に示すフローチャートは、第3の実施形態で説明した図18のフローチャートに対して、上流側の触媒コンバータ16の排気浄化触媒16aの劣化度を判定する処理(ステップS42)が追加されており、昇温・降温係数を決定するステップS14が、排気浄化触媒17aの劣化度に応じて昇温・降温係数を決定するステップS14aとステップS14bに分割されている。
FIG. 20 is a flow chart showing processing performed by the
ステップS42では、触媒劣化度判定部34fが、上流側の触媒コンバータ16の排気浄化触媒16aの劣化度を判定する。触媒劣化度判定部34fは、上流側の触媒コンバータ16の上流と下流に設けられた空燃比センサ25および空燃比センサ28の検出値に基づいて、上流側の触媒コンバータ16の排気浄化触媒16aの酸素吸蔵容量(Cmax)を計測し、その計測結果から排気浄化触媒16aの劣化度を判定する。具体的には、触媒劣化度判定部34fは、排気浄化触媒16aのCmaxが所定値を超えているか否かを判定し、Cmaxが所定値以下の場合は排気浄化触媒16aが劣化していると判定する。
In step S42, the catalyst deterioration
Cmaxの計測方法については公知であるため、ここでは概要を説明する。Cmaxを計測する際には、目標空燃比をストイキを中心に振動させることで、排気浄化触媒16aに流入する排気ガスの空燃比を燃料リーン側と燃料リッチ側との間で交互に変化させる。このとき、触媒上流の空燃比が燃料リーンに変化してから、触媒下流の空燃比が燃料リーンに変化するまでの間、下式によって計算される触媒の酸素吸蔵量の積算が行われる。また、触媒上流の空燃比が燃料リッチに変化してから、触媒下流の空燃比が燃料リッチに変化するまでの間、下式によって計算される触媒の酸素脱離量の積算が行われる。
酸素吸蔵量or酸素脱離量=係数×(現在の空燃比-ストイキ)×燃料量噴射量
触媒劣化度判定部34fは、酸素吸蔵量と酸素脱離量とをそれぞれ複数回計算し、それらの平均をとったものをCmaxとして算出する。
Since the method for measuring Cmax is publicly known, an overview will be given here. When measuring Cmax, by oscillating the target air-fuel ratio around stoichiometric, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
Oxygen storage amount or oxygen desorption amount = coefficient x (current air-fuel ratio - stoichiometric) x fuel injection amount
The catalyst deterioration
なお、触媒劣化度判定部34fが上流側の触媒コンバータ16の排気浄化触媒16aの劣化度を判定するのは、一般的に上流側の排気浄化触媒16aの方が下流側の排気浄化触媒17aよりも劣化が進行するため、上流側の排気浄化触媒16aが劣化していると判定される場合は、下流側の排気浄化触媒17aが上流側よりも低いレベルで劣化していると推定できるためである。なお、下流側の排気浄化触媒17aの劣化を直接判定できる場合は、上流側の排気浄化触媒16aの劣化を判定しなくてもよい。
The reason why the catalyst deterioration
ステップS42において、Cmaxが所定値を超えている場合、触媒が劣化していないため、触媒温度制御部34dは、触媒が劣化していない場合に適用されるマップに基づいて、昇温/降温係数を決定する(ステップS14a)。なお、触媒が劣化していない場合に適用されるマップは、図11に示したマップとする。
In step S42, if Cmax exceeds the predetermined value, the catalyst is not degraded, so the catalyst
一方、ステップS42において、Cmaxが所定値以下の場合、触媒が劣化しているため、触媒温度制御部34dは、触媒が劣化している場合に適用されるマップに基づいて、昇温/降温係数を決定する(ステップS14b)。 On the other hand, if Cmax is equal to or less than the predetermined value in step S42, the catalyst is degraded. is determined (step S14b).
図21は、図20のステップS14bにおいて、触媒が劣化している場合に適用されるマップを示す模式図である。図21に示すマップは、図11に示すマップと比較すると、昇温領域(1)と降温領域(2)との境界を示す境界線L1が低温側にシフトしており、昇温領域(1)の方が降温領域(2)よりも広くなっている。これにより、排気浄化触媒17aの温度と排気浄化触媒17aの時系列の温度勾配によって定まる点は、降温領域(2)よりも昇温領域(1)に属し易くなるため、降温制御よりも昇温制御が行われる頻度が高くなる。
FIG. 21 is a schematic diagram showing a map applied when the catalyst is degraded in step S14b of FIG. In the map shown in FIG. 21, as compared with the map shown in FIG. ) is wider than the temperature drop region (2). As a result, the point determined by the temperature of the
なお、図20のフローチャートでは、ステップS42において、所定値に基づいて触媒が劣化しているか否かを判定し、触媒が劣化している場合のマップと触媒が劣化していない場合のマップを切り換えるようにしているが、触媒の劣化度(Cmax値)に応じてマップを多段階に切り換えるようにしてもよい。 In the flowchart of FIG. 20, in step S42, it is determined whether or not the catalyst has deteriorated based on a predetermined value, and the map for the case where the catalyst has deteriorated and the map for the case where the catalyst has not deteriorated are switched. However, the map may be switched in multiple stages according to the deterioration degree (Cmax value) of the catalyst.
触媒が劣化していると、降温制御を行って触媒温度を500℃以下の低温側にした場合に、触媒劣化に起因して排気ガスの浄化性能が低下する傾向がある。一方、触媒が劣化している場合に、触媒温度が650℃以上の高温側では、低温側よりも浄化性能の低下は生じない。 If the catalyst is deteriorated, when the catalyst temperature is set to the low temperature side of 500° C. or less by performing temperature drop control, there is a tendency that the purification performance of the exhaust gas is lowered due to the deterioration of the catalyst. On the other hand, when the catalyst is degraded, on the high temperature side where the catalyst temperature is 650° C. or higher, the purification performance does not decrease as much as on the low temperature side.
第5の実施形態によれば、触媒が劣化している場合は、降温制御よりも昇温制御が行われる頻度が高くなり、昇温制御が主体的に行われるので、排気ガスの浄化性能の低下が抑制される。 According to the fifth embodiment, when the catalyst is degraded, the temperature increase control is performed more frequently than the temperature decrease control, and the temperature increase control is mainly performed. Decrease is suppressed.
34 CPU
34a 触媒温度取得部
34b 触媒温度判定部
34c 堆積C量推定部
34d 触媒温度制御部
34e 被毒再生制御部
34f 触媒劣化度判定部
34 CPUs
34a Catalyst
Claims (1)
予め定められた前記第2排気浄化触媒の温度域であって該温度域の低温側および高温側よりも前記第2排気浄化触媒の被毒量が増加する所定温度域に基づき、前記触媒温度が前記所定温度域にあるとき、前記触媒温度が前記所定温度域外となるように前記触媒温度を昇温または降温させる触媒温度制御部と、
を備える、排気浄化触媒の温度制御装置。 a catalyst temperature acquisition unit that acquires the catalyst temperature of a second exhaust purification catalyst into which exhaust gas that has passed through a first exhaust purification catalyst provided in an exhaust passage of an internal combustion engine flows;
The catalyst temperature is adjusted based on a predetermined temperature range of the second exhaust purification catalyst in which the amount of poisoning of the second exhaust purification catalyst is greater than that on the low temperature side and the high temperature side of the temperature range. a catalyst temperature control unit that raises or lowers the temperature of the catalyst so that the temperature of the catalyst is outside the predetermined temperature range when the temperature is within the predetermined temperature range;
A temperature control device for an exhaust purification catalyst, comprising:
Priority Applications (1)
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JP2021011044A JP2022114661A (en) | 2021-01-27 | 2021-01-27 | Temperature controller of exhaust emission control catalyst |
Applications Claiming Priority (1)
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