JP2663720B2 - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

ディーゼルエンジンの排気浄化装置

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JP2663720B2
JP2663720B2 JP2413901A JP41390190A JP2663720B2 JP 2663720 B2 JP2663720 B2 JP 2663720B2 JP 2413901 A JP2413901 A JP 2413901A JP 41390190 A JP41390190 A JP 41390190A JP 2663720 B2 JP2663720 B2 JP 2663720B2
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40Engine management systems

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はディーゼルエンジンの排
気浄化装置に関し、とくに、排気系にリーンNOx 触媒
(遷移金属或いは貴金属を担持せしめたゼオライトから
なり、酸化雰囲気中、HC存在下で、排気中のNOx を
還元する触媒)を配置したディーゼルエンジンの排気浄
化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】リーンNOx 触媒は、たとえば特開平1
−130735号公報、特開平1−135541号公報
により、知られている。リーンNOx 触媒が高いNOx
浄化率を示すのは、所定温度範囲(たとえば、400°
C−550°C)に限られる。所定温度範囲より高い
と、リーンNOx 触媒のNOx 還元反応に必要なHCが
完全酸化してしまってHCが不足して、NOx 浄化率が
低下し、所定温度範囲より低いと、リーンNOx 触媒自
体の活性が低下してNOx 浄化率が低下する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ディーゼルエンジンは
空燃比リーンにて運転されるため酸化雰囲気となるの
で、ディーゼルエンジンと、酸化雰囲気でNOxを還元
できるリーンNOx 触媒との組合せは望ましいと云え
る。 しかし、直噴ディーゼルエンジンでは、排気温は
燃料量の増加とともにリニアに上昇するため、リーンN
Ox が高いNOx 浄化率を示すことのできるトルク範
囲、すなわちリーンNOx 触媒の使用可能なトルク範囲
は極めて狭い。したがって、折角ディーゼルエンジンと
リーンNOx 触媒とを組合せても、リーンNOx 触媒の
NOx 浄化率が期待した程には上らないという問題があ
る。
【0004】本発明は、燃料量と独立に吸入空気量を制
御し得る手段を利用して、トルクと独立に排気温を制御
し、排気温をリーンNOx 触媒が高いNOx 浄化率を示
すことのできる所定温度範囲に制御することにより、広
範な運転領域においてリーンNOx 触媒のNOx 浄化率
を向上することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置
は、次の手段を備えている。ディーゼルエンジン、前記
ディーゼルエンジンの排気系に設けられたリーンNOx
触媒、前記リーンNOx 触媒の触媒床温または触媒床温
と関連する温度(たとえば、触媒出口排気温等)を検出
する温度検出手段、燃料噴射量を変化させることなく空
気過剰率を変化させ得る空気過剰率変更手段、および前
記温度検出手段によって検出された触媒床温が所定温度
範囲より高いときには空気過剰率を増大し触媒床温が所
定温度範囲より低いときには空気過剰率を減少するよう
に前記空気過剰率変更手段を制御する空気過剰率変更手
段制御手段。
【0006】
【作用】空気過剰率変更手段は、たとえば、ウエイスト
ゲートバルブ(WGV)とその開閉装置、吸気絞り弁と
その開閉装置、或いはスワールコントロールバルブ(S
CV)とその開閉装置等の何れかから成る。WGV開
度、吸気絞り弁開度、SCV開度によって、燃料噴射量
を変更することなくしたがってトルクを本質的に変える
ことなく、吸入空気量を変えることができしたがって空
気過剰率(理論空燃比のときが1)を制御できる。吸入
空気量が大したがって空気過剰率が増大したときは排気
温は低下し、逆のときは排気温が増大する。触媒昇温が
所定温度範囲(たとえば、400°C−550°C)よ
り低いときは空気過剰率を小側に制御して排気温を高く
するようにし、所定温度範囲より高いときは空気過剰率
を大側に制御して排気温を低くするようにする。これに
よって、トルクと独立に排気温のみを所定温度範囲内に
入るように制御でき、トルク性能を低下させることな
く、リーンNOx 触媒のNOx 浄化率を向上することが
できる。
【0007】
【実施例】以下に、3つの実施例を説明する。第1実施
例は空気過剰率変更手段がWGVとその開閉装置である
場合、第2実施例は空気過剰率変更手段が吸気絞り弁と
その開閉装置である場合、第3実施例は空気過剰率変更
手段がSCVとその開閉装置である場合、である。何れ
の実施例においても、燃料噴射量および空気過剰率はエ
ンジンコントロールユニット(ECU)に記憶してある
制御プログラムの演算によって制御されるが、このうち
燃料噴射量と空気過剰率との制御は互いに独立であり、
燃料噴射量を変えることなく空気過剰率を変化させるこ
とができる。そして、燃料噴射量演算ルーチンは、何れ
の実施例に対しても共通であるので、以下の説明では第
1実施例の説明においてのみ、燃料噴射演算ルーチンを
説明する。
【0008】第1実施例 図1において、2はディーゼルエンジンであり、とくに
ターボチャージャ12(排気のもつエネルギでタービン
を回転し、タービン12aに直結したコンプレッサで吸
気を過給する排気タービン過給機)付きエンジンから成
る。エンジン2の排気系には、リーンNOx 触媒4が配
置され、排気中のNOx を還元して浄化させるようにし
てある。リーンNOx 触媒4の下流には必要に応じて酸
化触媒、或いは三元触媒を配置してもよい。リーンNO
x 触媒4には、高いNOx 浄化率を示せる温度範囲(通
常、400°C−550°C)があるので、触媒床温を
この範囲に維持するための制御を行うために、触媒床温
を検出する必要があり、この意味で、触媒床温または触
媒床温と関連して変動する温度(たとえば、触媒出口温
度)を検出するための温度検出手段6(実施例では排気
温センサ6)が、触媒またはその出口側に設けられてい
る。
【0009】ターボチャージャ12の上流側と下流側と
をタービン12aをバイパスして連通する通路が設けら
れ、この通路にWGV(ウエイストゲートバルブ)8A
が設けられている。WGV8Aを開閉させるためのダイ
ヤフラム式アクチュエータ8Bは、デューティ制御2方
向電磁弁8C(全開、全閉の中間位置もとれる電磁弁)
によって作動される。該電磁弁8Cは、負圧源14(バ
キュームポンプVPまたはサージタンク圧または負圧ホ
ールドタンク圧)と大気圧との間に任意の割合をもって
切替える。WGV8Aが開側になれば、排気の一部がタ
ービン12aをバイパスするので、コンプレッサの過給
は低下し、吸入空気量が減少(空気過剰率は低下)し、
WGV8Aが閉側になれば吸入空気量は増大(空気過剰
率も増大)する。したがって、第1実施例では、WGV
8Aとその開閉装置8B、8Cが、吸入空気量を変化さ
せて空気過剰率(空燃比の理論空燃比に対する比でディ
ーゼルエンジンでは、空燃比リーン域すなわち空気過剰
率が1以上で運転される)を変化させる空気過剰率変更
手段8を構成する。
【0010】吸気系には、吸気集合部(通常、サージタ
ンク)の上流側に吸気絞り弁8Dが設けられる。吸気絞
り弁8Dを開閉させるダイヤフラム式アクチュエータ8
Eは、デューティ制御2方向電磁弁8Fによって作動さ
れる。該電磁弁8Fは、負圧源14と大気圧との間に通
路を切替えて、アクチュエータ8Eの負圧室に働く圧力
を負圧と大気圧との間に任意の割合をもって切替える。
吸気絞り弁8Dが開側になれば、吸入空気量が増大する
ので、空気過剰率は増大し、閉側になれば、吸入空気量
が減少して空気過剰率は低下する。したがって、吸気絞
り弁8Dとその開閉装置8E、8Fによっても、空気過
剰率を変化させることができる。
【0011】各気筒の吸気ポートは、図4に示すよう
に、スワール生成用ポートをもっていてもよい。このよ
うな吸気ポート構成は、たとえば、ストレートポート1
6とスワールポート18、およびストレートポート16
に設けられたスワールコントロールバルブ(SCV)8
Gから成る。SCV8Gが閉側になればスワールポート
18を通って流れる吸気量が減少し、スワールポート1
8の流れ抵抗が非常に大のため、吸気量は減少する。た
だし、燃焼室内にスワールが生成されるので、燃料の微
粒化が促進され、完全燃焼は促進される。SCV8Gは
ダイヤフラム式アクチュエータ8Hによって開閉され
る。そして、アクチュータ8Hは、デューティ制御2方
向電磁弁8Iによって作動される。該電磁弁8Iは、負
圧源14と大気圧との間に通路を切替えて、アクチュエ
ータ8Iの負圧室に働く圧力を負圧と大気圧との間に任
意の割合をもって切替える。SCV8Gとその開閉装置
8H、8Iによっても空気過剰率を変化させることがで
きる。
【0012】空気過剰率の制御は、ECU(エンジンコ
ントロールユニット)20に記憶されたプログラムの少
なくとも一部から成る空気過剰率変更手段制御手段10
によって、空気過剰率変更手段8を制御することにより
行われる。ECU20は、マイクロコンピュータから成
り、インプットインターフェイス20a、アナログ/デ
ィジタル変換器(A/D)20b、リードオンリメモリ
(ROM)20c、ランダムアクセスメモリ(RAM)
20d、セントラルプロセッサユニット(CPU)20
e、アウトプットインターフェイス20fを有する。E
CU20には、過給圧センサ24からの信号、アクセル
ペダルセンサ(図示略)からのアクセル開度信号ACC
P、燃料噴射ポンプに組込まれた回転速度センサからの
エンジン回転速度信号NE、クランク角センサ26から
のクランク角信号CA、水温センサ28からの水温信号
THWが、入力される。ECU20の出力信号のうち、
燃料噴射制御信号は、燃料噴射ポンプ30に送られ、空
気過剰率変更手段8を制御するための信号は、電磁弁8
C、8F、8Iの何れか少なくとも1つに送られる。
【0013】ECU20のROM20cには、図2、図
3、あるいは図5、図6のプログラム、マップが記憶さ
れていて、CPU20eに読出されて演算が実行され
る。図2は、各実施例に共通な燃料噴射量算出ルーチン
を示している。このルーチンには、ステップ100で、
クランク角センサ26からの信号に基づいて、一定クラ
ンク角毎に割込まれる。ステップ102で、アクセル開
度信号ACCP、エンジン回転速度信号NE、水温信号
THW、過給圧信号Pを読込む。続いて、ステップ10
4で、この読込んだACCP、NEから基本燃料噴射量
FBを算出する。続いてステップ106に進み、水温信
号THWから補正噴射量FKを算出する。また、水温補
正以外の各種の補正を行ってもよい。続いて、108に
て、最終噴射量FFを、FF=FB+FKより演算す
る。続いて、高地補償を行うためにステップ110に進
み、過給圧センサ24からの過給圧信号Pが600mm
Hg以下なら高地であり、薄い空気に拘わらずFFを全
量噴射すると過濃になるので、そのような場合はステッ
プ112に進んで、FFをFG(一定値)とおき、一定
値以上に燃料を噴射しないようにする。ステップ110
でPが600mmHgを超えるなら、平地走行とみな
し、ステップ114に進んで、ステップ108にて求め
られたFFをそのまま出力し、ステップ116でリター
ンする。ステップ114のFF信号に応じて燃料噴射ポ
ンプ30の電磁スピル弁のソレノイドが作動され、燃料
噴射時間、したがって燃料噴射量が制御される。
【0014】ここで大切なことは、燃料噴射量FFが、
基本的にはアクセルペダル開度信号ACCPとエンジン
回転速度信号NEとによって決定され、吸入空気量と無
関係または独立に制御されていることである。したがっ
て、吸入空気量が変化されても、燃料噴射量FFは影響
されず、したがってトルク性能と独立に吸入空気量、吸
入空気過剰率を変化させることができる。
【0015】図3は空気過剰率制御ルーチンを示してい
る。ステップ200で、一定時間間隔で(または一定ク
ランク角毎に)割込みされる。続いて、ステップ202
にて、排気温センサ6からの排気温信号TEを読込む。
続いてステップ204に進み、所定温度範囲の上限値の
550°Cより高いか否かを判定する。TE>550°
Cなら吸入空気量を増やして排気温を下げる必要がある
から、ステップ206に進み、WGV8Aのデューティ
カウントDTWを1回のルーチン当りたとえば2%づつ
上げていってWGV8Aの開度を閉じ側に変えていく。
また、ステップ204でTEが550°C以下と判定さ
れると、ステップ208に進んで、TEが所定温度範囲
の下限値の400°Cより低いか否かを判定する。TE
が400°C以上なら、TEが所定温度範囲にあるか
ら、そのままステップ214に進み、吸気絞り弁8Dを
全開としておく。ステップ208でTE<400°Cな
らステップ210に進んで、1回のルーチン当りデュー
ティカウントDTWをたとえば2%づつ下げていってW
GV8Aの開度を開き側に変えていく。WGV8Aの開
度が増大すると吸入空気量が減少するから、排気温が上
昇する。ここで、ステップ204、206、208、2
10は、WGV8Aの開度を制御することにより空気過
剰率を制御する第1実施例における空気過剰率変更手段
制御手段10を構成する。
【0016】ステップ210でDTWが減少していく
が、ステップ212でDTWが10%以上と判定される
とそのまま前述のステップ214に進み、ステップ21
2でDTWが10%より小と判定されると、WGV8A
が全開近傍に拘らずまだ400°C以下だから、ステッ
プ216に進んで、吸気絞り弁8Dを開き側にすべく、
絞り弁デューティカウントDTSを2%下げる。したが
って、ステップ214に進む場合は、WGV8Aだけで
排気温が制御できる場合であるから吸気絞り弁8Dは全
開としておき、ステップ216に進む場合は、WGV8
Aだけでは排気温が制御できないかまたは制御し難い場
合であるから吸気絞り弁8Dを閉側に変えていって排気
温を上げるようにする。そして、ステップ214、21
6からステップ218に進み、ウエストゲートバルブ開
度SDWをDTWにセットするとともに、絞り弁開度S
DSをDTSにセットし、ステップ220に進んでリタ
ーンする。ここで、ステップ212、214、216
は、絞り弁8Dの開度を制御することにより空気過剰率
を制御する、後述の第2実施例における、空気過剰率変
更手段制御手段10であり、図3のルーチンはWGV8
Aの開度制御と絞り弁8Dの開度制御の両方の空気過剰
率変更手段制御手段10を含む。
【0017】第1実施例の作用については、排気温が所
定温度範囲(たとえば、400°C−550°C)より
高いときは、WGV8Aが閉じ側に変えられていき、タ
ービン回転数が上って過給圧が上昇され、吸入空気量が
増えて空気過剰率が増大され、燃料噴射量は変らないで
吸入空気量が増えるから排気温が低下し、所定温度範囲
に戻される。逆に排気温が所定温度範囲より低いとき
は、WGV8Aが開き側に変えられていき、排気温が増
大する。排気温が所定温度範囲内にあるときは、WGV
8Aの開度は変えられない。
【0018】第2実施例 第2実施例は、吸気絞り弁8Dの開度をデューティ制御
することにより、燃料噴射量とは独立に、排気温を制御
するものである。図1、図2は第2実施例にも適用さ
れ、図3はステップ212、214、216の部分が第
2実施例に適用される。第2実施例では、図1の絞り弁
8Dとその開閉装置8E、8Fが空気過剰率変更手段8
を構成し、図3のステップ212、214、216が空
気過剰率変更手段制御手段10を構成する。
【0019】第2実施例の作用については、排気温が所
定温度範囲より低い時は、絞り弁8Dが閉じ側に変えら
れていき、燃料噴射量が同じに拘らず吸入空気量が減少
するので、排気温は上昇していく。排気温が所定温度範
囲内にあるかそれより高いときは、絞り弁8Dは全開と
される。
【0020】第3実施例 第3実施例は、SCV(スワールコントロールバルブ)
8Gの開度をデューティ制御することにより、燃料噴射
量とは独立に、吸気量したがって空気過剰率を制御し、
排気温を所定温度範囲に制御するものである。図1、図
2、図4は第3実施例にも適用され、図5、図6は第3
実施例に専用的に適用される。図4において、軽、中負
荷においては、SCV8Gが閉じるので、吸気はスワー
ルポート18を通って燃焼室に流入し、燃焼室内にスワ
ールを生成し、燃料を微粒化するとともに燃料と空気と
の混合をよくし、燃焼性、燃費を向上させる。一方、高
負荷においては、スワールポート18の吸気抵抗が増大
して出力性能が落ちるのでSCV8Gを開にしてストレ
ートポート16からも多量に吸気を導入する。
【0021】一般に、従来は、直噴ディーゼルエンジン
では、図8において実線で示すように、排気温TEは、
燃料噴射量Qの増加とともにリニアに上昇していた。し
かし、可変スワール機構をもつディーゼルエンジンで
は、図8において破線で示すように、スワール上昇→吸
気量少し低下→排気温上昇、あるいは、スワール低下→
吸気量少し増加→排気温低下がある程度可能であるた
め、燃料噴射量を変えないでSCV8Gの開度を変える
ことによって、空気過剰率を変え、排気温を制御するこ
とができる。したがって、SCV8Gとその開閉装置8
H、8Iは、第3実施例における空気過剰率変更手段8
を構成する。
【0022】図5はSCV8Gの開度を制御して排気温
を制御するためのプログラムを示している。このプログ
ラムは図1に示したECU20のROM20cに記憶さ
れていて、CPU20eに呼出されて演算が実行され
る。まず、ステップ300にて一定時間間隔毎に、ある
いは所定クランク角毎に、ルーチンに割込まれる。ステ
ップ302にて、エンジン回転速度NE、基本燃料噴射
量FB(図2参照)から、図6に示すようなSVマップ
を用いてSCV開度SVを算出する。続いて、ステップ
304にて、基本燃料噴射量FBに基づいて所定温度範
囲T1およびT2を求める。T1、T2は第1、第2実
施例で述べた550°C、400°Cに対応するもので
あるが、燃料量によって若干増減する場合を示してい
る。
【0023】続いて、ステップ306で、検出された触
媒床温TEまたはそれに連動する温度が、T1より大か
否かを判定する。TE>T1ならステップ308に進ん
でSCV8GのデューティカウントSVを1回のルーチ
ン毎にたとえば5%づつ減らしていって、SCV8Gを
開き側にしていきスワールを小さくしていって、排気温
TEを低下させるようにする。ステップ306で、TE
がT1以下なら、ステップ310に進み、TEがT2よ
り小か否かを判定する。TEがT2以上なら、TEはT
1とT2の間にあって適温だから、ステップ314に進
みデューティカウントは変えない。しかし、ステップ3
10でTEがT2より小だと、ステップ312に進み、
デューティカウントSVを1回のルーチン毎にたとえば
5%づつ増大していって、SCV8Gを閉じ側にしてい
きスワールを強めていって、排気温TEを高くする。続
いて、ステップ316でSVをセットして、ステップ3
18でリターンする。図5のステップ306、308、
310、312、314、316は、第3実施例におけ
る空気過剰率変更手段制御手段10を構成する。
【0024】第3実施例の作用については、排気温が燃
料噴射量から定まる所定温度範囲T2−T1より高いと
きは、SCV8Gを開側にしていって吸入空気量を増や
して空気過剰率を増大させ、燃料噴射量を変えないで吸
入空気量を増やすことにより排気温を下げる。排気温が
T2−T1にあるときは、SCV8Gは排気温制御上か
らは開度を変える必要はない。排気温がT2−T1より
低いときは、SCV8Gを閉じ側にしていって排気温を
上げる。
【0025】
【発明の効果】排気系にリーンNOx 触媒4を装着した
ディーゼルエンジン2に、温度検出手段6、空気過剰率
変更手段8、空気過剰率変更手段制御手段10を設けた
ので、温度検出手段6で検出した温度TEが、所定温度
範囲より高いときは、燃料噴射量を変えないで、空気過
剰率変更手段制御手段10によって空気過剰率変更手段
8を制御して空気過剰率を大にし、触媒床温を低下さ
せ、逆に、所定温度範囲より低いときは、空気過剰率を
小にして触媒床温を上げることができ、これによって、
触媒床温を、リーンNOx 触媒4が高いNOx浄化率を
示す温度範囲に保持でき、リーンNOx 触媒4のNOx
浄化率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の全実施例に適用可の、ディーゼルエン
ジンの排気浄化装置の系統図である。
【図2】本発明の全実施例に適用可の、燃料噴射量算出
ルーチンのフローチャートである。
【図3】本発明の第1実施例と第2実施例の空気過剰率
制御ルーチンを含むフローチャートである。
【図4】本発明の第3実施例に適用可の、ディーゼルエ
ンジンの吸気ポート近傍の断面図である。
【図5】本発明の第3実施例に適用可の、空気過剰率制
御ルーチンのフローチャートである。
【図6】図5の演算で用いられるSCV開度マップであ
る。
【図7】図5の演算で用いられるFBに対応する所定温
度範囲マップである。
【図8】本発明の第3実施例における燃料噴射量−排気
温マップである。
【符号の説明】
2 ディーゼルエンジン 4 リーンNOx 触媒 6 温度検出手段(たとえば、排気温センサ) 8 空気過剰率変更手段 8A ウエストゲートバルブ 8D 吸気絞り弁 8G スワールコントロールバルブ 10 空気過剰率変更手段制御手段 12 ターボチャージャ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 F02B 37/18 F02D 9/02 305R F02D 9/02 305 341G 341 45/00 310R 45/00 310 F02B 37/12 301L

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ディーゼルエンジンと、前記ディーゼル
    エンジンの排気系に設けられ、遷移金属或いは貴金属を
    担持せしめたゼオライトからなり、酸化雰囲気中、HC
    存在下で、排気中のNOx を還元する触媒と、触媒床温
    または触媒床温と関連する温度を検出する温度検出手段
    と、燃料噴射量を変化させることなく空気過剰率を変化
    させ得る空気過剰率変更手段と、前記温度検出手段によ
    って検出された触媒床温が所定温度範囲より高いときに
    は空気過剰率を増大し触媒床温が所定温度範囲より低い
    ときには空気過剰率を減少するように前記空気過剰率変
    更手段を制御する空気過剰率変更手段制御手段と、を備
    えたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装
    置。
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