JP3639442B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特に排気系に窒素酸化物(NOx)の吸収剤を内蔵するNOx浄化装置を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行すると、NOxの排出量が増加する傾向があるため、機関の排気系にNOxを吸収するNOx吸収剤を内蔵するNOx浄化装置を設け、排気ガスの浄化を行う技術が従来より知られている。このNOx吸収剤は、空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い(NOxが多い)状態(以下「排気ガスリーン状態」という)においては、NOxを吸収する一方、逆に空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的低い状態(以下「排気ガスリッチ状態」という)においては、吸収したNOxを放出する特性を有する。このNOx吸収剤を内蔵するNOx浄化装置は、排気ガスリッチ状態においては、NOx吸収剤から放出されるNOxはHC、COにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またHC、COは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。
【0003】
上記NOx吸収剤が、吸収できるNOx量には当然限界があるため、リーン運転のみを長時間継続することはできない。そのため、吸収されたNOxを放出させるために空燃比を一時的にリッチ化し、NOx吸収剤からNOxを放出させるとともに放出されたNOxを還元するようにした空燃比制御手法が従来より知られている(例えば特許第2586739号公報)。以下、この一時的なリッチ化を、「還元リッチ化」という。
【0004】
この公報に示された手法によれば、機関負荷、機関回転数等の機関運転状態に応じてNOx吸収剤に吸収されているNOx量が推定され、該推定されたNOx量が予め定めた許容量を越えたときに還元リッチ化が実行される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
機関運転状態に応じてNOxの吸収量を推定する従来の手法によれば、比較的正確に還元リッチ化を実行すべきタイミングを決定できるが、機関負荷及び機関回転数に応じて単位時間当たりのNOx排出量を算出するためのマップに格納し、一定時間毎にそのマップから読み出した値を積算する必要があり、構成が複雑であった。
【0006】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、より簡単な構成で還元リッチ化を適切に実行し、常に良好な排気ガス特性を維持することができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態のとき排気ガス中の窒素酸化物を吸収し、排気ガス中の酸素濃度が比較的低い排気ガスリッチ状態のとき吸収した窒素酸化物を還元する窒素酸化物浄化手段を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記機関が搭載された車両の速度を検出する車速検出手段と、前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転中においては、前記車速検出手段により検出された車速が高くなるほど短くなるように時間間隔を設定し、リーン運転の継続時間が前記時間間隔を越えたとき、前記排気ガスが前記排気ガスリッチ状態となるように前記空燃比をリッチ化し、前記窒素酸化物を還元する還元手段とを備えることを特徴とする。
【0008】
この構成によれば、当該内燃機関が搭載された車両の車速が検出され、リーン運転中は検出された車速が高くなるほど短くなるように時間間隔が設定され、リーン運転の継続時間が前記時間間隔を越えたとき還元リッチ化が実行されるので、適切なタイミングで窒素酸化物浄化手段に吸収された窒素酸化物を還元することができ、良好な排気ガス特性と燃費を維持することができる。すなわち、車速が高くなるほど単位時間当たりの窒素酸化物の排出量は増加する傾向があるので、車速が高くなるほど還元リッチ化を実行する時間間隔を短くすることにより、窒素酸化物の排出量に応じた還元リッチ化の時間間隔となり、窒素酸化物浄化手段の吸収能力が飽和して窒素酸化物を吸収できない事態や、逆に還元リッチの頻度が高すぎて燃費を悪化させる事態を回避することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態にかかる排気ガス浄化装置を含む、内燃機関(以下「エンジン」という)と、その制御装置の構成を示す図であり、例えば4気筒のエンジン1の吸気管2の途中にはスロットル弁3が配されている。スロットル弁3にはスロットル弁開度(θTH)センサ4が連結されており、当該スロットル弁3の開度に応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット(以下「ECU」という)5に供給する。
【0010】
燃料噴射弁6は各気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射するように各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にECU5に電気的に接続されてECU5からの信号により燃料噴射弁6の開弁時期及び開弁時間が制御される。
【0011】
一方、スロットル弁3の直ぐ下流には吸気管内絶対圧(PBA)センサ7が設けられており、この絶対圧センサ7により電気信号に変換された絶対圧信号はECU5に供給される。また、その下流には吸気温(TA)センサ8が取付けられており、吸気温TAを検出して対応する電気信号を出力してECU5に供給する。
【0012】
エンジン1の本体に装着されたエンジン水温(TW)センサ9はサーミスタ等から成り、エンジン水温(冷却水温)TWを検出して対応する温度信号を出力してECU5に供給する。
【0013】
ECU5には、エンジン1のクランク軸(図示せず)の回転角度を検出するクランク角度位置センサ10が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がECU5に供給される。クランク角度位置センサ10は、エンジン1の特定の気筒の所定クランク角度位置で信号パルス(以下「CYL信号パルス」という)を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点(TDC)に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で(4気筒エンジンではクランク角180度毎に)TDC信号パルスを出力するTDCセンサ及びTDC信号パルスより短い一定クランク角周期(例えば30度周期)で1パルス(以下「CRK信号パルス」という)を発生するCRKセンサから成り、CYL信号パルス、TDC信号パルス及びCRK信号パルスがECU5に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数NEの検出に使用される。
【0014】
排気管12には窒素酸化物浄化手段としてのNOx浄化装置16が設けられている。NOx浄化装置16は、NOxを吸収するNOx吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。NOx吸収剤としては、エンジン1に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い(NOxが多い)排気ガスリーン状態においては、NOxを吸蔵する一方、逆にエンジン1に供給される混合気の空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気ガス中の酸素濃度が比較的低い排気ガスリッチ状態においては、吸蔵したNOxを放出する特性を有する吸蔵式のもの、あるいは排気ガスリーン状態においてはNOxを吸着し、排気ガスリッチ状態において還元する吸着式のものを使用する。NOx浄化装置16は、排気ガスリーン状態においては、NOx吸収剤にNOxを吸収させる一方、排気ガスリッチ状態においては、NOx吸収剤から放出されるNOxがHC、COにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またHC、COは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。吸蔵式のNOx吸収剤としては、例えば酸化バリウム(Ba0)が使用され、吸着式のNOx吸収剤としては、例えばナトリウム(Na)とチタン(Ti)またはストロンチウム(Sr)とチタン(Ti)が使用され、触媒としては吸蔵式及び吸着式のいずれにおいても、例えば白金(Pt)が使用される。このNOx吸収剤は、一般にその温度が高くなるほど、吸収したNOxを放出しやすくなる特性を有する。
【0015】
NOx吸収剤のNOx吸収能力の限界、すなわち最大NOx吸収量まで、NOxを吸収すると、それ以上NOxを吸収できなくなるので、適時NOxを放出させて還元するために空燃比のリッチ化、すなわち還元リッチ化を実行する。
【0016】
NOx浄化装置16の上流位置には、比例型空燃比センサ14(以下「LAFセンサ14」という)が装着されており、このLAFセンサ14は排気ガス中の酸素濃度(空燃比)にほぼ比例した電気信号を出力し、ECU5に供給する。
【0017】
ECU5には、さらに当該車両の走行速度VPLSを検出する車速検出手段としての車速センサ20が接続されており、その検出信号がECU5に供給される。
【0018】
ECU5は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路5a、中央演算処理回路(以下「CPU」という)5b、該CPU5bで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶手段5c、前記燃料噴射弁6に駆動信号を供給する出力回路5d等から構成される。
【0019】
CPU5bは、上述の各種エンジンパラメータ信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式(1)に基づき、前記TDC信号パルスに同期する燃料噴射弁6の燃料噴射時間TOUTを演算する。
TOUT=TI×KCMD×KLAF×K1+K2…(1)
【0020】
ここに、TIは燃料噴射弁6の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じて設定されたTIマップを検索して決定される。TIマップは、マップ上のエンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに対応する運転状態において、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように設定されている。
【0021】
KCMDは目標空燃比係数であり、エンジン回転数NE、スロットル弁開度θTH、エンジン水温TW等のエンジン運転パラメータに応じて設定される。目標空燃比係数KCMDは、空燃比A/Fの逆数、すなわち燃空比F/Aに比例し、理論空燃比のとき値1.0をとるので、目標当量比ともいう。より具体的には、エンジン回転数NE及びスロットル弁開度θTHに応じて、図2に示すようなストイキ制御領域、第1リーン制御領域及び第2リーン制御領域を判別し、エンジン回転数NE及びスロットル弁開度θTHがストイキ制御領域にあるエンジン運転状態では、目標空燃比係数KCMDはおおむね「1.0」に設定され、スロットル弁が全開とされるような高負荷運転状態等の限られた運転状態において1.0より大きな値に設定される。また、エンジン回転数NE及びスロットル弁開度θTHが第1リーン制御領域にあるエンジン運転状態では、目標空燃比係数KCMDは、例えば0.67〜0.8(空燃比18から22相当の値)程度に設定され、第2リーン制御領域にあるエンジン運転状態では、例えば0.3〜0.5(空燃比30から50相当の値)程度の設定される。
【0022】
また目標空燃比係数KCMDは、還元リッチ化を実行するときは、一時的に例えば1.05(空燃比14相当の値)程度に設定される。
KLAFは、フィードバック制御の実行条件が成立するときは、LAFセンサ14の検出値から算出される検出当量比KACTが目標当量比KCMDに一致するようにPID制御により算出される空燃比補正係数である。
【0023】
K1及びK2は夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に決定される。
【0024】
CPU5bは、さらにエンジン運転状態に応じて燃料噴射弁6の開弁時期(燃料噴射時期)を決定する。具体的には、エンジン回転数NE及びスロットル弁開度θTHに応じて図2のストイキ制御領域及び第1リーン制御領域では、各気筒の吸気行程で噴射し、第2リーン制御領域では、各気筒の圧縮行程で噴射するように決定される。
CPU5bは上述のようにして求めた燃料噴射時間TOUT及び燃料噴射時期に基づいて,燃料噴射弁6を駆動する信号を燃料噴射弁6に供給する。
【0025】
図2は、目標当量比KCMDを算出し、検出当量比KACTが目標当量比KCMDに一致するようにPID制御により空燃比補正係数KLAFを算出する処理のフローチャートである。この処理は、例えばTDC信号パルスの発生に同期してCPU5bで実行される。
【0026】
先ずステップS11では、目標当量比KCMDを算出する。目標当量比KCMDは、基本的にはエンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じて算出し、エンジン水温TWの低温状態や所定の高負荷運転状態では、それらの運転状態に応じた値に変更される。
【0027】
またステップS11の処理では、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転を実行する運転状態であることを「1」で示すリーン制御フラグFKBSMJGが、第1及び第2リーン制御領域では「1」に設定される。リーン制御フラグFKBSMJGは、後述する図4のステップS21で参照される。
【0028】
ステップS12では、後述する図4の還元リッチ化制御処理を実行し、ステップS13では、LAFセンサ14の検出値を当量比に換算して、検出当量比KACTを算出する。続くステップS14では、検出当量比KACTと目標当量比KCMDの偏差に基づくPID制御により、検出当量比KACTが目標当量比KCMDに一致するように空燃比補正係数KLAFを算出する。
【0029】
図4は、図3のステップS2で実行される還元リッチ化制御処理のフローチャートである。
【0030】
図4のステップS21では、リーン制御フラグFKBSMJGが「1」か否かを判別し、FKBSMJG=1であってリーン運転を実行する運転状態であるときは、目標当量比KCMDが、理論空燃比より若干リーン側の値に設定される所定当量比KCMDLB(例えば、0.98)以下か否かを判別する(ステップS13)。そして、FKBSMJG=0であるとき、またはKCMD≧KCMDLBであってリーン運転中でないときは、リーン運転の実行時間を積算するアップカウントタイマであるリーン運転タイマtmLEANの値を「0」にリセットし(ステップS23)、還元リッチ化を実行することなく本処理を終了する。
【0031】
一方FKBSMJG=1かつKCMD<KCMDLBであってリーン運転中のときは、リーン運転タイマtmLEANをカウントアップし(ステップS24)、車速VPLSが第1の所定車速VPLSRSPL(例えば50km/h)より高いか否かを判別し(ステップS25)、VPLS>VPLSRSPLであるときは、さらに第2の所定車速VPLSRSPH(例えば80km/h)より高いか否かを判別する(ステップS26)。そして、VPLS≦VPLSRSPLであるときは、時間間隔TRSPACTを低車速用の時間間隔TRSPACTLに設定し(ステップS27)、VPLSRSPL<VPLS≦VPLSRSPHであるときは、時間間隔TRSPACTを中車速用の時間間隔TRSPACTMに設定し(ステップS29)、VPLS>VPLSRSPHであるときは、時間間隔TRSPACTを高車速用の時間間隔TRSPACTHに設定する(ステップS28)。
【0032】
ここで、各時間間隔は、TRSPACTH<TRSPACTM<TRSPACTLなる関係を有し、車速VPLSが高くなるほど時間間隔TRSPACTは短くなるように設定される。各時間間隔TRSPACTH,TRSPACTM,TRSPACTLは、それぞれが対応する車速範囲の平均的な車速で走行した場合にNOx吸収剤が飽和状態となるまでの時間TRSAVEを実験的に求め、該実験的に求められた時間TRSAVEより短い時間に設定されている。
【0033】
続くステップS30では、リーン運転タイマtmLEANの値が時間間隔TRSPACTより大きいか否かを判別し、tmLEAN≦TRSPACTである間は、還元リッチ化を実行することなく本処理を終了する。tmLEAN>TRSPACTとなると、リーン運転タイマtmLEANの値が時間間隔TRSPACTにリッチ化時間TRICHを加算した値より大きいか否かを判別し(ステップS31)、tmLEAN≦TRSPACT+TRICHである期間中、ステップS32,S33により還元リッチ化を実行する。すなわち、エンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じてKCMDRSPマップを検索して、リッチ化目標当量比KCMDRSPを算出し(ステップS32)、目標当量比KCMDをこのリッチ化目標当量比KCMDRSPに設定する(ステップS33)。KCMDRSPは、エンジン回転数NE及び吸気管内絶対圧PBAに応じてリッチ化目標当量比KCMDRSPが設定されたマップであり、エンジン回転数NEが増加するほど、また吸気管内絶対圧PBAが増加するほど、KCMDRSP値が増加するように設定されている。なお、すべての設定値は1.0より大きい値である。また、リッチ化時間TRICHは、例えば1,2秒程度の時間に設定される。
【0034】
そして、ステップS31でtmLEAN>TRSACT+TRICHとなり、還元リッチ化をリッチ化時間TRICHに亘って実行したときは、リーン運転タイマtmLEANの値を「0」にリセットして(ステップS34)、本処理を終了する。
【0035】
図5は、図4の処理を説明するためのタイムチャートであり、例えば時刻t2において還元リッチ化が終了し、リーン運転を継続すると、時間間隔TRSPACT経過後の時刻t3から還元リッチ化が開始され、時刻t4まで継続される。同様に時刻t4から時間間隔TRSPACT経過後の時刻t5から時刻t6まで、次の還元リッチ化が実行される。
【0036】
以上のように図4の処理によれば、リーン運転中においては、車速VPLSが高くなるほど短く設定される時間間隔TRSPACTで還元リッチ化が実行されるので、従来技術のようにエンジン負荷及びエンジン回転数に応じて単位時間当たりのNOx排出量が設定されたマップを検索し、一定時間毎にそのマップから読み出した値を積算する処理が不要であり、簡単な構成で還元リッチ化を適切なタイミングで実行し、良好な排気ガス特性と燃費を維持することができる。すなわち、車速VPLSが高くなるほど単位時間当たりのNOxの排出量は増加する傾向があるので、車速VPLSが高くなるほど還元リッチ化を実行する時間間隔TRSPACTを短くすることにより、NOxの排出量に応じた還元リッチ化の時間間隔となり、NOx吸収剤の吸収能力が飽和してNOxを吸収できない事態や、逆に還元リッチの頻度が高すぎて燃費を悪化させる事態を回避することができる。
【0037】
本実施形態では、図4の処理が還元手段に相当する。
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図4の処理によれば、還元リッチ化終了時点から次に還元リッチ化が実行されるまでの時間が、車速VPLSに応じて設定されるが、還元リッチ化開始時点から次の還元リッチ化開始時点までの時間を車速VPLSに応じて設定するようにしてもよい。
また、燃料噴射弁6は、吸気管2内に燃料を噴射するように設けるようにしてもよい。
【0038】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、内燃機関が搭載された車両の車速が検出され、リーン運転中は検出された車速が高くなるほど短くなるように時間間隔が設定され、リーン運転の継続時間が前記時間間隔を越えたとき還元リッチ化が実行されるので、適切なタイミングで窒素酸化物浄化手段に吸収された窒素酸化物を還元することができ、良好な排気ガス特性と燃費を維持することができる。すなわち、車速が高くなるほど単位時間当たりの窒素酸化物の排出量は増加する傾向があるので、車速が高くなるほど還元リッチ化を実行する時間間隔を短くすることにより、窒素酸化物の排出量に応じた還元リッチ化の時間間隔となり、窒素酸化物浄化手段の吸収能力が飽和して窒素酸化物を吸収できない事態や、逆に還元リッチの頻度が高すぎて燃費を悪化させる事態を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる排気ガス浄化装置を含む、内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図2】エンジン回転数及びスロットル弁開度に応じて判別されるエンジンの運転領域を示す図である。
【図3】空燃比のフィードバック制御を実行する処理のフローチャートである。
【図4】還元リッチ化を実行する処理のフローチャートである。
【図5】図4の処理を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
1 内燃機関
5 電子コントロールユニット(還元手段)
6 燃料噴射弁
12 排気管
16 NOx浄化装置(窒素酸化物浄化手段)
20 車速センサ(車速検出手段)
Claims (1)
- 内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の酸素濃度が比較的高い排気ガスリーン状態のとき排気ガス中の窒素酸化物を吸収し、排気ガス中の酸素濃度が比較的低い排気ガスリッチ状態のとき吸収した窒素酸化物を還元する窒素酸化物浄化手段を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、
前記機関が搭載された車両の速度を検出する車速検出手段と、
前記機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーン運転中においては、前記車速検出手段により検出された車速が高くなるほど短くなるように時間間隔を設定し、リーン運転の継続時間が前記時間間隔を越えたとき、前記排気ガスが前記排気ガスリッチ状態となるように前記空燃比をリッチ化し、前記窒素酸化物を還元する還元手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
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