JP3832157B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機関あるいは燃焼装置から排出された排気を浄化するための排気浄化装置に関し、特に酸素過剰な排気中のNOXを高効率で浄化するための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼル機関やリーンバーン運転を行うガソリン機関は、燃費が良いという利点を持つ一方、酸素過剰な排気中のNOXを浄化することが困難であるという問題を持っている。このような機関の排気に含まれるNOXを浄化するための装置として、特許公報第2600492号や特開平6−212961号公報では、触媒担体に白金PtとバリウムBaを担持させたNOX吸収剤を機関の排気通路に配置した装置が提案されている。
【0003】
これらの公報によれば、上記のNOX吸収剤は、流入する排気の空燃比がリーンのときにNOXを吸収し、流入する排気の酸素濃度が低下したときにNOXを放出すると説明されており、特に、リーンの度合いが大きい(酸素濃度が高い)状態からリーンの度合いが小さい(酸素濃度が低い)状態へ変化しただけでもNOXの放出が起こるとしている。また、放出されたNOXをNOX吸収剤上で還元浄化するには、NOX吸収剤に流入する排気を理論空燃比またはリッチ空燃比にする必要があると説明している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来装置では、リーンバーン運転中にNOX吸収剤のNOX吸収量が飽和量に近づいたとき一旦リーンバーン運転を中断して理論空燃比またはリッチ空燃比運転を行うことになるため、リーンバーン運転による燃費向上効果を低下させる要因となる。また、特開平6−212961号公報には、NOX吸収剤にHC吸収剤を内蔵させ、NOX吸収剤からNOXを放出させるときには爆発行程で燃料の副噴射を行うディーゼル機関の排気浄化装置が開示されており、このような装置では、副噴射による排気温度上昇に伴なってHC吸着剤からHCが放出されるので、多量の副噴射を行わなくてもNOX吸収剤からNOXを放出還元することができるとしている。しかしながら、ディーゼル機関はもともとNOX排出量よりもHC排出量が少ないため、NOX吸収剤が許容量のNOXを吸収する間に多量のHCをHC吸着剤に吸着させておくことが実際上は困難であり、結局のところ、排気の空燃比をリッチにするための大部分のHCを副噴射で供給することになる恐れがあり、燃費を悪化させる可能性があることに変わりはない。
【0005】
また、特開平11−2146号公報には、空燃比22程度のリーン運転中に発生したNOXをNOX吸収剤(酸化バリウムBaO)に吸収させる一方、NOX吸収剤の飽和が判定されたときには、空燃比24〜25の極端なリーン運転を行うことでHCの発生量を増加させ、NOX吸収剤からNOXを放出させると共に触媒(白金Pt)で放出NOXを還元するようにした装置が開示されているが、単に排気中のHC量を増減させるだけでは多量のNOXを放出還元することが困難である。
【0006】
本発明は、酸素過剰な排気に含まれるNOXを、機関あるいは燃焼装置の燃費を悪化させることなく、効率良く浄化することができる排気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】
請求項1にかかる発明は、ディーゼル関の排気通路に配置され、流入する排気の還元成分濃度が低いときに排気中のNOを吸収し、かつ流入する排気の還元成分濃度が高いときにNOを放出還元する排気浄化用触媒と、
この排気浄化用触媒に吸収されたNOを放出処理すべき時期に達したことを運転履歴から判定する手段と、
この放出処理を、空燃比がリーンな状態での運転を継続したまま行う放出処理手段と、
を備え、上記放出処理手段は、
上記排気浄化用触媒に流入する排気の還元成分濃度を第1の所定期間低下させる還元成分濃度低下手段と、
上記第1の所定期間に続いて、上記排気浄化用触媒に流入する排気の還元成分濃度を第2の所定期間増加させる還元成分濃度増加手段と、
含むことを特徴としている。
【0008】
ここで、NOXの吸収および放出還元は、請求項2のように、酸素濃度4.5%(ほぼ空燃比18相当)以上の酸素過剰雰囲気下で行われることが望ましい。また、第1の所定期間中の還元成分濃度は、請求項3のように、100ppm以下であることが望ましい。さらに、第2の所定期間において還元成分濃度を増加させるとき、請求項4のように、排気の酸素濃度を低下させないようにすることが望ましい。
【0009】
かかる構成に基づく作用効果を説明する。
【0010】
まず、従来のNOX吸収放出メカニズムは概略以下のようなものであると考えられる。
【0011】
機関あるいは燃焼装置から排出される排気中のNOXは、そのほとんどが不活性なNOであるが、排気が酸素過剰状態であれば、排気中の酸素が触媒金属(以下白金Ptとして説明する)表面に吸着されて活性酸素種となり、この活性酸素種が不活性なNOを活性なNO2に酸化する。生成されたNO2は吸収成分(以下マグネシウムMgとして説明する)に化学的に吸着され、さらにMg上でNO3 -(硝酸イオン)となって吸収される。一連の吸収反応には、雰囲気中の酸素が使用されるので、吸収反応の速度は、排気の酸素濃度が高いほど大きくなる。
【0012】
一方、生成したNO3が分解してNO、NO2とO2とに戻る反応も吸収反応と同時に生じており、このような分解反応の速度は生成したNO3 -の量、すなわち触媒のNOX吸収量が多くなるほど大きくなる。なお、分解反応で生じたNO、NO2とO2は、雰囲気中に放出されて雰囲気の酸素濃度を上昇させることになるので、分解反応の速度は酸素濃度が高いほど小となる。
【0013】
上記の反応の結果として、触媒が吸収保持することが可能なNOX量は、吸収反応と分解放出反応とが平衡状態となるときのNOX量(以下、この量を平衡NOX吸収量と表現する)ということになり、酸素濃度が高い場合、吸収反応速度が大かつ分解反応速度が小であるから、平衡NOX吸収量は大、酸素濃度が低い場合、吸収反応速度が小かつ分解反応速度が大であるから、平衡NOX吸収量は小となる。よって触媒は、酸素濃度が高くNOX吸収量が平衡NOX吸収量より少ない間はNOXを吸収し、酸素濃度が低下して平衡NOX吸収量がNOX吸収量より小さくなると過剰分のNOXを放出する。
【0014】
このようなメカニズムに基づくNOXの吸収−放出サイクルが常に得られるか否かについて実験した結果を図1に示す。この図は、酸素濃度の変化幅を一定の2.5%とし、酸素濃度低下時の酸素濃度を横軸に、そのときのNOX放出量を縦軸に取ったもので、最低酸素濃度を0%とした場合は多量のNOXが放出されるが、最低酸素濃度を3%とする(酸素濃度5.5%でNOXを吸収させ、3%で放出させる)と放出NOX量が極端に減少し、最低酸素濃度4.5%以上ではほとんどNOXを放出しないことが判る。
【0015】
この理由については定かではないが、酸素濃度4.5%以上ではPt上における活性酸素種の生成が飽和に達してしまい、それ以上の範囲で酸素濃度を変化させても、平衡NOX吸収量が変化しなくなるためと考えられる。
【0016】
このような酸素過剰条件下であっても、本発明によればNOXの吸収−放出還元サイクルを得ることが可能であり、このメカニズムは概略以下のようなものであると考えられる。
【0017】
Pt上で生成された活性酸素種は、NOをNO2に酸化するだけでなく、排気中の還元成分(HC、CO)も酸化する。そのため、排気中の還元成分濃度が高い場合、還元成分濃度が低い場合と比較してNOの酸化反応に寄与する活性酸素種が少なくなり、前述の吸収反応速度が小さくなる。よって触媒の平衡NOX吸収量は還元成分濃度が低いとき大、還元成分濃度が高いときに小となるから、触媒は、還元成分濃度が低くNOX吸収量が平衡NOX吸収量より少ない間はNOXを吸収し、還元成分濃度が増加して平衡NOX吸収量がNOX吸収量より小さくなると過剰分のNOXを放出する。
【0018】
このNOX放出は、吸収反応速度が低下したことにより起こるもので、このときの分解反応速度はあまり変化しておらず、過剰分のNOX分解反応は比較的ゆっくり進行する。このため、NOやNO2よりも吸着力の強いNO3 -がPt表面上に長く留まることになり、排気中の還元成分とPt上で出会う確率が高くなる。よって、放出させるべき過剰NOXの一部は、雰囲気中に放出させる前にPt上で還元浄化される。
【0019】
このようなメカニズムによるNOXの吸収−放出還元サイクルは、触媒に流入する還元成分濃度で触媒の平衡NOX吸収量が変化する場合常に得られるが、特に、還元成分濃度を増加させる前に一旦還元成分濃度を低下させると、還元成分濃度増加時のNOX放出率が良好となり、場合によっては、過剰分より多いNOXを放出することもあることがわかった。すなわち、還元成分濃度を増加させたとき、触媒のNOX吸収量がそのときの平衡NOX吸収量より少なくなってもNOXの放出が継続して発生する場合がある。この理由については定かではないが、触媒の表面状態が急変することによる現象であると思われる。
【0020】
次に、還元成分濃度を低下させる際の還元成分濃度がNOX放出率に及ぼす影響について実験した結果を図2に示す。この図は、一定の還元成分濃度条件(500ppm以上)で放出処理を行うこととしたとき、還元成分濃度低下時の還元成分濃度を横軸に、放出処理時のNOX放出率を縦軸に取ったものである。なお、NOX吸収率は、還元成分濃度をゼロとしたときの平衡NOX吸収量をA、放出処理によって放出あるいは還元浄化されるNOX量をBとしたときに、B/A×100(%)で定義するものである。
【0021】
この図から明らかなように、吸収過程の還元成分濃度が所定濃度以下であるときNOX放出率が大きく向上するのに対し、吸収過程の還元成分濃度が所定濃度以上であるとNOX放出率が低くなる。
【0022】
この理由については定かではないが、還元成分濃度が所定濃度以上になるとPt上における還元成分と活性酸素種との反応が飽和に達してしまい、それ以上の範囲で還元成分濃度を変化させても、平衡NOX吸収量が変化しなくなるためと考えられる。
【0023】
なお、Pt−Mg触媒を用いた図2の実験では、NOX放出率の特性が変化する所定濃度が100ppm付近となっている。この値は触媒金属の種類や担持量で多少変化するものと思われるが、触媒金属として白金系金属を担持させた場合、図2とほぼ同様の特性を示すものと考えられる。
【0024】
次に、放出処理を行う際の酸素濃度の影響について実験した結果を図3に示す。この図は、還元成分濃度を一定以下(100ppm以下)とした後、一定の還元成分濃度(200ppm以上)で放出処理を行うこととしたとき、放出処理実行時の酸素濃度を横軸に、放出処理時のNOX低減率を縦軸に取ったものである。なお、NOX低減率は、放出処理実行中に触媒に新たに流入するNOX量をa1、触媒からNO、NO2として放出されるNOX量をa2、触媒でN2に還元浄化されるNOX量をa3としたときに、a3/(a1+a2+a3)×100(%)で定義するものである。
【0025】
この図から明らかなように、放出処理時の酸素濃度が4.5%より低くなるとNOX低減率が急激に低下する。これは、酸素濃度が4.5%以下になると前述したNO3 -の分解反応速度が急激に大きくなり、NO3 -が速やかにNOあるいはNO2に分解され、NO3 -より吸着力の弱いNO、NO2は速やかに雰囲気中に放出されるためと考えられる。一旦雰囲気中に放出されたNOXが酸素過剰雰囲気下でN2に還元されることはほとんどない。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0027】
図4は、この発明を直列4気筒のディーゼル内燃機関1に適用した実施の形態を示している。
【0028】
この機関1は、いわゆるコモンレール型の燃料噴射装置を具備している。高圧ポンプ2は、機関1によって回転駆動され、燃料タンク(図示せず)から吸入した燃料を所定の高圧まで昇圧して吐出する。高圧ポンプ2の吐出側には、逆止弁を介して高圧燃料配管3が接続されている他、電磁弁4を介して燃料戻し配管5も接続されている。高圧ポンプから吐出された高圧燃料は、一部が燃料戻し配管5を通って燃料タンクへ戻され、残りが高圧燃料配管3からコモンレール6、高圧燃料配管7を通って燃料噴射弁8に供給される。電磁弁4の開度に応じて燃料タンクへ戻される燃料量が決まり、同時にコモンレール6側に送られる燃料量も決まるので、電磁弁4の開度を変えることによりコモンレール6内の燃料圧力を変えることができる。コモンレール6内の燃料圧力は、圧力センサ9によって検出される。
【0029】
次に、機関1の吸気系について説明する。
【0030】
機関1は各気筒に2つの吸気弁を備えており、このため、燃焼室12とコレクタ13とを接続する気筒毎の吸気通路14も燃焼室13側が2つに分岐している。分岐した通路の一方には、スワール制御弁15が設けられている。スワール制御弁15は弁軸16に取付けられており、スワール制御弁15の開度は、弁軸16の一端部に取付けられたスワール制御弁アクチュエータ17によって変えることができる。スワール制御弁15の開度が小さくなるほど2つの分岐通路を流れる空気量の差が大きくなり、燃焼室12内に強いスワールが形成される。
【0031】
コレクタ13の上流側には、吸気通路20を介してインタークーラ21が接続されており、さらに上流側には、吸気通路22を介してターボ過給機23のコンプレッサ側が接続されている。インタークーラ21は、過給によって温度上昇した空気を冷却し、吸気充填効果を向上させるものであり、空冷式、水冷式のいずれでも良い。また、インタークーラ21の下流側吸気通路20と上流側吸気通路22とはバイパス通路24で接続されており、吸気通路22とバイパス通路24との接続部にはバイパス制御弁25が設けられている。バイパス制御弁25は、インタークーラ21をバイパスする空気量を変化させるもので、バイパス空気量が多くなるほどコレクタ13内の空気の温度が上昇する。
【0032】
次に、機関1の排気系について説明する。
【0033】
機関1の排気側には排気マニホルド30が取付けられ、その下流側には排気通路31を介してターボ過給機23のタービン側が接続されている。ターボ過給機23は、可変ノズル型ターボ過給機として構成されており、ノズルベーンアクチュエータ32でノズルベーン33の角度を変化させ、排気タービン34に当たる排気ガスの角度を変えることにより、過給圧を変化させることができる。なお、過給圧を変化させる方法としては、排気タービン34の上流側排気通路31と下流側排気通路35とを接続するバイパス通路を設け、このバイパス通路を流れる排気の量を変えるようにすることもできる。
【0034】
排気通路31には、排気還流通路36が接続されており、この排気還流通路36を介して排気の一部がコレクタ13へ還流される。還流される排気の量は、排気還流通路36に介装された排気還流制御弁37によって調節することができる。
【0035】
排気通路35の下流側には、流入する排気中の還元成分濃度が低いときに排気中のNOXを吸収し、かつ流入する排気中の還元成分濃度が高いときにNOXを放出還元する排気浄化用媒体38が配置されている。排気浄化用媒体38は、Pt(貴金属)とBa(NOX吸収材)とを担持したアルミナ(基材)のコート層をハニカム担体上に形成したものである。
【0036】
次に、機関1の制御系について説明する。
【0037】
コントローラ40には、アクセル開度センサ41が検出したアクセル開度信号Acc、回転数センサ42が検出した回転数信号Ne、圧力センサ9が検出した燃料圧力信号P等が入力される。コントローラ40は、これらの入力信号を処理し、電磁弁4、燃料噴射弁8、スワール制御弁アクチュエータ17、バイパス制御弁25、ノズルベーンアクチュエータ32、排気還流制御弁37へ、それぞれ制御信号を出力してこれらを制御する。
【0038】
コントローラ40が行う制御の詳細を、図5から図8の制御フローチャートを用いて説明する。
【0039】
図5は、コントローラ40が一定時間(たとえば10[ms])毎に実行するルーチンを示している。なお、本ルーチンは、電磁弁4や燃料噴射弁8等の装置に対する制御値を算出あるいは設定する処理を行うルーチンで、各装置の制御自体は本ルーチンとは別に実行されるそれぞれの制御ルーチンで行われる。
【0040】
図5を参照すると、まず始めにステップ1(図中はS1等と略記する)でアクセル開度センサ41の信号Acc、回転数センサ42の信号Ne、圧力センサ9の信号Pの読み取りが行われる。次いで、ステップ2では、今回検出した現在の機関回転数Neを前回本ルーチン実行時の回転数積算値ΣNeに加算して新たな積算値ΣNeを算出する。なお、図中のΣNeZは、前回本ルーチン実行時に本ステップで算出し、後述するステップ12でメモリにストアしておいた積算値ΣNeを示す。
【0041】
この回転数積算値ΣNeは、触媒38に吸収されたNOX量を示すパラメータとなる。すなわち、触媒38に吸収されるNOX量は、機関1から排出された排気の流量と排気中のNOX濃度とに比例しており、正確には、機関回転数と機関負荷とに比例することになる。従って、NeとAccの積の累積からNOXの吸収量を推定することができるが、本実施形態では、これを単純化して、回転数積算値ΣNeを触媒38のNOX吸収量パラメータとしている。
【0042】
次いでステップ3では、回転数積算値ΣNeが所定値SNE以下か否かを判断する。この所定値SNEは、触媒38に、そのNOX吸収能力のたとえば50%のNOX量が吸収されていると推定される回転数積算値に対応している。つまり、ステップ3では、触媒38に吸収能力の50%のNOXが吸収されたか否かを判断している。ここで、ΣNe≦SNEのとき、つまり、触媒38のNOX吸収量が50%以下であると判断した場合には、ステップ4に進んで通常運転用の制御値の算出あるいは設定を行う。
【0043】
ステップ4で算出あるいは設定する制御値は、燃料噴射時間T、燃料噴射時期IT、目標燃料圧力TP、スワール制御弁15の目標開度TS、全吸入空気流量とバイパス通路24側流量との目標流量割合TB、目標排気還流率TE、および可変ノズル型ターボ過給機23の目標ノズル角度TNの7つである。詳細は図6を用いて後述する。ここでは、HC、NOX、PM(パティキュレートマター)の全ての排出特性が平均的に良好となり、燃費や出力特性も良好となる制御値を、そのときの運転条件に基づいて算出あるいは設定する。
【0044】
ステップ3の判断がNOであるとき、つまり、触媒38のNOX吸収量が50%を越えていると判断した場合にはステップ5に進んでカウンタCの値を1だけインクリメントする。カウンタCは、触媒38のNOX吸収量が50%を越えてからの経過時間を計測するカウンタで、カウンタCの値に本ルーチンの実行間隔時間である10[ms]を乗算した値が経過時間を表す。なお、図中のCZは、前回本ルーチン実行時のカウンタ値を示す。
【0045】
次いでステップ6では、カウンタCの値が所定値C0以下か否かを判断する。本ステップの判断がYESであるときは、続くステップ7で還元成分濃度低下運転用の制御値の算出あるいは設定を行う。このような処理により、触媒38のNOX吸収量が50%を越えた時点から第1の所定時間(=C0×10[ms])が経過するまでの間、各装置に対する制御値はステップ7で算出あるいは設定されることになり、この期間中は還元成分濃度低下運転が行われる。第1の所定期間を10[s]とする場合、C0を1000に設定すれば良い。
【0046】
ステップ7では、前述の7つの制御値を算出あるいは設定する。詳細は図7を用いて後述する。ここで算出あるいは設定する制御値は、特に還元成分であるHCの排出量が少なくなるような制御値、たとえば、排気のHC濃度が100ppm以下となるような制御値である。
【0047】
ステップ6の判断がNOであるときはステップ8に進む。ステップ8ではカウンタCの値が所定値C1(>C0)以下か否かを判断する。本ステップの判断がYESであるときは、続くステップ9で還元成分濃度増加運転用の制御値の算出あるいは設定を行う。このような処理により、第1の所定期間が経過した後、第2の所定期間(=(C1−C0)×10[ms])が経過するまでの間、各装置に対する制御値はステップ9で算出あるいは設定されることになり、この期間中は還元成分濃度増加運転が行われる。第2の所定期間は、触媒38がNOXを完全に放出し得る時間に設定する。第2の所定期間を10[s]とする場合、C1をC0+1000に設定すれば良い。
【0048】
ステップ9では、前述の7つの制御値を算出あるいは設定する。詳細は図8を用いて後述する。ここで算出あるいは設定する制御値は、特に還元成分であるHCの排出量が多くなるような制御値、たとえば、排気のHC濃度が200ppm以上となるような制御値である。
【0049】
ステップ8の判断がNOであるときはステップ10に進む。処理がステップ10に進むのは、第1の所定期間還元成分濃度低下運転が行われ、それに引き続き第2の所定期間還元成分濃度増加運転が行われた後である。よって、本ステップでは、NOX吸収量のパラメータである回転数積算値ΣNeを0にリセットする。また、カウンタCの値も0にリセットする。
【0050】
ステップ11では、ステップ4、ステップ7、ステップ9のうちの何れかのステップで算出あるいは設定された制御値をコントローラー40内部のメモリにストアする処理を行う。前述の通り、本ルーチンは制御値の算出あるいは設定だけを行うもので、実際の各装置の制御は別のルーチンで行うため、制御値の受け渡しを行うために一旦メモリに値をストアする。メモリにストアされた値は各装置の制御ルーチンから自由に参照することが可能とされる。また、一旦メモリにストアされた値は、次に本ステップが実施されて新しい値のストアが行われるまでメモリ内に保持される。
【0051】
次いでステップ12では、ステップ2、ステップ5、ステップ10で算出あるいはリセットされたΣNeとCの値をメモリにストアする。
【0052】
以上のようなルーチンを一定時間毎に実行することにより、通常運転中に触媒38のNOX吸収量が所定量に達したとき、一旦排気の還元成分濃度を低下させ、その後排気の還元成分濃度を増加させる排気制御を行うことができる。
【0053】
次に、図6は、図5のステップ4(通常運転設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0054】
始めに、ステップ401では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射量Qを制御マップ(図示せず)からルックアップする。なお、この制御マップは、アクセル開度と回転数とで領域が区分され、各領域毎に燃料噴射量が書き込まれているもので、図中のmQ(Acc、Ne)は、現在のアクセル開度Acc、回転数Neが属している領域のマップ設定値を表す。
【0055】
ステップ402では、ステップ401で算出した燃料噴射量Qとステップ1で読み込んだ燃料圧力Pとに基づいて燃料噴射時間Tを算出する。燃料噴射時間Tは、コントローラ40が燃料噴射弁8に送る開弁信号の幅を示している。燃料噴射弁8から噴射される燃料の量は、燃料噴射弁8の開弁時間に比例し、そのときの比例定数は、コモンレール6内の燃料圧力Pに応じて定まる。よって、所定の式にQとPとを代入すれば、燃料噴射量Qに対応する燃料噴射時間Tを算出することができる。
【0056】
ステップ403では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射時期ITを制御マップからルックアップする。なお、この制御マップは、アクセル開度と回転数とで領域が区分され、各領域毎に燃料噴射時期が書き込まれているものである。図9に通常運転用の基本燃料噴射時期制御マップの特性を示す。この制御マップには、燃料噴射を開始する時期のクランク角度が圧縮上死点からの進角度で書き込まれている。
【0057】
ステップ404では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいてコモンレール6内の目標燃料圧力TPを制御マップからルックアップする。なお、Acc、Neと無関係に、目標燃料圧力TPを予め定めた固定値に設定しても良い。
【0058】
ステップ405では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいてスワール制御弁15の目標開度TSを通常運転用制御マップからルックアップする。
【0059】
ステップ406では、全吸入空気流量とバイパス通路24側流量との目標流量割合TBを0に設定する。すなわち、通常運転中は吸入空気の全量がインタークーラ21側を通過するようにする。
【0060】
ステップ407では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて目標排気還流率TEを制御マップからルックアップする。
【0061】
ステップ408では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて可変ノズル型ターボ過給機23の目標ノズル角度TNを制御マップからルックアップする。なお、本明細書では、排気タービン34に当たる排気ガスが排気タービン34の接線方向に近くなるときを「ノズルベーン33の開度が大きい」あるいは「ノズル角度が大きい」と表現する。すなわち、目標ノズル角度TNが大きいほど排気ガスが排気タービン34の接線方向から流入するようになり、過給圧が上昇する。
【0062】
ステップ401からステップ408の各ステップで参照される制御マップには、前述の通り、HC、NOX、PMの全ての排出特性が平均的に良好となり、燃費や出力特性も良好となる制御値がマップ設定値として書き込まれている。
【0063】
次に、図7は、図5のステップ7(還元成分濃度低下設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0064】
ほとんどのステップでは通常運転時と同じ制御値の算出あるいは設定が行われる。以下では、異なる処理を行うステップについて説明する。
【0065】
ステップ703では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する基本燃料噴射時期制御マップのマップ設定値mIT(Acc、Ne)に所定のアドバンス補正値ITA(たとえば3゜)を加算した値を燃料噴射時期ITとする。一般的に、ディーゼル機関では、燃料噴射時期をアドバンスさせるほど排気のHC濃度が低下する特性(図10参照)となる。なお、アドバンス補正値を用いて基本燃料噴射時期を補正するのではなく、アドバンス補正後の噴射時期を書き込んだ別の燃料噴射時期制御マップを予め用意しておくようにしても良い。
【0066】
ステップ707では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する目標排気還流率制御マップのマップ設定値mTE(Acc、Ne)から所定の減少補正値EDを減算した値を目標排気還流率TEとする。一般的に、ディーゼル機関では、排気還流率を低下させるほど排気のHC濃度が低下する特性(図11参照)となる。なお、マップ設定値に補正を加える上記の方法であれば、排気還流率低下によるHC濃度低下の程度やHC以外の排気特性の悪化の程度を常に同じくすることが可能である。単にHC濃度を低下させれば良い場合は、目標排気還流率TEを0に設定すればよい。
【0067】
本実施形態では、燃料噴射時期を進角させる制御と排気還流率を減少させる制御の両方を行って排気のHC濃度を低下させるようにしているが、ディーゼル機関はもともと排気のHC濃度が低く、何れか一方の補正を行うだけでも排気のHC濃度を100ppm以下に低下させることが可能な場合もある。このような場合、何れか一方の補正だけを行うようにしても良い。ただし、ここでのHC濃度を低くしておくほど続く還元成分濃度増加運転時のNOX放出特性が良好となるので、両方の補正を同時に行うことが望ましい。
【0068】
なお、燃料噴射時期のアドバンス補正や排気還流率の減少補正を行うと、HC排出特性以外の機関特性が多少悪化する恐れはあるが、第1の所定期間中に限られた運転であるから問題はない。
【0069】
次に、図8は、図5のステップ9(還元成分濃度増加設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0070】
本実施形態では、排気の還元成分濃度を増加させるときであっても、燃料噴射量は通常運転中と同じ量にしている。すなわち、ステップ901とステップ902で行う処理は、通常運転時にステップ401とステップ402で行う処理と全く同一である。このため、還元成分濃度増加運転を行っても機関の燃費を大幅に悪化させることが無く、また、機関の運転性を大幅に悪化させるようなことも無い。
【0071】
ステップ903では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する基本燃料噴射時期制御マップのマップ設定値mIT(Acc,Ne)から所定のリタード補正値ITR(たとえば3°)を減算した値を燃料噴射時期ITとする。減算補正後の燃料噴射時期ITが負の値になる場合は、燃料噴射を圧縮上死点後に開始することになる。一般的に、ディーゼル機関では、燃料噴射時期をリタードさせるほど排気のHC濃度が増加する特性(図10参照)となる。また、燃料噴射時期リタードによるHC濃度増加は、排気の酸素濃度低下を伴わないので、触媒38に吸収されているNOx(NO3 -)の分解放出速度を増大させることがなく、Noxの還元反応効率が良好となる。なお、リタード補正値を用いて基本燃料噴射時期を補正するのではなく、リタード補正後の噴射時期を書き込んだ別の燃料噴射時期制御マップを予め用意しておくようにしても良い。
【0072】
ステップ904では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する目標燃料圧力制御マップのマップ設定値mTP(Acc,Ne)から所定の減少補正値PDを減算した値を目標燃料圧力TPとする。一般的に、燃料圧力を低下させるほど排気のHC濃度が増加する特性となる。燃料圧力低下によるHC濃度増加は、排気の酸素濃度低下を伴わない。なお、ACC,Neと無関係に、目標燃料圧力TPを予め定めた低圧の固定値に設定しても良い。
【0073】
ステップ905では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいてスワ−ル制御弁15の目標開度TSを還元成分濃度増加運転用制御マップからルックアップする。一般的に、ディーゼル機関では、スワール制御弁15の開度を変化させて燃焼室12内のスワール強度を変化させると排気のHC濃度が変化する。HC濃度を増加させる場合に、スワールを強めるか弱めるかはそのときの運転条件によって異なるため、ここでは、通常運転用の制御マップとは別に用意した還元成分濃度増加運転用制御マップからマップ設定値をルックアップするようにしている。なお、予混合燃焼を燃焼の主形態とするディーゼル機関では、運転条件に拘わらずスワールを強化するとHC濃度が増加する(図12参照)ので、そのような場合は、通常運転用の制御マップからルックアップしたマップ設定値に所定の減少補正値を加えたり、単に目標開度を0に設定したりすれば良い。ただし、スワール制御弁15を閉じると吸入空気量が減少して排気の酸素濃度が若干低下する可能性がある。
【0074】
ステップ906では、全吸入空気流量とバイパス通路24側流量との目標流量割合TBを所定値BI(0%<BI≦100%)に設定する。すなわち、吸入空気の一部あるいは全量がインタークーラ21をバイパスするようにする。インタークーラ21をバイパスする吸入空気の割合が増加するほど吸気温度が上昇する。一般的にディーゼル機関では、極低温の温度領域を除いて吸気温度が高くなるほど排気のHC濃度が増加する特性(図13参照)となる。ただし、吸気温度が高くなると空気の密度が低下するので、排気の酸素濃度が若干低下する可能性がある。
【0075】
ステップ907では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する目標排気還流率制御マップのマップ設定値mTE(Acc,Ne)に所定の増加補正値EIを加算した値を目標排気還流率TEとする。一般的に、ディーゼル機関では、排気還流率を増加させるほど排気のHC濃度が増加する特性(図11参照)となる。ただし、排気還流率を増加させると吸入空気量が減少するので、排気の酸素濃度が若干低下する可能性がある。なお、マップ設定値に補正を加える上記の方法であれば、排気還流率増加によるHC濃度の増加の程度やHC以外の排気特性の悪化の程度を常に同じくすることが可能である。単にHC濃度を増加させれば良い場合は、排気還流制御弁37の開度が全開となる目標排気還流率を与えるようにすれば良い。
【0076】
ステップ908では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する可変ノズル型ターボ過給機23の目標ノズル角度制御マップのマップ設定値mTN(Acc,Ne)に所定の増加補正値NIを加算した値を目標ノズル角度TNとする。ノズル角度を増加させると過給圧が上昇し、排気の酸素濃度が増加する特性(図14参照)となる。本実施形態では、還元成分濃度増加運転として吸気温度を上昇させる制御や排気還流率を増加させる制御を行っており、これらの制御は排気の酸素濃度を低下させるので、ノズル角度を増加させる制御によって酸素濃度の低下を抑制している。なお、上記の制御による酸素濃度の低下が問題とならない範囲、すなわち、排気の酸素濃度が4.5%以下に低下しない範囲であれば、ノズル角度を増加させる制御を省略しても良い。また、燃料噴射時期を遅角させる制御や燃料圧力を低下させる制御は酸素濃度の低下を伴わないので、これらの制御だけでHC濃度を増加させるようにした場合もノズル角度を増加させる制御を省略できる。
【0077】
本実施形態では、燃料噴射時期を遅角させる制御、燃料圧力を低下させる制御、スワール制御弁開度を変更する制御、吸気温度を上昇させる制御、排気還流率を増加させる制御の5つの制御を行って排気のHC濃度を増加させるようにしているが、必ずしも全ての制御を同時に行う必要はなく、要は排気のHC濃度を200ppm以上の適当な濃度まで上昇させることができれば十分である。
【0078】
各装置の個別の制御は、一般的な方法で行えばよいので、各制御ルーチンの詳細な説明は省略する。概要は以下の通りである。
【0079】
燃料噴射制御ルーチン:機関のクランク角度がメモリにストアされている燃料噴射時期ITと一致したときに燃料噴射弁8への開弁信号の出力を開始し、メモリにストアされている燃料噴射時間Tが経過した時点で開弁信号の出力を終了する。
【0080】
燃料圧力制御ルーチン:圧力センサ9が検出した燃料圧力信号Pとメモリにストアされている目標燃料圧力Pとを比較し、P>TPであれば電磁弁4の開度を増加させる信号を出力し、反対にP<TPであれば電磁弁4の開度を減少させる信号を出力する。
【0081】
スワール制御弁制御ルーチン、バイパス制御弁制御ルーチン、排気還流制御弁制御ルーチン、過給圧制御ルーチン:メモリにストアされているそれぞれの目標値(TS,TB,TE,TN)に対応する制御信号を、それぞれのアクチュエータ(スワール制御弁アクチュエータ17,バイパス制御弁25,排気還流制御弁37,ノズルベーンアクチュエータ32)に出力する。
【0082】
次に、図15から図17は、還元成分濃度低下運転を燃料噴射時期の進角制御で実現し、還元濃度増加運転をポスト噴射(機関トルクを発生させるための主燃料の噴射の後に行う追加燃料の噴射)によって実現する実施形態を示している。なお、機関の全体構成は図4と同様であるが、スワール制御弁15やバイパス通路24は省略しても良い。また、図5の制御フローチャートは本実施形態でもそのまま使用する。
【0083】
図15は、図5のステップ4(通常運転設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0084】
ステップ411では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射量Qを制御マップからルックアップする。
【0085】
ステップ412では、ステップ401で算出した燃料噴射量Qとステップ1で読み込んだ燃料圧力Pとに基づいて燃料噴射時間Tを算出する。
【0086】
ステップ413では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射時期ITを制御マップからルックアップする。
【0087】
ステップ414では、ポスト噴射の燃料噴射時間を0に設定する。すなわち、通常運転時はポスト噴射を行わない。
【0088】
ステップ415では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて可変ノズル型ターボ過給機23の目標ノズル角度TNを制御マップからルックアップする。
【0089】
次に、図16は、図5のステップ7(還元成分濃度低下設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0090】
ステップ713以外のステップでは通常運転時と同じ制御値の算出あるいは設定が行われる。
【0091】
ステップ713では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する基本燃料噴射時期制御マップのマップ設定値mIT(Acc,Ne)に所定のアドバンス補正値ITA(たとえば3°)を加算した値を燃料噴射時期ITとする。
【0092】
次に、図17は、図5のステップ9(還元成分濃度増加設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0093】
ステップ911からステップ913では通常運転時と同じ制御値の算出が行われる。
【0094】
ステップ914では、ステップ911で算出した燃料噴射量Qと回転数Neとに基づいてポスト燃料噴射量Qpを制御マップからルックアップする。ポスト燃料噴射量制御マップの特性を図18に示す。基本的には、排気流量が多いときほどポスト燃料噴射量Qpも多くして排気のHC濃度を一定濃度にする特性とする。
【0095】
ステップ915では、ステップ914で算出したポスト燃料噴射量Qpとステップ1で読み込んだ燃料圧力Pとに基づいてポスト燃料噴出時間Tを算出する。
【0096】
ステップ916では、ステップ914で算出したポスト燃料噴射量Qp、回転数Neとに基づいてポスト燃料噴射時期ITpを制御マップからルックアップする。この制御マップには、ポスト燃料噴射を開始する膨張行程あるいは排気行程のクランク角度が書き込まれている。
【0097】
ステップ917では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する可変ノズル型ターボ過給機23の目標ノズル角度制御マップのマップ設定値mTN(Acc,Ne)に所定の増加補正値NIを加算した値を目標ノズル角度TNとする。ポスト噴射を行うと、追加燃料の一部が排気中の酸素と反応して排気の酸素濃度を低下させるので、ノズル角度を増加させる制御を行って酸素濃度の低下を抑制している。なお、先の実施形態の場合と同様に、ポスト噴射による酸素濃度の低下が問題とならない範囲であれば、ノズル角度を増加させる制御を省略しても良い。
【0098】
本実施例では、主燃料噴射の他にポスト噴射を行う必要があるので、燃料噴射弁8を制御する制御ルーチンは概略以下のようなものとなる。
【0099】
燃料噴射制御ルーチン:機関のクランク角度がメモリにストアされている燃料噴射時期ITと一致したときに燃料噴射弁8への開弁信号の出力を開始し、メモリにストアされている燃料噴射時間Tが経過した時点で開弁信号の出力を終了する。これにより、主燃料噴射が行われる。続けて、ポスト燃料噴射時間Tpが0でないときは、機関のクランク角度がメモリにストアされているポスト燃料噴射時期ITpと一致したときに燃料噴射弁8への開弁信号の出力を開始し、メモリにストアされているポスト燃料噴射時間Tpが経過した時点で開弁信号の出力を終了する。これにより、ポスト噴射が行われる。
【0100】
次に、図19から図22は、還元成分濃度低下運転を燃料噴射時期の進角制御で実現し、還元成分濃度増加運転を触媒38上流側排気通路35への還元剤供給によって実現する実施形態を示している。なお、水素や炭化水素等の還元剤を貯蔵しておく還元剤タンク50と、この還元剤タンク50に蓄えられた還元剤を排気通路35内へ噴射供給する還元剤噴射弁51とを備える他は図4と同様の構成であるが、スワール制御弁15やバイパス通路24は省略しても良い。また、図5のフローチャートは本実施形態でもそのまま使用する。
【0101】
図20は、図5のステップ4(通常運転設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0102】
ステップ421では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射量Qを制御マップからルックアップする。
【0103】
ステップ422では、ステップ401で算出した燃料噴射量Qとステップ1で読み込んだ燃料圧力Pとに基づいて燃料噴射時間Tを算出する。
【0104】
ステップ423では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射時期ITを制御マップからルックアップする。
【0105】
ステップ424では、還元剤噴射弁51へ出力するデューティ制御信号のデューティ比Dを0に設定する。デューティ比はデューティ制御信号のON時間とOFF時間との比を示すもので、D=0は、ON時間が0であることを示す。すなわち、通常運転時は還元剤の供給を行わない。
【0106】
ステップ425では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて可変ノズル型ターボ過給機23の目標ノズル角度TNを制御マップからルックアップする。
【0107】
次に、図21は、図5のステップ7(還元成分濃度低下設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0108】
ステップ723で燃料噴射時期を進角補正する以外は、通常運転時と同じ制御値の算出あるいは設定が行われる。
【0109】
次に、図22は、図5のステップ9(還元成分濃度増加設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0110】
ステップ921からステップ923では通常運転時と同じ制御値の算出が行われる。
【0111】
ステップ924では、ステップ921で算出した燃料噴射量Qと回転数Neとに基づいてデューティ比Dを制御マップからルックアップする。この制御マップは、排気流量が多いときほどデューティ比Dも大きくして排気の還元成分濃度を一定濃度にする特性となる。なお、還元剤噴射弁51に供給される還元剤の圧力を一定に保っておけば、デューティ比Dと単位時間あたりに噴射される還元剤の量との間には常に一定の比例関係が成立する。
【0112】
ステップ925では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する可変ノズル型ターボ過給機23の目標ノズル角度制御マップのマップ設定値mTN(Acc,Ne)に所定の増加補正値NIを加算した値を目標ノズル角度TNとする。排気通路に還元剤を供給すると、還元剤の一部が排気中の酸素と反応して排気の酸素濃度を低下させるので、ノズル角度を増加させる制御を行って酸素濃度の低下を抑制している。なお、先の実施形態の場合と同様に、還元剤供給による酸素濃度の低下が問題とならない範囲であれば、ノズル角度を増加させる制御を省略しても良い。
【0113】
還元剤噴射弁51の制御を行う個別の制御ルーチンでは、メモリにストアされているデューティ比Dに応じて還元剤噴射弁51へデューティ制御信号を出力する。
【0114】
次に、図23から図26は、還元成分濃度低下運転を酸化触媒の使用で実現し、還元成分濃度増加運転を燃料噴射時期の遅角補正によって実現する実施形態を示している。なお、触媒38の上流側排気通路35と並列に分岐通路60が設けられ、その分岐通路60に酸化触媒61が、排気通路35と分岐通路60との接続部に切替制御弁62が、それぞれ設けられている他は図4と同様の構成であるが、スワール制御弁15やバイパス通路24,ターボ過給機23等は省略しても良い。また、図5の制御フローチャートは本来実施形態でもそのまま使用する。
【0115】
図24は、図5のステップ4(通常運転設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0116】
ステップ431では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射量Qを制御マップからルックアップする。
【0117】
ステップ432では、ステップ401で算出した燃料噴射量Qとステップ1で読み込んだ燃料圧力Pとに基づいて燃料噴射時間Tを算出する。
【0118】
ステップ433では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射時期ITを制御マップからルックアップする。
【0119】
ステップ434では、切替フラグFを0に設定する。切替フラグFは、切替制御弁62の状態を制御するフラグで、排気の全量を排気通路35側へ流通させるとき0に設定する。
【0120】
次に、図25は、図5のステップ7(還元成分濃度低下設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0121】
ステップ734以外のステップでは通常運転時と同じ制御値の算出あるいは設定が行われる。
【0122】
ステップ734では、切替フラグFを1に設定する。切替フラグFが1のとき、排気の全量が分岐通路60側へ流通する。酸化触媒61を通過させた排気を触媒38は流入させるようにすることで排気の還元成分濃度を確実に低下させることができる。本実施形態ではディーゼル機関に本発明を適用した例で説明しているが、通常運転時のHC濃度が比較的高いガソリン機関に本発明を適用する場合に本実施形態のような酸化触媒の使用が特に効果的である。
【0123】
次に、図26は、図5のステップ9(還元成分濃度増加設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0124】
ステップ931とステップ932は通常運転時と同じ制御値の算出が行われる。
【0125】
ステップ933では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する基本燃料噴射時期制御マップのマップ設定値mIT(Acc,Ne)から所定のリタード補正値ITR(たとえば3°)を減算した値を燃料噴射時期ITとする。
【0126】
ステップ934では、切替フラグFを0に設定する。すなわち、排気の全量を排気通路35側へ流通させる。
【0127】
切替制御弁62の制御を行う個別の制御ルーチンでは、メモリにストアされている切替フラグFに応じて切替制御弁62へ切替信号を出力する。
【0128】
次に、図27から図30は、還元成分濃度低下運転および増加運転を、触媒38の上流側排気通路35に配置したHC吸着触媒70でのHCの吸着および脱離によって実現する実施形態を示している。なお、HC吸着触媒70と排気温度センサ71とが設けられている他は図4と同様の構成であるが、スワール制御弁15やバイパス通路24は省略しても良い。
【0129】
HC吸着触媒70は、所定の脱離温度以下の低温時には排気中のHCを吸着し、かつ脱離温度より高いと吸着していたHCを放出する特性を有している。
【0130】
図31は、このHC吸着触媒70の温度特性の一例を示しており、まず、昇温過程では、所定温度T0以下でHCを吸着することによりHCを低減する。続けて昇温を行うと、吸着したHCが温度による拡散エネルギーの増大によって放出され、入口側のHC濃度より出口側のHC濃度が高くなる。さらに昇温を続けると、HC吸着触媒上の触媒が活性状態となり、再びHCが低減する。
【0131】
この高温域から続けて降温させると、この場合には先に低温の排気に晒されていないことから、HC放出現象は認められず、T0以下の領域で、再びHC吸着によるHCの低減が認められる。
【0132】
次に、本実施形態の制御について説明する。なお、図5の制御フローチャートは本実施形態でもそのまま使用する。
【0133】
図28は、図5のステップ4(通常運転設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0134】
ステップ441では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射量Qを制御マップからルックアップする。
【0135】
ステップ442では、ステップ401で算出した燃料噴射量Qとステップ1で読み込んだ燃料圧力Pとに基づいて燃料噴射時間Tを算出する。
【0136】
ステップ443では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射時期ITを制御マップからルックアップする。
【0137】
次に、図29は、図5のステップ7(還元成分濃度低下設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0138】
ステップ741とステップ742は通常運転時と同じ制御値の算出が行われる。
【0139】
ステップ743では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する基本燃料噴射時期制御マップのマップ設定値mIT(Acc,Ne)に所定のアドバンス補正値ITA(たとえば3°)を加算した値を燃料噴射時期ITとする。一般的に、ディーゼル機関では、燃料噴射時期をアドバンスさせるほど排気温度が低下する特性(図32参照)となる。本実施形態では、燃料噴射時期の進角補正によって排気温度を低下させ、HC吸着触媒70の温度をHC脱離温度T0以下とすることで触媒38に流入するHC濃度を低下させるようにしている。よって、アドバンス補正値ITAの値は、排気温度がT0以下の温度となるように設定されている。なお、排気温度がT0以下の温度となる噴射時期を書き込んだ別の燃料噴射時期制御マップを予め用意しておくようにしても良い。
【0140】
ステップ744では、排気温度センサ71の信号Texの読み取りが行われる。
【0141】
ステップ745では、ステップ744で読み込んだ排気温度Texが所定温度T0より大きいか否かを判断する。ステップ743の燃料噴射時期進角補正により、排気温度がT0以下となるようにしているが、排気通路の熱容量の影響等で排気温度がすぐにはT0以下に下がらない場合が考えられるので、本ステップで排気温度が実際にT0以下まで低下したか確認する。そして、Tex>T0であると判断された場合は、続くステップ746でカウンタCの値を0にリセットする。これにより、Tex>T0である間はカウンタCの値が0に固定され、HC吸着触媒70がHCを吸着する温度になってからの運転を第1の所定期間(=C0×10[ms])継続させることができる。
【0142】
次に、図30は、図5のステップ9(還元成分増加設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0143】
ステップ941とステップ942は通常運転時と同じ制御値の算出が行われる。
【0144】
ステップ943では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する基本燃料噴射時期制御マップのマップ設定値mIT(Acc,Ne)から所定のリタード補正値ITR(たとえば5°)を減算した値を燃料噴射時期ITとする。燃料噴射時期をリタードさせるほど排気温度が上昇する(図32参照)。これにより、第1の所定期間の運転中にHC吸着触媒70に吸着されたHCが脱離して放出され、触媒38に注入する排気のHC濃度が増加する。よって、リタード補正値ITRの値は、排気温度がT0以上の温度となるように設定されている。なお、排気温度がT0以上の温度となる噴射時期を書き込んだ別の燃料噴射時期制御マップを予め用意しておくようにしても良い。
【0145】
ステップ944では、排気温度センサ71の信号Texの読み取りが行われる。
【0146】
ステップ945では、ステップ944で読み込んだ排気温度Texが所定温度T0より小さいか否かを判断する。ステップ943の燃料噴射時期遅角補正により、排気温度がT0以上となるようにしているが、すぐにはT0以上に上昇しない場合が考えられるので、本ステップで排気温度が実際にT0以上まで上昇したか確認する。そして、Tex<T0であると判断された場合は、続くステップ946でカウンタCの値をC0にセットする。これにより、Tex<T0である間はカウンタCの値がC0に固定され、HC吸着触媒70がHCを放出する温度になってからの運転を第2の所定期間(=(C1−C0)×10[ms])継続させることができる。
【0147】
HC吸着触媒70からのHC脱離時に、触媒38に流入する排気の酸素濃度が低下して問題を生じる場合は、先の実施形態と同様に、可変ノズル型ターボ過給機23のノズル角度制御等を行って過給圧を上昇させ、酸素濃度の低下を抑制するようにすることもできる。
【0148】
次に、図33から図36は、還元成分濃度低下運転および増加運転を、先の実施形態と同様にHC吸着触媒によって実現する実施形態を示している。ただし、本実施形態のHC吸着触媒は、バッテリ81からの電力供給を受けて発熱するヒーター82を備えたヒーター付HC吸着触媒80となっており、さらに、ヒーター82への電力供給を断続するスイッチ83とヒーター付HC吸着触媒80の温度を検出する触媒温度センサ84とが設けられている。ただし、ヒーター付HC吸着触媒80としては、HC吸着触媒の担体自体を金属等で形成し、担体をヒーターとして用いるようにしても良い。その他の構成は図4と同様であるが、スワール制御弁15やバイパス通路24は省略しても良い。なお、図5の制御フローチャートは本実施形態でもそのまま使用する。
【0149】
図34は、図5のステップ4(通常運転設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0150】
ステップ451では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射量Qを制御マップからルックアップする。
【0151】
ステップ452では、ステップ401で算出した燃料噴射量Qとステップ1で読み込んだ燃料圧力Pとに基づいて燃料噴射時間Tを算出する。
【0152】
ステップ453では、ステップ1で読み込んだアクセル開度Accと回転数Neとに基づいて燃料噴射時期ITを制御マップからルックアップする。
【0153】
ステップ454では、通電フラグFを0に設定する。通電フラグFは、スイッチ83の断続を制御するフラグで、スイッチ82を非接続状態とするとき0に設定する。
【0154】
次に、図35は、図5のステップ7(還元成分濃度低下設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0155】
ステップ751とステップ742は通常運転時と同じ制御値の算出が行われる。
【0156】
ステップ753では、現在のアクセル開度Acc、回転数Neに対応する基本燃料噴射時期マップのマップ設定置mIT(Acc,Ne)に所定のアドバンス補正値ITA(たとえば3°)を加算した値を燃料噴射時期ITとする。これにより、排気温度が低下してヒーター付HC吸着触媒80の温度がHCを吸着する温度になる。
【0157】
ステップ754では、通電フラグFを0に設定する。
【0158】
ステップ755では、触媒温度センサ71の信号Tcatの読み取りが行われる。
【0159】
ステップ756では、ステップ755で読み込んだ触媒温度Tcatが所定温度T0より大きいか否かを判断し、Tcat>T0であると判断された場合は、続くステップ757でカウンタCの値を0にリセットする。
【0160】
次に、図36は、図5のステップ9(還元成分濃度増加設定)で行う処理の詳細を示す図である。
【0161】
ステップ951からステップ953では、通常運転時と同じ制御値の算出が行われる。
【0162】
ステップ954では、通常フラグFを1に設定する。通電フラグFが1のとき、スイッチ83を接続状態とする。ヒーター付HC吸着触媒80へ電力が供給され、温度がT0以上に上昇すると、吸着されたHCが脱離して放出され、触媒38に流入する排気のHC濃度が増加する。
【0163】
ステップ955では、触媒温度センサ71の信号Tcatの読み取りが行われる。
【0164】
ステップ956では、ステップ956で読み込んだ触媒温度Tcatが所定温度T0より小さいか否かを判断する。ヒーター付HC吸着触媒80へ電力を供給してから触媒温度がT0以上となるまでには多少の遅れが生じると考えられるので、本ステップで触媒温度が実際にT0以上まで上昇したか確認する。そして、Tcat<T0であると判断された場合は、続くステップ957でカウンタCの値をC0にセットする。
【0165】
先の実施形態の場合と同様に、ヒーター付HC吸着触媒80からのHC脱離時に、触媒38に流入する排気の酸素濃度が低下して問題を生じる場合は、可変ノズル型ターボ過給機23のノズル角度制御等を行って過給圧を上昇させ、酸素濃度の低下を抑制するようにすることもできる。
【0166】
最後に、排気浄化用触媒38として用いることができる種々の触媒を表1から表8に示す。
【0167】
【表1】
Figure 0003832157
【0168】
【表2】
Figure 0003832157
【0169】
【表3】
Figure 0003832157
【0170】
【表4】
Figure 0003832157
【0171】
【表5】
Figure 0003832157
【0172】
【表6】
Figure 0003832157
【0173】
【表7】
Figure 0003832157
【0174】
【表8】
Figure 0003832157
【0175】
触媒の基材として使用されるアルミナ(A123)、シリカ(SiO2)、多孔質アルミノ珪酸塩(ゼオライト)、シリカ−アルミナ(SiO2−A123)、チタニア(TiO2)には、それぞれ以下のような特徴がある。
【0176】
基材をチタニアにすることにより、燃料中に存在するイオウの被毒に強い触媒とすることができ、基材をシリカ−アルミナまたは多孔質アルミノ珪酸塩にすることにより、炭素数の多いHCによるNOx還元活性能が向上する。さらに、基材をシリカ−アルミナとすることにより、耐久性が向上する。
【0177】
触媒は、貴金属と吸収材成分とを、比表面積が120m2/g以上の上記耐火性無機酸化物の基材に担持させたハニカム状モノリス触媒として構成する。
【0178】
なお、表8の実施例192〜223においては、貴金属が吸収材としての機能を兼ねている。
【0179】
また、これらの触媒は、以下に示す方法で作成することができる。
【0180】
1%硝酸水溶液900gにベーマイトアルミナ10gを混合撹拌して得られたアルミナゾルと、活性γアルミナ粉末を磁性ボールミルに投入し、粉砕してアルミナスラリーを得た。このスラリー液をコーディエライト質モノリス担体(1L、400セル)に付着させ、400℃で1時間焼成してコート層重量100g/Lの担体を得た。得られた担体材料に、酢酸バリウム水溶液を含浸し、乾燥した後、空気中で400℃、1時間の焼成を行った。当該材料中のバリウム含有量は、15.0g/Lであった。得られた担体材料に、ジニトロジアミン白金の混合水溶液を含浸し乾燥した後、空気中で400℃、1時間の焼成を行い、排気ガス浄化用触媒を得た。この触媒中の白金の含有量は、1.18g/Lであった。
【0181】
また、酢酸バリウム水溶液の代りに、次のような化合物を用いて触媒を作成した。
【0182】
バリウム Ba(CH3COO)2・H2
カリウム KCH3COO・2H2
ナトリウム NaNO3
リチウム LiNO3
セシウム Cs(CH3COO)
マグネシウム Mg(NO32・6H2
カルシウム Ca(NO33
ストロンチウムSr(CH3COO)
ランタン La(NO33
セリウム Ce(CH3COO)3
イットリウム Y(NO33・6H2
プラセオジウムPr(NO33
ネオジウム Nd(CH3COO)3
サマリウム Sm(NO33・6H2
ジルコニウム ZrO(NO32・2H2
マンガン Mn(NO32
鉄 Fe(NO33・9H2
ニッケル Ni(NO32・6H2
コバルト Co(NO32・6H2
タングステン (NH410[W12422]10H2
モリブデン (NH46[Mo724]4H2
またさらに、ジニトロジアミン白金水溶液の代りに、硝酸ロジウム、硝酸パラジウム、硝酸イリジウムを用いて同様に試作した。
【図面の簡単な説明】
【図1】最低酸素濃度とNOx放出量との関係を示す特性図。
【図2】還元成分濃度低下時の還元成分濃度とNOx放出率との関係を示す特性図。
【図3】放出還元過程の雰囲気酸素濃度とNOx低減率との関係を示す特性図。
【図4】この発明をディーゼル内燃機関に適用した実施の形態を示す構成説明図。
【図5】コントローラが一定時間毎に実行する制御ルーチンを示すフローチャート。
【図6】通常運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図7】還元成分濃度低下運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図8】還元成分濃度増加運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図9】基本燃料噴射時期制御マップの特性を示す特性図。
【図10】燃料噴射時期と排気の還元成分濃度との関係を示す特性図。
【図11】排気還流率と排気の還元成分濃度との関係を示す特性図。
【図12】スワールの強さと排気の還元成分濃度との関係を示す特性図。
【図13】吸入空気温度と排気の還元成分濃度との関係を示す特性図。
【図14】可変ノズル型ターボ過給機のノズル角度と排気の酸素濃度との関係を示す特性図。
【図15】ポスト噴射を用いた実施の形態における通常運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図16】ポスト噴射を用いた実施の形態における還元成分濃度低下運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図17】ポスト噴射を用いた実施の形態における還元成分濃度増加運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図18】ポスト燃料噴射量制御マップの特性を示す特性図。
【図19】還元剤供給装置を設けた実施の形態を示す構成説明図。
【図20】還元剤供給装置を設けた実施の形態における通常運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図21】還元剤供給装置を設けた実施の形態における還元成分濃度低下運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図22】還元剤供給装置を設けた実施の形態における還元成分濃度増加運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図23】酸化触媒を設けた実施の形態を示す構成説明図。
【図24】酸化触媒を設けた実施の形態における通常運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図25】酸化触媒を設けた実施の形態における還元成分濃度低下運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図26】酸化触媒を設けた実施の形態における還元成分濃度増加運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図27】HC吸着触媒を設けた実施の形態を示す構成説明図。
【図28】HC吸着触媒を設けた実施の形態における通常運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図29】HC吸着触媒を設けた実施の形態における還元成分濃度低下運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図30】HC吸着触媒を設けた実施の形態における還元成分濃度増加運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図31】HC吸着触媒のHC吸着放出特性を示す特性図。
【図32】燃料噴射時期と排気温度との関係を示す特性図。
【図33】ヒーター付HC吸着触媒を設けた実施の形態を示す構成説明図。
【図34】ヒーター付HC吸着触媒を設けた実施の形態における通常運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図35】ヒーター付HC吸着触媒を設けた実施の形態における還元成分濃度低下運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【図36】ヒーター付HC吸着触媒を設けた実施の形態における還元成分濃度増加運転用の制御値設定サブルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
1…ディーゼル内燃機関
8…燃料噴射弁
15…スワール制御弁(スワール制御手段)
17…スワール制御弁アクチュエータ(スワール制御手段)
21…インタークーラ(吸入空気温度制御手段)
23…ターボ過給機
24…バイパス通路(吸入空気温度制御手段)
25…バイパス制御弁(吸入空気温度制御手段)
36…排気還流通路
37…排気還流制御弁
40…コントローラ(制御手段)
50…還元剤タンク(還元剤供給手段)
51…還元剤噴射弁(還元剤供給手段)
60…分岐通路
61…酸化触媒
62…切替制御弁
70…HC吸着触媒(還元成分吸着触媒)
82…ヒーター(還元成分吸着触媒温度制御手段)
83…スイッチ(還元成分吸着触媒温度制御手段)

Claims (25)

  1. ディーゼル関の排気通路に配置され、流入する排気の還元成分濃度が低いときに排気中のNOを吸収し、かつ流入する排気の還元成分濃度が高いときにNOを放出還元する排気浄化用触媒と、
    この排気浄化用触媒に吸収されたNOを放出処理すべき時期に達したことを運転履歴から判定する手段と、
    この放出処理を、空燃比がリーンな状態での運転を継続したまま行う放出処理手段と、
    を備え、上記放出処理手段は、
    上記排気浄化用触媒に流入する排気の還元成分濃度を第1の所定期間低下させる還元成分濃度低下手段と、
    上記第1の所定期間に続いて、上記排気浄化用触媒に流入する排気の還元成分濃度を第2の所定期間増加させる還元成分濃度増加手段と、
    含むことを特徴とする排気浄化装置。
  2. NOXの吸収および放出還元が、酸素濃度4.5%以上の酸素過剰雰囲気下で行われることを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  3. 上記還元成分濃度低下手段は、排気の還元成分濃度を100ppm以下に低下させることを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  4. 上記還元成分濃度増加手段は、排気の酸素濃度を低下させることなく還元成分濃度を増加させることを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  5. 内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁からの燃料の噴射時期を制御する制御手段とを備え、この制御手段は上記排気浄化用触媒に吸収されたNOXを放出還元すべきときに、上記第1の所定期間上記燃料噴射弁の燃料噴射時期を進角補正することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  6. 内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁からの燃料の噴射時期を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記第1の所定期間に続いて、上記第2の所定期間上記燃料噴射弁の燃料噴射時期を遅角補正することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  7. 内燃機関の燃焼室内の吸入空気流動に旋回成分を付与するスワール制御手段と、このスワール制御手段によって燃焼室内に形成される吸入空気の旋回流動強さを制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記第1の所定期間に続いて、上記第2の所定期間燃焼室内に形成される吸入空気の旋回流動強さを強化するよう上記スワール制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  8. 内燃機関が吸入する空気の温度を調整する吸入空気温度制御手段と、この吸入空気温度制御手段による吸入空気の温度調整を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記第1の所定期間に続いて、上記第2の所定期間吸入空気の温度を上昇させるよう上記吸入空気温度制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  9. 上記排気浄化用触媒の上流側において上記排気通路から分岐し再び合流する分岐通路と、この分岐通路に配置され、流入する排気中の還元成分を酸化する酸化触媒と、排気の流れを上記排気通路側と上記分岐通路側とに選択的に切替える切替制御弁と、この切替制御弁による通路の切替えを制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記排気浄化用触媒に吸収されたNOXを放出還元すべきときに、上記第1の所定期間排気を上記分岐通路側に流すよう上記切替制御弁を制御することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  10. 内燃機関の燃焼室に排気を還流させる排気還流通路と、この排気還流通路に配置された排気還流制御弁と、この排気還流制御弁の開度を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記排気浄化用触媒に吸収されたNOXを放出還元すべきときに、上記第1の所定期間排気還流率が低下するよう上記排気還流制御弁を制御することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  11. 内燃機関の燃焼室に排気を還流させる排気還流通路と、この排気還流通路に配置された排気還流制御弁と、この排気還流制御弁の開度を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記第1の所定期間に続いて、上記第2の所定期間排気還流率が増加するよう上記排気還流制御弁を制御することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  12. 内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記第1の所定期間に続いて、上記第2の所定期間機関トルクを発生させるための主燃料を噴射した後に追加燃料を噴射するよう上記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  13. 上記排気通路の上記排気浄化用触媒上流側において排気中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、この還元剤供給手段からの還元剤の供給を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記第1の所定期間に続いて、上記第2の所定期間機関排気中に還元剤を供給するよう上記還元剤供給手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  14. 上記排気通路において上記排気浄化用触媒の上流側に配置され、所定温度以下のとき排気中の還元成分を吸着し、かつ上記所定温度以上のとき吸着した還元成分を放出する還元成分吸着触媒と、この還元成分吸着触媒の温度を昇降させる還元成分吸着触媒温度制御手段と、この還元成分吸着触媒温度制御手段による上記還元成分吸着触媒の温度調整を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記排気浄化用触媒に吸収されたNOXを放出還元すべきときに、上記第1の所定期間上記還元成分吸着触媒の温度が上記所定温度以下となるよう還元成分吸着触媒温度制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  15. 上記排気通路において上記排気浄化用触媒の上流側に配置され、所定温度以下のとき排気中の還元成分を吸着し、かつ上記所定温度以上のとき吸着した還元成分を放出する還元成分吸着触媒と、この還元成分吸着触媒の温度を昇降させる還元成分吸着触媒温度制御手段と、この還元成分吸着触媒温度制御手段による上記還元成分吸着触媒の温度調整を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記第1の所定期間に続いて、上記第2の所定期間上記還元成分吸着触媒の温度が上記所定温度以上となるよう還元成分吸着触媒温度制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  16. 過給効率を変化させて過給圧を調整することができる過給機と、この過給機による過給圧を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記還元成分濃度増加手段によって排気の還元成分濃度が増加せしめられているときに、過給圧が上昇するよう上記過給機を制御することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  17. ディーゼル機関の排気通路に配置され、流入する排気の還元成分濃度が低いときに排気中のNO を吸収し、かつ流入する排気の還元成分濃度が高いときにNO を放出還元する排気浄化用触媒と、
    この排気浄化用触媒に吸収されたNO を放出処理すべき時期に達したことを運転履歴から判定する手段と、
    この放出処理を、機関の吸入空気量および燃料噴射量を変化させることなく行う放出処理手段と、
    を備え、上記放出処理手段は、
    上記排気浄化用触媒に流入する排気の還元成分濃度を第1の所定期間低下させる還元成分濃度低下手段と、
    上記第1の所定期間に続いて、上記排気浄化用触媒に流入する排気の還元成分濃度を第2の所定期間増加させる還元成分濃度増加手段と、
    を含むことを特徴とする排気浄化装置。
  18. 上記排気浄化用触媒は、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムからなるアルカリ金属、バリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムからなるアルカリ土類金属、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウムからなる希土類、マンガン、鉄、ニッケル、コバルトからなる遷移金属、ジルコニウム、イットリウムから選ばれた少なくとも一つと、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウムから選ばれた少なくとも一つとを含むことを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載の排気浄化装置。
  19. 上記排気浄化用触媒は、タングステンと、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載の排気浄化装置。
  20. 上記排気浄化用触媒は、タングステンとジルコニアが複合化してなる酸化物と、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載の排気浄化装置。
  21. 排気浄化用触媒に流入するリーン排気ガスの温度が50℃〜300℃の条件で還元成分濃度を高めて使用することを特徴とする請求項19または20に記載の排気浄化装置。
  22. 排気浄化用触媒に流入するリーン排気ガスの昇温速度が100℃/min〜300℃/minの条件で使用することを特徴とする請求項19または20に記載の排気浄化装置。
  23. 上記排気浄化用触媒は、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムからなるアルカリ金属、バリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムからなるアルカリ土類金属、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウムからなる希土類、マンガン、鉄、ニッケル、コバルトからなる遷移金属、ジルコニウム、イットリウムから選ばれた二種の元素と、白金、パラジウム、ロジウムから選ばれた少なくとも一つとを含むことを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載の排気浄化装置。
  24. 上記排気浄化用触媒は、上記の成分を、比表面積が120m2/g以上の耐火性無機酸化物に担持させたハニカム状モノリス触媒として構成されていることを特徴とする請求項18〜23のいずれかに記載の排気浄化装置。
  25. 上記耐火性無機酸化物が、アルミナ(Al23)、シリカ(SiO2)、多孔質アルミノ珪酸塩(ゼオライト)、シリカ−アルミナ(SiO2−Al23)、チタニア(TiO2)から選ばれた1種以上の耐火性無機酸化物であることを特徴とする請求項24記載の排気浄化装置。
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