JP4055670B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンの排気浄化装置に関し、特に排気系にＮＯｘトラップ触媒を備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置の改良に関する。

ＮＯｘトラップ触媒を備えたエンジンでは、通常はリーン燃焼運転を行い、その間に発生したＮＯｘをＮＯｘ吸収剤に堆積させ、ある程度ＮＯｘが堆積した時点で排気の空気過剰率（以下、符号「λ」で表す。）を一時的にリッチ化することでＮＯｘを吸収剤から脱離させ還元処理するようにしている。このような制御は、λを一時的にリッチ方向に操作することからリッチスパイク制御と称される。

ディーゼルエンジンでは通常はλ＝２〜３の希薄空燃比状態で運転しており、前述したリッチスパイク制御の際にはλ＝０．８程度まで変化させる。リッチスパイク制御は運転者の要求とは関係なく、ＮＯｘトラップ触媒に堆積したＮＯｘの処理要求に応じて不定期的に実施されるので、通常運転状態からリッチスパイク制御状態への移行時にトルク変動が生じると運転者に不快感を与える。このため、リッチスパイク制御ではできるだけ燃料供給量を変化させずにλを減少させるために、特許文献１にも開示されているように、吸気通路に備えた絞り弁の開度を減じて吸入ガス量を減じる制御を行うようにしている。
特開2003-129890号公報

リッチスパイク制御のために吸気絞り弁の開度を減少させると、絞り弁下流の吸気管負圧（以下「ブースト」と言う。）は増大する。このブースト変化はポンピングロスの発生や燃焼の悪化をもたらし、エンジンの出力特性を変動させる。すなわち吸気量減により有効圧縮比及び圧縮端温度が低下して着火遅れが大きくなることから、熱発生ピークが遅れ、または失火により燃焼変動が発生する。しかしながら、従来はこのブースト変化の影響を考慮した制御を行っていなかったため、リッチスパイク制御への移行に伴いトルク変動が発生していた。

本発明では、ＮＯｘトラップ触媒を備え、そのＮＯｘ脱離のためのリッチスパイク制御時に吸気絞り弁の開度を減じるように構成されている排気浄化装置を前提として、リッチスパイク制御時のシリンダ吸入ガス量に応じて燃料の噴射時期を補正する。

リッチスパイク制御時のブースト変化に伴い燃焼は悪化傾向となるので、通常はブーストが増大するほど前記補正により燃料噴射時期を進角させる補正を行う。ブースト変化に伴い着火遅れが大となったとしても、前記補正により熱発生ピークを通常時と同じ時期に保つことができる。したがって、絞り弁開度制御を伴うリッチスパイク制御への移行時のトルク変動の発生を回避してエンジンの運転性を向上させることができる。

図１は、本発明を適用可能な過給機付ディーゼルエンジンの一例を示した概略構成図である。図に示すように、エンジン本体１には、コモンレール２、燃料噴射弁３および図示しない燃料ポンプを構成要素とするコモンレール燃料噴射系が設けられており、高圧の燃料をエンジン本体１に供給する。前記燃料噴射弁３は、燃焼室に燃料を直接噴射し、かつメイン噴射の前にパイロット噴射が可能であり、またコモンレール２内の設定燃料圧力を変更することにより、燃料噴射圧力を可変制御できる。

過給機４のコンプレッサ４ａは吸気通路５に介装されており、排気タービン４ｂにより駆動されて圧縮空気をエンジン本体１に供給する。排気タービン４ｂは排気通路６に介装されており、エンジン本体１からの排気により回転して前記コンプレッサ４ａを駆動する。なお、本実施形態においては、過給機４として可変容量型のものを用いており、低速域においてはタービン４ｂ側に設けられた可変ノズルを絞ってタービン効率を高め、高速域においては前記可変ノズルを開いてタービン容量を拡大させることにより、広い運転領域で高い過給効果を得ることができる。

吸気通路５には、前記コンプレッサ４ａの上流側にエアフローメータ７、下流側に吸気絞り弁８がそれぞれ介装されている。吸気絞り弁８は、例えば、ステップモータを用いて開度変更が可能な電子制御式のものであり、その開度に応じてエンジン本体１に吸入される吸入空気量を制御する。

排気通路６には、エンジン本体１と排気タービン４ｂとの間から分岐して吸気通路５に接続するＥＧＲ通路９が設けられ、このＥＧＲ通路９にはＥＧＲ弁１０が介装されている。前記ＥＧＲ弁１０は、例えば、ステップモータを用いた電子制御式のものであり、その開度に応じて吸気側に還流する排気の量、すなわち、エンジン本体１に吸入されるＥＧＲ量を制御する。排気通路６には、排気タービン４ｂの下流側にＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１、ＮＯｘトラップ触媒１２および排気微粒子フィルタ（以下「ＤＰＦ」という。）１３が順に設けられている。

前記ＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１は低温時に吸着した排気中のＨＣを高温時に放出する特性を有する。活性状態ではＨＣ、ＣＯを酸化処理する。ＮＯｘトラップ触媒１２は、希薄空燃比運転状態で吸着した排気中のNOxを、濃空燃比運転状態で放出する特性を有する。活性状態ではNOｘを還元浄化する。ＤＰＦ１３は排気中のＰＭ（微粒子状物質）を捕集する。捕集したＰＭは排気温度を高温化する再生制御により燃焼処理される。前記ＮＯｘトラップ触媒およびＤＰＦ１３は、酸化触媒としての機能を併有するものもある。

各種状態を検出するセンサとして、吸入空気量Ｑａを検出する前記エアフローメータ７の他、エンジン回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１６、前記コモンレール２内の燃料圧力（すなわち、燃料噴射圧）を検出するレール圧センサ１７、吸気絞り弁８下流の吸気管圧力を検出する圧力センサ１８等が設けられる。また、それぞれ前記ＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１、ＮＯｘトラップ触媒１２およびＤＰＦ１３の出口排気温度を検出する温度センサ２１、２２、２３が設けられている。排気通路６の酸化触媒１１よりも上流側には排気空燃比または酸素濃度を検出する排気センサ２４が設けられている。

２０はＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されたコントロールユニットであり、前記各種センサからの検出信号に基づいて燃料噴射量Ｑｆ、噴射時期ＩＴを設定して前記燃料噴射弁３の駆動を制御すると共に、前記吸気絞り弁８およびＥＧＲ弁１０の開度制御を行う。特に、本発明に係る制御としては、前記ＮＯｘトラップ触媒１２の再生（ＮＯｘ脱離）のためのリッチスパイク制御および燃料噴射時期制御を行う。本発明との関係では、コントロールユニット２０は、リッチスパイク制御手段、ブースト検出手段、燃料噴射時期演算手段、噴射時期補正手段の各手段の機能に対応している。

図２〜図３はコントロールユニット２０により実行される前記リッチスパイク制御の制御ルーチンを示す。この制御ルーチンはエンジン運転中に予め定められた所定の条件、例えばアイドルを含む低負荷低速運転状態であることを条件に一定時間間隔で周期的に実行される。なお図２以下の各流れ図および以下の説明において符号Sは処理ステップ番号を表している。

この制御ではまずS11にて図１に示した各種センサ類からの信号を読みとり、次いでこれらの信号を用いてS12にてＮＯｘトラップ触媒１２のＮＯｘ堆積量を計算する。ＮＯｘ堆積量の計算手法は各種知られており、例えばエンジン回転速度Ne、燃料噴射量Qf、冷却水温Tw等の運転状態信号から推定したＮＯｘ量を運転履歴に応じて積算してゆくことでＮＯｘ堆積量を求めることができる。

S13では前記計算により求めたＮＯｘ堆積量を基準値NOx1と比較し、ＮＯｘ堆積量がNOx1以下であれば何もせずに今回のルーチンは終了する。ＮＯｘ堆積量がNOx1を超えたときは、次いでS14にてリッチスパイク制御状態であることを示すspフラグを1にセットしたのち、S15にてリッチスパイク制御のルーチンへと移行する。

リッチスパイク制御では、図３に示したようにまずS21にて排気λを理論空燃比以下にまでリッチ化するエンジン制御として、吸気絞り弁８およびＥＧＲ弁１０の開度を減じる制御を実施する。目標λを達成する必要上から、燃焼行程後期から排気行程の間にポスト噴射を実施して燃料を追加する等の操作を加える場合もある。λが大きいリーン燃焼運転状態にてＮＯｘトラップ触媒１２に堆積していたＮＯｘは、前記リッチスパイク制御によるλの濃化によりＮＯｘ吸収剤から脱離し、触媒での還元処理により浄化される。

S22ではリッチスパイク制御を開始してからの経過時間ｔが基準値tspikeを超えたか否かを判定する。tspikeはリッチスパイク実施時間を与える基準値であり、前記ＮＯｘ堆積量に応じて事前に設定されている。経過時間タイマ値ｔがtspikeを超えるまではS21のリッチスパイク制御を継続し、超えたらS23にてリッチスパイク制御を終了させる。リッチスパイク制御終了時はS24にてspフラグを0に設定し、経過時間タイマ値ｔをリセットして図２のルーチンに戻る。なお、図３において経過時間タイマ値ｔの初期化およびループ毎の加算の処理、リッチスパイク終了時のＮＯｘ堆積量の初期化処理などは図示省略してある。

以上がＮＯｘトラップ触媒を再生するためのリッチスパイク制御の概略である。本発明では、このようなリッチスパイク制御に伴う燃焼の悪化およびトルク変動を抑制するために、ブーストに応じて燃料噴射時期を補正する制御を行う。次のその詳細を図４に示した流れ図に沿って説明する。

図４は図２または図３と同様にコントロールユニット２０により実行される燃料噴射時期補正制御の処理ルーチンである。この制御では、まずS31にて基本噴射時期ITを決定する。これは燃料噴射量Qfとエンジン回転速度Neとから基本噴射時期ITを付与するように予め設定されたマップを参照する処理による。燃料噴射量Qfは燃料噴射制御系にて算出された値を、エンジン回転速度Neは回転速度センサ１４からの信号を、それぞれ読み込む。

次いでS32にてspフラグを参照する。spフラグはリッチスパイク制御中であるか否かを表しており、sp=0のときはリッチスパイク制御中ではないので、ブーストに関する補正を行うことなく、基本噴射時期ITを噴射時期の指令値IT＿solとして出力する。なお、図示しないが基本噴射時期ITは最終的に指令値IT＿solとして出力されるまでの間に、必要に応じてλ、ＥＧＲ率、水温等による補正が施される。

S32のフラグ検査処理にてspフラグが１であった場合には、これはリッチスパイク制御中であるので、S33に進んでブースト補正の処理を開始する。S33ではシリンダ吸入ガス量を表すブーストboostとエンジン回転速度Neとに応じて噴射時期の進角補正量KIT＿boostを付与するように予め設定されたマップを参照する。前記boostは、圧力センサにより絞り弁８よりも下流の吸気管内圧と大気圧との圧力差を求めるか、もしくは絞り弁８が全開時の吸入ガス量と絞り時の吸入ガス量の比として演算により求めるようにする。前記吸入ガス量は、図１に示したようなＥＧＲを実施するエンジンの場合には吸入空気とＥＧＲガスの総量である。圧力センサによるブースト検出は直接的であるが、絞り弁８の開度変化に対する応答遅れから誤差を生じる傾向がある。これに対して、吸入ガス量の比は絞り弁８およびＥＧＲ弁１０の開度等から計算により求められるので、応答遅れの影響なしに高精度のブースト値を得ることが可能である。

図５に前記進角補正量KIT＿boostを付与するマップの一例を示す。KIT＿boostの特性は、基本的には図示したようにエンジン回転速度Neが低いほど、またはboost（負圧）が大であるほど進角量が大きくなる。ただし、これは一般的な特性を示したものであり、詳細にはリッチスパイク制御を実施するときの運転状態やエンジンの特性による。

S34では前述のようにして求めた進角補正量KIT＿boostを基本噴射時期ITに加算し、これを噴射時期指令値IT＿solとして設定し、S35で前記補正後の指令値IT＿solを出力する。

本発明を適用可能なディーゼルエンジンの一例を示す概略構成図。 本発明による制御の一実施形態の動作内容を示す第１の流れ図。 本発明による制御の一実施形態の動作内容を示す第２の流れ図。 本発明による制御の一実施形態の動作内容を示す第３の流れ図。 噴射時期ブースト補正量を付与するマップの一例を示す説明図。

符号の説明

１ エンジン本体
２ コモンレール
３ 燃料噴射弁
４ ターボ過給器
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ エアフローメータ
８ 吸気絞り弁
９ ＥＧＲ通路
１０ ＥＧＲ弁
１１ 酸化触媒
１２ ＮＯｘトラップ触媒
１３ ＤＰＦ（排気微粒子フィルタ）
１４ 回転速度センサ
１５ アクセル開度センサ
１６ 水温センサ
１７ レール圧センサ
１８ 圧力センサ
２０ コントロールユニット
２１，２２，２３ 温度センサ

Claims (4)

1. ディーゼルエンジンの排気通路に介装されるＮＯｘトラップ触媒と、
   前記エンジンの吸気通路に介装される吸気絞り弁と、
   排気の空気過剰率を減じることにより前記ＮＯｘトラップ触媒に堆積したＮＯｘを脱離させるリッチスパイク制御手段と、
   を備え、
   前記リッチスパイク制御手段は、該リッチスパイク制御時に前記吸気絞り弁の開度を減じるように構成されている排気浄化装置において、
   シリンダ吸入ガス量の代表値として、吸気絞り弁全開時の吸入ガス量と、リッチスパイク時の吸入ガス量との比を演算するブースト検出手段と、
   エンジン運転状態に基づいて燃料噴射時期を演算する燃料噴射時期演算手段と、
   前記リッチスパイク制御時に前記ブーストを用いて前記燃料噴射時期を補正する噴射時期補正手段と、
   を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記吸入ガス量は、新気とＥＧＲガスの総量である請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記噴射時期補正手段は、噴射時期補正量を吸気管負圧とエンジン回転速度とに応じて記憶させたマップを検索して噴射時期補正量を決定するように構成されている請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記燃料噴射時期演算手段は、エンジン運転状態として、燃料噴射量とエンジン回転速度とを検出する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。

Images