JP4075827B2 - 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が２〜３のリーン燃焼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を０．８程度まで変化させる。

特許文献１または特許文献２に示されるような従来のリッチスパイク制御手法では、リーン燃焼運転の間にＮＯｘトラップ触媒に堆積されるＮＯｘの量をエンジン運転状態に応じて積算し、このＮＯｘトラップ量の積算結果がある限度に達した時点で、当該ＮＯｘトラップ量に応じた期間だけリッチスパイク制御を実施して空気過剰率を低下させるようにしている。
特許第2600492号公報 特開2003-129890号公報

従来は、ＮＯｘトラップ量の積算結果に基づいてリッチスパイク制御の開始時期を決定し、ＮＯｘトラップ量が所定の脱離開始基準値に達した時点で空気過剰率を減じるリッチスパイク制御を開始するようにしていた。しかしながら、排気過剰率を減じるために燃料噴射圧力を増大する制御を伴う場合には、ＮＯｘ脱離時の目標とする空気過剰率に対して燃料噴射圧力の増加が遅れて実空気過剰率に誤差が生じ、燃焼が悪化してスモークが発生することがあった。特に、コモンレール式の燃料噴射装置では高圧燃料ポンプからインジェクタに至るまでのコモンレールの容量が大きいことから燃料圧力制御の応答遅れが発生しやすく、リッチスパイク制御当初の燃焼悪化を起こしやすい傾向がある。

本発明では、パイロット噴射した後に主燃料噴射する燃料噴射手段と、ＮＯｘトラップ触媒を備えたディーゼルエンジンを前提として、前記ＮＯｘトラップ触媒へのＮＯｘトラップ量が所定の脱離開始基準値に達したときに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を実施する手段を備え、前記リッチスパイク制御手段は、燃料噴射圧力を増加補正する手段を介して、ＮＯｘトラップ量が前記脱離開始基準値に対して所定割合に達したときに前記燃料噴射圧力の増加補正を行い、前記燃料噴射圧力の増加補正後、リッチスパイク制御を開始するまでのリーン運転時に、主燃料噴射時期の遅角量をパイロット噴射時期の遅角量よりも大きくするものとした。

請求項１の発明によれば、ＮＯｘの脱離処理が必要となる時期はＮＯｘトラップ量からある程度予測可能であり、本発明のようにＮＯｘトラップ量が脱離開始基準値に対して所定割合となった時点で事前に燃料圧力を増加補正しておくことで、実際にリッチスパイク制御を開始したときに所要の燃料圧力を確保して応答遅れによる燃焼の悪化を未然に回避することができる。
燃料噴射圧力の増加補正後、リッチスパイク制御を開始するまでのリーン運転時に、主燃料噴射時期の遅角量をパイロット噴射時期の遅角量よりも大きくするので、燃料圧力の増大に伴い燃焼騒音または振動が大きくなる場合に騒音や振動の発生を抑制することができる。また、予備燃焼により筒内温度を高め、予備燃焼が終了した後に主燃焼が開始するので、主燃焼は確実に予混合燃焼となり、スモークの悪化を招くことがない。

請求項２の発明によれば、正確にリッチスパイクの時期を設定することができる。

請求項３の発明によれば、燃料圧力の増大に伴い燃焼騒音または振動が大きくなる場合に、噴射時期を遅角したことにより騒音や振動の発生を防止することができる。

請求項４の発明によれば、スワール制御を最適化してスモークの発生量をより低減することができる。

請求項５の発明によれば、リッチスパイク制御の実施時期を適正化してスモーク発生のおそれを回避することができる。

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。

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が、下流側に吸気絞り弁８が介装されている。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。吸気通路５の各気筒吸入ポート付近にはシリンダへの吸気流速を変化させることによりシリンダ内スワールを生起するスワール制御弁１８が介装されており、このスワール制御弁１８は例えばダイアフラム式アクチュエータに供給される作動負圧に応じてその開度すなわちスワールの強度が制御される。

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、燃料噴射圧力）を検出するレール圧センサ１７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圧力を決定し、燃料噴射量、噴射時期（主噴射の噴射時期とパイロット噴射の噴射時期）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、ＥＧＲ弁１０、スワール制御弁１８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を、前記主噴射とパイロット噴射とで行う。ここで、パイロット噴射による予備燃焼は、圧縮上死点近傍で起こるように、また主噴射による主燃焼は予備燃焼が終了した後に開始するようにする。主燃焼の燃焼開始時期は、予備燃焼の燃焼開始時期からクランク角度で20度以上離れた時期であることが望ましい。また、主燃焼の終了時期は、圧縮上死点からクランク角度で50度以上離れた時期であることが望ましい。このようにすれば、予備燃焼により筒内温度を高め、予備燃焼が終了した後に主燃焼が開始するので、主燃焼は確実に予混合燃焼となり、スモークの悪化を招くことなく、排気温度の上昇やリッチ空燃比運転を実現できる。また、リタード燃焼であることからある程度のトルク低下は避けられないが、エンジンへの目標空気量をトルク補正値により増量補正する一方、実空気量と目標空気過剰率とから目標燃料噴射量を算出して、目標燃料噴射量も実質的に増量補正して、目標空気過剰率を実現したままトルクの低下を抑制することができる。なお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、ＮＯｘトラップ量演算手段、噴射圧力補正手段、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用いてＮＯｘトラップ触媒１２のＮＯｘトラップ量NOx0を計算する。ＮＯｘトラップ量の算出手法は各種知られている。例えば、ＮＯｘ吸収剤に吸収されるＮＯｘの量が吸入空気量とエンジン負荷に比例するところから、エンジン運転中の吸入空気量と負荷代表値である燃料噴射量の累積値、より簡略にはエンジン回転数の累積値からＮＯｘトラップ量を推定することができる。

S12では前記計算により求めたＮＯｘトラップ量NOx0を基準値NOxtと比較し、ＮＯｘトラップ量NOx0が基準値NOxt未満であれば何もせずに今回のルーチンは終了する。前記基準値NOxtは、リッチスパイク制御のための燃料噴射圧力の増加遅れを補償するのに十分な程度に、例えば脱離処理が必要となる上限トラップ量の80%程度に設定される。

S13ではリッチスパイク制御に対応するための目標燃料噴射圧力（レール圧）Prailtを読み取る。

S14〜S15では、レール圧センサ１７の信号から実際の噴射圧力Prail0を検出し、実噴射圧力Prail0が目標値Prailtに達するまでのあいだ、燃料噴射時期を遅角補正する。この実施形態のエンジンでは主燃料噴射に加えてパイロット噴射を行うようにしているので、それぞれの噴射時期について遅角補正を行う。このときの遅角補正量は、実噴射圧力が大であるほど噴射時期遅角量が大となるような特性で補正されるように、例えば実噴射量に対して遅角補正量を付与するように予め設定されたテーブルを検索して設定するようにする。前記遅角補正量は、主燃料噴射、パイロット噴射で同じにするか、もしくは個々に設定してもよい。個々に制御する場合には、主燃料噴射のほうが、パイロット噴射よりもより大きく遅角するように補正する。なお、主燃料噴射の噴射時期のみを遅角補正してもよい。

なお前記補正の対象となる燃料噴射圧力および燃料噴射時期は本ルーチンと並行して実行されるリーン運転時の燃料噴射制御ルーチン（図示せず）により設定される。

前記噴射時期遅角補正により、燃料噴射圧力の増加に伴う燃焼騒音または振動の増大を抑制することができる。したがって燃料噴射圧力の増加に伴う騒音または振動が問題とならない場合にはこのような噴射時期遅角補正は必ずしも実施する必要はない。

実噴射圧力Prail0が目標値Prailtに達した後は、S16にて、この時点でのＮＯｘトラップ量を改めて演算し、S17では前記再計算したＮＯｘトラップ量に基づいてリッチスパイク運転時の制御量、代表的には目標空燃比とこの濃空燃比による運転時間とを演算する。この処理も、ＮＯｘトラップ量に対して目標空燃比と実施時間とを与えるように予め設定されたテーブルを検索することでそれぞれの制御量を設定することができる。

次いで、S18にてリッチスパイク運転時の目標燃料噴射時期（主噴射の噴射時期およびパイロット噴射の噴射時期）を、前記と同様にテーブル検索等により演算する。

S19では前記演算した制御量に基づき、リッチスパイク制御を実行する。空気過剰率が小さ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排気空燃比の濃化により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。このようなリッチスパイク運転を終了したのちは通常のリーン運転に復帰する。なおリーン運転時の燃料噴射量、噴射時期、噴射圧力の制御ルーチンは図示省略する。

前記制御により、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ量が、脱離処理が必要な上限値に達する直前のタイミングで燃料噴射圧力を十分に高めた状態でリッチスパイク制御を開始することができる。したがって燃料噴射圧力の応答遅れに原因する燃焼の悪化およびスモークの発生を回避することができる。

図３は前記リッチスパイク制御と並行して実施されるスワール弁開度制御ルーチンである。この実施形態ではリッチスパイク運転時にスワール制御弁１８の開度を減じてシリンダ内スワールを強化することによりリッチ燃焼条件下でのスモーク発生を抑制するようにしている。したがってリッチスパイク運転の開始当初にこのスワール制御弁１８の開度変化が遅れるとやはり燃焼が悪化してスモークを発生するおそれがある。特にスワール制御弁１８をダイアフラム式アクチュエータのような負圧駆動手段により駆動する場合には前記応答遅れの問題を生じやすい。そこでこの制御ルーチンにより、前記燃料噴射圧力と同様にＮＯｘ脱離処理の直前にてスワール制御弁開度を補正することにより前記応答遅れを解消するようにしている。

S21にてＮＯｘトラップ触媒１２のＮＯｘトラップ量NOx0を計算する。この演算は図２のS11の結果をそのまま参照すればよい。次いで、S22にて前記ＮＯｘトラップ量NOx0を基準値NOxtと比較し、ＮＯｘトラップ量NOx0が基準値NOxt未満であれば何もせずに今回のルーチンは終了する。この場合、スワール制御弁開度は図示しないリーン運転時の制御ルーチンによりリーン運転状態に適した開度に制御される。なお前記基準値NOxtはスワール制御弁１８の応答遅れ特性に応じて適宜設定される値であり、図２の制御ルーチンにて燃料噴射圧力を補正するための基準値として設定されるNOxtと必ずしも同一でなくともよい。

S23ではリッチスパイク制御に対応するための目標スワール制御弁開度Dswrtと、前記リーン運転時のスワール制御弁開度からこの目標値へと移行するのに必要な増加補正量ΔDsを演算する。この演算結果に基づいてスワール制御弁１８の開度を補正することにより、リッチスパイク運転に移行した当初から遅滞なく所要のスワールを発生させて良好な燃焼状態を確保することができる。

なおリッチスパイク運転を開始する前段階での前記スワール制御弁開度の増加補正に伴って燃焼騒音または振動が発生する場合には、図２のS14〜S15に示した燃料噴射時期の遅角補正を実施する。

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。

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 スワール制御弁
２０ コントロールユニット
２１，２２，２３ 温度センサ

Claims (6)

1. ディーゼルエンジンの燃焼室内にパイロット噴射した後に主燃料噴射する燃料噴射手段と、
   前記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、
   リーン燃焼状態にて前記ＮＯｘトラップ触媒に堆積するＮＯｘの量を演算するＮＯｘトラップ量演算手段と、
   前記ＮＯｘトラップ量が所定の脱離開始基準値に達したときに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を実施する手段とを備え、
   前記リッチスパイク制御手段は、燃料噴射圧力を増加補正する手段を有し、ＮＯｘトラップ量が前記脱離開始基準値に対して所定割合に達したときに前記燃料噴射圧力の増加補正を行い、
   前記燃料噴射圧力の増加補正後、リッチスパイク制御を開始するまでのリーン運転時に、主燃料噴射時期の遅角量をパイロット噴射時期の遅角量よりも大きくするように構成したことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記リッチスパイク制御手段は、前記燃料噴射圧力の増加補正時に、燃料噴射圧力が補正後の目標値に達したときのＮＯｘトラップ量に基づいてリッチスパイク制御の実施時間または目標空気過剰率の少なくとも何れかを補正するように構成した請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記燃料噴射時期の遅角量の補正は、実燃料噴射圧が増大するほど遅角補正量が増大するようにした請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記リッチスパイク制御手段は、リッチスパイク制御時に吸気スワールの強度を増大するスワール制御弁を有し、ＮＯｘトラップ量が前記脱離開始基準値に達する直前に前記スワール制御弁の作動を開始させるように構成した請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記リッチスパイク制御手段は、燃料噴射圧力の増加補正開始後、実燃料噴射圧力が目標値に達するまでリッチスパイク制御を開始しないように構成した請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記リッチスパイク制御手段は、コモンレール式燃料噴射装置のコモンレール圧を制御することで燃料噴射圧力を増加補正する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。

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