JP4154596B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出還元時に適用される内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＮＯｘ吸蔵触媒は、排気空燃比が希薄（リーン）のときに排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、排気空燃比が過濃（リッチ）のときに吸蔵したＮＯｘを放出還元（ＮＯｘパージ）する吸蔵型のＮＯｘ触媒である。
具体的には、酸素過剰状態（酸化雰囲気）において排ガス中のＮＯｘを硝酸塩として吸蔵し、この吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素過剰状態（還元雰囲気）で窒素に還元させる特性を有している。
【０００３】
よって、ＮＯｘ吸蔵触媒に対してはＮＯｘ吸蔵量に応じた定期的なＮＯｘパージ操作が必要になる。内燃機関にて、このＮＯｘパージを有効に行うためには、還元剤となるＨＣ及びＣＯ等の供給に加え、排気空燃比をストイキオ（理論空燃比）ないしリッチ状態に切り換えるリッチスパイクを行い、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を図る。これにより、排ガスの浄化が良好に行われる。
【０００４】
ここで、当該機関では、排ガス温度が低い場合にはＮＯｘパージの効果を有効に発揮させることができないとの問題があり、これを解決するディーゼル機関の排気浄化装置の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
当該装置では、機関の出力を得るために行う圧縮上死点近傍のメイン噴射の他、膨張ないし排気行程にてポスト噴射を行っており、これにより、上述の排気空燃比を実現できるとともに、排ガスの浄化の良好化を図ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０６−２１２９６１号公報（段落番号０００３〜０００５、図１３等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記排気空燃比の調整のために行われるポスト噴射は、メイン噴射に追加された燃料噴射であるので、燃費悪化に直結するという問題が生ずる。そこで、吸気絞りの制御や排気再循環（ＥＧＲ）ガスの導入制御によって新気量を抑えることで、ポスト噴射の噴射量を減らすことが知られている。
【０００７】
ここで、前者の吸気絞りの制御では、吸気通路に配されたスロットル弁の開度を変化させて気筒内への新気量を変化させ、この新気と噴射時期が遅角（リタード）側に設定された燃料とで燃焼が行われる。そして、この燃焼による排気空燃比の変化は、排気通路に配された空燃比センサで検出され、この検出値をフィードバックさせてスロットル弁の開度が制御されている。
【０００８】
しかし、該スロットル弁の開度に基づく排気空燃比のフィードバックを行った場合には、新気量の安定性が悪く、排気空燃比による目標空燃比への追従時間にも長時間を要するとの問題がある。
図４は、従来の排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のタイミングチャートである。
【０００９】
まず、ＮＯｘパージが開始される時点（０sec）において、ＥＧＲバルブが閉弁され、スロットル弁の絞り量が大きくされると、メイン噴射の噴射時期がリタードされるが、その噴射量は増加側に設定される。トルクの低下を防止するためである。しかし、図示のように、新気量は、機関に対する種々の運転条件の影響を受け得るので、その制御応答性が不充分であり、ＮＯｘパージ制御では特に大きな増減を繰り返して不安定になっていることが分かる。
【００１０】
また、排気空燃比（λ）は、上記不安定な新気量の影響を受け、図示のように、目標空燃比（目標λ）に一致するまでの時間が長く、不安定であり、しかも、目標λの低λ側への移行時点に対する遅れも大きくなることが分かる。
なお、この場合に、新気量の制御安定性を強制的に要求することも考えられるが、これでは排気空燃比の精度が不充分となり得るとの問題が生じてしまう。
【００１１】
このように、前記従来の技術に対して吸気絞りの制御を行えば、ポスト噴射の噴射量を減らすことは可能であっても、リッチスパイクにおける排気空燃比の切換えがスムーズではないとの問題がある。
また、後者のＥＧＲガスの導入制御では、高濃度のＨＣがＥＧＲ系に回り込んでＥＧＲバルブやＥＧＲクーラ等の機能を損なわせる虞がある点にも留意しなければならない。つまり、前記従来の技術に対してＥＧＲガスの導入制御を行う場合には、機関の信頼性に欠けるとの問題がある。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を迅速かつ適切に行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の気筒に連通する吸気通路及び排気通路と、排気通路に設けられ、リーン運転時に排ガス中のＮＯｘを吸蔵するとともにリッチ運転を行うことで吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒と、吸気通路に設けられ、吸入空気量を調節する吸気絞り手段と、内燃機関の実吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、内燃機関の実排気空燃比を検出する空燃比センサと、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出還元させるとき、機関の運転状態に基づいて仮想の燃料噴射量を求め、仮想の燃料噴射量と目標空燃比とに基づいて吸気通路の目標吸入空気量を決定し実吸入空気量が目標吸入空気量となるように吸気絞り手段を制御すると共に、実吸入空気量と目標空燃比とに基づいて目標メイン燃料噴射量を決定し実排気空燃比が目標空燃比となるように目標メイン燃料噴射量を補正して最終メイン燃料噴射量を決定するＮＯｘパージ時制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１４】
したがって、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘパージ時制御手段が、実際の燃料噴射量を直接的に反映させることなく、機関の運転状態に基づく仮想の燃料噴射量と目標空燃比とを用いて目標吸入空気量を決定している。換言すれば、上述の如くスロットル弁の開度に基づく排気空燃比のフィードバック制御では、燃料噴射量の瞬時変化が考慮されているのに対し、本発明の排気浄化装置では、仮想の燃料噴射量と目標空燃比とを用いることで燃料噴射量の瞬時変化の影響を切り離している。よって、新気量を含めた制御系が安定し、リッチスパイクにおける排気空燃比の切換えがスムーズになり、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生が迅速に行え、排ガス性能がより良好になる。また、燃料噴射に関しては、実吸入空気量と目標空燃比とに基づいて目標メイン燃料噴射量を決定し実排気空燃比が目標空燃比となるよう目標メイン燃料噴射量を補正して最終メイン燃料噴射量を決定するので、精密かつ安定した排気空燃比が実現可能になる。
【００１６】
さらに、請求項２記載の発明では、ＮＯｘパージ時制御手段は、機関の運転状態に基づいて気筒に対する圧縮上死点近傍から所定量だけ遅角させたメイン燃料噴射量及びメイン燃料噴射に先立ってなされるパイロット燃料噴射量を求め、各燃料噴射量から仮想の燃料噴射量を求め、仮想の燃料噴射量に基づいて吸気通路の目標吸入空気量を決定し吸気絞り手段を制御することを特徴としている。
【００１７】
このように、仮想の燃料噴射量には、メイン燃料噴射量の他、メイン燃料噴射に先立つパイロット燃料噴射量をも予め考慮されていることから、決定される吸入空気量及びメイン燃料噴射量の安定性が確実に向上する。しかも、最初に少量の燃料噴射を行うパイロット噴射を行い、ポスト噴射を行わないので、燃費悪化が抑制される。
【００１８】
また、請求項３記載の発明では、さらに、吸気通路と排気通路とを連通するＥＧＲ通路を備え、ＮＯｘパージ時制御手段は、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出還元させるとき、ＥＧＲ通路による排気還流を抑えることを特徴としている。
これにより、ＨＣによるＥＧＲ系の汚損が防止されるとともに、その機能が確保され、機関の信頼性が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用される多気筒のディーゼル機関（以下、単にエンジンという）１を備えたエンジンシステム構成図を示しており、以下図１に基づき本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を説明する。
【００２０】
同図に示すように、エンジン１の各気筒２には、燃料噴射装置を有した燃料供給系１６と、吸気弁６の開弁により燃焼室４に新気を導入させる吸気通路８と、排気弁１８の開弁により燃焼室４からの排ガスを導出させる排気通路２０とが接続されている。
この吸気通路８の上流側には、過給機１４が介装され、その下流側にはスロットル弁（吸気絞り手段）１０が配設されている。なお、このスロットル弁１０は、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）３６に電気的に接続される、いわゆるドライブバイワイヤ式のスロットル弁（ＥＴＶ）であり、エンジン運転状態に応じてその開度が変更される。
【００２１】
一方、排気通路２０の下流側にはＮＯｘ吸蔵触媒２２が接続されている。ＮＯｘ吸蔵触媒２２は、排気空燃比がリーンのときに排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がリッチ等で排ガス中にＨＣやＣＯが存在するときに、吸蔵したＮＯｘの放出還元を行うものであり、このＮＯｘ吸蔵触媒は公知の構成である。
また、排気通路２０からは排気循環通路（ＥＧＲ通路）２４が分岐して延びており、このＥＧＲ通路２４の先端は、吸気通路８のスロットル弁１０の配設位置よりも下流側にて吸気通路８に接続されている。ＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲガスの冷却を図るＥＧＲクーラ２６と、ＥＣＵ３６に電気的に接続されたＥＧＲバルブ２８とが設けられ、ＥＧＲバルブ２８によってＥＧＲ通路２４の流路面積が調節される。
【００２２】
エアクリーナからの新気は、過給機１４を介して吸気通路８に入ってスロットル弁１０で調整された後、各気筒２の燃焼室４内に導かれる。そして、燃料供給系１６から供給される燃料の燃焼により、クランク軸３４及びフライホイール３５を作動させる。燃焼が終了すると、排ガスは排気通路２０に排出され、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に送られる。
【００２３】
ここで、排気通路２０において、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側の適宜位置には、出力電圧に基づき排気空燃比、すなわちλを検出する空燃比センサ３０が配設されており、ＥＣＵ３６に電気的に接続されている。
ＥＣＵ３６の入力側には、上述の空燃比センサ３０の他、新気量（実吸入空気量）を検出するエアフロセンサ（吸入空気量検出手段）２９、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３１、エンジン１の回転速度を検出するクランク角センサ３２、ＥＧＲ通路２４の開度を検出するＥＧＲセンサ３３、及び吸気絞り度合を検出するスロットルセンサ３７等のエンジン１の各運転状態を検出する各種センサが電気的に接続されている。これに対してＥＣＵ３６の出力側には、上述の燃料供給系１６、スロットル弁１０並びにＥＧＲバルブ２８等の各種アクチュエータが電気的に接続されている。
【００２４】
ここで、ＥＣＵ３６には、運転状態検出部３８と、ＮＯｘパージ時制御部（ＮＯｘパージ時制御手段）４０とが備えられている。そして、ＥＣＵ３６は、酸化雰囲気にて排ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒２２に吸蔵する一方、所定のＮＯｘパージの実施判定がなされたときには、まず、ＥＧＲバルブ２８を閉じ、続いて噴射時期及び噴射量の変更と空気量の制御とを開始してリッチスパイクを行わせる。すなわち、エンジン１に対して低λ状態とし、吸蔵したＮＯｘを還元雰囲気で放出還元させてＮＯｘ吸蔵触媒２２の再生を図っている。
【００２５】
このように、本実施形態のＮＯｘパージ時制御部４０では、まずＥＧＲバルブ２８を閉弁させてＥＧＲガスの導入を抑えている。ＥＧＲガスの導入を抑えることで、ＨＣ等によるＥＧＲクーラ２６及びＥＧＲバルブ２８等のＥＧＲ系の汚損が防止される。
そして、ＮＯｘパージ時制御部４０では、ＥＧＲバルブ２８を閉じた後、スロットル弁１０による吸気絞り量を大きくさせて新気量を抑え気味にし、かつ、排気空燃比をストイキオないしリッチに設定する。つまり、燃料噴射は、エンジン１の出力を得るためのメイン噴射と、燃焼を安定させるためのパイロット噴射とから構成させる。より具体的には、メイン噴射の噴射時期は、圧縮上死点近傍から所定量だけリタードさせ、メイン噴射の噴射量は、上記リタードによるトルク低下を防止すべく増量させる。また、パイロット噴射の噴射時期は、メイン噴射の噴射時期に先立ってなされ、パイロット噴射の噴射量は、極少量とされる。
【００２６】
図２は、上記排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のブロック図である。
運転状態検出部３８では、エアフロセンサ２９、空燃比センサ３０、アクセル開度センサ３１及びクランク角センサ３２からの各信号を取り込み、所定の変換を施して現在の実吸入空気量（実測空気量）、現在の排気空燃比（実測λ）、現在のアクセル開度、及び現在のエンジン回転速度をそれぞれ検出し、ＮＯｘパージ時制御部４０に出力する。
【００２７】
ＮＯｘパージ時制御部４０では、運転状態検出部３８からの出力信号に基づいて仮想の燃料噴射量（仮想トータルＱ）を求め、これに基づいて目標吸入空気量（目標空気量）を決定し、最終スロットル開度を決定する空気量決定部４０１と、この最終スロットル開度からの実測空気量に基づいてメイン燃料噴射量（最終メインＱ）を決定するメイン噴射量決定部４０２とから構成されている。
【００２８】
具体的には、ＥＣＵ３６のメモリには、目標空燃比、基本燃料噴射量及び基本スロットル開度等の各種のマップデータが備えられており、ＮＯｘパージ時制御部４０では、まず、運転状態検出部３８からの出力信号とＥＣＵ３６内のメモリから読み出したマップとから各基本値が求められる。例えば、現在のアクセル開度等から基本燃料噴射量（基本Ｑ）が求められ、現在のエンジン回転速度及び基本Ｑから基本スロットル開度、基本メイン燃料噴射量（基本メインＱ）並びに基本パイロット燃料噴射量（基本パイロットＱ）の各基本値が求められる。なお、目標空燃比（目標λ）については、ストイキオないしリッチに設定される。
【００２９】
そして、空気量決定部４０１では、基本メインＱに基本パイロットＱを加え合わせて仮想トータルＱを求め、仮想トータルＱと目標λとに基づいて目標空気量を求め、該目標空気量と実測空気量とからフィードバック制御量を求め、基本スロットル開度をフィードバック制御して最終スロットル開度を決定する。この空気量決定部４０１の最終スロットル開度はスロットル弁１０に出力される。
【００３０】
一方、メイン噴射量決定部４０２では、スロットル弁１０の開度が前記最終スロットル開度に調整されることから、まず、この最終スロットル開度による実測空気量と目標λとに基づいて瞬時の空気量に応じた目標噴射量（目標トータルＱ）を求め、この目標トータルＱから基本パイロットＱ分の燃料噴射量を除き、これをメイン噴射量に対する目標噴射量（目標メインＱ）とする。そして、目標λと実測λとの偏差に基づいてフィードバック制御量を求めて目標λへの実現を図り、目標メインＱをフィードバック制御して最終メインＱを決定する。このメイン噴射量決定部４０２の最終メインＱは燃料供給系１６に出力される。なお、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に対する所定のパージ時間の経過後には、通常のディーゼル機関の制御に戻される。
【００３１】
図３は、上記排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のタイミングチャートである。
まず、ＮＯｘパージが開始される時点（０sec）では、ＥＧＲバルブ２８が閉弁され、スロットル弁１０の絞り量が大きくされると、メイン噴射の噴射時期がリタード側に設定されるとともに、その噴射量が増加側に設定される。
【００３２】
ここで、新気量は、スロットル弁１０の開度が仮想トータルＱに基づいて決定されていることから、エンジン１に対する種々の運転条件の影響を受け難くなり、図示のように、その制御応答性が良く、ＮＯｘパージ制御においてほぼ一定に維持されて安定していることが分かる。
そして、新気量が安定していることから、排気空燃比（λ）は、図示のように、ＮＯｘパージの開始時から約１秒にも満たない程の短期間で目標λに一致し、しかも、目標λの低λ側への移行時点に対する遅れが小さくなる。つまり、目標空燃比に一致するまでの時間が極めて短く、安定であることが分かる。
【００３３】
以上のように、本発明では、ＮＯｘパージ制御において、吸気絞りによってパージに伴う燃費悪化の抑制を図りつつ、このスロットル弁１０の絞り量（最終スロットル開度）は、運転条件に基づく基本メインＱ及び基本パイロットＱを予め考慮して演算された仮想トータルＱに基づいて演算及びフィードバック制御がなされ、瞬時の噴射量の変化による影響は切り離されており、従来の如くスロットル弁の開度に基づく排気空燃比のフィードバック制御とは異なるものである。したがって、新気量を始めとする制御系の安定性が確保され、リッチスパイクにおける目標λへの追従性が良くなり、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の再生を迅速に行えるとともに、燃費悪化も防止できる。
【００３４】
また、燃料供給系１６による最終メインＱは、前記最終スロットル開度、目標λ及び実測λから求められているので、応答性が高くなり、リッチスパイクにおける排気空燃比の切換えがスムーズに行われ、これもＮＯｘ吸蔵触媒２２の再生の迅速化と燃費悪化の防止とに寄与させることができる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
【００３５】
例えば、エンジンとしてはディーゼル機関が好ましいが、これに限定されるものではなく、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路にＮＯｘ吸蔵触媒を備え、リッチ運転可能な全てのエンジンシステムに適用させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、請求項１記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘパージ時制御手段が、実際の燃料噴射量を直接的に反映させることなく、機関の運転状態に基づく仮想の燃料噴射量と目標空燃比とを用いて目標吸入空気量を決定している。換言すれば、スロットル弁の開度に基づく排気空燃比のフィードバック制御では、燃料噴射量の瞬時変化が考慮されているのに対し、本発明の排気浄化装置では、仮想の燃料噴射量と目標空燃比とを用いることで燃料噴射量の瞬時変化の影響を切り離している。よって、新気量を含めた制御系が安定し、リッチスパイクにおける排気空燃比の切換えがスムーズになり、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生が迅速に行え、排ガス性能をより良好にすることができる。しかも、燃料噴射に関しては、実吸入空気量と目標空燃比とに基づいて目標メイン燃料噴射量を決定し実排気空燃比が目標空燃比となるよう目標メイン燃料噴射量を補正して最終メイン燃料噴射量を決定するので、精密かつ安定した排気空燃比を実現することができる。
【００３７】
さらに、請求項２記載の発明によれば、仮想の燃料噴射量には、メイン燃料噴射量の他、メイン燃料噴射に先立つパイロット燃料噴射量をも予め考慮されていることから、決定される吸入空気量及びメイン燃料噴射量の安定性を確実に向上させることができる。しかも、最初に少量の燃料噴射を行うパイロット噴射を行い、ポスト噴射を行わないので、燃費悪化を抑制できる。
【００３８】
また、請求項３記載の発明によれば、ＨＣによるＥＧＲ系の汚損を防止することができるとともに、その機能が確保され、機関の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されるエンジンの構成図である。
【図２】図１の排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のブロック図である。
【図３】図１の排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のタイミングチャートである。
【図４】従来の排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ ディーゼル機関（内燃機関）
２ 気筒
８ 吸気通路
１０ ＥＴＶ（吸気絞り手段）
２０ 排気通路
２２ ＮＯｘ吸蔵触媒
２４ ＥＧＲ通路
２９ エアフロセンサ（吸入空気量検出手段）
３０ 空燃比センサ
３１ アクセル開度センサ
３２ クランク角センサ
３６ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
４０ ＮＯｘパージ時制御部（ＮＯｘパージ時制御手段）
４０１ 空気量決定部
４０２ メイン噴射量決定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出還元時に適用される内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＮＯｘ吸蔵触媒は、排気空燃比が希薄（リーン）のときに排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、排気空燃比が過濃（リッチ）のときに吸蔵したＮＯｘを放出還元（ＮＯｘパージ）する吸蔵型のＮＯｘ触媒である。
具体的には、酸素過剰状態（酸化雰囲気）において排ガス中のＮＯｘを硝酸塩として吸蔵し、この吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素過剰状態（還元雰囲気）で窒素に還元させる特性を有している。
【０００３】
よって、ＮＯｘ吸蔵触媒に対してはＮＯｘ吸蔵量に応じた定期的なＮＯｘパージ操作が必要になる。内燃機関にて、このＮＯｘパージを有効に行うためには、還元剤となるＨＣ及びＣＯ等の供給に加え、排気空燃比をストイキオ（理論空燃比）ないしリッチ状態に切り換えるリッチスパイクを行い、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を図る。これにより、排ガスの浄化が良好に行われる。
【０００４】
ここで、当該機関では、排ガス温度が低い場合にはＮＯｘパージの効果を有効に発揮させることができないとの問題があり、これを解決するディーゼル機関の排気浄化装置の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
当該装置では、機関の出力を得るために行う圧縮上死点近傍のメイン噴射の他、膨張ないし排気行程にてポスト噴射を行っており、これにより、上述の排気空燃比を実現できるとともに、排ガスの浄化の良好化を図ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０６−２１２９６１号公報（段落番号０００３〜０００５、図１３等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記排気空燃比の調整のために行われるポスト噴射は、メイン噴射に追加された燃料噴射であるので、燃費悪化に直結するという問題が生ずる。そこで、吸気絞りの制御や排気再循環（ＥＧＲ）ガスの導入制御によって新気量を抑えることで、ポスト噴射の噴射量を減らすことが知られている。
【０００７】
ここで、前者の吸気絞りの制御では、吸気通路に配されたスロットル弁の開度を変化させて気筒内への新気量を変化させ、この新気と噴射時期が遅角（リタード）側に設定された燃料とで燃焼が行われる。そして、この燃焼による排気空燃比の変化は、排気通路に配された空燃比センサで検出され、この検出値をフィードバックさせてスロットル弁の開度が制御されている。
【０００８】
しかし、該スロットル弁の開度に基づく排気空燃比のフィードバックを行った場合には、新気量の安定性が悪く、排気空燃比による目標空燃比への追従時間にも長時間を要するとの問題がある。
図４は、従来の排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のタイミングチャートである。
【０００９】
まず、ＮＯｘパージが開始される時点（０sec）において、ＥＧＲバルブが閉弁され、スロットル弁の絞り量が大きくされると、メイン噴射の噴射時期がリタードされるが、その噴射量は増加側に設定される。トルクの低下を防止するためである。しかし、図示のように、新気量は、機関に対する種々の運転条件の影響を受け得るので、その制御応答性が不充分であり、ＮＯｘパージ制御では特に大きな増減を繰り返して不安定になっていることが分かる。
【００１０】
また、排気空燃比（λ）は、上記不安定な新気量の影響を受け、図示のように、目標空燃比（目標λ）に一致するまでの時間が長く、不安定であり、しかも、目標λの低λ側への移行時点に対する遅れも大きくなることが分かる。
なお、この場合に、新気量の制御安定性を強制的に要求することも考えられるが、これでは排気空燃比の精度が不充分となり得るとの問題が生じてしまう。
【００１１】
このように、前記従来の技術に対して吸気絞りの制御を行えば、ポスト噴射の噴射量を減らすことは可能であっても、リッチスパイクにおける排気空燃比の切換えがスムーズではないとの問題がある。
また、後者のＥＧＲガスの導入制御では、高濃度のＨＣがＥＧＲ系に回り込んでＥＧＲバルブやＥＧＲクーラ等の機能を損なわせる虞がある点にも留意しなければならない。つまり、前記従来の技術に対してＥＧＲガスの導入制御を行う場合には、機関の信頼性に欠けるとの問題がある。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を迅速かつ適切に行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の気筒に連通する吸気通路及び排気通路と、排気通路に設けられ、リーン運転時に排ガス中のＮＯｘを吸蔵するとともにリッチ運転を行うことで吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒と、吸気通路に設けられ、吸入空気量を調節する吸気絞り手段と、内燃機関の実吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、内燃機関の実排気空燃比を検出する空燃比センサと、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出還元させるとき、機関の運転状態に基づいて仮想の燃料噴射量を求め、仮想の燃料噴射量と目標空燃比とに基づいて吸気通路の目標吸入空気量を決定し実吸入空気量が目標吸入空気量となるように吸気絞り手段を制御すると共に、実吸入空気量と目標空燃比とに基づいて目標メイン燃料噴射量を決定し実排気空燃比が目標空燃比となるように目標メイン燃料噴射量を補正して最終メイン燃料噴射量を決定するＮＯｘパージ時制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１４】
したがって、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘパージ時制御手段が、実際の燃料噴射量を直接的に反映させることなく、機関の運転状態に基づく仮想の燃料噴射量と目標空燃比とを用いて目標吸入空気量を決定している。換言すれば、上述の如くスロットル弁の開度に基づく排気空燃比のフィードバック制御では、燃料噴射量の瞬時変化が考慮されているのに対し、本発明の排気浄化装置では、仮想の燃料噴射量と目標空燃比とを用いることで燃料噴射量の瞬時変化の影響を切り離している。よって、新気量を含めた制御系が安定し、リッチスパイクにおける排気空燃比の切換えがスムーズになり、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生が迅速に行え、排ガス性能がより良好になる。また、燃料噴射に関しては、実吸入空気量と目標空燃比とに基づいて目標メイン燃料噴射量を決定し実排気空燃比が目標空燃比となるよう目標メイン燃料噴射量を補正して最終メイン燃料噴射量を決定するので、精密かつ安定した排気空燃比が実現可能になる。
【００１６】
さらに、請求項２記載の発明では、ＮＯｘパージ時制御手段は、機関の運転状態に基づいて気筒に対する圧縮上死点近傍から所定量だけ遅角させたメイン燃料噴射量及びメイン燃料噴射に先立ってなされるパイロット燃料噴射量を求め、各燃料噴射量から仮想の燃料噴射量を求め、仮想の燃料噴射量に基づいて吸気通路の目標吸入空気量を決定し吸気絞り手段を制御することを特徴としている。
【００１７】
このように、仮想の燃料噴射量には、メイン燃料噴射量の他、メイン燃料噴射に先立つパイロット燃料噴射量をも予め考慮されていることから、決定される吸入空気量及びメイン燃料噴射量の安定性が確実に向上する。しかも、最初に少量の燃料噴射を行うパイロット噴射を行い、ポスト噴射を行わないので、燃費悪化が抑制される。
【００１８】
また、請求項３記載の発明では、さらに、吸気通路と排気通路とを連通するＥＧＲ通路を備え、ＮＯｘパージ時制御手段は、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出還元させるとき、ＥＧＲ通路による排気還流を抑えることを特徴としている。
これにより、ＨＣによるＥＧＲ系の汚損が防止されるとともに、その機能が確保され、機関の信頼性が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用される多気筒のディーゼル機関（以下、単にエンジンという）１を備えたエンジンシステム構成図を示しており、以下図１に基づき本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を説明する。
【００２０】
同図に示すように、エンジン１の各気筒２には、燃料噴射装置を有した燃料供給系１６と、吸気弁６の開弁により燃焼室４に新気を導入させる吸気通路８と、排気弁１８の開弁により燃焼室４からの排ガスを導出させる排気通路２０とが接続されている。
この吸気通路８の上流側には、過給機１４が介装され、その下流側にはスロットル弁（吸気絞り手段）１０が配設されている。なお、このスロットル弁１０は、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）３６に電気的に接続される、いわゆるドライブバイワイヤ式のスロットル弁（ＥＴＶ）であり、エンジン運転状態に応じてその開度が変更される。
【００２１】
一方、排気通路２０の下流側にはＮＯｘ吸蔵触媒２２が接続されている。ＮＯｘ吸蔵触媒２２は、排気空燃比がリーンのときに排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がリッチ等で排ガス中にＨＣやＣＯが存在するときに、吸蔵したＮＯｘの放出還元を行うものであり、このＮＯｘ吸蔵触媒は公知の構成である。
また、排気通路２０からは排気循環通路（ＥＧＲ通路）２４が分岐して延びており、このＥＧＲ通路２４の先端は、吸気通路８のスロットル弁１０の配設位置よりも下流側にて吸気通路８に接続されている。ＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲガスの冷却を図るＥＧＲクーラ２６と、ＥＣＵ３６に電気的に接続されたＥＧＲバルブ２８とが設けられ、ＥＧＲバルブ２８によってＥＧＲ通路２４の流路面積が調節される。
【００２２】
エアクリーナからの新気は、過給機１４を介して吸気通路８に入ってスロットル弁１０で調整された後、各気筒２の燃焼室４内に導かれる。そして、燃料供給系１６から供給される燃料の燃焼により、クランク軸３４及びフライホイール３５を作動させる。燃焼が終了すると、排ガスは排気通路２０に排出され、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に送られる。
【００２３】
ここで、排気通路２０において、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側の適宜位置には、出力電圧に基づき排気空燃比、すなわちλを検出する空燃比センサ３０が配設されており、ＥＣＵ３６に電気的に接続されている。
ＥＣＵ３６の入力側には、上述の空燃比センサ３０の他、新気量（実吸入空気量）を検出するエアフロセンサ（吸入空気量検出手段）２９、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３１、エンジン１の回転速度を検出するクランク角センサ３２、ＥＧＲ通路２４の開度を検出するＥＧＲセンサ３３、及び吸気絞り度合を検出するスロットルセンサ３７等のエンジン１の各運転状態を検出する各種センサが電気的に接続されている。これに対してＥＣＵ３６の出力側には、上述の燃料供給系１６、スロットル弁１０並びにＥＧＲバルブ２８等の各種アクチュエータが電気的に接続されている。
【００２４】
ここで、ＥＣＵ３６には、運転状態検出部３８と、ＮＯｘパージ時制御部（ＮＯｘパージ時制御手段）４０とが備えられている。そして、ＥＣＵ３６は、酸化雰囲気にて排ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒２２に吸蔵する一方、所定のＮＯｘパージの実施判定がなされたときには、まず、ＥＧＲバルブ２８を閉じ、続いて噴射時期及び噴射量の変更と空気量の制御とを開始してリッチスパイクを行わせる。すなわち、エンジン１に対して低λ状態とし、吸蔵したＮＯｘを還元雰囲気で放出還元させてＮＯｘ吸蔵触媒２２の再生を図っている。
【００２５】
このように、本実施形態のＮＯｘパージ時制御部４０では、まずＥＧＲバルブ２８を閉弁させてＥＧＲガスの導入を抑えている。ＥＧＲガスの導入を抑えることで、ＨＣ等によるＥＧＲクーラ２６及びＥＧＲバルブ２８等のＥＧＲ系の汚損が防止される。
そして、ＮＯｘパージ時制御部４０では、ＥＧＲバルブ２８を閉じた後、スロットル弁１０による吸気絞り量を大きくさせて新気量を抑え気味にし、かつ、排気空燃比をストイキオないしリッチに設定する。つまり、燃料噴射は、エンジン１の出力を得るためのメイン噴射と、燃焼を安定させるためのパイロット噴射とから構成させる。より具体的には、メイン噴射の噴射時期は、圧縮上死点近傍から所定量だけリタードさせ、メイン噴射の噴射量は、上記リタードによるトルク低下を防止すべく増量させる。また、パイロット噴射の噴射時期は、メイン噴射の噴射時期に先立ってなされ、パイロット噴射の噴射量は、極少量とされる。
【００２６】
図２は、上記排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のブロック図である。
運転状態検出部３８では、エアフロセンサ２９、空燃比センサ３０、アクセル開度センサ３１及びクランク角センサ３２からの各信号を取り込み、所定の変換を施して現在の実吸入空気量（実測空気量）、現在の排気空燃比（実測λ）、現在のアクセル開度、及び現在のエンジン回転速度をそれぞれ検出し、ＮＯｘパージ時制御部４０に出力する。
【００２７】
ＮＯｘパージ時制御部４０では、運転状態検出部３８からの出力信号に基づいて仮想の燃料噴射量（仮想トータルＱ）を求め、これに基づいて目標吸入空気量（目標空気量）を決定し、最終スロットル開度を決定する空気量決定部４０１と、この最終スロットル開度からの実測空気量に基づいてメイン燃料噴射量（最終メインＱ）を決定するメイン噴射量決定部４０２とから構成されている。
【００２８】
具体的には、ＥＣＵ３６のメモリには、目標空燃比、基本燃料噴射量及び基本スロットル開度等の各種のマップデータが備えられており、ＮＯｘパージ時制御部４０では、まず、運転状態検出部３８からの出力信号とＥＣＵ３６内のメモリから読み出したマップとから各基本値が求められる。例えば、現在のアクセル開度等から基本燃料噴射量（基本Ｑ）が求められ、現在のエンジン回転速度及び基本Ｑから基本スロットル開度、基本メイン燃料噴射量（基本メインＱ）並びに基本パイロット燃料噴射量（基本パイロットＱ）の各基本値が求められる。なお、目標空燃比（目標λ）については、ストイキオないしリッチに設定される。
【００２９】
そして、空気量決定部４０１では、基本メインＱに基本パイロットＱを加え合わせて仮想トータルＱを求め、仮想トータルＱと目標λとに基づいて目標空気量を求め、該目標空気量と実測空気量とからフィードバック制御量を求め、基本スロットル開度をフィードバック制御して最終スロットル開度を決定する。この空気量決定部４０１の最終スロットル開度はスロットル弁１０に出力される。
【００３０】
一方、メイン噴射量決定部４０２では、スロットル弁１０の開度が前記最終スロットル開度に調整されることから、まず、この最終スロットル開度による実測空気量と目標λとに基づいて瞬時の空気量に応じた目標噴射量（目標トータルＱ）を求め、この目標トータルＱから基本パイロットＱ分の燃料噴射量を除き、これをメイン噴射量に対する目標噴射量（目標メインＱ）とする。そして、目標λと実測λとの偏差に基づいてフィードバック制御量を求めて目標λへの実現を図り、目標メインＱをフィードバック制御して最終メインＱを決定する。このメイン噴射量決定部４０２の最終メインＱは燃料供給系１６に出力される。なお、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に対する所定のパージ時間の経過後には、通常のディーゼル機関の制御に戻される。
【００３１】
図３は、上記排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のタイミングチャートである。
まず、ＮＯｘパージが開始される時点（０sec）では、ＥＧＲバルブ２８が閉弁され、スロットル弁１０の絞り量が大きくされると、メイン噴射の噴射時期がリタード側に設定されるとともに、その噴射量が増加側に設定される。
【００３２】
ここで、新気量は、スロットル弁１０の開度が仮想トータルＱに基づいて決定されていることから、エンジン１に対する種々の運転条件の影響を受け難くなり、図示のように、その制御応答性が良く、ＮＯｘパージ制御においてほぼ一定に維持されて安定していることが分かる。
そして、新気量が安定していることから、排気空燃比（λ）は、図示のように、ＮＯｘパージの開始時から約１秒にも満たない程の短期間で目標λに一致し、しかも、目標λの低λ側への移行時点に対する遅れが小さくなる。つまり、目標空燃比に一致するまでの時間が極めて短く、安定であることが分かる。
【００３３】
以上のように、本発明では、ＮＯｘパージ制御において、吸気絞りによってパージに伴う燃費悪化の抑制を図りつつ、このスロットル弁１０の絞り量（最終スロットル開度）は、運転条件に基づく基本メインＱ及び基本パイロットＱを予め考慮して演算された仮想トータルＱに基づいて演算及びフィードバック制御がなされ、瞬時の噴射量の変化による影響は切り離されており、従来の如くスロットル弁の開度に基づく排気空燃比のフィードバック制御とは異なるものである。したがって、新気量を始めとする制御系の安定性が確保され、リッチスパイクにおける目標λへの追従性が良くなり、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の再生を迅速に行えるとともに、燃費悪化も防止できる。
【００３４】
また、燃料供給系１６による最終メインＱは、前記最終スロットル開度、目標λ及び実測λから求められているので、応答性が高くなり、リッチスパイクにおける排気空燃比の切換えがスムーズに行われ、これもＮＯｘ吸蔵触媒２２の再生の迅速化と燃費悪化の防止とに寄与させることができる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
【００３５】
例えば、エンジンとしてはディーゼル機関が好ましいが、これに限定されるものではなく、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路にＮＯｘ吸蔵触媒を備え、リッチ運転可能な全てのエンジンシステムに適用させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、請求項１記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘパージ時制御手段が、実際の燃料噴射量を直接的に反映させることなく、機関の運転状態に基づく仮想の燃料噴射量と目標空燃比とを用いて目標吸入空気量を決定している。換言すれば、スロットル弁の開度に基づく排気空燃比のフィードバック制御では、燃料噴射量の瞬時変化が考慮されているのに対し、本発明の排気浄化装置では、仮想の燃料噴射量と目標空燃比とを用いることで燃料噴射量の瞬時変化の影響を切り離している。よって、新気量を含めた制御系が安定し、リッチスパイクにおける排気空燃比の切換えがスムーズになり、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生が迅速に行え、排ガス性能をより良好にすることができる。しかも、燃料噴射に関しては、実吸入空気量と目標空燃比とに基づいて目標メイン燃料噴射量を決定し実排気空燃比が目標空燃比となるよう目標メイン燃料噴射量を補正して最終メイン燃料噴射量を決定するので、精密かつ安定した排気空燃比を実現することができる。
【００３７】
さらに、請求項２記載の発明によれば、仮想の燃料噴射量には、メイン燃料噴射量の他、メイン燃料噴射に先立つパイロット燃料噴射量をも予め考慮されていることから、決定される吸入空気量及びメイン燃料噴射量の安定性を確実に向上させることができる。しかも、最初に少量の燃料噴射を行うパイロット噴射を行い、ポスト噴射を行わないので、燃費悪化を抑制できる。
【００３８】
また、請求項３記載の発明によれば、ＨＣによるＥＧＲ系の汚損を防止することができるとともに、その機能が確保され、機関の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されるエンジンの構成図である。
【図２】図１の排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のブロック図である。
【図３】図１の排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のタイミングチャートである。
【図４】従来の排気浄化装置におけるＮＯｘパージ制御のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ ディーゼル機関（内燃機関）
２ 気筒
８ 吸気通路
１０ ＥＴＶ（吸気絞り手段）
２０ 排気通路
２２ ＮＯｘ吸蔵触媒
２４ ＥＧＲ通路
２９ エアフロセンサ（吸入空気量検出手段）
３０ 空燃比センサ
３１ アクセル開度センサ
３２ クランク角センサ
３６ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
４０ ＮＯｘパージ時制御部（ＮＯｘパージ時制御手段）
４０１ 空気量決定部
４０２ メイン噴射量決定部
Claims (3)
- 内燃機関の気筒に連通する吸気通路及び排気通路と、
該排気通路に設けられ、リーン運転時に排ガス中のＮＯｘを吸蔵するとともにリッチ運転を行うことで該吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒と、
前記吸気通路に設けられ、吸入空気量を調節する吸気絞り手段と、
前記内燃機関の実吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記内燃機関の実排気空燃比を検出する空燃比センサと、
前記ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出還元させるとき、前記機関の運転状態に基づいて仮想の燃料噴射量を求め、該仮想の燃料噴射量と目標空燃比とに基づいて前記吸気通路の目標吸入空気量を決定し前記実吸入空気量が前記目標吸入空気量となるように前記吸気絞り手段を制御すると共に、前記実吸入空気量と前記目標空燃比とに基づいて目標メイン燃料噴射量を決定し前記実排気空燃比が目標空燃比となるように前記目標メイン燃料噴射量を補正して最終メイン燃料噴射量を決定するＮＯｘパージ時制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記ＮＯｘパージ時制御手段は、前記機関の運転状態に基づいて前記気筒に対する圧縮上死点近傍から所定量だけ遅角させたメイン燃料噴射量及び該メイン燃料噴射に先立ってなされるパイロット燃料噴射量を求め、前記各燃料噴射量から前記仮想の燃料噴射量を求め、該仮想の燃料噴射量に基づいて前記吸気通路の目標吸入空気量を決定し前記吸気絞り手段を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
- さらに、前記吸気通路と前記排気通路とを連通するＥＧＲ通路を備え、前記ＮＯｘパージ時制御手段は、前記ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵したＮＯｘを放出還元させるとき、前記ＥＧＲ通路による排気還流を抑えることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
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