JP4328758B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、排出ガス中の窒素酸化物を浄化するための触媒装置から硫黄酸化物を取り除く際の制御に関するものである。

ディーゼル内燃機関の排気通路には、排出ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯ_Ｘと略称する）を還元浄化するためのリーンＮＯ_Ｘ浄化触媒（以下、ＬＮＣと略称する）が設けられることがある。このＬＮＣにおいては、排出ガスの空燃比（以下、排気Ａ／Ｆと略称する）が所定値よりも高い（以下、リーンと呼称する）時、換言すると酸素濃度が高い時に取り込んだＮＯ_Ｘを、排気Ａ／Ｆが所定値よりも低い（以下、リッチと呼称する）時、換言すると酸素濃度が低下した時に放出し且つ還元して無害化する処理を行っている。またＬＮＣは、ＮＯ_Ｘ吸収量が増大するとその吸収性能が低下するので、適時、排出ガスをリッチ化して還元剤であるＣＯやＨＣ濃度を高めると共に酸素濃度を低下させ、それによってＬＮＣからのＮＯ_Ｘ放出を促進させ且つ十分に還元浄化させるようにしている。

他方、燃料には硫黄分が含まれているため、硫黄酸化物（以下ＳＯ_Ｘと略称する）も排出される。このＳＯ_ＸがＬＮＣに吸収されると、ＬＮＣのＮＯ_Ｘ浄化性能が低下するので、ＬＮＣに吸収されたＳＯ_Ｘを適時放出する必要がある。このＬＮＣからのＳＯ_Ｘの放出処理（以下、サルファパージと呼称する）を行うには、ＬＮＣに流入する排出ガスのＡ／Ｆを単にリッチ化するだけでは不十分である。

そのために従来は、吸入行程中に噴射される主燃料噴射に加えて、燃焼後補助燃料噴射（ 以下ポスト噴射と略称する）を行うことにより、ＬＮＣ温度を所定値以上に上昇させるのに必要な未燃燃料を排気通路に供給して排気Ａ／Ｆをリッチ化することにより、ＬＮＣの発熱を誘起していた（特許文献１を参照されたい）。
特開２００１−１７３４９８号公報

しかるに、文献１に開示された従来の技術においては、専らポスト噴射に頼ってＬＮＣを昇温させていた。これによると、リッチ状態を長時間継続させると、排出ガス中のＯ_２不足によって未燃ＨＣの発熱反応が不十分となるので、ポスト噴射量を増加させてもＬＮＣの活性温度を維持させることが困難となる。また、リッチ状態を長時間に渡って継続すると、ＳＯ_ＸばかりでなくＨ_２Ｓの放出をも招く。

本発明は、このような従来技術の不都合を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、過度なポスト噴射を行わずにＬＮＣのサルファパージを行うことが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、燃焼室への導入空気量可変手段（吸気制御弁５）と、燃焼室への燃料噴射手段（燃料噴射弁１４）と、排気通路（３）に設けられたＮＯ_Ｘ触媒（ＬＮＣ９）と、ＮＯ_Ｘ触媒の温度を検出するＮＯ_Ｘ触媒温度検出手段（ＬＮＣ温度センサ２９）と、予め設定した内燃機関の負荷領域に応じて燃料噴射手段に燃焼後副噴射を選択的に行わせる燃料噴射制御手段とを備えた内燃機関の制御装置（ＥＣＵ１８）において、ＮＯ _Ｘ 触媒のＳＯ _Ｘ 被毒量を推定するＳＯ _Ｘ 被毒量推定手段と排出ガスの空燃比の所定値に対するリッチ／リーンの切換周期設定手段とを有し、ＳＯ _Ｘ 被毒量推定手段による推定値が規定値を超えていると判断される場合、副噴射を実行する領域（低回転速度・低負荷領域）では、リッチ／リーンの切換周期を一定にしてＮＯ_Ｘ触媒の温度を制御し、副噴射を実行しない領域（高回転速度・高負荷領域）では、吸気流量の制御によって、ＮＯ_Ｘ触媒の温度に対応して、リッチ時間に対する相対的なリーン時間を、該温度が目標温度以上ならば短くし、該温度が目標温度以下ならば長くするように、リッチ／リーンの切換周期を変更することによってＮＯ_Ｘ触媒の温度を制御することを特徴とするものとした。特に、内燃機関の負荷領域を、エンジン回転速度およびアクセルペダルの操作量に対応して定めることとした。

このような本発明によれば、サルファパージ実行時のＬＮＣの温度制御をリーン／リッチ状態を交互に反復することで行うものとしたので、ポスト噴射の使用時は、間欠的にリーンとなることで排気中の未燃ＨＣとＯ_２とがＬＮＣや三元触媒にて高効率に反応し、その反応熱を十分に得ることができる。またリーン時にはリッチ時に比してポスト噴射量が減量されるので、ポスト噴射を連続的に実施するのに比して燃料消費量を低減することができる。
またポスト噴射を使用しない領域においては、リーン／リッチの比率をＬＮＣの目標温度以上か否かで変更することにより、燃焼速度を適正値に収斂させ、過度な昇温を抑制することができる。
即ち本発明により、ポスト噴射を過多にせずにＬＮＣの温度を安定的に制御することができるので、燃料消費量の低減に大きな効果を奏することができ、更に、リーン／リッチ状態を交互に反復することによってＨ_２Ｓの発生を抑制することができるので、臭気を緩和する上にも効果的である。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される内燃機関Ｅの基本的な構成図である。この内燃機関（ディーゼルエンジン）Ｅは、その機械的な構成自体は周知のものと何ら変わるところはなく、過給圧可変機構付きターボチャージャ１を備えるものであり、ターボチャージャ１のコンプレッサ側に吸気通路２が連結され、ターボチャージャ１のタービン側に排気通路３が連結されている。そして吸気通路２の上流端にエアクリーナ４が接続され、吸気通路２の適所に燃焼室に流入する新気の流量を調節するための吸気制御弁５と、低回転速度・低負荷運転領域で流路断面積を絞って吸気流速を高めるためのスワールコントロール弁６とが設けられている。また排気通路３の下流端には、三元触媒（以下、ＴＷＣと略称する）７と、煤などの粒子状物質を除去するフィルタ（以下、DＰＦと略称する）８と、前記したＬＮＣ９とを、排気の流れに沿ってこの順に連設してなる排気浄化装置１０が接続されている。

スワールコントロール弁６と排気通路３における燃焼室の直後との間は、排出ガス再循環（以下、ＥＧＲと略称す）通路１１を介して互いに連結されている。このＥＧＲ通路１１は、切換弁１２を介して分岐されたクーラー通路１１ａとバイパス通路１１ｂとからなり、その合流部に、燃焼室に流入するＥＧＲ量を調節するＥＧＲ制御弁１３が設けられている。

内燃機関Ｅのシリンダヘッドには、その先端を燃焼室に臨ませた燃料噴射弁１４が設けられている。この燃料噴射弁１４は、燃料を所定の高圧状態で蓄えるコモンレール１５に連結され、コモンレール１５には、クランク軸にて駆動されて燃料タンク１６から燃料を汲み上げる燃料ポンプ１７が接続されている。

これらのターボチャージャ１の過給圧可変機構１９、吸気制御弁５、ＥＧＲ通路切換弁１２およびＥＧＲ制御弁１３、燃料噴射弁１４、燃料ポンプ１７・・・等は、電子制御装置（以下、ＥＣＵと略称する）１８からの制御信号によって作動するように構成されている（図２参照）。

一方、ＥＣＵ１８には、図２に示すように、内燃機関Ｅの所定箇所に配置された吸気弁開度センサ２０、クランク軸回転速度センサ２１、吸気流量センサ２２、過給圧センサ２３、ＥＧＲ弁開度センサ２４、コモンレール圧センサ２５、アクセルペダル操作量センサ２６、Ｏ_２センサ２７、ＴＷＣ温度センサ２８、ＬＮＣ温度センサ２９・・・等からの出力信号が入力されている。

ＥＣＵ１８のメモリには、クランク軸回転速度および要求トルク（アクセルペダル操作量）に応じて実験等によって予め求めた最適燃料噴射量をはじめとする各制御対象の制御目標値を設定したマップが格納されており、内燃機関Ｅの負荷状況に応じて最適な燃焼状態が得られるように、各部の制御が行われる。

次に本発明によるサルファパージに係わる制御フローについて図３を参照して説明する。

先ず、走行距離、運転時間、燃料消費量、酸素濃度などから、ＬＮＣ９のＳＯ_Ｘ被毒量を推定し、この推定値が予め設定した閾値を超えたか否かを判断する（ステップ１）。ここでＳＯ_Ｘ被毒量が規定値を超えていると判断された時は、サルファパージを実行するものとし、クランク軸回転速度とアクセルペダル操作量、つまり内燃機関Ｅの運転負荷に対応して予め設定された領域判別マップを参照し、ポスト噴射を行う領域か否かを判断する（ステップ２）。

ポスト噴射が行われる低回転速度・低負荷領域では、第１のリーン／リッチ切換タイマ（例えばリーン５秒（Ｌ_１）／リッチ３０秒（Ｒ_１））を作動させ、吸気制御弁５の開度を制御して吸気流量を変化させ、Ａ／Ｆが所定値よりも高い（吸気量が相対的に多い）リーン状態と、Ａ／Ｆが所定値よりも低い（吸気量が相対的に少ない）リッチ状態とを一定の周期で交互に反復させる（ステップ３）。

ＬＮＣ９の前端に設けられたＬＮＣ温度センサ２９を用いてＬＮＣ温度を監視し、予め設定された目標温度（６５０℃）以上か否かを判断し（ステップ４）、目標温度以下であれば未燃ＨＣ濃度を高めるためにポスト噴射量を増量し（ステップ５）、目標温度以上であれば未燃ＨＣ濃度を低くするためにポスト噴射量を減量させる（ステップ６）。このようにして、ＬＮＣ温度を考慮して昇温に必要なポスト噴射量が供給されるように吸気流量を調節すると共にポスト噴射量を増減することにより、サルファパージが可能なＬＮＣ温度を維持するようにフィードバック制御する。なお、この時は、ポスト噴射がＥＧＲ通路１１に流れ込まないように、ＥＧＲ制御弁１３は閉じておくこととする。

つまり、ポスト噴射を行う低回転速度・低負荷領域においては、図４に示した作動イメージのように、ＬＮＣ温度をフィードバックしてポスト噴射量を増減することによってＡ／Ｆのリーン状態（一点鎖線の上側）とリッチ状態（一点鎖線の下側）とを一定の周期（Ｌ_１：Ｒ_１）で交互に反復させ、目標温度に対して所定の範囲内にＬＮＣ温度を維持することが可能となる。

このようにして、リッチ時に排出される未燃ＨＣと、リーン時に排出されるＯ_２とにより、ＴＷＣ７やＬＮＣ９における酸化反応の効率を高め、その反応熱を利用することにより、少量のポスト噴射量でサルファパージが可能な温度にまでＬＮＣ９を昇温させることができる。またこの時のリーン／リッチ比は、最適温度の維持に要するＬＮＣ９での反応熱の発生量により決定されるので、リーン／リッチ比を一定にしての運転が可能である。

他方、もともと高い排気温が得られるためにポスト噴射を行わずにサルファパージ可能なＬＮＣ温度を維持し得る高回転速度・高負荷領域では、ポスト噴射による未燃ＨＣでの反応熱に依存せず、目標温度以上の領域と目標温度以下の領域とでリーン／リッチ周期を変更することでＬＮＣ温度を維持するものとしている。具体的には、ＬＮＣ温度が予め設定された目標温度（６５０℃）以上か否かを判断し（ステップ７）、目標温度以上ならば、第２のリーン／リッチタイマ（リーン３秒（Ｌ２）／リッチ５０秒（Ｒ２））を作動させ、主燃料噴射量に対する吸気流量の減量制御によってリーン時間を相対的に短くして降温させる（ステップ８）。

目標温度以下であれば、第３のリーン／リッチタイマ（リーン３秒（Ｌ３）／リッチ３０秒（Ｒ３））を作動させ、主燃料噴射量に対する吸気流量の増量制御によってリーン時間を相対的に長くすることにより、ＨＣをＯ_２と反応させて（反応式：ＨＣ＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２）昇温させる（ステップ９）。

つまり図５に示すように、リーン／リッチの反復周期をＬＮＣ温度の範囲（一点鎖線以上か以下か）に応じて持ち替える（目標温度以上の領域はＬ_２：Ｒ_２、目標温度以下の領域はＬ_３：Ｒ_３）ことにより、目標温度の維持が可能となる。この理由は、リッチからリーンに切り替えると、リッチ時は供給されるＯ_２濃度が低いのでＨＣが反応しきれず、リーン時に供給される高濃度のＯ_２により酸化反応を行い、その反応熱によってＬＮＣ９の温度が一時的に上昇するからである（図６参照）。つまり、リーンにする周期を変更することで酸化反応の頻度が変わり、温度の度合いが変化するからである。

また、図７に示すように、リーン／リッチの反復周期を変えることにより、ＬＮＣ９の安定する温度に違いが生ずる。即ち、リーン／リッチ比率をＬＮＣ温度に応じて変更することにより、ＬＮＣ温度を所定値で安定させることができるのである。

なお、Ｈ_２Ｓの発生メカニズムは、排気中に含まれるＳＯ_Ｘが、ＢａＳＯ_４などの硫化塩としてＬＮＣ９に吸着され、この硫化塩が、ＬＮＣ９がリッチ雰囲気のときにＳＯ_２となり、この際にＨ_２Ｓが生成されるのである。
反応式：
ＢａＳＯ_４＋ＣＯ→ＢａＣＯ_３＋ＳＯ_２
ＳＯ_２＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｓ＋Ｏ_２

この際、図８に示すように、ＳＯ_Ｘ、ＳＯ_２の放出開始からＨ_２Ｓが発生するまでに所定のタイムラグがあるので、この時間内にリーンに戻すことでＨ_２Ｓの発生を抑制することができ、この作用により、臭気の緩和が可能となる。

サルファパージが可能な温度、即ちリッチ雰囲気下にＬＮＣ９が置かれた時間の累積値が所定の閾値に達したことでサルファパージの完了が判断される（ステップ１０）まで、以上の処理を繰り返す。

なお、サルファパージの完了は、Ｏ_２センサ２７をＬＮＣ９の前後に設け、これらの出力値が所定の閾値に達したか否かを監視し、この値から還元剤の消費量を推定し、且つ積算し、この積算値が予め設定されたサルファパージに要する還元剤量に達した時点をもって判断することもできる。

本発明が適用される内燃機関の全体構成図である。 本発明が適用される制御装置のブロック図である。 本発明による制御フロー図である。 ポスト噴射を行う領域での作動イメージである。 ポスト噴射を行わない領域での作動イメージである。 酸素濃度とＬＮＣ温度との関係を示す線図である。 リーン／リッチの反復周期とＬＮＣ温度との関係を示す線図である。 ＳＯ_Ｘ、ＳＯ_２、Ｈ_２Ｓの濃度変化線図である。

符号の説明

２ 吸気通路
３ 排気通路
５ 吸気制御弁
９ ＬＮＣ
１３ ＥＧＲ制御弁
１４ 燃料噴射弁
１８ ＥＣＵ
２９ ＬＮＣ温度センサ

Claims (3)

1. 燃焼室への導入空気量可変手段と、燃焼室への燃料噴射手段と、排気通路に設けられたＮＯ_Ｘ触媒と、該ＮＯ_Ｘ触媒の温度を検出するＮＯＸ触媒温度検出手段と、予め設定した内燃機関の負荷領域に応じて前記燃料噴射手段に燃焼後副噴射を選択的に行わせる燃料噴射制御手段とを備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記ＮＯ _Ｘ 触媒のＳＯ _Ｘ 被毒量を推定するＳＯ _Ｘ 被毒量推定手段と、排出ガスの空燃比の所定値に対するリッチ／リーンの切換周期設定手段とを有し、
   前記ＳＯ _Ｘ 被毒量推定手段による推定値が規定値を超えていると判断される場合、
   前記副噴射を実行する低負荷領域では、リッチ／リーンの切換周期を一定にして前記ＮＯ_Ｘ触媒の温度を制御し、
   前記副噴射を実行しない高負荷領域では、吸気流量の制御によって、前記ＮＯ_Ｘ触媒の温度に対応して、リッチ時間に対する相対的なリーン時間を、該ＮＯ _Ｘ 触媒の温度が目標温度以上ならば短くし、該ＮＯ _Ｘ 触媒の温度が目標温度以下ならば長くするように、リッチ／リーンの切換周期を変更することによって前記ＮＯ_Ｘ触媒の温度を制御するものとしたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記内燃機関の負荷領域は、エンジン回転速度およびアクセルペダルの操作量に対応して定められることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記副噴射を実行しない領域におけるリッチ／リーンの切換周期の変更は、前記ＮＯ _Ｘ 触媒の温度が目標以上の場合には第１リッチ／リーン周期とし、前記ＮＯ _Ｘ 触媒の温度が目標以下の場合には第２リッチ／リーン周期とするものであり、
   前記２つのリッチ／リーン周期のリッチ時間に対する相対的なリーン時間は、前記第１リッチ／リーン周期が前記第２リッチ／リーン周期よりも短いことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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