JP4345397B2

JP4345397B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP4345397B2
Application number: JP2003282967A
Authority: JP
Inventors: 学三浦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP2005048701A

Description

本発明はエンジンの排気浄化装置に関し、特に排気系に酸化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。

エンジンの排気通路に介装した酸化触媒により排気中に含まれる一酸化炭素、未燃燃料などの有害成分を浄化する排気浄化装置が知られている。酸化触媒は低温時には転化効率が低いため、特許文献１に開示された技術のように、冷間始動の際には排気温度を高めて活性を促す排気昇温制御を行うようにしたものがある。
特開2003-41983号公報

排気昇温を開始するための酸化触媒の活性状態を判定する手法としては、例えば触媒のベッド温度を直接計測するもの、エンジンの運転履歴と触媒の特性から活性の進み具合を推定するもの、触媒出口側の排気温度を計測するものなどがある。これらのうち出口排気温度を計測する手法では、昇温過程での触媒は酸化反応が徐々に進行することから、触媒の実際の活性状態と検出温度との関係から判定誤差を生じることがある。

酸化触媒を活性化するのに必要な排気温度および排気流量は触媒の仕様でおおむね定まるが、触媒の活性化は徐々に進行するので、通常は触媒が十分に活性化するまで排気昇温を続けると供給熱量が過剰となって触媒が過熱してしまう。このため排気昇温は触媒が十分に活性化する前に終了し、以後は触媒での酸化反応の進行による活性化の進行を待つようにしている。

しかしながら、ことに運転時の空気過剰率が高く排気温度が低いディーゼルエンジンでは、酸化触媒の活性に必要な排気昇温を終了したのちにアイドリングなどの低負荷運転状態が続くと、触媒の活性化が進みつつある状況下でも触媒出口の排気温度が低下することから、見かけ上で触媒の活性状態が低下して再度の昇温制御が開始されてしまう可能性がある。

活性化過程で再度の排気昇温を行うと酸化触媒が過熱するおそれがあり、また下流側に排気微粒子を捕捉するためのフィルタ（ＤＰＦ）を備えたエンジンでは、微粒子の堆積状態によってはＤＰＦも過熱して耐久性が損なわれるおそれが生じる。

本発明では、排気通路に酸化触媒を介装したディーゼルエンジンにおいて、冷間運転時に酸化触媒を活性化するために必要な期間の排気昇温を実行し、その実行終了後から所定時間が経過するまでは温度センサによる触媒活性判定の結果にかかわらず排気昇温制御を抑制する。

排気昇温を実行したのち、所定時間は温度センサによる活性化状態の判定結果にかかわらず再度の排気昇温を抑制するので、活性化が進行しつつある酸化触媒に対して過剰な熱量を供給して触媒やＤＰＦを過熱させる不都合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。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１２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、前記ＨＣ吸着機能付き酸化触媒１１およびＮＯｘトラップ触媒１２を低温時に活性化するために排気温度を上昇させる排気昇温制御を行う。本発明との関係では、コントロールユニット２０は、触媒活性判定手段、排気昇温手段、昇温抑制手段の各手段の機能を併有する。

図２にコントロールユニット２０により実行される前記排気昇温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にて温度センサ２１からの信号に基づき、酸化触媒１１の出口排気温度T＿oxyを検出する。次いでS12にて触媒活性判定手段の機能として前記検出排気温度T＿oxyを昇温開始判定のための基準温度T1と比較する。ここでT＿oxy≦T1のときには触媒不活性と判定し、次いでS13にて昇温制御許可フラグF＿LTCの状態を調べる。昇温制御許可フラグF＿LTCは後に述べる処理により、排気昇温制御が一度実行されると禁止状態を意味する0にリセットされ、実行後に一定時間(カウンタ値C1)が経過すると許可状態を意味する1にセットされる。なお、初期化処理としてエンジン始動時にF＿LTCは1に、前記時間経過カウント用のカウンタCounter1は0に、それぞれ設定されている。

S12の判定にて出口排気温度T＿oxy＞T1（触媒活性状態）のとき、またはS13の判定にてF＿LTC=0（排気昇温制御禁止）のときには何もせずに今回のルーチンを終了する。エンジンの冷間始動時には触媒不活性状態でありかつエンジン運転中の排気昇温制御の履歴がないので、S12にてT＿oxy≦T1かつS13にてF＿LTC=1となる。このときには次いでS14にて排気昇温制御を実施する。排気昇温制御については図３，４を用いて後述する。

S14での排気昇温制御が実行されると、S15にて昇温制御許可フラグF＿LTCが0にセットされる。次いでS16〜S17の処理により、排気昇温制御実行後の経過時間のカウントが開始される。すなわち、カウンタCounter1が設定値C1よりも大になるとCounter1=0, F＿LTC=1に設定され、それまではF＿LTC=0に維持される。このようにして、許可フラグF＿LTCとカウンタCounter1とが昇温抑制手段として機能し、Counter1がC1を経過するまではS12にて触媒不活性と判定されたとしてもS13にて迂回処理がなされるので排気昇温制御(S14)が実行されることはない。したがって、排気昇温制御が実行されると、その終了後に酸化触媒にて活性化が進行している状態下で再び排気昇温制御を実行してしまい、その結果として酸化触媒１１、ＮＯｘトラップ触媒１２およびＤＰＦ１３を過熱させてしまうという不都合を確実に回避することができる。

前記排気昇温制御を抑制する時間は、酸化触媒の温度または排気の空気過剰率のいずれかに基づいて可変設定するようにしてもよい。すなわち、酸化触媒温度が高いと酸化反応の上昇が早くなるため抑制が必要な時間は短くなる。また排気の空気過剰率が大きい、すなわち酸素量が多いと酸化反応熱の上昇が早くなるため抑制が必要な時間は短くなる。

次に、前述した触媒活性化のための排気昇温手段について説明する。その手法は各種知られているが、ここでは代表的な２つの例を示す。図３は第１の手法であり、まずS21にてエンジン制御により排気温度を上昇させる。排気温度を上昇させるエンジン制御としては、吸気絞り弁８の開度を減じる制御、燃料噴射系により燃焼行程後半から排気行程までの間にポスト噴射を行わせる制御、燃料噴射時期を遅らせる噴射時期リタード制御、EGR弁１０の開度を減じる制御、過給器４のノズル開度を減じる制御などであり、通常はこれらのうちいくつかを組み合わせて実行する。

次いでS22〜S23の処理により、排気昇温を開始してから設定時間C2が経過するまでをカウンタCouter2により計時する。Counter2＞C2となったらS24にて前記排気昇温制御を終了させると共にCounter2を0にリセットし、図２のルーチンに戻る。前記設定時間C2を、図２の処理にて検出した排気温度T＿oxyに応じて、T＿oxyが低温であるほどC2が長くなるように可変設定する手法もある。

図４は触媒活性化のための第２の手法である。当初のS31での排気昇温制御については図３と同様である。この処理では、昇温終了条件として、S32〜S33にて酸化触媒１１の出口排気温度T＿oxyを検出している点で図３と異なる。すなわち、T＿oxyがT2に達するまでは排気昇温を継続し、T＿oxyがT2を超えたときに排気昇温を終了させる（S34）。

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。前記実施形態で適用する触媒活性化制御の第１の手法を示す流れ図。同じく触媒活性化制御の第２の手法を示す流れ図。

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
９ＥＧＲ通路
１０ＥＧＲ弁
１１酸化触媒
１２ＮＯｘトラップ触媒
１３ＤＰＦ（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
２０コントロールユニット
２１，２２，２３温度センサ

Claims

ディーゼルエンジンの排気通路に介装される酸化触媒と、
前記酸化触媒出口側の排気温度を検出する温度センサと、
前記温度センサからの信号に基づき酸化触媒の活性状態を判定する触媒活性判定手段と、
前記触媒活性判定手段の判定結果に基づき、酸化触媒の不活性時に排気温度を上昇させる排気昇温手段と、
前記排気昇温手段による前記酸化触媒の活性に必要な期間の排気昇温を実行したのち、その実行終了後から所定時間が経過するまでは前記触媒活性判定の結果にかかわらず排気昇温手段による昇温を抑制する昇温抑制手段と、
を有することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記排気昇温制御を抑制する所定時間は、酸化触媒の温度または排気の空気過剰率のいずれかに基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記酸化触媒の活性に必要な期間は、昇温を開始してから一定時間が経過するまでの期間である請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記酸化触媒の活性に必要な期間は、昇温を開始してから、前記触媒活性判定手段により触媒活性状態が判定されるまでの期間である請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記排気昇温手段は、燃料噴射時期リタード、ポスト噴射、吸気絞り弁開度、可変容量ターボ過給器の容量制御、ＥＧＲ率の何れかを制御することで排気温度を上昇させ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。
前記排気通路には前記酸化触媒の下流側にＤＰＦが介装されている請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。