JP4500765B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、冷間始動時におけるリーンＮＯ_Ｘ浄化触媒の早期活性化を実現し得る内燃機関の排気浄化装置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、排出ガス中に未燃燃料を供給して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。

一方、ディーゼル内燃機関のように冷間始動時に希薄燃焼を行う内燃機関においては、冷間アイドリング時の排気Ａ／Ｆが過度にリーンであることから、冷間始動後にＬＮＣを早期に活性化させることは困難である。そのため、ＬＮＣが活性温度に達するまでの間に一時的にＮＯ_Ｘが大気中に放出されることを抑えることは困難であった。

このような不都合に対処すべく、冷間アイドリング時におけるＬＮＣの早期活性化を図るために、排気通路におけるＬＮＣの上流側に三元触媒（以下、ＴＷＣと略称する）を配設すると共に、冷間アイドリング時に限定的に排気Ａ／Ｆをリッチ化することにより、ＮＯ_Ｘ濃度の低減並びにＴＷＣの酸化反応の促進を図り、ＴＷＣの自己発熱をＬＮＣの昇温に利用しようとする技術が提案されている（特許文献１を参照されたい）。
特開２００４−２８５８３２号公報

しかるに、文献１に記載の技術によると、冷間アイドリング時に排気Ａ／Ｆをリッチ化してＬＮＣのための還元剤濃度を高めても、昇温する以前の領域でのＴＷＣでは十分な酸化反応が得られないため、排出ガスのエミッション（未燃ＨＣ、ＣＯなど）を却って悪化させる可能性があった。

本発明は、このような従来技術の不都合を改善すべく案出されたものであり、その主な目的は、冷間アイドリング時の浄化性能をより一層高めることができるように改良された内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

このような課題を解決するため、本発明は、ＴＷＣ７およびこの下流に設けられたＬＮＣ９を有する内燃機関の排気浄化装置１０において、吸気通路２へ供給する新気流量の可変手段（吸気制御弁５）と、燃焼室から吸気通路への環流排気流量の可変手段（ＥＧＲ制御弁１３）と、ＴＷＣの温度に関わる値を出力するＴＷＣ温度センサ２８と、ＬＮＣの温度に関わる値を出力するＬＮＣ温度センサ２９と、コモンレールに蓄えた燃料を燃焼室に噴射する燃料噴射弁の噴射量および噴射時期を制御する燃料噴射制御手段とを備え、冷間始動後以外のときに吸気制御弁およびＥＧＲ制御弁を制御する通常モードと、吸気制御弁およびＥＧＲ制御弁を制御することにより、通常モードに比べてＴＷＣへの排出ガス温度を高めつつ排出ガス流量を相対的に大きくする触媒昇温モードと、吸気制御弁およびＥＧＲ制御弁を制御することにより、通常モードに比べてＴＷＣへの還元剤供給量を大きくする触媒発熱モードとを有し、内燃機関の始動後、両温度センサの出力値に応じて触媒昇温モードから触媒発熱モードへ切り替え、通常モードでは、機関回転速度及び要求トルクから通常制御用マップで定められる通常噴射時期を用いて燃料を噴射し、触媒昇温モードおよび触媒発熱モードでは、通常モードに比べてコモンレール１５の圧力を低下させて通常モードに比べて燃料噴射期間を遅角側に延長させることで、通常モードに比べて燃料噴射量を増大させることなく、且つ通常モードに比べて遅角する期間にわたって燃料を噴射することを特徴とするものとした。

このような本発明によれば、排出ガスの温度を上昇させ、且つ流量を増大させる触媒昇温モードと、排出ガス中の還元剤量を増大させる触媒発熱モードとを選択し、ＴＷＣが低温のときは、高温の排出ガスを大量に流れ込ませることにより、ＴＷＣ温度を早期に活性温度にまで上昇させることができる。これにより、冷間時に排出される未燃ＨＣやＣＯを低減させることができる。そしてＴＷＣが活性温度に達した後は、ＴＷＣに還元剤としての未燃ＨＣやＣＯを積極的に送り込むことによってＴＷＣの発熱反応を促進させ、この熱を利用して下流側のＬＮＣを早期に昇温させることができる。
即ち本発明により、冷間始動後のＬＮＣが活性化するまでの時間が短縮され、冷間アイドリング時におけるＮＯ_Ｘのより一層の低減および燃料消費量の低減に大きく貢献することができる。

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、ＴＷＣ７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、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流量を調節する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。

次に本発明の制御要領について図３〜図７を参照して説明する。なお、以下の実施例は三元触媒を用いたもののみについて説明するが、本発明は、酸化触媒にも適用可能である。

冷間始動後、ＴＷＣ温度センサ２８の検出値（あるいはＴＷＣ温度の推定値）と所定の切替判定値（触媒が酸化反応可能な活性温度）とを比較器３１で比較し、ＴＷＣ温度が切替判定値以下であるか否かを判断する（ステップ１）。その結果、現状が切替判定値以下の領域であったならば、モード選択器３２で昇温モードを選択し（ステップ２）、且つ機関回転速度および要求トルクをアドレスとする昇温制御用マップ３３を検索する（ステップ３）。

ここで初回の始動時はＴＷＣ温度が必ず切替判定値以下なので、始動直後は昇温モードが選択される。これにより、吸気流量、吸気制御弁開度、コモンレール圧、および過給圧の各昇温モード用目標値が昇温制御用マップ３３から得られるので、この目標値によって制御対象機器をそれぞれ制御する（ステップ４）。

この昇温モードにおいては、吸気流量の総和を暖機後の通常モードよりも増大させるが、吸気制御弁５の開度を通常モードよりも絞った中開度とすると共に、過給圧を通常モードよりも低く設定する。これにより、新気の流入量が通常モードよりも増大し、且つＥＧＲ流量が相対的に減少するので、結果としてＴＷＣ７に流入する排出ガスの温度が上昇し、且つ流量が増大する。

これと同時に、コモンレール圧を通常モードよりも低下させて燃料噴射期間を延長させる。これにより、排気温度の上昇を更に促進させ、これらによってＴＷＣ７の早期昇温が達成される。

ステップ１における比較器３１による判断でＴＷＣ温度が切替判定値を超えたことが判断されたならば、ＬＮＣ温度センサ２９の検出値（あるいはＬＮＣ温度の推定値）と所定の切替判定値（排気中のＮＯ_Ｘを吸収できる温度）とを比較器３４で比較し、ＬＮＣ温度が切替判定値以下であるか否かを判断する（ステップ５）。その結果、現状が切替判定値以下の領域であったならば、モード選択器３２・３５で発熱モードを選択し（ステップ６）、且つ機関回転速度および要求トルクをアドレスとする発熱制御用マップ３６を検索する。これにより、吸気量、吸気制御弁開度、コモンレール圧、および過給圧の各発熱モード用目標値が発熱制御用マップ３６から得られるので、この目標値によって制御対象機器をそれぞれ制御する（ステップ４）。

この発熱モードでは、吸気流量の総和を暖機後の通常モードより減少させるが、吸気制御弁５の開度を昇温モードよりも更に絞った低開度とすると共に、過給圧を昇温モードよりも更に低くする。また、コモンレール圧を昇温モードよりも更に低下させて燃料噴射期間を更に延長させる。これらの処理により、新気の流入量が通常モードよりも減少し、且つＥＧＲ流量が相対的に増大するので、結果としてＴＷＣ７に流入する排気Ａ／Ｆがリッチ化し、ＴＷＣに７供給される還元剤が増大してＴＷＣ７の自己発熱が促進される。

他方、ＴＷＣ温度が切替判定値以下であるか否かを比較器３１で判断し（ステップ１１）、ＴＷＣ温度が切替判定値以下であると判断された時は、通常制御用マップ３８を参照し（ステップ１２）、これから得られる目標値によって燃料噴射時期を制御し（ステップ１３）、ＴＷＣ温度が切替判定値を超えたならば、ＬＮＣ温度が切替判定値以下であるか否かを比較器３４で判断し（ステップ１４）、ＬＮＣ温度が切替判定値以下であることが比較器３４で判断された時は、燃料噴射時期の制御用マップを、モード選択器４０・４１によって通常制御用マップ３８から遅角制御用マップ３９に切り替えて（ステップ１５）この目標値によって燃料噴射時期を遅角制御し（ステップ１３）、ＴＷＣ７に供給される還元剤のより一層の増大を図り、排気温度の上昇を促進させる（図５、６参照）。

このようにしてＴＷＣ７が自己発熱すると、ＴＷＣ７から排出される高温のガスによってＴＷＣ７の下流側に配置されたＬＮＣ９が昇温するので、ＬＮＣ９の温度が十分な活性温度に達したことが検出されたならば、モード選択器３５を通常モードに切り替えて（ステップ８）、機関回転速度および要求トルクをアドレスとする通常制御用マップ３７を参照し（ステップ９）、暖気後に適した目標値に従って各部の制御を行う（ステップ４）。

各運転モードにおける各制御パラメータの傾向をまとめると、以下のようになる（図７参照）。
Ａ．昇温モード
１．吸気流量を通常モードよりも増大させる。
２．吸気制御弁を通常モードよりも低開度とする。
３．過給圧を通常モードよりも低下させる。
これらにより、新気流量が増大し、ＥＧＲ流量が相対的に減少するので、排気流量が増大する。
４．コモンレール圧を通常モードよりも低下させる。
これにより、燃料噴射期間が延長され、排気温度が上昇する。
５．ＥＧＲクーラーをバイパスさせ、ＥＧＲ温度を高いままとする。
これにより、排気温度が上昇する。
Ｂ．発熱モード
１．吸気流量を通常モードよりも減少させる。
２．吸気制御弁を昇温モードよりも更に閉じる。
３．過給圧を昇温モードよりも更に下げる
これらにより、新気流量が減少し、ＥＧＲ流量が相対的に増量するので、排気温度が上昇する。
４．コモンレール圧を昇温モードよりも更に低下させる。
これにより、燃料噴射時期が更に延長されるので、排気温度が上昇する。
５．ＥＧＲクーラーをバイパスさせ、ＥＧＲ温度を高いままとする。
これにより、排気温度が上昇する。
６．燃料噴射タイミングを昇温モードよりも遅らせる。
これにより、排気中の還元剤が増加する。

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。 モード切替制御に関わるブロック図である。 モード切替制御に関わるフロー図である。 燃料噴射タイミングの切替制御に関わるブロック図である。 燃料噴射タイミングの切替制御に関わるフロー図である。 各制御パラメータと各モードとの関係を示すチャートである。

符号の説明

２ 吸気通路
５ 吸気制御弁
７ ＴＷＣ
９ ＬＮＣ
１０ 排気浄化装置
１３ ＥＧＲ制御弁
２８ ＴＷＣ温度センサ
２９ ＬＮＣ温度センサ

Claims (4)

1. 三元触媒または酸化触媒、およびこの下流に設けられたリーンＮＯ_Ｘ浄化触媒を有する内燃機関の排気浄化装置であって、
   吸気通路へ供給する新気流量の可変手段と、燃焼室から吸気通路への環流排気流量の可変手段と、前記三元触媒または酸化触媒の温度に関わる値を出力する三元触媒または酸化触媒温度出力手段と、前記リーンＮＯ_Ｘ浄化触媒の温度に関わる値を出力するリーンＮＯ_Ｘ浄化触媒温度出力手段と、コモンレールに蓄えた燃料を燃焼室に噴射する燃料噴射弁の噴射量および噴射時期を制御する燃料噴射制御手段とを備え、
   冷間始動後以外のときに前記新気流量の可変手段および前記環流排気流量の可変手段を制御する通常モードと、前記新気流量の可変手段および前記環流排気流量の可変手段を制御することにより、前記通常モードに比べて前記三元触媒または酸化触媒への排出ガス流量を大きくする第１の触媒温度制御モードと、前記新気流量の可変手段および前記環流排気流量の可変手段を制御することにより、前記通常モードに比べて前記三元触媒または酸化触媒への還元剤供給量を大きくする第２の触媒温度制御モードとを有し、前記内燃機関の冷間始動後、前記両温度出力手段の出力値に応じて前記第１の触媒温度制御モードから前記第２の触媒温度制御モードへ切り替え、
   前記通常モードでは、機関回転速度及び要求トルクから通常制御用マップで定められる通常噴射時期を用いて燃料を噴射し、前記第１の触媒温度制御モードおよび前記第２の触媒温度制御モードでは、前記通常モードに比べて前記コモンレールの圧力を低下させて前記通常モードに比べて燃料噴射期間を遅角側に延長させることで、前記通常モードに比べて燃料噴射量を増大させることなく、且つ前記通常モードに比べて遅角する期間にわたって燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第２の触媒温度制御モードでは、前記コモンレールの圧力を前記第１の触媒温度制御モードよりも低下させて前記燃料噴射期間を前記第１の触媒温度制御モードの燃料噴射期間よりもさらも遅角側に延長させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記第２の触媒温度制御モードでは、燃料噴射時期の遅角制御を行う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排気浄化装置。
4. クーラを備えたクーラ通路と当該クーラを迂回するバイパス通路とへの還流排気の切り替えを行う切替弁を更に備え、
   前記第１の触媒温度制御モードおよび前記第２の触媒温度制御モードでは、前記還流排気を前記バイパス通路へ流通させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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