JP4502899B2

JP4502899B2 - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4502899B2
Application number: JP2005217191A
Authority: JP
Inventors: 皇太池内; 潤一栗田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: JP2007032431A

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。より詳細には、本発明は、排気ガス中のNOｘを浄化する装置に関する。

従来、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンの排気ガスから、炭化水素（ＨＣ）を還元剤として窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するタイプの触媒が知られている。このような触媒では、還元剤であるＨＣと浄化すべきＮＯｘとの比率（ＨＣ／ＮＯｘ比）が高いほど、ＮＯｘ浄化率が高くなることが知られている。

特許文献１では、排気系に並列に設置された高温用触媒と低温用触媒を運転状態に応じて切り換えることにより、ＮＯｘ浄化率を向上させる技術が開示されている。この技術は、排気温度に応じて排気を流す触媒を切り換え、さらに高温用触媒のＨＣ吸着量が所定値以下のときは排気温度が所定値未満の場合でも、高温用触媒に排気を流すように構成されている。これにより、ＮＯｘ排出量の最も多い加速運転時において、高温用触媒に吸着してあるＨＣを用いてＨＣ／ＮＯｘ比を高めるので、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

特許文献２では、直列に配置された温度特性の異なる２つの触媒の上流に、容量の異なる２つのＨＣ吸着材を並列に配置し、排気温度などに応じて吸着材を切り換えることにより、複数の触媒活性温度域に合わせてＨＣ／ＮＯｘ比を適正化する技術が開示されている。この技術は、吸着材の容量の違いからＨＣ脱離特性を変えることができるので、あらゆる温度条件で、必要なＨＣ／ＮＯｘ比にすることが可能となり、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
特開平７−３０１１１４号公報特開平１０−２５２４５４号公報

しかし、特許文献１の技術では、２つの触媒を並列に配置しているため、各触媒のＮＯｘ浄化に適正な温度範囲では良好なＮＯｘ浄化率となるが、排気温度が高温用触媒の許容温度を超えた場合には、ＮＯｘ浄化率が悪化してしまう可能性がある。

また、特許文献２の技術では、吸着材をエンジン直下に並列に配置する必要があり、排気系のレイアウトに困難性が残る。また、浄化性能向上のためだけにデバイスを余分に設置するためコストもかかる。

さらに、特許文献２の技術では、触媒の浄化効率を高めるためにポスト噴射で還元剤（ＨＣ）を供給する公知の技術が、温度特性の異なる２つの触媒を直列に配置しているため、下流側の触媒には使えない可能性がある。特許文献２の技術では、還元剤となるＨＣが必ず上流側の触媒を通過しなければならず、還元剤が上流側触媒で反応してしまい、下流触媒に必要な量の還元剤が届かない場合がある。

本発明で提供する排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気管の上流側に設置された、排気中のNOｘを浄化する上流触媒と、内燃機関の排気管の下流側に設置された、排気中のNOｘを浄化する下流触媒と、上流の触媒をバイパスする通路と、上流触媒側または通路側に排気の流路を切り換える切換手段と、内燃機関の運転状態を検出する手段と、運転状態に応じて上流触媒および下流触媒の浄化率を推定する手段と、上流触媒の浄化率が下流触媒の浄化率より高い場合は上流触媒側へ、下流触媒の浄化率が前記上流触媒の浄化率より高い場合は前記通路側へと前記流路を切り換えるように切換手段を制御する手段と、を有する。

この発明により、上流触媒および下流触媒のうち、ＮＯｘ浄化率の高い方の触媒を適宜選択するので、ＮＯｘを効率的に浄化することができる。また、上流触媒が高温となり、NOｘ浄化性能を保てない運転領域では、バイパス通路を介して排気温度の低い下流触媒に直接還元剤を投入してNOｘ浄化を行うので、還元剤を上流触媒で反応させてしまう問題も解消されＮＯｘ浄化効率が向上する。また、NOｘ浄化性能の向上が見込めない300℃以上の排気温度では、バイパスされるため、上流触媒の熱劣化も抑制できる。

本発明の一実施形態では、排気ガス浄化装置は、上流触媒および下流触媒の温度を検出する温度検出手段をさらに有する。また、上述の運転状態には、温度検出手段によって計測された上流触媒および下流触媒の温度が含まれる。

本発明の一実施形態では、浄化率を推定する手段は、運転状態に応じてHC／NOx比を推定する。そして、このHC／Nox比と上流触媒の温度から上流触媒の浄化率を推定し、HC／Nox比と下流触媒の温度から下流触媒の浄化率を推定する。

次に、図面を参照して、本発明である排気ガス浄化装置の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に従う、車両に搭載される内燃機関（以下「エンジン」という）およびその制御装置の全体的な構成図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１００は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース１００ｂ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１００ａ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１００ｄ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース１００ｃを備えるコンピュータである。メモリ１００ｄのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。

本発明に従う排気ガスの浄化処理のためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、メモリ１００ｄのＲＯＭに格納されている。このＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書替え可能なＲＯＭであっても良い。ＲＡＭには、ＣＰＵ１００ａによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。

ＥＣＵ１００に向けて送られたセンサ出力等の各種信号は入力インタフェース１００ｂに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１００ａは、変換されたデジタル信号を、メモリ１００ｄに格納されているプログラムに従って処理し、車両の各部へ送るための制御信号を作り出す。出力インタフェース１００ｃは、これらの制御信号を、インジェクタ１１０、切り換えバルブ１０５、およびその他不図示の各部位へと送る。

本実施形態ではエンジン１０１は、各気筒の燃焼室内に高圧燃料を噴射して自然発火させる直噴式のディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジン１０１は、各気筒に取り付けられた、燃料を噴射するインジェクタ１１０の燃料噴射量および噴射時期を調整することにより、出力を制御する。

インジェクタ１１０は、不図示のコモンレール（蓄圧室）に接続されており、ＥＣＵ１００からの信号により、圧縮行程上死点付近で筒内へ燃料の噴射（メイン噴射）を行う。さらに、インジェクタ１１０は、ＥＣＵ１００からの信号によりポスト噴射を行う。ポスト噴射とは、メイン噴射が終了した後の、膨張行程および排気行程において追加的に行う燃料噴射である。ポスト噴射を行うと、この燃料のエネルギーはエンジンの出力に変換されず、多くが熱エネルギーなどの排気エネルギーとなる。ポスト噴射によって、未燃焼燃料が多く排気として放出され、これら未燃焼燃料のエネルギーが排気浄化の処理に利用される。本実施形態では、このポスト噴射によって排気ガス中のＨＣを増加し、ＨＣを還元剤としてＮＯｘ浄化処理を実施する。

ディーゼルエンジン１０１には、クランク角センサ１１１が設けられている。クランク角センサ１１１は、クランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ１００に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（たとえば、３０度）で出力されるパルス信号である。ＥＣＵ１００は、ＣＲＫ信号に応じ、エンジン１０１の回転数ＮＥを算出する。尚、ＥＣＵ１００のメモリには、エンジン出力とトルク値のマップが格納されており、算出されたエンジン回転数から適宜これらを求めることができるようになっている。

エンジン１０１に接続された排気管１０２内には、排気ガス中のNOｘを浄化するための触媒１０３、１０４が設置されている。これらの触媒１０３、１０４は、排気ガスに含まれるHCを還元剤として利用し、酸素過剰（リーン）下で排気ガス中のNOｘを浄化する、直接分解型の還元触媒である。

本実施形態では、２つの触媒１０３、１０４が排気管１０２内に設置される。一方は、排気管１０２の上流側、エンジン１０１の直下に設置された触媒（以下「上流触媒」という）１０３である。他方は、排気管１０２の下流側、エンジンから離れた位置（例えば車体の床下）に設置された触媒（以下「下流触媒」という）１０４である。上流触媒１０３および下流触媒１０４は、同一のＮＯｘ浄化特性を備える触媒である。本実施形態は、エンジン１０１の運転状態に応じて、上流触媒１０３および下流触媒１０４を使い分けることによりNOｘ浄化率を向上させることが可能となる。

切り換えバルブ１０５は、排気管１０２内の上流触媒の直前に設置される。切り換えバルブ１０５は、ＥＣＵ１００からの指令によって、排気の流れを上流触媒１０３の方向、または上流触媒１０３をバイパスするバイパス通路１０６の方向のいずれかに切り換える。切り換えバルブ１０５の動作によって、上流触媒１０３を迂回して下流触媒１０４へ直接還元剤を投入することが可能となる。

図２は、切り換えバルブ１０５による排気の流れを示す図である。一般に、排気ガスの浄化処理は、排気温度の高いエンジン直下で実施するのが効率的である。この場合、切り換えバルブ１０５は、図２（ａ）に示すように、バイパス通路１０６を閉じ、排気ガスが全て上流触媒１０３を通過するように動作する。

しかし、図４に示すように、一般にNOxを浄化する触媒は、排気温度が２５０℃を超えるとＮＯｘ浄化率が低下するという特性があり、エンジン直下での排気温度が高すぎると触媒の浄化性能は低下する。このような条件下では、排気温度が比較的低くなる下流触媒１０４でNOｘ浄化処理を実施する方が効率的である。この場合、切り換えバルブ１０５は、図２（ｂ）に示すように、上流触媒１０３側の通路を閉じ、排気ガスがバイパス通路１０６を通過するように動作する。このとき、上流触媒１０３でのＮＯｘ浄化処理は実施されず、浄化率の良い下流触媒１０４でＮＯｘ浄化が実施されるので、装置の浄化効率は向上する。また、排気ガスに含まれる還元剤（ＨＣ）は、上流触媒１０３を通過しないので、上流触媒１０３で反応することなく直接下流触媒１０４に到達させることができる。このため、下流触媒１０４でも十分なＨＣ／ＮＯｘ比でのＮＯｘ浄化処理が可能となり、装置のＮＯｘ浄化効率が向上する。

再び図１に戻り説明を続けると、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１０７が、排気管１０２内の上流触媒１０３およびバイパス通路１０６の下流側に設置されている。ＤＰＦ１０７は、排気中に含まれる粒子状物質（パティキュレート。以下「ＰＭ」という）を捕集する。ＤＰＦ１０２内に堆積したＰＭは、例えばポスト噴射などでフィルタ内温度を高温に制御することにより燃焼され、ＤＰＦ１０２から除去される。

第1の温度センサ１０８が、上流触媒１０３に取り付けられている。第1の温度センサ１０８は、上流触媒温度を計測して計測値をＥＣＵ１００へ送る。

また、第2の温度センサ１０９が、下流触媒１０４に取り付けられている。第２の温度センサ１０９は、下流触媒温度を計測して計測値をＥＣＵ１００へ送る。

なお、第１の温度センサ１０８および第２の温度センサ１０９は、触媒に直接取り付ける形式ではなく、各触媒の直前に設置して排気温度を計測して触媒の温度を推定する形式でも良い。

アクセル開度センサ１１３が、車両のアクセルペダルに取り付けられており、運転者によるアクセルの踏み込み量がＥＣＵ１００に送信されるようになっている。ＥＣＵ１００は、送信された踏み込み量から要求されるエンジンの出力値およびトルク値を演算して、エンジン１０１が要求されるこれらの値を出力するように、インジェクタ１１０の燃料噴射量などを制御する。

さらに、不図示としたものもあるが、このディーゼルエンジン１０１を運転するために必要な他のセンサ類（吸気管圧力センサ）や、各種装置（ターボチャージャ、コモンレール（蓄圧室）など）が取り付けられている。

本実施形態による排気ガスの浄化処理のための一連の処理は、上述のハードウェアを利用して、ＥＣＵ１００内に組み込まれたソフトウェアプログラムによって実行される。図３は、ＥＣＵ１００における排気ガス浄化処理のうち、切り換えバルブ１０５の制御の機能ブロック図である。

燃料噴射量算出部２０１は、アクセル開度センサ１１３によって計測されたアクセルの踏み込み量に基づいて、所望の駆動トルクを出力するのに最適な燃料噴射量Ｑを算出する。燃料噴射量Ｑは、メモリ１００ｄに記憶されている変換マップを用いて求められる。

ＨＣ／ＮＯｘ比推定部２０３は、クランク角センサ１１１によって計測されたエンジン回転数ＮＥと、燃料噴射量算出部２０１によって求められた燃料噴射量Ｑに基づいて、メモリ１００ｄに記憶された推定マップから現在の排気ガスのＨＣ／ＮＯｘ比を求める。ここで、ＨＣ／ＮＯｘ比の推定は、メイン噴射による燃料噴射量Ｑの他に、ポスト噴射によって排気中に混合される燃料の影響を考慮した形式でも良い。この場合、ポスト噴射量はエンジンの運転状態に応じて決定され、また、エンジンの運転状態はエンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑから推定できるので、ポスト噴射量を加味したＨＣ／ＮＯｘ比推定マップが予め作成可能であり、メモリ１００ｄに記憶されている。そして、この推定マップを用いて、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量Ｑに応じたＨＣ／ＮＯｘ比が推定される。

上流触媒ＮＯｘ浄化率推定部２０５は、第1の温度センサ１０８で計測された上流触媒温度と、ＨＣ／ＮＯｘ比推定部２０３で求められた現在の排気ガスのＨＣ／ＮＯｘ比に基づいて、上流触媒のＮＯｘ浄化率を求める。ＮＯｘ浄化率は、メモリ１００ｄに記憶された、排気ガス温度およびＨＣ／ＮＯｘ比に対するＮＯｘ浄化率推定マップを用いて算出される。

下流触媒ＮＯｘ浄化率推定部２０７は、第２の温度センサ１０９で計測された上流触媒温度と、ＨＣ／ＮＯｘ比推定部２０３で求められた現在の排気ガスのＨＣ／ＮＯｘ比に基づいて、下流触媒のＮＯｘ浄化率を求める。下流触媒のＮＯｘ浄化率も、上流触媒と同じＮＯｘ浄化率推定マップを用いて算出される。

ここで、ＮＯｘ浄化率推定マップは、図４に示すような触媒の特性を元に予め作成されている。図４は触媒温度に応じた触媒のＮＯｘ浄化率の推移の一例を示したグラフである。図の横軸は触媒温度［℃］であり、縦軸はＮＯｘ浄化率［％］である。図中、実線で示すグラフ３１は、排気ガスのＨＣ／ＮＯｘ比が２０のときの触媒のＮＯｘ浄化率の推移であり、点線で示すグラフ３３は、ＨＣ／ＮＯｘ比が１０のときのＮＯｘ浄化率の推移である。

グラフに示されるように、触媒温度が２００〜２５０℃の範囲内において、触媒のNOｘ浄化率は急激に増大する。また、HC／NOｘ比が大きいほど、つまり排気ガスに含まれるHCの割合が増えるほど、NOｘ浄化率は向上する。

また、排気ガスのＨＣ／ＮＯｘ比が大きいと、ＮＯｘ浄化率の最大値もより大きな値をとるが、最大値をとる触媒温度はＨＣ／ＮＯｘ比によらずほぼ同一である。また、触媒温度に対するＮＯｘ浄化率の推移は、ＨＣ／ＮＯｘ比が異なっても相似的な挙動である。

このような触媒の特性から、触媒温度が、ＮＯｘ浄化率の推定に最も重要な要素であることがわかる。さらに、ＨＣ／ＮＯｘ比を利用することにより、精度良くＮＯｘ浄化率を推定することができる。

触媒選択部２０９は、上流触媒１０３および下流触媒１０４のＮＯｘ浄化率を比較し、現時点でＮＯｘ浄化処理に最適な触媒を選択する。上流触媒１０３のＮＯｘ浄化率が高い場合、触媒選択部２０９は、上流触媒１０３でＮＯｘ浄化処理を実施することを決定し、バイパス通路１０６を閉じて排気が上流触媒を通過するように切り換えバルブ１０５に制御信号を送る（図２（ａ）を参照）。下流触媒１０４のＮＯｘ浄化率が高い場合、触媒選択部２０９は、下流触媒１０４でＮＯｘ浄化処理を実施し上流触媒１０３での浄化処理は実施しないことを決定し、上流触媒１０３側の排気管を閉じて排気ガスがバイパス通路１０６を通過するように制御信号を切り換えバルブ１０５に送る（図２（ｂ）を参照）。

図５は、本実施形態による切り換えバルブ１０５の制御のフローチャートである。

ステップＳ１０１において、インジェクタ１１０の燃料噴射量Ｑを算出する。燃料噴射量Ｑは、アクセル開度センサ１１３によって計測されたアクセルの踏み込み量に基づいて、メモリ１００ｄに記憶されている変換マップから求められる。

ステップＳ１０３において、現在の排気ガスのＨＣ／ＮＯｘ比を推定する。ＨＣ／ＮＯｘ比は、クランク角センサ１１１によって計測されたエンジン回転数ＮＥと、ステップＳ１０１で求めた燃料噴射量Ｑとに基づいて、ＨＣ／ＮＯｘ比推定マップから求められる。ＨＣ／ＮＯｘ比推定マップは、エンジンの運転領域毎のＨＣとＮＯｘの排出傾向により予め作成されメモリ１００ｄに記憶されている。

ステップＳ１０５において、上流触媒１０３および下流触媒１０４のＮＯｘ浄化率を推定する。ＮＯｘ浄化率は、各触媒の温度と、ステップＳ１０３で求めたＨＣ／ＮＯｘ比に基づくＮＯｘ浄化率推定マップを用いて求められる。

ステップＳ１０７において、上流触媒１０３および下流触媒１０４のＮＯｘ浄化率を比較する。上流触媒のＮＯｘ浄化率が高い場合、ステップＳ１０９に進む。下流触媒のＮＯｘ浄化率が高い場合、ステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１０９において、バイパス通路１０６を閉じるように切り換えバルブ１０５を制御する。ステップＳ１０７で上流触媒のＮＯｘ浄化率が下流触媒のものより良いと判定されたので、上流触媒１０３でＮＯｘ浄化処理が実施される。

ステップＳ１１１において、上流触媒側の通路を閉じるように切り換えバルブ１０５を制御する。ステップＳ１０７で下流触媒のＮＯｘ浄化率が上流触媒のものより良いと判定されたので、下流触媒１０４でＮＯｘ浄化処理が実施される。このとき、上流触媒１０３には排気ガスが通過しないので、排気ガスに含まれる還元剤（ＨＣ）は直接下流触媒のＮＯｘ浄化処理に利用される。

以上、本発明の具体的な実施例について説明した。しかし、本発明はこのような実施例に限定されるものではない。例えば、本発明による排気ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの代わりにリーンバーン運転を行うガソリンエンジンにも適用可能である。この場合、上述の実施形態で排気管１０２内に設置されているＤＰＦ１０７は不要である。

また、上述の実施形態では、排気のＨＣ／ＮＯｘ比を高めるためにポスト噴射を利用しているが、排気管内に直接還元剤を噴射する形式など他の手法を適用することも可能である。

本発明の実施形態に従う、車両に搭載される内燃機関およびその制御装置の全体的な構成図である。切り換えバルブによる排気の流れを示す図である。本発明の実施形態による切り換えバルブ制御の機能ブロック図である。触媒温度に応じた触媒のＮＯｘ浄化率の推移の一例を示したグラフである。本発明の実施形態による切り換えバルブの制御のフローチャートである。

符号の説明

１００ＥＣＵ
１０１エンジン
１０２排気管
１０３上流触媒
１０４下流触媒
１０５切り換えバルブ
１０６バイパス通路
１０８第１の温度センサ
１０９第２の温度センサ
１１０インジェクタ
１１１クランク角度センサ
１１３アクセル開度センサ
２０５上流触媒ＮＯｘ浄化率推定部
２０７下流触媒ＮＯｘ浄化率推定部
２０９触媒選択部

Claims

内燃機関の排気管の上流側に設置された、排気中のNOｘを浄化する上流触媒と、
内燃機関の排気管の下流側に設置された、排気中のNOｘを浄化する下流触媒と、
上流の触媒をバイパスする通路と、
前記上流触媒側または前記通路側に前記排気の流路を切り換える切換手段と、
前記内燃機関の運転状態を検出する手段と、
前記運転状態に応じて前記上流触媒および下流触媒の浄化率を推定する手段と、
前記上流触媒の浄化率が下流触媒の浄化率より高い場合は前記上流触媒側へ、前記下流触媒の浄化率が前記上流触媒の浄化率より高い場合は前記通路側へと前記流路を切り換えるように前記切換手段を制御する手段と、
前記上流触媒および前記下流触媒の温度を検出する温度検出手段とを有し、
前記浄化率を推定する手段は、前記運転状態に応じてHC／NOx比を推定し、該HC／NOｘ比と前記上流触媒の温度から前記上流触媒の浄化率を推定し、該HC／NOｘ比と前記下流触媒の温度から前記下流触媒の浄化率を推定する、排気ガス浄化装置。
前記浄化率を推定する手段は、前記運転状態として得られたエンジン回転数および燃料噴射量に応じてHC／NOx比を推定する、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。