JP4524947B2 - ディーゼルエンジンの排気浄化装置及び排気浄化方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置及び排気浄化方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、自動車用のディーゼルエンジンから排出された排気ガスには、NOx(窒素酸化物)、CO(一酸化炭素)、HC(炭化水素)等の大気汚染物質が含まれているので、これらを浄化するために、排気通路には排気ガス浄化触媒を用いた排気浄化装置が介設される。しかしながら、NOxを浄化するにはこれを還元しなければならないので、排気ガス中のO2(酸素)濃度が比較的高くなることが多いディーゼルエンジンでは、普通の排気ガス浄化触媒(例えば、三元触媒)でNOxを浄化するのは容易でない。
【0003】
なお、エンジンには、通常、その運転状態に応じて、排気ガスの一部をEGRとして吸気系に還流させ、燃料の燃焼温度を低下させることによりNOx発生量を低減するEGR装置が設けられる。しかしながら、EGR装置を設けても、NOxの発生をなくすことはできないので、やはり排気ガス中のNOxを浄化しなければならない。
【0004】
そこで、近年、排気ガス中のO2濃度が高いときにはNOxを吸収する一方、O2濃度が低くなったときにこのNOxを放出するNOx吸収材を用いたNOxトラップ触媒(排気ガス浄化触媒)が普及しつつある(例えば、特開2000−170585号公報参照)。かかるNOxトラップ触媒では、排気ガス中のO2濃度が低くなったときにNOx吸収材から放出されたNOxを、排気ガス中のHCを還元剤として用いて、N2に還元するようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、ディーゼルエンジンにNOxトラップ触媒を設けた場合、NOxを有効に浄化するには、適宜、NOx吸収材からNOxを放出させるために排気ガスをO2濃度が低くかつ適度にHCを含む状態にすることが必要である。しかしながら、ディーゼルエンジンの運転状態を、主噴射量を増量したり、主噴射以外に単純に膨張行程で後噴射等を行ってこのような状態にすると、煤(スモーク)が発生することが多い。そして、煤の発生量が多い場合は、排気浄化装置が目詰まりを起こすおそれがあるといった問題がある。
【0006】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、排気ガス中のNOxの浄化にNOxトラップ触媒を用いる場合、適宜、煤の発生を低減しつつ排気ガス中のO2濃度を低下させるとともにHC濃度を適度に高めることができ、NOx吸収材からNOxを容易に放出させてこのNOxを有効に浄化することができるディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを解決すべき課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた、本発明にかかるディーゼルエンジンの排気浄化装置は、(i)燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、(ii)圧縮行程上死点付近で燃料噴射弁に燃料を噴射させて主噴射(多段噴射を含む)を実行する主噴射手段と、(iii)主噴射後において膨張行程の所定期間内で(ないしは、主噴射から膨張行程の間の所定の期間で)燃料噴射弁に燃料を噴射させて後噴射(多段噴射を含む)を実行する後噴射手段とを備えているディーゼルエンジンの排気浄化装置であって、(iv)排気通路に配置され、O2過剰雰囲気でNOxを吸収する一方、O2濃度の低下によりこのNOxを放出するNOx吸収材を備えていて、(v)後噴射手段が、前記主噴射により噴射された燃料(以下、「主噴射燃料」という。)の燃焼(拡散燃焼)が終了した時期(すなわち、熱発生率がほぼ0以下となる時期)に後噴射により噴射された燃料の燃焼が開始されるように後噴射の噴射時期を設定するとともに、NOx吸収材からのNOx放出時に後噴射を実行するようになっていることを特徴とするものである。
【0008】
一般に、ディーゼルエンジンにおいては、主噴射燃料の燃焼により煤が発生することが多い。しかしながら、本願発明者は、ディーゼルエンジンにおいて、主噴射燃料の拡散燃焼が終了する時期、すなわち熱発生率がほぼ0以下となる時期に後噴射を行えば、煤(スモーク)の発生量が非常に少なくなるといった事実を、実験により見出した。そして、本発明にかかるディーゼルエンジンの排気浄化装置では、後噴射は、主噴射燃料の拡散燃焼が終了した時期、例えば主噴射燃料の拡散燃焼が終了した直後等に、後噴射により噴射された燃料の燃焼が開始されるように後噴射の噴射時期を設定して行われる。したがって、NOx吸収材に吸収されているNOxを放出させるために後噴射を行う際の煤の発生量が少なくなる。よって、適宜、後噴射を行うことにより、煤の発生を低減しつつ排気ガス中のO2濃度を低下させるとともに、HC濃度を適度に高めることができ、NOx吸収材からNOxを容易に放出させることができ、このNOxを有効に浄化することができる。
【0009】
本発明にかかるディーゼルエンジンの排気浄化装置においては、後噴射手段が、HCが増大するようにその噴射量を所定値以上に設定して後噴射を実行するようになっているのが好ましい。このようにすれば、NOx吸収材からNOxを放出させる際に、煤の発生量を低減しつつ、還元材であるHCを十分に供給することができる。このため、NOx還元性ないしはNOx浄化性が向上する。
【0010】
本発明にかかるディーゼルエンジンの排気浄化装置においては、主噴射による燃料噴射量(以下、「主噴射量」という。)と後噴射による燃料噴射量(以下、「後噴射量」という。)との合計量に対する後噴射量の割合が20%以上であるのが好ましい。このようにすれば、NOx吸収材からNOxを放出させる際に、煤の発生量を低減しつつ、還元材であるHCをより十分に供給することができる。このため、NOx還元性ないしはNOx浄化性がさらに向上する。
【0011】
上記ディーゼルエンジンの排気浄化装置においては、後噴射手段が、所定エンジン回転数以下(低回転)又は所定負荷以下(低負荷)の運転領域(あるいは、低回転・低負荷領域)で、NOx吸収材からNOxを放出させるための後噴射を実行するようになっているのが好ましい。一般に、低回転領域、低負荷領域あるいは低回転・低負荷領域では、排気ガス中にHCが残留しやすいので、このようにすれば還元材であるHCを十分に供給することができる。このため、NOx還元性ないしはNOx浄化性がさらに向上する。
【0012】
本発明にかかるディーゼルエンジンの排気浄化装置には、NOx放出時に新気量(新気の吸入量)を減少させる新気量低減手段が設けられているのが好ましい。このようにすれば、NOx吸収材からNOxを放出させる際に、O2濃度をより有効に低減することができ、NOx還元性ないしはNOx浄化性がさらに向上する。
ここで、ディーゼルエンジンに、過給圧の調整が可能なターボ過給機(VGT)が設けられている場合は、新気量低減手段は、ターボ過給機に過給圧を低減させることにより新気量を減少させるようになっているのが好ましい。このようにすれば、NOx吸収材からNOxを放出させる際に、O2濃度を一層有効に低減することができ、NOx還元性ないしはNOx浄化性が一層向上する。なお、このようにターボ過給機を設けた場合は、空気利用率の向上作用によっても煤の発生量が低減される。
【0013】
本発明にかかるディーゼルエンジンの排気浄化方法は、(i)燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気通路に配置されO2過剰雰囲気でNOxを吸収する一方O2濃度の低下によりこのNOxを放出するNOx吸収材とを備えていて、圧縮行程上死点付近で燃料噴射弁に燃料を噴射させて主噴射を実行するようになっているディーゼルエンジンの排気浄化方法であって、(ii)膨張行程において、主噴射により噴射された燃料の燃焼が終了する時期を設定する燃焼終了時期設定工程と、(iii)NOx吸収材からのNOx放出時に、燃焼終了時期設定工程で設定された燃焼終了時期に後噴射により噴射された燃料の燃焼が開始されるように後噴射の噴射時期を設定して燃料噴射弁に燃料を噴射させて後噴射を実行する後噴射工程とを含んでいることを特徴とするものである。
【0014】
このディーゼルエンジンの排気浄化方法においては、後噴射は、主噴射燃料の拡散燃焼が終了した時期に後噴射により噴射された燃料の燃焼が開始されるように後噴射の噴射時期を設定して行われるので、NOx吸収材に吸収されているNOxを放出させるために後噴射を行った場合、煤の発生量が少なくなる。よって、適宜、後噴射を行うことにより、煤の発生を低減しつつ排気ガス中のO2濃度を低下させるとともにHC濃度を適度に高めることができ、NOx吸収材からNOxを容易に放出させることができ、このNOxを有効に浄化することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図1は、本発明に係る排気浄化装置を備えた自動車用ディーゼルエンジン(以下、単に「エンジン」という。)の構成を示している。図1に示すように、このエンジンの本体部1(以下、「エンジン本体1」という。)は、複数の気筒2(1つのみ図示)を有し、各気筒2内にはそれぞれピストン3が往復動可能に嵌挿されている。そして、ピストン3の上面によって気筒2内に燃焼室4が画成されている。また、燃焼室4の天井面のほぼ中央部には燃料噴射弁5が配設され、この燃料噴射弁5から燃焼室4内に所定のタイミングで燃料が直接噴射されるようになっている。さらに、エンジン本体1のウォータジャケット(図示せず)に臨んで、エンジンの冷却水温度(エンジン温度)を検出する水温センサ18が設けられている。
【0016】
各燃料噴射弁5は、高圧の燃料を蓄えるコモンレール6に接続されている。このコモンレール6には、その内部の燃料圧(コモンレール圧)を検出する圧力センサ6aが配設されるとともに、クランク軸7によって駆動される高圧燃料供給ポンプ8が接続されている。高圧燃料供給ポンプ8は、燃料の供給圧力を制御することにより、圧力センサ6aによって検出されたコモンレール6内の燃料圧を、例えばアイドル運転時にはおよそ20MPa以上に保持し、その以外の運転時にはおよそ50MPa以上に保持するようになっている。
【0017】
また、クランク軸7には、その回転角度を検出するクランク角センサ9が設けられている。このクランク角センサ9は、詳しくは図示していないが、クランク軸7の端部に設けられた被検出プレートと、その外周部に対向するように配設された電磁ピックアップとからなり、電磁ピックアップが被検出プレートの外周部に形成された突起部の通過を検出してパルス信号を出力するようになっている。
【0018】
エンジン本体1に接続された吸気通路10の下流端は、サージタンク(図示せず)を介して各気筒2ごとに分岐し、この分岐部がそれぞれ吸気ポートを介して各気筒2の燃焼室4に接続されている。また、サージタンクには、各気筒2内に供給される吸気の圧力を検出する吸気圧センサ10aが設けられている。
【0019】
吸気通路10には、吸気流れ方向にみて上流側から順に、エンジン本体1内に吸入される吸気流量を検出するエアフローセンサ11と、後で説明するタービン21によって駆動され吸気を圧縮するブロワ12と、このブロワ12によって圧縮されて高温化した空気を冷却するインタークーラー13と、吸気の流通面積を変化させる吸気絞り弁14とが設けられている。
【0020】
吸気絞り弁14は、全閉状態でも吸気が流通できるように切欠きが設けられたバタフライバルブからなる。この吸気絞り弁14は、後で説明するEGR弁24と同様に、負圧制御用の電磁弁16によってダイヤフラム式のアクチュエータ15に作用する負圧の大きさに応じて、弁開度が変更される。また、吸気絞り弁14の設置部には、その弁開度を検出するセンサ(図示せず)が設けられている。
【0021】
エンジン本体1に接続された排気通路20の上流端は、各気筒2ごとに分岐し、この分岐部がそれぞれ排気ポートを介して各気筒2の燃焼室4に接続されている。排気通路20には、排気流れ方向にみて上流側から順に、排気ガス流により回転駆動されるタービン21と、排気ガス中のNOx等の大気汚染物質を浄化する排気浄化装置22と、この排気浄化装置22を通過した排気ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサ19とが配設されている。この排気浄化装置22は、O2過剰雰囲気でNOxを吸収する一方、O2濃度の低下によりこのNOxを放出するNOx吸収材を備えたNOxトラップ触媒(NOx吸収触媒)を用いている。
【0022】
このNOxトラップ触媒は、触媒成分であるPtと、NOx吸収材であるBaと、担体であるAl2O3とを含んでいる。ここで、Baは排気ガス中のO2含有率が比較的高いとき(リーンなとき)は、排気ガス中のNOx(NO、NO2)を吸収する。なお、Baは、Ba(NO3)2の形態でNOxを吸収することが多い。他方、Baは、排気ガス中のO2含有率が低いとき(リッチなとき)は、吸収しているNOxを、排気ガス中にNOあるいはNO2の形態で放出する。そして、このときPtは、排気ガス中のHCを還元剤として利用して、NOxを無害のN2に還元・浄化する。
【0023】
NOxトラップ触媒を用いた排気浄化装置22は、詳しくは図示していないが、排気の流れ方向に沿って互いに平行に延びる多数の小径の孔部(貫通孔)を有するハニカム構造に形成されたコージェライト製の担体を備え、その各貫通孔壁面にNOxトラップ触媒層を形成したものである。具体的には、前記のNOxトラップ触媒を含む触媒層が、多孔質材であるMFI型ゼオライト(ZSM5)等の担体に担持されている。そして、排気ガスは、担体に形成された多数の孔部内を流通する。このため、排気ガスに含まれる煤(スモーク)の量が多いと、該孔部が目詰まりを起こすおそれがある。しかしながら、このエンジンでは、後で説明するように、後噴射により煤の発生量が低減されているので、このような不具合は生じない。
【0024】
吸気通路10に配設されたブロワ12と排気通路20に配設されたタービン21とを備えたターボ過給機25は、排気通路20のノズル断面積を変化させることができるバリアブルジオメトリーターボ(VGT)である。このターボ過給機25には、そのノズル断面積を変化させるためのダイヤフラム式のアクチュエータ30と、このアクチュエータ30の負圧を制御するための電磁弁31とが設けられている。
【0025】
タービン21の上流側において排気通路20には、排気ガスの一部をEGRとして吸気通路10に還流させるための排気還流通路23(以下、「EGR通路23」という。)が接続されている。、そして、EGR通路23の下流端は、吸気絞り弁14の下流側において吸気通路10に接続されている。EGR通路23の下流側部分には、弁開度が調節可能な負圧作動式の排気還流量調節弁24(以下、「EGR弁24」という。)が配設され、このEGR弁24とEGR通路23とにより排気ガス還流手段33が構成されている。なお、排気ガス還流手段33は、主として、燃料の燃焼温度を低下させてNOx発生量を低減するために設けられている。
【0026】
EGR弁24は、詳しくは図示していないが、弁本体がスプリングによって閉弁方向に付勢されるとともに、ダイヤフラム式のアクチュエータ24aにより開弁方向に駆動され、これによりEGR通路23の開度をリニアに調節する。アクチュエータ24aには負圧通路27が接続され、この負圧通路27は負圧制御用の電磁弁28を介してバキュームポンプ29(負圧源)に接続されている。そして、電磁弁28は、負圧通路27を連通させ又は遮断することによりEGR弁駆動用の負圧を調節し、これによりEGR弁24が開閉駆動される。また、EGR弁24の設置部には、その弁本体の位置を検出するリフトセンサ26が設けられている。
【0027】
燃料噴射弁5、高圧燃料供給ポンプ8、吸気絞り弁14、EGR弁24、ターボ過給機25等は、後で説明するエンジンコントロールユニット35(以下、「ECU35」という。)から出力される制御信号に応じて、その作動状態が制御される。また、ECU35には、圧力センサ6aの出力信号と、クランク角センサ9の出力信号と、エアフローセンサ11の出力信号と、水温センサ18の出力信号と、運転者によって操作されるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ32の出力信号とが入力される。
【0028】
ECU35は、活性状態判定手段37と、排気還流制御手段39と、主噴射制御手段40と、後噴射制御手段41とを備えている。ここで、活性状態判定手段37は、排気浄化装置22(NOxトラップ触媒)が活性状態にあるか否かを判定する。排気還流制御手段39は、エンジンの運転状態に応じてEGR弁24を駆動して、排気還流量を制御する。
【0029】
主噴射制御手段40(主噴射手段)は、エンジンの運転状態に応じて、圧縮行程上死点付近で燃料噴射弁5から主噴射により噴射される燃料(主噴射燃料)の噴射状態を制御する。後噴射制御手段41(後噴射手段)は、燃料の主噴射時期から膨張行程までの間の所定時期(主噴射後における膨張行程の所定期間内)に、主噴射燃料の燃焼が終了する時期(以下、「主噴射燃料燃焼終了時期」ないしは「拡散燃焼終了時期」という。)に基づいて、燃料噴射弁5から後噴射により噴射される燃料(後噴射燃料)の噴射状態を制御する。なお、後で説明するように、後噴射制御手段41は、NOx吸収材からのNOx放出時に、後噴射を実行する。
【0030】
燃焼室4内からのRawNOxの排出量が多い運転状態、例えばエンジンが中負荷・中回転以上の運転状態にある場合、あるいは排気浄化装置22(NOxトラップ触媒)が不活性状態にある場合等においては、後噴射は、主噴射後において圧縮上死点後30°〜60°CA(クランク角)の範囲内における所定時期に行われる。これにより、大気中へのNOxの放出が抑制(制御)される。
【0031】
このエンジンにおいては、主噴射後の所定時期に後噴射を行うことにより、主噴射により発生した煤を低減することができる。この場合、燃焼室4から排出される煤の量が多くなる傾向にある運転状態では、主噴射による燃料の拡散燃焼が終了した時点を基準にして設定された所定時期(エンジン回転数が1500rpm以上の運転状態では、圧縮上死点後の30°〜60°CAの時期)に、燃料の後噴射が行われ、これにより煤の排出量が低減される。なお、上記の煤の排出量が多い運転状態としては、例えば、エンジン負荷が中負荷以上の運転状態、エンジン回転数が2000rpm程度の中回転数以上の運転状態、あるいは排気通路20にディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)が設置されている場合においてDPFが300°以下の低温状態にあり、その浄化機能が低い場合などがあげられる。
【0032】
なお、主噴射とは、要求出力に相当する噴射量、あるいはそれ以上の噴射量でもって、吸気行程から膨張行程初期の所定時期に行われる噴射である。この主噴射により燃料の全部又は一部の拡散燃焼が行われる場合は、煤が発生するため、後噴射は、煤を低減するために行われる。この場合、圧縮行程上死点付近から膨張行程初期にかけての所期時期に主噴射を行えば、軽負荷の場合を除き、全ての燃料について拡散燃焼が行われる。他方、軽負荷の場合には、一部の燃料について予混合燃焼が行われ、残りの燃料について拡散燃焼が行われる。
【0033】
また、主噴射を、吸気行程から圧縮行程上死点より前にかけて行うと、予混合燃焼が主体となり、この燃焼の場合、煤はほとんど発生しない。ただし、燃焼室壁面に付着した燃料が、圧縮行程上死点付近で着火して拡散燃焼が行われ、煤を発生させる場合もある。しかしながら、このような場合でも、後噴射により煤を低減することができる。なお、これには、主噴射が、吸気行程から圧縮上死点までの所定時期と、圧縮上死点付近から膨張行程初期までの所定時期との少なくとも2回に分けて行われる場合も含まれる。
【0034】
以下、このエンジンにおける燃料噴射制御の制御手法を説明する。まず、図2に示すフローチャートを参照しつつ、この燃料噴射制御における基本制御の制御手法を説明する。
図2に示すように、この燃料噴射制御においては、まずステップS1で各センサの検出データが入力される。続いて、ステップS2で、エンジンの要求トルクに対応する主噴射における燃料噴射量QM及び主噴射時期IMが、予め設定されたマップから読み出されて設定される。この後、ステップS3で、エンジンが定常運転状態にあるか否かが判定される。
【0035】
ステップS3でエンジンが定常状態にあると判定された場合は(YES)、ステップS4で、ECU35に設けられた活性状態判定手段37により、排気浄化装置22(NOxトラップ触媒)が所定温度以上の活性状態にあるか否かが判定される。ここで、排気浄化装置22が活性状態にあると判定されれば(YES)、ステップS5で、エンジン負荷が中負荷以上であるか否かが判定される。そして、エンジン負荷が中負荷以上でないと判定されれば(NO)、ステップS6で、エンジン回転数が中回転以上であるか否かが判定される。
【0036】
かくして、ステップS4で排気浄化装置22(NOxトラップ触媒)が活性状態でない(不活性状態である)と判定された場合(NO)、ステップS5でエンジン負荷が中負荷以上であると判定された場合(YES)、又はステップS6でエンジン回転数が中回転以上であると判定された場合は(YES)、ステップS7で、予め設定されたマップからエンジンの運転状態に対応する後噴射における燃料噴射量QF及び後噴射時期IFが読み出されて設定される。これにより、主噴射後におけるATDC(圧縮上死点後)30°〜60°CAの範囲内の所定時期に、後噴射時期が設定される。この後、ステップS8で、燃料の噴射制御が実行される。
【0037】
このように、例えば主噴射後のATDC30°〜60°CAの範囲内で後噴射を行う場合、主噴射により燃焼室4内に噴射された燃料(以下、「主噴射燃料」という。)が予混合燃焼した後に生じる拡散燃焼が終了した時点(以下、「拡散燃焼終了時期」という。)で、後噴射により燃焼室4内に噴射された燃料(以下、「後噴射燃料」という。)の燃焼が行われる。このため、拡散燃焼終了時期に燃焼室4内に存在する煤と酸素との混合が促進される。このように、着火し易い状態で、後噴射燃料が噴射されてその燃焼が始まるため、煤の発生を低減することができる。
【0038】
ここで、拡散燃焼終了時期について詳細に説明する。拡散燃焼の態様は熱発生率に基づいて求められる。例えば、書籍「内燃機関講義(株式会社養賢堂出版、長尾不二夫著)」によれば、熱発生率は、次の式1で表される。
【0039】
dQ/dθ=A/(Kθ−1)・[Vθ・(dPθ/dθ)
+Kθ・Pθ・(dVθ/dθ)]……………………式1
A :熱の仕事当量
Kθ:比熱比
Vθ:行程容積
Pθ:筒内圧力
θ :クランク角
【0040】
例えば、小野測器株式会社製の燃料解析装置CB566のマニュアル書によれば、比熱比Kθは、次の式2〜式5で表される。
Kθ=Cp/Cv…………………………………………………………式2
Cp=ap+b・(Tθ/100)+c・(Tθ/100)2
+d・(100/Tθ)…………………………………………式3
Cv=Cp−(A・Ro)/M …………………………………………式4
Tθ=(Pθ・Vθ)/29.27・G……………………………………式5
Cp:定圧比熱
Cv:定容比熱
Ro:ガス定数
M :空気の分子量
Tθ :ガス温度
G :ガス重量
ap、b、c、d:その他の定数
【0041】
式2〜式5によれば、式1で表される熱発生率dQ/dθは、筒内圧力Pθと行程容積Vθとを独立変数とする関数f(Pθ,Vθ)となる。また、行程容積Vθを、ボア径B及びストロークSに基づいて表すと、次の式6のようになる。
Vθ=(π・B2・S/8)・(1−cosθ)………………………式6
したがって、熱発生率dQ/dθは、次の式7で表される。
dQ/dθ=[f(Pθ+Δθ,Vθ+Δθ)−f(Pθ,Vθ)]/Δθ……式7
よって、クランク角毎の筒内圧力データがあれば、これに基づいて熱発生率を計算することができる。
【0042】
図3(a)〜(c)に、それぞれ、ニードルリフトパターン(燃料噴射量)が互いに異なる3つのケースについて、このようにして求めた熱発生率の経時変化をグラフで示す。図3(a)〜(c)に示すように、主噴射燃料の燃焼に伴って熱発生率が正方向に大きな値を示した後、拡散燃焼の終了に伴って熱発生率が0となる。このため、熱発生率がほぼ0となる時点t1に基づき、拡散燃焼終了時期を求めることができる。なお、図3(a)〜(c)において、A1〜A3(破線)は、それぞれ、後噴射燃料の燃焼による熱発生率(F/UPによる熱発生)を示している。
【0043】
この実施の形態では、このようにして予め求められた時点t1の近傍で後噴射燃料の燃焼が開始されるよう、後噴射時期が設定されている。この後噴射時期は、運転状態に基づいて予め設定された着火遅れ時間τF(例えば、0.4〜0.7msの間)を考慮して、t1よりもこの着火遅れ時間τF分だけ早く設定されている。着火遅れ時間τFは、エンジン排気量、燃料噴射圧力にもよるが、1000〜3000ccクラスのエンジンにおいて、噴射圧力が50〜200MPaの場合は、0.4〜0.7ms程度となる(運転状態によりまちまちである)。
【0044】
なお、この後噴射燃料の着火遅れ時間τFは、圧縮行程上死点付近で行われる主噴射の着火遅れ時間τmain(約0.1(高回転時)〜0.3ms(低回転時))よりも長いが、これは後噴射が圧縮上死点後の筒内温度が比較的低い温度の時に行われるからである。
また、燃料噴射弁5への噴射駆動信号は、着火遅れ時間τF、τmainに加えて、さらに噴射弁開閉信号から実際に噴射の開始・終了が起こる間の無効時間(駆動遅れ時間)も考慮されて、ECUに記憶されている。
【0045】
拡散燃焼終了時期は、エンジンの運転状態に応じて変化し、エンジン負荷あるいは回転数が上昇するほど、拡散燃焼終了時期が遅くなる傾向がある。例えば、エンジン回転数が2000rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.57MPaに制御される中負荷・中回転時に、クランク角に対応するシリンダ内の圧力変化と、シリンダの容積変化とに基づき、燃焼室4内の熱発生率を熱力学的に計算してグラフ化すると、図3(b)に示すようになる。この場合、、ピストンの圧縮上死点近傍で噴射された主噴射燃料の予混合燃焼による熱発生Yと、これとほぼ同程度の拡散燃焼による熱発生Kとが生じる。そして、ATDC35°CA程度より約0.5ms遅れた時点t1で、拡散燃焼が終了することが確認されている。
【0046】
これに対して、例えば、エンジン回転数が2500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.9MPaに制御される高負荷・高回転時には、図3(c)に示すように、主噴射燃料の予混合燃焼による熱発生Yに比べて、かなりの長期間にわたって拡散燃焼による熱発生Kが生じる。この場合、拡散燃焼は、ATDC47°CA程度より約0.7ms遅れた、かなり遅い時点t1で終了することが確認されている。
【0047】
なお、例えば、エンジン回転数が1500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.3MPaに制御される低負荷・低回転時には、図3(a)に示すように、主噴射燃料の予混合燃焼と拡散燃焼とを熱発生状態によって区別することは困難である。この場合、ATDC30°CA程度より約0.6ms遅れた、比較的に早い時点t1で燃焼が終了することが確認されている。
【0048】
次に、拡散燃焼終了時期付近で後噴射を開始することによる煤の低減効果について説明する。
図4(a)に、エンジン回転数が1500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.3MPaに制御されたエンジンの低負荷・低回転時において、主噴射後に後噴射時期を種々変化させて煤の発生量を測定した結果を示す。図4(a)に示すように、後噴射時期を、主噴射後においてATDC30°CA以降に設定した場合、煤の発生量が顕著に低減される。
【0049】
図4(b)に、エンジン回転数が2000rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.57MPaに制御された中負荷・中回転時において、主噴射後に後噴射時期を種々変化させて煤の発生量を測定した結果を示す。図4(b)に示すように、後噴射時期を、主噴射後においてATDC35°CA以降に設定した場合、煤の発生量が顕著に低減される。
【0050】
図4(c)に、エンジン回転数が2500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.9MPaに制御された高負荷・高回転時において、主噴射後に後噴射時期を種々変化させて煤の発生量を測定した結果を示す。図4(c)に示すように、後噴射時期を、主噴射後においてATDC47°以降に設定した場合、煤の発生量が顕著に低減される。なお、上記測定では、エンジン負荷を一定に設定するとともに、主噴射燃料量に対する後噴射燃料量の比率を20%に設定している。
図4(a)〜図4(c)において、縦軸のSは、後噴射を行わない場合の煤発生量(以下、「基準値」という。)を示している。なお、後で説明するHC量(図5)、燃費率(図6)、NOx量(図7)の場合も同様である。
【0051】
図8(a)中の実線のグラフは、エンジン回転数が1500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.3MPaに制御された低負荷・低回転時に、主噴射燃料の拡散燃焼終了時点の近傍よりも着火遅れ分だけ進角した時点であると考えられるATDC30°CAの時点で後噴射を行った場合において、主噴射燃料量に対する後噴射燃料量の比率(以下、「後噴射割合」という。)を10〜45%の範囲内で種々変化させて煤の発生量を測定した結果を示す。図8(a)中に実線で示すように、後噴射割合の増加に伴って煤発生量が減少する。これに対して、図8(a)中に破線で示すように、拡散燃焼終了時期より前であると考えられるATDC8°CAの時点で後噴射を行った場合は、後噴射量割合の増大に伴って煤発生量が増加する。
【0052】
図8(b)に、エンジン回転数が2000rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.57MPaに制御された中負荷・中回転時において、拡散燃焼終了時点の近傍よりも着火遅れ分だけ進角した時点であると考えられるATDC35°CAの時点と、拡散燃焼終了時期より前であると考えられるATDC20°CAの時点とで後噴射を行って、図8(a)の場合と同様に煤の発生量を測定した結果を示す。
【0053】
図8(c)に、エンジン回転数が2500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.9MPaに制御された高負荷・高回転時において、拡散燃焼終了時期の近傍よりも着火遅れ分だけ進角した時点であると考えられるATDC48°CAの時点と、拡散燃焼終了時期より前であると考えられるATDC20°CAの時点とで後噴射を行って、図8(a)の場合と同様に煤の発生量を測定した結果を示す。
図8(b)、(c)から明らかなとおり、図8(a)に示す低負荷・低回転時の場合と同傾向の結果が得られている。
【0054】
上記測定結果によれば、主噴射燃料の拡散燃焼終了時期を基準にして後噴射時期を設定し、拡散燃焼終了時期又はその前後近傍で後噴射燃料が着火するようにすれば、燃焼室4内に存在する炭素と酸素とが充分に混合された状態で後噴射が行われ、炭素が効果的に燃焼させられ、燃焼室4内から排気通路20への煤の排出量が低減されることがわかる。
【0055】
拡散燃焼終了時期は、エンジン負荷あるいはエンジン回転数等に応じて変化する。このため、例えば図3(a)〜図3(c)に示すような、拡散燃焼による熱発生率が0となる時点t1を、それぞれエンジンの運転状態が異なる種々の実験データに基づいてマップ化し、このマップからを読み出すことにより設定することができる。
【0056】
また、燃焼室4内の温度を検出する温度センサの検出信号、燃焼光センサの検出信号、あるいは燃焼室4内に存在する電荷が偏った反応性の高い水素や炭化水素等の量を検出するセンサの検出信号等に基づいて拡散燃焼状態を判別する燃焼状態判別手段を設けてもよい。この場合、燃焼状態判別手段により、主噴射後の温度が所定温度以下の低温となった否か、燃焼光の発光ががなくなったか否か、あるいは水素や炭化水素の量が急減したか否か等を判別することにより、拡散燃焼終了時期を求め、これを基準にして次の燃焼サイクルでの後噴射時期を設定するようにしてもよい。さらに、温度センサによって検出された気筒内温度から断熱膨張温度を減算した値の微分値を求め、この微分値が−の値から0になった時点を検出することにより、拡散燃焼終了時期を判別するようにしてもよい。
【0057】
このように、エンジンの運転状態に基づいて判別された拡散燃焼終了時期に基づいて、この拡散燃焼終了時期付近(クランク角で±5°以内)の時期、好ましくは拡散燃焼終了直後に後噴射燃料の燃焼が開始されるように、それぞれの運転状態に応じて燃料の後噴射の開始時期を設定すれば、エンジンの運転状態に応じて最適時期に後噴射を行うことができ、煤の排出量を効果的に低減することができる。
【0058】
以下、このエンジンの燃料噴射制御によるNOx低減効果について説明する。図5(a)に、エンジン回転数が1500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.3MPaに制御された低負荷・低回転時において、主噴射後のATDC2.5〜50°の範囲内で後噴射時期を種々変化させてHC量を測定した結果を示す。図5(a)に示すように、後噴射時期を、主噴射後のATDC30°CA以降に設定した場合、HC量が顕著に増加する。
【0059】
図5(b)に、エンジン回転数が2000rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.57MPaに制御された中負荷・中回転時において、後噴射時期を種々変化させてHC量を測定した結果を示す。図5(b)に示すように、後噴射時期を、主噴射後のATDC35°CA以降に設定した場合、HC量が顕著に増加する。
【0060】
図5(c)に、エンジン回転数が2500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.9MPaに制御された高負荷・高回転時において、後噴射時期を種々変化させてHC量を測定した結果を示す。図5(c)に示すように、後燃料時期を、主噴射後のATDC45°CA以降に設定した場合、HC量が顕著に増加する。上記測定では、エンジン負荷を一定に制御するとともに、主噴射燃料量に対する後噴射燃料量の比率をそれぞれ20%に設定している。
なお、図5(a)〜図5(c)において、縦軸のSは、HC量の基準値を示している。
【0061】
上記測定結果によれば、主噴射後のATDC30°CA以降に後噴射を行った場合、HC量が増加してNOxの還元剤となる電荷が偏った反応性の高い水素や炭化水素量が増加し、燃焼室4内から排気通路20へのRawNOxの排出量を低減することができることがわかる。
【0062】
図6(a)〜図6(c)に、それぞれ、低負荷・低回転時と、中負荷・中回転時と、高負荷・高回転時とにおいて、後噴射時期を種々変化させて燃費率(燃料消費率)を測定した結果を示す。なお、図6(a)〜図6(c)において、縦軸のSは、燃費率の基準値を示している。図6(a)〜図6(c)に示すように、後噴射時期が遅くなるほど燃費率が悪化することがわかる。これは、後噴射時期を遅くするほど、後噴射燃料がエンジン出力の向上に寄与しなくなるからである。したがって、燃費が悪化するのを防止するには、後噴射時期を、主噴射後のATDC60°CA以前に設定するのが好ましい。かくして、例えば、主噴射後のATDC30〜60°CAの範囲内における所定時期に後噴射を行うことにより、燃費性能を悪化させることなく、大気中へのNOxの放出を効果的に防止して排気ガスを浄化できる。
【0063】
図7(a)〜図7(c)に、それぞれ、低負荷・低回転時と、中負荷・中回転時と、高負荷・高回転時とにおいて、後噴射時期を種々変化させてNOx排出量を測定した結果を示す。なお、図7(a)〜図7(c)において、縦軸のSは、NOx排出量の基準値を示している。図7(a)〜図7(c)に示すように、主噴射後のATDC30〜60°CAの範囲内における所定時期に後噴射を行うことにより、燃費を悪化させることなく、大気中へのNOxの放出を効果的に防止して排気ガスを浄化することができる。上記測定では、排気還流率は一定となるように制御されている。排気還流制御手段39による排気ガスの還流制御が実行されると、後噴射によって生じる排圧上昇によるEGR効果によりRawNOxの発生量が変化し、後噴射によるRawNOxの低減効果を正確に確認することが困難となるからである。
【0064】
なお、後噴射時期を、クランク角に応じて設定するのではなく、タイマに基づいて設定される時間に応じて設定してもよい。この場合、主噴射後において圧縮上死点後の1.2〜4msの範囲内における所定時期に後噴射を行うことにより、燃費を悪化させることなく、大気中へのNOxの放出を効果的に防止することができる。
【0065】
このように、このエンジンの燃料噴射制御によれば、煤の発生量の低減と、NOxの発生量の低減とを両立させるでき、かつ後噴射時期を主噴射後の拡散燃焼終了時期を基準にして設定して燃費性能を向上させることができる。例えば、エンジン回転数が1500rpmで低負荷の場合は、拡散燃焼終了時期はATDC30°CAより約0.5ms遅れた時点である。したがって、煤の発生量及びNOxの発生量を低減するには、後噴射時期を、ATDC30°CA付近、例えばATDC27〜35°CAに設定すればよく、最適な時期はATDC30°CAである。
【0066】
エンジン回転数が2000rpmで中負荷の場合は、拡散燃焼終了時期はATDC35°CAより約0.5ms遅れた時点である。したがって、後噴射時期を、ATDC35°CA付近、例えばATDC33〜40°CAに設定すればよく、最適な時期はATDC35°CAである。
また、エンジン回転数が2500rpmで高負荷の場合は、拡散燃焼終了時期はATDC47°CAより約0.7ms遅れた時点である。したがって、後噴射時期を、ATDC47°付近、例えばATDC45〜48°CAに設定すればよく、最適な時期はATDC47°CAである。
【0067】
また、排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機25を備えたこのディーゼルエンジンでは、上記のように、主噴射後に所定量の燃料が後噴射されると排気ガス圧力が上昇してターボ過給機25の過給作用が高められる。その結果、燃焼室4内に導入される新気量が増大され、これにより燃焼室4内に残存する炭素の燃焼が促進され、煤の発生が効果的に抑制される。そして、ターボ過給機25の過給作用により吸入空気量が増大すると、主噴射燃料の拡散燃焼終了時期が早くなる傾向がある。このため、この拡散燃焼終了時期に応じて後噴射時期を補正することにより、煤の発生を効果的に抑制して排気通路20に排出される煤の導出量を、より低減することができる。
【0068】
また、ターボ過給機25を備えたこのディーゼルエンジンには、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段33が設けられている。ここで、ECU35に設けられた排気還流制御手段39により排気ガスの還流率を目標値に追従するようフィードバック制御する場合、ターボ過給機25の過給作用により吸入空気量が増大すると、これに対応して吸気系に還流される排気ガスが増量される。このため、燃焼室4内から排気通路20へRawNOxの排出量が、さらに効果的に低減される。
【0069】
さらに、排気通路20に介設された排気浄化装置22内のNOxトラップ触媒が不活性状態にある場合、拡散燃焼終了時期を基準にして後噴射時期を設定するといった制御を行えば、上記のとおり、燃焼室4内で反応性の高い水素量等を増大させてRawNOxを低減する作用と、炭素の燃焼を促進させて煤の排出量を低減する作用とが同時に得られる。
【0070】
とくに、NOxトラップ触媒が活性状態にある場合は、NOxトラップ触媒に供給される還元剤の量が充分に確保される時期、すなわちATDC60°〜180°CAの範囲内における所定時期に後噴射時期を設定する一方、NOxトラップ触媒が不活性状態にある場合は、後噴射時期を進角させることにより拡散燃焼終了時期に対応させて後噴射を行うようにしてもよい。このようにすれば、NOxトラップ触媒の活性時には、その浄化作用により大気中へのNOxの放出を抑制することができる。他方、NOxトラップ触媒の不活性時には、燃焼室4内における反応性の高い水素量を増大させるなどして、燃焼室4から排気通路20へのNOx排出量を効果的に低減することができる。
【0071】
前に説明した図8(a)〜図8(c)中に実線で示すように、実験に基づく後噴射割合と煤発生量との対応関係によれば、低負荷・低回転時、中負荷・中回転時及び高負荷・高回転時のいずれの運転状態においても、後噴射割合を大きくすればするほど、煤の発生を抑制することができることがわかる。
【0072】
図9(a)に、エンジン回転数が1500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.3MPaに制御された低負荷・低回転時に、ATDC30°CAの時点とATDC8°CAの時点とで後噴射を行った場合において、後噴射割合を種々変化させてHC量を測定した結果を示す。図9(a)中に実線で示すように、拡散燃料終了時期付近であるATDC30°CAの時点で後噴射を行った場合、後噴射割合の増加に伴ってHC量が増加する。これに対して、図9(a)中に破線で示すように、拡散燃料終了時期よりかなり前のATDC8°CAの時点で後噴射を行った場合は、HC量はほとんど変化しない。
【0073】
図9(b)に、エンジン回転数が2000rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.57MPaに制御された中負荷・中回転時において、ATDC35°CAの時点とATDC20°CAの時点とで後噴射を行って、図9(a)の場合と同様にHC量を測定した結果を示す。この場合も、図9(b)中に実線で示すように、拡散燃料終了時期付近であるATDC35°CAの時点で後噴射を行った場合は、後噴射割合の増加に伴ってHC量が増加する。これに対して、図9(b)中に破線で示すように、拡散燃料終了時期よりかなり前のATDC20°CAの時点で後噴射を行った場合は、HC量は後噴射割合に対して単調には増加・減少しない。
【0074】
図9(c)に、エンジン回転数が2500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.9MPaに制御された高負荷・高回転時において、ATDC48°CAの時点とATDC20°CAの時点とで後噴射を行って、図9(a)の場合と同様にHC量を測定した結果を示す。この場合は、いずれにおいても、HC量は後噴射割合に対して単調には増加・減少しない。
【0075】
図10(a)に、エンジン回転数が1500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.3MPaに制御された低負荷・低回転時において、ATDC30°CAの時点とATDC8°CAの時点とで後噴射を行った場合において、後噴射割合を種々変化させて燃費率を測定した結果を示す。図10(a)中に破線で示すように、拡散燃料終了時期よりかなり前のATDC8°CAの時点で後噴射を行った場合、後噴射割合の増大に対して燃費率はほとんで変化しない。これに対して、図10(a)中に実線で示すように、拡散燃焼終了時期付近で後噴射燃料の燃焼が行われると考えられるATDC30°CAの時点で後噴射を行った場合には、後噴射割合の増加に伴って、燃費率が顕著に悪化する。
【0076】
図10(b)に、エンジン回転数が2000rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.57MPaに制御された中負荷・中回転時において、ATDC35°CAの時点とATDC20°CAの時点とで後噴射を行って、図10(a)の場合と同様に燃費率を測定した結果を示す。
また、図10(c)に、エンジン回転数が2500rpmに制御されるとともに、平均有効圧力Peが0.9MPaに制御された高負荷・高回転時において、ATDC48°CAの時点とATDC20°CAの時点とで後噴射を行って、図10(a)の場合と同様に燃費率を測定した結果を示す。
図10(b)、(c)から明らかなとおり、図10(a)に示す低負荷・低回転時の場合と同傾向の結果が得られている。
【0077】
したがって、拡散燃焼終了時期を基準にして後噴射時期を設定し、拡散燃焼終了時期、又はその前後付近で後噴射燃料が着火するようにすれば、後噴射燃料量を、総燃料噴射量の0.2%〜50%に、好ましくは15%〜35%の範囲内に設定することにより、燃費を悪化させることなく、煤の発生量を効果的に低減することができる。
【0078】
なお、この実施の形態では、NOxトラップ触媒の活性状態や、エンジン負荷及びエンジン回転数に応じて後噴射を実行するようにしているが、後噴射の実行形態はこれに限られず、種々の変形が可能である。例えば、エンジンの全ての運転状態で燃料の後噴射を実行するようにしてもよい。
【0079】
以下、図11(a)、(b)に示すフローチャートを参照しつつ、このエンジンの燃料噴射制御における、NOxトラップ触媒のNOx吸収材からNOxを放出させて還元・浄化するための燃料噴射制御の制御手法を説明する。
図11(a)に示すように、この制御ルーチンにおいては、まずステップS11で各種データが入力された後、ステップS12で、アクセル開度と車速とに基づいて目標トルクTrが設定(セット)される。なお、目標トルクTrは、アクセル開度が大きいときほど、また車速が高いときほど大きくなるように設定される。
【0080】
次に、ステップS13で、NOxトラップ触媒のNOx吸収量ないしはNOx吸着量が推定される(以下、「NOx推定量」という。)。続いて、ステップS14で、NOx推定量(NOx量)がしきい値NOx0を超えているか否かが判定される。ここで、NOx推定量がしきい値NOx0を超えていれば(YES)、ステップS16とステップS17とで、それぞれ、エンジン回転数Neが設定値Ne0未満であるか否かと、目標トルクTrが設定値Tr0未満であるか否かとが判定される。
【0081】
かくして、ステップS16でエンジン回転数Neが設定値Ne0未満であると判定された場合(YES)、又はステップS17で目標トルクTrが設定値Tr0未満であると判定された場合(YES)、すなわちエンジンが低負荷状態(ないしは、低中負荷状態)又は低回転状態(ないしは、低中回転状態)であれば、ステップS18〜S20で、NOx放出時用の燃料噴射条件(燃料噴射量及び燃料噴射時期)が設定される。他方、ステップS16でエンジン回転数Neが設定値Ne0以上であると判定され(NO)、かつステップS17で目標トルクTrが設定値Tr0以上であると判定された場合(NO)、すなわちエンジンが高負荷・高回転状態(高中負荷・高中回転状態)であれば、ステップS23で、通常時用の噴射条件(燃料噴射量及び燃料噴射時期)が設定される。
【0082】
すなわち、図13(a)に示す、エンジン回転数及び目標トルクをパラメータとする噴射量マップにおいて、折れ線L1(アイドル域)と折れ線L2(全負荷)との間の領域において、斜線を付した領域ではNOx放出時用の燃料噴射量が設定され、斜線を付していない領域では通常時用の燃料噴射量が設定される(燃料噴射時期は両者同じ)。
【0083】
なお、ステップS16、S17に代えて、図11(b)に示すステップS24を挿入してもよい。この場合は、ステップS24で、エンジン回転数Neが設定値Ne0未満であり、かつ目標トルクTrが設定値Tr0未満であると判定されたとき(YES)、すなわちエンジンが低負荷・低回転状態(ないしは、低中負荷・低中回転状態)であるときは、ステップS18〜S20でNOx放出時用の燃料噴射量及び燃料噴射条件が設定される。それ以外の場合は、ステップS23で通常時用の燃料噴射条件が設定される。
この場合は、図13(b)に示すように、NOx放出時用の燃料噴射量が設定される領域(斜線部)が小さくなる。
【0084】
NOx放出時用の燃料噴射条件が設定される場合は、まずステップS18でタイマTのカウント値が1だけインクリメントされ、続いてステップS19でタイマTのカウント値が設定値T0未満であるか否かが判定される。このタイマTは、NOx放出時用の燃料噴射制御を所定時間T0だけ実行させるためのタイマである。つまり、初期値が0であるタイマTは、NOx推定量がNOx0を超えてNOx放出時用の燃料噴射制御が開始された時点からカウントを開始し、ステップS19でそのカウント値が所定値T0に達したと判定されたときに、今回のNOx放出時用の燃料噴射制御が終了する。
【0085】
ただし、NOx放出時用の燃料噴射制御が開始されて、タイマTがカウントを開始した後は、たとえステップS14でNOx推定量がしきい値NOx0以下であると判定されても、タイマTがカウントアップするまではNOx放出時用の燃料噴射制御が継続される。すなわち、ステップS14でNOx推定量がしきい値NOx0以下であると判定された場合は、ステップS15でタイマTがカウント中であるか否かが判定され、カウント中であれば(YES)、ステップS18が実行される。
【0086】
かくして、ステップS19で、タイマTのカウント値が設定値T0未満であると判定された場合は(YES)、ステップS20でNOx放出時用の燃料噴射条件が設定され、カウント値がT0以上であると判定された場合は(NO)、ステップS22でNOx推定量及びタイマTがリセットされた後、ステップS23で通常時用の燃料噴射条件が設定される
【0087】
ステップS20では、NOx放出時用の主噴射燃料量QM1及び主噴射時期IMと、後噴射燃料量QF1及び後噴射時期IFとが設定される。この後、ステップS21で、ステップS20で設定された燃料噴射条件に従って主噴射及び後噴射が実行され、ステップS11に復帰する。
【0088】
他方、ステップS23では、通常時用の主噴射燃料量QM2及び主噴射時期IMと、後噴射燃料量QF2及び後噴射時期IFとが設定される。この場合は、主噴射燃料量QM2と後噴射燃料量QF2との合計噴射量が目標トルクTrに対応するように、燃料噴射量が設定される。この後、ステップS21で、ステップS23で設定された燃料噴射条件に従って主噴射及び後噴射が実行され、ステップS11に復帰する。
【0089】
ここで、NOx放出時用の後噴射燃料量QF1は、通常時用の後噴射燃料量QF2よりも多くなっている(QF1>QF2)。したがって、この例では、NOx放出時用の後噴射燃料量QF1と通常時用の後噴射燃料量QF2の差(QF1−QF2)が、実質的にNOx吸収材からNOxを放出させるための後噴射となる。なお、NOx放出時用の後噴射燃料量QF1は、排気ガス中のO2濃度が2%以下となり、かつHCが増加するように好ましく設定される。
【0090】
図11(a)、(b)に示す燃料噴射制御では、目標トルク(エンジン負荷)及びエンジン回転数によって、燃料噴射形態を切り替えている(ステップS16、S17、あるいはステップS24)。しかしながら、このようにせず(ステップS16、S17、あるいはステップS24を削除する)、全負荷以外は後噴射燃料量を増量する一方、高回転側ないしは高負荷側ほど増量を少なくするようにしてもよい。
この場合、低負荷・低回転側から高負荷・高回転側にかけての後噴射燃料量の変化特性は、例えば図13(c)中のグラフG2のように設定される。なお、図11に示す燃料噴射制御では、NOx放出時用及び通常時用の後噴射の、低負荷・低回転側から高負荷・高回転側にかけての後噴射燃料量の変化特性は、それぞれ、図13(c)中のグラフG1、G3のように設定される。
【0091】
以下、図12に示すフローチャートを参照しつつ、このエンジンの燃料噴射制御におけるVGT制御の制御手法を説明する。
図12に示すように、この制御ルーチンにおいては、まずステップS31でデータが入力される。続いて、ステップS32で、エンジン回転数Neと目標トルクTrとに応じて、基本VGT量VGTBが設定(セット)される。
図14に示すように、基本VGT量VGTBは、高出力側(高トルク、高回転側)ほど、VGT開度が大きくなるように設定されている。
【0092】
次に、ステップS33で、タイマTがカウント中であるか否か、すなわちNOx放出時用の燃料噴射制御が行われているか否かが判定される。なお、タイマTは、図11に示す前記の燃料噴射制御ルーチンと共通のタイマである。ここで、タイマTがカウント中であれば(YES)、すなわちNOx放出時であれば、ステップS34で、基本VGT量VGTBに所定値αを加算したものがVGT開度とされる。この場合、VGT開度が大きくなり、ターボ過給機25の過給圧が低減され、新気量(新気吸入量)が低減される。この後、ステップS36で、VGTが駆動される。
【0093】
他方、ステップS33で、タイマTがカウント中でないと判定された場合(NO)、すなわち通常時であれば、新気量を低減する必要はないので、基本VGT量VGTBがそのままVGT開度とされる。この後、ステップS36で、VGTが駆動される。
【0094】
なお、ステップS33でタイマTがカウント中であると判定されたときに、VGT開度を大きくして新気量を低減するのではなく、吸気絞り弁14の開度を小さくし、あるいはEGR弁24の開度を大きくすることにより、新気量を低減するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかる排気浄化装置を備えた直噴ディーゼルエンジンのシステム構成図である。
【図2】 図1に示すエンジンにおける燃料噴射制御の基本的な制御方法を示すフローチャートである。
【図3】 (a)〜(c)は、それぞれ、燃焼室内における熱発生率の経時変化を示すタイムチャートである。
【図4】 (a)〜(c)は、それぞれ、後噴射時期と煤発生量との関係を示すグラフである。
【図5】 (a)〜(c)は、それぞれ、後噴射時期と排気ガス中のHC量との関係を示すグラフである。
【図6】 (a)〜(c)は、それぞれ、後噴射時期と燃費率との関係を示すグラフである。
【図7】 (a)〜(c)は、それぞれ、後噴射時期と排気ガス中のNOx量との関係を示すグラフである。
【図8】 (a)〜(c)は、それぞれ、後噴射割合と煤発生量との関係を示すグラフである。
【図9】 (a)〜(c)は、それぞれ、後噴射割合と排気ガス中のHC量との関係を示すグラフである。
【図10】 (a)〜(c)は、それぞれ、後噴射割合と燃費率との関係を示すグラフである。
【図11】 (a)及び(b)は、それぞれ、NOx放出時の燃料噴射制御の制御方法を示すフローチャートである。
【図12】 VGT制御の制御方法を示すフローチャートである。
【図13】 (a)及び(b)は、それぞれ、エンジントルクと目標トルクとをパラメータとする噴射量マップの特性を示す図であり、(c)は後噴射燃料量のエンジン回転数に対する変化特性を示す図である。
【図14】 エンジントルクと目標トルクとをパラメータとするVGT開度マップの特性を示す図である。
【符号の説明】
1…エンジン本体、2…気筒、3…ピストン、4…燃焼室、5…燃料噴射弁、6…コモンレール、7…クランク軸、8…高圧燃料供給ポンプ、9…クランク角センサ、10…吸気通路、11…エアフローセンサ、12…ブロワ、13…インタークーラ、14…吸気絞り弁、20…排気通路、21…タービン、22…排気浄化装置(NOxトラップ触媒)、24…EGR弁、25…ターボ過給機、33…排気ガス還流手段、35…ECU(コントロールユニット)、37…活性状態判定手段、39…排気還流制御手段、40…主噴射制御手段、41…後噴射制御手段。
Claims (7)
- 燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
圧縮行程上死点付近で燃料噴射弁に燃料を噴射させて主噴射を実行する主噴射手段と、
主噴射後において膨張行程の所定期間内で燃料噴射弁に燃料を噴射させて後噴射を実行する後噴射手段とを備えているディーゼルエンジンの排気浄化装置であって、
排気通路に配置され、酸素過剰雰囲気でNOxを吸収する一方、酸素濃度の低下により上記NOxを放出するNOx吸収材を備えていて、
後噴射手段が、前記主噴射により噴射された燃料の燃焼が終了した時期に後噴射により噴射された燃料の燃焼が開始されるように後噴射の噴射時期を設定するとともに、NOx吸収材からのNOx放出時に後噴射を実行するようになっていることを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 後噴射手段が、HCが増大するように噴射量を所定値以上に設定して後噴射を実行するようになっていることを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
- 主噴射による燃料噴射量と後噴射による燃料噴射量との合計量に対する後噴射による燃料噴射量の割合が20%以上であることを特徴とする請求項2に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
- 後噴射手段が、所定エンジン回転数以下又は所定負荷以下の運転領域で、NOx吸収材からNOxを放出させるための後噴射を実行するようになっていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
- NOx放出時に新気量を減少させる新気量低減手段が設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
- 過給圧の調整が可能なターボ過給機がディーゼルエンジンに設けられていて、
新気量低減手段が、ターボ過給機に過給圧を低減させることにより新気量を減少させるようになっていることを特徴とする請求項5に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、排気通路に配置され酸素過剰雰囲気でNOxを吸収する一方酸素濃度の低下により上記NOxを放出するNOx吸収材とを備えていて、圧縮行程上死点付近で燃料噴射弁に燃料を噴射させて主噴射を実行するようになっているディーゼルエンジンの排気浄化方法であって、
膨張行程において、主噴射により噴射された燃料の燃焼が終了する時期を設定する燃焼終了時期設定工程と、
NOx吸収材からのNOx放出時に、燃焼終了時期設定工程で設定された燃焼終了時期に後噴射により噴射された燃料の燃焼が開始されるように後噴射の噴射時期を設定して燃料噴射弁に燃料を噴射させて後噴射を実行する後噴射工程とを含んでいることを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化方法。
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