JP4654880B2

JP4654880B2 - 内燃機関の排気浄化システム

Info

Publication number: JP4654880B2
Application number: JP2005318501A
Authority: JP
Inventors: 久大木; 清藤原; 智海山田; 嗣史藍川; 崇小山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2005-11-01
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-11-01
Also published as: JP2007126991A

Description

本発明は、排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気浄化システムにおいては、排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒と称する）を備えたものがある。ＮＯｘ触媒は周囲雰囲気が酸化雰囲気のときに排気中のＮＯｘを吸蔵し周囲雰囲気が還元雰囲気のときに吸蔵していたＮＯｘを還元する触媒である。

特許文献１には、内燃機関から排出される排気の空燃比（以下、機関排気空燃比と称する）がリーン空燃比から理論空燃比またはリッチ空燃比に切り換わるときに、膨張行程または排気行程において燃料噴射弁から燃料を噴射することでＮＯｘ触媒に還元剤を供給する技術が開示されている。また、この特許文献１には、排気中に燃料を噴射することでＮＯｘ触媒に還元剤を供給する技術も開示されている。
特許第３４２４６７２号公報特開２００１−２２７３２５号公報

排気通路に設けられたＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいては、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元させるときに、該ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気とすべく、機関排気空燃比を低下させつつＮＯｘ触媒に還元剤を間欠的に供給する場合がある。

この場合、ＮＯｘ触媒に還元剤が供給されているときにＮＯｘが還元されることになる。つまり、機関排気空燃比を低下させているのみであってＮＯｘ触媒に還元剤が供給されていないときは、ＮＯｘは還元されず吸蔵されることになる。

しかしながら、機関排気空燃比を低下させた場合、排気の温度が上昇するため、これに伴ってＮＯｘ触媒の温度も上昇することになる。そして、ＮＯｘ触媒はその温度が上昇するとＮＯｘ吸蔵能力が低下する場合がある。そのため、ＮＯｘ触媒に還元剤が供給されず機関排気空燃比が低下しているのみの期間が長くなることでＮＯｘ触媒の温度が過剰に上昇すると、ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ浄化率が過剰に低下する虞がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、排気通路に設けられたＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、排気中のＮＯｘをより好適に浄化することが可能な技術を提供することを課題とする。

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元すべくＮＯｘ還元制御を実行するときに、機関排気空燃比を低下させる期間をＮＯｘ触媒の過剰な温度上昇を抑制することが出来る期間とするものである。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、
内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記内燃機関から排出される排気の空燃比である機関排気空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記空燃比制御手段によって機関排気空燃比を低下させつつ前記還元剤供給手段によって前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給することで、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するＮＯｘ還元制御を実行するＮＯｘ還元制御実行手段と、を備え、
前記ＮＯｘ還元制御実行手段は、前記ＮＯｘ還元制御を実行する場合、機関排気空燃比を低下させる期間を、前記ＮＯｘ触媒の温度が所定温度に達する期間よりも短い所定期間とする。

本発明では、ＮＯｘ還元制御実行時に機関排気空燃比を低下させる。このとき、排気の温度が上昇するため、これに伴ってＮＯｘ触媒の温度も徐々に上昇する。そこで、本発明では、機関排気空燃比を低下させる期間を所定期間よりも短くする。

ここで、所定期間は、機関排気空燃比を低下させることでＮＯｘ触媒の温度が徐々に上昇して所定温度にまで達する期間よりも短い期間である。また、ここでの所定温度は、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力が過剰に低下すると判断出来る温度の下限値以下の温度である。

本発明では、ＮＯｘ還元制御実行時において、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度に達する前に機関排気空燃比を低下させる制御が停止される。これにより、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上となることが抑制される。

そして、本発明においても、機関排気空燃比を低下させている間にＮＯｘ触媒に還元剤が供給される。ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘが還元されるのは、機関排気空燃比が低下することでＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が低下しており且つＮＯｘ触媒に還元剤が供給されているときである。つまり、還元剤を供給するときにのみＮＯ触媒に流入する排気の空燃比が低下していれば、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元することが出来る。

従って、本発明によれば、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下を抑制しつつ、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元することが出来る。即ち、排気中のＮＯｘをより好適に浄化することが可能となる。

尚、ＮＯｘ還元制御実行時において、機関排気空燃比を低下させるときは、還元剤を供給することによってＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元することが可能となる空燃比にまで低下させれば良い。

また、内燃機関の運転状態が低負荷である場合は、排気流量が比較的少ないため、機関排気空燃比を低下させずにＮＯｘ触媒に還元剤を供給するのみでＮＯｘを還元することが可能な場合がある。しかしながら、内燃機関の運転状態が高負荷となると、排気流量が増加するため、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気とするためには機関排気空燃比を低下させる必要がある。また、内燃機関の運転状態が高負荷となると排気温度が高くなる。

そこで、本発明では、ＮＯｘ還元制御実行手段は、ＮＯｘ還元制御の実行時に内燃機関の機関負荷が所定負荷以下のときは、機関排気空燃比を低下させることなく還元剤供給手段によってＮＯｘ触媒に還元剤を供給することで該ＮＯｘ還元制御を実行しても良い。ここで、所定負荷は、機関排気空燃比を低下させずにＮＯｘ触媒に還元剤を供給することでＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気とすることが可能な機関負荷の上限値以下の値であって、予め定められた値である。

そして、上記の場合、ＮＯｘ還元制御の実行時に内燃機関の機関負荷が所定負荷より高いときは、空燃比制御手段によって機関排気空燃比を低下させつつ還元剤供給手段によってＮＯｘ触媒に還元剤を供給することで前記ＮＯｘ還元制御を実行する。このときに、機関排気空燃比を低下させる期間を所定期間とする。

本発明によれば、排気通路に設けられたＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、排気中のＮＯｘをより好適に浄化することが出来る。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの具体的な実施の形態について図面に基づいて説明する。

＜内燃機関の吸排気系の概略構成＞
ここでは、本発明を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図である。

内燃機関１は車両駆動用のディーゼル機関である。この内燃機関１には、吸気通路３および排気通路２が接続されている。吸気通路３には、エアフローメータ７およびスロットル弁８が設けられている。

一方、排気通路２には、ＮＯｘ触媒５が設けられている。このＮＯｘ触媒５は、周囲雰囲気が酸化雰囲気のときに排気中のＮＯｘを吸蔵し周囲雰囲気が還元雰囲気のときに吸蔵していたＮＯｘを還元する触媒である。さらに、ＮＯｘ触媒５より上流側の排気通路２には排気中に還元剤として燃料を添加する燃料添加弁６が設けられている。

また、排気通路２における燃料添加弁６より下流側且つＮＯｘ触媒５より上流側には排気の空燃比を検出する空燃比センサ１１が設けられている。排気通路２におけるＮＯｘ触媒５より下流側には排気の温度の温度を検出する温度センサ１２が設けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、この内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０には、エアフローメータ７および空燃比センサ１１、温度センサ１２、さらに、内燃機関１を搭載した車両のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１３が電気的に接続されている。そして、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。

ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ１３の検出値に基づいて内燃機関１の負荷を算出する。また、ＥＣＵ１０は、温度センサ１２の検出値に基づいてＮＯｘ触媒５の温度を推定する。

また、ＥＣＵ１０には、スロットル弁８および燃料添加弁６が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０によってこれらが制御される。

＜ＮＯｘ還元制御＞
本実施例においては、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘを還元すべくＮＯｘ還元制御が実行される。ＮＯｘ還元制御においてはＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気を還元雰囲気とする必要がある。

内燃機関１の運転状態が低負荷であるときは排気流量が比較的少ないため、ＮＯｘ還元制御を実行する場合、燃料添加弁６から燃料を添加するのみでＮＯｘ触媒５に流入する排気の空燃比（以下、単に流入排気空燃比と称する）を十分に低下させることが出来る。つまり、燃料添加弁６から燃料を添加するのみで、ＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気を還元雰囲気とすることが出来る。

しかしながら、内燃機関１の運転状態が高負荷となると排気流量が比較的多くなる。そのため、燃料添加弁６から燃料を添加するのみで流入排気空燃比を十分に低下させることが困難となる。そこで、内燃機関１の運転状態が高負荷であるときにＮＯｘ還元制御を実行する場合、機関排気空燃比を第一所定空燃比にまで低下させつつ燃料添加弁６から燃料を添加することでＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気を還元雰囲気とする。ここで、第一所定空燃比とは、内燃機関１の運転状態が高負荷であっても、機関排気空燃比を該所定空燃比にまで低下させれば、燃料添加弁６から燃料を添加することで、流入排気空燃比を十分に低下させることが可能となる、即ち、ＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気を還元雰囲気とすることが可能となると判断出来る値である。

尚、本実施例において、内燃機関１の運転状態が低負荷であるときとは、該内燃機関１の機関負荷が所定負荷以下のときのことであり、内燃機関１の運転状態が高負荷であるときとは、該内燃機関１の機関負荷が所定負荷より高いときのことである。また、ここでの所定負荷は、機関排気空燃比を低下させずにＮＯｘ触媒５に燃料を供給することで該ＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気を還元雰囲気とすることが可能な機関負荷の上限値である。

本実施例においては、スロットル弁８を閉弁方向に制御することで吸入空気量を減少させ、それによって、機関排気空燃比を第一所定空燃比にまで低下させる。尚、本実施例において、可変容量型ターボチャージャが設けられている場合、該ターボチャージャによる過給圧を低下させることで吸入空気量を減少させ、それによって、機関排気空燃比を第一所定空燃比にまで低下させても良い。また、本実施例において、排気の一部を吸気通路３に導入するＥＧＲ装置が設けられている場合、吸気通路３に導入される排気の流量を増加させることで吸入空気量を減少させ、それによって、機関排気空燃比を第一所定空燃比にまで低下させても良い。

＜高負荷時における排気空燃比制御＞
ここで、内燃機関１の運転状態が高負荷にあるときにＮＯｘ還元制御を実行する場合の流入排気空燃比の制御について図２に基づいて説明する。図２は、内燃機関１の運転状態が高負荷にあるときのＮＯｘ還元制御における流入排気空燃比とＮＯｘ触媒５の温度との関係を示す図である。図２の（ａ）における縦軸は流入排気空燃比を表し、図２（ｂ）における縦軸はＮＯｘ触媒５の温度を表している。図２の（ａ）および（ｂ）の横軸は時間を表している。

上述したように、本実施例では、内燃機関１の運転状態が高負荷であるときにＮＯｘ還元制御を行なう場合、機関排気空燃比を第一所定空燃比Ｒ１にまで低下させる。そして、図２に示すように、機関排気空燃比を第一所定空燃比Ｒ１にまで低下させることで流入排気空燃比が第一所定空燃比Ｒ１となっているときに、燃料添加弁６によって燃料を添加することで流入排気空燃比をさらに第二所定空燃比Ｒ２にまで低下させる。ここで、第二所定空燃比Ｒ２は、ＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気が還元雰囲気となる値である。

この場合、燃料添加弁６から燃料が添加されることで流入排気空燃比が第二所定空燃比Ｒ２にまで低下しているときにＮＯｘが還元されることになる。換言すれば、燃料添加弁６から燃料が添加されておらず、流入排気空燃比が第一所定空燃比Ｒ１であるときは、ＮＯｘは還元されず吸蔵されることになる。

しかしながら、機関排気空燃比を低下させた場合、排気の温度は上昇するため、これに伴ってＮＯｘ触媒５の温度も図２に示すように上昇することになる。そして、ＮＯｘ触媒５はその温度が上昇するとＮＯｘ吸蔵能力が低下する場合がある。

そこで、本実施例では、図２に示すように、機関排気空燃比を低下させる期間を所定期間Δｔｄ０とする。ここで、所定期間Δｔｄ０は、機関排気空燃比を低下させることでＮＯｘ触媒５の温度が徐々に上昇して所定温度Ｔ０にまで達する期間よりも短い期間である。また、ここでの所定温度Ｔ０は、ＮＯｘ触媒５のＮＯｘ吸蔵能力が過剰に低下すると判断出来る温度の下限値以下の温度である。

所定期間Δｔｄ０は、機関排気空燃比を低下させるときの内燃機関１の運転状態に応じて決められても良い。また、温度センサ１２の検出値に基づいて該所定期間Δｔｄ０を補正しても良い。

そして、所定期間Δｔｄ０の間に燃料添加弁６による燃料添加を実行し、これにより流入排気空燃比を第二所定空燃比Ｒ２にまで低下させる。

以上のように流入排気空燃比を制御することで、内燃機関１の運転状態が高負荷にあるときであっても、ＮＯｘ触媒５の温度が所定温度Ｔ０以上となることを抑制しつつ、流入排気空燃比を第二所定空燃比Ｒ２まで低下させることが出来る。

従って、本実施例によれば、ＮＯｘ触媒５のＮＯｘ吸蔵能力の低下を抑制しつつ、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘを還元することが出来る。即ち、排気中のＮＯｘをより好適に浄化することが可能となる。

＜ＮＯｘ還元制御の制御ルーチン＞
次に、本実施例に係るＮＯｘ還元制御の制御ルーチンについて図３に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンはＥＣＵ２０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、所定間隔毎に実行されるルーチンである。

本ルーチンでは、先ずＳ１０１において、ＥＣＵ１０は、ＮＯｘ還元制御の実行条件が成立したか否かを判別する。ここで、ＮＯｘ還元制御の実行条件としては、内燃機関１における燃料噴射量の積算値が予め定められた所定噴射量以上となった場合等が例示できる。Ｓ１０１において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。

Ｓ１０２において、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の負荷Ｑｅが所定負荷Ｑｅ０以上であるか否かを判別する。ここで、所定負荷Ｑｅ０は、機関排気空燃比を低下させずに燃料添加弁６による燃料添加のみで流入排気空燃比を第二所定空燃比Ｒ２にまで低下させることは困難と判断出来る閾値となる負荷である。Ｓ１０２において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０は内燃機関１の運転状態が高負荷であると判断しＳ１０３に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は内燃機関１の運転状態が低負荷であると判断しＳ１０８に進む。

Ｓ１０８に進んだＥＣＵ１０は、燃料添加弁６による燃料添加を実行することで、流入排気空燃比Ｒｉｎを第二所定空燃比Ｒ２にまで低下させる。これにより、ＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気を還元雰囲気とし該ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘを還元する。その後、ＥＣＵ１０は、本ルーチンの実行を終了する。

一方、Ｓ１０３に進んだＥＣＵ１０は、スロットル弁８を閉弁方向に制御することで、
機関排気空燃比を第一所定空燃比Ｒ１にまで低下させる。尚、このときのスロットル弁８の閉弁量は、エアフローメータ７によって検出される吸入空気量や、内燃機関１の運転状態に応じて決定される。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０４に進み、空燃比センサ１１によって検出される流入排気空燃比Ｒｉｎが第一所定空燃比Ｒ１にまで低下したか否かを判別する。Ｓ１０３において、スロットル弁８を閉弁方向に制御することで機関排気空燃比を第一所定空燃比Ｒ１にまで低下させた後、流入排気空燃比Ｒｉｎが第一所定空燃比Ｒ１となるまでにはある程度時間がかかる。そこで、本実施例では、空燃比センサ１１によって検出される流入排気空燃比Ｒｉｎが第一所定空燃比Ｒ１となってから、後述する燃料添加弁６による燃料添加を実行する。Ｓ１０４において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０５に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０３に戻る。

Ｓ１０５において、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁６による燃料添加を実行することで、流入排気空燃比Ｒｉｎを第二所定空燃比Ｒ２にまで低下させる。これにより、ＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気を還元雰囲気とし該ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘを還元する。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０６に進み、Ｓ１０３においてスロットル弁８を閉弁方向に制御してから、即ち、機関排気空燃比を低下させてからの経過時間Δｔｄが上述した所定期間Δｔｄ０に達したか否かを判別する。このＳ１０６において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０７に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０６を繰り返す。

Ｓ１０７に進んだＥＣＵ１０は、スロットル弁８を開弁方向に制御する。即ち、機関排気空燃比を第一所定空燃比Ｒ１にまで低下させる制御を停止する。その後、ＥＣＵ１０は、本ルーチンの実行を終了する。

以上説明した制御ルーチンによれば、内燃機関１の運転状態が高負荷であるときにＮＯｘ還元制御を実行する場合であっても、機関排気空燃比を低下させる期間は所定期間Δｔｄ０に抑えられる。これにより、ＮＯｘ触媒５の温度が所定温度Ｔ０以上となることを抑制することが出来る。

尚、上記制御ルーチンにおいては、空燃比センサ１１によって検出される流入排気空燃比Ｒｉｎが第一所定空燃比Ｒ１となってから燃料添加弁６による燃料添加を実行するが、機関排気空燃比を第一所定空燃比Ｒ１にまで低下させるべくスロットル弁８を閉弁方向に制御した後、所定経過時間が経過したときに燃料添加弁６による燃料添加を実行しても良い。

ここで、所定経過時間は、流入排気空燃比Ｒｉｎが第一所定空燃比Ｒ１にまで低下したと判断出来る時間である。この場合、該所定経過時間は、排気通路２の容量や内燃機関１の運転状態に基づいて決定されても良い。

また、機関排気空燃比を第一所定空燃比Ｒ１にまで低下させるべくスロットル弁８を閉弁方向に制御した後、所定の燃焼サイクル数が経過したときに燃料添加弁６による燃料添加を実行しても良い。

スロットル弁８が閉弁方向に制御されることで機関排気空燃比が第一所定空燃比Ｒ１にまで低下された後、一燃焼サイクル毎に第一所定空燃比Ｒ１の排気がＮＯｘ触媒５に近づくことになる。上記の場合、所定の燃焼サイクル数は、流入排気空燃比Ｒｉｎが第一所定空燃比Ｒ１にまで低下したと判断出来る燃焼サイクル数である。

本実施例において、内燃機関１の運転状態が高負荷であるときにＮＯｘ還元制御を実行する場合、燃料添加弁６から燃料を添加するときにのみ流入排気空燃比が第一所定空燃比Ｒ１になっていれば、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘを還元することが出来る。そこで、所定期間Δｔｄ０を、燃料添加弁６によって燃料を添加することで流入排気空燃比を第二所定空燃比Ｒ２にまで低下させることが出来る範囲で可及的に短い期間としても良い。

本発明の実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図。内燃機関１の運転状態が高負荷にあるときのＮＯｘ還元制御における流入排気空燃比とＮＯｘ触媒の温度との関係を示す図。本発明の実施例に係るＮＯｘ還元制御の制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・排気通路
３・・・吸気通路
５・・・吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
６・・・燃料添加弁
８・・・スロットル弁
１０・・ＥＣＵ
１１・・空燃比センサ
１２・・温度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記内燃機関から排出される排気の空燃比である機関排気空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記空燃比制御手段によって機関排気空燃比を低下させつつ前記還元剤供給手段によって前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給することで、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するＮＯｘ還元制御を実行するＮＯｘ還元制御実行手段と、を備え、
前記ＮＯｘ還元制御実行手段は、前記ＮＯｘ還元制御を実行する場合、機関排気空燃比を低下させる期間を、前記ＮＯｘ触媒の温度が所定温度に達する期間よりも短い所定期間とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
前記ＮＯｘ還元制御実行手段は、前記ＮＯｘ還元制御の実行時に前記内燃機関の機関負荷が所定負荷以下のときは、機関排気空燃比を低下させることなく前記還元剤供給手段によって前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給することで該ＮＯｘ還元制御を実行し、前記ＮＯｘ還元制御の実行時に前記内燃機関の機関負荷が前記所定負荷より高いときは、前記空燃比制御手段によって機関排気空燃比を低下させつつ前記還元剤供給手段によって前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給することで前記ＮＯｘ還元制御を実行することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化システム。