JP4661626B2

JP4661626B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4661626B2
Application number: JP2006044070A
Authority: JP
Inventors: 聡谷口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: JP2007224751A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒という。）を配置する技術が知られている。このＮＯx触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときに排気中
のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときに吸蔵し
ていたＮＯxを還元する。

そして、複数の燃料を混合して用いる内燃機関においても、排気中にＮＯxが含まれる
ため、排気通路に吸蔵還元型ＮＯx触媒を備えることがある（例えば、特許文献１参照。
）。

ところで、複数の燃料を混合して用いる内燃機関においては、燃料の混合割合により燃焼状態が変わるので、燃料の混合割合に応じてＮＯxの排出量も変化する。

ここで、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯxを還元するときには、まず吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量を推定し、この推定値に基づいてＮＯx還元処理
を行う時期を決定することがある。この場合、ＮＯx吸蔵量の推定が不正確であると、Ｎ
Ｏxの還元処理が必要な時期にこの処理が行われずにＮＯx浄化率が低下したり、ＮＯxの
還元処理が必要ない時期にこの処理が行われて燃費が悪化したりする。
特許第２６９２３１１号公報特開平５−２７２３８３号公報特開２０００−１７０５２７号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量をより正確に推定することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
複数の燃料を混合して用いる内燃機関の排気通路に備わる吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵量が所定量以上となったときにＮＯx還元処理を行う内燃機関の排気浄化装置であっ
て、
前記内燃機関に供給される燃料中の所定の種類の燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
前記燃料濃度検出手段により検出される濃度に基づいて、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に
吸蔵されるＮＯx量を推定するＮＯx吸蔵量推定手段と、
を具備することを特徴とする。

前記内燃機関は、複数の燃料を混合したものを混合燃料として使用する。混合燃料中の夫々の燃料の燃焼速度、燃焼温度、または点火時期が異なることがある。したがって、燃料の混合割合によりＮＯxの発生量が異なることがある。そうすると、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵量は、燃料の混合割合により異なることとなる。

そのため、ＮＯx吸蔵量推定手段は、燃料濃度検出手段より検出される濃度に基づいて
吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されるＮＯx量を推定する。そして、ＮＯx排出量が多くなる
燃料の割合が多いほど、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されるＮＯx量が多いと推定される。これにより、ＮＯx吸蔵量をより正確に推定することができるので、ＮＯx還元処理をより適正な時期に行うことができる。

また、本発明においては、前記内燃機関は、少なくともアルコールを含む複数の燃料を混合して用い、
前記燃料濃度検出手段は、前記内燃機関に供給される燃料中のアルコールの濃度を検出し、
前記ＮＯx吸蔵量推定手段は、前記燃料濃度検出手段により検出されるアルコールの濃
度が高いほど、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されるＮＯx量が少ないと推定することができる。

アルコールはガソリン等と比較して燃焼温度が低いため、一般に、空気過剰率が同じであってもアルコール濃度が高いほど、ＮＯxの排出量は少ない。また、均質リーン燃焼を
行う内燃機関では、一般に、アルコール濃度が高いほど、よりリーン空燃比での燃焼が可能となる。さらに、アルコール濃度が高いほど、リーン空燃比で運転可能な領域がより広くなる。ここで、空燃比がリーンとなるほどＮＯxの排出量は少なくなるので、アルコー
ル濃度が高いほどＮＯx排出量を減少させることができる。すなわち、アルコール濃度が
高いほど吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されるＮＯx量は少なくなるので、ＮＯx吸蔵量推定
手段は燃料濃度検出手段により検出されるアルコールの濃度が高いほど、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されるＮＯx量が少ないと推定することができる。

本発明によれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量をより正確に推定することができる。これにより、適正な時期にＮＯxの還元処理を行うことができるので、Ｎ
Ｏx浄化率の低下を抑制したり、燃費の向上を図ったりすることができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関１、並びにその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクルエンジンである。内燃機関１は、ガソリンおよびアルコールを任意の割合で混合した混合燃料を用いることができる。また、内燃機関１は、均質リーンで燃焼可能である。

内燃機関１には、燃焼室２へ通じる吸気通路３が接続されている。この吸気通路３の途中には、内燃機関１の吸入空気量を測定するエアフローメータ４が取り付けられている。また、エアフローメータ４よりも内燃機関１側の吸気通路３には、スロットル５が設けられている。このスロットル５には、該スロットル５の開度に応じた信号を出力するスロットル開度センサ５１が取り付けられている。このスロットル開度センサ５１の出力信号により内燃機関１の負荷を検出することができる。そして、エアフローメータ４またはスロットル開度センサ５１の出力信号に基づいて内燃機関１に供給する燃料量が算出される。

スロットル５よりも内燃機関１側の吸気通路３には、該吸気通路３内に燃料を噴射する燃料噴射弁６が取り付けられている。燃料噴射弁６には、燃料供給管６１が接続され該燃
料供給管６１内には燃料が流れている。また、燃料供給管６１には、該燃料供給管６１内を流れる燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサ６２が取り付けられている。なお、本実施例ではアルコール濃度センサ６２が、本発明における燃料濃度検出手段に相当する。

一方、内燃機関１には、燃焼室２へ通じる排気通路７が接続されている。排気通路７の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒という。）８が設けられている。ＮＯx触媒８は、流入する排気の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときに吸蔵していたＮＯxを還元する機能
を有する。

また、ＮＯx触媒８よりも上流の排気通路７の途中には、三元触媒１２が設けられてい
る。この三元触媒１２は、ストイキ若しくはリッチ空燃比でＮＯxを還元浄化することが
できる。一方、ストイキ若しくはリーン空燃比のときには酸化作用が活発となり、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）等を酸化させ浄化させることができる。この三元触媒１２よりも上流の排気通路７には、該排気通路７を流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ９が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御する。ＥＣＵ１０には前記センサの他、機関回転数に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ１１が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号が入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１０には、燃料噴射弁６が電気配線を介して接続され、この燃料噴射弁６はＥＣＵ１０により制御される。

ところで、アルコールは燃焼温度がガソリンと比較して低いので、混合燃料中のアルコール濃度が高いほどＮＯxの排出量は少なくなる。また、リーン燃焼可能な内燃機関１で
は、アルコール濃度が高いほどリーン空燃比で燃焼可能な運転領域が広がるため、ＮＯx
の排出量が少なくなる。さらに、アルコール濃度が高いほど、よりリーンの空燃比での運転が可能となるため、よりリーンの空燃比で運転することによりＮＯxの排出量が少なく
なる。

これらの理由により、混合燃料中のアルコール濃度が高いほど、ＮＯx触媒８に吸蔵さ
れるＮＯx量が少なくなる。そのため、ＮＯx還元処理を行う間隔を広くすることができる。そこで本実施例では、混合燃料中のアルコール濃度に基づいて、ＮＯx触媒８に吸蔵さ
れるＮＯx量を推定し、この推定値が所定値以上となったときに、ＮＯxの還元処理を行なう。

次に、本実施例に係るＮＯx還元処理のフローについて説明する。図２は、本実施例に
係るＮＯx還元処理のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間
毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、アルコール濃度が読み込まれる。本ステップでは、燃料のアルコール濃度がアルコール濃度センサ６２により検出され、その値がＥＣＵ１０に記憶される。なお、アルコール濃度センサ６２を用いずに、空燃比センサ９により検出される空燃比に基づいた燃料供給量のフィードバック制御時のフィードバック値からアルコール濃度を推定してもよい。

ステップＳ１０２では、内燃機関１がリーン空燃比で運転中か否か判定される。ここで
、内燃機関１がリッチまたはストイキ空燃比で運転されている場合には、三元触媒１２によりＮＯxを浄化することが可能なため、ＮＯx触媒８に吸蔵されるＮＯx量は増加しない
。そこで本ルーチンでは、内燃機関１がリーン空燃比で運転中の場合にだけ、ＮＯx触媒
８に吸蔵されるＮＯx量を算出する。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはス
テップＳ１０３へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０３では、混合燃料中のアルコール濃度に基づいてＮＯx排出量が積算さ
れる。

ここで、図３は機関回転数（ｒ．ｐ．ｍ．）と燃料噴射量（ｍｍ^３／ｓｔ）と単位時間あたりのＮＯx排出量（ｇ／ｈ）との関係をアルコール濃度毎に示したマップである。図
３（Ａ）はアルコール濃度０％のとき、図３（Ｂ）はアルコール濃度５０％のとき、図３（Ｃ）はアルコール濃度１００％のときを夫々示している。なお、実際には例えばアルコール濃度１０％毎にマップを持っている。

ここで、機関回転数および燃料噴射量が同じ場合には、アルコール濃度が高いほどＮＯx排出量が少なくなる。例えば燃料噴射量が１２（ｍｍ^３／ｓｔ）で機関回転数が１２０
０（ｒ．ｐ．ｍ．）の場合、アルコール濃度が０％のときは単位時間あたりのＮＯx排出
量が４（ｇ／ｈ）であるが、アルコール濃度が５０％のときは３（ｇ／ｈ）となり、さらにアルコール濃度が１００％のときは１（ｇ／ｈ）となる。

また、アルコール濃度が高いほどリーン空燃比で運転可能な領域が広くなる。すなわち、機関回転数がより高く、または燃料噴射量がより多い範囲でもリーン空燃比で運転可能となる。例えばアルコール濃度が０％の場合は燃料噴射量が２４（ｍｍ^３／ｓｔ）、機関回転数が２４００（ｒ．ｐ．ｍ．）のときがリーン空燃比で運転可能な限界となる。しかしアルコール濃度が５０％の場合は燃料噴射量が３２（ｍｍ^３／ｓｔ）、機関回転数が２８００（ｒ．ｐ．ｍ．）のときがリーン空燃比で運転可能な限界となり、アルコール濃度が１００％の場合は燃料噴射量が３６（ｍｍ^３／ｓｔ）、機関回転数が４０００（ｒ．ｐ．ｍ．）のときがリーン空燃比で運転可能な限界となる。なお、リーンで運転することができない領域は、図３のＮＯｘ排出量が「０」とされている。

そして、アルコール濃度センサ６２により得られるアルコール濃度に基づいて図３の中から該当するマップを選択し、ＥＣＵ１０により決定される燃料噴射量（ｍｍ^３／ｓｔ）の指令値およびクランクポジションセンサ１１により得られる機関回転数（ｒ．ｐ．ｍ．）を該マップに代入することで単位時間あたりのＮＯｘ排出量（ｇ／ｈ）を得る。

ところで、単位体積当たりのアルコールの発熱量はガソリンよりも小さいため、同じトルクを発生させようとした場合アルコール濃度が高くなるほど燃料噴射量を多くしなければならない。しかし図３では、理解しやすいようにアルコール濃度に応じた燃料噴射量の増量を考慮せずに概念的に示している。実際には、アルコール濃度に応じた燃料噴射量の補正が行われる。このようにアルコール濃度に応じた燃料噴射量の補正を行った後の閾値を図３のようにマップ化してもよい。

このようにして単位時間あたりのＮＯｘ排出量を得た後、前回ルーチン実行時から今回ルーチン実行時までの時間を乗じることにより、前回ルーチン実行時から今回ルーチン実行時までのＮＯｘ排出量を得る。このＮＯｘ排出量をルーチンが実行される度に積算した値をＮＯｘ触媒８に吸蔵されているＮＯｘ量としている。なお、本実施例ではステップＳ１０３の処理を行うＥＣＵ１０が、本発明におけるＮＯx吸蔵量推定手段に相当する。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で算出されたＮＯｘ吸蔵量が所定値以上であ
るか否か判定される。所定値は、ＮＯｘ還元処理が必要な値として予め設定しておく。すなわち、本ステップでは、ＮＯx触媒８のＮＯｘ還元処理が必要となっているか否か判定
される。ここで、ＮＯｘ還元処理は内燃機関１の燃焼状態の変更を伴うため、多少のトルク変動等がある。そのため、ＮＯｘ還元処理をあまり頻繁に行わないように前記所定値が決定される。ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０５では、ＮＯｘ還元処理条件が成立しているか否か判定される。ＮＯｘ還元処理条件とは、ＮＯｘ還元をするために必要となる条件であり、例えば、燃料噴射量が多いとＮＯｘの還元効率が悪くなったり、トルクの大きさが急変したり、燃料を多く消費したりするので、ＮＯｘ還元処理を行わない。また、車両の加速時においてもＮＯｘ還元処理を行わない。ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一端終了させる。

ステップＳ１０６ではＮＯｘ還元処理が実行される。ＮＯx還元処理時には、ＮＯx触媒８に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にリッチとする、所謂リッチスパイク制御を実行する。例えばＮＯx触媒８よりも上流の排気通路７に燃料
添加弁を取り付けて、該燃料添加弁から還元剤たる燃料を添加することにより排気の空燃比をリッチとする。

ステップＳ１０７では、ＮＯｘ排出量の積算値が０とされる。また、ＮＯｘ還元処理が途中で中止された場合には、ＮＯxを還元した分だけＮＯｘ排出量の積算値を減じてもよ
い。その後本ルーチンを一旦終了させる。

このようにして、混合燃料中のアルコール濃度に応じてＮＯｘの吸蔵量をより正確に推定することができる。これにより、適正な時期にＮＯｘ還元処理を行うことができる。また、給油により混合燃料中のアルコール濃度が変わった場合でも、その都度、ＮＯｘの排出量を求めることができるので、やはり適正な時期にＮＯｘ還元処理を行うことができる。なお、他の種類の燃料を混合する場合でも、図３に示したマップを同様にして求めておくことで、ＮＯｘの吸蔵量をより正確に推定することができる。

以上説明したように、本実施例によれば、ＮＯx触媒８に吸蔵されているＮＯｘをより
正確に推定することができるので、ＮＯｘ還元処理をより適正な時期に行うことができる。これにより、ＮＯxの浄化率を向上させることができる。また、燃費を向上させること
ができる。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関、並びにその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。実施例に係るＮＯx還元処理のフローを示したフローチャートである。機関回転数（ｒ．ｐ．ｍ．）と燃料噴射量（ｍｍ^３／ｓｔ）と単位時間あたりのＮＯx排出量（ｇ／ｈ）との関係をアルコール濃度毎に示したマップである。

符号の説明

１内燃機関
２燃焼室
３吸気通路
４エアフローメータ
５スロットル
６燃料噴射弁
７排気通路
８吸蔵還元型ＮＯx触媒
９空燃比センサ
１０ＥＣＵ
１１クランクポジションセンサ
１２三元触媒
５１スロットル開度センサ
６１燃料供給管
６２アルコール濃度センサ

Claims

複数の燃料を混合して用いる内燃機関の排気通路に備わる吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵量が所定量以上となったときにＮＯx還元処理を行う内燃機関の排気浄化装置であっ
て、
前記内燃機関に供給される燃料中の所定の種類の燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
前記燃料濃度検出手段により検出される濃度に基づいて、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に
吸蔵されるＮＯx量を推定するＮＯx吸蔵量推定手段と、
を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記内燃機関は、少なくともアルコールを含む複数の燃料を混合して用い、
前記燃料濃度検出手段は、前記内燃機関に供給される燃料中のアルコールの濃度を検出し、
前記ＮＯx吸蔵量推定手段は、前記燃料濃度検出手段により検出されるアルコールの濃
度が高いほど、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されるＮＯx量が少ないと推定す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。