JP4709733B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する触媒装置に吸着された硫黄分の除去処理を行う手段と、粒子状物質（ＰＭ）を捕捉するフィルタ装置の再生処理を行う手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置に関するものである。

自動車用内燃機関の燃焼室から排出されるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）を無害化する処理を行うために、内燃機関の排気通路には三元触媒（以下、ＴＷＣと記す）が設けられている。このＴＷＣは、主に理論空燃比（以下、ストイキと記す）での燃焼状態に適合しており、特に希薄燃焼を行う内燃機関（例えばディーゼル機関）はＮＯ_Ｘの排出量が大きいので、これを無害化するためのリーンＮＯ_Ｘ触媒（以下、ＬＮＣと記す）がＴＷＣの下流側に設けられることがある。

また、ディーゼル機関は、粒子状物質（Particulate Matter：煤、以下、ＰＭと記す）が発生するので、これを捕捉するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）がＴＷＣの下流側且つＬＮＣの上流側に設置されている。このＤＰＦに対するＰＭの堆積量が増加すると、目詰まりによる背圧の上昇（出力の低下）がもたらされるので、適時、強制的にＰＭを再燃焼させて除去する処理（以下、ＤＰＦ再生と記す）を行う必要がある。このＤＰＦ再生を行うには、排出ガスの温度が所定値よりも高く、且つ空燃比（以下、排気Ａ／Ｆと記す）が所定値よりも高い（以下、リーンと記す）状態にする必要がある（特許文献１を参照されたい）。

他方、燃料には硫黄分が含まれているため、ＳＯ_Ｘ（硫黄酸化物）やＨ_２Ｓ（硫化水素）も排出される。これらの硫黄分がＴＷＣ或いはＬＮＣに吸着した状態（以下、Ｓ被毒と記す）になると、これらのＮＯ_Ｘ浄化性能が低下するので、吸着した硫黄分を適時無害化して放出する必要がある。この硫黄分の放出処理（以下、サルファパージと記す）を行うには、ＴＷＣ或いはＬＮＣに流入する排出ガスの温度が所定値よりも高く、且つ排気Ａ／Ｆが所定値よりも低い（以下、リッチと記す）状態にする必要がある（特許文献２を参照されたい）。
特開２０００−１６１０４４号公報 特開２００３−１２０３７３号公報

つまり、ＤＰＦ再生並びにサルファパージは、共に高温で行う必要があるが、ＤＰＦ再生はリーン雰囲気下で、サルファパージはリッチ雰囲気下で、と互いに異なる燃焼状態で行わねばならないので、従来は、これらの処理を個別に行っていた。これらの処理は、通常運転の燃焼状態を処理のために強制的に変更して行うので、特にリッチ雰囲気とするサルファパージは、その処理時間が長引くと燃費が悪化するという不都合がある。

本発明は、このような従来技術の課題を解決すべく創案されたものであり、その主な目的は、ＤＰＦ再生及びサルファパージを、燃費の悪化を招かずに高効率に実行し得る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、本発明の請求項１は、少なくとも還元機能を有する第１の触媒（例えばＴＷＣ７）と、ＤＰＦ（粒子状物質捕捉フィルタ）８と、排気Ａ／Ｆがリーン状態でＮＯＸを吸着させ且つ吸着したＮＯＸをリッチ状態で還元浄化する第２の触媒（例えばＬＮＣ９）とを排気通路に上流からこの順に列設してなる内燃機関の排気浄化装置１０において、ＤＰＦに捕捉したＰＭを高温かつリーン雰囲気で除去するためのＤＰＦ再生処理手段と、第１の触媒並びに第２の触媒に吸着した硫黄分を高温かつリッチ雰囲気で無害化して放出するためのサルファパージ手段（硫黄被毒回復処理手段）とを備え、粒子状物質捕捉フィルタへの粒子状物質の堆積量が所定値に達している判断した場合、第１の触媒の温度が所定値に達しているか否かを判別し、温度が所定値に達していなければ、第１の触媒の昇温制御を実行し、温度が所定値に達していれば、粒子状物質捕捉フィルタの再生処理時間と、第１の触媒並びに第２の触媒に吸着された硫黄分の除去処理時間とを算出した後、これら再生処理時間および除去処理時間からリーン運転とリッチ運転との運転切換え時間を設定し、この運転切換え時間に基づいて排気空燃比の目標値をリーン側とリッチ側とに交互に切換えるものとした。

このような本発明によれば、第１の触媒並びにその下流に配した第２の触媒のサルファパージを、ＤＰＦ再生に同期して短時間な高温・リッチ雰囲気下で行うことができるので、燃費への悪影響が及ぶことを最低限に抑えた上で第１の触媒並びに第２の触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能が悪化することを防止することができる。特にサルファパージは、これを単独で行うと、燃費悪化の要因となるので、並行処理とすれば、処理時間の短縮化を図ることができ、しかも両処理の進行が平均的になるので、何らかの理由で処理が中断しても、ＤＰＦ、第１の触媒、及び第２の触媒の機能が損なわれずに済む。

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の過給機１よりも下流側には、ストイキ雰囲気下において排気中のＨＣおよびＣＯを酸化すると共にＮＯ_Ｘを還元するＴＷＣ７（第１の触媒）と、煤などの粒子状物質（ＰＭ）を捕捉するフィルタ（ＤＰＦ）８と、酸素濃度が高い（リーン）ときに排気中のＮＯ_Ｘを吸着させると共に、吸着したＮＯ _Ｘ を酸素濃度が低い（リッチ）ときに還元するＬＮＣ９（第２の触媒）とを、排気の流れに沿って上流から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、排気再循環（以下、ＥＧＲと記す）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２７Ｕ・２７Ｌ、ＮＯ_Ｘセンサ２８Ｕ・２８Ｌ、ＴＷＣ温度センサ２９、ＬＮＣ温度センサ３０・・・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）に応じてベンチテスト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。

この内燃機関Ｅにおいては、ＤＰＦ８に堆積したＰＭを除去するＤＰＦ再生処理と、ＴＷＣ７或いはＬＮＣ９に吸着した硫黄分を除去するサルファパージ処理とを適時行う必要がある。これらのうち、サルファパージは、比較的長時間かつ継続的なリッチ雰囲気下で行われるため、排気中のＰＭ発生量が増大するが、一般に、ＤＰＦ再生よりは頻度が低い。そこで本発明においては、リーン雰囲気下でのＤＰＦ再生を実行する際に、間欠リッチ化制御を同時に行うことにより、サルファパージがＤＰＦ再生と並行して行われるようにした。

次に本発明によるＤＰＦ再生並びにサルファパージの処理手順について図３を参照して説明する。先ず、エンジンの負荷情況や燃料供給量などを常時監視してＰＭ発生量を推定し、それを積算して得たＤＰＦ８のＰＭ堆積量が所定のしきい値に達しているか否かを判別する（ステップ１）。

この値が所定値以下であれば（ステップ１：否定）、未だＤＰＦ再生処理は不要と判断し、この処理を終了する。ここで所定値に達していると判断されたとき（ステップ１：肯定）は、ＴＷＣ７の温度が所定値に達しているか否かを判別し（ステップ２）、所定値に達していなければ（ステップ２：否定）、例えばポスト噴射などによる昇温処理を行う（ステップ３）。ここで所定値に達していることが判断された（ステップ２：肯定）場合は、ＰＭ堆積量と再生時間との関係を設定した処理時間テーブル（図４）を参照し、ＤＰＦ再生時間を算出する（ステップ４）。

これと同時に、走行距離、走行時間、燃料消費量、酸素濃度などからＳ被毒量の積算値を推定し、Ｓ被毒量と再生時間との関係を設定した処理時間テーブル（図５）を参照し、サルファパージに要する時間を算出する（ステップ５）。

両処理時間からリッチタイマとリーンタイマとの運転切換え時間を設定し（ステップ６）、所定の高温状態におけるリッチ、リーン運転を交互に繰り返す（ステップ７）。

この処理を、ステップ８でタイマのカウント終了が判断されるまで繰り返す。

ディーゼル機関は、定常運転がリーンなので、ＤＰＦ８に捕捉されたＰＭは、高温リーン雰囲気下でＴＷＣ７にＮＯ_Ｘが捕捉される時に発生した活性酸素によっても再燃焼させることができる。またＮＯ_Ｘ浄化のために行うリッチスパイク制御時に発生する活性酸素によってもＰＭは再燃焼する。つまりＤＰＦ再生は、広い運転範囲で処理可能である。

これに対し、サルファパージは、高温リッチ雰囲気下で行われるが、高負荷域では過給機の温度が上がりすぎ、低負荷域では温度が不足する。つまり処理に最適な負荷領域はある程度限られている（図６参照）。

このように、サルファパージとＤＰＦ再生との進行度合いは、運転状態に大きく影響されるので、リッチタイマとリーンタイマとの切換時間配分を、全体の処理に必要な時間に対する達成度に応じて適宜に修正することが考えられる。

即ち、ＤＰＦ再生可能領域に比してサルファパージ可能領域は狭いので、市街地での発進・停止を繰り返すような運転状態時は、サルファパージを優先して実行すると良い。

また過度な低負荷域、あるいは過度な高負荷域では、サルファパージができないので、必然的にＤＰＦ再生処理のみが実行される。

そして高速定速走行など、常にサルファパージが可能な状態で走行する場合は、単純に、ＰＭ堆積量並びにＳ被毒量に対応して最短処理時間を計算し、処理時間の配分をタイマで切換えれば良い。

以上のように、リッチタイマとリーンタイマとの切換えでＤＰＦ再生とサルファパージとを並列的に行うことにより、常に両者が平均して処理されることとなり、ＤＰＦ８のＰＭ捕捉能力とＴＷＣ７並びにＬＮＣ９のＮＯ_Ｘ捕捉能力とを高いレベルに維持することができる。

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。 本発明処理に関わるフロー図である。 ＰＭ堆積量と再生時間との関係を設定した処理時間テーブルである。 Ｓ被毒量と再生時間との関係を設定した処理時間テーブルである。 各処理に最適な運転領域の分布図である。

符号の説明

７ ＴＷＣ
８ ＤＰＦ
９ ＬＮＣ

Claims (1)

1. 少なくとも還元機能を有する第１の触媒と、粒子状物質捕捉フィルタと、排気空燃比がリーン状態でＮＯＸを吸着させ且つ吸着したＮＯＸをリッチ状態で還元浄化する第２の触媒とを排気通路に上流からこの順に列設してなる内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記粒子状物質捕捉フィルタに捕捉した粒子状物質を高温かつリーン雰囲気で除去する粒子状物質捕捉フィルタ再生処理手段と、前記第１の触媒並びに前記第２の触媒に吸着した硫黄分を高温かつリッチ雰囲気で無害化して放出する硫黄被毒回復処理手段とを備え、
   前記粒子状物質捕捉フィルタへの粒子状物質の堆積量が所定値に達している判断した場合、前記第１の触媒の温度が所定値に達しているか否かを判別し、
   当該温度が所定値に達していなければ、当該第１の触媒の昇温制御を実行し、
   当該温度が所定値に達していれば、前記粒子状物質捕捉フィルタの再生処理時間と、前記第１の触媒並びに前記第２の触媒に吸着された硫黄分の除去処理時間とを算出した後、これら再生処理時間および除去処理時間からリーン運転とリッチ運転との運転切換え時間を設定し、この運転切換え時間に基づいて排気空燃比の目標値をリーン側とリッチ側とに交互に切換えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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