JP4765685B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気にはＮＯxなどの有害物質が含まれている。これらの有害物質の排出を
低減するために、内燃機関の排気系に、排気中のＮＯxを浄化するＮＯx触媒を設けることが知られている。この技術において例えば吸蔵還元型ＮＯx触媒を設けた場合には、吸蔵
されたＮＯxの量が増加すると浄化能力が低下するため、リッチスパイク制御を行うこと
により吸蔵還元型ＮＯx触媒に還元剤を供給し、同触媒に吸蔵されたＮＯxを還元放出することが行われる（以下、「ＮＯx還元処理」という。）。

さらに、ＮＯx触媒に排気中のＳＯxが吸蔵され、浄化能力が低下するＳＯx被毒を解消
するために、ＮＯx触媒の床温を上昇させるとともに還元剤を供給する場合もある（以下
、「ＳＯx再生処理」という。）。このＳＯx再生処理において還元剤は、ＮＯx触媒の床
温を上昇させるためにも用いられる。

また、内燃機関の排気にはカーボンを主成分とする微粒子物質（ＰＭ：Particulate Matter）が含まれている。これらの微粒子物質の大気への放散を防止するために内燃機関の排気系に微粒子物質を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という。）を設ける技術が知られている。

かかるフィルタにおいては、捕集された微粒子物質の堆積量が増加すると、フィルタの目詰まりによって排気における背圧が上昇し機関性能が低下するので、フィルタの温度を上昇させて捕集された微粒子物質を酸化除去することとしている（以下、「ＰＭ再生処理」という。）。この場合にも、フィルタの温度を上昇させるために、フィルタに還元剤としての燃料を供給する場合がある。

以上の技術に関連して、ＮＯx還元のためのリッチスパイク制御のタイミング及び、リ
ッチスパイク制御において添加される還元剤量をＮＯx触媒におけるＮＯx吸蔵量やＳＯx
被毒量に基づいて決定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、上記技術においては、リッチスパイク制御が実行される際に内燃機関から排出される排気の空燃比が、運転状態によって変化することが充分に考慮されていないため、ＮＯx還
元処理などに必要な空燃比とするために必要なリッチスパイク量が最適に設定されているとは言えず、燃料消費量の観点で最適化されているとは言えなかった。
特開２００２−１９５０２６号公報 特開２０００−１１０６５５号公報 特開２００４−３６０５９３号公報

本発明の目的とするところは、排気浄化装置に還元剤としての燃料を供給して排気浄化装置の性能の再生処理を実施する場合における、還元剤としての燃料の消費量を低減できる技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、排気浄化装置の性能の再生処理を実行する際の、排気浄化装置における空燃比が、内燃機関における燃焼による排気の空燃比と、燃料供給
手段から供給された燃料による空燃比とによって決まることに着目した。そして、内燃機関における燃焼による排気の空燃比が低い状態において優先的に前記再生処理が実行されるべく、前記再生処理を開始するトリガを内燃機関における燃焼による空燃比に応じて変更することを最大の特徴とする。

より詳しくは、内燃機関の排気通路に配置され、該排気通路を通過する排気を浄化する排気浄化装置と、
前記排気浄化装置に還元剤としての燃料を供給する燃料供給手段と、
前記排気浄化装置における浄化対象物質の量を検出または推定する浄化量検出手段と、
前記浄化量検出手段によって検出または推定された浄化対象物質の量が所定の限界量以上となった場合に、前記燃料供給手段から前記排気浄化装置に燃料を供給することによって前記排気浄化装置における浄化対象物質を除去する再生処理を実行する再生手段と、
前記内燃機関における燃焼による排気の空燃比に応じて前記限界量の設定値を変更する限界量変更手段と、
を備えることを特徴とする。

ここで前述のように、フィルタや吸蔵還元型ＮＯx触媒などの排気浄化装置においては
、微粒子物質、ＮＯxまたはＳＯxが排気浄化装置に限界量を超えて蓄積した場合に、排気浄化装置からそれらを除去すべく再生処理が行われる。具体的には、燃料供給手段によって排気浄化装置の上流側の排気に燃料が供給され、排気浄化装置に導入される排気の空燃比が所定値までリッチ化される。これにより、排気浄化装置が昇温され、または、排気浄化装置における酸化還元反応が促される。ここで所定値とは、ＮＯx還元処理、ＳＯx再生処理、ＰＭ再生処理など、目的とする再生処理の種類に応じて予め定められた空燃比の値である。またここで限界量とは、フィルタや吸蔵還元型ＮＯx触媒などの排気浄化装置に
おいて、微粒子物質、ＮＯxまたはＳＯxが排気浄化装置に限界量を超えて蓄積した場合に、排気浄化性能が著しく悪化しまたは、運転性能に悪影響を及ぼすおそれがあると判定される閾値としての蓄積量である。

一方、内燃機関における燃焼による排気の空燃比は、内燃機関の運転状態によって変化する。従って、再生処理に必要な空燃比まで排気浄化装置に導入される排気をリッチ化するために、燃料供給手段から別途供給されるべき燃料量は、内燃機関の運転状態によって変化する。具体的には、内燃機関における燃焼による排気の空燃比が高い場合には、再生処理の際に排気浄化装置の上流の排気に別途供給されるべき燃料量は多くなり、内燃機関における燃焼による排気の空燃比が低い場合には、再生処理の際に排気浄化装置の上流の排気に別途供給されるべき燃料量は少なくなる。

従って、排気浄化装置についての再生処理を行う際には、内燃機関における燃焼による排気の空燃比が低いときに優先的に行った方が、排気浄化装置の上流の排気に別途供給されるべき燃料量を抑えることができる。すなわち、再生処理に係る燃費を抑えることができる。

そこで、本発明では、浄化量検出手段によって検出または推定された、排気浄化装置におけるＮＯxまたは微粒子物質の量が限界量以上となった場合に再生処理を実行する内燃
機関の排気浄化システムにおいて、内燃機関における燃焼による空燃比に応じて前記限界量の設定値を変更することとした。そうすれば、内燃機関における燃焼による空燃比に応じて再生処理が行われる頻度を変化させることができる。

これにより、例えば、内燃機関における燃焼による空燃比が比較的低い場合には、限界量を小さく設定することができ、内燃機関における燃焼による排気の空燃比が比較的高い場合には、限界量を大きく設定することができる。

その結果、内燃機関における燃焼による空燃比が低く、再生処理を行う際に別途供給されるべき燃料量が少なくて済むような運転状態においては再生処理をなるべく早期に実施することができ、内燃機関における燃焼による空燃比が高く、再生処理を行う際に別途供給されるべき燃料量が多くなるような運転状態においては再生処理をなるべく先送りすることができる。すなわち、再生処理を内燃機関における燃焼による排気の空燃比が比較的低い場合に優先的に実行させることができ、再生処理において還元剤として供給すべき燃料量を低減できる。その結果、再生処理に係る燃費を向上させることができる。

具体的には、上記の制御において前記限界量変更手段は、より高い前記空燃比に対する前記限界量が、より低い前記空燃比に対する前記限界量以上となるように、前記限界量の設定値を前記空燃比に応じて変更するようにするとよい。

それにより、再生処理を内燃機関における燃焼による排気の空燃比が低い場合に優先的に実行させ、内燃機関における燃焼による空燃比が高くなるにつれて再生処理が実行されづらくすることができる。

また、上記の制御は、前記排気浄化装置は吸蔵還元型ＮＯx触媒を含み、前記浄化対象
物質は排気中に含まれるＮＯxであり、前記再生手段は、前記浄化量検出手段によって検
出された、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxの量が所定の限界量以上となった場合に、前記燃料供給手段によってリッチスパイク制御を行うようにしてもよい。

これによれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx還元処理に係る燃費を向上させることができる。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明にあっては、排気浄化装置に還元剤としての燃料を供給して排気浄化装置の性能の再生処理を実施する場合における、還元剤としての燃料の消費量を低減でき、再生処理に係る燃費を向上させることができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示す図である。なお、図１においては、内燃機関１の内部及びその吸気系は省略されている。図１において、内燃機関１には、内燃機関１から排出される排気が流通する排気管５が接続され、この排気管５は下流にて図示しないマフラーに接続されている。また、排気管５の途中には、排気中のＮＯxを浄化する吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、「ＮＯx触媒」）１０が配置
されている。なお、ＮＯx触媒１０は本実施例における排気浄化装置である。

排気管５におけるＮＯx触媒１０の上流側には、ＮＯx触媒１０のＮＯx還元処理の際に
、ＮＯx触媒１０に還元剤としての燃料を供給する燃料添加弁１２が配置されている。燃
料添加弁１２から添加された燃料は、内燃機関１からの排気とともにＮＯx触媒１０に運
ばれＮＯx触媒１０に吸蔵されているＮＯxの還元放出に用いられる。

排気管５における燃料添加弁１２の上流側には、ＮＯx触媒１０から排出される排気の
空燃比を検出する空燃比センサ１５が配置されている。

以上述べたように構成された内燃機関１及びその排気系には、該内燃機関１及び排気系を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２０が併設さ
れている。このＥＣＵ２０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の運転状態等を制御する他、内燃機関１のＮＯx触媒１０に係る制御を行うユニットであ
る。

ＥＣＵ２０には、図示しないクランクポジションセンサや、アクセルポジションセンサ、吸入空気量を検出するエアフローメータなどの内燃機関１の運転状態の制御に係るセンサ類の他、上述の空燃比センサ１５が電気配線を介して接続され、出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ２０には、内燃機関１内の図示しない燃料噴射弁等が電気配線を介して接続される他、本実施例における燃料添加弁１２が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０によって制御されるようになっている。なお、上記の燃料添加弁１２は、本実施例における燃料供給手段を構成する。

また、ＥＣＵ２０には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えられており、ＲＯＭには、内燃機関１の種々の制御を行うためのプログラムや、データを格納したマップが記憶されている。ＮＯx触媒１０に吸蔵されたＮＯxを還元放出させるためのＮＯx還元処理を実行す
るＮＯx還元ルーチン（説明は省略）も、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されているプログラ
ムの一つである。従って、ＥＣＵ２０は本実施例における再生手段を構成する。

ここで、ＮＯx触媒１０に対するＮＯx還元処理を実行する際には、ＮＯx触媒１０に吸
蔵されたＮＯxの量を検出または推定し、この量が限界ＮＯx吸蔵量以上となったことをトリガとしてＮＯx還元処理を開始する。具体的には、前回のＮＯx還元処理の終了時以降の内燃機関の運転時間から、ＮＯx触媒１０に吸蔵されているＮＯx量を推定し、このＮＯx
量が限界ＮＯx吸蔵量以上となったとＥＣＵ２０が判定した際にＮＯx還元処理を開始してもよい。また、この処理においては、ＮＯx触媒１０の下流に設けられた図示しないＮＯxセンサの出力信号からＮＯx触媒１０に吸蔵されたＮＯxの量を推定してもよい。なお、ＥＣＵ２０は本実施例における浄化量検出手段を構成する。

そして、ＮＯx還元処理が開始されると、燃料添加弁１２から還元剤としての燃料が、
排気管５を通過する排気に添加される。ここで、ＮＯx触媒１０に導入される排気の空燃
比はＮＯx触媒１０に吸蔵されたＮＯxを還元放出可能な所定のリッチ空燃比となるように制御される。そして、内燃機関１における燃焼による排気の空燃比と、燃料添加弁１２から添加された燃料による空燃比とによって所定のリッチ空燃比が実現される。すなわち、この際に燃料添加弁１２から添加されるべき燃料添加量は、この時点における内燃機関１からの排気の空燃比に応じて決定される。

これに対し、内燃機関１の運転状態は時々刻々と変化しており、内燃機関１から排出される排気の空燃比は常に変化している。従って、内燃機関１からの排気の空燃比が高い運転状態において燃料が供給された場合には、内燃機関１からの排気の空燃比が低い運転状態において燃料が供給された場合と比較して、多くの燃料を添加しなければならない。

図２には、この場合の内燃機関１からの排気の空燃比とＮＯx還元処理の開始タイミン
グとの関係を示す。図２の下段に示すように、内燃機関１からの排気の空燃比は頻繁に変化する。そして、図２の上段に示すように、ＮＯx触媒１０に吸蔵されたＮＯxが不変の限界ＮＯx吸蔵量以上となったときにＮＯx還元処理を実行することとした場合には、内燃機関１からの排気の空燃比が高い場合もあれば低い場合もある。その結果、特に内燃機関１からの排気の空燃比が高い状態でＮＯx還元処理が開始された場合には燃料添加弁１２か
ら多くの燃料を添加する必要があり、燃費が悪化する。なおここで、限界ＮＯx吸蔵量は
本実施例において限界量に相当する。

これを抑制するためには、内燃機関１からの排気の空燃比ができるだけ低いタイミングにおいてＮＯx還元処理を開始することが望ましい。

これに対し、本実施例においては、内燃機関１から排出された排気の空燃比を空燃比センサ１５で検出する。そして、内燃機関１からの排気の空燃比が低いほど、ＮＯx還元処
理を開始する際のトリガとなる限界ＮＯx吸蔵量を低く設定し、内燃機関１からの排気の
空燃比が高いほど、限界ＮＯx吸蔵量の値を高く設定することとした。この場合の内燃機
関１からの排気の空燃比と、限界ＮＯx吸蔵量との関係を表すグラフを図３に示す。

そうすれば、内燃機関１からの排気の空燃比が高い場合には、ＮＯx還元処理の開始を
なるべく先送りすることができ、内燃機関１からの排気の空燃比が低下するのを待つことができる。一方、内燃機関１からの排気の空燃比が低い場合には、ＮＯx還元処理の開始
をなるべく早めることができ、内燃機関１からの排気の空燃比が低いうちにＮＯx還元処
理を開始することができる。換言すれば、内燃機関１からの排気の空燃比が低い運転状態において優先的にＮＯx還元処理を実行することができる。

図４には、上記の制御を模式的に表したグラフを示す。図４においては、簡単のため、内燃機関１からの排気の空燃比は矩形波状に変化するものとした。図４（ａ）は限界ＮＯx吸蔵量を排気の空燃比に拘らず一定とした場合、図４（ｂ）は内燃機関１からの排気の
空燃比に応じて限界ＮＯx吸蔵量を変化させた場合を示す。

図４に示すように、内燃機関１からの排気の空燃比に応じて限界ＮＯx吸蔵量を変化さ
せた場合は、内燃機関１からの排気の空燃比がリッチの状態で燃料添加弁１２から燃料添加できる確率が増加している。これによりＮＯx還元処理において燃料添加弁１２から添
加されるべき燃料量を低減でき、ＮＯx還元処理に係る燃費を向上させることができる。
なお、ここで説明した制御を実行するＥＣＵ２０が、本実施例における限界量変更手段を構成する。

なお、本実施例においては、図３に示したように、内燃機関１からの空燃比が低くなるほど、限界ＮＯx吸蔵量を低く設定するようにした。しかし、内燃機関１からの空燃比に
応じた限界ＮＯx吸蔵量の変化のさせ方はこれに限られない。例えば、内燃機関１からの
排気の空燃比が所定値以上の場合には限界ＮＯx限界量を高く設定し、内燃機関１からの
排気の空燃比が所定値未満の場合には限界ＮＯx限界量を低く設定する２段階の制御を行
ってもよい。さらには、限界ＮＯx限界量を多段階に変更させる制御を行ってもよい。

また、本実施例においては、ＮＯx還元処理の際に還元剤としての燃料を燃料添加弁１
２から添加する例について説明したが、還元剤としての燃料は、内燃機関１において副噴射を行うことによって、ＮＯx触媒１０に供給してもよい。この場合には、内燃機関１に
おける燃焼による排気の空燃比は、空燃比センサ１５で検出するのではなく、アクセルポジションセンサ、クランクポジションセンサの出力から得られる運転状態によって推定してもよい。

また、本実施例においては、排気浄化装置の性能の再生処理として、吸蔵還元型ＮＯx
触媒のＮＯx還元処理を例に挙げて説明した。しかし、同様の制御を、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx再生処理や、フィルタのＰＭ再生処理に適用してもよいことはもちろんである
。

本発明の実施例における内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示す図である。 従来の制御における内燃機関からの排気の空燃比と、ＮＯx還元処理での燃料添加タイミングとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例における内燃機関からの排気の空燃比と限界ＮＯx吸蔵量との関係を示すグラフである。 本発明の実施例における内燃機関からの排気の空燃比と、ＮＯx還元処理での燃料添加タイミングとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１・・・内燃機関
５・・・排気管
１０・・・ＮＯx触媒
１２・・・燃料添加弁
１５・・・空燃比センサ
２０・・・ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、該排気通路を通過する排気を浄化する排気浄化装置と、
   内燃機関における燃焼に供される燃料を噴射する燃料噴射弁とは別に前記排気浄化装置の上流側の前記排気通路に設けられた燃料添加弁による燃料添加、又は該内燃機関における副噴射を介して、前記排気浄化装置に還元剤としての燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記排気浄化装置における浄化対象物質の量を検出または推定する浄化量検出手段と、
   前記浄化量検出手段によって検出または推定された浄化対象物質の量が所定の限界量以上となった場合に、前記燃料供給手段から前記排気浄化装置に燃料を供給することによって前記排気浄化装置における浄化対象物質を除去する再生処理を実行する再生手段と、
   前記内燃機関における燃焼による排気の空燃比に応じて前記限界量の設定値を変更する限界量変更手段と、
   を備え、
   前記限界量変更手段は、より高い前記空燃比に対する前記限界量が、より低い前記空燃比に対する前記限界量以上となるように、前記限界量の設定値を前記空燃比に応じて変更することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記排気浄化装置は吸蔵還元型ＮＯx触媒を含み、
   前記浄化対象物質は排気中に含まれるＮＯxであり、
   前記再生手段は、前記浄化量検出手段によって検出された、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒
   に吸蔵されたＮＯxの量が所定の限界量以上となった場合に、前記燃料供給手段によって
   リッチスパイク制御を行う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システム。

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