JP5039367B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、三元触媒とリーンＮＯ_Ｘ触媒との連携によって排気浄化能力をより一層向上させた内燃機関の排気浄化装置に関するものである。

希薄燃焼を行う内燃機関（例えばディーゼル機関）はＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）の排出量が大きいので、これを無害化する処理を行うリーンＮＯ_Ｘ触媒（以下、ＬＮＣと記す）が設けられることがある。このＬＮＣにおいては、ＮＯ_Ｘ吸着量が増大するとその浄化性能が低下するので、適時、吸着したＮＯ_Ｘ の還元処理を行うために排出ガスの空燃比（以下、排気Ａ／Ｆと記す）を間欠的にリッチ雰囲気とするリッチスパイク制御を行うようにしている。

このリッチスパイク制御に関する技術として、ＬＮＣの上流に設置したＯ_２センサの出力とＬＮＣに流入する排出ガスの空間速度とから還元剤供給量を推定し、その推定還元剤供給量が、ＬＮＣに吸着したＮＯ_Ｘ量に対応して予め算出した還元剤必要量を超えた時点でリッチスパイク制御を終了するようにした技術が知られている（特許文献１を参照されたい）。

他方、近年のディーゼル機関は、排気中の有害成分のさらなる浄化を図るべく、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、及びＮＯ_Ｘを無害化する処理を行うための三元触媒（以下、ＴＷＣと記す）を、ＬＮＣの上流側に設置するようにしている。このＴＷＣには、酸化能力および還元能力があり、酸素吸着剤（以下、ＯＳＣと記す）を備えると共に、ＬＮＣと同様のメカニズムによるＮＯ_Ｘの吸着作用および吸着したＮＯ_Ｘ の還元作用も備えている。

このようなＴＷＣとＬＮＣとを連設してなる排気浄化装置においては、リッチスパイク制御時に供給された還元剤（未燃成分）の一部が、ＴＷＣに設けられたＯＳＣによって消費されると共に、ＴＷＣ自体のＮＯ_Ｘ処理にて消費される。従って、ＬＮＣへの還元剤供給量（リッチ運転継続時間）の設定には、ＴＷＣでの還元剤消費分を考慮する必要がある。
特開２００６−２０７４８７号公報

しかるに、ＴＷＣによる還元剤消費量は、ＴＷＣ自体のＮＯ_Ｘ処理能力の劣化およびＯＳＣの酸素吸着容量の劣化によって変化するので、この変化を考慮せずにＬＮＣのリッチスパイク制御を行うと、例えばＴＷＣでの還元剤の消費量が予想外に多いとＬＮＣでのＮＯ_Ｘ処理が不十分となり、ＴＷＣでの還元剤の消費量が予想外に少ないとＬＮＣから余剰のＣＯ、ＨＣが流出することとなる。つまりＴＷＣの劣化によってＬＮＣにおけるリッチスパイク制御の終了判定に誤差が生じ、排気エミッションの悪化や燃費の悪化をもたらすこととなる。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑み案出されたものであり、その主な目的は、ＴＷＣの劣化による影響を受けずにリッチスパイク制御時の還元剤供給量の設定精度を高めることのでき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、本発明は、排気通路の上流側に設けられ、酸素吸着剤を備えると共に、ストイキ雰囲気下において排気中のＨＣおよびＣＯを酸化し且つＮＯ_Ｘを還元する三元触媒（７）と、この下流側に設けられ、排気Ａ／Ｆがリーン状態でＮＯ_Ｘを吸着させ且つ吸着したＮＯ_Ｘをリッチ状態で還元浄化する第２の触媒（例えばＬＮＣ９）と、三元触媒に吸着したＮＯ_Ｘ量の推定手段と、三元触媒にて消費される還元剤量の推定手段とを有する内燃機関の排気浄化装置において、三元触媒で消費される還元剤には、三元触媒自体のＮＯ_Ｘ処理により消費される分と、酸素吸着剤によって消費される分とがあり、三元触媒のＮＯ_Ｘ吸着容量と酸素吸着剤の酸素吸着容量との変化を監視し、その変化に応じた還元剤消費量の増減を考慮して第２の触媒に供給する還元剤量を補正する補正手段と、排気空燃比をリッチにすると、前記酸素吸着剤が吸着した酸素を放出し終わる時点よりも先に、前記三元触媒のＮＯｘが概ね０になり、ＮＯ_Ｘ量の推定手段の積算値が概ね０の時に排気空燃比をリッチにして前記三元触媒ＮＯｘが概ね０になった時点以降の三元触媒の上下流の排気空燃比の差の程度から酸素吸着剤の劣化度合いを判別し、この劣化度合いに応じて還元剤消費量の変化に関する第１の学習補正手段と、三元触媒の劣化に伴うＮＯ_Ｘ吸着容量及び／またはＮＯ_Ｘ還元性能の変化に関する第２の学習補正手段とを備え、前記補正手段と、前記第１の学習補正手段と、前記第２の学習補正手段との値に基づいて前記リーン状態から前記リッチ状態に切り換えるリッチスパイク制御を行うものとした。

このような本発明によれば、酸素吸着剤で消費される還元剤量並びに三元触媒に吸着されるＮＯ_Ｘ量とが三元触媒の劣化に伴って変化することを考慮してリッチスパイク制御時の還元剤の供給量を設定することができるので、還元剤の供給量を最適設定することが可能となり、排気エミッション及び燃費の悪化を抑制する上に多大な効果を奏することができる。

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／還元剤としての未燃燃料が多い）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。

このエンジンＥに設けられた排気浄化装置１０においては、ＴＷＣ７或いはＬＮＣ９に吸着したＮＯ_Ｘ を還元するために、例えば燃料噴射量を増大させると共に吸入空気量を減少させることによって排気Ａ／Ｆを一時的にリッチ化するリッチスパイク制御を適時行う必要がある。

このリッチスパイク制御は、以下のようにして行われる。

先ず、エンジンの運転中は、クランク軸回転速度および吸気通路の絶対圧に基づいて予め設定されたマップを検索し、単位時間当たりのＮＯ_Ｘ排出量を常時求め且つ積算することにより、これまでにＬＮＣ９に吸着したＮＯ_Ｘ量の推定値を算出する。そしてこのＮＯ_Ｘ吸着量が、予め設定されたＬＮＣ９の吸着容量値に達したならば、ＬＮＣ９のＮＯ_Ｘ吸着量が飽和したと判断してリッチスパイク制御を行う。これにより、ＬＮＣ９に流入した排気中の未燃成分が還元剤となってＬＮＣ９に吸着しているＮＯ_Ｘが還元され、ＬＮＣ９のＮＯ_Ｘ 吸着性能が回復する。

リッチスパイク制御の実行中は、ＴＷＣ７の上、下流側にそれぞれ設けられたＯ_２センサ２７Ｕ・２７Ｌの出力を比較することによって排気Ａ／Ｆを監視し、所定の還元雰囲気が保たれるように燃料噴射量並びに吸入空気量をフィードバック制御すると共に、還元剤供給量を積算する。この還元剤供給量は、例えば、上流側Ｏ_２センサ２７Ｕの出力から得た実排気Ａ／Ｆを理論空燃比を表す１４．７から減算した値に、排出ガスの空間速度を乗算することによって得られる。

そしてこの還元剤供給量の積算値が、ＬＮＣ９に吸着したＮＯ_Ｘを全て還元するのに要する量に達したならば、ＬＮＣ９のＮＯ_Ｘ吸着能力が回復したと判断してリッチスパイク制御を終了させる。

ここでＬＮＣ９へ供給すべき還元剤量は、ＴＷＣ７での還元剤の消費量を考慮して設定される。従って、ＴＷＣ７の経年劣化などによってＴＷＣ７での還元剤の消費量が変化すると、ＬＮＣ９に対して実際に供給される還元剤の量が変化してしまう。このＴＷＣ７で消費される還元剤には、ＴＷＣ７自体のＮＯ_Ｘの処理によって消費される分と、ＯＳＣによって消費される分がある。そこで本発明においては、ＴＷＣ７のＮＯ_Ｘ処理能力とＯＳＣの酸素吸着容量との変化を監視し、その変化に応じてリッチスパイク制御時の還元剤必要量を補正するものとしている。
〈ＯＳＣ学習〉

ＮＯ_Ｘ積算値が概ね０（ＴＷＣ７のＮＯ_Ｘ吸着量が０）の時に排気Ａ／Ｆをリッチにし、ＴＷＣ７の上流に設けたＯ_２センサ２７Ｕと下流に設けたＯ_２センサ２７Ｌとの出力差（図３参照）を積算する。仮に、ＴＷＣ７内のＯＳＣの酸素吸着量が大きいと、それからの放出酸素によって還元剤が消費（酸化）されるので、排気Ａ／Ｆの値は、ＴＷＣ７の下流側のＯ_２センサ２７Ｌの出力値（図３の破線）方が、上流側のＯ_２センサ２７Ｕの出力値（図３の実線）よりリーンとなる。つまり、ＴＷＣ７にＮＯ_Ｘが吸着されていないときのＴＷＣ７の上、下流の排気Ａ／Ｆの差の程度から、ＯＳＣの酸素吸着容量の劣化度合いが判別できるので、この劣化度合いに応じて補正係数を定める。

ＯＳＣの劣化度合いを学習した後、リッチスパイク制御時に消費した還元剤量とＬＮＣのＮＯ_Ｘ吸着量の積算値との関係値を補正する。

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。 ＴＷＣ前後の排気Ａ／Ｆ変化を概念的に示すグラフである。

符号の説明

７ ＴＷＣ
９ ＬＮＣ

Claims (1)

1. 排気通路の上流側に設けられ、酸素吸着剤を備えると共に、ストイキ雰囲気下において排気中のＨＣおよびＣＯを酸化し且つＮＯ_Ｘを還元する三元触媒と、この下流側に設けられ、排気空燃比がリーン状態でＮＯ_Ｘを吸着させ且つ吸着したＮＯ_Ｘをリッチ状態で還元浄化する第２の触媒と、前記三元触媒に吸着したＮＯ_Ｘ量の推定手段と、前記三元触媒にて消費される還元剤量の推定手段とを有する内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記三元触媒で消費される還元剤には、当該三元触媒自体のＮＯ_Ｘ処理により消費される分と、前記酸素吸着剤によって消費される分とがあり、前記三元触媒のＮＯ_Ｘ吸着容量と前記酸素吸着剤の酸素吸着容量との変化を監視し、その変化に応じた還元剤消費量の増減を考慮して前記第２の触媒に供給する還元剤量を補正する補正手段と、
   排気空燃比をリッチにすると、前記酸素吸着剤が吸着した酸素を放出し終わる時点よりも先に、前記三元触媒のＮＯｘが概ね０になるものであり、排気空燃比をリッチにして前記ＮＯ_Ｘ量の推定手段の積算値が概ね０になった時点以降の前記三元触媒の上下流の排気空燃比の差の程度から前記酸素吸着剤の劣化度合いを判別し、当該劣化度合いに応じて還元剤消費量の変化に関する第１の学習補正手段と、
   前記三元触媒の劣化に伴うＮＯ_Ｘ吸着量及び／またはＮＯ_Ｘ還元性能の変化に関する第２の学習補正手段とを備え、
   前記補正手段と、前記第１の学習補正手段と、前記第２の学習補正手段との値に基づいて前記リーン状態から前記リッチ状態に切り換えるリッチスパイク制御を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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