JP5131477B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に係り、詳しくは、ＥＧＲ装置を備えたエンジンの排気浄化触媒の再生技術に関する。

エンジンには、排気中に含まれるＮＯx（窒素酸化物）を捕集、除去するため、排気浄化装置として排気通路にＮＯx吸蔵触媒を備えるものが増加してきている。ＮＯx吸蔵触媒は、リーン空燃比下においてＮＯxを吸蔵し、リッチ空燃比下において吸蔵したＮＯxが還元除去される。また、ＮＯx吸蔵触媒は、リーン空燃比下においてＳＯx（硫黄酸化物）を吸蔵する機能も有している。ＮＯx吸蔵触媒に吸蔵されたＳＯxは、リッチ空燃比下においてＮＯxの還元除去より高温状態にしなければＮＯx吸蔵触媒から還元除去されない。

上記ＮＯx等が還元除去されるように排気空燃比を制御する方法としては、例えばエンジン運転時における燃料の主噴射の後に筒内に燃料を噴射する筒内ポスト噴射が知られている。更に、ＮＯx吸蔵触媒からＳＯxを還元除去するために、ＮＯx吸蔵触媒の排気上流に酸化触媒を備え、酸化触媒に燃料を供給して酸化反応させ、排気を昇温させる技術も知られている。

また、エンジンには、ＮＯxの排出を抑制するために、ＥＧＲ装置が広く採用されている。このようにＥＧＲ装置を備えたエンジンにおいて、上記筒内ポスト噴射を実行しようとすると、ＥＧＲ通路に未燃燃料が流入してしまう虞がある。そこで、筒内ポスト噴射によるＮＯx吸蔵触媒の再生時にはＥＧＲ弁を閉作動させて、未燃燃料のＥＧＲ通路への流入を防止する技術も開発されている（特許文献１）。
特開２００５−２９９４８０号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、筒内ポスト噴射時にＥＧＲ弁を閉動作させてしまうと、再生時間中にＥＧＲ（排気の還流）が行われず、エンジンからのＮＯx排出量が増大する虞がある。
一方、排気空燃比の制御方法としては、上記筒内ポスト噴射の他に、排気通路に設けられた燃料噴射弁（排気通路燃料添加弁）から燃料を排気通路内に添加する技術も開発されている。しかしながら、このような排気通路燃料添加弁による燃料添加では、特に排気流量の少ない低回転時や排気温度の低い低負荷時において、燃料が排気に一様に混合し難いので、酸化触媒における異常燃焼が発生し酸化触媒が劣化したり、また酸化効率が低下して排気の十分な昇温が困難となり、ＮＯx吸蔵触媒の再生効率、特にＳＯxの還元除去効率が低下する虞がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気空燃比を適切に制御して、排気浄化触媒の再生効率を確保しつつ、再生時における排気性能を向上させるエンジンの排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、エンジンの排気通路から排気の一部を導入し吸気通路に還流するＥＧＲ手段と、エンジンの排気通路に設けられ、排気中の有害成分を吸蔵する排気浄化触媒と、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化して、排気浄化触媒に吸蔵された有害成分を還元除去し、排気浄化触媒を再生する再生手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、再生手段は、エンジンの主噴射の後に筒内へ燃料を噴射する筒内ポスト噴射手段と、ＥＧＲ手段の排気導入部より下流側かつ排気浄化触媒より上流側の排気通路内に燃料を添加する排気通路燃料添加手段と、を備えるとともに、エンジンの運転状態に基づいて筒内ポスト噴射手段及び排気通路燃料添加手段のいずれか一方または両方を選択し使用して排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化し、筒内ポスト噴射手段を使用した再生時には、排気通路に未燃燃料が排出される時期に合わせて排気の還流が規制されるようにＥＧＲ手段を制御するとともに、未燃燃料が排出されない時期には排気の還流が実施されるようにＥＧＲ手段を制御して、間欠的に排気を還流させることを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１において、再生手段は、エンジンの回転速度と、ドライバが要求する負荷とに基づいて、筒内ポスト噴射手段または排気管燃料添加手段のいずれか一方または両方を選択し使用して排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１または２において、吸気通路に設けられ、吸気流量を調節するスロットルバルブと、吸気通路に介装されたコンプレッサと排気通路に介装されたタービンとを含んで構成され、ベーン駆動アクチュエータによりベーン開度を調節可能なターボチャージャとを更に備え、再生手段は、ＥＧＲ手段による排気の還流の実施時に、ベーン開度を高にして過給圧を上昇させるとともにスロットルバルブの開度を小さくして吸気量を抑制することを特徴とする。

本発明の請求項１のエンジンの排気浄化装置によれば、排気浄化触媒の再生時に排気空燃比を制御する際に、エンジンの運転状態に基づいて筒内ポスト噴射手段及び排気通路燃料添加手段を選択するので、エンジンの運転状態に適した排気空燃比の制御が可能となり、筒内ポスト噴射手段による再生時には、ＥＧＲ手段により排気が間欠的に還流し、還流が規制される時期に合わせて筒内ポスト噴射手段による燃料噴射が行われるので、未燃燃料が吸気通路へ流入することなく、排気の還流が可能となる。したがって、筒内ポスト噴射手段による再生時においても、排気の還流が可能となり、排気性能をより向上させることができる。
本発明の請求項２のエンジンの排気浄化装置によれば、エンジンの回転速度と、ドライバが要求する負荷とに基づく選択により、エンジンの排気流量及び排気温度に基づいて、筒内ポスト噴射手段または排気管燃料添加手段のいずれか一方または両方を適切に選択することができる。
本発明の請求項３のエンジンの排気浄化装置によれば、ＥＧＲ手段による排気の還流の実施時に、ターボチャージャのベーン開度を高にして過給圧を上昇させるとともにスロットルバルブの開度を小さくして吸気量を抑制するので、排気温度を上昇させ、再生効率を向上させることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置が適用されたエンジン１の給排気系の概略構成図である。
エンジン１はターボチャージャ２を備えたコモンレール式ディーゼルエンジンである。
エンジン１のシリンダヘッド３には、各気筒毎にグロープラグ４及び筒内燃料噴射弁５が設けられている。筒内燃料噴射弁５は、コモンレール６から供給された高圧化した燃料を筒内に噴射する機能を有する。コモンレール６には、図示しない燃料タンクから燃料が高圧ポンプ７により高圧化されて供給される。

ターボチャージャ２は、エンジン１の吸気通路である吸気管１０に介装されたコンプレッサ１１と、排気通路である排気管１２に介装されたタービン１３と、を含んで構成されており、エンジン１の排気によって駆動されたタービン１３の回転力を利用して、コンプレッサ１１を駆動して吸気を圧縮することで、吸気流量を増加させて、エンジン１の出力を向上させる機能を有している。本実施形態のターボチャージャ２は、ベーン駆動アクチュエータ１４によりベーン開度を調節可能な構造である、所謂可変容量ターボチャージャである。

吸気管１０には、コンプレッサ１１の上流側にエアクリーナ１５が設けられるとともに、コンプレッサ１１から下流側に向かって順番に、インタークーラ１６、吸気流量を調節するスロットルバルブ１７が介装されている。
排気管１２には、タービン１３から下流側に向かって順番に、酸化触媒２０、ＮＯx吸蔵触媒２１（排気浄化触媒）、ＤＰＦ２２が介装されている。酸化触媒２０は、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する機能を有する。

ＮＯx吸蔵触媒２１は、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を含んだ担体に、バリウム（Ｂａ），カリウム（Ｋ）等のＮＯx吸蔵剤を担持させて構成されており、リーン空燃比雰囲気（酸化雰囲気）下でＮＯxを捕捉する一方、リッチ空燃比雰囲気（還元雰囲気）下で、捕捉しているＮＯxを放出し、排気中のＨＣ、ＣＯと反応させて還元する機能を有している。

ＤＰＦ２２は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖して、排気中のＰＭを捕集する機能を有しており、更に、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。なお、本実施形態ではＤＰＦ２２を用いているが、ＤＰＦ２２を用いないシステムでも良い。

酸化触媒２０の上流側には、排気管燃料添加弁２３が設置されている。排気管燃料添加弁２３には、図示しない燃料タンクから、エンジン１によって駆動される燃料ポンプによって燃料が供給される。排気管燃料添加弁２３は、供給された燃料を排気管１２内に噴射する機能を有している。
また、エンジン１には、ＥＧＲ装置（ＥＧＲ手段）が備えられている。ＥＧＲ装置は、タービン１３の上流側の排気管１２とスロットルバルブ１７の下流側の吸気管１０とを連通するＥＧＲ通路３０と、該ＥＧＲ通路３０を開閉するＥＧＲ弁３１と、ＥＧＲ通路３０に介装されたＥＧＲクーラ３２とを含んで構成されている。ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ弁３１を開作動させることで、排気の一部を吸気に還流させ、エンジン１の燃焼温度を低下させてＮＯxの排出を抑制する機能を有する。

ＥＣＵ４０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ２０の入力側には、クランク角を検出するクランク角センサ４１や図示しないエアフローセンサ、アクセルポジションセンサ等が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。

一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述した筒内燃料噴射弁５、ＥＧＲ弁３１及びベーン駆動アクチュエータ１４、スロットルバルブ１７等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ４０は、各種センサ類からの検出情報に基づいて筒内への燃料噴射量、燃料噴射時期、ＥＧＲ量、ベーン開度、吸気量等を演算し、各種出力デバイスにそれぞれ出力することで、適正なタイミングで筒内燃料噴射弁５等を制御する。

以上のようにＤＰＦ２２の上流に酸化触媒２０を配置することにより、リッチ空燃比雰囲気下では、酸化触媒２０からＮＯ_２が排出され、ＮＯx吸蔵触媒２１を通過してＤＰＦ２２に流入し、ＤＰＦ２２に捕集され堆積しているＰＭ中の炭素成分であるすすと反応してこれを酸化させる。酸化したすすはＣＯ_２となり、ＤＰＦ２２から除去され、ＤＰＦ２２が連続的に再生される（連続再生）。

上記の連続再生では、エンジン１の運転状況により十分にＤＰＦ２２の再生が行われない場合がある。そこで、ＥＣＵ４０は、ＤＰＦ２２でのＰＭの堆積量を推定し、この推定量が許容量以上となったときに、強制再生を実施させる。強制再生は、酸化触媒に燃料を供給して酸化反応させ、排気温度を上昇させることで、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭを燃焼除去し、ＤＰＦ２２を再生させるものである。強制再生の開始判定は、例えば筒内２０への燃料噴射量とエンジン１の運転時間を積算して推定したり、ＤＰＦ２２の上流側と下流側とで排気管１２内の差圧を検出し、差圧と排気流量との積算値に基づいて判定すればよい。

また、エンジン１には、ＮＯx吸蔵触媒２１に吸蔵されたＮＯxを排出させるＮＯxパージ機能が備えられている。ＮＯxパージは、ＥＣＵ４０により、上述する各種センサ類からの検出情報、即ちエンジン１の運転状態に基づいて、上記のようにＮＯx吸蔵触媒２１に流入する排気の空燃比をリッチ化させることで実行される。また、ＮＯx吸蔵触媒２１には、燃料中の硫黄成分の酸化によるＳＯｘも硫酸塩として堆積されるので、この堆積した硫黄成分をＮＯx吸蔵触媒２１から除去するために、エンジン１にはＳパージ機能も備えられている。このＳパージは、上記ＮＯxパージと同様にＮＯx吸蔵触媒２１に流入する排気の空燃比をリッチ化させるとともに、更に、ＮＯx吸蔵触媒２１を高温状態にすることで実行される。ＮＯxパージ及びＳパージの開始判定は、例えば筒内への燃料噴射量とエンジン１の運転時間を積算して推定すればよい。

上記強制再生，ＮＯxパージ及びＳパージといった各種再生時において、本実施形態では、排気に燃料を添加する方法として、筒内ポスト噴射及び排気管燃料添加の２つの方式の再生が可能となっている。
筒内ポスト噴射による再生は、ＥＣＵ４０が筒内燃料噴射弁５を制御して、主噴射の後にエンジン１の運転に寄与しないタイミングで燃料を噴射させることで、排気管１２に未燃燃料を排出させる（筒内ポスト噴射手段）。

排気管燃料添加による再生は、ＥＣＵ４０が排気管燃料添加弁２３を制御して、排気管１２内に直接燃料を噴射させる（排気通路燃料添加手段）。
図２は、Ｓパージ時における再生方式の選択に用いられるマップである。
ＥＣＵ４０は、Ｓパージ時において、クランク角センサ４１から入力したクランク角の推移に基づいて計測したエンジン１の回転速度と、アクセルポジションセンサから演算されるドライバが要求する負荷（トルク）とに基づいて、筒内ポスト噴射または排気管燃料添加を選択する。例えば、図２に示すように、低回転あるいは低負荷時では筒内ポスト噴射が選択され、高回転高負荷時では、筒内ポスト噴射が選択されずに排気管燃料添加のみが選択される。なお、低回転あるいは低負荷時や、排気空燃比をリッチ化するには排気管燃料添加弁の流量が不足する虞のある高排気流量時などでは、筒内ポスト噴射と排気管燃料添加とを併用してもよい。

また、ＥＣＵ４０は、筒内ポスト噴射を選択した際に、ＥＧＲ弁３１を間欠的に開閉作動させて排気を間欠的に導入する（間欠ＥＧＲ導入）。一方、排気管燃料添加のみを選択した際に、ＥＧＲ弁３１を開作動させて排気を常時導入する（常時ＥＧＲ導入）。
図３は、間欠ＥＧＲ導入時の各種アクチュエータ作動量及び排気温度の推移を示すタイムチャートである。

筒内ポスト噴射時には、図３に示すように、エンジン１の運転に伴って未燃燃料が間欠的に排気に添加される。ＥＣＵ４０は、筒内ポスト噴射時に間欠ＥＧＲを導入する際に、排気管１２に未燃燃料が排出される時期に合わせてＥＧＲ弁３１を閉弁させる一方、未燃燃料が排出されない時期にはＥＧＲ弁３１を開弁するように制御する。更に、ＥＧＲ弁３１の開弁時には、ベーン開度を高にして過給圧を上昇させるとともに、スロットルバルブ１７の開度を小さくして吸気量を抑制し、排気温度の低下を抑制する。

次に、ＥＧＲ弁３１を作動制御と昇温制御について説明する。
図４に示すように、ステップＳ１０では、ＮＯｘ吸蔵触媒２１のＳパージ要求条件とＳパージ実施条件とが成立しているか否かを判断する。Ｓパージ要求条件は、エンジン１の運転時間や運転状況または運転距離等によりＳ被毒の度合いを推定し、この推定値が許容量以上であるか否かを条件としている。また、Ｓパージ実施条件は、水温，排気温，車速，負荷等が所定値以上のとき、すなわち現状の運転状態がＳパージ可能な状態になるか否かを条件としている。

ステップＳ１０でＮＯｘ吸蔵触媒２１のＳパージ要求と実施の条件が成立したときステップＳ１１に移行し、ＮＯｘ吸蔵触媒２１のＳパージのための排気の昇温制御が開始される。ここではまず、筒内ポスト噴射や排気管燃料添加を行う前に、筒内燃料噴射弁５による多段噴射や吸気絞りによる昇温制御が行われる。ステップＳ１２では、図２に示したマップを用いて、現在の運転領域が筒内ポスト噴射を使用する領域かを判定し、ステップＳ１３で筒内ポスト噴射を使用する領域である場合にはステップＳ１４に進む。ここで未燃燃料の添加は図３に示すように間欠的に行われるので、ステップＳ１４で実際に筒内ポスト噴射を行うタイミングか否かを判断する。ステップＳ１４で実際に筒内ポスト噴射を行うタイミングであると判断されたら、ステップＳ１５に移行しＥＧＲ弁３１を閉作動させ、排気の吸気管への還流を規制する。その後ステップＳ１６にて筒内ポスト噴射、または筒内ポスト噴射と排気管燃料添加を併用して昇温を開始し、ステップＳ１７のＳパージが完了したか否かを判定し、完了したらフローを終了し、完了しなければステップＳ１２にリターンする。

ステップＳ１４で筒内ポスト噴射を行うタイミングでないと判断されたら、ＥＧＲ通路に未燃燃料が流入する虞が低いため、ステップＳ１８に移行しＥＧＲ弁３１の開作動を許可する。その後ステップＳ１９にて排気温度やＰＭ燃焼のための酸素量を考慮してＥＧＲ弁３１の開度，ターボチャージャ２の過給能力，スロットルバルブ１７を調整してステップＳ１７に移行し、ステップＳ１７のＳパージが完了したか否かを判定し、完了したらフローを終了し、完了しなければステップＳ１２にリターンする。このように実際の筒内ポスト噴射に応じてＥＧＲ弁３１の開閉を行うことができる。

ステップＳ１３にて筒内ポスト噴射を使用しない領域である場合にはステップＳ２０に進みＥＧＲ弁３１の開作動が許可される。この場合、筒内ポスト噴射が行われないので、ＥＧＲ通路に未燃燃料が流入しがたくなるため、排気の吸気管への還流を規制する必要がなく排気性能が向上する。その後ステップＳ２１にて排気温度やＰＭ燃焼のための酸素量を考慮してＥＧＲ弁３１の開度，ターボチャージャ２の過給能力，スロットルバルブ１７を調整した上で、ステップＳ２２で排気管燃料添加による昇温を開始し、ステップＳ１７のＳパージが完了したか否かを判定し、完了したらフローを終了し、完了しなければステップＳ１２にリターンする。

以上のように、本実施形態では、ＮＯx吸蔵触媒２１を再生する際に、低回転または低負荷時には筒内ポスト噴射が採用される一方、高回転高負荷時では排気管燃料添加のみ採用される。筒内ポスト噴射は排気管燃料添加と比較して排気と燃料との混合性が良いので、上記のように低回転または低負荷時に筒内ポスト噴射が採用されることで、酸化触媒２０での異常燃焼を抑制できるとともに酸化機能が向上し、酸化触媒劣化の抑制と排気温度の上昇が促進され、ＮＯx吸蔵触媒２１の再生効率を向上させることができる。一方、高回転高負荷時には、排気流量が多くかつ排気温度も高い状況であるので、排気管燃料添加を採用しても、十分に排気と燃料とが混合し、酸化触媒２０での酸化性能が確保される。排気管燃料添加弁２３は、ＥＧＲ通路の排気導入部より下流側に配置されているので、排気管燃料添加弁２３からの燃料噴射時に、ＥＧＲ弁３１を開弁させても燃料がＥＧＲ通路３０へ流入しない。したがって、排気管燃料添加による再生時においてもＥＧＲが可能となり、再生時における排気性能を向上させることができる。

また、筒内ポスト噴射時には、未燃燃料の排気管１２への排出時期に合わせてＥＧＲ弁３１を閉弁するので、吸気管１０への未燃燃料の流入を防止でき、燃焼安定性を確保することができる。一方、未燃燃料が排気管１２へ排出されない時期にＥＧＲ弁３１が開弁するので、筒内ポスト噴射であってもＥＧＲを可能にし、排気性能を向上させることができる。

また、ＥＧＲ弁３１の開弁時には筒内燃焼温度が低下し、これに伴い排気温度も低下するので、上記のようにベーン開度を増加して過給圧を上昇させたり、スロットルバルブの開度を抑えて吸気量を減少させたりすることにより、排気温度を上昇させ、再生効率を向上させることができる。あるいは、筒内で燃焼する分の筒内燃料噴射弁５からの燃料噴射量及びそのタイミングを適宜制御することで排気温度を上昇させてもよい。また、図３に示すように、排気への燃料添加の頻度を制御してもよい。これらの制御は、ＮＯx吸蔵触媒２１の再生に最適な排気温度及び排気空燃比に維持されるように、例えばエンジン回転速度及び負荷に基づいて行えばよい。なお、ＮＯx吸蔵触媒２１の再生とともに、排気のリーン時にＤＰＦ２１の強制再生を実行する場合には、ＤＰＦ２１に堆積したすすが良好に燃焼されるように酸素量を考慮して、上記ベーン開度等を設定するとよい。

本発明に係るエンジンの給排気系の概略構成図である。 再生方式の選択に用いられるマップである。 間欠ＥＧＲ時の各種アクチュエータ開度及び排気温度の推移を示すタイミングチャートである。 ＥＧＲ弁作動制御と昇温制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
５ 筒内燃料噴射弁
２１ ＮＯｘ吸蔵触媒
２３ 排気管燃料添加弁
３０ ＥＧＲ通路
３１ ＥＧＲ弁
４０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. エンジンの排気通路から排気の一部を導入し吸気通路に還流するＥＧＲ手段と、
   エンジンの排気通路に設けられ、排気中の有害成分を吸蔵する排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化して、前記排気浄化触媒に吸蔵された有害成分を還元除去し、前記排気浄化触媒を再生する再生手段と、
   を備えたエンジンの排気浄化装置であって、
   前記再生手段は、前記エンジンの主噴射の後に筒内へ燃料を噴射する筒内ポスト噴射手段と、前記ＥＧＲ手段の排気導入部より下流側かつ前記排気浄化触媒より上流側の排気通路内に燃料を添加する排気通路燃料添加手段と、を備えるとともに、前記エンジンの運転状態に基づいて前記筒内ポスト噴射手段及び前記排気通路燃料添加手段のいずれか一方または両方を選択し使用して前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化し、前記筒内ポスト噴射手段を使用した再生時には、前記排気通路に未燃燃料が排出される時期に合わせて排気の還流が規制されるように前記ＥＧＲ手段を制御するとともに、未燃燃料が排出されない時期には排気の還流が実施されるように前記ＥＧＲ手段を制御して、間欠的に排気を還流させることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記再生手段は、前記エンジンの回転速度と、ドライバが要求する負荷とに基づいて、前記筒内ポスト噴射手段または前記排気管燃料添加手段のいずれか一方または両方を選択し使用して前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記吸気通路に設けられ、吸気流量を調節するスロットルバルブと、
   前記吸気通路に介装されたコンプレッサと前記排気通路に介装されたタービンとを含んで構成され、ベーン駆動アクチュエータによりベーン開度を調節可能なターボチャージャとを更に備え、
   前記再生手段は、前記ＥＧＲ手段による排気の還流の実施時に、前記ベーン開度を高にして過給圧を上昇させるとともに前記スロットルバルブの開度を小さくして吸気量を抑制することを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気浄化装置。

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