JP5229001B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンから排出される排気を浄化する排気浄化装置に関する。

特許文献１には、エンジンから排出された排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯｘを捕集し、排気の空燃比がリッチの時にＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を有するＮＯｘ触媒コンバータを備えた排気浄化装置が開示されている。

特開２００７−２７８０７０号公報

特許文献１に記載の排気浄化装置は、ＮＯｘ捕集量が所定量よりも大きくなった時に、ＮＯｘ触媒に捕集されたＮＯｘを低減させるＮＯｘ触媒再生制御を実施する。ＮＯｘ触媒再生制御では、吸気絞り弁の開度を小さくしその後にポスト燃料噴射を行うことで、空気過剰率を１よりも小さい再生空気過剰率まで低下させ、ＮＯｘ触媒に捕集されたＮＯｘを脱離させて還元する。

しかしながら、ポスト燃料噴射を行うと排気温度が上昇するため、ＮＯｘ触媒再生開始時からポスト燃料噴射し続けると排気温度が高くなり過ぎて、ＮＯｘ触媒が熱劣化しやすくなるという問題がある。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、ＮＯｘ触媒の熱劣化を抑制することができるエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、空気過剰率が１よりも大きい時に排気中のＮＯｘを捕集し、空気過剰率が１よりも小さい再生空気過剰率である時に捕集したＮＯｘを脱離還元するＮＯｘ触媒（３１Ａ）を有するＮＯｘ触媒コンバータ（３１）を排気通路（３０）に備えるエンジン（１０）の排気浄化装置（１００）であって、吸気通路（２０）に設けられる吸気絞り弁（２１）と、エンジン（１０）に燃料を供給するインジェクタ（１１）と、ＮＯｘ触媒再生時に空気過剰率が低下するように吸気絞り弁（２１）の開度を小さくし、ＮＯｘ触媒再生開始時のエンジン運転状態に基づいて算出されるポスト燃料噴射開始空気過剰率を空気過剰率が下回った時にインジェクタ（１１）によってポスト燃料噴射を実施して、空気過剰率を再生空気過剰率まで低下させる空気過剰率制御手段（４０）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、吸気絞り弁制御とポスト燃料噴射制御とによって空気過剰率を制御する際に、エンジンの運転状態に基づいてポスト燃料噴射開始のタイミングを調整するので、ポスト燃料噴射した場合であっても排気温度が高くなり過ぎるのを抑えることができ、ＮＯｘ触媒の熱劣化を抑制することが可能となる。

車両用ディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略構成図である。 ＮＯｘ触媒再生制御を実行するためのメインルーチンについて説明するフローチャートである。 ＮＯｘ触媒再生制御の詳細を説明するフローチャートである。 ポスト燃料噴射空気過剰率算出用マップの一例を示す図である。 ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ捕集量の変化を説明するタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、車両用ディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略構成図である。

図１を参照すると、排気浄化装置１００は、エンジン１０と、外部からの新気をエンジン１０へ流す吸気通路２０と、エンジン１０からの排気を外部に流す排気通路３０と、コントローラ４０とを備える。

吸気通路２０には、吸気絞り弁２１が設けられる。

吸気絞り弁２１は、吸気通路２０の吸気流通面積を変化させることで、エンジン１０に供給される吸気量を調整する。吸気絞り弁２１を通過した吸気は、吸気コレクタを介してエンジン１０の各気筒に分配される。

エンジン１０は、気筒毎にインジェクタ１１を備える。

インジェクタ１１は、エンジン１０の各気筒の燃焼室に臨むように設けられ、燃焼室内に燃料を噴射する。噴射された燃料は、燃焼室内で高圧縮化されて高温になった吸気によって燃焼する。燃焼により生じた排気は、エンジン１０から排気通路３０に排出される。

排気通路３０には、上流から順にＮＯｘ触媒コンバータ３１と、ＤＰＦ３２とが設けられる。

ＮＯｘ触媒コンバータ３１は、コージェライト製のモノリス担体にＮＯｘ触媒３１Ａを担持する。ＮＯｘ触媒３１Ａは、空気過剰率が１よりも大きい時に排気中のＮＯｘを捕集し、空気過剰率が１以下の時にＮＯｘを脱離して浄化する。

ＤＰＦ３２は、コージェライト製の多孔質のハニカム構造体であって、排気が流れる流路を多孔質薄壁によって格子状に仕切る。各流路の入口は交互に目封じされ、入口が目封じされない流路は出口が目封じされるので、ＤＰＦ３２に流入した排気に含まれるＰＭは多孔質薄壁を通過する際に、その内側表面で捕集される。したがって、ＤＰＦ３２は、エンジン１０から排出された排気に含まれるＰＭを捕集し、ＰＭを除去した排気を下流に流す。

上記したインジェクタ１１や吸気絞り弁２１は、コントローラ４０によって制御される。

コントローラ４０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ４０には、所定クランク角度ごとにクランク角度信号を検出するクランク角度センサ４１と、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルペダルセンサ４２と、排気の空燃比を検出する空燃比センサ４３と、排気の温度を検出する温度センサ４４とからの検出データがそれぞれ信号として入力する。

コントローラ４０は、これらの入力信号に基づいて、ＮＯｘ触媒３１ＡにおけるＮＯｘ捕集量を算出し、ＮＯｘ触媒再生制御を実施する。

ＮＯｘ触媒再生制御は、ＮＯｘ触媒３１Ａに所定量のＮＯｘが捕集された時に空気過剰率を１よりも小さい再生空気過剰率まで低下させ、ＮＯｘ触媒３１Ａから脱離したＮＯｘと排気中のＨＣ等とを酸化還元反応させてＮＯｘ捕集量を低減する制御である。

ところで、ＮＯｘ触媒再生時に吸気絞り弁の開度を小さくして空気過剰率を低下させる場合には、吸気絞り弁よりも下流側に存在する新気が気筒内に流れ込むため、空気過剰率が再生空気過剰率に達するまでにある程度の時間を要する。空気過剰率が再生空気過剰率に達するまでの間は、ＨＣ等がＮＯｘ触媒において酸化されにくく、空気過剰率の低下に起因してスモークも増加するので、排気エミッションが悪化するという問題がある。

また、ＮＯｘ触媒再生時にポスト燃料噴射をして空気過剰率を低下させる場合には、空気過剰率を速やかに低下させることができるが、ＮＯｘ触媒再生開始時からポスト燃料噴射し続けると排気温度が高くなり過ぎて、ＮＯｘ触媒が熱劣化しやすくなるという問題がある。

そこで、排気浄化装置１００では、ＮＯｘ触媒再生時に吸気絞り弁２１の開度を小さくした後にポスト燃料噴射を実施して、空気過剰率を速やかに再生空気過剰率まで低下させることで、排気エミッションを改善するとともにＮＯｘ触媒３１Ａの熱劣化を抑制する。

図２及び図３を参照して、ＮＯｘ触媒３１Ａの再生について説明する。

図２は、コントローラ４０が実行するメインルーチンについて説明するフローチャートである。このメインルーチンは、エンジン１０の運転中に一定間隔、例えば１０ｍｓで繰り返し実行される。

ステップ１０１では、コントローラ４０は、ＮＯｘ触媒再生フラグＦが１であるか否かを判定する。

コントローラ４０は、ＮＯｘ触媒再生フラグＦが１に設定されている場合にステップＳ１０２の処理を実行し、ＮＯｘ触媒再生フラグＦが０に設定されている場合にステップＳ１０３の処理を実行する。

ステップＳ１０２では、コントローラ４０は、ＮＯｘ触媒再生制御を実行して処理を終了する。

ステップＳ１０３では、コントローラ４０は、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ捕集量が所定量ＮＯＸ１よりも大きいか否かを判定する。ＮＯｘ捕集量は、クランク角度センサ４１の検出値とアクセルペダルセンサ４２の検出値とから求められるＮＯｘ量を積算することによって算出される。

ＮＯｘ捕集量が所定量ＮＯＸ１よりも大きい場合には、コントローラ４０はステップＳ１０４の処理を実行する。これに対して、ＮＯｘ捕集量が所定量ＮＯＸ１よりも小さい場合には、コントローラ４０は処理を終了する。

ステップＳ１０４では、コントローラ４０は、ＮＯｘ触媒再生フラグＦを１に設定して、処理を終了する。

図３は、ＮＯｘ触媒再生制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ２０１では、コントローラ４０は、再生空気過剰率λｔとリッチスパイク期間Ｔを算出する。

再生空気過剰率λｔは、ＮＯｘ触媒３１Ａに捕集されたＮＯｘを浄化することができる空気過剰率であって１以下の値である。リッチスパイク期間Ｔは、再生空気過剰率λｔを維持する期間である。

ステップＳ２０２では、コントローラ４０は、ポスト燃料噴射開始空気過剰率算出マップを参照して、ＮＯｘ触媒再生開始時点におけるエンジン運転状態に基づいてポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐを算出する。

図４は、ポスト燃料噴射開始空気過剰率算出マップの一例を示す図である。

図４に示すように、ＮＯｘ触媒再生開始時のエンジン運転状態が低エンジン負荷領域にある場合には、高エンジン負荷領域にある場合よりもポスト燃料噴射空気過剰率λｐが大きく算出される。

ＮＯｘ触媒再生制御を実施していない通常運転時にはエンジン１０はリーン運転されており、低エンジン負荷領域においては高エンジン負荷領域よりも空気過剰率が大きく制御される。

排気浄化装置１００では、図４に示したようにＮＯｘ触媒再生開始時のエンジン負荷に応じてポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐを変更させるので、ＮＯｘ触媒再生開始時の空気過剰率が変化しても、空気過剰率をポスト燃料噴射空気過剰率まで低下させる時間が過度に短くなったり長くなったりのを抑制できる。

なお、通常運転時においてエンジン負荷が低下するほど空気過剰率がリーン側から１に近くなるように制御されるエンジン１０では、エンジン負荷が低下するほどポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐを大きくすればよい。

図３に戻り、ステップＳ２０３では、コントローラ４０は、実際の空気過剰率がポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐよりも大きいか否かを判定する。空気過剰率は、空燃比センサ４３の検出値に基づいて算出される。

空気過剰率がポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐよりも大きい場合には、コントローラ４０はステップＳ２０４の処理を実行する。これに対して、空気過剰率がポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐよりも小さい場合には、コントローラ４０はステップＳ２０５の処理を実行する。

ステップＳ２０４では、コントローラ４０は、空気過剰率が低下するように吸気絞り弁２１の開度を小さく制御して、処理を終了する。吸気絞り弁２１の開度は、空気過剰率がポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐよりも小さくなるように、ポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐに基づいて設定される。

ステップＳ２０５では、コントローラ４０は、吸気絞り弁２１の開度をＳ２０４において設定した開度に維持したまま、ポスト燃料噴射を開始する。ポスト燃料噴射量は、空気過剰率が再生空気過剰率λｔとなるように、再生空気過剰率λｔとポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐとに基づいて設定される。

ステップＳ２０６では、コントローラ４０は、空気過剰率が再生空気過剰率λｔとなったか否かを判定する。

空気過剰率が再生空気過剰率λｔとなった場合には、コントローラ４０はステップＳ２０７の処理を実行する。それ以外の場合には、コントローラ４０は処理を終了する。

ステップＳ２０７では、コントローラ４０は、空気過剰率が再生空気過剰率λｔになってからリッチスパイク期間Ｔを経過したか否かを判定する。

リッチスパイク期間Ｔを経過した場合には、コントローラ４０はＮＯｘ触媒３１Ａが再生したと判断し、ステップＳ２０８の処理を実行する。それ以外の場合には、コントローラ４０は、処理を一旦抜けてＮＯｘ触媒３１Ａの再生を継続する。

ステップＳ２０８では、コントローラ４０は、ポスト燃料噴射を停止し、リーン運転するように吸気絞り弁２１を制御して、通常運転制御を開始する。

ステップＳ２０９では、コントローラ４０は、ＮＯｘ触媒再生フラグＦを０に設定して、処理を終了する。

次に、図５を参照して、ＮＯｘ触媒３１ＡのＮＯｘ捕集量の変化について説明する。図５は、ＮＯｘ触媒３１ＡにおけるＮＯｘ捕集量の変化を示すタイミングチャートである。

図５（Ａ）に示すように、エンジン１０が通常運転している時は、ＮＯｘ触媒３１ＡにおけるＮＯｘ捕集量は増加する。

時刻ｔ１で、ＮＯｘ捕集量が所定量ＮＯＸ１を越えると、ＮＯｘ触媒再生制御が開始され、図５（Ｃ）に示すように吸気絞り弁２１の開度が小さく制御される。これにより空気過剰率が、図５（Ｂ）に示すように低下し始める。

時刻ｔ２で、空気過剰率がポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐを下回ると、図５（Ｄ）に示すようにポスト燃料噴射が開始される。これにより空気過剰率が、図５（Ｂ）に示すように再生空気過剰率λｔまで速やかに低下する。空気過剰率が再生空気過剰率λｔとなると、ＮＯｘ触媒３１Ａに捕集されたＮＯｘが脱離して還元されるので、図５（Ａ）に示すようにＮＯｘ捕集量が低下する。

その後リッチスパイク期間Ｔが経過すると、時刻ｔ３でＮＯｘ触媒再生制御を終了し、エンジン１０は通常運転を開始する。

以上により、本実施形態の排気浄化装置１００では、下記の効果を得ることができる。

排気浄化装置１００では、ＮＯｘ触媒再生時に吸気絞り弁２１の開度を絞って空気過剰率を低下させ、空気過剰率がポスト燃料噴射開始空気過剰率を下回った時にポスト燃料噴射を実施して、空気過剰率を再生空気過剰率まで低下させる。

このように吸気絞り弁制御とポスト燃料噴射制御とによって空気過剰率を制御するので、空気過剰率を速やかに再生空気過剰率まで低下させることができ、排気エミッションの悪化を抑制することができる。また、吸気絞り弁２１の開度を絞った後にポスト燃料噴射を実施することで、排気温度が高くなり過ぎるのを抑えることができ、ＮＯｘ触媒が熱劣化を抑制することができる。

排気浄化装置１００では、ＮＯｘ触媒再生開始時点におけるエンジン運転状態に基づいてポスト燃料噴射開始空気過剰率を変更するので、ＮＯｘ触媒再生開始時の空気過剰率が変化しても、空気過剰率をポスト燃料噴射空気過剰率まで低下させる時間が過度に短くなったり長くなったりすることがない。したがって、エンジン運転状態に応じて効率的に、排気エミッションの悪化及びＮＯｘ触媒の熱劣化を抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本実施形態では、ＮＯｘ触媒再生開始時のエンジン負荷に基づいてポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐを算出するように構成したが、ＮＯｘ触媒再生開始時のＮＯｘ触媒温度に基づいてポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐを算出するように構成してもよい。この場合には、ＮＯｘ触媒温度が高くなるほどポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐを小さく算出して、ポスト燃料噴射を開始するタイミングを遅らせることで、ＮＯｘ触媒３１Ａの熱劣化の抑制を図る。

また、ＮＯｘ触媒再生開始時のエンジン負荷に基づいて算出したポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐを、ＮＯｘ触媒再生開始時のＮＯｘ触媒温度に基づいて補正するようにしてもよい。この場合には、ＮＯｘ触媒温度が高くなるほどポスト燃料噴射開始空気過剰率λｐを低下補正することで、ＮＯｘ触媒３１Ａの熱劣化の抑制を図る。

なお、ＮＯｘ触媒温度は排気温度を検出する温度センサ４４の検出値から推定できるが、ＮＯｘ触媒３１Ａの温度を直接検出するようにしてもよい。

１００ 排気浄化装置
１０ エンジン
１１ インジェクタ
２１ 吸気絞り弁
３０ 排気通路
３１ ＮＯｘ触媒コンバータ
３１Ａ ＮＯｘ触媒
３２ ＤＰＦ
４０ コントローラ（空気過剰率制御手段）
４１ クランク角度センサ
４２ アクセルペダルセンサ
４３ 空燃比センサ
４４ 温度センサ

Claims (5)

1. 空気過剰率が１よりも大きい時に排気中のＮＯｘを捕集し、空気過剰率が１よりも小さい再生空気過剰率である時に捕集したＮＯｘを脱離還元するＮＯｘ触媒を有するＮＯｘ触媒コンバータを排気通路に備えるエンジンの排気浄化装置であって、
   吸気通路に設けられる吸気絞り弁と、
   エンジンに燃料を供給するインジェクタと、
   ＮＯｘ触媒再生時に空気過剰率が低下するように前記吸気絞り弁の開度を小さくし、ＮＯｘ触媒再生開始時のエンジン運転状態に基づいて算出されるポスト燃料噴射開始空気過剰率を空気過剰率が下回った時に前記インジェクタによってポスト燃料噴射を実施して、空気過剰率を再生空気過剰率まで低下させる空気過剰率制御手段と、
   を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記空気過剰率制御手段は、エンジン運転状態が低エンジン負荷である場合には高エンジン負荷の場合よりも前記ポスト燃料噴射開始空気過剰率を大きくする、
   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. 前記空気過剰率制御手段は、ＮＯｘ触媒再生開始時のＮＯｘ触媒温度が高くなるほど前記ポスト燃料噴射開始空気過剰率を低下補正する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記空気過剰率制御手段は、ＮＯｘ触媒再生開始時のＮＯｘ触媒温度から前記ポスト燃料噴射開始空気過剰率を算出する、
   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。
5. 前記空気過剰率制御手段は、ＮＯｘ触媒温度が高くなるほど前記ポスト燃料噴射開始空気過剰率を小さくする、
   ことを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。

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