JP5284245B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
この技術では、先ず、通常運転時のように排気がリーンのときに、排気中のNOxをNOx浄化触媒で一旦捕捉する。NOx浄化触媒のNOx捕捉能には限界があるため、NOx捕捉量がNOx最大捕捉量に達する前に、排気をストイキ又はリッチに制御するリッチ化処理を実行する。これにより、捕捉されたNOxが脱離して還元浄化されるとともに、NOx浄化触媒が再生する。
従って、NOx浄化触媒では、SOx捕捉量が所定量に達したときに、排気のリッチ化処理を実行する。これにより、捕捉されて堆積したSOxが脱離して還元浄化されるとともに、NOx浄化触媒が再生する。
第1のリッチ化手段は、吸気や燃料の制御といった燃料噴射に基づいて燃焼室内の空燃比をストイキ又はリッチにすることにより、排気をリッチ化する手段である(以下、「燃焼リッチ」という)。
第2のリッチ化手段は、燃焼後の燃焼室や排気通路内に未燃燃料を供給することにより、排気をリッチ化する手段である(以下、「ポストリッチ」という)。
第3のリッチ化手段は、内燃機関の排気通路内に燃料を直接噴射することにより、未燃の燃料を排気通路内に流通させて排気をリッチ化する手段である(以下、「排気リッチ」という)。
一方、ポストリッチや排気リッチは、燃焼への影響は軽微である。
このNOx浄化装置では、ポストリッチによる再生処理実行中に、NOx浄化装置の温度が高温側判定温度を上回ったときには、燃焼リッチによる再生処理に移行する。また、その状態で、NOx浄化装置の温度が低温側判定温度を下回ったときには、ポストリッチによる再生処理に移行する。
ここで、上述したように、燃焼リッチは、ポストリッチ又は排気リッチに比べて排気中の酸素濃度が低いため、NOx浄化触媒内の上流側の狭い領域で排気中の酸素の全てを消費できる。このため、燃焼リッチは、ポストリッチ又は排気リッチに比べて、NOx浄化触媒中の下流側のより広範な領域でNOx又はSOxを脱離させることができる。
そこで、本発明によれば、ポストリッチ又は排気リッチを実行する前に、所定の条件を満たしているときには、燃焼リッチを実行する。これにより、NOx浄化触媒に捕捉されたNOx又はSOxを効率良く脱離させて還元浄化でき、高いNOx浄化能を維持できる。
そこで、本発明によれば、ポストリッチ又は排気リッチの実行前に実行する燃焼リッチの実行時間を所定の時間に制限する。これにより、燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限して内燃機関の信頼性を確保できるとともに、グロープラグの耐久性の問題も解決できる。
しかしながら、エンジンの負荷や回転数によっては、燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とで、NOx浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度にあまり差が見られない場合がある。この場合には、燃焼リッチを実行してもNOx又はSOxの脱離性能はさほど向上せず、燃焼安定性の低下のリスクのみを招くこととなる。
そこで、この発明によれば、燃焼リッチ実行時にNOx浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時にNOx浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差が所定値以上であるときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。即ち、上記の酸素濃度差に差が見られないときは、燃焼リッチを実行せずに、ポストリッチ又は排気リッチのみを実行する。これにより、燃焼安定性の低下を回避しつつ、NOx又はSOxの脱離性能を維持できる。
先ず、本実施形態の全体構成について説明する。
図1に示すように、本実施形態では、エアクリーナ1、コンプレッサ2、インタークーラ3、新気量調整のためのスロットル4、インテークマニホールド5を備え、新気がこの順に導入される。スロットル4は、後述するECU22からの制御信号により、その弁開度が決定される。
また、ディーゼル機関用の燃料に含まれている硫黄分Sが酸化して発生したSOxは、NOxよりもLNC8に捕捉され易く、一旦捕捉されると、脱離させて還元浄化するのが容易ではない。このため、LNC8に捕捉されたSOxは徐々に堆積し、LNC8のNOx捕捉能の低下、ひいてはNOx浄化率の低下を招く。従って、適時SOxを脱離させて還元浄化するために、排気のリッチ化を実行し、LNC8を再生する必要がある。
なお、LNC8の再生は、後述する再生処理の手順に従って、実行される。
図3は、本実施形態で実行する再生処理の手順を示すフローチャートである。この再生処理では、所定の条件を満たしているときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間の間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。なお、この再生処理は、ECUにて繰り返し実行される。
具体的には、LNCに捕捉されたNOx又はSOxの捕捉量を、エンジンの回転数や負荷などの運転状態に応じてマップ検索により推定し、推定された捕捉量が、予め実験を行うことにより設定された捕捉量の閾値を超えたときに、LNCの再生処理が必要であると判別する。
なお、NOx捕捉量の閾値は、LNCの最大NOx捕捉量よりも小さい所定の値に設定される。
また、NOxの捕捉量は、例えば排気通路にNOxセンサを設け、このNOxセンサで排気中のNOx濃度を検出することにより、LNCのNOx捕捉量を求めてもよい。
上記の酸素濃度差は、エンジンの回転数や出力などの運転状態に応じてマップ検索により推定する。また、上記の所定値は、予め実験を行うことにより設定され、燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とで、NOx又はSOxの脱離量に差が見られなくなるときの酸素濃度差以上の所定の値に設定される。
具体的には、主噴射量を増加することにより、LNCに流入する排気をリッチ化し、捕捉されたNOx又はSOxを脱離させて還元浄化する。これにより、LNCが再生する。
主噴射量を増加する際には、エアフローセンサの検出値に基づいてスロットルを絞るなどして吸入空気量を調整する。また、主噴射量は、排気通路に設けられた空燃比センサにより検出される空燃比が、所定の目標空燃比に一致するように、フィードバッグ制御される。
なお、低回転、低負荷や外気温度が低い場合に、上記の燃焼リッチを行うと燃焼の悪化ひいては失火を招くおそれがある。かかる場合は、燃焼リッチ制御実施時に、グロープラグを通電させて燃料を該プラグにて着火させることで安定した燃焼を得ることも可能である。
上記の所定時間は、予め実験を行うことにより適宜設定される。具体的には、エンジンの運転状態にかかわらず、ポストリッチ又は排気リッチの実行によってはNOx又はSOxの脱離ができない領域のNOx又はSOxを全て脱離するのに必要な時間以上の所定の時間に設定される。
具体的には、ポストリッチの実行の場合には、燃焼室内においてリーン燃焼が行われた後の膨張行程又は排気工程において、インジェクタから気筒内に対して燃料噴射を実行し、未燃燃料を排気通路内に流通させて排気をリッチ化する。これにより、LNCからNOx又はSOxが脱離し、LNCが再生する。
また、排気リッチの実行の場合には、エンジンの排気通路内に、排気インジェクタから燃料を直接噴射することにより、未燃燃料を排気通路内に流通させて排気をリッチ化する。これにより、LNCからNOx又はSOxが脱離し、LNCが再生する。
なお、ポストリッチ実行時の燃料噴射量(ポスト噴射量)と、排気リッチ実行時の燃料噴射量は、排気通路に設けられた空燃比センサにより検出される空燃比が、所定の目標空燃比に一致するように、フィードバッグ制御される。
具体的には、NOx又はSOxの脱離量を、エンジンの回転数や負荷などの運転状態に応じてマップ検索により推定し、推定した脱離量と、ステップS1で推定したNOx捕捉量との差分が0に近い所定の値を下回ったときに、LNCの再生処理が完了したと判別する。
図3は、燃焼リッチ実行時と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時とにおいて、LNC8内の酸素濃度とNOx又はSOx脱離可能領域との関係を示した図である。
通常、LNC8にリッチ状態の排気が流入すると、捕捉されていたNOx又はSOxは脱離するが、排気中に酸素が含まれている場合には、NOx又はSOxの脱離反応が妨げられる。このとき、排気中に含まれる酸素は、LNC8内の上流側の領域を通過する過程で、排気中のCO又はHCの酸化反応に利用されて消費される。そして、排気中の酸素の全てがHCの酸化反応で消費されたところより下流側の領域では、NOx又はSOxの脱離反応が効率良く進行する。この下流側の領域が、NOx又はSOx脱離可能領域である。
これに対して、ポストリッチ又は排気リッチ実行時には、燃焼室内はリーンの状態であり、これらは燃焼後の排気に燃料のHCを噴射することで結果的に排気をリッチにするものであるため、燃焼リッチ実行時に比べて排気中の酸素濃度が高い。このため、燃焼リッチ実行時よりも、上流側のより広い領域でなければ排気中の酸素を消費しきれない結果、NOx又はSOx脱離可能領域が燃焼リッチ実行時に比べて狭くなる。
そこで、本実施形態によれば、ポストリッチ又は排気リッチを実行する前に、所定の条件を満たしているときには、燃焼リッチを実行する。これにより、LNC8に捕捉されたNOx又はSOxを効率良く脱離させて還元浄化でき、高いNOx浄化能を維持できる。
そこで、本実施形態によれば、ポストリッチ又は排気リッチの実行前に実行する燃焼リッチの実行時間を所定の時間に制限する。これにより、燃焼安定性の低下を招く燃焼リッチの実行時間を制限してエンジンの信頼性を確保できるとともに、グロープラグ20の耐久性の問題も解決できる。
しかしながら、エンジンの負荷や回転数によっては、燃焼リッチ実行時とポストリッチ又は排気リッチ実行時とで、LNC8に流入する排気中の酸素濃度にあまり差が見られない場合がある。この場合には、燃焼リッチを実行してもNOx又はSOxの脱離性能はさほど向上せず、燃焼安定性の低下のリスクのみを招くこととなる。
そこで、本実施形態によれば、燃焼リッチ実行時にLNC8に流入する排気中の酸素濃度と、ポストリッチ又は排気リッチ実行時にLNC8に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差が所定値以上であるときに、燃焼リッチによる再生処理を所定時間実行した後、ポストリッチ又は排気リッチによる再生処理を実行する。即ち、上記の酸素濃度差に差があまり見られないときは、燃焼リッチを実行せずに、ポストリッチ又は排気リッチのみを実行する。これにより、燃焼安定性の低下を回避しつつ、NOx又はSOxの脱離性能を維持できる。
例えば、エンジンはディーゼルエンジンに限られず、火花式点火機関にも本発明を適用することができる。
19 エアフローセンサ
20 グロープラグ
21 排気インジェクタ
22 ECU(再生手段、再生制御手段、第1再生手段、第2再生手段、酸素濃度差推定手段)
4 スロットル
8 LNC(NOx浄化触媒)
S 排気浄化装置
Claims (1)
- 内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のNOxを捕捉し、捕捉したNOxを、排気がストイキ又は還元雰囲気にあるときに還元浄化するNOx浄化触媒と、
少なくとも前記NOx浄化触媒に流入する排気をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、前記NOx浄化触媒に捕捉されたNOx又はSOxを脱離させて還元浄化する再生処理を実行する再生手段と、
前記再生手段による再生処理の実行を制御する再生制御手段と、を備え、
前記再生手段は、主噴射量を増加することで燃焼室内の空燃比をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、排気をストイキ又は還元雰囲気に制御して前記再生処理を実行する第1再生手段と、
燃焼後の前記燃焼室内又は前記排気通路内に未燃燃料を供給することで前記NOx浄化触媒に流入する排気をストイキ又は還元雰囲気に制御することにより、前記再生処理を実行する第2再生手段と、を有し、
前記第1再生手段による再生処理を実行したときに前記NOx浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度と、前記第2再生手段による再生処理を実行したときに前記NOx浄化触媒に流入する排気中の酸素濃度との酸素濃度差を、前記内燃機関の運転状態に基づいて推定する酸素濃度差推定手段をさらに備え、
前記再生制御手段は、前記第2再生手段による再生処理を実行する前に、前記酸素濃度差推定手段により推定された酸素濃度差が所定値以上であるときには、前記第1再生手段による再生処理を所定時間実行し、
前記所定値は、前記第1再生手段による再生処理を実行した時と、前記第2再生手段による再生処理を実行した時とで、前記NOx浄化触媒からのNOx又はSOxの脱離量に差がなくなるときの酸素濃度差以上の値であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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