JP5326502B2

JP5326502B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP5326502B2
Application number: JP2008283229A
Authority: JP
Inventors: 梨沙山本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2028-11-04
Also published as: JP2010112192A

Description

本発明は、内燃機関の制御に関し、特に、排気性能の低下を防止しつつ、排気浄化用の触媒を早期活性化させるための制御に関する。

内燃機関の排気通路には、排気を浄化するための触媒が設けられる。触媒は活性温度以上にならないと十分な浄化作用を発揮しないため、冷機始動時の排気性能確保のためには、機関始動後すみやかに活性化させる必要がある。

触媒を活性化させるための手段として、空燃比を通常運転時よりもリッチ化すること（リッチスパイク）により排気温度を上昇させる方法が知られている。特許文献１では、ディーゼルエンジンから排出される未燃炭化物（ＨＣ）をトラップ、酸化する酸化触媒を早期活性化する場合に、酸化触媒でのＨＣの酸化による発熱量を利用し、酸化による発熱量の分だけ排気温度の上昇量、つまりリッチ化の度合いを小さくする思想が開示されている。これによれば、リッチスパイク量を小さくすることで燃費の悪化を抑制しつつ、ＨＣ排出量を低減することができる。
特開２００５−２８５２号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、酸化触媒内にトラップされているＨＣ量がＨＣ吸着限界に達すると、大気中に放出されるＨＣ量（Ｔ．Ｐ．ＨＣ）が増大するという問題がある。

そこで本発明では、触媒昇温時に、リッチスパイクによる燃費の悪化を抑制しつつ、ＨＣ等の排気成分の大気中への排出量を低減する排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に介装され排気浄化機能を有する排気浄化用の触媒と、触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、触媒温度検出手段の検出値に基づいて触媒が活性化しているか否かを判定する活性化判定手段とを有する。そして、活性化判定手段の判定結果に基づいて、機関の運転モードとして排気温度を上昇させることを優先する排気昇温モードまたは排気成分を低減させることを優先する排気成分低減モードのいずれかを選択して実行する制御手段と、を備える。制御手段は、機関始動から前記排気浄化手段が活性化温度に到達するまでの未活性領域では昇温モードを選択し、いったん活性化した後は、活性化後の活性領域下限温度から活性化温度までの領域では、触媒の浄化性能または排気成分の少なくとも一方に基づいて昇温モードまたは排気成分低減モードのいずれかを選択し、活性化温度より高い温度領域では前記排気成分低減モードを実行する。

本発明によれば、触媒の活性状態に応じて運転モードを切り換えるので、例えば、酸化触媒のように浄化性能が温度に対してヒステリシスを有し、触媒が活性化した後は昇温時に比べて低い排気温度でも浄化性能を発揮できる場合には、無駄に昇温させることがなくなるので、燃費性能の悪化を抑制できる。さらに、排気成分制限モードを実行することで、排気成分の大気中への排出量を低減することができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態を適用するディーゼルエンジンの構成を示す図である。

吸気通路１１には、エアフローメータ１２及び吸気温度センサ６５が設置されており、エアフローメータ１２により吸入空気量が測定され、吸気温度センサ６５により吸入空気の温度が測定される。エアフローメータ１２を通過した吸入空気は、サージタンク１３に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。サージタンク１３の上流には、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）５１からの信号に応じて作動する吸気絞り弁１４及びＥＧＲ弁４２が設定されている。吸気絞り弁１４により吸入空気量が制御され、ＥＧＲ弁４２により後述する排気通路３１から還流するＥＧＲ量が制御される。

エンジン１のシリンダヘッドには、燃焼室上部中央に臨ませてインジェクタ２１が設置されている。図示しない燃料ポンプにより送り出された燃料は、コモンレール２２を介して所定圧力でインジェクタ２１に供給され、インジェクタ２１により燃焼室内に噴射される。

排気通路３１には、マニホールド部の下流にＨＣ吸着触媒３２が設置されている。ＨＣ吸着触媒３２が低温状態にあるエンジン１の始動後等において、ＨＣ吸着触媒３２により排気ガスからＨＣが除去される。運転が継続され、排気ガス温度が上昇すると、排気ガス中のＮＯｘとＨＣ吸着触媒３２に吸着されているＨＣとが反応し、ＮＯｘが還元されるとともに、ＨＣが処理される。ＨＣ吸着触媒３２には触媒温度を検出するための触媒温度センサ６６が、そしてＨＣ吸着触媒３２の下流には、排気ガス温度を検出するための排気ガス温度センサ６１が設置されている。

排気通路３１は、ＥＧＲ管４１により吸気通路１１と接続されている。ＥＧＲ管４１には、ＥＣＵ５１からの信号に応じて作動するＥＧＲ弁４２が設置されており、ＥＧＲ弁４２の開度に応じた適量の排気ガスが吸気通路１１に還流される。

ＥＣＵ５１には、エアフローメータ１２の吸入空気量検出信号、排気温度センサ６１の排気ガス温度検出信号のほか、水温センサ６２からの冷却水温度検出信号、センサ６３からのクランク角検出信号（ＥＣＵ５１は、これに基づいてエンジン回転数Ｎｅを演算する。）、センサ６４からのアクセル開度検出信号、燃圧センサ６５からの燃料圧力検出信号、吸気温度センサ６５からの吸気温度検出信号及び触媒温度センサ６６からの触媒温度検出信号が入力される。

図２は、ＥＣＵ５１が実行する触媒昇温制御のフローチャートである。

ステップＳ１００では、触媒温度センサ６６の検出信号に基づいて酸化触媒３２のベッド温度Ｔｂｅｄを読み込む。

ステップＳ１０１では、ベッド温度Ｔｂｅｄが第１活性温度Ｔ１以下であるか否かを判定する。第１活性温度Ｔ１以下の場合はステップＳ１０２に進み、そうでない場合はステップＳ１０８に進む。第１活性温度Ｔ１は、酸化触媒３２が非活性状態から昇温して活性化するときの活性温度である。

ステップＳ１０２では、ベッド温度Ｔｂｅｄが第２活性温度Ｔ２以下であるか否かを判定する。第２活性温度Ｔ２以下の場合はステップＳ１０３に進み、そうでない場合はステップＳ１０５に進む。第２活性温度Ｔ２は、すでに活性化した酸化触媒３２の活性領域の下限温度である。酸化触媒３２の浄化性能は、図３に示すように温度に対してヒステリシスを有し、第１活性温度Ｔ１は第２活性温度Ｔ２よりも低い値となる。

ステップＳ１０３では、活性状態か否かを示す第１フラグＦｌｇ１をゼロに、つまり非活性状態とする。

ステップＳ１０４では、後述する昇温モードを実行する。

ステップＳ１０５では、第１フラグＦｌｇ１がゼロか否かを判定し、ゼロの場合（非活性状態）はステップＳ１０３に進み、１の場合（活性状態）はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、後述するモード選択制御を実行する。

ステップＳ１０７では、第２フラグＦｌｇ２がゼロか否かを判定する。第２フラグＦｌｇは、後述するＥ．Ｏ．Ｅ低減モードの場合は１、昇温モードの場合はゼロとなるので、ゼロの場合はステップＳ１０４に、１の場合はステップＳ１０９に進む。

一方、ステップＳ１０１でベッド温度Ｔｂｅｄが第１活性温度Ｔ１より高温の場合は、ステップＳ１０８に進んで第１フラグＦｌｇを１にし、ステップＳ１０９に進む。

次に、ステップＳ１０４で実行する昇温モードについて説明する。

図４は、昇温モードの制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ２００では、燃料の目標主噴射時期ｔＭａｉｎＩＴを、暖機状態における噴射時期よりも遅角側のｔＭａｉｎＩＴ１に設定する。

ステップＳ２０１では、目標空燃比ｔＬａｍｂを、暖機状態におけるリーン空燃比よりもリッチなＬａｍｂ１に設定する。

ステップＳ２０２では、後述する目標吸気絞り弁開度ＴＶＯ演算を実行する。

ステップＳ２０３では、後述する目標ＥＧＲ弁開度ｔＡＥＧＲ演算を実行する。

なお、必ずしも目標空燃比のリッチ化及び主噴射時期ｔＭａｉｎＩＴの遅角化の両方を行う必要はなく、少なくともいずれか一方を行えばよい。また、主噴射時期ｔＭａｉｎＩＴの遅角化にかえて、主噴射の後に再度燃料噴射を行う、いわゆる後噴射を行うようにしてもよい。

ここで、ステップＳ２０２で実行する目標吸気絞り弁開度ＴＶＯ演算、及びステップＳ２０３で実行する目標ＥＧＲ弁開度ｔＡＥＧＲ演算について、図５、図６を参照して説明する。

図５は目標吸気絞り弁開度ＴＶＯ演算のフローチャートである。本ルーチンは、たとえば２０ｍｓ毎に実行する。

ステップＳ３００では、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを読み込む。

ステップＳ３０１では、目標吸入空気量ｔＱａｃを式（１）により算出する。

ｔＱａｃ＝ｔＬａｍｂ×１４．６×Ｑｆ・・・（１）

ステップＳ３０２では、目標充填率ｔＱｈ０を式（２）により算出する。

ｔＱｈ０＝ｔＱａｃ÷（ＶＣＥ＃×ＲＯＵ＃）・・・（２）
なお、ＶＣＥ＃は気筒当たりの排気量、ＲＯＵ＃は空気密度である。

ステップＳ３０３では、目標充填率ｔＱｈ０により図７のテーブルを検索して、目標空気流量比ｔＡＤＮＶを読み出す。

ステップＳ３０４では、ｔＡＤＮＶ及びＮｅに基づいて下式（３）により目標開口面積ｔＡｔｖｏを算出する。なお、総排気量をＶＯＬ＃とする。

ｔＡｔｖｏ＝ｔＡＤＮＶ×Ｎｅ×ＶＯＬ＃・・・（３）

ステップＳ３０５では、ｔＡｔｖｏにより図８に示すテーブルを検索し、目標吸気絞り弁開度ＴＶＯを設定する。

図６は目標ＥＧＲ弁開度ｔＡＥＧＲ演算のフローチャートである。本ルーチンは、たとえば２０ｍｓ毎に実行する。

Ｓ４００では、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ及び目標吸入空気量ｔＱａｃを読み込む。Ｓ４０１では、Ｎｅ及びＱｆにより図９に示すマップを検索し、目標ＥＧＲ率Ｍｅｇｒを読み出す。Ｓ４０２では、ｔＱａｃ及びＭｅｇｒに基づいて下式（４）により目標ＥＧＲガス量ｔＱｅｃを算出する。Ｓ４０３では、ｔＱｅｃにより図１０に示すテーブルを検索し、目標ＥＧＲ弁開度ｔＡＥＧＲを設定する。

ｔＱｅｃ＝ｔＱａｃ×Ｍｅｇｒ・・・（４）

次に、図２のステップＳ１０９で実行するＥ．Ｏ．Ｅ低減モードについて説明する。

図１１はＥ．Ｏ．Ｅ低減モードの制御ルーチンを示す
ステップＳ５００では、燃料の目標主噴射時期ｔＭａｉｎＩＴを、図４のステップＳ２００で設定した目標主噴射時期ｔＭａｉｎＩＴ１よりも進角側の値であるｔＭａｉｎＩＴ２に設定する。

ステップＳ５０１では、目標空燃比ｔＬａｍｂを、図４のステップＳ２０１で設定したＬａｍｂ１よりもリーンなＬａｍｂ２に設定する。

なお、ステップＳ５００、Ｓ５０１において設定する目標主噴射時期ｔＭａｉｎＩＴ及び目標空燃比ｔＬａｍｂは、後述するモード選択制御中に算出するＨＣ排出重量に基づいて、ＨＣ排出量が少なくなるような排気温度となるように設定する。

なお、必ずしも目標空燃比のリーン化、主噴射時期の進角化の両方を行う必要はなく、少なくとも一方を行えばよい。

ステップＳ５０２、Ｓ５０３については、図４のステップＳ２０２、Ｓ２０３と同様なので、説明を省略する。

次に、図２のステップＳ１０６で実行するモード選択制御について説明する。

図１２は、図２のステップＳ１０６で実行するモード選択制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御は、ベッド温度ＴｂｅｄがＴ２〜Ｔ１間であるときに、昇温制御またはＥ．Ｏ．Ｅ低減制御のいずれを実施するかを選択するためのものである。

ステップＳ６００では、触媒温度センサ６６の検出信号に基づいて酸化触媒３２のベッド温度Ｔｂｅｄを読み込む。

ステップＳ６０１では、ベッド温度Ｔｂｅｄに基づいて酸化触媒３２の浄化率ηを推定する。推定方法としては、予めエンジン運転試験を行って、ベッド温度Ｔｂｅｄと浄化率ηとの関係をマップ化しておき、これを検索するようにする。

ステップＳ６０２では、エンジン回転数ＮＥ、トルクＴｒｑ、吸入空気量ｒＱａｃを読み込む。エンジン回転数ＮＥはクランク角センサ６３、吸入空気量ｒＱａｃはエアフローメータ１２の検出信号に基づいて読み込む。トルクＴｒｑは、燃料噴射量に基づいて算出する。

ステップＳ６０３では、エンジン１から排出される排気ガス量であるＥ．Ｏ．ガス排出量及び排ガス中のＨＣ濃度を検出する。また、触媒空間速度ＳＶを算出する。

Ｅ．Ｏ．ガス排出量は、吸入空気量Ｑａｃと燃料噴射量Ｑｆ（燃焼後のガス流量換算値）とを加算して算出する。ＨＣ濃度は、予めエンジン運転試験を行って各運転条件におけるＨＣ濃度を把握しておき、その情報をマップに記憶しておいて検索する。なお、酸素濃度センサを用いて検出するようにしてもよい。これらＥ．Ｏ．ガス排出量とＨＣ濃度を乗算することにより、排気中のＨＣ排出重量を算出する。

触媒空間速度ＳＶは、触媒容量に対する一定時間あたりの通過ガス量であり、式（５）によって算出する。

ＳＶ＝ｒＱａｃ／Ｖｃａｔ・・・（５）
Ｖｃａｔ：触媒容量

ステップＳ６０４では、触媒空間速度ＳＶ及びベッド温度Ｔｂｅｄを用いて、図１３のマップを検索することで反応速度を推定する。図１３は予め実験等に基づいて作成した反応速度推定用マップであり、縦軸がベッド温度Ｔｂｅｄ、横軸が触媒空間速度ＳＶである。反応速度は、低ＳＶ・高Ｔｂｅｄほど大きく、高ＳＶ、低Ｔｂｅｄになるほど小さくなる。

ステップＳ６０５では、反応速度及びＥ．Ｏ．ガス排出量を用いて、図１４のマップを検索することで、モード判定フラグＦｌｇ２を設定する。図１４は、縦軸がＥ．Ｏ．ガス排出量、横軸が反応速度であり、低反応速度・低中Ｅ．Ｏ．ガス排出量の場合は、Ｅ．Ｏ．Ｅ．低減モード（Ｆｌｇ２＝１）、それ以外の場合は昇温モード（Ｆｌｇ２＝０）となっている。

ここで設定したフラグを用いて、前述した図２のステップＳ１０７の判定を行い、昇温モードまたはＥ．Ｏ．Ｅ．低減モードのいずれかを実行する。

上述した昇温制御によれば、冷機始動時には昇温モードを実行して速やかに酸化触媒３２を昇温し、活性温度Ｔ１を超えるとＥ．Ｏ．Ｅ．低減モードを実行してＨＣ排出量の増大を防止する。そして、酸化触媒３２の浄化性能は温度に対してヒステリシスをもつため、いったん活性温度Ｔ１に達した後は、Ｔ１よりも低いＴ２より高温側が活性領域となる。そこで、いったん活性温度Ｔ１に達した後で温度Ｔ２〜Ｔ１となった場合には、Ｅ．Ｏ．ＨＣ排出量が少なくなるように、昇温モードまたはＥ．Ｏ．Ｅ．低減モードのいずれかを選択して実行する。

図１５は、Ｅ．Ｏ．ＨＣ排出量及び排気温度と空気過剰率λとの関係を示す図である。なお、昇温モード及びＥ．Ｏ．Ｅ．低減モードについての説明で述べたように、空気過剰率λがリッチの場合は主燃焼噴射時期は相対的に遅角側に、リーンの場合は相対的に進角側になっている。

空気過剰率λがリッチ、リーンのいずれの場合も、排気温度が高くなるほどＥ．Ｏ．ＨＣ排出量が多くなる。ただし、温度Ｔａ以下では、空気過剰率λがリーンの方がリッチの場合よりもＥ．Ｏ．ＨＣ排出量が少なく、温度Ｔａより高温では、逆に空気過剰率λがリッチの方がリーンの場合よりもＥ．Ｏ．ＨＣ排出量が少なくなる。

したがって、Ｅ．Ｏ．Ｅ．低減モードの場合は、排気温度がＴａ以下かつ空気過剰率λがリーンとなるように制御し、昇温モードの場合は、排気温度がＴａより高温かつ空気過剰率λがリッチとなるよう制御することで、排気性能を悪化させることなく、過不足のない触媒昇温を行うことができる。また、浄化率の温度に対するヒステリシスを考慮しているので、無駄に昇温させることがなく、これにより燃費性能の悪化を招くこともない。

以上により本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。

（１）酸化触媒３２が活性化しているか否かに基づいて、排気昇温モードまたはＥ．Ｏ．Ｅ．低減モードのいずれかを選択して実行するので、無駄な昇温による燃費性能の悪化を抑制することができ、かつ大気中へのＨＣ排出量を低減できる。

（２）機関始動から酸化触媒３２が活性化するまでは昇温モードを選択し、いったん活性化した後の活性領域内では、酸化触媒３２の浄化性能またはＨＣ排出量の少なくとも一方に基づいて昇温モードまたはＥ．Ｏ．Ｅ．低減モードのいずれかを選択するので、酸化触媒３２を早期に活性化させることができる。さらに、エンジン1から排出される排気成分を、酸化触媒３２の浄化性能に応じた量に調整することができる。

（３）昇温モードは、空気過剰率をリッチ方向に変化させる空気過剰率リッチ化、燃料の主噴射時期を遅角方向に変化させる噴射時期遅角化、主噴射後に燃料を噴射する後噴射、の少なくともいずれか一つを実施する運転モードであり、排気成分低減モードは、空気過剰率をリーン方向に変化させる空気過剰率リーン化、燃料の主噴射時期を進角方向に変化させる噴射時期進角化、の少なくとも一方を実施する運転モードである。これにより、排気性能を悪化させることなく、酸化触媒３２を早期に活性化させることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。例えば、酸化触媒３２に替えて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やＮＯｘ直接還元型触媒等のＮＯｘ浄化触媒を備える構成であっても、同様の昇温モードとＥ．Ｏ．Ｅ低減モードを切換ることにより、ＮＯｘの排出量を低減しつつＮＯｘ浄化触媒を昇温することができる。ただし、Ｅ．Ｏ．Ｅ．低減モードにおける空気過剰率λは、酸化触媒３２の場合とは異なり、リッチにするものとする。

本実施形態を適用するシステムの構成図である。触媒昇温のための制御ルーチンを示すフローチャートである。浄化率と触媒温度との関係を示す図である。昇温モード制御のフローチャートである。目標吸気絞り弁開度演算のフローチャートである。目標ＥＧＲ弁開度演算のフローチャートである。目標空気流量比ｔＡＤＮＶテーブルである。目標吸気絞り弁開度テーブルである。目標ＥＧＲ率テーブルである。目標ＥＧＲ弁開度テーブルである。Ｅ．Ｏ．Ｅ低減モード制御のフローチャートである。モード選択制御のフローチャートである。反応速度マップである。モード判定フラグ設定用のマップである。Ｅ．Ｏ．ＨＣ排出量及び排気温度と空気過剰率λとの関係を示す図である。

符号の説明

１エンジン
１１吸気通路
１２エアフローメータ
１３サージタンク
１４吸気絞り弁
２１インジェクタ
２２コモンレール
３１排気通路
３２酸化触媒
４１ＥＧＲ通路
４２ＥＧＲ弁
５１電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６１排気ガス温度
６２水温センサ
６３クランク角センサ
６４アクセル開度センサ
６５吸気温度センサ
６６触媒温度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に介装され排気浄化機能を有する排気浄化用の触媒と、
前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記触媒温度検出手段の検出値に基づいて前記触媒が活性化しているか否かを判定する活性化判定手段と、
前記活性化判定手段の判定結果に基づいて、機関の運転モードとして排気温度を上昇させることを優先する排気昇温モードまたは排気成分を低減させることを優先する排気成分低減モードのいずれかを選択して実行する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、機関始動から前記排気浄化手段が活性化温度に到達するまでの未活性領域では前記昇温モードを選択し、いったん活性化した後は、活性化後の活性領域下限温度から前記活性化温度までの領域では、前記触媒の浄化性能または排気成分の少なくとも一方に基づいて前記昇温モードまたは前記排気成分低減モードのいずれかを選択し、前記活性化温度より高い温度領域では前記排気成分低減モードを実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒は酸化触媒である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装置。
前記昇温モードは、空気過剰率をリッチ方向に変化させる空気過剰率リッチ化、燃料の主噴射時期を遅角方向に変化させる噴射時期遅角化、主噴射後に燃料を噴射する後噴射、の少なくともいずれか一つを実施する運転モードであり、
前記排気成分低減モードは、空気過剰率をリーン方向に変化させる空気過剰率リーン化、燃料の主噴射時期を進角方向に変化させる噴射時期進角化、の少なくとも一方を実施する運転モードであることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒はＮＯｘ浄化触媒である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装置。
前記昇温モードは、空気過剰率をリッチ方向に変化させる空気過剰率リッチ化、燃料の主噴射時期を遅角方向に変化させる噴射時期遅角化、主噴射後に燃料を噴射する後噴射、の少なくともいずれか一つを実施する運転モードであり、
前記排気成分低減モードは、前記空気過剰率リッチ化、燃料の主噴射時期を遅角方向に変化させる噴射時期遅角化、ＥＧＲガス量を増加させるＥＧＲガス増大、の少なくともいずれか一つを実施する運転モードであることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。