JP5338385B2 - 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する。

この種の技術が、例えば特許文献１に提案されている。特許文献１には、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスを浄化するための触媒よりも下流側の排気通路中に還元剤を添加して、触媒の再生処理を行う排気ガス浄化方法が提案されている。

特開２００８−１５１００２号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の技術では、排気通路の上流側と下流側とに２つの触媒が配置された排気浄化装置に対して、未燃ガスの大気への放出を防ぎながら、触媒に対する床温制御を適切に行うことが困難であった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、未燃成分の大気への放出を抑制しつつ、触媒に対する床温制御を適切に行うことが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、内燃機関の排気浄化装置は、排気通路上に設けられた第１触媒と、前記第１触媒の下流側の前記排気通路上に設けられた第２触媒と、前記第１触媒の上流側に設けられ、前記排気通路中に還元剤を供給する第１還元剤供給手段と、前記第１触媒と前記第２触媒との間に設けられ、前記排気通路中に還元剤を供給する第２還元剤供給手段と、前記第１還元剤供給手段及び前記第２還元剤供給手段による還元剤の供給によって未燃成分のすり抜けが生じない上限Ａ／Ｆ、及び、前記第１触媒及び前記第２触媒を床温制御するための前記第１還元剤供給手段の要求供給量と前記第２還元剤供給手段の要求供給量との比率に基づいて、前記第１還元剤供給手段及び前記第２還元剤供給手段の還元剤の供給量をそれぞれ設定する還元剤供給量設定手段と、を備え、前記還元剤供給量設定手段は、前記上限Ａ／Ｆに相当する添加量であるＡ／Ｆ限界相当添加量を前記比率で分割した添加量を、前記第１還元剤供給手段及び前記第２還元剤供給手段のそれぞれの還元剤の供給量に設定する。

上記の内燃機関の排気浄化装置は、上流側に設けられた第１触媒と、下流側に設けられた第２触媒と、第１触媒の上流側に設けられた第１還元剤供給手段と、第１触媒と第２触媒との間に設けられた第２還元剤供給手段と、を有する。還元剤供給量設定手段は、第１還元剤供給手段及び第２還元剤供給手段による還元剤の供給によって未燃成分のすり抜けが生じない上限Ａ／Ｆ、及び、第１触媒及び第２触媒を床温制御するための第１還元剤供給手段の要求供給量と第２還元剤供給手段の要求供給量との比率に基づいて、第１還元剤供給手段及び第２還元剤供給手段の還元剤の供給量をそれぞれ設定する。具体的には、還元剤供給量設定手段は、上限Ａ／Ｆに相当する添加量であるＡ／Ｆ限界相当添加量を比率で分割した添加量を、第１還元剤供給手段及び第２還元剤供給手段のそれぞれの還元剤の供給量に設定する。これにより、未燃成分の大気への放出を抑制しつつ、第１触媒及び第２触媒に対する床温制御を適切に行うことが可能となる。

上記の内燃機関の排気浄化装置の他の態様では、前記第１還元剤供給手段及び前記第２還元剤供給手段の一方でＡ／Ｆ制御を行う場合において、前記Ａ／Ｆ制御における目標Ａ／Ｆを達成するための量の還元剤を供給すると前記上限Ａ／Ｆを超える場合に、前記Ａ／Ｆ制御を行う還元剤供給手段の供給時期とは異なるタイミングで、前記還元剤供給量設定手段が設定した供給量によって、前記第１還元剤供給手段及び前記第２還元剤供給手段の他方からの還元剤の供給を行う手段を更に備える。

この態様では、一方の還元剤供給手段でＡ／Ｆ制御を行う場合において、Ａ／Ｆ制御における目標Ａ／Ｆを達成するための量の還元剤を供給すると上限Ａ／Ｆを超える場合に、Ａ／Ｆ制御を行う還元剤供給手段の供給時期とは異なるタイミングで、還元剤供給量設定手段が設定した供給量によって、他方の還元剤供給手段からの還元剤の供給を行う。具体的には、一方の還元剤供給手段から他方の還元剤供給手段まで還元剤が輸送される時間などを考慮して、他方の還元剤供給手段から還元剤の供給を行う。これにより、より効果的に、未燃成分の大気への放出を抑制することが可能となる。

内燃機関の排気浄化装置を適用したシステムの概略構成図を示す。 第１実施例において、添加弁の添加量を求める方法を説明するための図である。 第１実施例における制御方法の具体例を説明するための図である。 第２実施例における制御方法の具体例を説明するための図である。 第３実施例における制御方法の具体例を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
［装置構成］
図１は、本発明における内燃機関の排気浄化装置を適用したシステムの一例を示す概略構成図である。図１では、実線矢印はガスの流れを示し、破線矢印は信号の入出力を示している。

図示のように、当該システムは、主に、吸気通路１と、エンジン（内燃機関）２と、排気通路３と、第１触媒４と、第２触媒５と、第１添加弁６と、第２添加弁７と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０と、を有する。

吸気通路１は、エンジン２へ供給するための吸気が通過する。エンジン２は、吸気と燃料との混合気を燃焼させることによって車両における動力を発生する。エンジン２は、例えばディーゼルエンジンに相当する。エンジン２における燃焼によって発生した排気ガスは、排気通路３に排出される。

排気通路３上には、排気ガスを浄化可能に構成された第１触媒４及び第２触媒５が設けられている。具体的には、上流側に第１触媒４が設けられ、下流側に第２触媒５が設けられている。例えば、車両において、第１触媒４はマニバータに配置され、第２触媒５はアンダーフロアに配置される。また、第１触媒４、第２触媒５は、例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＮＳＲ(NOx Storage Reduction)にて構成される。なお、以下では、第１触媒４、第２触媒５を区別しないで用いる場合には「触媒４、５」と表記する。

また、第１触媒４の上流側の排気通路３上には第１添加弁６が設けられ、第１触媒４と第２触媒５との間の排気通路３上には第２添加弁７が設けられている。第１添加弁６、第２添加弁７は、排気通路３中にＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）などの還元剤を添加することで、触媒４、５へエネルギーを供給する装置である。第１添加弁６、第２添加弁７から添加される還元剤は、例えば、触媒４、５を再生（Ｓ再生など）するためや、触媒４、５を床温制御（触媒の床温を目標床温に維持するために行う制御をいう。以下同じ。）するために用いられる。第１添加弁６、第２添加弁７は、それぞれＥＣＵ１０から供給される制御信号Ｓ６、Ｓ７によって、添加量や添加タイミングなどが制御される。また、第１添加弁６及び第２添加弁７は、それぞれ、本発明における第１還元剤供給手段及び第２還元剤供給手段に相当する。なお、以下では、第１添加弁６、第２添加弁７を区別しないで用いる場合には「添加弁６、７」と表記する。

このように２つの添加弁（第１添加弁６及び第２添加弁７）を用いることにより、１つの添加弁のみを用いる場合と比較して、２つの触媒（第１触媒４及び第２触媒５）を同時に精度良く床温制御することが可能となる。具体的には、第１触媒４の上流側に設けられた添加弁のみを用いた場合には、第１触媒４での冷損分を計算して、第２触媒５を床温制御する必要がある。この場合には、冷損の変化がガス量に依存するため変化が早いのに対し、第１触媒４の床温制御が遅れてしまうので、床温制御を精度良く行うことは困難であると言える。

ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを備える。ＥＣＵ１０は、主に、添加弁６、７に対して制御信号Ｓ６、Ｓ７を供給することで、添加弁６、７に対する制御を行う。具体的には、ＥＣＵ１０は、第１触媒４をＳ再生（Ｓ被毒回復）するため、及び、第１触媒４及び／又は第２触媒５を床温制御するために、第１添加弁６及び／又は第２添加弁７より還元剤を添加させる制御を行う。詳細は後述するが、ＥＣＵ１０は、本発明における還元剤供給量設定手段に相当する。なお、ＥＣＵ１０は、車両内の各構成要素に対して種々の制御を行うが、本発明に関係のない制御については説明を省略する。
［制御方法］
次に、ＥＣＵ１０が添加弁６、７に対して行う制御方法の実施例（第１実施例〜第３実施例）について説明する。本実施例では、ＥＣＵ１０は、未燃成分（ＨＣなど）の大気への放出を防ぎつつ、触媒４、触媒５に対する床温制御を適切に行うことを図り、添加弁６、７それぞれから還元剤を添加させる制御を行う。

（第１実施例）
第１実施例では、ＥＣＵ１０は、添加弁６、７による添加によって未燃成分のすり抜けが生じないＡ／Ｆの限界値（上限Ａ／Ｆに相当し、以下「Ａ／Ｆ限界」と呼ぶ。）を設定して、当該Ａ／Ｆ限界に基づいて添加弁６、７の添加量を設定する。具体的には、ＥＣＵ１０は、添加弁６、７の合計添加量にベース燃焼を考慮したＡ／Ｆ限界を設定して、添加弁６、７の添加量を決める。つまり、ＥＣＵ１０は、添加弁６、７の合計添加量が、Ａ／Ｆ限界に相当する添加量（以下、「Ａ／Ｆ限界相当添加量」と呼ぶ。）を超えないようにする。こうすることで、添加弁６、７による添加によって過剰なリッチ状態となり、ＨＣなどの未燃成分が触媒４、５をすり抜けて、エミッションが悪化してしまうことを抑制することが可能となる。

また、第１実施例では、ＥＣＵ１０は、触媒４、５の床温制御のために第１添加弁６及び第２添加弁７のそれぞれに対して要求される添加量の合計（つまり第１添加弁６の要求添加量と第２添加弁７の要求添加量との合計添加量）が、上記したＡ／Ｆ限界相当添加量を超える場合、当該Ａ／Ｆ限界相当添加量を添加弁６、７にて割り振って添加を行う。つまり、ＥＣＵ１０は、Ａ／Ｆ限界相当添加量を分割した添加量を、添加弁６、７それぞれの添加量とする。こうすることで、一時的に燃焼がリッチになり、添加できずに、要求添加量がＡ／Ｆ限界相当添加量を超えるような場合に、添加量をＡ／Ｆ限界相当添加量まで使い切ることができる。したがって、触媒４、５における不足エネルギー（還元剤）を早期に補填することができ、目標床温への追従性を確保することが可能となる。

より詳しくは、ＥＣＵ１０は、要求添加量の合計添加量がＡ／Ｆ限界相当添加量を上回る場合は、第１添加弁６の要求添加量と第２添加弁７の要求添加量との割合（言い換えると比率。以下では「要求割合」とも表記する。）に基づいて、Ａ／Ｆ限界相当添加量を添加弁６、７にて分割する。つまり、ＥＣＵ１０は、Ａ／Ｆ限界相当添加量に対して要求割合を乗算することで、添加弁６、７それぞれの添加量を算出する。合計添加量がＡ／Ｆ限界相当添加量を上回る場合には、Ａ／Ｆ限界相当添加量までしか添加できないことになるが、添加弁６、７のいずれかによってＡ／Ｆ限界相当添加量をまとめて添加させると、添加密度が濃くなり、床温における昇温代が増加する傾向にある（つまり床温のオーバーシュートが生じる可能性がある）。

したがって、第１実施例では、ＥＣＵ１０は、Ａ／Ｆ限界相当添加量に対して要求割合を乗算することで、添加弁６、７のそれぞれの添加量を算出する。つまり、ＥＣＵ１０は、Ａ／Ｆ限界相当添加量を要求割合に基づいて分割して、第１添加弁６と第２添加弁７とによって添加を行う。こうすることにより、床温における昇温代の増加を抑制しつつ、即ち床温振幅を抑制しながら、触媒４、５における不足エネルギー（還元剤）を早期に補填することが可能となる。

図２は、第１実施例において、添加弁６、７のそれぞれの添加量を求める方法を説明するための図である。図２は、横軸に時間を示し、縦軸に添加量を示している。

ハッチング領域Ａ１は、第１添加弁６の添加量（以下、「第１添加量」と呼ぶ。）の一例を表しており、ハッチング領域Ａ２は、第２添加弁７の添加量（以下、「第２添加量」と呼ぶ。）の一例を表している。また、Ａ３で示す添加量は、Ａ／Ｆ限界相当添加量の一例を示している。例えば、第１添加量及び第２添加量は、それぞれ、式（１）及び式（２）より算出される。

第１添加量＝｛Ｑｒｑ１／（Ｑｒｑ１＋Ｑｒｑ２）｝×Ｑａｆｇ 式（１）
第２添加量＝｛Ｑｒｑ２／（Ｑｒｑ１＋Ｑｒｑ２）｝×Ｑａｆｇ 式（２）
式（１）、式（２）において、「Ｑｒｑ１」は第１添加弁６の要求添加量を示し、「Ｑｒｑ２」は第２添加弁７の要求添加量を示し、「Ｑａｆｇ」はＡ／Ｆ限界相当添加量を示している。なお、「Ｑｒｑ１」、「Ｑｒｑ２」は、瞬時要求量（具体的には、「総要求量−総発熱量」）に基づいて求められる。

図３は、第１実施例における制御方法の具体例を説明するための図である。図３は、横方向に時間を示し、上から順に、Ａ／Ｆ（目標Ａ／Ｆに相当）、触媒４、５の床温、第１添加量、第１添加弁６の要求添加量（第１要求添加量）、第２添加量、第２添加弁７の要求添加量（第２要求添加量）、要求添加量の合計添加量に対して第１添加弁６の要求添加量が占める割合（第１要求割合）、を示している。また、符号４１で示す床温は第１触媒４の床温を示し、符号４２で示す床温は第２触媒５の床温を示している。加えて、「Ｔｅｍ１」で示す床温は第１触媒４の目標床温に相当し、「Ｔｅｍ２」で示す床温は第２触媒５の目標床温に相当する。

期間Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４、Ｔ１５、Ｔ１６、Ｔ１７の順に説明を行う。期間Ｔ１１は燃焼リッチ中に相当する。この期間Ｔ１１では、符号３１で示すように、Ａ／Ｆはストイキに維持されている。また、期間Ｔ１１では添加を行うことができないため、触媒４、５の床温が目標床温よりも低下することで、第１要求添加量及び第２要求添加量が増加していく。

次に、期間Ｔ１２では、触媒４、５の床温を昇温させるための添加が行われる。この期間Ｔ１２では、符号３２で示すように、Ａ／ＦはＡ／Ｆ限界に設定される。こうすることで、第１添加量、第２添加量、及び第１添加量と第２添加量との合計添加量が、Ａ／Ｆ限界相当添加量を超えることを防止している。この場合には、第１要求添加量と第２要求添加量との合計添加量がＡ／Ｆ限界相当添加量を上回るため、第１要求添加量と第２要求添加量との割合（要求割合）に基づいて、第１添加量及び第２添加量が算出される。

これにより、ハッチング領域５１で示すような添加量が第１添加弁６より添加され、ハッチング領域５２で示すような添加量が第２添加弁７より添加される。このような添加量が添加されることで、第１要求添加量及び第２要求添加量が徐々に減少していき、時刻ｔ１３（期間Ｔ１２の終了時）において、第１要求添加量及び第２要求添加量が概ね「０」になる。この際に、Ａ／Ｆのリッチ化が許可される、つまり第１触媒４をＳ再生するためのリッチ添加が許可される。

次に、期間Ｔ１３では、第２触媒５の床温を維持するための添加が行われる。この場合、符号５６で示すように第２添加量が添加されることで、第２触媒５の床温が概ね目標床温に維持される。これにより、第２要求添加量はほとんど増加しない。また、この期間Ｔ１３では、Ａ／Ｆはリーンに設定されると共に、第１添加弁６より添加を行わない。こうしているのは、次に第１触媒４をＳ再生するために、つまりリッチ添加を行うために、その前段階としてのリーン期間を確保するためである（以下、このようにリーンに設定することを「前出しリーン」と呼ぶ）。

次に、期間Ｔ１４では、第１触媒４をＳ再生するための添加が行われる。この期間Ｔ１４では、符号３４で示すように、Ａ／Ｆはストイキに維持されると共に、符号５３で示すように、第１触媒４に対してリッチ添加が行われる。

次に、期間Ｔ１５では、第２触媒５の床温を昇温させるための添加が行われる。この期間Ｔ１５では、符号３５で示すように、Ａ／ＦはＡ／Ｆ限界に設定される。この場合には、第１添加弁６より添加を行わないため、符号５７で示すように、第２添加量がＡ／Ｆ限界相当添加量に設定される。次に、期間Ｔ１６では、第２触媒５の床温を維持するための添加が行われる。この期間Ｔ１６では、符号３６で示すように、Ａ／Ｆはリーンに設定される。なお、期間Ｔ１５、Ｔ１６は、前出しリーンのための期間に相当する。

次に、期間Ｔ１７では、第１触媒４をＳ再生するための添加が行われる。この期間Ｔ１７では、符号３７で示すように、Ａ／Ｆはストイキに維持されると共に、符号５４で示すように、第１触媒４に対してリッチ添加が行われる。

（第２実施例）
次に、第２実施例について説明する。第２実施例では、添加弁６、７の少なくともいずれかがＡ／Ｆ制御（空燃比制御）を兼ねる添加を行う場合に、必要最小時間でＡ／Ｆ制御のための添加を行う点で、第１実施例と異なる。具体的には、第２実施例では、ＥＣＵ１０は、Ａ／Ｆ制御のための添加を必要最小時間で行うと共に、当該Ａ／Ｆ制御のための添加と、前述したような床温制御のための添加とを交互に実行する。こうすることにより、床温における昇温代の増加の抑制、及び触媒４、５における不足エネルギー（還元剤）の早期補填を達成しつつ、Ａ／Ｆ制御を適切に行うことが可能となる。

図４は、第２実施例における制御方法の具体例を説明するための図である。図４は、横軸に時間を示し、縦軸に添加量を示している。

符号Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ１３、Ｂ１４、Ｂ１５で示す添加は、Ａ／Ｆ制御（詳しくはリッチスパイク制御）のための添加の一例を示しており、符号Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、Ｂ２４、Ｂ２５で示す添加は、床温制御のための添加を示している。これより、Ａ／Ｆ制御のための添加と床温制御のための添加とが交互に行われていることがわかる。なお、符号Ｂ１１〜Ｂ１５で示す添加は、第１添加弁６によって行われ、符号Ｂ２１〜Ｂ２５で示す添加は、第２添加弁７によって行われる。

また、図４中の「▲」は、添加量などの算出タイミングを示している。更に、符号Ｃ１で示す添加量は、再生可能なＡ／Ｆに相当する添加量を示しており、符号Ｃ２で示す添加量は、Ａ／Ｆ限界相当添加量を示している。加えて、符号Ｃ３で示す時間は、リッチスパイク制御を行う時間を示している。この時間Ｃ３は、必要最小限の時間に設定される。

（第３実施例）
次に、第３実施例について説明する。第３実施例では、上記のように第１添加弁６がＡ／Ｆ制御を兼ねる添加を行う場合において、Ａ／Ｆ制御における目標Ａ／Ｆを達成するための添加量を添加するとＡ／Ｆ限界を超える場合に、第１添加弁６の添加時期とは異なるタイミングで第２添加弁７からの添加を行う点で、第１及び第２実施例と異なる。より具体的には、ＥＣＵ１０は、合計のＡ／Ｆが還元剤の第２触媒５への到達時点を制御できるように、第１添加弁６から第２添加弁７まで還元剤が輸送される時間（以下、「輸送遅れ時間」と呼ぶ。）を考慮して、第２添加弁７からの添加を行う。つまり、ＥＣＵ１０は、第１添加弁６の添加から輸送遅れ時間だけ遅らせたタイミングで、第２添加弁７からの添加を行う。こうすることで、Ａ／Ｆ限界を超えることで、ＨＣなどの未燃成分が触媒４、５をすり抜けて、エミッションが悪化してしまうことを効果的に抑制することが可能となる。

図５は、第３実施例における制御方法の具体例を説明するための図である。図５は、横方向に時間を示し、上に第１添加弁６の添加量（第１添加量）を示し、下に第２添加弁７の添加量（第２添加量）を示している。

時刻ｔ２１で、ハッチング領域Ｄ１で示すように、第１添加弁６より添加が行われるものとする。この時刻ｔ２１では、第２添加弁７について、破線のハッチング領域Ｄ２１で示すような要求添加量が求められる。第３実施例では、時刻ｔ２１から輸送遅れ時間Ｔ２だけ経過した時刻ｔ２２で、このような要求添加量を第２添加弁７より添加させる。つまり、第１添加弁６の添加から輸送遅れ時間Ｔ２だけ遅らせたタイミングで、ハッチング領域Ｄ２２で示すように第２添加弁７からの添加を行う。

なお、輸送遅れ時間Ｔ２は、例えば、ガス流量、ガス温度、ガス組成、排気管流量、放熱量などに基づいて算出される。
［変形例］
上記では、添加弁６、７より還元剤を添加することで触媒４、５へエネルギーを供給する実施例を示したが、他の例では、このような添加弁を用いる代わりに、ポスト噴射を行っても良い。つまり、本発明は、燃料をポスト噴射することで触媒へエネルギーを供給する構成に対しても適用することができる。例えば、添加弁６によって還元剤を添加する代わりに、ポスト噴射によって燃料を添加することができる。

１ 吸気通路
２ エンジン
３ 排気通路
４ 第１触媒
５ 第２触媒
６ 第１添加弁
７ 第２添加弁
１０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 排気通路上に設けられた第１触媒と、
   前記第１触媒の下流側の前記排気通路上に設けられた第２触媒と、
   前記第１触媒の上流側に設けられ、前記排気通路中に還元剤を供給する第１還元剤供給手段と、
   前記第１触媒と前記第２触媒との間に設けられ、前記排気通路中に還元剤を供給する第２還元剤供給手段と、
   前記第１還元剤供給手段及び前記第２還元剤供給手段による還元剤の供給によって未燃成分のすり抜けが生じない上限Ａ／Ｆ、及び、前記第１触媒及び前記第２触媒を床温制御するための前記第１還元剤供給手段の要求供給量と前記第２還元剤供給手段の要求供給量との比率に基づいて、前記第１還元剤供給手段及び前記第２還元剤供給手段の還元剤の供給量をそれぞれ設定する還元剤供給量設定手段と、を備え、
   前記還元剤供給量設定手段は、前記上限Ａ／Ｆに相当する添加量であるＡ／Ｆ限界相当添加量を前記比率で分割した添加量を、前記第１還元剤供給手段及び前記第２還元剤供給手段のそれぞれの還元剤の供給量に設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第１還元剤供給手段及び前記第２還元剤供給手段の一方でＡ／Ｆ制御を行う場合において、前記Ａ／Ｆ制御における目標Ａ／Ｆを達成するための量の還元剤を供給すると前記上限Ａ／Ｆを超える場合に、前記Ａ／Ｆ制御を行う還元剤供給手段の供給時期とは異なるタイミングで、前記還元剤供給量設定手段が設定した供給量によって、前記第１還元剤供給手段及び前記第２還元剤供給手段の他方からの還元剤の供給を行う手段を更に備える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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