JP5510749B2 - 排気浄化装置 - Google Patents
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Description
ここで、燃料添加は筒内噴射に比べてNOx還元効率が低いため、NOx還元(または「NOxパージ」という。)を促進する観点からは筒内噴射の方が有利である。しかし、NOx還元時に筒内噴射を実施すると、エンジンの中負荷から高負荷運転において排気温度が過度に上昇する。すると、エンジンがターボチャージャを搭載している場合には、許容温度以上の排気流がターボチャージャのタービンに流入し、ターボチャージャに熱的な影響を及ぼすおそれがある。
制御手段は、筒内噴射手段が噴射する筒内噴射量および燃料添加手段が噴射する添加燃料量を制御する。そして、制御手段は、エンジン回転数及びエンジン負荷を取得し、エンジン回転数が所定の第1回転数閾値以下のとき又はエンジン負荷が所定の第1負荷閾値以下のとき、タービン前排気温度によらず、筒内噴射量をゼロより大きい値とし添加燃料量をゼロとする。ここで、所定の第1回転数閾値及び所定の第1負荷閾値は、タービン前排気温度の許容温度に対応して決められる値である。
また、上記の条件に該当しない場合、すなわち、エンジン回転数が第1回転数閾値を超え、かつ、エンジン負荷が第1負荷閾値を超える場合、制御手段は、タービン前排気温度が高いほど筒内噴射量を減少させるとともに添加燃料量を増加させる。
これにより、タービンへ熱影響を及ぼさない温度範囲内で、NOxの還元に有利な筒内噴射のみを実施することができる。よって、NOx還元効率を高めることができる。
また、筒内噴射量の減少を補填するために添加燃料量を増加させることで、NOx還元に必要な燃料量を確保することができる。
排気浄化装置には、NOx吸蔵触媒の下流側にHC酸化触媒が設けられる場合がある。このHC酸化触媒は、筒内噴射時または燃料添加時にNOx吸蔵触媒に供給されるHCおよびCOのうちNOx吸蔵触媒をすり抜けるHCおよびCOを酸化しH2OおよびCO2にするためのものである。
NOx吸蔵触媒の温度が低いほどNOx還元速度は低下し、HCがNOx吸蔵触媒をすり抜けやすくなる。そこで、上記のように「添加燃料量の増加量を筒内噴射量の減少量よりも少なく」して「すり抜けHC」による白煙の発生を防止する場合、NOx吸蔵触媒の温度が低いほど添加燃料量の増加量を少なくすることで、HCすり抜け量を低減し白煙の発生を抑制することができる。
上述の請求項4に記載の発明とは逆に、NOx吸蔵触媒の下流側に設けられるHC酸化触媒の酸化能力が高い場合には、NOx吸蔵触媒をすり抜けたHCがHC酸化触媒で充分に酸化されるため、白煙の発生を回避することができる。したがって、たとえ、添加燃料は筒内噴射燃料よりもNOx還元速度が低くHCがすり抜けやすいとしても、筒内噴射量の減少分の補填として添加燃料量を増加させることによる問題は生じない。そこで、添加燃料量の増加量を筒内噴射量の減少量よりも多くすることで、筒内噴射のみの場合と同等のNOxパージ量を維持することができる。
HCのすり抜けが問題とならず、上記のように、「添加燃料量の増加量を筒内噴射量の減少量よりも多くする」場合、NOx吸蔵触媒の温度が低いほどNOx還元速度が低下するため、添加燃料単位量あたりのNOx還元量が低下する。そこで、NOx吸蔵触媒の温度が低いほど添加燃料量の増加量を多くすることで、筒内噴射のみの場合と同等のNOx還元量を維持することができる。
そこで、付着蒸発燃料推定手段は、例えば、排気流の流速、温度等の条件と付着燃料の量および蒸発燃料の量との関係を示すマップを記憶し、このマップを参照して付着燃料の量および蒸発燃料の量を推定する。そして、制御手段は、付着蒸発燃料推定手段の推定値に基づいて添加燃料量を補正する。すなわち、燃料添加手段は、蒸発燃料による回復分を控除しつつ、付着燃料による損失分を見込んで燃料を多めに噴射する。これにより、NOx吸蔵触媒に供給する燃料量の制御精度を高めることができる。
エンジンは、本来、燃焼のための燃料をエンジン気筒内に噴射する燃焼用燃料噴射手段として、例えば燃料噴射弁を備えている。したがって、燃料噴射弁を筒内噴射手段として共用することで部品点数を低減することができる。
(一実施形態)
本発明の一実施形態による排気浄化装置は、例えば4気筒のディーゼルエンジンに適用され、排気通路に排出される排気を浄化する装置である。以下に説明する構成のうち、図1の二点鎖線で示すように、本実施形態の排気浄化装置10は、LNT40、タービン前排気温度センサ26、LNT温度センサ42およびECU90を備える。
「筒内噴射手段」としての燃料噴射弁36の噴射量を「筒内噴射量Qc」という。筒内噴射量Qcおよび噴射時期は、ECU90により制御される。
エアフローメータ34は、吸気通路71を流れエンジン2に吸入される吸気流量を検出する。そして、エアフローメータ34が検出する吸気流量に基づいて、排気通路81を流れる排気流量が算出される。
スロットル弁32は、例えばEGRガス量を調整する場合等に開度が制御される。スロットル開度が小さくなり吸気通路が絞られるとスロットル弁32の下流側に負圧が発生するため、EGR管72から吸気管70に導入されるEGRガス量が増加する。
排気中の大気汚染物質であるNOx、HC、COは、LNT40およびHC酸化触媒50の触媒作用によって無害なN2、H2O、CO2に変化して、大気中に放出される。
ECU90は、特許請求の範囲に記載の「制御手段」および「付着蒸発燃料推定手段」に相当する。
図2(a)に示すように、LNT40は、担体上に白金(Pt)およびバリウム(Ba)が担持されている。エンジンの燃焼によるNOx発生量が多いとき、白金は、排気中のNOx(具体的にはNO、NO2等)と酸素との反応を促進し、硝酸イオンNO3 -に変化させて、バリウムに吸着させる。
ところで、筒内噴射または燃料添加によりLNT40に供給されたHCおよびCOの一部がLNT40をすり抜ける可能性がある。すると、すり抜けたHCが「白煙」として大気中に放出されるおそれがある。
図2(c)に示すように、HC酸化触媒50は、担体上にセリウム(Ce)が担持されている。セリウムは、排気の空燃比がリーンのとき、排気中の酸素と結合して酸化セリウム(CeO2)を形成し酸素を貯蔵する。そして、筒内噴射または燃料添加が実施され、排気の空燃比がリッチとなるとき、酸素を放出する。これにより、HC酸化触媒50は、「O2ストレージ機能(特許文献1参照)」を有する。
したがって、筒内噴射または燃料添加のとき、LNT40をすり抜けたHCは、酸化セリウムから放出された酸素と反応してH2OとCO2とに変化する。よって、すり抜けたHCが白煙として大気中に放出されることを防止することができる。
図3のS05において、ECU90は、エンジン回転数Neおよび「エンジン負荷」としてのアクセル開度Aoを取得する。なお、下記の第1開度閾値Ao1および第2開度閾値Ao2は、「第1負荷閾値」および「第2負荷閾値」に相当する。
S10でYESの場合、S20に移行し、筒内噴射量Qcをゼロより大きい値とし、添加燃料量Qaをゼロとする。すなわち、燃料噴射弁36からの筒内噴射のみを実施する。
S30でYESの場合、S40に移行し、エンジン回転数Neが高いほど筒内噴射量Qcを減少する。また、それに伴い添加燃料量Qaを増加することとする。添加燃料量Qaの増加量は後述のS75〜S90によって決定する。
S50でYESの場合、S60に移行し、アクセル開度Aoが高いほど筒内噴射量Qcを減少する。また、それに伴い添加燃料量Qaを増加することとする。添加燃料量Qaの増加量は後述のS75〜S90によって決定する。
S65では、タービン前排気温度センサ26からタービン前排気温度Tgを取得する。続くS70では、タービン前排気温度Tgが高いほど筒内噴射量Qcを減少する。また、それに伴い添加燃料量Qaを増加することとする。添加燃料量Qaの増加量は後述のS75〜S90によって決定する。
図4(a)に示すように、エンジン回転数Neについて、第1回転数閾値Ne1以下の領域では筒内噴射のみを実施する。第1回転数閾値Ne1を超え第2回転数閾値Ne2未満の領域では、エンジン回転数Neおよびアクセル開度Aoはタービン前排気温度Tgに依存する。すなわち、図4(c)に示すように、タービン前排気温度Tgが高いほど筒内噴射量Qcを減少し添加燃料量Qaを増加する。タービン前排気温度Tgが温度Tg0以下では、添加燃料量Qaをゼロとし、燃料噴射弁36からの筒内噴射のみを実施する。一方、タービン前排気温度Tgが筒内噴射上限温度TgMAX以上では、筒内噴射量Qcをゼロとし、燃料添加弁60からの燃料添加のみを実施する。
また、図4(b)に示すように、アクセル開度Aoについては、エンジン回転数Neと同様である。
時刻t0で、アクセル開度Aoがゼロから第1開度閾値Ao1と第2開度閾値Ao2との間の開度AoXになったとする。すると、エンジン2の燃焼によりタービン前排気温度Tgが上昇し始める。続いて時刻t1で、ECU90が排気浄化処理を開始する。
時刻t1直後はタービン前排気温度Tgが比較的低いので、筒内噴射量Qcを多くし、添加燃料量Qaを少なくする。その後、タービン前排気温度Tgが上昇するにつれ、筒内噴射量Qcを減少し添加燃料量Qaを増加する。
時刻t2でタービン前排気温度Tgが筒内噴射上限温度TgMAXに達すると、筒内噴射量Qcをゼロとし、燃料添加弁60からの燃料添加のみを実施する。そして、時刻t3でECU90は、添加燃料量Qaをゼロとし、排気浄化処理を終了する。
(1)エンジン回転数Neが第1回転数閾値Ne1以下のとき又はアクセル開度Aoが第1開度閾値Ao1以下のときは、筒内噴射時のタービン前排気温度Tgが許容温度以下であると推定される。したがって、タービン22へ熱影響を及ぼさない温度範囲内で、NOxの還元に有利な筒内噴射のみを実施することができる。よって、NOx還元効率を高めることができる。
また、筒内噴射量Qcの減少を補填するために添加燃料量Qaを増加することで、NOx還元に必要な燃料量を確保することができる。
これにより、ターボチャージャ20を備えたエンジン2において、排気浄化装置10は、タービン前排気温度Tgによって筒内噴射と燃料添加との配分を調整する。すなわち、タービン前排気温度Tgが比較的高い場合には、筒内噴射量Qcを減少することでタービン22への熱影響を抑制し、ターボチャージャ20の耐用期間を十分確保することができる。また、タービン前排気温度Tgが比較的低い場合には、タービン22へ熱影響を及ぼさない範囲内で筒内噴射量Qcを可及的に多くすることで、NOx還元効率を高めることができる。
ここで、S75の説明に移る前に、添加燃料量Qaの増加量を決定する方法の基本的な3つのパターンについて、図6を参照して説明する。
方法2は、LNT40の下流側に設けられるHC酸化触媒50の酸化能力が低い場合、あるいはHC酸化触媒50が設けられない場合に適している。これらの場合、LNT40をすり抜けたHCがHC酸化触媒50で充分に酸化されず、白煙として大気中に放出されるおそれがある。しかも、筒内噴射量の減少分を添加燃料で補填しようとすると、添加燃料は筒内噴射燃料よりもNOx還元速度が低いため、HCがLNT40をすり抜けて白煙を生じやすくなる。したがって、添加燃料量Qaの増加量ΔQa2を筒内噴射量Qcの減少量ΔQcよりも少なくすることで、図6(b)に示すように、HCすり抜け量を低減し白煙の発生を抑制することができる。
また、方法1は、LNT40の下流に設けられるHC酸化触媒50の酸化能力が低くも高くもない場合に、方法2と方法3との中間的な方法として採用可能である。
図7(b)は、燃料添加弁60が噴射した添加燃料がLNT40に到達するまでの排気通路81での挙動を示している。ここで、燃料添加弁60が排気通路81に噴射した添加燃料量Qaを噴射時添加燃料量Qaiとする。また、LNT40に到達しNOx還元反応に利用される添加燃料量Qaを到達時添加燃料量Qafとする。
Σ(−qα)=−Qα ・・・(式1)
Σ( qβ)= Qβ ・・・(式2)
Qai−Qα+Qβ=Qaf ・・・(式3)
そこで、ECU90は、排気流Geの流速、温度等の条件と、付着燃料の量および蒸発燃料の量との関係を示すマップを記憶し、S90で、このマップを参照して付着燃料の量(−Qα)および蒸発燃料の量Qβを推定する。そして、その推定値に基づいて添加燃料量Qaを補正する。
以上で、図3のフローチャートに示す排気浄化処理を完了する。
(ア)上記実施形態の排気浄化処理(図3)では、ECU90は、エンジン回転数Neおよびアクセル開度Aoの両方を取得する。他の実施形態では、ECU90は、エンジン回転数Neまたはアクセル開度Aoのいずれか一方のみを取得してもよい。エンジン回転数Neのみを取得する場合は、S50およびS60を省略し、S30でNOの場合、S65に移行する。アクセル開度Aoのみを取得する場合は、S30およびS40を省略し、S10でNOの場合、S50に移行する。
(オ)上記実施形態では、燃料噴射弁36は、排気に混入させるための燃料を気筒4内に噴射する「筒内噴射手段」と、燃焼のための燃料を気筒4内に噴射する「燃焼用燃料噴射手段」とを兼ねている。その他の実施形態では、「筒内噴射手段」としての筒内噴射弁と「燃焼用燃料噴射手段」としての燃料噴射弁とを独立して設けてもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
10 ・・・排気浄化装置、
20 ・・・ターボチャージャ、
22 ・・・タービン、
24 ・・・コンプレッサ、
26 ・・・タービン前排気温度センサ(タービン前排気温度検出手段)、
36 ・・・燃料噴射弁(筒内噴射手段、燃焼用燃料噴射手段)、
40 ・・・LNT(NOx吸蔵触媒)、
42 ・・・LNT温度センサ(NOx吸蔵触媒温度検出手段)、
50 ・・・HC酸化触媒、
60 ・・・燃料添加弁(燃料添加手段)、
80 ・・・排気管、
81 ・・・排気通路、
90 ・・・ECU(制御手段、付着蒸発燃料推定手段)、
Qc ・・・筒内噴射量、
Qa ・・・添加燃料量、
Ne ・・・エンジン回転数、
Ne1 ・・・第1回転数閾値、
Ne2 ・・・第2回転数閾値、
Ao ・・・アクセル開度(エンジン負荷)、
Ao1 ・・・第1開度閾値(第1負荷閾値)、
Ao2 ・・・第2開度閾値(第2負荷閾値)、
Tg ・・・タービン前排気温度、
TLNT ・・・LNT温度(NOx吸蔵触媒の温度)。
Claims (9)
- 排気管の途中に設けられ排気流により回転するタービン、吸気管の途中に設けられ前記タービンに駆動されて回転し前記タービンと共にターボチャージャを構成するコンプレッサ、排気に混入させるための燃料をエンジン気筒内に噴射する筒内噴射手段、及び、排気に混入させるための燃料を排気通路中に噴射する燃料添加手段を備えたエンジンに用いられ、前記筒内噴射手段および前記燃料添加手段の少なくともいずれか一方が噴射する燃料によって排気中のNOxを浄化する排気浄化装置であって、
前記排気通路の前記燃料添加手段の下流側に設けられ、流入する排気の空燃比がリーンのとき排気中のNOxを吸収し、流入する排気の空燃比がリッチのとき吸収したNOxを還元するNOx吸蔵触媒と、
前記タービンに流入する排気の温度であるタービン前排気温度を検出するタービン前排気温度検出手段と、
前記筒内噴射手段が噴射する筒内噴射量および前記燃料添加手段が噴射する添加燃料量を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
エンジン回転数及びエンジン負荷を取得し、
エンジン回転数が前記タービン前排気温度の許容温度に対応して決められる所定の第1回転数閾値以下のとき、又は、エンジン負荷が前記タービン前排気温度の許容温度に対応して決められる所定の第1負荷閾値以下のとき、前記タービン前排気温度によらず、前記筒内噴射量をゼロより大きい値とし前記添加燃料量をゼロとし、
エンジン回転数が前記第1回転数閾値を超え、かつ、エンジン負荷が前記第1負荷閾値を超えるとき、前記タービン前排気温度が高いほど前記筒内噴射量を減少させるとともに前記添加燃料量を増加させることを特徴とする排気浄化装置。 - 前記制御手段は、前記タービン前排気温度が上昇する過程において、前記タービン前排気温度が筒内噴射上限温度に到達するまで筒内噴射を実施することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
- 前記制御手段は、
エンジン回転数が前記第1回転数閾値よりも大きい所定の第2回転数閾値以上のとき又はエンジン負荷が前記第1負荷閾値よりも大きい所定の第2負荷閾値以上のとき、前記タービン前排気温度によらず、エンジン回転数またはエンジン負荷が高いほど前記筒内噴射量を減少させるとともに前記添加燃料量を増加させることを特徴とする請求項1または2に記載の排気浄化装置。 - 前記制御手段は、前記添加燃料量を増加させるとき、前記添加燃料量の増加量を前記筒内噴射量の減少量よりも少なくすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
- 前記NOx吸蔵触媒の温度を検出するNOx吸蔵触媒温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記NOx吸蔵触媒の温度が低いほど前記添加燃料量の増加量を少なくすることを特徴とする請求項4に記載の排気浄化装置。 - 前記制御手段は、前記添加燃料量を増加させるとき、前記添加燃料量の増加量を前記筒内噴射量の減少量よりも多くすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
- 前記NOx吸蔵触媒の温度を検出するNOx吸蔵触媒温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記NOx吸蔵触媒の温度が低いほど前記添加燃料量の増加量を多くすることを特徴とする請求項6に記載の排気浄化装置。 - 前記燃料添加手段が噴射した燃料の量のうち前記NOx吸蔵触媒に到達する以前に前記排気管の内壁に付着する付着燃料の量、及び、前記付着燃料のうち蒸発して前記排気通路に放出される蒸発燃料の量を推定する付着蒸発燃料推定手段を備え、
前記制御手段は、前記付着蒸発燃料推定手段が推定した前記付着燃料の量および前記蒸発燃料の量に基づいて前記添加燃料量を補正することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の排気浄化装置。 - 前記筒内噴射手段は、燃焼のための燃料をエンジン気筒内に噴射する燃焼用燃料噴射手段を兼ねることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
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