JP5928422B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
周知のとおり、内燃機関の排気中のNOx(窒素酸化物)を浄化するための技術が各種開発されてきている。たとえばNOx吸蔵還元触媒(LNT:Lean NOx Trap)を用いる方法では、リーン雰囲気時に吸蔵剤によって排気中のNOxを吸蔵する。そしてNOxの吸蔵量が十分な量となったらリッチ雰囲気に切り替えて、例えばHCを還元剤としてNOxをN2(窒素分子)に還元、浄化する。
下記特許文献1ではLNTにおけるNOx還元反応の終了時期の判定手法が示されている。具体的に特許文献1では、LNT下流に空燃比センサを配置して、LNTに流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切り替えられた後に、空燃比センサの検出値がリッチからリーンに切り替わった時点がNOxの還元反応の終了時期だと判定する。この手法によって適切な時期にNOx還元制御が終了できると主張されている。
特許第2692380号公報
本発明者が得た知見によれば、上記特許文献1も含めLNTによる従来のNOx還元制御には改善すべき点がある。その具体的な一例が図8に示されている。
図8は、NOx還元制御実行フラグ(A)、LNT下流排気空燃比(B)、LNTへのHC吸着量(C)、LNT基材温度(D)、テールパイプNOx(E)の、横軸を時間とした推移の例である。NOx還元制御では、NOx還元制御実行フラグ(A)がONとされたら、例えばエンジン筒内で燃料のポスト噴射を行って排気雰囲気をリッチに切り替える。これによりLNT下流排気空燃比(B)が低下していき、LNT内に吸蔵されたNOxの還元反応が進行する。そして上記のとおり、この空燃比が所定値(B1)まで低下したらLNTに吸蔵されたすべてのNOxの還元反応が終了したと判定してNOx還元制御実行を終了する。
本発明者の知見では、NOx還元制御実行中にLNTへHC(炭化水素)が吸着していく。これにより図8に示すとおりNOx還元制御実行中にHC吸着量(C)が増加していく。そして、LNTに吸着したHCはNOx還元制御の終了後にリーン雰囲気の中でLNTから脱離する(図中のG1の部分)。脱離したHCは酸素過剰な排気中で酸化し、これによりLNT基材温度(D)が昇温する(図中G2の部分)。この昇温によりNOxがLNTへ吸蔵されにくくなる。
LNTに吸蔵されなかったNOxはテールパイプNOx(E)を増加させることとなる(図中G2の部分)。以上のように、NOx還元制御中にLNTにHCが吸着し、それが還元制御終了後にNOx浄化性能を低下させる。従来技術ではこのような現象が認識されていないと思われる。図8に示されたNOx浄化性能の低下を抑制するような技術の開発が望まれる。
そこで本発明が解決しようとする課題は、上記に鑑み、NOx還元制御中にLNTに吸着したHCによるNOx浄化性能の低下を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
上記課題を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に備えられて窒素酸化物を吸蔵する触媒部(5)と、その触媒部の下流に備えられて空燃比を検出する検出手段(50)と、前記触媒部を通過する排気を燃料過剰にして前記触媒部に吸蔵された窒素酸化物を還元するように制御する制御手段(6)と、前記制御手段によるNOxの還元制御の実行中に、前記検出手段による空燃比の検出値が所定値以下となる前に、前記触媒部に吸着した炭化水素の量を算出する算出手段(6、S40)と、その制御手段によるNOxの還元制御の実行中に、前記算出手段により算出された炭化水素の吸着量が第1の閾値以上となった場合に、前記制御手段によるNOxの還元制御を中断する中断手段(6、S60)と、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、還元制御の実行中に触媒部への炭化水素の吸着量を算出するという新規な手段を備え、算出された炭化水素の吸着量が第1の閾値以上となったら還元制御を中断するので、吸着した炭化水素が相対的に少量の状態で還元制御を中断することとなる。これにより、多量に吸着した炭化水素による上記のようなNOx浄化性能の低下が抑制できるという新規で重要な効果が実現される。
本発明の排気浄化装置の1実施例における構成図。 本発明の処理手順の例を示すフローチャート。 本発明による各種数値の時間的推移の例を示す図。 閾値の設定方法の例を示す図。 閾値の上限値、下限値の設定方法の例を示す図。 閾値C1の時間的推移の例を示す図。 閾値C1の時間的推移の別の例を示す図。 従来技術における各種数値の時間的推移の例を示す図。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず図1は、本発明に係る排気浄化システム1(以下、システム)の1実施例における構成図である。システム1は、エンジン2、吸気管3、排気管4、NOx吸蔵還元触媒5(LNT)、電子制御ユニット6(ECU)を備える。
エンジン2は例えばディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンなどのように空気過剰なリーン燃焼をおこなうエンジンとすればよい。エンジン2に空気を供給する吸気管3には吸気量を検出するエアフロメータ30が備えられている。LNT5はエンジン2の排気が排出される排気管4に配置されている。LNT5の上流および下流に空燃比センサ50、排気温度センサ51、NOxセンサ52が配置されている。空燃比センサ50、排気温度センサ51、NOxセンサ52はそれぞれ、LNT5の上流、下流位置での空燃比、排気温度、NOx量を検出する。
LNT5は、基材の上に例えばNOx吸蔵剤とNOx還元触媒とを担持する構造を有し、リーン雰囲気においてNOx吸蔵剤によってNOxを吸蔵する。吸蔵されたNOxは、吸蔵量が十分な量となったと判断された毎にECU6の制御によりリッチ雰囲気に変えられることによって、NOx還元触媒の作用のもとで窒素に還元して放出される。
ECU6はシステム1の上記構成を制御する部位である。ECU6はコンピュータと同様の構成、すなわち各種演算や指令などを行うCPU、その作業領域としてのRAM、CPUでの情報処理に必要となるデータやプログラムを記憶する不揮発性の記憶部60(メモリ)などを備える。
ECU6が行う処理には、LNT6におけるNOx吸蔵量を推定する処理や、推定されたNOx吸蔵量が所定値に達したらエンジン2で例えばポスト噴射を行ってLNT6に供給される排気をリッチ雰囲気に変える処理(NOx還元制御)が含まれる。このうちLNT6でのNOx吸蔵量の推定方法は、従来から提案されている方法、すなわち例えばLNT6の上流と下流のNOxセンサ52の差分値の積算から吸蔵量を推定する方法や、エンジン2の運転状態と排気温度と吸蔵量の数学的モデルから算出する方法などを用いればよい。
以上の構成のもとでシステム1は、図2に例示された制御手順を実行する。図2の処理手順はあらかじめプログラム化しておいてECU6のメモリ60に記憶しておいて、ECU6が自動的にそれを呼び出してエンジン2の運転中に例えば所定の周期で周期的に実行すればよい。
図2の手順においてECU6は、まずS10でNOx還元制御を実行中であるか否かを判定する。NOx還元制御を実行中である場合(S10:Yes)はS20に進み、実行中でない場合(S10:No)はS30に進む。
S20に進んだらECU6はLNT5へのHCの吸着速度(単位時間あたりのHC吸着量)を算出する。この算出方法の例は後述する。続いてS40でECU6は、S20で算出したHC吸着速度を積算して、その時点でのLNT5におけるHC吸着量を算出する。
そしてS50でECU6は、S40で算出したHC吸着量が閾値C1を超えているか否かを判定する。ここで閾値C1は、HC吸着量がその値を超えないならば、その時点でNOx還元制御を中断しても図8を参照して説明したようなNOx浄化性能の低減が許容範囲内に収まるような数値である。HC吸着量が閾値C1を超えている場合(S50:Yes)はS60に進み、超えていない場合(S50:No)はS120に進む。S60に進んだらECU6は、NOx還元制御を中断する。閾値C1の値はエンジン2の運転中にECU6により調節すればよく、その詳細は後述する。
一方S30に進んだらECU6は、HC酸化速度(単位時間あたりの酸化したHC量)を算出する。この算出方法の詳細は後述する。続いてS70でECU6は、S30で算出したHC酸化速度を積算したうえでリーン期間開始時のHC吸着量から減算して、その時点でのLNT5におけるHC吸着量を算出する。
そしてS80でECU6は、S70で算出したHC吸着量が閾値C2未満であり、かつLNT5の温度が閾値T1未満であるか否かを判定する。ここで閾値C2は十分に小さい数値とすればよく、例えばゼロでもよい。またT1も十分低い数値とすればよい。LNT5の温度情報は、従来技術で用いられている方法、例えばLNT5の上流および下流(の一方または両方)の排気温度センサ51の検出値とLNT5の温度推定モデルとから推定する方法などで求めればよい。HC吸着量がC2未満であり、かつLNT5の温度がT1未満である場合(S80:Yes)はS90に進み、それ以外の場合(S80:No)はS120に進む。
S90に進んだらECU6は、NOx還元制御を再開する。続いてS100でECU6は、LNT5におけるその時点でのNOx吸蔵量を推定する(推定方法の例は上述)。そしてS110でECU6は、S100で算出したNOx吸蔵量に応じて上述のS50で用いられる閾値C1を設定する。C1の設定方法の詳細は後述する。
S120に進んだらECU6は、LNT5の下流の空燃比が閾値λ1未満であるか否かを判定する。ここでλ1は、LNT5の下流の空燃比がその値まで低下したらLNT5に吸蔵されたNOxが全て還元されたとみなせる数値とする。LNT5の下流の空燃比がλ1未満の場合(S120:Yes)は、吸蔵されたNOxが全て還元されたと判断して図2の処理手順を終了し、LNT5の下流の空燃比がλ1以上の場合(S120:No)はS10に戻って上記手順を繰り返す。以上が図2の処理手順である。なおS100とS110の処理は図2に示された箇所で実行するだけでなく、NOx還元制御の開始時(つまり、NOx吸蔵量が還元制御が必要な量に達して実行フラグ(A)がONとなった時点)でも行う。
図2の処理を実行した場合の効果の例が図3に示されている。図3に示されているのは、図8と同様に、NOx還元制御実行フラグ(A)、LNT下流排気空燃比(B)、LNTへのHC吸着量(C)、LNT基材温度(D)、テールパイプNOx(E)の時間的推移の例である。
図3から明らかなとおり、本発明により、従来技術とは異なり、LNTへのHC吸着量(C)が所定値C1に達するごとにNOx還元制御が中断される(図中のF1の部分)。図3の例では中断回数は3回である。また中断後にHC吸着量(C)が所定値C2以下まで下がり、LNT温度が所定値より下がるとNOx還元制御が再開される(図中のF2の部分)。
C1が適切に設定されていることにより、中断時のHC吸着量(C)は小さな数値となっている。これにより、中断後にリッチ雰囲気に戻ってHCが脱離しても脱離量が少量なので、脱離したHCの酸化による温度上昇幅も相対的に小さく、その結果NOxの車外排出量も相対的に小さくできる(図中のF3、F4の部分)。
また図2の処理によってNOx還元制御中断後にHC吸着量がC2まで低減し、かつLNT温度がT1未満となるまでNOx還元制御を再開しないことにより、図3に示すとおり、HC吸着量が十分小さい状態からNOx還元を再開できることとなる。これも、HC吸着量を少なくしたいという本発明にとって好適となる。
以上のとおり本発明によれば、NOx還元制御中にLNT5に吸着したHCに起因するNOx浄化性能の低減が抑制できるとの従来にない効果が得られる。NOx還元制御を中断する処理が従来技術にない新規な処理であるだけでなく、上記S20におけるNOx還元制御中にHC吸着量を算出する処理も従来技術にはない新規な処理である。
次にS110でのC1の設定方法を、図4を参照しながら説明する。図4では、横軸をLNT5におけるNOx吸蔵量(H)とし、縦軸をC1としている。S110では基本的には、この図に示された線LによってC1を求めるが、その際、上限値C1max、下限値C1minに挟まれた範囲内で決定する。
具体的にはまず、S100で推定されたNOx吸蔵量(H)に対応するL上の点を求める。仮にS100で推定されたNOx吸蔵量(H)がh1、h2、h3ならば、対応するL上の点はそれぞれ点P1、P2、P3となる。次に、こうして求められたL上の点が上限値C1maxと下限値C1minに挟まれた範囲内の点ならば、その点におけるC1の値をS110で設定されるC1の値とする。したがって例えばS100で推定されたNOx吸蔵量(H)がh2の場合、S110での設定値は点P2でのC1の値となる。
また上記で求められたL上の点でのC1の値が上限値C1maxより大きいならば、C1maxをS110で設定されるC1の値とする。したがって例えばS100で推定されたNOx吸蔵量(H)がh1の場合、S110での設定値は点P1’におけるC1maxとなる。また上記で求められたL上の点でのC1の値が下限値C1minより小さいならば、C1minをS110で算出されるC1の値とする。したがって例えばS100で推定されたNOx吸蔵量(H)がh3の場合、S110での設定値は点P3’におけるC1minとなる。
以上のようにC1を設定する根拠を説明する。図4の線LはNOx吸蔵量(H)に対してC1が単調減少となる曲線である。したがって、NOx吸蔵量が多いほど、C1が小さくなり、その結果、NOx還元制御が早めに中断されることとなる。一般にNOx吸蔵量が多いほどNOx吸蔵速度よりもNOxの脱離速度の方が大きいと考えられる。つまりNOx吸蔵量が多いほどNOxが脱離しやすい。したがって本発明におけるNOx脱離を抑制する観点からは、NOx吸蔵量が多い場合はNOx還元制御を早めに中断するような閾値設定が妥当となる。上記のC1の設定方法は以上のような考え方に合致するものとなっている。
さらに、一般にNOx還元制御終了後にはOSC消費(吸着された酸素が脱離して酸化する)により燃費が悪化するが、上記のようにNOx吸蔵量が少ない場合には、C1が大きく設定され、その結果NOx還元制御の中断回数が少なくなることは、このような燃費悪化の抑制のためにも望ましい。線Lはあらかじめ適切に定めておけばよい。
またC1をC1maxとC1minに挟まれた範囲内で設定する理由は、S100で求めるNOx吸蔵量の算出値が誤差を含む可能性があるからである。この目的のために、適切なC1はC1maxとC1minの間にあるはずだと想定されるような数値としてC1maxとC1minを設定する。これによりNOx吸蔵量の算出値が仮に大きな誤差を含んでいても、不適切なC1値が回避できる。以上がC1の設定方法の例である。
さらにS110において、図4のC1max、C1minを図5のように調節してもよい。図5において横軸はNOx還元制御のその時点までの中断回数(I)、縦軸はC1max、C1minである。図3の例でも示されているように、一般的な傾向として中断を多く経るほどNOx吸蔵量は減少していくと考えられる。そして例えば図4の場合NOx吸蔵量が少ないほどC1は大きい数値となる。この観点から、図5の例では、中断回数(I)が多くなるほど、C1max、C1minを大きな数値にしている。図5のようにすれば、中断回数の情報を有効に利用することにより、NOx吸蔵量の推定値が誤差を含んでいる場合にも、不適切なC1値が回避できる。なお本発明では図5のようにC1max、C1minの両方を中断回数(I)に関する単調増加関数としなくともよく、C1max、C1minの少なくとも一方でもよい。
次に、上記S20でのLNT5におけるHC吸着速度の算出は例えば次の(式1)で行えばよい。ここでXがHC吸着速度、X1がエンジン2から排出される単位時間あたりのHC量、X2がLNT5へのHCの吸着割合である。*は積を示す。
X=X1*X2 (式1)
X1の算出は例えば次の(式2)で行えばよい。ここでX11は排気量、X12は排気中のHC濃度である。排気量は例えばエアフロメータ30による吸気量の検出値としてもよい。
X1=X11*X12 (式2)
X12の算出は例えば次の(式3)で行えばよい。ここでλ、NE、QはそれぞれLNT5の上流の空燃比、エンジン回転数、エンジン筒内噴射量を表す。そしてf1は適切に設定された関数とする。λはLNT5上流の空燃比センサ50の検出値、NEは図示しないエンジン回転数センサの検出値、QはECU6による筒内噴射量の指令値とすればよい。関数f1は、X11を高精度に出力するように設計者が予め適切に求めればよい。その際、NE,Qが一定の場合にf1をλに対して単調減少関数とすればλとX11の関係が適切となる。
X12=f1(λ、NE、Q) (式3)
またX2の算出は例えば次の(式4)で行えばよい。ここでTMP、DEGはそれぞれLNT5の温度、LNT5の劣化係数(LNT5の例えば熱劣化などの劣化の度合いを示す係数)を表す。そしてf2は適切に設定された関数とする。TMPは例えば上述のとおりLNT上流、下流の一方あるいは両方とLNT温度の数学的モデルから算出すればよい。
X2=f2(TMP、DEG) (式4)
DEGの算出は従来から提案されている算出方法、例えばLNT5の時々刻々の温度からその時点でのLNT5の劣化速度をモデルから推定し、それを積算する等の方法を用いればよい。関数f2は、X2を高精度に出力するように設計者が予め適切に求めればよい。その際、DEGが一定の場合にf2をTMPに対して単調減少関数とすれば、TMPとX2の関係が適切となる。同様にTMPが一定の場合にf2をDEGに対して単調減少関数とすれば、DEGとX2の関係が適切となる。以上がXの算出方法の例である。なお、以上の方法は一例であり、本発明ではXを算出するための他のあらゆる方法も除外されない。
次に、S30でのHC酸化速度の算出は例えば次の(式5)で行えばよい。ここでYがHC酸化速度、Y1がエンジン2から排出される単位時間あたりのO2量、Y2がLNT5からのHCの脱離割合である。
Y=Y1*Y2 (式5)
Y1の算出は例えば次の(式6)で行えばよい。ここでY11は排気量、Y12は排気中のO2濃度である。排気量は上記X11と同様に例えばエアフロメータ30による吸気量の検出値としてもよい。Y12は例えばLNT5上流の空燃比センサ50の検出値から推定すればよい。
Y1=Y11*Y12 (式6)
またY2の算出は例えば次の(式7)で行えばよい。ここでTMP、DEGはそれぞれ上記と同様、LNT5の温度、LNT5の劣化係数を表す。そしてf3は適切に設定された関数とする。TMP、DEGは上記と同様に算出すればよい。
Y2=f3(TMP、DEG) (式7)
関数f3は、Y2を高精度に出力するように設計者が予め適切に求めればよい。その際、DEGが一定の場合にf3をTMPに対して単調増加関数とすれば、TMPとY2の関係が適切となる。同様にTMPが一定の場合にf3をDEGに対して単調増加関数とすれば、DEGとY2の関係が適切となる。以上がYの算出方法の例である。なお、以上の方法は一例であり、本発明ではYを算出するための他のあらゆる方法も除外されない。
図3では所定値C1が図中で一定値となっているが、図2の処理を実行した場合は一般には図6の例のようになる。図6の例では、NOxの還元処理が中断をはさみながら進行するにつれて、NOxの吸蔵量が少なくなり、これにより例えば図4に従って適切にC1が大きな値へと設定されている。
あるいは本発明ではS100およびS110の処理を時々刻々行ってもよい。すなわちS100およびS110の処理を、中断をはさんだ一連のNOx還元制御中に常時周期的に実行しつづけて、時々刻々のNOx吸蔵量に応じて時々刻々C1を、例えば図4により設定してもよい。その例が図7に示されている(一般には図示のような直線的な推移とは限らない)。このような設定方法によってより精緻にC1が設定され得る。
上記実施例は特許請求の範囲に記載された趣旨の範囲内で適宜変更してよい。例えば、C1の設定方法は上記例には限定されず、予め(一定値として、あるいは時間の関数として)設定しておいてもよい。
1 排気浄化システム(排気浄化装置)
5 LNT(触媒部)
6 ECU(制御手段)

Claims (7)

  1. 内燃機関の排気通路に備えられて窒素酸化物を吸蔵する触媒部(5)と、
    前記触媒部の下流に備えられて空燃比を検出する検出手段(50)と、
    前記触媒部を通過する排気を燃料過剰にして前記触媒部に吸蔵された窒素酸化物を還元するように制御する制御手段(6)と、
    その制御手段による窒素酸化物の還元の実行中に、前記触媒部に吸着した炭化水素の量を算出する算出手段(6、S40)と、
    前記制御手段によるNOxの還元制御の実行中に、前記検出手段による空燃比の検出値が所定値以下となる前に、前記算出手段により算出された炭化水素の吸着量が第1の閾値以上となった場合に、前記制御手段によるNOxの還元制御を中断する中断手段(6、S60)と、
    を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記中断手段による窒素酸化物の還元の中断中に、前記触媒部に吸着した炭化水素の量を算出する副算出手段(6、S70)と、
    前記中断手段によるNOxの還元制御の中断中に、前記副算出手段により算出された炭化水素の吸着量が第2の閾値未満となり、前記触媒部の温度が所定値未満となった場合に、前記制御手段によるNOxの還元制御を再開する再開手段(6、S90)と、
    を備えた請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記内燃機関の運転中に前記第1の閾値を調節する調節手段(6、S110)を備えた請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記調節手段は、前記触媒部における窒素酸化物の吸蔵量が多いほど前記第1の閾値を小さい数値に調節する請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記調節手段は、
    前記第1の閾値を上限値と下限値との間の範囲内で調節する第1副調節手段(6、S110)と、
    前記中断手段による中断回数が多いほど、前記上限値と下限値とのうちの少なくとも一方を大きい数値に調節する第2副調節手段(6、S110)と、
    を備えた請求項3又は4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記算出手段は、前記触媒部の上流の空燃比、排気流量、排気中の炭化水素濃度、前記触媒部の温度、前記触媒部の劣化度合いのうちの少なくとも1つを用いて、炭化水素の吸着量を算出する請求項1乃至5のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 前記副算出手段は、排気流量、排気中の酸素濃度、前記触媒部の温度、前記触媒部の劣化度合いのうちの少なくとも1つを用いて、炭化水素の吸着量を算出する請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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