JP6003351B2 - 排気浄化装置 - Google Patents
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また、空燃比を第1のリッチ期間及び第1のリーン期間に周期的に変化させるとともに、前記第1のリッチ期間において前記噴射弁の開閉を複数回にわたり繰り返して前記還元剤を噴射する通常制御を実施する通常制御手段を備える。さらに、前記通常制御よりも短周期で前記空燃比を第2のリッチ期間及び第2のリーン期間に周期的に変化させるとともに、前記第2のリッチ期間と前記噴射弁の開弁期間とが同一となるように短周期制御を実施する短周期制御手段を備える。つまり、前記短周期制御における前記第2のリッチ期間(一回)における前記噴射弁からの噴射回数は、一回である。
前記第1のリッチ期間とは、前記空燃比が前記通常制御においてリッチ方向に制御されている期間を意味し、前記第1のリーン期間とは、前記空燃比が前記通常制御においてリーン方向に制御されている期間を意味する。
前記第2のリッチ期間とは、前記空燃比が前記短周期制御においてリッチ方向に制御されている期間を意味し、前記第2のリーン期間とは、前記空燃比が前記短周期制御においてリーン方向に制御されている期間を意味する。
一方、ここでいう「噴射回数が一回である」とは、前記リッチ期間中には前記噴射弁が閉弁しないことを意味する。つまり、前記短周期制御では、前記リッチ期間と前記噴射弁の開弁時間とが一致する。
少なくとも、以下の不等式が成立するようにそれぞれの期間を設定することが好ましい。R1+L1<R0+L0。
なお、前記所定温度とは、窒素酸化物の吸蔵時の形態である硝酸塩の分解率が所定率以上となる温度であることが好ましい。
(4)また、前記通常制御の際は、前記第1のリッチ期間において前記燃料噴射弁の開弁期間と閉弁期間との比によって前記噴射弁を制御し、前記短周期制御の際は、前記第2のリッチ期間において前記燃料噴射弁の開弁期間で前記噴射弁を制御することが好ましい。
換言すれば、前記通常制御手段が、前記通常制御において前記噴射弁の開弁時間及び閉弁時間の比率を調整することで前記第1のリッチ期間における前記噴射弁を制御することが好ましい。また、前記短周期制御手段が、前記短周期制御において前記噴射弁の開弁時間を調整することで前記第2のリッチ期間における前記噴射弁を制御することが好ましい。なお、前記開弁時間及び前記閉弁時間の比率とは、例えばパルス幅変調のデューティー比である。
排気温度及び触媒温度が高温になると硝酸塩が熱解離又は溶融しやすくなり、触媒への吸蔵量が減少する。一方、排気温度及び触媒温度が高温であっても、触媒に対する窒素酸化物の吸着作用は微量ながら継続する。したがって、触媒に吸着した窒素酸化物を短周期で浄化することで、窒素酸化物の浄化率が向上する。
ここでいう平均空燃比とは、リッチ期間の空燃比とリーン期間の空燃比とを平均した空燃比を意味する。また、ここでいうストイキとは、触媒の下流側での平均酸素濃度が少なくとも1[%]以下となる程度の空燃比であり、厳密には理論空燃比よりも若干リーン寄りの空燃比(スライトリーン)を含むものとする。つまり、前記回復制御手段は、少なくとも、前記触媒の下流側での平均酸素濃度が1[%]以下となる程度の平均空燃比を維持することが好ましい。
本実施形態の排気浄化装置(排気浄化システム)は、車両に搭載されたディーゼルエンジン10の排気を浄化するものとして適用される。図1では、このエンジン10に設けられた複数のシリンダー11(気筒)のうちの一つを示す。シリンダー11の上部には、燃料噴射用のインジェクター(燃料噴射弁)が設けられる。インジェクターの先端部は燃焼室13に向けて設けられ、各シリンダー11内に直接的に燃料を噴射する。
制御装置1は、排気温度センサー16で検出された排気温度Gや、NOxセンサー17で検出されたNOx濃度等に基づき、排気通路15内の排気の空燃比を制御するものである。本実施形態では、排気管内インジェクター7から噴射される燃料量及び燃料噴射タイミングを調節することで、排気の空燃比が制御される。排気管内インジェクター7は、エンジン10の出力や運転状態に直接的な影響を与えることがないため、燃料噴射量や噴射タイミングを比較的自由に設定することが可能である。
通常NOxパージ制御(通常制御)とは、排気の空燃比をリッチ方向及びリーン方向に周期的に変化させて、NOxトラップ触媒9へのNOx吸蔵操作とそのNOxの還元操作とを繰り返し実施する制御である。この通常NOxパージ制御では、図2(a)に示すように、目標空燃比がリーンの値AF1とされるリーン期間がL0に設定されるとともに、目標空燃比がリッチの値AF2とされるリッチ期間がR0に設定される。リーン期間L0及びリッチ期間R0の平均目標空燃比(平均空燃比)はリーンである。具体的には、リーン期間L0が数十秒〜数百秒程度(例えば30秒)に設定され、リッチ期間R0がリーン期間L0の1/10〜1/100程度(例えば1.5秒)に設定される。
短周期NOxパージ制御(短周期制御)とは、通常NOxパージ制御よりも短周期で空燃比を変化させて、NOxトラップ触媒9へのNOx吸着操作とそのNOxの還元操作とを繰り返し実施する制御である。つまり、短周期NOxパージ制御では、NOxの吸蔵材への吸蔵作用だけでなく、NOxトラップ触媒の表面への吸着作用を利用してNOxが還元浄化される。
本発明者らが短周期NOxパージ制御の継続実施時間とNOx浄化率Eとの相関を調査したところ、図9(b)に示すように、継続実施時間が増加するに連れてNOx浄化率Eが低下することが判明した。また、このNOx浄化率Eの低下速度は、NOxトラップ触媒9に担持されている貴金属触媒の劣化速度や硫黄被毒の進行速度と比較して極めて大きく、少なくとも短周期NOxパージ制御の継続実施時間が数十分から数時間にわたる場合には、NOx浄化率が大幅に低下する可能性があることが明らかとなった。
リッチ期間:R1<R2 、R1<R0
リーン期間:L1<L2 、L1<L0
駆動信号の周期:C0<C1 、C2<C1
上記の三種類の制御を実施すべく、制御装置1には、触媒温度演算部2,浄化率演算部3,通常制御部4,短周期制御部5及び回復制御部6が設けられる。これらの各要素は、電子回路(ハードウェア)によって実現してもよく、あるいはソフトウェアとしてプログラミングされたものとしてもよいし、あるいはこれらの機能のうちの一部をハードウェアとして設け、他部をソフトウェアとしたものであってもよい。
第一の手法は、NOxセンサー17で検出された排気中のNOx濃度に基づいてNOx浄化率Eを演算するものである。この場合、まずNOxセンサー17の検出情報からNOxトラップ触媒9に流入する排気中のNOx濃度推定値が演算される。続いて、このNOx濃度推定値とNOxセンサー17で検出されたNOx濃度との濃度差に相当するNOxがNOxトラップ触媒9で浄化されたものとみなされ、NOx濃度推定値に対する濃度差の割合がNOxトラップ触媒9のNOx浄化率Eとして演算される。
図5,図6はそれぞれ、制御装置1で実施される通常NOxパージ制御,短周期NOxパージ制御及び回復制御の実施条件の判定に係る手順を例示するフローチャートである。これらのフローは、予め設定された所定周期(例えば、数秒以下のサイクル)で繰り返し実施される。
図5は、NOxセンサー17で検出されたNOx濃度に基づいて演算されたNOx浄化率Eを用いて、回復制御の実施条件を判定する場合のフローチャートである。本フロー中の記号Fは回復制御の実施フラグであり、回復制御の実施中にF=1に設定され、非実施中にF=0に設定されるものである。フラグFの初期値はF=0である。
この通常NOxパージ制御では、一回のリッチ期間R0での噴射回数が複数回にわたるように排気管内インジェクター7が制御される。これにより、リッチ期間R0の平均空燃比が精度よく制御され、NOxの吸蔵作用と還元作用とが適切に繰り返される。
ステップA50では、ステップA20で演算されたNOx浄化率Eが閾値ETH1を超えているか否かが判定される。ここで不等式「NOx浄化率E>閾値ETH1」が成立する場合には、短周期NOxパージ制御でのNOx浄化率Eがまだ十分に高いものと判断され、ステップA80に進む。また、不等式「NOx浄化率E>閾値ETH1」が成立しない場合には、ステップA100に進む。
短周期NOxパージ制御では、一回のリッチ期間R1で噴射回数が一回となるように排気管内インジェクター7の開弁時間が制御される。これにより、リッチ期間R1中の瞬時空燃比が相対的にリッチ化され、活性還元剤の生成が促進される。
次回以降の制御周期では、ステップA40からステップA60に進む。ステップA60では、ステップA20で演算されたNOx浄化率Eが閾値ETH2以下であるか否かが判定される。ここで不等式「NOx浄化率E≦閾値ETH2」が成立する場合には、まだNOx浄化率Eが十分に回復していないものと判断され、ステップA100に進む。
図6は、短周期NOxパージ制御,回復制御のそれぞれの実施時間に基づいて判断されたNOx浄化率Eを用いて、これらの制御を切り換える場合のフローチャートである。本フロー中の記号A,Bはそれぞれ、短周期NOxパージ制御の累積実施時間,回復制御の累積実施時間に対応する変数であり、これらの初期値はともに0である。
[5−1.車両走行時の制御作用]
車両走行時における上記の排気浄化装置の制御作用を説明する。図7(a)〜(e)は、NOx浄化率Eを用いて回復制御の実施条件を判定する(図5に示すフローチャートを実施する)排気浄化装置の制御作用を示すものである。
時刻t3にNOx浄化率Eが閾値ETH2を超えるまで回復すると、回復制御の実施条件が不成立となり、実施フラグFがF=0に設定される。このとき、短周期NOxパージ制御の実施条件が再び成立し、短周期制御部5で短周期NOxパージ制御が実施される。
排気管内インジェクター7の駆動方式とその効果の違いについての試験結果を図8(a)〜(c)に示す。図中の太実線は、PWM制御により燃料噴射を実施したものに対応する。また、他の細実線,破線,一点鎖線は、単発制御で燃料噴射したものを駆動周波数の高い順に並べたものである。何れのグラフも、平均空燃比がリーンとなる領域での結果を示している。
(1)上記の排気浄化装置では、短周期NOxパージ制御での燃料噴射回数がリッチ期間R1毎に一回とされるため、NOxトラップ触媒9内を一時的に大きくリッチ化して活性還元剤(例えば、部分酸化したHC)の生成を促進することができる。これにより、NOxトラップ触媒9に吸蔵されたNOxや吸着したNOx,触媒表面近傍のNOx等を効率的に還元することができ、目標空燃比を振動させる周期が短周期であってもNOx浄化率Eを向上させることができる。したがって、例えば通常NOxパージ制御のように燃料噴射回数を複数回に分けた場合と比較して、高いNOx浄化率Eを獲得することができる。
特に、上記の排気浄化装置では、NOxトラップ触媒9に流入する排気温度Gが所定温度GTHを超える温度領域にあるときに、短周期NOxパージ制御が実施される。排気温度Gが高温になると、硝酸塩が熱解離,溶融しやすくなり、NOxトラップ触媒9へのNOx吸蔵量が減少する。また、硝酸塩が分解あるいは炭化水素と反応して化合物が生成されやすくなり、NOx吸蔵量はさらに減少する。これにより、NOxトラップ触媒9のNOx吸蔵作用が低下する。
また、上記の排気浄化装置では、回復制御時の燃料噴射手法がPWM制御であり、すなわち、回復制御時における燃料噴射回数が一回のリッチ期間R2中に複数回となるように排気管内インジェクター7が駆動される。これにより、回復制御中の空燃比の制御精度を高めることができる。
また、NOxトラップ触媒9のNOx浄化率Eが迅速に回復することから、短周期NOxパージ制御を再開させることができる。したがって、排気温度Gが長い時間の間、高温であったとしても、恒常的にNOx浄化率Eの高い状態を維持することができる。
これにより、回復制御中におけるNOxトラップ触媒9の過昇温を抑制しながら、NOx浄化率Eを回復させることができる。特に、回復制御では短周期NOxパージ制御時よりも平均目標空燃比がリッチ寄りに制御されるため、排気温度Gが上昇しやすく過昇温が発生しやすい。一方、回復制御中の過昇温が抑制されるため、図7(a)に示すように、排気温度Gが所定温度GTHを超えた状態でほぼ一定に維持することが容易となる。
上述の実施形態では、排気通路15上に酸化触媒8とNOxトラップ触媒9とを備えたエンジン10を例示したが、上記の通常NOxパージ制御,短周期NOxパージ制御及び回復制御を実施する上では、酸化触媒8を省略することも可能である。少なくとも、排気中のNOxを酸化雰囲気下で吸蔵するとともに還元雰囲気下で還元する機能を持った触媒が排気通路15上に設けられたエンジン10であれば、上記の排気浄化装置を適用することが可能である。なお、排気通路15上にディーゼルパティキュレートフィルターや燃料成分のトラップ触媒等が設けられたエンジン10に対して、上記の排気浄化装置を適用することも可能である。
また、上述の実施形態で説明した具体的な装置構成に関しても、種々変形して実施することが考えられる。例えば、排気温度センサー16やNOxセンサー17を省略し、エンジン10の運転状態に対応する各種パラメーターに基づいて触媒温度Tや排気温度G,NOx濃度,NOx浄化率Eを推定する演算構成としてもよい。あるいは、これらのセンサー類の配設位置を変更してもよい。
このような演算構成により、排気温度センサー16を省略して装置構成を簡素化することができ、製造コストを削減することができるとともに、例えば排気系に温度センサーを持たない車種に対する適合性を高めることができる。
2 触媒温度演算部
3 浄化率演算部
4 通常制御部(通常制御手段)
5 短周期制御部(短周期制御手段)
6 回復制御部(回復制御手段)
7 排気管内インジェクター(噴射弁)
9 NOxトラップ触媒(触媒)
10 エンジン
Claims (7)
- エンジンの排気通路に設けられ、排気中の窒素酸化物を酸化雰囲気下で吸蔵するとともに還元雰囲気下で還元する触媒と、
前記触媒よりも上流側の前記排気通路に設けられ、前記窒素酸化物の還元剤を供給する噴射弁と、
空燃比を第1のリッチ期間及び第1のリーン期間に周期的に変化させるとともに、前記第1のリッチ期間において前記噴射弁の開閉を複数回にわたり繰り返して前記還元剤を噴射する通常制御を実施する通常制御手段と、
前記通常制御よりも短周期で前記空燃比を第2のリッチ期間及び第2のリーン期間に周期的に変化させるとともに、前記第2のリッチ期間と前記噴射弁の開弁期間とが同一となるように短周期制御を実施する短周期制御手段と
を備えたことを特徴とする、排気浄化装置。 - 前記通常制御手段は、前記触媒に流入する排気温度が所定温度未満のときに前記通常制御を実施し、
前記短周期制御手段は、前記排気温度が前記所定温度以上のときに前記短周期制御を実施する
ことを特徴とする、請求項1記載の排気浄化装置。 - 前記通常制御手段及び前記短周期制御手段が、前記噴射弁の開弁時間又は閉弁時間に基づいて前記排気温度を推定する
ことを特徴とする、請求項2記載の排気浄化装置。 - 前記通常制御の際は、前記第1のリッチ期間において前記燃料噴射弁の開弁期間と閉弁期間との比によって前記噴射弁を制御し、
前記短周期制御の際は、前記第2のリッチ期間において前記燃料噴射弁の開弁期間で前記噴射弁を制御する
ことを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の排気浄化装置。 - 前記短周期制御による前記窒素酸化物の浄化率が所定浄化率未満であるときに、前記短周期制御よりもリッチ期間を延長して前記空燃比を周期的に変化させるとともに、リッチ期間における前記噴射弁からの噴射回数が複数回にわたる回復制御を実施する回復制御手段を備えた
ことを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載の排気浄化装置。 - 前記回復制御手段が、前記回復制御中の平均空燃比をストイキ又はリッチに維持する
ことを特徴とする、請求項5記載の排気浄化装置。 - 前記通常制御手段及び前記短周期制御手段が、前記通常制御中及び前記短周期制御中の平均空燃比をリーンに維持する
ことを特徴とする、請求項1〜6の何れか1項に記載の排気浄化装置。
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