JP6292165B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排出ガス中の所定成分を吸蔵する吸蔵触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する発明である。
内燃機関を搭載した車両においては、内燃機関の排気通路に設置した触媒で排出ガスを浄化する排気浄化システムを採用したものが多い。このような排気浄化システムにおいては、特許文献1に記載されたものがある。このものは、内燃機関の排気通路に、排出ガス中のNOX を吸蔵するNOX 吸蔵触媒を配置すると共に、このNOX 吸蔵触媒の上流側と下流側にそれぞれNOX 濃度を検出するNOX センサを配置し、これら二つのNOX センサの出力に基づいてNOX 吸蔵触媒の劣化状態を判定するようにしている。
特開2001−32745号公報
しかし、上記特許文献1の技術では、NOX 吸蔵触媒の状態を判定するために、NOX 吸蔵触媒の上流側と下流側の両方に高価なNOX センサを設ける必要がある。このため、排気浄化システムのコストが高くなり、低コスト化の要求を満たすことができない。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、低コスト化の要求を満たしながら、吸蔵触媒の状態を判定することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、内燃機関(11)の排出ガス中の所定成分を吸蔵材と反応させる吸蔵反応により吸蔵する吸蔵触媒(21)を備えた内燃機関の排気浄化装置において、吸蔵反応の状態に応じて変化する情報を検出するセンサ(23)と、このセンサの出力に基づいて吸蔵触媒の吸蔵量が飽和に近付いて吸蔵反応が減少傾向になる状態(以下「飽和直前状態」という)を判定する判定部(30)と、を備え、センサは、吸蔵反応の状態に応じて変化する情報として、吸蔵反応による発熱量に応じて変化する温度を検出する温度センサであるという構成としたものである。
吸蔵触媒の吸蔵量が少なくて吸蔵能力が高いときには、吸蔵反応が盛んに行われて吸蔵反応による発熱量が増加し、それに伴って吸蔵触媒の温度や吸蔵触媒を通過する排出ガスの温度が上昇する。その後、吸蔵触媒の吸蔵量が増加して飽和に近付いて吸蔵能力が低下してくると、吸蔵反応が減少して吸蔵反応による発熱量が減少し、それに伴って吸蔵触媒の温度や吸蔵触媒を通過する排出ガスの温度が低下する。つまり、吸蔵触媒の吸蔵量と、吸蔵反応の状態に応じて変化する情報(例えば吸蔵触媒の温度や排出ガスの温度)との間には相関関係がある。
従って、吸蔵反応の状態に応じて変化する情報を検出するセンサの出力を監視すれば、吸蔵触媒の飽和直前状態(つまり吸蔵触媒の吸蔵量が飽和に近付いて吸蔵反応が減少傾向になる状態)を判定することができる。この場合、吸蔵触媒の上流側と下流側の両方に所定成分の濃度を検出するセンサを設けなくても、吸蔵触媒の状態を判定することができるため、所定成分の濃度を検出する高価なセンサの数を削減して、排気浄化システムを低コスト化することができる。
図1は本発明の実施例1におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。 図2は試験用の排気浄化システムの概略構成を示す図である。 図3は試験結果を示す図である。 図4は排気浄化制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 図5は実施例2の排気浄化システムの概略構成を示す図である。 図6は実施例3の排気浄化システムの概略構成を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態を具体化した幾つかの実施例を説明する。
本発明の実施例1を図1乃至図4に基づいて説明する。
まず、図1に基づいてエンジン制御システムの概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン11の吸気管12には、モータ13によって開度調節されるスロットルバルブ14と、このスロットルバルブ14の開度であるスロットル開度を検出するスロットル開度センサ15とが設けられている。
エンジン11の各気筒には、それぞれ筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁16が取り付けられている。また、エンジン11のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ17が取り付けられ、各気筒の点火プラグ17の火花放電によって各気筒内の混合気に着火される。
一方、エンジン11の排気管18には、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ19が設けられ、この空燃比センサ19の下流側に、排出ガス中のCO,HC,NOX 等を浄化する三元触媒20が設けられている。
三元触媒20の下流側には、NOX 吸蔵触媒21が設けられている。このNOX 吸蔵触媒21は、排出ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンのときに、排出ガス中のNOX を吸蔵材と反応させる吸蔵反応により吸蔵し、排出ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのときに、吸蔵されているNOX を放出して還元浄化する。NOX が特許請求の範囲でいう所定成分に相当し、NOX 吸蔵触媒21が特許請求の範囲でいう吸蔵触媒に相当する。
NOX 吸蔵触媒21は、排出ガスの流れ方向で上流側部分21aと下流側部分21bとに分割され、上流側部分21aと下流側部分21bとの間に、後述する下流側温度センサ23を配置するための隙間31が設けられている。
このNOX 吸蔵触媒21の上流側(つまり上流側部分21aの上流側)には、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aに流入する排出ガスの温度(以下「流入ガス温度」という)を検出する上流側温度センサ22が配置されている。
また、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aの下流側(つまり上流側部分21aと下流側部分21bとの間の隙間31に対応する位置)には、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aから流出する排出ガスの温度(以下「流出ガス温度」という)を検出する下流側温度センサ23が配置されている。つまり、NOX 吸蔵触媒21のうち排出ガスの流れ方向で最下流部よりも上流側に下流側温度センサ23が配置されている。この下流側温度センサ23が特許請求の範囲でいう温度センサに相当する。
上流側温度センサ22と下流側温度センサ23は、いずれも所定以上の耐振性を有するものが用いられ、排気脈動による振動で温度センサ22,23が破損することを防止するようにしている。
更に、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aの下流側(つまり隙間31に対応する位置)には、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aから流出する排出ガスの空燃比(以下「流出ガス空燃比」という)を検出する空燃比センサ24が配置されている。NOX 吸蔵触媒21の下流側(つまり下流側部分21bの下流側)には、NOX 吸蔵触媒21の下流側部分21bから流出する排出ガスのNOX 濃度を検出するNOX センサ25が配置されている。
また、エンジン11のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ26や、ノッキングを検出するノックセンサ27が取り付けられている。また、クランク軸28の外周側には、クランク軸28が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ29が取り付けられ、このクランク角センサ29の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
これら各種センサの出力は、電子制御ユニット(以下「ECU」と表記する)30に入力される。このECU30は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたROMに記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度(つまり吸入空気量)等を制御する。
その際、ECU30は、後述する図4の排気浄化制御ルーチンを実行することで、排出ガスの温度が所定範囲(例えばNOX 吸蔵触媒21でNOX を吸蔵可能な温度範囲)内のときに、エンジン11をリーンモードで運転する。このリーンモードでは、混合気の空燃比が理論空燃比(ストイキ)よりもリーンになるように燃料噴射量や吸入空気量を制御して、燃費を節減する。
リーンモード中は、NOX 吸蔵触媒21で排出ガス中のNOX を吸蔵し、NOX 吸蔵触媒21の吸蔵量が増加して吸蔵能力が低下したときに、排出ガスの空燃比をリッチにしてNOX 吸蔵触媒21に吸蔵されているNOX を放出して還元浄化するリッチパージを実施する。このリッチパージによりNOX 吸蔵触媒21の吸蔵量を減少させて吸蔵能力を回復させる。
本出願人は、図2に示す試験用の排気浄化システムを用いて試験を行ったので、その試験結果を図3に示す。
図2に示す排気浄化システムは、NOX 吸蔵触媒1の上流側と下流側に、それぞれ排出ガスの温度を検出する温度センサ2,3が配置され、NOX 吸蔵触媒1の下流側に、排出ガスのNOX 濃度を検出するNOX センサ4が配置されている。図3に示す試験結果において、流入ガス温度は、上流側の温度センサ2で検出した排出ガスの温度であり、流出ガス温度は、下流側の温度センサ3で検出した排出ガスの温度である。また、流出ガス温度と流入ガス温度との差を触媒温度上昇量としている。
図3に示すように、リッチパージの実施後、NOX 吸蔵触媒1の吸蔵量が少なくて吸蔵能力が高いときには、吸蔵反応が盛んに行われて吸蔵反応による発熱量が増加し、それに伴ってNOX 吸蔵触媒1の温度や流出ガス温度が上昇する。その後、NOX 吸蔵触媒1の吸蔵量が増加して飽和に近付いて吸蔵能力が低下してくると、吸蔵反応が減少して吸蔵反応による発熱量が減少し、それに伴ってNOX 吸蔵触媒1の温度や流出ガス温度が低下する。つまり、NOX 吸蔵触媒1の吸蔵量と、吸蔵反応の状態に応じて変化する情報(例えばNOX 吸蔵触媒1の温度や流出ガス温度)との間には相関関係がある。
このような特性に着目して、本実施例1では、吸蔵反応の状態に応じて変化する情報として、吸蔵反応による発熱量に応じて変化する温度(例えばNOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aから流出する排出ガスの温度)を検出する下流側温度センサ23を設ける。そして、ECU30により後述する図4の排気浄化制御ルーチンを実行することで、下流側温度センサ23の出力に基づいてNOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aの吸蔵量が飽和に近付いて吸蔵反応が減少傾向になる状態(以下「飽和直前状態」という)を判定する。
具体的には、下流側温度センサ23で検出した流出ガス温度と上流側温度センサ22で検出した流入ガス温度との差を、触媒温度上昇量(つまりNOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aの温度上昇量)として算出する。この触媒温度上昇量が最大値に達したか否かによって、触媒発熱量(つまりNOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aの吸蔵反応による発熱量)が最大値に達したか否かを判定する。そして、触媒温度上昇量が最大値に達した(つまり触媒発熱量が最大値に達した)と判定したときに、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aでの吸蔵反応が減少し始めると判断して、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定する。
以下、本実施例1でECU30が実行する図4の排気浄化制御ルーチンの処理内容を説明する。
図4に示す排気浄化制御ルーチンは、ECU30の電源オン期間中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいう判定部及び制御部としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ101で、排出ガス温度が所定範囲内であるか否かを判定する。ここで、排出ガス温度は、上流側温度センサ22で検出した流入ガス温度又は下流側温度センサ23で検出した流出ガス温度とする。また、所定範囲は、NOX 吸蔵触媒21でNOX を吸蔵可能な温度範囲(例えば250〜400℃)に設定されている。
このステップ101で、排出ガス温度が所定範囲外であると判定された場合には、NOX 吸蔵触媒21でNOX を吸蔵できないと判断して、ステップ109に進み、エンジン11をストイキモードで運転する。このストイキモードでは、混合気の空燃比が理論空燃比になるように燃料噴射量や吸入空気量を制御する。
一方、上記ステップ101で、排出ガス温度が所定範囲内であると判定された場合には、NOX 吸蔵触媒21でNOX を吸蔵可能であると判断して、ステップ102に進み、エンジン11をリーンモードで運転する。このリーンモードでは、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように燃料噴射量や吸入空気量を制御する。
この後、ステップ103に進み、上流側温度センサ22で検出した流入ガス温度と、下流側温度センサ23で検出した流出ガス温度を読み込む。この後、ステップ104に進み、流出ガス温度と流入ガス温度との差を触媒温度上昇量として算出する。
触媒温度上昇量=流出ガス温度−流入ガス温度
この後、ステップ105に進み、触媒温度上昇量が最大値(つまりピーク値)に達したか否かを、例えば、触媒温度上昇量の微分値等に基づいて判定する。
このステップ105で、触媒温度上昇量が最大値に達していない(つまり触媒発熱量が最大値に達していない)と判定された場合には、上記ステップ103に戻り、触媒温度上昇量を求める処理を繰り返す。
その後、上記ステップ105で、触媒温度上昇量が最大値に達した(つまり触媒発熱量が最大値に達した)と判定された時点で、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定して、ステップ106に進み、リッチパージを実施する。このリッチパージでは、排出ガスの空燃比をリッチにしてNOX 吸蔵触媒21に吸蔵されているNOX を放出して還元浄化する。
この後、ステップ107に進み、空燃比センサ24で検出した流出ガス空燃比が理論空燃比よりもリッチか否かを判定し、流出ガス空燃比が理論空燃比よりもリッチと判定された時点で、ステップ108に進み、リッチパージを終了する。
以上説明した本実施例では、下流側温度センサ23で検出した流出ガス温度と上流側温度センサ22で検出した流入ガス温度との差を触媒温度上昇量として算出し、この触媒温度上昇量が最大値に達したか否かによって、触媒発熱量が最大値に達したか否かを判定する。そして、触媒温度上昇量が最大値に達した(つまり触媒発熱量が最大値に達した)と判定したときに、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定する。これにより、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aの飽和直前状態を精度良く判定することができ、リッチパージの実施時期を正確に把握することができる。また、触媒温度上昇量の最大値(つまり触媒発熱量の最大値)を検出することで、NOX 吸蔵触媒21の劣化状態を把握することもできる。この場合、NOX 吸蔵触媒21の上流側と下流側の両方にNOX センサを設けなくても、NOX 吸蔵触媒21の状態を判定することができるため、高価なNOX センサの数を削減することができる。しかも、NOX センサと比較して大幅に安価な温度センサを用いるため、排気浄化システムを低コスト化することができる。
また、本実施例1では、NOX 吸蔵触媒21のうち排出ガスの流れ方向で最下流部よりも上流側(つまり上流側部分21aと下流側部分21bとの間)に下流側温度センサ23が配置されている。このようにすれば、下流側温度センサ23の出力に基づいてNOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定した時点で、上流側部分21aで吸蔵しきれないNOX が増加し始めても、そのNOX を下流側部分21bで吸蔵することができる。
更に、本実施例1では、NOX 吸蔵触媒21が上流側部分21aと下流側部分21bとに分割され、上流側部分21aと下流側部分21bとの間に、下流側温度センサ23を配置するための隙間31が設けられている。このようにすれば、NOX 吸蔵触媒21の中間位置(つまり最下流部よりも上流側)に下流側温度センサ23を容易に配置することができる。
また、本実施例1では、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定したときに、リッチパージを実施するようにしている。このようにすれば、NOX 吸蔵触媒21が飽和状態(NOX の吸蔵量が飽和した状態)になってNOX 排出量が増加する直前に、リッチパージを実施して、NOX 吸蔵触媒21の吸蔵能力を回復させることができる。これにより、NOX 排出量を低減して排気エミッションを向上させながら、必要以上にリッチパージを実施することを防止して燃費を節減することができる。
尚、上記実施例1では、触媒温度上昇量が最大値に達したと判定したときに、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定して、リッチパージを実施するようにしている。
しかし、これに限定されず、例えば、触媒温度上昇量が最大値に達する前に最大値よりも低い閾値(例えば、前回の最大値×0.9)を上回った時点で、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定して、リッチパージを実施するようにしても良い。このようにすれば、リッチパージの実施時期を少し早めにして、NOX 排出量低減効果を高めることができる。
或は、触媒温度上昇量が最大値に達した後に最大値よりも低い閾値(例えば、最大値×0.9)を下回った時点で、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定して、リッチパージを実施するようにしても良い。このようにすれば、リッチパージの実施時期を少し遅めにして、燃費節減効果を高めることができる。
次に、図5を用いて本発明の実施例2を説明する。但し、前記実施例1と実質的に同一部分については説明を省略又は簡略化し、主として前記実施例1と異なる部分について説明する。
本実施例2では、図5に示すように、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aの下流側(つまり隙間31に対応する位置)に、温度センサ23が配置されているが、上流側温度センサ22(図1参照)が省略されている。
また、空燃比センサ24(図1参照)及びNOX センサ25(図1参照)も省略され、その代わりに、NOX 吸蔵触媒21の下流側(つまり下流側部分21bの下流側)に、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ32が配置されている。この空燃比センサ32は、排出ガスのNOX 濃度を検出する機能も兼ね備えている。
本実施例2では、温度センサ23で検出した流出ガス温度が最大値に達したか否かによって、触媒発熱量(つまりNOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aの吸蔵反応による発熱量)が最大値に達したか否かを判定する。そして、流出ガス温度が最大値に達した(つまり触媒発熱量が最大値に達した)と判定したときに、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定して、リッチパージを実施する。
以上説明した本実施例2においても、前記実施例1とほぼ同様の効果を得ることができる。また、本実施例2では、前記実施例1の構成に対して、上流側温度センサ22と空燃比センサ24とNOX センサ25が省略されているため、排気浄化システムを更に低コスト化することができる。
尚、上記実施例2では、流出ガス温度が最大値に達したと判定したときに、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定して、リッチパージを実施するようにしている。
しかし、これに限定されず、例えば、流出ガス温度が最大値に達する前に最大値よりも低い閾値(例えば、前回の最大値×0.9)を上回った時点で、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定して、リッチパージを実施するようにしても良い。
或は、流出ガス温度が最大値に達した後に最大値よりも低い閾値(例えば、最大値×0.9)を下回った時点で、NOX 吸蔵触媒21の上流側部分21aが飽和直前状態になったと判定して、リッチパージを実施するようにしても良い。
次に、図6を用いて本発明の実施例3を説明する。但し、前記実施例2と実質的に同一部分については説明を省略又は簡略化し、主として前記実施例2と異なる部分について説明する。
本実施例3では、図6に示すように、NOX 吸蔵触媒21のうち排出ガスの流れ方向で最下流部よりも上流側に、温度センサ23を配置するための穴33が設けられ、この穴33に対応する位置に、温度センサ23が配置されている。このようにしても、NOX 吸蔵触媒21の中間位置(つまり最下流部よりも上流側)に温度センサ23を容易に配置することができる。
尚、上記各実施例1〜3では、NOX 吸蔵触媒21の中間位置(つまり最下流部よりも上流側)に温度センサ23を配置するようにしたが、これに限定されず、NOX 吸蔵触媒21の下流側に温度センサ23を配置するようにしても良い。更に、この場合、NOX 吸蔵触媒21を上流側部分21aと下流側部分21bとに分割しない構成(つまり隙間31を設けない構成)としても良い。
また、上記各実施例1〜3では、NOX 吸蔵触媒21の吸蔵反応による発熱量に応じて変化する温度として、排出ガスの温度を検出する温度センサを設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、NOX 吸蔵触媒21の温度を検出する温度センサを設けるようにしても良い。
また、上記各実施例1〜3では、排出ガス中のNOX を吸蔵するNOX 吸蔵触媒21を備えたシステムに本発明を適用したが、これに限定されず、排出ガス中のNOX 以外の所定成分を吸蔵する吸蔵触媒を備えたシステムに本発明を適用したも良い。
また、上記各実施例1〜3において、ECU30が実行する機能の一部又は全部を、一つ或は複数のIC等によりハードウェア的に構成しても良い。
その他、本発明は、図1に示すような筒内噴射式エンジンに限定されず、吸気ポート噴射式エンジンや、吸気ポート噴射用の燃料噴射弁と筒内噴射用の燃料噴射弁の両方を備えたデュアル噴射式のエンジンにも適用して実施できる。
11…エンジン(内燃機関)、21…NOX 吸蔵触媒、23…下流側温度センサ、30…ECU(判定部,制御部)

Claims (8)

  1. 内燃機関(11)の排出ガス中の所定成分を吸蔵材と反応させる吸蔵反応により吸蔵する吸蔵触媒(21)を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
    前記吸蔵反応の状態に応じて変化する情報を検出するセンサ(23)と、
    前記センサの出力に基づいて前記吸蔵触媒の吸蔵量が飽和に近付いて前記吸蔵反応が減少傾向になる状態(以下「飽和直前状態」という)を判定する判定部(30)と、を備え、
    前記センサは、前記吸蔵反応の状態に応じて変化する情報として、前記吸蔵反応による発熱量に応じて変化する温度を検出する温度センサであることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記判定部は、前記温度センサの出力に基づいて前記吸蔵反応による発熱量が最大値又は所定の閾値に達したと判定したときに前記飽和直前状態と判定することを特徴とする請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記温度センサは、前記吸蔵触媒のうち前記排出ガスの流れ方向で最下流部よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項又はに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記吸蔵触媒は、前記排出ガスの流れ方向で上流側部分(21a)と下流側部分(21b)とに分割され、該上流側部分と該下流側部分との間に前記温度センサを配置するための隙間(31)が設けられていることを特徴とする請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記吸蔵触媒は、前記排出ガスの流れ方向で最下流部よりも上流側に前記温度センサを配置するための穴(33)が設けられていることを特徴とする請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記温度センサは、所定以上の耐振性を有するものが用いられることを特徴とする請求項乃至のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 前記吸蔵触媒は、前記排出ガスの空燃比がリーンのときに前記所定成分としてNOX を吸蔵するNOX 吸蔵触媒であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 前記判定部により前記飽和直前状態と判定されたときに、前記排出ガスの空燃比をリッチにして前記NOX 吸蔵触媒に吸蔵されているNOX を放出して還元するリッチパージを実施する制御部(30)を備えていることを特徴とする請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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