JP6590140B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中の窒素酸化物を浄化する排気浄化触媒を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。

エンジンの排気通路には、排気を浄化するための排気浄化装置が備えられている。例えば、エンジンの排気中のＮＯx(窒素酸化物)を浄化するために、ＮＯx吸蔵触媒等の排気浄化触媒が開発されている。
ＮＯx吸蔵触媒は、リーン雰囲気下でＮＯxを吸蔵し、ストイキまたはリッチ雰囲気下でＮＯxを窒素に還元する。更に、排気中のＮＯxの浄化率を向上させるために、エンジンの排気通路に、窒素酸化物を浄化するＮＯｘ浄化触媒をＮＯx吸蔵触媒と直列に配置するものもある。

例えば特許文献１には、ディーゼルエンジンの排気通路に、ＮＯx吸蔵触媒を備えるとともに、その下流側に排気中のＰＭ（粒子状物質）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、ＮＯxを浄化する選択還元触媒（ＮＯx浄化触媒）を備えた排気浄化装置が開示されている。

特許第４７３０３３６号公報

ところで、排気通路にＮＯx吸蔵触媒を備えたエンジンでは、ＮＯx吸蔵触媒に吸蔵したＮＯxを除去するために、例えばエンジンの燃料噴射制御によってＮＯx吸蔵触媒にリッチ空燃比の排気を供給するＮＯxパージが必要に応じて行われる。
しかしながら、例えば低負荷運転が続いてＮＯx吸蔵触媒の温度が低下している場合には、ＮＯxパージをすることができない。特許文献１のようにＮＯx吸蔵触媒の下流に選択還元触媒等のＮＯx浄化触媒を設けている構成では、ＮＯx吸蔵触媒から流出したＮＯxを下流のＮＯｘ浄化触媒にて浄化可能であるものの、低負荷運転が続いていた状態ではＮＯx吸蔵触媒の温度低下とともにＮＯx浄化触媒の温度も低下しており、ＮＯx浄化触媒においてＮＯxを十分に除去できず下流に流出してしまうといった虞がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、排気通路に窒素酸化物吸蔵還元触媒及び窒素酸化物浄化触媒を備えたエンジンにおいて、排気浄化性能の優れた排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本願発明のエンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気通路に設けられ、排気中の窒素酸化物を吸蔵する窒素酸化物吸蔵還元触媒と、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の下流側の前記排気通路に設けられ、窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化触媒と、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の窒素酸化物吸蔵量を推定する窒素酸化物吸蔵量推定部と、前記窒素酸化物吸蔵量が所定の第１の吸蔵量より大きくなった状態で、所定のパージ条件が成立した場合に、排気の空燃比をストイキまたはリッチにして、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に吸蔵した前記窒素酸化物を還元するパージ制御を実行するパージ制御部と、前記パージ条件が成立しない場合には、前記窒素酸化物吸蔵量が前記所定の第１の吸蔵量より大きく設定された所定の第２の吸蔵量になるまで前記パージ制御を実施しないパージ制御待機状態を維持し、前記窒素酸化物吸蔵量が前記第２の吸蔵量より大きくなった際に、排気の空燃比をリーンにするとともに、前記窒素酸化物浄化触媒の温度を活性温度以上に上昇させる昇温制御を実行する昇温制御部と、を備えることを特徴とする。

また、好ましくは、前記所定の第２の吸蔵量は、前記パージ制御の実行の際に前記窒素酸化物吸蔵還元触媒で前記窒素酸化物が還元されずに放出が開始される前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の吸蔵量より小さく設定されるとよい
また、好ましくは、前記昇温制御は、前記エンジンの負荷が所定値より低い状態では、前記エンジンの吸気量を減少させて行うとよい。

また、好ましくは、前記昇温制御は、前記エンジンの負荷が前記所定値以上の状態では、前記エンジンの燃料噴射量を増加させて行うとよい。
また、好ましくは、前記窒素酸化物浄化触媒は、アンモニアを用いて窒素酸化物を浄化する選択還元触媒であり、前記窒素酸化物浄化触媒の上流側の前記排気通路に尿素水溶液を供給する尿素水溶液供給部を備え、前記昇温制御は、前記尿素水溶液供給部により供給された尿素水溶液を加水分解してアンモニアが生成される温度に前記排気温度を上昇させるとよい。

本発明のエンジンの排気浄化装置によれば、排気通路に窒素酸化物吸蔵還元触媒が設けられるとともに、その下流に窒素酸化物浄化触媒が設けられているので、排気中の窒素酸化物は始めに窒素酸化物吸蔵還元触媒に吸蔵される。そして、窒素酸化物吸蔵還元触媒の窒素酸化物吸蔵量が第１の吸蔵量より大きくなりパージ条件が成立するとパージ制御により窒素酸化物が還元除去され、窒素酸化物吸蔵還元触媒の吸蔵性能が回復する。

ここで、例えば窒素酸化物吸蔵還元触媒が低温で窒素酸化物の還元除去が不能であってパージ条件が成立しない場合には、パージ制御が待機され、窒素酸化物吸蔵量が第２の吸蔵量よりも大きくなった際には、排気の空燃比をリーンにするとともに窒素酸化物浄化触媒を活性温度以上に上昇させる昇温制御を実行することで、燃料消費を抑制しつつ窒素酸化物浄化触媒における浄化を可能にすることができる。

本発明の実施形態におけるエンジンの吸排気系の概略構成図である。 本実施形態のエンジンコントロールユニットにおける排気浄化装置の制御手順を示すフローチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置１が適用された第１の実施形態のディーゼルエンジン（以下、エンジン２という）の吸排気系の概略構成図である。
エンジン２は、走行駆動源として車両に搭載されており、多気筒の筒内直接噴射式エンジンであって、図１では簡略して１つの気筒のみ記載している。エンジン２は、各気筒に設けられた燃料噴射ノズル３から、任意の噴射時期及び噴射量で各気筒の燃焼室４内に燃料を噴射可能な構成となっている。

エンジン２の吸気通路５には、新気の流量を調整するための電子制御スロットルバルブ６が設けられている。
エンジン２の排気通路１０には、エンジン２から下流に向かって順番に、ＮＯx吸蔵触媒１１（窒素酸化物吸蔵還元触媒）、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、フィルタ）１２、選択還元触媒１３（窒素酸化物浄化触媒）が設けられている。

フィルタ１２と選択還元触媒１３との間の排気通路１０には、尿素水（尿素水溶液）を噴射供給する尿素水インジェクタ１４（尿素水溶液供給部）が設けられている。尿素水インジェクタ１４には、車両に搭載した図示しない尿素水タンクから尿素水が供給される。
尿素水インジェクタ１４から排気通路１０内に噴射された尿素水が排気の熱によって加水分解されてアンモニアを発生し選択還元触媒１３に到達するように、尿素水インジェクタ１４の噴射位置が設定されている。

ＮＯx吸蔵触媒１１は、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯx）を吸蔵し、高温リッチ雰囲気下でＮＯxを還元除去する。
フィルタ１２は、排気中の黒鉛を主成分とする微粒子状物資を捕集する。
選択還元触媒１３は、尿素水から生成したアンモニアを還元剤として用いて排気中のＮＯxを還元浄化する。

また、エンジン２には、排気還流装置１５が備えられている。排気還流装置１５は、吸気通路５と排気通路１０とを連通する排気還流通路１６と、排気還流通路１６を開閉する排気還流バルブ１７とにより構成されている。
更に、エンジン２には、エンジン２の回転速度を検出する回転速度センサ２０が設けられている。エンジン２の吸気通路５には、吸気流量を検出するエアフローセンサ２１が設けられている。選択還元触媒１３には、選択還元触媒１３の温度を検出する選択還元触媒温度センサ２２が設けられている。ＮＯx吸蔵触媒１１には、ＮＯx吸蔵触媒１１の温度を検出するＮＯx吸蔵触媒温度センサ２３が設けられている。

エンジンコントロールユニット３０（窒素酸化物吸蔵量推定部、パージ制御部、昇温制御部）は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、タイマ及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成され、回転速度センサ２０、エアフローセンサ２１、選択還元触媒温度センサ２２、ＮＯx吸蔵触媒温度センサ２３等の各種センサの検出情報と、車両のアクセル操作量等の情報を入力し、当該各種情報に基づいて、燃料噴射ノズル３からの燃料噴射量、燃料噴射時期、電子制御スロットルバルブ６の開度、尿素水インジェクタ１４からの尿素水噴射量、尿素水噴射時期、排気還流バルブ１７の開度を演算して、上記各種機器の作動制御を行うことで、エンジン２の運転制御を行う。

また、エンジンコントロールユニット３０は、ポスト噴射等により、空燃比を１４.７以下のストイキまたはリッチとするとともに選択還元触媒１３を所定温度以上に昇温させることで、ＮＯx吸蔵触媒１１に吸蔵したＮＯxを還元除去するＮＯxパージを実行するパージ制御機能を有している（パージ制御部）。
次に、図２を用いて、ＮＯx吸蔵触媒１１に吸蔵されたＮＯxを還元除去するＮＯxパージについて説明する。

図２は、エンジンコントロールユニット３０におけるＮＯxパージ制御手順を示すフローチャートである。
図２に示す本実施形態の排気浄化装置１の制御は、エンジン運転時にエンジンコントロールユニット３０において所定期間毎に繰り返し実行される。
始めに、ステップＳ１０では、ＮＯx吸蔵触媒１１に吸蔵されているＮＯx吸蔵量Ｑa（窒素酸化物吸蔵量）が所定値Ａ（第１の吸蔵量）より大きいか否かを判別する。ＮＯx吸蔵量Ｑaは、例えば前回のＮＯxパージ終了からそれまでのエンジン２の運転時間とその運転状態に基づいて推定すればよい（窒素酸化物吸蔵量推定部）。所定値Ａは、ＮＯxパージを実行するか否かを判別する閾値であり、ＮＯx吸蔵触媒１１におけるＮＯx吸蔵量Ｑaの最大許容量より少ない値に設定すればよい。ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ａより大きい場合には、ステップＳ２０に進む。ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ａ以下である場合には、本ルーチンを終了する。

ここで、ステップＳ１０からステップＳ２０へ進む間は、パージ制御を実施しないパージ制御待機状態を維持する。
ステップＳ２０では、ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ｃ（第２の吸蔵量）より大きいか否かを判別する。所定値Ｃは、所定値Ａより大きい値であり、ＮＯxパージを行った際にＮＯxが還元除去しきれずに流出してしまう所謂スリップ判定値Ｂ（スリップ値）よりも小さい値に設定すればよい。ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ｃより大きい場合には、ステップＳ３０に進む。ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ｃ以下である場合には、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ３０では、選択還元触媒温度センサ２２から選択還元触媒温度Ｔbを入力し、選択還元触媒温度Ｔbが所定値Ｔ1より高いか否かを判別する。所定値Ｔ1は、選択還元触媒１３においてＮＯxを十分に還元除去可能となる活性温度に設定すればよい。選択還元触媒温度Ｔbが所定値Ｔ1より高い場合には、ステップＳ４０に進む。選択還元触媒温度Ｔbが所定値Ｔ1以下である場合には、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ４０では、ＮＯxパージ条件が成立しているか否かを判別する。ＮＯxパージ条件は、例えばＮＯx吸蔵触媒１１の温度がＮＯxパージ可能な温度以上であることを検出したり、ＮＯxパージ可能な排気温度になる高負荷運転であることを判定したりすればよい。ＮＯxパージ条件が成立している場合には、ステップＳ５０に進む。ＮＯxパージ条件が成立していない場合には、本ルーチンを終了する。

ステップＳ５０では、ＮＯxパージ（パージ制御）を実行する。ＮＯxパージは、上記のように、ポスト噴射等により、ＮＯx吸蔵触媒１１をパージ可能な温度以上に維持しつつ空燃比を１４.７以下のストイキまたはリッチとすることで行われる。そして、本ルーチンを終了する。
ステップＳ６０では、ＮＯx吸蔵触媒温度センサ２３からＮＯx吸蔵触媒温度Ｔaを入力し、ＮＯx吸蔵触媒温度Ｔaが所定値Ｔ2より低いか否かを判別する。所定値Ｔ2は、ポスト噴射を行ってＮＯx吸蔵触媒１１が昇温可能となる温度に設定すればよい。ＮＯx吸蔵触媒温度Ｔaが所定値Ｔ2より低い場合には、ステップＳ７０に進む。ＮＯx吸蔵触媒温度Ｔaが所定値Ｔ2以上である場合には、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ７０では、エンジンの１の吸気量を減少させる吸気絞りを実行する。詳しくは、電子制御スロットルバルブ６の開度を減少させて空燃比を低下させ、ＮＯx吸蔵触媒温度Ｔaを上昇させる。そして、ステップＳ６０に戻る。
ステップＳ８０では、ポスト噴射を実行する。そして、ステップＳ３０に戻る。
以上のように、本実施形態では、排気通路１０に低温領域で浄化性能の優れたＮＯx吸蔵触媒１１と高温領域で浄化性能の優れた選択還元触媒１３を備えているので、広範囲の排気温度でＮＯxの浄化性能を向上させることができる。上流側のＮＯx吸蔵触媒１１にＮＯxが所定値Ａよりも多く吸蔵された場合には、ＮＯxパージが要求されるが、例えばアイドリング運転のような低負荷運転が継続されてＮＯx吸蔵触媒１１の温度が低下していてＮＯxパージが不能である場合には、ＮＯx吸蔵触媒１１におけるＮＯx吸蔵量Ｑaが更に増加する。そして、ＮＯx吸蔵量がスリップ判定値Ｂよりも大きくなってしまうと、ＮＯx吸蔵触媒１１からＮＯxが流出する可能性がある。本実施形態では、ＮＯxの発生を抑える装置として排気還流装置１５を備えているが、アイドリング運転のような運転状況では燃焼安定性を確保するため、排気の還流量が抑えられ、ＮＯxの発生を十分に抑制することが困難である。

そこで、本実施形態では、ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ａより大きく設定された所定値Ｃを超えると、吸気絞りまたはポスト噴射による昇温制御が行われ、選択還元触媒１３の温度を活性温度以上にする。これにより、例えＮＯx吸蔵触媒１１からＮＯxが流出しても下流側の選択還元触媒１３において除去することが可能となる。また、所定値Ｃは、スリップ判定値Ｂよりも低く設定されているので、ＮＯx吸蔵量Ｑaがスリップ判定値Ｂに到達する前に、選択還元触媒１３の温度を上昇させることができる。

昇温制御をする際には、ＮＯx吸蔵触媒温度Ｔaが所定値Ｔ2より低い場合には、ポスト噴射をしても燃料が燃焼せずに昇温しないので、吸気絞りを行うことで排気温度を上昇させる。ＮＯx吸蔵触媒温度Ｔaが所定値Ｔ2以上となれば、ポスト噴射を行って燃料噴射量を増量させ効率的に昇温させることができる。
また、この昇温制御では空燃比をリーンに留めておくことで、ＮＯx吸蔵触媒１１からのＮＯxの流出を抑えるとともに、燃料消費を抑えることができる。

このように、本実施形態では、ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ａを超えてＮＯxパージが要求されている状態において、ＮＯx吸蔵触媒１１におけるＮＯx吸蔵量Ｑaがスリップ判定値Ｂよりも小さい所定値Ｃより大きくなった場合には、ＮＯxパージから昇温制御に切換えて行うことで、ＮＯxパージがスリップ判定値Ｂに到達する前に選択還元触媒１３の温度を上昇させておくことができる。したがって、例えば高負荷運転が行なわれてＮＯxパージが可能となったときにＮＯx吸蔵量Ｑaがスリップ判定値Ｂを超えていて、ＮＯxパージの開始時においてＮＯx吸蔵触媒１１からＮＯxが流出したとしても選択還元触媒１３によってすぐにかつ十分に浄化することができ、大気中へのＮＯxの排出を減少させ、排気浄化性能を向上させることができる。また、この昇温制御によりＮＯx吸蔵触媒１１も昇温するので、ＮＯxパージの開始を早めることができる。

本実施形態のように、ＮＯx吸蔵触媒１１の下流の触媒を選択還元触媒１３にしている場合には、昇温制御を行うことで、排気温度を上昇させ、尿素水を噴射した際にすぐにアンモニアを生成し、選択還元触媒１３にアンモニアを確保しておくことができる。これにより、ＮＯx吸蔵触媒１１から流出したＮＯxを選択還元触媒１３において迅速に浄化させることができる。

また、本願発明は、上記実施形態に限定するものではない。本実施形態ではＮＯx吸蔵触媒１１の下流に選択還元触媒１３を設けているが、ＮＯxを浄化する触媒であれば他のものでもよい。例えば、選択還元触媒１３の代わりに上流側のＮＯx吸蔵触媒１１と同様のＮＯx吸蔵触媒を設けてもよい。このように同じ種類の触媒を２つ設けても、特にその間にフィルタ１２が設けられていることから２つの触媒温度が異なるので、上流側の触媒と下流側の触媒とで広範囲の排気温度で浄化効率を上昇させることができ、本実施形態と同様に下流側の触媒を昇温させて上流側からＮＯxが流出した際に下流側の触媒ですぐに浄化可能にすることができる。

本願発明は、排気浄化装置として排気通路にＮＯx吸蔵触媒とＮＯx排気浄化触媒を備えたエンジンに広く適用することができる。

２ エンジン
１０ 排気通路
１１ ＮＯx吸蔵触媒（窒素酸化物吸蔵還元触媒）
１３ 選択還元触媒（窒素酸化物浄化触媒）
３０ エンジンコントロールユニット（窒素酸化物吸蔵量推定部、パージ制御部、昇温制御部）

Claims (5)

1. エンジンの排気通路に設けられ、排気中の窒素酸化物を吸蔵する窒素酸化物吸蔵還元触媒と、
   前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の下流側の前記排気通路に設けられ、窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化触媒と、
   前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の窒素酸化物吸蔵量を推定する窒素酸化物吸蔵量推定部と、
   前記窒素酸化物吸蔵量が所定の第１の吸蔵量より大きくなった状態で、所定のパージ条件が成立した場合に、排気の空燃比をストイキまたはリッチにして、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に吸蔵した前記窒素酸化物を還元するパージ制御を実行するパージ制御部と、
   前記パージ条件が成立しない場合には、前記窒素酸化物吸蔵量が前記所定の第１の吸蔵量より大きく設定された所定の第２の吸蔵量になるまで前記パージ制御を実施しないパージ制御待機状態を維持し、前記窒素酸化物吸蔵量が前記第２の吸蔵量より大きくなった際に、排気の空燃比をリーンにするとともに、前記窒素酸化物浄化触媒の温度を活性温度以上に上昇させる昇温制御を実行する昇温制御部と、を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記所定の第２の吸蔵量は、前記パージ制御の実行の際に前記窒素酸化物吸蔵還元触媒で前記窒素酸化物が還元されずに放出が開始される前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の吸蔵量より小さく設定されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記昇温制御は、前記エンジンの負荷が所定値より低い状態では、前記エンジンの吸気量を減少させて行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記昇温制御は、前記エンジンの負荷が前記所定値以上の状態では、前記エンジンの燃料噴射量を増加させて行うことを特徴とする請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記窒素酸化物浄化触媒は、アンモニアを用いて窒素酸化物を浄化する選択還元触媒であり、
   前記窒素酸化物浄化触媒の上流側の前記排気通路に尿素水溶液を供給する尿素水溶液供給部を備え、
   前記昇温制御は、前記尿素水溶液供給部により供給された尿素水溶液を加水分解してアンモニアが生成される温度に前記排気温度を上昇させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。

Images