JP7268571B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

本開示は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えたエンジンシステムの制御に関する。

ディーゼルエンジン等の排気を浄化するために、排気通路には、窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と記載する場合がある）の吸蔵還元触媒（以下、「ＮＯｘ吸蔵還元触媒」と記載する場合がある）等の各種触媒が排気処理装置として設けられる。たとえば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒においては、排気中のＮＯｘを吸蔵することによって排気が浄化される。

このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒に関して、たとえば、特開平１１－２２３１２３号公報（特許文献１）には、エンジンの排気通路に、ＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒とＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵触媒とを配置する場合に、それらを排ガス温度等に関連付けて配置することにより、全体としての排ガス浄化性能を向上させる技術が開示される。

特開平１１－２２３１２３号公報

ところで、このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒において吸蔵したＮＯｘの吸蔵量（以下、堆積量と記載する場合がある）が一定以上になる場合には、浄化性能が低下するため、排気の未燃成分（たとえば、ＣＯやＨＣ）を還元剤として吸蔵したＮＯｘを還元することによって吸蔵還元触媒を再生することが求められる。そのため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を再生するために、エンジンからの排気のうちのＮＯｘの還元に用いられる未燃成分の生成量を増加させるために空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の空燃比で燃焼させる制御が実行される場合がある。

しかしながら、エンジンがアイドリング状態であるなどの軽負荷状態である場合には、リッチ側の空燃比にするために、新気の流入量を減少させたり、燃料噴射量を増加させるなどすると、失火が発生するなどして安定した燃焼が得られない場合がある。そのため、軽負荷状態である場合において還元制御を実行できず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘを適切なタイミングで還元できない場合がある。

本開示は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、軽負荷状態である場合にもＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生が可能なエンジンシステムを提供することである。

本開示のある局面に係るエンジンシステムは、複数の気筒を有するエンジンと、複数の気筒の各々に接続される排気通路と、気筒に流入する新気の流量を調整可能に構成される調整弁と、エンジン回転数を検出する検出装置と、排気通路に設けられる窒素酸化物を吸蔵可能に構成される吸蔵還元触媒と、複数の気筒の各々に対して燃料を噴射可能に構成される燃料噴射装置と、検出装置の検出結果を用いて燃料噴射装置と調整弁とを制御する制御装置とを備える。制御装置は、吸蔵還元触媒における窒素酸化物の堆積量がしきい値を超える場合に、エンジン回転数と燃料噴射装置からの燃料噴射量とによって定まる動作点が第１領域内であると、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の値になるように燃料噴射装置を制御する第１制御を複数の気筒の各々に対して実行する。制御装置は、動作点が第１領域よりも燃料噴射量が少ない第２領域内であると、複数の気筒のうちの一部の気筒に対して第１制御を実行し、複数の気筒のうちの残りの気筒に対して第１制御と異なる第２制御を実行する。

このようにすると、エンジンの動作点が第１領域よりも燃料噴射量の少ない第２領域内となるような軽負荷状態において、複数の気筒のうちの一部の気筒において第１制御が実行されることによって、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の値になるようにエンジンが制御されるので、ＮＯｘの還元が促進され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生速度を向上させることができる。さらに、残りの気筒に対しては第１制御が実行されないため、失火の発生を抑制することができる。

ある実施の形態において、第１制御は、燃料噴射量のうちのメイン噴射よりも後に噴射される燃料噴射量が第２制御においてメイン噴射よりも後に噴射される燃料噴射量よりも多くなるようにする制御を含む。

このようにすると、一部の気筒において空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の値になるようにすることができるため、ＮＯｘの還元が促進され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生速度を向上させることができる。

さらにある実施の形態において、制御装置は、動作点が第２領域よりも燃料噴射量が少ない第３領域内であると、一部の気筒において第１制御を実行し、残りの気筒に対して燃料噴射装置からの燃料噴射を停止する制御を実行する。

このようにすると、エンジンの動作点が第２領域よりもさらに燃料噴射量が少ない第３領域である場合には、複数の気筒のうちの残りの気筒に対して燃料噴射が停止されるので、フリクションが増加するとともに、複数の気筒のうちの一部の気筒における燃焼によってエンジンの動作が維持される。そのため、複数の気筒のうちの一部の気筒に流入する空気量と気筒に供給される燃料量とを増加させることができる。その結果、一部の気筒において第１制御が実行されることよって、失火の発生を抑制しつつ、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の値になるようにエンジンを制御することができる。これにより、ＮＯｘの還元が促進され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生速度を向上させることができる。

さらにある実施の形態において、第２制御は、燃料噴射装置からの燃料噴射を停止する制御を含む。

このようにすると、エンジンの運転領域が第２領域である場合には、複数の気筒のうちの残りの気筒に対して燃料噴射が停止されるので、フリクションが増加するとともに、複数の気筒のうちの一部の気筒における燃焼によってエンジンの動作が維持される。そのため、複数の気筒のうちの一部の気筒に流入する空気量と気筒に供給される燃料量とを増加させることができる。その結果、一部の気筒において第１制御が実行されることよって、失火の発生を抑制しつつ、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の値になるようにエンジンを制御することができる。これにより、ＮＯｘの還元が促進され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生速度を向上させることができる。

本開示によると、軽負荷状態である場合にもＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生が可能なエンジンシステムを提供することができる。

エンジンシステムの全体構成を概略的に示した図である。 制御装置で実行される処理の一例を示すフローチャートである。 第１領域、第２領域および第３領域を説明するための図である。 還元燃焼制御の実施可能領域について説明するための図である。 還元燃焼制御の実行の有無によるＮＳＲ触媒の再生速度の違いを説明するための図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、エンジンシステム１０の全体構成を概略的に示した図である。図１に示すエンジンシステム１０は、たとえば、車両や建設機械等の移動体の駆動源として搭載される。

図１に示すように、エンジンシステム１０は、エンジン１１と、吸気通路８と、排気通路７とを含む。吸気通路８の一方端には、エアクリーナ（図示せず）が設けられる。吸気通路８の他方端は、エンジン１１（より具体的には、気筒１１ａ）に接続される。吸気通路８の一方端からＥＧＲ通路１８との合流位置との間にエアフローメータ２が設けられる。

エアフローメータ２は、吸気通路８からエンジンシステム１０に導入される新気の流量（吸入空気量）を検出し、検出された吸入空気量を示す信号を制御装置１００に出力する。

エアフローメータ２よりも下流の位置には、吸気絞り弁１６が設けられる。吸気絞り弁１６には、吸気絞り弁１６の開度を検出する開度センサ１７が設けられる。開度センサ１７は、検出された吸気絞り弁１６の開度を示す信号を制御装置１００に出力する。吸気絞り弁１６は、制御装置１００からの制御信号によって開閉動作を行なう。

エンジン１１は、ディーゼルエンジン等の内燃機関である。エンジン１１は、複数の気筒１１ａと複数のピストン１１ｂとを含む。たとえば、エンジン１１が４気筒エンジンである場合には、エンジン１１には、４つの気筒１１ａが設けられる。なお、図１においては、複数の気筒１１ａのうちの１つの構成を例示的に示しており、他の気筒についても同様の構成を有する。そのため、その詳細な説明については繰り返さない。

気筒１１ａの頂部には燃料噴射装置１３が設けられる。燃料噴射装置１３は、たとえば、噴孔が形成されたボディと、ボディ内部に設けられ、噴孔を開閉するニードルとを有するインジェクタとによって構成される。燃料噴射装置１３は、コモンレール１５を介して燃料ポンプ１４および燃料タンク１２に接続される。燃料ポンプ１４は、制御装置１００からの制御信号に応じて、コモンレール１５内の燃料の圧力が所定の圧力になるように燃料タンク１２内の燃料をコモンレール１５に供給する。燃料噴射装置１３は、制御装置１００からの制御信号に応じてニードルを動作させて、噴孔を開状態（すなわち、噴孔とコモンレール１５とを連通状態）にすることによってコモンレール１５内の燃料を気筒１１ａ内の燃焼室に供給する。

制御装置１００は、燃料噴射装置１３において１サイクル中に噴射される燃料噴射量Ｑに対応する制御指令値を決定する。制御装置１００は、決定された制御指令値に基づいて燃料噴射装置１３を制御する。制御指令値は、たとえば、燃料噴射装置１３からの燃料の噴射時間（噴射の開時間）あるいは噴射量を示す値である。

なお、制御装置１００は、たとえば、エンジン１１の運転中において、予め定められた条件が成立する場合には、複数の気筒のうちの一部の気筒に対して燃焼制御を実行し、残りの気筒に対して燃料噴射を停止する気筒停止制御を実行可能とする。なお、エンジン１１は、気筒停止制御を実行している間には、気筒１１ａの頂部に設けられる吸気バルブおよび排気バルブ（いずれも図示せず）を閉じ状態に維持可能な構成を有していてもよい。

さらに、制御装置１００は、たとえば、１サイクル中に噴射される燃料噴射量Ｑを複数回に分けて噴射する。制御装置１００は、たとえば、１サイクル中にパイロット噴射と、メイン噴射と、プレポスト噴射と、アフター噴射と、ポスト噴射とが実行されるように燃料噴射装置１３を制御する。パイロット噴射は、たとえば、燃焼音や燃焼圧の発生を抑制するために実行される。メイン噴射は、たとえば、エンジン１１に要求されたトルクを実現するために実行される。ポスト噴射は、たとえば、空燃比を調整するために実行される。アフター噴射は、たとえば、スモークなどの発生を抑制するために実行される。そして、ポスト噴射は、排気（すなわち、ＰＭ除去フィルタ４）を昇温するために実行される。

ピストン１１ｂは、出力軸であるクランク軸（図示せず）に接続されており、クランク軸には、クランク軸の回転数（以下、エンジン回転数Ｎｅと記載する）を検出するエンジン回転数センサ２０が設けられる。エンジン回転数センサ２０は、制御装置１００に接続され、検出されたエンジン回転数Ｎｅを示す信号を制御装置１００に送信する。

排気通路７の一方端は、エンジン１１（より具体的には、気筒１１ａ）に接続される。排気通路７の途中には、排気処理装置１が設けられる。排気処理装置１は、排気中のＰＭの除去が可能なＰＭ除去フィルタ４とＮＳＲ（NOx Storage-Reduction）触媒９とを含む。排気通路７の他方端は、排気処理装置１と異なる排気処理装置（たとえば、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）等）に接続される。

排気通路７は、第１通路７ａと、第２通路７ｂと、第３通路７ｃと、第４通路７ｄとを含み、第１通路７ａ、第２通路７ｂ、第３通路７ｃ、および、第４通路７ｄの順で接続されて構成される。

ＰＭ除去フィルタ４は、第３通路７ｃに収納され、排気の通過を許容しつつ、通過する排気から粒子状物質（ＰＭ（Particulate Matter））を捕集する。ＰＭ除去フィルタ４は、たとえば、セラミックまたはステンレス等から形成される。

ＮＳＲ触媒９は、たとえば、カリウム（Ｋ）やリチウム（Ｌｉ）のようなアルカリ金属や、バリウムＢａのようなアルカリ土類等がＮＯｘ吸蔵材として担持されることによって構成される。

ＮＳＲ触媒９は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元剤（たとえば燃料の未燃成分（ＨＣやＣＯ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ_２もしくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ_２やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されてＮ_２となる。ちなみにＨＣやＣＯは、ＮＯ_２やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ_２ＯやＣＯ_２となる。すなわち、ＮＳＲ触媒９に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分やＣＯ成分を適宜調整すれば、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができることになる。ＮＳＲ触媒９の構成については公知の構成が用いられればよくその詳細な説明については行なわない。

空燃比センサ３は、第１通路７ａに設けられ、第１通路７ａ内を通過する排気中の酸素濃度および未燃燃料の濃度の比である空燃比を検出する。空燃比センサ３は、検出された空燃比を示す信号を制御装置１００に送信する。制御装置１００は、空燃比センサ３の検出結果に基づいて複数の気筒１１ａの各々における空燃比を算出する。制御装置１００は、複数の気筒１１ａの各々における空燃比がエンジン１１の運転状態に応じて設定される目標空燃比になるように各気筒の燃料噴射装置１３から噴射される燃料の噴射量をフィードバック制御等によって調整する。

排気通路７の第２通路７ｂの入口には、燃料供給弁５が設けられる。燃料供給弁５は、制御装置１００からの制御信号によって動作し、燃料ポンプ１４からの燃料を第２通路７ｂ内に供給可能に構成される。

エンジン１１には、さらにＥＧＲ（排気再循環）システムが設けられる。ＥＧＲシステムは、ＥＧＲ通路１８とＥＧＲ弁１９とを含む。ＥＧＲ通路１８は、気筒１１ａを経由しないで排気通路７と吸気通路８とを連通して、排気通路７に排出された排気の一部を吸気通路８に戻す。ＥＧＲ弁１９は、制御装置１００からの制御信号に応じて、ＥＧＲ通路１８によって循環するガス流量を調整する。制御装置１００は、エンジン１１の運転状態に基づいてＥＧＲ弁１９の開度を制御する。

具体的には、制御装置１００は、たとえば、燃料噴射量Ｑとエンジン回転数Ｎｅとに基づいてＥＧＲ率の目標値を設定する。制御装置１００の後述するメモリ１５０には、たとえば、燃料噴射量Ｑとエンジン回転数ＮｅとＥＧＲ率の目標値との関係を示すマップが記憶される。制御装置１００は、制御指令値に対応する燃料噴射量Ｑとエンジン回転数Ｎｅと上述したマップとからＥＧＲ率の目標値を設定する。制御装置１００は、ＥＧＲ率が目標値になるようにＥＧＲ弁１９の開度を制御する。

さらにエンジン１１には、排気通路７を流通する排気エネルギーを用いて吸気通路８内の空気を過給する過給機（図示せず）が設けられる。過給機は、たとえば、排気通路７に設けられ、タービンブレードを収納するタービンと、吸気通路８に設けられ、コンプレッサブレードを収納するコンプレッサと、タービンブレードとコンプレッサブレードとを連結するシャフトとを含む。排気通路７に流通する排気によってタービン内のタービンブレードが回転すると、タービンブレードに連結されたシャフトおよびコンプレッサブレードが一体的に回転し、コンプレッサから気筒に空気が圧送されることによって過給が行なわれる。また、タービン内のタービンブレードの周囲には、排気のタービンブレードへの流入速度を変化可能に構成される複数のベーンが設けられる。複数のベーンは、アクチュエータによって動作する。制御装置１００は、エンジン１１の運転状態に基づいてベーン間の開度を制御する。

制御装置１００は、各種処理を行なうＣＰＵ（Central Processing Unit）（図示せず）と、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）およびＣＰＵの処理結果等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）を含むメモリ１５０と、制御装置１００の外部の機器と情報のやり取りを行なうための入力ポートおよび出力ポート（いずれも図示せず）とを含む。入力ポートには、エアフローメータ２、空燃比センサ３、開度センサ１７およびエンジン回転数センサ２０等が接続される。

制御装置１００は、入力ポートに接続された各機器から信号を受信し、受信した信号に基づいて出力ポートに接続された燃料供給弁５、吸気絞り弁１６、燃料噴射装置１３、燃料ポンプ１４、ＥＧＲ弁１９等を制御する。

以上のような構成を有するエンジンシステム１０において、エンジン１１からの排気に含まれるＮＯｘはＮＳＲ触媒９において吸蔵され、堆積していく。ＮＳＲ触媒９に吸蔵されたＮＯｘの吸蔵量（以下、堆積量とも記載する）がしきい値Ｓ（０）を超える場合には、ＮＳＲ触媒９に吸蔵されたＮＯｘを還元する還元制御モードに移行される。還元制御モードに移行されると、制御装置１００は、たとえば、複数の気筒１１ａの各々において空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の所定の空燃比になるように燃料供給弁５、燃料噴射装置１３、吸気絞り弁１６およびＥＧＲ弁１９のうちの少なくともいずれかを動作させる制御を実行する。

制御装置１００は、還元制御モードに移行されると、たとえば、ＥＧＲ弁１９の開度を還元制御モードでない場合にエンジン１１の運転状態に基づいて設定される開度よりも大きくして排気を気筒１１ａに導入することによって気筒１１ａ内の温度を上昇させたり、吸気絞り弁１６の開度を還元制御モードでない場合にエンジン１１の運転状態に基づいて設定される開度よりも小さくして新気の導入量を制限したりする制御を実行する。

さらに制御装置１００は、還元制御モードに移行されると、たとえば、上述した１サイクル中に行なわれる各種噴射のうちのメイン噴射よりも後の噴射（すなわち、プレポスト噴射、アフター噴射およびポスト噴射のうちの少なくともいずれか）の燃料噴射量を還元制御モードでない場合にエンジン１１の運転状態に基づいて設定される噴射量よりも多くする制御を実行する。

なお、制御装置１００は、１サイクルにおける燃料噴射量を維持しつつ、メイン噴射よりも後の噴射の燃料噴射量を基準値よりも増加させるようにしてもよいし、あるいは、メイン噴射よりも後の噴射の燃料噴射量を還元制御モードでない場合よりも増加させることで１サイクルにおける燃料噴射量を増加させてもよい。

さらに制御装置１００は、還元制御モードに移行されたときに、上述の制御によって還元剤が不足する場合には燃料供給弁５から供給される燃料で補うように燃料供給弁５を制御してもよい。

制御装置１００は、ＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（１）以下になる場合に、還元制御モードを終了する。

このようにＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（０）を超える場合には、還元制御モードに移行されることによって、排気に含まれる還元剤によってＮＳＲ触媒９に吸蔵されたＮＯｘが還元され、ＮＳＲ触媒９を再生することができる。

しかしながら、エンジン１１がアイドリング状態であるなどの軽負荷状態である場合には、リッチ側の空燃比にするために、新気の流入量を減少させたり、メイン噴射よりも後の燃料噴射量を増加させるなどすると、失火が発生するなどして安定した燃焼が得られない場合がある。そのため、軽負荷状態である場合において還元制御モードに移行できない場合がある。その結果、ＮＳＲ触媒９に吸蔵されたＮＯｘを適切なタイミングで還元できない場合がある。

そこで、本実施の形態においては、制御装置１００は、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（０）を超える場合に、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとによって定まるエンジン１１の動作点が第１領域内であると、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の値になるように燃料噴射装置１３を制御する還元燃焼制御を複数の気筒１１ａの各々に対して実行する。さらに、制御装置１００は、エンジン１１の動作点が第１領域よりも燃料噴射量が少ない第２領域内であると、複数の気筒１１ａのうちの半数の気筒において上述の第１制御を実行し、複数の気筒１１ａのうちの残りの半数の気筒に対して還元燃焼制御と異なる非還元燃焼制御を実行するものとする。

このようにすると、エンジン１１の動作点が第１領域よりも燃料噴射量の少ない第２領域内となるような軽負荷状態において、複数の気筒１１ａのうちの一部の気筒において還元燃焼制御が実行されることによって、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の値になるようにエンジン１１が制御されるので、ＮＯｘの還元が促進され、ＮＳＲ触媒９の再生が可能となる。さらに、残りの気筒に対して還元燃焼制御が実行されないため、失火の発生を抑制することができる。

以下、図２を参照して、制御装置１００で実行される処理について説明する。図２は、制御装置１００で実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、制御装置１００により、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。

ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、制御装置１００は、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量を推定する。制御装置１００は、たとえば、前回の計算における堆積量（前回値）の推定時点から現在までのＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量の変化量をエンジン１１の運転状態（たとえば、エンジン回転数Ｎｅおよび燃料噴射量Ｑ）から推定し、推定された変化量を前回値に加算することによって今回の計算における堆積量（今回値）を推定してもよい。制御装置１００は、たとえば、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑと、堆積量の変化量との関係を示すマップを用いてＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量の変化量を算出してもよい。なお、マップの作成には、たとえば、機械学習やディープラーニング等を含むＡＩ（Artificial Intelligence）等が利用されてもよい。

Ｓ１０２にて、制御装置１００は、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（０）よりも大きいか否かを判定する。しきい値Ｓ（０）は、実験等によって適合される予め定められた値であって、たとえば、ＮＳＲ触媒９の吸蔵可能なＮＯｘ量の上限値等によって定められる。ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（０）よりも大きいと判定される場合（Ｓ１０２にてＹＥＳ）、処理はＳ１０４に移される。なお、ＮＳＲ触媒９における堆積量がしきい値Ｓ（０）以下であると判定される場合（Ｓ１０２にてＮＯ）、この処理は終了される。

Ｓ１０４にて、制御装置１００は、エンジン回転数Ｎｅおよび燃料噴射量Ｑを取得する。制御装置１００は、たとえば、エンジン回転数センサ２０によって検出されるエンジン回転数Ｎｅを取得するとともに、燃料噴射装置１３に対して出力される制御指令値から燃料噴射量Ｑを取得してもよい。

Ｓ１０６にて、制御装置１００は、還元制御モードに移行する。制御装置１００は、還元制御モードに移行すると、還元制御モードが実行中であることを示すフラグをオン状態にしてもよい。制御装置１００は、上述した還元制御モードに対応した吸気絞り弁１６およびＥＧＲ弁１９の制御を実行してもよい。

Ｓ１０８にて、制御装置１００は、エンジン１１の動作点が第１領域内であるか否かを判定する。エンジン１１の動作点は、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとによって定まる。

図３は、第１領域、第２領域および第３領域を説明するための図である。図３の横軸は、エンジン回転数Ｎｅを示す。図３の縦軸は、燃料噴射量Ｑを示す。上述の第１領域と、以下に説明する第２領域および第３領域は、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとの座標平面上に設定される。

第１領域は、たとえば、図３に示すように、Ａ点と、Ｂ点と、Ｃ点と、Ｄ点と、Ｅ点とを直線で結んで形成された領域である。Ａ点は、エンジン回転数ＮｅがＮｅ（０）となり、燃料噴射量ＱがＱ（４）となる位置である。Ｂ点は、エンジン回転数ＮｅがＮｅ（１）（＞Ｎｅ（０））となり、燃料噴射量ＱがＱ（４）となる位置である。Ｃ点は、エンジン回転数ＮｅがＮｅ（２）（＞Ｎｅ（１））となり、燃料噴射量ＱがＱ（３）（＜Ｑ（４））となる位置である。Ｄ点は、エンジン回転数ＮｅがＮｅ（２）となり、燃料噴射量ＱがＱ（２）（＜Ｑ（３））となる位置である。Ｅ点は、エンジン回転数がＮｅ（０）となり、燃料噴射量ＱがＱ（２）となる位置である。第１領域は、全気筒に対して上述のメイン噴射よりも後の噴射における燃料噴射量を増加させる制御（以下、還元燃焼制御と記載する）が実行可能な運転領域を示す。

制御装置１００は、Ｓ１０４にて取得されたエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとによって図３に示す座標平面上に特定される動作点が第１領域内の位置であるか否かを判定する。エンジン１１の動作点が第１領域内であると判定される場合（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、処理はＳ１１０に移される。

Ｓ１１０にて、制御装置１００は、還元燃焼制御を全気筒に対して実施するように燃料噴射装置１３を制御する。その後処理はＳ１２０に移される。なお、エンジン１１の動作点が第１領域内でないと判定される場合（Ｓ１０８にてＮＯ）、処理はＳ１１２に移される。

Ｓ１１２にて、制御装置１００は、エンジン１１の動作点が第２領域内であるか否かを判定する。

第２領域は、たとえば、図３に示すように、Ｄ点と、Ｅ点と、Ｆ点と、Ｇ点とを直線で結んで形成された領域であって、第１領域よりも燃料噴射量が少ない領域である。また、第２領域は、第１領域と隣接した位置に設定される。Ｆ点は、エンジン回転数ＮｅがＮｅ（０）となり、燃料噴射量ＱがＱ（１）（＜Ｑ（２））となる位置である。Ｇ点は、エンジン回転数ＮｅがＮｅ（２）となり、燃料噴射量ＱがＱ（１）となる位置である。第２領域は、全気筒に対する還元燃焼制御が実行可能な第１領域よりも燃料噴射量の少ない、エンジン１１が軽負荷状態となり得る領域であって、実験等によって適合されて設定される。

制御装置１００は、Ｓ１０４にて取得されたエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとによって図３に示す座標平面上に特定される動作点が第２領域内の位置であるか否かを判定する。エンジン１１の動作点が第２領域内であると判定される場合（Ｓ１１２にてＹＥＳ）、処理はＳ１１４に移される。

Ｓ１１４にて、制御装置１００は、複数の気筒１１ａのうちの半数の気筒に対して還元燃焼制御を実行し、残りの半数の気筒に対して非還元燃焼制御を実行する。たとえば、エンジン１１が４気筒エンジンである場合には、制御装置１００は、２気筒に対して還元燃焼制御を実行し、残りの２気筒に対して非還元燃焼制御を実行する。非還元燃焼制御としては、たとえば、還元制御モードが選択されている場合よりもメイン噴射よりも後の噴射の燃料噴射量が少ない制御であって、たとえば、ＮＳＲ触媒９に堆積したＮＯｘの還元を目的としない、エンジン１１の運転状態に基づいて行なわれる燃料噴射制御を含む。また、還元燃焼制御については、上述したとおりであるため、その詳細な説明は繰り返さない。

還元燃焼制御の実行対象となる気筒は、予め定められた気筒であってもよいし、あるいは、非還元燃焼制御の実行対象となる気筒と適宜入れ替えてもよいし、複数の予め定められた組み合わせの中から選択されてもよい。

その後処理はＳ１２０に移される。なお、エンジン１１の動作点が第２領域内でないと判定される場合（Ｓ１１２にてＮＯ）、処理はＳ１１６に移される。

Ｓ１１６にて、制御装置１００は、エンジン１１の動作点が第３領域内であるか否かを判定する。

第３領域は、たとえば、図３に示すように、Ｆ点と、Ｇ点と、Ｈ点と、Ｉ点とを直線で結んで形成された領域であって、第２領域よりも燃料噴射量が少ない領域である。また、第３領域は、第２領域と隣接した位置に設定される。Ｈ点は、エンジン回転数ＮｅがＮｅ（２）となり、燃料噴射量ＱがＱ（０）（＜Ｑ（１））となる位置である。Ｉ点は、エンジン回転数ＮｅがＮｅ（０）となり、燃料噴射量ＱがＱ（１）となる位置である。第３領域は、第２領域よりも燃料噴射量の少ない、エンジン１１がさらに軽負荷状態となり得る領域であって、実験等によって適合されて設定される。

制御装置１００は、Ｓ１０４にて取得されたエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとによって図３に示す座標平面上に特定される動作点が第３領域内の位置であるか否かを判定する。エンジン１１の動作点が第３領域内であると判定される場合（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、処理はＳ１１８に移される。

Ｓ１１８にて、制御装置１００は、複数の気筒１１ａのうちの半数の気筒に対して気筒停止制御を実行し、残りの半数の気筒に対して還元燃焼制御を実行する。たとえば、エンジン１１が４気筒エンジンである場合には、制御装置１００は、２気筒に対して気筒停止制御を実行し、残りの２気筒に対して非還元燃焼制御を実行する。気筒停止制御および還元燃焼制御については、上述したとおりであるため、その詳細な説明は繰り返さない。

気筒停止制御の実行対象となる気筒は、予め定められた気筒であってもよいし、あるいは、還元燃焼制御の実行対象となる気筒と適宜入れ替えてもよいし、複数の予め定められた組み合わせの中から選択されてもよい。その後処理はＳ１２０に移される。

Ｓ１２０にて、制御装置１００は、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（１）以下であるか否かを判定する。しきい値Ｓ（１）は、しきい値Ｓ（０）よりも小さい値であって、予め定められた値である。しきい値Ｓ（１）は、ＮＳＲ触媒９においてＮＯｘの還元が十分に行なわれたことを判定するためのしきい値であって、実験等によって適合される。ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（１）以下であると判定される場合（Ｓ１２０にてＹＥＳ）、処理はＳ１２２に移される。

Ｓ１２２にて、制御装置１００は、還元制御を終了する。制御装置１００は、たとえば、還元制御を終了する場合に、還元制御モードが実行中であることを示すフラグをオフ状態にしてもよい。制御装置１００は、上述した還元制御モードに対応した吸気絞り弁１６およびＥＧＲ弁１９の制御を終了してもよい。

なお、エンジン１１の動作点が第３領域内でないと判定される場合（Ｓ１１６にてＮＯ）、処理はＳ１２２に移される。さらに、ＮＳＲ触媒９における堆積量がしきい値Ｓ（１）よりも大きいと判定される場合（Ｓ１２０にてＮＯ）、処理はＳ１０４に戻される。

以上のような構造およびフローチャートに基づく本実施の形態に係るエンジンシステム１０の動作について説明する。

エンジン１１の運転中において、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量が推定され（Ｓ１００）、推定されたＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（０）よりも大きいと（Ｓ１０２にてＹＥＳ）、エンジン回転数Ｎｅおよび燃料噴射量が取得され（Ｓ１０４）、還元制御モードに移行される（Ｓ１０６）。

＜エンジン１１の動作点が第１領域内である場合＞
エンジン１１の動作点が第１領域内であると（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、エンジン１１の全気筒に対して還元燃焼制御が実行される（Ｓ１１０）。その結果、全気筒において空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の所定の空燃比となるように燃料噴射装置１３、吸気絞り弁１６、および、ＥＧＲ弁１９が制御される。そのため、還元剤であるＨＣやＣＯなどの未燃成分の生成量が増加し、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの還元が促進される。

そして、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（１）以下となる場合には、還元制御が終了される（Ｓ１２２）。

＜エンジン１１の動作点が第２領域内である場合＞
エンジン１１が第１領域よりも軽負荷運転状態であり、エンジン１１の動作点が第１領域内でなく（Ｓ１０８にてＮＯ）、第２領域内であると（Ｓ１１２にてＹＥＳ）、エンジン１１の半数の気筒に対して還元燃焼制御が実行されるとともに、残りの半数の気筒に対して非還元燃焼制御が実行される（Ｓ１１４）。

その結果、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の所定の空燃比となるように半数の気筒における燃料噴射装置１３が制御されるとともに吸気絞り弁１６、および、ＥＧＲ弁１９が制御される。そのため、還元剤であるＨＣやＣＯなどの未燃成分の生成量が増加し、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの還元が促進される。さらに、残りの半数の気筒においては、非還元燃焼制御が実行され、エンジン１１の運転状態に基づいて設定される燃料噴射量になるように燃料噴射装置１３が制御されるため、失火等の不安定な燃焼の発生が抑制される。

そして、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（１）以下となる場合には、還元制御が終了される（Ｓ１２２）。

＜エンジン１１の動作点が第３領域内である場合＞
エンジン１１が第２領域よりも軽負荷運転状態であり、エンジン１１の動作点が第１領域内でも第２領域内でもなく（Ｓ１０８にてＮＯ，Ｓ１１２にてＮＯ）、第３領域内であると（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、エンジン１１の半数の気筒に対して還元燃焼制御が実行されるとともに、残りの半数の気筒に対して気筒停止制御が実行される（Ｓ１１８）。

その結果、半数の気筒に対しては、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の所定の空燃比となるように燃料噴射装置１３、吸気絞り弁１６、および、ＥＧＲ弁１９が制御される。そのため、還元剤であるＨＣやＣＯなどの未燃成分の生成量が増加し、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの還元が促進される。さらに残りの半数の気筒に対して気筒停止制御が実行されるため、還元燃焼制御が実行される半数の気筒において空気量と燃料噴射量とが増加するため、失火等の不安定な燃焼の発生が抑制される。

そして、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（１）以下となる場合には、還元制御が終了される（Ｓ１２２）。

以上のようにして、本実施の形態に係るエンジンシステム１０によると、エンジン１１の動作点が第１領域よりも軽負荷状態になり得る燃料噴射量の少ない第２領域内または第３領域内となる場合に、複数の気筒１１ａのうちの半数の気筒において還元燃焼制御が実行されることによって、還元剤であるＨＣやＣＯなどの未燃成分の生成量が増加するようにエンジン１１を制御することができる。

図４は、還元燃焼制御の実施可能領域について説明するための図である。図４の横軸は、エンジン回転数Ｎｅを示す。図４の縦軸は、燃料噴射量Ｑを示す。図４に示すように、全気筒に対して還元燃焼制御を実行するとした場合に、還元燃焼制御が実施可能な領域が図４の斜線部分に示す第１領域に限定されるのに対して、半数の気筒に対する還元燃焼制御を実行可能とする場合には、還元燃焼制御が実施可能な領域を、第２領域および第３領域まで拡張することが可能となる。すなわち、エンジン１１の動作点が第２領域内あるいは第３領域内である場合などの軽負荷状態において還元燃焼制御が実行されることによって、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの還元を促進することが可能となる。そのため、還元燃焼制御が実行されない場合と比較してＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生速度を向上させることができる。

図５は、還元燃焼制御の実行の有無によるＮＳＲ触媒９の再生速度の違いを説明するための図である。図５の横軸は、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量を示す。図５の縦軸は、再生速度（すなわち、予め定められた時間当たりのＮＯｘの還元量）を示す。

また、図５のＬＮ１（実線）は、第２領域または第３領域において半数の気筒に対して還元燃焼制御が実行される場合におけるＮＯｘの堆積量の変化に対する再生速度の変化を示している。図５のＬＮ２（破線）は、第２領域または第３領域においていずれの気筒に対しても還元燃焼制御が実行されない場合におけるＮＯｘの堆積量の変化に対する再生速度の変化を示している。

図５に示すように、たとえば、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がＡ（０）である場合、半数の気筒に対して還元燃焼制御が実行されることによって図５のＬＮ１に示すように再生速度はＣ（０）となるのに対して、いずれの気筒に対しても還元燃焼制御が実行されないと図５のＬＮ２に示すように再生速度はＣ（０）よりも小さいＢ（０）となる。このように、半数の気筒に対して還元燃焼制御が実行されることによって、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの還元が促進され、再生速度を向上させることができる。

さらに、残りの半数の気筒においては非還元燃焼制御や気筒停止制御が実行されるので、全気筒に対して還元燃焼制御が実行される場合よりも失火の発生を抑制することができる。

特に、エンジン１１の運転領域が第３領域である場合には、複数の気筒１１ａのうちの残りの半数の気筒に対して気筒停止制御が実行されるので、気筒停止によりエンジン１１の出力軸に作用するフリクションが増加するとともに、複数の気筒のうちの半数の気筒における燃焼によってエンジン１１の動作が維持される。そのため、複数の気筒１１ａのうちの燃焼が継続する半数の気筒に流入する空気量と当該半数の気筒に供給される燃料量とが増加することになる。その結果、半数の気筒において還元燃焼制御が実行されることよって、失火の発生を抑制しつつ、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の値になるようにエンジンを制御することができる。これにより、還元剤である未燃成分の生成量が増加し、ＮＯｘの還元が促進され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生速度を向上させることができる。したがって、軽負荷状態である場合にもＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生が可能なエンジンシステムを提供することができる。

さらに上述したようにエンジン１１が軽負荷状態である場合にＮＳＲ触媒９の再生が可能となるため、第１領域内である場合にのみＮＳＲ触媒９の再生を実施する場合と比較して低車速域でのＮＳＲ触媒９の再生が可能となるため、ＮＳＲ触媒９の再生機会を増やすことが可能となる。

さらに上述のＮＳＲ触媒９においては、ＮＯｘの他に燃料に由来する排ガス中の硫黄成分が堆積する場合がある。その結果、ＮＳＲ触媒９において本来吸蔵可能なＮＯｘの量が減少する可能性がある。このようなＮＤＲ触媒９に堆積する硫黄成分は、たとえば、６００℃以上の高温雰囲気に曝されるとＮＳＲ触媒９から脱離させることが可能となる。そのため、たとえば、還元制御を実行する場合には、排気温度を６００℃以上に加熱する制御を併せて実行することによって、ＮＯｘの還元とともに硫黄成分の脱離を行なうことができる。

以下、変形例について記載する。

上述の実施の形態において、エンジン１１に形成される気筒数が４つである場合を一例として説明したが、気筒数は、４つに限定されるものではなく、５つ以上であってもよいし、２つまた３つであってもよい。

なお、本実施の形態においては、エンジン１１の動作点が第２領域内であると、複数の気筒１１ａのうちの半数の気筒に対して還元燃焼制御を実行し、残りの半数の気筒に対して非還元燃焼制御または気筒停止制御を実行するものとして説明するが、特に全気筒数を同数に分ける必要はなく、たとえば、エンジン１１が４気筒エンジンである場合に、１気筒のみ還元燃焼制御を実行し、３気筒に対して非還元燃焼制御または気筒停止制御を実行してもよいし、逆に１気筒のみ非還元燃焼制御または気筒停止制御を実行し、３気筒に対して還元燃焼制御を実行してもよい。また、還元燃焼制御を実行する気筒数をエンジン１１の負荷に応じて設定してもよい。たとえば、エンジン１１の負荷が軽くなるほど還元燃焼制御を実行する気筒数を減少させてもよい。エンジン１１の負荷が重くなるほど（動作点が第１領域に近づくほど）還元燃焼制御を実行する気筒数を増加させてもよい。

さらに上述の実施の形態において、エンジン１１の動作点が第２領域内である場合には、半数の気筒において還元燃焼制御が実行され、残りの半数の気筒において非還元燃焼制御が実行されるものとして説明したが、非還元燃焼制御に代えて、空燃比をリッチ側の空燃比にすることを目的としつつ、メイン噴射よりも後に噴射される燃料噴射量が上述した還元燃焼制御よりも少ない制御を実行してもよい。

さらに上述の実施の形態において、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量としては、エンジン回転数Ｎｅおよび燃料噴射量Ｑからマップ等を用いて算出する場合を一例として説明したが、たとえば、排気通路７の所定の位置にＮＯｘの量を検出可能なＮＯｘセンサを設け、ＮＯｘセンサの検出結果を用いてＮＯｘの堆積量を算出してもよい。

さらに上述の実施の形態において、還元燃焼制御がＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘの堆積量がしきい値Ｓ（１）以下になるまで継続される場合を一例として説明したが、たとえば、還元燃焼制御の実行時間が予め定められた時間を経過すると還元燃焼制御を終了してもよい。

さらに上述の実施の形態において、エンジン１１の動作点が第２領域内であると、半数の気筒に対して還元燃焼制御が実行され、残りの半数の気筒に対して非還元燃焼制御が実行されるものとして説明したが、たとえば、エンジン１１の動作点が第２領域内である場合でも、第３領域内である場合と同様に、半数の気筒に対して還元燃焼制御が実行され、残りの半数の気筒に対して気筒停止制御を実行してもよい。

さらに上述の実施の形態において、ＮＳＲ触媒９におけるＮＯｘエンジン１１の動作点が第１領域、第２領域および第３領域のうちの少なくともいずれかの領域内である場合に、少なくとも半数の気筒に対して還元燃焼制御を実行するものとして説明したが、たとえば、還元燃焼制御を実行するときに、過給機のベーン機構におけるベーン開度を大きくするなどして過給圧の上昇を抑制してもよい。

さらに上述の実施の形態においては、第２領域および第３領域の形状がいずれも矩形形状である場合を一例として説明したが、少なくとも第２領域が第１領域よりも燃料噴射量が少ない領域であって、かつ、第３領域が第２領域よりも燃料噴射量が少ない領域であればよく、特に矩形形状にすることに限定されるものではない。

なお、上記した変形例は、その全部または一部を適宜組み合わせて実施してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 排気処理装置、２ エアフローメータ、３ 空燃比センサ、４ ＰＭ除去フィルタ、５ 燃料供給弁、７ 排気通路、７ａ 第１通路、７ｂ 第２通路、７ｃ 第３通路、７ｄ 第４通路、８ 吸気通路、９ ＮＳＲ触媒、１０ エンジンシステム、１１ エンジン、１１ａ 気筒、１１ｂ ピストン、１２ 燃料タンク、１３ 燃料噴射装置、１４ 燃料ポンプ、１５ コモンレール、１６ 吸気絞り弁、１９ ＥＧＲ弁、１７ 開度センサ、１８ ＥＧＲ通路、２０ エンジン回転数センサ、１００ 制御装置、１５０ メモリ。

Claims (2)

1. 複数の気筒を有するエンジンと、
   前記複数の気筒の各々に接続される排気通路と、
   前記気筒に流入する新気の流量を調整可能に構成される調整弁と、
   エンジン回転数を検出する検出装置と、
   前記排気通路に設けられる窒素酸化物を吸蔵可能に構成される吸蔵還元触媒と、
   前記複数の気筒の各々に対して燃料を噴射可能に構成される燃料噴射装置と、
   前記検出装置の検出結果を用いて前記燃料噴射装置と前記調整弁とを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記吸蔵還元触媒における前記窒素酸化物の堆積量がしきい値を超える場合に、前記エンジン回転数と前記燃料噴射装置からの燃料噴射量とによって定まる動作点が第１領域内であると、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の値になるように前記燃料噴射装置を制御する第１制御を前記複数の気筒の各々に対して実行し、前記動作点が前記第１領域よりも前記燃料噴射量が少ない第２領域内であると、前記複数の気筒のうちの一部の気筒に対して前記第１制御を実行し、前記複数の気筒のうちの残りの気筒に対して前記第１制御と異なる第２制御を実行し、
   前記第１制御は、前記燃料噴射量のうちのメイン噴射よりも後に噴射される燃料噴射量が前記第２制御において前記メイン噴射よりも後に噴射される燃料噴射量よりも多くなるようにする制御を含み、
   前記制御装置は、前記動作点が前記第２領域よりも前記燃料噴射量が少ない第３領域内であると、前記一部の気筒において前記第１制御を実行し、前記残りの気筒に対して前記燃料噴射装置からの燃料噴射を停止する制御を実行する、エンジンシステム。
2. 前記第２制御は、前記燃料噴射装置からの燃料噴射を停止する制御を含む、請求項１に記載のエンジンシステム。

Images