JP3915822B2 - 排気ガス浄化システムの脱硫制御方法及び排気ガス浄化システム - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＯｘ浄化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置を備えた排気ガス浄化システムの脱硫制御方法及び排気ガス浄化システムに関する。
ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からＮＯｘを還元除去するためのＮＯｘ触媒について種々の研究や提案がなされている。その一つに、ディーゼルエンジン用のＮＯｘ浄化触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒があり、有効に排気ガス中のＮＯｘを浄化できる。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、空燃比がリーン状態の時に、ＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ2 （二酸化窒素）に酸化した後、バリウム（Ｂａ）等のＮＯｘを吸蔵する性質を持つ金属にＮＯ2 を吸蔵する。しかし、ＮＯｘの吸蔵能力は飽和するので、この飽和前に空燃比をリッチ状態にするＮＯｘ再生制御を行って、吸蔵材からＮＯ2 を放出させて、この放出したＮＯ2 をＨＣ（炭化水素），ＣＯ（二酸化炭素）を還元剤にしてＮ2 （窒素）に還元する。これらの触媒反応機構を交互に利用することにより排気ガス中のＮＯｘを浄化する。
しかしながら、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒には、硫黄被毒による性能劣化の問題がある。つまり、燃料中に含まれている硫黄（サルファ一）が燃焼によってＳＯ2 （二酸化硫黄）となり、このＳＯ2 がＮＯ2 と同様に吸蔵材に吸蔵され、Ｂａ2 ＳＯ4 （硫酸バリウム）等の硫酸塩を生成するため、吸蔵材のＮＯｘの吸蔵能力が減少し、ＮＯｘ浄化率を悪化させてしまう。
従って、初期のＮＯｘ浄化性能を維持するためには、ＮＯｘ再生制御によりＮＯｘ吸蔵能力を回復することの他に、触媒内に吸着及び吸蔵した硫黄分を脱離及び放出させることが必要となる。この硫黄の脱離及び放出、即ち脱硫には、一定以上の温度と還元排気ガス組成雰囲気とが必要となるため、適時、高温でリッチな雰囲気を作る脱硫制御（硫黄パージ制御）を行って、硫酸塩が分解し易い環境を作る必要がある。
この脱硫制御においては、触媒によって差があるが、硫酸塩は概ね６００℃〜７００℃の高温のリッチ条件にならないとＳＯ2 を分解放出しないため、エンジン側で、吸気絞り等によって排気ガスの流量を減らして熱容量を減らすと共に、マルチ噴射やポスト噴射等のシリンダ内燃料噴射制御で排気ガスを昇温したり、ポスト噴射や排気管への直接燃料噴射で排気ガス中に供給された未燃燃料を、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に配設した酸化触媒上で酸化させて排気ガスを昇温したりして、高温でリッチな条件を作っている（例えば、特許文献１〜４参照。）。
この脱硫制御では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を長時間高温に維持することが必要で、その維持する温度もＮＯｘ吸蔵還元型触媒を熱劣化させる限界の温度に近いため、温度変動を極力抑える必要がある。
しかしながら、従来技術で行われているような、エンジン回転数とエンジン負荷とから予め設定されたマツプデータを参照して、排気ガスの昇温のみに使用するための昇温用燃料量を算出して、この昇温用燃料量でポスト噴射や排気管内直接噴射を行うマップ制御の場合には、次のような追従性の問題がある。
つまり、このマップ制御では、脱硫制御は通常、６００℃〜７００℃の高温で空気過剰率が約０．９のリッチ状態で、数十分行われるため、この脱硫制御の期間でエンジンを搭載した車両の運転状態を一定に保つことが難しく、エンジンの運転条件が頻繁に変化する過渡運転状態に入ることが多い。この過渡運転状態においては、マツプデータから得られた昇温用燃料量を、エンジン運転条件の変化に対応して補正することが難しく、エンジン運転条件の変化に追従できない。
そのため、算出された昇温用燃料量が、実際に必要な昇温用燃料量から逸脱した値となり、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度を脱硫可能な温度領域に維持することが困難となって、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度が上がらず脱硫が進まないという問題や、逆に温度が上がり過ぎてＮＯｘ吸蔵還元型触媒が熱劣化するという問題が発生する。
この様子を図５の実線Ｂで示す。図５は過渡運転の冷間始動モードで脱硫制御（硫黄パージ制御）を従来技術のマップ制御で行った場合のＮＯｘ吸蔵還元型触媒の触媒温度の変化を示したのである。このマップ制御では昇温は速いが、オーバーシュートした分硫黄パージ可能温度領域よりも高温になり、熱劣化危険温度領域に入ってしまっている。また、一旦昇温した後も触媒温度の上下動が激しく硫黄パージ可能温度領域を逸脱して熱劣化危険温度領域に入り易くなっている。
特表２００３−５００５９４号公報
特開２００３−３３６５１８号公報
特開２００４−９２４４５号公報
特開２０００−５４９００号公報
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、排気ガス中のＮＯｘの浄化のためにＮＯｘ浄化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、脱硫制御時に、ＮＯｘ浄化触媒の温度を脱硫用目標温度に上昇させるために必要な昇温用燃料量を、既設のマツプデータから算出せずに、ＮＯｘ浄化触媒装置を昇温するために必要な第１熱量と、排気ガスを昇温するために必要な第２熱量とから算出した熱量を使用して設定することにより、過渡運転時でも脱硫用目標温度に到達させるために、及び、脱硫用目標温度以上の状態を維持するために、必要且つ十分な昇温用燃料量を精度良く投入することができる排気ガス浄化システムの脱硫制御方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化システムの脱硫制御方法は、エンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ浄化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置を備え、前記ＮＯｘ浄化触媒の硫黄被毒による劣化を回復するための脱硫制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、前記脱硫制御で前記ＮＯｘ浄化触媒装置の触媒温度を指標する第１検出温度を脱硫用目標温度に昇温させるために必要な昇温用燃料量を、前記ＮＯｘ浄化触媒装置のみを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第１熱量と、排気ガスを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第２熱量とから算出した熱量を使用して設定することを特徴とする。
つまり、ＮＯｘ浄化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、脱硫制御時のエンジンの制御で、ＮＯｘ浄化触媒装置の触媒温度を脱硫用の目標温度に到達させたり、脱硫用の目標温度に維持したりするために必要なポスト噴射等の昇温用燃料量を、予めセットしたマツプデータから計算することなく、ＮＯｘ浄化触媒と排気ガスの昇温に必要な熱量から算出する。
このＮＯｘ浄化触媒としては、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒等があるが、ここでは、触媒温度が通常のエンジンの運転状態よりも高温になったときに硫黄分を放出して触媒の硫黄被毒が回復されるＮＯｘ浄化触媒のことをいう。
この昇温用燃料量は、脱硫制御に際して、ポスト噴射等のシリンダ内燃料噴射制御や排気管内直接燃料噴射制御で、ＮＯｘ浄化触媒の脱硫のために、排気ガスやＮＯｘ浄化触媒を昇温するために必要な燃料量であり、エンジンのトルク出力を発生するための燃料の量とは別に加える昇温用燃料の量である。この昇温用燃料は、シリンダ内や排気通路（排気マニホールド、排気管）内で燃焼して排気ガスの昇温に寄与したり、排気ガス中に未燃燃料として供給されて、ＮＯｘ浄化触媒の上流側に配設された酸化触媒装置等で酸化されて排気ガスの昇温に寄与する。これらの排気ガスの昇温により、ＮＯｘ浄化触媒が脱硫用目標温度以上に昇温及び維持される。
第１検出温度とは、ＮＯｘ浄化触媒装置の触媒温度を直接検出できる場合は、その検出温度であるが、通常は、触媒温度を直接計測することは困難であるので、ＮＯｘ浄化触媒装置に流入する排気ガスの検出温度から推定したり、ＮＯｘ浄化触媒装置から流出する排気ガスの検出温度から推定したり、ＮＯｘ浄化触媒装置の前後の排気ガスの検出温度から推定したりしている。そのため、これらの推定して得たＮＯｘ浄化触媒装置の触媒温度のことを、ここでは第１検出温度ということにする。
脱硫用目標温度とは、脱硫制御で、この温度以上にＮＯｘ浄化触媒の第１検出温度がなっている時に脱硫（硫黄パージ）が効率良く行われる温度のことを言い、通常は、６００℃〜７００℃の範囲の所定の温度に設定される。
この構成により、過渡運転時でも補正量を算出してマツプデータから算出される燃料量を修正すること無く、触媒温度を脱硫用目標温度へ上昇させたり、脱硫用目標温度以上に維持したりするために必要且つ十分な昇温用燃料量を精度良く投入することができる。
上記の排気ガス浄化システムの脱硫制御方法において、前記第１熱量を前記ＮＯｘ浄化触媒装置の熱容量に前記脱硫用目標温度と前記第１検出温度との差を乗じて算出し、前記第２熱量を、排気ガスの熱容量に前記脱硫用目標温度と前記ＮＯｘ浄化触媒装置に流入する排気ガスの検出温度との差を乗じて算出し、前記第１熱量と前記第２熱量と排気ガス浄化システムから放熱する第３熱量の和で昇温用熱量を算出し、該昇温用熱量を燃料の低発熱量で除して前記昇温用燃料量を算出する。
つまり、ＮＯｘ浄化触媒装置のみを第１検出温度を現時点の温度から脱硫用目標温度まで昇温するのに必要な熱量を第１熱量とし、排気ガスを排気ガスの現時点の検出温度から脱硫用目標温度まで昇温するのに必要な熱量を第２熱量とし、この第１熱量と第２熱量と排気ガス浄化システムで放熱により失われる熱量の和に相当する熱量を発生させる必要がある昇温用熱量とし、この昇温用熱量が昇温用燃料量が発生する熱量であるとして、昇温用熱量を低発熱量（真発熱量）で除することにより、必要な昇温用燃料量とする。
なお、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ還元反応に伴う熱の出入りについては、ＮＯｘ浄化触媒と排気ガスの昇温に必要な熱量に比べれば、少ない熱量であるので省略できる。また、このＮＯｘ還元反応に伴う熱の出入りを、ベンチテストで求める触媒装置や配管の放熱量に含めて扱うことができる。
また、上記の排気ガス浄化システムの脱硫制御方法において、前記排気ガスの熱容量を、吸入空気量及び燃料噴射量から算出した排気ガス流量の和に排気ガスの比熱を乗じて算出する。
つまり、排気ガス流量を吸入空気量と燃料噴射量の和とし、この和に排気ガスの比熱を乗じて排気ガスの熱容量とする。但し、排気ガスの比熱は、吸入空気量と燃料噴射量の割合や温度によって多少変化するので、要求される計算精度に応じて、吸入空気量と燃料噴射量の割合や温度を考慮に入れたりして算出し設定する。
更に、上記の排気ガス浄化システムの脱硫制御方法において、前記ＮＯｘ浄化触媒装置の上流側の酸化触媒装置を配設した場合には、前記昇温用燃料量の算出に際して、前記昇温用熱量に、前記酸化触媒装置の熱容量に前記脱硫用目標温度と前記酸化触媒装置の触媒温度を指標する第２検出温度との差を乗じて算出される第４熱量を加える。
この第２検出温度とは、酸化触媒装置の触媒温度を直接検出できる場合は、その検出温度であるが、通常は、触媒温度を直接計測することは困難であるので、酸化触媒装置に流入する排気ガスの検出温度から推定したり、酸化触媒装置から流出する排気ガスの検出温度から推定したり、酸化触媒装置の前後の排気ガスの検出温度から推定したりしている。そのため、これらの推定して得た酸化触媒装置の触媒温度のことを、ここでは第２検出温度ということにする。
この構成により、酸化触媒装置の昇温に必要な熱量を含めた昇温用熱量と、昇温用燃料量を算出できる。なお、酸化触媒装置を設けたことにより放熱量が変化する場合は、この変化量が排気ガス浄化システムの放熱を示す第３熱量に加えられることになる。
そして、上記の目的を達成するための排気ガス浄化システムは、エンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ浄化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置を備え、前記ＮＯｘ浄化触媒の硫黄被毒による劣化を回復するための脱硫制御を行う制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記制御装置が、前記脱硫制御で前記ＮＯｘ浄化触媒装置の触媒温度を指標する第１検出温度を脱硫用目標温度に昇温させるために必要な昇温用燃料量を、前記ＮＯｘ浄化触媒装置のみを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第１熱量と、排気ガスを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第２熱量とから算出した熱量を使用して設定するように構成される。
前記制御装置が、前記脱硫制御で前記ＮＯｘ浄化触媒装置の触媒温度を指標する第１検出温度を脱硫用目標温度に昇温させるために必要な昇温用燃料量を、前記ＮＯｘ浄化触媒装置のみを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第１熱量と、排気ガスを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第２熱量とから算出した熱量を使用して設定するように構成される。
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記第１熱量を前記ＮＯｘ浄化触媒装置の熱容量に前記脱硫用目標温度と前記第１検出温度との差を乗じて算出し、前記第２熱量を、排気ガスの熱容量に前記脱硫用目標温度と前記ＮＯｘ浄化触媒装置に流入する排気ガスの検出温度との差を乗じて算出し、前記第１熱量と前記第２熱量と排気ガス浄化システムから放熱する第３熱量の和で昇温用熱量を算出し、該昇温用熱量を燃料の低発熱量で除して前記昇温用燃料量を算出するように構成される。
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記排気ガスの熱容量を、吸入空気量及び燃料噴射量から算出した排気ガス流量の和に排気ガスの比熱を乗じて算出するように構成される。
更に、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記ＮＯｘ浄化触媒装置の上流側の酸化触媒装置を配設した場合には、前記制御装置が、前記昇温用燃料量の算出に際して、前記昇温用熱量に、前記酸化触媒装置の熱容量に前記脱硫用目標温度と前記酸化触媒装置の触媒温度を指標する第２検出温度との差を乗じて算出される第４熱量を加えるように構成される。
上記の構成の排気ガス浄化システムによれば、上記の排気ガス浄化システムの脱硫制御方法を実施でき、この脱硫制御方法と同様な作用効果を得ることができる。
本発明に係る排気ガス浄化システムの脱硫制御方法及び排気ガス浄化システムによれば、排気ガス中のＮＯｘの浄化のためにＮＯｘ浄化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、脱硫制御時に、ＮＯｘ浄化触媒装置の温度を脱硫用目標温度に上昇させるために必要な昇温用燃料量を、既設のマップデータから算出せずに、前記ＮＯｘ浄化触媒装置のみを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第１熱量と、排気ガスを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第２熱量とから算出した熱量を使用して設定することにより、過渡運転時でも脱硫用目標温度に到達させるために、及び、脱硫用目標温度以上の状態を維持するために、必要且つ十分な昇温用燃料量を精度良く投入することができる。
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法の脱硫制御方法及び排気ガス浄化システムについて、ＮＯｘ浄化触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒を使用する場合について、図面を参照しながら説明する。
なお、ここでいう排気ガスのリッチ状態とは、必ずしもシリンダ内でリッチ燃焼する必要はなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダ内で燃焼した分も含めて）との比が理論空燃比に近い状態か又は理論空燃比より燃料量が多いリッチの状態であることをいう。
図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１では、エンジン（内燃機関）Ｅの排気通路４に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置１１を有する排気ガス浄化装置１０が配置される。
このＮＯｘ浄化触媒装置１１は、モノリス触媒で形成され、酸化アルミニウム、酸化チタン等の担持体に触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の触媒金属とバリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構或される。
このＮＯｘ浄化触媒装置１１では、酸素濃度が高い排気ガスの状態（リーン空燃比状態）の時に、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いかゼロの排気ガス状態の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。
そして、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の上流側と下流側にλセンサ（空気過剰率センサ）１３、１４を配置する。この上流側のλセンサ１３はリッチ制御のときの空燃比制御用であるので、空気過剰率（酸素濃度）の値を計測できるセンサを用いるが、下流側のλセンサ１４には、ストイキ空燃比付近で値が急激変化する出力特性を持つバイナリλセンサを用いる。このλセンサ１４の出力により触媒内が還元領域に変化したことを確認し、硫黄脱離が確実に行われていることを確認する。
また、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の温度を測定するために、上流側温度センサー１５と下流側温度センサー１６を、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の上流側と下流側、即ち、前後にそれぞれ配置する。この二箇所に設置した温度センサ１５、１６の温度平均を、第１検出温度Ｔｃ１とする。この第１検出温度Ｔｃ１は、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の触媒温度と密接な関係があり、この触媒温度の代りとなる温度、即ち、触媒温度の指標となる温度である。
そして、エンジンＥの運転の全般的な制御を行うと共に、ＮＯｘ浄化触媒装置１１のＮＯｘ浄化能力の回復制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）２０が設けられる。この制御装置２０にλセンサ１４や上流側温度センサ１５や下流側温度センサ１６等からの検出値が入力され、この制御装置２０からエンジンＥのＥＧＲ弁６や燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置の燃料噴射弁８や吸気絞り弁９等を制御する信号が出力される。
この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａは、吸気通路２のマスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）１７とターボチャジャ−３のコンプレッサー３ａを通過して、吸気絞り弁９によりその量を調整されて吸気マニホールド２ａよりシリンダ内に入る。そして、シリンダ内で発生した排気ガスＧは、排気マニホールド４ａから排気通路４に出てターボチャジャ−３のタービン３ｂを駆動し、排気ガス浄化装置１０を通過して浄化された排気ガスＧｃとなって、図示しない消音器を通って大気中に排出される。また、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスＧｅとして、ＥＧＲ通路５のＥＧＲクーラー７を通過し、ＥＧＲ弁６でその量を調整されて吸気マニホールド２ａに再循環される。
そして、排気ガス浄化システム１の制御装置が、エンジンＥの制御装置２０に組み込まれ、エンジンＥの運転制御と並行して、排気ガス浄化システム１の制御を行う。この排気ガス浄化システム１の制御装置は、ＮＯｘ浄化触媒装置１１のＮＯｘ再生制御や脱硫制御等を含む排気ガス浄化システムの制御を行う。
ＮＯｘ再生制御では、エンジンＥの運転状態から単位時間当たりのＮＯｘの排出量ΔＮＯｘを算出し、これを累積計算したＮＯｘ累積値ΣＮＯｘが所定の判定値Ｃｎを超えた時に再生を開始すると判断する。あるいは、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の上流側と下流側のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出し、このＮＯｘ浄化率が所定の判定値より低くなった場合にＮＯｘ触媒の再生を開始すると判断する。
そして、ＮＯｘ再生制御では、吸気系リッチ制御と燃料系リッチ制御を併用して、排気ガスの空燃比をストイキ空燃比（理論空燃比）又はリッチ状態に制御する。この吸気系リッチ制御では、ＥＧＲ弁６を制御してＥＧＲ量を増加させたり、吸気絞り弁９を制御して新規の吸気量を減少させたりして、排気ガスの空燃比を低下させる。また、燃料系リッチ制御では、吸気系リッチ制御に加えて、ポスト噴射等のシリンダ内燃料噴射制御により、排気ガス中５燃料を添加して空燃比を低下させる。これらの制御により、排気ガスの状態を所定の空燃比状態（触媒にもよるが、空気過剰率換算で、概ね０．８〜１．０）にすると共に、所定の温度範囲（触媒にもよるが、概ね２００℃〜６００℃）にして、ＮＯｘ吸蔵能力、即ちＮＯｘ浄化能力を回復し、ＮＯｘ触媒の再生を行う。なお、本発明は、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の脱硫制御に関するものであり、ＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生制御には従来技術を使用できるのでＮＯｘ再生制御についてのより詳細な説明は省略する。
一方、脱硫制御では、硫黄（サルファ）蓄積量を積算する等の方法で、ＮＯｘ吸蔵能力が低下するまで硫黄が蓄積したか否かでサルファパージ制御を開始するか否かを判定する。つまり、硫黄蓄積量が所定の判定値以上になると脱硫の開始とする。そして、脱硫制御では、ＥＧＲ制御や吸気絞り制御等の吸気系制御と、ポスト噴射等の燃料系制御により、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の第１検出温度Ｔｃ１を硫黄分解可能な脱硫用目標温度Ｔｓｐまで昇温すると共に、排気ガスの空燃比を制御して、効率よく脱硫を行う。
この脱硫用目標温度Ｔｓｐは通常は６００℃〜７００℃の間の温度に設定される。また、脱硫用の空燃比リッチ制御では、ＮＯｘ浄化触媒装置１１に流入する排気ガスの空燃比は空気過剰率換算で所定の空気過剰率０．９程度に維持される。この空燃比リッチ制御では、継続してリッチ制御を行うことにより空気過剰率を所定の空気過剰率に維持する制御を行う場合もあるが、リッチ制御とリーン制御を繰返すことで平均的に空気過剰率を所定の空気過剰率に維持する制御を行う場合もある。なお、この脱硫用の空燃比リッチ制御は、ＮＯｘ浄化触媒装置１１のＮＯｘ吸蔵還元型触媒の脱硫が完了し、硫黄被毒による性能劣化が回復するまで行うが、この脱硫には数十分程度要する。
そして、この排気ガス浄化システム１では、エンジンＥの制御装置２０に組み込まれた排気ガス浄化システム１の制御装置により、図２に例示するような脱硫制御フローに従って、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の脱硫制御が行われる。なお、この図２の脱硫制御フローは、エンジンＥの運転に際して、エンジンＥの他の制御フローと並行して実行される排気ガス浄化システムの制御スローで、脱硫制御が必要であると判定された場合に、この制御フローから呼ばれて実行されるものとして示してある。
図２に、本発明の脱硫制御における脱硫制御フローを示す。この脱硫制御フローでＮＯｘ浄化触媒装置１１の昇温と温度維持のためのポスト噴射等の昇温用燃料量の算出フロー及び計算ロジックを示す。
この脱硫制御フローがスタートすると、ステップＳ１１のパラメータの設定で、触媒の熱容量Ｈｍｃ（Ｊ／ｄｅｇ）、ＮＯｘ浄化触媒装置１１と配管等の排気ガス浄化システム１からの放熱に関係する量Ｈｍｌ（Ｊ／ｄｅｇ）、脱硫用目標温度Ｔｓｐ（℃）、軽油の低発熱量Ｌｈｆ（Ｊ／ｇ）、比熱Ｃｐ（Ｊ／ｇ）、計算用単位時間ｄｓ（ｓ）等を読み込み設定する。
次のステップＳ１２で、現時点（制御時）における第１検出温度Ｔｃ１（℃）、ＮＯｘ浄化触媒１１に流入する排気ガスの検出温度Ｔｇ１、吸入空気量Ｍａｆ（ｇ／ｓ）、燃料噴射量Ｗｔ（ｇ／ｓ）、外気温度Ｔｏｕｔを入力する。
次のステップＳ１３で、第１検出温度Ｔｃ１（℃）が脱硫用目標温度Ｔｓｐ（ｔ）未満であるか否かの判定を行う。この判定で第１検出温度Ｔｃ１（℃）が脱硫用目標温度Ｔｓｐ（℃）未満である場合には、ステップＳ２０のリーンモード昇温制御を行い、以上である場合には、ステップＳ３０の空燃比リッチ制御を行う。
このステップＳ２０のリーンモード昇温制御では、次のようにして昇温用燃料量を算出し、これからポスト噴射等の噴射量を算出して、所定の第１時間（第１検出温度のチェックのインターバルに関係する時間）の間、ポスト噴射等による昇温制御を行う。
先ず、ステップＳ２１の熱容量の算出では、排気ガスの熱容量ＨｍｇをＨｍｇ＝（Ｍａｆ＋Ｗｔ）×Ｃｐ×ｄｓで算出する。
次に、ステップＳ２２の昇温に必要な全体熱量の算出では、ＮＯｘ浄化触媒装置１１のみを昇温するために必要な第１熱量Ｑ１をＱ１＝Ｈｍｈ×（Ｔｓｐ−Ｔｃ１）で、排気ガスを昇温するために必要な第２熱量Ｑ２をＱ２＝Ｈｍｇ×（Ｔｓｐ−Ｔｇ１）で、排気ガス浄化システムから放熱する第３熱量Ｑ３をＱ３＝Ｈｍｌ×（Ｔｓｐ−Ｔｏｕｔ）で算出し、これらの和として昇温用熱量ＱｔをＱｔ＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３で算出する。
これらの熱量計算では、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の熱容量Ｈｍｃは変化しないので事前に入力した値を固定して使用する。一方、排気ガスの熱容量Ｈｍｇは吸入空気量（新規空気量）Ｍａｆと燃料噴射量Ｗｔで求めた排ガス流量Ｗｇと比熱Ｃｐから求める。
そして、第１熱量Ｑ１を、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の熱容量Ｈｍｃに脱硫用目標温度Ｔｓｐと第１検出温度Ｔｃ１との差を乗じて算出し、第２熱量Ｑ２を、排気ガスの熱容量Ｈｍｇに脱硫用目標温度ＴｓｐとＮＯｘ浄化触媒装置に流入する排気ガスの検出温度Ｔｇ１との差を乗じて算出する。
また、排気ガス浄化システム１から放熱する第３熱量Ｑ３は、予め行ったベンチテストなどから求めた放熱量から算出した排気ガス浄化システム１からの放熱に関係する量Ｈｍｌを用いて算出するが、このＨｍｌを第１検出温度Ｔｏｕｔ基準とし、Ｑ３＝Ｈｍｌ×（Ｔｓｐ−Ｔｏｕｔ）で算出する。この放熱量Ｑ３は、伝導伝熱や対流伝熱の他に放射伝熱があるため、必ずしも、（Ｔｓｐ−Ｔｏｕｔ）に比例しないが、ここでは、近似的に比例するものとして扱うことにする。従って、Ｑ３の精度を高めるために、別の算出方法を用いてもよい。
そして、これらの第１熱量Ｑ１、第２熱量Ｑ２、第３熱量Ｑ３の和で昇温用熱量Ｑｔを算出する。
次のステップＳ２３の昇温用燃料量（重量）の算出では、昇温用燃料量ＷｆをＷｆ＝Ｑｔ／Ｌｈｆで算出し、次のステップＳ２４では、昇温用燃料量Ｗｆからポスト噴射量Ｗｐを算出する。このポスト噴射量Ｗｐは、第１検出温度Ｔｃ１や排気ガスの検出温度Ｔｇ１と昇温に掛ける時間、空燃比（空気過剰率）等を考慮して設定される。
そして、次のステップＳ２５でこのポスト噴射量Ｗｐでポスト噴射を所定の第１時間の間行い、排気ガス及びＮＯｘ浄化触媒装置１１の昇温を行い、ステップＳ１２に戻る。このステップＳ２５の触媒昇温方法としては、ポスト噴射等の燃料系制御と、吸気絞りやＥＧＲ弁６などの吸気系の制御等が併用され、また、必要に応じてその他の方法も併用される。そして、ステップ３１２〜ステップＳ２０を繰り返して、第１検出温度Ｔｃ１（℃）が脱硫用目標温度Ｔｓｐ（℃）以上になると、ステップＳ３０に行く。
このステップＳ３０の空燃比リッチ制御では、この空燃比リッチ制御では、λセンサ１３で検出される空気過剰率を所定の空気過剰率０．９程度になるように、吸気絞りやＥＧＲ制御やポスト噴射等がなされる。なお、継続してリッチ制御を行う場合もあるが、短時間（例えば、４ｓ）のリッチ制御と短時間（例えば、３ｓ）のリーン制御を交互に繰返す制御を行う場合もある。この繰返により、Ｈ２Ｓの生成を抑制しながら脱硫する。
この空燃比リッチ制御を所定の第２時間（脱硫の完了をチェックするインターバルに関係する時間）、又は、リッチ制御とリーン制御を繰り返す場合は所定のサイクル数、行ってステップＳ１４に行く。
ステップＳ１４では、脱硫が完了したか否かを判定する。この判定は、事前試験によって予めＥＣＵ内に記録した、エンジン回転数と触媒温度をベースに硫黄脱離量ＳＰ１を記録したマツプデータを参照して、ステップＳ３０のリッチ空燃比制御中に計測されたエンジン回転数と触媒温度（第１検出温度）Ｔｃ１から硫黄脱離量ＳＰ１を算出する。この硫黄脱離量ＳＰ１をステップＳ３０のリッチ空燃比制御毎に積算して硫黄放出量ΣＳＰ１を算出する。
この硫黄放出量ΣＳＰ１が、脱硫開始を判断したときの硫黄蓄積量ΣＳＰ０に関係する終了用判定量ＳＰｃを超えたか否かにより、硫黄放出終了の確認を行う。この確認で、硫黄放出量ΣＳＰ１が終了用判定量ＳＰｃを超えている場合は、脱硫完了とする。超えていない場合は、リッチ空燃比制御を続行するとし、ステップＳ３０に戻る。
ステップＳ１４で脱硫完了の場合は、ステップＳ１５の脱硫制御の終了作業に行き、脱硫制御作業を終了してリターンする。リターンすると、排気ガス浄化システムの制御フローに戻るが、脱硫制御開始の判定により、再度、この図２の脱硫制御フローは呼ばれて、エンジンの停止まで繰り返される。
なお、制御の途中でエンジンキイーがＯＦＦされた場合には、図示していないが、割り込みが発生し、割り込みが生じたそれぞれのステップで必要な終了処理（図示していない）を行った後、リターンして、排気ガス浄化システムの制御やエンジンの制御の終了と共に、この脱硫制御フローも終了する。
上記の第１の実施の形態の排気ガス浄化システム１及び排気ガス浄化システムの脱硫制御方法によれば、過渡運転モードでも逐次計算により最適な昇温用燃料量Ｗｆを算出でき、ＮＯｘ浄化触媒装置１１のＮＯｘ吸蔵還元型触媒の触媒温度を指標する第１検出温度Ｔｃ１を脱硫用目標温度Ｔｓｐに以上に安定に保つことができる。
次に第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態の排気ガス浄化システム１Ａでは、図３に示すように、排気ガス浄化装置１０Ａは、上流側の酸化触媒装置１２と下流側のＮＯｘ浄化触媒装置１１を有して形成される。この酸化触媒装置１２は、多孔質のセラミックのハニカム構造体などの担持体に、白金（Ｐｔ）等の酸化触媒を担持させて形成される。
また、排気管内直接燃料噴射制御を行う場合は、ＮＯｘ浄化触媒装置１１の上流側の排気通路４に、炭化水素（ＨＣ）Ｆを供給するＨＣ供給弁１８を設ける。このＨＣ供給弁１８は、図示しない燃料タンクからエンジンの燃料である経由などの炭化水素Ｆを排気通路４内に直接噴射して、この噴射した炭化水素を酸化触媒装置１２で酸化して、排気ガスＧの空燃比をリーン状態、リッチ状態やストイキ状態（理論空燃比吠態）にするためのものであり、燃料系リッチ制御の手段となるものである。なお、エンジンＥのシリンダ内の燃料噴射においてポスト噴射することにより、同様な空燃比制御を行う場合には、このＨＣ供給弁１８の配設を省略できる。
なお、これらの酸化触媒装置１２とＨＣ供給弁１８以外の排気ガス浄化システムの構成は、第１の実施の形態の排気ガス浄化システム１と同じである。
また、脱硫制御フローを図４に示すが、第１の実施の形態の脱硫制御フロー（図２）のステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２２が、ステップＳ１１Ａ，Ｓ１２Ａ，２２Ａとなる。
ステップＳ１１Ａでは、パラメータの設定で、酸化触媒装置１２の熱容量Ｈｍｃ２が加わり、ステップＳ１２Ａでは、パラメータの入力で、酸化触媒装置１２の触媒温度を指標する第２検出温度Ｔｃ２が加わる。
この第２検出温度Ｔｃ２は、酸化触媒装置１２の触媒温度と密接な関係があり、この触媒温度の代りとなる温度、即ち、触媒温度の指標となる温度である。ここでは、この第２検出温度として、酸化触媒装置１２から流出する排気ガスの検出温度Ｔｃ２とする。即ち、温度センサ１５で検出される排気ガスの温度を採用する。なお、この排気ガスの温度をそのまま採用することもできるが、触媒温度との差が事前実験などにより予め分かっているときはその差を修正することが好ましい。
そして、ステップＳ２２Ａでは、昇温用燃料量Ｑｔの算出に際して、酸化触媒装置１２の熱容量Ｈｍｃ２に脱硫用目標温度Ｔｓｐと第２検出温度Ｔｃ２との差を乗じて算出される第４熱量Ｑ４を加える点が異なる。第４熱量Ｑ４はＱ４＝Ｈｍｃ２×（Ｔｓｐ−Ｔｃ２）で算出され、昇温用燃料量Ｑｔは、Ｑｔ＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４で算出される。
なお、酸化触媒装置１２を設けたことにより排気ガス浄化システム１Ａの放熱量が変化する場合は、この変化量が排気ガス浄化システム１Ａの放熱を示す第３熱量Ｑ３に加えられることになる。
この図４の制御フローにより、昇温用燃料量Ｗｆの算出に際して、昇温用熱量Ｑｔに、酸化触媒装置１２の熱容量Ｈｍｃ２に脱硫用目標温度Ｔｓｐと前記酸化触媒装置１２の触媒温度を指標する第２検出温度Ｔｃ２との差（Ｔｓｐ−Ｔｃ２）を乗じて算出される第４熱量Ｑ４を加えることができる。
この第２の実施の形態の排気ガス浄化システム１Ａ及び排気ガス浄化システムの脱硫制御方法によれば、酸化触媒装置１２をＮＯｘ浄化触媒装置１１の上流側に配置した場合であっても、過渡運転モードにおいて逐次計算により最適な昇温用燃料量Ｗｆを算出でき、ＮＯｘ浄化触媒装置１１のＮＯｘ吸蔵還元型触媒の触媒温度を指標する第１検出温度Ｔｃ１を脱硫用目標温度Ｔｓｐに以上に安定に保つことができる。
図３に、過渡運転の冷間始動モードで、第２の実施の形態の脱硫制御を行った場合のＮＯｘ浄化触媒装置１１の触媒温度の変化（実線Ａ）を通常のマップ制御を行った場合の触媒温度の変化（実線Ｂ）と比較して示す。横軸が時間の経過を示し、縦軸は、エンジンの回転数Ｎｅと触媒温度（Ａ，Ｂ）を示す。
この図３から分かるように、通常マップ制御の方（Ｂ）が温度の上昇と硫黄パージ可能温度領域への到達が早いが、その分硫黄パージ可能温度領域の温度よりも高温となり、熱劣化危険温度領域に入り、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を著しく劣化させてしまう危険性がある。また、一旦昇温した後も通常マップ制御の方（Ｂ）が温度の上下動が激しく硫黄パージ可能温度領域を逸脱し易くなっている。
一方、本発明の制御の方（Ａ）は、若干温度の変動が認められるものの、マップ制御の方（Ｂ）より少なく、硫黄パージ可能温度領域内の温度を維持している。
Ｅ エンジン
１，１Ａ 排気ガス浄化システム
４ 排気通路
５ ＥＧＲ通路
６ ＥＧＲ弁
８ 燃料噴射弁
９ 吸気絞り弁（吸気スロットル弁）
１０，１０Ａ 排気ガス浄化装置
１１ ＮＯｘ浄化触媒装置
１２ 酸化触媒装置
１３，１４ λセンサ
１５ 上流側温度センサ
１６ 下流側温度センサ
１８ ＨＣ供給弁
１，１Ａ 排気ガス浄化システム
４ 排気通路
５ ＥＧＲ通路
６ ＥＧＲ弁
８ 燃料噴射弁
９ 吸気絞り弁（吸気スロットル弁）
１０，１０Ａ 排気ガス浄化装置
１１ ＮＯｘ浄化触媒装置
１２ 酸化触媒装置
１３，１４ λセンサ
１５ 上流側温度センサ
１６ 下流側温度センサ
１８ ＨＣ供給弁
Claims (8)
- エンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ浄化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置を備え、前記ＮＯｘ浄化触媒の硫黄被毒による劣化を回復するための脱硫制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、
前記脱硫制御で前記ＮＯｘ浄化触媒装置の触媒温度を指標する第１検出温度を脱硫用目標温度に昇温させるために必要な昇温用燃料量を、前記ＮＯｘ浄化触媒装置のみを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第１熱量と、排気ガスを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第２熱量とから算出した熱量を使用して設定することを特徴とする排気ガス浄化システムの脱硫制御方法。 - 前記第１熱量を前記ＮＯｘ浄化触媒装置の熱容量に前記脱硫用目標温度と前記第１検出温度との差を乗じて算出し、
前記第２熱量を、排気ガスの熱容量に前記脱硫用目標温度と前記ＮＯｘ浄化触媒装置に流入する排気ガスの検出温度との差を乗じて算出し、
前記第１熱量と前記第２熱量と排気ガス浄化システムから放熱する第３熱量の和で昇温用熱量を算出し、
該昇温用熱量を燃料の低発熱量で除して前記昇温用燃料量を算出することを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システムの脱硫制御方法。 - 前記排気ガスの熱容量を、吸入空気量及び燃料噴射量から算出した排気ガス流量の和に排気ガスの比熱を乗じて算出することを特徴とする請求項２に記載の排気ガス浄化システムの脱硫制御方法。
- 前記ＮＯｘ浄化触媒装置の上流側の酸化触媒装置を配設した排気ガス浄化システムにおいて、前記昇温用燃料量の算出に際して、前記昇温用熱量に、前記酸化触媒装置の熱容量に前記脱硫用目標温度と前記酸化触媒装置の触媒温度を指標する第２検出温度との差を乗じて算出される第４熱量を加えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の排気ガス浄化システムの脱硫制御方法。
- エンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ浄化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置を備え、前記ＮＯｘ浄化触媒の硫黄被毒による劣化を回復するための脱硫制御を行う制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記制御装置が、前記脱硫制御で前記ＮＯｘ浄化触媒装置の触媒温度を指標する第１検出温度を脱硫用目標温度に昇温させるために必要な昇温用燃料量を、前記ＮＯｘ浄化触媒装置のみを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第１熱量と、排気ガスを前記第１検出温度から前記脱硫用目標温度に昇温するために必要な第２熱量とから算出した熱量を使用して設定することを特徴とする排気ガス浄化システム。 - 前記制御装置が、
前記第１熱量を前記ＮＯｘ浄化触媒装置の熱容量に前記脱硫用目標温度と前記第１検出温度との差を乗じて算出し、
前記第２熱量を、排気ガスの熱容量に前記脱硫用目標温度と前記ＮＯｘ浄化触媒装置に流入する排気ガスの検出温度との差を乗じて算出し、
前記第１熱量と前記第２熱量と排気ガス浄化システムから放熱する第３熱量の和で昇温用熱量を算出し、
該昇温用熱量を燃料の低発熱量で除して前記昇温用燃料量を算出することを特徴とする請求項５記載の排気ガス浄化システム。 - 前記制御装置が、前記排気ガスの熱容量を、吸入空気量及び燃料噴射量から算出した排気ガス流量の和に排気ガスの比熱を乗じて算出することを特徴とする請求項６に記載の排気ガス浄化システム。
- 前記ＮＯｘ浄化触媒装置の上流側の酸化触媒装置を配設した排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記昇温用燃料量の算出に際して、前記昇温用熱量に、前記酸化触媒装置の熱容量に前記脱硫用目標温度と前記酸化触媒装置の触媒温度を指標する第２検出温度との差を乗じて算出される第４熱量を加えることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の排気ガス浄化システム。
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