JP4225126B2 - エンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＨＣ吸着触媒を含んで構成されるエンジンの排気ガス浄化装置に関し、詳細には、排気ガス温度を上昇させ、排気ガスが持つ熱量を利用してＨＣ吸着触媒の活性化を早める技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの排気ガス浄化装置として、ＨＣ吸着触媒を含んで構成されるものが知られている。ＨＣ吸着触媒は、低温状態にあるときに排気ガス中の炭化水素（以下「ＨＣ」という。）を吸着する一方、排気ガス温度が上昇すると、吸着されているＨＣを還元剤として、排気ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）を浄化する。ここで、ＨＣ吸着触媒が規定量を上回る量の硫黄分を吸着すると、ＨＣ吸着触媒の機能が低下するため、ＨＣ吸着触媒を定期的に加熱し、吸着されている硫黄分を除去する必要がある。
【０００３】
ＨＣ吸着触媒を加熱する方法として、次のものが知られている。排気ガスに軽油を添加する装置を設け、加熱時において、空気過剰率が１〜１．５の値となるように吸気絞り弁及びＥＧＲ弁を制御するとともに、排気ガス中の酸素量に応じて前記軽油添加装置を作動させ、軽油が添加された排気ガスをＨＣ吸着触媒に流入させる方法である。ＨＣ吸着触媒に流入した軽油が触媒内部で酸化され、その際に発生する反応熱を受けてＨＣ吸着触媒が加熱される（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−０１８０２４号公報（段落番号００２５）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、軽油添加装置を使用する上記の方法は、ＨＣ吸着触媒が活性化した状態で良好に作用するものである。これをエンジンの始動後にＨＣ吸着触媒を早期に活性化させる用途に用いた場合は、ＨＣ吸着触媒に流入した軽油が触媒内部で酸化されず、未浄化のまま大気中に放出され、エミッションを悪化させる結果となる。
【０００６】
本発明は、エミッションを極力悪化させずにＨＣ吸着触媒の活性化を早めることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、排気通路に設置され、低温状態にあるときに排気ガス中のＨＣを吸着するＨＣ吸着触媒と、ＨＣ吸着触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、ＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣの量を検出する吸着量手段と、検出された触媒温度が、触媒活性化温度に相当する第１の温度に達したときにＨＣ吸着触媒が活性化したと判定する活性化判定手段と、エンジンが始動された後ＨＣ吸着触媒が活性化したと判定されるまでの間に、前記ＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣの量が吸着能力の上限値に達するまでは、空気過剰率を１より大きな値である通常時よりも小さな第１の値に制御して排気ガス温度を上昇させる排気ガス昇温手段と、を含んで構成され、排気ガス昇温手段は前記第１の温度よりも低く、ＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣの酸化が開始するときの温度である第２の温度を設定し、検出された触媒温度が第２の温度以上であるときに空気過剰率を第１の値と通常時の値との間でかつ１よりも大きい第２の値に制御することを特徴とする。
【０００８】
このように空気過剰率を低下させ、排気ガス温度を上昇させることで、ＨＣ吸着触媒を早期に活性化させるとともに、活性化までのエミッションの悪化を抑制することができる。また、ＨＣ吸着触媒の温度の上昇に応じて空気過剰率を増大させ、ＨＣ吸着触媒のその後の加熱に吸着されているＨＣの酸化による発熱量を利用することで、燃費を改善することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る直噴ディーゼルエンジン（以下「エンジン」という。）１の構成を示している。
【００１０】
吸気通路１１の導入部には、図示しないエアクリーナが取り付けられており、エアクリーナにより吸入空気中の粉塵が除去される。エアクリーナの下流には、エアフローメータ１２が設置されており、エアフローメータ１２により吸入空気量が測定される。エアクリーナ及びエアフローメータ１２を通過した吸入空気は、サージタンク１３に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。サージタンク１３の上流には、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）５１からの信号に応じて作動する吸気絞り弁１４が設定されている。吸気絞り弁１４により吸入空気量が制御される。
【００１１】
エンジン本体において、シリンダヘッドには、燃焼室上部中央に臨ませてインジェクタ２１が設置されている。図示しない燃料ポンプにより送り出された燃料は、コモンレール２２を介して所定圧力でインジェクタ２１に供給され、インジェクタ２１により燃焼室内に噴射される。
【００１２】
排気通路３１には、マニホールド部の下流にＨＣ吸着触媒３２が設置されている。ＨＣ吸着触媒３２が低温状態にあるエンジン１の始動後等において、ＨＣ吸着触媒３２により排気ガスからＨＣが除去される。運転が継続され、排気ガス温度が上昇すると、排気ガス中のＮＯｘとＨＣ吸着触媒３２に吸着されているＨＣとが反応し、ＮＯｘが還元されるとともに、ＨＣが処理される。ＨＣ吸着触媒３２の下流には、排気ガス温度を検出するためのセンサ６１が設置されている。
【００１３】
排気通路３１は、ＥＧＲ管４１により吸気通路１１と接続されている。ＥＧＲ管４１には、ＥＣＵ５１からの信号に応じて作動するＥＧＲ弁４２が設置されており、ＥＧＲ弁４２の開度に応じた適量の排気ガスが吸気通路１１に還流される。
【００１４】
ＥＣＵ５１には、エアフローメータ１２の吸入空気量検出信号、センサ６１の排気ガス温度検出信号のほか、センサ６２からの冷却水温度検出信号、センサ６３からのクランク角検出信号（ＥＣＵ５１は、これに基づいてエンジン回転数Ｎｅを演算する。）、センサ６４からのアクセル開度検出信号及びセンサ６５からの燃料圧力検出信号が入力される。
【００１５】
次に、ＥＣＵ５１の動作をフローチャートにより説明する。
図２は、目標空気過剰率演算ルーチンのフローチャートを示している。目標空気過剰率演算ルーチンは、たとえば２０ｍｓ毎に実行される。
【００１６】
Ｓ１０１では、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｆを読み込む。燃料噴射量Ｑｆは、アクセル開度検出信号に基づいて演算する。Ｓ１０２では、触媒温度Ｔｂｅｄを検出する。触媒温度Ｔｂｅｄは、後述する演算による推定値として検出する。Ｓ１０３では、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣを検出する。ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣも、後述する演算による推定値として検出する。
【００１７】
Ｓ１０４では、検出した触媒温度Ｔｂｅｄが第１の温度としての所定温度ＴＢＥＤ１＃以上であるか否かを判定する。ＴＢＥＤ１＃以上であるときは、Ｓ１０５へ進み、ＴＢＥＤ１＃未満であるときは、Ｓ１０６へ進む。所定温度ＴＢＥＤ１＃は、ＨＣ吸着触媒３２が活性化したことを示す温度に設定する。Ｓ１０５では、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３に設定する。通常値Ｌａｍｂ３は、１よりも大きな値に設定する。Ｓ１０６では、検出した触媒温度Ｔｂｅｄが第２の温度としての所定温度ＴＢＥＤ２＃以上であるか否かを判定する。ＴＢＥＤ２＃以上であるときは、Ｓ１１０へ進み、ＴＢＥＤ２＃未満であるときは、Ｓ１０７へ進む。所定温度ＴＢＥＤ２＃は、ＨＣ吸着触媒３２に吸着されているＨＣが酸化を開始するときの温度として、活性温度である所定温度ＴＢＥＤ１＃よりも低い温度に設定する。
【００１８】
Ｓ１０７では、検出したＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣが所定量ＡＤＴＨＣ＃以上であるか否かを判定する。ＡＤＴＨＣ＃以上であるときは、Ｓ１０８へ進み、ＡＤＴＨＣ＃未満であるときは、Ｓ１０９へ進む。ＡＤＴＨＣ＃は、ＨＣ吸着触媒３２の吸着能力の上限を示す量に設定する。Ｓ１０８では、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｆにより図３に示すマップを参照し、現在の運転状態が昇温禁止領域にあるか否かを判定する。昇温禁止領域は、空気過剰率の低下に対する排気ガス温度の上昇効果が小さく、空気過剰率の低下により却ってエミッションの悪化を招く領域に設定する。昇温禁止領域にあるときは、Ｓ１０５へ進み、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣが吸着能力の上限に達した後のＨＣの発生を抑制するべく、目標空気過剰率を通常値Ｌａｍｂ３に設定する。一方、昇温禁止領域にないときは、Ｓ１０９へ進む。Ｓ１０９では、排気ガス温度を上昇させるべく、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを所定値Ｌａｍｂ１に設定する。所定値Ｌａｍｂ１は、通常値Ｌａｍｂ３よりも小さく、たとえば1に設定する。これにより排気ガス温度が上昇し、ＨＣ吸着触媒３２が加熱され、検出した触媒温度Ｔｂｅｄが所定温度ＴＢＥＤ２＃に達したときに、Ｓ１１０へ進む。Ｓ１１０では、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３よりも小さく、かつ所定値Ｌａｍｂ１よりも大きな所定値Ｌａｍｂ２に設定する（Ｌａｍｂ１＜Ｌａｍｂ２＜Ｌａｍｂ３）。所定値Ｌａｍｂ２は、たとえば１よりも若干大きな値に設定する。Ｓ１１１では、目標吸気絞り弁開度ＴＶＯを演算する。Ｓ１１２では、目標ＥＧＲ弁開度ｔＡｅｇｒを演算する。
【００１９】
図４は、触媒温度演算ルーチンのフローチャートである。触媒温度演算ルーチンは、たとえば１００ｍｓ毎に実行される。
Ｓ２０１では、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｆを読み込む。Ｓ２０２では、Ｎｅ及びＱｆにより図５に示すマップを検索し、温度上昇率Ｔｂｅｄｃｎｔを読み出す。温度上昇率Ｔｂｅｄｃｎｔは、排気ガスからの受熱により単位時間当たりに上昇するＨＣ吸着触媒３２の温度であり、Ｎｅが高く、かつＱｆが多い領域ほど大きな値に設定する。Ｓ２０３では、このルーチンを前回に実行した際に算出した触媒温度Ｔｂｅｄn-1にＴｂｅｄｃｎｔを加算し、触媒温度Ｔｂｅｄを算出する。なお、演算周期をΔｔとする。
【００２０】
Ｔｂｅｄ＝Ｔｂｅｄn-1＋Ｔｂｅｄｃｎｔ×Δｔ ・・・（１）
図６は、ＨＣ吸着量演算ルーチンのフローチャートを示している。ＨＣ吸着量演算ルーチンは、たとえば１００ｍｓ毎に実行される。
【００２１】
Ｓ３０１では、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ及び触媒温度Ｔｂｅｄを読み込む。Ｓ３０２では、Ｎｅ及びＱｆにより図７に示すマップを検索し、ＨＣ排出量ＴＨＣｃｎｔを読み出す。ＨＣ排出量ＴＨＣｃｎｔは、エンジン１から単位時間当たりに排出されるＨＣの量に相当し、Ｎｅが低く、かつＱｆが少ない領域ほど大きな値に設定する。Ｓ３０３では、Ｔｂｅｄにより図８に示すテーブルを検索し、吸着量補正係数ＫＡＤを読み出す。吸着量補正係数ＫＡＤは、ＨＣ吸着触媒３２の温度に応じた吸着特性を示し、Ｔｂｅｄが高いときほど小さな値に設定する。Ｓ３０４では、このルーチンを前回に実行した際に算出したＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣn-1にＴＨＣｃｎｔ×Δｔ及びＫＡＤの積を加算し、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣを算出する。
【００２２】
ＡｄＴＨＣ＝ＡｄＴＨＣn-1＋ＴＨＣｃｎｔ×Δｔ×ＫＡＤ ・・・（２）
図９は、目標吸気絞り弁開度演算ルーチンのフローチャートを示している。目標吸気絞り弁演算ルーチンは、たとえば２０ｍｓ毎に実行される。
【００２３】
Ｓ４０１では、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ及び目標空気過剰率ｔＬａｍｂを読み込む。Ｓ４０２では、ｔＬａｍｂ及びＱｆに基づいて下式（３）により目標吸入空気量ｔＱａｃを算出する。なお、１４．６を理論空燃比とする。Ｓ４０３では、ｔＱａｃに基づいて下式（４）により目標充填率ｔＱｈ０を算出する。なお、１気筒当たりの排気量をＶＣＥ＃とし、空気の密度をＲＯＵ＃とする。Ｓ４０４では、ｔＱｈ０により図１０に示すテーブルを検索し、目標空気流量比ｔＡＤＮＶを読み出す。Ｓ４０５では、ｔＡＤＮＶ及びＮｅに基づいて下式（５）により目標開口面積ｔＡｔｖｏを算出する。なお、総排気量をＶＯＬ＃とする。Ｓ４０６では、ｔＡｔｖｏにより図１１に示すテーブルを検索し、目標吸気絞り弁開度ＴＶＯを設定する。
【００２４】
ｔＱａｃ＝ｔＬａｍｂ×１４．６×Ｑｆ ・・・（３）
ｔＱｈ０＝ｔＱａｃ／（ＶＣＥ＃×ＲＯＵ＃） ・・・（４）
ｔＡｔｖｏ＝ｔＡＤＮＶ×Ｎｅ×ＶＯＬ＃ ・・・（５）
図１２は、目標ＥＧＲ弁開度演算ルーチンのフローチャートを示している。目標ＥＧＲ弁開度演算ルーチンは、たとえば２０ｍｓ毎に実行される。
【００２５】
Ｓ５０１では、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ及び目標吸入空気量ｔＱａｃを読み込む。Ｓ５０２では、Ｎｅ及びＱｆにより図１３に示すマップを検索し、目標ＥＧＲ率Ｍｅｇｒを読み出す。Ｓ５０３では、ｔＱａｃ及びＭｅｇｒに基づいて下式（６）により目標ＥＧＲガス量ｔＱｅｃを算出する。Ｓ５０４では、ｔＱｅｃにより図１４に示すテーブルを検索し、目標ＥＧＲ弁開度ｔＡｅｇｒを設定する。
【００２６】
ｔＱｅｃ＝ｔＱａｃ×Ｍｅｇｒ ・・・（６）
次に、ＥＣＵ５１の動作をタイムチャートにより説明する。
図１５は、エンジン１の始動後におけるＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣ、目標空気過剰率ｔＬａｍｂ及び触媒温度Ｔｂｅｄの推移を示している。
【００２７】
エンジン１の始動時である時刻ｔ１において、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣは、ほぼ０であり、触媒温度Ｔｂｅｄは、活性温度未満の温度にある。エンジン１が始動されると、ＥＣＵ５１は、ＨＣ吸着触媒３２の活性化のために排気ガス温度を上昇させるべく、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３よりも小さな所定値Ｌａｍｂ１に設定する。これにより排気ガス温度が上昇し、排気ガスからの受熱によりＨＣ吸着触媒３２が加熱される。エンジン１から排出される比較的に多量のＨＣは、低温状態にあるＨＣ吸着触媒３２に吸着される。触媒温度Ｔｂｅｄが活性温度よりも低い温度として設定された所定温度ＴＢＥＤ２＃に達する前に、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣが所定量ＡＤＴＨＣ＃に達したときは、ＥＣＵ５１は、そのときの運転状態が昇温禁止領域にあることを条件に、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３に切り換える（時刻ｔ２）。その後運転状態が昇温禁止領域を脱すると、ＥＣＵ５１は、再び目標空気過剰率ｔＬａｍｂを所定値Ｌａｍｂ１に設定する（時刻ｔ３）。触媒温度Ｔｂｅｄが所定温度ＴＢＥＤ２＃に達すると、ＥＣＵ５１は、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを１よりも若干大きな所定値Ｌａｍｂ２に切り換える（時刻ｔ４）。これにより排気ガス温度が切換前よりも低下するものの、排気ガス中の酸素量が増えることで、ＨＣ吸着触媒３２に吸着されているＨＣの酸化による発熱量が増大するため、ＨＣ吸着触媒３２が受ける総熱量が増大する。このため、触媒温度Ｔｂｅｄの急速な上昇が得られ、触媒温度Ｔｂｅｄが所定温度ＴＢＥＤ１＃に達すると、ＥＣＵ５１は、ＨＣ吸着触媒３２が活性化したと判定し、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３に切り換える（時刻ｔ５）。
【００２８】
図１６は、一定のＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣのもとで空気過剰率を変化させたときの排気ガス輸送熱量Ａ、酸化発熱量Ｂ及びこれらの総熱量Ｃを示している。所定値Ｌａｍｂ２の適切な設定により、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを所定値Ｌａｍｂ１に維持した場合よりも大きな熱量が総熱量として得られ、ＨＣ吸着触媒３２の活性化を促進することが可能である。
【００２９】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、ＨＣ吸着触媒３２の未活性時において、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３よりも小さな値Ｌａｍｂ１に設定し、排気ガス温度を上昇させることで、排気ガスからの受熱によりＨＣ吸着触媒３２を加熱し、活性化までの所要時間を短縮することができる。
【００３０】
第２に、触媒温度Ｔｂｅｄの上昇に応じて目標空気過剰率ｔＬａｍｂを切り換え、ＨＣ吸着触媒３２のその後の加熱に吸着されているＨＣの酸化発熱量を利用することで、燃費を改善することができる。また、切換後の目標空気過剰率ｔＬａｍｂを排気ガス輸送熱量と酸化発熱量との総熱量が最も大きくなる値Ｌａｍｂ２に設定することで、ＨＣ吸着触媒３２を効率的に加熱することができる。
【００３１】
第３に、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣを検出し、これがＨＣ吸着触媒３２の吸着能力の上限に達したときは、排気ガス温度の上昇効果が小さい運転領域にあることを条件に活性化前であっても目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３に切り換えることで、エミッションの悪化を抑制することができる。
【００３２】
本実施形態に関して、図２のフローチャートのＳ１０３（図６のフローチャートのＳ３０１〜３０４）が吸着量検出手段を、図２のフローチャートのＳ１０２（図４のフローチャートのＳ２０１〜２０３）が触媒温度検出手段を、図２のフローチャートのＳ１０４が活性化判定手段を、図２のフローチャートのＳ１０６〜１１０が排気ガス昇温手段を構成する。
【００３３】
以上では、ＨＣ吸着機能及び酸化機能をＨＣ吸着触媒３２に兼備させた場合を例に説明したが、本発明は、これらの機能を別々の装置に持たせたものに適用することもできる。たとえば図１７に示すエンジン１０１のように前者の機能を上流側触媒３５に持たせ、後者の機能を下流側触媒３６に持たせるのである。
【００３４】
また、触媒温度Ｔｂｅｄは、運転状態により推定するばかりでなく、ＨＣ吸着触媒３２の下流に設置した排気ガス温度センサにより検出された温度で近似してもよい。ＨＣ吸着触媒３２の下流における排気ガス温度は、排気ガスとＨＣ吸着触媒３２との間における熱の授受の結果として現れるものであり、触媒温度Ｔｂｅｄと略一致するからである。
【００３５】
また、触媒温度Ｔｂｅｄは、エンジンの冷却水温度Ｔｗとの相関から推定することもできる。すなわち、触媒温度Ｔｂｅｄの冷却水温度Ｔｗに対する特性を図１８に示すテーブルとして設定し、実際に検出されたＴｗによりこのテーブルを検索し、Ｔｂｅｄを読み出すのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの構成
【図２】目標空気過剰率演算ルーチンのフローチャート
【図３】昇温禁止領域マップ
【図４】触媒温度演算ルーチンのフローチャート
【図５】温度上昇率マップ
【図６】ＨＣ吸着量演算ルーチンのフローチャート
【図７】ＨＣ排出量マップ
【図８】吸着量補正係数テーブル
【図９】目標吸気絞り弁開度演算ルーチンのフローチャート
【図１０】目標空気流量比テーブル
【図１１】目標吸気絞り弁開度テーブル
【図１２】目標ＥＧＲ弁開度演算ルーチンのフローチャート
【図１３】目標ＥＧＲ率マップ
【図１４】目標ＥＧＲ弁開度テーブル
【図１５】始動後におけるＨＣ吸着量、目標空気過剰率及び触媒温度の推移
【図１６】空気過剰率に対する排気ガス輸送熱量、酸化発熱量及び総熱量の変化
【図１７】本発明の他の実施形態に係るエンジンの構成
【図１８】触媒温度テーブル
【符号の説明】
１…エンジン、１１…吸気通路、１２…エアフローメータ、１３…サージタンク、１４…吸気絞り弁、２１…インジェクタ、２２…コモンレール、３１…排気通路、３２…ＨＣ吸着触媒、４１…ＥＧＲ管、４２…ＥＧＲ弁、５１…電子制御ユニット、６１…排気ガス温度センサ、６２…冷却水温度センサ、６３…クランク角センサ、６４…アクセルセンサ、６５…燃料圧力センサ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＨＣ吸着触媒を含んで構成されるエンジンの排気ガス浄化装置に関し、詳細には、排気ガス温度を上昇させ、排気ガスが持つ熱量を利用してＨＣ吸着触媒の活性化を早める技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの排気ガス浄化装置として、ＨＣ吸着触媒を含んで構成されるものが知られている。ＨＣ吸着触媒は、低温状態にあるときに排気ガス中の炭化水素（以下「ＨＣ」という。）を吸着する一方、排気ガス温度が上昇すると、吸着されているＨＣを還元剤として、排気ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）を浄化する。ここで、ＨＣ吸着触媒が規定量を上回る量の硫黄分を吸着すると、ＨＣ吸着触媒の機能が低下するため、ＨＣ吸着触媒を定期的に加熱し、吸着されている硫黄分を除去する必要がある。
【０００３】
ＨＣ吸着触媒を加熱する方法として、次のものが知られている。排気ガスに軽油を添加する装置を設け、加熱時において、空気過剰率が１〜１．５の値となるように吸気絞り弁及びＥＧＲ弁を制御するとともに、排気ガス中の酸素量に応じて前記軽油添加装置を作動させ、軽油が添加された排気ガスをＨＣ吸着触媒に流入させる方法である。ＨＣ吸着触媒に流入した軽油が触媒内部で酸化され、その際に発生する反応熱を受けてＨＣ吸着触媒が加熱される（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−０１８０２４号公報（段落番号００２５）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、軽油添加装置を使用する上記の方法は、ＨＣ吸着触媒が活性化した状態で良好に作用するものである。これをエンジンの始動後にＨＣ吸着触媒を早期に活性化させる用途に用いた場合は、ＨＣ吸着触媒に流入した軽油が触媒内部で酸化されず、未浄化のまま大気中に放出され、エミッションを悪化させる結果となる。
【０００６】
本発明は、エミッションを極力悪化させずにＨＣ吸着触媒の活性化を早めることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、排気通路に設置され、低温状態にあるときに排気ガス中のＨＣを吸着するＨＣ吸着触媒と、ＨＣ吸着触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、ＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣの量を検出する吸着量手段と、検出された触媒温度が、触媒活性化温度に相当する第１の温度に達したときにＨＣ吸着触媒が活性化したと判定する活性化判定手段と、エンジンが始動された後ＨＣ吸着触媒が活性化したと判定されるまでの間に、前記ＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣの量が吸着能力の上限値に達するまでは、空気過剰率を１より大きな値である通常時よりも小さな第１の値に制御して排気ガス温度を上昇させる排気ガス昇温手段と、を含んで構成され、排気ガス昇温手段は前記第１の温度よりも低く、ＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣの酸化が開始するときの温度である第２の温度を設定し、検出された触媒温度が第２の温度以上であるときに空気過剰率を第１の値と通常時の値との間でかつ１よりも大きい第２の値に制御することを特徴とする。
【０００８】
このように空気過剰率を低下させ、排気ガス温度を上昇させることで、ＨＣ吸着触媒を早期に活性化させるとともに、活性化までのエミッションの悪化を抑制することができる。また、ＨＣ吸着触媒の温度の上昇に応じて空気過剰率を増大させ、ＨＣ吸着触媒のその後の加熱に吸着されているＨＣの酸化による発熱量を利用することで、燃費を改善することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る直噴ディーゼルエンジン（以下「エンジン」という。）１の構成を示している。
【００１０】
吸気通路１１の導入部には、図示しないエアクリーナが取り付けられており、エアクリーナにより吸入空気中の粉塵が除去される。エアクリーナの下流には、エアフローメータ１２が設置されており、エアフローメータ１２により吸入空気量が測定される。エアクリーナ及びエアフローメータ１２を通過した吸入空気は、サージタンク１３に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。サージタンク１３の上流には、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）５１からの信号に応じて作動する吸気絞り弁１４が設定されている。吸気絞り弁１４により吸入空気量が制御される。
【００１１】
エンジン本体において、シリンダヘッドには、燃焼室上部中央に臨ませてインジェクタ２１が設置されている。図示しない燃料ポンプにより送り出された燃料は、コモンレール２２を介して所定圧力でインジェクタ２１に供給され、インジェクタ２１により燃焼室内に噴射される。
【００１２】
排気通路３１には、マニホールド部の下流にＨＣ吸着触媒３２が設置されている。ＨＣ吸着触媒３２が低温状態にあるエンジン１の始動後等において、ＨＣ吸着触媒３２により排気ガスからＨＣが除去される。運転が継続され、排気ガス温度が上昇すると、排気ガス中のＮＯｘとＨＣ吸着触媒３２に吸着されているＨＣとが反応し、ＮＯｘが還元されるとともに、ＨＣが処理される。ＨＣ吸着触媒３２の下流には、排気ガス温度を検出するためのセンサ６１が設置されている。
【００１３】
排気通路３１は、ＥＧＲ管４１により吸気通路１１と接続されている。ＥＧＲ管４１には、ＥＣＵ５１からの信号に応じて作動するＥＧＲ弁４２が設置されており、ＥＧＲ弁４２の開度に応じた適量の排気ガスが吸気通路１１に還流される。
【００１４】
ＥＣＵ５１には、エアフローメータ１２の吸入空気量検出信号、センサ６１の排気ガス温度検出信号のほか、センサ６２からの冷却水温度検出信号、センサ６３からのクランク角検出信号（ＥＣＵ５１は、これに基づいてエンジン回転数Ｎｅを演算する。）、センサ６４からのアクセル開度検出信号及びセンサ６５からの燃料圧力検出信号が入力される。
【００１５】
次に、ＥＣＵ５１の動作をフローチャートにより説明する。
図２は、目標空気過剰率演算ルーチンのフローチャートを示している。目標空気過剰率演算ルーチンは、たとえば２０ｍｓ毎に実行される。
【００１６】
Ｓ１０１では、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｆを読み込む。燃料噴射量Ｑｆは、アクセル開度検出信号に基づいて演算する。Ｓ１０２では、触媒温度Ｔｂｅｄを検出する。触媒温度Ｔｂｅｄは、後述する演算による推定値として検出する。Ｓ１０３では、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣを検出する。ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣも、後述する演算による推定値として検出する。
【００１７】
Ｓ１０４では、検出した触媒温度Ｔｂｅｄが第１の温度としての所定温度ＴＢＥＤ１＃以上であるか否かを判定する。ＴＢＥＤ１＃以上であるときは、Ｓ１０５へ進み、ＴＢＥＤ１＃未満であるときは、Ｓ１０６へ進む。所定温度ＴＢＥＤ１＃は、ＨＣ吸着触媒３２が活性化したことを示す温度に設定する。Ｓ１０５では、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３に設定する。通常値Ｌａｍｂ３は、１よりも大きな値に設定する。Ｓ１０６では、検出した触媒温度Ｔｂｅｄが第２の温度としての所定温度ＴＢＥＤ２＃以上であるか否かを判定する。ＴＢＥＤ２＃以上であるときは、Ｓ１１０へ進み、ＴＢＥＤ２＃未満であるときは、Ｓ１０７へ進む。所定温度ＴＢＥＤ２＃は、ＨＣ吸着触媒３２に吸着されているＨＣが酸化を開始するときの温度として、活性温度である所定温度ＴＢＥＤ１＃よりも低い温度に設定する。
【００１８】
Ｓ１０７では、検出したＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣが所定量ＡＤＴＨＣ＃以上であるか否かを判定する。ＡＤＴＨＣ＃以上であるときは、Ｓ１０８へ進み、ＡＤＴＨＣ＃未満であるときは、Ｓ１０９へ進む。ＡＤＴＨＣ＃は、ＨＣ吸着触媒３２の吸着能力の上限を示す量に設定する。Ｓ１０８では、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｆにより図３に示すマップを参照し、現在の運転状態が昇温禁止領域にあるか否かを判定する。昇温禁止領域は、空気過剰率の低下に対する排気ガス温度の上昇効果が小さく、空気過剰率の低下により却ってエミッションの悪化を招く領域に設定する。昇温禁止領域にあるときは、Ｓ１０５へ進み、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣが吸着能力の上限に達した後のＨＣの発生を抑制するべく、目標空気過剰率を通常値Ｌａｍｂ３に設定する。一方、昇温禁止領域にないときは、Ｓ１０９へ進む。Ｓ１０９では、排気ガス温度を上昇させるべく、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを所定値Ｌａｍｂ１に設定する。所定値Ｌａｍｂ１は、通常値Ｌａｍｂ３よりも小さく、たとえば1に設定する。これにより排気ガス温度が上昇し、ＨＣ吸着触媒３２が加熱され、検出した触媒温度Ｔｂｅｄが所定温度ＴＢＥＤ２＃に達したときに、Ｓ１１０へ進む。Ｓ１１０では、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３よりも小さく、かつ所定値Ｌａｍｂ１よりも大きな所定値Ｌａｍｂ２に設定する（Ｌａｍｂ１＜Ｌａｍｂ２＜Ｌａｍｂ３）。所定値Ｌａｍｂ２は、たとえば１よりも若干大きな値に設定する。Ｓ１１１では、目標吸気絞り弁開度ＴＶＯを演算する。Ｓ１１２では、目標ＥＧＲ弁開度ｔＡｅｇｒを演算する。
【００１９】
図４は、触媒温度演算ルーチンのフローチャートである。触媒温度演算ルーチンは、たとえば１００ｍｓ毎に実行される。
Ｓ２０１では、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｆを読み込む。Ｓ２０２では、Ｎｅ及びＱｆにより図５に示すマップを検索し、温度上昇率Ｔｂｅｄｃｎｔを読み出す。温度上昇率Ｔｂｅｄｃｎｔは、排気ガスからの受熱により単位時間当たりに上昇するＨＣ吸着触媒３２の温度であり、Ｎｅが高く、かつＱｆが多い領域ほど大きな値に設定する。Ｓ２０３では、このルーチンを前回に実行した際に算出した触媒温度Ｔｂｅｄn-1にＴｂｅｄｃｎｔを加算し、触媒温度Ｔｂｅｄを算出する。なお、演算周期をΔｔとする。
【００２０】
Ｔｂｅｄ＝Ｔｂｅｄn-1＋Ｔｂｅｄｃｎｔ×Δｔ ・・・（１）
図６は、ＨＣ吸着量演算ルーチンのフローチャートを示している。ＨＣ吸着量演算ルーチンは、たとえば１００ｍｓ毎に実行される。
【００２１】
Ｓ３０１では、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ及び触媒温度Ｔｂｅｄを読み込む。Ｓ３０２では、Ｎｅ及びＱｆにより図７に示すマップを検索し、ＨＣ排出量ＴＨＣｃｎｔを読み出す。ＨＣ排出量ＴＨＣｃｎｔは、エンジン１から単位時間当たりに排出されるＨＣの量に相当し、Ｎｅが低く、かつＱｆが少ない領域ほど大きな値に設定する。Ｓ３０３では、Ｔｂｅｄにより図８に示すテーブルを検索し、吸着量補正係数ＫＡＤを読み出す。吸着量補正係数ＫＡＤは、ＨＣ吸着触媒３２の温度に応じた吸着特性を示し、Ｔｂｅｄが高いときほど小さな値に設定する。Ｓ３０４では、このルーチンを前回に実行した際に算出したＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣn-1にＴＨＣｃｎｔ×Δｔ及びＫＡＤの積を加算し、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣを算出する。
【００２２】
ＡｄＴＨＣ＝ＡｄＴＨＣn-1＋ＴＨＣｃｎｔ×Δｔ×ＫＡＤ ・・・（２）
図９は、目標吸気絞り弁開度演算ルーチンのフローチャートを示している。目標吸気絞り弁演算ルーチンは、たとえば２０ｍｓ毎に実行される。
【００２３】
Ｓ４０１では、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ及び目標空気過剰率ｔＬａｍｂを読み込む。Ｓ４０２では、ｔＬａｍｂ及びＱｆに基づいて下式（３）により目標吸入空気量ｔＱａｃを算出する。なお、１４．６を理論空燃比とする。Ｓ４０３では、ｔＱａｃに基づいて下式（４）により目標充填率ｔＱｈ０を算出する。なお、１気筒当たりの排気量をＶＣＥ＃とし、空気の密度をＲＯＵ＃とする。Ｓ４０４では、ｔＱｈ０により図１０に示すテーブルを検索し、目標空気流量比ｔＡＤＮＶを読み出す。Ｓ４０５では、ｔＡＤＮＶ及びＮｅに基づいて下式（５）により目標開口面積ｔＡｔｖｏを算出する。なお、総排気量をＶＯＬ＃とする。Ｓ４０６では、ｔＡｔｖｏにより図１１に示すテーブルを検索し、目標吸気絞り弁開度ＴＶＯを設定する。
【００２４】
ｔＱａｃ＝ｔＬａｍｂ×１４．６×Ｑｆ ・・・（３）
ｔＱｈ０＝ｔＱａｃ／（ＶＣＥ＃×ＲＯＵ＃） ・・・（４）
ｔＡｔｖｏ＝ｔＡＤＮＶ×Ｎｅ×ＶＯＬ＃ ・・・（５）
図１２は、目標ＥＧＲ弁開度演算ルーチンのフローチャートを示している。目標ＥＧＲ弁開度演算ルーチンは、たとえば２０ｍｓ毎に実行される。
【００２５】
Ｓ５０１では、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ及び目標吸入空気量ｔＱａｃを読み込む。Ｓ５０２では、Ｎｅ及びＱｆにより図１３に示すマップを検索し、目標ＥＧＲ率Ｍｅｇｒを読み出す。Ｓ５０３では、ｔＱａｃ及びＭｅｇｒに基づいて下式（６）により目標ＥＧＲガス量ｔＱｅｃを算出する。Ｓ５０４では、ｔＱｅｃにより図１４に示すテーブルを検索し、目標ＥＧＲ弁開度ｔＡｅｇｒを設定する。
【００２６】
ｔＱｅｃ＝ｔＱａｃ×Ｍｅｇｒ ・・・（６）
次に、ＥＣＵ５１の動作をタイムチャートにより説明する。
図１５は、エンジン１の始動後におけるＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣ、目標空気過剰率ｔＬａｍｂ及び触媒温度Ｔｂｅｄの推移を示している。
【００２７】
エンジン１の始動時である時刻ｔ１において、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣは、ほぼ０であり、触媒温度Ｔｂｅｄは、活性温度未満の温度にある。エンジン１が始動されると、ＥＣＵ５１は、ＨＣ吸着触媒３２の活性化のために排気ガス温度を上昇させるべく、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３よりも小さな所定値Ｌａｍｂ１に設定する。これにより排気ガス温度が上昇し、排気ガスからの受熱によりＨＣ吸着触媒３２が加熱される。エンジン１から排出される比較的に多量のＨＣは、低温状態にあるＨＣ吸着触媒３２に吸着される。触媒温度Ｔｂｅｄが活性温度よりも低い温度として設定された所定温度ＴＢＥＤ２＃に達する前に、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣが所定量ＡＤＴＨＣ＃に達したときは、ＥＣＵ５１は、そのときの運転状態が昇温禁止領域にあることを条件に、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３に切り換える（時刻ｔ２）。その後運転状態が昇温禁止領域を脱すると、ＥＣＵ５１は、再び目標空気過剰率ｔＬａｍｂを所定値Ｌａｍｂ１に設定する（時刻ｔ３）。触媒温度Ｔｂｅｄが所定温度ＴＢＥＤ２＃に達すると、ＥＣＵ５１は、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを１よりも若干大きな所定値Ｌａｍｂ２に切り換える（時刻ｔ４）。これにより排気ガス温度が切換前よりも低下するものの、排気ガス中の酸素量が増えることで、ＨＣ吸着触媒３２に吸着されているＨＣの酸化による発熱量が増大するため、ＨＣ吸着触媒３２が受ける総熱量が増大する。このため、触媒温度Ｔｂｅｄの急速な上昇が得られ、触媒温度Ｔｂｅｄが所定温度ＴＢＥＤ１＃に達すると、ＥＣＵ５１は、ＨＣ吸着触媒３２が活性化したと判定し、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３に切り換える（時刻ｔ５）。
【００２８】
図１６は、一定のＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣのもとで空気過剰率を変化させたときの排気ガス輸送熱量Ａ、酸化発熱量Ｂ及びこれらの総熱量Ｃを示している。所定値Ｌａｍｂ２の適切な設定により、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを所定値Ｌａｍｂ１に維持した場合よりも大きな熱量が総熱量として得られ、ＨＣ吸着触媒３２の活性化を促進することが可能である。
【００２９】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、ＨＣ吸着触媒３２の未活性時において、目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３よりも小さな値Ｌａｍｂ１に設定し、排気ガス温度を上昇させることで、排気ガスからの受熱によりＨＣ吸着触媒３２を加熱し、活性化までの所要時間を短縮することができる。
【００３０】
第２に、触媒温度Ｔｂｅｄの上昇に応じて目標空気過剰率ｔＬａｍｂを切り換え、ＨＣ吸着触媒３２のその後の加熱に吸着されているＨＣの酸化発熱量を利用することで、燃費を改善することができる。また、切換後の目標空気過剰率ｔＬａｍｂを排気ガス輸送熱量と酸化発熱量との総熱量が最も大きくなる値Ｌａｍｂ２に設定することで、ＨＣ吸着触媒３２を効率的に加熱することができる。
【００３１】
第３に、ＨＣ吸着量ＡｄＴＨＣを検出し、これがＨＣ吸着触媒３２の吸着能力の上限に達したときは、排気ガス温度の上昇効果が小さい運転領域にあることを条件に活性化前であっても目標空気過剰率ｔＬａｍｂを通常値Ｌａｍｂ３に切り換えることで、エミッションの悪化を抑制することができる。
【００３２】
本実施形態に関して、図２のフローチャートのＳ１０３（図６のフローチャートのＳ３０１〜３０４）が吸着量検出手段を、図２のフローチャートのＳ１０２（図４のフローチャートのＳ２０１〜２０３）が触媒温度検出手段を、図２のフローチャートのＳ１０４が活性化判定手段を、図２のフローチャートのＳ１０６〜１１０が排気ガス昇温手段を構成する。
【００３３】
以上では、ＨＣ吸着機能及び酸化機能をＨＣ吸着触媒３２に兼備させた場合を例に説明したが、本発明は、これらの機能を別々の装置に持たせたものに適用することもできる。たとえば図１７に示すエンジン１０１のように前者の機能を上流側触媒３５に持たせ、後者の機能を下流側触媒３６に持たせるのである。
【００３４】
また、触媒温度Ｔｂｅｄは、運転状態により推定するばかりでなく、ＨＣ吸着触媒３２の下流に設置した排気ガス温度センサにより検出された温度で近似してもよい。ＨＣ吸着触媒３２の下流における排気ガス温度は、排気ガスとＨＣ吸着触媒３２との間における熱の授受の結果として現れるものであり、触媒温度Ｔｂｅｄと略一致するからである。
【００３５】
また、触媒温度Ｔｂｅｄは、エンジンの冷却水温度Ｔｗとの相関から推定することもできる。すなわち、触媒温度Ｔｂｅｄの冷却水温度Ｔｗに対する特性を図１８に示すテーブルとして設定し、実際に検出されたＴｗによりこのテーブルを検索し、Ｔｂｅｄを読み出すのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの構成
【図２】目標空気過剰率演算ルーチンのフローチャート
【図３】昇温禁止領域マップ
【図４】触媒温度演算ルーチンのフローチャート
【図５】温度上昇率マップ
【図６】ＨＣ吸着量演算ルーチンのフローチャート
【図７】ＨＣ排出量マップ
【図８】吸着量補正係数テーブル
【図９】目標吸気絞り弁開度演算ルーチンのフローチャート
【図１０】目標空気流量比テーブル
【図１１】目標吸気絞り弁開度テーブル
【図１２】目標ＥＧＲ弁開度演算ルーチンのフローチャート
【図１３】目標ＥＧＲ率マップ
【図１４】目標ＥＧＲ弁開度テーブル
【図１５】始動後におけるＨＣ吸着量、目標空気過剰率及び触媒温度の推移
【図１６】空気過剰率に対する排気ガス輸送熱量、酸化発熱量及び総熱量の変化
【図１７】本発明の他の実施形態に係るエンジンの構成
【図１８】触媒温度テーブル
【符号の説明】
１…エンジン、１１…吸気通路、１２…エアフローメータ、１３…サージタンク、１４…吸気絞り弁、２１…インジェクタ、２２…コモンレール、３１…排気通路、３２…ＨＣ吸着触媒、４１…ＥＧＲ管、４２…ＥＧＲ弁、５１…電子制御ユニット、６１…排気ガス温度センサ、６２…冷却水温度センサ、６３…クランク角センサ、６４…アクセルセンサ、６５…燃料圧力センサ。
Claims (8)
- 排気通路に設置され、低温状態にあるときに排気ガス中のＨＣを吸着するＨＣ吸着触媒と、
ＨＣ吸着触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
ＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣの量を検出する吸着量検出手段と、
検出された触媒温度が、触媒活性化温度に相当する第１の温度に達したときにＨＣ吸着触媒が活性化したと判定する活性化判定手段と、
エンジンが始動された後ＨＣ吸着触媒が活性化したと判定されるまでの間に、前記ＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣの量が吸着能力の上限値に達するまでは、空気過剰率を１より大きな値である通常時の値よりも小さな第１の値に制御して排気ガス温度を上昇させる排気ガス昇温手段と、を含んで構成され、
排気ガス昇温手段は前記第１の温度よりも低く、ＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣの酸化が開始するときの温度である第２の温度を設定し、検出された触媒温度が第２の温度以上であるときに空気過剰率を第１の値と通常時の値との間でかつ１よりも大きい第２の値に制御するエンジンの排気ガス浄化装置。 - 排気ガス昇温手段により空気過剰率が前記第２の値に制御されたときの排気ガスが持つ熱量及びＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣの酸化による発熱量の合計は、空気過剰率を前記第１の値に制御した場合に得られる排気ガスが持つ熱量よりも大きい請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
- 吸気絞り弁及びＥＧＲ弁を含んで構成されるエンジンに適用され、
排気ガス昇温手段は、吸気絞り弁及びＥＧＲ弁の少なくとも一方を制御して空気過剰率を制御する請求項１または２に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。 - 検出されたＨＣ吸着量がＨＣ吸着触媒の吸着能力の上限値に達した場合に、運転状態が空気過剰率の低下に対する排気ガス温度の上昇効果が小さい領域にあるときに、排気ガス昇温手段による空気過剰率の制御を禁止する手段を更に含んで構成される請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
- 吸着量検出手段は、エンジンの運転状態に応じて定まる単位時間当たりのＨＣ発生量を演算し、これに検出された触媒温度に応じた補正を施したものを積算してＨＣ吸着量を検出する請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
- 触媒温度検出手段は、触媒温度としてＨＣ吸着触媒の下流における排気ガス温度を検出する請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
- 触媒温度検出手段は、触媒温度としてエンジンの冷却水温度を検出する請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
- 触媒温度検出手段は、エンジンの運転状態に応じて定まるＨＣ吸着触媒の単位時間当たりの温度上昇代を演算し、これを積算して触媒温度を検出する請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
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