JP2016200111A - 排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ触媒の浄化率を向上させる。【解決手段】エンジンの排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒を備え、エンジンの運転状態に基づいて基本噴射時期θｂを算出し（Ｓ１０１）、ＮＯｘ触媒の入口ガス温度とＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量とＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ質量流量とＮＯｘ触媒に供給される排気中のＮＯ２／ＮＯｘ比率とに基づいてＮＯｘ浄化率ηを推定し（Ｓ１０２）、エンジンの運転状態に基づいて基準ＮＯｘ浄化率η０を算出し（Ｓ１０３）、ＮＯｘ浄化率ηと基準ＮＯｘ浄化率η０との差Δηに基づいて噴射時期補正量Δθを算出し（Ｓ１０４、Ｓ１０５）、この噴射時期補正量Δθで基本噴射時期θｂを補正した（Ｓ１０６）。【選択図】図２

Description

本発明は排気浄化システムに係り、特に、エンジンの排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒を備える排気浄化システムに関する。

排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒を備えるエンジンが公知である。かかるエンジンにおいて、選択還元型ＮＯｘ触媒をできるだけ高効率で働かせるため、ＮＯｘ触媒の入口ガス温度に応じて燃料噴射時期を補正するものがある。

特開２０１１−２４１７７５号公報

ＮＯｘ触媒の効率すなわちＮＯｘ浄化率は、触媒自身もしくは触媒に流入する排気ガスの温度の影響を大きく受ける。よってＮＯｘ触媒の入口ガス温度に応じて燃料噴射時期を補正することは、たしかに有効ではある。しかしその一方で、ＮＯｘ浄化率はそうした温度以外の他のパラメータの影響も受ける。従って、入口ガス温度だけでなく他のパラメータの影響も考慮した、より適切で高精度な燃料噴射時期補正方法が望まれる。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、より適切かつ高精度に燃料噴射時期を補正することができる排気浄化システムを提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
エンジンの排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を推定する推定部と、
推定された前記ＮＯｘ浄化率に基づいて前記エンジンの燃料噴射時期を補正する補正部と、
を備えたことを特徴とする排気浄化システムが提供される。

好ましくは、前記排気浄化システムは、
前記エンジンの運転状態に基づいて基本噴射時期を算出する基本噴射時期算出部と、
前記エンジンの運転状態に基づいて基準ＮＯｘ浄化率を算出する基準ＮＯｘ浄化率算出部と、
をさらに備え、
前記補正部は、前記ＮＯｘ浄化率と前記基準ＮＯｘ浄化率との差に基づき噴射時期補正量を算出し、前記噴射時期補正量により前記基本噴射時期を補正することで前記燃料噴射時期を補正する。

好ましくは、前記推定部は、前記ＮＯｘ触媒の入口ガス温度と、前記ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量と、前記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ質量流量と、前記ＮＯｘ触媒に供給される排気中のＮＯ２／ＮＯｘ比率とに基づいて前記ＮＯｘ浄化率を推定する。

本発明によれば、より適切かつ高精度に燃料噴射時期を補正することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。 本実施形態における制御ルーチンのフローチャートである。 基本噴射時期の算出マップを示す。 基本ＮＯｘ浄化率の算出マップを示す。 第１補正係数の算出マップを示す。 第２補正係数の算出マップを示す。 基準ＮＯｘ浄化率の算出マップを示す。 噴射時期補正感度の算出マップを示す。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態の構成を示す概略図である。エンジン（内燃機関）１は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。図示例は直列４気筒エンジンを示すが、エンジンのシリンダ配置形式、気筒数等は任意である。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９内すなわち燃焼室内に燃料を直接噴射する。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量（吸気流量）を検出するためのセンサ（吸気量センサ）である。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に配置された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合する。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気管２１には、上流側から順に、酸化触媒２２、パティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）２３、選択還元型ＮＯｘ触媒２４およびアンモニア酸化触媒２６が設けられる。

酸化触媒（DOC：Diesel Oxidation Catalyst）２２は、排気ガス中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化する。酸化触媒２２は、ＨＣ，ＣＯの酸化時に生じた熱で排気ガスを加熱、昇温する機能を有する。また酸化触媒２２は、排気中の窒素酸化物ＮＯｘを二酸化窒素ＮＯ２に酸化する機能をも有する。排気中のＮＯｘは大部分がＮＯであるが、これをＮＯ２に酸化することにより、後段の選択還元型ＮＯｘ触媒２４におけるＮＯｘ浄化率を向上できる。

ＤＰＦ２３は、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集して除去するものである。またＤＰＦ２３は、その内壁にＰｔ等の貴金属を担持させた所謂連続再生式の触媒付きＤＰＦからなる。この場合、ＤＰＦに供給された排気中のＨＣが触媒作用で酸化、燃焼し、このとき同時にＤＰＦ内部に堆積しているＰＭが燃焼除去される。

選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR：Selective Catalytic Reduction）２４は、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを浄化するための触媒である。ＮＯｘ触媒２４は、還元剤が添加されたときにＮＯｘを連続的に還元し得る。ＮＯｘ触媒２４の上流側、特に入口近傍の排気通路４には、還元剤としての尿素水をＮＯｘ触媒２４に添加する添加弁２５が設けられる。尿素水が添加されると、触媒上で尿素水が加水分解され、アンモニアが生成される。このアンモニアがＮＯｘと反応してＮＯｘが還元される。

アンモニア酸化触媒２６は、所謂アンモニアスリップが生じたとき、ＮＯｘ触媒２４から排出された余剰アンモニアを酸化して浄化する触媒である。

エンジン１はＥＧＲ装置３０をも備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内（特に排気マニホールド２０内）の排気ガスの一部（「ＥＧＲガス」という）を吸気通路３内（特に吸気マニホールド１０内）に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３３とを備える。

また本実施形態において、制御ユニットもしくはコントローラをなす電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、インジェクタ７、吸気スロットルバルブ１６、添加弁２５およびＥＧＲ弁３３等を制御する。

センサ類に関して、上述のエアフローメータ１３の他、エンジンの回転速度（ｒｐｍ）を検出するための回転速度センサ４０、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４１が設けられる。また、酸化触媒２２、ＤＰＦ２３、ＮＯｘ触媒２４の各々の上流側ないし入口近傍の排気温度（入口ガス温度）を検出するための排気温センサ４２，４３，４４が設けられている。また、ＤＰＦ２３の上流側および下流側の排気圧の差圧を検出するための差圧センサ４５が設けられている。また、エンジンの燃焼室から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ４７が設けられている。これらセンサ類の出力信号はＥＣＵ１００に送られる。

ＥＣＵ１００は、排気温センサ４２，４３，４４により検出された排気温に基づき酸化触媒２２、ＤＰＦ２３、ＮＯｘ触媒２４の温度をそれぞれ推定する。なおこれら各要素に各々に設けられた温度センサにより各温度を直接検出しても構わないし、推定と検出を組み合わせてもよい。これら推定と検出を総称して取得という。またＥＣＵ１００は、差圧センサ４５により検出された差圧に基づきＤＰＦ２３のＰＭ堆積量を推定する。なおＰＭ堆積量は、車両の走行距離、エンジン運転時間、燃料噴射量積算値等に基づいて推定することもできる。

図示しないが、コモンレール圧を検出するためのコモンレール圧センサが設けられ、ＥＣＵ１００は、コモンレール圧センサにより検出された実際のコモンレール圧が目標コモンレール圧に一致するようフィードバック制御を行う。

次に、本実施形態の制御について説明する。ＥＣＵ１００は、エンジン運転状態に基づいてエンジンの燃料噴射時期、すなわち各インジェクタ７における燃料噴射開始時期（SOI：Start Of Injection）を制御する。前述したように、ＮＯｘ触媒２４の効率すなわちＮＯｘ浄化率は、触媒自身もしくは触媒に流入する排気ガスの温度の影響を大きく受ける。その一方で、ＮＯｘ浄化率はそうした温度以外の他のパラメータの影響も受ける。従って、ＮＯｘ触媒２４の入口ガス温度だけでなく他のパラメータの影響も考慮した、より適切で高精度な燃料噴射時期補正方法が望まれる。そこで本実施形態は、以下に詳しく述べるように、より適切かつ高精度に燃料噴射時期を補正することができる排気浄化システムを提供する。

図２を参照して、本実施形態における制御ルーチンを説明する。図示するルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

なお、本実施形態では単一のＥＣＵ１００により演算処理を行うが、システムの中には、エンジンを制御するＥＣＵと、尿素添加量を制御するＥＣＵ（ＤＣＵと称される）とが別体で構成され、両者が通信可能に接続されるものがある。このものでは、両者間で情報をやり取りしつつ両者で演算処理を行うが、こうしたシステムにおいても本発明は適用可能である。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、エンジン運転状態に基づいて、燃料噴射時期の基本値である基本噴射時期θｂ（°ＣＡ）を算出する。具体的にはＥＣＵ１００は、検出された実際のエンジン回転速度ＮＥと、燃料噴射量、特に指示値としての目標燃料噴射量Ｑとに基づき、図３に示すような所定のマップｍｐ１に従って基本噴射時期θｂを算出する。目標燃料噴射量Ｑは、実際のエンジン回転速度ＮＥとアクセル開度ＡＣとに基づき図示しない別のマップに従って算出される。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、ＮＯｘ触媒２４の実際の効率（ＳＣＲ効率）すなわちＮＯｘ浄化率ηを次の手順で推定もしくは算出する。

まず、ＮＯｘ浄化率の基本値である基本ＮＯｘ浄化率ηｂが、アンモニア吸着量ＳＴＲと、ＮＯｘ触媒２４の入口ガス温度Ｔｇとに基づき、図４に示すような所定のマップｍｐ２に従って算出される。入口ガス温度Ｔｇは排気温センサ４４により検出される。アンモニア吸着量ＳＴＲとは、ＮＯｘ触媒２４に吸着（ストレージ）されているアンモニアの量である。アンモニア吸着量ＳＴＲが多いほど、また入口ガス温度Ｔｇが高いほど、基本ＮＯｘ浄化率ηｂは高くなる傾向にある。特に基本ＮＯｘ浄化率ηｂは入口ガス温度Ｔｇの影響を大きく受ける。なおアンモニア吸着量ＳＴＲは公知方法を含む任意の方法で推定可能である。例えばＥＣＵ１００は、添加弁２５から添加された尿素水量（具体的には添加量指示値）に基づいて添加アンモニア量を算出し、ＮＯｘ触媒２４においてＮＯｘ（第１ＮＯｘ）の還元に使用された使用アンモニア量を算出し、添加アンモニア量から使用アンモニア量を減算して余剰アンモニア量を算出し、余剰アンモニア量を演算周期毎に積算してアンモニア吸着量ＳＴＲを算出する。

こうして算出された基本ＮＯｘ浄化率ηｂを、そのまま最終的に求めるＮＯｘ浄化率ηとしてもよいが、本実施形態では精度向上のため、基本ＮＯｘ浄化率ηｂを補正して最終的なＮＯｘ浄化率ηとする。

すなわち、第１補正係数Ｋ１が、ＮＯｘ触媒２４の入口ガス温度Ｔｇと、ＮＯｘ触媒２４におけるＮＯｘ質量流量Ｍとに基づき、図５に示すような所定のマップｍｐ３に従って算出される。ＮＯｘ触媒２４におけるＮＯｘ質量流量Ｍとは、ＮＯｘ触媒２４に流入するＮＯｘの単位時間当たりの質量のことをいう。ＥＣＵ１００は、ＮＯｘセンサ４７により検出されたＮＯｘ濃度と、エアフローメータ１３により検出された単位時間当たりの吸入空気量Ｇａおよびインジェクタ７により噴射された燃料噴射量Ｇｆを加算した排気流量Ｇｅとに基づいて、ＮＯｘ質量流量Ｍを算出ないし検出する。例えば、検出されたＮＯｘ濃度と排気流量Ｇｅの積をＮＯｘ質量流量Ｍとする。なお本実施形態ではＮＯｘセンサ４７がタービン１４Ｔと酸化触媒２２の間に設置されているが、ＮＯｘ触媒２４の上流側における他の位置に設置されてもよい。また本実施形態ではＮＯｘ質量流量Ｍを検出するが、エンジンモデル等に基づき推定してもよい。

図５に示されるように、第１補正係数Ｋ１は、大凡１であるが、ＮＯｘ質量流量Ｍが少ない領域において若干１を超える。また第１補正係数Ｋ１は、図では判別不能であるが、触媒温度Ｔｃに応じて１近傍で微妙に変化する。

次に第２補正係数Ｋ２が、ＮＯｘ触媒２４の入口ガス温度Ｔｇと、ＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒとに基づき、図６に示すような所定のマップｍｐ４に従って算出される。ＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒとは、ＮＯｘ触媒２４に供給される排気中の窒素酸化物ＮＯｘ濃度に対する二酸化窒素ＮＯ２濃度の比率をいう。図示されるように、第２補正係数Ｋ２は、ＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒが０．５のとき極大値１を取り、ＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒが０．５から離れるにつれ極大値１から減少していく。また第２補正係数Ｋ２は、図では判別不能であるが、触媒温度Ｔｃに応じて微妙に変化する。なおＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒは公知方法を含む任意の方法で推定可能である。例えばＥＣＵ１００は、検出されたＮＯｘ質量流量と酸化触媒２２の推定温度とに基づいてＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒを算出する。

こうして第１補正係数Ｋ１および第２補正係数Ｋ２が算出されたら、これらを基本ＮＯｘ浄化率ηｂに乗じて最終的なＮＯｘ浄化率η（＝Ｋ１×Ｋ２×ηｂ）が算出される。

このように、ＮＯｘ浄化率ηは、入口ガス温度Ｔｇのみならず、他のパラメータすなわちアンモニア吸着量ＳＴＲ、ＮＯｘ質量流量ＭおよびＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒにも基づいて推定もしくは算出される値である。

図２に戻って、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０３において、エンジン運転状態に基づき、ＮＯｘ浄化率の基準値である基準ＮＯｘ浄化率η０を算出する。基準ＮＯｘ浄化率η０は、エンジンの定常運転時に実現される基準となるＮＯｘ浄化率である。具体的にはＥＣＵ１００は、検出された実際のエンジン回転速度ＮＥと目標燃料噴射量Ｑとに基づき、図７に示すような所定のマップｍｐ５に従って基準ＮＯｘ浄化率η０を算出する。

次に、ステップＳ１０４においてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０２において推定されたＮＯｘ浄化率ηと、ステップＳ１０３で算出された基準ＮＯｘ浄化率η０との差である浄化率差Δηを算出する。具体的には、ＮＯｘ浄化率ηから基準ＮＯｘ浄化率η０を減じて浄化率差Δη（＝η−η０）を算出する。

ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０５において、実際のエンジン回転速度ＮＥと目標燃料噴射量Ｑとに基づき、図８に示すような所定のマップｍｐ６に従って噴射時期補正感度Δθ／Δηを算出する。そしてＥＣＵ１００は、算出された噴射時期補正感度Δθ／Δηに、ステップＳ１０４において算出された浄化率差Δηを乗じることにより噴射時期補正量Δθを算出する。そしてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０６において、噴射時期補正量Δθにより基本噴射時期θｂを補正することで燃料噴射時期を補正する。具体的にはＥＣＵ１００は、基本噴射時期θｂに噴射時期補正量Δθを加算することで補正後の燃料噴射時期θ（＝θｂ＋Δθ）を算出する。この補正後の燃料噴射時期θに燃料噴射が開始されるようインジェクタ７が制御される。なお燃料噴射時期はクランク角（°ＣＡ）の単位を有し、その値が大きくなるほど進角側、その値が小さくなるほど遅角側に変化する。

図８に示すマップｍｐ６における噴射時期補正感度Δθ／Δηはプラスの値となる。浄化率差Δηがゼロのとき、すなわちＮＯｘ浄化率ηが基準ＮＯｘ浄化率η０に等しいとき、噴射時期補正量Δθはゼロである。浄化率差Δηがゼロに対しプラス側に大きくなるほど、すなわちＮＯｘ浄化率ηが基準ＮＯｘ浄化率η０より大きくなるほど、噴射時期補正量Δθはゼロに対しプラス側に大きくなり、燃料噴射時期はより進角側に補正される。逆に、浄化率差Δηがゼロに対しマイナス側に大きくなるほど、すなわちＮＯｘ浄化率ηが基準ＮＯｘ浄化率η０より小さくなるほど、噴射時期補正量Δθはマイナス側に大きくなり、すなわち燃料噴射時期はより遅角側に補正される。

例えば、浄化率差ΔηがマイナスのΔη１という値であるとき、マイナスないし遅角側のΔθ１という噴射時期補正量Δθが得られる。実際のＮＯｘ浄化率ηが基準ＮＯｘ浄化率η０より小さいとき、ＮＯｘ触媒２４の入口ガス温度Ｔｇを上昇させ、実際のＮＯｘ浄化率ηを基準ＮＯｘ浄化率η０に近づけるよう増大させるのが有利である。一つにはこの目的のため、燃料噴射時期が遅角側に補正される。こうした観点から、マップｍｐ６は上述の傾向を示すように作成されている。

このように本実施形態によれば、ＮＯｘ触媒２４の入口ガス温度Ｔｇだけでなく他のパラメータの影響も受けるＮＯｘ浄化率ηを推定し、この推定されたＮＯｘ浄化率ηに基づいて燃料噴射時期を補正する。特に、ＮＯｘ触媒２４の入口ガス温度Ｔｇだけでなく、他のパラメータであるアンモニア吸着量ＳＴＲ、ＮＯｘ質量流量Ｍ、ＮＯ２／ＮＯｘ比率Ｒにも基づいてＮＯｘ浄化率ηを推定し、この推定されたＮＯｘ浄化率ηに基づいて燃料噴射時期を補正する。よって、入口ガス温度Ｔｇ以外の他のパラメータの影響も考慮し、より適切かつ高精度に燃料噴射時期を補正することができる。

また本実施形態によれば、エンジンの運転状態に基づいて基本噴射時期θｂを算出すると共に、エンジンの運転状態に基づいて基準ＮＯｘ浄化率η０を算出し、推定された実際のＮＯｘ浄化率ηと基準ＮＯｘ浄化率η０との差Δηに基づき噴射時期補正量Δθを算出し、噴射時期補正量Δθにより基本噴射時期θｂを補正することで燃料噴射時期を補正する。これによっても適切かつ高精度に燃料噴射時期を補正することができる。

以上の説明で明らかなように、ＥＣＵ１００は本発明にいう推定部、補正部、基本噴射時期算出部および基準ＮＯｘ浄化率算出部をなす。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は他の実施形態も可能である。例えば、上述の実施形態ではエンジン回転速度と目標燃料噴射量とに基づき基本噴射時期を算出したが、こうして算出される基本噴射時期に外気温、吸気温、水温、大気圧等による補正を行って、補正後の基本噴射時期を基本噴射時期としてもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ エンジン
４ 排気通路
２４ 選択還元型ＮＯｘ触媒
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (3)

1. エンジンの排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を推定する推定部と、
   推定された前記ＮＯｘ浄化率に基づいて前記エンジンの燃料噴射時期を補正する補正部と、
   を備えたことを特徴とする排気浄化システム。
2. 前記エンジンの運転状態に基づいて基本噴射時期を算出する基本噴射時期算出部と、
   前記エンジンの運転状態に基づいて基準ＮＯｘ浄化率を算出する基準ＮＯｘ浄化率算出部と、
   をさらに備え、
   前記補正部は、前記ＮＯｘ浄化率と前記基準ＮＯｘ浄化率との差に基づき噴射時期補正量を算出し、前記噴射時期補正量により前記基本噴射時期を補正することで前記燃料噴射時期を補正する
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
3. 前記推定部は、前記ＮＯｘ触媒の入口ガス温度と、前記ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量と、前記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ質量流量と、前記ＮＯｘ触媒に供給される排気中のＮＯ２／ＮＯｘ比率とに基づいて前記ＮＯｘ浄化率を推定する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化システム。