JP4646868B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、排出ガス中の窒素酸化物を浄化するための触媒装置から硫黄分を除去する処理を実行し得るように構成された内燃機関の制御装置に関するものである。

ディーゼル内燃機関の排気通路には、排出ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯ_Ｘと略称する）を還元浄化するためのリーンＮＯ_Ｘ浄化触媒（以下、ＬＮＣと略称する）が設けられることがある。このＬＮＣにおいては、排出ガスの空燃比（以下、排気Ａ／Ｆと略称する）が所定値よりも高い（以下、リーンと呼称する）時、換言すると酸素濃度が高い時に取り込んだＮＯ_Ｘを、排気Ａ／Ｆが所定値よりも低い（以下、リッチと呼称する）時、換言すると酸素濃度が低下した時に放出し且つ還元して無害化する処理を行っている。またＬＮＣは、ＮＯ_Ｘ吸収量が増大するとその吸収性能が低下するので、適時、燃焼状態を変化させ、還元剤であるＣＯやＨＣ濃度を高めると共に酸素濃度を低下させ、それによってＬＮＣからのＮＯ_Ｘ放出を促進させ且つ十分に還元浄化させるようにしている。

他方、燃料には硫黄分が含まれているため、硫黄酸化物（以下ＳＯ_Ｘと略称する）や硫化水素（以下Ｈ_２Ｓと略称する）も排出される。これらの硫黄分がＬＮＣに吸収されると、ＬＮＣのＮＯ_Ｘ浄化性能が低下するので、ＬＮＣに吸収された硫黄分を適時放出する必要がある。このＬＮＣからの硫黄分の放出処理（以下、サルファパージと呼称する）として、吸入行程中に噴射される主燃料噴射に加えて、燃焼後補助燃料噴射（ 以下ポスト噴射と略称する）を行うことにより、ＬＮＣ温度を所定値以上に上昇させるのに必要な未燃燃料を排気通路に供給して排気Ａ／Ｆをリッチ化することにより、ＬＮＣの発熱を誘起していた（特許文献１を参照されたい）。

このサルファパージは、燃料消費率の悪化やＬＮＣの熱劣化を招くので、過度に行うことは好ましいことではない。そこでサルファパージの終了時期を正確に判断できることが望まれている。このために、燃料消費量からＳＯ_Ｘの蓄積量を推定し、この推定蓄積量から逆算してサルファパージ中のＳＯ_Ｘ放出量を推定し、推定放出量が所定値に到達した時点でサルファパージを終了させる手法（特許文献２を参照されたい）や、ＬＮＣの前後にＳＯ_Ｘセンサを設置し、ＬＮＣから放出されるＳＯ_Ｘが所定量以下になった時点でサルファパージを終了させる手法（特許文献３を参照されたい）が知られている。
特開２００１−１７３４９８号公報 特開２０００−１１０５５２号公報 特開２００１−３７８２号公報

しかるに、文献２に記載の手法は、あくまでも推定値によるものなので、サルファパージが不十分であるのに終了してしまったり、サルファパージが既に終了しているのに必要以上に継続されたりすることがあり得た。

また、文献３に記載の手法は、サルファパージの終了を正確に判断できる反面、複数のセンサを隣接させて設置しなければならないため、設置スペースの確保が問題となる上、製造コストを圧迫するといった問題がある。

本発明は、このような従来技術の不都合を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、構造の複雑化や製造コストの増大を招かずにＬＮＣのサルファパージを的確に実行することが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、排気通路に設けられたＬＮＣに吸着された硫黄分を除去するための処理手段を有する内燃機関の制御装置において、ＬＮＣの上流側の空燃比に対応する値を検出する上流側空燃比検出手段（Ｏ２センサ２７Ｕ）と、ＬＮＣの下流側の空燃比に対応する値を検出する下流側空燃比検出手段（Ｏ２センサ２７Ｌ）と、上流側空燃比検出手段の検出値と理論空燃比との差を算出する空燃比差算出手段と、ＬＮＣの温度を検出する温度検出手段（ＬＮＣ温度センサ２９）と、温度検出手段の検出値に基づき、ＬＮＣにおけるＣＯ消費率に対応する値を推定するＣＯ消費率推定手段と、空燃比差算出手段の算出値とＣＯ消費率推定手段の推定値とに基づき、硫黄分除去処理の終了を判定する第１終了判定手段（ステップ８）と、上流側空燃比検出手段の検出値と下流側空燃比検出手段の検出値とに基づき、硫黄分除去処理の終了を判定する第２終了判定手段（ステップ９）とを有し、第１終了判定手段と第２終了判定手段とのどちらか一方によって終了が判定された時点で硫黄分除去処理が終了したと判断する（ステップ１０）ことを特徴とするものとした（請求項１）。特に、上流側空燃比検出手段の検出値と理論空燃比との差の値の積算値をサルファパージ終了時期の判断に含ませるようにする（請求項２）と良い。
また、上流側空燃比検出手段の検出値と下流側空燃比検出手段の検出値との差の値の積算値をサルファパージ終了時期の判断に含ませると良い（請求項３）。
さらに、ＬＮＣに流入する排気の空間速度を検出し、この検出値をサルファパージ終了時期の判断に含ませるものとすると良い（請求項４）。

このような本発明によれば、異なる算出手順で同一の判定パラメータを算出する第１終了判定手段と第２終了判定手段とによりサルファパージの終了をそれぞれ判定し、第１終了判定手段の判定と第２終了判定手段の判定とのどちらか一方によって終了が判定された時点でサルファパージの終了判断を行うため、サルファパージ実行期間の最適化を図ることができる。
特に、ＬＮＣにおけるＣＯ消費率やＬＮＣに流入する排気の空間速度の検出値でサルファパージ終了時期の判断基準値を補正するものとすれば、触媒との接触、反応確率変化の影響による還元剤消費量の変化度合いを考慮することができ、サルファパージの終了時期の判断をより一層的確に行うことができる。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される内燃機関Ｅの基本的な構成図である。この内燃機関（ディーゼルエンジン）Ｅは、その機械的な構成自体は周知のものと何ら変わるところはなく、過給圧可変機構付きターボチャージャ１を備えるものであり、ターボチャージャ１のコンプレッサ側に吸気通路２が連結され、ターボチャージャ１のタービン側に排気通路３が連結されている。そして吸気通路２の上流端にエアクリーナ４が接続され、吸気通路２の適所に燃焼室に流入する新気の流量を調節するための吸気制御弁５と、低回転低負荷運転域で流路断面積を絞って吸気流速を高めるためのスワールコントロール弁６とが設けられている。また排気通路３の下流端には、酸化触媒（以下、ＤＯＣと略称する）７と、煤などの粒子状物質を除去するフィルタ（以下、DＰＦと略称する）８と、前記したＬＮＣ９とを、排気の流れに沿ってこの順に連設してなる排気浄化装置１０が接続されている。

スワールコントロール弁６と排気通路３における燃焼室の直後との間は、排出ガス再循環（以下、ＥＧＲと略称す）通路１１を介して互いに連結されている。このＥＧＲ通路１１は、切換弁１２を介して分岐されたクーラー通路１１ａとバイパス通路１１ｂとからなり、その合流部に、燃焼室に流入するＥＧＲ量を調節するＥＧＲ制御弁１３が設けられている。

内燃機関Ｅのシリンダヘッドには、その先端を燃焼室に臨ませた燃料噴射弁１４が設けられている。この燃料噴射弁１４は、燃料を所定の高圧状態で蓄えるコモンレール１５に連結され、コモンレール１５には、クランク軸にて駆動されて燃料タンク１６から燃料を汲み上げる燃料ポンプ１７が接続されている。

これらのターボチャージャ１の過給圧可変機構１９、吸気制御弁５、ＥＧＲ通路切換弁１２およびＥＧＲ制御弁１３、燃料噴射弁１４、燃料ポンプ１７・・・等は、電子制御装置（以下、ＥＣＵと略称する）１８からの制御信号によって作動するように構成されている（図２参照）。

一方、ＥＣＵ１８には、図２に示すように、内燃機関Ｅの所定箇所に配置された吸気弁開度センサ２０、クランク軸回転速度センサ２１、吸気流量センサ２２、過給圧センサ２３、ＥＧＲ弁開度センサ２４、コモンレール圧センサ２５、アクセルペダル操作量センサ２６、Ｏ_２センサ２７Ｕ・２７Ｌ、ＮＯ_Ｘセンサ２８Ｕ・２８Ｌ、ＬＮＣ温度センサ２９・・・等からの出力信号が入力されている。

ＥＣＵ１８のメモリには、クランク軸回転速度および要求トルク（アクセルペダル操作量）に応じて実験等によって予め求めた最適燃料噴射量をはじめとする各制御対象の制御目標値を設定したマップが格納されており、内燃機関Ｅの負荷状況に応じて最適な燃焼状態が得られるように、各部の制御が行われる。

次に本発明によるサルファパージに係わる制御フローについて図３を参照して説明する。

先ず、ＬＮＣ９のＳ（硫黄分）被毒量を推定すると共に、サルファパージに必要な還元剤量を把握する（ステップ１）。

Ｓ被毒量は、図４に示すように、ＮＯ_Ｘ浄化率と逆比例の関係にあり、ＮＯ_Ｘ浄化率が高いとＳ被毒量は小さく、Ｓ被毒が進行するとＮＯ_Ｘ浄化率は低下する。この関係より、ＮＯ_Ｘ浄化率の低下度合いからＳ被毒量を推定することができる。ここでＮＯ_Ｘ浄化率は、ＬＮＣ９の上流側（入口）と下流側（出口）とのそれぞれに設置した２つのＮＯ_Ｘセンサ２８Ｕ・２８Ｌの出力差の比率を求めることで算出できる。そしてサルファパージに必要な還元剤量は、Ｓ被毒量と正比例の関係にあるので（図５）、Ｓ被毒量が分かれば自ずと得られる。なお、ＬＮＣ９のＳ被毒量は、走行距離、運転時間、燃料消費量などからも推定することができる。

次に、Ｓ被毒量推定値が予め設定した規定値を超えたか否かを判断する（ステップ２）。ここでＳ被毒量が規定値を超えていると判断された時は、サルファパージを実行するものとし、ＬＮＣ９の上流側に設置されたＬＮＣ温度センサ２９の出力値により、ＬＮＣ９がサルファパージ実行可能温度以上であるか否かを判断する（ステップ３）。ここでＬＮＣ温度センサ２９の出力値が所定値（例えば摂氏６５０度）に達していなければ、昇温制御を行う（ステップ４）。

昇温制御は、メイン噴射タイミングの遅角、ポスト噴射の増量、吸入空気量の減量などを適宜に併用することにより、サルファパージが可能なＬＮＣ温度を維持するようにフィードバック制御する。

ＬＮＣ９がサルファパージ可能な温度に達していたならば、サルファパージのための排気Ａ／Ｆリッチ化制御を実行する（ステップ５）。この排気Ａ／Ｆリッチ化制御は、基本的には昇温制御と同様であるが、昇温制御よりもポスト噴射量を更に増加させ、且つ吸入空気量を更に減量することにより行う。

このようなＬＮＣ９がサルファパージ可能なリッチ環境にある時に、ＬＮＣ９の上流側と下流側とのそれぞれに設置した２つのＯ２センサ２７Ｕ・２７Ｌの出力を監視し、上流側Ｏ２センサ２７Ｕの出力とある所定の基準値（例えば理論空燃比＝ストイキ）との差の積算値に基づいてＬＮＣ９への還元剤消費量を推定するか（ステップ６）、あるいは、上流側Ｏ２センサ２７Ｕと下流側Ｏ２センサ２７Ｌとの出力差の積算値に基づいてＬＮＣ９での還元剤消費量を推定する（ステップ７）。そしてこれらの還元剤消費量を監視してステップ１で求めた還元剤必要量と比較し（ステップ８、９）、還元剤消費量が還元剤必要量に達したことが判別されたならば、サルファパージ終了判定信号を出力する（ステップ１０）。

具体的には、排気中の酸素濃度から排気Ａ／Ｆが分かり、上流側Ｏ２センサ２７Ｕから得られた排気Ａ／Ｆと理論空燃比（ストイキ）との差の積算値からＬＮＣ９への還元剤供給量が分かり、後述するようにこの還元剤供給量にＬＮＣ温度から求めたＣＯ消費率を乗ずることにより還元剤消費量を正確に求めることができ、上流側Ｏ２センサ２７Ｕと下流側Ｏ２センサ２７Ｌとの出力差の積算値からＬＮＣ９での還元剤消費量を求めることができるので、サルファパージ処理中の２つのＯ２センサの出力とＬＮＣ温度とを監視すれば、サルファパージ中に消費された還元剤量を２通りで推定することができる。つまり、あるＳ被毒量をサルファパージするのに必要な還元剤量を予め求めておけば、どちらか一方の還元剤消費量が必要量に到達した時点をもってサルファパージの終了時期を判断することができる。

なお、いずれか一方の還元剤消費量だけでもサルファパージの終了時期を判断できるが、両者を互いに比較することでより一層精度を高めることができる。

図６は、サルファパージ実行中のＬＮＣ９の上流側と下流側とのそれぞれに設置した２つのＯ_２センサ２７Ｕ・２７Ｌの出力差とＳ濃度との推移を示したものである。サルファパージ初期は、２つのＯ_２センサの出力差が大きく、ＳＯ_Ｘ濃度あるいはＨ_２Ｓ濃度の低下、つまりサルファパージの進行と共に２つのＯ_２センサの出力差が減少している。このことから、２つのＯ_２センサの出力差からＳの放出量を推定することが可能なことが分かる。

サルファパージは、図７に示すように、ＬＮＣ９の温度が高い方が、その処理に要する時間が減少する傾向にある。これはＬＮＣ９における還元剤としてのＣＯ消費率との相関があり、図８に示すように、ＬＮＣ温度が高いほどＣＯ消費率が高いことを表している。即ち、単に上流側Ｏ_２センサ２７Ｕから得られた排気Ａ／Ｆと理論空燃比（ストイキ）との差の積算値から判断するのみならず、この積算値にＬＮＣ温度から求めたＣＯ消費率を乗ずることにより、還元剤消費量を正確に把握することができ、ＬＮＣのサルファパージ終了時期の判断精度をより一層高めることが可能となる。

更に、空間速度ＳＶが高いほど還元剤の供給量が高まるので、空間速度ＳＶを考慮することにより、還元剤の供給量（消費量）を正確に把握することができ、ＬＮＣのサルファパージ終了時期の判断をより一層的確に行うことができる。ここで空間速度ＳＶとは、還元剤供給容積速度の反応器容積に対する割合であり、
（吸入空気量＋燃料供給量）／ＬＮＣ容積
で与えられる。なお、吸入空気量は吸気流量センサ２２の出力値であり、燃料供給量は、主にアクセルペダル操作量センサ２６の出力に対するＥＣＵ１８からの燃料噴射弁１３の制御量から求めた推定値であり、ＬＮＣ容積は、予め実測して求めた値である。

図３におけるステップ６の処理において、上流側Ｏ_２センサ２７Ｕの出力と理論空燃比との差の積算値に上述したＳＶ値およびＣＯ消費率を乗ずることにより、触媒との接触、反応確率変化の影響による還元剤消費量の変化度合いを考慮することができ、各運転状態に応じた還元剤の量をより一層正確に把握することができる。

また図３におけるステップ７の処理においては、２つのＯ_２センサ２７Ｕ・２７Ｌの出力差には既にＣＯ消費率の変化が含まれた値となるので、空間速度ＳＶのみを乗じれば良い。

このように、ＣＯ消費率並びにＳＶ値を加味するものとすれば、上流側Ｏ_２センサ２７Ｕの出力と理論空燃比との差の積算値だけでも充分に正確な還元剤の消費量を把握し得るので、Ｏ_２センサを１本設ければ済むことになり、製造コスト並びに設置スペースの増大を回避する上に寄与することができる。

本発明が適用される内燃機関の全体構成図である。 本発明が適用される制御装置のブロック図である。 本発明による制御フロー図である。 Ｓ被毒量とＮＯ_Ｘ浄化率との関係を示す線図である。 Ｓ被毒量とサルファパージに要する還元剤量との関係を示す線図である。 ２つのＯ_２センサの出力差とＳ濃度との推移を示す線図である。 サルファパージ速度とＬＮＣ温度との関係を示す線図である。 ＣＯ消費率とＬＮＣ温度との関係を示す線図である。

符号の説明

３ 排気通路
９ ＬＮＣ
１８ ＥＣＵ
２７Ｕ・２７Ｌ Ｏ_２センサ

Claims (4)

1. 排気通路に設けられたＮＯｘ触媒に吸着された硫黄分を除去するための処理手段を有する内燃機関の制御装置であって、
   前記ＮＯｘ触媒の上流側の空燃比に対応する値を検出する上流側空燃比検出手段と、
   前記ＮＯｘ触媒の下流側の空燃比に対応する値を検出する下流側空燃比検出手段と、
   前記上流側空燃比検出手段の検出値と理論空燃比との差を算出する空燃比差算出手段と、
   前記ＮＯｘ触媒の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段の検出値に基づき、前記ＮＯｘ触媒におけるＣＯ消費率に対応する値を推定するＣＯ消費率推定手段と、
   前記空燃比差算出手段の算出値と前記ＣＯ消費率推定手段の推定値とに基づき、硫黄分除去処理の終了を判定する第１終了判定手段と、
   前記上流側空燃比検出手段の検出値と前記下流側空燃比検出手段の検出値とに基づき、硫黄分除去処理の終了を判定する第２終了判定手段とを有し、
   前記第１終了判定手段と前記第２終了判定手段とのどちらか一方によって終了が判定された時点で硫黄分除去処理が終了したと判断することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記上流側空燃比検出手段の検出値と理論空燃比との差の値を積算する第１積算手段を有し、
   該第１積算手段の積算値を前記硫黄分除去処理の終了の判断に含ませることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記上流側空燃比検出手段の検出値と前記下流側空燃比検出手段の検出値との差の値を積算する第２積算手段を有し、
   該第２積算手段の積算値を前記硫黄分除去処理の終了の判断に含ませることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の空間速度を検出する空間速度検出手段を有し、該空間速度検出手段の検出値を硫黄分除去処理の終了時期の判断に含ませることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

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