JP6069820B2

JP6069820B2 - 内燃機関の排気浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排気浄化方法

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Publication number: JP6069820B2
Application number: JP2011210928A
Authority: JP
Inventors: 和広榎
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: JP2013072328A

Description

本発明は、エンジンの運転挙動の大きな変化を伴うことなく、ＤＰＦに捕集されるＰＭの酸化除去を促進できて、ＰＭ強制再生制御の頻度を減少できる内燃機関の排気浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排気浄化方法に関する。

自動車搭載のディーゼルエンジン等の内燃機関においては、排気ガス中にＰＭ（粒子状物質）やＮＯｘ（窒素酸化物）が含まれており、触媒担持フィルタやＮＯｘ浄化触媒を備えた排気浄化システムを用いて、これらの成分が大気中に放出されるのを防止している。

この排気浄化システムの一つに、図１に示すような、エンジン本体１１の排気管１２の途中に酸化触媒（ＤＯＣ）１３ａと触媒担持フィルタ１３ｂを組み合わせたＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置１３が備えられ、その後方にＮＯ浄化用の選択還元型触媒（ＳＣＲ）１４が配置されている排気浄化システム１０がある。

この排気浄化システム１０では、エンジン本体１１から排出されたＰＭは触媒を担持した触媒担持フィルタ１３ｂに捕集される。この捕集され、触媒担持フィルタ１３ｂに堆積したＰＭは、排気ガスＧ中の二酸化窒素（ＮＯ2）により、「２Ｃ＋２ＮＯ2→２ＣＯ2＋Ｎ2」又は「Ｃ＋ＮＯ2→ＣＯ2＋ＮＯ」の反応で、連続的に酸化除去される。この二酸化窒素の一部は排気ガスＧに含まれているが、排気ガスＧ中の一酸化窒素（ＮＯ）が前段（上流側）の酸化触媒１３ａにより、図５に示される温度と一酸化窒素から二酸化窒素への変換率との関係に従って酸化されて二酸化窒素になる。

しかしながら、排気ガス温度Ｔが酸化触媒１３ａの活性化温度より低い状況（Ｔ＜Ｔａ）、又は、活性の高い温度範囲よりも高い状況（Ｔ＞Ｔｂ）が続くような条件では、二酸化窒素の生成が起こらないため、二酸化窒素によるＰＭ酸化の連続再生が起こらずに、ＰＭが触媒担持フィルタ１３ｂに堆積し続けてしまう。

この対策としては、例えば、排気通路に、酸化触媒と、排ガスＧ中のＰＭを捕集するＤＰＦと、排気ガス温度を検出する排気ガス温度センサーが配置され、排気ガス温度が所定の温度範囲になるよう吸気通路に配設された空気量調節機構を制御するコントローラを具備して、エンジンの全運転領域においてＤＰＦに捕集されたＰＭを確実に燃焼してＰＭが堆積することが無いようにしたディーゼルエンジンの排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、実際の車両運転においては内燃機関（エンジン）は種々の運転条件下で運転されており、上記のディーゼルエンジンの排気浄化装置のように、排気ガス温度を所定範囲内の温度に制御することは殆ど不可能であり、実際的ではない。例えば、この排気浄化装置では、設定温度より高い場合には過給機を駆動させて空気量を増やし、設定温度よりも低い場合は吸気スロットルを閉じて空気量を減らすことが提案されているが、ある条件下における運転中にそのような変化を起こすとエンジンの挙動に大きな変化が生じ、ドライバーが予期せぬエンジンの挙動により不快感を覚えることとなり、商品性を著しく損なうこととなる。

特開２００２−００４８３８号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＭ強制再生制御でない場合において、エンジンの運転の挙動の大きな変化を伴わないＮＯｘ増加制御を行って、ＰＭの酸化の向上を図ってＰＭ強制再生制御の頻度を減少できて、排気浄化性能の向上と運転性の悪化の防止の両立を図ることができる内燃機関の排気浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排気浄化方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関の排気通路に、上流側から順に酸化触媒、触媒担持フィルタを備えると共に、内燃機関の運転を制御する内燃機関制御装置を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記内燃機関制御装置は、前記触媒担持フィルタに堆積したＰＭの堆積量が予め設定した制御開始量以上と判定され、前記酸化触媒の入口の排気ガス温度が予め設定した第一の温度範囲内と判定された時に、排ガスの温度低下に基づいて設定された第一の所定時間の間ＮＯｘ増加制御を行った後、前記排気ガス温度が、上限と下限が前記第一の温度範囲の上限と下限に対してＮＯｘ増加制御で低下すると見込まれる温度だけそれぞれ低い第二の温度範囲内であるか否かに基づいてＮＯｘ増加制御を行うか否かを判定し、ＮＯｘ増加制御を行うと判定する毎に、前記排気ガス温度がＮＯｘ増加制御により予め予測した温度低下量の分が低下しきると予測される時間である第一の所定時間とは異なる前記排気ガス温度の判定のインターバルである第二の所定時間の間ＮＯｘ増加制御を行うように構成する。

この構成によれば、ＰＭの堆積量がある程度多くなった場合に、一酸化窒素（ＮＯ）から二酸化窒素（ＮＯ₂）への転換率の高い温度範囲で、ＰＭに対しての還元剤である窒素酸化物（ＮＯｘ）を増加させるＮＯｘ増加制御を行うことにより、二酸化窒素によるＰＭの酸化を促進して効率良く触媒担持フィルタに堆積したＰＭを燃焼除去できるので、ＰＭの堆積量の増加を抑制できてＰＭ強制再生制御の頻度を減少することができる。

また、ＮＯｘ増加制御は、吸気空気量（酸素濃度）を変化させる方法に比べて、エンジンの運転の挙動の大きな変化を伴わないので、排気浄化性能の向上と運転性の悪化防止の両立を図ることができる。

上記の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記触媒担持フィルタより下流側の前記排気通路に、上流側から順に、尿素水供給装置、選択還元型触媒を備えると共に、前記尿素水供給装置における尿素水の供給を制御する尿素水供給制御装置は、前記ＰＭの堆積量が前記制御開始量より小さい場合には、内燃機関から排出されるＮＯｘ量に応じて前記尿素水供給装置から尿素水を供給してＮＯｘを浄化する通常制御を行い、さらに、通常運転時のＮＯｘ量算出用マップデータに加えて、ＮＯｘ増加制御をした場合に増加すると予測されるＮＯｘ増加量を予めマップデータ化してＮＯｘ増加量算出用マップデータを作成して記憶しておき、ＮＯｘ増加制御時に、前記ＮＯｘ量算出用マップデータに基づいて算出されるＮＯｘ量に、前記ＮＯｘ増加量算出用マップデータに基づいて算出されるＮＯｘ増加量を加えたＮＯｘ排出量に対して、尿素水の供給量を増加する尿素水増加制御を行うように構成すると、ＮＯｘ増加制御による、後段（下流側）の選択還元型触媒のＮＯｘ浄化率への悪影響を避けることができる。

そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気浄化方法は、内燃機関の排気中のＮＯｘとＰＭを、排気通路に上流側から順に酸化触媒、触媒担持フィルタを配置した排気浄化システムで浄化する内燃機関の排気浄化方法において、前記触媒担持フィルタに堆積したＰＭの堆積量が予め設定した制御開始量以上の場合には、前記酸化触媒の入口の排気ガス温度が予め設定した第一の温度範囲内に有るときに、排ガスの温度低下に基づいて設定された第一の所定時間の間ＮＯｘ増加制御を行った後、前記排気ガス温度が、上限と下限が前記第一の温度範囲の上限と下限に対してＮＯｘ増加制御で低下すると見込まれる温度だけそれぞれ低い第二の温度範囲内であるか否かに基づいてＮＯｘ増加制御を行うか否かを判定し、ＮＯｘ増加制御を行うと判定する毎に、前記排気ガス温度がＮＯｘ増加制御により予め予測した温度低下量の分が低下しきると予測される時間である第一の所定時間とは異なる前記排気ガス温度の判定のインターバルである第二の所定時間の間ＮＯｘ増加制御を行うことを特徴とする方法である。
また、上記の内燃機関の排気浄化方法において、前記触媒担持フィルタより下流側の前記排気通路に、上流側から順に、尿素水供給装置、選択還元型触媒を備えると共に、前記ＰＭの堆積量が前記制御開始量より小さい場合には、内燃機関から排出されるＮＯｘ量に応じて前記尿素水供給装置から尿素水を供給してＮＯｘを浄化する通常制御を行い、さらに、通常運転時のＮＯｘ量算出用マップデータに加えて、ＮＯｘ増加制御をした場合に増加すると予測されるＮＯｘ増加量を予めマップデータ化してＮＯｘ増加量算出用マップデータを作成して記憶しておき、ＮＯｘ増加制御時に、前記ＮＯｘ量算出用マップデータに基づいて算出されるＮＯｘ量に、前記ＮＯｘ増加量算出用マップデータに基づいて算出されるＮＯｘ増加量を加えたＮＯｘ排出量に対して、尿素水の供給量を増加する尿素水増加制御を行うことを特徴とする方法である。

この方法によれば、ＰＭの堆積量がある程度多くなった場合に、一酸化窒素から二酸化窒素への転換率の高い温度範囲で、ＰＭに対しての還元剤である窒素酸化物を増加させるＮＯｘ増加制御を行うことにより、二酸化窒素によるＰＭの酸化を促進して効率良く触媒担持フィルタに堆積したＰＭを燃焼除去できるので、ＰＭの堆積量の増加を抑制できてＰＭ強制再生制御の頻度を減少することができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排気浄化方法によれば、ＰＭ強制再生制御でない場合において、エンジンの運転の挙動の大きな変化を伴わないＮＯｘ増加制御を行って、ＰＭの酸化の向上を図ってＰＭ強制再生制御の頻度を減少できて、排気浄化性能の向上と運転性の悪化の防止の両立を図ることができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の排気浄化システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態の内燃機関の排気浄化方法の制御フローの一例を示す図である。図２のＮＯｘ増加制御と尿素水増加制御の制御フローの一例を示す図である。図２のＮＯｘ増加制御と尿素水増加制御の制御フローの他の例を示す図である。温度と一酸化窒素（ＮＯ）から二酸化窒素（ＮＯ₂）への変換率との関係と、高変換温度範囲を示す図である。図２の温度を高温側にずらした温度と一酸化窒素（ＮＯ）から二酸化窒素（ＮＯ₂）への変換率との関係と、制御開始用温度範囲を示す図である。ＮＯｘ増加制御における制御用領域を示す図である。本発明の内燃機関の排気浄化方法におけるＤＰＦ差圧の時間変化と各制御との関係を示す図である。従来技術の内燃機関の排気浄化方法におけるＤＰＦ差圧の時間変化と各制御との関係を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排気浄化方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この実施の形態の内燃機関の排気浄化システム１０は、エンジン本体１１の排気通路(排気管)１２の途中に、ＤＰＦ装置１３が備えられ、その後段（下流側）には、尿素水供給装置１５と選択還元型触媒（ＳＣＲ）１４が順に配置されている。このＤＰＦ装置１３は上流側（前段）の酸化触媒（ＤＯＣ）１３ａと、下流側（後段）の触媒を担持した触媒担持フィルタ（フィルタ）１３ｂを組み合わせて構成されている。

更に、酸化触媒１３ａの上流側に酸化触媒１３ａの入口の排気ガス温度Ｔを検出する第１温度センサー２１を配置し、また、選択還元型触媒１４の上流側に、選択還元型触媒１４の入口の排気ガス温度Ｔｘを検出する第２温度センサー２２を配置する。更に、選択還元型触媒１４の入口側に選択還元型触媒１４に流入するＮＯｘ量を測定できるＮＯｘセンサー２３を配置する。また触媒担持フィルタ１３ｂの前後には差圧センサー（図示しない）を設けて、触媒担持フィルタ１３ｂに溜まったＰＭの堆積量を監視（モニター）している。また、必要に応じて、選択還元型触媒１４の下流側（後方）にアンモニア酸化用の触媒（図示しない）を配置する。

そして、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる内燃機関制御装置３０が設けられる。この内燃機関制御装置３０は、上記のセンサー２１、２２、２３からの情報のほかに、図１には示さないエンジンの運転状況を判断するエンジン運転状況判断手段からの情報を入手して、内燃機関（エンジン）の全般の制御を行う。

また、内燃機関制御装置３０と繋がっている、ＤＣＵ（ドージングユニット）と呼ばれる尿素水供給制御装置３１が設置される。この尿素水供給制御装置３１の指令を受けて、尿素水供給装置１５が、選択還元型触媒１４でＮＯｘを浄化するために、尿素水タンク他の供給に必要な装置（図示しない）から排気通路１２に尿素水を供給する。

次に、この内燃機関の排気浄化システム１０における内燃機関の排気浄化方法について説明する。この本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気浄化方法では、触媒担持フィルタ１３ｂに堆積したＰＭの堆積量が予め設定した制御開始量以下の場合、即ち、触媒担持フィルタ１３ｂの前後差圧Ｐが制御開始差圧値Ｐｓより小さい通常制御時は、特段な制御を行なわない。

この通常制御の状態では、触媒担持フィルタ１３ｂに関しては、酸化触媒１３ａの温度を指標する、第１温度センサー２１で検出される排気ガス温度Ｔが、図５に示す高変換温度範囲（Ｔａ以上Ｔｂ以下）Ｒ１内であれば、この排気ガス温度Ｔに応じた一酸化窒素（ＮＯ）から二酸化窒素（ＮＯ₂）への変換が、変換率の高い状態で行われ、この排気ガス中の二酸化窒素によってＰＭの酸化が促進されるが、排気ガス温度Ｔが図５に示す高変換温度範囲Ｒ１内から外れると、ＰＭの堆積量が増加し前後差圧Ｐも増えていくこととなる。この高変換温度範囲Ｒ１は、酸化触媒１３ａに担持される触媒の活性温度範囲に密接に関係し、例えば、酸化触媒１３ａの入口の排気ガス温度Ｔに関して２５０℃〜４００℃の温度範囲内とされる。つまり、Ｔａ＝２５０℃、Ｔｂ＝４００℃となる。

このとき、選択還元型触媒１４に関しては、排出されるＮＯX量に応じた通常制御でＮＯXを浄化している。つまり、エンジン運転状況判断手段からエンジン運転状態（エンジン回転数、トルク又はエンジン負荷）の情報を入手して、このエンジン運転状態に対応するＮＯｘ排出量を、予め設定され、尿素水供給制御装置３１（又は内燃機関制御装置３０）に記憶された通常運転時のＮＯｘ量算出用マップデータを参照して算出し、この算出されたＮＯｘ排出量を還元できる尿素水の供給量を、尿素水供給装置１５から供給して、この尿素水から発生するアンモニアを用いて、ＤＰＦ装置１３から流出してくるＮＯｘを選択還元型触媒１４で還元している。なお、還元で消費しきれなかったアンモニアは、下流側のアンモニア酸化用の触媒（図示しない）で酸化して無害化する。

そして、時間の経過又は走行距離の増加と共に、触媒担持フィルタ１３ｂに堆積したＰＭの量が増加して前後差圧Ｐが増加する。従来技術における、前後差圧（ＤＰＦ差圧）の増加の概略の様子を図９に示す。前後差圧Ｐが、予め設定した限界差圧値Ｐｋに到達すると、触媒担持フィルタ１３ｂの圧損を下げるためにＰＭ強制再生制御（強制再生）を行う。図９に示すように、触媒担持フィルタ１３ｂにＰＭが全く溜まっていないときの前後差圧Ｐの初期圧力をＰ０とすると、強制再生後の前後差圧値Ｐ０ｋは、Ｐ０≦Ｐ０ｋの関係にある。最初の強制再生後は、この前後差圧値Ｐ０ｋから前後差圧Ｐは増加して限界差圧値Ｐｋに到達するとＰＭ強制再生制御を行うことを繰り返す。

一方、本発明の内燃機関の排気浄化方法の制御では、図８に示すように、強制再生後の前後差圧Ｐ０ｋを上回る制御開始差圧値Ｐｓに前後差圧Ｐが到達した後に、状況に応じてＮＯｘ増加制御を行う。つまり、触媒担持フィルタ１３ｂに堆積したＰＭの堆積量が予め設定した制御開始量を超えた場合に、状況に応じてＮＯｘ増加制御を行い、更に、ＰＭの堆積量が捕集限界量（限界堆積量）に到達するとＰＭ強制再生制御を行うように構成される。

この本発明の内燃機関の排気浄化方法に関して、図２の制御フローを参照しながら説明する。この図２の制御フローは、内燃機関の運転開始と共に上級の制御フローより呼ばれて実施され、実施後に上位の制御フローに戻っては、繰り返し呼ばれて実施され、内燃機関の運転の終了時には、上位の制御フローと共に終了するものとして示してある。

この図２の制御フローが呼ばれてスタートすると、ステップＳ１１で、触媒担持フィルタ１３ｂに堆積したＰＭの堆積量が予め設定した制御開始量を超えたか否かを、触媒担持フィルタ１３ｂの前後差圧Ｐが、制御開始差圧値Ｐｓ以上になったか否かで判定する。

このステップＳ１１で、前後差圧Ｐが制御開始差圧値Ｐｓよりも小さい場合には（ＮＯ）、ステップＳ３０で、通常制御を、予め設定した所定の時間（ステップＳ１１の判定のインターバルに関係する時間）Δｔ１の間行った後、ステップＳ１１に戻り、前後差圧Ｐが制御開始差圧値Ｐｓ以上になるのを待つ。

ステップＳ１１の判定で、前後差圧Ｐが制御開始差圧値Ｐｓ以上に達した場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１２に行き、酸化触媒１３ａの温度を指標する、第１温度センサー２１で検出される排気ガス温度Ｔが、図６に示すような制御開始温度範囲（Ｔ１以上、Ｔ２以下）Ｒ２内にあるか否かを判定する。

この制御開始温度範囲Ｒ２は、ＮＯｘ増加制御を行った場合に排気ガス温度Ｔが低下するので、予めどの程度低下するかを実験などで把握しておき、エンジンの運転状態に応じて、予め低下する温度ΔＴａ、ΔＴｂを予測して、Ｔ１＝Ｔａ＋ΔＴａ、Ｔ２＝Ｔｂ＋ΔＴｂとすることが好ましい。

これにより、ＮＯｘ増加制御で低下する温度ΔＴａ、ΔＴｂを予め見込んで、高変換温度範囲Ｒ１より高いほうに移動した制御開始温度範囲Ｒ２を用いて、転換率のピークに近いところで、ＰＭに対する還元剤であるＮＯ₂を増やすことにより、触媒担持フィルタ１３ｂにおけるＰＭの酸化をより促進させることができる。

このステップＳ１２の判定で、排気ガス温度Ｔが、制御開始温度範囲Ｒ２内にない場合は、予め設定した所定の時間（ステップＳ１１の判定のインターバル、及び、ステップＳ１２の判定のインターバルに関係する時間）Δｔ２を経過した後、ステップＳ１１に戻り、排気ガス温度Ｔが制御開始温度範囲Ｒ２内になるのを待つ。ステップＳ１２の判定で、排気ガス温度Ｔが制御開始温度範囲Ｒ２内に入った場合は、ステップＳ１３に行き、ＮＯｘ増加制御と尿素水増加制御（ＮＯｘ増加対応制御）を並行して行う。

このＮＯｘ増加制御は、図２の制御フローのステップＳ１３で呼ばれて、図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ２１で、ステップＳ１２の判断と同じＴ1≦Ｔ≦Ｔ２の判定で、ＮＯｘ増加制御を開始してよいか（ＯＮであるか）否かを判定し、開始してよくない（制御ＯＦＦ）ならば（ＮＯ）、ステップＳ３２で、通常制御を予め設定した所定の時間（ステップＳ２１の判定のインターバルに関係する時間）Δｔ３の間行った後、ステップＳ２１に戻り、ＮＯｘ増加制御を開始してよい状態になるまで待つ。

ステップＳ２１で、ＮＯｘ増加制御を開始してもよい（制御ＯＮ）と判断されると（ＹＥＳ）、次のステップＳ２２で、エンジン運転状況検出手段から得られるエンジン回転数ＮｅとトルクＴｒｑ（又はエンジン負荷）に基づいて、これらをパラメータとした図７に示される制御用領域（ゾーン）Ａ、Ｂ、Ｃのどの制御用領域にあるかの判断を行い、次のステップＳ２３〜Ｓ２５で、それぞれの制御用領域Ａ、Ｂ、Ｃに対応した制御が行われる。この制御用領域Ａ、Ｂ、Ｃは、排気ガス温度Ｔと密接な関係を有する酸化触媒１３ａの一酸化窒素から二酸化窒素への変換率との関連により区分されている。

制御用領域Ａの場合は、低温側で一酸化窒素が二酸化窒素に変換する変換率がやや低い領域であるため、ステップＳ２３でシリンダ内での燃料噴射のタイミングを進角させるタイミング進角によりエンジン本体１１から排出されるＮＯｘを増加する。また、制御用領域Ｂの場合は、一酸化窒素が二酸化窒素に変換する変換率も高い領域であるため、ステップＳ２４でタイミング進角と、ＥＧＲを停止するＥＧＲカットとの両方によりエンジン本体１１から排出されるＮＯｘを大幅に増加する。また、制御用領域Ｃの場合は、高温側で必要とされるトルクも大きくなる（エンジン負荷も上がる）領域であるため、ステップＳ２５で、タイミング進角でなく、ＥＧＲカットによりエンジン本体１１から排出されるＮＯｘを増加する。

なお、図７では、制御用領域を温度領域と関連させて各領域（ゾーン）Ａ、Ｂ、Ｃを全て直線で囲まれた形で示しているが、この図７の表示はイメージ的な図であり、実際の場合は、事前に決定された、タイミング進角やＥＧＲカット等の各制御がマップデータに書き込まれ内燃機関制御装置３０に記憶して、制御にそのマップデータを参照して、タイミング進角やＥＧＲカット等を選択して制御することになる。

このＮＯｘ増加制御により、エンジン本体１１から排気通路１２に排出される排気ガスＧ中のＮＯｘが増加し、酸化触媒１３ａに流入する排気ガス温度Ｔに応じた変換率で一酸化窒素から二酸化窒素への変換が酸化触媒１３ａで行われ、この排気ガス中の二酸化窒素が増加する。この二酸化窒素によって触媒担持フィルタ１３ｂに堆積されたＰＭの酸化が促進される。

また、ステップＳ２３〜Ｓ２５では、このＮＯｘ増加制御と共に、尿素水増加制御を行う。この尿素水増加制御は、ＮＯｘ増加制御により、選択還元型触媒１４に流入するＮＯｘの量が、ＮＯｘ増加制御を行わない通常制御の場合よりも増加するため、この増加したＮＯｘを処理する必要があるため行われる。

この尿素水増加制御は、ＮＯｘの増加に見合う分の尿素水を増加する制御であり、ＮＯｘ増加制御によるＮＯｘの増加量が、図７の各制御用領域Ａ、Ｂ、Ｃに対応した処理によって異なるため、その制御用領域でＮＯｘ増加制御した場合に排出されるであろうＮＯｘを事前に把握して、通常運転時のＮＯｘ量算出用マップデータに加えて、ＮＯｘ増加制御をした場合に増加すると予測されるＮＯｘ増加量を予めマップデータ化してＮＯｘ増加量算出用マップデータを作成して、尿素水供給制御装置３１（又は内燃機関制御装置３０）に記憶しておき、ＮＯｘ増加制御時に、ＮＯｘ増加量算出用マップデータに基づいて尿素水の供給量を増加する尿素水増加制御を行う。

つまり、尿素水供給制御装置３１に記憶されたＮＯｘ増加制御時のＮＯｘ増加量算出用マップデータを参照してＮＯｘの増加量を算出し、この算出されたＮＯｘ増加量を還元できる尿素水の供給量を増加して、尿素水供給装置１５から供給して、この尿素水から発生するアンモニアを用いて、ＤＰＦ装置１３から流出してくるＮＯｘを選択還元型触媒１４で還元する。なお、この還元で消費しきれなかったアンモニアは、下流側のアンモニア酸化用の触媒（図示しない）で酸化して無害化する。これにより、ＮＯｘ増加制御の選択還元型触媒１４におけるＮＯｘ浄化率への悪影響を避けることができる。

このＮＯｘ増加制御と尿素水増加制御を予め設定された所定時間Δｔ４の間行い、リターンして、図２のステップＳ１３に戻り、次のステップＳ１４に行く。

このステップＳ１４では、触媒担持フィルタ１３ｂに堆積したＰＭが捕集限界量に達したか否かを前後差圧Ｐが限界差圧値Ｐｋ以上になったか否かで判定する。この判定で、前後差圧Ｐが限界差圧値Ｐｋ以上になった場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ４０で、ＰＭ強制再生制御を行い、リターンする。また、ステップＳ１４の判定で前後差圧Ｐが限界差圧値Ｐｋ以上になっていない場合は（ＮＯ）、ステップＳ１５に行く。

ステップＳ１５では、排気ガス温度Ｔが、高変換温度範囲Ｒ１内にあるか否かを判定する。ステップＳ１５の判定で、排気ガス温度Ｔが高変換温度範囲Ｒ１内にある場合には、ステップＳ１６で、ステップＳ１３と同じＮＯｘ増加制御と尿素水増加制御を予め設定された所定時間（ステップＳ１３の所定時間Δｔ４とは異なる時間）Δｔ５の間行い、ステップＳ１４に戻る。

このステップＳ１３の所定時間Δｔ４は、排気ガス温度ＴがＮＯｘ増加制御により予め予測した温度低下量ΔＴの分が低下しきると予測される時間であり、一方、ステップＳ１６の所定時間Δｔ５は、排気ガス温度Ｔが低下した後の、ステップＳ１５の温度範囲のチェックのインターバルに関係する時間である。

ステップＳ１５の判定で、排気ガス温度Ｔが高変換温度範囲Ｒ１内にない場合には、ステップＳ３１に行き、ＮＯｘ増加制御と尿素水増加制御をしない通常制御をステップＳ１６の所定時間Δｔ４と同じ時間の間行って、ステップＳ１４に戻る。

このステップＳ１５、Ｓ１６により、ステップＳ１１で、前後差圧Ｐが制御開始差圧値Ｐｓ以上になった以後で、かつ、排気ガス温度Ｔが制御開始温度範囲Ｒ２内に入った後で、かつ、前後差圧Ｐが限界差圧値Ｐｋ以上になってＰＭ強制再生制御を開始するまでの間、排気ガス温度Ｔが高変換温度範囲Ｒ１内にある場合のみ、言い換えれば、状況に応じて、ＮＯｘ増加制御と尿素水増加制御を行って、二酸化窒素により、触媒担持フィルタ１３ｂに堆積したＰＭの酸化を促進して、効率よくＰＭを燃焼除去する。これにより、図９の通常制御とＰＭ強制再生制御を繰り返す場合に比べて、図８に示すように、ＰＭ強制再生制御までの時間を長くすることができるので、強制再生制御の頻度を少なくすることができる。

更に、図３の制御フローの代わりに、ステップＳ２６とステップＳ２７を加えた図４の制御フローを用いて、内燃機関制御装置３０が、ＮＯｘ増加制御時に、ステップＳ２６で、選択還元型触媒１４に流入するＮＯｘ量をＮＯｘセンサー２３で計測し、計測によるＮＯｘ量と、通常運転時のＮＯｘ量算出用マップデータから算出されるＮＯｘ量とＮＯｘ増加量算出用マップデータにより算出されたＮＯｘ増加量の和を比較して、両者の差が予め設定した補正用値内であるか否かを判定する。この判定で両者の差が補正用値を越えない場合には（ＹＥＳ）、そのままリターンし、ステップＳ２６の判定で両者の差が補正用値を越えた場合には（ＮＯ）、ステップＳ２７で、ＮＯｘ増加量算出用マップデータを書き直して補正してから、リターンする。

この図４の制御フローを用いると、このＮＯｘ量のモニターとの比較、及び、マップデータの書き換えにより、選択還元型触媒１４のＮＯｘ浄化率を維持でき、また、選択還元型触媒１４から流出する、還元できなかったＮＯｘや余剰のアンモニアを減少することができる。

そして、本発明に係る実施の形態の内燃機関は、上記の内燃機関の排気浄化システム１０を備えて構成される。

従って、上記の構成の内燃機関の排気浄化システム１０、内燃機関、及び内燃機関の排気浄化方法では、尿素水供給制御装置３１は、触媒担持フィルタ１３ｂに堆積したＰＭの堆積量が予め設定した制御開始量以下の場合には、即ち、前後差圧Ｐが制御開始差圧Ｐｓより小さい場合には、内燃機関から排出されるＮＯｘ量に応じて尿素水供給装置１５から尿素水を供給してＮＯｘを浄化する通常制御を行い、内燃機関制御装置３０は、ＰＭの堆積量が制御開始量を超えた場合には、即ち、前後差圧Ｐが制御開始差圧Ｐｓ以上の場合には、酸化触媒１３ａの入口の排気ガス温度Ｔが予め設定した温度範囲Ｒ１（又はＲ２）内に有るときに、ＮＯｘ増加制御を行って触媒担持フィルタ１３ｂに堆積したＰＭの燃焼除去を促進し、ＰＭの量が制御開始量より大きい捕集限界量を超えた場合には、即ち、前後差圧Ｐが限界差圧値Ｐｋ以上の場合には、ＰＭを強制的に燃焼除去するＰＭ強制再生制御を行って触媒担持フィルタ１３ｂを再生する。

従って、ＰＭの堆積量がある程度多くなった場合に、一酸化窒素（ＮＯ）から二酸化窒素（ＮＯ₂）への転換率の高い温度範囲Ｒ１又はＲ２で、ＰＭに対しての還元剤である窒素酸化物（ＮＯｘ）を増加させるＮＯｘ増加制御を行うことにより、二酸化窒素によるＰＭの酸化を促進して効率良く触媒担持フィルタ１３ｂに堆積したＰＭを燃焼除去できるので、ＰＭの堆積量の増加を抑制できてＰＭ強制再生制御の頻度を減少することができる。

また、内燃機関制御装置３０は、エンジン回転数Ｎｅと、トルクＴｒｑ（又はエンジン負荷）とをパラメータとする制御用領域Ａ、Ｂ、Ｃ別に、シリンダ内における燃料噴射のタイミングの進角、ＥＧＲカット、及びこれらの組み合わせを用いてＮＯｘ増加制御を行う。

従って、酸素量を増加してＰＭの酸化を促進するために、過給機により空気量を増加したり、吸気スロットルにより吸気量を減少したりする方法を採用する場合に比較して、エンジンの挙動の変化を小さくすることができ、運転性の悪化を防止することができる。

更に、尿素水供給制御装置３１は、通常運転時のＮＯｘ量算出用マップデータに加えて、ＮＯｘ増加制御をした場合に増加すると予測されるＮＯｘ増加量を予めマップデータ化してＮＯｘ増加量算出用マップデータを作成して記憶しておき、ＮＯｘ増加制御時に、前記ＮＯｘ量算出用マップデータに基づいて算出されるＮＯｘ量に、ＮＯｘ増加量算出用マップデータに基づいて算出されるＮＯｘ増加量を加えたＮＯｘ排出量に対して、尿素水の供給量を増加する尿素水増加制御を行う。従って、ＮＯｘ増加制御による、後段（下流側）の選択還元型触媒１４のＮＯ_X浄化率への悪影響を避けることができる。

また、内燃機関制御装置３０は、ＮＯｘ増加制御時に、選択還元型触媒１４に流入するＮＯｘ量をＮＯｘセンサー２３で計測し、計測によるＮＯｘ量と、算出された前記ＮＯｘ排出量を比較して、両者の差異が予め設定した値を越えた場合には、ＮＯｘ増加量算出用マップデータを補正する。従って、選択還元型触媒１４のＮＯｘ浄化率を維持でき、また、尿素水の供給量が的確な量となるので、選択還元型触媒１４の下流側に排出される、還元できなかったＮＯｘの量や余剰のアンモニアの量を減少することができる。

本発明の内燃機関の排気浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排気浄化方法によれば、ＰＭ強制再生制御でない場合において、エンジンの運転の挙動の大きな変化を伴わないＮＯｘ増加制御を行って、ＰＭの酸化の向上を図ってＰＭ強制再生制御の頻度を減少できて、排気浄化性能の向上と運転性の悪化の防止の両立を図ることができるので、数多くの車両に搭載する内燃機関等に利用できる。

１０内燃機関の排気浄化システム
１１エンジン本体
１２排気通路（排気管）
１３ＤＰＦ装置
１３ａ酸化触媒（ＤＯＣ）
１３ｂ触媒担持フィルタ
１４選択還元型触媒（ＳＣＲ触媒）
１５尿素水供給装置
２１第１温度センサー
２２第２温度センサー
２３ＮＯｘセンサー
３０内燃機関制御装置
３１尿素水供給制御装置

Claims

内燃機関の排気通路に、上流側から順に酸化触媒、触媒担持フィルタを備えると共に、内燃機関の運転を制御する内燃機関制御装置を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、
前記内燃機関制御装置は、前記触媒担持フィルタに堆積したＰＭの堆積量が予め設定した制御開始量以上と判定され、前記酸化触媒の入口の排気ガス温度が予め設定した第一の温度範囲内と判定された時に、排ガスの温度低下に基づいて設定された第一の所定時間の間ＮＯｘ増加制御を行った後、前記排気ガス温度が、上限と下限が前記第一の温度範囲の上限と下限に対してＮＯｘ増加制御で低下すると見込まれる温度だけそれぞれ低い第二の温度範囲内であるか否かに基づいてＮＯｘ増加制御を行うか否かを判定し、ＮＯｘ増加制御を行うと判定する毎に、前記排気ガス温度がＮＯｘ増加制御により予め予測した温度低下量の分が低下しきると予測される時間である第一の所定時間とは異なる前記排気ガス温度の判定のインターバルである第二の所定時間の間ＮＯｘ増加制御を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
前記触媒担持フィルタより下流側の前記排気通路に、上流側から順に、尿素水供給装置、選択還元型触媒を備えると共に、
前記尿素水供給装置における尿素水の供給を制御する尿素水供給制御装置は、
前記ＰＭの堆積量が前記制御開始量より小さい場合には、内燃機関から排出されるＮＯｘ量に応じて前記尿素水供給装置から尿素水を供給してＮＯｘを浄化する通常制御を行い、
さらに、通常運転時のＮＯｘ量算出用マップデータに加えて、ＮＯｘ増加制御をした場合に増加すると予測されるＮＯｘ増加量を予めマップデータ化してＮＯｘ増加量算出用マップデータを作成して記憶しておき、ＮＯｘ増加制御時に、前記ＮＯｘ量算出用マップデータに基づいて算出されるＮＯｘ量に、前記ＮＯｘ増加量算出用マップデータに基づいて算出されるＮＯｘ増加量を加えたＮＯｘ排出量に対して、尿素水の供給量を増加する尿素水増加制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
内燃機関の排気中のＮＯｘとＰＭを、排気通路に上流側から順に酸化触媒、触媒担持フィルタを配置した排気浄化システムで浄化する内燃機関の排気浄化方法において、
前記触媒担持フィルタに堆積したＰＭの堆積量が予め設定した制御開始量以上の場合には、前記酸化触媒の入口の排気ガス温度が予め設定した第一の温度範囲内に有るときに、排ガスの温度低下に基づいて設定された第一の所定時間の間ＮＯｘ増加制御を行った後、前記排気ガス温度が、上限と下限が前記第一の温度範囲の上限と下限に対してＮＯｘ増加制御で低下すると見込まれる温度だけそれぞれ低い第二の温度範囲内であるか否かに基づいてＮＯｘ増加制御を行うか否かを判定し、ＮＯｘ増加制御を行うと判定する毎に、前記排気ガス温度がＮＯｘ増加制御により予め予測した温度低下量の分が低下しきると予測される時間である第一の所定時間とは異なる前記排気ガス温度の判定のインターバルである第二の所定時間の間ＮＯｘ増加制御を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。
前記触媒担持フィルタより下流側の前記排気通路に、上流側から順に、尿素水供給装置、選択還元型触媒を備えると共に、
前記ＰＭの堆積量が前記制御開始量より小さい場合には、内燃機関から排出されるＮＯｘ量に応じて前記尿素水供給装置から尿素水を供給してＮＯｘを浄化する通常制御を行い、
さらに、通常運転時のＮＯｘ量算出用マップデータに加えて、ＮＯｘ増加制御をした場合に増加すると予測されるＮＯｘ増加量を予めマップデータ化してＮＯｘ増加量算出用マップデータを作成して記憶しておき、ＮＯｘ増加制御時に、前記ＮＯｘ量算出用マップデータに基づいて算出されるＮＯｘ量に、前記ＮＯｘ増加量算出用マップデータに基づいて算出されるＮＯｘ増加量を加えたＮＯｘ排出量に対して、尿素水の供給量を増加する尿素水増加制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化方法。