JP2010265802A - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 NOx触媒が互いに分離した上流側および下流側のNOx触媒で構成されている場合や、NOx触媒の容量が大きい場合などにおいても、サルファパージ運転中のNOx触媒の下流部におけるSOxの捕捉量を精度良く算出できる内燃機関の排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 本発明による内燃機関の排ガス浄化装置は、互いに分離した上流側NOx触媒7および下流側NOx触媒8を備え、これらのNOx触媒7、8に捕捉されたSOxを脱離するためにサルファパージ運転が実行される(ステップ4)。サルファパージ運転中の上流側NOx触媒7からのSOxの脱離量である上流部SOx脱離量dQDeSOx1を算出する(図4のステップ26、図5)とともに、この上流部SOx脱離量dQDeSOx1に基づき、下流側NOx触媒8に捕捉されているSOxの捕捉量を、下流部SOx捕捉量QSOx2として算出する(図3のステップ12、図6)。
【選択図】 図6

Description

本発明は、排ガスを浄化するためのNOx触媒を有する内燃機関の排ガス浄化装置に関し、特に、NOx触媒に捕捉されたSOxを脱離するためのサルファパージ運転を実行する排ガス浄化装置に関する。
従来のこの種の内燃機関の排ガス浄化装置として、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。この排ガス浄化装置では、通常のリーン運転中には、排出された排ガス中のNOxがNOx触媒で捕捉される。また、排気通路に設けられた燃料添加弁から燃料を添加することなどによって、排ガスの空燃比をリッチ側に制御するリッチ運転が一時的に行われ、それにより、NOx触媒に捕捉されたNOxが還元状態で脱離するとともに、NOx触媒のNOx捕捉性能が回復される。
また、この排ガス浄化装置では、NOx触媒に捕捉されたSOx(硫黄成分)を脱離するためのサルファパージ運転が行われ、それにより、燃料やエンジンオイル中のSOxの付着に起因して低下したNOx触媒のNOx捕捉性能が回復される。このサルファパージ運転は、燃料噴射時期を遅角側に制御することで、排ガスの温度を上昇させるとともに、NOx触媒に流入する排ガスの空燃比をリッチ側およびリーン側に交互に制御することによって、行われる。また、このサルファパージ運転の終了タイミングは、その実行時間と、実験などに基づいて設定された所定の基準時間との関係に基づいて判定される。
特開2005−139971号公報
上述したようなサルファパージ運転を行う場合、NOx触媒からのSOxの脱離が完了した適切なタイミングで、サルファパージ運転を終了させることが非常に重要である。これは、サルファパージ運転時にリッチ運転が行われるため、その終了タイミングが遅すぎると、燃料が無駄に消費され、燃費の悪化やオイルダイリューションの原因になるとともに、NOx触媒が昇温される時間が長くなることで、NOx触媒の熱劣化が助長されるためである。逆に、サルファパージ運転の終了タイミングが早すぎると、NOx触媒に比較的多量のSOxが残留するため、NOx触媒のNOx捕捉性能が十分に回復せず、排ガス特性の悪化を招く。これに対し、上述した従来の排ガス浄化装置では、サルファパージ運転の実行時間と所定の基準時間との関係に基づいて、サルファパージ運転の終了タイミングを判定するにすぎないので、その判定を適切に行えない。
また、サルファパージ運転を実行する従来の他の装置として、NOx触媒に流入するSOx流入量を、内燃機関の運転状態などに応じて算出し、サルファパージ運転中にNOx触媒から脱離するSOx脱離量を、NOx触媒に供給された還元剤量などに応じて算出するとともに、これらのSOx流入量とSOx脱離量との差分を積算することによって算出したNOx触媒のSOx捕捉量が、所定のしきい値を下回ったときに、サルファパージ運転を終了するものも知られている。
この従来の装置では、SOxの流入および脱離がNOx触媒の全体にわたって一様に行われることが前提になっている。しかし、この前提は、NOx触媒が互いに分離した上流側NOx触媒および下流側NOx触媒で構成されている場合などには特に、以下のような現象が発生するため、成立しなくなる。第1に、サルファパージ運転の初期において、上流側NOx触媒から脱離したSOxが下流側NOx触媒に再度、捕捉されるという現象が発生する。従来の装置では、このような現象が加味されていないため、下流側NOx触媒へのSOx流入量が実際よりも少なめに算出されやすい。
第2に、サルファパージ運転中、下流側NOx触媒では、上流側NOx触媒よりもSOxの脱離が遅れるという現象が発生する。これは、排ガス中の還元剤がまず上流側NOx触媒においてSOxを脱離するのに消費されるため、下流側NOxに十分な還元剤が供給されるまでに時間がかかることや、下流側NOx触媒の状態、例えば触媒温度などがSOxの脱離に適した状態になるまでに時間がかかることなどによる。その結果、図9に示すように、上流側NOx触媒では、サルファパージ運転の開始直後にSOx脱離量がピークに達するのに対し、下流側NOx触媒では、これに遅れてSOx脱離量がピークに達する。従来の装置では、このような現象が加味されていないため、下流側NOx触媒のSOx脱離量が実際よりも多めに算出されやすい。
以上のように、従来の装置では、サルファパージ運転中、下流側NOx触媒のSOx流入量が少なめに、SOx脱離量が多めに算出される結果、下流側NOx触媒のSOx捕捉量が過小に評価されてしまう。このため、サルファパージ運転を早く終了させる傾向があり、終了タイミングが早すぎる場合の前述した不具合が生じやすい。また、このような不具合は、NOx触媒が単一の場合でも、その容量や排気通路の方向の長さが大きいときなどには、NOx触媒の上流部と下流部の間で上述した現象が発生するため、同様に生じ得る。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、NOx触媒が互いに分離した上流側および下流側のNOx触媒で構成されている場合や、NOx触媒の容量が大きい場合などにおいても、サルファパージ運転中のNOx触媒の下流部におけるSOxの捕捉量を精度良く算出することができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
この目的を達成するために、請求項1に係る発明による内燃機関の排ガス浄化装置は、内燃機関の排気通路(実施形態における(以下、本項において同じ)排気管5)に設けられ、上流部(上流側NOx触媒7、NOx触媒27の上流部27a)および下流部(下流側NOx触媒8、NOx触媒27の下流部27b)を有し、排ガスの酸素濃度に応じてNOxおよびSOxを捕捉または脱離するNOx触媒と、NOx触媒に還元雰囲気の排ガスを供給することによって、NOx触媒に捕捉されたSOxを脱離するためのサルファパージ運転を実行するサルファパージ制御手段(ECU2、図2のステップ4)と、サルファパージ運転中のNOx触媒の上流部からのSOxの脱離量(上流部SOx脱離量dQDeSOx1)を算出するSOx脱離量算出手段(ECU2、図4のステップ26、図5)と、算出されたSOx脱離量に基づき、NOx触媒の下流部に捕捉されているSOxの捕捉量を、下流部SOx捕捉量QSOx2として算出する下流部SOx捕捉量算出手段(ECU2、図3のステップ12、図6)と、を備えることを特徴とする。
この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、NOx触媒は上流部および下流部を有しており、NOx触媒に捕捉されたSOxを脱離するために、サルファパージ運転が実行される。前述したように、NOx触媒が分離して配置されている場合などには、サルファパージ運転の初期において、NOx触媒の上流部から脱離したSOxが下流部に再度、捕捉されるという現象が発生する。
本発明によれば、サルファパージ運転中のNOx触媒の上流部からのSOxの脱離量を算出するとともに、算出されたSOxの脱離量に基づいて、NOx触媒の下流部に捕捉されている下流部SOx捕捉量を算出する。したがって、NOx触媒が互いに分離した上流側および下流側のNOx触媒で構成されている場合や、NOx触媒の容量が大きい場合などにおいて、NOx触媒の上流部から脱離したSOxが下流部に捕捉されるという現象が発生した場合でも、これを反映させながら、下流部SOx捕捉量を精度良く算出することができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、NOx触媒の下流部の状態(下流部SOx捕捉量QSOx2、下流側触媒温度TCAT2、下流側NOx触媒の劣化度合DCATD2)を取得する触媒状態取得手段(ECU2、図6、下流側触媒温度センサ16、第2および第3空燃比センサ13、14)をさらに備え、下流部SOx捕捉量算出手段は、取得されたNOx触媒の下流部の状態に応じて、下流部SOx捕捉量QSOx2を算出することを特徴とする。
NOx触媒の上流部から脱離したSOxが下流部に捕捉される度合、および、NOx触媒の下流部からSOxが脱離する度合は、この下流部の状態、例えば下流部のSOx捕捉量や、温度、劣化度合に応じて変化する。上記の構成によれば、NOx触媒の下流部の状態を取得するとともに、取得された下流部の状態に応じて、下流部SOx捕捉量を算出する。したがって、下流部の実際の状態に応じ、下流部におけるSOxの捕捉度合や脱離度合を反映させながら、下流部SOx捕捉量をさらに精度良く算出することができる。
請求項3に係る発明は、請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、NOx触媒は、排気通路に沿って互いに分離した状態で配置された上流側NOx触媒7および下流側NOx触媒8を含み、NOx触媒の上流部が上流側NOx触媒7であり、NOx触媒の下流部が下流側NOx触媒8であることを特徴とする。
この構成によれば、NOx触媒は、互いに分離した上流側NOx触媒および下流側NOx触媒を含み、この上流側NOx触媒をNOx触媒の上流部とし、下流側NOx触媒をNOx触媒の下流部として、請求項1に係る発明が適用される。したがって、請求項1に係る発明よる前述した作用を、上流側NOx触媒と下流側NOx触媒との関係において同様に得ることができる。また、この場合には特に、NOx触媒が単一の場合と比較して、NOx触媒の上流部と下流部の間の距離が大きいことなどから、上流部と下流部の間で触媒の状態や供給される排ガスの状態が大きく異なりやすいので、請求項1に係る発明による作用を非常に有効に得ることができる。
請求項4に係る発明は、請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、NOx触媒の上流部に捕捉されているSOx捕捉量を、上流部SOx捕捉量QSOx1として算出する上流部SOx捕捉量算出手段(ECU2、図3のステップ11、図4)と、算出された上流部SOx捕捉量QSOx1と下流部SOx捕捉量QSOx2との和に基づいて、サルファパージ運転の終了タイミングを決定するサルファパージ終了決定手段(ECU2、図3のステップ13、図2のステップ5、6)と、をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、NOx触媒の上流部に捕捉されているSOx捕捉量を、上流部SOx捕捉量として算出し、この上流部SOx捕捉量と下流部SOx捕捉量との和に基づいて、サルファパージ運転の終了タイミングを決定する。したがって、NOx触媒の上流部および下流部の全体のSOx捕捉量に基づいて、サルファパージ運転を最適なタイミングで終了させることができる。特に、従来と異なり、サルファパージ運転中のNOx触媒の下流部におけるSOx捕捉量を過小に評価することなく、SOxが十分に脱離したタイミングでサルファパージ運転を終了させることができる。その結果、サルファパージ運転の終了時にNOx触媒の下流部に多量のSOxが残留することがなくなり、それにより、NOx触媒全体としてNOx捕捉性能を確実に回復させるとともに、排ガス特性を良好に維持することができる。
本発明の第1実施形態による排ガス浄化装置を、内燃機関とともに概略的に示す図である。 サルファパージ制御処理のメインフローを示すフローチャートである。 NOx触媒全体のSOx捕捉量の算出サブルーチンを示すフローチャートである。 上流側NOx触媒のSOx捕捉量の算出サブルーチンを示すフローチャートである。 上流側NOx触媒からのSOx脱離量の算出サブルーチンを示すフローチャートである。 下流側NOx触媒のSOx捕捉量の算出サブルーチンを示すフローチャートである。 下流側NOx触媒からのSOx脱離量の算出サブルーチンを示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態による排ガス浄化装置を、内燃機関とともに概略的に示す図である。 サルファパージ運転中の上流側NOx触媒および下流側NOx触媒におけるSOxの脱離状況を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図1は、第1実施形態による排ガス浄化装置1を、内燃機関3とともに示している。この内燃機関(以下「エンジン」という)3は、例えば車両(図示せず)に搭載された4気筒のディーゼルエンジンである。
エンジン3の各気筒3aには、吸気管4および排気管5が接続されるとともに、燃料噴射弁(以下「インジェクタ」という)6が、燃焼室3bに臨むように取り付けられている。このインジェクタ6は、燃焼室3bの天壁に配置されており、燃料タンク(図示せず)から供給された燃料を燃焼室3bに噴射する。インジェクタ6から噴射される燃料噴射量QINJは、後述するECU2によって設定されるとともに、ECU2からの制御信号によりインジェクタ6の開弁時間を変化させることによって、制御される。
エンジン3のクランクシャフト3cには、クランク角センサ10が設けられている。このクランク角センサ10は、マグネットロータおよびMREピックアップで構成されており、クランクシャフト3cの回転に伴い、パルス信号であるCRK信号およびTDC信号をECU2に出力する。
CRK信号は、所定のクランク角(例えば30゜)ごとに出力される。ECU2は、このCRK信号に基づき、エンジン3の回転数(以下「エンジン回転数」という)NEを算出する。また、TDC信号は、各気筒3aにおいてピストン3bが吸気行程開始時のTDC位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、本実施形態のようにエンジン3が4気筒の場合には、クランク角180゜ごとに出力される。
吸気管4には、エアフローセンサ11が設けられている。エアフローセンサ11は、吸気管4を介して気筒3aに吸入される吸入空気量GAIRを検出し、その検出信号をECU2に出力する。
排気管5には、上流側NOx触媒7および下流側NOx触媒8が、互いに分離した状態で設けられている。これらのNOx触媒7、8は、酸化雰囲気の排ガスが流入したときに、排ガス中のNOxを捕捉するとともに、排ガス中の酸素を貯蔵する酸素貯蔵能力を有している。また、NOx触媒7、8は、還元雰囲気の排ガスが流入したときに、貯蔵した酸素を放出するとともに、捕捉したNOxを還元状態で放出することによって、NOxを還元浄化する。
また、排気管5には、上流側NOx触媒7の上流側、両NOx触媒7、8の間、および下流側NOx触媒8の下流側に、第1〜第3空燃比センサ12〜14がそれぞれ設けられている。これらの空燃比センサ12〜14は、ジルコニアなどで構成されており、エンジン3に供給される混合気の空燃比がリッチ領域からリーン領域までの広範囲な領域において、排ガスの酸素濃度をリニアに検出する。これらの検出信号はECU2に出力される。
ECU2は、第1〜第3空燃比センサ12〜14の検出信号に基づいて、それぞれの設置位置における排ガスの空燃比(以下、それぞれ「第1〜第3排ガス空燃比」という)AFEX1〜AFEX3を算出する。ここで、「排ガスの空燃比」とは、排ガス中の空気と可燃性気体の重量比をいう。このため、排ガスの空燃比は、排ガスが酸化雰囲気のときに大きくなり、還元雰囲気のときに小さくなる。
また、上流側NOx触媒7および下流側NOx触媒8にはそれぞれ、上流側触媒温度センサ15および下流側触媒温度センサ16が設けられている。これらの触媒温度センサ15、16は、上流側NOx触媒7の温度(以下「上流側触媒温度」という)TCAT1、および下流側NOx触媒8の温度(以下「下流側触媒温度」という)TCAT2をそれぞれ検出し、それらの検出信号をECU2に出力する。
また、ECU2には、アクセル開度センサ17から、エンジン3を搭載した車両のアクセルペダル(図示せず)の操作量(以下「アクセル開度」という)APを表す検出信号が出力される。
ECU2は、CPU、RAM、ROMおよびI/Oインターフェースなどから成るマイクロコンピュータ(いずれも図示せず)で構成されている。前述した各種のセンサ10〜17からの検出信号はそれぞれ、I/OインターフェースでA/D変換や整形がなされた後、CPUに入力される。ECU2は、これらの検出信号に応じ、ROMに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン3の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、各種の制御を実行する。
この制御には、インジェクタ6の燃料噴射量QINJの制御を含むエンジン制御や、上流側および下流側NOx触媒7、8に捕捉されたNOxを放出させることにより、これらのNOx触媒7、8のNOx捕捉性能を回復させるための再生制御、上流側および下流側NOx触媒7、8に捕捉されたSOxを脱離することにより、これらのNOx触媒7、8のNOx捕捉性能を回復させるためのサルファパージ制御などが含まれる。
なお、本実施形態では、ECU2が、サルファパージ制御手段、SOx脱離量算出手段、下流部SOx捕捉量算出手段、触媒状態取得手段、上流部SOx捕捉量算出手段、およびサルファパージ終了決定手段に相当する。
図2は、上述したサルファパージ制御処理のメインフローを示す。本処理は、所定時間ごとに実行される。本処理では、まずステップ1(「S1」と図示。以下同じ)において、SOx捕捉量QSOxを算出する。このSOx捕捉量QSOxは、上流側NOx触媒7に捕捉されているSOx捕捉量(以下「上流部SOx捕捉量」という)QSOx1と、下流側NOx触媒8に捕捉されているSOx捕捉量(以下「下流部SOx捕捉量」という)QSOx2との和、すなわちNOx触媒全体のSOx捕捉量である。その算出処理については後述する。
次に、サルファパージフラグF_SOxPRGが「1」であるか否かを判別する(ステップ2)。この答がNOで、サルファパージ運転中でないときには、ステップ1で算出したSOx捕捉量QSOxが、サルファパージ運転の開始判定用の所定のしきい値QREFSよりも大きいか否かを判別する(ステップ3)。この答がNOで、QSOx≦QREFSのときには、そのまま本処理を終了する。
一方、ステップ3の答がYESで、SOx捕捉量QSOxがしきい値QREFSを上回ったときには、サルファパージフラグF_SOxPRGを「1」にセットし(ステップ4)、サルファパージ運転を開始する。このサルファパージ運転は、エンジン3の排気行程の初期にインジェクタ6から燃料を噴射するポスト噴射を行うことで、未燃燃料を還元剤として排気管5に排出させ、排ガスを還元雰囲気に制御することによって、行われる。このサルファパージ運転により、高温状態の上流側NOx触媒7および下流側NOx触媒8に排ガス中の還元剤が供給されることによって、上流側および下流側NOx触媒7、8に捕捉されていたSOxが還元され、脱離される。
一方、前記ステップ2の答がYESで、サルファパージ運転中のときには、SOx捕捉量QSOxが、サルファパージ運転の終了判定用の所定のしきい値QREFEよりも小さいか否かを判別する(ステップ5)。この答がNOで、QSOx≧QREFEのときには、そのまま本処理を終了し、サルファパージ運転を継続する。
一方、ステップ5の答がYESで、SOx捕捉量QSOxがしきい値QREFEを下回ったときには、サルファパージフラグF_SOxPRGを「0」にセットする(ステップ6)ことによって、サルファパージ運転を終了し、本処理を終了する。
図3は、図2のステップ1で実行されるSOx捕捉量QSOxの算出サブルーチンを示す。本処理では、上流部SOx捕捉量QSOx1を算出する(ステップ11)とともに、下流部SOx捕捉量QSOx2を算出する(ステップ12)。これらの算出処理については後述する。次に、算出した上流部SOx捕捉量QSOx1と下流部SOx捕捉量QSOx2との和を、NOx触媒全体のSOx捕捉量QSOxとして算出し(ステップ13)、本処理を終了する。
図4は、上流部SOx捕捉量QSOx1の算出サブルーチンを示す。本処理では、まずステップ21において、今回の処理サイクル相当分の上流側NOx触媒7へのSOx流入量(以下「上流部SOx流入量」という)dQSOxIN1を算出する。この算出は、例えば、エンジン回転数NEおよび燃料噴射量QINJなどの、エンジン3の運転状態を表すパラメータに応じ、所定のマップ(図示せず)を検索することによって行われる。
次に、ステップ22〜25において、上流部SOx吸着量dQSOxAD1を算出する。この上流部SOx吸着量dQSOxAD1は、今回の処理サイクルにおいて上流側NOx触媒7に流入したSOxのうち、上流側NOx触媒7に捕捉されたSOxの量を表す。
まずステップ22では、上流部SOx捕捉量QSOx1に応じ、所定のテーブルを検索することによって、吸着量算出用のSOx捕捉量補正係数KAQSOx1を算出する。図示しないが、このテーブルでは、SOx捕捉量補正係数KAQSOx1は、上流部SOx捕捉量QSOx1が大きいほど、SOxが捕捉されにくくなるため、より小さな値に設定されている。
ステップ23では、上流側触媒温度TCAT1に応じ、所定のテーブルを検索することによって、吸着量算出用の触媒温度補正係数KACATT1を算出する。図示しないが、このテーブルでは、触媒温度補正係数KACATT1は、上流側触媒温度TCAT1が高いほど、SOxが捕捉されやすくなるため、より大きな値に設定されている。
ステップ24では、上流側NOx触媒7の劣化度合DCATD1に応じ、所定のテーブルを検索することによって、吸着量算出用の触媒劣化補正係数KACATD1を算出する。図示しないが、このテーブルでは、触媒劣化補正係数KACATD1は、劣化度合DCATD1が高いほど、SOxが捕捉されにくくなるため、より小さな値に設定されている。なお、上流側NOx触媒7の劣化度合DCATD1は、上流側および下流側NOx触媒7、8の再生制御中に検出された第1排ガス空燃比AFEX1に対する第2排ガス空燃比AFEX2の遅れの度合に応じて求めた上流側NOx触媒7の酸素貯蔵能力などに基づいて、算出される。
ステップ25では、次式(1)により、ステップ21で算出した上流部SOx流入量dQSOxIN1に、ステップ22〜24で算出した3つの補正係数を乗算することによって、上流部SOx吸着量dQSOxAD1を算出する。
dQSOxAD1
=dQSOxIN1×KAQSOx1×KACATT1×KACATD1
・・・(1)
ステップ25に続くステップ26では、今回の処理サイクル相当分の上流側NOx触媒7からのSOx脱離量(以下「上流部SOx脱離量」という)dQDeSOx1を算出する。その算出処理については後述する。次に、ステップ25、26で算出した上流部SOx吸着量dQSOxAD1と上流部SOx脱離量dQDeSOx1との差を、今回の処理サイクル相当分のSOx捕捉量dQSOx1として算出する(ステップ27)。そして、算出したSOx捕捉量dQSOx1を前回までに算出された上流部SOx捕捉量QSOx1に加算することによって、上流部SOx捕捉量QSOx1を算出し(ステップ28)、本処理を終了する。
図5は、前記ステップ26で実行される上流部SOx脱離量dQDeSOx1の算出サブルーチンを示す。本処理では、まずステップ31において、サルファパージフラグF_SOxPRGが「1」であるか否かを判別する。この答がNOで、サルファパージ運転中でないときには、上流部SOx脱離量dQDeSOx1を値0に設定し(ステップ32)、本処理を終了する。
前記ステップ31の答がYESで、サルファパージ運転中のときには、上流部SOx脱離量の基本値dQDBASE1を算出する(ステップ33)。この基本値dQDBASE1の算出は、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じ、所定のマップ(図示せず)を検索することによって行われる。なお、要求トルクPMCMDは、エンジン回転数NEおよびアクセル開度APに応じて算出される。
次に、上流部SOx捕捉量QSOx1に応じ、所定のテーブルを検索することによって、脱離量算出用のSOx捕捉量補正係数KDQSOx1を算出する(ステップ34)。図示しないが、このテーブルでは、SOx捕捉量補正係数KDQSOx1は、上流部SOx捕捉量QSOx1が大きいほど、上流側NOx触媒7でのSOxの脱離反応が行われやすくなるため、より大きな値に設定されている。
次に、上流側触媒温度TCAT1に応じ、所定のテーブルを検索することによって、脱離量算出用の触媒温度補正係数KDCATT1を算出する(ステップ35)。図示しないが、このテーブルでは、触媒温度補正係数KDCATT1は、上流側触媒温度TCAT1が高いほど、NOx触媒7でのSOxの脱離反応が行われやすくなるため、より大きな値に設定されている。
次に、上流側NOx触媒7の劣化度合DCATD1に応じ、所定のテーブルを検索することによって、脱離量算出用の触媒劣化補正係数KDCATD1を算出する(ステップ36)。図示しないが、このテーブルでは、触媒劣化補正係数KDCATD1は、劣化度合DCATD1が高いほど、上流側NOx触媒7でのSOxの脱離反応が行われにくくなるため、より小さな値に設定されている。
次に、第1排ガス空燃比AFEX1に応じ、所定のテーブルを検索することによって、脱離量算出用の空燃比補正係数KDAFEX1を算出する(ステップ37)。図示しないが、このテーブルでは、空燃比補正係数KDAFEX1は、第1排ガス空燃比AFEX1が小さいほど、上流側NOx触媒7に流入する排ガス中の還元剤量が多く、上流側NOx触媒7でのSOxの脱離反応が行われやすくなるため、より大きな値に設定されている。
最後に、次式(2)により、ステップ33で算出した基本値dQDBASE1に、ステップ34〜37で算出した4つの補正係数を乗算することによって、上流部SOx脱離量dQDeSOx1を算出し(ステップ38)、本処理を終了する。
dQDeSOx1
= dQDBASE1×KDQSOx1×KDCATT1×KDCATD1
×KDAFEX1 ・・・(2)
図6は、図3のステップ12で実行される下流部SOx捕捉量QSOx2の算出サブルーチンを示す。本処理では、まずステップ41において、図4のステップ21、25および26でそれぞれ算出された上流部SOx流入量dQSOxIN1、上流部SOx吸着量dQSOxAD1および上流部SOx脱離量dQDeSOx1を用い、次式(3)によって、今回の処理サイクル相当分の下流側NOx触媒8へのSOx流入量(以下「下流部SOx流入量」という)dQSOxIN2を算出する。
dQSOxIN2
= dQSOxIN1−dQSOxAD1+dQDeSOx1 ・・・(3)
ここで、右辺の(dQSOxIN1−dQSOxAD1)は、今回の処理サイクルにおいて上流側NOx触媒7に流入したSOxのうち、上流側NOx触媒7に捕捉されずに、これを通過した(すり抜けた)SOxの量(以下「上流部SOx通過量」という)を表す。以上のように、下流部SOx流入量dQSOxIN2は、上流部SOx通過量に上流部SOx脱離量dQDeSOx1を加算した値として算出される。
本処理の次のステップ42以降の内容は、図4の上流部SOx捕捉量QSOx1の算出処理のステップ22以降と基本的に同じであるので、以下、簡単に説明する。まずステップ42において、下流部SOx捕捉量QSOx2に応じて、SOx捕捉量補正係数KAQSOx2を算出し、次のステップ43では、下流側触媒温度TCAT2に応じて、触媒温度補正係数KACATT2を算出する。また、ステップ44では、下流側NOx触媒8の劣化度合DCATD2に応じて、触媒劣化補正係数KACATD2を算出する。この下流側NOx触媒8の劣化度合DCATD2は、上流側および下流側NOx触媒7、8の再生制御中に検出された第2排ガス空燃比AFEX2に対する第3排ガス空燃比AFEX3の遅れの度合に応じて求めた下流側NOx触媒8の酸素貯蔵能力などに基づいて、算出される。
上記の補正係数KAQSOx2、KACATT2およびKACATD2の算出は、それぞれの所定のテーブル(図示せず)を検索することによって行われる。また、各テーブルにおける補正係数のパラメータに対する設定の傾向は、図4のステップ22〜24に関連して述べた補正係数KAQSOx1、KACATT1およびKACATD1の傾向と同じである。
次に、ステップ45では、次式(4)により、ステップ41で算出された下流部SOx流入量dQSOxIN2に、上記の3つの補正係数を乗算することによって、下流部SOx吸着量dQSOxAD2を算出する。
dQSOxAD2
=dQSOxIN2×KAQSOx2×KACATT2×KACATD2
・・・(4)
この下流部SOx吸着量dQSOxAD2は、今回の処理サイクルにおいて下流側NOx触媒8に流入したSOxのうち、下流側NOx触媒8に捕捉されたSOxの量を表す。
次に、ステップ46では、今回の処理サイクル相当分の下流側NOx触媒8からのSOx脱離量(以下「下流部SOx脱離量」という)dQDeSOx2を算出する。その算出処理については後述する。次に、ステップ45、46で算出した下流部SOx吸着量dQSOxAD2と下流部SOx脱離量dQDeSOx2との差を、今回の処理サイクル相当分のSOx捕捉量dQSOx2として算出する(ステップ47)。そして、算出したSOx捕捉量dQSOx2を前回までに算出された下流部SOx捕捉量QSOx2に加算することによって、下流部SOx捕捉量QSOx2を算出し(ステップ48)、本処理を終了する。
図7は、上記ステップ46で実行される下流部SOx脱離量dQDeSOx2の算出サブルーチンを示す。本処理の内容は、前述した図5の上流部SOx脱離量dQDeSOx1の算出処理と基本的に同じであるので、以下、簡単に説明する。まずステップ51において、サルファパージフラグF_SOxPRGが「1」であるか否かを判別する。この答がNOで、サルファパージ運転中でないときには、下流部SOx脱離量dQDeSOx2を値0に設定し(ステップ52)、本処理を終了する。
前記ステップ51の答がYESで、サルファパージ運転中のときには、下流部SOx脱離量の基本値dQDBASE2を、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じ、所定のマップ(図示せず)を検索することによって算出する(ステップ53)。
次のステップ54では、下流部SOx捕捉量QSOx2に応じて、SOx捕捉量補正係数KDQSOx2を算出し、ステップ55では、下流側触媒温度TCAT2に応じて、触媒温度補正係数KDCATT2を算出する。また、ステップ56では、下流側NOx触媒8の劣化度合DCATD2に応じて、触媒劣化補正係数KDCATD2を算出し、さらにステップ57では、第2排ガス空燃比AFEX2に応じて、空燃比補正係数KDAFEX2を算出する。
上記の補正係数KDQSOx2、KDCATT2、KDCATD2およびKDAFEX2の算出は、それぞれの所定のテーブル(図示せず)を検索することによって行われる。また、各テーブルにおける補正係数のパラメータに対する設定の傾向は、図5のステップ34〜37に関連して述べた補正係数KDQSOx1、KDCATT1、KDCATD1およびKDAFEX1の傾向と同じである。
最後に、次式(5)により、ステップ53で算出した基本値dQDBASE2に、ステップ54〜57で算出した4つの補正係数を乗算することによって、下流部SOx脱離量dQDeSOx2を算出し(ステップ58)、本処理を終了する。
dQDeSOx2
= dQDBASE2×KDQSOx2×KDCATT2×KDCATD2
×KDAFEX2 ・・・(5)
以上のように、本実施形態によれば、サルファパージ運転中の上流側NOx触媒7からのSOxの脱離量である上流部SOx脱離量dQDeSOx1を算出する(ステップ38)。また、この上流部SOx脱離量dQDeSOx1を、上流側NOx触媒7に流入し、通過したSOx量である上流部SOx通過量(dQSOxIN1−dQSOxAD1)に加算することによって、下流側NOx触媒8に流入する下流部SOx流入量dQDeSOxIN2を算出する(ステップ41)。
そして、下流部SOx流入量dQDeSOxIN2に基づいて算出した下流部SOx吸着量dQSOxAD2(ステップ45)と、下流側NOx触媒8からのSOxの脱離量である下流部SOx脱離量dQDeSOx2(ステップ46)との差を、今回の処理サイクル相当分のSOx捕捉量dQSOx2として算出し(ステップ47)、さらにこれを積算することによって、下流側NOx触媒8に捕捉されている下流部SOx捕捉量QSOx2を算出する。
以上のように、上流部SOx脱離量dQDeSOx1に基づいて下流部SOx捕捉量QSOx2を算出するので、上流側NOx触媒7から脱離したSOxが下流側NOx触媒8に再度、捕捉されるという現象が発生した場合でも、これを反映させながら、下流部SOx捕捉量QSOx2を精度良く算出することができる。
また、下流側NOx触媒8の状態を表すパラメータとして、下流部SOx捕捉量QSOx2、下流側触媒温度TCAT2および下流側NOx触媒8の劣化度合DCATD2を算出または検出するとともに、これらのパラメータに応じて、下流部SOx吸着量dQSOxAD2および下流部SOx脱離量dQDeSOx2を算出する(ステップ45、58)。したがって、下流側NOx触媒8の実際の状態に応じ、下流側NOx触媒8におけるSOxの捕捉度合や脱離度合を反映させながら、下流部SOx捕捉量QSOx2をさらに精度良く算出することができる。
さらに、下流部SOx脱離量dQDeSOx2を算出する際に、上記の下流側NOx触媒8の状態を表すパラメータに加えて、下流側NOx触媒8に流入する排ガスの空燃比である第2排ガス空燃比AFEX2を用いる。したがって、下流部SOx脱離量dQDeSOx2ひいては下流部SOx捕捉量QSOx2を、さらに精度良く算出することができる。
また、上流側NOx触媒7に捕捉されているSOx捕捉量を、上流部SOx捕捉量QSOx1として算出する(図4)とともに、この上流部SOx捕捉量QSOx1と下流部SOx捕捉量QSOx2との和が、しきい値QREFEを下回ったときに、サルファパージ運転を終了する(ステップ5、6、13)。
したがって、上流側および下流側NOx触媒7、8の全体のSOx捕捉量に基づいて、サルファパージ運転を最適なタイミングで終了させることができる。特に、従来と異なり、サルファパージ運転中の下流側NOx触媒8のSOx捕捉量を過小に評価することなく、SOxが十分に脱離したタイミングでサルファパージ運転を終了させることができる。その結果、サルファパージ運転の終了時に下流側NOx触媒8に多量のSOxが残留することがなくなり、それにより、上流側および下流側NOx触媒7、8のNOx捕捉性能を確実に回復させるとともに、排ガス特性を良好に維持することができる。
また、本実施形態のように、NOx触媒が互いに分離した上流側NOx7および下流側NOx触媒8で構成されている場合には特に、NOx触媒が単一の場合と比較して、NOx触媒の上流部と下流部の間の距離が大きいことなどから、上流部と下流部の間でNOx触媒の状態や供給される排ガスの状態が大きく異なりやすい。したがって、本実施形態によれば、これまでに述べた効果を非常に有効に得ることができる。
図8は、本発明の第2実施形態による排ガス浄化装置21を示している。前述した第1実施形態では、NOx触媒が互いに分離した上流側NOx7および下流側NOx触媒8で構成されているのに対し、本実施形態では、NOx触媒は、排気管5に沿う長さおよび容量がより大きな単一のNOx触媒27で構成されている。
本実施形態は、このようなNOx触媒27を、制御の便宜上、排気管5の長さ方向に等分に上流部27aおよび下流部27bに区分するとともに、区分した上流部27aおよび下流部27bに対し、第1実施形態における上流側および下流側NOx触媒7、8に対するのと同様にして、本発明を適用したものである。
このため、本実施形態では、NOx触媒27の上流部27aおよび下流部27bに、上流側触媒温度センサ15および下流側触媒温度センサ16がそれぞれ設けられるとともに、上流部27aと下流部27bとの境界部に第2空燃比センサ13が設けられている。他の構成は、第1実施形態と同じであり、同じ構成要素に同じ参照番号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。したがって、本実施形態においても、前述した第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、上流部SOx吸着量dQSOxAD1および上流部SOx脱離量dQDeSOx1を算出するためのパラメータとして、上流部SOx捕捉量QSOx1、上流側触媒温度TCAT1および上流側NOx触媒7の劣化度合DCATD1などを用いているが、その算出方法は任意であり、これらのパラメータに加えて、またはその一部に代えて、他の適当なパラメータを用いることが可能である。
このことは、下流部SOx吸着量dQSOxAD2および下流部SOx脱離量dQDeSOx2を算出する際のパラメータについても、同様である。さらに、上流部SOx脱離量dQDeSOx1に基づいて下流部SOx捕捉量dQDeSOxを算出する手法についても、実施形態に示したものに限らず、適当な任意の手法を採用できる。
また、実施形態では、NOx触媒に還元雰囲気の排ガスを供給するサルファパージ運転を、インジェクタ6から燃料を噴射するポスト噴射によって行っているが、これに限らず、排気管5に燃料またはアンモニアを還元剤として直接、供給することによって行ってもよい。
さらに、実施形態は、本発明を車両に搭載されたディーゼルエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、ガソリンエンジンなどの各種のエンジンに適用してもよく、また、車両用以外のエンジン、例えば、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
1 排ガス浄化装置
2 ECU(サルファパージ制御手段、SOx脱離量算出手段、下流部SOx捕捉量 算出手段、触媒状態取得手段、上流部SOx捕捉量算出手段、サルファパージ終 了決定手段)
3 エンジン(内燃機関)
5 排気管(排気通路)
7 上流側NOx触媒(NOx触媒の上流部)
8 下流側NOx触媒(NOx触媒の下流部)
13 第2空燃比センサ(触媒状態取得手段)
14 第3空燃比センサ(触媒状態取得手段)
16 下流側排ガス温度センサ(触媒状態取得手段)
21 排ガス浄化装置
27 NOx触媒
27a NOx触媒の上流部
27b NOx触媒の下流部
dQDeSOx1 上流部SOx脱離量(上流部からのSOxの脱離量)
QSOx1 上流部SOx捕捉量
QSOx2 下流部SOx捕捉量(NOx触媒の下流部の状態)
TCAT2 下流側触媒温度(NOx触媒の下流部の状態)
DCATD2 下流側NOx触媒の劣化度合(NOx触媒の下流部の状態)

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられ、上流部および下流部を有し、排ガスの酸素濃度に応じてNOxおよびSOxを捕捉または脱離するNOx触媒と、
    当該NOx触媒に還元雰囲気の排ガスを供給することによって、当該NOx触媒に捕捉されたSOxを脱離するためのサルファパージ運転を実行するサルファパージ制御手段と、
    当該サルファパージ運転中の前記NOx触媒の前記上流部からのSOxの脱離量を算出するSOx脱離量算出手段と、
    当該算出されたSOx脱離量に基づき、前記NOx触媒の前記下流部に捕捉されているSOxの捕捉量を、下流部SOx捕捉量として算出する下流部SOx捕捉量算出手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
  2. 前記NOx触媒の前記下流部の状態を取得する触媒状態取得手段をさらに備え、
    前記下流部SOx捕捉量算出手段は、前記取得されたNOx触媒の下流部の状態に応じて、前記下流部SOx捕捉量を算出することを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
  3. 前記NOx触媒は、前記排気通路に沿って互いに分離した状態で配置された上流側NOx触媒および下流側NOx触媒を含み、
    前記NOx触媒の前記上流部が前記上流側NOx触媒であり、前記NOx触媒の前記下流部が前記下流側NOx触媒であることを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
  4. 前記NOx触媒の前記上流部に捕捉されているSOx捕捉量を、上流部SOx捕捉量として算出する上流部SOx捕捉量算出手段と、
    当該算出された上流部SOx捕捉量と前記下流部SOx捕捉量との和に基づいて、前記サルファパージ運転の終了タイミングを決定するサルファパージ終了決定手段と、をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
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