(57)【要約】【課題】圧縮天然ガスを燃料とする希薄燃焼内燃機関において、ドライバビリティを損なわずに、メタンを浄化する酸化触媒装置のメタン浄化能力の回復を行うことができる、希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法を提供する。【解決手段】圧縮天然ガスを燃料とし、排気通路２８に酸化触媒装置２９を設けていると共に制御装置４０を備えている希薄燃焼内燃機関において、制御装置が、当該希薄燃焼内燃機関を搭載した車両の加速及び巡航運転中はリーン運転をして、酸化触媒装置で排気ガスＧ中の処理対象成分を酸化処理すると共に、車両の減速時にリッチ運転をして、酸化触媒装置の浄化率の回復と燃焼による触媒の保温をする浄化率回復制御を行い、さらに、浄化率回復制御を行う場合に、トルクが発生しないように点火タイミングをピストン上死点より後にするように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮天然ガスを燃料とし、排気通路に酸化触媒装置を設けていると共に制御装置を備えている希薄燃焼内燃機関において、前記制御装置が、当該希薄燃焼内燃機関を搭載した車両の加速及び巡航運転中はリーン運転をして、前記酸化触媒装置で排気ガス中の処理対象成分を酸化処理すると共に、前記車両の減速時にリッチ運転をして、前記酸化触媒装置の浄化率の回復と燃焼による触媒の保温をする浄化率回復制御を行い、
さらに、前記浄化率回復制御を行う場合に、トルクが発生しないように点火タイミングをピストン上死点より後にすることを特徴とする希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法。
【請求項２】
前記制御装置が、スロットル開度又はアクセルペダル開度から減速中であるか否かを判定すると共に、前記酸化触媒装置の温度を触媒温度センサで計測して、この温度が予め設定した温度未満では、前記浄化率回復制御を行わないことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
前記制御装置が、エンジン冷却水温度センサで計測したエンジン冷却水温度が予め設定した判定用水温以下のとき、若しくは、アイドルスイッチがＯＦＦのとき、若しくは、エキゾーストブレーキがＯＮであるときには、前記浄化率回復制御を行わないことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
【請求項４】
前記制御装置が、前記浄化率回復制御を行う場合に、前記触媒温度センサで計測した前記酸化触媒装置の温度に基づいてリッチ燃焼の燃料噴射時間を設定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
【請求項５】
前記制御装置が、前記浄化率回復制御を行っている場合において、アイドルスイッチがＯＦＦになったとき、または、エンジン回転数が予め設定された回転数以下になったときに、前記浄化率回復制御を終了することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
【請求項６】
圧縮天然ガスを燃料とする希薄燃焼内燃機関において、この希薄燃焼内燃機関を搭載した車両の加速及び巡航運転中はリーン運転をして、排気通路に設けた酸化触媒装置で排気ガス中の処理対象成分を酸化処理すると共に、前記車両の減速時にリッチ運転をして、前記酸化触媒装置の浄化率の回復と燃焼による触媒の保温をすることを特徴とする希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希薄燃焼内燃機関から排出されるＮＯｘを低減する希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮天然ガスを燃料とするリーンバーンエンジンでは、燃料となる天然ガスの主成分がメタン（ＣＨ4）であり、このメタンは、分子構造上、炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）との腕が少なく、メタンを浄化させるための白金、バナジウムを主成分とする酸化触媒で化学反応を起こさせるためには、４５０℃以上の温度が必要となる。また、この酸化触媒はリーン燃焼での酸化雰囲気の環境下では、これらの担持した貴金属が酸化物になる場合もある。この貴金属の酸化反応が進んだ状態になると、メタン浄化率が低下してしまう。
【０００３】
そのため、このメタンを酸化触媒で浄化するためには、浄化が可能な温度でメタンの酸化反応を長時間維持することが難しく、長時間の間、高い浄化率を保つのは困難であるという問題がある。その一方で、この酸化触媒の酸化反応が進み、メタン浄化率が低下した状態の酸化触媒は、リッチ状態で運転を行って還元雰囲気にすると、そのメタン浄化能力を回復することができることが分かっている。
【０００４】
これに関連して、メタンを浄化する酸化触媒では無く、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒に関してではあるが、車両搭載の内燃機関の排気ガスの空燃比がリーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ浄化触媒に対して、車両の減速時に燃料系リッチ制御と吸気系リッチ制御を併用する排気ガス浄化方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この燃料系リッチ制御は、シリンダ内噴射における多段噴射やポスト噴射、あるいは、排気管への直接燃料を供給する排気管内噴射等による排気ガス中の燃料量を添加または増加する制御である。この排気ガス浄化方法では、車両の減速時に再生制御を行うことにより，吸気系リッチ制御により燃料噴射量を減少するので、再生制御時の乗り心地性の悪化を防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３１６７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の排気ガス浄化方法はディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等のＮＯｘ浄化に用いられるＮＯｘ吸蔵還元型触媒に関するものであり、しかも、シリンダ内噴射における多段噴射やポスト噴射では、メイン噴射を維持しているので、内燃機関の発生トルクを完全にゼロにすることができず、ドライバビリティ（乗り心地性）をさらに向上させる余地が残っている。また、排気管内直接噴射では、シリンダ内燃料噴射を完全に停止して内燃機関の発生トルクをゼロにした場合には、シリンダ内燃焼による排気ガスの温度の上昇を利用できないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮天然ガスを燃料とする希薄燃焼内燃機関において、ドライバビリティを損なわずに、メタンを浄化する酸化触媒装置のメタン浄化能力の回復を行うことができる、希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システムは、圧縮天然ガスを燃料とし、排気通路に酸化触媒装置を設けていると共に制御装置を備えている希薄燃焼内燃機関において、前記制御装置が、当該希薄燃焼内燃機関を搭載した車両の加速及び巡航運転中はリーン運転をして、前記酸化触媒装置で排気ガス中の処理対象成分を酸化処理すると共に、前記車両の減速時にリッチ運転をして、前記酸化触媒装置の浄化率の回復と燃焼による触媒の保温をする浄化率回復制御を行うように構成される。
【００１０】
また、上記の目的を達成するための本発明の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法は、圧縮天然ガスを燃料とする希薄燃焼内燃機関において、この希薄燃焼内燃機関を搭載した車両の加速及び巡航運転中はリーン運転をして、排気通路に設けた酸化触媒装置で排気ガス中の処理対象成分を酸化処理すると共に、前記車両の減速時にリッチ運転をして、前記酸化触媒装置の浄化率の回復と燃焼による触媒の保温をすることを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【００１１】
上記の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、車両の加速及び巡航運転中はリーン運転をして、酸化触媒装置で排気ガス中のメタンを酸化処理すると共に、当該車両の減速時にスロットルによる吸入空気量を絞ると共にリッチ運転してリーン運転時の浄化率を回復し、しかも、この浄化率回復制御時に、点火プラグの点火タイミングをピストン上死点より後にしてトルクの発生を防止するので、ドライバビリティを損なわずに、メタンを浄化する酸化触媒装置のメタン浄化能力の回復を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る実施の形態の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法の制御フローの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施の形態の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。この希薄燃焼内燃機関は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料とするリーンバーンエンジンである。
【００１４】
この圧縮天然ガスを燃料とするリーンバーンエンジンは、燃料の主成分がメタンであるため、未燃のメタンを酸化触媒で浄化するには、メタンは分子構造上、ＨとＣの腕が少なく、触媒で酸化反応を起こさせるにも、４５０℃以上必要となるため、温度面や、メタンの酸化反応面で難しく、長時間高浄化率を保つのは困難である。
【００１５】
図１に示すように、本発明の実施の形態の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム１は、吸気Ａが、エンジン本体１１の吸気通路１２に上流側からエアクリーナー１３、吸気量センサ（ＭＡＦセンサ）１４、ターボ式過給機１５のコンプレッサ１５ａ、インタークーラ１６、スロットル角度センサ１７ａを伴う吸気スロットルバルブ１７、吸気圧力・吸気温度センサ１８、燃料温度・圧力センサ１９ｂが配設されている燃料通路１９ａに接続された燃料噴射装置（フェールインジェクタ）１９が設けられて、吸気Ａが、この吸気通路１２を通ってシリンダ２０のピストン２１の上部の燃焼室２２に導入される。
【００１６】
この燃焼室２２には一次側点火システム２３の点火プラグ２３ａが設けられており、燃料噴射装置１９から噴射された燃料である天然ガスを点火プラグ２３ａで点火して燃焼させる。このシリンダ２０の周辺には、ノックセンサ２４、エンジン冷却水温度センサ２５、クランク角度センサ２６、シリンダ判別センサ（カム角度センサ）２７が設けられている。そして、燃焼室２２から排出される排気ガスＧを通す排気通路２８に、ターボ式過給機１５のタービン１５ｂ、酸化触媒装置２９、触媒温度センサ３０が設けられている。また、タービン１５ｂには、ウエストゲート１５ｃがウエストゲートコントロールソレノイド１５ｄで開閉を調整されるように設けられている。
【００１７】
また、排気通路２８から分岐して、吸気通路１２に接続するＥＧＲ通路３１が設けられ、このＥＧＲ通路３１にＥＧＲクーラー３２とＥＧＲバルブ３３とが設けられ、ＥＧＲガスＧｅを燃焼室２２に還流している。
【００１８】
上記の酸化触媒装置２９は、セラミック等で成形されたモノリス担体などの担持体に、白金、パラジウム等の貴金属触媒の酸化触媒を担持して構成され、排気ガスＧ中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などを酸化して浄化するものである。ここでは、未燃燃料であるメタン等が大気中へ放出されることを防止する役割を有している。この酸化触媒はストイキ状態では処理対象成分である未燃のメタンを浄化できるが、リーン状態では酸化反応が悪く、担持した貴金属が酸化物になる場合もあるが、酸化反応が悪化した酸化触媒は、リッチ状態で運転を行うと浄化率が回復する触媒である。
【００１９】
また、制御装置４０が設けられ、各種センサ１４、１７ａ、１８，１９ｂ、２４、２５、２６、２７、３０の検出値を入力して、燃料噴射装置１９に供給する燃料の圧力を調整したり、燃焼室２２に供給する燃料噴射量と燃料噴射時期を制御する制御指令を燃料噴射弁６２に出力したり、点火プラグ２３ａの点火時期を制御したりする。この制御装置４０は、通常は、エンジンの運転全般を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれるエンジン制御装置で構成されるが、このエンジン制御装置とは別体で形成して、このエンジン制御との間で連携を取りながら制御する構成にしてもよい。
【００２０】
本発明においては、この制御装置４０が、当該希薄燃焼内燃機関を搭載した車両の加速及び巡航運転中はリーン運転をして、酸化触媒装置２９で排気ガスＧ中のメタン等の処理対象成分を酸化処理すると共に、車両の減速時に吸気スロットルバルブ１７を閉めると共にリッチ運転をして、酸化触媒装置２９の浄化率の回復と燃焼による触媒の保温をする浄化率回復制御を行い、さらに、浄化率回復制御を行う場合に、トルクが発生しないように点火タイミングをピストン上死点より後にするように構成される。
【００２１】
つまり、リーンバーンエンジンを加速、巡航中はリーン燃焼で運転しているが、減速中はトルクが不要なため、減速時に吸気スロットルバルブ１７を閉めると共にリッチ運転して酸化触媒装置２９を酸素が少ないリッチ状態にして、担持された貴金属から酸素分を取り除き、リーン運転時の触媒浄化率を回復させ、且つ燃焼により触媒を保温する。触媒温度Ｔｃとエンジン回転数Ｎｅから計算された制御期間の間は全気筒噴射し、その後全気筒燃料をカットする。触媒温度Ｔｃが高い時はメタンの浄化率も高くなることから、酸化触媒の活性が活発となるので、リッチ運転の時間を増やして、貴金属についた酸素を積極的に分離する。
【００２２】
また、燃料点火時期、即ち、スパークプラグの点火時期をリタード（遅延）してトルクを発生しないように、点火タイミングを上死点より後になるようにする。これにより、減速に燃料の噴射を行うとトルクが発生してしまって減速感が無くなるのを回避する。言い換えれば、減速時に燃料を供給すると、トルクを発生する可能性があるので、その間の点火時期をリタードして、トルクの発生を防止する。
【００２３】
そして、制御装置４０が、スロットル開度又はアクセルペダル開度から減速中であるか否かを判定する。それと共に、酸化触媒装置２９の触媒温度Ｔｃを触媒温度センサ３０で計測して、この触媒温度Ｔｃが予め設定した温度Ｔｃｃ未満では、浄化率回復制御を行わないように構成される。この触媒温度判定では、運転中の触媒温度Ｔｃを触媒温度センサ３０でモニターし、メタンを浄化できる温度Ｔｃｃ以上になっているかをモニターする。
【００２４】
あるいは、制御装置４０が、エンジン冷却水温度センサ２５で計測したエンジン冷却水温度Ｔｗが予め設定した判定用水温（例えば７０℃）Ｔｗｃ以下のとき、若しくは、アイドルスイッチがＯＦＦのとき、若しくは、エキゾーストブレーキがＯＮであるときには、浄化率回復制御を行わないように構成される。
【００２５】
そして、制御装置４０が、浄化率回復制御を行う場合に、触媒温度センサ３０で計測した酸化触媒装置２９の温度に基づいてリッチ燃焼の燃料噴射時間を設定する。また、さらには、燃料噴射時間と燃料噴射量は触媒温度Ｔｃとエンジン回転数Ｎｅで変化させることが好ましい。言い換えれば、燃料噴射時間の設定は、予め実験等のより設定されたマップデータなどを用いて、触媒温度Ｔｃとエンジン回転数Ｎｅから触媒活性させる燃料噴射時間を決定することが好ましい。
また、制御装置４０が、浄化率回復制御を行っている場合において、アイドルスイッチがＯＦＦになったとき、または、エンジン回転数Ｎｅが予め設定された回転数（燃料カット復帰エンジン回転数）Ｎｓ以下になったときに、浄化率回復制御を終了するように構成される。つまり、この解除条件が成立したときは、燃料噴射、点火制御をともに解除し通常制御に戻る。なお、通常、減速のままだとエンストしてしまうので、アイドル位の回転数の燃料カット復帰エンジン回転数Ｎｃになると、通常制御に戻るように構成されているので、減速されてエンジン回転数Ｎｅがこの燃料カット復帰エンジン回転数Ｎｃになったら、浄化率回復制御を終了する。
【００２６】
次に、本発明に係る実施の形態の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法について説明する。この方法は、圧縮天然ガスを燃料とする希薄燃焼内燃機関において、この希薄燃焼内燃機関を搭載した車両の加速及び巡航運転中はリーン運転をして、排気通路２８に設けた酸化触媒装置２９で排気ガスＧ中の処理対象成分を酸化処理すると共に、車両の減速時にリッチ運転をして、酸化触媒装置２９の浄化率を回復する方法である。
【００２７】
以下において、より詳細に、この希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法を図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、希薄燃焼内燃機関の運転が開始されると、上級の制御フローから呼ばれて、実行され、希薄燃焼内燃機関の運転の停止と共に、上級の制御フローに戻り、この上級の制御フローの終了とともに終了するものとして示している。
【００２８】
この図２の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、車両が減速状態にあるか否かを判定し、減速状態にない場合は（ＮＯ）、予め設定した時間を経過した後ステップＳ１１に戻る。ステップＳ１１で、車両が減速状態にある場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ１２に行く。このステップＳ１１の判定は、スロットル開度、アクセルペダル開度などから判定する。
【００２９】
ステップＳ１２では、酸化触媒装置２９の酸化触媒が十分に活性しているか否かを、触媒温度センサ３０で計測した触媒温度Ｔｃが予め設定した温度Ｔｃｃ以上になっているか否かで判定する。このステップＳ１２の判定で「Ｔｃ＜Ｔｃｃ」であれば（ＮＯ）、ステップＳ１１に戻る。このステップＳ１２の判定で「Ｔｃ≧Ｔｃｃ」であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１３に行く。
【００３０】
ステップＳ１３では、浄化率回復制御を禁止する禁止条件が成立しているか否かを判定する。この禁止条件としては、エンジン冷却水温度Ｔｗが予め設定した判定用水温Ｔｗｃ以下であること、アイドルスイッチがＯＦＦであること、エキゾーストブレーキがＯＮであることが条件となっている。これらの条件のいずれか一つが成立していれば禁止条件が成立している（ＹＥＳ）とする。また、これらの条件が全部成立しないときには、禁止条件は成立していない（ＮＯ）とする。ステップＳ１３で、禁止条件が成立している場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ１１に戻る。このステップＳ１３で、禁止条件が成立していない場合は（ＮＯ）、ステップＳ１４に行く。
【００３１】
ステップＳ１４では、浄化率回復制御で行うリッチ運転における燃料噴射時間を、現制御時点の計測値として入力した触媒温度Ｔｃとエンジン回転数Ｎｅから、触媒温度Ｔｃベースとするマップデータ（テーブル）ＭＰ１とエンジン回転数Ｎｅをベースとするマップデータ（テーブル）ＭＰ２をそれぞれ参照して設定する。このとき、触媒温度Ｔｃが高い程、酸化触媒の活性が活発であり、メタンの浄化率も高くなるので、リッチ運転の時間を長くして、貴金属触媒についた酸素を積極的に分離する。また、燃料噴射量を、触媒温度Ｔｃとエンジン回転数Ｎｅから、触媒温度Ｔｃベースとエンジン回転数Ｎｅをベースとするマップデータ（テーブル）ＭＰ３を参照して設定する。
【００３２】
次のステップＳ１５では、浄化率回復制御で全気筒でのリッチ運転を予め設定された時間の間行い、ステップＳ１６に行き、ステップＳ１６の終了条件が成立するまで（ＹＥＳ）、ステップＳ１５を繰り返す。この終了条件としては、リッチ運転の経過時間が燃料噴射時間を経過したこと、アイドルスイッチがＯＦＦになったこと、エンジン回転数Ｎｅが燃料カット復帰エンジン回転数Ｎｃいかになったことのいずれかが成立したときに、終了条件が成立したと判定する。そして、ステップＳ１６の終了条件が成立すると（ＹＥＳ）、ステップＳ１７で、全気筒において燃料噴射をカットする終了作業をしてステップＳ１１に戻る。
【００３３】
なお、これらの制御の途中でエンジン運転の停止が行われると割り込みが生じて、リターンに行き、上級の制御フローに戻って、上級の制御フローの終了と共にこの図２の制御フローも終了する。
【００３４】
上記の構成の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム１及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、排気通路２８に排気ガスＧ中のメタンを酸化処理する酸化触媒装置２９を設けて、この希薄燃焼内燃機関を搭載した車両の加速及び巡航運転中はリーン運転をして、酸化触媒装置２９で排気ガスＧ中のメタンを酸化処理すると共に、当該車両の減速時にリッチ運転して、担持された貴金属から酸素分を取り除く浄化率回復制御を行って、リーン運転時の浄化率を回復することができ、しかも、この浄化率回復制御時に、点火プラグの点火タイミングをピストン上死点より後にしてトルクの発生を防止するので、ドライバビリティを損なわずに、メタンを浄化する酸化触媒装置のメタン浄化能力の回復を行うことができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム
１１  エンジン本体
１２  吸気通路
１４  吸気量センサ（ＭＡＦセンサ）
１７ａ  スロットル角度センサ
１８  吸気圧力・吸気温度センサ
１９ｂ  燃料温度・圧力センサ
１９  燃料噴射装置（フェールインジェクタ）
２０  シリンダ
２２  燃焼室
２３ａ  点火プラグ
２４  ノックセンサ
２５  エンジン冷却水温度センサ
２６  クランク角度センサ
２７  シリンダ判別センサ（カム角度センサ）
２８  排気通路
２９  酸化触媒装置
３０  触媒温度センサ
Ａ  吸気
Ｇ  排気ガス
Ｇｅ  ＥＧＲガス
【図１】
2018096227.tif 000003
【図２】
2018096227.tif 000004