(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの空燃比がリーンである時にNOxを吸収または吸着し前記排気ガスが理論空燃比またはそれより濃い混合気の時に吸収または吸着したNOxを還元するNOx触媒と、該NOx触媒の上流又は下流に配置した排気センサとを備えたエンジンの排気ガス浄化制御装置において、
該排気ガス浄化制御装置は、排気ガス中の硫黄分の値を算出もしくは推定する硫黄分算出手段と、該硫黄分の算出値もしくは推定値に基づいてエンジンの空燃比を変更する運転モード変更手段と、を備え、
該運転モード変更手段は、前記硫黄分の算出値もしくは推定値が所定値以上の場合にエンジンのリーンモード運転の頻度を減らすか、リーンモード運転継続時間を短くするか、もしくはリーンモード運転を禁止することを特徴とするエンジンの排気ガス浄化制御装置。
【請求項２】
硫黄濃度を検出する硫黄濃度センサが、エンジンの排気管に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化制御装置。
【請求項３】
前記硫黄分算出手段が、前記硫黄濃度センサもしくは前記排気センサの出力信号に基づいて硫黄濃度の算出もしくは推定をすることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの排気ガス浄化制御装置。
【請求項４】
前記硫黄分算出手段は、前記排気センサの応答性が遅いほど硫黄濃度値が高いと推定することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの排気ガス浄化制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気ガス浄化制御装置に係り、特に、希薄燃焼（リーンバーン）運転を行うNOx触媒を備えたエンジンの排気ガス浄化制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料消費率の向上とＣＯ2の排出抑制とを達成するために希薄燃焼エンジン（リーンバーン燃焼エンジン）の開発が進められている。一方、エンジンの排気ガスを浄化するために該エンジンの排気系に三元触媒を装置することが通常行われている。しかし、該三元触媒は、ストイキ付近での排気ガスの浄化には適しているが、リーン空燃比域でのＮＯｘ浄化性能が低いことから、希薄燃焼エンジン（リーンバーン燃焼エンジン）を用いた場合のリーン空燃比域でのＮＯｘの大気中への放出を抑制するための技術の開発が望まれている。
【０００３】
前記開発の一技術として、エンジンの排気ガスがリーン空燃比域の時にＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度を低下させると吸収したＮＯxを放出するNOx吸収剤を排気通路に設置し、排気ガスがリーン空燃比域の時にNOxを吸収させ、吸収させたNOxをNOx吸収剤に流入する排気ガス中のO2濃度を低下せしめることで放出させる排気浄化制御装置が提案されている（特許第２６００４９２号の発明参照）。
【０００４】
しかし、このような排気浄化制御装置を用いても、燃料の組成との関係で、エンジンの排気ガス中に硫黄分が含まれていると、リーン空燃比域時にNOx吸収剤が硫黄（ＳＯｘ）と化合して硫化物となり、NOx吸収能力を著しく低下させるとの問題があった。更に、NOx吸収剤が硫黄（ＳＯｘ）と化合して硫化物となって吸収されると、その吸収された硫化物を放出することがなかなか難しく、永久被毒となる傾向が強くなって、前記NOx吸収剤を再生することが困難となり、該NOx吸収剤の寿命を短くしてしまうものであった。
【０００５】
そこで、NOx吸収剤を備えた希薄燃焼エンジンの制御装置において、硫黄と化合して形成される硫化物を該NOx吸収剤内に滞留するのを防ぐために、前記制御装置に前記NOx吸収剤に吸収されているＳＯｘ量を推定する手段と前記NOx吸収剤の温度を検出する手段とを設け、エンジンの運転中に前記NOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーン又は理論空燃比のときにNOx吸収剤に吸収されていると推定されているＳＯｘ量が許容量を越え、かつNOx吸収剤の温度が予め定められた設定温度より高いときに、NOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにして前記NOx吸収剤からＳＯｘを放出させて該NOx吸収剤を再生させる技術が提案されている（特開平７−２１７４７４号公報参照）。また、前記技術と同様に、エンジンの空燃比状態、NOx吸収剤の温度状態、及び該NOx吸収剤のＳＯｘ量を検出して、エンジンの空燃比を制御して該NOx吸収剤に吸収されているＳＯｘを離脱して、NOx吸収剤を再生させる技術が種々提案されている（特開平６−８８５１８号公報、特開平７ー１８６７８５号公報等参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記提案の技術は、いずれも、NOx吸収剤に吸収されているＳＯｘを該NOx吸収剤から離脱させて排除して、該NOx吸収剤を再生させるものであって、そのための手段としてNOx吸収剤内のＳＯｘ量等を計測・推定してエンジンの空燃比を制御しているものである。即ち、NOx吸収剤に吸収されたＳＯｘを如何に排除するかにその技術の主眼が置かれているものであって、NOx吸収剤にＳＯｘが吸収されるのを予防し、防止することで、ＳＯｘによるNOx吸収剤の劣化をなくしたものではない。
【０００７】
前記したように、NOx吸収剤に硫黄（ＳＯｘ）が硫化物となって一旦吸収されると、その吸収された硫化物を放出することがなかなか難しく、永久被毒となる傾向が強くなるので、前記技術を用いても、前記NOx吸収剤を良好に再生することは容易ではなく、依然としてNOx吸収剤の劣化の問題を残しているものである。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、希薄燃焼エンジンにおいて、硫黄分（ＳＯｘ）を含んだ排気ガスであっても、NOx触媒（吸収剤）が被毒しないで、該NOx触媒を長期間に渡って使用が可能な排気ガス浄化制御装置を提供することにあり、また、排気センサ信号の応答性が遅くなった場合でもNOx排出量が増加しない排気ガス浄化制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するべく、本発明のエンジンの排気ガス浄化制御装置は、基本的には、排気ガスの空燃比がリーンである時にNOxを吸収または吸着し前記排気ガスが理論空燃比またはそれより濃い混合気の時に吸収または吸着したNOxを還元するNOx触媒と、該NOx触媒の上流又は下流に配置した排気センサとを備えたエンジンに用いられるものであって、排気ガス中の硫黄分の値を算出もしくは推定する硫黄分算出手段と、該硫黄分の算出値もしくは推定値に基づいてエンジンの空燃比を変更する運転モード変更手段とを備え、該運転モード変更手段が、前記硫黄分の算出値もしくは推定値が所定値以上の場合にエンジンのリーンモード運転の頻度を減らすか、リーンモード運転継続時間を短くするか、もしくはリーンモード運転を禁止するものであることを特徴としている。
【００１０】
そして、本発明のエンジンの排気ガス浄化制御装置のより好ましい具体的な態様は、硫黄濃度を検出する硫黄濃度センサが、エンジンの排気管に設けられ、前記硫黄分算出手段が、前記硫黄濃度センサもしくは前記排気センサの出力信号に基づいて硫黄濃度の算出もしくは推定をし、前記硫黄分算出手段が、前記排気センサの応答性が遅いほど硫黄濃度値が高いと推定するものであることを特徴している。
【００１１】
前記の如く構成された本発明のエンジンの排気ガス浄化制御装置は、排気センサもしくは硫黄濃度センサを用いて、エンジンの排気管を流れる排気ガス中の硫黄濃度を推定もしくは算出し、該算出結果に基づいてエンジンの空燃比の運転モードを変更し、硫黄分がＮＯｘ触媒に吸収されないような運転モードとしたので、NOx触媒の硫黄劣化やNOx排出量の増加を防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明のエンジンの排気ガス浄化制御装置の一実施形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態の排気ガス浄化制御装置を備えたエンジンの制御システムの全体を示したものである。図１において、エンジン５０に吸入された空気は、エアクリーナ２１から取り入れられ、吸入空気計１を通り、吸気流量を制御する絞弁２を通り、コレクタ２２に入る。ここで、絞弁２はこれを駆動する電子スロットルアクチュエータ１６と連結しており、該電子スロットルアクチュエータ１６を駆動することにより絞弁２を操作して、吸入空気量を制御できるようになっている。
【００１３】
コレクタ２２に至った吸入空気は、エンジン５０の各シリンダ２３に接続された各吸気管２４に分配され、前記シリンダ２３内の燃焼室に導かれる。
一方、ガソリン等の燃料は、燃料タンク２５から燃料ポンプ２６により吸引、加圧されてインジェクタ６から各吸気管２４に噴射される。
前記シリンダ２３内の燃焼室に吸気弁２０の開弁によって流入した空気と噴射燃料とは、混合され、点火コイル９からの圧電によって点火プラグ２７によって点火されて燃焼される。
【００１４】
前記エンジン５０の燃焼室で燃焼した排気ガスは、排気弁２１の開弁によって排気管２８に導かれ、NOx触媒１８を介して前記エンジン５０外に放出される。前記排気管２８からの排気ガスは、配管２９を介して前記コレクタ２２再循環され、前記配管２９の途中には、排気ガスの再循環量を制御する電制EGRバルブ７が配置されている。該電制EGRバルブ７は、その前後差圧と排気ガスの空燃比を基に電気的に開口面積を制御することでEGR量が決定される。
【００１５】
空気量センサ１、回転センサ１５、水温センサ１４、及びアクセルペダルセンサ（負荷検出センサ）１３が配置されており、該各センサの検出され、該検出信号がコントロールユニット１０に入力されるようになっていて、エンジン５０に吸入される吸入空気量Qa、エンジン回転数N,エンジン冷却水温TW等が算出される。前記排気管２８には、排気センサ１１と硫黄濃度センサ３０とが配置され、前記排気センサ１１により排気ガスの空燃比を検出し、前記硫黄濃度センサ３０で硫黄濃度を検出してその検出信号を前記コントロールユニット１０に入力している。
【００１６】
電子スロットルアクチュエータ１６は、アクセルペダルセンサ信号１３に基づいて絞弁２を開閉するものであり、これによりエンジン５０に吸入される空気量を変えて、エンジン出力を調節することができる。前記インジェクタ６から噴射される燃料の霧化をよくするために、空気噴流がアシストエアー制御弁３からインジェクタ６の噴口に供給される。アシストエアー制御弁３の代わりにアシストエアー用空気ポンプを使用してもよい。
【００１７】
エンジン５０のシリンダ２３内のガス流動制御は、ガス流動アクチュエータ１７で絞弁５を開閉することにより、ガス流動生成通路４を通過する空気量を調節することにより行われる。ガス流動生成通路４から噴射される空気は勢いよくシリンダ２３に流入し、シリンダ２３内に縦渦や横渦を形成する。これにより成層燃焼が行われ、希薄燃焼（リーンバーン）が実現できる。前記シリンダ２３内での点火は、点火コイル９により行われるが、点火するタイミングを遅らすと有害排気ガスを低減でき、また排気ガスの温度が上がることから触媒を早く活性化することができる。
【００１８】
EGR制御弁７は、排気ガスをエンジン５０の吸気管２４側に導入することにより燃焼温度を下げてNOxの排出量を減らすものであり、NOx触媒１８は、有害排気ガスを浄化する機能（三元触媒機能）とリーンモード運転時にNOxを吸収または吸着して理論空燃比(A/F=14.7)、またはそれより混合気が濃い時に吸収または吸着したNOxを還元する機能をもつものである。リーンモード運転中にNOxを吸収、吸着するNOx触媒の代りに反応型のNOx触媒を使用してもよい。
【００１９】
また、前記コントロールユニット１０は、エンジン５０の運転状態を検出する前記各種のセンサ等からの信号を取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された各種の制御信号を出力して、前記インジェクタ６、点火コイル９、絞弁操作の電子スロットルアクチュエータ１６、及び電制EGRバルブ７等に所定の制御信号を出力し、燃料供給制御、点火時期制御、吸入空気量制御、及び排気規制対応制御等が行われる。
【００２０】
前記NOx触媒１８の前に設けられている排気センサ１１は、排気ガスの空燃比、ガス濃度などを検出するものであり、理論空燃比より濃いか薄いかを検出するタイプのＯ2センサや空燃比に応じてリニアーな出力電圧が得られるリニアA/Fセンサ等が前記排気センサ１１として使用される。
更に、コントロールユニット１０は、クランク角センサ１５で検出した信号を処理することで、エンジン５０の回転の変動を計算するが、該エンジン５０の回転変動は、エンジンの燃焼の安定性とよい相関関係がある。
【００２１】
図２は、本実施形態の排気ガス浄化制御装置の制御ブロック図である。コントロールユニット１０の内部機能を示すエンジン制御装置６０は、排気ガス浄化制御装置６１を備え、該排気ガス浄化制御装置６１は、排気ガスの硫黄分算出手段６３と空燃比の運転モード変更手段６４とを備えている。また、前記エンジン制御装置６０は、空燃比の運転モード算出手段６２を備え、該運転モード算出手段６２は、回転センサ１５や負荷検出センサ１３等の出力信号に基づいてエンジンの空燃比を決定するリーン、リッチ等の運転モードを算出する。
【００２２】
前記排気ガスの硫黄分算出手段６３は、前記硫黄濃度センサ３０もしくは前記排気センサ１１の出力信号に基づき排気管２８を流れる排気ガス内に含まれる硫黄濃度を算出するか、もしくは該硫黄濃度を推定し、前記運転モード変更手段６４に出力する。該運転モード変更手段６４は、前記硫黄分算出手段６３で算出した硫黄濃度の値に基づき、その値が所定値以上である場合に、前記運転モード算出手段６２で算出した運転モードを変更する。このモード変更は、リーンモード運転の頻度を減らすか、リーンモード運転継続時間を短くするか、もしくはリーンモード運転を禁止するかへの変更である。これにより、NOx触媒の硫黄被毒やNOx排出量の増加を防止する。
【００２３】
図３は、エンジン５０が理論空燃比モード運転とリーンモード運転とを繰り返した時の空燃比Ａ／ＦとNOx触媒１８のNOx浄化率の変化の様子を示したものである。該NOx触媒１８は、リーンモード運転に移行した直後から時間とともにNOxの吸収・吸着能力が下がるために、NOx浄化率もそれに応じて減少する。NOx触媒１８が硫黄で被毒すると、NOx吸収・吸着能力は、著しく劣り、点線の様にNOx浄化率が急減してしまう。この硫黄被毒は、リーンモード運転の頻度を減らすことで劣化の進む速度を遅くできる。即ち、硫酸化合物を作るのに必要な酸素濃度を減らすことで、NOx吸収・吸着剤が硫酸化合物になりにくくなるからである。
【００２４】
図４は、エンジン回転数とエンジン負荷との関係からリーンモード運転領域を説明した図である。通常の運転領域は、燃費をよくするために、リーンモード運転領域とし、エンジン負荷が大きい領域については、出力が出るように理論空燃比(A/F=14.7)、もしくは出力空燃比(A/F=13.5)に設定される。
図５は、硫黄濃度と排気センサの信号の応答性の関係を示したものである。別に設けた硫黄濃度センサ３０で硫黄濃度を直接検出することができるが、排気センサ１１の応答性を計測することで間接的に硫黄濃度を推定することもできる。
【００２５】
図６は、エンジンの空燃比制御中の排気センサ１１としてＯ2センサ（図６（ａ））又はリニアA/Fセンサ（図６（ｂ））が使用された場合の出力電圧信号の変化の様子を示したものである。排気ガス中の硫黄濃度が高いと点線のように応答性が遅くなり、変動が緩やかになる。応答性は信号の微分値や制御空燃比が変動した後の応答時間や出力電圧が所定の電圧間を過ぎる時間で算出してもよい。
【００２６】
図７は、本実施形態のエンジンの排気ガス浄化制御装置の制御フローチャートを示したものである。
まず、始めにステップ３０で、排気センサ１１の信号を検出し、ステップ３１で前記検出に基づいて排気センサ１１の応答性を算出する。ステップ３２では、図５の特性図に基づき前記排気センサ１１の応答時間τ(ms)から硫黄濃度Ｓ(ppm)を算出する。ステップ３３では、前記算出した硫黄濃度Ｓが所定値α以下か否かを比較し、硫黄濃度Ｓが所定値以下の場合はステップ３５に進み、該ステップ３５でリーンモード運転許可して運転を継続する。ステップ３５で硫黄濃度Ｓが所定値α以上と判定された場合にはステップ３４に進み、該ステップ３４で所定値β以下か否かを比較して、所定値β以下の場合はステップ３６に進み、リーンモード運転の頻度を制限またはリーンモード継続時間を短く制限する。そうでない場合は、ステップ３７でリーンモード運転を禁止する。ステップ３３,３４の比較を硫黄濃度Ｓの代りに、排気センサ応答時間τを用いてもよい。
【００２７】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更はできるものである。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明の排気ガス浄化制御装置は、排気ガス中の硫黄濃度を検出すること、あるいは排気センサの応答遅れを検出して、その検出値に応じてリーンモード運転の頻度やリーンモード継続時間の削減を行うことで、ＮＯｘ触媒の硫黄被毒の防止、及びNOx排出量の増加を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のエンジンの排ガス浄化制御装置を備えたエンジンシステムの全体構成図。
【図２】図１のエンジンの排ガス浄化制御装置の制御ブロック図。
【図３】エンジンの空燃比に対応するNOx触媒のNOx浄化率（正常時と硫黄劣化時）を示す図。
【図４】エンジン回転数と負荷に対応するリーンモード運転領域を示す図。
【図５】排気センサの排気ガス中の硫黄濃度に対すると応答性を示す図。
【図６】排気センサ（Ｏ2センサ及びリニアーＡ／Ｆセンサ）の検出変動波形を示す図。
【図７】本実施形態のエンジンの排ガス浄化制御装置の制御フローチャート。
【符号の説明】
１…空気量センサ、２…絞り弁、３…アシストエアー制御弁、４…ガス流動生成通路、５…絞り弁、６…インジェクタ、７…EGR制御弁、９…点火コイル、１０…コントロールユニット、１１…排気センサ、１３…アクセルペダルセンサ、１４…水温センサ、１５…回転センサ、１６…電子スロットルアクチュエータ、１７…ガス流動アクチュエータ、１８…NOx触媒、６１…排ガス浄化制御装置、３０…硫黄濃度センサ、６２…運転モード算出手段、６３…排気ガスの硫黄分算出装置、６４…運転モード変更手段
【図１】
0003805098.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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