JP2004162613A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、酸化触媒によるパティキュレートフィルタの連続再生状態が実現した状況を反映させて、強制再生を開始させるインターバルを適切に設定できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタ１８の直上流の排気温度を検出する温度センサ２０を用い、ＥＣＵ２２で、排気温度が一定時間連続して連続再生温度相当値以上であった場合の累積履歴に基づいて強制再生インターバルを調整する制御を採用して、強制再生インターバルを連続再生状態が実現した状況の履歴に合わせて適切に調整するようにした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に介装されたパティキュレートフィルタとその上流側に配置された酸化触媒とを用いて浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン（内燃機関）に搭載される排気浄化装置には、エンジンの排気通路にパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）を介装して、走行中、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるパティキュレート（以下、ＰＭという）を捕集する構造が用いられる。
【０００３】
ＤＰＦは、捕集能力を回復させることが必要である。そのため、ＤＰＦを有する排気浄化装置では、予め設定されたインターバル毎（例えば１０時間毎）、ＰＭが酸化する温度までＤＰＦを強制的に上昇させて、ＤＰＦに堆積したＰＭを予め設定された設定時間で、Ｏ_２により燃焼させる手法が用いられる（強制再生）。強制再生は、ＤＰＦで捕集されるＰＭ量の正確な検出は困難なため、インターバルを経過するまでＰＭが燃焼されていない状況、すなわちインターバルを経過するまでＰＭを捕集し続けたときのＰＭ量を推定して、これを燃焼するのに費やす一定の総時間を再生時間として運転を行っている。
【０００４】
ところで、車両の通常走行中、排気ガスの温度は、車両の運転状態により、ＰＭを自然発火させる温度まで上昇することがある。つまり、車両の運転状態において、ＤＰＦに堆積したＰＭが、インターバルの経過前、自然発火により燃焼（以下、自燃という）することが見られる。このような場合、予め設定されているＰＭの推定堆積量が自燃により減少するために、インターバル経過後の強制再生運転は、無駄な強制再生が行われやすい。
【０００５】
そこで、予め設定されている強制再生制御を開始するインターバル（所定期間）前、排気温度によりＤＰＦが自燃により再生状態になったことを検出すると、インターバルを決めるエンジンの作動期間のカウントをリセットする手段を設けて、ＰＭの堆積量が少ない状態でも無駄な強制再生運転が防げるようにした技術が提案されている（例えば特許文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特公平５−３４４８８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の技術は、排気温度が自燃により再生状態となる温度、例えば６００℃以上を計測すると、即座にカウンタ値をリセットする技術なので、ＤＰＦが完全に再生しない場合でも、カウントがリセットされてしまう。こうしたＤＰＦの再生が不十分なままカウンタ値がリセットされるような状況が発生すれば、次回の強制再生の開始が遅れ、排ガス性能が低下する問題がある。但し、６００℃以上の燃焼は急激に進行するために上記のような不都合の発生頻度は比較的に低いかもしれない。
【０００８】
一方、近年、ＤＰＦを有する排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの前段に酸化触媒を配置して、低い温度でＰＭの燃焼を可能にした連続再生式のパティキュレートフィルタ装置が開発されている。これは、酸化触媒上で排気ガス中のＮＯを酸化し、生成されたＮＯ_２と排気ガス中のＯ_２とで、ＤＰＦに捕集したＰＭを連続的に燃焼（連続再生）させる装置であり、上記従来例で述べたＯ_２による燃焼に比較して、低い温度、例えば２５０℃以上から反応が行われる特徴がある。
【０００９】
この連続再生式パティキュレートフィルタ装置にも、無駄な強制再生運転を防ぐ観点から、上記のような手法を適用するが考えられる。しかしながら、該連続再生によるＰＭの燃焼は、２５０℃以上と、Ｏ_２による燃焼（６００℃以上）に比べて低温で緩慢な燃焼（ＮＯ_２による反応による）であるため、前述の強制再生遅れの問題がより顕在化してしまい実用に耐えられない。
【００１０】
そのため、本発明は、パティキュレートフィルタの連続再生状態が実現した状況を反映させて、適切にインターバルが設定できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、パティキュレートフィルタの温度に相関するパラメータ値を検出するフィルタ温度相関値検出手段を用い、強制再生制御手段で、パティキュレートフィルタの温度相関値が連続再生温度相当値を超えた状況の累積履歴に基づいてインターバルを調整するようにした。
【００１２】
これにより、強制再生を開始するインターバルは、連続再生状態が実現した状況の履歴に合わせて適切に調整され、無駄や強制再生遅れを解消した強制再生が実施される。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、上記目的に加え、さらに強制再生のインターバルがより適正に調整されるよう、パティキュレートフィルタの温度相関値が一定時間連続して所定温度以上であった場合を加算し、その加算した累積値の増加に応じてインターバルを長くするようにした。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、上記目的に加え、さら制御系が簡素化されるよう、フィルタ温度相関値検出手段は、パティキュレートフィルタの直上流の排気温度を検出する構成とし、強制再生制御手段は、排気温度に基づいてインターバルを調整すると共に、強制再生制御実行時には排気温度に基づいて再生制御を実行するようにして、排気温度の検出値を、強制再生のインターバルの調整と、強制再生制御との双方で共用するようにした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１ないし図３に示す一実施形態にもとづいて説明する。
【００１６】
図１は、内燃機関、例えばトラックやバスなどの車両に搭載される走行用ディーゼルエンジン１の排気浄化装置を示していて、図中１ａはディーゼルエンジン１のエンジン本体を示している。
【００１７】
ここで、エンジン本体１は、例えば直列に並んだ４つの気筒２ａ〜２ｄを備えている。各気筒２ａ〜２ｄには、ピストン（図示しない）が往復可能に収めてある。また各気筒２ａ〜２ｄの上部には、気筒毎にインジェクタ３ａ〜３ｄ、吸気ポート４ａ〜４ｄ、排気ポート５ａ〜５ｄ、吸・排気弁（図示しない）が設けてある。各インジェクタ３ａ〜３ｄには、燃料供給装置（図示しない）が接続されていて、気筒毎に所定のタイミングで、各吸・排気弁の吸・排動作、各インジェクタの噴射動作が行われると、各気筒２ａ〜２ｄで、所定のサイクル、例えば吸気、圧縮、爆発燃焼、排気の工程が行われるようにしてある。
【００１８】
エンジン本体１ａの片側に開口した各吸気ポート４ａ〜４ｄの入口には、吸気マニホールド６が接続してある。この吸気マニホールド６には、途中にインタクーラ７（例えば空冷式）、ターボ過給機８のコンプレッサ部８ａが組付けてある吸気管９が接続されていて、吸気管９を通じて各気筒２ａ〜２ｄへ燃焼用空気が導入できるようにしている。残る片側に開口した各排気ポート５ａ〜５ｄの出口には、排気マニホールド１０が接続してある。この排気マニホールド１０には、途中にターボ過給機８のタービン部８ｂが組付けてある排気管１１が接続されていて、燃焼を終えた各気筒２ａ〜２ｄからの排気ガスを外部へ排気できるようにしている。８ｃは、例えばタービン部８ｂに組込まれた排気逃し部（例えばタービン部８ｂの入口と出口との間をバイパスするバイパス路１２ａ、該バイパス路１２ａを開閉するウエストゲートバルブ１２ｂで構成されるもの）を示す。
【００１９】
なお、例えば吸気マニホールド６の入口には吸気絞り弁１２が設置され、また例えば吸気マニホールド６と排気マニホールド１０との間には、ＥＧＲ装置１３（例えばマニホールド６，１０間をバイパスするＥＧＲ通路１３ａ、該ＥＧＲ通路１３ａを開閉するＥＧＲバルブ１３ｂで構成されるもの）が設置してある。
【００２０】
このディーゼルエンジン１の排気通路をなす例えば排気管１１の後部には、連続再生式のパティキュレートフィルタ装置１４が介装されている。同装置１４は、例えば両端部が絞られ、中央が排気管１１より大径に形成された筒形のケーシング１６をもつ。そして、ケーシング１６の一端部に形成された流入口１６ａが、排気マニホールド１０から延びている排気管部分に接続され、ケーシング１６の他端部に形成された流出口１６ｂが、大気に開放している排気管部分に接続してある。
【００２１】
このケーシング１６内には、パティキュレートフィルタ１８（以下、ＤＰＦ１８という）が収容してある。このＤＰＦ１８は、例えば排気ガスが通過可能でパティキュレートが通過不能な多孔質の隔壁で仕切られた多角形断面をもつフィルタ部分１８ａを有し、このフィルタ部分１８ａの隔壁で形成された多数の貫通孔の隣接する入口と出口とを交互に栓１８ｂで封止した構造が用いてある。つまり、排気ガスが隔壁を通過するとき、排気ガスに含まれるパティキュレート（以下、ＰＭという）が捕集されるようにしている。
【００２２】
さらにケーシング１６内には、ＤＰＦ１８の上流側に位置して、酸化触媒１９（以下、前段触媒１９という）が収めてある。この前段触媒１９の設置により、ＤＰＦ１８が連続再生、すなわち条件が整えば前段触媒１９上で排気ガス中のＮＯを酸化して、生成されたＮＯ_２と排気ガス中のＯ_２とにより、ＤＰＦ１８で捕集されたＰＭの酸化（燃焼）が行われるようにしている。また前段触媒１９とＤＰＦ１８との間には、ＤＰＦ１８の温度に相関するパラメータ値を検出するセンサ（本願のフィルタ温度相関値検出手段に相当）、例えばＤＰＦ１８の直上流における排気ガスの温度を検出する温度センサ２０が設けてある。
【００２３】
一方、２２は、制御部としてのＥＣＵ（例えばマイクロコンピュータで構成される）である。ＥＣＵ２２には、インジェクタ３ａ〜３ｄ、ウエストゲートバルブ１２、吸気絞り弁１２、ＥＧＲバルブ１３ｂ、温度センサ２０などが接続してある。このＥＣＵ２２には、車両の通常運転のための、車両の運転状態に応じて、インジェクタ３ａ〜３ｄ、ウエストゲートバルブ１２、吸気絞り弁１２、ＥＧＲバルブ１３ｂを制御する制御プログラムが設定されている。
【００２４】
さらにＥＣＵ２２には、通常運転中、連続再生しきれずにＤＰＦ１８に堆積するＰＭを強制的に燃焼（酸化）させる強制再生制御が設定されている（本願の強制再生制御手段に相当）。同制御には、強制再生インターバル（強制再生運転を実施する時期：本願のインターバルに相当）と、該インターバルを経過すると前段触媒１９を用いて、ＤＰＦ１８をＰＭが燃焼する温度まで昇温させる強制再生運転モードとが用いてある。
【００２５】
強制再生は、ＤＰＦ１８におけるＰＭの堆積量の検出が困難なため、車両の走行時間を積算した所定の時間、例えば１０時間を強制再生インターバルとし、そのインターバルが経過すると、そのインターバルまでに堆積する推定ＰＭ量を燃焼（Ｏ_２による酸化）させるのに必要な所定時間だけ、前段触媒１９を用いＤＰＦ１８を昇温させるが、強制再生インターバルには、通常走行中において、条件が整うと成立する連続再生（ＮＯ_２による燃焼：Ｏ_２による燃焼に比べ２５０℃以上という低温で緩慢な燃焼）は考慮されていない。
【００２６】
そこで、強制再生インターバルの設定には、連続再生状態が実現した状況を反映させる手法、すなわちＤＰＦ１８の連続再生状態が実現した状況の履歴に基づき、そのインターバルの時間を調整する手法が用いてある。これには、通常走行中、温度センサ２０で検出されるＤＰＦ１８の直上流の排気温度（ＤＰＦ１８の温度の相関値）が、ＤＰＦ１８の連続再生温度相当値を超えたときの状況を累積し、その累積履歴に基づいて強制再生インターバルを調整する制御が用いてある。具体的には、同制御には、通常走行において、例えば排気温度が、ＤＰＦ１８の連続再生温度相当値をもたらす温度、すなわち一定時間連続して所定温度、例えば３００℃以上になる場合に、その温度域の時間を逐次加算し、その加算した累積値の増加に応じて、所定時間で定めた強制再生インターバルを長くする技術が採用してある。例えばＥＣＵ２２には、つぎのような各与式、
・連続再生履歴係数Ｋ＝定数×連続再生カウンタ値（３００℃以上の排気温度が一定時間連続して経過した場合の累積値）
・強制再生インターバルＳ＝初期設定値（例えば１０時間）×連続再生履歴係数Ｋ
が設定されている。そして、これら与式にしたがって演算処理を行うことにより、強制再生インターバルＳが累積値の増加に応じて長くなるように補正してある。なお、定数は、変動要素を考慮して定める値である。
【００２７】
一方、連続再生運転モード（再生時間が一定）としては、調整された強制再生インターバルＳが経過すると、前段触媒１９を強制的に活性温度（例えば２５０℃以上）まで昇温させる第１ｓｔ．ステージ（例えばウエストゲートバルブ１２ａの強制的なオープン、ＥＧＲバルブ１３ｂの開動作、吸気絞り弁１２ｃの閉動作、インジェクタ３ａ〜３ｄの噴射タイミングのリタード、インジェクタ３ａ〜３ｄの噴射圧力の低減などを行うモード）を開始する機能。
【００２８】
温度センサ２０の検出温度から前段触媒１９が活性温度に達したと判定されると、ＤＰＦ１８をＰＭの燃焼温度（強制再生温度相当値：例えば５５０℃以上）まで昇温させる第２ｎｄ．ステージ（例えばインジェクタ３ａ〜３ｄから未燃燃料を排気ガスに添加するモード）を開始する機能との組み合わせで形成してある。
【００２９】
なお、温度センサ２０の排気温度は、強制再生インターバルの調整と強制再生運転の制御の他に、ＤＰＦ１８が過昇温とならないよう監視する役割も共用させてある。
【００３０】
こうした強制再生の詳細な制御が図２および図３に示すフローチャートに示されている。
【００３１】
今、車両、例えばバスが走行しており、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが、排気マニホールド１０、排気管１１、前段触媒１９、ＤＰＦ１８を通じて、大気に排出されるとする。
【００３２】
この通常運転において、ＤＰＦ１８の直上流の排気温度が、ＮＯ_２による燃焼をもたらす温度値を下回る状況のときは、排気ガス中のＰＭはＤＰＦ１８で捕集されるだけである。またＮＯ_２による燃焼をもたらす温度値以上となる状況のときは、排気ガス中のＮＯが前段触媒１９上で酸化し、生成されたＮＯ_２と排気ガス中のＯ_２で、ＤＰＦ１８上に堆積しているＰＭを燃焼（酸化反応）させる。つまり、通常運転中は、条件が整えば、ＤＰＦ１８でＰＭを捕集しながら、該捕集したＰＭをＮＯ_２により燃焼するという、連続再生が行われる（ステップＳ１）。
【００３３】
通常運転は、強制再生インターバルに達するまで続く。ＥＣＵ２２は、この強制再生インターバルが経過するまでを用いて、強制再生インターバルの調整を行う。この調整に係る詳細な制御が図３に示されている
すなわち、ＥＣＵ２２は、温度センサ２０を通じて、通常走行が開始されてから、ＤＰＦ１８の直上流の排気温度が、ＤＰＦ１８を連続再生する温度に相関する温度値Ｔ１、例えば３００℃（温度相関値）を超えたかを検出する。具体的には、確実にＤＰＦ１８が連続再生温度相当値になっていることを検出するために、３００℃以上が一定時間連続する温度域だけを検出する（ステップＳ１１）。そして、連続再生カウンタで、同温度域の経過時間を加算する。具体的には、連続再生のＮＯ_２燃焼は、Ｏ_２燃焼に比べ低温で緩慢な燃焼であるために、連続再生カウンタは、確実にＰＭの燃焼が確認されるｔ１やｔ２のような一定時間以上連続して、連続再生温度相当値Ｔ_１を越えている温度域の経過時間だけを加算する。つまり、確実にＤＰＦ１８が連続再生状態の状況にある時間だけが加算される（ステップＳ１２）。この連続再生状態が実現された時間は、当初の初期設定値（例えば１０時間）で定まる強制再生インターバル値を経過するまで累積される。そして、初期設定値を経過すると、ＥＣＵ２２は、それまでに累積した連続再生カウンタ値を用いて、予め設定された与式、例えば
連続再生履歴係数Ｋ＝定数×連続再生カウンタ値
強制再生インターバルＳ＝初期設定値（例えば１０時間）×連続再生履歴係数Ｋによる演算処理により、強制再生インターバルＳが累積値の増加に応じて長く調整される。このインターバルが新たな強制再生インターバルＳとして設定される（ステップＳ１３）。つまり、通常運転は、この調整された設定強制再生インターバルＳが経過するまで延びる。
【００３４】
通常走行を続け、この調整された設定強制再生インターバルＳが経過すると、ＥＣＵ２２の指令により、Ｏ_２でＰＭを強制的に酸化（燃焼）させる強制再生運転が開始される（ステップＳ２、ステップＳ３）。例えば、まず、前段触媒１９を昇温させるモード、すなわち１ｓｔ．ステージを実行する。なお、１ｓｔ．ステージは、ウエストゲートバルブ１２ａを強制的にオープン、ＥＧＲバルブ１３ｂを「開」、吸気絞り弁１２ｃを「閉」、インジェクタ３ａ〜３ｄの噴射タイミングをリタード、インジェクタ３ａ〜３ｄの噴射圧力を低減させることで行われる。続いて、ＥＣＵ２２が、温度センサ２０からの温度値により、前段触媒１９の活性温度まで上昇したと判定すると、ＤＰＦ１８を昇温させる２ｎｄ．ステージへ切換え、該２ｎｄ．ステージを実行する。この２ｎｄ．ステージは、例えばインジェクタ３ａ〜３ｄによるポスト噴射で、排気ガス中に未燃燃料を添加することで行われる。そして、予め設定してある強制再生時間が経過すると、ＥＣＵ２２はＤＰＦ１８上のＰＭ燃焼量が目標値に到達したと判定して強制再生運転を終了し、再び通常運転へ戻る（ステップＳ４）。
【００３５】
このように強制再生インターバルは、排気温度が連続再生温度相当値を超える状況の累積履歴を用いた調整により、ＮＯ_２による低温で緩慢な燃焼の連続再生状態が実現した状況を反映させて適切に調整できる。
【００３６】
それ故、強制再生が開始されたときのＰＭ堆積量を常に一定にでき、調整した強制再生時間で、無駄や強制再生遅れなく強制再生が実施できる。特に強制再生インターバルの調整には、連続再生状態が実現する温度値以上が一定時間連続するの累積値を求めて、同累積値の増加に応じて長くする制御が用いてあるから、より適正な強制再生インターバルが確保できる。しかも、ＤＰＦ１８の温度に相関するパラメータ値には、最も高い精度が期待できるＤＰＦ１８の直上流の排気温度が用いてあるから、的確に連続再生を捉えることができ、適正な強制再生インターバルの調整に貢献する。そのうえ、同排気温度は、強制再生インターバルの調整に用いるだけでなく、強制再生制御の実行時、強制再生運転を実施する制御ルーチン（排気温度に基づく再生制御）に用いるようにしてあるので、強制再生のインターバルの調整と強制再生制御とで共用され、両制御系における構成の簡素化が図れる。
【００３７】
なお、本発明は上述した一実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、強制再生を開始するインターバルを連続再生状態が実現した状況の履歴に合わせて調整することができる。
【００３９】
したがって、インターバルは、連続再生状態が実現した状況を反映させて適切に調整され、無駄や強制再生遅れを解消した強制再生が実施でき、燃費および排ガス性能の向上を図ることができる。
【００４０】
請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加え、より連続再生状態が実現した状況を反映させて適切に調整でき、一層、燃費および排ガス性能の向上を図ることができる。
【００４１】
請求項３に記載の発明によれば、上記効果に加え、パティキュレートフィルタの直上流の排気温度が、強制再生のインターバルの調整と強制再生制御とで共用して用いられることによって、両制御系における構成の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図。
【図２】同装置が強制再生インターバルにより通常運転から強制再生へ切換わる制御を説明するフローチャート。
【図３】（ａ）は、同強制再生インターバルが調整される制御を説明するフローチャート。
（ｂ）は、連続再生における排気温度の変化を説明するための線図。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン（内燃機関）
１０…排気管（排気通路）
１８…パティキュレートフィルタ
１９…前段触媒（酸化触媒）
２０…温度センサ（フィルタ温度相関値検出手段）
２２…ＥＣＵ（強制再生制御手段）。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路内に配置され、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
   同フィルタの上流側に位置して前記排気通路内に配置された酸化触媒と、
   所定のインターバルで前記パティキュレートフィルタの温度を強制的に上昇させる強制再生制御手段と
   を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記パティキュレートフィルタの温度に相関するパラメータ値を検出するフィルタ温度相関値検出手段を更に有し、
   前記強制再生制御手段は、前記パティキュレートフィルタの温度相関値が連続再生温度相当値を超えた状況の累積履歴に基づいて前記インターバルを調整するように構成されている
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記強制再生制御手段は、前記温度相関値が一定時間連続して所定温度以上であった場合を加算し、その加算した累積値の増加に応じて前記インターバルを長くするように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記フィルタ温度相関値検出手段は、前記パティキュレートフィルタの直上流の排気温度を検出し、
   前記強制再生制御手段は、前記排気温度に基づいて前記インターバルを調整すると共に、前記強制再生制御実行時には前記排気温度に基づいて再生制御を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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