JP2004176663A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】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の再生中のエミッションの悪化を防止する。
【解決手段】パティキュレートフィルタ再生時期判断手段（２１）によりパティキュレートフィルタ（１３）に捕集されたパティキュレートの量を推定し、フィルタの再生時期を判断する。この判断に応答して、加熱手段（１１）によりパティキュレートフィルタを加熱して排気温を上昇させ、パティキュレートを燃焼除去するパティキュレートフィルタ再生処理を開始する。このときに、吸入空気量低減手段（３，７）により吸入空気量を低減して排気温を高くするとともに、燃焼保持手段（４，９）を制御して内燃機関（１）における燃焼を良好に保つようにする。
【選択図】図１
【解決手段】パティキュレートフィルタ再生時期判断手段（２１）によりパティキュレートフィルタ（１３）に捕集されたパティキュレートの量を推定し、フィルタの再生時期を判断する。この判断に応答して、加熱手段（１１）によりパティキュレートフィルタを加熱して排気温を上昇させ、パティキュレートを燃焼除去するパティキュレートフィルタ再生処理を開始する。このときに、吸入空気量低減手段（３，７）により吸入空気量を低減して排気温を高くするとともに、燃焼保持手段（４，９）を制御して内燃機関（１）における燃焼を良好に保つようにする。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、より具体的には、内燃機関から発生する浮遊粒子状物質（ＳＰＭ、以下「パティキュレート」という）を捕集除去するパティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼除去するときの制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出されるパティキュレートは、煤粒子、種々の炭化水素粒子、その他の負可溶性有機物質（ＳＯＯＴ）に、未燃燃料、未燃焼オイル成分、その他の可溶性有機物質（ＳＯＦ）や、燃料の硫黄分が酸化する等して生じた硫黄酸化物が付着したものをいい、排気中のパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が開発され実用化されている。このパティキュレートフィルタにより、排気中のパティキュレートを９５％以上捕集することができる。
【０００３】
パティキュレートフィルタは、セラミック等の多孔質のハニカムでできており、排気が多孔質材の壁を通過する際に、パティキュレートが捕集される。従って、パティキュレートが堆積してくるにつれ、排気圧力が上昇する。排気圧力の上昇は、内燃機関に対する背圧となり、燃費の悪化や内燃機関の不調の原因となるので、数百ｋｍから数千ｋｍ程度走行する毎に、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去し、フィルタを再生する必要がある。
【０００４】
このうち、オンボード（Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ）でパティキュレートフィルタの再生を行うシステムの例として、特開平８−３３８２２９号公報には、排気通路内に上流から電気ヒータ、酸化触媒及びパティキュレートフィルタを順に配置した排気浄化装置において、フィルタ再生時に吸入空気量を減少させること、及び電気ヒータを加熱するとともに軽油を排気管に供給することが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排気温を上昇させるために燃料を排気管に供給する際に、吸入空気量を減少させるだけでは、内燃機関における燃焼条件が悪くなり、エミッションが悪化するという問題があった。
【０００６】
また、従来、ディーゼルエンジンでは大部分の運転領域において空気過剰の希薄燃焼運転を行うため、リーン領域の空燃比を精度良く検出するセンサが開発されていない等の理由から、排気の空燃比をフィードバック制御するシステムは存在していなかった。そのため、ポストインジェクションによりパティキュレートフィルタを再生している間、排気の空燃比が一定とならず、エミッションが悪化したり、排気温が安定せずパティキュレートフィルタの再生が安定しないといった問題があった。
【０００７】
従って、本発明は上記課題のうち少なくとも１つを解決する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態（請求項１）は、内燃機関の排気系に設けられ、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、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去する再生時期を判断するパティキュレートフィルタ再生時期判断手段と、前記判断に応答して、前記内燃機関に吸入される空気量を低減させる吸入空気量低減手段と、前記吸入空気量の低減に応答して、前記内燃機関における燃焼が良好に保たれるようにする燃焼保持手段と、前記パティキュレートフィルタを加熱して前記パティキュレートフィルタを再生する加熱手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【０００９】
この形態によると、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートの推定量が閾値を超えると、排気温を上昇させてパティキュレートを燃焼除去することによってパティキュレートフィルタを再生するパティキュレートフィルタ再生処理が実行され、このときに、吸入空気量を低減させるとともに内燃機関における燃焼を良好に保つようにするので、排気温を上昇させつつフィルタ再生処理中のエミッションの悪化が回避される。
【００１０】
上記構成において、「吸入空気量低減手段」としては、具体的には内燃機関の吸気系に備えられるスロットル弁と、排気系に備えられる過給器とが挙げられる。前者においてはスロットル弁を閉じることによって、内燃機関に吸入される吸入空気量が低減される。後者では、過給器による過給圧を低下させることによって、内燃機関の吸気系に供給される熱エネルギが減少するので、吸入空気量が低減される。
【００１１】
また、「燃焼保持手段」とは、具体的にはスワール制御弁とＥＧＲ（ＥｍｉｓｓｉｏｎＧａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）弁とが挙げられる。前者については、スワール制御弁を閉じることで内燃機関の燃焼室内のスワール強度が増加するので、内燃機関における燃焼を向上させることができる。後者については、ＥＧＲ弁を閉じることによって内燃機関の排気行程におけるエミッションの悪化が防止される。ＥＧＲ弁については、場合によってはこれを開く方がエミッションを向上させることもあるが、これは内燃機関の特性に応じて決定される。
【００１２】
本発明の別の形態（請求項２）は、内燃機関の排気系に設けられ、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、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去する再生時期を判断するパティキュレートフィルタ再生時期判断手段と、前記判断に応答して、前記内燃機関に吸入される空気量を低減させる吸入空気量低減手段と、前記パティキュレートフィルタを加熱して前記パティキュレートフィルタを再生する加熱手段と、前記吸入空気量低減手段により吸入空気量が低減されているとき、前記内燃機関の排気系における空燃比を予め定められた目標空燃比にフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００１３】
この形態によると、パティキュレートフィルタの再生処理時に、排気系の空燃比を検出してフィードバック制御することによって排気の空燃比を一定にするので、エミッションを安定させまた排気温を安定させることができる。さらに、排気浄化装置における発生熱が安定するので、パティキュレートフィルタの温度が安定し、異常昇温したり消炎したりすることがない。
【００１４】
ところで、ここでいう空燃比フィードバック制御としては２つの実施例が挙げられる。その第１の実施例は、排気の空燃比を検出し、この空燃比に基づいて燃料噴射量を補正することによって、パティキュレートフィルタ再生処理中の排気の空燃比を一定に制御する構成をとる。より具体的には、図６に示すフィードバックループで構成される。
【００１５】
この実施例でも排気の空燃比を一定にするという目的を達成できるが、通常のディーゼルエンジンの制御では、吸入空気量に関わらず、アクセル開度に応じて燃料を供給するオープンループ制御を行っているので、従来の制御の延長で空燃比フィードバック制御を実行できる方が好ましい。そこで、第２の実施例は、排気の空燃比を検出し、この空燃比に基づいてスロットル弁の開度を調節し、エンジンに吸入される吸入空気量を補正することによって、パティキュレートフィルタ再生処理中の排気の空燃比を一定に制御する構成をとる。より具体的には、図８に示すフィードバックループで構成される。なお、空燃比フィードバック制御はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００１６】
本発明のさらに別の形態（請求項３）は、内燃機関の排気系に設けられ、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、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去する再生時期を判断するパティキュレートフィルタ再生時期判断手段と、前記パティキュレートフィルタを加熱する加熱手段と、前記加熱手段が作動されてから予め定められた時間が経過した後、排気中に未燃燃料を供給する未燃燃料供給手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００１７】
この形態によると、パティキュレートフィルタ再生を指示する信号が出力され、電気ヒータ等の加熱手段が加熱されてからパティキュレートフィルタの再生に充分な温度（例えば、５００°Ｃ）に上昇するまで待機してから、内燃機関の排気行程における燃料噴射（ポストインジェクション）が開始されるので、ポストインジェクション噴射した燃料が充分に燃焼されず液体状態の燃料がパティキュレートフィルタに付着したり燃料が大気中に放出されることを回避することができる。この待機時間は、パティキュレートフィルタの熱容量や加熱手段の性能に応じて決定され、一実施例では５秒間である。
【００１８】
なお、上記の吸入空気量低減手段、燃焼保持手段、加熱手段、空燃比フィードバック制御手段及び未燃燃料供給手段は、任意に組み合わせて使用することも可能である。例えば、空燃比フィードバック制御を行っている間に未燃燃料供給手段によりポストインジェクションを実行しても良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態である排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成図である。図１中、内燃機関（以下、「エンジン」という）１の各気筒の燃焼室には吸気管２を介して空気が供給される。エンジン１の各気筒には、吸気・排気の制御を行う吸気弁と排気弁（図示せず）が備えられている。また、エンジン１の各気筒の燃焼室には燃料噴射弁５が設けられている。燃料噴射弁５は燃料供給ポンプ（図示せず）に接続されており、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）２０の制御の下で、エンジン回転速度やアクセル開度といった条件に応じて予め定められているマップを検索して求められる要求トルクに対応した量の燃料を適切なタイミングで燃焼室内に噴射する。燃料噴射弁５から燃料が噴射されると、燃焼室内で空気と燃料とが燃焼して、排気管６に排気が排出される。
【００２１】
エンジン１は好適にはディーゼルエンジンであるが、本発明の排気浄化装置の適用範囲はディーゼルエンジンに限られず、燃料を燃焼室内に直接噴射する方式のガソリンエンジンにも適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向と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。
【００２２】
吸気管２には、吸気管内を流れる空気の流量を調節するスロットル弁３が設けられている。また、吸気管２にはエンジン１の気筒内にスワールを発生させて燃焼効率を上げるためのスワール制御弁４（ＳＣＶ：Ｓｗｉｒｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ）も設けられている。
【００２３】
スロットル弁３及びスワール制御弁４には、スロットル弁３またはスワール制御弁４を開閉駆動するアクチュエータ（図示せず）がそれぞれ取り付けられている。これらのアクチュエータは、ＥＣＵ２０からの信号により制御される。
【００２４】
排気管６の途中には、過給器７が設けられている。過給器７は、排気管６内に設けられたタービンと、吸気管２内に設けられたコンプレッサ（図示せず）と、タービンとコンプレッサとをつなぐシャフト等から構成されている。エンジン１の各気筒の燃焼室から排出された排気が過給器７のタービンを回すと、シャフトを介してコンプレッサが回転し、吸気管２内の空気を圧縮して各燃焼室に供給する。過給器７にはアクチュエータが設けられており、タービンに排気が流入する部分の開口面積を変更することによって吸入空気量を制御することが可能である。このアクチュエータは、ＥＣＵ２０からの信号により制御される。
【００２５】
過給器７は、可変ジオメトリー過給器であっても良く、この場合は、過給器７のベーンを変更することによって吸入空気量を制御する。
【００２６】
さらに、排気管６の途中には、排気管６と吸気管２とを接続する排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路８が設けられており、通路の途中にはＥＧＲ弁９が配置されている。ＥＧＲ弁９の開度を調整することで、排気管６から吸気管２内に還流する排気量を制御することができる。ＥＧＲ通路８を介して吸気管２に還流された排気は、吸気管２の上流から流れてきた新気と混ざり合ってエンジン１の各気筒の燃焼室へ導かれて燃焼される。こうすることによって、排気中に含まれるＮＯｘ濃度を低下させることができる。ＥＧＲ弁９にはＥＧＲ弁９を駆動するアクチュエータ（図示せず）が取り付けられており、ＥＣＵ２０からの信号により制御される。
【００２７】
排気管６を通過した排気は、排気浄化装置１０に流入する。排気浄化装置１０には、上流側から、電気ヒータ（ＥＨＣ）１１、リーンＮＯｘ触媒（ＬＮＣ）１２、及びパティキュレートフィルタ（ＰＦ）１３が備えられる。電気ヒータの代わりに、通電発熱式触媒コンバータを配置しても良い。また、電気ヒータ１１とリーンＮＯｘ触媒１２の間に、燃料の酸化（燃焼）を促進するための酸化触媒（ＤＯＣ）を配置しても良い。
【００２８】
パティキュレートフィルタ１３は、ハニカムセラミックスまたは金属多孔体等の上流側に栓が施された通路と下流側に栓が施された通路とを交互に配置し、セラミックスまたは金属多孔体の薄壁をフィルタとして使用するものである。出口を塞がれた通路に入ったパティキュレートを含む排気がフィルタ薄壁の微細な孔を通過して隣の通路へと通り抜けるとき、パティキュレートがフィルタ薄壁に捕集される。
【００２９】
リーンＮＯｘ触媒１２は、ＮＯｘ吸着型の触媒であり、排気の空燃比が理論空燃比より薄いリーン状態では、ＮＯｘ吸着剤によりＮＯｘを吸着する。排気の空燃比が理論空燃比より濃いリッチ状態においては、捕捉されたＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて窒素ガスとして排出され、同時にＨＣ、ＣＯが酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出される。
【００３０】
ディーゼルエンジンにおいては、通常の運転時にはリーン運転がされるため、リーンＮＯｘ触媒１２は排気中のＮＯｘを吸着する。ＮＯｘ触媒の再生は、エンジン１の排気行程において燃焼室内に燃料を一時的に噴射供給（ポストインジェクション）して、排気をリッチ状態にすることにより行われる。なお、このポストインジェクションは、排気の温度を上昇させてパティキュレートフィルタを再生するためにも行われるが、これについては後述する。
【００３１】
パティキュレートフィルタ１３の上流側には、排気ガスの広範囲の空燃比に渡ってそれに比例したレベルの出力を生成する空燃比センサ（以下、「ＬＡＦセンサ」という）１４と、排気管内の圧力を検出する圧力センサ１５が設けられる。また、パティキュレートフィルタ１３の下流側には、排気管内の温度を検出する温度センサ１６も設けられる。これらセンサの出力は、ＥＣＵ２０に送られる。
【００３２】
ところで、パティキュレートフィルタ１３に捕集されたパティキュレート量が増加すると、パティキュレートフィルタ１３内の排気流路の断面積が減少し、排気の流れが妨げられるようになる。すると、パティキュレートフィルタ上流の排気管６内の圧力が上昇し、エンジン１の性能に影響を及ぼしてしまうようになる。そこで、ＥＣＵ２０は、パティキュレートフィルタ１３におけるパティキュレートの捕集量を推定し、所定の値を上回ると、パティキュレートフィルタ１３を加熱して捕集したパティキュレートを燃焼除去するフィルタ再生処理を実行する。このフィルタ再生処理によりパティキュレートフィルタ１３の捕集性能が維持される。
【００３３】
パティキュレートフィルタ１３を加熱する方法は種々あるが、本実施形態では、電気ヒータ１１を加熱するとともにポストインジェクションにより燃料を排気管内に供給して、燃料を燃焼させることによってパティキュレートフィルタ１３を高温（例えば、５００°Ｃ以上）にして、捕集されているパティキュレートを燃焼させる。さらに、スロットル弁３を若干閉弁して吸入空気量を減少させることによっても、排気の温度を上昇させる。このときのエンジン１における燃焼状態を最適とするために、スワール強度、ＥＧＲ通路８の排気流量、過給器７による過給圧の調整等も実行する。
【００３４】
上記したような各種の処理は、ＥＣＵ２０によって実行される。ＥＣＵ２０はコンピュータで構成されており、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース、プログラム及びデータを格納するＲＯＭ、実行時に必要なプログラム及びデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭ、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ、及び各部に制御信号を送る出力インターフェースを備えている。上記各センサからの信号は入力インターフェースにより受信され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って処理される。図１では、このようなハードウェア構成を踏まえてＥＣＵ１０を機能ブロックで示してある。
【００３５】
パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１は、まず、圧力センサ１５により検出される排気管内圧力、温度センサ１６により検出されるパティキュレートフィルタ下流側の排気温、燃料噴射量及びエンジン回転数等に基づいて、パティキュレートフィルタ１３に捕集されているパティキュレートの量を算出する。一例として、ＥＣＵ２０のＲＯＭに、上記のような運転条件とパティキュレートフィルタに集積されたパティキュレートの量の関係をマップ形式で記憶しておき、パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１はこのマップを検索することによってパティキュレートの量を算出する。代替的に、エンジン１の稼働時間によって捕集されたパティキュレート量を推定してもよい。
【００３６】
続いて、パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１は、推定したパティキュレートの量が予め定められた閾値に達すると、パティキュレートフィルタからパティキュレートを除去する再生時期が来たと判断し、パティキュレートフィルタ再生処理を開始する。また、パティキュレートフィルタ再生処理が開始されてから所定時間が経過した後、あるいは圧力センサ１５により検出される排気管内圧力が所定の値を下回ると、パティキュレートフィルタ再生処理を終了する。これらの判断の信号は、フィルタ再生時空燃比フィードバック制御部２３及びフィルタ再生時吸入空気量・燃焼制御部２４に送られる。
【００３７】
フィルタ再生時吸入空気量・燃焼制御部２４（以下、「吸入空気量・燃焼制御部」という）は、上記再生開始の判断に応答して、ポストインジェクションを実行する前に、排気の温度を上昇させるべく吸入空気量を低減し、電気ヒータ１１への通電を開始し、さらには吸入空気量の減少によるエンジンにおける燃焼の悪化を防止する各処理を実行する。具体的なプロセスについては、図３及び図４を参照して後述する。
【００３８】
フィルタ再生時空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御部２３（以下、「フィードバック制御部」という）は、吸入空気量・燃焼制御部２４により吸入空気量が低減されると、排気の空燃比を一定にすべく、ポストインジェクション噴射量または吸入空気量を操作するフィードバック制御を実行する。これは、パティキュレートフィルタを再生するためのポストインジェクション実行時にエミッションが悪化する等の問題を解決するため、フィルタ再生処理を実行している間のみフィードバック制御を行うものである。従って、アクセルペダルの踏込み量に応じた要求トルクを出力するための燃料噴射量を決定するものではないことに注意されたい。
【００３９】
本明細書には、このようなフィードバックループを実現するために２つの実施例が記載されているが、それらについては図５〜９を参照して後述する。
【００４０】
図２は、図１に示した内燃機関の電力供給システムの概略図である。レギュレータ２５は、ＥＣＵ２０からの信号に従って、発電機（オルタネータ）２６の出力電圧を高電圧（例えば、３０Ｖ）と低電圧（例えば、１４Ｖ）の間で切り換えることが可能である。発電機２６は、三端子スイッチ３１を介して低電圧負荷２７と電気ヒータ１１に接続されている。また、低電圧負荷２７にはバッテリ２８（例えば、１２Ｖのバッテリ）が接続されており、余剰な電力がバッテリ２８に蓄えられる。低電圧負荷２７には、車両内の種々の負荷、例えば、ライト、エアコンディショナー、オーディオシステム等が含まれる。
【００４１】
三端子スイッチ３１は、ＥＣＵ２０からの信号により切り換えることができる。通常時、発電機２６は低電圧を出力し、低電圧負荷２７及びバッテリ２８に接続されている。パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１によりパティキュレートフィルタ１３の再生開始が判断されると、これに応答して接点３１ｃが接点３１ａに接続される。またレギュレータ２５により、発電機２６の出力電圧が高電圧に設定される。こうして、発電機２６からの高電圧が電気ヒータ１１に印加され、パティキュレートフィルタ１３の再生処理が開始される。電気ヒータ１１が通電されている間、低電圧負荷２７への電力供給はバッテリ２８によってまかなわれる。
【００４２】
パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１によりパティキュレートフィルタ１３の再生終了が判断されると、これに応答して接点３１ｃは接点３１ｂに接続される。また、レギュレータ２５により、発電機２６の出力電圧が低電圧に設定される。こうして、発電機２６は、再び低電圧負荷２７及びバッテリ２８に接続される。
【００４３】
続いて、パティキュレートフィルタの再生処理時に吸入空気量・燃焼制御部２４により実行されるプロセスについて説明する。図３は、フィルタ再生処理時の各部の制御の様子を示すタイミングチャートであり、図４はそのフローチャートである。以下では、図３のタイミングチャートにおける事象については時刻ｔ１〜ｔ８で表し、図４のフローチャートにおける各ステップについては「Ｓ」を付して表す。
【００４４】
パティキュレート量が所定値に達したと推定され、またエンジン１の運転モードがフィルタ再生処理を実行することが可能である場合（Ｓ５０）、図３のチャート（１）に示すように、時刻ｔ１においてパティキュレートフィルタ再生時期判断部２１によりフィルタ再生開始の判断がなされたものとする。これによって、フィルタ再生モードが開始される。上記再生開始信号に応じて、チャート（２）に示すように、吸入空気量・燃焼制御部２４は、過給器による過給圧を低減させる（Ｓ５４）。これによって、吸入空気量が低減するので、排気流量が低減し、排気温が上昇する。
【００４５】
また、チャート（３）に示すように、吸入空気量・燃焼制御部２４は、同時にＥＧＲ弁を閉じることによって、吸気管に還流される排気量（以下「ＥＧＲ量」という）を減少させる（Ｓ５４）。本来ならば、ＥＧＲ量を増大させ排気流量を低減することによって、排気温を上昇させ、空燃比もよりリッチ化することが好ましいが、本願発明者らによる実験によってＥＧＲ量を増加させるとかえってエミッションが悪化する傾向が判明したので、ＥＧＲ量を減少させるようにした。エミッションが悪化しなければ、ＥＧＲ量を増加させるように制御しても良い。
【００４６】
さらに、チャート（４）に示すように、吸入空気量・燃焼制御部２４は、スワール制御弁（ＳＣＶ）を閉じることによって、スワール強度を増大させる（Ｓ５４）。これは、吸入空気量を低減することにより燃焼反応部への酸素の供給が悪くなるのを、スワール強度を上げて燃焼室内の燃焼を促進するためである。
【００４７】
また、チャート（５）に示すように、吸入空気量・燃焼制御部２４は、時刻ｔ２においてスロットル弁（ＤＢＷ）を閉じることによって、吸入空気量を減少させる（Ｓ５６）。これによって、排気流量を低減して排気温を上昇させる。
【００４８】
Ｓ５４〜Ｓ５６は、パティキュレートフィルタ再生のために排気流量を低減させることによって排気温を上昇させつつも、エンジンにおける燃焼を良好に保ち、フィルタ再生処理中にエミッションが悪化するのを避けるために行われる。
【００４９】
ディーゼルエンジンでは大部分の運転領域において空気過剰の希薄燃焼運転を行うため、排気の温度が低くなり易い。従って、吸入空気量の低減による排気温の上昇だけではパティキュレートフィルタをパティキュレートの燃焼除去に必要な温度（例えば、５００°Ｃ）まで高めるためには不足することがある。そこで、吸入空気量・燃焼制御部２４は、再生開始信号に応じて電気ヒータ１１への通電を開始する。このための制御が図３中のチャート（６）及び（７）に示してある。
【００５０】
まず、発電機２６の電圧は一時的に０Ｖに低下される（Ｓ５８）。これは、電圧がかかったままスイッチ３１を切り換えると、スイッチの端子間にアーク放電が発生しスイッチに負担がかかるためである。続いて、三端子スイッチ３１を電気ヒータ１１側に切り換える（Ｓ６０）。スイッチが切り換わった後、時刻ｔ３において、電気ヒータ１１に電力を供給する発電機の電圧を、通常の低電圧（例えば、１４Ｖ）からより高電圧（例えば、３０Ｖ）にまで上昇させる（Ｓ６２）。これは、電圧を上げて送電効率を上げることによって、電気ヒータ１１の温度上昇を迅速に行うためである。
【００５１】
そして、時刻ｔ４において、パティキュレートフィルタ再生のための燃料のポストインジェクションが開始される（Ｓ６４）。これは、電気ヒータ１１の熱容量が大きいために、電気ヒータ１１に通電を開始してからも、ポストインジェクションにより供給された燃料が電気ヒータ１１で反応するのに必要な温度にまで上昇するまでにかかる時間を考慮して、電気ヒータに通電されてから予め定められた時間（例えば、５秒）後に行われる。これによって、電気ヒータが燃料を反応するのに充分な温度まで上昇していない間のポストインジェクションにより、液体状態の燃料がパティキュレートフィルタに付着したり燃料が大気中に放出されることを回避する。
【００５２】
本実施形態では、このポストインジェクション中に空燃比のフィードバック制御を実行する。希薄燃焼であるディーゼルエンジンにおいて空燃比フィードバック制御が可能となるのは、ポストインジェクションによる空燃比のリッチ化により、通常のＬＡＦセンサの検出範囲内に空燃比が収まるようになるからである。この空燃比フィードバック制御の具体的なプロセスについては後述する。
【００５３】
時刻ｔ５において、パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１により再生終了の判断がなされると、フィルタ再生処理を終了し通常モードに移行する（Ｓ６６）。これに伴い、チャート（８）に示すように、空燃比フィードバック制御は終了しオープン制御に戻る。また、発電機２６の電圧も、一旦０Ｖに落とされ（Ｓ７０）、三端子スイッチ３１を低電圧側に切り換えた後に（Ｓ７２）、通常の電圧に戻される（Ｓ７４）。そして、時刻ｔ７において、過給器、ＥＧＲ量、スワール強度、スロットル弁開度は、通常の状態に戻される（Ｓ７６）。
【００５４】
パティキュレートフィルタの再生処理中に以上説明したような各種制御を行うことにより、１）燃費の悪化、２）燃料のオイルへのダイリューション（希釈）またはＰＭによる汚れによるエンジン破損、３）出力上昇によるドライバビリティの悪化、４）所定期間内に燃料を吹ききれない、といった現象を回避することができる。
【００５５】
続いて、パティキュレートフィルタ再生処理時にフィードバック制御部２３により実行されるプロセスについて説明する。図５はそのフローチャートである。
【００５６】
エンジン１は通常はオープン制御されている（Ｓ８０）が、フィルタ再生条件が成立し（Ｓ８２）、フィルタ再生開始信号が出力されると（Ｓ８４）、フィードバック制御部２３は、ＬＡＦセンサ１４の出力を検出し排気空燃比が所定の目標空燃比となるように制御する、空燃比フィードバック制御を開始する（Ｓ８６）。目標空燃比は、排気温が高く保てかつＬＡＦセンサ１４の検出精度が高い１＜λ＜１．３程度に設定される。フィルタ再生終了信号が出力されると（Ｓ８８）、フィードバック制御は終了し通常のオープン制御に戻る（Ｓ９０）。
【００５７】
Ｓ８６の空燃比フィードバック制御には、燃料噴射量を補正する方式と、スロットル弁３を操作して吸入空気量を補正する方式の２つの実施例が挙げられる。以下、それぞれについて説明する。
【００５８】
・実施例１（燃料噴射量の補正）
図６は、空燃比フィードバックループの第１の実施例を示す図である。この実施例では、排気の空燃比を検出し、この空燃比に基づいて燃料噴射量を補正することによって、パティキュレートフィルタ再生処理中の排気の空燃比を一定に制御する構成をとる。このフローチャートを図７に示す。
【００５９】
まず、アクセルペダルの変化量を検出して、要求トルクを算出する（Ｓ１００）。要求トルクに応じてスロットル弁が開かれ、空気が吸入される（Ｓ１０２）。次に、吸入空気量及びエンジン回転数に対して予め定められているマップを検索して、燃料噴射量を算出し（Ｓ１０４）、これによってエンジン１において燃焼が行われる。続いて、ＬＡＦセンサ１４により検出された排気の空燃比と目標空燃比との誤差を算出し（Ｓ１０６）、算出された誤差に基づいたポストインジェクション噴射量を算出し（Ｓ１０８）、エンジン１の排気行程において噴射する。噴射された燃料は、排気とともに排気管６に流れ、パティキュレートフィルタ１３の再生が実行される。
【００６０】
・実施例２（吸入空気量の補正）
実施例１でも排気の空燃比を一定にするという目的を達成できるが、通常のディーゼルエンジンの制御では、吸入空気量に関わらず、アクセル開度に応じて燃料を供給するオープンループ制御を行っているので、燃料噴射量を算出する手段を新たに設けるよりは、従来の制御の延長で空燃比フィードバック制御を実行できる方が好ましい。そこで、空燃比フィードバックループの第２の実施例では、図８に示すように、排気の空燃比を検出し、この空燃比に基づいてエンジン１に吸入される吸入空気量を補正することによって、パティキュレートフィルタ再生処理中の排気の空燃比を一定に制御する構成をとる。図９は、この実施例のフローチャートである。
【００６１】
まず、アクセルペダルの変化量を検出して、要求トルクを算出する（Ｓ１１０）。次に、要求トルク及びエンジン回転数に対して予め定められているマップを検索して、燃焼室に噴射する燃料噴射量を決定する（Ｓ１１２）。これによって、エンジン１において燃焼が行われ、排気が排気管６に流出する。続いて、ＬＡＦセンサ１４により検出された排気の空燃比と目標空燃比との誤差を算出し（Ｓ１１４）、算出された誤差に基づいて、エンジン１の燃焼室から排出される排気の空燃比が目標空燃比になるように、スロットル弁開度を操作して吸入空気量を補正する（Ｓ１１６）。
【００６２】
以上のように、パティキュレートフィルタの再生処理中に空燃比フィードバック制御を実行することによって空燃比を一定にすると、以下のような効果が得られる。
【００６３】
すなわち、空燃比を一定にすることによって出力を安定させ、運転特性の悪化を防止する。また、エミッションが安定し、排気温も安定する。さらに、空燃比が一定になると排気浄化装置における発生熱が安定するので、パティキュレートフィルタの温度が安定し、異常昇温したり消炎したりすることがない。また、パティキュレートフィルタが熔損や破損に至る可能性が少なくなる。
【００６４】
また、本発明による排気浄化装置を使用すると、エンジンの運転中にパティキュレートフィルタの再生処理を実行することが可能となる。これによって、従来行われていたような、パティキュレートフィルタを取り外して洗浄したり、パティキュレートフィルタを加熱するために外部電源と接続したりする必要がなくなる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートの推定量が閾値を超えると、排気温を上昇させてパティキュレートを燃焼除去することによってパティキュレートフィルタを再生するパティキュレートフィルタ再生処理が実行され、このときに、吸入空気量を低減させるとともに内燃機関における燃焼を良好に保つようにするので、排気温を上昇させつつフィルタ再生処理中のエミッションの悪化が回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気浄化装置が適用される内燃機関の構成図である。
【図２】図１の内燃機関の電力供給システムの構成図である。
【図３】フィルタ再生時の各種弁、発電機、スイッチ等のタイミングチャートである。
【図４】フィルタ再生時吸入空気量・燃焼制御のフローチャートである。
【図５】フィルタ再生時空燃比フィードバック制御のフローチャートである。
【図６】空燃比フィードバックループの一実施例を示す図である。
【図７】図６に対応する空燃比フィードバック制御のフローチャートである。
【図８】空燃比フィードバックループの別の実施例を示す図である。
【図９】図８に対応する空燃比フィードバック制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
２ 吸気管
３ スロットル弁（吸入空気量低減手段）
４ スワールコントロール弁（燃焼保持手段）
５ 燃料噴射弁（未燃燃料供給手段）
６ 排気管
７ 過給器（吸入空気量低減手段）
８ ＥＧＲ通路
９ ＥＧＲ弁（燃焼保持手段）
１０ 排気浄化装置
１１ 電気ヒータ（加熱手段）
１２ リーンＮＯｘ触媒
１３ パティキュレートフィルタ
２０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
２１ パティキュレートフィルタ再生時期判断部（パティキュレートフィルタ再生時期判断手段）
２３ フィルタ再生時空燃比フィードバック制御部（空燃比フィードバック制御手段）
２４ フィルタ再生時吸入空気量・燃焼制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、より具体的には、内燃機関から発生する浮遊粒子状物質（ＳＰＭ、以下「パティキュレート」という）を捕集除去するパティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼除去するときの制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出されるパティキュレートは、煤粒子、種々の炭化水素粒子、その他の負可溶性有機物質（ＳＯＯＴ）に、未燃燃料、未燃焼オイル成分、その他の可溶性有機物質（ＳＯＦ）や、燃料の硫黄分が酸化する等して生じた硫黄酸化物が付着したものをいい、排気中のパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が開発され実用化されている。このパティキュレートフィルタにより、排気中のパティキュレートを９５％以上捕集することができる。
【０００３】
パティキュレートフィルタは、セラミック等の多孔質のハニカムでできており、排気が多孔質材の壁を通過する際に、パティキュレートが捕集される。従って、パティキュレートが堆積してくるにつれ、排気圧力が上昇する。排気圧力の上昇は、内燃機関に対する背圧となり、燃費の悪化や内燃機関の不調の原因となるので、数百ｋｍから数千ｋｍ程度走行する毎に、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去し、フィルタを再生する必要がある。
【０００４】
このうち、オンボード（Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ）でパティキュレートフィルタの再生を行うシステムの例として、特開平８−３３８２２９号公報には、排気通路内に上流から電気ヒータ、酸化触媒及びパティキュレートフィルタを順に配置した排気浄化装置において、フィルタ再生時に吸入空気量を減少させること、及び電気ヒータを加熱するとともに軽油を排気管に供給することが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排気温を上昇させるために燃料を排気管に供給する際に、吸入空気量を減少させるだけでは、内燃機関における燃焼条件が悪くなり、エミッションが悪化するという問題があった。
【０００６】
また、従来、ディーゼルエンジンでは大部分の運転領域において空気過剰の希薄燃焼運転を行うため、リーン領域の空燃比を精度良く検出するセンサが開発されていない等の理由から、排気の空燃比をフィードバック制御するシステムは存在していなかった。そのため、ポストインジェクションによりパティキュレートフィルタを再生している間、排気の空燃比が一定とならず、エミッションが悪化したり、排気温が安定せずパティキュレートフィルタの再生が安定しないといった問題があった。
【０００７】
従って、本発明は上記課題のうち少なくとも１つを解決する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態（請求項１）は、内燃機関の排気系に設けられ、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、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去する再生時期を判断するパティキュレートフィルタ再生時期判断手段と、前記判断に応答して、前記内燃機関に吸入される空気量を低減させる吸入空気量低減手段と、前記吸入空気量の低減に応答して、前記内燃機関における燃焼が良好に保たれるようにする燃焼保持手段と、前記パティキュレートフィルタを加熱して前記パティキュレートフィルタを再生する加熱手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【０００９】
この形態によると、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートの推定量が閾値を超えると、排気温を上昇させてパティキュレートを燃焼除去することによってパティキュレートフィルタを再生するパティキュレートフィルタ再生処理が実行され、このときに、吸入空気量を低減させるとともに内燃機関における燃焼を良好に保つようにするので、排気温を上昇させつつフィルタ再生処理中のエミッションの悪化が回避される。
【００１０】
上記構成において、「吸入空気量低減手段」としては、具体的には内燃機関の吸気系に備えられるスロットル弁と、排気系に備えられる過給器とが挙げられる。前者においてはスロットル弁を閉じることによって、内燃機関に吸入される吸入空気量が低減される。後者では、過給器による過給圧を低下させることによって、内燃機関の吸気系に供給される熱エネルギが減少するので、吸入空気量が低減される。
【００１１】
また、「燃焼保持手段」とは、具体的にはスワール制御弁とＥＧＲ（ＥｍｉｓｓｉｏｎＧａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）弁とが挙げられる。前者については、スワール制御弁を閉じることで内燃機関の燃焼室内のスワール強度が増加するので、内燃機関における燃焼を向上させることができる。後者については、ＥＧＲ弁を閉じることによって内燃機関の排気行程におけるエミッションの悪化が防止される。ＥＧＲ弁については、場合によってはこれを開く方がエミッションを向上させることもあるが、これは内燃機関の特性に応じて決定される。
【００１２】
本発明の別の形態（請求項２）は、内燃機関の排気系に設けられ、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、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去する再生時期を判断するパティキュレートフィルタ再生時期判断手段と、前記判断に応答して、前記内燃機関に吸入される空気量を低減させる吸入空気量低減手段と、前記パティキュレートフィルタを加熱して前記パティキュレートフィルタを再生する加熱手段と、前記吸入空気量低減手段により吸入空気量が低減されているとき、前記内燃機関の排気系における空燃比を予め定められた目標空燃比にフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００１３】
この形態によると、パティキュレートフィルタの再生処理時に、排気系の空燃比を検出してフィードバック制御することによって排気の空燃比を一定にするので、エミッションを安定させまた排気温を安定させることができる。さらに、排気浄化装置における発生熱が安定するので、パティキュレートフィルタの温度が安定し、異常昇温したり消炎したりすることがない。
【００１４】
ところで、ここでいう空燃比フィードバック制御としては２つの実施例が挙げられる。その第１の実施例は、排気の空燃比を検出し、この空燃比に基づいて燃料噴射量を補正することによって、パティキュレートフィルタ再生処理中の排気の空燃比を一定に制御する構成をとる。より具体的には、図６に示すフィードバックループで構成される。
【００１５】
この実施例でも排気の空燃比を一定にするという目的を達成できるが、通常のディーゼルエンジンの制御では、吸入空気量に関わらず、アクセル開度に応じて燃料を供給するオープンループ制御を行っているので、従来の制御の延長で空燃比フィードバック制御を実行できる方が好ましい。そこで、第２の実施例は、排気の空燃比を検出し、この空燃比に基づいてスロットル弁の開度を調節し、エンジンに吸入される吸入空気量を補正することによって、パティキュレートフィルタ再生処理中の排気の空燃比を一定に制御する構成をとる。より具体的には、図８に示すフィードバックループで構成される。なお、空燃比フィードバック制御はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００１６】
本発明のさらに別の形態（請求項３）は、内燃機関の排気系に設けられ、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、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去する再生時期を判断するパティキュレートフィルタ再生時期判断手段と、前記パティキュレートフィルタを加熱する加熱手段と、前記加熱手段が作動されてから予め定められた時間が経過した後、排気中に未燃燃料を供給する未燃燃料供給手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００１７】
この形態によると、パティキュレートフィルタ再生を指示する信号が出力され、電気ヒータ等の加熱手段が加熱されてからパティキュレートフィルタの再生に充分な温度（例えば、５００°Ｃ）に上昇するまで待機してから、内燃機関の排気行程における燃料噴射（ポストインジェクション）が開始されるので、ポストインジェクション噴射した燃料が充分に燃焼されず液体状態の燃料がパティキュレートフィルタに付着したり燃料が大気中に放出されることを回避することができる。この待機時間は、パティキュレートフィルタの熱容量や加熱手段の性能に応じて決定され、一実施例では５秒間である。
【００１８】
なお、上記の吸入空気量低減手段、燃焼保持手段、加熱手段、空燃比フィードバック制御手段及び未燃燃料供給手段は、任意に組み合わせて使用することも可能である。例えば、空燃比フィードバック制御を行っている間に未燃燃料供給手段によりポストインジェクションを実行しても良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態である排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成図である。図１中、内燃機関（以下、「エンジン」という）１の各気筒の燃焼室には吸気管２を介して空気が供給される。エンジン１の各気筒には、吸気・排気の制御を行う吸気弁と排気弁（図示せず）が備えられている。また、エンジン１の各気筒の燃焼室には燃料噴射弁５が設けられている。燃料噴射弁５は燃料供給ポンプ（図示せず）に接続されており、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）２０の制御の下で、エンジン回転速度やアクセル開度といった条件に応じて予め定められているマップを検索して求められる要求トルクに対応した量の燃料を適切なタイミングで燃焼室内に噴射する。燃料噴射弁５から燃料が噴射されると、燃焼室内で空気と燃料とが燃焼して、排気管６に排気が排出される。
【００２１】
エンジン１は好適にはディーゼルエンジンであるが、本発明の排気浄化装置の適用範囲はディーゼルエンジンに限られず、燃料を燃焼室内に直接噴射する方式のガソリンエンジンにも適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向と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。
【００２２】
吸気管２には、吸気管内を流れる空気の流量を調節するスロットル弁３が設けられている。また、吸気管２にはエンジン１の気筒内にスワールを発生させて燃焼効率を上げるためのスワール制御弁４（ＳＣＶ：Ｓｗｉｒｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ）も設けられている。
【００２３】
スロットル弁３及びスワール制御弁４には、スロットル弁３またはスワール制御弁４を開閉駆動するアクチュエータ（図示せず）がそれぞれ取り付けられている。これらのアクチュエータは、ＥＣＵ２０からの信号により制御される。
【００２４】
排気管６の途中には、過給器７が設けられている。過給器７は、排気管６内に設けられたタービンと、吸気管２内に設けられたコンプレッサ（図示せず）と、タービンとコンプレッサとをつなぐシャフト等から構成されている。エンジン１の各気筒の燃焼室から排出された排気が過給器７のタービンを回すと、シャフトを介してコンプレッサが回転し、吸気管２内の空気を圧縮して各燃焼室に供給する。過給器７にはアクチュエータが設けられており、タービンに排気が流入する部分の開口面積を変更することによって吸入空気量を制御することが可能である。このアクチュエータは、ＥＣＵ２０からの信号により制御される。
【００２５】
過給器７は、可変ジオメトリー過給器であっても良く、この場合は、過給器７のベーンを変更することによって吸入空気量を制御する。
【００２６】
さらに、排気管６の途中には、排気管６と吸気管２とを接続する排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路８が設けられており、通路の途中にはＥＧＲ弁９が配置されている。ＥＧＲ弁９の開度を調整することで、排気管６から吸気管２内に還流する排気量を制御することができる。ＥＧＲ通路８を介して吸気管２に還流された排気は、吸気管２の上流から流れてきた新気と混ざり合ってエンジン１の各気筒の燃焼室へ導かれて燃焼される。こうすることによって、排気中に含まれるＮＯｘ濃度を低下させることができる。ＥＧＲ弁９にはＥＧＲ弁９を駆動するアクチュエータ（図示せず）が取り付けられており、ＥＣＵ２０からの信号により制御される。
【００２７】
排気管６を通過した排気は、排気浄化装置１０に流入する。排気浄化装置１０には、上流側から、電気ヒータ（ＥＨＣ）１１、リーンＮＯｘ触媒（ＬＮＣ）１２、及びパティキュレートフィルタ（ＰＦ）１３が備えられる。電気ヒータの代わりに、通電発熱式触媒コンバータを配置しても良い。また、電気ヒータ１１とリーンＮＯｘ触媒１２の間に、燃料の酸化（燃焼）を促進するための酸化触媒（ＤＯＣ）を配置しても良い。
【００２８】
パティキュレートフィルタ１３は、ハニカムセラミックスまたは金属多孔体等の上流側に栓が施された通路と下流側に栓が施された通路とを交互に配置し、セラミックスまたは金属多孔体の薄壁をフィルタとして使用するものである。出口を塞がれた通路に入ったパティキュレートを含む排気がフィルタ薄壁の微細な孔を通過して隣の通路へと通り抜けるとき、パティキュレートがフィルタ薄壁に捕集される。
【００２９】
リーンＮＯｘ触媒１２は、ＮＯｘ吸着型の触媒であり、排気の空燃比が理論空燃比より薄いリーン状態では、ＮＯｘ吸着剤によりＮＯｘを吸着する。排気の空燃比が理論空燃比より濃いリッチ状態においては、捕捉されたＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて窒素ガスとして排出され、同時にＨＣ、ＣＯが酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出される。
【００３０】
ディーゼルエンジンにおいては、通常の運転時にはリーン運転がされるため、リーンＮＯｘ触媒１２は排気中のＮＯｘを吸着する。ＮＯｘ触媒の再生は、エンジン１の排気行程において燃焼室内に燃料を一時的に噴射供給（ポストインジェクション）して、排気をリッチ状態にすることにより行われる。なお、このポストインジェクションは、排気の温度を上昇させてパティキュレートフィルタを再生するためにも行われるが、これについては後述する。
【００３１】
パティキュレートフィルタ１３の上流側には、排気ガスの広範囲の空燃比に渡ってそれに比例したレベルの出力を生成する空燃比センサ（以下、「ＬＡＦセンサ」という）１４と、排気管内の圧力を検出する圧力センサ１５が設けられる。また、パティキュレートフィルタ１３の下流側には、排気管内の温度を検出する温度センサ１６も設けられる。これらセンサの出力は、ＥＣＵ２０に送られる。
【００３２】
ところで、パティキュレートフィルタ１３に捕集されたパティキュレート量が増加すると、パティキュレートフィルタ１３内の排気流路の断面積が減少し、排気の流れが妨げられるようになる。すると、パティキュレートフィルタ上流の排気管６内の圧力が上昇し、エンジン１の性能に影響を及ぼしてしまうようになる。そこで、ＥＣＵ２０は、パティキュレートフィルタ１３におけるパティキュレートの捕集量を推定し、所定の値を上回ると、パティキュレートフィルタ１３を加熱して捕集したパティキュレートを燃焼除去するフィルタ再生処理を実行する。このフィルタ再生処理によりパティキュレートフィルタ１３の捕集性能が維持される。
【００３３】
パティキュレートフィルタ１３を加熱する方法は種々あるが、本実施形態では、電気ヒータ１１を加熱するとともにポストインジェクションにより燃料を排気管内に供給して、燃料を燃焼させることによってパティキュレートフィルタ１３を高温（例えば、５００°Ｃ以上）にして、捕集されているパティキュレートを燃焼させる。さらに、スロットル弁３を若干閉弁して吸入空気量を減少させることによっても、排気の温度を上昇させる。このときのエンジン１における燃焼状態を最適とするために、スワール強度、ＥＧＲ通路８の排気流量、過給器７による過給圧の調整等も実行する。
【００３４】
上記したような各種の処理は、ＥＣＵ２０によって実行される。ＥＣＵ２０はコンピュータで構成されており、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース、プログラム及びデータを格納するＲＯＭ、実行時に必要なプログラム及びデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭ、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ、及び各部に制御信号を送る出力インターフェースを備えている。上記各センサからの信号は入力インターフェースにより受信され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って処理される。図１では、このようなハードウェア構成を踏まえてＥＣＵ１０を機能ブロックで示してある。
【００３５】
パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１は、まず、圧力センサ１５により検出される排気管内圧力、温度センサ１６により検出されるパティキュレートフィルタ下流側の排気温、燃料噴射量及びエンジン回転数等に基づいて、パティキュレートフィルタ１３に捕集されているパティキュレートの量を算出する。一例として、ＥＣＵ２０のＲＯＭに、上記のような運転条件とパティキュレートフィルタに集積されたパティキュレートの量の関係をマップ形式で記憶しておき、パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１はこのマップを検索することによってパティキュレートの量を算出する。代替的に、エンジン１の稼働時間によって捕集されたパティキュレート量を推定してもよい。
【００３６】
続いて、パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１は、推定したパティキュレートの量が予め定められた閾値に達すると、パティキュレートフィルタからパティキュレートを除去する再生時期が来たと判断し、パティキュレートフィルタ再生処理を開始する。また、パティキュレートフィルタ再生処理が開始されてから所定時間が経過した後、あるいは圧力センサ１５により検出される排気管内圧力が所定の値を下回ると、パティキュレートフィルタ再生処理を終了する。これらの判断の信号は、フィルタ再生時空燃比フィードバック制御部２３及びフィルタ再生時吸入空気量・燃焼制御部２４に送られる。
【００３７】
フィルタ再生時吸入空気量・燃焼制御部２４（以下、「吸入空気量・燃焼制御部」という）は、上記再生開始の判断に応答して、ポストインジェクションを実行する前に、排気の温度を上昇させるべく吸入空気量を低減し、電気ヒータ１１への通電を開始し、さらには吸入空気量の減少によるエンジンにおける燃焼の悪化を防止する各処理を実行する。具体的なプロセスについては、図３及び図４を参照して後述する。
【００３８】
フィルタ再生時空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御部２３（以下、「フィードバック制御部」という）は、吸入空気量・燃焼制御部２４により吸入空気量が低減されると、排気の空燃比を一定にすべく、ポストインジェクション噴射量または吸入空気量を操作するフィードバック制御を実行する。これは、パティキュレートフィルタを再生するためのポストインジェクション実行時にエミッションが悪化する等の問題を解決するため、フィルタ再生処理を実行している間のみフィードバック制御を行うものである。従って、アクセルペダルの踏込み量に応じた要求トルクを出力するための燃料噴射量を決定するものではないことに注意されたい。
【００３９】
本明細書には、このようなフィードバックループを実現するために２つの実施例が記載されているが、それらについては図５〜９を参照して後述する。
【００４０】
図２は、図１に示した内燃機関の電力供給システムの概略図である。レギュレータ２５は、ＥＣＵ２０からの信号に従って、発電機（オルタネータ）２６の出力電圧を高電圧（例えば、３０Ｖ）と低電圧（例えば、１４Ｖ）の間で切り換えることが可能である。発電機２６は、三端子スイッチ３１を介して低電圧負荷２７と電気ヒータ１１に接続されている。また、低電圧負荷２７にはバッテリ２８（例えば、１２Ｖのバッテリ）が接続されており、余剰な電力がバッテリ２８に蓄えられる。低電圧負荷２７には、車両内の種々の負荷、例えば、ライト、エアコンディショナー、オーディオシステム等が含まれる。
【００４１】
三端子スイッチ３１は、ＥＣＵ２０からの信号により切り換えることができる。通常時、発電機２６は低電圧を出力し、低電圧負荷２７及びバッテリ２８に接続されている。パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１によりパティキュレートフィルタ１３の再生開始が判断されると、これに応答して接点３１ｃが接点３１ａに接続される。またレギュレータ２５により、発電機２６の出力電圧が高電圧に設定される。こうして、発電機２６からの高電圧が電気ヒータ１１に印加され、パティキュレートフィルタ１３の再生処理が開始される。電気ヒータ１１が通電されている間、低電圧負荷２７への電力供給はバッテリ２８によってまかなわれる。
【００４２】
パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１によりパティキュレートフィルタ１３の再生終了が判断されると、これに応答して接点３１ｃは接点３１ｂに接続される。また、レギュレータ２５により、発電機２６の出力電圧が低電圧に設定される。こうして、発電機２６は、再び低電圧負荷２７及びバッテリ２８に接続される。
【００４３】
続いて、パティキュレートフィルタの再生処理時に吸入空気量・燃焼制御部２４により実行されるプロセスについて説明する。図３は、フィルタ再生処理時の各部の制御の様子を示すタイミングチャートであり、図４はそのフローチャートである。以下では、図３のタイミングチャートにおける事象については時刻ｔ１〜ｔ８で表し、図４のフローチャートにおける各ステップについては「Ｓ」を付して表す。
【００４４】
パティキュレート量が所定値に達したと推定され、またエンジン１の運転モードがフィルタ再生処理を実行することが可能である場合（Ｓ５０）、図３のチャート（１）に示すように、時刻ｔ１においてパティキュレートフィルタ再生時期判断部２１によりフィルタ再生開始の判断がなされたものとする。これによって、フィルタ再生モードが開始される。上記再生開始信号に応じて、チャート（２）に示すように、吸入空気量・燃焼制御部２４は、過給器による過給圧を低減させる（Ｓ５４）。これによって、吸入空気量が低減するので、排気流量が低減し、排気温が上昇する。
【００４５】
また、チャート（３）に示すように、吸入空気量・燃焼制御部２４は、同時にＥＧＲ弁を閉じることによって、吸気管に還流される排気量（以下「ＥＧＲ量」という）を減少させる（Ｓ５４）。本来ならば、ＥＧＲ量を増大させ排気流量を低減することによって、排気温を上昇させ、空燃比もよりリッチ化することが好ましいが、本願発明者らによる実験によってＥＧＲ量を増加させるとかえってエミッションが悪化する傾向が判明したので、ＥＧＲ量を減少させるようにした。エミッションが悪化しなければ、ＥＧＲ量を増加させるように制御しても良い。
【００４６】
さらに、チャート（４）に示すように、吸入空気量・燃焼制御部２４は、スワール制御弁（ＳＣＶ）を閉じることによって、スワール強度を増大させる（Ｓ５４）。これは、吸入空気量を低減することにより燃焼反応部への酸素の供給が悪くなるのを、スワール強度を上げて燃焼室内の燃焼を促進するためである。
【００４７】
また、チャート（５）に示すように、吸入空気量・燃焼制御部２４は、時刻ｔ２においてスロットル弁（ＤＢＷ）を閉じることによって、吸入空気量を減少させる（Ｓ５６）。これによって、排気流量を低減して排気温を上昇させる。
【００４８】
Ｓ５４〜Ｓ５６は、パティキュレートフィルタ再生のために排気流量を低減させることによって排気温を上昇させつつも、エンジンにおける燃焼を良好に保ち、フィルタ再生処理中にエミッションが悪化するのを避けるために行われる。
【００４９】
ディーゼルエンジンでは大部分の運転領域において空気過剰の希薄燃焼運転を行うため、排気の温度が低くなり易い。従って、吸入空気量の低減による排気温の上昇だけではパティキュレートフィルタをパティキュレートの燃焼除去に必要な温度（例えば、５００°Ｃ）まで高めるためには不足することがある。そこで、吸入空気量・燃焼制御部２４は、再生開始信号に応じて電気ヒータ１１への通電を開始する。このための制御が図３中のチャート（６）及び（７）に示してある。
【００５０】
まず、発電機２６の電圧は一時的に０Ｖに低下される（Ｓ５８）。これは、電圧がかかったままスイッチ３１を切り換えると、スイッチの端子間にアーク放電が発生しスイッチに負担がかかるためである。続いて、三端子スイッチ３１を電気ヒータ１１側に切り換える（Ｓ６０）。スイッチが切り換わった後、時刻ｔ３において、電気ヒータ１１に電力を供給する発電機の電圧を、通常の低電圧（例えば、１４Ｖ）からより高電圧（例えば、３０Ｖ）にまで上昇させる（Ｓ６２）。これは、電圧を上げて送電効率を上げることによって、電気ヒータ１１の温度上昇を迅速に行うためである。
【００５１】
そして、時刻ｔ４において、パティキュレートフィルタ再生のための燃料のポストインジェクションが開始される（Ｓ６４）。これは、電気ヒータ１１の熱容量が大きいために、電気ヒータ１１に通電を開始してからも、ポストインジェクションにより供給された燃料が電気ヒータ１１で反応するのに必要な温度にまで上昇するまでにかかる時間を考慮して、電気ヒータに通電されてから予め定められた時間（例えば、５秒）後に行われる。これによって、電気ヒータが燃料を反応するのに充分な温度まで上昇していない間のポストインジェクションにより、液体状態の燃料がパティキュレートフィルタに付着したり燃料が大気中に放出されることを回避する。
【００５２】
本実施形態では、このポストインジェクション中に空燃比のフィードバック制御を実行する。希薄燃焼であるディーゼルエンジンにおいて空燃比フィードバック制御が可能となるのは、ポストインジェクションによる空燃比のリッチ化により、通常のＬＡＦセンサの検出範囲内に空燃比が収まるようになるからである。この空燃比フィードバック制御の具体的なプロセスについては後述する。
【００５３】
時刻ｔ５において、パティキュレートフィルタ再生時期判断部２１により再生終了の判断がなされると、フィルタ再生処理を終了し通常モードに移行する（Ｓ６６）。これに伴い、チャート（８）に示すように、空燃比フィードバック制御は終了しオープン制御に戻る。また、発電機２６の電圧も、一旦０Ｖに落とされ（Ｓ７０）、三端子スイッチ３１を低電圧側に切り換えた後に（Ｓ７２）、通常の電圧に戻される（Ｓ７４）。そして、時刻ｔ７において、過給器、ＥＧＲ量、スワール強度、スロットル弁開度は、通常の状態に戻される（Ｓ７６）。
【００５４】
パティキュレートフィルタの再生処理中に以上説明したような各種制御を行うことにより、１）燃費の悪化、２）燃料のオイルへのダイリューション（希釈）またはＰＭによる汚れによるエンジン破損、３）出力上昇によるドライバビリティの悪化、４）所定期間内に燃料を吹ききれない、といった現象を回避することができる。
【００５５】
続いて、パティキュレートフィルタ再生処理時にフィードバック制御部２３により実行されるプロセスについて説明する。図５はそのフローチャートである。
【００５６】
エンジン１は通常はオープン制御されている（Ｓ８０）が、フィルタ再生条件が成立し（Ｓ８２）、フィルタ再生開始信号が出力されると（Ｓ８４）、フィードバック制御部２３は、ＬＡＦセンサ１４の出力を検出し排気空燃比が所定の目標空燃比となるように制御する、空燃比フィードバック制御を開始する（Ｓ８６）。目標空燃比は、排気温が高く保てかつＬＡＦセンサ１４の検出精度が高い１＜λ＜１．３程度に設定される。フィルタ再生終了信号が出力されると（Ｓ８８）、フィードバック制御は終了し通常のオープン制御に戻る（Ｓ９０）。
【００５７】
Ｓ８６の空燃比フィードバック制御には、燃料噴射量を補正する方式と、スロットル弁３を操作して吸入空気量を補正する方式の２つの実施例が挙げられる。以下、それぞれについて説明する。
【００５８】
・実施例１（燃料噴射量の補正）
図６は、空燃比フィードバックループの第１の実施例を示す図である。この実施例では、排気の空燃比を検出し、この空燃比に基づいて燃料噴射量を補正することによって、パティキュレートフィルタ再生処理中の排気の空燃比を一定に制御する構成をとる。このフローチャートを図７に示す。
【００５９】
まず、アクセルペダルの変化量を検出して、要求トルクを算出する（Ｓ１００）。要求トルクに応じてスロットル弁が開かれ、空気が吸入される（Ｓ１０２）。次に、吸入空気量及びエンジン回転数に対して予め定められているマップを検索して、燃料噴射量を算出し（Ｓ１０４）、これによってエンジン１において燃焼が行われる。続いて、ＬＡＦセンサ１４により検出された排気の空燃比と目標空燃比との誤差を算出し（Ｓ１０６）、算出された誤差に基づいたポストインジェクション噴射量を算出し（Ｓ１０８）、エンジン１の排気行程において噴射する。噴射された燃料は、排気とともに排気管６に流れ、パティキュレートフィルタ１３の再生が実行される。
【００６０】
・実施例２（吸入空気量の補正）
実施例１でも排気の空燃比を一定にするという目的を達成できるが、通常のディーゼルエンジンの制御では、吸入空気量に関わらず、アクセル開度に応じて燃料を供給するオープンループ制御を行っているので、燃料噴射量を算出する手段を新たに設けるよりは、従来の制御の延長で空燃比フィードバック制御を実行できる方が好ましい。そこで、空燃比フィードバックループの第２の実施例では、図８に示すように、排気の空燃比を検出し、この空燃比に基づいてエンジン１に吸入される吸入空気量を補正することによって、パティキュレートフィルタ再生処理中の排気の空燃比を一定に制御する構成をとる。図９は、この実施例のフローチャートである。
【００６１】
まず、アクセルペダルの変化量を検出して、要求トルクを算出する（Ｓ１１０）。次に、要求トルク及びエンジン回転数に対して予め定められているマップを検索して、燃焼室に噴射する燃料噴射量を決定する（Ｓ１１２）。これによって、エンジン１において燃焼が行われ、排気が排気管６に流出する。続いて、ＬＡＦセンサ１４により検出された排気の空燃比と目標空燃比との誤差を算出し（Ｓ１１４）、算出された誤差に基づいて、エンジン１の燃焼室から排出される排気の空燃比が目標空燃比になるように、スロットル弁開度を操作して吸入空気量を補正する（Ｓ１１６）。
【００６２】
以上のように、パティキュレートフィルタの再生処理中に空燃比フィードバック制御を実行することによって空燃比を一定にすると、以下のような効果が得られる。
【００６３】
すなわち、空燃比を一定にすることによって出力を安定させ、運転特性の悪化を防止する。また、エミッションが安定し、排気温も安定する。さらに、空燃比が一定になると排気浄化装置における発生熱が安定するので、パティキュレートフィルタの温度が安定し、異常昇温したり消炎したりすることがない。また、パティキュレートフィルタが熔損や破損に至る可能性が少なくなる。
【００６４】
また、本発明による排気浄化装置を使用すると、エンジンの運転中にパティキュレートフィルタの再生処理を実行することが可能となる。これによって、従来行われていたような、パティキュレートフィルタを取り外して洗浄したり、パティキュレートフィルタを加熱するために外部電源と接続したりする必要がなくなる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートの推定量が閾値を超えると、排気温を上昇させてパティキュレートを燃焼除去することによってパティキュレートフィルタを再生するパティキュレートフィルタ再生処理が実行され、このときに、吸入空気量を低減させるとともに内燃機関における燃焼を良好に保つようにするので、排気温を上昇させつつフィルタ再生処理中のエミッションの悪化が回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気浄化装置が適用される内燃機関の構成図である。
【図２】図１の内燃機関の電力供給システムの構成図である。
【図３】フィルタ再生時の各種弁、発電機、スイッチ等のタイミングチャートである。
【図４】フィルタ再生時吸入空気量・燃焼制御のフローチャートである。
【図５】フィルタ再生時空燃比フィードバック制御のフローチャートである。
【図６】空燃比フィードバックループの一実施例を示す図である。
【図７】図６に対応する空燃比フィードバック制御のフローチャートである。
【図８】空燃比フィードバックループの別の実施例を示す図である。
【図９】図８に対応する空燃比フィードバック制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
２ 吸気管
３ スロットル弁（吸入空気量低減手段）
４ スワールコントロール弁（燃焼保持手段）
５ 燃料噴射弁（未燃燃料供給手段）
６ 排気管
７ 過給器（吸入空気量低減手段）
８ ＥＧＲ通路
９ ＥＧＲ弁（燃焼保持手段）
１０ 排気浄化装置
１１ 電気ヒータ（加熱手段）
１２ リーンＮＯｘ触媒
１３ パティキュレートフィルタ
２０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
２１ パティキュレートフィルタ再生時期判断部（パティキュレートフィルタ再生時期判断手段）
２３ フィルタ再生時空燃比フィードバック制御部（空燃比フィードバック制御手段）
２４ フィルタ再生時吸入空気量・燃焼制御部
Claims (3)
- 内燃機関の排気系に設けられ、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、
前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去する再生時期を判断するパティキュレートフィルタ再生時期判断手段と、
前記判断に応答して、前記内燃機関に吸入される空気量を低減させる吸入空気量低減手段と、
前記吸入空気量の低減に応答して、前記内燃機関における燃焼が良好に保たれるようにする燃焼保持手段と、
前記パティキュレートフィルタを加熱して前記パティキュレートフィルタを再生する加熱手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 内燃機関の排気系に設けられ、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、
前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去する再生時期を判断するパティキュレートフィルタ再生時期判断手段と、
前記判断に応答して、前記内燃機関に吸入される空気量を低減させる吸入空気量低減手段と、
前記パティキュレートフィルタを加熱して前記パティキュレートフィルタを再生する加熱手段と、
前記吸入空気量低減手段により吸入空気量が低減されているとき、前記内燃機関の排気系における空燃比を予め定められた目標空燃比にフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 内燃機関の排気系に設けられ、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、
前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去する再生時期を判断するパティキュレートフィルタ再生時期判断手段と、
前記パティキュレートフィルタを加熱する加熱手段と、
前記加熱手段が作動されてから予め定められた時間が経過した後、排気中に未燃燃料を供給する未燃燃料供給手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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