JP2005076462A

JP2005076462A - 内燃機関の排気浄化システム

Info

Publication number: JP2005076462A
Application number: JP2003304275A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Ogo; 知由小郷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: JP4103732B2

Abstract

【課題】本発明は、排気通路にフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、フィルタの熱劣化や溶損の発生を抑制しつつ、フィルタに堆積した粒子状物質をより確実に除去することが可能な技術を提供することを課題とする。
【解決手段】排気通路にフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、フィルタ前後における排気の差圧が規定差圧以上となったときに、該フィルタの温度を第１の目標温度に上昇させることでフィルタ再生処理を実行し（Ｓ１０１、Ｓ１０２）、さらに、フィルタ再生処理の実行中に、フィルタ前後における排気の差圧の低下率が規定値以上となったときは、フィルタの温度を第１の目標温度より高い第２の目標温度に上昇させる（Ｓ１０３、Ｓ１０４）。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムに関し、特に、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気には煤等の粒子状物質が含まれている。そのため、内燃機関の排気通路にフィルタを設け、該フィルタに粒子状物質を捕集することで排気を浄化する内燃機関の排気浄化システムが開発されている。

このような、排気通路にフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいては、フィルタに捕集され堆積した粒子状物質が過剰な量となると、該フィルタの粒子状物質捕集能力が大きく低下したり、該フィルタより上流側の排気の圧力が上昇して内燃機関の出力低下を招いたりする虞がある。そこで、フィルタの温度を第１の所定温度にまで上昇させると共に、この第１の所定温度にまで上昇させる間隔よりも長い間隔で、第１の所定温度よりも高い第２の所定温度にまで上昇させることで、フィルタに堆積した粒子状物質を酸化して除去する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。以下、フィルタの温度を上昇させて該フィルタに堆積した粒子状物質を酸化し除去することをフィルタ再生処理と称する。

また、フィルタ再生処理時において、フィルタの入口温度を、フィルタ再生処理の前半では第１の所定温度にまで上昇させると共に、フィルタ再生処理の後半では第１の所定温度よりも高い第２の所定温度に保つ技術（例えば、特許文献２参照。）や、フィルタ前後における排気の差圧を検出し、この差圧がフィルタ再生処理中に設定値より小さくなったときは、フィルタ再生処理を終了させる技術（例えば、特許文献３参照。）が開示されている。
特開２００２−１８０８１６号公報実開平３−１９４１８号公報特開平５−２４００２６号公報特開平３−２３３１２１号公報特開平１０−２９９４５８号公報特開平７−２６９３２８号公報

上記のような、排気通路にフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、フィルタ再生処理を行うときは、フィルタの温度を高くするほど堆積した粒子状物質をより確実に酸化させ除去することが出来る。しかしながら、粒子状物質が酸化するときには熱が発生するため、フィルタの温度を高くし過ぎると、粒子状物質が酸化するときに発生する熱が加わることによってフィルタが過昇温し、該フィルタの熱劣化が促進されたり溶損が発生したりする虞がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、排気通路にフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、フィルタの熱劣化や溶損の発生を抑制しつつ、フィルタに堆積した粒子状物質をより確実に除去することが可能な技術を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

即ち、本発明は、排気通路にフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、フィルタ再生処理時に、粒子状物質の堆積量が減少するに連れて該フィルタの温度を段階的に上昇させるものである。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、
排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
該フィルタに堆積した粒子状物質の量を推定する堆積量推定手段と、
該堆積量推定手段によって推定された前記フィルタに堆積した粒子状物質の量が規定量以上となったときに、該フィルタの温度を上昇させることで該フィルタに堆積した粒子状物質を酸化して除去するフィルタ再生手段と、を備え、
前記フィルタ再生手段は、前記フィルタから粒子状物質を除去しているとき、粒子状物質の堆積量が減少するに連れて該フィルタの温度を段階的に上昇させることを特徴とする。

ここで、規定量とは、フィルタに堆積した粒子状物質の量が該規定量以上となると、粒子状物質の堆積量が過剰であると判断される量、もしくは粒子状物質の堆積量が過剰となる可能性があると判断される量としても良い。

フィルタに堆積した粒子状物質の量が多いほど、該粒子状物質が酸化されるときに発生する熱量も多くなる。従って、堆積した粒子状物質を酸化して除去するためにフィルタの温度を上昇させた場合、温度上昇させたときのフィルタの温度が同じでも、粒子状物質の堆積量が多い程フィルタが過昇温しやすく、粒子状物質の堆積量が少ない程フィルタが過昇温しにくい。また、フィルタ再生処理開始時は粒子状物質の堆積量が多いため、該粒子状物質が酸化されるときに発生する熱量も多く、フィルタ再生処理開始後、粒子状物質の堆積量が減少するに連れて、該粒子状物質が酸化されるときに発生する熱量も減少する。

そこで、本発明では、フィルタ再生処理の実行時は、このフィルタ再生処理によって粒子状物質の堆積量が減少するに連れてフィルタの温度を段階的に上昇させる。即ち、粒子状物質の酸化によって発生する熱量が減少してから、フィルタの温度をより高くする。そのため、粒子状物質が酸化するときの熱によってフィルタが過昇温することを抑制しつつ、フィルタの温度をより高い温度にまで上昇させることが出来る。従って、フィルタの熱劣化や溶損の発生を抑制しつつ、フィルタに堆積した粒子状物質をより確実に除去することが出来る。

本発明において、前記堆積量推定手段が、フィルタ前後における排気の差圧（以下、フィルタ前後差圧と称する）を検出する差圧検出手段である場合、フィルタ前後差圧が規定差圧以上となったときに、該フィルタの温度を第１の目標温度に上昇させることでフィルタ再生処理を実行し、さらに、少なくとも、フィルタ再生処理の実行中にフィルタ前後差圧の低下率が規定値以上となったときは、フィルタの温度を前記第１の目標温度より高い第２の目標温度に上昇させても良い。

粒子状物質の堆積量が増加するとフィルタ前後差圧は上昇し、粒子状物質の堆積量が減少するとフィルタ前後差圧は低下する。このように、両者は相関性が高いため、フィルタ前後差圧から粒子状物質の堆積量を推定することが出来る。ここで、規定差圧とは、前記規定量の粒子状物質がフィルタに堆積したときのフィルタ前後差圧のことである。

そして、本発明では、フィルタ前後差圧が規定差圧以上となったときは、規定量以上の粒子状物質がフィルタに堆積したと判断出来るため、フィルタの温度を第１の目標温度に
上昇させることでフィルタ再生処理を実行する。ここで、第１の目標温度とは、フィルタに堆積した粒子状物質が酸化され除去される温度であって、且つ、フィルタに規定量以上の粒子状物質が堆積している状態で該粒子状物質が酸化された場合であってもフィルタが過昇温しにくい温度である。

フィルタ再生処理が開始されることで、フィルタに堆積した粒子状物質は徐々に減少し、その結果、フィルタ前後差圧が徐々に低下する。このとき、粒子状物質の堆積量がある程度の量にまで減少すると、単位時間あたりのフィルタ前後差圧の低下量、即ち、フィルタ前後差圧の低下率が大きくなることがわかっている。これはフィルタの中でも特に温度が高い部分（例えば、フィルタの中心軸付近）の粒子状物質の除去が進み、この部分の目詰まりが解消されるためである。換言すれば、フィルタ前後差圧の低下率が大きくなれば、フィルタに堆積した粒子状物質がある程度減少したと判断出来る。このように、フィルタの中でも特に温度の高い部分、即ち、特に過昇温し易い部分の粒子状物質が除去されることで、フィルタに堆積したに粒子状物質がある程度減少すると、フィルタの温度を第１の目標温度より高い温度に上昇させてもフィルタは過昇温しにくくなる。そこで、本発明では、フィルタ再生処理の実行時に、フィルタ前後差圧の低下率が規定値以上となった場合、フィルタの温度を前記第１の目標温度より高い第２の目標温度に上昇させる。

ここで、規定値とは、フィルタ前後差圧の低下率が該規定値以上となったときは、フィルタの温度を第１の目標温度より高い温度に上昇させた場合であっても粒子状物質が酸化するときの熱によってフィルタが過昇温しにくい量にまでフィルタに堆積した粒子状物質の量が減少したと判断できる値である。また、第２の目標温度とは、前記第１の目標温度よりも高い温度であって、フィルタに堆積した粒子状物質が酸化して除去される温度であり、且つフィルタ前後差圧の低下率が前記規定値以上となる程度の量にまで粒子状物質の堆積量が減少した状態で該粒子状物質が酸化された場合であってもフィルタが過昇温しにくい温度である。

上記のような制御によれば、フィルタ再生処理時に、フィルタが過昇温することを抑制しつつ、フィルタの温度をより高い温度にまで上昇させることが可能な時期を、フィルタ前後差圧の低下率から、より正確に判断することが出来る。従って、フィルタの熱劣化や溶損の発生を抑制しつつ、フィルタに堆積した粒子状物質をより確実に除去することが出来る。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムによれば、フィルタの熱劣化や溶損の発生を抑制しつつ、フィルタに堆積した粒子状物質をより確実に除去することが出来る。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの具体的な実施の形態について図面に基づいて説明する。

＜内燃機関の排気系とその制御系の概略構成＞
ここでは、本発明を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関１の排気系とその制御系の概略構成を示す図である。

内燃機関１は車両駆動用のディーゼル機関である。この内燃機関１には排気通路２が接続されており、この排気通路２の途中には、排気に含まれる煤等の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するパティキュレートフィルタ３（以下、単にフィルタ３と称する）が設けられている。本実施例に係るフィルタ３には酸化触媒が担持されている。

排気通路２には、フィルタ３の前後における排気の差圧（以下、フィルタ前後差圧と称する）に対応した電気信号を出力する排気差圧センサ６が設けられている。フィルタ３より下流側の排気通路２には、該排気通路２を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ７が設けられている。また、フィルタ３より上流側の排気通路２には、還元剤として排気中に燃料を添加する燃料添加弁５が設けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、この内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。ＥＣＵ１０は、排気差圧センサ６、排気温度センサ７等の各種センサと電気的に接続されており、各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。そして、ＥＣＵ１０は、排気温度センサ７の出力値からフィルタ３の温度を導出する。また、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁５等と電気的に接続されており、該燃料添加弁５を制御することが可能となっている。

＜フィルタ再生処理＞
上述したように、フィルタ３に捕集され堆積した粒子状物質が過剰な量となると、該フィルタ３の粒子状物質捕集能力が大きく低下したり、該フィルタ３より上流側の排気の圧力が上昇して内燃機関１の出力低下を招いたりする虞がある。そこで、本実施例では、粒子状物質の堆積量が予め定められた規定量Ｓ１以上となった場合、フィルタ再生処理を行う。ここで、規定量Ｓ１とは、フィルタ３に堆積した粒子状物質の量が該規定量Ｓ１以上となると、粒子状物質の堆積量が過剰であると判断される量、もしくは粒子状物質の堆積量Ｓが過剰となる可能性があると判断される量である。

以下、本実施例においてフィルタ再生処理を行うためのフィルタ再生制御について説明する。図２はフィルタ再生制御ルーチンを示すフローチャート図である。本ルーチンは、内燃機関１の運転中、所定時間毎に実行されるルーチンであり、ＥＣＵ１０に予め記憶されている。また、図３は、フィルタ再生処理を行うときのフィルタ前後差圧の変化を示すグラフである。このグラフの縦軸はフィルタ前後差圧を表し、横軸は時間を表している。

図２に示すフィルタ再生制御ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ず、Ｓ１０１において、排気差圧センサ６によって検出されるフィルタ前後差圧が第１規定差圧ΔＰ１以上であるか否かを判別する。ここで、第１規定差圧ΔＰ１とは、前記規定量Ｓ１の粒子状物質がフィルタ３に堆積したときのフィルタ前後差圧のことである。即ち、排気差圧センサ６は本発明に係る堆積量推定手段を構成している。

Ｓ１０１において、フィルタ前後差圧が第１規定差圧ΔＰ１より低いと判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、Ｓ１０１において、フィルタ前後差圧が第１規定差圧ΔＰ１以上と判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に進む。

Ｓ１０２において、ＥＣＵ１０は、フィルタ再生処理を行うべく、フィルタ３の温度を上昇させるフィルタ昇温制御を実行し、フィルタ３の温度を第１目標温度Ｔ１（例えば、５００℃）にまで上昇させる。ここで、第１目標温度Ｔ１とは、フィルタ３に堆積した粒子状物質が酸化され除去される温度であって、且つ、フィルタ３に規定量Ｓ１以上の粒子状物質が堆積している状態で該粒子状物質が酸化された場合であってもフィルタ３が過昇温しにくい温度である。この第１目標温度Ｔ１は、実験等によって予め定めることが出来る。

尚、フィルタ昇温制御としては、（１）燃料添加弁５から排気中に燃料を添加する、（
２）内燃機関１における燃料噴射量を増加させる、（３）内燃機関１において、主燃料噴射以外の時期に燃料を噴射する副燃料噴射を行う、等の制御が例示できる。このとき、（１）の制御における燃料添加量、または、（２）の制御における燃料噴射増加量、（３）の制御における副燃料噴射量は、フィルタ昇温制御実行時のフィルタ３の温度と第１目標温度との差に応じて決定される。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３に進み、フィルタ前後差圧の単位時間あたりの低下量であるフィルタ前後差圧の低下率が規定値Ｒ１以上であるか否かを判別する。

ここで、フィルタ再生処理時におけるフィルタ前後差圧の変化について図３に基づいて説明する。上述したように、フィルタ再生処理は、フィルタ前後差圧が第１規定差圧ΔＰ１以上となったときに開始される。フィルタ再生処理が開始され、フィルタ３に堆積した粒子状物質が除去され始めると、フィルタ前後差圧が徐々に低下する。このとき、図３において矢印で示すように、粒子状物質の堆積量がある程度の量にまで減少する（フィルタ前後差圧がある程度の値にまで低下する）と、フィルタ前後差圧の低下率が大きくなる。換言すれば、フィルタ前後差圧の低下率が大きくなれば、フィルタ３に堆積した粒子状物質がある程度減少したと判断出来る。そこで、Ｓ１０３での規定値Ｒ１は、フィルタ前後差圧の低下率が該規定値Ｒ１以上となったときは、フィルタ３の温度を第１目標温度Ｔ１より高い温度に上昇させた場合であっても、粒子状物質が酸化するときの熱によってフィルタ３が過昇温する可能性が低い量にまでフィルタ３に堆積した粒子状物質の量が減少したと判断できる値とする。この規定値Ｒ１は、実験等によって予め定めることが出来る。

Ｓ１０３において、フィルタ前後差圧の低下率が規定値Ｒ１より小さいと判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０３を繰り返す。一方、Ｓ１０３において、フィルタ前後差圧の低下率が規定値Ｒ１以上と判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０４に進む。

Ｓ１０４において、ＥＣＵ１０は、フィルタ１０の温度を、前記第１目標温度Ｔ１よりも高い第２目標温度Ｔ２（例えば、７００℃）にまで上昇させる。ここで、第２目標温度Ｔ２とは、フィルタ３に堆積した粒子状物質が酸化して除去される温度であり、且つフィルタ前後差圧の低下率が規定値Ｒ１以上となる程度の量にまで粒子状物質の堆積量が減少した状態で該粒子状物質が酸化された場合であってもフィルタが過昇温しにくい温度である。この第２目標温度Ｔ２は、実験等によって予め定めることが出来る。

尚、フィルタ１０の温度を第２目標温度Ｔ２にまで上昇させるときは、例えば、フィルタ昇温制御を、前記（１）とした場合は排気中への燃料添加量を増量し、（２）の制御とした場合は内燃機関１での燃料噴射量をさらに増量し、（３）の制御とした場合は内燃機関１での副燃料噴射量を増量する。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０５に進み、フィルタ前後差圧が第２規定差圧ΔＰ２より低いか否かを判別する。ここで、第２規定差圧とは、前記第１規定差圧Δ１以下の値であって、フィルタ３に堆積した粒子状物質の量が前記規定量Ｓ１以下となったときのフィルタ前後差圧のことである。Ｓ１０５において、フィルタ前後差圧が第２規定差圧ΔＰ２以上と判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０５を繰り返す。一方、Ｓ１０５において、フィルタ前後差圧が第２規定差圧ΔＰ２より低いと判定された場合、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０６に進み、フィルタ昇温制御を停止、即ちフィルタ再生処理を停止して本ルーチンの実行を一旦終了する。

以上説明したフィルタ再生制御によれば、フィルタ３に堆積した粒子状物質の量が多いフィルタ再生処理開始時は、フィルタ３の温度を第１目標温度Ｔ１に上昇させ、さらに、粒子状物質の堆積量が減少した後、フィルタ３の温度を第１目標温度Ｔ１より高い第２目
標温度Ｔ２にまで上昇させる。そのため、粒子状物質が酸化するときの熱によってフィルタ３が過昇温することを抑制しつつ、フィルタ３の温度をより高い温度にまで上昇させることが出来る。従って、フィルタ３の熱劣化や溶損の発生を抑制しつつ、フィルタ３に堆積した粒子状物質をより確実に除去することが出来る。

また、フィルタ再生処理時に、フィルタが過昇温することを抑制しつつ、フィルタ３の温度を第１目標温度から第２目標温度にまで上昇させることが可能な時期を、フィルタ前後差圧の低下率から、より正確に判断することが出来る。

尚、本実施例では、フィルタ再生処理時のフィルタ３の温度を第１目標温度Ｔ１および第２目標温度Ｔ２の２段階に分けて上昇させたが、３段階以上に分けて上昇させても良い。また、フィルタ３は、フィルタ自体は酸化触媒を担持しておらず、該フィルタに加えて、その上流側に酸化触媒を前段触媒として設置した構成であっても良い。

本発明に係る内燃機関の排気系とその制御系の概略構成を示す図。フィルタ再生制御ルーチンを示すフローチャート図。フィルタ再生処理を実行するときのフィルタ前後差圧の変化を示すグラフ。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・排気通路
３・・・フィルタ
５・・・燃料添加弁
６・・・排気差圧センサ
７・・・排気温度センサ
１０・・ＥＣＵ

Claims

排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
該フィルタに堆積した粒子状物質の量を推定する堆積量推定手段と、
該堆積量推定手段によって推定された前記フィルタに堆積した粒子状物質の量が規定量以上となったときに、該フィルタの温度を上昇させることで該フィルタに堆積した粒子状物質を酸化して除去するフィルタ再生手段と、を備え、
前記フィルタ再生手段は、前記フィルタから粒子状物質を除去しているとき、粒子状物質の堆積量が減少するに連れて該フィルタの温度を段階的に上昇させることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
前記堆積量推定手段は、前記フィルタ前後における排気の差圧を検出する差圧検出手段であって、
前記フィルタ再生手段は、該差圧検出手段によって検出された前記フィルタ前後における排気の差圧が規定差圧以上となったときに、該フィルタの温度を第１の目標温度にまで上昇させることで該フィルタに堆積した粒子状物質を酸化して除去し、
さらに、前記フィルタ再生手段は、少なくとも、前記フィルタから粒子状物質を除去しているときに、前記フィルタ前後における排気の差圧の低下率が規定値以上となった場合、前記フィルタの温度を前記第１の目標温度より高い第２の目標温度にまで上昇させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化システム。