JP2005201060A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの過熱を抑制しつつ、該パティキュレートフィルタの再生を行うことができる技術を提供する。
【解決手段】パティキュレートフィルタと、燃料供給手段と、フィルタ再生手段と、内燃機関の運転状態からフィルタに流れ込む排気の流量を決定する排気流量決定手段と、フィルタに流れ込む排気の流量を調整する流量調整手段と、を備え、フィルタの再生を行うときには、フィルタに流れ込む排気の流量を排気流量決定手段により決定された排気の流量よりも増加させる（Ｓ１０４）。これにより、例え、排気の流量が減少してフィルタからの熱の持ち去り量が減少しても、フィルタ下流部の過昇温を抑制することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、より詳細には、排気通路にパティキュレートフィルタを有する内燃機関の排気浄化技術に関する。

内燃機関の排気通路にパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという。）を備えることにより、該フィルタで排気中の粒子状物質（以下、ＰＭという。）を捕集することができる。そして、該フィルタの温度を高めることにより、捕集されたＰＭを酸化除去することができる。このようにフィルタに捕集されたＰＭを除去することをフィルタの再生という。

そして、フィルタの再生時に内燃機関の運転状態が低回転低負荷となったときに、吸気絞り弁により吸気を絞りとともに、排気中に含まれる余剰酸素に応じた分だけの燃料を燃料主噴射後の膨張行程若しくは排気行程中に再度燃料を噴射させる副噴射（以下、ポスト噴射という。）によって気筒内に供給し、このポスト噴射によって供給された燃料と余剰酸素との反応によってフィルタの保温を図る技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２７９９０号公報 特開２００２−１０６３２５号公報 特開平０５−２２２９１６号公報

ところで、従来の技術では、フィルタに流れ込む酸素の量を減らしてＰＭの自己着火を抑制している。このため自己着火の抑制時には、フィルタの再生処理に要する酸素量を確保できず、フィルタが十分に昇温しているにも拘わらず、ＰＭの酸化が促進されずに数少ないフィルタの再生機会を逸してしまうことがある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの過熱を抑制しつつ、該パティキュレートフィルタの再生を行うことができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下のことを特徴とする。すなわち、
内燃機関の排気通路に設けられた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よりも上流側から該パティキュレートフィルタに燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料供給手段により前記パティキュレートフィルタに燃料を供給して該パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の除去を行うフィルタ再生手段と、
前記内燃機関の運転状態から前記パティキュレートフィルタに流れ込む排気の流量を決定する排気流量決定手段と、
前記パティキュレートフィルタに流れ込む排気の流量を調整する流量調整手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記フィルタ再生手段によりパティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の除去を行うときには、前記流量調整手段により排気の流量を調整することで、前記パティキュレートフィルタに流れ込む排気の流量を前記排気流量決定手段により決定された排気の流量よりも増加させることを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、フィルタの再生時にフィルタの上流部の温度上昇を抑制することで、例えフィルタに流れ込む排気の流量が減少してフィルタの温度が上昇したとしても、フィルタの上流部において粒子状物質の自己着火温度まで上昇しないようにして、下流部の過昇温を抑制することにある。

ここで、フィルタの再生時に内燃機関の運転状態が例えばアイドル状態に移行すると、フィルタに流れ込む排気の量が減少するため、フィルタで発生した熱の排気による持ち去り量が減少してフィルタの温度が上昇することがある。このフィルタの温度上昇は、フィルタの下流側ほど顕著に表れる。すなわち、上流側で発生した熱が排気の流れと共に下流へと移動し、下流側の温度を上昇させる。したがって、フィルタの下流側ほど上流側の温度上昇の影響を受けて温度の上昇度合いが大きくなる。これにより、フィルタの下流部で熱劣化が発生する虞がある。

その点、本発明によれば、フィルタの再生時に、該フィルタに流れ込む排気の量をフィルタの再生を行っていないときよりも増量させる。なお、排気の量は内燃機関の吸入空気量としても良い。すなわち、流量調整手段は、内燃機関の吸入空気量を調整するようにしても良い。

ここで、排気流量決定手段は、内燃機関の運転状態に基づいて最良となる排気の流量を決定する。ここでいう内燃機関の運転状態としては、内燃機関の負荷、機関回転数を例示することができる。そして、フィルタの再生を行わない場合には、流量調整手段により、この決定された排気の量と実際の排気の量とが等しくなるように排気の流量が調整される。一方、フィルタの再生を行う場合には、排気流量決定手段により決定される排気の量よりも多い量の排気がフィルタに流れ込むように流量調整手段が排気の流量を増加させる。このようにして、排気の流量が増加されると、フィルタの上流部では排気の流速が早くなり、そのため燃料が十分に酸化されず、該上流部でのフィルタの温度の上昇は小さくなる。一方、フィルタの上流部で酸化されなかった燃料は下流部で反応し、下流部の温度は上昇する。
このように、フィルタの上流部の温度上昇を抑制することにより、該フィルタに流れ込む排気の量が減少して排気による持ち去り熱量が減少しても、上流部から下流部へ流れる排気の温度を低く抑えることができ、フィルタの下流部が過昇温することを抑制できる。

一方、上流部での温度は低いものの下流部での温度は高いために、下流部では粒子状物資を酸化除去させることができる。
本発明においては、前記パティキュレートフィルタの下流部に堆積している粒子状物質の量を検出または推定する粒子状物質量取得手段をさらに備え、
前記粒子状物質量取得手段により検出若しくは推定された粒子状物質の量が所定値以下のときには、前記流量調整手段による前記パティキュレートフィルタに流れ込む排気の流量の増加を行わないようにしてもよい。

ここで、フィルタの上流部の温度上昇を抑制してフィルタの再生を行うと、フィルタの下流部に堆積している粒子状物質が上流部よりも早く酸化除去される。そして、下流部の粒子状物質の酸化除去が完了した後にも、フィルタの上流部の温度上昇を抑制したままフィルタの再生を行うと、フィルタの上流部に堆積している粒子状物質はほとんど酸化されず、無駄に燃料を消費してしまう。その点、下流部の粒子状物質が除去された後は、フィ
ルタに流れ込む排気の流量の増加を行わないようにすれば、フィルタの上流部の温度を上昇させることができ、該上流部において粒子状物質を酸化除去することができる。また、このときには、下流部の粒子状物質は所定値まで除去されているので、例え排気の流量が減少したとしても、下流部で熱劣化が発生することもない。すなわち、所定値とは、フィルタの再生時に排気の流量が減少した場合であっても、フィルタの下流部で熱劣化が起こる虞のないフィルタ下流部における粒子状物質の堆積量である。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの過熱を抑制しつつ、該パティキュレートフィルタの再生を行うことができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

＜内燃機関と排気浄化装置の概略構成＞
図１は、本実施例に係る内燃機関の触媒温度維持方法を適用する内燃機関１とその吸・排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。
内燃機関１には、気筒２内へ軽油を噴射する燃料噴射弁３が備えられている。
また、内燃機関１には、吸気通路４が接続されている。吸気通路４には、該吸気通路４内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁５が設けられている。

内燃機関１には、燃焼室と連通する排気通路６が接続されている。この排気通路６は、下流にて大気へと通じている。
前記排気通路６の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒という。）を担持したパティキュレートフィルタ７（以下、フィルタ７という。）が備えられている。そして、該フィルタ７の下流の排気通路６には、該排気通路６を流通する排気の温度を検出する排気温度センサ８及び排気の空燃比を検出する空燃比センサ９が備えられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０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には、排気温度センサ８及び空燃比センサ９等が電気配線を介して接続され、該センサ等の出力信号が入力されるようになっている。
一方、ＥＣＵ１０には、燃料噴射弁３及び吸気絞り弁５が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１０によりこれらを制御することが可能になっている。この吸気絞り弁５の開閉操作によって機関燃焼に供される吸気の量を調整できるようになっている。また、機関燃焼に供された吸気は排気となって排気通路に流入するため、換言すれば、吸気絞り弁５の開閉操作によって排気の流量、すなわちフィルタ７に流れ込む排気の量の制御が可能である。

なお、本実施例においては、内燃機関１で燃料噴射弁３からの主噴射の後の膨張行程中若しくは排気行程中に、再度燃料を噴射させる副噴射（以下、ポスト噴射という。）によりフィルタ７の再生処理がなされる。

より詳しくは、ポスト噴射により、排気の温度を上昇させるとともに、未燃燃料成分で
あるＨＣを排出させる。このＨＣは、ＮＯx触媒で酸化され、熱を発生させる。これにより、フィルタ７を例えば６００℃以上の高温に維持すると共に、フィルタ７に担持されるＮＯx触媒の作用によってＰＭと排気中に含まれる酸素の反応を促し、フィルタ７上からＰＭが除去される。なお、以下では、上記再生処理を通常の再生処理と称する。

ところで、フィルタ７の再生を図る際には、ＰＭの自己着火に起因したフィルタ７の過熱を回避すべく、フィルタ７を適温に維持しながら再生処理を実行する必要がある。しかしながら、車両駆動用の内燃機関１であって、機関負荷や走行状態の急変に伴いフィルタ７に流れ込む排気の流量が急激に減少する場合には、排気の急減によってフィルタ７からの熱の持ち去り量が少なくなるため、フィルタ７が過昇温しフィルタ７が熱劣化する虞がある。そして、この過昇温は、フィルタ７の下流部でより顕著に表れる。

ここで、図２は、フィルタ再生処理時にアイドリング運転に移行した場合の、フィルタの上流部、中流部、下流部での温度の時間推移を示したタイムチャート図である。ここで、過昇温温度とは、フィルタ７に熱劣化が発生する虞のある温度であり、例えば８００℃である。

このように、アイドル運転に移行してから数十秒後にフィルタ７の下流部で過昇温温度を超えてしまう。
このためＥＣＵ１０では、フィルタ７の下流部での過昇温を回避すべく、以下に示す過昇温抑制制御の実行によってフィルタ７の上流部分におけるＰＭの自己着火を抑制してフィルタ７の過熱を防止している。

ここで、図３は、本実施例による過昇温抑制制御を実行した場合であって、フィルタ再生処理時にアイドリング運転に移行した場合の、フィルタの上流部、中流部、下流部での温度の時間推移を示したタイムチャート図である。

アイドル運転移行時にフィルタ７の上流部の温度が低く抑えられているため、下流部の温度上昇を抑制されている。
以下、図４を参照して本実施例による過昇温抑制制御の詳細を含む再生処理について説明する。
＜再生処理＞
ステップＳ１０１では、まず、ＥＣＵ１０は、車両の走行履歴や内燃機関の運転履歴等を参照して、再生処理の実行が求められている状況にあるか否かを判断する。

より詳しくは、車両の走行距離、フィルタ７に流れ込んだ排気の流量等を参照してＰＭの堆積量を推定し、堆積量が再生処理を開始すべき閾値に達していることを受けて再生処理が求められている状況とみなしている。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。
続いて、ステップＳ１０２では、ＥＣＵ１０は、フィルタ７の再生処理を開始すべく再生処理開始用のフラグを成立させる。より詳しくは、フィルタ７を高温に維持し易い中高負荷運転時などを再生処理の実行時期とみなしてフラグを成立させる。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ１０は、フィルタ７におけるＰＭ堆積量が許容値に達しているか否か判定する。ここで許容値とは、フィルタ７の温度を全体的に上昇させる通常の再生処理を行ったときに、フィルタ７の下流部が過熱する虞のあるＰＭ堆積量であり、再生処理を開始すべき閾値よりも大きい値である。

なお、フィルタ７の容量や担持されたＮＯx触媒の量によりフィルタ７の昇温度合いが変わるため、許容値は実験的に求める。
ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０４では、吸気絞り弁５の開度を増加させ排気の流量を増加させる排気増量制御を実行すると共にフィルタに機関燃料を供給するポスト噴射（燃料供給制御）を実行する過昇温抑制用の再生処理を実行する。

ここで、フィルタ７に流入する排気の流量（内燃機関の吸入空気量としても良い。）は、内燃機関の負荷（気筒内への燃料噴射量としても良い。）および機関回転数等の内燃機関の運転状態により決定される。例えば、燃料噴射量と機関回転数と排気の流量との関係を予めマップ化しておき該マップに燃料噴射量と機関回転数とを代入して目標となる排気の流量が求められる。この目標となる排気の流量は、フィルタ７の再生処理を行っていないとき、および／または通常の再生処理を行っているときに目標とされる排気の流量である。そして、本実施例においては、過昇温抑制用の再生処理を実行しているときには、前記マップから得られる排気の流量よりも多い量の排気がフィルタ７に流れ込むように吸気絞り弁５の開度を開き側へ制御する。すなわち、吸気絞り弁５の開度を開き側へ制御することにより、排気の流量の増加が行われる。このときの排気の流量の増加量若しくは吸気絞り弁５の開度は、予め実験的に求めておく。

そして、過昇温抑制制御の実行下では、排気の増量によってフィルタ上流部の昇温を抑制している。また、本過昇温抑制制御の実行下では、フィルタ７に流れ込む排気が増えることでフィルタ７上流部に担持された触媒と燃料との接触機会が減少して酸化反応が起き難くなると共に、フィルタ７上流部で反応しなかった燃料がフィルタ７下流部に到達することでフィルタ７下流部に担持された触媒と燃料との酸化反応が増加する。その結果、フィルタ７の下流部に堆積したＰＭの酸化が促進される。

つまり、本過昇温抑制制御によれば、フィルタ７の上流部分でＰＭの自己着火を未然に防止することで、その後にアイドル運転等の排気の流量が少ない運転状態に移行したとしても、ＰＭの自己着火に起因したフィルタ７下流部の過熱を抑制することができる。

ステップＳ１０５では、ＥＣＵ１０は、フィルタ７の下流部のＰＭの除去が完了したか否か判定する。ＥＣＵ１０は、過昇温抑制制御の実行によって酸化除去されたフィルタ７下流部分のＰＭの量すなわちＰＭの消費量からフィルタ７下流部分のＰＭの残量を推定する。ここでは、過昇温抑制用の再生処理の開始時から現時までの経過時間と、フィルタ７の温度と、を乗じてＰＭの消費量を算出している。そして、この消費量から換算してＰＭの残量を推定している。

ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ戻る。
ステップＳ１０６では、排気増量制御を行わない通常の再生処理を行う。すなわち、ポスト噴射により、フィルタ７を全体的に昇温させてＰＭの除去を行う。また、排気の流量は、前記した燃料噴射量と機関回転数と排気の流量との関係のマップから得られる排気の流量とされる。

ステップＳ１０７では、ＥＣＵ１０は、フィルタ７の再生処理が完了したか否か判定する。ここでは、通常の再生処理の開始時から現時までの経過時間と、フィルタ７の温度とを乗じてＰＭの消費量を算出している。そして、この消費量から換算してＰＭの残量を推定している。ＥＣＵ１０は、ＰＭの残量が略零になったときにフィルタ７の再生処理が完
了したと判定する。

ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合には本ルーチンを終了し、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ戻る。
このように本再生処理では、ＰＭの堆積量が多く、排気流量の急減によってＰＭの自己着火が誘発されるような状況となっても、フィルタ７の上流部での自己着火を抑制することができ、その結果、フィルタ７の上流部の自己着火に起因した下流部の過熱を抑制することができる。これにより、フィルタの過昇温を抑制しつつフィルタの再生を促進することができる。

なお、上記した実施の形態はあくまでも、本発明の一実施の形態であり、その詳細は各種仕様に応じて種々変更可能である。
まず、上記では、ＰＭの消費量の算出にあたり、フィルタ７の温度と再生処理の開始時から現時までの時間経過をパラメータとしてＰＭの消費量を求めているが、フィルタ７の下流や上流に設ける圧力センサの出力からも推定可能である。

また、上記した実施の形態では、排気増量制御において、吸気絞り弁５を開いて排気量を増やしているが、必ずしもその必要はなく、例えば、排気通路への二次空気の導入並びに排気絞り弁の開度制御によっても排気の流量を調整することが可能である。

なお、本実施例においては、フィルタ７の上流に酸化能を有する触媒を備えていても良い。この酸化能を有する触媒の作用により、フィルタ７の上流部での燃料の反応を抑制し、下流部のみの温度を上昇させやすくすることができる。また、酸化能を有する触媒の容量や使われている白金の量により、該触媒をすり抜けてフィルタ７へ到達する燃料量が変わるため、実験等により酸化能を有する触媒の容量や白金の量を決定しても良い。

また、本実施例においては、フィルタ７の再生処理時にポスト噴射を用いて該フィルタ７に燃料を供給しているが、これに代えて、該フィルタ７よりも上流の排気通路６内へ燃料を噴射する燃料添加弁を備え、この燃料添加弁により該フィルタ７に燃料を供給するようにしても良い。

このように本発明によれば、フィルタ７の過熱を抑制しつつ、フィルタ７の再生をも図れる排気浄化技術を提供することができる。

実施例に係る内燃機関の触媒温度維持方法を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 フィルタ再生処理時にアイドリング運転に移行した場合の、フィルタの上流部、中流部、下流部での温度の時間推移を示したタイムチャート図である。 実施例による過昇温抑制制御を実行した場合であって、フィルタ再生処理時にアイドリング運転に移行した場合の、フィルタの上流部、中流部、下流部での温度の時間推移を示したタイムチャート図である。 実施例による過昇温抑制制御の詳細を含む再生処理について示したフローチャート図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 燃料噴射弁
４ 吸気通路
５ 吸気絞り弁
６ 排気通路
７ パティキュレートフィルタ
８ 排気温度センサ
９ 空燃比センサ
１０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた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よりも上流側から該パティキュレートフィルタに燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記燃料供給手段により前記パティキュレートフィルタに燃料を供給して該パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の除去を行うフィルタ再生手段と、
   前記内燃機関の運転状態から前記パティキュレートフィルタに流れ込む排気の流量を決定する排気流量決定手段と、
   前記パティキュレートフィルタに流れ込む排気の流量を調整する流量調整手段と、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記フィルタ再生手段によりパティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の除去を行うときには、前記流量調整手段により排気の流量を調整することで、前記パティキュレートフィルタに流れ込む排気の流量を前記排気流量決定手段により決定された排気の流量よりも増加させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記パティキュレートフィルタの下流部に堆積している粒子状物質の量を検出または推定する粒子状物質量取得手段をさらに備え、
   前記粒子状物質量取得手段により検出若しくは推定された粒子状物質の量が所定値以下のときには、前記流量調整手段による前記パティキュレートフィルタに流れ込む排気の流量の増加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浄化装置。

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