JP2006274806A

JP2006274806A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2006274806A
Application number: JP2005090398A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hashizume; 剛橋詰
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】排気ガスの温度を低下させるような内燃機関の運転状態でも機能維持できる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１から排出される排気ガスＥＧの流量を調整する排ガス流量調整手段１６、２５、４１と、前記排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集・除去する微粒子捕集・除去手段３１と、この微粒子捕集・除去手段よりも上流側に配置され、通電により発熱して前記排気ガスを昇温させる昇温手段３３と、内燃機関２の運転状態が排気ガスの温度を低下させるときに、排ガス流量調整手段を駆動して前記排気ガスの流量を減少させると共に前記昇温手段へ通電する制御を行う制御手段３６とを、備えた内燃機関の排気浄化装置３０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスに含まれる粒子状物質（パーティキュレート・マター、以下「ＰＭ」と称す）を除去する排気浄化装置に関する。より詳細には排気ガス温を昇温させる機能を備えた排気浄化装置に関する。

内燃機関からの排気ガスの浄化を行う排気浄化装置として、フィルタに触媒を担持させた形態のものが広く使用されている。このような排気浄化装置ではフィルタでＰＭを捕集し、ＰＭが酸化する温度（例えば６００℃）まで排気ガス温を高めることでＰＭを燃焼して無毒化する。例えば特許文献１は、ヒータを配備して昇温させる排気浄化装置を開示する。このような排気浄化装置であれば、排気ガス温が低いときにヒータに通電することで触媒機能を維持できる。

ところで、車両が減速運転状態となり内燃機関（エンジン）への燃料供給が停止されたときなどでは、排気ガスの温度が低下するので触媒が冷されてしまう。そこで、特許文献２は、内燃機関が減速運転状態となったときに排気還流装置（Exhaust Gas Recirculation装置、以下「ＥＧＲ装置」という）の制御弁を全開とするようにした排気浄化装置を開示する。このような排気浄化装置であれば、車両が減速運転状態となり排気温が低下する状況となったときに排気ガスを多めに還流することで触媒の温度低下を抑制できる。

特許第２７８１３０８号公報特許第２５８２９７２号公報

特許文献１の装置は、前述で指摘した減速運転で低温の排気ガスが流入する状況には対応していない。よって、ＰＭが燃焼をしているとき、すなわちフィルタ再生を行っているときに、低温の排気ガスが流入して再生を継続することが困難となる場合がある。その結果として装置の浄化機能が低下してしまう。これに対して、特許文献２の装置は車両の減速状態のときにＥＧＲ装置の制御弁が全開とされるので触媒の温度低下を抑制できる。しかし、特許文献２の装置でも減速状態が長時間になると触媒温度が下がるので同様の問題が発生することになる。

そこで、本発明の目的は、排気ガスの温度を低下させるような内燃機関の運転状態でも機能の維持を図ることができる排気浄化装置を提供することである。

上記目的は、内燃機関から排出される排気ガスの流量を調整する排ガス流量調整手段と、前記排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集・除去する微粒子捕集・除去手段と、前記微粒子捕集・除去手段よりも上流側に配置され、通電により発熱して前記排気ガスを昇温させる昇温手段と、前記内燃機関の運転状態が前記排気ガスの温度を低下させるときに、前記排ガス流量調整手段を駆動して前記排気ガスの流量を減少させると共に前記昇温手段へ通電する制御を行う制御手段とを、備えた内燃機関の排気浄化装置により達成できる。

本発明によると、内燃機関の運転状態が低い温度の排気ガスを排出する状況となっているときに、制御手段が排ガス流量調整手段を駆動して排気ガスの流量を減少させると共に昇温手段へ通電するので微粒子捕集・除去手段の再生を継続できる。よって、排気ガスの温度が低下する状況でも再生機能を維持できる排気浄化装置を提供できる。また、排ガス流量調整手段と昇温手段とを併用するので、昇温手段への通電量を抑制しながら排気浄化装置の再生機能を維持できる。

また、前記昇温手段は、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）を酸化させる酸化能を有する酸化触媒に通電加熱ヒータを備えた電気加熱触媒ユニットとしてもよい。

また、前記微粒子捕集・除去手段の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記制御手段は前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記排ガス流量調整手段の駆動量を調整するようにしてもよい。また、前記微粒子捕集・除去手段の内部に堆積した前記粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定手段を更に備え、前記制御手段は前記堆積量推定手段が推定した堆積量に基づいて、前記排ガス流量調整手段の駆動量を調整するようにしてもよい。さらには、前記温度検出手段及び堆積量推定手段を備えて、上記温度及び堆積量に基づいて、前記排ガス流量調整手段の駆動量を調整するようにしてもよい。

また、上記目的は、内燃機関から排出される排気ガスの流量を調整する排ガス流量調整手段と、酸化能を有する酸化触媒に通電加熱ヒータを備えた電気加熱触媒ユニットと、前記内燃機関の運転状態が前記排気ガスの温度を低下させるときに、前記排ガス流量調整手段を駆動して前記排気ガスの流量を減少させると共に前記電気加熱触媒へ通電する制御を行う制御手段とを、備えた内燃機関の排気浄化装置によっても同様に達成できる。

なお、前記排ガス流量調整手段は、前記内燃機関の吸気絞り弁、排気絞り弁、排気ガス再循環弁及び可変ターボチャージャから選択した少なくとも１つとすることができる。

本発明によれば、排気ガスの温度を低下させるような内燃機関の運転状態でも機能の維持を図ることができる排気浄化装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置について説明する。

図１は、実施例１に係る排気浄化装置を内燃機関に適用した場合を示している。まず、内燃機関の大略を説明する。１は内燃機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示している。

吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結されている。サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してターボチャージャ１４のコンプレッサ１５側に連結されている。吸気ダクト１３内にはモータ１６により開閉駆動される吸気絞り弁１７が配置されている。

内燃機関１から排出される排気ガスＥＧは、排気ポート１０及び排気マニホルド１９を介して接続されている排気管２０により外部へ排出されている。排気管２０の途中にはターボチャージャ１４の排気タービン２１側に連結され、排気タービン２１の出口は排気浄化フィルタ３２を内蔵している排気浄化ユニット３１に連結されている。排気浄化ユニット３１の下流側から排気管２０が更に下流に延在している。排気浄化ユニット３１の出口側に接続された排気管２０内にはモータ４０によって開閉駆動される排気絞り弁４１が配置されている。排気浄化フィルタ３２は、例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、その表面には触媒として白金、ロジウム、パラジウムなどが担持されている。この排気浄化フィルタ３２によって排気ガスＥＧ中のＰＭが捕集される。

排気マニホルド１９とサージタンク１２とは、ＥＧＲ装置（排気還流装置）を構成するＥＧＲ通路２４を介して互いに連結されている。このＥＧＲ通路２４内には、還流する排気ガス量を調整する電気制御式のＥＧＲ制御弁２５が配置されている。また、燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結されている。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給されている。コモンレール２７内の圧力を検出するための燃料圧力センサ２９が取付けられ、燃料圧力センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御されている。

さらに、上記排気浄化ユニット３１の上流側には電気加熱触媒（electrical heated catalyst、以下、ＥＨＣ）ユニット３３が配置されている。このＥＨＣユニット３３はＨＣ，ＣＯを酸化する触媒３４及びヒータ３５を内蔵した浄化ユニットで、ヒータ３５に通電をすることで昇温させることができる。

内燃機関１に適用されている本実施例１の排気浄化装置３０Ａは、排気浄化ユニット３１及びＥＨＣユニット３３と、これらを制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）３６とを含んでいる。ＥＣＵ３６はマイクロコンピュータを中心に構成した電子制御ユニットである。このＥＣＵ３６はＰＭを燃焼させて排気浄化フィルタ３２を再生せるための制御を行う他、特に排気ガスＥＧの温度が低下する状況となっているときに温度維持のための制御を実行する。排気ガス温維持の制御については以下で詳細に説明する。なお、このＥＣＵ３６は、内燃機関の駆動制御を行うＥＣＵの一部により実現してもよい。

ところで、低い温度の排気ガスＥＧが排気浄化ユニット３１に流入すると、排気浄化フィルタ３２に担持された触媒の温度が低下してフィルタ再生を継続できなくなり、装置の再生機能が低下してしまう場合がある。そこで、ＥＣＵ３６は、内燃機関の運転状態が排気ガスＥＧの温度を低下させるような状況となっているときに、ＥＧＲ制御弁２５を駆動して排気ガスＥＧの流量を減少させると共にヒータ３５に通電する制御を実行する。すなわち、ＥＣＵ３６は排気浄化ユニット３１に流入する低温の排気ガスにより機能が低下しないように温度維持の制御を行う。図２は、ＥＣＵ３６がフィルタ再生中に行うルーチンの一例を示したフローチャートである。

なお、車両が降坂しているときなどでは内燃機関の燃料噴射が停止される。このような状態が長時間になると、排気ガスの温度が低下して排気浄化フィルタ３２の再生機能が低下することになる。そこで、ここでは内燃機関が燃料無噴射状態にあるときに実行されるルーチン例を示す。

フィルタ再生制御でＥＣＵ３６はフィルタの強制再生を開始し、排気浄化フィルタ３２がＰＭ酸化状態を維持するように制御する（Ｓ１１）。例えばポスト噴射や管内への燃料添加によりＰＭが燃焼する温度となるように排気浄化フィルタ３２の温度維持が図られる。

ＥＣＵ３６は、例えば燃料噴射弁（インジェクタ）６へ供給する駆動パルスが噴射可能な限界値以下となったときに、燃料が無噴射であると判断して排気ガスの温度維持するための制御に入る（Ｓ１２）。

この温度維持制御で、ＥＣＵ３６はＥＧＲ制御弁２５を全開とする（Ｓ１３）。このようにＥＧＲ制御弁２５を全開にすると、低温の排気ガスＥＧを多く吸気側に還流できるので、排気浄化ユニット３１側へ流入してくる排気ガスＥＧの量を抑制して温度低下を抑制できる。さらに、ＥＣＵ３６はモータ１６を制御して吸気絞り吸気絞り弁１７を全閉にすると共に（Ｓ１４）、モータ４０を制御して排気絞り弁４１を全閉にする（Ｓ１５）。このように、吸気絞り吸気絞り弁１７及び排気絞り弁４１まで閉じると、低温の排気ガスが排気浄化ユニット３１に流入することをより確実に抑制できる。

そして、ＥＣＵ３６はＥＨＣユニット３３のヒータ３５に通電する（Ｓ１６）。これによりＥＨＣユニット３３を加熱して排気ガスＥＧの温度を昇温させることができる。特に、図２で示すルーチンでは、排気ガスＥＧの流れを大幅に抑制した状態でヒータ３５に通電を行うので、少ない電力で排気ガスＥＧを所望の温度にまで昇温させることができる。ＥＣＵ３６が図２示すルーチンを実行することにより、燃料無噴射となったときでもＥＨＣユニット３３内の温度維持を図ることができるのでポスト噴射や燃料添加を継続して排気浄化フィルタ３２の昇温が可能となり再生を継続できる。ここでは、例えばＥＨＣユニット３３で排気浄化フィルタ３２を３００℃程度までに昇温して、ポスト噴射や燃料添加で更に温度を上げ最終的に排気浄化フィルタ３２を６００℃程度とすることができる。よって、排気浄化ユニット３１のＰＭ酸化機能は安定に維持される。

なお、図２では燃料無噴射時にＥＧＲ制御弁２５と共に、吸気絞り弁１７及び排気絞り弁４１を閉じるようにしているが、これらのいずれか１つの弁或いは２つの弁としてもよい。また、この実施例１ではＥＧＲ制御弁２５、吸気絞り吸気絞り弁１７、排気絞り弁４により、排気ガスＥＧの流量を調整する例を示しているが、ターボチャージャ１４として排気流量を変更できる可変型のものを採用している場合には、このターボチャージャ１４によって排気ガスの流量を調整するようにしてもよい。

また、ＥＣＵ３６がヒータ３５に通電するタイミングは図２で示すように排気ガスの流量を絞った後である必要はなく、閉弁動作の前或いは途中でもよい。また、ＥＧＲ制御弁２５等は必ずしも全閉或いは全開とする必要はなく、排気ガスＥＧの一部を通過させるようにしてもよい。

一般に排気浄化フィルタ３２に多量のＰＭが堆積しているときに、再生のためＰＭを燃焼させると過昇温となり易い。過昇温の状態では排気浄化フィルタ３２が劣化或いは損傷してしまうのでこれを回避することが必要である。特に排気ガスの温度低下を防止するためにＥＧＲ制御弁２５等を強制的に閉じ、排気ガス流量を減少させると排気浄化ユニット３１を通過するガス量が減る。そのために、排気浄化フィルタ３２からの持去り熱量が減少して過昇温となり易くなる。そこで、実施例２の排気浄化装置は、過昇温を防止しながら実施例１で示したと同様の排気温度維持の制御を実行する。

図３は実施例２に係る排気浄化装置３０Ｂについて示した図である。この排気浄化装置３０Ｂも内燃機関に適用されるものであるが、周辺部の構成は図１と同様であるので図３ではこれらを簡略化して示している。また、重複した説明を避けるため、実施例１の排気浄化装置３０Ａと同じ部位には、同一の符号を用いている。

この排気浄化装置３０Ｂは排気浄化ユニット３１の前後に第１の圧力センサ４２と第２の圧力センサ４３とを配置してある。これら圧力センサの出力値を比較することで、排気浄化フィルタ３２のＰＭ堆積量を推定できる。圧力センサ４２、４３の出力はＥＣＵ３６に供給されている。また、排気浄化ユニット３１内の温度を検出する温度センサ４４が排気浄化ユニット３１の出口側に配置されている。この温度センサ４４により排気浄化フィルタ３２の温度状態を確認できる。この温度センサ４４の出力もＥＣＵ３６に供給されている。

図４は、ＥＣＵ３６がフィルタ再生中に行うルーチンの一例を示したフローチャートである。フィルタ再生制御でＥＣＵ３６はフィルタの強制再生を開始し、排気浄化フィルタ３２がＰＭ酸化状態を維持するように制御する（Ｓ２１）。更に、ＥＣＵ３６は、燃料噴射弁６から燃焼室５に燃料が噴射されているか否かを確認する。ＥＣＵ３６は、例えば燃料噴射弁（インジェクタ）６へ供給する駆動パルスが噴射可能な限界値以下である場合に排気ガスの温度を維持するための制御に入る（Ｓ２２）。ここまでは、実施例１のルーチンと同様である。

次に、ＥＣＵ３６は圧力センサ４２、４３の出力から排気浄化フィルタ３２のＰＭ堆積量を推定する（Ｓ２３）。圧力センサ４２と圧力センサ４３との出力差が大きい程、排気浄化フィルタ３２のＰＭ堆積量が多いと推定できる。例えば、予め試験やシミュレーションを行って圧力センサ４２、４３の出力差からＰＭ堆積量に関するデータを取得し、このデータをメモリに格納しておく。ＥＣＵ３６はこのデータを読み出して、ＰＭ堆積量の推定を行う。

さらに、ＥＣＵ３６は温度センサ４４の出力から排気浄化フィルタ３２の温度を推定する（Ｓ２４）。排気浄化ユニット３１の出口側の排気ガス温度を確認することにより排気浄化フィルタ３２の温度を推定できる。この場合も例えば、予め試験等を行って排気浄化ユニット３１の出口温から排気浄化フィルタ３２の温度データを準備しておき、ＥＣＵ３６がこのデータを読み出して上記推定を行うようすればよい。

そして、ＥＣＵ３６は上記ステップ２３で推定したＰＭ堆積量及びステップ２４で推定した排気浄化フィルタ３２の温度から、過昇温を回避するために必要な排気ガスの流量を算出する（Ｓ２５）。ＰＭ堆積量が多く排気浄化フィルタ３２の温度が高い状況で、排気ガスＥＧの流量を絞ると過昇温となり易い。そこで、このステップ２５では、排気浄化フィルタ３２の状態（温度とＰＭ堆積量）に応じて、過昇温を予防するのに必要な排気ガスの流量を算出する。この温度及びＰＭ堆積量と、過昇温を回避するのに必要な排気ガス流量をまとめたデータも予め作成してメモリしておき、ＥＣＵ３６が読出できるようにしておく。ＥＣＵ３６は、上記ステップ２５で算出した流量が得られるＥＧＲ制御弁２５の開度を算出する（Ｓ２６）。

そして、ＥＣＵ３６はＥＧＲ制御弁２５を駆動制御して（Ｓ２７）、ヒータ３５に通電する（Ｓ２８）。以上のように、本実施例２によると更に排気浄化ユニット３１が過昇温の状態となるのを予防しつつ、燃料無噴射となったときに排気浄化フィルタ３２の再生を継続できる。

図４で示したルーチンは、発明の理解を容易とするためＥＧＲ制御弁２５によって排気ガスの流量を調整する場合を示しているが、実施例１の場合と同様に吸気絞り弁１７、排気絞り弁４１を用いて排気ガスの流量を調整するようにしてもよい。実施例２は、より好ましい構成としてＰＭ堆積量及び排気浄化ユニット３１の温度を確認して過昇温を回避しているようにしているが、これらのいずれか一方を参照してもよい。また、排気浄化フィルタ３２のＰＭ堆積量や温度の確認は、上記で示したセンサ４２〜４４以外の検出手段を用いて行うようにしてもよい。

また、上記実施例１、２で示した排気浄化装置３０Ａ，Ｂは、ＨＣ、ＣＯを酸化させる酸化触媒機能も備えているＥＨＣユニット３３を排気浄化ユニット３１の上流に配置して、排気浄化ユニット３１内の排気浄化フィルタ３２の再生を継続できるように構成している。しかし、本発明はこのような構造に限らない。ＥＨＣユニット３３に替えてヒータ３５のみを排気浄化ユニット３１の上流に配置して実施例１或いは実施例２と同様の温度維持制御を行うようにしてもよい。さらに、ＥＨＣユニット３３を削除して、排気浄化ユニット３１にヒータを配置して実施例と同様の温度維持制御を行ってもよい。この場合には排気浄化ユニット３１自体がＥＨＣユニットとなる。これにより排気浄化装置の構造を簡素化できる。この場合には、その他の構成は実施例１、２と同様とすればよい。

なお、特許請求の範囲との関係では、ＥＧＲ制御弁２５、吸気絞り弁１７、排気絞り弁４１及び可変型とした場合のターボチャージャ１４のいずれか或いはこれらの組合せが排ガス流量調整手段に対応する。また、排気浄化ユニット３１が微粒子捕集・除去手段に対応する。また、ＥＣＵ３６が制御手段に対応する。また、センサ４２、４３及びＥＣＵ３６が堆積量推定手段に対応する。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の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本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例１に係る排気浄化装置を内燃機関に適用した場合を示している図である。実施例１に係る排気浄化装置のＥＣＵがフィルタ再生中に行うルーチンの一例を示したフローチャートである。実施例２に係る排気浄化装置について示した図である。実施例２に係る排気浄化装置のＥＣＵがフィルタ再生中に行うルーチンの一例を示したフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
１７吸気絞り弁
２５ＥＧＲ制御弁
３０Ａ、Ｂ排気浄化装置
３１排気浄化ユニット
３２排気浄化フィルタ
３３ＥＨＣユニット（電気加熱触媒ユニット）
３５ヒータ
３６ＥＣＵ
４１排気絞り弁
４２第１の圧力センサ
４３第２の圧力センサ
４４温度センサ
ＥＧ排気ガス

Claims

内燃機関から排出される排気ガスの流量を調整する排ガス流量調整手段と、前記排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集・除去する微粒子捕集・除去手段と、前記微粒子捕集・除去手段よりも上流側に配置され、通電により発熱して前記排気ガスを昇温させる昇温手段と、前記内燃機関の運転状態が前記排気ガスの温度を低下させるときに、前記排ガス流量調整手段を駆動して前記排気ガスの流量を減少させると共に前記昇温手段へ通電する制御を行う制御手段とを、備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記昇温手段は、酸化能を有する酸化触媒に通電加熱ヒータを備えた電気加熱触媒ユニットである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。
前記微粒子捕集・除去手段の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記制御手段は前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記排ガス流量調整手段の駆動量を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記微粒子捕集・除去手段の内部に堆積した前記粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定手段を更に備え、前記制御手段は前記堆積量推定手段が推定した堆積量に基づいて、前記排ガス流量調整手段の駆動量を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関から排出される排気ガスの流量を調整する排ガス流量調整手段と、酸化能を有する酸化触媒に通電加熱ヒータを備えた電気加熱触媒ユニットと、前記内燃機関の運転状態が前記排気ガスの温度を低下させるときに、前記排ガス流量調整手段を駆動して前記排気ガスの流量を減少させると共に前記電気加熱触媒へ通電する制御を行う制御手段とを、備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記排ガス流量調整手段は、前記内燃機関の吸気絞り弁、排気絞り弁、排気ガス再循環弁及び可変ターボチャージャから選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。