JP2006316647A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡易な構成により、ＤＰＦの故障の状態を正確に検知し得る排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 エンジン１の運転状態に応じて、ＤＰＦ１２に捕集されるべきパティキュレート量を示す第１のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１が算出され（Ｓ１０１）、ＤＰＦ１２の再生制御が行われるときに、検出されるＤＰＦ温度ＴＤＰＦに応じて、ＤＰＦ１２に実際に捕集されたパティキュレート量を示す第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２が算出される（Ｓ１０３，Ｓ１０４）。第１ＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１に対する第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２の比率が、捕集率ＰＭＣＥとして算出され、捕集率ＰＭＣＥが所定閾値ＣＥＴＨ以下であるとき、ＤＦＰ１２が故障していると判定される（Ｓ１０５〜Ｓ１０７）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に内燃機関の排気中のパティキュレート（粒子状物質）を捕集するフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）を有するものに関する。

ディーゼル内燃機関の排気系に排気中のパティキュレートを捕集するＤＰＦを設け、パティキュレートの排出量を低減する技術は従来より広く用いられている。このＤＰＦを構成するフィルタエレメントにひび割れや孔あきといった故障が発生すると、ＤＰＦのフィルタ機能が低下し、パティキュレートの排出量が増加する。したがって、このような故障は迅速に検知する必要がある。

特許文献１には、ＤＰＦの下流側に圧力センサを設け、機関運転中における検出圧力の最大値と最小値との差、すなわち脈動振幅を求め、脈動振幅が規定範囲から外れたとき、故障が発生したと判定する手法が示されている。
特開２００４−３０８４５４号公報

特許文献１に示された技術では、故障によるパティキュレートの漏れ量を検出することはできない。このため、「ＤＰＦのパティキュレート捕集能力の低下により、パティキュレート漏れ量が所定量を超える前に、故障を検知する」という要求を満たすことは困難である。また特許文献１に示された技術では、排気圧力の脈動振幅を監視し、解析するために、複雑な演算を必要とする。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、比較的簡易な構成により、ＤＰＦの故障の状態を正確に検知し得る排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ手段（１２）を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記機関の運転状態に応じて、前記フィルタ手段（１２）に捕集されるべきパティキュレート量を示す第１のパティキュレート量（ＧＤＰＦ１）を算出する第１捕集量算出手段と、前記フィルタ手段（１２）に捕集されたパティキュレートを焼却するフィルタ再生が行われるときにおける前記フィルタ手段（１２）の温度（ＴＤＰＦ）に応じて、前記フィルタ手段（１２）に捕集されたパティキュレート量を示す第２のパティキュレート量（ＧＤＰＦ２）を算出する第２捕集量算出手段と、前記第１及び第２のパティキュレート量（ＧＤＰＦ１，ＧＤＰＦ２）を比較し、その比較結果に応じて、前記フィルタ手段（１２）の故障判定を行う故障判定手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記故障判定手段は、前記第１及び第２のパティキュレート量の比（ＧＤＰＦ２／ＧＤＰＦ１）に応じて、前記フィルタ手段（１２）のパティキュレート捕集率（ＰＭＣＥ）を算出し、該パティキュレート捕集率（ＰＭＣＥ）が所定閾値（ＣＥＴＨ）以下であるとき、前記フィルタ手段（１２）が故障していると判定することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関の運転状態に応じて、フィルタ手段に捕集されるべきパティキュレート量を示す第１のパティキュレート量が算出され、捕集されたパティキュレートを焼却するフィルタ再生が行われるときおけるフィルタ手段の温度に応じて、フィルタ手段に捕集されたパティキュレート量を示す第２のパティキュレート量が算出され、第１及び第２のパティキュレート量の比較結果に応じて、フィルタ手段の故障判定が行われる。フィルタ再生が行われるときのフィルタ手段の温度変化量は、捕集されたパティキュレート量にほぼ比例するので、フィルタ手段の温度に応じて、フィルタ手段に実際に捕集されたパティキュレート量を示す第２のパティキュレート量を算出することができる。一方、機関運転状態に応じて算出される第１のパティキュレート量は、機関から排出されるパティキュレート量を示しており、両者の差が大きいときは、フィルタ手段にひび割れまたは孔あきがあると考えられる。したがって、第１及び第２のパティキュレート量を比較することにより、フィルタ手段の故障を正確に判定することができる。

請求項２に記載の発明によれば、第１及び第２のパティキュレート量の比に応じて、フィルタ手段のパティキュレート捕集率が算出され、該パティキュレート捕集率が所定閾値以下であるとき、フィルタ手段が故障していると判定される。上述したように、第１のパティキュレート量は機関から排出されるパティキュレート量を示し、第２のパティキュレート量はフィルタ手段に実際に捕集されたパティキュレート量を示すので、第１のパティキュレート量に対する第２パティキュレート量の比が、フィルタ手段のパティキュレート捕集率に相当する。したがって、パティキュレート捕集率が所定閾値以下であるときは、フィルタ手段によるパティキュレートの捕集が正常に行われていないことを示すので、故障と判定することができる。パティキュレート捕集率を算出することにより、フィルタ手段の故障の程度（重大なものか軽微なものか）を判定することが可能となる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる排気浄化装置を備えた内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁１６が設けられている。燃料噴射弁１６は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁１６の開弁時間及び開弁時期は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２、排気管４、及び過給機８を備えている。過給機８は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン１０と、タービン１０により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ９とを備えている。
タービン１０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン１０のベーン開度は、ＥＣＵ２０により電磁的に制御される。

吸気管２内の、コンプレッサ９の下流には加圧された空気を冷却するためのインタークーラ５及び吸入空気量を制御するインテークシャッタ（スロットル弁）３が設けられている。インテークシャッタ３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ２０により、開閉制御される。

排気管４のタービン１０の上流側と、吸気管２のインテークシャッタ５の下流側との間には、排気を吸気管２に還流する排気還流通路６が設けられている。排気還流通路６には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）７が設けられている。ＥＧＲ弁７は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。

排気管４の、タービン１０の下流側には、排気を浄化する触媒コンバータ１１と、ＤＰＦ１２とが上流側からこの順序で設けられている。
触媒コンバータ１１は、ＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。ＮＯｘ吸収剤は、エンジン１の燃焼室内の混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い（ＮＯｘが多い）排気リーン状態においては、ＮＯｘを吸収する一方、逆に混合気の空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的低い排気リッチ状態においては、吸収したＮＯｘを放出する特性を有する。

触媒コンバータ１１は、排気リッチ状態において、ＮＯｘ吸収剤から放出されるＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またＨＣ、ＣＯは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。

ＤＰＦ１２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素（Ｃ）を主成分とするパティキュレートであるスート（ｓｏｏｔ）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックスや金属多孔体が使用される。

ＤＰＦ１２のスート捕集能力の限界、すなわち堆積限界までスートを捕集すると、排気圧力の上昇を引き起こすので、適時スートを燃焼させる再生処理を行う必要がある。この再生処理では、排気の温度をスートの燃焼温度まで上昇させるために、ポスト噴射制御が実行される。ポスト噴射制御においては、燃料噴射弁１６により、圧縮行程における通常噴射だけでなく、その後の爆発行程や排気行程における後噴射（ポスト噴射）が行われる。ポスト噴射により噴射された燃料は、その噴射時期により、エンジン１の燃焼室内で燃焼する場合と、触媒コンバータ１１で燃焼する場合とがある。

ＤＰＦ１２にはその温度（以下「ＤＰＦ温度」という）を検出するＤＰＦ温度センサ２３が設けられている。この温度センサ２３の検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。
さらにエンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２２、エンジン１の吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ２１、エンジン１の冷却水温を検出する冷却水温センサ（図示せず）などが設けられており、これらのセンサの検出信号が、ＥＣＵ２０に供給される。エンジン１の回転数ＮＥは、クランク角度位置センサの出力から算出される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁１６、ＥＧＲ弁７などに制御信号を供給する出力回路から構成される。

図２は、ＤＰＦ１２の故障、具体的にはフィルタ壁のひび割れまたは孔あきによるフィルタ機能の低下を判定する処理の手順を示すフローチャートである。この故障判定処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで実行される。
ステップＳ１０１では、エンジン１の運転状態に応じてＤＰＦ１２に捕集されるべきパティキュレートの量（以下「第１のＤＰＦ堆積量」という）ＧＤＰＦ１を算出する。この第１のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１の算出は、エンジン１の運転状態（例えばエンジン回転数ＮＥ及び吸入空気流量ＧＡ）に応じて、予め記憶されたアルゴリズム及びマップに基づいて一定時間毎に堆積量を算出することにより行われる。この第１のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１は、正確にはエンジン１から排出されるパティキュレートがすべてＤＰＦ１２に捕集された場合の堆積量を示す。したがって、ＤＰＦ１２のフィルタ壁にひび割れなどがあるときには、実際の堆積量は、第１のパティキュレート量ＧＤＰＦ１より小さな値となる。

ステップＳ１０１で算出される第１のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１が所定の再生制御閾値ＧＰＴＨを超えていなければ、ステップＳ１０２の答が否定（ＮＯ）となり、故障判定は実行されない。第１のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１が所定の再生制御閾値ＧＰＴＨを超えると、堆積したスートを燃焼させる再生制御が実行され、ステップＳ１０３以下の処理が実行される。再生制御は上述したようにポスト噴射により、排気温度を上昇させることにより行われる。

ステップＳ１０３では、ＤＰＦ温度センサ２３によりＤＰＦ温度ＴＤＰＦを計測する。このＤＰＦ温度ＴＤＰＦは、再生制御中における検出温度の最大値である。ステップＳ１０４では、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦに応じて図３に示すＧＤＰＦ２テーブルを検索し、ＤＰＦ１２に捕集されたパティキュレート量（以下「第２のＤＰＦ堆積量」という）ＧＤＰＦ２を算出する。ＧＤＰＦ２テーブルは、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが高くなるほど、第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２が増加するように設定されている。ＧＤＰＦ２テーブルは、再生制御中に燃焼するパティキュレート量が多いほど、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが高くなることに着目して、予め堆積パティキュレート量を変化させてＤＰＦ温度を計測し、ＥＣＵ２０内の記憶回路に記憶したものである。

ステップＳ１０５では、下記式（１）に第１のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１及び第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２を適用し、ＤＰＦ１２によるパティキュレートの捕集率ＰＭＣＥを算出する。
ＰＭＣＥ＝ＧＤＰＦ２／ＧＤＰＦ１ （１）
ステップＳ１０６では、捕集率ＰＭＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ（例えば０．８）以下であるか否かを判別する。その結果、捕集率ＰＭＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ以下であるときは、ＤＰＦ１２は故障している、すなわちひび割れ又は孔あきによりフィルタ機能が低下していると判定し（ステップＳ１０７）、捕集率ＰＭＣＥが判定閾値ＣＥＴＨより大きいときは、ＤＰＦ１２は正常と判定する（ステップＳ１０８）。

以上のように本実施形態では、エンジン１の運転状態に応じて、ＤＰＦ１２に捕集されるべきパティキュレート量を示す第１のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１が算出され、ＤＰＦ１２の再生制御が行われるときに、計測されるＤＰＦ温度ＴＤＰＦに応じて、ＤＰＦ１２に実際に捕集されたパティキュレート量を示す第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２が算出され、第１及び第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１、ＧＤＰＦ２の比較結果に応じて、ＤＦＰ１２の故障判定が行われる。エンジン運転状態に応じて算出される第１のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１は、エンジン１から排出されるパティキュレート量を示しており、第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２との差が大きいときは、ＤＰＦ１２にひび割れまたは孔あきが発生していると考えられる。したがって、第１及び第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１，ＧＤＰＦ２を比較することにより、ＤＰＦ１２の故障を正確に判定することができる。

より具体的には、第１のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１に対する第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２の比率として、捕集率ＰＭＣＥを算出し、捕集率ＰＭＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ以下であるとき、ＤＰＦ１２が故障していると判定される。捕集率ＰＭＣＥを算出することにより、ＤＰＦ１２の故障の程度（重大なものか軽微なものか）を判定することが可能となる。

本実施形態では、ＤＰＦ１２がフィルタ手段に相当する。また吸入空気流量センサ２１、クランク角度位置センサ２２、及びＥＣＵ２０が第１捕集量算出手段を構成し、温度センサ２３及びＥＣＵ２０が第２捕集量算出手段を構成し、ＥＣＵ２０が故障判定手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１０１が第１捕集量算出手段に相当し、ステップＳ１０３及びＳ１０４が第２捕集量算出手段に相当し、ステップＳ１０５〜Ｓ１０８が故障判定手段に相当する。

（変形例）
上述した実施形態では、ポスト噴射などによるＤＰＦ１２の再生制御中に故障診断を行うようにしたが、ＤＰＦ１２において自然再生が行われるときに故障診断を実行するようにしてもよい。例えばエンジン１の高負荷運転時には、排気温度が上昇し、ＤＰＦ１２に堆積したパティキュレートが燃焼する自然再生が行われるので、そのようなエンジン運転状態においては、再生制御を実行しなくても、故障診断を実行することができる。

図４はこの変形例の故障判定の手順を示すフローチャートである。図４に示すフローチャートは、図２のステップＳ１０２をステップＳ１０２ａに変えたものである。ステップＳ１０２ａでは、自然再生が行われているか否かを判別し、自然再生が行われているとき、ステップＳ１０３以下を実行する。自然再生が行われているか否かの判別は、例えばエンジン回転数及びエンジン負荷がともに所定閾値を越えているか否かにより行われる。

また上述した実施形態では、捕集率ＰＭＣＥが算出され、捕集率ＰＭＣＥと判定閾値ＣＥＴＨとを比較することにより故障診断が行われるが、第１のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ１と、第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２との差が、対応する判定閾値より大きいとき、ＤＰＦ１２が故障していると判定するようにしてもよい。

また上述した実施形態では、再生制御中にＤＰＦ１２の温度を温度センサ２３により直接検出したが、ＤＰＦ１２の下流側に温度センサを設け、ＤＰＦ１２から排出される排気の温度ＴＤＥＸをＤＰＦ１２の温度として検出するようにしてもよい。さらにＤＰＦ１２の上流側の温度ＴＤＩＮも検出し、下流側温度ＴＤＥＸから上流側温度ＴＤＩＮを減算することにより温度上昇量ΔＴＤＰＦを算出し、温度上昇量ΔＴＤＰＦに応じて、第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２を算出するようにしてもよい。

さらに再生制御中に、下流側温度ＴＤＥＸを一定時間毎に計測して積算することにより、温度積算値ＩＴＤＥＸを算出し、温度積算値ＩＴＤＥＸに応じて、第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２を検出するようにしてもよい。

また再生制御中に、下流側温度ＴＤＥＸを一定時間毎に計測して、その差分をとることにより、温度上昇速度を示す昇温速度パラメータＤＴＤＥＸを算出し、昇温速度パラメータＤＴＤＥＸに応じて、第２のＤＰＦ堆積量ＧＤＰＦ２を検出するようにしてもよい。

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などの排気浄化装置にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる排気浄化装置を備えた内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 故障判定の手順を示すフローチャートである。 図２の処理で使用されるテーブルを示す図である。 図２に示す処理の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
４ 排気管
１２ ＤＰＦ（フィルタ手段）
２０ 電子制御ユニット（第１捕集量算出手段、第２捕集量算出手段、故障判定手段）
２１ 吸入空気流量センサ（第１捕集量検出手段）
２２ エンジン回転数センサ（第１捕集量検出手段）

Claims (2)

1. 内燃機関の排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記機関の運転状態に応じて、前記フィルタ手段に捕集されるべきパティキュレート量を示す第１のパティキュレート量を算出する第１捕集量算出手段と、
   前記フィルタ手段に捕集されたパティキュレートを焼却するフィルタ再生が行われるときにおける前記フィルタ手段の温度に応じて、前記フィルタ手段に捕集されたパティキュレート量を示す第２のパティキュレート量を算出する第２捕集量算出手段と、
   前記第１及び第２のパティキュレート量を比較し、その比較結果に応じて、前記フィルタ手段の故障判定を行う故障判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記故障判定手段は、前記第１及び第２のパティキュレート量の比に応じて、前記フィルタ手段のパティキュレート捕集率を算出し、該パティキュレート捕集率が所定閾値以下であるとき、前記フィルタ手段が故障していると判定す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。

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