JP2006316744A - 内燃機関の排気処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタ（ＤＰＦ）の上流側に酸化触媒装置を備えた構成において、フィルタと酸化触媒装置の影響を受けることなく、排気温度を検出して未燃燃料の供給量を補正して再生処理を行うことで、再生に必要な未燃燃料の供給量を精度良く実現してフィルタの再生効率を向上させるようにした内燃機関の排気処理装置を提供する。
【解決手段】内燃機関（エンジン）の運転状態、より具体的にはエンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑに応じてポスト噴射の基本噴射量（未燃燃料の基本供給量）を算出し（ブロック６２ａ）、酸化触媒装置の上流側の排気温度ＴＥＸ１に応じて基本噴射（供給）量を補正し（ブロック６２ｂ１，６２ｂ２）、それら基本噴射（供給）量と補正噴射（供給）量とに基づいて最終ポスト噴射量（未燃燃料の供給量）を算出してポスト噴射を実行する（ブロック６２ｃ，６２ｆ）。
【選択図】図２

Description

この発明は内燃機関の排気処理装置に関し、より具体的には酸化触媒装置と、その下流に微粒子物質（ParticulateあるいはParticulate Matter）を捕集するフィルタ（ＤＰＦ; Diesel Particulate Filter）を備えた内燃機関において、未燃燃料を供給してフィルタを再生する装置に関する。

ディーゼル機関の排気系には、上記したように、ＤＰＦが設けられ、排気中の微粒子物質を微細な孔で捕集している。ＤＰＦに捕集された微粒子物質の堆積が増加するにつれて目詰まりを起こすことから、下記の特許文献１，２に示すように、排気系に設けた燃料噴射弁を介して燃料を供給し、微粒子物質を燃焼させてＤＰＦを再生している。

具体的には、特許文献１記載の技術にあっては、ＤＰＦ近傍（下流）の排気温度を検出し、燃料供給量を、吸入空気量の増加に応じて増加させると共に、検出された排気温度の上昇に応じて減少させるように制御している。

特許文献２記載の技術にあっては、燃料供給量を、ＤＰＦの上流側の排気温度と吸入空気量に基づいて算出すると共に、ＤＰＦの下流側の排気温度で算出された燃料供給量を減量補正するように制御している。
特開平４−０１９３１５号公報 特開平５−０４４４３４号公報

上記した如く、特許文献１，２記載の従来技術にあってはＤＰＦの下流あるいはその前後の排気温度、換言すれば、ＤＰＦの近傍の排気温度などから燃料供給量を算出しているため、再生に必要な燃料供給量を精度良く実現することが困難であった。

即ち、内燃機関の過渡運転時には燃料噴射量の変化に応じて排気温度は急変するが、従来技術においては検出される温度がＤＰＦ近傍、例えば下流であるため、検出値はＤＰＦ自体での燃焼やＤＰＦの質量の影響を受けてなまされた値となる。また、排気温度が高いと、排気マニホルドが高温となり、ポスト噴射を介して未燃燃料を供給した場合、未燃燃料が自己着火して燃焼し、排気温度をさらに昇温させてしまう。

さらに、ＤＰＦの上流側に排気中の未燃成分を酸化する酸化触媒装置を設けている場合、検出温度が同様にその触媒装置での燃焼やその質量の影響も受けてなまされてしまう不都合がある。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、フィルタ（ＤＰＦ）の上流側に酸化触媒装置を備えた構成において、フィルタ（ＤＰＦ）と酸化触媒装置の影響を受けることなく、排気温度を検出して未燃燃料の供給量を補正し、補正された供給量によって再生処理を行うことで、再生に必要な未燃燃料の供給量を精度良く実現してフィルタ（ＤＰＦ）の再生効率を向上させるようにした内燃機関の排気処理装置を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、排気系に排気中の未燃成分を酸化・除去する酸化触媒装置と、前記酸化触媒装置の下流に排気中の微粒子物質を捕集するフィルタを備えると共に、未燃燃料を供給して前記フィルタを再生させるように構成された内燃機関の排気処理装置において、前記内燃機関の運転状態に応じて前記未燃燃料の基本供給量を算出する基本供給量算出手段、前記酸化触媒装置の上流側の排気温度に応じて前記基本供給量を補正する補正供給量を算出する補正供給量算出手段、および前記算出された基本供給量と補正供給量とに基づいて前記未燃燃料の供給量を算出し、前記算出された供給量に基づいて前記未燃燃料の供給を実行する未燃燃料供給実行手段を備える如く構成した。

請求項２に係る内燃機関の排気処理装置にあっては、さらに、前記内燃機関から排出される排気流量に応じて前記補正供給量の補正値を算出する補正供給量補正値算出手段を備える如く構成した。

請求項３に係る内燃機関の排気処理装置にあっては、前記補正供給量補正値算出手段は、前記補正値を、前記排気流量が増加するにつれて増加するように算出する如く構成した。

請求項１にあっては、排気系に排気中の未燃成分を酸化・除去する酸化触媒装置と、その下流に排気中の微粒子物質を捕集するフィルタを備えた構成において、内燃機関の運転状態に応じて未燃燃料の基本供給量を算出し、酸化触媒装置の上流側の排気温度に応じて基本供給量を補正する補正供給量を算出し、基本供給量と補正供給量とに基づいて未燃燃料の供給量を算出し、それに基づいて未燃燃料の供給を実行する如く構成したので、検出される排気温度がフィルタ（ＤＰＦ）での燃焼やフィルタの質量の影響を受けることがないと共に、触媒装置での燃焼やその質量の影響も受けることがないことから、再生に必要な未燃燃料供給量を精度良く実現することができ、よってフィルタ（ＤＰＦ）の再生効率を向上させることができる。

請求項２に係る内燃機関の排気処理装置にあっては、さらに、内燃機関から排出される排気流量に応じて補正供給量の補正値を算出する如く構成したので、フィルタ（ＤＰＦ）の再生に必要な排気温度に影響を与える排気流量も含めて、未燃燃料の供給量を算出してその供給を実行することで、フィルタ（ＤＰＦ）の再生に必要な燃料供給量を過不足なく実現することができ、フィルタ（ＤＰＦ）の再生効率を一層向上させることができる。

請求項３に係る内燃機関の排気処理装置にあっては、補正値を、排気流量が増加するにつれて増加するように算出する如く構成したので、排気流量が増加（あるいは減少）するにつれて再生に必要なフィルタ（ＤＰＦ）の温度までの昇温分に要する熱量が増加（あるいは減少）するときも、それに応じて必要な燃料供給量を過不足なく供給することができ、フィルタ（ＤＰＦ）の再生効率を一層向上させることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る内燃機関の排気処理装置を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る内燃機関の排気処理装置を全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０は４気筒の内燃機関（ディーゼルエンジン。以下「エンジン」という）を、１０ａはその本体を示す。エンジン１０において、エアクリーナ１２から吸入された吸気は吸気管（吸気路）１４を流れる。

吸気管１４の適宜位置にはインテークシャッタ（吸気絞り装置）１６が配置される。インテークシャッタ１６はバルブ１６ａと、それに接続される電動モータなどのアクチュエータ１６ｂを備える。インテークシャッタ１６において、駆動回路（図示せず）を介してアクチュエータ１６ｂが駆動されるとき、それに応じてバルブ１６ａが閉鎖方向に駆動されて吸気管１４の開度を絞り方向に調整し、そこを通過する吸気量を減少させる。

吸気管１４を流れる空気はその下流の吸気マニホルド２０を通ってそれぞれの気筒に至り、吸気バルブ（図示せず）が開弁すると共に、ピストン（図示せず）が下降するとき、燃焼室（図示せず）に吸入される。吸入された空気はピストンが上昇するとき圧縮されて高温となる。

燃料タンク（図示せず）に貯留された燃料（軽油）はポンプおよびコモンレール（共に図示せず）を介してそれぞれの気筒の燃焼室を臨む位置に配置されたインジェクタ２２に供給され、インジェクタ２２が駆動回路（図示せず）を介して駆動（開弁）されるとき、燃焼室に噴射され、圧縮されて高温となった吸入空気に触れて自然着火して燃焼する。それによってピストンは下方に駆動された後、再び上昇し、排気バルブ（図示せず）が開弁するとき、排気（排ガス）を排気マニホルド（排気系）２４に排出する。排気は、次いでその下流の排気管（排気系）２６を流れる。

排気管２６には、吸気管１４に接続されるＥＧＲ管（ＥＧＲ通路）３０が設けられると共に、ＥＧＲ管３０にはＥＧＲバルブ３０ａが設けられる。ＥＧＲバルブ３０ａは駆動回路（図示せず）を介して作動させられるとき、ＥＧＲ管３０を開放して排気の一部を吸気系に還流させる。

また、排気管２６において、ＥＧＲ管３０の接続位置の下流にはターボチャージャ（図に「Ｔ／Ｃ」と示す）３２のタービン（図示せず）が設けられ、排気によって回転させられ、それに機械的に接続されたコンプレッサ３２ａを駆動し、エアクリーナ１２から吸入される空気を過給する。

また、排気管２６において、ターボチャージャ３２の配置位置の下流には、白金などからなる酸化触媒装置（図に「ＣＡＴ」と示す）３４が配置される。酸化触媒装置３４は、排気中の未燃ＨＣを酸化して除去する。また、その酸化プロセスにおいて排気温度を上昇させる。それについては後述する。

酸化触媒装置３４の下流にはＤＰＦ（Diesel Particulate Filter。フィルタ）３６が配置され、排気中の微粒子物質（Particulate）を捕集する。ＤＰＦ３６はセラミック製のハニカムフィルタからなり、その内部には上流側端部が閉塞されて下流側端部が開放された排気通路と、上流側端部が開放されて下流側端部が閉塞された排気通路とが交互に配列されると共に、隣接する通路間には１０μｍ程度の孔径の多くの孔が穿設された多孔質の壁面が形成され、排気中の微粒子物質をその孔で捕集する。

ＤＰＦ３６にあっては、かく捕集された微粒子物質が徐々に堆積することで、目詰まりを生じさせる。尚、ＤＰＦ３６は、具体的には、フィルタに担持させた酸化触媒の作用によって微粒子物質の燃焼可能温度を低下させ、排気によって堆積された微粒子物質を焼却するＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）型として構成される。

排気はＤＰＦ３６を通った後、サイレンサ、テールパイプなど（全て図示せず）を流れてエンジン１０の外部に放出される。

エンジン１０のクランク軸（図示せず）の付近には複数組の電磁ピックアップからなるクランク角センサ４０が配置され、気筒判別信号を出力すると共に、４気筒のそれぞれのＴＤＣあるいはその付近でＴＤＣ信号を出力し、さらに所定クランク角度ごとにクランク角度信号を出力する。

さらに、エンジン１０の冷却水通路（図示せず）の付近には水温センサ４２が配置され、エンジン冷却水温ＴＷに応じた信号を出力すると共に、吸気管１４においてエアクリーナ１２の付近には吸気温度センサ４４が配置され、エンジン１０に吸入される吸気の温度（吸気温度あるいは外気温度）に応じた信号を出力する。

また、エンジン１０が搭載される車両の運転席（図示せず）の床面に配置されたアクセルペダル４６の付近にはアクセル開度センサ５０が配置され、アクセル開度（エンジン負荷を示す）θＡＰに応じた信号を出力すると共に、車輪（図示せず）の適宜位置には車輪速センサ５２が配置され、車輪の所定角度当たりの回転ごとに信号を出力する。

また、エンジン１０の排気系において、ターボチャージャ３２の下流で酸化触媒装置３４の上流の適宜位置には第１の排気温度センサ５４が配置され、酸化触媒装置３４の上流側の排気温度（酸化触媒装置３４に流入する排気の温度）ＴＥＸ１に応じた出力を生じると共に、酸化触媒装置３４の下流で、ＤＰＦ３６の前、より具体的にはＤＰＦ３６の直前には第２の排気温度センサ５６が配置され、ＤＰＦ３６の上流側の排気温度（ＤＰＦ３６に流入する排気の温度）ＴＥＸ２に応じた出力を生じる。

さらに、ＤＰＦ３６には差圧センサ６０が配置され、ＤＰＦ３６に流入する排気の圧力とＤＰＦ３６から流出する排気の圧力の差圧ＰＤＩＦ、換言すれば、ＤＰＦ３６の入口側の圧力と出口側の圧力の差圧ＰＤＩＦに応じた出力を生じる。

上記したセンサ群の出力は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit。電子制御ユニット）６２に送られる。

ＥＣＵ６２はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭおよび入出力回路からなるマイクロコンピュータから構成される。ＥＣＵ６２は、センサ群の出力の中、クランク角センサ４０から出力されるクランク角度信号をカウンタでカウントしてエンジン回転数ＮＥを検出（算出）すると共に、車輪速センサ５２の出力をカウンタでカウントして車速を検出する。

尚、ＥＣＵ６２はケース（図示せず）に格納されて車両の運転席付近の適宜位置に格納されるが、そのケース内には大気圧センサ６４が配置され、エンジン１０が位置する場所の大気圧に応じた出力を生じてＥＣＵ６２に送出する。

次いで、図１に示す装置の動作を説明する。

図２は、その動作を示すブロック図である。尚、同図にあっては、ＥＣＵ６２の処理を機能的にブロックとして示すことで、動作を説明する。

以下説明すると、先ず、ブロック６２ａにおいて、エンジン回転数ＮＥと、通常の（ポスト噴射ではない）燃料噴射量Ｑとから、ＤＰＦ３６の再生に必要な、ポスト噴射の基本噴射量（未燃燃料の基本供給量）が算出される。尚、通常の燃料噴射量Ｑは、図示しない別の処理において、アクセル開度θＡＰから適宜な特性を検索して得られる値を、他の運転パラメータに応じて補正することで決定される（具体的には、インジェクタ２２の開弁時間として決定される）。決定された燃料噴射量Ｑに基づき、エンジン１０のそれぞれの気筒が吸入行程から圧縮行程に移行した付近で、インジェクタ２２を介して燃料が燃焼室に噴射される。

先に述べた如く、燃焼室に噴射された燃料は圧縮されて高温となった吸入空気に触れて自然着火して燃焼し、ピストンを下方に駆動する。また、燃焼によって生じた排気は、排気行程において排気バルブ（図示せず）が開弁されるとき、排気系（排気マニホルド２４、排気管２６）に排出される。

ポスト噴射は、その通常の燃料噴射が実行されて燃焼が生じた後、爆発行程から排気行程に移行した付近において、エンジン１０が低、中負荷にあるとき、インジェクタ２２を介してポスト噴射量に基づいて燃料を噴射することで実行される。ポスト噴射においては圧縮空気が存在しないことから、噴射された燃料の多くは燃焼することなく、未燃燃料として排気系に排気される。未燃燃料の成分のほとんどは、ＨＣ（炭化水素）である。

ブロック６２ｂにおいては、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑに基づいて算出されたポスト噴射の基本噴射量を補正する補正噴射量（補正供給量）と、その補正噴射量の補正値が算出される。

即ち、ブロック６２ｂ１で排気温度（酸化触媒装置３４の上流側の排気温度）ＴＥＸ１が読み出され、ブロック６２ｂ２で予め求められてＲＯＭに格納されるテーブル特性に従い、読み出された排気温度ＴＥＸ１に応じて補正噴射量が算出される。

図３はそのテーブル特性を示す説明グラフである。図示の如く、補正噴射量は、排気温度ＴＥＸ１が増加するに従って減少するように設定される。これは、排気温度ＴＥＸ１が高いほど、ポスト噴射量も少なくて足るためである。

次いで、ブロック６２ｂ３において、予め求められてＲＯＭに格納されるマップ特性に従い、エンジン回転数ＮＥと（通常の）燃料噴射量Ｑとに基づき、排気温度補正重み（補正噴射量（補正供給量）の補正値）が算出される。

図４はそのマップ特性を示す説明グラフである。排気流量（排気ボリューム）は、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑに依存し、それらが増加するほど増加することから、上記は、マップ特性に従い、排気温度補正重みが排気流量に基づいて算出されることを意味する。

排気流量はＤＰＦ３６の再生に必要な燃料供給量（換言すれば、排気温度）に影響を与えると共に、排気流量が増加（あるいは減少）するにつれて再生に必要なＤＰＦ３６の温度までの昇温分に要する熱量が増加（あるいは減少）することから、排気温度補正重みは、図示の如く、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑが増加するにつれて増加すると共に、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑが減少するにつれて減少するように、換言すれば、排気流量が増加するにつれて増加すると共に、減少するにつれて減少するように設定される。

排気温度補正重みは、１．１あるいは１．２などと乗算係数として算出され、ブロック６２ｂ４において補正噴射量に乗算され、補正噴射量を補正する。

ブロック６２ｃにおいて、補正された補正噴射量は、ポスト噴射の基本噴射量に加算される。これにより、ポスト噴射の基本噴射量は、酸化触媒装置３４の上流側の排気温度ＴＥＸ１に応じて補正されると共に、補正噴射量もエンジン１０からから排出される排気流量に応じ、排気流量が増加するほど増加するように、補正される。

次いで、ブロック６２ｄにおいて、ＤＰＦ前温度センサ（第２の排気温度センサ５６）による温度フィードバック補正分が算出される。即ち、第２の排気温度センサ５６によって検出される排気温度ＴＥＸ２が、目標温度、例えば６００℃となるように、排気温度ＴＥＸ２と目標温度の偏差に応じてＰＩ制御項（あるいはＰＩＤ制御項）を用いて操作量（噴射量）の増減分が算出される。算出された増減分は、ブロック６２ｅで、基本噴射量と補正噴射量の和に加算される。

次いで、ブロック６２ｆにおいて、それらを合算して、換言すれば、基本噴射量と補正噴射量と補正値とに基づいて最終ポスト噴射量（未燃燃料の供給量）が算出され（同様にインジェクタ２２の開弁時間として算出される）、算出された最終ポスト噴射量に基づいて上記したポスト噴射（未燃燃料の供給）が実行される。

噴射された燃料は排気系を流れ、酸化触媒装置３４に至って酸化反応（燃焼）を生じる。燃焼によって加熱された排気は下流のＤＰＦ３６に流れ、捕集され、堆積されていた微粒子物質を焼却する。それによってＤＰＦ３６の目詰まりが解消され、ＤＰＦ３６が再生される。

この実施例にあっては、上記の如く、排気系に排気中の未燃成分を酸化・除去する酸化触媒装置３４と、前記酸化触媒装置の下流に排気中の微粒子物質を捕集するＤＰＦ（フィルタ）３６を備えると共に、ポスト噴射を行って（未燃燃料を供給して）前記フィルタを再生させるように構成されたエンジン（内燃機関）１０の排気処理装置において、前記エンジン（内燃機関）の運転状態、より具体的にはエンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑに応じて前記ポスト噴射の基本噴射量（未燃燃料の基本供給量）を算出する基本供給量算出手段（ＥＣＵ６２、ブロック６２ａ）、前記酸化触媒装置３４の上流側の排気温度ＴＥＸ１に応じて前記基本噴射量を補正する補正噴射量（補正供給量）を算出する補正供給量算出手段（ＥＣＵ６２、ブロック６２ｂ１，６２ｂ２）、および前記算出された基本噴射量と補正噴射量とに基づいて最終ポスト噴射量（未燃燃料の供給量）を算出し、前記算出された最終ポスト噴射量に基づいてポスト噴射を（未燃燃料の供給）実行する未燃燃料供給実行手段（ＥＣＵ６２、ブロック６２ｃ，６２ｆ）を備える如く構成した。

これにより、検出される排気温度ＴＥＸ１がＤＰＦ３６での燃焼やＤＰＦ３６の質量の影響を受けることがないと共に、酸化触媒装置３４での燃焼やその質量の影響も受けることがないことから、再生に必要な燃料供給量を精度良く実現することができ、よってＤＰＦ３６の再生効率を向上させることができる。

さらに、前記エンジン（内燃機関）１０から排出される排気流量に応じて前記補正噴射量（補正供給量）の補正値を算出する補正供給量補正値算出手段（ＥＣＵ６２、ブロック６２ｂ３，６２ｂ４）を備える如く構成したので、ＤＰＦ３６の再生に必要な未燃燃料供給量（換言すれば、排気温度）に影響を与える排気流量も含めて、ポスト噴射量を算出して噴射を実行することで、ＤＰＦ３６の再生に必要な燃料供給量を過不足なく実現することができ、ＤＰＦ３６の再生効率を一層向上させることができる。

また、前記補正供給量補正値算出手段（ＥＣＵ６２、ブロック６２ｂ３，６２ｂ４）は、前記補正値を、前記排気流量、より具体的にはエンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑが増加するにつれて増加するように算出する如く構成したので、排気流量が増加（あるいは減少）するにつれて再生に必要な燃料供給量、換言すれば、ＤＰＦ３６の温度までの昇温分に要する熱量が増加（あるいは減少）するときも、それに応じて必要な熱量を過不足なく供給することができ、ＤＰＦ３６の再生効率を一層向上させることができる。

尚、上記において、補正噴射量（補正供給量）を加算値（加算項）として算出すると共に、その補正値を乗算係数（乗算項）として算出したが、共に加算項あるいは乗算項として算出しても良い。

また、インジェクタ２２を介してポスト噴射を行うことで未燃燃料を供給したが、排気系に排気インジェクタを設けて行っても良い。

尚、上記において、この発明を車両用のエンジンを例にとって説明したが、この発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶用推進機関用エンジンにも適用が可能である。

この発明の第１実施例に係る内燃機関の排気処理装置を全体的に示す概略図である。 図１に示す装置の動作を示すブロック図である。 図３のブロック図の処理で使用される、排気温度ＴＥＸ１に対する補正噴射量のテーブル特性を示す説明グラフである。 図３のブロック図の処理で使用される、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑ（排気流量）に対する排気温度補正重み（補正噴射量の補正値）のマップ特性を示す説明グラフである。

符号の説明

１０ ディーゼルエンジン（内燃機関。エンジン）、１４ 吸気管、２２ インジェクタ、２６ 排気管（排気系）、３４ 酸化触媒装置、３６ ＤＰＦ（フィルタ）、４０ クランク角センサ、４４ 吸気温度センサ、５４ 第１の排気温度センサ、５６ 第２の排気温度センサ、６０ 差圧センサ、６２ ＥＣＵ（電子制御ユニット）

Claims (3)

1. 排気系に排気中の未燃成分を酸化・除去する酸化触媒装置と、前記酸化触媒装置の下流に排気中の微粒子物質を捕集するフィルタを備えると共に、未燃燃料を供給して前記フィルタを再生させるように構成された内燃機関の排気処理装置において、
   ａ．前記内燃機関の運転状態に応じて前記未燃燃料の基本供給量を算出する基本供給量算出手段、
   ｂ．前記酸化触媒装置の上流側の排気温度に応じて前記基本供給量を補正する補正供給量を算出する補正供給量算出手段、
   および
   ｃ．前記算出された基本供給量と補正供給量とに基づいて前記未燃燃料の供給量を算出し、前記算出された供給量に基づいて前記未燃燃料の供給を実行する未燃燃料供給実行手段、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
2. さらに、
   ｄ．前記内燃機関から排出される排気流量に応じて前記補正供給量の補正値を算出する補正供給量補正値算出手段、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気処理装置。
3. 前記補正供給量補正値算出手段は、前記補正値を、前記排気流量が増加するにつれて増加するように算出することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気処理装置。

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