JP2007016692A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の排気浄化システムにおいて、再生制御の実行時における触媒の温度をより安定させることを課題とする。
【解決手段】 排気浄化装置と、該排気浄化装置より上流側に設けられた酸化機能を有する触媒と、を備えた排気浄化システムにおいて、再生制御の実行時であって触媒に還元剤を供給しているときの触媒の温度の変化幅が所定値以上のときは、機関排出排気の温度をより高くする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、該排気浄化装置より上流側の排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気浄化システムにおいては、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、該排気浄化装置より上流側の排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、を備えたものがある。ここで、排気浄化装置としては、パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタと称する）や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒と称する）を例示することができる。フィルタは排気中の粒子状物質（以下、ＰＭと称する）を捕集する。また、ＮＯｘ触媒は、周囲雰囲気が酸化雰囲気のときにＮＯｘを吸蔵し還元雰囲気のときに吸蔵していたＮＯｘを還元する。

このような内燃機関の排気浄化システムでは、排気浄化装置の排気浄化能力を再生させるべく再生制御が行われている。この再生制御では排気浄化装置を昇温させる。このときの昇温方法としては、排気浄化装置より上流側に設けられた酸化機能を有する触媒に還元剤を供給する方法が知られている。このような方法によれば、触媒において還元剤が酸化することで発生する酸化熱によって、触媒から流出する排気（以下、流出排気と称する）の温度が上昇する。この流出排気の昇温に伴って排気浄化装置が昇温する。

また、特許文献１には、再生制御として、内燃機関においてパイロット噴射及び主燃料噴射の実行時期を圧縮行程上死点後に遅角することで、内燃機関から排出される排気(以下、機関排出排気と称する)を昇温させ、その後、吸入空気量を減少させることにより排気中の未燃燃料を増加させることで触媒に燃料（即ち、還元剤）を供給する技術が開示されている。

また、特許文献２には、排気浄化装置を昇温させる場合に、該排気浄化装置より下流側に設けられた排気絞り弁を閉弁する技術が開示されている。
特開２００１−２２７３８１号公報 特開平７−９７９１８号公報 特開２００３−８３０２９号公報

再生制御において、排気浄化装置より上流側に設けられた酸化機能を有する触媒に還元剤を供給する場合、還元剤の供給量を増加することで排気浄化装置の温度を上昇させることが出来る。しかしながら、還元剤の供給量が触媒において安定して酸化可能な量より多くなると、還元剤が局所的に酸化される場合がある。これにより触媒の温度が不安定となり、該温度のハンチングの変化幅がより大きくなる虞がある。このとき、触媒の温度の変化幅が過剰に大きくなると、排気浄化装置に流入する排気の温度の変化幅も大きくなるため排気浄化装置の過昇温を招く虞がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、内燃機関の排気浄化システムにおいて、再生制御の実行時における触媒の温度をより安定させ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、排気浄化装置と、該排気浄化装置より上流側に設けられた酸化機能を有する触媒と、を備えた排気浄化システムにおいて、再生制御の実行時であって触媒に還元剤を供給しているときの触媒の温度の変化幅が所定値以上のときは、機関排出排気の温度をより高くするものである。

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、
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、
該排気浄化装置より上流側の前記排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、
前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記内燃機関から排出される排気の温度を昇温させると共に前記触媒に還元剤を供給することで前記排気浄化装置を昇温させ、それによって該排気浄化装置の排気浄化能力を再生させる再生制御を実行する再生制御実行手段と、を備え、
前記再生制御の実行時であって前記触媒に還元剤を供給しているときの前記触媒の温度の変化幅が所定値以上のときは、前記内燃機関から排出される排気の温度をより高くすることを特徴とする。

本発明に係る再生制御では、機関排出排気を昇温させることによって触媒の温度を上昇させる。さらに、昇温された触媒に還元剤を供給し、この還元剤が触媒で酸化されることで発生する酸化熱によって、流出排気、即ち、排気浄化装置に流入する排気を昇温させる。これによって、排気浄化装置の温度を排気浄化能力の再生が可能となる温度に制御する。

そして、本発明では、触媒に還元剤を供給しているときの該触媒の温度の変化幅が所定値以上のときは、機関排出排気の温度をさらに上昇させる。

ここで、触媒の温度の変化幅とは、該触媒の温度がハンチングしているときの上限温度と下限温度との差のことである。また、所定値とは、触媒の温度の変化幅が該所定値以上となると、排気浄化装置に流入する排気の温度の変化幅が大きくなることで排気浄化装置の過昇温を招く虞があると判断出来る閾値となる値より小さい値である。

触媒において安定して酸化可能な還元剤の量は、還元剤が供給されるときの触媒の温度によって変化する。即ち、触媒の温度が高いほどより多くの還元剤を安定して酸化することが可能となる。

そのため、上記のように、触媒の温度の変化幅が所定値以上となった場合は機関排出排気の温度をさらに上昇させることによって触媒の温度をより高くする。これによって、触媒においてより多くの還元剤を安定して酸化することが可能となる。その結果、還元剤が供給されているときの触媒の温度の変化幅を減少させることが出来る。

つまり、本発明によれば、再生制御の実行時における触媒の温度をより安定させることが可能となる。これにより、排気浄化装置の過昇温を抑制することが出来る。

本発明において、触媒の劣化度合いを推定する劣化度合い推定手段をさらに備えた場合、該劣化度合い推定手段は、触媒の温度の変化幅が前記所定値より小さくなるまで機関排出排気の温度をより高くしたときの該機関排出排気の温度上昇量に基づいて触媒の劣化度合いを推定しても良い。

上記のように、機関排出排気の温度を上昇させることによって触媒の温度を上昇させることが出来る。しかしながら、触媒の温度が同様であっても、該触媒の劣化度合いによっ
て該触媒において安定して酸化することが可能な還元剤の量は変化する。つまり、触媒の温度が同様であっても、該触媒の劣化度合いが大きいほど安定して酸化することが可能な還元剤の量は少なくなる。

そのため、触媒に還元剤を供給しているときの該触媒の温度の変化幅を所定値よりも小さくすべく機関排出排気の温度を上昇させる場合、触媒の劣化度合いが大きいほど機関排出排気の温度をより高くする必要がある。

従って、上記のように、触媒の温度の変化幅が所定値より小さくなるまで機関排出排気の温度をより高くしたときの該機関排出排気の温度上昇量に基づいて触媒の劣化度合いを推定することが出来る。

本発明によれば、内燃機関の排気浄化システムにおいて、再生制御の実行時における触媒の温度をより安定させることが出来る。これにより、排気浄化装置の過昇温を抑制することが出来る。

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形態について図面に基づいて説明する。

＜内燃機関の吸排気系の概略構成＞
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の吸排気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、吸気通路３および排気通路２が接続されている。吸気通路３にはエアフロメータ７が設けられている。

一方、排気通路２には、排気中のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタ４（以下、単にフィルタ４と称する）が設けられている。また、フィルタ４より上流側の排気通路２に酸化触媒５が設けられている。尚、酸化触媒５は酸化機能を有した触媒であれば良く、例えば、ＮＯｘ触媒であっても良い。

さらに、酸化触媒５より上流側の排気通路２には排気中に燃料を添加する燃料添加弁６が設けられている。フィルタ４より下流側の排気通路２には排気絞り弁９が設けられている。

また、排気通路２には、フィルタ４の前後における排気通路２内の圧力差に対応した電気信号を出力する差圧センサ１１が設けられている。排気通路２における酸化触媒５より上流側、および、排気通路２における酸化触媒５より下流側且つフィルタ４より上流側には、排気の温度に対応した電気信号を出力する上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３がそれぞれ設けられている。

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）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には、エアフロメータ７および差圧センサ１１、上流側温度センサ１２、下流側温度センサ１３、さらに、内燃機関１のクランクシャフトの回転角に対応した電気信
号を出力するクランクポジションセンサ１４、および、内燃機関１を搭載した車両のアクセル開度に対応した電気信号を出力するアクセル開度センサ１５が電気的に接続されている。そして、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。

ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１４の検出値に基づいて内燃機関１の回転数（以下、単に機関回転数と称する）を算出し、アクセル開度センサ１５の検出値に基づいて内燃機関１の負荷を算出する。また、ＥＣＵ１０は、下流側温度センサ１３の検出値に基づいて酸化触媒５の温度を推定する。さらに、ＥＣＵ１０は、差圧センサ１１の検出値に基づいてフィルタ４におけるＰＭ捕集量を推定する。

また、ＥＣＵ１０には、燃料添加弁６や排気絞り弁９、内燃機関１の燃料噴射弁が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０によってこれらが制御される。

＜フィルタ再生制御＞
本実施例においては、フィルタ４におけるＰＭ捕集量が第一所定量以上となった場合、ＰＭを酸化・除去すべくフィルタ再生制御が開始される。ここで、第一所定量とは、内燃機関１の運転状態への影響が過剰に大きくなる捕集量よりも少ない量であり、また、ＰＭが酸化したときにフィルタ４が過昇温する虞がある捕集量よりも少ない量である。この第一所定量は実験等によって予め定められている。

本実施例に係るフィルタ再生制御では、排気昇温制御を実行することで機関排出排気を昇温させ、それによって酸化触媒５の温度を活性温度にまで上昇させる。本実施例に係る排気昇温制御は、内燃機関１において主燃料噴射より後の時期に副燃料噴射を実行すると共に排気絞り弁９を閉弁方向に制御することで行われる。

フィルタ再生制御における副燃料噴射は、噴射された燃料が燃焼に供されるタイミングで実行される。この場合、副燃料噴射によって噴射された燃料が燃焼することで機関排出排気の温度が上昇する。また、排気絞り弁９を閉弁方向に制御した場合、内燃機関１の負荷が増加するため機関排出排気の温度が上昇する。

さらに、フィルタ再生制御においては、燃料添加弁６から燃料を添加することで、活性状態にある酸化触媒５に還元剤を供給する。このとき、酸化触媒５において燃料が酸化することで発生する酸化熱によってフィルタ４が目標温度にまで昇温される。これによって、ＰＭが酸化・除去される。尚、ここでの目標温度は、ＰＭを酸化することが可能な温度であって且つフィルタ４の過昇温を抑制することが可能な温度である。この目標温度は、実験等によって予め定められている。

そして、フィルタ再生制御の実行開始後、フィルタ４におけるＰＭ捕集量が第二所定量以下にまで減少すると、該フィルタ再生制御の実行が停止される。ここで、第二所定量とは、第一所定量より少ない量であって、ＰＭ捕集量が再度第一所定量となるまでにはある程度時間がかかると判断出来る閾値となる量である。この第二所定量も実験等によって予め定められた量である。

＜酸化触媒の温度のハンチング＞
上記のようなフィルタ再生制御においては、フィルタ４の温度を目標温度Ｔｔとすべく機関排出排気の温度および燃料添加弁６からの燃料添加量が制御される。ここで、酸化触媒５の温度と燃料添加弁６からの燃料添加量との関係について図２に基づいて説明する。図２において、縦軸は温度を表し、横軸は時間を表している。

図２において、実線は燃料添加弁６からの燃料添加量が比較的少ない場合の酸化触媒５
の温度を示しており、破線は燃料添加弁６からの燃料添加量が比較的多い場合の酸化触媒５の温度を示している。また、一点鎖線は目標温度Ｔｔを示している。

フィルタ再生制御において、燃料添加弁６から燃料が添加される場合、燃料添加量が酸化触媒５において安定して酸化可能な量より多くなると、燃料が局所的に酸化される場合がある。このような場合、図２における破線で示すように、酸化触媒５の温度のハンチングの変化幅ΔＴｃ（以下、温度変化幅ΔＴｃと称する）が、燃料添加量がより少ない場合に比べてより大きくなる虞がある。この温度変化幅ΔＴｃが過剰に大きくなると、流出排気の温度の変化幅も大きくなるためフィルタ４の過昇温を招く虞がある。

そこで、本実施例においては、フィルタ再生制御の実行時であって燃料添加弁６から燃料を添加しているときに温度変化幅ΔＴｃを算出する。そして、この温度変化幅ΔＴｃが所定値ΔＴ０以上となったときは、該温度変化幅ΔＴｃを所定値ΔＴ０より小さくすべく機関排出排気の温度をより高くする。

ここで、所定値ΔＴ０とは、温度変化幅ΔＴｃが該所定値ΔＴ０以上となると、流出排気の温度の変化幅が大きくなることでフィルタ４の過昇温を招く虞があると判断出来る閾値となる値より小さい値である。この所定値ΔＴ０は実験等によって予め定められた値である。

機関排出排気の温度をより高くすることで酸化触媒５の温度をさらに上昇させることが出来る。これにより、酸化触媒５においてより多くの燃料を安定して酸化させることが可能となる。その結果、温度変化幅ΔＴｃを減少させることが出来る。

＜フィルタ再生制御の制御ルーチン＞
次に、本実施例に係るフィルタ再生制御の制御ルーチンについて図３に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、規定間隔毎に実行されるルーチンである。

本ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１において、フィルタ４におけるＰＭ捕集量Ｑｐｍが第一所定量Ｑ１以上であるか否かを判別する。このＳ１０１において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。

Ｓ１０２において、ＥＣＵ１０は、上述したフィルタ再生制御を実行する。即ち、排気昇温制御を実行すると共に、燃料添加弁６から燃料を添加することで活性状態にある酸化触媒５に燃料を供給する。このとき、内燃機関1の吸入空気量、および、機関排出排気の温度と目標温度Ｔｔとの差に基づいて、燃料添加量を決定しても良い。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３に進み、酸化触媒５の温度変化幅ΔＴｃを算出する。この温度変化幅ΔＴｃを算出する場合、ＥＣＵ１０は、先ず、酸化触媒５の温度Ｔｃの微分値ｄＴｃ／ｄｔが０となったときの酸化触媒５の温度Ｔｃ１を記憶する。次に、ＥＣＵ１０は、酸化触媒５の温度Ｔｃの微分値ｄＴｃ／ｄｔが、０より大きくなった後または０より小さくなった後、再度０となったときの酸化触媒５の温度Ｔｃ２を記憶する。このように検出されたＴｃ１およびＴｃ２が、酸化触媒５の温度がハンチングしているときの上限温度と下限温度となる。そして、このＴｃ１からＴｃ２を減算した値の絶対値を温度変化幅ΔＴｃとして算出する。尚、以上のような計算を複数回繰り返し、その平均値を温度変化幅ΔＴｃとしても良い。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０４に進み、温度変化幅ΔＴｃが所定値ΔＴ０以上であるか
否かを判別する。このＳ１０４において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０７に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０５に進む。

Ｓ１０５に進んだＥＣＵ１０は、フィルタ４におけるＰＭ捕集量が第二所定量Ｑ２以下にまで減少したか否かを判別する。このＳ１０５において肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０６に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に戻る。

Ｓ１０６において、ＥＣＵ１０は、フィルタ再生制御の実行を停止する。即ち、排気昇温制御および燃料添加弁６からの燃料添加を停止する。その後、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。

Ｓ１０７に進んだＥＣＵ１０は、機関排出排気をさらに昇温させる。この方法としては、副燃料噴射時期を遅角させる方法や、副燃料噴射量を増量する方法、排気絞り弁９の開度をより小さくする方法等を例示することが出来る。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０８に進み、要求されている機関回転数Ｎｅ（以下、要求機関回転数Ｎｅｔと称する）より機関回転数Ｎｅが高いか否かを判別する。Ｓ１０８において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０７における制御により機関回転数Ｎｅが要求機関回転数Ｎｅｔより高くなったと判断し、ＥＣＵ１０はＳ１０９に進む。一方、Ｓ１０８において、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０４に戻る。

Ｓ１０９に進んだＥＣＵ１０は、機関回転数を低下させるべく内燃機関１における主燃料噴射量Ｑｆｍを減少させる。その後、ＥＣＵ１０はＳ１０８に戻る。

以上説明した制御ルーチンによれば、フィルタ再生制御の実行中であって燃料添加弁９から燃料が添加されているときに、酸化触媒５の温度変化幅ΔＴｃが所定量ΔＴ０以上となった場合、該温度変化幅ΔＴｃが所定量ΔＴ０より小さくなるまで機関排出排気が昇温される。

従って、本実施例によれば、フィルタ再生制御の実行時における酸化触媒５の温度をより安定させることが可能となる。これにより、フィルタ４の過昇温を抑制することが出来る。

また、本実施例においては、酸化触媒５の温度変化幅ΔＴｃを所定量ΔＴ０より小さくすべく機関排出排気の温度を昇温させた場合、そのときの機関排出排気の温度上昇量に基づいて酸化触媒５の劣化度合いを推定しても良い。

この場合、機関排出排気の温度上昇量が大きいほど酸化触媒５の劣化度合いが大きいと判断出来る。推定された劣化度合いに基づいて、次回のフィルタ再生制御実行時の副燃料噴射量や副燃料噴射時期、燃料添加量等を制御することで、より効率的にＰＭを酸化・除去することが可能となる。

尚、本実施例においては、フィルタ４の代わりにＮＯｘ触媒を設けても良い。この場合、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを還元するＳＯｘ被毒回復制御が実行される。

このＳＯｘ被毒回復制御においても、フィルタ再生制御と同様、ＮＯｘ触媒を昇温させるべく、排気昇温制御によって酸化触媒５を活性温度にまで昇温させると共に燃料添加弁６から燃料を添加する。そして、燃料添加弁６から燃料を添加するときに、上記と同様に機関排出排気の温度を制御する。これにより、ＳＯｘ被毒回復制御の実行時における酸化触媒５の温度をより安定させることが可能となる。

また、本実施例においては、燃料添加弁６から燃料を添加することで酸化触媒５に燃料を供給したが、内燃機関１において、排気昇温制御における副燃料噴射とは別に、噴射された燃料が燃焼に供されないようなタイミングで副燃料噴射を実行することで酸化触媒５に燃料を供給しても良い。

実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図。 酸化触媒の温度と燃料添加弁からの燃料添加量との関係を示す図。 フィルタ再生制御の制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・排気通路
４・・・パティキュレートフィルタ
５・・・酸化触媒
６・・・燃料添加弁
７・・・エアフロメータ
９・・・排気絞り弁
１０・・ＥＣＵ
１１・・差圧センサ
１２・・上流側温度センサ
１３・・下流側温度センサ
１４・・クランクポジションセンサ
１５・・アクセル開度センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、
   該排気浄化装置より上流側の前記排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、
   前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記内燃機関から排出される排気の温度を昇温させると共に前記触媒に還元剤を供給することで前記排気浄化装置を昇温させ、それによって該排気浄化装置の排気浄化能力を再生させる再生制御を実行する再生制御実行手段と、を備え、
   前記再生制御の実行時であって前記触媒に還元剤を供給しているときの前記触媒の温度の変化幅が所定値以上のときは、前記内燃機関から排出される排気の温度をより高くすることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記触媒の劣化度合いを推定する劣化度合い推定手段をさらに備え、
   該劣化度合い推定手段が、前記触媒の温度の変化幅が前記所定値より小さくなるまで前記内燃機関から排出される排気の温度をより高くしたときの該排気の温度上昇量に基づいて前記触媒の劣化度合いを推定す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。

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