JP2007085173A

JP2007085173A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2007085173A
Application number: JP2003413084A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Sakamoto; 浩文坂本
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2007-04-05
Also published as: WO2005056998A1

Abstract

【課題】内燃機関に組み込んだフィルタに高濃度のＣＯ、ＨＣが流入することを抑制してその破損を防止する。
【解決手段】内燃機関は、排ガス中の微粒子を捕捉するフィルタ１がエンジンからの排ガス流路２１に配置され、エンジン側にＥＧＲバルブ１６または過給機が配置される。フィルタ１の上流側に配置され、フィルタ１に供給される排ガス中における特定のガス成分を検知するガス検知手段１８と、ガス検知手段１８が検知した特定のガス成分の増減に応じてＥＧＲバルブ１６のリフト量または過給機の過給圧を調整するコントローラ１９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス中の微粒子を捕捉するフィルタを排気系に有した内燃機関に関し、特に、フィルタの破損を防止する機能を備えた内燃機関に関する。

内燃機関の一種であるディーゼルエンジンは、燃焼の際に多くの微粒子を排出するため、排出された微粒子を捕捉する各種のディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が開発されている。このＤＰＦの中でも、ウォールフロータイプと呼ばれるハニカムを交互に目封じしたタイプが主流になりつつあり、さらにウォールフロータイプでも、炭化珪素やコージェライトなどを用いたセラミックフィルタが主流となりつつある。

ＤＰＦは微粒子を捕捉するため、微粒子の捕捉を継続すると目詰まりを起こす。このため、ある程度捕捉された状態で微粒子を取り除して再生する操作が必要となる。ＤＰＦの再生に際し、乗用車のようにメンテナンスフリーが要求される車両では、ポスト噴射のような排ガス温度を上昇させる手段を講じて微粒子を燃焼させて除去することが行われる。

ＤＰＦの再生に際して、微粒子が大量に堆積した状態で行うと、パティキュレート（ＰＭ）の燃焼時に発生する熱量が増大し、ＤＰＦの耐熱許容限界を超えた場合にはクラックや溶損といった不具合を生じさせることが分かっている。また、酸化触媒をコーティングしたタイプのＤＰＦにおいては、ＤＰＦの耐熱限界を超える現象は過大なＰＭを燃焼させた場合だけでなく、高濃度のＣＯやＨＣが流入した場合にも発生する。酸化触媒はＣＯやＨＣを酸化し、この酸化反応によって異常発熱するためである。

以上のことから、従来より、空燃比制御などの手法を用いて燃料噴射量、ＥＧＲバルブのリフト量、過給圧などを制御してＣＯ、ＨＣが高濃度にならないようにしている。このため、通常状態においては、高濃度のＣＯ、ＨＣが発生することはない。

しかしながら、ＥＧＲバルブや可変容量ターボのノズルに排ガス中の煤が付着して固着した場合には、これらの制御ができなくなる。すなわち、ＥＧＲバルブを開くと、排ガスの一部がエンジンの吸気側に流れるが、ＤＰＦにＰＭが堆積すると、ＥＧＲバルブへの排ガス量が上昇して再循環のガス量（ＥＧＲ量）が増加する。このとき、ＥＧＲバルブが固着した状態では、ＥＧＲ率の上昇を防止できず、ＥＧＲ率が加速度的にアップする。そして、ＥＧＲ率が異常上昇すると燃焼効率が悪化し、ＣＯ、ＨＣの異常上昇を招く。そして、ＤＰＦに酸化触媒がコーティングされている場合には、ＣＯ、ＨＣが酸化されて異常発熱を生じ、ＤＰＦが過度の高温となるため、クラックや溶損等の破損を早期に招くものである。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、特に触媒がコーティングされたＤＰＦにおいて高濃度のＣＯやＨＣの流入を抑制して、これらに起因したクラックや溶損が発生することを防止することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、フィルタに流入する排気ガス中のＣＯ、ＨＣを検知して制御を行うものであり、特に、ＣＯやＨＣの濃度が許容値を超えた場合に、退避的な制御を行ってフィルタのクラック、溶損を防止するものである。

すなわち、請求項１の発明の内燃機関は、排ガス中の微粒子を捕捉するフィルタがエンジンからの排ガス流路に配置され、エンジン側にＥＧＲバルブまたは過給機が配置された内燃機関であって、前記フィルタの上流側に配置され、フィルタに供給される排ガス中における特定のガス成分を検知するガス検知手段と、ガス検知手段が検知した特定のガス成分の増減に応じて前記ＥＧＲバルブのリフト量または過給機の過給圧を調整するコントローラとを備えていることを特徴とする。

請求項１の発明では、ガス検知手段がＣＯやＨＣ等の排ガス中の特定のガス成分を検知し、コントローラはガス検知手段が検知した特性のガスの増減に応じて制御を行う。この制御は、特定のガスの増減に応じてＥＧＲバルブのリフト量または過給機の過給圧を調整するものである。

例えば、特定のガスが増加した場合には、ＥＧＲバルブのリフト量を減少させる。これにより、再循環する排ガスの量が少なくなり、結果としてフィルタに流入するＣＯやＨＣの濃度が小さくなる。また、過給機に対しては、過給圧を減少させる。これにより、排ガス量が少なくなり、結果としてフィルタに流入するＣＯやＨＣの濃度が小さくなる。これにより、高濃度の特定ガスに起因したフィルタのクラックや溶損の発生を防止することができる。

請求項２の発明は、請求項１記載の発明であって、前記コントローラは、特定のガス成分が許容値を超えたとき、ＥＧＲバルブの閉鎖または過給機の過給圧の減量または噴射量の減量を行うことを特徴とする。

請求項２の発明は、ＣＯやＨＣ等の特定のガスが許容値を超えた場合の制御であり、この場合には、ＥＧＲバルブの閉鎖または過給機の過給圧を減量させる制御を行う。ＥＧＲバルブを閉鎖することにより、排ガスがエンジンに再循環することがないため、特定のガスが高濃度状態となってフィルタへ流入することがなくなる。また、過給機の過給圧を減量することにより、排ガスの総量が減少し、特定のガスが高濃度となって発生することがなく、特定のガスが高濃度状態でフィルタに流入することがなくなる。これらにより、フィルタのクラックや溶損の発生を防止することができる。また、燃料噴射量を低減させて排ガス温度を低下させることでもフィルタの破損を防止できる。

請求項３の発明は、請求項１記載の発明であって、前記コントローラは、特定のガス成分が許容値を超えたとき、運転席側の警告灯の点灯を行うと共に、ＥＧＲバルブの閉鎖または過給機の過給圧の減量を行うことを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項２の発明の制御に加えて、警告灯の点灯を行うものである。ＣＯやＨＣ等の特定のガスが許容値を超える状況では、ＥＧＲバルブの固着だけでなく、可変容量ターボのノズル固着やフィルタに堆積したＰＭの強制再生不良などの要因もある。これらの異常の場合には、車両のメンテナンスを行う必要があるが、警告灯を点灯させることにより、その異常の告知を確実に行うことができる。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の発明であって、前記特定のガス成分は、ＣＯ、ＨＣのいずれかまたは双方であることを特徴とする。

請求項４の発明は、特定のガスをＣＯ、ＨＣのいずれかまたは双方とするものであり、ＣＯ、ＨＣのいずれかまたは双方の検知に基づいて請求項１〜３の制御が行われる。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の発明であって、前記フィルタは酸化機能を有した触媒を担持していることを特徴とする。

請求項５の発明では、フィルタが酸化触媒を担持している場合にも、クラックの発生や溶損を防止することが可能となる。

請求項１の発明によれば、ＣＯやＨＣ等の排ガス中の特定のガス成分を検知し、検知したガスの増減に応じて制御を行うため、特定のガスが高濃度の状態でフィルタに流入することがなく、高濃度の特定ガスに起因したフィルタのクラックや溶損の発生を防止することができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、ＣＯやＨＣ等の特定のガスが許容値を超えたとき、ＥＧＲバルブの閉鎖または過給機の過給圧を減量させる制御を行うため、フィルタのクラックや溶損の発生を防止することができる。

請求項３の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、警告灯を点灯させるため、ＥＧＲバルブの固着、可変容量ターボのノズル固着やセラミックフィルタに堆積したＰＭの強制再生不良などの異常の告知を確実に行うことができる。

請求項４の発明によれば、請求項１〜３の発明の効果に加えて、ＣＯ、ＨＣのいずれかまたは双方に対しての対策を行うことができる。

請求項５の発明によれば、請求項１〜４の発明の効果に加えて、フィルタが酸化触媒を担持している場合にも、クラックの発生や溶損を防止することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態における内燃機関の全体構成を示す。

この実施形態では、ディーゼルエンジン１１に適用するものであり、ディーゼルエンジン１１は、シリンダ１２に対して吸気を行う吸気側配管（インテークパイプ）１３と、排気を行う排気側配管（エキゾーストパイプ）１４とを備えている。これらの吸気側配管１３及び排気側配管１４にかけてＥＧＲパイプ１５が配置されており、ＥＧＲパイプ１５にはＥＧＲバルブ１６が挿入されている。

排気側配管１４には、排ガスの排出を行う排ガス流路としての排気管１７が接続されており、この排気管１７の内部にフィルタ１が配置されている。フィルタ１は、排ガス中のＰＭを捕捉するものであり、フィルタ１を通過した排ガスはマフラー（図示省略）を通じて車両外部に放出される。

図４は、この実施形態に用いられるフィルタ１の一例でセラミックフィルタを示す。セラミックフィルタ１１は、複数のハニカムセグメント２が接合材９を介して縦横方向に接合されることにより形成されるものであり、接合材９によるハニカムセグメント２の接合の後、円形断面、楕円断面、三角断面その他の断面となるように研削加工され、外周面がコーティング材４によって被覆される。

それぞれのハニカムセグメント２は、図５及び図６に示すように、多孔質の隔壁６によって仕切られた多数の流通孔５からなるセルを有している。流通孔５はハニカムセグメント２を軸方向に貫通しており、隣接している流通孔５における一端部が充填材７によって交互に目封じされている。すなわち、一の流通孔５においては、左端部が開放されている一方、右端部が充填材７によって目封じされており、これと隣接する他の流通孔５においては、左端部が充填材７によって目封じされるが、右端部が開放されている。このような目封じにより、図５に示すように、ハニカムセグメント２の端面が市松模様状を呈するようになる。

このようなハニカムセグメント２が組み付けられたセラミックフィルタ１１を図１に示すように、排ガス流路（排気管１７）内に配置した場合、排ガスは図６の左側から各ハニカムセグメント２の流通孔５内に流入して右側に移動する。すなわち、図６においてはハニカムセグメント２の左側が排ガスの入口となるものであり、排ガスは、目封じされることなく開放されている流通孔５からハニカムセグメント２内に流入する。流通孔５に流入した排ガスは、多孔質の隔壁６を通過して他の流通孔から流出する。そして、隔壁６を通過する際に排ガス中のスートを含むＰＭが隔壁６に捕捉され、排ガスの浄化が行われる。

なお、図示するハニカムセグメント２は、正方形断面となっているが、三角形断面、六角形断面等の適宜の断面形状とすることが可能である。また、流通孔５の断面形状においても、三角形、六角形、円形、楕円形、その他の形状とすることができる。

ハニカムセグメント２の材料としては強度、耐熱性の観点から、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、窒化珪素、コージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素−コージェライト系複合材、珪素−炭化珪素複合材、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミニウム、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系金属からなる群から選択される１種もしくは複数種を組み合わせた材料を使用することが好ましい。

ハニカムセグメント２の製造は、上述した中から選択された材料にメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等のバインダ、界面活性剤や水等を添加して、可塑性の坏土とし、この坏土を押出成形することにより、隔壁６によって仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔５を有するハニカム形状とする。そして、これをマイクロ波、熱風等によって乾燥した後、焼結することによりハニカムセグメント２とする。
充填材７による目封じは、目封じをしない流通孔５をマスキングした状態で、ハニカムセグメント２の端面をスラリー状の充填材７に浸漬し、開口している流通孔５に充填することにより行う。充填材７の充填は、ハニカムセグメント２の成形後における焼成前に行っても、焼成後に行っても良いが、焼成前に行うことにより、焼成工程が１回で終了するため好ましい。

セラミックフィルタ１に酸化触媒を担持させる場合、このようなハニカムセグメント２の状態に対し酸化触媒をコーティングすることにより可能である。酸化触媒としては、白金属金属、アルカリ土類金属、その他の触媒が用いられ、これらのスラリー中にハニカムセグメント２を浸漬したり、ハニカムセグメント２の外面にこれらのスラリーを塗布し、その後、乾燥することにより酸化触媒を担持させることができる。

以上のようにしてハニカムセグメント２を作製した後、ハニカムセグメント２の外面にスラリー状の接合材９を塗布し、所定の立体形状となるように複数のハニカムセグメント２を組み付け、この組み付け状態で圧着しながら加熱乾燥する。これにより、複数のハニカムセグメント２が接合された接合体を作製する。その後、接合体を研削加工し、外周面をコーティング材４によって被覆し、加熱乾燥し、これにより、図４に示すセラミックフィルタ１を作製することができる。なお、酸化触媒については、以上によって最終のセラミックフィルタ１を作製した後、このセラミックフィルタ１に対して上述のハニカムセグメント２への処理と同様な処理を行うことにより担持させても良い。

図１において、実線矢印２１は排気の流れ（排ガス２１）であり、破線矢印２２はＥＧＲバルブ１６を開としたときの吸気の流れである。

図１に示すように、排ガスの流路２１には、ガス検知手段１８が配置されることにより排ガス中の特定のガスの検知を行う。ガス検知手段１８は排気管１７におけるフィルタ１よりも上流側に配置されており、排ガスがフィルタ１に流入する前に排ガス中の特定のガスの検知を行うようになっている。

この実施形態において、ガス検知手段１８は排ガス中のＣＯ、ＨＣを検知するものである。このガス検知手段１８としては、ＣＯ、ＨＣを酸化する触媒を排気管１７内に配置すると共に、これらのＣＯ、ＨＣとの酸化反応によって変化する触媒の温度を検知する温度センサを触媒に接続することにより構成することができる。触媒としては、ＣＯ、ＨＣの量に略比例して温度が変化する触媒が選択される。このような触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ等を用いることができる。触媒としては、ＣＯ、ＨＣのいずれか一方の量を検知しても良く、ＣＯ、ＨＣの双方の量を検知しても良く、後者の方が確実性、正確性の点から好ましい。

ガス検知手段１８には、コントローラ１９が接続されている。コントローラ１９は、ガス検知手段１８からの信号を受け取ることにより、排ガス中のＣＯ、ＨＣの量を検出し、検出量に応じてＥＧＲバルブ１６を制御するものである。なお、この実施形態では、ＥＧＲバルブ１６だけを配置しているが、過給機が組み込まれた内燃機関の場合、コントローラ１９はＥＧＲバルブ１６または過給機のいずれか一方、或いは双方を制御するように作用するものである。

コントローラ１９による制御は、ガス検知手段１８が検知したＣＯ、ＨＣの増減に応じてＥＧＲバルブ１６のリフト量または過給機の容量を調整することにより行うものである。すなわち、排ガス２１中のＣＯ、ＨＣの量が増加した場合には、ＥＧＲバルブ１６のリフト量を減少させることにより、再循環する排ガスの量を少なくして、フィルタ１に流入するＣＯやＨＣの濃度を小さくする。また、過給機に対しては、その容量を減少させることにより、エンジン１１からの排ガス量を減少させて、フィルタ１に流入するＣＯやＨＣの濃度を小さくする。これらにより、高濃度のＣＯ、ＨＣの酸化による異常発熱に起因したフィルタ１のクラックや溶損の発生を防止する。

以上に加え、この実施形態におけるコントローラ１９は、ＣＯ、ＨＣの量に基づき、警告灯の点灯を行うようにも制御を行うものである。

図２は、コントローラ１９の制御の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１において、コントローラ１９はＣＯ、ＨＣの濃度が正常であるか否かを判断し、正常な場合には、ＥＧＲバルブ１６の通常の制御を行う（ステップＳ２）。

一方、正常でない場合には、ＥＧＲバルブ１６のリフト量を減少させる（ステップＳ３）。ステップＳ３に続き、コントローラ１９はＣＯ、ＨＣの濃度が正常であるか否かの判断を継続する（ステップＳ４）。ステップＳ４においては、ＣＯ、ＨＣがこれらの許容値を超えるか否かにより判断を行い、許容値以内の場合には、ＥＧＲバルブ１６を閉じてそのリフト量がゼロとなるように制御すると共に、警告灯を点灯させる（ステップＳ５）。

ステップＳ４において、ＣＯ、ＨＣが許容値を超えた場合には、過給機の過給圧を減量させる（ステップＳ６）。すなわち、ステップＳ６においては、例えばタービン容量のアップ及び燃料噴射量の減量を行う。このときにおいても、警告灯を点灯させる。

その後、コントローラ１９は、ＣＯ、ＨＣの濃度が正常か否かを判断し（ステップＳ７）、正常な場合には、タービン容量等を固定した制御及び燃料噴射量を減量した制御を継続する（ステップＳ８）。正常でない場合、すなわち、ステップＳ６によりＣＯ、ＨＣの濃度が正常値に回復しない場合には、車両を極低速のみで走行させる、いわゆる退避走行モードに移行する（ステップＳ９）。

このような制御により、高濃度のＣＯ、ＨＣがセラミックフィルタ１に流入することを防止できるため、これらに基づいた異常発熱が抑制され、セラミックフィルタ１のクラックや溶損の発生を防止することができる。

図３は、図２のフローチャートに基づいた制御のタイミングチャートの一例を示す。図３は、車両走行途中に何らかの原因でＥＧＲバルブ１６が固着した後のタイミングチャートである。ＥＧＲバルブ１６の固着により、ＣＯ、ＨＣの濃度が異常判定レベル（許容値）を超えたとき、コントローラ１９は警告灯を点灯すると共に、ＥＧＲバルブ１６を閉鎖して、そのリフト量をゼロとする。その後においても、ＣＯ、ＨＣの濃度が減少しないとき、コントローラ１９は過給機の過給圧を減量させて燃料噴射量を減量させる。これにより、その後においては、ＣＯ、ＨＣの濃度が低減して正常レベルに戻っている。

なお、その後においても、ＣＯ、ＨＣの濃度が正常レベルとならない場合には、図２のフローチャートで示すように、燃料噴射量を減量させて退避走行モードとするものである。

以上の実施形態では、ＣＯ、ＨＣの濃度に応じて、ＥＧＲバルブ１６に続いて過給機の制御を行っているが、ＥＧＲバルブ１６に対しての制御によってＣＯ、ＨＣの濃度が正常レベルに戻った場合には、過給機への制御は不要である。また、ＥＧＲバルブ１６の制御を行うことなく、過給機への制御に移行しても良い。

本発明の一実施形態における内燃機関の構成を示す概略図である。制御の一例を示すフローチャートである。制御の一例のタイミングチャートである。セラミックフィルタの斜視図である。セラミックフィルタを構成するハニカムセグメントの斜視図である。ハニカムセグメントの断面図である。

符号の説明

１フィルタ
１１ディーゼルエンジン
１２シリンダ
１３吸気側配管
１４排気側配管
１５ＥＧＲパイプ
１６ＥＧＲバルブ
１７排気管
１８ガス検知手段
１９コントローラ
２１排ガス

Claims

排ガス中の微粒子を捕捉するフィルタがエンジンからの排ガス流路に配置され、エンジン側にＥＧＲバルブまたは過給機が配置された内燃機関であって、
前記フィルタの上流側に配置され、フィルタに供給される排ガス中における特定のガス成分を検知するガス検知手段と、
ガス検知手段が検知した特定のガス成分の増減に応じて前記ＥＧＲバルブのリフト量または過給機の過給圧を調整するコントローラとを備えていることを特徴とする内燃機関。
請求項１記載の発明であって、前記コントローラは、特定のガス成分が許容値を超えたとき、ＥＧＲバルブの閉鎖または過給機の過給圧の減量または燃料噴射量の減量を行うことを特徴とする内燃機関。
請求項１記載の発明であって、前記コントローラは、特定のガス成分が許容値を超えたとき、運転席側の警告灯の点灯を行うなどしてフィルタが危険状態にあることを知らせると共に、ＥＧＲバルブの閉鎖または過給機の過給圧の減量または燃料噴射量の減量を行うことを特徴とする内燃機関。
請求項１〜３のいずれか１項記載の発明であって、前記特定のガス成分は、ＣＯ、ＨＣのいずれかまたは双方であることを特徴とする内燃機関。
請求項１〜４のいずれか１項記載の発明であって、前記フィルタは酸化機能を有した触媒を担持していることを特徴とする内燃機関。