JP2007198261A

JP2007198261A - 内燃機関の排気浄化システム

Info

Publication number: JP2007198261A
Application number: JP2006017817A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hashizume; 剛橋詰
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: JP4605033B2

Abstract

【課題】ＰＭ再生処理中にフィルタが過剰に高温になることを抑制できる技術を提供する。
【解決手段】フィルタが過剰に高温となるおそれがあることを、フィルタにおける微粒子物質の堆積量及びフィルタの温度に基づいて判定し（Ｓ１０３）、フィルタが過剰に高温となるおそれがあると判定された場合に排気絞り弁を閉弁し（Ｓ１０４）、フィルタ内部の背圧を上昇させる。そのことによりフィルタ内部の熱容量を増加させて、フィルタをそれ以上昇温しづらくさせる。また、フィルタが過剰に高温となるおそれがない場合には排気絞り弁を開弁し（Ｓ１０５）内燃機関の運転性能が背圧によって低下することを抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気にはカーボンを主成分とする微粒子物質（ＰＭ：Particulate Matter）が含まれている。これらの微粒子物質の大気への放散を防止するために内燃機関の排気系に微粒子物質を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という。）を設ける技術が知られている。

かかるフィルタにおいては、捕集された微粒子物質の堆積量が増加すると、フィルタの目詰まりによって排気における背圧が上昇し機関性能が低下するので、フィルタの温度を上昇させて捕集された微粒子物質を酸化除去することとしている（以下、「ＰＭ再生処理」という。）。

ここで、フィルタのＰＭ再生処理中に、内燃機関の運転状態が高機関負荷、高機関回転数になった場合には、前記フィルタに導入される排気の温度が高くなり、フィルタにおける微粒子物質の酸化反応が過剰に活発化するため、フィルタが過剰に高温になることがあった。また、フィルタが高温の状態で内燃機関の運転状態が低機関負荷となった場合にも、フィルタに高酸素濃度の排気ガスが供給されるために微粒子物質が急激に酸化され、フィルタが過剰に高温になることがあった。（以下、これらの状態を「フィルタが過昇温する」または「フィルタがＯＴする」という。)。

これに対して、フィルタの温度が劣化温度以上になる可能性がある場合には、燃焼室に供給されるＥＧＲガス量を所定量以下とすると共に、燃焼室に供給される吸気量を減少させ、フィルタに流入する排気ガスの酸素濃度を低下させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２５１１７０号公報特開２００４−６８８０４号公報特開２００３−３２８７２４号公報特開２００５−９８１３０号公報特公平３−５００９５号公報

本発明の目的とするところは、ＰＭ再生処理中にフィルタが過剰に高温になることを抑制できる技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、フィルタの温度が過剰に高温であること、あるいはそのおそれがあることが検出された場合に、フィルタにおける熱容量を増加させて、フィルタを昇温しづらくさせることを最大の特徴とする。

より詳しくは、内燃機関の排気通路に配置され、該排気通路を通過する排気中の微粒子物質を捕集するフィルタが設けられた排気浄化装置と、
前記排気浄化装置の少なくとも前記フィルタにおける熱容量を調整する熱容量調整手段と、
前記フィルタが過剰に高温であることまたは、過剰に高温になるおそれがあることを検
出する過昇温検出手段と、
を備え、
前記過昇温検出手段によって前記フィルタが過剰に高温であることまたは、過剰に高温になるおそれがあることが検出された場合に、前記熱容量調整手段によって前記排気浄化装置の少なくとも前記フィルタにおける熱容量を増加させることを特徴とする。

これによれば、排気浄化装置のフィルタが過昇温しているまたは、そのおそれがある場合に、排気浄化装置のフィルタにおける熱容量を増加させてそれ以上のフィルタの昇温を抑制することができる。

また、本発明においては、前記熱容量調整手段は、前記フィルタにおける排気の圧力を制御する背圧制御手段を有し、該背圧制御手段によって前記フィルタにおける排気の圧力を上昇させることにより、前記排気浄化装置の少なくとも前記フィルタにおける熱容量を増加させるようにしてもよい。

すなわち、前記背圧制御手段によってフィルタにおける排気の圧力を増加させると、フィルタ内の空気密度が上昇し相対的にフィルタにおける熱容量を増加させることができる。こうすれば、簡単な制御でフィルタにおける熱容量を増加させることができる。

また、本発明においては、前記背圧制御手段は、前記排気通路における前記排気浄化装置の下流側に設けられた排気絞り弁であるようにしてもよい。そうすれば、前記排気絞り弁を閉じるという単純な動作でフィルタにおける排気の圧力を上昇させることができる。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明にあっては、ＰＭ再生処理中にフィルタが過剰に高温になることを抑制できる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示す図である。なお、図１においては、内燃機関１の内部及びその吸気系は省略されている。図１において、内燃機関１には、内燃機関１から排出される排気が流通する排気管５が接続され、この排気管５は下流にて図示しないマフラーに接続されている。また、排気管５の途中には、排気中の微粒子物質を浄化するフィルタユニット１０が配置されている。

本実施例におけるフィルタユニット１０の内部には、多孔質の基材からなるウォールフロー型のパティキュレートフィルタに酸化触媒が担持されたフィルタ１０ａが設けられている。なおフィルタユニット１０は本実施例における排気浄化装置である。

排気管５におけるフィルタユニット１０の上流側には、フィルタ１０ａのＰＭ再生処理の際に、フィルタ１０ａに還元剤としての燃料を供給する燃料添加弁１２が配置されている。燃料添加弁１２から添加された燃料は、内燃機関１からの排気とともにフィルタ１０ａに運ばれ酸化反応を起こす。その結果フィルタ１０ａの温度が上昇する。

排気管５におけるフィルタユニット１０の下流側には、フィルタユニット１０から排出される排気の温度を検出する排気温センサ１５が配置され、そのさらに下流側にはフィル
タユニット１０の下流側の排気管５を通過する排気の流量を制御する排気絞り弁１７が配置されている。

以上述べたように構成された内燃機関１及びその排気系には、該内燃機関１及び排気系を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２０が併設さ
れている。このＥＣＵ２０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の運転状態等を制御する他、内燃機関１のフィルタユニット１０に係る制御を行うユニットである。

ＥＣＵ２０には、図示しないクランクポジションセンサや、アクセルポジションセンサ、吸入空気量を検出するエアフローメータなどの内燃機関１の運転状態の制御に係るセンサ類の他、上述の排気温センサ１５が電気配線を介して接続され、出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ２０には、内燃機関１内の図示しない燃料噴射弁等が電気配線を介して接続される他、本実施例における燃料添加弁１２及び排気絞り弁１７が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０によって制御されるようになっている。なお、上記の排気温センサ１５は、本実施例における過昇温検出手段を構成する。

また、ＥＣＵ２０には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えられており、ＲＯＭには、内燃機関１の種々の制御を行うためのプログラムや、データを格納したマップが記憶されている。フィルタ１０ａの微粒子物質を酸化除去するためのＰＭ再生処理を実行するＰＭ再生ルーチン（説明は省略）や、後述の過昇温防止ルーチンも、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されているプログラムの一つである。

ここでＰＭ再生処理を実行中に、内燃機関１の運転状態が高機関負荷、高機関回転数になった場合には、フィルタ１０ａに導入される排気の温度が高くなり、フィルタ１０ａにおける微粒子物質の酸化反応が過剰に活発化するため、フィルタ１０ａの温度が過剰に高温になるおそれがある。また、フィルタ１０ａが高温の状態で内燃機関１の運転状態が低機関負荷となった場合にも、フィルタ１０ａに高酸素濃度の排気ガスが供給されるために微粒子物質が急激に酸化され、フィルタ１０ａが過剰に高温になるおそれがあった。

そこで、本実施例においては、フィルタ１０ａから排出される排気の温度を排気温センサ１５で検出し、フィルタ１０ａの温度が過剰に高温になるおそれがあると判断された場合には、排気絞り弁１７を閉弁してフィルタ１０内の背圧を一時的に上昇させることとした。そうすれば、相対的にフィルタユニット１０内の熱容量を増加させることができ、フィルタ１０ａの温度をそれ以上上昇しづらくすることができる。

図２には、本実施例における過昇温防止ルーチンのフローチャートを示す。本ルーチンは、フィルタ１０ａのＰＭ再生処理中にＥＣＵ２０によって所定期間毎に実行されるルーチンである。

本ルーチンが実行されるとＳ１０１においてフィルタ１０ａにおけるＰＭ堆積量が取得される。これは、フィルタ１０ａに対するＰＭ再生処理が開始される際のＰＭ堆積量及び、ＰＭ再生処理の継続時間より推定してもよいし、フィルタユニット１０の上流側と下流側に図示しない排気圧センサを設け、両方のセンサによって検出されるフィルタユニット１０の上流側と下流側における排気圧の差圧から推定してもよい。

Ｓ１０２においては、フィルタ１０ａの温度が取得される。具体的には排気温センサ１５の出力をＥＣＵ２０に読み込むことにより検出される。ここで、フィルタユニット１０から排出された排気の温度はフィルタ１０ａ自体の温度と略同じであることが分かっているため、フィルタユニット１０から排出された排気の温度を検出することでフィルタ１０
ａの温度を取得することとしている。

Ｓ１０３においては、フィルタ１０において過昇温（ＯＴ）が生じるおそれがあるかどうかが判定される。具体的には、フィルタ１０ａにおけるＰＭ堆積量と、フィルタ１０ａの温度と、過昇温が生じるおそれがあるかどうか（既に生じているかどうか）の判定結果との関係が格納されたマップを予め実験に基づいて作成しておき、Ｓ１０１で取得されたＰＭ堆積量、Ｓ１０２で取得されたフィルタ温度に基づいて、過昇温が生じるおそれがあるかどうか（既に生じているかどうか）の判定結果を上記マップから読み出す。例えばＰＭ堆積量が１０ｇ以上且つフィルタ温度が６００℃以上の場合に過昇温が生じるおそれがあると判定してもよい。

ここでフィルタ１０ａの過昇温が生じるおそれがあると判定された場合にはＳ１０４に進む。一方、過昇温が生じるおそれがないと判定された場合にはＳ１０５に進む。

Ｓ１０４においては、排気絞り弁１７が閉弁されまたは、排気絞り弁１７の閉弁状態が維持される。それによりフィルタユニット１０内の空気密度が増加し、フィルタユニット１０のフィルタ１０における熱容量が増加する。その結果、フィルタ１０ａの温度がそれ以上上昇することを抑制できる。

Ｓ１０５においては、排気絞り弁１７が開弁されまたは、排気絞り弁１７の開弁状態が維持される。それにより、過昇温が生じるおそれがない場合にはフィルタユニット１０内の背圧が上昇することを抑制し、背圧の上昇が内燃機関１の運転性能に悪影響を及ぼすことを抑制している。ここで排気絞り弁１７は、本実施例における背圧制御手段に相当する。そして、上記のＳ１０４またはＳ１０５の処理を行うＥＣＵ２０及び排気絞り弁１７は、本実施例における熱容量調整手段を構成する。

なお、Ｓ１０４の処理において、排気絞り弁１７を閉弁するとは必ずしも排気絞り弁１７を全閉することを意味しない。排気絞り弁１７の開度を絞ることによって背圧を上昇させることを意味する。この排気絞り弁１７を閉弁した際の開度については、Ｓ１０１において取得されたＰＭ堆積量及び、Ｓ１０２において取得されたフィルタ１０ａの温度に応じて変更するようにしてもよい。

また、Ｓ１０５の処理において、排気絞り弁１７を開弁するとは必ずしも排気絞り弁１７を全開することを意味しない。排気絞り弁１７の開度を開き側にすることによって背圧を低下させることを意味する。この排気絞り弁１７を開弁した際の開度についても、Ｓ１０１において取得されたＰＭ堆積量及び、Ｓ１０２において取得されたフィルタ１０ａの温度に応じて変更するようにしてもよい。

また、Ｓ１０４の処理において、排気絞り弁１７を閉弁すると同時に、図示しないＥＧＲ装置におけるＥＧＲガスの再循環量を減少させてもよい。また、図示しない吸気弁の開度を大きくしてもよい。それらの制御を併せて実施することにより、比較的低温の排気のフィルタ１０ａへの流入を促進することができ、より確実にフィルタ１０ａの温度上昇を抑制することができる。

また、上記の過昇温防止ルーチンにおいては、フィルタ１０ａにおけるＰＭ堆積量及びフィルタ温度よりフィルタ１０ａが過昇温するおそれがあるかどうかを判定したが、例えばフィルタ温度のみを取得し、フィルタ１０ａが既に過昇温していると判定された時点で排気絞り弁１７を閉弁するようにしてもよい。そのことによっても、それ以上のフィルタ１０ａの昇温を抑制することができる。

また、上記の実施例においては、背圧制御手段としての排気絞り弁１７が排気管５におけるフィルタユニット１０の下流に配置された例について説明したが、例えば排気絞り弁１７がフィルタユニット１０の内部におけるフィルタ１０ａの下流側に配置されるようにしてもよい。

さらに、本発明の熱容量調整手段としては、上記で説明したようにフィルタユニット１０内の背圧を上昇させる背圧制御手段を有するものの他に、例えば、フィルタ１０ａが過昇温するおそれがあると判定された場合に、フィルタユニット１０に二酸化炭素などの密度の高い気体を供給して、フィルタユニット１０のフィルタ１０ａにおける熱容量を増加させるものを採用してもよい。二酸化炭素の代わりに水蒸気や水を供給するようにしてもよい。加えて、二酸化炭素などの気体をフィルタユニット１０に高圧で供給するようにして背圧を上昇させるようにしてもよい。

本発明の実施例における内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示す図である。本発明の実施例に係る過昇温防止ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・内燃機関
５・・・排気管
１０・・・フィルタユニット
１０ａ・・・フィルタ
１２・・・燃料添加弁
１５・・・排気温センサ
１７・・・排気絞り弁
２０・・・ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気通路に配置され、該排気通路を通過する排気中の微粒子物質を捕集するフィルタが設けられた排気浄化装置と、
前記排気浄化装置の少なくとも前記フィルタにおける熱容量を調整する熱容量調整手段と、
前記フィルタが過剰に高温であることまたは、過剰に高温になるおそれがあることを検出する過昇温検出手段と、
を備え、
前記過昇温検出手段によって前記フィルタが過剰に高温であることまたは、過剰に高温になるおそれがあることが検出された場合に、前記熱容量調整手段によって前記排気浄化装置の少なくとも前記フィルタにおける熱容量を増加させることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
前記熱容量調整手段は、前記フィルタにおける排気の圧力を制御する背圧制御手段を有し、該背圧制御手段によって前記フィルタにおける排気の圧力を上昇させることにより、前記排気浄化装置の少なくとも前記フィルタにおける熱容量を増加させ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システム。
前記背圧制御手段は、前記排気通路における前記排気浄化装置の下流側に設けられた排気絞り弁であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。