JP2007247550A - 内燃機関用排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排出ガス流量が少ない運転領域でも捕集器の欠損の有無を正確に判定可能にする。
【解決手段】捕集器の前後差圧に基づいて捕集器の欠損の有無を判定する内燃機関用排気浄化装置において、欠損の有無を判定する際の排出ガスの体積流量ＶＥＸｉが排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇ未満のときには、ポスト噴射等により排出ガスの温度を上昇させて排出ガスの体積流量を増加させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排出ガスに含まれる排気微粒子を捕集するための捕集器を備える排気浄化装置に関するものである。

近年、車両に搭載されるディーゼル内燃機関においては、排出ガス中の排気微粒子を低減するために、排気微粒子を捕集する捕集器を排気管の途中に設置することが行われている。

捕集器は、一般に、多数の排気流路を有するセラミック多孔質体からなり、排気流路を区画する多孔質の隔壁を排出ガスが通過する際に、排気微粒子を吸着、捕集する。そして、捕集器に捕集された排気微粒子がそのまま堆積すると圧損が増大して機関効率が低下するため、捕集器の前後差圧に基づいて堆積量を推定し、その推定堆積量の値が所定値に達すると捕集器内の排気微粒子を燃焼させて捕集器を再生するようにしている。

具体的には、酸化触媒を担持した捕集器を用い、捕集器再生時にはメイン噴射の後にポスト噴射を行って捕集器に未燃ＨＣを供給し、未燃ＨＣの触媒反応によって捕集器内部を昇温して捕集器内の排気微粒子を燃焼除去する。

また、捕集器はその下流端部において脱落や溶損（すなわち、捕集器の欠損）が発生することがあり、捕集器の欠損時には捕集器の前後差圧が正常時よりも小さくなるため、捕集器の前後差圧に基づいて捕集器の欠損の有無を判定するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１５５９２０号公報

しかしながら、低速低負荷時のように排出ガス流量が少ない運転領域では、正常時の前後差圧と欠損発生時の前後差圧との差が小さく、したがって差圧センサの出力特性の個体間ばらつきや、捕集器の圧損特性の個体間ばらつきなどを考慮すると、特許文献１に記載の装置は、捕集器の前後差圧に基づいて捕集器の欠損の有無を正確に判定することが難しいという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、排出ガス流量が少ない運転領域でも捕集器の欠損の有無を正確に判定可能にすることを目的とする。

本発明は、捕集器（４）の前後差圧に基づいて捕集器（４）の欠損の有無を判定する内燃機関用排気浄化装置において、欠損の有無を判定する際の排出ガスの体積流量が排気流量目標値未満であると排気流量判定手段（Ｓ１０２、Ｓ１０３）にて判定されたときに、排気流量増加手段（Ｓ１０７）にて排出ガスの体積流量を増加させることを特徴とする。

このようにすれば、排出ガスの体積流量が増加して正常時の前後差圧と欠損発生時の前後差圧との差が大きくなるため、捕集器（４）の欠損の有無を正確に判定することができる。

この場合、排出ガスの温度を上昇させることにより、排出ガスの体積流量を増加させることができる。

また、内燃機関（１）の発生トルク増加に寄与しない条件の下に燃料を供給して、排出ガスの温度を上昇させることができる。

この場合、現在の排出ガスの体積流量を排気流量目標値まで増加させるために必要な排出ガス温度の上昇量を算出し、その算出した上昇量だけ排出ガス温度が上昇するように燃料供給量を制御することができる。

このようにすれば、過剰な燃料供給による燃費悪化を回避しつつ、捕集器（４）の欠損の有無を正確に判定するために必要な排出ガスの体積流量を確保することができる。

また、排気流量増加手段（Ｓ１０７）を作動させた場合の排出ガスの予想温度が設定温度未満のときにのみ、排気流量増加手段（Ｓ１０７）を作動させることができる。

このようにすれば、排気流量増加手段（Ｓ１０７）の作動に伴う排出ガスの温度の異常上昇による不具合を回避することができる。

この場合、設定温度は、捕集器（４）内に配置された触媒の劣化限界温度に設定するとことができる。

このようにすれば、触媒の劣化を防止することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関用排気浄化装置の全体構成図である。

図１に示すように、車両走行用動力源としての内燃機関（より詳細には、ディーゼルエンジン）１には、吸入空気が流通する吸気通路２と、内燃機関１から排出されたガスが流通する排気通路３とが接続され、排気通路３の途中には、排気微粒子を捕集する捕集器４が設けられている。

捕集器４は、コーディエライトや炭化珪素等の多孔質セラミック製のハニカム体の流路を目封じしたフィルタ本体を内蔵しており、フィルタ本体の表面には、排出ガスに含まれる排気微粒子が捕集され堆積していく。また、捕集器４のフィルタ本体の表面には、白金やパラジウム等の貴金属を主成分とする酸化触媒が担持されており、所定の温度条件下で排気微粒子を酸化、燃焼し、除去するようになっている。

排気通路３における捕集器４の直上流に第１温度センサ５１が設けられ、この第１温度センサ５１は、捕集器４に流入する排出ガスの温度（以下、ＤＰＦ入口温度という）を検出する。また、排気通路３における捕集器４の直下流に第２温度センサ５２が設けられ、この第２温度センサ５２は、捕集器４から流出する排出ガスの温度（以下、ＤＰＦ出口温度という）を検出する。

排気通路３には、捕集器４の直上流側から分岐した第１分岐通路３１と、捕集器４の直下流側から分岐した第２分岐通路３２とが接続されている。そして、両分岐通路３１、３２間に差圧センサ５３が設けられ、この差圧センサ５３は、捕集器４の上流側と下流側との間の圧力差（以下、前後差圧という）を検出するようになっている。

吸気通路２には、吸入空気の質量流量を検出するエアフローメータ５４が設けられている。アクセルペダル（図示せず）には、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ５５が設けられている。内燃機関１には、内燃機関１の回転速度を検出する回転速度センサ５６が設けられている。

上述した各種センサおよびエアフローメータの出力は、ＥＣＵ６に入力される。そして、ＥＣＵ６は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行い、内燃機関１への燃料噴射量を制御し、所定のタイミングで捕集器４の再生を行い、さらに、捕集器４の欠損の有無を判定する。

捕集器４の欠損有無の判定は以下のようにして行う。図２は、捕集器４を通過する排出ガスの体積流量と前後差圧の関係を示すものである。なお、本明細書では、排出ガスの流量は全て体積流量であるため、以下、排出ガスの体積流量を単に排気流量という。

図２の一点鎖線は、捕集器４が正常状態（すなわち、欠損無し）のときに取り得る前後差圧の下限値、実線は、捕集器４が欠損して捕集器４の排気微粒子捕集能力が許容レベルの下限まで低下した場合の前後差圧である。故障判定値（図２の破線）は、差圧センサ５３の出力特性の個体間ばらつき等を考慮し、誤判定防止のために正常時下限値よりも所定値だけ低い値をとっている。

この図２から明らかなように、捕集器４の前後差圧が故障判定値よりも小さいか否かで検出目標故障レベルの故障を判定するためには、排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇ（Ｌ／ｍｉｎ）以上の排気流量が必要となる。そこで、現在の排気流量ＶＥＸｉ（Ｌ／ｍｉｎ）が排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇよりも少ないときは、排気温度を上昇させることにより、排気流量不足分△ＶＥＸ（＝ＶＥＸｔｒｇ−ＶＥＸｉ）だけ排気流量を強制的に増加させて、故障判定を可能にする。

因みに、排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇは図２中の式（１）にて算出することができる。この式（１）において、Ｇａ（ｇ／ｓｅｃ）は吸入空気の質量流量、Ｑ（ｇ／ｓｅｃ）は燃料消費量、Ｔ（℃）は捕集器４内の現在の排気温度、△Ｔ（℃）は排気流量不足分△ＶＥＸだけ排気流量を増加させるために必要な排気温度上昇量、Ｐ（ｋＰａ）は捕集器４の上流側圧力である。また、この式（１）において、Ｇａ×２２．４／２８．８は、吸入空気の質量流量Ｇａを体積流量に変換する項であり、Ｑ×０．４５×２２．４／１３．８は、燃料消費量を体積流量に変換する項であり、〔（Ｔ＋△Ｔ）＋２７３〕／２７３は、体積流量の温度補正項であり、１０１．３２５／（Ｐ＋１０１．３２５）は、体積流量の圧力補正項であり、６０は毎秒当たりの流量を毎分当たりの流量に変換するものである。

そして、排気温度上昇量△Ｔ（℃）は、図２中の式（１）を変形した図２中の式（２）にて算出することができる。

捕集器４の欠損有無の判定について、図３に基づいてさらに説明する。図３は、ＥＣＵ６で実行される捕集器欠損判定処理を示す流れ図である。この処理は、キースイッチの操作によりＥＣＵ６に電源が投入されると開始される。

図３に示すように、先ずステップＳ１０１では、内燃機関１が定常運転状態か否かを判定する。具体的には、排気流量の時間当たり変化量および前後差圧の時間当たり変化量がともに小さいときに、内燃機関１が定常運転状態であると判定する（ステップＳ１０１でＹＥＳと判定）。

内燃機関１が定常運転状態であれば、ステップＳ１０２に進んで、現在の排気流量ＶＥＸｉを算出する。

この現在の排気流量ＶＥＸｉは、エアフローメータ５４で検出した吸入空気の質量流量Ｇａを、捕集器４内の現在の排気温度Ｔ、および捕集器４の上流側圧力Ｐに基づいて、体積流量に換算して算出する。

捕集器４内の現在の排気温度Ｔは、第１温度センサ５１で検出したＤＰＦ入口温度に、捕集器４内での反応熱による温度上昇分を加算して求める。捕集器４内での反応熱による温度上昇量は、捕集器４に流入するＨＣの量に略比例するため、ポスト噴射量に基づいて捕集器４に流入するＨＣの量を推定し、そのＨＣの量から推定することができる。

捕集器４の上流側圧力Ｐは、差圧センサ５３で検出した前後差圧に、捕集器４の下流側圧力を加算して求める。周知のように、内燃機関１の回転速度および吸入空気量の増加に伴って捕集器４の下流側圧力が上昇するため、その関係を定義するマップをＥＣＵ６のＲＯＭに記憶させておき、そのマップから捕集器４の下流側圧力を求める。

次いで、ステップＳ１０３に進んで、現在の排気流量ＶＥＸｉが、ＥＣＵ６のＲＯＭに記憶されている排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇよりも少ないか否かを判定する。なお、ステップＳ１０２およびステップＳ１０３は、排気流量判定手段を構成する。

そして、現在の排気流量ＶＥＸｉが排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇよりも少なければ（ステップＳ１０３でＹＥＳと判定）、すなわち、現在の排気流量ＶＥＸｉが捕集器４の欠損有無の判定に必要な流量に達していない場合は、ステップＳ１０４に進む。このステップＳ１０４では、現在の排気流量ＶＥＸｉを排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇまで増加させるために必要な排気温度上昇量△Ｔを、ＥＣＵ６のＲＯＭに記憶された図２中の式（２）にて算出する。

次いで、ステップＳ１０５では、捕集器４内の現在の排気温度Ｔと排気温度上昇量△Ｔの和（すなわち、後述するポスト噴射を行った場合の予想排気温度）が、設定温度Ｔｌｉｍｉｔよりも低いか否かを判定する。因みに、設定温度Ｔｌｉｍｉｔは、捕集器４に担持された酸化触媒の劣化限界温度と同じかまたは劣化限界温度よりも低く設定する。

そして、捕集器４内の現在の排気温度Ｔと排気温度上昇量△Ｔの和が排気温度限界値Ｔｌｉｍｉｔよりも小さい場合には（ステップＳ１０５でＹＥＳと判定）、排気温度を排気温度上昇量△Ｔだけ昇温するのに必要なポスト噴射量Ｑｐｏｓｔを算出する（ステップＳ１０６）。図４に示すように、ポスト噴射量Ｑｐｏｓｔと排気温度上昇量ΔＴは比例関係にあるので、ステップＳ１０４で算出した排気温度上昇量△Ｔに基づいて、ＥＣＵ６のＲＯＭに記憶された式にてポスト噴射量Ｑｐｏｓｔを算出する。なお、ステップＳ１０４〜ステップＳ１０６は、増加量制御手段を構成する。

次いで、排気流量増加手段としてのステップＳ１０７では、ステップＳ１０６で算出した燃料量のポスト噴射を実行する。周知のように、ポスト噴射は、内燃機関１の排気行程において内燃機関１の発生トルク増加に寄与しない時期に燃料を噴射するものであり、これにより排気温度が上昇し、排気流量が排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇまで増加する。

次いで、欠損判定手段としてのステップＳ１０８で故障判定を行う。具体的には、前後差圧がＥＣＵ６のＲＯＭに記憶された故障判定値（図２参照）よりも小さければ、捕集器４に欠損が発生していると判定する（ステップＳ１０８でＹＥＳと判定）。この場合には、ステップＳ１０９に進み、車両計器盤等に設けられた警告ランプを点灯させ、また、捕集器４の再生を禁止するためのフラグを設定する。そして、捕集器欠損判定処理を終了する。

一方、ステップＳ１０１でＮＯと判定された場合、すなわち内燃機関１が定常運転状態でない場合は、捕集器４の欠損有無の正確な判定が困難であるため、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。

また、ステップＳ１０３でＮＯと判定された場合、すなわち現在の排気流量ＶＥＸｉが排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇ以上である場合は、排気流量を増加させる必要がないため、ポスト噴射を行わずにステップＳ１０８に進んで故障判定を行う。

また、ステップＳ１０５でＮＯと判定された場合、すなわちポスト噴射を行った場合の予想排気温度が設定温度Ｔｌｉｍｉｔ以上である場合は、捕集器４に担持された酸化触媒の保護のために、ポスト噴射を行わずにステップＳ１０１に戻る。

また、ステップＳ１０８でＮＯと判定された場合、すなわち捕集器４に欠損が発生していない場合は、ステップＳ１０９をスキップしてステップＳ１０１に戻る。

次に、本実施形態の作動例を説明する。図５は捕集器欠損判定処理時の作動例を示すタイムチャートである。この作動例は、排気量２０００ＣＣの４気筒ディーゼルエンジンが２２００ｒｐｍの回転速度で回転し、車速６０ｋｍ／ｈで定速走行しているときの例である。

そして、仮に捕集器４の下流端部割れにより排気微粒子捕集能力が２５％に低下した故障状態を検出目標故障レベルとすると、捕集器４の欠損有無の正確な判定を行うためには、約４５００Ｌ／ｍｉｎの排気流量が必要である（すなわち、排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇ＝４５００Ｌ／ｍｉｎ）。

図５において、時刻ｔ１では車速６０Ｋｍ／ｈで定速走行しており、この時の排気流量は約２０００Ｌ／ｍｉｎであり、排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇに達していない。そこで、ポスト噴射を行って排気温度を上昇させ、排気流量を増加させる。

具体的には、時刻ｔ１のときの捕集器４内の排気温度は約２００℃であり、これをポスト噴射により６５０〜７００℃位に昇温すると排気流量が約２５００Ｌ／ｍｉｎ増加し、排気流量が約４５００Ｌ／ｍｉｎになる。また、ポスト噴射量１ｍｍ^３／ｓｔ当たり４０〜５０℃の排気温度増加になる。

そこで、１０〜１３ｍｍ^３／ｓｔのポスト噴射を行うことにより、時刻ｔ２では、排気温度が６５０〜７００℃まで上昇して排気流量が約４５００〜４８００Ｌ／ｍｉｎになる。これにより、排気流量が排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇに達し、捕集器４の欠損有無の正確な判定が可能になる。

上記した本実施形態によると、排気流量が排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇ未満のときには、ポスト噴射を行って排気流量を増加させるため、捕集器４の欠損の有無を正確に判定することができる。

ところで、例えば、排気流量増加の為にポスト噴射を用い、排気温度をある目標温度に昇温する場合には、以下の問題が発生する。すなわち、昇温前において排気流量が同じでも運転条件によって排気温度は異なる。そして、排気温度変化量に応じて排気流量増加量が変わる為、昇温前の排気温度が異なる場合には、昇温後の排気流量も異なってくる。従って、昇温後の排気流量が多すぎたり、或いは少なすぎたりする場合が出てくる。排気流量が多すぎる場合は、必要以上にポスト噴射をしているから燃費が悪化するし、排気流量が少なすぎる場合は、排気流量が足りず正確な故障判定が出来ない。

これに対し、本実施形態では、排気流量を排気流量目標値ＶＥＸｔｒｇまで増加させるために必要な排気温度上昇量△Ｔを算出し、その排気温度上昇量△Ｔだけ昇温するのに必要なポスト噴射量Ｑｐｏｓｔを算出して、ポスト噴射を行っているため、過剰な燃料供給による燃費悪化を回避しつつ、捕集器４の欠損の有無を正確に判定するために必要な排気流量を確保することができる。

また、ポスト噴射を行った場合の予想排気温度が設定温度Ｔｌｉｍｉｔ以上である場合はポスト噴射を行わないようにしているため、捕集器４に担持された酸化触媒の劣化を防止することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、排気流量を増加させるためにポスト噴射を行ったが、内燃機関１の効率を下げて廃熱を増大させる噴射時期の遅角を行ってもよいし、或いは、排気通路３における捕集器４の上流に燃料を噴射してもよい。それらによっても、排気温度を上昇させて排気流量を増加させることができる。

また、上記実施形態では、排気流量を増加させるためにポスト噴射を行ったが、排気流量を増加させる方法としては、ＥＧＲ弁（図示せず）の開度を絞ることの他、吸気絞り弁（図示せず）の開度の増大、可変ターボ（図示せず）のノズルの開度の絞り、トランスミッション変速比の低下がある。吸気絞り弁の開度の増大や可変ターボのノズルの開度を絞ることにより吸気量が増大し、排気流量も増大する。トランスミッション変速比を低下することにより内燃機関１は高速低負荷運転となるから、排気流量が増大する。これらは、いずれか１つを実行するか、或いは組み合わせて実行することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関用排気浄化装置の全体構成図である。 捕集器４を通過する排出ガスの体積流量と前後差圧の関係を示す図である。 図１のＥＣＵ６で実行される捕集器欠損判定処理を示す流れ図である。 ポスト噴射量Ｑｐｏｓｔと排気温度上昇量ΔＴの関係を示す図である。 捕集器欠損判定処理時の作動例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１…内燃機関、４…捕集器、５３…差圧センサ。

Claims (6)

1. 内燃機関（１）から排出されるガス中の排気微粒子を捕集する捕集器（４）と、
   前記捕集器（４）の前後差圧を検出する差圧センサ（５３）と、
   この差圧センサ（５３）で検出した前後差圧に基づいて前記捕集器（４）の欠損の有無を判定する欠損判定手段（Ｓ１０８）とを備える内燃機関用排気浄化装置において、
   前記欠損判定手段（Ｓ１０８）により欠損の有無を判定する際の排出ガスの体積流量が排気流量目標値未満か否かを判定する排気流量判定手段（Ｓ１０２、Ｓ１０３）と、
   この排気流量判定手段（Ｓ１０２、Ｓ１０３）にて、排出ガスの体積流量が前記排気流量目標値未満であると判定されたときに、排出ガスの体積流量を増加させる排気流量増加手段（Ｓ１０７）とを備えることを特徴とする内燃機関用排気浄化装置。
2. 前記排気流量増加手段（Ｓ１０７）は、排出ガスの温度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用排気浄化装置。
3. 前記排気流量増加手段（Ｓ１０７）は、前記内燃機関（１）の発生トルク増加に寄与しない条件の下に燃料を供給することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用排気浄化装置。
4. 現在の排出ガスの体積流量を前記排気流量目標値まで増加させるために必要な排出ガス温度の上昇量を算出し、その算出した上昇量だけ排出ガス温度が上昇するように前記排気流量増加手段（Ｓ１０７）の燃料供給量を制御する増加量制御手段（Ｓ１０４〜Ｓ１０６）を備えることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用排気浄化装置。
5. 前記増加量制御手段（Ｓ１０４〜Ｓ１０６）は、前記排気流量増加手段（Ｓ１０７）を作動させた場合の排出ガスの予想温度が設定温度未満のときにのみ、前記排気流量増加手段（Ｓ１０７）を作動させることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の内燃機関用排気浄化装置。
6. 前記捕集器（４）内に触媒が配置され、前記設定温度は、前記触媒の劣化限界温度に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関用排気浄化装置。

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