JP2008274891A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの再生をより適正な時期に行うことができる技術を提供する。
【解決手段】少なくともバイオ燃料を含む複数の燃料を混合して用いることが可能な内燃機関の排気浄化装置において、バイオ燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段７と、排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ９と、少なくとも内燃機関１の運転状態に基づいてパティキュレートフィルタ９に捕集されている粒子状物質の量を推定する捕集量推定手段１２と、パティキュレートフィルタ９に捕集されている粒子状物質の量が規定量以上のときにパティキュレートフィルタ９の再生を行なうフィルタ再生手段１２と、バイオ燃料の濃度が規定濃度以上の場合には捕集量推定手段１２による推定を禁止する捕集量推定禁止手段１２と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

パティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という。）に捕集されている粒子状物質を、該パティキュレートフィルタの温度を上昇させることにより酸化させてフィルタの再生を行なうことができる。例えばフィルタに捕集されているＰＭ量が規定値以上となったときにフィルタの再生が行なわれる。

ここで、燃焼室に水素ガスを供給することにより粒子状物質（以下、「ＰＭ」という。）の排出量を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−３２３８２３号公報 特開２００６−１７７３１１号公報

ところで、菜種またはパーム等を原料とするバイオ燃料を使用可能な内燃機関が知られている。このバイオ燃料は他の燃料（例えば軽油）に混合して使用することもできる。

ここで、バイオ燃料は酸素を含んだ燃料なので、その濃度が高いほど燃焼が促進されるためＳＯＯＴの排出量が少なくなる。これにより、パティキュレートフィルタに捕集される粒子状物質の量が少なくなる。また、バイオ燃料は軽油等と比較して高沸点成分の割合が高いため、バイオ燃料の濃度が高くなるほど燃料が蒸発し難くなりＳＯＦの排出量が多くなる。つまり、バイオ燃料の濃度が高くなるほど、パティキュレートフィルタにおける粒子状物質の堆積量が少なくなり、その堆積している粒子状物質中のＳＯＦの割合が高くなる。

そして、ＳＯＦは主に未燃燃料であるため、主に煤であるＳＯＯＴと比較して、酸化する温度が低い。そのため、内燃機関の運転状態によってはフィルタの再生制御を行わなくてもＰＭが酸化されるので、フィルタに捕集されているＰＭの量が減少する。このような状態では、フィルタに捕集されているＰＭの量を推定することが困難となる。つまり、バイオ燃料の濃度が高いときに内燃機関の運転状態に応じてＰＭの捕集量を推定すると、ＰＭの捕集量の推定を誤る虞がある。これにより、必要以上にフィルタの再生制御を行なうこととなり、燃費が悪化したりフィルタの熱劣化を進行させたりする。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの再生をより適正な時期に行うことができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
少なくともバイオ燃料を含む複数の燃料を混合して用いることが可能な内燃機関の排気浄化装置において、
前記バイオ燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
前記内燃機関の排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
少なくとも前記内燃機関の運転状態に基づいて前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量を推定する捕集量推定手段と、
前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量が規定量以上のときに前記パティキュレートフィルタの再生を行なうフィルタ再生手段と、
前記燃料濃度検出手段により検出されるバイオ燃料の濃度が規定濃度以上の場合には前記捕集量推定手段による推定を禁止する捕集量推定禁止手段と、
を具備することを特徴とする。

前記内燃機関は、バイオ燃料のみであっても、また他の燃料（例えば軽油）のみであっても使用することができる。またバイオ燃料は、酸素を含み且つ所定の高沸点成分の割合が所定値以上の燃料としてもよい。

捕集量推定手段は、例えば燃料供給量や機関回転数等に基づいて内燃機関からの粒子状物質の排出量を推定し、これを積算することによりパティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量を推定する。なお燃料供給量は、燃料供給量と関連する値であってもよく、例えば内燃機関の負荷、またはスロットル開度、機関発生トルク、としてもよい。つまり、捕集量推定手段は、少なくとも燃料供給量と関連する値に基づいて、パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量を推定してもよい。

フィルタ再生手段は、粒子状物質の量が規定量以上のときにパティキュレートフィルタの再生を行なうが、この粒子状物質の量は、捕集量推定手段以外により得られる値も用いることができる。つまり、捕集量推定手段の他に、内燃機関の運転状態を用いずにパティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物資の量を推定する手段を備えていてもよい。また前記規定量は、パティキュレートフィルタが粒子状物質を捕集する能力の低下または内燃機関の機能低下等を考慮して決定することができる。

ここで、内燃機関の運転状態に基づいて粒子状物質の捕集量を推定する場合には、燃料中のバイオ燃料の濃度に応じて粒子状物質の排出量や酸化量が変化する。しかし、捕集量推定手段は内燃機関の運転状態に基づいてパティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量の推定を行なうため、バイオ燃料の濃度が変化したとしても、捕集量推定手段による推定値は変化しない。

そのため、パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量の推定値と実際の値とに差を生じるので、捕集量推定手段による推定が困難となる。このように捕集量推定手段による推定が困難となる場合には、捕集量推定手段による推定を禁止する。これにより、パティキュレートフィルタの再生が必要以上に行なわれることを抑制できる。

つまり、前記規定濃度とは、捕集量推定手段により推定される粒子状物質の量と、実際の粒子状物質の量と、の差が大きくなることにより、燃費の悪化またはパティキュレートフィルタ等の熱劣化が許容範囲を超えるバイオ燃料の濃度としてもよい。

本発明においては、前記パティキュレートフィルタよりも上流側と下流側との差圧を検出する差圧検出手段をさらに備え、
前記燃料濃度検出手段により検出されるバイオ燃料の濃度が規定濃度以上の場合には、前記差圧検出手段により得られる差圧に基づいて、前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量を推定することができる。

パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量を推定するために、複数の手段を備えていることがある。例えば１つの手段が故障したとしても、他の手段により粒子状物質の量を推定することができる。そして前記差圧は、バイオ燃料の濃度の影響を受
けないため、バイオ燃料の濃度が変化したとしてもより正確に粒子状物質の量を推定することができる。

なお、バイオ燃料の濃度が規定濃度未満の場合には、捕集量推定手段により粒子状物資の量を推定しつつ、差圧検出手段により該捕集量推定手段による推定に誤りが無いか否か判定することができる。

本発明によれば、パティキュレートフィルタの再生をより適正な時期に行うことができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関１、およびその排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は、ディーゼル機関であり、軽油およびバイオ燃料を混合した混合燃料を用いることができる。混合燃料中のバイオ燃料の濃度は、０から１００％まで如何なる値であっても構わない。

また、内燃機関１には、気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射弁３が取り付けられている。燃料噴射弁３は、燃料を貯留するための燃料タンク４と燃料パイプ５を介して接続されている。燃料パイプ５の途中には、燃料の圧力を上昇させる燃料ポンプ６が設けられている。

そして燃料タンク４には、該燃料タンク４内に貯留されている燃料中のバイオ燃料の濃度を検出するバイオ燃料濃度センサ７が取り付けられている。なお、本実施例ではバイオ燃料濃度センサ７が、本発明における燃料濃度検出手段に相当する。

一方、内燃機関１には、気筒２へ通じる排気通路８が接続されている。排気通路８の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒という。）を担持したパティキュレートフィルタ９（以下、フィルタ９という。）が備えられている。ＮＯx触媒は、流入する排
気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且
つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機能を有する。また、フィルタ
９は、排気中に含まれるＰＭを捕集する。

さらに、本実施例では、フィルタ９よりも上流の排気通路８を流通する排気中に還元剤たる燃料を添加する燃料添加弁１０を備えている。この燃料添加弁１０は、前記燃料ポンプ６に接続されている。そして、燃料添加弁１０は、後述するＥＣＵ１２からの信号により開弁して燃料を噴射する。この燃料はＮＯx触媒にて反応し、フィルタ９の温度を上昇
させる。

そして、フィルタ９の温度をＰＭの酸化に必要となる温度まで上昇させることにより該フィルタ９に捕集されているＰＭが酸化される。つまり、フィルタ９の再生を行なうことができる。このようにフィルタ９の温度を上昇させるときには、該フィルタ９の温度が目標温度となるように、燃料添加弁１０から噴射する燃料量が決定される。なお、本実施例ではフィルタ９の再生を行なうＥＣＵ１２が、本発明におけるフィルタ再生手段に相当する。このフィルタ９の再生は、ヒータ等を用いてフィルタ９の温度を上昇させて行なってもよい。

また、フィルタ９よりも下流の排気通路８には、該排気通路８を流通する排気の空燃比を測定する空燃比センサ１１が取り付けられている。さらに、排気通路８には、フィルタ９の上流側と下流側との圧力の差を検出する差圧センサ１３が取り付けられている。なお、本実施例においては差圧センサ１３が、本発明における差圧検出手段に相当する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１２が併設されている。このＥＣＵ１２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。

ＥＣＵ１２には上記センサの出力信号が入力されるようになっている。また、ＥＣＵ１２には、燃料噴射弁３及び燃料添加弁１０が電気配線を介して接続され、これらはＥＣＵ１２により制御される。

ＥＣＵ１２は、内燃機関１の回転数及び燃料供給量に基づいて該内燃機関１から排出されるＰＭ量を推定し、この排出されるＰＭ量を積算することによりフィルタ９に捕集されているＰＭ量を推定している。なお、燃料供給量は、内燃機関１の負荷またはトルクに代えてもよい。このようにしてＰＭ量を推定することを以下、「運転状態によるＰＭ量の推定」という。なお、本実施例においては運転状態によるＰＭ量の推定を行なうＥＣＵ１２が、本発明における捕集量推定手段に相当する。

一方、ＥＣＵ１２は、差圧センサ１３により得られる差圧に基づいて、フィルタ９に捕集されているＰＭ量を推定している。このようにしてＰＭ量を推定することを以下、「差圧によるＰＭ量の推定」という。

つまり、本実施例では２通りの手段によりＰＭ量の推定を行なっている。そして、運転状態によるＰＭ量の推定の結果得られた値が第１規定値以上となったとき、または差圧によるＰＭ量の推定の結果得られた値が第２規定値以上となったときにフィルタ９の再生が行なわれる。なお、本実施例ではフィルタ９の再生を行なうＥＣＵ１２が、本発明におけるフィルタ再生手段に相当する。

ここで、第１規定値は第２規定値よりも小さい値であり、通常は運転状態によるＰＭ量の推定値のほうが早く第１規定値に達する。仮に運転状態によるＰＭ量の推定に誤りがあったとしても、差圧によるＰＭ量の推定によりフィルタ９の再生時期を判断することができる。このようにして、一方が仮に故障しても他方によりフィルタ９の再生時期を判断することができるため、フィルタ９の目詰まりによる内燃機関１の機能低下等を抑制することができる。

ここで、図２は、バイオ燃料の濃度とＰＭ及びＳＯＦの排出量との関係を示した図である。実線はＰＭを示し、破線はＳＯＦを示している。バイオ燃料を軽油に混合して使用する場合には、バイオ燃料の濃度が高いほど含酸素燃料の割合が高くなるため、内燃機関１からのＰＭ排出量が減る。また、バイオ燃料の濃度が高いほど、高沸点成分の割合が高くなるため、ＰＭ中のＳＯＦの割合が高くなる。そして、ＳＯＦはＳＯＯＴと比較して低い温度で酸化されるので、ＰＭ中のＳＯＦの割合が高くなると、フィルタ９に捕集されているＰＭ量が少なくなる。

このようにバイオ燃料の濃度が高くなると、フィルタ９に捕集されているＰＭ量が少なくなる。そのため、運転状態によるＰＭ量の推定の結果得られる値が実際のＰＭ量よりも多くなってしまう。これにより、フィルタ９の再生が必要でない時期に行なわれることになり、燃費が悪化したり熱劣化が進行したりする。

そこで本実施例では、バイオ燃料濃度が規定濃度以上の場合には、運転状態によるＰＭ量の推定を禁止する。そして、差圧によるＰＭ量の推定によりフィルタ９の再生時期を判断する。なお、差圧によるＰＭ量の推定の他にも、バイオ燃料の濃度に影響を受けずにＰＭ量を推定することができる手段があれば、該手段によりフィルタ９の再生時期を判断してもよい。

次に図３は、フィルタ９に捕集されているＰＭ量の推定フローを示したフローチャートである。本ルーチンはイグニッションスイッチがＯＮとなったときに実行される。

ステップＳ１０１では、バイオ燃料の濃度Ｌがバイオ燃料濃度センサ７により測定される。なお、給油されるバイオ燃料の種類は限定されているものとする。ここでは、空燃比センサ１１により得られる空燃比からバイオ燃料の濃度Ｌを推定してもよい。また、燃料の濃度または温度を測定することによりバイオ燃料の濃度Ｌを推定してもよい。

ステップＳ１０２では、測定されたバイオ燃料の濃度Ｌが規定濃度Ａ以上であるか否か判定される。この規定濃度Ａは、パティキュレートフィルタ９に捕集されているＰＭ量と実際のＰＭ量との差が大きくなることにより、フィルタ９の再生が必要以上に行なわれることになるバイオ燃料の濃度として予め実験等により求めておく。

ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０３では、運転状態によるＰＭ量の推定が禁止される。なお、本実施例ではステップＳ１０３を実行するＥＣＵ１２が、本発明における捕集量推定禁止手段に相当する。

ステップＳ１０４では、差圧によるＰＭ量の推定が行なわれる。つまり、差圧によるＰＭ量の推定の結果得られた値が第２規定値以上となったときにフィルタ９の再生が行なわれる。

ステップＳ１０５では、運転状態によるＰＭ量の推定が行なわれる。併せて差圧によるＰＭ量の推定も行なう。そして、運転状態によるＰＭ量の推定の結果得られた値が第１規定値以上となったとき、または差圧によるＰＭ量の推定の結果得られた値が第２規定値以上となったときにフィルタ９の再生が行なわれる。

このようにしてバイオ燃料の濃度が規定濃度Ａ未満のときには運転状態によるＰＭ量の推定が行なわれ、規定濃度Ａ以上のときには差圧によるＰＭ量の推定が行なわれる。

以上説明したように本実施例では、バイオ燃料の濃度が高いときには運転状態によるＰＭ量の推定を禁止するため、必要以上にフィルタ９の再生が行なわれることを抑制できる。これにより、燃費の悪化を抑制したり、フィルタ９の熱劣化（白金等の貴金属のシンタリング等）の進行を抑制したりできる。また、バイオ燃料の濃度が高いときには、差圧によるＰＭ量の推定を行なっているので、フィルタ９の再生時期を判断することができる。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関、およびその排気系の概略構成を示す図である。 バイオ燃料の濃度とＰＭ及びＳＯＦの排出量との関係を示した図である。 フィルタに捕集されているＰＭ量の推定フローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 燃料噴射弁
４ 燃料タンク
５ 燃料パイプ
６ 燃料ポンプ
７ バイオ燃料濃度センサ
８ 排気通路
９ パティキュレートフィルタ
１０ 燃料添加弁
１１ 空燃比センサ
１２ ＥＣＵ
１３ 差圧センサ

Claims (2)

1. 少なくともバイオ燃料を含む複数の燃料を混合して用いることが可能な内燃機関の排気浄化装置において、
   前記バイオ燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
   前記内燃機関の排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
   少なくとも前記内燃機関の運転状態に基づいて前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量を推定する捕集量推定手段と、
   前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量が規定量以上のときに前記パティキュレートフィルタの再生を行なうフィルタ再生手段と、
   前記燃料濃度検出手段により検出されるバイオ燃料の濃度が規定濃度以上の場合には前記捕集量推定手段による推定を禁止する捕集量推定禁止手段と、
   を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記パティキュレートフィルタよりも上流側と下流側との差圧を検出する差圧検出手段をさらに備え、
   前記燃料濃度検出手段により検出されるバイオ燃料の濃度が規定濃度以上の場合には、前記差圧検出手段により得られる差圧に基づいて、前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量を推定す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装置。

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