JP2009047114A - 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、添加すべき燃料量をより高い精度で求めることにより、排気浄化装置の温度を目標値に合わせることができる技術を提供する。
【解決手段】排気浄化装置１０へ添加すべき燃料量を、燃料添加係数と、排気浄化装置１０を通過する排気の量と、排気浄化装置１０の目標温度と排気浄化装置１０へ流入する排気の温度との差と、を掛け合わせることにより算出する内燃機関の排気浄化システムにおいて、排気浄化装置１０を通過する排気の量及び排気浄化装置１０へ流入する排気の温度に基づいて燃料添加係数を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。

排気通路に設けられる触媒へ燃料を添加することにより該触媒の温度及び排気の温度を上昇させることができる。これにより、触媒を活性化させたり、ＮＯx触媒の硫黄被毒回
復を行なったり、フィルタの再生を行なったりすることができる。

そして、排気浄化触媒を目標温度とするべく、燃料添加弁から燃料を添加する添加期間と燃料添加を止める休止期間とを組み合わせた周期が繰り返されるように燃料添加弁を操作し、各周期の始点と終点における排気浄化触媒の温度が目標温度に一致するよう各周期における添加期間と休止期間との配分を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−３３７０３９号公報 特開２００６−２９１８２７号公報

ところで、燃料添加弁から排気浄化触媒へ添加すべき燃料量（以下、目標添加量Ｇａｄという。）を、該排気浄化触媒を通過する排気の量Ｇｃａｔと、排気の温度Ｅｔ６と、該排気浄化触媒の目標温度Ｅｔｈｃｔｒｇと、に基づいて、以下の式により算出することができる。
Ｇａｄ＝Ｅｍｑａｄ×Ｇｃａｔ×（Ｅｔｈｃｔｒｇ−Ｅｔ６）
但し、Ｅｍｑａｄは、添加された燃料が排気浄化触媒の温度を上昇させる度合いであり、比熱Ｃｐを添加燃料の発熱量Ｈｕで除した値としてもよい。この値を以下、燃料添加係数Ｅｍｑａｄとする。

ここで、従来では燃料添加係数Ｅｍｑａｄを、排気の量Ｇｃａｔをパラメータとする一次元マップにより算出していた。しかし、排気浄化触媒の実際の温度を目標温度に合わせることが困難な場合があった。

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システムにおいて、添加すべき燃料量をより高い精度で求めることにより、排気浄化装置の温度を目標値に合わせる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システムは、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システムは、
排気通路に設けられ少なくとも酸化能力を有する触媒を含んで構成される排気浄化装置と、
前記排気浄化装置へ燃料を添加する燃料添加手段と、
前記排気浄化装置を通過する排気の量を推定する通過排気量推定手段と、
前記排気浄化装置へ流入する排気の温度を測定する排気温度測定手段と、
前記燃料添加手段により添加する燃料量を、燃料添加係数と、前記排気浄化装置を通過する排気の量と、前記排気浄化装置の目標温度と前記排気浄化装置へ流入する排気の温度との差と、を掛け合わせることにより算出する算出手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、
前記排気浄化装置を通過する排気の量及び前記排気浄化装置へ流入する排気の温度に基づいて前記燃料添加係数を決定することを特徴とする。

排気浄化装置は、燃料添加手段から添加される燃料により温度が上昇する。そして、排気浄化装置の目標温度と排気浄化装置へ流入する排気の温度との差がなくなるように燃料添加が行われる。つまり、この差が大きいほど、より多くの燃料が添加される。

排気浄化装置を通過する排気の量が多くなると、排気の温度を上昇させるために、より多くの燃料を必要とする。つまり、排気の量が多いほど、より多くの燃料が添加される。

また、燃料添加手段により添加すべき燃料量は、排気浄化装置の比熱に比例し、燃料の発熱量に反比例する。つまり、排気浄化装置の比熱が大きいほど、より多くの燃料を添加し、燃料の発熱量が大きいほど、より少ない燃料を添加することになる。そして、この排気浄化装置の比熱と燃料の発熱量とに関連する値として燃料添加係数を設定している。この燃料添加係数を、排気浄化装置を通過する排気の量及び排気浄化装置へ流入する排気の温度に応じて変化させる。つまり、これらをパラメータとして燃料添加係数を決定する。これにより、燃料添加量を算出するときの精度を高くすることができるため、排気浄化装置の温度を目標値に精度良く合わせることができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムによれば、添加すべき燃料量をより高い精度で求めることにより、排気浄化装置の温度を目標値に合わせることができる。

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システムを適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１の各気筒２には、該気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射弁８が取り付けられている。

また、内燃機関１には、吸気通路３および排気通路４が接続されている。この吸気通路３の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５ａが設けられている。さらに、コンプレッサハウジング５ａよりも上流の吸気通路３には、該吸気通路３内を流通する吸気の流量を調節するスロットル６が設けられている。このスロットル６は、電動アクチュエータにより開閉される。

スロットル６よりも上流の吸気通路３には、該吸気通路３内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ７が設けられている。このエアフローメータ７により、内燃機関１の吸入空気量が測定される。

一方、排気通路４の途中には、前記ターボチャージャ５のタービンハウジング５ｂが設けられている。また、タービンハウジング５ｂよりも下流の排気通路４には、排気浄化装置１０が設けられている。この排気浄化装置１０は、上流側から順に、酸化触媒１０１と、パティキュレートフィルタ１０２（以下、単にフィルタ１０２という。）とを備えて構成されている。このフィルタ１０２は、排気中のＰＭを捕集する。酸化触媒１０１は、フ
ィルタ１０２に担持されていても良い。また、酸化触媒１０１は、酸化機能を有する他の触媒であってもよい。

タービンハウジング５ｂよりも上流の排気通路４には、該排気通路４を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を噴射する燃料添加弁１２を備えている。燃料添加弁１２は、後述するＥＣＵ１３からの信号により開弁して排気中へ燃料を噴射する。なお、本実施例においては燃料添加弁１２から燃料を添加し、酸化触媒１０１にてこの燃料を反応させ、このときの反応熱によりフィルタ１０２の温度を上昇させて該フィルタ１０２の再生を行なう。なお、本実施例においては燃料添加弁１２が、本発明における燃料添加手段に相当する。

さらに、内燃機関１には、排気通路４内を流通する排気の一部を低圧で吸気通路３へ再循環させる低圧ＥＧＲ装置３０が備えられている。この低圧ＥＧＲ装置３０は、低圧ＥＧＲ通路３１、および低圧ＥＧＲ弁３２を備えて構成されている。

低圧ＥＧＲ通路３１は、排気浄化装置１０よりも下流側の排気通路４と、コンプレッサハウジング５ａよりも上流且つスロットル６よりも下流の吸気通路３と、を接続している。この低圧ＥＧＲ通路３１を通って、排気が低圧で再循環される。そして、本実施例では、低圧ＥＧＲ通路３１を通って再循環される排気を低圧ＥＧＲガスと称している。

また、低圧ＥＧＲ弁３２は、低圧ＥＧＲ通路３１の通路断面積を調節することにより、該低圧ＥＧＲ通路３１を流れる低圧ＥＧＲガスの量を調節する。

低圧ＥＧＲ弁３２は電気配線を介してＥＣＵ１３に接続されており、該ＥＣＵ１３により低圧ＥＧＲ弁３２の開度が制御される。

一方、内燃機関１には、排気通路４内を流通する排気の一部を高圧で吸気通路３へ再循環させる高圧ＥＧＲ装置４０が備えられている。この高圧ＥＧＲ装置４０は、高圧ＥＧＲ通路４１、および高圧ＥＧＲ弁４２を備えて構成されている。

高圧ＥＧＲ通路４１は、タービンハウジング５ｂよりも上流側の排気通路４と、コンプレッサハウジング５ａよりも下流側の吸気通路３と、を接続している。この高圧ＥＧＲ通路４１を通って、排気が高圧で再循環される。そして、本実施例では、高圧ＥＧＲ通路４１を通って再循環される排気を高圧ＥＧＲガスと称している。

また、高圧ＥＧＲ弁４２は、高圧ＥＧＲ通路４１の通路断面積を調節することにより、該高圧ＥＧＲ通路４１を流れる高圧ＥＧＲガスの量を調節する。

そして、タービンハウジング５ｂよりも下流で且つ排気浄化装置１０よりも上流の排気通路４には、該排気通路４内を流れる排気の温度を測定する排気温度センサ１７が取り付けられている。なお、本実施例においては排気温度センサ１７が、本発明における排気温度測定手段に相当する。

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ＥＣＵ１３が併設されている。このＥＣＵ１３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。

また、ＥＣＵ１３には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１４を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１５、および機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１６が電気配線を介して接続され、これら各種
センサの出力信号がＥＣＵ１３に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１３には、スロットル６、燃料噴射弁８、燃料添加弁１２、低圧ＥＧＲ弁３２、高圧ＥＧＲ弁４２が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１３によりこれらの機器が制御される。

そして、本実施例では、排気浄化装置１０の目標温度Ｅｔｈｃｔｒｇと排気浄化装置１０よりも上流の排気の温度Ｅｔ６との差と、排気浄化装置１０を通過する排気の量Ｇｃａｔと、燃料添加係数Ｅｍｑａｄと、に基づいて燃料添加弁１２から添加すべき燃料量（以下、目標添加量Ｇａｄという。）を算出する。なお、目標温度Ｅｔｈｃｔｒｇは、フィルタ１０２の目標温度としてもよい。

目標添加量Ｇａｄは、以下の式により算出する。
Ｇａｄ＝Ｅｍｑａｄ×Ｇｃａｔ×（Ｅｔｈｃｔｒｇ−Ｅｔ６）・・・（１）

ここで本実施例では、排気浄化装置１０を通過する排気の量Ｇｃａｔを、内燃機関１から排出されるガス量により求める。なお、内燃機関１から排出されるガス量は、内燃機関１に吸入されるガス量Ｇｃｙｌと、燃料噴射弁８からの燃料噴射量Ｇｆと、により得ることができる。そして、内燃機関１に吸入されるガス量Ｇｃｙｌは、エアフローメータ７により測定される空気量Ｇａを用いることができる。ただし、低圧ＥＧＲガス量Ｇｌｐｌによって排気浄化装置１０を通過する排気の量Ｇｃａｔが変わる。そのため、低圧ＥＧＲ通路３１に低圧ＥＧＲガスを流通させるときには、低圧ＥＧＲガス量Ｇｌｐｌに応じて排気の量Ｇｃａｔを変更する。低圧ＥＧＲガス量Ｇｌｐｌは、内燃機関１の運転状態から得ることができる。エアフローメータ７により測定される空気量Ｇａ及び内燃機関１の運転状態（機関回転数及びアクセル開度）と、排気浄化装置１０を通過する排気の量Ｇｃａｔと、の関係を予め実験等により求めておいても良い。なお、本実施例では排気浄化装置１０を通過する排気の量Ｇｃａｔを推定するＥＣＵ１３が、本発明における通過排気量推定手段に相当する。

また、排気浄化装置１０の目標温度Ｅｔｈｃｔｒｇは、例えばフィルタ１０２に捕集されているＰＭを酸化可能な温度、すなわちフィルタ１０２の再生が可能な温度とする。

ここで、図２は、排気浄化装置１０を通過する排気の量Ｇｃａｔと、燃料添加係数Ｅｍｑａｄと、の関係を排気の温度Ｅｔ６毎に表した図である。

図２を参照すれば分かるように、排気の量Ｇｃａｔが少ないときには、排気の温度Ｅｔ６が低いほど、燃料添加係数Ｅｍｑａｄが大きくなる傾向にある。また、排気の量Ｇｃａｔが多くなると、排気の温度Ｅｔ６と燃料添加係数Ｅｍｑａｄとの関係が入れ替わり、排気の温度Ｅｔ６が低くなるほど燃料添加係数Ｅｍｑａｄが小さくなる傾向にある。また、排気の量Ｇｃａｔがさらに多くなって所定値を超えると、排気の温度Ｅｔ６によらず燃料添加係数Ｅｍｑａｄは略一定となる。この関係を予め実験等により求めてマップ化しておき、ＥＣＵ１３に記憶させておく。そして、排気の量Ｇｃａｔと排気の温度Ｅｔ６とを前述のようにして求めてマップへ代入することにより、燃料添加係数Ｅｍｑａｄを得ることができる。

そして、この燃料添加係数Ｅｍｑａｄを（１）式へ代入することにより、目標添加量Ｇａｄを得ることができる。なお、本実施例では目標添加量Ｇａｄを算出するＥＣＵ１３が、本発明における算出手段に相当する。

なお、従来では燃料添加係数Ｅｍｑａｄを排気の量Ｇｃａｔに基づいて設定していたが
、この場合、図２を参照すれば分かるように、ばらつきが大きい。

このようにして、排気浄化装置１０の目標温度Ｅｔｈｃｔｒｇと排気浄化装置１０よりも上流の排気の温度Ｅｔ６との差と、排気浄化装置１０を通過する排気の量Ｇｃａｔと、燃料添加係数Ｅｍｑａｄと、に基づいて目標添加量Ｇａｄを算出することができる。そして、燃料添加係数Ｅｍｑａｄを排気の温度Ｅｔ６と排気の量Ｇｃａｔとに応じて設定することにより、より適切な燃料添加係数Ｅｍｑａｄの設定が可能となる。

なお、本実施例ではフィルタ１０２の再生時に添加する燃料量を算出しているが、例えば吸蔵還元型ＮＯx触媒の硫黄被毒回復時において該触媒の温度を上昇させるときの燃料
添加量も同様に算出することができる。

実施例に係る内燃機関の排気浄化システムを適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 排気浄化装置を通過する排気の量と、燃料添加係数と、の関係を排気の温度毎に表した図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ ターボチャージャ
５ａ コンプレッサハウジング
５ｂ タービンハウジング
６ スロットル
７ エアフローメータ
８ 燃料噴射弁
１０ 排気浄化装置
１２ 燃料添加弁
１３ ＥＣＵ
１４ アクセルペダル
１５ アクセル開度センサ
１６ クランクポジションセンサ
１７ 排気温度センサ
３０ 低圧ＥＧＲ装置
３１ 低圧ＥＧＲ通路
３２ 低圧ＥＧＲ弁
４０ 高圧ＥＧＲ装置
４１ 高圧ＥＧＲ通路
４２ 高圧ＥＧＲ弁
１０１ 酸化触媒
１０２ パティキュレートフィルタ

Claims (1)

1. 排気通路に設けられ少なくとも酸化能力を有する触媒を含んで構成される排気浄化装置と、
   前記排気浄化装置へ燃料を添加する燃料添加手段と、
   前記排気浄化装置を通過する排気の量を推定する通過排気量推定手段と、
   前記排気浄化装置へ流入する排気の温度を測定する排気温度測定手段と、
   前記燃料添加手段により添加する燃料量を、燃料添加係数と、前記排気浄化装置を通過する排気の量と、前記排気浄化装置の目標温度と前記排気浄化装置へ流入する排気の温度との差と、を掛け合わせることにより算出する算出手段と、
   を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、
   前記排気浄化装置を通過する排気の量及び前記排気浄化装置へ流入する排気の温度に基づいて前記燃料添加係数を決定することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

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