JP2009191693A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒劣化検出時に添加される燃料が排気ガスとして排出されるのを確実に抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒３、触媒を担持し、排気ガスに含まれる粒子状物質を除去する触媒付フィルタ４、酸化触媒３へ燃料を添加する燃料添加弁８、酸化触媒３の触媒床温を検出する触媒床温検出手段としての温度センサ５，６、燃料添加弁８による酸化触媒３への燃料添加により生じる酸化触媒の触媒床温の変化に基いて酸化触媒３の劣化度を検出する酸化触媒劣化検出手段９、触媒付フィルタの触媒の劣化度を検出するフィルタ触媒劣化検出手段９を備え、酸化触媒劣化検出手段９により酸化触媒３の劣化度を検出する際の燃料の添加量を、触媒付フィルタ４の触媒の劣化度に応じて調整する燃料添加量調整手段９を有する。
【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。

内燃機関における燃料の燃焼によって生成される粒子状物質が大気中に放出されないように内燃機関の排気通路に粒子状物質の捕集を行うパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」とする）を設ける技術が知られている。しかし、フィルタでの粒子状物質の捕集量が増大してフィルタ詰まりが発生すると、フィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発するおそれがある。

そこで、フィルタ上流に酸化触媒を設け、この酸化触媒に燃料を供給し、そのときに発生した酸化熱により下流のフィルタを加熱して粒子状物質を酸化させフィルタの再生を行っている。このように構成された内燃機関の排気浄化システムでは、酸化触媒での酸化熱により均一にフィルタを加熱することで、フィルタに捕集された粒子状物質を除去し、フィルタの詰まりを解消することが可能となる（例えば、特許文献１を参照。）。

ところで、上記した酸化触媒は、長期間使用すると、熱により劣化し、酸化能力が低下する。酸化触媒の酸化能力が低下すると、必要な役割を果たすことができないおそれがある。このため、酸化触媒の劣化検出が重要である。酸化触媒の劣化検出方法としては、例えば、特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献２は、触媒に供給された燃料の酸化反応に伴って発生した酸化発熱量を、触媒の上流および下流で検出された排ガスの温度に基づいて算出し、算出した酸化発熱量が所定の判定値よりも小さいときに、触媒が劣化していると判定する技術を開示している。

特開２００４−３５３６０６号公報 特開２００３−１０６１４０号公報

ところで、上記のような酸化触媒の劣化判断技術では、触媒の劣化検出時に、酸化触媒に添加した燃料の一部が酸化触媒で酸化されずに、未燃燃料として排出されるため、エミッション性能を低下させるという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、触媒劣化検出時に添加される燃料が排気ガスとして排出されるのを確実に抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、前記酸化触媒の下流の内燃機関の排気通路に設けられ、触媒を担持し、排気ガスに含まれる粒子状物質を除去する触媒付フィルタと、前記酸化触媒へ燃料を添加する燃料添加手段と、前記酸化触媒の触媒床温を検出する触媒床温検出手段と、前記燃料添加手段による前記酸化触媒への燃料添加により生じる前記酸化触媒の触媒床温の変化に基いて、前記酸化触媒の劣化度を検出する酸化触媒劣化検出手段と、前記触媒付フィルタの触媒の劣化度を検出するフィルタ触媒劣化検出手段と、前記酸化触媒劣化検出手段により前記酸化触媒の劣化度を検出する際の燃料の添加量を、前記触媒付フィルタの触媒の劣化度に応じて調整する燃料添加量調整手段と、を有することを特徴とする。

上記構成において、前記燃料添加量調整手段は、前記触媒付フィルタの触媒及び前記酸化触媒の劣化度に応じて前記添加量を調整する、構成を採用できる。

上記構成において、前記フィルタ触媒劣化検出手段は、前記触媒付フィルタの触媒が受熱した温度履歴に基づいて当該触媒の熱劣化度を検出する、構成を採用できる。

上記構成において、前記酸化触媒の劣化検出精度を高めるために、調整後の燃料添加量の合計値が所定の閾値を越えるまで、調整後の燃料添加量による燃料添加を実施する構成を採用できる。

本発明によれば、触媒劣化検出時に酸化触媒に添加される燃料によりエミッション性能が低下するのを防ぐことができる。

以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は、本発明が適用される内燃機関の排気浄化システムの概略構成を示す図である。

内燃機関１は、圧縮着火式の内燃機関である。内燃機関１において燃焼により生成された排気は、内燃機関１から排気通路２へと排出される。排気通路２の途中には、貴金属等の酸化機能を有する酸化触媒３と、酸化触媒３の下流側の排気通路２には排気中の粒子状物質を捕集除去する触媒付フィルタ４が設けられている。触媒付フィルタ４は、セラミック等のフィルタ基材にＰｔ等の貴金属触媒が担持された、いわゆるＤＰＲ(Disel Particulate active Reduction System)、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate - NOx Reduction system）等である。

また、酸化触媒３の上流側の排気通路２には、排気通路を流れる排気に燃料を供給することにより酸化触媒３に燃料を添加する燃料添加弁８が設けられている。

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（以下、「ＥＣＵ」という）９が併設されている。このＥＣＵ９は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、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ユニットである。また、ＥＣＵ９は、酸化触媒劣化検出手段、フィルタ触媒劣化検出手段、及び、燃料添加量調整手段を構成する。

ＥＣＵ９には、アクセル開度センサ１０、クランクポジションセンサ１１等、内燃機関１の運転状態を検出する種々のセンサが電気配線を介して接続され、それらの出力信号がＥＣＵ９に入力されるようになっている。

また、酸化触媒３の上流側の排気通路２に酸化触媒３に導入される排気ガスの温度を検出する温度センサ５が、酸化触媒３の下流側の排気通路２に酸化触媒３から排出されるガスの温度を検出する温度センサ６が、触媒付き触媒付フィルタ４の下流側の排気通路に触媒付き触媒付フィルタ４から排出されるガスの温度を検出する温度センサ７が設けられており、ＥＣＵ９はこれらのセンサと電気的に接続されている。

ＥＣＵ９には、燃料添加弁８が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ９からの指令に従って燃料添加弁８から排気通路２を流れる排気に供給される燃料量等が制御される。
図１には図示されていないが、内燃機関１に備えられている燃料噴射弁もＥＣＵ９と電気的に接続され、ＥＣＵ９からの指令に従って燃料噴射弁からの燃料の噴射時期や噴射量が制御される。

上記のように構成される内燃機関１の排気系においては、排気中に含まれる粒子状物質は、触媒付フィルタ４によって捕集され、触媒付フィルタ４内に堆積していく。触媒付フィルタ４内に堆積した粒子状物質は、触媒反応により酸化燃焼される。また、酸化触媒３を通過した未燃燃料（ＨＣ）は、触媒付フィルタ４内で触媒反応により酸化される。触媒付フィルタ４は、堆積する粒子状物質がある程度の量までは触媒により再生されるが、堆積量が多くなると、強制再生する必要がある。このため、燃料添加弁８から酸化触媒３へ燃料を添加したり、または、内燃機関１における燃料噴射時期や燃料噴射量を制御したりすることで、酸化触媒３に燃料を供給して酸化触媒３において酸化熱を発生させる。そして、この酸化熱によって高温となった排気ガスを触媒付フィルタ４に流入させることで、触媒付フィルタ４に捕集された粒子状物質を酸化除去する。

次に、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置における触媒劣化検出処理の一例について図２に示すフローチャートを参照して説明する。
先ず、劣化検出要求フラグがオンしているかを判断し（ステップＳ１）、オンしている場合には、触媒付フィルタ４の触媒の劣化度Ｋdprを算出する（ステップＳ２）。触媒付フィルタ４の触媒の劣化度Ｋdprは、触媒が受熱した温度履歴（熱履歴）に基づいて算出される。この劣化度の算出方法は、たとえば、特開２００６−２９１８３２号公報、特開２００６−２９１８３３号公報、特開２００６−２９１８３４号公報等に開示されたものを用いることができる。
熱履歴による触媒劣化の算出方法は、具体的には、例えば、所定間隔期間毎に触媒温度（床温）を測定し、その間隔時間内における熱劣化進行度ｄＫを床温に基づいて算出する。次いで、所定時間毎に求められる熱劣化進行度ｄＫを順次積算して、その積算値を熱劣化カウンタＫとする。最新の熱劣化カウンタＫの値が現状の熱劣化度を示す指標値となり、その値に基づいて触媒付フィルタの熱劣化を推定する。また、フィルタ再生回数、高負荷高加速運転等の情報を用いて、熱劣化度を補正し、熱劣化度の推定精度を高めることもできる。

次いで、算出した劣化度Ｋdprを一定値（劣化判別閾値）と比較し（ステップＳ３）、算出した劣化度Ｋdprが一定値を下回る場合には、触媒付フィルタ４の触媒が劣化していると判断し（触媒付フィルタ４が使用不能と判断し）、ＤＰＲ劣化フラグをオンしたのち（ステップＳ４）、処理を終了する。これにより、触媒付きフィルタ４の浄化性能が低下しているときに、酸化触媒への燃料添加によりエミッションが増加するのを回避できる。また、処理を終了することにより、これ以降、酸化触媒への燃料添加が実行されないので、未燃の炭化水素の大気中への排出を確実に防止できる。

触媒付フィルタ４の触媒が使用可能である場合には、例えば、図３に示すようなマップを用いて、酸化触媒３へ添加する燃料添加量Ｑmaxを決定する。すなわち、図３に示すマップは、酸化触媒３の劣化度Ｋcco及び触媒付フィルタ４の触媒劣化度Ｋdprと燃料添加量Ｑmaxとを関係付けている。このマップでは、劣化度Ｋdpr、劣化度Ｋccoが低いほど燃料添加量Ｑmaxを大きくし、劣化度Ｋdpr、劣化度Ｋccoが高いほど、燃料添加量Ｑmaxを小さくする。触媒付フィルタ４の触媒劣化度Ｋdprが高い場合に、燃料添加量Ｑmaxを小さくすることにより、酸化触媒３をすり抜ける未燃燃料（ＨＣ）も少なくなり、触媒付フィルタ４の触媒によりＨＣを確実に酸化できる。また、酸化触媒３の劣化度Ｋccoが高い場合には、酸化触媒３をすり抜ける未燃燃料（ＨＣ）が多くなり、触媒付フィルタ４の触媒により酸化できないＨＣが発生する。このため、燃料添加量Ｑmaxを小さくすることにより、酸化触媒３をすり抜ける未燃燃料（ＨＣ）を削減する。

燃料添加量Ｑmaxを決定したのち、燃料の添加量合計Ｑsum、酸化触媒３の床温（触媒の平均温度）を計測した実温度上昇合計Ｔsum、理論温度上昇合計Ｔ'sumからなる各パラメータを初期化し（ステップＳ６）、燃料添加量の積算値のパラメータである積算添加量Ｑiを初期化する（ステップＳ７）。

次いで、酸化触媒３への燃料添加を実施する（ステップＳ８）。燃料添加は、複数回に分けて実行される。このときの酸化触媒３への燃料（ＨＣ）添加量を積算し、積算添加量Ｑiを更新する（ステップＳ９）。
次いで、酸化触媒３の上流及び下流に設けられた温度センサ５，６の検出する温度から、酸化触媒３の床温の上昇値ΔＴを算出し、これを積算して実温度上昇合計Ｔsumを更新する（ステップ１０）。

次いで、積算添加量Ｑiと燃料添加量Ｑmaxとを比較し（ステップＳ１１）、積算添加量Ｑiが燃料添加量Ｑmaxを超えない場合には、ステップＳ８〜Ｓ１０の処理を繰り返し、積算添加量Ｑiが燃料添加量Ｑmaxを超えた場合には、燃料添加量合計Ｑsumを更新する(ステップＳ１２)。
次いで、積算添加量Ｑiから計算される理論床温上昇値ΔＴ’を積算して、理論温度上昇合計Ｔ'sumを更新する（ステップＳ１３）

ここで、燃料の添加量合計Ｑsumと最低添加量Ｑminとを比較する（ステップＳ１４）。最低添加量Ｑminは、燃料添加量Ｑmaxを小さくしていくと、劣化検出精度が低下するので、検出精度を保証するために規定された燃料添加量である。燃料の添加量合計Ｑsumが最低添加量Ｑminに達していないときは、積算添加量Ｑiをリセットし、ステップＳ７〜Ｓ１３の処理を繰り返す。

劣化検出精度を保証する最低添加量Ｑminが添加された場合には、燃料添加を終了し、酸化触媒３の劣化度Ｋdprを更新する（ステップＳ１５）。劣化度Ｋdprは、実温度上昇合計Ｔsumと理論温度上昇合計Ｔ'sumとの比Ｔsum／Ｔ'sumから求まり、値が小さいほど劣化が進んでいることを意味する。

次いで、算出した劣化度Ｋdprと一定値（劣化判別閾値）とを比較し(ステップＳ１６)、劣化度Ｋdprの値が劣化判別閾値を下回る場合には、酸化触媒３の劣化が進み使用不可と判断し、酸化触媒劣化フラグをオンする（ステップＳ１７）。劣化度Ｋdprの値が劣化判別閾値を上回る場合には、酸化触媒３が使用可能と判断し、酸化触媒劣化フラグをオフする（ステップＳ１８）。尚、算出した劣化度Ｋdprは、ステップＳ４において次回の燃料添加量Ｑmaxを決定するのに用いられる。

以上のように、本実施形態では、酸化触媒３の下流に設けるフィルタとして、触媒付フィルタ４を用いるので、酸化触媒３の劣化検出時に酸化触媒３をすり抜けるＨＣを酸化でき、エミッション性能の低下を防ぐことができる。
また、触媒付フィルタ４の触媒の劣化度に応じて酸化触媒３への燃料添加量を調整することにより、触媒付フィルタ４で酸化触媒３をすりぬけた未燃ＨＣを確実に酸化でき、エミッション性能の低下を防ぐことができる。

また、１回あたりの燃料添加量Ｑmaxを低減した場合に、所定の最低添加量Ｑminに達するまで、燃料添加を複数回行うことにより、劣化検出精度が低下するのを防ぐことができる。

上記実施形態では、酸化触媒３、触媒付フィルタ４の劣化判定を１回の検出に基いて実行する場合について説明したが、燃料添加量Ｑmaxに応じて検出回数を増減することも可能である。すなわち、燃料添加量Ｑmaxが多い場合には、検出回数を少なくし、燃料添加量Ｑmaxが少なくなるにしたがって、劣化判断のための検出回数を増やすことも可能である。

上記実施形態では、酸化触媒３の劣化度Ｋcco及び触媒付フィルタ４の触媒劣化度Ｋdprに応じて１回当たりの燃料添加量Ｑmaxを決定する構成としたが、触媒付フィルタ４の触媒劣化度Ｋdpr及び酸化触媒３の劣化度Ｋccoのいずれか一方のみに応じて１回当たりの燃料添加量Ｑmaxを決定する構成も可能である。

本発明が適用される内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置のＥＣＵにおける触媒劣化検出処理の一例を示すフローチャートある。 燃料添加量を決定するためのマップの一例を示す図である。

符号の説明

１…内燃機関
２…排気通路
３…酸化触媒
４…触媒付フィルタ
５…温度センサ（触媒床温検出手段）
６…温度センサ（触媒床温検出手段）
８…燃料添加弁（燃料添加手段）
９…ＥＣＵ（酸化触媒劣化検出手段、フィルタ触媒劣化検出手段、燃料添加量調整手段）
１０…アクセル開度センサ
１１…クランクポジションセンサ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、
   前記酸化触媒の下流の内燃機関の排気通路に設けられ、触媒を担持し、排気ガスに含まれる粒子状物質を除去する触媒付フィルタと、
   前記酸化触媒へ燃料を添加する燃料添加手段と、
   前記酸化触媒の触媒床温を検出する触媒床温検出手段と、
   前記燃料添加手段による前記酸化触媒への燃料添加により生じる前記酸化触媒の触媒床温の変化に基いて、前記酸化触媒の劣化度を検出する酸化触媒劣化検出手段と、
   前記触媒付フィルタの触媒の劣化度を検出するフィルタ触媒劣化検出手段と、
   前記酸化触媒劣化検出手段により前記酸化触媒の劣化度を検出する際の燃料の添加量を、前記触媒付フィルタの触媒の劣化度に応じて調整する燃料添加量調整手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記燃料添加量調整手段は、前記触媒付フィルタの触媒及び前記酸化触媒の劣化度に応じて前記添加量を調整する、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。
3. 前記フィルタ触媒劣化検出手段は、前記触媒付フィルタの触媒が受熱した温度履歴に基づいて当該触媒の劣化度を検出する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記酸化触媒の劣化検出精度を高めるために、調整後の燃料添加量の合計値が所定の閾値を越えるまで、調整後の燃料添加量による燃料添加を実施することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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