JP2009191694A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】フィルタの故障の検出精度を向上する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ、排気中に含まれる微粒子を捕集するフィルタと、フィルタへの流入微粒子量とフィルタからの流出微粒子量とに基づいてフィルタの故障を判定する故障判定手段と、を備えた排気浄化装置において、排気の空燃比と吸入空気量とに基づく予め定められた判定実行条件が満たされた場合に判定を実行する。排気の空燃比と内燃機関の吸入空気量とに基づく予め定められた判定実行条件が満たされた場合に故障判定を実行するので、フィルタの故障が存在する場合と存在しない場合とで流出PM量に顕著な差がある場合に限って故障判定を行うことが可能になり、フィルタの故障の検出精度を向上できる。
【選択図】図2

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、排気中に含まれる微粒子を浄化する技術に関する。
自動車等に搭載される内燃機関では、排気中に含まれる特定の成分を浄化することが望まれている。特に、圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンでは、排気中に含まれる煤やSOF(Soluble Organic Fraction)などの微粒子(Particulate Matter、以下「PM」ともいう)を浄化することが要求されている。この微粒子浄化技術として、エンジンの排気通路にフィルタを設置し、このフィルタで排気中のPMを捕集することが行われている。このフィルタは一般にパティキュレートフィルタと称され、特にディーゼルエンジンの場合ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)と称される。
このようなフィルタは排気の高温に曝されるため、溶損などの故障が生じるおそれがある。フィルタの故障を検出する技術として、フィルタの上流側と下流側における排気圧の比に基づいて、フィルタの故障を検出する装置が提案されている(特許文献1)。この装置では、フィルタの上流側と下流側の差圧に基づいてフィルタの故障を検出する構成に比べて、故障を精度良く検出することができる。
ところで、引用文献1の装置では、吸入空気量および排気温度が所定値以上であることを、故障検出実行の条件としている。このような条件を設定したことにより、フィルタの破損箇所からのPMのすり抜けが発生しやすい条件下で検出を実行できるため、誤判定を抑制することができる。
特開2007−132290号公報
しかし、吸入空気量および排気温度が所定値以上である場合であっても、フィルタの故障が正確に検出できない場合があり、検出精度の一層の向上が要請される。
そこで、本発明の目的は、フィルタの故障の検出精度を向上するための新規な手段を提供することにある。
本発明の第1の態様は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中に含まれる微粒子を捕集するフィルタと、前記フィルタへの流入微粒子量と前記フィルタからの流出微粒子量とに基づいて前記フィルタの故障を判定する故障判定手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記故障判定手段は、前記排気の空燃比と前記内燃機関の吸入空気量とに基づく予め定められた判定実行条件が満たされた場合に、前記判定を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
本発明者らは、鋭意研究の結果、例えば図5に示されるように、定常運転中(領域A,C)及び排気ガス量の少ない低負荷運転中には、フィルタの故障が存在する場合と存在しない場合とで流出PM量の差は小さいが、加速中(領域B)及び高負荷運転中には、フィルタの故障が存在する場合と存在しない場合とで流出PM量に顕著な差があることを見出した。
この原因をさらに検討したところ、加速中には定常運転中よりも燃料がリッチ側(空燃比が小)にされ、これによって内燃機関から発生するPMの量(濃度)が大にされることであることが判明した。また、フィルタに破損箇所がある場合、図6に示されるように、排気ガス量がある値を超えると、破損箇所を通るガス量の割合が高まることも判明した。
このため本発明では、排気の空燃比と内燃機関の吸入空気量とに基づく予め定められた判定実行条件が満たされた場合に、故障判定手段が故障判定を実行することとした。その結果、フィルタの故障が存在する場合と存在しない場合とで流出PM量に顕著な差がある場合に限って故障判定を行うことが可能になり、これによってフィルタの故障の検出精度を更に向上することができる。
前記判定実行条件は、前記排気通路における空燃比が予め定められた基準空燃比以下であること、及び吸入空気量が予め定められた基準空気量以上であることを含むこととしてもよい。この場合には、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。
前記故障判定手段は、前記流入微粒子量に応じて前記基準空気量を可変してもよい。この場合には、故障判定の頻度及び精度を制御することが可能になる。
この場合には、前記流入微粒子量が大であるほど、前記基準空気量を小とするのが好適である。流入微粒子量が大である場合には、吸入空気量が少なくてもフィルタの故障を明瞭に検出できる傾向があるので、しきい値である基準空気量を減少させることで、故障判定の頻度を増大させることができる。また、基準空気量が固定値である場合には、その値はある程度の検出頻度を得るために低くする必要があり、誤判定の原因になりうるが、流入微粒子量が大であるほど基準空気量を小とすれば、流入微粒子量が多い場合にのみ基準空気量を小さくでき、誤判定を抑制して判定精度を向上することが可能になる。
本発明では、前記流入微粒子量を前記内燃機関の運転状態に基づいて推定してもよい。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。10は自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、11は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、12は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、13は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ17に供給された燃料が、高圧ポンプ17によりコモンレール18に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール18内の高圧燃料がインジェクタ(燃料噴射弁)14から燃焼室13内に直接噴射供給される。エンジン10からの排気ガスは、排気マニフォルド12からターボチャージャ19を経た後にその下流の排気通路15に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。
エアクリーナ20から吸気通路21内に導入された吸入空気は、エアフローメータ22、ターボチャージャ19、インタークーラ23、スロットルバルブ24を順に通過して吸気マニフォルド11に至る。エアフローメータ22は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気(新気)の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ24には電子制御式のものが採用されている。
ターボチャージャ19の下流側の排気通路15には、上流側から順に、NOx触媒30、フィルタとしてのディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)31及び酸化触媒32が直列に設けられている。NOx触媒30は、排気ガス中のNOxを還元して浄化するものであり、例えば吸蔵還元型NOx触媒からなる。吸蔵還元型NOx触媒は、排気空燃比がリーンの通常運転時に排気中のNOxを吸収する一方、ポスト噴射等によるリッチスパイクが実行されて排気空燃比が一時的にリッチとされたとき、吸収NOxを放出する。この放出NOxは還元剤としての排気中HCと反応して還元除去される。酸化触媒32は、排気中の未燃成分である炭化水素(HC)及び一酸化炭素(CO)(特に炭化水素)を酸化して浄化するためのものである。
DPF31は、排気中に含まれる微粒子(PM)を捕集して除去するものであり、ハニカム形状の耐熱性基材の両端開口を互い違いに市松状に閉塞した所謂ウォールフロータイプのもの、あるいは網の目構造のフォーム形状のものなど、PMを物理的に捕集するあらゆるタイプのフィルタを用いることができる。
エンジン10には、排気の一部を吸気系に還流させるためのEGR装置35が設けられる。EGR装置35は、排気通路15(排気マニフォルド12)及び吸気通路21(吸気マニフォルド11)を連通するEGR通路と、EGR通路に設けられたEGR弁37と、EGR通路においてEGR弁37の上流側に設けられたEGRクーラ38とを備える。EGR弁37は、EGR通路を流れる排気ガス、即ち排気系から吸気系に環流されるEGRガスの流量を調節する。EGRクーラ38は、吸気系に戻されるEGRガスの流量を増大すべくEGRガスを冷却する。
エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット(以下ECUと称す)100が設けられる。ECU100は、CPU、ROM、RAM、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ECU100は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ14、高圧ポンプ17、スロットルバルブ24及びEGR弁37等を制御する。ECU100に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ22の他、エンジン10のクランク角を検出するクランク角センサ26、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ27、及びコモンレール18内の燃料圧力(コモンレール圧)を検出するコモンレール圧センサ28が含まれる。ECU100はクランク角センサ26の出力に基づきエンジン10の回転速度を常時演算している。
ECU100は、インジェクタ14から噴射される燃料噴射量をエンジン運転状態(主に回転速度及びアクセル開度)に基づき制御する。またECU100は、吸気全体に対するEGRガス量の比率が所定の目標EGR率になるように、EGR弁37及びスロットルバルブ24を制御する。さらにECU100は、コモンレール圧センサ28により検出された実際のコモンレール圧が所定の目標コモンレール圧になるように、高圧ポンプ17を制御する。
排気通路15において、DPF31の上流側特に直前には、DPF31に流入する排気ガスの酸素濃度を検出するための酸素濃度センサ40が設置されている。酸素濃度センサ40は、排気ガスの酸素濃度に応じて連続的に可変の電流信号をECU100に出力する。この電流信号の値はECU100により空燃比に換算可能である。なお酸素濃度センサは酸素センサ或いは空燃比センサなどとも称される。酸素濃度センサの出力信号は電流信号でなく電圧信号であってもよい。
排気通路15において、DPF31の上流側特に直前には、DPF31に流入する排気ガスのPM濃度を検出するための上流PMセンサ41が設置されている。DPF31の下流側特に直後には、DPF31から流出する排気ガスのPM濃度を検出するための下流PMセンサ42が設置されている。PMセンサ41,42は、それぞれ発光素子及び受光素子を含み、排気ガスを通って受光素子に受光される光の受光量が、排気ガス中のPM濃度が高いほど小さくなる特性を利用して、PM濃度に応じた電圧信号をECU100に出力する。この電圧信号の値はECU100によりPM濃度値に換算可能である。
他のセンサ類として、排気温を検出する排気温センサ、排気ガスのNOx濃度を検出するNOxセンサ、及び理論空燃比を境に出力値が急変するタイプの酸素濃度センサ(所謂O2センサ)等を排気通路15に適宜設置するのも好ましい。
なお、DPF31のフィルタ再生を行う方法については様々な方法が知られているが、本実施形態ではDPF自身で捕集PMを燃焼除去する方法を採用する。即ち、DPF内部にPt等の貴金属からなる触媒を担持させておき、捕集PMが所定量を超えたら、ポスト噴射、あるいは排気マニフォルドに設けた専用のインジェクタ(不図示)により比較的リッチな排気ガスをDPF31に供給する。これにより、排気ガス中のリッチ成分(主にHC)が触媒と反応して燃焼し、これと同時に捕集PMを燃焼する。なお、他の方法でフィルタ再生を行うことも可能であり、例えば別途設けられたヒータで捕集PMを燃焼除去することも可能である。
DPF31の再生のタイミングを決定するために、DPF31におけるPMの堆積量を検出する必要がある。そこで、本実施形態では、次のようにしてDPF31の破損を検出することとしている。即ち、上流PMセンサ41によって、DPF31に供給される排気のPM量(濃度)を検出し、他方、下流PMセンサ42によって、DPF31から排出される排気のPM量(濃度)を検出する。そして、検出されたPM量(以下「流入PM量」及び「流出PM量」ともいう)に基づき、例えば両者の差分又は比率に応じて、DPF31のPM捕集量を推定する。そしてこのPM捕集量が所定量を超えたとき、フィルタ再生時期であるとして、前述の如きフィルタ再生制御を実行する。
ところが、DPF31は経年劣化により故障する場合がある。DPF31が故障したときにはPMの除去を正常に行うことが困難であるから、DPF31の故障を精度良く判定する必要がある。
このような故障判定のためにECU100で実行される処理ルーチンについて説明する。図2の故障判定処理ルーチンは、例えばエンジン始動時や、所定の暖機終了条件の成立後に実行される。図2において、ECU100は、その不揮発性記憶装置の所定のメモリ領域に設けられた劣化検出要求フラグがONかを判断する(S10)。当該フラグは、例えば走行距離や運転時間の、出荷時または前回の故障判定からの累積値が、所定の基準走行距離や基準運転時間を超えている場合にONされる。ステップS10で否定の場合には処理がリターンされる。当該フラグがONである場合には、初期化処理として流入PM積算量及び流出PM積算量が0にリセットされる(S20)。
次に、エンジンから排出される排気ガスの空燃比が、予め定められた基準空燃比未満であるか、すなわち所定値よりもリッチ側かが判断される(S30)。空燃比は酸素濃度センサ40の検出値から算出される。
また、DPF31を通過する空気量が、予め定められた基準空気量より大かが判断される(S40)。ここでは、DPF31を通過する空気量として、エアフローメータ22によって検出されるエンジンの吸入空気量が代用されるが、吸入空気量と燃料噴射量とからDPF31を通過する空気量をマップで算出して用いてもよい。
これらステップS30及びS40の判断は両者がYESになるまで繰返し実行される。両者がYESの場合には、次にECU100は、流入PM積算量に流入PM量を加算する(S50)。ここでの流入PM量は、流入PM濃度センサ40によって検出されるPM濃度と、吸入空気量との積である。次にECU100は、流出PM積算量に流出PM量を加算する(S60)。ここでの流入PM量は、流出PM濃度センサ41によって検出されるPM濃度と、吸入空気量との積である。ステップS50及びS60の処理は、流入PM積算量が、予め定められた基準積算量より大となるまで(S70)、繰返し実行される。
ステップS70で流入PM積算量が基準積算量より大になると、次にECU100は、フィルタトラップ率を算出する(S80)。このフィルタトラップ率は、流入PM積算量から流出PM積算量を減算した値を、流入PM積算量で除した値であり、流入したPMのうちDPF31にトラップされた割合を示している。
そしてECU100は、算出されたフィルタトラップ率が、予め定められた基準トラップ率よりも大であるかを判断し(S90)、小である場合には所定のフィルタ故障フラグをONし(S100)、大である場合にはOFFにする(S110)。このフィルタ故障フラグは、整備作業者の所定の診断(ダイアグノーシス)操作によって読み出され、あるいは当該フラグの参照に応じて車室内の表示装置によって所定の警報出力が行われる。以上の処理の終了後、ECU100は上述した劣化検出要求フラグをOFFし(S120)、処理をリターンする。
以上のとおり、本実施形態では、排気の空燃比と内燃機関の吸入空気量とに基づく予め定められた判定実行条件が満たされた場合に、故障判定手段が故障判定を実行する。したがって本実施形態では、DPF31の故障が存在する場合と存在しない場合とで流出PM量に顕著な差がある場合に限って故障判定を行うことが可能になり、これによってDPF31の故障の検出精度を更に向上することができる。
また本実施形態では、判定実行条件が、排気通路15における空燃比が予め定められた基準空燃比以下であること、及び吸入空気量が予め定められた基準空気量以上であることを含むこととしたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態は、流入微粒子量に応じて基準空気量を可変するものであり、具体的には、流入微粒子量が大であるほど、基準空気量を小とするものである。第2実施形態の機械的構成は上記第1実施形態と同様であるためその詳細の説明は省略する。
第2実施形態の動作について説明する。図3の故障判定処理ルーチンは、例えばエンジン始動時や、始動後の所定の暖機終了条件の成立後に実行される。図3において、ECU100は、その不揮発性記憶装置の所定のメモリ領域に設けられた劣化検出要求フラグがONかを判断する(S210)。当該フラグは、例えば走行距離や運転時間の、出荷時または前回の故障判定からの累積値が、所定の基準走行距離や基準運転時間を超えている場合にONされる。ここで否定の場合には処理がリターンされる。当該フラグがONである場合には、初期化処理として流入PM積算量及び流出PM積算量が0にリセットされる(S220)。
次にECU100は、PM流入係数Kpminを算出する(S230)。このPM流入係数Kpminは、DPF31を通過する空気量に重み付け係数k1を乗じ、流入PM量に重み付け係数k2を乗じて、両者を乗算したものである。ここでは、DPF31を通過する空気量としてエンジンの吸入空気量が代用されるが、吸入空気量と燃料噴射量とからDPF31を通過する空気量をマップで算出して用いてもよい。流入PM量は、流入PM濃度センサ40によって検出されるPM濃度と、吸入空気量との積である。
次にECU100は、PM流入係数kpminが予め定められた基準流入係数よりも大であるかを判断する(S240)。
このステップS240がYESの場合には、ステップS250からS320までの処理が行われるが、これらの処理は上記第1実施形態におけるステップS50からS120までの処理と同様である。
以上の処理の結果、本実施形態では、DPF31を通過する空気量と流入PM量との重み付けされた積値が、PM流入係数kpminよりも大であることを故障判定の条件としているため、図4に示されるとおり、右下がりの連続的な曲線th2を挟んで大空気量且つ大PM量側の領域aで故障判定が実行され、小空気量且つ小PM量側の領域bでは実行されない。すなわち、流入PM量が大であるほど、基準空気量が小とされることになる。なお、上記第1実施形態の場合には、基準流入PM量と基準空気量とが固定値であるため、故障判定の実行の有無は、例えば直線の組合せである曲線th1で区画されることになる。
以上のとおり、本実施形態では、流入微粒子量に応じて基準空気量が可変されるので、故障判定の頻度と精度を制御することが可能になる。また、流入微粒子量が大である場合には、吸入空気量が少なくてもフィルタの故障を明瞭に検出できる傾向があるので、しきい値である基準空気量を減少させることで、故障判定の頻度を増大させることができる。また、基準空気量が固定値である場合には、その値はある程度の検出頻度を得るために低くする必要があり、誤判定の原因になりうるが、流入微粒子量が大であるほど基準空気量を小とすれば、流入微粒子量が多い場合にのみ基準空気量を小さくでき、誤判定を抑制して判定精度を向上することが可能になる。
なお、第2実施形態では故障判定を許可する条件として、PM流入係数kpminを関数によって算出したが、故障判定を許可するか否かは、図4における曲線th2と同様のしきい値を有するマップを用いて判断してもよい。
以上、本発明の好適実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、前記実施形態は圧縮着火式内燃機関の例であったが、近年では火花点火式内燃機関においても排気中微粒子が発生する例が見受けられ、このような場合に本発明を火花点火式内燃機関に適用することも可能である。
また、上記各実施形態では、流入PM量を光学式の流入PMセンサ40によって検出したが、他の方式のセンサを用いてもよいし、流入PM量をエンジンの運転状態に基づいて推定してもよい。PMの発生は燃焼温度が低温且つ不完全燃焼の条件で促進されるため、流入PM量は、例えば、エンジン回転数、吸入空気量、要求負荷、噴射開始角、EGR量、過給圧、スワール率、空燃比、筒内圧力、エンジン水温のうちの1以上のパラメータから所定の関数によって推定することができる。
また、上記各実施形態ではフィルタ交換時期となるような劣化状態を検出するようにしたが、フィルタ交換時期に至る前の中間的なフィルタ劣化状態の検出にも本発明は適用可能である。
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。 第1実施形態における故障判定処理を示すフローチャートである。 第2実施形態における故障判定処理を示すフローチャートである。 第2実施形態における流入PM量と空気量との関係を示すグラフである。 エンジンの運転履歴と流出PM量との関係を示すタイムチャートである。 DPFのガス通過量と破損箇所を通るガス量の割合との関係を示すグラフである。
符号の説明
10 内燃機関
15 排気通路
22 エアフローメータ
31 ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)
40 下流酸素濃度センサ
41 上流PMセンサ
42 下流PMセンサ
100 電子制御ユニット(ECU)

Claims (5)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中に含まれる微粒子を捕集するフィルタと、
    前記フィルタへの流入微粒子量と前記フィルタからの流出微粒子量とに基づいて前記フィルタの故障を判定する故障判定手段と、
    を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記故障判定手段は、前記排気の空燃比と前記内燃機関の吸入空気量とに基づく予め定められた判定実行条件が満たされた場合に、前記判定を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記判定実行条件は、前記排気の空燃比が予め定められた基準空燃比以下であること、及び吸入空気量が予め定められた基準空気量以上であることを含むことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  3. 請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記故障判定手段は、前記流入微粒子量に応じて前記基準空気量を可変することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  4. 請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記故障判定手段は、前記流入微粒子量が大であるほど、前記基準空気量を小とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  5. 請求項1ないし4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記流入微粒子量を前記内燃機関の運転状態に基づいて推定する推定手段を更に備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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