JP2009197763A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気系に設けられるＤＰＦの再生制御において粒子状物質を充分に燃焼させることができないような異常を、比較的に簡単な構成で判定することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 排気流量ＤＭＥＸ及び酸素流量ＤＭＯ２を算出し（Ｓ１２，Ｓ１３）、ＤＰＦ１２の再生制御実行中においてＤＰＦ温度ＴＤＰＦが所定下限温度ＴＬＯより高いときに、排気流量ＤＭＥＸ及び酸素流量ＤＭＯ２を積算することにより、ＤＰＦ１２に流入する排気量ＳＩＧＥＸ及び酸素量ＳＩＧＯ２を算出する（Ｓ１４〜Ｓ１６）。排気量ＳＩＧＥＸに対する酸素量ＳＩＧＯ２の比率を判定パラメータＲＥＳＵＬＴとして算出し（Ｓ１７）、判定パラメータＲＥＳＵＬＴが判定閾値ＴＨＲ以下であるときは、再生制御に異常があったと判定する（Ｓ２１）。
【選択図】 図２

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気系にパティキュレートフィルタを備え、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させる再生制御の異常判定を行う機能を有するものに関する。

特許文献１には、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）の再生制御の異常を判定する手法が示されている。この手法によれば、上流側及び下流側に酸素濃度センサが設けられ、上流側酸素濃度と下流側酸素濃度の差（濃度差）の時間変化率である酸素濃度変化率が算出され、酸素濃度変化率が所定変化率を超える状態が所定時間以上継続したときに、ＤＰＦが異常昇温していると判定される。

特開２００２−７０６１９号公報

特許文献１に示された手法は、酸素濃度変化率に応じてＤＰＦの昇温状態を推定し、推定した昇温状態に応じて機関の吸入空気流量の調節を行うことを前提としている。

しかしながら、このような吸入空気流量の調節を行わない場合には、再生制御中にＤＰＦに流入する酸素量が不足し、堆積した粒子状物質を充分に燃焼させることができないような異常を判定する必要がある。

また、パティキュレートフィルタの再生制御時には、噴射され燃料がパティキュレートの燃焼に用いられるが、燃料の供給状態が異常（特に過多）である場合は、パティキュレートフィルタに到達する前に過多燃料によって酸素が消費されすぎてしまい、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させるのに必要な酸素量が不足することになる。したがって、このような異常も判定する必要がある。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、パティキュレートフィルタの再生制御において粒子状物質を充分に燃焼させることができないような異常を、比較的に簡単な構成で判定することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、排気系にパティキュレートフィルタ（１２）を備える内燃機関（１）の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタ（１２）に堆積した粒子状物質を燃焼させる再生制御を行う再生制御手段と、前記パティキュレートフィルタ（１２）に流入する排気中の酸素濃度（ＣＯＮＣＯ２）を検出する酸素濃度検出手段（２２）と、検出した酸素濃度（ＣＯＮＣＯ２）に応じて前記パティキュレートフィルタ（１２）に流入する酸素流量（ＤＭＯ２）を算出する酸素流量算出手段と、前記再生制御の実行中に前記酸素流量（ＤＭＯ２）を積算することにより流入酸素量（ＳＩＧＯ２）を算出する流入酸素量算出手段と、前記再生制御の終了時点における前記流入酸素量（ＳＩＧＯ２）が所定量（ＴＨＯ２）以下であるときに、前記再生制御に異常があったと判定する判定手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化御装置において、前記パティキュレートフィルタ（１２）近傍の温度（ＴＤＰＦ）を検出する温度検出手段（２３）をさらに備え、前記流入酸素量算出手段は、前記再生制御の実行中において、前記温度検出手段により検出される温度（ＴＤＰＦ）が所定温度（ＴＬＯ）より高いときに前記流入酸素量（ＳＩＧＯ２）の算出を行うことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、排気系にパティキュレートフィルタ（１２）を備える内燃機関（１）の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタ（１２）に堆積した粒子状物質を燃焼させる再生制御を行う再生制御手段と、前記パティキュレートフィルタ（１２）に流入する排気中の酸素濃度（ＣＯＮＣＯ２）を検出する酸素濃度検出手段（２２）と、検出した酸素濃度（ＣＯＮＣＯ２）に応じて前記パティキュレートフィルタ（１２）に流入する酸素流量（ＭＤＯ２）を算出する酸素流量算出手段と、前記再生制御の実行中に前記酸素流量（ＭＤＯ２）を積算することにより流入酸素量（ＳＩＧＯ２）を算出する流入酸素量算出手段と、前記パティキュレートフィルタ（１２）に流入する排気流量（ＭＤＥＸ）を算出する排気流量算出手段と、前記再生制御の実行中に前記排気流量（ＭＤＥＸ）を積算することにより流入排気量（ＳＩＧＥＸ）を算出する流入排気量算出手段と、前記再生制御の終了時点において前記流入酸素量（ＳＩＧＯ２）と前記流入排気量（ＳＩＧＥＸ）との相対関係を示す判定パラメータ（ＲＥＳＵＬＴ）を算出する判定パラメータ算出手段と、前記判定パラメータ（ＲＥＳＵＬＴ）と所定値（ＴＨＲ）との関係に応じて、前記再生制御の異常を判定する判定手段とを備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに流入する排気中の酸素濃度が検出され、検出した酸素濃度に応じてパティキュレートフィルタに流入する酸素流量が算出され、再生制御の実行中に酸素流量を積算することにより流入酸素量が算出される。そして、再生制御の終了時点における流入酸素量が所定量以下であるときに、再生制御に異常があったと判定される。パティキュレートフィルタの再生完了までに必要とされる酸素量の概略値は予め判るので、この必要酸素量に対して実際に流入した酸素量が大幅に少ないときは、再生制御が正常に実行されず、粒子状物質が完全に燃焼していないと判定することができる。したがって、比較的簡単な構成で再生制御の異常判定を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、再生制御の実行中において、パティキュレートフィルタ近傍の温度（フィルタ温度）が所定温度より高いときに流入酸素量の算出が行われる。フィルタ温度が比較的低いときは、酸素が供給されても粒子状物質は燃焼しないので、フィルタ温度が所定温度より高いときに流入酸素量を算出することにより、正確な判定を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに流入する排気中の酸素濃度が検出され、検出した酸素濃度に応じてパティキュレートフィルタに流入する酸素流量が算出され、再生制御の実行中に酸素流量を積算することにより流入酸素量が算出される。さらにパティキュレートフィルタに流入する排気流量が算出され、再生制御の実行中に排気流量を積算することにより流入排気量が算出され、再生制御の終了時点において流入酸素量と流入排気量との相対関係を示す判定パラメータが算出される。そして、判定パラメータと所定値との関係に応じて再生制御の異常が判定される。パティキュレートフィルタに流入する排気量によって、粒子状物質の燃焼に寄与する酸素量が変化すると考えられるので、流入排気量と流入酸素量との相対関係を示す例えば比率を判定パラメータとして使用することにより、流入排気量の影響を加味したより正確な異常判定を行うことができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁１６が設けられている。燃料噴射弁１６は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁１６の開弁時間及び開弁時期は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２、排気管４、及び過給機８を備えている。過給機８は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン１０と、タービン１０により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ９とを備えている。

タービン１０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン１０のベーン開度は、ＥＣＵ２０により電磁的に制御される。

吸気管２内の、コンプレッサ９の下流には加圧された空気を冷却するためのインタークーラ５及び吸入空気量を制御するインテークシャッタ（スロットル弁）３が設けられている。インテークシャッタ３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ２０により、開閉制御される。

排気管４のタービン１０の上流側と、吸気管２のインテークシャッタ５の下流側との間には、排気を吸気管２に還流する排気還流通路６が設けられている。排気還流通路６には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）７が設けられている。ＥＧＲ弁７は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。

排気管４の、タービン１０の下流側には、排気を浄化する触媒コンバータ１１と、排気中の酸素濃度ＣＯＮＣＯ２を検出する酸素濃度センサ２２と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１２とが上流側からこの順序で設けられている。酸素濃度センサ２２は、ＤＰＦ１２に流入する排気中の酸素濃度を検出する。ＤＰＦ１２にはＤＰＦ１２の温度（以下「ＤＰＦ温度」という）を検出するＤＰＦ温度センサ２３が設けられている。センサ２２及び２３の検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

触媒コンバータ１１は、排気中に含まれる炭化水素及び一酸化炭素の酸化を促進するための酸化触媒を内蔵する。触媒コンバータ１１は、ＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着剤及びＮＯｘの還元作用が付加されたものであってもよい。

ＤＰＦ１２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素（Ｃ）を主成分とするパティキュレート（粒子状物質）であるスート（ｓｏｏｔ）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックスや金属多孔体が使用される。ＤＰＦ１２に堆積したパティキュレートを燃焼させる再生制御が適時実行される。再生制御は、例えばポスト噴射（排気行程での燃料噴射）を実行することにより行われる。すなわち、触媒コンバータ１１の酸化触媒によりポスト噴射された燃料の酸化が促進され、ＤＰＦ１２に流入する排気温が上昇し、堆積したパティキュレートが燃焼する。

さらにエンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２４、エンジン１の吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ２１、エンジン１の冷却水温を検出する冷却水温センサ（図示せず）などが設けられており、これらのセンサの検出信号が、ＥＣＵ２０に供給される。エンジン１の回転数ＮＥは、クランク角度位置センサ２４の出力から算出される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁１６、ＥＧＲ弁７などに制御信号を供給する出力回路から構成される。

図２は、ＤＰＦ１２の再生制御の異常を判定する処理のフローチャートである。この処理はＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間毎に実行される。
ステップＳ１１では、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦ及び酸素濃度ＣＯＮＣＯ２を検出する。ステップＳ１２では、吸入空気流量センサ２１により検出される吸入空気流量ＧＡ及び単位時間当たりに換算した総燃料噴射量ＱＩＴを下記式（１）に適用し、排気流量ＤＭＥＸを算出する。総燃料噴射量ＱＩＴは、パイロット噴射及び主噴射において噴射される燃料量を含み、ポスト噴射と行われるときはポスト噴射において噴射される燃料量も含む。
ＤＭＥＸ＝ＧＡ＋ＱＩＴ （１）

ステップＳ１３では、酸素濃度ＣＯＮＣＯ２及び排気流量ＤＭＥＸを下記式（２）に適用し、ＤＰＦ１２に流入する酸素流量ＤＭＯ２を算出する。
ＤＭＯ２＝ＣＯＮＣＯ２×ＤＭＥＸ （２）

ステップＳ１４では、ＤＰＦの再生制御を実行しているか否かを判別し、この答が否定（ＮＯ）であるときは直ちにステップＳ１８に進む。ＤＰＦ再生制御を実行しているときは、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが所定下限温度ＴＬＯ（例えば５００℃）より高いか否かを判別する（ステップＳ１５）。この答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちに本処理を終了する。所定下限温度ＴＬＯは、ＤＰＦ１２に堆積したスートが燃焼可能な下限温度である。

ステップＳ１５でＴＤＰＦ＞ＴＬＯであるときは、下記式（３）及び（４）によりＤＰＦ１２に流入する酸素流量ＤＭＯ２及び排気流量ＤＭＥＸを積算し、流入酸素量ＳＩＧＯ２及び流入排気量ＳＩＧＥＸを算出する（ステップＳ１６）。下記式（３）、（４）の右辺のＳＩＧＯ２及びＳＩＧＥＸは、前回算出値である。
ＳＩＧＯ２＝ＳＩＧＯ２＋ＤＭＯ２ （３）
ＳＩＧＥＸ＝ＳＩＧＥＸ＋ＤＭＥＸ （４）

ステップＳ１７では、下記式（５）に流入酸素量ＳＩＧＯ２及び流入排気量ＳＩＧＥＸを適用し、判定パラメータＲＥＳＵＬＴを算出する。
ＲＥＳＵＬＴ＝ＳＩＧＯ２／ＳＩＧＥＸ （５）

ステップＳ１８では、ＤＰＦ１２の再生制御が完了したか否かを判別し、完了していないときは、直ちに本処理を終了する。ステップＳ１８の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、判定パラメータＲＥＳＵＬＴが判定閾値ＴＨＲより大きいか否かを判別する（ステップＳ１９）。ステップＳ１９の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、再生制御が正常に行われたと判定する（ステップＳ２０）。一方、ＲＥＳＵＬＴ≦ＴＨＲであるときは、再生制御に異常があったと判定する（ステップＳ２１）。ここで想定される異常としては、例えばポスト噴射における燃料噴射量が多すぎてＤＰＦ１２に流入する酸素量が不十分であった場合、あるいはポスト噴射における燃料噴射量が少なすぎてＤＰＦ温度ＴＤＰＦが所定下限温度ＴＬＯ以下である時間が長かった場合などがある。

図３は、図２の処理を説明するためのタイムチャートであり、時刻ｔ０からＤＰＦ再生制御が開始された例におけるＤＰＦ温度ＴＤＰＦ（図３（ａ））、酸素濃度ＣＯＮＣＯ２（図３（ｂ））、及び流入酸素量ＳＩＧＯ２（図３（ｃ））の推移が示されている。なお、図３（ｂ）、（ｃ）の破線は、異常と判定される例に対応する。

時刻ｔ１においてＤＰＦ温度ＴＤＰＦが所定下限温度ＴＬＯを超えると、流入酸素量ＳＩＧＯ２の積算が開始される。時刻ｔ２〜ｔ３の間ではＤＰＦ温度ＴＤＰＦが一時的に所定下限温度ＴＬＯを下回るため、流入酸素量ＳＩＧＯ２の値は同一値に保持される。時刻ｔ４においてＤＰＦ再生制御が完了する。

実線で示す例では、流入酸素量ＳＩＧＯ２が充分な量となり、判定パラメータＲＥＳＵＬＴが判定閾値ＴＨＲを超えるので、正常と判定される。一方、破線で示す例では、酸素濃度ＣＯＮＣＯ２が低いために流入酸素量ＳＩＧＯ２が不足し、判定パラメータＲＥＳＵＬＴが判定閾値ＴＨＲ以下となって、異常があったと判定される。

図４は他の例におけるＤＰＦ温度ＴＤＰＦの推移を示し、実線が正常である例に対応し、破線が異常がある例に対応する。破線で示す温度推移は、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが途中から低下したために、スートが充分に燃焼しなかったことを示すものである。

以上のように本実施形態では、ＤＰＦ１２の再生制御実行中にＤＰＦ１２に流入する酸素量である流入酸素量ＳＩＧＯ２、及びＤＰＦ１２に流入する排気量である流入排気量ＳＩＧＥＸが算出され、流入酸素量ＳＩＧＯ２を流入排気量ＳＩＧＥＸで除算することにより、判定パラメータＲＥＳＵＬＴが算出される。そして、判定パラメータＲＥＳＵＬＴが判定閾値ＴＨＲ以下であるときは、再生制御に異常があったと判定される。したがって、ＤＰＦ１２に流入する酸素量が不足し、堆積したスートを充分に燃焼させることができない異常を比較的簡単な構成で判定することができる。また流入排気量ＳＩＧＥＸによって、スートの燃焼に寄与する酸素量が変化すると考えられるので、判定パラメータＲＥＳＵＬＴを用いることにより、流入排気量ＳＩＧＥＸの影響を加味したより正確な異常判定を行うことができる。

本実施形態では、酸素濃度センサ２２及びＤＰＦ温度センサ２３がそれぞれ酸素濃度検出手段及び温度検出手段に相当し、ＥＣＵ２０が再生制御手段、酸素流量算出手段、流入酸素量算出手段、排気流量算出手段、流入排気量算出手段、判定パラメータ算出手段、及び判定手段を構成する。また吸入空気流量センサ２１は排気流量算出手段の一部を構成する。具体的には、図２のステップＳ１２及びＳ１３がそれぞれ排気流量算出手段及び酸素流量算出手段に相当し、ステップＳ１６が流入酸素量算出手段及び流入排気量算出手段に相当し、ステップＳ１７が判定パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ１８〜Ｓ２１が判定手段に相当する。

［第２の実施形態］
本実施形態は、判定パラメータＲＥＳＵＬＴを算出せずに、流入酸素量ＳＩＧＯ２により異常判定を行うようにしたものである。図５は本実施形態における異常判定処理のフローチャートであり、図２のステップＳ１７を削除し、ステップＳ１６及びＳ１９をそれぞれステップＳ１６ａ及びＳ１９ａに変更したものである。これ以外は第１の実施形態と同一である。

ステップＳ１６ａでは、式（３）により流入酸素量ＳＩＧＯ２を算出し、ステップＳ１９ａでは、流入酸素量ＳＩＧＯ２が酸素量閾値ＴＨＯ２より大きいか否かを判別する。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは正常と判定し（ステップＳ２０）、ＳＩＧＯ２≦ＴＨＯ２であるときは、異常があったと判定する（ステップＳ２１）。

本実施形態では、再生制御の終了時点における流入酸素量ＳＩＧＯ２が酸素量閾値ＴＨＯ２以下であるときに、酸素量不足のためにスートが完全に燃焼していない異常があったと判定される。したがって、比較的簡単な構成で再生制御の異常判定を行うことができる。

本実施形態では、図５のステップＳ１８，Ｓ１９ａ，Ｓ２０，及びＳ２１が判定手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第１の実施形態では判定パラメータＲＥＳＵＬＴとして、比率ＳＩＧＯ２／ＳＩＧＥＸを用いたが、これに限らず比率ＳＩＧＥＸ／ＳＩＧＯ２を用いてもよい。その場合には、判定パラメータＲＥＳＵＬＴが判定閾値ＴＨＲ’より小さいとき正常と判定し、判定閾値ＴＨＲ’以上であるとき異常があったと判定する。

またＤＰＦ温度センサ２３の取り付け位置は、図１に示した位置に限るものではなく、ＤＰＦ１２の近傍の温度を検出可能な位置であればよい。

またポスト噴射で噴射された燃料を燃焼させるためだけに触媒コンバータ１１を設けることは必ずしも必要ではなく、例えば特許文献１に示されるようにＤＰＦ１２に酸化触媒を担持させるようにしてもよい。またポスト噴射の実行タイミングを早めて燃焼行程で実行し、ポスト噴射で噴射された燃料を燃焼室内で燃焼させるようにしてもよい。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの排気浄化にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 ＤＰＦの再生制御の異常を判定する処理（第１の実施形態）のフローチャートである。 図２の処理を説明するためのタイムチャートである。 ＤＰＦの温度（ＴＤＰＦ）の推移を示すタイムチャートである。 ＤＰＦの再生制御の異常を判定する処理（第２の実施形態）のフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
４ 排気管
２０ 電子制御ユニット（再生制御手段、酸素流量算出手段、流入酸素量算出手段、排気流量算出手段、流入排気量算出手段、判定パラメータ算出手段、判定手段）
２１ 吸入空気流量センサ（排気流量算出手段）
２２ 酸素濃度センサ（酸素濃度検出手段）
２３ ＤＰＦ温度センサ（温度検出手段）

Claims (3)

1. 排気系にパティキュレートフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させる再生制御を行う再生制御手段と、
   前記パティキュレートフィルタに流入する排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
   検出した酸素濃度に応じて前記パティキュレートフィルタに流入する酸素流量を算出する酸素流量算出手段と、
   前記再生制御の実行中に前記酸素流量を積算することにより流入酸素量を算出する流入酸素量算出手段と、
   前記再生制御の終了時点における前記流入酸素量が所定量以下であるときに、前記再生制御に異常があったと判定する判定手段とを備え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近傍の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記流入酸素量算出手段は、前記再生制御の実行中において、前記温度検出手段により検出される温度が所定温度より高いときに前記流入酸素量の算出を行う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御装置。
3. 排気系にパティキュレートフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させる再生制御を行う再生制御手段と、
   前記パティキュレートフィルタに流入する排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
   検出した酸素濃度に応じて前記パティキュレートフィルタに流入する酸素流量を算出する酸素流量算出手段と、
   前記再生制御の実行中に前記酸素流量を積算することにより流入酸素量を算出する流入酸素量算出手段と、
   前記パティキュレートフィルタに流入する排気流量を算出する排気流量算出手段と、
   前記再生制御の実行中に前記排気流量を積算することにより流入排気量を算出する流入排気量算出手段と、
   前記再生制御の終了時点において前記流入酸素量と前記流入排気量との相対関係を示す判定パラメータを算出する判定パラメータ算出手段と、
   前記判定パラメータと所定値との関係に応じて、前記再生制御の異常を判定する判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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