JP2009235936A - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタの上流側の排ガス通路や、差圧を検出するための圧力センサ通路の異常を、簡単な構成で確実に検出することができる排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】差圧検出手段（１４）の検出結果に基づいてパティキュレートフィルタ（１２）へのパティキュレートの堆積状況を推定し、その堆積状況に基づいて同パティキュレートフィルタの再生を制御する制御装置（２２）を備えた内燃機関の排ガス浄化装置において、制御装置は、差圧検出手段により検出された差圧が、パティキュレートフィルタの再生を行った後に生じる差圧よりも小さく設定された所定値以下のときに、排ガス通路（１０）におけるパティキュレートフィルタの上流側部分、またはパティキュレートフィルタ入口側から差圧検出手段に至る検出用の通路（１６）の破損を判定する判定手段を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス通路にパティキュレートフィルタを備え内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

従来、ディーゼル式内燃機関等において、排ガス通路に排ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを設け、捕集された微粒子（パティキュレート）を内燃機関の排ガス浄化装置が知られている。この種の排ガス浄化装置においては、一般に、パティキュレートフィルタに捕集されて堆積したパティキュレートを適切な時期に燃焼除去することで、該フィルタの再生を行っている。この再生を行う時期の判定として、排ガス通路におけるパティキュレートフィルタの上流側と下流側の差圧を検出し、その検出結果に基づいてパティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積状況を推定し、その堆積状況に基づいて同パティキュレートフィルタの再生を制御するように構成されたものが知られている（特許文献１及び特許文献２を参照）。
特開平７−３１７５２９号公報 特開平８−２０６８８１号公報

このような排ガス浄化装置において、上述したパティキュレートフィルタにおける堆積されたパティキュレートをできるだけ正確に把握することが必要である。このためにはいくつかの要素があるが、その中の一つとして、該フィルタの上流側と下流側の差圧を常に正確に検出することが重要であり、例えば排ガス通路におけるパティキュレートフィルタの上流側部分に破損が生じたり、パティキュレートフィルタの入口側から差圧検出用の圧力センサに至る配管に破損が生じた場合、パティキュレートフィルタの前後差圧がほぼゼロとなり、該フィルタが完全再生されているものと誤った判断をしてしまうことになる。そしてその状態で運転を続けると、いつまでもパティキュレートフィルタの再生制御に入らず、ついには該フィルタが閉塞され、エンジンが運転不能状態になってしまう不具合がある。また該破損部分からパティキュレートを含む排ガスがそのまま大気に放出されてしまう不具合も生じる。

特許文献１においては、パティキュレートフィルタの上流側と下流側との圧力差からパティキュレートの捕集量を求めると共に、排ガス温度とエンジンの回転数とからパティキュレートの捕集量を求め、両者のずれ量が所定範囲から外れているときに、パティキュレートフィルタの上流側と下流側との圧力差から求めたパティキュレートの捕集量が異常であると判定するように構成されている。また特許文献２においては、パティキュレートフィルタの破損を、同フィルタの前後差圧により検出している。しかし、いずれも、パティキュレートフィルタの上流側の排ガス通路や、差圧を検出するための圧力センサ通路の異常を検出するものではない。

本発明は、パティキュレートフィルタの上流側の排ガス通路や、差圧を検出するための圧力センサ通路の異常を、簡単な構成で確実に検出することができる排ガス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に、請求項１の内燃機関の排ガス浄化装置は、排ガス通路に設けられ排ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタと、上記パティキュレートフィルタの上流側と下流側の差圧を検出する差圧検出手段と、上記差圧検出手段の検出結果に基づいて上記パティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積状況を推定し、その堆積状況に基づいて同パティキュレートフィルタの再生を制御する制御装置を備えた内燃機関の排ガス浄化装置において、上記制御装置は、上記差圧検出手段により検出された差圧が、上記パティキュレートフィルタの再生を行った後に生じる差圧よりも小さく設定された所定値以下のときに、上記排ガス通路における上記パティキュレートフィルタの上流側部分、または上記パティキュレートフィルタ入口側から上記差圧検出手段に至る検出用の配管の破損を判定する判定手段を備えていることを特徴とする。

請求項２の内燃機関の排ガス浄化装置は、請求項１において、上記制御装置が、上記堆積状況を記憶する記憶手段と、同記憶手段に記憶された堆積状況を設定単位時間毎に更新する更新手段とを備え、上記更新手段により更新された堆積状況に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を制御するように構成され、上記判定手段により上記破損が判定されたときに、上記記憶手段に記憶された堆積状況の上記更新手段による更新を禁止するよう制御することを特徴とする。

請求項３の内燃機関の排ガス浄化装置は、請求項１において、上記パティキュレートフィルタが、同じ運転状況において、同フィルタが新品のときに生じる差圧が、再生を行った後に生じる差圧よりも小さいタイプであり、上記制御装置が、上記パティキュレートフィルタが過去に再生されたことがあるか否かを判定する手段を備え、上記差圧検出手段により検出された差圧が、上記所定値以下のときであっても、上記パティキュレートフィルタが過去に再生されたことがない場合には上記排ガス通路の該判定を行わないよう制御することを特徴とする。

請求項４の内燃機関の排ガス浄化装置は、請求項１において、上記制御装置が、上記判定手段により、上記破損が判定されたときに、運転者に対する警報を発する警報手段を有していることを特徴とする。
請求項５の内燃機関の排ガス浄化装置は、請求項１において、上記制御装置が、上記判定手段により、上記破損が判定されたときに、上記パティキュレートフィルタの再生制御を禁止するよう制御することを特徴とする。

請求項６の内燃機関の排ガス浄化装置は、上記制御装置が、上記判定手段により、上記破損が判定されたときに、上記内燃機関の燃焼室へ排ガスを還流する制御を禁止するよう制御することを特徴とする。

請求項１の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、上記制御装置は、上記差圧検出手段により検出された差圧が、上記パティキュレートフィルタの再生を行った後に生じる差圧よりも小さく設定された所定値以下のときに、上記排ガス通路における上記パティキュレートフィルタの上流側部分、または上記パティキュレートフィルタ入口側から上記差圧検出手段に至る検出用の配管の破損を判定する判定手段を備えているので、もともとフィルタの再生制御においてパティキュレートの捕集量を求めるために設けられた差圧検出手段の出力を利用してこれらの破損を確実に判定することができる。

請求項２の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、上記判定手段により上記破損が判定されたときに、上記記憶手段に記憶された堆積状況の上記更新手段による更新が禁止されるので、該破損により該パティキュレートフィルタの前後差圧がゼロとなって、あたかもパティキュレートフィルタが再生完了したような状態となっても、堆積状況が該破損の前の堆積状況が保持される。これにより、該破損の修理が完了した直後でも、その後差圧検出手段により正確にパティキュレートフィルタの堆積状況を把握できるようになるまでの間であっても、上記制御装置は、ほぼ正確な破損前のパティキュレートフィルタの堆積状況に基づいて該フィルタの再生を制御することができる。

請求項３の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、上記パティキュレートフィルタが過去に再生制御されたことがないと判定された場合には、同パティキュレートフィルタの前後差圧が所定値以下であっても、該破損であるとの判定は行われない。これにより、パティキュレートフィルタが新品であるがために、同フィルタの前後差圧が、再生制御後のフィルタの前後差圧よりも小さい値を示したときでも、該破損であるとの誤判定を防止することができる。

請求項４の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、上記破損時には上記警報手段が発する警報により、運転者に該破損を知らしめることができる。
請求項５の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、上記破損時には上記パティキュレートフィルタの再生制御が禁止されるので、上記破損の後に、不適切な再生制御が行われることを防止できる。

請求項６の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、該破損の後に、排ガス還流によってより多くのパティキュレートがフィルタに堆積することを防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は本発明が適用された内燃機関の排ガス浄化装置を示す全体図、図２及び図３は同内燃機関の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャート、図４は図３のフローチャートの一部を変形した制御内容を示すフローチャートである。
図１において、ディーゼル式内燃機関２は、図示しないシリンダ及びピストンが内蔵された本体４、同本体４のシリンダ内に燃料を供給する燃料噴射ポンプ６、同シリンダ内に吸入空気を供給する吸気通路８、及び本体４のシリンダからの排ガスを排出する排ガス通路１０を有している。排ガス通路１０に設けられたパティキュレートフィルタ１２は、多孔質で通気性のあるセラミックスなどにより形成され、排ガス中の微粒子（パティキュレート）を捕集するものである。またこのフィルタ１２は、その内部の温度の上昇によりフィルタに堆積されたパティキュレートが燃焼されて再生されるものである。差圧センサ１４は、排ガス通路１０におけるパティキュレートフィルタ１２の上流側（入口側）及び下流側（出口側）にそれぞれ配管１６及び１８を介して接続されており、排ガス通路１０におけるフィルタ１２の上流側と下流側の差圧（前後差圧）を検出するものである。パティキュレートフィルタ１２にはその内部の温度を検出する温度センサ２０が取り付けられている。差圧センサ１４及び温度センサ２０の出力は、制御装置２２に入力されている。

制御装置２２は、差圧センサ１４により検出された差圧に基づきパティキュレートフィルタ１２におけるパティキュレートの堆積量を推定し、同堆積量が設定量以上になると、もはや同フィルタ１２に再生が必要であると判断し、再生制御を実行する。再生制御としては、例えば所定時間の間、内燃機関２の膨張行程中にシリンダ内に燃料を噴射してパティキュレートフィルタ１２内で燃焼させ、堆積したパティキュレートを燃焼させることにより行われる。なお、上記パティキュレートの堆積量の判定は、内燃機関２が所定の定常運転状態にあるときに行われる。

このパティキュレートフィルタ１２の再生制御について、図２に示されるフローチャートに従って詳細に説明する。制御装置２２は、単位時間毎（例えば４ｍｓ）毎にフローチャートの各ステップに従って実行あるいは判定を行う。まずエンジンスイッチＯＮにより、ステップＳ２で各タイマ、メモリあるいは記憶手段の初期化を行い、次いでステップＳ４で各センサの出力を読み込む。ステップＳ６では、差圧センサ１４により検出された差圧に基づきパティキュレートの堆積量の瞬時値を求める。ステップＳ８では、図示しないアクセル開度センサ、エンジン回転数センサ等の出力に基づき、内燃機関２が所定の定常運転状態にあるか判定される。同ステップＳ８でＹＥＳであれば、ステップＳ１０で、記憶手段に記憶された堆積状況を、ステップＳ６で求めた堆積量の瞬時値に基づき更新する。ステップＳ６でＮＯの場合には、ステップＳ８の更新は行わない。

次いで、ステップＳ１２でフィルタ１２が再生制御中であるか否か判定し、同ステップＳ１２でＮＯであれば、ステップＳ１４で記憶手段に記憶された堆積量が設定値以上であるか否か判定する。同ステップＳ１４でＹＥＳであればステップＳ１６でフィルタ１２の再生制御が実行される。すなわち、ステップＳ１６では、内燃機関２の膨張行程中のシリンダ内への燃料噴射を開始する。次いでステップＳ１８では、当該再生制御が開始されてから所定時間経過したか否かを判定し、同ステップＳ１８でＹＥＳであれば、ステップＳ２０で再生制御が終了される。

なお、ステップＳ１８の再生制御の実行にかかる設定時間は、次のように定められている。すなわち、パティキュレートフィルタ１２は、新品の状態で使用されると、まず細孔内にパティキュレートが捕集され、次いで細孔以外の表面にパティキュレートが捕集される。この状態で再生制御が実行されると、同フィルタ１２の内部が高温となり、まず細孔内に捕集されたパティキュレートが燃焼され、次いで上記表面に捕集されているパティキュレートが燃焼される。ここで、フィルタ１２内のすべてのパティキュレートが燃焼されれば、フィルタ１２は完全再生されるのであるが、完全再生された以降も再生のために内燃機関２の膨張行程中にシリンダ内に燃料を噴射し続けることは燃料の無駄を招くことになる。他方、再生中のフィルタ１２内のパティキュレートの燃焼の速さは運転状況によって差がある。このため、当該設定時間は、再生制御が想定される内燃機関２の運転状況において、完全再生されるよりも十分に前の時点で再生制御を終了できるように定められている。したがって、再生制御の開始により、フィルタ１２の細孔内のパティキュレートが燃焼され、上記表面に捕集されているパティキュレートの一部が捕集されたままの状態で再生制御が終了することになる。このため、再生制御により再生されたパティキュレートフィルタ１２は、新品のフィルタと比べて、その流通抵抗が大きいものとなる。

制御装置２２は、図２に示す再生制御のフローチャートに続いて、排ガス通路におけるパティキュレートフィルタ１２の上流側部分、または配管１６を含む該上流側部分から差圧センサ１４に至る通路の破損を判定するための制御を図３に示すフローチャートに従って実行する。
制御装置２２は、ステップＳ３０において、ステップＳ４で読み込んだ差圧センサ１４の値、すなわち差圧が所定値以下であるか否か判定する。同ステップＳ３０でＹＥＳであれば、ステップＳ３２でフィルタ１２の過去の再生履歴が検出され、次いでステップＳ３４で過去に再生制御されたことがあるか否か判定される。そして同ステップＳ３４でＹＥＳであれば、ステップＳ３４で排ガス通路１０におけるパティキュレートフィルタ１２の上流側部分、または差圧センサ１４への配管１６が破損されていると判定し、さらに、（ａ）運転者への警報装置である警告灯２４の点灯、（ｂ）ステップＳ１０で更新した堆積状況の固定（更新禁止）、（ｃ）内燃機関２の吸気系への排ガス還流（ＥＧＲ）制御の禁止、及び（ｄ）パティキュレートフィルタ１２の再生制御の禁止、が実行される。

なお、ステップＳ３０における差圧にかかる所定値は、パティキュレートフィルタ１２の再生制御を行った後に正常状態において同フィルタ１２の前後に生じる差圧よりも十分に小さく設定されており、この実施形態においてはほぼゼロに設定されている。
次に、この実施形態の作用効果を説明する。排ガス通路１０におけるパティキュレートフィルタ１２の上流側部分、または差圧センサ１４への配管１６に破損が生じた場合、同フィルタ１２の上流側と下流側との差圧が極端に下がり、実質ゼロとなる。この状況になると、制御装置２２は、ステップＳ３０でＹＥＳと判定し、次いでステップＳ３４でＹＥＳ、つまりパティキュレートフィルタ１２が過去に再生制御されたことがあると判定されれば、ステップＳ３６で、排ガス通路１０におけるパティキュレートフィルタ１２の上流側部分、または差圧センサ１４への配管１６が破損されていると判定すると共に、上述の（ａ）〜（ｄ）が実行される。したがって、もともとフィルタの再生制御においてパティキュレートの捕集量を求めるために設けられた差圧検出手段の出力を利用してこれらの破損を確実に判定することができる。

またステップＳ３４により、過去に再生制御されたことがないと判定された場合には、ステップＳ３０でパティキュレートフィルタ１２の前後差圧が所定値以下であっても、該破損であるとの判定は行われない。これにより、パティキュレートフィルタ１２が新品であって、同フィルタ１２の前後差圧が、再生制御後のフィルタ１２の前後差圧よりも小さい値を示したときでも、該破損であるとの誤判定を防止することができる。

さらに本実施形態においては、以下の作用効果を有している。すなわち、（ａ）警告灯２４が点灯されるので、運転者に該破損を知らしめることができる。（ｂ）ステップＳ１０で更新した堆積状況の固定により、パティキュレートフィルタ１２の堆積状況として該破損の前の堆積状況が保持され、該破損の修理が完了した後も、上記制御装置は、ほぼ正確な破損前の同フィルタ１２の堆積状況に基づいて最新の堆積状況を求め、該フィルタ１２の再生を適切に制御することができる。（ｃ）内燃機関２の吸気系への排ガス還流（ＥＧＲ）制御の禁止により、上記破損の後に、排ガス還流によってより多くのパティキュレートがフィルタ１２に堆積することを防止することができる。（ｄ）パティキュレートフィルタ１２の再生制御の禁止により、上記破損の後に、不適切な再生制御が行われることを防止できる。

以上で本発明に係る一実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
上記実施形態における再生制御の内容としては、内燃機関２の膨張行程中にシリンダ内に燃料を噴射してパティキュレートフィルタ１２内で燃焼させるものであるが、その代わりに、例えば大量の２次空気をフィルタ１２に供給し、あるいはフィルタ１２内に設けた電熱ヒータによりフィルタ１２内を高温にして、フィルタ１２内のパティキュレートを燃焼させる等、周知の方法を採用することができる。

再生制御の開始するためのパティキュレートの堆積量の推定についても、内燃機関２の運転履歴を基に推定する等、周知のその他の方法を採用することができる。
また再生制御の終了を定める所定時間についても、再生制御を開始して、温度センサ２０により検出されるパティキュレートフィルタ１２が設定温度以上になったときに時間の計測を開始し、別途定められた所定時間の経過をもって再生制御を終了する等、周知の方法を採用することができる。

また図３のフローチャートにおけるステップＳ３０では、差圧センサ１４で検出した差圧が所定値以下であるか否かを判定しているが、その代わりにステップＳ６で検出した堆積量の瞬時値が所定値以下であるか否か判定するように構成することも可能である。これは、堆積量の瞬時値が差圧に基づいて求められるので、同瞬時値は差圧に対して実質的に比例関係にあるためである。したがって、その瞬時値に関する所定値は、上述の破損が存在するときに生じるであろう瞬時値を判定できる大きさに設定されている。

さらに図３のフローチャートにおけるステップＳ３２では、パティキュレートフィルタ１２が過去に再生制御が行われたか否かを判定しているが、それに加えて、あるいはそれと同時にパティキュレートフィルタ１２の自然再生を考慮した判定を行うことが可能である。つまり、パティキュレートフィルタ１２は内燃機関２の運転状況によっては、膨張行程中に燃料噴射を行わなくても、同フィルタ１２の温度が上昇して、フィルタ１２が自然に再生される場合がある。その状態が続くと、フィルタ１２内のパティキュレートが燃焼して同フィルタ１２が完全再生される場合があり、その場合、フィルタ１２は新品のフィルタと同じ状態になるのである。このため、図４に示すフローチャートのように、ステップＳ３２及びＳ３４に代えて、ステップＳ３８及びＳ４０を設けることも可能である。このフローチャートにおいて、ステップＳ３８では、ステップＳ１４による再生制御とは関係なく、フィルタ１２の自然再生の状況を求めている。つまり、温度センサ２０により検出されたフィルタ１２の温度を基に同フィルタ内で自然再生が行われているか否かを検出している。次いでステップＳ４０では、フィルタ１２が自然再生により完全再生されたか否かを判定している。つまり、フィルタ１２内のパティキュレートが燃焼する設定温度以上の状態が、フィルタ１２内のパティキュレートがすべて燃焼するのに必要な時間継続した場合に、同フィルタ１２が完全再生されて、新品と同じ状態にあると判定するのである。そして、ステップＳ４０でＮＯの場合にのみステップＳ３６に進む。

この構成によれば、自然再生によりフィルタ１２の流通抵抗が小さくなって、上述の故障が発生していないにもかかわらず、差圧センサ１４が、再生制御後にフィルタ１２に生じる前後差圧よりも小さい値を示しても、該破損であるとの誤判定を防止することができる。
またパティキュレートフィルタ１２の前後差圧を検出する差圧センサ１４は、排ガス通路１０における同フィルタ１２の上流側及び下流側にそれぞれ配管１６及び１８を介して接続されたものであるが、その代わりに該上流側の圧力を検出するセンサと下流側の圧力を検出するセンサを互いに別個に設け、両センサの出力を比較して該差圧を求めるように構成することも可能である。

本発明が適用された内燃機関の排ガス浄化装置を示す全体図である。 同内燃機関の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。 同内燃機関の排ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。 図３のフローチャートの一部を変形した制御内容を示すフローチャートである。

符号の説明

２ 内燃機関
１０ 排ガス通路
１２ パティキュレートフィルタ
１４ 差圧センサ
２２ 制御装置

Claims (6)

1. 排ガス通路に設けられ排ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタと、
   上記パティキュレートフィルタの上流側と下流側の差圧を検出する差圧検出手段と、
   上記差圧検出手段の検出結果に基づいて上記パティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積状況を推定し、その堆積状況に基づいて同パティキュレートフィルタの再生を制御する制御装置を備えた内燃機関の排ガス浄化装置において、
   上記制御装置は、
   上記差圧検出手段により検出された差圧が、上記パティキュレートフィルタの再生を行った後に生じる差圧よりも小さく設定された所定値以下のときに、上記排ガス通路における上記パティキュレートフィルタの上流側部分、または上記パティキュレートフィルタ入口側から上記差圧検出手段に至る検出用の通路の破損を判定する判定手段を備えていることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 上記制御装置は、上記堆積状況を記憶する記憶手段と、同記憶手段に記憶された堆積状況を設定単位時間毎に更新する更新手段とを備え、上記更新手段により更新された堆積状況に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を制御するように構成され、上記判定手段により上記破損が判定されたときに、上記記憶手段に記憶された堆積状況の上記更新手段による更新を禁止するよう制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
3. 上記パティキュレートフィルタは、同じ運転状況において、同フィルタが新品のときに生じる差圧が、再生を行った後に生じる差圧よりも小さいタイプであり、
   上記制御装置は、上記パティキュレートフィルタが過去に再生されたことがあるか否かを判定する手段を備え、上記差圧検出手段により検出された差圧が、上記所定値以下のときであっても、上記パティキュレートフィルタが過去に再生されたことがない場合には上記排ガス通路の該判定を行わないよう制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
4. 上記制御装置は、上記判定手段により、上記破損が判定されたときに、運転者に対する警報を発する警報手段を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
5. 上記制御装置は、上記判定手段により、上記破損が判定されたときに、上記パティキュレートフィルタの再生制御を禁止するよう制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
6. 上記制御装置は、上記判定手段により、上記破損が判定されたときに、上記内燃機関の燃焼室へ排ガスを還流する制御を禁止するよう制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

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