JP2010127147A

JP2010127147A - 内燃機関の排気浄化システム

Info

Publication number: JP2010127147A
Application number: JP2008301278A
Authority: JP
Inventors: Noriyasu Kobashi; 紀靖小橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-06-10

Abstract

【課題】ＰＭフィルタに捕集されたＰＭを強制的に酸化除去するＰＭ強制再生処理に際して、ＰＭフィルタにおける局所的なＰＭ再生不良、溶損、ＮＯｘの生成等を抑制する。
【解決手段】ＰＭ強制再生処理時に内燃機関１の空燃比をリッチ空燃比に制御するリッチ空燃比制御を実行する。そして、上流触媒４より上流の排気通路３から分岐して上流触媒４及びＰＭフィルタ５の間の部分で再び排気通路３と合流するバイパス通路７と、内燃機関１からの排気ガスが上流触媒４とバイパス通路７との何れか一方を通過するように排気ガスの流路を切り換える流路切換弁８を有し、ＰＭ強制再生処理時には排気ガスに該バイパス通路を通過させることによって上流触媒を迂回させる。また、ＰＭ強制再生処理時にバイパス通路７を流れる排気ガスに二次空気を供給する。
【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。

内燃機関の排気ガスにはカーボンを主成分とする微粒子物質（ＰＭ：Particulate Matter）が含まれている。このＰＭの大気への放散を防止するために内燃機関の排気系に酸化能及びＰＭ捕集能を有するＰＭフィルタを設ける技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。これに関連して、ＰＭフィルタを昇温させることにより、ＰＭフィルタに捕集されたＰＭを強制的に酸化除去するＰＭ強制再生処理を行う技術が公知である。この種のＰＭ強制再生処理方法としては、内燃機関の空燃比（混合気の空燃比）をリッチ空燃比に制御するリッチ空燃比制御を行うことにより、未燃燃料成分を多く含む排気ガスをＰＭフィルタに導き、その反応熱を利用してＰＭフィルタを昇温させる方法が公知である。
特開２００３−１６６４１７号公報特開平６−９３８３９号公報

ここで、ＰＭフィルタ上において排気ガス中の未燃燃料成分の酸化反応を促進させるためには、排気ガスにある程度の酸素が必要となる。これに対して、リッチ空燃比制御を伴うＰＭ強制再生処理を実行するときに、ＰＭフィルタと該ＰＭフィルタよりも上流に設けられた上流触媒（所謂スタートコンバータ）との間を流れる排気ガスに二次空気を供給する場合について考える。

この場合、上流触媒において排気中のＮＯｘが還元されることによりＮＨ_３（アンモニア）が生成され、このＮＨ_３がＰＭフィルタにおいて酸化されることによりＮＯｘが生成される虞がある。また、未燃燃料成分を多く含んだ排気ガスと二次空気との混合（ミキシング）が不充分であると、ＰＭフィルタ上において酸化反応が促進される部分と、そうでない部分とが偏在し易くなる。つまり、前者のようにＰＭフィルタにおいて低温に維持されてしまう部分が局所的に生じてしまうと、その部分に堆積しているＰＭの酸化除去が不充分となる（ＰＭ再生不良）虞がある。逆に、後者のようにＰＭフィルタにおいて過度に高温となる部分が局所的に生じてしまうと、フィルタの溶損等を招く虞がある。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＭフィルタに捕集されたＰＭを強制的に酸化除去するＰＭ強制再生処理に際して、ＰＭフィルタにおける局所的なＰＭ再生不良、溶損、ＮＯｘの生成等を抑制可能な技術の提供にある。

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、内燃機関の排気通路に設けられた酸化能及びＰＭ捕集能を有するＰＭフィルタと、
前記ＰＭフィルタより上流の排気通路に設けられた上流触媒と、
前記ＰＭフィルタに捕集されたＰＭを強制的に酸化除去するＰＭ強制再生処理に際して、前記内燃機関の空燃比をリッチ空燃比に制御する空燃比リッチ制御手段と、
前記上流触媒より上流の排気通路から分岐して該上流触媒及び前記ＰＭフィルタの間の部分で再び排気通路と合流するバイパス通路と、
前記内燃機関からの排気ガスが前記上流触媒と前記バイパス通路との何れか一方を通過
するように該排気ガスの流路を切り換え可能な流路切換弁を有し、少なくとも前記ＰＭ強制再生処理時には排気ガスに該バイパス通路を通過させることによって上流触媒を迂回させる流路制御手段と、
前記ＰＭ強制再生処理時において前記バイパス通路を流れる排気ガスに二次空気を供給する二次空気供給装置と、
を備えることを特徴とする。

本発明では、ＰＭ強制再生処理の実行に際してリッチ空燃比制御を行うことにより、未燃燃料成分を多く含んだ排気ガスが機関から排出される。この排気ガスは上流触媒を迂回するようにバイパス通路側に導かれた後、このバイパス通路内において二次空気が供給される。そうすると、排気ガスに含まれる未燃燃料成分と二次空気とが混ざり合いつつこの排気ガスがＰＭフィルタに導かれることになる。

以上のように、本発明においては、ＰＭ強制再生処理時にＰＭフィルタに導入される排気ガスに含まれる未燃燃料成分と酸素とを均質に混合することができる。そのため、ＰＭフィルタのうち酸化反応が促進される部分とそうでない部分との偏在が生じることを抑制することができる。その結果、ＰＭフィルタ全体をより均一に昇温させることができる。従って、低温に維持されてしまう部分や過度に高温となる部分が生じないため、局所的なＰＭ再生不良、溶損等が生じることを抑制できる。

また、この構成であれば、リッチ空燃比制御によって未燃燃料成分を多く含んだ排気ガスが上流触媒を通過することがなく、上流触媒において排気中のＮＯｘが還元されることに起因してＮＨ_３が生成されることを回避できる。その結果、ＰＭフィルタにＮＨ_３が導かれることが抑制され、ＰＭフィルタにおいてＮＯｘが生成されることを好適に抑制できる。

また、前記二次空気供給装置は、前記バイパス通路を流れる排気ガスに該バイパス通路の軸線回りを旋回するスワール流が形成されるように二次空気を噴射すると良い。これにより、バイパス通路に流入した排気ガスに含まれる未燃燃料成分と、二次空気供給装置によって供給された二次空気との混合がより一層促進されることになる。その結果、ＰＭフィルタにおける局所的なＰＭ再生不良、溶損、ＮＯｘの生成を、より一層好適に抑制できる。

本発明によれば、ＰＭフィルタに捕集されたＰＭを強制的に酸化除去するＰＭ強制再生処理に際して、ＰＭフィルタにおける局所的なＰＭ再生不良、溶損、ＮＯｘの生成等を抑制することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。尚、本実施の形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

＜実施例＞
図１は、本実施例に係る内燃機関及びその吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は、ガソリンを燃料とする車両駆動用の火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）である。図１においては、内燃機関１の内部は省略されている。内燃機関１の各気筒には、各気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁９が配置されている。なお、燃料噴射弁９は所謂筒
内噴射式でなくても良く、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射式などであっても構わない。

内燃機関１には、吸気通路２及び排気通路３が接続されている。また、排気通路３は下流にて図示しないマフラーに接続されている。排気通路３の途中には、排気ガスを浄化するための上流触媒（スタートコンバータ）４、ＰＭフィルタ５、および下流触媒（アンダーフロアコンバータ）６が直列に配置されている。このＰＭフィルタ５は、酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタであり、酸化能及びＰＭ捕集能を具備している。

上流触媒４及び下流触媒６は夫々、一般にスタートコンバータ及びアンダーフロアコンバータと呼ばれるものであり、何れにおいてもＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘを同時に浄化することのできる三元触媒としての機能を有している。本実施例における排気浄化システムでは、上流触媒４の雰囲気がストイキ空燃比（理論空燃比）となるようにして、ＮＯｘ、ＣＯ及びＨＣなどの浄化すべき物質の多くを、この上流触媒４において浄化している。また下流触媒６においては、上流触媒４において浄化しきれなかった有害物質が浄化されるようにしている。

排気通路３における上流触媒４より上流の部分と、上流触媒４及びＰＭフィルタ５の間の部分とは、バイパス通路７により連通されている。つまり、バイパス通路７は、排気通路３における上流触媒４より上流の分岐部３ａから分岐して、該上流触媒４及びＰＭフィルタ５の間の合流部３ｂで再び排気通路３と合流する。また、排気通路３とバイパス通路７との合流部３ｂには、流路切換弁８が設けられている。この流路切換弁８は、内燃機関１から排出された排気ガスが上流触媒４とバイパス通路７との何れか一方を通過するように該排気ガスの流路を切り換え可能な弁である。この流路切換弁８は、ＥＣＵ１０に電気配線を介して接続されている。

ＥＣＵ１０は、内燃機関１に併設されており、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。このＥＣＵ１０は、ＣＰＵの他、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。本実施例では、ＥＣＵ１０からの指令によって流路切換弁８が作動することで、上述の如く排気ガスの流路が上流触媒４側又はバイパス通路７側の何れかに制御される。また、燃料噴射弁９はＥＣＵ１０と電気的に接続されており、燃料噴射弁９からの燃料噴射制御がＥＣＵ１０からの指令に基づいて行われる。

本実施例におけるシステムでは、バイパス通路７内に二次空気を噴射供給する二次空気供給装置２０が備えられている。二次空気供給装置２０は、電動式のエアポンプ２１と、エアポンプ２１から吐出される二次空気をバイパス通路７へと導く二次空気供給通路２２と、二次空気供給通路２２を開閉するための電気式（ソレノイド式）の通路開閉弁２３を備える。二次空気供給通路２２は一端がバイパス通路７に接続され、他端が吸気通路２に接続されている。二次空気供給装置２０はＥＣＵ１０と電気的に接続されており、エアポンプ２１の作動や通路開閉弁２３の開閉状態がＥＣＵ１０からの指令に基づいて制御される。これにより、バイパス通路７内への二次空気の供給、及びその停止が行われる。

二次空気供給装置２０による二次空気の供給を行う場合には、ＥＣＵ１０はエアポンプ２１を作動させると共に通路開閉弁２３を開弁する。そうすると、吸気通路２内の空気が二次空気供給通路２２に吸引され、二次空気供給通路２２とバイパス通路７との接続部に形成された噴孔２２ａから二次空気が噴射される。ここで、図２は、噴孔２２ａからの二次空気の噴射方向を説明するための説明図である。具体的には、バイパス通路７の軸線（図中、符号ＣＬにて図示する）方向からみたときの該バイパス通路７の断面を表した図である。符号７ａは、バイパス通路７の内周面を表しており、内周面７ａは円筒形状をなし
ている。また、符号２２ｂは噴孔２２ａの軸線方向を表し、二次空気の噴射方向に一致する。

本実施例では、噴孔２２ａの軸線と内周面７ａの接線７ｂとが成す角度θが鋭角となるように噴孔２２ａが形成されている（バイパス通路７内を臨んでいる）。そうすると、噴孔２２ａから噴射される二次空気は、バイパス通路７の周方向に沿うような角度で該バイパス通路７内部へと導入される。そのため、バイパス通路７を流れる排気ガスに二次空気を噴孔２２ａから噴射することにより、バイパス通路７の軸線ＣＬ回りを旋回するスワール流（渦流）ＳＷが形成されることになる。

ここで、内燃機関１の空燃比制御と、流路切換弁８の作動状態について説明する。上流触媒４及び下流触媒６のような三元触媒では、周知の通り、ＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘの三成分を何れも高い浄化率で浄化することのできる浄化ウインドウが存在する。すなわち、各々の触媒に流入する排気ガスの空燃比が浄化ウインドウ内にある場合に上記三成分を同時に効率良く浄化することができる。本実施例では、通常運転時における内燃機関１の空燃比を、浄化ウインドウ内における中央値付近の空燃比となるストイキ空燃比（理論空燃比）に制御する。この空燃比制御を以下「ストイキ空燃比制御」と称する。

ストイキ空燃比制御が行われる通常運転時においては、内燃機関１からの排気が上流触媒４を通過するように流路切換弁８を制御する。これにより、排気ガスに含まれる有害物質を上流触媒４にて確実に浄化することができる。尚、本実施例における通常運転時とは、後述するＰＭフィルタ５に対するＰＭ強制再生処理等、特別な制御を実行しない時を意味する。

ここで、ＰＭフィルタ５に対するＰＭ強制再生処理について説明する。ＰＭフィルタ５に堆積したＰＭの堆積量が過度に増えると、背圧が過度に高くなることに起因して機関出力の低下を招く虞がある。本実施例では、所定のＰＭ強制再生条件が成立した場合にＰＭフィルタ５を昇温させ、該ＰＭフィルタ５に堆積しているＰＭを強制的に酸化除去するＰＭ強制再生処理を行う。

ＰＭ強制再生処理に際して、ＥＣＵ１０はＰＭフィルタ５に未燃燃料成分を含む排気ガスを導入させるべく内燃機関１の空燃比をストイキ空燃比AFstよりもリッチ側のリッチ空燃比AFrichに制御する。このように、空燃比をリッチ空燃比AFrichまで低下させる空燃比制御を以下「リッチ空燃比制御」と称する。このように、ＰＭ強制再生処理時においては、リッチ空燃比制御を行うことによって未燃燃料成分を多く含んだ排気ガスを内燃機関１から排出させる。そして、排気ガス中の未燃燃料成分がＰＭフィルタ５へと導かれることで、該ＰＭフィルタ５に担持された酸化触媒の機能によって酸化される。そして、そのときに発生する反応熱によってＰＭフィルタ５は昇温し、ＰＭフィルタ５に捕集されているＰＭが酸化除去される。

図３を参照して、ＰＭ強制再生処理に係る具体的な制御内容について説明する。図３は、ＰＭ強制再生処理に係る制御ルーチンを示したフローチャートである。本ルーチンはＥＣＵ１０によって一定周期毎に実行される。尚、本ルーチンの実行を開始する際には、ストイキ空燃比制御が継続的に実行されていることを前提に説明する。

本ルーチンが実行されると、まずステップＳ１０１では、ＰＭ強制再生条件が成立しているか否かが判定される。本実施例では、ＰＭフィルタ５における前後の差圧に対応した電気信号を出力する差圧センサ１５が設けられている。この差圧センサ１５はＥＣＵ１０と電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は差圧センサ１５からの信号に基づいてＰＭフィルタ５の前後差圧を検出し、その検出値に基づいてＰＭフィルタ５に堆積しているＰＭ堆
積量を推定する。そして、このＰＭ堆積量の推定値が規定値を超えるときにＰＭ強制再生条件が成立していると判定される。本ステップにおいてＰＭ強制再生条件が成立していると判定された場合にはステップＳ１０２に進み、そうでない場合には本ルーチンを一旦終了する。その他、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転履歴等に基づいてＰＭ堆積量を推定することもできる。

ステップＳ１０２では、リッチ空燃比制御が実行される。すなわち、内燃機関１の空燃比制御がストイキ空燃比制御からリッチ空燃比制御に切り換えられ、未燃燃料成分を多く含んだ排気ガスの排出が開始される。ここで、未燃燃料成分を含んだリッチな排気ガスがそのまま上流触媒４に流入してしまうと、該上流触媒４においてＮＯｘからＮＨ_３が生成されてしまう。そこで、続くステップＳ１０３では、流路切換弁８を作動させ、排気ガスの流路を上流触媒４側からバイパス通路７側に切り換える。これにより、リッチ排気ガスが上流触媒４を迂回することになるので、該上流触媒４においてＮＨ_３が生成されることがない。本ルーチンにおいては、ステップＳ１０２においてリッチ空燃比制御が実行するＥＣＵ１０が本発明における空燃比リッチ制御手段に相当し、ステップＳ１０３において流路切換弁８を作動させるＥＣＵ１０が本発明における流路制御手段に相当する。

排気通路３の分岐部３ａからバイパス通路７へと流入した排気ガスの空燃比はリッチ空燃比AFrichに制御されているため、酸素濃度が著しく低い。そこで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０４において、バイパス通路７を流れる未燃燃料成分を多く含んだ排気ガスに二次空気を供給すべく二次空気供給装置２０に指令を出す。その結果、二次空気供給通路２２を介して噴孔２２ａからバイパス通路７内に二次空気が噴射され、二次空気（酸素）が排気ガス中の未燃燃料成分と混ざり合う。

尚、噴孔２２ａは、バイパス通路７において排気通路３からの分岐部３ａ寄りの部分に形成されているため、未燃燃料成分と二次空気との混合時間を好適に確保することができる。特に、本実施例では、バイパス通路７を流れる排気ガスに、バイパス通路７の軸線ＣＬ回りを旋回するスワール流ＳＷが形成されるように二次空気を噴孔２２ａから噴射するため、未燃燃料成分と酸素との混合がより一層促進される。従って、ＰＭフィルタ５に導入される排気ガスに含まれる未燃燃料成分と酸素との混合効率（未燃燃料成分と酸素とを如何に効率良く混合させることができるかを表す指標）が向上する。

その結果、ＰＭフィルタ５全体から満遍なく未燃成分の酸化反応を起こすことができ、ＰＭフィルタ５のうち酸化反応が促進される部分とそうでない部分とが偏在することを抑制できる。つまり、ＰＭフィルタ５全体の温度が、ＰＭの酸化可能な温度域（例えば、６００℃〜７００℃）まで均等に上昇するため、ＰＭフィルタ５全体から満遍なくＰＭを除去することが可能となる。そして、ＰＭフィルタ５のうち、局所的に低温に維持されてしまう部分や過度に高温となる部分が生じないため、局所的なＰＭ再生不良、溶損等が生じることが抑制される。

また、未燃燃料成分を多く含んだ排気ガスに上流触媒４を迂回させることで上流触媒４でのＮＨ_３の生成が回避されるため、ＰＭフィルタ５でＮＨ_３が酸化されることに起因するＮＯｘの生成が抑制される。これにより、ＰＭ強制再生処理中においてＮＯｘの排出量が増加することを抑制することができ、排気エミッションの悪化が抑制される。

続くステップＳ１０５では、ＰＭ強制再生処理の終了条件が成立しているか否かが判定される。ここでは、差圧センサ１５からの信号に基づいてＰＭフィルタ５の前後差圧が検出され、この前後差圧が第２規定値以下である場合にＰＭ強制再生処理の終了条件が成立していると判定される。この第２規定値は、ＰＭフィルタ５のＰＭ堆積量が充分に少なくなったと判断できるときの差圧センサ１５の前後差圧であり、実験等の経験則に基づいて
求めておくことができる。本ステップにおいてＰＭ強制再生処理の終了条件が成立していないと判定された場合には、同条件が成立するまで本ステップの判定を繰り返し行う。そして、ＰＭ強制再生処理の終了条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、内燃機関１の空燃比制御がリッチ空燃比制御からストイキ空燃比制御に切り換えられる。これにより、ＰＭ強制再生処理の実行が終了する。そして、続くステップＳ１０７では、二次空気供給装置２０に指令が出され、バイパス通路７への二次空気の供給が停止される。ステップＳ１０８では、流路切換弁８を作動させ、排気ガスの流路をバイパス通路７側から上流触媒４側に切り換える。本ステップの処理が終了すると、本ルーチンを一旦終了する。

以上のように、本実施例に係る内燃機関の排気浄化システムにおいては、ＰＭ強制再生処理に際してＰＭフィルタ５における局所的なＰＭ再生不良、溶損、ＮＯｘの生成等を抑制することができる。

実施例に係る内燃機関及びその吸排気系の概略構成を示す図である。噴孔からの二次空気の噴射方向を説明するための説明図である。ＰＭ強制再生処理に係る制御ルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２吸気通路
３排気通路
３ａ分岐部
３ｂ合流部
４上流触媒
５ＰＭフィルタ
６下流触媒
７バイパス通路
８流路切換弁
９燃料噴射弁
１０ＥＣＵ
２０二次空気供給装置
２１エアポンプ
２２二次空気供給通路
２２ａ噴孔
２３通路開閉弁

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた酸化能及びＰＭ捕集能を有するＰＭフィルタと、
前記ＰＭフィルタより上流の排気通路に設けられた上流触媒と、
前記ＰＭフィルタに捕集されたＰＭを強制的に酸化除去するＰＭ強制再生処理に際して、前記内燃機関の空燃比をリッチ空燃比に制御する空燃比リッチ制御手段と、
前記上流触媒より上流の排気通路から分岐して該上流触媒及び前記ＰＭフィルタの間の部分で再び排気通路と合流するバイパス通路と、
前記内燃機関からの排気ガスが前記上流触媒と前記バイパス通路との何れか一方を通過するように該排気ガスの流路を切り換え可能な流路切換弁を有し、少なくとも前記ＰＭ強制再生処理時には排気ガスに該バイパス通路を通過させることによって上流触媒を迂回させる流路制御手段と、
前記ＰＭ強制再生処理時において前記バイパス通路を流れる排気ガスに二次空気を供給する二次空気供給装置と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
前記二次空気供給装置は、前記バイパス通路を流れる排気ガスに該バイパス通路の軸線回りを旋回するスワール流が形成されるように二次空気を噴射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システム。