JP2011247212A

JP2011247212A - 内燃機関の排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2011247212A
Application number: JP2010123198A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Tashiro; 欣久田代
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-12-08

Abstract

【課題】内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、簡素な構成で、フィルタの温度上昇を抑制しつつ、フィルタの過昇温によるクラック発生や溶損を効果的に防止する。
【解決手段】内燃機関１０の排気系に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ３２と、ＥＧＲ通路１９と、ＥＧＲ弁２１と、フィルタ３２に捕集された粒子状物質の堆積量を推定して出力するフィルタ堆積量推定手段４１と、フィルタの温度を推定して出力するフィルタ温度推定手段４２と、内燃機関１０の運転状態が高負荷運転から低負荷運転もしくはアイドル運転に変化する際に、フィルタ堆積量推定手段４１の出力値が所定量以上であり、かつ、フィルタ温度推定手段４２の出力値が所定温度以上の場合に、フィルタ３２を流れる排気ガス中の酸素濃度を低減すべく、ＥＧＲ弁２１の開弁制御を行うＥＧＲ弁制御手段４４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン（内燃機関）の後処理装置として、排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭ）を捕集するディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（以下、ＤＰＦ）が知られている。ＤＰＦは、捕集したＰＭが多量に堆積するとフィルタ目詰まりを引き起こしてエンジンの背圧を上昇させることがある。また、堆積したＰＭは、エンジンの高負荷運転時に、高温となった排気ガスにより急激に燃焼されて、ＤＰＦに熱損傷等を与える場合がある。

このような課題を防ぐためには、堆積したＰＭを適宜除去してＤＰＦの機能を回復させる、いわゆるＤＰＦの再生を行う必要がある。この再生を連続的に行うべく、ＤＰＦの上流側に酸化触媒を設け、酸化触媒で排気ガス中のＮＯからＮＯ２を生成して、ＮＯ２によって捕集され堆積しＰＭを連続的に酸化除去する連続再生式ＤＰＦが実用化されている。

例えば、特許文献１には、ＤＰＦに堆積したＰＭ量を正確に推定しながら、適切なタイミングで再生制御を行う連続再生式ＤＰＦの制御装置が開示されている。

特開２００２−３３９７３３号公報

ところで、連続再生式ＤＰＦであっても、エンジンの運転状態によっては、酸化触媒の触媒活性温度以下での走行が継続すると、ＤＰＦに捕集されたＰＭは堆積する。ＤＰＦにＰＭが堆積した状態で高負荷運転を行い、ＰＭに着火し始めたところでアイドル運転や低負荷運転に移行すると、排気ガスの流量が低下して熱の持ち去りも減少するので、ＤＰＦ内部の温度は急激に上昇する。このように、ＤＰＦ内部の温度が急激に上昇され、ＤＰＦの耐熱温度を超えてしまうと、ＤＰＦにクラックや溶損等が発生するといった課題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、簡素な構成で、ＤＰＦ（フィルタ）の温度上昇を抑制しつつ、ＤＰＦ（フィルタ）の過昇温によるクラック発生や溶損を効果的に防止することができる内燃機関の排気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、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気系に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記排気系と前記内燃機関の吸気系とを連通し、前記排気系の排気ガスを前記吸気系に還流させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられ、前記吸気系に還流する排気ガス量を調整するＥＧＲ弁と、前記フィルタに捕集された粒子状物質の堆積量を推定して出力するフィルタ堆積量推定手段と、前記フィルタの温度を推定して出力するフィルタ温度推定手段と、前記内燃機関の運転状態が高負荷運転から低負荷運転もしくはアイドル運転に変化する際に、前記フィルタ堆積量推定手段の出力値が所定量以上であり、かつ、前記フィルタ温度推定手段の出力値が所定温度以上の場合に、前記フィルタを流れる排気ガス中の酸素濃度を低減すべく、前記ＥＧＲ弁の開弁制御を行うＥＧＲ弁制御手段とを有することを特徴とする。

また、前記ＥＧＲ弁制御手段は、前記開弁制御に際し、前記ＥＧＲ弁の開度を、前記フィルタを流れる排気ガス中の酸素濃度がゼロとなる開度に設定するようにしてもよい。

また、前記ＥＧＲ弁制御手段による前記開弁制御に際し、前記内燃機関の吸気系に環流される排気ガスによって引き起こされる前記内燃機関の失火を抑制すべく、前記内燃機関の燃料噴射時期を進角させる失火抑制手段をさらに有するようにしてもよい。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、簡素な構成で、ＤＰＦ（フィルタ）の温度上昇を抑制しつつ、ＤＰＦ（フィルタ）の過昇温によるクラック発生や溶損を効果的に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の概略図である。本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の制御ＥＣＵを示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置において、酸素濃度を低減した際のＤＰＦ温度経時変化を示す図である。

以下、図面により、本発明に係る一実施形態について説明する。

図１〜４は、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置１を説明するものである。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（内燃機関）１０には、吸気マニホールド（吸気系）１０ｂと排気マニホールド（排気系）１０ａとが設けられている。また、この吸気マニホールド１０ｂには、ディーゼルエンジン１０内の吸気弁（不図示）の開弁により新気を導入する吸気通路１４（吸気系）が接続され、排気マニホールド１０ａには、排気弁（不図示）の開弁により排気ガスを排出する排気通路１１（排気系）が接続されている。

吸気通路１４には、インタクーラー１７と、過給器１２とが介装され、さらに吸気通路１４の先端にはエアフィルタ１５が設けられている。

排気マニホールド１０ａと吸気マニホールド１０ｂとは、ＥＧＲ通路１９で連通されている。また、ＥＧＲ通路１９には、ＥＧＲクーラー２０とＥＧＲ弁２１とが介装されている。

ＥＧＲ弁２１は、アクチュエータ（不図示）を備えており、このアクチュエータに後述する制御ＥＣＵ４０から運転状態に応じた制御信号が出力されることで、開度（以下、ＥＧＲ率ともいう）が制御される。なお、ＥＧＲ通路１９は、本実施形態では、吸気マニホールド１０ｂと排気マニホールド１０ａとを連通するが、排気通路１１と吸気通路１４とを連通するように設けてもよい。

排気通路１１には、上流側から順に酸化触媒３１とＤＰＦ３２とを備えて連続再生式ＤＰＦを構成する後処理装置３０が設けられている。

酸化触媒３１は、セラミック製のハニカム構造を有する担体に、白金（Ｐｔ）等を担持して形成されている。この酸化触媒３１は、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ２を生成すると共に、排気ガス中のＨＣとＣＯとを酸化してＨ２ＯとＣＯ２とを生成する。

ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ）３２は、セラミック製のハニカム構造体からなる多数のセル内をガス流路として備え、上流側と下流側とを交互に目封じして形成されている。このＤＰＦ３２は、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集するとともに、堆積したＰＭを酸化触媒３１で生成されたＮＯ２によって酸化燃焼することで連続的に再生される。

後処理装置３０の上流側の排気通路１１には、ディーゼルエンジン１０から排出され排気通路１１内を流れる排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ２センサ２２が設けられている。

また、後処理装置３０には、ＤＰＦ３２の上流側と下流側との差圧を検出する差圧センサ２５が設けられている。この差圧センサ２５と後述する制御ＥＣＵ４０のＰＭ堆積量推定部４１とは、本発明の堆積量推定手段を構成する。

また、後処理装置３０の上流部と下流部とには、排気温度センサ２３，２４が設けられている。この排気温度センサ２３，２４と後述する制御ＥＣＵ４０のＤＰＦ温度推定部４２とは、本発明のフィルタ温度推定手段を構成する。

次に、本実施形態に係る制御ＥＣＵ４０について説明する。

制御ＥＣＵ４０は、ディーゼルエンジン１０の運転状態に応じて燃料噴射量や着火時期等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、制御ＥＣＵ４０には、エンジン回転センサ（不図示）、アクセル開度センサ（不図示）、Ｏ２センサ２２、差圧センサ２５、排気温度センサ２３，２４等の出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

図２に示すように、本実施形態に係る制御ＥＣＵ４０は、ＰＭ堆積量推定部（フィルタ堆積量推定手段）４１と、ＤＰＦ温度推定部（フィルタ温度推定手段）４２と、運転状態判定部４３と、ＥＧＲ弁制御部（ＥＧＲ弁制御手段）４４と、エンジン失火抑制部（失火抑制手段）４５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアである制御ＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

ＰＭ堆積量推定部（フィルタ堆積量推定手段）４１は、ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭの堆積量を推定する。具体的には、このＰＭ堆積量推定部４１には、予め実験等により測定して記憶した、ＤＰＦ３２の差圧とＰＭの堆積量との関係を示す差圧特性マップ（不図示）が記憶されている。この差圧特性マップと差圧センサ２５の出力値とに基づいて、ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭの堆積量を算出して推定する。

ＤＰＦ温度推定部（フィルタ温度推定手段）４２は、ＤＰＦ３２の内部温度を推定する。具体的には、上流側の排気温度センサ２３の出力値と、下流側の排気温度センサ２４の出力値との平均値を、ＤＰＦ３２の内部温度Ｔ_AVEとして算出して推定する。

運転状態判定部４３は、ディーゼルエンジン１０の運転状態を判定する。具体的には、アクセル開度センサの出力値から燃料噴射量Ｑを算出し、この燃料噴射量Ｑに基づいてディーゼルエンジン１０の運転状態が高負荷運転中であるか、または低負荷運転中もしくはアイドル運転中であるかを判定する。なお、この運転状態の判定を、エンジン回転センサの出力値とアクセル開度センサの出力値とに基づいて行うようにしてもよい。

ＥＧＲ弁制御部（ＥＧＲ弁制御手段）４４は、ディーゼルエンジン１０の運転状態に応じたＥＧＲガス量を設定すべく、ＥＧＲ弁２１のアクチュエータに制御信号を出力してＥＧＲ率（開度）を制御する。

また、ＥＧＲ弁制御部４４は、運転状態判定部４３によってディーゼルエンジン１０の運転状態が高負荷運転中から低負荷運転もしくはアイドル運転に移行されたと判定され、かつ、ＰＭ堆積量推定部４１によって推定算出されたＰＭ堆積量が所定値（許容値）Ａ以上を示し、かつ、ＤＰＦ温度推定部４２によって推定算出されたＤＰＦ３２の内部温度Ｔ_AVEが所定温度Ｔ１以上を示した場合に、ＤＰＦ３２内を流れる排気ガス中の酸素濃度を０％にすべく、ＥＧＲガス量を多量に導入するＥＧＲ率（開度）でＥＧＲ弁２１を制御する。この制御は、ＤＰＦ３２にＰＭが堆積した状態で高負荷運転を行い、堆積したＰＭに着火し始めたところでアイドル運転や低負荷運転に移行すると、ＤＰＦ３２の内部温度が排気ガス流量の低下により急激に上昇するので、これを抑制するために行うものである。この制御に用いられるＥＧＲ率（開度）は、予め実験等により測定し記憶した、ＥＧＲ率とＤＰＦ３２内の酸素濃度との関係を示すマップ（不図示）に基づいて設定すればよい。

エンジン失火抑制部（失火抑制手段）４５は、ディーゼルエンジン１０の失火を抑制すべく、ディーゼルエンジン１０の燃料噴射弁（不図示）による燃料の噴射時期を進角（多段噴射においてはメイン噴射時期を進角）させる制御を行う。この制御は、ＥＧＲガスが還流されると、吸気系の酸素濃度が急変して、ディーゼルエンジン１０の燃焼が失火等により不安定になることで引き起こされるトルク低下を防ぐために行うものである。

本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、以上のように構成されているので、例えば図３に示すフローに従って以下のような制御が行われる。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、運転状態判定部４３によって、ディーゼルエンジン１０の運転状態が高負荷運転中であるか否かが判定される。アクセル開度センサの出力値から算出された燃料噴射量Ｑが、所定量α（ｍｍ３／ｓｔ）以上であれば高負荷運転中であると判定されＳ１１０へと進む。燃料噴射量Ｑが所定量α（ｍｍ３／ｓｔ）より小さい場合はリターンされる。

Ｓ１１０では、ＰＭ堆積量推定部４１によって、差圧センサ２５の検出値に基づいて推定算出されたＰＭ堆積量が、所定量Ａ（ｇ／ｌ）を超えているか否かが判定される。ＰＭ堆積量が所定量Ａ（ｇ／ｌ）以上の場合はＳ１２０へと進む。一方、ＰＭ堆積量が所定量Ａ（ｇ／ｌ）より小さい場合はリターンされる。なお、ＰＭ堆積量が所定量Ａ（ｇ／ｌ）以上であって、さらにＤＰＦ３２の許容量Ｂ（ｇ／ｌ）以上の場合は、Ｓ１２０へと進まずに強制再生を行うようにしてもよい。

Ｓ１２０では、ＤＰＦ温度推定部４２によって、排気温度センサ２３,２４の検出値に基づいて推定算出されたＤＰＦ内部温度Ｔ_AVEが、所定温度Ｔ１を超えているか否かが判定される。ＤＰＦ内部温度Ｔ_AVEが所定温度Ｔ１以上の場合はＳ１３０へと進む。一方、ＤＰＦ内部温度Ｔ_AVEが所定温度Ｔ１より小さい場合はリターンされる。

なお、本実施形態において、所定温度Ｔ１は、ＤＰＦ３２が熱により溶損されるＤＰＦ３２の耐熱温度（限界温度）よりも低い温度（例えば、５５０℃程度）で設定される。

Ｓ１３０では、運転状態判定部４３によって、ディーゼルエンジン１０の運転状態が低負荷運転中もしくはアイドル運転中であるか否かが判定される。アクセル開度センサの出力値から算出された燃料噴射量Ｑが、所定量α（ｍｍ３／ｓｔ）より小さい場合は、運転状態が前述のＳ１００〜Ｓ１２０にかけて、高負荷運転から低負荷運転に移行されたと判定されＳ１４０へと進む。一方、燃料噴射量Ｑが所定量α（ｍｍ３／ｓｔ）以上の場合はリターンされる。

Ｓ１４０では、ＥＧＲ弁制御部４４によって、ＤＰＦ３２内を流れる排気ガス中の酸素濃度を０％にすべく、ＥＧＲ弁２１がＥＧＲガス量を多量に導入するＥＧＲ率（開度）で制御される。

Ｓ１５０では、エンジン失火抑制部４５によって、ＥＧＲガス量の多量導入による失火等を抑制すべく、必要に応じてディーゼルエンジン１０の燃料噴射弁（不図示）の燃料噴射時期（多段噴射においてはメイン噴射時期）が進角される。

Ｓ１６０では、ＥＧＲ弁制御部４４によるＥＧＲ弁２１の制御から一定時間が経過したことを確認すると、ＥＧＲガスを通常のＥＧＲガス量に戻すとともに、噴射時期も通常の噴射時期に戻して、本制御はリターンされる。

上述のような構成により、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置１によれば以下のような作用・効果を奏する。

ＤＰＦ３２にＰＭが堆積した状態で、ディーゼルエンジン１０の運転状態が高負荷運転から低負荷運転もしくはアイドル運転へと移行した際に、排気温度センサ２３,２４によって推定算出されたＤＰＦ内部温度Ｔ_AVEが所定温度Ｔ１（例えば、５５０℃）以上で、かつ、ＰＭ堆積量推定部４１によって推定算出されたＰＭ堆積量が所定量Ａ（ｇ／ｌ）以上の場合は、ＤＰＦ３２内を流れる排気ガス中の酸素濃度を０％にすべく、ＥＧＲ弁２１がＥＧＲガス量を多量に導入するＥＧＲ率（開度）に制御される。

したがって、ＤＰＦ３２内を流れる排気ガス流量の低下により引き起こされるＤＰＦ３２の温度上昇を抑制することができ、ＤＰＦ３２の過昇温によるクラック発生や溶損を効果的に防止することができる。

また、ＥＧＲガスが多量に導入されると、ディーゼルエンジン１０の燃料噴射弁（不図示）の燃料噴射時期は、エンジン失火抑制部４５によって進角（多段噴射においてはメイン噴射時期を進角、または、パイロット噴射を実施）される。

したがって、ＥＧＲガス量の多量導入によって生じる失火を抑制できるとともに、当然ながら、失火により引き起こされるディーセルエンジン１０のトルク低下も効果的に抑止することができる。

ここで、図４に、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１において、ＥＧＲ弁２１を制御して、ＤＰＦ３２内を流れる排気ガス中の酸素濃度を０％まで減少させた場合のＤＰＦ３２内部温度の経過時変化（実線Ａ）と、酸素濃度を５％まで減少させた場合のＤＰＦ３２内部温度の経過時変化（一点鎖線Ｂ）と、酸素濃度を１０％（通常のアイドル運転時のＥＧＲ量）にした場合のＤＰＦ３２内部温度の経過時変化（二点鎖線Ｃ）との比較例を示す。なお、図４中の破線Ｄは、酸素濃度を０％まで減少させた場合のＤＰＦ３２の入口温度を示す。

酸素濃度が１０％の場合のＤＰＦ３２内部温度（二点鎖線Ｃ）は、ディーゼルエンジン１０の運転状態が高負荷運転から低負荷運転へと移行した時点（ｔ１）から急激に上昇して、ＤＰＦ３２の耐熱温度（限界温度）を超えている。一方、酸素濃度を０％まで低減した場合のＤＰＦ３２内部温度（実線Ａ）は、ディーゼルエンジン１０の運転状態が高負荷運転から低負荷運転へと移行した時点（ｔ１）を経過した後に、若干上昇するもののＤＰＦ３２の耐熱温度（限界温度）よりも低い状態で抑制されていることからも、本発明の効果が分かる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

本実施形態において、酸素濃度は０％まで低減されるものとして説明したが、必ずしも０％まで低減する必要はなく、例えば２％や３％等、ＤＰＦ３２の容量や耐熱温度等に応じて適宜変更することができる。

また、本実施形態において、後処理装置３０は酸化触媒３１とＤＰＦ３２とを備えた連続再生式ＤＰＦとして説明したが、他のフィルタや触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒等）を備えた後処理装置にも当然ながら適用することができる。

１排気ガス浄化装置
１０ディーゼルエンジン（内燃機関）
１０ａ排気ポート（排気系）
１０ｂ吸気ポート（吸気系）
１１排気通路（排気系）
１４吸気通路（吸気系）
１９ＥＧＲ通路
２１ＥＧＲ弁
３２ＤＰＦ（フィルタ）
４１ＰＭ堆積量推定部（フィルタ堆積量推定手段）
４２ＤＰＦ温度推定部（フィルタ温度推定手段）
４４ＥＧＲ弁制御部（ＥＧＲ弁制御手段）
４５エンジン失火抑制部（失火抑制手段）

Claims

内燃機関の排気系に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記排気系と前記内燃機関の吸気系とを連通し、前記排気系の排気ガスを前記吸気系に還流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路に設けられ、前記吸気系に還流する排気ガス量を調整するＥＧＲ弁と、
前記フィルタに捕集された粒子状物質の堆積量を推定して出力するフィルタ堆積量推定手段と、
前記フィルタの温度を推定して出力するフィルタ温度推定手段と、
前記内燃機関の運転状態が高負荷運転から低負荷運転もしくはアイドル運転に変化する際に、前記フィルタ堆積量推定手段の出力値が所定量以上であり、かつ、前記フィルタ温度推定手段の出力値が所定温度以上の場合に、前記フィルタを流れる排気ガス中の酸素濃度を低減すべく、前記ＥＧＲ弁の開弁制御を行うＥＧＲ弁制御手段とを有する
ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記ＥＧＲ弁制御手段は、前記開弁制御に際し、前記ＥＧＲ弁の開度を、前記フィルタを流れる排気ガス中の酸素濃度がゼロとなる開度に設定する
ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記ＥＧＲ弁制御手段による前記開弁制御に際し、前記内燃機関の吸気系に環流される排気ガスによって引き起こされる前記内燃機関の失火を抑制すべく、前記内燃機関の燃料噴射時期を進角させる失火抑制手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。