JP2012154255A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノ粒子の排出をより速やかに低減することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】捕集された粒子状物質を燃焼除去して排気浄化フィルター２０を再生するための再生制御の実施直後に、ディーゼル機関から排出される粒子状物質を大径化する粒子大径化制御を実施する。そしてこれにより、排気浄化フィルター２０へのスート等の大径粒子の堆積を促して、排気浄化フィルター２０にナノ粒子の捕集能力を早期に獲得させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化フィルターを備える内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼル機関の排気中には、様々な大きさの微粒子が含まれており、大きくは、ナノ粒子と、大径粒子とに大別される。ナノ粒子は、一般に、５０ｎｍ以下の粒子を言い、燃料中の高沸点成分や内燃機関の潤滑油成分に由来するものと考えられている。また大径粒子は、５０ｎｍよりも大きいものを言い、スート（煤）、可溶有機分（ＳＯＦ）、サルフェート（酸化硫黄）などを成分とするものとなっている。

こうした排気中の微粒子を捕集するため、ディーゼル機関の排気系には、排気浄化フィルターが設けられている。排気浄化フィルターは、微粒子の捕集量がある程度を超えて多くなると、目詰まりを起し、フィルターとしての機能を喪失する。そのため、微粒子の捕集量が一定以上となったときに、排気中への燃料添加などにより排気温度を高めて捕集した微粒子を燃焼して除去することで、排気浄化フィルターを再生する必要がある。

なお、上記のようなナノ粒子は、粒径が非常に小さいため、排気浄化フィルターをすり抜けて、捕集されることなく外気に排出されてしまうことがある。そこで、特許文献１に記載の内燃機関の排気浄化装置では、アイドル運転時に、低圧燃料噴射を間欠的に実施することで、ナノ粒子の生成量を減らし、フィルターで捕集可能な大径粒子の生成量を増やすことで、外気への粒子状物質の排出量を減らすようにしている。

また、特許文献２には、迂回する排気通路の長さよりも長い迂回路を排気通路に設けるとともに、ナノ粒子が生成し易い機関運転状態では、その迂回路を通って排気を流すようにしている。そしてこれにより、排気中のナノ粒子の滞留時間を長くして、凝縮によるナノ粒子の大径化を促すことで、排気浄化フィルターでの捕集を可能とする技術が記載されている。

特開２００６−２５００３０号公報 特開２００６−２２６１９１号公報

上述したように、微細な排気中のナノ粒子は、排気浄化フィルターをすり抜けてしまうため、その捕集は困難となっている。ところが、ある程度の期間使用された排気浄化フィルターでは、図３に示すように、粒径の大きいスートＳ等の大径粒子が堆積することで、堆積したスートＳ等がフィルター基材５０の目を塞ぎ、ナノ粒子Ｎのすり抜けを抑制することが知られている。ちなみに、図４に示すように、フィルターをすり抜けて外気に排出されるナノ粒子の数は、スートの堆積量に対して指数的に減少するようになっている。

このように、適量のスートが堆積することで、排気浄化フィルターは、ナノ粒子の捕集性能を獲得することができる。ところが、上述したような排気浄化フィルターの再生制御が行われると、図５に示すように、フィルター基材５０に堆積したスートＳが除去されてしまうため、再び適量のスートが堆積されるまで、ナノ粒子Ｎのすり抜けを抑制できなくなってしまう。また新品の排気浄化フィルターを装着した場合にも、しばらく使用して、適量のスートが堆積した後でなければ、ナノ粒子のすり抜けの十分な抑制はできないことになる。このように、排気浄化フィルターの再生制御後や新たな排気浄化フィルターの装着後には、フィルターに適量のスートが堆積されるまで、しばらくの間は、ナノ粒子の排出を十分に低減できないようになっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、排気浄化フィルターの再生制御後や、新たな排気浄化フィルターの装着後に、ナノ粒子の排出をより速やかに低減することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化フィルターを備える内燃機関の排気浄化装置としての請求項１に記載の発明は、捕集された粒子状物質を燃焼除去して排気浄化フィルターを再生するための再生制御の実施後に、内燃機関から排出される粒子状物質を大径化する粒子大径化制御を実施するようにしている。

上記構成では、排気浄化フィルターの再生制御が実施され、フィルターに堆積したスート等の大径粒子が除去されると、粒子大径化制御が実施されて、内燃機関から排出される粒子状物質が大径化されるようになる。そのため、再生制御後、速やかに、排気浄化フィルターにスート等の大径粒子を堆積させて、ナノ粒子の捕集性能を獲得させることができる。したがって、上記構成によれば、排気浄化フィルターの再生制御後に、ナノ粒子の排出をより速やかに低減することができる。

上記課題を解決するため、排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化フィルターを備える内燃機関の排気浄化装置としての請求項２に記載の発明は、新しい排気浄化フィルターの装着後に、内燃機関から排出される粒子状物質を大径化する粒子大径化制御を実施するようにしている。

上記構成では、新しい排気浄化フィルターが装着されると、粒子大径化制御が実施されて、内燃機関から排出される粒子状物質が大径化されるようになる。そのため、新たに装着された排気浄化フィルターに、速やかに、スート等の大径粒子を堆積させて、ナノ粒子の捕集性能を獲得させることができる。したがって、上記構成によれば、新たな排気浄化フィルターの装着後に、ナノ粒子の排出をより速やかに低減することができる。

なお、粒子大径化制御は、請求項３によるように、内燃機関の燃焼効率を低下させる機関制御により行うことができる。具体的には、請求項４によるような、燃料噴射圧の低減、燃料噴射時期の遅角、アフター噴射の禁止及び過給圧の低減のいずれか１つ、あるいはそれらの組合せで、内燃機関から排出される粒子状物質の大径化が可能となる。

ちなみに、上記のような粒子大径化制御は、請求項５によるように、排気浄化フィルターの大径粒子の堆積量が既定値を超えるまで継続することが望ましい。なお、排気浄化フィルターの大径粒子の堆積量は、粒子大径化制御の継続時間などから推定することができる。

本発明の一実施の形態の適用される内燃機関の構成を模式的に示す略図。 同実施の形態に適用される大径化制御ルーチンのフローチャート。 一定期間使用された排気浄化フィルターの状態を模式的に示す略図。 スート堆積量とナノ粒子排出数との関係を示すグラフ。 再生制御直後の排気浄化フィルターの状態を模式的に示す略図。

以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置を具体化した一実施の形態を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態は、本発明の排気浄化装置をディーゼル機関に適用したものとなっている。

まず、図１を参照して本実施の形態の適用されるディーゼル機関の構成を説明する。
同図に示すように、内燃機関の吸気通路１には、その上流から順に、吸気を浄化するエアクリーナー２、吸気流量を検出するエアフローメーター３、そのエアフローメーター３に内蔵された吸気温センサー４、過給機であるターボチャージャー５のコンプレッサー６が配設されている。また、吸気通路１のコンプレッサー６の下流には、コンプレッサー６での断熱圧縮で加熱した吸気を冷却するインタークーラー７が配設されている。そして吸気通路１のインタークーラー７の下流には、ブースト圧を検出するブースト圧センサー８、インタークーラー７下流の吸気温度を検出する吸気温センサー９、ロータリーソレノイド１１により駆動されて吸気流量を調節する吸気絞り弁１２が配設されている。

こうした吸気通路１を通じて吸気が導入される内燃機関の各気筒の燃焼室１３には、高圧燃料が蓄えられるコモンレール１４から分配供給された燃料を燃焼室１３内に噴射するインジェクター１５がそれぞれ設けられている。そして燃焼室１３内では、インジェクター１５から噴射された燃料が燃焼されるようになっている。

燃焼室１３から排出された排気が通る排気通路１６には、ターボチャージャー５のタービン１７が配設されている。こうしたターボチャージャー５では、排気の流勢によるタービン１７の回転で、吸気通路１に設けられたコンプレッサー６が回転され、それにより吸気の過給が行われるようになっている。排気通路１６のタービン１７の下流には、排気の酸素濃度を検出する空燃比センサー１８、排気中に燃料を添加する燃料添加弁１９、排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化フィルター２０が配設されている。また排気通路１６の排気浄化フィルター２０の下流には、排気浄化フィルター２０を通過後の排気の酸素濃度を検出する、もう一つの空燃比センサー２１と、排気の温度を検出する排気温度センサー２２とが配設されている。

こうしたディーゼル機関は、電子制御ユニット２３により制御されている。電子制御ユニット２３は、機関制御に係る各種演算処理を実施する中央演算処理装置（ＣＰＵ）、制御用のプログラムやデータが記憶された読込専用メモリー（ＲＯＭ）を備えている。また電子制御ユニット２３は、ＣＰＵの演算結果やセンサーの検出結果等を一時的に記憶するランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）と、外部との信号の入出力を媒介する入出力ポート（Ｉ／Ｏ）とを備えている。

こうした電子制御ユニット２３の入力ポートには、上述した各センサーに加え、吸気絞り弁１２の開度を検出するスロットルセンサー２４、コモンレール１４の内部の燃料圧力であるレール圧を検出するレール圧センサー２５などの検出信号が入力されている。また、電子制御ユニット２３の入力ポートには、クランク角を検出するクランクセンサー２６、機関冷却水温を検出する水温センサー２７、アクセル操作量を検出するアクセルペダルセンサー２８、車速を検出する車速センサー２９などの検出信号が入力されている。一方、電子制御ユニット２３の出力ポートからは、上述したロータリーソレノイド１１、インジェクター１５、燃料添加弁１９などの、機関各部に設けられたアクチュエーターの駆動回路に対して、指令信号が出力されている。

以上のように構成された本実施の形態にあって、電子制御ユニット２３は、機関運転中、ディーゼル機関の運転条件から、排気浄化フィルター２０の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter ）の堆積量を推定している。そして電子制御ユニット２３は、粒子状物質の推定堆積量が一定量を超えると、捕集された粒子状物質を燃焼して除去することで排気浄化フィルター２０のＰＭ捕集能力を再生する再生制御を実施する。再生制御は、アフター噴射や燃料添加弁１９による排気中への燃料添加などにより、排気の温度を高めることで行われる。

上述したように、こうした再生制御が実施されて、排気浄化フィルター２０に堆積したスート等の大径粒子が除去されると、フィルターのナノ粒子捕集の能力が低下する。そこで本実施の形態では、再生制御の実施後に、ディーゼル機関から排出される粒子状物質を大径化する粒子大径化制御を実施することで、排気浄化フィルター２０へのスート等の大径粒子の堆積を促して、排気浄化フィルター２０にナノ粒子の捕集能力を早期に獲得させるようにしている。

排気に含まれる粒子状物質の大径化は、ディーゼル機関の燃焼効率を低下させることで行うことができる。本実施の形態では、燃料噴射圧の低減、燃料噴射時期の遅角、アフター噴射の禁止及び過給圧の低減の少なくとも１つにより、粒子大径化制御を実施している。

図２は、本実施の形態に適用される大径化制御ルーチンのフローチャートを示している。本ルーチンの処理は、機関運転中に電子制御ユニット２３により繰り返し実行されるものとなっている。

さて本ルーチンが開始されると、まずステップＳ１００において、再生制御の直後であるか否かが判定される。ここで再生制御の直後でなければ（Ｓ１００：ＮＯ）、そのまま、今回の本ルーチンの処理が終了される。

再生制御の直後であれば（Ｓ１００：ＹＥＳ）、ステップＳ１０１において、ディーゼル機関から排出される粒子状物質を大径化する大径化制御が実施される。ここでは、燃料噴射圧の低減、燃料噴射時期の遅角、アフター噴射の禁止及び過給圧の低減の少なくとも１つにより、ディーゼル機関の燃焼効率を低下させることで、大径化制御が実施されている。なお、こうした大径化制御は、排気浄化フィルター２０のスート堆積量が既定値を超えるまで（Ｓ１０２：ＹＥＳ）継続される。スート堆積量は、大径化制御の継続時間などから推定されるようになっている。

（１）本実施の形態では、捕集された粒子状物質を燃焼除去して排気浄化フィルター２０のＰＭ捕集能力を再生するための再生制御の実施後に、ディーゼル機関から排出される粒子状物質を大径化する粒子大径化制御を実施するようにしている。そのため、再生制御後、速やかに、排気浄化フィルター２０にスート等の大径粒子を堆積させて、ナノ粒子の捕集性能を獲得させることができる。したがって、本実施の形態によれば、排気浄化フィルター２０の再生制御後に、ナノ粒子の排出をより速やかに低減することができる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、再生制御の直後に粒子大径化制御を行うようにしていた。なお、新品の排気浄化フィルター２０には、排気浄化フィルター２０にスート等の大径粒子が堆積されておらず、十分なナノ粒子の捕集能力が無い状態となっている。そこで、新たな排気浄化フィルター２０の装着後にも、上記のような粒子大径化制御を行えば、排気浄化フィルター２０にナノ粒子の捕集能力を早期に獲得させることができるようになる。

・上記実施の形態では、燃料噴射圧の低減、燃料噴射時期の遅角、アフター噴射の禁止及び過給圧の低減の少なくとも１つにより、粒子大径化制御を実施するようにしていた。もっとも、粒子大径化制御としては、ディーゼル機関の燃焼効率を低下させて、排気中の粒子状物質を大径化することのできる制御であれば、任意の機関制御を適用することができる。

・上記実施の形態では、粒子大径化制御の継続時間から排気浄化フィルター２０のスート堆積量を推定し、その推定したスート堆積量が既定値を超えるまで粒子大径化制御を行うようにしていた。粒子大径化制御の終了時期は、例えば粒子大径化制御の実施時間や同制御下での車両の走行距離に基づくなど、それ以外の態様で決定するようにしても良い。

・上記実施の形態では、ディーゼル機関に本発明の排気浄化装置を適用した場合を説明したが、排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化フィルターを備える内燃機関であれば、ディーゼル機関以外の内燃機関にも本発明の排気浄化装置を適用可能である。

１…吸気通路、２…エアクリーナー、３…エアフローメーター、４…吸気温センサー、５…ターボチャージャー、６…コンプレッサー、７…インタークーラー、８…ブースト圧センサー、９…吸気温センサー、１１…ロータリーソレノイド、１２…吸気絞り弁、１３…燃焼室、１４…コモンレール、１５…インジェクター、１６…排気通路、１７…タービン、１８…空燃比センサー、１９…燃料添加弁、２０…排気浄化フィルター、２１…空燃比センサー、２２…排気温度センサー、２３…電子制御ユニット、２４…スロットルセンサー、２５…レール圧センサー、２６…クランクセンサー、２７…水温センサー、２８…アクセルペダルセンサー、２９…車速センサー、５０…フィルター基材。

Claims (5)

1. 排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化フィルターを備える内燃機関の排気浄化装置において、
   捕集された粒子状物質を燃焼除去して前記排気浄化フィルターを再生するための再生制御の実施後に、前記内燃機関から排出される粒子状物質を大径化する粒子大径化制御を実施する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化フィルターを備える内燃機関の排気浄化装置において、
   新しい前記排気浄化フィルターの装着後に、前記内燃機関から排出される粒子状物質を大径化する粒子大径化制御を実施する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記粒子大径化制御は、前記内燃機関の燃焼効率を低下させる機関制御により行われる
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記粒子大径化制御は、燃料噴射圧の低減、燃料噴射時期の遅角、アフター噴射の禁止及び過給圧の低減の少なくとも１つにより行われる
   請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記粒子大径化制御は、前記排気浄化フィルターの大径粒子の堆積量が既定値を超えるまで継続される
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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