JP2013096246A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置に関し、酸化触媒への無駄な燃料供給を抑制して、燃費を効果的に向上する。
【解決手段】内燃機関１０の排気通路１４に設けられて酸化触媒３１とＤＰＦ３２とを配置した排気後処理装置３０と、酸化触媒３１に燃料を供給する排気管内噴射装置１８と、排気管内噴射装置１８により酸化触媒３１に燃料を供給させてフィルタ３２の再生を制御すると共に、酸化触媒３１の温度を高温状態に維持してフィルタ３２を再生できる再生可能状態にあるか否かを判定する制御部４４，４５とを備え、制御部４４，４５は、フィルタ３２の再生制御中に再生可能状態にないと判定した時は、再生可能状態にあると判定するまで再生制御を停止するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、排気後処理装置に酸化触媒と排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタとを備えた排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter、以下、ＰＭという）を捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter、以下、ＤＰＦという）が知られている。このＤＰＦは、ＰＭの捕集量に限度がるため、堆積したＰＭを定期的に焼却除去する再生を行う必要がある。ＤＰＦの再生としては、排気管内噴射やポスト噴射により、上流側に設けられた酸化触媒に未燃燃料を供給して、酸化により発生する熱で排気ガスをＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。

特開２０１１−８９４７９号公報

ところで、配送車等の車両においては、配送エリア内を走行する際は比較的近距離にある複数の目的地を転々と移動しながら、目的地で停車する都度エンジンをオフにするのが一般的である。そのため、配送エリア内では酸化触媒の温度が低下することになり、ＤＰＦの再生を実行すべく酸化触媒に未燃燃料を供給しても酸化が進まず、排気ガスをＰＭ燃焼温度まで昇温できない可能性がある。このように、排気ガスが昇温されない状態でＤＰＦの再生を継続すると、酸化触媒に必要量以上の燃料を供給することになり、燃費の悪化を招いてしまう。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＤＰＦの再生に際し、酸化触媒への無駄な燃料供給を抑制して、燃費を効果的に向上することにある。

上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、車両に搭載される内燃機関の排気浄化装置であって、前記内燃機関の排気通路に設けられ、排気上流側から順に酸化触媒と排気中の粒子状物質を捕集するフィルタとを配置した排気後処理装置と、前記酸化触媒に燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料供給手段により前記酸化触媒に燃料を供給させて前記フィルタの再生を制御すると共に、前記車両の走行距離に基づいて、前記酸化触媒の温度を高温状態に維持して前記フィルタを再生できる再生可能状態にあるか否かを判定する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記フィルタの再生制御中に、前記フィルタを再生可能状態にないと判定した時は、前記フィルタを再生可能状態にあると判定するまで前記再生制御を停止することを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記再生制御を停止している場合において、前記フィルタを再生可能状態にあると判定した時は、前記フィルタの再生制御を再開してもよい。

また、前記制御手段は、前記フィルタを再生可能状態にないと判定した時点からの前記車両の走行距離を算出すると共に、算出した該走行距離が所定の走行距離に達した時に、前記フィルタを再生可能状態にあると判定してもよい。

また、前記制御手段は、前記フィルタを再生可能状態にないと判定した後に前記車両のイグニッションがＯＦＦにされた場合は、このＯＦＦにされた時点までに算出した車両の走行距離を記憶すると共に、その後にイグニッションがＯＮにされると、新たに算出される車両の走行距離からイグニッションＯＦＦにされた時点までに算出して記憶した車両の走行距離を減算して得られる走行距離が前記所定の走行距離に達した時に前記フィルタを再生可能状態にあると判定してもよい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＤＰＦの再生に際し、酸化触媒への無駄な燃料供給を抑制して、燃費を効果的に向上することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示す模式的なブロック構成図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置のＥＣＵを示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。

以下、図１〜３に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を説明する。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。

本実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、例えば配送車等のトラック（以下、車両という）に搭載されるものである。図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには、図示しない吸気バルブの開弁により新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには、図示しない排気バルブの開弁により排気ガスを排出する排気通路１４が接続されている。

吸気通路１１には、吸気上流側から順に、エアフィルタ１５と、ターボ過給機１６のコンプレッサ１６ａと、インタクーラー１７とが設けられている。また、排気通路１４には、排気上流側から順に、ターボ過給機１６のタービン１６ｂと、排気管内噴射装置１８と、排気後処理装置３０とが設けられている。さらに、排気通路１４と吸気通路１１とはＥＧＲ通路２０で接続されており、このＥＧＲ通路２０にはＥＧＲクーラ２１とＥＧＲバルブ２２とが設けられている。

排気管内噴射装置１８は、後述するＥＣＵ４０のＤＰＦ再生制御部４５から出力される指示信号に応じて、排気下流側に設けられた排気後処理装置３０の酸化触媒３１に向けて未燃燃料のＨＣ（炭化水素）を噴射する。

排気後処理装置３０は、排気上流側から順に、酸化触媒３１とＤＰＦ３２とを配置して構成されている。また、排気後処理装置３０には、ＤＰＦ３２の排気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。

酸化触媒３１は公知の構造で、コーディエライトハニカム構造体等よりなるセラミック製担体の表面に酸化触媒を担持して形成されている。酸化触媒３１は、排気管内噴射装置１８から未燃燃料が供給されると、これを酸化して、酸化により発生する熱で排気ガスを昇温する。

ＤＰＦ３２は公知の構造で、排気ガス中のＰＭをフィルタに捕集するとともに、ＰＭ堆積量が所定の上限値に達すると、堆積したＰＭを焼却除去する再生が行われる。このＤＰＦ３２の再生は、排気管内噴射装置１８から酸化触媒３１に未燃燃料を供給し、供給された未燃燃料の酸化により発生する熱で排気ガスをＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。

再生実行選択スイッチ３５は、ドライバーの手動操作による再生実行の選択が可能なスイッチであって、例えば図示しない車両の運転室内に設けられている。この再生実行選択スイッチ３５は、詳細を後述するＥＣＵ４０と電気配線を介して接続されており、ドライバーによりオン操作されると、ＤＰＦ３２の再生が実行されるように構成されている。

ＥＣＵ４０は、エンジン１０の燃料噴射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、ＥＣＵ４０には、差圧センサ２５や、車速センサ２６、図示しないアクセル開度センサ等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

また、図２に示すように、ＥＣＵ４０は、ＰＭ堆積量演算部４１と、再生完了判定部４２と、燃料供給量判定部４３と、再生実行可否判定部４４と、ＤＰＦ再生制御部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堆積量演算部４１は、ＤＰＦ３２に捕集されて堆積したＰＭの堆積量を演算する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め作成されたＤＰＦ３２の排気上流側及び下流側の差圧ΔＰとＰＭの堆積量Ｐとの関係を示すマップ（不図示）が記憶されている。ＰＭ堆積量演算部４１は、このマップから差圧センサ２５の検出値に対応する堆積量Ｐを読み取ることで、ＤＰＦ３２に堆積したＰＭの堆積量を演算する。

なお、差圧センサ２５を用いない場合は、エンジン１０の運転状態であるエンジン回転数とエンジン負荷とに応じた単位時間当たりのＰＭ排出量を示すマップ（不図示）を予め記憶させておき、このマップからエンジン１０の稼働時間の積算値に対応するＰＭ排出量を読み取ることで、ＰＭの堆積量を演算してもよい。

再生完了判定部４２は、後述するＤＰＦ再生制御部４５によるＤＰＦ３２の再生が完了したか否かを判定する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、ＤＰＦ３２の再生が完了した際のＰＭの堆積量下限閾値Ｐ_MINが予め記憶されている。再生完了判定部４２は、ＰＭ堆積量演算部４１により演算された堆積量Ｐが堆積量下限閾値Ｐ_MINに達した場合（Ｐ≦Ｐ_MIN）に、ＤＰＦ再生制御部４５によるＤＰＦ３２の再生を完了したと判定する。

燃料供給量判定部４３は、ＤＰＦ再生制御部４５による再生制御中に、排気管内噴射装置１８から酸化触媒３１に供給された燃料の供給量積算値Ｖが、ＤＰＦ３２を再生させるのに十分な供給量か否かを判定する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、ＤＰＦ３２を再生させることができる酸化触媒３１での燃料の消費量下限閾値Ｖ_MINが予め記憶されている。また、供給量積算値Ｖは、温度センサ（不図示）でＤＰＦ３２の温度をモニタしながら目標温度を維持できる燃料供給量をＥＣＵ４０で計算すると共に、この計算される燃料供給量をＤＰＦ再生制御の開始時点（堆積量Ｐが所定の上限値に達した時点）から現在まで積算することで算出される。燃料供給量判定部４３は、この算出された供給量積算値Ｖが消費量下限閾値Ｖ_MIN以上の場合（Ｖ≧Ｖ_MIN）に、供給量をＤＰＦ３２の再生に十分と判定する。

再生実行可否判定部４４は、車両の走行距離が、酸化触媒３１の温度を高温状態に維持してＤＰＦ３２を再生できる所定の走行距離に達した場合にＤＰＦ３２を「再生可能状態」と判定する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、車両が配送エリアを抜ける走行距離や、営業所に戻ったと想定される走行距離が走行距離判定閾値Ｄ₀として予め記憶されている。この走行距離判定閾値Ｄ₀は、車両毎に変えられるように、外部ツールから書き換え可能に構成されている。

再生実行可否判定部４４は、車両が走行を開始してから燃料供給量判定部４３が供給量をＤＰＦ３２の再生に十分（Ｖ≧Ｖ_MIN）と判定した時点までの絶対走行距離Ｄ₁を、車速に走行時間を乗算して得た値を積算する方法や、走行メータの値を取得する方法等の周知の手法を用いて算出すると共に、この絶対走行距離Ｄ₁を基準走行距離としてＥＣＵ４０の記憶部に記憶する。さらに、再生実行可否判定部４４は、車両が走行を開始してから現在までの絶対走行距離Ｄ₂を、車速に現在までの走行時間を乗算して得た値を積算する方法や、走行メータの値を取得する方法等の周知の手法を用いて算出する。そして、再生実行可否判定部４４は、算出した絶対走行距離Ｄ₂から記憶した絶対走行距離Ｄ₁を減算して得られる相対走行距離Ｄ₃（＝Ｄ₂−Ｄ₁）が走行距離判定閾値Ｄ₀に達した場合（Ｄ₃≧Ｄ₀）に、ＤＰＦ３２を「再生可能状態」と判定する。なお、ＥＣＵ４０に記憶された絶対走行距離Ｄ₁は、車両のイグニッションがＯＦＦ操作された場合（例えば、配送のため運転者が車両からキーを抜き取って完全に離れるような場合）も保存されるように構成されている。

ＤＰＦ再生制御部４５は、排気管内噴射装置１８による燃料噴射を制御して、ＤＰＦ３２の再生を実行する。より詳しくは、ＥＣＵ４０にはＤＰＦ３２に捕集されて堆積したＰＭを焼却除去すべき堆積量上限閾値Ｐ_MAXが予め記憶されている。ＤＰＦ再生制御部４５は、ＰＭ堆積量演算部４１により演算されるＰＭの堆積量Ｐがこの堆積量上限閾値Ｐ_MAXを超えると、排気管内噴射装置１８に燃料を噴射させる指示信号を出力する。

一方、ＤＰＦ再生制御部４５は、再生完了判定部４２がＤＰＦ３２の再生を未完了（Ｐ＞Ｐ_MIN）と判定し、かつ、燃料供給量判定部４３が供給量をＤＰＦ３２の再生に十分（Ｖ≧Ｖ_MIN）と判定した場合は、再生実行可否判定部４４が「再生可能状態」と判定するまで、ＤＰＦ３２の再生を停止させる。これにより、車両が配達エリア内を走行中など、酸化触媒３１の温度が低下した状態における無駄な燃料消費が抑止されるように構成されている。

なお、ＤＰＦ再生制御部４５は、ドライバーにより再生実行選択スイッチ３５がオン操作された場合は、上述の各条件にかかわらずＤＰＦ３２の再生を実行する。すなわち、ＤＰＦ３２の再生を実行する前に車両が営業所に戻った場合であっても、ドライバーの手動操作でＤＰＦ３２の再生を確実に行えるように構成されている。

次に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による制御フローを図３に基づいて説明する。なお、本制御はエンジン１０の始動（イグニッションのＯＮ操作）時に、直前のエンジン１０の停止（イグニッションのＯＦＦ操作）時の制御状態（制御ステップ、供給量積算値Ｖ、絶対走行距離Ｄ₁）からスタートする。エンジン１０の停止（イグニッションのＯＦＦ操作）時の制御状態は、ＥＣＵ４０の記憶部に記憶され、イグニッションＯＦＦ操作時においても保存される。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、ＰＭ堆積量演算部４１により演算されるＰＭの堆積量Ｐが堆積量上限閾値Ｐ_MAXを超えたか否かが確認される。堆積量Ｐが堆積量上限閾値Ｐ_MAXを超えた場合は、ＤＰＦ３２の再生を実行すべくＳ１１０へと進む。

Ｓ１１０では、ＤＰＦ再生制御部４５によるＤＰＦ３２の再生が実行される。すなわち、ＤＰＦ再生制御部４５から排気管内噴射装置１８に燃料を噴射させる指示信号が出力されると共に、排気管内噴射装置１８から酸化触媒３１に未燃燃料が供給される。

さらに、Ｓ１２０では、再生完了判定部４２によりＤＰＦ３２の再生が完了したか否かが判定される。ＰＭ堆積量演算部４１により演算された堆積量Ｐが堆積量下限閾値Ｐ_MINに達した場合は、ＤＰＦ３２の再生は完了と判定されてリターンされる。一方、ＰＭ堆積量演算部４１により演算された堆積量Ｐが堆積量下限閾値Ｐ_MIN未満の場合は、ＤＰＦ３２の再生は未完了と判定されてＳ１３０に進む。

Ｓ１３０では、燃料供給量判定部４３により、前述のＳ１１０で排気管内噴射装置１８から酸化触媒３１に供給された燃料の供給量積算値Ｖが、ＤＰＦ３２の再生に十分な供給量か否かが判定される。燃料の供給量積算値Ｖが消費量下限閾値Ｖ_MIN以上の場合（Ｖ≧Ｖ_MIN）は、燃料の供給量はＤＰＦ３２の再生に十分と判定されてＳ１４０に進む。一方、燃料の供給量積算値Ｖが消費量下限閾値Ｖ_MIN未満の場合（Ｖ＜Ｖ_MIN）は、燃料の供給量はＤＰＦ３２の再生に不十分と判定されてＳ１１０に戻される。すなわち、ＤＰＦ再生制御部４５によるＤＰＦ３２の再生が再び実行される。

Ｓ１４０では、再生実行可否判定部４４により、車両が走行を開始してから燃料供給量判定部４３が供給量をＤＰＦ３２の再生に十分（Ｖ≧Ｖ_MIN）と判定した時点までの絶対走行距離Ｄ₁が算出されると共に、この絶対走行距離Ｄ₁が基準走行距離としてＥＣＵ４０に記憶される。

Ｓ１５０では、再生実行可否判定部４４により、車両が走行を開始してから現在までの絶対走行距離Ｄ₂が算出されると共に、この絶対走行距離Ｄ₂から前述のＳ１４０で記憶した絶対走行距離Ｄ₁を減算して得られる相対走行距離Ｄ₃（＝Ｄ₂−Ｄ₁）が、酸化触媒３１の温度を高温状態に維持してＤＰＦ３２を再生できる走行距離判定閾値Ｄ₀に達したか否かが確認される。相対走行距離Ｄ₃が走行距離判定閾値Ｄ₀に達した場合（Ｄ₃≧Ｄ₀）は、ＤＰＦ３２は「再生可能状態」と判定されてＳ１１０へと戻される。一方、相対走行距離Ｄ₃が走行距離判定閾値Ｄ₀に達していない場合（Ｄ₃＜Ｄ₀）は、ＤＰＦ３２は「再生可能状態にない」と判定されてＳ１６０へと進む。

Ｓ１６０では、再生実行選択スイッチ３５がドライバーによりオン操作されているか否かが確認される。再生実行選択スイッチ３５がオン操作されている場合は、ＤＰＦ３２の再生を実行すべくＳ１１０へと戻される。

一方、再生実行選択スイッチ３５がオン操作されていない場合は、Ｓ１５０へと戻される。すなわち、相対走行距離Ｄ₃が走行距離判定閾値Ｄ₀に達してＤＰＦ３２が「再生可能状態」と判定されるか、又は再生実行選択スイッチ３５がオン操作されるまで、ＤＰＦ３２の再生は停止される（Ｓ１５０及びＳ１６０のステップを繰返す）。

次に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による作用効果について説明する。

本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、車両の走行距離が、酸化触媒３１の温度を高温状態に維持できる走行距離に達するまで、ＤＰＦ３２の再生は停止される。すなわち、車両が配送エリアを走行している際など、酸化触媒３１の温度が低下した状態においては、酸化触媒３１への未燃燃料の供給は停止されるように構成されている。したがって、ＤＰＦ３２の再生に際し、酸化触媒３１への無駄な燃料供給が抑制され、燃費を効果的に向上することができる。

また、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、イグニッションがＯＦＦ操作された場合においても、燃料の供給量積算値Ｖを消費量下限閾値Ｖ_MIN以上と判定した時点での絶対走行距離Ｄ₂がＥＣＵ４０に記憶されて保存されるので、ＤＰＦ３２の再生制御を停止した状態で設定された走行距離判定閾値Ｄ₀以上の距離を走行しないように構成されている。したがって、燃費の改善が可能であると共に、再生制御の停止中にＤＰＦ３２が捕集限界に達して故障することを効果的に回避することができる。

また、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、車両の走行距離が、酸化触媒３１の温度を高温状態に維持できる走行距離に達していない場合であっても、ドライバーによる再生実行選択スイッチ３５のオン操作でＤＰＦ３２の再生を実行するように構成されている。したがって、ＤＰＦ３２の再生が実行される前に、車両が営業所に戻った場合であっても、ドライバーの手動操作でＤＰＦ３２の再生を確実に行うことができる。

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。

例えば、上述の実施形態において、図３の制御フローに示すように、ＤＰＦ３２の再生を停止させるロジック（Ｓ１５０）は、１回目のＤＰＦ３２の再生（Ｓ１１０）が行われた後に機能するものとして説明したが、この１回目のＤＰＦ３２の再生が行われる前から機能させても良い。この場合も、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、酸化触媒３１への燃料の供給は、排気管内噴射装置１８に限られず、例えばエンジン１０のポスト噴射を用いてもよい。

１０ エンジン
１４ 排気通路
１８ 排気管内噴射装置（燃料供給手段）
２５ 差圧センサ
３０ 排気後処理装置
３１ 酸化触媒
３２ ＤＰＦ（フィルタ）
４０ ＥＣＵ（制御手段）
４４ 再生実行可否判定部（制御手段）
４５ ＤＰＦ再生制御部（制御手段）

Claims (4)

1. 車両に搭載される内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記内燃機関の排気通路に設けられ、排気上流側から順に酸化触媒と排気中の粒子状物質を捕集するフィルタとを配置した排気後処理装置と、
   前記酸化触媒に燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記燃料供給手段により前記酸化触媒に燃料を供給させて前記フィルタの再生を制御すると共に、前記車両の走行距離に基づいて、前記酸化触媒の温度を高温状態に維持して前記フィルタを再生できる再生可能状態にあるか否かを判定する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記フィルタの再生制御中に、前記フィルタを再生可能状態にないと判定した時は、前記フィルタを再生可能状態にあると判定するまで前記再生制御を停止することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記制御手段は、
   前記再生制御を停止している場合において、前記フィルタを再生可能状態にあると判定した時は、前記フィルタの再生制御を再開する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記制御手段は、
   前記フィルタを再生可能状態にないと判定した時点からの前記車両の走行距離を算出すると共に、算出した該走行距離が所定の走行距離に達した時に、前記フィルタを再生可能状態にあると判定する請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記制御手段は、
   前記フィルタを再生可能状態にないと判定した後に前記車両のイグニッションがＯＦＦにされた場合は、このＯＦＦにされた時点までに算出した車両の走行距離を記憶すると共に、その後にイグニッションがＯＮにされると、新たに算出される車両の走行距離からイグニッションＯＦＦにされた時点までに算出して記憶した車両の走行距離を減算して得られる走行距離が前記所定の走行距離に達した時に前記フィルタを再生可能状態にあると判定する請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。