JP2014134160A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】堆積しているＰＭが一度に酸化されることによりフィルタが過熱することを抑制する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するフィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置において、フィルタに捕集されている粒子状物質の堆積量の増加率が所定増加率よりも高い場合、又は、フィルタの温度の上昇率が所定上昇率よりも高い場合の少なくとも一方の場合には、何れの場合にも該当しない場合よりも、内燃機関からの排気の温度を低下させる制御装置を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気中の粒子状物質（以下、ＰＭという。）を捕集するフィルタを排気通路に備える場合がある。ここで、内燃機関の高負荷運転時には、排気の温度が高いためにフィルタの温度が上昇するが、排気中に十分な酸素が存在しないために、フィルタには多くのＰＭが堆積する。また、高負荷運転時には、内燃機関から排出されるＰＭ量が多いため、ＰＭの堆積量が増加しやすい。このように高負荷運転時に多くのＰＭが堆積した状態で、減速をすると、燃料カットが実施されるために、フィルタに多くの酸素が流入する。このときにはフィルタの温度はまだ高いために、ＰＭが酸化される。そして、ＰＭの堆積量によっては、フィルタが過熱する虞がある。

これに対し、通常運転状態から無負荷運転状態への移行後のフィルタの過熱を抑制するために、通常運転時にＰＭ堆積量とフィルタの温度とに応じて機関出力を予め制限する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、機関出力を制限したとしても、このときのＰＭ堆積量の増加率が大きいと、機関出力を制限した直後はＰＭ堆積量が大きく増加する。このときに通常運転状態から無負荷運転状態に移行すると、フィルタが過熱する虞がある。

特開２０１０−２４２６３９号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、堆積しているＰＭが一度に酸化されることによりフィルタが過熱することを抑制することにある。

上記課題を達成するために本発明は、
内燃機関の排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するフィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記フィルタに捕集されている粒子状物質の堆積量の増加率が所定増加率よりも高い場合、又は、前記フィルタの温度の上昇率が所定上昇率よりも高い場合の少なくとも一方の場合には、何れの場合にも該当しない場合よりも、前記内燃機関からの排気の温度を低下させる制御装置を備える。

ここで、燃料カット前のＰＭ堆積量の増加率がある程度高くなるか、又は、フィルタ温度の上昇率がある程度高くなると、燃料カット中にフィルタが過熱する虞がある。また、燃料カット前のフィルタのＰＭ堆積量がある程度多くなるか、または、フィルタ温度がある程度高くなると、燃料カット中にフィルタが過熱する虞がある。これに対し、燃料カット前に、フィルタ温度が高くならないように内燃機関からの排気の温度を低下させる。なお、ＰＭ堆積量が多くならないように、内燃機関からの排気の温度を低下させるとしてもよい。内燃機関からの排気の温度を低下させることにより、フィルタの温度上昇を抑制することができるため、燃料カット中にフィルタが過熱することを抑制できる。また、内燃
機関からの排気の温度を低下させるために、例えば内燃機関の出力を制限する場合には、内燃機関から排出されるＰＭ量が低減されるため、ＰＭ堆積量の増加を抑制することができる。これによっても、燃料カット中にフィルタが過熱することを抑制できる。なお、ＰＭ堆積量における所定増加率、及び、フィルタ温度における所定上昇率は、例えば、この増加率または上昇率が継続した場合には、燃料カット中にフィルタが過熱する虞のある値として設定される。また、例えば、燃料カット中にフィルタが過熱し得る値として、ＰＭ堆積量における所定増加率、及び、フィルタ温度における所定上昇率を設定してもよい。

本発明においては、前記所定増加率は、前記フィルタに捕集されている粒子状物質の堆積量が少ないほど、又は、前記フィルタの温度が低いほど、大きな値に設定されてもよい。

ＰＭ堆積量が少ないほど、又は、フィルタの温度が低いほど、燃料カット中にフィルタが過熱するまでの余裕ができるため、所定増加率を大きくしてもフィルタの過熱を抑制することができる。また、ＰＭ堆積量に応じて所定増加率を変化させることにより、内燃機関からの排気の温度を無駄に低下させることを抑制できる。

本発明においては、前記所定上昇率は、前記フィルタに捕集されている粒子状物質の堆積量が少ないほど、又は、前記フィルタの温度が低いほど、大きな値に設定されてもよい。

ＰＭ堆積量が少ないほど、又は、フィルタの温度が低いほど、燃料カット中にフィルタが過熱するまでの余裕ができるため、所定上昇率を大きくしてもフィルタの過熱を抑制することができる。また、フィルタ温度に応じて所定上昇率を変化させることにより、内燃機関からの排気の温度を無駄に低下させることを抑制できる。

本発明においては、前記内燃機関はガソリン機関であってもよい。

ここで、ガソリン機関の場合には、加速時等において理論空燃比以下で運転が実施される。このような場合には、燃料カットが実施されるまでフィルタに捕集されているＰＭが酸化され難いため、燃料カット中に多量のＰＭが酸化して過熱しやすい。このような場合であっても、燃料カット中のフィルタの過熱を抑制できる。

本発明によれば、堆積しているＰＭが一度に酸化されることによりフィルタが過熱することを抑制することができる。

実施例に係る内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。 燃料カット前のフィルタの温度と、燃料カット中のフィルタの最高温度との関係を、ＰＭ堆積量毎に示した図である。 フィルタが過熱する領域を、ＰＭ堆積量と、燃料カット前のフィルタの温度と、に基づいて示した図である。 実施例に係るフィルタの過熱を抑制するためのフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨
のものではない。

（実施例１）
図１は、本実施例に係る内燃機関１とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有するガソリン機関である。なお、本実施例は、ディーゼル機関であっても適用できる。内燃機関１は、車両に搭載されている。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭという。）を捕集するフィルタ３が設けられている。フィルタ３は、たとえば、互いに平行をなして延びる複数個の通路を具備する。これら通路は上流端が栓により閉塞された通路と、下流端が栓により閉塞された通路とにより構成される。なお、フィルタ３には、不織布などを用いることもできる。なお、フィルタ３には酸化触媒が担持されていてもよい。また、フィルタ３よりも上流に酸化触媒を備えていてもよい。

また、フィルタ３よりも上流側の排気通路２と、下流側の排気通路２と、の圧力差を検出する差圧センサ４が取り付けられている。差圧センサ４は、フィルタ３の前後差圧を検出する。また、フィルタ３よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する温度センサ５が設けられている。

また、内燃機関１には、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁６が設けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、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ＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、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を制御する。

また、ＥＣＵ１０には、前記センサの他、運転者がアクセルペダル１１を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１２、および機関回転数を検知するクランクポジションセンサ１３が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。

また、ＥＣＵ１０は、これら入力される各センサによる検出値に基づいて内燃機関１の運転状態の制御を行う。たとえば、ＥＣＵ１０は、燃料噴射弁６からの燃料噴射量を制御する。

また、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態に基づいて該内燃機関１から排出されるＰＭ量（以下、ＰＭ排出量という。）を推定し、このＰＭ排出量の積算値に基づいて、フィルタ３に堆積しているＰＭ量（以下、ＰＭ堆積量という。）を推定する。また、ＥＣＵ１０は、差圧センサ４の検出値に基づいて、フィルタ３に堆積しているＰＭ量を推定することもできる。

そして、ＥＣＵ１０は、ＰＭ堆積量の増加率またはフィルタ温度の上昇率に応じて内燃機関１からの排気の温度を低下させる。内燃機関１からの排気の温度を低下させることにより、ＰＭ排出量を低減させたり、フィルタ３の温度を低下させたりすることができる。これにより、フィルタ３の過熱を抑制する。

ここで、フィルタ３の温度が高く且つＰＭ堆積量が多い場合において、車両の減速時等で燃料噴射弁６からの燃料噴射を停止する燃料カットが実施されると、フィルタ３に酸素が供給されるために、フィルタ３に堆積しているＰＭが酸化される。このときの反応熱が大きいと、フィルタ３が過熱する虞がある。

なお、内燃機関１の負荷が大きいときには、理論空燃比以下で運転されるため、排気の熱でフィルタ３の温度が高くなったとしても、ＰＭは酸化されない。また、内燃機関１の負荷が高いときには、内燃機関１から排出されるＰＭ量が多くなる。このため、内燃機関１の負荷が高いときには、低いときよりも、ＰＭ堆積量の増加率（単位時間当たりの増加量としてもよい。）が大きい。また、内燃機関１の負荷が高いときには、内燃機関１からの排気の温度が高くなる。そして、内燃機関１の負荷が高いときには、低いときよりも、フィルタ温度の上昇率（単位時間当たりの上昇量としてもよい。）が大きい。このため、フィルタ３が過熱しやすい。

ここで、図２は、燃料カット前のフィルタ３の温度と、燃料カット中のフィルタ３の最高温度との関係を、ＰＭ堆積量毎に示した図である。なお、この関係はフィルタ３の緒元によって変わるため、図２に示した数値はあくまでも一例である。燃料カット中のフィルタ３の最高温度が閾値を超えると、フィルタ３が過熱しているといえる。燃料カット前のフィルタ３の温度が高いほど、燃料カット中のフィルタ３の最高温度が高くなる。また、ＰＭ堆積量が多いほど、燃料カット中のフィルタ３の最高温度が高くなる。そして、単位時間当たりのＰＭ排出量が多くなるほど（ＰＭ堆積量の増加率が高いほど）、燃料カット中のフィルタ３の昇温量が大きくなり、フィルタ３の最高温度が閾値に達し易くなる。

また、図３は、フィルタ３が過熱する領域を、ＰＭ堆積量と、燃料カット前のフィルタ３の温度と、に基づいて示した図である。なお、この関係はフィルタ３の緒元によって変わるため、図３に示した数値はあくまでも一例である。ハッチングを施してある領域（過熱領域）が、フィルタ３が過熱している領域である。ＰＭ堆積量が多いほど、燃料カット前のフィルタ３の温度がより低くても、フィルタ３が過熱する。また、燃料カット前のフィルタ３の温度が高いほど、燃料カット前のＰＭ堆積量がより少なくても、フィルタ３が過熱する。このように、ＰＭ堆積量が多いほど、又は、フィルタ温度が高いほど、フィルタ３が過熱し易い。

そこで本実施例では、燃料カット時にフィルタ３が過熱する虞のある場合には、フィルタ３の温度を低下させる。このために、内燃機関１からの排気の温度を低下させる。例えば、内燃機関１の出力を低下させることにより、内燃機関１から排気の温度を低下させることができ、また、これによりＰＭ排出量を低減することができる。図３に示されるように、ＰＭ堆積量が多いほど、または、フィルタ温度が高いほど、フィルタ３が過熱し易くなるため、ＰＭ排出量を減少させるか又はフィルタ温度を低下させることにより、フィルタ３が過熱することを抑制できる。

図４は、本実施例に係るフィルタ３の過熱を抑制するためのフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０により、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、燃料カットが実施されるとフィルタ３が過熱する虞があるか否か判定される。ＥＣＵ１０は、ＰＭ堆積量の増加率が所定増加率よりも高い場合、又は、フィルタ温度の上昇率が所定上昇率よりも高い場合の少なくとも一方の場合に、燃料カットが実施されるとフィルタ３が過熱する虞があると判定する。ＰＭ堆積量の増加率またはフィルタ温度の上昇率が大きいほど、燃料カット中にフィルタ３が過熱し易くなる。このため、所定増加率または所定上昇率は、燃料カットが実施されるとフィルタ３が過熱する虞がある値として予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。ＰＭ堆積量が少ないほど、又は、フィルタ温度が低いほど、フィルタ３が過熱し難くなるため、所定増加率は、ＰＭ堆積量が少ないほど、又は、フィルタ温度が低いほど、大きな値に設定される。同様に、所定上昇率は、ＰＭ堆積量が少ないほど、又は、フィルタ温度が低いほど、大きな値に設定される。これにより、必要のない場合において、内燃機関１からの排気の温度が低下されることを抑制できる。

なお、ＥＣＵ１０は、ＰＭ堆積量と、フィルタ３の温度と、から図３の関係にしたがって、フィルタ３が過熱する虞があるか否か判定してもよい。すなわち、ＰＭ堆積量とフィルタ温度とにより定まる点が図３の過熱領域に入っている場合に、フィルタ３が過熱する虞があると判定してもよい。図３の関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０２では、フィルタ３の温度を低下させる制御であるフィルタ温度低下制御が実施される。例えば、内燃機関１の出力を制限することで、排気の温度を低下させてフィルタ３の温度を低下させることができる。内燃機関１の出力の制限は、例えばスロットルの開度が所定開度よりも大きくならないように制限することで可能となる。このときには、燃料カットが実施されたとしても、フィルタ３が過熱しないように、フィルタ３の温度を低下させる。なお、図３の関係に従って、現時点でのＰＭ堆積量から、燃料カット前のフィルタ温度であって燃料カット中にフィルタ３が過熱しないフィルタ温度を求めることができる。

また、内燃機関１がアルコールとガソリンとを混合して燃料とすることができるものであれば、燃料に占めるアルコールの割合を高くすることにより、排気の温度を低下させることができる。また、排気を熱交換器に通すことで排気を冷却してもよい。その他、周知の技術を用いて排気の温度を低下させてもよい。また、出力制限等を行うことにより、ＰＭ排出量が低減されるため、ＰＭ堆積量が増加することを抑制できる。なお、本ステップでは、ＰＭ排出量を低減する制御または排気の温度を低下させる制御の少なくとも一方を実施してもよい。本実施例においてはステップＳ１０２を処理するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

以上説明したように本実施例によれば、燃料カット時にフィルタ３が過熱する虞のあるときには、内燃機関１の出力制限等により排気の温度を低下させ又はＰＭ排出量を低減させるので、その後に燃料カットが実施されたとしても、フィルタ３の温度が過度に上昇することを抑制できる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ フィルタ
４ 差圧センサ
５ 温度センサ
６ 燃料噴射弁
１０ ＥＣＵ
１１ アクセルペダル
１２ アクセル開度センサ
１３ クランクポジションセンサ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するフィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記フィルタに捕集されている粒子状物質の堆積量の増加率が所定増加率よりも高い場合、又は、前記フィルタの温度の上昇率が所定上昇率よりも高い場合の少なくとも一方の場合には、何れの場合にも該当しない場合よりも、前記内燃機関からの排気の温度を低下させる制御装置を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記所定増加率は、前記フィルタに捕集されている粒子状物質の堆積量が少ないほど、又は、前記フィルタの温度が低いほど、大きな値に設定される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記所定上昇率は、前記フィルタに捕集されている粒子状物質の堆積量が少ないほど、又は、前記フィルタの温度が低いほど、大きな値に設定される請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記内燃機関はガソリン機関である請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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