JP2014145271A - 火花点火式内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、パティキュレートフィルタを含む排気浄化装置が排気通路に配置された火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、排気系部品の熱劣化抑制のための燃料増量が実施された後の減速運転時にパティキュレートフィルタの過昇温を抑制することを課題とする。
【解決手段】本発明は、上記した課題を解決するために、パティキュレートフィルタを含む排気浄化装置が排気通路に配置された火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、排気系部品の熱劣化抑制を目的とした燃料増量の実施時間（積算時間）が所定時間以上であるときに内燃機関が減速フューエルカット運転されると、パティキュレートフィルタへ流入する排気の酸素濃度を低下させ、パティキュレートフィルタに捕集されているＰＭの酸化速度を小さくするようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、火花点火式内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタを含む排気浄化装置に関する。

三元触媒を含む排気浄化装置が排気通路に配置された内燃機関において、空燃比のばらつき度合いが大きいときに、燃料噴射量を増量させることにより、三元触媒の温度上昇に起因した劣化を抑制する技術について記載されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００９−２６４２８７号公報 特開２０１０−１８０７４３号公報

近年では、火花点火式内燃機関の排気系に、パティキュレートフィルタを含む排気浄化装置を配置する技術が提案されている。このような構成において、三元触媒等の排気系部品の温度上昇による熱劣化を抑制するために燃料噴射量の増量が行われた場合は行われない場合に比べ、パティキュレートフィルタへ流入する粒子状物質（ＰＭ）の量が増加し、それに伴ってパティキュレートフィルタのＰＭ捕集量（ＰＭ堆積量）が増加する。よって、燃料噴射量の増量が行われた後の減速運転時にフューエルカット（Ｆ／Ｃ）運転が実行されると、パティキュレートフィルタが酸素過剰な雰囲気となり、ＰＭの酸化速度（単位時間あたりに酸化されるＰＭの量）が大きくなる。その結果、パティキュレートフィルタの温度が過剰に高くなる可能性がある。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、パティキュレートフィルタを含む排気浄化装置が排気通路に配置された火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、排気系部品の熱劣化抑制のための燃料噴射量の増量処理が実施された後の減速運転時にパティキュレートフィルタの過昇温を抑制することができる技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、パティキュレートフィルタを含む排気浄化装置が排気通路に配置された火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、排気系部品の熱劣化抑制を目的とした燃料噴射量の増量処理の実施時間（積算時間）が所定時間以上であるときに内燃機関が減速フューエルカット運転されると、パティキュレートフィルタへ流入する排気の酸素濃度を低下させ、パティキュレートフィルタに捕集されているＰＭの酸化速度（単位時間あたりに酸化されるＰＭの量）を小さくするようにした。

詳細には、本発明は、排気中のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタが排気通路に配置された火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、
排気通路に配置された排気系部品の過昇温を抑制するために燃料噴射量を増量させる処理である増量処理を実行する増量手段と、
ＰＭの酸化条件が成立しない状態で前記増量処理が実行された時間を積算する積算手段と、
内燃機関が減速フューエルカット運転されたときに前記積算手段により積算された時間が所定時間以上であれば、パティキュレートフィルタへ流入する排気の酸素濃度を低下さ
せる処理である低下処理を実行する制御手段と、
を備えるようにした。

なお、ここでいう「所定時間」は、例えば、パティキュレートフィルタのＰＭ捕集量（ＰＭ堆積量）が内燃機関の減速フューエルカット運転時に該パティキュレートフィルタの過昇温を引き起こすと予想される最小の量になる積算時間、或いは該積算時間からマージンを差し引いた時間である。

火花点火式内燃機関の排気温度は、圧縮着火式内燃機関より高くなる傾向がある。ただし、火花点火式内燃機関の排気の酸素濃度は、圧縮着火式内燃機関より低くなる傾向がある。そのため、火花点火式内燃機関がフューエルカット運転状態以外の通常運転状態（燃料噴射が実施される運転状態）にあるときは、パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭが酸化し難い。一方、火花点火式内燃機関が通常運転状態からフューエルカット運転状態へ移行したときは、排気中の酸素濃度が高まるため、パティキュレートフィルタに捕集されているＰＭが酸化する。

ここで、火花点火式内燃機関の通常運転時に排気系部品の過昇温を抑制することを目的とした増量処理が実施されると、パティキュレートフィルタのＰＭ捕集量が増加する。その結果、増量処理が実施された後の減速フューエルカット運転時は、パティキュレートフィルタにおいて単位時間あたりに酸化されるＰＭの量（ＰＭ酸化速度）が多くなる傾向がある。

したがって、ＰＭの酸化条件が成立しない状態（通常運転状態）で増量処理が実行された時間の積算値が所定時間以上であるときに、内燃機関が減速フューエルカット運転されると、ＰＭ酸化速度が大きくなり、パティキュレートフィルタが過昇温する可能性がある。

これに対し、ＰＭの酸化条件が成立しない状態（通常運転状態）で増量処理が実行された時間の積算値が所定時間以上であるときに内燃機関が減速フューエルカット運転された場合に、パティキュレートフィルタへ流入する排気の酸素濃度が低下されると、ＰＭ酸化速度が小さくなる。その結果、パティキュレートフィルタの過昇温が抑制される。

ところで、パティキュレートフィルタのＰＭ捕集量が多い場合であっても、減速フューエルカット運転時のパティキュレートフィルタ温度が低ければ、パティキュレートフィルタが過昇温し難い。よって、制御手段は、減速フューエルカット運転時のパティキュレートフィルタの温度が上限値より高いことを条件として低下処理を実行するようにしてもよい。なお、ここでいう「上限値」は、パティキュレートフィルタの温度が上限値より高いときにＰＭが酸化されると、該パティキュレートフィルタが過昇温すると考えられる最低の温度、或いは該最低の温度からマージンを差し引いた温度である。

このような構成によれば、パティキュレートフィルタが過昇温し難い状況下において、ＰＭの酸化が不要に制限されることが抑制される。言い換えると、パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭが酸化除去される機会が不要に少なくなることが抑制される。

なお、低下処理実行時における排気の酸素濃度は、積算手段により積算された時間とパティキュレートフィルタの温度をパラメータとして決定されてもよい。例えば、積算時間が長い場合、およびまたはパティキュレートフィルタの温度が高い場合は、積算時間が短い場合、およびまたはパティキュレートフィルタの温度が低い場合に比べ、酸素濃度が低くされてもよい。このように、低下処理実行時の排気の酸素濃度が決定されると、パティキュレートフィルタが過昇温しない範囲でＰＭを酸化除去することができる。

また、本発明における排気系部品としては、パティキュレートフィルタより上流の排気通路に配置された三元触媒等を例示することができる。

本発明によれば、パティキュレートフィルタを含む排気浄化装置が排気通路に配置された火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、排気系部品の熱劣化抑制のための燃料増量が実施された後の減速運転時にパティキュレートフィルタの過昇温を抑制することができる。

本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 低下処理が実行される際にＥＣＵが実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り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。

図１は、本発明を適用する内燃機関とその吸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、火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。内燃機関１は、燃料噴射弁２と点火プラグ３を備えている。燃料噴射弁２は、吸気ポート又は気筒内へ燃料を噴射する。点火プラグ３は、気筒内の燃料（混合気）に着火するための火種を発生する。

内燃機関１には、新気（空気）が流通する吸気通路４と排気（既燃ガス）が流通する排気通路５が接続されている。吸気通路４の途中には、該吸気通路４の通路断面積を変更することにより、内燃機関１の吸入空気量を調整するスロットル弁６が配置されている。排気通路５の途中には、三元触媒を収容した第一触媒ケーシング７が配置されている。三元触媒は、第一触媒ケーシング７へ流入する排気の空燃比が理論空燃比（ストイキ）であるときに排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び窒素酸化物（ＮＯＸ）を酸化又は還元する。第一触媒ケーシング７より下流の排気通路５には、パティキュレートフィルタを収容した第二触媒ケーシング８が配置されている。パティキュレートフィルタは、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集する。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ９が併設されている。ＥＣＵ９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等を具備する電子制御ユニットである。ＥＣＵ９は、エアフローメータ１０、Ａ／Ｆセンサ１１、酸素濃度センサ（Ｏ_２センサ）１２、排気温度センサ１３、アクセルポジションセンサ１４、クランクポジションセンサ１５等の各種センサと電気的に接続されている。

エアフローメータ１０は、吸気通路４に設けられ、該吸気通路４を流通する空気量（空気の質量）に相関した電気信号を出力する。Ａ／Ｆセンサ１１は、第一触媒ケーシング７より上流の排気通路５に取り付けられ、排気の空燃比に相関する電気信号を出力する。Ｏ_２センサ１２は、第一触媒ケーシング７と第二触媒ケーシング８の間の排気通路５に取り付けられ、排気中に含まれる酸素の量（酸素濃度）に相関する電気信号を出力する。排気温度センサ１３は、第二触媒ケーシング８より下流の排気通路５に取り付けられ、排気の温度に相関する電気信号を出力する。アクセルポジションセンサ１４は、図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関する電気信号を出力する。クランクポジショ
ンセンサ１５は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力する。

ＥＣＵ９は、上記した各種センサの出力信号をパラメータとして、燃料噴射弁２の開弁タイミング（燃料噴射時期）及び開弁期間（燃料噴射量）を制御するとともに、点火プラグ３の作動時期（点火タイミング）を制御する。また、ＥＣＵ９は、排気通路５に配置された排気系部品、特にパティキュレートフィルタ（第二触媒ケーシング８）より上流の排気通路５に配置された三元触媒（第一触媒ケーシング７）の過熱による劣化を抑制するために、燃料噴射量を増量させる処理（増量処理）を行う。さらに、ＥＣＵ９は、第二触媒ケーシング８に収容されたパティキュレートフィルタの過昇温を抑制するための処理を行う。以下、パティキュレートフィルタの過昇温を抑制するための処理の実行方法について説明する。

パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭは、高温且つ酸素濃度が高いときに酸化される。これに対し、火花点火式内燃機関の排気温度は圧縮着火式内燃機関より高くなるが、火花点火式内燃機関の排気の酸素濃度は圧縮着火式内燃機関より低くなる。よって、パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭは、パティキュレートフィルタの温度が高い状態において内燃機関１が減速フューエルカット運転されたときに酸化される。

ところで、三元触媒等の排気系部品の過熱を抑制するための増量処理が実行された場合は実行されない場合に比べ、パティキュレートフィルタへ流入するＰＭの量が多くなる。よって、増量処理が実行された後の減速フューエルカット運転時は、パティキュレートフィルタにおいて単位時間あたりに酸化されるＰＭの量（ＰＭ酸化速度）が多くなる。その結果、パティキュレートフィルタの温度が過剰に高くなる可能性がある。

そこで、本実施例では、ＰＭ酸化条件（パティキュレートフィルタの温度がＰＭの酸化し得る温度以上であり、且つ、パティキュレートフィルタへ流入する排気の酸素濃度がＰＭの酸化し得る酸素濃度以上である）が成立した状態で増量処理が実行された時間の積算値を演算し、内燃機関１が減速フューエルカット運転されたときの積算値が所定時間以上であるときは排気の酸素濃度を低下させる処理（低下処理）を実行するようにした。

前記所定時間は、パティキュレートフィルタのＰＭ捕集量が内燃機関の減速フューエルカット運転時に該パティキュレートフィルタの過昇温を引き起こすと予想される量以上になる積算時間、或いは該積算時間からマージンを差し引いた時間であり、予め実験的に求められた時間である。また、低下処理の実行方法としては、フューエルカット運転を禁止（燃料噴射弁２及び点火プラグ３の作動状態を維持）する方法、或いはＥＧＲ機構（排気の一部を吸気通路へ再循環させる機構）を備えた内燃機関においてＥＧＲガス量を増加させる方法等を用いることができる。なお、低下処理の実行時における排気の酸素濃度は、固定値であってもよいが、前記積算値及びパティキュレートフィルタの温度をパラメータとして変更される可変値であってもよい。低下処理の実行時における排気の酸素濃度を可変値とする場合は、前記積算値が大きくなるほど、およびまたはパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど、排気の酸素濃度が低く（混合気の空燃比が低く、又はＥＧＲガス量が多く）されればよい。

上記したような低下処理が実行された場合は実行されない場合に比べ、パティキュレートフィルタへ流入する排気の酸素濃度（単位時間あたりにパティキュレートフィルタへ流入する酸素の量）が低くなるため、パティキュレートフィルタにおいて単位時間あたりに酸化されるＰＭの量（ＰＭ酸化速度）が低下する。その結果、パティキュレートフィルタの過昇温が抑制される。

ところで、前記積算値が所定時間以上であっても、減速フューエルカット運転時におけるパティキュレートフィルタの温度が低いときは、パティキュレートフィルタが過昇温し難い。よって、パティキュレートフィルタの温度が上限値以下であるときは、前記積算値が所定時間以上であっても、低下処理が実行されなくてもよい。なお、前記上限値は、低下処理が実行されなくても、パティキュレートフィルタが過昇温しないと考えられる最大の温度、又はその温度からマージンを差し引いた温度であり、予め実験などを利用した適合処理によって求められた温度である。このように低下処理の実行条件が定められると、減速フューエルカット運転時のＰＭ酸化速度が不要に小さくなることが抑制され、パティキュレートフィルタが再生される機会が不要に少なくことも抑制される。

以下、本実施例における低下処理の実行手順について図２に沿って説明する。図２は、低下処理を実行する際にＥＣＵ９が実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ９のＲＯＭなどに記憶されており、ＥＣＵ９によって周期的に実行される。

図２の処理ルーチンでは、ＥＣＵ９は、先ずＳ１０１の処理において排気系部品の過熱を抑制するための増量処理が実行されているか否かを判別する。Ｓ１０１の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０８の処理へ進み、増量処理の実行時間の積算値（積算時間）を更新する。すなわち、本処理ルーチンの前回の実行時にＳ１０８において求められた積算時間に、本処理ルーチンの実行周期に相当する時間を加算する。このようにＥＣＵ９がＳ１０８の処理を実行することにより、本発明に係わる積算手段が実現される。

前記Ｓ１０１の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０２の処理へ進む。Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ９は、内燃機関１の減速フューエルカット運転条件（減速Ｆ／Ｃ条件）が成立しているか否かを判別する。例えば、ＥＣＵ９は、アクセルポジションセンサ１４の出力信号（アクセル開度）が零（全閉）であり、且つクランクポジションセンサ１５の出力信号から演算される機関回転数が一定機関回転数以上であるときに、減速Ｆ／Ｃ条件が成立していると判定する。Ｓ１０２の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、Ｓ１０２の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０３の処理へ進む。

Ｓ１０３の処理では、ＥＣＵ９は、増量処理の実行時間の積算値（積算時間）が所定時間以上であるか否かを判別する。Ｓ１０３の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０４の処理へ進む。

Ｓ１０４の処理では、ＥＣＵ９は、パティキュレートフィルタの温度が上限値より高いか否かを判別する。その際、パティキュレートフィルタの温度は内燃機関１の運転状態から推定されてもよく、或いは排気温度センサ１３の出力信号がパティキュレートフィルタの温度として用いられてもよい。Ｓ１０４の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０５の処理へ進む。

Ｓ１０５の処理では、ＥＣＵ９は、第二触媒ケーシング８（パティキュレートフィルタ）へ流入する排気の酸素濃度を低下させる処理（低下処理）を実行する。具体的には、ＥＣＵ９は、フューエルカット運転を禁止し、或いはＥＧＲガス量を増量させる。なお、フューエルカット運転が禁止された場合の燃料噴射量（混合気の空燃比）は、前記積算時間が長くなるほど、およびまたはパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど低くされる。また、ＥＧＲガス量を増量させる場合の目標ＥＧＲガス量は、前記積算時間が長くなるほど、およびまたはパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど多くされる。要するに、パティキュレートフィルタへ流入する排気の酸素濃度は、前記積算時間が長くなる
ほど、およびまたはパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど低くされる。なお、低下処理における燃料噴射量やＥＧＲガス量は、Ｏ_２センサ１２の出力信号がパティキュレートフィルタの温度と積算時間に応じた目標酸素濃度となるようにフィードバック制御されてもよい。このようにＥＣＵ９がＳ１０５の処理を実行することにより、本発明に係わる制御手段が実現される。

前記Ｓ１０３の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０６の処理へ進み、パティキュレートフィルタの温度が下限値以上であるか否かを判別する。ここでいう「下限値」は、ＰＭが酸化し得る最低の温度、或いはその温度にマージンを加算した温度である。Ｓ１０６の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、Ｓ１０６の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０７の処理へ進む。

Ｓ１０７の処理では、ＥＣＵ９は、前記積算時間の減算処理を実行する。詳細には、ＥＣＵ９は、パティキュレートフィルタの温度からＰＭ酸化速度を演算し、該ＰＭ酸化速度と減速フューエルカット運転時間からＰＭ酸化量を演算する。そして、ＥＣＵ９は、ＰＭ酸化量に相当する時間を前記積算時間から減算する。なお、ＥＣＵ９は、前記Ｓ１０４の処理において否定判定された場合も、Ｓ１０７の処理を実行する。

以上述べた実施例によれば、増量処理が実行された後に内燃機関１が減速フューエルカット運転されたときに、パティキュレートフィルタの過昇温を抑制することができるため、パティキュレートフィルタの熱劣化を抑制することができる。

１ 内燃機関
２ 燃料噴射弁
３ 点火プラグ
４ 吸気通路
５ 排気通路
６ スロットル弁
７ 第一触媒ケーシング
８ 第二触媒ケーシング
９ ＥＣＵ
１０ エアフローメータ
１１ Ａ／Ｆセンサ
１２ Ｏ_２センサ
１３ 排気温度センサ

Claims (4)

1. 排気中のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタが排気通路に配置された火花点火式内燃機関の排気浄化装置において、
   排気通路に配置された排気系部品の過昇温を抑制するために燃料噴射量を増量させる増量手段と、
   ＰＭの酸化条件が成立しない状態で前記増量手段による燃料噴射量の増量処理が実行された時間を積算する積算手段と、
   内燃機関が減速フューエルカット運転されたときに前記積算手段により積算された時間が所定時間以上であれば、パティキュレートフィルタへ流入する排気の酸素濃度を低下させる処理である低下処理を実行する制御手段と、
   を備える火花点火式内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１において、前記制御手段は、パティキュレートフィルタの温度が上限値より高いことを条件として低下処理を実行する火花点火式内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１又は２において、前記制御手段は、前記積算手段により積算された時間とパティキュレートフィルタの温度をパラメータとして、パティキュレートフィルタへ流入する排気の酸素濃度を決定する火花点火式内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項において、前記排気系部品は、パティキュレートフィルタより上流の排気通路に配置された三元触媒である火花点火式内燃機関の排気浄化装置。

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