JP2014159780A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関の排気浄化装置に関し、ＤＰＦ内部温度のオーバーシュート及びＤＰＦの溶損を効果的に防止する。
【解決手段】ＰＭを捕集するＤＰＦ１６と、ＤＰＦ１６の静電容量を検出する静電容量検出ユニット１７ａ，１７ｂ，２１と、静電容量に基づいてＤＰＦ１６のＰＭ堆積量を推定するＰＭ堆積量推定部２２と、静電容量に基づいてＤＰＦ１６の内部温度を推定するＤＰＦ温度推定部２３と、強制再生を実行可能なフィルタ再生ユニット１３，２４とを備え、フィルタ再生ユニット１３，２４は、ＤＰＦ１６の過昇温による溶損を回避可能な目標温度に基づいて、推定される内部温度が目標温度以下となるように、強制再生時の燃料供給量をフィードバック制御する。
【選択図】図１
【解決手段】ＰＭを捕集するＤＰＦ１６と、ＤＰＦ１６の静電容量を検出する静電容量検出ユニット１７ａ，１７ｂ，２１と、静電容量に基づいてＤＰＦ１６のＰＭ堆積量を推定するＰＭ堆積量推定部２２と、静電容量に基づいてＤＰＦ１６の内部温度を推定するＤＰＦ温度推定部２３と、強制再生を実行可能なフィルタ再生ユニット１３，２４とを備え、フィルタ再生ユニット１３，２４は、ＤＰＦ１６の過昇温による溶損を回避可能な目標温度に基づいて、推定される内部温度が目標温度以下となるように、強制再生時の燃料供給量をフィードバック制御する。
【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、内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタを備える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）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）が知られている。
ＤＰＦは、ＰＭ捕集量に限度があるため、堆積したＰＭを定期的に燃焼除去する強制再生を行う必要がある。強制再生は、排気管内噴射やポスト噴射によって、排気上流側の酸化触媒に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、酸化により発生する熱で排気ガスの温度をＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。
強制再生時の燃料供給量が必要以上に多くなると、ＤＰＦは過昇温により溶損する虞がある。このため、ＤＰＦの排気上流側及び下流側に設けられた排気温度センサに基づいて、溶損を回避できる目標温度となるように、強制再生時の燃料供給量をフィードバック制御する技術も知られている。
ところで、排気温度センサのセンサ値は、実際の排気温度の急激な変化に対して応答遅れが生じ易い。また、その取り付け位置はフィルタの上流又は下流となり、フィルタそのものに温度センサを設置は出来ない。そのため、排気温度センサのセンサ値に基づいて、強制再生時の燃料供給量をフィードバック制御すると、特に強制再生の開始時は、燃料供給量を最適に制御できず、ＤＰＦを目標温度に維持できない虞がある。結果として、ＤＰＦの内部温度がオーバーシュートして、過昇温によるＤＰＦの溶損を引き起こす可能性がある。
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内部温度の推定精度を向上させて、ＤＰＦ内部温度のオーバーシュート及びＤＰＦの溶損を効果的に防止することにある。
上述の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、内燃機関の排気通路に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、検出される前記静電容量に基づいて、前記フィルタに捕集された粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定手段と、検出される前記静電容量に基づいて、前記フィルタの内部温度を推定するフィルタ温度推定手段と、推定される前記堆積量が所定の閾値に達すると、排気管内に燃料を供給して、当該フィルタを粒子状物質の燃焼温度まで昇温する強制再生を実行可能なフィルタ再生手段と、を備え、前記フィルタ再生手段は、前記フィルタの過昇温による溶損を回避可能な目標温度に基づいて、推定される前記内部温度が当該目標温度以下となるように、強制再生時の燃料供給量をフィードバック制御することを特徴とする。
また、前記静電容量検出手段は、前記フィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されて、コンデンサを形成する一対の電極を含むものであってもよい。
また、前記フィルタよりも排気上流側及び下流側の前記排気通路を接続して、前記フィルタを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、前記一対の電極は、前記第２のフィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されるものであってもよい。
また、前記第２のフィルタの強制再生を実行する際は、前記一対の電極をヒータとして機能させてもよい。
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＤＰＦ内部温度の推定精度を向上させて、ＤＰＦ内部温度のオーバーシュート及びＤＰＦの溶損を効果的に防止することができる。
以下、図１，２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。
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）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には排気ガスを大気に放出する排気通路１２が接続されている。さらに、排気通路１２には、排気上流側から順に排気管内噴射装置１３、排気後処理装置１４、ＤＰＦ入口温度センサ３１、ＤＰＦ出口温度センサ３２が設けられている。
排気管内噴射装置１３は、ＥＣＵ２０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（ＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１３を省略してもよい。
排気後処理装置１４は、ケース１４ａ内に排気上流側から順に酸化触媒１５、ＤＰＦ１６を配置して構成されている。
酸化触媒１５は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒１５は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によって未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気ガスの温度を上昇させる。
ＤＰＦ１６は、例えば、多孔質セラミックの隔壁で区画された多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ１６は、排気ガス中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭの堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射により酸化触媒１５に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ１６をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温することで行われる。
また、本実施形態のＤＰＦ１６には、少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する一対の電極１７ａ，１７ｂが設けられている。これら一対の電極１７ａ，１７ｂは、それぞれ電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）２０と電気的に接続されている。
ＤＰＦ入口温度センサ３１は、ＤＰＦ１６に流入する排気ガスの温度（以下、入口温度ＴIN）を検出する。ＤＰＦ出口温度センサ３２は、ＤＰＦ１６から流出する排気ガスの温度（以下、出口温度ＴOUT）を検出する。これら、入口温度ＴIN及び、出口温度ＴOUTは、電気的に接続されたＥＣＵ２０に出力される。
ＥＣＵ２０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３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。また、ＥＣＵ２０は、静電容量演算部２１と、ＰＭ堆積量推定部２２と、ＤＰＦ温度推定部２３と、再生制御部２４とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ２０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。
なお、本実施形態において、静電容量演算部２１と一対の電極１７ａ，１７ｂとは、本発明の静電容量検出手段を構成、ＰＭ堆積量推定部２２とＤＰＦ入口温度センサ３１とＤＰＦ出口温度センサ３２とは、本発明のＰＭ堆積量推定手段を構成、再生制御部２４と排気管内噴射装置１３（又は、エンジン１０の図示しない燃料噴射装置）とは、本発明のフィルタ再生手段を構成する。
静電容量演算部２１は、一対の電極１７ａ，１７ｂから入力される信号に基づいて、これら電極１７ａ，１７ｂ間の静電容量ＣからＰＭ堆積量を演算する。静電容量Ｃは、電極１７ａ，１７ｂ間の媒体の誘電率ε、電極１７ａ，１７ｂの面積Ｓ、電極１７ａ，１７ｂ間の距離ｄとする以下の数式１の関係を基本として、ＰＭの堆積により誘電率εや距離ｄが変化する事に伴って変化する。
ＰＭ堆積量推定部２２は、ＤＰＦ入口温度センサ３１で検出される入口温度ＴIN及びＤＰＦ出口温度センサ３２で検出される出口温度ＴOUTの平均値ＴAVEと、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃとに基づいて、ＤＰＦ１６に捕集されたＰＭ堆積量ＰＭDEPを推定する。ＰＭ堆積量ＰＭDEPの推定には、予め実験により求めた近似式やマップ等を用いることができる。
ＤＰＦ温度推定部２３は、ＤＰＦ１６の内部温度（以下、ＤＰＦ内部温度ＴDPF）を推定する。図２に示すように、静電容量Ｃの変化は、ＤＰＦ入口温度センサ３１やＤＰＦ出口温度センサ３２の検出値と同様の応答性を示す。また、静電容量Ｃの変化は、ＤＰＦ入口温度センサ３１やＤＰＦ出口温度センサ３２よりも速い応答性を示す。本実施形態のＤＰＦ温度推定部２３は、静電容量演算部２１で演算した静電容量Ｃ及び、ＰＭ堆積量推定部２２で推定したＰＭ堆積量ＰＭDEPに基づいて、ＤＰＦ内部温度ＴDPFを推定する。
より詳しくは、ＰＭ堆積量は、運転状態に応じて変化するが、所定の短時間（例えば、約１秒）では変化に限度がある。本実施形態では、直前に推定したＰＭ堆積量ＰＭDEPを固定値として扱い、瞬間的な静電容量Ｃの変化から、ＤＰＦ入口温度センサ３１やＤＰＦ出口温度センサ３２では追従できないＤＰＦ内部温度ＴDPFの突発的な温度変化を推定する。ＤＰＦ内部温度ＴDPFの推定には、予め実験により求めた近似式やマップ等を用いることができる。
再生制御部２４は、ＰＭ堆積量推定部２２で推定されるＰＭ堆積量ＰＭDEPが、ＤＰＦ１６に捕集可能なＰＭの上限堆積量ＰＭMAXに達すると、排気管内噴射装置１３に燃料を噴射（又は、ポスト噴射）させる強制再生を実行する。
また、再生制御部２４は、強制再生時の燃料噴射量を、ＤＰＦ温度推定部２３で推定されるＤＰＦ内部温度ＴDPFの変化に基づいてフィードバック制御する。より詳しくは、ＥＣＵ２０には、ＤＰＦ１６の過昇温による溶損を回避できる目標温度ＴTARが予め記憶されている。再生制御部２４は、ＤＰＦ温度推定部２３で推定されるＤＰＦ内部温度ＴDPFが目標温度ＴTAR以下となるように、排気管内噴射装置１３（又は、ポスト噴射）による燃料噴射量をフィードバック制御する。これにより、堆積したＰＭの急激な燃焼によるＤＰＦ１６の内部温度のオーバーシュートが回避され、ＤＰＦ１６の溶損を効果的に防止することができる。この時、ＥＧＲバルブ４０を開弁、もしくはインテークスロットルバルブ４１を閉弁する制御を単独又は併用して行い、排気酸素濃度を下げる制御を単独で行うか、上述の燃料噴射量フィードバック制御と併用して行ってもよい。
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を説明する。
従来の排気浄化装置では、ＤＰＦの入口温度、出口温度を検出する排気温度センサのセンサ値に基づいて、強制再生時の燃料供給量をフィードバック制御している。しかしながら、排気温度センサは静電容量Ｃよりも応答性が遅いため（図２参照）、排気温度センサに基づいたフィードバック制御では、捕集したＰＭの異常燃焼の兆しを検知できず、燃料噴射量制御に反映出来ないため、特に強制再生の開始時に燃料供給量を最適に制御できず、ＤＰＦを目標温度に維持できない虞がある。結果として、ＤＰＦの内部温度がオーバーシュートして、過昇温によるＤＰＦの溶損を引き起こす可能性がある。これを回避するためには、異常燃焼が確実に発生しえない軽度なＰＭ捕集量で強制再生を行う必要があり、これは再生インターバルが短くなり、燃費の悪化を招くことになる。
これに対し、本実施形態の排気浄化装置は、排気温度センサよりも応答性の速い静電容量Ｃの変化からＤＰＦ１６の内部温度を推定することで、強制再生時の燃料供給量をフィードバック制御している。すなわち、排気温度センサに比べ、強制再生の開始時から速い応答性を示す静電容量Ｃの変化に基づいて、ＤＰＦ１６の内部温度を高精度に推定すると共に、ＤＰＦ１６の内部温度が目標温度で維持されるように、燃料供給量の最適化を図るように構成されている。
したがって、本実施形態の排気浄化装置によれば、強制再生時におけるＤＰＦ１６の内部温度のオーバーシュートが効果的に防止され、過昇温によるＤＰＦ１６の溶損を確実に防止することが可能になる。また、強制再生時における燃料供給量の最適化が図られて、燃費を効果的に向上することができる。
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、図３に示すように、排気通路１２にＤＰＦ１６を迂回させるバイパス通路１８を接続し、このバイパス通路１８に容量の小さい計測用ＤＰＦ１６ａ（第２のフィルタ）を備えて構成してもよい。この場合、一対の電極１７ａ，１７ｂを計測用ＤＰＦ１６ａ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置すると共に、バイパス通路１８には排気ガスの流量を調整するオリフィス１８ａ（絞り）を設けることが好ましい。また、計測用ＤＰＦ１６ａの強制再生を実行する場合は、一対の電極１７ａ，１７ｂに電圧を印加してヒータとして機能させてもよい。
１０ エンジン
１２ 排気通路
１３ 排気管内噴射装置
１４ 排気後処理装置
１５ 酸化触媒
１６ ＤＰＦ（フィルタ）
２０ ＥＣＵ
２１ 静電容量演算部
２２ ＰＭ堆積量推定部
２３ ＤＰＦ温度推定部
２４ 再生制御部
３１ 入口温度センサ
３２ 出口温度センサ
４０ ＲＧＲバルブ
４１ インテークスロットルバルブ
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２４ 再生制御部
３１ 入口温度センサ
３２ 出口温度センサ
４０ ＲＧＲバルブ
４１ インテークスロットルバルブ
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
検出される前記静電容量に基づいて、前記フィルタに捕集された粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定手段と、
検出される前記静電容量に基づいて、前記フィルタの内部温度を推定するフィルタ温度推定手段と、
推定される前記堆積量が所定の閾値に達すると、排気管内に燃料を供給して、当該フィルタを粒子状物質の燃焼温度まで昇温する強制再生を実行可能なフィルタ再生手段と、を備え、
前記フィルタ再生手段は、
前記フィルタの過昇温による溶損を回避可能な目標温度に基づいて、推定される前記内部温度が当該目標温度以下となるように、強制再生時の燃料供給量をフィードバック制御する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記静電容量検出手段は、前記フィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されて、コンデンサを形成する一対の電極を含む
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記フィルタよりも排気上流側及び下流側の前記排気通路を接続して、前記フィルタを迂回するバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、
前記一対の電極は、前記第２のフィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置される
請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記第２のフィルタの強制再生を実行する際は、前記一対の電極をヒータとして機能させる
請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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