JP2014167274A - 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、ＮＯｘ浄化性能を向上させる。
【解決手段】排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ１６と、排気中に尿素水を噴射する尿素水噴射装置２１と、排気中のＮＯｘを還元浄化するＳＣＲ２２と、ＤＰＦ１６の静電容量を検出する静電容量検出ユニット１７ａ，１７ｂ，４１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４３と、ＤＰＦ１６の強制再生を実行する再生制御部４４とを備え、再生制御部４４は、ＰＭが燃焼開始する目標下限温度と、フィルタ溶損を回避できる目標上限温度とに基づいて、内部温度がＳＣＲ活性温度以上の場合は、内部温度を目標下限温度にする燃料供給量で強制再生を実行し、内部温度がＳＣＲ活性温度未満の場合は、内部温度を目標上限温度にする燃料供給量で強制再生を実行する。
【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。
また、排気ガス中の窒素化合物（以下、ＮＯｘ）を浄化するＮＯｘ触媒として、尿素水から排気熱により加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ3）を用いて排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化する選択的還元触媒（Selective Catalytic Reduction：以下、ＳＣＲという）も知られている。
特開２０１３−２２８３号公報 特開２００９−２４３３１６号公報
ところで、ＳＣＲのＮＯｘ浄化性能は触媒温度（流入する排気ガス温度）によって変化する。特にＳＣＲが活性温度に達しない低温域では、還元剤としてのアンモニア（ＮＨ3）の吸着が低下するため、ＮＯｘ浄化率を悪化させる要因となる。そのため、ＳＣＲのＮＯｘ浄化性能を向上させるためには、ＳＣＲに流入する排気ガス温度を早期に活性温度まで昇温させる必要がある。
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、ＳＣＲに流入する排気ガス温度を早期に活性温度まで昇温することで、ＮＯｘ浄化率を効果的に向上させることにある。
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、前記フィルタよりも下流側の排気通路に設けられて、排気中に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、前記尿素水噴射手段よりも下流側の排気通路に設けられて、尿素水から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、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、前記フィルタの内部温度を推定するフィルタ温度推定手段と、前記フィルタに燃料を供給して、当該フィルタを粒子状物質の燃焼温度以上に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、予め設定した粒子状物質の燃焼が開始する目標下限温度と、フィルタの溶損を回避できる目標上限温度とに基づいて、算出される前記内部温度が選択的還元触媒の活性温度以上の場合は、当該内部温度を前記目標下限温度にする燃料供給量で強制再生を実行する一方、算出される前記内部温度が選択的還元触媒の活性温度未満の場合は、当該内部温度を前記目標上限温度にする燃料供給量で強制再生を実行することを特徴とする。
また、前記静電容量検出手段は、前記フィルタ内の少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入される一対の電極を有するものであってもよい。
また、前記フィルタよりも上流側の排気通路から分岐して、当該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のフィルタ内の少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入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、ＳＣＲに流入する排気ガス温度を早期に活性温度まで昇温することで、ＮＯｘ浄化率を効果的に向上させることができる。
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全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、静電容量、ＤＰＦ入口温度、ＤＰＦ出口温度の変化を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による制御内容を示すフローチャートである。 本発明の他の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全体構成図である。
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。
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、前段後処理装置１４、後段後処理装置２０が設けられている。なお、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。
前段後処理装置１４は、ケース１４ａ内に上流側から順に酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：以下、ＤＯＣという）１５と、ＤＰＦ１６とを配置して構成されている。また、ＤＯＣ１５の上流側には排気管内噴射装置１３、ＤＰＦ１６の上流側にはＤＰＦ入口温度センサ１８、ＤＰＦ１６の下流側にはＤＰＦ出口温度センサ１９がそれぞれ設けられている。
排気管内噴射装置１３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４０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。
ＤＯＣ１５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。ＤＯＣ１５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。また、ＤＯＣ１５は、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ2を生成することで、排気ガス中のＮＯに対するＮＯ2の比率を増加させる。
ＤＰＦ１６は、例えば、多孔質性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ＤＯＣ１５に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ１６をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）以上に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セルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入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、ＥＣＵ４０と電気的に接続されている。
ＤＰＦ入口温度センサ１８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１９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ＥＣＵ４０に出力される。
後段後処理装置２０は、上流側から順に尿素水噴射装置２１と、ケース２０ａ内に配置されたＳＣＲ２２とを備え構成されている。
尿素水噴射装置２１は、ＥＣＵ４０から出力される指示信号に応じて、前段後処理装置１４と後段後処理装置２０との間の排気通路１２内に、図示しない尿素水タンク内の尿素水を噴射する。噴射された尿素水は排気熱により加水分解されてアンモニア（ＮＨ3）に生成され、下流側のＳＣＲ２２に還元剤として供給される。
ＳＣＲ２２は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面に銅ゼオライト又は鉄ゼオライトを担持して形成されている。ＳＣＲ２２は、還元剤として供給されるアンモニア（ＮＨ3）を吸着すると共に、吸着したアンモニア（ＮＨ3）で通過する排気ガス中からＮＯｘを還元浄化する。
ＥＣＵ４０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３、尿素水噴射装置２１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、ＥＣＵ４０は、静電容量演算部４１と、ＰＭ堆積量推定部４２と、ＤＰＦ温度推定部４３と、再生制御部４４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。なお、本実施形態において、静電容量演算部４１及び電極１７ａ，１７ｂは、本発明の静電容量検出手段を構成する。
静電容量演算部４１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で演算される。
Figure 2014167274
ＰＭ堆積量推定部４２は、ＤＰＦ入口温度センサ１８で検出される入口温度ＴIN及びＤＰＦ出口温度センサ１９で検出される出口温度ＴOUTの平均値ＴAVEと、静電容量演算部４１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４３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１８やＤＰＦ出口温度センサ１９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１８やＤＰＦ出口温度センサ１９よりも速い応答性を示す。本実施形態のＤＰＦ温度推定部４３は、静電容量演算部４１で演算した静電容量Ｃ及び、ＰＭ堆積量推定部４２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１８やＤＰＦ出口温度センサ１９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４４は、ＰＭ堆積量推定部４２で推定されるＰＭ堆積量ＰＭDEPが、ＤＰＦ１６に捕集可能な上限堆積量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。この強制再生時の燃料噴射量は、ＤＰＦ温度推定部４３で推定されるＤＰＦ内部温度ＴDPF（すなわち、ＳＣＲ２２に流入する排気ガス温度）に応じてフィードバック制御される。
より詳しくは、ＥＣＵ４０には、ＤＰＦ１６に堆積したＰＭの燃焼が開始される下限目標温度Ｔ1（例えば、６００℃）と、ＤＰＦ１６の過昇温による溶損を回避可能な上限目標温度Ｔ2（例えば、９００℃）とが予め記憶されている。
再生制御部４４は、ＤＰＦ内部温度ＴDPFがＳＣＲ２２の活性温度ＴACTに達している場合（ＴDPF≧ＴACT）は、強制再生時のＤＰＦ内部温度ＴDPFが下限目標温度Ｔ1（ＰＭ燃焼下限温度）となるように燃料噴射量をフィードバック制御する。これにより、強制再生時におけるＳＣＲ２２の過昇温が効果的に抑制されて、ＮＯｘ浄化性能の低下を防止することができる。
一方、ＤＰＦ内部温度ＴDPFがＳＣＲ２２の活性温度ＴACTに達していない場合（ＴDPF＜ＴACT）、再生制御部４４は、強制再生時のＤＰＦ内部温度ＴDPFが上限目標温度Ｔ2（溶損上限温度）となるように燃料噴射量をフィードバック制御する。これにより、低温時のＳＣＲ２２へのフィードガス温度が活性温度ＴACTまで早期に上昇されて、ＮＯｘ浄化性能を向上することができる。
次に、図３に基づいて、本実施形態の排気浄化装置による制御フローを説明する。なお、本制御はイグニッションキーのＯＮ操作と同時にスタートする。
ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、静電容量Ｃから推定されるＰＭ堆積量ＰＭDEPが上限堆積量ＰＭMAXに達しているか否かが判定される。ＰＭ堆積量ＰＭDEPが上限堆積量ＰＭMAX以上の場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ１１０に進む。一方、ＰＭ堆積量ＰＭDEPが上限堆積量ＰＭMAX未満の場合（ＮＯ）、本制御はリターンされる。
Ｓ１１０では、静電容量Ｃ及び、ＰＭ堆積量ＰＭDEPから推定されるＤＰＦ内部温度ＴDPFが、ＳＣＲ２２の活性温度ＴACTに達しているか否かが判定される。ＤＰＦ内部温度ＴDPFが活性温度ＴACT以上の場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ１２０に進む。Ｓ１２０では、ＤＰＦ内部温度ＴDPFが下限目標温度Ｔ1（ＰＭ燃焼下限温度）となるように、強制再生時の燃料噴射量がフィードバック制御され、その後、本制御はリターンされる。
一方、Ｓ１１０でＤＰＦ内部温度ＴDPFが活性温度ＴACT未満の場合（ＮＯ）、本制御はＳ１３０に進む。Ｓ１３０では、ＤＰＦ内部温度ＴDPFが上限目標温度Ｔ2（溶損上限温度）となるように、強制再生時の燃料噴射量がフィードバック制御され、その後、本制御はリターンされる。
次に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による作用効果を説明する。
一般的に、ＳＣＲ２２のＮＯｘ浄化性能は、特にＳＣＲ２２が活性温度に達しない低温域で低下する。そのため、ＳＣＲ２２のＮＯｘ浄化性能を向上させるためには、ＳＣＲ２２に流入する排気ガス温度を早期に活性温度まで昇温させる必要がある。
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、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ＤＰＦ内部温度を高精度に推定すると共に、このＤＰＦ内部温度に応じて、強制再生時の燃料噴射量を制御する。特に、ＤＰＦ内部温度がＳＣＲ２２の活性温度に達している場合は、ＤＰＦ内部温度がＰＭ燃焼下限温度となるように燃料噴射量をフィードバック制御する一方、ＤＰＦ内部温度がＳＣＲ２２の活性温度に達していない場合は、ＤＰＦ内部温度がフィルタ溶損の上限温度となるように燃料噴射量をフィードバック制御するように構成されている。
したがって、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気温度センサよりも応答性の速い静電容量ＣからＤＰＦ１６の内部温度を高精度に推定することができると共に、強制再生時のＰＭ燃焼熱を利用して、低温のＳＣＲ２２を活性温度まで早期に昇温することが可能になる。結果として、ＳＣＲ２２のＮＯｘ浄化性能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４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１２ａを接続し、このバイパス通路１２ａ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内の少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入すると共に、バイパス通路１２ａには排気ガスの流量を調整するオリフィス１２ｂ（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。
また、ＮＯｘ触媒はＳＣＲ２２に限定されず、リーン空燃比でＮＯｘを吸蔵し、リッチ空燃比でＮＯｘを還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒（Lean NOx Trap：ＬＮＴ）であってもよい。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。
１０ エンジン
１２ 排気通路
１３ 排気管内噴射装置
１４ 前段後処理装置
１６ ＤＰＦ（フィルタ）
１７ａ，１７ｂ 電極（静電容量検出手段）
２０ 後段後処理装置
２１ 尿素水噴射装置（尿素水噴射手段）
２２ ＳＣＲ（選択的還元触媒）
４０ ＥＣＵ
４１ 静電容量演算部（静電容量検出手段）
４２ ＰＭ堆積量推定部
４３ ＤＰＦ温度推定部（フィルタ温度推定手段）
４４ 再生制御部（フィルタ再生手段）

Claims (4)

  1. 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、
    前記フィルタよりも下流側の排気通路に設けられて、排気中に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、
    前記尿素水噴射手段よりも下流側の排気通路に設けられて、尿素水から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、
    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、前記フィルタの内部温度を推定するフィルタ温度推定手段と、
    前記フィルタに燃料を供給して、当該フィルタを粒子状物質の燃焼温度以上に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、
    予め設定した粒子状物質の燃焼が開始する目標下限温度と、フィルタの溶損を回避できる目標上限温度とに基づいて、算出される前記内部温度が選択的還元触媒の活性温度以上の場合は、当該内部温度を前記目標下限温度にする燃料供給量で強制再生を実行する一方、算出される前記内部温度が選択的還元触媒の活性温度未満の場合は、当該内部温度を前記目標上限温度にする燃料供給量で強制再生を実行する
    ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記静電容量検出手段は、
    前記フィルタ内の少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入される一対の電極を有する
    請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記フィルタよりも上流側の排気通路から分岐して、当該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のフィルタ内の少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入される
    請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 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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