JP2015031211A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】添加弁の熱劣化を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の制御装置は、排気中の煤を捕集するフィルタ３と、同フィルタ３よりも排気下流側に設けられた添加弁２４と、同添加弁２４から噴射された尿素水によりＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒５とを有し、フィルタ３に捕集された煤を燃焼除去するフィルタ３の再生処理中における内燃機関の自動停止を禁止するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の排気通路には、排気を浄化するための排気浄化装置が設けられている。こうした排気浄化装置として、尿素水を還元剤とした尿素ＳＣＲ（選択触媒還元：Selective Catalytic Reduction）方式の排気浄化装置が知られている（例えば特許文献１）。この装置では、排気に尿素水を添加する添加弁が排気管に設置され、排気管において添加弁の排気下流側にＳＣＲ触媒が設置されている。添加弁から排気に尿素水を添加すると、その尿素水は、排気中で加水分解されてアンモニアに変化する。そして、このアンモニアが排気中のＮＯｘとＳＣＲ触媒において還元反応する。これにより、排気中のＮＯｘが水と窒素に分解される。

また、こうした内燃機関では、上記ＳＣＲ触媒に加え、排気管においてＳＣＲ触媒よりも排気上流側の部分に排気中の煤を捕集するフィルタを備えたものもある。こうした内燃機関では、同フィルタに堆積した煤が所定量以上となった場合にこれを燃焼除去してフィルタの機能を再生する再生処理が行われる。

特開２０１０‐７１２７０号公報

ところで、フィルタの再生処理の実行中には、煤の燃焼によりフィルタの温度が上昇する。このため、この再生処理の実行中に、内燃機関を自動停止させてしまうと、排気管を流れる排気によりフィルタの熱を奪うことができなくなり、フィルタの温度が過度に上昇する場合がある。そしてこうした場合には、フィルタの熱が排気管を介して尿素水の添加弁に伝達され、同添加弁が過熱するおそれがある。また、内燃機関を再始動させたときには、過度に温度上昇したフィルタを通過することで排気が高温になり、その排気の熱によって添加弁が過熱するといったおそれもある。そしてこのように添加弁が過熱すると、その耐久性が低下したり、動作特性が悪化したりする等、熱劣化が生じることとなる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、添加弁の熱劣化を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するための内燃機関の制御装置は、排気中の煤を捕集するフィルタと、同フィルタよりも排気下流側に設けられた添加弁と、同添加弁から噴射された尿素水によりＮＯｘを還元する触媒とを有し、フィルタに捕集された煤を燃焼除去するフィルタの再生処理が実行されているときに内燃機関の自動停止制御の実行を禁止する。

上記構成によれば、フィルタの再生処理の実行中に内燃機関を自動停止した場合とは異なり、同再生処理中は排気管を流れる排気によりフィルタの熱を奪うことができるため、フィルタの温度が過度に上昇することを抑制できる。これにより、内燃機関を自動停止させたときにフィルタから排気管を通じて添加弁に伝達される熱によって添加弁が過熱したり、再始動後にフィルタを通過して加熱された排気の熱によって添加弁が過熱したりしてしまうことを回避することができる。その結果、フィルタの再生処理中に内燃機関を自動停止させたときにみられるような添加弁の熱劣化を抑制することができるようになる。

また、上記内燃機関の制御装置では、自動停止制御の実行中に添加弁の推定温度が所定温度より上昇したときに添加弁から尿素水を噴射することが望ましい。
フィルタに堆積した煤の量が過剰となると、再生処理を実行していない場合であっても煤の燃焼反応が生じ、フィルタの温度が上昇する場合がある。そして、こうした場合に内燃機関が自動停止されていると、フィルタの温度が過度に上昇して添加弁が過熱することとなる。

この点、上記構成によれば、自動停止制御の実行中に添加弁の推定温度が所定温度よりも上昇したときに尿素水を噴射するようにしているため、尿素水によって添加弁を冷却することができ、内燃機関が自動停止されているときに添加弁が過熱して熱劣化することを抑制できる。

また、上記内燃機関の制御装置では、添加弁の推定温度が高いときほど添加弁から噴射される尿素水の総量を多くすることが好ましい。
上記構成によれば、添加弁の推定温度が高いときほど添加弁から噴射される尿素水の総量が多くなるため、添加弁の熱劣化をより好適に抑制することができる。なお、添加弁の推定温度が高いときほど尿素水の噴射期間を長くすれば、添加弁から噴射される尿素水の総量を多くすることができる。

内燃機関の制御装置の全体構成を示すブロック図。 排気浄化制御の一例を示すフローチャート。 排気浄化制御の一例を示すフローチャート。 添加弁の先端温度の推定値と補正値との関係の一例を示す表。 外気温と補正値との関係の一例を示す表。 添加弁の先端温度の推定値と補正値との関係の一例を示す表。 外気温と補正値との関係の一例を示す表。

（第１の実施形態）
以下、内燃機関の制御装置の第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。

図１に示すように、内燃機関の排気管１には、酸化触媒２と、同酸化触媒２よりも排気下流側に位置し排気中の煤を捕集するフィルタ３とが設けられている。また、排気管１において酸化触媒２よりも排気上流側の部分には、排気管１内に燃料を噴射する燃料噴射弁４が設けられている。

また、排気管１には、尿素水供給装置２０が設けられている。尿素水供給装置２０は、尿素水が貯留された尿素水タンク２１と、同尿素水タンク２１に設けられた電動式の尿素水ポンプ２２と、供給通路２３を通じて尿素水ポンプ２２に接続された添加弁２４とを有している。尿素水ポンプ２２が駆動されると、尿素水タンク２１の尿素水が供給通路２３に吐出される。また、尿素水ポンプ２２の回転速度を変化させてその吐出量を変更することで、供給通路２３内の圧力を変更することができる。なお、供給通路２３には、供給通路２３内の圧力が所定圧以上となったときに開弁して供給通路２３内の尿素水を尿素水タンク２１に戻す逆止弁２５と、供給通路２３内の圧力を検出する圧力センサ２６とが設けられている。

添加弁２４は、排気管１においてフィルタ３よりも排気下流側に設置されている。また、排気管１において添加弁２４よりも排気下流側には、ＳＣＲ触媒５が設置されている。添加弁２４から排気管１内に噴射された尿素水は、排気中で加水分解されてアンモニアに変化し、そのアンモニアがＳＣＲ触媒５において排気中のＮＯｘと還元反応してＮＯｘが水と窒素に分解される。

こうした内燃機関には、制御装置６が設けられている。制御装置６には、内燃機関に設けられた各種センサ類から検出信号が入力される。こうしたセンサ類として、上述した圧力センサ２６の他、フィルタ３の床温を検出するための床温センサ７、フィルタ３の排気上流側及び下流側における排気の圧力差（差圧）を検出するための差圧センサ８、及びフィルタ３を通過した排気の温度を検出するための通過ガス温度センサ９が設けられている。また、外気温を検出するための外気温センサ１０も設けられている。制御装置６は、これらセンサの検出信号に基づいて、フィルタ３の再生処理等の排気浄化制御を実行する。

次に、図２のフローチャートを参照して、排気浄化制御の手順について説明する。なお、この制御は、内燃機関が運転状態であるときに所定周期毎に繰り返し実行される。
図２に示すように、本処理ではまず、フィルタ３の再生処理の実行条件が成立したか否かを判断する（ステップＳ１）。この処理では、差圧センサ８によって検出された差圧が所定圧以上である場合に肯定判定となる。そして、ステップＳ１の処理において肯定判定となった場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、すなわち、フィルタ３に堆積する煤の量が所定量以上である場合には、次にステップＳ２の処理に移行して、フィルタ３の再生処理を開始する。なお、この再生処理では、燃料噴射弁４から排気中に燃料を噴射し、その燃料を酸化触媒２において燃焼させて排気の温度を上昇させる。そして、この高温の排気がフィルタ３を通過することで同フィルタ３に堆積した煤が燃焼除去される。ステップＳ２の処理においてこうした再生処理を開始すると、次にステップＳ３の処理に移行して自動停止制御許可フラグＦを「０」に設定し、本処理を終了する。この自動停止制御許可フラグＦは、フィルタ３に堆積した煤の量が減少して再生処理が終了するまで「０」に設定される。

一方、ステップＳ１の処理において否定判定となった場合（ステップＳ１：ＮＯ）、すなわちフィルタ３に堆積した煤の量が所定量未満である場合には、再生処理は実行せずにステップＳ４の処理に移行する。そして、ステップＳ４の処理では自動停止制御許可フラグＦを「１」に設定する。なお、自動停止制御許可フラグＦが「１」に設定されている場合には、例えば、車速が所定速度以下、アクセルペダルの操作量が所定量以下、ブレーキペダルが踏み込まれている、といった自動停止条件が全て成立したときに内燃機関の自動停止制御を実行する。一方、自動停止制御許可フラグＦが「０」に設定されている場合には、上記自動停止制御を禁止する。すなわち、上記自動停止条件が成立したとしても内燃機関を自動停止しない。

次に、本実施形態の内燃機関の制御装置の作用について説明する。
本実施形態では、再生処理が開始されると自動停止制御許可フラグが「０」に設定され、内燃機関の自動停止制御を禁止する。このため、フィルタの再生処理の実行中に内燃機関を自動停止した場合とは異なり、フィルタ３の再生処理の実行中は排気管１を流れる排気によりフィルタ３の熱を奪うことができ、その過度な温度上昇は発生しない。

以上説明した第１の実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）フィルタ３の再生処理中にフィルタ３から排気管１を通じて添加弁２４に伝達される熱によって添加弁が過熱したり、フィルタを通過した排気の熱によって添加弁２４が過熱したりしてしまうことを回避することができる。その結果、フィルタ３の再生処理中に内燃機関を自動停止させたときにみられるような添加弁２４の熱劣化を抑制することができるようになる。
（第２の実施形態）
次に、内燃機関の制御装置の第２の実施形態について、図３を参照して説明する。なお、本実施形態は、第１の実施形態と排気浄化制御におけるステップＳ４以降の処理が異なっており、その他の処理については同一のステップ番号を付してその詳細な説明は省略する。

図３に示すように、本処理では、ステップＳ４の処理の後、ステップＳ５の処理に移行して上記自動停止条件が成立したか否かを判定する。そして、ステップＳ５の処理において肯定判定となった場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、すなわち自動停止制御許可フラグＦが「１」であり且つ自動停止条件が成立している場合には、自動停止制御を実行してステップＳ６の処理に移行する。

ステップＳ６の処理では、添加弁２４の先端温度を推定する。先端温度の推定値θｉは、例えばフィルタ床温、及び外気温に基づいて推定することができる。ここで、フィルタ床温が高いときほど、また外気温が高いときほど、先端温度の推定値θｉは高くなる。その後、ステップＳ７の処理に移行して推定値θｉが所定値αを上回っているか否かを判断する。なお、所定値αとして、例えば添加弁２４において熱劣化が生じない温度域の上限値を設定している。そしてステップＳ７の処理において肯定判定となった場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、すなわち添加弁２４が過熱して熱劣化するおそれがある場合には、ステップＳ８〜ステップＳ１０の処理を順次実行することにより添加弁２４から尿素水を噴射する。ここでは、ステップＳ８の処理によって噴射される尿素水の噴射圧力Ｐｉを以下のようにして設定する。

まず、予め定められた基本噴射圧力Ｐｂに先端温度の推定値θｉに基づいて算出される補正値ｋｐ１、及び外気温に基づいて算出される補正値ｋｐ２をそれぞれ乗算し、これにより補正後噴射圧力Ｐｆを算出する。そして、供給通路２３内の圧力、すなわち噴射圧力Ｐｉがこの補正後噴射圧力Ｐｆとなるように尿素水ポンプ２２の回転速度を調節する。

ここで、図４に示すように、補正値ｋｐ１は上述した先端温度の推定値θｉが高くなるほど大きくなる値である。また、図５に示すように、補正値ｋｐ２は外気温が高くなるほど大きくなる値である。したがって、先端温度の推定値θｉ及び外気温が高くなるほど噴射圧力Ｐｉが高くなり、添加弁２４から単位時間当たりに噴射される尿素水の量が多くなる。なお、補正値ｋｐ１と先端温度の推定値θｉとの関係、補正値ｋｐ２と外気温との関係は、制御装置６に演算用マップとして記憶されている。こうして噴射圧力Ｐｉを設定すると、次にステップＳ９の処理に移行して噴射期間Ｔｉを次のようにして設定する。

ステップＳ９の処理では、まず予め定められた基本噴射期間Ｔｂに先端温度の推定値θｉに基づいて算出される補正値ｋｔ１、及び外気温に基づいて算出される補正値ｋｔ２を乗算し、この乗算値を噴射期間Ｔｉとして設定する。

図６に示すように、補正値ｋｔ１は先端温度の推定値θｉが高くなるほど大きくなる値である。また、図７に示すように、補正値ｋｔ２は外気温が高くなるほど大きくなる値である。したがって、先端温度の推定値θｉ及び外気温が高くなるほど噴射期間Ｔｉは長くなる。なお、補正値ｋｔ１と先端温度の推定値θｉとの関係、補正値ｋｔ２と外気温との関係は、制御装置６に演算用マップとして記憶されている。

そして、こうして噴射期間Ｔｉを設定するとステップＳ１０の処理に移行し、上記噴射圧力Ｐｉで噴射期間Ｔｉだけ添加弁２４から尿素水を噴射して本処理を終了する。
また、ステップＳ５の処理において否定判定となった場合（ステップＳ５：ＮＯ）や、ステップＳ７の処理において否定判定となった場合（ステップＳ７：ＮＯ）には、本処理を終了する。

次に、本実施形態の内燃機関の制御装置の作用について説明する。
フィルタ３に堆積した煤の量が過剰となると、再生処理を実行していない場合であっても煤の燃焼反応が生じ、フィルタ３の温度が上昇する場合がある。そして、こうした場合に内燃機関が自動停止されていると、フィルタ３の温度が過度に上昇し、そのフィルタ３の熱により添加弁２４が過熱することとなる。

この点、本実施形態では、自動停止制御の実行中である場合には、添加弁２４の先端温度を推定し、その推定値θｉが所定温度αを上回ったときに尿素水を噴射するようにしているため、尿素水によって添加弁２４が冷却される。

また、上記推定値θｉが高いときほど噴射圧力Ｐｉを高くして単位時間当たりの尿素水の噴射量を増大させるとともに、その噴射期間Ｔｉを長くしている。これにより、添加弁２４の温度が高いときほど添加弁２４から噴射される尿素水の総量が増大し、添加弁２４の冷却効率が高められるため、その過熱状態に応じてより好適に添加弁２４が冷却される。

以上説明した第２の実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（２）自動停止制御の実行中に煤の燃焼反応が生じてフィルタ３の温度が上昇した場合であっても、そのフィルタ３の熱により添加弁２４が過熱して熱劣化することを抑制できる。

（３）添加弁２４の過熱状態に応じてより好適に添加弁２４を冷却することができる。
（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。

・上記第２の実施形態では、添加弁２４の先端温度をフィルタ床温、及び外気温に基づいて推定するようにしていたが、更に通過ガス温度センサ９によって検出されるフィルタを通過した排気の温度に基づいて先端温度を推定するようにしてもよい。また、これらフィルタ床温、外気温、排気温といったパラメータの１つ、または２つを用いて先端温度を推定してもよいし、先端温度と相関関係を有するその他のパラメータに基づいて、あるいは同パラメータを更に加えて先端温度を推定してもよい。

・上記第２の実施形態では、添加弁２４の先端温度の推定値θｉを用いて同添加弁２４が過熱しているか否かを判断していたが、添加弁２４の先端以外の部分における温度を推定し、同温度に基づいて添加弁２４が過熱しているか否かを判断するようにしてもよい。

・上記第２の実施形態において、噴射期間Ｔｉを設定するためのパラメータとして添加弁２４の先端温度の推定値θｉの他、外気温を用いたが、例えば先端温度の推定値θｉのみを用いて噴射期間Ｔｉを設定する等、その設定方法を適宜変更してもよい。

・上記第２の実施形態において、噴射圧力Ｐｉを設定するためのパラメータとして添加弁２４の先端温度の推定値θｉの他、外気温を用いたが、例えば先端温度の推定値θｉのみを用いて噴射圧力Ｐｉを設定する等、その設定方法を適宜変更してもよい。

・上記第２の実施形態では、噴射圧力Ｐｉ及び噴射期間Ｔｉの両方を添加弁２４の先端温度の推定値θｉに応じて可変設定するようにしたが、どちらか一方を一定値としてもよい。また、噴射圧力Ｐｉ及び噴射期間Ｔｉの両方を一定値としてもよい。こうした構成によっても上記（１）及び（２）と同様の効果は得ることができる。

・上記第２の実施形態では、噴射期間Ｔｉを予め設定し、その噴射期間Ｔｉだけ添加弁２４から尿素水を噴射するようにしたが、添加弁２４の先端温度を所定期間毎に推定し、同推定された温度が所定温度αよりも十分低い所定温度β以下となったときに尿素水の噴射を終了するようにしてもよい。

・上記第１及び第２の実施形態では、再生処理が実行されているときに自動停止制御を禁止し、その禁止を再生処理が終了したときに解除することとしたが、再生処理が終了してから所定期間が経過するまで自動停止制御の禁止を継続するようにしてもよい。こうした構成によれば、再生処理により温度上昇したフィルタ３の温度が低下するのをまって自動停止制御の禁止が解除されることとなるため、自動停止制御中における添加弁２４の過熱を一層好適に抑制することができる。

１…排気管、２…酸化触媒、３…フィルタ、４…燃料噴射弁、５…ＳＣＲ触媒、６…制御装置、７…床温センサ、８…差圧センサ、９…通過ガス温度センサ、１０…外気温センサ、２０…尿素水供給装置、２１…尿素水タンク、２２…尿素水ポンプ、２３…供給通路、２４…添加弁、２５…逆止弁、２６…圧力センサ。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気中の煤を捕集するフィルタと、同フィルタよりも排気下流側に設けられた添加弁と、同添加弁から噴射された尿素水によりＮＯｘを還元する触媒とを有し、
   前記フィルタに捕集された煤を燃焼除去するフィルタの再生処理が実行されているときに内燃機関の自動停止制御の実行を禁止する
   内燃機関の制御装置。
2. 前記自動停止制御の実行中に前記添加弁の推定温度が所定温度より上昇したときに前記添加弁から尿素水を噴射する
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記添加弁の推定温度が高いときほど同添加弁から噴射される尿素水の総量を多くする
   請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記推定温度が高いときほど尿素水の噴射期間を長くする
   請求項３に記載の内燃機関の制御装置。