JP2015059477A - 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内の異常燃焼を効果的に防止する。【解決手段】エンジン１０の排気系に設けられたＤＯＣ２１と、ＤＯＣ２１よりも下流側に設けられて排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ２２と、ＤＰＦ２２の静電容量を検出する電極２７と、電極２７から入力される静電容量に基づいてＤＰＦ２２の内部温度を演算するＤＰＦ内部温度演算部と、ＤＰＦ２２のＰＭ堆積量が所定量を超えるとＤＯＣ２１に燃料を噴射してＰＭを燃焼除去する強制再生を実行する強制再生制御部と、強制再生時にＤＰＦ内部温度演算部から入力されるＤＰＦ内部温度が所定の上限閾値を超えると、ＤＰＦ２２内のＰＭの燃焼を抑制させる異常燃焼防止制御部とを備えた。【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いわゆ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（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）に未燃焼の炭化水素（ＨＣ）を供給して酸化させ、排気温度をＰＭ燃焼温度まで上昇させることで行われる。
一般的に、強制再生時の排気管内噴射量やポスト噴射量は、ＤＰＦの前後に設けた排気温度センサのセンサ値に基づいて制御されている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、排気温度センサのセンサ値は、実際の排気温度変化に対して応答遅れを生じる課題がある。また、排気温度センサは、ＤＰＦの内部に設けることができないため、ＤＰＦ内部温度を正確に検出できない課題もある。そのため、排気温度センサのセンサ値に基づいてＤＰＦ内部温度を検出する技術では、強制再生時の異常燃焼を正確に検知することが難しく、過昇温によるＤＰＦの溶損等を招く可能性がある。
本発明の目的は、ＤＰＦ内部温度を高精度に検出して、ＤＰＦ内の異常燃焼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、内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて、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、前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記フィルタの内部温度を演算する内部温度演算手段と、前記フィルタの粒子状物質堆積量が所定量を超えると、前記酸化触媒に燃料を噴射して粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行するフィルタ再生手段と、強制再生時に前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度が所定の上限閾値を超えると、前記フィルタ内の粒子状物質の燃焼を抑制させる燃焼抑制手段とを備えることを特徴とする。
また、前記燃焼抑制手段が、排気の一部を吸気系に環流する排気環流装置を含むと共に、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度が所定の上限閾値を超えると、当該排気環流装置の流量調整バルブの開度を全開に設定するものであってもよい。
また、前記燃焼抑制手段が、吸気系に設けられたスロットルバルブを含むと共に、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度が所定の上限閾値を超えると、当該スロットルバルブの開度を絞るものであってもよい。
また、前記燃焼抑制手段が、可変容量型過給機を含むと共に、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度が所定の上限閾値を超えると、当該可変容量型過給機のタービンに設けられた可変翼の開度を大きく設定するものであってもよい。
また、前記静電容量検出手段が、前記フィルタ内に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少なくとも一対の電極で構成されてもよい。
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＤＰＦ内部温度を高精度に検出することが可能となり、ＤＰＦ内の異常燃焼を効果的に防止することができる。
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る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、単にエンジンという）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には排気を大気に放出する排気通路１２が接続されている。
吸気通路１１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１３、ＭＡＦセンサ１４、可変容量型過給機（Variable Geometry Turbo：以下、ＶＧＴ）１５のコンプレッサ１５ａ、インタークーラ１６、吸気スロットルバルブ１７等が設けられている。排気通路１２には、排気上流側から順に、可変翼１５ｃを有するタービン１５ｂ、排気後処理装置２０等が設けられている。なお、図１中において、符号３０は排気環流装置（Exhaust Gas Recirculation：以下、ＥＧＲ装置）を示している。吸気スロットルバルブ１７、ＶＧＴ１５及び、ＥＧＲ装置３０は、本発明の燃焼抑制手段の一例として好ましい。
ＥＧＲ装置３０は、タービン１５ｂよりも上流側の排気通路１２とコンプレッサ１５ａよりも下流側の吸気通路１１とを接続するＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲ量を調整可能なＥＧＲバルブ３３とを備えて構成されている。なお、ＥＧＲ装置３０は、高圧ＥＧＲ装置に限定されず、ＥＧＲガスをコンプレッサ１５ａよりも上流側の吸気通路１１に環流させる低圧ＥＧＲ装置として構成されてもよい。
排気後処理装置２０は、触媒ケース２０ａ内に排気上流側から順に、ＤＯＣ２１と、ＤＰＦ２２とを配置して構成されている。また、ＤＯＣ２１の排気上流側には排気管内噴射装置２３が設けられている。
排気管内噴射装置２３は、本発明のフィルタ再生手段の一部であって、ＥＣＵ５０から出力される指示信号（パルス電流）に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（主に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２３を省略してもよい。
ＤＯＣ２１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。ＤＯＣ２１は、排気管内噴射装置２３又はポスト噴射によってＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。
ＤＰＦ２２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。ＤＰＦ２２は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ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２３又はポスト噴射によってＤＯＣ２１に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ２２に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約５００〜６００℃）まで昇温することで行われる。
また、本実施形態のＤＰＦ２２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複数本の電極２７が設けられている。これら複数本の電極２７は、本発明の静電容量検出手段の一例として好ましい。
ＥＣＵ５０は、エンジン１０や排気管内噴射装置２３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て構成されている。
また、ＥＣＵ５０は、図２に示すように、ＤＰＦ内部温度演算部５１と、ＰＭ堆積量演算部５２と、強制再生制御部５３と、異常燃焼防止制御部５４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ＥＣＵ５０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。
ＤＰＦ内部温度演算部５１は、本発明の内部温度演算手段の一例であって、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＤＰＦ２２の内部温度ＴDPFを演算する。一般的に、電極２７間の静電容量Ｃは、電極２７間の媒体の誘電率ε、電極２７の面積Ｓ、電極２７間の距離ｄとする以下の数式１で表される。
数式１において、電極２７の面積Ｓ及び距離ｄは一定であり、誘電率εが排気温度の影響を受けて変化すると、これに伴い静電容量Ｃも変化する。すなわち、電極２７間の静電容量Ｃを検出すれば、ＤＰＦ内部温度ＴDPFを演算することができる。ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた静電容量ＣとＤＰＦ内部温度ＴDPFとの関係を示す温度特性マップ（例えば、図３参照）が記憶されている。ＤＰＦ内部温度演算部５１は、この温度特性マップから電極２７間の静電容量Ｃに対応する値を読み取ることでＤＰＦ内部温度ＴDPFを演算する。なお、ＤＰＦ内部温度ＴDPFは、予め実験等により求めた近似式等から演算してもよい。
ＰＭ堆積量演算部５２は、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＤＰＦ２２に捕集されたＰＭ堆積量ＰＭDEPを演算する。上述の数式１において、電極２７間にＰＭの堆積が進み、誘電率εや距離ｄが変化すると、これに伴い静電容量Ｃも変化する。すなわち、電極２７間の静電容量Ｃを検出すれば、ＰＭ堆積量ＰＭDEPを演算することができる。ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた静電容量ＣとＰＭ堆積量ＰＭDEPとの関係を示す堆積量マップ（例えば、図４参照）が記憶されている。ＰＭ堆積量演算部５２は、この堆積量マップから電極２７間の静電容量Ｃに対応する値を読み取ることでＰＭ堆積量ＰＭDEPを演算する。なお、ＰＭ堆積量ＰＭDEPは、予め実験等により求めた近似式等から演算してもよい。
強制再生制御部５３は、本発明のフィルタ再生手段の一例であって、ＰＭ堆積量演算部５２から入力されるＰＭ堆積量ＰＭDEPに基づいて、ＤＰＦ２２の強制再生を制御する。より詳しくは、強制再生制御部５３は、ＰＭ堆積量ＰＭDEPがＤＰＦ２２に捕集可能なＰＭの上限堆積量ＰＭMAXを超えると（ＰＭDEP＞ＰＭMAX）、排気管内噴射装置２３に所定量の排気管内噴射を実行させて強制再生を開始する。
異常燃焼防止制御部５４は、ＤＰＦ内部温度演算部５１から入力されるＤＰＦ内部温度ＴDPFに基づいて、強制再生時の異常燃焼を防止する。より詳しくは、ＥＣＵ５０には予め実験等により求めたＤＰＦ２２の溶損等を回避する上限温度閾値ＴMAXが記憶されている。異常燃焼防止制御部５４は、ＤＰＦ内部温度ＴDPFが上限温度閾値ＴMAXを超えると、以下の手順で異常燃焼を防止する制御を実行する。
〔制御１〕ＥＧＲバルブ３３の開度を全開にして、ＥＧＲを大量にかける。これにより、ＤＰＦ２２に流れ込む排気中の酸素濃度が効果的に低減されて、ＰＭの異常燃焼が抑制される。〔制御２〕ＥＧＲバルブ３３を全開にしても、ＤＰＦ内部温度ＴDPFが上限温度閾値ＴMAXよりも下がらない場合は、吸気スロットルバルブ１７の開度を絞る（もしくは全閉にする）。これにより、吸排気流量が低減されて、ＰＭのさらなる燃焼が抑制される。
なお、これら〔制御１〕及び〔制御２〕に、〔制御３〕ＶＧＴ１５の可変翼１５ｃの開度を大きく設定して、吸気量を抑制（排気圧力を低減）する制御をさらに加えてもよい。また、ＤＰＦ内部温度ＴDPFと上限温度閾値ＴMAXとの温度差に応じて、これら〔制御１〜３〕の何れかを選択的に実行するように構成してもよい。
次に、図５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から取得されるＰＭ堆積量ＰＭDEPが上限堆積量ＰＭMAXを超えたか否かが判定される。ＰＭ堆積量ＰＭDEPが上限堆積量ＰＭMAXを超えた場合（Ｙｅｓ）は、ＤＰＦ２２の強制再生を開始すべく、Ｓ１１０に進んで排気管内噴射装置２３による排気管内噴射（又は、ポスト噴射）が実行される。
Ｓ１２０では、静電容量Ｃから取得されるＤＰＦ内部温度ＴDPFと、ＤＰＦ２２の溶損を回避する上限温度閾値ＴMAXとが比較される。ＤＰＦ内部温度ＴDPFが上限温度閾値ＴMAXを超えている場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１３０に進む。一方、ＤＰＦ内部温度ＴDPFが上限温度閾値ＴMAX以下の場合（Ｎｏ）は、Ｓ２００に進み、ＰＭ堆積量ＰＭDEPがＤＰＦ２２の再生終了を示す下限閾値ＰＭMINまで低下したか否かが判定される。ＰＭ堆積量ＰＭDEPが下限閾値ＰＭMINまで低下している場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ２１０で排気管内噴射を停止して本制御はリターンされる。一方、ＰＭ堆積量ＰＭDEPが下限閾値ＰＭMINまで低下していない場合（Ｎｏ）は、強制再生を継続させるべくＳ１１０に戻される。
Ｓ１３０では、排気管内噴射が中止され、Ｓ１４０では、ＤＰＦ２２に流れ込む排気中の酸素濃度を低減すべく、ＥＧＲバルブ３３の開度が全開に制御される。
Ｓ１５０では、ＤＰＦ内部温度ＴDPFと上限温度閾値ＴMAXとが比較される。ＤＰＦ内部温度ＴDPFが上限温度閾値ＴMAXを依然として超えている場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１６０に進み吸気スロットルバルブ１７の開度が絞られる。これにより、吸排気流量が低減されて、ＰＭのさらなる燃焼が抑制される。Ｓ１７０では、ＤＰＦ内部温度ＴDPFと上限温度閾値ＴMAXとが比較される。ＤＰＦ内部温度ＴDPFが上限温度閾値ＴMAXを超えている場合（Ｙｅｓ）は、ＥＧＲバルブ３３を全開、且つ、吸気スロットルバルブ１７を絞った状態を維持すべくＳ１４０に戻される。
一方、Ｓ１５０又は１７０の何れかで、ＤＰＦ内部温度ＴDPFが上限温度閾値ＴMAXまで低下していると判定された場合（Ｎｏ）は、Ｓ１８０に進み、ＥＧＲバルブ３３及び吸気スロットルバルブ１７の開度をエンジン１０の運転状態に応じた通常制御に戻してリターンされる。その後、上述の各制御ステップは、イグニッションキーのＯＦＦ操作まで繰り返し実行される。
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。
図６に示すように、電極２７間の静電容量Ｃは、排気温度（ＤＰＦ内部温度）の変化に対して排気温度センサのセンサ値よりも速い応答性を示す特性がある。すなわち、ＤＰＦ２２内に配置した電極２７間の静電容量Ｃを用いれば、ＤＰＦ２２の前後に設けた排気温度センサのセンサ値よりも、ＤＰＦ２２の内部温度を正確に検出することが可能になる。
本実施形態の排気浄化装置では、電極２７間の静電容量Ｃから演算したＤＰＦ内部温度ＴDPFが、ＤＰＦ２２の溶損を回避する上限温度閾値ＴMAXを超えると、ＥＧＲバルブ３３を全開にし、さらには吸気スロットルバルブ１７を絞ることで、ＤＰＦ２２に流れ込む排気中の酸素濃度や排気流量を低減させている。すなわち、ＤＰＦ内部温度ＴDPFを静電容量Ｃに基づいて正確に検出することで、排気温度センサから求めたＤＰＦ温度に基づいて排気管内噴射等を中止する技術に比べて、ＤＰＦ２２の異常燃焼を確実に防止す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、異常燃焼によるＤＰＦ２２の溶損や劣化等を効果的に防止することが可能になる。また、ＤＰＦ２２の前後に排気温度センサを設ける必要がなくなり、装置全体のコストを効果的に低減することができる。また、異常燃焼までのマージンを確保するために、排気管内噴射量を少ない噴射量で長時間行う必要もなくなり、ＤＰＦ２２の再生効率及び燃費を効果的に向上することが可能になる。
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、ＤＰＦ２２とＤＯＣ２１とは別体に設けられるものとして説明したが、これらを一体化してもよい。また、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。
また、図７に示すように、排気通路１２にＤＰＦ２２を迂回させるバイパス通路２５を接続し、このバイパス通路２５に容量の小さい計測用ＤＰＦ２２ａを備えて構成してもよい。この場合は、電極２７を計測用ＤＰＦ２２ａ内に配置すると共に、バイパス通路２５には排気流量を調整するオリフィス２５ａ（絞り）を設けることが好ましい。また、計測用ＤＰＦ２２ａの強制再生を実行する場合は、電極２７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
１５ ＶＧＴ
１７ 吸気スロットルバルブ
２０ 排気後処理装置
２１ ＤＯＣ
２２ ＤＰＦ
２３ 排気管内噴射装置
２７ 電極
３０ ＥＧＲ装置
５０ ＥＣＵ
５１ ＤＰＦ内部温度演算部
５２ ＰＭ堆積量演算部
５３ 強制再生制御部
５４ 異常燃焼防止制御部
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１５ ＶＧＴ
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Claims (5)
- 内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて、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、
前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記フィルタの内部温度を演算する内部温度演算手段と、
前記フィルタの粒子状物質堆積量が所定量を超えると、前記酸化触媒に燃料を噴射して粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行するフィルタ再生手段と、
強制再生時に前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度が所定の上限閾値を超えると、前記フィルタ内の粒子状物質の燃焼を抑制させる燃焼抑制手段と、を備える ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記燃焼抑制手段が、排気の一部を吸気系に環流する排気環流装置を含むと共に、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度が所定の上限閾値を超えると、当該排気環流装置の流量調整バルブの開度を全開に設定する
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記燃焼抑制手段が、吸気系に設けられたスロットルバルブを含むと共に、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度が所定の上限閾値を超えると、当該スロットルバルブの開度を絞る
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記燃焼抑制手段が、可変容量型過給機を含むと共に、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度が所定の上限閾値を超えると、当該可変容量型過給機のタービンに設けられた可変翼の開度を大きく設定する
請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記静電容量検出手段が、前記フィルタ内に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少なくとも一対の電極で構成される
請求項１から４の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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