JP2015068182A

JP2015068182A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2015068182A
Application number: JP2013200665A
Authority: JP
Inventors: 藤井　宏明; Hiroaki Fujii; 宏明藤井; 真吾中田; Shingo Nakata; 孝亮中野; Takaaki Nakano
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-04-13
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: WO2015045321A1; JP6107574B2

Abstract

【課題】ＰＭ（粒子状物質）を捕集するＧＰＦ（フィルタ）を備えた筒内噴射式ガソリンエンジンにおいてＧＰＦ再生直後のＰＭ捕集率を向上させることができるようにする。
【解決手段】ＰＭのうち規制対象であるＳＯＯＴ粒子の粒径範囲では、粒径が小さいほどＳＯＯＴ粒子の慣性衝突による捕集率が減少するが、粒径が小さいほどＳＯＯＴ粒子のブラウン拡散による捕集率が増加し、慣性衝突による捕集率の減少分よりもブラウン拡散による捕集率の増加分の方が大きくなる。この特性に着目して、ＧＰＦ２５の再生直後でＰＭ堆積量が所定値以下になったときに、ＰＭ小粒径化制御を実行してエンジン１１から排出されるＰＭの粒径を小さくする。これにより、小粒径のＳＯＯＴ粒子の割合を増加させて、慣性衝突による捕集率の減少分よりもブラウン拡散による捕集率の増加分の方を大きくすることができ、ＰＭ捕集率（ＳＯＯＴ粒子の捕集率）を高くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される粒子状物質を捕集するフィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置に関する発明である。

車両に搭載される内燃機関においては、燃費規制の強化に伴って、筒内噴射式のガソリンエンジンの需要増加が予想されている。しかし、筒内噴射式のガソリンエンジンは、吸気ポート噴射式のガソリンエンジンに比べて、ＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）の排出量が多くなるという問題がある。この対策として、エンジンの排気通路にエンジンから排出されるＰＭを捕集するフィルタを配置するようにしたものがある。

このようなＰＭ捕集用のフィルタを備えたシステムでは、フィルタのＰＭ堆積量（フィルタに堆積したＰＭの量）が多くなり過ぎると、フィルタの気孔が目詰まりした状態となって排気の圧力損失が大きくなる。このため、フィルタに捕集されたＰＭを燃焼させて除去する再生制御を実施して、フィルタを再生させる（フィルタのＰＭ堆積量を減少させる）ようにしたものがある。

しかし、フィルタの再生直後は、フィルタの気孔の内壁面にＰＭがあまり付着していない状態になるため、ＰＭがフィルタの気孔内をすり抜ける割合が高くなって、フィルタのＰＭ捕集率が低くなるという問題がある。

フィルタの再生直後のＰＭ捕集率を向上させる技術として、例えば、特許文献１（特開２０１２−１５４２５５号公報）に記載されているものがある。このものは、ディーゼルエンジンにおいて、フィルタの再生制御の実施後に、エンジンから排出されるＰＭを大径化する大径化制御（例えば燃焼効率を低下させる制御）を実施することで、フィルタの再生後に速やかにフィルタにＰＭを堆積させてＰＭ捕集率を回復させるようにしている。

特開２０１２−１５４２５５号公報

筒内噴射式のガソリンエンジンは、ディーゼルエンジンに比べて、排出されるＰＭの絶対量が少ないため、フィルタの再生後にＰＭ堆積量がある程度増加してフィルタのＰＭ捕集率が回復するまでの時間が長くなる。このため、フィルタの再生直後のＰＭ（特に規制対象となる粒径が例えば２０〜１００ｎｍのＳＯＯＴ粒子）の捕集率の向上が重要な技術的課題となる。

しかし、筒内噴射式のガソリンエンジンは、ディーゼルエンジンに比べて、ＰＭの粒径分布が小径側であるため、上記特許文献１の技術を利用して、エンジンから排出されるＰＭを大径化する大径化制御を実施しても、次のような理由により、フィルタの再生直後のＰＭ捕集率を向上させることができない。

図４に示すように、筒内噴射式のガソリンエンジンでは、ＰＭのうち粒径が例えば２０〜１００ｎｍのＳＯＯＴ粒子が規制対象となっている。フィルタの再生直後にＳＯＯＴ粒子の粒径範囲では、主にブラウン拡散（ブラウン運動による拡散）と慣性衝突によってＳＯＯＴ粒子が捕集される。また、粒径が大きいほどＳＯＯＴ粒子の慣性力が大きくなって慣性衝突による捕集率が増加するが、粒径が大きいほどＳＯＯＴ粒子のブラウン運動が不活発になってブラウン拡散による捕集率が減少する傾向がある。その際、慣性衝突による捕集率の増加分よりもブラウン拡散による捕集率の減少分の方が大きくなるという特性がある。このため、大径化制御によって大粒径のＳＯＯＴ粒子の割合が増加すると、慣性衝突による捕集率の増加分よりもブラウン拡散による捕集率の減少分の方が大きくなって、全体としてＰＭ捕集率（ＳＯＯＴ粒子の捕集率）が低下してしまう。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、筒内噴射式のガソリンエンジンにおいてフィルタの再生直後のＰＭ捕集率を向上させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料としてガソリンを筒内に直接噴射する筒内噴射式の内燃機関（１１）に適用され、この内燃機関（１１）から排出される粒子状物質（以下「ＰＭ」と表記する）を捕集するフィルタ（２５）を備えた内燃機関の排気浄化装置において、フィルタ（２５）のＰＭ堆積量を推定する推定手段（３０）と、この推定手段（３０）で推定したＰＭ堆積量が所定値以下のときに、内燃機関（１１）から排出されるＰＭの粒径が通常制御時よりも小さくなるように制御するＰＭ小粒径化制御を実行する小粒径化制御手段（３０）とを備えた構成としたものである。

図４に示すように、筒内噴射式のガソリンエンジンでは、ＰＭのうち粒径が例えば２０〜１００ｎｍのＳＯＯＴ粒子が規制対象となっている。フィルタの再生直後にＳＯＯＴ粒子の粒径範囲では、粒径が小さいほどＳＯＯＴ粒子の慣性力が小さくなって慣性衝突による捕集率が減少するが、粒径が小さいほどＳＯＯＴ粒子のブラウン運動が活発化してブラウン拡散による捕集率が増加する傾向がある。その際、慣性衝突による捕集率の減少分よりもブラウン拡散による捕集率の増加分の方が大きくなるという特性がある。

このような特性に着目して、本発明は、フィルタのＰＭ堆積量（フィルタに堆積したＰＭの量）を推定し、そのＰＭ堆積量が所定値以下のときに、内燃機関から排出されるＰＭの粒径が通常制御時よりも小さくなるように制御するＰＭ小粒径化制御を実行する。これにより、フィルタの再生直後でＰＭ堆積量が所定値以下になったときに、ＰＭ小粒径化制御によって、内燃機関から排出されるＰＭの粒径を小さくする（例えばＰＭの粒径分布を小径側にずらす）ことができ、小粒径のＳＯＯＴ粒子の割合を増加させることができる。小粒径のＳＯＯＴ粒子の割合を増加させることで、慣性衝突による捕集率の減少分よりもブラウン拡散による捕集率の増加分の方を大きくすることができ、全体としてＰＭ捕集率（ＳＯＯＴ粒子の捕集率）を高くすることができる。

図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。図２はＰＭ捕集率の挙動を示すタイムチャートである。図３はＰＭの捕集パターンを説明する図である。図４はＰＭ粒径とＰＭ捕集率との関係を示す図である。図５は小粒径化制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。図６は小粒径化制御の実行例を示すタイムチャートである。図７は小粒径化制御の効果を説明するタイムチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システムの概略構成を説明する。
筒内噴射式の内燃機関であるエンジン１１は、燃料としてガソリンを筒内に直接噴射する筒内噴射式のガソリンエンジンである。このエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、エンジン１１の各気筒には、それぞれ筒内に燃料（ガソリン）を直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各気筒の点火プラグ２２の火花放電によって各気筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２４が設けられ、この触媒２４の上流側と下流側に、それぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ３１，３２（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられている。更に、エンジン１１の排気管２３のうちの触媒２４の下流側には、エンジン１１から排出されるＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集するフィルタとしてＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter ）２５が設けられている。このＧＰＦ２５の上流側と下流側に、それぞれ排気圧を検出する圧力センサ３３，３４が設けられている。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、ノッキングを検出するノックセンサ２７が取り付けられている。また、クランク軸２８の外周側には、クランク軸２８が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２９が取り付けられ、このクランク角センサ２９の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。

ところで、ＰＭ捕集用のＧＰＦ２５を備えたシステムでは、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量（ＧＰＦ２５に堆積したＰＭの量）が多くなり過ぎると、ＧＰＦ２５の気孔が目詰まりした状態となって排気の圧力損失が大きくなる。このため、ＧＰＦ２５に捕集されたＰＭを燃焼させて除去する再生制御を実施して、ＧＰＦ２５を再生させる（ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量を減少させる）ようにしている。再生制御としては、例えば、所定の燃料カット実行条件が成立したとき（例えば減速時）に実行される燃料カット制御がある。また、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が所定の上限値以上になったときに再生制御として例えば空燃比をリーンにする制御や排気温度を上昇させる制御等を実行するようにしても良い。

しかし、ＧＰＦ２５の再生直後は、ＧＰＦ２５の気孔の内壁面にＰＭがあまり付着していない状態になるため、ＰＭがＧＰＦ２５の気孔内をすり抜ける割合が高くなって、ＧＰＦ２５のＰＭ捕集率が低くなる（図２参照）という問題がある。

また、筒内噴射式のガソリンエンジン１１は、ディーゼルエンジンに比べて、排出されるＰＭの絶対量が少ないため、ＧＰＦ２５の再生後にＰＭ堆積量がある程度増加してＧＰＦ２５のＰＭ捕集率が回復するまでの時間が長くなる。このため、ＧＰＦ２５の再生直後のＰＭ（特に規制対象となる粒径が例えば２０〜１００ｎｍのＳＯＯＴ粒子）の捕集率の向上が重要な技術的課題となる。

ここで、図３に示すように、ＧＰＦ２５の再生直後にＰＭがＧＰＦ２５の気孔３５の内壁面３５ａに付着して捕集される場合のパターンとしては、例えば、ブラウン拡散（ブラウン運動による拡散）による捕集、慣性衝突による捕集、さえぎりによる捕集、重力による捕集等がある。

また、図４に示すように、筒内噴射式のガソリンエンジン１１では、ＰＭのうち粒径が例えば２０〜１００ｎｍのＳＯＯＴ粒子が規制対象となっている。ＧＰＦ２５の再生直後にＳＯＯＴ粒子の粒径範囲では、主にブラウン拡散と慣性衝突によってＳＯＯＴ粒子が捕集される。また、粒径が小さいほどＳＯＯＴ粒子の慣性力が小さくなって慣性衝突による捕集率が減少するが、粒径が小さいほどＳＯＯＴ粒子のブラウン運動が活発化してブラウン拡散による捕集率が増加する傾向がある。その際、慣性衝突による捕集率の減少分よりもブラウン拡散による捕集率の増加分の方が大きくなるという特性がある。

このような特性に着目して、本実施例では、ＥＣＵ３０により後述する図５の小粒径化制御ルーチンを実行することで、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量（ＧＰＦ２５に堆積したＰＭの量）を推定し、そのＰＭ堆積量が所定値以下のときに、エンジン１１から排出されるＰＭの粒径が通常制御時（通常の運転条件でエンジン１１を制御しているとき）よりも小さくなるように制御するＰＭ小粒径化制御を実行するようにしている。

これにより、ＧＰＦ２５の再生直後でＰＭ堆積量が所定値以下になったときに、ＰＭ小粒径化制御によって、エンジン１１から排出されるＰＭの粒径を小さくする（例えばＰＭの粒径分布を小径側にずらす）ことができ、小粒径のＳＯＯＴ粒子の割合を増加させることができる。小粒径のＳＯＯＴ粒子の割合を増加させることで、慣性衝突による捕集率の減少分よりもブラウン拡散による捕集率の増加分の方を大きくすることができ、全体としてＰＭ捕集率（ＳＯＯＴ粒子の捕集率）を高くすることができる。

筒内に噴射された燃料のうちピストンに付着する燃料（ピストンウエット）から発生するＰＭは粒径が比較的大きくなり、筒内空間のリッチ部から発生するＰＭは粒径が比較的小さくなる傾向がある。

そこで、本実施例では、ＰＭ小粒径化制御として、噴射時期遅角制御（吸気行程の燃料噴射時期を通常制御時よりも遅角する制御）と空燃比リッチ化制御（空燃比を通常制御時よりもリッチ化する制御）と燃圧高圧化制御（燃料圧力を通常制御時よりも高圧化して噴射燃料を微粒化する制御）のうちの少なくとも一つを実行するようにしている。

噴射時期遅角制御と空燃比リッチ化制御と燃圧高圧化制御は、いずれも筒内空間のリッチ部から発生するＰＭの割合を増加させることができるため、噴射時期遅角制御と空燃比リッチ化制御と燃圧高圧化制御のうちの少なくとも一つを実行すれば、エンジン１１から排出されるＰＭの粒径を小さくする（例えばＰＭの粒径分布を小径側にずらす）ことができる。

以下、ＥＣＵ３０が実行する図５の小粒径化制御ルーチンの処理内容を説明する。
図５に示す小粒径化制御ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源オン期間中（イグニッションスイッチのオン期間中）に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいう小粒径化制御手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量を推定する。このステップ１０１の処理が特許請求の範囲でいう推定手段としての役割を果たす。

この場合、例えば、ＧＰＦ２５の上流側の圧力センサ３３で検出した排気圧（上流側排気圧）と下流側の圧力センサ３４で検出した排気圧（下流側排気圧）とに基づいてＧＰＦ２５の前後差圧（上流側排気圧−下流側排気圧）を算出し、この前後差圧に基づいてＧＰＦ２５のＰＭ堆積量をマップ又は数式等により算出する。

或は、エンジン運転状態（例えば、エンジン回転速度、エンジン負荷、冷却水温等のＰＭの発生に関連するパラメータ）の履歴に基づいてＧＰＦ２５のＰＭ堆積量をマップ又は数式等により算出するようにしても良い。

或は、ＧＰＦ２５の上流側と下流側のうちの少なくとも一方に、排気中のＰＭ濃度を検出するＰＭセンサを配置し、このＰＭセンサの出力に基づいてＧＰＦ２５のＰＭ堆積量をマップ又は数式等により算出するようにしても良い。

この後、ステップ１０２に進み、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が所定値Ｋ1 以下であるか否かを判定する。この所定値Ｋ1 は、例えば、ＳＯＯＴ粒子の捕集率が許容下限値となるＰＭ堆積量に設定されている。
このステップ１０２で、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が所定値Ｋ1 よりも大きいと判定された場合には、ステップ１０３以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップ１０２で、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が所定値Ｋ1 以下であると判定された場合には、ステップ１０３に進み、エンジン１１から排出されるＰＭの粒径が通常制御時よりも小さくなるように制御するＰＭ小粒径化制御を実行する。このＰＭ小粒径化制御として、例えば、噴射時期遅角制御（吸気行程の燃料噴射時期を通常制御時よりも遅角する制御）と空燃比リッチ化制御（空燃比を通常制御時よりもリッチ化する制御）と燃圧高圧化制御（燃料圧力を通常制御時よりも高圧化して噴射燃料を微粒化する制御）のうちの一つ又は二つ以上を実行する。

この後、ステップ１０４に進み、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量を上記ステップ１０１と同じ方法で推定した後、ステップ１０５に進み、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が所定値Ｋ2 よりも大きいか否かを判定する。この所定値Ｋ2 は、例えば、上記ステップ１０２の所定値Ｋ1 よりも少し大きい値（又は所定値Ｋ1 と同じ値）に設定されている。

このステップ１０５で、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が所定値Ｋ2 以下であると判定された場合には、上記ステップ１０３に戻り、ＰＭ小粒径化制御を継続する。

その後、上記ステップ１０５で、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が所定値Ｋ2 よりも大きいと判定された場合には、ステップ１０６に進み、ＰＭ小粒径化制御を終了した後、本ルーチンを終了する。

次に、図６のタイムチャートを用いて本実施例の小粒径化制御の実行例を説明する。
エンジン１１の通常制御中に、所定条件が成立した時点ｔ1 で、ＧＰＦ２５に捕集されたＰＭを燃焼させて除去する再生制御を実行する。この場合、例えば、所定の燃料カット実行条件が成立した時点で、再生制御として燃料カット制御を実行する。或は、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が所定の上限値以上になった時点で、再生制御として例えば空燃比をリーンにする制御や排気温度を上昇させる制御等を実行するようにしても良い。

この再生制御によってＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が減少してＰＭ捕集率が低下するが、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が所定値Ｋ1 以下になった時点ｔ2 で、エンジン１１から排出されるＰＭの粒径が通常制御時よりも小さくなるように制御するＰＭ小粒径化制御（例えば、噴射時期遅角制御、空燃比リッチ化制御、燃圧高圧化制御等）を実行する。

このＰＭ小粒径化制御によってＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が増加してＰＭ捕集率が速やかに上昇する。その後、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量が所定値Ｋ2 よりも大きくなった時点ｔ3 で、ＰＭ小粒径化制御を終了して、通常制御に戻る。

以上説明した本実施例では、ＧＰＦ２５のＰＭ堆積量を推定し、そのＰＭ堆積量が所定値以下のときに、エンジン１１から排出されるＰＭの粒径が通常制御時よりも小さくなるように制御するＰＭ小粒径化制御を実行する。これにより、ＧＰＦ２５の再生直後でＰＭ堆積量が所定値以下になったときに、ＰＭ小粒径化制御によって、エンジン１１から排出されるＰＭの粒径を小さくする（例えばＰＭの粒径分布を小径側にずらす）ことができ、小粒径のＳＯＯＴ粒子の割合を増加させることができる。このように小粒径のＳＯＯＴ粒子の割合を増加させることで、慣性衝突による捕集率の減少分よりもブラウン拡散による捕集率の増加分の方を大きくすることができ、全体としてＰＭ捕集率（ＳＯＯＴ粒子の捕集率）を高くすることができる。

図７に示すように、本実施例のようにＧＰＦ２５の再生直後にＰＭを小粒径化した場合には、ＰＭを大粒径化した場合や、通常の場合（大粒径化も小粒径化もしない場合）に比べて、ＧＰＦ２５の再生直後にＰＭ捕集率を速やかに上昇させることができ、ＧＰＦ２５の再生直後のＰＭ捕集率を向上させることができる。

尚、上記実施例では、ＰＭ小粒径化制御として、噴射時期遅角制御と空燃比リッチ化制御と燃圧高圧化制御のうちの少なくとも一つを実行するようにしたが、ＰＭ小粒径化制御は、これらの制御に限定されず、適宜変更しても良い。

１１…エンジン（内燃機関）、２１…燃料噴射弁、２３…排気管、２５…ＧＰＦ（フィルタ）、３０…ＥＣＵ（推定手段，小粒径化制御手段）

Claims

燃料としてガソリンを筒内に直接噴射する筒内噴射式の内燃機関（１１）に適用され、前記内燃機関（１１）から排出される粒子状物質（以下「ＰＭ」と表記する）を捕集するフィルタ（２５）を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記フィルタ（２５）のＰＭ堆積量を推定する推定手段（３０）と、
前記推定手段（３０）で推定したＰＭ堆積量が所定値以下のときに、前記内燃機関（１１）から排出されるＰＭの粒径が通常制御時よりも小さくなるように制御するＰＭ小粒径化制御を実行する小粒径化制御手段（３０）と
を備えていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記小粒径化制御手段（３０）は、前記ＰＭ小粒径化制御として、吸気行程の燃料噴射時期を遅角する制御と空燃比をリッチ化する制御と燃料圧力を高圧化する制御のうちの少なくとも一つを実行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。