JP2015161293A - 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、部品点数の増加、構造の複雑化を回避しつつ、適切なタイミングで触媒に吸着した炭化水素を燃焼させる。
【解決手段】炭化水素を吸着酸化可能な触媒１５を排気管に設けた内燃機関１０の排気浄化装置１４であって、触媒１５の温度を検出する温度検出手段１３と、温度検出手段１３で検出される触媒１５の温度が所定温度以下を示す時間を累積すると共に、累積時間から触媒１５に吸着された炭化水素量を推定する推定手段４０と、推定手段４０で推定される炭化水素量が所定上限値を超えた場合に、触媒１５に吸着された炭化水素が酸化する温度に触媒１５の温度を上昇させる第１噴射モードで内燃機関１０の燃料噴射を制御する制御手段４０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する。
ディーゼルエンジンのような内燃機関では、燃焼により、窒素酸化物、粒子状物質（Particulate Matter（ＰＭ））等が発生する。このような内燃機関を動力とする車両では、これらの物質が排気ガスと共に放出されるのを抑制するために、酸化触媒（ＤＯＣ）、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）等の浄化装置が排気経路中に設けられている。
ＤＰＦは、フィルタにより排気中に含まれるＰＭを捕集するための装置である。ＤＰＦは使用するうちに、ＰＭが蓄積してフィルタの目詰まりにより機能が低下していく。そのため、ＤＰＦに高温の排気を送り込み、蓄積したＰＭを燃焼させる。高温の排気の生成方法は、排気中に未燃の炭化水素（ＨＣ）を含ませて、上流側に設置したＤＯＣに吸着させ、このＨＣを酸化（燃焼）させることで生じる熱を利用する方法が一般的である。
しかし、ＤＯＣは使用可能温度を超えると、劣化しやすくなり、その機能が低下する。したがって、ＤＯＣに必要以上のＨＣが吸着して蓄積されると、燃焼の際、使用可能温度を超えて、ＤＯＣを劣化させてしまう可能性がある。
そこで、特許文献１の排気浄化装置では、排気を吸着剤に導く経路と、吸着剤を経由しない経路とを設け、吸着剤中のＨＣ堆積量の推定値が所定値以上となったとき、前者の経路を開いて高温の排気を吸着剤に導入して、蓄積したＨＣを燃焼させている。
また、特許文献２のＨＣ吸着触媒では、推定されたＨＣ堆積量が所定の量に達したら、インジェクタでアフタ噴射（膨張行程での噴射）を行い、排気ガスの温度を上昇させて、ＨＣの焼却を行っている。ＨＣ堆積量の推定は、ＨＣ吸着触媒の前後におけるＨＣ濃度の変化から求める方法（前者とする）、あるいは空燃比センサの測定値からＨＣ吸着触媒へのＨＣ流入量を推定し、このＨＣ流入量と、ＨＣ吸着触媒の吸着効率と、ＨＣ吸着触媒のＨＣ酸化・脱離量とを用いて求める方法（後者とする）がある。
特開平１１−２２４４９号公報 特開２０１０−２６５８７３号公報
しかし、特許文献１の排気浄化装置では、排気経路を２つ設ける必要があり、部品点数の増加、あるいは構造の複雑化につながる。
また、特許文献２では、ＨＣ堆積量の推定の際、前者の方法では、ＨＣ吸着触媒の前後にＨＣ濃度センサを設ける必要があり、部品点数の増加、あるいは構造の複雑化につながる。一方、後者の方法では、ＨＣ吸着触媒の吸着効率、及びＨＣ吸着触媒のＨＣ酸化・脱離量は、これらの値がＨＣ吸着触媒中に堆積されているＨＣの量によっても変化することが加味されていない。そのため、過剰な頻度でＨＣの焼却を行うことによる燃費の悪化、逆に焼却時のＨＣの堆積量が適正な量を超えていることによる使用可能温度以上への温度の上昇を招く可能性がある。
そこで、本発明は、部品点数の増加、構造の複雑化を回避しつつ、適切なタイミングで触媒に吸着した炭化水素を燃焼させる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、炭化水素を吸着酸化可能な触媒を排気管に設けた内燃機関の排気浄化装置であって、前記触媒の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出される前記触媒の温度が所定温度以下を示す時間を累積すると共に、該累積時間から前記触媒に吸着された炭化水素量を推定する推定手段と、前記推定手段で推定される前記炭化水素量が所定上限値を超えた場合に、前記触媒に吸着された炭化水素が酸化する温度に前記触媒の温度を上昇させる第１噴射モードで前記内燃機関の燃料噴射を制御する制御手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置を提供する。
前記温度検出手段で検出される前記触媒の温度が所定時間連続して前記所定温度を超えた場合は、前記累積時間を減算してもよい。
前記触媒よりも下流側の前記排気管に設けられて排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタをさらに備え、前記制御手段は、前記フィルタに堆積した粒子状物質が所定量を超えると、前記触媒の温度を粒子状物質の燃焼温度まで上昇させる第２噴射モードで前記内燃機関の燃料噴射を制御してもよい。
前記制御手段は、前記第１噴射モードの実行中は前記第２噴射モードの実行を禁止してもよい。
上記構成によれば、部品点数の増加、構造の複雑化を回避しつつ、適切なタイミングで触媒に吸着した炭化水素を燃焼させる内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る内燃機関及び排気浄化装置を示す図である。 通常モードにおける燃料噴射制御を説明する図である。 ＨＣパージモードにおける燃料噴射制御を説明する図である。 ＤＰＦ再生モードの昇温工程における燃料噴射制御を説明する図である。 ＤＰＦ再生モードのＨＣ供給工程における燃料噴射制御を説明する図である。 ＨＣパージにおけるＤＯＣの温度変化（実線）と、吸着されているＨＣの量の変化（破線）とを示す図である。 エンジンの運転に伴う排気温度の変化の例を示す図である。 ＨＣパージを実行した場合（実線）と、実行しない場合（破線）とのＤＯＣ中のＨＣ吸着量の変化を示した図である。 ＤＰＦ再生におけるＤＯＣの温度変化を示す図である。 本発明の他の一実施形態に係る内燃機関及び排気浄化装置を示す図である。
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。
＜内燃機関及び排気浄化装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及び排気浄化装置の構成を示す図である。本実施形態では内燃機関として、ディーゼルエンジン１０（以下、単にエンジンという）が用いられている。
エンジン１０の各気筒には、コモンレール２０に畜圧した高圧燃料を各気筒内に直接噴射するインジェクタ２１がそれぞれ設けられている。各インジェクタ２１の燃料噴射量や燃料噴射タイミングは、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）４０から入力される噴射指示信号に応じてコントロールされる。本実施形態において、インジェクタ２１の燃料噴射は、通常モード、ＨＣパージモード、ＤＰＦ再生モードで切り替え可能である。それぞれのモードの詳細については後述する。
エンジン１０の排気マニホールド１１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。この排気通路１２には、排気上流側から順に、排気温度センサ１３、排気後処理装置１４等が設けられている。
排気温度センサ１３は、排気後処理装置１４よりも上流側の排気温度（以下、検出温度という）θを検出する。排気温度センサ１３で検出される検出温度θは、電気的に接続されたＥＣＵ４０にリアルタイムで送信される。
排気後処理装置１４は、触媒ケース１４ａ内に排気上流側から順に、ＤＯＣ１５及び、ＤＰＦ１６を配置して構成されている。なお、符号１７は、ＤＰＦの前後差圧ΔＰを検出する差圧センサを示している。差圧センサ１７で検出される前後差圧ΔＰは、電気的に接続されたＥＣＵ４０にリアルタイムで送信される。
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。また、ＤＯＣ１５には、排気ガス中に含まれるＨＣを吸着するための吸着剤が含まれている。吸着剤は、ゼオライト等、ＨＣ分子を捕捉するための立体構造を持つ材質からなる。吸着したＨＣは酸化（燃焼）させることにより、排気温度を上昇させることができる。しかし、後述するＤＰＦ再生、及び通常の運転において発生する未燃ＨＣがＤＯＣ１５に蓄積されると、過剰量のＨＣが燃焼され、排気温度が使用上限温度θLを超えてしまう可能性がある。そのため、蓄積されたＨＣを燃焼させて除去すべくＨＣパージが行われるが、この詳細については後述する。
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、排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭという）を隔壁の細孔や表面（フィルタ）に捕集する。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ＤＰＦ再生が実行される。ＤＰＦ再生の具体的な説明は後述する。
＜燃料噴射制御＞
（１）通常モード
図２−１は、通常モードにおける燃料噴射制御を説明する図である。通常モードでは、上死点あるいはその近傍で燃料噴射（メイン噴射）を行う。なお、ここで述べた通常モードは、メイン噴射は１回としたが、その一例に過ぎず、必要とされる性能に応じて噴射を複数回（多段噴射）に分けて行ってもよい。
（２）ＨＣパージモード
図２−２は、ＨＣパージモードにおける燃料噴射制御を説明する図である。ＨＣパージモードでは、メイン噴射に加え、その前後に各１回（プレ噴射とアフタ噴射）、それぞれメイン噴射での噴射量よりも少ない噴射量で噴射を行う。ＨＣパージモードでは、通常モードよりも排気温度が高くなり、ＤＯＣ１５の温度は、ＨＣの燃焼が可能な温度（活性温度θA）より高い目標温度θBまで上昇する。なお、ここで述べたＨＣパージモードの制御は、その一例に過ぎず、ＤＯＣ１５の温度を目標温度θBまで上昇させるものであれば他の制御内容でもよい。
（３）ＤＰＦ再生モード
ＤＰＦ再生モードでは、最初にＤＯＣ１５の温度を上昇させるための噴射（昇温工程：図２−３）を行い、その後、ＤＯＣ１５にＨＣを供給するための噴射（ＨＣ供給工程：図２−４）に切り替える。
図２−３は、ＤＰＦ再生モードの昇温工程における燃料噴射制御を説明する図である。昇温工程では、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射を行う。昇温工程でのアフタ噴射の噴射量はＨＣパージモードにおけるアフタ噴射よりも多い。昇温工程での噴射によりＤＯＣ１５の温度が上昇し、目標温度θBより高い所定温度に達したらＨＣ供給工程に切り替えられる。
図２−４は、ＤＰＦ再生モードのＨＣ供給工程における燃料噴射制御を説明する図である。ＨＣ供給工程では、昇温工程の燃料噴射に加え、燃焼後の排気行程において、さらに燃料噴射を行う（ポスト噴射）。この噴射モードではポスト噴射による燃料は燃焼せず、排気中に含まれることになる。したがって、燃料に含まれるＨＣが、ＤＯＣ１５に供給される。ＤＯＣ１５は十分に昇温されているため、供給されたＨＣはＤＯＣ１５において燃焼する。なお、ポスト噴射の制御はこれに限られず、燃焼後において噴射され、未燃の燃料が排気によってＤＯＣ１５に供給されるものであれば、例えば、複数回に分けて噴射する等の制御でもよい。
＜ＨＣパージ＞
図３は、ＨＣパージにおけるＤＯＣ１５の温度変化（実線）と、ＨＣの吸着量の変化（破線）とを示す図である。図中、使用上限温度θLは、ＤＯＣ１５の顕著な劣化を起こさないための温度を表す。
ＨＣパージが開始されると、ＨＣパージモードの燃料噴射となり、排気温度の上昇に伴って、ＤＯＣ１５の温度も上昇する。ＤＯＣ１５の温度が、活性温度θAに達したら、ＤＯＣ１５に吸着されたＨＣの燃焼が始まる。これにより、ＤＯＣ１５の温度がさらに上昇するが、後述する制御により、ＨＣ吸着量は所定量以下に抑えられているため、使用上限温度θLには至らない。
ＨＣの燃焼により、ＤＯＣ１５に吸着されているＨＣの量は減少し、ＨＣが十分に除去されると、ＨＣパージは終了する。ＨＣパージの開始から終了までの時間は、除去すべきＨＣの量、ＤＯＣ１５のサイズ、排気ガスの流量等の条件によって適宜調整される。
＜ＨＣパージの実行条件＞
図４は、エンジン１０の運転に伴う排気温度の変化の例を示す図である。本実施形態では、排気温度センサ１３が検出した温度θと時間Ｔとの関係に基づいて、ＤＯＣ１５のＨＣ吸着量を推定し、ＨＣパージを実行するか否かの判断を行う。この推定及び判断はＥＣＵ４０によって行われる。
本実施形態では、検出温度θが活性温度θA以下である時間が積算され、積算された時間ΣＴ（＝ＴA1＋ＴA2＋ＴA3＋ＴA4＋・・・）が所定の値ＴAとなれば、ＤＯＣ１５中のＨＣ吸着量はＨＣパージすべき量に達したと推定され、ＨＣパージ開始の判断がなされる。θA及びＴAは、例えば、実験的に求めることができ、さらに、排気温度センサ１３とＤＯＣ１５との間での温度の降下を見込む等、適宜調整可能である。また、ＨＣパージすべき量とは、ＤＯＣ１５におけるＨＣ燃焼の際に、ＤＯＣ１５の温度が使用上限温度θLに至らない量である。
ＨＣの燃焼は、活性温度θA以上にならなければ起こらない。したがって、ＤＯＣ１５の温度が活性温度θA未満であればＨＣが蓄積されていると判断する本実施形態のＨＣ吸着量の推定方法は正確かつ安定した方法と言える。
さらに、これらの条件に加えて、本実施形態では、排気温度が所定温度、例えば目標温度θB（＞θA）以上の状態が連続で所定時間ＴB以上となれば、ΣＴの値がリセット（ΣＴ＝０）される。排気温度が十分に高ければ、ＤＯＣ１５に吸着したＨＣが十分に燃焼したと推定されるためである。なお、ＤＯＣ１５内部の温度をθBとするためには、排気温度センサ１３とＤＯＣ１５との間での温度の降下を見込んで、判定に用いる温度を、例えば、θB＋Δと設定してもよい。また、ΣＴ＝（ＴA1＋ＴA2＋ＴA3＋ＴA4＋・・・）−ｋＴB（ｋ：ＨＣの燃焼効率によって決まる係数で、例えば実験によって求める）が所定の値に達すればＨＣパージを開始する設定としてもよい（ΣＴ≧０）。
図５は、ＨＣパージを実行した場合（実線）と、実行しない場合（破線）とのＤＯＣ１５中のＨＣ吸着量の変化を示した図である。エンジン１０の運転に伴って、排気中に含まれる少量の未燃ＨＣが蓄積し、ＨＣの吸着量が増加していく。そして、上記のようにＨＣ吸着量が所定の量に達したと判断され、ＨＣパージが行われると、ＨＣが除去される。したがって、本実施形態によれば、ＤＯＣ１５中のＨＣ吸着量は、所定の量を超えないように制御される。また、そのため、後述するＤＰＦ再生時にＨＣの吸着量が破線のように過大とならず、使用上限温度θLを超えない。また、必要以上にＨＣパージは実行されないため、無駄な燃料の消費が抑制される。
上記のＨＣ吸着量の推定、すなわちＨＣパージを実行するか否かの判断方法はその一例に過ぎず、例えば、排気温度がθA以下の状態で車両が走行した距離の積算値から判断してもよい。
＜ＤＰＦ再生＞
図６は、ＤＰＦ再生におけるＤＯＣ１５の温度変化を示す図である。図中、実線は本実施形態のＨＣパージを行った場合、破線はＨＣパージを行わない場合の温度変化を示している。ＤＰＦ再生は、排気中の未燃燃料（ＨＣ）をＤＯＣ１５で燃焼させることで、ＤＯＣ１５の温度を上昇させ、ＤＰＦ１６に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度まで昇温させることにより行われる。
ＤＰＦ１６に堆積されたＰＭが増加すると、ＤＰＦ１６の前後の差圧ΔＰが上昇する。そのため、本実施形態では、ＤＰＦ再生は、差圧センサ１７で検出される前後差圧ΔＰが所定の値以上になることを開始条件とする。ただし、本実施形態では、ＨＣパージの実行中は前後差圧ΔＰの検出は行わず、ＤＰＦ再生は開始されない。ＨＣパージの実行中は差圧センサ１７の検出精度が低下するためである。また、ＨＣが蓄積された状態で、さらにＨＣを供給して燃焼させると使用上限温度θLに達する可能性があるためでもある。
ここで、本実施形態（実線）について説明する。ＤＰＦ再生が開始されると、ＤＰＦ再生モードの燃料噴射が開始される。まず、昇温工程の燃料噴射により、ＤＯＣ１５が上昇する。その後、ＨＣ供給工程に切り替わりＨＣがＤＯＣ１５に供給され、燃焼することによりＤＯＣ１５の温度がさらに上がり、θPMに達する。ＤＯＣ１５を通った高温の排気ガスはＰＭ燃焼温度以上の温度でＤＰＦ１６に流入する。
一方、本実施形態のＨＣパージを行わず、ＤＯＣ１５に過剰のＨＣが蓄積された場合、破線のように、ＤＯＣ１５が昇温されると、急激な温度上昇が起こり、ＤＯＣ１５の温度は使用上限温度θLに達する。ＤＯＣ１５の温度が使用上限温度θLに達すると、ＤＯＣ１５に含まれる吸着剤の立体構造が崩壊し、ＨＣの吸着性能が低下する。
＜本実施形態の効果＞
本実施形態のＨＣパージは、ＥＣＵ４０のプログラムの書き換えを行うことにより可能となり、この制御のためにエンジン１０及びインジェクタ２１の設計変更等を行う必要はない。さらに、ＨＣパージを行う判断は、排気温度センサ１３による検出温度θに基づいて行われており、排気温度センサ１３は、エンジン１０の運転状態、ＤＰＦ再生の際の温度制御等にも用いられている部品である。
また、上述したように、ＤＯＣ１５の温度（排気温度センサ１３の検出温度θ）によりＨＣが蓄積されているか否かを判断し、ＨＣ吸着量を推定する本実施形態の方法は正確かつ安定した方法である。したがって、この推定からＨＣパージを実行するか否かを判断することにより、正確なタイミングでＨＣパージが行われることになる。
したがって、本実施形態によれば、部品点数の増加、構造の複雑化を回避しつつ、適切なタイミングでＤＯＣ１５に吸着した炭化水素を燃焼させる内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
＜他の実施形態＞
図７は、本発明の他の一実施形態に係る内燃機関及び排気浄化装置を示す図である。この実施形態と上記実施形態とで構成上異なるのはエンジン１０と排気後処理装置１４との間に、燃料噴射ノズル１８が設けられている点である。
この構成においては、燃料噴射ノズル１８から燃料（ＨＣ）を供給することができるため、ＤＰＦ再生モードにおけるインジェクタ２１での燃料噴射方法は、図２−３の工程（昇温工程）のみでよい。この構成では、ＨＣはエンジン外部で供給されるため、ポスト噴射（図２−４）のように燃焼後の排気工程とする必要がなく、噴射タイミングに幅を持たせることができる。
１０ エンジン
１２ 排気通路
１３ 排気温度センサ
１４ 排気後処理装置
１５ ＤＯＣ（酸化触媒）
１６ ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）
４０ ＥＣＵ

Claims (4)

  1. 炭化水素を吸着酸化可能な触媒を排気管に設けた内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記触媒の温度を検出する温度検出手段と、
    前記温度検出手段で検出される前記触媒の温度が第１の所定温度以下を示す時間を累積すると共に、該累積時間から前記触媒に吸着された炭化水素量を推定する推定手段と、
    前記推定手段で推定される前記炭化水素量が所定上限値を超えた場合に、前記触媒に吸着された炭化水素が酸化する温度に前記触媒の温度を上昇させる第１噴射モードで前記内燃機関の燃料噴射を制御する制御手段と、を備える
    内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記温度検出手段で検出される前記触媒の温度が所定時間連続して前記第１の所定温度より低い第２の所定温度以上となった場合は、前記累積時間を減算する
    請求項１に記載の排気浄化装置。
  3. 前記触媒よりも下流側の前記排気管に設けられて排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタをさらに備え、
    前記制御手段は、前記フィルタに堆積した粒子状物質が所定量を超えると、前記触媒の温度を粒子状物質の燃焼温度まで上昇させる第２噴射モードで前記内燃機関の燃料噴射を制御する
    請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
  4. 前記制御手段は、前記第１噴射モードの実行中は前記第２噴射モードの実行を禁止する
    請求項３に記載の排気浄化装置。
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