JP2015172341A

JP2015172341A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2015172341A
Application number: JP2014047544A
Authority: JP
Inventors: 中村　圭介; Keisuke Nakamura; 圭介中村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-10-01

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置に関し、強制再生時におけるＰＭ酸化に必要な酸素量の不足を効果的に抑制する。
【解決手段】内燃機関１０の排気通路１２に設けられたＤＯＣ３１と、ＤＯＣ３１よりも下流側の排気通路１２に設けられて排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦ３２と、ＤＰＦ３２の前後差圧を検出するＤＰＦ差圧センサ４２と、ＤＰＦ３２のＰＭ堆積量が所定量を超えるとＤＯＣ３１に燃料を供給してＰＭを酸化除去する強制再生を実行するＥＣＵ５０と、強制再生の実行中にＤＰＦ差圧センサ４２で検出される差圧の減少速度が所定値以下になると、ＤＰＦ３２に流入する酸素量を増加させるスーパーチャージャ２０とを備える。
【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ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタの強制再生に関する。

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（以下、ＤＰＦという）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（以下、ＤＯＣ）に未燃焼の炭化水素を供給して酸化させ、排気ガス温度をＰＭ酸化温度まで上昇させることで行われる。このようなＤＯＣ及びＤＰＦを排気通路に備えた排気浄化装置は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００６−３１６７３４号公報

一般的に、ＤＰＦは、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気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。排気ガスがＤＰＦ内の隔壁を通過すると、隔壁表面には捕集されたＰＭによって堆積層が形成される。ＰＭの酸化に必要な酸素は、排気ガスがＰＭ堆積層を通過することで連続的に供給されることになる。

ところで、一般的に触媒上におけるＰＭの酸化反応は、ＰＭ−触媒−気相の三相界面で進行するため、ＰＭの酸化反応は気相から触媒表面に吸着される酸素量に依存するものと考えられる。強制再生時は短時間にＰＭが酸化されて多量の酸素を消費するため、ＰＭの酸化に必要な酸素が局部的に不足する場合がある。このような酸素不足によってＰＭ酸化速度が低下すると、強制再生の実行期間が長くなり、燃料消費量の増大を招く課題がある。

本発明の目的は、強制再生時におけるＰＭ酸化に必要な酸素量不足を効果的に抑制することで、燃料消費量の増大を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、内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側の前記排気通路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と、前記フィルタの前後差圧を検出する差圧検出手段と、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供給して粒子状物質を酸化除去する強制再生を実行するフィルタ再生手段と、前記強制再生の実行中に前記差圧検出手段で検出される差圧の減少速度が所定値以下になると、前記フィルタに流入する酸素量を増加させる酸素量増加手段とを備えるものである。

前記酸素量増加手段は、少なくとも前記フィルタよりも上流側の前記排気通路に設けられて排気ガスを圧送するスーパーチャージャであって、該スーパーチャージャの駆動によって前記フィルタに流入する単位時間あたりの酸素量が増加されるものであってもよい。

前記フィルタの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記フィルタ再生手段は、前記温度検出手段で検出される温度が前記粒子状物質の酸化温度よりも低下すると、前記酸化触媒への燃料供給量を増加させてもよい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、強制再生時におけるＰＭ酸化に必要な酸素量不足を効果的に抑制することで、燃料消費量の増大を防止することができる。

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。本実施形態の強制再生制御を説明するフローチャートである。本実施形態の内燃機関の排気浄化装置において、（ａ）はＤＰＦ入口温度、（ｂ）はＤＰＦの圧力損失、（ｃ）はＤＰＦに供給される単位時間（秒）あたりの酸素供給量の変化を説明する図である。

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、単にエンジンという）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、スーパーチャージャ２０、排気後処理装置３０等が設けられている。

スーパーチャージャ２０は、本発明の酸素量増加手段の一例であって、エンジン１０のクランクシャフトから伝達される動力又は、図示しないモータの動力で駆動する。このスーパーチャージャ２０の駆動により排気ガスが下流側の排気後処理装置３０に圧送されると、排気後処理装置３０に供給される単位時間（秒）あたりの酸素量が増加する。なお、酸素量増加手段としては、スーパーチャージャ２０に限定されず、排気ガスを圧送可能なものであれば、ターボチャージャや他の加圧ポンプ等を用いてもよい。また、何れも図示しないコンプレッサ等で加圧した空気をエアタンクに貯留しておき、エアタンク内の空気を排気後処理装置３０に直接的に供給するように構成してもよい。

排気後処理装置３０は、触媒ケース３０ａ内に上流側から順に、ＤＯＣ３１と、ＤＰＦ３２とを配置して構成されている。また、ＤＯＣ３１の排気上流側には排気管内噴射装置３３が設けられている。さらに、ＤＯＣ３１の上流側にはＤＯＣ入口排気温度センサ４０、ＤＯＣ３１とＤＰＦ３２との間にはＤＰＦ入口排気温度センサ４１、ＤＰＦ３２の前後にはＤＰＦ差圧センサ４２がそれぞれ設けられている。

排気管内噴射装置３３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）５０から入力される指示信号に応じて、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３３を省略してもよい。

ＤＯＣ３１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。ＤＯＣ３１は、排気管内噴射装置３３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ガス温度を上昇させる。

ＤＰＦ３２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。ＤＰＦ３２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堆積量が所定量に達すると、これを酸化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３３又はポスト噴射によってＤＯＣ３１に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ３２に流入する排気ガス温度をＰＭ酸化温度（例えば、約５５０〜６００℃）まで昇温することで行われる。

ＤＯＣ入口排気温度センサ４０は、ＤＯＣ３１に流れ込む排気ガス温度を検出する。ＤＰＦ入口排気温度センサ４１は、本発明の温度検出手段の一例であって、ＤＰＦ３２に流入する排気ガス温度（以下、ＤＰＦ入口温度Ｔ_{DPF_in}）を検出する。ＤＰＦ差圧センサ４２は、ＤＰＦ３２の上流側及び下流側の差圧（以下、ＤＰＦ前後差圧ΔＰ）を検出する。これら各センサ４０〜４２のセンサ値は、電気的に接続されたＥＣＵ５０に送信される。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０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、ＤＰＦ３２の強制再生を制御する機能も有している。以下、強制再生制御の詳細について説明する。

強制再生制御は、ＤＰＦ３２に捕集されるＰＭ堆積量が所定の上限堆積量を超えると開始される。具体的には、ＤＰＦ差圧センサ４２からＥＣＵ５０に入力されるＤＰＦ前後差圧ΔＰが所定の上限差圧Ｙ１を超えると（ΔＰ＞Ｙ１）、ＥＣＵ５０はエンジン１０の燃料噴射装置（不図示）にメイン噴射の前後でプレ噴射・アフタ噴射を実行させる指示信号を送信する。これにより、エンジン１０の燃焼温度が上昇して、ＤＯＣ３１は触媒活性温度まで昇温される。

そして、ＤＯＣ３１が触媒活性温度に達すると、ＥＣＵ５０は、排気管内噴射装置３３に所定噴射量の排気管内噴射を実行させる指示信号（又は、エンジン１０にポスト噴射を実行させる指示信号）を送信する。これにより、ＤＯＣ３１に供給される未燃燃料（主にＨＣ）が酸化され、下流側のＤＰＦ３２はＰＭ酸化温度まで昇温される。

ＤＰＦ３２でＰＭの酸化が始まると、急激なＰＭ酸化によって局部的な酸素不足を引き起こし、ＰＭ酸化速度が低下する可能性がある。このため、ＥＣＵ５０はＰＭの酸化反応速度が十分か否かを診断する。より詳しくは、ＤＰＦ差圧センサ４２から入力されるＤＰＦ前後差圧ΔＰを微分して得られる差圧減少速度ｄΔＰ／ｄｔがＰＭ酸化速度の低下を示す所定の閾値Ｘ以下か否かを判定する。差圧減少速度ｄΔＰ／ｄｔが所定の閾値Ｘよりも速い場合（ｄΔＰ／ｄｔ＞Ｘ）は酸素不足が生じていないため、ＥＣＵ５０はＤＰＦ前後差圧ΔＰがＤＰＦ３２の再生完了を示す所定の差圧Ｙ２以下になるまで、排気管内噴射を継続させる。

一方、差圧減少速度ｄΔＰ／ｄｔが所定の閾値Ｘ以下の場合（ｄΔＰ／ｄｔ≧Ｘ）は酸素不足が生じているため、ＥＣＵ５０はスーパーチャージャ２０に駆動指示信号を送信してＤＰＦ３２に排気ガスを圧送させる。これにより、ＤＰＦ３２に供給される単位時間（秒）あたりの酸素量が増加して、酸素不足の解消によってＰＭの酸化は促進される。

スーパーチャージャ２０の駆動により排気ガス流量が増加すると、ＤＰＦ３２の触媒温度を低下させる懸念がある。そのため、本実施形態では、スーパーチャージャ２０の駆動時にＤＰＦ入口温度Ｔ_{DPF_in}が所定の閾値温度Ｚよりも低下すると、ＥＣＵ５０は排気管内噴射装置３３に排気管内噴射量（又は、エンジン１０にポスト噴射量）を増加させる指示信号を送信する。なお、燃料噴射増加量は、ＤＰＦ入口温度Ｔ_{DPF_in}が閾値温度Ｚ以上となるようにフィードバック制御される。

次に、図２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、ＤＰＦ前後差圧ΔＰが所定の上限差圧Ｙ１を超えたか否かが判定される。ＤＰＦ前後差圧ΔＰが所定の上限差圧Ｙ１を超えている場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１１０に進み強制再生制御が開始される。すなわち、プレ噴射・アフタ噴射の実行によってＤＯＣ３１が触媒活性温度まで昇温されると共に、排気管内噴射（又は、ポスト噴射）の実行によってＤＰＦ３２がＰＭ酸化温度まで昇温される。

Ｓ１２０では、ＤＰＦ前後差圧ΔＰを微分して得られる差圧減少速度ｄΔＰ／ｄｔがＰＭ酸化に必要な酸素量の不足を示す所定の閾値Ｘ以下か否かが判定される。差圧減少速度ｄΔＰ／ｄｔが所定の閾値Ｘよりも速い場合（Ｎｏ）は、酸素不足が生じていないため、Ｓ１３０に進んで強制再生制御が継続される。そして、Ｓ１４０では、ＤＰＦ前後差圧ΔＰがＤＰＦ３２の再生完了を示す所定の差圧Ｙ２以下になったか否かが判定される。ＤＰＦ前後差圧ΔＰが所定の差圧Ｙ２以下の場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１５０で強制再生制御を終了（排気管内噴射又はポスト噴射を停止）して、その後、本制御はリターンされる。

一方、Ｓ１２０で差圧減少速度ｄΔＰ／ｄｔが所定の閾値Ｘ以下の場合（Ｙｅｓ）は、ＰＭの酸化に必要な酸素量が局部的に不足している可能性がある。このため、本制御はＳ２００に進み、スーパーチャージャ２０を駆動させることで、ＤＰＦ３２に供給される単位時間（秒）あたりの酸素量を増加させる。

Ｓ２１０では、スーパーチャージャ２０の駆動によってＤＰＦ３２の触媒温度（ＤＰＦ入口温度Ｔ_{DPF_in}）が所定の閾値温度Ｚよりも低下したか否かが判定される。ＤＰＦ入口温度Ｔ_{DPF_in}が所定の閾値温度Ｚよりも低下した場合（Ｙｅｓ）は、ＤＰＦ３２の触媒温度をＰＭ酸化温度に維持するために排気ガス温度を上昇させる必要がある。このため、本制御はＳ２２０に進み、排気管内噴射量（又はポスト噴射量）を増加させる。

一方、Ｓ２１０でＤＰＦ入口温度Ｔ_{DPF_in}が所定の閾値温度Ｚ以上の場合（Ｎｏ）は、ＤＰＦ３２がＰＭ酸化温度を維持しているため、燃料噴射量の増加を行うことなく本制御はＳ２３０に進む。Ｓ２３０では、差圧減少速度ｄΔＰ／ｄｔがＰＭ酸化に必要な酸素量の不足を示す所定の閾値Ｘを超えたか否かが判定される。差圧減少速度ｄΔＰ／ｄｔが所定の閾値Ｘよりも速い場合（Ｙｅｓ）は、酸素不足が解消したため、本制御は前述のＳ１３０に進む。すなわち、ＤＰＦ前後差圧ΔＰがＤＰＦ３２の再生完了を示す所定の差圧Ｙ２以下になるまで強制再生制御が継続される。一方、Ｓ２３０で、差圧減少速度ｄΔＰ／ｄｔが所定の閾値Ｘ以下の場合（Ｎｏ）は、酸素不足が解消していないため、本制御はＳ２４０に進む。

Ｓ２４０では、前述のＳ２３０の判定回数ｎ（カウント値）が所定回数ｎ_Max（例えば、５回）に達したか否かが判定される。Ｓ２３０の判定回数ｎが所定回数ｎ_Maxを超えると、Ｓ２００の酸素量増加やＳ２２０の噴射量増加が過大となり、ＰＭの異常燃焼等によってＤＰＦ３２の劣化を引き起こす可能性がある。このため、本制御はＳ２３０の判定回数ｎに上限を設けている。判定回数ｎが所定回数ｎ_Max未満の場合（Ｎｏ）、本制御はＳ２００に戻され、酸素量の増加が継続される。一方、判定回数ｎが所定回数ｎ_Max以上の場合（Ｙｅｓ）、本制御はＳ２５０に進んで強制再生制御を中断（排気管内噴射又はポスト噴射の停止、スーパーチャージャ２０の駆動停止）してリターンされる。その後、Ｓ１００〜２５０の各制御ステップは、イグニッションキーＯＦＦ操作まで繰り返し実行される。

次に、図３に基づいて、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。

ＤＰＦ３２のＰＭ堆積量が所定の上限堆積量を超えると、ＤＰＦ３２の強制再生制御が開始され（時刻Ｔ１参照）、排気管内噴射（又は、ポスト噴射）の実行によってＤＰＦ入口温度Ｔ_{DPF_in}がＰＭ酸化温度まで上昇される。ＤＰＦ３２内でＰＭの酸化が始まると、ＤＰＦ３２の圧力損失は次第に低下すると共に、ＤＰＦ３２内では短時間にＰＭが酸化されて局部的な酸素不足が生じやすくなる（時刻Ｔ２参照）。

本実施形態では、ＤＰＦ前後差圧ΔＰを微分して得られる差圧減少速度ｄΔＰ／ｄｔがＰＭ酸化速度の低下を示す所定の閾値Ｘ以下になると、スーパーチャージャ２０を駆動させてＤＰＦ３２に排気ガスが圧送される。すなわち、ＤＰＦ３２に供給される単位時間（秒）あたりの酸素量を増加させることで、ＰＭ酸化に必要な酸素量を補充するように構成されている。したがって、強制再生時における酸素量不足を防止することが可能となり、強制再生期間の短縮化が図られると共に、燃料消費量の増大を効果的に抑制することができる。

また、スーパーチャージャ２０の駆動により排気ガス流量が増加すると、ＤＰＦ３２の触媒温度がＰＭ酸化温度を下まわる場合がある。その結果、強制再生期間が長くなり燃料消費量を増加させる可能性がある。

本実施形態では、スーパーチャージャ２０の駆動によってＤＰＦ入口温度Ｔ_{DPF_in}が所定の閾値温度Ｚよりも低下すると、排気管内噴射量（又は、ポスト噴射量）を増加させることで、ＤＰＦ３２の触媒温度をＰＭ酸化温度以上に維持させるように構成されている（時刻Ｔ３参照）。したがって、排気ガス流量の増加によるＤＰＦ３２の温度低下を確実に防止することができる。

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、ＤＯＣ３１とＤＰＦ３２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。

１０エンジン
１２排気通路
２０スーパーチャージャ
３０排気後処理装置
３１ＤＯＣ
３２ＤＰＦ
３３排気管内噴射装置
４０ＤＯＣ入口排気温度センサ
４１ＤＰＦ入口排気温度センサ
４２ＤＰＦ差圧センサ
５０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも下流側の前記排気通路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と、
前記フィルタの前後差圧を検出する差圧検出手段と、
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供給して粒子状物質を酸化除去する強制再生を実行するフィルタ再生手段と、
前記強制再生の実行中に前記差圧検出手段で検出される差圧の減少速度が所定値以下になると、前記フィルタに流入する酸素量を増加させる酸素量増加手段と、を備える
内燃機関の排気浄化装置。
前記酸素量増加手段は、少なくとも前記フィルタよりも上流側の前記排気通路に設けられて排気ガスを圧送するスーパーチャージャであって、該スーパーチャージャの駆動によって前記フィルタに流入する単位時間あたりの酸素量が増加される
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記フィルタの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記フィルタ再生手段は、前記温度検出手段で検出される温度が前記粒子状物質の酸化温度よりも低下すると、前記酸化触媒への燃料供給量を増加させる
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。