JP2015183666A

JP2015183666A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2015183666A
Application number: JP2014063416A
Authority: JP
Inventors: 中村　圭介; Keisuke Nakamura; 圭介中村; 操後藤; Misao Goto; 藤井　謙治; Kenji Fujii; 謙治藤井
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-10-22

Abstract

【課題】粒子状物質捕集装置の下流側のターボチャージャーのタービンが劣化又は熱破壊されることを防止すると共に、その間も酸化除去によりフィルタに堆積した粒子状物質を継続して除去して、フィルタを再生することができる内燃機関を提供する。【解決手段】新規吸気量ＱＡＩＲを調節するノズルベーン１９と、タービン９の温度を検出するタービン用温度センサＳｅ５と、を備え、ＥＣＵ１８が、アクティブ再生手段Ｍ１によるフィルタ２１の再生中に、タービン用温度センサＳｅ５によって検出された温度からタービン９に熱破壊の可能性があると判断した場合に、アクティブ再生手段Ｍ１によるフィルタ２１の再生が中止される温度よりも低く、フィルタ２１に捕集された粒子状物質が酸化除去される第一温度ＴＳＥＭとなるまで排気ガスの温度を下げるようにノズルベーン１９を制御して新規吸気量ＱＡＩＲを増量する排気ガス温度低下手段Ｍ２を実施する。【選択図】図２

Description

本発明は、排気通路の上流から順に、粒子状物質捕集装置とターボチャージャーのタービンを配置した内燃機関に関する。

排気通路の上流から順に、粒子状物質捕集装置とターボチャージャーのタービンとを備え、粒子状物質捕集装置のフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去して該フィルタを再生する制御装置を有する内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３３２０７２号公報

しかし、上記特許文献１は、アフター噴射やポスト噴射などの排ガス温度を上昇させる制御を行って、粒子状物質捕集装置のフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去することで、タービンに流れ込む排気ガスの温度が高温となり、タービンが熱破壊される可能性がある。

上記課題を解決するために本発明の内燃機関は、上流から順に、粒子状物質捕集装置とターボチャージャーのタービンとを備えた排気通路を備え、前記粒子状物質捕集装置のフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去して該フィルタを再生する燃焼除去再生手段を有する制御装置を有する内燃機関において、内燃機関に供給される新規吸気量を調節する新規吸気量調節装置と、前記タービンの温度を検出するタービン温度検出装置と、を備えると共に、前記制御装置が、前記燃焼除去再生手段による前記フィルタの再生中に、前記タービン温度検出装置によって検出された温度から前記タービンに熱破壊の可能性があると判断した場合に、前記燃焼除去再生手段による前記フィルタの再生が中止される温度よりも低く、前記フィルタに捕集された粒子状物質が酸化除去される所定の第一温度となるまで排気ガスの温度を低下させるように前記新規吸気量調節装置を制御して新規吸気量を増量する排気ガス温度低下手段を有して構成される。

上記の構成によれば、アフター噴射やポスト噴射などの排ガス温度を上昇させる制御を行って、粒子状物質を燃焼除去するアクティブ再生（燃焼除去再生）によるフィルタの再生中に、排気ガスの温度が上昇し、粒子状物質捕集装置の下流にあるターボチャージャーのタービンが熱破壊される可能性がある判断された場合に、新規吸気量調節装置を制御して、新規吸気量を増量し、排気ガスの温度を低下させることで、タービンの熱破壊を防ぐことができる。

また、このときに、排気ガスの温度が低下することで、アクティブ再生が中止されるが、排気ガスの温度を下げ過ぎること無く、酸化触媒が活性化され、且つ酸化触媒で酸化生成された酸化物による粒子状物質の酸化除去が促進される所定の第一温度までしか低下させないことで、フィルタに捕集された粒子状物質を酸化除去し、継続してフィルタの再生を行うことができる。以下、このアクティブ再生中に排気ガスの温度を所定の第一温度に低下させてから行われるフィルタの再生をセミアクティブ再生ということにする。

また、上記の内燃機関において、内燃機関に供給される排気ガス中のＮＯｘ量を調節するＮＯｘ量調節装置を備え、前記制御装置が、前記排気ガス温度低下手段を実施して前記第一温度となるまで排気ガスの温度を下げたときに、前記ＮＯｘ量調節装置を制御してＮＯｘ量を増量すると共に、前記新規吸気量調節装置を制御して排気ガスの温度を前記第一温度に維持する再生維持手段を有する構成とする。

これにより、排気ガスの温度を酸化触媒が活性化され、且つ酸化触媒で酸化生成された酸化物による粒子状物質の酸化除去が促進される所定の第一温度に維持できると共に、ＮＯｘ量調節装置により、粒子状物質捕集装置に積極的にＮＯｘを供給するので、酸化触媒でＮＯを酸化してＮＯ_２を生成し、そのＮＯ_２の酸化性能によって粒子状物質の酸化除去を促進して、フィルタの再生を継続することができる。

加えて、上記の内燃機関において、前記排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを有するＥＧＲシステムを備え、前記ＮＯｘ量調節装置が、前記ＥＧＲバルブであり、前記制御装置が、前記ＥＧＲバルブの開度を小さくして、ＮＯｘ量を増量する制御を行う構成とする。これにより、ＥＧＲバルブの開度を小さくすることで、前記排気通路と前記吸気通路とを非連通状態とし、排気ガス中のＮＯｘ濃度の増加を促進し、ＮＯ_２を利用したフィルタの再生に寄与することができる。

さらに、上記の内燃機関において、前記ターボチャージャーは、可変式のノズルベーンを備え、前記新規吸気量調節装置が、前記ノズルベーンであり、前記制御装置が、前記ノズルベーンの開度を小さくして新規吸気量を増量する制御を行う構成とする。これにより、ターボチャージャーのタービンにより駆動されるコンプレッサの過給圧を上げることができ、新規吸気量を増量させ、粒子状物質捕集装置に供給される排気ガスの温度を低下させることができる。

その上、上記の内燃機関において、前記制御装置は、前記タービン温度検出装置により検出された温度が前記タービンの耐久温度に達する可能性の有る所定の第二温度以上で、且つ前記タービン温度検出装置により検出された温度の単位時間当たりの温度上昇速度が所定の速度以上のときに、熱破壊の可能性があると判断する構成とする。これにより、フィルタでの粒子状物質の燃焼による温度上昇も考慮して、タービンの熱破壊の可能性を判定しているので、より確実にタービンの熱破壊を防止することができる。

また、上記に記載の内燃機関は、車両に備えられており、前記フィルタの再生を車両走行時に実施するように構成すると、フィルタに粒子状物質が堆積したときに車両を停止させてフィルタの再生を実施することなく、走行中に、フィルタの再生を実施することができる。

本発明によれば、アクティブ再生中に排気ガスの温度が上昇し、粒子状物質捕集装置の下流にあるターボチャージャーのタービンが熱破壊される可能性があると判断された場合に、新規吸気量を増量して、排気ガスの温度を低下させて、アクティブ再生を中止することで、ターボチャージャーのタービンが劣化、又は熱破壊されることを防止することができると共に、アクティブ再生を中止してからも、酸化触媒を活性化状態におき且つ内燃機関から排出されるＮＯｘ量を増加することで、セミアクティブ再生が実施され、フィルタに堆積した粒子状物質の酸化除去を促進でき、フィルタの再生を継続することができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関を示す概略図である。図１の内燃機関の排気通路の一部を示す拡大図である。図２の排気通路の一部の温度変化とＮＯｘ濃度の変化を実験に基づいて示した図である。本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御方法を示すフローチャートであり、アクティブ再生が終了するまでを示す。本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御方法を示すフローチャートであり、セミアクティブ再生を示す。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態では、以下の実施の形態では、直列四気筒のディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はディーゼルエンジンに限定せずに、ガソリンエンジンにも適用することができ、その気筒数や、気筒の配列は限定しない。

まず、本発明に係る実施の形態の内燃機関について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１に示すように、エンジン（内燃機関）１は、直列四気筒のエンジン本体２と、エンジン本体２に接続された排気マニホールド３及び吸気マニホールド５と、排気マニホールド３と接続されてエンジン本体２から排出された排気ガスが通過する排気通路４と、吸気マニホールド５と接続されてエンジン本体２に供給される吸入空気が通過する吸気通路６と、排気通路４と吸気通路６とを連通するＥＧＲ通路７と、を備える。

排気通路４には、排気ガスにより駆動するターボチャージャー（以下、ＴＣとする）８のタービン９を設け、そのタービン９の上流に連続再生式粒子状物質捕集装置１０を設ける。また、吸気通路６には、タービン９により駆動するコンプレッサ１１と、このコンプレッサ１１の上流に設けられたエアクリーナー１２と、コンプレッサ１１の下流に設けられたインタークーラー１３と、エンジン本体２に供給される吸気量を調節する吸気スロットル１４とを設ける。加えて、ＥＧＲ通路７には、排気ガスの一部であるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー１５とＥＧＲガスの環流量を調節するＥＧＲバルブ１６とを備える（以下、ＥＧＲ通路７、ＥＧＲクーラー１５、及びＥＧＲバルブ１６を合わせてＥＧＲシステム１７という）。

また、このエンジン１は、エンジンコントロールユニットと呼ばれる制御装置であり、電気回路によってエンジン１の制御を担当しているマイクロコントローラであるＥＣＵ（制御装置）１８を備える。このＥＣＵ１８は、エンジン本体２の燃料の噴射や吸排気バルブの開閉制御、吸気スロットル１４の開度の制御、及びＥＧＲバルブ１６の開度の制御等を行なっている。

加えて、エンジン１は、ＥＣＵ１８に接続される、連続再生式粒子状物質捕集装置１０を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検知するＮＯｘセンサＳｅ１、ＤＯＣ２０の入口の温度Ｔ_ＤＯＣを検知するＤＯＣ用温度センサＳｅ２、フィルタ２１の入口の温度Ｔ_ＰＭを検知するフィルタ用温度センサＳｅ３、フィルタ２１の上流側と下流側の差圧ΔＰを検知する差圧センサＳｅ４、及びタービン９の入口の温度Ｔ_Ｔｕｒを検知するタービン用温度センサＳｅ５を備える。なお、以下では、温度Ｔ_ＤＯＣ、Ｔ_ＰＭ、及びＴ_Ｔｕｒという場合は、各装置の入口の排気ガスの温度（各装置を通過する排気ガスの温度）のことをいう。

図２に示すように、ＴＣ８は、ＥＣＵ１８により制御される可変式のノズルベーン１９を有し、そのノズルベーン１９の開度を変えることによって、コンプレッサ１１の過給圧を制御することが可能な可変過給圧式のターボチャージャー（可変翼ターボや可変容量ターボなどともいう）である。この実施の形態では、ノズルベーン１９の開度によって過給圧を可変するものを用いたが、本発明は、過給圧の変更が可能であればよく、この構成に限定されない。

連続再生式粒子状物質捕集装置１０は、排気ガスの上流側にＤＯＣ（酸化触媒）２０と、下流側にフィルタ２１を配置した排気ガスの後処理装置である。この連続再生式粒子状物質捕集装置１０は、排気ガスの温度が高い状態となる排気マニホールド３とＴＣ８のタービン９との間に配置されることで、ＤＯＣ２０を活性化して、ＤＯＣ２０で、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＮＯ（一酸化窒素）などを酸化し、それにより生成されるＮＯ_２（二酸化窒素）の高い酸化性能により、フィルタ２１に捕集された粒子状物質を酸化除去している。

なお、この実施の形態では、ＤＯＣ２０とフィルタ２１を順に配置する構成としたが、本発明はこれに限定されずに、例えば、フィルタ２１のシリコンカーバイドやコージライトなどの基材から蜂の巣状に形成され、交互に目封じされた多孔質セル（担体）に酸化触媒を担持させたものでもよい。

次に、連続再生式粒子状物質捕集装置１０におけるフィルタ２１の再生方法について説明する。通常時はＤＯＣ２０により生成されたＮＯ_２によって、フィルタ２１の粒子状物質を受動的に酸化除去している。この酸化除去による受動的なフィルタ２１の酸化除去再生をパッシブ再生と呼ぶ。パッシブ再生は、特に何らかの制御が必要な再生方法ではなく、排気ガス中にＮＯ_２がある場合に行われる再生方法である。

一方、フィルタ２１に粒子状物質が多く堆積した場合には、強制的に排気ガス温度を粒子状物質の燃焼が開始される開始温度Ｔ２（例えば、５５０℃）以上に上昇して、粒子状物質を燃焼除去して、フィルタ２１を再生している。以下、この強制的な燃焼によるフィルタ２１の再生をアクティブ再生（燃焼除去再生）と呼ぶ。強制的に排気ガス温度を上昇する方法としては、エンジン本体２で行われる燃料の噴射を遅らせるアフター噴射により、トルクに寄与しない燃料の燃焼を行なって、高温状態を維持した排気ガスを排出する方法や、ポスト噴射などでＤＯＣ２０に未燃成分を多く含んだ排気ガスをおくることで、ＤＯＣ２０での酸化を活性化して排気ガスの温度を上昇させる方法などがある。このアクティブ再生はＥＣＵ１８によって制御されており、ＥＣＵ１８には、アクティブ再生を実施するアクティブ再生手段（燃焼除去再生手段）Ｍ１が備えられている。

この連続再生式粒子状物質捕集装置１０をタービン９の上流に備えるエンジン１では、排気マニホールド３とタービン９との間の排気ガスの温度が高いことを利用して、通常のフィルタ２１の再生をパッシブ再生により行い、粒子状物質が多く堆積した場合にアクティブ再生を行なっている。これにより、排気ガスの温度を強制的に高温にして粒子状物質を燃焼させるアクティブ再生の頻度を低減して、燃費を向上することができる。

しかし、車両の走行中にアクティブ再生を行なっているときに、登坂や高速走行が開始され、エンジン１が高負荷の状態となると、排気ガスの温度が急激に上昇し、下流にあるタービン９の耐久温度を越える場合がある。

そこで、本発明に係る実施の形態のエンジン１は、上記の構成に加えて、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを調節するＴＣ８に設けた可変式のノズルベーン（新規吸気量調節装置）１９と、タービン９の温度を検出するタービン用温度センサ（タービン温度検出装置）Ｓｅ５と、を備えると共に、ＥＣＵ１８が、アクティブ再生手段Ｍ１によるフィルタ２１の再生中に、タービン用温度センサＳｅ５によって検知された温度からタービン９に熱破壊の可能性があると判断した場合に、ノズルベーン１９の開度を小さくする制御を行なってコンプレッサ１１の過給圧を増加して、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを増量し、アクティブ再生手段Ｍ１によるフィルタ２１の再生が中止され且つフィルタ２１に捕集された粒子状物質が酸化除去される所定の第一温度Ｔ_ＳＥＭとなるまで排気ガスの温度を低下させる排気ガス温度低下手段Ｍ２を有して構成される。

また、このエンジン１は、排気ガス中のＮＯｘ量Ｑ_ＮＯｘを調節するＥＧＲシステム１７のＥＧＲバルブ（ＮＯｘ量調節装置）１６を備え、排気ガス温度低下手段Ｍ２を実施して所定の第一温度Ｔ_ＳＥＭとなるまで排気ガスの温度を下げたときに、ＥＧＲバルブ１６の開度を小さくする制御を行なって、排気通路４と吸気通路６との連通量を小さくし、排気ガス中のＮＯｘ量Ｑ_ＮＯｘを増量すると共に、ノズルベーン１９の開度を調節して排気ガスの温度を所定の第一温度Ｔ_ＳＥＭに維持する再生維持手段Ｍ３と、を備えて構成される。

排気ガス温度低下手段Ｍ２は、タービン９の入口の温度Ｔ_Ｔｕｒを低下する手段であり、この実施の形態では、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを増量するようにノズルベーン１９を調節する手段である。

詳しくは、ノズルベーン１９の開度を制御することで、タービン９により駆動するコンプレッサ１１の過給圧を調節し、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを調節する。この実施の形態では、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを調節する新規吸気量調節装置として、ノズルベーン１９を用いたが、本発明の新規吸気量調節装置はこれに限定されずに、例えば、ＥＧＲシステム１７のＥＧＲバルブ１６や、吸気スロットル１４などを用いることもできる。

この排気ガス温度低下手段Ｍ２で、タービン９に熱破壊の可能性があると判断する手段は、タービン用温度センサＳｅ５で検知された温度Ｔ_Ｔｕｒがタービン９の耐久温度Ｔ３に達する可能性の有る所定の温度判定値（第二温度）Ｔａ以上で、且つタービン用温度センサＳｅ５で検知された温度Ｔ_Ｔｕｒの単位時間当たりの温度上昇速度ΔＶが所定の速度判定値Ｖａ以上のときに、熱破壊の可能性があると判断する構成とされている。

温度判定値Ｔａは、タービン９の耐久温度Ｔ３を基準として定められる値であり、例えば、耐久温度Ｔ３を７００℃とすると、温度判定値Ｔａはタービン９の入口の温度Ｔ_Ｔｕｒが連続再生式粒子状物質捕集装置１０の粒子状物質の燃焼などにより温度上昇しても耐久温度Ｔ３を超えないような値が好ましく、例えば、６００℃に設定される。

温度上昇速度ΔＶは、フィルタ２１で粒子状物質が燃焼したことで増える単位時間当たりの温度上昇速度であり、フィルタ２１の前後に設けられたフィルタ用温度センサＳｅ３で検知される温度Ｔ_ＰＭと、タービン用温度センサＳｅ５で検知される温度Ｔ_Ｔｕｒとの温度差ΔＴから算出される値である。この実施の形態では、フィルタ用温度センサＳｅ３とタービン用温度センサＳｅ５で検知された温度差ΔＴから算出したが、本発明はこれに限定されずに、例えば、排気ガスのガス分析を行うセンサを設けて、粒子状物質の燃焼状況を解析し、そこから温度上昇速度ΔＶを求めてもよい。

この単位時間当たりの温度上昇速度ΔＶが速度判定値Ｖａ以上であれば、フィルタ２１に堆積した粒子状物質が多く、タービン９の入口の温度Ｔ_Ｔｕｒが上昇する可能性があり、一方、温度上昇速度ΔＶが速度判定値Ｖａより小さければ、フィルタ２１に堆積した粒子状物質の大部分が燃焼して、残りが少なく、タービン９の入口の温度Ｔ_Ｔｕｒが上昇する可能性は低くなる。この速度判定値Ｖａは予め実験などにより求められた所定の数値や、例えば、温度上昇速度測定後の１０秒間と、タービン９の破壊が懸念される温度閾値Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}と、タービン９の入口の温度Ｔ_Ｔｕｒと、から求まる所定の数値（Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}−Ｔ_Ｔｕｒ）／１０）に設定される。

このタービン９の熱破壊の可能性を検出する手段は、温度判定値Ｔａと単位時間当たりの温度上昇速度ΔＶを用いるので、フィルタ２１の粒子状物質の燃焼による温度上昇も考
慮して、タービン９の熱破壊の可能性を判断でき、高温の排気ガスがタービン９に影響する前にタービン９の熱破壊を防止する制御を行うことができる。

上記の排気ガス温度低下手段Ｍ２により、排気ガスの温度は、所定の第一温度Ｔ_ＳＥＭまで下げられる。この所定の第一温度Ｔ_ＳＥＭとは、アクティブ再生の開始温度Ｔ２（例えば、５５０℃）よりも低い温度であり、ＤＯＣ２０が活性化される活性化温度Ｔ１（例えば、２５０℃）以上で、且つそのＤＯＣ２０で生成されたＮＯ_２がＮＯに戻らずに安定して存在する状態に維持される温度範囲である酸化除去促進温度範囲ＲＴ（例えば、下限温度Ｔ４（３００℃）≦ＲＴ≦上限温度Ｔ５（３５０℃））の範囲内の温度のことをいう。

より詳しくは、ＤＯＣ２０の入口の温度Ｔ_ＤＯＣが、ＤＯＣ２０が活性化される活性化温度Ｔ１以上で、且つフィルタ２１の入口の温度Ｔ_ＰＭが、そのＤＯＣ２０で生成されたＮＯ_２がＮＯに戻らずに安定して存在する状態に維持する温度範囲である酸化除去促進温度範囲ＲＴ内となる。特に、ＮＯ_２は、３００℃未満の場合は、ＮＯ_２が生成されづらく、３５０℃以上の高温になるとＮＯに還元されてしまうため、粒子状物質の酸化除去を促進するためには、温度Ｔ_ＰＭをこの酸化除去促進温度範囲ＲＴ内に設定することが重要である。

よって、この排気ガス温度低下手段Ｍ２は、フィルタ用温度センサＳｅ３で検知される排気ガスの温度を所定の第一温度Ｔ_ＳＥＭまで下げて、アクティブ再生を中止することで、タービン９が排気ガスの高温の熱によって劣化、又は熱破壊されることを防止することができる。また、同時に、排気ガスの温度が低下することで、アクティブ再生が中止されるが、排気ガスの温度を下げ過ぎること無く、ＤＯＣ２０が活性化され、且つＤＯＣ２０で酸化生成されたＮＯ_２による粒子状物質の酸化除去が促進される第一温度Ｔ_ＳＥＭとすることで、継続してフィルタ２１の再生を行うことができる。

つまり、強制的に粒子状物質を燃焼させるアクティブ再生から、粒子状物質を酸化除去するフィルタ２１の再生方法に変更することにより、タービン９を保護すると同時に、アクティブ再生が必要なフィルタ２１の再生を酸化除去により実施することが可能となる。以下、このアクティブ再生中に排気ガスの温度を低下することで行われるフィルタ２１の再生を通常時に行われるパッシブ再生と区別するために、セミアクティブ再生ということにする。

再生維持手段Ｍ３は、アクティブ再生が中止された後に、排気ガス中のＮＯｘ量Ｑ_ＮＯｘを増量し、積極的に連続再生式粒子状物質捕集装置１０へＮＯｘを供給すると同時に、排気ガス温度低下手段Ｍ２により低下した排気ガスの温度を、前述した第一温度Ｔ_ＳＥＭに維持し、セミアクティブ再生を継続する手段である。

詳しくは、ＥＧＲバルブ１６を閉じて、排気通路４と吸気通路６とを非連通状態とし、ＥＧＲを止めることで、酸素濃度を高めて燃焼時に発生するＮＯｘを促進し、ＮＯｘ量Ｑ_ＮＯｘを増量することと、ノズルベーン１９のベーン開度を調整して、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを調節し、排気ガスの温度を第一温度Ｔ_ＳＥＭに維持することで実施している。

この実施の形態では、排気通路４に排出される排気ガス内のＮＯｘ量Ｑ_ＮＯｘを増加するＮＯｘ量調節装置として、ＥＧＲバルブ１６を用いたが、本発明はこれに限定されずに、例えば、エンジン本体２でパイロット噴射などの予備的燃焼やマルチ噴射による燃焼により高温状態で燃料を燃焼させる方法などを用いることもできる。但し、ＮＯｘ量調節装置としてＥＧＲバルブ１６を用いると、ＮＯｘ量Ｑ_ＮＯｘを容易に制御することができ、連続再生式粒子状物質捕集装置１０に積極的にＮＯｘを供給することができる。

また、この実施の形態では、排気ガスの温度を第一温度Ｔ_ＳＥＭに維持する新規吸気量調節装置として、前述した排気ガス温度低下手段Ｍ２と同様にノズルベーン１９を用いた。温度Ｔ_ＤＯＣが活性化温度Ｔ１よりも小さい、あるいは温度Ｔ_ＰＭが酸化除去促進温度範囲ＲＴよりも小さい場合は、ノズルベーン１９の開度を大きくし、コンプレッサ１１の過給圧を下げて、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを減量することで、排気ガスの温度を上昇させ、一方、温度Ｔ_ＰＭが酸化除去促進温度範囲ＲＴよりも大きい場合は、ノズルベーン１９の開度を小さくし、コンプレッサ１１の過給圧を上げて、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを増量することで、排気ガスの温度を下降させる。前述したように、この再生維持手段Ｍ３でも、排気ガス温度低下手段Ｍ２と同様に、ＥＧＲバルブ１６の調節や吸気スロットル１４の調節で、排気ガスの温度を第一温度に維持してもよい。

この再生維持手段Ｍ３によれば、排ガスの温度がＤＯＣ２０の入口の温度Ｔ_ＤＯＣが、ＤＯＣ２０が活性化される活性化温度Ｔ１以上で、且つフィルタ２１の入口の温度Ｔ_ＰＭが、そのＤＯＣ２０で生成されたＮＯ_２がＮＯに戻らずに安定して存在する状態に維持する温度範囲である酸化除去促進温度範囲ＲＴ内に維持され、且つ積極的に連続再生式粒子状物質捕集装置１０にＮＯｘを供給することで、ＤＯＣ２０でＮＯ_２を生成し、そのＮＯ_２によって、フィルタ２１に堆積した粒子状物質を酸化除去して、フィルタ２１の再生を維持することができる。

次に、エンジン１の制御方法について、図３の実験に基づいて示されたデータと図４及び図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。図３は、その横軸に示された連続再生式粒子状物質捕集装置１０の入口ａ、ＤＯＣ２０の入口ｂ、フィルタ２１の入口ｃ、フィルタ２１の入口ｄ、フィルタ２１の出口ｅ、タービン９の入口ｆ、タービン９の出口ｇにおけるアクティブ再生時の排気ガスの温度変化及びセミアクティブ再生時の排気ガスの温度変化を示している。また、図３は、連続再生式粒子状物質捕集装置１０の入口ａ、ＤＯＣ２０の入口ｂ、フィルタ２１の入口ｃ、フィルタ２１の入口ｄ、フィルタ２１の出口ｅにおけるセミアクティブ再生中のＮＯｘ濃度も示している。なお、ＤＯＣ２０の入口ｂは、ＤＯＣ用温度センサＳｅ２が備えられた位置に対応し、フィルタ２１の入口ｃは、フィルタ用温度センサＳｅ３が備えられた位置に対応し、タービン９の入口ｆは、タービン用温度センサＳｅ５が備えられた位置に対応している。また、この実施の形態では、活性化温度Ｔ１を２５０℃、アクティブ再生の開始温度Ｔ２を５５０℃、タービン９の耐久温度Ｔ３を７００℃、酸化除去促進温度範囲ＲＴの下限温度Ｔ４を３００℃、上限温度Ｔ５を３５０℃と設定した。

また、この制御方法は、車両の走行中に行われるフィルタ２１の再生方法であり、ステップＳ２０までは、パッシブ再生が行われているものとする。加えて、新規吸気量調節装置としてノズルベーン１９を調節してコンプレッサ１１の過給圧を調節し、また、ＮＯｘ量調節装置としてＥＧＲバルブ１６の開度を調節してＮＯｘ量を調節したが、本発明はこれに限定されずに、例えば、新規吸気量調節装置として、ＥＧＲバルブ１６の開度を調節する手段や、吸気スロットル１４の開度を調節する手段を併用するなどしてもよい。

まず、図４に示すように、車両の走行中に、差圧センサＳｅ４がフィルタ２１の上流側と下流側との差圧ΔＰを検知して、その差圧ΔＰが予め定めたフィルタの強制的な再生を必要とする差圧判定値Ｐａ１以上か否かを判断するステップＳ１０を行う。このステップＳ１０は、差圧ΔＰと差圧判定値Ｐａ１とを比較して、粒子状物質の堆積量が予め設定された堆積量以上になったことを判断するステップである。このステップＳ１０は、パッシブ再生での再生ではフィルタ２１の再生が間に合わず、アクティブ再生を行う必要があるか否かを判断するステップであり、この構成に限定されない。

ステップＳ１０でアクティブ再生が必要と判断されると、アクティブ再生手段Ｍ１がアクティブ再生を実施するために燃料噴射量を増加するステップＳ２０を行う。なお、このステップＳ１０で差圧ΔＰが差圧判定値Ｐａ１よりも小さい場合はパッシブ再生を継続する。

ステップＳ２０が行われると、フィルタ用温度センサＳｅ３で検知される排気ガスの温度を開始温度Ｔ２以上に上昇し、フィルタ２１に堆積した粒子状物質のアクティブ再生を実施する。このアクティブ再生中に、車両が登坂や高速走行を開始して、エンジン１が高負荷状態となると、フィルタ用温度センサＳｅ３で検知される排気ガスの温度はさらに上昇し、タービン用温度センサＳｅ５で検知される排気ガスの温度がタービン９を破壊する温度となる可能性が出てくる。

次に、タービン用温度センサＳｅ５がタービン９の入口の温度Ｔ_Ｔｕｒを検知し、排気ガス温度低下手段Ｍ２が、温度Ｔ_Ｔｕｒが予め定めた温度判定値Ｔａ以上か否かを判断するステップＳ３０を行う。タービン９の耐久温度Ｔ３が７００℃であるため、ここでは、温度判定値Ｔａをこれ以上タービン９の温度が上昇するとタービン９が熱破壊する可能性がある温度である６００℃と設定した。

図４に示すように、このステップＳ３０で、温度Ｔ_Ｔｕｒが温度判定値Ｔａ未満のときは、ステップＳ１０へと戻り、温度Ｔ_Ｔｕｒが温度判定値Ｔａ以上であれば、次に、排気ガス温度低下手段Ｍ２が、フィルタ２１の入口の温度Ｔ_ＰＭと粒子状物質捕集装置とタービン９の入口の温度Ｔ_Ｔｕｒとから算出された単位時間当たりの温度上昇速度ΔＶが予め定められた速度判定値Ｖａ以上か否かを判断するステップＳ４０を行う。

この単位時間当たりの温度上昇速度ΔＶが速度判定値Ｖａ以上の場合は、フィルタ２１で粒子状物質が強制的に燃焼し、その燃焼のエネルギーで上昇する温度によって、いずれタービン９の入口の温度Ｔ_Ｔｕｒが耐久温度Ｔ３に達することになると判断して、燃料噴射量をエンジン１の運転状態に基づく量に戻すステップＳ５０を行う。このステップＳ５０によりアクティブ再生を終了する。一方、温度上昇速度ΔＶが速度判定値Ｖａより小さい場合は、温度Ｔ_Ｔｕｒが耐久温度Ｔ３に達することがないと判断して、ステップＳ１０へと戻る。

ステップＳ４０で温度上昇速度ΔＶが速度判定値Ｖａ以上の場合は、次に、排気ガス温度低下手段Ｍ２が、ノズルベーン１９の開度を小さくして、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを増量するステップＳ６０を行う。このステップＳ６０を実施することにより、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲが増量して、排気ガスの温度が低下する。なお、このステップＳ６０では、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲが増量できればよく、ノズルベーン１９の開度を小さくして、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを増量することに限定するものではない。例えば、ＥＧＲバルブ１６を閉じて、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを増量する手段を代わりに用いる、又は併用等してもよい。

このステップＳ６０で新規吸気量Ｑ_ＡＩＲが増量すると、排気ガスの温度は低下して、フィルタ用温度センサＳｅ３で検知される排気ガスの温度がアクティブ再生の開始温度Ｔ２よりも低い温度になるため、アクティブ再生は中止される。

ステップＳ６０でアクティブ再生が中止されても、フィルタ２１の再生を行うために、図５に示すようにセミアクティブ再生を開始する。ステップＳ６０により、排気ガスの温度は所定の第一温度、つまりＤＯＣ２０が活性化される活性化温度Ｔ１以上で、且つそのＤＯＣ２０で生成されたＮＯ_２が安定してフィルタ２１に堆積した粒子状物質を酸化除去可能な酸化除去促進温度範囲ＲＴの上限温度Ｔ５以下の範囲内の温度まで低下される。

次に、再生維持手段Ｍ３が、ＤＯＣ２０の入口の温度Ｔ_ＤＯＣが活性化温度Ｔ１以上で、且つフィルタ２１の入口の温度Ｔ_ＰＭが酸化除去促進温度範囲ＲＴ内か否かを判断するステップＳ７０を行う。このステップＳ７０で、少なくとも温度Ｔ_ＤＯＣが活性化温度Ｔ１よりも低い場合で且つ温度Ｔ_ＰＭが酸化除去促進温度範囲ＲＴの上限温度Ｔ５以下の場合、あるいは温度Ｔ_ＰＭが酸化除去促進温度範囲ＲＴの下限温度Ｔ４よりも低い場合は、再生維持手段Ｍ３が、ノズルベーン１９の開度を大きくして、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを減量するステップＳ８０を行なって、排気ガスの温度を上昇させる。

また、このステップＳ７０で、温度Ｔ_ＰＭが酸化除去促進温度範囲ＲＴの上限温度Ｔ５よりも高い場合は、再生維持手段Ｍ３が、ノズルベーン１９の開度を小さくして、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを増量するステップＳ９０を行って、排気ガスの温度を下降させる。なお、温度Ｔ_ＰＭが酸化除去促進温度範囲ＲＴの上限温度Ｔ５よりも高くなる場合においては、排気ガスの温度がタービン９が破壊される温度となる可能性があるので、温度Ｔ_ＤＯＣを見ること無く、少なくとも温度Ｔ_ＰＭを判定してステップＳ９０を行う。

一方、ステップＳ７０で、ＤＯＣ２０の入口の温度Ｔ_ＤＯＣが活性化温度Ｔ１以上で、且つフィルタ２１の入口の温度Ｔ_ＰＭが酸化除去促進温度範囲ＲＴ内に維持されると、次に、再生維持手段Ｍ３がＥＧＲバルブ１６の開度を小さくして、排気ガス中のＮＯｘ量Ｑ_ＮＯｘを増量するステップＳ１００を行う。このステップＳ１００では、通常はＮＯｘを低減するために排気通路４から吸気通路６に排気ガスを環流させるＥＧＲバルブ１６の開度を小さくして、積極的にＮＯｘの発生を促進して、連続再生式粒子状物質捕集装置１０にＮＯｘを供給する。なお、このステップＳ１００でＮＯｘ量Ｑ_ＮＯｘを増量する場合には、ＮＯｘセンサＳｅ１により排ガス中のＮＯｘ濃度を検出し、連続再生式粒子状物質捕集装置１０を通過後の排気ガスにＮＯｘが残量しないように調節するとよい。

ステップＳ７０、Ｓ８０、及びＳ９０で、ＤＯＣ２０が活性化され、且つＤＯＣ２０で生成されたＮＯ_２がＮＯに戻らずに安定して存在する状態に維持し、ステップＳ１００で積極的にＮＯｘの発生を促進することで、フィルタ２１では、ＮＯ_２による粒子状物質の酸化除去、つまりセミアクティブ再生が行われる。

次に、差圧ΔＰが予め定めた差圧判定値Ｐａ２以上か否かを判断するステップＳ１１０を行う。このステップＳ１１０で、粒子状物質の堆積量が多いと判断されると、再度ステップＳ７０に戻りセミアクティブ再生が継続される。一方、粒子状物質の堆積量が少ないと判断されると、セミアクティブ再生を終了するために新規吸気量Ｑ_ＡＩＲとＮＯｘ量Ｑ_ＮＯｘをエンジン１の運転状態に基づく量に戻すステップＳ１２０を行って、この制御方法は完了する。

なお、上記の制御方法におけるフィルタ２１の再生は、図４のステップＳ２０までがパッシブ再生であり、ステップＳ２０からステップＳ６０までがアクティブ再生である。また、図５のステップＳ７０からステップＳ１２０までセミアクティブ再生である。

上記の制御方法によれば、アクティブ再生中に排気ガスの温度がさらに上昇し、連続再生式粒子状物質捕集装置１０の下流にあるＴＣ８のタービン９が熱破壊される可能性がある判断された場合に、新規吸気量Ｑ_ＡＩＲを増量して、タービン９の入口の排気ガスの温度Ｔ_Ｔｕｒを低下することで、タービン９の熱破壊を防ぐことができる。

また、このときに、排気ガスの温度が低下することで、アクティブ再生が中止されるが、ＤＯＣ２０の入口の排気ガスの温度Ｔ_ＤＯＣと、フィルタ２１の入口の温度Ｔ_ＰＭを下げ過ぎること無く、且つ積極的にＮＯｘ量Ｑ_ＮＯｘを増量することで、ＤＯＣ２０で酸化生成されたＮＯ_２によって粒子状物質を酸化除去して、フィルタ２１の再生をセミアクテ
ィブ再生により継続することができる。

つまり、強制的に粒子状物質を燃焼させるアクティブ再生から、強制的に酸化除去するセミアクティブ再生に変更することにより、ＴＣ８のタービン９を保護すると同時に、フィルタ２１の再生も継続させることが可能となる。

加えて、上記の制御方法を走行中に行うことで、フィルタ２１の再生を行うために車両を停止することを無くすことができる。

なお、上記の実施の形態では、粒子状物質捕集装置として、フィルタ２１の上流側にＤＯＣ２０を配置した連続再生式粒子状物質捕集装置１０を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。

本発明の内燃機関は、アクティブ再生中に排気ガスの温度が上昇し、粒子状物質捕集装置の下流にあるターボチャージャーのタービンが熱破壊される可能性がある判断された場合に、新規吸気量を増量して、排気ガスの温度を低下させて、アクティブ再生を中止することで、ターボチャージャーのタービンが劣化、又は熱破壊されることを防止することができると共に、アクティブ再生を中止してからも、酸化触媒を活性化し、且つフィルタに堆積した粒子状物質の酸化除去を促進することで、フィルタの再生を継続することができるので、トラックなどの車両に利用することができる。

１エンジン（内燃機関）
２エンジン本体
３排気マニホールド
４排気通路
５吸気マニホールド
６吸気通路
７ＥＧＲ通路
８ＴＣ（ターボチャージャー）
９タービン
１０連続再生式粒子状物質捕集装置
１１コンプレッサ
１２エアクリーナー
１３インタークーラー
１４吸気スロットル
１５ＥＧＲクーラー
１６ＥＧＲバルブ（ＮＯｘ量調節装置）
１７ＥＧＲシステム
１８ＥＣＵ（制御装置）
１９ノズルベーン（新規吸気量調節装置）
２０ＤＯＣ（酸化触媒）
２１フィルタ
Ｍ１アクティブ再生手段（燃焼除去再生手段）
Ｍ２排気ガス温度低下手段
Ｍ３再生維持手段
Ｓｅ５タービン用温度センサ（タービン温度検出装置）

Claims

上流から順に、粒子状物質捕集装置とターボチャージャーのタービンとを備えた排気通路を備え、
前記粒子状物質捕集装置のフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去して該フィルタを再生する燃焼除去再生手段を有する制御装置を有する内燃機関において、
内燃機関に供給される新規吸気量を調節する新規吸気量調節装置と、
前記タービンの温度を検出するタービン温度検出装置と、を備えると共に、
前記制御装置が、
前記燃焼除去再生手段による前記フィルタの再生中に、前記タービン温度検出装置によって検出された温度から前記タービンに熱破壊の可能性があると判断した場合に、前記燃焼除去再生手段による前記フィルタの再生が中止される温度よりも低く、前記フィルタに捕集された粒子状物質が酸化除去される所定の第一温度となるまで排気ガスの温度を低下させるように前記新規吸気量調節装置を制御して新規吸気量を増量する排気ガス温度低下手段を有することを特徴とする内燃機関。
内燃機関に供給される排気ガス中のＮＯｘ量を調節するＮＯｘ量調節装置を備え、
前記制御装置が、
前記排気ガス温度低下手段を実施して前記第一温度となるまで排気ガスの温度を下げたときに、前記ＮＯｘ量調節装置を制御してＮＯｘ量を増量すると共に、前記新規吸気量調節装置を制御して排気ガスの温度を前記第一温度に維持する再生維持手段を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを有するＥＧＲシステムを備え、
前記ＮＯｘ量調節装置が、前記ＥＧＲバルブであり、
前記制御装置が、前記ＥＧＲバルブの開度を小さくしてＮＯｘ量を増量する制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
前記ターボチャージャーは、可変式のノズルベーンを備え、
前記新規吸気量調節装置が、前記ノズルベーンであり、
前記制御装置が、前記ノズルベーンの開度を小さくして新規吸気量を増量する制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記制御装置は、前記タービン温度検出装置により検出された温度が前記タービンの耐久温度に達する可能性の有る所定の第二温度以上で、且つ前記タービン温度検出装置により検出された温度の単位時間当たりの温度上昇速度が所定の速度以上のときに、熱破壊の可能性があると判断することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関は、車両に備えられており、
前記フィルタの再生を車両走行時に実施していることを特徴とする内燃機関。