JP2015222044A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、排気浄化触媒の上流側端面に付着した粒子状物質（ＰＭ）を除去するための排気昇温制御の実行に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することを目的とする。【解決手段】内燃機関から排出される排気の温度を排気浄化触媒の上流側端面に付着したＰＭの酸化が可能な温度まで上昇させる排気昇温制御を実行する制御部を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、内燃機関の吸入空気量が第一所定空気量以上の時に排気昇温制御を実行し、且つ、排気昇温制御の実行中に内燃機関の吸入空気量が第二所定空気量より小さくなった場合は該排気昇温制御の実行を停止する。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気通路には、酸化触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等の排気を浄化するための排気浄化触媒が設けられている。この排気浄化触媒には、内燃機関から排出される粒子状物質（以下、ＰＭと称する）が付着する。特に排気浄化触媒の排気の流れに沿って上流側の端面にはＰＭが付着し易い。排気浄化触媒の上流側端面にＰＭが付着することで目詰まりが生じると、排気浄化触媒における排気浄化率が低下する。

そのため、従来、排気浄化触媒の上流側端面に付着したＰＭを除去するために、内燃機関から排出される排気の温度を、該ＰＭの酸化が可能な温度まで上昇させる排気昇温制御が行われている。例えば、特許文献１には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）におけるＰＭによる詰まり度合いである詰まり率を算出し、算出された詰まり率が所定の判定閾値以上であると排気昇温制御（バーンアップ処理）を実行する技術が開示されている。

特許文献１に記載の技術では、内燃機関からのＰＭ排出量、ＮＳＲ触媒よりも上流側の排気に添加される燃料量、およびＮＳＲ触媒に流入する排気の温度に基づいてＮＳＲ触媒におけるＰＭの詰まり率が算出される。そして、算出された詰まり率が所定の判定閾値以上であると、内燃機関において、主燃料噴射時期よりも遅い時期に副燃料噴射を実行する、または、燃料噴射時期を遅角することで、排気昇温制御が実行される。このような排気昇温制御が実行されると、ＮＳＲ触媒に流入する排気の温度も上昇する。これによって、ＮＳＲ触媒の上流側端面に付着したＰＭが酸化され、該ＰＭが除去される。その結果、ＮＳＲ触媒の詰まりが解消される。

特開２００７−０３２５３３号公報 特開２００８−０６９６４８号公報 特開２０１０−２７５９５６号公報 特開２０１３−２３４５９４号公報

上記のように、排気浄化触媒の上流側端面に付着したＰＭを除去するための排気昇温制御は、副燃料噴射や燃料噴射時期の遅角によって実現される。そのため、排気昇温制御の実行には燃費の悪化を伴う虞がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、排気浄化触媒の上流側端面に付着したＰＭを除去するための排気昇温制御の実行に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することができる技術を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
内燃機関から排出される排気の温度を、前記排気浄化触媒の上流側端面に付着した粒子状物資の酸化が可能な温度まで上昇させる排気昇温制御を実行する制御部と、を備え、
前記制御部は、内燃機関の吸入空気量が第一所定空気量以上の時に排気昇温制御を実行し、且つ、排気昇温制御の実行中に内燃機関の吸入空気量が第二所定空気量より小さくなった場合は該排気昇温制御の実行を停止する。

内燃機関の吸入空気量が大きいほど、即ち排気浄化触媒に流入する排気の流量が大きいほど、排気昇温制御の実行時に排気浄化触媒の上流側端面から効率的にＰＭを除去することができる。つまり、内燃機関の吸入空気量が大きい場合は、内燃機関の吸入空気量が小さい場合に比べて、排気昇温制御を実行した際の排気の温度がより低くても、排気浄化触媒の上流側端面に付着したＰＭを除去することが可能となる。

本発明では、内燃機関の吸入空気量が第一所定空気量以上の時に排気昇温制御が実行され、且つ、排気昇温制御の実行中に内燃機関の吸入空気量が第二所定空気量より小さくなった場合は該排気昇温制御の実行が停止される。つまり、排気浄化触媒におけるＰＭの付着量に関わらず、ある程度の吸入空気量が確保されておりＰＭが除去され易い状態の時にのみ排気昇温制御が実行される。そのため、排気昇温制御の実行に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することができる。

なお、排気昇温制御の実行開始の閾値である第一所定空気量と排気昇温制御の実行停止の閾値である第二所定空気量とは同一の値でもよく、また、両者は異なる値でもよい。

本発明によれば、排気浄化触媒の上流側端面に付着したＰＭを除去するための排気昇温制御の実行に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することができる。

実施例１に係る内燃機関の吸排気系の概略構成図である。 排気温度と内燃機関の吸入空気量とＰＭ除去率との関係を示す図である。 実施例１に係る排気昇温制御のフローを示すフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
ここでは、本発明を、車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。尚、本発明に係る内燃機関はディーゼルエンジンに限られるものではなく、ガソリンエンジンであってもよい。

［内燃機関の吸排気系の概略構成］
図１は、本実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。内燃機関１には、吸気通路２及び排気通路３が接続されている。

吸気通路２には、エアフローメータ４およびスロットル弁５が設けられている。エアフローメータ４は内燃機関１の吸入空気量を検知する。スロットル弁５は、吸気通路２の流路断面積を変更することで、該吸気通路２を流通する吸気の流量を調節する。

排気通路３には、排気中のＰＭを捕集するフィルタ６が設けられている。フィルタ６より上流側の排気通路３には、前段触媒として酸化触媒７が設けられている。尚、前段触媒
は、酸化触媒に限られるものではなく、酸化機能を有する触媒（例えば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等）であればよい。

また、排気通路３には、フィルタ６の前後差圧を検出する差圧センサ１３が設けられている。酸化触媒７より上流側の排気通路３には、上流側排気温度センサ１４が設けられている。フィルタ６より下流側の排気通路３には、下流側排気温度センサ１５が設けられている。上流側及び下流側排気温度センサ１４，１５は排気通路３を流れる排気の温度を検出する。

また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０には、エアフローメータ４、差圧センサ１３、上流側排気温度センサ１４、および下流側排気温度センサ１５が電気的に接続されている。さらに、ＥＣＵ１０には、内燃機関１のクランクポジションセンサ１１、及び内燃機関１が搭載された車両のアクセル開度センサ１２が電気的に接続されている。そして、これらのセンサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１１の出力信号に基づいて内燃機関１の機関回転速度を導出することができる。また、ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ１２の出力信号に基づいて内燃機関１の機関負荷を導出することができる。

また、ＥＣＵ１０には、スロットル弁５及び内燃機関１の燃料噴射弁が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０によって、これらの装置の動作が制御される。

例えば、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の燃料噴射弁を制御することで、フィルタ６に堆積したＰＭを除去するためフィルタ再生制御を実行する。フィルタ再生制御は、燃料噴射弁によって主燃料噴射よりも後の時期に副燃料噴射を実行することで実現される。この場合の副燃料噴射は、噴射された燃料の大部分が気筒内において燃焼せずに未燃の状態で内燃機関１から排出される時期に実行される。内燃機関１から排出された燃料は酸化触媒で酸化され、その時に生じる酸化熱によって、フィルタ６に流入する排気の温度が、ＰＭの酸化が可能な温度まで上昇する。その結果、フィルタ６に堆積したＰＭが酸化され除去される。

［排気昇温制御］
また、内燃機関１から排出されたＰＭは酸化触媒７にも付着する。酸化触媒７における排気の流れに沿って上流側の端面にＰＭが付着することで目詰まりが生じると、該酸化触媒７における排気浄化率が低下する。そこで、本実施例においては、ＥＣＵ１０によって、酸化触媒７の上流側端面に付着したＰＭを除去するための排気昇温制御が実行される。

本実施例に係る排気昇温制御も、内燃機関１の燃料噴射弁によって主燃料噴射よりも後の時期に副燃料噴射を実行することで実現される。ただし、この場合の副燃料噴射は、噴射された燃料の大部分が気筒内において燃焼する時期に実行される。副燃料噴射によって噴射された燃料が気筒内において燃焼することで、内燃機関１から排出される排気の温度が上昇する。それに伴い、酸化触媒７に流入する排気の温度がＰＭの酸化が可能な温度まで上昇することで、酸化触媒７の上流側端面に付着したＰＭが酸化され除去される。

ここで、排気昇温制御の実行時において副燃料噴射として噴射される燃料は、内燃機関１の出力には寄与しない。そのため、排気昇温制御の実行には燃費の悪化を伴う虞がある。そこで、本実施例においては、排気昇温制御を、内燃機関１の吸入空気量が所定空気量以上の時に実行することで、該排気昇温制御の実行に伴う燃費の悪化を抑制する。

図２は、内燃機関１から排出される排気の温度（すなわち、酸化触媒に流入する排気の
温度。以下、単に排気温度と称する場合もある。）と内燃機関１の吸入空気量とＰＭ除去率との関係を示す図である。ここで、ＰＭ除去率とは、所定期間が経過する間に酸化触媒７の前端面から除去されるＰＭ量の割合である。このＰＭ除去率は以下の式（１）に基づいて算出される。
Ｒｐｍｒｅ＝（Ｒｃｐｍ１−Ｒｃｐｍ２）／Ｒｃｐｍ１・・・式（１）
Ｒｐｍｒｅ：ＰＭ除去率
Ｒｃｐｍ１：所定期間開始時点における酸化触媒７の前端面のＰＭによる詰まり率
Ｒｃｐｍ２：所定期間経過時点における酸化触媒７の前端面のＰＭによる詰まり率

図２に示すように、排気温度が同一の場合、内燃機関１の吸入空気量が大きいほどＰＭ除去率が高くなる。つまり、内燃機関１の吸入空気量が大きいほど、排気温度がより低くても、十分なＰＭ除去率を確保することが可能となる。これは、内燃機関１の吸入空気量が大きいほど、排気の流量が大きくなり、酸化触媒７の前端面に付着したＰＭが排気によって吹き飛ばされ易くなるためである。

したがって、排気昇温制御を内燃機関１の吸入空気量が所定空気量以上の時に実行すれば、該排気昇温制御を内燃機関１の吸入空気量が所定空気量より小さい時に実行する場合に比べて、該排気昇温制御における目標排気温度をより低い温度に設定することができる。そして、排気昇温制御における目標排気温度が低いほど、排気昇温制御を実現するための副燃料噴射量をより少なくすることができる。そのため、排気昇温制御を内燃機関１の吸入空気量が所定空気量以上の時に実行することで、排気昇温制御の実行に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することができる。

[フローチャート]
本実施例に係る排気昇温制御のフローについて図３に基づいて説明する。図３は、本実施例に係る排気昇温制御のフローを示すフローチャートである。本フローは、ＥＣＵ１０に記憶されており、内燃機関１の運転中、所定の間隔で繰り返し実行される。

本フローでは、先ずステップＳ１０１において、エアフローメータ４によって検知される内燃機関１の吸入空気量Ｇａが読み込まれる。次に、ステップＳ１０２において、吸入空気量Ｇａが所定空気量Ｇａ０以上であるか否かが判別される。ここで、所定空気量Ｇａ０は、排気昇温制御を実行する際に排気温度を、後述する目標排気温度まで上昇させるための副燃料噴射量をある程度の量に抑えることができ、且つ、排気昇温制御をある程度の頻度で実行できる値として、実験等に基づいて予め定められた値である。ステップＳ１０２において否定判定された場合、本フローの実行が一旦終了される。

一方、ステップＳ１０２において肯定判定された場合、次にステップＳ１０３において、上流側温度センサ１４によって検知される排気温度Ｔｅが読み込まれる。次に、ステップＳ１０４において、排気温度Ｔｅが、排気昇温制御を実行する際の目標排気温度Ｔｅｔ以上であるか否かが判別される。ここで、目標排気温度Ｔｅｔは、酸化触媒７の前端面に付着したＰＭの酸化が可能な温度であって、実験等に基づいて予め定められた値である。ステップＳ１０４において肯定判定された場合、排気昇温制御を特に実行しなくても、酸化触媒７に付着したＰＭの酸化・除去が行われている状態にある。そのため、この場合は、本フローの実行が一旦終了される。

一方、ステップＳ１０４において否定判定された場合、次にステップＳ１０５において、目標排気温度Ｔｅｔから排気温度Ｔｅを減算することで、酸化触媒７に付着したＰＭの酸化のために必要な排気温度の上昇量ＤＴｕｐが算出される。次に、ステップＳ１０６において、排気の温度を、ステップＳ１０５で算出された上昇量ＤＴｕｐ分上昇させるために必要な副燃料噴射量Ｑｆｓが算出される。

次に、ステップＳ１０７において、副燃料噴射量を、ステップＳ１０６で算出された副燃料噴射量Ｑｆｓとして、副燃料噴射が実行される。つまり、排気昇温制御が実行される。

次に、ステップＳ１０８において、再度、エアフローメータ４によって検知される内燃機関１の吸入空気量Ｇａが読み込まれる。次に、ステップＳ１０９において、吸入空気量Ｇａが所定空気量Ｇａ０以上であるか否かが判別される。ステップＳ１０９において否定判定された場合、次にステップＳ１１２において、副燃料噴射の実行が停止される。つまり、排気昇温制御の実行が停止される。

一方、ステップＳ１０９において肯定判定された場合、次にステップＳ１１０において、再度、上流側温度センサ１４によって検知される排気温度Ｔｅが読み込まれる。次に、ステップＳ１１１において、排気温度Ｔｅが目標排気温度Ｔｅｔ以上であるか否かが判別される。

ステップＳ１１１において否定判定された場合、排気昇温制御の実行を継続するために、次にステップＳ１０５の処理が再度実行される。この場合、ステップＳ１０５では、ステップＳ１１０で読み込まれた排気温度Ｔｅを目標排気温度Ｔｅから減算することで、必要とされる排気温度の上昇量ＤＴｕｐが算出される。一方、ステップＳ１１１において肯定判定された場合、酸化触媒７に付着したＰＭの酸化・除去が行われている状態にあるため、次にステップＳ１１２において、副燃料噴射の実行が停止される。つまり、排気昇温制御の実行が停止される。

上記フローによれば、排気昇温制御が、内燃機関１の吸入空気量Ｇａが所定空気量Ｇａ０以上の時に実行される。また、排気昇温制御の実行中に内燃機関１の吸入空気量が所定空気量Ｇａより小さくなった場合、排気昇温制御の実行が停止される。つまり、酸化触媒７におけるＰＭの付着量に関わらず、内燃機関１の吸入空気量Ｇａが所定空気量Ｇａ０以上の時にのみ排気昇温制御が実行される。そのため、排気昇温制御における副燃料噴射量を少なくすることができる。したがって、排気昇温制御の実行に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することができる。

なお、本実施例においては、副燃料噴射の実行に代えて燃料噴射時期の遅角を実行することによって排気昇温制御を実現させることができる。この場合も、排気昇温制御の実行には燃費の悪化を伴うことになる。しかしながら、内燃機関１の吸入空気量Ｇａが所定空気量Ｇａ０以上の時にのみ排気昇温制御を実行することで、燃料噴射時期の遅角量を少なくすることができる。そのため、排気昇温制御の実行に伴う燃費の悪化を可及的に抑制することができる。

また、上記フローにおいては、排気昇温制御における目標排気温度Ｔｅｔを一定値とした。しかしながら、図２に示すように、内燃機関１の吸入空気量が大きいほど、より低い排気温度で、同一のＰＭ除去率を得ることができる。そのため、排気昇温制御における目標排気温度Ｔｅｔを、内燃機関１の吸入空気量Ｇａに応じて変更してもよい。つまり、内燃機関１の吸入空気量Ｇａが大きいほど、目標排気温度Ｔｅｔを低くしてもよい。これによれば、内燃機関１の吸入空気量が大きいときは、排気昇温制御における副燃料噴射量より少なくする、または、排気昇温制御における燃料噴射時期の遅角量をより少なくすることができる。そのため、排気昇温制御の実行に伴う燃費の悪化をより抑制することができる。

また、上記フローにおいては、排気昇温制御の実行開始の閾値となる吸入空気量と排気
昇温制御制御の実行停止の閾値となる吸入空気量とを同一の所定空気量とした。しかしながら、排気昇温制御の実行開始の閾値となる吸入空気量と排気昇温制御制御の実行停止の閾値となる吸入空気量とを異なる値に設定してもよい。このように、両閾値を異なる値に設定することで、排気昇温制御の実行・非実行のハンチングが生じることを抑制することができる。

また、排気昇温制御の実行開始の閾値となる吸入空気量を第一所定空気量とし、排気昇温制御制御の実行停止の閾値となる吸入空気量を第二所定空気量とした場合、第二所定空気量を第一所定空気量よりも小さい値に設定してもよい。排気によって酸化触媒７に供給される熱エネルギ量は、排気の温度が高いほど、また、吸入空気量が大きい（すなわち、排気流量が大きい）ほど多くなる。そのため、吸入空気量が大きいときに排気昇温制御を実行することで、酸化触媒７の前端面に付着したＰＭをより効率的に除去することが可能となる。ここで、内燃機関１から排出されたさ排気が有する熱エネルギは、該排気が酸化触媒７に流入する以前に、該酸化触媒７よりも上流側の排気通路３の昇温にも消費される。ただし、吸入空気量が第一所定空気量以上となることで排気昇温制御が実行され、それによって、酸化触媒７よりも上流側の排気通路３の温度が一旦上昇すると、該排気通路３の昇温に消費される排気の熱エネルギ量は小さくなる。そして、該排気通路３の温度が高くなった状態の下では、吸入空気量が第一所定空気量より小さくなっても、排気昇温制御の実行を継続することで、ＰＭの酸化を促進するために十分な熱エネルギを酸化触媒７に供給することができる。したがって、排気昇温制御の実行開始後は、吸入空気量が第一所定空気量よりも小さい第二所定空気量を下回るまで該排気昇温制御の実行を継続することで、酸化触媒７の前端面に付着したＰＭをより効率的に除去することができる。

１・・・内燃機関
２・・・吸気通路
３・・・排気通路
４・・・エアフローメータ
５・・・スロットル弁
６・・・パティキュレートフィルタ
７・・・酸化触媒
１０・・ＥＣＵ
１３・・差圧センサ
１４・・上流側排気温度センサ
１５・・下流側排気温度センサ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
   内燃機関から排出される排気の温度を、前記排気浄化触媒の上流側端面に付着した粒子状物資の酸化が可能な温度まで上昇させる排気昇温制御を実行する制御部と、を備え、
   前記制御部は、内燃機関の吸入空気量が第一所定空気量以上の時に排気昇温制御を実行し、且つ、排気昇温制御の実行中に内燃機関の吸入空気量が第二所定空気量より小さくなった場合は該排気昇温制御の実行を停止する内燃機関の排気浄化システム。

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