JP2015229942A - Internal combustion engine exhaust emission control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
内燃機関は、機関本体で燃料が燃焼されて排気ガスが排出される。機関本体から排出された排気ガスは、排気浄化装置にて浄化される。排気ガスには、一酸化炭素(CO)、未燃炭化水素(HC)および窒素酸化物(NOX)の他に、粒子状物質(PM)が含まれる。一酸化炭素、未燃炭化水素および窒素酸化物は、触媒により酸化または還元されて浄化される。 In an internal combustion engine, fuel is burned in the engine body and exhaust gas is discharged. Exhaust gas discharged from the engine body is purified by an exhaust purification device. The exhaust gas contains particulate matter (PM) in addition to carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbon (HC) and nitrogen oxide (NO x ). Carbon monoxide, unburned hydrocarbons and nitrogen oxides are purified by being oxidized or reduced by a catalyst.
排気ガスから粒子状物質を除去するためには、機関排気通路にパティキュレートフィルタと称される捕集フィルタが配置される。粒子状物質は、パティキュレートフィルタに捕集されて堆積する。堆積した粒子状物質の量が多くなった場合には、空気過剰の雰囲気中でパティキュレートフィルタを昇温する再生制御により粒子状物質を燃焼させることができる。 In order to remove particulate matter from the exhaust gas, a collection filter called a particulate filter is disposed in the engine exhaust passage. Particulate matter is collected and deposited on the particulate filter. When the amount of accumulated particulate matter increases, the particulate matter can be burned by regeneration control in which the temperature of the particulate filter is raised in an atmosphere with excess air.
特開2012−012941号公報には、排気ガスを浄化する触媒と、排気ガスの一部を還流させて吸入空気に混合し得る排気ガス再循環装置とを備える内燃機関において、機関回転数と吸入空気量とから触媒温度を推定し、推定した触媒床温度が判定値を超えた場合に燃料カットを禁止する内燃機関の触媒劣化抑制制御方法が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-012941 discloses an internal combustion engine including a catalyst that purifies exhaust gas and an exhaust gas recirculation device that recirculates part of the exhaust gas and mixes it with intake air. A catalyst deterioration suppression control method for an internal combustion engine is disclosed in which a catalyst temperature is estimated from an air amount, and fuel cut is prohibited when the estimated catalyst bed temperature exceeds a determination value.
排気ガスに含まれる粒子状物質には、機関本体から排出される排気ガスに含まれるスート(煤)に加えて、アッシュと称される粒子状物質が含まれている。アッシュは、例えば、機関本体の潤滑油がシリンダボアとピストンとの摺動部分から燃焼室に流入することにより生じる。アッシュは、主にエンジンオイルに含まれる硫黄成分から生成される硫酸化合物であることが知られている。たとえば、圧縮自着火式の内燃機関では、アッシュは硫酸カルシウムが主成分である。火花点火式の内燃機関では、アッシュには硫酸カルシウムに加えてリン酸カルシウムが含まれる。 Particulate matter contained in the exhaust gas includes particulate matter called ash in addition to soot (soot) contained in the exhaust gas discharged from the engine body. Ash is generated, for example, when lubricating oil in the engine body flows into the combustion chamber from the sliding portion between the cylinder bore and the piston. It is known that ash is a sulfuric acid compound produced mainly from sulfur components contained in engine oil. For example, in a compression self-ignition internal combustion engine, ash is mainly composed of calcium sulfate. In a spark ignition type internal combustion engine, ash contains calcium phosphate in addition to calcium sulfate.
排気ガスに含まれるスートは、パティキュレートフィルタの再生制御により、燃焼させて除去することができる。ところが、アッシュは、再生制御を実施しても燃焼せずに残存する。パティキュレートフィルタに残存するアッシュは、パティキュレートフィルタの基材の開口部を閉塞する。このために、パティキュレートフィルタの前後の差圧が徐々に大きくなるという問題がある。 Soot contained in the exhaust gas can be burned and removed by regeneration control of the particulate filter. However, the ash remains without burning even when the regeneration control is performed. Ash remaining in the particulate filter closes the opening of the base material of the particulate filter. For this reason, there is a problem that the differential pressure before and after the particulate filter gradually increases.
アッシュは、高温の雰囲気中で収縮する特性を有している。アッシュが収縮することによりパティキュレートフィルタの閉塞部分が減少し、パティキュレートフィルタの前後の差圧の増加を抑制することができる。ところが、アッシュが収縮する温度は非常に高く、フィルタに触媒粒子が担持されていると、触媒の浄化能力が低下する虞がある。例えば、パティキュレートフィルタが非常に高温になると触媒粒子が凝集して浄化率が低下するシンタリング現象が生じる虞がある。 Ash has the property of shrinking in a high temperature atmosphere. When the ash contracts, the closed portion of the particulate filter is reduced, and an increase in the differential pressure before and after the particulate filter can be suppressed. However, the temperature at which the ash shrinks is very high, and if the catalyst particles are supported on the filter, the purification ability of the catalyst may be reduced. For example, when the particulate filter becomes very hot, there is a possibility that a sintering phenomenon occurs in which the catalyst particles aggregate and the purification rate decreases.
このために、従来の技術ではアッシュを収縮させる制御を実施することができないという問題があった。たとえば、捕集フィルタの温度が所定の判定値を超えると、捕集フィルタに担持されている触媒の劣化を抑制するために、捕集フィルタの温度上昇が抑制される制御が実施されていた。この結果、アッシュの堆積により捕集フィルタの差圧が上昇するという問題があった。 For this reason, the conventional technique has a problem that it is not possible to carry out control for shrinking the ash. For example, when the temperature of the collection filter exceeds a predetermined determination value, control for suppressing an increase in the temperature of the collection filter has been performed in order to suppress deterioration of the catalyst carried on the collection filter. As a result, there is a problem that the differential pressure of the collection filter increases due to the accumulation of ash.
本発明は、捕集フィルタの前後の差圧の上昇を抑制す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。 An object of the present invention is to provide an exhaust emission control device for an internal combustion engine that suppresses an increase in differential pressure before and after a collection filter.
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、空気過剰の雰囲気中で温度を上昇すると燃焼する燃焼成分および残存する非燃焼成分を含む粒子状物質を捕集する捕集フィルタと、捕集フィルタの粒子状物質の非燃焼成分の堆積量を推定する堆積量推定手段とを備える。捕集フィルタは、セリア、ジルコニア、アルミナおよびバリウムのうち少なくとも一つを含む担体と、担体に担持された白金およびロジウムの触媒粒子とを含む。白金の触媒粒子は1.0g/Lの濃度にて担体に担持され、ロジウムの触媒粒子は1.2g/Lの濃度にて担体に担持されている。排気浄化装置は、捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、捕集フィルタを750℃以上900℃以下の範囲内の温度まで上昇させる制御を実施する。 An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention includes a collection filter that collects particulate matter including a combustion component that burns when the temperature rises in an excess air atmosphere and a remaining non-combustion component, and particles of the collection filter And a deposit amount estimating means for estimating the deposit amount of the non-combustion component of the particulate matter. The collection filter includes a support containing at least one of ceria, zirconia, alumina, and barium, and platinum and rhodium catalyst particles supported on the support. The platinum catalyst particles are supported on the carrier at a concentration of 1.0 g / L, and the rhodium catalyst particles are supported on the carrier at a concentration of 1.2 g / L. The exhaust purification device performs control to raise the collection filter to a temperature within a range of 750 ° C. or more and 900 ° C. or less when the accumulation amount of the non-combustion component of the collection filter exceeds a predetermined accumulation amount determination value. carry out.
上記発明においては、要求負荷が零になった場合に燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御を実施可能に形成されており、燃料カット制御を実施した場合に捕集フィルタの温度が予め定められた熱劣化判定値を超える場合に、燃料カット制御を禁止するように形成されており、捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、燃料カット制御の実施により捕集フィルタの温度が750℃以上900℃以下の範囲内になると推定される時に、燃料カット制御の禁止を解除することができる。 In the above invention, the fuel cut control for stopping the supply of fuel to the combustion chamber when the required load becomes zero is formed so that the temperature of the collection filter is increased when the fuel cut control is performed. It is configured to prohibit fuel cut control when it exceeds a predetermined thermal deterioration judgment value, and when the accumulation amount of the non-combustion component of the collection filter exceeds a predetermined deposition amount judgment value When the temperature of the collection filter is estimated to be within the range of 750 ° C. or more and 900 ° C. or less by performing the fuel cut control, the prohibition of the fuel cut control can be canceled.
上記発明においては、捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、捕集フィルタを800℃以上900℃以下の範囲内の温度まで上昇させる制御を実施することが好ましい。 In the above invention, when the accumulation amount of the non-combustion component of the collection filter exceeds a predetermined accumulation amount determination value, the control is performed to raise the collection filter to a temperature in the range of 800 ° C. or more and 900 ° C. or less. It is preferable to implement.
本発明によれば、捕集フィルタの前後の差圧の上昇を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the exhaust gas purification apparatus of the internal combustion engine which suppresses the raise of the differential pressure before and behind a collection filter can be provided.
図1から図9を参照して、実施の形態における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態では、火花点火式の内燃機関を例示して説明する。 With reference to FIGS. 1 to 9, an exhaust emission control device for an internal combustion engine in the embodiment will be described. In the present embodiment, a spark ignition type internal combustion engine will be described as an example.
図1は、本実施の形態における内燃機関を概略的に示す図である。内燃機関は、機関本体1を備える。機関本体1は、シリンダブロック2と、シリンダブロック2に固定されたシリンダヘッド4とを含む。シリンダブロック2には穴部(シリンダボア)が形成され、この穴部の内部を往復移動するピストン3が配置されている。燃焼室5は、シリンダブロック2の穴部、ピストン3、およびシリンダヘッド4に囲まれる空間により構成されている。シリンダヘッド4には、吸気ポート7および排気ポート9が形成されている。吸気弁6は吸気ポート7を開閉し、排気弁8は排気ポート9を開閉するように形成されている。
FIG. 1 schematically shows an internal combustion engine in the present embodiment. The internal combustion engine includes an
シリンダヘッド4の内壁面において、燃焼室5の中央部には点火プラグ10が配置され、シリンダヘッド4の内壁面の周辺部には燃料噴射弁11が配置される。点火プラグ10は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁11は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室5内に噴射する。なお、燃料噴射弁11は、吸気ポート7内に燃料を噴射するように配置されても構わない。
On the inner wall surface of the
各気筒の吸気ポート7はそれぞれ対応する吸気枝管13を介してサージタンク14に連結されている。サージタンク14は吸気管15を介してエアクリーナ16に連結される。吸気ポート7、吸気枝管13、サージタンク14、吸気管15は機関吸気通路を構成する。また、吸気管15の内部にはアクチュエータ17によって駆動されるスロットル弁18が配置されている。スロットル弁18は、アクチュエータ17によって回動されることで、機関吸気通路の開口面積を変更することができる。
The intake port 7 of each cylinder is connected to a
内燃機関は、排気浄化装置を備える。本実施の形態の排気浄化装置は、排気浄化触媒20と、排気浄化触媒20よりも下流に配置されている捕集フィルタとしてのパティキュレートフィルタ23とを含む。本実施の形態の排気浄化触媒20は、機関本体1の近傍に配置されている。また、パティキュレートフィルタ23は、床下に配置されている。
The internal combustion engine includes an exhaust purification device. The exhaust purification device of the present embodiment includes an
機関排気通路は、各気筒の排気ポート9、排気マニホルド19および排気管22等により構成されている。排気ポート9は、排気マニホルド19に連結される。排気マニホルド19は、複数の排気ポート9に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド19の集合部は、排気浄化触媒20に連結されている。排気浄化触媒20は、排気管22を介してパティキュレートフィルタ23に連結されている。
The engine exhaust passage is constituted by an exhaust port 9 of each cylinder, an
内燃機関の排気浄化装置は、制御装置を含む。本実施の形態の制御装置は、電子制御ユニット(ECU)31にて構成されている。電子制御ユニット31はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス32を介して相互に接続されたRAM(ランダムアクセスメモリ)33、ROM(リードオンリメモリ)34、CPU(マイクロプロセッサ)35、入力ポート36および出力ポート37を含む。
An exhaust emission control device for an internal combustion engine includes a control device. The control device of the present embodiment is composed of an electronic control unit (ECU) 31. The
アクセルペダル42には、アクセルペダル42の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ43が接続されている。負荷センサ43の出力電圧は、対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。クランク角センサ44は、例えばクランクシャフトが15度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート36に入力される。CPU35は、クランク角センサ44の出力パルスに基づいて機関回転数やクランク角度を検出する。一方、出力ポート37は対応する駆動回路45を介して点火プラグ10、燃料噴射弁11及びスロットル弁を駆動するアクチュエータ17に接続されている。
A
吸気管15の内部には、吸気管15を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ39が配置されている。エアフロメータ39の出力は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。
An
機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料(炭化水素)の比を排気ガスの空燃比(A/F)と称すると、排気マニホルド19の集合部には、機関本体1から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ40が配置されている。空燃比センサ40により、排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比を検出することができる。パティキュレートフィルタ23には、パティキュレートフィルタ23の前後差圧を検出する差圧センサ24が配置されている。パティキュレートフィルタ23の上流には、パティキュレートフィルタ23の上流側の端部の温度を検出する温度検出器として温度センサ25が配置されている。パティキュレートフィルタ23の下流には、パティキュレートフィルタ23の下流側の端部の温度を検出するための温度検出器として温度センサ26が配置されている。これらの温度センサ25,26、空燃比センサ40、および差圧センサ24の出力信号は、対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。
When the ratio of the exhaust gas air and fuel (hydrocarbon) supplied to the engine intake passage, combustion chamber, or engine exhaust passage is referred to as the air-fuel ratio (A / F) of the exhaust gas, An air-
本実施の形態の排気浄化触媒20は、いわゆるスタートアップ触媒として機能する三元触媒である。排気浄化触媒20は、内燃機関の始動後の低温域から未燃の炭化水素や一酸化炭素を酸化することができる。なお、排気浄化触媒20は、三元触媒に限られず任意の排気ガスを浄化する触媒を配置することができる。または、排気浄化触媒20は、配置されていなくても構わない。
The
図2に、本実施の形態のパティキュレートフィルタの概略正面図を示す。図3に、パティキュレートフィルタを軸方向に沿って切断したときの概略断面図を示す。パティキュレートフィルタ23は、排気ガスに含まれる粒子状物質(PM:Particulate Matter)を除去するためのフィルタである。本実施の形態におけるパティキュレートフィルタ23は、円筒形状に形成されている。
FIG. 2 shows a schematic front view of the particulate filter of the present embodiment. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view when the particulate filter is cut along the axial direction. The
パティキュレートフィルタ23は、ハニカム構造を有する。パティキュレートフィルタ23は、排気ガスの流れ方向に沿って延びる複数の通路60,61を有する。通路60は、下流端が栓62により閉塞されている。通路61は、上流端が栓63により閉塞されている。図2においては、栓63の部分に斜線を付している。通路60および通路61は、薄肉の隔壁64を介して交互に形成されている。
The
パティキュレートフィルタ23の基材は、多孔質材料から形成されている。本実施の形態の基材は、アルミナ、シリカ、および酸化マグネシウムを含むコージェライトにより形成されている。排気ガスが流入する通路60は、排気ガスが流出する通路61に囲まれている。通路60に流入した排気ガスは、矢印200に示すように、周囲の隔壁64を通って隣接する通路61に流出する。排気ガスが隔壁64を通過するときに粒子状物質が捕集される。粒子状物質が除去された排気ガスは、通路61を通ってパティキュレートフィルタ23から流出する。このように、粒子状物質は、パティキュレートフィルタに捕集される。
The base material of the
本実施の形態のパティキュレートフィルタ23は、三元触媒としての機能を有する。パティキュレートフィルタ23は、基材の表面に形成されたコート層を有する。コート層は、触媒作用を有する金属の触媒粒子を担持する担体を含む。担体は、セリア、ジルコニア、アルミナ、およびバリウム等のうち少なくとも一つの材質により形成されている。本実施の形態のコート層には、貴金属として白金(Pt)の触媒粒子およびロジウム(Rh)が担持されている。パティキュレートフィルタ23に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比の近傍にすることにより、未燃の炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)および窒素酸化物(NOx)を同時に浄化することができる。本実施の形態のパティキュレートフィルタ23は、コージェライトの基材の表面にコート総量が100g/Lのコート層が形成されている。また、白金の触媒粒子の濃度は1.0g/Lであり、ロジウムの触媒粒子の濃度は0.2g/Lである。
The
パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量が再生判定値に達すると、パティキュレートフィルタの再生制御を実施する。パティキュレートフィルタの再生制御においては、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に(理論空燃比よりも大きく)維持する。そして、パティキュレートフィルタ23の温度を再生が可能な温度以上に昇温する。たとえば、約500℃以上で粒子状物質が燃焼可能であるので、パティキュレートフィルタを650℃程度まで昇温する。堆積した粒子状物質の少なくとも一部が燃焼する。そして、燃焼可能な粒子状物質が燃焼するまで所定の温度に維持する。
When the amount of particulate matter deposited on the particulate filter reaches the regeneration determination value, regeneration control of the particulate filter is performed. In the regeneration control of the particulate filter, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter is maintained at a lean air-fuel ratio (greater than the theoretical air-fuel ratio). Then, the temperature of the
機関本体1から排出される排気ガスに含まれる粒子状物質には、再生制御により燃焼する燃焼成分と、再生制御によっても燃焼せずに残存する非燃焼成分とが含まれる。燃焼成分には、スート(煤)と称される炭素の粒子、ソフ(SOF)と称される高沸点の有機化合物、およびサルフェートと称される硫黄成分の粒子等が含まれる。これに対して、非燃焼成分はアッシュと称され、硫酸カルシウムが主成分である。アッシュの堆積量は、機関本体1の各部分を潤滑する潤滑油の硫酸灰分含有量に比例する。すなわち、エンジンオイルに含まれる硫黄成分の量に比例する。
The particulate matter contained in the exhaust gas discharged from the
アッシュは、パティキュレートフィルタ23の通路の表面に層状になって堆積する。アッシュ層は、温度が非常に高くなると収縮する。アッシュ層が収縮すると亀裂が生じて、この亀裂に排気ガスが流通する。また、アッシュ層が収縮すると、基材とアッシュ層との間の間隙が大きくなり、間隙部を排気ガスが流通する。この結果、パティキュレートフィルタ23の前後の差圧の上昇を抑制することができる。
Ash is deposited in layers on the surface of the passage of the
本実施の形態の内燃機関において、燃料に潤滑油を混合してパティキュレートフィルタ23に意図的にアッシュ層を生成する試験を行った。試験燃料に混合するオイルとしては、API(American Petroleum Institute)規格のCF−4グレードのディーゼルエンジン用のエンジンオイルを用いた。このエンジンオイルを2%ガソリンに混合して、機関本体を駆動して、パティキュレートフィルタ23の基材の表面にアッシュ層を形成した。そして、パティキュレートフィルタの温度を上昇したときのアッシュ層の挙動を試験した。
In the internal combustion engine of the present embodiment, a test was performed in which a lubricant is mixed with fuel and an ash layer is intentionally generated in the
図4に、パティキュレートフィルタの温度を上昇させたときに生じる間隙部の変化幅を測定した結果を示す。試験では、数分間の1サイクルを設定し、粒子状物質を堆積させる周期と、パティキュレートフィルタを所定の温度まで昇温して粒子状物質を燃焼させると共にアッシュを収縮させる周期とを1サイクルとして繰り返している。そして、これらの周期の繰り返しを20時間継続している。 FIG. 4 shows the result of measuring the change width of the gap that occurs when the temperature of the particulate filter is raised. In the test, one cycle of several minutes is set, and the cycle for depositing the particulate matter and the cycle for raising the particulate filter to a predetermined temperature to burn the particulate matter and shrink the ash are set as one cycle. It is repeating. These cycles are repeated for 20 hours.
この後にパティキュレートフィルタ23の1つの通路を選定して、選定した通路の壁面において基材とアッシュ層との間隙部を5点計測している。横軸は、パティキュレートフィルタ23を昇温したときの最高温度である。この試験では、650℃から900℃まで温度を変化させて複数回の試験を行っている。縦軸の変化幅は、パティキュレートフィルタ23の最高温度が650℃のときの間隙部の幅からの変化幅を示している。
Thereafter, one passage of the
全ての測定点において、パティキュレートフィルタの温度を高くするほど、間隙部の幅が大きくなっていることが分かる。間隙部の幅が大きくなると、排気ガスの流路が大きくなり、排気ガスが流通しやすくなる。アッシュを収縮させるためには、パティキュレートフィルタ23の温度が高い方が好ましいことが分かる。また、全ての測定点において、最高温度が略800℃以上になると、変化幅の上昇が緩やかになり間隙部の幅がほぼ一定になるという結果が得られている。
It can be seen that the width of the gap increases as the temperature of the particulate filter increases at all measurement points. When the width of the gap is increased, the flow path of the exhaust gas is increased and the exhaust gas is easily circulated. It can be seen that the temperature of the
図5に、パティキュレートフィルタの最高温度とアッシュ層の圧縮比率との関係を示す。縦軸は、パティキュレートフィルタを高温にして収縮した結果、アッシュ層の断面積の変化率を示している。また、縦軸は、最高温度が650℃にて試験を行ったときのアッシュ層の断面積を1として比率を算出している。 FIG. 5 shows the relationship between the maximum temperature of the particulate filter and the compression ratio of the ash layer. The vertical axis represents the rate of change in the cross-sectional area of the ash layer as a result of shrinking the particulate filter at a high temperature. The vertical axis represents the ratio with the cross-sectional area of the ash layer when the test is conducted at a maximum temperature of 650 ° C. as 1.
パティキュレートフィルタの最高温度が上昇するほど、圧縮比率が小さくなる結果が得られている。750℃では10%程度および800℃以上では20%程度の圧縮比率が得られている。そして、間隙部の変化幅と同様に、800℃以上ではほぼ一定の圧縮比率になる。このように、間隙部の変化幅および圧縮比率について、パティキュレートフィルタの最高温度が800℃以上では、ほぼ一定になるという同様の傾向が得られている。 As the maximum temperature of the particulate filter increases, the compression ratio decreases. A compression ratio of about 10% is obtained at 750 ° C. and about 20% at 800 ° C. or higher. As with the change width of the gap, the compression ratio is almost constant at 800 ° C. or higher. Thus, the same tendency is obtained that the change width and the compression ratio of the gap portion are substantially constant when the maximum temperature of the particulate filter is 800 ° C. or higher.
一方で、排気浄化触媒は、温度が上昇すると触媒性能が劣化する熱劣化が生じる。熱劣化は、たとえばシンタリング現象を含む。シンタリング現象とは、白金等の触媒粒子同士が接合して粒径が大きくなり、この結果、触媒粒子の表面積の総和が小さくなって浄化能力が低下する現象である。排気浄化触媒の温度が高く、排気浄化触媒の周りの雰囲気が空気過剰である場合には、シンタリング現象を起こす場合がある。本実施の形態の試験においては、触媒性能を確認する試験を行った。 On the other hand, the exhaust purification catalyst undergoes thermal deterioration in which the catalyst performance deteriorates as the temperature rises. Thermal degradation includes, for example, a sintering phenomenon. The sintering phenomenon is a phenomenon in which catalyst particles such as platinum are joined together to increase the particle size, and as a result, the total surface area of the catalyst particles is reduced to reduce the purification ability. When the temperature of the exhaust purification catalyst is high and the atmosphere around the exhaust purification catalyst is excessive in air, a sintering phenomenon may occur. In the test of the present embodiment, a test for confirming the catalyst performance was performed.
図6に、パティキュレートフィルタの最高温度に対する触媒の50%浄化率温度のグラフを示す。縦軸は一酸化炭素について50%の浄化率を達成する温度である。すなわち、排気ガスに含まれる一酸化炭素が50%浄化されるときのパティキュレートフィルタの温度である。 FIG. 6 shows a graph of the 50% purification rate temperature of the catalyst against the maximum temperature of the particulate filter. The vertical axis is the temperature that achieves a purification rate of 50% for carbon monoxide. That is, the temperature of the particulate filter when 50% of carbon monoxide contained in the exhaust gas is purified.
パティキュレートフィルタの最高温度が900℃を超えると、50%浄化率温度が急激に上昇することが分かる。すなわち、パティキュレートフィルタ23の最高温度が900℃を超えると、浄化性能が低下することが分かる。一方で、パティキュレートフィルタ23の温度が900℃までは、50%浄化率温度は、ほぼ一定である。すなわち、パティキュレートフィルタ23の温度が900℃までは、排気浄化触媒としての浄化性能の低下は小さいことが分かる。
It can be seen that when the maximum temperature of the particulate filter exceeds 900 ° C., the 50% purification rate temperature rapidly increases. That is, when the maximum temperature of the
発明者らは、これらの試験結果から、パティキュレートフィルタ23の温度を750℃以上900℃以下の温度範囲内の温度にすることにより、パティキュレートフィルタ23の浄化性能の低下を抑制すると共に、アッシュを効果的に収縮させることを見出した。また、パティキュレートフィルタ23の温度を800℃以上900℃以下の温度範囲内にすることにより、更に効果的にアッシュを収縮させることができることを見出した。これらの温度範囲は、パティキュレートフィルタの再生制御の温度よりも高い温度を含み、さらに後述の触媒劣化抑制制御の熱劣化判定値よりも高い温度を含んでいる。
From these test results, the inventors set the temperature of the
このように、パティキュレートフィルタ23を所定の温度範囲内に維持することにより、シンタリング等の熱劣化を抑制しつつ、アッシュ層を収縮させることができる。この結果、パティキュレートフィルタの前後の差圧の上昇を抑制することができる。なお、上記の試験をパティキュレートフィルタの容積を0.9Lから1.3Lまでの範囲で変化させて実施したが、同様の結果が得られた。このために、前後の差圧の抑制と浄化率の低下は、パティキュレートフィルタの大きさには依存しないものと考えられる。
Thus, by maintaining the
本実施の形態の内燃機関は、アッシュの堆積量を推定する堆積量推定手段を備える。本実施の形態では、排気浄化装置の制御装置が、堆積量推定手段として機能する。制御装置は、パティキュレートフィルタ23に堆積するアッシュの堆積量を推定し、アッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、パティキュレートフィルタ23を750℃以上900℃以下に昇温する制御を実施する。
The internal combustion engine of the present embodiment includes a deposition amount estimation unit that estimates the amount of ash deposition. In the present embodiment, the control device for the exhaust gas purification device functions as the accumulation amount estimating means. The control device estimates the amount of ash deposited on the
ところで、本実施の形態の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタ23の温度が熱劣化を抑制するための熱劣化判定値よりも大きくならないように触媒劣化抑制制御を実施している。本実施の形態の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタの温度を推定する温度推定手段を備える。熱劣化判定値としては、たとえば700℃以上800℃以下の範囲内の温度を採用することができる。本実施の形態では、アッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合にパティキュレートフィルタ23の温度を推定し、パティキュレートフィルタの温度が750℃以上900℃以下になる場合には、触媒劣化抑制制御を禁止する制御を実施する。
By the way, in the exhaust purification apparatus of the present embodiment, the catalyst deterioration suppression control is performed so that the temperature of the
図1を参照して、本実施の形態の内燃機関は、要求負荷が零になった場合には、燃料噴射弁11からの燃料の供給を停止する。すなわち、燃料カット制御が実施される。燃料カット制御が実施されると、燃焼室5から流出する排気ガスは空気過剰の状態になる。この排気ガスが排気浄化触媒20またはパティキュレートフィルタ23に流入すると、酸化反応が生じて温度が上昇する場合がある。この結果、パティキュレートフィルタ23の温度が上昇して熱劣化が生じる虞がある。
Referring to FIG. 1, the internal combustion engine of the present embodiment stops the supply of fuel from
このために、通常の運転制御では、燃料カット制御を実施するとパティキュレートフィルタ23の温度が熱劣化判定値を超えると判別される場合には、燃料カット制御を禁止する制御を実施している。たとえば、現在のパティキュレートフィルタ23の温度を推定し、この温度が熱劣化判定値よりも高い場合には、燃料カット制御を禁止することができる。この制御により、パティキュレートフィルタ23に熱劣化が生じることを抑制することができる。このように、触媒劣化抑制制御として、燃料カット制御を禁止する制御を実施している。
For this reason, in normal operation control, when it is determined that the temperature of the
本実施の形態の内燃機関では、燃料カット制御を実施すると、パティキュレートフィルタ23の温度が750℃以上900℃以下になると推定される場合には、触媒劣化抑制制御を禁止する。すなわち、燃料カット制御の禁止を解除することにより、パティキュレートフィルタ23の温度を上昇してアッシュを収縮させる制御を実施する。
In the internal combustion engine of the present embodiment, when the fuel cut control is performed, the catalyst deterioration suppression control is prohibited when the temperature of the
図7に、パティキュレートフィルタに堆積するアッシュの堆積量を推定する制御のフローチャートを示す。前述のように、アッシュは、パティキュレートフィルタ23の再生制御によっても燃焼せずに残存する非燃焼成分に相当する。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタ23の再生制御が終了した直後にアッシュの堆積量を推定する。始めに、パティキュレートフィルタ23の再生制御について説明する。
FIG. 7 shows a flowchart of control for estimating the amount of ash deposited on the particulate filter. As described above, ash corresponds to a non-combustion component that remains without being burned even by regeneration control of the
図8に、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量を算出するマップを示す。本実施の形態の内燃機関は、パティキュレートフィルタ23における粒子状物質の堆積量を推定可能に形成されている。単位時間当りにパティキュレートフィルタ23に堆積する粒子状物質の量PMAは、機関回転数Nと燃焼室における燃料噴射量Qとにより求めることができる。このマップにより求められる単位時間当りに堆積する粒子状物質の量PMAを積算することにより、任意の時刻における粒子状物質の堆積量を推定することができる。図1を参照して、このようなマップおよび算出される粒子状物質の堆積量は、電子制御ユニット31に記憶させておくことができる。
FIG. 8 shows a map for calculating the amount of particulate matter deposited on the particulate filter. The internal combustion engine of the present embodiment is formed so that the amount of particulate matter deposited on the
なお、本実施の形態においては、単位時間当りに堆積される粒子状物質の量のマップを用いて、粒子状物質の堆積量を算出しているが、この形態に限られず、任意の方法により粒子状物質の堆積量を算出することができる。 In this embodiment, the amount of particulate matter deposited per unit time is calculated using a map of the amount of particulate matter deposited per unit time. However, the present invention is not limited to this embodiment, and any method can be used. The amount of particulate matter deposited can be calculated.
粒子状物質の堆積量が予め定められた再生判定値を超えた場合には、パティキュレートフィルタ23の再生制御を実施する。たとえば、排気ガスの空燃比がリーンの状態で排気浄化触媒20に未燃燃料を供給する。酸化反応熱により排気ガスの温度が上昇する。高温の排気ガスによりパティキュレートフィルタ23を昇温することができる。そして、粒子状物質のうち燃焼成分が全て燃焼する時間長さにて再生制御を継続する。再生制御が終了したら機関本体1を元の運転状態に戻す。
When the amount of particulate matter accumulated exceeds a predetermined regeneration determination value, regeneration control of the
図7を参照して、ステップ81においては、パティキュレートフィルタ23の再生制御が終了したか否かを判別する。ステップ81において、パティキュレートフィルタ23の再生制御を実施している期間中であったり、再生制御を実施する前の期間中であったりする場合には、この制御を終了する。ステップ81において、パティキュレートフィルタ23の再生制御が終了した場合にはステップ82に移行する。
Referring to FIG. 7, in
ステップ82においては、パティキュレートフィルタ23の前後差圧を検出する。本実施の形態においては、図1を参照して、差圧センサ24によりパティキュレートフィルタ23の前後の差圧を検出する。
In
次に、ステップ83においては、アッシュの堆積量を推定する。本実施の形態では、パティキュレートフィルタ23の再生制御を実施すると、燃焼成分が完全に除去される。再生制御が終了した直後では、パティキュレートフィルタ23には非燃焼成分が残存していると考えられる。このため、パティキュレートフィルタ23の再生制御の直後に前後差圧を検出することにより、アッシュの堆積量を推定することができる。例えば、パティキュレートフィルタの前後の差圧、吸入空気量、および排気ガスの温度を関数にするアッシュの堆積量の値を電子制御ユニット31に予め記憶させておくことができる。再生制御の直後に前後の差圧、吸入空気量およびパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの温度を検出し、これらの値に基づいてアッシュの堆積量を推定することができる。このように、パティキュレートフィルタ23の前後の差圧に基づいてアッシュの堆積量を推定することができる。
Next, in
次に、ステップ84では、推定したアッシュの堆積量を電子制御ユニット31に記憶させる。このように、パティキュレートフィルタ23の再生制御を実施するごとにアッシュの堆積量を推定することができる。
Next, in
図9に、本実施の形態における運転制御のフローチャートを示す。ステップ91においては、要求負荷が零であるか否かを判別する。図1を参照して、本実施の形態では、負荷センサ43から出力される要求負荷が零であるか否かを判別する。ステップ91において、要求負荷が零でない場合には、この制御を終了する。ステップ91において、要求負荷が零である場合には、ステップ92に移行する。
FIG. 9 shows a flowchart of operation control in the present embodiment. In
ステップ92においては、アッシュの堆積量を取得する。すなわち、図8におけるアッシュの堆積量を推定する制御にて推定したにアッシュの堆積量を読み込む。
In
次に、ステップ93においては、アッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値よりも大きいか否かを判別する。ステップ93において、アッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値以下である場合には、この制御を終了する。ステップ93において、アッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えている場合には、ステップ94に移行する。
Next, in
ステップ94においては、現在のパティキュレートフィルタ23の温度Tccを取得する。本実施の形態の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタ23の温度を検出する温度検出装置を備える。パティキュレートフィルタ23の温度としては、パティキュレートフィルタ23の基材の中央部の温度を採用することができる。図1を参照して、本実施の形態では、パティキュレートフィルタ23の上流に配置されている温度センサ25の温度を、パティキュレートフィルタ23の上流側の端部の温度として検出する。そして、パティキュレートフィルタ23の下流に配置されている温度センサ26の温度を、パティキュレートフィルタ23の下流側の端部の温度として検出する。そして、上流側の端部の温度と下流側の端部の温度との平均値をパティキュレートフィルタ23の中央部の温度としている。
In
パティキュレートフィルタ23の温度としては、この形態に限られず、例えば、パティキュレートフィルタ23から流出する排気ガスの温度を採用しても構わない。または、温度検出装置は、パティキュレートフィルタ23の温度を検出する任意の装置を採用することができる。たとえば、基材の中央部に接触する温度センサを含んでいても構わない。
The temperature of the
図9を参照して、次に、ステップ95においては、温度Tcpが予め定められた昇温許可範囲内であるか否かを判別する。この昇温許可範囲としては、燃料カット制御を実施したときにパティキュレートフィルタの温度が、750℃以上900℃以下の範囲内になると予測される温度を設定することができる。たとえば、750℃以上900℃以下の範囲から予め定められた温度を減算した範囲を採用することができる。
Referring to FIG. 9, next, in
ステップ95において、温度Tccが昇温許可範囲内でない場合には、ステップ96に移行する。ステップ96では、触媒劣化抑制制御を許可する。たとえば、要求負荷が零になった時にパティキュレートフィルタの温度が予め定められた熱劣化判定値以下である場合には、燃料カット制御を実施する。一方で、パティキュレートフィルタの温度が熱劣化判定値よりも大きければ燃料カット制御を禁止する。
In
ステップ95において、温度Tccが昇温許可範囲内である場合には、ステップ97に移行する。ステップ97においては、触媒劣化抑制制御を禁止する。すなわち、要求負荷が零になった時にパティキュレートフィルタの温度が熱劣化判定値よりも大きくても燃料カットを実施する。燃料カットを実施することにより、パティキュレートフィルタ23の温度が750℃以上900℃以下の範囲内になり、触媒の劣化を抑制しながらアッシュを収縮させることができる。そして、燃料カット制御を実施した後には触媒劣化抑制制御を許可する状態に戻すことができる。
In
このように、本実施の形態の運転制御においては、触媒劣化を抑制しつつ効果的にパティキュレートをフィルタの前後の差圧の上昇を抑制することができる。この運転制御は、例えば、予め定められた時間間隔ごとに行うことができる。そして、ステップ93におけるアッシュの堆積量判定値は、予め複数の値を設定しておくことができる。このような複数の判定値を設けることにより、1つの判定値を超えるごとにアッシュを収縮させることができる。所定のアッシュの堆積量ごとにアッシュを収縮させるために、1回のアッシュの収縮率が小さくなり、効果的にアッシュを収縮させることができる。
Thus, in the operation control of the present embodiment, it is possible to effectively suppress an increase in the differential pressure before and after the filter while suppressing catalyst deterioration. This operation control can be performed at predetermined time intervals, for example. A plurality of values can be set in advance for the ash accumulation amount determination value in
上記の運転制御のステップ95においては、現在のパティキュレートフィルタの温度Tccに基づいて、燃料カット制御を実施したときに、パティキュレートフィルタの温度が所定の温度範囲内になるか否かを推定しているが、この形態に限られず、燃料カット制御を実施した時のパティキュレートフィルタの温度Tcpを推定しても構わない。たとえば、現在のパティキュレートフィルタの温度Tcc、機関回転数、および吸入空気量等に基づいて、燃料カット制御を実施した場合のパティキュレートフィルタ23の温度Tcpを推定することができる。更には、排気ガスの空燃比等や、パティキュレートフィルタに燃焼成分が堆積している場合には燃焼成分が燃焼したときの温度上昇に基づいて補正しても構わない。そして、ステップ95においては、算出した温度Tcpが750℃以上900℃以下の範囲内であるか否かを判別することができる。
In
上記の運転制御では、パティキュレートフィルタの温度を推定し、パティキュレートフィルタの温度が750℃以上900℃以下になる場合には、触媒劣化抑制制御を禁止する制御を実施しているが、パティキュレートフィルタの温度が800℃以上900℃以下になる場合に触媒劣化抑制制御を禁止する制御がより好ましい。この制御により、より効果的にアッシュを収縮させることができる。 In the above operation control, the temperature of the particulate filter is estimated, and when the temperature of the particulate filter is 750 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, control for prohibiting catalyst deterioration suppression control is performed. Control that prohibits catalyst deterioration suppression control when the temperature of the filter is 800 ° C. or higher and 900 ° C. or lower is more preferable. By this control, the ash can be contracted more effectively.
本実施の形態においては、パティキュレートの前後の差圧に基づいて、アッシュの堆積量を推定しているが、この形態に限られず、アッシュの堆積量を推定可能な任意の制御を実施することができる。たとえば、機関本体の潤滑油の消費量の経年変化、機関本体の潤滑油に含まれる硫酸灰分含有量、内燃機関の運転履歴、および走行距離等に基づいて、アッシュの堆積量を推定しても構わない。 In the present embodiment, the ash accumulation amount is estimated based on the differential pressure before and after the particulate. However, the present invention is not limited to this mode, and any control capable of estimating the ash accumulation amount is performed. Can do. For example, even if the ash accumulation amount is estimated based on the secular change of the consumption amount of the lubricating oil of the engine body, the sulfated ash content contained in the lubricating oil of the engine body, the operation history of the internal combustion engine, the travel distance, etc. I do not care.
本実施の形態においては、アッシュの堆積量が所定の判定値を超えた場合に燃料カット制御を実施することにより、パティキュレートフィルタの温度を750℃以上900℃以下にしているが、この形態に限られず、任意の制御および任意の時期に、パティキュレートフィルタの温度を所定の温度まで上昇する制御を実施することができる。たとえば、アッシュの堆積量が堆積量判定値を超えた場合に、パティキュレートフィルタの再生制御の温度を一時的に750℃以上900℃以下に設定しても構わない。 In the present embodiment, the temperature of the particulate filter is set to 750 ° C. or more and 900 ° C. or less by performing fuel cut control when the amount of accumulated ash exceeds a predetermined determination value. The present invention is not limited, and control for raising the temperature of the particulate filter to a predetermined temperature can be performed at any time and at any time. For example, when the ash accumulation amount exceeds the accumulation amount determination value, the temperature of the particulate filter regeneration control may be temporarily set to 750 ° C. or more and 900 ° C. or less.
本実施の形態では、火花点火式の内燃機関に取り付けられる排気浄化装置について説明したが、この形態に限られず、圧縮自着火式の内燃機関にも本発明の排気浄化装置を採用することができる。 In the present embodiment, the exhaust purification device attached to the spark ignition type internal combustion engine has been described. However, the present invention is not limited to this configuration, and the exhaust purification device of the present invention can also be applied to a compression self-ignition internal combustion engine. .
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。また、上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。 The above embodiments can be combined as appropriate. In each of the above-described controls, the order of the steps can be appropriately changed within a range where the function and the action are not changed. Moreover, in each said figure, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same or equivalent. In addition, said embodiment is an illustration and does not limit invention. Further, in the embodiment, changes of the embodiment shown in the claims are included.
1 機関本体
23 パティキュレートフィルタ
24 差圧センサ
25,26 温度センサ
31 電子制御ユニット
43 負荷センサ
64 隔壁
1
Claims (3)
捕集フィルタの粒子状物質の非燃焼成分の堆積量を推定する堆積量推定手段とを備え、
捕集フィルタは、セリア、ジルコニア、アルミナおよびバリウムのうち少なくとも一つを含む担体と、担体に担持された白金およびロジウムの触媒粒子とを含み、
白金の触媒粒子は1.0g/Lの濃度にて担体に担持され、ロジウムの触媒粒子は1.2g/Lの濃度にて担体に担持されており、
捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、捕集フィルタを750℃以上900℃以下の範囲内の温度まで上昇させる制御を実施することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。 A collection filter that collects particulate matter containing combustion components that burn when the temperature rises in an atmosphere of excess air and remaining non-combustion components;
A deposit amount estimating means for estimating a deposit amount of a non-combustible component of the particulate matter of the collection filter;
The collection filter includes a support containing at least one of ceria, zirconia, alumina, and barium, and platinum and rhodium catalyst particles supported on the support,
Platinum catalyst particles are supported on the carrier at a concentration of 1.0 g / L, and rhodium catalyst particles are supported on the carrier at a concentration of 1.2 g / L.
When the accumulation amount of the non-combustion component of the collection filter exceeds a predetermined accumulation amount judgment value, control is performed to raise the collection filter to a temperature in the range of 750 ° C. to 900 ° C. An exhaust purification device for an internal combustion engine.
燃料カット制御を実施した場合に捕集フィルタの温度が予め定められた熱劣化判定値を超える場合に、燃料カット制御を禁止するように形成されており、
捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、燃料カット制御の実施により捕集フィルタの温度が750℃以上900℃以下の範囲内になると推定される時に、燃料カット制御の禁止を解除する、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。 It is configured to enable fuel cut control to stop the supply of fuel to the combustion chamber when the required load becomes zero,
When the temperature of the collection filter exceeds a predetermined thermal deterioration judgment value when the fuel cut control is performed, the fuel cut control is configured to be prohibited.
When the accumulation amount of the non-combustion component of the collection filter exceeds a predetermined accumulation amount judgment value, it is estimated that the temperature of the collection filter falls within the range of 750 ° C. or more and 900 ° C. or less by performing the fuel cut control. The exhaust purification device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the prohibition of fuel cut control is canceled when
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