JP2017110614A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費の低下を防止し、排気浄化装置を適切に回復できる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、内燃機関本体と、吸気流量を制御する吸気絞り機構と、排気フィルター及び排気フィルターより上流側に設けられた排気後処理手段を含んで構成される排気浄化装置と、排気中に未燃燃料成分を供給する排気通路内燃料供給手段とを備えている。更に、内燃機関は、排気後処理手段の閉塞状態を検出する閉塞検出手段と、排気フィルターの煤分捕捉量を検出する排気フィルター煤分捕捉量検出手段と、排気後処理手段の閉塞状態が第１の閉塞状態に達したとき、吸気流量を制限して排気後処理手段に付着した煤分を除去させ、排気フィルターの捕捉量が所定値以上であるとき、排気通路内燃料供給手段により未燃燃料成分を供給して排気フィルターを再生させる制御装置とを備えている。更に制御装置は、排気フィルターの再生に優先して排気後処理手段の煤分の除去を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置を備えた内燃機関に関する。

ディーゼルエンジンを含む内燃機関には、排気を浄化する排気浄化装置が設けられている。排気浄化装置としては、酸化触媒や排気中の煤分を捕捉する排気フィルターやＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵触媒等が知られている。

排気フィルターやＮＯｘ吸蔵触媒は、捕捉された煤分を燃焼させるときや吸蔵された硫黄を離脱させるときに、高温の排気が必要となる。ディーゼルエンジンは、燃料のポスト噴射やアフター噴射で未燃燃料を排気中に供給し、排気の温度を上昇させたり、排気をリッチ状態にして、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元させたりしている。

又、排気中に含まれる粘着性を有する炭化水素成分が、排気浄化装置の最前段に設けられている触媒に煤分を付着させ、閉塞させることが知られている。かかる煤分付着を解消するため、吸気スロットを操作して排気温度を上昇させる例が見られる。

特開２０１１−６９３２３号公報

ポスト噴射等は、多用すると車両の燃費低下を招く。又、ポスト噴射等を行うと、排気中に含まれる炭化水素成分を増加させ、煤分付着による触媒の閉塞が進行するおそれがある。

本発明は、燃費の低下を防止し、排気フィルターの再生等排気浄化装置の回復処理を適切に行うことができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のように内燃機関を構成した。内燃機関は、内燃機関本体と、内燃機関本体の吸気流量を制御する吸気絞り機構と、排気通路に設けられた排気フィルター及び排気フィルターより上流側の排気通路に設けられた排気後処理手段を含んで構成されて、内燃機関本体の排気を浄化する排気浄化装置と、排気中に未燃燃料成分を供給する排気通路内燃料供給手段と、排気後処理手段の煤分付着による閉塞状態を検出する閉塞検出手段と、排気フィルターが捕捉した煤分の捕捉量を検出する排気フィルター煤分捕捉量検出手段と、を備えている。

又、内燃機関は、閉塞検出手段によって検出された排気後処理手段の閉塞状態が第１の閉塞状態に達したと判断した際には、吸気絞り機構により吸気流量を制限して排気後処理手段に付着した煤分を除去させ、排気フィルター煤分捕捉量検出手段が検出した捕捉量が所定値以上であると判断した際には、排気通路内燃料供給手段により排気通路内に未燃燃料成分を供給して排気フィルターを再生させる制御装置を備えている。

制御装置は、排気通路内燃料供給手段による排気フィルターの再生に優先して吸気絞り機構による排気後処理手段の煤分の除去を行う。

本発明の内燃機関は、燃費の低下を防止し、排気フィルターの再生等排気浄化装置の回復処理を適切に行うことができる。

本発明にかかる一実施形態のディーゼルエンジンを示す構成図。 ディーゼルエンジンの作動を示すフローチャート。

本発明にかかる一実施形態のディーゼルエンジンについて説明する。図１に内燃機関としてのディーゼルエンジン１２を示す。以下、ディーゼルエンジン１２は、内燃機関本体としてのディーゼルエンジン本体１０に吸気系、排気系、及びその他の機構を付随させた全体を指す。

ディーゼルエンジン１２は、走行用駆動源として車両に搭載されている。ディーゼルエンジン１２は、吸気弁１４と排気弁１６と燃料噴射弁１８とを備えている。吸気弁１４と排気弁１６とは、それぞれディーゼルエンジン本体１０に形成された吸気通路と排気通路に設けられ、カムにより駆動されて吸気通路と排気通路を開閉させる。燃料噴射弁１８は、高圧の燃料ポンプ２０に接続し、制御装置２２からの指示にしたがい、燃料をディーゼルエンジン本体１０の燃焼室内に噴射する。燃料噴射弁１８は、請求項でいう排気通路内燃料供給手段でもある。

ディーゼルエンジン１２の吸気通路には、エアクリーナー２４を通した吸気管２６が連結されている。吸気管２６には、吸気管２６の開口面積を増減させる 電動の吸気バルブ２８が設けられている。吸気バルブ２８は、請求項でいう吸気絞り機構であり、制御装置２２からの指示に従い適宜作動し、吸気管２６の開口面積を調整する。

ディーゼルエンジン１２の排気通路には、排気浄化装置３０を備えた排気管３２が連結されている。排気管３２には、更に、ターボチャージャー３４及び排気還流装置３６が設けられている。

ターボチャージャー３４は、排気圧によってタービンを回転させ、タービンの回転により吸気管２６内に圧縮空気を供給する過給機である。排気還流装置３６は、制御装置２２からの指示に従い開閉バルブ３８を作動させ、排気管３２内の排気の一部を吸気管２６に流入させる。

排気浄化装置３０には、排気後処理手段としての酸化触媒４０、及び排気フィルター４２が設けられている。酸化触媒４０は、排気に含まれる一酸化炭素等を酸化させて無毒化させる触媒である。酸化触媒４０の上流と下流には、それぞれ圧力センサ４４、４６が設けられている。以下説明上、排気管３２内の排気の流通方向を、排気管３２の下流方向とし、その逆方向を排気管３２の上流方向とする。圧力センサ４４及び圧力センサ４６は、請求項でいう閉塞検出手段である。圧力センサ４４及び圧力センサ４６は、制御装置２２に接続され、排気管３２内の圧力を計測してその値を制御装置２２に送る。

又、酸化触媒４０の上流と下流に温度センサ５０、５２が設けられている。温度センサ５０、５２は、制御装置２２に接続され、排気温度を計測してその値を制御装置２２に送る。酸化触媒４０の下流に、排気フィルター４２が設けられている。

排気フィルター４２は、多孔質の素材からなる濾過装置であり、排気に含まれる煤分を濾過し、濾過した煤分を内部に捕捉する。排気フィルター４２で煤分を濾過した排気は、排気管３２から車外に排出される。排気フィルター４２の下流には、圧力センサ４８と温度センサ５４が設けられている。圧力センサ４８と温度センサ５４は、計測した圧力値や排気温度を制御装置２２に送る。圧力センサ４６と圧力センサ４８は、請求項でいう排気フィルター煤分捕捉量検出手段である。

制御装置２２は、酸化触媒４０の煤分の付着量が、除去作業が必要と判断される状態の第１の閉塞状態を示す第１の値、及び第２の閉塞状態を示す第２の値と、排気フィルター４２の煤分捕捉量が、再生を必要と判断される状態を示す第１所定値、及び第２所定値を備えている。第２の値は、第１の値に対して所定割合低い値である。又、第２所定値は、第１所定値より所定割合低い値である。所定割合とは、直ちに再生処理等を行わなくてもよいが、処理を行っても、燃費の低下等の大きな損失を生じさせるほどではない割合のことをいう。

制御装置２２は、圧力センサ４４や温度センサ５０等からの値、及び車両の走行履歴や燃料噴射弁１８からの燃料噴射量の累積値等から、排気浄化装置３０の状態を検出、あるいは推定し、各計測値に基づいて酸化触媒４０に付着した煤分の除去や排気フィルター４２の再生処理を開始する。

次に、制御装置２２による排気フィルター４２を再生させる再生処理機能について説明する。制御装置２２は、センサ等の値から排気フィルター４２が捕捉した煤分の捕捉量が第１所定値に達したと判断すると、排気フィルター４２の再生処理を実施するステージに移行し、再生条件が満たされたときに再生を開始する。

排気フィルター４２の再生処理は、排気フィルター４２に流入する排気の温度を上昇させ、排気フィルター４２に捕捉された煤分を燃焼させる。排気フィルター４２に送る排気の温度を上昇させるためには、制御装置２２は、燃料噴射弁１８にポスト噴射を行わせ、排気中に含まれる未燃燃料成分を増加させる。尚、排気管に燃料噴射弁を設置し、かかる排気管燃料噴射弁により、排気管中に燃料を直接噴射させてもよい。排気管燃料噴射弁は、請求項でいう排気通路内燃料供給手段である。

次に、制御装置２２による酸化触媒４０に付着した煤分を除去する煤分除去機能について説明する。酸化触媒４０は、排気に含まれる粘着性を有する炭化水素成分が流入口付近に付着し、その粘着物質に排気中に含まれる煤分が付着することにより閉塞が進行する。炭化水素成分は、温度を上昇させると気化することから、酸化触媒４０に流入する排気の温度を上昇させ、炭化水素成分を気化させることにより、酸化触媒４０に付着した煤分を除去する。

その際、吸気バルブ２８を作動させ、ディーゼルエンジン１２への吸気量を削減させることにより排気温度を上昇させる。これは、排気中に含まれる未燃燃料成分を増加させることにより排気温度を上昇させると、未燃燃料成分に含まれる炭化水素成分が、更に酸化触媒４０に煤分を付着させてしまうからである。

制御装置２２は、排気フィルター４２の再生処理と酸化触媒４０に付着した煤分の除去作業とを関連付けて行い、車両の燃費の低下を防止しつつ、排気浄化装置３０を適切に回復させる。

次に、ディーゼルエンジン１２の作用、効果について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。車両は走行状態にあり、ディーゼルエンジン１２は通常に作動している。ディーゼルエンジン１２が作動している間、ディーゼルエンジン１２から排出される排気は、酸化触媒４０で酸化処理され、更に、排気に含まれる煤分が排気フィルター４２で捕捉される。排気フィルター４２には、捕捉された煤分が徐々に蓄積される。

又、酸化触媒４０の前面には、排気に含まれる粘着性を有する炭化水素成分により煤分が付着し、酸化触媒４０の閉塞が徐々に進行する。

次に、排気浄化装置３０が煤分によって閉塞された状態を回復させる動作について、具体的に説明する。制御装置２２は、圧力センサ４４と圧力センサ４６との計測値から、酸化触媒４０の前後の圧力差を求め、酸化触媒４０の閉塞状態（詰り）を検出する。そして、圧力差の値から酸化触媒４０の閉塞状態を判断する（Ｓ−１）。尚、制御装置２２は、車両の走行履歴等から、酸化触媒４０の閉塞状態を推測してもよい。

ステップ１にて、酸化触媒４０の閉塞状態が第１の閉塞状態であると判断されると、ステップ２に進む。ステップ２では、制御装置２２は、圧力センサ４６と圧力センサ４８との計測値や車両の走行履歴等に基づいて、排気フィルター４２による煤分の捕捉量を求める。そして、求められた排気フィルター４２の煤分捕捉量と閾値としての第１所定値とを比較し、排気フィルター４２による煤分の捕捉量が再生を必要とする状態に達しているか否かを判断する。

ステップ２で、排気フィルター４２による煤分の捕捉量が第１所定値に達していると判断されると、ステップ３に進み、制御装置２２は、酸化触媒４０の煤分付着による閉塞解消を開始する。酸化触媒４０の煤分付着による閉塞の解消は、具体的には、まず、酸化触媒４０に流入する排気の温度を、温度センサ５０からの検出結果から求める。酸化触媒４０に流入する排気の温度が、炭化水素成分を気化させるに十分な温度であれば、その状態を継続させ、所定の温度の排気を酸化触媒４０に流入させる。

一方、酸化触媒４０に流入する排気の温度が、炭化水素成分を気化させるに必要な所定温度を下回っている場合には、吸気バルブ２８を作動させ吸気管２６の通路面積を減少させる。これにより、ディーゼルエンジン１２に吸入される吸気量が減少され、排気温度が上昇される。

酸化触媒４０に流入する排気の温度が、炭化水素成分を気化させるに必要な所定温度に達したなら、その状態を所定時間継続させ、酸化触媒４０に付着している炭化水素成分を気化させる。炭化水素成分が気化すると、酸化触媒４０の流入面に付着していた煤分が離脱し、酸化触媒４０の下流に移動する。又、酸化触媒４０に付着していた炭化水素や煤分が温度上昇により燃焼し、水や二酸化炭素になって酸化触媒４０から除去される。

そして、制御装置２２は、所定温度の排気を酸化触媒４０に流入させたなら、酸化触媒４０の前後の圧力差を求め、圧力差が所定値を下回っていたなら、酸化触媒４０の煤分付着による閉塞状態が解消されたと判断し（Ｓ−４）、ステップ５に進む。

ステップ５では、制御装置２２は、温度や車両の走行状態等排気フィルター４２を再生させるための条件が整ったか否かを判断し、排気フィルター４２の再生処理を開始する条件が整ったと判断されたら、ステップ６に進み、排気フィルター４２の再生処理を開始する。

排気フィルター４２の再生処理は、燃料噴射弁１８による燃料のポスト噴射や排気管３２内への燃料のアフター噴射を行い、酸化触媒４０で排気温度を上昇させて排気フィルター４２に高温の排気を送る。高温の排気で加熱された煤分は、排気中の酸素と結合し、二酸化炭素となって車外に排出される。そしてステップ７で、制御装置２２は、排気フィルター４２の前後の圧力差の値や、排気フィルター４２の後方に排出される排気温度の値等から排気フィルター４２の再生処理が終了したか否かを判断し、排気フィルター４２に捕捉された煤分が燃焼され、再生処理が終了したと判断したらリターンに進み、ステップ１に戻る。

一方、ステップ１で、酸化触媒４０の煤分による閉塞状態が第１所定値に達していないと判断されたら、ステップ８に進む。ステップ８では、制御装置２２は、ステップ２で行ったと同様、排気フィルター４２による煤分の捕捉量が第１所定値に達しているか否かを判断する。ステップ８で、排気フィルター４２の煤分捕捉量が第１所定値に達していると判断されたら、ステップ９に進む。

ステップ９では、制御装置２２は、酸化触媒４０の煤分による閉塞状態が第２閉塞状態に達しているか否かを判断する。ステップ９で、酸化触媒４０の煤分による閉塞状態が第２閉塞状態に達していると判断されたら、ステップ３に進む。ステップ３以降は、上述した通り、制御装置２２は、酸化触媒４０の煤分付着による閉塞を解消させ（Ｓ−４）、その後、排気フィルター４２の再生処理を開始させる（Ｓ−６）。そしてステップ７で、排気フィルター４２の再生処理が終了したか否かを判断し、再生処理が終了したと判断されたら、リターンに進み、ステップ１に戻る。

又、ステップ２で、排気フィルター４２による煤分の捕捉量が第１所定値に達していないと判断されたら、ステップ１０に進む。ステップ１０では、制御装置２２は、排気フィルター４２による煤分の捕捉量が第２所定値に達しているか否かを判断する。ステップ１０で、排気フィルター４２による煤分の捕捉量が第２所定値に達していると判断されたなら、ステップ３に進む。ステップ３以降は、上述した通り、制御装置２２は、酸化触媒４０の煤分付着による閉塞を解消させ（Ｓ−４）、その後、排気フィルター４２の再生処理を開始させる（Ｓ−６）。そしてステップ７で、排気フィルター４２の再生処理が終了したか否かを判断し、再生処理が終了したと判断されたら、リターンに進み、ステップ１に戻る。

一方、ステップ１０で、排気フィルター４２による煤分の捕捉量が第２所定値に達していないと判断されたなら、ステップ１１に進む。ステップ１１では、制御装置２２は、酸化触媒４０の煤分付着による閉塞の解消を開始し、酸化触媒４０の煤分付着による閉塞が解消したと判断されたら（Ｓ−１２）、リターンに進み、ステップ１に戻る。

又、ステップ９で、酸化触媒４０の煤分による閉塞状態が第２閉塞状態に達していないと判断されると、ステップ５に進む。ステップ５では、制御装置２２は、排気フィルター４２を再生させるための条件が整ったか否かを判断し、排気フィルター４２の再生処理を開始する条件が整ったと判断されたら、排気フィルター４２の再生処理を開始する（Ｓ−６）。そしてステップ７で、排気フィルター４２の再生処理が終了したか否かを判断し、再生処理が終了したならリターンに進み、ステップ１に戻る。

更に、ステップ８で、排気フィルター４２による煤分の捕捉量が第１所定値に達していないと判断されたら、リターンに進み、ステップ１に戻る。

以上、説明したように、ディーゼルエンジン１２によれば、酸化触媒４０の煤分による閉塞が第１閉塞状態に達しており、かつ、排気フィルター４２の煤分捕捉量が第１所定値に達していれば、酸化触媒４０の煤分付着の解消が行なわれ、その後続けて、排気フィルター４２の再生処理が行なわれる。

又、酸化触媒４０の煤分による閉塞が第１閉塞状態に達していれば、仮に排気フィルター４２の煤分捕捉の状態が第１所定値に達していなくとも、排気フィルター４２による煤分の捕捉量が第２所定値に達していれば、酸化触媒４０の煤分付着の解消処理に続けて、排気フィルター４２の再生処理が行われる。

これにより、酸化触媒４０の煤分による閉塞を解消するために昇温された排気を利用して排気フィルター４２を昇温させ、その後排気フィルター４２を再生するので、熱効率が上昇し、車両の燃費向上を図ることができる。

又、酸化触媒４０の煤分付着による閉塞が第１閉塞状態に達していなくとも、酸化触媒４０の煤分による閉塞状態が第２閉塞状態に達していれば、排気フィルター４２の再生処理を行う際に、排気フィルター４２の再生処理に先立って、酸化触媒４０における煤分付着の解消が行なわれる。

したがって、排気フィルター４２の再生時に、酸化触媒４０の通気性が向上し、触媒効率が上昇する。酸化触媒４０の閉塞を解消させるための排気温度の上昇を、排気フィルター４２の再生処理に利用し、車両の燃費向上を図ることができる。

排気フィルター４２の再生において行われる未燃燃料成分の供給に先立ち、酸化触媒４０の煤分による閉塞が解消される。これにより、排気フィルター４２を再生している途中で、酸化触媒４０の閉塞状態が第１閉塞状態に達してしまうことを防止できる。

本実施形態のディーゼルエンジン１２によれば、燃料の噴射量を抑制し、かつ効率的に酸化触媒４０に付着した煤分の除去と排気フィルター４２の再生処理を行うことができる。

尚、排気浄化装置３０は、上記例にかぎらず、最前段にＮＯｘ吸蔵触媒を設けたものでもよい。かかる排気浄化装置３０においても、排気浄化装置３０の最前段に設けられたＮＯｘ吸蔵触媒の前面に、粘着性を有する炭化水素成分により煤分が付着する。

かかる、ＮＯｘ吸蔵触媒の前面に付着した煤分の除去も、上述したように酸化触媒４０の煤分付着による閉塞の解消と同様、吸気バルブ２８の吸気絞りにより、排気温度を上昇させて行う。

そして、ＮＯｘ吸蔵触媒の前面に付着した煤分を除去したなら、他の処理、例えば排気フィルター４２の再生や、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵された窒素酸化物の還元やＮＯｘ吸蔵触媒に発生した硫黄被毒の解消等、ポスト噴射を必要とする処理を行う。

そして、ＮＯｘ吸蔵触媒の前面に付着した煤分を除去する際に、上述したと同様、ＮＯｘ吸蔵触媒の前面に付着した煤分の除去に関連付けて、排気浄化装置３０の各種回復処理を連続して行わせることにより、燃料噴射量の削減と、排気浄化装置の回復を効率的に行わせることができる。

尚、本発明は、車両のディーゼルエンジンに限るものではない。又、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、他の形態でも実施できる。

本発明は、排気浄化装置を備えた内燃機関に利用できる。

１２…ディーゼルエンジン、１４…吸気弁、１６…排気弁、１８…燃料噴射弁、２０…燃料ポンプ、２２…制御装置、２４…エアクリーナー、２６…吸気管、２８…吸気バルブ、３０…排気浄化装置、３２…排気管、３４…ターボチャージャー、３６…排気還流装置、３８…開閉バルブ、４０…酸化触媒、４２…排気フィルター、４４．４６、４８…圧力センサ、５０．５２、５４…温度センサ。

Claims (7)

1. 内燃機関本体と、
   前記内燃機関本体の吸気流量を制御する吸気絞り機構と、
   排気通路に設けられた排気フィルター及び前記排気フィルターより上流側の排気通路に設けられた排気後処理手段を含んで構成されて、前記内燃機関本体の排気を浄化する排気浄化装置と、
   前記排気中に未燃燃料成分を供給する排気通路内燃料供給手段と、
   前記排気後処理手段の煤分付着による閉塞状態を検出する閉塞検出手段と、
   前記排気フィルターが捕捉した煤分の捕捉量を検出する排気フィルター煤分捕捉量検出手段と、
   前記閉塞検出手段によって検出された前記排気後処理手段の閉塞状態が第１の閉塞状態に達したと判断した際には、前記吸気絞り機構により前記吸気流量を制限して前記排気後処理手段に付着した煤分を除去させ、前記排気フィルター煤分捕捉量検出手段が検出した前記捕捉量が所定値以上であると判断した際には、前記排気通路内燃料供給手段により前記排気通路内に未燃燃料成分を供給して前記排気フィルターを再生させる制御装置とを、備え、
   更に前記制御装置は、前記排気通路内燃料供給手段による前記排気フィルターの再生に優先して前記吸気絞り機構による前記排気後処理手段の煤分の除去を行うことを特徴とする内燃機関。
2. 前記制御装置は、
   前記吸気絞り機構による前記排気後処理手段の煤分の除去を行った後で、前記排気フィルター煤分捕捉量検出手段が検出する前記排気フィルターによる煤分の捕捉量が前記所定値以上である場合に、前記排気通路内燃料供給手段により前記排気通路内に未燃燃料成分を供給して前記排気フィルターを再生させることを特徴とする請求項１に記載される内燃機関。
3. 前記閉塞検出手段は前記排気後処理手段の上流側と下流側の前記排気通路の圧力差を検出し、
   前記制御装置は前記圧力差に基づいて前記排気後処理手段の前記閉塞状態を判断することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記制御装置は前記圧力差が第１の値以下である場合に、前記排気後処理手段が前記第１の閉塞状態であると判断することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記制御装置は、前記閉塞検出手段によって検出された前記圧力差が前記第１の値より小さく、かつ前記第１の値より小さい第２の値以下である第２の閉塞状態であると判断し、前記排気フィルター煤分捕捉量検出手段が検出した前記捕捉量が前記所定値以上であると判断すると、前記排気フィルターの再生に優先して、前記吸気絞り機構による前記排気後処理手段の煤分の除去を行うことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
6. 前記排気後処理手段は、酸化触媒であり、
   前記排気通路内燃料供給手段は、前記内燃機関本体の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と前記排気通路に設けられた燃料噴射弁のいずれか、若しくは双方であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 前記排気後処理手段は、ＮＯｘ吸蔵触媒であり、
   前記排気通路内燃料供給手段は、前記内燃機関本体の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と前記排気通路に設けられた燃料噴射弁のいずれか、若しくは双方であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。

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