JP3593962B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置、詳しくは、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を除去するために機関排気通路内にフィルタを配置した内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来よりディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を除去するために機関排気通路内に排気ガス中の微粒子を捕獲可能なパティキュレートフィルタを配置しこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集して、パティキュレートフィルタが捕集した微粒子を着火燃焼して除去することによりパティキュレートフィルタの再生を図っている。
【0003】
ところが前記捕集した微粒子は600°C程度以上の高温にならないと着火せず、これに対してディーゼルエンジンの排気ガス温は通常、600°Cよりもかなり低く、高負荷運転状態の場合でもその排気ガス温は350°Cから400°C程度でしかない。したがって排気ガス熱だけで微粒子に着火させるのは困難である。
【0004】
そこで、パティキュレートフィルタ上に触媒を担持することで微粒子の着火温度を低下させて排気ガス熱だけで微粒子に着火させるようにした技術がある(なお、パティキュレートフィルタ上に触媒を担持したフィルタを以下「触媒付きパティキュレートフィルタまたは単にフィルタと表記する。)。例えば、特公平7−106290号公報記載の技術は、白金族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物からなる触媒をパティキュレートフィルタに担持させることで前記問題に対処している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような触媒付きパティキュレートフィルタであっても一部の微粒子のみしか着火せずよって微粒子が燃え残る場合がある。
詳しくは、排気ガス中に含まれる微粒子の量が少ない場合は問題ないが、内燃機関の運転状態によっては多量の微粒子が発生する場合があり、その場合はパティキュレートフィルタに付着した微粒子が完全に燃焼する前に微粒子上に別の微粒子が堆積して積層状態になる。すると、酸素と接触しやすい箇所にある例えば上層の微粒子は燃焼しても、酸素と接触しづらい箇所にある例えば下層の微粒子は燃焼せず斯くして微粒子が燃え残るという現象を誘発し、微粒子の堆積による目詰まりで排気ガスが通過しずらくなってフィルタが使用できなくなるおそれがある。
【0006】
また、ターボチャージャを備えた内燃機関の場合、排気ガスのエネルギーによってタービンを回転させるため、タービンにより排気ガス及びフィルタが冷却され、微粒子を着火燃焼して除去することができず、目詰まりが発生し易い。そして、フィルタに目詰まりが発生すると、ターボチャージャは、タービンが回りにくくなってコンプレッサによる過給が十分にできず、その結果、エンジンの高出力を生み出すことができない。
【0007】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、その解決しようとする課題は、排気管にターボチャージャと触媒付きパティキュレートフィルタを設置した内燃機関の排気浄化装置において、触媒付きパティキュレートフィルタの目詰まり状態を解消してタービンの正常回転を保障することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するために、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。
すなわち、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に設置され、排気圧を用いて吸気を加圧するターボチャージャと、このターボチャージャの前記排気通路上流の排気圧を検出する入口側排気圧検出手段と、前記ターボチャージャにより加圧吸気された空気流量を検出する出口側空気流量検出手段と、前記排気通路に設置され、酸化触媒を担持し排気ガス中の微粒子を捕獲可能なフィルタと、前記排気ガスが前記フィルタ及び前記ターボチャージャを迂回するように前記排気通路に分岐して設置された迂回通路と、この迂回通路を開閉するバイパス弁と、前記入口側排気圧検出手段が検出する排気圧の値と前記出口側空気流量検出手段が検出する空気流量に基づいて前記バイパス弁の開閉を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする(請求項1に対応)。
【0009】
この構成によれば、ターボチャージャに流入してタービンを回転させる排気圧の値とタービンに直結したコンプレッサにより生じる空気流量との圧損差に基づきフィルタの目詰まり状態を制御手段により判定し、目詰まり状態が著しい場合は、制御手段がバイパス弁を開いて排気ガスの一部をターボチャージャ及びフィルタを迂回して排気通路下流に逃すことで、フィルタ内に流入する排気ガスの量を減らし、フィルタ内の温度を上げることで、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させる。そして、制御手段は、前記圧損差により目詰まり状態が解消されたと判定した場合は、バイパス弁を閉じてターボチャージャに通常の過給動作をさせる。
【0010】
ここで、内燃機関全体の制御を行うECU(制御手段)について簡単に述べるとともに、本発明の構成要素について説明する。
ECUは、周知のごとくデジタルコンピュータからなり、双方向性バスによって相互に接続された、中央処理制御装置CPU,読み出し専用メモリROM,ランダムアクセスメモリRAM,バックアップRAM,入力インタフェース回路,出力インタフェース回路等から構成される。
【0011】
入力インタフェース回路は、内燃機関や車輌に取り付けられた各種センサと電気的に接続され、これら各種センサの出力信号が入力インタフェース回路からECU内に入るとこれらのパラメータは一時的にランダムアクセスメモリRAMに記憶される。そして、これらのパラメータに基づいてCPUが必要とする演算処理を行うが、この演算処理の実行にあたり、CPUは双方向性バスを通じてランダムアクセスメモリRAMに記憶しておいた前記パラメータを必要に応じて呼び出す。また、出力インタフェース回路は、内燃機関や車輌に取り付けられたバイパス弁等の各種出力機器と電気的に接続され、出力インタフェース回路からECUの指令が出力される。
【0012】
「入口側排気圧検出手段」としては圧力センサを例示できる。
「出口側空気流量検出手段」としてはエアフロメータを例示できる。
「微粒子」とは、内燃機関がディーゼルエンジンの場合は、カーボンスーツ,未燃燃料,オイル等を例示できる。
「フィルタ」は内燃機関がディーゼルエンジンの場合は、ディーゼルエンジンから排出される微粒子を捕集するフィルタいわゆるDiesel Particulate Filter :DPFを例示できる。
【0013】
「バイパス弁」はウェイストゲートバルブ(Waste Gate Valve:WGV)を例示できる(請求項4に対応)。
ウェイストゲートバルブWGVは、ターボチャージャの排気バイパス弁のことであり、通常は過給圧が設定した圧力を越えることを防止し、タービン流入排気ガスの一部をタービン出口にバイパスしてタービン出力を制御し、過給圧をコントロールするものである。本発明において、ウェイストゲートバルブWGVは、フィルタ目詰まりの際にタービン出口及びフィルタを迂回して排気ガスの一部を排気通路下流に逃すことで、フィルタ内に流入する排気ガスの量を減らし、フィルタ内の温度を上げることで、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させる。
【0014】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記入口側排気圧検出手段の排気圧の値及び前記出口側空気流量検出手段の空気流量とから前記フィルタの目詰まり異常を判断し、前記バイパス弁の開閉を制御するように構成することもできる(請求項2に対応)。この構成によれば、排気圧の値及び空気流量に基づきフィルタの目詰まり異常が判定できるので、制御手段の目詰まり異常判定処理を容易にすることができる。
【0015】
更に、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記検出した排気圧の値及び空気流量から前記フィルタの目詰まり異常であると判断するとき、前記バイパス弁を開き排気ガスを迂回させると共にアラームを発生させるように構成してもよい(請求項3に対応)。この構成によれば、目詰まり異常の際、運転者に対してアラームにより異常を報知することができるので、バイパス弁による迂回処理でも目詰まりが解消できなかった場合でも、人為的な再生操作等事前の対処が可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明内燃機関の排気浄化装置の実施形態を添付した図面に基づいて説明する。
図1は本発明内燃機関の排気浄化装置を圧縮着火式内燃機関であるディーゼルエンジンに適用した場合を示す。
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを示す。
【0017】
吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介して排気ターボチャージャ14のコンプレッサ15に連結される。また、コンプレッサ15近傍の吸気ダクト13にはエアフローメータ(出口側空気流量検出手段)81が取り付けてあり、エアフローメータ81の出力信号に基づいてコンプレッサ15の出口側の空気流量が検出される。一方、コンプレッサ15を取り付けてある吸気管71にはエアクリーナ80が設けられている。
【0018】
吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動するスロットル弁17を配置し、更に吸気ダクト13周りには吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置18を配置してある。図1に示す実施の形態では機関冷却水が冷却装置18内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気を冷却するようになっている。
【0019】
一方、排気ポート10は排気マニホールド19および排気管20を介してターボチャージャ14のタービン21に連結される。また、タービン21近傍の排気管20には排気圧センサ(入口側排気圧検出手段)82が取り付けてあり、排気圧センサ82の出力信号に基づいてタービン21の入口側の排気圧が検出される。一方、タービン21の出口は排気通路である排気管70に設けた排気浄化装置Aに連結してある。また、排気ポート10には燃料供給手段である図示しない燃料添加ノズルを取り付けてある。よって、燃料添加ノズルは、排気管70のうち排気浄化装置Aよりも上流に位置する。
【0020】
排気浄化装置Aは、DPFに酸化触媒を担持しかつ排気ガス中の微粒子を捕獲可能なフィルタである触媒付きパティキュレートフィルタ(以下、フィルタという)22をケース体23内に包蔵してなるものである。この排気浄化装置Aを用いて排気ガス中の煤等の微粒子を除去するために微粒子をフィルタ22で一旦捕集し、当該捕集した微粒子を着火燃焼する。微粒子を着火燃焼するには、排気ガス熱を利用する他、前記燃料添加ノズルから排気中に燃料を供給し、燃料の酸化反応によって発生する反応熱を利用する。このようにして微粒子を燃焼除去することでフィルタ22から微粒子を除去しフィルタ22の再生を図る。
【0021】
排気管20と排気管(排気通路)70との間には、排気ガスがターボチャージャ14のタービン21及び排気浄化装置A(あるいはフィルタ22)を迂回するように排気管20,70から分岐した迂回通路90が設けられている。この迂回通路90には、バイパス弁であるウェイストゲートバルブ(Waste Gate Valve:WGV)91が設けられている。
【0022】
WGV91は、ターボチャージャ14の排気バイパス弁のことであり、通常は過給圧が設定した圧力を越えることを防止し、タービン流入排気ガスの一部をタービン21出口に迂回してタービン出力を制御し、過給圧をコントロールするものである。本発明において、このWGV91は上記過給圧の制御に加えて、後述するフィルタ目詰まり異常判定に基づき、弁を開くことで、排気ガスの一部を迂回通路90を介して排気管70の下流に流し、弁を閉じることで迂回通路90を閉鎖する。
【0023】
また、排気マニホールド19とサージタンク12とは、排気ガス再循環装置(以下、EGRと称す)の構成部材であるEGR通路24を介してお互いに連結されている。また、EGR通路24は電気制御式EGR制御弁25を有する。加えてEGR通路24にはその中を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置26を配置してある。図1に示す実施の形態では機関冷却水を冷却装置26内に導びき、機関冷却水によってEGRガスを冷却するようになっている。
【0024】
一方、燃料噴射弁6は、燃料供給管6aを介して燃料リザーバであるコモンレール27に連結してある。
コモンレール27内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ28によって燃料を供給する。そして、コモンレール27内に供給した燃料は燃料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール27にはコモンレール27内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ29を取り付けてあり、燃料圧センサ29の出力信号に基づいてコモンレール27内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ28の吐出量を制御する。
【0025】
なお、燃料噴射弁6からの噴射燃料の量は、アクセルペダル40の踏み込み量と機関回転数の関数としてマップの形で、次に述べる電子制御ユニット(以下「ECU」)30のROM32内に記憶しておいた要求トルク算出マップ(図示せず)からアクセルペダル40の踏み込み量および機関回転数に応じた要求トルクを求め、この要求トルクに基づいて算出するようになっている。
【0026】
ECU30はデジタルコンピューターからなり、双方向性バス31によって互いに接続したROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。
【0027】
燃料圧センサ29、エアフロメータ81及び排気圧センサ82の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力する。
【0028】
また、排気管70のうち排気浄化装置Aの下流側近傍には排気浄化装置Aから排出される排気ガス温度(出ガス温度)Toを検出する排気温度センサ79を取り付けてある。そして排気温度センサ79よりも下流箇所には排気浄化装置A(フィルタ)から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ(または空燃比センサ)83を取り付けてある。
そして、温度センサ79や酸素センサ83の出力信号も、対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入る。
【0029】
更に、排気管70のうち酸素センサ81よりも下流には、ケース体内に例えば吸蔵還元型NOx触媒を包蔵する触媒コンバータや排気絞り弁(共に図示せず)を取り付けてある。
【0030】
アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ41を接続してあり、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入る。更に入力ポート35には、図示しないクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42を接続してある。
【0031】
一方、出力ポート36は、対応する駆動回路38を介して、燃料噴射弁6、スロットル弁駆動用ステップモータ16,EGR制御弁25、燃料ポンプ28、WGV91と接続してある。
【0032】
次に図2のフローチャートを用いて、本実施の形態に係る排気浄化装置Aに含まれるフィルタに目詰まり異常があるか否かを判定し、目詰まり状態を回避するためのフィルタ目詰まり異常判定及び回避制御処理を実現するためのプログラムを説明する。
本プログラムは、以下に述べるステップ101〜ステップ108からなる。また、これらのステップからなるプログラムは、ECU30のROM32に記憶してあり必要に応じて呼び出される。前記各ステップにおける処理は、すべてECU30のCPU34による。
【0033】
なお、このフィルタ目詰まり異常判定では、図3に示す異常判定マップMを用いる。この異常判定マップMは圧損差及び空気流量をパラメータとし、このパラメータからフィルタの目詰まり異常との関係を予め実験値に基づき設定したマップであり、ECU30のROM32に予め記憶されている。この圧損差はターボチャージャ14に流入してタービン21を回転させる排気圧の値とタービン21に直結したコンプレッサ15により生じる空気流量との圧損差をいうが、負荷センサ41より決まる前記燃料噴射量に応じた排気圧の目標値と前記空気流量との差値を演算して圧損差としてもよい。
【0034】
ECU30は、エアフロメータ81による空気流量のデータと排気圧センサ82による排気圧のデータから、ターボチャージャ14に流入してタービン21を回転させる排気圧の値とタービン21に直結したコンプレッサ15により生じる空気流量との圧損差を演算し、この異常判定マップMを参照してフィルタ目詰まり異常判定を行う。
【0035】
即ち、この異常判定マップMは圧損差を縦軸とし、コンプレッサ15により生じる空気流量を横軸とした座標平面からなる。この座標平面は2本の境界線により3つのエリア(モード1E,モード2E,モード3E) に分けられている。圧損差が小さいエリアであるモード1E は、目詰まりが少ない通常モードを示し、圧損差が大きいエリアであるモード3E は、目詰まり異常を示すモードである。そして、モード1Eとモード3Eとの中間に位置するモード2E は、多少目詰まり状態にあるが通常のフィルタ再生処理を実施することにより、微粒子を燃焼除去可能であるDPF再生モードである。
【0036】
処理がスタートすると、ECU30は、ROM30から異常判定マップMを読み出す(ステップ101)と共に、エアフロメータ81による空気流量と排気圧センサ82による排気圧を常に監視し、空気流量のデータと排気圧のデータから圧損差を演算する(ステップ102)。
【0037】
次に、ECU30は、読み出した異常判定マップMを参照して、演算した圧損値および検出した空気流量に基づきフィルタ目詰まり異常判定を行う(ステップ103)。
【0038】
ステップ103の判定において、圧損値及び空気流量がモード1E のエリア内であれば、ECU30は目詰まりが少ない通常モードと判定し(ステップ104)、スタート位置にリターンする。
【0039】
ステップ103の判定において、圧損値及び空気流量がモード2E のエリア内であれば、ECU30はDPF再生モードと判定して通常のフィルタ再生処理により微粒子を燃焼除去し(ステップ105)、スタート位置にリターンする。
【0040】
ステップ103の判定において、圧損値及び空気流量がモード3E のエリア内であれば、ECU30は異常モードと判定する(ステップ106)。異常モードの場合、フィルタ22は通常のフィルタ再生処理では再生困難な程、目詰まり状態が著しいので、ECU30はWGV弁91を開く(ステップ107)とともにフィルタ22の目詰まり異常を示すダイアグラム(アラーム)を点灯し(ステップ108)、スタート位置にリターンする。
【0041】
ステップ107において、WGV弁91を開くと、排気ガスの一部がターボチャージャ14及びフィルタ22を迂回する迂回通路90に流れる。すると、フィルタ22内に流入する排気ガスの量が減少し、フィルタ22内の温度を上げるように作用し、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させることができる。
【0042】
また、ステップ108において、ダイアグラムの点灯により、運転者はフィルタ22内で目詰まり異常が発生していることをリアルタイムで把握できる。従って、ダイアグラム点灯が繰り返される場合は、WGV91による迂回処理でも目詰まりが解消できなかったことを意味するので、フィルタ22を交換する等人為的再生操作が必要となる。このようにフィルタ目詰まり異常に対し、早期に対策が講じられるので、フィルタ目詰まり異常を放置した場合により生じる運転中の機関停止等の危険や、排気浄化装置自体の破損を防止することができる。
【0043】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置では、ターボチャージャに流入してタービンを回転させる排気圧の値とタービンに直結したコンプレッサにより生じる空気流量との圧損差に基づきフィルタの目詰まり状態を判定し、目詰まり状態が著しい場合は、制御手段がバイパス弁を開いて排気ガスの一部をターボチャージャ及びフィルタを迂回して排気通路下流に逃すことで、フィルタ内に流入する排気ガスの量を減らし、フィルタ内の温度を上げることができ、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させることができる。
従って、本発明は、触媒付きパティキュレートフィルタの目詰まり状態を解消してタービンの正常回転を保障することができる内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の内燃機関の排気浄化装置を適用した内燃機関の全体図である。
【図2】本実施の形態に係る排気浄化装置Aに含まれるフィルタの目詰まり異常があるか否かを判定する処理と目詰まり状態を回避するための処理を示すフローチャートである。
【図3】異常判定マップの説明図である。
【符号の説明】
1 機関本体
2 シリンダブロック
3 シリンダヘッド
4 ピストン
5 燃焼室
6 電気制御式燃料噴射弁
6a 燃料供給管
7 吸気弁
8 吸気ポート
9 排気弁
10 排気ポート
11 吸気枝管
12 サージタンク
13 吸気ダクト
14 排気ターボチャージャ
15 コンプレッサ
16 ステップモータ
17 スロットル弁
18 冷却装置
19 排気マニホールド
20 排気管
21 タービン
22 触媒付きパティキュレートフィルタ(フィルタ)
23 ケース体
24 EGR通路
25 電気制御式EGR制御弁
26 冷却装置
27 コモンレール
28 燃料ポンプ
29 燃料圧センサ
30 ECU(制御手段)
31 双方向性バス
32 ROM
33 RAM
34 CPU
35 入力ポート
36 出力ポート
37 AD変換器
38 駆動回路
40 アクセルペダル
41 負荷センサ
42 クランク角センサ
70 排気管(排気通路)
79 排気温度センサ
80 エアクリーナ
81 エアフロメータ(出口側空気流量検出手段)
82 排気圧センサ(入口側排気圧検出手段)
83 酸素センサ
90 迂回通路
91 WGV(バイパス弁)
A 排気浄化装置
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, and more particularly, to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine in which a filter is disposed in an engine exhaust passage for removing particulates such as soot contained in exhaust gas.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a diesel engine, a particulate filter capable of capturing fine particles in exhaust gas is disposed in an engine exhaust passage in order to remove fine particles such as soot contained in the exhaust gas. The particulate filter is once collected, and the particulate filter collected by the particulate filter is ignited, burned, and removed to regenerate the particulate filter.
[0003]
However, the collected fine particles do not ignite unless they reach a high temperature of about 600 ° C. or higher. On the other hand, the exhaust gas temperature of a diesel engine is usually considerably lower than 600 ° C. The exhaust gas temperature is only about 350 ° C to 400 ° C. Therefore, it is difficult to ignite the fine particles only by the heat of the exhaust gas.
[0004]
Therefore, there is a technology in which the catalyst is supported on the particulate filter to lower the ignition temperature of the fine particles so that the fine particles are ignited only by the exhaust gas heat. Hereinafter, "a particulate filter with a catalyst or simply referred to as a filter." For example, in the technique described in Japanese Patent Publication No. 7-106290, a catalyst composed of a mixture of a platinum group metal and an alkaline earth metal oxide is used as a particulate filter. The above problem is addressed by carrying.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, even with the particulate filter with a catalyst as described above, only a part of the fine particles may be ignited and the fine particles may remain unburned.
In detail, there is no problem when the amount of fine particles contained in the exhaust gas is small, but a large amount of fine particles may be generated depending on the operation state of the internal combustion engine. In this case, the fine particles adhering to the particulate filter are completely removed. Before burning, other fine particles are deposited on the fine particles to form a layered state. Then, for example, even if the upper layer of fine particles in a portion that is easily contacted with oxygen burns, for example, the lower layer of fine particles in a portion that is difficult to contact with oxygen do not burn, thus causing a phenomenon that the fine particles remain unburned. There is a possibility that the filter cannot be used because the exhaust gas is difficult to pass due to clogging due to the accumulation of the gas.
[0006]
In the case of an internal combustion engine equipped with a turbocharger, since the turbine is rotated by the energy of the exhaust gas, the exhaust gas and the filter are cooled by the turbine, so that the particulates cannot be ignited and burned, and clogging occurs. Easy to do. Then, when the filter is clogged, the turbocharger cannot easily rotate the turbine and cannot be sufficiently supercharged by the compressor. As a result, the turbocharger cannot produce a high output of the engine.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and a problem to be solved is to provide a particulate filter with a catalyst in an exhaust gas purification device for an internal combustion engine in which a turbocharger and a particulate filter with a catalyst are installed in an exhaust pipe. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine, which can eliminate the clogged state and guarantee the normal rotation of the turbine.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention employs the following means.
That is, the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine of the present invention is provided in an exhaust passage, and a turbocharger that pressurizes intake air using exhaust pressure, and an inlet-side exhaust pressure that detects exhaust pressure upstream of the exhaust passage of the turbocharger. Detecting means, an outlet air flow rate detecting means for detecting an air flow rate pressurized and suctioned by the turbocharger, and a filter installed in the exhaust passage, carrying an oxidation catalyst and capable of capturing fine particles in exhaust gas, A bypass passage branching into the exhaust passage so that the exhaust gas bypasses the filter and the turbocharger, a bypass valve for opening and closing the bypass passage, and an exhaust gas detected by the inlet-side exhaust pressure detection means. Control means for controlling the opening and closing of the bypass valve based on the value of atmospheric pressure and the air flow rate detected by the outlet side air flow rate detection means, That (corresponding to claim 1).
[0009]
According to this configuration, the clogging state of the filter is determined by the control means based on a pressure loss difference between the value of the exhaust pressure flowing into the turbocharger and rotating the turbine and the air flow generated by the compressor directly connected to the turbine. If the condition is remarkable, the control means opens a bypass valve to allow a part of the exhaust gas to bypass the turbocharger and the filter and escape downstream of the exhaust passage, thereby reducing the amount of the exhaust gas flowing into the filter, and By raising the temperature, the fine particles are burned to eliminate the clogging. When the control means determines that the clogging state has been eliminated by the pressure loss difference, the control unit closes the bypass valve and causes the turbocharger to perform a normal supercharging operation.
[0010]
Here, an ECU (control means) for controlling the entire internal combustion engine will be briefly described, and components of the present invention will be described.
The ECU is composed of a digital computer as is well known, and includes a central processing unit CPU, a read-only memory ROM, a random access memory RAM, a backup RAM, an input interface circuit, an output interface circuit, etc., which are interconnected by a bidirectional bus. Be composed.
[0011]
The input interface circuit is electrically connected to various sensors mounted on the internal combustion engine or the vehicle. When output signals of these various sensors enter the ECU from the input interface circuit, these parameters are temporarily stored in the random access memory RAM. It is memorized. Then, based on these parameters, the CPU performs the necessary arithmetic processing. In executing the arithmetic processing, the CPU stores the parameters stored in the random access memory RAM through the bidirectional bus as necessary. call. Further, the output interface circuit is electrically connected to various output devices such as a bypass valve attached to the internal combustion engine or the vehicle, and a command of the ECU is output from the output interface circuit.
[0012]
As the “inlet side exhaust pressure detecting means”, a pressure sensor can be exemplified.
An example of the “outlet-side air flow rate detecting means” is an air flow meter.
When the internal combustion engine is a diesel engine, examples of the “fine particles” include carbon suits, unburned fuel, and oil.
When the internal combustion engine is a diesel engine, the "filter" can be exemplified by a so-called Diesel Particulate Filter: DPF for collecting fine particles discharged from the diesel engine.
[0013]
The "bypass valve" can be exemplified by a waste gate valve (Waste Gate Valve: WGV) (corresponding to claim 4).
The waste gate valve WGV is an exhaust bypass valve of a turbocharger, which normally prevents a supercharging pressure from exceeding a set pressure and bypasses a part of exhaust gas flowing into a turbine to a turbine outlet to reduce a turbine output. It controls the supercharging pressure. In the present invention, the waste gate valve WGV reduces the amount of exhaust gas flowing into the filter by escaping part of the exhaust gas to the exhaust passage downstream by bypassing the turbine outlet and the filter when the filter is clogged, By raising the temperature inside the filter, the fine particles are burned and clogging is eliminated.
[0014]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the control unit may determine whether the filter is clogged abnormally based on a value of an exhaust pressure of the inlet-side exhaust pressure detecting unit and an air flow rate of the outlet-side air flow detecting unit. It may be configured to make a judgment and control the opening and closing of the bypass valve (corresponding to claim 2). According to this configuration, the clogging abnormality of the filter can be determined based on the value of the exhaust pressure and the air flow rate, so that the clogging abnormality determination process of the control unit can be facilitated.
[0015]
Further, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine of the present invention, when the control means determines that the filter is abnormally clogged based on the detected exhaust pressure value and the air flow rate, the control unit opens the bypass valve to remove the exhaust gas. A configuration may be adopted in which a detour and an alarm are generated (corresponding to claim 3). According to this configuration, when the clogging is abnormal, the driver can be notified of the abnormality by an alarm. Therefore, even if the clogging cannot be eliminated even by the bypass process using the bypass valve, an artificial regeneration operation or the like is performed. Preliminary measures can be taken.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an exhaust gas purification device for an internal combustion engine of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a case where the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine of the present invention is applied to a diesel engine which is a compression ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Denotes an exhaust valve, and 10 denotes an exhaust port.
[0017]
The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake branch pipe 11, and the surge tank 12 is connected to a compressor 15 of an exhaust turbocharger 14 via an intake duct 13. An air flow meter (outlet air flow rate detection means) 81 is attached to the intake duct 13 near the compressor 15, and the air flow rate at the outlet side of the compressor 15 is detected based on an output signal of the air flow meter 81. On the other hand, an air cleaner 80 is provided in the intake pipe 71 to which the compressor 15 is attached.
[0018]
A throttle valve 17 driven by a step motor 16 is arranged in the intake duct 13, and a cooling device 18 for cooling intake air flowing through the intake duct 13 is arranged around the intake duct 13. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 18, and the engine cooling water cools the intake air.
[0019]
On the other hand, the exhaust port 10 is connected to a turbine 21 of the turbocharger 14 via an exhaust manifold 19 and an exhaust pipe 20. An exhaust pressure sensor (inlet side exhaust pressure detecting means) 82 is attached to the exhaust pipe 20 near the turbine 21, and the exhaust pressure on the inlet side of the turbine 21 is detected based on an output signal of the exhaust pressure sensor 82. . On the other hand, the outlet of the turbine 21 is connected to an exhaust gas purification device A provided in an exhaust pipe 70 serving as an exhaust passage. Further, a fuel addition nozzle (not shown) as a fuel supply means is attached to the exhaust port 10. Therefore, the fuel addition nozzle is located upstream of the exhaust gas purification device A in the exhaust pipe 70.
[0020]
The exhaust gas purifying apparatus A has a DPF carrying an oxidation catalyst and a particulate filter with a catalyst (hereinafter, referred to as a filter) 22 which is a filter capable of capturing fine particles in exhaust gas. is there. In order to remove fine particles such as soot in the exhaust gas using the exhaust gas purification device A, the fine particles are once collected by the filter 22, and the collected fine particles are ignited and burned. To ignite and burn the fine particles, in addition to utilizing the heat of the exhaust gas, fuel is supplied into the exhaust gas from the fuel addition nozzle, and the reaction heat generated by the oxidation reaction of the fuel is utilized. By burning and removing the fine particles in this manner, the fine particles are removed from the filter 22 and the filter 22 is regenerated.
[0021]
A bypass branched from the exhaust pipes 20 and 70 between the exhaust pipe 20 and the exhaust pipe (exhaust passage) 70 such that the exhaust gas bypasses the turbine 21 of the turbocharger 14 and the exhaust purification device A (or the filter 22). A passage 90 is provided. The bypass passage 90 is provided with a waste gate valve (WGV) 91 serving as a bypass valve.
[0022]
The WGV 91 is an exhaust bypass valve of the turbocharger 14, which normally prevents a supercharging pressure from exceeding a set pressure and controls a turbine output by diverting a part of exhaust gas flowing into the turbine to an outlet of the turbine 21. And controls the supercharging pressure. In the present invention, in addition to the control of the supercharging pressure, the WGV 91 opens a valve on the basis of a filter clogging abnormality determination described later, so that a part of the exhaust gas flows downstream of the exhaust pipe 70 through the bypass passage 90. Then, the bypass passage 90 is closed by closing the valve.
[0023]
Further, the exhaust manifold 19 and the surge tank 12 are connected to each other via an EGR passage 24 that is a component of an exhaust gas recirculation device (hereinafter, referred to as EGR). Further, the EGR passage 24 has an electrically controlled EGR control valve 25. In addition, a cooling device 26 for cooling the EGR gas flowing through the EGR passage 24 is arranged. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 26, and the EGR gas is cooled by the engine cooling water.
[0024]
On the other hand, the fuel injection valve 6 is connected to a common rail 27 which is a fuel reservoir via a fuel supply pipe 6a.
Fuel is supplied into the common rail 27 by an electrically controlled fuel pump 28 of variable discharge amount. Then, the fuel supplied into the common rail 27 is supplied to the fuel injection valve 6 via the fuel supply pipe 6a. A fuel pressure sensor 29 for detecting the fuel pressure in the common rail 27 is attached to the common rail 27, and a fuel pump is provided so that the fuel pressure in the common rail 27 becomes the target fuel pressure based on the output signal of the fuel pressure sensor 29. 28 is controlled.
[0025]
The amount of fuel injected from the fuel injection valve 6 is stored in a ROM 32 of an electronic control unit (ECU) 30 described below in the form of a map as a function of the depression amount of the accelerator pedal 40 and the engine speed. A required torque corresponding to the depression amount of the accelerator pedal 40 and the engine speed is obtained from the required torque calculation map (not shown), and the calculation is performed based on the required torque.
[0026]
The ECU 30 is composed of a digital computer and includes a ROM (Read Only Memory) 32, a RAM (Random Access Memory) 33, a CPU (Microprocessor) 34, an input port 35, and an output port 36 connected to each other by a bidirectional bus 31.
[0027]
Output signals of the fuel pressure sensor 29, the air flow meter 81, and the exhaust pressure sensor 82 are input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37.
[0028]
An exhaust gas temperature sensor 79 for detecting the temperature (exit gas temperature) To of the exhaust gas discharged from the exhaust gas purification device A is provided near the downstream side of the exhaust gas purification device A in the exhaust pipe 70. Further, an oxygen sensor (or an air-fuel ratio sensor) 83 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas discharged from the exhaust gas purification device A (filter) is attached downstream of the exhaust gas temperature sensor 79.
The output signals of the temperature sensor 79 and the oxygen sensor 83 also enter the input port 35 via the corresponding AD converter 37.
[0029]
Further, a downstream side of the oxygen sensor 81 in the exhaust pipe 70 is provided with, for example, a catalytic converter and an exhaust throttle valve (both not shown) for enclosing a storage-reduction NOx catalyst in the case body.
[0030]
A load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the amount of depression of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and the output voltage of the load sensor 41 enters the input port 35 via the corresponding AD converter 37. Further, the input port 35 is connected to a crank angle sensor 42 that generates an output pulse each time the crankshaft (not shown) rotates, for example, 30 °.
[0031]
On the other hand, the output port 36 is connected to the fuel injection valve 6, the throttle valve driving step motor 16, the EGR control valve 25, the fuel pump 28, and the WGV 91 via the corresponding drive circuit 38.
[0032]
Next, using the flowchart of FIG. 2, it is determined whether or not the filter included in the exhaust gas purification apparatus A according to the present embodiment has a clogging abnormality, and a filter clogging abnormality determination for avoiding the clogging state is performed. A program for realizing the avoidance control process will be described.
This program includes steps 101 to 108 described below. A program including these steps is stored in the ROM 32 of the ECU 30, and is called up as needed. The processing in each of the above steps is entirely performed by the CPU 34 of the ECU 30.
[0033]
In addition, in this filter clogging abnormality determination, an abnormality determination map M shown in FIG. 3 is used. The abnormality determination map M is a map in which the relationship between the pressure loss difference and the air flow rate is used as a parameter and the filter is abnormally clogged based on experimental values based on the parameters, and is stored in the ROM 32 of the ECU 30 in advance. The pressure loss difference refers to a pressure loss difference between the value of the exhaust pressure flowing into the turbocharger 14 and rotating the turbine 21 and the air flow generated by the compressor 15 directly connected to the turbine 21. A difference value between the corresponding exhaust pressure target value and the air flow rate may be calculated and used as the pressure loss difference.
[0034]
From the data of the air flow rate by the air flow meter 81 and the data of the exhaust pressure by the exhaust pressure sensor 82, the ECU 30 calculates the value of the exhaust pressure flowing into the turbocharger 14 to rotate the turbine 21 and the air generated by the compressor 15 directly connected to the turbine 21. A pressure loss difference from the flow rate is calculated, and a filter clogging abnormality is determined with reference to the abnormality determination map M.
[0035]
That is, the abnormality determination map M includes a coordinate plane in which the vertical axis represents the pressure loss difference and the horizontal axis represents the air flow generated by the compressor 15. This coordinate plane is divided into three areas (mode 1E 1 , mode 2E 2 , mode 3E 3 ) by two boundary lines. Mode 1E 1 pressure loss difference is small area, clogging represents less normal mode, the mode 3E 3 pressure loss difference is large area is a mode indicating clogging abnormality. The mode 2E 2 located in the middle of the mode 1E 1 and mode 3E 3, by although slightly clogging implementing normal filter regeneration process, is the DPF regeneration mode particles is capable of burning and removing .
[0036]
When the process is started, the ECU 30 reads out the abnormality determination map M from the ROM 30 (step 101), and constantly monitors the air flow rate by the air flow meter 81 and the exhaust pressure by the exhaust pressure sensor 82 to obtain the air flow rate data and the exhaust pressure data. Then, the pressure loss difference is calculated (step 102).
[0037]
Next, referring to the read abnormality determination map M, the ECU 30 performs filter clogging abnormality determination based on the calculated pressure loss value and the detected air flow rate (step 103).
[0038]
In the determination of step 103, if the pressure loss value and an air flow rate is in the mode 1E 1 area, ECU 30 determines that the clogging is less normal mode (step 104), the process returns to the start position.
[0039]
In the determination of step 103, if the pressure loss value and the air flow rate is mode 2E 2 area, ECU 30 is removed by burning the particulates by conventional filter regeneration is determined that the DPF regeneration mode (step 105), the start position To return.
[0040]
In the determination of step 103, if the pressure loss value and the air flow rate mode 3E 3 areas, ECU 30 determines that the abnormal mode (step 106). In the abnormal mode, the filter 22 is so clogged that it is difficult to regenerate in the normal filter regeneration process. Therefore, the ECU 30 opens the WGV valve 91 (step 107) and shows a diagram (alarm) indicating the clogging abnormality of the filter 22. Is turned on (step 108), and the process returns to the start position.
[0041]
In step 107, when the WGV valve 91 is opened, a part of the exhaust gas flows to the bypass passage 90 bypassing the turbocharger 14 and the filter 22. Then, the amount of the exhaust gas flowing into the filter 22 is reduced, which acts to increase the temperature inside the filter 22, thereby burning the fine particles and eliminating the clogging.
[0042]
Further, in step 108, the lighting of the diagram allows the driver to know in real time that a clogging abnormality has occurred in the filter 22. Therefore, if the lighting of the diagram is repeated, it means that the clogging could not be resolved even by the detour processing by the WGV 91, and an artificial regeneration operation such as replacing the filter 22 is required. As described above, the countermeasures against the filter clogging abnormality are taken at an early stage, so that it is possible to prevent a danger such as stopping of the engine during operation caused by leaving the filter clogging abnormality and damage to the exhaust gas purification device itself. .
[0043]
【The invention's effect】
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine of the present invention, the clogging state of the filter is determined based on a pressure loss difference between an exhaust pressure value that flows into a turbocharger and rotates a turbine and an air flow rate generated by a compressor directly connected to the turbine, When the clogging state is remarkable, the control means opens the bypass valve to escape a part of the exhaust gas to the exhaust passage downstream by bypassing the turbocharger and the filter, thereby reducing the amount of the exhaust gas flowing into the filter. The temperature inside the filter can be increased, and the clogging can be eliminated by burning the fine particles.
Therefore, the present invention can provide an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine that can eliminate a clogged state of a particulate filter with a catalyst and ensure normal rotation of a turbine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine to which an exhaust gas purification device for an internal combustion engine of the present invention is applied.
FIG. 2 is a flowchart showing a process for determining whether or not there is a clogging abnormality of a filter included in the exhaust gas purification device A according to the present embodiment and a process for avoiding a clogged state.
FIG. 3 is an explanatory diagram of an abnormality determination map.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine main body 2 Cylinder block 3 Cylinder head 4 Piston 5 Combustion chamber 6 Electric control type fuel injection valve 6a Fuel supply pipe 7 Intake valve 8 Intake port 9 Exhaust valve 10 Exhaust port 11 Intake branch pipe 12 Surge tank 13 Intake duct 14 Exhaust turbo Charger 15 Compressor 16 Step motor 17 Throttle valve 18 Cooling device 19 Exhaust manifold 20 Exhaust pipe 21 Turbine 22 Catalytic particulate filter (filter)
23 case body 24 EGR passage 25 electric control type EGR control valve 26 cooling device 27 common rail 28 fuel pump 29 fuel pressure sensor 30 ECU (control means)
31 bidirectional bus 32 ROM
33 RAM
34 CPU
35 input port 36 output port 37 AD converter 38 drive circuit 40 accelerator pedal 41 load sensor 42 crank angle sensor 70 exhaust pipe (exhaust passage)
79 exhaust temperature sensor 80 air cleaner 81 air flow meter (outlet air flow detecting means)
82 exhaust pressure sensor (inlet side exhaust pressure detection means)
83 oxygen sensor 90 bypass passage 91 WGV (bypass valve)
A Exhaust gas purification device

Claims (4)

排気通路に設置され、排気圧を用いて吸気を加圧するターボチャージャと、
このターボチャージャの前記排気通路上流の排気圧を検出する入口側排気圧検出手段と、
前記ターボチャージャにより加圧吸気された空気流量を検出する出口側空気流量検出手段と、
前記排気通路に設置され、酸化触媒を担持し排気ガス中の微粒子を捕獲可能なフィルタと、
前記排気ガスが前記フィルタ及び前記ターボチャージャを迂回するように前記排気通路に分岐して設置された迂回通路と、
この迂回通路を開閉するバイパス弁と、
前記入口側排気圧検出手段が検出する排気圧の値と前記出口側空気流量検出手段が検出する空気流量に基づいて前記バイパス弁の開閉を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
A turbocharger installed in an exhaust passage and pressurizing intake air using exhaust pressure,
Inlet-side exhaust pressure detecting means for detecting exhaust pressure upstream of the exhaust passage of the turbocharger;
Outlet-side air flow rate detecting means for detecting an air flow rate pressurized and suctioned by the turbocharger,
A filter that is installed in the exhaust passage and carries an oxidation catalyst and can capture fine particles in exhaust gas;
A bypass passage branching into the exhaust passage so that the exhaust gas bypasses the filter and the turbocharger,
A bypass valve for opening and closing the bypass passage;
Control means for controlling opening and closing of the bypass valve based on an exhaust pressure value detected by the inlet-side exhaust pressure detecting means and an air flow rate detected by the outlet-side air flow rate detecting means. An exhaust gas purification device for an internal combustion engine.
前記制御手段は、前記入口側排気圧検出手段の圧力値及び前記出口側空気流量検出手段の空気流量とから前記フィルタの目詰まり異常を判断し、前記バイパス弁の開閉を制御する請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。2. The control unit determines a clogging abnormality of the filter based on a pressure value of the inlet-side exhaust pressure detecting unit and an air flow rate of the outlet-side air flow detecting unit, and controls opening and closing of the bypass valve. 3. Exhaust purification device for internal combustion engine. 前記制御手段は、前記検出した排気圧の値及び空気流量から前記フィルタの目詰まり異常であると判断するとき、前記バイパス弁を開き排気ガスを迂回させると共にアラームを発生させる請求項2記載の内燃機関の排気浄化装置。3. The internal combustion engine according to claim 2, wherein the control unit opens the bypass valve to bypass the exhaust gas and generates an alarm when it is determined from the detected exhaust pressure value and the air flow rate that the filter is abnormally clogged. Engine exhaust purification device. 前記バイパス弁はウェイストゲートバルブである請求項1から請求項3のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the bypass valve is a waste gate valve.
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