JP3778016B2

JP3778016B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3778016B2
Application number: JP2001201939A
Authority: JP
Inventors: 敦青木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2021-07-03
Also published as: JP2003020933A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機関の排気通路に排気中のパティキュレート（以下ＰＭという）を捕集するパティキュレートフィルタ（一般にディーゼルパティキュレートフィルタと呼ばれるので、以下ではＤＰＦという）を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＰＦは、排気中のＰＭを捕集し、ＤＰＦ中でＰＭを燃焼させることによりＰＭを除去するものである。ＤＰＦ中でＰＭが燃焼するか否かは排気温度に依存しており、排気温度が所定の温度以上のときしか燃焼しない。
よって、排気温度が前記所定の温度未満のときは、ＤＰＦ中のＰＭが燃焼せず増加することにより、ＤＰＦが目詰まりを起こしてしまうため、ＤＰＦに捕集されたＰＭ量（ＰＭ堆積量）が所定量を超えた場合は、強制的に再生を行う必要がある。
【０００３】
ＤＰＦを強制的に再生させる技術としては、例えば、特開平１１−２８０４４９号公報に開示される技術が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排気温度が前記所定の温度以上でＤＰＦ中のＰＭが燃焼している場合であっても、機関から排出されてＤＰＦに流入するＰＭ量が過大なとき、すなわち、ＤＰＦに流入する単位時間当たりのＰＭ量（ＰＭ流入量）がＤＰＦ中で燃焼する単位時間当たりのＰＭ量（ＰＭ燃焼量）を超えてしまうときは、ＤＰＦ中のＰＭ堆積量が増加し、結果として目詰まりを起こしてしまうといった問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ＤＰＦの目詰まりを確実に防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の発明では、機関の排気通路に配置され、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦと、前記ＤＰＦのＰＭ燃焼量を推定するＰＭ燃焼量推定手段と、機関から排出されて前記ＤＰＦに流入するＰＭ流入量を推定するＰＭ流入量推定手段と、前記ＤＰＦが再生領域にあるか否かを判定する再生判定手段と、前記再生領域にあり、且つ、前記ＰＭ燃焼量が前記ＰＭ流入量より小さいときに、機関の空気過剰率を大きくする空気過剰率制御手段と、を備えて、内燃機関の排気浄化装置を構成する。
【０００７】
ここでいう「ＰＭ流入量」とは、ＤＰＦに流入する単位時間当たりのＰＭ量であり、機関から排出される単位時間あたりのＰＭ量と等価である。また、「ＰＭ燃焼量」とは、ＤＰＦ中で燃焼する単位時間当たりのＰＭ量である。
請求項２の発明では、前記ＰＭ燃焼量推定手段は、前記ＤＰＦのＰＭ堆積量から前記ＰＭ燃焼量を推定することを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明では、前記ＰＭ燃焼量推定手段は、前記ＤＰＦ上流側の排気圧力に基づいて前記ＰＭ燃焼量を推定することを特徴とする。この場合、ＤＰＦ上流側の排気圧力からＰＭ燃焼量を直接推定してもよいし、ＤＰＦ上流側の排気圧力からＰＭ堆積量を求めてこのＰＭ堆積量から推定してもよい。
請求項４の発明では、前記ＤＰＦ上流側の排気通路に配置され、排気中のＮＯをＮＯ2 に酸化する酸化触媒を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明では、前記ＤＰＦは、フィルタ表面上に酸化触媒を担持することを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、ＤＰＦの再生領域で、ＤＰＦにおけるＰＭ燃焼量がＰＭ流入量より小さくなる場合に、空気過剰率を大きくするように補正することで、機関から排出されるＰＭ量、すなわちＤＰＦへのＰＭ流入量を低減することができ、ＤＰＦにおけるＰＭ燃焼量以上のＰＭが流入して、ＤＰＦが目詰まりを起こすことを防止することが可能となる。
【００１１】
また、ＤＰＦの再生領域（主に高負荷領域）でのみ空気過剰率の補正を行い、再生が起きない領域（低負荷領域）では空気過剰率の補正を行わないので、低負荷時に空気過剰率が過大になり機関が停止することを避けつつ、高負荷時にＤＰＦにおけるＰＭ燃焼量以上のＰＭが機関より排出されてＤＰＦが詰まることを防止することが可能となる。
【００１２】
請求項２及び／又は請求項３の発明によれば、簡便な方法でＰＭ燃焼量を求め、制御の簡素化を図ることができる。
請求項４及び／又は請求項５の発明によれば、酸化機能により、排気中のＮＯがＮＯ2 に酸化され、このＮＯ2 がＤＰＦ中のＰＭと反応することでＰＭを除去することができる。そして、ここでのＰＭとＮＯ2 との反応は、ＰＭとＯ2 とが反応する温度（６００℃以上）より低い温度（例えば３５０℃）から起こるため、ＤＰＦの再生領域を中負荷側に広げることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す圧縮着火式内燃機関（ここではディーゼルエンジン）のシステム図である。
ディーゼルエンジン１において、空気は、吸気通路２に介在させた吸気絞り弁３を経て、各気筒の燃焼室内へ流入する。燃料は、高圧燃料ポンプ４、コモンレール５及び各気筒の燃料噴射弁６を含んで構成されるコモンレール式燃料噴射装置により、各気筒の燃焼室内へ直接噴射される。各気筒の燃焼室内に流入した空気と噴射された燃料はここで圧縮着火により燃焼し、排気は排気通路７へ流出する。
【００１４】
ここで、排気通路７には、その途中に、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ８を配置してある。
エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１０には、エンジン１の制御のため、エンジン回転数Ｎｅ検出用の回転数センサ１１、アクセル開度ＡＰＯ検出用のアクセル開度センサ１２、吸気量Ｗair 検出用のエアフローメータ１３、排気圧力Ｐexh 検出用の排圧センサ１４等から、信号が入力されている。
【００１５】
排圧センサ１４は、排気通路７のＤＰＦ８上流側に設けられ、ＤＰＦ８のＰＭ堆積量を推定するために用いられる。
ＥＣＵ１０は、これらの入力信号に基づいて演算処理を行い、運転状態に応じて、コモンレール式燃料噴射装置の燃料噴射弁６へ燃料噴射量及び噴射時期の制御のための燃料噴射指令信号を出力し、また、吸気絞り弁３へ開度指令信号を出力する。
【００１６】
次に、上記の構成でのＥＣＵ１０による空気過剰率の補正制御について、フローチャートにより説明する。
図２は空気過剰率補正制御ルーチンのフローチャートであり、本ルーチンは所定時間毎に実行される。
Ｓ１では、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ、吸気量Ｗair 、排気圧力Ｐexh を読込む。ここで、燃料噴射量Ｑｆは、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＡＰＯとに対応させたマップを基に演算されるので、その演算値を読込む。
【００１７】
Ｓ２では、燃料噴射量Ｑｆと吸気量Ｗair とエンジン回転数Ｎｅとから、現在の空気過剰率λ０を、
λ０＝（Ｗair ／Ｎｅ）／（Ｑｆ×14.7）
により、演算する。
Ｓ３では、図３のマップを参照して、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆとに基づき、ＤＰＦ８の再生領域（自己再生領域；高負荷領域）か否かを判定する。
【００１８】
再生領域でない場合は、空気過剰率補正制御は行わないので、本ルーチンを終了する。
再生領域の場合は、空気過剰率補正制御のため、Ｓ４へ進み、
Ｓ４では、ＤＰＦ８でのＰＭ堆積量が増大するほど、ＤＰＦ８上流側の排気圧力Ｐexh が増大することから、ＤＰＦ８上流側の排気圧力Ｐexh からＰＭ堆積量Ｗ１を推定する。但し、排気圧力Ｐexh はエンジンの運転状態によっても変化するので、現在の運転状態に対応するベース排気圧力を考慮することは言うまでもない。
【００１９】
次のＳ５では、図４のテーブルを参照して、ＤＰＦ８でのＰＭ堆積量Ｗ１から、ＤＰＦ８での単位時間当たりのＰＭ燃焼量Ｖ１を推定する。この部分がＰＭ燃焼量推定手段に相当する。
次のＳ６では、図５のテーブルを参照して、現在の空気過剰率λ０から、ＤＰＦ８への単位時間当たりのＰＭ流入量Ｖ０を推定する。この部分がＰＭ流入量推定手段に相当する。
【００２０】
次のＳ７では、ＤＰＦ８に流入するＰＭの量（ＰＭ流入量Ｖ０）とＤＰＦ８で燃焼除去されるＰＭの量（ＰＭ燃焼量Ｖ１）とを比較し、流入する量の方が大きい場合（Ｖ０≧Ｖ１の場合）は、Ｓ８に進む。
Ｓ８では、図５のテーブルを参照して、空気過剰率をＰＭ流入量がＰＭ燃焼量Ｖ１と等しくなる空気過剰率λ１を求め、空気過剰率をλ１に制御することで、空気過剰率を大きくする。この部分が空気過剰率制御手段に相当する。
【００２１】
一方、流入する量の方が小さい場合（Ｖ０＜Ｖ１の場合）は、空気過剰率補正制御は行わないので、本ルーチンを終了する。
このように、空気過剰率をλ１に制御することで、ＰＭ流入量がＰＭ燃焼量と等しくなるため、ＤＰＦ８の目詰まりを防止できる。また、Ｓ８において、空気過剰率をλ１より大きなλ２に制御してもよく、この場合、ＰＭ流入量がＰＭ燃焼量より小さくなるため、ＤＰＦ８の再生が行われることになる。
【００２２】
尚、前記Ｓ８での空気過剰率の制御は、燃料噴射量の制御で行うものとする。本実施形態の場合、再生領域は高負荷領域に特定されており、この領域では吸気絞り弁３は全開に制御されているからである。従って、燃料噴射量を減少補正して、空気過剰率を大きくする。この場合、燃料噴射量を減らすと、トルクも減ってしまうことが懸念されるが、空気過剰率をわずかに大きくすればスモークの発生は激減するため、ここでの燃料噴射量の減少量は微少であり、トルクが大幅に低下することはない。
【００２３】
次に本発明の第２実施形態について説明する。
図６は第２実施形態での内燃機関のシステム図である。第１実施形態と異なる点は、排気通路７のＤＰＦ８上流側に酸化触媒９を配置し、更にＤＰＦ８のフィルタ表面に酸化触媒を担持させて酸化機能付きＤＰＦとした点である。
この場合、酸化触媒９と、ＤＰＦ８の酸化機能（フィルタ上に担持された酸化触媒の有する機能）とにより、排気中のＮＯがＮＯ2 に酸化され、このＮＯ2 がＤＰＦ８中のＰＭと反応することでＰＭを除去することができる。
【００２４】
ここでのＰＭとＮＯ2 との反応は、ＰＭとＯ2 との反応より低い温度（３５０℃）から起こるため、図７に示すように再生領域が中負荷側に広がることになる。ここで、図７に示す連続再生領域がＮＯ2 との反応によってＰＭを除去できる領域である。
第２実施形態での空気過剰率の補正制御は、基本的には図２のフローによるが、次の点が異なる。
【００２５】
Ｓ３では、再生領域か否かを判定するが、第２実施形態では、図７のマップを参照して、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆとに基づき、ＤＰＦ８の再生領域（自己再生領域＋連続再生領域；中〜高負荷領域）か否かを判定する。
Ｓ８では、図５のテーブルを参照して、空気過剰率をＰＭ流入量がＰＭ燃焼量Ｖ１と等しくなる空気過剰率λ１を求め、空気過剰率をλ１に制御することで、空気過剰率を大きくするが、第２実施形態での空気過剰率の制御は次のように行う。
【００２６】
自己再生領域の場合は、高負荷領域であり、この領域では吸気絞り弁３は全開のため、燃料噴射量のみで空気過剰率を制御する。連続再生領域の場合は、中負荷領域であるので、吸気絞り弁３の開度制御と、燃料噴射量の制御とで、空気過剰率を制御する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図２】空気過剰率補正制御のフローチャート
【図３】再生領域判定用のマップ
【図４】ＰＭ燃焼量推定用のテーブル
【図５】ＰＭ流入量推定用のテーブル
【図６】本発明の第２実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図７】第２実施形態での再生領域判定用のマップ
【符号の説明】
１エンジン
２吸気通路
３吸気絞り弁
６燃料噴射弁
７排気通路
８ＤＰＦ
９酸化触媒
１０ＥＣＵ
１１回転数センサ
１２アクセル開度センサ
１３エアフローメータ
１４排圧センサ

Claims

機関の排気通路に配置され、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタでのパティキュレート燃焼量を推定するパティキュレート燃焼量推定手段と、
機関から排出されて前記パティキュレートフィルタに流入するパティキュレート流入量を推定するパティキュレート流入量推定手段と、
前記パティキュレートフィルタが再生領域にあるか否かを判定する再生判定手段と、
前記再生領域にあり、且つ、前記パティキュレート燃焼量が前記パティキュレート流入量より小さいときに、機関の空気過剰率を大きくする空気過剰率制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレート燃焼量推定手段は、前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量から前記パティキュレート燃焼量を推定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレート燃焼量推定手段は、前記パティキュレートフィルタ上流側の排気圧力に基づいて前記パティキュレート燃焼量を推定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタ上流側の排気通路に配置され、排気中のＮＯをＮＯ2 に酸化する酸化触媒を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタは、フィルタ表面上に酸化触媒を担持することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。