JP3899820B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - 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に関し、特に排気中の微粒子（以下パティキュレートという）を捕集する微粒子捕集フィルタ（以下パティキュレートフィルタという）の再生処理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気通路中に、流入する排気の酸素濃度が高いとき（リーン運転時）に排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収し、酸素濃度が低いとき（リッチ運転時）に吸収したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸収剤と、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を配置した内燃機関の排気浄化装置として、特許第２７２２９８７号が知られている。
【０００３】
この従来技術は、リッチ運転（吸気絞り弁閉弁）で還元剤を供給してＮＯｘ吸収剤に吸収したＮＯｘを還元浄化し、その後、リーン運転（吸気絞り弁開弁）で還元剤を供給してパティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼除去する。これにより、ＮＯｘ浄化の際に発生する熱をパティキュレートの燃焼除去に利用できるため、パティキュレートの燃焼除去の際に、電気ヒータやバーナ等による加熱処理を行うことを低減している。
【０００４】
尚、ＮＯｘ吸収剤は、流入する排気中にＳＯｘ（硫黄酸化物）が存在すると、このＳＯｘも吸収してしまう。そして、ＮＯｘ吸収剤のＳＯｘ吸収量が増大すると（ＳＯｘ被毒）、ＮＯｘを吸収するための容量が低減してＮＯｘの浄化効率が低下するため、一定期間毎にＳＯｘ被毒を解除する必要がある。ＳＯｘ被毒解除を行う内燃機関の排気浄化装置としては、例えば特許第２７２７９０６号が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートは、パティキュレートフィルタの温度を６５０℃以上にしてパティキュレートフィルタに一気に酸素を供給すると、燃焼伝播により勢い良く燃焼するため、最大の燃焼速度を得ることができる。燃焼伝播によるパティキュレートの燃焼が開始すると、酸素量が十分であればその後６５０℃以下になっても捕集されたパティキュレートが全て除去されるまで燃焼伝播による燃焼は維持される。
【０００６】
しかしながら、パティキュレートフィルタの温度が６５０℃以上になる前にパティキュレートフィルタ中に酸素が存在すると、パティキュレートは酸化反応により燃焼を開始してパティキュレートフィルタ中のパティキュレート密度が低下するため、その後、６５０℃以上となったとしても燃焼伝播が起こり難く（パティキュレート密度が低くなると高いときに比して燃焼が伝播し難くなり）、６５０℃以上にして一気に酸素を供給する場合に比して燃焼速度が遅くなる。
【０００７】
ゆえに、上記従来技術（特許第２７２２９８７号）に開示された、ＮＯｘ浄化を行うことにより発生する熱をパティキュレートの燃焼除去に利用する構成では、パティキュレートの燃焼速度を最大まで上げることができない。
具体的には、ＮＯｘは比較的低温で浄化できる（２５０℃からＮＯｘ浄化が開始する）ため、ＮＯｘ浄化が終了してリッチ運転からリーン運転に切換えたときに、パティキュレートフィルタの温度が６５０℃を超えることはない。そして、リーン運転に切換わった後に還元剤（燃料）を供給して昇温を続けても、６５０℃に達する前にパティキュレートの酸化反応が起こって捕集されたパティキュレートの濃度が低下するため、捕集されたパティキュレートを勢い良く燃焼除去できない。
【０００８】
これにより、パティキュレートフィルタの再生に要する時間が長引くため、リッチ運転を保つために燃費が悪化すると共に、パティキュレートに燃え残りが生じるため、排圧の回復が不十分となって運転性の悪化及び通常運転時の燃費の悪化を招くといった問題があった。
本発明は、このような従来の問題に鑑み、パティキュレートフィルタの再生を確実かつ速やかに行い得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。
【０００９】
【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、内燃機関の排気通路中に配置され、流入する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の再生時期を判断する再生時期判断手段と、前記パティキュレートフィルタを昇温可能なフィルタ昇温手段と、排気中の酸素濃度を制御可能な酸素濃度制御手段と、前記パティキュレートフィルタの再生時期に、前記パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えるまでの間は、前記酸素濃度制御手段により排気中の酸素濃度を前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが燃焼伝播する酸素量を確保できない酸素濃度に吸気絞り弁を閉じることで設定すると共に前記フィルタ昇温手段により前記パティキュレートフィルタを昇温させ、前記パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えた後に、前記酸素濃度制御手段により排気中の酸素濃度を前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが燃焼伝播する酸素濃度に吸気絞り弁を開けることで設定すると共に前記フィルタ昇温手段の作動を停止させるフィルタ再生制御手段と、を備える構成とする。
【００１０】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記所定温度は、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが燃焼伝播する温度に設定されることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、排気通路中に配置され、流入する排気の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯｘをトラップし、酸素濃度が低いときにトラップされているＮＯｘを還元浄化するＮＯｘトラップ触媒を備える場合に、前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘトラップ触媒に堆積したＳＯｘが脱離可能な温度まで、前記ＮＯｘトラップ触媒をも昇温するものであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明では、請求項３の発明において、前記フィルタ再生制御手段は、前記パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えても、前記ＮＯｘトラップ触媒のＳＯｘの脱離が完了するまでの期間、排気中の酸素濃度を低く維持することを特徴とする。
請求項５の発明では、請求項１〜４の発明において、排気通路中に、三元機能を有する触媒を配置することを特徴とする。この場合、前記ＮＯｘトラップ触媒に酸化機能を持たせることによって、これを三元機能を有する触媒として利用してもよい。
【００１３】
請求項６の発明では、請求項５の発明において、前記酸素濃度を低くする際に、空気過剰率を１以下（空燃比では１４．７以下）にすることを特徴とする。
請求項７の発明では、請求項１〜６の発明において、前記フィルタ昇温手段は、燃料の主噴射の後、膨張行程以降に燃焼室内に燃料を追加噴射（ポスト噴射）することにより、排気温度を上昇させる手段であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、パティキュレートフィルタの再生時期に、パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えるまでの間は、排気中の酸素濃度を低くした状態で昇温することで、パティキュレートフィルタに捕集されているパティキュレートが燃焼を開始するのを抑制し、パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えると、排気中の酸素濃度を高くすることで、燃焼伝播によりパティキュレートフィルタに捕集されているパティキュレートを一気に燃焼させることができ、高い燃焼速度でのパティキュレートフィルタの再生が可能となる。
【００１６】
また、パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えるまでは、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが排気中で燃焼伝播するだけの酸素量を確保できない状態にする一方、パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えると、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが排気中で燃焼伝播するだけの酸素量を確保できる状態にすることで、上記の効果を確実なものとすることができ、特に、捕集されているパティキュレートの全てが一気に燃焼を開始しても使い果たさないだけの酸素量を確保でき、酸素不足で失火することを防止できる。
また、酸素濃度制御を吸気絞り弁の制御より実現することで、容易に実施できる。
請求項２の発明によれば、前記所定温度を、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが燃焼伝播する温度に設定することで、上記の効果を確実なものとすることができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、ＮＯｘトラップ触媒を備える場合に、ＮＯｘトラップ触媒に堆積したＳＯｘが脱離するのにも十分な温度まで昇温させることで、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼伝播により勢い良く燃焼させられると共に、ＮＯｘトラップ触媒のＳＯｘ被毒解除も行うことができる。
【００１８】
請求項４の発明によれば、パティキュレートフィルタの再生時期に、パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えても、ＮＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘの脱離可能な温度となってから所定期間（例えば所定時間）経過するまでは、排気中の酸素濃度を低く維持することにより、この期間において、ＮＯｘトラップ触媒のＳＯｘ被毒を確実に解除できる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、排気通路中に、三元機能を有する触媒を配置することで、排気中の酸素濃度を低くするためのリッチ運転や、昇温のためのポスト噴射により発生するＨＣ、ＣＯを浄化できる。
請求項６の発明によれば、排気中の酸素濃度を低くする際に、空気過剰率を１以下（ストイキ）にすることで、触媒の三元機能が効果的に働き、リッチ運転時のエミッションの悪化を抑制可能となる。
【００２０】
請求項７の発明によれば、パティキュレートフィルタの昇温をポスト噴射により行うことで、ハードの追加等なしに実施できる。
【００２１】
【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は本発明の一実施形態を示す内燃機関（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、吸気管２より吸入された空気は、可変ノズル型のターボチャージャ３の吸気コンプレッサによって過給され、インタークーラ４で冷却され、吸気絞り弁５を通過した後、コレクタ６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７により高圧化されてコモンレール８に送られ、各気筒の燃料噴射弁９から燃焼室内へ直接噴射される。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１０へ流出する。
【００２２】
排気通路１０へ流出した排気の一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ配管１１によりＥＧＲ制御弁１２を介して吸気側へ還流される。排気の残りは、可変ノズル型のターボチャージャ３の排気タービンを通り、これを駆動する。
ここで、排気通路１０の排気タービン下流には、排気浄化のため、ＮＯｘトラップ触媒１３を配置し、更にその下流に、パティキュレートフィルタ１４を配置してある。
【００２３】
ＮＯｘトラップ触媒１３は、流入する排気の酸素濃度の高いときに排気中のＮＯｘをトラップ（吸着ないし吸収）し、酸素濃度が低いときにトラップされているＮＯｘを還元浄化するもので、本実施形態では更に貴金属を担持させてＨＣ、ＣＯに対する酸化機能を持たせることで、三元機能を有するものとしてある。
このＮＯｘトラップ触媒１３は、流入する排気中にＳＯｘが存在すると、このＳＯｘもトラップしてしまう。ＮＯｘトラップ触媒１３にトラップされるＳＯｘトラップ量が増大すると（ＳＯｘ被毒）、ＮＯｘをトラップするための容量が低減してＮＯｘの浄化効率が低下するため、一定期間毎にＳＯｘ被毒を解除する必要がある。
【００２４】
パティキュレートフィルタ１４は、流入する排気中のパティキュレートを捕集するものである。パティキュレートフィルタ１４に捕集された（堆積している）パティキュレートの量、すなわち、パティキュレート堆積量の増加は、排気抵抗の増大となり燃費を悪化させるため、一定期間毎に堆積しているパティキュレートを燃焼除去してパティキュレートフィルタ１４を再生させる必要がある。
【００２５】
尚、本実施形態では、ＮＯｘトラップ触媒１３をパティキュレートフィルタ１４の上流側に配置しているが、本発明の基本的課題を達成するだけであれば、この逆の配置であってもよいし、両者を一体化してもよい。
コントロールユニット２０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２１、アクセル開度ＡＰＯ検出用のアクセル開度センサ２２等から、信号が入力されている。
【００２６】
また、特に本実施形態では、排気通路１０のＮＯｘトラップ触媒１３とパティキュレートフィルタ１４との間に排気圧力センサ２３が設けられ、また、パティキュレートフィルタ１４の下流側に排気温度センサ２４が設けられており、これらの信号もコントロールユニット２０に入力されている。
コントロールユニット２０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射弁９への燃料噴射時期及び噴射量制御のための燃料噴射指令信号、吸気絞り弁５への開度指令信号等を出力する。
【００２７】
特に、本発明では、パティキュレートフィルタ１４の再生の要否を判断して、再生時期の場合に所定の再生処理を行うようにしており、かかるパティキュレートフィルタ再生制御について、以下に詳細に説明する。
図２はコントロールユニット２０にて実行されるパティキュレートフィルタ再生制御のフローチャートである。
【００２８】
Ｓ１では、先ず回転数センサ２１とアクセル開度センサ２２とから、エンジンの運転状態（エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＡＰＯ）を読込む。
Ｓ２では、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＡＰＯとをパラメータとするマップ（図示せず）から、燃料噴射量Ｑ（主噴射用）を演算する。
Ｓ３では、パティキュレートフィルタ１４の再生時期の判断のため、パティキュレートフィルタ１４のパティキュレート堆積量（フローではＰＭ堆積量と略記）を検出する。パティキュレートフィルタ１４のパティキュレート堆積量を直接検出することは困難であるので、ここでは、パティキュレートフィルタ１４のパティキュレート堆積量が増えれば、当然パティキュレートフィルタ１４の上流側排気圧力が上昇することから、排気圧力センサ２３により、パティキュレートフィルタ１４の上流側排気圧力（パティキュレートフィルタ１４の背圧）を検出する。
【００２９】
Ｓ４では、パティキュレートフィルタ１４に対する再生要求フラグが既に立っている（＝１）かを否かを判定する。再生要求フラグ＝０の場合は、Ｓ５へ進み、再生要求フラグ＝１の場合は、Ｓ９へ進む。
Ｓ５では、パティキュレートフィルタ１４のパティキュレート堆積量（フローではＰＭ堆積量と略記）が所定値を超えたか否かを判定する。パティキュレートフィルタ１４のパティキュレート堆積量をパティキュレートフィルタ１４の上流側排気圧力により間接的に検出する場合は、パティキュレートフィルタ１４の上流側排気圧力が所定の閾値（背圧閾値）ＡＣＣ１を超えたか否かを判定する。ここで用いる背圧閾値ＡＣＣ１は、図３に示すマップ、すなわち、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとをパラメータとするマップより設定する。
【００３０】
すなわち、現在の運転状態（Ｎｅ，Ｑ）での排気圧力が図３の対応する運転状態での背圧閾値ＡＣＣ１を超えていない場合は、未だ再生時期でないと判断して、リターンするが、現在の運転状態（Ｎｅ，Ｑ）での排気圧力が図３の対応する運転状態での背圧閾値ＡＣＣ１を超えている場合は、パティキュレートフィルタ１４にパティキュレートが過度に堆積している、つまりパティキュレート堆積量が所定値を超えて、再生時期に達していると判断して、Ｓ６以降の強制再生モードに入る。
【００３１】
Ｓ６では、先ず排気中の酸素濃度を低くするため、吸気絞り弁５の開度を制御して吸入空気量を調整することにより、リッチ運転を開始する。かかるリッチ運転時は、図４に示すマップ、すなわち、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとをパラメータとしてリッチ運転のための目標吸入空気量を定めたマップから、目標吸入空気量を求めて、その値になるように吸気絞り弁５の開度を調整する。
【００３２】
Ｓ７では、排気温度を上昇させるため、ポスト噴射を開始する。すなわち、圧縮行程での燃料の主噴射の後の、膨張行程もしくは排気行程での追加の燃料噴射であるポスト噴射を開始する。ポスト噴射を行う場合は、図５に示すマップ、すなわち、エンジン回転数Ｎｅと主噴射用の燃料噴射量Ｑとをパラメータとしてパティキュレートフィルタ１４を再生可能な目標排温までの昇温のための目標ポスト噴射量を定めたマップから、目標ポスト噴射量を求めて、所定のポスト噴射時期に噴射させる。
【００３３】
ここで、図６に示すように、ポスト噴射によるパティキュレートフィルタ１４の昇温を酸素濃度の非常に低い状態（ここではリッチ運転）で行い、パティキュレートフィルタ１４の温度をパティキュレートの燃焼伝播が可能な所定温度Ｔ２まで上昇させた後、燃焼伝播が可能な酸素（リーンな排気ガス）を供給してやれば、堆積していたパティキュレートを一気に燃焼させることができ、高い燃焼速度でパティキュレートフィルタを再生させられるため、再生時間は短くて済むのである。
【００３４】
ところが、図７に示すように、酸素が多いリーンで昇温していくと、燃焼伝播が起こる温度になる前に部分的な酸化が始まり、Ｔ２に達したときには燃焼伝播が始まるほどのパティキュレート堆積密度になってないため、堆積していたパティキュレートが一気に燃焼することはない。このため、同じ時間昇温しても本発明の方が短時間で効率よく再生可能なのである。
【００３５】
ポスト噴射自体については特開平９−５３４４２号公報（第４頁）などに記載されている。尚、触媒前後にＯ２センサを配置して空燃比をフィードバックしながらポスト噴射を行えば、昇温中の排気も触媒の貴金属によって三元処理され、エミッションが改善される。すなわち、ＮＯｘトラップ触媒１３の酸化機能により、ポスト噴射して排出されるＨＣ、ＣＯを浄化できる。
【００３６】
Ｓ８では、再生要求フラグを１にセットする。
再生要求フラグ＝１になると、次回以降のルーチンにおいて、Ｓ４での判定でＳ９以降へ進む。
Ｓ９では、排気温度が所定温度Ｔ１を超えたか否かを判定する。これはＮＯｘトラップ触媒１３の温度がＳＯｘ被毒解除に十分な温度（ＳＯｘの脱離温度）に達したか否かを判定するためである。ここでの所定温度Ｔ１は、ＮＯｘトラップ触媒１３の温度判定のためのもので、通常はリッチ運転で５５０〜６５０℃であるが、パティキュレートフィルタ１４下流側の排気温度に基づいて判断するため、ＮＯｘトラップ触媒１３の温度との差分を考慮して設定する。但し、運転状態及びその履歴から触媒温度を推定してもよい。
【００３７】
排気温度が所定温度Ｔ１を超えるまではリターンし、所定温度Ｔ１を超えるとＳ１０へ進む。
Ｓ１０では、ＳＯｘ被毒が完全に解除されたか否かを判定するため、排気温度が所定温度Ｔ１に達してからの経過時間が所定時間ｔ１を超えたか否かを判定する。ｔ１以上リッチ運転が持続すれば、堆積していたＳＯｘも排気中に脱離するからである。尚、ここでの所定時間ｔ１は、パティキュレートフィルタ１４上流のＮＯｘトラップ触媒１３のＳＯｘトラップ量を計算し、これに基づいて設定してもよい。ＳＯｘトラップ量については、エンジン回転数の積算値から推測することができる。
【００３８】
所定時間ｔ１経過するまではリターンし、所定時間ｔ１経過するとＳ１１へ進む。
Ｓ１１では、排気温度が所定温度Ｔ２を超えたか否かを判定する。これはパティキュレートフィルタ１４の温度がリーン運転下でパティキュレートの燃焼伝播が期待できる温度に達したか否かを判定するためである。ここでの所定温度Ｔ２は、パティキュレートフィルタ１４の温度判定のためのもので、例えば触媒反応が無い場合は６５０℃程度であるが、パティキュレートフィルタ１４下流側の排気温度に基づいて判断するため、その差分を考慮して設定する。但し、運転状態及びその履歴からパティキュレートフィルタ１４の温度を推定してもよい。
【００３９】
排気温度が所定温度Ｔ２を超えるまではリターンし、所定温度Ｔ２を超えるとＳ１２へ進む。
Ｓ１２では、燃焼伝播が期待できるので、リッチ運転を解除する。すなわち、排気中の酸素濃度を高くするため、吸気絞り弁５を略全開にして、リーン運転に切換える。
【００４０】
Ｓ１３では、ポスト噴射を停止する。
Ｓ１４では、再生動作が全て終了したので、再生要求フラグを０にリセットして、本ルーチンを終了する。
ここで、Ｓ３、Ｓ５の部分が再生時期判定手段に相当し、Ｓ６〜１４の部分が酸素濃度制御手段（吸気絞り弁５）及びフィルタ昇温手段（ポスト噴射）を用いたフィルタ再生制御手段に相当する。
【００４１】
このように、排気温度がＮＯｘトラップ触媒１３に堆積したＳＯｘが脱離するのに十分な所定温度Ｔ１を超えてから所定時間ｔ１が経過するまでの間は、排気温度が所定温度Ｔ２を超える場合であってもリッチ運転を維持することにより、ＮＯｘトラップ触媒１３のＳＯｘ被毒を確実に解除できると共に、所定時間ｔ１が経過し、且つ、排気温度が所定温度Ｔ２を超えた場合に、リーン運転に切換えることにより、パティキュレートフィルタ１４に十分な酸素が供給されるため、堆積しているパティキュレートを一気に燃焼させることができ、高い燃焼速度でパティキュレートフィルタ１４を再生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図２】 パティキュレートフィルタ再生制御のフローチャート
【図３】 再生時期判定用の背圧閾値のマップ
【図４】 リッチ運転のための目標吸入空気量のマップ
【図５】 昇温のための目標ポスト噴射量のマップ
【図６】 リッチ→リーンにおけるパティキュレート燃焼を示す図
【図７】 リーンにおけるパティキュレート燃焼を示す図
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン
２ 吸気管
５ 吸気絞り弁
７ 高圧燃料ポンプ
９ 燃料噴射弁
１０ 排気通路
１３ ＮＯｘトラップ触媒
１４ パティキュレートフィルタ
２０ コントロールユニット
２１ 回転数センサ
２２ アクセル開度センサ
２３ 排気圧力センサ
２４ 排気温度センサ
【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に関し、特に排気中の微粒子（以下パティキュレートという）を捕集する微粒子捕集フィルタ（以下パティキュレートフィルタという）の再生処理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気通路中に、流入する排気の酸素濃度が高いとき（リーン運転時）に排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収し、酸素濃度が低いとき（リッチ運転時）に吸収したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸収剤と、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を配置した内燃機関の排気浄化装置として、特許第２７２２９８７号が知られている。
【０００３】
この従来技術は、リッチ運転（吸気絞り弁閉弁）で還元剤を供給してＮＯｘ吸収剤に吸収したＮＯｘを還元浄化し、その後、リーン運転（吸気絞り弁開弁）で還元剤を供給してパティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼除去する。これにより、ＮＯｘ浄化の際に発生する熱をパティキュレートの燃焼除去に利用できるため、パティキュレートの燃焼除去の際に、電気ヒータやバーナ等による加熱処理を行うことを低減している。
【０００４】
尚、ＮＯｘ吸収剤は、流入する排気中にＳＯｘ（硫黄酸化物）が存在すると、このＳＯｘも吸収してしまう。そして、ＮＯｘ吸収剤のＳＯｘ吸収量が増大すると（ＳＯｘ被毒）、ＮＯｘを吸収するための容量が低減してＮＯｘの浄化効率が低下するため、一定期間毎にＳＯｘ被毒を解除する必要がある。ＳＯｘ被毒解除を行う内燃機関の排気浄化装置としては、例えば特許第２７２７９０６号が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートは、パティキュレートフィルタの温度を６５０℃以上にしてパティキュレートフィルタに一気に酸素を供給すると、燃焼伝播により勢い良く燃焼するため、最大の燃焼速度を得ることができる。燃焼伝播によるパティキュレートの燃焼が開始すると、酸素量が十分であればその後６５０℃以下になっても捕集されたパティキュレートが全て除去されるまで燃焼伝播による燃焼は維持される。
【０００６】
しかしながら、パティキュレートフィルタの温度が６５０℃以上になる前にパティキュレートフィルタ中に酸素が存在すると、パティキュレートは酸化反応により燃焼を開始してパティキュレートフィルタ中のパティキュレート密度が低下するため、その後、６５０℃以上となったとしても燃焼伝播が起こり難く（パティキュレート密度が低くなると高いときに比して燃焼が伝播し難くなり）、６５０℃以上にして一気に酸素を供給する場合に比して燃焼速度が遅くなる。
【０００７】
ゆえに、上記従来技術（特許第２７２２９８７号）に開示された、ＮＯｘ浄化を行うことにより発生する熱をパティキュレートの燃焼除去に利用する構成では、パティキュレートの燃焼速度を最大まで上げることができない。
具体的には、ＮＯｘは比較的低温で浄化できる（２５０℃からＮＯｘ浄化が開始する）ため、ＮＯｘ浄化が終了してリッチ運転からリーン運転に切換えたときに、パティキュレートフィルタの温度が６５０℃を超えることはない。そして、リーン運転に切換わった後に還元剤（燃料）を供給して昇温を続けても、６５０℃に達する前にパティキュレートの酸化反応が起こって捕集されたパティキュレートの濃度が低下するため、捕集されたパティキュレートを勢い良く燃焼除去できない。
【０００８】
これにより、パティキュレートフィルタの再生に要する時間が長引くため、リッチ運転を保つために燃費が悪化すると共に、パティキュレートに燃え残りが生じるため、排圧の回復が不十分となって運転性の悪化及び通常運転時の燃費の悪化を招くといった問題があった。
本発明は、このような従来の問題に鑑み、パティキュレートフィルタの再生を確実かつ速やかに行い得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。
【０００９】
【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、内燃機関の排気通路中に配置され、流入する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の再生時期を判断する再生時期判断手段と、前記パティキュレートフィルタを昇温可能なフィルタ昇温手段と、排気中の酸素濃度を制御可能な酸素濃度制御手段と、前記パティキュレートフィルタの再生時期に、前記パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えるまでの間は、前記酸素濃度制御手段により排気中の酸素濃度を前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが燃焼伝播する酸素量を確保できない酸素濃度に吸気絞り弁を閉じることで設定すると共に前記フィルタ昇温手段により前記パティキュレートフィルタを昇温させ、前記パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えた後に、前記酸素濃度制御手段により排気中の酸素濃度を前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが燃焼伝播する酸素濃度に吸気絞り弁を開けることで設定すると共に前記フィルタ昇温手段の作動を停止させるフィルタ再生制御手段と、を備える構成とする。
【００１０】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記所定温度は、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが燃焼伝播する温度に設定されることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、排気通路中に配置され、流入する排気の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯｘをトラップし、酸素濃度が低いときにトラップされているＮＯｘを還元浄化するＮＯｘトラップ触媒を備える場合に、前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘトラップ触媒に堆積したＳＯｘが脱離可能な温度まで、前記ＮＯｘトラップ触媒をも昇温するものであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明では、請求項３の発明において、前記フィルタ再生制御手段は、前記パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えても、前記ＮＯｘトラップ触媒のＳＯｘの脱離が完了するまでの期間、排気中の酸素濃度を低く維持することを特徴とする。
請求項５の発明では、請求項１〜４の発明において、排気通路中に、三元機能を有する触媒を配置することを特徴とする。この場合、前記ＮＯｘトラップ触媒に酸化機能を持たせることによって、これを三元機能を有する触媒として利用してもよい。
【００１３】
請求項６の発明では、請求項５の発明において、前記酸素濃度を低くする際に、空気過剰率を１以下（空燃比では１４．７以下）にすることを特徴とする。
請求項７の発明では、請求項１〜６の発明において、前記フィルタ昇温手段は、燃料の主噴射の後、膨張行程以降に燃焼室内に燃料を追加噴射（ポスト噴射）することにより、排気温度を上昇させる手段であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、パティキュレートフィルタの再生時期に、パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えるまでの間は、排気中の酸素濃度を低くした状態で昇温することで、パティキュレートフィルタに捕集されているパティキュレートが燃焼を開始するのを抑制し、パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えると、排気中の酸素濃度を高くすることで、燃焼伝播によりパティキュレートフィルタに捕集されているパティキュレートを一気に燃焼させることができ、高い燃焼速度でのパティキュレートフィルタの再生が可能となる。
【００１６】
また、パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えるまでは、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが排気中で燃焼伝播するだけの酸素量を確保できない状態にする一方、パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えると、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが排気中で燃焼伝播するだけの酸素量を確保できる状態にすることで、上記の効果を確実なものとすることができ、特に、捕集されているパティキュレートの全てが一気に燃焼を開始しても使い果たさないだけの酸素量を確保でき、酸素不足で失火することを防止できる。
また、酸素濃度制御を吸気絞り弁の制御より実現することで、容易に実施できる。
請求項２の発明によれば、前記所定温度を、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートが燃焼伝播する温度に設定することで、上記の効果を確実なものとすることができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、ＮＯｘトラップ触媒を備える場合に、ＮＯｘトラップ触媒に堆積したＳＯｘが脱離するのにも十分な温度まで昇温させることで、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼伝播により勢い良く燃焼させられると共に、ＮＯｘトラップ触媒のＳＯｘ被毒解除も行うことができる。
【００１８】
請求項４の発明によれば、パティキュレートフィルタの再生時期に、パティキュレートフィルタの温度が所定温度を超えても、ＮＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘの脱離可能な温度となってから所定期間（例えば所定時間）経過するまでは、排気中の酸素濃度を低く維持することにより、この期間において、ＮＯｘトラップ触媒のＳＯｘ被毒を確実に解除できる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、排気通路中に、三元機能を有する触媒を配置することで、排気中の酸素濃度を低くするためのリッチ運転や、昇温のためのポスト噴射により発生するＨＣ、ＣＯを浄化できる。
請求項６の発明によれば、排気中の酸素濃度を低くする際に、空気過剰率を１以下（ストイキ）にすることで、触媒の三元機能が効果的に働き、リッチ運転時のエミッションの悪化を抑制可能となる。
【００２０】
請求項７の発明によれば、パティキュレートフィルタの昇温をポスト噴射により行うことで、ハードの追加等なしに実施できる。
【００２１】
【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は本発明の一実施形態を示す内燃機関（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、吸気管２より吸入された空気は、可変ノズル型のターボチャージャ３の吸気コンプレッサによって過給され、インタークーラ４で冷却され、吸気絞り弁５を通過した後、コレクタ６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７により高圧化されてコモンレール８に送られ、各気筒の燃料噴射弁９から燃焼室内へ直接噴射される。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１０へ流出する。
【００２２】
排気通路１０へ流出した排気の一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ配管１１によりＥＧＲ制御弁１２を介して吸気側へ還流される。排気の残りは、可変ノズル型のターボチャージャ３の排気タービンを通り、これを駆動する。
ここで、排気通路１０の排気タービン下流には、排気浄化のため、ＮＯｘトラップ触媒１３を配置し、更にその下流に、パティキュレートフィルタ１４を配置してある。
【００２３】
ＮＯｘトラップ触媒１３は、流入する排気の酸素濃度の高いときに排気中のＮＯｘをトラップ（吸着ないし吸収）し、酸素濃度が低いときにトラップされているＮＯｘを還元浄化するもので、本実施形態では更に貴金属を担持させてＨＣ、ＣＯに対する酸化機能を持たせることで、三元機能を有するものとしてある。
このＮＯｘトラップ触媒１３は、流入する排気中にＳＯｘが存在すると、このＳＯｘもトラップしてしまう。ＮＯｘトラップ触媒１３にトラップされるＳＯｘトラップ量が増大すると（ＳＯｘ被毒）、ＮＯｘをトラップするための容量が低減してＮＯｘの浄化効率が低下するため、一定期間毎にＳＯｘ被毒を解除する必要がある。
【００２４】
パティキュレートフィルタ１４は、流入する排気中のパティキュレートを捕集するものである。パティキュレートフィルタ１４に捕集された（堆積している）パティキュレートの量、すなわち、パティキュレート堆積量の増加は、排気抵抗の増大となり燃費を悪化させるため、一定期間毎に堆積しているパティキュレートを燃焼除去してパティキュレートフィルタ１４を再生させる必要がある。
【００２５】
尚、本実施形態では、ＮＯｘトラップ触媒１３をパティキュレートフィルタ１４の上流側に配置しているが、本発明の基本的課題を達成するだけであれば、この逆の配置であってもよいし、両者を一体化してもよい。
コントロールユニット２０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２１、アクセル開度ＡＰＯ検出用のアクセル開度センサ２２等から、信号が入力されている。
【００２６】
また、特に本実施形態では、排気通路１０のＮＯｘトラップ触媒１３とパティキュレートフィルタ１４との間に排気圧力センサ２３が設けられ、また、パティキュレートフィルタ１４の下流側に排気温度センサ２４が設けられており、これらの信号もコントロールユニット２０に入力されている。
コントロールユニット２０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射弁９への燃料噴射時期及び噴射量制御のための燃料噴射指令信号、吸気絞り弁５への開度指令信号等を出力する。
【００２７】
特に、本発明では、パティキュレートフィルタ１４の再生の要否を判断して、再生時期の場合に所定の再生処理を行うようにしており、かかるパティキュレートフィルタ再生制御について、以下に詳細に説明する。
図２はコントロールユニット２０にて実行されるパティキュレートフィルタ再生制御のフローチャートである。
【００２８】
Ｓ１では、先ず回転数センサ２１とアクセル開度センサ２２とから、エンジンの運転状態（エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＡＰＯ）を読込む。
Ｓ２では、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＡＰＯとをパラメータとするマップ（図示せず）から、燃料噴射量Ｑ（主噴射用）を演算する。
Ｓ３では、パティキュレートフィルタ１４の再生時期の判断のため、パティキュレートフィルタ１４のパティキュレート堆積量（フローではＰＭ堆積量と略記）を検出する。パティキュレートフィルタ１４のパティキュレート堆積量を直接検出することは困難であるので、ここでは、パティキュレートフィルタ１４のパティキュレート堆積量が増えれば、当然パティキュレートフィルタ１４の上流側排気圧力が上昇することから、排気圧力センサ２３により、パティキュレートフィルタ１４の上流側排気圧力（パティキュレートフィルタ１４の背圧）を検出する。
【００２９】
Ｓ４では、パティキュレートフィルタ１４に対する再生要求フラグが既に立っている（＝１）かを否かを判定する。再生要求フラグ＝０の場合は、Ｓ５へ進み、再生要求フラグ＝１の場合は、Ｓ９へ進む。
Ｓ５では、パティキュレートフィルタ１４のパティキュレート堆積量（フローではＰＭ堆積量と略記）が所定値を超えたか否かを判定する。パティキュレートフィルタ１４のパティキュレート堆積量をパティキュレートフィルタ１４の上流側排気圧力により間接的に検出する場合は、パティキュレートフィルタ１４の上流側排気圧力が所定の閾値（背圧閾値）ＡＣＣ１を超えたか否かを判定する。ここで用いる背圧閾値ＡＣＣ１は、図３に示すマップ、すなわち、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとをパラメータとするマップより設定する。
【００３０】
すなわち、現在の運転状態（Ｎｅ，Ｑ）での排気圧力が図３の対応する運転状態での背圧閾値ＡＣＣ１を超えていない場合は、未だ再生時期でないと判断して、リターンするが、現在の運転状態（Ｎｅ，Ｑ）での排気圧力が図３の対応する運転状態での背圧閾値ＡＣＣ１を超えている場合は、パティキュレートフィルタ１４にパティキュレートが過度に堆積している、つまりパティキュレート堆積量が所定値を超えて、再生時期に達していると判断して、Ｓ６以降の強制再生モードに入る。
【００３１】
Ｓ６では、先ず排気中の酸素濃度を低くするため、吸気絞り弁５の開度を制御して吸入空気量を調整することにより、リッチ運転を開始する。かかるリッチ運転時は、図４に示すマップ、すなわち、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとをパラメータとしてリッチ運転のための目標吸入空気量を定めたマップから、目標吸入空気量を求めて、その値になるように吸気絞り弁５の開度を調整する。
【００３２】
Ｓ７では、排気温度を上昇させるため、ポスト噴射を開始する。すなわち、圧縮行程での燃料の主噴射の後の、膨張行程もしくは排気行程での追加の燃料噴射であるポスト噴射を開始する。ポスト噴射を行う場合は、図５に示すマップ、すなわち、エンジン回転数Ｎｅと主噴射用の燃料噴射量Ｑとをパラメータとしてパティキュレートフィルタ１４を再生可能な目標排温までの昇温のための目標ポスト噴射量を定めたマップから、目標ポスト噴射量を求めて、所定のポスト噴射時期に噴射させる。
【００３３】
ここで、図６に示すように、ポスト噴射によるパティキュレートフィルタ１４の昇温を酸素濃度の非常に低い状態（ここではリッチ運転）で行い、パティキュレートフィルタ１４の温度をパティキュレートの燃焼伝播が可能な所定温度Ｔ２まで上昇させた後、燃焼伝播が可能な酸素（リーンな排気ガス）を供給してやれば、堆積していたパティキュレートを一気に燃焼させることができ、高い燃焼速度でパティキュレートフィルタを再生させられるため、再生時間は短くて済むのである。
【００３４】
ところが、図７に示すように、酸素が多いリーンで昇温していくと、燃焼伝播が起こる温度になる前に部分的な酸化が始まり、Ｔ２に達したときには燃焼伝播が始まるほどのパティキュレート堆積密度になってないため、堆積していたパティキュレートが一気に燃焼することはない。このため、同じ時間昇温しても本発明の方が短時間で効率よく再生可能なのである。
【００３５】
ポスト噴射自体については特開平９−５３４４２号公報（第４頁）などに記載されている。尚、触媒前後にＯ２センサを配置して空燃比をフィードバックしながらポスト噴射を行えば、昇温中の排気も触媒の貴金属によって三元処理され、エミッションが改善される。すなわち、ＮＯｘトラップ触媒１３の酸化機能により、ポスト噴射して排出されるＨＣ、ＣＯを浄化できる。
【００３６】
Ｓ８では、再生要求フラグを１にセットする。
再生要求フラグ＝１になると、次回以降のルーチンにおいて、Ｓ４での判定でＳ９以降へ進む。
Ｓ９では、排気温度が所定温度Ｔ１を超えたか否かを判定する。これはＮＯｘトラップ触媒１３の温度がＳＯｘ被毒解除に十分な温度（ＳＯｘの脱離温度）に達したか否かを判定するためである。ここでの所定温度Ｔ１は、ＮＯｘトラップ触媒１３の温度判定のためのもので、通常はリッチ運転で５５０〜６５０℃であるが、パティキュレートフィルタ１４下流側の排気温度に基づいて判断するため、ＮＯｘトラップ触媒１３の温度との差分を考慮して設定する。但し、運転状態及びその履歴から触媒温度を推定してもよい。
【００３７】
排気温度が所定温度Ｔ１を超えるまではリターンし、所定温度Ｔ１を超えるとＳ１０へ進む。
Ｓ１０では、ＳＯｘ被毒が完全に解除されたか否かを判定するため、排気温度が所定温度Ｔ１に達してからの経過時間が所定時間ｔ１を超えたか否かを判定する。ｔ１以上リッチ運転が持続すれば、堆積していたＳＯｘも排気中に脱離するからである。尚、ここでの所定時間ｔ１は、パティキュレートフィルタ１４上流のＮＯｘトラップ触媒１３のＳＯｘトラップ量を計算し、これに基づいて設定してもよい。ＳＯｘトラップ量については、エンジン回転数の積算値から推測することができる。
【００３８】
所定時間ｔ１経過するまではリターンし、所定時間ｔ１経過するとＳ１１へ進む。
Ｓ１１では、排気温度が所定温度Ｔ２を超えたか否かを判定する。これはパティキュレートフィルタ１４の温度がリーン運転下でパティキュレートの燃焼伝播が期待できる温度に達したか否かを判定するためである。ここでの所定温度Ｔ２は、パティキュレートフィルタ１４の温度判定のためのもので、例えば触媒反応が無い場合は６５０℃程度であるが、パティキュレートフィルタ１４下流側の排気温度に基づいて判断するため、その差分を考慮して設定する。但し、運転状態及びその履歴からパティキュレートフィルタ１４の温度を推定してもよい。
【００３９】
排気温度が所定温度Ｔ２を超えるまではリターンし、所定温度Ｔ２を超えるとＳ１２へ進む。
Ｓ１２では、燃焼伝播が期待できるので、リッチ運転を解除する。すなわち、排気中の酸素濃度を高くするため、吸気絞り弁５を略全開にして、リーン運転に切換える。
【００４０】
Ｓ１３では、ポスト噴射を停止する。
Ｓ１４では、再生動作が全て終了したので、再生要求フラグを０にリセットして、本ルーチンを終了する。
ここで、Ｓ３、Ｓ５の部分が再生時期判定手段に相当し、Ｓ６〜１４の部分が酸素濃度制御手段（吸気絞り弁５）及びフィルタ昇温手段（ポスト噴射）を用いたフィルタ再生制御手段に相当する。
【００４１】
このように、排気温度がＮＯｘトラップ触媒１３に堆積したＳＯｘが脱離するのに十分な所定温度Ｔ１を超えてから所定時間ｔ１が経過するまでの間は、排気温度が所定温度Ｔ２を超える場合であってもリッチ運転を維持することにより、ＮＯｘトラップ触媒１３のＳＯｘ被毒を確実に解除できると共に、所定時間ｔ１が経過し、且つ、排気温度が所定温度Ｔ２を超えた場合に、リーン運転に切換えることにより、パティキュレートフィルタ１４に十分な酸素が供給されるため、堆積しているパティキュレートを一気に燃焼させることができ、高い燃焼速度でパティキュレートフィルタ１４を再生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図２】 パティキュレートフィルタ再生制御のフローチャート
【図３】 再生時期判定用の背圧閾値のマップ
【図４】 リッチ運転のための目標吸入空気量のマップ
【図５】 昇温のための目標ポスト噴射量のマップ
【図６】 リッチ→リーンにおけるパティキュレート燃焼を示す図
【図７】 リーンにおけるパティキュレート燃焼を示す図
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン
２ 吸気管
５ 吸気絞り弁
７ 高圧燃料ポンプ
９ 燃料噴射弁
１０ 排気通路
１３ ＮＯｘトラップ触媒
１４ パティキュレートフィルタ
２０ コントロールユニット
２１ 回転数センサ
２２ アクセル開度センサ
２３ 排気圧力センサ
２４ 排気温度センサ
Claims (7)
- 内燃機関の排気通路中に配置され、流入する排気中の微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタと、
前記微粒子捕集フィルタの再生時期を判断する再生時期判断手段と、
前記微粒子捕集フィルタを昇温可能なフィルタ昇温手段と、
排気中の酸素濃度を制御可能な酸素濃度制御手段と、
前記微粒子捕集フィルタの再生時期に、前記微粒子捕集フィルタの温度が所定温度を超えるまでの間は、前記酸素濃度制御手段により排気中の酸素濃度を前記微粒子捕集フィルタに捕集された微粒子が燃焼伝播する酸素量を確保できない酸素濃度に吸気絞り弁を閉じることで設定すると共に前記フィルタ昇温手段により前記微粒子捕集フィルタを昇温させ、前記微粒子捕集フィルタの温度が所定温度を超えた後に、前記酸素濃度制御手段により排気中の酸素濃度を前記微粒子捕集フィルタに捕集された微粒子が燃焼伝播する酸素濃度に吸気絞り弁を開けることで設定すると共に前記フィルタ昇温手段の作動を停止させるフィルタ再生制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記所定温度は、前記微粒子捕集フィルタに捕集された微粒子が燃焼伝播する温度に設定され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。
- 排気通路中に配置され、流入する排気の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯｘをトラップし、酸素濃度が低いときにトラップされているＮＯｘを還元浄化するＮＯｘトラップ触媒を備える場合に、
前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘトラップ触媒に堆積したＳＯｘが脱離可能な温度まで、前記ＮＯｘトラップ触媒をも昇温するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記フィルタ再生制御手段は、前記微粒子捕集フィルタの温度が所定温度を超えても、前記ＮＯｘトラップ触媒のＳＯｘの脱離が完了するまでの期間、排気中の酸素濃度を低く維持することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 排気通路中に、三元機能を有する触媒を配置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。
- 前記酸素濃度を低くする際に、空気過剰率を１以下にすることを特徴とする請求項５記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記フィルタ昇温手段は、燃料の主噴射の後、膨張行程以降に燃焼室内に燃料を追加噴射することにより、排気温度を上昇させる手段であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つ記載の内燃機関の排気浄化装置。
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