JP4022714B2 - 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係り、詳しくは、ディーゼルエンジンの排気通路に配設されるパティキュレートフィルタの再生技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
バス、トラック等に搭載されるディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等のほか、パティキュレートマター（ＰＭと略す）が多く含まれている。そこで、ディーゼルエンジンの後処理装置として、ＰＭを捕捉し外部熱源により焼却除去するディーゼル・パティキュレートフィルタ（ＤＰＦと略す）やＨＣ、ＣＯを処理する酸化触媒が実用化されている。また、最近では、外部熱源の代わりにＤＰＦの上流側にＰＭを酸化除去するための酸化剤を供給する酸化触媒を設け、連続的にＤＰＦ上のＰＭを処理する連続再生式ＤＰＦが開発されている。
【０００３】
ところで、連続再生式ＤＰＦであっても、酸化触媒やＤＰＦの温度が低い不活性状況下では、ＰＭが十分に処理されず堆積量が増大することがあり、このようにＰＭの堆積量が増大すると、ＤＰＦのフィルタ圧損の増大により排気圧が上昇してポンピングロス等を招き、燃費悪化や排ガス悪化等を起こすという問題がある。また、フィルタにＰＭが過剰に堆積した状態では、高負荷運転等でＰＭが自己着火した場合、フィルタが破損するおそれがある。
【０００４】
そこで、このような場合には、ＤＰＦに捕捉されたＰＭが所定量に達すると、当該ＰＭを強制的に燃焼除去すべく強制再生を行うようにしている。
強制再生の手法として、例えば、主燃焼用の燃料供給を行った後、膨張行程や排気行程において燃料噴射ノズルにより燃料の追加供給を行うポスト噴射の技術がある。
【０００５】
このポスト噴射による強制再生では、先ず膨張行程でポスト噴射を行うと、追加燃料は余剰酸素と結合して燃焼し、排気温度を上昇させる。これにより、酸化触媒が昇温することになる。そして、酸化触媒が昇温し活性状態になると、膨張行程の後期または排気行程に噴射された追加燃料が酸化触媒により酸化され、その酸化熱によりＤＰＦ上のＰＭが強制的にして良好に燃焼除去されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の如くポスト噴射によって強制再生を行う場合、余分に燃料を供給することになるため、強制再生を頻繁に行うようにすると逆に燃費悪化が増大してしまうおそれがある。
また、ＤＰＦに捕捉されたＰＭが所定量に達したか否かを正確に判定できないと、不必要に余分な燃料を供給して強制再生を実施してしまいかねず、燃費悪化を十分に防止できないという問題もある。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気通路に配設されるパティキュレートフィルタを燃費悪化なく再生可能な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】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に介装され、パティキュレートマターを捕捉するパティキュレートフィルタと、前記排気通路の前記パティキュレートフィルタよりも上流の部分に配設された酸化触媒と、前記パティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を検出する堆積量検出手段と、前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が所定量より多いとき、前記内燃機関の運転状態に拘わらず、所定時間に亘り吸入空気量を減少させることで排気昇温を行い、該パティキュレートマターの酸化除去を促進する再生促進手段と、前記所定時間の経過後、前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が未だ前記所定量より多いとき、燃料を噴射することによって該パティキュレートマターを強制的に燃焼除去する強制再生手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
従って、内燃機関の運転状態に拘わらず、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が所定量より多いことが検出されると、先ず、再生促進手段により所定時間に亘って吸入空気量を減少させることで排気昇温が行われ、パティキュレートマターの酸化除去が促進される。そして、所定時間の経過後、即ち当該再生促進手段によってもパティキュレートマターの堆積量が未だ所定量より多いときに限り、強制再生手段により燃料を噴射することによってパティキュレートマターが強制的に燃焼除去される。これにより、ＰＭ自己着火時のフィルタ破損が回避されるとともに、再生促進手段により燃費を悪化させることなくパティキュレートマターの堆積量が燃費悪化の少ない所定量以下に抑えられ、また、強制再生の実施頻度が少なく抑えられ、燃費の悪化が最小限に抑えられる。
【００１０】
また、請求項２の発明では、内燃機関の排気通路に介装され、パティキュレートマターを捕捉するパティキュレートフィルタと、前記排気通路の前記パティキュレートフィルタよりも上流の部分に配設された酸化触媒と、前記パティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を検出する堆積量検出手段と、前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が第１の所定量より多く第２の所定量より少ないとき、前記内燃機関の運転状態に拘わらず、所定時間に亘り吸入空気量を減少させることで排気昇温を行い、該パティキュレートマターの酸化除去を促進する再生促進手段と、前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が第２の所定量以上であるとき、及び、前記所定時間の経過後、パティキュレートマターの堆積量が未だ前記第１の所定量より多いとき、燃料を噴射することによって該パティキュレートマターを強制的に燃焼除去する強制再生手段とを備えたことを特徴としている。
【００１１】
従って、内燃機関の運転状態に拘わらず、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が第１の所定量より多く第２の所定量より少ないことが検出されると、先ず、再生促進手段により所定時間に亘って吸入空気量を減少させることで排気昇温が行われ、パティキュレートマターの酸化除去が促進される。そして、所定時間の経過後、即ち当該再生促進手段によってもパティキュレートマターの堆積量が未だ第１の所定量より多いときには、強制再生手段により燃料を噴射することによってパティキュレートマターが強制的に燃焼除去される。これにより、再生促進手段により燃費を悪化させることなくパティキュレートマターの堆積量が燃費悪化の少ない第１の所定量以下に抑えられ、また、強制再生の実施頻度が少なく抑えられ、燃費の悪化が全体として最小限に抑えられる。
【００１２】
一方、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が第２の所定量より多いことが検出されたときには、再生促進手段による再生促進を経ることなく強制再生が行われ、フィルタ圧損の増大による燃費悪化や排ガス悪化等が好適に防止される。これにより、やはり燃費の悪化が全体として最小限に抑えられる。
【００１３】
また、請求項３の発明では、前記堆積量検出手段は、排気流量とフィルタ圧損とに基づいて前記パティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を検出することを特徴としている。
従って、排気流量とフィルタ圧損とに基づいてパティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量が容易にして正確に検出され、パティキュレートマターの堆積量を所定量（第１の所定量）以下に抑えることで、フィルタ圧損が低下して確実に燃費悪化が抑制される。
【００１４】
また、請求項４の発明では、内燃機関は燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射ノズルを有し、前記強制再生手段は、前記燃料噴射ノズルにより、主燃焼用の燃料供給を行った後、燃料の追加供給を行うポスト噴射手段からなることを特徴としている。
従って、強制再生手段としてポスト噴射手段を適用することで強制再生手段が別途燃料供給装置等を設けることなく簡易に構成され、併せて燃費の悪化が最小限に抑えられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下、同図に基づき本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を説明する。
【００１６】
図１に示すように、内燃機関であるエンジン１は例えばコモンレール式直列４気筒のディーゼルエンジンである。コモンレール式のエンジン１では、燃焼室２に臨んで電磁式の燃料噴射ノズル４が各気筒毎に設けられており、各燃料噴射ノズル４は高圧パイプ５によりコモンレール６に接続されている。そして、コモンレール６は、高圧ポンプ８の介装された高圧パイプ７を介して燃料タンク９に接続されている。なお、エンジン１がディーゼルエンジンであるため、燃料としては軽油が使用される。
【００１７】
エンジン１の吸気通路１０には電磁式の吸気絞り弁１２が設けられており、一方、排気通路２０には、電磁式の排気絞り弁２２が設けられている。排気絞り弁２２は、例えば排気ブレーキである。
排気通路２０の排気絞り弁２２よりも上流部分からはＥＧＲ通路３０が延びており、該ＥＧＲ通路３０の終端は吸気通路１０の吸気絞り弁１２よりも下流部分に接続されている。そして、ＥＧＲ通路３０には、電磁式のＥＧＲ弁３２が介装されている。
【００１８】
また、排気通路２０の排気絞り弁２２よりも下流部分には、後処理装置が介装されている。後処理装置は、ディーゼル・パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２６の上流に酸化触媒２４を設けて構成されている。なお、ＤＰＦ２６の上流に酸化触媒２４を設けた当該タイプの後処理装置は全体として連続再生式ＤＰＦ２３と呼ばれるものである。
【００１９】
連続再生式ＤＰＦ２３は、酸化触媒２４において酸化剤（ＮＯ2）を生成し、該生成された酸化剤によって下流のＤＰＦ２６に堆積したパティキュレートマター（ＰＭ）を常時連続的に酸化除去するように構成されている。
電子コントローラ（ＥＣＵ）４０の入力側には、吸入空気量Ｑaを検出するエアフローセンサ１４、ＤＰＦ２６上流の排気圧を検出する排気圧センサ２８、アクセルペダル４２の踏込量、即ちアクセル開度θaccを検出するアクセル開度センサ４４等の各種センサ類が接続され、出力側には、上記燃料噴射ノズル４、高圧ポンプ８、吸気絞り弁１２、排気絞り弁２２、ＥＧＲ弁３２等の各種デバイス類が接続されている。
【００２０】
これにより、各種入力情報に基づき各種デバイス類が制御され、エンジン１が適正に運転制御される。
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、ＤＰＦ２６に捕捉されたＰＭを強制的に燃焼除去（強制再生）させるため、燃料噴射ノズル４により主燃焼用の主噴射を行った後に、当該燃料噴射ノズル４により膨張行程或いは排気行程において燃料の追加供給、即ちポスト噴射を行うことが可能に構成されている（ポスト噴射手段）。
【００２１】
これにより、通常の運転状態の下で連続再生式ＤＰＦ２３が連続再生機能を果たせないような状況のときには、ポスト噴射による未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）と排気中の酸素との酸化反応を酸化触媒２４上で促進させて酸化触媒２４を活性化させ、この酸化反応の熱によってＤＰＦ２６を加熱させてＤＰＦ２６上のＰＭを強制的に燃焼除去することが可能である。
【００２２】
以下、上記のように構成された内燃機関の排気浄化装置の本発明に係る作用について説明する。
図２を参照すると、ＥＣＵ４０が実行する、本発明に係る連続再生式ＤＰＦ２３の再生制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
【００２３】
再生制御では、先ず、ステップＳ１０において、ＤＰＦ２６上のＰＭの堆積量を演算により求める（堆積量検出手段）。
詳しくは、図３に示すように、排気流量とフィルタ圧損との間には比例関係があり、その傾きはＰＭ量に応じて変化するものであることから、ＰＭ量は、排気流量とフィルタ圧損とに基づいて、当該図３のマップより容易にして正確に読み出される。ここに、排気流量はエアフローセンサ１４により検出される吸入空気量Ｑaや体積効率等から求められ、フィルタ圧損は排気圧センサ２８により検出される排気圧から求められる。
【００２４】
なお、図３において、ＰＭ０はＤＰＦ２６上のＰＭの堆積量がゼロである場合を示している。
そして、次のステップＳ１２において、通常の運転状態の下で連続再生式ＤＰＦ２３が連続再生機能を果たせず、ＰＭ量が所定量ＰＭ２（第２の所定量）以上であるか否かを判別する。この所定量ＰＭ２は、ＰＭ上限量よりも十分に小さい値に設定されている。つまり、ＰＭ量が多いと、上記強制再生を行ったときに、ＰＭが急激に燃焼してＤＰＦ２６の温度が急上昇して溶損するおそれがあるが、所定量ＰＭ２は、このようにＰＭが急激に燃焼してもＤＰＦ２６が溶損しないＰＭ上限量よりも十分小さい値に設定されている。
【００２５】
ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１４に進み、さらにＰＭ量が所定量ＰＭ１（第１の所定量）より多いか否かを判別する。即ち、ここでは、上記ステップＳ１２の判別結果と合わせ、ＰＭ量が所定量ＰＭ１と所定量ＰＭ２との間（ＰＭ１＜ＰＭ量＜ＰＭ２）にあるか否かを判別する。つまり、排気流量とフィルタ圧損とから定まる値（プロット点）が所定量ＰＭ１を傾きとする直線と所定量ＰＭ２を傾きとする直線との間の範囲内にあるか否かを判別する。
【００２６】
ステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ＰＭ量は未だ多くないフィルタ圧損の少ない燃費悪化のない状況と判定でき、ステップＳ１６においてＰＭ再生モードを通常モードとする。つまり、特に何もせずにエンジン１を通常の運転状態とする。但し、この状態でも、連続再生式ＤＰＦ２３は、少しずつではあるが常にＰＭを酸化除去し続ける。
【００２７】
一方、ステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、ＰＭ量が所定量ＰＭ１と所定量ＰＭ２との間にあると判定された場合には、ステップＳ１８に進み、ＰＭ再生モードを再生促進モードとする。
再生促進モードでは、比較的燃費の悪化が少ない状態で排気温度を昇温させ、ＰＭの酸化除去を促進させる（再生促進手段）。具体的には、例えば吸気絞り弁１２や排気絞り弁２２を閉側に操作する。これにより、新気の吸入空気量を減少させることで、排気温度を上昇させることができる。また、燃料噴射時期をリタードさせて燃焼を遅らせたり、ＥＧＲ弁３２の開度を大きくして吸入空気量を減少させるようにしても、排気温度は上昇する。
【００２８】
さらに、ここでは示していないが、ウェイストゲート付ターボチャージャやＶＧターボチャージャを備えている場合には、ターボチャージャのウェイストゲートバルブを開弁したりＶＧターボチャージャのＶＧ開度を大きくしたりして吸入空気量を低減させたり、排気タービンに通さず直接ＤＰＦに流してもよく、このようにしてもＤＰＦ２６上流の排気温度を上昇させることができる。
【００２９】
ステップＳ２０では、再生促進モードを開始した後、所定時間（例えば、１５分〜３０分）経過したか否かを判別する。この所定時間は、例えば、ＰＭ量が所定量ＰＭ２であるときに再生促進モードで排気温度を昇温させた場合に、ＰＭを十分に除去可能とみなせる時間、或いは、ＰＭ量が増加したとしてもＰＭ上限量に達することのないような時間に設定されている。
【００３０】
ステップＳ２０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には所定時間が経過するのを待つ。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ２２に進む。
ステップＳ２２では、ＰＭ量が未だ所定量ＰＭ１よりも多いか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で、ＰＭ量が所定量ＰＭ１以下の場合には、ＰＭは再生促進モードで十分に除去されたと判断でき、この場合には、ステップＳ１６に進み、ＰＭ再生モードを通常モードとする。
【００３１】
このように、ステップＳ２２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、再生促進モードでＤＰＦ２６上のＰＭの除去が行われた結果、ＰＭ量が比較的燃費の悪化が少ない状態で良好に所定量ＰＭ１以下にまで低減されたことを意味している。
一方、ステップＳ２２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、再生促進モードで排気温度を昇温させたにも拘わらず、ＰＭ量が未だ所定量ＰＭ１よりも多いような場合には、再生促進モードではＰＭを十分に除去できないような状況と判断でき、この場合にはステップＳ２４に進む。
【００３２】
ステップＳ２４では、ＰＭ再生モードを強制再生モードとし、ポスト噴射を行う（強制再生手段）。これにより、ＤＰＦ２６上のＰＭが完全に除去される。
つまり、再生促進モードでＰＭをＰＭ量が所定量ＰＭ１以下にまで減少させられないような状況では、相変わらずフィルタ圧損が存在しており、そのまま再生促進モードを継続しても、フィルタ圧損による燃費悪化や排ガス悪化、或いはフィルタ目詰まり等が増大する一方である。そこで、このような場合には、フィルタ圧損を低減させるべく強制再生モードを選択し、ＤＰＦ２６上のＰＭを完全に除去するようにする。
【００３３】
これにより、ポスト噴射により燃料消費が発生する一方、フィルタ圧損を確実に低減してフィルタ目詰まり等を即座に解消することができ、全体としては燃費悪化を最小限に抑えることができる。
また、上記ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、ＰＭ量が所定量ＰＭ２以上であると判定されたときにも、ステップＳ２４に進み、ポスト噴射を実施してＤＰＦ２６の強制再生を行う。
【００３４】
つまり、ＰＭ量が所定量ＰＭ２以上になるほど多い場合には、フィルタ圧損が非常に大きく、燃費悪化を招きやすく、早急にＰＭを除去することが要求される。従って、この場合には、即座に強制再生を行い、ＤＰＦ２６上のＰＭを完全に除去するようにする。
これにより、ポスト噴射により燃料消費が発生する一方、フィルタ圧損を確実に低減してフィルタ目詰まり等を即座に解消することができ、やはり全体としては燃費悪化を最小限に抑えることができる。
【００３５】
以上で本発明の実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、構成が簡易であることから強制再生手段としてポスト噴射手段を用いるようにしたが、強制再生手段は、ＤＰＦ２６上のＰＭを燃焼除去できれば、排気通路のＤＰＦ２６上流部分に直接燃料を供給するような構成であっても、またＰＭをバーナ等で焼失させるようなものであってもよい。さらに、強制再生手段が逆洗方式の手段であっても本発明を適用可能である。
【００３６】
また、ＰＭの堆積量検出手段は、排気流量、フィルタ圧損からＰＭ堆積量を検出するようなものであっても、ＰＭ排出量、燃焼量を計算して求めるようなものであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の運転状態に拘わらず、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が所定量より多いことが検出されると、先ず、再生促進手段により所定時間に亘って吸入空気量を減少させることで排気昇温を行い、パティキュレートマターの酸化除去を促進するようにし、所定時間の経過後、即ち当該再生促進手段によってもパティキュレートマターの堆積量が未だ所定量より多いときに限り、強制再生手段により燃料を噴射することによってパティキュレートマターを強制的に燃焼除去するので、再生促進手段により燃費を悪化させることなくパティキュレートマターの堆積量を燃費悪化の少ない所定量以下に抑えるようにでき、また、強制再生の実施頻度を少なく抑えるようにでき、全体として燃費の悪化を最小限に抑えることができる。
【００３８】
また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の運転状態に拘わらず、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が第１の所定量より多く第２の所定量より少ないことが検出されると、先ず、再生促進手段により所定時間に亘って吸入空気量を減少させることで排気昇温を行い、パティキュレートマターの酸化除去を促進するようにし、所定時間の経過後、即ち当該再生促進手段によってもパティキュレートマターの堆積量が未だ第１の所定量より多いときに、強制再生手段により燃料を噴射することによってパティキュレートマターを強制的に燃焼除去するので、再生促進手段により燃費を悪化させることなくパティキュレートマターの堆積量を燃費悪化の少ない第１の所定量以下に抑えるようにでき、また、強制再生の実施頻度を少なく抑えるようにでき、全体として燃費の悪化を最小限に抑えることができる。
【００３９】
さらに、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が第２の所定量より多いことが検出されたときには、再生促進手段による再生促進を経ることなく強制再生を行うので、フィルタ圧損の増大による燃費悪化や排ガス悪化等を好適に防止でき、やはり全体として燃費の悪化を最小限に抑えることができる。また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気流量とフィルタ圧損とに基づいてパティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を容易にして正確に検出でき、パティキュレートマターの堆積量を所定量（第１の所定量）以下に抑えることで、フィルタ圧損を低下させて確実に燃費悪化を抑制することができる。
【００４０】
また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、強制再生手段としてポスト噴射手段を適用するので、強制再生手段を簡易に構成しながら燃費の悪化を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係る連続再生式ＤＰＦの再生制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】排気流量及びフィルタ圧損とＰＭ量との関係を示し、排気流量とフィルタ圧損とに基づきＰＭ量を求めるマップである。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン
４ 燃料噴射ノズル
１０ 吸気通路
１２ 吸気絞り弁
１４ エアフローセンサ
２０ 排気通路
２２ 排気絞り弁
２３ 連続再生式ＤＰＦ
２４ 酸化触媒
２６ ディーゼル・パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
２８ 排気圧センサ
３０ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲ弁
４０ 電子コントローラ（ＥＣＵ）
【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係り、詳しくは、ディーゼルエンジンの排気通路に配設されるパティキュレートフィルタの再生技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
バス、トラック等に搭載されるディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等のほか、パティキュレートマター（ＰＭと略す）が多く含まれている。そこで、ディーゼルエンジンの後処理装置として、ＰＭを捕捉し外部熱源により焼却除去するディーゼル・パティキュレートフィルタ（ＤＰＦと略す）やＨＣ、ＣＯを処理する酸化触媒が実用化されている。また、最近では、外部熱源の代わりにＤＰＦの上流側にＰＭを酸化除去するための酸化剤を供給する酸化触媒を設け、連続的にＤＰＦ上のＰＭを処理する連続再生式ＤＰＦが開発されている。
【０００３】
ところで、連続再生式ＤＰＦであっても、酸化触媒やＤＰＦの温度が低い不活性状況下では、ＰＭが十分に処理されず堆積量が増大することがあり、このようにＰＭの堆積量が増大すると、ＤＰＦのフィルタ圧損の増大により排気圧が上昇してポンピングロス等を招き、燃費悪化や排ガス悪化等を起こすという問題がある。また、フィルタにＰＭが過剰に堆積した状態では、高負荷運転等でＰＭが自己着火した場合、フィルタが破損するおそれがある。
【０００４】
そこで、このような場合には、ＤＰＦに捕捉されたＰＭが所定量に達すると、当該ＰＭを強制的に燃焼除去すべく強制再生を行うようにしている。
強制再生の手法として、例えば、主燃焼用の燃料供給を行った後、膨張行程や排気行程において燃料噴射ノズルにより燃料の追加供給を行うポスト噴射の技術がある。
【０００５】
このポスト噴射による強制再生では、先ず膨張行程でポスト噴射を行うと、追加燃料は余剰酸素と結合して燃焼し、排気温度を上昇させる。これにより、酸化触媒が昇温することになる。そして、酸化触媒が昇温し活性状態になると、膨張行程の後期または排気行程に噴射された追加燃料が酸化触媒により酸化され、その酸化熱によりＤＰＦ上のＰＭが強制的にして良好に燃焼除去されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の如くポスト噴射によって強制再生を行う場合、余分に燃料を供給することになるため、強制再生を頻繁に行うようにすると逆に燃費悪化が増大してしまうおそれがある。
また、ＤＰＦに捕捉されたＰＭが所定量に達したか否かを正確に判定できないと、不必要に余分な燃料を供給して強制再生を実施してしまいかねず、燃費悪化を十分に防止できないという問題もある。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気通路に配設されるパティキュレートフィルタを燃費悪化なく再生可能な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】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に介装され、パティキュレートマターを捕捉するパティキュレートフィルタと、前記排気通路の前記パティキュレートフィルタよりも上流の部分に配設された酸化触媒と、前記パティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を検出する堆積量検出手段と、前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が所定量より多いとき、前記内燃機関の運転状態に拘わらず、所定時間に亘り吸入空気量を減少させることで排気昇温を行い、該パティキュレートマターの酸化除去を促進する再生促進手段と、前記所定時間の経過後、前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が未だ前記所定量より多いとき、燃料を噴射することによって該パティキュレートマターを強制的に燃焼除去する強制再生手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
従って、内燃機関の運転状態に拘わらず、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が所定量より多いことが検出されると、先ず、再生促進手段により所定時間に亘って吸入空気量を減少させることで排気昇温が行われ、パティキュレートマターの酸化除去が促進される。そして、所定時間の経過後、即ち当該再生促進手段によってもパティキュレートマターの堆積量が未だ所定量より多いときに限り、強制再生手段により燃料を噴射することによってパティキュレートマターが強制的に燃焼除去される。これにより、ＰＭ自己着火時のフィルタ破損が回避されるとともに、再生促進手段により燃費を悪化させることなくパティキュレートマターの堆積量が燃費悪化の少ない所定量以下に抑えられ、また、強制再生の実施頻度が少なく抑えられ、燃費の悪化が最小限に抑えられる。
【００１０】
また、請求項２の発明では、内燃機関の排気通路に介装され、パティキュレートマターを捕捉するパティキュレートフィルタと、前記排気通路の前記パティキュレートフィルタよりも上流の部分に配設された酸化触媒と、前記パティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を検出する堆積量検出手段と、前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が第１の所定量より多く第２の所定量より少ないとき、前記内燃機関の運転状態に拘わらず、所定時間に亘り吸入空気量を減少させることで排気昇温を行い、該パティキュレートマターの酸化除去を促進する再生促進手段と、前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が第２の所定量以上であるとき、及び、前記所定時間の経過後、パティキュレートマターの堆積量が未だ前記第１の所定量より多いとき、燃料を噴射することによって該パティキュレートマターを強制的に燃焼除去する強制再生手段とを備えたことを特徴としている。
【００１１】
従って、内燃機関の運転状態に拘わらず、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が第１の所定量より多く第２の所定量より少ないことが検出されると、先ず、再生促進手段により所定時間に亘って吸入空気量を減少させることで排気昇温が行われ、パティキュレートマターの酸化除去が促進される。そして、所定時間の経過後、即ち当該再生促進手段によってもパティキュレートマターの堆積量が未だ第１の所定量より多いときには、強制再生手段により燃料を噴射することによってパティキュレートマターが強制的に燃焼除去される。これにより、再生促進手段により燃費を悪化させることなくパティキュレートマターの堆積量が燃費悪化の少ない第１の所定量以下に抑えられ、また、強制再生の実施頻度が少なく抑えられ、燃費の悪化が全体として最小限に抑えられる。
【００１２】
一方、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が第２の所定量より多いことが検出されたときには、再生促進手段による再生促進を経ることなく強制再生が行われ、フィルタ圧損の増大による燃費悪化や排ガス悪化等が好適に防止される。これにより、やはり燃費の悪化が全体として最小限に抑えられる。
【００１３】
また、請求項３の発明では、前記堆積量検出手段は、排気流量とフィルタ圧損とに基づいて前記パティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を検出することを特徴としている。
従って、排気流量とフィルタ圧損とに基づいてパティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量が容易にして正確に検出され、パティキュレートマターの堆積量を所定量（第１の所定量）以下に抑えることで、フィルタ圧損が低下して確実に燃費悪化が抑制される。
【００１４】
また、請求項４の発明では、内燃機関は燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射ノズルを有し、前記強制再生手段は、前記燃料噴射ノズルにより、主燃焼用の燃料供給を行った後、燃料の追加供給を行うポスト噴射手段からなることを特徴としている。
従って、強制再生手段としてポスト噴射手段を適用することで強制再生手段が別途燃料供給装置等を設けることなく簡易に構成され、併せて燃費の悪化が最小限に抑えられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下、同図に基づき本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を説明する。
【００１６】
図１に示すように、内燃機関であるエンジン１は例えばコモンレール式直列４気筒のディーゼルエンジンである。コモンレール式のエンジン１では、燃焼室２に臨んで電磁式の燃料噴射ノズル４が各気筒毎に設けられており、各燃料噴射ノズル４は高圧パイプ５によりコモンレール６に接続されている。そして、コモンレール６は、高圧ポンプ８の介装された高圧パイプ７を介して燃料タンク９に接続されている。なお、エンジン１がディーゼルエンジンであるため、燃料としては軽油が使用される。
【００１７】
エンジン１の吸気通路１０には電磁式の吸気絞り弁１２が設けられており、一方、排気通路２０には、電磁式の排気絞り弁２２が設けられている。排気絞り弁２２は、例えば排気ブレーキである。
排気通路２０の排気絞り弁２２よりも上流部分からはＥＧＲ通路３０が延びており、該ＥＧＲ通路３０の終端は吸気通路１０の吸気絞り弁１２よりも下流部分に接続されている。そして、ＥＧＲ通路３０には、電磁式のＥＧＲ弁３２が介装されている。
【００１８】
また、排気通路２０の排気絞り弁２２よりも下流部分には、後処理装置が介装されている。後処理装置は、ディーゼル・パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２６の上流に酸化触媒２４を設けて構成されている。なお、ＤＰＦ２６の上流に酸化触媒２４を設けた当該タイプの後処理装置は全体として連続再生式ＤＰＦ２３と呼ばれるものである。
【００１９】
連続再生式ＤＰＦ２３は、酸化触媒２４において酸化剤（ＮＯ2）を生成し、該生成された酸化剤によって下流のＤＰＦ２６に堆積したパティキュレートマター（ＰＭ）を常時連続的に酸化除去するように構成されている。
電子コントローラ（ＥＣＵ）４０の入力側には、吸入空気量Ｑaを検出するエアフローセンサ１４、ＤＰＦ２６上流の排気圧を検出する排気圧センサ２８、アクセルペダル４２の踏込量、即ちアクセル開度θaccを検出するアクセル開度センサ４４等の各種センサ類が接続され、出力側には、上記燃料噴射ノズル４、高圧ポンプ８、吸気絞り弁１２、排気絞り弁２２、ＥＧＲ弁３２等の各種デバイス類が接続されている。
【００２０】
これにより、各種入力情報に基づき各種デバイス類が制御され、エンジン１が適正に運転制御される。
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、ＤＰＦ２６に捕捉されたＰＭを強制的に燃焼除去（強制再生）させるため、燃料噴射ノズル４により主燃焼用の主噴射を行った後に、当該燃料噴射ノズル４により膨張行程或いは排気行程において燃料の追加供給、即ちポスト噴射を行うことが可能に構成されている（ポスト噴射手段）。
【００２１】
これにより、通常の運転状態の下で連続再生式ＤＰＦ２３が連続再生機能を果たせないような状況のときには、ポスト噴射による未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）と排気中の酸素との酸化反応を酸化触媒２４上で促進させて酸化触媒２４を活性化させ、この酸化反応の熱によってＤＰＦ２６を加熱させてＤＰＦ２６上のＰＭを強制的に燃焼除去することが可能である。
【００２２】
以下、上記のように構成された内燃機関の排気浄化装置の本発明に係る作用について説明する。
図２を参照すると、ＥＣＵ４０が実行する、本発明に係る連続再生式ＤＰＦ２３の再生制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
【００２３】
再生制御では、先ず、ステップＳ１０において、ＤＰＦ２６上のＰＭの堆積量を演算により求める（堆積量検出手段）。
詳しくは、図３に示すように、排気流量とフィルタ圧損との間には比例関係があり、その傾きはＰＭ量に応じて変化するものであることから、ＰＭ量は、排気流量とフィルタ圧損とに基づいて、当該図３のマップより容易にして正確に読み出される。ここに、排気流量はエアフローセンサ１４により検出される吸入空気量Ｑaや体積効率等から求められ、フィルタ圧損は排気圧センサ２８により検出される排気圧から求められる。
【００２４】
なお、図３において、ＰＭ０はＤＰＦ２６上のＰＭの堆積量がゼロである場合を示している。
そして、次のステップＳ１２において、通常の運転状態の下で連続再生式ＤＰＦ２３が連続再生機能を果たせず、ＰＭ量が所定量ＰＭ２（第２の所定量）以上であるか否かを判別する。この所定量ＰＭ２は、ＰＭ上限量よりも十分に小さい値に設定されている。つまり、ＰＭ量が多いと、上記強制再生を行ったときに、ＰＭが急激に燃焼してＤＰＦ２６の温度が急上昇して溶損するおそれがあるが、所定量ＰＭ２は、このようにＰＭが急激に燃焼してもＤＰＦ２６が溶損しないＰＭ上限量よりも十分小さい値に設定されている。
【００２５】
ステップＳ１２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１４に進み、さらにＰＭ量が所定量ＰＭ１（第１の所定量）より多いか否かを判別する。即ち、ここでは、上記ステップＳ１２の判別結果と合わせ、ＰＭ量が所定量ＰＭ１と所定量ＰＭ２との間（ＰＭ１＜ＰＭ量＜ＰＭ２）にあるか否かを判別する。つまり、排気流量とフィルタ圧損とから定まる値（プロット点）が所定量ＰＭ１を傾きとする直線と所定量ＰＭ２を傾きとする直線との間の範囲内にあるか否かを判別する。
【００２６】
ステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ＰＭ量は未だ多くないフィルタ圧損の少ない燃費悪化のない状況と判定でき、ステップＳ１６においてＰＭ再生モードを通常モードとする。つまり、特に何もせずにエンジン１を通常の運転状態とする。但し、この状態でも、連続再生式ＤＰＦ２３は、少しずつではあるが常にＰＭを酸化除去し続ける。
【００２７】
一方、ステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、ＰＭ量が所定量ＰＭ１と所定量ＰＭ２との間にあると判定された場合には、ステップＳ１８に進み、ＰＭ再生モードを再生促進モードとする。
再生促進モードでは、比較的燃費の悪化が少ない状態で排気温度を昇温させ、ＰＭの酸化除去を促進させる（再生促進手段）。具体的には、例えば吸気絞り弁１２や排気絞り弁２２を閉側に操作する。これにより、新気の吸入空気量を減少させることで、排気温度を上昇させることができる。また、燃料噴射時期をリタードさせて燃焼を遅らせたり、ＥＧＲ弁３２の開度を大きくして吸入空気量を減少させるようにしても、排気温度は上昇する。
【００２８】
さらに、ここでは示していないが、ウェイストゲート付ターボチャージャやＶＧターボチャージャを備えている場合には、ターボチャージャのウェイストゲートバルブを開弁したりＶＧターボチャージャのＶＧ開度を大きくしたりして吸入空気量を低減させたり、排気タービンに通さず直接ＤＰＦに流してもよく、このようにしてもＤＰＦ２６上流の排気温度を上昇させることができる。
【００２９】
ステップＳ２０では、再生促進モードを開始した後、所定時間（例えば、１５分〜３０分）経過したか否かを判別する。この所定時間は、例えば、ＰＭ量が所定量ＰＭ２であるときに再生促進モードで排気温度を昇温させた場合に、ＰＭを十分に除去可能とみなせる時間、或いは、ＰＭ量が増加したとしてもＰＭ上限量に達することのないような時間に設定されている。
【００３０】
ステップＳ２０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には所定時間が経過するのを待つ。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ２２に進む。
ステップＳ２２では、ＰＭ量が未だ所定量ＰＭ１よりも多いか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で、ＰＭ量が所定量ＰＭ１以下の場合には、ＰＭは再生促進モードで十分に除去されたと判断でき、この場合には、ステップＳ１６に進み、ＰＭ再生モードを通常モードとする。
【００３１】
このように、ステップＳ２２の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、再生促進モードでＤＰＦ２６上のＰＭの除去が行われた結果、ＰＭ量が比較的燃費の悪化が少ない状態で良好に所定量ＰＭ１以下にまで低減されたことを意味している。
一方、ステップＳ２２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、再生促進モードで排気温度を昇温させたにも拘わらず、ＰＭ量が未だ所定量ＰＭ１よりも多いような場合には、再生促進モードではＰＭを十分に除去できないような状況と判断でき、この場合にはステップＳ２４に進む。
【００３２】
ステップＳ２４では、ＰＭ再生モードを強制再生モードとし、ポスト噴射を行う（強制再生手段）。これにより、ＤＰＦ２６上のＰＭが完全に除去される。
つまり、再生促進モードでＰＭをＰＭ量が所定量ＰＭ１以下にまで減少させられないような状況では、相変わらずフィルタ圧損が存在しており、そのまま再生促進モードを継続しても、フィルタ圧損による燃費悪化や排ガス悪化、或いはフィルタ目詰まり等が増大する一方である。そこで、このような場合には、フィルタ圧損を低減させるべく強制再生モードを選択し、ＤＰＦ２６上のＰＭを完全に除去するようにする。
【００３３】
これにより、ポスト噴射により燃料消費が発生する一方、フィルタ圧損を確実に低減してフィルタ目詰まり等を即座に解消することができ、全体としては燃費悪化を最小限に抑えることができる。
また、上記ステップＳ１２の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、ＰＭ量が所定量ＰＭ２以上であると判定されたときにも、ステップＳ２４に進み、ポスト噴射を実施してＤＰＦ２６の強制再生を行う。
【００３４】
つまり、ＰＭ量が所定量ＰＭ２以上になるほど多い場合には、フィルタ圧損が非常に大きく、燃費悪化を招きやすく、早急にＰＭを除去することが要求される。従って、この場合には、即座に強制再生を行い、ＤＰＦ２６上のＰＭを完全に除去するようにする。
これにより、ポスト噴射により燃料消費が発生する一方、フィルタ圧損を確実に低減してフィルタ目詰まり等を即座に解消することができ、やはり全体としては燃費悪化を最小限に抑えることができる。
【００３５】
以上で本発明の実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、構成が簡易であることから強制再生手段としてポスト噴射手段を用いるようにしたが、強制再生手段は、ＤＰＦ２６上のＰＭを燃焼除去できれば、排気通路のＤＰＦ２６上流部分に直接燃料を供給するような構成であっても、またＰＭをバーナ等で焼失させるようなものであってもよい。さらに、強制再生手段が逆洗方式の手段であっても本発明を適用可能である。
【００３６】
また、ＰＭの堆積量検出手段は、排気流量、フィルタ圧損からＰＭ堆積量を検出するようなものであっても、ＰＭ排出量、燃焼量を計算して求めるようなものであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の運転状態に拘わらず、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が所定量より多いことが検出されると、先ず、再生促進手段により所定時間に亘って吸入空気量を減少させることで排気昇温を行い、パティキュレートマターの酸化除去を促進するようにし、所定時間の経過後、即ち当該再生促進手段によってもパティキュレートマターの堆積量が未だ所定量より多いときに限り、強制再生手段により燃料を噴射することによってパティキュレートマターを強制的に燃焼除去するので、再生促進手段により燃費を悪化させることなくパティキュレートマターの堆積量を燃費悪化の少ない所定量以下に抑えるようにでき、また、強制再生の実施頻度を少なく抑えるようにでき、全体として燃費の悪化を最小限に抑えることができる。
【００３８】
また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の運転状態に拘わらず、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が第１の所定量より多く第２の所定量より少ないことが検出されると、先ず、再生促進手段により所定時間に亘って吸入空気量を減少させることで排気昇温を行い、パティキュレートマターの酸化除去を促進するようにし、所定時間の経過後、即ち当該再生促進手段によってもパティキュレートマターの堆積量が未だ第１の所定量より多いときに、強制再生手段により燃料を噴射することによってパティキュレートマターを強制的に燃焼除去するので、再生促進手段により燃費を悪化させることなくパティキュレートマターの堆積量を燃費悪化の少ない第１の所定量以下に抑えるようにでき、また、強制再生の実施頻度を少なく抑えるようにでき、全体として燃費の悪化を最小限に抑えることができる。
【００３９】
さらに、堆積量検出手段によりパティキュレートマターの堆積量が第２の所定量より多いことが検出されたときには、再生促進手段による再生促進を経ることなく強制再生を行うので、フィルタ圧損の増大による燃費悪化や排ガス悪化等を好適に防止でき、やはり全体として燃費の悪化を最小限に抑えることができる。また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気流量とフィルタ圧損とに基づいてパティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を容易にして正確に検出でき、パティキュレートマターの堆積量を所定量（第１の所定量）以下に抑えることで、フィルタ圧損を低下させて確実に燃費悪化を抑制することができる。
【００４０】
また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、強制再生手段としてポスト噴射手段を適用するので、強制再生手段を簡易に構成しながら燃費の悪化を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係る連続再生式ＤＰＦの再生制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】排気流量及びフィルタ圧損とＰＭ量との関係を示し、排気流量とフィルタ圧損とに基づきＰＭ量を求めるマップである。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン
４ 燃料噴射ノズル
１０ 吸気通路
１２ 吸気絞り弁
１４ エアフローセンサ
２０ 排気通路
２２ 排気絞り弁
２３ 連続再生式ＤＰＦ
２４ 酸化触媒
２６ ディーゼル・パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
２８ 排気圧センサ
３０ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲ弁
４０ 電子コントローラ（ＥＣＵ）
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に介装され、パティキュレートマターを捕捉するパティキュレートフィルタと、
前記排気通路の前記パティキュレートフィルタよりも上流の部分に配設された酸化触媒と、
前記パティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を検出する堆積量検出手段と、
前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が所定量より多いとき、前記内燃機関の運転状態に拘わらず、所定時間に亘り吸入空気量を減少させることで排気昇温を行い、該パティキュレートマターの酸化除去を促進する再生促進手段と、
前記所定時間の経過後、前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が未だ前記所定量より多いとき、燃料を噴射することによって該パティキュレートマターを強制的に燃焼除去する強制再生手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 内燃機関の排気通路に介装され、パティキュレートマターを捕捉するパティキュレートフィルタと、
前記排気通路の前記パティキュレートフィルタよりも上流の部分に配設された酸化触媒と、
前記パティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を検出する堆積量検出手段と、
前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が第１の所定量より多く第２の所定量より少ないとき、前記内燃機関の運転状態に拘わらず、所定時間に亘り吸入空気量を減少させることで排気昇温を行い、該パティキュレートマターの酸化除去を促進する再生促進手段と、
前記堆積量検出手段により検出されるパティキュレートマターの堆積量が第２の所定量以上であるとき、及び、前記所定時間の経過後、パティキュレートマターの堆積量が未だ前記第１の所定量より多いとき、燃料を噴射することによって該パティキュレートマターを強制的に燃焼除去する強制再生手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記堆積量検出手段は、排気流量とフィルタ圧損とに基づいて前記パティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートマターの堆積量を検出することを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 内燃機関は燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射ノズルを有し、
前記強制再生手段は、前記燃料噴射ノズルにより、主燃焼用の燃料供給を行った後、燃料の追加供給を行うポスト噴射手段からなることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
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