JP4051547B2 - 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（以下、エンジンという）の排ガス中に含まれる有害成分を浄化する排気後処理装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
この種の排気浄化装置としては、例えばディーゼルエンジンから排出されるパティキュレートを浄化するために、エンジンの排気系の上流側に酸化触媒を設け、下流側にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）を設けたものを挙げることができる。当該排気浄化装置では、排ガス中のパティキュレートをＤＰＦに捕集する一方、排ガス温度が比較的高い運転状態のときに、酸化触媒の作用により排ガス中のＮＯからＮＯ2を生成し、このＮＯ2を酸化剤として利用してＤＰＦ５に捕集されたパティキュレートを焼却除去している（連続再生）。又、この連続再生作用が得られない運転状態が継続されて、パティキュレート堆積量が許容量を越えたときには、例えばポスト噴射により膨張行程或いは排気行程で追加燃料を噴射し、追加燃料中のＨＣを燃焼させてＤＰＦ上のパティキュレートを強制的に焼却除去している（強制再生）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記強制再生時のパティキュレートの燃焼作用は、ＨＣを酸化触媒で燃焼させることで効率的にＤＰＦを昇温することで得られる。しかしながら、このときの酸化触媒の昇温状況は、触媒上のＨＣ吸着量に応じて大きく変動することが確認されている。
【０００４】
即ち、酸化触媒上のＨＣ吸着量が少ないときには、図５に破線で示すように強制再生の開始と共に触媒温度Ｔが緩やかに上昇して正常な昇温が行われるのに対し、ＨＣ吸着量が多いときには多量のＨＣが急速に燃焼することから、実線で示すように触媒温度Ｔが急上昇し、耐熱温度を越えて触媒を破損させてしまう虞があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、ＨＣの供給により排気後処理装置を昇温する際に、排気後処理装置に吸着されているＨＣの急燃焼による過昇温を防止し、もって、排気後処理装置の破損を未然に防止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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気系に設けられた排気後処理装置と、排気後処理装置の上流側の排気系にＨＣを供給するＨＣ供給手段と、排気後処理装置の昇温が要求されたとき、排気後処理装置に基準量のＨＣを供給すべくＨＣ供給手段を制御する制御手段と、制御手段の制御中において、排気後処理装置に吸着されているＨＣ総吸着量を推定又は演算し、推定又は演算されたＨＣ総吸着量が排気後処理装置に過昇温の虞がない最大のＨＣ量として設定された許容値を越えるとき、ＨＣ供給手段のＨＣ供給に適用される基準量を低減するか或いはＨＣ供給を中止する補正手段とを備えたものである。
【０００７】
従って、排気後処理装置の昇温が要求されたときには、ＨＣ供給手段から排気後処理装置の上流側の排気系にＨＣが供給されて、ＨＣの燃焼により排気後処理装置の昇温が行われる。これと並行して、補正手段により排気後処理装置に吸着されているＨＣ総吸着量が推定又は演算され、そのＨＣ総吸着量が排気後処理装置に過昇温の虞がない最大のＨＣ量として設定された許容値を越えるときには、排気後処理装置に供給されるＨＣの基準量が低減されるか或いはＨＣ供給が中止される。その結果、多量のＨＣが急燃焼したときの排気後処理装置の過昇温が防止されると共に、無駄なポスト噴射による燃費悪化が回避される。
【０００８】
請求項1の発明の好ましい態様として、排気後処理装置を、排ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタと、フィルタの上流側に配置された、或いはフィルタ上に担持された酸化機能を有する触媒とから構成することができる。
このように構成した場合の排気後処理装置は、排ガス中のパティキュレートを捕集する機能を奏し、フィルタ上のパティキュレート堆積量が所定値を越えると、ＨＣ供給手段によりＨＣが供給されて、ＨＣの燃焼によりフィルタが昇温されてパティキュレートの焼却除去が行われると共に、触媒の昇温に伴って排ガス中のＮＯから生成されたＮＯ2が酸化剤としてパティキュレートの燃焼を促進する。そして、ＨＣ供給手段から供給されたＨＣの一部は触媒上に吸着されるが、触媒上に吸着されているＨＣ総吸着量に応じてＨＣ供給量が補正されることで、ＨＣの急燃焼による触媒の過昇温が防止される。
【０００９】
又、請求項1の発明の別の好ましい態様として、上記排気後処理装置は、三元触媒、又は排ガス中のＮＯxを浄化するＮＯx触媒の何れか一つから構成することができる。
排気後処理装置を三元触媒として構成した場合には、例えば早期活性化のためのＨＣ供給を要し、ＮＯx触媒として構成した場合には、例えば硫黄被毒したときのＳＯx放出のためのＨＣ供給を要するが、このような場合に、ＨＣ総吸着量に基づくＨＣ供給量の補正により、三元触媒やＮＯx触媒の過昇温が防止される。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１において、補正手段が、所定期間内に排気後処理装置に吸着されたＨＣ吸着量と、所定期間内に排気後処理装置から浄化されたＨＣ浄化量との偏差を求め、偏差の積算値からＨＣ総吸着量を推定又は演算するものである。
従って、所定期間内に排気後処理装置に吸着されたＨＣ吸着量と、所定期間内に排気後処理装置から浄化されたＨＣ浄化量との偏差が求められ、この偏差は、所定期間内に排気後処理装置に吸着又は浄化されたＨＣの量と見なすことができ、この偏差を積算することで、排気後処理装置に吸着されているＨＣ総吸着量を推定又は演算可能となる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２において、補正手段が、所定期間内のＨＣ吸着量を、排気後処理装置の温度、ＨＣ供給手段によるＨＣ供給時のＨＣ濃度、及び前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求めるものである。
従って、排気後処理装置へのＨＣの吸着は、温度、周囲のＨＣ濃度、ＨＣ吸着に関する排気後処理装置の余力の影響を受けることから、排気後処理装置の温度、ＨＣ供給手段によるＨＣ供給時のＨＣ濃度、前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量に基づき、所定期間内に排気後処理装置に吸着されたＨＣ吸着量を正確に求めることが可能となる。
【００１２】
請求項３の発明の好ましい態様として、上記補正手段は、ＨＣ濃度をＨＣ供給手段により供給されるＨＣ供給量に基づいて求めることができる。つまり、ＨＣ濃度はＨＣ供給量に相関するため、ＨＣ供給量に基づいて正確なＨＣ濃度を求めることが可能となる。
請求項４の発明は、請求項２において、補正手段が、所定期間内のＨＣ浄化量を、排気後処理装置の温度に基づく浄化反応速度、及び前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求めるものである。
【００１３】
排気後処理装置上でＨＣが浄化されるときの反応速度は温度の影響を受けることから、排気後処理装置の温度に基づいて正確な浄化反応速度を求めることができ、この浄化反応速度と前回の排気後処理装置のＨＣ総吸着量とに基づき、所定期間内に排気後処理装置から浄化されたＨＣ浄化量を正確に求めることが可能となる。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項２において、補正手段が、所定期間内のＨＣ吸着量を、排気後処理装置の温度、ＨＣ供給手段によるＨＣ供給時のＨＣ濃度、及び前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求める一方、所定期間内のＨＣ浄化量を、排気後処理装置の温度に基づく浄化反応速度、及び前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求め、所定期間内のＨＣ吸着量と所定期間内のＨＣ浄化量との偏差の積算値から、ＨＣ総吸着量を推定又は演算するものである。
【００１５】
従って、排気後処理装置へのＨＣの吸着は、温度、周囲のＨＣ濃度、ＨＣ吸着に関する排気後処理装置の余力の影響を受けることから、排気後処理装置の温度、ＨＣ供給手段によるＨＣ供給時のＨＣ濃度、及び前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量に基づき、所定期間内のＨＣ吸着量が正確に求められ、一方、ＨＣの酸化反応は温度の影響を受けることから、排気後処理装置の温度から求めた浄化反応速度、及び前回の排気後処理装置のＨＣ総吸着量に基づき、所定期間内のＨＣ浄化量が正確に求められ、これらのＨＣ吸着量とＨＣ浄化量との偏差を積算することで、排気後処理装置のＨＣ総吸着量を正確に推定又は演算可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をコモンレール式ディーゼルエンジンの排気浄化装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、図中のディーゼルエンジン１は、例えば直列４気筒エンジンとして構成され、その各気筒には燃料噴射ノズル２（ＨＣ供給手段）が設けられている。各燃料噴射ノズル２は燃料管路３を介して共通のコモンレール４に接続され、コモンレール４は燃料供給装置５に接続されている。
【００１８】
又、エンジン１の排気通路７には、上流側に酸化触媒８が設けられると共に下流側にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）９が設けられ、本実施形態では、これらの酸化触媒８及びＤＰＦ９により排気後処理装置が構成されている。
例えば酸化触媒８は、ハニカム型のセラミック担体上にプラチナ（Ｐｔ）等の貴金属からなる触媒層を担持して構成されている。又、ＤＰＦ９は、例えば特開平１１−１０１１２２号公報に記載されているように、ハニカム型のセラミック担体からなり、その多数の排ガス通路の上流側と下流側の開口部を交互に閉鎖することにより、図中に矢印で示すように、通路を形成している多孔質の壁を経て排ガスを流通させるように構成されている。尚、ＤＰＦ９の上流側に酸化触媒８を設ける代わりに、ＤＰＦ９自体に酸化触媒層を担持してもよい。
【００１９】
一方、車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）１１が設置されている。ＥＣＵ１１の入力側には、アクセル操作量ＡＰＳを検出するアクセルセンサ１２、エンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ１３、酸化触媒の温度（触媒温度）Ｔを検出する温度センサ１４等の各種センサ類が接続され、出力側には前記燃料噴射ノズル２や燃料供給装置５等の各種デバイス類が接続されている。
【００２０】
そして、ＥＣＵ１１はアクセル操作量ＡＰＳやエンジン回転速度Ｎe等の検出情報に基づいて、燃料噴射量や噴射時期等を設定し、それらの値に基づいて燃料噴射ノズル２や燃料供給装置５を制御する。
一方、エンジン１からの排ガスは、排気通路７に案内されて酸化触媒８を経てＤＰＦ９に至り、ＤＰＦ９の通路の壁を流通する際に含有するパティキュレートが捕捉された後、大気中に排出される。パティキュレートの捕集によりＤＰＦ９上のパティキュレート堆積量は次第に増加するが、堆積したパティキュレートは、エンジン１が所定の運転状態（例えば、排ガス温度が比較的高い運転状態）のときに、酸化触媒８の酸化作用により排ガス中のＮＯから生成されたＮＯ2 を酸化剤として利用して、連続的に酸化・焼却除去される。
【００２１】
又、連続再生作用が得られない運転状態が継続されると、ＤＰＦ９でのパティキュレート堆積量が次第に増加して許容量を越えてしまうため、このような状況を想定して、ＥＣＵ１１はパティキュレートを強制的に焼却除去する強制再生を実施している。パティキュレート堆積量は、ＤＰＦ９の前後差圧（つまり、ＤＰＦ９の圧損）及び排気流量と相関することから、これらの関係を規定したマップに基づいて推定したパティキュレート堆積量が所定値を越えたときに、強制再生を開始している。本実施形態では強制再生としてポスト噴射を利用しており、主噴射後の膨張行程や排気行程でポスト噴射を実施して、追加燃料の燃焼により直接的にＤＰＦ９を昇温することで、酸化触媒８上でのパティキュレートの焼却除去を図る（制御手段）。
【００２２】
一方、この強制再生時のポスト噴射は、酸化触媒８の過昇温抑制を目的としてＥＣＵ１１により適宜制御されている。そこで、以下にＥＣＵ１１による過昇温の抑制制御ついて詳述するが、この過昇温抑制制御は、酸化触媒８に吸着されているＨＣの量（後述するＨＣ総吸着量ＨＣadsorb）に基づいて行われるため、まず、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbの算出処理について説明する。
【００２３】
図２は酸化触媒８のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbを算出する手順を示すブロック図であり、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbは、このブロック図に従って所定時間Δｔ（後述する過昇温抑制ルーチンの制御インターバル）毎にＥＣＵ１１により算出される。
まず、図中のマップ(a)〜(c)に基づいて、酸化触媒８に吸着される時間当たりのＨＣの量としてＨＣ吸着速度ｆが算出される。酸化触媒８へのＨＣの吸着は、温度、周囲のＨＣ濃度、ＨＣ吸着に関する酸化触媒８の余力（最大ＨＣ吸着量に対する吸着割合）の影響を受けることから、触媒温度Ｔ、ポスト噴射により酸化触媒８上に供給されるＨＣの濃度ＨＣpost、前回算出時の酸化触媒８のＨＣ総吸着量ＨＣ’adsorbに基づいてＨＣ吸着速度ｆが設定される［ｆ（Ｔ，ＨＣpost，ＨＣ’adsorb）］。即ち、ＨＣ吸着速度ｆは、マップａに示すように触媒温度Ｔの増加に伴って減少し、マップｂに示すようにＨＣ濃度ＨＣpostの増加に伴って増加し、ＨＣ総吸着量ＨＣ’adsorbの減少に伴って増加するように設定される。
【００２４】
尚、ＨＣ濃度ＨＣpostは、ポスト噴射量や排ガス流量のみならず、主噴射に対するポスト噴射の燃焼割合によっても変化することから、種々のパラメータから論理的に算出することは困難である。そこで、例えば排ガス流量毎に、各ポスト噴射状態に対するＨＣ濃度ＨＣpostの関係を予めマップとして設定しておき、上記ＨＣ濃度ＨＣpostの算出に利用することが考えられる。
【００２５】
一方、マップ(d)に基づいて酸化触媒８上でＨＣが浄化されるときの反応速度ｋが算出される。ＨＣの酸化反応は温度の影響を受けることから、浄化反応速度ｋは触媒温度Ｔに基づき、マップｄに示すように触媒温度Ｔの増加に伴って急激に増加するように設定される。
次いで、次式(1)に従って今回のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが算出される。
【００２６】
ＨＣadsorb＝ＨＣ’adsorb＋（ｆ−ｋＨＣ’adsorb）Δｔ………(1)
つまり、浄化反応速度ｋに前回のＨＣ総吸着量ＨＣ’adsorbを乗算した値は、酸化触媒８から浄化される時間当たりのＨＣの量を意味し、この乗算値を上記ＨＣ吸着速度ｆから減算して所定時間Δｔを乗算すると、所定時間Δｔに酸化触媒８に吸着（負の場合は浄化）されたＨＣの量が求められる。よって、求めたＨＣ量を前回のＨＣ総吸着量ＨＣ’adsorbに加算すると、今回のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが求められるのである（補正手段）。
【００２７】
一方、マップ(e)に基づいて、ＤＰＦ９の強制再生時に酸化触媒８を過昇温させる虞がない最大のＨＣ量として許容量ＨＣmaxが算出される。上記のようにポスト噴射の追加燃料は燃焼により昇温に貢献するが、追加燃料の一部は未燃ＨＣとして酸化触媒８上に吸着される。図３の特性図に示すように、触媒温度Ｔが低いほど酸化触媒８へのＨＣ吸着量は急増し、それに伴って酸化触媒８上でＨＣが急燃焼する虞が高まることになる。そこで、マップ(e)の特性は、図３に示したＨＣの吸着特性を考慮した上で、実質的に図３の値に対して数１０％程度に設定される。但し、図３の特性に対して一律でなく、マッチングにより最適値を選択する必要がある。
【００２８】
その後、上記ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbと許容量ＨＣmaxとを比較する。ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが許容量ＨＣmax未満のときには、矢印Ａで示すように、強制再生制御側で実施される次回のポスト噴射量等（上記ポスト噴射状態）から求めたＨＣ濃度ＨＣpostを入力して、所定時間Δｔ後の次回のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbの算出に適用する。
【００２９】
又、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが許容量ＨＣmaxを越えているときには、後述するポスト噴射の中止に対応するようにＨＣ濃度ＨＣpostを０に設定して、次回のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbの算出に適用する。
以上のようにして算出されたＨＣ総吸着量ＨＣadsorbに基づき、ＥＣＵ１１により酸化触媒８の過昇温抑制が行われる。この処理は図４に示す過昇温抑制ルーチンに基づいて実施され、ＥＣＵ１１は強制再生制御と並行して当該ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。
【００３０】
まず、ステップＳ２で上記ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbの算出に必要な触媒温度ＴやＨＣ濃度ＨＣpost等の情報を読み込み、続くステップＳ４で上記算出手順に従って今回のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbを求める。次いで、ステップＳ６でＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが上記許容量ＨＣmaxを越えているか否かを判定し、ＮＯのときにはステップＳ８でポスト噴射禁止フラグＦpostをクリアした後、ルーチンを終了する。又、上記ステップＳ６でＮＯの判定を下したときには、ステップＳ１０でポスト噴射禁止フラグＦpostをセットした後、ルーチンを終了する。
【００３１】
強制再生制御側では、ポスト噴射禁止フラグＦpostの設定に応じてポスト噴射の実行状態が切換えられ、ポスト噴射禁止フラグＦpostがクリアされているときのみ、ポスト噴射を実行する。よって、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが許容量ＨＣmax未満であり、図５に破線で示すように酸化触媒８上で多量のＨＣが急燃焼する虞がないときには、ポスト噴射禁止フラグＦpostのクリアに基づいて強制再生制御で通常通りポスト噴射が継続され、供給された追加燃料の燃焼により酸化触媒及びＤＰＦの昇温が行われる。
【００３２】
一方、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが許容量ＨＣmaxを越えており、図５に実線で示すようにＨＣの急燃焼が起こり得ると推測されるときには、ポスト噴射禁止フラグＦpostのセットに基づいて強制再生制御でポスト噴射が中止される（補正手段）。その結果、酸化触媒８上への追加燃料の供給が中断されてＨＣの吸着が抑制されるため、結果としてＨＣの急燃焼による酸化触媒８の過昇温を防止でき、過昇温による酸化触媒８の破損を未然に防止することができる。しかも、無駄なポスト噴射が防止されるため、これによる燃費悪化を未然に回避できるという別の利点も得られる。
【００３３】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではディーゼルエンジンの排気浄化装置に具体化し、ＤＰＦ９の強制再生時に、ポスト噴射の追加燃料により酸化触媒８上でＨＣが急燃焼するのを防止したが、排気後処理装置の昇温を目的としてＨＣを供給し、このときにＨＣの急燃焼が生じる虞があるものであれば、内燃機関や排気後処理装置の種別はこれに限ることはない。
【００３４】
従って、例えば吸蔵型リーンＮＯｘ触媒を備えたガソリンエンジンの排気浄化装置に具体化し、硫黄被毒した吸蔵型リーンＮＯx触媒からＳＯx（硫黄酸化物）を放出するときに、追加燃料によるＮＯx触媒上でのＨＣの急燃焼を防止するために、上記実施形態と同様にＮＯx触媒上のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbに基づいて追加燃料の供給を制御してもよい。又、例えば三元触媒を早期活性化するために追加燃料を供給する場合にも利用でき、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbに基づく追加燃料の制御により、三元触媒上でのＨＣの急燃焼を防止できる。
【００３５】
又、上記実施形態では、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが許容量ＨＣmaxを越えると、ポスト噴射を中止したが、例えばＨＣ総吸着量ＨＣadsorbと許容量ＨＣmaxとの偏差に応じて、ポスト噴射量をきめ細かく制御するようにしてもよい。
更に、上記実施形態では、強制再生時にポスト噴射によりＨＣを供給したが、ＨＣ供給の手段はこれに限ることはなく、例えば排気通路７に設けた燃料噴射ノズルにより未燃燃料を供給するようにしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１〜４の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＨＣの供給により排気後処理装置を昇温する際に、排気後処理装置のＨＣ総吸着量が許容値を越えるときには、排気後処理装置に供給されるＨＣの基準量を低減するか或いはＨＣ供給を中止するため、排気後処理装置に吸着されているＨＣの急燃焼による過昇温を防止して、排気後処理装置の破損を未然に防止でき、しかも、無駄なポスト噴射による燃費悪化を回避することができる。
【００３７】
請求項５の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項２に加えて、排気後処理装置のＨＣ総吸着量を一層正確に推定又は演算でき、ＨＣの急燃焼による排気後処理装置の過昇温をより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】酸化触媒のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbを算出する手順を示すブロック図である。
【図３】触媒温度Ｔに対するＨＣの吸着特性を示す図である。
【図４】ＥＣＵが実行する過昇温抑制ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】ＨＣ吸着量に対する強制再生時の昇温状況を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
２ 燃料噴射ノズル（ＨＣ供給手段）
７ 排気通路
１１ ＥＣＵ（制御手段、補正手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）の排ガス中に含まれる有害成分を浄化する排気後処理装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
この種の排気浄化装置としては、例えばディーゼルエンジンから排出されるパティキュレートを浄化するために、エンジンの排気系の上流側に酸化触媒を設け、下流側にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）を設けたものを挙げることができる。当該排気浄化装置では、排ガス中のパティキュレートをＤＰＦに捕集する一方、排ガス温度が比較的高い運転状態のときに、酸化触媒の作用により排ガス中のＮＯからＮＯ2を生成し、このＮＯ2を酸化剤として利用してＤＰＦ５に捕集されたパティキュレートを焼却除去している（連続再生）。又、この連続再生作用が得られない運転状態が継続されて、パティキュレート堆積量が許容量を越えたときには、例えばポスト噴射により膨張行程或いは排気行程で追加燃料を噴射し、追加燃料中のＨＣを燃焼させてＤＰＦ上のパティキュレートを強制的に焼却除去している（強制再生）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記強制再生時のパティキュレートの燃焼作用は、ＨＣを酸化触媒で燃焼させることで効率的にＤＰＦを昇温することで得られる。しかしながら、このときの酸化触媒の昇温状況は、触媒上のＨＣ吸着量に応じて大きく変動することが確認されている。
【０００４】
即ち、酸化触媒上のＨＣ吸着量が少ないときには、図５に破線で示すように強制再生の開始と共に触媒温度Ｔが緩やかに上昇して正常な昇温が行われるのに対し、ＨＣ吸着量が多いときには多量のＨＣが急速に燃焼することから、実線で示すように触媒温度Ｔが急上昇し、耐熱温度を越えて触媒を破損させてしまう虞があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、ＨＣの供給により排気後処理装置を昇温する際に、排気後処理装置に吸着されているＨＣの急燃焼による過昇温を防止し、もって、排気後処理装置の破損を未然に防止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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気系に設けられた排気後処理装置と、排気後処理装置の上流側の排気系にＨＣを供給するＨＣ供給手段と、排気後処理装置の昇温が要求されたとき、排気後処理装置に基準量のＨＣを供給すべくＨＣ供給手段を制御する制御手段と、制御手段の制御中において、排気後処理装置に吸着されているＨＣ総吸着量を推定又は演算し、推定又は演算されたＨＣ総吸着量が排気後処理装置に過昇温の虞がない最大のＨＣ量として設定された許容値を越えるとき、ＨＣ供給手段のＨＣ供給に適用される基準量を低減するか或いはＨＣ供給を中止する補正手段とを備えたものである。
【０００７】
従って、排気後処理装置の昇温が要求されたときには、ＨＣ供給手段から排気後処理装置の上流側の排気系にＨＣが供給されて、ＨＣの燃焼により排気後処理装置の昇温が行われる。これと並行して、補正手段により排気後処理装置に吸着されているＨＣ総吸着量が推定又は演算され、そのＨＣ総吸着量が排気後処理装置に過昇温の虞がない最大のＨＣ量として設定された許容値を越えるときには、排気後処理装置に供給されるＨＣの基準量が低減されるか或いはＨＣ供給が中止される。その結果、多量のＨＣが急燃焼したときの排気後処理装置の過昇温が防止されると共に、無駄なポスト噴射による燃費悪化が回避される。
【０００８】
請求項1の発明の好ましい態様として、排気後処理装置を、排ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタと、フィルタの上流側に配置された、或いはフィルタ上に担持された酸化機能を有する触媒とから構成することができる。
このように構成した場合の排気後処理装置は、排ガス中のパティキュレートを捕集する機能を奏し、フィルタ上のパティキュレート堆積量が所定値を越えると、ＨＣ供給手段によりＨＣが供給されて、ＨＣの燃焼によりフィルタが昇温されてパティキュレートの焼却除去が行われると共に、触媒の昇温に伴って排ガス中のＮＯから生成されたＮＯ2が酸化剤としてパティキュレートの燃焼を促進する。そして、ＨＣ供給手段から供給されたＨＣの一部は触媒上に吸着されるが、触媒上に吸着されているＨＣ総吸着量に応じてＨＣ供給量が補正されることで、ＨＣの急燃焼による触媒の過昇温が防止される。
【０００９】
又、請求項1の発明の別の好ましい態様として、上記排気後処理装置は、三元触媒、又は排ガス中のＮＯxを浄化するＮＯx触媒の何れか一つから構成することができる。
排気後処理装置を三元触媒として構成した場合には、例えば早期活性化のためのＨＣ供給を要し、ＮＯx触媒として構成した場合には、例えば硫黄被毒したときのＳＯx放出のためのＨＣ供給を要するが、このような場合に、ＨＣ総吸着量に基づくＨＣ供給量の補正により、三元触媒やＮＯx触媒の過昇温が防止される。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１において、補正手段が、所定期間内に排気後処理装置に吸着されたＨＣ吸着量と、所定期間内に排気後処理装置から浄化されたＨＣ浄化量との偏差を求め、偏差の積算値からＨＣ総吸着量を推定又は演算するものである。
従って、所定期間内に排気後処理装置に吸着されたＨＣ吸着量と、所定期間内に排気後処理装置から浄化されたＨＣ浄化量との偏差が求められ、この偏差は、所定期間内に排気後処理装置に吸着又は浄化されたＨＣの量と見なすことができ、この偏差を積算することで、排気後処理装置に吸着されているＨＣ総吸着量を推定又は演算可能となる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２において、補正手段が、所定期間内のＨＣ吸着量を、排気後処理装置の温度、ＨＣ供給手段によるＨＣ供給時のＨＣ濃度、及び前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求めるものである。
従って、排気後処理装置へのＨＣの吸着は、温度、周囲のＨＣ濃度、ＨＣ吸着に関する排気後処理装置の余力の影響を受けることから、排気後処理装置の温度、ＨＣ供給手段によるＨＣ供給時のＨＣ濃度、前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量に基づき、所定期間内に排気後処理装置に吸着されたＨＣ吸着量を正確に求めることが可能となる。
【００１２】
請求項３の発明の好ましい態様として、上記補正手段は、ＨＣ濃度をＨＣ供給手段により供給されるＨＣ供給量に基づいて求めることができる。つまり、ＨＣ濃度はＨＣ供給量に相関するため、ＨＣ供給量に基づいて正確なＨＣ濃度を求めることが可能となる。
請求項４の発明は、請求項２において、補正手段が、所定期間内のＨＣ浄化量を、排気後処理装置の温度に基づく浄化反応速度、及び前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求めるものである。
【００１３】
排気後処理装置上でＨＣが浄化されるときの反応速度は温度の影響を受けることから、排気後処理装置の温度に基づいて正確な浄化反応速度を求めることができ、この浄化反応速度と前回の排気後処理装置のＨＣ総吸着量とに基づき、所定期間内に排気後処理装置から浄化されたＨＣ浄化量を正確に求めることが可能となる。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項２において、補正手段が、所定期間内のＨＣ吸着量を、排気後処理装置の温度、ＨＣ供給手段によるＨＣ供給時のＨＣ濃度、及び前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求める一方、所定期間内のＨＣ浄化量を、排気後処理装置の温度に基づく浄化反応速度、及び前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求め、所定期間内のＨＣ吸着量と所定期間内のＨＣ浄化量との偏差の積算値から、ＨＣ総吸着量を推定又は演算するものである。
【００１５】
従って、排気後処理装置へのＨＣの吸着は、温度、周囲のＨＣ濃度、ＨＣ吸着に関する排気後処理装置の余力の影響を受けることから、排気後処理装置の温度、ＨＣ供給手段によるＨＣ供給時のＨＣ濃度、及び前回推定又は演算した排気後処理装置のＨＣ総吸着量に基づき、所定期間内のＨＣ吸着量が正確に求められ、一方、ＨＣの酸化反応は温度の影響を受けることから、排気後処理装置の温度から求めた浄化反応速度、及び前回の排気後処理装置のＨＣ総吸着量に基づき、所定期間内のＨＣ浄化量が正確に求められ、これらのＨＣ吸着量とＨＣ浄化量との偏差を積算することで、排気後処理装置のＨＣ総吸着量を正確に推定又は演算可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をコモンレール式ディーゼルエンジンの排気浄化装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、図中のディーゼルエンジン１は、例えば直列４気筒エンジンとして構成され、その各気筒には燃料噴射ノズル２（ＨＣ供給手段）が設けられている。各燃料噴射ノズル２は燃料管路３を介して共通のコモンレール４に接続され、コモンレール４は燃料供給装置５に接続されている。
【００１８】
又、エンジン１の排気通路７には、上流側に酸化触媒８が設けられると共に下流側にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）９が設けられ、本実施形態では、これらの酸化触媒８及びＤＰＦ９により排気後処理装置が構成されている。
例えば酸化触媒８は、ハニカム型のセラミック担体上にプラチナ（Ｐｔ）等の貴金属からなる触媒層を担持して構成されている。又、ＤＰＦ９は、例えば特開平１１−１０１１２２号公報に記載されているように、ハニカム型のセラミック担体からなり、その多数の排ガス通路の上流側と下流側の開口部を交互に閉鎖することにより、図中に矢印で示すように、通路を形成している多孔質の壁を経て排ガスを流通させるように構成されている。尚、ＤＰＦ９の上流側に酸化触媒８を設ける代わりに、ＤＰＦ９自体に酸化触媒層を担持してもよい。
【００１９】
一方、車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）１１が設置されている。ＥＣＵ１１の入力側には、アクセル操作量ＡＰＳを検出するアクセルセンサ１２、エンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ１３、酸化触媒の温度（触媒温度）Ｔを検出する温度センサ１４等の各種センサ類が接続され、出力側には前記燃料噴射ノズル２や燃料供給装置５等の各種デバイス類が接続されている。
【００２０】
そして、ＥＣＵ１１はアクセル操作量ＡＰＳやエンジン回転速度Ｎe等の検出情報に基づいて、燃料噴射量や噴射時期等を設定し、それらの値に基づいて燃料噴射ノズル２や燃料供給装置５を制御する。
一方、エンジン１からの排ガスは、排気通路７に案内されて酸化触媒８を経てＤＰＦ９に至り、ＤＰＦ９の通路の壁を流通する際に含有するパティキュレートが捕捉された後、大気中に排出される。パティキュレートの捕集によりＤＰＦ９上のパティキュレート堆積量は次第に増加するが、堆積したパティキュレートは、エンジン１が所定の運転状態（例えば、排ガス温度が比較的高い運転状態）のときに、酸化触媒８の酸化作用により排ガス中のＮＯから生成されたＮＯ2 を酸化剤として利用して、連続的に酸化・焼却除去される。
【００２１】
又、連続再生作用が得られない運転状態が継続されると、ＤＰＦ９でのパティキュレート堆積量が次第に増加して許容量を越えてしまうため、このような状況を想定して、ＥＣＵ１１はパティキュレートを強制的に焼却除去する強制再生を実施している。パティキュレート堆積量は、ＤＰＦ９の前後差圧（つまり、ＤＰＦ９の圧損）及び排気流量と相関することから、これらの関係を規定したマップに基づいて推定したパティキュレート堆積量が所定値を越えたときに、強制再生を開始している。本実施形態では強制再生としてポスト噴射を利用しており、主噴射後の膨張行程や排気行程でポスト噴射を実施して、追加燃料の燃焼により直接的にＤＰＦ９を昇温することで、酸化触媒８上でのパティキュレートの焼却除去を図る（制御手段）。
【００２２】
一方、この強制再生時のポスト噴射は、酸化触媒８の過昇温抑制を目的としてＥＣＵ１１により適宜制御されている。そこで、以下にＥＣＵ１１による過昇温の抑制制御ついて詳述するが、この過昇温抑制制御は、酸化触媒８に吸着されているＨＣの量（後述するＨＣ総吸着量ＨＣadsorb）に基づいて行われるため、まず、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbの算出処理について説明する。
【００２３】
図２は酸化触媒８のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbを算出する手順を示すブロック図であり、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbは、このブロック図に従って所定時間Δｔ（後述する過昇温抑制ルーチンの制御インターバル）毎にＥＣＵ１１により算出される。
まず、図中のマップ(a)〜(c)に基づいて、酸化触媒８に吸着される時間当たりのＨＣの量としてＨＣ吸着速度ｆが算出される。酸化触媒８へのＨＣの吸着は、温度、周囲のＨＣ濃度、ＨＣ吸着に関する酸化触媒８の余力（最大ＨＣ吸着量に対する吸着割合）の影響を受けることから、触媒温度Ｔ、ポスト噴射により酸化触媒８上に供給されるＨＣの濃度ＨＣpost、前回算出時の酸化触媒８のＨＣ総吸着量ＨＣ’adsorbに基づいてＨＣ吸着速度ｆが設定される［ｆ（Ｔ，ＨＣpost，ＨＣ’adsorb）］。即ち、ＨＣ吸着速度ｆは、マップａに示すように触媒温度Ｔの増加に伴って減少し、マップｂに示すようにＨＣ濃度ＨＣpostの増加に伴って増加し、ＨＣ総吸着量ＨＣ’adsorbの減少に伴って増加するように設定される。
【００２４】
尚、ＨＣ濃度ＨＣpostは、ポスト噴射量や排ガス流量のみならず、主噴射に対するポスト噴射の燃焼割合によっても変化することから、種々のパラメータから論理的に算出することは困難である。そこで、例えば排ガス流量毎に、各ポスト噴射状態に対するＨＣ濃度ＨＣpostの関係を予めマップとして設定しておき、上記ＨＣ濃度ＨＣpostの算出に利用することが考えられる。
【００２５】
一方、マップ(d)に基づいて酸化触媒８上でＨＣが浄化されるときの反応速度ｋが算出される。ＨＣの酸化反応は温度の影響を受けることから、浄化反応速度ｋは触媒温度Ｔに基づき、マップｄに示すように触媒温度Ｔの増加に伴って急激に増加するように設定される。
次いで、次式(1)に従って今回のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが算出される。
【００２６】
ＨＣadsorb＝ＨＣ’adsorb＋（ｆ−ｋＨＣ’adsorb）Δｔ………(1)
つまり、浄化反応速度ｋに前回のＨＣ総吸着量ＨＣ’adsorbを乗算した値は、酸化触媒８から浄化される時間当たりのＨＣの量を意味し、この乗算値を上記ＨＣ吸着速度ｆから減算して所定時間Δｔを乗算すると、所定時間Δｔに酸化触媒８に吸着（負の場合は浄化）されたＨＣの量が求められる。よって、求めたＨＣ量を前回のＨＣ総吸着量ＨＣ’adsorbに加算すると、今回のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが求められるのである（補正手段）。
【００２７】
一方、マップ(e)に基づいて、ＤＰＦ９の強制再生時に酸化触媒８を過昇温させる虞がない最大のＨＣ量として許容量ＨＣmaxが算出される。上記のようにポスト噴射の追加燃料は燃焼により昇温に貢献するが、追加燃料の一部は未燃ＨＣとして酸化触媒８上に吸着される。図３の特性図に示すように、触媒温度Ｔが低いほど酸化触媒８へのＨＣ吸着量は急増し、それに伴って酸化触媒８上でＨＣが急燃焼する虞が高まることになる。そこで、マップ(e)の特性は、図３に示したＨＣの吸着特性を考慮した上で、実質的に図３の値に対して数１０％程度に設定される。但し、図３の特性に対して一律でなく、マッチングにより最適値を選択する必要がある。
【００２８】
その後、上記ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbと許容量ＨＣmaxとを比較する。ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが許容量ＨＣmax未満のときには、矢印Ａで示すように、強制再生制御側で実施される次回のポスト噴射量等（上記ポスト噴射状態）から求めたＨＣ濃度ＨＣpostを入力して、所定時間Δｔ後の次回のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbの算出に適用する。
【００２９】
又、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが許容量ＨＣmaxを越えているときには、後述するポスト噴射の中止に対応するようにＨＣ濃度ＨＣpostを０に設定して、次回のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbの算出に適用する。
以上のようにして算出されたＨＣ総吸着量ＨＣadsorbに基づき、ＥＣＵ１１により酸化触媒８の過昇温抑制が行われる。この処理は図４に示す過昇温抑制ルーチンに基づいて実施され、ＥＣＵ１１は強制再生制御と並行して当該ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。
【００３０】
まず、ステップＳ２で上記ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbの算出に必要な触媒温度ＴやＨＣ濃度ＨＣpost等の情報を読み込み、続くステップＳ４で上記算出手順に従って今回のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbを求める。次いで、ステップＳ６でＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが上記許容量ＨＣmaxを越えているか否かを判定し、ＮＯのときにはステップＳ８でポスト噴射禁止フラグＦpostをクリアした後、ルーチンを終了する。又、上記ステップＳ６でＮＯの判定を下したときには、ステップＳ１０でポスト噴射禁止フラグＦpostをセットした後、ルーチンを終了する。
【００３１】
強制再生制御側では、ポスト噴射禁止フラグＦpostの設定に応じてポスト噴射の実行状態が切換えられ、ポスト噴射禁止フラグＦpostがクリアされているときのみ、ポスト噴射を実行する。よって、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが許容量ＨＣmax未満であり、図５に破線で示すように酸化触媒８上で多量のＨＣが急燃焼する虞がないときには、ポスト噴射禁止フラグＦpostのクリアに基づいて強制再生制御で通常通りポスト噴射が継続され、供給された追加燃料の燃焼により酸化触媒及びＤＰＦの昇温が行われる。
【００３２】
一方、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが許容量ＨＣmaxを越えており、図５に実線で示すようにＨＣの急燃焼が起こり得ると推測されるときには、ポスト噴射禁止フラグＦpostのセットに基づいて強制再生制御でポスト噴射が中止される（補正手段）。その結果、酸化触媒８上への追加燃料の供給が中断されてＨＣの吸着が抑制されるため、結果としてＨＣの急燃焼による酸化触媒８の過昇温を防止でき、過昇温による酸化触媒８の破損を未然に防止することができる。しかも、無駄なポスト噴射が防止されるため、これによる燃費悪化を未然に回避できるという別の利点も得られる。
【００３３】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではディーゼルエンジンの排気浄化装置に具体化し、ＤＰＦ９の強制再生時に、ポスト噴射の追加燃料により酸化触媒８上でＨＣが急燃焼するのを防止したが、排気後処理装置の昇温を目的としてＨＣを供給し、このときにＨＣの急燃焼が生じる虞があるものであれば、内燃機関や排気後処理装置の種別はこれに限ることはない。
【００３４】
従って、例えば吸蔵型リーンＮＯｘ触媒を備えたガソリンエンジンの排気浄化装置に具体化し、硫黄被毒した吸蔵型リーンＮＯx触媒からＳＯx（硫黄酸化物）を放出するときに、追加燃料によるＮＯx触媒上でのＨＣの急燃焼を防止するために、上記実施形態と同様にＮＯx触媒上のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbに基づいて追加燃料の供給を制御してもよい。又、例えば三元触媒を早期活性化するために追加燃料を供給する場合にも利用でき、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbに基づく追加燃料の制御により、三元触媒上でのＨＣの急燃焼を防止できる。
【００３５】
又、上記実施形態では、ＨＣ総吸着量ＨＣadsorbが許容量ＨＣmaxを越えると、ポスト噴射を中止したが、例えばＨＣ総吸着量ＨＣadsorbと許容量ＨＣmaxとの偏差に応じて、ポスト噴射量をきめ細かく制御するようにしてもよい。
更に、上記実施形態では、強制再生時にポスト噴射によりＨＣを供給したが、ＨＣ供給の手段はこれに限ることはなく、例えば排気通路７に設けた燃料噴射ノズルにより未燃燃料を供給するようにしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１〜４の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＨＣの供給により排気後処理装置を昇温する際に、排気後処理装置のＨＣ総吸着量が許容値を越えるときには、排気後処理装置に供給されるＨＣの基準量を低減するか或いはＨＣ供給を中止するため、排気後処理装置に吸着されているＨＣの急燃焼による過昇温を防止して、排気後処理装置の破損を未然に防止でき、しかも、無駄なポスト噴射による燃費悪化を回避することができる。
【００３７】
請求項５の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項２に加えて、排気後処理装置のＨＣ総吸着量を一層正確に推定又は演算でき、ＨＣの急燃焼による排気後処理装置の過昇温をより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】酸化触媒のＨＣ総吸着量ＨＣadsorbを算出する手順を示すブロック図である。
【図３】触媒温度Ｔに対するＨＣの吸着特性を示す図である。
【図４】ＥＣＵが実行する過昇温抑制ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】ＨＣ吸着量に対する強制再生時の昇温状況を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
２ 燃料噴射ノズル（ＨＣ供給手段）
７ 排気通路
１１ ＥＣＵ（制御手段、補正手段）
Claims (5)
- 内燃機関の排気系に設けられた排気後処理装置と、
上記排気後処理装置の上流側の排気系にＨＣを供給するＨＣ供給手段と、
上記排気後処理装置の昇温が要求されたとき、上記排気後処理装置に基準量のＨＣを供給すべく上記ＨＣ供給手段を制御する制御手段と、
上記制御手段の制御中において、上記排気後処理装置に吸着されているＨＣ総吸着量を推定又は演算し、推定又は演算されたＨＣ総吸着量が上記排気後処理装置に過昇温の虞がない最大のＨＣ量として設定された許容値を越えるとき、上記ＨＣ供給手段のＨＣ供給に適用される基準量を低減するか或いはＨＣ供給を中止する補正手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 上記補正手段は、所定期間内に上記排気後処理装置に吸着されたＨＣ吸着量と、所定期間内に上記排気後処理装置から浄化されたＨＣ浄化量との偏差を求め、該偏差の積算値から上記ＨＣ総吸着量を推定又は演算することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記補正手段は、上記所定期間内のＨＣ吸着量を、上記排気後処理装置の温度、上記ＨＣ供給手段によるＨＣ供給時のＨＣ濃度、及び前回推定又は演算した上記排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求めることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記補正手段は、上記所定期間内のＨＣ浄化量を、上記排気後処理装置の温度に基づく浄化反応速度、及び前回推定又は演算した上記排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求めることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記補正手段は、上記所定期間内のＨＣ吸着量を、上記排気後処理装置の温度、上記ＨＣ供給手段によるＨＣ供給時のＨＣ濃度、及び前回推定又は演算した上記排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求める一方、上記所定期間内のＨＣ浄化量を、上記排気後処理装置の温度に基づく浄化反応速度、及び前回推定又は演算した上記排気後処理装置のＨＣ総吸着量から求め、該所定期間内のＨＣ吸着量と所定期間内のＨＣ浄化量との偏差の積算値から、上記ＨＣ総吸着量を推定又は演算することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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