JP4139356B2 - 排気ガス後処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化するための排気ガス後処理装置に関するものである。
内燃機関、特にディーゼル内燃機関の運転により排気ガス中に生じるＮＯｘ及び黒煙等のパティキュレートを除去するため、従来より、排気ガス中の炭化水素を酸化、燃焼させる触媒コンバータとパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタとを組み合わせ、触媒コンバータでの発熱を利用してパティキュレートフィルタによって捕集されたパティキュレートの燃焼を促進させるようにした排気ガス後処理装置が公知である（特許文献１）。
ところで、この種の触媒コンバータは、一定の温度にまで昇温させて活性化させなければ所期の効果を発揮させることができない。そこで、特許文献２に見られるように、触媒の温度を検出する等して触媒が活性状態にあるか否かを判別し、触媒が不活性状態にあると判別された場合には、本来の燃焼噴射タイミングより遅れた所定のタイミングでシリンダ内に所謂二次燃料噴射と称される追加燃料噴射を行い、これにより触媒の活性化を行う方法が公知である。
特開平８−４２３２６号公報 特開平８−２９６４８５号公報
しかしながら、従来における二次燃料噴射の制御は、触媒が不活性状態であると判別された場合に、その時の機関の運転条件や外部環境条件等に応じた量の燃料を主噴射後の所定のタイミングでシリンダ内に間歇的に噴射させ、これにより触媒の活性化を促進させていた。
したがって、機関の運転条件や外部環境条件等がある程度一定であるような場合にはあまり問題が生じないが、これらの条件が比較的大きく変動するような運転環境の下では二次燃料噴射によっても触媒の活性化が予定通り促進されず、いたずらに燃料を消費してしまう結果となり、燃費の低下の大きな原因となると共に、排気ガスと共に大量の未燃焼燃料を大気中に放出し、却って環境汚染を増大させるという問題点を有していた。
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる、改善された排気ガス後処理装置を提供することにある。
本発明の目的は、適切な二次燃料噴射制御を実現することができる、改善された排気ガス後処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明によれば、内燃機関の排気ガス中に含まれる炭化水素を酸化、燃焼させる触媒コンバータと、該触媒コンバータを通過した排気ガスを受け取り排気中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタと、前記触媒コンバータの活性化のための燃料を噴射供給するのに用いられる燃料噴射部材と、該燃料噴射部材による燃料噴射動作を制御するための制御部とを備えて成る排気ガス後処理装置において、前記制御部が、前記パティキュレートフィルタの再生の必要が判別されたことに応答して前記パティキュレートフィルタの排気ガス入力側の温度が所定の範囲内に入っているか否かによって前記触媒コンバータの活性化のための燃料噴射動作を開始させるべきか否かを判別するための第１の判別部と、該第１の判別部に応答して前記燃料噴射動作が開始された場合に前記燃料噴射動作の開始後の燃料噴射量の積算を開始して該燃料噴射量の積算値を算出する算出部と、前記積算値が所定値に達したか否かを判別する第２の判別部と、前記温度が前記パティキュレートフィルタの再生維持温度に達したか否かを判別する第３の判別部と、前記温度が前記パティキュレートフィルタのフィルタ保護温度に達したか否かを判別する第４の判別部と、前記第２乃至第４の判別部に応答し、前記積算値が所定値に達した時点、前記温度が前記パティキュレートフィルタの再生維持温度に達した時点、及び前記温度が前記パティキュレートフィルタのフィルタ保護温度に達した時点のうち最も早い時点で前記燃料噴射動作を停止させる噴射動作停止部とを備えて成ることを特徴とする排気ガス後処理装置が提案される。
本発明によれば、パティキュレートフィルタに供給される排気ガスの温度を触媒コンバータを用いて上昇させるようにした排気ガス後処理装置において、触媒の活性化のための燃料噴射動作の制御を適切に行うことができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
図１は、本発明をディーゼル機関用の排気ガス後処理装置に適用した場合の一実施形態を示す全体構成図である。符号１で示されるのは４気筒のディーゼル機関であり、各気筒２〜５にはそれぞれ燃料噴射部材としてのインジェクタ６〜９が設けられている。これらのインジェクタ６〜９の動作は燃料噴射装置制御ユニット１０によって制御され、後述するように、高圧燃料を所要のタイミングで所要量だけ対応する気筒内に噴射供給することができる公知の構成となっている。
吸気マニホールド１１に接続されている吸気ダクト１２には、インタークーラ１３及びエアクリーナ１４が設けられており、一方、排気マニホールド１５には排気ダクト１６が接続されている。
吸気ダクト１２と排気ダクト１６との間には、ＥＧＲ制御弁１７を設けた排気再循環路１８が設けられており、燃料噴射装置制御ユニット１０によって制御されるアクチュエータ１９によってＥＧＲ制御弁１７の開度が調節される。これにより、排気ダクト１６内を流れる排気ガスの一部を吸気マニホールド１１に調量して戻すことができる構成となっている。符号２０で示されるのは排気ターボチャージャであり、排気ダクト１６内に配設された排気タービン２１と吸気ダクト１２内に配設されていて排気タービン２１により駆動されるコンプレッサ２２とから成っている。
総体的に符号３０で示される排気ガス後処理装置は、内燃機関の排気ガス中に含まれる炭化水素を酸化、燃焼させる触媒コンバータ３１と、触媒コンバータ３１を通過した排気ガスを受け取り排気中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ３２とを備え、排気ダクト１６内を流れる排気ガスは先ず触媒コンバータ３１に流れ、しかる後パティキュレートフィルタ３２に流れる構成となっている。触媒コンバータ３１は、例えばハニカム状のコーディエライト、あるいは耐熱鋼からなる担体の表面に、活性アルミナ等をコートしてウォッシュコート層を形成し、このコート層に白金、パラジウム、あるいはロジウム等の貴金属からなる触媒活性成分を担持させた構成となっている。触媒コンバータは、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ2 を生成させるとともに、排気ガス中のＨＣとＣＯを酸化してＨ2 ＯとＣＯ2 を生成させる構成となっている。
パティキュレートフィルタ３２は、例えば多孔質のコーディエライト、あるいは炭化珪素によって多数のセルが平行に形成され、セルの入口と出口が交互に閉鎖された、いわゆるウォールフロー型と呼ばれるハニカムフィルタや、セラミック繊維をステンレス多孔管に何層にも巻き付けた繊維型フィルタを使用したもので、排気ガス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３２の入口側（前）と出口側（後）には、それぞれ、排気ガスの圧力を検出するための第１圧力センサ３３及び第２圧力センサ３４が設けられている。第１圧力センサ３３からはパティキュレートフィルタ３２の入口側における排気ガス圧力Ｐ１を示す第１圧力信号Ｓ１が出力され、第２圧力センサ３４からはパティキュレートフィルタ３２の出口側における排気ガス圧力Ｐ２を示す第２圧力信号Ｓ２が出力される。符号３５で示されるのは、パティキュレートフィルタ３２の入口側（前）の排気ガスの温度を検出するための温度センサである。温度センサ３５からの排気温度信号Ｔは、第１圧力信号Ｓ１及び第２圧力信号Ｓ２と共にフィルタ制御ユニット３６に入力されている。フィルタ制御ユニット３６には、ディーゼル機関１の回転数を示す機関速度信号Ｎも速度センサ３７から入力されている。
フィルタ制御ユニット３６は、必要に応じてインジェクタ６〜９から触媒コンバータ３１の活性化のための燃料噴射（本明細書中では二次燃料噴射と称することがある）の制御のための制御信号ＣＳを出力する。制御信号ＣＳは燃料噴射装置制御ユニット１０に送られる。
燃料噴射装置制御ユニット１０には、制御信号ＣＳのほか、機関速度信号Ｎ及びアクセルペダル（図示せず）の操作量を検出するアクセルセンサ３８からのアクセル信号Ａが入力されており、これらの信号に応答して、インジェクタ６〜９を駆動するための駆動信号Ｍ１〜Ｍ４が出力される。インジェクタ６〜９は、対応する駆動信号Ｍ１〜Ｍ４によってそれぞれ開閉制御され、図示しないコモンレール式燃料噴射装置のコモンレール内の高圧燃料が各気筒内に噴射供給される。
図２は、燃料噴射装置制御ユニット１０の詳細ブロック図である。燃料噴射装置制御ユニット１０は、アクセル信号Ａ及び機関速度信号Ｎに応答してディーゼル機関１の各気筒２〜５に噴射すべき主燃料噴射量を演算する主噴射量演算部１０Ａを有し、主噴射量演算部１０Ａから出力される主噴射量信号ＱＭは、制御信号ＣＳが入力されているインジェクタ駆動部１０Ｂに入力される。
インジェクタ駆動部１０Ｂは、主噴射量信号ＱＭに応答しインジェクタ６〜９から所要の主燃料噴射タイミングで主噴射量信号ＱＭによって決められる主燃料噴射量を対応する気筒に噴射させるための主噴射制御を行う。インジェクタ駆動部１０Ｂは、さらに、制御信号ＣＳに応答し、インジェクタ６〜９から、主燃料噴射タイミングよりも遅い所定のタイミングでインジェクタ６〜９から制御信号ＣＳによって決められる二次燃料噴射量を対応する気筒に燃料噴射させるための二次噴射制御を行う。
次に、図３を参照してフィルタ制御ユニット３６について説明する。
フィルタ制御ユニット３６はマイクロコンピュータを用いて構成されており、ここにおいて所定のフィルタ制御プログラムが実行される。フィルタ制御ユニット３６は、このフィルタ制御プログラムの実行により、触媒コンバータ３１の活性化のための燃料噴射動作（二次燃料噴射動作）を開始させるべきか否かが判別され、この判別結果に応答して二次燃料噴射動作が開始された場合に二次燃料噴射動作の開始後の燃料噴射量の積算値を算出し、この積算値が所定値に達した場合に二次燃料噴射動作を停止させる制御を行う構成となっている。
図３は、上述したフィルタ制御プログラムを示すフローチャートである。キースイッチがオフからオンに切り換えられることによって、フィルタ制御プログラムが起動されると、先ずステップＳ１１においてパティキュレートフィルタ３２の再生が必要か否かが判別される。ここでは、第１圧力信号Ｓ１と第２圧力信号Ｓ２とに基づき、パティキュレートフィルタ３２の前後差圧ΔＰが所定レベルを越えたか否かを判別し、前後差圧ΔＰが所定レベルを越えた場合にパティキュレートフィルタ３２における捕集パティキュレートの量が所定量を越えたとみなし、パティキュレートフィルタ３２の再生が必要とされ、ステップＳ１１の判別結果がＹＥＳとなる構成となっている。前後差圧ΔＰが所定レベルを越えていない場合はステップＳ１１の判別結果はＮＯとなり、前後差圧ΔＰが所定レベルを越えるまでステップＳ１１が繰り返し実行される。なお、ステップＳ１１での再生の必要性の判別は、前後差圧ΔＰに基づくもののほか、適宜のパティキュレート堆積量推定演算に基づいて行うようにしてもよい。
ステップＳ１１の判別結果がＹＥＳとなるとステップＳ１２に入り、ここで、二次燃料噴射条件を満たしているか否かが判別される。本実施の形態では、排気温度信号Ｔに基づき、パティキュレートフィルタ３２の排気ガスの入力側の温度が、二次燃料噴射による触媒コンバータ３１の活性化が有望である所定の範囲内に入っているか否かが判別される。パティキュレートフィルタ３２の排気ガスの入力側の温度が所定の範囲内に入っていると、ステップＳ１２の判別結果はＹＥＳとなり、ステップＳ１３に入る。一方、パティキュレートフィルタ３２の排気ガスの入力側の温度が所定の範囲外であると、二次燃料噴射によっても触媒コンバータ３１の活性化は望めないので、ステップＳ１２の判別結果はＮＯとなり、ステップＳ１１に戻る。
すなわち、パティキュレートフィルタ３２のパティキュレートの堆積量が所定レベル以上であって、触媒コンバータ３１の動作条件が二次燃料噴射による活性化が見込める場合に、ステップＳ１３以下が実行される。
ステップＳ１３では、排気温度信号Ｔに基づいて二次燃料噴射量の目標値を演算し、燃料噴射装置制御ユニット１０に対し、この目標値を通知すると共に二次燃料噴射の開始を指示するための制御信号ＣＳを送出する二次燃料噴射の開始処理が実行され、ステップＳ１４に入る。
ステップＳ１４では、ステップＳ１３において指令される二次燃料噴射量を積算する演算が開始され、マイクロコンピュータのメモリ（図示せず）内にはその積算値の最新の値が格納される。
次のステップＳ１５では、ステップＳ１４で演算された積算値が所定値Ｉｆに達したか否かが判別される。演算された積算値が所定値Ｉｆに達していない場合にはステップＳ１５の判別結果はＮＯとなり、ステップＳ１６に入る。ステップＳ１６では、パティキュレートフィルタ３２の入口側の温度ｔａが、パティキュレートフィルタ３２の再生を維持するために必要な再生維持温度ｔｘに達したか否かが判別される。
入口側の温度ｔａが再生維持温度ｔｘに達していないとステップＳ１６の判別結果はＮＯとなり、ステップＳ１５に戻る。一方、入口側の温度ｔａが再生維持温度ｔｘに達していると、ステップＳ１６の判別結果はＹＥＳとなり、ステップＳ１７に入る。ステップＳ１７では、入口側の温度ｔａがパティキュレートフィルタ３２を損傷させることのない温度の上限値であるフィルタ保護温度ｔｙとなったか否かが判別される。入口側の温度ｔａがフィルタ保護温度ｔｙとなっていない場合には、ステップＳ１７の判別結果はＮＯとなり、ステップＳ１８に入る。ステップＳ１８では、二次燃料噴射の停止が決定され、二次燃料噴射の停止を指令する制御信号ＣＳが出力される。そして、ステップＳ１１に戻る。
ステップＳ１７において、入口側の温度ｔａがフィルタ保護温度ｔｙとなったと判別された場合には、ステップＳ１７の判別結果はＹＥＳとなり、ステップＳ１９に進む。ステップＳ１９では、二次燃料噴射の停止が決定され、本フィルタ制御プログラムの実行を終了するリターン処理に入る。なお、ステップＳ１５で積算値が所定値Ｉｆに達したと判別されると、ステップＳ１５の判別結果はＹＥＳとなり、ステップＳ１９に進み、二次燃料噴射を停止させ、リターン処理が行われる。
このように、積算値が所定値Ｉｆに達したと判別されるとパティキュレートフィルタ３２の入口側の温度条件の如何に拘らず、二次燃料噴射を停止させる。これは、積算値が所定値に達したと判別された場合には、触媒コンバータ３１における活性化が予定通り行われておらず、燃料の無駄遣いになっている可能性が高いため、二次燃料噴射を終了させるのである。
このことを図４を参照して説明する。図４は、排気ガス後処理装置３０の動作を説明するための図である。図４の（Ａ）〜（Ｄ）において、横軸はいずれも時間を示している。（Ａ）は触媒コンバータ３１の入口側の温度ｔｂの時間的変化を示す図、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ３２の入口側の温度ｔａの時間的変化を示す図、（Ｃ）は二次燃料噴射量の時間的変化を示す図、（Ｄ）は（Ｃ）に示した二次燃料噴射量の積算値の時間的変化を示している。
図４の（Ａ）〜（Ｄ）から判るように、時間ｔ１においてディーゼル機関１が運転を開始し、これにより温度ｔｂが上昇すると、時間遅れをもって温度ｔａが上昇し始める。
そして、温度ｔａが時間ｔ２において所定値を越えたとき、ステップＳ１２の判別結果がＹＥＳとなり、二次燃料噴射が開始される。これにより、触媒コンバータ３１が活性化され、温度ｔａは急激に上昇する。
図４の（Ｂ）と（Ｄ）比べて判るように、積算値があるレベルに達すると触媒コンバータ３１は充分に活性化され温度ｔａの上昇は飽和する。図４の（Ｂ）においては、その飽和状態において入口側の温度ｔａが再生維持温度ｔｘになっている。ｔｙはフィルタ保護温度である。
このように、ディーゼル機関１の運転環境が急激に変化することのないような場合には、二次燃料噴射の積算値と温度ｔａとの間には一定の相関関係が成立する。したがって、この場合には温度ｔａが所定値に達したことをもって二次燃料噴射を終了させればよい。しかし、ディーゼル機関１の運転環境が激しく変化するような場合には二次燃料噴射によって、触媒コンバータ３１の活性化が予定したようにうまく促進されない。したがって、このような場合には、温度ｔａの監視のみでは不充分であり、これに加えて二次燃料噴射量の積算値をも同時に監視し、二次燃料噴射量の積算値が所定値Ｉｆに達した場合には温度ｔａの値に拘らず二次燃料噴射を終了させ、これにより触媒コンバータ３１の活性化の効果の小さい二次燃料噴射を強制的に終了させている。なお、ステップＳ１５において積算値が所定値Ｉｆに達していないと判別された場合であっても、入口側の温度ｔａが再生維持温度ｔｘとなっており、且つ、フィルタ保護温度ｔｙになっていない場合には二次燃料噴射を停止させる。
排気ガス後処理装置３０は以上のように構成されているので、このように、二次燃料噴射の積算値が監視され、触媒コンバータ３１の活性化に必要であろうところの予定量の燃料が使われた場合には強制的に二次燃料噴射を終了させるので、燃料の無駄遣いが有効に防止でき、燃料の低下を有効に抑えることができる。また、触媒コンバータ３１の促進に大きく寄与できない燃料が大気中に放出されるのを有効に抑えることができるので、環境汚染に対する防止効果も有する。さらに、二次燃料噴射が過剰になることがないので、オイルの希釈化の問題改善にも寄与できる。
本発明をディーゼル機関用排気ガス後処理装置に適用した場合の一実施形態を示す全体構成図。 燃料噴射装置制御ユニットの詳細ブロック図。 フィルタ制御ユニットにおいて実行されるフィルタ制御プログラムを示すフローチャート。 排気ガス後処理装置の動作を説明するための図。
符号の説明
１ ディーゼル機関
２〜５ 気筒
６〜９ インジェクタ
１０ 燃料噴射装置制御ユニット
１０Ａ 主噴射量演算部
１０Ｂ インジェクタ駆動部
３０ 排気ガス後処理装置
３１ 触媒コンバータ
３２ パティキュレートフィルタ
３３ 第１圧力センサ
３４ 第２圧力センサ
３５ 温度センサ
３６ フィルタ制御ユニット
３７ 速度センサ
３８ アクセルセンサ
Ａ アクセル信号
ＣＳ 二次噴射制御信号
Ｎ 機関速度信号
ＱＭ 主噴射量信号
Ｓ１ 第１圧力信号
Ｓ２ 第２圧力信号
ＳＱＭ 主噴射制御信号
Ｔ 排気温度信号
ｔａ、ｔｂ 温度
ｔｏ 所定温度

Claims (1)

  1. 内燃機関の排気ガス中に含まれる炭化水素を酸化、燃焼させる触媒コンバータと、
    該触媒コンバータを通過した排気ガスを受け取り排気中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタと、
    前記触媒コンバータの活性化のための燃料を噴射供給するのに用いられる燃料噴射部材と、
    該燃料噴射部材による燃料噴射動作を制御するための制御部と
    を備えて成る排気ガス後処理装置において、
    前記制御部が、
    前記パティキュレートフィルタの再生の必要が判別されたことに応答して前記パティキュレートフィルタの排気ガス入力側の温度が所定の範囲内に入っているか否かによって前記触媒コンバータの活性化のための燃料噴射動作を開始させるべきか否かを判別するための第１の判別部と、
    該第１の判別部に応答して前記燃料噴射動作が開始された場合に前記燃料噴射動作の開始後の燃料噴射量の積算を開始して該燃料噴射量の積算値を算出する算出部と、
    前記積算値が所定値に達したか否かを判別する第２の判別部と、
    前記温度が前記パティキュレートフィルタの再生維持温度に達したか否かを判別する第３の判別部と、
    前記温度が前記パティキュレートフィルタのフィルタ保護温度に達したか否かを判別する第４の判別部と、
    前記第２乃至第４の判別部に応答し、前記積算値が所定値に達した時点、前記温度が前記パティキュレートフィルタの再生維持温度に達した時点、及び前記温度が前記パティキュレートフィルタのフィルタ保護温度に達した時点のうち最も早い時点で前記燃料噴射動作を停止させる噴射動作停止部と
    を備えて成ることを特徴とする排気ガス後処理装置。
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