JP4161575B2 - 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、ディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等から排出される排気ガスには、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等のほかにＰＭが多く含まれており、このＰＭを処理するための後処理装置としてパティキュレートフィルタが提案されている。このフィルタは、排気ガスの流れ方向に沿う多数の通路の上流側と下流側の開口部を交互に閉鎖して、通路を形成する多孔質の仕切壁を経て排気ガスを流通させる、所謂、ウォールフロー式として構成されており、仕切壁を流通する際に排気ガス中のＰＭを捕集している。
【０００３】
従って、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の黒煙などの有害物質はこのフィルタにより適正に捕集される。そして、車両の加速時や高速走行時に、フィルタが捕集した有害物質を高温となった排気ガスにより再燃焼する。また、フィルタに所定量以上の有害物質が捕集されたときには、外部の加熱手段によりこのフィルタを加熱し、捕集された有害物質を再燃焼する。このようにして必要時にフィルタを再生することで、排気ガス中の有害物質を確実に捕集することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼルエンジンでは運転条件が一定しておらず、例えば、低回転低負荷運転やアイドル運転中は、回転数の低下に伴って新気流入量が減少すると共に、燃料供給量が減少するために排気ガスの流量が極端に少なくなる。そのため、この低回転低負荷運転やアイドル運転中に、フィルタが加熱されて再生処理が実行されると、有害物質の再燃焼により発生する熱を排気ガスが十分に持ち去ることができず、フィルタの温度が上昇して劣化あるいは破損を招いてしまう恐れがある。そして、この低回転低負荷運転やアイドル運転中は、排気ガスの酸素濃度も高くなるため、フィルタに捕集された有害物質は更に燃焼し易くなり、フィルタが高温となって劣化や破損を招く。
【０００５】
また、ディーゼルエンジンの無負荷運転中に、燃料カットが実行される（モータリング）と、排気ガスが酸素過剰になって酸素濃度が高くなるため、フィルタの再生処理時には有害物質の再燃焼が促進されて更にフィルタの温度が上昇し、劣化あるいは破損を招いてしまう恐れがある。その上、このモータリング時にエキゾーストブレーキが作動すると、フィルタに流入する排気ガスの流量が極端に少なくなり、前述に比べて更にフィルタの温度が上昇して破損を招いてしまう恐れがある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するものであって、排気ガス中の微粒子を確実に捕集して排気ガスを適正に浄化すると共に、フィルタの温度上昇による破損を防止した内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置では、タービン及びコンプレッサを有するターボ過給機を設け、このタービンの下流に排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタを設ける一方、タービンの上流に少なくとも酸化機能を有する触媒装置を設け、フィルタに堆積した微粒子が自然着火したか否かあるいはフィルタが強制再生中か否かを判定するフィルタ再生判定手段と、フィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態か否かを判定する運転状態判定手段とを設け、制御手段は、フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定され、運転状態判定手段により特定運転状態であると判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給するようにしている。
【０００８】
従って、フィルタに堆積した微粒子が自然着火あるいはフィルタの強制再生により微粒子が着火した後に、内燃機関が低回転低負荷状態やアイドル状態などのフィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態に移行すると、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温、つまり、排気ガスのエネルギが増大し、タービン仕事が増加してブースト圧が上昇し、即ち、内燃機関への吸入空気量が増加して排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生した熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなり、フィルタの過昇温を未然に防止して破損を防止することができる。
【０００９】
また、請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置では、ターボ過給機を排気系におけるタービンの上流の排気ガスを下流にバイパスするウエストゲートバルブあるいはブースト圧を可変制御可能なブースト圧調整機構から構成し、制御手段は、触媒装置に還元剤を供給するときにこのウエストゲートバルブを閉止制御あるいはブースト圧調整機構をブースト圧が上昇する方向に制御するようにしている。従って、フィルタに堆積した微粒子が着火した後に特定運転状態に移行すると、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温し、且つ、ウエストゲートバルブを閉止あるいはブースト圧を上昇させることで、ウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構を介して高温の排気ガスがタービンの下流にバイパスされること等がなくなり、効果的にタービン仕事を増加し、ブースト圧が上昇する。即ち、内燃機関への吸入空気量が増加して排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生した熱は排気ガスにより持ち去られ、フィルタの過昇温を未然に防止することができる。
【００１０】
請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置では、制御手段は、フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定され、運転状態判定手段により特定運転状態が所定期間以上継続していると判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給するようにしている。従って、内燃機関の特定運転状態が所定期間以上継続しているときだけ、触媒装置に還元剤を供給することで、排気ガス流量を増加してフィルタの過昇温を未然に防止できる一方、内燃機関の特定運転状態が短いときには、フィルタの過昇温が発生しないために排気ガスの流量を増加させる必要はなく、無駄な還元剤の供給を防止することができる。
【００１１】
請求項３の発明の内燃機関の排気浄化装置では、フィルタに捕集された微粒子の堆積量を推定する堆積量推定手段を設け、ターボ過給機を排気系におけるタービンの上流の排気ガスを下流にバイパスするウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構から構成し、制御手段は、堆積量推定手段により推定された微粒子の堆積量が所定値を越えたとき、触媒装置に還元剤を供給すると共に、ウエストゲートバルブを開放制御あるいはブースト圧を可変制御可能なブースト圧調整機構をブースト圧が低下する方向に制御するようにしている。従って、フィルタにおける微粒子の堆積量が所定値を越えてフィルタの強制再生が必要と判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温し、且つ、ウエストゲートバルブを開放あるいはブースト圧を低下させることで、ウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構を介して高温の排気ガスがタービンの下流にバイパスされるため、タービン仕事を増加させることなく効果的に排気ガスを昇温して微粒子を燃焼し、フィルタを再生することができる。
【００１２】
請求項４の発明の内燃機関の排気浄化装置では、特定運転状態を、通常運転時及び燃料供給が停止されたモータリング時にエキゾーストブレーキ作動により排気ガス流量がある特定範囲にまで減少するような運転状態とし、制御手段は、この特定運転状態にてフィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定されると、触媒装置に還元剤を供給するようにしている。従って、フィルタに堆積した微粒子が自然着火あるいはフィルタの強制再生により微粒子が着火した後に、内燃機関が通常運転時及び燃料供給が停止されたモータリング時にエキゾーストブレーキ作動により排気ガス流量がある特定範囲にまで減少するような運転状態に移行すると、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温してタービン仕事が増加してブースト圧が上昇する。即ち、内燃機関への吸入空気量の増加で排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生した熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなる。また、エキゾーストブレーキのブレーキ特性を確保しつつ、フィルタの過昇温を未然に防止することができる。
【００１３】
なお、上述した各請求項の発明において、制御手段が触媒装置に還元剤を供給する具体的な手段は、主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程に追加燃料を噴射するポスト噴射や、触媒装置の上流の排気系に主燃料噴射とは別に燃料を噴射する追加噴射でよく、更に、主燃焼の燃焼状態が半失火運転状態となるように、例えば、噴射時期や燃料量を制御するようなものであってもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生実行の制御のフローチャート、図３に本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生制御のフローチャート、図４に本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生中における破損防止制御のフローチャート、図５にディーゼルエンジンにおける特定運転状態を説明するためのグラフを示す。
【００１６】
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置において、図１に示すように、内燃機関としてのディーゼルエンジン１１は、図示しない燃焼室を臨む吸気ポートに吸気マニホールド１２を介して吸気管１３が接続され、この吸気管１３の空気取入口にはエアクリーナ１４が取付けられ、中途部にはインタークーラー１５が取付けられている。一方、エンジン１１の図示しない排気ポートには排気マニホールド１６を介して排気管１７が接続されている。
【００１７】
また、このエンジン１１にはターボ過給機１８が設けられている。このターボ過給機１８は、吸気管１３に設けられたコンプレッサ１９と排気管１７に設けられたタービン２０が同軸上に連結されて構成されている。そして、排気管１７にて、ターボ過給機１８のタービン２０の下流側には排気ガス中の微粒子（ＰＭ：パティキュレート、黒煙などの有害物質）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ、以下単にフィルタと称する。）２１が設けられる一方、タービン２０の上流側には酸化触媒２２が設けられている。また、排気管１７にはこのターボ過給機１８のタービン２０を迂回するようにバイパス通路２３が接続され、このバイパス通路２３にウエストゲートバルブ２４が設けられている。
【００１８】
更に、排気管１７には、フィルタ２１の上流側及び下流側に位置して排気温センサ２５，２６及び排気圧センサ２７，２８が装着されている。また、エンジン１１にはエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ２９が設けられている。
【００１９】
一方、車両には入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）３０が設けられており、このＥＣＵ３０によりエンジン１１を含めた総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ３０の入力側には、前述した排気温センサ２５，２６、排気圧センサ２７，２８、エンジン回転数センサ２９の他に、アクセル開度センサ３１、エキゾーストブレーキスイッチ３２等が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ３０の出力側には、図示しないインジェクタのドライバ３３等が接続されており、このインジェクタのドライバ３３等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。更に、ＥＣＵ３０の出力側にはバイパス通路２３を開閉するウエストゲートバルブ２４が接続されており、エンジンの運転状態に応じて開閉制御される。
【００２０】
このような本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、エンジン１１からの排気ガスは排気管１７を通って酸化触媒２２及びフィルタ２１に流入する。この酸化触媒２２では、排気ガス中のＣＯ，ＨＣが浄化され、フィルタ２１では、排気ガス中の微粒子が捕集される。そして、このフィルタ２１に捕集された微粒子は、自然着火あるいはフィルタ２１の強制再生により再燃焼され、フィルタ２１は再生処理される。この場合、自然着火は、エンジン１１が高回転高負荷状態で運転されると、排気ガス温度が微粒子の着火温度（例えば、６００℃）となり、微粒子が自然に着火して燃焼するものである。一方、フィルタ２１の強制再生は、フィルタ２１に堆積した微粒子が所定量以上になると、主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程に追加燃料を噴射するポスト噴射により、燃料に起因するＣＯ，ＨＣを酸化触媒２２で燃焼し、排気ガスを昇温してフィルタ２１を加熱することで、堆積した微粒子に強制着火して燃焼するものである。
【００２１】
そして、このようなフィルタ２１の再生制御において、ＥＣＵ（制御手段）３０は、フィルタ２１に堆積した微粒子が自然着火したか否かあるいはフィルタ２１が強制再生中か否かを判定（フィルタ再生判定手段）し、フィルタ２１に流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態か否かを判定（運転状態判定手段）し、微粒子が自然着火またはフィルタ２１が強制再生中で、且つ、特定運転状態であるときには、酸化触媒２２に還元剤、つまり、ポスト噴射によりＣＯ，ＨＣを供給するようにしている。
【００２２】
即ち、フィルタ２１に流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態とは、例えば、図５に表すＡ領域であって、エンジン回転数Ｎｅが低く、且つ、燃料噴射量Ｑが少ないエンジン１１の低回転低負荷運転状態やアイドル運転状態である。このような特定運転状態では、回転数の低下に伴って新気流入量が減少すると共に、燃料供給量が減少するために排気ガスの流量が極端に少なくなると共に酸素濃度が高くなり、このときにフィルタ２１の再生処理が実行されると、フィルタ２１に堆積した微粒子が燃焼しやすく、微粒子の燃焼により発生した熱を持ち去ることができず、フィルタ２１の温度が上昇して劣化あるいは破損してしまう恐れがある。
【００２３】
そこで、フィルタ２１に堆積した微粒子に着火して再生処理が実行された後に、エンジン１１がフィルタ２１に流入する排気ガスの流量が低下する前述した特定運転状態に移行したら、ポスト噴射により酸化触媒２２にＣＯ，ＨＣを供給することで、タービン２０の入口における排気ガスを昇温、つまり、排気ガスのエネルギを増大し、タービン仕事を増加させてターボ過給機１８のブースト圧が上昇する。すると、エンジン１１への吸入空気量が増加し、結果としてフィルタ２１へ流入する排気ガス流量も増加することとなり、フィルタ２１に捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生して熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなり、フィルタ２１の過昇温を未然に防止できる。
【００２４】
ここで、本実施形態の排気浄化装置による上述したフィルタ２１の強制再生制御及び破損防止制御について詳細に説明する。
【００２５】
強制再生実行制御において、図２に示すように、ステップＳ１にて、ＥＣＵ３０が各種センサ類出力信号の読込を行い、ステップＳ２にて、フィルタ２１に堆積した微粒子が所定量以上か否かを判定する。この場合、フィルタ２１におけるＰＭ（微粒子）の堆積量はフィルタ２１での圧力損失により推定する。即ち、予め排気ガスの流量に対するフィルタ２１での圧力損失、この圧力損失に対するＰＭ堆積量を算出し、排気ガスの流量に応じた圧力損失−ＰＭ堆積量のマップを複数設定する一方、排気圧センサ２７，２８が検出したフィルタ２１の上流側及び下流側の排気圧に基づいて圧力損失を算出し、予め設定された複数にマップからこの圧力損失に基づいてＰＭ堆積量を推定する。
【００２６】
なお、フィルタ２１のＰＭ堆積量は、排気圧センサ２７，２８の検出結果に基づいて推定する方法に限らず、フィルタ２１の上流側及び下流側の差圧を検出可能な差圧センサを用いたり、また、フィルタ２１に退席した微粒子の自然着火が発生しにくいエンジンの低回転低負荷運転の累積時間や、フィルタ２１に堆積した微粒子が燃焼する自然着火の回数とエンジンの運転累積時間とから推定するようにしてもよい。
【００２７】
ステップＳ２では、推定したフィルタ２１のＰＭ堆積量が所定値、つまり、フィルタ２１での圧力損失が大きくなって燃焼効率が悪化してしまうようなＰＭ堆積量以上か否かを判定し、ＰＭ堆積量が所定値以上であれば、ステップＳ３にて、強制再生モードに移行する。
【００２８】
ここで強制再生モードに移行すると、図３に示すように、ＥＣＵ３０は強制再生制御を行う。ステップＳ１１にて、ＥＣＵ３０が各種センサ類出力信号の読込を行い、ステップＳ１２にて、フィルタ２１に堆積した微粒子に着火しているか否かを判定する。フィルタ２１での微粒子の着火は、排気ガス温度が着火温度（例えば、６００℃）以上で発生するものであり、ＰＭ着火判定は、排気温センサ２５，２６が検出したフィルタ２１の上下流側の排気温度Ｔ1 ，Ｔ2 の平均値Ｔa ＝（Ｔ1 ＋Ｔ2 ）／２とＰＭ着火温度Ｔ0 との比較により行う。即ち、ステップＳ１２では、平均排気温度Ｔa がＰＭ着火温度Ｔ0 以上でなければ、フィルタ２１の微粒子が着火していないと判定し、ステップＳ１３でポスト噴射を行い、ステップＳ１４でウエストゲートバルブ２４を作動してバイパス通路２３を開放する。
【００２９】
従って、ポスト噴射により排気管１７を通して酸化触媒２２に還元剤としてのＣＯ，ＨＣが供給され、この酸化触媒２２ではＣＯ，ＨＣを触媒作用により燃焼するために排気ガスが昇温される。そして、タービン２０の入口における排気ガスが高温となり、ターボ過給機１８に対するバイパス通路２３を通してフィルタ２１に供給されて加熱されるため、フィルタ２１に堆積した微粒子が強制着火して燃焼する。
【００３０】
そして、ステップＳ１６にて、フィルタ２１の強制再生が完了したか否かを判定するが、この判定は、前述した強制再生実行制御のステップＳ２におけるＰＭ堆積堆積量の判定と同様に、排気圧センサ２７，２８が検出したフィルタ２１の上流側及び下流側の排気圧の差圧に基づいて判定すればよく、別の方法であってもよい。このステップＳ１６で、フィルタ２１の強制再生が完了していなければ、ステップＳ１１に戻り、このステップＳ１１〜Ｓ１６までの処理を繰り返す。この処理の間、ＰＭ着火状態が継続されていれば、ステップＳ１２からステップＳ１５に移行してポスト噴射を停止する。
【００３１】
なお、フィルタ２１に堆積する微粒子に着火させるために、主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程に追加燃料を噴射するポスト噴射を実施したが、酸化触媒２２にＨＣ，ＣＯなどの還元剤を供給することができれば、ポスト噴射に限るものではなく、例えば、酸化触媒２２の上流の排気系に主燃料噴射とは別に燃料を噴射する追加噴射でよく、また、主燃焼の燃焼状態が半失火運転状態となるように噴射時期や燃料量を制御してもよい。
【００３２】
その後、ステップＳ１６で、フィルタ２１の強制再生が完了したと判定されたら、ステップＳ１７に移行し、ウエストゲートバルブ２４の強制開弁作動を停止して通常制御とする。
【００３３】
一方、この強制再生モードでの強制再生制御の実行中に、フィルタ２１の破損防止制御が実行される。この破損防止制御では、図４に示すように、ステップＳ２１にて、ＥＣＵ３０が各種センサ類出力信号の読込を行い、ステップＳ２２にて、フィルタ２１が強制再生（強制再生モード）中であるか否かを判定する。この場合、強制再生実行制御のステップＳ３で強制再生モードに移行するときに、強制再生モードフラグをセットし、強制再生制御のステップＳ１６でフィルタ２１の強制再生が完了したら、強制再生モードフラグをリセットするように制御しており、ステップＳ２２での判定は、強制再生モードフラグがセットされているか否かで行っている。このステップＳ２２にて、フィルタ２１が強制再生中であると判定されたら、ステップＳ２５に移行してエンジン１１が特定運転状態であるか否かを判定する。
【００３４】
一方、ステップＳ２２でフィルタ２１が強制再生中でないと判定されたら、ステップＳ２３で、ＰＭ堆積量が所定値以上か否かを判定し、ＰＭ堆積量が所定値以上であればステップＳ２４に移行し、ＰＭ堆積量が所定値以上でなければ何もしないでこのルーチンを抜ける。ステップＳ２４では、フィルタ２１に堆積した微粒子が自然着火しているか否かを判定し、ＰＭ着火していれば、ステップＳ２５でエンジン１１が特定運転状態であるか否かを判定するが、ＰＭ着火していなければ何もしないでこのルーチンを抜ける。
【００３５】
ステップＳ２５で判定する特定運転状態とは、前述したように、フィルタ２１に流入する排気ガスの流量が低下するようなエンジン回転数Ｎｅが低く、且つ、燃料噴射量Ｑが少ないエンジン１１の低回転低負荷運転状態やアイドル運転状態（図５に表すＡ領域）である。ＥＣＵ３０は、エンジン回転数センサ２９が検出したエンジン回転数Ｎｅと、アクセル開度センサ３１が検出したアクセル開度から算出した燃料噴射量Ｑとから図５のマップに基づいて領域判定を行い、特定運転状態か否かを判定する。
【００３６】
ステップＳ２５で特定運転状態であると判定されたら、ステップＳ２６でその継続時間を積算し、ステップＳ２７で特定運転状態の継続時間が所定時間以上であるか否かを判定する。即ち、フィルタ２１の微粒子が燃焼する強制再生中あるいはＰＭ堆積量が所定値以上で且つ微粒子が自然着火中に、エンジン１１が低回転低負荷運転状態などに移行すると、フィルタ２１が高温のままで排気ガス流量が極端に少なくなるため、排気ガスが微粒子の燃焼により発生した熱を持ち去ることができず、フィルタ２１の極高温となって破損してしまう恐れがある。ステップＳ２７で判定する所定時間は、フィルタ２１の高温化による破損を防止するために制限時間であり、特定運転状態の継続時間が所定時間以上でなければ何もしないでこのルーチンを抜ける。
【００３７】
そして、ステップＳ２７で特定運転状態の継続時間が所定時間以上となったら、ステップＳ２８でポスト噴射を行い、ステップＳ２９でウエストゲートバルブ２４を作動してバイパス通路２３を閉止する。従って、ポスト噴射により排気管１７を通して酸化触媒２２に還元剤としてのＣＯ，ＨＣが供給され、この酸化触媒２２ではＣＯ，ＨＣを触媒作用により燃焼するために排気ガスが昇温される。そして、タービン２０の入口における排気ガスが高温となって体積膨張し、バイパス通路２３を通らずにターボ過給機１８のタービン２０に流入する。このターボ過給機１８では流入した排気ガスのエネルギが増大したため、タービン２０の仕事が増加してブースト圧が上昇し、即ち、コンプレッサ１９の仕事も増加して吸入空気量が増加し、排気ガスの流量も増加することとなる。その結果、フィルタ２１に堆積した微粒子が急燃焼しても、発生した熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなり、フィルタ２１の過昇温を抑制して破損を防止することができる。
【００３８】
なお、上述の実施形態では、フィルタ２１に流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態を、エンジン回転数Ｎｅが低く、且つ、燃料噴射量Ｑが少ないエンジン１１の低回転低負荷運転状態やアイドル運転状態（図５に表すＡ領域）としたが、本発明は、この領域に限定されるものではない。例えば、エンジン１１の中・高回転無負荷運転状態にて、燃料カットが実行される（モータリング）と、排気ガスの流量が増大することとなるが、このモータリング時にエキゾーストブレーキ３２が作動すると、排気管１７のバルブが閉じて排気ガスの流れが止められるため、フィルタ２１に流入する排気ガスの流量が極端に少なくなる特定運転状態となり、この特定運転状態は、図５にＢ領域として表すことができる。
【００３９】
フィルタ２１の微粒子に自然着火あるいはフィルタ２１が強制再生中であるときに、モータリング時でエキゾーストブレーキ３２が作動することで、排気ガス流量が極端に少なくなった特定運転状態に移行して所定時間継続したら、前述と同様に、ポスト噴射を行うと共にウエストゲートバルブ２４を作動してバイパス通路２３を閉止する。従って、ポスト噴射により排気管１７を通して酸化触媒２２にＣＯ，ＨＣが供給され、この酸化触媒２２でＣＯ，ＨＣが触媒作用により燃焼して排気ガスが昇温され、タービン２０の入口における排気ガスエネルギが増大し、タービン２０の仕事が増加するため、吸入空気量と共に排気ガスの流量が増加する。
【００４０】
なお、上記モータリング時でエキゾーストブレーキ３２が作動していない状態でも、エンジン回転数が低下して排気ガスの流量が低下する特定運転では、ポスト噴射を実施して酸素濃度を低くしてもよい。
【００４１】
一方、フィルタ２１が強制再生中でモータリング状態となっても、フィルタ２１の温度（平均排気温度Ｔa ）が低いときには、ポスト噴射を行うと共にウエストゲートバルブ２４を作動してバイパス通路２３を開放することで、高温の排気ガスをバイパス通路２３を通してフィルタ２１に供給して加熱することで、このフィルタ２１の過冷却を防止することができる。
【００４２】
なお、上述の実施形態では、ターボ過給機１８をコンプレッサ１９とタービン２０を同軸上に連結して構成し、排気管１７にバイパス通路２３を接続してウエストゲートバルブ２４を設けたが、ターボ過給機をブースト圧を調整可能とした可変容量式の過給機としてもよい。この可変容量式の過給機はタービンの周囲に多数のノズルベーンを回動自在に配設して環状のリングにより連結して構成され、アクチュエータによりリングを介して各ノズルベーンの角度を変更することで、過給圧を調整できる。
【００４３】
この可変容量式の過給機を用いた排気浄化装置では、フィルタ２１の強制再生制御にて、ポスト噴射を行うと共に可変容量式の過給機によりブースト圧が低下する方向に制御することで、ポスト噴射により還元剤としてのＣＯ，ＨＣが酸化触媒２２に供給され、この酸化触媒２２でＣＯ，ＨＣが触媒作用により燃焼して排気ガスが昇温され、ブースト圧が低下することで高温の排気ガスがフィルタ２１に容易に供給されて加熱されるため、フィルタ２１に堆積した微粒子が強制着火して燃焼し、フィルタ２１を再生することができる。
【００４４】
また、フィルタ２１の破損防止制御にて、排気ガス流量が極端に少なくなった特定運転状態が所定時間継続したら、ポスト噴射を行うと共に可変容量式の過給機によりブースト圧が上昇する方向に制御することで、ポスト噴射により還元剤としてのＣＯ，ＨＣが酸化触媒２２に供給され、この酸化触媒２２でＣＯ，ＨＣが触媒作用により燃焼して排気ガスが昇温され、ブースト圧が上昇することでタービン２０の入口における排気ガスエネルギが増大し、タービン２０の仕事が増加するため、吸入空気量と共に排気ガスの流量が増加する。そのため、フィルタ２１に堆積した微粒子が急燃焼しても、発生して熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなり、フィルタ２１の過昇温を抑制して破損を防止することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、タービン及びコンプレッサを有するターボ過給機を設け、このタービンの下流に排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタを設ける一方、タービンの上流に少なくとも酸化機能を有する触媒装置を設け、フィルタに堆積した微粒子が自然着火したか否かあるいはフィルタが強制再生中か否かを判定するフィルタ再生判定手段と、フィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態か否かを判定する運転状態判定手段とを設け、制御手段は、フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定され、運転状態判定手段により特定運転状態であると判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給するので、タービン入口における排気ガスを昇温、つまり、排気ガスのエネルギが増大し、タービン仕事が増加してブースト圧が上昇し、即ち、内燃機関への吸入空気量が増加して排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生して熱は増加した排気ガスにより持ち去られるため、フィルタの過昇温を抑制して破損を防止することができる。
【００４６】
また、請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ターボ過給機を排気系におけるタービンの上流の排気ガスを下流にバイパスするウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構から構成し、制御手段は、触媒装置に還元剤を供給するときにこのウエストゲートバルブを閉止制御あるいはブースト圧調整機構をブースト圧が上昇する方向に制御するので、フィルタに堆積した微粒子が着火した後に特定運転状態に移行すると、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温し、且つ、ウエストゲートバルブを閉止あるいはブースト圧を上昇させることで、ウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構を介して高温の排気ガスがタービンの下流にバイパスされることがなくなり、効果的にタービン仕事を増加し、ブースト圧が上昇する。即ち、内燃機関への吸入空気量が増加して排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生した熱は排気ガスにより持ち去られ、フィルタの過昇温を未然に防止することができる。
【００４７】
請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、制御手段は、フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定され、運転状態判定手段により特定運転状態が所定期間以上継続していると判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給するので、特定運転状態が所定期間以上継続しているときだけ、触媒装置に還元剤を供給することで、排気ガス流量を増加してフィルタの過昇温を未然に防止できる一方、内燃機関の特定運転状態が短いときには、フィルタの過昇温が発生しないために排気ガスの流量を増加させる必要はなく、無駄な還元剤の供給を防止することができる。
【００４８】
請求項３の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、フィルタに捕集された微粒子の堆積量を推定する堆積量推定手段を設け、ターボ過給機を排気系におけるタービンの上流の排気ガスを下流にバイパスするウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構から構成し、制御手段は、堆積量推定手段により推定された微粒子の堆積量が所定値を越えたとき、触媒装置に還元剤を供給すると共に、ウエストゲートバルブを開放制御あるいはブースト圧調整機構をブースト圧が低下する方向に制御するので、フィルタにおける微粒子の堆積量が所定値を越えてフィルタの強制再生が必要と判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温し、且つ、ウエストゲートバルブを開放あるいはブースト圧を低下させることで、ウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構を介して高温の排気ガスがタービンの下流にバイパスされるため、タービン仕事を増加させることなく効果的に排気ガスを昇温して微粒子を燃焼し、フィルタを再生することができる。
【００４９】
請求項４の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、特定運転状態を、通常運転時及び燃料供給が停止されたモータリング時にエキゾーストブレーキ作動により排気ガス流量がある特定範囲にまで減少するような運転状態とし、制御手段は、この特定運転状態にてフィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定されると、触媒装置に還元剤を供給するので、フィルタに堆積した微粒子が自然着火あるいはフィルタの強制再生により微粒子が着火した後に、内燃機関が高回転高負荷領域で燃料の供給が停止され、エキゾーストブレーキが作動してフィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態に移行すると、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温してタービン仕事が増加してブースト圧が上昇する。即ち、内燃機関への吸入空気量の増加で排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生した熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなり、エキゾーストブレーキのブレーキ特性を確保しながら、フィルタの過昇温を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態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】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生実行の制御のフローチャートである。
【図３】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生制御のフローチャートである。
【図４】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生中における破損防止制御のフローチャートである。
【図５】ディーゼルエンジンにおける特定運転状態を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
１１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１７ 排気管
１８ ターボ過給機
１９ コンプレッサ
２０ タービン
２１ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ、フィルタ）
２２ 酸化触媒（触媒装置）
２３ バイパス通路
２４ ウエストゲートバルブ
２５，２６ 排気温センサ
２７，２８ 排気圧センサ
２９ エンジン回転数センサ
３０ ＥＣＵ、電子コントロールユニット（フィルタ再生判定手段、運転状態判定手段、制御手段）
３１ アクセル開度センサ
３２ エキゾーストブレーキスイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等から排出される排気ガスには、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等のほかにＰＭが多く含まれており、このＰＭを処理するための後処理装置としてパティキュレートフィルタが提案されている。このフィルタは、排気ガスの流れ方向に沿う多数の通路の上流側と下流側の開口部を交互に閉鎖して、通路を形成する多孔質の仕切壁を経て排気ガスを流通させる、所謂、ウォールフロー式として構成されており、仕切壁を流通する際に排気ガス中のＰＭを捕集している。
【０００３】
従って、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の黒煙などの有害物質はこのフィルタにより適正に捕集される。そして、車両の加速時や高速走行時に、フィルタが捕集した有害物質を高温となった排気ガスにより再燃焼する。また、フィルタに所定量以上の有害物質が捕集されたときには、外部の加熱手段によりこのフィルタを加熱し、捕集された有害物質を再燃焼する。このようにして必要時にフィルタを再生することで、排気ガス中の有害物質を確実に捕集することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼルエンジンでは運転条件が一定しておらず、例えば、低回転低負荷運転やアイドル運転中は、回転数の低下に伴って新気流入量が減少すると共に、燃料供給量が減少するために排気ガスの流量が極端に少なくなる。そのため、この低回転低負荷運転やアイドル運転中に、フィルタが加熱されて再生処理が実行されると、有害物質の再燃焼により発生する熱を排気ガスが十分に持ち去ることができず、フィルタの温度が上昇して劣化あるいは破損を招いてしまう恐れがある。そして、この低回転低負荷運転やアイドル運転中は、排気ガスの酸素濃度も高くなるため、フィルタに捕集された有害物質は更に燃焼し易くなり、フィルタが高温となって劣化や破損を招く。
【０００５】
また、ディーゼルエンジンの無負荷運転中に、燃料カットが実行される（モータリング）と、排気ガスが酸素過剰になって酸素濃度が高くなるため、フィルタの再生処理時には有害物質の再燃焼が促進されて更にフィルタの温度が上昇し、劣化あるいは破損を招いてしまう恐れがある。その上、このモータリング時にエキゾーストブレーキが作動すると、フィルタに流入する排気ガスの流量が極端に少なくなり、前述に比べて更にフィルタの温度が上昇して破損を招いてしまう恐れがある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するものであって、排気ガス中の微粒子を確実に捕集して排気ガスを適正に浄化すると共に、フィルタの温度上昇による破損を防止した内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置では、タービン及びコンプレッサを有するターボ過給機を設け、このタービンの下流に排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタを設ける一方、タービンの上流に少なくとも酸化機能を有する触媒装置を設け、フィルタに堆積した微粒子が自然着火したか否かあるいはフィルタが強制再生中か否かを判定するフィルタ再生判定手段と、フィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態か否かを判定する運転状態判定手段とを設け、制御手段は、フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定され、運転状態判定手段により特定運転状態であると判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給するようにしている。
【０００８】
従って、フィルタに堆積した微粒子が自然着火あるいはフィルタの強制再生により微粒子が着火した後に、内燃機関が低回転低負荷状態やアイドル状態などのフィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態に移行すると、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温、つまり、排気ガスのエネルギが増大し、タービン仕事が増加してブースト圧が上昇し、即ち、内燃機関への吸入空気量が増加して排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生した熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなり、フィルタの過昇温を未然に防止して破損を防止することができる。
【０００９】
また、請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置では、ターボ過給機を排気系におけるタービンの上流の排気ガスを下流にバイパスするウエストゲートバルブあるいはブースト圧を可変制御可能なブースト圧調整機構から構成し、制御手段は、触媒装置に還元剤を供給するときにこのウエストゲートバルブを閉止制御あるいはブースト圧調整機構をブースト圧が上昇する方向に制御するようにしている。従って、フィルタに堆積した微粒子が着火した後に特定運転状態に移行すると、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温し、且つ、ウエストゲートバルブを閉止あるいはブースト圧を上昇させることで、ウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構を介して高温の排気ガスがタービンの下流にバイパスされること等がなくなり、効果的にタービン仕事を増加し、ブースト圧が上昇する。即ち、内燃機関への吸入空気量が増加して排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生した熱は排気ガスにより持ち去られ、フィルタの過昇温を未然に防止することができる。
【００１０】
請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置では、制御手段は、フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定され、運転状態判定手段により特定運転状態が所定期間以上継続していると判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給するようにしている。従って、内燃機関の特定運転状態が所定期間以上継続しているときだけ、触媒装置に還元剤を供給することで、排気ガス流量を増加してフィルタの過昇温を未然に防止できる一方、内燃機関の特定運転状態が短いときには、フィルタの過昇温が発生しないために排気ガスの流量を増加させる必要はなく、無駄な還元剤の供給を防止することができる。
【００１１】
請求項３の発明の内燃機関の排気浄化装置では、フィルタに捕集された微粒子の堆積量を推定する堆積量推定手段を設け、ターボ過給機を排気系におけるタービンの上流の排気ガスを下流にバイパスするウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構から構成し、制御手段は、堆積量推定手段により推定された微粒子の堆積量が所定値を越えたとき、触媒装置に還元剤を供給すると共に、ウエストゲートバルブを開放制御あるいはブースト圧を可変制御可能なブースト圧調整機構をブースト圧が低下する方向に制御するようにしている。従って、フィルタにおける微粒子の堆積量が所定値を越えてフィルタの強制再生が必要と判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温し、且つ、ウエストゲートバルブを開放あるいはブースト圧を低下させることで、ウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構を介して高温の排気ガスがタービンの下流にバイパスされるため、タービン仕事を増加させることなく効果的に排気ガスを昇温して微粒子を燃焼し、フィルタを再生することができる。
【００１２】
請求項４の発明の内燃機関の排気浄化装置では、特定運転状態を、通常運転時及び燃料供給が停止されたモータリング時にエキゾーストブレーキ作動により排気ガス流量がある特定範囲にまで減少するような運転状態とし、制御手段は、この特定運転状態にてフィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定されると、触媒装置に還元剤を供給するようにしている。従って、フィルタに堆積した微粒子が自然着火あるいはフィルタの強制再生により微粒子が着火した後に、内燃機関が通常運転時及び燃料供給が停止されたモータリング時にエキゾーストブレーキ作動により排気ガス流量がある特定範囲にまで減少するような運転状態に移行すると、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温してタービン仕事が増加してブースト圧が上昇する。即ち、内燃機関への吸入空気量の増加で排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生した熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなる。また、エキゾーストブレーキのブレーキ特性を確保しつつ、フィルタの過昇温を未然に防止することができる。
【００１３】
なお、上述した各請求項の発明において、制御手段が触媒装置に還元剤を供給する具体的な手段は、主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程に追加燃料を噴射するポスト噴射や、触媒装置の上流の排気系に主燃料噴射とは別に燃料を噴射する追加噴射でよく、更に、主燃焼の燃焼状態が半失火運転状態となるように、例えば、噴射時期や燃料量を制御するようなものであってもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生実行の制御のフローチャート、図３に本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生制御のフローチャート、図４に本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生中における破損防止制御のフローチャート、図５にディーゼルエンジンにおける特定運転状態を説明するためのグラフを示す。
【００１６】
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置において、図１に示すように、内燃機関としてのディーゼルエンジン１１は、図示しない燃焼室を臨む吸気ポートに吸気マニホールド１２を介して吸気管１３が接続され、この吸気管１３の空気取入口にはエアクリーナ１４が取付けられ、中途部にはインタークーラー１５が取付けられている。一方、エンジン１１の図示しない排気ポートには排気マニホールド１６を介して排気管１７が接続されている。
【００１７】
また、このエンジン１１にはターボ過給機１８が設けられている。このターボ過給機１８は、吸気管１３に設けられたコンプレッサ１９と排気管１７に設けられたタービン２０が同軸上に連結されて構成されている。そして、排気管１７にて、ターボ過給機１８のタービン２０の下流側には排気ガス中の微粒子（ＰＭ：パティキュレート、黒煙などの有害物質）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ、以下単にフィルタと称する。）２１が設けられる一方、タービン２０の上流側には酸化触媒２２が設けられている。また、排気管１７にはこのターボ過給機１８のタービン２０を迂回するようにバイパス通路２３が接続され、このバイパス通路２３にウエストゲートバルブ２４が設けられている。
【００１８】
更に、排気管１７には、フィルタ２１の上流側及び下流側に位置して排気温センサ２５，２６及び排気圧センサ２７，２８が装着されている。また、エンジン１１にはエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ２９が設けられている。
【００１９】
一方、車両には入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）３０が設けられており、このＥＣＵ３０によりエンジン１１を含めた総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ３０の入力側には、前述した排気温センサ２５，２６、排気圧センサ２７，２８、エンジン回転数センサ２９の他に、アクセル開度センサ３１、エキゾーストブレーキスイッチ３２等が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ３０の出力側には、図示しないインジェクタのドライバ３３等が接続されており、このインジェクタのドライバ３３等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。更に、ＥＣＵ３０の出力側にはバイパス通路２３を開閉するウエストゲートバルブ２４が接続されており、エンジンの運転状態に応じて開閉制御される。
【００２０】
このような本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、エンジン１１からの排気ガスは排気管１７を通って酸化触媒２２及びフィルタ２１に流入する。この酸化触媒２２では、排気ガス中のＣＯ，ＨＣが浄化され、フィルタ２１では、排気ガス中の微粒子が捕集される。そして、このフィルタ２１に捕集された微粒子は、自然着火あるいはフィルタ２１の強制再生により再燃焼され、フィルタ２１は再生処理される。この場合、自然着火は、エンジン１１が高回転高負荷状態で運転されると、排気ガス温度が微粒子の着火温度（例えば、６００℃）となり、微粒子が自然に着火して燃焼するものである。一方、フィルタ２１の強制再生は、フィルタ２１に堆積した微粒子が所定量以上になると、主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程に追加燃料を噴射するポスト噴射により、燃料に起因するＣＯ，ＨＣを酸化触媒２２で燃焼し、排気ガスを昇温してフィルタ２１を加熱することで、堆積した微粒子に強制着火して燃焼するものである。
【００２１】
そして、このようなフィルタ２１の再生制御において、ＥＣＵ（制御手段）３０は、フィルタ２１に堆積した微粒子が自然着火したか否かあるいはフィルタ２１が強制再生中か否かを判定（フィルタ再生判定手段）し、フィルタ２１に流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態か否かを判定（運転状態判定手段）し、微粒子が自然着火またはフィルタ２１が強制再生中で、且つ、特定運転状態であるときには、酸化触媒２２に還元剤、つまり、ポスト噴射によりＣＯ，ＨＣを供給するようにしている。
【００２２】
即ち、フィルタ２１に流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態とは、例えば、図５に表すＡ領域であって、エンジン回転数Ｎｅが低く、且つ、燃料噴射量Ｑが少ないエンジン１１の低回転低負荷運転状態やアイドル運転状態である。このような特定運転状態では、回転数の低下に伴って新気流入量が減少すると共に、燃料供給量が減少するために排気ガスの流量が極端に少なくなると共に酸素濃度が高くなり、このときにフィルタ２１の再生処理が実行されると、フィルタ２１に堆積した微粒子が燃焼しやすく、微粒子の燃焼により発生した熱を持ち去ることができず、フィルタ２１の温度が上昇して劣化あるいは破損してしまう恐れがある。
【００２３】
そこで、フィルタ２１に堆積した微粒子に着火して再生処理が実行された後に、エンジン１１がフィルタ２１に流入する排気ガスの流量が低下する前述した特定運転状態に移行したら、ポスト噴射により酸化触媒２２にＣＯ，ＨＣを供給することで、タービン２０の入口における排気ガスを昇温、つまり、排気ガスのエネルギを増大し、タービン仕事を増加させてターボ過給機１８のブースト圧が上昇する。すると、エンジン１１への吸入空気量が増加し、結果としてフィルタ２１へ流入する排気ガス流量も増加することとなり、フィルタ２１に捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生して熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなり、フィルタ２１の過昇温を未然に防止できる。
【００２４】
ここで、本実施形態の排気浄化装置による上述したフィルタ２１の強制再生制御及び破損防止制御について詳細に説明する。
【００２５】
強制再生実行制御において、図２に示すように、ステップＳ１にて、ＥＣＵ３０が各種センサ類出力信号の読込を行い、ステップＳ２にて、フィルタ２１に堆積した微粒子が所定量以上か否かを判定する。この場合、フィルタ２１におけるＰＭ（微粒子）の堆積量はフィルタ２１での圧力損失により推定する。即ち、予め排気ガスの流量に対するフィルタ２１での圧力損失、この圧力損失に対するＰＭ堆積量を算出し、排気ガスの流量に応じた圧力損失−ＰＭ堆積量のマップを複数設定する一方、排気圧センサ２７，２８が検出したフィルタ２１の上流側及び下流側の排気圧に基づいて圧力損失を算出し、予め設定された複数にマップからこの圧力損失に基づいてＰＭ堆積量を推定する。
【００２６】
なお、フィルタ２１のＰＭ堆積量は、排気圧センサ２７，２８の検出結果に基づいて推定する方法に限らず、フィルタ２１の上流側及び下流側の差圧を検出可能な差圧センサを用いたり、また、フィルタ２１に退席した微粒子の自然着火が発生しにくいエンジンの低回転低負荷運転の累積時間や、フィルタ２１に堆積した微粒子が燃焼する自然着火の回数とエンジンの運転累積時間とから推定するようにしてもよい。
【００２７】
ステップＳ２では、推定したフィルタ２１のＰＭ堆積量が所定値、つまり、フィルタ２１での圧力損失が大きくなって燃焼効率が悪化してしまうようなＰＭ堆積量以上か否かを判定し、ＰＭ堆積量が所定値以上であれば、ステップＳ３にて、強制再生モードに移行する。
【００２８】
ここで強制再生モードに移行すると、図３に示すように、ＥＣＵ３０は強制再生制御を行う。ステップＳ１１にて、ＥＣＵ３０が各種センサ類出力信号の読込を行い、ステップＳ１２にて、フィルタ２１に堆積した微粒子に着火しているか否かを判定する。フィルタ２１での微粒子の着火は、排気ガス温度が着火温度（例えば、６００℃）以上で発生するものであり、ＰＭ着火判定は、排気温センサ２５，２６が検出したフィルタ２１の上下流側の排気温度Ｔ1 ，Ｔ2 の平均値Ｔa ＝（Ｔ1 ＋Ｔ2 ）／２とＰＭ着火温度Ｔ0 との比較により行う。即ち、ステップＳ１２では、平均排気温度Ｔa がＰＭ着火温度Ｔ0 以上でなければ、フィルタ２１の微粒子が着火していないと判定し、ステップＳ１３でポスト噴射を行い、ステップＳ１４でウエストゲートバルブ２４を作動してバイパス通路２３を開放する。
【００２９】
従って、ポスト噴射により排気管１７を通して酸化触媒２２に還元剤としてのＣＯ，ＨＣが供給され、この酸化触媒２２ではＣＯ，ＨＣを触媒作用により燃焼するために排気ガスが昇温される。そして、タービン２０の入口における排気ガスが高温となり、ターボ過給機１８に対するバイパス通路２３を通してフィルタ２１に供給されて加熱されるため、フィルタ２１に堆積した微粒子が強制着火して燃焼する。
【００３０】
そして、ステップＳ１６にて、フィルタ２１の強制再生が完了したか否かを判定するが、この判定は、前述した強制再生実行制御のステップＳ２におけるＰＭ堆積堆積量の判定と同様に、排気圧センサ２７，２８が検出したフィルタ２１の上流側及び下流側の排気圧の差圧に基づいて判定すればよく、別の方法であってもよい。このステップＳ１６で、フィルタ２１の強制再生が完了していなければ、ステップＳ１１に戻り、このステップＳ１１〜Ｓ１６までの処理を繰り返す。この処理の間、ＰＭ着火状態が継続されていれば、ステップＳ１２からステップＳ１５に移行してポスト噴射を停止する。
【００３１】
なお、フィルタ２１に堆積する微粒子に着火させるために、主燃料噴射の後の膨張行程または排気行程に追加燃料を噴射するポスト噴射を実施したが、酸化触媒２２にＨＣ，ＣＯなどの還元剤を供給することができれば、ポスト噴射に限るものではなく、例えば、酸化触媒２２の上流の排気系に主燃料噴射とは別に燃料を噴射する追加噴射でよく、また、主燃焼の燃焼状態が半失火運転状態となるように噴射時期や燃料量を制御してもよい。
【００３２】
その後、ステップＳ１６で、フィルタ２１の強制再生が完了したと判定されたら、ステップＳ１７に移行し、ウエストゲートバルブ２４の強制開弁作動を停止して通常制御とする。
【００３３】
一方、この強制再生モードでの強制再生制御の実行中に、フィルタ２１の破損防止制御が実行される。この破損防止制御では、図４に示すように、ステップＳ２１にて、ＥＣＵ３０が各種センサ類出力信号の読込を行い、ステップＳ２２にて、フィルタ２１が強制再生（強制再生モード）中であるか否かを判定する。この場合、強制再生実行制御のステップＳ３で強制再生モードに移行するときに、強制再生モードフラグをセットし、強制再生制御のステップＳ１６でフィルタ２１の強制再生が完了したら、強制再生モードフラグをリセットするように制御しており、ステップＳ２２での判定は、強制再生モードフラグがセットされているか否かで行っている。このステップＳ２２にて、フィルタ２１が強制再生中であると判定されたら、ステップＳ２５に移行してエンジン１１が特定運転状態であるか否かを判定する。
【００３４】
一方、ステップＳ２２でフィルタ２１が強制再生中でないと判定されたら、ステップＳ２３で、ＰＭ堆積量が所定値以上か否かを判定し、ＰＭ堆積量が所定値以上であればステップＳ２４に移行し、ＰＭ堆積量が所定値以上でなければ何もしないでこのルーチンを抜ける。ステップＳ２４では、フィルタ２１に堆積した微粒子が自然着火しているか否かを判定し、ＰＭ着火していれば、ステップＳ２５でエンジン１１が特定運転状態であるか否かを判定するが、ＰＭ着火していなければ何もしないでこのルーチンを抜ける。
【００３５】
ステップＳ２５で判定する特定運転状態とは、前述したように、フィルタ２１に流入する排気ガスの流量が低下するようなエンジン回転数Ｎｅが低く、且つ、燃料噴射量Ｑが少ないエンジン１１の低回転低負荷運転状態やアイドル運転状態（図５に表すＡ領域）である。ＥＣＵ３０は、エンジン回転数センサ２９が検出したエンジン回転数Ｎｅと、アクセル開度センサ３１が検出したアクセル開度から算出した燃料噴射量Ｑとから図５のマップに基づいて領域判定を行い、特定運転状態か否かを判定する。
【００３６】
ステップＳ２５で特定運転状態であると判定されたら、ステップＳ２６でその継続時間を積算し、ステップＳ２７で特定運転状態の継続時間が所定時間以上であるか否かを判定する。即ち、フィルタ２１の微粒子が燃焼する強制再生中あるいはＰＭ堆積量が所定値以上で且つ微粒子が自然着火中に、エンジン１１が低回転低負荷運転状態などに移行すると、フィルタ２１が高温のままで排気ガス流量が極端に少なくなるため、排気ガスが微粒子の燃焼により発生した熱を持ち去ることができず、フィルタ２１の極高温となって破損してしまう恐れがある。ステップＳ２７で判定する所定時間は、フィルタ２１の高温化による破損を防止するために制限時間であり、特定運転状態の継続時間が所定時間以上でなければ何もしないでこのルーチンを抜ける。
【００３７】
そして、ステップＳ２７で特定運転状態の継続時間が所定時間以上となったら、ステップＳ２８でポスト噴射を行い、ステップＳ２９でウエストゲートバルブ２４を作動してバイパス通路２３を閉止する。従って、ポスト噴射により排気管１７を通して酸化触媒２２に還元剤としてのＣＯ，ＨＣが供給され、この酸化触媒２２ではＣＯ，ＨＣを触媒作用により燃焼するために排気ガスが昇温される。そして、タービン２０の入口における排気ガスが高温となって体積膨張し、バイパス通路２３を通らずにターボ過給機１８のタービン２０に流入する。このターボ過給機１８では流入した排気ガスのエネルギが増大したため、タービン２０の仕事が増加してブースト圧が上昇し、即ち、コンプレッサ１９の仕事も増加して吸入空気量が増加し、排気ガスの流量も増加することとなる。その結果、フィルタ２１に堆積した微粒子が急燃焼しても、発生した熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなり、フィルタ２１の過昇温を抑制して破損を防止することができる。
【００３８】
なお、上述の実施形態では、フィルタ２１に流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態を、エンジン回転数Ｎｅが低く、且つ、燃料噴射量Ｑが少ないエンジン１１の低回転低負荷運転状態やアイドル運転状態（図５に表すＡ領域）としたが、本発明は、この領域に限定されるものではない。例えば、エンジン１１の中・高回転無負荷運転状態にて、燃料カットが実行される（モータリング）と、排気ガスの流量が増大することとなるが、このモータリング時にエキゾーストブレーキ３２が作動すると、排気管１７のバルブが閉じて排気ガスの流れが止められるため、フィルタ２１に流入する排気ガスの流量が極端に少なくなる特定運転状態となり、この特定運転状態は、図５にＢ領域として表すことができる。
【００３９】
フィルタ２１の微粒子に自然着火あるいはフィルタ２１が強制再生中であるときに、モータリング時でエキゾーストブレーキ３２が作動することで、排気ガス流量が極端に少なくなった特定運転状態に移行して所定時間継続したら、前述と同様に、ポスト噴射を行うと共にウエストゲートバルブ２４を作動してバイパス通路２３を閉止する。従って、ポスト噴射により排気管１７を通して酸化触媒２２にＣＯ，ＨＣが供給され、この酸化触媒２２でＣＯ，ＨＣが触媒作用により燃焼して排気ガスが昇温され、タービン２０の入口における排気ガスエネルギが増大し、タービン２０の仕事が増加するため、吸入空気量と共に排気ガスの流量が増加する。
【００４０】
なお、上記モータリング時でエキゾーストブレーキ３２が作動していない状態でも、エンジン回転数が低下して排気ガスの流量が低下する特定運転では、ポスト噴射を実施して酸素濃度を低くしてもよい。
【００４１】
一方、フィルタ２１が強制再生中でモータリング状態となっても、フィルタ２１の温度（平均排気温度Ｔa ）が低いときには、ポスト噴射を行うと共にウエストゲートバルブ２４を作動してバイパス通路２３を開放することで、高温の排気ガスをバイパス通路２３を通してフィルタ２１に供給して加熱することで、このフィルタ２１の過冷却を防止することができる。
【００４２】
なお、上述の実施形態では、ターボ過給機１８をコンプレッサ１９とタービン２０を同軸上に連結して構成し、排気管１７にバイパス通路２３を接続してウエストゲートバルブ２４を設けたが、ターボ過給機をブースト圧を調整可能とした可変容量式の過給機としてもよい。この可変容量式の過給機はタービンの周囲に多数のノズルベーンを回動自在に配設して環状のリングにより連結して構成され、アクチュエータによりリングを介して各ノズルベーンの角度を変更することで、過給圧を調整できる。
【００４３】
この可変容量式の過給機を用いた排気浄化装置では、フィルタ２１の強制再生制御にて、ポスト噴射を行うと共に可変容量式の過給機によりブースト圧が低下する方向に制御することで、ポスト噴射により還元剤としてのＣＯ，ＨＣが酸化触媒２２に供給され、この酸化触媒２２でＣＯ，ＨＣが触媒作用により燃焼して排気ガスが昇温され、ブースト圧が低下することで高温の排気ガスがフィルタ２１に容易に供給されて加熱されるため、フィルタ２１に堆積した微粒子が強制着火して燃焼し、フィルタ２１を再生することができる。
【００４４】
また、フィルタ２１の破損防止制御にて、排気ガス流量が極端に少なくなった特定運転状態が所定時間継続したら、ポスト噴射を行うと共に可変容量式の過給機によりブースト圧が上昇する方向に制御することで、ポスト噴射により還元剤としてのＣＯ，ＨＣが酸化触媒２２に供給され、この酸化触媒２２でＣＯ，ＨＣが触媒作用により燃焼して排気ガスが昇温され、ブースト圧が上昇することでタービン２０の入口における排気ガスエネルギが増大し、タービン２０の仕事が増加するため、吸入空気量と共に排気ガスの流量が増加する。そのため、フィルタ２１に堆積した微粒子が急燃焼しても、発生して熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなり、フィルタ２１の過昇温を抑制して破損を防止することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、タービン及びコンプレッサを有するターボ過給機を設け、このタービンの下流に排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタを設ける一方、タービンの上流に少なくとも酸化機能を有する触媒装置を設け、フィルタに堆積した微粒子が自然着火したか否かあるいはフィルタが強制再生中か否かを判定するフィルタ再生判定手段と、フィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態か否かを判定する運転状態判定手段とを設け、制御手段は、フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定され、運転状態判定手段により特定運転状態であると判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給するので、タービン入口における排気ガスを昇温、つまり、排気ガスのエネルギが増大し、タービン仕事が増加してブースト圧が上昇し、即ち、内燃機関への吸入空気量が増加して排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生して熱は増加した排気ガスにより持ち去られるため、フィルタの過昇温を抑制して破損を防止することができる。
【００４６】
また、請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ターボ過給機を排気系におけるタービンの上流の排気ガスを下流にバイパスするウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構から構成し、制御手段は、触媒装置に還元剤を供給するときにこのウエストゲートバルブを閉止制御あるいはブースト圧調整機構をブースト圧が上昇する方向に制御するので、フィルタに堆積した微粒子が着火した後に特定運転状態に移行すると、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温し、且つ、ウエストゲートバルブを閉止あるいはブースト圧を上昇させることで、ウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構を介して高温の排気ガスがタービンの下流にバイパスされることがなくなり、効果的にタービン仕事を増加し、ブースト圧が上昇する。即ち、内燃機関への吸入空気量が増加して排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生した熱は排気ガスにより持ち去られ、フィルタの過昇温を未然に防止することができる。
【００４７】
請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、制御手段は、フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定され、運転状態判定手段により特定運転状態が所定期間以上継続していると判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給するので、特定運転状態が所定期間以上継続しているときだけ、触媒装置に還元剤を供給することで、排気ガス流量を増加してフィルタの過昇温を未然に防止できる一方、内燃機関の特定運転状態が短いときには、フィルタの過昇温が発生しないために排気ガスの流量を増加させる必要はなく、無駄な還元剤の供給を防止することができる。
【００４８】
請求項３の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、フィルタに捕集された微粒子の堆積量を推定する堆積量推定手段を設け、ターボ過給機を排気系におけるタービンの上流の排気ガスを下流にバイパスするウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構から構成し、制御手段は、堆積量推定手段により推定された微粒子の堆積量が所定値を越えたとき、触媒装置に還元剤を供給すると共に、ウエストゲートバルブを開放制御あるいはブースト圧調整機構をブースト圧が低下する方向に制御するので、フィルタにおける微粒子の堆積量が所定値を越えてフィルタの強制再生が必要と判定されたとき、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温し、且つ、ウエストゲートバルブを開放あるいはブースト圧を低下させることで、ウエストゲートバルブあるいはブースト圧調整機構を介して高温の排気ガスがタービンの下流にバイパスされるため、タービン仕事を増加させることなく効果的に排気ガスを昇温して微粒子を燃焼し、フィルタを再生することができる。
【００４９】
請求項４の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、特定運転状態を、通常運転時及び燃料供給が停止されたモータリング時にエキゾーストブレーキ作動により排気ガス流量がある特定範囲にまで減少するような運転状態とし、制御手段は、この特定運転状態にてフィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火またはフィルタが強制再生中であると判定されると、触媒装置に還元剤を供給するので、フィルタに堆積した微粒子が自然着火あるいはフィルタの強制再生により微粒子が着火した後に、内燃機関が高回転高負荷領域で燃料の供給が停止され、エキゾーストブレーキが作動してフィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態に移行すると、触媒装置に還元剤を供給することで、タービン入口における排気ガスを昇温してタービン仕事が増加してブースト圧が上昇する。即ち、内燃機関への吸入空気量の増加で排気ガス流量も増加し、フィルタに捕集された微粒子の急燃焼が生じても、発生した熱は増加した排気ガスにより持ち去られることとなり、エキゾーストブレーキのブレーキ特性を確保しながら、フィルタの過昇温を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態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】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生実行の制御のフローチャートである。
【図３】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生制御のフローチャートである。
【図４】本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によるフィルタの強制再生中における破損防止制御のフローチャートである。
【図５】ディーゼルエンジンにおける特定運転状態を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
１１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１７ 排気管
１８ ターボ過給機
１９ コンプレッサ
２０ タービン
２１ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ、フィルタ）
２２ 酸化触媒（触媒装置）
２３ バイパス通路
２４ ウエストゲートバルブ
２５，２６ 排気温センサ
２７，２８ 排気圧センサ
２９ エンジン回転数センサ
３０ ＥＣＵ、電子コントロールユニット（フィルタ再生判定手段、運転状態判定手段、制御手段）
３１ アクセル開度センサ
３２ エキゾーストブレーキスイッチ
Claims (4)
- 内燃機関の排気系に設けられたタービン及び吸気系に設けられたコンプレッサを有するターボ過給機と、前記排気系における前記タービンの下流に設けられて排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、前記排気系における前記タービンの上流に設けられて少なくとも酸化機能を有する触媒装置と、前記フィルタに堆積した微粒子が自然着火したか否かあるいは前記フィルタが強制再生中か否かを判定するフィルタ再生判定手段と、前記フィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態か否かを判定する運転状態判定手段と、前記フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火または前記フィルタが強制再生中であると判定されて前記運転状態判定手段により前記特定運転状態であると判定されたときに前記触媒装置に還元剤を供給する制御手段とを具え、
前記ターボ過給機は、前記排気系における前記タービンの上流の排気ガスを該タービンの下流にバイパスするウエストゲートバルブあるいはブースト圧を可変制御可能なブースト圧調整機構を有し、前記制御手段は、前記触媒装置に還元剤を供給するとき、前記ウエストゲートバルブを閉止制御あるいは前記ブースト圧調整機構をブースト圧が上昇する方向に制御する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 請求項１において、前記制御手段は、前記フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火または前記フィルタが強制再生中であると判定されて前記運転状態判定手段により前記特定運転状態が所定期間以上継続していると判定されたとき、前記触媒装置に還元剤を供給することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 内燃機関の排気系に設けられたタービン及び吸気系に設けられたコンプレッサを有するターボ過給機と、前記排気系における前記タービンの下流に設けられて排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、前記排気系における前記タービンの上流に設けられて少なくとも酸化機能を有する触媒装置と、前記フィルタに堆積した微粒子が自然着火したか否かあるいは前記フィルタが強制再生中か否かを判定するフィルタ再生判定手段と、前記フィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態か否かを判定する運転状態判定手段と、前記フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火または前記フィルタが強制再生中であると判定されて前記運転状態判定手段により前記特定運転状態であると判定されたときに前記触媒装置に還元剤を供給する制御手段とを具え、
前記フィルタに捕集された微粒子の堆積量を推定する堆積量推定手段を設け、前記ターボ過給機は、前記排気系における前記タービンの上流の排気ガスを該タービンの下流にバイパスするウエストゲートバルブあるいはブースト圧を可変制御可能なブースト圧調整機構を有し、前記制御手段は、前記堆積量推定手段により推定された微粒子の堆積量が所定値を越えたとき、前記触媒装置に還元剤を供給すると共に、前記ウエストゲートバルブを開放制御あるいは前記ブースト圧調整機構をブースト圧が低下する方向に制御する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 内燃機関の排気系に設けられたタービン及び吸気系に設けられたコンプレッサを有するターボ過給機と、前記排気系における前記タービンの下流に設けられて排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、前記排気系における前記タービンの上流に設けられて少なくとも酸化機能を有する触媒装置と、前記フィルタに堆積した微粒子が自然着火したか否かあるいは前記フィルタが強制再生中か否かを判定するフィルタ再生判定手段と、前記フィルタに流入する排気ガスの流量が低下する特定運転状態か否かを判定する運転状態判定手段と、前記フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火または前記フィルタが強制再生中であると判定されて前記運転状態判定手段により前記特定運転状態であると判定されたときに前記触媒装置に還元剤を供給する制御手段とを具え、
前記特定運転状態は、通常運転時及び燃料供給が停止されたモータリング時にエキゾーストブレーキ作動により排気ガス流量がある特定範囲にまで減少するような運転状態であり、前記制御手段は、この特定運転状態にて前記フィルタ再生判定手段により微粒子が自然着火または前記フィルタが強制再生中であると判定されると、前記触媒装置に還元剤を供給する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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