JP4233444B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排出ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排出ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、排出ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない為、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。

即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。

ただし、斯かる触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが目詰まりを起こす虞れがある。

特にＮＯxの低減化を目的として排気側から排出ガスの一部を吸気側へ再循環するＥＧＲ機構を備えたエンジンにあっては、パティキュレートフィルタの目詰まりにより排気抵抗が増加して排気圧力が上昇すると、吸気側と排気側との排気圧力が大きくなって排出ガス再循環量が過多となり、これにより気筒内での燃焼性が悪化して煤が多く発生し、この煤がパティキュレートフィルタに捕集されて更なる目詰まりが助長されるという悪循環が起こり易く、短期間のうちにパティキュレートフィルタの目詰まりが進行してしまう懸念がある。

これに関し、本発明の出願人は、パティキュレートフィルタの目詰まりを検知する装置を開示した下記の特許文献１や特許文献２を既に出願しており、これらの先行出願においては、パティキュレートフィルタの入側に圧力センサを備えて排気圧力を測定し、この排気圧力の上昇を監視してパティキュレートフィルタの目詰まりを判定するようにしている。
特開２００３−９０２０９号公報 特開２００３−１９３８２４号公報

しかしながら、このようなパティキュレートフィルタの入側で排気圧力を測定する従来の判定方式では、排気温度や排気脈動（間欠的な排気サイクルにより生じる排気の圧力変動）等の影響を受け易いためにバラツキが大きくなって真値が把握しづらいという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、パティキュレートフィルタに生じた目詰まりを容易且つ確実に判定し得るようにすることを目的としている。

本発明は、燃料噴射量を吸入空気量や排出ガス中の酸素濃度からなる吸気側の変化量に基づき適宜に補正して空燃比を適正空燃比付近に制御し得るようにしたエンジンの排気浄化装置であって、排気管の途中に装備されたパティキュレートフィルタと、現行の燃料噴射量が同じ運転状態における燃料噴射量の初期設定値と比較して規定以上の比率で低減された時にパティキュレートフィルタが目詰まりしていると判定する判定装置とを備えたことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、パティキュレートフィルタに目詰まりが生じた際に、排気抵抗が大幅に増加することにより排気圧力が上昇し、同じ運転状態であっても目詰まり前の状態と比較して吸入空気量が著しく減少してくるので、この減少した吸入空気量に応じ空燃比を適正空燃比付近に制御するべく燃料噴射量が減らされることになり、判定装置にて現在の運転状態に見合わない異常な燃料噴射量の減少が確認されてパティキュレートフィルタが目詰まりしているとの判定が下されることになる。

また、本発明をより具体的に実施するにあたっては、パティキュレートフィルタの目詰まりを判定する判定装置が、現行の燃料噴射量が同じ運転状態における燃料噴射量の初期設定値と比較して規定以上の比率で低減された時にパティキュレートフィルタの目詰まりを判定するように構成されていることが好ましい。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、従来の如き排気温度や排気脈動等の影響下にあるパティキュレートフィルタの入側の排気圧力を対象とせずに、バラツキの少ない吸入空気量や排出ガス中の酸素濃度等といった吸気側の変化量に基づく既存の空燃比制御で補正された燃料噴射量を対象とし、この燃料噴射量の異常な減少を確認することでパティキュレートフィルタの目詰まりを判定するようにしているので、パティキュレートフィルタに生じた目詰まりを容易且つ確実に判定することができるという優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

更に、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排出ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排出ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。

また、この排気管１１の途中には、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１２がフィルタケース１３に抱持されて装備されており、図２に拡大して示す如く、このパティキュレートフィルタ１２は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路１２ａの入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１２ａについては、その出口が目封じされるようになっており、各流路１２ａを区画する多孔質薄壁１２ｂを透過した排出ガス９のみが下流側へ排出されるようにしてある。

更に、図１に示している例では、排気マニホールド１０における各気筒８の並び方向の一端部と、吸気マニホールド７に接続されている吸気管５の一端部との間をＥＧＲパイプ１４で接続し、排気マニホールド１０から抜き出した排出ガス９の一部を水冷式のＥＧＲクーラ１５及びＥＧＲバルブ１６を介して吸気管５に再循環するようになっており、排気側から吸気側へ再循環された排出ガス９で各気筒８内での燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減し得るようにしてある。

また、吸気管５におけるエアクリーナ３とコンプレッサ２ａとの間には、吸入空気量を計測するエアフローメータ１７が装備されており、該エアフローメータ１７の検出信号１７ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１８に対し入力されるようになっている。

他方、この制御装置１８は、エンジン制御コンピュータを兼ねていることから燃料の噴射に関する制御も担うようになっており、より具体的には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１９（負荷センサ）からのアクセル開度信号１９ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ２１からの回転数信号２１ａとに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒８に燃料を噴射する燃料噴射装置２０に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号２０ａが出力されるようになっているが、前記エアフローメータ１７により計測される吸入空気量に応じて、空燃比を適正空燃比付近に制御するべく燃料噴射量が適宜に補正されるようにしてある。

尚、排気管１１におけるタービン２ｂとパティキュレートフィルタ１２との間には、排出ガス９中の酸素濃度を検出するＯ₂センサ２２が装備されており、このＯ₂センサ２２の検出信号２２ａが前記制御装置１８に入力されて燃料噴射量の補正に関するフィードバック制御に用いられるようにしてある（図１中に二点鎖線で示す如き排気マニホールド１０へのＯ₂センサ２２の装備も可）。

そして、斯かる制御装置１８においては、現在の運転状態に見合わない異常な燃料噴射量の減少が確認された時に、パティキュレートフィルタ１２が目詰まりしていると判定する判定装置としても機能するように構成されており、より具体的には、現行の燃料噴射量が同じ運転状態における燃料噴射量の初期設定値と比較して規定以上の比率で低減された時にパティキュレートフィルタ１２の目詰まりを判定するように制御装置１８が構成されている。

更に、運転席におけるインストルメントパネル等には、前記制御装置１８でパティキュレートフィルタ１２の目詰まりが判定された時に警告信号２３ａを受けて点灯する警告ランプ２３が装備されている。

ただし、ここではパティキュレートフィルタ１２の目詰まりが判定された時に警告ランプ２３が点灯する場合を例示しているが、図示しないスピーカから警告音が発せられるようにしても良く、更には、制御装置１８内のダイアグノーシス（システムの異常の有無に関する自己診断機構）に記憶データとして残すようにしておくと更に良い。

図３はパティキュレートフィルタ１２の目詰まり判定に関するフローチャートを示すもので、ステップＳ１において、ある運転状態Ａ点で決定された現行の燃料噴射量ｑ’_Aが、同じ運転状態Ａ点における燃料噴射量の初期設定値ｑ_Aと比較して規定の比率Ｂ以上に減らされているか否かが判定される。

そして、この規定の比率Ｂを下まわっている間は「ＮＯ」に進んでステップＳ１での判定が繰り返されるが、規定の比率Ｂ以上に減らされていると判定が下された時には「ＹＥＳ」へと進んでステップＳ２に到り、このステップＳ２にて警告ランプ２３の点灯（警告ランプ２３へ向けた警告信号２３ａの出力）が決定される。

図４及び図５は前述した現行の燃料噴射量ｑ’_Aと初期設定値ｑ_Aについて補足説明するための燃料噴射量マップの一例を示し、図４は未補正の燃料噴射量の初期設定値に関するマップ、図５はパティキュレートフィルタ１２の目詰まり時における燃料噴射量の補正後のマップを夫々示している。

例えば、図４の未補正の燃料噴射量の初期設定値に関するマップにおいて、ディーゼルエンジン１の機関回転数が約１０００ｒｐｍでアクセル開度が約７５％のＡ点では、燃料噴射装置２０に向けて指示すべき燃料噴射量が約４０ｍｍ³／ｓｔ.ｃｌｙ.［１シリンダの１行程当りの噴射量］に決定されるが、パティキュレートフィルタ１２に目詰まりが生じて吸入空気量が低下してくると、図５のマップのように各運転状態での燃料噴射量が初期設定値よりも著しく減らされ、同じＡ点における燃料噴射量も約３５ｍｍ³／ｓｔ.ｃｌｙ.に減らされることになる。

そして、この図４及び図５の場合では、４０／３５の値が初期設定値ｑ_Aに対し低減された現行の燃料噴射量ｑ’_Aの比率として算出され、この比率がＢ以上であることが確認されてパティキュレートフィルタ１２の目詰まりが判定されることになる。

而して、このようにすれば、パティキュレートフィルタ１２に目詰まりが生じた際に、排気抵抗が大幅に増加することにより排気圧力が上昇し、これによりターボチャージャ２のタービン２ｂの出口側の圧力が上昇して該タービン２ｂの効率が低下する結果、コンプレッサ２ａ側の過給量が減少することになり、同じ運転状態であっても目詰まり前の状態と比較して吸入空気量が著しく減少してくるので（ターボチャージャ無しでも排気圧力が上昇すれば吸入空気量が減少する）、この減少した吸入空気量に応じ空燃比を適正空燃比付近に制御するべく制御装置１８により燃料噴射量が減らされることになり、該制御装置１８にて現在の運転状態に見合わない異常な燃料噴射量の減少が確認されてパティキュレートフィルタ１２が目詰まりしているとの判定が下される。

尚、空燃比を適正空燃比付近に制御するべく制御装置１８により燃料噴射量が減らされる際には、ＥＧＲバルブ１６を絞り込む制御も同時に行われて排出ガス９の再循環量が抑制され、気筒内での燃焼性の悪化が未然に回避されるようにしておくと良い。

従って、上記形態例によれば、従来の如き排気温度や排気脈動等の影響下にあるパティキュレートフィルタ１２の入側の排気圧力を対象とせずに、バラツキの少ない吸入空気量や排出ガス９中の酸素濃度等といった吸気側の変化量に基づく既存の空燃比制御で補正された燃料噴射量を対象とし、この燃料噴射量の異常な減少を確認することでパティキュレートフィルタ１２の目詰まりを判定するようにしているので、パティキュレートフィルタ１２に生じた目詰まりを容易且つ確実に判定することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、エアフローメータとＯ₂センサの何れか一方のみを使用して空燃比制御を行うことも可能であること、判定装置は必ずしもエンジン制御コンピュータを兼ねたものとしなくても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。 制御装置での目詰まり判定に関するフローチャートである。 未補正の燃料噴射量の初期設定値に関するマップである。 目詰まり時における燃料噴射量の補正後のマップである。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
４ 吸気
５ 吸気管
９ 排出ガス
１１ 排気管
１２ パティキュレートフィルタ
１７ エアフローメータ
１７ａ 検出信号
１８ 制御装置（判定装置）
２０ 燃料噴射装置
２０ａ 燃料噴射信号
２２ Ｏ₂センサ
２２ａ 検出信号

Claims (2)

1. 燃料噴射量を吸入空気量や排出ガス中の酸素濃度からなる吸気側の変化量に基づき適宜に補正して空燃比を適正空燃比付近に制御し得るようにしたエンジンの排気浄化装置であって、排気管の途中に装備されたパティキュレートフィルタと、現行の燃料噴射量が同じ運転状態における燃料噴射量の初期設定値と比較して規定以上の比率で低減された時にパティキュレートフィルタが目詰まりしていると判定する判定装置とを備えたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 現行の燃料噴射量が同じ運転状態における燃料噴射量の初期設定値と比較して規定以上の比率で低減された時にパティキュレートフィルタの目詰まりを判定するように判定装置を構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。

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