JP4371045B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関（以下単にエンジンと称す）の排気浄化装置に係り、一層詳細にはディーゼルエンジンの排気系にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter:以下単にＤＰＦと称す）を備えた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排気ガスには、炭化水素(ＨＣ）、一酸化炭素(ＣＯ）、窒素酸化物(ＮＯｘ）及び粒子状物質（ＰＭ:Particulate Matter：以下単にパティキュレートと称す）等の汚染物質が含まれる。これらの物質による大気汚染を抑制するため、排気ガス還流(以下単にＥＧＲと称す）及びコモンレール式高圧燃料噴射などの燃焼技術、又はディーゼル酸化触媒(ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst：以下単にＤＯＣと称す）、ＤＰＦなどによる後処理技術が開発されている。
上記ＤＰＦは、エンジンの排気管の途中に設置されて排気ガス中のパティキュレートを直接捕集するもので、セラミック製のモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等がある。
しかし、このＤＰＦは、パティキュレートの捕集に伴って目詰まりが進行し、排ガス圧力(排圧)が上昇するので、捕集・堆積したパティキュレートを定期的に除去する、所謂強制再生処理が必要である。
この強制再生手法として、従来は、燃料噴射時期を遅角させることによるエンジン排気温度の昇温、あるいは燃料をポスト噴射することに起因したＤＯＣ（ＤＰＦの前段に設けられる）へのＨＣ供給による発熱等により、ＤＰＦ温度を概ね６００℃以上に昇温し、パティキュレートを燃焼・除去させている。
特開２００３−１５５９１３号公報
ところが、燃料をポスト噴射することに起因したＤＯＣへのＨＣ供給による発熱によりＤＰＦ温度を昇温する強制再生手法にあっては、ＨＣ（燃料）の添加量を入力，ＤＯＣ出口の排気温度を出力とした制御系を考えた場合、この系はＤＯＣの熱容量が大きいため非常に遅い系となり制御が非常に困難であるという問題点があった。例えば制御温度のオーバーシュート量が大きくなると、ＤＰＦ内に堆積したパティキュレートが急激に燃え始めＤＰＦの耐熱温度を超えて破損に至る虞れがあり、正確な温度制御が要求される。
ところで、特許文献１には、ＤＰＦ温度（触媒床温度）が所定値を超える（又は温度の上昇勾配が所定勾配を超える）とＤＯＣへの燃料添加を停止させることにより、ＤＰＦ温度の過昇温（オーバーシュート）を抑制する排気浄化方法及び装置が開示されている。
しかしながら、特許文献１の排気浄化方法及び装置では、ＤＰＦ温度が所定値を超えた以降の温度制御がなされておらず、温度低下によるＤＰＦ昇温の再開時に燃料添加等の加熱手段（ＤＯＣ）によりＤＰＦを昇温させようとしても、加熱手段の反応遅れによりＤＰＦの温度が下がり過ぎて好適に昇温せずにＤＰＦの実際の再生開始までに時間がかかるという問題がある。また、ＤＰＦ温度が所定温度を超えたり温度の上昇勾配が所定勾配を超えると昇温制御が中止されるが、次回の昇温制御では中止前の昇温制御の反応（結果）が反映されずに、場合によってはＤＰＦが過昇温されてしまうという問題を有する。
そこで、本発明の目的は、フィルタ強制再生時における温度制御の際のアンダーシュート量を抑制してフィルタを再生可能な温度範囲に迅速かつ正確に制御することができると共にフィルタ昇温に要する燃料噴射量の低減が図れる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられて排気中のパティキュレートを捕集するフィルタと、上記フィルタの再生処理の要否を判断するフィルタ再生判断手段と、上記フィルタ再生判断手段にて上記再生処理が必要と判断されると上記フィルタを昇温させる昇温手段と、上記フィルタ又はフィルタ近傍の温度を検出するフィルタ温度検出手段とを備え、上記昇温手段による上記フィルタの昇温制御が行われている際に、上記フィルタ温度検出手段によって検出されるフィルタ温度が所定温度以上となると、上記昇温手段の昇温制御を停止させる内燃機関の排気浄化装置において、上記昇温手段は、上記フィルタ温度検出手段が上記所定温度以上で温度の低下を検出した場合には、上記フィルタの昇温制御を再開することを特徴とする。
また、上記昇温手段は、上記フィルタ温度の温度の低下を検出すると共に、上記フィルタ温度が上記所定温度よりも高く設定された昇温再開温度以下となると上記フィルタの昇温制御を再開することを特徴とする。
また、上記昇温手段は、上記フィルタの昇温制御の再開時における上記昇温手段の制御量を昇温制御停止中の上記フィルタ温度の最高温度に応じて設定することを特徴とする。
本発明の構成によれば、フィルタ温度が所定温度以上で温度が低下した場合にフィルタの昇温制御を再開するので、アンダーシュート量（温度の下がり過ぎ）を抑制してフィルタを再生可能な温度範囲に迅速かつ正確に制御することができると共に、昇温制御再開時のフィルタ昇温に要する燃料噴射量を低減することができるので、燃費が良くなる。
また、フィルタ温度の温度の低下を検出すると共にフィルタ温度が所定温度よりも高く設定された昇温再開温度以下となるとフィルタの昇温制御を再開することで、フィルタの過昇温を防止しながら再生可能な温度範囲に迅速かつ正確に制御することができる。
また、昇温制御の再開時における昇温手段の制御量を昇温制御停止中のフィルタ温度の最高温度に応じて設定することで、ハンチング幅を抑制して再生可能な温度範囲に迅速かつ正確に制御することができる。
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示すディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略構成図、図２はＤＰＦ強制再生時における温度制御のフローチャート、図３はＤＰＦの温度制御例を示すグラフである。
図１に示すように、多気筒ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１はシリンダヘッド２とシリンダブロック３とを有し、シリンダブロック３の各シリンダボア内にはピストン４が往復動自在に収装される。このピストン頂面とシリンダボア壁面とシリンダヘッド下面とで燃焼室５が形成される。
シリンダヘッド２には、吸気弁６で開閉される吸気ポート７が形成され、この吸気ポート７には吸気マニホールドを含む吸気通路８が接続される。また、シリンダヘッド２には、排気弁９で開閉される排気ポート１０が形成され、この排気ポート１０には排気マニホールドを含む排気通路１１が接続される。
吸気通路８と排気通路１１との間には可変容量式ターボチャージャ（以下単にＶＧＴと称す）１２が介装され、その加圧された吸気がインタークーラ１３で冷却されて燃焼室５に供給されるようになっている。また、インタークーラ１３下流の吸気通路８とＶＧＴ１２上流の排気通路１１がＥＧＲ通路１４で接続され、該ＥＧＲ通路１４に介装したＥＧＲバルブ１５によりＥＧＲ量が制御されるようになっている。さらに、ＶＧＴ１２下流の排気通路１１には、排気ガス流れの上流側から順にＤＯＣ１６とＤＰＦ（フィルタ）１７とが介装される。
また、シリンダヘッド２には、各気筒の燃焼室５内に燃料を直接噴射する電子制御式の燃料噴射弁１９が設けられ、この燃料噴射弁１９にはコモンレール２０から所定の燃圧に制御された高圧燃料が供給されるようになっている。図中２１はコモンレール２０に図示しない燃料タンクからの燃料を供給する燃料供給ポンプでエンジン１に連動して回転駆動される。
上記燃料噴射弁１９は電子制御ユニット（以下単にＥＣＵと称す）３０により駆動制御される。即ち、ＥＣＵ３０には、アクセル開度を検出するセンサからのアクセル開度信号とエンジン回転数（及びクランク角度）を検出するセンサからのエンジン回転数信号が入力し、これらアクセル開度とエンジン回転数に基づいて目標燃料噴射量、目標噴射時期を検索し、これら目標とする燃料噴射量、噴射時期となるように、燃料噴射弁１９における電磁弁の開閉時期を決定している。
また、上記ＥＣＵ３０には、ＤＰＦ１７の温度を検出するためにＤＰＦ１７の入口に取り付けた温度センサ（フィルタ温度検出手段）２２の検出信号が入力される。尚、フィルタ温度検出手段としては、直接ＤＰＦの温度を検出したり、運転状態やＤＰＦ近傍の温度により推定して検出しても良い。また、図中２５は、上述したＥＧＲバルブ１５とＶＧＴ１２（ベーン開度）と同様に、ＥＣＵ３０によりエンジンの運転状態に応じて駆動制御される電子制御式のスロットルバルブである。
そして、上記ＥＣＵ３０は、車両走行中に通常モードからＤＰＦ１７の強制再生を行う強制再生モード（制御）に切り替わり、燃料のポスト噴射（ＤＯＣ１６と共に昇温手段を構成するが、排気行程噴射でも良い。）によってＤＰＦ１７の昇温制御を行っている際に、温度センサ２２によって検出されるＤＰＦ温度が目標温度（所定温度）以上となると上記ポスト噴射を停止させると共に、ＤＰＦ温度が目標温度以上であって温度が低下する状態となる温度勾配（単位時間当たりの変化率）が負の値である場合には上記ポスト噴射を再開するようになっている（フィルタ再生判断手段）。
即ち、ＤＰＦ１７の昇温制御を開始する場合、実際にＤＰＦ１７が昇温されるまでに時間を要するため、目標温度を下回ってから昇温制御を開始してもＤＰＦ１７の温度が下がり過ぎてしまいＤＰＦ１７の強制再生開始が遅れてしまうことを保証するものである。特に、ＤＯＣ１６による昇温の場合、ＤＯＣ１６での反応時間はＤＯＣ１６自体の昇温等の遅れが大きいためこの遅れを保証する必要がある。そこで、強制再生モードでは、ピストン４の圧縮上死点（クランク角０°）付近で行われる燃料の主噴射に続いて圧縮上死点より遅く着火しないタイミングでポスト噴射を行うように燃料噴射弁１９が駆動制御されるのである。このポスト噴射により排気ガス中に未燃の燃料（ＨＣ）が添加されることになり、この未燃の燃料がＤＰＦ１７前段のＤＯＣ１６で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上昇してＤＰＦ１７内に捕集・堆積したパティキュレートが燃焼、除去されることになる。尚、上述したＥＣＵ３０における通常モードから強制再生モードへの切り替えは、適切なインターバルをとって定期的に行うようにすれば良いが、ＤＰＦ１７の捕集状態を前後の差圧から判断したり、運転履歴から捕集量を推定したりしてモード切り替えを行っても良い。
ＥＣＵ３０は、例えば図２のフローチャートに示すようなＤＰＦ１７の強制再生時における温度制御を実行する。
これを詳述すると、先ずステップＰ１で現在、ポスト噴射を実行しているか否かを判断し、ここで可（Ｙｅｓ）であれば、次にステップＰ２でＤＰＦ温度が目標温度（例えば６５０℃）未満であるか否かを判断する。ここで可（Ｙｅｓ）であれば、次にステップＰ３で前回（昇温動作の再開前）の最高温度による噴射量補正を行いつつ、ステップＰ４でポスト噴射を続行する。一方、上記ステップＰ２で否（Ｎｏ）であれば、次にステップＰ５でポスト噴射を停止する。
上記ステップＰ１で否であれば、次にステップＰ６でＤＰＦ温度が所定値（昇温再開温度）未満であるか否かを判断する。ここで可（Ｙｅｓ）であれば、次にステップＰ７で温度勾配が０以下（負の値）であるか否かを判断する。ここで可であれば、次にステップＰ３で前回（昇温動作の再開前）の最高温度による噴射量補正を行いつつ、ステップＰ４でポスト噴射を再開する。
一方、上記ステップＰ６で否（Ｎｏ）であれば、次にステップＰ８で最高温度を計測した後、ステップＰ９でポスト噴射を停止する。また、上記ステップＰ７で否（Ｎｏ）であれば、上記ステップＰ６と同様に、次にステップＰ８で最高温度を計測した後、ステップＰ９でポスト噴射を停止する。
このようにして本実施例では、ＤＰＦ強制再生時における温度制御下において、ＤＰＦ温度が目標（所定）温度以上となってポスト噴射を一旦停止した後でも、ＤＰＦ温度の温度勾配が負の値である場合にポスト噴射を再開するので、アンダーシュート量（温度の下がり過ぎ）を抑制してＤＰＦ１７を再生可能な温度範囲に迅速かつ正確に制御することができると共に、次回のポスト噴射に要する燃料噴射量を低減することができるので、燃費が良くなる（図３のＤＰＦの温度制御例を示すグラフ参照）。
この際、ＤＰＦ温度の温度勾配が負の値であっても、上記目標温度よりも高く設定された所定値（昇温再開温度）、未満でポスト噴射を再開するので、ＤＰＦ１７の過昇温を防止しながら再生可能な温度範囲に迅速かつ正確に制御することができる。
また、ポスト噴射の再開時における燃料噴射量（制御量）をＤＰＦ温度が上記目標温度以上となった後のポスト噴射の再開前における最高温度に応じて補正する（即ち、エンジンの運転領域で決められた初期値をオーバーシュート量により補正する）ので、ハンチング幅を抑制して再生可能な温度範囲に迅速かつ正確に制御することができる。
尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。例えば、ＤＰＦ１７の昇温手段としてＤＯＣ１６ではなく、昇温制御に遅れが生じる昇温手段を用いても同様の効果がえられる。勿論、ＤＯＣ１６をＤＰＦ１７に一体的に担持させても良い。また、ポスト噴射の再開時における燃料噴射量（制御量）を上述した最高温度と目標温度との偏差に応じて設定しても良い。
本発明の一実施例を示すディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略構成図である。 ＤＰＦ強制再生時における温度制御のフローチャートである。 ＤＰＦの温度制御例を示すグラフである。
符号の説明
１ 多気筒ディーゼルエンジン（エンジン）、２ シリンダヘッド、３ シリンダブロック、４ ピストン、５ 燃焼室、６ 吸気弁、７ 吸気ポート、８ 吸気通路、９ 排気弁、１０ 排気ポート、１１ 排気通路、１２ 可変容量式ターボチャージャ（ＶＧＴ）、１３ インタークーラ、１４ ＥＧＲ通路、１５ ＥＧＲバルブ、１６ ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、１７ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、１９ 燃料噴射弁、２０ コモンレール、２１ 燃料供給ポンプ、２２ 温度センサ、２４ エアーフローセンサ、２５ 電子制御式のスロットルバルブ、３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）。

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられて排気中のパティキュレートを捕集するフィルタと、
    上記フィルタの再生処理の要否を判断するフィルタ再生判断手段と、
    上記フィルタ再生判断手段にて上記再生処理が必要と判断されると上記フィルタを昇温させる昇温手段と、
    上記フィルタ又はフィルタ近傍の温度を検出するフィルタ温度検出手段と、
    を備え、
    上記昇温手段による上記フィルタの昇温制御が行われている際に、上記フィルタ温度検出手段によって検出されるフィルタ温度が所定温度以上となると、上記昇温手段の昇温制御を停止させる内燃機関の排気浄化装置において、
    上記昇温手段は、上記フィルタ温度検出手段が上記所定温度以上で温度の低下を検出した場合には、上記フィルタの昇温制御を再開することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 上記昇温手段は、上記フィルタ温度の温度の低下を検出すると共に、上記フィルタ温度が上記所定温度よりも高く設定された昇温再開温度以下となると上記フィルタの昇温制御を再開することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 上記昇温手段は、上記フィルタの昇温制御の再開時における上記昇温手段の制御量を昇温制御停止中の上記フィルタ温度の最高温度に応じて設定することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
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