JP4379314B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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、一層詳細には排気系にディーゼルパティキュレートフィルタやＮＯｘ吸蔵触媒等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）、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）、ＮＯｘ吸蔵触媒（ＬＮＴ：Lean NOx Trap：以下単にＬＮＴと称す）等による後処理技術が開発されている。

しかし、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。また、ＬＮＴは、燃料中に含まれるＳ（サルファ，硫黄分）が触媒に付着して触媒へのＮＯｘ付着を阻害する等で触媒機能が低下するので、付着・堆積したＳを定期的に脱離させる、所謂Ｓパージが必要である。

ＤＰＦの再生やＬＮＴのＳパージには、高温度場が要求されるので、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や燃料をポスト又は排気行程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やＬＮＴを昇温していた。

特開２００２−４８３８号公報

ところが、上述した昇温手法にあっては、昇温中に車両減速等でエンジンが通常の制御に戻る（昇温制御が中断される）と、スロットルバルブが全開に制御されるなどで吸入空気量が増えエンジンから排出される排気ガス流量が増えることから、熱の持ち去り量が増えてＤＯＣやＬＮＴの温度が低下するという不具合があった（図６の昇温中の減速によるＤＯＣ出口温度の低下を示すグラフ参照）。

上述したように、触媒温度が低下すると、触媒の活性が低下し再度ＨＣを供給しても触媒温度は上がらずＨＣのまま触媒下流に排出されるので排気エミッションが悪化すると共に、低下した温度を再度昇温させるために余分に燃料を消費しなければならないことから燃費面でも不利である。

ところで、特許文献１には、エンジンの全運転領域においてＤＰＦに捕集されたパティキュレートを確実に燃焼させられるために、排気ガス温度を所定の温度範囲になるように、ディーゼルエンジンの吸気通路に配設した空気量調節機構を制御する技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１においては、車両減速中に関する記載がなく、一般的に減速中は空気量調節機構が全開となるため、上述したように排気ガス流量が増え、熱の持ち去り量が増えてＤＯＣやＬＮＴの温度が低下するという不具合を残存している。また、ＤＯＣやＬＮＴの温度低下を防止するためにＤＯＣやＬＮＴをバイパスするバイパス通路を設けることが考えられる。しかしながら、バイパス通路を設けた場合、排気ガス流量の増加をバイパス通路で逃がすものであり、逃がされた排気ガスを改めて浄化させる必要が有る。

そこで、本発明の目的は、排気浄化手段の昇温制御が中断された際の排気浄化手段の温度低下を抑制して再度昇温する際に短時間で昇温でき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以下のように構成される。
（１）内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化手段と、上記内燃機関から排出される排気ガス流量を調整する排気ガス流量調整手段と、上記排気浄化手段を車両走行中に燃料のポスト噴射によって昇温させる昇温手段と、上記内燃機関の運転状態に応じて上記排気ガス流量調整手段を制御する第１排気ガス流量制御手段と、上記昇温手段による昇温制御中に、当該昇温制御を中断する際には、上記排気浄化手段を保温制御すべく上記第１排気ガス流量制御手段より排気ガス流量が減少する方向に上記排気ガス流量調整手段を制御する第２排気ガス流量制御手段と、を備えると共に、上記第２排気ガス流量制御手段による保温制御中に、上記昇温手段による保温制御も併せて実行することを特徴とする。

（２）上記昇温手段による昇温制御中に上記第１排気ガス流量制御手段より排気ガス流量が減少する方向に上記排気ガス流量調整手段を制御する第３排気ガス流量制御手段を備えたことを特徴とする。

（３）上記第２排気ガス流量制御手段は、上記第３排気ガス流量制御手段より排気ガス流量が減少する方向に上記排気ガス流量調整手段を制御することを特徴とする。

（４）上記排気ガス流量制御手段は上記内燃機関への吸入空気量を調整するスロットル制御手段であることを特徴とする。

（１）の発明によれば、排気浄化手段の昇温制御が中断された際の排気浄化手段の温度低下を抑制して再度昇温する際に短時間で昇温できる。また、第２排気ガス流量制御手段による保温制御中に、トルクが発生しないポスト噴射を行うことにより、温度の低いガスが排気浄化手段に流入せず排気浄化手段の保温効果が更に高まる。

（２）の発明によれば、昇温中に排気ガス流量を絞ることにより排気浄化手段の昇温を促進させることができる。

（３）の発明によれば、昇温中より更に排気ガス流量を絞ることにより排気浄化手段の保温効果が高まる。

（４）の発明によれば、内燃機関への吸入空気量を絞ることにより排気ガス流量を容易に絞ることができる。

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はポスト噴射制御のフローチャート、図３はスロットルバルブ制御のフローチャート、図４はＤＰＦ温度，エンジン回転数，スロットル開度，アクセル開度，保温制御フラグ及び再生制御フラグの関係を示すタイムチャート、図５は保温制御の効果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ＤＯＣ（排気浄化手段）１６とＤＰＦ（排気浄化手段）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２２の検出信号が入力される。また、図中２５は、上述したＥＧＲバルブ１５及びＶＧＴ１２（ベーン開度）と同様に、ＥＣＵ３０により駆動制御される電子制御式のスロットルバルブ（排気ガス流量調整手段）である。ここでは、排気ガス流量を減少させる方法として吸入空気量を調整するスロットルバルブを用いる。

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への切り替えを適切なインターバルをとって定期的に行うと共に、強制再生モード下では燃料のポスト噴射（又は排気行程噴射）によってＤＰＦ１７を昇温させるようになっている（昇温手段）。

即ち、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。

また、ＥＣＵ３０は、図２のポスト噴射制御のフローチャートと図４のＤＰＦ温度，エンジン回転数，スロットル開度，アクセル開度，保温制御フラグ及び再生制御フラグの関係を示すタイムチャートに示すように、昇温（再生）制御時の噴射量と保温制御時の噴射量と通常運転時の噴射量をそれぞれ制御し得るようになっており、昇温（再生）制御時の噴射量でポスト噴射をし（図２のステップＰ１及びステップＰ２参照）、車両減速等で昇温（再生）制御を中断した際には保温制御時の噴射量でポスト噴射を行う（図２のステップＰ３及びステップＰ４参照）ようになっている。

また、ＥＣＵ３０は、図３のスロットルバルブ制御のフローチャートと図４のＤＰＦ温度，エンジン回転数，スロットル開度，アクセル開度，保温制御フラグ及び再生制御フラグの関係を示すタイムチャートに示すように、昇温（再生）制御時のスロットルバルブ位置（第３排気ガス流量制御手段）と保温制御時のスロットルバルブ位置（第２排気ガス流量制御手段）と通常運転時のスロットルバルブ位置（第１排気ガス流量制御手段）をそれぞれ制御し得るようになっており、昇温（再生）制御時のスロットルバルブ位置で吸気絞りをして排気ガス流量を減少させ（図３のステップＰ１及びステップＰ２参照）、車両減速等で昇温（再生）制御を中断した際には保温制御時のスロットルバルブ位置で吸気絞りを行い更に排気ガス流量を減少させる（図３のステップＰ３及びステップＰ４参照）ようになっている。

そして、上記各スロットルバルブ位置（開度）には、通常運転時のスロットルバルブ位置（第１排気ガス流量制御手段）＞昇温（再生）制御時のスロットルバルブ位置（第３排気ガス流量制御手段）＞保温制御時のスロットルバルブ位置（第２排気ガス流量制御手段）の関係が成立している。即ち、排気ガス流量は、第１排気ガス流量制御手段＞第３排気ガス流量制御手段＞第２排気ガス流量制御手段となる。

このようにして本実施例では、ＤＰＦ１７の昇温中に昇温制御を中断する際には、通常運転時より排気ガス流量が減少する方向にスロットルバルブ２５の開度が制御されるので、昇温制御時と同様に、保温制御時には吸気絞りによる排気ガス流量の低減が図れ（熱の持ち去り量が低減され）、ＤＰＦ１７の昇温制御が中断された際のＤＰＦ１７の温度低下を抑制してＤＰＦ１７の活性温度を良好に保持することができると共に、再度昇温する際に短時間で昇温でき、燃費が向上する（図５の保温制御の効果を示すグラフ参照）。

また、上記昇温制御時においても、通常運転時より排気ガス流量が減少する方向にスロットルバルブ２５の開度が制御されるので、昇温中の吸気絞りによりＤＰＦ１７の昇温を促進させることができる。

また、上記保温制御時には、昇温制御時より排気ガス流量が減少する方向にスロットルバルブ２５の開度が制御されるので、昇温中より更に排気ガス流量を絞ることによりＤＰＦ１７の保温効果が高まる。

また、上記保温制御時には、同保温制御時の噴射量でポストあるいは排気行程噴射が行われるので、トルクが発生しないポストあるいは排気行程噴射を行うことにより、温度の低いガスがＤＰＦ１７に流入せずＤＰＦ１７の保温効果が更に高まる。

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、ＤＯＣ１６をＤＰＦ１７に一体的に担持させても良い。また、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したが、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。また、保温制御時に吸気絞りとポストあるいは排気行程噴射を併用したが、吸気絞りだけでも良い。また、排気ガス流量調整手段としてスロットルバルブ２５を用いて吸入空気量を調整することにより排気ガス流量を調製したが、ＥＧＲバルブを用いて排気ガス流量を調製しても良い。

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。 ポスト噴射制御のフローチャートである。 スロットルバルブ制御のフローチャートである。 ＤＰＦ温度，エンジン回転数，スロットル開度，アクセル開度，保温制御フラグ及び再生制御フラグの関係を示すタイムチャートである。 保温制御の効果を示すグラフである。 昇温中の減速によるＤＯＣ出口温度の低下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 (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化手段と、
   上記内燃機関から排出される排気ガス流量を調整する排気ガス流量調整手段と、
   上記排気浄化手段を車両走行中に燃料のポスト噴射によって昇温させる昇温手段と、
   上記内燃機関の運転状態に応じて上記排気ガス流量調整手段を制御する第１排気ガス流量制御手段と、
   上記昇温手段による昇温制御中に、当該昇温制御を中断する際には、上記排気浄化手段を保温制御すべく上記第１排気ガス流量制御手段より排気ガス流量が減少する方向に上記排気ガス流量調整手段を制御する第２排気ガス流量制御手段と、
   を備えると共に、
   上記第２排気ガス流量制御手段による保温制御中に、上記昇温手段による保温制御も併せて実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記昇温手段による昇温制御中に上記第１排気ガス流量制御手段より排気ガス流量が減少する方向に上記排気ガス流量調整手段を制御する第３排気ガス流量制御手段を備えた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. 上記第２排気ガス流量制御手段は、上記第３排気ガス流量制御手段より排気ガス流量が減少する方向に上記排気ガス流量調整手段を制御することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記排気ガス流量制御手段は上記内燃機関への吸入空気量を調整するスロットル制御手段であ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。

Images