JP4645851B2

JP4645851B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4645851B2
Application number: JP2006312796A
Authority: JP
Inventors: 和郎倉田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2026-11-20
Also published as: JP2008128063A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）におけるパティキュレートの堆積状態を把握する技術に関する。

ディーゼルエンジンの排気を浄化する装置として、ＤＰＦが知られている。ＤＰＦは、
排気通路に設けられ、排気中のパティキュレート（以下、ＰＭという）を捕集する。また、ＤＰＦに捕集されて堆積したＰＭを除去するために、ＤＰＦの上流に酸化触媒を備え、この酸化触媒に未燃燃料を流入させて排気温度を上昇させることにより、ＤＰＦに捕集されたＰＭの主成分であるすすを燃焼させる強制再生が知られている。

強制再生は、通常、ＤＰＦにおけるＰＭの堆積量が許容限界値に達した時点で実行開始され、堆積しているＰＭ中のすすが全て燃焼するように実行される。このものにおいて、ＰＭの堆積量を知るために、例えばＤＰＦの前後（上流側と下流側と）の排気の差圧を検出し、この差圧に基づいてＰＭの堆積量を演算する技術が公知となっている。
更に、差圧により演算されたＰＭの堆積量はＤＰＦに堆積したパティキュレートの偏在状態によって相違することから、パティキュレートの偏在状態（偏堆積度合）に応じてＰＭの堆積量を補正する補正装置も知られている（特許文献１）。
特開２００４−２１８４８６号公報

しかしながら、上記のような補正装置では、パティキュレートが偏在してＤＰＦに堆積しているか否かを判別し、この判定結果に伴ってＰＭの堆積量の補正を２段階にしか切り換えないので、精度よくＰＭの堆積量を補正することができず、強制再生の過不足を招く虞があった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＤＰＦの前後の排気の差圧に基づいて強制再生を行う内燃機関の排気浄化装置において、ＤＰＦにパティキュレートが偏在して堆積しても適切に強制再生を実施できる排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタと、内燃機関からのパティキュレートの排出量を推定するパティキュレート排出量推定手段と、フィルタの前後の排気の差圧に基づいて、該フィルタに捕集されるパティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段と、堆積量推定手段により推定されたパティキュレートの堆積量に基づいた時期に作動し、フィルタに堆積したパティキュレートを燃焼させて、フィルタを強制再生させる強制再生手段と、パティキュレート排出量推定手段により推定されたパティキュレートの排出量と内燃機関の排気流量とに基づいてフィルタに堆積するパティキュレートの偏堆積度合に相関する偏堆積指標を演算する偏堆積指標演算手段と、偏堆積指標演算手段により演算されたパティキュレートの偏堆積指標に基づき強制再生手段の作動時期を補正する補正手段と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１の発明において、補正手段は、偏堆積指標が大きいときは、小さいときに比べて、強制再生手段の作動時期を早めるよう補正することを特徴とする。
また、請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、パティキュレート排出量推定手段は、内燃機関の回転速度及び負荷に基づいてパティキュレートの排出量を推定することを特徴とする。

また、請求項４の発明では、請求項１、２又は３の発明において、偏堆積指標演算手段は、パティキュレート排出量推定手段により推定されたパティキュレートの排出量と内燃機関の排気流量とに基づいてフィルタにおけるパティキュレートの単位時間当たりの偏堆積度合を演算し、該単位時間当たりの偏堆積度合を積算して偏堆積指標を演算することを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、パティキュレートの排出量と内燃機関の排気流量とに基づいて、フィルタにおけるパティキュレートの偏堆積度合を示す偏堆積指標が容易にかつ精度良く導き出される。そして、フィルタの前後の排気の差圧だけでなくこの偏堆積指標を用いて強制再生手段の作動を制御するので、パティキュレートがフィルタに偏って堆積した場合でも、適切に強制再生を実施させることができる。

また、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、フィルタの再生時期が的確になり、より適切に強制再生を実施させることができる。
また、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の回転速度及び負荷に基づいてパティキュレートの排出量を正確かつ迅速に演算することができる。
また、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、パティキュレートの排出量と内燃機関の排気流量とに基づいてフィルタにおけるパティキュレートの単位時間当たりの偏堆積度合を演算し、この単位時間当たりの偏堆積度合を積算して偏堆積指標を演算することから、エンジンの運転状態が変動する場合でも正確に偏堆積指標を演算することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用されたエンジン（内燃機関）１の全体構成図を示している。
エンジン１は、例えばコモンレール式直列多気筒のディーゼルエンジンである。エンジン１のシリンダヘッド２には、燃焼室３に臨んで電磁式の燃料噴射ノズル４が気筒毎に設けられている。各燃料噴射ノズル４は高圧パイプ５によりコモンレール６に接続されるとともに、コモンレール６は高圧パイプ７を介して高圧ポンプ８に接続されている。高圧ポンプ８は燃料タンク９に貯留された燃料（軽油）をコモンレール６に供給する機能を有しており、コモンレール６に供給された燃料は高圧の状態で蓄えられ、各燃料噴射ノズル４から燃焼室３内に噴射される。

シリンダヘッド２には、各気筒毎に燃焼室と連通する吸気ポート１０及び排気ポート１１が夫々形成されており、吸気ポート１０には吸気管１２が、排気ポート１１には排気管１３が接続されている。また、シリンダヘッド２には、吸気ポート１０を開閉する吸気バルブ１４と、排気ポート１１を開閉する排気バルブ１５とが設けられている。
吸気管１２には、吸入空気量を調節する電磁式の吸気絞り弁１６と、その上流側に吸気流量を検出するエアフローセンサ１７が設けられている。

排気管１３と吸気管１２との間には、電磁開閉弁であるＥＧＲ弁１９が介挿されたＥＧＲ管１８が設けられている。ＥＧＲ管１８は、一端が排気ポート１１近傍で排気管１３に接続される一方、他端が吸気ポート１０近傍で吸気管１２に接続され、排気管１３と吸気管１２とを連通する。
排気管１３には、上流側から順番に、触媒ユニット２０、ＤＰＦ（本発明のフィルタに該当する）２１が介装されている。触媒ユニット２０は、筒状のケースの中に第１の酸化触媒２２及び第２の酸化触媒２３が収容されて形成されている。第１の酸化触媒２２は排気上流側に設けられ、第２の酸化触媒２３は第１の酸化触媒２２と間隔をおいて下流側に設けられている。第１の酸化触媒２２及び第２の酸化触媒２３は、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する機能を有する。

本実施の形態のＤＰＦ２１は、酸化触媒機能付き（酸化触媒担持型）のものである。このＤＰＦ２１は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖して、排気中のＰＭを捕集する機能を有しており、さらに、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。

また、第１の酸化触媒２２の上流側近傍には、第１の酸化触媒２２に流入する直前の排気温度Ｔfaを検出する第１の温度センサ２４が設けられている。第１の酸化触媒２２と第２の酸化触媒２３との間には、第１の酸化触媒２２を通過した直後の排気温度Ｔfbを検出する第２の温度センサ２５が備えられている。ＤＰＦ２１の下流側には、ＤＰＦ２１通過直後の排気温度Ｔfcを検出する第３の温度センサ２６が設けられている。更に、ＤＰＦ２１の上流側及び下流側には、ＤＰＦ２１の前後（上流側と下流側と）の差圧Ｐdを検出する差圧センサ２７が備えられている。

ＥＣＵ３０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ３０の入力側には、上述したエアフローセンサ１７、第１の温度センサ２４、第２の温度センサ２５、第３の温度センサ２６及び差圧センサ２７の他に、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ３１、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルポジションセンサ３２、及び車速を検出する車速センサ３３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される。

一方、ＥＣＵ３０の出力側には、燃料噴射ノズル４、吸気絞り弁１６及びＥＧＲ弁１９等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ３０において演算された燃料噴射量、燃料噴射時期及びＥＧＲ量等がそれぞれ出力され、これにより、適正なタイミングで吸気絞り弁１６、燃料噴射ノズル４及びＥＧＲ弁１９等の制御が実施される。

以上のように、ＤＰＦ２１の上流に第１の酸化触媒２２及び第２の酸化触媒２３を配置することにより、下流側の第２の酸化触媒２３からＮＯ_２がＤＰＦ２１に流入し、ＤＰＦ２１に捕集され堆積しているＰＭ中の炭素成分であるすすと反応して酸化させる。そして、酸化したすすはＣＯ_２となり、ＤＰＦ２１から除去され、ＤＰＦ２１が連続的に再生される（連続再生）。

上記の連続再生では、エンジン１の運転状況により十分にＤＰＦ２１の再生が行われない場合がある。そこで、ＥＣＵ３０は、ＤＰＦ２１におけるＰＭの堆積量に基づいて強制再生を実施させる。強制再生は、エンジン運転時における燃料の主噴射の後にポスト噴射を行って、未燃燃料を含んだ排気を排気管１３に排出させることによって行われる。排気中の未燃燃料は、第１の酸化触媒２２に流入して酸化し、排気温度を上昇させる。これにより、ＤＰＦ２１に堆積したＰＭ中のすすを燃焼させ、ＤＰＦ２１を再生させる。なお、この強制再生を行うシステムが本発明の強制再生手段に該当する。

ところで、上述したように、ＰＭは偏在してＤＰＦ２１に堆積していることがあり、本発明に係る排気浄化装置では、このようなＰＭの偏堆積をも考慮して適切に強制再生を行うようにしている。以下、本発明に係る排気浄化装置の制御内容について説明する。
図２は、ＥＣＵ３０におけるＰＭの偏堆積指標Ｉdの演算手順を示すブロック図である。偏堆積指標Ｉdの演算は、エンジン１が運転状態であるときに実施され、単位時間ｔ1（例えば、エンジン１の１燃焼サイクル）毎に繰り返される。

まず、ＰＭ排出量演算部５０では、エンジン１の回転速度Ｎeと負荷Ｌdとに基づいて、単位時間ｔ1当たりのＰＭの排出量Ｑcを演算する。この排出量Ｑcの演算は、あらかじめ実験等により確認され記憶装置に記憶された図３に示すようなマップから読み出して行われる。図３はエンジン回転速度Ｎe及び負荷Ｌdと単位時間ｔ1当たりのＰＭの排出量Ｑcとの関係を示すマップであって、ＰＭの排出量Ｑcは図中の濃淡で表わせられており、図中の濃部は排出量Ｑcが大、淡部は排出量Ｑcが小である。なお、ＰＭ排出量演算部５０は、本発明のパティキュレート排出量推定手段に該当する。

偏堆積係数演算部５１では、エンジン１の排気流量Ｑeに基づいて偏堆積係数Ｃsを演算する。この偏堆積係数Ｃsの演算は、あらかじめ実験等により確認され記憶装置に記憶された図４に示すようなグラフから読み出して行われる。図４は排気流量Ｑeと偏堆積係数Ｃsとの関係を示すグラフである。図４に示されるように、偏堆積係数Ｃsは、排気流量Ｑeの上昇に伴って上昇するが、排気流量Ｑeが大きい状態では、その傾きが鈍化する傾向を示す。これは、排気流量Ｑeが十分に大きいと、偏堆積し難くなるからである。なお、排気流量Ｑeは、例えばエアフローセンサ１７により検出された吸気流量から演算したり、排気管１３に流量計を設け直接検出したりして得ればよい。

乗算部５２では、ＰＭ排出量演算部５０において演算されたＰＭの排出量Ｑcと偏堆積係数演算部５１において演算された偏堆積係数Ｃsとを乗算し、単位時間ｔ1当たりのＰＭの偏堆積度合を示す偏堆積指標Ｉd1を演算する。
積算部５３では、乗算部５２において演算された単位時間ｔ1当たりの偏堆積指標Ｉd1を前回の強制再生終了から積算し、偏堆積指標Ｉdを演算する。なお、偏堆積係数演算部５１、乗算部５２及び積算部５３において偏堆積指標Ｉdを演算する一連の制御が、本発明の偏堆積指標演算手段に該当する。

図５は、ＥＣＵ３０における再生開始堆積量Ｑrの演算手順を示すブロック図である。再生開始堆積量Ｑrの演算は、エンジン１が運転状態であるときに実施され、設定時間ｔ2毎に繰り返される。設定時間ｔ2は、ＤＰＦ２１におけるＰＭの堆積状態を判定する間隔であって、単位時間ｔ1より長い時間で適宜設定すればよい。
補正量演算部６０では、積算部５３において演算された偏堆積指標Ｉdに基づいて、ＤＰＦ２１に堆積可能なＰＭの許容量Ｑpを補正する補正量Ｑdを演算する。この補正量Ｑdの演算は、あらかじめ実験等により確認され記憶装置に記憶された図６に示すようなグラフから読み出して行われる。図６は偏堆積指標Ｉdと補正量Ｑdとの関係を示すグラフである。図６に示されるように、補正量Ｑdは、偏堆積指標Ｉdの増加とともに上限値に向かって増加する傾向にある。

補正部６１では、ＰＭの許容量Ｑpに補正量Ｑdを減算して再生開始堆積量Ｑrを演算する。
そして、ＥＣＵ３０は、差圧センサ２７により検出された差圧Ｐdと排気流量Ｑdとに基づいてＤＰＦ２１におけるＰＭの堆積量Ｑａを演算し、この堆積量Ｑaが補正部６１において演算された再生開始堆積量Ｑrに達したときに強制再生を開始させる。なお、ＥＣＵ３０において、ＰＭの堆積量Ｑaを演算する制御が本発明の堆積量推定手段に該当するとともに、補正量演算部６０及び補正部６１において再生開始堆積量Ｑrを演算し、この再生開始堆積量ＱrとＰＭの堆積量Ｑaとに基づいて強制再生を開始させる制御が本発明の補正手段に該当する。

以上のように、本実施形態では、強制再生を開始させる閾値を、ＤＰＦにおけるＰＭの偏堆積度合に関連する偏堆積指標Ｉdによって補正するので、強制再生の開始時期を適切にすることができる。偏堆積指標Ｉdは、単位時間ｔ1毎に排気流量Ｑeとエンジン回転速度Ｎeと負荷Ｌdとに基づいて演算され、これを積算することで求められているので、エンジン１の運転状態が安定せずに排気流量Ｑe等が変動している場合でも、単位時間ｔ1を小さく設定することで正確な偏堆積状態を知ることができる。

なお、本実施形態では偏堆積指標Ｉdによって再生開始堆積量Ｑrを補正しているが、差圧Ｐdと排気流量Ｑdとに基づいて演算されたＰＭの堆積量Ｑaを補正し、この補正したＰＭの堆積量が許容量Ｑpに達した時点で強制再生を開始するようにしてもよい。

本発明に係る内燃機関の全体構成図である。ＰＭの偏堆積指標の演算手順を示すブロック図である。エンジン回転速度及び負荷と単位時間当たりのＰＭの排出量との関係を示すマップである。排気流量と偏堆積係数との関係を示すグラフである。再生開始堆積量の演算手順を示すブロック図である。偏堆積指標と補正量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１エンジン
３燃料噴射ノズル
２１ＤＰＦ
３０ＥＣＵ
５０ＰＭ排出量演算部
５１偏堆積係数演算部
５２乗算部
５３積算部
６０補正量演算部
６１補正部

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタと、
前記内燃機関からのパティキュレートの排出量を推定するパティキュレート排出量推定手段と、
前記フィルタの前後の排気の差圧に基づいて、該フィルタに捕集されるパティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段と、
前記堆積量推定手段により推定されたパティキュレートの堆積量に基づいた時期に作動し、前記フィルタに堆積したパティキュレートを燃焼させて、前記フィルタを強制再生させる強制再生手段と、
前記パティキュレート排出量推定手段により推定されたパティキュレートの排出量と前記内燃機関の排気流量とに基づいて前記フィルタに堆積するパティキュレートの偏堆積度合に相関する偏堆積指標を演算する偏堆積指標演算手段と、
前記偏堆積指標演算手段により演算されたパティキュレートの偏堆積指標に基づき前記強制再生手段の作動時期を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記補正手段は、前記偏堆積指標が大きいときは、小さいときに比べて、前記強制再生手段の作動時期を早めるよう補正することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレート排出量推定手段は、前記内燃機関の回転速度及び負荷に基づいてパティキュレートの排出量を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記偏堆積指標演算手段は、前記パティキュレート排出量推定手段により推定されたパティキュレートの排出量と前記内燃機関の排気流量とに基づいて前記フィルタにおけるパティキュレートの単位時間当たりの偏堆積度合を演算し、該単位時間当たりの偏堆積度合を積算して前記偏堆積指標を演算することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。