JP4910844B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に備えられたパティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質（ＰＭ）の量を、内燃機関の運転状態と内燃機関の冷却水温度とに基づいて算出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−４４４５７号公報 特開２００３−３０７１１０号公報 特開２００３−２０９３３号公報 特開２０００−１７０５２１号公報 特開平１１−３７８９９号公報

ところで、パティキュレートフィルタよりも上流側の排気通路と吸気通路とを接続する高圧ＥＧＲ通路と、パティキュレートフィルタよりも下流側の排気通路と吸気通路とを接続する低圧ＥＧＲ通路と、を備えた内燃機関が知られている。夫々のＥＧＲ通路に流す排気の量は、例えば内燃機関の運転状態、パティキュレートフィルタまたは触媒の温度等に基づいて決定される。

ここで、気筒内に供給されるＥＧＲガス量が同じであっても、高圧ＥＧＲ通路に流す排気の量と低圧ＥＧＲ通路に流す排気の量との比が変わると、パティキュレートフィルタを通過する排気の量が変わる。そのため、該パティキュレートフィルタに捕集されるＰＭの量も変わる。従って、パティキュレートフィルタに捕集されるＰＭ量を算出する場合には、このＥＧＲガス量を考慮しなければ正確な値を求めることができない。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタに捕集される粒子状物質の量をより正確に求めることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明によ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排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタよりも上流の排気通路と前記内燃機関の吸気通路とを接続する高圧ＥＧＲ通路と、
前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路と前記内燃機関の吸気通路とを接続する低圧ＥＧＲ通路と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記高圧ＥＧＲ通路に流れる排気は前記パティキュレートフィルタを通過しないとし、前記低圧ＥＧＲ通路に流れる排気は前記パティキュレートフィルタを通過するとして、前記高圧ＥＧＲ通路と前記低圧ＥＧＲ通路とを夫々流れる排気の量に基づいて前記パティキュレートフィルタに捕集される粒子状物質の量を推定する粒子状物質量推定手段を備えることを特徴とする。

ここで、高圧ＥＧＲ通路にＥＧＲガスを流すと、その分、パティキュレートフィルタを通過する排気の量が減少する。そして、高圧ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガス（以下、高圧ＥＧＲガスという。）に含まれる粒子状物質は、パティキュレートフィルタに捕集されずに内燃機関に戻される。つまり、高圧ＥＧＲガスを流した後では、流す前よりも、高圧ＥＧＲガスに含まれる分だけパティキュレートフィルタに捕集される粒子状物質の量が減少する。

一方、低圧ＥＧＲ通路にＥＧＲガスを流しても、それだけではパティキュレートフィルタを通過する排気の量は変わらない。つまり、低圧ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガス（以下、低圧ＥＧＲガスという。）に含まれていた粒子状物質は全てパティキュレートフィルタに流入することになる。そのため、低圧ＥＧＲガスを流す前と後とでは、パティキュレートフィルタに捕集される粒子状物質の量は変わらない。

つまり、内燃機関から排出される粒子状物質の中で、高圧ＥＧＲ通路に流入する分だけ減じた量がパティキュレートフィルタに捕集されることになる。この関係から、パティキュレートフィルタに捕集される粒子状物質の量を求めることができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタに捕集される粒子状物質の量をより正確に求めることができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、吸気通路３および排気通路４が接続されている。この吸気通路３の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５ａが設けられている。また、コンプレッサハウジング５ａよりも上流の吸気通路３には、該吸気通路３内を流通する吸気の流量を調節する第１スロットル６が設けられている。この第１スロットル６は、電動アクチュエータにより開閉される。第１スロットル６よりも上流の吸気通路３には、該吸気通路３内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ７が設けられている。このエアフローメータ７により、内燃機関１の吸入空気量が測定される。

コンプレッサハウジング５ａよりも下流の吸気通路３には、吸気と外気とで熱交換を行うインタークーラ８が設けられている。そして、インタークーラ８よりも下流の吸気通路３には、該吸気通路３内を流通する吸気の流量を調節する第２スロットル９が設けられている。この第２スロットル９は、電動アクチュエータにより開閉される。

一方、排気通路４の途中には、前記ターボチャージャ５のタービンハウジング５ｂが設けられている。また、タービンハウジング５ｂよりも下流の排気通路４には、パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）１０が設けられている。このフィルタ１０は、排気中のＰＭを捕集する。

そして、内燃機関１には、排気通路４内を流通する排気の一部を低圧で吸気通路３へ再
循環させる低圧ＥＧＲ装置３０が備えられている。この低圧ＥＧＲ装置３０は、低圧ＥＧＲ通路３１、低圧ＥＧＲ弁３２、およびＥＧＲクーラ３３を備えて構成されている。

低圧ＥＧＲ通路３１は、フィルタ１０よりも下流側の排気通路４と、コンプレッサハウジング５ａよりも上流且つ第１スロットル６よりも下流の吸気通路３と、を接続している。この低圧ＥＧＲ通路３１を通って、排気が低圧で再循環される。そして、本実施例では、低圧ＥＧＲ通路３１を通って再循環される排気を低圧ＥＧＲガスと称している。

また、低圧ＥＧＲ弁３２は、低圧ＥＧＲ通路３１の通路断面積を調節することにより、該低圧ＥＧＲ通路３１を流れる低圧ＥＧＲガスの量を調節する。さらに、ＥＧＲクーラ３３は、該ＥＧＲクーラ３３を通過する低圧ＥＧＲガスと、内燃機関１の冷却水とで熱交換をして、該低圧ＥＧＲガスの温度を低下させる。

さらに、内燃機関１には、排気通路４内を流通する排気の一部を高圧で吸気通路３へ再循環させる高圧ＥＧＲ装置４０が備えられている。この高圧ＥＧＲ装置４０は、高圧ＥＧＲ通路４１、および高圧ＥＧＲ弁４２を備えて構成されている。

高圧ＥＧＲ通路４１は、タービンハウジング５ｂよりも上流側の排気通路４と、第２スロットル９よりも下流側の吸気通路３と、を接続している。この高圧ＥＧＲ通路４１を通って、排気が高圧で再循環される。そして、本実施例では、高圧ＥＧＲ通路４１を通って再循環される排気を高圧ＥＧＲガスと称している。

また、高圧ＥＧＲ弁４２は、高圧ＥＧＲ通路４１の通路断面積を調節することにより、該高圧ＥＧＲ通路４１を流れる低圧ＥＧＲガスの量を調節する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１３が併設されている。このＥＣＵ１３は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ１３には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１４を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１５、および機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１６が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１３に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１３には、第１スロットル６、第２スロットル９、低圧ＥＧＲ弁３２、及び高圧ＥＧＲ弁４２が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１３によりこれらの機器が制御される。

ここで本実施例では、気筒２内に供給される全ＥＧＲガスのうち、高圧ＥＧＲガスの割合または低圧ＥＧＲガスの割合を内燃機関１の運転状態に応じて変えている。つまり、内燃機関１の低回転低負荷時には高圧ＥＧＲガスのみを流している。また、高回転または高負荷時の少なくとも一方のときに低圧ＥＧＲガスのみを流している。その他の運転状態のときには高圧ＥＧＲガス及び低圧ＥＧＲガスの両方を流している。そのときの高圧ＥＧＲガス量または低圧ＥＧＲガス量は、内燃機関１の運転状態（例えば機関回転数及び機関負荷）に応じて決定される。

そして、本実施例では、フィルタ１０を取り外した状態でＥＧＲガスを流したときに、排気通路から大気へ放出されるＰＭ量を予め実験等により求めておく。このときには、内燃機関１の運転状態に応じて低圧ＥＧＲガスまたは高圧ＥＧＲガスの少なくとも一方が流される。なお、このようなＰＭ量を以下、「排気通路出口ＰＭ量」という。この排気通路
出口ＰＭ量は内燃機関１の運転状態（例えば機関回転数及び機関負荷）に応じて変わるため、機関回転数及び機関負荷に応じて排気通路出口ＰＭ量を測定しマップ化しておく。そして、排気通路出口ＰＭ量に基づいて、フィルタ１０に捕集されるＰＭ量を算出する。

ここで、高圧ＥＧＲガスを流し且つ低圧ＥＧＲガスを流さない場合には、フィルタ１０に捕集されるＰＭ量は、排気通路出口ＰＭ量と等しくなる。つまり、気筒２から排出されるＰＭ量から高圧ＥＧＲ通路４１で気筒２に戻されるＰＭ量を減じた分だけフィルタ１０に捕集される。

一方、低圧ＥＧＲガスを流し且つ高圧ＥＧＲガスを流さない場合には、気筒２から排出されるＰＭが全てフィルタ１０で捕集される。ここで、排気通路出口ＰＭ量の測定時にはフィルタ１０が取り外されるため、低圧ＥＧＲガスに含まれるＰＭが気筒２内に戻される。そのため、排気通路出口ＰＭ量は、低圧ＥＧＲガスに含まれるＰＭ量だけ減少する。

しかし、フィルタ１０を取り付けた状態では、低圧ＥＧＲガスは既にフィルタ１０を通過した後であるため、該低圧ＥＧＲガス中に含まれていたＰＭはフィルタ１０に捕集されることになる。そのため、排気通路出口ＰＭ量と、フィルタ１０に捕集されるＰＭ量と、に差が生じる。

そして、低圧ＥＧＲガスを流したときには、フィルタ１０に捕集されるＰＭ量は該低圧ＥＧＲガスに含まれていたＰＭ量だけ排気通路出口ＰＭ量から増加する。ここで、フィルタ１０を取り外した状態での排気通路４を流れる排気と低圧ＥＧＲガスとの単位体積当たりに含まれるＰＭ量は等しい。つまり、フィルタ１０に捕集されるＰＭ量を以下の式で求めることができる。
排気通路出口ＰＭ量×（排気通路出口流量＋低圧ＥＧＲガス流量）／排気通路出口流量・・・（１）
ただし、排気通路出口流量は、排気通路４から大気中へ流れる排気の流量である。排気通路出口流量は、吸入空気量と燃料噴射量と加算して求めることができる。また、低圧ＥＧＲガス流量は、機関回転数及び機関負荷に基づいて決定される目標値を用いる。

さらに、低圧ＥＧＲガスを流し且つ高圧ＥＧＲガスを流す場合には、気筒２から排出されたＰＭ量から高圧ＥＧＲ通路４１で気筒２へ戻されるＰＭ量を減じた分だけフィルタ１０に捕集される。つまり、フィルタ１０に捕集されるＰＭ量は、低圧ＥＧＲガスのみを流すときと同様に、低圧ＥＧＲガスに含まれていたＰＭ量だけ排気通路出口ＰＭ量から増加する。つまり、フィルタ１０に捕集されるＰＭ量は上記式（１）で求めることができる。

図２は、本実施例におけるフィルタ１０に捕集されるＰＭ量を算出するフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、高圧ＥＧＲガスのみが還流されているか否か判定される。つまり、高圧ＥＧＲガスが流され且つ低圧ＥＧＲガスが流されていないか否か判定される。これにより、排気通路出口ＰＭ量をそのまま用いることができるのか否か判定することができる。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０２では、フィルタ１０に捕集されるＰＭ量が排気通路出口ＰＭ量とされる。

ステップＳ１０３では、低圧ＥＧＲガスの流量に応じて排気通路出口ＰＭ量を補正し、この値がフィルタ１０に捕集されるＰＭ量とされる。つまり、上記式（１）で求められるＰＭ量とされる。

なお、本実施例では排気通路出口ＰＭ量を用いてフィルタ１０に捕集されるＰＭ量を算出しているが、これに代えて、気筒２で生成されるＰＭ量に基づいてフィルタ１０に捕集されるＰＭ量を算出してもよい。気筒２で生成されるＰＭ量を以下、「生成ＰＭ量」という。

生成ＰＭ量は、予め実験等により求めてマップ化しておく。生成ＰＭ量は、内燃機関１の運転状態（例えば機関回転数及び機関負荷）に応じて変わるため、機関回転数及び機関負荷に応じて求めておく。そして、高圧ＥＧＲ通路４１で気筒２へ戻されるＰＭ量を生成ＰＭ量から減じることにより、フィルタ１０に捕集されるＰＭ量を算出する。なお、高圧ＥＧＲ通路４１から気筒２に戻されるＰＭは、該気筒２において全て燃焼されると仮定してもよい。また、低圧ＥＧＲガスのみが流されている場合には、生成ＰＭ量がフィルタ１０に捕集されるＰＭ量となる。

次に、図３は、本実施例におけるフィルタ１０に捕集されるＰＭ量を算出する他のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ２０１では、低圧ＥＧＲガスのみが還流されているか否か判定される。つまり、低圧ＥＧＲガスが流され且つ高圧ＥＧＲガスが流されていないか否か判定される。これにより、生成ＰＭ量をそのまま用いることができるのか否か判定することができる。

ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０２へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進む。

ステップＳ２０２では、フィルタ１０に捕集されるＰＭ量が生成ＰＭ量とされる。

ステップＳ２０３では、生成ＰＭ量を高圧ＥＧＲガス流量に応じて補正し、該補正された値がフィルタ１０に捕集されるＰＭ量とされる。つまり、以下の式で求められるＰＭ量である。
生成ＰＭ量×（排気流量−高圧ＥＧＲガス流量）／排気流量
ただし、排気流量は気筒２から排出されるガス量であり、吸入空気量及び燃料噴射量から求められる。

このようにしてフィルタ１０に捕集されるＰＭ量をより正確に求めることができるため、より適正な時期にフィルタ１０の再生を行なうことができる。これにより、内燃機関１の性能低下又は燃費の悪化を抑制することができる。

なお、本実施例では、フィルタ１０に流入するＰＭは全て捕集されるとしてＰＭの捕集量を算出しているが、所定の割合で捕集されるとしてＰＭの捕集量を算出してもよい。この所定の割合は予め実験等により求めることができる。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 実施例におけるフィルタに捕集されるＰＭ量を算出するフローを示したフローチャートである。 実施例におけるフィルタに捕集されるＰＭ量を算出する他のフローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ ターボチャージャ
５ａ コンプレッサハウジング
５ｂ タービンハウジング
６ 第１スロットル
７ エアフローメータ
８ インタークーラ
９ 第２スロットル
１０ パティキュレートフィルタ
１３ ＥＣＵ
１４ アクセルペダル
１５ アクセル開度センサ
１６ クランクポジションセンサ
３０ 低圧ＥＧＲ装置
３１ 低圧ＥＧＲ通路
３２ 低圧ＥＧＲ弁
３３ ＥＧＲクーラ
４０ 高圧ＥＧＲ装置
４１ 高圧ＥＧＲ通路
４２ 高圧ＥＧＲ弁

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
   前記パティキュレートフィルタよりも上流の排気通路と前記内燃機関の吸気通路とを接続する高圧ＥＧＲ通路と、
   前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路と前記内燃機関の吸気通路とを接続する低圧ＥＧＲ通路と、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記高圧ＥＧＲ通路に流れる排気は前記パティキュレートフィルタを通過せず該高圧ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスに含まれる粒子状物質はパティキュレートフィルタに捕集されずに内燃機関に戻されるとし、前記低圧ＥＧＲ通路に流れる排気は前記パティキュレートフィルタを通過し該低圧ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスに含まれていた粒子状物質は全てパティキュレートフィルタに流入するとして、前記高圧ＥＧＲ通路と前記低圧ＥＧＲ通路とを夫々流れる排気の量に基づいて前記パティキュレートフィルタに捕集される粒子状物質の量を推定する粒子状物質量推定手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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