JP4973355B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられたパティキュレートフィルタの再生を行う内燃機関の排気浄化システムに関する。

従来、パティキュレートフィルタを備えた内燃機関では、パティキュレートフィルタを昇温させることにより該パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレート（以下、「ＰＭ」と称する）を酸化・除去するＰＭ再生処理が行われる（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００４−１６２６３３号公報 特開２００６−２４１９７５号公報

上記したようなＰＭ再生処理は、パティキュレートフィルタのＰＭ捕集量が上限量に達した時に開始され、パティキュレートフィルタのＰＭ捕集量が下限量に減少した時又はＰＭ再生処理の実行時間が一定時間に達した時に終了される。

ところで、パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭの酸化・除去が進行すると、パティキュレートフィルタ内の通路断面積やパティキュレートフィルタの基材に形成された細孔の断面積が拡大する。このため、排気中に含まれるＰＭがパティキュレートフィルタに捕集されずに下流へ流れ易くなる。その結果、ＰＭ再生処理実行中の排気エミッションが増加する可能性がある。

本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、パティキュレートフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、ＰＭ再生処理実行中の排気エミッションの増加を抑制することにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、パティキュレートフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、パティキュレートフィルタのＰＭ再生処理実行時に、パティキュレートフィルタ内の通路断面積やパティキュレートフィルタの基材に形成された細孔の断面積がある程度大きくなると、パティキュレートフィルタを通過する排気の流速を低下させるようにした。

詳細には、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関の排気通路に配置された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に捕集されたパティキュレートを酸化・除去するためのＰＭ再生処理を行う再生手段と、前記再生手段によりＰＭ再生処理が行われている時に、前記パティキュレートフィルタの前後差圧が所定値以下になると、前記パティキュレートフィルタを通過する排気の流速を低下させる制御手段と、を備えるようにした。ここでいうパティキュレートフィルタの前後差圧は、パティキュレートフィルタより上流の排気圧力とパティキュレートフィルタより下流の排気圧力との差圧を示す。

ＰＭ再生処理実行中にパティキュレートフィルタのＰＭ捕集量が少なくなると、パティキュレートフィルタ内の通路断面積及び細孔の断面積が拡大する。パティキュレートフィルタ内の通路断面積や細孔の断面積が拡大すると、パティキュレートフィルタの圧力損失
（前後差圧）が小さくなる。パティキュレートフィルタの圧力損失が小さくなると、該パティキュレートフィルタを通過する排気の流速が増加する。その結果、排気中のＰＭがパティキュレートフィルタに捕集されずに下流へ流れる現象（所謂「すり抜け」）が発生し易くなる。ＰＭのすり抜けが発生し得る状態でＰＭ再生処理が継続されると、大気中へ排出されるＰＭが増加する可能性がある。

そこで、排気中のＰＭがパティキュレートフィルタをすり抜け得る前後差圧（所定値）を予め実験的に求めておき、ＰＭ再生処理実行中にパティキュレートフィルタの前後差圧が前記所定値以下に減少した時点でＰＭ再生処理を終了する方法が考えられる。このような方法によれば、ＰＭのすり抜けによる排気エミッションの増加を防止することができる。

但し、上記した方法によれば、ＰＭ再生終了時にパティキュレートフィルタ内に残留するＰＭ量（以下、「ＰＭ残留量」と称する）が比較的多くなる。ＰＭ残留量が多くなると、ＰＭ再生処理終了から次回のＰＭ再生処理が開始されるまでのインターバルが短くなる。その結果、ＰＭ再生処理の実行頻度が高くなる可能性がある。

これに対し、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、ＰＭ再生処理実行時にパティキュレートフィルタの前後差圧が所定値以下に減少すると、パティキュレートフィルタを通過する排気の流速を低下させつつＰＭ再生処理を継続するようにした。

パティキュレートフィルタを通過する排気の流速が低下すると、パティキュレートフィルタが捕集可能なＰＭ量に対してパティキュレートフィルタへ流入するＰＭ量（空間速度（ｓｖ））が減少する。よって、ＰＭのすり抜けを抑制しつつ、ＰＭ再生処理を継続することができる。その結果、ＰＭ再生処理実行中の排気エミッションの増加を抑えつつＰＭ残留量を可及的に少なくすることができる。

尚、ＰＭのすり抜けが発生し得る前後差圧は、パティキュレートフィルタを通過する排気の流量によって変化する。このため、前記所定値は排気流量に応じて変更されるようにしてもよい。例えば、所定値は、排気流量が多くなるほど大きい値にされるとともに、排気流量が少なくなるほど小さい値にされてもよい。

本発明において、パティキュレートフィルタを通過する排気の流速を低下させる方法としては、パティキュレートフィルタより下流の排気通路に配置された排気絞り弁の開度を減少させる方法、パティキュレートフィルタより上流の排気通路から吸気通路へ再循環されるＥＧＲガス量を増加させる方法、或いは吸気通路に配置された吸気絞り弁の開度を減少させる方法等を例示することができる。

また、パティキュレートフィルタの前後差圧は、パティキュレートフィルタに捕集されているパティキュレートの量（以下、「ＰＭ捕集量」と称する）と相関する。よって、ＰＭ捕集量が所定量以下に減少したことを条件に、パティキュレートフィルタの前後差圧が所定値以下に低下したと判定することもできる。その際の所定量は、パティキュレートフィルタの前後差圧が所定値と等しくなる時のＰＭ捕集量に相当する。

このような方法が利用されると、パティキュレートフィルタの前後差圧を検出する手段を備えていない内燃機関にも本発明を適用することができる。

尚、パティキュレートフィルタの前後差圧は、ＰＭ捕集量に加え、パティキュレートフィルタへ流入する排気の流量（以下、「流入排気量」と称する）の影響も受ける。例えば、ＰＭ捕集量が同量であっても、流入排気量が多くなるほど前後差圧が大きくなる。よっ
て、前記した所定量は、流入排気量を考慮して定められることが好適と言える。

本発明によれば、パティキュレートフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、ＰＭ再生処理実行中の排気エミッションの増加を抑制することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、複数の気筒２を有する圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。

内燃機関１は、各気筒２内へ直接燃料を噴射可能な燃料噴射弁３と、各気筒２内へ空気を導く吸気通路４とを備えている。吸気通路４の途中には、ターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５０とインタークーラ６が配置されている。

コンプレッサハウジング５０により過給された吸気は、インタークーラ６で冷却された後に各気筒２内へ導かれるようになっている。各気筒２内へ導かれた吸気は、燃料噴射弁３から噴射された燃料とともに気筒２内で着火及び燃焼される。

また、各気筒２は、排気通路７と連通している。排気通路７の途中には、タービンハウジング５１と排気浄化装置８が配置されている。

各気筒２内で燃焼されたガス（既燃ガス）は、排気通路７へ排出される。排気通路７へ排出された排気は、タービンハウジング５１と排気浄化装置８を順次経由して大気中へ放出される。

前記排気浄化装置８は、酸化能を有する触媒（例えば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒や酸化触媒）とパティキュレートフィルタを具備している。

前記した吸気通路４のインタークーラ６より下流の部位と排気通路７のタービンハウジング５１より上流の部位は、ＥＧＲ通路９により相互に接続されている。ＥＧＲ通路９の途中には、該ＥＧＲ通路９を流れる排気（以下、「ＥＧＲガス」と称する）の流量を調節するＥＧＲ弁１０と、該ＥＧＲ通路９を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１１が配置されている。吸気通路４においてインタークーラ６より下流且つＥＧＲ通路９の接続部より上流の部位には吸気絞り弁１２が配置されている。

また、内燃機関１には、排気通路７内に向けて還元剤としての燃料を噴射する燃料添加弁１３が取り付けられている。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ１４が併設されている。ＥＣＵ１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等から構成される電子制御ユニットである。ＥＣＵ１４は、エアフローメータ１５、差圧センサ１６、クランクポジションセンサ１７等の各種センサと電気的に接続されている。

エアフローメータ１５は、コンプレッサハウジング５０より上流の吸気通路４に取り付
けられ、該吸気通路４に流入する空気量を測定する。差圧センサ１６は、排気浄化装置８より上流の排気通路７と排気浄化装置８より下流の排気通路７とに接続され、排気浄化装置８の前後差圧を測定する。クランクポジションセンサ１７は、内燃機関１に取り付けられ、図示しない機関出力軸（クランクシャフト）の回転位置を測定する。

ＥＣＵ１４は、上記したような各種センサの測定値に基づいて、燃料噴射弁３、ＥＧＲ弁１０、吸気絞り弁１２、及び燃料添加弁１３を電気的に制御する。例えば、ＥＣＵ１４は、燃料噴射制御やＥＧＲ制御等の既知の制御に加え、本発明の要旨となるＰＭ再生処理を行う。以下、本実施例におけるＰＭ再生処理について述べる。

ＥＣＵ１４は、排気浄化装置８のＰＭ捕集量が上限量以上となった時にＰＭ再生処理を実行する。ＰＭ再生処理では、ＥＣＵ１４は、燃料添加弁１３から排気浄化装置８へ燃料を供給する。燃料添加弁１３から排気浄化装置８へ供給された燃料（以下、「供給燃料」と称する）は、酸化能を有する触媒によって酸化される。排気浄化装置８のパティキュレートフィルタは、供給燃料の酸化反応熱を受けてＰＭが酸化可能な温度域まで昇温する。パティキュレートフィルタがＰＭ酸化可能温度域まで昇温すると、該パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭが酸化・除去される。

ＰＭ再生処理によりパティキュレートフィルタのＰＭ捕集量が減少すると、パティキュレートフィルタ内の通路断面積やパティキュレートフィルタの基材に形成された細孔の断面積が拡大する。前記通路断面積及び前記細孔の断面積の拡大によりパティキュレートフィルタの圧力損失（前後差圧）が減少すると、パティキュレートフィルタを通過する排気の流速が増加する。パティキュレートフィルタを通過する排気の流速が増加すると、ＰＭのすり抜けが発生する。

図２は、ＰＭ再生処理中におけるＰＭ捕集量ΣＰＭと前後差圧△Ｐとパティキュレートフィルタをすり抜けるＰＭ量（ＰＭすり抜け量）とを計測した結果を示す図である。図２において、ＰＭ捕集量が上限量ΣＰＭｍａｘに達すると、ＰＭ再生処理が開始される（図２中のｔ１）。

ＰＭ再生処理が開始されると、パティキュレートフィルタのＰＭ捕集量ΣＰＭは経時的に減少する。ＰＭ捕集量ΣＰＭが減少すると、パティキュレートフィルタの前後差圧△Ｐも減少する。

ＰＭ再生処理開始（図２中のｔ１）から前後差圧△Ｐが所定値△Ｐｔｈｒｅに減少（図２中のｔ２）するまでは、ＰＭすり抜け量が略零となる。しかしながら、前後差圧△Ｐが所定値△Ｐｔｈｒｅ以下になると、ＰＭのすり抜けが発生する。その際のＰＭすり抜け量は、ＰＭ捕集量ΣＰＭの減少および／または前後差圧△Ｐの減少に伴って増加する。

よって、前後差圧△Ｐが所定値△Ｐｔｈｒｅまで減少した後において、ＰＭ捕集量ΣＰＭが略零になる（図２中のｔ３）までＰＭ再生処理が継続されると、ＰＭのすり抜けにより排気エミッションの増加を招く。

そこで、本実施例の再生処理では、ＥＣＵ１４は、差圧センサ１６の測定値（前後差圧△Ｐ）が所定値△Ｐｔｈｒｅまで減少した時にＰＭ再生処理を終了するようにした。この場合、図３に示すように、ＰＭ再生処理開始からＰＭ再生処理終了までの期間（図３中のｔ１〜ｔ２）においてＰＭすり抜け量が略零となる。よって、ＰＭ再生処理実行時の排気エミッションの増加が抑制される。尚、前記した所定値△Ｐｔｈｒｅは、予め実験的に求めておくことが好ましい。

次に、本実施例のＰＭ再生処理の実行手順について図４に沿って説明する。図４は、ＰＭ再生処理ルーチンを示すフローチャートである。ＰＭ再生処理ルーチンは、予めＥＣＵ１４のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、ＥＣＵ１４によって周期的に実行される。

ＰＭ再生処理ルーチンでは、ＥＣＵ１４は先ずＳ１０１においてＰＭ捕集量ΣＰＭを推定する。ＰＭ捕集量ΣＰＭは、内燃機関１の運転履歴等から推定されてもよく、或いは差圧センサ１６の測定値（前後差圧△Ｐ）から推定されるようにしてもよい。

Ｓ１０２では、ＥＣＵ１４は、Ｓ１０１で推定されたＰＭ捕集量ΣＰＭが上限量ΣＰＭｍａｘ以上であるか否かを判別する。

Ｓ１０２において否定判定された場合（ΣＰＭ＜ΣＰＭｍａｘ）は、ＥＣＵ１４は本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、Ｓ１０２において肯定判定された場合（ΣＰＭ≧ΣＰＭｍａｘ）は、ＥＣＵ１４はＳ１０３へ進む。Ｓ１０３では、ＥＣＵ１４は、前述した方法によりＰＭ再生処理を開始する。

Ｓ１０４では、ＥＣＵ１４は、差圧センサ１６の測定値（前後差圧△Ｐ）を取得する。続くＳ１０５では、ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１０４で取得した前後差圧△Ｐが所定値△Ｐｔｈｒｅ以下であるか否かを判別する。

前記Ｓ１０５において否定判定された場合（△Ｐ＞△Ｐｔｈｒｅ）は、ＥＣＵ１４はＳ１０４へ戻る。一方、前記Ｓ１０５において肯定判定された場合（△Ｐ≦△Ｐｔｈｒｅ）は、ＥＣＵ１４はＳ１０６へ進む。Ｓ１０６では、ＥＣＵ１４はＰＭ再生処理を終了させる。

このようなＰＭ再生処理ルーチンによれば、ＰＭ再生処理実行時のＰＭのすり抜けが防止される。その結果、ＰＭ再生処理実行時の排気エミッションの増加を抑制することが可能となる。

尚、本実施例では、ＰＭ再生処理において排気浄化装置８へ燃料を供給する方法として、燃料添加弁１３から排気浄化装置８より上流の排気中へ燃料を添加する例について述べたが、燃料噴射弁３から排気行程中に燃料噴射（ポスト噴射）を行うようにしてもよい。

＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について図５〜図６に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

図５は、本実施例における内燃機関の排気浄化システムの概略構成を示す図である。図５において、前述した第１の実施例における内燃機関の排気浄化システム（図１を参照）と同等の構成要素には同一の符号が付されている。

図５において、排気浄化装置８より下流の排気通路７には、排気絞り弁１８が配置されている。その際、排気絞り弁１８は、排気浄化装置８より下流の排気通路７において、差圧センサ１６との接続部より上流に配置されることが好ましい。

このように構成された内燃機関の排気浄化システムでは、ＥＣＵ１４は、ＰＭ再生処理実行中に差圧センサ１６の測定値（前後差圧△Ｐ）が所定値△Ｐｔｈｒｅ以下となると、ＰＭ再生処理を終了する代わりに、排気絞り弁１８の開度を減少させる。その際の排気絞り弁１８の開度は、差圧センサ１６の測定値（前後差圧△Ｐ）が所定値△Ｐｔｈｒｅと等
しくなるようにフィードバック制御される。

尚、排気絞り弁１８の開度を減少させながらＰＭ再生処理を行う場合もあるが、そのような場合は差圧センサ１６の測定値（前後差圧△Ｐ）が所定値△Ｐｔｈｒｅ以下となった時点で排気絞り弁１８の開度を更に減少させればよい。

このような方法によりＰＭ再生処理が行われると、図６に示すように、パティキュレートフィルタの前後差圧△Ｐが所定値△Ｐｔｈｒｅまで減少した後（図６中のｔ２以降）もＰＭのすり抜けを抑えつつＰＭ再生処理を継続することができる。その結果、ＰＭ再生処理終了時（図６中のｔ３）のＰＭ残留量を可及的に少なくすることができる。

また、ＰＭ再生処理終了時（図６中のｔ３）に排気絞り弁１８の開度が直ちに増加されると、前後差圧△Ｐが低下してＰＭのすり抜けが発生する可能性がある。このため、ＰＭ再生処理終了後も排気絞り弁１８の開度減少状態を維持することが好ましい。その際、ＥＣＵ１４は、差圧センサ１６の測定値（前後差圧△Ｐ）が所定値△Ｐｔｈｒｅ以上を維持するように排気絞り弁１８の開度をフィードバック制御すればよい。

以上述べたように排気絞り弁１８の開度が制御されると、ＰＭ再生処理実行中のＰＭのすり抜けを抑制することができるとともに、ＰＭ再生処理終了後のＰＭのすり抜けも抑制することができる。

以下、本実施例におけるＰＭ再生処理の実行手順について図７に沿って説明する。図７は本実施例におけるＰＭ再生処理ルーチンを示すフローチャートである。図７において、前述した第１の実施例のＰＭ再生処理ルーチン（図４を参照）と同等の処理には同一の符号が付されている。

図７のＰＭ再生処理ルーチンにおいて、ＥＣＵ１４は、Ｓ１０５において肯定判定した場合（△Ｐ≦△Ｐｔｈｒｅ）に、ＰＭ再生処理を終了せずにＳ２０１の処理を実行する。すなわち、ＥＣＵ１４は、Ｓ２０１において排気絞り弁１８のフィードバック制御を開始する。具体的には、ＥＣＵ１４は、差圧センサ１６の測定値（前後差圧△Ｐ）が所定値△Ｐｔｈｒｅと等しくなるように、排気絞り弁１８の開度を制御する。

Ｓ２０２では、ＥＣＵ１４は、現時点におけるＰＭ捕集量ΣＰＭを推定する。続くＳ２０３では、ＥＣＵ１４は、前記Ｓ２０２で推定されたＰＭ捕集量ΣＰＭが下限量ΣＰＭｍｉｎ以下であるか否かを判別する。下限量ΣＰＭｍｉｎは、ＰＭ再生処理終了時の目標ＰＭ捕集量である。

前記Ｓ２０３において否定判定された場合（ΣＰＭ＞ΣＰＭｍｉｎ）は、ＥＣＵ１４はＳ２０２へ戻る。一方、前記Ｓ２０３において肯定判定された場合（ΣＰＭ≦ΣＰＭｍｉｎ）は、ＥＣＵ１４はＳ１０６へ進む。

Ｓ１０６では、ＥＣＵ１４はＰＭ再生処理を終了する。具体的には、ＥＣＵ１４は、燃料添加弁１３から排気浄化装置８に対する燃料供給を停止する。その際、ＥＣＵ１４は、排気絞り弁１８のフィードバック制御を継続する。そして、ＥＣＵ１４は、Ｓ２０４において排気絞り弁１８の開度が全開に復帰したと判定すると、Ｓ２０６において排気絞り弁１８のフィードバック制御を終了する。

以上述べたようにＥＣＵ１４が図７のＰＭ再生処理ルーチンを実行することにより本発明に係る制御手段が実現される。よって、ＰＭのすり抜けを抑えつつＰＭ再生処理終了時のＰＭ残留量を可及的に少なくすることができる。更に、ＰＭ再生処理終了後も排気絞り
弁１８のフィードバック制御が継続されるため、ＰＭ再生処理終了後のＰＭのすり抜けも抑制することができる。

尚、前述した第１及び第２の実施例では、差圧センサ１６を備えた内燃機関に本発明を適用する例について述べたが、差圧センサ１６を備えていない内燃機関に本発明を適用することもできる。その場合、ＥＣＵ１４は、ＰＭ再生処理中のＰＭ捕集量を推定し、推定されたＰＭ捕集量が所定量以下となったことを条件に、パティキュレートフィルタの前後差圧△Ｐが所定値△Ｐｔｈｒｅ以下に低下したと判定するようにしてもよい。

尚、ＰＭ捕集量と前後差圧△Ｐとの相関関係は流入排気量によって変化するため、前記した所定量は流入排気量に応じて変更されることが好適である。

第１の実施例における内燃機関の排気浄化システムの概略構成を示す図である。 従来の方法によりＰＭ再生処理が実行された時のＰＭ捕集量と前後差圧とＰＭすり抜け量を測定した結果を示す図である。 本発明に係る第１の方法によりＰＭ再生処理が実行された時のＰＭ捕集量と前後差圧とＰＭすり抜け量を測定した結果を示す図である。 第１の実施例におけるＰＭ再生処理ルーチンを示す図である。 第２の実施例における内燃機関の排気浄化システムの概略構成を示す図である。 本発明に係る第２の方法によりＰＭ再生処理が実行された時のＰＭ捕集量と前後差圧とＰＭすり抜け量を測定した結果を示す図である。 第２の実施例におけるＰＭ再生処理ルーチンを示す図である。

符号の説明

１・・・・・内燃機関
２・・・・・気筒
３・・・・・燃料噴射弁
４・・・・・吸気通路
７・・・・・排気通路
８・・・・・排気浄化装置（パティキュレートフィルタ）
１３・・・・燃料添加弁
１４・・・・ＥＣＵ
１６・・・・差圧センサ
１８・・・・排気絞り弁

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配置された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に捕集されたパティキュレートを酸化・除去するためのＰＭ再生処理を行う再生手段と、
   前記再生手段によりＰＭ再生処理が行われている時に、前記パティキュレートフィルタの前後差圧が所定値以下になると、前記パティキュレートフィルタを通過する排気の流速を低下させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 請求項１において、前記パティキュレートフィルタのパティキュレート捕集量を取得する取得手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記再生手段によりＰＭ再生処理が行われている時に、前記取得手段により取得されるパティキュレート捕集量が所定量以下になると、前記パティキュレートの前後差圧が所定値以下であると判定することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
3. 請求項１又は２において、前記パティキュレートフィルタより下流の排気通路に配置される排気絞り弁を更に備え、
   前記制御手段は、前記排気絞り弁の開度を減少させることにより、前記パティキュレートフィルタを通過する排気の流速を低下させることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

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