JP4985071B2 - 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、特にディーゼル機関から排出される排気には、カーボンを主成分とする粒子状物質（ＰＭ）が含まれている。このＰＭの大気への放散を防止するために内燃機関の排気通路にＰＭを捕集するパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという）を配置する技術が知られている。フィルタは、通常、多孔質セラミック等のフィルタエレメントを備えており、このフィルタエレメントにＰＭを捕集する。

ところで、フィルタは内燃機関の運転状況により振動や排気の高熱が加わる他、機関の停止、運転の繰り返しによる熱サイクル応力等が作用するため、割れ、破れ等の破損が生じる場合がある。フィルタに破損が生じると排気中のＰＭはフィルタに捕集されなくなり、そのまま大気に放出されてしまう。

これに対して、内燃機関の運転中にフィルタの破損を検出する異常検出装置が提案されている。例えば、フィルタに上流側から燃料を供給し、その時に、その燃料がフィルタをすり抜けたかどうかを、フィルタを通過した排気の空燃比を検出する空燃比検出手段の出力がリーン側に変化するかどうかによって検出し、その結果によりフィルタの破損を判定する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００５−９０３２４号公報 特開２００５−６１２３６号公報 特開２００２−４７９１９号公報

本発明の目的とするところは、内燃機関の排気浄化装置において、フィルタが破損したことを判定する技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
内燃機関の排気通路に配置され、内燃機関から排出される粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記フィルタより上流側の排気温度を検出する上流側排気温度検出手段と、
前記フィルタより下流側の排気温度を検出する下流側排気温度検出手段と、
前記フィルタの温度が上昇しているときに、前記上流側排気温度検出手段が検出する排気温度と前記下流側排気温度検出手段が検出する排気温度との差が所定値以上にならないと、前記フィルタが破損したと判定するフィルタ破損判定手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

本発明においては、フィルタの温度が上昇しているときに、フィルタの上流側の排気温度とフィルタの下流側の排気温度とを検出し、これら上流側の排気温度と下流側の排気温度との差を算出する。そして、当該差が所定値以上になる場合には、フィルタが破損していないと判定し、当該差が所定値以上にならない場合には、フィルタが破損していると判定する。

ここで、所定値とは、これ以上の値であると、フィルタに排気が一旦留まり、フィルタ
が破損していないと判断できる値であり、これよりも小さい値であると、フィルタに破損箇所があり、この破損箇所から排気がフィルタの下流へ流れ出てしまい、フィルタに排気が留まれなくなっており、フィルタが破損していると判断できる値である。

これによると、上流側排気温度検出手段と下流側排気温度検出手段との２つの温度検出手段を備えるだけでフィルタの破損が判定でき、簡易な構成で容易にフィルタが破損したことを判定することができる。

前記フィルタは、当該フィルタの下流側に排気温度を均一化する拡散板を有するとよい。

これによると、フィルタの一部に破損が生じた場合であっても、フィルタの下流側の均一化された排気温度が変動するため、フィルタの破損を見過ごさずに検出することができる。

前記拡散板は、排気の多くを一旦外側に向かわせた後、排気を集合させて下流へ流通させるとよい。

これによると、フィルタの下流の排気が混ざり合い、排気温度を均一化することができる。

前記拡散板は、排気の多くを一旦外側に向かわせた後、前記フィルタの中心からずらした位置で排気を集合させて下流へ流通させるとよい。

これによると、フィルタの中心からずらした位置で排気を集合させる際に、排気は旋回し、この旋回成分が作用することにより、フィルタの下流の排気は良好に混ざり合い、排気温度を均一化することができる。

前記フィルタ破損判定手段が判定を実施する前記フィルタの温度が上昇しているときとは、前記フィルタよりも上流の排気に燃料を添加し前記フィルタの温度を上昇させて前記フィルタに堆積した粒子状物質を除去するＰＭ再生処理を実施しているときであるとよい。

また、前記フィルタ破損判定手段が判定を実施する前記フィルタの温度が上昇しているときとは、内燃機関の暖機時又は低負荷から高負荷への移行時の排気が暖められ、前記フィルタの温度が上昇しているときであるとよい。

これらによると、フィルタの温度が上昇しているときであるので、本発明のフィルタ破損判定手段が判定を実施することができる。

本発明によると、内燃機関の排気浄化装置において、フィルタが破損したことを判定することができる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

＜実施例１＞
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排気系を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有する多気筒ディーゼル機関である
。

内燃機関１には、内燃機関１で燃焼後の排気を流通させる排気通路２が接続されている。

排気通路２の途中には、排気中に還元剤たる燃料を添加する燃料添加弁３が備えられている。本実施例では、燃料添加弁３から排気に燃料を供給するが、これに限られず、内燃機関１において副噴射を実施して排気に燃料を供給するようにしてもよい。

また、燃料添加弁３よりも下流の排気通路２には、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ４が配置されている。フィルタ４には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒という）が担持されている。このため、フィルタ４の上流から燃料添加弁３により還元剤としての燃料が供給されることにより、ＮＯｘ触媒において燃料は酸化還元反応し、その酸化還元反応熱によってフィルタ４の温度を上昇させることができる。この作用を用いて、排気に燃料添加弁３から燃料を供給してＰＭが着火燃焼する温度までフィルタ４を昇温し、フィルタ４に捕集されたＰＭを燃焼させてフィルタ４を再生するＰＭ再生処理が行われる。すなわち、ＰＭ再生処理は、燃料添加弁３から燃料を繰り返し添加し、フィルタ４を例えば６００〜７００℃に昇温させ、フィルタ４に堆積しているＰＭを燃焼させて排出し、フィルタ４からＰＭを除去する処理である。

このフィルタ４は、図２に示すように、フィルタ４の下流側に排気温度を均一化する拡散板５を有する。拡散板５は、フィルタ４の下流の端面を覆う平板部５１と平板部５１のほぼ中央で排気流れ方向に延びる円筒部５２とを有して構成されている。拡散板５の平板部５１には多数の通気孔が設けられており、中央よりも外側においてその通気孔の数が多くなっている。一方、円筒部５２においてもその周面に多数の通気孔が設けられており、下流の排気通路２とはその円筒部５２の内側だけが通じている。このため、円筒部５２の外側には環状空間部６が形成されている。

このため、このフィルタ４を流れる排気は図３に示すようなガス流線分布となり、排気が拡散板５を通過すると、まず平板部５１を通過する際に排気の多くを一旦外側に向かわせ環状空間部６に分散させ、その後、環状空間部６から円筒部５２の内側へ排気を集合させて下流へ流通させる。これによると、フィルタ４の下流の排気が混ざり合い、フィルタ４の下流の排気温度を均一化することができる。

一方、フィルタ４の直上流の排気通路２には、排気温度を検出する第１排気温度センサ７が配置されている。また、フィルタ４の直下流の排気通路２には、排気温度を検出する第２排気温度センサ８が配置されている。ここで、第１排気温度センサ７が本発明の上流側排気温度検出手段に相当し、第２排気温度センサ８が本発明の下流側排気温度検出手段に相当する。特に第２排気温度センサ８は、フィルタ４の拡散板５の下流に位置するため、フィルタ４の下流の均一化された排気温度が検出できるようになっている。

以上の構成の内燃機関１には、内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ９が併設されている。このＥＣＵ９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。ＥＣＵ９には、燃料添加弁３が電気的に接続されており、ＥＣＵ９が燃料添加弁３の燃料供給や燃料供給停止を制御可能になっている。また、ＥＣＵ９には、第１、第２排気温度センサ７，８が電気的に接続されており、ＥＣＵ９に第１、第２排気温度センサ７，８の検出値が出力される。

ところで、フィルタ４においては、内燃機関１の運転状況により振動や排気の高熱が加わる他、機関の停止、運転の繰り返しによる熱サイクル応力等が作用するため、割れ、破
れ等の破損が生じる場合がある。フィルタ４に破損が生じると排気中のＰＭはフィルタ４に捕集されなくなり、そのまま大気に放出されてしまう。

これに対して、内燃機関１の運転中にフィルタ４の破損を検出する異常検出装置が従来から提案されている。しかしながら、フィルタ４の破損が発生する場所は、広範囲であり、その破損箇所を予測してセンサを配置すると、多数のセンサが必要となってしまい、コストアップを招いていた。また、フィルタ４の破損は、面積比で２％と小さい段階で検出する必要があり、フィルタ４の破損を検出することが困難であった。

そこで、本実施例では、フィルタ４の温度が上昇しているときに、第１排気温度センサ７が検出する排気温度と第２排気温度センサ８が検出する排気温度との差が所定値よりも大きくならないと、フィルタ４が破損したと判定するようにした。

具体的には、フィルタ４の温度が上昇しているときに、フィルタ４の上流側の排気温度とフィルタの下流側の排気温度とを検出し、これら上流側の排気温度と下流側の排気温度との温度の差を算出する。そして、図４（ａ）に示すように当該差が所定値以上になる場合には、フィルタ４が破損していないと判定し、図４（ｂ）に示すように当該差が所定値以上にならない場合には、フィルタ４が破損していると判定する。

ここで、所定値とは、これ以上の値であると、フィルタ４に排気が一旦留まり、フィルタ４が破損していないと判断できる値であり、これよりも小さい値であると、フィルタ４に破損箇所があり、この破損箇所から排気がフィルタ４の下流へ流れ出てしまい、フィルタ４に排気が留まれなくなっており、フィルタが破損していると判断できる値である。

これによると、第１排気温度センサ７と第２排気温度センサ８との２つの温度センサを備えるだけでフィルタ４の破損が判定でき、フィルタ４の破損が面積比で２％と小さい段階であっても、簡易な構成で容易にフィルタ４が破損したことを判定することができる。

加えて、フィルタ４の下流に拡散板５を配置したことによって、フィルタ４の下流の排気温度の均一化が図られる。このため、フィルタ４の一部に破損が生じた場合であっても、フィルタ４の下流側の均一化された排気温度が変動するため、フィルタ４の破損を見過ごさずに検出することができる。このため、フィルタ４の破損が発生する場所が広範囲であっても、本実施例ではフィルタ４の破損を検出することができる。

ここで、本実施例において、フィルタ破損の判定を実施する、フィルタ４の温度が上昇しているときとは、ＰＭ再生処理を実施しているときである。ＰＭ再生処理を実施しているときは、フィルタ４の温度が上昇しているときであるので、本実施例のフィルタ破損の判定を実施することができる。

なお、フィルタ破損の判定を実施するフィルタ４の温度が上昇しているときとは、ＰＭ再生処理だけでなく、内燃機関の暖機時又は低負荷から高負荷への移行時の排気が暖められ、フィルタ４の温度が上昇しているときであってもよい。これらの場合にも、フィルタ４の温度が上昇するため、本実施例のようなフィルタ破損の判定を実施することができる。

ここで、本実施例のフィルタ破損判定を行う制御ルーチンについて、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、本ルーチンは、ＥＣＵ９に予め記憶されており、周期的に実行されるルーチンである。また、本ルーチンを実行するＥＣＵ９が本発明のフィルタ破損判定手段に相当する。

ステップＳ１０１では、まず、ＥＣＵ９は、車両の走行履歴や内燃機関１の運転履歴などを参照して、ＰＭ再生処理の実施が求められている状況にあるか否かを判断する。具体的には、車両の走行距離、フィルタ４に流入した排気流量などを参照してＰＭ堆積量を推定し、ＰＭ堆積量が閾値を越えてＰＭ再生処理を開始すべき場合に、ＰＭ再生処理の実施が求められている状況であると判断する。

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、本ルーチンを一旦終了する。

続いて、ステップＳ１０２では、ＥＣＵ９は、ＰＭ再生処理を開始すべくＰＭ再生処理開始用のフラグを成立させる。これにより、ＰＭ再生処理に関する制御を開始する。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ９は、ＰＭ再生処理時におけるフィルタ４の温度が上昇している最中の第１、第２排気温度センサ７，８の検出値に基づき、これらの温度の差を算出し、第２排気温度センサ８が所定の排気温度（例えば６００℃）となるまで、当該差を所定時間ごとに記憶していく。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ９は、ステップＳ１０３で記憶した温度の差の履歴のいずれかが所定値以上か否かを判定する。所定値は、これ以上の値であると、フィルタ４に排気が一旦留まり、フィルタ４が破損していないと判断できる値であり、これよりも小さい値であると、フィルタ４に破損箇所があり、この破損箇所から排気がフィルタ４の下流へ流れ出てしまい、フィルタ４に排気が留まれなくなっており、フィルタ４が破損していると判断できる値である。

ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０５へ進みフィルタが破損していないと判定する。一方、否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０６へ進みフィルタが破損したと判定する。

以上説明したように、フィルタ４が破損した場合には、フィルタ４の破損箇所から排気がフィルタ４をすり抜けることから、排気の温度が上昇する際に、フィルタ４の上流側と下流側とで温度上昇速度のタイムラグが小さくなる。本実施例の制御ルーチンでは、このことを利用してフィルタ４の破損の判定を行っている。したがって、２つの温度センサ７，８を使用した簡易な構成で容易にフィルタ４の破損を判定することができる。

なお、上記実施例におけるフィルタ破損判定を行う制御ルーチンは、ＰＭ再生処理を実施する場合について説明した。しかし、フィルタ破損の判定を実施するフィルタ４の温度が上昇しているときは、ＰＭ再生処理だけでなく、内燃機関の暖機時又は低負荷から高負荷への移行時の排気が暖められ、フィルタ４の温度が上昇しているときであってもよい。そこで、フィルタ破損判定を行う制御ルーチンは、図６に示すように内燃機関の暖機時の場合の制御ルーチンとしてもよいし、図７に示すように低負荷から高負荷への移行時の場合の制御ルーチンとしてもよい。

ここで、図６に示すフローチャートでは、ステップＳ１０１の処理の替わりにステップＳ２０１の処理が組み込まれ、ステップＳ１０２の処理が削除されたものである。最初のステップＳ２０１で、ＥＣＵ９は、内燃機関１の運転履歴などを参照して、内燃機関の暖機時であるか否か判断する。ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には、本ルーチンを一旦終了する。ステップＳ１０３以後のフローは図５に示すフローチャートと同様である。なお、内燃機関の暖機時には、排気温度がＰＭ再生処理時程高くならないので、ステップＳ１０４での所定値は、ＰＭ再生処理時とは異なる内燃機関の暖機時に適した値が用いられる。

また、図７に示すフローチャートでは、ステップＳ１０１の処理の替わりにステップＳ３０１の処理が組み込まれ、ステップＳ１０２の処理が削除されたものである。最初のステップＳ３０１で、ＥＣＵ９は、内燃機関１の運転履歴や運転状態などを参照して、内燃機関が低負荷から高負荷への移行時であるか否か判断する。ステップＳ３０１で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には、本ルーチンを一旦終了する。ステップＳ１０３以後のフローは図５に示すフローチャートと同様である。なお、低負荷から高負荷への移行時には、排気温度がＰＭ再生処理時程高くならないので、ステップＳ１０４での所定値は、ＰＭ再生処理時とは異なる低負荷から高負荷への移行時に適した値が用いられる。

このように、図６及び図７に示すフローチャートによる制御ルーチンでフィルタ４の破損の判定を行ってもよい。

＜実施例２＞
図８は、本実施例に係るフィルタ４を示す図である。本実施例においては、フィルタ４が下流に有する拡散板５の円筒部５２の接続位置がフィルタ４の中心からずれているものである。その他の構成は上述の実施例と同様であるので、その特徴部分のみ説明する。

このフィルタ４は、フィルタ４の下流側に排気温度を均一化する拡散板５ａを有する。拡散板５ａは、フィルタ４の下流側の端面を覆う平板部５１と平板部５１の中央からずれた位置で排気流れ方向に延びる円筒部５２とを有して構成されている。拡散板５ａの平板部５１には多数の通気孔が設けられており、円筒部５２が接続される内側よりも外側においてその通気孔の数が多くなっている。一方、円筒部５２においてもその周面に多数の通気孔が設けられており、下流の排気通路２とはその円筒部５２の内側だけが通じている。このため、円筒部５２の外側には環状空間部６が形成されている。

したがって、排気が拡散板５ａを通過すると、まず平板部５１を通過する際に排気の多くを一旦外側に向かわせ環状空間部６に分散させ、その後、環状空間部６からフィルタ４の中心からずらした位置で円筒部５２の内側へ排気を集合させて下流へ流通させる。これによると、フィルタ４の中心からずらした位置で排気を集合させる際に、排気は旋回し、この旋回成分が作用することにより、フィルタ４の下流の排気は良好に混ざり合い、排気温度をより均一化することができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。

実施例１に係る内燃機関とその排気系を示す図である。 実施例１に係るフィルタを示す図であり、（ａ）は全体図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印方向から見た図である。 実施例１に係る拡散板を通過する排気のガス流線分布を示す図である。 （ａ）は実施例１に係るフィルタが破損していない場合のＰＭ再生処理時の排気温度と時間の関係を示す図であり、（ｂ）は実施例１に係るフィルタが破損している場合のＰＭ再生処理時の排気温度と時間の関係を示す図である。 実施例１に係るフィルタ破損判定を行う制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施例１の他の例に係るフィルタ破損判定を行う制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施例１の他の例に係るフィルタ破損判定を行う制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施例２に係るフィルタを示す図であり、（ａ）は全体図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印方向から見た図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 燃料添加弁
４ フィルタ
５ 拡散板
５ａ 拡散板
５１ 平板部
５２ 円筒部
６ 環状空間部
７ 第１排気温度センサ
８ 第２排気温度センサ
９ ＥＣＵ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、内燃機関から排出される粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記フィルタより上流側の排気温度を検出する上流側排気温度検出手段と、
   前記フィルタより下流側の排気温度を検出する下流側排気温度検出手段と、
   前記フィルタよりも上流の排気に燃料を添加し前記フィルタの温度を上昇させて前記フィルタに堆積した粒子状物質を除去するＰＭ再生処理を実施しているときに、前記上流側排気温度検出手段が検出する排気温度と前記下流側排気温度検出手段が検出する排気温度との差が所定値以上にならないと、前記フィルタが破損したと判定するフィルタ破損判定手段と、
   を備え、
   前記フィルタは、当該フィルタの下流側に排気温度を均一化する拡散板を有し、
   前記拡散板は、排気の多くを一旦外側に向かわせた後、排気を集合させて下流へ流通させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 内燃機関の排気通路に配置され、内燃機関から排出される粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記フィルタより上流側の排気温度を検出する上流側排気温度検出手段と、
   前記フィルタより下流側の排気温度を検出する下流側排気温度検出手段と、
   内燃機関の暖機時又は低負荷から高負荷への移行時の排気が暖められ、前記フィルタの温度が上昇しているときに、前記上流側排気温度検出手段が検出する排気温度と前記下流側排気温度検出手段が検出する排気温度との差が所定値以上にならないと、前記フィルタが破損したと判定するフィルタ破損判定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記フィルタは、当該フィルタの下流側に排気温度を均一化する拡散板を有することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記拡散板は、排気の多くを一旦外側に向かわせた後、排気を集合させて下流へ流通させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記拡散板は、排気の多くを一旦外側に向かわせた後、前記フィルタの中心からずらした位置で排気を集合させて下流へ流通させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 内燃機関の排気通路に配置され、内燃機関から排出される粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記フィルタより上流側の排気温度を検出する上流側排気温度検出手段と、
   前記フィルタより下流側の排気温度を検出する下流側排気温度検出手段と、
   前記フィルタよりも上流の排気に燃料を添加し前記フィルタの温度を上昇させて前記フィルタに堆積した粒子状物質を除去するＰＭ再生処理を実施しているときに、前記上流側排気温度検出手段が検出する排気温度と前記下流側排気温度検出手段が検出する排気温度との差が所定値以上にならないと、前記フィルタが破損したと判定するフィルタ破損判定手段と、
   を備え、
   前記フィルタは、当該フィルタの下流側に排気温度を均一化する拡散板を有し、
   前記拡散板は、排気の多くを一旦外側に向かわせた後、前記フィルタの中心からずらした位置で排気を集合させて下流へ流通させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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