JP5132545B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関から排出される排気ガスの浄化装置に関する。特に本発明は、ディーゼル機関から排出されるカーボンを主体とする微粒子の処理装置に関するものである。

ディーゼル機関からは、主として気体となる排気成分である窒素酸化物や硫黄化合物と、カーボンが主体である微粒子の排気成分が排出される。これらの排気物は環境への影響が懸念されるため、排出量が規制されている。

カーボンが主体となる微粒子状の排気成分は粒状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：以後「ＰＭ」と呼ぶ）と呼ばれる。ＰＭは、エンジンの燃焼の際に不完全燃焼によって生じるカーボンが固体化したものであるので、再度燃焼させて二酸化炭素にしてから大気中に放出すればよい。これを実現する方法としては、コーディライトやセラミックなどの多孔質体でエンジンからの排気ガスをフィルタリングし、排気ガス中のＰＭを捕集する。そして捕集したＰＭを再燃焼させて二酸化炭素にする方法が取られる。

再燃焼の方法としては、フィルタに設置したヒータによって温度を上昇させる方法や、排気ガス自体の温度と燃焼触媒を利用してＰＭを燃焼させる方法や、排気ガス中の一酸化窒素を触媒で二酸化窒素に変え、二酸化窒素の酸化力でＰＭを二酸化炭素に変える方法などが提案されている。

特に排気ガス自体の温度を利用する方法は、特別な装置を搭載することなくＰＭを再燃焼させることができるため、さまざまな提案がされている。特許文献１には、ＰＭを採取するフィルタ（以後「ＤＰＦ」または「パーティキュレート捕集フィルタ」と呼ぶ。）の前後に圧力センサと絞り弁を配置し、ＤＰＦ前後の圧力に基づき絞り弁を開閉することでＤＰＦに流れる排気ガスの温度を高くし、ＰＭを燃焼させる技術が開示されている。

また、特許文献２には、ＤＰＦの下流に絞り弁を配置し、ＤＰＦの前後の圧力およびＤＰＦの温度と、アイドリング、低速運転、高速運転といった運転状態に基づいて絞り弁を開閉することでＤＰＦに流れる排気ガスの温度を高くし、ＰＭを燃焼させる技術が開示されている。
実開平４−８７１８号公報 特開２００２−２１５３４号公報

ＤＰＦの下流側に設けた絞り弁を閉じると、エンジンからの排気ガスの流れが妨げられ、エンジン負荷が上昇するため、高温高圧の排気ガスがＤＰＦに到達し、ＰＭを燃焼させることができる。また、エンジンの吸気行程においては、気筒内の圧力が低くなるため、排気バルブが開きやすくなる。従って排気管内の圧力が高くなると、吸気行程で排気管内の排気ガス圧力が排気バルブを閉じ方向に付勢しているバルブスプリングの付勢力に打ち勝ち、排気バルブが押し開かれ排気管内から気筒内に排気ガスが逆流することも起こり得る。すると、空燃比にずれが生じ、エンジンの出力や排気ガス性能に悪影響を及ぼしてしまう。

特許文献１は、ＤＰＦ前後圧力に基づいて絞り弁の開閉を行う。しかし、ＤＰＦ前後の圧力だけを見ていたのでは、絞り弁を閉じたときの圧力は、実際に閉じてみないとわからない。そのため、アクセル操作により頻繁に排気絞りの開閉が繰り返され、信頼性が低下するという課題があった。また、吸気行程における逆流の発生の有無は、考慮されていないため、排気絞り弁の開閉を決める圧力設定は、十分な余裕を見て低く設定する必要がある。

特許文献２はこの点、運転状態をある程度考慮したうえで、ＤＰＦの圧力や温度で、ＤＰＦの下流にある絞り弁の開閉を制御するものである。しかし、ＤＰＦ下流の絞り弁を閉じた際のＤＰＦ上流（排気弁の背圧）と気筒内の圧力差を考慮していないので、逆流を防止するためには、絞り弁を閉じる圧力は低く設定しておかなければならない。すなわち、これらの先行発明では、排気バルブでの逆流を生じさせることなく、背圧の限界まで排気絞り弁を閉じておくことはできなかったという課題があった。

本発明は上記の課題を解決する目的で想到されたものであり、少なくともエンジン回転数Ｎｅと出力Ｑと現在のＤＰＦ上流側の圧力Ｐとを変数として持ち、ＤＰＦ下流側の絞り弁を閉じた際のＤＰＦ上流側の圧力と、その時の運転状況において、逆流が生じる圧力とを比較してＤＰＦ下流側の絞り弁の開閉を決定する。

すなわち、本発明は、
エンジンからの排気ガス通路に配置されたパーティキュレート捕集フィルタと、
前記パーティキュレート捕集フィルタより下流側に配置された排気絞り弁と、
前記パーティキュレート捕集フィルタより上流側の圧力Ｐを検出する圧力検出手段と、
少なくとも、エンジン回転数Ｎｅ、負荷Ｑ、および前記圧力Ｐを変数として前記排気絞り弁を閉じた際の前記パーティキュレート捕集フィルタの上流側の推定圧力Ｐ１を求めるＰ１取得手段と、前記エンジン回転数と前記負荷の情報から前記パーティキュレート捕集フィルタの上流側の圧力の最大値Ｐｅｘｍａｘを求めるＰｅｘｍａｘ取得手段と、
前記エンジンからは前記エンジン回転数Ｎｅと前記負荷Ｑの情報を、また前記圧力検出手段からは前記圧力Ｐを得て、前記Ｐ１取得手段と前記Ｐｅｘｍａｘ取得手段から前記推定圧力Ｐ１と前記Ｐｅｘｍａｘを求め前記圧力Ｐ１より前記Ｐｅｘｍａｘが大きく、なおかつ排気絞り弁を閉じた時の全負荷出力ラインより下の領域の時に前記排気絞り弁を閉じる指示を出力する制御部を有する排ガス浄化装置を提供する。

また、本発明の排ガス浄化装置の制御部は、前記圧力Ｐが前記Ｐｅｘｍａｘより大きい場合は、前記排気絞り弁を開く指示を出力する請求項１に記載された排ガス浄化装置でもある。

また、本発明の排ガス浄化装置の制御部は、前記パーティキュレート捕集フィルタの上流側の圧力の最大値Ｐｅｘｍａｘを、吸気行程気筒の排気バルブにかかる排気管内圧力が、当該気筒の排気バルブを押し開かない最大の値として定める事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排ガス浄化装置でもある。

本発明は、現在の運転状況で、排気絞り弁を閉じたときのＤＰＦ上流側の圧力と、その時の逆流が生じる圧力を比較して絞り弁の開閉をすることとしたので、アクセル操作によって、絞り弁が開いたり、閉じたりを繰り返す頻度が少なくなり、信頼性が高い排ガス浄化装置を得ることができる。また、絞り弁の開閉を行う圧力の閾値を動的に決定しているので、絞り弁を閉じることができる回転数と負荷の範囲を広くとることができるという効果を奏する。

請求項２の発明によるとＤＰＦ再生中においても排気管内圧力が上昇すると排気絞り弁を開くので、ＤＰＦ再生中に運転状態が急変しても、排気ガスの逆流を確実に防止することができる。

請求項３の発明によると、排気絞り弁を閉じた際に排気ガスの逆流が最も発生し易い箇所である吸気行程気筒の排気バルブに着目し、当該排気バルブが押し開かれないようにＰｅｘｍａｘの値を可能な限り大きく設定したため、排気ガスの逆流が発生することを防止したうえで、排気絞り弁を閉じることができる回転数と負荷の範囲を最大限に広くすることができる。

図１は、本発明の排気ガス浄化装置の構成を示す。本発明の排気ガス浄化装置１は、エンジンの排気管２５中に配置されたＤＰＦ２と、ＤＰＦ２の下流に配置された排気絞り弁３と、ＤＰＦ２の上流に配置された圧力検出手段としての圧力センサ４と、制御部１０を含む。制御部１０は、少なくともエンジン２０と、アクセル２１と、圧力センサ４と排気絞り弁３に接続されている。なお、エンジン２０は、シリンダ（気筒）２２、ピストン２３、燃焼室２４、排気管２５、吸気管２６、吸気絞り弁２７、排気バルブ２８、吸気バルブ２９、燃料噴射装置３０を含む。

排気バルブ２８及び吸気バルブ２９は図示しないバルブスプリングの弾性力により閉じ方向に付勢されており、図示しないカムシャフトが回転しカム山が排気バルブ２８及び吸気バルブ２９のそれぞれを所定のタイミングで押し開くことにより、開閉する仕組みである。

まず、エンジンの動きを簡単に説明する。吸気バルブ２９が開くと、吸気管２６から空気がシリンダ内に入る（吸気行程）。吸気バルブ２９が閉じ、ピストン２７が上昇すると、燃焼室２４内の空気が圧縮され高温になる（圧縮行程）。そこに、燃料噴射装置から霧状の燃料を噴射する。圧縮され高温となった空気によって燃料は爆発的に燃焼し、ピストンを下に押し下げる（膨張行程）。次に排気バルブが開き、燃焼ガスが排出される（排出行程）。以上の４行程を繰り返しながらエンジンは継続して回転し続ける。

制御部１０は、アクセルの開度センサ１９からの信号Ｓａｃを受信し、燃料噴射装置３０にアクセル開度に応じた噴射指示Ｃｉｊを出力する。この噴射指示Ｃｉｊによって噴射装置３０は、噴射する燃料の量を増減させる。これによって燃焼室２４内の爆発力に強弱が生じる。

次に本発明の排気ガス浄化装置の説明を行う。なお、ＰＭの燃焼はＤＰＦの再生ともいう。エンジンからの排気ガスにはＰＭが含まれており、このＰＭはＤＰＦ２によって捕集される。ＤＰＦはすでに説明したように、多孔質状のセラミックやコーデュロイ等が好適に利用される。ＤＰＦには、ＰＭ燃焼用の触媒が塗布されていてもよい。例えば、白金などの貴金属を主体とした触媒は、ＰＭの燃焼触媒となるだけでなく、硫黄化合物の酸化触媒ともなる。

ＰＭの燃焼温度は、純粋なカーボンで６５０℃前後であり、触媒を作用させるとより低い温度でも燃焼する。しかし、ＤＰＦ自体は、１０００℃程度の耐熱性があるのが好ましい。

排気絞り弁３は、ＤＰＦの下流に設置され、排気通路の９０乃至９９％の面積を閉じる遮蔽板が、その直径を枢軸として回転可能に排気通路内に設置されたものである。遮蔽板の回転は、連続的に回転してもよいし、段階的、若しくは開、閉の２段階であってもよい。排気絞り弁の遮蔽板の回転は制御部１０からの弁動作指示Ｃｖによって所定の角度に回転する。

なお、排気絞り弁には並列してウエストゲート６が併設されていてもよい。排気絞り弁が閉じていても、最低限の排気流量を確保するためである。

圧力センサ４は、ＤＰＦ２の上流側に設置される。圧力センサは絶対値が測定できるものを用いる。本発明の排気ガス浄化装置では、排気バルブの背圧が重要であるので、大気圧との差圧を検出するセンサでは、海抜や天候によって値が変わるからである。

制御部１０は、マイクロコンピュータで好適に構成される。メモリ１２は制御部１０に接続されるが、制御部１０がチップ内にメモリを有していてもよい。制御部１０は、エンジン２０からエンジン回転数Ｎｅの信号Ｓｎｅを受信する。また、圧力センサ４からの圧力信号Ｓｐを受信する。さらに、制御部１０は、メモリ１２中に記録されたＰ１及びＰｅｘｍａｘを求めるためのテーブル情報と、エンジン回転数Ｎｅと圧力センサからの圧力Ｐに基づいて、排気絞り弁の開閉を決定する。そして、排気絞り弁３に対して、弁動作指示Ｃｖを出力する。なお、制御部１０およびメモリ１２はエンジンに近い部分に配置される場合が多いので、耐振動、耐熱対策が施されると好ましい。

次に制御部１０の処理について説明する。図２には、制御部１０の処理フローを示す。なお、このフローは、排気ガス浄化のための動作フローであり、制御部１０がこれ以外の処理を行ってもよい。また、以下の処理はエンジンの運転制御フローの一部として組み込まれてもよい。なお、このフローをスタートさせるか否かについては、例えばＤＰＦの上流圧が所定圧力より高くなった、若しくは最後にＤＰＦの再生処理を行ってから所定時間が経過したといった観測値によって判断すればよい。この判断は再生処理を行うか否かの判断となり、主としてエンジン制御のメインルーチンで行われるものとしてよい。

排ガス浄化のためのフローがスタートすると（Ｓ１００）、エンジン２０からエンジン回転数Ｎｅと、アクセルから負荷Ｑについて、それぞれ信号ＳｎｅとＳａｃにより受信する（Ｓ１０２）。

次に回転数および負荷から、排気絞り実行領域か否かを判断する（Ｓ１０４）。これはメモリ１２中に記録された回転数Ｎｅと負荷Ｑとの関係から求める。図３に、回転数Ｎｅと負荷Ｑの関係を示すグラフを示す。横軸は回転数Ｎｅで、縦軸は負荷Ｑである。負荷Ｑとは、燃料の噴射量若しくは出力と言い換えることもできる。

ライン４０は全負荷出力ラインである。全負荷出力ラインとは、所定の回転数の際にエンジンにかけることのできる最大負荷である。ライン４１は排気絞り弁を閉じた時の全負荷出力ラインである。排気絞り弁を閉じると、排気できる排気ガス量が減るためにエンジンの出力が低下する。特定のエンジン回転数におけるライン４０とライン４１の差４２は排気絞り弁の損失分ともいえる。これらの関係はメモリ１２中に負荷テーブル３１として記録される。なお、負荷テーブル３１は、エンジン回転数と出力の関係を数値で表した表であってもよいし、ライン４１を近似した関数で示したものであってもよい。

本発明の排気ガス浄化装置では、排気絞り弁を閉じた時の全負荷出力ラインより下の領域４３であれば排気絞り弁を閉じることができる。従って、排気絞り弁を閉じることができるか否かは、この負荷テーブル中で現在のエンジン回転数と負荷で決められるポイントがライン４１より上（領域４４）か下（領域４３）かを判断する。

図２に戻って、ステップＳ１０４で排気絞り弁を閉じることのできる領域４３であると判断された場合は、ＤＰＦの上流の圧力Ｐを読み込む（Ｓ１０６）。これは、圧力センサ４からのＳｐで圧力Ｐを知る。そして次に現在の排気絞り弁の開閉状態を確認する（Ｓ１０８）。排気絞り弁３の開閉は制御部１０からの弁動作指示Ｃｖによって行われるため、この指示の記録を確認することで現在排気絞り弁が閉じているか開いているかわかる。もちろん、排気絞り弁自身が現在の開閉状態をステータスとして出力する構成にしてもよい。

排気絞り弁が開いている場合は、現在のエンジン回転数と負荷およびＤＰＦ上流の圧力Ｐの状態で排気絞り弁を閉じた場合に、圧力Ｐがどの程度上昇するかの推定値Ｐ１を求める（Ｓ１１０）。これは、予めさまざまな状態の下でエンジン回転数と負荷および圧力Ｐを測定しておき、表にしたＰ１テーブル３２に基づいて求める。このＰ１テーブル３２はメモリ１２中に記録されている。なお。Ｐ１取得手段としては、前記のようにＰ１テーブル３２を用いてもよいし、また、予め測定した値に基づいて多変量解析によって求めた式によって想定値Ｐ１を求めてもよい。さらに現在のエンジン回転数と負荷およびＤＰＦ上流の圧力Ｐの状態を用いてリアルタイムで推定値Ｐ１を算出してもよい。

次に現在のエンジン回転数と負荷およびＤＰＦ上流の圧力Ｐから、排気バルブが開かない最大値Ｐｅｘｍａｘを求める。Ｐｅｘｍａｘも上記の３つの変数から結果を求められるＰｘテーブル３３に基づいて求める。Ｐｘテーブル３３もまたメモリ２中に記録されており、予めさまざまな状態の下でエンジン回転数と負荷および圧力Ｐを測定しておき、排気バルブが押し開かない最大の圧力値Ｐｅｘｍａｘを表にしたテーブルである。

Ｐｅｘｍａｘは、エンジン回転数が高く負荷が小さい場合は、低くなる関係にある。またエンジン回転数と負荷によって動的に変化する値である。さらに、吸気絞り弁を閉じた際には、Ｐｅｘｍａｘは吸気絞り弁が開いているときよりも小さい値となる。これは吸気絞り弁を閉じることにより、吸気行程における筒内圧が低下するためである。なお、上記の３つの変数に加えて吸気管内圧力を利用するとＰｅｘｍａｘをより精度良く設定することができる。

ここで、Ｐｅｘｍａｘ取得手段としては、前記のようにＰｘテーブル３３を用いてもよいし、また、予め測定した値に基づいて多変量解析によって求めた式によって圧力値Ｐｅｘｍａｘを求めてもよい。さらに、現在のエンジン回転数と負荷およびＤＰＦ上流の圧力Ｐ、排気バルブのバルブスプリング定数、排気バルブの受圧面積を用いてリアルタイムでＰｅｘｍａｘを算出してもよい。

次にＰ１はＰｅｘｍａｘより小さいか否かを判断する（Ｓ１１２）。すなわち、現在のエンジン回転数、負荷、排気バルブの背圧の状態で、排気絞り弁を閉じた時の背圧Ｐ１がＰｅｘｍａｘより大きいと、排気バルブが開いてしまい排気ガスが逆流する。つまり、背圧Ｐ１がＰｅｘｍａｘより小さくないと排気絞り弁を閉じることができない。

従って、Ｐ１がＰｅｘｍａｘより小さい場合は、排気絞り弁を閉じる（Ｓ１１４）。これは制御部１０から排気絞り弁に対する弁動作指示Ｃｖで行われる。排気絞り弁を閉じると、ＤＰＦの再生が実行されることとなる。

次に、圧力ＰがＰｅｘｍａｘより小さいか否かを確認する（Ｓ１１６）。この処理は、ＤＰＦの再生の実行中であっても、排気バルブの背圧Ｐが排気バルブが開く圧力Ｐｅｘｍａｘより大きくなる場合に排気ガスの逆流を防止するために排気絞り弁を開くのが目的である。なお、Ｐｅｘｍａｘは、ステップＳ１１２で求めたのとは別に新たに求めてもよい。

従って、ステップＳ１１６で圧力ＰがＰｅｘｍａｘより小さくない場合は、排気絞り弁を開く（Ｓ１２０）。

ステップＳ１１６で、圧力ＰがＰｅｘｍａｘより小さい場合は、再生終了を判断して（Ｓ１１８）、終了でなければステップＳ１０２の前に戻る。また、再生終了の場合は、メインルーチンに戻る（Ｓ１２２）。

なお、制御部１０は、ステップＳ１０４で現在のエンジン回転数と負荷では、排気絞り弁を閉じることができないと判断した場合は、ステップＳ１２０に飛び、排気絞り弁を開くように指示する。さらに、制御部１０は、ステップＳ１１２において、推定値Ｐ１がＰｅｘｍａｘより大きい場合もステップ１２０に飛び、排気絞り弁を開く指示を出す。

また、ステップＳ１０８において排気絞り弁が閉じている場合は、すでにＤＰＦの再生が実行されているので、ステップＳ１１６に飛び、ＤＰＦの上流の圧力Ｐと排気バルブが開く圧力Ｐｅｘｍａｘを比較する。ステップＳ１１６は、ＤＰＦの再生処理を継続するか否かを判断する処理になっているからである。

以上のように、本発明は、排気絞り弁を閉じた状態での全負荷出力ラインの領域であれば、排気バルブが開かない限りＤＰＦの再生を実施することができるので、再生の効率を高くすることができる。また、排気絞り弁を閉じることのできる領域が広いために、アクセル操作による排気絞り弁の動作回数が減少し、排気ガス浄化装置の信頼性が高くなる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

請求項１に関する他の実施例としては、排気絞り弁の上流又はＤＰＦの上流から吸気系通路に排気ガスを還流するＥＧＲ通路を備え、当該ＥＧＲ通路の途中に還流排気ガスの量をコントロールするＥＧＲバルブを持つエンジンについて、当該ＥＧＲバルブが前述の排気バルブよりも低い排気ガス圧力で押し開かれてしまう場合においては、Ｐｅｘｍａｘの値を排気バルブに代えて、ＥＧＲバルブが排気ガス圧力により制御目標値よりも押し開かれてしまわないような値として設定することも可能である。

本発明は、内燃機関の排気ガス処理装置であり、主としてディーゼル機関のＰＭ再燃焼処理について利用することができるが、ディーゼル機関だけでなく、広く内燃機関一般の排気ガス浄化に利用することができる。

本発明の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。 本発明の制御装置の処理フローを示す図である。 エンジン回転数と負荷の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ ＤＰＦ
３ 排気絞り弁
４ 圧力センサ
６ ウエストゲート
１０ 制御部
１２ メモリ
１９ 角度センサ
２０ エンジン
２１ アクセル
２２ シリンダ
２３ ピストン
２４ 燃焼室
２５ 排気管
２６ 吸気管
２７ 吸気絞り弁
２８ 排気バルブ
２９ 吸気バルブ
３０ 燃料噴射装置
３１ 負荷テーブル
３２ Ｐ１テーブル
３３ Ｐｅｘｍａｘテーブル
４０ 全負荷出力ライン
４１ 排気絞り弁を閉じた時の全負荷出力ライン
４２ 排気絞り弁の損失分
４３ 排気絞り弁を閉じることができる領域

Claims (3)

1. エンジンからの排気ガス通路に配置されたパーティキュレート捕集フィルタと、
   前記パーティキュレート捕集フィルタより下流側に配置された排気絞り弁と、
   前記パーティキュレート捕集フィルタより上流側の圧力Ｐを検出する圧力検出手段と、
   少なくとも、エンジン回転数Ｎｅ、負荷Ｑ、および前記圧力Ｐを変数として前記排気絞り弁を閉じた際の前記パーティキュレート捕集フィルタの上流側の推定圧力Ｐ１を求めるＰ１取得手段と、前記エンジン回転数と前記負荷の情報から前記パーティキュレート捕集フィルタの上流側の圧力の最大値Ｐｅｘｍａｘを求めるＰｅｘｍａｘ取得手段と、
   前記エンジンからは前記エンジン回転数Ｎｅと前記負荷Ｑの情報を、また前記圧力検出手段からは前記圧力Ｐを得て、前記Ｐ１取得手段と前記Ｐｅｘｍａｘ取得手段から前記推定圧力Ｐ１と前記Ｐｅｘｍａｘを求め前記圧力Ｐ１より前記Ｐｅｘｍａｘが大きく、なおかつ排気絞り弁を閉じた時の全負荷出力ラインより下の領域の時に前記排気絞り弁を閉じる指示を出力する制御部を有する排ガス浄化装置。
2. 前記制御部は、前記圧力Ｐが前記Ｐｅｘｍａｘより大きい場合は、前記排気絞り弁を開く指示を出力する請求項１に記載された排ガス浄化装置。
3. 前記パーティキュレート捕集フィルタの上流側の圧力の最大値Ｐｅｘｍａｘは、吸気行程気筒の排気バルブにかかる排気管内圧力が、当該気筒の排気バルブを押し開かない最大の値として定める事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排ガス浄化装置。

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