JP6136298B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタを備える排気浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter、以下、ＰＭ）を捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter、以下、ＤＰＦ）が知られている。
ＤＰＦは、ＰＭ捕集量に限度があるため、堆積したＰＭを定期的に燃焼除去する強制再生を行う必要がある。強制再生は、排気管内噴射やポスト噴射によって、排気上流側の酸化触媒に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、酸化により発生する熱で排気ガスの温度をＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。
例えば、特許文献１には、ＤＰＦの排気上流側及び下流側の差圧、運転時間（又は運転距離）に基づいてＰＭ堆積量を推定すると共に、ＰＭ堆積量が所定量以上になると、強制再生を実行する排気浄化装置が開示されている。
特許第４０７０６８７号公報
ところで、ＤＰＦを流れる排気ガスの流量は、エンジンの運転状態に応じて変化する。そのため、ＤＰＦの排気上流側及び下流側の差圧を検出する差圧センサでは、ＰＭ堆積量を正確に推定できない場合がある。また、運転時間（又は、運転距離）に基づいた強制再生の開始制御においては、排気ガスの温度が低い状態で強制再生を実行する可能性がある。そのため、低温の排気ガスをＰＭ燃焼温度まで上昇させるために、燃料供給量を多く確保する必要があり、燃費の悪化を招く虞もある。
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＰＭ堆積量の推定精度を向上させると共に、強制再生時における燃料供給量の最適化を図ることにある。
上述の目的を達成するため、本発明の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て、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタよりも排気上流側の排気通路に設けられて、排気温度を検出する排気温度検出手段と、前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、検出される前記静電容量に基づいて、前記フィルタに捕集された粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定手段と、前記フィルタに燃料を供給して、当該フィルタを粒子状物質の燃焼温度まで昇温する強制再生を実行可能なフィルタ再生手段と、を備え、前記フィルタ再生手段は、粒子状物質の上限堆積量よりも小さい堆積量閾値と、燃料供給量を抑制しても前記堆積量閾値まで堆積した粒子状物質を燃焼除去し得る所定の高排気温度に相当する温度閾値とに基づき、推定される前記堆積量が前記堆積量閾値に達した状態で、検出される前記排気温度が前記温度閾値に達すると強制再生を実行することを特徴とする。
また、前記フィルタ再生手段による強制再生が所定時間継続して実行されない場合に、前記温度閾値を低く補正する補正手段をさらに備えてもよい。
また、前記静電容量検出手段は、前記フィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されて、コンデンサを形成する一対の電極を含むものであってもよい。
また、前記フィルタよりも排気上流側及び下流側の前記排気通路を接続して、当該フィルタを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、前記一対の電極は、前記第２のフィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されるものであってもよい。
また、前記第２のフィルタの強制再生を実行する際は、前記一対の電極をヒータとして機能させてもよい。
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＰＭ堆積量の推定精度を向上させると共に、強制再生時における燃料供給量の最適化を図ることができる。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、静電容量からＰＭ堆積量を推定するマップを示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、（ａ）はＰＭ堆積量の変化を示す図、（ｂ）は排気温度の変化を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による制御内容を示すフローチャートである。 他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。
以下、図１〜４に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気ガスを大気に放出する排気通路１２が接続されている。さらに、排気通路１２には、排気上流側から順に排気管内噴射装置１３、排気温度センサ１９、排気後処理装置１４が設けられている。
排気管内噴射装置１３は、ＥＣＵ２０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（ＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１３を省略してもよい。
排気温度センサ１９は、排気後処理装置１４よりも上流側の排気通路１２内を流れる排気ガスの温度を検出する。排気温度センサ１９によって検出される排気温度ＥＧＴは、電気的に接続された電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）２０に入力される。
排気後処理装置１４は、ケース１４ａ内に排気上流側から順に酸化触媒１５、ＤＰＦ１６を配置して構成されている。
酸化触媒１５は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒１５は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によって未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気ガスの温度を上昇させる。
ＤＰＦ１６は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ１６は、排気ガス中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭの堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射により酸化触媒１５に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ１６をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温することで行われる。
また、本実施形態のＤＰＦ１６には、少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する一対の電極１７ａ，１７ｂが設けられている。これら一対の電極１７ａ，１７ｂは、それぞれＥＣＵ２０と電気的に接続されている。
ＥＣＵ２０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３の燃料噴射等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ＥＣＵ２０は、静電容量演算部２１と、ＰＭ堆積量推定部２２と、再生制御部２３と、閾値補正部２４とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ２０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
なお、本実施形態において、静電容量演算部２１及び電極１７ａ，１７ｂは、本発明の静電容量検出手段を構成する。また、再生制御部２３及び排気管内噴射装置１３（又は、エンジン１０の図示しない燃料噴射装置）は、本発明のフィルタ再生手段を構成する。
静電容量演算部２１は、一対の電極１７ａ，１７ｂから入力される信号に基づいて、これら電極１７ａ，１７ｂ間の静電容量Ｃを演算する。静電容量Ｃは、電極１７ａ，１７ｂ間の媒体の誘電率ε、電極１７ａ，１７ｂの面積Ｓ、電極１７ａ，１７ｂ間の距離ｄとする以下の数式１で演算される。
ＰＭ堆積量推定部２２は、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃに基づいて、ＤＰＦ１６に捕集されたＰＭ堆積量ＰＭDEPを演算する。例えば、電極１７ａ，１７ｂ間に導体性の炭素が堆積すると、これら電極１７ａ，１７ｂ間の距離ｄは実質的に短くなり、静電容量Ｃが増加する。また、電極１７ａ，１７ｂ間の媒体中にＰＭの堆積が進むと、誘電率εの増加に伴い静電容量Ｃも増加する。すなわち、静電容量ＣとＰＭ堆積量ＰＭDEPとの間には比例関係があり、静電容量Ｃを演算すればＰＭ堆積量ＰＭDEPを容易に推定することができる。ＥＣＵ２０には、予め実験等により作成した静電容量ＣとＰＭ堆積量ＰＭDEPとの比例関係を示すマップ（図２参照）が記憶されている。ＰＭ堆積量推定部２２は、このマップから、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃに対応するＰＭ堆積量ＰＭDEPを読み取る。
再生制御部２３は、排気温度センサ１９から入力される排気温度ＥＧＴと、ＰＭ堆積量推定部２２で推定されるＰＭ堆積量ＰＭDEPとに基づいて、ＤＰＦ１６の強制再生を制御する。より具体的な制御内容を図３に基づいて説明する。
ＥＣＵ２０には、図３（ａ）中に破線Ａで示す第１の再生実行閾値ＴＨＶ1、図３（ａ）中に破線Ｂで示す第２の再生実行閾値ＴＨＶ2（本発明の堆積量閾値）、図３（ｂ）中に破線Ｃで示す排気温度閾値ＴＨＶ3（本発明の温度閾値）が予め記憶されている。第１の再生実行閾値ＴＨＶ1は、ＤＰＦ１６に捕集可能なＰＭの上限堆積量に相当する。第２の再生実行閾値ＴＨＶ2は、排気温度ＥＧＴが所定の高温（例えば、約４００℃）の運転状態で強制再生を行う場合に、燃料供給量を抑制できるＰＭ堆積量に相当し、第１の再生実行閾値ＴＨＶ1よりも小さく設定されている。排気温度閾値ＴＨＶ3は、強制再生を行う場合に燃料供給量を抑制しても、第２の再生実行閾値ＴＨＶ2まで堆積したＰＭを燃焼除去できる高温の排気温度（例えば、約４００℃）に相当する。
再生制御部２３は、ＰＭ堆積量ＰＭDEPが第１の再生実行閾値ＴＨＶ1に達すると（ＰＭDEP≧ＴＨＶ1）、排気温度ＥＧＴに関係なく強制再生を実行する（図３（ａ），（ｂ）の時刻Ｔ３参照）。また、再生制御部２３は、ＰＭ堆積量ＰＭDEPが第２の再生実行閾値ＴＨＶ2以上、第１の再生実行閾値ＴＨＶ1未満（ＴＨＶ2≦ＰＭDEP＜ＴＨＶ1）の時は、排気温度ＥＧＴが排気温度閾値ＴＨＶ3以上（ＥＧＴ≧ＴＨＶ3）の場合に、強制再生を実行する（図３（ｂ）の時刻Ｔ１，Ｔ２参照）。一方、ＰＭ堆積量ＰＭDEPが第２の再生実行閾値ＴＨＶ2以上、第１の再生実行閾値ＴＨＶ1未満（ＴＨＶ2≦ＰＭDEP＜ＴＨＶ1）の条件を満たしても、排気温度ＥＧＴが排気温度閾値ＴＨＶ3未満（ＥＧＴ＜ＴＨＶ3）の場合は、強制再生を保留する（図３（ｂ）中の破線Ｙの時刻Ｔ１〜２参照）。すなわち、排気温度ＥＧＴが低い場合は強制再生を見送りつつ、その後、運転状態の変化により排気温度ＥＧＴが上昇すると、強制再生を実行するように構成されている。これにより、強制再生時の燃料供給量を効果的に抑制することができる。
閾値補正部２４は、強制再生が継続して実行されない時間（以下、再生不実施期間ＴNREという）に基づいて、排気温度閾値ＴＨＶ3を補正する。本実施形態において、再生不実施時間ＴNREは、イグニッションキーがＯＮ操作された時（強制再生が終了した時も含む）から、タイマカウンタにより計時される時間を積算することで演算される。ＥＣＵ２０には、強制再生の不実施を許容できる上限時間ＴMAXが予め記憶されている。閾値補正部２４は、再生不実施時間ＴNREが上限時間ＴMAXを超えると（ＴNRE＞ＴMAX）、排気温度閾値ＴＨＶ3を低く補正する。なお、具体的な補正方法としては、例えば、強制再生の不実施期間における排気温度ＥＧＴの最高値（図３（ｂ）のα参照）を記憶しておき、排気温度閾値ＴＨＶ3をこの最高値まで下方修正することが好ましい。
次に、図４に基づいて、本実施形態の排気浄化装置による制御フローを説明する。なお、本制御はイグニッションキーのＯＮ操作と同時にスタートする。
ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、静電容量Ｃから推定されるＰＭ堆積量ＰＭDEPが、第２の再生実行閾値ＴＨＶ2に達したか否かが判定される。ＰＭ堆積量ＰＭDEPが第２の再生実行閾値ＴＨＶ2以上の場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ１１０に進む。一方、ＰＭ堆積量ＰＭDEPが第２の再生実行閾値ＴＨＶ2未満の場合（ＮＯ）、本制御はリターンされる。
Ｓ１１０では、静電容量Ｃから推定されるＰＭ堆積量ＰＭDEPが、第１の再生実行閾値ＴＨＶ1に達したか否かが判定される。ＰＭ堆積量ＰＭDEPが第１の再生実行閾値ＴＨＶ1以上の場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ１２０に進み、排気温度ＥＧＴに関係なく強制再生を実行してリターンされる。一方、ＰＭ堆積量ＰＭDEPが第１の再生実行閾値ＴＨＶ1未満の場合（ＮＯ）、本制御はＳ１３０に進む。
Ｓ１３０では、排気温度ＥＧＴが排気温度閾値ＴＨＶ3に達したか否かが判定される。排気温度ＥＧＴが排気温度閾値ＴＨＶ3以上の場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ１４０に進み、強制再生を実行してリターンされる。一方、排気温度ＥＧＴが排気温度閾値ＴＨＶ3未満の場合（ＮＯ）、本制御はＳ１５０に進む。すなわち、強制再生は保留される。
Ｓ１５０では、再生不実施時間ＴNREが上限時間ＴMAXを超えたか否かが判定される。再生不実施時間ＴNREが上限時間ＴMAXを超えた場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ１６０に進む。一方、再生不実施時間ＴNREが上限時間ＴMAX以下の場合（ＮＯ）、本制御はリターンされる。
Ｓ１６０では、排気温度閾値ＴＨＶ3をＳ１００〜１５０の間で記憶された排気温度ＥＧＴの最高値まで低くする補正を行い、本制御はリターンされる。その後、Ｓ１００〜１６０の各制御ステップは、イグニッションキーのＯＦＦ操作まで繰り返し実行される。
次に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による作用効果を説明する。
従来の強制再生は、ＤＰＦ差圧や運転時間に基づいて、強制再生の開始制御を行っている。しかしながら、排気流量は運転状態に伴い変化するため、ＤＰＦ差圧からはＰＭ堆積量を正確に推定できない可能性がある。また、運転時間（又は、運転距離）に基づいた強制再生の開始制御においては、排気温度が低い状態でも強制再生を実行する場合があり、燃料供給量の増加により燃費が悪化する可能性がある。
これに対し、本実施形態の排気浄化装置は、ＤＰＦ１６に設けた一対の電極１７ａ，１７ｂ間の静電容量ＣからＰＭ堆積量ＰＭDEPを推定する。また、推定されるＰＭ堆積量ＰＭDEPが第２の再生実行閾値ＴＨＶ2に達しても、排気温度ＥＧＴが低い状態（ＴＨＶ3未満）では強制再生を見送る一方、排気温度ＥＧＴが燃料供給量を抑制できる高温状態（ＴＨＶ3以上）になると、強制再生を実行するように構成されている。
したがって、本実施形態の排気浄化装置によれば、運転状態の変化の影響を受けない静電容量Ｃに基づいて、ＰＭ堆積量ＰＭDEPを高精度に推定できると共に、燃料供給量を抑制可能な高温の排気温度（ＴＨＶ3以上）になるまで強制再生を保留することで、燃費を効果的に向上することができる。
また、本実施形態の排気浄化装置は、強制再生が一定期間継続して実行されない場合は、排気温度閾値ＴＨＶ3を低く補正するように構成されている。
したがって、本実施形態の排気浄化装置によれば、高負荷運転の頻度が少なく、排気温度ＥＧＴが高温にならない使用条件に対しても、強制再生を確実に実行させることが可能になる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、図５に示すように、排気通路１２にＤＰＦ１６を迂回させるバイパス通路１８を接続し、このバイパス通路１８に容量の小さい計測用ＤＰＦ１６ａ（第２のフィルタ）を備えて構成してもよい。この場合、一対の電極１７ａ，１７ｂを計測用ＤＰＦ１６ａ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置すると共に、バイパス通路１８には排気ガスの流量を調整するオリフィス１８ａ（絞り）を設けることが好ましい。また、計測用ＤＰＦ１６ａの強制再生を実行する場合は、一対の電極１７ａ，１７ｂに電圧を印加してヒータとして機能させてもよい。
１０ エンジン
１２ 排気通路
１３ 排気管内噴射装置
１４ 排気後処理装置
１５ 酸化触媒
１６ ＤＰＦ（フィルタ）
１９ 排気温度センサ
２０ ＥＣＵ
２１ 静電容量演算部
２２ ＰＭ堆積量推定部
２３ 再生制御部
２４ 閾値補正部

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
    前記フィルタよりも排気上流側の排気通路に設けられて、排気温度を検出する排気温度検出手段と、
    前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
    検出される前記静電容量に基づいて、前記フィルタに捕集された粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定手段と、
    前記フィルタに燃料を供給して、当該フィルタを粒子状物質の燃焼温度まで昇温する強制再生を実行可能なフィルタ再生手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記フィルタ再生手段は、
    粒子状物質の上限堆積量よりも小さい堆積量閾値と、燃料供給量を抑制しても前記堆積量閾値まで堆積した粒子状物質を燃焼除去し得る所定の高排気温度に相当する温度閾値とに基づき、推定される前記堆積量が前記堆積量閾値に達した状態で、検出される前記排気温度が前記温度閾値に達すると強制再生を実行し、
    前記排気浄化装置は、前記フィルタ再生手段による強制再生が所定時間継続して実行されない場合に、前記温度閾値を低く補正する補正手段をさらに備える
    ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記静電容量検出手段は、前記フィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されて、コンデンサを形成する一対の電極を含む
    請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記フィルタよりも排気上流側及び下流側の前記排気通路を接続して、当該フィルタを迂回するバイパス通路と、
    前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、
    前記一対の電極は、前記第２のフィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置される
    請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記第２のフィルタの強制再生を実行する際は、前記一対の電極をヒータとして機能させる
    請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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