JP6459425B2 - 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。

ディーゼルエンジンから排出される排気ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び粒子状物質（ＰＭ）等の汚染物質が含まれている。これ等汚染物質による大気汚染を防止するため、排気ガス環流装置（ＥＧＲ）、コモンレール式高圧燃料噴射装置、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等を用いる技術が従来開発されている。

上述のＤＰＦは、エンジンの排気管の途中に設けられ排気ガス中の粒子状物質を直接捕集するものでありフィルタ状に形成されている。しかし、ＤＰＦは粒子状物質の捕集に伴って目詰まりが進行してこれにより排気ガス圧力が上昇するため、捕集し堆積した粒子状物質を定期的に除去する、いわゆる再生処理動作が必要である。従来の再生処理動作は、燃料噴射時期を遅らせることによるエンジン排気温度の昇温、あるいは燃料をポスト噴射することによりＤＯＣへの炭化水素供給に基づく発熱等により、ＤＰＦ温度を概ね６００℃以上に昇温させて粒子状物質を燃焼除去させている。このような従来技術の一例として、ＤＰＦの再生処理動作時において、ＰＤＦよりも上流側の排気通路上に配設されたＤＯＣの閉塞、及び硫黄被毒によりＤＯＣの性能が低下することを早期に精度よく推定し、適切な処理を行う排気浄化装置が知られている（例えば「特許文献１」参照）。

特開２０１０−１０１２００号公報

「特許文献１」に記載された排気浄化装置は、下流側触媒としてＤＰＦを、上流側触媒としてＤＯＣを有したものであるが、下流側触媒としてＤＰＦを、上流側触媒としてＮＯｘトラップ触媒（ＮＴＣ）を有する排気浄化装置も知られている。排気浄化装置では、上流側触媒入口での温度が３００〜３５０℃程度の低温かつ低負荷領域でのＤＰＦ再生処理動作時において、再生処理動作の繰り返しにより上流側触媒の担体表面の一部が閉塞してしまうという問題点があり、上流側触媒としてＮＴＣを用いた場合に顕著に発生する。

これは、担体に担持されているウォッシュコート量がＮＴＣはＤＯＣに比して多く触媒の圧力損失が高い傾向にあり、これにより排気ガス流れが悪化し、ＤＰＦ再生処理動作時等の多くの未燃ＨＣと煤とが流入した場合に担体表面に付着してしまうためと考えられる。また、担体表面が閉塞していくことで排気ガス流路が狭くなり、貴金属と排気ガスとの接触確率が減少して排気ガス性能も低下してしまう。
本発明は上述の問題点を解決し、上流側触媒への未燃ＨＣの流入量を減少させると共に未燃ＨＣの燃焼を促進することができ、上流側触媒担体表面の閉塞を防止することが可能な内燃機関の排気浄化装置の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、内燃機関の排気通路に配設され排気ガスを浄化する第１の触媒と、前記第１の触媒よりも排気方向下流側に配設され排気ガスを浄化する第２の触媒と、前記第２の触媒の再生処理動作が必要と判断された際に燃焼ガスに対して燃料を噴射して前記第２の触媒を昇温させる昇温手段と、前記第１の触媒の入口と出口との差圧を検出する差圧検出手段と、前記昇温手段の作動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記差圧検出手段の検出結果が前記再生処理動作の開始時に第１所定値を超えている場合には、前記再生処理動作中の前記昇温手段による燃料の噴射時期を所定の噴射時期から進角側に移動させることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、さらに前記制御手段は、前記差圧検出手段の検出結果が前記第１所定値を超えた以降は、前記差圧検出手段の検出結果が前記第１所定値より小さな第２所定値以下となるまで、前記再生処理動作中の前記昇温手段による燃料の噴射時期を、前記再生処理動作の開始時の差圧の減少に応じて前回の再生処理動作時の噴射時期より遅角側に移動させることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置において、さらに前記制御手段は、前記昇温手段による燃料の噴射時期が進角側に移動した際の移動量が大きいほど、前記昇温手段による燃料の噴射量を増加させることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置において、さらに前記第１の触媒がＮＯｘトラップ触媒であり前記第２の触媒が粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルタであることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置において、さらに前記ディーゼルパティキュレートフィルタへの前記粒子状物質の堆積量が多くなるに連れて前記昇温手段による燃料の噴射量を増加させることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の内燃機関の排気浄化装置において、さらに前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前記再生処理動作の後に、前記ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄のＳパージを行うことを特徴とする。

本発明によれば、第１の触媒における入口と出口との前後差圧が所定値を超えたときに昇温手段による燃料の噴射時期を進角側に移動させるので、燃料が燃焼室に早く噴射されることから燃焼する炭化水素量が増加して排気ガス中の未燃炭化水素量が減少し、第１の触媒に付着する未燃炭化水素量が減少することから第１の触媒に付着した不純物が焼却され、第１の触媒における担体表面が不純物により閉塞することを防止することができる。

本発明の一実施形態を適用可能なディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略図である。 本発明の一実施形態における燃料噴射を説明する図である。 本発明の一実施形態におけるポスト噴射処理を説明するフローチャートである。 本発明の第１の実施形態における第２の触媒の再生処理動作時におけるポスト噴射の態様を説明する概略図である。 本発明の第２の実施形態における第２の触媒の再生処理動作時において進角側に移動させたポスト噴射時の燃料噴射量を説明する概略図である。

図１は、本発明の第１の実施形態を示すディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略構成図である。同図において内燃機関であるディーゼルエンジン（以下エンジンという）１には吸気通路２及び排気通路３が接続されており、吸気通路２と排気通路３とは排気再循環通路４によって接続されている。吸気通路２及び排気通路３上には、過給機５のコンプレッサ６とタービン７とがそれぞれ配設されている。また、排気通路３上には排気ガス後処理装置８が配設されており、エンジン１にはコンピュータからなる制御手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９が電気的に接続されている。

エンジン１は、往復移動自在なピストン１０及びこれを収容するシリンダ１１と、吸気バルブ１２及び排気バルブ１３とを備えている。そして、ピストン１０をシリンダ１１内で往復移動させると共に各バルブ１２，１３を開閉動作させ、シリンダ１１内に形成された燃焼室１４において吸気、圧縮、燃焼及び膨張、排気の各工程を行い、コンロッドを介してピストン１０の往復移動をクランク軸の回転運動として出力する周知の構成である。エンジン１の上部には、昇温手段としての燃料噴射ノズル１５が配設されている。燃料噴射ノズル１５には、燃料ポンプ１６から送られる高圧燃料がコモンレール１７によって蓄圧され、蓄圧された高圧燃料が燃料噴射ノズル１５を介して燃焼室１４に所定のタイミング（噴射時期）で噴射される。

吸気通路２は燃焼室１４に空気を供給する通路であり、吸気通路２上には排気ガスの流れ方向上流側から順に、エンジン１に吸入される空気量を検出するエアフロメータ１８、コンプレッサ６、圧縮空気を冷却するインタークーラ１９、吸入空気量を調整するスロットルバルブ２０が配設されている。排気通路３はエンジン１から排出された排気ガスが流れる通路であり、排気通路３上には排気ガスの流れ方向上流側から順に、タービン７、排気ガス後処理装置８が配設されている。排気再循環通路４はエンジン１から排出された排気ガスを吸気側に戻すための通路であり、排気再循環通路４には排気ガスの流れ方向上流側から順に、ＥＧＲクーラ２１、ＥＧＲバルブ２２が配設されている。

ＥＣＵ９は、スロットルバルブ２０の制御、ＥＧＲバルブ２２の制御、燃料噴射ノズル１５の制御等、エンジン１の各種制御を統合的に行うためのプログラムを内蔵しており、必要に応じて該当するプログラムを実行することによりエンジン１の制御を行う。また本実施形態においては、ＥＣＵ９は排気ガス後処理装置８の制御を行うためのプログラムを備えている。なお、エンジン１の各種制御を行う制御手段と排気ガス後処理装置８の制御を行う制御手段とを別々に設けてもよい。

排気ガス後処理装置８は、排気方向上流側に第１の触媒であるＮＯｘトラップ触媒（ＮＴＣ）２３を、その下流側に第２の触媒であるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２４を有している。排気ガス後処理装置８に流入した排気ガスは、ＮＴＣ２３によってＮＯｘを吸着されて浄化された後、ＤＰＦ２４に設けられた酸化触媒によって炭化水素等の不純物を除去される。

また排気ガス後処理装置８において、排気ガス中の粒子状物質はＮＴＣ２３により一部除去された後にＤＰＦ２４に捕集されて堆積され、ＤＰＦ２４の堆積量が所定量となった際に燃焼除去される。このＤＰＦ２４の再生処理を行う際には、燃焼室１４内へのポスト噴射が行われてＮＴＣ２３にて排気ガスが昇温され、この昇温によりＤＰＦ２４に送り込まれる排気ガス温度を粒子状物質が燃焼するに十分なおよそ６００℃まで上昇させて処理を行う。

排気ガス後処理装置８には各種センサが設けられている。ＮＴＣ２３の入口には温度
センサ２５が、ＮＴＣ２３の出口であってＤＰＦ２４の入口には温度センサ２６，２７が、ＤＰＦ２４の出口には温度センサ２８がそれぞれ設けられている。また、ＮＴＣ２３の入口と出口とにはＮＴＣ２３の前後差圧を検出する差圧検出手段としての差圧センサ２９が、ＤＰＦ２４の入口と出口とにはＤＰＦ２４の前後差圧を検出する差圧センサ３０がそれぞれ設けられている。ＤＰＦ２４の再生処理動作はＥＣＵ９によって制御され、差圧センサ３０の検出値に基づいて粒子状物質が所定量まで堆積したか否かをＥＣＵ９が判定し、その結果に応じて再生処理動作が行われる。
上述した構成において、排気ガス後処理装置８、ＥＣＵ９、燃料噴射ノズル１５によってエンジン１の排気浄化装置が構成されている。

図２は、通常時における燃料噴射ノズル１５による燃料の噴射状態を示す図であり、ピストン１０のほぼ圧縮上死点でメイン噴射が行われ、そしてメイン噴射に引き続き膨張行程または排気行程（本実施形態ではクランク角度約−１８０度）においてポスト噴射が行われる。ポスト噴射による燃料噴射量（図２における長方形の面積）は、メイン噴射による燃料噴射量以下となるように設定されている。本発明の特徴は、ＤＰＦ２４を再生させるために行うポスト噴射の噴射タイミング制御である。

次に、図３を用いてＥＣＵ９による通常時におけるＤＰＦ２４の再生処理動作時におけるポスト燃料噴射制御を説明する。先ず、イグニッションオンに伴いイニシャライズが行われる（ＳＴ０１）。ここでＥＣＵ９の制御パラメータが初期状態に戻され、以下の制御に備えられる。次にエンジン制御用のパラメータであるアクセル開度及びエンジン回転数が取得され（ＳＴ０２）、取得されたアクセル開度及びエンジン回転数に基づいてメイン噴射量及びメイン噴射時期が演算される（ＳＴ０３）。

次に、差圧センサ３０の検出値に基づいてＤＰＦ２４の前後差圧が所定値Ａよりも大きいか否かを判定する（ＳＴ０４）。所定値Ａは許容される前後差圧の上限値を考慮して設定され、前後差圧すなわち内燃機関の背圧があまり大きくならないように設定されている。前後差圧が所定値Ａよりも大きいと判断されると、ＤＰＦ２４に堆積した粒子状物質の量がＤＰＦ２４の再生必要レベルに達したものと判断され、以下に再生処理動作が行われる。

ステップＳＴ０４において前後差圧が所定値Ａよりも大きいと判断されると、再生処理動作待ちフラグがｆｗ＝１とセットされる（ＳＴ０５）。フラグがセットされると、ＤＰＦ２４が再生必要であることを示し、他の制御ルーチンで参照されたり車両内のＥＣＵに報知されたりすることとなる。次に、温度センサ２７により検出された検出温度と閾値である所定温度とを比較し、検出温度が所定温度よりも高いか否かを判定する（ＳＴ０６）。ここで所定温度は、ＤＰＦ２４に捕集された粒子状物質の浄化が可能な温度の下限値を考慮して設定されている。

次に、再生処理動作を実行するフラグをセットし（ＳＴ０７）、続いてエンジン回転数に基づいてポスト噴射量及びポスト噴射時期を演算し（ＳＴ０８）、さらに検出温度に基づいてポスト噴射量初期値を演算し（ＳＴ０９）、そして検出温度に基づいてポスト噴射量の単位時間当たりの増量値を演算する（ＳＴ１０）。ポスト噴射量初期値及びポスト噴射量の単位時間当たりの増量値は、共に検出温度が低いほど小さな値に設定される。これ等は、検出温度に対してポスト噴射量初期値及びポスト噴射量の単位時間当たりの増量値がそれぞれ対応するマップをＥＣＵ９に記憶させ、このマップに基づいて設定する。次に、再生処理中のポスト噴射量をリセットし（ＳＴ１１）、これ等の再生処理動作の内容を規定するパラメータを設定した後に再生処理動作が実行される（ＳＴ１２）。

ステップＳＴ０４において前後差圧が所定値Ａよりも小さいと判断されると、この状態は再生処理動作中または再生処理動作の非実行状態で粒子状物質の堆積量が未だ再生必要レベルには達していないということである。この場合、先ず再生処理動作実行フラグがセットされているか否かが判定され（ＳＴ１３）、セットされている場合にはＤＰＦ２４の前後差圧が所定値Ｂ以下か否かを判定する（ＳＴ１４）。所定値ＢはＤＰＦ２４における粒子状物質の堆積量が十分に減少し、内燃機関の背圧が十分に低下したと判断される圧力値に設定されている。前後差圧が所定値Ｂ以下であると判定されると再生処理動作が完了したものであると判断され（ＳＴ１５）、前後差圧が所定値Ｂよりも大きいと判定されるとポスト噴射終了フラグがセットされているか否かが判定される（ＳＴ１６）。そして、ポスト噴射終了フラグがセットされていないと判定されるとステップＳＴ１２に進んでポスト噴射が行われる。

ここで、本発明の第１の実施形態における特徴部を説明する。本発明の第１の実施形態では、ＤＰＦ２４の再生処理動作時における燃料噴射ノズル１５によるポスト噴射を、図４に示すグラフに基づいて行っている。図４において、実線で示す折れ線グラフは差圧センサ２９により検出されたＮＴＣ２３の前後差圧を示しており、棒グラフはポスト噴射を行うピストン１０のクランク角度を示している。

ＤＰＦ２４はポスト噴射により温度が上昇して付着した粒子状物質が燃焼除去されるが、温度が上昇するに伴い排気ガスに含まれる未燃炭化水素量が増加し、この未燃炭化水素がＮＴＣ２３に付着してＮＴＣ２３の前後差圧が上昇する。そこで本発明の第１の実施形態では、ＮＴＣ２３の前後差圧が所定値Ｃを超えた場合には、ＥＣＵ９が燃料噴射ノズル１５の作動タイミング（噴射時期）を進角側（燃焼側）に移動すなわち早める（図４に示す例では約−１００度）制御を行い、図２に一点鎖線で示すようにポスト噴射位置を移動させる。このときのポスト噴射位置の移動限度は、全膨張行程（前期、中期、後期）中の中期までであって、さらに燃焼によりトルクが発生しない時期までとなるように定められる。

これにより燃焼室１４に燃料が早く噴射されることから燃焼する炭化水素量が増加して排気ガス中の未燃炭化水素量が減少し、ＮＴＣ２３に付着する未燃炭化水素量が減少することからＮＴＣ２３に付着した不純物が焼却され、ＮＴＣ２３の前後差圧が減少する。そしてその次のポスト噴射は、先のポスト噴射よりも遅らせる（図４では約−１２０度）制御を行う。そしてＮＴＣ２３の前後差圧が所定値Ｄ以下となるまでこの制御が繰り返され、ＮＴＣ２３の前後差圧が所定値Ｄ以下になると通常時に戻り、クランク角度約−１８０度においてポスト噴射が行われる。

なお、本実施形態では排気方向上流側に設けられた第１の触媒をＮＯｘトラップ触媒としたが、本発明が適用可能な触媒はこれに限られず、第１の触媒を酸化触媒（ＤＯＣ）としてもよい。また、ＤＰＦ２４の再生処理動作としてポスト噴射を行う例を示したが、本発明が適用可能な範囲はポスト噴射には限られず、排気管内に直接燃料噴射を行う排気管噴射においても本発明は適用可能である。

上述の構成によれば、第１の触媒における入口と出口との前後差圧が所定値を超えたときに燃料噴射ノズル１５の作動タイミング（噴射時期）を進角側に移動させるので、燃料が燃焼室１４に早く噴射されることから燃焼する炭化水素量が増加して排気ガス中の未燃炭化水素量が減少し、第１の触媒に付着する未燃炭化水素量が減少することから第１の触媒に付着した不純物が焼却され、第１の触媒における担体表面が不純物により閉塞することを防止することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。この第２の実施形態では、ＥＣＵ９が燃料噴射ノズル１５の作動タイミング（噴射時期）を進角側に移動させたとき、この移動量に応じて燃料噴射ノズル１５による燃料噴射量を増加させる。本発明の第２の実施形態を示す図５において、各棒グラフＥ，Ｆ，Ｇはそれぞれ図４に示すクランク角−１８０度時、クランク角−１００度時、クランク角−１２０度時における燃料噴射ノズル１５からの燃料噴射量を示している。この第２の実施形態では、通常時であるクランク角−１８０度時における燃料噴射量を１００としたとき、クランク角−１００度時における燃料噴射量を１１０、クランク角−１２０度時における燃料噴射量を１０５とし、クランク角が−１８０度に近づくに連れて燃料噴射量が１００に近づくように制御する。

この構成により、ポスト噴射タイミングが進角側に移動するに従い燃料噴射量を第１の触媒の担体表面が不純物により閉塞しない程度に増量しているので、第１の実施形態における作用効果に加え、ＤＰＦ２４の再生処理動作時における触媒の温度上昇率を高めることができ、再生処理動作の効率を向上することができる。第２の実施形態において、燃料噴射ノズル１５からの単位時間当たりの燃料噴射量を増加させる方法としては、コモンレール２０からの燃料供給圧力を増加させて燃料噴射ノズル１５からの燃料噴射量を増加させる方法、燃料噴射ノズル１５が有する電磁弁の開閉時間を長くして燃料噴射時間を長くする方法、両方を併用する方法が挙げられる。

次に、本発明の第３の実施形態を説明する。この第３の実施形態では、ＤＰＦ２４への粒子状物質の堆積量が多くなるに連れて燃料噴射ノズル１５による燃料噴射量を増加させる。ＤＰＦ２４への粒子状物質の堆積量は差圧センサ３０の検出値からＥＣＵ９が推定し、差圧センサ３０の検出値と粒子状物質の堆積量との関係はマップ化されてＥＣＵ９内の記憶手段内に記憶されている。上述の構成によれば、ＤＰＦ２４への粒子状物質の堆積量が多くなるに連れてＤＰＦ２４の再生処理動作時における触媒の温度上昇率を高めることができ、粒子状物質の堆積量が増えるに従い再生処理動作の効率を段階的に向上することができる。

次に、本発明の第４の実施形態を説明する。この第４の実施形態では、ＤＰＦ２４の再生処理動作後にＮＴＣ２３に吸蔵された硫黄のＳパージを行ってＮＴＣ２３の清浄化を行う。従って、高温度を必要とするＮＴＣ２３のＳパージをＤＰＦ２４の再生処理動作後に続けて行うことで、ＤＰＦ２４の再生処理動作時に発生させた熱をＮＴＣ２３のＳパージに利用することができ、効率よくＮＴＣ２３のＳパージを実施することができる。なお、Ｓパージは、ＤＰＦ２４の再生処理動作が５回行われる度に１回の頻度で行われる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の実施の形態に記載された効果は本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１・・・内燃機関（エンジン）、３・・・排気通路、９・・・制御手段（ＥＣＵ）、１５・・・昇温手段（燃料噴射弁）、２３・・・第１の触媒（ＮＯｘトラップ触媒、ＮＴＣ）、２４・・・第２の触媒（ディーゼルパティキュレートフィルタ、ＤＰＦ）、２９・・・差圧検出手段（差圧センサ）

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に配設され排気ガスを浄化する第１の触媒と、前記第１の触媒よりも排気方向下流側に配設され排気ガスを浄化する第２の触媒と、前記第２の触媒の再生処理動作が必要と判断された際に燃焼ガスに対して燃料を噴射して前記第２の触媒を昇温させる昇温手段と、前記第１の触媒の入口と出口との差圧を検出する差圧検出手段と、前記昇温手段の作動を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記差圧検出手段の検出結果が前記再生処理動作の開始時に第１所定値を超えている場合には、前記再生処理動作中の前記昇温手段による燃料の噴射時期を所定の噴射時期から進角側に移動させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記制御手段は、前記差圧検出手段の検出結果が前記第１所定値を超えた以降は、前記差圧検出手段の検出結果が前記第１所定値より小さな第２所定値以下となるまで、前記再生処理動作中の前記昇温手段による燃料の噴射時期を、前記再生処理動作の開始時の差圧の減少に応じて前回の再生処理動作時の噴射時期より遅角側に移動させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記制御手段は、前記昇温手段による燃料の噴射時期が進角側に移動した際の移動量が大きいほど、前記昇温手段による燃料の噴射量を増加させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記第１の触媒がＮＯｘトラップ触媒であり前記第２の触媒が粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルタであることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ディーゼルパティキュレートフィルタへの前記粒子状物質の堆積量が多くなるに連れて前記昇温手段による燃料の噴射量を増加させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
6. 請求項４または５記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前記再生処理動作の後に、前記ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄のＳパージを行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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