JP7159876B2 - 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。

内燃機関の排気通路には、内燃機関から発生する排気を浄化する触媒およびフィルタが設けられる。触媒としては、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する選択型還元型触媒（ＳＣＲ触媒：Selective Catalytic Reduction）などが用いられる。フィルタは粒状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集する。

フィルタに堆積したＰＭを燃焼することでフィルタを再生することができる。例えば内燃機関でリーン燃焼を行うことで排気中の酸素濃度を変化させ、フィルタ再生を行う技術が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１８－１７８９８１号公報

未燃燃料を触媒に供給することで排気の温度を上昇させ、フィルタを再生することができる。しかし、フィルタの温度が過剰に高くなると、フィルタが損傷してしまう。そこでフィルタの損傷を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する触媒と、前記排気通路のうち前記触媒よりも下流側に設けられ、粒状物質を捕集するフィルタと、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を未燃の状態で前記内燃機関から前記排気通路に導入する燃料導入部と、前記内燃機関の負荷の上限を制御する負荷制御部と、前記未燃の燃料の噴射終了時からの、前記内燃機関に流れる空気の積算量を取得する取得部と、を具備し、前記燃料が未燃の状態で前記排気通路に供給される場合、前記負荷制御部は、前記負荷の上限を、前記噴射前における前記負荷の上限である第１の制限値よりも低い第２の制限値とし、前記未燃の燃料の噴射終了時以降、前記積算量が所定量以下である場合、前記負荷制御部は前記負荷の上限を前記第２の制限値とし、前記積算量が所定量より大きい場合、前記負荷制御部は前記負荷の上限を前記第２の制限値よりも高くする排気浄化装置によって達成できる。

前記内燃機関の吸気通路に設けられたスロットルバルブを具備し、前記負荷制御部は前記スロットルバルブの開度の上限を制御することで、前記負荷の上限を制御してもよい。

フィルタの損傷を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供できる。

図１はハイブリッド車両を例示する模式図である。 図２は排気浄化装置を例示する模式図である。 図３は本実施形態におけるタイムチャートである。 図４はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。

以下、図面を参照して本実施形態の排気浄化装置１００について説明する。排気浄化装置１００はハイブリッド車両に搭載される。

（ハイブリッド車両）
図１はハイブリッド車両１を例示する模式図である。図１に示すように、ハイブリッド車両１はハイブリッドシステム９および内燃機関１０（エンジン）を搭載し、駆動輪１ａおよび１ｂを有する。ハイブリッド車両１は、バッテリ２が外部電源により充電可能なプラグインハイブリッド車両でもよい。内燃機関１０は例えばガソリンエンジンであり、燃料を燃焼させて動力を発生させる。

（ハイブリッドシステム）
ハイブリッドシステム９は、バッテリ２、インバータ３、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）４および５、動力分割機構６、リダクションギヤ７および減速機８を含む。ＭＧ４および５は、モータ機能（力行）および発電機能（回生）を有し、インバータ３を介してバッテリ２に接続されている。

動力分割機構６は例えばサンギヤ、プラネタリギヤおよびリングギヤを含む遊星歯車から構成され、内燃機関１０およびＭＧ４に連結され、かつ減速機８を介して駆動輪１ａに連結されている。内燃機関１０が出力する動力は、動力分割機構６により駆動輪１ａ側とＭＧ４側とに分割して伝達される。リダクションギヤ７はＭＧ５に連結され、減速機８を介して駆動輪１ａに連結されている。ＭＧ５が出力する動力はリダクションギヤ７および減速機８を介して駆動輪１ａに伝達される。

バッテリ２が放電する直流電力はインバータ３により交流電力に変換され、ＭＧ４または５に供給される。バッテリ２の充電に際しては、ＭＧ４または５が発電する交流電力はインバータ３により直流電力に変換され、バッテリ２に供給される。バッテリ２には電力の昇圧および降圧を行うコンバータが接続されてもよい。ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０については後述する。

（排気浄化装置）
図２は排気浄化装置１００を例示する模式図である。図２に示すように、排気浄化装置１００は内燃機関１０に適用され、ＥＣＵ５０、ＳＣＲ触媒４０およびフィルタ４２を備える。

内燃機関１０は例えば４つの気筒＃１～＃４を有する四気筒のガソリンエンジンであり、車両に搭載される。内燃機関１０の気筒＃１～＃４はインテークマニホールド２２およびエキゾーストマニホールド２４に接続されている。インテークマニホールド２２の上流側には吸気通路２０が接続されている。エキゾーストマニホールド２４の下流側に排気通路２６が接続されている。

吸気通路２０には上流側から順に、エアフロ―メータ２１、ターボチャージャ３６のコンプレッサ３６ａ、インタークーラ２５およびスロットルバルブ３０が設けられている。エアフロ―メータ２１は吸気通路２０に導入される空気量を測定する。コンプレッサ３６ａが回転することで吸気を過給する。インタークーラ２５は吸気を冷却する。スロットルバルブ３０の開度により吸気の流量を調整する。吸気はインテークマニホールド２２を通じて気筒＃１～＃４に導入される。

各気筒には燃料噴射弁１２および点火プラグ１４が設けられている。また、インテークマニホールド２２には気筒に対応して４つの燃料噴射弁１３が設けられている。燃料噴射弁１２および１３はコモンレール１８に接続されている。ポンプ１６からコモンレール１８へと高圧の燃料が供給され、燃料噴射弁１２が開弁すると、燃料が気筒内に噴射される。燃料噴射弁１３は燃料のポート噴射を行う。内燃機関１０は燃料噴射弁１２および１３の少なくとも一方を有していればよい。

気筒内において燃料と空気とが圧縮され、点火プラグ１４が混合気に点火する。燃焼で発生する排気はエキゾーストマニホールド２４および排気通路２６を通じて排出される。

インテークマニホールド２２とエキゾーストマニホールド２４とはＥＧＲ通路２８により接続されている。排気の一部はＥＧＲ通路２８を通りインテークマニホールド２２内の吸入空気に合流する。ＥＧＲ通路２８にはＥＧＲバルブ３２およびＥＧＲクーラ３４が設けられている。ＥＧＲバルブ３２の開度を調整することでＥＧＲ通路２８内の排気の循環量が調整される。ＥＧＲクーラ３４はＥＧＲ通路２８内の排気の温度を低下させる。

排気通路２６には、上流側から順に、ターボチャージャ３６のタービン３６ｂ、空燃比センサ４１、ＳＣＲ触媒４０、温度センサ４３、およびフィルタ４２が設けられている。排気が流れ込むことでタービン３６ｂおよびコンプレッサ３６ａが回転し、吸気を過給する。空燃比センサ４１は空燃比を検出する。温度センサ４３は排気の温度を測定する。

ＳＣＲ触媒４０は排気中のＮＯｘを還元浄化する、選択還元型の触媒である。フィルタ４２は例えば多孔質のセラミックなどで形成されたＧＰＦ（ガソリンパティキュレートフィルタ）であり、排気中のＰＭ（微粒子物質）を捕集する。フィルタ４２にはＰＭの酸化を促進する触媒が担持されてもよい。差圧センサ４４はフィルタ４２の上流側と下流側とに設けられた２つの圧力センサを含み、これらの圧力からＥＣＵ５０はフィルタ４２前後の差圧を検出する。

フィルタ４２に堆積したＰＭを燃焼させて除去することで、フィルタ４２を再生する再生処理が行われる。所定の温度以上であり、かつ酸素を含む排気がフィルタ４２に流れることで、ＰＭが燃焼する。燃料噴射弁１２または１３から噴射した燃料を燃焼させずに排気通路２６に導入させ、未燃燃料がＳＣＲ触媒４０に流れることで排気が昇温する。こうして生成された高温の排気がフィルタ４２に流れることで、フィルタ４２の再生が行われる。なお、フィルタ４２の再生を目的とした燃料噴射を再生噴射と記載することがある。

しかし、フィルタ４２の温度が過剰に上昇するとフィルタ４２が損傷してしまう。フィルタ再生中にはフィルタ４２に堆積したＰＭが燃焼するため、フィルタ４２が昇温する。特に、未燃燃料の噴射後には高温の排気が発生し、噴射後にハイブリッド車両１が加速すると、高温の排気がフィルタ４２に多く流れる。このため温度が大きく上昇する恐れがある。本実施形態では内燃機関１０の負荷率を引き下げることでフィルタ４２の昇温を抑制する。

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶装置等を備え、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。ＥＣＵ５０は、エアフロ―メータ２１が検出する空気量を取得し、所定の期間における空気量を積算することができる。ＥＣＵ５０は、空燃比センサ４１が検出する空燃比を取得し、温度センサ４３が取得する排気の温度を取得し、差圧センサ４４の検出する圧力に基づきフィルタ４２の前後の差圧を取得する。

ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁１２および１３による燃料噴射、点火プラグ１４による点火を制御し、スロットルバルブ３０およびＥＧＲバルブ３２の開度を制御する。ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁１２および１３の少なくとも一方から燃料を噴射させ、点火プラグ１４による点火を行わないことで、燃料を未燃の状態で排気通路２６に導入する燃料導入部として機能する。ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の負荷率の制限値を定める負荷制御部として機能し、スロットルバルブ３０の開度を制御することで負荷率が制限値以内になるように制御する。

図３は本実施形態におけるタイムチャートであり、上段から順に車速、再生噴射、ＳＣＲ触媒４０の温度（触媒温度）、フィルタ４２の温度（フィルタ温度）、内燃機関１０の負荷率、積算空気量を表す。図中の破線は比較例を表し、実線は実施形態を表す。

負荷率とは最大の負荷を１００％としたときの負荷の比率であり、負荷率の増加および低下はそれぞれ負荷の増加及び低下を意味する。負荷とは例えばスロットルバルブ３０の開度であり、負荷および負荷率が大きいほどスロットルバルブ３０の開度が大きい。Ｌ１およびＬ２は負荷率の制限値（上限）であり、Ｌ２はＬ１より低く、例えばＬ１の７割以上、９割以下である。積算空気量は、時間ｔ１以後に吸気通路２０に導入される空気の量の積算値を表す。

図３に示すように、時間ｔ０に燃料の再生噴射が開始され、時間ｔ１に終了する。再生噴射により触媒温度は上昇する。車速は、再生噴射中は低下し、噴射後から増加する。ＥＣＵ５０は、例えばドライバのアクセル踏み込み度合いなどに応じて、スロットルバルブ３０の開度（負荷）を制御する。

比較例においては、負荷率の制限値がＬ１で一定である。再生噴射の終了後に負荷率は上昇し、上限であるＬ１に達する。このためＳＣＲ触媒４０からフィルタ４２へと高温の排気が流入し、触媒温度も上昇し、Ｔ１に到達する。この結果、フィルタ４２が熱により溶融する恐れがある。

一方、実施形態においては、時間ｔ１以前および時間ｔ２以後における負荷率の制限値はＬ１であり、ｔ１からｔ２までの期間では制限値はＬ１より低いＬ２である。このため、再生噴射後の負荷率は最大でもＬ２であり、比較例より低くなる。これにより排気の流量が減少し、フィルタ４２の昇温が抑制される。図３に示すように、フィルタ温度はＴ１までは上昇せず、Ｔ１より低いＴ２になり、そのあとは低下する。したがってフィルタ４２の損傷が抑制される。

時間ｔ２において、再生噴射終了後からの積算された積算空気量がＡ０に達する。このとき、負荷率の制限値はＬ２からＬ１に戻る。積算空気量がＡ０になると排気も十分に多く流れており、再生噴射により高温になった排気はフィルタ４２の下流側に流出したと考えられる。したがって制限値をＬ１に戻しても、フィルタ４２の損傷の恐れは小さい。

図４はＥＣＵ５０が実行する制御を例示するフローチャートである。図４に示すように、ＥＣＵ５０は再生噴射を実行し（ステップＳ１０）、燃料噴射弁１２および１３の少なくとも一方から噴射した燃料を燃焼させずに排気通路２６に導入する。ＥＣＵ５０は再生噴射中であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ５０は負荷率の制限値をＬ１とする（ステップＳ１４）。この状態は図３の時間ｔ０～ｔ１に対応する。

一方、否定判定（Ｎｏ）の場合、ＥＣＵ５０は空気量を積算して積算空気量Ａを取得し（ステップＳ１６）、積算空気量ＡがＡ０以下であるか否かを判定する（ステップＳ１８）。否定判定の場合、ＥＣＵ５０は負荷率の制限値をＬ１とする（ステップＳ１４）。この状態は図３の時間ｔ２以後に対応する。肯定判定の場合、ＥＣＵ５０は負荷率の制限値をＬ２とする（ステップＳ２０）。この状態は図３の時間ｔ１～ｔ２に対応する。以上で制御は終了する。

本実施形態によれば、未燃燃料の供給後、ＥＣＵ５０は負荷率の制限値を供給前の制限値Ｌ１よりも低いＬ２とする。これにより高温の排気がフィルタ４２に流れにくくなり、フィルタ４２の昇温が抑制されＴ１より低いＴ２程度に抑えられる。この結果、フィルタ４２の損傷が抑制される。

負荷率の制限値は、具体的にはスロットルバルブ３０の開度の上限に対応する。つまり、制限値がＬ１の場合に比べ、制限値がＬ２の場合は開度の上限が小さい。したがって開度が絞られ、内燃機関１０に導入される空気量および排出される排気量が減少する。この結果、排気によるフィルタ４２の昇温が抑制される。

噴射終了の後に制限値をＬ１からＬ２にすることもできる。しかし、再生噴射後の加速中に負荷に制限がかかることでドライバビリティが悪化する。ＥＣＵ５０は、未燃燃料の噴射中には制限値をＬ１とし、終了時のｔ１からｔ２において制限値をＬ２とする。噴射終了と同時に制限値をＬ２に引き下げることで、未燃燃料の影響により高温になった排気の流量を低下させ、フィルタ４２の昇温を効果的に抑制することができる。また、ドライバビリティの悪化が抑制される。なお、ＥＣＵ５０は、例えば噴射中（ｔ０～ｔ１）に制限値をＬ２に変化させてもよい。

図３に示すように、再生噴射後にフィルタ温度はＴ２まで上昇するため、フィルタ４２に堆積したＰＭは燃焼する。すなわち、本実施形態によれば、フィルタ４２の過剰な昇温の抑制と再生との両立が可能である。

ＥＣＵ５０は、再生噴射の終了後からの積算空気量Ａを取得し、Ａが閾値Ａ０以下ならば制限値をＬ２とし（図３のｔ１～ｔ２）、ＡがＡ０を上回ると制限値をＬ１とする（ｔ２以後）。図３のｔ１～ｔ２の期間では再生噴射により高温になった排気がフィルタ４２に流入しているため、過剰に昇温する恐れがある。そこで制限値をＬ２にすることで昇温を抑制する。一方、積算空気量ＡがＡ０より多くなると高温になった排気は、フィルタ４２より下流側に流れている。このため、制限値をＬ２からＬ１に引き上げても、過剰な昇温の恐れは小さい。また、制限値がＬ１になることで、スロットルバルブ３０の開度が大きくなり、内燃機関１０の出力増加が可能である。この結果、ドライバの要求する出力が得られ、ドライバビリティが改善する。なお時間ｔ２以後の制限値はＬ２より高ければよく、Ｌ１に等しくてもよいし、Ｌ１と異なってもよい。

図１に示すようにハイブリッド車両１は、駆動源として内燃機関１０のほかにＭＧ５を有する。したがって、図３の時間ｔ１～ｔ２のように負荷率をＬ２で制限している期間には、ＭＧ５が駆動力を発生させてもよい。これによりドライバビリティが改善する。

内燃機関１０はガソリンエンジンでありフィルタ４２はＧＰＦとしたが、内燃機関１０はディーゼルエンジンでありフィルタ４２はＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）でもよい。ディーゼルエンジンにおいては例えばポスト噴射などで未燃燃料を供給する。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ ハイブリッド車両
１ａ、１ｂ 駆動輪
２ バッテリ
４、５ ＭＧ
６ 動力分割機構
７ リダクションギヤ
８ 減速機
９ ハイブリッドシステム
１０ 内燃機関
１１ ＥＣＵ
１２ 燃料噴射弁
１４ 点火プラグ
１６ ポンプ
１８ コモンレール
２０ 吸気通路
２２ インテークマニホールド
２４ エキゾーストマニホールド
２５ インタークーラ
２６ 排気通路
３０ スロットルバルブ
３２ ＥＧＲバルブ
３４ ＥＧＲクーラ
３６ ターボチャージャ
３６ａ コンプレッサ
３６ｂ タービン
４０ ＳＣＲ触媒
４１ 空燃比センサ
４２ フィルタ
４３ 温度センサ
４４ 差圧センサ
５０ ＥＣＵ
１００ 排気浄化装置

Claims (2)

1. 内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する触媒と、
   前記排気通路のうち前記触媒よりも下流側に設けられ、粒状物質を捕集するフィルタと、
   前記燃料噴射弁から噴射された燃料を未燃の状態で前記内燃機関から前記排気通路に導入する燃料導入部と、
   前記内燃機関の負荷の上限を制御する負荷制御部と、
   前記未燃の燃料の噴射終了時からの、前記内燃機関に流れる空気の積算量を取得する取得部と、を具備し、
   前記燃料が未燃の状態で前記排気通路に供給される場合、前記負荷制御部は、前記負荷の上限を、前記噴射前における前記負荷の上限である第１の制限値よりも低い第２の制限値とし、
   前記未燃の燃料の噴射終了時以降、
   前記積算量が所定量以下である場合、前記負荷制御部は前記負荷の上限を前記第２の制限値とし、
   前記積算量が所定量より大きい場合、前記負荷制御部は前記負荷の上限を前記第２の制限値よりも高くする排気浄化装置。
2. 前記内燃機関の吸気通路に設けられたスロットルバルブを具備し、
   前記負荷制御部は前記スロットルバルブの開度の上限を制御することで、前記負荷の上限を制御する請求項１に記載の排気浄化装置。
   

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