JPH0447119A - 内燃機関の排気処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は主としてディーゼル機関の排気処理装置に関す
る。

（従来の技術） ディーゼル機関の排気中の微粒子（パーティキュレイト
）等の大気中への放出を防ぐため、排気通路に排気微粒
子を捕捉するフィルタを設置する場合、フィルタで捕集
した微粒子の堆積量にしたがって排圧が上昇すると、機
関性能に及ぼす影響も出てくるので、フィルタで捕捉し
た微粒子を定期的に燃焼させることによりフィルタの再
生を行っている。

このため、再生時期に達するとフィルタの上流に炭化水
素、−酸化炭素等の未燃燃料を供給し、捕集微粒子を燃
焼させる。ところが、フィルタ再生時の排気温度によっ
ては、フィルタが焼損する危険もあるため、燃料の供給
量等は十分に吟味する必要がある。

そこで特開昭５９−１２２７２１号公報では、機関回転
数の積算値からフィルタの再生時期を判定すると、燃料
の供給量をそのときの排気温度に応じて制御しながら再
生を行っている。

排気温度の高いときは捕集微粒子が自着穴するし、また
自着穴しないまでも少ない燃料によって確実に燃焼し、
これに対して排気温度が低いときは、燃焼に必要な燃料
の供給量も増加する。そこで再生時の排気温度に応じて
燃料供給量を増減することにより、フィルタの焼損を招
くことなく、効率の良い再生を行うようにしている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、再生に必要な燃料の供給量は、排気温度だけ
ではなく、再生時の実際の排気中の酸素流量によっても
変化するのであり、例えば再生中に機関回転数が減少し
て排気量が減ると、排気中の酸素に対する燃料濃度が濃
くなり過ぎ、異常燃焼によりフィルタが焼損することも
あり、また、温度が低く酸素流量が多いときに燃料が少
なければ燃焼は円滑に行なわれない。

したがって、再生開始時の排気温度にのみ依存して燃料
（炭化水素、−酸化炭素等）の供給量を一律に決定して
いるのでは、安定した燃焼特性が得られいぼかっか、燃
料消費効率やフィルタ耐久性等からも問題があった。

本発明は再生時の排気中の酸素流量と排気温度に基づい
て燃料の供給量を制御することにより、フィルタの耐久
性を損なうことな（、効率のよい安定した再生を行える
ようにした内燃機関の排気処理装置を提供することを目
的とする。

（課題を解決するための手段） そこで本発明は、第１図に示すように、機関の排気通路
５０に介装した酸化触媒を担持した捕集フィルタ５１と
、フィルタ５１の再生を行うためにフィルタ上流に燃料
を供給する手段５２と、機関運転状態を検出する手段５
３と、排気中の空燃比を検出する手段５４と、フィルタ
近傍の排気温度を検出する手段５５と、運転状態と空燃
比とから排気中の酸素流量を算出する手段５６と、フィ
ルタ再生時に前記酸素流量の増加に応じて燃料供給量を
増やすと共に排気温度の上昇に応して燃料供給量を減ら
すように再生燃料供給量を制御する手段５７とを備える
。

（作用） フィルタ再生時に、排気中には、排気温度に対応しつつ
排気中の酸素流量に対して所定の濃度となるように燃料
の供給量が制御される。

したがって、再生中の排気中の酸素流量が変動しても燃
料濃度が濃くなり過ぎたり、逆に薄くなり過ぎたりする
ことがなく、しかも、燃料の供給量は温度にも対応して
いるため、フィルタの捕集微粒子を安定して効率よく燃
焼させることができ、この結果フィルタ温度が異常に上
昇したり、あるいは温度が上がらずに未燃燃料が酸化し
ないでそのまま排出されるようなこともなくなる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図において、１は機関本体、２は吸気通路、３ｊよ
排気通路で、排気通路３には酸化触媒を担持させた排気
フィルタ４か年波される。

そして、このフィルタ４の上流側に位置して、排気中に
燃料（炭化水素、−酸化炭素等）を供給する燃料噴射弁
５が設けられる。この燃料噴射弁５はコントロールユニ
ット６からの信号で、後述するようにフィルタ４の再生
時に燃料が噴射制御される。

吸気通路２には吸入空気量を検出するためのエア７０−
７−タ７が設置され、また排気通路３の燃料噴射弁５の
上流には排気中の酸素濃度を検出する空燃比（０２）セ
ンサ９が設けられ、さらにフィルタ４の下流側近傍には
排気温度を検出するための温度センサ８が設置され、こ
れらの各検出値Ｑａ、Ａ／Ｆ、Ｔは、フィルタ４の前後
の圧力差を検出する圧力センサ１０の検出値ΔＰと共に
、フィルタ４の再生を行うための情報としてコントロー
ルユニット６に入力される。

コントロールユニット６は例えばフィルタ４の前後圧力
差から再生時期を判定しくフィルタ４の捕ｉ微粒子が増
えると前後差圧も比例的に増大する）、燃料噴射弁５を
開いてフィルタ４の上流に燃料を供給し、捕集された微
粒子を燃焼させる再生操作を行う。

そして、この再生燃料の供給量を、そのときの排気中の
酸素流量と排気温度に基づいて、第４図二も示すように
、基本的には排気中のｅｎ素沖晋の増加に応じて噴射量
を増やすと共に、排気温度の上昇に応じてこの噴射量を
相対的に減少させることにより、フィルタ４での触媒反
応が最良となるよう、排気酸素流量に対する燃料の濃度
を排気温度に対応した所定値に制御する。

ところで、排気中の酸素流量ＱＯ□は、そのときの運転
状態を代表する信号である吸入空気量Ｑａと、排気中の
酸素濃度Ａ／Ｆをもとに次式よって算出することができ
る。

Ｑ０２＝ｋＸ　Ｑａ本＋１−１４．７／（Ａ／Ｆ）！た
だしｋは酸素の比重量、１４，７は理論空燃比における
酸素重量をあられす。

燃料噴射が行なわれるのは、効率的な再生が可能な、排
気温度が２５０℃〜４５０℃までの範囲であって、排気
酸素流量に応じて燃料噴射量を増やしく数値が大きくな
るほど噴射量が増える）、同一の酸素流量ならば排気温
度が高くなるほど、燃料噴射量を減らしていき、最も効
率よくかつ安全に捕集微粒子を燃焼させることのできる
、触媒温度（はぼ４５０°Ｃ程度）を維持するようにす
る。

ただしこのうち、２５０℃から３００°Ｃの範囲は、フ
ィルタ４の触媒が必ずしも十分に活性化しないので、要
求量よりも燃料量を相対的に減らすことにより、一部の
燃料が酸化されずにそのまま排出されるのを防ぎつつ、
これを火種として触媒温度の上昇を促す。

また、排気温度が２５０℃以下の低温時には触媒の活性
化が不完全で、十分な酸化性能が維持できないため、さ
らに、４５０℃以上の高温時には燃料が無くでも自然に
捕集微粒子が燃焼して再生が行なわれるし、また、燃料
を供給することにより却ってフィルタ温度が異常に高ま
るのを防止するため、いずれの場合も燃料噴射は行わな
いようになっている。

なお、燃料噴射弁５には燃料噴射ポンプによって一定の
燃料圧力をかけておき、燃料噴射弁５を所定の周波数で
開閉させるとともに、その開弁時間割合を増減すること
により、燃料噴射量を制御することができる。もちろん
、この他にも、燃料噴射圧力を変化させて噴射量を制御
したり、あるいは、排気通路３に直接噴射するのではな
く、機関の排気行程で機関本体１の燃料噴射弁に噴射を
行わせることにより、未燃焼の成分を多く含む燃料を排
気通路３に送り出すようにしても良い。

次に、第３図に示すフローチャートを参照しながら、コ
ントロールユニット６において実行される制御動作につ
いて説明する。

Ｓｌでは各検出信号（吸入空気量Ｑａ、排気空燃比、Ａ
　／　Ｆ　、排気温度Ｔ、フィルタ前後圧力差ΔＰ）を
読込み、Ｓ２で現在再生中かどうかをみてから、再生中
でなければＳ３で前後圧力差ΔＰを所定値と比較して再
生時期にきたかどうか判断する。

再生時期にあるときは、再生フラグをオンにしてから、
Ｓ５で排気温度を下限設定値２５０°Ｃと比較し、それ
以上のときはさらに制限設定値３００°Ｃであるかどう
かを判断する（Ｓ６）。

触媒反応が維持できない下限設定値以下ときは最初に戻
り、再生燃料の噴射は一切停止し、未燃燃料がそのまま
排出されるのを防ぐ。

佃［阻　ｊ）　９　わ酊　ｔ、Ｊ　　半　ナー　シ　　
振　！＋　　　　＜；７ｉゆ　チ九　才？　１　１′　
〒巨生時間をカウントすると共に、さらにＬ成膜定値４
５０°Ｃ以下の範囲にあれば、Ｓ８から８９に進み、前
述したように、吸入空気量Ｑａと空燃比Ａ／Ｆから酸素
流量ＱＯ２を検索する。

さらにＳＩＯにおいて、燃料噴射量Ｑｆを検索する。

この燃料噴射量Ｑｆの検索は、前記制限設定値の範囲の
ときにも行なわれ、前述の第４図にも示したような、燃
料噴射量特性の設定マツプから、そのときの排気温度丁
と排気酸素ｒｉ！Ｌ量Ｑ５２に基づいて噴射量Ｑ［を算
出し、これを燃料噴射弁５に出力して燃料噴射を行う（
Ｓｉ４）。

排気通路３に噴射された燃料により、フィルタ４の触媒
反応で捕集されていた排気微粒子（カーボン等）が燃焼
する。そして、この燃料噴射量は、前記のとおり、排気
温度と酸素流量に対応して制御されるため、フィルタ４
においては安定した燃焼、再生が実現するのである。

つまり、もともと力燃焼が良好となる排気高温時には焼
Ｕを相対的に滅らしていき、また、酸素流量が増えるに
したがって燃料を増やすことにより、排気酸素流量に一
対する燃料成分の濃度を適正値に維持し、触媒が常に良
好に反応する温度領域を保つことにより、フィルタ４の
焼損を招いたり、未燃成分がそのまま排出されるような
現象を確実に防ぐのである。

次に８１２で再生に入ってから所定の時間に達したかど
うかを判断し、所定の時間が経過したならばＳ１３．１
４に移行して、再生時間をリセットし、再生中フラグを
オフにして、再生動作を終了する。

なお、Ｓ８で排気温度が上限設定値を越えているような
ときは、燃料供給を行わなくてもフィルタ４の再生が可
能なため、燃料噴射は行わず、そのまま８１２の再生経
過時間の判定に入る。

このようにして、フィルタ４の再生に必要十分な燃料を
供給し、未ｆＲＨＣの排出やフィルタ焼損を防止しつつ
良好な再生反応を維持することができるのである。

次に第５図の他の実施例を説明すると、これは排気通路
３にフィルタ４を迂回するバイパス通路１１を設けると
共に、このバイパス通路１１を開閉するバイパス弁１２
を設け、パーティキュレイトの発生の少ない領域でフン
トロールユニット６からの信号によってバイパス弁１２
を開くようにしたものである。

空燃比の大きい運転領域、つまり燃料噴射量の相対的に
少ない領域では、排気中の微粒子の発生量が少なく、こ
のようなときはフィルタ４をバイパスして排気を流すこ
とにより、排圧を下げることができ、運転性能を向上さ
せられる。

そのため、コントロールユニット６はバイパス弁１２を
駆動するダイヤフラム装置１３に対する作動圧力を電磁
弁１４を介して制御し、空燃比の所定値以上の領域でバ
イパス弁１２を開くのである。

第６図にコントロールユニット６で実行される制御動作
を示すが、第３図と異なり、Ｓ３で再生時期にないと判
断されたときは、Ｓ１５で空気比Ａ／Ｆが所定値以上か
どうかを判断し、もし大さいときはＳ１６でバイパス弁
１２を開いて、フィルタ４を迂回して排気を流す。

なお、空燃比が所定値以下のときはバイパス弁１２は閉
じたままに保持され、排気の全量がフィルタ４に流入し
、排気中の微粒子がフィルタ４で捕捉される。

その他の制御内容は第３図と同一のため、説明は省略す
る。

第７図の他の実施例は、ターボチャージャ付きのディー
ゼル撮関において、排気タービン１５の上流の排気通路
３にオーブン型のハニカム触媒１６を配置し、ハニカム
触媒１６によって排気微粒子中のＳＯＦ分（未燃燃料や
未燃オイルを主成分とする有機可溶成分）を酸化除去し
、下流のフィルタ４によってドライスートを捕集するも
のである。

排気中のＳＯＦ分はハニカム触媒１６の低温雰囲気でも
容易に酸化反応し、確実に除去することができ、また、
この反応熱により排気温度が高まり、下流のフィルタ４
の再生条件も改善される。

なお、空燃比の大きいときにフィルタ４をバイパスして
排気を流し、小さいときにバイパス弁１２を閉じること
は上記した第２の実施例と同じであり、したがって、タ
ーボチャージャを搭載したディーゼル機関特有の、加速
初期における過給圧の立ち上がりの遅れから発生するパ
ーティキュレイトの増大時に、空燃比の減少を検出して
バイパス弁１２を閉じることで、排出量を減じることが
できる。

この実施例では、フィルタ再生時の排気中の酸素流量を
検出するのに、エア７０−メータを用いる代わりに、運
転状態を代表する信号としての燃料噴射弁レバー開度セ
ンサ１７と、機関回転数センサ１８の出力から、気筒に
対する燃料噴射量ＱＦを求め、この燃料噴射量ＱＦと空
燃比センサの出力Ａ　／　Ｆから、次式により酸素流量
Ｑｏ２を算出している。

Ｑｏ、＝に京ＱＦ軍（Ａ／Ｆ　−１４，７＞このように
して求めた酸素流量に対応して再生に必要な燃料供給量
を算出することは、前記各実施例と同じであり、これに
よって良好なフィルタ４の再生操作が実現する。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、再生時に供給する燃料量
を、そのときの排気酸素流量と排気温度に応じて制御す
るので、排気中の燃料成分を酸素流量に対応した所定の
濃度に正確に維持することができ、この結果、フィルタ
での再生燃焼を最も効率よく安定して行わせることが可
能で、再生時のフィルタの焼損や未燃成分の排出を確実
に防止できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成図、第２図は同じくその実施例を
示す概略構成図、第３図はコントロールユニットで実行
される制御動作の７０−チャート、第４図は燃料噴射量
の制御特性図、第５図は第２の実施例の概略構成図、第
６図は同じくその制御動作の７０−チャート、第７図は
第３の実施例を示す概略構成図である。 １・・・機関本体、２・・・吸気通路、３・・・排気通
路、４・・・フィルタ、５・・・燃料噴射弁、６・・・
コントロールユニット、７・・・エア７０−メータ、８
・・・排気温度センサ、９・・・空燃比センサ、１０・
・・圧力センサ、１２・・・バイパス弁、１６・・・７
）ニカム触媒、１７・・・レバー開度センサ、１８・・
・機関回転数センサ。 ｗｓ２図 ９−−一空燃比℃ンサ １Ｏ−−Ａ力でンブ ３１３図 ｊＩ４図 排　気１ 友 （°Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　機関の排気通路に介装した酸化触媒を担持した捕
   集フィルタと、フィルタの再生を行うためにフィルタ上
   流に燃料を供給する手段と、機関の運転状態を検出する
   手段と、排気中の空燃比を検出する手段と、フィルタ近
   傍の排気温度を検出する手段と、運転状態と排気空燃比
   とから排気中の酸素流量を算出する手段と、フィルタ再
   生時に前記酸素流量の増加に応じて燃料供給量を増やす
   と共に排気温度の上昇に応じて燃料供給量を減らすよう
   に再生燃料供給量を制御する手段とを備えたことを特徴
   とする内燃機関の排気処理装置。