WO2014017349A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification device for an internal combustion engine.
  • Particulate matter such as soot discharged from the diesel engine is collected by the particulate filter. Therefore, a casing that accommodates the particulate filter and the oxidation catalyst is attached to the exhaust pipe of the diesel engine.
  • particulate filter regeneration when the particulate matter is accumulated in the particulate filter in a predetermined amount or more, post injection (fuel is injected in the exhaust stroke) by the fuel injection device or exhaust pipe injection (fuel is injected into the exhaust pipe) by the exhaust injection valve is performed.
  • the fuel injected at that time is oxidized with an oxidation catalyst to raise the temperature of the exhaust gas, and the particulate matter deposited on the particulate filter is oxidized to CO 2 . This is called particulate filter regeneration.
  • an object of the present invention is to raise the temperature of the exhaust gas without performing post injection and exhaust pipe injection during regeneration of the particulate filter.
  • an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine is provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, a filter that collects particulate matter in exhaust gas, and an exhaust upstream of the filter.
  • a fuel injection device for injecting fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine, an operating state detecting means for detecting an operating state of the internal combustion engine, and the operating state detecting means
  • Fuel injection pressure control means for controlling the fuel injection pressure of the fuel injection device according to the operating state of the internal combustion engine, and regeneration timing determination means for determining the regeneration timing of the filter
  • the means controls the fuel injection pressure of the fuel injection device according to the operating state of the internal combustion engine when the regeneration timing determination means determines that it is the regeneration timing of the filter. It is intended to lower than the fuel injection pressure that.
  • the fuel injection device may be a common rail fuel injection device.
  • the fuel injection pressure control means controls the fuel injection pressure of the fuel injection device according to the operating state of the internal combustion engine when the regeneration timing determination means determines that it is the regeneration timing of the filter. It may be a value half the pressure.
  • the present invention there is an excellent effect that the temperature of the exhaust gas can be raised without performing post injection and exhaust pipe injection during regeneration of the particulate filter.
  • FIG. 1 is a schematic view of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
  • A is a figure which shows the relationship between fuel-injection pressure and in-cylinder pressure
  • (b) is a figure which shows the relationship between fuel-injection pressure and a heat release rate.
  • an exhaust emission control device 10 includes a particulate filter (filter) 13 provided in an exhaust pipe (exhaust passage) 12 of a diesel engine (internal combustion engine) 11, and a particulate filter 13.
  • An oxidation catalyst 14 provided in the exhaust pipe 12 upstream of the exhaust, a fuel injection device 15 that injects fuel into the combustion chamber of the diesel engine 11, and an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) 16 are provided.
  • an intake pipe 18 is connected to the intake manifold 17 of the diesel engine 11, and an exhaust pipe 12 is connected to the exhaust manifold 19 of the diesel engine 11.
  • An intake valve 20 is provided for each cylinder in the intake port of the diesel engine 11, and an exhaust valve 21 is provided for each cylinder in the exhaust port of the diesel engine 11.
  • the particulate filter 13 is regenerated by collecting particulate matter (PM) such as soot in the exhaust gas and burning and removing the accumulated particulate matter.
  • the particulate filter 13 is formed, for example, by carrying a catalyst component on a wall flow type filter main body (porous plugged ceramic honeycomb) (particulate filter with catalyst).
  • the oxidation catalyst 14 raises the temperature of the exhaust gas supplied to the particulate filter 13 by oxidizing unburned fuel components contained in the exhaust gas and generating oxidation heat.
  • the oxidation catalyst 14 is formed, for example, by supporting a catalyst component on a carrier made of a ceramic honeycomb or the like.
  • the particulate filter 13 and the oxidation catalyst 14 are accommodated in series in a casing 22 attached to the exhaust pipe 12 of the diesel engine 11.
  • a differential pressure sensor 23 that detects the differential pressure before and after the particulate filter 13 is attached to the casing 22.
  • the fuel injection device 15 is a common rail fuel injection device. Specifically, the fuel injection device 15 includes a fuel injection valve 24 provided for each cylinder of the diesel engine 11, a common rail 25 that stores high-pressure fuel supplied to the fuel injection valve 24, and fuel to the common rail 25. And a fuel injection pump 26 for pumping. The fuel injection device 15 performs main injection that injects fuel at least near the compression top dead center (see FIG. 2B). A common rail pressure sensor 27 that detects a common rail pressure that is a fuel pressure in the common rail 25 is attached to the common rail 25. Further, the fuel injection pump 26 is provided with a pressure adjusting valve 28 for increasing and decreasing the fuel injection pressure of the fuel injection device 15.
  • ECU16 performs various controls of diesel engine 11 and fuel injection device 15 grade. In order to perform these various controls, the ECU 16 receives output signals from various sensors such as the differential pressure sensor 23, the common rail pressure sensor 27, the engine rotation sensor 29, and the accelerator opening sensor 30.
  • the ECU 16 includes an operation state detection unit 31, a fuel injection pressure control unit 32, and a regeneration timing determination unit 33 as functional elements.
  • the operating state detection unit 31, the fuel injection pressure control unit 32, and the regeneration timing determination unit 33 may be provided in hardware different from the ECU 16.
  • the operating state detection unit 31 detects the operating state of the diesel engine 11.
  • the driving state detection unit 31 detects the driving state of the diesel engine 11 based on, for example, the output value of the engine rotation sensor 29 and the engine load obtained from the output value of the accelerator opening sensor 30.
  • the engine rotation sensor 29, the accelerator opening sensor 30, and the operation state detection unit 31 of the ECU 16 constitute the operation state detection means of the present invention.
  • the fuel injection pressure control unit 32 controls the fuel injection pressure of the fuel injection device 15 according to the operation state of the diesel engine 11 detected by the operation state detection unit 31.
  • the fuel injection device 15 changes the opening of the pressure adjustment valve 28 provided in the fuel injection pump 26 of the fuel injection device 15 so that the detection value of the common rail pressure sensor 27 becomes a target value, thereby injecting the fuel.
  • the fuel injection pressure of the device 15 is controlled.
  • the fuel injection pressure control unit 32 basically increases the fuel injection pressure of the fuel injection device 15 as the engine rotation and the engine load increase.
  • the fuel injection pressure control unit 32 reduces the fuel injection pressure of the fuel injection device 15 when it is necessary to increase the temperature of the exhaust gas (when the particulate filter 13 is regenerated). Specifically, the fuel injection pressure control unit 32 determines the fuel injection pressure of the fuel injection device 15 in the operating state of the diesel engine 11 when the regeneration timing determination unit 33 determines that it is the regeneration time of the particulate filter 13. The fuel injection pressure is controlled to be lower than the fuel injection pressure.
  • the fuel injection pressure control unit 32 determines the fuel injection pressure of the fuel injection device 15 when the regeneration timing determination unit 33 determines that it is the regeneration time of the particulate filter 13 based on the operating state of the diesel engine 11.
  • the value is half of the controlled fuel injection pressure. That is, assuming that the fuel injection pressure controlled based on the operation state of the diesel engine 11 is 160 MPa (1600 atm), the fuel when the regeneration timing determination unit 33 determines that the particulate filter 13 regeneration time is reached.
  • the fuel injection pressure of the injection device 15 is 80 MPa (800 atm).
  • the common rail pressure sensor 27, the pressure adjusting valve 28, and the fuel injection pressure control unit 32 of the ECU 16 constitute the fuel injection pressure control means of the present invention.
  • the regeneration time determination unit 33 determines the regeneration time of the particulate filter 13. For example, the regeneration time determination unit 33 determines that it is the regeneration time of the particulate filter 13 when the detection value of the differential pressure sensor 23 is equal to or greater than a predetermined threshold.
  • the differential pressure sensor 23 and the regeneration timing determination unit 33 of the ECU 16 constitute a regeneration timing determination means of the present invention.
  • the fuel injection pressure control unit 32 of the ECU 16 switches to the actuator of the pressure adjustment valve 28.
  • an output signal for controlling the opening of the pressure regulating valve 28 to the open side is output. Then, by controlling the opening of the pressure regulating valve 28 to the open side, the amount of fuel relieved from the fuel injection pump 26 to the fuel tank (not shown) increases, and the fuel injection pressure of the fuel injection device 15 decreases. .
  • Fig. 2 shows an experimental example with a 4.2L diesel engine.
  • the heat generation rate generation time (combustion period) increases as the fuel injection pressure decreases.
  • the generation time of the heat generation rate becomes longer, so that the temperature of the exhaust gas rises.
  • the exhaust gas temperature required for regeneration of the particulate filter 13 can be increased simply by lowering the fuel injection pressure of the fuel injection device 15. Therefore, when the particulate filter 13 is regenerated, the temperature of the exhaust gas can be increased without performing post injection and exhaust pipe injection.
  • the regeneration time of the particulate filter 13 is determined based on the detection value of the differential pressure sensor 23 is shown, but the present invention is not limited to this.
  • the regeneration time of the particulate filter 13 may be determined based on a detection value of a travel distance sensor of a vehicle on which the diesel engine 11 is mounted.
  • Exhaust purification device 11 Diesel engine (internal combustion engine) 12 Exhaust pipe (exhaust passage) 13 Particulate filter (filter) 14 Oxidation catalyst 15 Fuel injection device 23 Differential pressure sensor (regeneration time determination means) 27 Common rail pressure sensor (fuel injection pressure control means) 28 Pressure regulating valve (fuel injection pressure control means) 29 Engine rotation sensor (operating state detection means) 30 accelerator opening sensor (operating state detection means) 31 Operation state detection unit (operation state detection means) 32 Fuel injection pressure control unit (fuel injection pressure control means) 33 Regeneration time determination unit (regeneration time determination means)

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Abstract

　パティキュレートフィルタの再生時に、ポスト噴射及び排気管噴射を行うことなく、排気ガスの温度を上昇させる。　内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタ（１３）と、フィルタ（１３）よりも排気上流側の排気通路に設けられる酸化触媒（１４）と、燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射する燃料噴射装置（１５）と、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段（３１）と、運転状態検出手段（３１）により検出される内燃機関の運転状態に応じて燃料噴射装置（１５）の燃料噴射圧力を制御する燃料噴射圧力制御手段（３２）と、フィルタ（１３）の再生時期を判定する再生時期判定手段（３３）とを備え、燃料噴射圧力制御手段（３２）は、再生時期判定手段（３３）がフィルタ（１３）の再生時期であると判定した場合に、燃料噴射装置（１５）の燃料噴射圧力を内燃機関の運転状態に応じて制御される燃料噴射圧力よりも下げる。

Description

内燃機関の排気浄化装置
　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た煤等の粒子状物質は、パティキュレートフィルタにより捕集される。そのため、ディーゼルエンジンの排気管に、パティキュレートフィルタ及び酸化触媒を収容するケーシングが取り付けられる。
　そして、粒子状物質がパティキュレートフィルタに規定量以上堆積したら、燃料噴射装置によるポスト噴射（排気行程で燃料を噴射）乃至は排気噴射弁による排気管噴射（排気管内に燃料を噴射）を行い、その際に噴射された燃料を酸化触媒で酸化させて排気ガスの温度を上昇させ、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を酸化させＣＯ2とする。これをパティキュレートフィルタの再生という。
特開２００６－２７４９８３号公報
　上記のパティキュレートフィルタの再生時には、ポスト噴射乃至は排気管噴射を行うことで燃料を余計に消費するため、燃費が悪化してしまう。そのため、排気弁の開き時期を早めることで、排気ガスの温度を上昇させる排気浄化装置もあるが、可変動弁機構が必要となり高価格なディーゼルエンジンとなってしまう。
　そこで、本発明の目的は、パティキュレートフィルタの再生時に、ポスト噴射及び排気管噴射を行うことなく、排気ガスの温度を上昇させることにある。
　上述の目的を達成するために、本発明に係る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、排気ガス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前記排気通路に設けられる酸化触媒と、燃料を前記内燃機関の燃焼室内に噴射する燃料噴射装置と、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段により検出される前記内燃機関の運転状態に応じて前記燃料噴射装置の燃料噴射圧力を制御する燃料噴射圧力制御手段と、前記フィルタの再生時期を判定する再生時期判定手段とを備え、前記燃料噴射圧力制御手段は、前記再生時期判定手段が前記フィルタの再生時期であると判定した場合に、前記燃料噴射装置の燃料噴射圧力を前記内燃機関の運転状態に応じて制御される燃料噴射圧力よりも下げるものである。
　前記燃料噴射装置は、コモンレール式燃料噴射装置であっても良い。
　前記燃料噴射圧力制御手段は、前記再生時期判定手段が前記フィルタの再生時期であると判定した場合の前記燃料噴射装置の燃料噴射圧力を、前記内燃機関の運転状態に応じて制御される燃料噴射圧力の半分の値とするものであっても良い。
　本発明によれば、パティキュレートフィルタの再生時に、ポスト噴射及び排気管噴射を行うことなく、排気ガスの温度を上昇させることができるという優れた効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略図である。 （ａ）は燃料噴射圧力と気筒内圧力との関係を示す図であり、（ｂ）は燃料噴射圧力と熱発生率との関係を示す図である。
　以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
　図１に示すように、本実施形態に係る排気浄化装置１０は、ディーゼルエンジン（内燃機関）１１の排気管（排気通路）１２に設けられたパティキュレートフィルタ（フィルタ）１３と、パティキュレートフィルタ１３よりも排気上流側の排気管１２に設けられた酸化触媒１４と、燃料をディーゼルエンジン１１の燃焼室内に噴射する燃料噴射装置１５と、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１６とを備える。
　図１に示すディーゼルエンジン１１では、ディーゼルエンジン１１の吸気マニホールド１７に吸気管１８が接続されており、ディーゼルエンジン１１の排気マニホールド１９には排気管１２が接続されている。また、ディーゼルエンジン１１の吸気ポートに吸気弁２０が気筒毎に設けられており、ディーゼルエンジン１１の排気ポートには排気弁２１が気筒毎に設けられている。
　パティキュレートフィルタ１３は、排気ガス中の煤等の粒子状物質（ＰＭ）を捕集すると共に、堆積した粒子状物質を燃焼除去することで再生される。パティキュレートフィルタ１３は、例えば、ウォールフロータイプのフィルタ本体（多孔質の目封じ型セラミックハニカム）に触媒成分を担持して形成される（触媒付パティキュレートフィルタ）。
　酸化触媒１４は、排気ガスに含まれる未燃燃料成分等を酸化させて酸化熱を発生させることで、パティキュレートフィルタ１３に供給される排気ガスの温度を上昇させる。酸化触媒１４は、例えば、セラミックハニカム等からなる担体に触媒成分を担持して形成される。
　パティキュレートフィルタ１３及び酸化触媒１４は、ディーゼルエンジン１１の排気管１２に取り付けられたケーシング２２内に直列に並べて収容されている。ケーシング２２には、パティキュレートフィルタ１３前後の差圧を検出する差圧センサ２３が装着されている。
　燃料噴射装置１５は、コモンレール式燃料噴射装置である。具体的には、燃料噴射装置１５は、ディーゼルエンジン１１の気筒毎に設けられた燃料噴射弁２４と、燃料噴射弁２４に供給する高圧の燃料を貯留するコモンレール２５と、燃料をコモンレール２５へと圧送する燃料噴射ポンプ２６とを有する。燃料噴射装置１５は、少なくとも、圧縮上死点近傍で燃料を噴射するメイン噴射を実行するようになっている（図２（ｂ）参照）。コモンレール２５には、コモンレール２５内の燃料圧力であるコモンレール圧を検出するコモンレール圧センサ２７が装着されている。また、燃料噴射ポンプ２６には、燃料噴射装置１５の燃料噴射圧力を上げ下げするために、圧力調整弁２８が設けられている。
　ＥＣＵ１６は、ディーゼルエンジン１１及び燃料噴射装置１５等の各種制御を行うものである。この各種制御を行うため、ＥＣＵ１６には、差圧センサ２３、コモンレール圧センサ２７、エンジン回転センサ２９及びアクセル開度センサ３０等の各種センサの出力信号が入力される。
　また、ＥＣＵ１６は、運転状態検出部３１と燃料噴射圧力制御部３２と再生時期判定部３３とを機能要素として含む。なお、運転状態検出部３１、燃料噴射圧力制御部３２及び再生時期判定部３３は、ＥＣＵ１６とは別のハードウェアに設けられていても良い。
　運転状態検出部３１は、ディーゼルエンジン１１の運転状態を検出する。運転状態検出部３１は、例えば、エンジン回転センサ２９の出力値と、アクセル開度センサ３０の出力値から求められるエンジン負荷とに基づいて、ディーゼルエンジン１１の運転状態を検出する。
　なお、本実施形態では、エンジン回転センサ２９とアクセル開度センサ３０とＥＣＵ１６の運転状態検出部３１とが、本発明の運転状態検出手段を構成する。
　燃料噴射圧力制御部３２は、運転状態検出部３１により検出されたディーゼルエンジン１１の運転状態に応じて燃料噴射装置１５の燃料噴射圧力を制御する。燃料噴射装置１５は、例えば、コモンレール圧センサ２７の検出値が目標値となるように燃料噴射装置１５の燃料噴射ポンプ２６に設けられた圧力調整弁２８の開度を変更することで、燃料噴射装置１５の燃料噴射圧力を制御する。また、燃料噴射圧力制御部３２は、基本的にエンジン回転やエンジン負荷が高くなるほど、燃料噴射装置１５の燃料噴射圧力を高くするようになっている。
　また、燃料噴射圧力制御部３２は、排気ガスの温度を上昇させる必要があるとき（パティキュレートフィルタ１３の再生時）に、燃料噴射装置１５の燃料噴射圧力を下げる。具体的には、燃料噴射圧力制御部３２は、再生時期判定部３３によりパティキュレートフィルタ１３の再生時期であると判定された場合に、燃料噴射装置１５の燃料噴射圧力をディーゼルエンジン１１の運転状態に基づいて制御される燃料噴射圧力よりも下げる。
　燃料噴射圧力制御部３２は、例えば、再生時期判定部３３によりパティキュレートフィルタ１３の再生時期であると判定された場合の燃料噴射装置１５の燃料噴射圧力を、ディーゼルエンジン１１の運転状態に基づいて制御される燃料噴射圧力の半分の値とする。即ち、ディーゼルエンジン１１の運転状態に基づいて制御される燃料噴射圧力が１６０ＭＰａ（１６００気圧）であるとすると、再生時期判定部３３によりパティキュレートフィルタ１３の再生時期であると判定された場合の燃料噴射装置１５の燃料噴射圧力は８０ＭＰａ（８００気圧）となる。
　なお、本実施形態では、コモンレール圧センサ２７と圧力調整弁２８とＥＣＵ１６の燃料噴射圧力制御部３２とが、本発明の燃料噴射圧力制御手段を構成する。
　再生時期判定部３３は、パティキュレートフィルタ１３の再生時期を判定する。再生時期判定部３３は、例えば、差圧センサ２３の検出値が所定の閾値以上となったときに、パティキュレートフィルタ１３の再生時期であると判定する。
　なお、本実施形態では、差圧センサ２３とＥＣＵ１６の再生時期判定部３３とが、本発明の再生時期判定手段を構成する。
　次に、本実施形態に係る排気浄化装置１０の作用効果を説明する。
　本実施形態に係る排気浄化装置１０では、ＥＣＵ１６の再生時期判定部３３によりパティキュレートフィルタ１３の再生時期であると判定されると、ＥＣＵ１６の燃料噴射圧力制御部３２から圧力調整弁２８のアクチュエータに対して圧力調整弁２８の開度を開き側に制御する出力信号が出力される。そして、圧力調整弁２８の開度が開き側に制御されることで、燃料噴射ポンプ２６から図示しない燃料タンク側にリリーフされる燃料の量が増加し、燃料噴射装置１５の燃料噴射圧力が下がる。
　図２に、４．２Ｌディーゼルエンジンでの実験例を示す。図２（ｂ）から分かるように、燃料噴射圧力を下げるに従い、熱発生率の発生時間（燃焼期間）が延びている。このように熱発生率の発生時間が長くなることにより、排気ガスの温度が上昇する。
　従って、単に燃料噴射装置１５の燃料噴射圧力を下げるということだけで、パティキュレートフィルタ１３の再生に必要な、排気ガスの温度の上昇が得られる。そのため、パティキュレートフィルタ１３の再生時に、ポスト噴射及び排気管噴射を行うことなく、排気ガスの温度を上昇させることができる。
　また、パティキュレートフィルタ１３の排気上流側の排気管１２に酸化触媒１４が設けられることによって、排気ガスに含まれる未燃燃料成分等を酸化触媒１４で酸化させ、排気ガスの温度をさらに上昇させることができる。
　また、現在主流のコモンレールを用いた噴射系（コモンレール式燃料噴射装置）であれば、燃料噴射圧力を上げ下げするのは造作もないことである。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
　例えば、上述の実施形態では、差圧センサ２３の検出値に基づいてパティキュレートフィルタ１３の再生時期を判定する例を示したが、これには限定はされない。例えば、ディーゼルエンジン１１が搭載される車両の走行距離センサの検出値に基づいてパティキュレートフィルタ１３の再生時期を判定するようにしても良い。
１０　排気浄化装置
１１　ディーゼルエンジン（内燃機関）
１２　排気管（排気通路）
１３　パティキュレートフィルタ（フィルタ）
１４　酸化触媒
１５　燃料噴射装置
２３　差圧センサ（再生時期判定手段）
２７　コモンレール圧センサ（燃料噴射圧力制御手段）
２８　圧力調整弁（燃料噴射圧力制御手段）
２９　エンジン回転センサ（運転状態検出手段）
３０　アクセル開度センサ（運転状態検出手段）
３１　運転状態検出部（運転状態検出手段）
３２　燃料噴射圧力制御部（燃料噴射圧力制御手段）
３３　再生時期判定部（再生時期判定手段）

Claims (3)

  1. 　内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス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前記排気通路に設けられる酸化触媒と、燃料を前記内燃機関の燃焼室内に噴射する燃料噴射装置と、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段により検出される前記内燃機関の運転状態に応じて前記燃料噴射装置の燃料噴射圧力を制御する燃料噴射圧力制御手段と、前記フィルタの再生時期を判定する再生時期判定手段とを備え、
    　前記燃料噴射圧力制御手段は、前記再生時期判定手段が前記フィルタの再生時期であると判定した場合に、前記燃料噴射装置の燃料噴射圧力を前記内燃機関の運転状態に応じて制御される燃料噴射圧力よりも下げることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 　前記燃料噴射装置は、コモンレール式燃料噴射装置である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 　前記燃料噴射圧力制御手段は、前記再生時期判定手段が前記フィルタの再生時期であると判定した場合の前記燃料噴射装置の燃料噴射圧力を、前記内燃機関の運転状態に応じて制御される燃料噴射圧力の半分の値とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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