JP2015059476A

JP2015059476A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2015059476A
Application number: JP2013193015A
Authority: JP
Inventors: 直人村澤; Naoto Murasawa; 英和藤江; Hidekazu Fujie; 正内山; Tadashi Uchiyama; 哲史塙; Tetsushi Hanawa
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-03-30

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置に関し、強制再生時の燃料噴射量の最適化を図る。
【解決手段】エンジン１０の排気系に設けられたＤＯＣ２１と、ＤＯＣ２１よりも下流側に設けられてＰＭを捕集するＤＰＦ２２と、ＤＰＦ２２の静電容量を検出する電極２７と、電極２７から入力される静電容量に基づいてＤＰＦ２２の内部温度を演算するＤＰＦ内部温度演算部５１と、ＤＰＦ２２のＰＭ堆積量が所定量に達するとＤＯＣ２１に燃料を噴射して粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行する強制再生制御部５３と、強制再生時のＤＰＦ目標温度と、ＤＰＦ内部温度演算部５１から入力されるＤＰＦ内部温度との温度差に基づいて、強制再生制御部５３の燃料噴射量を補正する噴射量補正部５４とを備えた。
【選択図】図２

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いわゆ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（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）に未燃焼の炭化水素（ＨＣ）を供給して酸化させ、排気温度をＰＭ燃焼温度まで上昇させることで行われる。

一般的に、強制再生時の排気管内噴射量やポスト噴射量は、ＤＰＦの前後に設けた排気温度センサのセンサ値に基づいて制御されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１８６０号公報

ところで、排気温度センサのセンサ値は、実際の排気温度変化に対して応答遅れを生じる課題がある。また、排気温度センサは、ＤＰＦの内部に設けることができないため、ＤＰＦ内部温度を正確に検出できない課題もある。そのため、強制再生を排気温度センサのセンサ値に基づいて行う技術では、排気管内噴射やポスト噴射を最適な噴射量で制御できない可能性がある。

本発明の目的は、ＤＰＦ内部温度を高精度に検出して、強制再生時の燃料噴射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、内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記フィルタの内部温度を演算する内部温度演算手段と、前記フィルタの粒子状物質堆積量が所定量を超えると、前記酸化触媒に燃料を噴射して粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行するフィルタ再生手段と、強制再生時のフィルタ目標温度と、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度との温度差に基づいて、前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、を備えることを特徴とする。

また、前記噴射量補正手段は、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度を前記フィルタ目標温度に近づけるのに必要な噴射補正量で前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を補正することが好ましい。

また、前記静電容量検出手段が、前記フィルタ内に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少なくとも一対の電極で構成されてもよい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＤＰＦ内部温度を高精度に検出することが可能となり、強制再生時の燃料噴射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。本実施形態のＥＣＵを示す機能ブロック図である。本実施形態の温度特性マップの一例を示す図である。本実施形態の堆積量マップの一例を示す図である。本実施形態の噴射量補正マップの一例を示す図である。本実施形態の制御内容を示すフローチャートである。電極間の静電容量と排気温度センサのセンサ値とを比較した図である。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、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る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、単にエンジンという）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には排気を大気に放出する排気通路１２が接続されている。

吸気通路１１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１３、ＭＡＦセンサ１４、過給機１５のコンプレッサ１５ａ、インタークーラ１６、吸気スロットルバルブ１７等が設けられている。排気通路１２には、排気上流側から順に、過給機１５のタービン１５ｂ、排気後処理装置２０等が設けられている。

排気後処理装置２０は、触媒ケース２０ａ内に排気上流側から順に、ＤＯＣ２１と、ＤＰＦ２２とを配置して構成されている。また、ＤＯＣ２１の排気上流側には排気管内噴射装置２３が設けられている。

排気管内噴射装置２３は、本発明のフィルタ再生手段の一部であって、ＥＣＵ５０から入力される指示信号（パルス電流）に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（主に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２３を省略してもよい。

ＤＯＣ２１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。ＤＯＣ２１は、排気管内噴射装置２３又はポスト噴射によってＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

ＤＰＦ２２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。ＤＰＦ２２は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ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２３又はポスト噴射によってＤＯＣ２１に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ２２に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約５００〜６００℃）まで昇温することで行われる。

また、本実施形態のＤＰＦ２２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複数本の電極２７が設けられている。これら複数本の電極２７は、本発明の静電容量検出手段の一例として好ましい。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０や排気管内噴射装置２３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て構成されている。

また、ＥＣＵ５０は、図２に示すように、ＤＰＦ内部温度演算部５１と、ＰＭ堆積量演算部５２と、強制再生制御部５３と、噴射量補正部５４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ＥＣＵ５０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。

ＤＰＦ内部温度演算部５１は、本発明の内部温度演算手段の一例であって、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＤＰＦ２２の内部温度Ｔ_DPFを演算する。一般的に、電極２７間の静電容量Ｃは、電極２７間の媒体の誘電率ε、電極２７の面積Ｓ、電極２７間の距離ｄとする以下の数式１で表される。

数式１において、電極２７の面積Ｓ及び距離ｄは一定であり、誘電率εが排気温度の影響を受けて変化すると、これに伴い静電容量Ｃも変化する。すなわち、電極２７間の静電容量Ｃを検出すれば、ＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFを演算することができる。ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた静電容量ＣとＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFとの関係を示す温度特性マップ（例えば、図３参照）が記憶されている。ＤＰＦ内部温度演算部５１は、この温度特性マップから電極２７間の静電容量Ｃに対応する値を読み取ることでＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFを演算する。なお、ＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFは、予め実験等により求めた近似式等から演算してもよい。

ＰＭ堆積量演算部５２は、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＤＰＦ２２に捕集されたＰＭ堆積量ＰＭ_DEPを演算する。上述の数式１において、電極２７間にＰＭの堆積が進み、誘電率εや距離ｄが変化すると、これに伴い静電容量Ｃも変化する。すなわち、電極２７間の静電容量Ｃを検出すれば、ＰＭ堆積量ＰＭ_DEPを演算することができる。ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた静電容量ＣとＰＭ堆積量ＰＭ_DEPとの関係を示す堆積量マップ（例えば、図４参照）が記憶されている。ＰＭ堆積量演算部５２は、この堆積量マップから電極２７間の静電容量Ｃに対応する値を読み取ることでＰＭ堆積量ＰＭ_DEPを演算する。なお、ＰＭ堆積量ＰＭ_DEPは、予め実験等により求めた近似式等から演算してもよい。

強制再生制御部５３は、本発明のフィルタ再生手段の一例であって、ＰＭ堆積量演算部５２から入力されるＰＭ堆積量ＰＭ_DEPに基づいて、ＤＰＦ２２の強制再生を制御する。より詳しくは、強制再生制御部５３は、ＰＭ堆積量ＰＭ_DEPがＤＰＦ２２に捕集可能なＰＭの上限堆積量ＰＭ_MAXを超えると（ＰＭ_DEP＞ＰＭ_MAX）、排気管内噴射装置２３に所定量の排気管内噴射を実行させて強制再生を開始する。この強制再生時の排気管内噴射量は、後述する噴射量補正部５４によって必要に応じて補正される。

噴射量補正部５４は、ＤＰＦ内部温度演算部５１から入力されるＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFと、ＤＰＦ２２内のＰＭを略完全に燃焼除去させる目標温度Ｔ_TARGTとの温度差ΔＴに基づいて、強制再生時の燃料噴射量を補正する。より詳しくは、ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた温度差ΔＴと、この温度差ΔＴを補うのに必要な噴射補正量ΔＩＮＪとの関係を示す噴射量補正マップ（例えば、図５参照）が記憶されている。強制再生時の排気管内噴射量ＩＮＪ_{Q_exh}は、噴射量補正マップから温度差ΔＴに応じた噴射補正量ΔＩＮＪを読み取ると共に、読み取った噴射補正量ΔＩＮＪを基本噴射量ＩＮＪ_{Q_std}に加算もしくは減算することで設定される（ＩＮＪ_{Q_exh}＝ＩＮＪ_{Q_std}＋／−ΔＩＮＪ）。補正後の燃料噴射は、排気管内噴射装置２３のインジェクタに印加される各噴射の通電パルス幅を増減させるか、あるいは噴射回数を増減することで実行される。

次に、図６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から取得されるＰＭ堆積量ＰＭ_DEPが上限堆積量ＰＭ_MAXを超えたか否かが判定される。ＰＭ堆積量ＰＭ_DEPが上限堆積量ＰＭ_MAXを超えた場合（Ｙｅｓ）は、ＤＰＦ２２の強制再生を開始すべく、Ｓ１１０に進む。

Ｓ１１０では、静電容量Ｃから取得されるＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFと目標温度Ｔ_TARGTとが比較される。目標温度Ｔ_TARGTとＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFとの温度差ΔＴ（絶対値）がゼロよりも大きい場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１２０に進む。一方、温度差ΔＴがゼロの場合（Ｎｏ）は、排気管内噴射を基本噴射量ＩＮＪ_{Q_std}で実行しても、ＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFを目標温度Ｔ_TARGTまで上昇させられる。この場合は、Ｓ１４０に進んで、基本噴射量ＩＮＪ_{Q_std}で排気管内噴射が実行される。

Ｓ１２０では、温度差ΔＴに応じて噴射量補正マップから読み取った噴射補正量ΔＩＮＪを基本噴射量ＩＮＪ_{Q_std}に加算又は減算する噴射量補正（ＩＮＪ_{Q_exh}＝ＩＮＪ_{Q_std}＋／−ΔＩＮＪ）が実行され、Ｓ１３０では、補正後の排気管内噴射量ＩＮＪ_{Q_exh}に基づいて排気管内噴射が実行される。

Ｓ１５０では、ＰＭ堆積量ＰＭ_DEPがＤＰＦ２２の再生終了を示す下限閾値ＰＭ_MINまで低下したか否かが判定される。ＰＭ堆積量ＰＭ_DEPが下限閾値ＰＭ_MINまで低下している場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１６０で排気管内噴射を停止して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。

図７に示すように、電極２７間の静電容量Ｃは、排気温度（ＤＰＦ内部温度）の変化に対して排気温度センサのセンサ値よりも速い応答性を示す特性がある。すなわち、ＤＰＦ２２内に配置した電極２７間の静電容量Ｃを用いれば、ＤＰＦ２２の前後に設けた排気温度センサのセンサ値よりも、ＤＰＦ２２の内部温度を正確に検出することが可能になる。

本実施形態の排気浄化装置では、電極２７間の静電容量Ｃから演算したＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFと目標温度Ｔ_TARGTとの温度差ΔＴに基づいて、強制再生時の排気管内噴射量（又は、ポスト噴射量）を補正している。すなわち、排気温度センサのセンサ値に基づいた従来技術に比べ、ＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFを正確に検出することで、強制再生時における排気管内噴射量の最適化が図られ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、強制再生時の燃料噴射量を正確に制御することが可能となり、ＤＰＦ２２の再生効率を効果的に向上することができる。また、ＤＰＦ２２の前後に排気温度センサを設ける必要がなくなり、装置全体のコストを効果的に低減することも可能になる。

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、ＤＰＦ２２とＤＯＣ２１とは別体に設けられるものとして説明したが、これらを一体化してもよい。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

また、図８に示すように、排気通路１２にＤＰＦ２２を迂回させるバイパス通路２５を接続し、このバイパス通路２５に容量の小さい計測用ＤＰＦ２２ａを備えて構成してもよい。この場合は、電極２７を計測用ＤＰＦ２２ａ内に配置すると共に、バイパス通路２５には排気流量を調整するオリフィス２５ａ（絞り）を設けることが好ましい。また、計測用ＤＰＦ２２ａの強制再生を実行する場合は、電極２７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
２０排気後処理装置
２１ＤＯＣ
２２ＤＰＦ
２３排気管内噴射装置
２７電極
５０ＥＣＵ
５１ＤＰＦ内部温度演算部
５２ＰＭ堆積量演算部
５３強制再生制御部
５４噴射量補正部

Claims

内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記フィルタの内部温度を演算する内部温度演算手段と、
前記フィルタの粒子状物質堆積量が所定量を超えると、前記酸化触媒に燃料を噴射して粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行するフィルタ再生手段と、
強制再生時のフィルタ目標温度と、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度との温度差に基づいて、前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、を備える
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記噴射量補正手段は、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度を前記フィルタ目標温度に近づけるのに必要な噴射補正量で前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を補正する
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記静電容量検出手段が、前記フィルタ内に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少なくとも一対の電極で構成される
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。