JP2015059478A

JP2015059478A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2015059478A
Application number: JP2013193017A
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をＤＰＦの劣化度合に応じて制御する。
【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、排気中の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内部温度演算部と、ＤＰＦ内部温度演算部から入力されるＤＰＦ内部温度に基づいてＤＰＦ２２の劣化度合を演算するＤＰＦ劣化度合演算部と、ＤＰＦ２２のＰＭ堆積量が所定量を超えるとＤＯＣ２１に燃料を噴射してＰＭを燃焼除去する強制再生を実行する強制再生制御部と、ＤＰＦ劣化度合演算部から入力されるＤＰＦ２２の劣化度合に応じて、強制再生制御部の燃料噴射量を補正する噴射量補正部とを備えた。
【選択図】図１

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がある。さらに、強制再生時の発熱に必要な燃料噴射量は、触媒の劣化度合に応じて変化するため、排気温度センサのセンサ値にのみ基づいて噴射量を調整する技術では、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をＤＰＦの劣化度合に応じた最適な噴射量で制御することにある。

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、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度に基づいて、前記フィルタの劣化状態を推定する劣化状態推定手段と、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、前記劣化状態推定手段から入力されるフィルタ劣化状態に応じて、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、前記劣化状態推定手段は、強制再生時に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に基づいて、前記フィルタの酸化性能の劣化度合を演算することが好ましい。

また、前記噴射量補正手段は、演算される前記劣化度合が大きくなるほど、前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を減少させることが好ましい。

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をＤＰＦの劣化度合に応じた最適な噴射量で制御することができる。

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から出力される指示信号（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、ＤＰＦ２２は、強制再生時にＤＯＣ２１からＨＣがスリップすると、これを酸化するＨＣ酸化能を有する。

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、ＤＰＦ劣化度合演算部５３と、強制再生制御部５４と、噴射量補正部５５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。

ＤＰＦ劣化度合演算部５３は、本発明の劣化状態推定手段の一例であって、ＤＰＦ内部温度演算部５１から入力されるＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFに基づいて、ＤＰＦ２２の劣化度合ＤＥＧ_LEVELを演算する。熱劣化等によりＤＰＦ２２のＨＣ酸化能が低下すると、これに伴いＤＰＦ２２内のＨＣ発熱量が減少する。すなわち、強制再生時のＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFに基づいて、ＤＰＦ２２内のＨＣ実発熱量を演算すれば、ＤＰＦ２２の劣化度合ＤＥＧ_LEVELを求めることができる。

より詳しくは、ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた酸化性能が正常なＤＰＦ（例えば、新品）のＨＣ理論発熱量が記憶されている。ＤＰＦ劣化度合演算部５３は、このＨＣ理論発熱量とＤＰＦ内部温度Ｔ_DPFから求めたＨＣ実発熱量とを比較することで、ＤＰＦ２２の劣化度合ＤＥＧ_LEVELを演算する。なお、劣化度合ＤＥＧ_LEVEL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５４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５４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５５によって必要に応じて補正される。

噴射量補正部５５は、ＤＰＦ劣化度合演算部５３から入力される劣化度合ＤＥＧ_LEVELに応じて、強制再生時の排気管内噴射量（又は、ポスト噴射量）を補正する。より詳しくは、ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めたＤＰＦ２２の劣化度合ＤＥＧ_LEVELと、劣化度合ＤＥＧ_LEVELに応じてＨＣをＤＰＦ２２内で効果的に酸化させる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劣化度合ＤＥＧ_LEVELに対応する噴射補正量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}から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短くするか、あるいは噴射回数を減らすことで実行される。

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に基づいて、ＤＰＦ２２の劣化度合ＤＥＧ_LEVELが演算される。さらに、Ｓ１２０では、劣化度合ＤＥＧ_LEVELが所定の劣化上限閾値ＤＥＧ_MAX（例えば、ＨＣスリップによる燃費の悪化やエミッションの悪化を回避できる上限値）を超えたか否かが判定される。

Ｓ１２０で、劣化度合ＤＥＧ_LEVELが劣化上限閾値ＤＥＧ_MAXを超えている場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１３０に進む。一方、劣化度合ＤＥＧ_LEVELが劣化上限閾値ＤＥＧ_MAXを超えていない場合（Ｎｏ）は、Ｓ１５０に進み、基本噴射量ＩＮＪ_{Q_std}で排気管内噴射が実行される。

Ｓ１３０では、噴射量補正マップから劣化度合ＤＥＧ_LEVELに応じて読み取った噴射補正量ΔＩＮＪを基本噴射量ＩＮＪ_{Q_std}から減算する噴射量補正が実行され（ＩＮＪ_{Q_exh}＝ＩＮＪ_{Q_std}−ΔＩＮＪ）、Ｓ１４０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。

Ｓ１６０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、Ｓ１７０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、Ｓ１００〜１７０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に基づいてＤＰＦ２２の劣化度合ＤＥＧ_LEVELを演算すると共に、この劣化度合ＤＥＧ_LEVELに応じ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、ＤＰＦ２２の劣化度合ＤＥＧ_LEVELを考慮して強制再生時の排気管内噴射量を補正することで、ＤＰＦ前後の排気温度センサのセンサ値に基づいた従来技術に比べ、燃料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ＤＰＦ２２の劣化度合に応じて正確に制御することが可能となり、燃費を効果的に向上することができる。また、ＤＰＦ２２からスリップするＨＣ量を効果的に低減することが可能となり、エミッションの悪化を防止することができる。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
５３ＤＰＦ劣化度合演算部
５４強制再生制御部
５５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、
前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度に基づいて、前記フィルタの劣化状態を推定する劣化状態推定手段と、
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、
前記劣化状態推定手段から入力されるフィルタ劣化状態に応じて、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。
前記劣化状態推定手段は、強制再生時に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に基づいて、前記フィルタの酸化性能の劣化度合を演算する
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記噴射量補正手段は、演算される前記劣化度合が大きくなるほど、前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を減少させる
請求項２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から３の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。