JP3646635B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置、詳しくは、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を除去するために機関排気通路内にフィルタを配置した内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を除去するために機関排気通路内に排気ガス中の微粒子を捕獲可能なパティキュレートフィルタを配置しこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、パティキュレートフィルタが捕集した微粒子を着火燃焼して除去することによりパティキュレートフィルタの再生を図っている。
【０００３】
ところが前記捕集した微粒子は600°C程度以上の高温にならないと着火せず、これに対してディーゼルエンジンの排気ガス温は通常、600°Cよりもかなり低く、高負荷運転している場合でもその排気ガス温は350°Cから400°Cでしかない。したがって排気ガス熱だけで微粒子に着火させるのは困難である。
【０００４】
そこで、パティキュレートフィルタ上に触媒を担持することで微粒子の着火温度を低下させて排気ガス熱だけで微粒子に着火させるようにした技術がある（なお、パティキュレートフィルタ上に触媒を担持したフィルタを以下「触媒付きパティキュレートフィルタまたは単にフィルタ」と表記する。）。例えば、特公平7−106290号公報記載の技術は、白金族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物からなる触媒をパティキュレートフィルタに担持させることで前記問題に対処している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような触媒付きパティキュレートフィルタであっても一部の微粒子のみしか着火せずよって微粒子が燃え残る場合がある。
【０００６】
詳しくは、排気ガス中に含まれる微粒子の量が少ない場合は問題ないが、内燃機関の運転状態によっては多量の微粒子が発生する場合があり、その場合はパティキュレートフィルタに付着した微粒子が完全に燃焼する前に微粒子上に別の微粒子が堆積して積層状態になる。すると、酸素と接触しやすい箇所にある例えば上層の微粒子は燃焼しても、酸素と接触しづらい箇所にある例えば下層の微粒子は燃焼せず斯くして微粒子が燃え残るという現象を誘発する。
【０００７】
このようになるのは恐らく微粒子が堆積している間に微粒子中の炭素が燃焼しづらいグラファイト等に変化するからであると考えられる。そしてその場合、堆積した微粒子を着火させるには600°C以上の高温状態におくことが必要となる。しかし前記のごとく、ディーゼルエンジンでは、排気ガス温が600°C以上の高温になることがないため、着火燃焼によって除去される微粒子よりも堆積する微粒子（以下「堆積微粒子」という。）が多ければ、幾ら触媒付きパティキュレートフィルタであっても排気ガス熱だけでは不十分であり、堆積した微粒子に着火させるのが困難になる。
【０００８】
そこで、排気管のうち触媒付きパティキュレートフィルタの設置個所よりも上流に燃料供給手段を設けて排気中に燃料を供給し、燃料の酸化反応によって発生する反応熱の利用により堆積した堆積微粒子を燃焼するという技術が従来より周知である。
【０００９】
しかし、このような技術では、燃料の供給量をフィルタの再生開始時の排気温度に基づいて設定するようにしてあるため、堆積微粒子の燃焼中に例えば機関回転数が増加して排気温度が上昇すると、上昇した排気温度に対して燃料の供給量が過剰となり、急激に酸化が進行し、フィルタ温度が微粒子の燃焼温度よりも高くなってフィルタが熱劣化してしまう虞がある。
【００１０】
そこで、排気管のうちフィルタ設置箇所よりも下流に排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設け、この酸素濃度検出手段が検出した酸素濃度に基づいてフィルタに熱劣化が生じていないかどうかを検出する技術が例えば特許第２９９８３２１号公報に開示されている。
【００１１】
しかし、当該フィルタから排出された排気ガスの酸素濃度からフィルタに熱害を生じる虞ありという判断をした時には既にフィルタが熱劣化している虞がある。これは、実際のフィルタ温度とフィルタに熱害を生じる虞ありと判断した時のフフィルタ温度との間には時間遅れがあるからである。
【００１２】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、その解決しようとする課題は、排気管に触媒付きパティキュレートフィルタを設置した内燃機関の排気浄化装置において、触媒付きパティキュレートフィルタの設置箇所を境とした排気管上流側および下流側の酸素濃度を検出し、これらの酸素濃度からフィルタ内での酸素濃度変化率を算出し、この酸素濃度変化率からフィルタの昇温状態を判定し、当該判定状態に応じて内燃機関への流入酸素量を調節することで、フィルタに熱劣化等の熱害を生じないようにすることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気昇温装置は、次の手段を採用した。
【００１４】
（１）本発明内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に設置され、触媒を担持し排気ガス中の微粒子を捕獲可能なフィルタと、前記排気通路のうち前記フィルタに入る排気ガス中の酸素濃度を検出する入口側酸素濃度検出手段と、前記フィルタから排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する出口側酸素濃度検出手段と、これら両酸素濃度検出手段が検出した値に基づいて前記フィルタ内での単位時間あたりの酸素濃度変化率を算出する酸素濃度変化率算出手段と、この酸素濃度変化率算出手段によって算出した酸素濃度の変化率に基づいて前記フィルタの昇温状態を検出する昇温状態検出手段と、この昇温状態検出手段により検出したフィルタの昇温状態に応じて内燃機関への流入酸素量を調節する流入酸素量調節手段と、を有するようにした。
【００１５】
ここで、内燃機関全体の制御を行うＥＣＵについて簡単に述べるとともに、本発明の構成要素について説明する。
【００１６】
ＥＣＵは、周知のごとくデジタルコンピュータからなり、双方向性バスによって相互に接続された、中央処理制御装置ＣＰＵ，読み出し専用メモリＲＯＭ，ランダムアクセスメモリＲＡＭ，バックアップＲＡＭ，入力インタフェース回路，出力インタフェース回路等から構成される。
【００１７】
入力インタフェース回路は、内燃機関や車輌に取り付けられた各種センサと電気的に接続され、これら各種センサの出力信号が入力インタフェース回路からＥＣＵ内に入るとこれらのパラメータは一時的にランダムアクセスメモリＲＡＭに記憶される。
【００１８】
そして、これらのパラメータに基づいてＣＰＵが必要とする演算処理を行うが、この演算処理の実行にあたり、ＣＰＵは双方向性バスを通じてランダムアクセスメモリＲＡＭに記憶しておいた前記パラメータを必要に応じて呼び出す。
【００１９】
「微粒子」とは、内燃機関がディーゼルエンジンの場合は、カーボンスーツ，未燃燃料，オイル等を例示できる。
【００２０】
「フィルタ」は内燃機関がディーゼルエンジンの場合は、ディーゼルエンジンから排出される微粒子を捕集するフィルタ、いわゆるＤｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ：ＤＰＦを例示できる。
【００２１】
（２）入口側酸素濃度検出手段および出口側酸素濃度検出手段は、酸素センサや空燃比センサが好適である。酸素センサも空燃比センサも周知であるため詳しい説明は省略する。
【００２２】
（３）入口側酸素濃度検出手段に酸素センサや空燃比センサを用いる代わりに、例えば縦軸に機関回転数をまた横軸に機関燃料噴射量をとってなる機関回転数−機関燃料噴射量線図によって入口側の酸素濃度を推定してもよい。この線図のことを入口側酸素濃度推定マップということにし、当該マップを前記ＲＯＭに記憶しておき必要に応じて当該マップから推定した入口側酸素濃度を求めてもよい。
【００２３】
「酸素濃度変化率算出手段」としては、入口側酸素濃度検出手段と出口側酸素濃度検出手段とが検出した値から前記フィルタ内での酸素濃度変化率を算出するように設定されかつ前記ＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムを挙げられる。前記アプリケーションプログラムの実行はＣＰＵによってなされＣＰＵの属性はＥＣＵにある。よって、ＥＣＵを酸素濃度変化率算出手段ということができる。
【００２４】
「昇温状態検出手段」としては、前記酸素濃度変化率算出手段によって算出した酸素濃度の変化率（以下「酸素濃度変化率」という。）から前記フィルタの昇温状態を検出するように設定されかつ前記ＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムを挙げられる。前記アプリケーションプログラムの実行はＣＰＵによってなされＣＰＵの属性はＥＣＵにある。よって、ＥＣＵを昇温状態検出手段ということができる。
【００２５】
（４）また、酸素濃度変化率算出手段によって算出した酸素濃度変化率が所定の酸素濃度変化率以上あり、かつ当該状態が所定時間以上持続している場合は、フィルタの昇温状態が異常であると判定する昇温異常判定手段を有することも考えられる。
【００２６】
このような「昇温異常判定手段」としては、前記ＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムを挙げられる。当該アプリケーションプログラムの実行はＣＰＵによってなされＣＰＵの属性はＥＣＵにある。よって、ＥＣＵを昇温異常判定手段ということができる。
【００２７】
よって、酸素濃度変化率が所定の酸素濃度変化率以上あり、かつ当該状態が所定時間以上持続していれば、それだけフィルタ内での酸化反応が促進しフィルタ温度が高まり、フィルタがいずれ熱劣化してしまう状態にあることを意味する。よって、所定の酸素濃度変化率と前記所定時間とは、フィルタ内での酸化反応が急速に進行し、そのままの状態を続けているとフィルタが熱劣化を生じてしまう虞が高いことを報せる臨界点を意味する。したがって、酸素濃度の変化率が所定の酸素濃度変化率以上になることとその状態が所定時間以上持続することは、フィルタ内での酸化反応が急速に進行し、フィルタの熱劣化現象を生じる虞が高い状態になる十分条件を意味する。
【００２８】
「流入酸素量調節手段」としては、前記昇温状態検出手段による昇温状態に応じて内燃機関への流入酸素量を調節できるように、吸気絞り弁による吸気絞りの実行や空燃比のリッチ化がなされるように設定されたアプリケーションプログラムを挙げられる。このアプリケーションプログラムの実行はＣＰＵによってなされＣＰＵの属性はＥＣＵにある。よって、ＥＣＵを流入酸素量調節手段ということができる。
【００２９】
なお空燃比のリッチ化は、例えば内燃機関のインジェクタ等の燃料噴射装置から噴射される機関燃料の増量によって行うことが挙げられる。そして、酸素センサ（Ｏ2センサ）や空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）から送られて来る信号によって燃料噴射量の増量分は決められる。
【００３０】
このような構成の内燃機関の排気浄化装置では、排気通路における排気ガスの流れ方向において、フィルタに対する排気ガスの入口側および出口側それぞれの酸素濃度を検出し、排気ガスの出口側の酸素濃度が排気ガスの入口側の酸素濃度と比較してどのように変化しているかをみることで、すなわち排気通路におけるフィルタを境にしたその前後における酸素濃度の単位時間あたりの変化率をみることで、フィルタの内部温度が過度に昇温しないようにフィードバック制御することが可能である。
【００３１】
そして、フィルタ内部での発熱速度（酸化反応速度）と相関関係にあるフィルタ前後の酸素濃度差の時間的変化率、すなわちフィルタに入った排気ガスがフィルタから排出されるまでの間に酸素濃度がどれだけ変化したか（どれだけの濃度差を生じたか）の単位時間当たりの変化率が、フィルタに熱劣化を生じさせてしまう、前記臨界点の一つである所定の酸素濃度変化率と比較してそれ以上あり、かつその状態がフィルタに熱劣化を生じさせてしまう、前記臨界点の別の一つである所定時間以上持続していると昇温状態検出手段が判定した場合には、昇温異常判定手段によってフィルタ温度が過度に高まってやがて熱劣化してしまう虞のある臨界状態に現在フィルタがある、すなわちフィルタが異常に昇温された状態にあると予測する。そしてその場合には、吸気絞りや空燃比のリッチ化を行って排気ガス中の酸素量を低減させることで酸化反応によるフィルタの過昇温を防止する。よってフィルタの熱劣化を有効に防止できる。
【００３２】
また、入口側酸素濃度検出手段に酸素センサや空燃比センサを用いずに入口側酸素濃度推定マップを用いれば酸素センサや空燃比センサによって直接検出する場合に比べて精度的には劣っても入口側酸素濃度検出手段として酸素センサや空燃比センサを用いなくてもよいのでそれだけ部品点数の削減ができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明内燃機関の排気浄化装置の実施形態を添付した図面に基づいて説明する。
【００３４】
図１は本発明内燃機関の排気浄化装置を圧縮着火式内燃機関であるディーゼルエンジンに適用した場合を示す。
【００３５】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを示す。
【００３６】
吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。コンプレッサ１５を取り付けてある吸気管９０には図示しないエアクリーナやエアフローメータを備えてある。
【００３７】
吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動するスロットル弁１７を配置し、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８を配置してある。図１に示す実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気を冷却するようになっている。
【００３８】
一方、排気ポート１０は排気マニホールド１９および排気管２０を介してターボチャージャ１４のタービン２１に連結され、タービン２１の出口は排気通路である排気管７０に設けた排気浄化装置Ａに連結してある。また、排気ポート１０には燃料供給手段である図示しない燃料添加ノズルを取り付けてある。よって、燃料添加ノズルは、排気管７０のうち排気浄化装置Ａよりも上流に位置する。
【００３９】
排気浄化装置Ａは、ＤＰＦに酸化触媒を担持しかつ排気ガス中の微粒子を捕獲可能なフィルタである触媒付きパティキュレートフィルタ２２をケース体２３内に包蔵してなるものである。この排気浄化装置Ａを用いて排気ガス中の煤等の微粒子を除去するために微粒子をフィルタで一旦捕集し、当該捕集した微粒子を着火燃焼する。微粒子を着火燃焼するには、排気ガス熱を利用する他、前記燃料添加ノズルから排気中に燃料を供給し、燃料の酸化反応によって発生する反応熱を利用する。このようにして微粒子を燃焼除去することでフィルタから微粒子を除去しフィルタの再生を図る。なお、酸化触媒の代わりに、燃料の酸化機能を有するＮＯｘ触媒をＤＰＦに担持してもよい。
【００４０】
また、排気マニホールド１９とサージタンク１２とは、排気ガス再循環装置（以下、「ＥＧＲ」と称す）の構成部材であるＥＧＲ通路２４を介してお互いに連結されている。また、ＥＧＲ通路２４は電気制御式ＥＧＲ制御弁２５を有する。加えてＥＧＲ通路２４にはその中を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６を配置してある。図１に示す実施例では機関冷却水を冷却装置２６内に導びき、機関冷却水によってＥＧＲガスを冷却するようになっている。
【００４１】
一方、燃料噴射弁６は、燃料供給管６ａを介して燃料リザーバであるコモンレール２７に連結してある。
【００４２】
コモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８によって燃料を供給する。そして、コモンレール２７内に供給した燃料は燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９を取り付けてあり、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量を制御する。
【００４３】
なお、燃料噴射弁６からの噴射燃料の量は、アクセルペダル４０の踏み込み量と機関回転数の関数としてマップの形で、次に述べる電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称す。）３０のＲＯＭ３２内に記憶しておいた要求トルク算出マップ（図示せず）からアクセルペダル４０の踏み込み量および機関回転数に応じた要求トルクを求め、この要求トルクに基づいて算出するようになっている。
【００４４】
ＥＣＵ３０はデジタルコンピューターからなり、双方向性バス３１によって互いに接続したＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５、出力ポート３６およびＡＤ変換器３７を具備する。
【００４５】
燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力する。
【００４６】
また、排気管７０のうち排気浄化装置Ａの下流側近傍には排気浄化装置Ａから排出される排気ガス温度（出ガス温度）Ｔｏを検出する排気温度センサ７９を取り付けてある。そして排気温度センサ７９よりも下流箇所には排気浄化装置Ａ（フィルタ）から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する出口側酸素濃度検出手段としての酸素センサ（または空燃比センサ）８１を取り付けてある。そして排気管７０のうち排気浄化装置Ａの上流側にも酸素センサ（または空燃比センサ）８３を取り付けてあり、この酸素センサ８３によって排気浄化装置Ａに入る排気ガス中の酸素濃度を検出する。よって酸素センサ８３は排気浄化装置Ａの入口側酸素濃度検出手段といえる。 温度センサ７９や酸素センサ８１，８３の出力信号は、ＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入る。
【００４７】
また、排気管７０のうち酸素センサ８１よりも下流には、ケース体内に例えば吸蔵還元型ＮＯx触媒を包蔵する触媒コンバータや排気絞り弁（共に図示せず）を取り付けてある。
【００４８】
アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１を接続してあり、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入る。更に入力ポート３５には、図示しないクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２を接続してある。
【００４９】
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して、燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６，ＥＧＲ制御弁２５，燃料ポンプ２８と接続してある。
【００５０】
次に図２のフローチャートを用いて、本実施形態に係る排気浄化装置Ａに含まれるフィルタの昇温状態に異常があるかどうかを判定するためのフィルタ昇温異常判定制御実行ルーチンを実現するためのプログラムを説明する。
【００５１】
本プログラムは、以下に述べるステップ１０１〜ステップ１０７からなる。また、これらのステップからなるプログラムは、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶してあり必要に応じて呼び出される。前記各ステップにおける処理は、すべてＥＣＵ３０のＣＰＵ３４による。なお、記号Ｓを用い、例えばステップ１０１であればＳ１０１と省略して示す。
【００５２】
Ｓ１０１では酸素センサ８１および８３により、排気管７０のうち排気浄化装置Ａのフィルタに入る上流側排気ガス中の酸素濃度およびフィルタから排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する。併せて排気温度センサ７９により排気浄化装置Ａの出ガス温度Ｔｏを検出する。
【００５３】
Ｓ１０２ではＳ１０１で求めた排気浄化装置Ａの上流側および下流側それぞれの酸素濃度から両者の酸素濃度差（ΔＯ２）を算出する。
【００５４】
Ｓ１０３では酸素濃度の変化率（以下「酸素濃度変化率」という。）Ｒを算出するために、本ルーチン実行時における例えば最初の酸素濃度差（ΔＯ２）を二回目の酸素濃度差（ΔＯ２）から差し引いたものを単位時間で除する。
【００５５】
これらの関係を算式（１）で示す。
【００５６】
Ｒ＝（（ΔＯ２）ｎ−（ΔＯ２）ｎ−１）／ｔ・・・（１）
ただし、
ｎ：本ルーチンの実行回数を示す。
【００５７】
ｎ−１：本ルーチンの前回の実行回数を示す。
【００５８】
ｔ：単位時間
Ｓ１０３のことを酸素濃度検出手段である酸素センサ８３および８１が検出した値に基づいて前記フィルタ内での単位時間あたりの酸素濃度変化率を算出する酸素濃度変化率算出手段という。Ｓ１０３を含む本プログラムはＲＯＭ３２に記憶されＲＯＭ３２の属性はＥＣＵ３０にあるのでＥＣＵ３０を酸素濃度変化率算出手段ということもできる。
【００５９】
Ｓ１０４ではＳ１０３で求めた酸素濃度変化率Ｒを所定の酸素濃度変化率Ｒｓと比較し、その大小関係を等記号を含む不等式を用いた算式（２）で判定する。
【００６０】
Ｒ≧Ｒｓ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
ただし、
Ｒｓ：排気浄化装置Ａのフィルタ内で酸化反応が急速に進行し、フィルタが熱劣化を生じてしまうことを意味する指標の一つ
Ｓ１０４で肯定判定した場合はＳ１０５に進む。また否定判定した場合は本プログラムを必要に応じて繰り返す。酸化反応が急速におこっていないことになるので本発明の対象外だからである。
【００６１】
Ｓ１０５ではＳ１０４で肯定判定した場合の状態であるＲ≧Ｒｓの関係が所定時間Ｔｓ以上持続しているかどうかを判定する。ここでＴｓとは、Ｒ≧Ｒｓの関係が所定時間Ｔｓ以上持続している場合には、それだけフィルタ内での酸化反応が促進してフィルタ温度が異常に高まり、フィルタがやがて熱劣化してしまう状態にあることを意味する指標である。また前記所定時間Ｔｓは、Ｓ１０１で求めた出ガス温度Ｔｏによってかつフィルタの種類によって定まる定数である。所定時間Ｔｓを求めるには、予め用意しておいた出ガス温度Ｔｏに基づいて定まる一次元マップ（図示せず）から求める。
【００６２】
よって、所定の酸素濃度変化率Ｒｓと前記所定時間Ｔｓとは、フィルタ内での酸化反応が急速に進行し、フィルタがやがて熱劣化を生じてしまう臨界点を意味する。換言すれば、酸素濃度の変化率Ｒが所定の酸素濃度変化率Ｒｓ以上になることおよびその状態が所定時間Ｔｓ以上持続することは、フィルタ内での酸化反応が急速に進行し、フィルタの熱劣化現象を生じるための十分条件である。
【００６３】
そして、これらＳ１０４およびＳ１０５は、酸素濃度変化率算出手段であるＳ１０３で算出した酸素濃度の変化率に基づいてフィルタの昇温状態を検出する昇温状態検出手段ということができる。Ｓ１０４およびＳ１０５を含む本プログラムはＲＯＭ３２に記憶されＲＯＭ３２の属性はＥＣＵ３０にあるのでＥＣＵ３０を昇温状態検出手段ということもできる。
【００６４】
そして、Ｓ１０５で肯定判定した場合はＳ１０６に進み、否定判定した場合は本プログラムを必要に応じて繰り返す。否定判定した場合に本プログラムを終了するのは酸化反応がおこっていてもフィルタに劣化を生じる程の状態にないからである。
【００６５】
そして、Ｓ１０６ではＳ１０４とＳ１０５の条件が揃った場合に進むステップであるからこのＳ１０６でフィルタが異常昇温の状態にあると判断する。よってＳ１０６は、前記酸素濃度変化率算出手段であるＳ１０４およびＳ１０５で算出した前記酸素濃度変化率Ｒを所定の酸素濃度変化率Ｒｓと比較した場合の特定状態Ｒ≧Ｒｓが所定時間Ｔｓ以上持続している場合には、フィルタの昇温状態が異常であると判定する昇温異常判定手段ということができる。そしてＳ１０６を含む本プログラムはＲＯＭ３２に記憶されＲＯＭ３２の属性はＥＣＵ３０にあるのでＥＣＵ３０を昇温異常判定手段いうこともできる。
【００６６】
Ｓ１０７ではステップモータ１６によりスロットル弁１７を閉じて吸気絞りを行う、すなわち昇温状態検出手段であるＥＣＵ３０により検出したフィルタの昇温状態に応じてディーゼルエンジンへの流入酸素量を調節するので、Ｓ１０７を流入酸素量調節手段といえる。そしてＳ１０７を含む本プログラムはＲＯＭ３２に記憶されＲＯＭ３２の属性はＥＣＵ３０にあるのでＥＣＵ３０を流入酸素量調節手段ということもできる。また、吸気絞りを行う代わりに空燃比をリッチになるようにしてもよい。このようにすることで排気ガス中の酸素量を低減させることにより、酸化反応によるフィルタの過昇温を防止する。
【００６７】
なお、この実施形態では、入口側酸素濃度検出手段に酸素センサ８３を用いたものを示したが、その代わりとして、例えば縦軸に機関回転数をまた横軸に機関燃料噴射量をとってなる機関回転数−機関燃料噴射量線図によって入口側の酸素濃度を推定してもよい。この線図のことを入口側酸素濃度推定マップということにし、当該マップを前記ＲＯＭに記憶しておき必要に応じて当該マップから推定した入口側酸素濃度を求めてもよい。
【００６８】
このような構成のディーゼルエンジンでは、排気管７０における排気ガスの流れ方向においてフィルタに対する排気ガスの入口側および出口側それぞれの酸素濃度を検出し、排気ガスの出口側の酸素濃度が排気ガスの入口側の酸素濃度と比較してどのように変化しているかをみることで、すなわち排気管７０におけるフィルタを境にしたその前後における酸素濃度の単位時間あたりの変化率をみることで、フィルタの内部温度が過度に昇温しないように吸気絞り等によりフィードバック制御することが可能である。
【００６９】
そして、フィルタ内部での発熱速度（酸化反応速度）と相関関係にあるフィルタ前後の酸素濃度差の時間的変化率、すなわちフィルタに入った排気ガスがフィルタから排出されるまでの間に酸素濃度がどれだけ変化したか（どれだけの濃度差を生じたか）の単位時間当たりの変化率Ｒが、フィルタに熱劣化を生じさせてしまう、前記臨界点の一つである所定の酸素濃度変率Ｒｓと比較してそれ以上あり、かつその状態が、フィルタに熱劣化を生じさせてしまう、前記臨界点の別の一つである所定時間Ｔｓ以上持続していると、昇温状態検出手段（Ｓ１０４，Ｓ１０５）が判定した場合には、昇温異常判定手段（Ｓ１０６）によってフィルタ温度が過度に高まってやがて熱劣化してしまう虞のある臨界状態に現在フィルタがある、すなわちフィルタが異常に昇温された状態にある、と予測する。そしてその場合には、吸気絞りや空燃比のリッチ化を行って排気ガス中の酸素量を低減させることで酸化反応によるフィルタの過昇温を防止する。よってフィルタの熱劣化を有効に防止できる。
【００７０】
また、入口側酸素濃度検出手段として酸素センサや空燃比センサを用いずに前記入口側酸素濃度推定マップを用いれば、酸素センサや空燃比センサによって直接検出する場合に比べて精度的には劣るかもしれないが入口側酸素濃度検出手段として酸素センサや空燃比センサを用いなくてもよいので、それだけ部品点数の削減ができる。
【００７１】
なお、フィルタ内部で微粒子が部分的に燃焼を生じた場合でも本発明内燃機関の排気浄化装置によればリアルタイムに検出することができ、事前にフィルタが過昇温になりそうな状態を把握できる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置では、排気管に触媒付きパティキュレートフィルタを設置した内燃機関の排気浄化装置において、触媒付きパティキュレートフィルタの設置箇所を境とした排気管上流側および下流側の酸素濃度を検出し、これらの酸素濃度からフィルタ内での酸素濃度変化率を算出し、この酸素濃度変化率からフィルタの昇温状態を判定し、当該判定状態に応じて内燃機関への流入酸素量を調節することで、フィルタに熱劣化等の熱害を生じないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明内燃機関の排気浄化装置を適用した内燃機関の全体図
【図２】本発明内燃機関の排気浄化装置に係るフィルタの昇温状態に異常があるかどうかを判定するためのフィルタ昇温異常判定制御実行ルーチンを実現するためのプログラムを説明するためのフローチャート
【符号の説明】
１ 機関本体
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ 燃焼室
６ 電気制御式燃料噴射弁
６ａ 燃料供給管
７ 吸気弁
８ 吸気ポート
９ 排気弁
１０ 排気ポート
１１ 吸気枝管
１２ サージタンク
１３ 吸気ダクト
１４ 排気ターボチャージャ
１５ コンプレッサ
１６ ステップモータ
１７ スロットル弁
１８ 冷却装置
１９ 排気マニホールド
２０ 排気管
２１ タービン
２２ 触媒付きパティキュレートフィルタ（フィルタ）
２３ ケース体
２４ ＥＧＲ通路
２５ 電気制御式ＥＧＲ制御弁
２６ 冷却装置
２７ コモンレール
２８ 燃料ポンプ
２９ 燃料圧センサ
３０ ＥＣＵ（酸素濃度変化率算出手段，昇温状態検出手段，流入 酸素量調節手段，昇温異常判定手段）
３１ 双方向性バス
３２ ＲＯＭ
３３ ＲＡＭ
３４ ＣＰＵ
３５ 入力ポート
３６ 出力ポート
３７ ＡＤ変換器
３８ 駆動回路
４０ アクセルペダル
４１ 負荷センサ
４２ クランク角センサ
７０ 排気管（排気通路）
７９ 排気温度センサ
８１ 酸素センサ（出口側酸素濃度検出手段）
８３ 酸素センサ（入口側酸素濃度検出手段）
Ａ 排気浄化装置
ΔＯ２ 酸素濃度差
Ｒ 酸素濃度変化率
Ｒｓ 所定の酸素濃度変化率
Ｔｏ 排気ガス温度
Ｔｓ 所定時間
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置、詳しくは、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を除去するために機関排気通路内にフィルタを配置した内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を除去するために機関排気通路内に排気ガス中の微粒子を捕獲可能なパティキュレートフィルタを配置しこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、パティキュレートフィルタが捕集した微粒子を着火燃焼して除去することによりパティキュレートフィルタの再生を図っている。
【０００３】
ところが前記捕集した微粒子は600°C程度以上の高温にならないと着火せず、これに対してディーゼルエンジンの排気ガス温は通常、600°Cよりもかなり低く、高負荷運転している場合でもその排気ガス温は350°Cから400°Cでしかない。したがって排気ガス熱だけで微粒子に着火させるのは困難である。
【０００４】
そこで、パティキュレートフィルタ上に触媒を担持することで微粒子の着火温度を低下させて排気ガス熱だけで微粒子に着火させるようにした技術がある（なお、パティキュレートフィルタ上に触媒を担持したフィルタを以下「触媒付きパティキュレートフィルタまたは単にフィルタ」と表記する。）。例えば、特公平7−106290号公報記載の技術は、白金族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物からなる触媒をパティキュレートフィルタに担持させることで前記問題に対処している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような触媒付きパティキュレートフィルタであっても一部の微粒子のみしか着火せずよって微粒子が燃え残る場合がある。
【０００６】
詳しくは、排気ガス中に含まれる微粒子の量が少ない場合は問題ないが、内燃機関の運転状態によっては多量の微粒子が発生する場合があり、その場合はパティキュレートフィルタに付着した微粒子が完全に燃焼する前に微粒子上に別の微粒子が堆積して積層状態になる。すると、酸素と接触しやすい箇所にある例えば上層の微粒子は燃焼しても、酸素と接触しづらい箇所にある例えば下層の微粒子は燃焼せず斯くして微粒子が燃え残るという現象を誘発する。
【０００７】
このようになるのは恐らく微粒子が堆積している間に微粒子中の炭素が燃焼しづらいグラファイト等に変化するからであると考えられる。そしてその場合、堆積した微粒子を着火させるには600°C以上の高温状態におくことが必要となる。しかし前記のごとく、ディーゼルエンジンでは、排気ガス温が600°C以上の高温になることがないため、着火燃焼によって除去される微粒子よりも堆積する微粒子（以下「堆積微粒子」という。）が多ければ、幾ら触媒付きパティキュレートフィルタであっても排気ガス熱だけでは不十分であり、堆積した微粒子に着火させるのが困難になる。
【０００８】
そこで、排気管のうち触媒付きパティキュレートフィルタの設置個所よりも上流に燃料供給手段を設けて排気中に燃料を供給し、燃料の酸化反応によって発生する反応熱の利用により堆積した堆積微粒子を燃焼するという技術が従来より周知である。
【０００９】
しかし、このような技術では、燃料の供給量をフィルタの再生開始時の排気温度に基づいて設定するようにしてあるため、堆積微粒子の燃焼中に例えば機関回転数が増加して排気温度が上昇すると、上昇した排気温度に対して燃料の供給量が過剰となり、急激に酸化が進行し、フィルタ温度が微粒子の燃焼温度よりも高くなってフィルタが熱劣化してしまう虞がある。
【００１０】
そこで、排気管のうちフィルタ設置箇所よりも下流に排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設け、この酸素濃度検出手段が検出した酸素濃度に基づいてフィルタに熱劣化が生じていないかどうかを検出する技術が例えば特許第２９９８３２１号公報に開示されている。
【００１１】
しかし、当該フィルタから排出された排気ガスの酸素濃度からフィルタに熱害を生じる虞ありという判断をした時には既にフィルタが熱劣化している虞がある。これは、実際のフィルタ温度とフィルタに熱害を生じる虞ありと判断した時のフフィルタ温度との間には時間遅れがあるからである。
【００１２】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、その解決しようとする課題は、排気管に触媒付きパティキュレートフィルタを設置した内燃機関の排気浄化装置において、触媒付きパティキュレートフィルタの設置箇所を境とした排気管上流側および下流側の酸素濃度を検出し、これらの酸素濃度からフィルタ内での酸素濃度変化率を算出し、この酸素濃度変化率からフィルタの昇温状態を判定し、当該判定状態に応じて内燃機関への流入酸素量を調節することで、フィルタに熱劣化等の熱害を生じないようにすることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気昇温装置は、次の手段を採用した。
【００１４】
（１）本発明内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に設置され、触媒を担持し排気ガス中の微粒子を捕獲可能なフィルタと、前記排気通路のうち前記フィルタに入る排気ガス中の酸素濃度を検出する入口側酸素濃度検出手段と、前記フィルタから排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する出口側酸素濃度検出手段と、これら両酸素濃度検出手段が検出した値に基づいて前記フィルタ内での単位時間あたりの酸素濃度変化率を算出する酸素濃度変化率算出手段と、この酸素濃度変化率算出手段によって算出した酸素濃度の変化率に基づいて前記フィルタの昇温状態を検出する昇温状態検出手段と、この昇温状態検出手段により検出したフィルタの昇温状態に応じて内燃機関への流入酸素量を調節する流入酸素量調節手段と、を有するようにした。
【００１５】
ここで、内燃機関全体の制御を行うＥＣＵについて簡単に述べるとともに、本発明の構成要素について説明する。
【００１６】
ＥＣＵは、周知のごとくデジタルコンピュータからなり、双方向性バスによって相互に接続された、中央処理制御装置ＣＰＵ，読み出し専用メモリＲＯＭ，ランダムアクセスメモリＲＡＭ，バックアップＲＡＭ，入力インタフェース回路，出力インタフェース回路等から構成される。
【００１７】
入力インタフェース回路は、内燃機関や車輌に取り付けられた各種センサと電気的に接続され、これら各種センサの出力信号が入力インタフェース回路からＥＣＵ内に入るとこれらのパラメータは一時的にランダムアクセスメモリＲＡＭに記憶される。
【００１８】
そして、これらのパラメータに基づいてＣＰＵが必要とする演算処理を行うが、この演算処理の実行にあたり、ＣＰＵは双方向性バスを通じてランダムアクセスメモリＲＡＭに記憶しておいた前記パラメータを必要に応じて呼び出す。
【００１９】
「微粒子」とは、内燃機関がディーゼルエンジンの場合は、カーボンスーツ，未燃燃料，オイル等を例示できる。
【００２０】
「フィルタ」は内燃機関がディーゼルエンジンの場合は、ディーゼルエンジンから排出される微粒子を捕集するフィルタ、いわゆるＤｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ：ＤＰＦを例示できる。
【００２１】
（２）入口側酸素濃度検出手段および出口側酸素濃度検出手段は、酸素センサや空燃比センサが好適である。酸素センサも空燃比センサも周知であるため詳しい説明は省略する。
【００２２】
（３）入口側酸素濃度検出手段に酸素センサや空燃比センサを用いる代わりに、例えば縦軸に機関回転数をまた横軸に機関燃料噴射量をとってなる機関回転数−機関燃料噴射量線図によって入口側の酸素濃度を推定してもよい。この線図のことを入口側酸素濃度推定マップということにし、当該マップを前記ＲＯＭに記憶しておき必要に応じて当該マップから推定した入口側酸素濃度を求めてもよい。
【００２３】
「酸素濃度変化率算出手段」としては、入口側酸素濃度検出手段と出口側酸素濃度検出手段とが検出した値から前記フィルタ内での酸素濃度変化率を算出するように設定されかつ前記ＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムを挙げられる。前記アプリケーションプログラムの実行はＣＰＵによってなされＣＰＵの属性はＥＣＵにある。よって、ＥＣＵを酸素濃度変化率算出手段ということができる。
【００２４】
「昇温状態検出手段」としては、前記酸素濃度変化率算出手段によって算出した酸素濃度の変化率（以下「酸素濃度変化率」という。）から前記フィルタの昇温状態を検出するように設定されかつ前記ＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムを挙げられる。前記アプリケーションプログラムの実行はＣＰＵによってなされＣＰＵの属性はＥＣＵにある。よって、ＥＣＵを昇温状態検出手段ということができる。
【００２５】
（４）また、酸素濃度変化率算出手段によって算出した酸素濃度変化率が所定の酸素濃度変化率以上あり、かつ当該状態が所定時間以上持続している場合は、フィルタの昇温状態が異常であると判定する昇温異常判定手段を有することも考えられる。
【００２６】
このような「昇温異常判定手段」としては、前記ＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムを挙げられる。当該アプリケーションプログラムの実行はＣＰＵによってなされＣＰＵの属性はＥＣＵにある。よって、ＥＣＵを昇温異常判定手段ということができる。
【００２７】
よって、酸素濃度変化率が所定の酸素濃度変化率以上あり、かつ当該状態が所定時間以上持続していれば、それだけフィルタ内での酸化反応が促進しフィルタ温度が高まり、フィルタがいずれ熱劣化してしまう状態にあることを意味する。よって、所定の酸素濃度変化率と前記所定時間とは、フィルタ内での酸化反応が急速に進行し、そのままの状態を続けているとフィルタが熱劣化を生じてしまう虞が高いことを報せる臨界点を意味する。したがって、酸素濃度の変化率が所定の酸素濃度変化率以上になることとその状態が所定時間以上持続することは、フィルタ内での酸化反応が急速に進行し、フィルタの熱劣化現象を生じる虞が高い状態になる十分条件を意味する。
【００２８】
「流入酸素量調節手段」としては、前記昇温状態検出手段による昇温状態に応じて内燃機関への流入酸素量を調節できるように、吸気絞り弁による吸気絞りの実行や空燃比のリッチ化がなされるように設定されたアプリケーションプログラムを挙げられる。このアプリケーションプログラムの実行はＣＰＵによってなされＣＰＵの属性はＥＣＵにある。よって、ＥＣＵを流入酸素量調節手段ということができる。
【００２９】
なお空燃比のリッチ化は、例えば内燃機関のインジェクタ等の燃料噴射装置から噴射される機関燃料の増量によって行うことが挙げられる。そして、酸素センサ（Ｏ2センサ）や空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）から送られて来る信号によって燃料噴射量の増量分は決められる。
【００３０】
このような構成の内燃機関の排気浄化装置では、排気通路における排気ガスの流れ方向において、フィルタに対する排気ガスの入口側および出口側それぞれの酸素濃度を検出し、排気ガスの出口側の酸素濃度が排気ガスの入口側の酸素濃度と比較してどのように変化しているかをみることで、すなわち排気通路におけるフィルタを境にしたその前後における酸素濃度の単位時間あたりの変化率をみることで、フィルタの内部温度が過度に昇温しないようにフィードバック制御することが可能である。
【００３１】
そして、フィルタ内部での発熱速度（酸化反応速度）と相関関係にあるフィルタ前後の酸素濃度差の時間的変化率、すなわちフィルタに入った排気ガスがフィルタから排出されるまでの間に酸素濃度がどれだけ変化したか（どれだけの濃度差を生じたか）の単位時間当たりの変化率が、フィルタに熱劣化を生じさせてしまう、前記臨界点の一つである所定の酸素濃度変化率と比較してそれ以上あり、かつその状態がフィルタに熱劣化を生じさせてしまう、前記臨界点の別の一つである所定時間以上持続していると昇温状態検出手段が判定した場合には、昇温異常判定手段によってフィルタ温度が過度に高まってやがて熱劣化してしまう虞のある臨界状態に現在フィルタがある、すなわちフィルタが異常に昇温された状態にあると予測する。そしてその場合には、吸気絞りや空燃比のリッチ化を行って排気ガス中の酸素量を低減させることで酸化反応によるフィルタの過昇温を防止する。よってフィルタの熱劣化を有効に防止できる。
【００３２】
また、入口側酸素濃度検出手段に酸素センサや空燃比センサを用いずに入口側酸素濃度推定マップを用いれば酸素センサや空燃比センサによって直接検出する場合に比べて精度的には劣っても入口側酸素濃度検出手段として酸素センサや空燃比センサを用いなくてもよいのでそれだけ部品点数の削減ができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明内燃機関の排気浄化装置の実施形態を添付した図面に基づいて説明する。
【００３４】
図１は本発明内燃機関の排気浄化装置を圧縮着火式内燃機関であるディーゼルエンジンに適用した場合を示す。
【００３５】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを示す。
【００３６】
吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。コンプレッサ１５を取り付けてある吸気管９０には図示しないエアクリーナやエアフローメータを備えてある。
【００３７】
吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動するスロットル弁１７を配置し、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８を配置してある。図１に示す実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気を冷却するようになっている。
【００３８】
一方、排気ポート１０は排気マニホールド１９および排気管２０を介してターボチャージャ１４のタービン２１に連結され、タービン２１の出口は排気通路である排気管７０に設けた排気浄化装置Ａに連結してある。また、排気ポート１０には燃料供給手段である図示しない燃料添加ノズルを取り付けてある。よって、燃料添加ノズルは、排気管７０のうち排気浄化装置Ａよりも上流に位置する。
【００３９】
排気浄化装置Ａは、ＤＰＦに酸化触媒を担持しかつ排気ガス中の微粒子を捕獲可能なフィルタである触媒付きパティキュレートフィルタ２２をケース体２３内に包蔵してなるものである。この排気浄化装置Ａを用いて排気ガス中の煤等の微粒子を除去するために微粒子をフィルタで一旦捕集し、当該捕集した微粒子を着火燃焼する。微粒子を着火燃焼するには、排気ガス熱を利用する他、前記燃料添加ノズルから排気中に燃料を供給し、燃料の酸化反応によって発生する反応熱を利用する。このようにして微粒子を燃焼除去することでフィルタから微粒子を除去しフィルタの再生を図る。なお、酸化触媒の代わりに、燃料の酸化機能を有するＮＯｘ触媒をＤＰＦに担持してもよい。
【００４０】
また、排気マニホールド１９とサージタンク１２とは、排気ガス再循環装置（以下、「ＥＧＲ」と称す）の構成部材であるＥＧＲ通路２４を介してお互いに連結されている。また、ＥＧＲ通路２４は電気制御式ＥＧＲ制御弁２５を有する。加えてＥＧＲ通路２４にはその中を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６を配置してある。図１に示す実施例では機関冷却水を冷却装置２６内に導びき、機関冷却水によってＥＧＲガスを冷却するようになっている。
【００４１】
一方、燃料噴射弁６は、燃料供給管６ａを介して燃料リザーバであるコモンレール２７に連結してある。
【００４２】
コモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８によって燃料を供給する。そして、コモンレール２７内に供給した燃料は燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９を取り付けてあり、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量を制御する。
【００４３】
なお、燃料噴射弁６からの噴射燃料の量は、アクセルペダル４０の踏み込み量と機関回転数の関数としてマップの形で、次に述べる電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称す。）３０のＲＯＭ３２内に記憶しておいた要求トルク算出マップ（図示せず）からアクセルペダル４０の踏み込み量および機関回転数に応じた要求トルクを求め、この要求トルクに基づいて算出するようになっている。
【００４４】
ＥＣＵ３０はデジタルコンピューターからなり、双方向性バス３１によって互いに接続したＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５、出力ポート３６およびＡＤ変換器３７を具備する。
【００４５】
燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力する。
【００４６】
また、排気管７０のうち排気浄化装置Ａの下流側近傍には排気浄化装置Ａから排出される排気ガス温度（出ガス温度）Ｔｏを検出する排気温度センサ７９を取り付けてある。そして排気温度センサ７９よりも下流箇所には排気浄化装置Ａ（フィルタ）から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する出口側酸素濃度検出手段としての酸素センサ（または空燃比センサ）８１を取り付けてある。そして排気管７０のうち排気浄化装置Ａの上流側にも酸素センサ（または空燃比センサ）８３を取り付けてあり、この酸素センサ８３によって排気浄化装置Ａに入る排気ガス中の酸素濃度を検出する。よって酸素センサ８３は排気浄化装置Ａの入口側酸素濃度検出手段といえる。 温度センサ７９や酸素センサ８１，８３の出力信号は、ＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入る。
【００４７】
また、排気管７０のうち酸素センサ８１よりも下流には、ケース体内に例えば吸蔵還元型ＮＯx触媒を包蔵する触媒コンバータや排気絞り弁（共に図示せず）を取り付けてある。
【００４８】
アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１を接続してあり、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入る。更に入力ポート３５には、図示しないクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２を接続してある。
【００４９】
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して、燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６，ＥＧＲ制御弁２５，燃料ポンプ２８と接続してある。
【００５０】
次に図２のフローチャートを用いて、本実施形態に係る排気浄化装置Ａに含まれるフィルタの昇温状態に異常があるかどうかを判定するためのフィルタ昇温異常判定制御実行ルーチンを実現するためのプログラムを説明する。
【００５１】
本プログラムは、以下に述べるステップ１０１〜ステップ１０７からなる。また、これらのステップからなるプログラムは、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶してあり必要に応じて呼び出される。前記各ステップにおける処理は、すべてＥＣＵ３０のＣＰＵ３４による。なお、記号Ｓを用い、例えばステップ１０１であればＳ１０１と省略して示す。
【００５２】
Ｓ１０１では酸素センサ８１および８３により、排気管７０のうち排気浄化装置Ａのフィルタに入る上流側排気ガス中の酸素濃度およびフィルタから排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する。併せて排気温度センサ７９により排気浄化装置Ａの出ガス温度Ｔｏを検出する。
【００５３】
Ｓ１０２ではＳ１０１で求めた排気浄化装置Ａの上流側および下流側それぞれの酸素濃度から両者の酸素濃度差（ΔＯ２）を算出する。
【００５４】
Ｓ１０３では酸素濃度の変化率（以下「酸素濃度変化率」という。）Ｒを算出するために、本ルーチン実行時における例えば最初の酸素濃度差（ΔＯ２）を二回目の酸素濃度差（ΔＯ２）から差し引いたものを単位時間で除する。
【００５５】
これらの関係を算式（１）で示す。
【００５６】
Ｒ＝（（ΔＯ２）ｎ−（ΔＯ２）ｎ−１）／ｔ・・・（１）
ただし、
ｎ：本ルーチンの実行回数を示す。
【００５７】
ｎ−１：本ルーチンの前回の実行回数を示す。
【００５８】
ｔ：単位時間
Ｓ１０３のことを酸素濃度検出手段である酸素センサ８３および８１が検出した値に基づいて前記フィルタ内での単位時間あたりの酸素濃度変化率を算出する酸素濃度変化率算出手段という。Ｓ１０３を含む本プログラムはＲＯＭ３２に記憶されＲＯＭ３２の属性はＥＣＵ３０にあるのでＥＣＵ３０を酸素濃度変化率算出手段ということもできる。
【００５９】
Ｓ１０４ではＳ１０３で求めた酸素濃度変化率Ｒを所定の酸素濃度変化率Ｒｓと比較し、その大小関係を等記号を含む不等式を用いた算式（２）で判定する。
【００６０】
Ｒ≧Ｒｓ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
ただし、
Ｒｓ：排気浄化装置Ａのフィルタ内で酸化反応が急速に進行し、フィルタが熱劣化を生じてしまうことを意味する指標の一つ
Ｓ１０４で肯定判定した場合はＳ１０５に進む。また否定判定した場合は本プログラムを必要に応じて繰り返す。酸化反応が急速におこっていないことになるので本発明の対象外だからである。
【００６１】
Ｓ１０５ではＳ１０４で肯定判定した場合の状態であるＲ≧Ｒｓの関係が所定時間Ｔｓ以上持続しているかどうかを判定する。ここでＴｓとは、Ｒ≧Ｒｓの関係が所定時間Ｔｓ以上持続している場合には、それだけフィルタ内での酸化反応が促進してフィルタ温度が異常に高まり、フィルタがやがて熱劣化してしまう状態にあることを意味する指標である。また前記所定時間Ｔｓは、Ｓ１０１で求めた出ガス温度Ｔｏによってかつフィルタの種類によって定まる定数である。所定時間Ｔｓを求めるには、予め用意しておいた出ガス温度Ｔｏに基づいて定まる一次元マップ（図示せず）から求める。
【００６２】
よって、所定の酸素濃度変化率Ｒｓと前記所定時間Ｔｓとは、フィルタ内での酸化反応が急速に進行し、フィルタがやがて熱劣化を生じてしまう臨界点を意味する。換言すれば、酸素濃度の変化率Ｒが所定の酸素濃度変化率Ｒｓ以上になることおよびその状態が所定時間Ｔｓ以上持続することは、フィルタ内での酸化反応が急速に進行し、フィルタの熱劣化現象を生じるための十分条件である。
【００６３】
そして、これらＳ１０４およびＳ１０５は、酸素濃度変化率算出手段であるＳ１０３で算出した酸素濃度の変化率に基づいてフィルタの昇温状態を検出する昇温状態検出手段ということができる。Ｓ１０４およびＳ１０５を含む本プログラムはＲＯＭ３２に記憶されＲＯＭ３２の属性はＥＣＵ３０にあるのでＥＣＵ３０を昇温状態検出手段ということもできる。
【００６４】
そして、Ｓ１０５で肯定判定した場合はＳ１０６に進み、否定判定した場合は本プログラムを必要に応じて繰り返す。否定判定した場合に本プログラムを終了するのは酸化反応がおこっていてもフィルタに劣化を生じる程の状態にないからである。
【００６５】
そして、Ｓ１０６ではＳ１０４とＳ１０５の条件が揃った場合に進むステップであるからこのＳ１０６でフィルタが異常昇温の状態にあると判断する。よってＳ１０６は、前記酸素濃度変化率算出手段であるＳ１０４およびＳ１０５で算出した前記酸素濃度変化率Ｒを所定の酸素濃度変化率Ｒｓと比較した場合の特定状態Ｒ≧Ｒｓが所定時間Ｔｓ以上持続している場合には、フィルタの昇温状態が異常であると判定する昇温異常判定手段ということができる。そしてＳ１０６を含む本プログラムはＲＯＭ３２に記憶されＲＯＭ３２の属性はＥＣＵ３０にあるのでＥＣＵ３０を昇温異常判定手段いうこともできる。
【００６６】
Ｓ１０７ではステップモータ１６によりスロットル弁１７を閉じて吸気絞りを行う、すなわち昇温状態検出手段であるＥＣＵ３０により検出したフィルタの昇温状態に応じてディーゼルエンジンへの流入酸素量を調節するので、Ｓ１０７を流入酸素量調節手段といえる。そしてＳ１０７を含む本プログラムはＲＯＭ３２に記憶されＲＯＭ３２の属性はＥＣＵ３０にあるのでＥＣＵ３０を流入酸素量調節手段ということもできる。また、吸気絞りを行う代わりに空燃比をリッチになるようにしてもよい。このようにすることで排気ガス中の酸素量を低減させることにより、酸化反応によるフィルタの過昇温を防止する。
【００６７】
なお、この実施形態では、入口側酸素濃度検出手段に酸素センサ８３を用いたものを示したが、その代わりとして、例えば縦軸に機関回転数をまた横軸に機関燃料噴射量をとってなる機関回転数−機関燃料噴射量線図によって入口側の酸素濃度を推定してもよい。この線図のことを入口側酸素濃度推定マップということにし、当該マップを前記ＲＯＭに記憶しておき必要に応じて当該マップから推定した入口側酸素濃度を求めてもよい。
【００６８】
このような構成のディーゼルエンジンでは、排気管７０における排気ガスの流れ方向においてフィルタに対する排気ガスの入口側および出口側それぞれの酸素濃度を検出し、排気ガスの出口側の酸素濃度が排気ガスの入口側の酸素濃度と比較してどのように変化しているかをみることで、すなわち排気管７０におけるフィルタを境にしたその前後における酸素濃度の単位時間あたりの変化率をみることで、フィルタの内部温度が過度に昇温しないように吸気絞り等によりフィードバック制御することが可能である。
【００６９】
そして、フィルタ内部での発熱速度（酸化反応速度）と相関関係にあるフィルタ前後の酸素濃度差の時間的変化率、すなわちフィルタに入った排気ガスがフィルタから排出されるまでの間に酸素濃度がどれだけ変化したか（どれだけの濃度差を生じたか）の単位時間当たりの変化率Ｒが、フィルタに熱劣化を生じさせてしまう、前記臨界点の一つである所定の酸素濃度変率Ｒｓと比較してそれ以上あり、かつその状態が、フィルタに熱劣化を生じさせてしまう、前記臨界点の別の一つである所定時間Ｔｓ以上持続していると、昇温状態検出手段（Ｓ１０４，Ｓ１０５）が判定した場合には、昇温異常判定手段（Ｓ１０６）によってフィルタ温度が過度に高まってやがて熱劣化してしまう虞のある臨界状態に現在フィルタがある、すなわちフィルタが異常に昇温された状態にある、と予測する。そしてその場合には、吸気絞りや空燃比のリッチ化を行って排気ガス中の酸素量を低減させることで酸化反応によるフィルタの過昇温を防止する。よってフィルタの熱劣化を有効に防止できる。
【００７０】
また、入口側酸素濃度検出手段として酸素センサや空燃比センサを用いずに前記入口側酸素濃度推定マップを用いれば、酸素センサや空燃比センサによって直接検出する場合に比べて精度的には劣るかもしれないが入口側酸素濃度検出手段として酸素センサや空燃比センサを用いなくてもよいので、それだけ部品点数の削減ができる。
【００７１】
なお、フィルタ内部で微粒子が部分的に燃焼を生じた場合でも本発明内燃機関の排気浄化装置によればリアルタイムに検出することができ、事前にフィルタが過昇温になりそうな状態を把握できる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置では、排気管に触媒付きパティキュレートフィルタを設置した内燃機関の排気浄化装置において、触媒付きパティキュレートフィルタの設置箇所を境とした排気管上流側および下流側の酸素濃度を検出し、これらの酸素濃度からフィルタ内での酸素濃度変化率を算出し、この酸素濃度変化率からフィルタの昇温状態を判定し、当該判定状態に応じて内燃機関への流入酸素量を調節することで、フィルタに熱劣化等の熱害を生じないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明内燃機関の排気浄化装置を適用した内燃機関の全体図
【図２】本発明内燃機関の排気浄化装置に係るフィルタの昇温状態に異常があるかどうかを判定するためのフィルタ昇温異常判定制御実行ルーチンを実現するためのプログラムを説明するためのフローチャート
【符号の説明】
１ 機関本体
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ 燃焼室
６ 電気制御式燃料噴射弁
６ａ 燃料供給管
７ 吸気弁
８ 吸気ポート
９ 排気弁
１０ 排気ポート
１１ 吸気枝管
１２ サージタンク
１３ 吸気ダクト
１４ 排気ターボチャージャ
１５ コンプレッサ
１６ ステップモータ
１７ スロットル弁
１８ 冷却装置
１９ 排気マニホールド
２０ 排気管
２１ タービン
２２ 触媒付きパティキュレートフィルタ（フィルタ）
２３ ケース体
２４ ＥＧＲ通路
２５ 電気制御式ＥＧＲ制御弁
２６ 冷却装置
２７ コモンレール
２８ 燃料ポンプ
２９ 燃料圧センサ
３０ ＥＣＵ（酸素濃度変化率算出手段，昇温状態検出手段，流入 酸素量調節手段，昇温異常判定手段）
３１ 双方向性バス
３２ ＲＯＭ
３３ ＲＡＭ
３４ ＣＰＵ
３５ 入力ポート
３６ 出力ポート
３７ ＡＤ変換器
３８ 駆動回路
４０ アクセルペダル
４１ 負荷センサ
４２ クランク角センサ
７０ 排気管（排気通路）
７９ 排気温度センサ
８１ 酸素センサ（出口側酸素濃度検出手段）
８３ 酸素センサ（入口側酸素濃度検出手段）
Ａ 排気浄化装置
ΔＯ２ 酸素濃度差
Ｒ 酸素濃度変化率
Ｒｓ 所定の酸素濃度変化率
Ｔｏ 排気ガス温度
Ｔｓ 所定時間
Claims (4)
- 排気通路に設置され、触媒を担持し排気ガス中の微粒子を捕獲可能なフィルタと、
前記排気通路のうち前記フィルタに入る排気ガス中の酸素濃度を検出する入口側酸素濃度検出手段と、
前記フィルタから排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する出口側酸素濃度検出手段と、
これら両酸素濃度検出手段が検出した値に基づいて前記フィルタ内での単位時間あたりの酸素濃度変化率を算出する酸素濃度変化率算出手段と、
この酸素濃度変化率算出手段によって算出した酸素濃度の変化率に基づいて前記フィルタの昇温状態を検出する昇温状態検出手段と、
この昇温状態検出手段により検出したフィルタの昇温状態に応じて内燃機関への流入酸素量を調節する流入酸素量調節手段と、
を有する内燃機関の排気浄化装置。 - 前記入口側酸素濃度検出手段および出口側酸素濃度検出手段は、酸素センサまたは空燃比センサであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記入口側酸素濃度検出手段は、機関回転数と機関燃料噴射量とから前記排気通路のうち前記フィルタに入る排気ガス中の酸素濃度を求めることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記酸素濃度変化率算出手段によって算出した前記酸素濃度変化率を所定の酸素濃度変化率と比較した場合の特定状態が所定時間以上持続している場合は、フィルタの昇温状態が異常であると判定する昇温異常判定手段を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
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