JP3838339B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気に含まれるパティキュレートをフィルタにより捕集して排気を浄化するとともに、そのフィルタを再生する機能をも有した内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の排気浄化装置に関する従来技術としては、例えば特開平４−４７１１９号公報、特開昭６１−７９８１４号公報等に記載された排気処理装置が挙げられる。
前者の処理装置は、フィルタの上流位置で排気通路内に燃料を供給し、その燃焼熱でフィルタに堆積したパティキュレートを酸化させることによりフィルタを再生するものである。特に前者の処理装置は排気中の酸素流量の増加に応じて燃料供給量を増やすとともに、排気温度の上昇に応じて燃料供給量を減らす制御を行うものとしている。このため前者の処理装置によれば、フィルタ再生時にその供給した燃料の燃焼温度が所定の温度となり、フィルタを過熱することなくパティキュレートを酸化させることができると考えられる。
【０００３】
一方、後者の処理装置は電気ヒータ等の外部熱源を用いてフィルタを加熱し、その熱でパティキュレートを酸化させるものである。特に後者の処理装置は再生途中にエンジンがアイドル状態に移行したとき、フィルタの温度が所定の温度を超え、かつ、排気の酸素濃度が所定の上限を超えた場合は、その酸素濃度を上限以下に抑え込む制御を行うものとしている。このため後者の処理装置によれば、パティキュレートの堆積量が少ない状態でフィルタを充分に加熱していても、パティキュレートの急激な酸化によってフィルタが過熱する事態は避けられると考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した前者の処理装置はフィルタ再生時に排気温度の上昇に対応して燃料供給量を減少してはいるものの、その一方で燃料の燃焼温度を所定とすることのみに拘泥し、パティキュレートの燃焼によるフィルタの過熱について考慮していない。具体的には、フィルタ再生時に燃料の燃焼温度を所定に保持していたとしても、パティキュレートの燃焼が急速に進行した場合、その燃焼熱でフィルタが溶損するおそれがある。
【０００５】
この点、後者の処理装置では酸素濃度を所定の上限（例えば４％）以下に抑えているため、その範囲内ではパティキュレートの急激な燃焼を抑えることができると考えられるものの、このような低酸素濃度下では燃焼の進行が緩慢になるため、フィルタの再生にはかえって長時間を要してしまう。
そこで本発明はフィルタの再生時にその過熱による溶損を防止するとともに、フィルタ再生時間の短縮化をも合わせて実現可能とする技術の提供を課題としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の排気浄化装置（請求項１）は、排気通路を流れる排気の流量とフィルタ温度とを検出し、検出したフィルタ温度が再生手段によりパティキュレートの酸化される温度に達した後に、検出した排気流量に基づいてフィルタを通過する酸素の濃度を制御することで上記の課題を解決したものである。通常、フィルタの再生時にパティキュレートの燃焼が進むと、その燃焼熱によりフィルタ温度は上昇する。このとき燃焼をより活発化させると、再生時間は短縮されるものの、過剰な温度上昇によりフィルタを溶損させるおそれがある。かといって、パティキュレートの燃焼を緩慢にしていると再生時間は長くなる。
【０００７】
このように、フィルタの溶損防止という課題と再生時間の短縮という課題とは互いにトレード・オフの関係にあり、これら課題を共通に解決する有効な手段として本発明では排気流による熱の持ち去りに着目している。すなわち、フィルタ再生時にパティキュレートの燃焼が活発に進行していても、フィルタを通る排気流量が多ければ、その分、排気流による熱の持ち去り量が多いため、フィルタの温度が極端に上昇することはないといえる。逆に排気流量が少なければ、その分だけ熱の持ち去り量も少ないため、フィルタの過熱を防止するにはパティキュレートの燃焼を抑制する必要が生じる。このため本発明では排気流量と熱の持ち去り量との関連性に着目する一方、検出したフィルタ温度が再生手段によりパティキュレートの酸化される温度に達した後に、検出した排気流量に基づいて酸素濃度を制御することにより、フィルタの過熱が生じない範囲内でパティキュレートの燃焼の進み具合を積極的にコントロールすることとしている。
【０００８】
具体的には、酸素濃度の制御にあたり検出した排気流量が多いときほど制御するべき酸素濃度を高く設定する（請求項２）。すなわち、排気流による熱の持ち去り量が多いと見込まれるときは、高酸素濃度下でパティキュレートの燃焼を活発化させ、その間にフィルタの再生時間を短縮する。一方、排気流による熱の持ち去り量があまり多くないと見込まれるときは、低酸素濃度下でパティキュレートの燃焼を緩慢にし、フィルタへの加熱を抑制する。何れの場合も、フィルタの許容温度を超えない範囲内でパティキュレートの燃焼の進み具合を酸素濃度によりコントロールしているため、フィルタの過熱による溶損が有効に防止される。
【０００９】
より実用的には、酸素濃度の制御は排気に燃料を混入させることで実現することができる。このため、本発明の排気浄化装置（請求項３）は酸素濃度を制御するための燃料噴射弁を含み、この燃料噴射弁により主噴射後の行程で更に燃料をポスト噴射する。このときポスト噴射による燃料噴射量を調節することで、排気の酸素濃度を制御することが可能となる。
【００１０】
なお好ましくは、本発明の排気浄化装置は内燃機関の運転状態を検出する手段を含み、その検出した運転状態の情報をもとにポスト噴射による燃料噴射量を設定して酸素濃度を制御することができる。この場合、排気流量に基づく酸素濃度制御は、運転状態に基づくポスト噴射量制御の形態にて置き換えられる。このような置き換えが成立するのは、検出した運転状態から排気流量が観測可能であり、かつ、制御するべき酸素濃度の値がポスト噴射量によって実現可能であることに基づいている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、例えば本発明の排気浄化装置をディーゼルエンジンに適用した場合の一実施形態を示している。エンジン１の排気通路の途中にはディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、単に「ＤＰＦ」と称する。）２が配設されており、その上流側に酸化触媒４が設けられている。ＤＰＦ２は排気に含まれるパティキュレートを捕集して排気を浄化する一方、その捕集したパティキュレートを酸化させて連続再生が可能である。酸化触媒４はＤＰＦ２の再生時に排気中のＨＣを酸化させ、その熱でＤＰＦ２を昇温させる。酸化触媒４は本実施形態のようにＤＰＦ２の前段に配置されていてもよいし、例えばＤＰＦ２そのものに担持されていてもよい。
【００１２】
エンジン１の燃料供給系にはコモンレールシステムが採用されている。コモンレールシステムには、例えばコモンレール６、フューエルインジェクタ８および電子制御ユニット（以下、単に「ＥＣＵ」と称する。）１０が含まれており、コモンレール６には、例えば燃料タンクから高圧燃料供給ポンプ（何れも図示されていない）を介して高圧燃料が蓄積される。ＥＣＵ１０はフューエルインジェクタ８に対する動作信号を出力し、その噴射ノズルを開閉させて燃料を噴射させることができる。燃料噴射量および噴射時期は、例えばエンジン１の運転状態（回転速度、負荷等）に基づいて制御されており、それゆえＥＣＵ１０は主噴射を適切に行うために予めプログラムされた燃料噴射制御機能を有している。
【００１３】
本発明の排気浄化装置は上述したコモンレールシステムを利用して実現することができる。システムのＥＣＵ１０には、主噴射後の行程（膨張ないし排気行程）で燃料をポスト噴射させる機能をも割り当てられており、ＤＰＦ２の再生時にはポスト噴射によって排気温度を上昇させたり、フィルタ温度を上昇させたりすることができる。特に本発明の排気浄化装置は、ポスト噴射によって排気に燃料を混入させ、その酸素濃度を具体的に増減する制御を実施することができる。なおフィルタ再生時の具体的な制御の内容については後述する。
【００１４】
ＥＣＵ１０はその制御動作を正確に行うため、エンジン１の各部に設けられた各種のセンサ類から各種の情報を収集している。具体的には、ＥＣＵ１０はクランク角センサ１２から検出信号を受け取り、これを演算処理してエンジン１の回転速度Ｎｅやクランク角ＣＡ等を検出する。またＥＣＵ１０はアクセルポジションセンサ１４からの検出信号を受け取り、運転者の踏み込み操作に基づくアクセル開度Ａｃｃを検出する。
【００１５】
また、エンジン１の吸気通路にはエアフローセンサ１６および温度・圧力センサ１８が設けられており、ＥＣＵ１０はこれらエアフローセンサ１６および温度・圧力センサ１８からの検出信号を用いて吸入空気量および吸気温度・圧力をそれぞれ検出することができる。一方、ＤＰＦ２および酸化触媒４にはそれぞれ温度センサ２０，２２が設けられており、これら温度センサ２０，２２からの検出信号を用いてＥＣＵ１０はフィルタ温度や触媒温度、または、これらの雰囲気温度をそれぞれ検出することができる。また、酸化触媒４とＤＰＦ２との間に酸素濃度センサ２４が配置されており、ＥＣＵ１０は酸素濃度センサ２４からの検出信号を用いてＤＰＦ２を通る排気の酸素濃度を検出することができる。その他、吸気通路には温度・圧力センサ２６が設けられており、ＥＣＵ１０は温度・圧力センサ２６からの検出信号を用いて排気温度・圧力をそれぞれ検出することができる。
【００１６】
以上は、本発明の排気浄化装置を車両用のディーゼルエンジンに適用した場合の一実施形態である。本実施形態では、コモンレールシステムを用いたＤＰＦ２の再生制御が可能であり、以下に排気浄化装置によるフィルタ再生制御について具体的な実施例を挙げて説明する。
【００１７】
【実施例】
図２は、フィルタ再生制御を実行する場合の燃料噴射パターンの例を示している。この実施例では、フィルタ再生時には例えば３段階の噴射パターンが設定されており、フィルタ再生制御の進行に伴って噴射パターンが１段目から２段目、３段目へと順次移行される。
【００１８】
先ず１段目の噴射パターンでは、主噴射後の膨張行程で燃料をポスト噴射し、その燃焼熱によって排気温度を上昇させる。このとき、ＥＣＵ１０は効率的に排気温度の上昇が得られる目標噴射量および噴射時期を設定し、これら目標値にしたがってポスト噴射の燃料噴射量および噴射時期を制御する。目標値は例えば、上述したエンジン回転速度Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃ（負荷）の情報をもとに所定のマップから設定することができる。
【００１９】
排気温度の上昇によって酸化触媒４が活性温度（例えば３００℃以上）に達すると、次に２段目の噴射パターンに移行する。２段目の噴射パターンは、ポスト噴射によって排気中に未燃ＨＣを生成し、これを酸化触媒４に供給して酸化させるものである。このときＨＣの酸化によってＤＰＦ２の入口温度が上昇し、ＤＰＦ２が再生可能な温度条件にまで上昇される。
【００２０】
具体的には、ＥＣＵ１０は温度センサ２０からの検出信号を用いて酸化触媒４の温度変化を監視し、その値が活性温度にて安定したことを確認すると、ポスト噴射の時期および噴射量を変更する。このときＥＣＵ１０は主噴射の終了後からポスト噴射の開始時期を１段目の場合よりも遠ざけ、ポスト噴射により供給した燃料を酸化させることなく排気中に混入させる。ポスト噴射された燃料は排気中で気化し、未燃ＨＣガスを生成する。
【００２１】
ＤＰＦ２が再生可能な温度まで昇温されると、やがてパティキュレートに着火して燃焼が開始される（再生手段）。このためＤＰＦ２が再生可能温度（例えば出口温度が６００℃以上）にまで上昇し、その温度条件が所定時間（例えば２分間）継続すると、排気浄化装置は次に３段目の噴射パターンに移行する。ＥＣＵ１０は温度センサ２２からの検出信号を用いてＤＰＦ２の温度を監視しており、その温度が再生可能温度に達した状態で所定時間継続したことを確認すると、ポスト噴射の時期および噴射量を３段目の噴射パターンに合わせて変更する。
【００２２】
３段目の噴射パターンもまた、排気中に未燃ＨＣを混入させるものであるが、その目的はＤＰＦ２を通る排気の酸素濃度を制御することにある。ここで、ポスト噴射による酸素濃度の制御は以下のようにして行うことができる。例えば、目標とする酸素濃度を予め設定しておく一方で実際の酸素濃度を検出し、これらの間の濃度差に基づいて燃料噴射量を調節する。実際の酸素濃度は、上述した酸素濃度センサ２４を用いて検出することもできるし、検出した吸入空気量およびコモンレールシステムにおいて制御すべき主噴射量等の情報を用いて空気過剰率から算出することもできる。したがって目標酸素濃度と実酸素濃度の間の偏差をとると、排気中に混入させるべき燃料の噴射量はそのときの空気過剰率から容易に逆算することができる。
【００２３】
上述した目標酸素濃度の設定は、ＤＰＦ２を通る排気の流量に基づいて行うことができる。それゆえＥＣＵ１０は排気流量を検出し、その結果に基づいて目標酸素濃度を設定する機能を有している。排気流量の検出は例えば以下のようにして行うことができる。ＥＣＵ１０はエンジン１の運転状態を表す回転速度Ｎｅおよびアクセル開度（負荷）Ａｃｃ等の情報をもとに所定のマップから体積効率を求め、その求めた体積効率と回転速度Ｎｅおよび検出した吸気温度・圧力等の情報から排気流量を演算することができる（排気流量検出手段）。なお体積効率のマップはＥＣＵ１０の記憶装置に記憶されており、また、吸気温度・圧力の検出には上述した温度・圧力センサ１８を利用することができる。
【００２４】
あるいは別の検出手法として、ＥＣＵ１０はエアフローセンサ１６や温度・圧力センサ１８を用いて吸気流量や吸気温度・圧力を検出し、また、酸化触媒４の温度センサ２０や排気通路の温度・圧力センサ２６等を用いて排気温度、圧力等を検出する。そしてＥＣＵ１０は、これら検出値を用いて排気流量を演算することもできる（排気流量検出手段）。
【００２５】
ＥＣＵ１０は排気流量を検出すると、次にその値に基づいて目標酸素濃度を設定する。このとき目標酸素濃度の具体的な値は、排気流による熱の持ち去り量とパティキュレートの燃焼による発熱量との関係に基づき、ＤＰＦ２の温度が所定の許容温度を超えない範囲内でパティキュレートの燃焼をコントロールできるように予め設定されている。
【００２６】
図３は、フィルタ再生時における目標酸素濃度とフィルタ温度との関係を示している。ここでフィルタ温度を実際にＤＰＦ２の溶損が生じない許容範囲内として考えると、同一の温度条件（例えばＴ₁）であっても排気流量が多い場合は目標酸素濃度を高く（Ｃ₂＞Ｃ₁）設定できる。これは、ＤＰＦ２を通る排気流量が多くなるとそれだけＤＰＦ２から多くの熱が持ち去られるため、酸素濃度が高い分（Ｃ₂−Ｃ₁）だけパティキュレートを活発に燃焼させたとしても、ＤＰＦ２が過熱しないことに基づいている。
【００２７】
図４は、検出した排気流量から目標酸素濃度を設定するマップの例を示している。上述した目標酸素濃度とフィルタ温度との関係に基づき、排気流量と目標酸素濃度との関係は図４のように簡易的に設定することができる。すなわち、ＤＰＦ２の溶損が生じない範囲内で目標酸素濃度を設定する場合、その値は単に排気流量のみに基づいて決定され、そのマップ特性は排気流量が多いときほど目標酸素濃度が高く設定されるものとなる。なお、排気流量および酸素濃度の具体的な実数値は、本発明を適用するべきエンジン１やＤＰＦ２の仕様等に応じて適宜決定することができる。
【００２８】
実際のフィルタ再生制御においては、例えばＥＣＵ１０によりフィルタ温度および排気流量を検出するとともに、これら検出値から図３のマップを検索して目標酸素濃度を設定することができる。本来、目標とすべき酸素濃度はその時のフィルタ温度と排気流量によって厳密に設定することが好ましいが、簡易的に図４のマップを用いて排気流量のみから求めてもよい。そして目標酸素濃度が設定されると、上述のようにその値からポスト噴射量を演算することができる。ＥＣＵ１０は求めたポスト噴射量にしたがってインジェクタ８を作動させ、排気に燃料を混入させてその酸素濃度を制御する（濃度制御手段）。
【００２９】
ここで本発明の発明者等は、より実用的な濃度制御手段として以下の手法を提供している。例えば図２や図４等の関係に基づいて排気の酸素濃度を実際に制御する場合、排気流量を等価的に別の状態変数に置き換えて実際のポスト噴射量を設定することができる。具体的には、排気流量をエンジン回転速度Ｎｅおよびアクセル開度（負荷）Ａｃｃから決定されるものとして扱い、これら回転速度Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃからポスト噴射量を決定するマップを用いる。この制御手法では、物理量である排気流量を検出することなく、別の状態量（回転速度、負荷等）に置き換えた形で排気流量を観測し、その観測結果に基づいて目標酸素濃度をポスト噴射量に変換している。このため、回転速度や負荷等の運転状態から直接ポスト噴射量を決定することができるという利点がある。
【００３０】
上記の制御手法を実現する場合、例えばＥＣＵ１０には各運転状態（回転速度、負荷等）に対応して目標酸素濃度を得るためのポスト噴射量制御マップを組み込むことができる。このマップには排気流量と目標酸素濃度との関係がエンジン１の運転状態とポスト噴射量との関係に置き換えた形で対応づけられている。このため、ＥＣＵ１０は検出した運転状態をもとにマップを検索し、その結果に基づいてポスト噴射を実施するだけで、排気流量から決定される目標酸素濃度を容易に実現することができる（排気流量検出手段、濃度制御手段）。
【００３１】
図５は、フィルタ再生制御に伴うＤＰＦ２の温度変化およびその出入口間での圧力差（フィルタ差圧）の変化を示している。フィルタ再生制御の開始に伴い、１段目の噴射パターンによりポスト噴射が実施されると、その開始時点（時刻ｔ₀）からフィルタ温度は上昇する。２段目の噴射パターンによるポスト噴射の実施によってパティキュレートの燃焼が開始され、そして、３段目の噴射パターンによりポスト噴射を実施している期間（時刻ｔ₁〜ｔ₂）は酸素濃度の制御が行われている。この間、フィルタ温度はその溶損を防止できる許容値Ｔａ以下に抑えられ、かつ、その温度変化は安定している。
【００３２】
この点、従来のようにパティキュレートの燃焼が開始した後でポスト噴射を中止すると、例えば低速・低負荷運転を継続するとパティキュレートの燃焼が急激に進み、図５中に２点鎖線で示したようにある時点でフィルタ温度が許容値Ｔａを上回ることがある。これは、ＤＰＦ２上でのパティキュレートの燃焼が火炎伝播によって急速に進行することに起因している。
【００３３】
また従来のように、例えば図５中に１点鎖線で示したようにフィルタ温度の上昇を抑えてパティキュレートの燃焼を緩慢にしていると、長期間にわたってフィルタ差圧が解消されず、その再生には長期間を要する。このような再生期間の長期化は１再生サイクルあたりのポスト噴射量を増大させて燃費悪化を招く。
これに対して本実施例の場合、上述した期間（時刻ｔ₁〜ｔ₂）は排気流量に基づいて酸素濃度を制御することにより、パティキュレートを活発に燃焼させてもその熱が排気流により持ち去られ、あるいは、排気流による持ち去りが少ない場合はパティキュレートの燃焼を緩慢にして過熱が抑えられる。その結果としてフィルタ温度が許容値Ｔａを超えることがなく、しかも、フィルタ再生に要する時間（時刻ｔ₀〜ｔ₂）は相対的に短縮されているといえる。
【００３４】
上述した実施例では、１段目から２段目、３段目の噴射パターンへの移行をそれぞれ酸化触媒４やＤＰＦ２の温度条件によって行っているが、単に各噴射パターン開始時点からの経過時間によって移行するものとしてもよい。ただし、これら噴射パターンは何れも好ましい例示であり、フィルタ再生時における燃料噴射パターンは図２の例に限定されない。
【００３５】
また酸化触媒４やＤＰＦ２の温度条件をより厳密に検出してポスト噴射の制御を実施する場合は、図１に示したセンサ類の具体的な配置や個数を変更することもできる。
上述の実施例では、再生時にポスト噴射によってＤＰＦ２を昇温させているが、このとき電気ヒータ等の外部熱源を用いることも可能である。
【００３６】
その他、一実施形態において挙げたコモンレールシステムや各種センサ類等は本発明の排気浄化装置が適用される内燃機関の形式・仕様等に応じて適宜変更可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の排気浄化装置（請求項１）は、再生時のフィルタの溶損を抑えながら短時間で再生を完了させるため、フィルタの排気浄化性能およびその信頼性を大幅に向上する。特に排気流量に応じて再生時のパティキュレートの燃焼を管理するため（請求項２）、再生時間を短縮してもフィルタ溶損の心配がない。
【００３８】
また燃料のポスト噴射を用いる場合（請求項３）、既存の設備を利用して容易に酸素濃度の制御を実現でき、また、その時の燃料消費を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】排気浄化装置の一実施形態を示した概略図である。
【図２】フィルタ再生時における燃料噴射パターンの例を示した図である。
【図３】一実施例の酸素濃度制御におけるフィルタ温度と目標酸素濃度との関係を排気流量別に示した図である。
【図４】図３の関係を簡易的に排気流量と目標酸素濃度との関係で表した図である。
【図５】フィルタ再生制御の実施に伴うフィルタ温度およびフィルタ差圧の時間変化を示した図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ ＤＰＦ
４ 酸化触媒
６ コモンレール
８ インジェクタ（燃料噴射弁）
１０ ＥＣＵ
１２ クランク角センサ
１４ アクセルポジションセンサ
１６ エアフローセンサ
１８ 吸気温度・圧力センサ
２０，２２ 温度センサ
２４ 酸素濃度センサ
２６ 排気温度・圧力センサ

Claims (3)

1. 排気通路の途中に配設され、この排気通路を通じて流れる排気に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタと、
   前記フィルタに捕集されたパティキュレートの酸化を促進して前記フィルタを再生する再生手段と、
   前記排気通路を通じて流れる排気流量を検出する排気流量検出手段と、
   前記フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段と、
   前記フィルタの再生過程において、前記検出したフィルタ温度が前記再生手段によりパティキュレートの酸化される温度に達した後に、前記検出した排気流量に基づいて前記フィルタを通る排気の酸素濃度を制御する濃度制御手段と
   を具備したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記濃度制御手段は、前記検出された排気流量が多いときほど、その制御すべき酸素濃度を高く設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記濃度制御手段は、内燃機関の燃焼室に燃料が主噴射された後の行程で更に燃料をポスト噴射する燃料噴射弁を含み、そのポスト噴射による燃料噴射量を調節することで排気の酸素濃度を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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