JP2020143611A - 内燃機関の排気浄化システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気温度のオーバーシュートを抑制しながら微粒子捕集フィルタの再生昇温制御を行うことができる内燃機関の排気浄化システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】エンジン２の排気通路３に上流側より順に尿素水噴射装置４、燃料噴射装置９、センサ６、酸化触媒装置７、微粒子捕集フィルタ８を備えて構成される内燃機関の排気浄化システム１において、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御を行うときに、尿素水噴射装置４からの尿素水Ｕの噴射を停止して、この噴射の停止時から設定時間ｔが経過してセンサ６を通過する排気Ｇにアンモニアが含まれない状態となった後に燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射を開始する。燃料Ｆの噴射量は、排気Ｇに含まれる一酸化炭素の量のみに基づくセンサ６の検出値に基づいて調整される。【選択図】図２

Description

本開示は、内燃機関の排気浄化システム及びその制御方法に関する。

内燃機関の排気管に上流側より順に選択還元型触媒、酸化触媒、微粒子状物質の捕集装置を備えた内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１２４６１０号公報

ところで、微粒子状物質（微粒子）の捕集装置（微粒子捕集フィルタ）の微粒子捕集量には上限があるため、定期的に微粒子捕集フィルタを昇温してその内部の微粒子を燃焼除去する制御（再生昇温制御）を行う必要がある。この再生昇温制御では前段の酸化触媒に燃料（未燃物質）を供給して燃焼反応を発生させることで昇温した排気により微粒子捕集フィルタを昇温させている。

再生昇温制御時に酸化触媒に供給される燃料の量を直接検出することは困難であるためこの燃料の量は排気温度に応じて調整している。しかしながら、このように調整すると排気温度が目標温度を超える排気温度のオーバーシュートが生じやすく、酸化触媒での燃焼効率の悪化や酸化触媒の過剰発熱による劣化が懸念されていた。

本開示の目的は、排気温度のオーバーシュートを抑制しながら微粒子捕集フィルタの再生昇温制御を行うことができる内燃機関の排気浄化システム及びその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の態様の内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関の排気通路に上流側より順に還元剤噴射装置、検出装置、酸化触媒装置、微粒子捕集フィルタを備えるとともに、前記検出装置より上流側の前記排気通路を通過する排気に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えて構成される内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記酸化触媒装置に流入する排気に含まれるアンモニアを検出するとともにこのアンモニアに対する検出感度より低い感度で前記流入する排気に含まれる一酸化炭素を検出するように前記検出装置を構成し、前記排気浄化システムを制御する制御装置が、前記微粒子捕集フィルタの再生昇温制御を行うときに、前記還元剤噴射装置からの還元剤の噴射を停止して、この噴射の停止時から予め設定された設定時間の経過後に前記燃料噴射手段による燃料の噴射を開始するとともに、この燃料の噴射量を前記検出装置の検出値に基づいて調整する制御を行うように構成される。

また、上記の目的を達成するための本発明の態様の内燃機関の排気浄化システムの制御方法は、内燃機関の排気通路に上流側より順に還元剤噴射装置、アンモニアを検出する性能とアンモニアに対する検出感度より低い感度で一酸化炭素を検出する性能とを有する検出装置、酸化触媒装置、微粒子捕集フィルタを備えるとともに、前記検出装置より上流側の前記排気通路を通過する排気に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えて構成される内燃機関の排気浄化システムの制御方法において、前記微粒子捕集フィルタの再生昇温制御が必要であるか否かを判定する第１ステップと、前記第１ステップで前記再生昇温制御が必要であると判定した場合に、前記還元剤噴射装置からの還元剤の噴射を停止する第２ステップと、前記第２ステップで還元剤の噴射を停止した時点から予め設定された設定時間の経過後に前記燃料噴射手段による燃料の噴射を開始するとともに、この燃料の噴射量を前記検出装置の検出値に基づいて調整する第３ステップと、を有することを特徴とする方法である。

本開示によれば、排気温度のオーバーシュートを抑制しながら微粒子捕集フィルタの再生昇温制御を行うことができる。

本実施形態の内燃機関の排気浄化システムの構成を模式的に例示する図である。 本実施形態の内燃機関の排気浄化システムの制御方法を制御フローの形で例示する図である。

以下、本開示の実施形態の内燃機関の排気浄化システム及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に例示するように、本実施形態の内燃機関の排気浄化システム１は、エンジン（内燃機関）２の排気通路３に排気Ｇの流れに関して上流側より順に、尿素水噴射装置（還元剤噴射装置）４、選択還元型触媒装置５、センサ（検出装置）６、酸化触媒装置７、微粒子捕集フィルタ８を備えて構成されるシステムである。また、このシステム１は、選択還元型触媒装置５とセンサ６の間の排気通路３に配置されてセンサ６より上流側の排気通路３を通過する排気Ｇに燃料Ｆを噴射する燃料噴射装置（燃料噴射手段）９を備えて構成される。

エンジン２は、その内部の各気筒２ａ内で新気と燃料Ｆを混合圧縮させて燃焼反応を発生させることで動力を発生させる。各気筒２ａ内には燃料Ｆを噴射する燃料噴射弁が配置される。排気通路３は、各気筒２ａに連通する通路で、各気筒２ａ内での燃焼反応により発生した排気Ｇが通過する通路である。

尿素水噴射装置４は、下流側の選択還元型触媒装置５に向けて排気通路３の内部に尿素水（還元剤）Ｕを噴射する。噴射された尿素水Ｕは排気Ｇの熱により加水分解されてアンモニアに遷移する。遷移したアンモニアは下流側の選択還元型触媒装置５に供給される。

選択還元型触媒装置５は、その内部で排気Ｇに含まれるＮＯｘをアンモニアと酸化還元反応させることでＮＯｘを浄化処理する。選択還元型触媒装置５にはアンモニアが吸着する。排気Ｇに含まれるＮＯｘは、尿素水噴射装置４より噴射された尿素水Ｕから遷移して選択還元型触媒装置５を通過するアンモニアと尿素水Ｕから遷移して選択還元型触媒装置５に吸着したアンモニアの両方により浄化処理される。

センサ６は、酸化触媒装置７に流入する排気Ｇに含まれるアンモニアを検出するとともにこのアンモニアに対する検出感度より低い感度でこの流入する排気Ｇに含まれる一酸化炭素を検出する。言い換えれば、センサ６は、アンモニアを検出する性能と一酸化炭素を検出する性能の両方を有し、ジルコニア製のセンサが例示される。センサ６に関して、一酸化炭素に対する検出感度はアンモニアに対する検出感度の誤差の範囲内に収まる。これは本来、センサ６はアンモニアを検出する装置であり、一酸化炭素の検出はセンサ６の誤検出であることに起因する。本開示はこの誤検出に着目し、アンモニアが一切含まれない環境を作り出して、微粒子捕集フィルタの再生昇温制御を行うものである。

センサ６を通過する排気Ｇにアンモニアが含まれていない場合は、センサ６の検出値は、排気Ｇに含まれる一酸化炭素の量のみに基づく検出値となる。ただし、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御時には、燃料噴射装置９より大量の燃料Ｆが噴射されるため、排気Ｇに含まれる一酸化炭素の量のみに基づくセンサ６の検出値は微小量とはならない。

酸化触媒装置７は、その内部に担持した触媒により排気Ｇに含まれる一酸化炭素を酸化させてその酸化時の発熱量により排気Ｇを昇温させる。微粒子捕集フィルタ８は、その内部に排気Ｇに含まれる微粒子状物質を捕集する。微粒子捕集フィルタ８の微粒子状物質の捕集量には上限があるため、定期的に酸化触媒装置７で昇温した排気Ｇにより微粒子捕集フィルタ８を昇温させて、微粒子捕集フィルタ８に捕集された微粒子状物質を燃焼除去している（微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御）。

燃料噴射装置９は、排気通路３の内部に燃料（未燃燃料）Ｆを噴射する装置である。この噴射された燃料Ｆに含まれる一酸化炭素は下流側の酸化触媒装置７で酸化される。なお、本実施形態では、燃料噴射装置９を燃料噴射手段としているが、エンジン２の各気筒２ａ内に配置した燃料噴射弁を燃料噴射手段としてもよい。燃料噴射弁を燃料噴射手段とした場合、燃料噴射手段による燃料の噴射はポスト噴射となり、燃料の噴射量はポスト噴射の噴射量となる。ポスト噴射とは、エンジン２の出力を得るための噴射であるメイン噴射よりも遅い時期の噴射で、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御時に酸化触媒装置７に燃料Ｆに起因する一酸化炭素を供給する役割を果たすものである。

エンジン２と尿素水噴射装置４の間の排気通路３には、ターボ式過給システムのタービン１０が配置される。タービン１０は、エンジン２の吸気通路に備わるターボ式過給システムのコンプレッサと回転軸を介して連結される。排気Ｇのエネルギーによるタービン１０の回転駆動力が回転軸を介してコンプレッサに伝達されることで、コンプレッサが回転駆動してコンプレッサに流入する吸気を圧縮する。また、酸化触媒装置７と微粒子捕集フィルタ８の間の排気通路３には排気Ｇの温度Ｔを取得する排気温度センサ（排気温度取得装置）１１が配置される。

本実施形態の内燃機関の排気浄化システム１には、この排気浄化システム１を制御する制御装置１２が備わる。制御装置１２は、各種情報処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置１２には、尿素水噴射装置４、燃料噴射装置９、センサ６、排気温度センサ１１等の各種装置が電気的に接続される。

本実施形態の内燃機関の排気浄化システム１では、制御装置１２が、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御を行うときに、尿素水噴射装置４からの尿素水Ｕの噴射を停止するとともに、この噴射の停止時から実験等により予め設定された設定時間ｔの経過後に燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射を開始する。

燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射開始時の噴射量は、エンジン２の運転状態に応じて設定される噴射量である基本噴射量に設定される。設定時間ｔは、尿素水噴射装置４からの尿素水Ｕの噴射を停止した時点から設定時間ｔ以上の時間が経過すると、センサ６を通過する排気Ｇにアンモニアが含まれない状態となるように設定される。

そして、制御装置１２が、燃料Ｆの噴射を開始後、この燃料Ｆの噴射量をセンサ６の検出値に基づいて調整する制御を行う。言い換えれば、燃料Ｆの噴射量を基本噴射量にセンサ６の検出値に基づく補正量を加えた値に設定する。

燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射を開始した後は、尿素水噴射装置４による尿素水Ｕの噴射を開始しない限り、センサ６を通過する排気Ｇにはアンモニアが含まれておらず燃料Ｆに起因する一酸化炭素が含まれている。センサ６の検出値は排気Ｇに含まれる一酸化炭素の量のみに基づく検出値となるので、下流側の酸化触媒装置７に流入する一酸化炭素の量をセンサ６により把握することができる。また、センサ６の検出値は、燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射量と正比例の関係にある。

したがって、燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射量をセンサ６の検出値に基づいて調整することで、酸化触媒装置７での発熱量を高精度で調整することが可能となる。そのため、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御を行うときに排気温度（排気温度センサ１１の検出値）Ｔのオーバーシュートを抑制することができる。

ここで、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御は、酸化触媒装置７で昇温した排気Ｇにより微粒子捕集フィルタ８の温度（排気温度センサ１１の検出値）をこの再生昇温制御時の目標温度Ｔｍ以上の値に上昇及び維持させることで、微粒子捕集フィルタ８に捕集された微粒子状物質を燃焼除去する制御である。再生昇温制御時の目標温度Ｔｍは、微粒子捕集フィルタ８に捕集された微粒子状物質を燃焼除去するのに十分な温度に実験等により予め設定される。

排気温度Ｔのオーバーシュートは、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御の開始時から排気温度センサ１１の検出値Ｔが目標温度Ｔｍ以上の値に上昇するまでに発生する虞がある。検出値Ｔが目標温度Ｔｍ以上の値に上昇した後は（検出値Ｔを目標温度Ｔｍに維持するときは）、燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射量を排気温度センサ１１の取得値Ｔに基づいて調整する制御に切り替えても排気温度Ｔのオーバーシュートが発生する虞はほとんどない。

したがって、制御装置５が、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御時に、排気温度センサ１１の取得値Ｔが目標温度Ｔｍ以上の値に上昇した後は、尿素水噴射装置４からの尿素水Ｕの噴射を開始するとともに、燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射量を排気温度センサ１１の取得値Ｔに基づいて調整する制御を行うように構成する。

このように、排気温度Ｔのオーバーシュートが発生する虞がほとんどないときに、燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射量を排気温度センサ１１の取得値Ｔに基づく制御に切り替えて、尿素水噴射装置４からの尿素水Ｕの噴射を開始することで、選択還元型触媒装置５による排気Ｇに含まれるＮＯｘの浄化率の低下を抑制することができる。

本実施形態の内燃機関の排気浄化システム１を基にした制御フローについて、言い換えれば、内燃機関の排気浄化システムの制御方法について、図２を参照しながら説明する。図２に示す制御フローは、エンジン２が運転状態であるときに周期的に行われる制御フローである。

図２に示す制御フローがスタートすると、ステップＳ１０（第１ステップ）にて、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御を開始する必要があるか否かを判定する。微粒子捕集フィルタ８の前後差圧と微粒子捕集フィルタ８の微粒状物質の捕集量は正比例の関係にある。そのため、例えば、微粒子捕集フィルタ８の前後差圧が実験等により予め設定された設定差圧閾値以上である場合に、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御を開始する（ＹＥＳ）と判定して、ステップＳ２０に進む。一方、微粒子捕集フィルタ８の前後差圧が設定差圧閾値未満である場合には、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御を開始しない（ＮＯ）と判定して、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

ステップＳ２０（第２ステップ）では、尿素水噴射装置４からの尿素水Ｕの噴射を停止する。ステップＳ２０を実施後、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、ステップＳ２０で尿素水Ｕの噴射を停止した時点から設定時間ｔが経過しているか否かを判定する。設定時間ｔが経過した場合（ＹＥＳ）はステップＳ４０に進む。設定時間ｔが経過していない場合（ＮＯ）は所定の時間経過後に再度ステップＳ３０の判定を行う。

ステップＳ４０（第３ステップ）では、燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射を開始するとともに、この燃料Ｆの噴射量を排気温度センサ１１の検出値Ｔに依らずセンサ６の検出値に基づいて調整する。ステップＳ４０を実施後、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、排気温度センサ１１の検出値Ｔが微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御時の目標温度Ｔｍ以上の値となったか否かを判定する。検出値Ｔが目標温度Ｔｍ以上の値となった場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ６０に進む。一方、検出値Ｔが目標温度Ｔｍ未満である場合（ＮＯ）には、ステップＳ４０に戻る。

ステップＳ６０では、尿素水噴射装置４からの尿素水Ｕの噴射を開始するとともに、燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射量をセンサ６の検出値に依らず排気温度センサ１１の検出値Ｔに基づいて調整する。ステップＳ６０を実施後、ステップＳ７０に進む。

ステップＳ７０では、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御を終了するか否かを判定する。例えば、微粒子捕集フィルタ８の前後差圧が実験等により予め設定された第２設定差圧閾値未満である場合に、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御を終了する（ＹＥＳ）と判定して、ステップＳ８０に進む。一方、微粒子捕集フィルタ８の前後差圧が第２設定差圧閾値以上である場合には、微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御を継続する（ＮＯ）と判定して、ステップＳ６０に戻る。第２設定差圧閾値はステップＳ１０の判定に用いる設定差圧閾値より小さい値である。

ステップＳ８０では、燃料噴射装置９による燃料Ｆの噴射を停止する。ステップＳ８０を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

以上より、本実施形態の内燃機関の排気浄化システム及びその制御方法によれば、排気温度のオーバーシュートを抑制しながら微粒子捕集フィルタ８の再生昇温制御を行うことができる。

１ 内燃機関の排気浄化システム
２ エンジン（内燃機関）
２ａ 各気筒
３ 排気通路
４ 尿素水噴射装置（還元剤噴射装置）
５ 選択還元型触媒装置
６ センサ（検出装置）
７ 酸化触媒装置
８ 微粒子捕集フィルタ
９ 燃料噴射装置（燃料噴射手段）
１０ タービン
１１ 排気温度センサ（排気温度取得装置）
１２ 制御装置

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に上流側より順に還元剤噴射装置、検出装置、酸化触媒装置、微粒子捕集フィルタを備えるとともに、前記検出装置より上流側の前記排気通路を通過する排気に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えて構成される内燃機関の排気浄化システムにおいて、
   前記酸化触媒装置に流入する排気に含まれるアンモニアを検出するとともにこのアンモニアに対する検出感度より低い感度で前記流入する排気に含まれる一酸化炭素を検出するように前記検出装置を構成し、
   前記排気浄化システムを制御する制御装置が、
   前記微粒子捕集フィルタの再生昇温制御を行うときに、前記還元剤噴射装置からの還元剤の噴射を停止して、この噴射の停止時から予め設定された設定時間の経過後に前記燃料噴射手段による燃料の噴射を開始するとともに、この燃料の噴射量を前記検出装置の検出値に基づいて調整する制御を行うように構成される内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記酸化触媒装置と前記微粒子捕集フィルタの間の前記排気通路に排気の温度を取得する排気温度取得装置を配置して、
   前記制御装置が、
   前記微粒子捕集フィルタの再生昇温制御時に、前記排気温度取得装置の取得値が予め設定されたこの再生昇温制御時の目標温度以上の値に上昇した後は、前記還元剤噴射装置からの還元剤の噴射を開始するとともに、前記燃料噴射手段による燃料の噴射量を前記排気温度取得装置の取得値に基づいて調整する制御を行うように構成される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
3. 内燃機関の排気通路に上流側より順に還元剤噴射装置、アンモニアを検出する性能とアンモニアに対する検出感度より低い感度で一酸化炭素を検出する性能とを有する検出装置、酸化触媒装置、微粒子捕集フィルタを備えるとともに、前記検出装置より上流側の前記排気通路を通過する排気に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えて構成される内燃機関の排気浄化システムの制御方法において、
   前記微粒子捕集フィルタの再生昇温制御が必要であるか否かを判定する第１ステップと、
   前記第１ステップで前記再生昇温制御が必要であると判定した場合に、前記還元剤噴射装置からの還元剤の噴射を停止する第２ステップと、
   前記第２ステップで還元剤の噴射を停止した時点から予め設定された設定時間の経過後に前記燃料噴射手段による燃料の噴射を開始するとともに、この燃料の噴射量を前記検出装置の検出値に基づいて調整する第３ステップと、
   を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化システムの制御方法。

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