JP3593962B2 - 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て、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、高負荷運転状態の場合でもその排気ガス温は３５０°Ｃから４００°Ｃ程度でしかない。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。
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し、微粒子の堆積による目詰まりで排気ガスが通過しずらくなってフィルタが使用できなくなるおそれがある。
【０００６】
また、ターボチャージャを備えた内燃機関の場合、排気ガスのエネルギーによってタービンを回転させるため、タービンにより排気ガス及びフィルタが冷却され、微粒子を着火燃焼して除去することができず、目詰まりが発生し易い。そして、フィルタに目詰まりが発生すると、ターボチャージャは、タービンが回りにくくなってコンプレッサによる過給が十分にできず、その結果、エンジンの高出力を生み出すことができない。
【０００７】
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、排気管にターボチャージャと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目詰まり状態を解消してタービンの正常回転を保障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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するために、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。
すなわち、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に設置され、排気圧を用いて吸気を加圧するターボチャージャと、このターボチャージャの前記排気通路上流の排気圧を検出する入口側排気圧検出手段と、前記ターボチャージャにより加圧吸気された空気流量を検出する出口側空気流量検出手段と、前記排気通路に設置され、酸化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、前記排気ガスが前記フィルタ及び前記ターボチャージャを迂回するように前記排気通路に分岐して設置された迂回通路と、この迂回通路を開閉するバイパス弁と、前記入口側排気圧検出手段が検出する排気圧の値と前記出口側空気流量検出手段が検出する空気流量に基づいて前記バイパス弁の開閉を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１に対応）。
【０００９】
この構成によれば、ターボチャージャに流入してタービンを回転させる排気圧の値とタービンに直結したコンプレッサにより生じる空気流量との圧損差に基づきフィルタの目詰まり状態を制御手段により判定し、目詰まり状態が著しい場合は、制御手段がバイパス弁を開いて排気ガスの一部をターボチャージャ及びフィルタを迂回して排気通路下流に逃すことで、フィルタ内に流入する排気ガスの量を減らし、フィルタ内の温度を上げることで、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させる。そして、制御手段は、前記圧損差により目詰まり状態が解消されたと判定した場合は、バイパス弁を閉じてターボチャージャに通常の過給動作をさせる。
【００１０】
ここで、内燃機関全体の制御を行うＥＣＵ（制御手段）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。
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。
【００１１】
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。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。また、出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バイパス弁等の各種出力機器と電気的に接続され、出力インタフェース回路からＥＣＵの指令が出力される。
【００１２】
「入口側排気圧検出手段」としては圧力センサを例示できる。
「出口側空気流量検出手段」としてはエアフロメータを例示できる。
「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。
「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。
【００１３】
「バイパス弁」はウェイストゲートバルブ（Ｗａｓｔｅ Ｇａｔｅ Ｖａｌｖｅ：ＷＧＶ）を例示できる（請求項４に対応）。
ウェイストゲートバルブＷＧＶは、ターボチャージャの排気バイパス弁のことであり、通常は過給圧が設定した圧力を越えることを防止し、タービン流入排気ガスの一部をタービン出口にバイパスしてタービン出力を制御し、過給圧をコントロールするものである。本発明において、ウェイストゲートバルブＷＧＶは、フィルタ目詰まりの際にタービン出口及びフィルタを迂回して排気ガスの一部を排気通路下流に逃すことで、フィルタ内に流入する排気ガスの量を減らし、フィルタ内の温度を上げることで、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させる。
【００１４】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記入口側排気圧検出手段の排気圧の値及び前記出口側空気流量検出手段の空気流量とから前記フィルタの目詰まり異常を判断し、前記バイパス弁の開閉を制御するように構成することもできる（請求項２に対応）。この構成によれば、排気圧の値及び空気流量に基づきフィルタの目詰まり異常が判定できるので、制御手段の目詰まり異常判定処理を容易にすることができる。
【００１５】
更に、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記検出した排気圧の値及び空気流量から前記フィルタの目詰まり異常であると判断するとき、前記バイパス弁を開き排気ガスを迂回させると共にアラームを発生させるように構成してもよい（請求項３に対応）。この構成によれば、目詰まり異常の際、運転者に対してアラームにより異常を報知することができるので、バイパス弁による迂回処理でも目詰まりが解消できなかった場合でも、人為的な再生操作等事前の対処が可能となる。
【００１６】
【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。
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。
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。
【００１７】
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。また、コンプレッサ１５近傍の吸気ダクト１３にはエアフローメータ（出口側空気流量検出手段）８１が取り付けてあり、エアフローメータ８１の出力信号に基づいてコンプレッサ１５の出口側の空気流量が検出される。一方、コンプレッサ１５を取り付けてある吸気管７１にはエアクリーナ８０が設けられている。
【００１８】
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に示す実施の形態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。
【００１９】
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に連結される。また、タービン２１近傍の排気管２０には排気圧センサ（入口側排気圧検出手段）８２が取り付けてあり、排気圧センサ８２の出力信号に基づいてタービン２１の入口側の排気圧が検出される。一方、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。
【００２０】
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（以下、フィルタという）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２２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２２から微粒子を除去しフィルタ２２の再生を図る。
【００２１】
排気管２０と排気管（排気通路）７０との間には、排気ガスがターボチャージャ１４のタービン２１及び排気浄化装置Ａ（あるいはフィルタ２２）を迂回するように排気管２０，７０から分岐した迂回通路９０が設けられている。この迂回通路９０には、バイパス弁であるウェイストゲートバルブ（Ｗａｓｔｅ Ｇａｔｅ Ｖａｌｖｅ：ＷＧＶ）９１が設けられている。
【００２２】
ＷＧＶ９１は、ターボチャージャ１４の排気バイパス弁のことであり、通常は過給圧が設定した圧力を越えることを防止し、タービン流入排気ガスの一部をタービン２１出口に迂回してタービン出力を制御し、過給圧をコントロールするものである。本発明において、このＷＧＶ９１は上記過給圧の制御に加えて、後述するフィルタ目詰まり異常判定に基づき、弁を開くことで、排気ガスの一部を迂回通路９０を介して排気管７０の下流に流し、弁を閉じることで迂回通路９０を閉鎖する。
【００２３】
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に示す実施の形態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。
【００２４】
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。
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。
【００２５】
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」）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。
【００２６】
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および出力ポート３６を具備する。
【００２７】
燃料圧センサ２９、エアフロメータ８１及び排気圧センサ８２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。
【００２８】
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酸素センサ（または空燃比センサ）８３を取り付けてある。
そして、温度センサ７９や酸素センサ８３の出力信号も、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入る。
【００２９】
更に、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、ＷＧＶ９１と接続してある。
【００３２】
次に図２のフローチャートを用いて、本実施の形態に係る排気浄化装置Ａに含まれるフィルタに目詰まり異常があるか否かを判定し、目詰まり状態を回避するためのフィルタ目詰まり異常判定及び回避制御処理を実現するためのプログラムを説明する。
本プログラムは、以下に述べるステップ１０１〜ステップ１０８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ＲＯＭ３２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。
【００３３】
なお、このフィルタ目詰まり異常判定では、図３に示す異常判定マップＭを用いる。この異常判定マップＭは圧損差及び空気流量をパラメータとし、このパラメータからフィルタの目詰まり異常との関係を予め実験値に基づき設定したマップであり、ＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に予め記憶されている。この圧損差はターボチャージャ１４に流入してタービン２１を回転させる排気圧の値とタービン２１に直結したコンプレッサ１５により生じる空気流量との圧損差をいうが、負荷センサ４１より決まる前記燃料噴射量に応じた排気圧の目標値と前記空気流量との差値を演算して圧損差としてもよい。
【００３４】
ＥＣＵ３０は、エアフロメータ８１による空気流量のデータと排気圧センサ８２による排気圧のデータから、ターボチャージャ１４に流入してタービン２１を回転させる排気圧の値とタービン２１に直結したコンプレッサ１５により生じる空気流量との圧損差を演算し、この異常判定マップＭを参照してフィルタ目詰まり異常判定を行う。
【００３５】
即ち、この異常判定マップＭは圧損差を縦軸とし、コンプレッサ１５により生じる空気流量を横軸とした座標平面からなる。この座標平面は２本の境界線により３つのエリア（モード１Ｅ１，モード２Ｅ２，モード３Ｅ３） に分けられている。圧損差が小さいエリアであるモード１Ｅ１ は、目詰まりが少ない通常モードを示し、圧損差が大きいエリアであるモード３Ｅ３ は、目詰まり異常を示すモードである。そして、モード１Ｅ１とモード３Ｅ３との中間に位置するモード２Ｅ２ は、多少目詰まり状態にあるが通常のフィルタ再生処理を実施することにより、微粒子を燃焼除去可能であるＤＰＦ再生モードである。
【００３６】
処理がスタートすると、ＥＣＵ３０は、ＲＯＭ３０から異常判定マップＭを読み出す（ステップ１０１）と共に、エアフロメータ８１による空気流量と排気圧センサ８２による排気圧を常に監視し、空気流量のデータと排気圧のデータから圧損差を演算する（ステップ１０２）。
【００３７】
次に、ＥＣＵ３０は、読み出した異常判定マップＭを参照して、演算した圧損値および検出した空気流量に基づきフィルタ目詰まり異常判定を行う（ステップ１０３）。
【００３８】
ステップ１０３の判定において、圧損値及び空気流量がモード１Ｅ１ のエリア内であれば、ＥＣＵ３０は目詰まりが少ない通常モードと判定し（ステップ１０４）、スタート位置にリターンする。
【００３９】
ステップ１０３の判定において、圧損値及び空気流量がモード２Ｅ２ のエリア内であれば、ＥＣＵ３０はＤＰＦ再生モードと判定して通常のフィルタ再生処理により微粒子を燃焼除去し（ステップ１０５）、スタート位置にリターンする。
【００４０】
ステップ１０３の判定において、圧損値及び空気流量がモード３Ｅ３ のエリア内であれば、ＥＣＵ３０は異常モードと判定する（ステップ１０６）。異常モードの場合、フィルタ２２は通常のフィルタ再生処理では再生困難な程、目詰まり状態が著しいので、ＥＣＵ３０はＷＧＶ弁９１を開く（ステップ１０７）とともにフィルタ２２の目詰まり異常を示すダイアグラム（アラーム）を点灯し（ステップ１０８）、スタート位置にリターンする。
【００４１】
ステップ１０７において、ＷＧＶ弁９１を開くと、排気ガスの一部がターボチャージャ１４及びフィルタ２２を迂回する迂回通路９０に流れる。すると、フィルタ２２内に流入する排気ガスの量が減少し、フィルタ２２内の温度を上げるように作用し、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させることができる。
【００４２】
また、ステップ１０８において、ダイアグラムの点灯により、運転者はフィルタ２２内で目詰まり異常が発生していることをリアルタイムで把握できる。従って、ダイアグラム点灯が繰り返される場合は、ＷＧＶ９１による迂回処理でも目詰まりが解消できなかったことを意味するので、フィルタ２２を交換する等人為的再生操作が必要となる。このようにフィルタ目詰まり異常に対し、早期に対策が講じられるので、フィルタ目詰まり異常を放置した場合により生じる運転中の機関停止等の危険や、排気浄化装置自体の破損を防止することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置では、ターボチャージャに流入してタービンを回転させる排気圧の値とタービンに直結したコンプレッサにより生じる空気流量との圧損差に基づきフィルタの目詰まり状態を判定し、目詰まり状態が著しい場合は、制御手段がバイパス弁を開いて排気ガスの一部をターボチャージャ及びフィルタを迂回して排気通路下流に逃すことで、フィルタ内に流入する排気ガスの量を減らし、フィルタ内の温度を上げることができ、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させることができる。
従って、本発明は、触媒付きパティキュレートフィルタの目詰まり状態を解消してタービンの正常回転を保障することができる内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気浄化装置を適用した内燃機関の全体図である。
【図２】本実施の形態に係る排気浄化装置Ａに含まれるフィルタの目詰まり異常があるか否かを判定する処理と目詰まり状態を回避するための処理を示すフローチャートである。
【図３】異常判定マップの説明図である。
【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（制御手段）
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
８０ エアクリーナ
８１ エアフロメータ（出口側空気流量検出手段）
８２ 排気圧センサ（入口側排気圧検出手段）
８３ 酸素センサ
９０ 迂回通路
９１ ＷＧＶ（バイパス弁）
Ａ 排気浄化装置
【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て、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、高負荷運転状態の場合でもその排気ガス温は３５０°Ｃから４００°Ｃ程度でしかない。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。
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し、微粒子の堆積による目詰まりで排気ガスが通過しずらくなってフィルタが使用できなくなるおそれがある。
【０００６】
また、ターボチャージャを備えた内燃機関の場合、排気ガスのエネルギーによってタービンを回転させるため、タービンにより排気ガス及びフィルタが冷却され、微粒子を着火燃焼して除去することができず、目詰まりが発生し易い。そして、フィルタに目詰まりが発生すると、ターボチャージャは、タービンが回りにくくなってコンプレッサによる過給が十分にできず、その結果、エンジンの高出力を生み出すことができない。
【０００７】
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、排気管にターボチャージャと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目詰まり状態を解消してタービンの正常回転を保障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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するために、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。
すなわち、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に設置され、排気圧を用いて吸気を加圧するターボチャージャと、このターボチャージャの前記排気通路上流の排気圧を検出する入口側排気圧検出手段と、前記ターボチャージャにより加圧吸気された空気流量を検出する出口側空気流量検出手段と、前記排気通路に設置され、酸化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、前記排気ガスが前記フィルタ及び前記ターボチャージャを迂回するように前記排気通路に分岐して設置された迂回通路と、この迂回通路を開閉するバイパス弁と、前記入口側排気圧検出手段が検出する排気圧の値と前記出口側空気流量検出手段が検出する空気流量に基づいて前記バイパス弁の開閉を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１に対応）。
【０００９】
この構成によれば、ターボチャージャに流入してタービンを回転させる排気圧の値とタービンに直結したコンプレッサにより生じる空気流量との圧損差に基づきフィルタの目詰まり状態を制御手段により判定し、目詰まり状態が著しい場合は、制御手段がバイパス弁を開いて排気ガスの一部をターボチャージャ及びフィルタを迂回して排気通路下流に逃すことで、フィルタ内に流入する排気ガスの量を減らし、フィルタ内の温度を上げることで、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させる。そして、制御手段は、前記圧損差により目詰まり状態が解消されたと判定した場合は、バイパス弁を閉じてターボチャージャに通常の過給動作をさせる。
【００１０】
ここで、内燃機関全体の制御を行うＥＣＵ（制御手段）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。
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。
【００１１】
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。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。また、出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バイパス弁等の各種出力機器と電気的に接続され、出力インタフェース回路からＥＣＵの指令が出力される。
【００１２】
「入口側排気圧検出手段」としては圧力センサを例示できる。
「出口側空気流量検出手段」としてはエアフロメータを例示できる。
「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。
「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。
【００１３】
「バイパス弁」はウェイストゲートバルブ（Ｗａｓｔｅ Ｇａｔｅ Ｖａｌｖｅ：ＷＧＶ）を例示できる（請求項４に対応）。
ウェイストゲートバルブＷＧＶは、ターボチャージャの排気バイパス弁のことであり、通常は過給圧が設定した圧力を越えることを防止し、タービン流入排気ガスの一部をタービン出口にバイパスしてタービン出力を制御し、過給圧をコントロールするものである。本発明において、ウェイストゲートバルブＷＧＶは、フィルタ目詰まりの際にタービン出口及びフィルタを迂回して排気ガスの一部を排気通路下流に逃すことで、フィルタ内に流入する排気ガスの量を減らし、フィルタ内の温度を上げることで、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させる。
【００１４】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記入口側排気圧検出手段の排気圧の値及び前記出口側空気流量検出手段の空気流量とから前記フィルタの目詰まり異常を判断し、前記バイパス弁の開閉を制御するように構成することもできる（請求項２に対応）。この構成によれば、排気圧の値及び空気流量に基づきフィルタの目詰まり異常が判定できるので、制御手段の目詰まり異常判定処理を容易にすることができる。
【００１５】
更に、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記検出した排気圧の値及び空気流量から前記フィルタの目詰まり異常であると判断するとき、前記バイパス弁を開き排気ガスを迂回させると共にアラームを発生させるように構成してもよい（請求項３に対応）。この構成によれば、目詰まり異常の際、運転者に対してアラームにより異常を報知することができるので、バイパス弁による迂回処理でも目詰まりが解消できなかった場合でも、人為的な再生操作等事前の対処が可能となる。
【００１６】
【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。
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。
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。
【００１７】
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。また、コンプレッサ１５近傍の吸気ダクト１３にはエアフローメータ（出口側空気流量検出手段）８１が取り付けてあり、エアフローメータ８１の出力信号に基づいてコンプレッサ１５の出口側の空気流量が検出される。一方、コンプレッサ１５を取り付けてある吸気管７１にはエアクリーナ８０が設けられている。
【００１８】
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に示す実施の形態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。
【００１９】
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に連結される。また、タービン２１近傍の排気管２０には排気圧センサ（入口側排気圧検出手段）８２が取り付けてあり、排気圧センサ８２の出力信号に基づいてタービン２１の入口側の排気圧が検出される。一方、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。
【００２０】
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（以下、フィルタという）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２２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２２から微粒子を除去しフィルタ２２の再生を図る。
【００２１】
排気管２０と排気管（排気通路）７０との間には、排気ガスがターボチャージャ１４のタービン２１及び排気浄化装置Ａ（あるいはフィルタ２２）を迂回するように排気管２０，７０から分岐した迂回通路９０が設けられている。この迂回通路９０には、バイパス弁であるウェイストゲートバルブ（Ｗａｓｔｅ Ｇａｔｅ Ｖａｌｖｅ：ＷＧＶ）９１が設けられている。
【００２２】
ＷＧＶ９１は、ターボチャージャ１４の排気バイパス弁のことであり、通常は過給圧が設定した圧力を越えることを防止し、タービン流入排気ガスの一部をタービン２１出口に迂回してタービン出力を制御し、過給圧をコントロールするものである。本発明において、このＷＧＶ９１は上記過給圧の制御に加えて、後述するフィルタ目詰まり異常判定に基づき、弁を開くことで、排気ガスの一部を迂回通路９０を介して排気管７０の下流に流し、弁を閉じることで迂回通路９０を閉鎖する。
【００２３】
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に示す実施の形態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。
【００２４】
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。
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。
【００２５】
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」）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。
【００２６】
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および出力ポート３６を具備する。
【００２７】
燃料圧センサ２９、エアフロメータ８１及び排気圧センサ８２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。
【００２８】
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酸素センサ（または空燃比センサ）８３を取り付けてある。
そして、温度センサ７９や酸素センサ８３の出力信号も、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入る。
【００２９】
更に、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、ＷＧＶ９１と接続してある。
【００３２】
次に図２のフローチャートを用いて、本実施の形態に係る排気浄化装置Ａに含まれるフィルタに目詰まり異常があるか否かを判定し、目詰まり状態を回避するためのフィルタ目詰まり異常判定及び回避制御処理を実現するためのプログラムを説明する。
本プログラムは、以下に述べるステップ１０１〜ステップ１０８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ＲＯＭ３２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。
【００３３】
なお、このフィルタ目詰まり異常判定では、図３に示す異常判定マップＭを用いる。この異常判定マップＭは圧損差及び空気流量をパラメータとし、このパラメータからフィルタの目詰まり異常との関係を予め実験値に基づき設定したマップであり、ＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に予め記憶されている。この圧損差はターボチャージャ１４に流入してタービン２１を回転させる排気圧の値とタービン２１に直結したコンプレッサ１５により生じる空気流量との圧損差をいうが、負荷センサ４１より決まる前記燃料噴射量に応じた排気圧の目標値と前記空気流量との差値を演算して圧損差としてもよい。
【００３４】
ＥＣＵ３０は、エアフロメータ８１による空気流量のデータと排気圧センサ８２による排気圧のデータから、ターボチャージャ１４に流入してタービン２１を回転させる排気圧の値とタービン２１に直結したコンプレッサ１５により生じる空気流量との圧損差を演算し、この異常判定マップＭを参照してフィルタ目詰まり異常判定を行う。
【００３５】
即ち、この異常判定マップＭは圧損差を縦軸とし、コンプレッサ１５により生じる空気流量を横軸とした座標平面からなる。この座標平面は２本の境界線により３つのエリア（モード１Ｅ１，モード２Ｅ２，モード３Ｅ３） に分けられている。圧損差が小さいエリアであるモード１Ｅ１ は、目詰まりが少ない通常モードを示し、圧損差が大きいエリアであるモード３Ｅ３ は、目詰まり異常を示すモードである。そして、モード１Ｅ１とモード３Ｅ３との中間に位置するモード２Ｅ２ は、多少目詰まり状態にあるが通常のフィルタ再生処理を実施することにより、微粒子を燃焼除去可能であるＤＰＦ再生モードである。
【００３６】
処理がスタートすると、ＥＣＵ３０は、ＲＯＭ３０から異常判定マップＭを読み出す（ステップ１０１）と共に、エアフロメータ８１による空気流量と排気圧センサ８２による排気圧を常に監視し、空気流量のデータと排気圧のデータから圧損差を演算する（ステップ１０２）。
【００３７】
次に、ＥＣＵ３０は、読み出した異常判定マップＭを参照して、演算した圧損値および検出した空気流量に基づきフィルタ目詰まり異常判定を行う（ステップ１０３）。
【００３８】
ステップ１０３の判定において、圧損値及び空気流量がモード１Ｅ１ のエリア内であれば、ＥＣＵ３０は目詰まりが少ない通常モードと判定し（ステップ１０４）、スタート位置にリターンする。
【００３９】
ステップ１０３の判定において、圧損値及び空気流量がモード２Ｅ２ のエリア内であれば、ＥＣＵ３０はＤＰＦ再生モードと判定して通常のフィルタ再生処理により微粒子を燃焼除去し（ステップ１０５）、スタート位置にリターンする。
【００４０】
ステップ１０３の判定において、圧損値及び空気流量がモード３Ｅ３ のエリア内であれば、ＥＣＵ３０は異常モードと判定する（ステップ１０６）。異常モードの場合、フィルタ２２は通常のフィルタ再生処理では再生困難な程、目詰まり状態が著しいので、ＥＣＵ３０はＷＧＶ弁９１を開く（ステップ１０７）とともにフィルタ２２の目詰まり異常を示すダイアグラム（アラーム）を点灯し（ステップ１０８）、スタート位置にリターンする。
【００４１】
ステップ１０７において、ＷＧＶ弁９１を開くと、排気ガスの一部がターボチャージャ１４及びフィルタ２２を迂回する迂回通路９０に流れる。すると、フィルタ２２内に流入する排気ガスの量が減少し、フィルタ２２内の温度を上げるように作用し、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させることができる。
【００４２】
また、ステップ１０８において、ダイアグラムの点灯により、運転者はフィルタ２２内で目詰まり異常が発生していることをリアルタイムで把握できる。従って、ダイアグラム点灯が繰り返される場合は、ＷＧＶ９１による迂回処理でも目詰まりが解消できなかったことを意味するので、フィルタ２２を交換する等人為的再生操作が必要となる。このようにフィルタ目詰まり異常に対し、早期に対策が講じられるので、フィルタ目詰まり異常を放置した場合により生じる運転中の機関停止等の危険や、排気浄化装置自体の破損を防止することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置では、ターボチャージャに流入してタービンを回転させる排気圧の値とタービンに直結したコンプレッサにより生じる空気流量との圧損差に基づきフィルタの目詰まり状態を判定し、目詰まり状態が著しい場合は、制御手段がバイパス弁を開いて排気ガスの一部をターボチャージャ及びフィルタを迂回して排気通路下流に逃すことで、フィルタ内に流入する排気ガスの量を減らし、フィルタ内の温度を上げることができ、微粒子を燃焼させて目詰まりを解消させることができる。
従って、本発明は、触媒付きパティキュレートフィルタの目詰まり状態を解消してタービンの正常回転を保障することができる内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気浄化装置を適用した内燃機関の全体図である。
【図２】本実施の形態に係る排気浄化装置Ａに含まれるフィルタの目詰まり異常があるか否かを判定する処理と目詰まり状態を回避するための処理を示すフローチャートである。
【図３】異常判定マップの説明図である。
【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（制御手段）
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
８０ エアクリーナ
８１ エアフロメータ（出口側空気流量検出手段）
８２ 排気圧センサ（入口側排気圧検出手段）
８３ 酸素センサ
９０ 迂回通路
９１ ＷＧＶ（バイパス弁）
Ａ 排気浄化装置
Claims (4)
- 排気通路に設置され、排気圧を用いて吸気を加圧するターボチャージャと、
このターボチャージャの前記排気通路上流の排気圧を検出する入口側排気圧検出手段と、
前記ターボチャージャにより加圧吸気された空気流量を検出する出口側空気流量検出手段と、
前記排気通路に設置され、酸化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、
前記排気ガスが前記フィルタ及び前記ターボチャージャを迂回するように前記排気通路に分岐して設置された迂回通路と、
この迂回通路を開閉するバイパス弁と、
前記入口側排気圧検出手段が検出する排気圧の値と前記出口側空気流量検出手段が検出する空気流量に基づいて前記バイパス弁の開閉を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記制御手段は、前記入口側排気圧検出手段の圧力値及び前記出口側空気流量検出手段の空気流量とから前記フィルタの目詰まり異常を判断し、前記バイパス弁の開閉を制御する請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記制御手段は、前記検出した排気圧の値及び空気流量から前記フィルタの目詰まり異常であると判断するとき、前記バイパス弁を開き排気ガスを迂回させると共にアラームを発生させる請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記バイパス弁はウェイストゲートバルブである請求項１から請求項３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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