JP4049057B2

JP4049057B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4049057B2
Application number: JP2003304006A
Authority: JP
Inventors: 尚秀辻
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: JP2005069207A

Description

本発明は、特にディーゼル機関に好適な内燃機関の排気浄化装置に関するものである。

燃焼温度が高温化するとＮＯｘの発生量が増加する。そこで、排ガスの一部を吸気系に還流（再循環）するＥＧＲ装置が広く知られている。すなわち、排ガスを吸気系に還流すると、その分、吸入空気中の新気が減少するので、吸入空気中の酸素濃度が低減する。再循環ガス（以下適宜「ＥＧＲガス」という）は不活性ガスであるので最高燃焼温度が低下し、ＮＯｘの発生を抑制することができるのである。

また、特許文献１では、ＥＧＲ通路に放熱機能をもたせている。このようにすることで、燃焼温度がさらに低下し、ＮＯｘの発生をさらに抑えることができるのである。
特開２００１−７３７４１号公報

ところで、低速中負荷域においては排ガス中に含まれる二酸化炭素量が少ない。そのため、ＥＧＲガス中の二酸化炭素の分圧が低くなり、相対的に酸素分圧が高くなる。酸素濃度が高くなると燃焼が活性化し、燃焼温度が上昇してＮＯｘの発生が増加してしまう（図２（Ａ）参照）。

そこで、このようなときは、ＶＮＴ(Ventilation Nozzle Turbo：可変容量過給器)ノズルの絞り、吸気管中の絞り（新気導入量調整スロットル）を用いて新気導入量を減らすことで、酸素量を減らしてＥＧＲ率（全吸入空気に対するＥＧＲガスの割合）を下げないようにしている。また、ＥＧＲ装置にデポジットが堆積して詰まりが発生した場合にはＥＧＲバルブ開度を大きくするように補正するが、その補正がほぼ上限に達してしまいＥＧＲバルブを開いてもＥＧＲ量を増やすことができないときも、吸気絞りを行って新気導入量を減らすことでＥＧＲ率を下げないようにする。しかし、吸気を絞り過ぎると、吸入空気中の酸素量が低下し、空気過剰率が下がり過ぎる。すると燃焼しきらない未燃燃料が増加してスモーク発生量が悪化（増加）してしまう（図２（Ｂ）参照）。このようにＮＯｘ及びスモークの両者とも低減することは困難であった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ＮＯｘ及びスモークの両方を低減可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段により前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、ディーゼル機関の排気系に設けられ、パティキュレートを捕集するフィルタ（７）と、前記フィルタの下流側から排気を取り出し、運転条件に応じて要求される流量を、吸気系に還流する排気還流制御手段（９，１０）と、前記要求される排気還流量が基準値よりも多いときに前記フィルタの再生制御を行うフィルタ再生制御手段（２０；ステップＳ３）とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、フィルタを再生処理するときに流出する再生ガスをＥＧＲガスとして、フィルタの下流から吸気系に還流するようにした。この再生ガスには二酸化炭素が多量に含まれる。二酸化炭素は不活性ガスであるから、この再生ガスを吸気系に還流させてＥＧＲガスとして利用すれば、従来よりも少量のＥＧＲガスで従来並のＥＧＲ性能を図ることができる。

特に、ＥＧＲバルブやＥＧＲ通路等の詰まりが発生した場合にはＥＧＲバルブ開度を大きくするように補正するが、その補正がほぼ上限に達してしまいＥＧＲバルブを開いてもＥＧＲ量を増やすことができないような状態のときは、ＤＰＦ再生を行って不活性ガスの濃度を高めることで、ＥＧＲガスの絶対量自体は増量できなくても燃焼温度を低下させることができ、ＮＯｘを減少させることができる。その一方で、十分な酸素は供給できるから、スモークを悪化させないのである。

以下、図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１は、本発明のディーゼルエンジンのフィルタ再生制御装置の一実施形態を示す図である。

吸気口から流入した空気は、エアフィルタ２、エアフローメータ（以下適宜「ＡＦＭ」と略す）３、新気導入量調整スロットル４、ターボチャージャ５、インタクーラ６を通過してディーゼルエンジン１に吸入される。新気導入量調整スロットル４とターボチャージャ５とのあいだにはＥＧＲ通路１０が接続されており、ＤＰＦ７の下流から排ガスの一部が還流される。

ディーゼルエンジン１に吸入された空気に対してインジェクションノズル１１から燃料が供給され、燃焼ガスが排気系を通ってディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」と略す）７に通流する。このＤＰＦ７は、ディーゼルエンジン１から排出された排ガス中のパティキュレート（以下「ＰＭ」という）を捕集するフィルタであり、例えば、セラミック多孔質フィルタ等を使用することができる。ＤＰＦ７はＰＭを捕集し続けると目詰まりを生じてしまうので、ＰＭがある程度堆積したら排ガス温度を上昇させて、これら堆積したＰＭを燃焼除去することでＤＰＦの再生を図っている。ＤＰＦ７には差圧センサ８が設けられている。この差圧センサ８は、ＤＰＦ７の入口側の圧力と出口側の圧力との差圧を検出する圧力差検出手段であり、差圧の大小によってＤＰＦ７のＰＭ捕集状態を推定し、ＤＰＦ７の再生時期を判断可能にする。差圧センサ８は、検出した差圧信号をコントロールユニット２０に出力する。

ＤＰＦ７の下流には、ＥＧＲバルブ９が設けられており、排ガスの一部をＥＧＲ通路１０に通流させて吸気系に還流する。

ＤＰＦ７の再生、すなわち、ＤＰＦ７の捕集しているＰＭを燃焼すると、ＤＰＦ再生時にＤＰＦ７から流出するガス（以下「再生ガス」という）には二酸化炭素が多量に含まれる。二酸化炭素は不活性ガスであるから、この再生ガスを吸気系に還流させてＥＧＲガスとして利用すれば、従来よりも少量のＥＧＲガスで従来並のＥＧＲ性能を図ることができる。例えば、ＥＧＲバルブやＥＧＲ通路等にデポジットが堆積して詰まりが発生した場合にはＥＧＲバルブ開度を大きくするように補正するが、その補正がほぼ上限に達してしまいＥＧＲバルブを開いてもＥＧＲ量を増やすことができないような状態のときは、ＥＧＲ量が不足してＮＯｘ量が多くなってしまう（図２（Ａ）参照）。そのような場合には、従来は吸気を絞ってＥＧＲ率を下げないようにしていたが、スモーク発生量が悪化（増加）してしまうことがあった（図２（Ｂ）参照）。しかし、ＤＰＦ再生を行って不活性ガスの濃度を高めることができれば、ＥＧＲガスの絶対量自体は増量できなくても燃焼温度を低下させることができ、ＮＯｘを減少させることができる。その一方で、十分な酸素は供給できるから、スモークを悪化させない（図２（Ｃ）参照）。

そこで、本発明では、ＥＧＲガスの量を増量することができないような状態のとき、ＤＰＦ再生処理を行うようにした。このようにすることで、二酸化炭素を多く含有する再生ガスをＥＧＲガスとして利用することができるのである。

また、従来と同量のガスを還流するときは、従来よりも多くの不活性ガスを吸気系に導入することができる。これを低温予混合燃焼方式のディーゼルエンジンと組み合わせると、その効果が非常に大きなものとなる。低温予混合燃焼方式とは、大量の不活性ガスを吸気系に導入するとともに燃料噴射時期を遅延化することで、燃料噴射時間よりも着火遅れ時間を長くするものである。このようにすることで、着火遅れ時間中に酸素の周りにできるだけ燃料を分散させることとなり、予混合燃焼にすることでスモークの発生が低下するとともに、燃焼温度の低下によりＮＯｘをも低減するのである。このように低温予混合燃焼方式によれば、ＮＯｘ及びスモークの両者を同時に低減することが可能である。このように低温予混合燃焼では、大量の不活性ガスを還流させるので、その性能はＥＧＲガスの影響を受けやすい。そのため、不活性ガスの割合を増やすことできる本発明の効果が大きいのである。

この低温予混合燃焼においては空気過剰率を理論空燃比近傍にしてもスモークの発生が抑制される。しかし、空気サイクルからの乖離による燃費悪化を避けるためには（全吸入空気（ＥＧＲ含）に対する）酸素濃度を抑えつつ酸素量（燃料に対する酸素の過剰率）を確保して空気過剰率を１．３以上に保つことが有効である（木村ほか、自動車技術会論文集Vol.30,No.3(1999)）。

従来は、酸素濃度を十分に低減する量まで、ＥＧＲガスの量を増量することができない状態のときには、過給を下げ、または吸気を絞ることで全吸入空気量を下げざるを得なかったため、空気過剰率が下がり、上記理由により燃費が悪化していた。しかし、本発明では、要求されるＥＧＲガス量が基準値よりも多いときにフィルタの再生制御を行うことによりＥＧＲガスの酸素濃度が低くなり二酸化炭素（不活性ガス）濃度が高くなり、従来よりも少ないＥＧＲガス量で全吸入空気量を減らすことなく、全吸入空気の酸素濃度を十分に低くすることが可能になるため、空気過剰率を１．３以上に保つ酸素量を確保しながら酸素濃度を低減することができ、低温予混合燃焼における燃費悪化を避けることが可能となる。

以下、コントロールユニット２０の具体的な制御ロジックについて図３のフローチャートに沿って説明する。

ステップＳ１において、ＤＰＦ７の煤の堆積量(S_cont)を求める。具体的には、ＤＰＦ７の入口部及び出口部の圧力差ΔＰを差圧センサ８で検出し、新気導入路に設けられたエアフローメータ２（ＡＦＭ）で排ガス流量Q_airを推定し（排ガス流量推定手段）、図４に示すマップに基づいて、ＤＰＦ中に堆積している煤の堆積量を求める（堆積量推定手段）。

ステップＳ２において、煤堆積量(S_cont)が基準値(Soot_th)を上回るか否か判定し、上回るときは、ステップＳ３においてＤＰＦ再生制御を行う。このＤＰＦ再生制御は、具体的には通常の燃料噴射後にさらに燃料を噴射するポスト噴射や、インジェクションタイミングを遅らすことで排ガス温度を上げるＩＴリタードのような公知の制御法である。このようにして排ガス温度を上昇させてＤＰＦの再生を図る。

一方、ステップＳ２において、煤堆積量(S_cont)が基準値(Soot_th)を下回る場合には、ステップＳ４以降に進む。

ステップＳ４においては、排ガス中の酸素濃度の推定を行う。具体的な内容は図５を参照しながら説明する。ＤＰＦ中の煤堆積量(S_cont(n))を推定し（ステップＳ４０１）、それに燃焼室により生成されたと推定される煤量(S_comb(n))を運転条件のマップで求めて（ステップＳ４０２）、減算してS_total(n)を求める（ステップＳ４０３）。そして、前回の煤堆積量(S_cont(n-1))との比較から煤堆積量の時間変化量を求め、任意の時間に再生された煤量(S_reg)を求める（ステップＳ４０５）。その再生煤量(S_reg)を消費酸素量に換算（すなわち煤のＨＣ換算値から、完全燃焼に必要とされる酸素量を算出）する（Ｓ４０６）。また燃料消費量(Q_fuel)から消費される（すなわち完全燃焼に要する）酸素量を算出する（ステップＳ４０７）。それらの合計値をＡＦＭ信号(Q_air)に基づいて濃度へ変換する（ステップＳ４０８）。そしてその濃度を、大気圧から算出（ステップＳ４０９）される酸素濃度から差し引くことで排ガス中の酸素濃度を求める（ステップＳ４１０）。

再び図３に戻る。ステップＳ５において、前記で求めた排ガス中酸素濃度に応じて目標吸気中酸素濃度、目標空気過剰率となるようにＥＧＲバルブ及び新気導入量調整スロットルを制御する。具体的な内容は図６を参照しながら説明する。

まず、エンジン回転速度Ｎｅ及び目標トルクＴに基づいて、図８のマップから目標酸素濃度を求める。この酸素濃度は、図７のＣ／（Ｃ＋Ｄ）に相当する。その値と、上記のようにして求めた排ガス中酸素濃度とに基づいて目標ＥＧＲ率を求める（ステップＳ５１）。なお、排ガス中酸素濃度は図７のＥ／Ｆに相当し、ＥＧＲ率は図７のＧ／Ｈに相当する。

また、エンジン回転速度Ｎｅ及び目標トルクＴに基づいて、図９のマップから目標空気過剰率を求める。例えば、上述の通り、低温予混合燃焼制御をするのであれば、１．３以上にする。その値と、燃料消費量(Q_fuel)とに基づいて必要酸素量（図７のＢに相当）を求める（ステップＳ５２）。

そして、図１０に基づいて目標ＥＧＲ率からＥＧＲバルブ開度を求め、図１１に基づいて必要酸素量から新気導入量調整スロットルの開度を求めて制御する（ステップＳ５３）。

再び図３に戻る。ステップＳ６において、ＥＧＲバルブ開度(EGR_position)が基準値(EGR_th)を上回る場合はステップＳ３へ進んでＤＰＦ再生制御を行うが、下回る場合はＤＰＦ再生を行う必要がない（ステップＳ７）。このようにＤＰＦ再生を行うことで、ＥＧＲガスに多くの不活性ガスを含有させることができる。したがって、ＥＧＲガスの絶対量が少なくても、不活性ガス量を増量することができ、ＮＯｘ及びスモークの両方を低減することが可能である。

（効果）
従来の方法でＥＧＲガスを還流させた場合には、ＥＧＲガス中に酸素も多く含まれるので、全吸入空気に対する酸素濃度が高くなり、燃焼温度が上昇してＮＯｘを十分に減らすことができない可能性があった（図２（Ａ））。そのため、従来は、吸気を絞る必要があった。しかし、そのようにすると、空気過剰率が下がり、拡散燃焼時に燃焼しきらない未燃燃料が増加してスモーク発生量が増加してしまう可能性がある（図２（Ｂ）参照）。そこで、本実施形態では、ＤＰＦ再生を行って不活性ガスの濃度を高め、そのガスをＥＧＲガスとして吸気系に還流させるようにした。このようにすることで、ＥＧＲガスの絶対量自体は増量できなくても燃焼温度を低下させることができ、ＮＯｘを減少させることができる。その一方で、十分な酸素は供給できるから、スモークを悪化させないのである（図２（Ｃ）参照）。

また、排気還流量を増加させるとともに燃料噴射時期を遅らせて着火遅れ期間内に要求燃料を噴射する低温予混合燃焼を行うときには、全吸入空気（ＥＧＲ含）に対する酸素濃度を抑えつつ酸素量（燃料に対する酸素の過剰率）を確保して空気過剰率を１．３以上に保つことで、空気サイクルからの乖離による燃費悪化を避けることができる。本実施形態によれば、要求されるＥＧＲガス量が基準値よりも多いときにフィルタの再生制御を行うことによりＥＧＲガスの酸素濃度が低くなり二酸化炭素（不活性ガス）濃度が高くなり、従来よりも少ないＥＧＲガス量で全吸入空気量を減らすことなく、全吸入空気の酸素濃度を十分に低くすることが可能になるため、空気過剰率を１．３以上に保つ酸素量を確保しながら酸素濃度を低減することができ、低温予混合燃焼における燃費悪化を避けることが可能となる。

さらに、ＥＧＲバルブ９及び新気導入量調整スロットル４の開度を酸素濃度に基づいて制御するようにしたので、ＤＰＦ再生の有無によってトルクが急激に変化することを防止することができるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。また、本発明は低温予混合燃焼にかぎらず、通常の燃焼制御においても適用することができることは明白である。

本発明のディーゼルエンジンのフィルタ再生制御装置の一実施形態を示す図である。従来の問題点及び本発明の効果を説明する図である。制御ロジックのフローチャートである。ＤＰＦ中に堆積している煤の堆積量を算出するマップである。排気中の酸素濃度の推定方法を示す図である。新気導入量調整スロットル及びＥＧＲバルブの開度の算出方法を示す図である。吸入空気中の成分割合を示す図である。目標酸素濃度の算出マップである。目標空気過剰率の算出マップである。ＥＧＲバルブの開度を算出するための図である。新気導入量調整スロットルの開度を算出するための図である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２エアフィルタ
３エアフローメータ（ＡＦＭ）
４新気導入量調整スロットル（吸気絞り弁）
７ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
８差圧センサ
９ＥＧＲバルブ（排気還流制御弁）
１０ＥＧＲ通路（排気還流通路）
２０コントロールユニット
ステップＳ３フィルタ再生制御手段
ステップＳ４酸素濃度推定手段
ステップＳ５ＥＧＲバルブ開度検出手段
ステップＳ５３ＥＧＲバルブ及び新気導入量調整スロットル制御手段

Claims

ディーゼル機関の排気系に設けられ、パティキュレートを捕集するフィルタと、
前記フィルタの下流側から排気を取り出し、運転条件に応じて要求される流量を、吸気系に還流する排気還流制御手段と、
前記要求される排気還流量が基準値よりも多いときに前記フィルタの再生制御を行うフィルタ再生制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記フィルタ再生制御手段は、排気中の未燃焼成分を増大させて前記フィルタでの燃焼によりフィルタ下流の排気中の二酸化炭素を増加させる、
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。
前記排気還流制御手段は、
前記フィルタの下流側の排気系と吸気系とを接続する排気還流通路と、
前記排気還流通路に介装された排気還流制御弁と、
を備え、
前記フィルタ再生制御手段は、前記排気還流制御弁の開度が基準開度を超えたときに、前記フィルタの再生制御を行う、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
排気還流量を増加させるとともに燃料噴射時期を遅らせて着火遅れ期間を長期化し、着火遅れ期間内に要求燃料を噴射する低温予混合燃焼を行わせる燃焼制御手段を備え、
前記排気還流量が基準値を超えたときに、前記フィルタの再生制御を行う、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気還流通路の接続部位よりも上流の吸気系に配置した吸気絞り弁と、
前記フィルタ下流の排気中の酸素濃度を推定する推定手段と、
を備え、
前記推定される酸素濃度に応じて、前記排気還流制御弁及び前記吸気絞り弁の開度を制御する弁制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記酸素濃度の推定手段は、前記フィルタの煤堆積量の変化値に基づいて酸素濃度を推定する、
ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記推定酸素濃度が低くなるにしたがって、前記排気還流制御弁の開度を相対的に小さくし、また吸気絞り弁の開度を相対的に大きくする、
を備えることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記弁制御手段は、前記吸気絞り弁の開度を、前記フィルタの再生時には相対的に大きくする、
ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。