JP4062229B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年、自動車等に搭載される内燃機関では、排気中に含まれる煤等の粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を低減するために、内燃機関の排気通路にパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという場合もある）を配置し、内燃機関から排出されるＰＭをフィルタにより捕集する技術が知られている。

そして、フィルタが捕集可能なＰＭ量には限りがあるため、フィルタに捕集されているＰＭを該フィルタから適宜除去させる必要がある。そして、フィルタに捕集されているＰＭを除去する方法（以下、ＰＭ再生処理という場合もある）としては、フィルタ内が酸化雰囲気（すなわち、酸素過剰な雰囲気）の状態で、ＰＭが酸化可能な温度域までフィルタを昇温させることにより、微粒子を酸化・除去する方法が一般的である。

ところで、ＰＭを酸化除去しているときに、自動車の減速運転が行われると、燃料の供給が止められて無噴射となる場合があり、このような場合には、燃焼が行われず筒内から排気通路に流出する排気の温度が低下し、フィルタの温度が低下して、ＰＭを酸化除去することができなくなる可能性がある。

そこで、このような場合に、吸気絞り弁の開度を絞るとともに、排気還流制御弁（ＥＧＲ弁）を全開にすることにより、フィルタの温度低下を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このような技術において、フィルタの温度低下を抑制することはできるが、フィルタの温度を維持できるものではないため、結局、フィルタの温度が低下して、ＰＭを酸化除去することができなくなる可能性がある。
特許第２５８２９７２号公報 特開平１０−２９９５４０号公報 特開２００２−２７６３４０号公報 特開２００３−８３１３９号公報

本発明は、上記したような事情に鑑みてなされたものであり、パティキュレートフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置において、ＰＭ再生処理中に、燃料の供給が止められて無噴射条件となった場合に、パティキュレートフィルタの温度を維持することができる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を採用した。

すなわち、ＰＭ再生処理中に、燃料の供給が止められて無噴射条件となった場合に、排気の流量を減少させてパティキュレートフィルタに流入する排気の量を抑制するとともに、ＰＭを酸化可能な温度域にパティキュレートフィルタの温度が維持できるようにパティキュレートフィルタを昇温させることを要旨とする。

本発明は、具体的には、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量が所定量より多い場合に該粒子状物質の酸化除去を行う酸化除去手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
気筒内に燃料を噴射する燃料噴射手段による燃料噴射動作の停止を検出する検出手段と、
前記酸化除去手段により前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の酸化除去が行われている場合であって、かつ、前記検出手段により前記燃料噴射手段による燃料噴射動作の停止が検出された場合に、内燃機関の吸気通路に設けられ該吸気通路を通過する吸気の量を調整する吸気絞り弁により吸気の量を絞り、及び／又は、前記排気通路に設けられ該排気通路を通過する排気の量を調整する排気絞り弁により排気の量を絞るとともに、前記燃料噴射手段により主噴射を行わせることなく吸気行程又は排気行程の上死点近傍で気筒内に副次的に燃料を噴射するビゴム噴射を少なくとも含んだ副噴射を行わせる制御手段と、
を備えることを特徴とする。

このように、ＰＭ再生処理実行中に燃料噴射が停止された場合においても、パティキュレートフィルタに流入する排気の量を絞るとともに、主噴射を行うことなく副噴射行うことによって、パティキュレートフィルタの温度を長期間にわたって高温に維持することが可能となる。

したがって、ＰＭ再生処理実行中にパティキュレートフィルタの温度低下によってＰＭを酸化除去できなくなるようなことはなくなり、パティキュレートフィルタに目詰まりが生じたり、また、フィルタの目詰まりによって排気抵抗の増加が生じることによって、内燃機関の出力低下が生じることを防止することができる。また、パティキュレートフィルタの目詰まりに起因するパティキュレートフィルタの溶損を防止することも可能となる。

本発明によれば、パティキュレートフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置において、ＰＭ再生処理中に、燃料の供給が止められて無噴射条件となった場合に、パティキュレートフィルタの温度を維持することが可能となる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。

（実施例）
図１は、本発明の実施例に係る内燃機関としてディーゼルエンジンを説明するための概略断面図である。まず、内燃機関の基本構造及び機能について説明する。

図１に示すように、内燃機関１は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程（爆発行程）及び排気行程の４サイクルを繰り返して出力を得るディーゼルエンジンである。内燃機関１は、その内部に気筒（燃焼室）２を形成する。気筒２で発生する燃料の爆発力は、ピストン３及びコンロッド４を介してクランクシャフト７の回転力に変換される。また、気筒２には、吸気通路５の最下流部をなす吸気ポート５Ａと、排気通路６の最上流部をなす排気ポート６Ａとが設けられている。吸気ポート５Ａと気筒２との境界は吸気弁８によって開閉される。また、排気ポート６Ａと気筒２との境界は排気弁９によって開閉される。

また、内燃機関１は、燃料噴射弁１０を備えている。燃料噴射弁１０は、高圧ポンプ（
図示略）等によって加圧された軽油を、気筒２に適宜の量、適宜のタイミングで噴射供給する電磁駆動式開閉弁である。ここで、燃料噴射弁１０は燃料噴射手段を構成している。

吸気通路５には、該吸気通路５内を流れる吸気の流量を調整する吸気絞り弁１２が設けられている。この吸気絞り弁１２は、その開度を無段階に調節することのできる電子制御式の開閉弁である。

排気通路６は、下流にてマフラー（図示略）と接続されている。そして、排気通路６の途中には、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、ＰＭ等の排気成分を浄化するための排気浄化装置１１が設けられている。

排気浄化装置１１は、排気中のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタに酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒などの酸化能を有する触媒が担持されたものである（以下、フィルタ１１という）。ここで、パティキュレートフィルタと触媒とは独立して設けられるものであってもよい。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及びバックアップＲＡＭ等からなる論理演算回路を備え、各種センサの信号に基づいて、例えば、内燃機関１の運転状態を検出し、内燃機関１の各種構成要素を統括制御する。

ＥＣＵ２０には、内燃機関１に取り付けられたクランクポジションセンサ１３、運転者によるアクセルペダル（図示略）の踏込量に応じた信号を出力するアクセルポジションセンサ（図示略）、及び内燃機関１内を循環する冷却水の温度（冷却水温）に応じた信号を出力する水温センサ（図示略）、吸気通路５を通じて気筒２に導入される空気の流量（吸入空気量）に応じた信号を出力するエアフロメータ（図示略）、スロットルポジションセンサ（図示略）等、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。

また、ＥＣＵ２０は、一定時間毎に実行すべき基本ルーチンにおいて、各種センサの出力信号の入力、機関回転数の演算、トルクの演算、燃料噴射量の演算、燃料噴射時期の演算などを実行する。基本ルーチンにおいてＥＣＵ２０が入力した各種信号やＥＣＵ２０が演算して得られた各種制御値は、該ＥＣＵ２０のＲＡＭに一時的に記憶される。

更に、ＥＣＵ２０は、各種のセンサやスイッチからの信号の入力、一定時間の経過、或いはクランクポジションセンサ１３からのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理において、ＲＡＭから各種制御値を読み出し、それら制御値に従って燃料噴射弁１０などを制御し、そして、定期的に以下に述べるような排気浄化制御を実行する。ここで、ＥＣＵ２０は、酸化除去手段と、燃料噴射動作の停止を検出する検出手段と、制御手段と、を構成している。

本実施例の排気浄化制御においては、ＥＣＵ２０は、フィルタ１１の酸化除去処理実行条件（以下、ＰＭ再生処理実行条件という）が成立したときに、フィルタ１１に捕集されているＰＭを酸化除去すべく、酸化除去処理（以下、ＰＭ再生処理という）を実行する。

ＰＭ再生処理実行条件としては、フィルタ１１に捕集されているＰＭ量が、所定量以上であるという条件を例示することができる。例えば、当該所定量は、ＰＭがフィルタ１１に捕集されることによりフィルタ１１の目詰まりを起こし、この目詰まりが排気抵抗の増
加を生じさせ、内燃機関１の出力低下を生じさせてしまう量である。

また、フィルタ１１に捕集されているＰＭ量が所定量以上であるか否かを判定する方法としては、内燃機関１の運転状態、例えば、機関回転数とトルクとＰＭ量との関係を予め導き出しマップ化してＲＯＭに記憶させておき、そのマップと機関回転数とトルクとからＰＭ量を算出し、前回のＰＭ再生処理実行終了時から内燃機関１の運転状態に基づいて算出されるＰＭ量を積算し、その積算値からフィルタ１１に捕集されているＰＭ量が所定量以上であると判定する方法、フィルタ１１の前後差圧（フィルタ１１より上流の排気圧力とフィルタ１１より下流の排気圧力との差圧）が所定圧以上であるときにフィルタ１１に捕集されているＰＭ量が所定量以上であると判定する方法、或いは、前回のＰＭ再生処理実行終了時からの燃料噴射量の積算値が所定量以上であるときにフィルタ１１に捕集されているＰＭ量が所定量以上であると判定する方法、等を例示することができる。

そして、上記したような方法によりＰＭ再生処理実行条件が成立としていると判定された場合には、ＥＣＵ２０は、フィルタ１１の温度を５００℃〜７００℃程度の高温域まで昇温させるための昇温処理を実行する。

フィルタ１１の温度を上昇させる手段としては、燃料噴射弁１０により行われる、内燃機関１の圧縮上死点近傍で気筒２内に燃料を噴射する通常の主燃料噴射（主噴射）に加えて、排気行程中又は膨張行程中に気筒２内に燃料を副次的に噴射するポスト噴射又は吸気行程もしくは排気行程の上死点近傍で気筒２内に燃料を噴射するビゴム噴射等の副噴射を行うことが有効である。

ポスト噴射においては、排気行程中又は膨張行程中に噴射された燃料が未燃燃料としてフィルタ１１に流入し、フィルタ１１に担持された触媒との反応熱により該触媒の温度が上昇する。一方、ビゴム噴射においては、吸気行程又は排気行程の上死点近傍で噴射された燃料がその後の行程で蒸発して着火し易いものとなり燃焼を安定させるので、主噴射時期を遅延させることによりピストン運動に消費されるエネルギ量が減少し、それに伴い温度上昇した排気がフィルタ１１に到達することにより該フィルタ１１の温度が上昇する。更に噴射された燃料の未燃分がフィルタ１１に供給され、それがフィルタ１１に担持された触媒上で酸化反応を起こし、以って該触媒の温度が上昇する。

そして、触媒の温度が上昇すると、該触媒を担持したフィルタ１１の温度も上昇し、ＰＭが酸化されて除去されることとなる。

副噴射の量及び噴射時期は、アクセル開度と機関回転数と副噴射量又は副噴射時期との関係を予め導き出してマップ化しておきＲＯＭに記憶させておけば、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから算出することができる。

以下に、本実施例におけるＰＭ再生処理の特徴について説明する。

内燃機関１において、ＰＭ再生処理実行中に減速運転状態となると、燃料噴射弁１０による燃料噴射動作が停止される場合がある。

ＰＭ再生処理実行中に燃料噴射弁１０による燃料噴射動作が停止すると、内燃機関１（気筒２）において燃焼が行われなくなるため、排気の温度が低下することとなる。したがって、フィルタ１１には、温度の低下した排気が流入するようになり、ＰＭ再生処理により昇温しているフィルタ１１の温度は一気に低下してしまい、ＰＭ再生処理が正常に行なわれなくなる可能性がある。

そこで、ＰＭ再生処理実行中に燃料噴射弁１０による燃料噴射動作が停止した場合、本実施例において、ＥＣＵ２０は、吸気絞り弁１２を制御することにより吸気を絞り、さらに、燃料噴射動作が停止されている燃料噴射弁１０を制御して、主噴射を行わせることなくビゴム噴射を行わせている。

このように、吸気絞り弁１２により吸気を絞ることにより、吸入空気量を減少させることができるので、燃料噴射動作が停止することによって温度が低下した排気の量を減少させることができる。したがって、温度の低下した排気によってフィルタ１１の温度が低下することを抑制することができ、また、排気の流れによってフィルタ１１の熱が奪われてしまうことを抑制することができる。

また、この時に、内燃機関１が、排気通路６を流れる排気の一部を、ＥＧＲ通路を介して吸気通路５へ再循環させる排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を備えていれば、ＥＧＲ通路内を流通する排気の流量を変更するＥＧＲ弁は閉じる方が好ましい。このようにすれば、燃焼室内から供給されるＨＣ（ビゴム噴射により噴射された未燃の燃料）がＥＧＲ通路に入り込み、ＥＧＲ弁やＥＧＲ通路に付着することを抑制することができる。

さらに、ビゴム噴射を行うことによって、噴射された未燃の燃料がフィルタ１１に供給されフィルタ１１に担持された触媒上で酸化反応を起こして該触媒の温度が上昇することにより、フィルタ１１の温度を上昇させることができる。

ここで、ビゴム噴射のうち、特に吸気行程で燃料の噴射を行うことが好ましい。これは、吸気行程において噴射された燃料は、気筒内において圧縮されることにより温められ、熱分解・部分酸化されることによって、沸点の低い成分（蒸発性の良好な成分、密度の小さい成分）が生成され、フィルタ１１において酸化されやすい組成となるためである。また、沸点の低い成分となることによって、排気通路６（排気管など）に付着しにくくなる。

ここで、ＰＭ再生処理実行中に燃料噴射動作が停止した場合に、ビゴム噴射のみを行うこととすることも考えられる。しかしながら、吸気を絞ることなくビゴム噴射のみ行っても、排気の流量が多い場合には排気によってフィルタ１１の熱が奪われてしまうので、ビゴム噴射時の燃料噴射量を増量することが必要となってくる。ビゴム噴射時の燃料噴射量を増量すると、燃料が気筒内で燃焼してしまい、トルクの発生を招いてしまう。また、気筒内に吸入される空気量が多い場合には、圧縮行程によって気筒内の圧力が上がるため、燃料が気筒内で燃焼してしまい、トルクの発生を招いてしまう。トルクが発生してしまうと、例えば、エンジンブレーキを効かせようとしてもエンジンブレーキが効かなくなってしまうような場合が生じる可能性がある。

本実施例のように、ビゴム噴射に加えて吸気絞りを併用することによって、排気の流量を減少させることができるので、排気によってフィルタ１１から熱が奪われることを抑えることができる。これにより、ビゴム噴射時の燃料噴射量を最小限に抑えることが可能となり、燃費の悪化を抑制することが可能となる。また、気筒内に吸入される空気量を減少させることができるので、圧縮行程により上昇する気筒内の圧力を抑えることができ、気筒内で燃料が燃焼しにくい状態とすることができる。したがって、気筒内でのビゴム噴射による燃料の燃焼を抑えることができるので、トルクの発生を抑制することができ、エンジンブレーキを効かせることが可能となる。

このように、ＰＭ再生処理実行中に燃料噴射が停止された場合においても、吸気を絞り、ビゴム噴射を行うことによって、フィルタ１１の温度を長期間にわたって高温に維持す
ることが可能となる。

したがって、ＰＭ再生処理実行中にフィルタ１１の温度低下によってＰＭを酸化除去できなくなるようなことはなくなり、フィルタ１１に目詰まりが生じたり、目詰まりによって排気抵抗の増加が生じることによって、内燃機関１の出力低下が生じることを防止することができる。また、フィルタ１１の目詰まりに起因するフィルタ１１の溶損を防止することも可能となる。

以下、本実施例における排気浄化制御について、図２の排気浄化制御ルーチンを示すフローチャート図に沿って説明する。

排気浄化制御ルーチンでは、ＥＣＵ２０は、先ず、ステップＳ１０１においてＰＭ再生処理実行条件が成立しているか否かを判定する。そして、ＰＭ再生処理実行条件が成立していると判定された場合は、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１０２へ進み、ＰＭ再生処理を実行開始する。具体的には、ＥＣＵ２０は、前述した昇温処理を実行する。ステップＳ１０１において、ＰＭ再生処理実行条件が不成立であると判定された場合は、ＥＣＵ２０は、本ルーチンの実行を終了する。

ステップＳ１０２においてＰＭ再生処理を実行開始した後は、ステップＳ１０３へ進み、ステップＳ１０３においては、燃料噴射弁１０による燃料噴射動作が停止された（無噴射条件）かどうかを判定する。燃料噴射弁１０による燃料噴射動作が停止されたかどうかの判定は、燃料噴射弁１０により行われる主噴射の燃料噴射量に基づいて判定される。主噴射の燃料噴射量は、アクセル開度と機関回転数と主噴射の燃料噴射量との関係を予め導き出してマップ化しておきＲＯＭに記憶させておけば、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから算出することができる。ステップＳ１０３にて燃料噴射動作が停止されていると判定された場合はステップＳ１０４へ進み、否定判定の場合にはステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０４において、吸気絞り弁１２の開度を絞るとともに、燃料噴射弁１０によりビゴム噴射を行わせる。吸気絞り弁１２の開度は、可能な限り絞ることが好ましい。

続くステップＳ１０５では、燃料噴射弁１０による燃料噴射動作の停止状態が継続しているかどうかを判定する。燃料噴射動作の停止状態が継続していれば、ステップＳ１０４に戻り、その後、上述した処理が繰り返されることとなる。ステップＳ１０５で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６においては、ＰＭ再生処理終了条件が成立しているか否かが判定される。具体的には、ＰＭ再生処理実行開始から所定時間経過したか否か、あるいはＰＭ堆積量が所定量以下か否かにより判定する。そして、ＰＭ再生処理終了条件が成立している場合はステップ１０６にてＰＭ再生処理を終了し本制御を終了する。一方、ＰＭ再生処理終了条件が成立していない場合は、再度ステップ１０２へ戻り、その後上述した処理が繰り返されることとなる。

なお、長時間燃料噴射動作の停止が続いた場合や、フィルタ１１の温度がＰＭ再生処理温度以下に低下してしまった場合には、ビゴム噴射を停止するようにしてもよい。この場合には、図２に示すフローチャート図のステップＳ１０５において燃料噴射動作の停止状態が継続していると判定された後に、燃料噴射動作の停止が所定時間以上続いているかどうか、および／または、フィルタ１１の温度が所定温度以下かどうかを判定するステップを設けるとよい。このステップで肯定判定がなされた場合は、ビゴム噴射を停止させて本制御を終了することとし、否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０４に戻るように
するとよい。

本実施例においては、フィルタ１１に流入する排気の量を減少させるために、吸気絞り弁１２を絞っていたが、これに限るものではない。ここで、排気絞り弁１４を備えた内燃機関１を示す概略図を図３に示す。

図３に示すように、排気通路６を通過する排気の量を調整する排気絞り弁１４を排気通路６に設け、この排気絞り弁１４を絞ることにより、フィルタ１１に流入する排気の量を減少させてもよい。なお、図３において、排気絞り弁１４はフィルタ１１より上流側の排気通路６に設けているが、これに限らず、フィルタ１１より下流側であってもよい。

すなわち、吸気絞り弁１２と排気絞り弁１４とのうちいずれか一方を内燃機関に設け、該一方の弁を絞ることによって、フィルタ１１に流入する排気の量を減少させればよい。吸気絞り弁１２と排気絞り弁１４とが設けられている場合には、吸気絞り弁１２と排気絞り弁１４とのうち少なくともいずれか一方を絞ることによって、フィルタ１１に流入する排気の量を減少させればよい。

また、本実施例においては、ビゴム噴射を行うことによって、フィルタ１１の温度を上昇（高温に維持）させたが、これに限るものではない。燃料噴射動作が停止されている燃料噴射弁１０を制御して、主噴射を行わせることなくポスト噴射を行わせることによって、噴射された未燃の燃料がフィルタ１１に供給されフィルタ１１に担持された触媒上で酸化反応を起こして該触媒の温度が上昇することにより、フィルタ１１の温度を上昇させることができる。

また、フィルタ１１より上流の排気通路６に、排気通路６内を流通する排気中に燃料を添加する燃料添加弁を設け、該燃料添加弁により燃料添加を行うことによって、フィルタ１１の温度を上昇させてもよい。しかしながら、上述したように、ビゴム噴射やポスト噴射を行うことによってフィルタ１１の温度を上昇させる場合の方が、燃料添加弁を設ける必要がないので、構成を簡素化することができ、コストを抑えることができる。

本発明の実施例に係る内燃機関を示す概略図。 本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の制御ルーチンを示すフローチャート図。 本発明の実施例に係る内燃機関を示す概略図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ ピストン
４ コンロッド
５ 吸気通路
５Ａ 吸気ポート
６ 排気通路
６Ａ 排気ポート
７ クランクシャフト
８ 吸気弁
９ 排気弁
１０ 燃料噴射弁
１１ フィルタ
１２ 吸気絞り弁
１３ クランクポジションセンサ
１４ 排気絞り弁
２０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
   前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量が所定量より多い場合に該粒子状物質の酸化除去を行う酸化除去手段と、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   気筒内に燃料を噴射する燃料噴射手段による燃料噴射動作の停止を検出する検出手段と、
   前記酸化除去手段により前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の酸化除去が行われている場合であって、かつ、前記検出手段により前記燃料噴射手段による燃料噴射動作の停止が検出された場合に、内燃機関の吸気通路に設けられ該吸気通路を通過する吸気の量を調整する吸気絞り弁により吸気の量を絞り、及び／又は、前記排気通路に設けられ該排気通路を通過する排気の量を調整する排気絞り弁により排気の量を絞るとともに、前記燃料噴射手段により主噴射を行わせることなく吸気行程又は排気行程の上死点近傍で気筒内に副次的に燃料を噴射するビゴム噴射を少なくとも含んだ副噴射を行わせる制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
   

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