JP4196872B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に係り、特に、排気ガス中の粒子状物質を捕集する触媒担持フィルタ及び排気ガスを吸気側に還流するＥＧＲ弁を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンの排出ガス規制は年々厳しくなっており、排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）の排出量を抑制する必要が生じている。排気ガス中からＰＭを除去する装置として、連続再生型ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルター）が存在する。
連続再生型ＤＰＦは、図２に示すように、エンジンａの排気通路ｂに排気ガス中のＰＭを捕集するフィルタｃを設け、このフィルタｃに捕集されたＰＭを排気ガスの温度によって連続的に燃焼させ、自己再生するものである。しかし、低速低負荷等の排気ガス温度が低いときには、フィルタｃに捕集されたＰＭを排気ガスの温度によって燃焼させることができないため再生できず、ＰＭがフィルタｃに蓄積され続けてしまい、フィルタｃが目詰まりして排圧が上昇するという問題が生じる。
そこで、上記フィルタｃを触媒担持フィルタｃ’とし、この触媒担持フィルタｃ’に燃料の未燃成分を供給する技術が知られている。この技術によれば、触媒担持フィルタｃ’が燃料未燃成分によって活性化されて昇温するので、低速低負荷等の排気ガスの温度が比較的低い場合であっても、触媒担持フィルタｃ’を強制的に再生できる。
触媒担持フィルタｃ’への燃料未燃成分の供給は、本発明者等は、インジェクタｄからシリンダ内にマルチ噴射やポスト噴射を行って達成している。マルチ噴射とは、メイン噴射の後にメイン噴射による火炎が継続しているときに１回以上のサブ噴射を行うものであり、ポスト噴射とは、メイン噴射の後にメイン噴射による火炎が消えた後に１回以上のサブ噴射を行うものである。
かかるマルチ噴射・ポスト噴射を行って触媒担持フィルタｃ’の強制再生を行っているとき、ＥＧＲ弁ｅを開いて排気還流を実施すると、マルチ噴射・ポスト噴射によって生じた燃料未燃成分が排気側からＥＧＲ通路ｆを通って吸気側に還流されるため、その未燃成分がタール状の物質となって吸気マニホールドｇ等に付着し、最悪では閉塞箇所が生じる可能性がある。よって、触媒担持フィルタｃ’の強制再生時には、ＥＧＲ弁ｅを閉弁し、排気ガスの還流を行わないようにするシステムが考えられる。
なお、関連する先行技術文献として特許文献１及び２が知られているが、特許文献１に記載されたものは、フィルタｃを自己再生する際に、吸気通路ｈに設けられた吸気絞り弁ｉを閉制御するものであり、特許文献２に記載されたものは、特許文献１の制御に加えてＥＧＲ弁ｅを開放することで新規吸入空気量を減少させてフィルタｃを通過する排気ガスの温度を高め、フィルタｃの自己再生の効率化を図ったものであり、上記マルチ噴射・ポスト噴射を行って触媒担持フィルタｃ’を昇温させて自己再生を行う上述のシステムとは技術的前提が異なる。
特開昭５８−５１２３５号公報 特開平３−６７０１４号公報
ところで、上述のシステムにおいては、ＥＧＲ弁ｅを閉じることで確かに吸気マニホールドｇにおける未燃成分の付着・堆積は防止できるものの、閉弁されたＥＧＲ弁ｅよりもＥＧＲガスの流れ方向上流側のＥＧＲ通路ｆ及びＥＧＲクーラｈ等に排気ガスが滞留するため、それらの部分ｈ、ｆに未燃成分がタール状の物質として堆積することが発覚した。
そこで、本発明の目的は、ＥＧＲ通路を適宜掃気してＥＧＲ通路内に未燃成分が堆積することを回避したエンジンの排気浄化装置を提供することにある。
上記目的を達成するために創案された請求項１に係る発明は、エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、該フィルタの上流側及び／又は該フィルタの表面に設けられ、燃料の未燃成分が供給されたとき昇温して上記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼して上記フィルタを再生するための触媒と、エンジンの吸気側と排気側とを連通するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、該インジェクタ及び上記ＥＧＲ弁を制御する制御手段とを有し、該制御手段は、上記フィルタを再生する場合、上記インジェクタからの燃料噴射が実行されているとき、その燃料噴射を制御して燃料の未燃成分を上記触媒に供給すると共に上記ＥＧＲ弁を閉じ、上記インジェクタからの燃料噴射が実行されない状態となったときには、上記ＥＧＲ弁を開くものである。
請求項２に係る発明は、上記ＥＧＲ通路には、上記ＥＧＲ弁よりもＥＧＲガスの流れの上流側に、ＥＧＲクーラが設けられたものである。
請求項３に係る発明は、エンジンの吸気通路に設けられた吸気絞り弁と、エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、該フィルタの上流側及び／又は該フィルタの表面に設けられ、燃料の未燃成分が供給されたとき昇温して上記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼して上記フィルタを再生するための触媒と、エンジンの吸気側と排気側とを連通するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、該インジェクタ、上記ＥＧＲ弁及び吸気絞り弁を制御する制御手段とを有し、該制御手段は、上記フィルタを再生する場合、上記インジェクタからの燃料噴射が実行されているとき、その燃料噴射を制御して燃料の未燃成分を上記触媒に供給すると共に上記ＥＧＲ弁を閉じ、上記インジェクタからの燃料噴射が実行されない状態となったときには、上記吸気絞り弁を閉制御し、上記ＥＧＲ弁を開制御するものである。
本発明によれば次のような効果を発揮できる。
（１）請求項１に係る発明によれば、燃料の噴射又は排気ガスへの未燃燃料成分の添加を行うフィルタの再生中に、減速要求等によりインジェクタから燃料が噴射されなくなると、それまで閉じられていたＥＧＲ弁が開かれるため、ＥＧＲ通路が燃料が混合されていない空気によって掃気される。これにより、ＥＧＲ通路内に滞留する未燃成分を、上記空気によって的確に掃気できる。
（２）請求項２に係る発明によれば、ＥＧＲクーラ内に滞留する未燃成分を、的確に掃気できる。
（３）請求項３に係る発明によれば、フィルタの再生時に、インジェクタから燃料を噴射しないときには、吸気絞り弁が閉制御されると共にＥＧＲ弁が開制御されるので、吸気絞り弁の閉制御によって新規吸入空気量が減少して触媒及び／又はフィルタの温度低下を抑制できる。更に、吸気絞り弁の閉制御によって生じるシリンダ内の負圧を、ＥＧＲ弁を開制御することで小さくできるので、オイル上がり・オイル下がりを抑制できる。また、ＥＧＲ弁を開制御することで、滞留未燃成分を掃気できる。
以下、本発明の好適な一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１に示すように、車両に搭載されるディーゼルエンジン１のシリンダヘッドには、インジェクタ２（図例ではコモンレール式燃料噴射システムのインジェクタ）が装着されている。インジェクタ２は、制御手段としてのＥＣＵ２０（エンジン・コントロール・ユニット）からの信号を受け、その噴射時期及び噴射量が制御される。
エンジン１の吸気通路３には、通路断面積を可変とする吸気絞り弁４が設けられている。吸気絞り弁４の駆動部４ａは、ＥＣＵ２０からの信号を受け、吸気絞り弁４を開閉制御する。
エンジン１の吸気マニホールド５と排気マニホールド６とは、ＥＧＲ通路７によって連通されている。ＥＧＲ通路７には、通路断面積を可変とするＥＧＲ弁８が設けられている。ＥＧＲ弁８の駆動部８ａは、ＥＣＵ２０からの信号を受け、ＥＧＲ弁８を開閉制御する。ＥＧＲ通路７のＥＧＲ弁８の上流側（ＥＧＲガスの流れ方向における上流側）には、通路７内を通るＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ９が設けられている。
エンジン１の排気通路１０には、酸化触媒Ａと触媒担持フィルタＢとが直列に設けられている。酸化触媒Ａ及び触媒担持フィルタＢは、排気通路１０に介設された収容ケース１１に収容されており、排気ガスの流れの上流側に酸化触媒Ａが、それと所定間隔を隔てて下流側に触媒担持フィルタＢが配置されている。収容ケース１１内は、酸化触媒Ａ及び触媒担持フィルタＢにより、上流室１１ａと中間室１１ｂと下流室１１ｃとに仕切られる。
酸化触媒Ａは、全体が酸化触媒物質からなるブロック体からなり、このブロック体には、上流室１１ａと中間室１１ｂとを連通する細孔が複数設けられている。酸化触媒Ａは、燃料の未燃成分が供給されたとき昇温し、下流側の触媒担持フィルタＢへと流れる排気ガスを加熱し、触媒担持フィルタＢを昇温させる機能を有する。なお、酸化触媒Ａは、触媒担持フィルタＢの昇温を補助するものなので、後述のように省略することもできる。
触媒担持フィルタＢは、中間室１１ｂと下流室１１ｃとを連通する複数の細孔を有し、隣り合う細孔の上流端と下流端とが交互に目封じされており、各細孔の内周面には触媒が担持されている。触媒担持フィルタＢは、排気ガス中のＰＭを細孔の内周面で捕集すると共に、燃料の未燃成分が供給されたとき昇温し、捕集したＰＭを燃焼させて再生する。
上流室１１ａと下流室１１ｃとの圧力差は、差圧センサ１２によって検出されるようになっている。すなわち、上流室１１ａと下流室１１ｃとは管１３によって連通されており、この管１３の途中に左右の管の圧力差を検出する差圧センサ１２が設けられている。差圧センサ１２の検出値はＥＣＵ２０に出力される。
上流室１１ａには、酸化触媒Ａの入口における排気ガス温度を検出する触媒入口排気温度センサ１４が設けられ、中間室１１ｂには、触媒担持フィルタＢの入口における排気ガス温度を検出するフィルタ入口排気温度センサ１５が設けられている。これらの排気温度センサ１４、１５の検出値はＥＣＵ２０に出力される。
ＥＣＵ２０には、上記差圧センサ１２、排気温度センサ１４、１５の各検出値に加え、アクセルペダルの開度を検出するアクセルポジションセンサ１６の信号、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ１７の信号、車両の走行距離を検出する距離センサ１８の信号が夫々入力されるようになっている。
さて、上記触媒担持フィルタＢにはエンジン１の運転によって排気ガス中のＰＭが捕集されるが、触媒担持フィルタＢに再生すべき一定量のＰＭが捕集されたか否かは、ＥＣＵ２０によって次のように判断される。すなわち、上記距離センサ１８によって、以前に触媒担持フィルタＢを再生したときから現在までの車両の走行距離を検出し、この走行距離が所定距離になったならば、触媒担持フィルタＢに一定量のＰＭが捕集されたと推定し、再生すべきとの判断がなされる。
但し、車両の走行条件によっては、車両の走行距離が上記所定距離に至る前に、触媒担持フィルタＢに一定量のＰＭが捕集されることもあり得る。このため、上記差圧センサ１２によって差圧を常時または所定時間毎に検出しておき、差圧が所定差圧を超えたときにも、触媒担持フィルタＢに一定量のＰＭが捕集されたと推定し、再生すべきとの判断がなされる。
ＥＣＵ２０は、触媒担持フィルタＢを再生しないと判断したときには、アクセルポジションセンサ１６の信号及び回転速度センサ１７の信号に基づいて、通常の燃料噴射を行う信号をインジェクタ２へ出力する。また、触媒担持フィルタＢを再生すべきと判断したときには、触媒入口排気温度センサ１４及びフィルタ入口排気温度センサ１５の検出値に応じて、次のように通常噴射、マルチ噴射、ポスト噴射を切り替え、再生を行う。マルチ噴射、ポスト噴射については、背景技術の欄で説明した通りである。
マルチ噴射・ポスト噴射は、通常走行時やアイドリング時等、燃料噴射が実行されるときに行われ、降坂走行中にアクセルペダルをオフしたときや減速すべくアクセルペダルをオフしたとき等、燃料噴射がカットされたときには行われない。マルチ噴射・ポスト噴射は、メイン噴射の後にサブ噴射を行うものであるので、そもそもメイン噴射を行わない燃料カット時には、当然行われないのである。
触媒入口排気温度センサ１４で検出される排気ガスの温度が第１所定温度（酸化触媒Ａの活性温度：例えば約２５０℃）よりも低い場合には、先ず、マルチ噴射を行う。これにより、動力に変換されない廃熱が酸化触媒Ａに供給され、酸化触媒Ａが活性化する温度まで昇温する。
その後、ポスト噴射を行い、未燃成分を含む排気ガスを酸化触媒Ａ及び触媒担持フィルタＢに供給する。これにより、上記排気ガスが酸化触媒Ａで昇温され、高温ガスとなって触媒担持フィルタＢへ供給され、触媒担持フィルタＢが活性化されて昇温（約５００〜６００℃）する。この結果、触媒担持フィルタＢに捕集されたＰＭが燃焼され、触媒担持フィルタＢが強制的に再生される。
なお、ポスト噴射を行うときに同時にマルチ噴射を行ってもよい。また、ポスト噴射は、フィルタ入口排気温度センサ１５の検出温度が第２所定温度（例えば約３００℃）になった後に行うようにしてもよい。
ポスト噴射及びマルチ噴射を行って触媒担持フィルタＢを再生するときには、ＥＧＲ弁８がＥＣＵ２０によって閉じられ、排気ガスの吸気側への還流が中止される。ＥＧＲ弁８が開かれていると、ポスト噴射及びマルチ噴射による未燃成分が吸気側に還流されてしまい、この未燃成分がタール状の物質となって吸気マニホールド５等に付着するため、ＥＧＲ弁８を閉じることでこれを回避しているのである。
但し、このようにＥＧＲ弁８を閉じたとしても、閉弁されたＥＧＲ弁８よりもＥＧＲガスの流れ方向上流側のＥＧＲ通路７及びＥＧＲクーラ９等に排気ガスが滞留するため、それらの部分７、９に未燃燃料がタール状の物質として堆積してしまう。
そこで、本実施形態では、触媒担持フィルタＢの再生中、車両減速時等にアクセルペダルがオフされる等してインジェクタ２から燃料が噴射されなくなったときには、それまで閉じられていたＥＧＲ弁８をＥＣＵ２０によって開くようにしている。
すると、インジェクタ２が無噴射であることから燃料が混合されていない空気（排気）が、排気マニホールド６からＥＧＲ通路７を通って吸気マニホールド５に還流され、ＥＧＲ通路７やＥＧＲクーラ９内に滞留していた未燃成分を、燃料が混合されていない空気によって的確に掃気できる。これにより、ＥＧＲ通路７やＥＧＲクーラ９内に未燃成分がタール状に堆積することを回避できる。
すなわち、触媒担持フィルタＢの再生中、燃料噴射がなされるときにはマルチ噴射・ポスト噴射を行って触媒担持フィルタＢに未燃成分を供給すると共に、ＥＧＲ弁８を基本的には全閉として未燃成分の吸気マニホールド５への付着・堆積を防止する。そして、アクセルペダルオフ時等のインジェクタ２の無噴射時には、ＥＧＲ弁８を開いてＥＧＲ通路７及びＥＧＲクーラ９を燃料が混合されていない空気によって掃気し、ＥＧＲ通路７及びＥＧＲクーラ９に滞留した未燃成分を除去する。
他方、触媒担持フィルタＢの再生中、吸気絞り弁４をＥＣＵ２０によって閉制御（全閉も含む）してもよい。ここで、吸気絞り弁４の全閉とは吸入空気が多少通過できるものである。これにより、新規吸入空気量が減少するため、触媒担持フィルタＢを通過する排気ガス温度の低下を抑制でき、触媒担持フィルタＢの温度低下が抑制され、その再生能力の低下が抑えられる。
ところで、このような吸気絞り弁４の閉制御は、ＥＧＲ弁８を閉じているとき（即ちポスト噴射・マルチ噴射を行っているとき）のみ実行してもよい。何故なら、ポスト噴射・マルチ噴射により生じた未燃燃料を、吸気絞り弁４を閉制御して新規吸入空気量が減少させることで、その濃度を低下させることなく触媒担持フィルタＢに供給できるからである。
また、触媒担持フィルタＢの再生時における燃料無噴射時に、吸気絞り弁４を閉制御（全閉を含む）し、ＥＧＲ弁８を開制御してもよい。こうすれば、吸気絞り弁４の閉制御によって新規吸入空気量が減少して触媒担持フィルタＢの温度低下を抑制でき、同時に、吸気絞り弁４の閉制御によって生じるシリンダ内の負圧を、ＥＧＲ弁８を開制御して吸気マニホールド５と排気マニホールド６とを連通することで小さくできるので、シリンダ内におけるオイル上がり・オイル下がりを抑制できる。
すなわち、吸気絞り弁４を閉制御したとき、ＥＧＲ弁８の閉状態を維持すると、吸気絞り弁４の閉制御によってシリンダ内の負圧が大きくなるため、オイル上がりやオイル下がりが生じてオイル消費量が悪化してしまう。そこで、吸気絞り弁４の閉制御したとき同時にＥＧＲ弁８を開くことでシリンダ内の負圧を小さくし、オイル上がりやオイル下がりを抑制してオイル消費量を抑えているのである。
ここで、オイル上がりとは、クランクケース内のオイルがシリンダとピストンとの間を通ってピストン上方の燃焼室内に移動することであり、オイル下がりとは、シリンダヘッド内のオイルがバルブステムとバルブガイドとの間等を通って燃焼室内に移動することである。
また、ＥＧＲ弁８を開くことで、ＥＧＲ通路７及びＥＧＲクーラ９に滞留した未燃成分を掃気できる。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態においては、収容ケース１１内に酸化触媒Ａ及び触媒担持フィルタＢを設けているが、酸化触媒Ａを設けずに触媒担持フィルタＢのみを設けた構成としてもよい。この構成においても、マルチ噴射及び／又はポスト噴射によって触媒担持フィルタＢを再生可能な温度まで昇温させることが可能である。
また、収容ケース１１内に、酸化触媒Ａを設けると共に、その下流側に触媒を担持しないフィルタを設けた構成としてもよい。この構成においても、マルチ噴射及び／又はポスト噴射によって酸化触媒Ａを昇温させ、フィルタを再生可能な温度まで昇温させることが可能である。
また、インジェクタ２はコモンレール式のものでなくても構わない。また、差圧センサ１２は、上流室１１ａと下流室１１ｃとに夫々圧力センサを設け、それらの出力値の差を用いるものでもよい。
本発明の好適実施例に係るエンジンの排気浄化装置のシステム図である。 従来例を示すエンジンの排気浄化装置のシステム図である。
符号の説明
１ エンジン
２ インジェクタ
３ 吸気通路
４ 吸気絞り弁
７ ＥＧＲ通路
８ ＥＧＲ弁
１０ 排気通路
Ｂ 触媒担持フィルタ
２０ 制御手段としてのＥＣＵ

Claims (3)

  1. エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
    該フィルタの上流側及び／又は該フィルタの表面に設けられ、燃料の未燃成分が供給されたとき昇温して上記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼して上記フィルタを再生するための触媒と、
    エンジンの吸気側と排気側とを連通するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と、
    シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
    該インジェクタ及び上記ＥＧＲ弁を制御する制御手段とを有し、
    該制御手段は、
    上記フィルタを再生する場合、
    上記インジェクタからの燃料噴射が実行されているとき、その燃料噴射を制御して燃料の未燃成分を上記触媒に供給すると共に上記ＥＧＲ弁を閉じ、上記インジェクタからの燃料噴射が実行されない状態となったときには、上記ＥＧＲ弁を開くものである
    ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
  2. 上記ＥＧＲ通路には、上記ＥＧＲ弁よりもＥＧＲガスの流れの上流側に、ＥＧＲクーラが設けられた請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
  3. エンジンの吸気通路に設けられた吸気絞り弁と、
    エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
    該フィルタの上流側及び／又は該フィルタの表面に設けられ、燃料の未燃成分が供給されたとき昇温して上記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼して上記フィルタを再生するための触媒と、
    エンジンの吸気側と排気側とを連通するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と、
    シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
    該インジェクタ、上記ＥＧＲ弁及び吸気絞り弁を制御する制御手段とを有し、
    該制御手段は、
    上記フィルタを再生する場合、
    上記インジェクタからの燃料噴射が実行されているとき、その燃料噴射を制御して燃料の未燃成分を上記触媒に供給すると共に上記ＥＧＲ弁を閉じ、上記インジェクタからの燃料噴射が実行されない状態となったときには、上記吸気絞り弁を閉制御し、上記ＥＧＲ弁を開制御するものである
    ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
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