JP4505176B2 - 内燃機関の排気ガス浄化システム - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル内燃機関の粒子状物質（パティキュレート）を捕集して排気ガスを浄化する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタを備えた内燃機関の排気ガス浄化システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル内燃機関から排出される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート・マター：以下ＰＭとする）の排出量は、ＮＯｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきており、このＰＭをディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
【０００３】
このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック製のモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等があり、これらのＤＰＦを用いた排気ガス浄化システムは、他の排気ガス浄化システムと同様に、内燃機関の排気通路の途中に設置され、内燃機関で発生する排気ガスを浄化して排出している。
【０００４】
しかし、このＰＭ捕集用のＤＰＦは、ＰＭの捕集に伴って目詰まりが進行し、捕集したＰＭの量に比例して排気ガス圧力（排圧）が上昇するので、このＤＰＦからＰＭを除去する必要があり、幾つかの方法及び装置が開発されている。
【０００５】
これらの装置には、それぞれがＤＰＦを備えた２系統の排気通路を設け、交互に、ＰＭの捕集と、捕集したＰＭを燃焼処理してフィルタを再生する方式のものと、１系統の排気通路で形成し、この排気通路に設けたＤＰＦでＰＭを捕集しながら、フィルタ再生用の内燃機関の制御運転を行って捕集したＰＭを酸化除去する連続再生方式のものとが提案されている。
【０００６】
この連続再生方式の装置には、ＣＲＴ（Continuously Regenerating Trap）方式と呼ばれる、ＤＰＦの上流側に酸化触媒を設けた連続再生型のＤＰＦ装置や、ＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter ）方式と呼ばれる、フィルタに担持させた触媒の作用によってＰＭの燃焼温度を低下させ、排気ガスによってＰＭを焼却する連続再生型のＤＰＦ装置等がある。
【０００７】
このＣＲＴ方式の連続再生型ＤＰＦ装置は、二酸化窒素によるＰＭの酸化が、排気ガス中の酸素によりＰＭを酸化することにより、低温で行われることを利用したもので、酸化触媒とフィルタとから構成され、この上流側の白金等を担持した酸化触媒により、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ2 ）にして、この二酸化窒素（ＮＯ2 ）で、下流側のフィルタに捕集されたＰＭを酸化して二酸化炭素（ＣＯ2 ）とし、ＰＭを除去している（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、ＣＳＦ方式の連続再生型ＤＰＦ装置は、酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）等の触媒を有する触媒付きフィルタで構成され、低温域（３００℃〜６００℃程度）では、触媒付きフィルタにおける排気ガス中の酸素を使用した反応（４ＣｅＯ2 ＋Ｃ→２Ｃｅ2 Ｏ3 ＋ＣＯ2 ，２Ｃｅ2 Ｏ3 ＋Ｏ2 →４ＣｅＯ2 等）によりＰＭを酸化し、ＰＭが排気ガス中の酸素で燃焼する温度より高い高温域（６００℃程度以上）では、排気ガス中の酸素によりＰＭを酸化している。
【０００９】
しかしながら、これらの連続再生型ＤＰＦ装置においても、排気温度が低い場合や一酸化窒素（ＮＯ）の排出が少ない運転状態においては、触媒の温度が低下して触媒活性が低下したり、一酸化窒素（ＮＯ）が不足するので、上記の反応が生ぜず、ＰＭを酸化してフィルタを再生できないため、ＰＭのフィルタへの堆積が継続されて、フィルタが目詰まりしてくる。
【００１０】
そのため、これらの連続再生型のＤＰＦ装置では、フィルタを再生する場合にＤＰＦ前後の差圧等によってＰＭの堆積量を推定し、この差圧が所定の判定値を超えた場合に、内燃機関の運転状態を再生モード運転に変更して、排気温度を強制的に上昇させたり、一酸化窒素（ＮＯ）や二酸化窒素（ＮＯ2 ）の量を増加させたりして、フィルタに捕集されたＰＭを酸化して除去する再生制御を行っている。
【００１１】
そして、従来の連続再生型のＤＰＦ装置においては、フィルタの目詰まりが進行し、推定ＰＭ堆積量や差圧が所定の判定値を超えた場合に、再生モード運転の開始時期であると判定し、その判定時の内燃機関の運転状態に関わらず再生モード運転に移行する再生制御を行っている。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−１０６３２７号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、再生モード運転の開始時期や開始前のＰＭ捕集量が限界量近くまで溜め込まれている時点においては、内燃機関の運転条件は様々な条件になる可能性があり、このＰＭ捕集量が限界量近くの状態で、高負荷運転や全負荷運転に移行し、排気ガス流量が大幅に増加する場合には、図６に示すように、ＤＰＦ前後の差圧ΔＰが大幅に上昇してしまうという問題が生じる。
【００１４】
この差圧ΔＰの大幅上昇が生じると、ＤＰＦの劣化が促進されるので、ＤＰＦの寿命が短くなり、また、排気圧力自体も高くなるので、燃費の面でも不利となる。また、この排気ガス流量の急増等を許容できるような大容量のＤＰＦ装置を使用しようとすると、レイアウトやコストの面で問題が生じることになる。
【００１５】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、連続再生型ＤＰＦ装置において、ＰＭの堆積状態が所定量よりも大きくなった場合には、内燃機関の燃料噴射における最大噴射量を制限し、排気ガス量の大幅な増加を回避して、連続再生型ＤＰＦ装置の劣化の防止を図ることができる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備え、該連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置の粒子状物質を捕集するフィルタに捕集された粒子状物質を酸化除去する内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記フィルタに捕集される粒子状物質の捕集量を推定する捕集量推定手段と、該捕集量推定手段によって推定された粒子状物質の捕集量が、所定の制限用の判定値以上の時に、内燃機関の最大噴射量を制限し、前記推定された粒子状物質の捕集量が、前記所定の制限用の判定値よりも大きい所定の再生用の判定値を超えずに、前記所定の制限用の判定値を下回った場合には、最大噴射量の制限を終了し、前記推定された粒子状物質の捕集量が、前記所定の再生用の判定値を超えた場合には、再生制御を行い、再生制御が終了すると最大噴射量の制限を終了する最大噴射量制限手段を備えて構成される。
【００１７】
この構成により、内燃機関の燃料噴射における最大噴射量を制限して、急激な排気ガス量の増加を防止して、ＤＰＦの劣化の防止等を図ることができる。
【００１８】
更に、上記の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記最大噴射量制限手段が内燃機関の最大噴射量を制限する時又は制限中において、内燃機関の最大噴射量の制限を通知する制限通知手段を備えて構成することにより、このシステムを搭載した車両等の運転者に、フィルタ再生中は内燃機関出力が制限されていることを通知できるので、運転者は的確な判断及び運転ができるようになる。
【００１９】
また、このフィルタにおける粒子状物質の捕集量の推定及び再生モードへの移行時の判定は、フィルタ前後の排気圧力の差圧や圧力比と所定の判定値との比較で行ったり、内燃機関の運転状態から排出される粒子状物質（ＰＭ）の量と酸化除去される粒子状物質の量との差からフィルタに堆積される粒子状物質の量を推定して、この累積堆積量と所定の判定値との比較で行ったりする。
【００２０】
そして、特に、前記捕集量推定手段が、前記フィルタの前後の差圧により粒子状物質の捕集量を推定するように構成すると、比較的単純な計測システムと比較的容易なアルゴリズムでＰＭの堆積量を推定できる。
【００２１】
そして、前記連続再生型ＤＰＦ装置としては、前記フィルタに触媒を担持させた装置、前記フィルタの上流側に酸化触媒を設けた装置、前記フィルタに触媒を担持させると共に前記フィルタの上流側に酸化触媒を設けた装置を対象にすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムについて、酸化触媒と触媒付きフィルタの組合せの連続再生型ＤＰＦ装置を備えたシステムを例にして、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１及び図２に、この実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１０の構成を示す。この内燃機関の排気ガス浄化システム１０では、エンジン（内燃機関）１の排気通路２に設けられ、上流側に酸化触媒３ａを下流側に触媒付きフィルタ（触媒担持ＤＰＦ）３ｂが設けられた連続再生型ＤＰＦ装置３を有して構成される。
【００２４】
この酸化触媒３ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金（Ｐｔ）等の酸化触媒を担持させて形成され、触媒付きフィルタ３ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。
【００２５】
そして、触媒付きフィルタ３ｂに、モノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタを採用した場合には、排気ガスＧ中の粒子状物質（以下ＰＭとする）は多孔質のセラミックの壁で捕集（トラップ）され、繊維型フィルタタイプを採用した場合には、フィルタの無機繊維でＰＭを捕集する。
【００２６】
そして、触媒付きフィルタ３ｂのＰＭの堆積量を推定するために、連続再生型ＤＰＦ装置３の前後に接続された導通管に差圧センサ６が設けられる。また、触媒付きフィルタ３ｂの再生制御用に、排気入口側の酸化触媒３ａの前に第１温度センサ７ａが、酸化触媒３ａと触媒付きフィルタ３ｂの間に第２温度センサ７ｂが、触媒付きフィルタ３ｂの排気出口側に第３温度センサ７ｃがそれぞれ設けられる。
【００２７】
これらのセンサの出力値は、エンジン１の運転の全般的な制御を行うと共に、触媒付きフィルタ３ｂの再生制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）５に入力され、この制御装置５から出力される制御信号により、エンジン１の燃料噴射装置４が制御される。
【００２８】
そして、本発明においては、図３に示すように、制御装置５のＤＰＦ制御手段５１において、捕集量推定手段５１Ａと再生制御手段５１Ｂに加えて、最大噴射量制限手段５１Ｃと制限通知手段５１Ｄが設けられる。
【００２９】
この捕集量推定手段５１Ａは、連続再生型ＤＰＦ装置３の触媒付きフィルタ３ｂに捕集されるＰＭの捕集量を推定する手段であり、この捕集量の推定には、触媒付きフィルタ３ｂの前後の差圧ΔＰを使用し、この差圧ΔＰとＰＭの捕集量を対応させてＰＭの捕集量を推定する。
【００３０】
そして、再生制御手段５１Ｂは、差圧ΔＰが所定の再生用の判定値（閾値）ΔＰａ以上の時に行う再生制御手段であり、連続再生型ＤＰＦ装置３の種類に応じて多少制御が異なるが、エンジン１の燃料噴射の主噴射（メイン）のタイミングを遅延操作（リタード）したり、後噴射（ポストインジェクション）を行ったり、吸気絞りを行ったりして、排気ガス温度を上昇させ、ＰＭの酸化除去に適した温度や環境になるようにし、連続再生型ＤＰＦ装置３に捕集されたＰＭを酸化除去する。
【００３１】
そして、最大噴射量制限手段５１Ｃは、捕集量推定手段５１Ａによって推定されたＰＭの捕集量が所定の判定値以上の時に、エンジン１の最大噴射量を制限する手段であり、図４のフローに示すように、差圧センサ６で計測している触媒付きフィルタ３ｂの前後の差圧ΔＰが、所定の制限用の判定値（閾値）ΔＰｂを超えた場合に、最大噴射量の制限を行い、その他の場合には、通常の運転における最大噴射量の制限を行うように構成される。なお、この最大噴射量の制限は，再生制御が終了した時点で終了するように構成される。
【００３２】
また、制限通知手段５１Ｄは、最大噴射量制限手段５１Ｃがエンジン１の最大噴射量を制限する時又は制限している最中において、エンジン１の最大噴射量を制限すること、あるいは、この最大噴射量の制限によりエンジン出力が低下することを表示やブザーや音声で、エンジンの運転者、例えば、自動車のエンジンの場合には自動車の運転者に警告や通知を行う手段である。
【００３３】
上記の構成の内燃機関の排気ガス浄化システム１０によれば、連続再生型ＤＰＦ装置３の触媒付きフィルタ３ｂにＰＭが限界量付近まで溜め込まれて、差圧ΔＰが所定の制限用の判定値ΔＰｂを超えた場合に、最大噴射量の制限を行う。
【００３４】
そのため、このＰＭが限界量付近まで溜め込まれている状態でエンジン１が全負荷の運転状態に移行したとしても、最大噴射量制限手段５１Ｃにより最大噴射量が通常の最大噴射量よりも低い値に制限されているので、排気ガス量が大きく増加し、差圧ΔＰや排気圧が大幅に上昇することを回避できる。
【００３５】
従って、図５に差圧ΔＰが再生用の判定値ΔＰａを超える時点ｔ１の近傍の時点ｔ３で、高負荷運転（又は全負荷運転）を行った例を示すが、この場合には、図に示すように、差圧ΔＰは、最大噴射量制限手段５１Ｃにより制限されていない通常運転の点線よりも、差圧ΔＰの最大値がΔＰｅ小さい最大噴射量制限の実線となり、差圧ΔＰ及び排気圧力の大幅な増加を回避でき、運転条件による連続再生型ＤＰＦ装置３への影響は低減され、また、エンジン１本体も保護され、また、燃費も有利になる。
【００３６】
図５（ａ）は、制限用の判定値ΔＰｂが再生用の判定値ΔＰａより低い場合を示し、差圧ΔＰが制限用の判定値ΔＰｂに到達した時点ｔ２より最大噴射量が制限され、差圧ΔＰが再生用の判定値ΔＰａに到達した時点ｔ１より再生制御運転が開始される。
【００３７】
図５（ｂ）は、参考となる例であり、この参考例では、最大噴射量制限手段５１Ｃが最大噴射量の制限を開始する制限用の判定値ΔＰｂと、再生制御手段５１Ｂが再生制御を開始する再生用の判定値ΔＰａとが同じ場合を示し、差圧ΔＰが制限用の判定値ΔＰｂ（＝ΔＰａ）に到達した時点ｔ２（＝ｔ１）より最大噴射量が制限され、また、同時に再生制御も開始される。
【００３８】
そして、制限通知手段５１Ｄが設けられているので、差圧ΔＰが制限用の判定値ΔＰｂを超えて最大噴射量に制限が掛かった時や制限中においては、表示やブザーや音声等により警告を発して、その旨を運転者に知らせることができる。
【００３９】
従って、運転者は、この最大噴射量の制限により、エンジン１の出力が通常運転の場合に比べて低下することを予め知ることができ、適切な運転が可能となる。
【００４０】
なお、捕集量推定手段５１Ａにおける捕集量の推定は、触媒付きフィルタ３ｂの前後の差圧ΔＰで行うとして説明してきたが、この捕集量推定手段５１Ａにおける捕集量の推定は、エンジン１の運転状態を示すトルクＱとエンジン回転数Ｎｅ、及び、第１温度センサ７ａで計測されるＤＰＦ入口温度等から、予め入力されたマップデータを参照して、その運転状態におけるＰＭ排出量とＰＭ浄化量を算出して、触媒付きフィルタ３ｂへのその時間毎に堆積されるＰＭ量を算定し、これを累積計算することにより、ＰＭの堆積量を推定することにより行うこともできる。また、別の推定方法を使用してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムによれば、ＰＭの堆積状態が所定の判定値よりも大きくなった場合には、内燃機関の燃料噴射における最大燃料噴射量を制限し、排気ガス量の増加を抑制し、目詰まり状態に近い堆積状態における大量の排気ガス発生を回避できるので、ＰＭを捕集するフィルタの前後の差圧の増大や、排気圧力の増大による連続再生型ＤＰＦ装置の劣化を防止でき、また、燃費の増加を抑制できる。
【００４２】
更に、制限通知手段を備えて構成することにより、このシステムを搭載した車両等の運転者に、連続ＤＰＦ装置におけるＰＭの捕集量が所定の判定値を超えた状態になって最大噴射量が制限され、内燃機関の出力が制限されていることを知らせることができるので、運転者は的確な判断及び運転ができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムのシステム構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの設置状況を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの制御装置の構成を示す図である。
【図４】最大噴射量制限手段の制御のフローを示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムにおけるＤＰＦ前後の差圧の時系列を示す図で、（ａ）は、制限用の判定値が再生用の判定値より小さい場合を示し、（ｂ）は、制限用の判定値が再生用の判定値と同じ場合を示す。
【図６】従来技術における内燃機関の排気ガス浄化システムにおけるＤＰＦ前後の差圧の時系列を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
２ 排気通路
３ 連続再生型パティキュレートフィルタ装置
３ａ 酸化触媒
３ｂ 触媒付きフィルタ
４ 燃料噴射装置
５ 制御装置（ＥＣＵ）
６ 差圧センサ
１０ 内燃機関の排気ガス浄化システム
５１Ａ 捕集量推定手段
５１Ｂ 再生制御手段
５１Ｃ 最大噴射量制限手段
５１Ｄ 制限通知手段
ΔＰ 差圧
ΔＰａ 再生用の判定値
ΔＰｂ 制限用の判定値

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備え、該連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置の粒子状物質を捕集するフィルタに捕集された粒子状物質を酸化除去する内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、
    前記フィルタに捕集される粒子状物質の捕集量を推定する捕集量推定手段と、該捕集量推定手段によって推定された粒子状物質の捕集量が、所定の制限用の判定値以上の時に、内燃機関の最大噴射量を制限し、前記推定された粒子状物質の捕集量が、前記所定の制限用の判定値よりも大きい所定の再生用の判定値を超えずに、前記所定の制限用の判定値を下回った場合には、最大噴射量の制限を終了し、前記推定された粒子状物質の捕集量が、前記所定の再生用の判定値を超えた場合には、再生制御を行い、再生制御が終了すると最大噴射量の制限を終了する最大噴射量制限手段を備えた内燃機関の排気ガス浄化システム。
  2. 前記最大噴射量制限手段が内燃機関の最大噴射量を制限する時又は制限中において、内燃機関の最大噴射量の制限を通知する制限通知手段を備えた請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
  3. 前記捕集量推定手段が、前記フィルタの前後の差圧により粒子状物質の捕集量を推定する請求項１又は２記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
  4. 前記連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置が、前記フィルタに触媒を担持させた装置、前記フィルタの上流側に酸化触媒を設けた装置、前後フィルタに触媒を担持させると共に該フィルタの上流側に酸化触媒を設けた装置のいずれかである請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
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