JP4513779B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中に還元剤を添加する内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気中に還元剤を添加する技術としては、排気通路に設けられた酸化触媒とその直下流のパティキュレートフィルタとの間に排気温度センサを配設し、この排気温度センサの検出温度に基づいて排気中に還元剤を添加する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１４３９８８号公報 特開２００４−４４５１５号公報 特開２００５−１２０９３８号公報

ところで、排気通路における還元剤添加位置を通過する排気の流速や温度は、内燃機関の運転状態の変化に伴い、気筒毎或いはサイクル毎に大きく変動する場合がある。

しかしながら、排気温度の変化が排気温度センサの測定値に反映されるまでには応答遅れを生じるため、排気温度センサが上記したような気筒毎或いはサイクル毎の急峻な温度変動を捉えることができない可能性がある。よって、上記した従来の技術では、還元剤を好適に添加することができない場合があった。

本発明の目的とするところは、内燃機関の排気通路を流れる排気中へ還元剤を添加する還元剤添加手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、還元剤の添加をより好適に行える技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
内燃機関の排気通路に配置された排気浄化手段より上流の排気中へ還元剤を添加する還元剤添加手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記内燃機関の気筒の排気弁が開弁する時の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記筒内圧検出手段により検出された筒内圧に基づいて、前記排気通路における前記還元剤添加手段の還元剤添加位置を通過する排気の流速又は温度を推定する推定手段と、
前記推定手段により推定された排気の流速又は温度に基づいて、還元剤の添加量を調整する添加制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

排気が還元剤添加位置を通過する際の排気の流速や温度は、内燃機関の気筒毎或いはサイクル毎に大きく変動する場合がある。このため、排気温度センサのように応答性が低いセンサを用いて上記したような急峻な変化を即時に検出することは困難であった。

これに対し、気筒の排気行程時に排出される排気の流速及び温度は、排気弁が開弁する際の筒内圧（気筒内の圧力）と相関するため、気筒の排気弁が開弁する際の筒内圧を測定することにより、排気の流速及び温度を即時に特定（推定）することが可能である。

そこで、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気弁開弁時の筒内圧に基づいて還元剤添加位置を通過する排気の流速又は温度を推定し、推定した排気の流速又は温度に基づい
て還元剤の添加量を調整することとした。

これによると、還元剤添加位置を通過する排気の流速及び温度が気筒毎又はサイクル毎に大きく異なる場合であっても、各気筒から排出された排気が還元剤添加位置を通過する際の流速又は温度、或いは各サイクルの排気行程時に気筒から排出された排気が還元剤添加位置を通過する際の流速又は温度を即時に推定することができる。このように推定された排気の流速又は温度に応じて還元剤の添加量が調整されると、還元剤の添加量が排気の流速又は温度に適した量となり、還元剤の添加をより好適に行うことができる。

尚、排気の流速及び温度は、排気弁が開弁する際の筒内圧が高くなるほど高くなる傾向があるため、本発明の推定手段は筒内圧検出手段により検出された筒内圧が高くなる程、還元剤添加位置を通過する排気の流速又は温度が高いと推定することできる。これに対し、添加制御手段は推定手段により推定された排気の流速又は温度が高くなる程、還元剤の添加量を増量するとよい。

例えば、推定手段により推定された排気の流速が高くなる程還元剤の添加量が増加されると、排気の流量に対する還元剤の量を所望の比率に維持することができる。よって、還元剤の添加によって排気の空燃比を目標空燃比に収束させることが容易となる。

また、推定手段により推定された排気の温度が高くなる程還元剤の添加量が増加されると、排気の温度に対して気化可能な最大量の還元剤を添加することができる。よって、還元剤の酸化熱を利用して排気浄化手段を早期に昇温させることが容易となる。

尚、推定手段は、１回当たりの排気行程期間に排出された排気の流速が最大となるタイミングを推定し、添加制御手段は、推定手段により推定されたタイミングに基づいて、還元剤の添加時期を調整するとよい。これにより、添加時期が排気の流速又は温度に適した時期となり、還元剤の添加をより好適に行うことができる。

本発明によると、内燃機関の排気浄化装置において、還元剤の添加をより好適に行うことが可能となる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。内燃機関１の気筒２内にはピストン３が摺動自在に設けられている。

気筒２内上部の燃焼室には、吸気ポート４と排気ポート５とが接続されている。吸気ポート４及び排気ポート５の燃焼室への開口部は、それぞれ吸気弁６及び排気弁７によって開閉される。吸気ポート４及び排気ポート５は、それぞれ吸気通路８及び排気通路９に接続されている。

また、気筒２には、直上位置に、該気筒２内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１０が設けられている。気筒２には、斜上位置に、筒内圧を検出する筒内圧センサ１１が設けられている。

排気通路９は、下流にて不図示のマフラーと接続されている。排気通路９の途中には、内燃機関１の気筒２から排出される排気を浄化するためのフィルタ１２が配置されている。フィルタ１２は、内燃機関１から排出される煤等のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタである。フィルタ１２には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）が担持されている。また、フィルタ１２は、ＮＯｘ触媒とパティキュレートフィルタが直列に並んだものやそれらが交互に多重化されたものなどであってもよい。このフィルタ１２が本発明の排気浄化手段に相当する。

また、フィルタ１２より上流側の排気通路９には、排気通路９内を流通する排気中に還元剤たる燃料を供給する燃料添加弁１３が取り付けられている。この燃料添加弁１３が本発明の還元剤添加手段に相当する。

以上の構成の内燃機関１には、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）１４が併設されている。このＥＣＵ１４は、ＣＰＵ、ＲＯ
Ｍ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどからなる制御コンピュータである。

ＥＣＵ１４は、筒内圧センサ１１と電気配線で接続されており、筒内圧センサ１１の出力信号がＥＣＵ１４に入力される。また、ＥＣＵ１４は、燃料噴射弁１０や燃料添加弁１３と電気配線で接続されており、燃料噴射弁１０や燃料添加弁１３の開閉タイミングを制御可能になっている。

ＥＣＵ１４は、一定時間毎に実行すべき基本ルーチンにおいて、例えば、各種センサの出力信号の入力、機関回転速度の演算、燃料供給量の演算、燃料供給時期の演算などを実行する。基本ルーチンにおいてＥＣＵ１４が入力した各種信号やＥＣＵ１４が演算して得られた各種制御値は、ＥＣＵ１４のＲＡＭに一時的に記憶される。

更に、ＥＣＵ１４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、あるいはクランクポジションセンサ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などにおいて、ＲＡＭから各種制御値を読み出し、それらの制御値に従って燃料噴射弁１０や燃料添加弁１３などを制御する。

そして、ＥＣＵ１４は、ＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムに従って、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理、ＰＭ酸化除去処理といった、燃料添加弁１３からフィルタ１２に流入する排気中へ燃料を添加する燃料添加制御を実行する。

なお、ＮＯｘ還元処理は、燃料添加弁１３から排気中へ燃料を添加させることにより、フィルタ１２に流入する排気の空燃比をリッチとし、フィルタ１２のＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出及び還元する処理である。

ＳＯｘ被毒回復処理は、燃料添加弁１３から排気中へ燃料を添加させることにより、添加した燃料をフィルタ１２のＮＯｘ触媒において酸化させ、酸化反応に伴う熱によってフィルタ１２の温度を６００℃〜８００℃に昇温させると共にフィルタ１２に流入する排気の空燃比をリッチとし、フィルタ１２のＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出及び還元させる処理である。

ＰＭ酸化除去処理は、燃料添加弁１３から排気中へ燃料を添加させることにより、添加した燃料をフィルタ１２のＮＯｘ触媒において酸化させ、酸化反応に伴う熱によってフィルタ１２の温度を昇温させて、フィルタ１２に捕集されたＰＭを酸化及び除去する処理である。

ここで、排気通路９における燃料添加弁１３の燃料添加位置を通過する排気の流速や温度は、内燃機関１の運転状態の変化に伴い、内燃機関１の気筒２毎に大きく変動する。燃料添加制御においては、排気通路９における燃料添加弁１３の燃料添加位置を通過する排気の流速や温度に適した添加量及び添加時期の燃料を添加することが望まれる。

そこで、本実施例では、筒内圧に基づいて燃料添加位置を通過する排気の流速及び温度を推定し、推定した排気の流速及び温度に基づいて燃料添加弁１３からの燃料の添加回数及び添加時期を調整するようにしている。

これによると、燃料添加位置を通過する推定された排気の流速及び温度に適した燃料の添加回数及び添加時期を設定することができ、燃料の添加をより好適に行うことができる。

特に、ＮＯｘ還元処理及びＳＯｘ被毒回復処理では、排気の流量に対する燃料の量を所望の比率に維持することができる。このため、排気の空燃比を精度よく低下させて、排気の空燃比を目標空燃比に収束させることが容易にできる。そして、例えば過渡運転時であっても排気の空燃比が目標空燃比に対してリッチ又はリーンにずれてしまうことが抑制できる。

また、ＳＯｘ被毒回復処理及びＰＭ酸化除去処理では、気化可能な最大量の燃料を添加してフィルタ１２を目標温度に昇温させることができる。このため、燃料の酸化熱を利用してフィルタ１２を早期に昇温させることが容易にできる。そして、燃料を過剰に添加してしまい、燃料の気化が不十分となってかえって昇温を妨げてしまうことや、液滴のままの燃料がフィルタ１２に到達してフィルタ詰まりを生じさせることが抑制できる。また、燃料を過少に添加してしまい、フィルタ１２の昇温が不足することも抑制できる。

ここで、本実施例の燃料添加制御を行う制御ルーチンについて、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、本ルーチンは、ＥＣＵ１４に予め記憶されており、本実施例では内燃機関１のいずれかの気筒２が排気行程となって燃料添加を実行する際に、周期的に実行されるルーチンである。

燃料添加制御の実行要求が指示され、本ルーチンの処理が開始されると、まず、Ｓ１０１においては、ＥＣＵ１４は、内燃機関１の今回の燃料添加制御において排気行程となる所定の一つの気筒２の排気弁７が開弁する時期に、当該排気弁７が開弁する気筒２の筒内圧を筒内圧センサ１１で検出する。すなわち、図３（ａ）に示すように、当該排気弁７が開弁する気筒２の排気行程が開始された直後の一瞬に筒内圧が検出されることになる。なお、本ステップを実行するＥＣＵ１４が本発明の筒内圧検出手段に相当する。次に、Ｓ１０２へ移行する。

Ｓ１０２においては、ＥＣＵ１４は、筒内圧センサ１１で検出した当該排気弁７が開弁する気筒２の筒内圧に基づいて、当該排気弁７が開弁する気筒２の排気行程期間についての、排気通路９における燃料添加弁１３の燃料添加位置を通過する排気の流速及び温度を推定する。すなわち、図３（ｂ）に示すように、当該排気弁７が開弁する気筒２の排気行程の期間において、凸状曲線的に変動する排気の流速及び直線的に変動する排気の温度を推定する。なお、本ステップを実行するＥＣＵ１４が本発明の推定手段に相当する。

推定される排気の流速及び温度は、筒内圧のマップ並びに前回の燃料添加制御での結果から導かれるもので、筒内圧が高いほど排気の流速が速まると共に排気の温度が高まっていく。具体的には、排気の流速は、一つの気筒２の排気行程期間における基本となる凸状
曲線的な流速の変動が筒内圧のマップから導かれ、今回の流速の開始点が前回の燃料添加制御で推定された流速の終了点につながるように推定される。また、排気の温度は、排気の流速が最大となる時点での温度が筒内圧のマップから導かれ、この温度と前回の燃料添加制御での排気の流速が最大となる時点での温度とを直線で結んで直線的に変動するよう推定される。次に、Ｓ１０３へ移行する。

Ｓ１０３においては、ＥＣＵ１４は、推定した排気の流速及び温度に基づいて、当該排気弁７が開弁する気筒２の排気行程の期間における、燃料添加弁１３からの燃料の添加回数を算出する。算出される燃料の添加回数は、排気の流速及び温度をパラメータとしたマップから最適な添加量となるように導かれるもので、排気の流速及び温度が高い程、図３（ｃ）に示すように、燃料の添加回数も増加される。なお、本ステップを実行するＥＣＵ１４が本発明の添加制御手段に相当する。次に、Ｓ１０４へ移行する。

Ｓ１０４においては、ＥＣＵ１４は、Ｓ１０３で算出した添加回数の燃料を燃料添加弁１３から排気中へ添加させる。ここで、添加時期は、添加される燃料が排気にのってフィルタ１２へ到達する最適な時期となるように、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、Ｓ１０２で推定した凸状曲線的に変動する排気の流速が最大となった直後に添加を開始する時期に定められている。そして、本ルーチンの処理を一旦終了する。

そして、以後の燃料添加制御においては、その制御の度に本ルーチンの処理が行われる。

このように上記ルーチンを実行することにより、燃料添加制御において燃料添加位置を通過する推定された排気の流速及び温度に応じて燃料の添加回数及び添加時期を最適に設定することができ、排気中への燃料の添加をより好適に行うことができる。

なお、上記実施例では、燃料の添加回数を増減することで最適な添加量を添加するようにしていた。しかし、これに限られず、燃料添加弁１３の開弁状態の時間を変更して燃料添加時間を変更することや、燃料添加弁１３の燃料添加圧力を変更して単位時間当たりの燃料添加量を変更することで、最適な添加量を添加するようにしてもよい。

また、上記実施例では、燃料の添加時期を、推定した排気の流速が最大となった直後に添加を開始する時期に一意に定めていた。しかしこれに限られず、排気の流速や温度に鑑みて適宜変更するようにしてもよい。

本発明に係る排気浄化装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。

排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 燃料添加制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。 燃料添加制御に関する筒内圧、排気の流速及び温度、並びに燃料添加の状態を示す図である。

符号の説明

１・・・・・内燃機関
２・・・・・気筒
３・・・・・ピストン
４・・・・・吸気ポート
５・・・・・排気ポート
６・・・・・吸気弁
７・・・・・排気弁
８・・・・・吸気通路
９・・・・・排気通路
１０・・・・燃料噴射弁
１１・・・・筒内圧センサ
１２・・・・フィルタ
１３・・・・燃料添加弁
１４・・・・ＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に配置された排気浄化手段より上流の排気中へ還元剤を添加する還元剤添加手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記内燃機関の気筒の排気弁が開弁する時の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧検出手段により検出された筒内圧のみに基づいて、前記排気通路における前記還元剤添加手段の還元剤添加位置を通過する排気の流速又は温度を推定する推定手段と、
   前記推定手段により推定された排気の流速又は温度に基づいて、還元剤の添加量を調整する添加制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記内燃機関は、複数の気筒を有し、
   前記筒内圧検出手段は、前記内燃機関の各気筒の排気弁が開弁する時の筒内圧を検出す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。
3. 前記推定手段は、前記筒内圧検出手段により検出された筒内圧が高くなる程、排気の流速又は温度が高くなると推定し、
   前記添加制御手段は、前記推定手段により推定された排気の流速又は温度が高くなる程、還元剤の添加量を増量することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記推定手段は、１回当たりの排気行程期間に排出された排気の流速が最大となるタイミングを推定し、
   前記添加制御手段は、前記推定手段により推定されたタイミングに基づいて、還元剤の添加時期を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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