JP6008978B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関、特に、ディーゼル機関の排気ガス通路に前段酸化触媒と粒子状物質を捕集するフィルタとを備えた排ガス処理装置に関する。
ディーゼルエンジンの黒煙対策として、排気中に含まれるＰＭ（粒子状物質、Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ
Ｍａｔｔｅｒ）を捕集するために、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ
Ｆｉｌｔｅｒ）が使用されているが、捕集されたＰＭを定期的に燃焼除去するため、ＤＰＦ内部のＰＭ堆積量を推定して所定量に達したら排気ガスの温度を強制的に上昇させて、ＰＭを燃焼除去するＤＰＦの強制再生が行われる。
しかし、エンジンの運転状態によっては強制再生中にＰＭが異常燃焼を起こしてＤＰＦが過昇温して、ＤＰＦの熱溶損やクラックによる破損を生じるおそれがある。このＤＰＦの異常燃焼による過昇温を防止する制御として、特許文献１（特開２０１１−１５３５９１号公報）および、特許文献２（特開２００３−２０６７２６号公報）が知られている。
特許文献１には、内燃機関が高回転状態又は高負荷の運転領域αから低回転低負荷の運転領域βに設定時間Ｔ１内に移行するときをＤＰＦ異常燃焼生起運転と判定する。ＤＰＦ異常燃焼生起運転と判定したとき、吸気スロットルバルブ４全開にして、排気ガス流量を増大させ、排気ガスの顕熱による熱持ち去りによりＤＰＦフィルタ装置を冷却すると共に、レイトポスト噴射を続行させ、ＤＰＦフィルタ周囲の酸素濃度を低下させ、ＤＰＦフィルタに捕集されたＰＭの異常燃焼を抑制する。これによって、ＤＰＦフィルタ装置の異常昇温を早期に抑制できる技術が開示されている。
また、特許文献２には、ＤＰＦの再生中に、エンジンの排気流量が低下する低負荷回転域に移行したとき、バーナを作動させてターボ過給機のタービンに燃焼ガスを供給して、タービン仕事を増大させて過給を促進し、エンジンの排気流量の増加に伴ってＤＰＦの放熱を促進して過昇温を抑制する技術が開示されている。
特開２０１１−１５３５９１号公報 特開２００３−２０６７２６号公報
強制再生中のＤＰＦの過昇温は、比較的負荷が低い運転点において一旦再生が開始した後すぐに排ガス流量が低い運転状態に変化しその状態にいるだけでも起こり得るため、特許文献１のように高回転状態又は高負荷の運転領域αから低回転低負荷の運転領域βに設定時間Ｔ１内に移行するときをＤＰＦ異常燃焼生起運転と判定するだけでは、強制再生中のＤＰＦの過昇温が生じる運転状態を精度よく判定できない。
強制再生中のＤＰＦの過昇温が生じる運転状態を精度よく判定できない場合には、過昇温を防止するために、強制再生が継続する低負荷の最も排ガス流量が小となる運転点で過昇温が起こらないように再生開始となるＰＭの堆積量（限界堆積量）を減らさなければならない。
これは、再生間隔が短くなり、再生頻度が増大することから、再生時に用いるポスト噴射による燃料量の増加による燃費の悪化や、オイルダイリューションの増大につながる。
また、特許文献２のように、エンジンの排気流量が低下する低負荷回転域に移行したとき、バーナを作動させてターボ過給機のタービンに燃焼ガスを供給して、タービン仕事を増大させて過給を促進し、エンジンの排気流量の増加に伴ってＤＰＦの放熱を促進して過昇温を抑制する技術では、バーナやこれに伴う補機類の設置によるコストアップやＤＰＦ装置が大型化して搭載スペースが小さい場合には、設置が困難となる問題を有している。
そこで、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びＤＰＦを設けて、排気ガス中のＰＭを除去する排ガス浄化装置において、ＤＰＦの強制再生時にＤＰＦの過昇温を防止して、ＤＰＦの熱溶損やクラックによる破損を防止するとともに、強制再生の再生頻度の増大を防止して燃費悪化およびオイルダイリューションを低減することを目的とする。
本発明はかかる目的を達成するため、内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びＤＰＦを設けて排気ガス中のＰＭを前記ＤＰＦに捕集するとともに、捕集したＰＭを燃焼させて前記ＤＰＦを強制再生する内燃機関の排ガス浄化装置において、
吸気スロットル弁の開度およびポスト噴射時間を制御してＤＰＦの強制再生を制御する強制再生制御手段と、前記強制再生制御手段による強制再生処理中に、排ガス流量が第１閾値未満で該第１閾値より小さい第２閾値以上のときに、吸気スロットル弁の開制御によって、前記ＤＰＦの過昇温を回避して強制再生を継続できる排ガス流量であると判定する第１判定手段と、該第１判定手段によって、排ガス流量が第１閾値未満で第２閾値以上と判定した場合に排ガス流量を増大せしめるように前記吸気スロットル弁を制御する排ガス増量制御手段と、排ガス流量が前記第２閾値未満のときに、吸気スロットルバルブを開制御しても、前記ＤＰＦの過昇温を回避して強制再生を継続困難な排ガス量であると判定する第２判定手段と、該第２判定手段によって、排ガス流量が第２閾値未満と判定した場合に強制再生処理を中断する強制再生中断手段と、を備え、さらに、前記強制再生中断手段とは別に設けられ、強制再生制御中に前記前段酸化触媒の入口または出口の排ガス温度が所定温度未満になった場合、前記ＤＰＦの出口の排ガス温度が所定温度を超えた場合、前記ポスト噴射時間が所定時間を超えた場合の内の少なくともいずれか一つの条件に基づいて強制再生処理を中断するシステム安全手段を備え、前記システム安全手段におけるすべての中断条件に該当しない場合に、前記第１判定手段に基づく排ガス増量制御、及び前記第２判定手段に基づく強制再生中断制御を実行することを特徴とする。
かかる発明によれば、強制再生中のＤＰＦの過昇温は、一旦再生が開始すると、開始後すぐに排ガス流量が低い運転状態に変化しその状態にいるだけでも起こり得るため、高負荷域から低負荷域へと大きな負荷変化がない場合においても、強制再生中に排ガス流量が少なく再生処理中にＤＰＦが過昇温になるおそれがある排ガス流量を、予め試験またはシミュレーションで算出した所定の第１閾値と第２閾値を設定し、第１閾値未満で該第１閾値より小さい第２閾値より多い運転状態に変化した場合にはＤＰＦの過昇温が発生するおそれがあると判定して、排ガス増量制御手段によって排ガス流量を増大せしめるように吸気スロットル弁を制御する。
これによって、ＤＰＦの過昇温を、排ガス量を増加せしめて排ガスの顕熱による熱量の持ち去りによって、すなわち、排ガスへの放熱作用によってＤＰＦを冷却することができ、ＤＰＦの熱溶損やクラックによる破損を防止することができる。
第２閾値以下に排ガス流量が低下した場合には、再生継続が不可能であると判定して強制再生を中断する。
また、吸気スロットル弁の制御で排ガス流量を増大せしめるようするので、排ガス流量を増大させるために特別に補機類を設置する必要がなく、補機類の設置によるコストアップやＤＰＦ装置が大型化して搭載スペースが小さい場合に設置困難となることもない。
さらに、ＤＰＦの過昇温を精度よく防止できるようになるので、強制開始のＰＭ堆積量の限界値を引き上げることができるようになり、強制再生の間隔を増大できる。これによって、強制再生間隔が短くなって再生頻度が増えることを防止して再生時に使用するポスト噴射燃料の増大を抑えて燃費悪化やオイルダイリューションを低減できる。
また、本発明において、前記強制再生中断手段は、さらにＤＰＦ入口温度が所定値を超えた場合に前記強制再生処理を中断するとよい。
このように構成することで、ＤＰＦ入口温度が所定値以下で過昇温のリスクが無い時の再生処理中断を回避することができる。それにより再生が中断され繰り返されることによる燃費悪化やポスト噴射量増大によるオイルダイリューションの増大を抑制できる。
また、本発明において、前記強制再生中断手段は、さらにＰＭ堆積量が所定値を超えた場合に前記強制再生処理を中断するとよい。
このように構成することで、ＰＭ堆積量が所定値以下で過昇温のリスクが無い時の再生処理中断を回避することができる。それにより再生が中断され繰り返されることによる燃費悪化やポスト噴射量増大によるオイルダイリューションの増大を抑制できる。
また、本発明は、前記強制再生中断手段とは別に設けられ、強制再生制御中に前記前段酸化触媒の入口または出口の排ガス温度が所定温度未満になった場合、前記ＤＰＦの出口の排ガス温度が所定温度を超えた場合、前記ポスト噴射時間が所定時間を超えた場合の内の少なくともいずれか一つの条件に基づいて強制再生処理を中断するシステム安全手段を備えることを特徴とする。
前記強制再生制御中に前記前段触媒の入口または出口の排ガス温度が所定温度未満になった場合には、強制再生中に内燃機関の負荷が下がるなどして再生が継続できなくなったと判断して再生処理を中断する。
また、前記ＤＰＦの出口の排ガス温度が所定温度を超えた場合には、ＤＰＦでのＰＭ燃焼が過昇温状態にあると判断して再生処理を中断する。
また、前記ポスト噴射時間が所定時間を超えた場合には、ポスト噴射の噴きすぎによる過昇温を防ぐために再生処理を中断する。
以上のように、強制再生処理を強制再生中断手段とは別に設けられたシステム安全手段によって中断することによって、強制再生中のＤＰＦの過昇温対策の制御が十分効果を発揮しない場合においても、フェールセーフ的に、ＤＰＦの熱溶損やクラックによる破損を防止できるようになっている。
また、本発明において、前記排ガス増量制御手段における排ガス流量を増大せしめる前記吸気スロットル弁の制御は、該吸気スロットル弁を全開にするとよい。
このように、排ガス増量制御手段によって排ガス流量を増大せしめるために吸気スロットル弁を全開にするので、迅速な昇温抑制効果が得られる。
また、本発明において、前記排ガス増量手制御段における排ガス流量を増大せしめる前記吸気スロットル弁の制御は、第１閾値の排ガス流量を目標排ガス流量としてスロットル開度を制御するとよい。
このように、第１閾値の排ガス流量を目標排ガス流量にしてスロットル開度を制御するので、全開状態に制御するのに比べて、排ガス流量の大きな変化が抑制されて、内燃機関の回転変動を抑えることができる。これによって、ＤＰＦの異常燃焼による過昇温防止運転を大きなエンジン回転編度を伴わずに行うことができる。また、少しでも吸気スロットル弁による昇温が期待でき、ポスト噴射量が減り、燃費悪化やオイルダイリューションを低減できる。
また、本発明において、前記第１判定手段および第２判定手段は、それぞれ内燃機関の回転数とトルクとによって表される運転領域を表わす第１判定マップおよび第２判定マップに基づいて判定されるとよい。
このように、第１判定手段および第２判定手段を、内燃機関の回転数と負荷によってあらわされる２次元の第１判定マップおよび第２判定マップによって構成するので、内燃機関の運転状態に応じた排ガス流量の状態を簡単且つ正確に判定を行うことができる。
また、本発明において、前記第１判定マップおよび第２判定マップが一つのマップによって構成されるとよい。
このように、第１判定マップと第２判定マップとが一つのマップで構成されるので、制御装置の記憶容量を低減でき、制御装置を簡素化できる。
本発明によれば、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びＤＰＦを設けて、排気ガス中のＰＭを除去する排ガス浄化装置において、ＤＰＦの強制再生時にＤＰＦの過昇温を防止して、ＤＰＦの熱溶損やクラックによる破損を防止するとともに、ＰＭ堆積量の限界値を増大でき強制再生の再生頻度の増大を防止して燃費悪化およびオイルダイリューションを低減できる。
本発明の第１実施形態を示し、エンジンに排ガス浄化装置を設けた全体構成図である。 制御装置の構成を示す構成ブロック図である。 再生中断制御および吸気スロットル弁制御の運転領域を示す説明図。 第１実施形態の制御フローチャートである。 第２実施形態の制御フローチャートである。 第３実施形態の制御フローチャートである。 第３実施形態の判定マップの運転領域を説明する説明図である。（Ａ）は運転領域を示し、（Ｂ）は第１判定マップのデータ構成を示す説明図であり、（Ｃ）は第２判定マップのデータ構成を示す説明図であり、（Ｄ）は第１判定マップと第２判定マップとが一つになったデータ構成を示す説明図である。
以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に、図１〜図４を参照して説明する。
図１に、本発明の排ガス浄化装置１をディーゼルエンジン（以下エンジンという）３に適用した第１実施形態の全体構成を示す。
図１において、エンジン３のシリンダ５の内部にピストン７が内蔵され、ピストン７の上方に燃焼室９が形成されている。シリンダヘッドには、吸気管１３及び排気管１５が接続され、これら吸気管１３および排気管１５が接続するシリンダヘッド内の吸気ポートおよび排気ポートと燃焼室９の接続部には、吸気弁１７及び排気弁１９が設けられている。
また、シリンダヘッドの上部中央には、燃料を燃焼室９に噴射する燃料インジェクタ２１が設けられている。燃料インジェクタ２１には、インジェクタポンプ２３から、コモンレール（蓄圧器）２５を介して軽油などの燃料が高圧で供給され、燃料が燃焼室９に噴射されるようになっている。
また、燃料の噴射時期及び噴射量は、制御装置（ＥＣＵ）２７によって制御されている。噴射された燃料は、吸気管１３および吸気ポートを通って供給された空気と混合し、その混合気は、燃焼室９内で圧縮されて着火し燃焼する。
また、エンジン３は、排気管１５内に配置された排気タービン２９と、吸気管１３内に配置され該排気タービン２９と同軸で駆動されるコンプレッサ３１とからなる排気ターボ過給機３３を備えている。排気ターボ過給機３３のコンプレッサ３１から吐出された給気ａは、吸気管１３を通ってインタークーラ３５で冷却された後、給気室３７に入る。給気室３７の入口側には、吸気管１３を流れる給気流量を制御する吸気スロットルバルブ３９が設けられている。また、給気室３７には、給気圧センサ４１および給気温度センサ４３が設けられている。
排気タービン２９の下流側の排気管１５には、前段酸化触媒（ＤＯＣ）４５と、該前段酸化触媒４５の下流側にＤＰＦ（フィルタ装置）４７が設けられている。燃焼室９で燃焼した燃焼ガス、即ち、排気ガスｅは、排気管１５に排出され、排気ターボ過給機３３の排気タービン２９を駆動してコンプレッサ３１の動力源となる。その後、排気ガスｅは、前段酸化触媒４５およびＤＰＦ４７を通り、ＤＰＦ４７で排気ガスｅ中に含まれるＰＭが捕集される。
ＤＰＦ４７でＰＭを除去された排気ガスｅは、図示省略のマフラーを経由して外部に排出される。
前段酸化触媒４５の入口側、ＤＰＦ４７の入口側および出口側の排気管１５には、夫々排気ガスｅの温度を検出する温度センサ４９、５１、５３がそれぞれ設けられている。
また、ＤＰＦ４７の入口と出口との排気ガスｅの圧力差を検出する差圧センサ５５が設けられ、吸気管１３の入口部には、吸気流量計（エアフローセンサ）５７が設けられている。
また、吸気管１３と排気管１５との間には、ＥＧＲ管５９が設けられている。ＥＧＲ管５９には、ＥＧＲクーラ６１およびＥＧＲ管５９を流れる排ガス量を制御するＥＧＲバルブ６３が設けられている。排気ガスｅの一部は、ＥＧＲ管５９を通り、ＥＧＲクーラ６１で冷却された後、給気室３７に戻される。これによって、給気中の酸素量を減らし、ピーク時の燃焼温度を下げ、ＮＯＸの発生を抑制している。
温度センサ４９、５１、５３、差圧センサ５５、吸気流量計５７の検出値、および吸気スロットルバルブ３９の開度信号が、制御装置（ＥＣＵ）２７に入力されている。
また、制御装置２７には、エンジン負荷信号もしくは燃料噴射量信号と、エンジン回転数信号とが入力されている。これらの入力値に基づいて、制御装置２７は、燃料インジェクタ２１、インジェクタポンプ２３、吸気スロットルバルブ３９およびＥＧＲバルブ６３等を制御して、エンジン３の運転を制御している。
次に、制御装置２７について説明する。
図２に示すように制御装置２７には、吸気スロットルバルブ３９の開度およびポスト噴射量または噴射時間を制御してＤＰＦ４７の強制再生を制御する強制再生制御手段６５と、強制再生制御手段６５による強制再生処理中に、排ガス流量が第１閾値未満で該第１閾値より小さい第２閾値より多い運転状態であるかを判定する第１判定手段６７と、該第１判定手段によって、排ガス流量が第１閾値未満で第２閾値より多いと判定した場合に排ガス流量を増大せしめるように吸気スロットルバルブ３９の弁開度を制御する排ガス増量制御手段６９と、第２閾値未満の排ガス流量の運転状態を判定する第２判定手段７１と、該第２判定手段７１によって、排ガス流量が第２閾値未満と判定した場合に強制再生処理を中断する強制再生中断手段７３とを有している。
強制再生制御手段６５によって、ＤＰＦ４７に所定量のＰＭが堆積した時に再生処理を開始する。エンジン運転中に、強制再生処理を行なう場合に再生処理の開始は、例えば、ＤＰＦに堆積するＰＭ堆積量の推定値やエンジン運転時間や車両の走行距離や燃料消費量や、さらにＤＰＦ４７の前後圧力差を差圧センサ５５で検出してこの圧力差を基に判断される。
また、強制再生制御手段６５によって、再生開始の指令が出されると、まず吸気スロットルバルブ３９を閉弁する制御が行われる。この制御は排温を上げＤＯＣ４５を活性化するとともに排温を高く維持することでオイルダイリューション量を低減させる。
更に、ＤＯＣ４５が活性化し条件が整うと燃焼室９に燃料を主噴射した後、ポスト噴射を行うように燃料インジェクタ２１に噴射タイミングの指令を行う。これによって、主噴射後に噴射されたポスト噴射の燃料は燃焼しきらずに排気管１５に排出される。
ポスト噴射された未燃ＨＣ成分は、活性化した前段酸化触媒４５の触媒作用で酸化し、その時発生する反応熱で排気ガスｅの温度を略６００℃以上に昇温する。そして、排気ガスｅを６００℃以上にすることで、ＤＰＦ４７に捕集されたＰＭの燃焼が促進され、ＤＰＦ４７からＰＭが除去される。
強制再生の制御が開始されて、ＤＰＦ４７内に堆積しているＰＭの燃焼が開始されると、ＰＭの燃焼が完了するまでには、排ガスの酸素濃度が所定量必要であるため、所定の排ガス流量を流通する必要がある。
図３は、エンジンの運転状態と排ガス流量の変化傾向を示し、再生可能領域Ｘと、再生不可能領域Ｙとを示している。
また、図３の領域αは、吸気スロットルバルブ３９の閉じ制御を解除して開弁制御することで、異常燃焼することなく強制再生が継続できる領域である。
すなわち、この領域α内にエンジン３の回転数と負荷が突入した時には、強制再生のための吸気スロットルバルブ３９の閉じ制御を解除して、開制御して排ガス流量を増加方向にすることで、過昇温を回避できる領域であり、この排ガス流量の増加に応じてＰＭ限界堆積量を高く設定することができる。
この領域α内にエンジン３の運転状態が入ったか否かは、第１判定手段６７によって判定する。そして、領域α内に入った時には、排ガス増量制御手段６９によって、吸気スロットルバルブ３９の閉じ制御を解除して開制御して、排ガス流量を増加方向に制御して再生を継続可能なようにする。
図３の領域βは、吸気スロットルバルブ３９の閉じ制御を解除して開制御して排ガス流量を増加させても排ガス量が少なく、過昇温回避が困難である領域である。
この領域β内にエンジン３の運転状態が入ったか否かは、第２判定手段７１で判定する。そして、領域β内に入った時には、強制再生中断手段７３によって、強制再生制御を中断して吸気スロットルバルブ３９の閉じ制御を解除してエンジン３の運転状態に応じた開度制御に移行すると共に、ポスト噴射の指令を解除する。
なお、領域αと領域βの範囲は、より具体的には、所定のエンジン回転数間（Ｒ１〜Ｒ２）で、斜めの等排ガス流量ラインＬ１、Ｌ２によって略囲われる範囲になっている。領域α、βを形成する上側の境界ラインがこの排ガス流量ラインＬ１、Ｌ２に近似した屈曲ラインとなっている。
制御装置２７には、さらに、システム安全手段７５、および強制再生終了判定手段７７を有しており、このシステム安全手段７５は、前述のように、第２判定手段７１によって、エンジン３の運転状態が領域βに移行したことを判定して、その結果で強制再生を中断するものではなく、強制再生制御中に前段酸化触媒４５の入口または出口の排ガス温度を温度センサ４９、５１で検出して該検出温度を閾値と比較して判断し、所定温度未満になった場合には、強制再生中にエンジン負荷が下がるなどして再生が継続できなくなると判断した場合に再生処理を中断するものである。
また、ＤＰＦ４７の出口の排ガス温度を温度センサ５３で検出して該検出温度を基に判断して、所定の閾値温度を超えた場合には、ＤＰＦ４７でのＰＭ燃焼が過昇温状態にあると判断して再生処理を中断する。
また、ポスト噴射による噴射時間を検出して積算し、積算時間が所定時間を超えた場合には、ＤＯＣの閉塞によるＨＣのスリップなどによりポスト噴射の噴きすぎによる過昇温を防ぐために再生を中断する。なお、噴射時間は噴射回数を積算してもよく、噴射した期間が所定の閾値と比較して判断できればよい。
以上のように、排ガス流量による第２判定手段７１での強制再生中断の判定とは別に、システム安全手段７５によって強制再生処理を中断する条件を付加することによって、第２判定手段７１による強制再生の中断だけではなく、フェールセーフ的に強制再生を中断する制御を付加することで、ＤＰＦ４７の熱溶損やクラックによる破損を確実に防止できるようになっている。
また、強制再生終了判定手段７７は、再生を開始後にＰＭ堆積量が所定値未満に減少し、且つ所定時間を超えた場合には強制再生が完了したと判定し、強制再生制御を終了させる。具体的には、吸気スロットルバルブ３９の閉じ制御を解除して、ポスト噴射の噴射制御を解除する。
以上のように構成された制御装置２７による具体的な制御フローを、図４を参照して説明する。
ステップＳ１で強制再生が開始されると、すなわち、例えば、エンジン運転時間や車両の走行距離や燃料消費量や、ＤＰＦ４７の前後圧力差を検出する差圧センサ５５からの信号を基に、ＰＭが所定量堆積して再生が必要であると判定されて強制再生の条件が整うと、ステップＳ２で、強制再生制御が開始される。
強制再生制御は、前述したように吸気スロットルバルブ３９の絞り制御と、主噴射の後に噴射するポスト噴射制御によって、前段酸化触媒４５の活性化によって排ガス温度をＤＰＦ４７のＰＭが燃焼促進する温度、約６００℃まで昇温させる。
次に、ステップＳ３では、ポスト噴射時間を検出してその時間が所定時間ｔ１を超え、且つＤＰＦ４７の入口ガス温度を温度センサ５１からの検出信号を基に閾値Ｔ１未満かを判定する。または、単にポスト噴射時間が所定時間ｔ２を超えているか否かを判定する。これらの判定によって、前段酸化触媒４５が閉塞等の不具合によってＤＰＦ４７の入口温度が上がらない時には、ポスト噴射の噴きすぎによる過昇温を防止するようになっている。
ステップＳ３の判定がＹｅｓであれば、ステップＳ１４に進んで強制再生を中断して、ＤＰＦ４７の過昇温による焼損を防止する。Ｎｏの場合には、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、ＤＰＦ４７の出口ガス温度を温度センサ５３からの検出信号を基に閾値Ｔ２を超え、且つ継続時間がｔ３を超えているかを判定する。または、単にＤＰＦ４７の出口ガス温度が閾値Ｔ３を超えているか否かを判定する。これらの判定によって、ＤＰＦ４７内でＰＭが異常燃焼状態にあるか否かを判定して、異常燃焼状態の時には、Ｙｅｓと判定してステップＳ１４に進んで強制再生を中断して、過昇温を防止する。Ｎｏの場合には、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、前段酸化触媒（ＤＯＣ）４５の入口ガス温度または出口ガス温度を温度センサ４９、５１からの検出信号を基に閾値Ｔ４を超えているか否かを判定する。Ｎｏの場合にはステップＳ１４に進んで強制再生を中断する。これによって、強制再生中にエンジン負荷が下がるなどして再生が継続できなくなる運転状態にあることを判定して、強制再生を中断して無駄なポスト噴射を噴かないようにし強制再生制御をやり直して効率よい再生を行うようにする。Ｙｅｓの場合には、ステップＳ６に進む。
以上のステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５によって、強制再生制御において基本的な安全機能の制御を実施している（図４のＤ部）。すなわち、システム安全手段７５による制御が実施される。
なお、排ガス流量に基づく判定によって強制再生時の過昇温防止の制御、すなわち、第１判定手段６７、および第２判定手段７１は後述するステップＳ６〜Ｓ１３、Ｓ１５によって行っている（図４のＥ部）。
次にステップＳ６においては、ＤＰＦ４７の入口ガス温度が、温度センサ５１からの検出信号を基に閾値Ｔ５を超えているか否かを判定する。Ｎｏであり、超えていない場合には、ステップＳ１９に進んで、ＰＭ堆積量がｑ２未満で強制再生時間がｔ４を超えているか否かを判定する。Ｙｅｓの場合には、再生が完了したと判定してステップＳ２０で強制再生を完了し、Ｎｏの場合には、ステップＳ２に戻って再度強制再生制御を実行する。
ステップＳ６でＹｅｓの場合には、ステップＳ７でＰＭ堆積量を算出し、該堆積量が閾値ｑ１を超えているか否かを判定する。Ｎｏの場合には、ステップＳ６と同様に、ステップＳ１９に進む。Ｙｅｓの場合には、ステップＳ８に進む。ＰＭ堆積量の算出は、運転状態に基づきエンジンから排出されるＰＭ量とＤＰＦ４７内部で燃焼消失するＰＭ再生量の差分値の積算や、ＤＰＦ４７の前後差圧や、燃料噴射時間等のエンジン３の運転条件を基に算出して推定される。
ステップＳ８では、排ガス流量が閾値Ｑ１未満か否かが判定される。この閾値Ｑ１は図３で示した等排ガス流量ラインＬ１に相当する。
排ガス流量は、吸気流量計（エアフローセンサ）５７からの検出値、若しくはエンジン回転数、燃料噴射量、給気圧センサ４１からの給気圧力量、および給気温度センサ４３からの給気温度信号等を基に算出して求めて推定した値を用いてもよい。
閾値Ｑ１未満でない場合つまりＮｏの場合には、エンジン回転数と負荷によっては、図３の再生不可能領域Ｙに入る可能性があるが、エンジン回転数が中、高回転域にあるためＤＰＦ４７の過昇温は生じにくい。このため、ステップＳ１９に進んで、再生が既に完了したかを判定する。
閾値Ｑ１未満である場合つまりＹｅｓの場合には、図３の再生不可能領域Ｙに入る可能性が高いため、ステップＳ９に進んで、吸気スロットルバルブ３９の閉制御を中断して、吸気スロットルバルブ３９の開度を全開状態にする。また、他の手段によってエンジン回転数を上昇するようにして、排ガス流量を増大させてもよい。
なお、ステップＳ８で排ガス流量を判定した後に、エンジン回転数と負荷に基づいて、図３の領域αまたは領域βの運転領域内に存在するか否かの判定をさらに含めると、より精度の高い昇温防止制御ができる。
すなわち、排ガス流量の算出値による判定では、図３に示す等排ガス流量ラインＬ１、Ｌ２のように、過昇温が特に生じやすいエンジン回転数の低い領域α、βを含む範囲での判定となるため、エンジン回転数と負荷との運転状態を見て、領域α、βに入ったか否かの判定を用いることでより精度よく、過昇温が生じやすい排ガス流量の低い運転状態であるかを判定することが可能となる。
ステップＳ９で、吸気スロットルバルブ３９の閉弁制御を解除した後に、ステップＳ１０で、ＤＰＦ４７の入口ガス温度が、温度センサ５１からの検出信号を基に閾値Ｔ５'を超えているか否かを判定する。Ｎｏであれば、ＰＭの過昇温状態が落ち着くと判定して、ステップＳ１５に進んで、吸気スロットルバルブ３９の閉弁制御を再開し、またはエジン回転数の増大制御を終了させて強制再生の制御を再度実行する。
一方、ステップＳ１０でＹｅｓであれば、まだ過昇温状態が継続すると判定し、ステップＳ１１で、ＰＭ堆積量が閾値ｑ１を超えているか否かを判定する。超えていればＹｅｓとなって、堆積量がまだ残っているため過昇温状態が生じ得ると判定して次のステップＳ１２へ進み、超えていなければＮｏとなり、過昇温は生じにくいと判定してステップＳ１５に進んで、吸気スロットルバルブ３９の閉弁制御を再度行い、またはエジン回転数の増大制御を終了させて強制再生の制御を再度実行する。
ステップＳ１２では、排ガス流量を閾値Ｑ１より大きい閾値Ｑ１'と比較して、Ｑ１'未満であるか否かを判定する。
ステップＳ１２でＮｏの場合には、排ガス流量が閾値Ｑ１より大きくなっており、過昇温は生じにくくなっていると判定してステップＳ１５へ進む。Ｙｅｓの場合にはステップＳ１３に進んで、閾値Ｑ１より小さい閾値Ｑ２と比較して該閾値より大きいか否かを判定する。この閾値Ｑ２は、図３の排ガス流量ラインＬ２に相当する。
閾値Ｑ２未満である場合には、過昇温の危険性が高いため、ステップＳ１４に進んで強制再生を中断する。
また、ステップＳ１３で、Ｎｏの場合には、ステップＳ１８に進んで、ステップＳ１９と同様に、ＰＭ堆積量がｑ２未満で強制再生時間がｔ４を超えているか否かを判定して、Ｙｅｓの場合には、再生が完了したと判定してステップＳ２０で強制再生を完了する。Ｎｏの場合には、ステップＳ１７、Ｓ１６に進んで、ステップＳ３、Ｓ４と同様の強制再生中断の要否判定を行って、Ｙｅｓの場合には、ステップＳ１４で強制判定を中断する。
また、ステップＳ１７、Ｓ１６でＮｏの場合には、ステップＳ９に戻って、吸気スロットルバルブ３９の閉制御を中断して、全開状態にする。なお、吸気スロットルバルブ３９の全開による以外に他の手段によってエンジン回転数を上昇するようにして、排ガス流量を増大させるようにしてもよい。
制御フローの説明において、具体的数値の一例を下記に示す。
Ｔ１：５００℃、Ｔ２：７５０℃、Ｔ３：８００℃、Ｔ４：２４０℃、Ｔ５：５７０℃、Ｔ５'：５７０℃、
ｑ１：４ｇ／Ｌ、ｑ２：１ｇ／Ｌ、
ｔ１：２ｍｉｎ、ｔ２：３０ｍｉｎ、ｔ３：１０ｓｅｃ、ｔ４：１０ｍｉｎ、
Ｑ１：１００ｋｇ／ｈ、Ｑ１'：１２０ｋｇ／ｈ、Ｑ２：７０ｋｇ／ｈ。
である。
以上のように構成された、制御装置２７における制御フローによって、排ガス流量の変化を第１閾値である閾値Ｑ１と比較して、Ｑ１未満である場合には、図３に示す再生境界領域Ｚまたは再生不許可領域Ｙの領域にあるため、吸気スロットルバルブの閉制御を中断して全開制御に変更して、ガス量を増加せしめて排ガスの顕熱による熱量の持ち去りによって、すなわち、排ガスへの放熱作用によってＤＰＦ４７を冷却して昇温を防止できる。
さらに、第２閾値のＱ２と比較して第２閾値以下に排ガス流量が低下した場合には、再生不許可領域Ｙの領域にあるため、再生継続が不可能であると判定して強制再生を中断することによって、ＤＰＦ４７の熱溶損やクラックによる破損を防止することができる。
また、吸気スロットルバルブ３９の制御で排ガス流量を増大せしめるようするので、補機類の設置によるコストアップやＤＰＦ装置が大型化して搭載スペースが小さい場合に設置困難となることもない。
さらに、ＤＰＦ４７の過昇温が生じやすい、排ガス流量が低い運転状態を、排ガス流量を用いて精度良く判定できるため、強制開始のＰＭ堆積量の限界値堆積量を引き上げることができるようになり、強制再生の間隔を増大できる。これによって、強制再生間隔が短くなって再生頻度が増えることを防止して再生時に使用するポスト噴射燃料の増大を抑えて燃費悪化やオイルダイリューションを低減できる。
（第２実施形態）
次に、図５の制御フローチャートを参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態は第１実施形態に対して、図４のフローチャートのステップＳ９とＳ１５とが、ステップＳ２９とＳ３５に代わっただけであり、その他の構成は同一であるため同一のステップ符号を用いて説明は省略する。
図５において、ステップＳ１９では、吸気スロットルバルブ３９を全開制御するのではなく、第１閾値として設定した排ガス流量のＱ１を目標排ガス流量として、該目標排ガス流量になるように吸気スロットルバルブを開度制御する。
ステップＳ２５では、このようにＱ１を目標排ガス流量とした吸気スロットルバルブ３９の開度制御を終了させる。
本第２実施形態によれば、第１閾値Ｑ１の排ガス流量を目標排ガス流量として、該排ガス流量になるように吸気スロットルバルブ３９の開度を制御するので、全開状態に制御するのに比べて、排ガス流量の大きな変化が抑制されて、エンジン３の回転変動を抑えることができる。このため、ＤＰＦ４７の異常燃焼による過昇温防止運転を大きなエンジン回転編度を伴わずに実行できる。また、スロットルバルブの開きすぎによる排温の低下によりオイルダイリューション量が増大することを抑制することができる。
（第３実施形態）
次に、図６の制御フローチャートおよび図７を参照して第３実施形態について説明する。第３実施形態は第１実施形態に対して、図４のフローチャートのステップＳ８、Ｓ１２、Ｓ１３が、ステップＳ２８、Ｓ３２、Ｓ３３に代わっただけであり、その他の構成は同一であるため同一のステップ符号を用いて説明は省略する。
図６において、ステップＳ２８で、排ガス流量を算出する代わりに、予めエンジン回転数と負荷に基づく２次元マップによって、排ガス流量が低下して過昇温を生じるおそれがある領域を予め設定しておく。領域αは、第１実施形態で説明した領域と同様である。ステップＳ２８で、エンジン回転数と負荷との検出信号に基づいて、エンジン３の運転状態が運転領域αに入ったか否かを判定する。
また、ステップＳ３２では、領域α＋βに入ったかを判定して、Ｎｏの場合には、領域がα＋β以外の領域、すなわち過昇温を生じるおそれがない領域に排ガス流量が増加したことを示し、ステップＳ１５へと進む。また、ステップと３２で領域α＋βに入ったかの判定結果がＹｅｓの場合には、ステップＳ３３で運転領域がβであるか否かを判定して、領域βに入った場合には、ステップＳ１４で強制再生を中断する。その他は、第１実施形態と同様である。
運転領域αを示す第１判定マップ９１は、図７（Ｂ）のデータ配列で構成された２次元マップであり、また、運転領域βを示す第２判定マップ９２は、図７（Ｃ）のデータ配列で構成された２次元マップである。
さらに、第１判定マップ９１と第２判定マップ９２とが１枚のマップになった一体マップ９３として構成してもよく、この一体マップ９３は、図７（Ｄ）のデータ配列で構成された２次元マップである。
本第３実施形態によれば、領域α、βをそれぞれ、エンジン３の回転数と負荷によって表される２次元の第１判定マップ９１および第２判定マップ９２によって構成するので、エンジン３の運転状態に応じた排ガス流量の状態を簡単且つ正確に判定を行うことができる。
また、第１判定マップ９１および第２判定マップ９２が一つの一体マップ９３によって構成されるとよく、第１判定マップ９１と第２判定マップ９２とが一つの一体マップ９３で構成されるので、制御装置２７の記憶容量を低減でき、制御装置２７を簡素化できる。
本発明によれば、内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びＤＰＦを設けて、排気ガス中のＰＭを除去する排ガス浄化装置において、ＤＰＦの強制再生時にＤＰＦの過昇温を防止して、ＤＰＦの熱溶損やクラックによる破損を防止するとともに、強制再生の再生頻度の増大を防止して燃費悪化およびオイルダイリューションを低減できるため、ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置への適用技術として有用である。
１ 排ガス浄化装置
３ エンジン（内燃機関）
１１ 吸気管
１５ 排気管（排ガス通路）
２１ 燃料インジェクタ
２７ 制御装置（ＥＣＵ）
３９ 吸気スロットルバルブ（吸気スロットル弁）
４５ 前段酸化触媒
４７ ＤＰＦ
６５ 強制再生制御手段
６７ 第１判定手段
６９ 排ガス増量制御手段
７１ 第２判定手段
７３ 強制再生中断手段
７５ システム安全手段
７７ 強制再生終了判定手段
７９ 強制再生終了手段
９１ 第１判定マップ
９２ 第２判定マップ
９３ 一体マップ
α、β 運転領域
Ｘ 再生許可領域
Ｙ 再生不許可領域
Ｚ 再生境界領域
Ｌ１、Ｌ２ 等排ガス流量ライン

Claims (7)

  1. 内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びＤＰＦを設けて排気ガス中のＰＭを前記ＤＰＦに捕集するとともに、捕集したＰＭを燃焼させて前記ＤＰＦを強制再生する内燃機関の排ガス浄化装置において、
    吸気スロットル弁の開度およびポスト噴射時間を制御してＤＰＦの強制再生を制御する強制再生制御手段と、
    前記強制再生制御手段による強制再生処理中に、排ガス流量が第１閾値未満で該第１閾値より小さい第２閾値以上のときに、吸気スロットル弁の開制御によって、前記ＤＰＦの過昇温を回避して強制再生を継続できる排ガス流量であると判定する第１判定手段と、
    該第１判定手段によって、排ガス流量が第１閾値未満で第２閾値以上と判定した場合に排ガス流量を増大せしめるように前記吸気スロットル弁を制御する排ガス増量制御手段と、
    排ガス流量が前記第２閾値未満のときに、吸気スロットルバルブを開制御しても、前記ＤＰＦの過昇温を回避して強制再生を継続困難な排ガス量であると判定する第２判定手段と、
    該第２判定手段によって、排ガス流量が第２閾値未満と判定した場合に強制再生処理を中断する強制再生中断手段と、を備え、
    さらに、前記強制再生中断手段とは別に設けられ、強制再生制御中に前記前段酸化触媒の入口または出口の排ガス温度が所定温度未満になった場合、前記ＤＰＦの出口の排ガス温度が所定温度を超えた場合、前記ポスト噴射時間が所定時間を超えた場合の内の少なくともいずれか一つの条件に基づいて強制再生処理を中断するシステム安全手段を備え、
    前記システム安全手段におけるすべての中断条件に該当しない場合に、前記第１判定手段に基づく排ガス増量制御、及び前記第２判定手段に基づく強制再生中断制御を実行することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
  2. 前記強制再生中断手段は、さらにＤＰＦ入口温度が所定値を超えた場合に前記強制再生処理を中断することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
  3. 前記強制再生中断手段は、さらにＰＭ堆積量が所定値を超えた場合に前記強制再生処理を中断することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
  4. 前記排ガス増量制御手段における排ガス流量を増大せしめる前記吸気スロットル弁の制御は、該吸気スロットル弁を全開にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
  5. 前記排ガス増量制御手段における排ガス流量を増大せしめる前記吸気スロットル弁の制御は、第１閾値の排ガス流量を目標排ガス流量としてスロットル開度を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
  6. 前記第１判定手段および第２判定手段は、それぞれ内燃機関の回転数とトルクとによって表される運転領域を表わす第１判定マップおよび第２判定マップに基づいて判定されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
  7. 前記第１判定マップおよび第２判定マップが一つのマップによって構成されることを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
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