JP2008057512A - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】副噴射（ポスト噴射）の時期をより的確に調整してフィルタの再生処理をより適切に行うことができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することにある。
【解決手段】エンジン１からの排ガス中の微粒子を捕集するＤＰＦ２３と、エンジン１からの未燃燃料の供給により昇温してＤＰＦ２３の再生処理を促進させる触媒２１，２２と、エンジン１に燃料を噴射する燃料噴射ノズル３と、エンジン１からの排ガスの温度を検出する温度センサ２４と、エンジン１が要求出力を発生するための主噴射を行うと共に、この主噴射後に触媒２１，２２へと燃料を供給するための副噴射を行うよう、燃料噴射ノズル３を制御する噴射制御手段、および温度センサ２４の検出温度に応じて、前述した噴射制御手段の燃料噴射時期を補正する補正手段を有するＥＣＵ３１とを具備するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排ガス浄化装置に関し、特に副噴射（ポスト噴射）の時期をより的確に調整してフィルタの再生処理をより適切に行うことができる内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンから排気される排ガスには、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）の他に、微粒子である煤などのパティキュレートマター（以下、ＰＭと称す）が含まれている。そのため、ディーゼルエンジンを搭載した自動車の排気系には、ＰＭの外部への排出を抑制するための排ガス浄化装置が設けられている。この種の排ガス浄化装置としては、ＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと称す）と、このＤＰＦの上流側に配置され、未燃燃料（ＨＣ，ＣＯなど）と排ガス中の酸素とで酸化反応させる酸化触媒とを有するものが知られている。

このような排ガス浄化装置では、ＤＰＦが捕集したＰＭの内の煤を酸化反応の熱により燃焼除去する処理（ＤＰＦの再生処理）が定期的に行われる。そして、ＤＰＦの再生処理中には、酸化触媒を高温に維持するため、主噴射の後の膨張行程で燃料を噴射（アフタ噴射）して、排気温度を高めており、さらに、その後の筒内で燃焼しない程度の遅いタイミングで燃料の噴射（ポスト噴射）を行って、未燃燃料を触媒に供給し、その未燃燃料による触媒の燃焼熱（反応熱）でＤＰＦの再生に必要な温度を得ている。

ＤＰＦを備える排ガス浄化装置の公知文献としては、例えば特許文献１を挙げることができる。この特許文献１に開示された排気浄化装置は、吸気・排気絞り弁の開度を調整すると共に、圧縮上死点近傍での主噴射、および主噴射の後の後噴射の燃料噴射時期を遅角状態に制御することで、排気温度を急激に上昇させ、フィルタでの熱の伝搬速度を高くして、捕集された粒子状物質の酸化除去時の燃え残りを無くしこのフィルタの再生処理を早急に行うとされている。

特開２００６−２９３０１号公報

従来の排気浄化装置においては、吸気温度の低下などで筒内での燃焼が変化して排気温度が上昇すると、未燃のまま触媒に供給したい燃料（上述したポスト噴射による燃料）が筒内で燃焼して、触媒にて燃焼させる目的で噴射したはずの未燃燃料が減ることがある。すると、触媒を所定の温度まで昇温させることができなくなる可能性があり、触媒の昇温が不十分な場合には、ＤＰＦの再生処理時間の長期化や、不十分な再生処理（煤の燃え残り量の増加）を招くおそれがある。一方、ポスト噴射時の燃料噴射量を増加させて未燃燃料が減ることを抑制しようとしても、筒内で燃焼する未燃燃料の割合を把握することは極めて困難であり、温度制御の精度悪化を引き起こす可能性がある。

あるいは、上述した特許文献１の排気浄化装置は、吸気・排気絞り弁の開度を調整すると共に、主噴射と後噴射を共に遅角することで、フィルタの再生処理を効率良く行うことができるものの、弁開度制御と噴射制御を合わせて行う必要があり、制御の複雑化を招く。さらに、主噴射と後噴射を共に遅角させると、未燃のまま触媒に供給するための燃料が筒内で燃焼する可能性があるため、上述と同様に、フィルタの再生処理時間の長期化や、煤の燃え残り量の増加を招くおそれがある。

そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、副噴射（ポスト噴射）の時期をより的確に調整してフィルタの再生処理をより適切に行うことができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決する第１の発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置は、内燃機関からの排ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、前記内燃機関からの未燃燃料の供給により昇温して前記フィルタの再生処理を促進させる触媒と、前記内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記内燃機関が要求出力を発生するための主噴射を行うと共に、この主噴射後に前記触媒へと燃料を供給するための副噴射を行うよう、前記燃料噴射手段を制御する噴射制御手段と、前記内燃機関からの排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段と、前記排ガス温度検出手段の検出温度に応じて、前記噴射制御手段の燃料噴射時期を補正する補正手段と、を有することを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置は、第１の発明に記載された内燃機関の排ガス浄化装置であって、前記補正手段が、前記排ガス温度検出手段の検出温度が所定温度以上となった場合、前記噴射制御手段の燃料噴射時期の補正を開始し、前記検出温度が所定値未満のときよりも前記副噴射の遅角量を大きくすることを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置は、第１または第２の発明に記載された内燃機関の排ガス浄化装置であって、前記補正手段が、前記排ガス温度検出手段の検出温度が上昇するに伴って前記副噴射の遅角量を大きくするよう、前記噴射制御手段の燃料噴射時期を補正することを特徴とする。

本発明によれば、排ガスの検出温度に応じて、噴射制御手段の燃料噴射時期を補正することで、燃料噴射を的確に行って、所定量の未燃燃料をより確実に触媒に供給することができる。これにより、不十分なフィルタの再生処理（微粒子の燃え残り量が増加するなど）が起こる可能性を低くできる。

以下に、本発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置を実施するための一実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス浄化装置の概略構成図である。図２は、排ガス浄化装置におけるポスト噴射時期（副噴射時期）の制御を示すフローチャートである。図３は、本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス浄化装置におけるポスト噴射時期の制御を示すブロック図である。図４は、図２におけるフィルタ再生処理時の噴射時期補正量を示すグラフであり、その横軸に排ガスの温度、その縦軸に噴射時期補正量を示す。図５は、本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス浄化装置による燃料噴射時期を示すタイムチャートである。図６は、本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス浄化装置におけるポスト噴射時期（副噴射時期）と排ガスの温度との関係を示すグラフである。図６中において、細線が触媒の入口における排ガスの温度を示し、太線がフィルタの入口における排ガスの温度を示す。

本実施例においては、図１に示すように、内燃機関としては、高圧縮により高温となった空気に軽油などの燃料を直接噴射し自然着火させて燃焼させるディーゼルエンジン１が採用される。

ディーゼルエンジン１のシリンダヘッド２には、気筒毎に電磁式の燃料噴射ノズル３が燃焼室４に臨んで設けられ、燃料噴射ノズル３は、高圧パイプ５によりコモンレール６に接続される。このコモンレール６は、高圧パイプ７により燃料タンク８に接続され、この高圧パイプ７の途中に高圧ポンプ９が配置される。

シリンダヘッド２には、気筒毎に吸気ポート１０および排気ポート１２がそれぞれ形成される。各吸気ポート１０と連通するようにして図示しない吸気マニホールドを介して吸気管（吸気通路）１１が接続される。また、各排気ポート１２と連通するようにして図示しない排気マニホールドを介して排気管（排気通路）１３が接続される。各吸気ポート１０および各排気ポート１２には吸気バルブ１４および排気バルブ１５の先端がそれぞれ臨み、燃焼室４と各ポート１０，１２との開閉が行われる。

吸気管１１には、吸入空気量を調節する電磁式の吸気絞り弁１６が設けられる。さらに、吸入空気量Ｑａを計測するエアフローセンサ１７が取り付けられる。

排気管１３にはＥＧＲ管１８が接続され、このＥＧＲ管１８の終端が吸気管１１に接続される。ＥＧＲ管１８の途中に電磁式のＥＧＲ弁１９が配置される。

排気管１３には、排ガス浄化装置本体２０が介装される。この排ガス浄化装置本体２０は、直列に配置された第１，第２の酸化触媒２１，２２と、第２の酸化触媒２２の後流側に配置されたディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２３とを有する。この排ガス浄化装置本体２０では、第１，第２の酸化触媒２１，２２において酸化剤（ＮＯ₂）を生成し、生成された酸化剤によって下流のＤＰＦ２３に堆積した、パティキュレートマター（ＰＭ）の内の微粒子である煤を常時連続的に酸化除去するように構成されている。

第１の酸化触媒２１の上流側、第１の酸化触媒２１と第２の酸化触媒２２の間、およびＤＰＦ２３の下流側には、第１の温度センサ，第２，第３の温度センサ（排ガス温度検出手段）２４，２５，２６がそれぞれ設けられている。各センサ２４，２５，２６にて、第１の酸化触媒２１に導入される排ガスの温度（エンジン１から排気される排ガスの温度）、第２の酸化触媒２２に導入される排ガスの温度、およびＤＰＦ２３から排気される排ガスの温度（ＤＰＦ２３の温度）がそれぞれ検出される。また、排気管１３には、ＤＰＦ２３の上流側の排ガス（ＤＰＦ２３に導入される排ガス）の圧力と、ＤＰＦ２３の下流側の排ガス（ＤＰＦ２３から排気される排ガス）の圧力との差圧を検出するＤＰＦ差圧センサ２７が設けられる。

車両にはエンジンの電子制御ユニットであるＥＣＵ３１が設けられる。このＥＣＵ３１において、入力側には、エアフローセンサ１７、第１の温度センサ２４、第２の温度センサ２５、第３の温度センサ２６、ＤＰＦ差圧検出センサ２７、クランク角を検出するクランク角センサ２８、アクセルポジションセンサ２９、車両の速度を計測する車速センサ３０などが接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。クランク角センサ２８は内燃機関の回転速度を検出可能である。一方、出力側には、燃料噴射ノズル３、および吸気絞り弁１６などが接続されており、これら燃料噴射ノズル３および吸気絞り弁１６などには、各種センサ類からの検出情報に基づいて演算された燃料噴射量およびスロットル開度ｔｈなどの最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射ノズル３から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射される。

このＥＣＵ３１には、入出力装置、制御プラグラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＢＵＲＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）およびタイマやカウンタ類が具備されている。このＥＣＵ３１により、各種入力情報に基づき各種デバイス類が制御され、エンジン１が総合的に且つ適正に運転制御される。

また、ＥＣＵ３１は、燃料噴射ノズル３により主燃焼用の主噴射を行った後、燃料噴射ノズル３により膨張行程または排気行程において燃料の追加供給、すなわちポスト噴射（副噴射）を行うことで、ＤＰＦ２３に捕集された煤を強制的に燃焼除去して、ＤＰＦ２３を再生処理する制御を実行する。このとき、ＥＣＵ３１は、図３に示すマップＭ１、Ｍ２に基づき通常時（非再生時）と再生時とでそれぞれポスト噴射時期を制御するとともに、再生時には排気温度に基づくマップＭ３によりポスト噴射時期を補正制御するようになっている。

ＥＣＵ３１は、ＤＰＦ２３の再生中には、エンジン回転数情報と負荷情報に基づきマップＭ２からポスト噴射時期を決定し、さらに第１の温度センサ２４の検出結果（エンジン１からの排ガスの温度）に基づきマップＭ３からポスト噴射時期の補正値を決定する。このように、ＥＣＵ３１で排ガスの温度に応じた補正制御を行うことにより、所定量の未燃燃料（ＨＣ、ＣＯなど）を酸化触媒２１、２２へとより確実に供給できるようになり、この未燃燃料が酸化触媒２１、２２で燃焼（酸化反応）する際の反応熱によってＤＰＦ２３の昇温が促進され、ＤＰＦ２３に堆積した煤の燃え残りを抑制し得る。

本実施例では、ＥＣＵ３１は、エンジン１が要求出力を発生するための主噴射を行うと共に、この主噴射後にエンジン１からの未燃燃料を触媒２１，２２へ供給するための副噴射を行うよう、燃料噴射ノズル３を制御する噴射制御手段と、第１の温度センサ２４の検出温度に応じて、噴射制御手段の（ポスト噴射の）燃料噴射時期を補正する補正手段とを有する。具体的には、このＥＣＵ３１は、図２に示すフローチャートに基づき噴射制御手段と補正手段とを制御して、ＤＰＦ２３の強制的な再生制御を実施する。

最初にステップＳ１１にて、ＤＰＦ２３が再生処理中か否か判定する。例えば、ＤＰＦ差圧センサ２７の差圧が所定値より大きい場合には、ＤＰＦ２３が再生処理中であると判定し、ステップＳ１２に進み、前述した差圧が所定値と同じ、または小さい場合には、ＤＰＦ２３が再生処理中ではない（通常時）と判定し、ステップＳ１４に進む。

ここで、ステップＳ１２に移行した場合は、図３のマップＭ２からポスト噴射時期（適合値）が求められる。前述したように、本実施例におけるマップＭ２は、エンジン回転数情報と負荷情報からポスト噴射時期（適合値）を求めることができるようになっている。続いて、ステップＳ１２を経てステップＳ１３に進むと、第１の温度センサ２４の検出結果を用いて、図３のマップＭ３からポスト噴射時期の補正量が求められる。具体的には、このステップＳ１３では、次の（１）式
ポスト噴射時期＝フィルタ再生処理時のポスト噴射時期（適合値）＋補正量 （１）
における補正量を求め、これをステップＳ１２で求めたポスト噴射時期（適合値）に加算することにより、実際のポスト噴射時期が求められる。

ここで、図４のグラフに示すように、図２のステップＳ１３で求められるポスト噴射時期の補正値は、排ガスの温度が予め設定された基準温度（本実施例では約４５０℃）未満の場合には０°ＣＡであり、排ガスの温度が基準温度以上となった場合に、マップＭ３に基づく補正値の算出が開始される。この補正値は、排ガスの温度が高くなるに伴って、基準温度未満のときよりもポスト噴射の遅角量が大きくなるように設定されている。なお、この遅角量の増加率は、図４に示す例では一定ではなく、基準温度より高い温度の第２の基準温度（本実施例では約５３０℃）より高くなると、前述した基準温度から第２の基準温度までの温度範囲よりも大きくなる。

一方、ステップＳ１１でＮｏ（ＤＰＦ２３が再生中ではない）と判定されてステップＳ１４に移行した場合は、図３のマップＭ１からポスト噴射時期（適合値）が求められる。前述したように、本実施例におけるマップＭ１は、エンジン回転数情報と負荷情報からポスト噴射時期（適合値）を求めることができるようになっている。

このようなフローにて動作する内燃機関の排ガス浄化装置５０では、例えば、図５に示すように、ＤＰＦ２３の再生処理時におけるポスト噴射（実線）は、通常時の（ＤＰＦ２３が再生処理中ではないときの）ポスト噴射（破線）よりも大きく遅角される。よって、図６に示すように、ポスト噴射時期の遅角量の増加に伴い、触媒入口の温度は低下する一方、ＤＰＦ２３の入口温度が上昇する。すなわち、エンジン１から排気される排ガスの温度に応じてポスト噴射時期の遅角量を補正することで、所定量の未燃燃料が触媒２１，２２へとより確実に供給されて触媒２１，２２にて酸化反応が促進する。この時の反応熱によりＤＰＦ２３が昇温して、ＤＰＦ２３に捕集された煤を確実に燃焼除去することができる。

したがって、本実施例に係る内燃機関の排ガス浄化装置５０によれば、第１の温度センサ２４にて検出した排ガスの検出温度に応じて、上述した噴射制御手段の燃料噴射時期を補正することで、燃料噴射（ポスト噴射）を的確に行って、所定量の未燃燃料をより確実に触媒２１，２２に供給することができる。すなわち、ポスト噴射により供給された燃料がエンジン１の燃焼室内では燃焼しないタイミングで制御されることにより、この燃料が未燃燃料としてより確実に触媒２１，２２へと供給されることとなる。これにより、触媒２１，２２における燃焼（酸化反応）でＤＰＦ２３の昇温を促進させることができ、ＤＰＦ２３に捕集された煤を確実に燃焼除去することができるので、不十分なＤＰＦ２３の再生処理（微粒子の燃え残り量が増加するなど）が起こる可能性を低くできる。そして、ＤＰＦ２３を一層確実に再生処理できることで、ＤＰＦ２３の再生処理時間の長期化を抑制でき、ＤＰＦ２３のＰＭ捕集率の低下を抑制できる。

また、本排ガス浄化装置５０によれば、排ガスの温度が基準温度以上となった場合にポスト噴射時期の補正を開始することで、ポスト噴射をより的確な時期に行うことができ、所定量の未燃燃料を一層確実に触媒２１，２２に供給することができる。さらに、排ガス温度の上昇に伴って遅角量が大きくなるようにポスト噴射時期を補正することで、ポスト噴射をより的確な時期に行うことができ、これによっても所定量の未燃燃料を確実に触媒２１，２２に供給することができる。そのため、不十分なＤＰＦ２３の再生処理が起こる可能性を一層低くできるので、ＤＰＦ２３の再生処理時間の長期化をより確実に抑制でき、ＤＰＦ２３のＰＭ捕集率の低下をより確実に抑制できる。

本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス浄化装置の概略構成図である。 本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス浄化装置におけるポスト噴射時期の制御を示すフローチャートである。 本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス浄化装置におけるポスト噴射時期の制御を示すブロック図である。 図２におけるフィルタ再生処理時の噴射時期補正量を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス浄化装置による燃料噴射時期を示すタイムチャートである。 本発明の一実施例に係る内燃機関の排ガス浄化装置におけるポスト噴射時期と排ガスの温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン
３ 燃料噴射ノズル
４ 燃焼室
６ コモンレール
１０ 吸気ポート
１１ 吸気管
１２ 排気ポート
１３ 排気管
１４ 吸気バルブ
１５ 排気バルブ
２０ 排ガス浄化装置本体
２１ 第１の酸化触媒
２２ 第２の酸化触媒
２３ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
２４ 第１の温度センサ
２５ 第２の温度センサ
２６ 第３の温度センサ
２７ ＤＰＦ差圧センサ
２８ クランク角センサ
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
５０ 内燃機関の排ガス浄化装置

Claims (3)

1. 内燃機関からの排ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、
   前記内燃機関からの未燃燃料の供給により昇温して前記フィルタの再生処理を促進させる触媒と、
   前記内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
   前記内燃機関が要求出力を発生するための主噴射を行うと共に、この主噴射後に前記触媒へと燃料を供給するための副噴射を行うよう、前記燃料噴射手段を制御する噴射制御手段と、
   前記内燃機関からの排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段と、
   前記排ガス温度検出手段の検出温度に応じて、前記噴射制御手段の燃料噴射時期を補正する補正手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載された内燃機関の排ガス浄化装置であって、
   前記補正手段は、前記排ガス温度検出手段の検出温度が所定温度以上となった場合、前記噴射制御手段の燃料噴射時期の補正を開始し、前記検出温度が所定値未満のときよりも前記副噴射の遅角量を大きくする
   ことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
3. 請求項１または請求項２に記載された内燃機関の排ガス浄化装置であって、
   前記補正手段は、前記排ガス温度検出手段の検出温度が上昇するに伴って前記副噴射の遅角量を大きくするよう、前記噴射制御手段の燃料噴射時期を補正する
   ことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。

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