(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化装置に関し、強制再生時における燃料供給量の最適化を図り、燃費を効果的に向上させる。【解決手段】内燃機関１０の排気通路１３に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ１６と、フィルタ１６の静電容量を検出する静電容量検出ユニット１７ａ，１７ｂ，２１と、フィルタ１６に燃料を供給して、フィルタ１６内に堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行可能なフィルタ再生ユニット１３，２２とを備え、フィルタ再生ユニット１３，２２は、強制再生の実行中に、検出される静電容量の所定時間当たりの減少率が、粒子状物質の燃焼効率の低下を示す所定の下限閾値以下になると、燃料の供給を停止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
前記フィルタに燃料を供給して、当該フィルタ内に堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行可能なフィルタ再生手段と、を備え、
前記フィルタ再生手段は、強制再生の実行中に、検出される前記静電容量の所定時間当たりの減少率が、粒子状物質の燃焼効率の低下を示す所定の下限閾値以下になると、燃料の供給を停止する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記フィルタ再生手段は、強制再生の実行中に、検出される前記静電容量の所定時間当たりの減少率が、前記所定の下限閾値以下になると、燃料の供給量を段階的に減少させた後に、燃料の供給を停止する
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記静電容量検出手段は、前記フィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されて、コンデンサを形成する一対の電極を含む
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記フィルタよりも排気上流側及び下流側の前記排気通路を接続して、当該フィルタを迂回するバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、
前記一対の電極は、前記第２のフィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置される
請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記第２のフィルタの強制再生を実行する際は、前記一対の電極をヒータとして機能させる
請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタを備える排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter、以下、ＰＭ）を捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter、以下、ＤＰＦ）が知られている。
【０００３】
ＤＰＦは、ＰＭ捕集量に限度があるため、堆積したＰＭを定期的に燃焼除去する強制再生を行う必要がある。強制再生は、排気管内噴射やポスト噴射によって、排気上流側の酸化触媒に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、酸化により発生する熱で排気ガス温度をＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＤＰＦの排気上流側及び下流側の差圧が所定量以上になると、ポスト噴射によりＤＰＦを昇温する強制再生を行う排気浄化システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２４７１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、強制再生によって堆積したＰＭの燃焼が進むと、ＤＰＦの排気上流側と下流側との差圧は次第に小さくなる。そのため、特に強制再生の終盤は、残存ＰＭの差圧への感度がなくなる為、ＤＰＦ内のＰＭ堆積量を正確に把握できなくなる課題がある。
【０００７】
ＤＰＦ内にＰＭが残存することを防ぐためには、安全係数を比較的多めに確保して、燃料供給量を多く（燃料供給期間を長く）することが考えられるが、強制再生の終盤に、無駄な燃料消費を継続させるため、燃費を悪化させる虞がある。
【０００８】
また、強制再生の終了後、新たに強制再生を再開するまでの間隔（以下、再生インターバルという）を短縮することで、ＤＰＦ内のＰＭ堆積を抑制することも考えられるが、再生可能温度へ昇温させる機会が多くなり、昇温のために無駄な燃料消費を行うので、これも燃費を悪化させる虜がある。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、強制再生時における燃料供給量の最適化を図り、燃費を効果的に向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、前記フィルタに燃料を供給して、当該フィルタ内に堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行可能なフィルタ再生手段と、を備え、前記フィルタ再生手段は、強制再生の実行中に、検出される前記静電容量の所定時間当たりの減少率が、粒子状物質の燃焼効率の低下を示す所定の下限閾値以下になると、燃料の供給を停止することを特徴とする。
【００１１】
また、前記フィルタ再生手段は、強制再生の実行中に、検出される前記静電容量の所定時間当たりの減少率が、前記所定の下限閾値以下になると、燃料の供給量を段階的に減少させた後に、燃料の供給を停止するものであってもよい。
【００１２】
また、前記静電容量検出手段は、前記フィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されて、コンデンサを形成する一対の電極を含むものであってもよい。
【００１３】
また、前記フィルタよりも排気上流側及び下流側の前記排気通路を接続して、当該フィルタを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、前記一対の電極は、前記第２のフィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されるものであってもよい。
【００１４】
また、前記第２のフィルタの強制再生を実行する際は、前記一対の電極をヒータとして機能させてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、強制再生時における燃料供給量の最適化を図り、燃費を効果的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による強制再生時の静電容量、ＤＰＦ差圧の変化を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による強制再生時の、（ａ）はＰＭ堆積量の変化、（ｂ）は再生効率が低下した際に燃料噴射を停止させる指示信号、（ｃ）は再生効率が低下した際に燃料噴射量を段階的に減少させる指示信号を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による制御内容を示すフローチャートである。
【図５】他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図１〜４に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１８】
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気ガスを大気に放出する排気通路１２が接続されている。さらに、排気通路１２には、排気上流側から順に排気管内噴射装置１３、排気後処理装置１４が設けられている。
【００１９】
排気管内噴射装置１３は、後述するＥＣＵ２０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（ＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１３を省略してもよい。
【００２０】
排気後処理装置１４は、ケース１４ａ内に排気上流側から順に酸化触媒１５、ＤＰＦ１６を配置して構成されている。
【００２１】
酸化触媒１５は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒１５は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によって未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気ガス温度を上昇させる。
【００２２】
ＤＰＦ１６は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ１６は、排気ガス中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射により酸化触媒１５に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、排気ガス温度の上昇によりＤＰＦ１６をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温することで行われる。
【００２３】
また、本実施形態のＤＰＦ１６には、少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する一対の電極１７ａ，１７ｂが設けられている。これら一対の電極１７ａ，１７ｂは、それぞれＥＣＵ２０と電気的に接続されている。
【００２４】
ＥＣＵ２０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３の燃料噴射等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ＥＣＵ２０は、静電容量演算部２１と、再生制御部２２とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ２０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
【００２５】
なお、本実施形態において、静電容量演算部２１及び電極１７ａ，１７ｂは、本発明の静電容量検出手段を構成する。また、再生制御部２２及び排気管内噴射装置１３（又は、エンジン１０の図示しない燃料噴射装置）は、本発明のフィルタ再生手段を構成する。
【００２６】
静電容量演算部２１は、ＤＰＦ１６のＰＭ堆積量を推定するために、一対の電極１７ａ，１７ｂ間の静電容量ＣからＰＭ堆積量を演算する。静電容量Ｃは、電極１７ａ，１７ｂ間の媒体の誘電率ε、電極１７ａ，１７ｂ間の距離ｄとする以下の数式１の関係を基本として、ＰＭの堆積により誘電率εや距離ｄが変化する事に伴って変化する。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
例えば、電極１７ａ，１７ｂ間に導体性の炭素が堆積すると、これら電極１７ａ，１７ｂ間の距離ｄは実質的に短くなり、静電容量Ｃが増加する。また、電極１７ａ，１７ｂ間の媒体中にＰＭの堆積が進むと、誘電率εの増加に伴い静電容量Ｃも増加する。すなわち、静電容量ＣとＰＭ堆積量との間には比例関係があるため、静電容量Ｃを演算すればＰＭ堆積量を容易に推定することが可能になる。このように、本実施形態では、ＰＭ堆積量の推定に静電容量Ｃを用いることで、強制再生の終盤に感度が低下する差圧センサに比べて、推定精度を向上することができる。
【００２９】
再生制御部２２は、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃに基づいて、ＤＰＦ１６の強制再生を制御する。より具体的な制御内容を図２，３に基づいて説明する。
【００３０】
まず、強制再生の開始制御から説明する。ＥＣＵ２０には、予め実験等により求めたＤＰＦ１６に捕集可能なＰＭの最大堆積量に相当する静電容量Ｃが、上限閾値ＣMAXとして記憶されている。再生制御部２２は、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃが上限閾値ＣMAXを超えると（図２の時刻Ｔ１参照）、排気管内噴射装置１３（ポスト噴射の場合はエンジン１０の燃料噴射装置）に所定量の燃料を噴射させる指示信号を出力する（図３（ｂ）の時刻Ｔ１参照）。この指示信号は、後述する強制再生の終了制御が開始されるまで継続的に所定間隔で出力される。なお、図２，３中において、時刻Ｔ２は、排気ガス温度の上昇によりＤＰＦ１６がＰＭ燃焼温度（例えば、６００℃）まで昇温されて、堆積したＰＭの燃焼が開始される時刻を示している。
【００３１】
次に、強制再生の終了制御を説明する。強制再生においては、ＰＭ堆積量が所定量まで減少すると、燃料噴射を継続してもＰＭの燃焼が進まなくなり、ＰＭの燃焼効率（以下、再生効率という）は著しく低下する。この状態で燃料噴射を継続すると、燃料供給量に見合う再生効率を得ることができなくなる。
【００３２】
ＥＣＵ２０には、予め実験等により求めた再生効率の著しい低下が始まる静電容量Ｃの傾き量ΔＣ／ΔＴ（静電容量Ｃの所定時間当たりの減少率）が、下限閾値ΔＣ／ΔＴMINとして記憶されている。再生制御部２２は、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃに基づいて、静電容量Ｃの傾き量ΔＣ／ΔＴを移動平均で求めると共に、この傾き量ΔＣ／ΔＴが下限閾値ΔＣ／ΔＴMIN以下になると（図２の時刻Ｔ３参照）、燃料噴射の指示信号を停止する（図３（ｂ）の時刻Ｔ３参照）。これにより、ＤＰＦ１６の再生効率が低下した後は、無駄な燃料供給が抑止されて、燃費を効果的に向上することができる。
【００３３】
なお、図３（ｃ）に示すように、静電容量Ｃの傾き量ΔＣ／ΔＴが下限閾値ΔＣ／ΔＴMIN以下になった後は、燃料噴射量を段階的に減少させるように構成してもよい（図３（ｃ）の時刻Ｔ３〜４参照）。この場合、燃料噴射の減少量や停止までの期間は、ＤＰＦ１６の容量等に応じて適宜最適な値に設定すればよい。
【００３４】
次に、図４に基づいて、本実施形態の排気浄化装置による制御フローを説明する。なお、本制御はイグニッションキーのＯＮ操作と同時にスタートする。
【００３５】
ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、ＰＭ堆積量と比例する静電容量Ｃが、ＰＭの最大堆積量に相当する上限閾値ＣMAXを超えたか否かが判定される。静電容量Ｃが上限閾値ＣMAXを超えた場合（Ｃ＞ＣMAX）、本制御はＳ１１０に進む。一方、静電容量Ｃが上限閾値ＣMAX以下の場合（Ｃ≦ＣMAX）、本制御はリターンされる。
【００３６】
Ｓ１１０では、強制再生を開始すべく、排気管内噴射装置１３（ポスト噴射の場合はエンジン１０の燃料噴射装置）に所定量の燃料噴射を実行させる指示信号が出力される。その後、ＤＰＦ１６はＰＭ燃焼温度（例えば約６００℃）まで昇温されて、ＤＰＦ１６内に堆積したＰＭの燃焼が開始される。
【００３７】
Ｓ１２０では、静電容量Ｃの傾き量ΔＣ／ΔＴ（所定時間当たりの静電容量Ｃの減少率）が、再生効率の低下を示す下限閾値ΔＣ／ΔＴMINに達したか否かが判定される。傾き量ΔＣ／ΔＴが下限閾値ΔＣ／ΔＴMIN以下になった場合（ΔＣ／ΔＴ≦ＣMIN）、本制御はＳ１３０に進む。一方、傾き量ΔＣ／ΔＴが下限閾値ΔＣ／ΔＴMINよりも大きい場合（ΔＣ／ΔＴ＞ＣMIN）、本制御はＳ１１０に戻される。すなわち、排気管内噴射装置１３による燃料噴射（又はポスト噴射）は継続される。
【００３８】
Ｓ１３０では、無駄な燃料消費を抑制するために、排気管内噴射装置１３（ポスト噴射の場合はエンジン１０の燃料噴射装置）への燃料噴射の指示信号を停止、もしくは、燃料噴射量を段階的に減少させて、本制御はリターンされる。その後、Ｓ１００〜１３０の各制御ステップは、イグニッションキーのＯＦＦ操作まで繰り返し実行される。
【００３９】
次に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による作用効果を説明する。
【００４０】
従来の強制再生は、差圧センサで検出されるＤＰＦの排気上流側と下流側との差圧に基づいて、開始時期及び終了時期を制御している。強制再生によりＰＭの燃焼が進むと、ＤＰＦの排気上流側と下流側との差圧は次第に小さくなり、特に強制再生の終盤は、残存ＰＭの差圧への感度が低下する傾向にある（例えば、図２の領域Ａ参照）。そのため、ＤＰＦ内のＰＭ残存量を正確に把握できず、安全係数を多めに確保して燃料供給量を多く確保するか、あるいは、再生インターバルを短縮する必要があった。
【００４１】
これに対し、本実施形態の排気浄化装置は、強制再生の終盤においても感度が良好な静電容量Ｃに基づいて、ＰＭ堆積量を推定すると共に、静電容量Ｃの傾き量ΔＣ／ΔＴが、再生効率の低下を示す下限閾値ΔＣ／ΔＴMIN以下になると、燃料噴射を停止させている。すなわち、燃料噴射量に対して再生効率が著しく低下する時期を、感度が良好な静電容量Ｃに基づいて正確に把握すると共に、再生効率が低下する後は、強制再生を確実に終了させるように構成されている。
【００４２】
したがって、本実施形態の排気浄化装置によれば、強制再生による無駄な燃料消費を抑制することが可能となり、燃費を効果的に向上することができる。また、強制再生の終盤におけるＰＭ残存量を的確に把握することで、燃料噴射量を多めに確保する必要がなくなり、再生インターバルも長く確保することが可能になる。
【００４３】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００４４】
例えば、図５に示すように、排気通路１２にＤＰＦ１６を迂回させるバイパス通路１８を接続し、このバイパス通路１８に容量の小さい計測用ＤＰＦ１６ａ（第２のフィルタ）を備えて構成してもよい。この場合、一対の電極１７ａ，１７ｂを計測用ＤＰＦ１６ａ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置すると共に、バイパス通路１８には排気ガスの流量を調整するオリフィス１８ａ（絞り）を設けてもよい。また、計測用ＤＰＦ１６ａの強制再生を実行する場合は、一対の電極１７ａ，１７ｂに電流を印加してヒータとして機能させてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１０  エンジン
１２  排気通路
１３  排気管内噴射装置
１４  排気後処理装置
１５  酸化触媒
１６  ＤＰＦ（フィルタ）
２０  ＥＣＵ
２１  静電容量演算部
２２  再生制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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