(57)【要約】【課題】酸化触媒を担持するフィルタを備えたエンジンの排ガス浄化装置において、フィルタ再生時の燃料噴射量のバラツキを抑制し、フィルタ溶損を防止する。【解決手段】微粒子の堆積量が所定値以上になると、フィルタ再生のため膨張行程又は排気行程において燃料を追加噴射する副噴射を行って、酸化触媒に未燃燃料を供給し、その酸化反応熱によってフィルタを通過する排ガスの温度を上昇させて、フィルタに捕集されている微粒子を焼却させる。そして、そのフィルタ再生のための副噴射は、フィルタ下流ガス温度が所定温度未満のときには運転状態に応じて副噴射の噴射量をオープン制御し、所定温度に達すると、フィルタ下流の酸素濃度が目標酸素濃度になるようにフィードバック制御する。【選択図】図３
2007092662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に設けられた、酸化触媒を担持し排ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、該フィルタに捕集された微粒子の堆積量に関連するパラメータ値を検出するパラメータ値検出手段と、前記微粒子の堆積量が所定値以上になると、前記エンジンの気筒内燃焼室に、圧縮行程死点付近で燃料を噴射する主噴射に加えて、膨張行程又は排気行程において燃料を追加噴射する副噴射を行うことにより前記酸化触媒に未燃燃料を供給し、その酸化反応熱によって前記フィルタを通過する排ガスの温度を上昇させ、該フィルタに捕集されている微粒子を焼却させるフィルタ再生手段とを備えたエンジンの排気浄化装置であって、前記フィルタよりも排気下流の排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、前記フィルタ再生手段によるフィルタ再生実行時の目標酸素濃度を設定する目標酸素濃度設定手段とを備え、前記フィルタ再生実行時に、前記フィルタよりも排気下流の排ガスの酸素濃度が目標酸素濃度になるように前記副噴射の噴射量を制御することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記フィルタよりも排気下流の排気温度を検出する排気温度検出手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段とを備え、前記フィルタ再生実行時、前記排気温度検出手段により検出した排気温度が所定温度未満のときには運転状態に応じて前記副噴射の噴射量を制御し、前記排気温度が所定温度以上のときに、酸素濃度が目標酸素濃度になるように前記副噴射の噴射量を制御することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記フィルタ再生実行時、前記排気温度検出手段により検出した排気温度が前記所定温度よりも低い温度領域における温度上昇率を算出する温度上昇率算出手段を備え、前記温度上昇率が高いときほど前記所定温度を低くすることを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気浄化装置、特に、ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる微粒子を捕集し焼却するフィルタを備えた排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる微粒子すなわちディーゼルパティキュレート（以下、「パティキュレート」という。）を捕集するフィルタすなわちディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という。）を備えたエンジンの排ガス浄化装置においては、捕集されたパティキュレートを焼却してフィルタを再生する必要がある。そして、そのフィルタ再生方法として、フィルタの排気上流側に酸化触媒を設けるか、あるいは、フィルタに酸化触媒を担持させ、フィルタのパティキュレート堆積量が所定以上になると、例えば通常の圧縮行程での燃料噴射とは別に副噴射としてタイミングを遅らせて燃料を追加噴射することで、酸化触媒に未燃燃料を供給し、酸化反応により排ガス温度を急速に上昇させてパティキュレートを焼却することが従来から知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
フィルタ上流に酸化触媒を設けるものは、フィルタに流入するまでに排ガス温度を十分上昇させることができ、フィルタ全体のパティキュレートを焼却することができる点で優れているが、酸化触媒とフィルタとを別個に設けるため、コストが高くなる。その点、フィルタに酸化触媒を担持させるものは、コスト面で有利である。
【０００４】
また、ディーゼルエンジンの燃料噴射は、例えばコモンレール式の噴射装置において噴射弁から噴射される燃料噴射量に相当量のバラツキがあるため、フィルタ再生時の燃料噴射量のバラツキにより、排ガス温度が過度に上昇し、フィルタが溶損してしまうおそれがある。そのため、フィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の排気上流側に酸化触媒を設けるものでは、フィルタの溶損を招くことなく効率のよいフィルタ再生を行えるようにするために、酸化触媒に未燃燃料を供給する副噴射の燃料噴射量を、酸化触媒とフィルタとの間の排ガス温度が目標温度となるようにフィードバック制御するものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−４２３２６号公報
【特許文献２】特開２００５−４８６６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、フィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の排気上流側に酸化触媒を設けるものでは、フィルタの溶損を招くことなく効率のよいフィルタ再生を行えるようにするために、酸化触媒に未燃燃料を供給する副噴射の燃料噴射量を、酸化触媒とフィルタとの間の排ガス温度が目標温度となるようにフィードバック制御するものが提案されているが、フィルタに酸化触媒を担持させるものにおいては、フィルタと酸化触媒との間の排ガス温度を検出するということができないため、フィルタに流入する排ガス温度を目標温度にフィードバック制御することができない。フィルタ下流の排ガス温度を検出してフィードバック制御することも考えられるが、それでは応答性が悪く、フィルタ溶損を抑制できない。
【０００７】
本発明は、酸化触媒を担持するフィルタを備えたエンジンの排ガス浄化装置において、フィルタ再生時の燃料噴射量のバラツキを抑制し、フィルタ溶損を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のエンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気通路に設けられた、酸化触媒を担持し排ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、該フィルタに捕集された微粒子の堆積量に関連するパラメータ値（例えば、フィルタ上下流差圧）を検出するパラメータ値検出手段と、微粒子の堆積量が所定値以上になると、エンジンの気筒内燃焼室に、圧縮行程死点付近で燃料を噴射する主噴射に加えて、膨張行程又は排気行程において燃料を追加噴射する副噴射を行うことにより酸化触媒に未燃燃料を供給し、その酸化反応熱によってフィルタを通過する排ガスの温度を上昇させ、フィルタに捕集されている微粒子を焼却させるフィルタ再生手段とを備えたエンジンの排気浄化装置であって、フィルタよりも排気下流の排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、フィルタ再生手段によるフィルタ再生実行時の目標酸素濃度を設定する目標酸素濃度設定手段とを備え、フィルタ再生実行時に、フィルタよりも排気下流の排ガスの酸素濃度が目標酸素濃度になるように副噴射の噴射量を制御することを特徴とする。
【０００９】
この排気浄化装置は、酸化触媒を担持するフィルタの再生時に、酸化触媒に未燃燃料を供給する副噴射の燃料噴射量を、フィルタよりも排気下流の排ガスの酸素濃度が目標酸素濃度になるように制御することで、燃料噴射量のバラツキを応答性よく抑制し、フィルタ溶損を防止することができる。フィルタ再生のための未燃燃料供給時にフィルタ下流の酸素濃度が高いということは、燃料があまり燃えていない、つまり、燃料噴射量が少ないということであり、同酸素濃度が低いということは、燃料が十分燃えている、つまり、燃料噴射量が多いということであって、目標酸素濃度になるよう制御することで、燃料噴射量のバラツキを抑制できるのである。
【００１０】
また、この排気浄化装置は、好ましくは、フィルタよりも排気下流の排気温度を検出する排気温度検出手段と、エンジンの運転状態（エンジン回転速度、アクセル開度など）を検出する運転状態検出手段とを備え、フィルタ再生実行時、排ガス温度検出手段により検出した排気温度が所定温度未満のときには運転状態に応じて副噴射の噴射量を制御し、排気温度が所定温度以上のときに、酸素濃度が目標酸素濃度になるように副噴射の噴射量を制御するよう構成する。つまり、再生初期のフィルタ温度上昇過程では、燃料噴射量にバラツキがあってもフィルタ溶損にまでは至らないため、副噴射の噴射量をオープン制御して排気温度を急激に上昇させ、微粒子を焼却できる温度（所定温度）まで排気温度が上昇すると酸素濃度でフィードバック制御するのであり、これにより、再生効率を高めつつ、フィルタの溶損を防止することができる。
【００１１】
また、この排気浄化装置は、フィルタ再生実行時、排気温度検出手段により検出した排気温度が所定温度よりも低い温度領域における温度上昇率を算出する温度上昇率算出手段を備え、温度上昇率が高いときほど、その所定温度を低くするよう構成するのがよい。再生初期に所定温度まで上昇する過程で温度上昇率が高いと、所定温度に達した後でフィルタ温度がオーバーシュートする可能性がある。そこで、温度上昇率が高いほど、その所定温度を低くして、酸素濃度によるフィードバック制御に移行する時期を早めるのであり、これによりフィルタ温度のオーバーシュートを抑制し、フィルタ溶損を確実に回避することができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のとおり、本発明のエンジンの排気浄化装置によれば、酸化触媒を担持するフィルタの再生時に、酸化触媒に未燃燃料を供給する副噴射の燃料噴射量を、フィルタよりも排気下流の排ガスの酸素濃度が目標酸素濃度になるように制御することで、燃料噴射量のバラツキを応答性よく抑制し、フィルタ溶損を防止することができる。
【００１３】
そして、特に、フィルタ再生実行時、排気温度が所定温度未満のときには運転状態に応じて副噴射の噴射量を制御し、排気温度が所定温度以上のときに、酸素濃度が目標酸素濃度になるように副噴射の噴射量を制御するよう構成することにより、再生効率を高めつつ、フィルタの溶損を防止することができる。
【００１４】
また、排気温度が所定温度よりも低い温度領域における温度上昇率が高いほど、その所定温度を低くするよう構成することにより、フィルタ温度のオーバーシュートを抑制し、フィルタ溶損を確実に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図４は、自動車用多気筒ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる微粒子すなわちディーゼルパティキュレート（以下、「パティキュレート」という。）を捕集するフィルタすなわちディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という。）を備えた排気浄化装置に適用した本発明の実施の形態を示している。図１は排気浄化装置のシステム図、図２はフィルタ再生時の燃料噴射のタイミング図、図３はフィルタ再生制御のタイムチャート、図４はフィルタ再生制御のフローチャートである。
【００１６】
この実施の形態のディーゼルエンジン（以下、「エンジン」という。）は、各気筒のシリンダボアが前後（図１の面に直交する方向）に直列となる配置で形成されたシリンダブロック１と、その上方に配設されたシリンダヘッド２とでエンジン本体が構成されている。そして、シリンダブロック１の各シリンダボア内には、それぞれピストン３が摺動自在に配置され、それらピストン３がそれぞれコンロッド４を介してエンジン出力軸であるクランクシャフト５に連結されている。
【００１７】
ピストン３には、頂面に深皿形の燃焼室６が形成されている。そして、シリンダヘッド２には、燃焼室６に向け燃料を直接噴射供給するよう、気筒毎に燃料噴射弁７が装着されている。また、シリンダヘッド２には、気筒毎に左右（図１において左右の方向）の側壁部に開口するクロスフロー式の吸気ポート８および排気ポート９が設けられている。そして、吸気ポート８にはマニホールドタイプで上流で一本になった吸気通路１０接続され、排気ポート９にはマニホールドタイプで下流で一本になった排気通路１１が接続されている。
【００１８】
そして、吸気通路１０には、吸気上流側から下流側に向かって順に、吸入空気を浄化するエアクリーナー１２、吸気量を検出するエアフローセンサ１３、吸気を加圧供給するターボ過給機１４のブロア１４ａ、加圧後の吸気を冷却するインタークーラ１５、吸気を絞り制御する吸気制御弁１６、吸気温度を検出する吸気温度センサ１７および吸気圧を検出する吸気圧センサ１８が配設され、その下流側には、各気筒の吸気ポート８に向けて分岐する位置にサージタンク１９が設けられている。
【００１９】
また、排気通路には、排気上流側から下流側に向かって順に、ターボ過給機１４のタービン１４ｂ、および酸化触媒を担持し排ガス中の微粒子を捕集するフィルタを備えた酸化触媒担持フィルタ装置２０が配設されている。そして、酸化触媒担持フィルタ装置２０の上流側および下流側に、パティキュレート堆積量検出手段としての排気圧センサ２１，２２が配設され、下流側排気圧センサ２２の更に下流側に、酸化触媒担持フィルタ装置２０から流出する排ガスの温度を検出する排気温度センサ２３（排気温度検出手段）と、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ２４（酸素濃度検出手段）が配設されている。
【００２０】
また、排気通路１１のタービン１４ｂ上流側と吸気通路１０の吸気圧センサ１８下流でサージタンク１９上流側との間に、排ガスの一部を吸気系に戻すためのＥＧＲ通路（排ガス還流通路）２５が設けられている。そして、ＥＧＲ通路２５の途中に、負圧アクチュエータ式のＥＧＲ制御弁（排ガス還流量制御弁）２６と、還流する排ガスをエンジン冷却水によって冷却するＥＧＲクーラ２７とが配設されている。
【００２１】
そして、このエンジンは、クランクシャフト５により駆動されて燃料タンク（図示せず）から供給された燃料を加圧する燃料ポンプ２８と、燃料ポンプ２８から吐出される高圧燃料を蓄圧し燃料供給管２９を介して各燃料噴射弁７に分配供給するコモンレール３０を備えている。また、燃料噴射弁７には、噴射後の余剰燃料を燃料タンク（図示せず）に戻す燃料戻し管３１が接続されている。
【００２２】
また、このエンジンには、シリンダヘッド２にエンジン水温を検出する水温センサ３２が配置され、クランクシャフト５の端部に対峙してエンジン回転数を検出するクランク角センサ３３が設けられている。
【００２３】
燃料噴射弁７、ターボ過給機１４およびＥＧＲ制御弁２６の制御は、マイクロコンピュータを利用した図示しないＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）によって行われる。
【００２４】
燃料噴射弁７による燃料噴射には、図２に示すように、エンジン出力発生のために圧縮上死点付近で燃料を噴射する主噴射と、フィルタ再生のために膨張行程で燃料を追加噴射する副噴射とがあり、そのうち、主噴射の制御では、基本的にはエンジン回転数とエンジン負荷（アクセル開度）とに基づいて基本噴射量が演算され、さらに、エンジン水温や吸気温度等に基づいた補正が行われて最終噴射量が決定され、その噴射量となるよう燃料噴射弁７が制御される。
【００２５】
また、副噴射の制御、すなわちフィルタ再生制御は、フィルタ上流および下流の排気圧センサ２１，２２、酸素濃度センサ２４、クランク角センサ３３、排気温度センサ２３、アクセル開度センサ（図示せず）等の検出信号に基づいて行われる。そして、微粒子の堆積量が所定値以上になると、フィルタ再生のため副噴射制御が実行され、燃料噴射弁７を作動させて、エンジンの気筒内燃焼室（ピストン３頂面の深皿形の燃焼室６）に、圧縮行程死点付近で燃料を噴射する主噴射に加えて、膨張行程又は排気行程において燃料を追加噴射する副噴射を行うことにより、酸化触媒担持フィルタ装置２０に担持された酸化触媒に未燃燃料を供給し、その酸化反応熱によってフィルタを通過する排ガスの温度を上昇させ、フィルタに捕集されている微粒子を焼却させる。
【００２６】
フィルタ上流および下流の排気圧センサ２１，２２は、フィルタに捕集された微粒子の堆積量に関連するパラメータ値として、フィルタ上下流差圧を検出するパラメータ値検出手段を構成し、フィルタ上流および下流の排気圧センサ２１，２２で検出された排気圧力の差圧に基づいて微粒子堆積量を検出し、差圧が大きいほど堆積量が大きいと判定する。
【００２７】
フィルタ再生のための副噴射の制御は、図３に示すように、フィルタ下流ガス温度（排気温度センサ２３により検出した排気温度）が所定温度未満のときには運転状態（エンジン回転速度、アクセル開度）に応じて副噴射の噴射量をオープン制御することで、排気温度を急激に上昇させ、所定温度まで排気温度が上昇すると、酸素濃度センサ２４で検出した酸素濃度が目標酸素濃度になるように副噴射の噴射量をフィードバック制御する。所定温度は、微粒子を十分に焼却できるようになる温度で、例えば５００°Ｃとする。そして、フィルタ再生時、フィルタ下流ガス温度（排気温度センサ２３により検出した排気温度）が所定温度（例えば５００°Ｃ）よりも低い温度領域における温度上昇率（第２所定温度、例えば３００°Ｃに到達してからの温度上昇率）を算出し、フィルタ温度のオーバーシュートを抑制するために、温度上昇率が高いときほど所定温度の設定を低くする。
【００２８】
このフィルタ再生制御の処理フローは図４に示すとおりで、スタートし、まず、ステップＳ１で、フィルタ上下流差圧ΔＰ、酸素濃度、フィルタ下流排気温度Ｔ、エンジン回転速度Ｎ、アクセル開度θを読み込む。
【００２９】
そして、ステップＳ２で、フィルタ上下流差圧ΔＰに基づいて微粒子堆積量Ｍを算出し、次いで、ステップＳ３で、微粒子堆積量Ｍが、フィルタ再生の必要のない微量領域のしきい値β以下である（Ｍ≦β）かどうかを判断する。
【００３０】
そして、Ｍ≦βでない、つまり、微粒子堆積量Ｍがしきい値βを越えている（Ｍ＞β）と判断すると、次いで、ステップＳ４で、微粒子堆積量Ｍが、フィルタ再生開始のトリガとなるα以上である（Ｍ≧α）かどうかを判断する。
【００３１】
そして、Ｍ≧αでない、つまり、微粒子堆積量Ｍがつαに達していない（β＜Ｍ＜α）と判断したときは、ステップＳ５で、フィルタ再生実行フラグがオフ（ＯＦＦ）になっているかどうかを見て、オフ（ＯＦＦ）であれば、ステップＳ６で、フィルタ再生実行フラグをオン（ＯＮ）にする。
【００３２】
そして、ステップＳ７で、フィルタ下流排気温度Ｔが所定温度（例えば５００°Ｃに達している（Ｔ≧所定温度）かどうかを判断し、所定温度に達していない（Ｔ＜所定温度）というときは、ステップＳ８で、エンジン回転速度Ｎおよびアクセル開度θに基づいてオープン制御で副噴射量を制御する（エンジン回転速度Ｎが小さいほど、また、アクセル開度θが小さいほど、副噴射量を多くする。）。
【００３３】
そして、ステップＳ９で、フィルタ下流排気温度Ｔが第２所定温度（例えば３００°Ｃ）以上である（Ｔ≧第２所定温度）かどうかを判断し、第２所定温度以上であると判断したときは、ステップＳ１０で、フィルタ下流排気温度Ｔに基づいて、例えば、何ルーチンか回った後の温度差や時間当たりの温度差から、温度上昇率を算出する。そして、ステップＳ１１で、温度上昇率に応じた所定温度を設定し（温度上昇率が大きいほど、オーバーシュートの可能性が高くなるので、所定温度を低くする。）、リターンする。
【００３４】
また、ステップＳ９で、フィルタ下流排気温度Ｔが第２所定温度（例えば３００°Ｃ）以上でない（Ｔ＜第２所定温度）と判断したときは、そのままリターンする。
【００３５】
また、ステップＳ７で、フィルタ下流排気温度Ｔが所定温度（例えば５００°Ｃに達している（Ｔ≧所定温度）と判断したときは、ステップＳ１２へ進み、酸素濃度が目標酸素濃度になるように副噴射の噴射量をフィードバック制御し、リターンする。
【００３６】
また、ステップＳ５で、フィルタ再生実行フラグがオフ（ＯＦＦ）になっていないときは、ステップＳ１３で、フィルタ再生実行フラグをオフ（ＯＦＦ）にし、そのままリターンする。
【００３７】
また、ステップＳ３で、微粒子堆積量Ｍが、フィルタ再生の必要のない微量領域のしきい値β以下である（Ｍ≦β）と判断したときは、微粒子堆積量Ｍが微量でフィルタ再生の必要がないということで、ステップＳ１３でフィルタ再生実行フラグをオフ（ＯＦＦ）にし、そのままリターンする。
【００３８】
以上、実施の形態の一例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、様々な態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態の排気浄化装置のシステム図である。
【図２】本発明の実施の形態の排気浄化装置のフィルタ再生時の燃料噴射のタイミング図である。
【図３】本発明の実施の形態の排気浄化装置のフィルタ再生制御のタイムチャートである。
【図４】本発明の実施の形態の排気浄化装置のフィルタ再生制御のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１  シリンダブロック
２  シリンダヘッド
３  ピストン
５  クランクシャフト
６  燃焼室
７  燃料噴射弁
８  吸気ポート
９  排気ポート
１０  吸気通路
１１  排気通路
２０  酸化触媒担持フィルタ装置
２１、２２  排気圧センサ
２３  排気温度センサ
２４  酸素濃度センサ
３３  クランク角センサ
【図１】
2007092662.tif 000003
【図２】
2007092662.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007092662.tif 000006