(57)【要約】【課題】本発明は、パティキュレートフィルタの過昇温を抑制しつつ、フィルタ再生処理を効率的に行うことができる技術を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化システムは、フィルタ再生処理の実行時において、パティキュレートフィルタに残留しているＰＭが酸化されたと仮定した場合に発生する熱量である推定発熱量、及びパティキュレートフィルタが現在の温度から所定の許容限界温度まで上昇するために要する熱量である上限熱量を推定して、推定発熱量が上限熱量以上であれば、パティキュレートフィルタを流通する排気流量を現在の排気流量に維持しつつ燃料添加弁からの燃料添加を継続し、推定発熱量が上限熱量より少なければ、パティキュレートフィルタを流通する排気流量を現在の排気流量より減少させつつ燃料添加弁からの燃料添加を終了するようにした。【選択図】図２
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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、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタであって、所定温度以上になったときに相変化することで熱エネルギを吸収する吸熱材を具備するパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタに担持され、又は前記パティキュレートフィルタより上流の排気通路に配置される酸化触媒と、
前記酸化触媒へ燃料を供給する供給装置と、
前記パティキュレートフィルタのＰＭ堆積量が所定の閾値以上になったときに、前記供給装置から前記酸化触媒へ燃料を供給することで酸化反応熱を発生させ、その反応熱により前記パティキュレートフィルタを昇温させて、該パティキュレートフィルタに堆積しているＰＭを酸化及び除去する処理であるフィルタ再生処理を実行する制御装置と、
を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、
前記制御装置は、
前記フィルタ再生処理の実行時において、前記パティキュレートフィルタに残留しているＰＭが酸化されたと仮定した場合に発生する熱量である推定発熱量、及び前記パティキュレートフィルタが現在の温度から所定の許容限界温度まで上昇するために要する熱量である上限熱量を推定して、前記推定発熱量が前記上限熱量以上であれば、前記パティキュレートフィルタを流通する排気流量を現在の排気流量に維持しつつ前記供給装置からの燃料供給を継続し、前記推定発熱量が前記上限熱量より少なければ、前記パティキュレートフィルタを流通する排気流量を現在の排気流量より減少させつつ前記供給装置からの燃料供給を終了することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に設けられたフィルタを有する内燃機関の排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気に含まれるＰＭ（Particulate Matter）の大気中への排出を抑制する技術として、排気中のＰＭを捕集するためのパティキュレートフィルタを、内燃機関の排気通路に配置する技術が知られている。パティキュレートフィルタに堆積するＰＭの量が多くなると、該パティキュレートフィルタの圧力損失が大きくなって、内燃機関の出力低下や燃料消費率の悪化等を招く可能性がある。そのため、パティキュレートフィルタのＰＭ堆積量が所定の閾値以上になったときに、該パティキュレートフィルタを昇温させて、ＰＭを酸化及び除去するフィルタ再生処理が行われる。なお、フィルタ再生処理の実行時にパティキュレートフィルタが過昇温すると、該パティキュレートフィルタの劣化や故障を招く可能性がある。これに対し、所定温度になったときに相変化することで、熱エネルギを吸収する熱吸収材を具備するパティキュレートフィルタも提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１３８９３７号公報
【特許文献２】特開２０１０−００１８６０号公報
【特許文献３】特開２００５−０９０３８４号公報
【特許文献４】特開２００５−１１３８３３号公報
【特許文献５】特開２００４−２５１１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、パティキュレートフィルタの過昇温を抑制しつつ、フィルタ再生処理を効率的に行うことができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタであって、所定温度以上になったときに相変化することで熱エネルギを吸収する吸熱材を具備するパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタに担持され、又は前記パティキュレートフィルタより上流の排気通路に配置される酸化触媒と、前記酸化触媒へ燃料を供給する供給装置と、前記パティキュレートフィルタのＰＭ堆積量が所定の閾値以上になったときに、前記供給装置から前記酸化触媒へ燃料を供給することで酸化反応熱を発生させ、その反応熱により前記パティキュレートフィルタを昇温させて、該パティキュレートフィルタに堆積しているＰＭを酸化及び除去する処理であるフィルタ再生処理を実行する制御装置と、を備える内燃機関の排気浄化システムである。前記制御装置は、前記フィルタ再生処理の実行時において、前記パティキュレートフィルタに残留しているＰＭが酸化されたと仮定した場合に発生する熱量である推定発熱量、及び前記パティキュレートフィルタが現在の温度から所定の許容限界温度まで上昇するために要する熱量である上限熱量を推定する。そして、前記制御装置は、前記推定発熱量が前記上限熱量以上であれば、前記パティキュレートフィルタを流通する排気流量を現在の排気流量に維持しつつ前記供給装置からの燃料供給を継続し、前記推定発熱量が前記上限熱量より少なければ、前
記パティキュレートフィルタを流通する排気流量を現在の排気流量より減少させつつ前記供給装置からの燃料供給を終了する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、パティキュレートフィルタの過昇温を抑制しつつ、フィルタ再生処理を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明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２】フィルタ再生処理の実行中にＥＣＵによって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【０００９】
図１は、本発明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、軽油を燃料とする圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、気筒２内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。
【００１０】
内燃機関１は、吸気通路４と接続されている。吸気通路４には、エアフローメータ４０とスロットル弁４１とが設けられている。エアフローメータ４０は、吸気通路４内を流れる吸気（空気）の量（質量）に応じた電気信号を出力する。スロットル弁４１は、エアフローメータ４０より下流の吸気通路４に配置され、吸気通路４の通路断面積を変更することで、内燃機関１の吸入空気量を調整する。
【００１１】
内燃機関１は、排気通路５と接続されている。排気通路５には、フィルタケーシング５０が配置されている。フィルタケーシング５０は、排気中のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタ５０ａ（以下、単に「フィルタ５０ａ」と称する）を収容している。このフィルタ５０ａは、ウォールフロー型のパティキュレートフィルタであり、その基材には、熱吸収材が担持されている。熱吸収材は、後述するフィルタ再生温度より高い所定温度以上になったときに相変化することで熱エネルギを吸収するものであり、例えば、アルミニウム、銅、スズ等の金属、前記した金属の何れか１つからなる合金、又は前記した金属の混合物である。また、前記フィルタ５０ａの基剤には、酸化触媒が担持されている。なお、酸化触媒は、フィルタ５０ａと別体に形成され、且つフィルタ５０ａより上流に配置されてもよい。フィルタケーシング５０より上流の排気通路５には、排気中へ未燃燃料を添加することで、前記酸化触媒へ未燃燃料を供給するための燃料添加弁５１が設けられている。この燃料添加弁５１は、本発明の「供給装置」に相当する。
【００１２】
フィルタケーシング５０より下流の排気通路５には、フィルタケーシング５０から流出する排気の温度に相関した電気信号を出力する排気温度センサ５２が配置されている。また、排気通路５には、フィルタ５０ａより上流の排気圧力とフィルタ５０ａより下流の排気圧力との差（以下、「前後差圧」と称する）に応じた電気信号を出力する差圧センサ５３が取り付けられている。
【００１３】
このように構成された内燃機関１には、本発明に係わる「制御装置」としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｒ
ＡＭ、バックアップＲＡＭ等から構成される電子制御ユニットである。ＥＣＵ１０は、前述したエアフローメータ４０、排気温度センサ５２、差圧センサ５３に加え、アクセルポ
ジションセンサ７やクランクポジションセンサ８等の各種センサと電気的に接続されている。アクセルポジションセンサ７は、図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関した電気信号を出力するセンサである。クランクポジションセンサ８は、内燃機関１の機関出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力するセンサである。これら各種センサの出力信号は、ＥＣＵ１０に入力されるようになっている。
【００１４】
また、ＥＣＵ１０は、上記の燃料噴射弁３、スロットル弁４１、及び燃料添加弁５１等の各種機器と電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、上記した各種センサの出力信号に基づいて、上記の各種機器を制御する。例えば、ＥＣＵ１０は、アクセルポジションセンサ７やクランクポジションセンサ８の出力信号に基づいて混合気の目標空燃比を演算し、その目標空燃比とエアフローメータ４０の出力信号とから１気筒あたりの目標燃料噴射量（燃料噴射時間）を演算する。そして、ＥＣＵ１０は、目標燃料噴射量に従って燃料噴射弁３を制御する。また、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転期間中において、フィルタ５０ａにＰＭが堆積することに起因するフィルタ５０ａの目詰まりを抑制するために、該フィルタ５０ａに堆積しているＰＭを酸化及び除去するためのフィルタ再生処理を適宜に実行する。以下、本実施形態におけるフィルタ再生処理の実行方法について説明する。
【００１５】
ここで、フィルタ５０ａに堆積するＰＭの量（ＰＭ堆積量）ΣＰＭが所定の閾値ΣＰＭｔｈｒを超えると、フィルタ５０ａの圧力損失に起因する背圧が過大となって、内燃機関１の出力低下や燃料消費率の悪化等の不具合を招く。そのため、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転期間中に所定の周期でフィルタ５０ａのＰＭ堆積量ΣＰＭを推定し、そのＰＭ堆積量ΣＰＭが前記所定の閾値ΣＰＭｔｈｒに達したときにフィルタ再生処理を実行する。フィルタ５０ａのＰＭ堆積量ΣＰＭは、単位時間あたりにフィルタ５０ａに捕集されるＰＭの量と、単位時間あたりにフィルタ５０ａで酸化されるＰＭの量と、の差を積算する方法により推定される。その際、単位時間あたりにフィルタ５０ａに捕集されるＰＭの量は、単位時間あたりに内燃機関１から排出されるＰＭ量に、フィルタ５０ａの仕様に応じて定まる捕集率を乗算することで、求められる。単位時間あたりに内燃機関１から排出されるＰＭの量は、内燃機関１の運転状態から推定されるものとする。一方、単位時間あたりにフィルタ５０ａで酸化されるＰＭの量は、フィルタ５０ａの温度と、ＰＭ堆積量ΣＰＭの前回値と、フィルタ５０ａへ流入する排気の酸素濃度と、フィルタ５０ａへ流入する排気のＮＯ２濃度と、をパラメータとして演算される。フィルタ５０ａの温度は、排気温度センサ５２の検出値に基づいて推定されるものとする。フィルタ５０ａへ流入する排気の酸素濃度は、内燃機関１の運転状態から推定されてもよく、又は酸素濃度センサによって検出されてもよい。フィルタ５０ａへ流入する排気のＮＯ２濃度は、内燃機関１の運転状態から推定されてもよく、又はＮＯＸセンサの検出値から推定されてもよい。なお、フィルタ５０ａのＰＭ堆積量ΣＰＭは、差圧センサ５３により検出される前後差圧と、排気流量（燃料噴射量と吸入空気量との総和）と、をパラメータとして演算されてもよい。
【００１６】
フィルタ再生処理の具体的な実行方法としては、燃料添加弁５１から排気に燃料を添加することにより、その添加燃料をフィルタ５０ａに担持されている酸化触媒で酸化させて、その際に発生する反応熱でフィルタ５０ａをＰＭの酸化可能な温度（フィルタ再生温度）まで昇温させる方法を用いることができる。なお、燃料添加弁５１を備えていない内燃機関１においては、排気行程にある気筒２の燃料噴射弁３から燃料を噴射（ポスト噴射）させることにより、フィルタ５０ａへ未燃燃料を供給してもよい。
【００１７】
また、本実施例におけるフィルタ再生処理では、ＥＣＵ１０は、フィルタ再生処理の実行途中において、フィルタ５０ａに残留しているＰＭの量が一斉に酸化したと仮定した場合に発生する熱量（推定発熱量）を推定する。また、ＥＣＵ１０は、フィルタ５０ａが現在の温度から所定の許容限界温度まで上昇するために要する熱量（上限熱量）を推定する。そして、ＥＣＵ１０は、前記推定発熱量が前記上限熱量以上であれば、フィルタ５０ａ
を流通する排気流量を現在の排気流量に維持するとともに、フィルタ５０ａの温度が前記フィルタ再生温度となるように燃料添加弁５１からの燃料添加量を制御する。一方、前記推定発熱量が前記上限熱量より少なければ、ＥＣＵ１０は、フィルタ５０ａを流通する排気流量を現在の排気流量より減少させるとともに、燃料添加弁５１からの燃料添加を終了する。ここでいう許容限界温度は、フィルタ５０ａの温度が該許容限界温度を超えると、フィルタ５０ａの劣化や故障を招くと考えられる温度である。
【００１８】
ここで、前記推定発熱量が前記上限熱量より少なくなった時点で、排気流量が減量されるとともに、燃料添加弁５１からの燃料添加が終了されると、フィルタ５０ａから排気へ伝達される熱量（排気による熱の持ち去り量）が減少するため、フィルタ５０ａに残留しているＰＭが急速に酸化されて、フィルタ５０ａの温度が上昇することになる。しかしながら、フィルタ５０ａに残留しているＰＭが酸化されることによって発生する熱量は前記上限熱量より少ないため、フィルタ５０ａの温度が前記許容限界温度を超えることが抑制される。つまり、フィルタ５０ａの過昇温を抑制しつつ、フィルタ５０ａに残留しているＰＭを酸化及び除去することができる。
【００１９】
以下、本実施例におけるフィルタ再生処理の実行手順について図２に沿って説明する。図２は、フィルタ再生処理の実行中にＥＣＵ１０によって繰り返し実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭ等に記憶されているものとする。
【００２０】
図２の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１の処理において、フィルタ再生処理の実行中であるか否かを判別する。Ｓ１０１の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１０１の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０２の処理へ進む。
【００２１】
Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ１０は、現時点でフィルタ５０ａに残留しているＰＭの量（ＰＭ堆積量ΣＰＭ）を演算する。ＰＭ堆積量ΣＰＭは、前述したように、単位時間あたりにフィルタ５０ａに捕集されるＰＭの量と、単位時間あたりにフィルタ５０ａで酸化されるＰＭの量と、の差を積算する方法により演算されてもよく、又は差圧センサ５３により検出される前後差圧と、排気流量（燃料噴射量と吸入空気量との総和）と、をパラメータとして演算されてもよい。
【００２２】
Ｓ１０３の処理では、ＥＣＵ１０は、現時点におけるフィルタ５０ａの温度（フィルタ温度）Ｔｄｐｆを演算する。具体的には、ＥＣＵ１０は、排気温度センサ５２の測定値からフィルタ温度Ｔｄｐｆを演算する。なお、前記排気温度センサ５２に加え、フィルタケーシング５０より上流の排気通路５にも排気温度センサが取り付けられている場合は、それら２つの排気温度センサにより検出される排気温度の差に基づいて、フィルタ温度Ｔｄｐｆが演算されてもよい。
【００２３】
Ｓ１０４の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０２の処理で算出されたＰＭ堆積量ΣＰＭのＰＭが一斉に酸化されたと仮定した場合の発熱量（推定発熱量）Ｑ１を演算する。その際、単位量あたりのＰＭが酸化された際に発生する熱量を予め実験的に求めておいてもよい。
【００２４】
Ｓ１０５の処理では、ＥＣＵ１０は、フィルタ５０ａの温度を、前記Ｓ１０３で算出されたフィルタ温度Ｔｄｐｆから許容限界温度Ｔｍａｘまで上昇させるのに必要な熱量（上限熱量）Ｑ２を演算する。上限熱量Ｑ２は、前記Ｓ１０３の処理で算出されたフィルタ温度Ｔｄｐｆと許容限界温度Ｔｍａｘとの差（Ｔｍａｘ−Ｔｄｐｆ）と、フィルタ５０ａの熱容量と、から演算することができる。
【００２５】
Ｓ１０６の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０４の処理で算出された推定発熱量Ｑ１が前記Ｓ１０５の処理で算出された上限熱量Ｑ２より小さいか否かを判別する。Ｓ１０６の処理において否定判定された場合（Ｑ１≧Ｑ２）に、燃料添加弁５１からの燃料添加が終了され、且つ排気流量の減量が行われると、フィルタ５０ａの温度が前記許容限界温度Ｔｍａｘを超えて過昇温する虞がある。そのため、Ｓ１０６の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁５１による燃料添加を終了せず、且つ排気流量を減量せずに、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１０６の処理において肯定判定された場合（Ｑ１＜Ｑ２）に、燃料添加弁５１からの燃料添加が終了され、且つ排気流量の減量が行われると、フィルタ５０ａの温度を前記許容限界温度Ｔｍａｘ以下に抑えつつ、フィルタ５０ａに残留しているＰＭを酸化及び除去することができる。そのため、Ｓ１０６の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０７の処理、及びＳ１０８の処理を順次実行する。
【００２６】
Ｓ１０７の処理では、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁５１からの燃料添加を終了させる。続いて、Ｓ１０８の処理では、ＥＣＵ１０は、フィルタ５０ａを流通する排気流量を現時点の排気流量より減量させる。具体的には、ＥＣＵ１０は、スロットル弁４１の開度を現時点より減少させる。なお、排気流量の減量は、内燃機関１の要求トルクを満たす排気流量の範囲において可能な限り少ない排気流量まで減量させればよい。また、内燃機関１を搭載する車両の動力源として、内燃機関１以外の動力源（例えば、電動モータ等）が搭載されている場合は、内燃機関１の吸入空気量を該内燃機関１のアイドル運転時における吸入空気量まで減少するように、スロットル弁４１の開度を減少させてもよい。
【００２７】
ＥＣＵ１０は、前記したＳ１０７及びＳ１０８の処理を実行した後に、Ｓ１０９の処理へ進む。Ｓ１０９の処理では、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁５１による燃料添加が終了され、且つ排気流量が減量された時点から、所定期間が経過したか否かを判別する。ここでいう所定期間は、前記Ｓ１０２の処理で算出されたＰＭ堆積量ΣＰＭのＰＭが酸化しきるまでに要する期間である。その際、ＰＭ堆積量ΣＰＭと所定期間との関係を予め実験的に求めておき、ＰＭ堆積量ΣＰＭを引数として所定期間の長さが決定されてもよい。また、差圧センサ５３により検出される前後差圧と排気流量とをパラメータとして、フィルタ５０ａに残留しているＰＭ量を演算し、そのＰＭ量が所定量以下になった時点で前記所定期間が経過したと判定してもよい。
【００２８】
前記Ｓ１０９の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、該Ｓ１０９の処理を繰り返し実行する。一方、前記Ｓ１０９の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１１０の処理へ進み、排気流量を通常の排気流量（すなわち、内燃機関１の運転条件に応じて定まる排気流量）に戻して、本処理ルーチンの実行を終了する。
【００２９】
以上述べたようにＥＣＵ１０が図２の処理ルーチンを実行すると、フィルタ５０ａの過昇温を抑制しつつ、フィルタ５０ａに残留しているＰＭを酸化及び除去することができる。また、フィルタ５０ａに残留しているＰＭ量が所望量以下となるまで、燃料添加弁５１からの燃料添加を行う必要がないため、フィルタ再生処理に要する燃料量を少なく抑えることもできる。よって、本実施例のフィルタ再生処理によれば、フィルタ５０ａの過昇温を抑制しつつ、フィルタ再生処理を効率的に行うことができる。
【符号の説明】
【００３０】
１      内燃機関
２      気筒
３      燃料噴射弁
４      吸気通路
５      排気通路
１０    ＥＣＵ
４０    エアフローメータ
４１    スロットル弁
５０    フィルタケーシング
５０ａ  パティキュレートフィルタ
５１    燃料添加弁
５２    排気温度センサ
５３    差圧センサ
【図１】
2017150411.tif 000003
【図２】
2017150411.tif 000004