JP2010024964A

JP2010024964A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2010024964A
Application number: JP2008187301A
Authority: JP
Inventors: Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-07-18
Also published as: JP4640464B2; EP2147713A1; ATE490017T1; DE602009000413D1; EP2147713B1

Abstract

【課題】この発明は、始動直後にＰＭフィルタの再生処理が必要となる状況を回避し、始動時の機関効率や排気エミッションを向上させることを目的とする。
【解決手段】内燃機関１０は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するＰＭフィルタ１４と、オゾンを発生するオゾン発生器１６と、排気圧Ｐを検出する排気圧センサ２４とを備える。ＥＣＵ３０は、自動停止装置から停止指令が入力されていない通常の運転状態において、排気圧Ｐが通常時の上限判定値Ｐ0を超えたときに、ＰＭフィルタ１４にオゾンを供給する。また、停止指令が入力された状態では、上限判定値Ｐ0を通常時よりも小さい上限判定値Ｐ_LOWに切換える。これにより、内燃機関の停止前にフィルタ１４内のＰＭを可能な限り燃焼させておくことができる。従って、再始動時には、フィルタの再生処理がすぐに必要となる状況を回避することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に好適に用いられる排気浄化装置に関し、特に、活性酸素を利用する構成とした内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来技術として、例えば特許文献１（特開２００６−９７４７７号公報）に開示されているように、プラズマアシスト型のＰＭ排気触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置が知られている。従来技術の排気浄化装置は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を触媒中に捕集する。そして、ＰＭの捕集量が許容限度を超えると、この状態を排気圧センサ等により検出し、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させる。これにより、触媒中のＰＭは、プラズマとの反応により燃焼、浄化される。

特開２００６−９７４７７号公報

ところで、上述した従来技術では、例えば触媒中のＰＭがほぼ許容限度まで溜まっているときに、内燃機関が停止されることがある。この場合には、内燃機関を再始動した時点で、すぐにプラズマ発生装置が作動する状況が考えられる。しかしながら、再始動時には、ＰＭ排気触媒の温度や排気温度が十分に上昇していないので、プラズマ発生装置を作動させたとしても、ＰＭが効率よく燃焼せず、排気エミッションが悪化する虞れがある。しかも、ＰＭの燃焼効率が低いので、プラズマ発生装置の稼働時間が長くなり、消費電力が増えるという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、始動直後にＰＭフィルタの再生処理が必要となる状況を回避することができ、始動時の機関効率や排気エミッションを向上させることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。

第１の発明は、内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を捕集するＰＭフィルタと、
前記ＰＭフィルタに供給するための活性酸素を発生する活性酸素発生手段と、
前記ＰＭフィルタの近傍で排気圧を検出する排気圧検出手段と、
前記排気圧が上限判定値を超えていると判定したときに、前記活性酸素発生手段により前記ＰＭフィルタに活性酸素を供給する供給制御手段と、
外部から内燃機関に対して停止指令が入力されたときに、前記上限判定値を前記停止指令が入力されていない通常時の値よりも小さくする判定値可変手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明によると、前記第１の発明において、
前記活性酸素発生手段は、前記活性酸素としてオゾンを発生する構成としている。

第１の発明によれば、供給制御手段は、排気圧が上限判定値を超えていると判定したときに、ＰＭフィルタに活性酸素を供給し、フィルタの再生処理を行うことができる。この判定処理は、例えば自動停止装置等の機器から停止指令が入力されていないときに、通常時の上限判定値を用いて実行される。一方、停止指令を受けたときには、通常時よりも小さい上限判定値を用いて前記判定処理を行うことができる。

これにより、停止指令を受けたときには、ＰＭの捕集量が通常の判定基準では問題ないレベルでも、ＰＭフィルタにオゾンを供給し、フィルタ内のＰＭを内燃機関の停止前に可能な限り燃焼させておくことができる。この結果、内燃機関の停止後にＰＭフィルタ内に残留するＰＭの残留量を大きく減少させることができる。従って、再始動時には、ＰＭの燃焼効率が良くないにも拘らず、始動直後にＰＭの再生処理がすぐに必要となる状況を回避することができ、始動時の排気エミッションや機関効率を向上させることができる。

第２の発明によれば、活性酸素としてオゾンを用いることにより、オゾンの発生やＰＭフィルタへの供給等を容易に実現することができる。従って、上記第１の発明の効果をより顕著に発揮させることができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１及び図２を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、例えばディーゼルエンジンにより構成された内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、燃焼室内に吸入空気を吸込む吸気通路（図示せず）と、燃焼室から排出された排気ガスが流れる排気通路１２とを備えている。そして、内燃機関１０は、吸入空気と燃料とを筒内で燃焼させることにより、排気通路１２から排気ガスを排出する。

排気通路１２には、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して浄化するＰＭフィルタ１４が設けられている。ＰＭフィルタ１４は、例えばディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）、またはＤＰＦに各種の触媒を一体化した触媒一体型のＤＰＦにより構成されている。

また、ＰＭフィルタ１４には、活性酸素発生手段としてのオゾン発生器１６が付設されている。オゾン発生器１６は、後述のパルス電源回路２０から高電圧パルスを供給されることにより、外気等の乾燥した空気を原料としてオゾンを発生させるものである。この場合、オゾン発生器１６としては、高電圧を印加可能な放電管内に、原料となる乾燥した空気または酸素を流しつつオゾンを発生させる形態や、他の任意の形式のものを用いることができる。そして、オゾン発生器１６により発生したオゾンは、供給通路１８を介して排気通路１２に導入され、ＰＭフィルタ１４の上流側に供給される。これにより、後述のＰＭ燃焼処理では、フィルタ１４内のＰＭを効率よく燃焼させることができる。

次に、オゾン発生器１６を駆動するためのパルス電源回路２０について説明する。パルス電源回路２０は、バッテリ２２の電圧によりパルス状の高電圧を発生するもので、一般的に公知な回路である。パルス電源回路２０は、コンデンサＣ1，Ｃ2，Ｃ3，Ｃ4、トランスＴ1，Ｔ2、サイリスタＴh、磁気スイッチＳ1,Ｓ2を備えている。

そして、パルス電源回路２０の作動時には、まず、トランスＴ1を含む高速充電回路により、バッテリ電圧を昇圧しつつコンデンサＣ1に充電する。この状態で、サイリスタＴhがＯＮされると、コンデンサＣ1の電圧は、トランスＴ2により更に昇圧された後に、コンデンサＣ2に充電される。このとき、磁気スイッチＳ1,Ｓ2が所定のタイミングで作動することにより、コンデンサＣ2の電圧は、短パルス化されながらコンデンサＣ3，Ｃ4に順次転送される。そして、最終的には、コンデンサＣ4からオゾン発生器１６に高電圧パルスが出力されるものである。

さらに、本実施の形態のシステムは、排気圧センサ２４を含むセンサ系統と、内燃機関１０を運転制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０とを備えている。排気圧センサ２４は、ＰＭフィルタ１４の近傍の上流側に配置された排気圧検出手段であり、この位置で排気圧Ｐを検出する。ＰＭフィルタ１４の通気抵抗、即ち、ＰＭフィルタ１４に捕集されたＰＭの量が増大すると、これに応じて上流側の排気圧も増大する。このため、ＥＣＵ３０は、ＰＭの捕集量に対応するパラメータとして、排気圧を取得することができる。

一方、上述したセンサ系統には、排気圧センサ２４以外にも、内燃機関１０の運転制御に必要な各種のセンサが含まれている。一例を挙げれば、クランク角を検出するクランク角センサ、吸入空気量を検出するエアフロメータ、冷却水の温度を検出する水温センサ、などである。また、内燃機関１０は、燃料噴射弁、点火プラグ等を含む各種のアクチュエータを備えている。そして、ＥＣＵ３０は、センサ系統により検出した運転状態情報に基いて、各アクチュエータを駆動することにより、内燃機関を運転制御する。

また、ＥＣＵ３０は、パルス電源回路２０を制御するための出力端子Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3を備えている。出力端子Ｇ1は、磁気スイッチＳ1,Ｓ2を初期化するための端子であり、出力端子Ｇ2は、ＰＷＭ信号により前記高速充電回路を作動させるための端子である。また、出力端子Ｇ3は、コンデンサＣ1からコンデンサＣ2，Ｃ3，Ｃ4へのパルス転送を開始させるための端子である。ＥＣＵ３０は、全ての出力端子Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3をＯＮ状態に切換えることにより、パルス電源回路２０からオゾン発生器１６に高電圧パルスを出力し、オゾンを発生させることができる。また、全ての出力端子Ｇ1〜Ｇ3をＯＦＦ状態に切換えることにより、オゾンの発生を停止させることができる。

さらに、本実施の形態のシステムは、車載された他の制御装置からＥＣＵ３０に停止指令が入力されたときに、内燃機関１０が停止するように構成されている。他の制御装置とは、一例を挙げれば、特開２００６−３１６６７１号公報に記載された内燃機関の自動停止装置などである。この自動停止装置は、車両のアイドル運転時に内燃機関を停止させるアイドルストップ制御を行う。

具体的に述べると、自動停止装置は、例えばブレーキスイッチ、アクセル開度センサ、車速センサ等の情報に基いて、車両が停止したかどうかを判定する。そして、車両の停止時には、ＥＣＵ３０に向けて内燃機関の停止指令を発生する。ＥＣＵ３０は、この停止指令を受けた場合に、機関の停止に必要な所定の停止準備処理を実行してから、内燃機関を停止させる。この停止準備処理には、後述するＰＭ燃焼制御の一部が含まれている。

（ＰＭ燃焼制御）
ＰＭフィルタ１４により捕集されたＰＭの捕集量が増大すると、フィルタの目詰り等が生じ易くなる。このため、ＰＭ燃焼制御では、排気圧センサ２４により検出した排気圧Ｐに応じて、フィルタ１４内のＰＭを燃焼させる。具体的には、ＰＭの捕集量が増大することにより、排気圧Ｐが通常時の上限判定値Ｐ0を超えて増大したときに、オゾン発生器１６によりＰＭフィルタ１４にオゾンを供給する。

ここで、上限判定値Ｐ0とは、フィルタ１４により捕集することができるＰＭの捕集量の許容限度等に対応して予め設定されている。フィルタ１４内のＰＭは、高温の排気ガスが存在する状態でオゾンの強い酸化力が作用することにより、効率よく酸化、燃焼される。従って、ＰＭ燃焼制御によれば、オゾンの酸化力を利用してＰＭフィルタ１４を速やかに再生することができる。

一方、内燃機関が間もなく停止するような場合、即ち、自動停止装置からＥＣＵ３０に停止指令が入力された場合などには、機関の停止前にＰＭの捕集量を可能な限り減少させておくことが好ましい。何故なら、再始動時には、ＰＭフィルタ１４の温度や排気温度が低いので、オゾンを供給しても、ＰＭが効率よく燃焼しない虞れがある。しかも、ＰＭの燃焼効率が低いと、オゾン発生器１６の稼働時間が長くなり、消費電力が増大する。

そこで、本実施の形態では、ＥＣＵ３０が停止指令を受けたときに、前述した通常時の上限判定値Ｐ0を、これよりも小さい上限判定値Ｐ_LOWに切換える（Ｐ0＞Ｐ_LOW）。この結果、停止指令の入力時には、通常時と比較してＰＭの捕集量が少量であっても、ＰＭフィルタ１４にオゾンが供給されるようになる。

この構成によれば、停止指令を受けたときには、通常時よりも小さい上限判定値Ｐ_LOWを用いて排気圧の判定処理を行うことができる。これにより、停止指令を受けたときには、ＰＭの捕集量が通常の判定基準では問題ないレベルでも、ＰＭフィルタ１４にオゾンを供給し、フィルタ内のＰＭを内燃機関の停止前に可能な限り燃焼させておくことができる。この結果、内燃機関の停止後にフィルタ１４内に残留するＰＭの残留量を大きく減少させることができる。従って、再始動時には、ＰＭの燃焼効率が良くないにも拘らず、始動直後にＰＭの再生処理がすぐに必要となる状況を回避することができ、始動時の排気エミッションや機関効率を向上させることができる。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図２は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ３０により実行される制御のフロチャートである。なお、図２に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰返し実行される。このルーチンでは、まず、自動停止装置から停止指令が入力されているか否かを判定する（ステップ１００）。この判定の成立時には、上限判定値Ｐxを通常時よりも小さい判定値Ｐ_LOWに設定する（ステップ１０２）。一方、ステップ１００の判定が不成立のときには、上限判定値Ｐxを通常時の判定値Ｐ0に設定する（ステップ１０４）。

そして、排気圧センサ２４により排気圧Ｐを検出し（ステップ１０６）、この排気圧Ｐが上限判定値Ｐxよりも大きいか否かを判定する（ステップ１０８）。この判定が成立したときには、オゾン発生器１６を作動させ、発生したオゾンをＰＭフィルタ１４に供給する。また、ステップ１０８の判定が不成立のときには、オゾン発生器１６を停止し、ＰＭフィルタ１４に対するオゾンの供給を停止する（ステップ１１０）。

なお、前記実施の形態１では、図２中のステップ１０６〜１１０が供給制御手段の具体例を示している。また、ステップ１００〜１０４は、判定値可変手段の具体例を示している。

また、実施の形態では、内燃機関に停止指令を入力する装置として、アイドルストップ制御等を行う自動停止装置を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば内燃機関と電動モータとを動力源として併用するハイブリッド車において、モータ走行を行うために内燃機関を停止させる場合にも、実施の形態１の制御を適用することができる。この場合、モータ走行を行う条件が成立して内燃機関側に停止指令を出力するときに、実施の形態１の制御を実行すればよい。

また、本発明は、例えばディレイ付きの電源遮断回路等を使用することにより、運転者がイグニッションキーをＯＦＦする通常の機関停止時にも適用することが可能である。この場合、電源遮断回路は、例えばイグニッションキーがＯＦＦされてから一定時間だけオゾン発生器１６に電力を供給し続け、その後に電源を自動的に遮断する。この一定時間の間に実施の形態１の制御を実施することができる。

また、実施の形態では、ＰＭの捕集量に対応するパラメータとして、排気圧センサ２４によりＰＭフィルタ１４の上流側で圧力を検出するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えばＰＭフィルタ１４の下流側に他の触媒、フィルタ等が存在する場合には、ＰＭフィルタ１４の下流側で排気圧を検出する構成としてもよい。この場合、排気圧は、ＰＭの捕集量が増えるにつれて減少する。また、ＰＭフィルタ１４の上流側と下流側の圧力差を検出する構成としてもよい。

また、実施の形態では、ＰＭフィルタ１４として、ＤＰＦまたは触媒一体型のＤＰＦを用いるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、ＤＰＦ以外のＰＭフィルタを用いる構成としてもよい。

また、実施の形態では、排気ガス中に添加する活性酸素として、オゾンを例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、オゾンに代えて、他の種類の活性酸素（例えば、Ｏ^-，Ｏ^2-，Ｏ₂ ^-，Ｏ₃ ^-，Ｏ_n ^-等で表される酸素マイナスイオン）を排気ガス中に添加するようにしてもよい。

さらに、実施の形態では、ディーゼルエンジンからなる内燃機関１０に適用する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えばガソリンエンジン等を含めて各種の内燃機関に広く適用し得るものである。

また、実施の形態では、オゾン発生器１６を排気ガスの流路外に設け、ＰＭフィルタ１４とは別個に配置する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、オゾン発生器を排気ガスの流路中に配置したり、ＰＭフィルタの内部に配置する構成としてもよい。そして、このような配置を採用した場合には、例えば排気ガスの流路中やＰＭフィルタの内部で高電圧パルス等によりプラズマを発生させ、これにより活性酸素（オゾン）を生成する構成としてもよい。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行されるＰＭ燃焼制御のフロチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
１２排気通路
１４ＰＭフィルタ
１６オゾン発生器（活性酸素発生手段）
１８オゾン供給通路
２０パルス電源回路
２２バッテリ
２４排気圧センサ（排気圧検出手段）
３０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を捕集するＰＭフィルタと、
前記ＰＭフィルタに供給するための活性酸素を発生する活性酸素発生手段と、
前記ＰＭフィルタの近傍で排気圧を検出する排気圧検出手段と、
前記排気圧が上限判定値を超えていると判定したときに、前記活性酸素発生手段により前記ＰＭフィルタに活性酸素を供給する供給制御手段と、
外部から内燃機関に対して停止指令が入力されたときに、前記上限判定値を前記停止指令が入力されていない通常時の値よりも小さくする判定値可変手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記活性酸素発生手段は、前記活性酸素としてオゾンを発生する構成としてなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。