JP2015010470A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタの再生が行われる機会を増やす。【解決手段】酸化機能を有する触媒と、フィルタと、を順に備えた火花点火式の内燃機関の排気浄化装置において、フィルタに捕集されている粒子状物質の量が所定量以上、且つ、減速時において内燃機関の燃料カットを実施する条件が成立した場合であっても、フィルタの温度が粒子状物質を除去可能な所定温度よりも低い場合には、燃料供給を継続しつつ、少なくとも一部の気筒において火花点火を停止させる制御装置を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）を捕集するフィルタを備えることがある。フィルタに捕集されているＰＭ量（以下、ＰＭ堆積量ともいう。）が一定量に達すると、ＰＭを酸化させて除去する処理を実施する。この処理をフィルタの再生という。フィルタに捕集されているＰＭが酸化されるためには、フィルタの温度が所定温度以上となっており、且つ、フィルタ内の酸素濃度が所定濃度以上となっていることが必要となる。

ところで、火花点火式のガソリン機関では、通常は、理論空燃比またはリッチ空燃比で運転されているため、フィルタ内の酸素濃度が低い。そして、フィルタに酸素が供給されるのは、リーン空燃比で運転している場合や、減速などで燃料カットが行われた場合などに限られる。しかし、ＰＭ堆積量が比較的多いときであってフィルタの温度が比較的高い場合に燃料カットが実施されると、フィルタに捕集されているＰＭが一斉に酸化され、このときの反応熱により、フィルタが過熱することがある。

これに対して、ＰＭ堆積量が比較的多く、且つ、フィルタの温度が比較的高い場合には、燃料カットを禁止することでフィルタの過熱を抑制することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、低速運転時などでフィルタの温度が比較的低い場合には、燃料カットを実施してもフィルタの温度が低いためにＰＭが酸化されない場合もある。そして、フィルタの温度が低い状態が続くと、フィルタの再生が実施されないために、ＰＭ堆積量が増加する。これにより、フィルタに詰まりが発生する虞がある。また、低速運転によりＰＭ堆積量が比較的多くなった後に高速運転に移行すると、燃料カット時にフィルタに捕集されているＰＭが一斉に酸化されることで、フィルタが過熱することがある。このときにフィルタの過熱を抑制しようとして、燃料カットを禁止すると、フィルタの詰まりが発生する虞がある。

また、フィルタの温度を上昇させる目的で、減速時にトルクが大きくならないような少量の燃料噴射を実施することも考えられる。しかし、燃料の燃焼のために酸素が消費されると、フィルタに供給される酸素の量が少なくなるため、フィルタの再生が困難となる虞がある。

特開２００９−０７４４２６号公報 特開２００２−０９７９８６号公報 特開２０１０−１８０８１４号公報 特開２０１２−０７７６９４号公報 特開２００９−１２７５５９号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フィルタ
の再生が行われる機会を増やすことにある。

上記課題を達成するために本発明は、
内燃機関の排気通路に設けられ酸化機能を有する触媒と、
前記触媒よりも下流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と、
を備えた火花点火式の内燃機関の排気浄化装置において、
前記フィルタに捕集されている粒子状物質の量が所定量以上、且つ、減速時において前記内燃機関の燃料カットを実施する条件が成立した場合であっても、前記フィルタの温度が粒子状物質を除去可能な所定温度よりも低い場合には、燃料供給を継続しつつ、少なくとも一部の気筒において火花点火を停止させる制御装置を備える。

所定量は、フィルタの再生が必要となるＰＭ量またはフィルタの再生が要求されるＰＭ量とすることができる。また、所定量は、フィルタの再生を実施しなければ、フィルタに詰まりが生じ得るＰＭ量または内燃機関に悪影響を与えるＰＭ量としてもよい。所定温度はＰＭを除去可能な温度であるが、この所定温度は、ＰＭが酸化される温度またはＰＭの酸化速度が許容範囲となる温度としてもよい。また、所定温度は、ＰＭを除去可能な温度、ＰＭが酸化される温度またはＰＭの酸化速度が許容範囲となる温度に対して、ある程度の余裕を持たせた値にしてもよい。

ここで、フィルタの温度がＰＭを除去可能な温度よりも低い場合には、燃料カットを実施してもフィルタの再生が行われない。したがって、ＰＭ堆積量が所定量以上であり、且つ、フィルタの温度がＰＭを除去可能な所定温度よりも低い場合には、フィルタの再生が必要であるにも関わらず、フィルタの温度がフィルタの再生に必要となる条件を満たしていないといえる。

このような場合に、制御装置はフィルタの温度を上昇させる。すなわち、燃料供給を継続しつつ、少なくとも一部の気筒では火花点火を停止させることにより、火花点火を停止させた気筒から未燃燃料及び酸素が触媒へ供給される。未燃燃料と酸素とが触媒で反応することにより熱が発生すれば、触媒よりも下流のフィルタの温度を上昇させることができる。

また、本発明においては、前記燃料供給を継続するのは、前記火花点火を停止させる気筒に限ることができる。

火花点火を停止させる気筒に限り、燃料供給を継続すれば、他の気筒からは空気が排出される。したがって、フィルタにより多くの酸素を供給することができる。また、燃料供給を継続する気筒では、火花点火が停止されるため、未燃燃料及び酸素を排出させることができる。これにより、触媒において熱を発生させることができる。また、このときには内燃機関の気筒内において燃料を燃焼させる必要がないため、空燃比を比較的高くすることができる。これにより、フィルタにおいて酸素が不足することを抑制できる。

また、本発明においては、前記制御装置は、前記燃料供給を継続しつつ、少なくとも一部の気筒において火花点火を停止させる場合には、フィルタに流入する排気中の酸素濃度が所定濃度以上となるように燃料の供給量を調整することができる。

所定濃度は、ＰＭが酸化される濃度としてもよく、ＰＭの酸化速度が許容範囲となる濃度としてもよい。また、排気の空燃比が所定空燃比以上となるようにしてもよい。この所定空燃比は、ＰＭが酸化される空燃比としてもよく、ＰＭの酸化速度が許容範囲となる空燃比としてもよい。ここで、燃料供給を継続しつつ、少なくとも一部の気筒において火花
点火を停止させた場合に、供給する燃料の量が多いほど、触媒においてより多くの酸素が消費される。そして、供給する燃料の量が多すぎると、触媒において殆どの酸素が消費されてしまい。フィルタへ供給される酸素がなくなってしまう。これに対し、燃料の供給量を調整することで、触媒において過剰に酸素が消費されることを抑制できるので、フィルタへ酸素を供給することができる。

また、本発明においては、前記フィルタの温度が前記所定温度よりも低い場合において、前記フィルタの温度が低くなるほど、前記所定量が小さくなってもよい。

ここで、フィルタの温度が所定温度以下の場合には、フィルタの温度が低いほど、所定温度に上昇するまでにより多くの熱や時間を要し、所定温度に上昇するまでにより多くのＰＭがフィルタに捕集され得る。そして、フィルタの温度が所定温度に達するまでに多くのＰＭがフィルタに捕集されると、所定温度に達する前にフィルタが詰まる虞がある。これに対して、フィルタの温度が低いほど、ＰＭ堆積量がより少ない状態からフィルタの温度を上昇させておけば、フィルタの詰まりを抑制できる。また、フィルタの温度が所定温度より低い場合であっても、所定温度に比較的近い場合には、フィルタが詰まる確率も低くなるので、ＰＭ堆積量がより多い状態となるまで減速時に全気筒で燃料カットを実施することにより、燃料の消費量を低減することができる。

本発明によれば、フィルタの再生が行われる機会を増やすことができる。

実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。 実施例１に係るフィルタの温度と、ＰＭ堆積量と、燃料カットを行う領域と、の関係を示した図である。 実施例１に係る燃料カット制御のフローを示したフローチャートである。 実施例２に係るフィルタの温度と、ＰＭ堆積量と、燃料カットを行う領域と、の関係を示した図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、火花点火式のガソリン機関である。内燃機関１は、たとえば車両に搭載される。また、内燃機関１は、複数の気筒を有する。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、上流側から順に、触媒３と、フィルタ４とが備えられている。

触媒３は、酸化機能を有し、排気を浄化する触媒である。触媒３は、例えば、三元触媒、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒であってもよい。フィルタ４は、排気中のＰＭを捕集する。そして、本実施例においては触媒３が、本発明における酸化機能を有する触媒に相当する。

また、触媒３よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第一温度センサ１１が設けられている。また、触媒３よりも下流で且つフィルタ４よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第二温度センサ１２が設けられている。第一温度センサ１１または第二温度センサ１２の検出値に基づいて、触媒３の温度を検出することができる。また、第二温度センサ１２の検出値に基づいて、フィルタ４の温度を検出することができる。なお、内燃機関１の運転状態に基づいて、触媒３及びフィルタ４の温度を推定することもできる。

また、触媒３よりも上流の排気通路２には、排気の空燃比を検出する第一空燃比センサ１３が設けられている。触媒３よりも下流で且つフィルタ４よりも上流の排気通路２には、排気の空燃比を検出する第二空燃比センサ１４が設けられている。なお、第一空燃比センサ１３及び第二空燃比センサ１４は、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサとしてもよい。

また、内燃機関１には、吸気通路５が接続されている。吸気通路５の途中には、内燃機関１の吸入空気量を調整するスロットル６が設けられている。また、スロットル６よりも上流の吸気通路５には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１５が取り付けられている。

また、内燃機関１には、内燃機関１へ燃料を供給する燃料噴射弁７が取り付けられている。なお、燃料噴射弁７は、内燃機関１の気筒内に燃料を噴射するものであってもよく、吸気通路５内に燃料を噴射するものであってもよい。また、内燃機関１には、気筒内に電気火花を発生させる点火プラグ８が設けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。

また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１６を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１７、および機関回転数を検知するクランクポジションセンサ１８が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。

一方、ＥＣＵ１０には、スロットル６、燃料噴射弁７、点火プラグ８が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。例えば、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の気筒内の空燃比が通常は理論空燃比またはその近傍となるように燃料噴射弁７からの燃料噴射量を制御する。

そして、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の減速時（車両の減速時としてもよい。）に、燃料噴射弁７からの燃料の供給を停止させる。すなわち、燃料カットを実施する。燃料カットは、例えば、アクセル開度が所定開度以下で、且つ、機関回転数が所定回転数以上のときに実施される。

また、ＥＣＵ１０は、フィルタ４に堆積しているＰＭ量（以下、ＰＭ堆積量という。）を推定する。ＰＭ堆積量は、過去の機関回転数及び機関負荷に基づいて推定してもよいし、フィルタ４よりも上流と下流との排気の圧力差に基づいて推定してもよい。フィルタ４に堆積しているＰＭは、フィルタ４の温度が、ＰＭが酸化する温度以上となっており、且つ、フィルタ４に酸素が供給されることで、酸化され除去される。

また、ＥＣＵ１０は、フィルタ４の再生が必要であるにも関わらず、フィルタ４の温度
がＰＭを酸化可能な温度よりも低い場合には、燃料カット時に少なくとも一部の気筒において燃料噴射弁７による燃料噴射を実施し且つ点火プラグ８による火花点火を停止させる。ここで、フィルタ４の再生が必要であるにも関わらず、フィルタ４の温度がＰＭを酸化可能な温度よりも低い場合には、燃料カット時に酸素がフィルタ４へ流入しても、フィルタ４からＰＭを除去することは困難である。この場合に、ＥＣＵ１０は、フィルタ４の温度を上昇させることにより、フィルタ４の再生を可能とする。

すなわち、少なくとも一部の気筒において燃料噴射を実施し且つ火花点火を停止させることにより、内燃機関１から未燃燃料及び酸素を排出させることができる。この未燃燃料及び酸素が触媒３で反応するときに発生する熱により、フィルタ４の温度を上昇させることができる。また、燃料カットを実施する気筒を残しておけば、触媒３及びフィルタ４へ供給する酸素量を増加させることができる。

図２は、本実施例に係るフィルタ４の温度と、フィルタ４に堆積しているＰＭ量（以下、ＰＭ堆積量という。）と、燃料カットを行う領域と、の関係を示した図である。Ａは、減速時に少なくとも一部の気筒において燃料噴射を実施し且つ火花点火を停止させる領域である。Ａの領域は、フィルタ４の温度が、フィルタ４の再生が可能となる所定温度よりも低く、且つ、ＰＭ堆積量が、フィルタ４の再生が必要となる所定量以上の領域である。

Ｂの領域は、減速時であっても燃料カットが禁止される領域である。Ｂの領域は、ＰＭ堆積量が比較的多く且つフィルタ４の温度が比較的高い領域であって、燃料カットを実施するとフィルタ４に捕集されているＰＭが一斉に酸化することで該フィルタ４が過熱する虞のある領域である。Ｂの領域は、フィルタ４の温度が例えば７５０℃前後の温度以上の領域であるが、フィルタ４の温度が高くなるほど、より少ないＰＭ堆積量であっても過熱し易くなるので、Ｂの領域は、フィルタ４の温度が高いほど、ＰＭ堆積量がより少なくなる方向に拡大される。逆に、フィルタ４の温度が高くても、ＰＭの堆積量が少なければ、フィルタ４が過熱する可能性は低くなる。Ｂの領域では、減速時の燃料カットを禁止することで、フィルタ４の過熱を抑制し得る。

Ｃの領域は、Ａ及びＢ以外の領域であり、減速時に全気筒において燃料カットを実施する領域である。Ｃの領域であって、ＰＭ堆積量が所定量未満の場合には、フィルタ４の再生をする必要がないため、一部の気筒における燃料噴射は実施しない。これにより、燃料の消費量を低減することができる。また、Ｃの領域であって、フィルタ４の温度が所定温度以上で且つＰＭ堆積量が所定量以上の場合には、全気筒において燃料カットを実施することにより、フィルタ４の再生を実施することができる。

図３は、本実施例に係る燃料カット制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、燃料カットの要求があるか否か判定される。例えば、機関回転数が所定回転数以上で且つアクセル開度が所定開度以下の場合に、燃料カットの要求があると判定される。所定回転数及び所定開度は実験等により最適値を求めて予め設定しておく。なお、本ステップでは、燃料カットを実施する条件が成立しているか否か判定してもよい。例えば、機関回転数が所定回転数以上で且つアクセル開度が所定開度以下の場合に、燃料カットを実施する条件が成立していると判定される。また、本ステップでは、減速状態であるか否か判定してもよい。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０２では、ＰＭ堆積量が検出される。ＰＭ堆積量は、過去の機関回転数及び機関負荷から推定してもよいし、差圧センサを用いて推定してもよい。

ステップＳ１０３では、フィルタ温度が検出される。フィルタ温度は、フィルタ４の温度であり、第二温度センサ１２の検出値に基づいて得られる。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２で得られるＰＭ堆積量及びステップＳ１０３で得られるフィルタ温度が、図２におけるＡの領域内であるか否か判定される。すなわち、フィルタ４の温度が所定温度未満で、且つ、ＰＭ堆積量が所定量以上であるか否か判定される。本ステップでは、フィルタ４の再生が必要であるにも関わらず、フィルタ４の温度がＰＭを酸化可能な温度よりも低いか否か判定している。ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０５では、少なくとも一部の気筒において燃料噴射を実施し且つ火花点火を停止させる。このときの燃料噴射量の最適値、及び、燃料噴射を実施する気筒数は、予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。また、火花点火を停止させるのは、燃料噴射を実施する気筒に限ってもよい。また、全気筒において燃料噴射を実施し且つ点火プラグ８による火花点火を停止させてもよい。なお、本実施例においてはステップＳ１０５を処理するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０２で得られるＰＭ堆積量及びステップＳ１０３で得られるフィルタ温度が、図２におけるＢの領域内であるか否か判定される。本ステップでは、燃料カットを実施すると、フィルタ４が過熱するか、または、過熱する虞があるか否か判定している。ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０７では、燃料カットが禁止される。これにより、フィルタ４の過熱を抑制し得る。一方、ステップＳ１０７では、全気筒において燃料カットが実施される。これにより、フィルタ４の再生が実施されたり、燃料の消費量を低減することができる。

ところで、燃料カット時には内燃機関からトルクを発生させる必要はないため、少なくとも一部の気筒で燃料噴射を実施するときの燃料噴射量を任意に決定することができる。しかし、燃料噴射量を多くし過ぎると、触媒３における酸素の消費量が多くなるため、フィルタ４の再生が困難となる場合もある。

これに対してＥＣＵ１０は、フィルタ４に流入する排気中の酸素濃度が所定濃度以上となるように、燃料噴射弁７からの燃料噴射量または燃料噴射を実施する気筒数を調整してもよい。この所定濃度は、ＰＭが酸化される濃度、または、ＰＭの酸化速度が許容範囲となる濃度としてもよい。このときの燃料噴射量の最適値、及び、燃料噴射を実施する気筒数は、予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。また、フィルタ４に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりも高い空燃比（リーン空燃比）となるように、燃料噴射量を調整してもよい。なお、第二空燃比センサ１４の検出値に基づいて、燃料噴射量をフィードバック制御してもよい。

以上説明したように、本実施例によれば、燃料カットを実施する条件が成立している場合であっても、少なくとも一部の気筒において燃料噴射を実施し、火花点火を停止することで、触媒３に酸素及び未燃燃料を供給することができる。これにより、触媒３で熱を発生させることができるので、フィルタ４の温度を所定温度以上まで上昇させることができる。また、気筒内から酸素を多く排出されることができるので、フィルタ４にも酸素を供給することができる。これにより、フィルタ４におけるＰＭの酸化を促進させることができる。よって、フィルタ４の再生を実施する機会を増やすことができる。

また、フィルタ４に流入する排気中の酸素濃度を所定濃度とすることにより、フィルタ４の再生をより確実に実施することができる。

（実施例２）
図４は、本実施例に係るフィルタ４の温度と、フィルタ４に堆積しているＰＭ量（以下、ＰＭ堆積量という。）と、燃料カットを行う領域と、の関係を示した図である。本実施例は、一部の気筒において燃料噴射を実施し且つ火花点火を停止させる領域が、実施例１と異なる。その他の装置等は実施例１と同じため説明を省略する。

図４において、Ａの領域は、減速時に少なくとも一部の気筒において燃料噴射を実施し且つ火花点火を停止させる領域である。本実施例では、フィルタ４の温度が低いほど、ＰＭ堆積量がより少ない状態で、一部の気筒において燃料噴射を実施し且つ火花点火を停止させるようにＡの領域が決定される。すなわち、フィルタ４の温度が所定温度よりも低い場合において、フィルタ４の温度が低くなるほど、所定量が小さくなる。これに合わせて、Ｃの領域も変わる。なお、Ｂの領域については、実施例１と同じである。

このように、Ａの領域は、フィルタ４の温度が低いほど、ＰＭ堆積量がより少なくなる方向へ拡大する。換言すると、Ａの領域は、ＰＭ堆積量が少ないほど、フィルタ４の温度がより低くなる方向へ縮小する。

ここで、フィルタ４の温度が低いほど、ＰＭは酸化され難くなる。また、所定温度以下では、フィルタ４の温度が低いほど、所定温度に上昇するまでにより多くの熱や時間を要し、所定温度に上昇するまでにより多くのＰＭがフィルタ４に捕集される。そして、所定温度に上昇するまでに多くのＰＭがフィルタ４に捕集されると、所定温度に達する前にフィルタ４が詰まる虞がある。

これに対して、フィルタ４の温度が低いほど、ＰＭ堆積量がより少ない状態で、減速時にフィルタ４の温度を上昇させれば、フィルタ４の詰まりを抑制できる。また、フィルタ４の温度が所定温度未満であっても、所定温度に比較的近い場合には、フィルタ４が詰まる確率も低くなるので、ＰＭ堆積量がより多い状態となるまで、減速時に全気筒で燃料カットを実施することにより、燃料の消費量を低減することができる。また、フィルタ４の温度が所定温度以上であっても、減速時に温度の低い排気がフィルタ４に流入すると、フィルタ４の温度が所定温度よりも低くなる虞がある。これに対して、図４に示すように、Ａの領域を所定温度以上まで広げてもよい。これにより、減速時のフィルタ４の温度低下を抑止することができるので、より確実にフィルタ４の再生を実施することができる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 触媒
４ フィルタ
５ 吸気通路
６ スロットル
７ 燃料噴射弁
８ 点火プラグ
１０ ＥＣＵ
１１ 第一温度センサ
１２ 第二温度センサ
１３ 第一空燃比センサ
１４ 第二空燃比センサ
１５ エアフローメータ
１６ アクセルペダル
１７ アクセル開度センサ
１８ クランクポジションセンサ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ酸化機能を有する触媒と、
   前記触媒よりも下流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と、
   を備えた火花点火式の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記フィルタに捕集されている粒子状物質の量が所定量以上、且つ、減速時において前記内燃機関の燃料カットを実施する条件が成立した場合であっても、前記フィルタの温度が粒子状物質を除去可能な所定温度よりも低い場合には、燃料供給を継続しつつ、少なくとも一部の気筒において火花点火を停止させる制御装置を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記燃料供給を継続するのは、前記火花点火を停止させる気筒に限る請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記制御装置は、前記燃料供給を継続しつつ、少なくとも一部の気筒において火花点火を停止させる場合には、フィルタに流入する排気中の酸素濃度が所定濃度以上となるように燃料の供給量を調整する請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記フィルタの温度が前記所定温度よりも低い場合において、前記フィルタの温度が低くなるほど、前記所定量が小さくなる、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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