JP2012246895A - 排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気管にＰＭを捕集するＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムにおいて、比較的簡単な構造と制御で、ＰＭ捕集時におけるＰＭの偏堆積の抑制とＤＰＦ再生時におけるＤＰＦの部分的な温度差を解消できて、ＰＭの燃え残りの発生を防止できる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】ＤＰＦ１２の上流側の排気管１１の内部に内管１３を設けて、二重管構造とし、前記内管１３を開放及び閉鎖する開閉弁１４を設けると共に、前記ＤＰＦ１２の前後の圧力損失を測定する圧力損失センサ１５と、前記内管１３の内部に連通する前記ＤＰＦ１２の中央部１２ａと前記内管１３の外部に連通する前記ＤＰＦ１２の外周部１２ｂ３温度センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃをそれぞれ設け、前記圧力損失センサ１５と前記温度センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃの出力に基づいて前記開閉弁１４を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼル車等の内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を浄化するＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法に関し、より詳細には、ＰＭ捕集時におけるＰＭ堆積の偏りとＤＰＦ再生時における燃え残りを防止できる排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法に関する。

ディーゼルエンジンをはじめとする内燃機関の排気ガス中の有害物質の一つに、ＰＭ（Particulate Matter）と呼ばれる粒子状物質があり、このＰＭの排出を抑制する技術としてＤＰＦ（Diesel Particulate filter）を用いる技術が一般的に知られている。

このＤＰＦでは、セラミックのハニカム細孔にＰＭ粒子を一時的に捕集（トラップ）させ、適時、シリンダ内へのポスト噴射や排気管内直接噴射の燃料噴射等によって排気ガスを昇温して、この高温の排気ガスでＤＰＦを加熱して、ＤＰＦに捕集され堆積したＰＭを高温にして燃焼させて分解することが行われている。このＰＭの燃焼除去では、ＰＭを６００℃〜８００℃程度に昇温させて燃焼除去しており、このＤＰＦを昇温してＰＭを燃焼除去する操作を「ＤＰＦ再生」と呼んでいる。

しかしながら、このＤＰＦによるＰＭ捕集では、排気ガスの流速分布やＤＰＦからの放熱等の影響により、ＤＰＦにおけるＰＭの堆積分布に偏りが生じる場合がある。この場合には、ＤＰＦにおけるＰＭを捕集するための面が有効に活用されず、本来の捕集能力を十分に発揮できなくなるという問題がある。

また、ＤＰＦ再生を行う場合に、ＰＭの堆積分布が偏るとＰＭの燃焼も偏るので、図８及び図９に示すように、ＤＰＦの部位によって温度差が発生し、温度分布にも偏りが生じる。ＰＭは、６００℃程度の温度で燃焼すると言われているが、ＤＰＦの外周部は放熱等により中心部より温度が低くなる傾向が強く、ＤＰＦ再生においても条件によってはＰＭの燃焼温度に達しない部位が生じ、ＰＭが燃焼されずに残ってしまう場合がある。このＰＭの燃焼除去が不十分であると、ＤＰＦ再生の頻度の増加やＰＭの不均一堆積によるＰＭの異常燃焼を誘発する可能性が高くなる。このＰＭの異常燃焼は、ＰＭ堆積量が多い部分が局部的に燃焼して、その結果局部的に高温が生じてＤＰＦを焼損する現象であり、ＤＰＦのダメージとなるため避ける必要がある。

また、燃費の面からは、通常の運転条件においては、ＤＰＦの温度が６００℃〜８００℃になることがないため、ＤＰＦ再生時には、多くの燃料をＤＰＦの昇温のために消費しており、局部的なＰＭの燃え残りを無くすために外周部をＰＭ燃焼温度以上に昇温しようとした場合には、更に多くの燃料を消費することになり、好ましくはない。また、この場合にＤＰＦの中心部は外周部と比較して非常に高温に曝されることになるので、ＤＰＦの破損を誘発する可能性も生じる。

これに関連して、フィルタの再生時、排気ガスをバイパスする排気制御弁と、再生用ガスを供給する電動エアポンプを備え、フィルタ端部の外周部と中央部に夫々独立した外周ヒータと中央ヒータを備えて、フィルタ再生に先立ち、外周ヒータを加熱すると共に、再生用ガスを供給してフィルタ外周部を予熱することで、再生時のフィルタ内温度差を少なくする内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、この場合は外周ヒータと再生用ガスが必要となるという問題がある。

また、ＤＦＰにおけるＰＭの偏堆積の発生によってＰＭ堆積量の推定精度が低減することを回避するために、排気温度と排気流量を測定して、ＤＰＦの径方向中心部と外周部における温度を算出し、ＤＰＦの径方向中心部と外周部における燃焼速度を算出し、燃焼速度を積算して得られた燃焼量の差分をＰＭ偏堆積度として算出し、ＰＭ偏堆積度が所定値を越えたらＤＰＦを完全再生して偏堆積状態を解消する内燃機関の排気浄化装置も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、この場合でも、偏堆積や完全再生における燃費の悪化の問題が残る。

特開平０５−１９５７５４号公報 特開２００９−２２８４９４号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気管にＰＭを捕集するＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムにおいて、比較的簡単な構造と制御で、ＰＭ捕集時におけるＰＭの偏堆積の抑制とＤＰＦ再生時におけるＤＰＦの部分的な温度差を解消できて、ＰＭの燃え残りの発生を防止できる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気管に粒子状物質を捕集するＤＰＦを設けた排気ガス浄化システムにおいて、前記ＤＰＦの上流側の排気管の内部に内管を設けて、該内管の端部を前記ＤＰＦの入口側に当接又は近接させて二重管構造とし、前記内管を開放及び閉鎖する開閉弁を設けると共に、前記ＤＰＦの前後の圧力損失を測定する圧力損失センサと、前記内管の内部に連通する前記ＤＰＦの中央部と前記内管の外部に連通する前記ＤＰＦの外周部に温度センサをそれぞれ設け、前記圧力損失センサと前記温度センサの出力に基づいて前記開閉弁を制御する制御装置を設けて構成される。

この構成によれば、ＤＰＦに流入する排気ガスの流入先をＤＰＦの外周部とＤＰＦの全体のいずれかに切り替えることができるので、ＤＰＦの前後の圧力損失とＤＰＦの中央部の温度と外周部の温度によって、バタフライ弁等で形成される開閉弁を切り替えて、より極め細かくＤＰＦによるＰＭ捕集とＤＰＦ再生を行うことができるようになる。

例えば、ＰＭ堆積時はＰＭの前後の圧力損失（前後差圧）によりＰＭの捕集を優先させる箇所（中央部／外周部）の選定を開閉弁で行い、ＤＰＦにおけるＰＭ堆積を均一にし、ＤＰＦ再生時は、各部分（中央部／外周部）の温度差を検出した場合に開閉弁の開閉制御を行い、ＤＰＦ再生を優先させる箇所（中央部／外周部）の選定を開閉弁で行い、ＤＰＦ再生を均一に行う制御方法を採ることができるようになる。

上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、ＰＭ堆積時には、予め設定された値を判定用係数Ｋとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して、これらの測定値ΔＰ１ｍ、ΔＰ２ｍから算出される開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを比較して、ＰＭ１ｍ＞Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には、前記開閉弁を閉弁した状態にしてＰＭを捕集し、ＰＭ１ｍ≦Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には、前記開閉弁を開弁した状態にしてＰＭを捕集する制御を行うように構成される。

あるいは、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、ＰＭ堆積時には、予め設定された値を判定用係数Ｋとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して比較して、ΔＰ１ｍ＞Ｋ×ΔＰ２ｍの場合には、前記開閉弁を閉弁した状態にしてＰＭを捕集し、ΔＰ１ｍ≦Ｋ×ΔＰ２ｍの場合には、前記開閉弁を開弁した状態にしてＰＭを捕集する制御を行うように構成される。

この値Ｋは、中央部の面積と外周部の面積に関係する値であり、実験結果などにより予め設定される値であり、例えば、ＰＭ１ｍ＞Ｋ×ＰＭ２ｍの判定では、Ｋ＝２である。また、開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍの測定は、予め設定した時期に行うが、この時期は、通常は実験結果等に基づいて設定されるが、定期的な時間間隔であってもよく、時間的には不定期的に、例えば、燃料消費量、走行距離等に関連させて適宜設定してもよい。

また、測定された開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍから開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍの算出には、予め実験等によって、相互間の関係を求めておき、例えば、図４、図５等のデータを予め制御装置でマップデータや関数の形等で記憶しておき、測定時にこれらのデータを参照して、開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを算出する。

これらの構成によれば、中央部側のＰＭ堆積量が大きくなった「ＰＭ１ｍ＞Ｋ×ＰＭ２ｍ」（または、ΔＰ１ｍ＞Ｋ×ΔＰ２ｍ）の場合には、開閉弁を閉弁してＤＰＦの外周部のみでＰＭ堆積を行い、外周部側のＰＭ堆積量が大きくなった「ＰＭ１ｍ≦Ｋ×ＰＭ２ｍ」（または、ΔＰ１ｍ≦Ｋ×ΔＰ２ｍ）の場合には、開閉弁を開弁してＤＰＦの全体でＰＭ堆積を行うことができる。従って、ＤＰＦにおけるＰＭの堆積を均一化できる。

上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記開閉弁を開弁状態としてＤＰＦ再生を開始するときの再生開始第１圧力損失をΔＰ１ａ、ＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第１圧力損失をΔＰ１ｂとし、前記開閉弁を閉弁状態としてＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第２圧力損失をΔＰ２ｂとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して、ＤＰＦ再生時には、前記開閉時圧力損失ΔＰ１ｍが前記再生開始第１圧力損失ΔＰ１ａを越えたときにＤＰＦ再生処理を開始し、前記ＤＰＦの外周部の温度がＰＭ燃焼温度以上の時には、前記開閉弁を開弁して開弁状態で再生処理を行い、前記ＤＰＦの外周部の温度がＰＭ燃焼温度より低い時には、前記閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが前記再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂより低くなるまで、前記開閉弁を閉弁して閉弁状態で再生制御を行い、前記閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが前記再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂ以上になったら、前記開閉弁１４を開弁して開弁状態で再生制御を行い、前記開弁時圧力損失ΔＰ１ｍが前記再生終了第１圧力損失ΔＰ１ｂより低くなったら、ＤＰＦ再生を終了する制御を行うように構成される。

この構成によれば、ＤＰＦ再生時において、ＤＰＦの外周部の温度が高い時には開閉弁を開弁してＤＰＦの全体でＤＰＦ再生を行い、ＤＰＦの外周部の温度が低い時はＤＰＦの外周部のみでＤＰＦ再生を行い、ＤＰＦの外周部の温度が高くなったら、ＤＰＦの全体でＤＰＦ再生を行うので、ＤＰＦにおけるＤＰＦ再生を均一化できる。その結果、異常燃焼の抑制ができ、ＤＰＦ再生後のＰＭ蓄積の均一化と再生頻度の低減と燃費の低減が可能となる。なお、このＤＰＦ再生のときの効果は、ＤＰＦにＰＭの燃焼を促進させる触媒成分は塗布されていない場合の方が大きい。

そして、上記のような目的を達成するための本発明の排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気管に粒子状物質を捕集するＤＰＦを設けた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、前記ＤＰＦの前後の測定圧力損失と前記ＤＰＦの中央部の測定温度と前記ＤＰＦの外周部の測定温度に基づいて、前記ＤＰＦに流入する排気ガスを、前記ＤＰＦの入口側に当接又は近接させて排気管の内部に設けた内管を開放及び閉鎖する開閉弁を制御することにより、前記ＤＰＦの全体又は前記ＤＰＦの外周部のみに導入することを特徴とする方法である。

この方法によれば、ＤＰＦの前後の圧力損失とＤＰＦの中央部の温度と外周部の温度によって、開閉弁を切り替えて、より極め細かくＤＰＦによるＰＭ捕集とＤＰＦ再生を行うことができるようになる。

また、上記の排気ガス浄化方法において、ＰＭ堆積時には、予め設定された値を判定用係数Ｋとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して、これらの測定値ΔＰ１ｍ、ΔＰ２ｍから算出される開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを比較して、ＰＭ１ｍ＞Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には、前記開閉弁を閉弁した状態にしてＰＭを捕集し、ＰＭ１ｍ≦Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には、前記開閉弁を開弁した状態にしてＰＭを捕集する。

あるいは、上記の排気ガス浄化方法において、ＰＭ堆積時には、予め設定された値を判定用係数Ｋとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して比較して、ΔＰ１ｍ＞Ｋ×ΔＰ２ｍの場合には、前記開閉弁を閉弁した状態にしてＰＭを捕集し、ΔＰ１ｍ≦Ｋ×ΔＰ２ｍの場合には、前記開閉弁を開弁した状態にしてＰＭを捕集する。

これらの方法によれば、中央部側のＰＭ堆積量が多くなった「ＰＭ１ｍ＞Ｋ×ＰＭ２ｍ」（または、ΔＰ１ｍ＞Ｋ×ΔＰ２ｍ）の場合には、開閉弁を閉弁してＤＰＦの外周部のみでＰＭ堆積を行い、外周部側のＰＭ堆積量が大きくなった「ＰＭ１ｍ≦Ｋ×ＰＭ２ｍ」（または、ΔＰ１ｍ≦Ｋ×ΔＰ２ｍ）の場合には、開閉弁を開弁してＤＰＦの全体でＰＭ堆積を行うことができる。従って、ＤＰＦにおけるＰＭの堆積を均一化できる。

上記の排気ガス浄化方法において、前記開閉弁を開弁状態としてＤＰＦ再生を開始するときの再生開始第１圧力損失をΔＰ１ａ、ＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第１圧力損失をΔＰ１ｂとし、前記開閉弁を閉弁状態としてＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第２圧力損失をΔＰ２ｂとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して、ＤＰＦ再生時には、前記開閉時圧力損失ΔＰ１ｍが前記再生開始第１圧力損失ΔＰ１ａを越えたときにＤＰＦ再生処理を開始し、前記ＤＰＦの外周部の温度がＰＭ燃焼温度以上の時には、前記開閉弁を開弁して開弁状態で再生処理を行い、前記ＤＰＦの外周部の温度がＰＭ燃焼温度より低い時には、前記閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが前記再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂより低くなるまで、前記開閉弁を閉弁して閉弁状態で再生制御を行い、前記閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが前記再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂ以上になったら、前記開閉弁１４を開弁して開弁状態で再生制御を行い、前記開弁時圧力損失ΔＰ１ｍが前記再生終了第１圧力損失ΔＰ１ｂより低くなったら、ＤＰＦ再生を終了する。

この方法によれば、ＤＰＦ再生時において、ＤＰＦの外周部の温度が高い時には開閉弁を開弁してＤＰＦの全体でＤＰＦ再生を行い、ＤＰＦの外周部の温度が低い時はＤＰＦの外周部のみでＤＰＦ再生を行い、ＤＰＦの外周部の温度が高くなったら、ＤＰＦの全体でＤＰＦ再生を行うので、ＤＰＦにおけるＤＰＦ再生を均一化できる。その結果、異常燃焼の抑制ができ、ＤＰＦ再生後のＰＭ蓄積の均一化と再生頻度の低減と燃費の低減が可能となる。

本発明に係る排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、ＰＭ捕集時においては、ＤＰＦにおける捕集されたＰＭの堆積の偏りを抑制できて、ＤＰＦのＰＭ捕集能力を最大限に活かすことができ、ＤＰＦ再生時においては、ＰＭの燃え残りを防止することができる。これらにより、ＤＰＦ再生の頻度の増加を抑制できて燃費の向上に寄与でき、また、ＰＭの不均一な堆積に起因するＰＭの異常燃焼によるＤＰＦの破損を抑制することができる。

本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 本発明の実施の形態の排気ガス浄化方法のＰＭ捕集時の制御フローの一例を示す図である。 開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと再生開始第１堆積量ΔＰ１ａと再生終了第１堆積量ΔＰ１ｂと対応するＰＭ堆積量の関係を示す図である。 閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍと再生開始第２堆積量ΔＰ２ａと再生終了第２堆積量ΔＰ２ｂと対応するＰＭ堆積量の関係を示す図である。 図３の制御フローのステップＳ３０の詳細を示す図である。 ＤＰＦの領域Ｉ、領域ＩＩ、領域ＩＩＩを示す図である。 ＤＰＦにおける位置による温度の差を示す図である。 図８の各線の温度に対応するＤＰＦにおける温度センサの位置を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、この実施の形態の排気ガス浄化システム１０は、エンジン（内燃機関）の排気管１１に粒子状物質（以下ＰＭとする）を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１２を設けて構成される。このＤＰＦ１２の上流側の排気管１１の内部に内管１３を設けて、この内管１３の端部をＤＰＦ１２の入口側に当接又は近接させて二重管構造とする。また、この内管１３に内管１３の通路を開放及び閉鎖する開閉弁１４を設ける。この開閉弁１４は、例えば、バタフライ弁で構成する。

また、ＤＰＦ１２の前後の圧力損失を測定する圧力損失センサ１５と、内管１３の内部に連通するＤＰＦ１２の中央部１２ａと内管１３の外部に連通するＤＰＦ１２の外周部１２ｂに温度センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃをそれぞれ設ける。さらに、圧力損失センサ１５と温度センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃの出力に基づいて開閉弁１４を制御する制御装置（図示しない）を設けて構成する。通常、この制御装置は、エンジンの全般を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置に組み込んで構成する。

次に、上記の構成の排気ガス浄化システム１０における排気ガス浄化方法について説明する。この排気ガス浄化方法は、上記の制御装置によって、図３及び図６の制御フロー等に基づいて行われる方法である。

この図３の制御フローはエンジンがスタートすると、上位の制御フローから呼ばれてスタートし、ステップＳ１１で開閉弁１４が開弁している状態での開弁時圧力損失ΔＰ１ｍを測定する。次のステップＳ１２でＤＰＦ再生を行うか否かを、開弁時圧力損失ΔＰ１ｍが、開閉弁１４を開弁状態としてＤＰＦ再生を開始するときの再生開始第１圧力損失ΔＰ１ａより大きいか否かで判定する。この再生開始第１圧力損失ΔＰ１ａは図４に示すように、ＤＰＦ１４全体のＰＭ捕集量の限界値であり、予め実験結果等により設定される値である。

ステップＳ１２の判定で、ＤＰＦ再生を行わないとの判定の場合には（ＮＯ）、ステップＳ２０のＰＭ捕集時の制御フローに行く。このステップＳ２０のＰＭ捕集時の制御フローに入ると、ステップＳ２１で、予め設定された判定用係数Ｋを入力する。この判定用係数Ｋは、中央部の断面積（または容積、捕集面積）と外周部の断面積（または容積、捕集面積）に関係する値であり、実験結果などにより予め設定される値で、例えば、Ｋ＝２等に設定される。

次のステップＳ２２で、予め設定された時期に、開閉弁１４を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと開閉弁１４を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定する。この予め設定された時期は、通常は実験結果等に基づいて設定されるが、定期的な時間間隔であってもよく、時間的には不定期的に、例えば、燃料消費量、走行距離等に関連させて適宜設定してもよい。

この開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍの測定は、圧力損失センサ１５により、現状で開閉弁１４が開弁している場合には、その状態で先ず、開弁時圧力損失ΔＰ１ｍを測定してから開閉弁１４を閉じて安定してから、閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍの測定を行う。逆に、現状で開閉弁１４が閉弁している場合には、その状態で先ず、閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定してから開閉弁１４を開いて安定してから、開弁時圧力損失ΔＰ１ｍの測定を行う。

次のステップＳ２３で、これらの測定値ΔＰ１ｍ、ΔＰ２ｍから開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを算出する。この算出では、予め実験等によって、相互間の関係を求めておき、例えば、図４、図５に示すようなデータを予め制御装置にマップデータや関数の形等で記憶しておき、ステップＳ１３でこれらのデータを参照して、開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを算出する。

次のステップＳ２４で、開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを比較し、ＰＭ１ｍ＞Ｋ×ＰＭ２ｍであるか否かを判定する。この比較判定で、ＰＭ１ｍ＞Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２５に行き、開閉弁１４を閉弁した状態にしてＰＭを所定の時間の間（ステップＳ２４の堆積量の比較判定のインターバルに関係する時間）の間ＰＭ捕集を行い、リターンして上位の制御フローに戻る。この「開閉弁１４を閉弁した状態にして」とは、開閉弁１４が閉弁状態にあれば、そのままとし、開閉弁１４が開弁状態にあれば、閉弁することをいう。

また、ステップＳ２４の判定で、ＰＭ１ｍ≦Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には（ＮＯ）、ステップＳ２６に行き、開閉弁１４を開弁した状態にしてＰＭを所定の時間の間（ステップＳ２４の堆積量の比較判定のインターバルに関係する時間）の間ＰＭ捕集を行い、リターンして上位の制御フローに戻る。この「開閉弁１４を開弁した状態にして」とは、開閉弁１４が開弁状態にあれば、そのままとし、開閉弁１４が閉弁状態にあれば、開弁することをいう。

つまり、このステップＳ２０の制御フローでは、通常運転（ＤＰＦ再生制御でない運転）をしながらステップＳ２０内のステップＳ２１〜Ｓ２５またはステップＳ２１〜Ｓ２６が実施され、ＤＰＦ１２で排気ガスＧ中のＰＭを所定の時間（ステップＳ１０におけるＤＰＦ再生の判定のインターバルに関係する時間）の間ＰＭ捕集を行う。その後、リターンして、上位の制御フローに戻り、再度、上位の制御フローから繰り返し呼ばれる。

この制御により、ＰＭ堆積時には、予め設定された値を判定用係数Ｋとし（Ｓ２１）、予め設定された時期に、開閉弁１４を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと開閉弁１４を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して（Ｓ２２）、これらの測定値ΔＰ１ｍ、ΔＰ２ｍから算出される開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを比較して（Ｓ２３，Ｓ２４）、ＰＭ１ｍ＞Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には、開閉弁１４を閉弁した状態にしてＰＭを捕集し（Ｓ２５）、ＰＭ１ｍ≦Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には、開閉弁１４を開弁した状態にしてＰＭを捕集する（Ｓ２６）ことができる。

なお、開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍから開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを算出する行程を省いて、直接、開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを比較して、ΔＰ１ｍ＞Ｋ×ΔＰ２ｍの場合には、開閉弁１４を閉弁した状態にしてＰＭを捕集し、ΔＰ１ｍ≦Ｋ×ΔＰ２ｍの場合には、開閉弁１４を開弁した状態にしてＰＭを捕集するように構成してもよい。この場合の判定用係数Ｋの数値は、開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを比較する場合の判定用係数Ｋの数値と異なってくるが、実験等により予め設定しておくことができる。

そして、このＰＭ堆積時の排気ガス浄化方法により、予め設定された期間で適時、開閉弁１４を開弁または閉弁してそれぞれの圧力損失ΔＰ１ｍ、ΔＰ２ｍを測定し、それぞれの値よりＤＰＦ１２におけるＰＭの堆積量の不均一の程度を感知し、必要に応じて、開閉弁１４を開弁または閉弁して、ＰＭ堆積状態が少ない堆積場所（中心部／外周部）に排気ガスＧが流入するようにして、ＤＰＦ１２におけるＰＭの堆積を均一化することができる。

従って、この方法により、ＤＰＦ１２のＰＭ捕集面を有効に使うことができる。そのため、ＤＰＦ再生をＤＰＦ１２の前後の圧力損失により制御している排気ガス浄化システムにおいては、均一なＰＭ堆積を図ることができ、その結果、精度の高い再生制御が可能となる。また、ＰＭが局部的に多量に堆積することが原因の再生時の異常燃焼の発生を低減することも可能になる。

そして、ステップＳ１２の判定で、ＤＰＦ再生を行うとの判定の場合には（ＹＥＳ）、図６に詳細を示すステップＳ３０のＤＰＦ再生時の制御フローに行く。このステップＳ３０の制御では、予め、図３及び図４に示すように、開閉弁１４を開弁状態としてＤＰＦ再生を開始するときの再生開始第１圧力損失ΔＰ１ａ、ＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第１圧力損失ΔＰ１ｂ、開閉弁１４を閉弁状態としてＤＰＦ再生を終了するときの再生開始第２圧力損失ΔＰ２ａ、ＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂを実験結果等から設定して、制御装置に記憶させておく。

この制御フローでは、ステップＳ３１で、シリンダ内への燃料噴射制御で、マルチ噴射やポスト噴射をしたり、排気管内燃料噴射をしたりして、ＤＰＦ１４の温度をＰＭ燃焼温度Ｔｐ（例えば、６００℃に設定）以上に上げるためのＤＰＦ再生のための制御を開始する。

次のステップＳ３２で、外周部１２ｂに配置された温度センサ１５ｂ、１５ｃで外周部の温度Ｔｏを計測する。次のステップＳ３３で、計測された外周部１２ｂの温度ＴｏがＰＭ燃焼温度Ｔｐ以上であるか否かを判定する。このステップＳ３３で、外周部１２ｂの温度ＴｏがＰＭ燃焼温度Ｔｐ以上である場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ３６に行き、開閉弁１４を開弁状態にして排気ガスＧをＤＰＦ１２の全体（中央部１２ａと外周部１２ｂの両方）に流入させてＤＰＦ１２の全体でＤＰＦ再生を行う。なお、通常は、ステップＳ１２のＤＰＦの判定の直前のステップＳ１１で開弁状態での開弁時圧力損失ΔＰ１ｍを測定した後であるので、開弁状態となっている。

ステップＳ３３で、外周部１２ｂの温度ＴｏがＰＭ燃焼温度Ｔｐより低い場合には（ＮＯ）、ステップＳ３４に行き、開閉弁１４を閉弁状態にして排気ガスＧをＤＰＦ１２の外周部１２ｂのみに流入させてＤＰＦ１２の外周部１２ｂで所定の時間（ステップＳ３５の閉弁時圧力損失の判定のインターバルに関係する時間、あるいは、ＰＭ燃焼温度におけるＰＭ燃焼速度に関係する時間）の間ＤＰＦ再生を行う。

次のステップＳ３５で、閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定し、測定された閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが、開閉弁１４を閉弁状態としてＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂより低いか否かを判定する。このステップＳ３５の判定で、閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが、再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂ以上である場合は（ＮＯ）、ステップＳ３４に戻り、外周部１２ｂでのＤＰＦ再生を継続する。

このステップＳ３５の判定で、閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが、再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂより低い場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ３６に行き、開閉弁１４を閉弁し、ＤＰＦ１２の全体で所定の時間（ステップＳ３７の開弁時圧力損失の判定のインターバルに関係する時間、あるいは、ＰＭ燃焼温度におけるＰＭ燃焼速度に関係する時間）の間ＤＰＦ再生を行う。

次のステップＳ３７で、開弁時圧力損失ΔＰ１ｍを測定し、測定された開弁時圧力損失ΔＰ１ｍが、開閉弁１４を開弁状態としてＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第１圧力損失ΔＰ１ｂより低いか否かを判定する。このステップＳ３７の判定で、開弁時圧力損失ΔＰ１ｍが、再生終了第１圧力損失ΔＰ１ｂ以上である場合は（ＮＯ）、ステップＳ３２に戻り、ＤＰＦ再生を継続する。

このステップＳ３７の判定で、開弁時圧力損失ΔＰ１ｍが、再生終了第１圧力損失ΔＰ１ｂより低い場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ３８に行き、シリンダ内への燃料噴射制御での、マルチ噴射やポスト噴射を停止したり、排気管内燃料噴射を停止したりして、ＤＰＦ再生を終了する。

この制御により、開閉弁１４を開弁状態としてＤＰＦ再生を開始するときの再生開始第１圧力損失をΔＰ１ａ、ＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第１圧力損失をΔＰ１ｂとし、開閉弁１４を閉弁状態としてＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第２圧力損失をΔＰ２ｂとした場合に、予め設定された時期に、開閉弁１４を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと開閉弁１４を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して、ＤＰＦ再生時には、開閉時圧力損失ΔＰ１ｍが再生開始第１圧力損失ΔＰ１ａを越えたときにＤＰＦ再生処理を開始し（Ｓ３１）、ＤＰＦ１２の外周部１２ｂの温度ＴｏがＰＭ燃焼温度Ｔｐ以上の時には、開閉弁１４を開弁して開弁状態で再生処理を行い（Ｓ３６）、ＤＰＦ１２の外周部１２ｂの温度ＴｏがＰＭ燃焼温度Ｔｐより低い時には、閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂより低くなるまで、開閉弁１４を閉弁して閉弁状態で再生制御を行い（Ｓ３４）、閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂ以上になったら、開閉弁１４を開弁して開弁状態で再生制御を行い（Ｓ３６）、開弁時圧力損失ΔＰ１ｍが再生終了第１圧力損失ΔＰ１ｂより低くなったら、ＤＰＦ再生を終了する（Ｓ３８）ことができる。

このＤＰＦ生成時の排気ガス浄化方法によれば、ＤＰＦ再生時において、ＤＰＦ１２の外周部１２ｂの温度Ｔｏが高い時には開閉弁１４を開弁してＤＰＦ１２の全体でＤＰＦ再生を行い、ＤＰＦ１２の外周部１２ｂの温度Ｔｏが低い時はＤＰＦ１２の外周部１２ｂのみでＤＰＦ再生を行い、ＤＰＦ１２の外周部１２ｂの温度Ｔｏが高くなったら、ＤＰＦ１２の全体でＤＰＦ再生を行うので、ＤＰＦ１２におけるＤＰＦ再生を均一化できる。その結果、異常燃焼の抑制ができ、ＤＰＦ再生後のＰＭ蓄積の均一化と再生頻度の低減と燃費の低減が可能となる。

つまり、ＤＰＦ１２の中心部１２ａと外周部１２ｂのそれぞれの温度Ｔｃ、Ｔｏを測定し、両者の差からＤＰＦ再生の均一さを感知し、再生状態（再生場所：中心部／外周部）を開閉弁１４の開閉により制御してＤＰＦ再生を均一化する。この制御によりＰＭの不均一なＰＭ堆積に起因する異常燃焼を抑制することが可能となる。また、ＤＰＦ１２の全体が均一に再生されるため、再生後に再びＰＭを堆積させる際のＰＭ堆積を均一に堆積することが可能になる。更に、部分ごとにＤＰＦ再生を行うことにより再生時の燃費低減も可能となる。

そして、上記の排気ガス浄化システム１０及び排気ガス浄化方法によれば、ＰＭ捕集時においては、ＤＰＦ１２における捕集されたＰＭの堆積の偏りを抑制でき、ＤＰＦ１２のＰＭ捕集能力を最大限に活かすことができ、ＤＰＦ再生時においては、ＰＭの燃え残りを防止することができる。これらにより、ＤＰＦ再生の頻度の増加を抑制できて燃費の向上に寄与でき、また、ＰＭの不均一な堆積に起因するＰＭの異常燃焼によるＤＰＦ１２の破損を抑制することができる。

この実施の形態の排気ガス浄化システム１０とその排気ガス浄化方法を採用した実施例と、内管１３と開閉弁１４を設けない従来技術の従来例における一定時間運転後のＰＭ堆積量分布を表１に、ＤＰＦ再生前後のＰＭ量を表２に、ＰＭ完全再生時の平均温度分布及び燃料消費量を表３にそれぞれ示す。この各領域Ｉ、領域ＩＩ、領域ＩＩＩは、図７に示す位置である。

なお、表１のＰＭ堆積量は、ＰＭは炭素原子のみから構成されていると仮定して、ＰＭが堆積したＤＰＦを各領域ごとに切り取って、加熱処理した際に発生したＣＯ、ＣＯ₂のガス濃度から、ＰＭは炭素原子のみから構成されていると仮定して算出した計算値である。この表１では、実施例が従来例に比べてＰＭ堆積量が均一化していることがよく分かる。

また、表２のＰＭ量は、圧力損失とＰＭ堆積量の相関をとり、測定された圧力損失からこの相関から得られた検量線を参照して、得られたものであり、再生後のＰＭ量が実施例ではゼロになっており、ほぼ完全にＰＭを燃焼除去でき、十分にＤＰＦ再生が行われたことが分かる。

また、表３は、従来技術のＤＰＦ再生方法で、領域ＩＩＩの目標温度を６２０℃にしてポスト噴射量を調整してＤＰＦ再生処理したときの各領域ごとの平均温度とその時のポスト噴射の燃料消費量と、実施例のＤＰＦ再生方法で、全領域が６２０℃になるように温度目標を設定してポスト噴射量を調整してＤＰＦ再生処理したときの各領域ごとの平均温度とその時のポスト噴射の燃料消費量と示すが、実施例の方が従来例に比べて、燃料消費量が大幅に減少していることが分かる。

本発明の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、内燃機関の排気管にＰＭを捕集するＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムにおいて、比較的簡単な構造と制御で、ＰＭ捕集時におけるＰＭの偏堆積の抑制とＤＰＦ再生時におけるＤＰＦの部分的な温度差を解消できて、ＰＭの燃え残りの発生を防止できる。従って、自動車等に搭載した内燃機関の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法として利用できる。

１０ 排気ガス浄化システム
１１ 排気管
１２ ＤＰＦ
１２ａ 中央部
１２ｂ 外周部
１３ 内管
１４ 開閉弁
１５ 圧力損失センサ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 温度センサ
Ｇ 排気ガス
Ｋ 判定用係数
ＰＭ１ｍ 開弁時堆積量
ＰＭ２ｍ 閉弁時堆積量
Ｔｏ 外周部の温度
Ｔｐ ＰＭ燃焼温度
ΔＰ１ａ 再生開始第１圧力損失
ΔＰ１ｂ 再生終了第１圧力損失
ΔＰ１ｍ 開弁時圧力損失
ΔＰ２ａ 再生開始第２圧力損失
ΔＰ２ｂ 再生終了第２圧力損失
ΔＰ２ｍ 閉弁時圧力損失

Claims (8)

1. 内燃機関の排気管に粒子状物質を捕集するＤＰＦを設けた排気ガス浄化システムにおいて、前記ＤＰＦの上流側の排気管の内部に内管を設けて、該内管の端部を前記ＤＰＦの入口側に当接又は近接させて二重管構造とし、前記内管を開放及び閉鎖する開閉弁を設けると共に、前記ＤＰＦの前後の圧力損失を測定する圧力損失センサと、前記内管の内部に連通する前記ＤＰＦの中央部と前記内管の外部に連通する前記ＤＰＦの外周部に温度センサをそれぞれ設け、前記圧力損失センサと前記温度センサの出力に基づいて前記開閉弁を制御する制御装置を設けたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
2. 前記制御装置が、ＰＭ堆積時には、予め設定された値を判定用係数Ｋとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して、これらの測定値ΔＰ１ｍ、ΔＰ２ｍから算出される開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを比較して、ＰＭ１ｍ＞Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には、前記開閉弁を閉弁した状態にしてＰＭを捕集し、ＰＭ１ｍ≦Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には、前記開閉弁を開弁した状態にしてＰＭを捕集する制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
3. 前記制御装置が、ＰＭ堆積時には、予め設定された値を判定用係数Ｋとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して比較して、ΔＰ１ｍ＞Ｋ×ΔＰ２ｍの場合には、前記開閉弁を閉弁した状態にしてＰＭを捕集し、ΔＰ１ｍ≦Ｋ×ΔＰ２ｍの場合には、前記開閉弁を開弁した状態にしてＰＭを捕集する制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
4. 前記制御装置が、前記開閉弁を開弁状態としてＤＰＦ再生を開始するときの再生開始第１圧力損失をΔＰ１ａ、ＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第１圧力損失をΔＰ１ｂとし、前記開閉弁を閉弁状態としてＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第２圧力損失をΔＰ２ｂとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して、ＤＰＦ再生時には、前記開閉時圧力損失ΔＰ１ｍが前記再生開始第１圧力損失ΔＰ１ａを越えたときにＤＰＦ再生処理を開始し、前記ＤＰＦの外周部の温度がＰＭ燃焼温度以上の時には、前記開閉弁を開弁して開弁状態で再生処理を行い、前記ＤＰＦの外周部の温度がＰＭ燃焼温度より低い時には、前記閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが前記再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂより低くなるまで、前記開閉弁を閉弁して閉弁状態で再生制御を行い、前記閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが前記再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂ以上になったら、前記開閉弁１４を開弁して開弁状態で再生制御を行い、前記開弁時圧力損失ΔＰ１ｍが前記再生終了第１圧力損失ΔＰ２ｂより低くなったら、ＤＰＦ再生を終了する制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。
5. 内燃機関の排気管に粒子状物質を捕集するＤＰＦを設けた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、前記ＤＰＦの前後の測定圧力損失と前記ＤＰＦの中央部の測定温度と前記ＤＰＦの外周部の測定温度に基づいて、前記ＤＰＦに流入する排気ガスを、前記ＤＰＦの入口側に当接又は近接させて排気管の内部に設けた内管を開放及び閉鎖する開閉弁を制御することにより、前記ＤＰＦの全体又は前記ＤＰＦの外周部のみに導入することを特徴とする排気ガス浄化方法。
6. ＰＭ堆積時には、予め設定された値を判定用係数Ｋとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して、これらの測定値ΔＰ１ｍ、ΔＰ２ｍから算出される開弁時堆積量ＰＭ１ｍと閉弁時堆積量ＰＭ２ｍを比較して、ＰＭ１ｍ＞Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には、前記開閉弁を閉弁した状態にしてＰＭを捕集し、ＰＭ１ｍ≦Ｋ×ＰＭ２ｍの場合には、前記開閉弁を開弁した状態にしてＰＭを捕集することを特徴とする請求項５に記載の排気ガス浄化方法。
7. ＰＭ堆積時には、予め設定された値を判定用係数Ｋとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して比較して、ΔＰ１ｍ＞Ｋ×ΔＰ２ｍの場合には、前記開閉弁を閉弁した状態にしてＰＭを捕集し、ΔＰ１ｍ≦Ｋ×ΔＰ２ｍの場合には、前記開閉弁を開弁した状態にしてＰＭを捕集することを特徴とする請求項５に記載の排気ガス浄化方法。
8. 前記開閉弁を開弁状態としてＤＰＦ再生を開始するときの再生開始第１圧力損失をΔＰ１ａ、ＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第１圧力損失をΔＰ１ｂとし、前記開閉弁を閉弁状態としてＤＰＦ再生を終了するときの再生終了第２圧力損失をΔＰ２ｂとし、予め設定された時期に、前記開閉弁を開弁した時の開弁時圧力損失ΔＰ１ｍと前記開閉弁を閉弁した時の閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍを測定して、ＤＰＦ再生時には、前記開閉時圧力損失ΔＰ１ｍが前記再生開始第１圧力損失ΔＰ１ａを越えたときにＤＰＦ再生処理を開始し、前記ＤＰＦの外周部の温度がＰＭ燃焼温度以上の時には、前記開閉弁を開弁して開弁状態で再生処理を行い、前記ＤＰＦの外周部の温度がＰＭ燃焼温度より低い時には、前記閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが前記再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂより低くなるまで、前記開閉弁を閉弁して閉弁状態で再生制御を行い、前記閉弁時圧力損失ΔＰ２ｍが前記再生終了第２圧力損失ΔＰ２ｂ以上になったら、前記開閉弁１４を開弁して開弁状態で再生制御を行い、前記開弁時圧力損失ΔＰ１ｍが前記再生終了第１圧力損失ΔＰ１ｂより低くなったら、ＤＰＦ再生を終了することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の排気ガス浄化方法。

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