JPS61123709A - 排気ガス微粒子浄化機能を有する内燃機関の制御装置 - Google Patents

排気ガス微粒子浄化機能を有する内燃機関の制御装置

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JPS61123709A
JPS61123709A JP59242440A JP24244084A JPS61123709A JP S61123709 A JPS61123709 A JP S61123709A JP 59242440 A JP59242440 A JP 59242440A JP 24244084 A JP24244084 A JP 24244084A JP S61123709 A JPS61123709 A JP S61123709A
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Shigeru Kamiya
茂 神谷
Akikazu Kojima
昭和 小島
Yasuyuki Sakakibara
榊原　康行
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は排気ガス微粒子浄化機能を有する内燃機関の制
御装置に関する。本発明による装置は、自動車等の内燃
機関から排出される排気ガス中の微粒子を捕集し、これ
を燃焼せしめて排気ガスの浄化を行う排気ガス微粒子浄
化装置を有する内燃機関に適用されることができる。
従来技術、発明が解決しようとする問題点内燃機関から
排出される排気ガス中に含まれるカーボン粒子等の微粒
子を捕集するためにセラミックのハニカム構造体やセラ
ミックの発泡体等のフィルター部材を内蔵した微粒子捕
集装置が用いられる。一般にこれらの装置ではフィルタ
ー部材に微粒子が堆積するにつれてフィルターの通気抵
抗が増加し、機関の出力低下につながるとともに、堆積
微粒子が脱落し、フィルター機能を低下させる。このた
め、フィルター部材に堆積した微粒子を周期的に除去し
、フィルター部材の機能を微粒子捕集前の状態に再生す
ることが必要である。
この再生手段としてフィルター部材に加熱手段を付設し
、捕集微粒子を加熱着火して燃焼除去せしめる手段があ
る。上記加熱手段としては、電気ヒーターを使用するの
が、装置の複雑化を招くことがなく好ましいが、軽油バ
ーナー等に比べ発熱量が少ないため、通常の走行条件で
は微粒子が堆積したフィルター部材が排気ガス流により
冷却され、微粒子への着火がさまたげられたり、またい
ったんは着火しても排気ガス流により吹き消されたりす
る。
微粒子への着火性を良くするとともに燃焼途中で吹き消
されないようにする手段としては、フィルターの上流下
流を連通させるバイパス流路と、該流路に開閉弁を設け
、フィルター再生時には、弁を開成し、排気ガスの大部
分をバイパス流路を通すことにより、フィルター通過ガ
ス流量を著しく減少させ、着火燃焼を確実に行なわせよ
うとする方法がある（例えば、実開昭５８−９９１０）
。しかしこの方法では、フィルターの他にバイパス流路
と開閉弁、およびこれを駆動する駆動装置を必要とし、
システムの複雑化と、車輌への搭載性の悪化の可能性が
あるという問題点がある。
本発明の目的は、再生時にフィルターを適当な温度に予
熱し、排気ガス流のバイパスを行なうことなくフィルタ
ーへの着火、燃焼が可能となる諸条件を実現させるとい
う着想にもとすき、バイパス系を用いることなく、フィ
ルター再生が可能となる装置を提供することにある。
問題点を解決するための手段、および作用本発明による
排気ガス微粒子浄化機能を有する内燃機関の制御装置に
おいては燃料噴射弁、フィルター差圧センサ、フィルタ
ー温度センサ、フィルター微粒子燃焼除去電気ヒーター
、フィルター再生判定手段、フィルター予熱指令手段、
フィルター予熱判定手段、および燃料噴射指令手段、フ
ィルター微粒子燃焼指令手段が設けられる。フィルター
再生判定手段は、フィルター差圧センサからの信号にも
とづきフィルター再生の必要性有無を判定する。フィル
ター予熱指令手段は、フィルター再生判定手段の出力に
もとづきフィルター昇温用に予熱指令を出力する。フィ
ルター予熱判定手段は、フィルター温度センサからの信
号にもとづきフィルター昇温用に予熱が完了したか否か
を判定する。燃料噴射指令手段は、フィルター予熱指令
手段の出力にもとづき該フィルターの予熱のための燃料
噴射弁の噴射パターン変更用の供給信号を出力する。フ
ィルター微粒子燃焼指令手段は、フィルター予熱判定手
段の出力にもとづきフィルター微粒子燃焼除去電気ヒー
ターへの供給信号を出力する。
本発明による装置め動作原理が第４図の特性図を参照し
つつ説明される。第４図は、電気ヒータ−着火によるフ
ィルター再生可能な条件を機関回転数（横軸）と、ヒー
ター通電直前のフィルター温度（縦軸）の関係からみた
ものである。なお、横軸の機関回転数は排気ガス流量に
ほぼ比例する。
なお使用機関の排気量は２２００ｃｃ、フィルターの排
気ガス流入断面積は、１５７ｃｎ＋”、フィルター容積
は、１８００ｃｃである。
第４図より明らかなごとく、フィルター再生を可能なら
しめるフィルター温度は機関回転数すなわち排気ガス流
量の上昇とともに急激に増大するが、回転数に対応して
定まるある温度以上の領域ではフィルター再生が可能な
ことが判る。一方第４図中一点鎖線は平坦路を定常的に
走行した場合の機関回転数とフィルター温度の関係を示
し、８００〜４０００回転の全ての回転数域がフィルタ
ー再生不能領域に入っていることが判る。したがって従
来は、排気ガスの大部分をバイパスすることにより、フ
ィルター通路排気ガス量を減少させ、フィルターを再生
可能領域に入れる方法が用いられたわけである。この関
係を第４図中の矢印で示す。
本発明による装置の動作は、特殊な手法で排気ガスその
ものの温度を昇温させ、フィルターを再生域に入れるこ
とを一つの条件としている。第４図中の破線は、本発明
による装置により、フィルター予熱操作を行いつつ走行
した場合の機関回転数とフィルター温度の関係を示す。
これにより、全回転域でフィルター再生可能な領域に入
っていることが理解されよう。
本発明による装置によるフィルター予熱操作が従来技術
と相違している点の一つについて説明する。ディーゼル
機関において、排気ガス温度を上昇させるためには、燃
料の噴射時期を遅らせればよいことは知られている。し
かし噴射時期の遅延により出力低下と、燃焼不安定を招
くことも知られている。出力低下に対しては噴射量の増
大で対処することができるが、従来の機械的制御を用い
た燃料噴射システムでは車輌運転者に運転感覚の変化を
さとらせることなくこの種の操作を行なうことは不可能
であった。また燃焼の不安定化には対処の方法がなかっ
た。本発明による装置においては電子制御式燃料噴射系
を用いることにより上記問題に対処している。
実施例 本発明の一実施例としての排気ガス微粒子浄化機能を有
する内燃機関の制御装置が第１図（Ａ）に示される。第
１図（Ａ）の装置におけるマイクロジンピユータの機能
ブロック図が第１図（Ｂ）に示される。第１図（Ａ）に
示される装置において、１は内燃機関本体、１１は電子
制御式燃料噴射弁である。３２は噴射弁に高圧燃料を供
給するための燃料ポンプ、２は微粒子捕集装置であり、
捕集フィルター２１を内蔵し、フィルター２１の上流側
端面には電気ヒーター２４が装着されている。２３はフ
ィルターの圧力損失を測定するための差圧センサで圧力
損失の上昇を検知してフィルター再生時期の到来を判定
する役割を有する。
５は全体の制御装置としてのマイクロコンピュータで機
関の回転角ピックアップ１８などの信号により噴射弁１
１を駆動するとともに、フィルター再生時にはリレー２
５を駆動し、電気ヒーター２４を赤熱させる。１７は吸
気絞り弁で、必要に応じて吸入空気量を減少させる役割
を有する。６は車載のバッテリーである。
このようなシステムにおいて用いられるフィルター再生
プロセスが以下に説明される。走行距離または機関運転
時間の増大に伴ない、フィルターの圧力損失は次第に増
加する。説明装置５はあらかじめ設定した圧力損失とな
ると、制御装置は、フィルターを再生するためのあらか
じめ定められた手順に従って機関の運転状態、特に燃料
噴射の噴射パターンを変更する。
第１図（Ａ）に示される装置における電子制御式燃料噴
射系統が第２図に示される。第２図において１１は電気
信号により燃料噴射を行なう噴射弁であり、燃料ポンプ
３２により昇圧され、調圧弁３３により調圧されリザー
バ３４によって脈動を除去された２００〜４００Ｋｇ　
／ｃｍ”の高圧燃料が常時供給されている。５は燃料噴
射を制御する制御装置であり、機関回転数、負荷、クラ
ンク角度等の信号Ｓ　（Ｅ）が人力され、これにもとづ
き噴射パルス信号Ｓ　（ＩＮＪ）が噴射弁に送られる。
噴射弁１１の内部には電磁ソレノイド、又は圧電素子よ
りなるアクチュエータが内蔵されており、前記噴射パル
ス信号によりアクチュエータが作動し、燃料の噴射が行
なわれる。
このように第２図の電子制御式燃料噴射系統によれば燃
料は常時高圧で供給されており、噴射は電気信号により
行なわれ、所望の時期に所望の量の燃料の噴射が行うこ
とができる。なお第２図中Ｓ　（Ｒ）で示す信号は、フ
ィルター再生を指令する信号で、この信号により後述す
るごとく、燃料噴射のパターンを変化させ、フィルター
再生を可能にする。また第２図中３７はアクチュエータ
の冷却部で、調圧弁３３より流出する余剰燃料が核部を
通過し、アクチュエータを冷却する。
フィルター再生時の燃料噴射パターンについて以下に説
明される。フィルター再生時期が到来すると、機関はフ
ィルター温度をフィルター再生が可能になる温度まで昇
温するためのフィルター予熱操作に入る。このフィルタ
ー予熱操作においては、前述した任意時期に燃料噴射が
可能な電子制御噴射弁の特性を利用し、通常運転時とは
著しく異なったパターンの燃料噴射を行なう。この噴射
パターンにおいては、噴射時期を通常状態より著しく遅
らせるとともに噴射量を増大させ、及び噴射を複数回分
けて行なう。
第５図は通常運転時及び予熱モード運転時の種々の噴射
パターンを示す。第５図中Ａは通常時の噴射パターンを
示し、噴射開始時期はピストン圧縮上死点前５〜２０°
ＣＡであり基本的にただ１回の噴射を行なうパターンで
ある。ただし、騒音低減等のために、基本噴射以前に１
〜２回少量噴射を行なう場合もある。これを第５図中破
線で示す。
これに対しＢ、Ｃ，Ｄはフィルター予熱操作時の噴射パ
ターンを示す。Ｂはフィルター予熱操作の基本的噴射パ
ターンで、噴射時期を通常時より大幅に遅延させ、かつ
噴射量を増大させた例である。噴射時期を遅延させかつ
噴射量を増大させることにより、出力は変化せず排気ガ
ス温度の昇温が行なわれる。パターンＢは単に噴射時期
を遅延させた例であるが、この場合には、燃焼の悪化に
よる運転不安定と、排気ガスエミッションの悪化が生ず
る場合がある。
パターンＣはこれを改善するためのもので、噴射時期を
遅延するとともに、噴射を複数回に分割して行なうもの
で、全体としては噴射時期は遅延するが上死点付近で噴
射される燃料も存在するために、着火が良好となり、着
火した火炎が後段に噴射される燃料の火種になるため、
パターンＢに比して安定な燃焼が行なわれ、エミッショ
ンの悪化も少なく、このことは本発明による装置の特性
の利点の一つである。具体的にこの効果を示すならば、
前述した排気量の機関において、機関回転数２０００　
ｒｐｍ　　軸トルク３Ｋｇ−ｍの運転条件で噴射時期を
通常状態のＢＴＤＣＩＯ”からＡＴＤＣ１５°に遅延さ
せたところ、排気ガス温度は２３０℃昇温したが、微粒
子排出量は通常状態の３．５倍に増加した。
一方パターンＣによる遅延多回数噴射を行なった所、同
様に排気ガスの昇温は２３０℃でありながら、微粒子排
出量の増加は１．８倍にとどまり、機関の安定性も十分
であった。また一般に噴射時期の遅延は炭化水素を著し
く増加させるが、分割噴射とすることにより、この増加
を抑制することができる。なおこの場合の第１回目の噴
射時期はＡＴＤＣ工５°、最終回の噴射時期は４５°Ａ
ＴＤＣであった。
Ｄはさらに特殊な噴射パターンの例で、下死点近辺で図
中Ｐで示す噴射を行なうことを特徴とする。この時期に
噴射された燃料は当然のことながらほとんどが燃焼せず
に排出される。一方排出された未燃の燃料は微粒子捕集
フィルターに到達するが加熱された電気ヒーターに遭遇
し着火燃焼を始め、この燃焼熱によりフィルターに堆積
している微粒子に着火が行なわれる。すなわち、ヒータ
ーによる堆積微粒子への着火を助ける作用を持つ。
第１図（Ａ）に示される装置の作動が第３図の流れ図を
参照しつつ説明される。ステップｓｏでフィルター再生
ルーチンが開始され、ステップＳ１でフィルター差圧セ
ンサ信号が受は入れられる。
ステップＳ３でフィルター再生の必要性があるか否かが
判定される。イエスであればステップｓ３ヘ進み、ステ
ップＳ３においてフィルター予熱指令が出力される。フ
ィルター予熱は、燃料噴射パターンを変更し、排気ガス
温度を昇温し、電気ヒーター着火及び燃焼を可能にする
までフィルターを昇温する。
ステップＳ５において、その時点の機関回転数等から必
要とするフィルター温度まで昇温かなされたか否かを温
度センサ１８からの信号等にもとづき判定する。十分に
昇温かなされたと判定した場合には次の着火燃焼操作に
移行する。この着火燃焼操作では、フィルター上流部に
設置された電気ヒーターが通電加熱され、フィルター上
に堆積した微粒子に着火され微粒子の燃焼が開始し、次
第にフィルター下流側に燃焼域が移動し、フィルター上
の微粒子が除去される。
フィルター予熱操作は、この期間フィルター予熱操作の
モードを維持するか、または、機関の運転条件によって
は、徐々に通常のモードに復帰する。その理由は、一般
にフィルター予熱操作では燃料噴射量が増大するために
排気ガス中の残存酸素濃度は低下するが、一方微粒子の
燃焼には成る程度の酸素濃度が必要なため、徐々に通常
モードに復帰させることにより徐々に酸素濃度を上昇さ
せることにより、微粒子の燃焼再生が良好になる場合が
あるためである。
また第１図（Ａ）において示される吸気絞り弁１７もフ
ィルター再生時に作動させる場合がある。
一般に微粒子への着火、及び燃焼は、排気ガス流量の少
ない方が容易に行なわれる。このためフィルター予熱操
作時、及び着火再生操作時に吸気絞り弁１７を半閉の状
態にして、吸入空気量すなわち排気ガス流量を減少させ
て作動させる場合がある。また、吸気絞りを行うことは
、排気ガス温度の昇温にも効果がある。
なお、一般に、この吸気絞りは、機関の出力を低下させ
るため、高負荷運転時には用いられない。
そこで、吸気絞りを行なうか否か、着火、再生モード中
に予熱モートをどの様に変更するか否かは、その時点の
機関運転条件、排気ガス温度等より、制御装置における
判断にも゛とづき作動が決定される。
通常運転時と、フィルター予熱操作時の噴射パターン、
及びそれに対する排気ガス温度が第６図の特性図に示さ
れる。ただ１回の噴射からなる通常運転時に比べ、分割
噴射を行ない、噴射時期を遅延させるに従い排気ガス温
度は著しく上昇することが示される。なおエンジン条件
は、２０？Ｏｒｐｍ、軸トルク４．２Ｋｇ、ｎｉである
。又、第７図（Ａ）　、　（Ｂ）にシステム作動時のフ
ィルター内部温度の変化のチャートを示す。
発明の効果 本発明によれば、電気ヒーターによりフィルターに堆積
した微粒子への着火、そして燃焼再生が行なわれる、微
粒子浄化機能を有する内燃機関の制御装置において電気
的制御により燃料噴射制御が行われ、フィルター再生時
にフィルター予熱操作が行われ、フィルターを分路する
排気ガスバイパス流路を設けることなく、広範囲な機関
運転条件下でフィルターの再生を適切に行うことができ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図（Ａ）は本発明の実施例としての排気ガス微粒子
浄化機能を有する内燃機関の制御装置を示す図、 第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）の装置におけるマイクロコ
ンピュータの機能ブロック図、第２図は第１図（Ａ）の
装置における電子制御式燃料噴射系統を示す図、 第３図は第１図（Ａ）の装置の作動の流れを示す流れ図
、 第４図は本発明による装置の動作原理を説明するための
特性図、 第５図は本発明による装置における燃料噴射信号のパタ
ーンを示す波形図、 第６図は、本発明による装置の動作を説明するための特
性図、第７図（Ａ）　、　（Ｂ）はヒータ通電特性図で
ある。 １・・−内燃機関本体、　１１−・燃料噴射弁、１７−
吸気絞り弁、　　１８・−・回転角ピンクアップ、２−
微粒子捕集装置、２１−捕集フィルター、２３−・−差
圧センサ、　　２４−電気ヒーター、２５・−リレー、
　　　　　２８−・温度センサ、３２・−・燃料ポンプ
、　　３３−調圧弁、３４−・・−リザーバ、　　　３
５−・・燃料フィルター、３６・−燃料、 ３７−・燃料噴射弁アクチュエータ冷却部、５−マイク
ロコンピュータ、 ６・−車載バッテリー。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、燃料噴射時期が制御される燃料噴射弁、排気管路に
    挿入され排気ガス微粒子捕集を行うフィルターの前後に
    おける差圧を検出するフィルター差圧センサ、該フィル
    ター温度測定用のフィルター温度センサ、該フィルター
    に堆積した微粒子の燃焼除去用のフィルター微粒子燃焼
    除去電気ヒーター、該フィルター差圧センサからの信号
    にもとづきフィルター再生の必要性有無を判定するフィ
    ルター再生判定手段、該フィルター再生判定手段の出力
    にもとづきフィルター昇温用の予熱指令を出力するフィ
    ルター予熱指令手段、該フィルター温度センサからの信
    号にもとづきフィルター昇温用の予熱が完了したか否か
    を判定するフィルター予熱判定手段、該フィルター予熱
    指令手段の出力にもとづき該フィルターの予熱のための
    燃料噴射弁の噴射パターン変更用の供給信号を出力する
    燃料噴射指令手段、該フィルター予熱判定手段の出力に
    もとづきフィルター微粒子燃焼除去電気ヒーターへの供
    給信号を出力するフィルター微粒子燃焼指令手段、を具
    備することを特徴とする排気ガス微粒子浄化機能を有す
    る内燃機関の制御装置。 ２、該フィルター再生判定手段、該フィルター予熱指令
    手段、該フィルター予熱判定手段、該燃料噴射指令手段
    、および該フィルター微粒子燃焼指令手段がマイクロコ
    ンピュータの機能により実現される、特許請求の範囲第
    １項記載の装置。 ３、該フィルターの予熱のための燃料噴射弁の噴射パタ
    ーン変更が、燃料噴射弁の噴射時期を遅延させ、かつ噴
    射量を増量し、噴射時期の遅延に伴なう軸出力の低下を
    防止する形態で行われる特許請求の範囲第１項記載の装
    置。 ４、該フィルターの予熱のための燃料噴射弁の噴射パタ
    ーン変更が噴射時期を遅延させ、かつ多回数の噴射を行
    なうことによって行われる特許請求の範囲第１項記載の
    装置。 ５、該フィルターの予熱のための燃料噴射弁の噴射パタ
    ーン変更における噴射時期の遅延とともに吸入空気量の
    低減が行われる、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ６、該フィルター微粒子燃焼除去電気ヒーターへの通電
    後、該フィルター予熱操作が解除されるようになってい
    る、特許請求の範囲第１項記載の装置。
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