JP2015059478A - Exhaust purification system of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気中の粒子状物質を捕集するフィルタを備える排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification apparatus including a filter that collects particulate matter in exhaust gas discharged from the internal combustion engine.
ディーゼルエンジンから排出される排気中の粒子状物質(Particulate Matter、以下、PM)を捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ(Diesel Particulate Filter、以下、DPF)が知られている。 For example, a diesel particulate filter (hereinafter referred to as DPF) is known as a filter that collects particulate matter (hereinafter referred to as PM) in exhaust discharged from a diesel engine. .
DPFは、PM捕集量に限度があるため、堆積したPMを定期的に燃焼除去するいわゆる強制再生を行う必要がある。強制再生は、排気管内噴射やポスト噴射によって、排気上流側の酸化触媒(Diesel Oxidation Catalyst:DOC)に未燃焼の炭化水素(HC)を供給して酸化させ、排気温度をPM燃焼温度まで上昇させることで行われる。 Since the DPF has a limit in the amount of collected PM, it is necessary to perform so-called forced regeneration in which accumulated PM is periodically removed by combustion. In forced regeneration, unburned hydrocarbon (HC) is supplied to an oxidation catalyst (Diesel Oxidation Catalyst: DOC) on the exhaust upstream side by oxidization by in-pipe injection or post injection, and the exhaust temperature is raised to the PM combustion temperature. Is done.
一般的に、強制再生時の排気管内噴射量やポスト噴射量は、DPF前後に設けた排気温度センサのセンサ値に基づいて制御されている(例えば、特許文献1参照)。 Generally, the exhaust pipe injection amount and the post injection amount during forced regeneration are controlled based on sensor values of exhaust temperature sensors provided before and after the DPF (see, for example, Patent Document 1).
ところで、排気温度センサのセンサ値は、実際の排気温度変化に対して応答遅れを生じる課題がある。また、排気温度センサは、DPFの内部に設けることができないため、DPF内部温度を正確に検出できない課題がある。さらに、強制再生時の発熱に必要な燃料噴射量は、触媒の劣化度合に応じて変化するため、排気温度センサのセンサ値にのみ基づいて噴射量を調整する技術では、排気管内噴射やポスト噴射を最適な噴射量で制御できない可能性がある。 Incidentally, the sensor value of the exhaust temperature sensor has a problem that a response delay occurs with respect to an actual exhaust temperature change. Further, since the exhaust temperature sensor cannot be provided inside the DPF, there is a problem that the DPF internal temperature cannot be accurately detected. Furthermore, since the fuel injection amount required for heat generation during forced regeneration changes according to the degree of deterioration of the catalyst, in the technology of adjusting the injection amount based only on the sensor value of the exhaust temperature sensor, injection in the exhaust pipe or post injection May not be controlled with the optimal injection amount.
本発明の目的は、DPF内部温度を高精度に検出して、強制再生時の燃料噴射をDPFの劣化度合に応じた最適な噴射量で制御することにある。 An object of the present invention is to detect the internal temperature of the DPF with high accuracy and to control the fuel injection at the forced regeneration with an optimal injection amount corresponding to the degree of deterioration of the DPF.
上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記フィルタの内部温度を演算する内部温度演算手段と、前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度に基づいて、前記フィルタの劣化状態を推定する劣化状態推定手段と、前記フィルタの粒子状物質堆積量が所定量を超えると、前記酸化触媒に燃料を噴射して粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行するフィルタ再生手段と、前記劣化状態推定手段から入力されるフィルタ劣化状態に応じて、前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is provided with an oxidation catalyst provided in an exhaust system of the internal combustion engine, and an exhaust system downstream of the oxidation catalyst. A filter that collects particulate matter, a capacitance detection means that detects the capacitance of the filter, and an internal temperature of the filter is calculated based on the capacitance input from the capacitance detection means Internal temperature calculation means, deterioration state estimation means for estimating the deterioration state of the filter based on the filter internal temperature input from the internal temperature calculation means, and the particulate matter accumulation amount of the filter exceeds a predetermined amount And filter regeneration means for performing forced regeneration for injecting fuel to the oxidation catalyst to burn and remove particulate matter, and according to the filter deterioration state input from the deterioration state estimation means. Characterized in that it comprises an injection amount correction means for correcting the fuel injection amount of data reproducing means.
また、前記劣化状態推定手段は、強制再生時に前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度に基づいて、前記フィルタの酸化性能の劣化度合を演算することが好ましい。 Further, it is preferable that the deterioration state estimation means calculates a deterioration degree of the oxidation performance of the filter based on a filter internal temperature input from the internal temperature calculation means during forced regeneration.
また、前記噴射量補正手段は、演算される前記劣化度合が大きくなるほど、前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を減少させることが好ましい。 Further, it is preferable that the injection amount correction means decreases the fuel injection amount of the filter regeneration means as the calculated degree of deterioration increases.
また、前記静電容量検出手段が、前記フィルタ内に一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極で構成されてもよい。 Further, the capacitance detection means may be composed of at least a pair of electrodes that are disposed opposite to each other with one or more partition walls in the filter to form a capacitor.
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、DPF内部温度を高精度に検出することが可能となり、強制再生時の燃料噴射をDPFの劣化度合に応じた最適な噴射量で制御することができる。 According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention, the internal temperature of the DPF can be detected with high accuracy, and the fuel injection during forced regeneration can be controlled with an optimal injection amount corresponding to the degree of deterioration of the DPF. it can.
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。 Hereinafter, an exhaust emission control device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The same parts are denoted by the same reference numerals, and their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
図1に示すように、ディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)10には、吸気マニホールド10aと排気マニホールド10bとが設けられている。吸気マニホールド10aには新気を導入する吸気通路11が接続され、排気マニホールド10bには排気を大気に放出する排気通路12が接続されている。
As shown in FIG. 1, a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) 10 is provided with an
吸気通路11には、吸気上流側から順に、エアクリーナ13、MAFセンサ14、過給機15のコンプレッサ15a、インタークーラ16、吸気スロットルバルブ17等が設けられている。排気通路12には、排気上流側から順に、過給機15のタービン15b、排気後処理装置20等が設けられている。
In the
排気後処理装置20は、触媒ケース20a内に排気上流側から順に、DOC21と、DPF22とを配置して構成されている。また、DOC21の排気上流側には排気管内噴射装置23が設けられている。
The
排気管内噴射装置23は、本発明のフィルタ再生手段の一部であって、ECU50から出力される指示信号(パルス電流)に応じて、排気通路12内に未燃燃料(主にHC)を噴射する。なお、エンジン10の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置23を省略してもよい。
The exhaust
DOC21は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。DOC21は、排気管内噴射装置23又はポスト噴射によってHCが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。
The
DPF22は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。DPF22は、排気中のPMを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、PM堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、排気管内噴射装置23又はポスト噴射によってDOC21に未燃燃料(HC)を供給し、DPF22に流入する排気温度をPM燃焼温度(例えば、約500〜600℃)まで昇温することで行われる。また、DPF22は、強制再生時にDOC21からHCがスリップすると、これを酸化するHC酸化能を有する。
The
また、本実施形態のDPF22には、少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する複数本の電極27が設けられている。これら複数本の電極27は、本発明の静電容量検出手段の一例として好ましい。
In addition, the
ECU50は、エンジン10や排気管内噴射装置23等の各種制御を行うもので、公知のCPUやROM、RAM、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。
The ECU 50 performs various controls of the engine 10, the exhaust
また、ECU50は、図2に示すように、DPF内部温度演算部51と、PM堆積量演算部52と、DPF劣化度合演算部53と、強制再生制御部54と、噴射量補正部55とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるECU50に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
Further, as shown in FIG. 2, the
DPF内部温度演算部51は、本発明の内部温度演算手段の一例であって、電極27間の静電容量Cに基づいて、DPF22の内部温度TDPFを演算する。一般的に、電極27間の静電容量Cは、電極27間の媒体の誘電率ε、電極27の面積S、電極27間の距離dとする以下の数式1で表される。
DPF internal
数式1において、電極27の面積S及び距離dは一定であり、誘電率εが排気温度の影響を受けて変化すると、これに伴い静電容量Cも変化する。すなわち、電極27間の静電容量Cを検出すれば、DPF内部温度TDPFを演算することができる。ECU50には、予め実験等により求めた静電容量CとDPF内部温度TDPFとの関係を示す温度特性マップ(例えば、図3参照)が記憶されている。DPF内部温度演算部51は、この温度特性マップから電極27間の静電容量Cに対応する値を読み取ることでDPF内部温度TDPFを演算する。なお、DPF内部温度TDPFは、予め実験等により求めた近似式等から演算してもよい。
In Formula 1, the area S and the distance d of the
PM堆積量演算部52は、電極27間の静電容量Cに基づいて、DPF22に捕集されたPM堆積量PMDEPを演算する。上述の数式1において、電極27間にPMの堆積が進み、誘電率εや距離dが変化すると、これに伴い静電容量Cも変化する。すなわち、電極27間の静電容量Cを検出すれば、PM堆積量PMDEPを演算することができる。ECU50には、予め実験等により求めた静電容量CとPM堆積量PMDEPとの関係を示す堆積量マップ(例えば、図4参照)が記憶されている。PM堆積量演算部52は、この堆積量マップから電極27間の静電容量Cに対応する値を読み取ることでPM堆積量PMDEPを演算する。なお、PM堆積量PMDEPは、予め実験等により求めた近似式等から演算してもよい。
The PM deposition
DPF劣化度合演算部53は、本発明の劣化状態推定手段の一例であって、DPF内部温度演算部51から入力されるDPF内部温度TDPFに基づいて、DPF22の劣化度合DEGLEVELを演算する。熱劣化等によりDPF22のHC酸化能が低下すると、これに伴いDPF22内のHC発熱量が減少する。すなわち、強制再生時のDPF内部温度TDPFに基づいて、DPF22内のHC実発熱量を演算すれば、DPF22の劣化度合DEGLEVELを求めることができる。
DPF deterioration
より詳しくは、ECU50には、予め実験等により求めた酸化性能が正常なDPF(例えば、新品)のHC理論発熱量が記憶されている。DPF劣化度合演算部53は、このHC理論発熱量とDPF内部温度TDPFから求めたHC実発熱量とを比較することで、DPF22の劣化度合DEGLEVELを演算する。なお、劣化度合DEGLEVELは、予め実験等により求めた近似式等から演算してもよい。
More specifically, the
強制再生制御部54は、本発明のフィルタ再生手段の一例であって、PM堆積量演算部52から入力されるPM堆積量PMDEPに基づいて、DPF22の強制再生を制御する。より詳しくは、強制再生制御部54は、PM堆積量PMDEPがDPF22に捕集可能なPMの上限堆積量PMMAXを超えると(PMDEP>PMMAX)、排気管内噴射装置23に所定量の排気管内噴射を実行させて強制再生を開始する。この強制再生時の排気管内噴射量は、後述する噴射量補正部55によって必要に応じて補正される。
The forced
噴射量補正部55は、DPF劣化度合演算部53から入力される劣化度合DEGLEVELに応じて、強制再生時の排気管内噴射量(又は、ポスト噴射量)を補正する。より詳しくは、ECU50には、予め実験等により求めたDPF22の劣化度合DEGLEVELと、劣化度合DEGLEVELに応じてHCをDPF22内で効果的に酸化させるのに必要な噴射補正量ΔINJとの関係を示す噴射量補正マップ(例えば、図5参照)が記憶されている。強制再生時の排気管内噴射量INJQ_exhは、噴射量補正マップから劣化度合DEGLEVELに対応する噴射補正量ΔINJを読み取ると共に、読み取った噴射補正量ΔINJを基本噴射量INJQ_stdから減算することで設定される(INJQ_exh=INJQ_std−ΔINJ)。補正後の燃料噴射は、排気管内噴射装置23のインジェクタに印加される各噴射の通電パルス幅を短くするか、あるいは噴射回数を減らすことで実行される。
The injection
次に、図6に基づいて、本実施形態の排気浄化装置による制御フローを説明する。なお、本制御はイグニッションキーのON操作と同時にスタートする。 Next, based on FIG. 6, the control flow by the exhaust emission control device of the present embodiment will be described. Note that this control starts simultaneously with the ON operation of the ignition key.
ステップ(以下、ステップを単にSと記載する)100では、静電容量Cから取得されるPM堆積量PMDEPが上限堆積量PMMAXを超えたか否かが判定される。PM堆積量PMDEPが上限堆積量PMMAXを超えた場合(Yes)は、DPF22の強制再生を開始すべく、S110に進む。
In step (hereinafter, step is simply referred to as S) 100, it is determined whether or not the PM deposition amount PM DEP acquired from the capacitance C exceeds the upper limit deposition amount PM MAX . When the PM deposition amount PM DEP exceeds the upper limit deposition amount PM MAX (Yes), the process proceeds to S110 in order to start the forced regeneration of the
S110では、静電容量Cから取得されるDPF内部温度TDPFに基づいて、DPF22の劣化度合DEGLEVELが演算される。さらに、S120では、劣化度合DEGLEVELが所定の劣化上限閾値DEGMAX(例えば、HCスリップによる燃費の悪化やエミッションの悪化を回避できる上限値)を超えたか否かが判定される。 In S110, based on the DPF internal temperature T DPF obtained from the electrostatic capacitance C, the deterioration degree the DEG LEVEL of DPF22 is calculated. Further, in S120, it is determined whether or not the degree of deterioration DEG LEVEL exceeds a predetermined deterioration upper limit threshold DEG MAX (for example, an upper limit value that can avoid deterioration of fuel consumption and emission due to HC slip).
S120で、劣化度合DEGLEVELが劣化上限閾値DEGMAXを超えている場合(Yes)は、S130に進む。一方、劣化度合DEGLEVELが劣化上限閾値DEGMAXを超えていない場合(No)は、S150に進み、基本噴射量INJQ_stdで排気管内噴射が実行される。 In S120, when the degradation degree DEG LEVEL exceeds the degradation upper limit threshold DEG MAX (Yes), the process proceeds to S130. On the other hand, when the deterioration degree DEG LEVEL does not exceed the deterioration upper limit threshold DEG MAX (No), the process proceeds to S150, and the injection into the exhaust pipe is executed with the basic injection amount INJ Q_std .
S130では、噴射量補正マップから劣化度合DEGLEVELに応じて読み取った噴射補正量ΔINJを基本噴射量INJQ_stdから減算する噴射量補正が実行され(INJQ_exh=INJQ_std−ΔINJ)、S140では、補正後の排気管内噴射量INJQ_exhに基づいて排気管内噴射が実行される。 In S130, an injection amount correction is performed by subtracting the injection correction amount ΔINJ read from the injection amount correction map according to the deterioration degree DEG LEVEL from the basic injection amount INJ Q_std (INJ Q_exh = INJ Q_std− ΔINJ). In S140, the correction is performed. The exhaust pipe injection is executed based on the subsequent exhaust pipe injection amount INJ Q_exh .
S160では、PM堆積量PMDEPがDPF22の再生終了を示す下限閾値PMMINまで低下したか否かが判定される。PM堆積量PMDEPが下限閾値PMMINまで低下している場合(Yes)は、S170で排気管内噴射を停止して本制御はリターンされる。その後、S100〜170の各制御ステップは、イグニッションキーのOFF操作まで繰り返し実行される。
In S160, it is determined whether or not the PM deposition amount PM DEP has decreased to a lower limit threshold value PM MIN indicating the end of regeneration of the
次に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による作用効果を説明する。 Next, functions and effects of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to this embodiment will be described.
図7に示すように、電極27間の静電容量Cは、排気温度(DPF内部温度)の変化に対して排気温度センサのセンサ値よりも速い応答性を示す特性がある。すなわち、DPF22内に配置した電極27間の静電容量Cを用いれば、DPF22の前後に設けた排気温度センサのセンサ値よりも、DPF22の内部温度を正確に検出することが可能になる。
As shown in FIG. 7, the capacitance C between the
本実施形態の排気浄化装置では、電極27間の静電容量Cから演算したDPF内部温度TDPFに基づいてDPF22の劣化度合DEGLEVELを演算すると共に、この劣化度合DEGLEVELに応じて強制再生時の排気管内噴射量(又は、ポスト噴射量)を補正している。すなわち、DPF22の劣化度合DEGLEVELを考慮して強制再生時の排気管内噴射量を補正することで、DPF前後の排気温度センサのセンサ値に基づいた従来技術に比べ、燃料噴射量の最適化が図られるように構成されている。
In the exhaust purifying apparatus of the present embodiment, while calculating the deterioration degree the DEG LEVEL of DPF22 based on DPF internal temperature T DPF computed from the capacitance C between the
したがって、本実施形態の排気浄化装置によれば、強制再生時の燃料噴射量をDPF22の劣化度合に応じて正確に制御することが可能となり、燃費を効果的に向上することができる。また、DPF22からスリップするHC量を効果的に低減することが可能となり、エミッションの悪化を防止することができる。また、DPF22の前後に排気温度センサを設ける必要がなくなり、装置全体のコストを効果的に低減することも可能になる。
Therefore, according to the exhaust gas purification apparatus of the present embodiment, the fuel injection amount at the time of forced regeneration can be accurately controlled according to the degree of deterioration of the
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, In the range which does not deviate from the meaning of this invention, it can change suitably and can implement.
例えば、DPF22とDOC21とは別体に設けられるものとして説明したが、これらを一体化してもよい。また、エンジン10はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。 For example, although DPF22 and DOC21 were demonstrated as what is provided separately, you may integrate these. Further, the engine 10 is not limited to a diesel engine, and can be widely applied to other internal combustion engines such as a gasoline engine.
また、図8に示すように、排気通路12にDPF22を迂回させるバイパス通路25を接続し、このバイパス通路25に容量の小さい計測用DPF22aを備えて構成してもよい。この場合は、電極27を計測用DPF22a内に配置すると共に、バイパス通路25には排気流量を調整するオリフィス25a(絞り)を設けることが好ましい。また、計測用DPF22aの強制再生を実行する場合は、電極27に電圧を印加してヒータとして機能させてもよい。
Further, as shown in FIG. 8, a
10 エンジン
12 排気通路
20 排気後処理装置
21 DOC
22 DPF
23 排気管内噴射装置
27 電極
50 ECU
51 DPF内部温度演算部
52 PM堆積量演算部
53 DPF劣化度合演算部
54 強制再生制御部
55 噴射量補正部
10
22 DPF
23 Exhaust
51 DPF internal
Claims (4)
前記酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記フィルタの内部温度を演算する内部温度演算手段と、
前記内部温度演算手段から入力されるフィルタ内部温度に基づいて、前記フィルタの劣化状態を推定する劣化状態推定手段と、
前記フィルタの粒子状物質堆積量が所定量を超えると、前記酸化触媒に燃料を噴射して粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行するフィルタ再生手段と、
前記劣化状態推定手段から入力されるフィルタ劣化状態に応じて、前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、を備える
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 An oxidation catalyst provided in the exhaust system of the internal combustion engine;
A filter that is provided in an exhaust system downstream of the oxidation catalyst and collects particulate matter in the exhaust;
Capacitance detecting means for detecting the capacitance of the filter;
Internal temperature calculation means for calculating the internal temperature of the filter based on the capacitance input from the capacitance detection means;
A deterioration state estimation means for estimating a deterioration state of the filter based on the filter internal temperature input from the internal temperature calculation means;
Filter regeneration means for performing forced regeneration for injecting fuel to the oxidation catalyst and burning and removing particulate matter when the particulate matter accumulation amount of the filter exceeds a predetermined amount;
An exhaust emission control device for an internal combustion engine, comprising: an injection amount correction unit that corrects a fuel injection amount of the filter regeneration unit according to a filter deterioration state input from the deterioration state estimation unit.
請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。 2. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the deterioration state estimation unit calculates a deterioration degree of oxidation performance of the filter based on a filter internal temperature input from the internal temperature calculation unit during forced regeneration.
請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。 The exhaust purification device for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the injection amount correction means decreases the fuel injection amount of the filter regeneration means as the calculated degree of deterioration increases.
請求項1から3の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the capacitance detection means includes at least a pair of electrodes that are disposed to face each other with one or more partition walls in the filter to form a capacitor. Exhaust purification equipment.
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