JP2004162612A

JP2004162612A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004162612A
Application number: JP2002329633A
Authority: JP
Inventors: Masao Kagenishi; 雅夫蔭西
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】本発明は、パティキュレートフィルタの再生状況を適切に反映させて、パティキュレートフィルタの前段触媒を用いた強制再生の処理期間を的確に調整できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタ１８の直上流の排気温度を検出する温度センサ２０を用い、ＥＣＵ２２で、強制再生制御開始後に排気温度が一定時間連続して強制再生温度相当値以上であった場合の累積履歴に基づいて強制再生制御の終了時期を調整する制御を採用して、強制再生の終了時期が、確実にパティキュレートフィルタ１８が強制再生状態にある時間により調整されるようにした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に介装されるパティキュレートフィルタとその上流側に配置された酸化触媒とを用いて浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン（内燃機関）に搭載される排気浄化装置には、該エンジンの排気通路に介装されるパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）を介装して、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるパティキュレート（以下、ＰＭという）を捕集する構造が用いられる。
【０００３】
ＤＰＦは、捕集能力を回復させることが必要である。特にＰＭの自然発火が期待できないため、ＤＰＦを有する排気浄化装置では、強制的にＤＰＦを再生すること、すなわち予め設定された再生実施時期に、ＤＰＦの温度を強制的にＰＭが酸化するまで上昇させて、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させることが行われる（強制再生）。一般には、ＤＰＦの再生は、再生実施時期に至るまでの推定ＰＭ堆積量に基づき設定した設定時間（再生時間）で行われる。
【０００４】
ところが、強制再生中、ＤＰＦの温度は変化しており、ＰＭを酸化させる温度を下回ることがある。このため、設定された再生時間内でＤＰＦは十分に再生できず、一部ＰＭがＤＰＦ上に残存することがある。そうかといって、再生時間を長く設定すれば、今度は無駄な再生運転が生じる。
【０００５】
そこで、強制再生中、ＤＰＦのフィルタ温度が設定温度以上になるとき、すなわち再生状態にある時間を積算して、その積算時間が設定時間以上になると、強制再生を終了させて、ＤＰＦの再生の確実化を図る技術が提案されている（例えば特許文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特公平５−３４４８７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の技術によると、フィルタ温度はＤＰＦの温度を直接計測するか、フィルタ近傍の排気温度を計測して求めている。しかし、ＤＰＦの温度を直接計測するには、高価な装置が必要であり、現実的にはコスト的の困難である。また排気温度で代用する場合、上記従来の技術は、単純にＰＭが酸化する温度以上の時間を計測しているため、排気温度が一瞬だけ上記温度になるだけでＤＰＦは当該温度に達しないなどの排気温度に対するフィルタ温度の遅れの挙動が考慮されておらず、現実にはＤＰＦが再生状態にある時間が確実に検出できていないために、改良の余地がある。
【０００８】
また、近年ではＤＰＦの前段に酸化触媒を配置した連続再生式の排気浄化装置が開発されている。この連続再生式におけるＤＰＦの強制再生は、触媒上で未燃燃料を反応させてＤＰＦの直上流の排気温度を上昇させる手法が一般的であるが、同再生は未燃燃料の供給状態によって、排気温度が一瞬に上昇したり下降したりするなど激しく変化する挙動が見られる。このため、前段触媒を用いた連続再生式では、先の排気温度に対するフィルタ温度の遅れの問題がより顕在化する。
【０００９】
そのため、本発明は、パティキュレートフィルタの再生状況を適切に反映させて、パティキュレートフィルタの前段触媒を用いた強制再生の処理期間を的確に調整できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、パティキュレートフィルタの直上流の排気温度を検出する排気温度検出手段を用い、強制再生制御手段で、強制再生制御開始後に上記排気温度が一定時間連続して強制再生温度相当値以上であった場合の累積履歴に基づいて強制再生制御の終了時期を調整するようにした。
【００１１】
これにより、強制再生の終了時期は、確実にパティキュレートフィルタが強制再生状態にある時間により調整される。この再生状況の適切な反映により、強制再生の制御期間が的確に調整され、一層、燃費や排ガス性能の向上が図れる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、上記目的に加え、さらにパティキュレートフィルタの過昇温を防ぐよう、更に強制再生制御手段で、排気温度が強制再生温度相当値より高い所定温度以上の場合、強制再生制御を一時的に中断するようにした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１ないし図３に示す一実施形態にもとづいて説明する。
【００１４】
図１は、内燃機関、例えばトラックやバスなどの車両に搭載される走行用ディーゼルエンジン１の排気浄化装置を示していて、図中１ａはディーゼルエンジン１のエンジン本体を示している。
【００１５】
ここで、エンジン本体１は、例えば直列に並んだ４つの気筒２ａ〜２ｄを備えている。各気筒２ａ〜２ｄには、ピストン（図示しない）が往復可能に収めてある。また各気筒２ａ〜２ｄの上部には、気筒毎にインジェクタ３ａ〜３ｄ、吸気ポート４ａ〜４ｄ、排気ポート５ａ〜５ｄ、吸・排気弁（図示しない）が設けてある。各インジェクタ３ａ〜３ｄには、燃料供給装置（図示しない）が接続されていて、気筒毎に所定のタイミングで、各吸・排気弁の吸・排動作、各インジェクタの噴射動作が行われると、各気筒２ａ〜２ｄで、所定のサイクル、例えば吸気、圧縮、爆発燃焼、排気の工程が行われるようにしてある。
【００１６】
エンジン本体１ａの片側に開口した各吸気ポート４ａ〜４ｄの入口には、吸気マニホールド６が接続してある。この吸気マニホールド６には、途中にインタクーラ７（例えば空冷式）、ターボ過給機８のコンプレッサ部８ａが組付けてある吸気管９が接続されていて、吸気管９を通じて各気筒２ａ〜２ｄへ燃焼用空気が導入できるようにしている。残る片側に開口した各排気ポート５ａ〜５ｄの出口には、排気マニホールド１０が接続してある。この排気マニホールド１０には、途中にターボ過給機８のタービン部８ｂが組付けてある排気管１１が接続されていて、燃焼を終えた各気筒２ａ〜２ｄからの排気ガスを外部へ排気できるようにしている。８ｃは、例えばタービン部８ｂに組込まれた排気逃し部（例えばタービン部８ｂの入口と出口との間をバイパスするバイパス路１２ａ、該バイパス路１２ａを開閉するウエストゲートバルブ１２ｂで構成されるもの）を示す。
【００１７】
なお、例えば吸気マニホールド６の入口には吸気絞り弁１２が設置され、また例えば吸気マニホールド６と排気マニホールド１０との間には、ＥＧＲ装置１３（例えばマニホールド６，１０間をバイパスするＥＧＲ通路１３ａ、該ＥＧＲ通路１３ａを開閉するＥＧＲバルブ１３ｂで構成されるもの）が設置してある。
【００１８】
このディーゼルエンジン１の排気通路をなす例えば排気管１１の後部には、連続再生式のパティキュレートフィルタ装置１５が介装されている。同装置１５は、例えば両端部が絞られ、中央が排気管１１より大径に形成された筒形のケーシング１６をもつ。そして、ケーシング１６の一端部に形成された流入口１６ａが、排気マニホールド１０から延びている排気管部分に接続され、ケーシング１６の他端部に形成された流出口１６ｂが、大気に開放している排気管部分に接続してある。
【００１９】
このケーシング１６内には、パティキュレートフィルタ１８（以下、ＤＰＦ１８という）が収容してある。このＤＰＦ１８は、例えば排気ガスが通過可能でパティキュレートが通過不能な多孔質の隔壁で仕切られた多角形断面をもつフィルタ部分１８ａを有し、このフィルタ部分１８ａの隔壁で形成された多数の貫通孔の隣接する入口と出口とを交互に栓１８ｂで封止した構造が用いてある。つまり、排気ガスが隔壁を通過するとき、排気ガスに含まれるパティキュレート（以下、ＰＭという）が捕集されるようにしている。
【００２０】
さらにケーシング１６内には、ＤＰＦ１８の上流側に位置して、酸化触媒１９（以下、前段触媒１９という）が収めてある。この前段触媒１９の設置により、ＤＰＦ１８が連続再生、すなわち前段触媒１９上で排気ガス中のＮＯを酸化して、生成されたＮＯ_２と排気ガス中のＯ_２とによりＤＰＦ１８で捕集されたＰＭの酸化（燃焼）が行われるようにしている。また前段触媒１９とＤＰＦ１８との間には、ＤＰＦ１８の直上流における排気ガスの温度を検出する温度センサ２０（本願の排気温度検出手段に相当）が設けてある。
【００２１】
一方、２２は、制御部としてのＥＣＵ（例えばマイクロコンピュータで構成される）である。ＥＣＵ２２には、インジェクタ３ａ〜３ｄ、ウエストゲートバルブ１２、吸気絞り弁１２、ＥＧＲバルブ１３ｂ、温度センサ２０などが接続してある。このＥＣＵ２２には、予め設定された通常運転の制御内容にしたがって、車両の運転状態に応じ、インジェクタ３ａ〜３ｄ、ウエストゲートバルブ１２、吸気絞り弁１２、ＥＧＲバルブ１３ｂを制御する機能が設定されている。さらにＥＣＵ２２には、この通常運転中、ＤＰＦ１８に堆積し続けるＰＭを、ある時点で強制的に処理する強制再生運転が設定されている。
【００２２】
すなわち、前段触媒１９による連続再生は、ＮＯ_２によるＰＭの酸化なので、酸化に必要な雰囲気温度は、Ｏ_２による酸化に必要な温度（例えば５５０℃以上）より低い例えば２５０℃以上から行われるが、低速低負荷の走行が強いられる車両、例えば平均車速が１８ｋｍ／ｈという都市内走行運転が強いられるバスやトラックでは、排気ガスの温度は２５０℃を下回るのがほとんどで、通常運転での連続再生は期待できない。つまり、低速低負荷域の運転のときは、ＤＰＦ１８にはＰＭが堆積し続ける。そのため、ある時期、前段触媒１９を用いて、ＤＰＦ１８に堆積したＰＭをＯ_２により強制的に酸化（燃焼）させるようにしている（強制再生）。そして、この都市内走行（低速低負荷域の運転）を常とする車両におけるＤＰＦ１８の強制再生運転を実施するべく、つぎのような機能が設定されている。
【００２３】
すなわち、・例えば車両の走行時間をある時間積算した所定の積算時間を強制再生実施時期（以下、強制再生インターバルという）に定めて（固定値）、該強制再生インターバル毎に強制再生運転を開始する機能。
【００２４】
・例えば強制再生インターバルまでに堆積する推定ＰＭ量に基づき、当該ＰＭがＯ_２によりＤＰＦ１８上で燃焼（例えば５５０℃以上）する燃焼量を推定し、例えば該燃焼量に費やす総時間を、強制再生運転を終了する終了判定値として定める機能。
【００２５】
・上記強制再生インターバルに到達すると、前段触媒１９を強制的に活性温度（例えば２５０℃以上）まで昇温させる第１ｓｔ．ステージを実行する機能。なお、第１ｓｔ．ステージには、例えばウエストゲートバルブ１２ａの強制的なオープン、ＥＧＲバルブ１３ｂの開動作、吸気絞り弁１２ｃの閉動作、インジェクタ３ａ〜３ｄの噴射タイミングのリタード、インジェクタ３ａ〜３ｄの噴射圧力の低減などを行うモードが用いられる。
【００２６】
・上記前段触媒１９が活性温度に達すると、ＤＰＦ１８を強制再生温度相当値としてのＰＭの燃焼温度（例えば５５０℃以上）まで昇温させる第２ｎｄ．ステージに切換え、ＤＰＦ１８上のＰＭをＯ_２により燃焼させる機能。なお、第２ｎｄ．ステージには、例えばインジェクタ３ａ〜３ｄから膨張行程から排気行程を利用して、未燃燃料を排気ガスに添加し、下流の前段触媒１９へ未燃燃料を供給するモードが用いられる（強制再生制御手段に相当）。
【００２７】
・ＤＰＦ１８の直上流の排気ガス温度（温度センサ２０の検出温度）が、ＤＰＦ１８の過昇温となる温度（強制再生温度相当値より高い所定温度以上の排ガス温度に相当：例えば７００℃）なると、上記ＤＰＦ１８の強制再生運転を一時的に中断する機能。
【００２８】
・第２ｎｄ．ステージの開始後、排温履歴カウンタを用いて、上記ＰＭの燃焼温度（例えば５５０℃）から上限温度（例えば７００℃）までの範囲で行われる強制ＰＭ酸化（燃焼）のとき、ＤＰＦ１８へ導入される直上流の排気ガスの温度が、一定時間、例えば１０秒位、連続して経過したＰＭの燃焼温度（強制再生温度相当値の温度に相当）、例えば５５０℃を越えた時間を加算して、排気ガス温度の累積履歴を形成する機能。
【００２９】
・排温履歴カウンタで加算した累積時間が、先の終了判定値に到達すると、強制再生運転を終了させる機能。
【００３０】
などが設定されている。
【００３１】
こうした強制再生の詳細な制御が図２および図３に示すフローチャートに示されている。
【００３２】
今、車両、例えばバスが都市内走行（例えば平均車速１８ｋｍ／ｈ）しており、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが、排気マニホールド１０、排気管１１、前段触媒１９、ＤＰＦ１８を通じて、大気に排出されるとする。
【００３３】
このとき、バスは低速低負荷域の走行なので、排気ガスの温度は低く（ＮＯ_２による酸化反応の温度を下回る：例えば２５０℃以下）、ＮＯ_２によるＰＭの酸化処理（前段触媒１９で排気ガス中のＮＯを生成し、生成されたＮＯ_２と排気ガス中のＯ_２でＤＰＦ１８のＰＭを燃焼）は期待できない。このため、ＤＰＦ１８により捕集されたＰＭは、ＤＰＦ１８上に堆積し続ける（ステップＳ１）。
【００３４】
走行を続け、予め設定されている強制再生運転を実施する時期（強制再生インターバル）を経過すると、ＥＣＵ２２の指令により、Ｏ_２でＰＭを強制的に酸化（燃焼）させる強制再生運転が開始される（ステップＳ２、ステップＳ３）。この強制再生運転の詳細な制御が図３に示されている。
【００３５】
強制再生運転は、ＥＣＵ２２の指令により、まず、ＤＰＦ１８へ導入される排気ガスの温度が所定温度値Ｔ_１以下、例えば前段触媒１９の活性温度以下（２５０℃以下）であることを確認してから（ステップＳ３１）、前段触媒１９を昇温させるモード、すなわち１ｓｔ．ステージを実行する（ステップＳ３２）。この１ｓｔ．ステージは、ウエストゲートバルブ１２ａを強制的にオープン、ＥＧＲバルブ１３ｂを「開」、吸気絞り弁１２ｃを「閉」、インジェクタ３ａ〜３ｄの噴射タイミングをリタード、インジェクタ３ａ〜３ｄの噴射圧力を低減させることで行われる。このうちのウエストゲートバルブ１２ａの強制的なオープン、噴射タイミングのリタード、噴射圧力の低減により、排気温度が上昇するようになる。またウエストゲートバルブ１２ａの強制的なオープン、ＥＧＲバルブ１３ｂの「開」、吸気絞り弁１２ｃの「閉」により、新気導入量の低減から、前段触媒１９の温度低下が抑えられるようになり（新気は温度が低いため）、前段触媒１９の温度が上昇していく。
【００３６】
そして、ＥＣＵ２２が、温度センサ２０からの温度値により、前段触媒１９の活性温度（例えば２５０℃以上）まで上昇したと判定されると（ステップＳ３３）、１ｓｔ．ステージから、ＤＰＦ１８を昇温させる２ｎｄ．ステージへと切換えが行われる。この２ｎｄ．ステージは、インジェクタ３ａ〜３ｄによるポスト噴射で、排気ガス中に未燃燃料を添加することで行われる（ステップＳ３４）。これにより、未燃燃料は、下流の前段触媒１９上で反応して燃焼し、その燃焼熱でＤＰＦ１８の直上流の排気温度を、ＰＭを燃焼させる温度、すなわち強制再生温度（Ｏ_２によるＰＭの酸化が行われる温度、例えば５５０℃以上）に上昇させる。この上昇に伴い、ＤＰＦ１８が強制再生温度まで昇温して、ＤＰＦ１８上のＰＭを酸化（燃焼）させる。
【００３７】
なお、この際、排気温度が、ＤＰＦ１９の過昇温をきたす温度、例えば７００℃まで上昇することがあると、未燃燃料の添加を中断して、強制再生運転（２ｎｄ．ステージ）を一時的に中断する（ステップＳ３５、ステップＳ３６）なお、例えば排気温度が７００℃を下回ると、再び２ｎｄ．ステージは再開する。
【００３８】
一方、ＥＣＵ２２は、この強制再生運転制御が開始されてから、ＤＰＦ１８の直上流の排気温度が、一定時間連続して、強制再生温度相当値Ｔ_２以上であるかを検出している。例えば排気温度が、１０秒間以上連続して５５０℃を越えている温度域を検出している（ステップＳ３７）。そして、排温履歴カウンタで、同温度域の経過時間を加算している。具体的には、例えばＤＰＦ１８の直上流の排気温度は、図３（ｂ）に示されるように未燃燃料の供給状態によって、一瞬に上昇したり下降したりするなど激しく変化している。排温履歴カウンタは、このうちの一瞬、強制再生温度相当値Ｔ_２を越えるのは加算せずに、ｔ１やｔ２のような一定時間以上（例えば１０秒以上）連続して、強制再生温度相当値Ｔ_２を越えている温度域の経過時間だけを加算する。つまり、排温履歴カウンタは、ＤＰＦ１９が強制再生温度になっているとき、すなわち確実にＤＰＦ１９が強制再生状態にある時間だけが累積される（ステップＳ３８）。
【００３９】
そして、この排温履歴カウンタの累積履歴、すなわち累積時間が、予め設定してある終了判定値に到達すると、ＥＣＵ２２はＤＰＦ１８上のＰＭ燃焼量が目標値に到達したと判定して（ステップＳ３９）、強制再生運転を終了し、再び通常運転に戻す。
【００４０】
このように強制再生制御の終了時期は、排気温度が一定時間連続して強制再生温度相当値以上であった場合の累積履歴に基づいて調整されるために、同終了時期を確実にＤＰＦ１８を強制再生状態にある時間だけで調整することができる。
【００４１】
このため、ＤＰＦ１８の直上流の排気温度を検出するという簡便な温度検出を用いながら、再生状況を適切に反映させて、強制再生の制御期間を的確に調整することができる。それ故、ＰＭの燃焼に関与しない無駄なポスト噴射などの実施を抑えることができ、従来の単純に加算する排気浄化装置に比べ、燃費および排ガス性能を向上させることができる。
【００４２】
しかも、排気温が強制再生温度相当値より高い所定温度以上になる場合、強制再生制御を一時的に中断させるので、ＤＰＦ１８の過昇温が抑えられ、過昇温を要因としたＤＰＦ１８の溶損を防ぐことができる。特にＤＰＦ１８の過昇温の防止は、ＤＰＦ１８の直上流の排気温度を用い、フィルタ温度を先取りして行う制御なので、強制再生制御の中断は応答性良く行うことができ、確実にＤＰＦ１８の溶損を防止することができる。
【００４３】
そのうえ、排気温度の検出値は、強制再生終了時期の調整と、ＤＰＦ１８の溶損防止との双方で共用されるので、排気温度の検出系の構成は簡素化される。
【００４４】
なお、本発明は上述した一実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば一実施形態では、ＤＰＦを昇温させるためにポスト噴射を用いたが、これに限らず、例えばＤＰＦ上流の排気通路から未燃燃料を添加する構成でもよく、未燃燃料を添加する手法には限定されるものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、簡便な温度検出を用いながら、確実にパティキュレートフィルタが強制再生状態にある時間で、強制再生終了時期を調整することができる。
【００４６】
したがって、再生状況を適切に反映させて、強制再生の制御期間を的確に調整することができ、ＰＭの燃焼に関与しない無駄な制御の実施を十分に抑制でき、燃費および排ガス性能の向上を図ることができる。
【００４７】
請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加え、パティキュレートフィルタの過昇温が抑えられ、過昇温を要因としたＤＰＦ１８の溶損を防ぐことができる。特に過昇温の防止は、パティキュレートフィルタの直上流の排気温度を用いて行う制御なので、中断は応答性良く行うことができ、確実にパティキュレートフィルタの溶損を防ぐことができる。そのうえ、排気温度の検出値は、強制再生終了時期の調整と、パティキュレートフィルタの溶損防止との双方で共用されるので、排気温度の検出系は簡単ですむ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図。
【図２】同装置の通常運転から強制再生へ切換わる制御を説明するフローチャート。
【図３】（ａ）は、同強制再生運転の制御を説明するフローチャート。（ｂ）は、同強制再生運転におけるパティキュレートフィルタ直上の排気温度の変化を説明するための線図。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン（内燃機関）
１０…排気管（排気通路）
１８…パティキュレートフィルタ
１９…酸化触媒
２０…温度センサ（排気温度検出手段）
２２…ＥＣＵ（強制再生制御手段）。

Claims

内燃機関の排気通路内に配置され、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
同フィルタの上流側に位置して前記排気通路内に配置された酸化触媒と、
前記パティキュレートフィルタの温度を強制的に上昇させる強制再生制御手段と
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記パティキュレートフィルタの直上流の排気温度を検出する排気温度検出手段を更に有し、
前記強制再生制御手段は、強制再生制御開始後に前記排気温度が一定時間連続して強制再生温度相当値以上であった場合の累積履歴に基づいて前記強制再生制御の終了時期を調整するように構成されている
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
前記強制再生制御手段は、更に、上記排気温度が強制再生温度相当値より高い所定温度以上の場合は前記強制再生制御を一時的に中断するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。