JP2004197584A - パティキュレートフィルタの再生装置及びエンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】再生時にパティキュレートフィルタの単位時間当たりの温度上昇代が規定値よりも大きいときは、パティキュレートフィルタがやがて許容温度を超えるものと判断し、排気ガスの昇温代ΔTexhを減少させる(ΔTexh1:通常時における昇温代)。このとき、排気ガスの昇温代は、前記温度上昇代が大きいときほど大幅に減少させる。
【選択図】図5
Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、主にディーゼルエンジンの排気ガスの後処理のために使用されるパティキュレートフィルタの再生装置、及びこれを用いたエンジンの排気ガス浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルパティキュレートフィルタは、セラミック等をハニカム状モノリスに成形して構成されるパティキュレート捕集装置であり、一般的にディーゼルエンジンから排出される粒子状物質(以下「パティキュレート」という。)を排気ガスから除去するために使用される。運転中にこのディーゼルパティキュレートフィルタにパティキュレートが刻々と堆積していき、やがてその堆積量が許容量を上回ると、目詰まりが生じて排圧を上昇させ、運転性に悪影響を及ぼす。このため、堆積したパティキュレートを定期的に除去し、目詰まりを生じさせないようにする必要がある。
【0003】
ここで、ディーゼルパティキュレートフィルタからパティキュレートを除去するための再生処理として、排気ガスを通常時よりも昇温させてフィルタに流入させることで、堆積しているパティキュレートを加熱し、燃焼させることが知られている。
【0004】
また、ディーゼルパティキュレートフィルタが再生時期にあることを判定する方法として、フィルタ前後の排気通路内圧力を測定してこれらの差圧を算出し、算出された差圧と排気ガス流量(吸入空気流量等に基づいて算出することができる。)とからパティキュレート堆積量を推定し、これが規定量に達したときに再生時期にあると判定することが知られている(下記特許文献1)。
【0005】
【特許文献1】
特開平07−034853号公報(段落番号0003,0004)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ディーゼルパティキュレートフィルタが再生時期にあることを判定する際にパティキュレート堆積量を上記のようにフィルタ前後差圧及び排気ガス流量から推定することとすると、その推定値にバラツキが生じ易い。そして、パティキュレート堆積量が実際よりも少ない量として推定された場合は、次のことが問題となる。
【0007】
すなわち、ディーゼルパティキュレートフィルタに推定量よりも多くのパティキュレートが堆積していると、パティキュレートの燃焼により発生する熱量が予想を大きく上回り、ディーゼルパティキュレートフィルタが局部的又は全体的に許容温度を超えてしまう。これと同様なことは、運転状態に応じてエンジンから単位時間当たりに排出されるパティキュレートの量を演算し、これを積算することによりパティキュレート堆積量を推定するなど、他の方法を採用した場合にも問題となる。
【0008】
そこで、本発明は、バラツキが生じることなどによりパティキュレート堆積量が実際よりも少ない量として推定された場合でも、パティキュレートフィルタが許容温度を超えることを排気ガス温度の制御により防止し、パティキュレートフィルタを保護することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、パティキュレートフィルタの再生時において、パティキュレートフィルタを再生させるために排気ガスを昇温させることとするが、そのときにパティキュレートフィルタの単位時間当たりの温度上昇代等からパティキュレートフィルタへの加熱が過剰であると判断される場合は、再生のための排気ガスの昇温代を減少させる。
【0010】
このようにすれば、パティキュレート堆積量が実際よりも少ない量として推定されたことなどが原因で再生時におけるパティキュレートフィルタへの加熱が過剰となっても、排気ガスの昇温代を減少させることによりパティキュレートフィルタの温度上昇を抑制し、パティキュレートフィルタが許容温度を超えることを防止することができる。
【0011】
また、本発明では、このようなパティキュレートフィルタの再生装置を含んでエンジンの排気ガス浄化装置を構成する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る自動車用直噴ディーゼルエンジン(以下「エンジン」という。)1の構成図である。
【0013】
吸気通路2の導入部には、エアクリーナ(図示せず)が取り付けられており、このエアクリーナにより吸入空気中の粉塵が除去される。エアクリーナの下流には、可変ノズルターボチャージャ(以下「ターボチャージャ」という。)3のコンプレッサ部3aが設置されており、エアクリーナを通過した吸入空気は、このコンプレッサ部3aにより圧縮されて送り出される。コンプレッサ部3aの下流には、インタークーラ4が設置されており、コンプレッサ部3aから圧送された吸入空気は、このインタークーラ4で冷却される。さらに、サージタンク5のすぐ上流に絞り弁6が設置されており、冷却された吸入空気は、この絞り弁6を通過してサージタンク5に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。
【0014】
エンジン本体において、インジェクタ7は、気筒毎に燃焼室上部略中央に臨むようにシリンダヘッドに固定されている。エンジン1の燃料系は、コモンレール8を含んで構成され、図示しない燃料ポンプにより圧送された燃料が、コモンレール8を介して各インジェクタに供給される。インジェクタ7は、電子制御ユニット(以下「ECU」という。)21からの燃料噴射制御信号により作動する。インジェクタ7による燃料噴射は、複数回に分けて行われ、インジェクタ7は、エンジン1のトルクを制御するためのメイン噴射以外に、発生するパティキュレートを減少させるためのパイロット噴射、及び後述するディーゼルパティキュレートフィルタ12の再生時に排気ガスを昇温させるためのポスト噴射を行う。パイロット噴射は、メイン噴射よりも進角させて行われ、ポスト噴射は、メイン噴射から遅角させて行われる。
【0015】
一方、排気通路9には、マニホールド部の下流にターボチャージャ3のタービン部3bが設置されており、その可動ベーンのベーン角は、ECU21からの過給圧制御信号により運転状態に応じて制御される。タービン部3bの下流には、排気ガスの後処理のため、パティキュレートフィルタとしてのディーゼルパティキュレートフィルタ12が設置されている。排気ガス中のパティキュレートは、このディーゼルパティキュレートフィルタ12を通過する際に排気ガスから除去される。また、排気通路9と吸気通路2(ここでは、サージタンク5)との間に排気還流(以下「EGR」という。)のためのEGR管10が接続され、このEGR管10にEGR制御弁11が介装されている。EGR制御弁11がECU21からのEGR制御信号により作動することで、開度に応じた適量の排気ガスが吸気通路2に還流される。
【0016】
本実施形態に係るエンジン1の排気ガス浄化装置は、ディーゼルパティキュレートフィルタ12と、その再生装置を構成するECU21及びセンサとを含んで構成される。ディーゼルパティキュレートフィルタ12の再生のためにECU21に入力される信号には、ディーゼルパティキュレートフィルタ12の入口部及び出口部における排気ガス温度Texhin,Texhoutを検出するためのセンサ31,32、ディーゼルパティキュレートフィルタ12前後の差圧(以下「フィルタ前後差圧」という。)ΔPdpfを検出するためのセンサ33、エアフローメータ34、クランク角センサ35、アクセル開度センサ36及びスロットル開度センサ37が含まれる。
【0017】
次に、ディーゼルパティキュレートフィルタ12の再生に関するECU21の動作をフローチャートにより説明する。
まず、ECU21は、ディーゼルパティキュレートフィルタ12を再生すべき時期であることを図2のフローチャートのS1及び3で判定し、その時期であると判定した場合にのみS5以降へ進む。
【0018】
S1では、フィルタ前後差圧ΔPdpf及び排気ガス流量Qexhを読み込み、これらΔPdpf及びQexhから、ディーゼルパティキュレートフィルタ12に堆積しているパティキュレートの量であるパティキュレート堆積量PMを推定する。PMの推定は、ΔPdpf及びQexhに応じてPMを割り付けたマップを参照して行う。Qexhは、エアフローメータ34により検出される吸入空気流量Qa等に基づいて算出することができる。S2では、再生時判定フラグFが0であるか否かを判定する。0であると判定したときは、S3へ進み、0でないと判定したときは、S5へ進む。再生時判定フラグFは、エンジン1の始動時に0に設定され、ディーゼルパティキュレートフィルタ12の再生時に1に設定される。S3では、パティキュレート堆積量PMが、パティキュレートの許容堆積量の上限を示すものとして予め設定された規定値PM1に達したか否かを判定する。PM1に達したと判定したときは、S4へ進み、PM1に達していないと判定したときは、S11へ進む。S4では、再生時判定フラグFを1に設定する。なお、S1及び3は、再生時期判定手段を構成する。
【0019】
ディーゼルパティキュレートフィルタ12を再生すべき時期であると判定した場合に、ECU21は、排気ガスを昇温させるための各種デバイス(以下「再生時被制御デバイス」という。)のデバイス制御量増減値dCONTを設定する(S5)。本実施形態に係る再生時被制御デバイスにはインジェクタ7、ターボチャージャ3、EGR制御弁11及び吸気絞り弁6が含まれ、dCONTを設定することによりインジェクタ7のメイン噴射時期、ポスト噴射時期及びポスト噴射量、ターボチャージャ3のベーン角、EGR制御弁11の開度、並びに吸気絞り弁6の開度のいずれか1又は複数が調整される。ここで、排気ガスを昇温させる場合のdCONT及びその制御内容を示す。
【0020】
【表1】
デバイス制御量増減値dCONTは、エンジン制御のために設定されるデバイス制御量基本値CONTに対する増減値として設定され、運転状態(例えば、燃料噴射量Tp及びエンジン回転数Ne)に応じてdCONTを割り付けたマップから読み込まれる。dCONTがどの再生時被制御デバイス(単一のデバイスである場合と、複数のデバイスである場合とがあり得る。)について設定されるかは、運転状態により異なる。堆積しているパティキュレートを所定の燃焼温度に到達させるための排気ガス温度が得られるように、運転状態に応じた1又は複数の再生時被制御デバイスについてdCONTが設定される。なお、S5及び後述するS10は、排気ガス昇温手段を構成する。
【0021】
次に、ECU21は、再生時におけるディーゼルパティキュレートフィルタ12への加熱が過剰であることをS6〜8で判定し、過剰であると判定したときは、S9へ進み、ディーゼルパティキュレートフィルタ12の温度上昇を抑制するための処理を行う。
【0022】
S6では、ディーゼルパティキュレートフィルタ12の入口部及び出口部における排気ガス温度Texhin,Texhoutを読み込み、これらを平均してディーゼルパティキュレートフィルタ12の温度(以下「フィルタ温度」という。)Tdpf(=k×(Texhin+Texhout)/2:kを係数とする。)を算出する。S7では、フィルタ温度Tdpfの単位時間当たりの上昇代(以下「フィルタ温度上昇率」という。)ΔTdpf(=(Tdpf−Tdpf-1)/Δt:Tdpf-1をTdpfの前回値、Δtを演算周期とする。)を算出する。S8では、ΔTdpfが、ディーゼルパティキュレートフィルタ12への加熱が過剰であることを示すものとして予め設定された規定値ΔT1以上であるか否かを判定する。ΔT1以上であると判定したときは、S9へ進み、ΔT1未満であると判定したときは、図4のフローチャートのS101へ進む。S9では、ディーゼルパティキュレートフィルタ12の温度上昇を抑制するため、昇温抑制補正係数Ktdpf(0≦Ktdpf<1)を設定し、Ktdpfをデバイス制御量増減値dCONTに乗じる(dCONT=dCONT×Ktdpf)。Ktdpfは、再生時被制御デバイス毎に設定されるものであり、各デバイスについてフィルタ温度上昇率ΔTdpfが大きいときほど小さな値に設定される(図3)。なお、S6〜9は、昇温抑制手段を構成する。
【0023】
S10では、デバイス制御量基本値CONTにデバイス制御量増減値dCONTを加えて、最終的なデバイス制御量CONT(=CONT+dCONT)を決定する。
【0024】
ディーゼルパティキュレートフィルタ12に堆積しているパティキュレートを以上のようにして燃焼させるとともに、ECU21は、再生が終了したことを図4のフローチャートに従って判定する。
【0025】
S101では、排気ガス流量Qexh及びフィルタ温度Tdpfを読み込み、これらQexh及びTdpfからディーゼルパティキュレートフィルタ12の再生速度(以下「フィルタ再生速度」といい、単位時間当たりに燃焼するパティキュレートの量を示す。)ΔPMを推定する。ΔPMの推定は、Qexh及びTdpfに応じてΔPMを割り付けたマップを参照して行う。S102では、S1で推定されたパティキュレート堆積量PMから燃焼して除去されたパティキュレートの量を減じて、パティキュレート残量PM(=PM−ΔPM×Δt:Δtを演算周期とする。)を算出する。S103では、PMが、パティキュレートが完全に除去されたことを示すものとして予め設定された規定値PM2(<PM1)に減じたか否かを判定する。PM2に減じたと判定したときは、S104ヘ進み、PM2に減じていないと判定したときは、本ルーチンをリターンする。S104では、再生時判定フラグFを0に設定し、以後の処理により排気ガス温度を通常温度に低下させる。
【0026】
ところで、図2のフローチャートのS3でパティキュレート堆積量PMが規定値PM1に達していないと判定したときは、S11へ進み、通常のエンジン制御を行う。この場合は、デバイス制御量基本値CONTがデバイス制御量としてそのまま出力される。
【0027】
本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
ディーゼルパティキュレートフィルタ12の再生時において、フィルタ温度上昇率ΔTdpfが規定値ΔT1以上であるときに、昇温抑制補正係数Ktdpfを設定して、排気ガスの昇温代を減少させることとした。このため、パティキュレート堆積量PMが実際よりも少ない量として推定されたことなどが原因でディーゼルパティキュレートフィルタ12への加熱が過剰となっても、排気ガスの昇温代が減少されることによりディーゼルパティキュレートフィルタ12の温度上昇を抑制し、ディーゼルパティキュレートフィルタ12が許容温度を超えることを防止することができる。
【0028】
このことを図5のタイムチャートにより詳細に説明する。時刻t1において、パティキュレート堆積量PMが規定値PM1に達したことからディーゼルパティキュレートフィルタ12を再生すべき時期であると判定されると(S3)、運転状態に応じた特定の再生時被制御デバイスのデバイス制御量基本値CONTに対する増減値dCONTが設定され、排気ガスを昇温させて行う再生が開始される。排気ガスの昇温に伴い、ディーゼルパティキュレートフィルタ12の温度が上昇していき、やがて堆積しているパティキュレートが燃焼を開始する。
【0029】
ここで、時刻t2において、フィルタ温度上昇率ΔTdpfが規定値ΔT1以上であり、ディーゼルパティキュレートフィルタ12への加熱が過剰であると判定されると(S8)、昇温抑制補正係数Ktdpfが設定される(S9)。たとえば、デバイス制御量基本値CONTとしてのメイン噴射時期を遅角させるようにデバイス制御量増減値dCONTが設定された場合は、dCONTにKtdpfが乗じられることで、その遅角量が縮小される。これにより、排気ガスの昇温代ΔTexhが通常値ΔTexh1よりも減少し、ディーゼルパティキュレートフィルタ12の温度上昇が抑制される。従って、これが抑制されないとすれば、一点鎖線で示すようにディーゼルパティキュレートフィルタ12が過剰に高温となるところ、排気ガスの昇温代を減少させることで、フィルタ温度の最高到達点を下げつつ、ディーゼルパティキュレートフィルタ12を設定温度に到達させることができる。なお、排気ガス温度は、フィルタ温度上昇率ΔTdpfが規定値ΔT1未満となった時刻t3に通常温度に戻される。
【0030】
以上では、再生時における昇温後の排気ガス温度を特に変化させていないが、この排気ガス温度は、運転状態に応じて異ならせるとよい。すなわち、ディーゼルパティキュレートフィルタ12に堆積しているパティキュレートを完全に燃焼させることが可能な温度(例えば、640℃)に排気ガスを昇温させることのできるときは、そのような第1の温度に、完全に燃焼させることはできないが、ディーゼルパティキュレートフィルタ12に流入するパティキュレートの量とほぼ同量のパティキュレートを燃焼させることが可能な温度(例えば、450℃)に排気ガスを昇温させることのできるときは、そのような第2の温度に、排気ガスを昇温させるように再生時被制御デバイスを選択するとともに、デバイス制御量増減値dCONTを設定する。
【0031】
また、再生時における昇温後の排気ガス温度(以下「目標排気ガス温度」という。)に対する実際の排気ガス温度の差を算出し、排気ガス温度が目標排気ガス温度に一致するようにフィードバック制御を行うようにするとよい。図6は、その一例を示すフローチャートであり、図2のフローチャートのS5と入れ換えて実施することができる。
【0032】
S51では、図2のフローチャートのS5と同様に、運転状態に応じたデバイス制御量基本値CONTに対するデバイス制御量増減値dCONTを設定する。そして、S52では、フィルタ入口部排気ガス温度Texhinを読み込む。S53では、目標排気ガス温度tTexhとTexhinとの差に応じたフィードバック補正係数Kfbを設定する。ここで、tTexhを運転状態に応じて異ならせて設定し、排気ガスが上記のように運転状態に応じて異なる温度に昇温されるようにするとよい。フィードバック補正係数Kfbは、図7に示すようにtTexhとTexhinとの差が大きいときほど大きな値に設定する。S54では、デバイス制御量増減値dCONTにKfbを乗じて、dCONTを補正する(dCONT=dCONT×Kfb)。
【0033】
ディーゼルパティキュレートフィルタ12の再生装置にこのようなフィードバック機能を持たせることで、ディーゼルパティキュレートフィルタ12を保護するとともに、排気ガスを再生時における目標温度に正確に昇温させ、パティキュレートを良好に燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの構成図
【図2】同上実施形態に係るディーゼルパティキュレートフィルタの再生制御のフローチャート
【図3】同上再生制御に係る昇温抑制補正係数とフィルタ温度上昇率との関係
【図4】図2のフローチャートの続き
【図5】ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時における排気ガス温度及びフィルタ温度の変化
【図6】排気ガス温度のフィードバック制御のフローチャート
【図7】同上フィードバック制御に係るフィードバック補正係数の設定方法
【符号の説明】
1…ディーゼルエンジン、2…吸気通路、3…可変ノズルターボチャージャ、6…吸気絞り弁、7…インジェクタ、8…コモンレール、9…排気通路、11…EGR制御弁、12…パティキュレートフィルタとしてのディーゼルパティキュレートフィルタ、21…電子制御ユニット、31,32…排気ガス温度センサ、33…フィルタ前後差圧センサ。
Claims (9)
- エンジンの排気ガス中のパティキュレートを捕集させるパティキュレートフィルタの再生装置であって、
パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタを再生すべき時期であることを判定する再生時期判定手段と、
パティキュレートフィルタを再生させるために排気ガスを昇温させる排気ガス昇温手段と、
排気ガス昇温手段によりパティキュレートフィルタを再生しているときのパティキュレートフィルタの温度上昇が急であるときに、これと比較して緩やかな場合よりも、排気ガス昇温手段による排気ガスの昇温代を減少させる昇温抑制手段と、を含んで構成されるパティキュレートフィルタの再生装置。 - エンジンの排気ガス中のパティキュレートを捕集させるパティキュレートフィルタの再生装置であって、
パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタを再生すべき時期であることを判定する再生時期判定手段と、
パティキュレートフィルタを再生させるために排気ガスを昇温させる排気ガス昇温手段と、
パティキュレートフィルタの温度をフィルタ温度として検出する温度検出手段と、
検出されたフィルタ温度に基づいて、排気ガス昇温手段による排気ガスの昇温代を、パティキュレートフィルタを再生時における設定温度に到達させるための通常値よりも減少させる昇温抑制手段と、を含んで構成されるパティキュレートフィルタの再生装置。 - 再生時期判定手段は、パティキュレートフィルタ前後の差圧をフィルタ前後差圧として検出する手段と、排気ガス流量を検出する手段と、検出されたフィルタ前後差圧及び排気ガス流量に基づいて、パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレートの量をパティキュレート堆積量として演算する手段と、を含んで構成され、演算されたパティキュレート堆積量と規定量とを比較して、パティキュレートフィルタを再生すべき時期であることを判定する請求項1又は2に記載のパティキュレートフィルタの再生装置。
- 排気ガス昇温手段は、排気ガス温度を検出する手段と、検出された排気ガス温度、及び再生時における目標排気ガス温度に基づいて排気ガス温度を制御する手段と、を含んで構成される請求項1〜3のいずれかに記載のパティキュレートフィルタの再生装置。
- 排気ガス昇温手段は、エンジンのトルクを制御するためのメイン噴射の噴射時期、メイン噴射から遅角させて行われるポスト噴射の噴射時期及び噴射量、過給機による過給圧、排気通路から吸気通路への還流排気ガス流量、並びに吸気通路開口面積のうち少なくとも1つを調節して、排気ガスを昇温させる請求項1〜4のいずれかに記載のパティキュレートフィルタの再生装置。
- 昇温抑制手段は、パティキュレートフィルタの温度をフィルタ温度として検出する手段と、検出されたフィルタ温度の単位時間当たりの上昇代をフィルタ温度上昇率として演算する手段と、を含んで構成され、演算されたフィルタ温度上昇率が規定値以上であるときに、排気ガス昇温手段による排気ガスの昇温代を減少させる請求項1〜5のいずれかに記載のパティキュレートフィルタの再生装置。
- 昇温抑制手段は、前記演算されたフィルタ温度上昇率が大きいときほど、排気ガス昇温手段による排気ガスの昇温代を大きく減少させる請求項6に記載のパティキュレートフィルタの再生装置。
- エンジンの排気通路に設置され、排気ガス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、
このパティキュレートフィルタを再生させるための請求項1〜7のいずれかに記載の再生装置と、を含んで構成されるエンジンの排気ガス浄化装置。 - 排気ガス昇温手段は、パティキュレートフィルタを再生させる際に、運転状態に応じて異なる温度に排気ガスを昇温させる請求項8に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
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