JP2004232496A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関（ディーゼルエンジン）のパティキュレートフィルタの再生性能を改善する。
【解決手段】パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを、排気温度を上昇させて焼却除去してフィルタを再生するディーゼルエンジンにおいて、排気温度を上昇させるデバイスを複数（６個）の備え、運転領域毎に排気温度上昇感度が高く、運転性に与える影響の小さいデバイスを第１ＳＴＥＰで優先して駆動し、これでは十分な昇温度が得られないと判定したときに、第２ＳＴＥＰで新たなデバイスを追加して駆動するようにした。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、フィルタに捕集された排気中のパティキュレート（排気微粒子：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ、以下ＰＭという）を排気温度を上昇させて焼却除去する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関、特にディーゼルエンジンでは排気中のＰＭを捕集するディーゼルパーティキュレートフィルター（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ、以下ＤＰＦという）を設け、このＤＰＦに捕集されたＰＭが所定量に達すると、排気温度を上昇させて捕集されたＰＭを焼却除去し、ＤＰＦを再生するようにしている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−８９３２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＤＰＦ再生時に、排気温度を効率よく上昇させるため一般に複数の排気温度上昇手段が併用されるが、機関運転領域によりこれら各手段の温度上昇感度や運転性に与える影響度が異なるなど、排気温度を上昇させるのに適した手段が異なっていた。
【０００５】
従来、上記のことが十分考慮されていなかったため、排気温度を効率よく昇温させることができなかったり運転性への影響が増大したりすることがあり、かつ、昇温制御が複雑となって速やかに目標温度に収束させることが困難であった。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、運転領域によって排気温度を上昇させるのに適した手段が異なることを考慮した制御を行うことにより、排気温度を効率よく上昇させ、速やかに目標温度に収束させてＰＭの焼却除去効率すなわちＤＰＦの再生効率を高めることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートの焼却除去時に、排気温度を上昇させる複数の手段に対し、運転領域に応じて選択した手段を優先して駆動する構成とした。
【０００８】
これにより、ＤＰＦ再生時の運転領域において機関運転性能への影響が小さく効率的に排気温度を上昇させることができる排気温度上昇感度の高い手段を優先して駆動することにより、排気温度を速やかに目標温度に収束させてＤＰＦの再生効率を高めることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１において、エンジン（ディーゼルエンジン等の内燃機関）１の燃料噴射システムは、コモンレール２、電磁弁により燃料の噴射をＯＮ−ＯＦＦするインジェクタ３、及び、図示しないサプライポンプから構成されるコモンレール式燃料噴射システムを採用している。
【００１０】
排気マニホールド４の下流には、ターボ過給機５のタービン５Ｔが設けられ、該タービン５Ｔと同軸上にコンプレッサ５Ｃが装着されている。吸気はコンプレッサ５Ｃで圧縮加圧された後、吸気通路６を通り、コレクタ７を介してエンジン１のシリンダ内に吸入される。吸気通路６の途中には吸気量を絞るために吸気絞り弁８が取り付けられている。前記ターボ過給機４は可変容量型であり、タービン５Ｔ側に設けられたアクチュエータ５１により可変ノズル（ＶＮＴ）を絞るとタービン効率が増大して過給圧が増大し、可変ノズルを開くとタービン効率が減少して過給圧が減少するようになっている。また、コレクタ７には、過給圧（吸気圧）を検出する過給圧センサ９が取り付けられている。
【００１１】
前記排気マニホールド４と吸気通路６とはＥＧＲ通路１０によって連通され、前記ＥＧＲ通路１０に介装されたＥＧＲ弁１１の開度によってＥＧＲガス量が制御される。
【００１２】
タービン５Ｔ下流の排気通路１２には、ＰＭを捕集するＤＰＦ１３が装着され、該ＤＰＦ１３の温度を検出するため、ＤＰＦ温度センサ１４が装着されている。
【００１３】
エンジンコントロールユニット１５には、回転速度センサ３１で検出されたエンジン回転速度信号、アクセル開度センサ３２で検出されたアクセル開度信号、ＤＰＦ温度センサ１４で検出されたＤＰＦ温度信号、および、過給圧センサ９で検出された過給圧信号が入力され、各信号に基づいて、インジェクタ３、吸気絞り弁８、ＥＧＲ弁１１、および、アクチュエータ５１への作動指令信号を出力する。
【００１４】
そして、本発明にかかる制御としてＤＰＦ１３の再生時に、排気温度を上昇させる各デバイス（手段）を用いて排気温度を上昇させてＤＰＦ１３に捕集されたＰＭを焼却除去する制御を行う。
【００１５】
次に、図２、３のフローチャートにしたがって、前記ＤＰＦ１３の再生制御を説明する。
ステップ１では、ＤＰＦ１３の再生時期になったかを判定する。具体的には、エンジン運転状態に応じて排出される排気中のＰＭ量を推定しつつ積算してＤＰＦ１３へのＰＭ捕集量を推定し、該推定ＰＭ捕集量が所定値に達したときにＤＰＦ再生時期と判定する。
【００１６】
ステップ２では、エンジン運転領域に応じて実際のＤＰＦ再生の実行の是非及び再生レベル（再生ＳＴＥＰ）を判定する。そして、ＤＰＦ１３を一部再生すると判定されたときは、ステップ３へ進んで、前記吸気絞り弁８を絞るＢＰＴ（Ｂａｌａｎｃｅ
Ｐｏｉｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）制御を所定時間行う。この場合の目標ＤＰＦ温度は、例えば４００°Ｃとする。これにより、吸気量が減少して排気温度が上昇し、ＤＰＦ１３に捕集されたＰＭの一部が焼却除去され、ＤＰＦ１３の一部が再生される。また、排気温度を上昇する制御を行うとエンジン性能に与える影響が大きく問題がある領域と判定された場合は、ステップ４へ進んでＤＰＦ１３の再生を禁止する。
【００１７】
ステップ２で、ＤＰＦ１３を完全に再生する（全捕集ＰＭを焼却除去する）制御を行うと判定されたときは、ステップ５以降へ進んで該制御を実行する。
ステップ５では、目標ＤＰＦ温度を設定する。例えば、後述する第１段階（第１ＳＴＥＰ）では５７０°Ｃ、第２段階（第２ＳＴＥＰ）では６７０°Ｃとする。ここで、ＰＭの焼却除去に要求される温度はＰＭが捕集されるＤＰＦ１３の温度であるが、各デバイスによって制御されるのは排気温度であり、排気温度が前記目標ＤＰＦ温度となるように制御される。つまり目標ＤＰＦ温度は目標排気温度である。
【００１８】
ステップ６では、上記ＤＰＦ１３の完全な再生を行う場合に、運転領域に応じて優先するデバイスを選択するため運転領域判定を行う。
ステップ７では、前記ステップ６で判定された運転領域に応じて第１段階（第１ＳＴＥＰ）で優先して用いるデバイスを決定する。
【００１９】
具体的には、図４及び図５にしたがって決定する。即ち、低回転・低負荷である領域Ａでは、前記吸気絞り弁８による吸気絞り（１）、燃料の燃焼に供するメイン噴射後の膨張行程乃至排気行程でのポスト噴射における噴射量（以下ポスト噴射量という）（２）及び噴射時期（以下ポスト噴射時期という）（３）及びメイン噴射における噴射時期（以下メイン噴射時期という）（４）の４つの制御をそれぞれ行う各デバイス（手段）を決定する。ここで、ポスト噴射量（３）を増大するとＤＰＦ１３での後燃え燃焼量が増大してＤＰＦ温度が上昇する。ポスト噴射時期（４）は、ポスト噴射量に応じて制御される。メイン噴射時期（５）は、遅角すると燃焼の遅れにより燃焼室からの排気温度が上昇する。
【００２０】
また、中回転・低負荷領域Ｂでは、ポスト噴射量（２）、ポスト噴射時期（３）、メイン噴射時期（４）を第１ＳＴＥＰの制御手段として決定する。
また、高回転・低負荷領域Ｃでは、中回転・低負荷領域Ｂと同じくポスト噴射量（２）、ポスト噴射時期（３）、メイン噴射時期（４）を第１ＳＴＥＰの制御デバイスとして決定する。
【００２１】
また、中負荷低中回転領域Ｄでは、メイン噴射時期（４）、前記ＥＧＲ弁１１の開度制御（以下ＥＧＲ開度制御という）（５）、アクチュエータ５１の可変ノズル（ＶＮＴ）開度制御（以下ＶＮＴ開度制御という）による過給圧制御（６）を第１ＳＴＥＰの制御デバイスとして決定する。ここで、ＥＧＲ開度を大きくしてＥＧＲ率を増大すると比較的高温なＥＧＲガス量が増大し相対的に低温な新気の量が減少することなどにより排気温度が上昇する。また、ＶＮＴ開度を増大して過給圧を減少すると新気量の減少により排気温度が増大する。
【００２２】
また、中負荷中高回転領域Ｅでは、メイン噴射時期（４）のみを第１ＳＴＥＰの制御デバイスとして決定する。
また、高負荷領域Ｆでは、中負荷中高回転領域Ｅと同じくメイン噴射時期（４）のみを第１ＳＴＥＰの制御デバイスとして決定する。
【００２３】
ステップ８では、ステップ７で決定した制御デバイスの時定数を設定する。具体的には、中負荷中高回転領域Ｅや高負荷領域Ｆのように、制御デバイスが１つだけ選択されるときは、直ちに選択した制御デバイス（４）を駆動するが、他の領域Ａ〜Ｄのように複数の制御デバイスが選択された場合は、各手段の昇温応答性を同一とするように、手段毎に時定数を設定する。例えば、図６（Ａ）に示すように、駆動指令を発してから実際にデバイスが駆動されるまでの遅れ時間が複数のデバイス間で異なる場合、同図（Ｂ）に示すように、最も遅れ時間が大きいデバイスの駆動開始時期に合わせて他のデバイスが駆動開始されるように、他のデバイスの駆動指令の出力を遅らせるようにする。
【００２４】
ステップ９では、各デバイスの増減制御量を設定する。具体的には、該ＤＰＦ再生制御開始前には各デバイスの制御量はエンジン運転状態に応じてマップ等で通常時制御量として設定されるが、ＤＰＦ再生制御開始後は、該制御開始時の通常時制御量を初期値とし、排気温度上昇させるため前記目標ＤＰＦ温度とＤＰＦ温度センサ１４で検出される実ＤＰＦ温度との偏差に応じた増減制御量（補正量）として別に設けたマップ等で設定する。なお、該増減制御量の設定は制御開始時に１回のみ行われ、後述するフィードバック制御とは異なるオープン制御である。
【００２５】
かかる設定により、優先して選択したデバイスによる第１ＳＴＥＰのＤＰＦ再生制御つまり排気温度上昇制御が開始される。
次いで、ステップ１０では、上記第１ＳＴＥＰのＤＰＦ再生制御を開始して所定時間経過後に、目標ＤＰＦ温度と実ＤＰＦ温度との偏差（目標ＤＰＦ温度−実ＤＰＦ温度）が所定値より大きいかを判定する。
【００２６】
ステップ１０で、前記偏差が所定値以下に減少したと判定された場合は、ステップ１１へ進み、実ＤＰＦ温度を逐次検出しつつ、実ＤＰＦ温度を目標ＤＰＦ温度近傍に収束させるようにフィードバック制御に切り換える。
【００２７】
一方、ステップ１０で、前記偏差（目標ＤＰＦ温度−実ＤＰＦ温度）が所定値より大きいと判定されたときは、第１ＳＴＥＰのデバイスによる制御だけでは、排気温度の上昇度が小さいと判断し、ステップ１２以降へ進み、第２ＳＴＥＰのデバイスによる排気温度上昇制御を追加する。
【００２８】
すなわち、ステップ１２では、運転領域に応じて追加する第２ＳＴＥＰのデバイスを決定する。
具体的には、図４及び図５にしたがって決定する。即ち、低回転・低負荷である領域Ａでは、前記ＥＧＲ開度制御（５）及び過給圧制御（６）を、追加される第２ＳＴＥＰの制御デバイスとして決定する。
【００２９】
また、中回転・低負荷領域Ｂでは、前記吸気絞り（１）、ＥＧＲ開度制御（５）及び過給圧制御（６）を、追加される第２ＳＴＥＰの制御デバイスとして決定する。
また、高回転・低負荷領域Ｃでは、前記過給圧制御（６）を、追加される第２ＳＴＥＰの制御デバイスとして決定する。
【００３０】
また、中負荷低中回転領域Ｄでは、前記ポスト噴射量（２）及びポスト噴射時期（３）を、追加される第２ＳＴＥＰの制御デバイスとして決定する。
また、中負荷中高回転領域Ｅでは、前記ポスト噴射量（２）、ポスト噴射時期（３）及び過給圧制御（６）を、追加される第２ＳＴＥＰの制御デバイスとして決定する。
【００３１】
また、高負荷領域Ｆでは、前記過給圧制御（６）のみを第１ＳＴＥＰの制御デバイスとして決定する。
ステップ１３では、ステップ１２で決定した制御デバイスの時定数を設定する。具体的には、前記ステップ８での第１ＳＴＥＰの制御デバイスの時定数を設定する場合と同様、低負荷高回転領域Ｃや高負荷領域Ｆのように、制御デバイスが１つだけ選択されるときは、直ちに選択した制御デバイス（６）を駆動するが、他の領域Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅのように複数の制御デバイスが選択された場合は、各手段の昇温応答性を同一とするように、最も遅れ時間が大きいデバイスの駆動開始時期に合わせて他のデバイスが駆動開始されるように、他のデバイスの駆動指令の出力を遅らせる。
【００３２】
ステップ１４では、前記ステップ９での第１ＳＴＥＰの制御の場合と同様に各デバイスの増減制御量を設定する。
ステップ１５では、上記第２ＳＴＥＰのＤＰＦ再生制御を追加した後に、目標ＤＰＦ温度と実ＤＰＦ温度との偏差（目標ＤＰＦ温度−実ＤＰＦ温度）が所定値より大きいかを判定し、所定値より大きいときはステップ１２へ戻って現在の制御を継続し、前記偏差が所定値以下に減少したと判定されたときに、ステップ１６へ進み、ステップ１１同様の目標ＤＰＦ温度へのフィードバック制御に切り換える。
【００３３】
以上のように、ステップ１１またはステップ１６で目標ＤＰＦ温度へのフィードバック制御に移行した後、ステップ１７でＤＰＦ１３の再生が完了したか、つまり捕集されたＰＭが全て焼却除去されたかを判定し、再生完了と判定されたときに、ステップ１８で現在駆動されているデバイスによる排気昇温制御を停止して通常時の制御に切り換え、ＤＰＦ再生制御を終了する。
【００３４】
このようにすれば、燃料噴射量、排気流量が小さい低回転・低負荷領域Ａでは吸気絞り（１）を行って新気量を減らすことにより、排気温度の上昇感度が大きいので、優先して吸気絞りを行うが、低負荷でも回転速度が増大すると吸気絞りによる損失が増大するので中回転域では優先度を下げて第２ＳＴＥＰのＤＰＦ再生制御で補助的に行う。
【００３５】
また、低負荷領域Ａ，Ｂ，Ｃでは排気流量が小さいのでポスト噴射（２），（３）による排気温度の上昇感度が大きいので、これらも優先して行うが、負荷の増大に伴い燃費やエンジン性能への影響がでてくるため、中負荷領域Ｄ，Ｅでは、優先度を下げて行い、高負荷領域Ｆではポスト噴射は行わない。
【００３６】
また、ＥＧＲ開度制御（５）は、排気温度が比較的高い中負荷領域Ｄでは排気温度の上昇感度が大きいので優先して行うが、低負荷領域Ａ，ＢではＥＧＲガス温度が低く排気温度上昇感度が小さいので、優先度を下げて行う。また高回転領域Ｃ，Ｅ、高負荷領域ＦではＥＧＲによる運転性（出力）への影響度が大きくなるので行わない。
【００３７】
また、過給圧制御（６）は、そもそも過給を行わない低負荷領域では過給圧減少効果（減少代）が小さく、排気温度上昇感度が小さいので、優先度を下げて行う。中負荷領域Ｄでは過給圧減少効果（減少代）が大きくなり、排気温度の上昇感度が大きいので、優先して行うが、中負荷以上でも高回転領域Ｃ、高負荷領域Ｆでは過給圧減少による運転性（出力）への影響度が大きくなるので優先度を下げて行う。
【００３８】
また、メイン噴射時期（４）を遅角することによる排気温度の上昇感度は、全領域で高く、かつ、運転性への影響も小さいので、全領域で優先して行う。
このように、運転領域毎に排気温度上昇感度が高く、運転性への影響度の小さいデバイスを優先して駆動し、排気温度上昇感度が小さく、または、運転性への影響度が大きいデバイスは優先度を下げて駆動するか、駆動しないようにしたので、運転性を良好に維持しながら排気温度を速やかに目標温度に収束させてＤＰＦの再生効率を高めることができる。
【００３９】
また、第１ＳＴＥＰ及び第２ＳＴＥＰで、複数のデバイスを選択したときに、同一の昇温応答性が得られるように各デバイスの時定数を設定したので同時に駆動が開始されて、滑らかに温度上昇し、その後のフィードバック制御も安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のシステム構成を示す図。
【図２】上記実施形態の制御ルーチンの前段を示すフローチャート。
【図３】上記実施形態の制御ルーチンの後段を示すフローチャート。
【図４】同上制御ルーチンに使用する運転領域判別用のマップ。
【図５】同上制御ルーチンで用いる排気昇温デバイスのテーブルと運転領域別に優先度をつけて決定されるデバイスを示すテーブル。
【図６】上記実施形態の制御で複数のデバイスを同一の昇温特性となるようにする方法を説明するための図。
【符号の説明】
１ エンジン
３ インジェクタ
５ ターボ過給機
５Ｔ タービン
５Ｃ コンプレッサ
８ 吸気絞り弁
９ 過給圧センサ
１０ ＥＧＲ通路
１１ ＥＧＲ弁
１３ ＤＰＦ
１４ ＤＰＦ温度センサ
１５ エンジンコントロールユニット
５１ アクチュエータ

Claims (9)

  1. 内燃機関の排気通路に、流入する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を備え、所定の条件で排気温度を上昇させて前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを焼却除去する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の焼却除去時に、排気温度を上昇させる複数の手段に対し、運転領域に応じて選択した手段を優先して駆動することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記手段を複数選択して駆動するとき、該複数の手段の昇温応答性を同一とするように、各手段の時定数を設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
  3. 前記パティキュレートの焼却除去時に、目標排気温度を設定し、該目標排気温度と先に優先して駆動した手段により上昇した実排気温度とを比較して温度上昇度が低い場合に、別の手段を追加して駆動することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
  4. 前記目標排気温度と実排気温度との偏差が小さくなったときに、そのとき駆動されている手段により、排気温度のフィードバック制御に切り換えることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
  5. 前記排気温度を上昇させる手段として、主として低負荷時に駆動される吸気絞り手段を含むことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
  6. 前記排気温度を上昇させる手段として、主として低中負荷時に駆動される燃料のメイン噴射後のポスト噴射における噴射量及び噴射時期の制御手段を含むことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
  7. 前記排気温度を上昇させる手段として、主として低中負荷時に駆動される燃料のメイン噴射量の補正制御手段を含むことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
  8. 前記排気温度を上昇させる手段として、主として低中負荷時に駆動されるＥＧＲの制御手段を含むことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
  9. 前記排気温度を上昇させる手段として、過給圧の制御手段を含むことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
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