JP2005155574A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費の向上を図れる排気浄化装置を提供することを目的としている。
【解決手段】ディーゼルエンジン１の排気管１１に組み込んだパティキュレートフィルタ１３と、燃料主噴射後の燃料が着火しない時期に燃料ポスト噴射を行なう制御装置２０とを有し、この制御装置２０に、パティキュレートフィルタ１３の床温度とポスト噴射による燃料の積算噴射量との関係に基づきポスト噴射を中断する機能を具備させている。
ポスト噴射の開始後、更なるパティキュレートフィルタ１３の床温度の上昇を期待できない場合には、制御装置２０がポスト噴射を中断するので、燃費の向上が図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンの排気（軽油の燃焼ガス）には、炭素質よりなる煤と、高沸点炭化水素成分からなるＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）を主な成分として、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）が加わった組成のパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）が含まれている。

パティキュレートの大気中への拡散を抑制する対策として、パティキュレート捕集用のフィルタを車両用ディーゼルエンジンの排気系統に組み込むことが行なわれている。

パティキュレートフィルタとしては、コージェライトなどのセラミックスによりハニカムコアを形成し、当該ハニカムコアの多孔質薄壁で区分される多数の流路にエンジンからの排気を流通させるものがある。

上記パティキュレートフィルタでは、平行に並んだ多数の流路の一端部分を１つおきに封鎖して、これに隣接する流路の非封鎖の一端部分へエンジンから排気を導くようにし、エンジンから排気が流入する流路の他端部分を封鎖して、これに隣接する流路の他端部分をマフラなどに接続して大気開放させている。

すなわち、エンジン排気に含まれているパティキュレートを多孔質薄壁で捕集し、当該多孔質薄壁を透過した排気だけが大気中へ放出されることになる。

また、排気抵抗が増大しないように、多孔質薄壁に堆積したパティキュレートを燃焼により除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、ディーゼルエンジンが通常運転されている状態では、パティキュレートが自然着火し得る程度にまで排気温度が上がる機会が少ない。

そこで、白金を担持したアルミナにセリウムなどの希土類元素を添加した酸化触媒を、パティキュレートフィルタに担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められており、これを用いれば、捕集したパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、自然着火に至らない排気温度であってもパティキュレートを燃焼除去することが可能となる。

上記の酸化触媒には活性温度領域があり、排気温度が活性下限温度に達しない運転状態（一般的に軽負荷の運転領域に排気温度が低い領域が拡がっている）が続くと、酸化触媒が活性化しないためにパティキュレートが良好に燃焼除去されないという事象が起きる。

この対策として、パティキュレートフィルタの上流側で燃料を排気に添加し、触媒上で酸化する燃料の反応熱で触媒床温度を上げる操作や、これに先立ち排気温度を高め、触媒床温度を燃料の酸化反応に適した状態にする操作を行ない、パティキュレートフィルタの強制再生を図るようにした排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この排気浄化装置では、圧縮上死点（ピストン圧縮行程の上死点）付近における燃料主噴射後の燃料が着火しない時期に、排気に燃料を添加するためのポスト噴射を行なって触媒床温度を上げ、圧縮上死点付近における燃料主噴射後の燃料が着火可能な時期に、熱エネルギを得るためのアフタ噴射を行なって排気温度を高める。

ポスト噴射及びアフタ噴射をしていない通常モードから、ポスト噴射により触媒床温度を上げてパティキュレートの燃焼除去を図る強制再生モードへの切り替えは、適切な間隔で且つエンジン制御コンピュータの演算によってパティキュレートの燃焼除去が完了したと判定されるまで行なわれる。

また、通常モードから強制再生モードへ切り替えられる際に、アフタ噴射によって排気温度を高める昇温モードを介在させるか否かの判断は、パティキュレートフィルタの出口側における排気温度などに基づいて決定される。

更に、パティキュレートの酸化反応を支援する目的でパティキュレートフィルタの前段にフロースルー型の酸化触媒を設けた場合には、前段の酸化触媒により酸化する添加燃料の反応熱で昇温された排気がパティキュレートフィルタへと導入されることになるので、より低い排気温度からパティキュレートフィルタの強制再生を実現することが可能となる。
特開２００３−１５５９１５号公報

ところが、低速走行などに起因してエンジンが低負荷になる状態が続くと、排気温度が相対的に低くなるため、ポスト噴射による触媒床温度の上昇は達成されず、燃料を有効に利用することができない。

更に車両が減速してエンジンがより低負荷になる頻度が多くなると、アフタ噴射による排気温度の上昇は達成されず、燃料を有効に利用することができない。

これに加えて、気筒内に未燃の燃料が噴射する時間が多くなると、潤滑油が希釈されることになる。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、燃費の向上を図れる排気浄化装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、エンジン排気系統に組み込んだ触媒再生型パティキュレートフィルタと、未燃の燃料の添加による酸化触媒上での反応熱を利用してフィルタ再生制御を行なう燃料噴射制御手段とを有し、パティキュレートフィルタの床温度とフィルタ再生制御のために添加した未燃の燃料の積算噴射量との関係に基づきフィルタ再生制御を中断する機能を燃料噴射制御手段に具備させている。

請求項２に記載の発明は、燃料添加を圧縮上死点付近での燃料主噴射後の燃料が着火しない時期に燃料を噴射するポスト噴射によって行なうようにしている。

請求項３に記載の発明は、エンジン排気系統に組み込んだ触媒再生型パティキュレートフィルタと、圧縮上死点付近での燃料主噴射に引き続いて燃料が着火可能な時期に燃料アフタ噴射を行なう燃料噴射制御手段とを有し、触媒床温度とアフタ噴射による燃料の積算噴射量の関係に基づきアフタ噴射を中断する機能を燃料噴射制御手段に具備させている。

請求項４に記載の発明は、エンジン回転数とエンジン負荷の関係に基づきフィルタ再生制御の中断を解除する機能を燃料噴射手段に具備させている。

請求項５に記載の発明は、エンジン回転数とエンジン負荷の関係に基づきアフタ噴射の中断を解除する機能を燃料噴射手段に具備させている。

請求項１に記載の発明では、フィルタ床温度とフィルタ再生制御のために添加した未燃の燃料の積算噴射量の関係に基づき、燃料噴射制御手段がフィルタ再生制御を開始してからのフィルタ床温度の上昇の可否を判定し、その判定の結果に応じてフィルタ再生制御を中断する。

請求項２に記載の発明では、フィルタ床温度とポスト噴射による燃料の積算噴射量の関係に基づき、燃料噴射制御手段がポスト噴射を開始してからのフィルタ床温度の上昇の可否を判定し、その判定の結果に応じてポスト噴射を中断する。

請求項３に記載の発明では、触媒床温度とアフタ噴射による燃料の積算噴射量の関係に基づき、燃料噴射制御手段がアフタ噴射を開始してからの触媒床温度の上昇の可否を判定し、その判定の結果に応じてアフタ噴射を中断する。

請求項４に記載の発明では、エンジン負荷とエンジン回転数の関係に基づき、燃料噴射制御手段がフィルタ再生制御中断後の車両の運転状態を判定し、その判定の結果に応じてフィルタ再生制御を再開する。

請求項５に記載の発明では、エンジン負荷とエンジン回転数の関係に基づき、燃料噴射制御手段がアフタ噴射中断後の車両の運転状態を判定し、その判定の結果に応じてアフタ噴射を再開する。

（１）請求項１に記載の発明においては、車両の運転状態などに起因して、フィルタ床温度の上昇が期待できない場合に、フィルタ再生制御を中断するので、燃費の向上を図ることが可能になり、燃料による潤滑油の希釈も回避できる。

（２）請求項２に記載の発明においては、車両の運転状態などに起因して、フィルタ床温度の上昇が期待できない場合に、ポスト噴射を中断するので、燃費の向上を図ることが可能になり、燃料による潤滑油の希釈も回避できる。

（３）請求項３に記載の発明においては、車両の運転状態などに起因して、触媒床温度の上昇が期待できない場合に、アフタ噴射を中断するので、燃費の向上を図ることが可能になり、燃料による潤滑油の希釈も回避できる。

（４）請求項４に記載の発明においては、エンジンの負荷及び回転数に基づき、フィルタ再生制御を再開するので、車両の運転状態に応じてパティキュレートフィルタの再生を行なうことができる。

（５）請求項５に記載の発明においては、エンジンの負荷及び回転数に基づき、アフタ噴射を再開するので、車両の運転状態に応じてパティキュレートフィルタの再生を行なうことができる。

以下、本発明の実施の形態を図示例とともに説明する。

図１乃至図６は本発明の排気浄化装置の実施の形態の一例であり、ディーゼルエンジン１はターボチャージャ２を装備しており、エアクリーナ３から導入される吸気４が吸気管５を経てターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送給され、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へ流入し、ここで冷却された吸気４が吸気マニホールド７へ送給されてディーゼルエンジン１のそれぞれの気筒８（図１では直列６気筒）に分配される。

更に、ディーゼルエンジン１の気筒８から排出される排気９は、排気マニホールド１０を経てターボチャージャ２のタービン２ｂへ送給され、当該タービン２ｂを駆動した後、排気管１１を経て大気中に放出される。

排気管１１にはフィルタケース１２が組み込んであり、該フィルタケース１２内の後段部分には、酸化触媒を一体的に担持してなる触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３が収容されている。

パティキュレートフィルタ１３は、セラミックスによってハニカムコアを形成し、当該ハニカムコアの多孔質薄壁１３ｂで区分される平行な多数の流路１３ａの一端部分を１つおきに封鎖して、これに隣接する流路１３ａの非封鎖の一端部分へディーゼルエンジン１から排気９を導くようにし且つ当該流路１３ａの他端部分を封鎖している（図２参照）。

すなわち、排気９に含まれているパティキュレートを多孔質薄壁１３ｂで捕集し、当該多孔質薄壁１３ｂを透過した排気９だけが下流側へ進んで大気中へ放出される。

フィルタケース１２内の前段部分には、ハニカム構造のフロースルー型の酸化触媒１４が収容されている（図３参照）。

更に、フィルタケース１２の中間部分には、触媒床温度の代用値として、酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３の間で排気９の温度を計測する温度センサ１５が設けられており、当該温度センサ１５の温度信号１５ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）をなす制御装置２０へ送信されるようになっている。

制御装置２０は燃料噴射制御を担い、アクセルの開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１６（負荷センサ）の開度信号１６ａ、及びエンジン回転数を検出する回転センサ１７の回転数信号１７ａに基づき、噴射信号１８ａを燃料噴射装置１８へ送信する。

燃料噴射装置１８は、ディーゼルエンジン１の気筒８ごとに装備したインジェクタ１９を有し、これらのインジェクタ１９の電磁弁が前記噴射信号１８ａに応じて開き、燃料の噴射時期、及び噴射量（開弁時間）を制御する。

制御装置２０は、
Ａ．開度信号１６ａから算定したエンジン負荷と回転数信号１７ａから算定したエンジン回転数に応じて、圧縮上死点付近で主噴射が行なわれるように通常モードの噴射信号１８ａを燃料噴射装置１８へ送信する機能、
Ｂ．予め設定した時間が経過した際に、主噴射後の燃料が着火しない時期にポスト噴射が行なわれるように強制再生モードの噴射信号１８ａを燃料噴射装置１８へ送信する機能、
Ｃ．ポスト噴射の開始前に、温度信号１５ａから算定した触媒床温度に応じて、主噴射後の燃料が着火可能な時期にアフタ噴射が行なわれるように昇温モードの噴射信号１８ａを燃料噴射装置１８へ送信する機能、
Ｄ．ポスト噴射を開始してから、フィルタ床温度とポスト噴射による燃料の積算噴射量の関係に基づき触媒床温度の上昇の可否を判定し、それに応じてポスト噴射を中断する機能、
Ｅ．アフタ噴射を開始してから、触媒床温度とアフタ噴射による燃料の積算噴射量の関係に基づき触媒床温度の上昇の可否を判定し、それに応じてアフタ噴射を中断する機能、
Ｆ．ポスト噴射を中断してから、エンジン負荷とエンジン回転数に基づき車両の運転状態を判定し、それに応じてポスト噴射を再開する機能、
Ｇ．アフタ噴射を中断してから、エンジン負荷とエンジン回転数に基づき車両の運転状態を判定し、それに応じてアフタ噴射を再開する機能、
などを具備している。

車両の通常運転時には、Ａ項、Ｂ項、Ｃ項の機能によってポスト噴射及びアフタ噴射をしていない通常モードから、適切な間隔でポスト噴射によりパティキュレートの燃焼除去を図る強制再生モードへの切り替えが、制御装置２０の演算によってパティキュレートの燃焼除去が完了したと判定されるまで行なわれ、また、アフタ噴射によって排気温度を高める昇温モードを介在させるか否かの判断がなされる。

Ｄ項の機能は、積算噴射量がＱ１に達した際のフィルタ床温度が、Ｔ１（前段しきい値）に満たない場合、及び積算噴射量がＱ２に達した際のフィルタ床温度が、Ｔ２（後段しきい値）に満たない場合（Ｑ２＞Ｑ１、Ｔ２＞Ｔ１）に、更なるフィルタ床温度の上昇を期待できないとの判定を下してポスト噴射を中断し（図４参照）、積算噴射量がＱ１、Ｑ２に達した際のフィルタ床温度が、Ｔ１、Ｔ２を超過した場合にはポスト噴射を継続し、また、フィルタ床温度が再生可能な状態になった場合には、積算噴射量の保持を取り消すように設定してある。

上記の積算噴射量の算出は、インジェクタ１９の電磁弁への噴射信号１８ａの送信時間などに基づいて行なわれる。

この条件は、例えば、低速走行などに起因してエンジンが低負荷になる状態が続いて、排気温度が相対的に低くなっている場合を想定している。

つまり、車両の運転状態に起因して触媒床温度の上昇が期待できないと、制御装置２０がポスト噴射を中断し、これにより、燃費の向上を図ることが可能になる。

また、未然の燃料による潤滑油の希釈も回避される。

Ｅ項の機能は、積算噴射量がＱ３に達した際の触媒床温度が、Ｔ３（前段しきい値）に満たない場合、及び積算噴射量がＱ４に達した際の触媒床温度が、Ｔ４（後段しきい値）に満たない場合（Ｑ４＞Ｑ３、Ｔ４＞Ｔ３）に、更なる触媒床温度の上昇を期待できないとの判定を下してアフタ噴射を中断し（図５参照）、積算噴射量がＱ３、Ｑ４に達した際の触媒床温度が、Ｔ３、Ｔ４を超過した場合にはアフタ噴射を継続し、また、触媒床温度がポスト噴射可能な状態になった場合には、積算噴射量の保持を取り消すように設定してある。

この条件は、例えば、車両が減速したために、エンジンがより低負荷になる頻度が多くなった場合を想定している。

つまり、車両の運転状態に起因して排気温度の上昇が期待できないと、制御装置２０がアフタ噴射を中断し、これにより、燃費の向上を図ることが可能になる。

また、未然の燃料による潤滑油の希釈も回避される。

更に、触媒床温度と積算噴射量の関係に外気温度を加えれば、触媒床温度の上昇の可否の判定精度を向上させることができる。

Ｆ項の機能は、前述したＤ項の機能によりポスト噴射を中断した後に、エンジン負荷とエンジン回転数を所定の間隔で抽出し、この抽出値に基づき、車両の走行状態に対応したエンジン負荷とエンジン回転数のマップ（図６参照）に付した値Ｍを積算して、その値がしきい値を超えた際に、車両が通常の運転状態に復帰したとの判定を下してポスト噴射を再開するように設定してある。

よって、ポスト噴射で触媒床温度を上げてパティキュレートフィルタ１３の再生を図ることが可能になる。

Ｇ項の機能は、前述したＥ項の機能によりアフタ噴射を中断した後に、エンジン負荷とエンジン回転数を所定の間隔で抽出し、この抽出値に基づき、車両の走行状態に対応したエンジン負荷とエンジン回転数のマップ（図５参照）に付した値Ｍを積算して、その値がしきい値を超えた際に、車両が通常の運転状態に復帰したとの判定を下してアフタ噴射を再開するように設定してある。

よって、アフタ噴射で排気９の温度を上げてパティキュレートフィルタ１３の再生を図ることが可能になる。

なお、本発明の排気浄化装置は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、ポスト噴射に代えて、排気流路の途中に設けた添加弁によって燃料添加を行なう構成とすること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において変更を加え得ることは勿論である。

本発明の排気浄化装置は、様々な車種に適用することができる。

本発明の排気浄化装置の実施の形態の一例を示す概念図である。 図１に関連するパティキュレートフィルタの断面図である。 図１に関連する酸化触媒の部分切断斜視図である。 フィルタ床温度と燃料の積算ポスト噴射量の関係を表わした線図である。 触媒床温度と燃料の積算アフタ噴射量の関係を表わした線図である。 エンジン負荷とエンジン回転数を関係を表わした線図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
１１ 排気管（エンジン排気系統）
１３ パティキュレートフィルタ
１８ 燃料噴射装置（燃料噴射制御手段）
２０ 制御装置（燃料噴射制御手段）

Claims (5)

1. エンジン排気系統に組み込んだ触媒再生型パティキュレートフィルタと、未燃の燃料の添加による酸化触媒上での反応熱を利用してフィルタ再生制御を行なう燃料噴射制御手段とを有し、パティキュレートフィルタの床温度とフィルタ再生制御のために添加した未燃の燃料の積算噴射量との関係に基づきフィルタ再生制御を中断する機能を燃料噴射制御手段に具備させたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 燃料添加を圧縮上死点付近での燃料主噴射後の燃料が着火しない時期に燃料を噴射するポスト噴射によって行なうようにした請求項１に記載の排気浄化装置。
3. エンジン排気系統に組み込んだ触媒再生型パティキュレートフィルタと、圧縮上死点付近での燃料主噴射に引き続いて燃料が着火可能な時期に燃料アフタ噴射を行なう燃料噴射制御手段とを有し、触媒床温度とアフタ噴射による燃料の積算噴射量の関係に基づきアフタ噴射を中断する機能を燃料噴射制御手段に具備させたことを特徴とする排気浄化装置。
4. エンジン回転数とエンジン負荷の関係に基づきフィルタ再生制御の中断を解除する機能を燃料噴射手段に具備させた請求項１に記載の排気浄化装置。
5. エンジン回転数とエンジン負荷の関係に基づきアフタ噴射の中断を解除する機能を燃料噴射手段に具備させた請求項３に記載の排気浄化装置。

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