JP2005299628A - ディーゼル機関のフィルタ再生制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＰＦの再生時間を短縮するとともに燃費の向上をも図ることができるフィルタ再生制御装置を提供する。
【解決手段】ディーゼル機関の排気系に設けられ、排ガス中のパティキュレートを捕捉するフィルタ１２と、フィルタの再生時期を検出する検出手段２１と、フィルタの再生時期を検出したらポスト噴射を行ってフィルタの温度を上昇させて堆積しているパティキュレートを燃焼させる制御手段３０とを備えるディーゼル機関のフィルタ再生制御装置であって、排気系の熱によって加熱された空気を通流可能なホットエアダクト１４と、外気を通流可能な新気ダクト２と、ディーゼル機関の吸気系にホットエアダクト及び新気ダクトに連通して設けられ、ホットエアダクト又は新気ダクトから吸入する空気を切り替える吸気切替手段３とを備え、フィルタを再生するときにホットエアダクトから加熱空気を吸入するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼル機関の排ガス浄化対策として使用するフィルタを再生する制御装置に関するものである。

ディーゼルエンジンでは、従来から排ガスの浄化対策として排気管の途中にＰＭ(Particulate Matter：粒子状物質)を捕捉するＤＰＦ(diesel Particulate Filter)を装備している。この種のＤＰＦは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。この多孔質薄壁の内側表面で排ガス中のＰＭを捕捉し堆積する。この堆積量が増大しすぎては目詰まりを生じてしまうので、適宜ＰＭを燃焼除去してＤＰＦを再生する必要がある。

例えば、特許文献１では、アルミナに白金を担持させ、さらに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加した酸化触媒を一体的に担持させたＤＰＦを使用している。このようにすると、捕捉したＰＭの酸化反応が促進されて着火温度が低下する。そのため、従来よりも低い排気温度でＰＭを燃焼除去することが可能になる。そして、エンジンから排出された直後の排ガスの熱を、ヒートパイプでＤＰＦのすぐ上流に伝導するようにすることで、ＰＭを燃焼除去してＤＰＦを再生している。
特開２００２−１９５０２３号公報

しかし、前述した従来装置は、排気管をバイパスするヒートポンプを設けることで、エンジンから排出された直後の排ガスの熱をＤＰＦのすぐ上流に伝導するようにしているが、その効果は排気管途中での排気温度の低下を減少させるのにとどまるので、ＤＰＦ再生という効果はそれほど大きいものではなかった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ＤＰＦの再生時間を短縮するとともに燃費の向上をも図ることができるフィルタ再生制御装置を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段により前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、ディーゼル機関の排気系に設けられ、排ガス中のパティキュレートを捕捉するフィルタ（１２）と、前記フィルタの再生時期を検出する検出手段（２１）と、前記フィルタの再生時期を検出したらポスト噴射を行って前記フィルタの温度を上昇させて堆積しているパティキュレートを燃焼させる制御手段（３０）とを備えるディーゼル機関のフィルタ再生制御装置であって、排気系の熱によって加熱された空気を通流可能なホットエアダクト（１４）と、外気を通流可能な新気ダクト（２）と、前記ディーゼル機関の吸気系に前記ホットエアダクト及び前記新気ダクトに連通して設けられ、前記ホットエアダクト又は前記新気ダクトから吸入する空気を切り替える吸気切替手段（３）とを備え、前記フィルタを再生するときに前記ホットエアダクトから加熱空気を吸入するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、フィルタを再生するときにホットエアダクトから加熱空気を吸入するようにしたので、排気温度が上昇しポスト噴射を低減することができる。そのため燃費が向上する。またフィルタの再生時間の短縮化を図ることができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明によるＤＰＦ再生制御装置の第１実施形態を示す図である。

はじめにＤＰＦ再生制御装置１の構成について説明する。ＤＰＦ１２は酸化触媒を一体的に担持したタイプのものであり、ＨＣ(Hydro Carbon)を酸化（燃焼）可能である。ＤＰＦ１２の周囲には、周辺部品に対する熱影響（熱害）を防止するための遮熱板１３が設けられている。そのＤＰＦ１２及び遮熱板１３のあいだの空間から外気を吸入可能であり、その吸入された空気はホットエアダクト１４に通流する。

吸気切替弁３は、開閉してホットエアダクト１４及び新気ダクト２から吸入する空気を切り替える。吸気切替弁３が開弁するとホットエアダクト１４からの空気を吸入する。吸気切替弁３が閉弁すると新気ダクト２から空気を吸入する。

吸入された空気は、エアクリーナ４で清浄され、エアフローメータ５で吸入量が検出され、ターボチャージャ６で過給され、インタークーラ７で冷却され、インテークシャッタ８、インテークマニホールド９を通流してエンジン本体１０に吸入される。その空気に対して、燃料ポンプ１５からコモンレール１６に供給された燃料がインジェクションノズル１７から噴射される。すると着火して、燃焼ガスがエキゾーストマニホールド１１から排気される。そして、その燃焼ガス中のＰＭ（煤）がＤＰＦ１２でトラップ（堆積）される。なお、燃焼ガスの一部は、エキゾーストマニホールド１１から、ＥＧＲクーラ１８、ＥＧＲバルブ１９を通流してインテークマニホールド９に還流される。

ＤＰＦ１２の入口と出口との圧力差は差圧センサ２１で検出される。また、ＤＰＦ１２の入口温度はＤＰＦ入口温度センサ２２で検出され、出口温度はＤＰＦ出口温度センサ２３で検出される。２４はスロットルポジションセンサであり、アクセル踏込量を検出する。２５はエンジン本体１０のクランク軸の回転速度を検出するクランク角センサである。２６はエンジン本体１０の水温を検出する水温センサである。それらセンサの検出信号はエンジンコントロールユニット３０に送られる。

次にエンジンコントロールユニット３０の制御内容について説明する。

上述のように、ＤＰＦ１２は、燃焼ガス中のＰＭ（煤）をトラップ（堆積）する。その堆積量が増大しすぎると目詰まりを生じて排気抵抗が増加してしまうので、堆積しているＰＭ（煤）を適宜燃焼除去して再生を図る必要がある。ＤＰＦを再生するときはＤＰＦを高温にする必要がある。

従来は、予備実験に基づき作成した図３のような制御マップを参照して制御していた。具体的には、領域Ｉではインジェクションタイミングを遅らすことで（以下「ＩＴリタード」という）、排気温度を上げ、ＤＰＦを高温にしてＰＭを燃焼していた。領域IIでは通常の燃料噴射後にさらに燃料を噴射していた（以下「ポスト噴射」という）。このとき発生したＨＣは酸化触媒で燃焼し、その熱でＰＭも燃焼する。さらに、領域IIIではポスト噴射に加えて吸気を絞る。するとエンジンは吸入空気を吸う仕事を行い、それによっても発熱量が増大し、ＤＰＦが高温になってＰＭが燃焼する。なお領域IVは排気温度がＰＭ燃焼温度に達しているので特別な制御を必要としない領域である。

しかし、このようにすることでＤＰＦを再生できるが、燃料の消費量が増すので、できる限り行わないことが望ましい。

ところで、エンジンの吸気温度を上げれば排気温度が上がる。したがって、あらかじめ加熱した空気を供給すれば排気温度を上昇させることができる。この性質を利用すれば、ポスト噴射量を軽減することができる。

本発明者は、排気系の熱を利用することに着目した。特にＤＰＦは再生時に高温になる。そこでＤＰＦの放熱によって加熱された空気をエンジンに吸気することで、排気温度を上昇させるようにしたのである。ただし、高温の空気は密度が低いので充填効率が悪化する。そこで、平坦路を一定速度で走行しているときのような低負荷運転時では加熱空気を吸気し、加速時のような高負荷運転時では加熱していない通常の空気を吸気するようにした。なお以下の実施形態では特にＤＰＦの放熱によって加熱された空気を吸気する場合を例示して説明しているが、ＤＰＦ以外の排気系の放熱で加熱された空気を吸気してもよい。

以下、コントロールユニット６０の具体的な制御ロジックについて図２のフローチャートに沿って説明する。

ＤＰＦの再生時期を検知したら処理を開始する。なおＤＰＦを再生しないときは吸気切替弁３を閉弁しておき、従来と同様に制御する。なおＤＰＦの再生時期の検知方法としては、例えば差圧センサ２１でＤＰＦ１２の入口部分と出口部分との圧力差を検知し、その差圧がある基準圧よりも大きくなったらＤＰＦ１２の詰まりが発生しており再生時期であると判定する。また基準時間の経過をもって再生時期と判定してもよい。

ステップＳ１では、ＤＰＦ１２の入口部分の温度が、酸化触媒の活性化温度（以下「触媒活性温度」という）以下であるか否かを判定する。この触媒活性温度は、具体的には機関の特性や運転条件等に基づいて決めればよいが、一例を挙げるならば２５０℃程度である。

触媒活性温度以下のときは（ステップＳ１でＹ）、ステップＳ２に進み、少しでも温度を上げるために吸気切替弁３を開弁してＤＰＦ１２で加熱された高温空気を吸気する。また、吸気を絞ってエンジンに吸入空気を吸う仕事を行わせることで発熱させる。さらにポスト噴射を行ってＨＣの着火によるＤＰＦ１２の高温化を図る。

触媒活性温度を上回るときは（ステップＳ１でＮ）、さらにステップＳ３においてＤＰＦ１２の入口部分の温度がＰＭの燃焼温度以上であるか否かを判定する。このＰＭ燃焼温度も具体的には機関の特性や運転条件等に基づいて決めればよいが、一例を挙げるならば６５０℃程度である。

ＰＭ燃焼温度未満のときは（ステップＳ３でＮ）、次にステップＳ４で低負荷運転であるか否かを判定する。低負荷運転とは、例えば、平坦路を一定速度で走行している場合などであり、このときエンジンは大きな出力は要求されない。なおこの判定はアクセル踏込量（スロットルポジションセンサ２４の信号）によって判定可能である。このときはステップＳ５へ進んで吸気切替弁３を開弁してＤＰＦ１２の放熱によって加熱された空気を吸気することで、排気温度を上げる。するとＤＰＦ１２の温度が迅速に上昇する。またポスト噴射を行う。このようにポスト噴射を行うと、排ガス中にはＨＣが含有されることとなり、そのＨＣがＤＰＦ１２に担持されている酸化触媒で酸化（燃焼）してＤＰＦ１２の高温化を図ることができる。なお、加熱空気を吸気することで排気温度が上昇するので、加熱空気を吸気しない場合に比べてポスト噴射量を低減可能である。

一方、高負荷運転とは、例えば登坂路を走行している場合や加速している場合などであり、このときエンジンは大きな出力が要求される。このときはステップＳ６へ進んで吸気切替弁３を閉弁して、加熱空気の吸気を止め、新気ダクト２からの吸気を図ることで、空気の充填効率を下げないようにしながら、ポスト噴射を行う。

ステップＳ３において、ＤＰＦ１２の入口部分の温度がＰＭ燃焼温度以上であると判定したときは、ステップＳ７において低負荷運転か否かを判定し、低負荷運転のときは、ステップＳ８へ進んで吸気切替弁３を開弁してＤＰＦ１２の放熱によって加熱された空気を吸気することで、排気温度を上げ、ＤＰＦ１２の温度を迅速に上昇させることでＤＰＦ１２の再生時間の短時間化を図る。なおこのときはＤＰＦ１２の内部温度がすでにＰＭの燃焼温度に達しているので、ポスト噴射を行う必要はない。一方、高負荷運転のときは、ステップＳ９へ進んで吸気切替弁３を閉弁して、加熱空気の吸気を止め、新気ダクト２からの吸気を図ることで、空気の充填効率を下げないようにする。

続いて本実施形態の効果を説明する。

本実施形態によれば、ＤＰＦ１２を再生するときは吸気切替弁３を開弁してＤＰＦ１２の放熱によって加熱した空気を吸気するようにした。これにより排気温度を上げることができるので、ポスト噴射を低減することができる。したがって燃費が向上する。またＤＰＦ１２の再生時間の短縮化を図ることができる。

また、機関負荷が高いときは吸気切替弁３を閉弁して新気ダクト２から吸気するようにした。このようにしたので、空気の充填効率を下げず、高出力を得ることができる。なお高負荷のときは高速時でもあることから走行風が多く、熱害を生じにくい状況になっている。

さらに、ＤＰＦ１２の入口部分の温度がＰＭ燃焼温度以上のときはポスト噴射を行わないようにしたので燃費の向上を図ることができる。

さらにまた、ＤＰＦ１２と遮熱板１３とのあいだでＤＰＦ１２の放熱によって加熱された空気を吸気するようにしたので、ＤＰＦ１２の周辺部品に対する熱影響（熱害）を低減することができる。

なお、本実施形態では、機関負荷が高いときは新気ダクトから吸気するが、通常、ＤＰＦの再生は主に低負荷で行うので、ほとんどの場合は吸気切替弁３を開弁してホットエアダクト１４から吸気することとなり、ポスト噴射を低減することによる燃費の向上という効果が非常に大きいのである。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、ＤＰＦ再生時に排気温度を上昇させるために、吸気切替弁３を開弁して、ＤＰＦ１２の放熱によって加熱された空気をホットエアダクト１４から吸入している。しかし、インタークーラ７によってエンジンの吸気温度を低下させるので、排気温度の上昇効果が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、インタークーラ７に通流する冷却風を調整するインタークーラシャッタ４２を設け、ＤＰＦ再生時で排気温度を上昇させる必要があるときには、インタークーラシャッタ４２を閉じるようにした。このようにすることで、インタークーラ７に通流する冷却風を低減させることができ、排気温度の上昇効果を一層向上させることができるのである。以下では図４のエンジンルームの側面模式図を参照して具体的な構成について説明する。なお以下では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

インタークーラ７は、フード４３に形成された冷却風取入口４４の下方に配置されている。インタクーラ７へはターボチャージャ６で過給された空気が流入する。そしてその吸気はインタクーラ７から、吸気通路４１を介してインテークマニホールド９を通流してエンジン本体１０に吸入される。

そして、冷却風取入口４４にはインタークーラシャッタ４２が設けられている。このインタークーラシャッタ４２はエンジンコントロールユニット３０によって開閉状態が制御される。なお図４中、一点破線が制御線であり、エンジンコントロールユニット３０に接続される。図４の破線に示すようにインタークーラシャッタ４２が開いたときには、破線矢印のように冷却風がインタクーラ７を通流し、ターボチャージャ６で過給された吸気を冷却する。一方、図４の実線に示すようにインタークーラシャッタ４２が閉じたときには、冷却風はインタクーラ７を通流しないので、ターボチャージャ６で過給された吸気は冷却されない。

そして本実施形態では、インタークーラシャッタ４２の開閉は、吸気切替弁３の開閉と同期するようにした。すなわち、吸気切替弁３を開弁してホットエアダクト１４からの空気を吸入するときには、インタークーラシャッタ４２を閉じて、吸気を冷却しないようにした。一方、吸気切替弁３を閉弁して新気ダクト２からの空気を吸入するときには、インタークーラシャッタ４２を開いて、吸気を冷却するようにした。

このようにすることで、ＤＰＦ再生時に加熱した外気を吸入するときに、インタークーラシャッタ４２を閉じるので、加熱された吸気がインタークーラ７を通過するときの放熱量が減少し、吸気の温度低下が少なくなり、排気温度が上昇し、低負荷時のＤＰＦ再生が容易になる。

（第３実施形態）
本発明によるＤＰＦ再生制御装置の第３実施形態を示す図である。

本実施形態のフィルタ再生制御装置は、バイパス通路５１と、流路切替弁５２とを有する。

バイパス通路５１は、インタークーラ７の上流側の吸気通路と下流側の吸気通路を連通するように形成され、ターボチャージャ６で過給された吸気がインタークーラ７を迂回可能な通路である。

流路切替弁５２は、ターボチャージャ６で過給された吸気がインタークーラ７又はバイパス通路５１に通流するように流路を切り替える。流路切替弁５１が閉弁すると吸気はインタークーラ７に通流する。流路切替弁５２が開弁すると吸気はインタークーラ７をバイパスしてバイパス通路５１を通流する。

流路切替弁５２の開閉は、吸気切替弁３の開閉と同期するようにした。すなわち、吸気切替弁３を開弁してホットエアダクト１４からの空気を吸入するときには、流路切替弁５２を開いて、ターボチャージャ６で過給された吸気をバイパス通路５１に通流させ、インタークーラ７に通流しないようにする。一方、吸気切替弁３を閉弁して新気ダクト２からの空気を吸入するときには、流路切替弁５２を閉じて、ターボチャージャ６で過給された吸気をインタークーラ７に通流させて冷却するようにした。

このようにしても、ＤＰＦ再生時に吸入して加熱した吸気をバイパス通路５１を通流させてインタークーラ７で冷却しないようにしたので、吸気の温度低下が少なくなり、排気温度が上昇し、低負荷時のＤＰＦ再生が容易になる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、上記実施形態においては、ＤＰＦと、その周囲に取り付けられた遮熱板とのあいだから加熱空気を吸気することとしているが、ＤＰＦ以外の排気系の放熱で加熱された空気を吸気してもよい。

本発明によるＤＰＦ再生制御装置の第１実施形態を示す図である。 本発明によるＤＰＦ再生制御装置の制御ロジックを示すフローチャートである。 従来の制御に使用されていた制御マップを示す図である。 第２実施形態を示すエンジンルームの側面模式図である。 本発明によるＤＰＦ再生制御装置の第３実施形態を示す図である。

符号の説明

１ ＤＰＦ再生制御装置
２ 新気ダクト
３ 吸気切替弁（吸気切替手段）
７ インタークーラ
１０ エンジン本体
１２ ＤＰＦ（フィルタ）
１３ 遮熱板
１４ ホットエアダクト
２１ 差圧センサ（フィルタ再生時期検出手段）
２２ ＤＰＦ入口温度センサ
２４ スロットルポジションセンサ
３０ エンジンコントロールユニット（制御手段）
４２ インタークーラシャッタ（吸気冷却抑制手段）
４４ 冷却風取入口
５１ バイパス通路
５２ 流路切替弁（吸気冷却抑制手段）

Claims (7)

1. ディーゼル機関の排気系に設けられ、排ガス中のパティキュレートを捕捉するフィルタと、
   前記フィルタの再生時期を検出する検出手段と、
   前記フィルタの再生時期を検出したらポスト噴射を行って前記フィルタの温度を上昇させて堆積しているパティキュレートを燃焼させる制御手段と、
   を備えるディーゼル機関のフィルタ再生制御装置であって、
   排気系の熱によって加熱された空気を通流可能なホットエアダクトと、
   外気を通流可能な新気ダクトと、
   前記ディーゼル機関の吸気系に前記ホットエアダクト及び前記新気ダクトに連通して設けられ、前記ホットエアダクト又は前記新気ダクトから吸入する空気を切り替える吸気切替手段と、
   を備え、
   前記フィルタを再生するときに前記ホットエアダクトから加熱空気を吸入するようにした、
   ことを特徴とするディーゼル機関のフィルタ再生制御装置。
2. 前記ホットエアダクトを通流する空気を、前記フィルタの放熱によって加熱する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼル機関のフィルタ再生制御装置。
3. 前記フィルタを再生するときであっても、機関負荷が高いときは前記新気ダクトから空気を吸入する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼル機関のフィルタ再生制御装置。
4. 前記フィルタに流入する排ガスの温度を検知する排温検知手段を備え、
   前記フィルタの再生時期を検出したときであっても、前記フィルタに流入する排ガスの温度がパティキュレートの燃焼温度を超えるときはポスト噴射を行わない、
   ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼル機関のフィルタ再生制御装置。
5. 前記ディーゼル機関の吸気系であって、前記吸気切替手段の下流側に設けられ、吸気を冷却するインタークーラと、
   前記吸気切替手段の切り替えによって前記ホットエアダクトから加熱空気を吸入するときに、前記インタークーラによる吸気の冷却を抑制する吸気冷却抑制手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のディーゼル機関のフィルタ再生制御装置。
6. 前記インタークーラに冷却風を供給する冷却風取入口を備え、
   前記吸気冷却抑制手段は、前記冷却風取入口に設けられ、開閉してその冷却風取入口から取り入れられる冷却風を制御して、前記インタークーラによる吸気の冷却を抑制する開閉弁である、
   ことを特徴とする請求項５に記載のディーゼル機関のフィルタ再生制御装置。
7. 前記インタークーラの上流側の吸気通路と下流側の吸気通路とを連通して、そのインタークーラを迂回可能なバイパス通路を備え、
   前記吸気冷却抑制手段は、吸気を前記バイパス通路に通流させることで、吸気が前記インタークーラで冷却されることを抑制する流路切替弁である、
   ことを特徴とする請求項５に記載のディーゼル機関のフィルタ再生制御装置。

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