JP2006105057A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ドライバビリティを損なうことなく効果的にＤＰＦの異常昇温を抑制することができるディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 エンジン１の排気通路１１に設けられて排気中のパティキュレートを捕集するＤＰＦ１７と、該ＤＰＦ１７を強制的に再生すべき時期になると同ＤＰＦ１７の温度を上昇させて同ＤＰＦ１７に堆積されたパティキュレートを燃焼させる強制再生制御手段とを有するディーゼルエンジンの排気浄化装置において、上記強制再生制御手段は、エンジン１がアイドル状態になるとＥＧＲバルブ１５等を介して同エンジン１への排気還流率を増加させるとともに燃料噴射弁１９による主燃料噴射の噴射時期を進角させるよう構成される。
【選択図】 図１
【解決手段】 エンジン１の排気通路１１に設けられて排気中のパティキュレートを捕集するＤＰＦ１７と、該ＤＰＦ１７を強制的に再生すべき時期になると同ＤＰＦ１７の温度を上昇させて同ＤＰＦ１７に堆積されたパティキュレートを燃焼させる強制再生制御手段とを有するディーゼルエンジンの排気浄化装置において、上記強制再生制御手段は、エンジン１がアイドル状態になるとＥＧＲバルブ１５等を介して同エンジン１への排気還流率を増加させるとともに燃料噴射弁１９による主燃料噴射の噴射時期を進角させるよう構成される。
【選択図】 図１
Description
本発明は、ディーゼルエンジンの排気系にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter:以下単にＤＰＦと称す）を備えた排気浄化装置に関するものである。
ディーゼルエンジンから排出される排気ガスには、炭化水素(ＨＣ）、一酸化炭素(ＣＯ）、窒素酸化物(ＮＯｘ）及び粒子状物質（ＰＭ:Particulate Matter：以下単にパティキュレートと称す）等の汚染物質が含まれる。これらの物質による大気汚染を抑制するため、排気ガス還流(以下単にＥＧＲと称す）及びコモンレール式高圧燃料噴射などの燃焼技術、又は酸化触媒、ＤＰＦなどによる後処理技術が開発されている。
前記ＤＰＦは、エンジンの排気管の途中に設置されて排気ガス中のパティキュレートを直接捕集するもので、セラミック製のモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等がある。
しかし、このＤＰＦは、パティキュレートの捕集に伴って目詰まりが進行し、排ガス圧力(排圧)が上昇するので、捕集・堆積したパティキュレートを定期的に除去する、所謂強制再生処理が必要である。
この強制再生手法として、従来は、燃料噴射時期を遅角させることによるエンジン排気温度の昇温、あるいは燃料をポスト噴射することによる酸化触媒（ＤＰＦの前段に設けられる）へのＨＣ供給による発熱等により、ＤＰＦ温度を概ね６００℃以上に昇温し、パティキュレートを燃焼・除去させている。
ところが、ＤＰＦの強制再生中の減速・停止によりエンジン回転数が急減し、あるいはアイドル運転（状態）となった場合には、ＤＰＦを流れる排ガス流量が急減し、ＤＰＦ内部での強制再生で発熱した熱量が十分に排気熱として持ち去られないため、ＤＰＦ内部温度は上昇する。このＤＰＦ内部温度上昇は、同時にパティキュレート燃焼速度を加速することになるため、ＤＰＦの破損をもたらす異常昇温につながる可能性があるという問題点があった。
ところで、特許文献１には、強制再生時のアイドル回転速度を、通常時のアイドル回転速度より高くすることで、強制再生アイドル時におけるＤＰＦへの排ガス流入量を増加させて熱の持ち去り量を増加させ、ＤＰＦの溶損を防止する技術が開示されている。
しかしながら、ＤＰＦ内でのパティキュレートの異常燃焼を確実に抑制するためには、ガス流量の増加よりもむしろ酸素濃度を低下させることが重要であり、アイドル回転速度の上昇で十分に酸素濃度を低くしようとするとアイドル回転速度を極端に高く（アイドル状態での燃料量を大幅に増加）しなければならなくなり、ドライバビリティが大幅に悪化するという問題がある。
そこで、本発明の目的は、ドライバビリティを損なうことなく効果的にＤＰＦの異常昇温を抑制することができるディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられて排気中のパティキュレートを捕集するフィルタと、上記フィルタを強制的に再生すべき時期になるとフィルタ温度を上昇させて上記フィルタに堆積されたパティキュレートを燃焼させる強制再生制御手段とを有するディーゼルエンジンの排気浄化装置において、上記強制再生制御手段は、上記エンジンがアイドル状態になると上記エンジンへの排気還流率を増加させるとともに主燃料噴射の噴射時期を進角させるよう構成されていることを特徴とする。
また、上記強制再生制御手段は、強制再生時のアイドル回転速度を通常時のアイドル回転速度より高くするよう構成されていることを特徴とする。
また、上記フィルタへのパティキュレート堆積量を推定する堆積量推定手段と上記フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段との少なくとも一方をさらに備え、上記強制再生制御手段は、上記パティキュレート堆積量又は上記フィルタ温度が低下するに従い上記アイドル状態での排気還流率を小さく設定することを特徴とする。
上記フィルタへのパティキュレート堆積量を推定する堆積量推定手段と上記フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段との少なくとも一方をさらに備え、上記強制再生制御手段は、上記パティキュレート堆積量又は上記フィルタ温度が低下するに従い上記強制再生時のアイドル回転速度を低く設定することを特徴とする。
本発明の構成によれば、エンジンがアイドル状態になると排気還流率を増加させるので、エンジンに供給される新気の割合が低下し排気中の酸素濃度が低下する。このため、アイドル状態になったことで排ガス流量が低下して熱の持ち去り量が低下しても、フィルタに流入する排気の酸素濃度を低下させることができ、パティキュレートの燃焼速度を抑制して、フィルタの異常昇温を効果的に防止できる。また、排気還流率を増加させれば、一般的にはエンジンからのパティキュレート排出量が増加するが、同時に主燃料の噴射時期を進角させるため予混合燃焼によりパティキュレート排出量の増加を抑制でき、弊害の発生を抑制しながらフィルタの異常昇温を防止できる。
また、強制再生時のアイドル回転速度を通常時のアイドル回転速度より高くするので、フィルタへの排ガス流入量増加による熱の持ち去り量の増加効果を併用することができ、より効果的にフィルタの異常昇温を回避できる。
また、パティキュレート堆積量又はフィルタ温度が低下するに従い上記アイドル状態での排気還流率を小さく設定するので、異常昇温の可能性の低下に合わせてドライバビリティへの影響をより小さくすることができるので、実用性を向上できる。
また、パティキュレート堆積量又はフィルタ温度が低下するに従い上記強制再生時のアイドル回転速度を低く設定するので、異常昇温の可能性の低下に合わせてドライバビリティへの影響をより小さくすることができるので、実用性を向上できる。
以下、本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示すディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略構成図、図２はＤＰＦの強制再生制御のフローチャート、図３はアイドル目標空燃比制御効果のグラフ、図４はアイドル目標空燃比制御によるＤＰＦピーク温度の抑制効果のグラフ、図５はアイドル目標回転数制御によるＤＰＦピーク温度の抑制効果のグラフである。
図１に示すように、多気筒ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１はシリンダヘッド２とシリンダブロック３とを有し、シリンダブロック３の各シリンダボア内にはピストン４が往復動自在に収装される。このピストン頂面とシリンダボア壁面とシリンダヘッド下面とで燃焼室５が形成される。
シリンダヘッド２には、吸気弁６で開閉される吸気ポート７が形成され、この吸気ポート７には吸気マニホールドを含む吸気通路８が接続される。また、シリンダヘッド２には、排気弁９で開閉される排気ポート１０が形成され、この排気ポート１０には排気マニホールドを含む排気通路１１が接続される。
吸気通路８と排気通路１１との間には可変容量式ターボチャージャ（以下単にＶＧＴと称す）１２が介装され、その加圧された吸気がインタークーラ１３で冷却されて燃焼室５に供給されるようになっている。また、インタークーラ１３下流の吸気通路８とターボチャージャ１２上流の排気通路１１がＥＧＲ通路１４で接続され、該ＥＧＲ通路１４に介装したＥＧＲバルブ１５により排気還流量が制御されるようになっている。さらに、ＶＧＴ１２下流の排気通路１１には、排気ガス流れの上流側から順に酸化触媒１６とＤＰＦ１７とが介装される。
また、シリンダヘッド２には、各気筒の燃焼室５内に燃料を直接噴射する電子制御式の燃料噴射弁１９が設けられ、この燃料噴射弁１９にはコモンレール２０から所定の燃圧に制御された高圧燃料が供給されるようになっている。図中２１はコモンレール２０に図示しない燃料タンクからの燃料を供給する燃料供給ポンプでエンジン１に連動して回転駆動される。
前記燃料噴射弁１９は電子制御ユニット（以下単にＥＣＵと称す）３０により駆動制御される。即ち、ＥＣＵ３０には、アクセル開度を検出するセンサからのアクセル開度信号とエンジン回転数（及びクランク角度）を検出するセンサからのエンジン回転数信号が入力し、これらアクセル開度とエンジン回転数に基づいて目標燃料噴射量、目標噴射時期を検索し、これら目標とする燃料噴射量、噴射時期となるように、燃料噴射弁１９における電磁弁の開閉時期を決定している。
また、前記ＥＣＵ３０には、ＤＰＦ１７の入口と出口の排気通路１１に取り付けられて排ガス圧力(排圧)を検出する圧力センサ２２ａ，２２ｂと、ＤＰＦ１７の温度を検出するためにＤＰＦ１７の出口に取り付けた温度センサ２３と、ＶＧＴ１２上流の吸気通路８に取り付けられて吸入空気量（新気量）を検出するエアーフローセンサ２４との検出信号がそれぞれ入力される。また、図中２５は、上述したＥＧＲバルブ１５とＶＧＴ１２（ベーン開度）と同様に、ＥＣＵ３０によりエンジンの運転状態に応じて駆動制御される電子制御式のスロットルバルブである。
そして、前記ＥＣＵ３０は、車両走行中にＤＰＦ１７の強制再生制御（モード）となり、燃料のポスト噴射等の手段でＤＰＦ１７の昇温を行っている際に、ドライバが減速あるいは停止操作を行い、エンジン１がアイドル状態となった場合に、ＤＰＦ１７の異常昇温を抑制するためのエンジン制御を行い、ＤＰＦ１７の過昇温による破損を防止するようになっている。
即ち、ＤＰＦ１７の異常昇温を抑制するためには、ＤＰＦ１７内部のパティキュレート燃焼を抑制することが必要であり、最も効果的な手法として、ＤＰＦ１７に流入する排気ガスの酸素濃度を抑制することが考えられる。また、上記手法に加え、ドライバビリティを損なわない範囲で、エンジン回転数を高めに保持し、排気ガス流量を多くすることも有効である。
そのために、ＥＣＵ３０は、例えば図２のフローチャートに示すようなＤＰＦ１７の強制再生制御を実行する（強制再生制御手段）。
これを詳述すると、先ずステップＰ１で現在、ＤＰＦ強制再生中か否かを判断し、強制再生中であれば、次にステップＰ２でアクセル開度信号及びエンジン回転速度信号等によりアイドル運転か否かを判断する。そして、アイドル運転であれば、次にステップＰ３で温度センサ２３により検出したＤＰＦ１７の温度が所定値１を越えているか否かを判断する。
ＤＰＦ１７の温度が所定値１を越えていれば、ステップＰ４でＤＰＦ温度，推定パティキュレート堆積量（圧力センサ２２ａ，２２ｂによる排気ガス圧力の差圧と排気ガス流量とで推定できる：堆積量推定手段）に応じて目標アイドル回転数を設定すると共に、ステップＰ５でＤＰＦ温度，推定パティキュレート堆積量に応じて目標空気過剰率（排気還流率）を設定する。
この後、ステップＰ６でＥＧＲバルブ１５，スロットルバルブ２５による吸気絞り，ＶＧＴ１２ベーン開度や図示しない排気バルブによる排気絞りを操作し、目標空気過剰率（排気還流率）を実現するようＥＧＲ量及び新気量をコントロールする（つまり、ＥＧＲに対する新気の割合を減らす）と共に、ステップＰ７で目標空気過剰率（排気還流率）に応じて主噴射時期を進角する。
このように大量ＥＧＲを導入すると共に噴射時期を進角することで、アイドル運転時の空燃比をストイキあるいは若干リーンとする（所謂低ＮＯｘ燃焼でアイドル運転する）ことができ、ＤＰＦ１７に流入する排気ガスの酸素濃度を低減してパティキュレート燃焼速度を抑制することができる。また、排気還流率を増加させれば、一般的にはエンジンからのパティキュレート排出量が増加するが、大量ＥＧＲと同時に噴射時期を進角させるためパティキュレート排出量の増加を抑制でき弊害の発生を抑制しながらＤＰＦの異常昇温を防止できる。この結果、ＤＰＦ１７の異常昇温を効果的に回避できる（図３のアイドル目標空燃比制御効果のグラフと図４のアイドル目標空燃比制御によるＤＰＦピーク温度の抑制効果のグラフ参照）。
さらに、ドライバビリティを損なわない範囲で、高い目標アイドル回転数に変更することで、ＤＰＦ通過ガス量を増やすことができ、ＤＰＦ１７の冷却効果が高まり、昇温を抑制することができる（図５のアイドル目標回転数制御によるＤＰＦピーク温度の抑制効果のグラフ参照）。
また、上述したステップＰ３におけるＤＰＦ１７の温度が比較的低い場合には、アイドル運転時の空燃比をリーン寄りに設定したり、目標アイドル回転数を低めに設定し、あるいは上述したエンジン制御を実行しなくても良い。
また、上述したステップＰ５における推定パティキュレート堆積量（あるいは強制再生中の推定パティキュレート再生量）が比較的多いと判断された場合には、アイドル運転時の空燃比をストイキ寄りに設定したり、目標アイドル回転数を高めに設定しても良い。
また、アイドル運転に突入後、ＤＰＦ１７の温度（ＤＰＦ１７下流の排気温度を温度センサで検出しても良い：排気温度検出手段）低下に従い異常昇温リスクが低減した場合に、アイドル運転時の空燃比をリーン寄りに設定したり、目標アイドル回転数を低めに設定し、あるいは上述したエンジン制御を速やかに終了しても良い。
このようにＤＰＦ１７の異常昇温の可能性に応じた制御を行うことで、通常のＤＰＦの強制再生制御時と上述したエンジン制御時とのドライバビリティの変化を小さくすることができるので、実用性を向上できる。
このようにして、本実施例によれば、ＤＰＦ１７の異常昇温の可能性を低減できるため、排気後処理システムの信頼性が高まる。また、ＤＰＦ１７へのパティキュレート堆積量が従来より多い場合でも、ＤＰＦ１７の異常昇温による破損が回避できるため、ＤＰＦ１７の再生周期を延長することが可能となり、強制再生に伴う燃費の悪化や酸化触媒１６の
熱劣化を軽減することができる。
熱劣化を軽減することができる。
尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。例えば、ＶＧＴ１２や酸化触媒１７は特に設けなくても良い。また、ＤＰＦ１７へのパティキュレート堆積量を運転履歴等から推定しても良い。
１ 多気筒ディーゼルエンジン（エンジン）、２ シリンダヘッド、３ シリンダブロック、４ ピストン、５ 燃焼室、６ 吸気弁、７ 吸気ポート、８ 吸気通路、９ 排気弁、１０ 排気ポート、１１ 排気通路、１２ 可変容量式ターボチャージャ（ＶＧＴ）、１３ インタークーラ、１４ ＥＧＲ通路、１５ ＥＧＲバルブ、１６ 酸化触媒、１７ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、１９ 燃料噴射弁、２０ コモンレール、２１ 燃料供給ポンプ、２２ａ，２２ｂ 圧力センサ、２３ 温度センサ、２４ エアーフローセンサ、２５ 電子制御式のスロットルバルブ、３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）。
Claims (4)
- ディーゼルエンジンの排気通路に設けられて排気中のパティキュレートを捕集するフィルタと、
上記フィルタを強制的に再生すべき時期になるとフィルタ温度を上昇させて上記フィルタに堆積されたパティキュレートを燃焼させる強制再生制御手段とを有するディーゼルエンジンの排気浄化装置において、
上記強制再生制御手段は、上記エンジンがアイドル状態になると上記エンジンへの排気還流率を増加させるとともに主燃料噴射の噴射時期を進角させるよう構成されている
ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 上記強制再生制御手段は、強制再生時のアイドル回転速度を通常時のアイドル回転速度より高くするよう構成されていることを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
- 上記フィルタへのパティキュレート堆積量を推定する堆積量推定手段と上記フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段との少なくとも一方をさらに備え、
上記強制再生制御手段は、上記パティキュレート堆積量又は上記フィルタ温度が低下するに従い上記アイドル状態での排気還流率を小さく設定することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 上記フィルタへのパティキュレート堆積量を推定する堆積量推定手段と上記フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段との少なくとも一方をさらに備え、
上記強制再生制御手段は、上記パティキュレート堆積量又は上記フィルタ温度が低下するに従い上記強制再生時のアイドル回転速度を低く設定することを特徴とする請求項２記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
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