JP2006233832A

JP2006233832A - 排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法

Info

Publication number: JP2006233832A
Application number: JP2005048307A
Authority: JP
Inventors: Takuji Ikeda; 卓史池田; Takao Onodera; 貴夫小野寺; Kenichi Nakatani; 賢一中谷; Tatsuo Masuko; 達夫益子
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-09-07
Also published as: WO2006090513A1

Abstract

【課題】長時間アイドル運転によるＨＣ蓄積の問題に対し、ＨＣ離脱制御に伴うドライバビリティの悪化や燃費の悪化を必要最小限にすることができる排気ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路に酸化触媒３ａとディーゼルパティキュレートフィルタ３ｂのいずれか一方又は両方を有する排気ガス処理装置３を備えた車両の排気浄化システム１０において、吸気温度検出手段３２Ａで検出された吸気温度Ｔinが所定の判定温度Ｔ０以下で、かつ、前記アイドリング状態の継続時間が所定の判定値を超えた時に、前記排気ガス処理装置に蓄積されたＨＣを燃焼除去するＨＣ離脱制御を行うＨＣ離脱制御手段とを有する制御装置を具備したことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【選択図】図３

Description

本発明は、酸化触媒又はディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を備え、内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムに関し、より詳細には、長時間のアイドル運転等によって酸化触媒又はディーゼルパティキュレートフィルタに蓄積された未燃炭化水素（ＨＣ）の大気中への排出を防止できる排気ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジンを搭載している自動車においては、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート・マター：以下ＰＭとする）を浄化するために、エンジンの排気通路に酸化触媒やディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter ：以下ＤＰＦとする）等の粒子状物質低減装置を配置している。

しかし、このディーゼル自動車においては、アイドリング中に排出される未燃炭化水素（ＨＣ）やＰＭのうちの有機可溶成分（ＳＯＦ：Soluble Organic Fraction：以下ＳＯＦとする）や水蒸気等が、酸化触媒の表面やフィルタの表面に付着して溜め込まれ蓄積する。

つまり、車両によっては冷凍車など長時間アイドル運転されるものがあり、この長時間アイドル運転中に酸化触媒やＤＰＦにＨＣが溜め込まれる。このアイドリング状態が継続し、未燃ＨＣやＳＯＦの蓄積が数時間継続した後に、再度車両を発進させて走行を開始する等によりアクセル開度が大きくなった場合に、排気ガス温度が酸化触媒が活性化される温度域まで昇温されないまま、排気ガスの流速が増加するので、酸化触媒やフィルタに付着した未燃ＨＣやＳＯＦが一挙に脱離し、排気管後端より大気中に一気に放出され白煙として排出されるため、後続車の視界不良や悪臭といった問題が発生する。

これに対し、再生用の電気ヒータを有するＤＰＦでは、アイドリング状態中に電気ヒータを使用してＤＰＦを加熱して付着した未燃ＨＣ等を焼却除去できるが、この場合には、電力消費量が多くなるという問題が生じる。

また、電気ヒータ等の加熱源を備えていない連続再生式ＤＰＦや酸化触媒においては、エンジンの燃料噴射において後噴出する等の燃料噴射制御により排気ガスを昇温させて、酸化触媒やＤＰＦの温度を上昇させて未燃ＨＣ等を酸化除去する方法もあるが、制御用のプログラムが改めて必要になるという問題がある。

そして、従来のディーゼルエンジンの排気中に含まれる未燃成分を酸化処理する触媒を備える車両の排気浄化装置においては、エンジン排気通路の触媒上流側に絞り弁を設け、この絞り弁を開閉するアクチュエータをパーキングブレーキスイッチを介してバッテリ側に接続し、駐車時に排気絞りを効かせてエンジンの排気温度を上昇させることにより、触媒を活性化させて、発進時の白煙や臭気の発生量を大幅に低減している（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

しかしながら、この排気浄化装置では、駐車中も排気ガス温度が高温に保たれ、未燃ＨＣ等は活性化されている酸化触媒で酸化されているため、酸化触媒への付着及び蓄積は無くなるが、パーキングブレーキを作動させた時に、常に、絞り弁が閉弁し排気絞りが利くため、駐車中は常に排気絞りが継続し、また、信号待ちや短時間の停車においても排気絞りをすることになり、そのため、燃費が著しく悪化するという問題が生じる。

この白煙防止対策として、長時間アイドル放置された時に排気ブレーキを閉めて排気ガスを昇温し、酸化触媒でＨＣを燃焼させる排気ガス浄化システムも提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

一方で、長時間アイドル運転による酸化触媒やＤＰＦへのＨＣの蓄積は、吸気温度が低い時のみ発生し、温暖地域や夏などの気温の高い季節では発生しないことが分かってきている。そのため、単に長時間アイドル運転を監視して、アイドル運転が所定の判定時間を超えた時に、排気絞りとアイドル回転数アップ等のＨＣ離脱制御を行うように制御すると、酸化触媒やＤＰＦへのＨＣの蓄積が発生していないにも関わらずＨＣ離脱制御を行って、このＨＣ離脱制御に伴うドライバビリティの悪化や燃費の悪化を被ることになる。
特開平９−２２２０１２号公報（第３頁）特開平９−２６４１６２号公報（第２頁）特開２００４−１００６６８号公報

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、長時間アイドル運転によるＨＣ蓄積の問題に対し、吸気温度を監視及び判定の項目に加えることにより、より合理的なＨＣ離脱制御を行うようにすることができ、ＨＣ離脱制御に伴うドライバビリティの悪化や燃費の悪化を必要最小限にすることができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することにある。

以上のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に酸化触媒とディーゼルパティキュレートフィルタのいずれか一方又は両方を有する排気ガス処理装置を備えた車両の排気浄化システムにおいて、吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、内燃機関の運転状態がアイドリング状態であることを検出するアイドリング状態検出手段と、該アイドリング状態検出手段によって検出されたアイドリング状態の継続時間を計測する継続時間計測手段と、前記吸気温度検出手段で検出された吸気温度が所定の判定温度以下で、かつ、前記アイドリング状態の継続時間が所定の判定時間を超えた時に、前記排気ガス処理装置に蓄積されたＨＣを燃焼除去するＨＣ離脱制御を行うＨＣ離脱制御手段とを有する制御装置を具備して構成される。

また、上記の目的を達成するための排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路に酸化触媒とディーゼルパティキュレートフィルタのいずれか一方又は両方を有する排気ガス処理装置を備えた車両の排気浄化システムにおいて、吸気温度が所定の判定温度以下で、かつ、アイドリング状態の継続時間が所定の判定時間を超えた時に、前記排気ガス処理装置に蓄積されたＨＣを燃焼除去するＨＣ離脱制御を行うことを特徴とする。

本発明の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、長時間アイドル運転によるＨＣ蓄積の問題に対し、吸気温度を監視及び判定の項目に加えることにより、ＨＣ離脱制御のための判定をより合理的な判定にすることができるようになるので、ＨＣ離脱制御に伴うドライバビリティの悪化や燃費の悪化を必要最小限にすることができる。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法について、酸化触媒と触媒付きフィルタの組合せの連続再生型ＤＰＦ装置を備えた排気ガス浄化システムを例にして、図面を参照しながら説明する。

図１に、この実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１は、ディーゼルエンジン１０の排気マニホールド１１に接続する排気通路１２に連続再生型ＤＰＦ装置１３を設けて構成されている。この連続再生型ＤＰＦ装置１３は、上流側に酸化触媒１３ａを下流側に触媒付きフィルタ１３ｂを有して構成される。更に、この連続再生型ＤＰＦ装置３の上流に排気絞り弁（排気ブレーキ）１６を設けて構成される。

この酸化触媒１３ａは、セラミックのハニカム構造等の担持体に、白金（Ｐｔ）等の酸化触媒を担持させて形成され、触媒付きフィルタ１３ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。

そして、触媒付きフィルタ１３ｂに、モノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタを採用した場合には、排気ガスＧ中のＰＭ（粒子状物質）は多孔質のセラミックの壁で捕集（トラップ）され、繊維型フィルタタイプを採用した場合には、ＰＭはフィルタの無機繊維で捕集される。

そして、触媒付きフィルタ１３ｂのＰＭの堆積量を推定するために、連続再生型ＤＰＦ装置１３の前後に接続された導通管に差圧センサ２１が設けられる。また、触媒付きフィルタ１３ｂの再生制御用に、酸化触媒１３ａと触媒付きフィルタ１３ｂの上流側、中間に、それぞれ、酸化触媒入口排気温度センサ２２、フィルタ入口排気温度センサ２３が設けられ、更に、エアクリーナー１８から吸気マニホールド１５に通じる吸気通路１７に吸気温度センサ２４が設けられる。

これらのセンサの出力値は、エンジン１０の運転の全般的な制御を行うと共に、連続再生型ＤＰＦ装置１３の再生制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）３０に入力され、この制御装置３０から出力される制御信号により、エンジン１０の燃料噴射装置（噴射ノズル）１４や、排気通路１２に設けられた排気絞り弁（排気ブレーキ）１６や、必要に応じて、吸気マニホールド１５への吸気量を調整する図示しない吸気絞り弁や、図示しないＥＧＲ通路にＥＧＲクーラと共に設けられたＥＧＲ量を調整するＥＧＲバルブ等が制御される。

この燃料噴射装置１４は燃料ポンプ（図示しない）で昇圧された高圧の燃料を一時的に貯えるコモンレール噴射システム（図示しない）に接続されており、制御装置３０には、エンジンの運転のために、アクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）３１からのアクセル開度、回転数センサ３２からのエンジン回転数等の情報の他、パーキングブレーキスイッチのＯＮ／ＯＦＦ，パワーテイクオフ（ＰＴＯ）のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ，ニュートラルスイッチのＯＮ／ＯＦＦ，車両速度、冷却水温度Ｔｗ等の情報も入力される。

この制御装置３０には、ＰＭ捕集量推定手段５１Ａと再生制御手段５１Ｂを有するＤＰＦ再生制御手段５１も設けられており、ＰＭ捕集量推定手段５１Ａにより、触媒付きフィルタ１３ｂの前後の差圧ΔＰを使用し、この差圧ΔＰとＰＭの捕集量を対応させて、連続再生型ＤＰＦ装置１３の触媒付きフィルタ１３ｂに捕集されるＰＭの捕集量を推定し、再生制御手段５１Ｂにより、差圧ΔＰが所定の再生用の判定値ΔＰａ以上の時に再生制御を行う。

この再生制御は、連続再生型ＤＰＦ装置１３の種類に応じて多少制御が異なるが、エンジン１０の燃料噴射の主噴射（メイン）のタイミングを遅延操作（リタード）したり、後噴射（ポストインジェクション）を行ったり、吸気絞りを行ったりして、排気ガス温度を上昇させ、ＰＭの酸化除去に適した温度や環境になるようにし、連続再生型ＤＰＦ装置１３に捕集されたＰＭを酸化除去する。なお、図１の装置では、ドライバーに対して点滅灯４１や警告灯４２で触媒付きフィルタ１３ｂの再生制御が必要なことを知らせることができ、ドライバーがこれらの指示を見て、手動再生スイッチ４３を押すことにより手動で強制再生ができるように構成される。

そして、本発明においては、図２に示すように、制御装置３０は、エンジン制御手段50、ＤＰＦ制御手段の他にＨＣ付着対策制御手段５２を備え、このＨＣ付着対策制御手段５２は、吸気温度検出手段５２Ａ、アイドリング状態検出手段５２Ｂ、継続時間計測手段５２Ｃ、ＨＣ離脱制御手段５２Ｄを有して構成される。

そして、この吸気温度検出手段５２Ａは、吸気温度を検出する手段であり、吸気通路１７に設けた吸気温度センサ２４で構成される。また、アイドリング状態検出手段５２Ｂは、エンジンの状態がアイドリング状態にあるか否かを検出する手段であり、ここでは、パーキングブレーキスイッチがオンの時にアイドリング状態とするように構成される。

なお、このアイドリング状態検出手段５２Ｂによるアイドリング状態の判定に関しては、パーキングブレーキスイッチ以外に、エキゾーストブレーキ用のアクセルスイッチ、磁気センサ等で検出したエンジン回転速度、アクセルセンサで検出したアクセル開度、車速、減速ギヤのニュートラル位置にあること等を用いることもできる。また、ＰＴＯ（パワーテークオフ）不使用やＤＰＦ再生中でないこと等も条件となり、これらの条件の時は、アイドリング状態から除外される。

そして、継続時間計測手段５２Ｃは、アイドリング状態とされた時に計測を開始する手段であり、ここではタイマーでアイドリング状態の継続時間ｔm を計測するように構成される。また、このアイドリング状態の継続を監視する場合には、長時間に及ぶＨＣの付着の継続を見るためのものであるので、例えば、数分程度の短時間の低速による車両移動や、冷暖房の一時的強化等によって、一時的にアイドル状態が崩れても、アイドル状態の解除とは見なさないように構成することが好ましい。

また、ＨＣ離脱制御手段５２Ｄは、吸気温度検出手段５２Ａで検出された吸気温度Ｔinが所定の判定温度Ｔ0 以下で、かつ、アイドリング状態の継続時間ｔm が所定の判定値（所定の継続時間：例えば、１時間〜５時間）ｔm0を超えた時に、ＨＣ離脱制御を行うように構成される。

このＨＣ離脱制御は、排気絞り弁１６を閉じるように構成され、更に、排気絞り弁１６を閉じた状態を、走行開始やＰＴＯ作動時等のエンジン１０の運転状態がアイドリング状態から逸脱した場合には解除するように構成する。

あるいは、ＨＣ離脱制御は、排気絞り弁１6 を閉じると共にアイドル回転数を１０％〜１３０％程度上昇するように、即ち、アイドルアップするように構成され、更に、排気絞り弁１６を閉じたアイドルアップ状態を、走行開始やＰＴＯ作動時等のエンジン１０の運転状態がアイドリング状態から逸脱した場合には解除するように構成する。

なお、図１では、排気絞り弁１６は連続再生型ＤＰＦ装置１３の上流側に設けられているが、連続再生型ＤＰＦ装置１３の下流側に配置されていてもよい。

上記の構成の排気ガス浄化システム１によれば、酸化触媒１３ａや触媒付きフィルタ１３ｂにおける未燃ＨＣやＳＯＦの蓄積及び酸化除去に関して、図３に例示するようなフローに従ってＨＣ付着対策制御が行われる。

この図３のＨＣ付着対策制御は、ＰＭ捕集量推定手段５１Ａや再生制御手段５１ＢによるＰＭ捕集推定量が所定の値を超えたと判断した時にフィルタ再生を行う通常のフィルタ再生用の制御と並行して行われる制御である。

この制御フローがエンジンなどの制御も行うメインの制御フローから呼ばれてスタートすると、最初に、ステップＳ５１で、吸気温度検出手段５２Ａで検出された吸気温度Ｔinが所定の判定温度Ｔ０以下であるか否かを判定し、以下でない場合には、リターンし、ＨＣ離脱制御は行わない。

そして、ステップＳ５１で吸気温度Ｔinが所定の判定温度Ｔ0 以下である場合には、次のステップＳ５２でアイドリング状態検出手段５２Ｂによりアイドリング状態か否かを判定する。この判定でアイドリング状態でなければ、リターンし、ＨＣ離脱制御は行わない。

また、ステップＳ５２でアイドリング状態であれば、ステップＳ５３で継続時間のカウントを行い、アイドリング状態の継続時間ｔm の計測を開始する。そして、このカウントの後、ステップＳ５4 で継続時間ｔm が所定の判定時間ｔm0を超えているか否かを判定する。そして、超えていなければ、ステップＳ５２に戻り、継続時間ｔm が所定の判定時間ｔm0を超えるまで、ステップＳ５２，Ｓ５３，Ｓ５４を繰り返し、途中でアイドル状態でなくなった時には、リターンする。この所定の判定値（継続時間）ｔm0は、１時間〜５時間、好ましくは２時間〜３時間に設定される。

そして、ステップＳ５４で継続時間ｔm が所定の判定時間ｔm0を超えた時に、ステップＳ５５でＨＣ離脱制御を行う。このＨＣ離脱制御は、排気絞りのみで行うときは、図４に示すように、排気絞り弁１６の閉弁制御を所定の第１継続時間ｔm1の間継続し、その後排気絞り弁１６の開弁制御を所定の第２継続時間（休止時間）ｔm2の間継続し、これをアイドリング状態が終了するまで繰り返し、アイドリング状態が終了したと判断された時は、排気絞り弁１６の閉弁制御又は開弁制御も終了する。

なお、この所定の第１継続時間（除去時間）ｔm1は、１時間〜５時間好ましくは２時間〜３時間に設定され、この所定の第２継続時間（休止時間）ｔm2は、１秒〜１０秒好ましくは４秒〜７秒に設定される。

また、ＨＣ離脱制御を、排気絞りとアイドルアップで行うときは、図５に示すように、排気絞り弁１６の閉弁制御とアイドルアップを所定の第３継続時間ｔm3の間継続し、その後排気絞り弁１６の開弁制御とアイドルアップ無しを所定の第４継続時間（休止時間）ｔm4の間継続し、これをアイドリング状態が終了するまで繰り返し、アイドリング状態が終了したと判断された時は、排気絞り弁１６の閉弁制御とアイドルアップ又は排気絞り弁１６の開弁制御も終了する。この排気絞りとアイドルアップを行うと、アイドルアップにより排気ガスを昇温できるのでＨＣの燃焼除去を促進でき、排気絞りを行う時間を排気絞り単独の場合よりも短縮でき、更に、排気絞りによる黒煙の悪化を防ぎつつＨＣの酸化触媒１３ａへの付着及び溜め込みを防止できる。

なお、この所定の第３継続時間（除去時間）ｔm3は、５分〜５０分好ましくは１０分〜２０分に設定され、この所定の第４継続時間（休止時間）ｔm4は、０．５時間〜４時間好ましくは０．５時間〜２時間に設定される。

なお、ここでいう排気絞り弁１６の閉弁制御又は開弁制御の終了とは、ＨＣ離脱対策のための排気絞り弁１６の使用を止めて、排気絞り弁１６を通常の排気ブレーキ運転に使用するようにすることである。

この排気絞りによって、排気ガス量を減少させることにより、酸化触媒１３ａ又は触媒付きフィルタ１３ｂに流入する未燃ＨＣ，ＳＯＦ等を低減し、排気温度の上昇により、酸化触媒１３ａ又は触媒付きフィルタ１３ｂに付着して蓄積された未燃ＨＣ，ＳＯＦ等を酸化除去できる。

このリターンをした後は、再度、このＨＣ離脱対策制御が呼び出されて、スタートし、ステップＳ５１〜ステップＳ５５を繰り返す。この繰り返しをエンジン１０の運転中行い、酸化触媒１３ａや触媒付きフィルタ１３ｂに対する未燃ＨＣやＳＯＦの蓄積の監視と除去を行う。

上記の排気ガス浄化システム及びＨＣ離脱対策制御によれば、長時間アイドル運転によるＨＣ蓄積の問題に対し、吸気温度Ｔinを監視及び判定の項目に加えることにより、ＨＣ離脱制御のための判定をより合理的な判定にすることができるようになるので、ＨＣ離脱制御に伴うドライバビリティの悪化や燃費の悪化を必要最小限にすることができる。

本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムのシステム構成図である。本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの制御装置の構成を示す図である。ＨＣ付着対策制御のフローを示す図である。ＨＣ離脱制御の時系列の一つの例を示す図である。ＨＣ離脱制御の時系列の他の例を示す図である。

符号の説明

１排気ガス浄化システム
１０エンジン（内燃機関）
１２排気通路
１３連続再生型ＤＰＦ装置（排気ガス処理装置）
１３ａ酸化触媒
１３ｂ触媒付きフィルタ
１４燃料噴射装置
１６排気絞り弁
３０制御装置（ＥＣＵ）
５２ＨＣ付着対策制御手段
５２Ａ吸気温度検出手段
５２Ｂアイドリング状態検出手段
５２Ｃ継続時間計測手段
５２ＤＨＣ離脱制御手段

Claims

内燃機関の排気通路に酸化触媒とディーゼルパティキュレートフィルタのいずれか一方又は両方を有する排気ガス処理装置を備えた車両の排気浄化システムにおいて、吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、内燃機関の運転状態がアイドリング状態であることを検出するアイドリング状態検出手段と、該アイドリング状態検出手段によって検出されたアイドリング状態の継続時間を計測する継続時間計測手段と、前記吸気温度検出手段で検出された吸気温度が所定の判定温度以下で、かつ、前記アイドリング状態の継続時間が所定の判定時間を超えた時に、前記排気ガス処理装置に蓄積されたＨＣを燃焼除去するＨＣ離脱制御を行うＨＣ離脱制御手段とを有する制御装置を具備したことを特徴とする排気ガス浄化システム。
内燃機関の排気通路に酸化触媒とディーゼルパティキュレートフィルタのいずれか一方又は両方を有する排気ガス処理装置を備えた車両の排気浄化システムにおいて、吸気温度が所定の判定温度以下で、かつ、アイドリング状態の継続時間が所定の判定時間を超えた時に、前記排気ガス処理装置に蓄積されたＨＣを燃焼除去するＨＣ離脱制御を行うことを特徴とする排気ガス浄化方法。