JP2010163979A - パティキュレートフィルタの再生方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】排気温度の低い運転条件からパティキュレートフィルタの強制再生を開始しながらも、エンジンオイルの希釈や燃費の悪化を大幅に抑制し得るようにする。
【解決手段】酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間で温度センサ１５により測定される排気温度が第一基準温度以上という第一条件と、前記酸化触媒１４より上流のディーゼルエンジン１に近い位置で温度センサ２２により測定される排気温度が第二基準温度以上という第二条件が何れも満たされない時に燃料添加を留保し、第一条件及び第二条件の何れか一方が満たされた時に圧縮上死点付近での燃料のメイン噴射に続く非着火のタイミングでポスト噴射を追加して燃料添加を行い、第一条件及び第二条件が同時に満たされた時にポスト噴射を中止して前記酸化触媒１４より上流側の排気管１１内に燃料を直噴することで燃料添加を行う。
【選択図】図１
【解決手段】酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間で温度センサ１５により測定される排気温度が第一基準温度以上という第一条件と、前記酸化触媒１４より上流のディーゼルエンジン１に近い位置で温度センサ２２により測定される排気温度が第二基準温度以上という第二条件が何れも満たされない時に燃料添加を留保し、第一条件及び第二条件の何れか一方が満たされた時に圧縮上死点付近での燃料のメイン噴射に続く非着火のタイミングでポスト噴射を追加して燃料添加を行い、第一条件及び第二条件が同時に満たされた時にポスト噴射を中止して前記酸化触媒１４より上流側の排気管１１内に燃料を直噴することで燃料添加を行う。
【選択図】図１
Description
本発明は、パティキュレートフィルタの再生方法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パティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。
この種のパティキュレートフィルタは、コージェライトなど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気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。
そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼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、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない。
この為、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウムなどの希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的にパティキュレートフィルタに担持させ、該パティキュレートフィルタ内に捕集されたパティキュレートの酸化反応を前記酸化触媒により促進して着火温度を低下せしめ、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去できるようにしている。
ただし、このようにした場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがあり、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階でパティキュレートフィルタを強制的に加熱して捕集済みパティキュレートを焼却する必要がある。
より具体的には、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備えると共に、該酸化触媒より上流側に燃料を添加するようにし、その添加燃料をパティキュレートフィルタの前段の酸化触媒で酸化反応させ、その反応熱により昇温した排気ガスをパティキュレートフィルタへと導入して触媒床温度を上げてパティキュレートを燃やし尽くし、パティキュレートフィルタの再生化を図るようにしている。
尚、この種のパティキュレートフィルタの強制再生を図る方法に関しては、本発明と同じ出願人による下記の特許文献１や特許文献２にもとりあげられている。
しかしながら、従来におけるパティキュレートフィルタの強制再生は、先の特許文献１や特許文献２でも説明されている通り、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続く非着火のタイミングでポスト噴射を追加して燃料添加を行うようにしたものが一般的であり、このようにポスト噴射で燃料添加を行えば、気筒内や後に続くターボチャージャなどで良好に撹拌されることにより添加燃料の分散性が良くなり、酸化触媒で効率良く反応熱を発生させることができるため、排気温度の比較的低い運転領域からでもパティキュレートフィルタの強制再生を開始できるというメリットがあるが、非着火のタイミングで噴射された燃料の一部がエンジン底部のオイルパンに流れ落ちてエンジンオイルを希釈させてしまったり、また、オイルパンに流れ落ちる分が無駄に消費されることで燃費の悪化を招くというデメリットがあった。
また、酸化触媒より上流側の排気管に燃料添加手段としてインジェクタを貫通装着し、該インジェクタにより燃料を排気管内に直噴することで燃料添加を行う方式も既に提案されており、このような排気管内への直噴による燃料添加を採用すれば、前述の如きエンジンオイルの希釈や燃費の悪化を回避することができるというメリットがあるが、ポスト噴射の場合と比較して分散性が劣るため、ポスト噴射で燃料添加を行う場合よりも排気温度が高い運転領域からでないと燃料添加を開始できないというデメリットがあった。
即ち、排気温度が低い運転領域でインジェクタにより燃料を排気管内に直噴すると、その添加燃料がミスト状のまま排気ガスに搬送されてしまい、未だ触媒活性が十分に高まっていない酸化触媒に処理しきれない添加燃料のミスト分が連続的に付着して溜まり、本来の意図とは逆に酸化触媒の触媒床温度が添加燃料の気化熱などに奪われて低下し、酸化触媒の活性が失われてしまう虞れがあった。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ポスト噴射と排気管内への直噴とを適切に切り換えて選択的に使用することにより、排気温度の低い運転条件からパティキュレートフィルタの強制再生を開始しながらも、エンジンオイルの希釈や燃費の悪化を大幅に抑制し得るようにすることを目的とする。
本発明は、酸化触媒を前段に備えて排気管途中に設けられた触媒再生型のパティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中への燃料添加を行い、その添加燃料が前段の酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱により後段のパティキュレートフィルタ内の捕集済みパティキュレートを燃焼させて該パティキュレートフィルタの強制再生を図る方法において、酸化触媒とパティキュレートフィルタとの間で測定される排気温度が第一基準温度以上という第一条件と、前記酸化触媒より上流のエンジンに近い位置で測定される排気温度が第二基準温度以上という第二条件が何れも満たされない時に燃料添加を留保し、第一条件及び第二条件の何れか一方が満たされた時に圧縮上死点付近での燃料のメイン噴射に続く非着火のタイミングでポスト噴射を追加して燃料添加を行い、第一条件及び第二条件が同時に満たされた時にポスト噴射を中止して前記酸化触媒より上流側の排気管内に燃料を直噴することで燃料添加を行うことを特徴とするものである。
即ち、酸化触媒とパティキュレートフィルタとの間で測定される排気温度は、実質的に酸化触媒の触媒床温度と看做すことができ、ここで測定された排気温度が第一基準温度以上であるか否かを確認することにより、酸化触媒の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルまで達しているか否かが判断される。
また、酸化触媒より上流のエンジンに近い位置で測定される排気温度は、やがて下流の酸化触媒の触媒床温度に影響を及ぼす排気温度であり、ここで測定された排気温度が第二基準温度以上であるか否かを確認することにより、酸化触媒の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルを僅かな時間遅れの後まで維持できるか否かが判断される。
従って、第一条件及び第二条件の何れも満たされていない時には、現在の酸化触媒の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルに達しておらず、しかも、僅かな時間遅れの後にも必要なレベルを上まわらないものと予想されるケースと考えられるので、このようなケースでは、燃料添加を実行すること自体が不適切であり、燃料添加の実行を留保する必要がある。
また、第一条件及び第二条件の何れか一方しか満たされていない時には、現在の酸化触媒の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルに達していないものの、僅かな時間遅れの後に必要なレベルを上まわるものと予想されるケースか、現在の酸化触媒の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルに達しているが、僅かな時間遅れの後に必要なレベルを下まわるものと予想されるケースが考えられるので、このようなケースで分散性の悪い排気管内への直噴は避けるべきであり、分散性の良いポスト噴射を選択する必要がある。
更に、第一条件及び第二条件が同時に満たされている時には、現在の酸化触媒の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルに達しており、しかも、僅かな時間遅れの後にも必要なレベルを上まわっているものと予想されるケースであるため、このようなケースでは、排気管内への直噴を選択しても、酸化触媒の活性が失われる虞れがなく、ポスト噴射を中止して排気管内に燃料を直噴することで燃料添加を行うことが可能となる。
上記した本発明のパティキュレートフィルタの再生方法によれば、前段の酸化触媒における活性が比較的低い条件下で分散性の良いポスト噴射を限定的に使用し、前段の酸化触媒における活性が比較的高い条件下でポスト噴射から排気管内への直噴に切り換えるようにしているので、従来のポスト噴射だけで行うパティキュレートフィルタの強制再生の場合と同様に排気温度の低い運転条件からパティキュレートフィルタの強制再生を開始しながらも、エンジンオイルの希釈や燃費の悪化を大幅に抑制することができ、しかも、排気管内への直噴により添加燃料のミスト分が活性の低い酸化触媒に連続的に付着して該酸化触媒の活性を失わせてしまう虞れも未然に回避することができるという優れた効果を奏し得る。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、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へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。
更に、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。
そして、この排気管１１の途中には、フィルタケース１２が介装されており、該フィルタケース１２内における後段には、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３が収容されており、このパティキュレートフィルタ１３は、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気ガス９のみが下流側へ排出されるようにしてある。
また、フィルタケース１２内におけるパティキュレートフィルタ１３の直前位置には、ハニカム構造を有するフロースルー型の酸化触媒１４が収容されており、該酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間には、排気ガス９の温度を測定する温度センサ１５が装備されており、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）を成す制御装置２０に対し入力されるようになっている。
この制御装置２０は、エンジン制御コンピュータを兼ねていることから燃料の噴射に関する制御も担うようになっており、より具体的には、アクセル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）からのアクセル開度信号１６ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１７からの回転数信号１７ａとに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒８に燃料を噴射する燃料噴射装置１８に向け燃料噴射信号１８ａが出力されるようになっている。
ここで、前記燃料噴射装置１８は、各気筒８毎に装備される複数のインジェクタ１９により構成されており、これら各インジェクタ１９の電磁弁が前記燃料噴射信号１８ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング（開弁時期）及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。
また、本形態例においては、フィルタケース１２の入側に前記燃料噴射装置１８とは別の燃料添加手段としてインジェクタ２１が貫通装着されており、前記制御装置２０からの指令信号２１ａにより前記インジェクタ２１が排気管１１内の排気ガス９中に燃料を直噴して添加し得るようにしてある。
更に、このインジェクタ２１の燃料添加位置より上流のディーゼルエンジン１に近い位置には、前記温度センサ１５とは別の温度センサ２２が装備されており、該温度センサ２２の温度信号２２ａも前記制御装置２０に入力されるようになっている。
そして、前記制御装置２０では、回転センサ１７からの回転数信号１７ａに基づきディーゼルエンジン１の回転数を抽出すると共に、アクセルセンサ１６からのアクセル開度信号１６ａに基づく燃料噴射信号１８ａの決定時に判明している燃料の噴射量を抽出し、これら回転数と噴射量とによるパティキュレートの発生量マップからディーゼルエンジン１の現在の運転状態に基づくパティキュレートの基本的な発生量を推定し、この基本的な発生量に対しパティキュレートの発生にかかわる各種の条件を考慮した補正係数を掛け且つ現在の運転状態におけるパティキュレートの処理量を減算して最終的な発生量を求め、この最終的な発生量を時々刻々積算してパティキュレートの堆積量を推定するようになっている。
尚、このようなパティキュレートの堆積量を推定する方法には各種の考え方があり、ここに例示した推定方法以外の手法を用いてパティキュレートの堆積量を推定することも勿論可能である。
更に、前記制御装置２０においては、パティキュレートの堆積量が所定の目標値に達したものと推定された場合に、パティキュレートフィルタ１３の強制再生を開始するべくポスト噴射と排気管１１内への直噴の何れかが選択されて実行されるようになっているが、酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間で温度センサ１５により測定される排気温度が第一基準温度以上という第一条件と、前記酸化触媒１４より上流のディーゼルエンジン１に近い位置で温度センサ２２により測定される排気温度が第二基準温度以上という第二条件について判定を行い、第一条件及び第二条件の何れも満たされない時に燃料添加を留保し、第一条件及び第二条件の何れか一方が満たされた時に圧縮上死点付近での燃料のメイン噴射に続く非着火のタイミングでポスト噴射を追加して燃料添加を行い、第一条件及び第二条件が同時に満たされた時にポスト噴射を中止して前記酸化触媒１４より上流側の排気管１１内に燃料を直噴することで燃料添加を行うようにしている。
即ち、酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間で測定される排気温度は、実質的に酸化触媒１４の触媒床温度と看做すことができ、ここで測定された排気温度が第一基準温度以上であるか否かを確認することにより、酸化触媒１４の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルまで達しているか否かが判断される。
また、酸化触媒１４より上流のディーゼルエンジン１に近い位置で測定される排気温度は、やがて下流の酸化触媒１４の触媒床温度に影響を及ぼす排気温度であり、ここで測定された排気温度が第二基準温度以上であるか否かを確認することにより、酸化触媒１４の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルを僅かな時間遅れの後まで維持できるか否かが判断される。
尚、ここで規定している第一基準温度は、酸化触媒１４の活性が添加燃料を処理するに十分なレベルまで達していると判定することが可能な酸化触媒１４の触媒床温度に相当する温度として適切に決められたものであり、第二基準温度は、僅かな時間遅れの後に下流の酸化触媒１４の触媒床温度を前記第一基準温度とすることが可能な排気温度として適切に決められたものである。
従って、第一条件及び第二条件の何れも満たされていない時には、現在の酸化触媒１４の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルに達しておらず、しかも、僅かな時間遅れの後にも必要なレベルを上まわらないものと予想されるケースと考えられるので、このようなケースでは、燃料添加を実行すること自体が不適切であり、燃料添加の実行を留保する必要がある。
また、第一条件及び第二条件の何れか一方しか満たされていない時には、現在の酸化触媒１４の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルに達していないものの、僅かな時間遅れの後に必要なレベルを上まわるものと予想されるケースか、現在の酸化触媒１４の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルに達しているが、僅かな時間遅れの後に必要なレベルを下まわるものと予想されるケースが考えられるので、このようなケースで分散性の悪い排気管１１内への直噴は避けるべきであり、分散性の良いポスト噴射を選択する必要がある。
更に、第一条件及び第二条件が同時に満たされている時には、現在の酸化触媒１４の触媒活性が添加燃料を処理するに十分なレベルに達しており、しかも、僅かな時間遅れの後にも必要なレベルを上まわっているものと予想されるケースであるため、このようなケースでは、排気管１１内への直噴を選択しても、酸化触媒１４の活性が失われる虞れがなく、ポスト噴射を中止して排気管１１内に燃料を直噴することで燃料添加を行うことが可能となる。
前記制御装置２０における具体的な制御手順は図２にフローチャートで示す通りであり、先ずステップＳ１において、温度センサ１５，２２からの温度信号１５ａ，２２ａに基づき、酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間で温度センサ１５により測定される排気温度が第一基準温度以上という第一条件と、前記酸化触媒１４より上流のディーゼルエンジン１に近い位置で温度センサ２２により測定される排気温度が第二基準温度以上という第二条件が同時に満たされているか否かが判定される。
そして、先のステップＳ１での判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２へと進んで排気管１１内への直噴が選択され、この排気管１１内への直噴を実行させる指令信号２１ａが制御装置２０からインジェクタ２１に向けて出力されることになる。
また、先のステップＳ１での判定が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ３へと進んで酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間で温度センサ１５により測定される排気温度が第一基準温度以上という第一条件と、前記酸化触媒１４より上流のディーゼルエンジン１に近い位置で温度センサ２２により測定される排気温度が第二基準温度以上という第二条件が何れも満たされていないか否かが判定される。
そして、先のステップＳ３での判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ４へと進んで燃料添加の留保が決定され、「ＮＯ」の場合には、ステップＳ５へと進んでポスト噴射が選択され、このポスト噴射を実行させる燃料噴射信号１８ａが燃料噴射装置１８に向けて出力されることになる。
以上を冷間始動時を例にとって経時的に説明すると、始動開始初期においては、第一条件及び第二条件の何れも満たされていないことから燃料添加の実行が保留されるが、やがてディーゼルエンジン１の暖機が進んで酸化触媒１４より上流のディーゼルエンジン１に近い位置で測定される排気温度が第二基準温度以上となって第二条件が満たされると、排気管１１内への燃料の直噴に先行してポスト噴射が開始され、該ポスト噴射により添加された燃料が気筒８内や後に続くターボチャージャ２などで良好に撹拌されて分散性の良い状態で前段の酸化触媒１４に到り、該酸化触媒１４で効率良く酸化反応を起こして反応熱により排気ガス９の昇温が図られ、この排気ガス９が後段のパティキュレートフィルタ１３に流入することで該パティキュレートフィルタ１３の触媒床温度が高められる。
そして、酸化触媒１４で添加燃料の酸化反応が進むに従い、酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間で測定される排気温度も第一基準温度に到達し、これにより第一条件及び第二条件が同時に満たされる結果、ポスト噴射が中止されて排気管１１内への燃料の直噴が開始される。
この際、前段の酸化触媒１４にあっては、既にポスト噴射による燃料添加で触媒活性が所定レベルまで上がっているので、ポスト噴射より添加燃料の分散性が低下しても、その添加燃料が処理しきれないまま残存してしまう心配がなく、その全てが酸化触媒１４で処理されてパティキュレートフィルタ１３の強制再生に有効に活用されることになり、ポスト噴射の場合のように一部がオイルパンに流れ落ちてエンジンオイルを希釈したり燃費の悪化を招いたりする不具合も起こらなくなる。
尚、減速などにより排気温度が低下して第一条件及び第二条件の何れか一方しか満たされなくなった場合には、再びポスト噴射に切り換えられてインジェクタ２１による排気管１１内への直噴が中止されることは勿論である。
従って、上記形態例によれば、前段の酸化触媒１４における活性が比較的低い条件下で分散性の良いポスト噴射を限定的に使用し、前段の酸化触媒１４における活性が比較的高い条件下でポスト噴射から排気管１１内への直噴に切り換えるようにしているので、従来のポスト噴射だけで行うパティキュレートフィルタ１３の強制再生の場合と同様に排気温度の低い運転条件からパティキュレートフィルタ１３の強制再生を開始しながらも、エンジンオイルの希釈や燃費の悪化を大幅に抑制することができ、しかも、排気管１１内への直噴により添加燃料のミスト分が活性の低い酸化触媒１４に連続的に付着して該酸化触媒１４の活性を失わせてしまう虞れも未然に回避することができる。
尚、本発明のパティキュレートフィルタの再生方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
１ ディーゼルエンジン（エンジン）
９ 排気ガス
１１ 排気管
１３ パティキュレートフィルタ
１４ 酸化触媒
１５ 温度センサ
１５ａ 温度信号
１８ 燃料噴射装置
１８ａ 燃料噴射信号
１９ インジェクタ
２０ 制御装置
２１ インジェクタ
２１ａ 指令信号
２２ 温度センサ
２２ａ 温度信号
９ 排気ガス
１１ 排気管
１３ パティキュレートフィルタ
１４ 酸化触媒
１５ 温度センサ
１５ａ 温度信号
１８ 燃料噴射装置
１８ａ 燃料噴射信号
１９ インジェクタ
２０ 制御装置
２１ インジェクタ
２１ａ 指令信号
２２ 温度センサ
２２ａ 温度信号
Claims (1)
- 酸化触媒を前段に備えて排気管途中に設けられた触媒再生型のパティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中への燃料添加を行い、その添加燃料が前段の酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱により後段のパティキュレートフィルタ内の捕集済みパティキュレートを燃焼させて該パティキュレートフィルタの強制再生を図る方法において、酸化触媒とパティキュレートフィルタとの間で測定される排気温度が第一基準温度以上という第一条件と、前記酸化触媒より上流のエンジンに近い位置で測定される排気温度が第二基準温度以上という第二条件が何れも満たされない時に燃料添加を留保し、第一条件及び第二条件の何れか一方が満たされた時に圧縮上死点付近での燃料のメイン噴射に続く非着火のタイミングでポスト噴射を追加して燃料添加を行い、第一条件及び第二条件が同時に満たされた時にポスト噴射を中止して前記酸化触媒より上流側の排気管内に燃料を直噴することで燃料添加を行うことを特徴とするパティキュレートフィルタの再生方法。
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