JP2010270726A - パティキュレートフィルタの再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタの強制再生時におけるＮＯxの排出量を抑制しながらも再生不良を確実に回避する。
【解決手段】排気管１１途中に装備されたパティキュレートフィルタ１３の前段に酸化触媒１４を備え、該酸化触媒１４より上流側で排気ガス９中への燃料添加を行い、その添加燃料が前段の酸化触媒１４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１３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１３の強制再生を図る方法に関し、排気側から吸気側へ排気ガス９の一部を再循環しながらパティキュレートフィルタ１３の強制再生を実行し、その再生時間が所定時間を超えていないという第一条件と、強制再生中にイグニッションスイッチ２２がオフになっていないという第二条件のうち、少なくとも何れか一方の条件が満たされない時に排気ガス９の再循環を中止する。
【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、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造を成し、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一方、排気ガス中のパティキュレートが多孔質薄壁の内側表面に捕集されるようになっている。

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為、ＰｔやＰｄ等を活性種とする酸化触媒をパティキュレートフィルタに一体的に担持させるようにしている。

即ち、このような酸化触媒を担持させたパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集され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、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することが可能となるのである。

ただし、斯かるパティキュレートフィルタを採用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る。

そこで、パティキュレートフィルタの入側にフロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、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より上流側に燃料を添加してパティキュレートフィルタの強制再生を行うことが考えられている。

つまり、このようにすれば、燃料添加で生じた高濃度の炭化水素が酸化触媒を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる（例えば、下記の特許文献１参照）。

尚、この種の燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排気ガス中に燃料を添加するのが一般的である。

一方、ディーゼルエンジンにおいては、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯx（窒素酸化物）の発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）も行われているが、この種の排気ガス再循環は、強制再生（添加燃料の酸化反応）に必要な排気ガス中の余剰酸素をより多く確保する観点から強制再生中には一時的に中止しているのが一般的である。

一方、これまで以上の排気浄化を将来的に実現していくためには、強制再生の実行中であっても、排気ガス再循環を継続してＮＯxの排出量を抑制する必要があると考えられており、通常走行時における強制再生時に排気ガス再循環をそのまま継続しても特に支障なくＮＯxの排出量を抑制できることが本発明者らにより確認されている。

特開２００３−１９３８２４号公報

しかしながら、特に寒冷地等において、外気の低温条件、強風条件、頻繁なエンジン停止を伴う運転条件等といったパティキュレートフィルタを高温に維持し難い条件下に置かれた場合には、パティキュレートフィルタの強制再生時に排気ガス再循環を継続することで排気ガス中の余剰酸素が少なくなって添加燃料の酸化反応が不活発となり、パティキュレートフィルタを高温維持することができなくなって再生不良を招く虞れがあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、パティキュレートフィルタの強制再生時におけるＮＯxの排出量を抑制しながらも再生不良を確実に回避することを目的としている。

本発明は、排気管途中に装備されたパティキュレートフィルタの前段に酸化触媒を備え、該酸化触媒より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、排気側から吸気側へ排気ガスの一部を再循環しながらパティキュレートフィルタの強制再生を実行し、その再生時間が所定時間を超えていないという第一条件と、強制再生中にイグニッションスイッチがオフになっていないという第二条件のうち、少なくとも何れか一方の条件が満たされない時に排気ガスの再循環を中止することを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、排気ガスの再循環を行いながらパティキュレートフィルタの強制再生を試み、その再生時間が所定時間を超えたり、強制再生中にイグニッションスイッチがオフになったりした場合に、排気ガスの再循環を併用しながらのパティキュレートフィルタの強制再生が難しいと判断して排気ガスの再循環を中止し、パティキュレートフィルタの強制再生を助勢して速やかに完了させることが可能となる。

即ち、第一条件が満たされない場合には、通常よりも再生時間が長くかかっていて、パティキュレートフィルタ内における捕集済みパティキュレートの燃焼除去が効率良く進んでいないことが判り、より具体的には、外気の低温条件や強風条件によりパティキュレートフィルタが良好に高温維持されていないものと推定される。

他方、第二条件が満たされない場合には、パティキュレートフィルタの強制再生の途中でイグニッションスイッチがオフになったことが判り、より具体的には、パティキュレートフィルタの強制再生の途中でエンジンが切られて燃料添加が中断し、パティキュレートフィルタが一時的に温度低下してしまったものと推定される。

依って、第一条件及び第二条件の少なくとも何れか一方の条件が満たされない場合は、パティキュレートフィルタが高温に維持し難い条件下に置かれているものと推定されるので、このような場合に排気ガスの再循環を中止すれば、排気ガス中の余剰酸素が増加してパティキュレートフィルタの前段の酸化触媒における添加燃料の酸化反応が活発化し、その反応熱によりパティキュレートフィルタが良好に高温維持されることになる。

また、本発明においては、第一条件及び第二条件の少なくとも何れか一方の条件が満たされない時に排気温度を上げる昇温手段を併用することが好ましく、例えば、昇温手段として排気流量を適宜に絞り込む排気絞り手段を利用することが可能である。

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、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの強制再生を排気ガスを再循環しながら実行すると共に、その強制再生中にパティキュレートフィルタが高温に維持し難い条件下に置かれているものと推定される場合にのみ限定的に排気ガスの再循環を中止するようにしているので、パティキュレートフィルタの強制再生時におけるＮＯxの排出量を抑制しながらも再生不良を確実に回避することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、第一条件及び第二条件の少なくとも何れか一方の条件が満たされない時に排気温度を上げる昇温手段を併用することによって、パティキュレートフィルタの再生不良をより確実に回避することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、第一条件及び第二条件の少なくとも何れか一方の条件が満たされない時に排気流量を絞り込んで排気温度を上げることができるので、パティキュレートフィルタの再生不良をより確実に回避することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１の制御装置における具体的な制御手順を示すフローチャートである。

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は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図中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。

また、前記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（排気流路）を介し車外へ排出されるようにしてある。

そして、前記排気管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内における後段側には、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、この酸化触媒１４にて強制再生時に排気ガス９中に添加される添加燃料を酸化処理して反応熱によりパティキュレートフィルタ１３を加熱し得るようにしてある。

更に、図１で示している例では、排気マニホールド１０における各気筒８の並び方向の一端部と、吸気マニホールド７に接続されている吸気管５の一端部との間がＥＧＲライン１５で接続されており、排気マニホールド１０から抜き出した排気ガス９の一部を水冷式のＥＧＲクーラ１６で冷却してＥＧＲバルブ１７を介し吸気管５に再循環するようにしてある。

また、排気管１１におけるタービン２ｂの出口付近には、排気管１１の流路を適宜に絞り込む排気絞りバルブ１８（排気絞り手段）が排気温度を上げる昇温手段として設けられており、該排気絞りバルブ１８により排気管１１の流路を適宜に絞り込むことでディーゼルエンジン１の各気筒８からの排気抵抗を高めてポンピングロスを増大せしめ、これにより必要な出力が発生するよう燃料噴射量を増加させて排気温度を上昇させ得るようにしてある。

そして、これらＥＧＲバルブ１７及び排気絞りバルブ１８は、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を兼ねた制御装置１９からの制御信号１７ａ，１８ａにより開閉操作を制御されるようになっており、後述するパティキュレートフィルタ１３の強制再生時にあっても、基本的にＥＧＲバルブ１７及び排気絞りバルブ１８の双方を開け続けて排気ガス９の再循環及び排気絞りの不実施を継続し得るようにしてあるが、パティキュレートフィルタ１３の再生時間が所定時間を超えていないという第一条件と、強制再生中にイグニッションスイッチ２２がオフになっていないという第二条件のうち、少なくとも何れか一方の条件が満たされない時には、ＥＧＲバルブ１７を閉じて排気ガス９の再循環を中止すると共に、排気絞りバルブ１８を閉じて排気絞りを実施するようになっている。

ここで、前記制御装置１９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、図示しない運転席の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２０からの検出信号２０ａと、ディーゼルエンジン１の適宜位置に装備されて回転数を検出する回転センサ２１からの検出信号２１ａ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２３に向け制御信号２３ａを出力するようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置２３は、各気筒８毎に装備される複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記制御信号２３ａ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。

そして、前記制御装置１９では、制御信号２３ａ，２１ａに基づき通常モードの制御信号２３ａが決定されるようになっている一方、パティキュレートフィルタ１３の強制再生を行うべき時に通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１２０゜の範囲）でポスト噴射を行うような制御信号２３ａが決定されるようになっている。

つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により気筒８内の排気ガス９中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料が高濃度ＨＣガスとなって前段の酸化触媒１４まで流れて酸化反応を起こし、その反応熱により昇温した排気ガス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の触媒床温度が上昇して内部の捕集済みパティキュレートが燃焼除去されることになる。

また、この制御装置１９においては、回転センサ２１からの検出信号２１ａ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２０からの検出信号２０ａに基づく制御信号２３ａ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。

ただし、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。

尚、前記制御装置１９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後、パティキュレートフィルタ１３入側の温度センサ２４の検出信号２４ａに基づいて把握される排気温度等の諸条件（再生条件）が成立するのを待って、燃料噴射制御が通常モードから再生モードへ切り替わるようになっている。

即ち、制御装置１９の強制再生時における具体的な制御手順を図２によりフローチャートで示すと、先ずステップＳ１でＥＧＲバルブ１７及び排気絞りバルブ１８の双方を開放状態で維持し、次いで、ステップＳ２で温度センサ２４の検出信号２４ａに基づいて把握される排気温度等の諸条件（再生条件）が成立するのを確認し、然る後、ステップＳ３へ進んで燃料噴射制御を通常モードから再生モードに切り替えてパティキュレートフィルタ１３の強制再生を実施する。

そして、ステップＳ４で第一条件の再生時間が所定時間以上か否かが判定され、この所定時間を超えないうちは「ＮＯ」に進み、次のステップＳ５では第二条件の強制再生中にイグニッションスイッチ２２のオフが検出されたか否かが検出信号２２ａに基づいて判定され、イグニッションスイッチ２２のオフが検出されないうちは「ＮＯ」に進み、ステップＳ６にて温度センサ２４の検出温度に基づきパティキュレートフィルタ１３の再生が完了したか否かが判定され、パティキュレートフィルタ１３の再生が完了したものと判定されたら「ＹＥＳ」に進んでステップＳ７にて強制再生が終了となり、再生の完了が未だ判定されないうちは「ＮＯ」に進んでステップＳ３からの流れに戻る。

ここで、パティキュレートフィルタ１３の再生の完了を判定するにあたっては、捕集済みパティキュレートの各温度での燃焼速度を予備実験等により予め把握しておき、温度センサ２４の検出温度に基づいて経過時間から処理量を算出すれば、その処理量が前記推定された堆積量に達した時にパティキュレートフィルタ１３の再生が完了したものと判定することができる。

他方、先のステップＳ４で再生時間が所定時間を超えたら「ＹＥＳ」に進み、ステップＳ８にてＥＧＲバルブ１７を閉じて排気ガス９の再循環を中止すると共に、排気絞りバルブ１８を閉じて排気絞りを実施して排気昇温を図り、次いで、ステップＳ９において先のステップＳ３と同様にパティキュレートフィルタ１３の強制再生を実施し、次いで、ステップＳ１０において先のステップＳ６と同様に温度センサ２４の検出温度に基づきパティキュレートフィルタ１３の再生が完了したか否かが判定され、パティキュレートフィルタ１３の再生が完了したものと判定されたら「ＹＥＳ」に進んでステップＳ７にて強制再生が終了となり、再生の完了が未だ判定されないうちは「ＮＯ」に進んでステップＳ９からの流れに戻る。

また、先のステップＳ５でイグニッションスイッチ２２のオフが検出されたら「ＹＥＳ」に進み、ステップＳ１１にて次回のイグニッションスイッチ２２のオンが検出信号２２ａに基づいて検出された後、ステップＳ１２に進んで先のステップＳ２と同様に排気温度等の諸条件（再生条件）が成立するのを確認してから先のステップＳ８に進み、ＥＧＲバルブ１７を閉じて排気ガス９の再循環を中止すると共に、排気絞りバルブ１８を閉じて排気絞りを実施して排気昇温を図る。尚、ステップＳ８以降の流れは前述の通りであるので説明を割愛する。

而して、このようにすれば、排気ガス９の再循環を行いながらパティキュレートフィルタ１３の強制再生を試み、その再生時間が所定時間を超えたり、強制再生中にイグニッションスイッチ２２がオフになったりした場合に、排気ガス９の再循環を併用しながらのパティキュレートフィルタ１３の強制再生が難しいと判断し、ＥＧＲバルブ１７を閉じて排気ガス９の再循環を中止すると共に、排気絞りバルブ１８を閉じて排気流量を適宜に絞り込むことで排気昇温を図ることが可能となる。

即ち、第一条件が満たされない場合には、通常よりも再生時間が長くかかっていて、パティキュレートフィルタ１３内における捕集済みパティキュレートの燃焼除去が効率良く進んでいないことが判り、より具体的には、外気の低温条件や強風条件によりパティキュレートフィルタ１３が良好に高温維持されていないものと推定される。

他方、第二条件が満たされない場合には、パティキュレートフィルタ１３の強制再生の途中でイグニッションスイッチ２２がオフになったことが判り、より具体的には、パティキュレートフィルタ１３の強制再生の途中でディーゼルエンジン１が切られて燃料添加が中断し、パティキュレートフィルタ１３が一時的に温度低下してしまったものと推定される。

依って、第一条件及び第二条件の少なくとも何れか一方の条件が満たされない場合は、パティキュレートフィルタ１３が高温に維持し難い条件下に置かれているものと推定されるので、このような場合に排気ガス９の再循環を中止すれば、排気ガス９中の余剰酸素が増加してパティキュレートフィルタ１３の前段の酸化触媒における添加燃料の酸化反応が活発化し、その反応熱によりパティキュレートフィルタ１３が良好に高温維持されることになる。

従って、上記形態例によれば、パティキュレートフィルタ１３の強制再生を排気ガス９を再循環しながら実行すると共に、その強制再生中にパティキュレートフィルタ１３が高温に維持し難い条件下に置かれているものと推定される場合にのみ限定的に排気ガス９の再循環を中止するようにしているので、パティキュレートフィルタ１３の強制再生時におけるＮＯxの排出量を抑制しながらも再生不良を確実に回避することができる。

また、第一条件及び第二条件の少なくとも何れか一方の条件が満たされない時に、排気絞りバルブ１８を併用することによって、排気流量を絞り込んで排気温度を上げることができるので、パティキュレートフィルタ１３の再生不良をより確実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、パティキュレートフィルタの強制再生の開始時点で極端な低外気温等が検出されていて正常な強制再生が厳しいと判断できる状況下にあっては、強制再生の中止を選択し得るようにしても良いこと、また、昇温手段には排気絞り手段以外のものを採用しても良く、例えば、燃料噴射装置にメイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行わせることで排気昇温を図り得るようにしても良いこと、その他、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。

４ 吸気
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 ＥＧＲライン
１６ ＥＧＲクーラ
１７ ＥＧＲバルブ
１８ 排気絞りバルブ（排気絞り手段：昇温手段）
１９ 制御装置
２２ イグニッションスイッチ

Claims (3)

1. 排気管途中に装備されたパティキュレートフィルタの前段に酸化触媒を備え、該酸化触媒より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、排気側から吸気側へ排気ガスの一部を再循環しながらパティキュレートフィルタの強制再生を実行し、その再生時間が所定時間を超えていないという第一条件と、強制再生中にイグニッションスイッチがオフになっていないという第二条件のうち、少なくとも何れか一方の条件が満たされない時に排気ガスの再循環を中止する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。
2. 第一条件及び第二条件の少なくとも何れか一方の条件が満たされない時に排気温度を上げる昇温手段を併用することを特徴とする請求項１に記載のパティキュレートフィルタの再生方法。
3. 昇温手段として排気流量を適宜に絞り込む排気絞り手段を利用することを特徴とする請求項２に記載のパティキュレートフィルタの再生方法。

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