JP2012145115A - ディーゼルエンジン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸化触媒と、ディーゼルパティキュレートフィルタと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側と下流側との差圧を検知する手段と、前記差圧に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の量を推定し、当該推定量に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタを再生する制御手段と、を備えるディーゼルエンジンにおいて、前記制御手段による前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生制御は、ポスト噴射を使用せず、前記酸化触媒の活性温度領域で再生を行う第一再生と、ポスト噴射を使用して、粒子状物質を燃焼除去する第二再生と、手動操作で、ポスト噴射を使用して、粒子状物質を燃焼除去する第三再生と、を含む。
【選択図】図4
Description
ここで、PMとは、排気ガスに含まれる粒子状物質(Particulate Matter:PM)であり、燃焼除去することができる煤等の可燃成分と、燃料添加剤や潤滑油添加剤等に由来し、燃焼除去することができないアッシュとからなる。
なお、温度センサ64を排気ガスの流動方向における酸化触媒61の上流側、又はDPF62の下流側に配置してもよい。
図2に示すように、制御パネル7は、DPF62の再生制御状態に応じて点灯する通常再生中ランプ71、リセット再生中ランプ72、緊急再生中ランプ73、緊急再生禁止中ランプ74、及び緊急再生指示ランプ75と、作業者が手動でECU8に所定の制御信号を送信するための緊急再生開始スイッチ76とを具備する。
図3に示すように、ECU8によるDPF62の再生制御は、第一再生、第二再生、及び第三再生を含む。
第一再生は、ECU8によって推定された、PMのDPF62への堆積量(以下、単に「PM堆積量」と記す。)[g/l]が第一閾値を超えた場合に、DPF62に堆積したPMを酸化触媒61の活性温度領域で20[min]燃焼することで除去する制御である。ここで、「活性温度領域」とは、酸化触媒61の活性温度(約200[℃])よりも高い温度であって、暴走再生が生じない程度の比較的低い温度であり、本実施形態においては、300[℃]強である。
第二再生は、PM堆積量が第一閾値を超えた状態で第一設定時間経過した場合、又は第二設定時間(100[h])毎に、ポスト噴射を使用して、DPF62に堆積したPMを約560[℃]で30[min]燃焼することで、アッシュ以外のPMを除去する制御である。
第三再生は、PM堆積量が第二閾値を超えた状態で作業者が制御パネル7の緊急再生開始スイッチ76を押した場合、又は前回実施した第二再生又は第三再生から第三設定時間(50[h])以上経過した状態で作業者が制御パネル7の緊急再生開始スイッチ76を押した場合に、ポスト噴射を使用して、DPF62に堆積したPMを約600[℃]で15[min]燃焼することで、アッシュ以外のPMを除去する制御である。
ここで、「第一閾値」、及び「第二閾値」とは、それぞれECU8によるDPF62の再生制御において最適な値として、予め実験等によって求められたものである。第一閾値は、第二閾値よりも若干小さい値に設定されている。第二閾値は、ECU8によるDPF62の暴走再生が起こりうる限界値から所定の安全率をもって設定されている。
また、「第一設定時間」、「第二設定時間」、及び「第三設定時間」とは、ECU8によるDPF62の再生制御において最適な時間として、予め実験等によって求められたものである。本実施形態においては、第二設定時間は、100[h]に設定され、第三設定時間は、50[h]に設定されている。
PM堆積量の算出は、以下の二種類の手法で行われる。
DPF62前後の差圧は、DPF62の上流側と下流側とに設けられた圧力センサ63a・63bによって、DPF62通過前後の排気ガスの圧力をそれぞれ計測し、これらの計測値をECU8が圧力センサ63a・63bから取得して演算を行うことで算出される。
DPF62前後の差圧に対するPM堆積量は、予め実験等によって求められ、差圧マップとしてECU8に記憶されているため、ECU8は、上記のように算出したDPF62前後の差圧に基づいてPM堆積量を求める。第一の手法によって算出されたPM堆積量を以下において「第一PM堆積量」と記す。
PM排出量、及びPM再生量は、それぞれエンジン本体2のエンジン出力に基づいて求めることができる。
エンジン本体2のエンジン出力は、エンジン本体2に設けられた回転センサ23によって計測されたエンジン本体2のエンジン回転数と、燃料噴射弁22が燃焼室21に噴射する燃料の噴射量とをECU8が取得し、ECU8に記憶された所定のマップを参照することで求められる。
エンジン本体2のエンジン出力に対するPM排出量、及びエンジン本体2のエンジン出力に対するPM再生量は、それぞれ予め実験等によって求められ、マップとしてECU8に記憶されているため、上記のように算出したエンジン本体2のエンジン出力に基づいてPM排出量、及びPM再生量が求められる。
ECU8は、所定の時間毎にPM排出量、及びPM再生量を上記のように求め、PM排出量からPM再生量を減じた値をDPF62に単位時間あたりに堆積するPMの量とみなして、当該値を積算することでPM堆積量を算出する。第二の手法によって算出されたPM堆積量を以下において「第二PM堆積量」と記す。
第一PM堆積量が第二閾値以上でない場合、又は第二PM堆積量が第二閾値以上でない場合、ECU8は、制御段階をステップS3に移行する。
第一PM堆積量が第二閾値以上である場合、又は第二PM堆積量が第二閾値以上である場合、ECU8は、制御段階をステップS17に移行する。
緊急再生開始スイッチ76がONでない場合、ECU8は、制御段階をステップS4に移行する。
緊急再生開始スイッチ76がONである場合、ECU8は、制御段階をステップS13に移行する。
第一PM堆積量が第一閾値以上である場合、又は第二PM堆積量が第一閾値以上である場合、ECU8は、制御段階をステップS5に移行する。
第一PM堆積量が第一閾値以上でない場合、又は第二PM堆積量が第一閾値以上でない場合、ECU8は、制御段階をステップS9に移行する。
PM堆積量が第一閾値を超えた状態で第一設定時間経過していない場合、ECU8は、制御段階をステップS6に移行する。
PM堆積量が第一閾値を超えた状態で第一設定時間経過している場合、ECU8は、制御段階をステップS10に移行する。
図5に示すように、エンジン本体2の運転領域は、「自己再生領域」と、「第一再生領域」と、それ以外の領域である「低負荷領域」とからなる。
エンジン本体2のエンジン出力が第一再生を実施しない運転領域、つまり自己再生領域等、第一再生領域以外の運転領域にある場合、ECU8は、制御段階をステップS1に移行する。
ECU8は、通常再生中ランプ71を点灯させた後、制御段階をステップS8に移行する。
前述のように、第一再生は、DPF62に堆積したPMを300[℃]強で20[min]燃焼することで除去する制御である。
第一再生は、エンジン本体2のエンジン出力が第一再生領域にある場合にのみ行われる。換言すれば、エンジン本体2のエンジン出力が高負荷で排気ガスの温度が高くなる自己再生領域にある場合、及びエンジン本体2のエンジン出力が低負荷で排気ガスの温度が低くなる低負荷領域にある場合には、第一再生が行われない。これは、自己再生領域では、排気ガスの温度が充分に高く、PMの再生が適切に行われているためであり、低負荷領域では、排気ガスの温度が低すぎて、酸化触媒61が活性温度(約200[℃])に達さず再生が行われないため、又は再生に長時間を要するためである。
これにより、第一再生の実施を効率化することが可能となる。したがって、燃費の悪化を防止することができる。
図6に示すように、吸気絞り33は、再生開始時から酸化触媒61が活性温度(約200[℃])に達するまでの間、第一再生の目標温度(300[℃]強)まで上昇させるために必要な最終的な開度よりも若干開いた状態に制御される。酸化触媒61が活性温度(約200[℃])に達した後、吸気絞り33は、第一再生の目標温度(300[℃]強)まで上昇させるために必要な開度となるように制御される。
吸気絞り33を閉じるに従ってエンジン本体2における燃焼効率が悪化し、排気ガスに含まれる炭化水素の量が増加する。当該炭化水素は、酸化触媒61によって酸化し浄化されるが、酸化触媒61が活性温度(約200[℃])に達していない場合には浄化されない。そのため、吸気絞り33を第一再生の目標温度(300[℃]強)まで上昇させるために必要な最終的な開度まで一気に閉じず、一旦、酸化触媒61が炭化水素を浄化可能な活性温度(約200[℃])に達するのに必要な開度まで閉じる。
これにより、炭化水素の排出量を低減することができる。
エンジン本体2の運転時間が運転開始から、又は第二再生又は第三再生が終了してから第二設定時間(100[h])である場合、ECU8は、制御段階をステップS10に移行する。
エンジン本体2の運転時間が運転開始から、又は第二再生又は第三再生が終了してから第二設定時間(100[h])でない場合、ECU8は、制御段階をステップS1に移行する。
なお、本実施形態においては、第二設定時間を100[h]としたが、燃費の悪化等の問題を招かなければそれに限定しない。また、時間ではなく、燃料噴射弁22の燃焼室21への燃料噴射量を基準としてもよい。
図7に示すように、エンジン本体2の運転領域は、「第二再生領域」と、それ以外の領域、つまり第二再生を行うことができない領域とからなる。
エンジン本体2のエンジン出力が第二再生を実施しない運転領域、つまり第二再生領域以外の運転領域にある場合、ECU8は、制御段階をステップS6に移行する。
ECU8は、リセット再生中ランプ72を点灯させた後、制御段階をステップS12に移行する。
前述のように、第二再生は、ポスト噴射を使用して、DPF62に堆積したPMを約560[℃]で30[min]燃焼することで除去する制御である。
第二再生は、PM堆積量が第一閾値を超えた状態で第一設定時間経過した場合に行われる。
これにより、第一再生で充分にPMを燃焼除去できず、DPF62に堆積したPMを充分に燃焼除去することができ、PMがDPF62に過剰に堆積することによって起こる暴走再生を防止することができる。
また、第二再生は、エンジン本体2の運転時間が運転開始から、又は第二再生又は第三再生が終了してから第二設定時間(100[h])である場合に行われる。
これにより、定期的にDPF62に堆積したPMを充分に燃焼除去することができ、PM堆積量の算出時における誤差を低減することができる。
なお、作業者が緊急再生開始スイッチ76を押すことによって実施される第三再生と同様に、作業者が適宜のスイッチを押すことによって第二再生が実施されるように構成してもよい。
これにより、第三再生よりも時間がかかるが、エンジン本体2の負荷変動が激しい作業環境下においても、酸化触媒61の過昇温による熱劣化を防ぐと共に、作業を継続しつつ再生を行うことができる。
なお、排気ガスの温度を上昇させるにあたって吸気絞り33の開度変更を採用する場合には、第一再生と同様に、段階的に排気ガスの温度を上昇させるように吸気絞り33の開度を制御することが好ましい。
しかし、PMには燃焼除去できないアッシュが含まれており、実際のPM堆積量はゼロではない。そのため、予め実験等によって求められてECU8に記憶された、DPF62前後の差圧とアッシュとの関係を示すマップを参照し、第二再生直後に算出されたDPF62前後の差圧に基づいて、DPF62に残存するアッシュの量を推定する。そして、当該アッシュの推定量に基づいて、ステップ1において第一PM堆積量を算出する際に用いられ、DPF62前後の差圧に対するPM堆積量を示す差圧マップを更新する。
これにより、第一PM堆積量の算出時において、アッシュの堆積量が考慮されることになり、過度に第一再生、第二再生、又は第三再生が実施されるのを防止することができる。また、第二PM堆積量の算出時において、積算誤差を低減することができる。
なお、ECU8は、第二再生又は第三再生が終了してからの運転時間が第三設定時間(50[h])となった時点で、緊急再生禁止中ランプ74を消灯させるものとする。
第二再生又は第三再生が終了してから第三設定時間(50[h])以上経過している場合、ECU8は、制御段階をステップS14に移行する。
第二再生又は第三再生が終了してから第三設定時間(50[h])以上経過していない場合、ECU8は、制御段階をステップS4に移行する。
なお、本実施形態においては、第三設定時間を50[h]としたが、燃費の悪化等の問題を招かなければそれに限定しない。また、時間ではなく、燃料噴射弁22の燃焼室21への燃料噴射量を基準としてもよい。
エンジン本体2がアイドル状態である場合、ECU8は、制御段階をステップS15に移行する。
エンジン本体2がアイドル状態でない場合、ECU8は、制御段階をステップS4に移行する。
ECU8は、緊急再生中ランプ73を点灯させた後、制御段階をステップS16に移行する。
前述のように、第三再生は、ポスト噴射を使用して、DPF62に堆積したPMを約600[℃]で15[min]燃焼することで除去する制御である。
第三再生は、PM堆積量が第二閾値を超えた状態で作業者が制御パネル7の緊急再生開始スイッチ76を押した場合に行われる。
これにより、緊急時の再生としてDPF62の再生を行うことができ、PMがDPF62に過剰に堆積することによって起こる暴走再生を防止することができる。
また、第三再生は、PM堆積量が第二閾値を超えていない状態であっても、作業者が制御パネル7の緊急再生開始スイッチ76を押した場合に行われるが、前回実施した第二再生又は第三再生から第三設定時間(50[h])以上経過していなければ第三再生を実施できない。
これにより、無制限に第三再生を実施するのを防ぐことが可能となる。したがって、ポスト噴射によるエンジン本体2の潤滑油希釈を防止することができる。
なお、排気ガスの温度を上昇させるにあたって吸気絞り33の開度変更を採用する場合には、第一再生と同様に、段階的に排気ガスの温度を上昇させるように吸気絞り33の開度を制御することが好ましい。
これにより、第一PM堆積量の算出時において、アッシュの堆積量が考慮されることになり、過度に第一再生、第二再生、又は第三再生が実施されるのを防止することができる。また、第二PM堆積量の算出時において、積算誤差を低減することができる。
なお、警告音を出すことにより、作業者に緊急再生開始スイッチ76の押下を促すように構成してもよい。
ECU8は、緊急再生指示ランプ75を点灯させた後、制御段階をステップS18に移行する。
PM堆積量が第二閾値を超えた状態で第四設定時間(10[min])以上経過している場合、ECU8は、制御段階をステップS19に移行する。
PM堆積量が第二閾値を超えた状態で第四設定時間(10[min])以上経過していない場合、ECU8は、制御段階をステップS20に移行する。
ここで、「第四設定時間」とは、ECU8によるDPF62の再生制御において最適な時間として、予め実験等によって求められたものである。本実施形態においては、第四設定時間は、10[min]に設定されている。ただし、第四設定時間は、暴走再生等の問題を招かなければ、10[min]に限定しない。また、時間ではなく、燃料噴射弁22の燃焼室21への燃料噴射量を基準としてもよい。
詳細には、ECU8は、エンジン本体2のエンジン回転数、及びトルク等が通常時の数値まで上昇しないように制限する。
これにより、作業者が警報を無視して作業を続けた場合であっても、エンジン出力が上がらないため作業の続行が困難となり、再生を余儀なくすることとなって、作業者に第三再生の実施、つまり緊急再生開始スイッチ76の押下を促すことができる。更に、排気ガスの高温化を防止することができ、PMがDPF62に過剰に堆積した時に、排気ガスの高温化に伴う暴走再生を防止することができる。更に、排気ガスの圧力が低下することで、PMがDPF62に過剰に堆積した時に、排気ガスが漏れるのを防止することができる。
また、ECU8は、エンジン本体2の最低エンジン回転数を上昇させる。
これにより、PMがDPF62に過剰に堆積した時に、排気ガスの減少に伴う暴走再生を防止することができる。
緊急再生開始スイッチ76がONである場合、ECU8は、制御段階をステップS14に移行する。
緊急再生開始スイッチ76がONでない場合、ECU8は、制御段階をステップS1に移行する。
2 エンジン本体
3 吸気通路
4 排気通路
5 EGR装置
6 排気浄化装置
7 制御パネル
8 ECU
21 燃焼室
22 燃料噴射弁
33 吸気絞り
43 上流側排気絞り
44 下流側排気絞り
52 EGRバルブ
61 酸化触媒
62 DPF
Claims (9)
- 酸化触媒と、
ディーゼルパティキュレートフィルタと、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側と下流側との差圧を検知する手段と、
前記差圧に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の量を推定し、当該推定量に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタを再生する制御手段と、
を備えるディーゼルエンジンにおいて、
前記制御手段による前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生制御は、
ポスト噴射を使用せず、前記酸化触媒の活性温度領域で再生を行う第一再生と、
ポスト噴射を使用して、燃焼除去する第二再生と、
手動操作で、ポスト噴射を使用して、粒子状物質を燃焼除去する第三再生と、
を含むことを特徴とするディーゼルエンジン。 - 前記第一再生は、前記推定量が第一閾値を超え、かつエンジン出力が自己再生の行われる運転領域における負荷よりも若干小さい負荷がかかる運転領域にある場合に行われることを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジン。
- 前記第二再生は、前記推定量が前記第一閾値を超えた状態で第一設定時間経過し、又は第二設定時間毎に、エンジン出力が軽負荷かつ低回転の運転領域以外の運転領域にある場合に行われることを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載のディーゼルエンジン。
- 前記第二再生又は前記第三再生の終了後から第三設定時間内は、前記第三再生が実施不可能であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のディーゼルエンジン。
- 前記推定量が第二閾値を超えると、前記第三再生の実施を促す警報を発することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載のディーゼルエンジン。
- 前記推定量が第二閾値を超えた状態で、第四設定時間内に前記第三再生が行われない場合には、エンジン出力を制限することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のディーゼルエンジン。
- 前記第二再生における再生温度は、前記第三再生における再生温度よりも若干低いことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のディーゼルエンジン。
- 前記第二再生、及び前記第三再生の実施直後に、前記制御手段に記憶されている前記推定量をゼロにすると共に、
前記差圧に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタに堆積したアッシュの量を推定し、当該アッシュの量に基づいて、前記制御手段に記憶されている、前記ディーゼルパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の量と前記差圧との関係を補正することを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のディーゼルエンジン。 - 吸入空気の量を調整する吸気絞りを具備し、
前記第一再生、前記第二再生、又は前記第三再生の実施時に、前記吸気絞りの開度を排気ガスの温度が前記酸化触媒の活性温度となる開度としてから、排気ガスの温度が前記第一再生、前記第二再生、又は前記第三再生の目標温度となる開度に制御することを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載のディーゼルエンジン。
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