JP2012154237A - Exhaust gas purification system and method for forced regeneration of diesel particulate filter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時に溶損やクラック等が発生することを防止できると共に、強制再生に伴う燃費の悪化を抑制できる排気ガス浄化システム及びディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification system and a forced regeneration method for a diesel particulate filter that can prevent melting damage, cracks, and the like from occurring during forced regeneration of a diesel particulate filter, and can suppress deterioration in fuel consumption associated with forced regeneration. .
ディーゼルエンジン等から排出される排気ガス中のPM(Particulate Matter:パティキュレート・マタ―:粒子状物質)を除去するために、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF:Diesel Particulate Filter)を備えた排気ガス浄化システムが用いられている。このディーゼルパティキュレートフィルタはPMを捕集し、このPMの捕集量が増加すると排圧が上昇して燃費悪化等が生じるため、PMの捕集量が限界量に達する前にディーゼルパティキュレートフィルタに堆積されたPMを処理する必要がある。 An exhaust gas purification system equipped with a diesel particulate filter (DPF: Diesel Particulate Filter) to remove PM (Particulate Matter: particulate matter) in exhaust gas discharged from diesel engines Is used. This diesel particulate filter collects PM, and if the amount of PM collected increases, the exhaust pressure rises and fuel consumption deteriorates. Therefore, before the amount of PM collected reaches the limit, the diesel particulate filter It is necessary to process the PM deposited on the substrate.
このPMの成分の一つであるSOOT(スート、煤)は、PMの中でも特に燃焼が難しいと言われる、炭素(C)を主成分とするエンジン排出物質であり、SOOTの酸化除去方法には、酸素(O2)で600℃以上の温度において燃焼させる方法と、図7及び図8に示すように二酸化窒素(NO2)で300℃程度の温度において燃焼させる方法が知られている。 One of the components of PM, SOOT (soot, soot) is an engine emission material mainly composed of carbon (C), which is said to be particularly difficult to burn, and is a method for removing SOOT by oxidation. There are known a method of burning with oxygen (O 2 ) at a temperature of 600 ° C. or higher and a method of burning with nitrogen dioxide (NO 2 ) at a temperature of about 300 ° C. as shown in FIGS.
図7は、上流側の酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)で一酸化窒素(NO)が排気ガス中の酸素(O2)で酸化されて、二酸化窒素(NO2)になり、この二酸化窒素(NO2)が下流側のディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)で、SOOT(C)を「C+2NO2→CO2+2NO」の反応で酸化して、一酸化窒素(NO) に戻ることを示している。このSOOT(C)の酸化には、理論上、重量で7.66倍の二酸化窒素(NO2) が必要となる。 FIG. 7 shows that nitrogen monoxide (NO) is oxidized with oxygen (O 2 ) in exhaust gas by an upstream oxidation catalyst (DOC: Diesel Oxidation Catalyst) to form nitrogen dioxide (NO 2 ). (NO 2 ) is a downstream diesel particulate filter (DPF), which oxidizes SOOT (C) by the reaction of “C + 2NO 2 → CO 2 + 2NO” and returns to nitric oxide (NO). . The oxidation of SOOT (C) theoretically requires 7.66 times as much nitrogen dioxide (NO 2 ) by weight.
また、図8は、炭素(C)の酸化能力を温度と二酸化炭素(CO2) 濃度との関係で示したものであり、酸素(O2) の場合が、400℃〜600℃で二酸化炭素(CO2) 濃度が増加しているのに対して、二酸化窒素(NO2) の場合は、200℃〜300℃で急激に二酸化炭素(CO2) 濃度が増加していることが分かる。 FIG. 8 shows the oxidation ability of carbon (C) in relation to temperature and carbon dioxide (CO 2 ) concentration. In the case of oxygen (O 2 ), carbon dioxide at 400 ° C. to 600 ° C. whereas (CO 2) concentration is increased, in the case of nitrogen dioxide (NO 2), it can be seen that rapid carbon dioxide (CO 2) concentration at 200 ° C. to 300 ° C. has increased.
これに関連して、エンジン本体の稼働状況にかかわらず、SCR触媒の浄化効率が最大化されることを目的にして、排気経路に上流側から酸化触媒、DPF、尿素水添加手段、SCR触媒、酸化触媒を設けた排気ガス浄化装置と、NOとNO2のモル比率が1:1になるように酸化触媒の温度を調整する排気ガス浄化装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In this connection, an oxidation catalyst, DPF, urea water addition means, SCR catalyst, upstream from the upstream side to the exhaust path for the purpose of maximizing the purification efficiency of the SCR catalyst regardless of the operating status of the engine body. An exhaust gas purification device provided with an oxidation catalyst and an exhaust gas purification device that adjusts the temperature of the oxidation catalyst so that the molar ratio of NO to NO 2 is 1: 1 have been proposed (see, for example, Patent Document 1). ).
しかしながら、強制再生でディーゼルパティキュレータフィルタ内に堆積したSOOTを、二酸化窒素で酸化除去するためには多量の二酸化窒素が必要であり、そのため、窒素酸化物(NOx)を多量に排出させようとしてシリンダ内における燃料の噴射時期を進角させると、この進角により排気温度が低下してしまうという問題が生じる。また、排気ガス中の窒素酸化物対策が強化されてきているので排気ガス中の窒素酸化物の量が低下しており、多量の二酸化窒素の発生は殆ど期待できなくなっている。 However, in order to oxidize and remove SOOT deposited in the diesel particulate filter by forced regeneration with nitrogen dioxide, a large amount of nitrogen dioxide is required. Therefore, a cylinder is required to discharge a large amount of nitrogen oxide (NOx). If the fuel injection timing is advanced, the exhaust temperature will decrease due to this advance angle. Further, since measures against nitrogen oxides in exhaust gas have been strengthened, the amount of nitrogen oxides in exhaust gas has decreased, and generation of a large amount of nitrogen dioxide can hardly be expected.
そのため、従来技術では、ディーゼルパティキュレータフィルタの温度を600℃以上に上昇させて酸素でSOOTを燃焼させており、これにより、ディーゼルパティキュレータフィルタ内のSOOTを燃やし切って、PM計算累積値をリセットしている。 Therefore, in the conventional technology, the temperature of the diesel particulate filter is raised to 600 ° C. or higher and SOOT is burned with oxygen, thereby completely burning the SOOT in the diesel particulate filter and resetting the PM calculation cumulative value. is doing.
しかしながら、この酸素によるSOOT酸化除去方法においては、600℃以上でSOOTを燃焼させるため、溜め込まれたSOOTが想定以上に多い場合には、ディーゼルパティキュレータフィルタ内の温度が600℃より高い温度になり、場合によっては溶損またはクラック等を生ずる温度に達してしまうので、これを防ぐために様々な対策を行って安全性を高める必要があるという問題がある。更に、高温度までディーゼルパティキュレータフィルタの温度を上昇させるため、排気ガス昇温のための燃料噴射量を多量に増やす制御を行うので大幅に燃費が悪化するという問題もある。 However, in this SOOT oxidation removal method using oxygen, since SOOT is burned at 600 ° C. or higher, when the accumulated SOOT is higher than expected, the temperature in the diesel particulate filter becomes higher than 600 ° C. In some cases, the temperature reaches a temperature at which melting or cracking occurs, and there is a problem that various measures must be taken to improve safety in order to prevent this. Further, since the temperature of the diesel particulate filter is raised to a high temperature, the fuel injection amount for increasing the exhaust gas temperature is controlled to be increased so that the fuel consumption is greatly deteriorated.
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時にディーゼルパティキュレートフィルタが高温化して、ディーゼルパティキュレートフィルタに溶損やクラック等が発生することを防止でき、また、ディーゼルパティキュレートフィルタを高温にするための燃料が少なくて済み、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生に伴う燃費の悪化を抑制できる排気ガス浄化システム及びディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described situation, and the purpose of the present invention is to cause the diesel particulate filter to become hot during forced regeneration of the diesel particulate filter, resulting in melting damage, cracks, etc. in the diesel particulate filter. Exhaust gas purification system and forced regeneration of diesel particulate filter that can suppress the deterioration of fuel consumption caused by forced regeneration of diesel particulate filter It is to provide a method.
上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に、上流側から順に、酸化触媒、ターボ式過給機のタービン、ディーゼルパティキュレートフィルタ、尿素供給装置、選択還元触媒を配置した内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、当該排気ガス浄化システムの制御装置を、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時において、内燃機関で発生する一酸化窒素を増加させて、この一酸化窒素を前記酸化触媒で二酸化窒素に酸化し、該二酸化窒素で前記ディーゼルパティキュレートフィルタに蓄積されたSOOTを酸化し、このSOOTの酸化で発生した窒素酸化物を前記選択還元触媒で窒素に還元する制御を行うように構成される。 In order to achieve the above object, an exhaust gas purification system of the present invention includes an oxidation catalyst, a turbocharger turbine, a diesel particulate filter, a urea supply device, and a selector in order from an upstream side to an exhaust passage of an internal combustion engine. In an exhaust gas purification system of an internal combustion engine in which a reduction catalyst is arranged, the control device of the exhaust gas purification system increases the nitrogen monoxide generated in the internal combustion engine during forced regeneration of the diesel particulate filter, Nitrogen oxide is oxidized to nitrogen dioxide by the oxidation catalyst, SOOT accumulated in the diesel particulate filter is oxidized by the nitrogen dioxide, and nitrogen oxide generated by the oxidation of SOOT is reduced to nitrogen by the selective reduction catalyst. Configured to perform control.
このSOOTは、内燃機関、特にディーゼルエンジンから排出されるPM(粒子状物質)の成分のひとつであり、炭素(C)を主成分とするエンジン排出物質で、PMの中でも特に燃焼が難しいと言われる物質であり、スート、煤等と呼ばれている。 This SOOT is one of the components of PM (particulate matter) emitted from an internal combustion engine, particularly a diesel engine, and is an engine exhaust material mainly composed of carbon (C). This substance is called soot, candy, etc.
この構成によれば、酸化触媒(DOC)をタービンの前方に配置することにより、排気マニホールドと酸化触媒の距離が短くなり排気ガスの温度が低下する量が少なくなるので、吸気スロットルを閉じることで、酸化触媒に流入する排気ガスの温度を酸化触媒の活性温度まで上昇させることが容易にできるようになる。 According to this configuration, by disposing the oxidation catalyst (DOC) in front of the turbine, the distance between the exhaust manifold and the oxidation catalyst is shortened and the amount of decrease in the temperature of the exhaust gas is reduced. Thus, the temperature of the exhaust gas flowing into the oxidation catalyst can be easily increased to the activation temperature of the oxidation catalyst.
そして、酸素(O2)よりも、二酸化窒素(NO2)でSOOTを酸化する方が、より低温で酸化して除去できるため、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時にディーゼルパティキュレートフィルタが高温化して溶損やクラック等が発生することを防止できる。また、ディーゼルパティキュレートフィルタを高温にするための燃料が少なくて済み、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生に伴う燃費の悪化を抑制できる。 上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記酸化触媒と前記タービンの間に第1排気ガス温度センサを、前記タービンと前記ディーゼルパティキュレートフィルタの間に第2排気ガス温度センサをそれぞれ設け、これらの検出信号を内燃機関の運転と当該排気ガス浄化システムを制御する制御装置に入力するように構成すると共に、前記制御装置を、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時において、EGR弁を閉じてEGRを停止し、吸気スロットルを閉じ、前記第1排気ガス温度センサで検出される第1排気ガス温度が所定の第1判定温度以上になるまで、空気過剰率を1.3以上かつ1.6以下の範囲内にする排気昇温制御を行い、前記第1排気ガス温度が前記所定の第1判定温度以上になったら、前記第2排気ガス温度センサで検出される第2排気ガス温度が所定の第2判定温度以上かつ所定の第3判定温度以下の範囲内になるように、シリンダ内燃料噴射のパイロット噴射とメイン噴射を進角させてポスト噴射を行う排気温度維持制御を行うと共に、該排気温度維持制御では、燃料噴射時期を算出するためのNOxマップを、通常運転時のNOxマップから、タイミングを通常運転時よりも進角させてNOx発生量を増加させる強制再生用のNOxマップに切り替えて、該強制再生用のNOxマップのデータに基づいて発生するNOx量に対応させて、前記尿素供給装置からの尿素の供給量を調整する尿素量調整制御を行うように構成すると、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時において、内燃機関で発生する一酸化窒素を増加させて、この一酸化窒素を前記酸化触媒で二酸化窒素に酸化し、この二酸化窒素でディーゼルパティキュレートフィルタに蓄積されたSOOTを酸化し、このSOOTの酸化で発生した窒素酸化物を選択還元触媒で窒素に還元する制御を容易に行うことができるようになる。 And since oxidation of SOOT with nitrogen dioxide (NO 2 ) can be oxidized and removed at a lower temperature than oxygen (O 2 ), the diesel particulate filter becomes hot during forced regeneration of the diesel particulate filter. It is possible to prevent melting or cracks from occurring. In addition, the amount of fuel for increasing the temperature of the diesel particulate filter can be reduced, and deterioration of fuel consumption associated with forced regeneration of the diesel particulate filter can be suppressed. In the exhaust gas purification system, a first exhaust gas temperature sensor is provided between the oxidation catalyst and the turbine, and a second exhaust gas temperature sensor is provided between the turbine and the diesel particulate filter. Is input to a control device that controls the operation of the internal combustion engine and the exhaust gas purification system, and the control device closes the EGR valve and stops EGR during the forced regeneration of the diesel particulate filter. The excess air ratio is within the range of 1.3 to 1.6 until the intake throttle is closed and the first exhaust gas temperature detected by the first exhaust gas temperature sensor becomes equal to or higher than a predetermined first determination temperature. When the exhaust gas temperature raising control is performed and the first exhaust gas temperature becomes equal to or higher than the predetermined first determination temperature, the second exhaust gas temperature is Post-cylinder fuel injection pilot injection and main injection are advanced so that the second exhaust gas temperature detected by the sensor falls within a range of a predetermined second determination temperature and a predetermined third determination temperature. In addition to performing exhaust temperature maintenance control for performing injection, in the exhaust temperature maintenance control, the NOx map for calculating the fuel injection timing is advanced from the NOx map during normal operation with the timing advanced from that during normal operation. Urea that switches to the NOx map for forced regeneration that increases the generation amount and adjusts the urea supply amount from the urea supply device in accordance with the NOx amount that is generated based on the data of the NOx map for forced regeneration If it is configured to perform the amount adjustment control, the nitrogen monoxide generated in the internal combustion engine is increased during the forced regeneration of the diesel particulate filter. Nitric oxide is oxidized to nitrogen dioxide by the oxidation catalyst, SOOT accumulated in the diesel particulate filter is oxidized by the nitrogen dioxide, and nitrogen oxide generated by the oxidation of SOOT is reduced to nitrogen by the selective reduction catalyst. Control can be easily performed.
つまり、EGR停止によりNOxを増加でき、パイロット噴射とメイン噴射の進角により更にNOxの発生量を増加できる。また、吸気スロットルを閉じることで排気温度を上昇でき、ポスト噴射により供給された未燃燃料を酸化触媒で酸化することにより排気ガスの温度を更に上昇できる。また、第2排気ガス温度が所定の第3判定温度を越えないように、越えた場合はポスト噴射を停止するように制御しているので、ポスト噴射による排気ガスの温度の上昇し過ぎを防止できる。 That is, NOx can be increased by stopping EGR, and the amount of NOx generated can be further increased by the advance angle of pilot injection and main injection. Further, the exhaust temperature can be raised by closing the intake throttle, and the temperature of the exhaust gas can be further raised by oxidizing the unburned fuel supplied by post injection with an oxidation catalyst. In addition, the post-injection is controlled to stop when the second exhaust gas temperature does not exceed the predetermined third judgment temperature, so that the exhaust gas temperature does not rise too much due to the post-injection. it can.
また、燃料噴射時期を算出するためのNOxマップを切り替えて、尿素の噴射量を、強制再生用のNOxマップのデータに基づいて発生するNOx量に対応させて制御することにより、シリンダ内の燃焼で多量のNOxを発生してSOOTを酸化除去できると共に、この多量に発生したNOxを適正な量の尿素により選択還元触媒で浄化できる。 Further, by switching the NOx map for calculating the fuel injection timing and controlling the urea injection amount in accordance with the NOx amount generated based on the data of the NOx map for forced regeneration, the combustion in the cylinder Thus, a large amount of NOx can be generated to oxidize and remove SOOT, and this large amount of NOx can be purified by a selective reduction catalyst with an appropriate amount of urea.
そして、上記の目的を達成するための本発明のディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法は、内燃機関の排気通路に、上流側から順に、酸化触媒、ターボ式過給機のタービン、ディーゼルパティキュレートフィルタ、尿素供給装置、選択還元触媒を配置した内燃機関の排気ガス浄化システムにおけるディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法において、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時において、内燃機関で発生する一酸化窒素を増加させて、この一酸化窒素を前記酸化触媒で二酸化窒素に酸化し、該二酸化窒素で前記ディーゼルパティキュレートフィルタに蓄積されたSOOTを酸化し、このSOOTの酸化で発生した窒素酸化物を前記選択還元触媒で窒素に還元することを特徴とする方法である。 And the forced regeneration method of the diesel particulate filter of the present invention for achieving the above-mentioned object is the following: in order from the upstream side to the exhaust passage of the internal combustion engine, the oxidation catalyst, the turbocharger turbine, the diesel particulate filter In the forced regeneration method of the diesel particulate filter in the exhaust gas purification system of the internal combustion engine in which the urea supply device and the selective reduction catalyst are arranged, the nitrogen monoxide generated in the internal combustion engine is increased during the forced regeneration of the diesel particulate filter. The nitric oxide is oxidized to nitrogen dioxide by the oxidation catalyst, the SOOT accumulated in the diesel particulate filter is oxidized by the nitrogen dioxide, and the nitrogen oxides generated by the oxidation of the SOOT are selectively reduced. Reduction to nitrogen with a catalyst. .
この方法によれば、酸素よりも、二酸化窒素でSOOTを酸化する方が、より低温で酸化して除去できるため、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時にディーゼルパティキュレートフィルタが高温化して溶損やクラック等が発生することを防止できる。また、ディーゼルパティキュレートフィルタを高温にするための燃料が少なくて済み、強制再生に伴う燃費の悪化を抑制できる。 According to this method, oxidation of SOOT with nitrogen dioxide rather than oxygen can be removed by oxidation at a lower temperature. Therefore, the diesel particulate filter is heated at the time of forced regeneration of the diesel particulate filter, resulting in erosion and cracks. And the like can be prevented. In addition, the fuel for increasing the temperature of the diesel particulate filter can be reduced, and deterioration of fuel consumption due to forced regeneration can be suppressed.
上記のディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法において、EGR弁を閉じてEGRを停止し、吸気スロットルを閉じ、前記酸化触媒と前記タービンの間の第1排気ガス温度が所定の第1判定温度以上になるまで、空気過剰率を1.3以上かつ1.6以下の範囲内にする排気昇温制御を行い、前記第1排気ガス温度が前記所定の第1判定温度以上になったら、前記タービンと前記ディーゼルパティキュレートフィルタの間の第2排気ガス温度が所定の第2判定温度以上かつ所定の第3判定温度以下の範囲内になるように、シリンダ内燃料噴射のパイロット噴射とメイン噴射を進角させてポスト噴射を行う排気温度維持制御を行うと共に、該排気温度維持制御では、燃料噴射時期を算出するためのNOxマップを、通常運転時のNOxマップから、タイミングを通常運転時よりも進角させてNOx発生量を増加させる強制再生用のNOxマップに切り替えて、該強制再生用のNOxマップのデータに基づいて発生するNOx量に対応させて前記尿素供給装置からの尿素の供給量を調整する尿素量調整制御を行うと、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時において、内燃機関で発生する一酸化窒素を増加させて、この一酸化窒素を前記酸化触媒で二酸化窒素に酸化し、該二酸化窒素で前記ディーゼルパティキュレートフィルタに蓄積されたSOOTを酸化し、このSOOTの酸化で発生した窒素酸化物を前記選択還元触媒で窒素に還元する制御を容易に行うことができる。 In the above-described forced regeneration method of the diesel particulate filter, the EGR valve is closed to stop the EGR, the intake throttle is closed, and the first exhaust gas temperature between the oxidation catalyst and the turbine is equal to or higher than a predetermined first determination temperature. Until the excess air ratio is within the range of 1.3 to 1.6, and when the first exhaust gas temperature is equal to or higher than the predetermined first determination temperature, The pilot injection and the main injection of in-cylinder fuel injection are advanced so that the second exhaust gas temperature between the diesel particulate filters is in a range not less than a predetermined second determination temperature and not more than a predetermined third determination temperature. In this exhaust temperature maintenance control, a NOx map for calculating the fuel injection timing is displayed as NO during normal operation. The map is switched to the NOx map for forced regeneration that increases the NOx generation amount by advancing the timing from the normal operation, and corresponds to the NOx amount generated based on the data of the NOx map for forced regeneration. When the urea amount adjustment control for adjusting the urea supply amount from the urea supply device is performed, the nitrogen monoxide generated in the internal combustion engine is increased during the forced regeneration of the diesel particulate filter, and the nitric oxide is Easily controlled to oxidize to nitrogen dioxide with oxidation catalyst, oxidize SOOT accumulated in the diesel particulate filter with the nitrogen dioxide, and reduce nitrogen oxide generated by oxidation of SOOT to nitrogen with the selective reduction catalyst Can be done.
本発明の排気ガス浄化システム及びディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法によれば、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時において、内燃機関で発生させた一酸化窒素を酸化触媒で二酸化窒素に酸化し、この二酸化窒素でディーゼルパティキュレートフィルタに蓄積されたSOOTを酸化し、この酸化で発生した窒素酸化物を選択還元触媒で窒素に還元するので、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時にディーゼルパティキュレートフィルタが高温化して溶損やクラック等が発生することを防止できる。また、ディーゼルパティキュレートフィルタを高温にするための燃料が少なくて済み、強制再生に伴う燃費の悪化を抑制できる。 According to the exhaust gas purification system and the diesel particulate filter forced regeneration method of the present invention, during the forced regeneration of the diesel particulate filter, nitric oxide generated in the internal combustion engine is oxidized into nitrogen dioxide by an oxidation catalyst. The SOOT accumulated in the diesel particulate filter is oxidized with nitrogen dioxide, and the nitrogen oxides generated by this oxidation are reduced to nitrogen with the selective reduction catalyst. Therefore, the diesel particulate filter becomes hot during forced regeneration of the diesel particulate filter. Therefore, it is possible to prevent melting damage and cracks from occurring. In addition, the fuel for increasing the temperature of the diesel particulate filter can be reduced, and deterioration of fuel consumption due to forced regeneration can be suppressed.
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ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an exhaust gas purification system and a method for forcibly regenerating a diesel particulate filter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム1は、内燃機関(ディーゼルエンジン)10の排気通路11に、上流側から順に、酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)12、ターボ式過給機13のタービン13a、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF:Diesel Particulate Filter)14、尿素供給装置15、選択還元触媒(SCR:Selective Catalytic Reduction)16を配置して構成される。更に、吸気通路17に、ターボ式過給機13のコンプレッサ13bと吸気スロットル18が設けられ、EGR通路19にはEGR弁20が設けられている。
As shown in FIG. 1, an exhaust
また、酸化触媒12とタービン13aの間に第1排気ガス温度センサ21を、タービン13aとディーゼルパティキュレートフィルタ14の間に第2排気ガス温度センサ22を、ディーゼルパティキュレートフィルタ14と選択還元触媒15の間に第3排気ガス温度センサ23をそれぞれ設け、これらの検出信号を内燃機関10の運転と排気ガス浄化システム1を制御する制御装置(図示しない)に入力するように構成する。
Further, the first exhaust
そして、排気ガス浄化システムの制御装置は、ディーゼルパティキュレートフィルタ14の強制再生時において、内燃機関10で発生する一酸化窒素(NO)を増加させて、この一酸化窒素を酸化触媒12で二酸化窒素(NO2)に酸化し、この二酸化窒素でディーゼルパティキュレートフィルタ14に蓄積されたSOOT(C)を酸化し、このSOOTの酸化で発生した一酸化窒素を含む窒素酸化物(NOx)を選択還元触媒16で窒素(N2)に還元する制御を行うように構成される。
Then, the control device of the exhaust gas purification system increases nitrogen monoxide (NO) generated in the
より具体的には、ディーゼルパティキュレートフィルタ14の強制再生時において、次の排気昇温制御、排気温度維持制御等を含む強制再生制御を行うように構成される。
More specifically, at the time of forced regeneration of the
EGR弁20を閉じてEGRを停止し、吸気スロットル18を閉じ、第1排気ガス温度センサ21で検出される第1排気ガス温度T1が所定の第1判定温度T1a以上になるまで、空気過剰率λを1.3以上かつ1.6以下の範囲内にする排気昇温制御を行う。
The
そして、第1排気ガス温度T1が所定の第1判定温度T1a以上になったら、第2排気ガス温度センサ22で検出される第2排気ガス温度T2が所定の第2判定温度T2a以上かつ所定の第3判定温度T2b以下の範囲内になるように、シリンダ内燃料噴射のパイロット噴射とメイン噴射を進角させてポスト噴射を行う排気温度維持制御を行う。
When the first exhaust gas temperature T1 becomes equal to or higher than the predetermined first determination temperature T1a, the second exhaust gas temperature T2 detected by the second exhaust
それと共に、この排気温度維持制御では、燃料噴射時期を算出するためのNOxマップを、通常運転時のNOxマップから、タイミングを通常運転時よりも進角させてNOx発生量を増加させる強制再生用のNOxマップに切り替えて、この強制再生用のNOxマップのデータに基づいて発生するNOx量に対応させて、尿素供給装置15からの尿素の供給量を調整する尿素量調整制御を行う。
At the same time, in this exhaust temperature maintenance control, the NOx map for calculating the fuel injection timing is used for forced regeneration to increase the NOx generation amount by advancing the timing from the NOx map at the time of normal operation than at the time of normal operation. The urea amount adjustment control is performed to adjust the supply amount of urea from the
次に、本発明に係るディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法について、図2のフローを参照しながら説明する。図2のフローは、内燃機関10及び排気ガス浄化システム1を制御する上位のフローにおいて、ディーゼルパティキュレートフィルタ14の強制再生が必要と判断されたときに呼ばれて実施され、この図2のフローの実施が終了したら、上位のフローに戻り、強制再生時に繰返し呼ばれるものとして示している。
Next, the forced regeneration method of the diesel particulate filter according to the present invention will be described with reference to the flow of FIG. The flow of FIG. 2 is called and executed when it is determined that forced regeneration of the
なお、この強制再生の必要なときとは、例えば、通常走行運転やアイドル運転をしているときに、ディーゼルパティキュレートフィルタ14に堆積されているPM(粒子状物質)の量を推定し、この推定量を累積したPM計算累積値が所定の累積判定量を越えるか、又は、排圧値が所定の排圧判定値を越えるかしたとき等である。
The time when the forced regeneration is necessary is, for example, estimating the amount of PM (particulate matter) deposited on the
ディーゼルパティキュレートフィルタ14の強制再生を行わない通常運転時では、上流側のディーゼルパティキュレートフィルタ14でSOOTを捕集し、下流側の選択還元型触媒16に尿素供給装置15から尿素を供給して、排気ガス中のNOxを浄化処理している。この通常運転時では、通常運転時のNOxマップのデータに基づいて発生するNOx量に対応させて尿素供給装置15からの尿素の供給量を調整して、NOxを浄化している。
During normal operation in which the
そして、ディーゼルパティキュレートフィルタ14に溜め込まれたSOOTの量(PM計算累積値)がある規定量(排圧、計算、距離で規定量を推定)を越えると、強制再生が必要とされ、強制再生モードに入り、図2のフローが呼ばれることになる。 Then, if the amount of SOOT accumulated in the diesel particulate filter 14 (PM calculation cumulative value) exceeds a certain prescribed amount (estimated prescribed amount by exhaust pressure, calculation, distance), forced regeneration is required and forced regeneration is performed. The mode is entered and the flow of FIG. 2 is called.
強制再生が必要であると判定されて、図2のフローが呼ばれると、図2のフローがスタートし、ステップS11で、NOxを増大するためにEGR弁20を閉じてEGRを停止し、続いて排気温度を上げるために吸気スロットル18を閉じ、空気過剰率λを1.3以上かつ1.6以下の範囲内に調整する排気昇温制御を、所定の時間(ステップS12の温度チェックのインターバルに関係する時間)の間行う。
When it is determined that the forced regeneration is necessary and the flow of FIG. 2 is called, the flow of FIG. 2 starts. In step S11, the
この強制再生制御中における第1排気ガス温度T1の変化を図3に、第2排気ガス温度T2の変化を図4に、模式的に示す。図3に示すように、この第1排気ガス温度T1は、強制再生制御に入った時点Aから上昇し(実際には時間遅れがあるので温度上昇は傾斜する)、所定の第1判定温度T1a以上の温度になるように排気昇温制御がなされる。なお、この第1排気ガス温度T1は、この強制再生制御が終了する時点Cで元に戻る(実際には時間遅れがあるので温度低下は傾斜する)。また、第2排気ガス温度T2はこの時点では、図4のA〜Bに示すように、第1排気ガス温度T1の上昇に伴って上昇する(実際には時間遅れがあるので温度上昇は傾斜する)。 FIG. 3 schematically shows a change in the first exhaust gas temperature T1 during the forced regeneration control, and FIG. 4 schematically shows a change in the second exhaust gas temperature T2. As shown in FIG. 3, the first exhaust gas temperature T1 rises from the point A when the forced regeneration control is entered (actually there is a time delay, so the temperature rise is inclined), and a predetermined first determination temperature T1a. Exhaust temperature raising control is performed so that the above temperature is reached. The first exhaust gas temperature T1 returns to the original value at the point C when the forced regeneration control ends (actually, there is a time delay, so the temperature drop is inclined). Further, at this time, the second exhaust gas temperature T2 rises as the first exhaust gas temperature T1 rises as shown in FIGS. 4A to 4B (in fact, there is a time delay, so the temperature rise is inclined). To do).
次のステップS12で、第1排気ガス温度センサ21で検出される第1排気ガス温度T1が所定の第1判定温度T1a以上であるか否かを判定し、以上でない場合(NO)は、ステップS11に戻り、以上である場合(YES)は、次のステップS13に行く。これにより、ステップS11の排気昇温制御は、第1排気ガス温度T1が所定の第1判定温度T1a以上になるまで行われる。この所定の第1判定温度T1aは酸化触媒12の触媒の種類にもよるが、例えば、200℃に設定される。
In the next step S12, it is determined whether or not the first exhaust gas temperature T1 detected by the first exhaust
次のステップS13では、排気温度維持制御と尿素量調整制御と経過時間のカウントを、所定の時間(ステップS14の経過時間のチェックのインターバルに関係する時間)の間行う。 In the next step S13, exhaust temperature maintenance control, urea amount adjustment control, and elapsed time counting are performed for a predetermined time (time related to the elapsed time check interval in step S14).
この排気温度維持制御では、更にNOxを発生させるために、図5に示すように、シリンダ内燃料噴射のパイロット噴射Fpとメイン噴射Fmを進角させる。それと共に、第2排気ガス温度センサ22で検出される第2排気ガス温度T2が所定の第2判定温度T2a以上かつ所定の第3判定温度T2b以下の範囲内になるようにポスト噴射を行う。このポスト噴射は、第2排気ガス温度T2が所定の第3判定温度T2bを越えた場合には停止され、第2排気ガス温度T2が所定の第3判定温度T2b以下になるように制御される。なお、所定の第2判定温度T2aは、例えば300℃に、所定の第3判定温度T2bは例えば400℃に設定される。
In this exhaust temperature maintenance control, in order to further generate NOx, as shown in FIG. 5, pilot injection Fp and main injection Fm of in-cylinder fuel injection are advanced. At the same time, the post-injection is performed so that the second exhaust gas temperature T2 detected by the second exhaust
なお、この排気温度維持制御のポスト噴射の制御では、第2排気ガス温度T2を所定の第2判定温度T2a以上かつ所定の第3判定温度T2b以下の範囲内の温度に設定した第2目標温度T2tになるようにフィードバック制御等で制御してもよい。この第2目標温度T2tは、例えば350℃に設定される。 Note that, in the post-injection control of the exhaust gas temperature maintenance control, the second target gas temperature T2 is set to a temperature within the range of the predetermined second determination temperature T2a and the predetermined third determination temperature T2b. You may control by feedback control etc. so that it may become T2t. The second target temperature T2t is set to 350 ° C., for example.
第2排気ガス温度T2は、図4のB〜Cに示すように、排気温度維持制御に入った時点Bからは、所定の第2判定温度T2a以上かつ所定の第3判定温度T2b以下の範囲内の温度になる(実際には時間遅れがあるので温度上昇は傾斜する)ように排気温度維持制御され、この強制再生制御が終了する時点Cで元に戻る(実際には時間遅れがあるので温度低下は傾斜する)。 As shown in FIGS. 4B to 4C, the second exhaust gas temperature T2 is in a range from the time point B when the exhaust gas temperature maintenance control is started to a predetermined second determination temperature T2a and a predetermined third determination temperature T2b. The exhaust temperature is maintained and controlled so that the temperature is within the range (actually there is a time delay, so the temperature rises incline), and returns to the original time C when this forced regeneration control ends (there is actually a time delay) The temperature drop is inclined).
また、尿素量調整制御では、燃料噴射時期を算出するためのNOxマップを、通常運転時のNOxマップから、タイミングを通常運転時よりも進角させてNOx発生量を増加させる強制再生用のNOxマップに切り替えて、この強制再生用のNOxマップのデータに基づいて発生するNOx量に対応させて、尿素供給装置15からの尿素の供給量を調整する制御を行う。また、経過時間のカウントでは、このステップS13で、第1排気ガス温度T1が所定の第1判定温度T1aを越えた時点Aからの時間を経過時間tとする。
Further, in the urea amount adjustment control, the NOx map for calculating the fuel injection timing is changed from the NOx map at the time of normal operation, and the NOx for forced regeneration that increases the NOx generation amount by advancing the timing from that at the time of normal operation Switching to the map, control is performed to adjust the supply amount of urea from the
次のステップS14では、経過時間tが所定の判定時間ta以上であるか否かを判定し、以上ではない場合(NO)はステップS13に戻り、以上である場合(YES)は次のステップS15に行く。これにより、ステップS13の排気温度維持制御は、経過時間tが所定の判定時間ta以上になるまで行われる。この所定の判定時間taは実験等により予め設定される値であり、ディーゼルパティキュレートフィルタ14に堆積されているSOOTが酸化して除去される時間に相当する。この強制再生の終了方法により、ディーゼルパティキュレートフィルタ14に堆積されたSOOTを燃焼仕切ることができる。なお、SOOTの酸化を確実にするために、第2排気ガス温度T2が所定の第2判定温度T2aを越えた時間を累積して経過時間tとしてもよい。
In the next step S14, it is determined whether or not the elapsed time t is equal to or longer than the predetermined determination time ta. If not (NO), the process returns to step S13, and if it is (YES), the next step S15. go to. Thereby, the exhaust gas temperature maintenance control in step S13 is performed until the elapsed time t becomes equal to or longer than the predetermined determination time ta. The predetermined determination time ta is a value set in advance by experiments or the like, and corresponds to a time during which SOOT deposited on the
ステップS15では、強制再生制御の終了作業を行う。この強制再生制御の終了作業では、EGR弁20と吸気スロットル18の弁開度を通常運転制御の弁開度に戻したり、パイロット噴射とメイン噴射の進角を戻したり、ポスト噴射を停止したり、PM計算累積値をゼロにリセットしたりする。この強制再生制御の終了作業の後、上位のフローにリターンする。なお、この通常運転とは、通常走行運転又はアイドリング運転であり、ディーゼルパティキュレートフィルタ14の強制再生制御を行っていない運転状態で(非DPF強制再生制御時)、且つ、選択還元型触媒16の硫黄被毒に対する強制再生制御を行っていない運転状態(非SCR硫黄被毒再生制御時)である。
In step S15, the forced regeneration control is finished. In the end operation of the forced regeneration control, the valve opening of the
上記の排気ガス浄化システム1及びディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法により、酸化触媒12をタービン13aの前方に配置することにより、排気マニホールドと酸化触媒12の距離が短くなり排気ガスの温度低下量が少なくなるので、吸気スロットル18を閉じることで、酸化触媒12に流入する排気ガスの温度を酸化触媒12の活性温度まで上昇させることが容易にできるようになる。
By disposing the
更に、シリンダ内燃料噴射のパイロット噴射Fpとメイン噴射Fmの噴射時期を進角しながらポスト噴射することで、多量の一酸化窒素を発生させると共に、酸化触媒12で一酸化窒素を二酸化窒素に酸化して二酸化窒素を多量に排出させて、SOOTを所定の第2判定温度T2a以上かつ所定の第3判定温度T2b以下の範囲内、例えば、300℃〜400℃の範囲内の比較的低い温度で酸化して除去でき、ディーゼルパティキュレートフィルタ14を強制再生できるようになる。また、このSOOTの酸化等によって多量に発生する一酸化窒素を含む窒素酸化物を除去するため、通常運転時のNOxマップよりからタイミング進角させたNOマップに切り替え、それに適合した尿素噴射を行う。つまり、窒素酸化物は、尿素供給装置15から最適な供給量に調整された尿素と排気温度により選択還元型触媒16で還元除去される。
Further, by performing post injection while advancing the injection timings of pilot injection Fp and main injection Fm for in-cylinder fuel injection, a large amount of nitric oxide is generated and nitric oxide is oxidized to nitrogen dioxide by the
従って、酸素よりも、二酸化窒素でSOOTを酸化するので、より低温で酸化して除去でき、ディーゼルパティキュレートフィルタ14の強制再生時にディーゼルパティキュレートフィルタ14が高温化して溶損やクラック等が発生することを防止できる。また、ディーゼルパティキュレートフィルタ14を高温にするための燃料が少なくて済み、強制再生に伴う燃費の悪化を抑制できる。
Therefore, since SOOT is oxidized by nitrogen dioxide rather than oxygen, it can be oxidized and removed at a lower temperature, and when the
本発明の排気ガス浄化システム及びディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法によれば、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時にディーゼルパティキュレートフィルタが高温化して溶損やクラック等が発生することを防止できると共に、強制再生に伴う燃費の悪化を抑制できるので、自動車搭載のディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス浄化システム及びディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生方法として利用できる。 According to the exhaust gas purification system and the forced regeneration method of the diesel particulate filter of the present invention, it is possible to prevent the diesel particulate filter from being heated at the time of forced regeneration of the diesel particulate filter to cause melting, cracking, etc. Since deterioration of fuel consumption due to forced regeneration can be suppressed, it can be used as an exhaust gas purification system for an internal combustion engine such as a diesel engine mounted on an automobile and a forced regeneration method for a diesel particulate filter.
1 排気ガス浄化システム
10 内燃機関
11 排気通路
12 酸化触媒(DOC)
13 ターボ式過給機
13a タービン
13b コンプレッサ
14 ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)
15 尿素供給装置
16 選択還元型触媒(SCR)
17 吸気通路
18 吸気スロットル
19 EGR通路
20 EGR弁
21 第1排気ガス温度センサ
22 第2排気ガス温度センサ
T1 第1排気ガス温度
T1a 所定の第1判定温度
T2 第2排気ガス温度
T2a 所定の第2判定温度
T2b 所定の第3判定温度
DESCRIPTION OF
13
15
17
Claims (4)
前記制御装置を、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生時において、EGR弁を閉じてEGRを停止し、吸気スロットルを閉じ、前記第1排気ガス温度センサで検出される第1排気ガス温度が所定の第1判定温度以上になるまで、空気過剰率を1.3以上かつ1.6以下の範囲内にする排気昇温制御を行い、前記第1排気ガス温度が前記所定の第1判定温度以上になったら、前記第2排気ガス温度センサで検出される第2排気ガス温度が所定の第2判定温度以上かつ所定の第3判定温度以下の範囲内になるように、シリンダ内燃料噴射のパイロット噴射とメイン噴射を進角させてポスト噴射を行う排気温度維持制御を行うと共に、該排気温度維持制御では、燃料噴射時期を算出するためのNOxマップを、通常運転時のNOxマップから、タイミングを通常運転時よりも進角させてNOx発生量を増加させる強制再生用のNOxマップに切り替えて、該強制再生用のNOxマップのデータに基づいて発生するNOx量に対応させて、前記尿素供給装置からの尿素の供給量を調整する尿素量調整制御を行うように構成したことを特徴とする請求項1記載の排気ガス浄化システム。 A first exhaust gas temperature sensor is provided between the oxidation catalyst and the turbine, and a second exhaust gas temperature sensor is provided between the turbine and the diesel particulate filter. These detection signals are used for the operation of the internal combustion engine and the exhaust gas. It is configured to input to a control device that controls the gas purification system,
In the forced regeneration of the diesel particulate filter, the control device closes the EGR valve to stop EGR, closes the intake throttle, and the first exhaust gas temperature detected by the first exhaust gas temperature sensor is a predetermined value. Exhaust temperature rise control is performed so that the excess air ratio is in the range of 1.3 to 1.6, until the first determination temperature is equal to or higher than the first determination temperature, and the first exhaust gas temperature is equal to or higher than the predetermined first determination temperature. Then, pilot injection of in-cylinder fuel injection is performed so that the second exhaust gas temperature detected by the second exhaust gas temperature sensor is in a range not less than a predetermined second determination temperature and not more than a predetermined third determination temperature. And the exhaust temperature maintenance control for performing post injection by advancing the main injection, and in the exhaust temperature maintenance control, the NOx map for calculating the fuel injection timing is changed to NOx during normal operation. Switch to the NOx map for forced regeneration that increases the NOx generation amount by advancing the timing from the normal operation to correspond to the NOx amount generated based on the data of the NOx map for forced regeneration. The exhaust gas purification system according to claim 1, wherein urea amount adjustment control is performed to adjust a supply amount of urea from the urea supply device.
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