JP2626111B2

JP2626111B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP2626111B2
Application number: JP33904489A
Authority: JP
Inventors: 元啓新沢; 俊一青山; 芳樹関谷; 伸和兼先
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-12-27
Filing date: 1989-12-27
Publication date: 1997-07-02
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: JPH03199616A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明はエンジンの排気浄化装置に関する。

（従来の技術）排気中に含まれるカーボン等の微粒子（パーティキュ
レート）を排気通路に備えたトラップで捕集するように
してあるエンジン（特にディーゼルエンジン）では、パ
ーティキュレートの堆積により排気圧力が過度に上昇
し、エンジンおよびエミッション性能を低下させるた
め、堆積されたパーティキュレートを所定の時期に燃焼
させトラップを再生する装置が設けられている（特開昭
58−51235号公報参照）。

これを第10図で説明すると、エンジン１から排出され
るパーティキュレートは排気通路２に介装される耐熱性
フィルタ構造のトラップ３にて捕集される。

一方、吸気通路５に吸気流量を絞るバタフライ型絞り
弁６が設けられ、この絞り弁６には、一端部が絞り弁６
の弁軸に固定され他端部がロッド8dに回動自由に取り付
けられるレバー７を介して、ダイヤフラムアクチュエー
タ８が連結される。

このアクチュエータ８と、アクチュエータ８の圧力室
8bに導かれる制御負圧を制御装置15からのデューティ信
号に応じて変化させ得る電磁弁９とから絞り弁駆動装置
が構成される。たとえば、デューティ信号のデューティ
値（開弁時間割合）を増加させて、圧力室8bへの負圧を
強めると、ダイヤフラム8aがリターンスプリング8cに抗
してロッド8dを図で右方へと移動させるので、絞り弁６
が閉じていく。10は負圧ポンプである。

制御装置15には、燃料噴射ポンプ11にそれぞれ設けら
れたエンジン１の負荷センサ12と回転数センサ13、絞り
弁６下流の吸気通路５に設けられた吸気圧センサ14等か
らの信号が入力され、制御装置15では以下の制御を行な
う。

所定の走行距離や走行時間等からトラップ３の再生時
期にあると判断された場合に、そのときのエンジンの負
荷と回転数から定まる運転条件が、多量の余剰空気がエ
ンジン１に流入する運転状態にあるかどうかを判定す
る。この運転状態にあることが判定されると、絞り弁６
が所定の角度まで閉じられるように、デューティ信号を
出力し、かつ制御精度を高めるため吸気圧センサ14から
の信号に基づいて、絞り弁６下流の吸気負圧が略一定と
なるようにフィードバック制御する。

このようにして、エンジン１への空気導入量を減少さ
せると、排気温度が上昇するので、温度上昇した排気の
熱でトラップ３に捕集されたパーティキュレートが再燃
焼され、トラップ３が再生される。

（発明が解決しようとする課題）ところで、このような装置では、ある再生時期と次の
再生時期までの間隔（インターバル）が所定の走行距離
や走行時間から予め定められているので、同じ走行距離
あるいは走行時間でも、その間で低速走行であったか高
速走行であったか、あるいは低負荷走行であったか高負
荷走行であったか等、エンジンの使用条件が異なると、
トラップに捕集されるパーティキュレートの量が大きく
異なってくる。

このため、再生時期が早すぎて燃費が悪くなったり、
逆に再生時期が遅すぎてパーティキュレート捕集量が限
界をこえ、再生を行ったときには急激にパーティキュレ
ートが燃焼してトラップが溶損したりする。

一方、トラップの入口圧力やトラップの前後差圧を検
出し、この圧力検出値が所定値を越えると、再生時期で
あると判断するものがある。このものでは、過渡時の圧
力変動の影響を受けて、再生時期であると誤判断される
ことがある。また、潤滑オイル中の清浄分散剤が灰分
（金属酸化物からなる）となってトラップに堆積される
と、この灰分は再燃焼しないので、トラップの前後差圧
を上昇させ、これが圧力検出の誤差を生じさせる。した
がって、この場合も正確に再生時期を判断することがで
きない。

この発明は、トラップの再生時期の判断を正確にする
ことにより、従来の上記したような問題を解決すること
を目的とする。

（課題を解決するための手段）この発明は、第１図で示すように、排気中のパーティ
キュレートを捕集し再生温度以上になると捕集したパー
ティキュレートを再燃焼させるトラップ53と、このトラ
ップ53を昇温させる装置54と、エンジンの負荷，回転
数，走行距離，走行時間または燃料消費量の少なくとも
いずれか１つに基づいて単位時間当たりのパーティキュ
レート捕集量ΔPCTを計算する手段55と、この捕集量ΔP
CTを単位時間ごとに積算する手段56と、この積算値SUM
より予め設定した捕集量履歴に基づいての再生時期にあ
るかどうかを判定する手段57と、前記トラップ53の前後
差圧ΔＰを検出するセンサ58と、この検出値より予め設
定した差圧に基づいての再生時期にあるかどうかを判定
する手段59と、走行距離により予め設定した総走行距離
に基づいての再生時期にあるかどうかを判定する手段62
と、前記履歴または差圧による再生時期が走行距離によ
る再生時期よりも遅いときは履歴または差圧による再生
時期のうちいずれか早い方を選択し、差圧による再生時
期が走行距離による再生時期よりも早いときは走行距離
による再生時期を選択して再生時期として決定する手段
60と、この決定された再生時期になると前記昇温装置54
を動作させる手段61とを設けた。

（作用）捕集量の履歴から定まる再生時期と、差圧から定まる
再生時期は、走行距離から定まる再生時期と比較され、
これよりも再生時期が遅ければ、履歴と差圧による再生
時期のいずれか早いものが再生時期として選択され、こ
れにより再生時期が適切となり、燃費の悪化やトラップ
の焼損が防止される。また、差圧による再生時期が走行
距離による再生時期よりも早いときは、走行距離による
再生時期を選択することにより、走行距離に応じて堆積
する燃焼しない灰分により増大する差圧の影響を受ける
ことなく、不要な再生を繰り返す無駄を排除できる。

（実施例）第２図はこの発明の一実施例のシステム図である。図
において、６は吸気通路５に設けられる常開のバタフラ
イ型絞り弁で、この吸気絞り弁８にはダイヤフラムアク
チュエータ８が連結される。

このアクチュエータ８の圧力室と負圧源（たとえば負
圧ポンプ）とを連通する通路には三方電磁弁19が介装さ
れ、この電磁弁19をOFFからONにすると、アクチュエー
タ８の圧力室に大気圧に代えて一定圧の負圧が導入さ
れ、吸気絞り弁６が一定角度まで閉じられる。アクチュ
エータ８と電磁弁19は吸気絞り弁駆動装置を構成する。

同様にして、トラップ３上流の排気通路２に常開のバ
タフライ型絞り弁21が、排気絞り弁21の上流よりこの絞
り弁21とトラップ３をバイパスする通路24に常閉のバタ
フライ型バイパス弁25がそれぞれ設けられる。排気絞り
弁21に連結されるダイヤフラムアクチュエータ22と三方
電磁弁23とから排気絞り弁駆動装置が、またバイパス弁
25に連結されるダイヤフラムアクチュエータ26と三方電
磁弁27からバイパス弁駆動装置が構成される。

トラップ３の上流側にはこれに近接してヒータ29が設
けられ、コントロールユニット41からの通電信号を受け
るとトラップ３を加熱する。

こうして設けられた吸気絞り弁６とその駆動装置、排
気絞り弁21とその駆動装置、バイパス弁25とその駆動装
置、ヒータ29とその通電装置は第１図の昇温装置54を構
成する。

31は半導体式圧力センサで、トラップ３の前後差圧Δ
Ｐを検出する。32は熱電対からなる温度センサで、トラ
ップ３の入口温度T_INを検出する。34はエンジン１の回
転数Neを検出するセンサ（クランク角センサ）、35はポ
テンショメータから構成されアクセルレバー開度（エン
ジン負荷）Ｑを検出するセンサ、36は冷却水温Twを検出
するセンサである。

これらセンサからの信号は、走行距離センサからの信
号とともに、マイクロコンピュータからなるコントロー
ルユニット41に入力され、コントロールユニット41では
第４図に示すところにしたがって、３つの三方電磁弁1
9,23,27にON,OFF信号を、ヒータ29に通電信号をそれぞ
れ出力する。

ここで、コントロールユニット41で行なわれる再生時
期判断を第３図（Ａ）と第３図（Ｂ）を用いて先に説明
する。この例では、圧力に関する再生時期と捕集量履歴
に関する再生時期を別個に考える。

（１）圧力に関してトラップの前後差圧ΔＰがその限界値ΔPmaxを越えた
回数の頻度を求める。この頻度が設定値に達すると、圧
力に関して再生時期にあると判断する。

ただし、このΔＰにはパーティキュレート堆積量（図
では「PCT堆積量」で略記している）や灰分堆積量によ
るバラツキを生ずる。バラツキの上限と下限で求めたイ
ンターバル（ある再生時期から次の再生時期までの間
隔）を第３図（Ａ）と第３図（Ｂ）に別々に破線で示
す。両図の縮尺は同じである。

（２）捕集量履歴に関してエンジンの負荷Ｑと回転数Neから単位時間当たりのパ
ーティキュレート捕集量ΔPCTを求め、これを単位時間
ごとに順次積算する。この積算値SUMを設定値と比較
し、設定値に達すると、捕集量履歴に関して再生時期に
あると判断する。こうして求めたのが第３図（Ａ）と第
３図（Ｂ）の一点鎖線である。

（３）上記（１）と（２）のインターバルのうち短いほ
うを採用する。

なお、パーティキュレート堆積量上限時の走行可能最
低距離、即ち走行距離に基づく再生時期のインターバル
は、二点鎖線で示すところであり、インターバルはこの
走行可能最低距離を下回ることができない。パーティキ
ュレートがトラップに目一杯堆積した後はエンジン保護
の点より運転させることができないので、パーティキュ
レートのもっとも捕集される運転モード（低速運転モー
ド）でかつΔＰのバラツキ上限の場合がもっとも厳しい
運転条件となる。つまり、走行可能最低距離とはこのも
っとも厳しい運転条件下において走行できるはずの距離
のことである。

これらの結果、この例の再生インターバルは図示の折
れ線（実線）となる。なお、実車への適用にあたって
は、ΔＰのバラツキを考慮して車両ごとに予め設定す
る。

第４図は上記した再生時期の判断を行なわせるための
ルーチンである。

S1ではエンジン回転数Ne,エンジン負荷Q,冷却水温Tw,
トラップ入口温度T_IN,トラップの前後差圧ΔＰおよび走
行距離KMを読み込む。

S2では再生時期であるかどうかをみて、再生時期にな
いと判断すればS3に進む。この場合、フラグＦの値にて
再生時期を判断するようにしてあり、再生時期にない場
合はＦ＝０となっている。

S3ではパーティキュレート捕集量の積算時期かどうか
みて、積算時期であればS4に進む。この場合、積算時期
は一定の時間間隔ΔT₁（たとえば数秒）で訪れる。

S4は第１図の捕集量計算手段55の機能を果たす部分
で、ここではΔT₁当たり（単位時間当たり）のパーティ
キュレート捕集量ΔPCTをマップから検索することによ
り求める。

S5では次式によりΔPCTを積算する。

SUM＝SUM＋ΔPCT … つまり、積算時間ごとにΔPCTがSUMに加算されていく
のであり、SUMはΔPCTの積算値を表す。このS5とS3は第
１図の捕集量積算手段56の機能を果たす部分である。

ΔPCTのマップの内容を第５図に示すと、低負荷低回
転域で正の最大であり、高負荷高回転域では負の値とし
ている。負の値としているのは、マップ値が負の領域は
自己再生領域であり、この領域では排気温度が高いた
め、捕集されたパーティキュレートが再燃焼されるの
で、捕集量としては減算する必要があるからである。

S4ではΔPCTに対して次式により走行距離補正を行
う。

ΔPCT＝ΔPCT_MAP×K_DIS … ただし、ΔPCT_MAPは第５図のマップ値、K_DISは走行距
離補正係数である。K_DISは第６図と第７図の一次元マッ
プを検索して求める。第６図はΔPCT_MAPが正の場合、第
７図は負の場合の特性である。

これは総走行距離が長くなるほどエンジンの耐久劣化
によりΔPCTが大きくなるので、これを考慮するもので
ある。これにて捕集量計算の精度が高まる。

S6は第１図の再生時期判定手段57の機能を果たす部分
で、ここでは積算値SUMと予め定めた基準値（一定値）
との比較により、SUM≧基準値であれば捕集量履歴に関
して再生時期にあると判断し、S7に進む。

S7では走行距離から求めた再生時期に達しているかど
うかを判断し、つまり走行可能最低距離よりも大きけれ
ばS8に進む。

S8は第１図の再生時期決定手段60の機能を果たす部分
で、ここでは再生時期フラグＦを立てる（Ｆ＝１とす
る）。つまり、Ｆ＝１は再生時期にあることを意味す
る。

S9では、排気と吸気の各絞り弁21,6、バイパス弁25、
ヒータ29を何もしない状態にしておく。

一方、S3でΔPCTの積算時期でなければ、S10以降に進
む。

S10〜15は第１図の再生時期判定手段59の機能を果た
す部分である。

まず、S10では差圧ΔＰのサンプル時期かどうかみ
て、そうであればS11に進む。この場合、サンプル時期
も一定の時間間隔ΔT₂（たとえば数分）で訪れる。サン
プル時期を設けているのはサンプル数を適正にするため
である。

S11ではΔＰをメモリに格納し、さらに次式により温
度補正を行う。

ΔＰ＝ΔP/K_TW … 式において、K_TWは水温補正係数である。このK_TWの
一次元マップを第８図に示す。これは、冷機状態では排
気温度が低いためΔＰが小さくなるので、低温時にはΔ
Ｐを大き目にみつもる必要があるからである。これにて
ΔＰの測定精度が向上する。なお、冷却水温Twの代わり
に、排気温度に応じて補正するようにしても構わない。

S12〜S14は統計処理を行う部分である。これは、過渡
時の圧力変動や灰分堆積に伴う再生時期の判定精度の低
下を防止するためである。

S12ではΔＰのサンプル数が所定値Ｎ（たとえば32
個）に達したかどうかみて、そうでなければS13に進
む。この場合Ｎはサンプルの総数を定める。

S13ではサンプルしたΔＰが限界値ΔPmaxを越えたか
いなかを判断し、その結果をメモリに格納する。このメ
モリはＮと同数用意されている。このため、S12でサン
プル数がＮに達した段階では、Ｎ個のサンプルについ
て、ΔPmaxを越えたかどうかの判定結果が入っているこ
とになる。

上記のΔPmaxは第９図のマップを検索することにより
求める。負荷Ｑと回転数Neに応じてΔPmaxを与えてある
ことより、ΔPmaxは運転条件に応じたものとなってい
る。

S14ではΔＰがΔPmaxを越えた回数をカウントし、そ
の回数CNTとＮの比率（つまりΔＰがΔPmaxを越えた回
数の頻度）を計算する。

頻度＝CNT/N … S15では式の頻度と予め定めた基準値（一定値）と
の比較により、頻度≧基準値であれば圧力に関して再生
時期にあると判断し、S7に進む。この場合も、S7で走行
距離が走行可能最低距離を下回ってなければ、S8に進ん
でフラグＦを立てる。なお、走行距離から求めた再生時
期に達していないときは元に戻り、同じ操作を繰り返
す。したがって、圧力に関しての再生時期に達しても、
走行距離による再生時期にならないときは、走行距離に
よる再生時期になるまで待ってS8に進むことになる。

一方、S2でＦ＝１であれば再生時期になったと判断し
て、S16以降に進む。

S16〜S24は第１図の作動手段61の機能を果たす部分で
ある。

S16ではトラップ入口温度（排気温度）T_INが再生温度
に等しい値T₁（たとえば400℃）以上かどうかみて、T_IN
≧T₁であれば何もしなくともトラップ３が再生されるの
でS18に進む。

この逆にT_IN＜T₁であればS17に進み、冷却水温Twが所
定値（たとえば50℃）以上あるかどうかみて、そうであ
ればS19に進む。

S19では排気と吸気の両方を絞り、かつヒータ29をON
にする。これらの作動により、排気温度が再生温度まで
高められ、トラップ３の再生が行なわれる。

S17でTwが所定値より低い場合はS20に進み、両絞り弁
21,6、バイパス弁25ともすべて開く。両絞り弁21,6とも
開く理由は、暖機前の低水温時は排気温度も暖機完了後
に比べて低いためトラップの再生を行うことはできない
し、吸気絞りや排気絞りを行うと、もともと燃焼が安定
しない低水温時にあってはエンジンが失火して運転性が
悪くなり、かつ失火によりパーティキュレートも増大す
るからである。また、バイパス弁25を開くのは、冷たい
排気によりトラップ３が冷やされすぎないようにするた
めである。

S21とS22では再生時間をカウントし、S23に進む。S23
では、カウントした再生時間を所定時間（たとえば10
分）と比較し、所定時間経過すれば、再生を終了したと
判断してS24に進む。S24では再生時期の判断のために用
いたデータを消去する。

ここで、この例の作用を説明する。

再生時期を判断するにあたり、まず、捕集量履歴と圧
力（差圧）とから定まる再生時期と、走行距離から決ま
る再生時期とが比較され、もし走行距離による再生時期
よりも再生インターバルが長いとき、即ち再生時期が遅
いときは、捕集量履歴から定まる再生時期と、圧力から
定まる再生時期のいずれか早いほうが再生時期とされ
る。つまり、安全サイドで再生時期が決定されている。
この結果、再生時期が早すぎて燃費が悪くなったり、逆
に再生時期が遅すぎてパーティキュレート堆積量が限界
を越え、再生を行ったときに急激にパーティキュレート
が燃焼することによりトラップが溶損したりすることを
防止することができる。

これに対して、走行距離や走行時間から単純に再生時
期を判断するものでは、途中の運転履歴の相違により、
パーティキュレート捕集量が異なり、再生時期が早すぎ
たり遅すぎたりする。

また、実施例では圧力から定まる再生時期の判断につ
いて統計処理を導入しているので、過渡時の圧力変動や
灰分の堆積によるΔＰの上昇に伴う再生時期判断の誤動
作を防止できる。

また、走行距離から決まる再生時期よりも圧力により
定まる再生時期が短いときは、走行距離による再生時期
を選択する。圧力による再生時期については、第３図
（Ａ）、（Ｂ）にもあるように、総走行距離が大きくな
るのに伴い、再生時期インターバルが、走行最低距離に
よるインターバルよりも小さくなる。走行距離が大きく
なるのに伴い、トラップに捕集されても燃焼しない灰分
の堆積量が多くなると、トラップの差圧は直ぐに大きく
なる。しかし、この差圧は必ずしも燃焼できるパーティ
キュレートの捕集量と対応しない。したがって差圧が大
きくなっても適切な再生時期に達したことにはならな
い。そこで、圧力による再生時期が走行距離による再生
時期よりも早いときは、走行距離による再生時期を選ぶ
ことにより、不要に再生が繰り返されるのを防ぎ、燃費
の改善を図っている。

最後に、トラップ３の昇温装置は実施例のものに限ら
れることはなく、吸気絞りや排気絞りだけあるいはヒー
タを設けたものなど、要はトラップ温度を上昇させ得る
ものであれば構わない。

（発明の効果）以上のようにこの発明は、捕集量の履歴から定まる再
生時期と、差圧から定まる定まる再生時期は、走行距離
から定まる再生時期と比較され、これよりも再生時期が
遅ければ、履歴と再生による再生時期のいずれか早いも
のが再生時期として選択され、これにより再生時期が適
切となり、燃費の改善やトラップの焼損が防止され、ま
た、差圧による再生時期が走行距離による再生時期より
も早いときは、走行距離による再生時期を選択すること
により、走行距離に応じて堆積する燃焼しない灰分によ
り増大する差圧の影響を受けることがなく、不要な再生
を繰り返す無駄を排除し、燃費を改善できる。

また他の発明では、エンジンの負荷と回転数に基づい
て単位時間当たりのパーティキュレート捕集量を算出
し、かつこの捕集量を走行距離に基づいて補正するた
め、走行距離が長くなるほどエンジンの耐久劣化などに
起因して増加する単位時間当たりのパーティキュレート
の排出量を正確に判断し、過剰捕集状態での再生に伴う
トラップの温度異常上昇による焼損などを確実に回避で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のクレーム対応図、第２図は一実施例
のシステム図、第３図（Ａ）と第３図（Ｂ）はこの例の
総走行距離に対するインターバルの特性を示す図、第４
図はこの実施例の制御動作を説明するための流れ図、第
５図ないし第９図はそれぞれΔPCT,K_DIS,K_TWおよびΔPm
axの特性図、第10図は従来例のシステム図である。２……排気通路、５……吸気通路、６……吸気絞り弁、
８……ダイヤフラムアクチュエータ、19……三方電磁
弁、21……排気絞り弁、22……ダイヤフラムアクチュエ
ータ、23……三方電磁弁、24……バイパス通路、25……
バイパス弁、26……ダイヤフラムアクチュエータ、27…
…三方電磁弁、29……ヒータ、31……圧力センサ、32…
…トラップ入口温度センサ、33……トラップ出口温度セ
ンサ、34……クランク角センサ（エンジン回転数セン
サ）、35……アクセルレバー開度センサ（エンジン負荷
センサ）、41……コントロールユニット、53……トラッ
プ、54……昇温装置、55……捕集量計算手段、56……捕
集量積算手段、57……再生時期判定手段、58……差圧セ
ンサ、59……再生時期判定手段、60……再生時期決定手
段、61……作動手段。

フロントページの続き (72)発明者兼先伸和神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (56)参考文献特開昭63−65113（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】排気中のパーティキュレートを捕集し再生
温度以上になると捕集したパーティキュレートを再燃焼
させるトラップと、このトラップを昇温させる装置と、
エンジンの負荷，回転数，走行距離，走行時間または燃
料消費量の少なくともいずれか１つに基づいて単位時間
当たりのパーティキュレート捕集量を計算する手段と、
この捕集量を単位時間ごとに積算する手段と、この積算
値より予め設定した捕集量履歴に基づいての再生時期に
あるかどうかを判定する手段と、前記トラップの前後差
圧を検出するセンサと、この検出値より予め設定した差
圧に基づいての再生時期にあるかどうかを判定する手段
と、走行距離により予め設定した総走行距離に基づいて
の再生時期にあるかどうかを判定する手段と、前記履歴
または差圧による再生時期が走行距離による再生時期よ
りも遅いときは履歴または差圧による再生時期のうちい
ずれか早い方を選択し、差圧による再生時期が走行距離
による再生時期よりも早いときは走行距離による再生時
期を選択して再生時期として決定する手段と、この決定
された再生時期になると前記昇温装置を作動させる手段
とを備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】排気中のパーティキュレートを捕集し再生
温度以上になると捕集したパーティキュレートを再燃焼
させるトラップと、再生時期になるとトラップを昇温さ
せる装置と、エンジン負荷と回転数に基づいて単位時間
当たりのパーティキュレート捕集量を算出し、かつこの
捕集量を走行距離に基づいて補正する計算手段と、この
捕集量を単位時間ごとに積算する手段と、この積算値よ
り捕集量履歴に関して再生時期にあるかどうかを判定す
る手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置。