JP3887624B2

JP3887624B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP3887624B2
Application number: JP2003395276A
Authority: JP
Inventors: 洋紀成田; 俊克村松; 久貴通阪; 仁一南川
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: JP2005155441A

Description

本発明は排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンの排気（軽油の燃焼ガス）には、炭素質よりなる煤と、高沸点炭化水素成分からなるＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）を主な成分として、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）が加わった組成のパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）が含まれている。

パティキュレートの大気中への拡散を抑制する対策として、パティキュレート捕集用のフィルタを車両用ディーゼルエンジンの排気系統に組み込むことが行なわれている。

パティキュレートフィルタとしては、コージェライドなどのセラミックスによりハニカムコアを形成し、当該ハニカムコアの多孔質薄壁で区分される多数の流路にエンジンからの排気を流通させるものがある。

上記パティキュレートフィルタでは、平行に並んだ多数の流路の一端部分を１つおきに封鎖して、これに隣接する流路の非封鎖の一端部分へエンジンから排気を導くようにし、エンジンから排気が流入する流路の他端部分を封鎖して、これに隣接する流路の他端部分をマフラなどに接続して大気開放させている。

すなわち、エンジン排気に含まれているパティキュレートを多孔質薄壁で捕集し、当該多孔質薄壁を透過した排気だけが大気中へ放出されることになる。

また、排気抵抗が増大しないように、多孔質薄壁に堆積したパティキュレートを燃焼により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、ディーゼルエンジンが通常運転されている状態では、パティキュレートが自然着火し得る程度にまで排気温度が上がる機会が少ない。

そこで、白金を担持したアルミナにセリウムなどの希土類元素を添加した酸化触媒を、パティキュレートフィルタに担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められており、これを用いれば、捕集し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、自然着火に至らない排気温度であってもパティキュレートを燃焼除去することが可能となる。

上記の酸化触媒には活性温度領域があり、排気温度が活性下限温度に達しない運転状態（一般的に軽負荷の運転領域に排気温度が低い領域が拡がっている）が続くと、酸化触媒が活性化しないためにパティキュレートが良好に燃焼除去されないという事象が起きる。

この対策として、パティキュレートフィルタの上流側で燃料を排気に添加し、触媒上で酸化する燃料の反応熱で触媒床温度を上げる操作や、これに先立ち排気温度を高め、触媒床温度を燃料の酸化反応に適した状態にする操作を、車両が停止している場合も行なえるようにして、パティキュレートフィルタの強制再生を図る排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この排気浄化装置では、圧縮上死点（ピストン圧縮行程の上死点）付近における燃料主噴射後の燃料が着火可能な時期に、熱エネルギを得るためのアフタ噴射を行なって排気温度を高め、次いで、排気に燃料を添加するためのポスト噴射を行なって触媒床温度を上げる。

ポスト噴射及びアフタ噴射をしていない通常モードから、ポスト噴射により触媒床温度を上げてパティキュレートの燃焼除去を図る強制再生モードへの切り替えは、適切な間隔で且つエンジン制御コンピュータの演算によってパティキュレートの燃焼除去が完了したと判定されるまで行なわれ、また、停車状態で再生スイッチを運転者が手動操作した場合にも同様に実行される。

更に、パティキュレートの酸化反応を支援する目的で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設けた場合には、前段の酸化触媒により酸化する添加燃料の反応熱で昇温された排気がパティキュレートフィルタへと導入されることになるので、より低い排気温度からフィルタの強制再生を実現することが可能となる。
特開２００３−１５５９１４号公報

ところが、特許文献１の排気浄化装置では強制再生モードになると、インジェクタなどの不良により排気温度の上昇が認められない場合でもアフタ噴射が続けられ、あるいは、触媒の劣化に起因して触媒床温度がパティキュレートを焼却除去可能な状態に到達し得ない場合でもポスト噴射が続けられてしまうため、システムの異常に対処できない。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、システムの異常に対処可能な排気浄化装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、エンジン排気系統に組み込んだ触媒再生型パティキュレートフィルタと、上死点付近での燃料主噴射後の燃料が着火可能な時期に燃料アフタ噴射を行なう燃料噴射制御手段とを有し、停車状態におけるフィルタの手動強制再生時に、アフタ噴射の積算噴射量が所定値Ｑ１に達した際の触媒床温度が前段しきい値Ｔ１に満たない場合、及びアフタ噴射の積算噴射量が前記所定値Ｑ１を上回る値Ｑ２に達した際の触媒床温度が前記前段しきい値Ｔ１を超える後段しきい値Ｔ２に満たない場合に、更なる触媒床温度の上昇を期待できないとの判断を下してアフタ噴射を中断する機能を燃料噴射制御手段に具備させている。

請求項２に記載の発明は、エンジン排気系統に組み込んだ触媒再生型パティキュレートフィルタと、上死点付近での燃料主噴射後の燃料が着火しない時期に燃料ポスト噴射を行なう燃料噴射制御手段とを有し、停車状態におけるフィルタの手動強制再生時に、ポスト噴射の積算噴射量が所定値Ｑ３に達した際の触媒床温度が前段しきい値Ｔ３に満たない場合、及びポスト噴射の積算噴射量が前記所定値Ｑ３を上回る値Ｑ４に達した際の触媒床温度が前記前段しきい値Ｔ３を超える後段しきい値Ｔ４に満たない場合に、更なる触媒床温度の上昇を期待できないとの判断を下してポスト噴射を中断する機能を燃料噴射制御手段に具備させている。

請求項１に記載の発明では、フィルタ強制再生時に燃料噴射制御手段が、触媒床温度とアフタ噴射による燃料の積算噴射量の関係に基づき排気の昇温不良を判定し、その結果に応じてアフタ噴射を中断する。

請求項２に記載の発明では、フィルタ強制再生時に燃料噴射制御手段が、触媒床温度とポスト噴射による燃料の積算噴射量の関係に基づき触媒の劣化を判定し、その結果に応じてポスト噴射を中断する。

（１）請求項１に記載の発明においては、停車状態で排気の昇温不良が認められた場合に、アフタ噴射を中断してフィルタ強制再生を解除するので、システムの異常に対処できる。

（２）請求項２に記載の発明においては、停車状態で触媒の劣化が認められた場合に、ポスト噴射を中断してフィルタ強制再生を解除するので、システムの異常に対処できる。

以下、本発明の実施の形態を図示例とともに説明する。

図１乃至図５は本発明の排気浄化装置の実施の形態の一例であり、ディーゼルエンジン１はターボチャージャ２を装備しており、エアクリーナ３から導入される吸気４が吸気管５を経てターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送給され、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へ流入し、ここで冷却された吸気４が吸気マニホールド７へ送給されてディーゼルエンジン１のそれぞれの気筒８（図１では直列６気筒）に分配される。

更に、ディーゼルエンジン１の気筒８から排出される排気９は、排気マニホールド１０を経てターボチャージャ２のタービン２ｂへ送給され、当該タービン２ｂを駆動した後、排気管１１を経て大気中に放出される。

排気管１１にはフィルタケース１２が組み込んであり、該フィルタケース１２内の後段部分には、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が収容されている。

パティキュレートフィルタ１３は、セラミックスによってハニカムコアを形成し、当該ハニカムコアの多孔質薄壁１３ｂで区分される平行な多数の流路１３ａの一端部分を１つおきに封鎖して、これに隣接する流路１３ａの非封鎖の一端部分へディーゼルエンジン１から排気９を導くようにし且つ当該流路１３ａの他端部分を封鎖している（図２参照）。

すなわち、排気９に含まれているパティキュレートを多孔質薄壁１３ｂで捕集し、当該多孔質薄壁１３ｂを透過した排気９だけが下流側へ進んで大気中へ放出される。

フィルタケース１２内の前段部分には、ハニカム構造のフロースルー型の酸化触媒１４が収容されている（図３参照）。

更に、フィルタケース１２の中間部分には、触媒床温度の代用値として、酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３の間で排気９の温度を計測する温度センサ１５が設けられており、当該温度センサ１５の温度信号１５ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）をなす制御装置２０へ送信されるようになっている。

制御装置２０は燃料噴射制御を担い、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１６（負荷センサ）の開度信号１６ａ、及びエンジン回転数を検出する回転センサ１７の回転数信号１７ａに基づき、噴射信号１８ａを燃料噴射装置１８へ送信する。

燃料噴射装置１８は、ディーゼルエンジン１の気筒８ごとに装備したインジェクタ１９を有し、これらのインジェクタ１９の電磁弁が前記噴射信号１８ａに応じて開き、燃料の噴射時期、及び噴射量（開弁時間）を制御する。

更に、制御装置２０には、再生スイッチ２１と警告ランプ２２が付帯している。

制御装置２０は、
Ａ．開度信号１６ａから算定したエンジン負荷と回転数信号１７ａから算定したエンジン回転数に応じて、圧縮上死点付近で主噴射が行なわれるように通常モードの噴射信号１８ａを燃料噴射装置１８へ送信する機能、
Ｂ．予め設定した時間が経過した際に、主噴射後の燃料が着火しない時期にポスト噴射が行なわれるように強制再生モードの噴射信号１８ａを燃料噴射装置１８へ送信する機能、
Ｃ．ポスト噴射の開始前に、温度信号１５ａから算定した触媒床温度に応じて、主噴射後の燃料が着火可能な時期にアフタ噴射が行なわれるように昇温モードの噴射信号１８ａを燃料噴射装置１８へ送信する機能、
Ｄ．再生スイッチ２１からの指令信号２１ａに応じて、フィルタ強制再生のためのアフタ噴射及びポスト噴射が行なわれるように強制再生モードの噴射信号１８ａを燃料噴射装置１８へ送信する機能、
Ｅ．フィルタ強制再生を開始してから、触媒床温度とアフタ噴射による燃料の積算噴射量の関係に基づき排気９の昇温不良を判定し、それに応じてアフタ噴射を中断する機能、
Ｆ．フィルタ強制再生を開始してから、触媒床温度とポスト噴射による燃料の積算噴射量の関係に基づき触媒の劣化を判定し、それに応じてポスト噴射を中断する機能、
などを具備している。

車両の通常運転時には、Ａ項、Ｂ項、Ｃ項の機能によってポスト噴射及びアフタ噴射をしていない通常モードから、適切な間隔でポスト噴射によりパティキュレートの燃焼除去を図る強制再生モードへの切り替えが行なわれ、また、アフタ噴射によって排気温度を高める昇温モードを介在させるか否かの判断がなされる。

Ｄ項の機能は、再生スイッチ２１から指令信号２１ａを受けた際に複数のアイドリング停車の要件を確認し、全ての要件が満たされた場合には、強制再生モードへの切り替えを所定時間だけ行ない、全ての要件が満たされない場合には、直ちに通常モードに復帰するように設定してある。

アイドリング停車の要件としては、例えば、回転センサ１７の回転数信号１７ａが所定の値以下であること、アクセルセンサ１６から開度信号１６ａが発信されていないこと、トランスミッションが中立状態であること、及びクラッチペダルを踏んでいない状態であることなどを考慮している。

Ｅ項の機能は、アフタ噴射の積算噴射量がＱ１に達した際の触媒床温度が、Ｔ１（前段しきい値）に満たない場合、及び積算噴射量がＱ２に達した際の触媒床温度が、Ｔ２（後段しきい値）に満たない場合（Ｑ２＞Ｑ１、Ｔ２＞Ｔ１）に、更なる触媒床温度の上昇を期待できないとの判定を下してアフタ噴射を中断し（図４参照）、積算噴射量がＱ１、Ｑ２に達した際の触媒床温度が、Ｔ１、Ｔ２を超過した場合にはアフタ噴射を継続し、また、触媒床温度がポスト噴射可能な状態になった場合には、積算噴射量の保持を取り消すように設定してある。

上記の積算噴射量の算出は、計算上の噴射量などに基づいて行なわれる。

この条件は、例えば、インジェクタ１９などの燃料供給系統の不良によって排気温度の上昇が認められない場合を想定している。

つまり、再生スイッチ２１を操作した後、燃料供給系統の不良によって排気温度の上昇が期待できないと、制御装置２０がアフタ噴射を中断し、これにより、システムの異常に対処することが可能になる。

更に、アフタ噴射の中断にあたっては、点灯用電流２２ａを警告ランプ２２へ送給し、システムの異常を通報するようになっている。

この他に、触媒床温度と積算噴射量の関係に外気温度を加えれば、触媒床温度の上昇の可否の判定精度を向上させることができる。

Ｆ項の機能は、積算噴射量がＱ３に達した際の触媒床温度が、Ｔ３（前段しきい値）に満たない場合、及び積算噴射量がＱ４に達した際の触媒床温度が、Ｔ４（後段しきい値）に満たない場合（Ｑ４＞Ｑ３、Ｔ４＞Ｔ３）に、更なる触媒床温度の上昇を期待できないとの判定を下してポスト噴射を中断し（図５参照）、積算噴射量がＱ３、Ｑ４に達した際の触媒床温度が、Ｔ３、Ｔ４を超過した場合にはポスト噴射を継続し、また、触媒床温度が再生可能な状態になった場合には、積算噴射量の保持を取り消すように設定してある。

この条件は、例えば、触媒の劣化に起因して触媒床温度がパティキュレートを焼却除去可能な状態に到達し得ない場合を想定している。

つまり、再生スイッチ２１を操作した後、触媒の劣化によって触媒床温度の上昇が期待できないと、制御装置２０がポスト噴射を中断し、これにより、システムの異常に対処することが可能になる。

また、排気温度の上昇に寄与しない燃料による潤滑油の希釈も回避される。

更に、ポスト噴射の中断にあたっては、点灯用電流２２ａを警告ランプ２２へ送給し、システムの異常を通報するようになっている。

なお、本発明の排気浄化装置は、上述した実施の形態のみに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変更を加え得ることは勿論である。

本発明の排気浄化装置は、様々な車種に適用することができる。

本発明の排気浄化装置の実施の形態の一例を示す概念図である。図１に関連するパティキュレートフィルタの断面図である。図１に関連する酸化触媒の部分切断斜視図である。触媒床温度と燃料の積算アフタ噴射量の関係を表わした線図である。触媒床温度と燃料の積算ポスト噴射量の関係を表わした線図である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
１１排気管（エンジン排気系統）
１３パティキュレートフィルタ
１８燃料噴射装置（燃料噴射制御手段）
２０制御装置（燃料噴射制御手段）

Claims

エンジン排気系統に組み込んだ触媒再生型パティキュレートフィルタと、上死点付近での燃料主噴射後の燃料が着火可能な時期に燃料アフタ噴射を行なう燃料噴射制御手段とを有し、停車状態におけるフィルタの手動強制再生時に、アフタ噴射の積算噴射量が所定値Ｑ１に達した際の触媒床温度が前段しきい値Ｔ１に満たない場合、及びアフタ噴射の積算噴射量が前記所定値Ｑ１を上回る値Ｑ２に達した際の触媒床温度が前記前段しきい値Ｔ１を超える後段しきい値Ｔ２に満たない場合に、更なる触媒床温度の上昇を期待できないとの判断を下してアフタ噴射を中断する機能を燃料噴射制御手段に具備させたことを特徴とする排気浄化装置。
エンジン排気系統に組み込んだ触媒再生型パティキュレートフィルタと、上死点付近での燃料主噴射後の燃料が着火しない時期に燃料ポスト噴射を行なう燃料噴射制御手段とを有し、停車状態におけるフィルタの手動強制再生時に、ポスト噴射の積算噴射量が所定値Ｑ３に達した際の触媒床温度が前段しきい値Ｔ３に満たない場合、及びポスト噴射の積算噴射量が前記所定値Ｑ３を上回る値Ｑ４に達した際の触媒床温度が前記前段しきい値Ｔ３を超える後段しきい値Ｔ４に満たない場合に、更なる触媒床温度の上昇を期待できないとの判断を下してポスト噴射を中断する機能を燃料噴射制御手段に具備させたことを特徴とする排気浄化装置。