JP4070681B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

この発明は、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）を除去処理するための排気浄化装置に関する。

近年、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるＰＭの有望な低減手段のひとつとして、排気浄化装置（ＣＲ−ＤＰＦ）の開発が注目される（特許文献１〜特許文献５、参照）。排気浄化装置は、エンジンの排気中に含まれるＰＭをフィルタに捕集しつつ、その捕集ＰＭを触媒作用により連続的に燃焼除去するものである。このようなフィルタ装置においても、触媒には活性温度領域があり、これを下回るような排気温度での運転状態が長く継続すると、フィルタの連続再生が十分に行われず、ＰＭ堆積量が過剰になり、エンジン性能に悪影響を及ぼしかねない。また、フィルタにＰＭ堆積量が過剰な状態で触媒の活性温度領域に入るような排気温度での運転状態へ移行すると、フィルタに過剰に堆積したＰＭが急激に燃焼する可能性があり、フィルタの溶損や亀裂を生じやすくなる。そのため、必要な時期に強制的な堆積ＰＭの燃焼除去（フィルタの強制再生）が行われるのである。

また、フィルタの目詰まりの要因として、燃料の未燃分であるスス等以外にも、潤滑油の燃え残りのアッシュ（灰）分がある。潤滑油は、エンジンのシリンダ内で潤滑油に含まれるカルシウムや亜鉛等の成分が燃焼せずにアッシュとして燃え残り、このアッシュが排気ガスよって運ばれフィルタに捕集される。捕集されたアッシュは、フィルタの再生操作等によっても燃焼除去されず、フィルタ内に徐々に堆積される。このアッシュの堆積によるフィルタの目詰まりが進展し、フィルタ前後の排気圧力に影響を受けるようになる。

特許文献６に開示されたものは、フィルタの強制再生が行われた直後に検出されるフィルタ前後の差圧からフィルタに堆積したアッシュ量を推定し、これに基づいてフィルタの強制再生時期を判定するようになっている。
特開２００３−１５５９１５号 特開２００３−１５５９１６号 特開２００３−１５５９１９号 特開２００３−１２９８３５号 特開２００３−３８３３号 特開２００２−２４２６６０号

車両の走行距離が延びるに連れてアッシュによるフィルタの目詰まり状態が生じると、フィルタ前後の差圧が高まり、エンジンの運転性やフィルタの耐久性に影響を与えるため、フィルタに堆積したアッシュを除去する清掃作業等を行う必要がある。

しかしながら、再生直後に検出されるフィルタ前後の差圧からフィルタに堆積したアッシュ量を推定する構成の場合、排気ガス温度や大気条件等の要因や再生状態の変化によりフィルタ前後の差圧が変化し、アッシュによりフィルタが目詰まりした状態かどうかを的確に判定できないという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、アッシュによるフィルタの目詰状態を的確に判定できる排気浄化装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、エンジンの排気中に含まれるＰＭをフィルタに捕集し、捕集されたＰＭを触媒作用により燃焼させる排気浄化装置に適用する。

そして、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が設定値を越えたときにフィルタの強制再生時期を判定する第一判定手段と、この第一判定手段と異なる方法に基づいてＰＭ堆積量の算出値が所定値以上となるフィルタの強制再生時期を判定する第二判定手段と、この第二判定手段によってフィルタの強制再生時期を判定しない間第一判定手段によってフィルタの強制再生時期を連続して判定する連続判定回数をカウントするカウント手段と、カウントした連続判定回数が閾値を越えた場合にアッシュによるフィルタの目詰まり状態と判定する目詰まり状態判定手段とを備えたことを特徴とするものとした。

第２の発明は、第１の発明において、第一判定手段によるフィルタの強制再生時期の判定をアイドル運転時に行う構成としたことを特徴とするものとした。

第３の発明は、第１の発明において、第一判定手段によるフィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧に応じてフィルタの強制再生時期を判定する設定値をエンジン回転数に応じて変える構成としたことを特徴とするものとした。

第４の発明は、第１の発明において、第一判定手段によるフィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧に応じてフィルタの強制再生時期を判定する設定値を排気ガス流量に応じて変える構成としたことを特徴とするものとした。

第５の発明は、第１から第４のいずれか一つの発明において、第二判定手段はフィルタのＰＭ堆積量が所定値以上のときに強制再生時期を判定する構成としたことを特徴とするものとした。

第１の発明によると、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が上昇して強制再生時期に到る連続判定回数をカウントし、例えばＰＭ堆積量や運転時間に基づく強制再生に到る場合にカウント数をクリアし、カウントされた連続判定回数が閾値を越えた場合にアッシュによるフィルタの目詰まり状態と判定する構成としたため、排気ガス温度や大気条件等の要因や再生状態の変化によってフィルタ前後の差圧が一時的に高まる状態を、アッシュによりフィルタが目詰まりした状態と誤って判定することを回避でき、アッシュによるフィルタの目詰まり状態を的確に判定できる。

第２の発明によると、アイドル運転時にアッシュによるフィルタの目詰まり状態を判定する構成により、エンジン回転数や排気ガス流量が変動する影響を抑えられ、的確な判定が行える。

第３、第４の発明によると、判定許可条件をアイドル運転時とせず、他の運転条件でもアッシュによりフィルタが目詰まりした状態を判定することができる。

第５の発明によると、強制再生時期の判定にＰＭ堆積量に基づく判定方法とフィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧に基づく判定方法とが併用され、これらのチェックが働くため、フィルタのＰＭ堆積量が過剰に至るのを未然に回避しえる確率を高められる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１において、１０はディーゼルエンジンであり、コモンレール式燃料噴射装置（図示せず）を備える。エンジン１０の吸気通路１１にターボ過給機１２のコンプレッサ１２ａ、インタクーラ１３、吸気絞り弁１４が介装される。エンジン１０の排気通路１５にターボ過給機１２のタービン１２ｂ、排気絞り弁１６、排気浄化装置（ＣＲ−ＤＰＦ）１７、が介装される。コモンレール式燃料噴射装置は、コモンレールに燃料を蓄圧する高圧ポンプと、コモンレールに各気筒の噴射ノズルを接続する燃料供給管と、を備える。燃料噴射装置および後述の予熱手段を制御するのがコントロールユニット２０であり、通常の制御マップのほか、強制再生用の昇温制御マップが格納される。２１はＥＧＲ（排気還流）装置のＥＧＲバルブ、２２はターボ過給機１２のタービン１２ｂを迂回するターボバイパスの開閉バルブである。

ＣＲ−ＤＰＦ１７は、ＤＰＦ２５と酸化触媒２６とから構成される。ＤＰＦ２５は、ハニカム構造体に形成され、その格子状に区画される流路（セル）の入口と出口が交互に目封じされる。つまり、入口の目封じされる流路と出口の目封じされる流路とが交互に隣接され、これらを区画する多孔質の隔壁が排気の通過を許容するようになっている。この例においては、隔壁に捕集されるＰＭの燃焼可能な着火温度を低めに設定するため、触媒（アルミナ等）付きフィルタが採用される。酸化触媒２６は、触媒を担持するハニカム構造体に形成され、ハニカム構造体の格子状に区画される流路を通過する排気に含まれる主にＨＣ（炭化水素）を酸化処理するものであり、その反応熱により触媒温度が上昇して堆積ＰＭの燃焼を促進するのである。

コントロールユニット２０の制御に必要な検出手段として、エンジン回転数Ｎｅを検出する回転センサ（クランク角センサを兼ねる）およびエンジン負荷ｑを検出する負荷センサのほか、ＣＲ−ＤＰＦ１７の入口圧力と出口圧力との差圧を検出する差圧センサ３０、ＤＰＦ２５の入口温度を検出する温度センサ３１ａとＤＰＦ２５の出口温度を検出する温度センサ３１ｂ、吸気流量を検出するエアフローセンサ３２、等が設けられる。

コントロールユニット２０は、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷ｑとから通常の制御マップに基づいて噴射ノズルへの燃料噴射信号（噴射量の指令および噴射時期の指令）を決定する。ＤＰＦ２５の強制再生が必要な時期を判定すると、通常の制御マップから強制再生用の昇温マップに切り替わり、ＣＲ−ＤＰＦ１７の雰囲気温度が所定値（例えば、２３０℃）を下回るときは、触媒の予熱手段を駆動するほか、必要があれば昇温マップに基づいて燃料のメイン噴射に続いて燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行うような燃料噴射信号を決定する一方、ＣＲ−ＤＰＦの雰囲気温度が所定値以上のときは、昇温マップに基づいてメイン噴射から大幅に遅れるタイミングでポスト噴射を行うような燃料噴射信号を決定するのである。

触媒の予熱手段については、ＥＧＲバルブ２１、吸気絞り弁１４または排気絞り弁１６、ターボバイパスの開閉バルブ２２、がエンジン１０の排気温度を積極的に高める制御に利用される。ターボ過給機１２が可変ノズル式の場合、ターボバイパスの開閉バルブ２２の代わりに可変ノズルを触媒の予熱手段として制御することも考えられる。

ＤＰＦ２５の強制再生が必要な時期の判定については、ＤＰＦ２５のＰＭ堆積量（推定量）が所定値以上のときに強制再生時期を判定する第二判定手段（図２のＳ２）と、ＤＰＦ２５前後の差圧（またはＣＲ−ＤＰＦ１７の入口圧力）が所定値以上のときに強制再生時期を判定する第一判定手段（図２のＳ４）と、ＰＭ堆積量に基づく強制再生の完了から計測される運転時間（または運転距離）が強制再生用に設定のインターバルに達するとその間に強制再生の履歴がないときに強制再生時期を判定する第二判定手段（図２のＳ６）と、運転時間（または運転距離または強制再生の回数）がＰＭ堆積量を定期的に初期化する０リセット強制再生用のインターバルに達すると強制再生を判定する第二判定手段（図２のＳ８）と、が設定される。

ＤＰＦ２５の強制再生時期は、このような複数の異なる方法に基づいて判定され、これら何れかの判定を受けると、そのときの判定方法に対応する強制再生モード（図４参照）としてＰＭ堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間を設定する手段（図２のＳ９）が設定される。

ＤＰＦ２５前後の差圧（またはＣＲ−ＤＰＦ１７の入口圧力）から強制再生時期を判定する手段においては、強制再生時期の判定基準となる所定値としてレベル１とこれより高いレベル２が設定され、これらレベル１、レベル２に基づく強制再生時期の判定毎に異なる強制再生モードとしてＰＭ堆積量に応じた強制再生時間および強制再生温度が設定されるのである。

ＰＭ堆積量の算出（図２のＳ１）については、吸気流量（エアフローセンサ３２の検出信号）と燃料流量（エンジン負荷ｑの検出信号）とから空気過剰率を求め、空気過剰率からスモーク濃度を求め、スモーク濃度と吸気流量とから単位時間あたりのＰＭ排出量を求める。その一方、ＤＰＦのＰＭ燃焼特性マップに基づいて、触媒の酸化作用により堆積ＰＭの燃焼が開始される排気条件において、単位時間あたりのＰＭ燃焼量を求める。具体的には、触媒による酸化反応の効率に影響を与える空間速度を求め、ＤＰＦ２５の触媒温度（ＤＰＦ２５の出口温度またはＤＰＦ２５の入り口温度と出口温度との平均値）と空間速度とからＰＭ燃焼速度を求め、単位時間あたりのＰＭ燃焼量に変換する。そして、ＰＭ排出量からＰＭ燃焼量を引く減算値を順次に積算することにより、ＤＰＦのＰＭ堆積量を求めるのである。減算値は、負になる可能性があるので、負の減算値＝０に修正する処理が設定される。

図２、図３は、コントロールユニット２０の制御内容を説明するフローチャートであり、Ｓ１においては、ＤＰＦ２５のＰＭ堆積量を算出する。Ｓ２においては、ＰＭ堆積量の算出値（推定量）が所定値以上かどうかを判定する。Ｓ３においては、ＤＰＦ２５前後の差圧を読み込む。Ｓ４においては、差圧がレベル１またはレベル２を超過かどうかを判定する。Ｓ５においては、運転時間（または運転距離）のカウント値を読み込む。Ｓ６においては、運転時間（または運転距離）のカウント値が強制再生用のインターバルに達したかどうかを判定する。Ｓ７においては、運転時間（または運転距離または強制再生回数）のカウント値を読み込む。Ｓ８においては、運転時間（または運転距離または強制再生回数）のカウント値が０リセット強制再生用のインターバルに達したかどうかを判定する。

Ｓ２の判定がｎｏかつＳ４の判定がｎｏかつＳ６の判定がｎｏかつＳ８の判定がｎｏのときは、Ｓ１へ戻る。Ｓ２の判定がｙｅｓまたはＳ４の判定がｙｅｓまたはＳ６の判定がｙｅｓまたはＳ８の判定がｙｅｓのときは、Ｓ９へ進む。Ｓ９においては、強制再生時期の判定（ｙｅｓ）がＳ２、４、６、８の判定の何れかに拠るのかに応じて強制再生モードを選定する（図４参照）。Ｓ６の判定に拠る場合、強制再生用のインターバルに対応する強制再生モードにより、強制再生温度Ｔｒｅｇ４および強制再生時間Ｔ４をＰＭ堆積量に応じて設定する。Ｓ８の判定に拠る場合、０リセット強制再生用のインターバルに対応する強制再生モードにより、強制再生温度Ｔｒｅｇ５および強制再生時間Ｔ５をＰＭ堆積量に応じて設定する。

Ｓ１０においては、選定の強制再生モードに基づいて強制再生を実行する。触媒の酸化反応に十分な排気温度の運転状態のときは、ＤＰＦ２５の出口温度を監視しながら、昇温マップに基づいてメイン噴射から大幅に遅れるタイミングでポスト噴射を行うように燃料噴射装置を制御する。触媒の酸化反応に必要な排気温度を下回る運転状態のときは、ＣＲ−ＤＰＦ１７の雰囲気温度を監視しながら、触媒の予熱手段を制御するほか、必要があれば昇温マップに基づいてメイン噴射に続いて燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行うように燃料噴射装置を制御する。アフタ噴射においては、燃料の発熱量のうちの動力に使用されない熱量が増えて排気温度が上昇するため、ＤＰＦ２５の触媒も堆積ＰＭの酸化処理に必要な温度へ高められるのである。触媒温度が酸化処理に必要な温度に至ると昇温マップを切り替えてポスト噴射により、排気中に添加される未燃燃料が触媒上で酸化反応され、その反応熱により触媒温度を上昇させるため、堆積ＰＭの燃焼処理が促進される。

Ｓ１１においては、ＤＰＦ２５の出口温度が強制再生温度に達するかどうか、を判定する。Ｓ１１の判定がｙｅｓになると、Ｓ１２へ進む一方、Ｓ１１の判定がｎｏのときは、ｙｅｓになるまで判定を繰り返す。Ｓ１２においては、ＤＰＦ２５の出口温度が強制再生温度以上の継続時間が強制再生時間に達したかどうかを判定する。Ｓ１２の判定がｙｅｓになると、Ｓ１３へ進む一方、Ｓ１２の判定がｎｏのときは、ｙｅｓになるまで判定を繰り返す。Ｓ１３においては、強制再生モードをリセットする。Ｓ１４においては、強制再生の昇温制御を解除すると共に通常の燃料噴射へ復帰するのである。

そして、本発明は、アッシュによるＤＰＦ２５の目詰まり状態を判定するために、第二判定手段によることなく第一判定手段によってＤＰＦ２５の強制再生時期を連続して判定する連続判定回数をカウントするカウント手段と、このカウントした連続判定回数が閾値（例えば３回）を越えた場合にアッシュによるＤＰＦ２５の目詰まり状態と判定する目詰まり状態判定手段とを備える。なお、カウント手段は第一判定手段以外の第二判定手段によってＤＰＦ２５の強制再生時期が判定されると、連続判定回数をクリアする。

図５のフローチャートはアッシュによるＤＰＦ２５の目詰まり状態を判定するルーチンを示しており、コントロールユニット２０において一定周期毎に実行される。

これについて説明すると、まずステップ１において、この判定許可条件となるアイドル運転時かどうかを判定する。例えば車速が０であり、エンジン回転数Ｎｅが８００ｒｐｍ以下の条件を満たす場合にアイドル運転時と判定する。

続くステップ２において、差圧センサ３０によって検出されるＤＰＦ２５前後の差圧と、温度センサ３１ａによって検出されるＤＰＦ２５の入口温度を読み込み、ＤＰＦ２５の入口温度に応じて補正したＤＰＦ２５前後の差圧を求める。

続くステップ３とステップ４において、ＤＰＦ２５前後の差圧の上限圧力が設定値（１．０ｋＰａ）越えて上昇した状態が所定値（例えば５秒）を越える強制再生判定条件を満たすかどうかを判定する。

この強制再生判定条件を満たす場合、ステップ５に進んで、連続判定回数をカウントする。この連続判定回数はＤＰＦ２５前後の差圧が設定値を越える条件を満たして強制再生時期を判定する回数であり、これ以外の条件を満たして強制再生に時期を判定する場合、連続判定回数をクリアする。つまり、次の条件を満たした場合に連続判定回数をクリアする。
・ＤＰＦ２５のＰＭ堆積量（推定量）が所定値以上となって強制再生に到る場合。
・ＰＭ堆積量に基づく強制再生の完了から計測される運転時間（または運転距離）が強制再生用に設定のインターバルに達するとその間に強制再生の履歴がないときに強制再生に到る場合。
・運転時間（または運転距離または強制再生の回数）がＰＭ堆積量を定期的に初期化する０リセット強制再生用のインターバルに達して強制再生に到る場合。
なお、このステップ５において行われる処理がカウント手段に相当する。

続くステップ６において、カウントされた連続判定回数が閾値（例えば３回）を越えたかどうかを判定する。なお、このステップ６において行われる処理が目詰まり状態判定手段に相当する。

ここで連続判定回数が閾値以下の場合、ステップ８に進んで、前述した強制再生モードに基づいて強制再生を実行する。

一方、連続判定回数が閾値を超えた場合、アッシュによるＤＰＦ２５の目詰まり状態が生じたものとして、ステップ７に進んで、異常ランプを点灯する。これにより、例えばフィルタに堆積したアッシュを除去する清掃作業を行うことが促される。

以上のように、ＤＰＦ２５前後の差圧が上昇して強制再生時期に到る連続判定回数をカウントし、ＰＭ堆積量や運転時間に基づく強制再生に到る場合にカウント数をクリアし、カウントされた連続判定回数が閾値を越えた場合にアッシュによるＤＰＦ２５の目詰まり状態と判定する構成としたため、排気ガス温度や大気条件等の要因や再生状態の変化によってフィルタ前後の差圧が一時的に高まる状態を、アッシュによりフィルタが目詰まりした状態と誤って判定することを回避でき、アッシュによるＤＰＦ２５の目詰まり状態を的確に判定できる。

また、アイドル運転時にアッシュによるＤＰＦ２５の目詰まり状態を判定する構成により、エンジン回転数や排気ガス流量が変動する影響を抑えられ、的確な判定が行える。

他の実施の形態として、判定許可条件をアイドル運転時とせず、他の運転条件でもアッシュによりフィルタが目詰まりした状態を判定する構成としても良い。

この制御方法として、図６に示すように、強制再生判定条件を判定するＤＰＦ２５前後の差圧をエンジン回転数に応じて設定したマップを予め設定し、このマップに基づいて強制再生判定条件を判定する構成としても良い。

また、図７に示すように、強制再生判定条件を判定するＤＰＦ２５前後の差圧を排気ガス流量に応じて設定したマップを予め設定し、このマップに基づいて強制再生判定条件を判定する構成としても良い。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、ディーゼルエンジンに備えられる排気浄化装置に利用できる。

システムの構成を説明する概要図である。 コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。 コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。 コントロールユニットの制御内容に係る強制再生モード設定例である。 コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。 コントロールユニットの制御内容に係る設定差圧のマップである。 コントロールユニットの制御内容に係る設定差圧のマップである。

符号の説明

１０ ディーゼルエンジン
１１ 吸気通路
１２ ターボ過給機
１４ 吸気絞り弁
１５ 排気通路
１６ 排気絞り弁
１７ ＣＲ−ＤＰＦ（排気浄化装置）
２０ コントロールユニット
２１ ＥＧＲバルブ
２２ ターボバイパスの開閉バルブ
２５ ＤＰＦ（フィルタ）
２６ 酸化触媒
３０ 差圧センサ
３１ａ，３１ｂ 温度センサ
３２ エアフローセンサ

Claims (5)

1. エンジンの排気中に含まれるＰＭをフィルタに捕集し、捕集されたＰＭを触媒作用により燃焼させる排気浄化装置において、
   フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が設定値を越えたときにフィルタの強制再生時期を判定する第一判定手段と、この第一判定手段と異なる方法に基づいてＰＭ堆積量の算出値が所定値以上となるフィルタの強制再生時期を判定する第二判定手段と、この第二判定手段によってフィルタの強制再生時期を判定しない間に第一判定手段によってフィルタの強制再生時期を連続して判定する連続判定回数をカウントするカウント手段と、カウントした連続判定回数が閾値を越えた場合にアッシュによるフィルタの目詰まり状態と判定する目詰まり状態判定手段とを備えたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記第一判定手段による前記フィルタの強制再生時期の判定をアイドル運転時に行う構成としたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記第一判定手段による前記フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧に応じてフィルタの強制再生時期を判定する設定値をエンジン回転数に応じて変える構成としたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
4. 前記第一判定手段による前記フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧に応じてフィルタの強制再生時期を判定する設定値を排気ガス流量に応じて変える構成としたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
5. 前記第二判定手段は前記フィルタのＰＭ堆積量が所定値以上のときに強制再生時期を判定する構成としたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の排気浄化装置。

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