JP4080235B2 - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置において、特に、連続再生式フィルタの再生技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、ディーゼルエンジンの排気浄化装置において、排気通路に介装された連続再生式フィルタにより、排気中の粒子状物質(Particulate Matter,以下「PM」という)を連続的に除去する技術が期待されている。連続再生式フィルタでは、排気中のPMを捕集しつつ、捕集したPMを触媒作用により燃焼(酸化)させることで、連続的な排気浄化が実現されている。
【0003】
しかし、触媒作用が充分発揮されるためには、連続再生式フィルタが触媒活性温度以上に昇温されていなければならない。このため、連続再生式フィルタが昇温しにくい条件、例えば、排気温度が低い運転状態が長時間持続すると、触媒作用が充分発揮されず、連続再生式フィルタに捕集されたPMが徐々に増加してしまうおそれがある。PM捕集量の増加は、排気圧力の増加,出力の低下,連続再生式フィルタの溶損などの不具合発生要因となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このため、連続再生式フィルタであっても、捕集されたPMを強制的に燃焼除去し、その再生を行う手段が必要とされている。再生手段として、特開2000−30919号公報に開示されるように、排気中に添加された未燃燃料を酸化触媒上で燃焼させ、排気温度を昇温させて触媒活性を促進する技術が提案されている。しかし、このような手法により大量の排気を昇温させるためには、排気量に応じた熱量を発生させる未燃燃料を添加しなければならず、特に、中高速域では大幅に燃費が低下してしまう。
【0005】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、連続再生式フィルタ上流に添加された未燃燃料をPMの着火材として使用することで、未燃燃料の添加量を低減させ、燃費低下を極力抑制したディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1記載の発明では、排気通路に介装された連続再生式フィルタと、該フィルタに目詰まりが発生しているか否かを判定する目詰まり判定手段と、排気温度が燃料着火温度よりも低い機関運転状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段と、前記目詰まり判定手段により目詰まりが発生していると判定され、かつ、前記運転状態判定手段により排気温度が燃料着火温度よりも低い機関運転状態にあると判定されたときに、前記連続再生式フィルタに捕集されている粒子状物質を未燃燃料でコーティングすべく、該連続再生式フィルタ上流に所定量の未燃燃料を添加する未燃燃料添加手段と、を含んでディーゼルエンジンの排気浄化装置を構成したことを特徴とする。
【0007】
かかる構成によれば、排気通路に介装された連続再生式フィルタに目詰まりが発生し、かつ、排気温度が燃料着火温度よりも低い機関運転状態にあると判定されたときには、連続再生式フィルタに捕集されている粒子状物質を未燃燃料でコーティングすべく、その上流に所定量の未燃燃料が添加される。このとき、排気温度が燃料着火温度よりも低いことから、添加された未燃燃料は、連続再生式フィルタに到達するまで着火せず、そこに捕集されている粒子状物質をコーティングするためだけに使用され、フィルタ再生に資することがない未燃燃料の消費が抑制される。そして、排気温度が上昇する機関運転状態、例えば、車両発進時や加速時,高負荷走行時になると、排気温度の上昇により未燃燃料が着火し、これが着火材として作用し粒子状物質の燃焼が開始される。
【0008】
請求項2記載の発明では、前記連続再生式フィルタの上流及び下流の差圧を検出する差圧検出手段を備え、前記目詰まり判定手段は、前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値より大になったときに、前記フィルタに目詰まりが発生していると判定することを特徴とする。
かかる構成によれば、連続再生式フィルタの上流及び下流の差圧、即ち、その圧力損失を介して、目詰まりが発生したか否かが判定される。
【0009】
請求項3記載の発明では、機関回転速度を検出する回転速度検出手段と、機関負荷を検出する負荷検出手段と、を備え、前記運転状態判定手段は、前記回転速度検出手段により検出された機関回転速度が所定値未満、かつ、前記負荷検出手段により検出された機関負荷が所定値未満のときに、排気温度が燃料着火温度よりも低い機関運転状態にあると判定することを特徴とする。
【0010】
かかる構成によれば、機関回転速度が所定値未満、かつ、機関負荷が所定値未満のときに、排気温度が燃料着火温度よりも低い機関運転状態にあると判定される。
【0011】
請求項4記載の発明では、前記未燃燃料添加手段は、膨張行程で燃焼室内に燃料を噴射することで、前記連続再生式フィルタ上流に未燃燃料を添加することを特徴とする。
かかる構成によれば、膨張行程で燃焼室内に燃料を噴射することで、噴射された未燃燃料が燃焼せずに排気弁から排出され、連続再生式フィルタ上流に添加されることとなる。このため、連続再生式フィルタ上流に未燃燃料を添加するために、例えば、特別な燃料噴射装置を追加する必要はなく、燃料噴射に係る制御内容の変更のみにより対応でき、コスト上昇が極力抑制される。
【0012】
請求項5記載の発明では、前記未燃燃料添加手段は、前記連続再生式フィルタ上流の排気通路に燃料を噴射することで、該連続再生式フィルタ上流に未燃燃料を添加することを特徴とする。
かかる構成によれば、連続再生式フィルタ上流の排気通路に燃料を噴射することで、連続再生式フィルタ上流に未燃燃料が添加されることとなる。このため、排気通路に燃料噴射装置などを介装する必要があるものの、他の制御内容に手を加える必要がなく、その変更に伴う信頼性の低下が極力抑制される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図1は、本発明に係る排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンを示す。
ディーゼルエンジン10の排気通路12には、その上流から下流にかけて、ターボチャージャ14のタービン14A,連続再生式フィルタ(以下「フィルタ」という)16が夫々介装される。フィルタ16は、セラミックなどの多孔性部材からなる隔壁により排気流と略平行なセルが多数形成され、各セルの入口と出口とが目封材により互い違いに千鳥格子状に目封じされる。そして、出口が塞がれたセル内の排気が、隔壁を介して入口が塞がれている隣接するセルに流入するとき、排気中のPMが隔壁を構成する多孔性部材により捕集され、排気が浄化される。また、フィルタ16には、例えば、アルミナに白金を担持させた酸化触媒が塗布され、捕集されたPMが酸化触媒の触媒作用により燃焼(酸化)されることで、連続的な排気浄化が実現される。
【0014】
一方、ディーゼルエンジン10の吸気通路18には、ターボチャージャ14のコンプレッサ14Bが介装される。
フィルタ16の上流及び下流には、排気圧力PU及びPLを夫々検出する圧力センサ20及び22(差圧検出手段)が夫々介装される。なお、圧力センサ20及び22に代えて、フィルタ16の上流及び下流の差圧ΔPを直接検出する差圧センサを用いてもよい。また、機関回転速度Neを検出する回転速度センサ24(回転速度検出手段),燃料噴射量などにより代表される機関負荷Qを検出する負荷センサ26(負荷検出手段)が設けられる。そして、圧力センサ20及び22,回転速度センサ24並びに負荷センサ26の出力は、マイクロコンピュータを内蔵したエンジンコントロールユニット(以下「コントロールユニット」という)28に夫々入力され、後述する処理により燃料噴射装置30が制御される。
【0015】
なお、コントロールユニット28におけるソフトウエア的な処理により、目詰まり判定手段,運転状態判定手段及び未燃燃料添加手段が夫々実現される。
図2は、コントロールユニット28において、所定時間毎に繰り返し実行される制御内容を示す。
ステップ1(図では「S1」と略記する。以下同様)では、フィルタ16の上流及び下流の差圧ΔPが検出される。即ち、圧力センサ20及び22から、フィルタ16上流及び下流の排気圧力PU及びPLが夫々読み込まれ、その差圧ΔPが次式により演算される。
【0016】
ΔP=|PU−PL|
ステップ2では、差圧ΔPが所定値ΔPthより大であるか否かが判定される。ここで、所定値ΔPthは、フィルタ16に目詰まりが発生したか否かを判定するための閾値であって、例えば、ディーゼルエンジン10及びフィルタ16の特性に応じて適切な値に設定される。そして、差圧ΔPが所定値ΔPthより大であればステップ3へと進み(Yes)、差圧ΔPが所定値ΔPth以下であればステップ1へと戻る(No)。なお、ステップ1及びステップ2に示す処理が、目詰まり判定手段に該当する。
【0017】
ステップ3では、回転速度センサ24から機関回転速度Ne、負荷センサ26から機関負荷Qが夫々検出される。
ステップ4では、機関回転速度Neが所定値Neth未満であり、かつ、機関負荷Qが所定値Qth未満であるか否かが判定される。ここで、所定値Neth及びQthは、図3に示すように、未燃燃料をフィルタ16上流に添加する未燃燃料添加領域を画定する閾値であって、フィルタ再生に要する燃料消費量を抑制すべく、低回転・低負荷である運転領域を画定する値に夫々設定される。そして、かかる条件が成立したならばステップ5へと進み(Yes)、かかる条件が成立しなければステップ3へと戻る(No)。なお、ステップ3及びステップ4に示す処理が、運転状態判定手段に該当する。
【0018】
ステップ5では、フィルタ16上流に所定量の未燃燃料が添加される。ここで、所定量としては、フィルタ16に捕集されたPMが未燃燃料によりコーティングされる必要最小限とすることが望ましい。また、未燃燃料の添加は、燃料噴射装置30を制御して膨張行程で燃焼室内に燃料を噴射することで、フィルタ16上流に未燃燃料が添加されるようにすればよい。ここで、排気マニホルド12A又はフィルタ16上流の排気通路12内に燃料を直接噴射するようにしてもよい。なお、ステップ5に示す処理が、未燃燃料添加手段に該当する。
【0019】
ステップ6では、ステップ1と同様にして、フィルタ16の上流及び下流の差圧ΔPが検出される。
ステップ7では、差圧ΔPが所定値ΔPth未満であるか否かが判定される。そして、差圧ΔPが所定値ΔPth未満であればフィルタ再生が完了したと判断し、処理を終了する(Yes)。一方、差圧ΔPが所定値ΔPth以上であればフィルタ再生が未完了であると判断し、未燃燃料の添加を継続すべく、ステップ3へと戻る(No)。なお、ステップ6及びステップ7に示す処理が、目詰まり判定手段に該当する。
【0020】
以上説明した処理によれば、フィルタ16の上流及び下流の差圧ΔPが所定値ΔPthより大となると、フィルタ16に目詰まりが発生したと判定される。フィルタ16に目詰まりが発生したときには、ディーゼルエンジン10が低回転・低負荷領域にあるとき、フィルタ16上流に未燃燃料が添加される。低回転・低負荷領域では、排気温度が低いため、添加された未燃燃料は着火せずにフィルタ16まで到達し、そこに捕集されているPMが未燃燃料によりコーティングされる。そして、排気温度が上昇する運転状態、例えば、車両発進時や加速時,高負荷走行時になると、排気温度の上昇により未燃燃料が着火し、これが着火材として作用しPMの燃焼が開始される。このとき、フィルタ16の差圧ΔPを常時検出しつつ、これが所定値ΔPth未満となるまで、未燃燃料の添加が継続される。このため、フィルタ再生が不充分のまま処理が終了することがなく、効果的な再生が行われる。
【0021】
従って、未燃燃料は、PMを着火させるための着火材としてのみ機能するので、PMの自然着火温度よりも低温でPMを着火させることができると共に、未燃燃料により排気温度を上昇させる必要がない。このため、フィルタ再生に要する燃料が必要最小限で済み、燃費低下を極力抑制することができる。また、未燃燃料の添加は、排気温度が低い低回転・低負荷領域で行われるため、フィルタ16に到達するまで着火することがなく、フィルタ再生に寄与しない未燃燃料の添加を防止することができる。
【0022】
なお、本発明は、フィルタ再生だけではなく、例えば、フィルタ16を触媒活性温度以上に昇温させる、いわゆる「ヒートアップ」としても適用可能である。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1記載の発明によれば、連続再生式フィルタ上流に添加された未燃燃料は、連続再生式フィルタに到達し、そこに捕集されている粒子状物質をコーティングする。そして、排気温度が上昇する運転状態となると、排気温度により未燃燃料が着火し、これが着火材として作用して粒子状物質の燃焼が開始される。このため、粒子状物質の自然着火温度よりも低温で粒子状物質を着火させることができると共に、未燃燃料により排気を上昇させる必要がなく、フィルタ再生に要する燃料が必要最小限で済み、燃費低下を極力抑制することができる。
【0024】
請求項2記載の発明によれば、連続再生式フィルタの上流及び下流の差圧、即ち、その圧力損失を介して、目詰まりが発生したか否かを高精度に判定できる。
請求項3記載の発明によれば、機関回転速度が所定値未満、かつ、機関負荷が所定値未満のときに、排気温度が燃料着火温度よりも低い機関運転状態にあると判定することができる。
【0025】
請求項4記載の発明によれば、連続再生式フィルタ上流に未燃燃料を添加するために、例えば、特別な燃料噴射装置を追加する必要はなく、燃料噴射に係る制御内容の変更のみにより対応でき、コスト上昇を極力抑制できる。
請求項5記載の発明によれば、排気通路に燃料噴射装置を介装する必要があるものの、他の制御内容に手を加える必要がなく、その変更に伴う信頼性の低下を極力抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンの構成図
【図2】 同上の制御内容を示すフローチャート
【図3】 未燃燃料添加領域の説明図
【符号の説明】
10 ディーゼルエンジン
12 排気通路
16 フィルタ
20 圧力センサ
22 圧力センサ
24 回転速度センサ
26 負荷センサ
28 コントロールユニット
30 燃料噴射装置
Claims (5)
- 排気通路に介装された連続再生式フィルタと、
該フィルタに目詰まりが発生しているか否かを判定する目詰まり判定手段と、
排気温度が燃料着火温度よりも低い機関運転状態にあるか否かを判定する運転状態判定手段と、
前記目詰まり判定手段により目詰まりが発生していると判定され、かつ、前記運転状態判定手段により排気温度が燃料着火温度よりも低い状態にあると判定されたときに、前記連続再生式フィルタに捕集されている粒子状物質を未燃燃料でコーティングすべく、該連続再生式フィルタ上流に所定量の未燃燃料を添加する未燃燃料添加手段と、
を含んで構成されたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 前記連続再生式フィルタの上流及び下流の差圧を検出する差圧検出手段を備え、
前記目詰まり判定手段は、前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値より大になったときに、前記フィルタに目詰まりが発生していると判定することを特徴とする請求項1記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 機関回転速度を検出する回転速度検出手段と、
機関負荷を検出する負荷検出手段と、
を備え、
前記運転状態判定手段は、前記回転速度検出手段により検出された機関回転速度が所定値未満、かつ、前記負荷検出手段により検出された機関負荷が所定値未満のときに、排気温度が燃料着火温度よりも低い機関運転状態にあると判定す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の排気浄化装置。 - 前記未燃燃料添加手段は、膨張行程で燃焼室内に燃料を噴射することで、前記連続再生式フィルタ上流に未燃燃料を添加することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
- 前記未燃燃料添加手段は、前記連続再生式フィルタ上流の排気通路に燃料を噴射することで、該連続再生式フィルタ上流に未燃燃料を添加することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
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