JP4081419B2

JP4081419B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4081419B2
Application number: JP2003323542A
Authority: JP
Inventors: 健祐菅原; 隆幸足立; 彰川上; 泰州渡辺
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2023-09-16
Also published as: JP2005090319A

Description

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

ＰＭの大気中への排出を防止する技術としてＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）と酸化触媒作用を用いて排気中のＮＯをＮＯ₂に変換し、ＮＯ₂を用いてＰＭを連続的に酸化させる連続式ＤＰＦ（以下、ＣＲ−ＤＰＦという）がある（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
特開２００２−２５０２１８号公報特開２００３−２０９３３号公報

ＣＲ−ＤＰＦは、排気温度が所定温度域ではＰＭを９０％以上低減できる技術であるが、排気温度が所定温度域以下の、例えば２５０℃以下では捕集したＰＭ中の煤を酸化することができず、浄化効率が低下する。このような低温状態での運転（例えば、アイドル状態）が継続すると煤の蓄積により排気圧力が上昇し、出力の低下および燃費の悪化の原因となる。さらには煤が堆積した状態から、運転条件が高負荷状態に移行して排気が高温となった場合には、大量の煤が急激に燃焼することでＣＲ−ＤＰＦが異常高温となり、破損、溶損する恐れがある。

このような課題を防止するため、ＰＭ捕集に伴う排気圧力の上昇を検出し、検出した排気圧力に基づきＰＭ捕集量を算出し、ＰＭ捕集量が所定量以上の場合には、エンジンの燃焼条件を変更し、排気温度を上昇させて強制的にＰＭを燃焼させ、ＤＰＦの目詰まりを防止する技術（強制再生）が提案されている。

強制再生によりＰＭを除去する場合には排気温度を上昇させるため、燃料を主噴射の後に再度噴射するポスト噴射等を実施する必要があり、これはエンジンの燃費の悪化を招くことになる。したがって、ＰＭ捕集量の算出精度を高め、強制再生による燃費の悪化を抑制することが必要であるが、運転履歴によるＤＰＦ内のＰＭ堆積分布や温度分布の違いから、排気圧力とＰＭ堆積量の関係は必ずしも一様ではなく、前述した排気圧力の上昇からＰＭ堆積量を算出する方法では、強制再生時期を精度よく見極めることはできない。

この発明は、強制再生の実施時期を精度よく判断し、強制再生による燃費の悪化を抑制す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を捕集しつつ触媒作用により燃焼させる排気浄化装置において、前記排気浄化装置に流入するＰＭ量から連続再生されるＰＭ量を減じた値を積算して堆積したＰＭ量を算出するＰＭ量算出手段と、算出したＰＭ堆積量が所定堆積量を超えているかどうかを判定する堆積量判定手段と、前記排気浄化装置の上流側に設定されて排気通路中の排気圧力を検出する圧力検出手段と、検出した排気圧力が運転状態に応じて変化する所定圧力を超えているかどうかを判定する圧力判定手段と、前記算出したＰＭ堆積量が所定堆積量を超え、かつ前記排気圧力が所定圧力を越える場合に、前記排気浄化装置内のＰＭを強制的に燃焼するように制御する強制再生制御手段と、を備える。

第２の発明は、第１の発明において、前記排気浄化装置に流入するＰＭ量は、エンジンの運転領域毎に設定された空気過剰率とＰＭ流入量との関係を示すマップを用いて算出される。

第３の発明は、第２の発明において、前記エンジンの運転領域は、エンジン回転速度と燃料噴射量との関係を示すマップを用いて設定される。

第４の発明は、第３の発明において、前記エンジン回転速度と燃料噴射量との関係を示すマップは、エンジン回転速度と燃料噴射量とに応じて前記運転領域を複数に分割する。

第５の発明は、第４の発明において、前記エンジン回転速度と燃料噴射量との関係を示すマップは、エンジン回転速度と燃料噴射量とに応じて前記運転領域を格子状に分割する。

第６の発明は、第４の発明または第５の発明において、前記エンジンの運転領域は、前記排気浄化装置に流入するＰＭ量に影響する要因のうち、空気過剰率を除く要因が略一定となるように分割する。

第１の発明は、ＰＭ量が所定堆積量を超え、かつ排気圧力が所定圧力を越える場合に、排気浄化装置内のＰＭを強制的に燃焼するように制御するため、排気浄化装置内のＰＭの燃焼時期を精度よく判定し、ＰＭ燃焼に伴う燃費の悪化代を抑制することができる。またＰＭ燃焼時期を制御できるため、ＰＭの異常燃焼を防止できる。

また、ＰＭ量算出手段が、排気浄化装置に流入するＰＭ量と、前記強制再生手段により再生されるＰＭ量とからＰＭ量を算出するため、堆積したＰＭ量を精度よく算出できる。

第２の発明は、排気浄化装置に流入するＰＭ量が、エンジンの運転領域毎に設定された空気過剰率とＰＭ流入量との関係を示すマップを用いて算出されるため、空気過剰率から容易にＰＭ流入量を算出できる。

第３の発明は、エンジンの運転領域が、エンジンの運転条件毎に設定されたエンジン回転速度と燃料噴射量との関係を示すマップを用いて設定されるため、エンジンの運転領域を正確に設定することができる。

第４の発明は、エンジンの運転領域が、エンジン回転速度と燃料噴射量とに応じて複数に分割されるため、運転領域を細かく設定でき、ＰＭ堆積量を精度よく算出できる。

第５の発明は、エンジンの運転領域が、エンジン回転速度と燃料噴射量とに応じて格子状に分割されるため、運転領域を細かく設定できる。

第６の発明は、エンジンの運転領域を、排気浄化装置に流入するＰＭ量に影響する要因のうち、空気過剰率を除く要因が一定となるように分割するため、ＰＭ堆積量を精度よく算出できる。

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、ディーゼルエンジン１１は燃料噴射装置１１、例えばコモンレール式燃料噴射装置を備える。ディーゼルエンジン１０のインテークマニフォールド１２に吸気通路１３が接続され、吸気通路１３に吸入空気量Ｇａを検出するためのエアフローセンサ１４が介装される。エンジン１０のエキゾーストマニフォールド１５に接続する排気通路１６には連続再生式フィルタ装置（以下、ＣＲ−ＤＰＦという）１７が介装される。燃料噴射装置１１を制御するのがコントロールユニット２０であり、ＣＲ−ＤＰＦ内に粒子状物質（ＰＭ）が堆積した場合に強制的に燃焼する際に用いる強制再生用の昇温制御マップが格納される。ＣＲ−ＤＰＦ１７の上流側の排気通路１６には排気通路中の排気温度Ｔｅｘおよび圧力Ｐｅｘを検出するためのセンサ１８、１９が設置され、その検出値はコントローラ２０に送られる。なお、エアフローセンサ１４の出力値Ｇａもコントローラ２０に出力される。さらには、エンジン１１の回転速度Ｎｅを検出する回転センサ２１がエンジン１０に設置され、その出力値もコントローラ２０に送られる。コントローラ２０は、入力された吸入空気量Ｇａ、エンジン回転速度Ｎｅおよび排気温度Ｔｅｘと、要求負荷から演算した燃料噴射量Ｇｆとを用いてＰＭ堆積量の算出を行う。

ＣＲ−ＤＰＦ１７は、ディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）と、その上流側に設置される酸化触媒とから構成される。ＤＰＦ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は、ＣＲ−ＤＰＦ１７の強制再生が必要な時期を判定すると、通常の強制再生を行わない場合に用いる通常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、必要があれば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−ＤＰＦ１７の雰囲気温度が所定値以上のときは、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。なお、ポスト噴射は、噴射された燃料をシリンダ内で燃焼させずに排出し、酸化触媒で酸化、燃焼させるための燃料噴射である。

図２は、強制再生実施時の制御内容を説明するフローチャートである。この制御はコントローラ２０により行われ、所定間隔で実施される。

まずステップ１（図中Ｓ１で示す。以下同様）で吸入空気量Ｇａ、エンジン回転速度Ｎｅ、排気温度Ｔｅｘと、排気圧力Ｐｅｘと、燃料噴射量Ｇｆとを読み込み、続くステップ２では、入力値からディーゼルエンジン１０の運転領域を判定し、ＤＰＦ１７の堆積する煤（Ｓｏｏｔ）の堆積量Ｗｓｏｏｔを演算し、それまでの煤の堆積量を積算する。さらにそのときの運転状態に基づいて、図３に示すマップから強制再生を実施する排気圧力Ｐｌｉｍｉｔを設定する。なお、煤の堆積量Ｗｓｏｏｔの演算方法については、後述する。

ステップ３では、算出した煤堆積量Ｗｓｏｏｔと煤堆積量の所定値Ｗｌｉｍｉｔとを比較し、ＷｓｏｏｔがＷｌｉｍｉｔより大きければステップ４に進み、Ｗｌｉｍｉｔ以下であればステップ１に戻り、入力値を読み込む。

続くステップ４では、読み込んだ排気圧力Ｐｅｘと排気の所定圧力Ｐｌｉｍｉｔとを比較し、ＰｅｘがＰｌｉｍｉｔを越えていればステップ５に進み、Ｐｌｉｍｉｔ以下であればステップ１に戻る。前記所定圧力Ｐｌｉｍｉｔは、図３に示すようなエンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとの関係から設定され、エンジンの回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆが大きくなるほどＰｌｉｍｉｔの値は大きく設定される。

なお本実施形態では、強制再生実行判定として、ステップ３で煤堆積量の判定及びステップ４で排気圧力の両方の判定で実行判定を行っているが、煤堆積量判定のみで実行判定を行ってもよい。

ステップ５では、煤の堆積量Ｗｓｏｏｔが煤の堆積量の所定値Ｗｌｉｍｉｔを越え、かつ排気圧力Ｐｅｘが所定圧力Ｐｌｉｍｉｔを越えていることから、煤の堆積量が強制再生を実施するレベルに達していると判断し、ＣＲ−ＤＰＦ１７の強制再生を実施する。この強制再生は、例えば、燃料噴射系を制御することで実施され、一例として燃料噴射時にポスト噴射を行うことで強制再生を行う。そして、所定時間経過後、ステップ６に進み、ＣＲ−ＤＰＦ１７の強制再生を終了する。なお、強制再生の終了の判断は、強制再生の実施時間ではなく、排気圧力に基づき判断してもよい。つまり、排気圧力Ｐｅｘが所定圧力Ｐｌｉｍｉｔ以下となったことを判定した時に強制再生を終了する。

また、煤堆積量の演算結果がゼロとなったことを判定した時に強制再生を終了してもよい。

したがって、この発明では、ＣＲ−ＤＰＦ１７の強制再生の実施時期を排気圧力に加えて煤の堆積量に基づき判断するため、強制再生時期をより精度よく判断することができる。これにより、不必要に強制再生を実施することを回避し、ＰＭ強制再生時の燃費の悪化を抑制することができる。

また、この強制再生制御では、ＰＭ堆積量と排気圧力に基づいて強制再生実施時期を判定したが、これに限らず、前回の強制再生実施時からの経過時間等に基づいて判定するようにしてもよい。

図４は、ステップ２に実施される煤の堆積量Ｗｓｏｏｔを演算する制御内容を説明するフローチャートである。この制御はコントローラ２０により実施され、実施のタイミングは、図２のフローチャートの制御と同時に実施する。

まずステップ１０で、吸入空気量Ｇａ、エンジン回転速度Ｎｅ、排気温度Ｔｅｘ、および燃料噴射量Ｇｆとを読み込み、続くステップ１１では、読み込んだ吸入空気量Ｇａ、エンジン回転速度Ｎｅ、燃料噴射量Ｇｆから空気過剰率λを演算する。

続くステップ１２では、エンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとの関係から運転領域を、図５に示すようなマップを用いて設定する。運転領域は、図に示すように燃料噴射量Ｇｆとエンジン回転速度Ｎｅとの関係において、複数に分割された燃料噴射量Ｇｆとエンジン回転速度Ｎｅとがそれぞれの交点で運転領域が設定されるように、格子状に複数に分割される。

このように運転領域を分割することで、煤の排出量に影響する要因を空気過剰率λのみとし、他の要因（例えば燃料噴射圧や噴射タイミング）を排除する。詳しく説明すると、煤の排出量は、空気過剰率λと高い相関関係を有するが、その他の要因として
１）燃料噴射圧力や燃料噴射時期といった燃料噴射系による影響
２）エンジン回転速度変化やスワールコントロールといった空気流動による影響
がある。格子状に分割された各領域は、空気過剰率λ以外の要因が一定と見なすことができるように分割された領域であり、このように領域を分割することで、煤の排出量を空気過剰率λのみで整理することができる。つまり各領域内では、空気過剰率λのみが煤の堆積量に影響する要因となる。

コントローラ２０には、設定された運転領域毎に図６に示すような空気過剰率λとエンジンからの煤の排出量（排出速度）との関係を表す特性が記憶される。このマップは、予め実験や計算により求められる。

そして、この図６に示すマップの特性と、ステップ１１で求められた空気過剰率λとからＣＲ−ＤＰＦ１７に流入する煤の流入量（言い換えるとエンジン１０から排出された煤の量）Ｗ１が求められる。

続くステップ１３では、ＣＲ−ＤＰＦ１７で再生される煤の再生量Ｗ２を、読み込んだ排気温度Ｔｅｘと吸入空気量Ｇａを用いて図７に示すマップから推定する。煤の再生量は、図７に示すようにある温度以上の高温域で効率よく再生し、空気量の関係では空気量が多いほど再生量も増加する。なお、図７は予め実験等により測定し、その結果をマップとしてコントローラ２０に記憶しておくが、計算によって算出するようにしてもよい。

そしてステップ１４で、煤の流入量Ｗ１と再生量Ｗ２からＣＲ−ＤＰＦ１７に堆積する煤の変化量Ｗ３を演算し（Ｗ３＝Ｗ１−Ｗ２）、その瞬間での煤の堆積量Ｗｓｏｏｔ＿ｎを堆積量の前回値Ｗｓｏｏｔ＿ｎ−１とＷ３とから演算する（Ｗｓｏｏｔ＿ｎ＝Ｗｓｏｏｔ＿ｎ−１＋Ｗ３）。

続くステップ１５で、演算された煤の堆積量Ｗｓｏｏｔ＿ｎをＷｓｏｏｔとして記憶する。

したがって、本発明では、ＣＲ−ＤＰＦ１７の強制再生時期を排気圧力に加えて煤の堆積量に基づき判断するため、強制再生時期をより精度よく判断することができるとともに、煤の堆積量を運転条件毎に複数の運転領域を設定するマップと、各運転領域毎に設定された空気過剰率λと煤の排出量との関係を表すマップとを用いて算出するために、精度よく煤の堆積量を推定することができる。

運転条件毎に複数の運転領域を設定するマップは、煤の堆積量に影響する空気過剰率λ以外の要因を排除するようにエンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとをそれぞれ複数に分割して、それぞれの交点毎に異なる運転領域を設定するように、運転領域を格子状に設定するようにした。このように運転領域を、エンジン回転速度および燃料噴射量に応じて細かく設定するため、煤の排出量を正確に算出することができる。

また、煤の堆積量を煤のＣＲ−ＤＰＦ１７への流入量Ｗ１と再生量Ｗ２とから算出するため、より精度よくＣＲ−ＤＰＦ１７の堆積量を算出することができる。

さらに煤の再生量は、排気温度とエンジンの吸入空気量とに応じて算出されるため、精度よく算出することができる。

ＰＭ燃焼に伴う燃費の悪化を抑制できるため、排気浄化装置を備えたディーゼルエンジン車両に有用である。

排気浄化装置の構成を説明する概要図である。強制再生実施時の制御内容を説明するフローチャートである。所定圧力Ｐｌｉｍｉｔを設定するためのマップである。煤の堆積量の算出を説明するフローチャートである。運転領域を設定するためのマップである。空気過剰率から煤の流入量を算出するためのマップである。排気の温度と煤の流入量との関係を示す図である。

符号の説明

１０ディーゼルエンジン
１１燃料噴射装置
１２インテークマニフォールド
１３吸気通路
１４エアフローセンサ
１５エキゾーストマニフォールド
１６排気通路
１７ＣＲ−ＤＰＦ
１８温度センサ
１９圧力センサ
２０コントローラ
２１回転センサ

Claims

エンジンの排気中に含まれるＰＭを捕集しつつ触媒作用により燃焼させる排気浄化装置において、前記排気浄化装置に流入するＰＭ量から連続再生されるＰＭ量を減じた値を積算して堆積したＰＭ量を算出するＰＭ量算出手段と、算出したＰＭ堆積量が所定堆積量を超えているかどうかを判定する堆積量判定手段と、前記排気浄化装置の上流側に設定されて排気通路中の排気圧力を検出する圧力検出手段と、検出した排気圧力が運転状態に応じて変化する所定圧力を超えているかどうかを判定する圧力判定手段と、前記算出したＰＭ堆積量が所定堆積量を超え、かつ前記排気圧力が所定圧力を越える場合に、前記排気浄化装置内のＰＭを強制的に燃焼するように制御する強制再生制御手段と、を備えることを特徴とする排気浄化装置。
前記排気浄化装置に流入するＰＭ量は、エンジンの運転領域毎に設定された空気過剰率とＰＭ流入量との関係を示すマップを用いて算出されることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
前記エンジンの運転領域は、エンジン回転速度と燃料噴射量との関係を示すマップを用いて設定されることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
前記エンジン回転速度と燃料噴射量との関係を示すマップは、エンジン回転速度と燃料噴射量とに応じて前記運転領域を複数に分割することを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
前記エンジン回転速度と燃料噴射量との関係を示すマップは、エンジン回転速度と燃料噴射量とに応じて前記運転領域を格子状に分割することを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置。
前記エンジンの運転領域は、前記排気浄化装置に流入するＰＭ量に影響する要因のうち、空気過剰率を除く要因が略一定となるように分割することを特徴とする請求項４または５に記載の排気浄化装置。