JP4365724B2

JP4365724B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4365724B2
Application number: JP2004127097A
Authority: JP
Inventors: 隆幸足立; 彰川上
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: JP2005307878A

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、連続再生式の排気浄化装置（CR-DPF：Continuous Regeneratoin-Diesel Particulate Filter）の開発が注目される。連続再生式の排気浄化装置は、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、触媒の作用によりその堆積PMを連続的に自然再生（燃焼除去）するものである。このような排気浄化装置においても、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、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、フィルタの過剰に堆積する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、必要な時期に堆積PMの積極的な燃焼除去（強制再生）が行われるのである。

強制再生の必要な時期（強制再生時期）を判定する手法については、フィルタ前後の差圧から強制再生時期を判定する手法が試行される。特許文献１においては、連続再生式の排気浄化装置でないが、フィルタ前後の差圧を検出する手段、この差圧とフィルタに流入する排気の体積流量とからフィルタのPM堆積量を推定する手段、PM堆積量の推定が所定の判定値を超えるとフィルタの加熱手段（電気ヒータ）を制御する手段、を備えるものが開示される。
特開平８−２８４６４４号

フィルタ前後の差圧は、フィルタのPM堆積量を敏感に反映しづらく、フィルタの目詰まり状態がある程度以上に進行しないと検出しえない。エンジンが過渡運転状態の場合、フィル前後の差圧は、PM堆積量が一定の場合においても、大きく変化しやすい。また、フィルタのある程度以上の目詰まり状態においても、これを検出するのに十分なレベルにならない可能性が考えられる。連続再生式の排気浄化装置においては、フィルタのPM堆積量は、運転時間から単純に推定しがたいので、フィルタ前後の差圧から判定することになるが、フィルタの熱的劣化を防止する観点から、判定値を低めに設定すると、実際のPM堆積量は再生の必要がないのに強制再生が行われることになり、燃費の劣化（熱源の消費量が大きくなる）を誘発する一方、過度運転状態の検出精度を考慮せずに判定値を設定すると、PM堆積量の強制再生が遅れ、再生時に過剰なPM堆積量が異常燃焼を生じやすくなる、という不具合が懸念されるのである。

この発明は、このような課題を踏まえつつ、その有効な解決手段の提供を目的とする。

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つつ触媒の作用によりその堆積PMを燃焼させる排気浄化装置において、フィルタ前後の差圧を検出する検出手段と、差圧の検出値に基づいて強制再生が必要な時期かどうかを判定する判定手段と、差圧に基づく強制再生時期の判定を特定の運転状態に制限する制限手段と、特定の運転状態のときにエンジン回転を所定の差圧検出回転数に維持する制御を行う制御手段と、強制再生が必要な時期との判定を受けるとフィルタを積極的に昇温させる昇温手段と、を備え、前記制御手段は、エンジン回転を差圧検出回転数に維持する制御の継続時間を計測する手段と、前記継続時間が所定時間になるとエンジン回転の制御を通常の制御に復帰させる手段と、を備え、前記差圧検出回転数は、通常のアイドル回転数よりも高い回転数であり、前記継続時間は、エンジンの始動時点からの経過時間であることを特徴とする。

第１の発明においては、強制再生が必要な時期の判定は、特定の運転状態に制限され、エンジン回転を所定の差圧検出回転数に制御しつつ行われる。過渡運転状態が避けられ、エンジン回転が差圧検出回転数となり、差圧の検出に十分な排気流量が確保され、強制再生時期を正確に判定しえるようになる。車両に排気浄化装置が搭載の場合、特定の運転状態は、エンジン回転を差圧検出回転数に制御する関係から車両の停車時に制限される。強制再生時期を判定すると、フィルタを積極的に昇温する処理が行われ、PM堆積量が燃焼除去が促進される。

また、エンジン回転を差圧検出回転数に維持する制御は、その制御の継続時間（計測時間）が所定時間になると、エンジン回転の通常制御に戻される。エンジン回転を差圧検出回転数に維持する制御中の検出差圧に基づいて、強制再生時期を正確に判定しえるのである。エンジン回転を差圧検出回転数に維持する制御を時間的に規制することにより、燃費の悪化も必要最小限に抑えられる。

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，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，排気絞り弁１６，連続再生式フィルタ装置１７（CR-DPF）、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、通常制御のほか、強制再生用の昇温制御１，２が設定される。１８はEGR（排気還流）装置のEGRバルブ、１９はターボ過給機１２のタービンを迂回するターボバイパスの開閉バルブ（ターボバイパス弁）である。

CR-DPF１７は、DPF２１（Diesel Particulate Filter）と酸化触媒２２（DOC：Diesel Oxidation Catalyst ）とから構成される。DPF２１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、触媒再生型フィルタ（CSF：Catalyzed Soot Filter）が採用される。DOC２２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やNOx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。

図８は、PM堆積量と排気温度との関係を表す例示するものであり、PM排出量＝PM燃焼量となる所定温度を上回る排気温度の運転状態のときは、PM燃焼量＞PM排出量となり、PM堆積量が減少する一方、所定温度を下回る排気温度の運転状態のときは、PM燃焼量＜PM排出量となり、PM堆積量が増加する。そのため、所定温度を下回る排気温度の運転状態が継続することにより、PM堆積量が許容値を超えると、エンジン性能の低下を回避するため、強制再生が必要となるのである。排気温度とDPF前後の差圧との関係ついても、定常運転を想定すると、PM堆積量と排気温度との関係と同様の傾向となる。

コントロールユニット２０においては、強制再生の適確な実行を確保するため、差圧の検出値に基づいて強制再生が必要な時期かどうかを判定する手段（図２のS6〜S14）、差圧に基づく強制再生時期の判定を特定の運転状態に制限する手段（図２のS1）、特定の運転状態のときにエンジン回転を所定の差圧検出回転数に制御する手段（図２のS2〜S5）、強制再生が必要な時期との判定を受けるとCR-DPF１７を積極的に昇温させる手段（図示せず）、が備えられるのである。

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（燃料噴射量）を検出するアクセル開度センサのほか、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２３、DOC２２の入口温度を検出する温度センサ２６とDPF２１の入口温度を検出する温度センサ２４とDPF２１の出口温度を検出する温度センサ２５、吸気流量を検出するエアフローセンサ２７、等が設けられる。

図２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、エンジン１０が特定の運転状態かどうかを判定する。特定の運転状態としてエンジン始動直後のアイドル運転時かどうかを判定するのである。S1の判定がyesのときは、S2へ進む一方、S1の判定がnoのときは、リターンに至る。S2においては、エンジン１０の始動時点からの経過時間Ｔ₁を計測するタイマが起動される。S3においては、タイマの経過時間Ｔ₁が設定時間Ｔ₂（例えば、15sec）を超過するかどうかを判定する。S3の判定がnoのときは、S5へ進み、エンジン回転を通常のアイドル回転よりも高い差圧検出回転数に制御する。S3の判定がyesのときは、S4へ進み、エンジン回転を通常のアイドル回転に制御する。

S2〜S5において、エンジン１０の始動直後からタイマの計測時間Ｔ₁が所定時間Ｔ₂になるでの間は、エンジン回転が通常のアイドル回転よりも高い差圧検出回転数に維持され、タイマの計測時間Ｔ₁が所定時間Ｔ₂を超えると、通常のアイドル制御に戻される。これにより、エンジン１０の回転数は、図３のように制御されるのである。

S6においては、差圧△Ｐ（差圧センサの検出信号）を読み込む。S7においては、DPF２１入口の排気温度（温度センサ２４の検出信号）を読み込み、図５のようなマップに基づいてDPF２１入口の排気温度と排気の基準温度（例えば、200℃）とから、これらに対応する粘性補正係数μを求める。S8においては、粘性補正係数μを用いて差圧△Ｐを排気が基準温度での差圧△Ｐ₁に換算する処理（△Ｐ₁＝△Ｐ×μ）を実行する。粘性補正係数μは、実測温度の排気の粘性と基準温度の排気の粘性との差に基づいて、排気が実測温度での差圧△Ｐを排気が基準温度での差圧△Ｐ１へ変換するための定数として設定されるのである。図５のマップにおいては、基準温度が１つに固定の場合、粘性補正係数μは、排気の実測温度（検出温度）のみをパラメータに検索されることになる。

S9においては、排気の体積流量Ｖを算出する。体積流量Ｖは、燃料噴射量（アクセル開度センサの検出信号）と吸入空気量（エアフローセンサ２７の検出信号）とから吸気の重量流量を求め、DPF２１入口の排気温度（温度センサ２４の検出信号）とDPF２１入口の排気圧力（差圧センサ２３により測定されるCR-DPF１７入口の排気圧力）とから排気の密度を求め、これらから体積流量Ｖ＝吸気の重量流量×排気の密度に算出される。S10においては、図６のようなマップから体積流量Ｖに対応する△Ｐ₂（判定値）を求める。図６のマップにおいては、強制再生が必要な量のPMがDPFに堆積した状態の差圧を排気の体積流量毎に基準温度での値に換算した差圧△Ｐ₂が設定され、体積流量Ｖの演算値からこれに対応する差圧△Ｐ₂（判定値）が求められるのである。

S11においては、△Ｐ₁＞△Ｐ₂かどうか、基準温度での差圧△Ｐ₁が体積流量Ｖに対応する基準温度での差圧△Ｐ₂を超えるかどうかを判定する。S11の判定がyesのときは、S12へ進み、タイマにより△Ｐ₁＞△Ｐ₂の成立時間Ｔ₃（継続時間）を計測する一方、S11の判定がnoのときは、S15へ進み、計測時間Ｔ₃＝０にリセットまたはリセット状態に保持する。S13においては、計測時間Ｔ₃が所定時間Ｔ₄を超えるかどうかを判定する。S13の判定がyesのときは、S14へ進み、DPF２１の強制再生が必要な時期と判定する。

コントロールユニット２０においては、S14の判定により強制再生処理のサブルーチン（図示せず）が実行される。差圧の判定値△Ｐ2に想定するPM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間が設定され、エンジン回転を差圧検出回転数に維持する制御から強制再生用の昇温制御に切り替わる。DPF２１入口の排気温度が触媒の反応に必要な所定値を下回るときは、昇温制御１に基づいて、触媒の予熱手段を駆動するほか、必要があれば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（アフタ噴射量の指令およびアフタ噴射時期の指令）を決定する一方、DPF２１入口の排気温度が触媒の反応に必要な所定値以上のときは、昇温制御２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（ポスト噴射量の指令およびポスト噴射時期の指令）を決定するのである。

エンジン回転を差圧検出回転数に維持する制御については、エンジン１０の始動直後から所定時間Ｔ₂の経過がカウント（計測）されるまで継続されるので、その間に暖機されるため、強制再生が必要と判定されると、その制御を効率よく開始しえることになる。DPF２１入口の排気温度が触媒の反応に必要な所定温度を下回るときは、触媒の予熱手段が制御され、必要があれば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が制御される。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、DPF２１の触媒も反応に必要な温度へ高められる。DPF２１入口の排気温度が触媒の反応に必要な所定温度以上になると、昇温制御１から昇温制御２へ切り替わり、ポスト噴射により、筒内に添加の燃料が触媒上で反応するため、その反応熱により堆積PMの燃焼処理が促進される。そして、DPF２１の入口温度が設定の強制再生温度以上となり、その状態が強制再生時間に及ぶと、昇温制御２から通常制御に戻され、強制再生処理を終了するのである。

触媒の予熱手段については、EGRバルブ１９，吸気絞り弁１４または排気絞り弁１６，ターボバイパス弁１９、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、ターボバイパス弁１９に代えて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。

S5においては、エンジン回転が通常のアイドル制御と異なる差圧検出回転数に維持する制御中にあることを警報する機能を設定する一方、S4においては、差圧検出回転数に維持する制御中の警報を停止する機能を設定すると良い。

このような構成により、強制再生が必要な時期の判定は、エンジン始動直後のアイドル運転時に制限され、エンジン回転を所定の差圧検出回転数に制御しつつ行われる。過渡運転状態においては、排気の体積流量Ｖの測定部（エアフローセンサ２７の検出部位）と差圧△Ｐの測定部（差圧センサ２３の検出部位）との間が離れるため、体積流量Ｖの測定部を通過する吸気流量と差圧△Ｐの測定部を通過する排気流量との間に時間的な遅れが生じる。この遅れは、過渡運転状況（アクセル開度の変化率など）により大きく変化する（図４、参照）。このため、差圧△Ｐの検出値から、DPF２１のPM堆積量（強制再生が必要かどうか）を判定しづらいのである。この実施形態においては、強制再生が必要な時期の判定がエンジン始動直後のアイドル運転状態に特定され、エンジン回転がアイドル回転よりも高い差圧検出回転数に制御されるので、差圧△Ｐの検出に必要な排気流量も安定状態に維持され、差圧△ＰからDPF２１のPM堆積量（強制再生が必要な時期）を適確に判定しえるのである。

差圧△Ｐの検出値は、排気の粘度補正係数μを用いて基準温度での差圧△Ｐ₁に換算され、差圧△Ｐ₁と比較される判定値についても、排気の体積流量Ｖに対応する、基準温度での値△Ｐ₂に換算され、これらを比較することにより、強制再生時期かどうかの判定においては、差圧△Ｐから排気温度や排気流量の影響が排除されるのである。しかも、エンジン始動直後のアイドル運転時において、エンジン回転を所定の差圧検出回転数に制御しつつ、図７のように判定値△Ｐ₂以上の差圧△Ｐ₁が継続する時間Ｔ₃が計測され、計測時間Ｔ₃が所定時間Ｔ₄に及ぶと、強制再生時期と判定するので、差圧△Ｐ₁が単に判定値△Ｐ₂を超えるだけで強制再生時期と判定する場合に較べると、差圧△Ｐ₁の経時的な変化からDPF２１が強制再生の必要なPM堆積量かどうかを間違いなく高精度に判定しえる。

強制再生時期の判定は、エンジン１０の始動毎に実行され、強制再生の必要を判定すると、昇温制御１，２によりDPF２１のPM堆積量が燃焼除去されるため、その後の運転状態において、DPF２１のPM堆積量が過剰となる（図８、参照）のを有効に防止できるのである。昇温制御２の対象は、燃料のポスト噴射に限定されるものでなく、CR-DPF１７上流の排気通路１５への燃料を添加する装置を設定することもできる。昇温制御１の対象は、既述の予熱手段のほか、エンジンの負荷を強制的に高める装置（リターダブレーキやエンジン駆動の補機類など）も利用しえる。

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特性図である。コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。

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（連続再生式フィルタ装置）
１８ EGRバルブ
１９ターボバイパス弁
２０コントロールユニット
２１ DPF（CSF）
２２ DOC
２３差圧センサ
２４〜２６温度センサ
２７エアフローセンサ

Claims

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触媒の作用によりその堆積PMを燃焼させる排気浄化装置において、
フィルタ前後の差圧を検出する検出手段と、
差圧の検出値に基づいて強制再生が必要な時期かどうかを判定する判定手段と、
差圧に基づく強制再生時期の判定を特定の運転状態に制限する制限手段と、
特定の運転状態のときにエンジン回転を所定の差圧検出回転数に維持する制御を行う制御手段と、
強制再生が必要な時期との判定を受けるとフィルタを積極的に昇温させる昇温手段と、を備え、
前記制御手段は、
エンジン回転を差圧検出回転数に維持する制御の継続時間を計測する手段と、
前記継続時間が所定時間になるとエンジン回転の制御を通常の制御に復帰させる手段と、を備え、
前記差圧検出回転数は、通常のアイドル回転数よりも高い回転数であり、
前記継続時間は、エンジンの始動時点からの経過時間であることを特徴とする排気浄化装置。