JP4370942B2 - Engine exhaust purification system - Google Patents
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Description
本発明はエンジンの排気浄化装置に関し、詳しくはエンジン排気中の微粒子状物質を捕集するフィルタの再生処理技術の改良に関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an engine, and more particularly, to improvement of a regeneration processing technique for a filter that collects particulate matter in engine exhaust.
ディーゼルエンジン等から排出される微粒子状物質(以下「排気微粒子」という。)を浄化処理するためにエンジン排気系統にフィルタを設け、捕捉した排気微粒子を所定のインターバルで酸化もしくは焼却することによりフィルタ再生するようにした装置が知られている。
フィルタで捕捉した排気微粒子の処理には従来は電気ヒータを用いるものが多く提案されているが、近年では燃料噴射時期の遅角化や二次噴射などエンジン制御により排気温度を上昇させるようにしたものが構造、信頼性、コストの面から注目されている。しかしながら、従来のエンジン制御による処理手法では、発生熱量が少ないアイドル運転時には燃費悪化を避けるために再生を行わないようにしていたので、アイドル運転が長時間続くとフィルタ内に排気微粒子が過度に堆積してしまうおそれがあった。 In the past, many methods using an electric heater have been proposed for the treatment of exhaust particulate captured by a filter, but in recent years the exhaust temperature has been raised by engine control such as retarding the fuel injection timing or secondary injection. Things are attracting attention in terms of structure, reliability and cost. However, in the conventional processing method based on engine control, regeneration is not performed during idle operation where the amount of generated heat is low in order to avoid deterioration of fuel consumption. Therefore, excessive exhaust particles accumulate in the filter when idle operation continues for a long time. There was a risk of doing so.
本発明では、エンジン制御によりフィルタ再生を開始する基準値として、負荷の高いエンジン運転状態にて再生を開始させるための第1の堆積量基準値に加えて、これよりも大きな第2の堆積量基準値を設定し、アイドル時など負荷の低いエンジン運転状態では微粒子堆積量がこの第2の堆積量基準値以上となったときにフィルタ再生を開始させる。 In the present invention, as a reference value for starting filter regeneration by engine control, in addition to the first accumulation amount reference value for starting regeneration in a high-load engine operating state, a second accumulation amount larger than this is set. A reference value is set, and filter regeneration is started when the particulate accumulation amount becomes equal to or greater than the second accumulation amount reference value in an engine operating state with a low load such as when idling.
負荷の高い運転状態のときは排気微粒子の堆積量が第1の堆積量基準値以上となったときに排気温度上昇によりフィルタ再生が行われ、排気微粒子の堆積が抑制される。一方、アイドル時など負荷の低い運転状態が継続したときには、排気微粒子の堆積量が第1の堆積量基準値よりも高い第2の堆積量基準値以上となったときに初めてフィルタ再生が開始される。 In an operation state with a high load, filter regeneration is performed by increasing the exhaust gas temperature when the amount of exhaust particulate accumulation reaches or exceeds the first accumulation amount reference value, and the accumulation of exhaust particulate is suppressed. On the other hand, when an operation state with a low load continues, such as during idling, filter regeneration is started only when the accumulation amount of exhaust particulates becomes equal to or higher than a second accumulation amount reference value that is higher than the first accumulation amount reference value. The
このように、フィルタ再生のためのエンジン制御を開始する基準値をエンジン運転状態に応じて段階的に設定したことにより、低負荷運転時において燃費悪化傾向となる排気温度上昇を行う機会を少なくしつつ排気微粒子の堆積を抑制することができる。 As described above, the reference value for starting engine control for filter regeneration is set stepwise according to the engine operating state, thereby reducing the chance of exhaust gas temperature rise that tends to deteriorate fuel consumption during low-load operation. In addition, accumulation of exhaust particulates can be suppressed.
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明を適用可能なエンジンシステムの一例を示している。図において、1はエンジンの本体、2は吸気通路、3は排気通路である。エンジン本体1には燃料噴射弁4と燃料噴射ポンプ5が取り付けられている。吸気通路2には、上流側からエアクリーナ6、エアフロメータ7、排気ターボチャージャ8のコンプレッサ9、インタークーラ10、スロットルバルブ11が介装されている。排気通路3には、上流側から排気ターボチャージャ8のタービン12、排気微粒子を捕集するフィルタ(DPF)13が介装されている。14と15はそれぞれフィルタ13の入口温度と出口温度を検出する温度センサ、16はフィルタ12の前後圧力差を検出する圧力センサである。17は吸気通路2と排気通路3とを連通するEGR通路であり、その途中にEGRバルブ18とEGRクーラ19が介装されている。排気ターボチャージャ8はそのタービン12に流入する排気の流速を加減することができる可変ノズル20を備えている。21はエンジン回転数およびクランク位置を検出するクランク角センサである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of an engine system to which the present invention can be applied. In the figure,
22はコントロールユニットであり、CPU、メモリおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されている。コントロールユニット22は、前記各種センサからの信号に基づき、燃料噴射時期、燃料噴射量、スロットルバルブ開度、EGR量、可変ノズル開度等を制御すると共に、フィルタ13の微粒子堆積量を算出する堆積量算出手段およびエンジン制御により排気温度を上昇させる再生制御手段として機能する。
図2は、前記コントロールユニット22により実行されるフィルタ再生制御のフローを表している。このフローは一定時間ごとに周期的に実行される。以下の説明およびフロー中で符号Sを付して示した数字は処理ステップ番号である。
FIG. 2 shows a flow of filter regeneration control executed by the
この制御では、まずS1にてエンジン運転状態としてバックグラウンドで常時的に検出している負荷Qと回転数Neとを用いて排気微粒子の堆積量PM1を算出する。負荷Qはその代表値として燃料噴射量指令値又はアクセルペダル開度を使用し、回転数Neはクランク角センサ21の信号を読み取っている。微粒子堆積量の算出手法は種々知られているが、例えば図3に示したように負荷Qおよび回転数Neに応じて一定時間Δt1内にエンジンから排出される排気微粒子量(排出PM量)を割り当てたテーブルを実験的に作成しておき、その一定時間毎の読み取り値を積算することで、例えば、PM1=PM1(i)=PM(i-1)+f(Q,Ne)のように微粒子堆積量PM1を求められる。ここで、PM(i-1)は、前回、ステップS1で計算された微粒子堆積量である。PM1(i)は、現在の微粒子堆積量である。PM排出レートf(Q,Ne)は一定時間Δt1内にエンジンから排出される微粒子状物質量である。一定時間は、ステップS1が繰り返される時間間隔である。PM排出レートf(Q,Ne)は、図3のマップをルックアップして、エンジン負荷QおよびエンジンスピードNeに基づいて定められる。制御ルーチンスタート時にPM(i-1)は初期値PM0に設定されている。フィルタが完全に再生された後(ステップS10の後)制御ルーチンがスタートする場合、初期値PM0はゼロである。フィルタが不完全に再生された後(ステップS8の後)制御ルーチンがスタートする場合、初期値PM0はゼロでない。 In this control, first, the exhaust particulate accumulation amount PM1 is calculated using the load Q and the rotational speed Ne that are constantly detected in the background as the engine operating state in S1. The load Q uses the fuel injection amount command value or the accelerator pedal opening as a representative value, and the rotation speed Ne reads the signal of the crank angle sensor 21. Various methods for calculating the amount of accumulated particulates are known. For example, as shown in FIG. 3, the amount of exhaust particulates (exhaust PM amount) discharged from the engine within a predetermined time Δt1 according to the load Q and the rotational speed Ne is shown. By experimentally creating the assigned table and accumulating the readings at regular intervals, for example, PM1 = PM1 (i) = PM (i-1) + f (Q, Ne) A particulate deposition amount PM1 is obtained. Here, PM (i-1) is the amount of fine particle accumulated previously calculated in step S1. PM1 (i) is the current amount of particulate deposition. The PM discharge rate f (Q, Ne) is the amount of particulate matter discharged from the engine within a certain time Δt1. The fixed time is a time interval in which step S1 is repeated. The PM discharge rate f (Q, Ne) is determined based on the engine load Q and the engine speed Ne by looking up the map of FIG. PM (i-1) is set to the initial value PM0 at the start of the control routine. If the control routine starts after the filter has been completely regenerated (after step S10), the initial value PM0 is zero. If the control routine starts after the filter has been regenerated incompletely (after step S8), the initial value PM0 is not zero.
S2では前記排気微粒子堆積量PM1が堆積量基準値PMn以上であるか否かを判定する。PMnはフィルタ再生を行う必要があるか否かの第1の判定基準値となるものであり、PM<PMnのときはフィルタ再生をする必要がないので何もせずにフローの初めに戻る。PM≧PMnのときは、S3にて平均運転状態を判定する。これは制御の安定性を確保するために、例えば過去5分間の運転状態(Q,Ne)の平均値を算出し、それが図4に示したようなマップ上のどの点にあたるかを判定する。 In S2, it is determined whether or not the exhaust particulate deposition amount PM1 is equal to or greater than the deposition amount reference value PMn. PMn is a first criterion value for determining whether or not it is necessary to perform filter regeneration. When PM <PMn, there is no need to perform filter regeneration, and the process returns to the beginning without doing anything. When PM ≧ PMn, the average operating state is determined in S3. In order to ensure the stability of the control, for example, the average value of the operation state (Q, Ne) for the past 5 minutes is calculated, and it is determined which point on the map as shown in FIG. .
前記領域判定においてアイドルを含む低負荷領域(図4のA領域)であると判定された場合には、次いでS4にて低負荷領域での堆積量PM2を前記PM1と同様のテーブル検索の手法で運転状態に応じて算出し、S5にてこれをPM1に加えたものを新たにPM1とする。 If it is determined in the region determination that the region is a low load region including the idle (A region in FIG. 4), then in S4, the accumulation amount PM2 in the low load region is determined by the same table retrieval method as that for PM1. The calculation is made according to the operating state, and the result obtained by adding this to PM1 in S5 is newly set as PM1.
S6では現在の運転状態が低負荷領域(図4のA領域)内に維持されているかを判定し、維持されていればS7にて前記PM1を第2の堆積量基準値PMeと比較する。PMeは図5にも示したように第1の基準値PMnよりも大きく、フィルタ13の許容最大堆積量Pmaxよりも小さな値に設定されている。例えば、PMeは、Pmaxの90%、PMnはPmaxの70%に設定される。許容最大堆積量Pmaxは、それ以上ではフィルタの詰りによりエンジントラブルが発生する堆積量であるか、或いはそれ以上では微粒子がフィルタを通って外部に排出される堆積量である。この判定においてPM1<PMeであるときはS4の処理に戻り、低負荷領域である限りPM2の算出およびPM1の更新を繰り返す。
In S6, it is determined whether or not the current operation state is maintained in the low load region (A region in FIG. 4). If it is maintained, the PM1 is compared with the second deposition amount reference value PMe in S7. As shown in FIG. 5, PMe is set to a value that is larger than the first reference value PMn and smaller than the allowable maximum deposition amount Pmax of the
S7の判断においてPM1≧PMeとなったときには、S8においてバランスポイント再生処理(BPT再生処理)を実施する。BPT再生処理とは、この再生モード(S8)に入ったときに残存するフィルタ13の微粒子堆積量を増やしもせず減らしもしないようにする制御のことである。これは、低車速走行の多い運転モードでは、フィルタ13に堆積している微粒子のすべてを例えば5分間連続走行で燃焼し切るには無理があるので、フィルタ13の微粒子堆積量を増やすこともせず減らすこともしないように現状を維持させ、車速が高速度側の再生モード(S10)になったときに、フィルタ13に堆積している微粒子のすべてを例えば5分間連続走行で燃焼し切るようにするものである。
When PM1 ≧ PMe is satisfied in the determination of S7, a balance point reproduction process (BPT reproduction process) is performed in S8. The BPT regeneration process is a control that does not increase or decrease the amount of particulates deposited on the
具体的には、再生処理を開始し、排気温度を目標値(約400℃)へと上昇させると、フィルタ13に堆積している微粒子が穏やかに燃焼する。その一方で、フィルタ13の再生処理中にも排気中の微粒子が流入してきてフィルタ13のベッドに堆積する。そこで、フィルタ13に流入してきてベッドに堆積する微粒子の量と、燃焼によりベッドより消失する微粒子量とが一致するようにフィルタ13に流入してくる微粒子量を調整する(減少させる)。
Specifically, when the regeneration process is started and the exhaust temperature is raised to a target value (about 400 ° C.), the fine particles deposited on the
図2A内、S11、12、13がBPT再生処理のフローチャートである。S11では排気温度を目標値(約400℃に設定)まで昇温手段を用いて上昇させる。昇温手段としては、メイン噴射を制御するもの、メイン噴射時期をリタードするもの、吸気絞り(吸気量制御)を行うもの、燃料のポスト噴射量を増加させるもの、ポスト噴射時期をリタードさせるもの、可変ノズル排気ターボチャージャのノズル開度制御、EGR制御が考えられる。また、昇温手段として、エアコンプレッサやオルタネータなどの補機類の負荷を増大すること(補機類負荷制御)も考えられる。なお、BPT再生では、排気温度上昇制御に伴う燃費の悪化を最小限に抑制できる。 In FIG. 2A, S11, 12, and 13 are flowcharts of the BPT reproduction process. In S11, the exhaust temperature is raised to the target value (set to about 400 ° C.) using the temperature raising means. As the temperature raising means, those for controlling the main injection, those for retarding the main injection timing, those for performing the intake throttle (intake amount control), those for increasing the post injection amount of fuel, those for retarding the post injection timing, The nozzle opening degree control and EGR control of the variable nozzle exhaust turbocharger can be considered. Further, it is conceivable to increase the load of auxiliary equipment such as an air compressor and an alternator (auxiliary equipment load control) as a temperature raising means. In the BPT regeneration, the deterioration of the fuel consumption accompanying the exhaust temperature increase control can be suppressed to the minimum.
S12では、スモーク低減運転を行い、S13ではフィルタ13の前後差圧が増加したかどうかをみる。フィルタ13前後差圧が増加すれば、フィルタ13に流入してベッドに堆積する微粒子量のほうが、燃焼によりベッドより消失する微粒子量を上回っていると判断してS12に戻りスモーク低減運転を継続する。
In S12, the smoke reduction operation is performed, and in S13, it is checked whether or not the differential pressure across the
ここで、スモーク低減とは微粒子低減の別表現であり、フィルタ13前後差圧が増加すればスモーク低減運転を行うことで、この再生モードに入ったときに残存するフィルタ13の微粒子堆積量を、増やしもせず減らしもしないようにすることができる。
Here, the smoke reduction is another expression of the particulate reduction, and if the differential pressure across the
S12の機能を果たす手段(スモーク低減運転手段)としては、EGR量を低減するもの、パイロット噴射量を低減するもの(ディーゼルエンジンの場合)、パイロット噴射のインターバルを大きくするもの、吸気ポートのすぐ上流位置に設けているスワールコントロールバルブを閉じてスワール強さを強化するものが考えられる。 Means for performing the function of S12 (smoke reduction operation means) are those that reduce the EGR amount, those that reduce the pilot injection amount (in the case of a diesel engine), those that increase the pilot injection interval, immediately upstream of the intake port It can be considered that the swirl strength is increased by closing the swirl control valve at the position.
また、S13でフィルタ前後差圧が増加したか否かを判断するには、例えば次のようにすればよい。すなわち、この再生モードに入った直後のフィルタ13の前後差圧を差圧センサ16により検出してこれをメモリに記憶しておき、その後に差圧センサ16により検出される実際のフィルタ前後差圧とこのメモリ値を比較し、実際のフィルタ前後差圧がこのメモリ値より増えるとフィルタ前後差圧が増加したと、この逆に実際のフィルタ前後差圧がこのメモリ値以下であればフィルタ前後差圧が増加していないと判断させればよい。
Further, in order to determine whether or not the differential pressure across the filter has increased in S13, for example, the following may be performed. That is, the differential pressure before and after the
一方、前記S3またはS6の運転領域判断において高負荷領域と判定された場合には、S10の高負荷領域での再生処理のサブルーチンを実施する。これは、例えば図4に示した比較的低負荷のB領域では燃費悪化を抑制するために定量再生を行い、より負荷が高く排気の熱量も大きいC領域では再生のための燃費の負担が少ないことから堆積微粒子がなくなるまで処理を続ける完全再生を行う。なお、D領域は排気温度制御を行うまでもなく再生に十分な排気温度が得られる自然再生領域である。 On the other hand, if it is determined in the operation region determination of S3 or S6 that the region is a high load region, a regeneration processing subroutine in the high load region of S10 is executed. This is because, for example, in the B region with a relatively low load shown in FIG. 4, quantitative regeneration is performed in order to suppress deterioration in fuel consumption, and in the C region where the load is higher and the amount of heat of exhaust is large, the burden of fuel consumption for regeneration is small. Therefore, complete regeneration is continued until the accumulated particulates disappear. The region D is a natural regeneration region where an exhaust temperature sufficient for regeneration can be obtained without performing exhaust gas temperature control.
この制御では、低負荷領域内での運転域判断処理(S6)では瞬時運転状態にて高負荷時再生処理に移行させているが、これにより再生効率の高い高負荷運転状態への移行に対応して速やかに再生を行わせることができる。この高負荷時再生処理が終了した後は再び図2の処理の当初に戻り、微粒子堆積量と運転領域に応じた再生処理を繰り返す。 In this control, in the operation region judgment processing (S6) in the low load region, the transition is made to the regeneration processing at the time of high load in the instantaneous operation state, thereby responding to the transition to the high load operation state with high regeneration efficiency. Thus, the reproduction can be performed promptly. After the high load regeneration process is completed, the process returns to the beginning of the process of FIG. 2 again, and the regeneration process according to the amount of accumulated particulates and the operation region is repeated.
本発明の排気浄化装置は、ディーゼルエンジンなどの自動車エンジンの排気浄化装置として利用できる。 The exhaust emission control device of the present invention can be used as an exhaust emission control device for automobile engines such as diesel engines.
1 エンジン本体
2 吸気通路
3 排気通路
4 燃料噴射弁
5 燃料噴射ポンプ
7 エアフロメータ
8 排気ターボチャージャ
9 コンプレッサ
11 スロットルバルブ
12 タービン
13 フィルタ
17 EGR通路
18 EGRバルブ18
20 ターボチャージャの可変ノズル
21 クランク角センサ
22 コントロールユニット
DESCRIPTION OF
20 Variable nozzle of turbocharger 21
Claims (8)
負荷を含むエンジン運転状態を検出する手段と、
エンジン運転状態に基づいてフィルタの微粒子堆積量を算出する堆積量演算手段と、
エンジン制御により排気温度を上昇させるフィルタ再生制御手段と、を備え、
前記再生制御手段は、高負荷の運転状態において再生を開始する第1の堆積量基準値と、アイドル運転状態において再生を開始する第2の堆積量基準値とを有し、かつ前記第2の堆積量基準値は第1の堆積量基準値よりも大に設定されていること
を特徴とするエンジンの排気浄化装置。 A filter that collects engine exhaust particulates;
Means for detecting engine operating conditions including load;
A deposition amount calculating means for calculating a particulate deposition amount of the filter based on an engine operating state;
Filter regeneration control means for raising the exhaust temperature by engine control,
The regeneration control means has a first accumulation amount reference value for starting regeneration in a high-load operation state, and a second accumulation amount reference value for starting regeneration in an idle operation state, and the second The engine exhaust gas purification apparatus, wherein the accumulation amount reference value is set to be larger than the first accumulation amount reference value.
再生を開始する第2の堆積量基準値を適用する運転状態として、アイドル運転状態と所定の低負荷運転状態が設定されている請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。 The reproduction control means includes
The engine exhaust gas purification apparatus according to claim 1, wherein an idle operation state and a predetermined low load operation state are set as an operation state to which the second accumulation amount reference value for starting regeneration is applied.
第2の堆積量基準値を適用する低負荷の運転状態では、フィルタに流入して堆積する微粒子量と燃焼により消失する微粒子量とを一致させるバランスポイント再生を行う請求項1または請求項2に記載のエンジンの排気浄化装置。 The reproduction control means includes
The balance point regeneration in which the amount of particulates flowing into the filter and depositing and the amount of particulates disappearing by combustion is made to coincide with each other in a low-load operation state where the second deposition amount reference value is applied. The engine exhaust gas purification apparatus as described.
第1の堆積量基準値を適用する高負荷の運転状態では完全再生を行う請求項1または請求項2に記載のエンジンの排気浄化装置。 The reproduction control means includes
The exhaust emission control device for an engine according to claim 1 or 2, wherein complete regeneration is performed in a high-load operation state to which the first accumulation amount reference value is applied.
前記何れの堆積量基準値を適用するかを、運転状態を所定時間平均した結果に基づいて決定し、ただし第2の堆積量基準値に基づく再生中は、運転状態が第1の堆積量基準値を適用すべき高負荷の運転状態となったときただちに第1の堆積量基準値による再生制御に移行する請求項4に記載のエンジンの排気浄化装置。 The reproduction control means includes
Which deposition amount reference value is to be applied is determined based on a result obtained by averaging the operation state for a predetermined time. However, during regeneration based on the second deposition amount reference value, the operation state is the first deposition amount reference. 5. The engine exhaust gas purification apparatus according to claim 4, wherein the engine control system immediately shifts to regeneration control based on the first accumulation amount reference value when a high load operating state to which the value is to be applied is entered.
燃料噴射時期制御、燃料噴射量制御、可変ノズル排気ターボチャージャのノズル開度制御、EGR制御、吸気量制御、補機類負荷制御、の何れかを適用して行う請求項1または請求項2に記載のエンジンの排気浄化装置。 The engine control for raising the exhaust temperature is
3. The fuel injection timing control, the fuel injection amount control, the nozzle opening control of the variable nozzle exhaust turbocharger, the EGR control, the intake air amount control, and the auxiliary machinery load control are applied to any one of claims 1 and 2. The engine exhaust gas purification apparatus as described.
エンジン運転状態を負荷とエンジン回転数とに基づいて判定する請求項1または請求項2に記載のエンジンの排気浄化装置。 The reproduction control means includes
The engine exhaust purification device according to claim 1 or 2, wherein the engine operating state is determined based on a load and an engine speed.
エンジン負荷と回転数とから微粒子堆積量を与えるテーブルを参照することにより堆積量を算出する請求項1または請求項2に記載のエンジンの排気浄化装置。 The accumulation amount calculating means includes:
The exhaust emission control device for an engine according to claim 1 or 2, wherein the accumulation amount is calculated by referring to a table that gives the particulate accumulation amount from the engine load and the rotational speed.
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