JP4432693B2 - エンジンの排気浄化装置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。 - Google Patents

Description

特許文献１に示されるように、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。

フィルタの再生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ことで行われる。このとき、フィルタ入口側および出口側の排気温度に基づいて微粒子が接しているフィルタの表面温度（以下「ベッド温度」という。）を算出し、このベッド温度が目標値になるようにエンジン制御を行うことにより効率よく排気微粒子を燃焼させるようにしている。
特開平５−１０６４２７号公報

エンジン排気中のＨＣやＣＯ（以下「未燃焼成分」という。）を酸化させるための触媒を担持したＣＳＦタイプのフィルタでは、再生時に排気微粒子の燃焼熱だけでなく、前記未燃焼成分が酸化するときの反応熱も発生している。この未燃焼成分による反応熱は前述したベッド温度の演算には考慮されていないため、再生制御にあたって必ずしも適切なベッド温度に制御できない。このため、目標温度に対して再生制御後のベッド温度が高くなりすぎ、あるいは未燃焼成分の排出量によってはフィルタに局所的な高温部分が生じてフィルタを劣化させるおそれがあった。

本発明では、酸化触媒を担持したフィルタにて排気微粒子を捕集し、該フィルタのベッド温度を高めて燃焼させることによりフィルタ再生を行うエンジンの排気浄化装置を前提として、フィルタ前後の温度計測結果から推測しまたはエンジン運転状態から推測した未燃焼成分量に基づいてベッド温度を補正する。
また、フィルタ出口側の排気温度を検出する。
さらに、演算した出口温度を、外気温度または圧力のいずれか一方もしくは両方に応じて補正する。
そして、未燃焼成分の反応による温度上昇分の演算は、計測した出口温度と補正された後の演算出口温度とに基づいて求められる。

本発明によれば、未燃焼成分の燃焼熱によるベッド温度の上昇分を補正して正確なベッド温度を知ることができるので、過熱によるフィルタの劣化を回避できると共に、再生制御の精度および効率を改善することができる。

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計測手段である温度センサ、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。２３は外気温度を検出する手段としての外気温度センサ、２４は外気の圧力を検出する手段としての圧力センサである。

２２はコントロールユニットであり、ＣＰＵ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、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および各演算手段、各補正手段として機能する。

コントロールユニット２２により実行される再生制御の概要は次の通りである。まず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捕集量（フィルタへの堆積量）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。微粒子捕集量の算出手法は種々知られているが、例えば負荷Qおよび回転数Neに応じて一定時間内にエンジンから排出される排気微粒子量を割り当てたテーブルを予め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し、または前記運転状態信号と差圧センサ１６からの信号とに基づいて算出することにより求める。

次いで、前記排気微粒子堆積量が再生を開始すべき基準値以上であるときには、運転状態を判定し、エンジンが再生可能域で運転をしているときには再生を開始する。前記再生可能域は、再生に必要な排気温度が効率よく得られる運転域がエンジンの特性に応じて設定されている。再生は、図１に示したエンジンシステムにおいては、例えばスロットルバルブ１１による吸気絞り、燃料噴射時期の遅角化、二次噴射、ＥＧＲ量減、可変ノズル２０の開度制御の何れかを実施し、微粒子再生に必要な３００℃以上の排気温度を確保するようにする。

前記再生制御中にはフィルタ１３のベッド温度を演算し、再生が効率よく行われかつ過熱を起こさない所定のベッド温度になるように前述のエンジン制御が行われる。

図２に、前記コントロールユニット２２により実行されるベッド温度演算に関する第１の実施形態に係るフローを示す。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。

図において、まずＳ１０１にて温度センサ１４からの信号に基づきフィルタ入口側の排気温度Tdpf_in_meaを計測する。次いでＳ１０２にて前記計測入口温度Tdpf_in_meaを用いてフィルタ出口側の排気温度Tdpf_out_calを演算する。出口温度Tdpf_out_calはエンジンの運転状態と入口温度Tdpf_in_meaとから推定できるので、例えばエンジン運転状態を表す燃料噴射量Qおよびエンジン回転数Neと入口温度Tdpf_in_meaとをパラメータとして出口温度Tdpf_out_calを付与するように予め設定しておいたマップを検索することで求めるようにする。

Ｓ１０３では前記演算出口温度Tdpf_out_calを用いてフィルタのベッド温度Tbed_calを演算する。この演算ベッド温度Tbed_calも前記エンジン運転状態と演算出口温度Tdpf_out_calとから予め設定しておいたマップを検索して求めることができる。

Ｓ１０４では、温度センサ１５からの信号に基づきフィルタ出口側の実排気温度Tdpf_out_meaを求め、次いでＳ１０５にて前記計測出口温度Tdpf_out_mea からＳ１０３での演算出口温度Tdpf_out_calを減じて、未燃焼成分の反応による温度上昇分ΔThc1を求める。

Ｓ１０６では、前述の温度上昇分Thc1をＳ１０３での演算ベッド温度Tbed_cal に加えて補正ベッド温度Tbed_corを算出する。

図３はフィルタ再生時の計算による各部の推定温度と実温度との関係を示している。図示したように計算上の出口温度とベッド温度に対して実際の出口温度とベッド温度は未燃焼成分の反応による発熱分だけそれぞれΔT1、ΔT2の温度差を生じている。本実施形態によれば、補正ベッド温度Tbed_corとして、前記未燃焼成分によるベッド温度の上昇分を含む実ベッド温度に近い値が得られる。このことから、Tbed_corを用いて前述したフィルタ再生制御を行うことにより、フィルタ再生を効率よく行えると共に、フィルタの過熱を防止してその保護を図ることが可能となる。

図５は、ベッド温度演算に関する第２の実施形態に係るフローである。Ｓ１０１〜Ｓ１０２の処理は図２と同一の処理であり、Ｓ４０４〜Ｓ４０７の処理は図２のＳ１０３〜Ｓ１０６と同一である。

この実施形態では、ＤＰＦ出口温度Tdpf_out_calに基づいてＤＰＦベッド温度Tbed_calを算出する際に、Ｓ４０１〜Ｓ４０３で外気温度、圧力に応じてＤＰＦ出口温度Tdpf_out_calを補正する点で図２と異なる。

Ｓ４０１で外気温度センサ２３、圧力センサ２４の検出値を読込む。

Ｓ４０２ではＳ４０１で読込んだ外気温度、圧力に基づいて、ＤＰＦ出口温度補正係数をマップ検索する。具体的には、例えば外気温度ごとに補正係数を設定したマップと、圧力ごとに補正係数を設定したマップを予め設定しておき、これを検索して外気温度に基づく補正係数、圧力に基づく補正係数をそれぞれ求めるようにする。

Ｓ４０３ではＳ４０２で求めた補正係数を用いてＤＰＦ出口温度Tdpf_out_calの補正を行う。

本実施形態によれば、外気温度、圧力等の環境要因が変化に応じてＤＰＦ出口温度Tdpf_out_calを補正するので、例えば、外気温が極低温の場合、ＤＰＦ再生時の着火遅れ時間が拡大して未燃成分が過剰供給され、この未燃焼成分の酸化反応に起因したＤＰＦの過昇温を防止してその保護を図ることができる。

図４はベッド温度演算に関する第３の実施形態に係るフローである。Ｓ１０１〜Ｓ１０３の処理は図２と同一であり、計測した入口温度Tdpf_in_meaに基づいて出口温度Tdpf_out_calおよびベッド温度Tbed_calを算出する。この実施形態では、未燃焼成分の反応による温度上昇分ΔTch2を、未燃焼成分量から算出するようにした点で図２の処理と異なる。

まずＳ２０４にて未燃焼成分であるＨＣとＣＯの排出量をマップ検索する。未燃焼成分の排出量はエンジン特性によって決まるので、予めエンジン運転状態、例えば前述した燃料噴射量Qと回転数Neをパラメータとして未燃焼成分の排出量を与えるマップを設定しておき、これを検索することで求めるようにする。

次いでＳ２０５にて前記未燃焼成分量からその反応時の発熱量、転化効率およびフィルタの熱容量から、未燃焼成分の反応によるベッド温度上昇分ΔTch2を算出する。

Ｓ２０６では、前述のようにして算出したベッド温度上昇分ΔTch2をＳ１０３にて算出したベッド温度Tbed_calに加えて補正ベッド温度Tbed_corを算出する。

この実施形態によれば、実際の未燃焼成分の排出量に基づいて補正ベッド温度Tbed_corを算出しているので、より高い精度を期待することができる。

図６はベッド温度演算に関する第４の実施形態に係るフローである。Ｓ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ２０４の処理は図４と同一であり、計測した入口温度Tdpf_in_meaに基づいて出口温度Tdpf_out_calおよびベッド温度Tbed_calを算出する。この実施形態では、未燃焼成分の反応による温度上昇分ΔTch3を算出する際に、吸気の温度、圧力に応じて未燃焼成分排出量の補正を行う点で図４と異なる。

Ｓ３０１で外気温度センサ２３、圧力センサ２４の検出値を読込む。

Ｓ３０２ではＳ３０１で読込んだ外気温度、圧力に基づいて、排出量補正係数をマップ検索する。具体的には、例えば外気温度をパラメータとして補正係数を与えるマップと、圧力をパラメータとして補正係数を与えるマップをそれぞれ設定しておき、これを検索して外気温度に基づく補正係数、圧力に基づく補正係数をそれぞれ求めるようにする。

Ｓ３０３では、Ｓ２０４で求めた未燃焼成分排出量に、Ｓ３０２で求めた外気温度、圧力に基づく補正係数をそれぞれ乗じて未燃焼成分の排出量の補正を行う。外気温度、圧力によってＤＰＦ再生時の着火遅れ時間は変化し、これに伴い未燃焼成分排出量も変化するが、この補正により、未燃焼成分排出量を精度良く算出することができる。

Ｓ３０４、Ｓ３０５では、Ｓ３０３で求めた補正後の未燃焼成分排出量を用いて図４のＳ２０５、Ｓ２０６と同様の処理を行い、未燃焼成分の反応によるベッド温度上昇分ΔTch３を算出し、これをＳ１０３にて算出したベッド温度Tbed_calに加えて補正ベッド温度Tbed_corを算出する。

本実施形態によれば、外気温度、圧力に基づいて着火遅れ時間の変化分だけ未燃焼成分の排出量を補正しているので、環境要件に応じて高い精度で補正ベッド温度Tbed_corを算出することができ、これにより、着火遅れ時間が拡大して未燃成分が過剰供給されることによる酸化反応に起因したＤＰＦの過昇温を防止して、その保護を図ることができる。

なお、Ｓ３０４では、未燃焼成分の排出量とＤＰＦ入口温度Tdpf_in_meaをパラメータとして未燃焼成分の反応によるベッド温度上昇分ΔTch３を与えるマップを用意しておき、これを検索してもよい。

また、Ｓ３０１〜Ｓ３０３で補正を行う代わりに、Ｓ２０４で検索するマップを外気温度、圧力ごとに用意しておき、Ｓ３０１で外気温度、圧力を読込んでから検索してもよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、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制御装置に適用可能である。

本発明を適用可能なエンジンシステムの概略図。 本発明のベッド温度演算の第１の実施形態に係る処理手順を示した流れ図。 再生時のベッド温度の特性を推定値との関係において示した特性線図。 本発明のベッド温度演算の第３の実施形態に係る処理手順を示した流れ図。 本発明のベッド温度演算の第２の実施形態に係る処理手順を示した流れ図。 本発明のベッド温度演算の第４の実施形態に係る処理手順を示した流れ図。

符号の説明

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
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

Claims (8)

1. エンジン排気中の未燃焼成分を酸化する触媒を担持した微粒子状物質捕集フィルタと、
   前記フィルタに捕捉した微粒子状物質を該フィルタのベッド温度を高めて燃焼させることにより前記フィルタの再生をする再生制御手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、
   前記フィルタ入口側の排気温度を検出する入口温度計測手段と、
   前記計測した入口温度に基づいてフィルタ出口側の排気温度を演算する出口温度演算手段と、
   前記計測した入口温度と演算した出口温度とに基づいて前記フィルタのベッド温度を演算するベッド温度演算手段と、
   前記未燃焼成分の反応による温度上昇分を演算する反応温度演算手段と、
   前記演算した反応による温度上昇分に基づいて前記ベッド温度を補正するベッド温度補正手段と、
   前記フィルタ出口側の排気温度を検出する出口温度計測手段を備え、
   さらに、外気温度を検出する手段と、
   外気の圧力を検出する手段と、
   前記演算した出口温度を、外気温度または圧力のいずれか一方もしくは両方に応じて補正する出口温度補正手段を備え、
   前記反応温度演算手段は、前記計測した出口温度と補正後の前記演算した出口温度とに基づいて前記未燃焼成分の反応による温度上昇分を演算し、
   前記再生制御手段は、前記補正したベッド温度が所定の再生温度となるように再生制御を行うことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. エンジン状態に基づいて未燃焼成分の排出量を演算する未燃焼成分排出量演算手段を備え、
   前記反応温度演算手段は、前記演算した未燃焼成分排出量に基づいて該未燃焼成分の反応による温度上昇分を演算する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 外気温度を検出する手段と、
   外気の圧力を検出する手段と、
   前記演算した未燃焼成分排出量を、外気温度または圧力のいずれか一方もしくは両方に応じて補正する未燃焼成分排出量補正手段を備え、
   前記反応温度演算手段は、補正後の前記演算した未燃焼成分排出量に基づいて該未燃焼成分の反応による温度上昇分を演算する請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記出口温度演算手段は、
   フィルタ入口側の排気温度とエンジン運転状態とに基づいてフィルタ出口側の排気温度を付与するように予め形成されたマップを検索して出口温度を演算するように構成した請求項１から請求項３の何れかに記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記ベッド温度演算手段は、
   フィルタ入口側の排気温度とエンジン運転状態とに基づいてベッド温度を付与するように予め形成されたマップを検索してベッド温度を演算するように構成した請求項１から請求項３の何れかに記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記エンジン運転状態は、エンジンの回転数と負荷代表値としての燃料噴射量とを含む請求項１から請求項３の何れかに記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 前記再生制御手段は、
   前記フィルタの再生時には、前記補正したベッド温度に基づき、当該ベッド温度が所定の再生温度となるようにエンジン排気温度を制御してフィルタの再生を行う請求項１から請求項３の何れかに記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記再生制御手段は、
   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、
   の少なくともいずれか一つを適用してエンジン排気温度を上昇させる請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
   

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