JP5570357B2 - 後処理バーナシステムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、後処理バーナシステムの制御方法に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中にパティキュレートフィルタを装備し、該パティキュレートフィルタを通して排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集するようにしているが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ないため、ＰｔやＰｄ等を活性種とする酸化触媒をパティキュレートフィルタに一体的に担持させるようにしている。

即ち、このような酸化触媒を担持させたパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となる。

但し、斯かるパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上回ってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがある。

そこで、パティキュレートフィルタの前段にフロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが考えられている。

つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

しかし、渋滞路ばかりを走行する都市部の路線バス等のように排気温度の低い運転状態が長く続く運行形態の車両にあっては、前段の酸化触媒が十分な触媒活性を発揮し得る触媒床温度まで昇温し難く、該酸化触媒における添加燃料の酸化反応が活発化してこないため、パティキュレートフィルタを短時間のうちに効率良く再生することができないという問題があった。

このため、近年においては、パティキュレートフィルタの入側にバーナを設け、該バーナの燃焼により車両の運転状態にかかわらず触媒を早期に暖めると共に、捕集済みパティキュレートを焼却し、パティキュレートフィルタを短時間のうちに効率良く再生させることが検討されている。

図３は従来の後処理バーナシステムの基本構成を示すもので、１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へ送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へ吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図３では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっており、又、前記ディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへ送られ、該タービン２ｂを駆動した後に排気管１１へ送り出されるようになっている。

そして、前記排気管１１の途中に、酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタ１２（排気浄化材）がマフラ１３に抱持されて装備されていると共に、該パティキュレートフィルタ１２の前段には、適量の燃料を噴射して着火燃焼せしめるバーナ１４が装備されている。

前記バーナ１４には、該バーナ１４の燃料噴霧を担う燃料噴射ノズル１５と、該燃料噴射ノズル１５から噴射された燃料に点火するための点火プラグ１６とが備えられ、前記燃料噴射ノズル１５には、図示していない燃料タンクから導入される燃料をエアタンクから供給される霧化用エアによって霧化するための燃料アトマイザ１７が接続される一方、前記点火プラグ１６には、通電により該点火プラグ１６にスパークを発生させるための点火コイル１８が接続されている。

又、前記バーナ１４より上流側における排気管１１には、制動時に該排気管１１を閉め切ることでディーゼルエンジン１をコンプレッサとして働かせる排気ブレーキ１９が設けられている。

更に又、前記吸気管５には、前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの下流から吸気４の一部を抜き出して燃焼用空気としてバーナ１４に導く燃焼用空気供給管２０が分岐接続され、該燃焼用空気供給管２０の途中には、燃焼用空気遮断弁２１が設けられている。

そして、前記燃料噴射ノズル１５からの燃料噴射は、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２２から前記燃料アトマイザ１７へ出力される作動信号１７ａによって制御され、前記点火プラグ１６でのスパークは、前記制御装置２２から点火コイル１８へ出力される点火信号１８ａによって制御され、更に、前記燃焼用空気遮断弁２１の開閉は、前記制御装置２２から出力される開弁信号２１ａによって制御されるようになっている。

ここで、前記バーナ１４の作動要求が生じた際には、図４に示される如く、前記燃焼用空気遮断弁２１が開かれ、前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの下流から吸気４の一部が抜き出されて燃焼用空気としてバーナ１４に導かれ、点火プラグ１６（図３参照）でのスパークが開始されると共に、前記燃料噴射ノズル１５からの燃料噴射がＯＮとなって開始され、前記バーナ１４における燃料の燃焼が行われるようになっている。

尚、前述の如き後処理バーナシステムと関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１や特許文献２がある。

特開２００９−９１９０９号公報 特開２０１０−４３５６３号公報

ところで、従来の後処理バーナシステムにおいては、運転室の排気ブレーキスイッチ（図示せず）が入った状態でのアクセルオフ時に、図４に示される如く、排気ブレーキ１９がＯＮ、即ち閉じられて作動したとしても、前記バーナ１４における燃料の燃焼はそのまま継続されるようになっている。

しかしながら、前記排気ブレーキ１９の作動中は、前記ターボチャージャ２のタービン２ｂの回転が低下し、コンプレッサ２ａの下流から抜き出され燃焼用空気としてバーナ１４に導かれる吸気４の量が減少するため、前記バーナ１４における燃料の燃焼が燃料リッチ状態となり、失火或いは不完全燃焼が起こり、煤がバーナ１４内部の点火プラグ１６や燃料噴射ノズル１５に過剰に堆積すると共に、ＨＣスリップが増加し、着火不良が発生しやすくなるという悪循環が生じ、燃焼性能が低下するという問題を有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、バーナ内部への煤の堆積並びにＨＣスリップの発生を最小限に抑えることができ、着火不良の発生を防いで高い燃焼性能を維持し得、信頼性向上を図り得る後処理バーナシステムの制御方法を提供しようとするものである。

本発明は、排気管の途中に排気ブレーキと排気浄化材とを配設し、該排気浄化材の上流にバーナを設け、該バーナにターボチャージャのコンプレッサの下流から吸気の一部を抜き出して燃焼用空気として導き、該バーナにおける燃料の燃焼により前記排気浄化材を加熱し得るようにした後処理バーナシステムの制御方法であって、
前記バーナにおける燃料の燃焼中、前記排気ブレーキが作動した際には、前記バーナにおける燃料噴射を停止し、
前記排気ブレーキの連続作動時間が設定時間を越えるまでは、前記バーナにおける燃料噴射を停止するのみで、該バーナへの燃焼用空気の供給と点火プラグでのスパークは継続し、前記排気ブレーキの連続作動時間が設定時間を越えた場合、前記バーナにおける燃料噴射だけでなく、前記バーナへの燃焼用空気の供給と点火プラグでのスパークをも停止し、バーナを消火することを特徴とする後処理バーナシステムの制御方法にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

前記排気ブレーキの作動中は、前記ターボチャージャのタービンの回転が低下し、コンプレッサの下流から抜き出され燃焼用空気としてバーナに導かれる吸気の量が減少するが、前記バーナにおける燃料の燃焼中、前記排気ブレーキが作動した際には、前記バーナにおける燃料噴射が停止されるため、前記バーナにおける燃料の燃焼が燃料リッチ状態とはならず、不完全燃焼が起こりにくくなり、煤がバーナ内部の点火プラグや燃料噴射ノズルに過剰に堆積することが避けられると共に、ＨＣスリップが増加せず、着火不良が発生しにくくなり、燃焼性能が低下する心配がなくなる。

前記後処理バーナシステムの制御方法においては、前記排気ブレーキの連続作動時間が設定時間を越えるまでは、前記バーナにおける燃料噴射を停止するのみで、該バーナへの燃焼用空気の供給と点火プラグでのスパークは継続し、前記排気ブレーキの連続作動時間が設定時間を越えた場合、前記バーナにおける燃料噴射だけでなく、前記バーナへの燃焼用空気の供給と点火プラグでのスパークをも停止し、バーナを消火するようにしてあるので、前記排気ブレーキの連続作動時間が設定時間を越える前に該排気ブレーキの作動が解除された場合には、バーナへの燃焼用空気の供給と点火プラグでのスパークは継続されているため、停止させていた燃料噴射を再開するだけで、即座にバーナにおける燃料の燃焼を再開することができ、排気ブレーキ作動前後での排気ガスの温度低下幅を最小限に抑えて、排気浄化材の再生や昇温制御の長期化を阻止することが可能となる一方、車両が長く緩い下り坂を走行するような時に、前記排気ブレーキの連続作動時間が設定時間を越えた場合、前記バーナにおける燃料噴射だけでなく、前記バーナへの燃焼用空気の供給と点火プラグでのスパークも停止され、バーナが消火されるため、該バーナの作動を無理に長引かせずに一旦リセットすることが可能となる。

本発明の後処理バーナシステムの制御方法によれば、バーナ内部への煤の堆積並びにＨＣスリップの発生を最小限に抑えることができ、着火不良の発生を防いで高い燃焼性能を維持し得、信頼性向上を図り得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の後処理バーナシステムの制御方法の実施例における燃焼用空気遮断弁と燃料噴射ノズルと排気ブレーキのタイミングチャートである。 本発明の後処理バーナシステムの制御方法の実施例における制御の流れを示すフローチャートである。 従来の後処理バーナシステムの基本構成を示す全体概要構成図である。 従来の後処理バーナシステムにおける燃焼用空気遮断弁と燃料噴射ノズルと排気ブレーキのタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明の後処理バーナシステムの制御方法の実施例であって、図中、図３及び図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図３及び図４に示す従来のものと同様であるが、本実施例の特徴とするところは、図１及び図２に示す如く、バーナ１４における燃料の燃焼中、排気ブレーキ１９が作動した際には、前記バーナ１４における燃料噴射を停止するようにした点にある。

ここで、前記バーナ１４の作動要求が生じた際には、図２のフローチャートに示す如く、燃焼用空気遮断弁２１が開かれ（ステップＳ１参照）、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの下流から吸気４の一部が抜き出されて燃焼用空気としてバーナ１４に導かれ、点火プラグ１６でのスパークがＯＮとなって開始される（ステップＳ２参照）と共に、燃料噴射ノズル１５からの燃料噴射がＯＮとなって開始され（ステップＳ３参照）、前記バーナ１４における燃料の燃焼が行われて燃焼制御が実施され（ステップＳ４参照）、パティキュレートフィルタ１２を強制再生するための再生制御、或いは、その下流側に配置される各種触媒（尿素水やＨＣを還元剤としてＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒等）の床温度を上げて活性化を促すための昇温制御が実施され（ステップＳ５参照）、その再生条件又は昇温条件がクリアされたか否かの判定が行われ（ステップＳ６参照）、該再生条件又は昇温条件がクリアされた時には、前記燃料噴射ノズル１５からの燃料噴射がＯＦＦとなって終了され（ステップＳ７参照）、前記点火プラグ１６でのスパークがＯＦＦとなって終了され（ステップＳ８参照）、前記燃焼用空気遮断弁２１が閉じられ（ステップＳ９参照）、前記燃焼用空気のバーナ１４への供給が終了され、該バーナ１４が消火され（ステップＳ１０参照）、後述するフラグがＯＦＦとされ（ステップＳ１１参照）、前記バーナ１４の作動が終了されるようになっている。

そして、本実施例の場合、前記ステップＳ６において、前記再生条件又は昇温条件がクリアされていない時に、排気ブレーキ１９が作動しているか否かの判定が行われ（ステップＳ１２参照）、該排気ブレーキ１９が作動している時には、前記燃料噴射ノズル１５からの燃料噴射のみがＯＦＦとなって一時的に停止され（ステップＳ１３参照）、燃料噴射の状態を判断するためのフラグがＯＮとされ（ステップＳ１４参照）、排気ブレーキ１９の連続作動時間が設定時間（Ｘ［ｓｅｃ］）を越えているか否かの判定が行われ（ステップＳ１５参照）、該排気ブレーキ１９の連続作動時間が設定時間（Ｘ［ｓｅｃ］）を越えていない場合には、前記ステップＳ１２における排気ブレーキ１９が作動しているか否かの判定が繰り返し行われ、該排気ブレーキ１９の作動が解除された場合には、前記フラグがＯＮとなっているか否かの判定が行われ（ステップＳ１６参照）、該フラグがＯＮとなっている場合には、前記ステップＳ３に戻って、停止させていた燃料噴射が再開され、バーナ１４における燃料の燃焼が再開されるようになっている。因みに、前記ステップＳ１６においてフラグがＯＦＦとなっている場合、即ち、前記排気ブレーキ１９が作動しておらず且つ前記燃料噴射ノズル１５からの燃料噴射がＯＮのまま継続されている場合には、前記ステップＳ５に戻って、前記パティキュレートフィルタ１２の再生制御、或いは、その下流側に配置される各種触媒の昇温制御が繰り返し行われるようになっている。

一方、前記ステップＳ１５において、前記排気ブレーキ１９の連続作動時間が設定時間（Ｘ［ｓｅｃ］）を越えた場合、前記ステップＳ８において点火プラグ１６でのスパークがＯＦＦとなって終了され、前記ステップＳ９において燃焼用空気遮断弁２１が閉じられ、前記ステップＳ１０において燃焼用空気のバーナ１４への供給が終了され、該バーナ１４が消火され、前記ステップＳ１１においてフラグがＯＦＦとされ、前記バーナ１４の作動が終了されるようになっている。

次に、上記実施例の作用を説明する。

前記排気ブレーキ１９の作動中は、前記ターボチャージャ２のタービン２ｂの回転が低下し、コンプレッサ２ａの下流から抜き出され燃焼用空気としてバーナ１４に導かれる吸気４の量が減少するが、前記バーナ１４における燃料の燃焼中、前記排気ブレーキ１９が作動した際には、図２のステップＳ１２からステップＳ１３へ進んで、前記燃料噴射ノズル１５からの燃料噴射のみがＯＦＦとなって、図１に示す如く、前記バーナ１４における燃料噴射が停止されるため、前記バーナ１４における燃料の燃焼が燃料リッチ状態とはならず、不完全燃焼が起こりにくくなり、煤がバーナ１４内部の点火プラグ１６や燃料噴射ノズル１５に過剰に堆積することが避けられると共に、ＨＣスリップが増加せず、着火不良が発生しにくくなり、燃焼性能が低下する心配がなくなる。

更に、本実施例においては、前記排気ブレーキ１９の連続作動時間が設定時間（Ｘ［ｓｅｃ］）を越えるまでは、図２のステップＳ１２→ステップＳ１３→ステップＳ１４→ステップＳ１５→ステップＳ１２というループが繰り返され、前記バーナ１４における燃料噴射を停止するのみで、該バーナ１４への燃焼用空気の供給（図２のステップＳ１参照）と点火プラグ１６でのスパーク（図２のステップＳ２参照）は継続されているため、前記排気ブレーキ１９の連続作動時間が設定時間（Ｘ［ｓｅｃ］）を越える前に該排気ブレーキ１９の作動が解除された場合には、図２のステップＳ１２→ステップＳ１６→ステップＳ３という流れにより、停止させていた燃料噴射を再開するだけで、即座にバーナ１４における燃料の燃焼を再開することができ、排気ブレーキ１９作動前後での排気ガスの温度低下幅を最小限に抑えて、排気浄化材としてのパティキュレートフィルタ１２の再生や昇温制御の長期化を阻止することが可能となる。

一方、車両が長く緩い下り坂を走行するような時に、前記排気ブレーキ１９の連続作動時間が設定時間（Ｘ［ｓｅｃ］）を越えた場合、前記バーナ１４における燃料噴射だけでなく、図２のステップＳ１５→ステップＳ８→ステップＳ９→ステップＳ１０という流れにより、前記バーナ１４への燃焼用空気の供給と点火プラグ１６でのスパークも停止され、バーナ１４が消火されるため、該バーナ１４の作動を無理に長引かせずに一旦リセットすることが可能となる。

但し、この場合、図２のステップＳ６における前記再生条件又は昇温条件がクリアされていないため、前記バーナ１４に対する作動要求が再度出力される形となる。

こうして、バーナ１４内部への煤の堆積並びにＨＣスリップの発生を最小限に抑えることができ、着火不良の発生を防いで高い燃焼性能を維持し得、信頼性向上を図り得る。

尚、本発明の後処理バーナシステムの制御方法は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、バーナ直後の排気浄化材がパティキュレートフィルタである場合に限らず、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒や、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中の酸素濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒等といった各種の排気浄化触媒を排気浄化材としてパティキュレートフィルタに替えて配置、或いは、パティキュレートフィルタの下流側に別途配置した場合に、これらの排気浄化触媒を冷間時に活性温度域まで昇温させるためにバーナを使用する形態の後処理バーナシステムにも同様に適用できること等、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ディーゼルエンジン
２ ターボチャージャ
２ａ コンプレッサ
２ｂ タービン
１１ 排気管
１２ パティキュレートフィルタ（排気浄化材）
１４ バーナ
１５ 燃料噴射ノズル
１６ 点火プラグ
１７ 燃料アトマイザ
１７ａ 作動信号
１８ 点火コイル
１８ａ 点火信号
１９ 排気ブレーキ
２０ 燃焼用空気供給管
２１ 燃焼用空気遮断弁
２１ａ 開弁信号
２２ 制御装置
Ｘ 設定時間

Claims (1)

1. 排気管の途中に排気ブレーキと排気浄化材とを配設し、該排気浄化材の上流にバーナを設け、該バーナにターボチャージャのコンプレッサの下流から吸気の一部を抜き出して燃焼用空気として導き、該バーナにおける燃料の燃焼により前記排気浄化材を加熱し得るようにした後処理バーナシステムの制御方法であって、
   前記バーナにおける燃料の燃焼中、前記排気ブレーキが作動した際には、前記バーナにおける燃料噴射を停止し、
   前記排気ブレーキの連続作動時間が設定時間を越えるまでは、前記バーナにおける燃料噴射を停止するのみで、該バーナへの燃焼用空気の供給と点火プラグでのスパークは継続し、前記排気ブレーキの連続作動時間が設定時間を越えた場合、前記バーナにおける燃料噴射だけでなく、前記バーナへの燃焼用空気の供給と点火プラグでのスパークをも停止し、バーナを消火することを特徴とする後処理バーナシステムの制御方法。

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