JP5625489B2 - 高地における排ガス浄化システム - Google Patents

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Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集すると共にＮＯｘを浄化して排気する排ガス浄化システムに係り、特に高地でのＤＰＤ再生時に通常走行性能を落とさずに再生できる高地における排ガス浄化システムに関するものである。
ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化して排気する排ガス浄化システムとして、排気管にＤＰＤ（Diesel Particulate Defuser）及びＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択触媒還元）装置を接続した排ガス浄化システムが開発されている。
この排ガス浄化システムでは、ＤＰＤで、排気ガス中のＰＭを捕集する。また、排ガス浄化システムでは、ＳＣＲ装置を備えたＳＣＲシステムで、尿素タンクに貯留された尿素水をＳＣＲの排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱でアンモニアを生成し、このアンモニアによって、ＳＣＲ触媒上でＮＯｘを還元して浄化する（例えば、特許文献１、２参照）。
ＤＰＤで捕集したＰＭは、フィルタの目詰まりの原因となるため、捕集堆積したＰＭを適宜酸化させ、除去して再生する必要がある。
この目詰まりの検出は、排気圧センサがＤＰＤ前後の差圧を検知し、その差圧が上限値に達したときに、ＥＣＵ（Engine Control Unit）が自動的に、或いは手動で行う場合には、キャビン内に設けられたＤＰＤ警告灯を点灯し、ドライバーが再生実行スイッチを押すことで、ＤＰＤ再生が開始される。
ＤＰＤ再生は、燃料のマルチ噴射（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射）を行って排気温度をＤＰＤの触媒活性温度以上に上げた後、ポスト噴射を追加して、排気温度を６００℃程度に上昇させ、この高温の排気ガスでＤＰＤに捕集されたＰＭを燃焼させ、除去して再生するものである。
ＤＰＤ再生は、走行中に自動再生を行うものであり、燃料の全負荷噴射量の設定は、再生時のポスト噴射分の燃料噴射量を考慮し、通常走行モードでの全負荷噴射量を意図的に落として性能を決めている。
ところで、車が２０００ｍや３０００ｍの高地を走行する際には、大気圧は高度０ｍの約１００ｋＰａに対して約８０ｋＰａ（２０００ｍ）、約７０ｋＰａ（３０００ｍ）と下がり、空気（酸素）が薄くなるため、全負荷動力性能を落とす必要が出てくる。
特開２０００−３０３８２６号公報 特許第４１７５２８１号公報
そこで高地にて車の通常走行モードのドライバビリティ向上のためには、動力性能向上をすることが望ましいが、ターボ車で過給圧を上げて高地での全負荷性能の向上を図ろうとすると、高地になると、大気圧に対して相対的に過給圧が高くなってしまうため、ターボの過回転が発生し破損が懸念される。このため絶対的な過給圧を下げて使用することが一般的である。このような中、高地の酸素が薄くなった状況下においては、動力性能向上のために燃料の全負荷噴射量を上げようとすると、空燃比に余裕がなくなり、ＤＰＤ再生時（再生モード）には、気筒内燃焼後のガス内にはポスト噴射できるほどの残存酸素が残っておらず、再生が完了できない問題が発生する（排ガスの昇温不足が発生する）。
従って、高地でのＤＰＤ再生を考慮して通常走行モードの動力性能を設定する必要があるが、このようにＤＰＤ再生時のポスト噴射を考慮して全負荷噴射量を設定すると、高地での動力性能が悪くなる問題がある。この高地における動力性能要求は、そのまま商品性に直結する問題であり、できる限り性能を維持することが必要となる。
そこで、通常走行モードでは、理論空燃比に近い状態で燃料の全負荷噴射量を設定し、再生モード中は、全負荷噴射量を走行分とポスト噴射分とに分けることも考えられるが、再生モードに突入したときに急激にトルクダウンが発生し、また再生終了時には、急激にトルクアップとなり、ドライバビリティが大きく損なわれてしまう。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高地での通常走行モードの動力性能を維持し、再生モードでのポスト噴射可能な酸素量を確保できると共に通常モードと再生モードの切り替えに違和感与えることなく切り替えることができる高地における排ガス浄化システムを提供することにある。
上記目的を達成するために請求項１の発明は、ディーゼルエンジンの排気管に排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＤを接続し、通常走行モード時に前記ＤＰＤのＰＭ量が一定量以上になったとき、マルチ噴射とポスト噴射を行ってディーゼルエンジンの排ガス温度を上昇させてＤＰＤを自動再生する再生モードを備えた排ガス浄化システムにおいて、高地での通常走行モード時に、その高地での大気圧と走行時のエンジン回転から高地全負荷噴射量を決定して走行し、前記再生モード時に、ポスト噴射量を基に前記高地全負荷噴射量を下げた高地走行再生噴射量を決定し、上記高地での通常走行モードから高地再生モードに突入する際に前記高地全負荷噴射量から高地再生走行噴射量に徐々に噴射量をデクリースさせ、前記徐々にデクリースされた高地全負荷噴射量が高地再生走行噴射量まで落ちた後、そのデクリースした分の燃料を噴射する前記ポスト噴射を開始し、再生終了後は高地再生走行噴射量から前記高地全負荷噴射量に噴射量をインクリースするようにしたことを特徴とする高地における排ガス浄化システムである。
請求項２の発明は、高度が２０００ｍを超える高地での気圧を含む各気圧毎にエンジン回転数に対する燃料の全負荷噴射量を空燃比に基づいて設定したマップを備え、高地での通常走行モード時の前記高地全負荷噴射量は、その高度における大気圧と走行時のエンジン回転数を基に前記マップから決定される請求項１記載の高地における排ガス浄化システムである。
請求項３の発明は、高地での通常走行モード時の前記高地全負荷噴射量は、前記マップの高度に基づく全負荷性能特性線を選択し、その全負荷性能特性線を基にエンジン回転数から決定する請求項２記載の高地における排ガス浄化システムである。
請求項４の発明は、前記再生モード時に、マルチ噴射を行って排ガス温度をＤＰＤの触媒活性温度以上に排ガス温度を上昇させると共にその間に前記ポスト噴射を行うことなく前記高地全負荷噴射量をデクリースして高地再生走行噴射量まで落として再生走行モードとし、その高地再生走行噴射量と前記高地全負荷噴射量の差分をポスト噴射量とする請求項１〜３のいずれかに記載の高地における排ガス浄化システムである。
本発明によれば、高地での通常走行モード時には、大気圧に基づいた最大動力性能が得られる高地全負荷噴射量で走行し、再生モード時には高地全負荷噴射量からポスト噴射量分下げた高地再生走行噴射量とすることでＤＰＤ再生が支障なく行え、しかも再生突入時には高地全負荷噴射量から高地再生走行噴射量までデクリースし、再生終了後は、高地全負荷噴射量までインクリースすることで急激なトルク変化がなく、ドライバビリティを良好に保つことが可能となるという優れた効果を発揮するものである。
本発明の一実施の形態を示す全体構成図である。 本発明においての制御フローを示す図である。 本発明において、各高度におけるエンジン回転数と全負荷噴射量の関係を示し、（ａ）は通常走行モードを、（ｂ）は通常走行モードから再生モードに突入する際のデクリースモードを、（ｃ）は再生モード終了から通常走行モードに復帰する際のインクリースモードを示す図である。
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１において、ディーゼルエンジン１０の吸気マニホールド１１と排気マニホールド１２は、過給機１３のコンプレッサ１４とタービン１５にそれぞれ連結され、上流側吸気管１６ａからの空気がコンプレッサ１４で昇圧され、下流側吸気管１６ｂのインタークーラ１７を通って冷却されて吸気スロットルバルブ１８を介して吸気マニホールド１１からディーゼルエンジン１０に供給され、ディーゼルエンジン１０からの排気ガスは、タービン１５を駆動した後、排気管２０に排気される。
上流側吸気管１６ａには、吸気量を測定するエアマスフローセンサ（ＭＡＦ）１９が設けられ、そのエアマスフローセンサ（ＭＡＦ）で、吸気スロットルバルブ１８の開度が制御されて吸気量が調整される。また排気管２０と上流側吸気管１６ａには排気ガスの一部をエンジン１０の吸気系に戻してＮＯｘを低減するためのＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation;排気再循環）管２１が接続され、そのＥＧＲ管２１にＥＧＲクーラ２２とＥＧＲバルブ２３とが接続される。
排気管２０には、排気ブレーキバルブ２４、ＤＰＤ２５、排気スロットルバルブ２６、サイレンサー２７が接続される。ＤＰＤ２５は、未燃焼燃料を酸化する活性触媒からなるＤＯＣ２８と排ガス中のＰＭを捕集するＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）２９からなる。また図には示していないが、排気スロットルバルブ２６とサイレンサー２７間に、ＮＯｘをアンモニアで脱硝するＳＣＲ装置が接続される。
ＤＯＣ２８の前後には、排ガス温度センサ３０ａ、３０ｂが設けられ、ＣＳＦ２９のＰＭ堆積量を検出する差圧センサ３１が設けられ、これら検出値がＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）３２に入力される。
ＥＣＵ３２には、エンジンの回転数を検出する回転センサ３３の検出値、車速センサ３４の検出値、大気圧センサ３５の検出値が入力される。
ＥＣＵ３２は、走行中、アクセル開度に応じて燃料インジェクタ３８での燃料噴射量を制御すると共に、吸気スロットルバルブ１８、排気ブレーキバルブ２４、排気スロットルバルブ２６を適宜制御するようになっている。
この排ガス処理システムにおいて、ＥＣＵ３２は、ＣＳＦ２９の前後の差圧を検出する差圧センサ３１の検出値により、ＤＰＤ２５にＰＭが一定量堆積したと判断したときには、又は前回の再生後からの走行距離が所定値に達したときに、ディーゼルエンジン１０からの排ガス温度を６００℃に昇温してＰＭを燃焼させて再生するようになっている。
この再生は、ＤＯＣ２８の触媒活性温度以上になるよう、燃料インジェクタ３８でマルチ噴射（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射）を行った後、ポスト噴射を行って排ガス温度を６００℃に昇温してＰＭを燃焼させるものであり、通常は走行中に自動再生するが、ポスト噴射により、気筒の潤滑油中に燃料油が混入し、潤滑油のダイリューション（希釈）が生じるため、手動再生にてダイリューション量を低減するようになっている。
自動再生する際には、ＥＣＵ３２は、吸気スロットルバルブ１８を絞り、ＥＧＲバルブ２３を閉じ、マルチ噴射を行って排気ガス温度を２５０℃に昇温してＤＯＣ２８の触媒活性温度まで上げ、次にマルチ噴射にポスト噴射を加えて排ガス温度を６００℃に昇温してＰＭを燃焼させてＤＰＤ２５を再生する。再生終了後は、吸気スロットルバルブ１８とＥＧＲバルブ２３を通常制御に戻す。この自動再生中は、ＥＣＵ３２が自動再生警告ランプ３６ｂを点灯させる。
また手動再生する際には、ＥＣＵ３２が手動再生警告ランプ３６ｂを点滅させて手動再生を警告し、この警告を受けて、運転手が、車を停止させると共に、ＤＰＤ手動再生実行スイッチ３７を押すことで手動再生が開始される。
手動再生の際には、ＥＣＵ３２は、エンジン回転数をアイドル回転から上昇させ、吸気スロットルバルブ１８を絞り、ＥＧＲバルブ２３を閉じると共に排気ブレーキバルブ２４を閉じて、マルチ噴射を行って排気ガス温度を触媒活性温度以上まで昇温し、昇温後に、排気ブレーキバルブ２４を開とすると共に排気スロットルバルブ２６を閉じて、マルチ噴射にポスト噴射を加えて排ガス温度を６００℃に昇温してＰＭを燃焼させてＤＰＤ２５を再生する。
上述の自動再生は、車が、高度が０〜２０００ｍ以下で走行する通常走行モードでの再生モードであるが、高度が２０００ｍを越えたときに、自動再生（高地再生モード）を行おうとすると、ポスト噴射しても酸素量が少なくなってしまう。
そこで、先ずＥＣＵ３２には、図３（ａ）に示すように、高度毎（例えば高度０ｍ、２０００ｍ、３０００ｍ）に、エンジン回転数に対する燃料の全負荷噴射量のマップが記憶されている。この図３（ａ）において、４０ａは、高度０ｍでのエンジン回転数と全負荷噴射量の全負荷性能特性線であり、４０ｂは高度２０００ｍでのエンジン回転数と全負荷噴射量の全負荷性能特性線であり、４０ｃは、高度３０００ｍでのエンジン回転数と全負荷噴射量の全負荷性能特性線である。
この図３（ａ）のマップは、高度２０００ｍ、高度３０００ｍでの高地通常モードで走行しても、酸素濃度に応じて車が最大動力性能が得られるように、ＥＣＵ３２が、回転センサ３３で検出したエンジン回転数と大気圧センサ３５で検出した大気圧に基づく高度から燃料の全負荷噴射量を決定して走行する。
ＥＣＵ３２は、大気圧センサ３５で検出した大気圧を基に、走行している高度を決定し、この図３（ａ）のマップの全負荷性能特性線４０ｂ、４０ｃに基づいて、高地通常走行モードで走行するが、２０００〜３０００ｍ間の高度は、適宜全負荷性能特性線４０ｂ、４０ｃに基づき補間して、全負荷噴射量を決定する。
この高地通常走行モードで走行している際に、ＤＰＤ２５を自動再生により再生する再生モードとする際には、酸素量が不足するため、ポスト噴射してもポスト噴射した燃料を燃焼させることができないため、ＥＣＵ３２は、ポスト噴射量を基に、高地全負荷噴射量を下げた高地走行再生噴射量を決定する。
図３（ｂ）、図３（ｃ）は、高度２０００ｍ、高度３０００ｍでの全負荷性能特性線４０ｂ、４０ｃをポスト噴射量分下げた高地再生走行特性線４１ｂ、４１ｃを示したもので、再生モードの際には、その高地再生走行特性線４１ｂ、４１ｃに基づき、エンジン回転数から高地再生走行噴射量を決定して走行する。
この際、高地全負荷噴射量を下げた高地走行再生噴射量とすると、走行時の動力性能が急激におちるため、図３（ｂ）に示すように高地全負荷噴射量から図示の矢印４２のように徐々に段階的に燃料噴射量を落としてデクリースし、高地走行再生噴射量とすることで、ドライバビリティを向上させることができる。
上述のように、再生運転は、再生突入時に、数分程度マルチ噴射して排ガス温度を触媒活性温度以上とし、その後、ポスト噴射を行って排ガス温度を６００℃に昇温するため、デクリースは、そのマルチ噴射時に行うとよい。
通常走行時の燃料噴射量を高地全負荷噴射量からデクリースして高地走行再生噴射量まで落とした後は、その落とした差分の燃料をポスト噴射に用いて再生運転を行う。
この再生運転で、ＤＰＤ２５の再生が完了したならば、図３（ｃ）に示すように、高地再生走行特性線４１ｂ、４１ｃから全負荷性能特性線４０ｂ、４０ｃに戻して高地通常走行モードとするが、この際の切り替えに急激にトルク変動が生じないように矢印４３のように徐々に段階的に燃料噴射量を増加させて高地全負荷噴射量に戻すようにする。
この通常走行モードと再生モードにて走行する割合は、通常走行時が９５％、再生時が５％程度であり、９５％時の通常走行モードを最大動力にて運転し、再生時にその再生モード時の走行モードの動力性能をゆるやかに落とすことで、従来のように５％の再生モードのポスト噴射分を考慮して通常走行モードの全負荷噴射量を決定するよりも、高地通常走行モードの動力性能を確保することと、格段に向上する機会を得ることが可能となる。
図２は、上述した排ガス処理システムで通常走行モードから再生モードに切り替えるＥＣＵ３２の制御フローを示したものである。
図２において、走行モード５０で走行している際に大気圧検出とエンジン回転数の検出５１を行い、これに基づいて、図３（ａ）に示したマップの全負荷性能特性線４０ｂ、４０ｃから高地全負荷噴射量を決定５２して高地通常走行モードで走行する。次にＤＰＤにＰＭが一定量堆積したとき、ＥＣＵ３２は再生モード突入５３とし、図３（ｂ）に示した全負荷性能特性線４０ｂ、４０ｃに基づく高地全負荷噴射量から高地再生走行特性線４１ｂ、４１ｃに基づいて、高地走行再生噴射量を決定５４し、高地全負荷噴射量から高地走行再生噴射量に燃料の噴射量をデクリース５５し、その高地走行再生噴射量で高地での再生走行モードで高地走行すると同時にポスト噴射を行って再生モード運転５６を行う。この再生モード運転が終了５７したならば、ポスト噴射を停止し、高地走行再生噴射量から高地全負荷噴射量に燃料噴射量をインクリース５８して通常走行モード５０に戻す。
このように本発明は、高地での通常走行モード時には、大気圧に基づいた最大動力性能が得られる高地全負荷噴射量で走行することで、全負荷性能を向上させることができる。また、高地通常走行の際の再生モード時には、高地全負荷噴射量からポスト噴射量分下げた高地再生走行噴射量とすることで、ＤＰＤ再生が支障なく行え、しかも再生突入時には高地全負荷噴射量から高地再生走行噴射量までデクリースし、再生終了後は、高地全負荷噴射量までインクリースすることで急激なトルク変化がなく、ドライバビリティを良好に保つことができる。
１０ ディーゼルエンジン
２０ 排気管
２５ ＤＰＤ
３２ ＥＣＵ
３３ 回転センサ
３５ 大気圧センサ

Claims (4)

  1. ディーゼルエンジンの排気管に排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＤを接続し、通常走行モード時に前記ＤＰＤのＰＭ量が一定量以上になったとき、マルチ噴射とポスト噴射を行ってディーゼルエンジンの排ガス温度を上昇させてＤＰＤを自動再生する再生モードを備えた排ガス浄化システムにおいて、高地での通常走行モード時に、その高地での大気圧と走行時のエンジン回転から高地全負荷噴射量を決定して走行し、前記再生モード時に、ポスト噴射量を基に前記高地全負荷噴射量を下げた高地走行再生噴射量を決定し、上記高地での通常走行モードから高地再生モードに突入する際に前記高地全負荷噴射量から高地再生走行噴射量に徐々に噴射量をデクリースさせ、前記徐々にデクリースされた高地全負荷噴射量が高地再生走行噴射量まで落ちた後、そのデクリースした分の燃料を噴射する前記ポスト噴射を開始し、再生終了後は高地再生走行噴射量から前記高地全負荷噴射量に噴射量をインクリースするようにしたことを特徴とする高地における排ガス浄化システム。
  2. 高度が２０００ｍを超える高地での気圧を含む各気圧毎にエンジン回転数に対する燃料の全負荷噴射量を空燃比に基づいて設定したマップを備え、高地での通常走行モード時の前記高地全負荷噴射量は、その高度における大気圧と走行時のエンジン回転数を基に前記マップから決定される請求項１記載の高地における排ガス浄化システム。
  3. 高地での通常走行モード時の前記高地全負荷噴射量は、前記マップの高度に基づく全負荷性能特性線を選択し、その全負荷性能特性線を基にエンジン回転数から決定する請求項２記載の高地における排ガス浄化システム。
  4. 前記再生モード時に、マルチ噴射を行って排ガス温度をＤＰＤの触媒活性温度以上に排ガス温度を上昇させると共にその間に前記ポスト噴射を行うことなく前記高地全負荷噴射量をデクリースして高地再生走行噴射量まで落として再生走行モードとし、その高地再生走行噴射量と前記高地全負荷噴射量の差分をポスト噴射量とする請求項１〜３のいずれかに記載の高地における排ガス浄化システム。
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