JP5673065B2 - Ｄｐｆ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から粒子状物質をＤＰＦで捕集し、これを排気管噴射により燃焼除去するＤＰＦシステムに関する。
近年、ディーゼルエンジンの排気ガスからＰＭ（Perticulate Matter；粒子状物質）を浄化するためのＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）システムの開発が行われている。このＤＰＦシステムでは、ＤＰＦと呼ばれるフィルタを排気管に接続して排気ガスからＰＭを捕集すると共に、捕集したＰＭがＤＰＦに堆積した場合には、排気ガスに未燃燃料を添加して、これをＤＰＦの上流側に設けられたＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；酸化触媒）で酸化燃焼させ、高温の排気ガスでＰＭを燃焼除去するＤＰＦ強制再生が行われる。
この未燃燃料を排気ガスに添加する手段として、エンジン筒内のオイル希釈が発生せず、燃料添加時でもＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）制御を掛けることができ、昇温に要する燃料消費量を低く抑えることができる排気管噴射が注目されている。排気管噴射は、排気管に設けた排気管インジェクタから未燃燃料を排気ガスに添加する方法である（例えば、特許文献１，２参照）。
ところで、排気管噴射により排気ガスに添加される未燃燃料は、比較的活性化し難い（燃焼し難い）長鎖の炭化水素に分解されるため、排気噴射量が多くなるとＤＯＣの触媒活性が失われ、未燃燃料が燃焼しなくなる（失火する）場合がある。
図５に示すように、排気噴射量を約５，約１０ｍｍ3／ｓｔとして排気管噴射したとき、ＤＯＣの中心温度および出口温度は略一定の値に昇温されており、ＤＯＣの触媒活性が失われることなく排気ガスを安定的に昇温できていることがわかるが、排気噴射量を約１５ｍｍ3／ｓｔと増加したときには、一時的に昇温されたＤＯＣ中心温度及び出口温度が、ＤＯＣの失火により急激に低下していることがわかる。
また、ＤＯＣで一度燃焼が開始された後でも、排気ガス温度がＤＯＣの触媒活性温度（ライトオフ温度）より低下する、排気ガスＳＶ比（ＤＯＣの体積に対する排気ガス流量の比）が増大する、排気噴射量が多くなる等、走行中に運転条件が急変すると触媒活性が失われる（失火する）場合がある。
図６は、ＤＯＣ，触媒，ＤＰＦを排気管の上流側から順次接続したＤＰＦシステムにおいて、運転条件の変化と、噴射量，ＤＯＣ温度，触媒温度およびＤＰＦ温度と、の関係を示す図である。ここでは、ＤＯＣ温度はＤＯＣ出口温度、触媒温度は触媒出口温度、ＤＰＦ温度はＤＰＦ出口温度を示している。
図６に示すように、走行時間約１６００ｓｅｃで車両を急加速させエンジン回転数が急激に上昇したとき、走行時間約１６００ｓｅｃ以前では緩やかに推移していたＤＯＣ温度が急激に低下し、逆に、ＤＯＣの後段に接続された触媒の触媒温度が急激に上昇していることがわかる。これは、排気ガス流量が急増して排気ガスＳＶ比が大きくなると共に、エンジン回転数の上昇に合わせて排気噴射量が急増したことで、ＤＯＣの触媒活性が失われ、未燃燃料の大部分がＤＯＣ上で燃焼できず、ＤＯＣ後段の触媒に流入して燃焼したことを示している。
ＤＯＣが失火すると排気ガスが昇温されないため、ＤＰＦ再生が出来なくなるという問題がある。また、ＤＯＣが失火した後に未燃燃料を噴射し続けた場合には、ＤＯＣに未燃燃料が吸着し、次にＤＯＣが昇温して触媒活性を回復した際に、ＤＯＣに吸着した未燃燃料が急激に燃焼してＤＯＣを溶損させたり、昇温の過程でＤＯＣ後段に流出して白煙として排出されるなどの問題が発生する。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、排気管噴射によるＤＰＦの強制再生を行う際に、ＤＯＣの触媒活性不良を防止できるＤＰＦシステムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、排気管インジェクタから燃料を噴射し、これをＤＯＣで酸化燃焼させてＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼除去するＤＰＦ強制再生を行うＤＰＦシステムにおいて、前記ＤＯＣの出口側に設けられ、ＤＰＦ強制再生時のＤＯＣ出口温度を検出する温度センサと、前記ＤＯＣ出口温度が入力され、そのＤＯＣ出口温度の単位時間当たりの温度低下量から、前記ＤＯＣが触媒活性を維持しているか否かを判断する失火判定手段と、を備えたものである。
前記失火判定手段は、前記温度低下量が、予め設定された前記ＤＯＣが触媒活性を維持できなくなる失火限界閾値よりも大きいとき、前記ＤＯＣが触媒活性を維持していないと判断するようにされると良い。
また本発明は、前記ＤＯＣの入口側に設けられ、ＤＰＦ強制再生時のＤＯＣ入口温度を検出する温度センサと、前記ＤＯＣ入口温度が入力され、入力されたＤＯＣ入口温度から前記ＤＯＣの触媒活性が回復しているか否かを判断する失火防止手段と、を更に備えると良い。
前記失火防止手段は、前記ＤＯＣ入口温度から前記ＤＯＣの触媒活性度を検出し、その触媒活性度が予め設定された前記ＤＯＣが触媒活性を回復できる活性回復閾値よりも大きいとき、前記ＤＯＣの触媒活性が回復していると判断するようにされると良い。
前記失火防止手段は、前記ＤＯＣ入口温度と前記ＤＯＣの排気ガスＳＶ比とから前記触媒活性度を参照可能な触媒活性度マップを有し、前記触媒活性度マップを参照して前記触媒活性度を検出するようにされると良い。
前記失火防止手段は、前記排気管インジェクタの噴射量を、前記ＤＯＣが触媒活性を維持できる活性上限噴射量以下とさせるようにされると良い。
前記失火防止手段は、前記ＤＯＣ入口温度と前記ＤＯＣの排気ガスＳＶ比とから前記活性上限噴射量を参照可能な活性上限噴射量マップを有し、前記活性上限噴射量マップを参照して前記活性上限噴射量を決定するようにされると良い。
前記失火判定手段は、前記ＤＯＣが触媒活性を維持していないと判断したとき、前記排気管インジェクタの噴射を中断させるようにされると良い。
前記失火判定手段は、前記ＤＯＣが触媒活性を維持していないと判断したとき、前記排気管インジェクタの噴射を中断させ、前記失火防止手段は、前記排気管インジェクタの噴射が中断された後、前記ＤＯＣが触媒活性を回復しているか否かを判断し、前記ＤＯＣが触媒活性を回復していると判断したとき、前記排気管インジェクタの噴射を再開させるようにされると良い。
本発明によれば、排気管噴射によるＤＰＦの強制再生を行う際に、ＤＯＣの触媒活性不良を防止できるＤＰＦシステムを提供できる。
以下に、本発明の好適な実施の形態について図面に基づき説明する。
図１は、本実施の形態に係るＤＰＦシステムの構成を示す概略図である。
本実施の形態のＤＰＦシステム１０はターボチャージャ１１を搭載しており、エアクリーナ１２から吸入される空気はターボチャージャ１１のコンプレッサ１３で圧縮されると共に吸気通路１４に圧送され、吸気通路１４に接続された吸気マニホールド１５からエンジンＥに供給される。吸気通路１４には、エンジンＥへの空気量を調節するための吸気バルブ１６が設けられる。
エンジンＥから排出される排気ガスは排気マニホールド１７からターボチャージャ１１のタービン１８に流入すると共にタービン１８を駆動させ、排気管１９に排気される。
このＤＰＦシステム１０は、吸気マニホールド１５と排気マニホールド１７とを接続するＥＧＲ管２０と、ＥＧＲ管２０を通過する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２１と、排気マニホールド１７から吸気マニホールド１５へ還流させる排気ガス量を調節するためのＥＧＲバルブ２２と、を備え、排気ガスの一部を吸気側へ還流させてエンジンアウトのＮＯx量を低減させるＥＧＲ制御を行う。
排気管１９にはＤＯＣ２３が配設され、そのＤＯＣ２３の上流側の排気管１９には排気管インジェクタ２４が、下流側の排気管１９には排気ガスからＰＭを捕集するためのＤＰＦ２５が設けられる。
さらに排気管１９には、ＤＯＣ２３の入口側（上流側）および出口側（下流側）に、温度センサ２６，２７が設けられる。
エンジンＥ、吸気バルブ１６、ＥＧＲバルブ２２、排気管インジェクタ２４、温度センサ２６，２７はＥＣＵ（Electronical Control Unit；電子制御装置）２８と接続される。ＥＣＵ２８は温度センサ２６，２７からの信号が入力されると共に、エンジンＥの運転、吸気バルブ１６およびＥＧＲバルブ２２の開度、排気管インジェクタ２４の排気管噴射等を制御する。この他にも、ＥＣＵ２８には車両に搭載される各種センサ（ＭＡＦ（Mass Air Flow）センサなど）からの信号が入力され、排気ガス流量や排気ガスＳＶ比（ＤＯＣ２３の体積に対する排気ガス流量の比）などの計算を行う。
このＤＰＦシステム１０では、ＤＰＦ２５に堆積したＰＭが一定量以上となったとき、エンジンＥを制御してエンジンアウトの排気ガス温度を上昇させると共に、排気管インジェクタ２４から燃料を噴射し、この燃料をＤＯＣ２３で燃焼させて排気ガス温度を更に上昇させ、高温の排気ガスでＰＭを燃焼除去するＤＰＦ強制再生が行われる。
このとき、排気管インジェクタ２４の噴射量が急激に増大したり、車両の運転条件が急変して排気ガスＳＶ比が変化したりすると、ＤＯＣ２３の触媒活性が失われて排気ガスが昇温されず、ＤＰＦ２５の強制再生が出来なくなる虞がある。
そこで本実施の形態に係るＤＰＦシステム１０は、ＤＰＦ強制再生時に温度センサ２７が検出するＤＯＣ出口温度Ｔdocが入力され、そのＤＯＣ出口温度Ｔdocの単位時間当たりの温度低下量ｄＴredから、ＤＯＣ２３が触媒活性を維持しているか否かを判断する失火判定手段２９が、ＥＣＵ２８に搭載される。失火判定手段２９は、ＤＯＣ出口温度Ｔdocの温度低下量ｄＴredが、予め設定されたＤＯＣ２３が触媒活性を維持できなくなる失火限界閾値κよりも大きいとき、ＤＯＣ２３が触媒活性を維持していないと判断するように構成される。また、失火判定手段２９は、ＤＯＣ２３が触媒活性を維持していないと判断したときには、排気管インジェクタ２４の噴射を中断させ、余分の燃料がＤＯＣ２３に吸着したり、白煙が大気に放出されることを防止する。
失火限界閾値κは、触媒活性を維持できなくなったときのＤＯＣ２３が示す単位時間当たりの温度低下量であり、エンジンＥの排気量やＤＯＣ２３の触媒特性など、ＤＰＦシステム１０の構成により変化する。失火限界閾値κは、予めＤＰＦシステム１０の試験運転から求めても良く、ＤＰＦシステム１０を模したモデル計算から求めても良い。
さらにＥＣＵ２８には、ＤＰＦ強制再生時に温度センサ２６が検出するＤＯＣ入口温度Ｔentが入力され、入力されたＤＯＣ入口温度Ｔentから、ＤＯＣ２３の触媒活性が回復しているか否かを判断する失火防止手段３０が搭載される。失火防止手段３０は、ＤＯＣ入口温度ＴentからＤＯＣ２３の触媒活性度ａを検出し、その触媒活性度ａが予め設定されたＤＯＣ２３が触媒活性を回復できる活性回復閾値ηよりも大きいとき、ＤＯＣ２３の触媒活性が回復していると判断するように構成される。
触媒活性度ａは、所定の排気ガス条件におけるＤＯＣ２３の触媒活性の度合いを示す値であり、排気ガス温度、排気ガスＳＶ比により０〜１の範囲で変化する。触媒活性度ａは、予めＤＰＦシステム１０の試験運転から求めても良く、ＤＰＦシステム１０を模したモデル計算から求めても良い。本実施の形態では、失火防止手段３０は、ＤＯＣ入口温度ＴentとＤＯＣ２３の排気ガスＳＶ比とから触媒活性度を参照可能な触媒活性度マップ３１を有し、触媒活性度マップ３１を参照して触媒活性度ａを検出するようにされる。
触媒活性度マップ３１の一例を図３に示す。触媒活性度マップ３１は、図３に示すように、排気ガス温度および排気ガスＳＶ比と、ＤＯＣ２３の触媒活性度との関係を表すものであり、排気ガス温度が高いほど触媒活性度は高い。また触媒活性度は、排気ガスＳＶ比が高くなるに伴い、一旦増加して極大値となった後に減少する傾向を有する。
活性回復閾値ηは、触媒活性を維持できなくなったＤＯＣ２３が、その後、触媒活性を回復して未燃燃料を燃焼可能であるか否かを判断するための値である。本実施の形態では、活性回復閾値ηは０．５に設定されるが、本発明は活性回復閾値ηの値を特に限定するものではなく、ＤＰＦシステム１０の構成に合わせて適宜変更可能である。
また、失火防止手段３０は、失火判定手段２９が排気管インジェクタ２４の排気管噴射を中断させた後、ＤＯＣ２３が触媒活性を回復しているか否かを判断し、ＤＯＣ２３が触媒活性を回復していると判断したときには、排気管インジェクタ２４の排気管噴射を再開させるように構成される。
さらに、失火防止手段３０は、排気管インジェクタ２４の排気噴射量を、ＤＯＣ２３が触媒活性を維持できる活性上限噴射量Ｑact以下とさせるように構成される。
活性上限噴射量Ｑactは、ＤＯＣ２３が触媒活性を維持できる上限の噴射量であり、排気ガス温度、排気ガスＳＶ比により変化する。活性上限噴射量Ｑactは、予めＤＰＦシステム１０の試験運転から求めても良く、ＤＰＦシステム１０を模したモデル計算から求めても良い。本実施の形態では、失火防止手段３０は、ＤＯＣ入口温度ＴentとＤＯＣ２３の排気ガスＳＶ比とから活性上限噴射量を参照可能な活性上限噴射量マップ３２を有し、活性上限噴射量マップ３２を参照して活性上限噴射量Ｑactを決定するようにされる。
活性上限噴射量マップ３２の一例を図４に示す。また、活性上限噴射量Ｑactの設定値の一例を表１に示す。
活性上限噴射量マップ３２は、図４および表１に示すように、排気ガス温度および排気ガスＳＶ比と、ＤＯＣ２３の活性上限噴射量との関係を表すものであり、排気ガス温度が高いほど、また排気ガスＳＶ比が低いほど活性上限噴射量は高い。
次に、この失火判定手段２９および失火防止手段３０の動作について図２を用いて説明する。
ＤＰＦ２５にＰＭが堆積していると判断したＥＣＵ２８がＰＭを燃焼除去すべくＤＰＦを強制再生する際、失火判定手段２９および失火防止手段３０は以下の動作をＤＰＦ強制再生の完了まで繰り返すようにされる。
先ずステップＳ２１において、失火防止手段３０が、入力されたＤＯＣ入口温度Ｔentと、ＥＣＵ２８から読み込んだ排気ガスＳＶ比とから、活性上限噴射量マップ３２を参照して活性上限噴射量Ｑactを決定する。
次にステップＳ２２において、失火防止手段３０は、ＥＣＵ２８が排気ガス昇温目標温度（例えば、４００〜５００℃程度）とＤＯＣ出口温度Ｔdocとの温度差から求めた排気管インジェクタ２４の噴射量Ｑを読込み、噴射量Ｑと活性上限噴射量Ｑactとを比較する。噴射量Ｑが活性上限噴射量Ｑactより大きいときには、ＤＯＣ２３の触媒活性を維持すべくステップＳ２３に進んで噴射量Ｑの値を活性上限噴射量Ｑactの値に変更させ、ステップＳ２４に進む。他方、噴射量Ｑが活性上限噴射量Ｑact以下であるときには、噴射量Ｑの値を変更させることなくステップＳ２４に進む。
ステップＳ２４では、失火判定手段２９が、入力されるＤＯＣ出口温度Ｔdocの単位時間当たりの温度低下量ｄＴredを検出し、ステップＳ２５に進む。
ステップＳ２５では、失火判定手段２９がＤＯＣ出口温度Ｔdocの温度低下量ｄＴredと失火限界閾値κとを比較する。温度低下量ｄＴredが失火限界閾値κ以下であるときには、ＤＯＣ２３が触媒活性を維持していると判断してステップＳ２６に進み、排気管インジェクタ２４の排気管噴射が実行された後に動作をリターンする。他方、温度低下量ｄＴredが失火限界閾値κより大きいときには、ＤＯＣ２３が触媒活性を維持していない（すなわち、ＤＯＣ２３が失火している）と判断して、ＤＯＣ２３の触媒活性を回復させるべくステップＳ２７に進む。
ステップＳ２７では、失火防止手段３０が、改めて入力されたＤＯＣ入口温度Ｔentと、ＥＣＵ２８から改めて読み込んだ排気ガスＳＶ比とから、触媒活性度マップ３１を参照して触媒活性度ａを検出する。
次いでステップＳ２８では、触媒活性度ａと回復活性閾値ηとを比較し、ＤＯＣ２３が触媒活性を回復しているか否かを判断する。触媒活性度ａが回復活性閾値ηより大きいとき、ＤＯＣ２３の触媒活性が回復したと判断して動作をリターンする。他方、触媒活性度ａが回復活性閾値η以下であるとき、ＤＯＣ２３の触媒活性は回復していないと判断してステップＳ２７に戻る。
つまり、温度低下量ｄＴredが失火限界閾値κより大きくなり、ＤＯＣ２３が触媒活性を維持していないと判断したときには、触媒活性度ａが回復活性閾値ηより大きくなるような運転条件となるまでステップＳ２７，Ｓ２８の動作を繰返して、排気管インジェクタ２４からの燃料の噴射を中断する。触媒活性度ａが回復活性閾値ηより大きくなるときには、ＤＯＣ２３が触媒活性を回復して未燃燃料を燃焼可能であるので、動作をリターンし、改めて決定した噴射量Ｑで排気管噴射を再開する。
以上要するに、本実施の形態に係るＤＰＦシステム１０では、ＤＯＣ出口温度Ｔdocの単位時間当たりの温度低下量ｄＴredを検出し、その検出値からＤＯＣ２３の触媒活性が維持されていないと判断したときには、排気管インジェクタ２４の排気管噴射を直ちに中断させる失火判定手段２９と、排気管インジェクタ２４の噴射量ＱをＤＯＣ２３の活性上限噴射量Ｑact以下とさせると共に、失火判定手段２９により排気管インジェクタ２４の噴射が中断された後、ＤＯＣ入口温度ＴentからＤＯＣ２３の触媒活性度ａを検出し、その検出値からＤＯＣ２３の触媒活性が回復していると判断したときには、排気管インジェクタ２４の排気管噴射を再開させる失火防止手段３０と、が搭載される。
このようにされることで、本実施の形態に係るＤＰＦシステム１０では、簡便な構成により、排気管噴射時のＤＯＣ２３の触媒活性不良を防止でき、ＤＯＣ２３に吸着した未燃燃料の異常燃焼によるＤＯＣ溶損や、昇温時の白煙の発生を効果的に防止できる。
また、このＤＰＦシステム１０は、運転条件変化や触媒劣化によるＤＯＣ２３の触媒活性の変化にも対応できる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、種々の変更を加え得ることは言うまでもない。
１０ ＤＰＦシステム
２３ ＤＯＣ
２４ 排気管インジェクタ
２５ ＤＰＦ
２７ 温度センサ
２９ 失火判定手段
２３ ＤＯＣ
２４ 排気管インジェクタ
２５ ＤＰＦ
２７ 温度センサ
２９ 失火判定手段
Claims (9)
- 排気管インジェクタから燃料を噴射し、これをＤＯＣで酸化燃焼させてＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼除去するＤＰＦ強制再生を行うＤＰＦシステムにおいて、
前記ＤＯＣの出口側に設けられ、ＤＰＦ強制再生時のＤＯＣ出口温度を検出する温度センサと、
前記ＤＯＣ出口温度が入力され、そのＤＯＣ出口温度の単位時間当たりの温度低下量から、前記ＤＯＣが触媒活性を維持しているか否かを判断する失火判定手段と、
を備えたことを特徴とするＤＰＦシステム。 - 前記失火判定手段は、前記温度低下量が、予め設定された前記ＤＯＣが触媒活性を維持できなくなる失火限界閾値よりも大きいとき、前記ＤＯＣが触媒活性を維持していないと判断する請求項１記載のＤＰＦシステム。
- 前記ＤＯＣの入口側に設けられ、ＤＰＦ強制再生時のＤＯＣ入口温度を検出する温度センサと、
前記ＤＯＣ入口温度が入力され、入力されたＤＯＣ入口温度から前記ＤＯＣの触媒活性が回復しているか否かを判断する失火防止手段と、
を更に備える請求項１又は２記載のＤＰＦシステム。 - 前記失火防止手段は、前記ＤＯＣ入口温度から前記ＤＯＣの触媒活性度を検出し、その触媒活性度が予め設定された前記ＤＯＣが触媒活性を回復できる活性回復閾値よりも大きいとき、前記ＤＯＣの触媒活性が回復していると判断する請求項３記載のＤＰＦシステム。
- 前記失火防止手段は、前記ＤＯＣ入口温度と前記ＤＯＣの排気ガスＳＶ比とから前記触媒活性度を参照可能な触媒活性度マップを有し、
前記触媒活性度マップを参照して前記触媒活性度を検出する請求項４記載のＤＰＦシステム。 - 前記失火防止手段は、前記排気管インジェクタの噴射量を、前記ＤＯＣが触媒活性を維持できる活性上限噴射量以下とさせる請求項３〜５いずれかに記載のＤＰＦシステム。
- 前記失火防止手段は、前記ＤＯＣ入口温度と前記ＤＯＣの排気ガスＳＶ比とから前記活性上限噴射量を参照可能な活性上限噴射量マップを有し、
前記活性上限噴射量マップを参照して前記活性上限噴射量を決定する請求項６記載のＤＰＦシステム。 - 前記失火判定手段は、前記ＤＯＣが触媒活性を維持していないと判断したとき、前記排気管インジェクタの噴射を中断させる請求項１〜７いずれかに記載のＤＰＦシステム。
- 前記失火判定手段は、前記ＤＯＣが触媒活性を維持していないと判断したとき、前記排気管インジェクタの噴射を中断させ、
前記失火防止手段は、前記排気管インジェクタの噴射が中断された後、前記ＤＯＣが触媒活性を回復しているか否かを判断し、前記ＤＯＣが触媒活性を回復していると判断したとき、前記排気管インジェクタの噴射を再開させる請求項３〜７いずれかに記載のＤＰＦシステム。
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