JP5830832B2 - フィルタ再生装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中のＰＭをＤＰＦに捕集し、蓄積したＰＭを高温の排気ガスにより燃焼除去するＤＰＦ再生装置に係り、オイルダイリューションを防止し、白煙排出を防止するＤＰＦ再生装置に関する。
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスから粒子状物質（Particurate Matter；以下、ＰＭという）を除去して排気ガスを浄化するために、連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下、ＤＰＦという）が開発されている。
ＤＰＦは、多孔質のセラミックで構成したハニカム構造体にＰＭを捕集するものである。ＤＰＦに蓄積したＰＭを排気ガスの熱で焼却することでＤＰＦからＰＭが除去される。車速が低速かつ内燃機関が低負荷である時など、排気ガス温度が低い運転領域では、ＰＭが焼却されずにＤＰＦに蓄積され続け、排圧上昇などの問題が生じる。そこで、従来は、ＤＰＦにＰＭが所定量蓄積したとき、強制的に排気ガス温度を上げてＤＰＦを再生させるようにしている。
排気ガス温度を上げて行う強制再生の方式として、ＤＰＦの上流に酸化触媒部材（Diesel Oxidation Catalyst；以下、ＤＯＣという）を設置し、メイン噴射後の適宜なクランク角で内燃機関内に追加の燃料を噴射するポスト噴射を行って燃料である炭化水素（ＨＣ）を酸化触媒部材に供給し、その酸化熱で排気ガス温度を上昇させてＰＭを焼却する方式と、同様にＤＯＣを設置し、排気管内に燃料を噴射する排気管噴射を行ってＨＣを酸化触媒部材に供給し、その酸化熱で排気ガス温度を上昇させてＰＭを焼却する方式とがある。
特開２００９−３６１７７号公報 特開２００９−１４４５７８号公報
ポスト噴射を行うと、噴射された燃料が潤滑油に混入して潤滑油が希釈されてしまうオイルダイリューションが発生することがある。
一方、排気管噴射を行うと、排気ガス温度が比較的低いときに、燃焼が不活発となり、燃え残りのＨＣが白煙となって大気に排出されることがある。
また、ＤＰＦの強制再生時、ＤＰＦにおける排気ガス温度が高くなるのに伴い、ＤＰＦの下流にある選択触媒還元部材（Selective Catalytic Reduction；以下、ＳＣＲという）における排気ガス温度が高くなりすぎると、ＳＣＲの窒素酸化物（ＮＯｘ）浄化効率が低下してしまう。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、オイルダイリューションを防止し、白煙排出を防止するＤＰＦ再生装置を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、内燃機関からの排気ガス流路に設置されて粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタに捕集された粒子状物質を除去するために前記内燃機関にてポスト噴射を行うポスト噴射手段と、前記フィルタより上流に設置されて前記排気ガス流路内での燃料の酸化を促進させる酸化触媒部材と、前記酸化触媒部材より上流に設置されて前記排気ガス流路に燃料を噴射する排気管噴射器と、前記内燃機関の負荷の大きさを判定する負荷判定手段と、前記フィルタの強制再生時に、前記内燃機関の負荷の大きさが所定値未満のときはポスト噴射のみを実行させ、前記内燃機関の負荷の大きさが前記所定値以上のときは排気管噴射を実行させる切り替え手段とを備え、前記所定値は、前記内燃機関の回転数が高くなるに従い低く設定されると共に、前記内燃機関の最高回転数にてゼロよりも高く設定されているものである。
また、本発明は、内燃機関からの排気ガス流路に設置されて粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタに捕集された粒子状物質を除去するために前記内燃機関にてポスト噴射を行うポスト噴射手段と、前記フィルタより上流に設置されて前記排気ガス流路内での燃料の酸化を促進させる酸化触媒部材と、前記酸化触媒部材より上流に設置されて前記排気ガス流路に燃料を噴射する排気管噴射器と、前記フィルタの入口における排気ガス温度を検出する第１排気ガス温度センサと、前記フィルタの強制再生時に、前記フィルタの入口における排気ガス温度が所定値未満のときはポスト噴射のみを実行させ、前記フィルタの入口における排気ガス温度が前記所定値以上のときは排気管噴射を実行させる切り替え手段とを備え、前記所定値は、前記内燃機関の回転数が高くなるに従い低く設定されると共に、前記内燃機関の最高回転数にてゼロよりも高く設定されているものである。
前記フィルタより下流に設置されて窒素酸化物を浄化する選択触媒還元部材と、前記選択触媒還元部材における排気ガス温度を検出する第２排気ガス温度センサと、前記第２排気ガス温度センサが検出した排気ガス温度が所定値以上のときはポスト噴射及び／又は排気管噴射における噴射量を低減させるか又は噴射を禁止する噴射制限手段とを備えてもよい。
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
（１）オイルダイリューションを防止することができる。
（２）白煙排出を防止することができる。
本発明の一実施形態を示すＤＰＦ再生装置の構成図である。 本発明のＤＰＦ再生装置における制御フローチャートである。 ＳＣＲにおけるＮＯｘ浄化効率の温度特性を示すグラフである。 エンジン回転数と負荷または排気ガス温度から強制再生方式を参照するためのマップを示すグラフである。
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１に示されるように、本発明に係るＤＰＦ再生装置１は、内燃機関２からの排気ガス流路３に設置されて粒子状物質（以下、ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）４と、ＤＰＦ４に捕集されたＰＭを除去するために内燃機関２にてポスト噴射を行うポスト噴射手段５と、ＤＰＦ４より上流に設置されて排気ガス流路３内での燃料の酸化を促進させるディーゼル酸化触媒部材（以下、ＤＯＣ）６と、ＤＯＣ６より上流に設置されて排気ガス流路３に燃料を噴射する排気管噴射器７と、内燃機関の負荷の大きさを判定する負荷判定手段８と、ＤＰＦ強制再生時に、内燃機関２の負荷の大きさが所定値未満のときはポスト噴射のみを実行させ、内燃機関２の負荷の大きさが所定値以上のときは排気管噴射を実行させる切り替え手段９とを備える。
ＤＰＦ再生装置１は、ＤＰＦ４の入口における排気ガス温度を検出するＤＰＦ入口排気ガス温度センサ１０を備えてもよい。
ＤＰＦ再生装置１は、強制再生を行うかどうかの判定要因となるＤＰＦ４の入口と出口間の差圧を検出する差圧センサ１１を備える。さらに、本実施形態では、ＤＰＦ再生装置１は、ＤＰＦ４より下流に設置されて窒素酸化物を浄化する選択触媒還元部材（以下、ＳＣＲという）１２と、ＳＣＲ１２における排気ガス温度を検出するＳＣＲ排気ガス温度センサ１３と、ＳＣＲ排気ガス温度センサ１３が検出した排気ガス温度が所定値以上のときはポスト噴射及び排気管噴射における噴射量を低減させるか又は噴射を禁止する噴射制限手段１４とを備える。
以下、各部について詳しく説明する。
内燃機関２は、例えば、ディーゼルエンジンである。
排気ガス流路３は、内燃機関２から大気まで排気ガスを導くものである。
ＤＰＦ４は、多孔質のセラミックで構成したハニカム構造体にＰＭを捕集するものである。
ポスト噴射手段５は、内燃機関２における燃料噴射を含む車両の各部を制御する電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）１５にプログラムとして組み込まれる。ＥＣＵ１５では、１燃焼サイクル内にメイン噴射前後の適宜なクランク角で複数回の燃料噴射を行うマルチ噴射制御を行うようになっている。ポスト噴射手段５は、排気ガス温度を上昇させてＤＰＦ４を強制再生する目的で、マルチ噴射制御中にメイン噴射より遅れてポスト噴射を行うものである。
ＤＯＣ６は、白金等の酸化触媒を用いてなり、排気ガス流路３内での燃料、すなわちＨＣの酸化を促進させることができる。
排気管噴射器７は、燃料噴射器（ノズル）を排気ガス流路３に取り付け、排気ガス流路３に燃料を噴射するようにしたものである。排気管噴射器７を用いた排気管噴射はＥＣＵ１５において制御される。排気管噴射は、各気筒におけるマルチ噴射制御とは独立に制御してもよいし、マルチ噴射制御と連動あるいは同期して制御してもよい。
負荷判定手段８は、プログラムとしてＥＣＵ１５に組み込まれる。負荷判定手段８は、内燃機関２に加わる負荷トルクを所定値未満か所定値以上か判定するものである。負荷トルクは、従来公知の技術により、ＥＣＵ１５が把握している。すなわち、ＥＣＵ１５は、エンジン状態を表すエンジンパラメータとして、負荷トルク、エンジン回転数、アクセル開度、空気量などを常時検出して燃料噴射制御等に用いている。
切り替え手段９は、プログラムとしてＥＣＵ１５に組み込まれる。切り替え手段９は、ＤＰＦ強制再生時に強制再生の方式であるポスト噴射と排気管噴射を切り替えるものである。本実施形態では、切り替え手段９は、ポスト噴射のみを実行する方式と、排気管噴射に加えてポスト噴射を実行する方式とを切り替えるようになっている。
ＤＰＦ入口排気ガス温度センサ１０は、ＤＰＦ４の入口における排気ガス温度を検出するもので、ＤＯＣ６とＤＰＦ４の間に設けられる。
差圧センサ１１は、ＤＰＦ４の入口と出口間の排気ガスの圧力差である差圧を検出するものである。ＤＰＦ４にＰＭが蓄積すると、その蓄積量の増加に伴って差圧が大きくなるので、差圧に基づいて強制再生の時期を判定することができる。
ＳＣＲ１２は、排気ガス中のＮＯｘを分解して窒素ガスにするものである。
ＳＣＲ排気ガス温度センサ１３は、ＳＣＲ１２における排気ガス温度を検出するものである。ＳＣＲ排気ガス温度センサ１３は、ＤＰＦ４の出口に設置してもよいが、ここではＳＣＲ１２の入口に設置する。
噴射制限手段１４は、プログラムとしてＥＣＵ１５に組み込まれる。噴射制限手段１４は、ＳＣＲ１２における排気ガス温度に基づいて、ポスト噴射及び排気管噴射における噴射量を制限するものである。
以下、ＤＰＦ再生装置１の動作を図２を参照しつつ説明する。
ＥＣＵ１５は、差圧センサ１１が検出したＤＰＦ４の入口と出口間の差圧に基づき強制再生を行うかどうか判断する。すなわち、差圧が所定値以上であるとＤＰＦ４に所定量以上のＰＭが蓄積したと判断し、強制再生モードに入る。差圧による判断に限らず、車両が所定距離又は所定時間運転されたとき、強制再生モードに入ってもよい。
ステップＳ１；ＤＰＦ再生装置１は、強制再生モードであるかどうかを判定する。強制再生モードでなければ、図２の制御フローを終了する。強制再生モードであればステップＳ２へ進む。
ステップＳ２；負荷判定手段８は、内燃機関２の負荷の大きさが所定値以上かどうか判定する。負荷の大きさが所定値未満あればステップＳ３へ、所定値以上であればステップＳ４へ進む。
ステップＳ３；切り替え手段９は、ポスト噴射のみを実行させる。これにより、ポスト噴射のみによる排気ガス昇温が行われることになる。
ステップＳ４；切り替え手段９は、排気管噴射（本実施形態では排気管噴射に加えてポスト噴射）を実行させる。これにより、排気管噴射とポスト噴射を併用した排気ガス昇温が行われることになる。
ステップＳ５；噴射制限手段１４は、ＳＣＲ排気ガス温度センサ１３が検出したＳＣＲ１２の入口における排気ガス温度（ＳＣＲ入口温度）が所定値以上かどうか判定する。ＳＣＲ入口温度が所定値未満あればステップＳ６へ、所定値以上であればステップＳ７へ進む。
ステップＳ６；噴射制限手段１４は、ＳＣＲ１２における排気ガス温度を下げる必要がないので、実行中のポスト噴射あるいは排気管噴射における１回の噴射量をこれまでと同じに維持する。
ステップＳ７；噴射制限手段１４は、ＳＣＲ１２における排気ガス温度を下げる必要があるので、実行中のポスト噴射あるいは排気管噴射における１回の噴射量をこれまでより低減する。なお、ポスト噴射あるいは排気管噴射における１回の噴射量は、実験によりあらかじめ設定しておく。また、噴射量を低減する量もまた、実験によりあらかじめ設定しておく。必要に応じ、噴射量を全量低減、すなわち噴射を禁止してもよい。
本発明によれば、以上の制御フローに従うと、内燃機関２の負荷の大きさが所定値未満であればポスト噴射のみが実行されることになる。負荷が小さいエンジン状態では、排気ガス温度が低く、排気管噴射を行うと白煙が発生して大気に排出されるおそれがあるが、本発明では、負荷の大きさが所定値未満であればポスト噴射のみが実行され、排気管噴射は実行されないので、白煙の発生が未然に防止される。一方、内燃機関２の負荷の大きさが所定値以上であれば排気管噴射に加えてポスト噴射が実行されることになる。負荷が大きいエンジン状態では、排気ガス温度が高く、排気管噴射を行っても白煙は発生しない。負荷によらずポスト噴射のみ行う従来技術に比べると、排気管噴射と併用する場合がある本発明では、ポスト噴射によるトータルの噴射量が少なくなるため、潤滑油に混入する燃料が少なくなり、オイルダイリューションを防止することができる。
なお、白煙の発生は排気ガス温度に依存する。したがって、前述の制御フローにおいて、切り替えの条件として、負荷の代わりに排気ガス温度を用いてもよい。この場合、ＤＰＦ入口排気ガス温度センサ１０が必要になる。切り替え手段９は、ＤＰＦ強制再生時に、ＤＰＦ入口排気ガス温度センサ１０が検出するＤＰＦ４の入口における排気ガス温度が所定値未満のときはポスト噴射のみを実行させ、ＤＰＦ４の入口における排気ガス温度が所定値以上のときは排気管噴射（本実施形態では排気管噴射に加えてポスト噴射）を実行させることになる。
さらに、切り替えの条件として、内燃機関２の負荷のみを条件とするか、ＤＰＦ４の入口における排気ガス温度のみを条件とする他に、排気ガス温度または内燃機関２の負荷とエンジン回転数との組み合わせを条件としてもよい。いずれの条件も、白煙が生成されるようなエンジン状態においては排気管噴射を回避し、その一方でポスト噴射における噴射量を減量することを目論んで設定するものである。切り替え手段９は、条件とするエンジンパラメータでマップを参照して強制再生の方式を切り替えるようになっている。
本発明によれば、図２の制御フローに従うと、ＳＣＲ１２の入口における排気ガス温度が所定値未満であれば噴射量が維持され、排気ガス温度が所定値以上になると、噴射量が低減または噴射が禁止され、その結果、排気ガス温度が前記所定値より低く調整されることになる。
ここで、図３に示されるように、ＳＣＲ１２におけるＮＯｘの浄化効率は、ＳＣＲ入口温度に依存する。すなわち、ＳＣＲ入口温度が最も高い領域Ｂ１では、ＮＯｘ浄化効率は中程度である。ＳＣＲ入口温度が中程度の領域Ｂ２では、ＮＯｘ浄化効率は最も高い。ＳＣＲ入口温度が最も低い領域Ｂ３では、ＮＯｘ浄化効率は最も低い。したがって、ポスト噴射あるいは排気管噴射によってＳＣＲ入口温度が上昇して、ＳＣＲ入口温度が中程度になった領域Ｂ２の状態ではそのまま噴射量を維持するが、ＳＣＲ入口温度がさらに上昇し所定値以上になった領域Ｂ１の状態では、噴射量を低減または噴射を禁止することでＳＣＲ入口温度を下げてＮＯｘ浄化効率が低下することを防止する。
次に、切り替え手段９が強制再生の方式を切り替えるために参照するマップを説明する。図４に示したマップは、横軸にエンジン回転数、縦軸に負荷または排気ガス温度をとった二次元マップである。
縦軸が負荷であるとした場合、負荷が所定値Ｔより高い領域（斜線ハッチング）Ａ１は排気管噴射とポスト噴射が併用される領域である。負荷が所定値Ｔ未満の領域（縦線ハッチング）Ａ２はポスト噴射のみの領域である。
縦軸が排気ガス温度とした場合でも、排気ガス温度が所定値Ｔより高い領域（斜線ハッチング）Ａ１は排気管噴射とポスト噴射が併用される領域であり、排気ガス温度が所定値Ｔ未満の領域（縦線ハッチング）Ａ２はポスト噴射のみの領域である。
この二次元マップに従うと、エンジンパラメータが領域Ａ１にあるときは、排気管噴射とポスト噴射が併用され、エンジンパラメータが領域Ａ２にあるときは、ポスト噴射のみ実行される。これにより、オイルダイリューションを防止し、かつ、白煙排出を防止することができる。
この二次元マップはエンジン回転数にはあまり強く依存しておらず、領域Ａ１，Ａ２の境界となる所定値Ｔは、エンジン回転数が低いときやや高く、エンジン回転数が高いときやや低くなっている。したがって、前述した図２の制御フローのように負荷のみを条件としても本発明の目的はほぼ達成される。一方、二次元マップを利用してエンジン回転数も条件に含めた場合、きめ細かいエンジン状態に応じた切り替えが可能となり、より高い効果が得られる。
本実施形態では、切り替え手段９は、ポスト噴射のみを実行する方式と、排気管噴射に加えてポスト噴射を実行する方式とを切り替えるようにしたが、ポスト噴射のみを実行する方式と、排気管噴射のみを実行する方式とを切り替えてもよく、また、ポスト噴射のみを実行する方式から排気管噴射（本実施形態では排気管噴射に加えてポスト噴射）を実行する方式を経て排気管噴射のみを実行する方式へと移行するようにしてもよい。
本実施形態では、排気ガス流路３にＤＰＦ４とＳＣＲ１２が設置されるものとしたが、ＤＰＦ４のみ設置されＳＣＲ１２が設置されない車両もある。この場合、ＮＯｘ浄化効率を考慮する必要がないので、ステップＳ５以降の噴射量調節の制御は不要となる。
次に、図３に着目すると、ポスト噴射あるいは排気管噴射が行われず、ＳＣＲ入口温度が低くなっている領域Ｂ３の状態では、ＮＯｘ浄化効率が顕著に低い。そこで、ＤＰＦの強制再生時に限らず、常時、排気ガス温度が低いときに、ポスト噴射あるいは排気管噴射によって排気ガス温度を上げることでＳＣＲ１２におけるＮＯｘ浄化効率を高く維持することが可能となる。
１ ＤＰＦ再生装置
２ 内燃機関
３ 排気ガス流路
４ ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
５ ポスト噴射手段
６ ＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒部材）
７ 排気管噴射器
８ 負荷判定手段
９ 切り替え手段
１０ ＤＰＦ入口排気ガス温度センサ
１１ 差圧センサ
１２ ＳＣＲ（選択触媒還元部材）
１３ ＳＣＲ排気ガス温度センサ
１４ 噴射制限手段
１５ ＥＣＵ

Claims (2)

  1. 内燃機関からの排気ガス流路に設置されて粒子状物質を捕集するフィルタと、
    前記フィルタに捕集された粒子状物質を除去するために前記内燃機関にてポスト噴射を行うポスト噴射手段と、
    前記フィルタより上流に設置されて前記排気ガス流路内での燃料の酸化を促進させる酸化触媒部材と、
    前記酸化触媒部材より上流に設置されて前記排気ガス流路に燃料を噴射する排気管噴射器と、
    前記内燃機関の負荷の大きさを判定する負荷判定手段と、
    前記フィルタの強制再生時に、前記内燃機関の負荷の大きさが所定値未満のときはポスト噴射のみを実行させ、前記内燃機関の負荷の大きさが前記所定値以上のときは排気管噴射を実行させる切り替え手段とを備え、
    前記所定値は、前記内燃機関の回転数の全範囲に亘って、前記内燃機関の回転数が高くなるに従い低く設定されると共に、前記内燃機関の最高回転数にてゼロよりも高く設定されていることを特徴とするフィルタ再生装置。
  2. 前記フィルタより下流に設置されて窒素酸化物を浄化する選択触媒還元部材と、
    前記選択触媒還元部材における排気ガス温度を検出する第２排気ガス温度センサと、
    前記第２排気ガス温度センサが検出した排気ガス温度が所定値以上のときはポスト噴射及び／又は排気管噴射における噴射量を低減させるか又は噴射を禁止する噴射制限手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載のフィルタ再生装置。
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