JP6244241B2

JP6244241B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP6244241B2
Application number: JP2014064373A
Authority: JP
Inventors: 淳史植田
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: JP2015187400A

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に関する。

従来、ディーゼルエンジン等からの排気に含まれる粒子状物質（以下、単に「ＰＭ」と表す）を捕集する排気浄化装置が知られている。排気浄化装置は、排気中のＮＯｘからＮＯ２を生成する酸化触媒とＰＭを捕集するスートフィルタとを具備する。排気浄化装置は、スートフィルタによってＰＭを捕集する。また、排気浄化装置は、酸化触媒によって排気に含まれるＮＯｘからＮＯ２を生成し、ＮＯ２の酸化作用によりスートフィルタに捕集されているＰＭを酸化除去するように構成されている。例えば、特許文献１に記載の如くである。

従来の排気浄化装置は、スートフィルタに捕集されているＰＭを酸化除去していた。ＰＭの酸化除去は、排気温度が所定の基準温度（ポスト噴射開始温度）以上になるまでアフタ噴射を行い、排気温度が基準温度以上になると、アフタ噴射よりも遅角させて燃料を噴射するポスト噴射を行い、ポスト噴射により、酸化触媒内の温度を、Ｏ２による酸化除去が可能な温度（再生温度）に上昇させるリセット再生により行われる。ポスト噴射により、酸化触媒内の温度が前記酸化除去が可能な再生温度に上昇されることによって、酸化触媒が活性化されて、スートフィルタに捕集されたＰＭが酸化除去される。これにより、スートフィルタの再生が行われる。

フィルタ再生において、酸化触媒の活性化が可能な排気温度ｔｘは、排気流量や、酸化触媒が設けられている部分の容積よっては、異なる可能性がある。

しかし、従来は、基準温度が一定値ｔα’に設定されていた（図５参照）。これにより、ｔｘ＜ｔα’となる場合は、排気温度がｔｘに到達し、ポスト噴射により酸化触媒内の温度を、前記酸化除去が可能な再生温度に上昇させることができる状態になっても、ポスト噴射が行われず、排気温度がさらに上昇して基準温度ｔα’に到達してからポスト噴射が行われていた。従って、ポスト噴射が行われるときの排気温度の範囲Ｗが必要以上に限定され、本来であれば必要のない昇温制御が行われていた。

特開２０１１−２５２４３５号公報

本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであり、排気温度を昇温させるための不要な燃料噴射を抑制することができる排気浄化装置の提供を目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

すなわち、本発明においては、排気中の粒子状物質を捕集するスートフィルタと、前記スートフィルタに捕集された粒子状物質の酸化除去を行う酸化触媒と、を備え、排気温度が所定の基準温度以上になるまでアフタ噴射を行い、排気温度が前記基準温度以上になると、前記アフタ噴射よりも遅角させて燃料をポスト噴射することによって、前記酸化触媒を活性化させて前記スートフィルタに堆積した粒子状物質を酸化除去するリセット再生を行う排気浄化装置であって、前記酸化触媒が設けられている部分の単位体積を通過する排気の単位時間当たりの流量である空間速度に基づいて、前記基準温度を変更するものである。

本発明においては、前記空間速度が所定値以下の場合は、前記空間速度が小さくなるほど前記基準温度を小さくし、前記空間速度が所定値よりも大きい場合は、空間速度の増加に対する基準温度の増加量の割合が略０または０になるものである。

本発明によれば、酸化触媒が設けられている部分の単位体積を通過する排気の単位時間当たりの流量である空間速度に基づいて、ポスト噴射により酸化触媒の活性化が可能であると判断するための基準温度が変更される。これにより、排気を昇温させるための不要な燃料噴射を抑制することが可能となる。

排気浄化装置の全体構成を示す概略図。通常運転、アシスト再生、およびリセット再生の遷移関係の説明図。リセット再生のフローチャート。空間速度と、基準温度と、の対応関係を示す温度マップを示す図。従来の空間速度と、基準温度と、の対応関係を示す温度マップを示す図。

以下に、図１を用いて本発明に係る排気浄化装置の第一実施形態である排気浄化装置１ついて説明する。なお、本実施形態における「上流側」とは排気の流れ方向における上流側を示し、「下流側」とは排気の流れ方向における下流側を示す。

図１に示すように、エンジン２から排出される排気を浄化するものである。排気浄化装置１は、エンジン２に具備され、吸気ストットル７、スートフィルタ８、酸化触媒９、上流側温度センサ１０、下流側温度センサ１１、回転数センサ１２、差圧センサ１３、ＥＣＵ１４等を具備する。

エンジン２は、単数または複数の気筒を備え、前記気筒内部に噴射される燃料を燃焼させることで発生するエネルギーを回転動力に変換するものである。エンジン２は、ディーゼルエンジンから構成される。エンジン２は、吸気経路３を介して供給される外気と燃料噴射弁４・４・４・４から供給される燃料とを気筒５・５・５・５内において混合燃焼させる。燃料の燃焼により発生する排気は、排気経路６を介して排出される。吸気経路３には、開度調節を行うことで吸気量を制御することができる吸気スロットル７が設けられる。なお、本実施形態に係るエンジン２は直列四気筒としたが、これに限定されない。

スートフィルタ８は、エンジン２の排気経路６に配設され、排気中のＰＭを捕集するものである。スートフィルタ８は、具体的にはセラミック等の多孔質壁からなるハニカム構造であり、排気は必ず前記多孔質壁を透過した後に排出されよう構成される。スートフィルタ８は、排気が前記多孔質壁を通過する際に排気中のＰＭを捕集する。その結果、排気からＰＭが除去される。

酸化触媒９は、排気中の一酸化炭素等のＮＯｘを酸化してＮＯ２を生成するものである。酸化触媒９は、スートフィルタ８の上流側に設けられる。酸化触媒９は、生成したＮＯ２の酸化の酸化力によってスートフィルタ８に捕集されているＰＭの酸化除去を行う。

上流側温度センサ１０と下流側温度センサ１１とは、排気温度を検出するものである。上流側温度センサ１０は、酸化触媒９の上流側に設けられ、酸化触媒９の上流側温度、すなわち酸化触媒９の入口温度（排気温度ｔ１）を検出する。下流側温度センサ１１は、酸化触媒９の下流側に設けられ、酸化触媒９の下流側温度、すなわち酸化触媒９の出口温度ｔ２を検出する。

回転数センサ１２は、エンジン２の回転数Ｒを検出するものである。回転数センサ１２は、図示しないクランク軸またはフライホイール等に設けられ、前記クランク軸の角度からエンジン２の回転数Ｒを検出する。

差圧センサ１３は、排気浄化装置１内における上下流間の圧力差（差圧）を検出するものである。差圧センサ１３は、排気浄化装置１内における上流側の圧力を検出する上流側センサ１３ａと、下流側の圧力を検出する下流側センサ１３ｂと、を有する。

制御手段であるＥＣＵ１４は、エンジン２の制御、およびスートフィルタ８の再生を制御するものである。ＥＣＵ１４は、エンジン２の制御やスートフィルタ８の再生制御を行うための種々のプログラムやデータが格納される。ＥＣＵ１４は、具体的には、排気流量マップＭ１、温度マップＭ２等のデータが格納される。ＥＣＵ１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。

ＥＣＵ１４は、燃料噴射弁４・４・４・４に接続され、燃料噴射弁４・４・４・４の燃料噴射量を制御することで、エンジン２の起動および停止、出力制御等をすることが可能である。
ＥＣＵ１４は、回転数センサ１２に接続され、回転数センサ１２が検出するエンジン２の回転数Ｒを取得するとともに燃料噴射弁４・４・４・４が噴射する燃料噴射量Ｆｉを取得することが可能である。

ＥＣＵ１４は、上流側温度センサ１０と下流側温度センサ１１とに接続され、上流側温度センサ１０と下流側温度センサ１１とが検出する算出する酸化触媒９の入口温度ｔ１と酸化触媒９の出口温度ｔ２とを取得することが可能である。

ＥＣＵ１４は、エンジン２の回転数Ｒと燃料噴射量Ｆｉとから排気流量マップＭ１に基づいて単位時間Ｔｕ毎に排気流量Ｅｘを算出することが可能である。

ＥＣＵ１４は、差圧センサ１３（上流側センサ１３ａ及び下流側センサ１３ｂ）に接続され、差圧センサ１３の検出値に基づいて排気浄化装置１内における上下流間の圧力差を算出して、算出した圧力差からスートフィルタ８におけるＰＭ堆積量を算出することが可能である。なお、スートフィルタ８におけるＰＭ堆積量を検出するのは、差圧センサ１３に限らず、排気浄化装置１内におけるスートフィルタ８上流側の圧力を検出する排気圧センサであってもよい。前記排気圧センサを採用した場合は、スートフィルタ８にＰＭが堆積していない新品時のスートフィルタ８上流側の圧力（基準圧力）と、前記排気圧センサにて検出された現在の圧力とを比較することによって、スートフィルタ８におけるＰＭ堆積量を算出することになる。

ここで、スートフィルタ８に堆積したＰＭを除去する（再生）方法として、エンジン２の通常運転時にスートフィルタ８において自発的に再生する自己再生と、排気の温度を意図的に上昇させてスートフィルタ８のＰＭを酸化除去する強制再生であるアシスト再生、リセット再生等がある。

自己再生は、酸化触媒９によってエンジン２の排気に含まれるＮＯｘが酸化されて生成されたＮＯ２の酸化作用によってスートフィルタ８に捕集されているＰＭが酸化除去されるものである。

アシスト再生は、意図的に酸化触媒９を活性化させてスートフィルタ８に捕集されているＰＭを酸化除去するものである。ＥＣＵ１４は、吸気ストットル７の開度制御と燃料噴射弁４の噴射制御とによって排気温度ｔ１を酸化触媒９の活性温度まで上昇させる。これにより、排気浄化装置１は、酸化触媒９によって生成されたＮＯ２がスートフィルタ８に捕集されているＰＭを酸化除去する。具体的には、ＥＣＵ１４は、吸気スロットル７を所定開度まで閉弁してエンジン２の吸気量を低減させる。あわせて、ＥＣＵ１４は、燃料噴射弁４のメイン噴射よりも遅角させて燃料を噴射するアフタ噴射を行うことで拡散燃焼を活性化させる。これらにより、ＥＣＵ１４は、排気温度ｔ１を上昇させて酸化触媒９を活性化させることでスートフィルタ８に捕集されているＰＭを酸化除去する。

リセット再生は、アシスト再生の制御態様に加えてポスト噴射を行うものである。ＥＣＵ１４は、吸気スロットル７の開度調整および燃料噴射弁４によるアフタ噴射に加え、さらに遅角させたポスト噴射によって未燃燃料をスートフィルタ８に供給する。これらにより、ＥＣＵ１４は、排気温度ｔ１をさらに上昇させて酸化触媒９を活性化さすることでスートフィルタ８に捕集されているＰＭを酸化除去する。

以下では、通常運転、アシスト再生、およびリセット再生の遷移関係について、図２を参照して説明する。

ＥＣＵ１４は、エンジン２の通常運転を行っている場合において、スートフィルタ８におけるＰＭ堆積量を算出して、算出したＰＭ堆積量が所定値Ｇ１（例えば、８ｇ／Ｌ）よりも大きくなる場合には、アシスト再生を行う。

ＥＣＵ１４は、アシスト再生を行っている場合において、スートフィルタ８におけるＰＭ堆積量を算出して、算出したＰＭ堆積量が所定値Ｇ２（例えば、６ｇ／Ｌ）よりも小さくなる場合には、アシスト再生を終了して、エンジン２の通常運転を行う。また、ＥＣＵ１４は、アシスト再生を所定時間Ｈ１（例えば、３０分）連続して行った場合は、アシスト再生を終了して、エンジン２の通常運転行う。

ＥＣＵ１４は、エンジン２の通常運転、またはアシスト再生を行っている場合において、所定時間Ｈ２毎に１回（例えば、１００時間に１回）の割合でリセット再生を行う。また、ＥＣＵ１４は、アシスト再生を行っている場合において、スートフィルタ８におけるＰＭ堆積量を算出して、算出したＰＭ堆積量が所定時間Ｈ３（例えば、１０分間）の間減らない場合は、リセット再生を行う。

ＥＣＵ１４は、リセット再生を行っている場合において、排気温度ｔ２（下流側温度センサ１１の検出値）が所定温度ｔβ℃（例えば、６００℃）以上の状態が所定時間Ｈ４（例えば、２５分）継続したときには、リセット再生を終了して、エンジン２の通常運転行う。また、ＥＣＵ１４は、リセット再生を所定時間Ｈ５（例えば、３０分）連続して行った場合は、リセット再生を終了して、エンジン２の通常運転行う。

以下では、リセット再生について詳細に説明する。

リセット再生は、排気温度ｔ１（上流側温度センサ１０の検出値）がポスト噴射により酸化触媒の活性化が可能であると判断するための基準温度（ポスト噴射開始温度）ｔα以上になるまでアフタ噴射を行い、排気温度ｔ１が基準温度ｔα以上になると、アフタ噴射よりも遅角させて燃料を噴射するポスト噴射を行い、ポスト噴射により、酸化触媒９内の温度を、Ｏ２による酸化除去が可能な温度（例えば、６００℃程度）に上昇させるものである。ポスト噴射により、酸化触媒９内の温度が、Ｏ２による酸化除去が可能な温度（例えば、６００℃程度）に上昇されることによって、酸化触媒９が活性化されて、スートフィルタ８に捕集されているＰＭが酸化除去される。これにより、スートフィルタ８の再生が行われる。

図３に示すように、ＥＣＵ１４には、基準温度ｔαを算出するための温度マップＭ２が格納されている。温度マップＭ２は、空間速度ＳＶと、基準温度ｔαと、の対応関係を示している。空間速度ＳＶは、排気流量Ｅｘを、排気浄化装置１における酸化触媒９が設けられている部分の容積Ｕで除した値である（ＳＶ＝Ｅｘ／Ｃ）。すなわち、空間速度ＳＶは、酸化触媒９が設けられている部分の単位体積を通過する排気の単位時間当たりの流量である。排気流量Ｅｘは、ＥＣＵ１４により算出される。容積Ｕの情報は予めＥＣＵ１４に記憶されている。

次に、温度マップＭ２について説明する。

空間速度ＳＶが所定値Ｊ以下の場合、排気が酸化触媒９内を通過するために必要な時間は、排気流量Ｅｘが小さくなるほど増大する。その結果、排気中の未燃の燃料は、酸化触媒９と接触する確率が高くなり、酸化触媒９と反応して燃焼しやすくなる。これにより、酸化触媒９内の温度を、効率的に上昇させることが可能となる。よって、排気流量Ｅｘが小さい場合、酸化触媒の活性化が可能な排気温度が低下する。従って、温度マップＭ２において、排気流量Ｅｘが小さくなるほど（空間速度ＳＶが小さくなるほど）、基準温度ｔαが小さくなるように構成されている（図３参照）。

また、空間速度ＳＶが所定値Ｊ以下の場合、排気が酸化触媒９内を通過するために必要な時間は、酸化触媒９が設けられている部分の容積Ｕが大きくなるほど増大する。その結果、排気中の未燃の燃料は、酸化触媒９と接触する確率が高くなり、酸化触媒９と反応して燃焼しやすくなる。これにより、酸化触媒９内の温度を、効率的に上昇させることが可能となる。よって、容積Ｕが大きい場合、酸化触媒の活性化が可能な排気温度が低下する。従って、温度マップＭ２において、容積Ｕが大きくなるほど（空間速度ＳＶが小さくなるほど）、基準温度ｔαが小さくなるように構成されている（図３参照）。

温度マップＭ２において、空間速度ＳＶが所定値Ｊよりも大きい場合、基準温度ｔαが、空間速度ＳＶに関係なく、略一定または一定になるように構成されている。すなわち、空間速度ＳＶが所定値Ｊよりも大きい場合は、空間速度ＳＶの増加に対する基準温度ｔαの増加量の割合が略０または０になるように構成されている。

図３において、Ｗは、ポスト噴射が行われるときの排気温度ｔ１の範囲を示しており、すなわち、スートフィルタ８の再生を行うことが可能なエンジン運転領域を示している。

次に、ＥＣＵ１４がリセット再生を行うときの手順ステップＳ１〜ステップＳ６について、図４を参照して説明する。

ステップＳ１において、ＥＣＵ１４は排気流量Ｅｘを算出する。

ステップＳ２において、ＥＣＵ１４は、ステップＳ１で算出した排気流量Ｅｘ、および記憶している容積Ｕを用いて空間速度ＳＶ（＝Ｅｘ／Ｃ）を算出する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ１４により算出された空間速度ＳＶがＳＶ’であったこととする。

ステップＳ３において、ＥＣＵ１４は、温度マップＭ２を用いて、ステップＳ２で算出した空間速度ＳＶ’に対応する基準温度ｔα’を算出する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ１４は、アフタ噴射を行う。

ステップＳ５において、ＥＣＵ１４は、上流側温度センサ１０の検出値に基づいて、排気温度ｔ１が基準温度ｔα’以上になったか否かを判定する。ＥＣＵ１４により排気温度ｔ１が基準温度ｔα’未満であると判定された場合には（ステップＳ５、Ｎｏ）、ステップＳ４に移行する。この場合、ＥＣＵ１４は、アフタ噴射を再度行うこととなる。ＥＣＵ１４により排気温度ｔ１が基準温度ｔα’以上であると判定された場合には（ステップＳ５、Ｙｅｓ）、ステップＳ６に移行する。

ステップＳ６において、ＥＣＵ１４は、ポスト噴射を行う。

以上のように、排気浄化装置１は、リセット再生の際に、空間速度ＳＶの大きさ（排気流量Ｅｘの大きさ、および容積Ｕの大きさ）に基づいて基準温度ｔαを変更する。これにより、空間速度ＳＶの大きさが変わり、酸化触媒の活性化が可能な排気温度が変化する場合でも、これに応じて基準温度ｔαを変更することで、ポスト噴射が行われるときの排気温度ｔ１の範囲Ｗを拡大させることが可能となる（図３および図５参照）。従って、適正な排気温度ｔ１でポスト噴射を行うことが可能となり、排気を昇温させるための不要な燃料噴射（アフタ噴射）を抑制することが可能となる。

なお、基準温度ｔαが低く設定される場合は、これに合わせてポスト噴射の際の燃料の噴射量を少なくするように構成してもよい。これは、基準温度ｔαが低く設定される場合は、排気中の未燃の燃料の燃焼効率がよいので、燃料の噴射量を少なくしても、ポスト噴射により十分に酸化触媒９内の温度を上昇させることができるからである。これにより、効率よくポスト噴射を行うことが可能となる。

１排気浄化装置
８スートフィルタ
９酸化触媒
１４ＥＣＵ
Ｅｘ排気流量
Ｍ２温度マップ
ＳＶ空間速度
ｔα 基準温度

Claims

排気中の粒子状物質を捕集するスートフィルタと、前記スートフィルタに捕集された粒子状物質の酸化除去を行う酸化触媒と、を備え、
排気温度が所定の基準温度以上になるまでアフタ噴射を行い、排気温度が前記基準温度以上になると、前記アフタ噴射よりも遅角させて燃料をポスト噴射することによって、前記酸化触媒を活性化させて前記スートフィルタに堆積した粒子状物質を酸化除去するリセット再生を行う排気浄化装置であって、
前記酸化触媒が設けられている部分の単位体積を通過する排気の単位時間当たりの流量である空間速度に基づいて、前記基準温度を変更する
ことを特徴とする排気浄化装置。
前記空間速度が所定値以下の場合は、前記空間速度が小さくなるほど前記基準温度を小さくし、
前記空間速度が所定値よりも大きい場合は、空間速度の増加に対する基準温度の増加量の割合が略０または０になる
ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。