KR20120090979A - 디젤 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 운전 상태에 따라 효율적으로 디젤 파티규레이트 필터(Diesel Particulate Filter)의 재생을 행할 수 있는 디젤 엔진을 제공한다. 디젤 엔진의 ECU에 의한 재생 제어는, PM(Particulate Matter; 입자상 물질) 퇴적량이 제1 임계치를 넘은 경우에 PM을 300℃ 이상에서 20분 연소해 제거하는 제1 재생과, PM 퇴적량이 제1 임계치를 넘은 상태에서 제1 설정 시간이 경과한 경우 또는 100 시간마다, 포스트 분사(Post-injection)를 사용해 PM을 약 560℃에서 30분간 연소해 애쉬(ash) 이외의 PM을 완전하게 제거하는 제2 재생과, PM 퇴적량이 제2 임계치를 넘은 상태에서 긴급 재생 개시 스위치가 압하된 경우, 또는 전회 실시한 제2 재생 또는 제3 재생으로부터 50 시간 이상 경과한 상태에서 긴급 재생 개시 스위치가 압하된 경우에, 포스트 분사를 사용해 PM을 약 600℃에서 15분간 연소해 애쉬 이외의 PM을 완전하게 제거하는 제3 재생을 포함한다.

Description

디젤 엔진{DIESEL ENGINE}
본 발명은 디젤 엔진에 관한 것으로, 특히 디젤 엔진에 구비되는 배기 정화 장치에 관한 것이다.
종래, 디젤 엔진에는 그 배기 가스에 포함되는 입자상 물질(Particulate Matter, 이하, 'PM'이라고도 한다)을 포집하는 디젤 파티규레이트 필터(Diesel Particulate Filter, 이하, 'DPF'라고도 한다)를 구비하는 배기 정화 장치가 마련되어 있다. 상기 DPF는, 예를 들면 세라믹스로 이루어지는 벌집 구조(honeycomb structure)의 다공질 부재이며, 그 내부를 배기 가스가 통과함으로써 PM이 포집되어 배기 가스가 정화된다.
상기와 같은 디젤 엔진에서는, 배기 정화 장치에 의해 배기 가스를 정화하는 과정에서 DPF의 내부에 PM이 퇴적되어 배기 정화 장치의 기능 저하를 일으킬 뿐만 아니라, 배기 저항의 증가 등에 의해 디젤 엔진에 악영향을 미칠 우려가 있다. 이 때문에, DPF에 퇴적된 PM을 정기적으로 제거하도록 DPF의 재생을 행하는 제어가 이루어지고 있다. 이러한 DPF의 재생은 배기 가스의 유동 방향에서의 DPF의 상류측과 하류측의 차압(이하, 단순히 'DPF 전후의 차압'이라고 한다)에 기초해 추정되는 PM의 퇴적량이 소정의 임계치를 넘은 경우에 행해진다.
그러나, PM에는 연소 제거할 수 있는 그을음 등의 가연 성분 외에, 연료 첨가제나 윤활유 첨가제 등에 유래하는 애쉬(ash)가 포함된다. 이러한 애쉬는 연소 제거할 수 없기 때문에, DPF에 퇴적이 진행되면 DPF 전후의 차압으로부터 추정되는 PM의 퇴적량과 실제로 퇴적되어 있는 PM의 퇴적량의 괴리가 커져, 적절히 DPF를 재생할 수 없는 등의 문제가 생긴다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, 특허 문헌 1에는 디젤 엔진의 운전 시간으로부터 애쉬의 DPF 퇴적량을 추정하고, DPF의 재생을 행한 직후에는 DPF 전후의 차압으로부터 추정되는 PM의 퇴적량을 애쉬의 퇴적량으로 간주해, 애쉬의 퇴적량을 고정밀도로 산출함으로써 적절히 DPF의 재생을 행하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 기술은, DPF 전후의 차압으로부터 추정되는 PM의 퇴적량이 소정의 임계치를 넘는 경우에만 포스트 분사(Post-injection) 등에 의해 PM을 연소 제거한다. 즉, 디젤 엔진의 운전 상태나 배기 가스의 온도 등을 고려하지 않기 때문에 효율적으로 DPF를 재생할 수 없어, 포스트 분사에 의한 재생 빈도의 증가에 의한 윤활유 희석 및 연비의 악화를 초래한다는 점에서 불리하다.
특허 문헌 1: 일본 특허공개 2007-16684호 공보
본 발명은 윤활유의 희석을 방지함과 동시에, 운전 상태에 따라 효율적으로 디젤 파티규레이트 필터의 재생을 행할 수 있는 디젤 엔진을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명이 해결하려고 하는 과제는 이상과 같으며, 다음에 이 과제를 해결하기 위한 수단을 설명한다.
즉, 본 발명의 디젤 엔진은,
산화 촉매와,
디젤 파티규레이트 필터와,
상기 디젤 파티규레이트 필터의 상류측과 하류측의 차압을 검지하는 수단과,
상기 차압에 기초하여 상기 디젤 파티규레이트 필터에 퇴적된 입자상 물질의 양을 추정하고, 당해 추정량에 기초해 상기 디젤 파티규레이트 필터를 재생하는 제어 수단을 구비하는 디젤 엔진에 있어서,
상기 제어 수단에 의한 상기 디젤 파티규레이트 필터의 재생 제어는,
포스트 분사를 사용하지 않고, 상기 산화 촉매의 활성 온도 영역에서 재생을 행하는 제1 재생과,
포스트 분사를 사용해, 연소 제거할 수 없는 애쉬를 제외한 입자상 물질을 완전하게 연소 제거하는 제2 재생과,
비작업시에 수동 조작으로, 포스트 분사를 사용해, 연소 제거할 수 없는 애쉬를 제외한 입자상 물질을 완전하게 연소 제거하는 제3 재생을 포함한다.
본 발명의 디젤 엔진에 있어서,
상기 제1 재생은, 상기 추정량이 제1 임계치를 넘고 또한 엔진 출력이 자기 재생이 행해지는 운전 영역에서의 부하보다 약간 작은 부하가 걸리는 운전 영역에 있는 경우에 행해지는 것이 바람직하다.
본 발명의 디젤 엔진에 있어서,
상기 제2 재생은, 상기 추정량이 상기 제1 임계치를 넘은 상태에서 제1 설정 시간 경과하거나, 또는 제2 설정 시간마다, 엔진 출력이 경부하이면서 저회전인 운전 영역 이외의 운전 영역에 있는 경우에 행해지는 것이 바람직하다.
본 발명의 디젤 엔진에 있어서,
상기 제2 재생 또는 상기 제3 재생의 종료 후부터 제3 설정 시간 내에는, 상기 제3 재생을 실시할 수 없는 것이 바람직하다.
본 발명의 디젤 엔진에 있어서,
상기 추정량이 제2 임계치를 넘으면, 상기 제3 재생의 실시를 재촉하는 경보를 발하는 것이 바람직하다.
본 발명의 디젤 엔진에 있어서,
상기 추정량이 제2 임계치를 넘은 상태에서 제4 설정 시간 내에 상기 제3 재생이 행해지지 않는 경우에는, 엔진 출력을 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 디젤 엔진에 있어서,
상기 제2 재생에서의 재생 온도는, 상기 제3 재생에서의 재생 온도보다 약간 낮은 것이 바람직하다.
본 발명의 디젤 엔진에 있어서,
상기 제2 재생, 및 상기 제3 재생의 실시 직후에, 상기 제어 수단에 기억되어 있는 상기 추정량을 제로로 함과 동시에,
상기 차압에 기초하여 상기 디젤 파티규레이트 필터에 퇴적된 애쉬의 양을 추정하고, 당해 애쉬의 양에 기초해, 상기 제어 수단에 기억되어 있는 상기 디젤 파티규레이트 필터에 퇴적된 입자상 물질의 양과 상기 차압의 관계를 보정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 디젤 엔진에 있어서,
흡입 공기의 양을 조정하는 흡입 스로틀을 구비하고,
상기 제1 재생, 상기 제2 재생, 또는 상기 제3 재생을 실시할 때, 상기 흡입 스로틀의 개방도를 배기 가스의 온도가 상기 산화 촉매의 활성 온도가 되는 개방도로 한 후, 배기 가스의 온도가 상기 제1 재생, 상기 제2 재생, 또는 상기 제3 재생의 목표 온도가 되는 개방도로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 디젤 파티규레이트 필터에 퇴적된 입자상 물질의 양에 따라, 포스트 분사를 사용하지 않는 제1 재생과, 포스트 분사를 사용하는 제2 재생이 행해지고, 또한 작업 상태나 비상시 등의 상황에 따라 제3 재생을 행할 수 있다. 따라서, 제2 재생 및 제3 재생의 실시 빈도를 줄임으로써, 포스트 분사에 의한 윤활유의 희석 및 연비 악화를 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 재생의 실시를 효율화할 수 있다. 따라서, 연비의 악화를 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 재생으로 충분히 재생할 수 없는 디젤 파티규레이트 필터에 퇴적된 입자상 물질을 포스트 분사를 사용함으로써 충분히 재생할 수 있어, 디젤 파티규레이트 필터에 입자상 물질이 과잉 퇴적됨으로써 일어나는 폭주 재생을 방지할 수 있다. 또한, 정기적으로 포스트 분사를 사용한 재생이 행해짐으로써, 디젤 파티규레이트 필터에 퇴적된 입자상 물질의 양의 추정 오차를 저감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 무제한으로 제3 재생을 실시하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 포스트 분사에 의한 디젤 엔진의 윤활유 희석을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 작업자에게 제3 재생의 실시를 재촉할 수 있을 뿐만 아니라 작업자가 용이하게 인식할 수 있다.
본 발명에 따르면, 작업자에게 제3 재생의 실시를 재촉할 수 있다. 또한, 폭주 재생을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진 부하 변동이 격렬한 작업 환경하에서도, 산화 촉매의 과승온에 의한 열열화를 방지할 뿐만 아니라 작업을 계속하면서 재생을 행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 디젤 파티규레이트 필터에 퇴적된 입자상 물질의 양을 산출할 때 애쉬의 퇴적량이 고려되게 되어, 과도하게 제1 재생, 제2 재생, 또는 제3 재생이 실시되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 탄화수소의 배출량을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 제어 패널의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 제1 재생과 제2 재생과 제3 재생의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 재생 제어를 나타내는 플로우차트이다.
도 5는 자기 재생 영역과 제1 재생 영역을 나타내는 도면이다.
도 6은 재생시에 흡입 스로틀의 개방도 변경을 채용한 경우의 흡입 스로틀의 개방도 변경의 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 7은 제2 재생 영역을 나타내는 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조해 본 발명의 일 실시 형태에 따른 디젤 엔진(1)에 대해 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 디젤 엔진(1)은 직분식 직렬 4기통의 디젤 엔진으로서, 엔진 본체(2), 흡기 통로(3), 배기 통로(4), EGR 장치(5), 배기 정화 장치(6), 제어 패널(7), 및 ECU(8) 등으로 구성된다.
엔진 본체(2)는 압축된 공기에 연료를 공급함으로써 연소시키고, 이 연소에 의한 팽창 에너지로부터 회전 동력을 얻는 것이다. 엔진 본체(2)는 통 형상의 실린더 및 실린더의 내부에 슬라이딩 가능하게 마련되는 피스톤을 포함하는 실린더 블록과, 상기 실린더의 개구를 막도록 상기 실린더 블록에 장착된 실린더 헤드를 구비한다. 상기 피스톤과 상기 실린더와 상기 실린더 헤드의 사이에는 연소실(21)이 형성된다.
연소실(21)은 상기 피스톤과 상기 실린더와 상기 실린더 헤드의 사이에 형성된 공간이며, 상기 실린더 헤드에 마련된 연료 분사 밸브(22)에 의해 연료가 연소실(21)에 분사된다. 연소실(21)은, 본 실시 형태에 있어서는, 엔진 본체(2)에 4개가 형성되어 있다.
연료 분사 밸브(22)는 상기 실린더 헤드에 연소실(21)과 같은 개수가 마련되어, 각 연소실(21)에 연료를 분사할 수 있도록 각각 배치된다. 연료 분사 밸브(22)는 연료의 분사를 적절한 횟수 및 시기에 행할 수 있어, 연료의 분사 상태를 변경함으로써 엔진 본체(2)의 엔진 회전수 및 토크 등이 변경 가능해진다.
또한, 엔진 본체(2)에는 회전 센서(23)가 마련된다.
회전 센서(23)는 엔진 본체(2)의 엔진 회전수를 계측하는 부재이며, 엔진 본체(2)의 크랭크축 또는 플라이 휠 등의 근방에 배치된다.
또한, 엔진 본체(2)에는 엔진 본체(2)의 연소실(21)에 흡입 공기를 유도하는 통로가 되는 흡기 통로(3)와, 엔진 본체(2)로부터 배출되는 배기 가스의 통로가 되는 배기 통로(4)가 접속된다.
흡기 통로(3)는 흡기 매니폴드(31), 흡기관(32) 및 흡입 스로틀(33) 등으로 구성된다.
흡기 매니폴드(31)는 흡입 공기를 각 연소실(21)에 균등하게 배분하기 위한 부재이며, 상기 실린더 헤드에 고정되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 엔진 본체(2)에 4개의 연소실(21)이 직렬로 형성되기 때문에, 흡기 매니폴드(31)의 일단부는 4개의 통로로 분기하도록 형성되어, 각 연소실(21)과 연통하도록 엔진 본체(2)에 접속된다. 한편, 흡기 매니폴드(31)의 타단부는 흡기관(32)에 접속된다.
흡기관(32)은 흡기 매니폴드(31)의 타단부에 접속된 관이며, 흡입 공기의 유동 방향에서의 가장 상류측에 배치된다. 즉, 흡기관(32)으로부터 외기가 흡입되어, 도시하지 않은 에어클리너에 의해 정화된 후, 흡기 매니폴드(31)를 통해 엔진 본체(2)의 각 연소실(21)에 공급된다. 흡기관(32)의 중간부에는 흡입 스로틀(33)이 마련된다.
흡입 스로틀(33)은 엔진 본체(2)의 연소실(21)에 공급되는 흡입 공기의 양을 조정하는 부재이며, 흡기관(32)의 중간부에 마련된다. 흡입 스로틀(33)에는, 예를 들면 버터플라이 밸브(Butterfly valve)가 채용되어, DC 서보모터 등에 의해 개방도를 조정함으로써 흡기관(32) 내부 공간의 단면적을 변화시켜, 연소실(21)에 공급되는 흡입 공기의 양을 조정하는 것이 가능해진다.
배기 통로(4)는 배기 매니폴드(41), 배기관(42), 상류측 배기 스로틀(43), 및 하류측 배기 스로틀(44) 등으로 구성된다.
배기 매니폴드(41)는 엔진 본체(2)의 연소실(21)로부터 배출된 배기 가스를 집합시키기 위한 부재이다. 배기 매니폴드(41)의 일단부는 흡기 매니폴드(31)와 마찬가지로 4개의 통로로 분기하도록 형성되어, 각 연소실(21)과 연통하도록 엔진 본체(2)에 접속된다. 한편, 배기 매니폴드(41)의 타단부는 배기관(42)에 접속된다.
배기관(42)은 배기 매니폴드(41)의 타단부에 접속된 관이며, 배기 가스의 유동 방향에서의 가장 하류측에 배치된다. 배기관(42)의 중간부에는 배기 가스를 정화하는 배기 정화 장치(6)가 마련되고, 그것을 협지하듯이 상류측 배기 스로틀(43) 및 하류측 배기 스로틀(44)이 마련된다. 즉, 엔진 본체(2)의 각 연소실(21)로부터 배기 매니폴드(41)를 통해 배기관(42)에 배출된 배기 가스는, 배기 정화 장치(6)에 의해 정화된 후에 외부로 배출된다.
상류측 배기 스로틀(43) 및 하류측 배기 스로틀(44)은 엔진 본체(2)의 연소실(21)로부터 배출된 배기 가스에 의해 배기 통로(4)의 내부에 생기는 압력을 조정하는 부재이며, 흡입 스로틀(33)과 마찬가지로 버터플라이 밸브 등이 채용된다. 상류측 배기 스로틀(43)은 배기 가스의 유동 방향에서의 배기 정화 장치(6)의 상류 측에 마련되고, 하류측 배기 스로틀(44)은 배기 가스의 유동 방향에서의 배기 정화 장치(6)의 하류측에 마련된다. DC 서보모터 등에 의해 상류측 배기 스로틀(43) 및 하류측 배기 스로틀(44)의 개방도를 조정함으로써 배기관(42) 내부 공간의 단면적을 변화시켜, 배기 정화 장치(6)에 유입하는 배기 가스의 양 및 배기 정화 장치(6)로부터 유출되는 배기 가스의 양을 조정할 수 있다.
EGR 장치(5)는 배기 매니폴드(41)로부터 흡기 매니폴드(31)에 배기 가스의 일부를 재순환 가스로서 환원하여, 연소실(21)에 공급되는 흡입 공기의 산소 농도를 저감시키기 위한 장치이다. EGR 장치(5)는 EGR관(51) 및 EGR 밸브(52) 등으로 구성된다.
EGR관(51)은 흡기 매니폴드(31)와 배기 매니폴드(41)를 연통시키는 관으로서, 일단이 흡기 매니폴드(31)에 접속되고, 타단이 배기 매니폴드(41)에 접속된다.
EGR 밸브(52)는 배기 매니폴드(41)로부터 흡기 매니폴드(31)로 환원되는 재순환 가스의 양을 조정하는 부재이며, EGR관(51)의 중간부에 마련된다. EGR 밸브(52)는 DC 서보모터 등에 의해 개방도를 조정함으로써 재순환 가스 통로의 통로 단면적을 변화시켜, 재순환 가스의 양을 조정할 수 있다.
배기 정화 장치(6)는 엔진 본체(2)의 연소실(21)로부터 배출되는 배기 가스에 포함되는 입자상 물질(이하, 'PM'이라고 한다)을 제거해 배기 가스를 정화하는 장치이다. 배기 정화 장치(6)는 배기관(42)의 중간부에 마련되고, 상류측 배기 스로틀(43)과 하류측 배기 스로틀(44) 사이에 배치된다. 배기 정화 장치(6)는 산화 촉매(61), DPF(62), 압력 센서(63a·63b) 및 온도 센서(64) 등으로 구성된다.
여기에서, PM이란 배기 가스에 포함되는 입자상 물질(Particulate Matter; PM)로서, 연소 제거할 수 있는 그을음 등의 가연 성분과, 연료 첨가제나 윤활유 첨가제 등에 유래하고 연소 제거할 수 없는 애쉬로 이루어진다.
산화 촉매(61)는 엔진 본체(2)의 연소실(21)로부터 배출되는 배기 가스에 포함되는 CO(일산화탄소), HC(탄화수소) 및 SOF(가용성 유기 성분)를 산화해 제거하는 부재이다. 또한, 산화 촉매(61)는 배기 가스에 많이 포함되는 NO(일산화질소)를 산화함으로써 NO2(이산화질소)로 변화시킨다.
DPF(62)는 PM을 포집함으로써 배기를 여과함과 동시에, 퇴적된 PM을 산화해 제거하는 디젤 파티규레이트 필터(Diesel Particulate Filter; DPF)이다. DPF(62)는 산화 촉매(61)보다 배기 가스의 유동 방향에서의 하류측에 배치된다. 본 실시 형태에서, DPF(62)는 SiC(탄화규소)로 이루어지고, 배기 가스에 포함되는 PM이 DPF(62)에 형성된 미세한 구멍을 통과할 때에 포집된다. DPF(62)에 의해 포집된 PM에 포함되는 가연 성분은, 배기 가스가 산화 반응을 진행시킬 수 있는 온도인 경우에, 배기 가스에 포함되는 O2(산소) 및 산화 촉매(61)에 의해 생성된 NO2(이산화질소)에 의해 산화되어 제거된다. 한편, 포집된 PM에 포함되는 애쉬는 연소 제거되지 않고 DPF(62)에 퇴적된다.
압력 센서(63a·63b)는 엔진 본체(2)로부터 배출되는 배기 가스의 압력을 계측하는 부재이며, 각각 배기 가스의 유동 방향에서의 DPF(62)의 상류측과 하류측에 배치된다.
온도 센서(64)는 엔진 본체(2)로부터 배출되는 배기 가스의 온도를 계측하는 부재이며, 산화 촉매(61)와 DPF(62) 사이에 배치된다.
한편, 온도 센서(64)를 배기 가스의 유동 방향에서의 산화 촉매(61)의 상류측, 또는 DPF(62)의 하류측에 배치해도 무방하다.
제어 패널(7)은 디젤 엔진(1)의 현재의 제어 상태(DPF(62)의 재생 제어 상태)를 나타냄과 함께, 작업자가 수동으로 ECU(8)에 소정의 제어 신호를 송신하기 위한 부재이며, 예를 들면 디젤 엔진(1)이 작업 차량에 탑재되는 경우에는 작업자에 의해 눈으로 확인하고 조작 가능하도록 운전석 근방에 배치된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 제어 패널(7)은 DPF(62)의 재생 제어 상태에 따라 점등하는 통상 재생중 램프(71), 리셋 재생중 램프(72), 긴급 재생중 램프(73), 긴급 재생 금지중 램프(74), 및 긴급 재생 지시 램프(75)와, 작업자가 수동으로 ECU(8)에 소정의 제어 신호를 송신하기 위한 긴급 재생 개시 스위치(76)를 구비한다.
ECU(8)는 엔진 제어 장치(Engine Control Unit; ECU)로서, 디젤 엔진(1)을 제어하는 수단으로서 기능한다. ECU(8)는 각종 연산 처리를 실행하는 중앙 처리 장치(CPU), 제어 프로그램 등을 기억시킨 읽기 전용의 메모리(ROM), 및 각종 프로그램이나 데이터 등을 일시적으로 기억시켜 수시로 읽고 쓰기가 가능한 메모리(RAM) 등으로 구성된다.
ECU(8)는 연료 분사 밸브(22)와 전기적으로 접속되어, 연료 분사 밸브(22)의 연료 분사 상태(시기, 횟수, 압력 등)를 제어할 수 있다.
ECU(8)는 회전 센서(23)와 전기적으로 접속되어, 회전 센서(23)에 의해 계측된 엔진 본체(2)의 엔진 회전수를 취득할 수 있다.
ECU(8)는 흡입 스로틀(33)과 전기적으로 접속되어, 흡입 스로틀(33)의 개방도를 제어할 수 있다.
ECU(8)는 상류측 배기 스로틀(43) 및 하류측 배기 스로틀(44)과 각각 전기적으로 접속되어, 상류측 배기 스로틀(43) 및 하류측 배기 스로틀(44)의 개방도를 제어할 수 있다.
ECU(8)는 EGR 밸브(52)와 전기적으로 접속되어, EGR 밸브(52)의 개방도를 제어할 수 있다.
ECU(8)는 압력 센서(63a·63b)와 각각 전기적으로 접속되어, 압력 센서(63a·63b)에 의해 계측된 DPF(62) 통과 전후의 배기 가스의 압력을 취득할 수 있다.
ECU(8)는 온도 센서(64)와 전기적으로 접속되어, 온도 센서(64)에 의해 계측된 배기 가스의 온도를 취득할 수 있다.
ECU(8)는 제어 패널(7)과 전기적으로 접속되어, 소정 제어 신호의 제어 패널(7)에의 송신 및 제어 패널(7)로부터의 소정 제어 신호의 수신이 가능하다.
ECU(8)는 전기적으로 접속된 상기 복수의 부재를 제어함으로써 DPF(62)의 재생 제어를 행한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, ECU(8)에 의한 DPF(62)의 재생 제어는 제1 재생, 제2 재생 및 제3 재생을 포함한다.
제1 재생은, ECU(8)에 의해 추정된, PM의 DPF(62)에의 퇴적량(이하, 단순히 'PM 퇴적량'이라고 한다)[g/l]이 제1 임계치를 넘은 경우에, DPF(62)에 퇴적된 PM을 산화 촉매(61)의 활성 온도 영역에서 20분간 연소함으로써 제거하는 제어이다. 여기에서, '활성 온도 영역'이란 산화 촉매(61)의 활성 온도(약 200℃)보다 높은 온도로서, 폭주 재생이 생기지 않을 정도의 비교적 낮은 온도이며, 본 실시 형태에서는 300℃ 이상이다.
제2 재생은, PM 퇴적량이 제1 임계치를 넘은 상태에서 제1 설정 시간 경과한 경우 또는 제2 설정 시간(100시간)마다, 포스트 분사를 사용해 DPF(62)에 퇴적된 PM을 약 560℃에서 30분간 연소함으로써 애쉬 이외의 PM을 완전하게 제거하는 제어이다.
제3 재생은, PM 퇴적량이 제2 임계치를 넘은 상태에서 작업자가 제어 패널(7)의 긴급 재생 개시 스위치(76)를 누른 경우, 또는 전회 실시한 제2 재생 또는 제3 재생으로부터 제3 설정 시간(50 시간) 이상 경과한 상태에서 작업자가 제어 패널(7)의 긴급 재생 개시 스위치(76)를 누른 경우에, 포스트 분사를 사용해 DPF(62)에 퇴적된 PM을 약 600℃에서 15분간 연소함으로써 애쉬 이외의 PM을 완전하게 제거하는 제어이다.
여기에서, '제1 임계치' 및 '제2 임계치'란, 각각 ECU(8)에 의한 DPF(62)의 재생 제어에서 최적의 값으로서 미리 실험 등에 의해 구해진 것이다. 제1 임계치는 제2 임계치보다 약간 작은 값으로 설정되어 있다. 제2 임계치는 ECU(8)에 의한 DPF(62)의 폭주 재생이 일어날 수 있는 한계치로부터 소정의 안전율을 갖고 설정된다.
또한, '제1 설정 시간', '제2 설정 시간', 및 '제3 설정 시간'이란, ECU(8)에 의한 DPF(62)의 재생 제어에서 최적의 시간으로서 미리 실험 등에 의해 구해진 것이다. 본 실시 형태에서는 제2 설정 시간은 100 시간으로 설정되고, 제3 설정 시간은 50 시간으로 설정되어 있다.
이하에서는, 도 4 내지 도 7을 참조해 ECU(8)에 의한 DPF(62)의 재생 제어에 대해 상세하게 설명한다.
도 4에 나타내는 바와 같이, ECU(8)는 스텝 S1 내지 스텝 S20의 처리를 행한다.
스텝 S1에서, ECU(8)는 PM의 DPF(62)에의 퇴적량(이하, 단순히 'PM 퇴적량'이라고 한다)을 산출한다.
PM 퇴적량의 산출은 이하의 2 종류의 방법으로 행해진다.
PM 퇴적량을 산출하기 위한 제1 방법은, 배기 가스의 유동 방향에서의 DPF(62)의 상류측과 하류측의 차압(이하, 단순히 'DPF(62) 전후의 차압'이라고 적는다)에 근거해 PM 퇴적량을 추정하는 것이다.
DPF(62) 전후의 차압은, DPF(62)의 상류측과 하류측에 마련된 압력 센서(63a·63b)에 의해 DPF(62) 통과 전후의 배기 가스의 압력을 각각 계측하고, 이들 계측치를 ECU(8)가 압력 센서(63a·63b)로부터 취득해 연산함으로써 산출된다.
DPF(62) 전후의 차압에 대한 PM 퇴적량은, 미리 실험 등에 의해 구해져 차압맵으로서 ECU(8)에 기억되어 있기 때문에, ECU(8)는 상기와 같이 산출한 DPF(62) 전후의 차압에 기초하여 PM 퇴적량을 구한다. 제1 방법에 따라 산출된 PM 퇴적량을 이하에서 '제1 PM 퇴적량'이라고 적는다.
PM 퇴적량을 산출하기 위한 제2 방법은, 엔진 본체(2)로부터 배출되는 PM의 양(이하, 단순히 'PM 배출량'이라고 한다)으로부터 DPF(62)에서 재생되는 PM의 양(이하, 단순히 'PM 재생량'이라고 한다)을 빼서 산출되는 값을 적산함으로써 PM 퇴적량을 추정하는 것이다.
PM 배출량 및 PM 재생량은 각각 엔진 본체(2)의 엔진 출력에 기초해 구할 수 있다.
엔진 본체(2)의 엔진 출력은, 엔진 본체(2)에 마련된 회전 센서(23)에 의해 계측된 엔진 본체(2)의 엔진 회전수와, 연료 분사 밸브(22)가 연소실(21)에 분사하는 연료의 분사량을 ECU(8)가 취득하고, ECU(8)에 기억된 소정의 맵을 참조함으로써 구해진다.
엔진 본체(2)의 엔진 출력에 대한 PM 배출량 및 엔진 본체(2)의 엔진 출력에 대한 PM 재생량은, 각각 미리 실험 등에 의해 구해져 맵으로서 ECU(8)에 기억되어 있기 때문에, 상기와 같이 산출한 엔진 본체(2)의 엔진 출력에 기초해 PM 배출량 및 PM 재생량이 구해진다.
ECU(8)는 소정 시간마다 PM 배출량 및 PM 재생량을 상기와 같이 구하고, PM 배출량으로부터 PM 재생량을 뺀 값을 DPF(62)에 단위 시간당 퇴적되는 PM의 양으로 간주해, 당해 값을 적산함으로써 PM 퇴적량을 산출한다. 이하, 제2 방법에 따라 산출된 PM 퇴적량을 '제2 PM 퇴적량'이라고 한다.
ECU(8)는 제1 PM 퇴적량 및 제2 PM 퇴적량을 산출한 후, 제어 단계를 스텝 S2로 이행한다.
스텝 S2에서, ECU(8)는 PM 퇴적량이 제2 임계치 이상인지 여부를 판정한다. 상세하게는, ECU(8)가 제1 PM 퇴적량이 제2 임계치 이상인지 여부를 판정하고, 또한 제2 PM 퇴적량이 제2 임계치 이상인지 여부를 판정한다.
제1 PM 퇴적량이 제2 임계치 이상이 아닌 경우, 또는 제2 PM 퇴적량이 제2 임계치 이상이 아닌 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S3으로 이행한다.
제1 PM 퇴적량이 제2 임계치 이상인 경우, 또는 제2 PM 퇴적량이 제2 임계치 이상인 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S17로 이행한다.
스텝 S3에서, ECU(8)는 긴급 재생 개시 스위치(76)가 작업자에 의해 눌려졌는지 여부, 즉 긴급 재생 개시 스위치(76)가 ON 상태인지 여부를 판정한다.
긴급 재생 개시 스위치(76)가 ON 상태가 아닌 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S4로 이행한다.
긴급 재생 개시 스위치(76)가 ON 상태인 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S13으로 이행한다.
스텝 S4에서, ECU(8)는 PM 퇴적량이 제1 임계치 이상인지 여부를 판정한다. 상세하게는, ECU(8)가 제1 PM 퇴적량이 제1 임계치 이상인지 여부를 판정하고, 또한 제2 PM 퇴적량이 제1 임계치 이상인지 여부를 판정한다.
제1 PM 퇴적량이 제1 임계치 이상인 경우, 또는 제2 PM 퇴적량이 제1 임계치 이상인 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S5로 이행한다.
제1 PM 퇴적량이 제1 임계치 이상이 아닌 경우, 또는 제2 PM 퇴적량이 제1 임계치 이상이 아닌 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S9로 이행한다.
스텝 S5에서, ECU(8)는 PM 퇴적량이 제1 임계치를 넘은 상태에서 제1 설정 시간이 경과했는지 여부를 판정한다.
PM 퇴적량이 제1 임계치를 넘은 상태에서 제1 설정 시간이 경과하지 않은 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S6으로 이행한다.
PM 퇴적량이 제1 임계치를 넘은 상태에서 제1 설정 시간이 경과한 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S10으로 이행한다.
스텝 S6에서, ECU(8)는 엔진 본체(2)의 엔진 출력이 제1 재생을 실시 가능한 운전 영역에 있는지 여부를 판정한다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 엔진 본체(2)의 운전 영역은 '자기 재생 영역'과 '제1 재생 영역'과 그 이외의 영역인 '저부하 영역'으로 이루어진다.
자기 재생 영역은 엔진 본체(2)가 출력 경계치 Ptr1 이상의 엔진 출력이 되는 운전 영역이다. 자기 재생 영역에서는, 엔진 본체(2)의 부하가 비교적 높고, 엔진 본체(2)로부터 배출되는 배기 가스가 PM을 충분히 연소 제거할 수 있을 정도의 온도(예를 들면, 350℃ 이상)를 가져, 이른바 자기 재생이 행해진다.
제1 재생 영역은 엔진 본체(2)가 출력 경계치 Ptr1 미만이면서 출력 경계치 Ptr2 이상의 엔진 출력이 되는 운전 영역이다. 제1 재생 영역에서는, 자기 재생 영역보다 엔진 본체(2)의 부하가 낮아 자기 재생이 행해지지 않지만, 제1 재생을 행함으로써 자기 재생이 행해지는 것과 동등한 효과를 나타낸다. 즉, 제1 재생 영역은 자기 재생 영역을 확대한 운전 영역이라고 할 수 있다.
저부하 영역은 엔진 본체(2)가 출력 경계치 Ptr2 미만의 엔진 출력이 되는 운전 영역이다. 저부하 영역에서는, 엔진 본체(2)가 저부하이고, 엔진 본체(2)로부터 배출되는 배기 가스의 온도가 낮아 재생에 시간이 걸리기 때문에, 자기 재생 및 제1 재생이 행해지지 않는다.
엔진 본체(2)의 엔진 출력이 제1 재생을 실시 가능한 운전 영역, 즉 제1 재생 영역에 있는 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S7로 이행한다.
엔진 본체(2)의 엔진 출력이 제1 재생을 실시하지 않는 운전 영역, 즉 자기 재생 영역 등, 제1 재생 영역 이외의 운전 영역에 있는 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S1로 이행한다.
스텝 S7에서, ECU(8)는 통상적으로 재생중 램프(71)를 점등시킨다. 이는 작업자가 제어 패널(7)을 통해 통상 재생, 즉 제1 재생이 행해지고 있다는 것을 눈으로 확인할 수 있도록 하기 위함이다.
ECU(8)는 통상 재생중 램프(71)를 점등시킨 후, 제어 단계를 스텝 S8로 이행한다.
스텝 S8에서, ECU(8)는 제1 재생을 행한다.
전술한 바와 같이, 제1 재생은 DPF(62)에 퇴적된 PM을 300℃ 이상에서 20분간 연소함으로써 제거하는 제어이다.
제1 재생은 엔진 본체(2)의 엔진 출력이 제1 재생 영역에 있는 경우에만 행해진다. 환언하면, 엔진 본체(2)의 엔진 출력이 부하가 높고 배기 가스의 온도가 높아지는 자기 재생 영역에 있는 경우, 및 엔진 본체(2)의 엔진 출력이 부하가 낮고 배기 가스의 온도가 낮아지는 저부하 영역에 있는 경우에는, 제1 재생이 행해지지 않는다. 이는 자기 재생 영역에서는 배기 가스의 온도가 충분히 높아 PM의 재생이 적절히 행해지고 있기 때문이고, 저부하 영역에서는 배기 가스의 온도가 너무 낮아, 산화 촉매(61)가 활성 온도(약 200℃)에 도달하지 않아 재생이 행해지지 않거나 또는 재생에 장시간을 필요로 하기 때문이다.
이에 따라, 제1 재생의 실시를 효율화하는 것이 가능해진다. 따라서, 연비 악화를 방지할 수 있다.
제1 재생에서는, 연료 분사 밸브(22)의 연료 분사 상태(시기, 횟수, 압력 등) 변경, 흡입 스로틀(33)의 개방도 변경, 상류측 배기 스로틀(43)의 개방도 변경, 하류측 배기 스로틀(44)의 개방도 변경, 및 EGR 밸브(52)의 개방도 변경 등 중 하나, 또는 이들의 조합에 의해 엔진 본체(2)로부터 배출되는 배기 가스의 온도를 목표 온도(300℃ 이상)까지 상승시킨다.
한편, 배기 가스의 온도를 상승시키는데 있어서 흡입 스로틀(33)의 개방도 변경을 채용하는 경우에는, 단계적으로 배기 가스의 온도를 상승시키도록 흡입 스로틀(33)의 개방도를 제어하는 것이 바람직하다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 흡입 스로틀(33)은 재생 개시시부터 산화 촉매(61)가 활성 온도(약 200℃)에 도달할 때까지, 제1 재생의 목표 온도(300℃ 이상)까지 상승시키기 위해 필요한 최종적인 개방도보다 약간 더 열린 상태로 제어된다. 산화 촉매(61)가 활성 온도(약 200℃)에 도달한 후, 흡입 스로틀(33)은 제1 재생의 목표 온도(300℃ 이상)까지 상승시키기 위해 필요한 개방도가 되도록 제어된다.
흡입 스로틀(33)을 닫음에 따라 엔진 본체(2)에서의 연소 효율이 악화되어, 배기 가스에 포함되는 탄화수소의 양이 증가한다. 당해 탄화수소는 산화 촉매(61)에 의해 산화해 정화되지만, 산화 촉매(61)가 활성 온도(약 200℃)에 도달하지 않은 경우에는 정화되지 않는다. 이 때문에, 흡입 스로틀(33)을 제1 재생의 목표 온도(300℃ 이상)까지 상승시키기 위해 필요한 최종적인 개방도까지 단번에 닫지 않고, 일단 산화 촉매(61)가 탄화수소를 정화 가능한 활성 온도(약 200℃)에 도달하는데 필요한 개방도까지 닫는다.
이에 따라, 탄화수소의 배출량을 저감시킬 수 있다.
ECU(8)는 제1 재생을 행한 후, 통상 재생중 램프(71)를 소등시키고 제어 단계를 스텝 S1로 이행한다.
스텝 S9에서, ECU(8)는 엔진 본체(2)의 운전 시간이 운전 개시부터, 또는 제2 재생 또는 제3 재생이 종료한 후부터 제2 설정 시간(100 시간)인지 여부를 판정한다.
엔진 본체(2)의 운전 시간이 운전 개시부터, 또는 제2 재생 또는 제3 재생이 종료한 후부터 제2 설정 시간(100 시간)인 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S10으로 이행한다.
엔진 본체(2)의 운전 시간이 운전 개시부터, 또는 제2 재생 또는 제3 재생이 종료한 후부터 제2 설정 시간(100 시간)이 아닌 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S1로 이행한다.
한편, 본 실시 형태에서는, 제2 설정 시간을 100 시간으로 했지만, 연비 악화 등의 문제를 초래하지 않는 한 이에 한정되지 않는다. 또한, 시간이 아니라 연료 분사 밸브(22)의 연소실(21)에의 연료 분사량을 기준으로 해도 된다.
스텝 S10에서, ECU(8)는 엔진 본체(2)의 엔진 출력이 제2 재생을 실시 가능한 운전 영역에 있는지 여부를 판정한다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 엔진 본체(2)의 운전 영역은 '제2 재생 영역'과 그 이외의 영역, 즉 제2 재생을 행할 수 없는 영역으로 이루어진다.
제2 재생 영역은 출력 경계치 Ptr3 이상의 엔진 출력이 되는 운전 영역이다. 제2 재생 영역은 제1 재생 영역(도 5 참조)보다 넓다. 상세하게는, 제2 재생 영역은 경부하이면서 저회전인 운전 영역 이외의 운전 영역이다. 이는 제2 재생이, 제1 재생과 달리, 흡입 스로틀(33)의 개방도 변경 등에 의해 PM을 연소 제거시킬 수 있는 온도(NOx 전환 온도)까지 배기 가스의 온도를 상승시킬 필요가 없고, 제2 재생에서 포스트 분사를 행하는데 필요한 온도(산화 촉매(61)의 활성 온도)까지 상승시키면 되기 때문이다. 이 때문에, 디젤 엔진(1)이 작업 차량에 탑재되는 경우에는, 작업 차량을 정지시키는 일 없이 작업을 계속하면서 제2 재생을 행할 수 있다.
출력 경계치 Ptr3 미만의 엔진 출력이 되는 운전 영역에서는, 엔진 본체(2)가 저부하이고 엔진 본체(2)로부터 배출되는 배기 가스의 온도가 낮아, 산화 촉매(61)의 활성 온도에 도달하지 않기 때문에, 또는 활성 온도에 도달할 때까지의 시간이 걸리기 때문에, 제2 재생이 행해지지 않는다.
엔진 본체(2)의 엔진 출력이 제2 재생을 실시 가능한 운전 영역, 즉 제2 재생 영역에 있는 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S11로 이행한다.
엔진 본체(2)의 엔진 출력이 제2 재생을 실시하지 않는 운전 영역, 즉 제2 재생 영역 이외의 운전 영역에 있는 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S6으로 이행한다.
스텝 S11에서, ECU(8)는 리셋 재생중 램프(72)를 점등시킨다. 이는 작업자가 제어 패널(7)을 통해 리셋 재생, 즉 제2 재생이 행해지고 있다는 것을 눈으로 확인할 수 있도록 하기 위함이다.
ECU(8)는 리셋 재생중 램프(72)를 점등시킨 후, 제어 단계를 스텝 S12로 이행한다.
스텝 S12에서, ECU(8)는 제2 재생을 행한다.
전술한 바와 같이, 제2 재생은 포스트 분사를 사용해 DPF(62)에 퇴적된 PM을 약 560℃에서 30분간 연소함으로써 제거하는 제어이다.
제2 재생은 PM 퇴적량이 제1 임계치를 넘은 상태에서 제1 설정 시간이 경과한 경우에 행해진다.
이에 따라, 제1 재생에서 충분히 PM을 연소 제거하지 못하여 DPF(62)에 퇴적된 PM을 충분히 연소 제거할 수 있어, PM이 DPF(62)에 과잉 퇴적됨으로써 일어나는 폭주 재생을 방지할 수 있다.
또한, 제2 재생은 엔진 본체(2)의 운전 시간이 운전 개시부터, 또는 제2 재생 또는 제3 재생이 종료한 후부터 제2 설정 시간(100 시간)인 경우에 행해진다.
이에 따라, 정기적으로 DPF(62)에 퇴적된 PM을 충분히 연소 제거할 수 있어 PM 퇴적량 산출시의 오차를 저감시킬 수 있다.
한편, 작업자가 긴급 재생 개시 스위치(76)를 누름으로써 실시되는 제3 재생과 마찬가지로, 작업자가 적절하게 스위치를 누름으로써 제2 재생이 실시되도록 구성해도 된다.
또한, 제2 재생에서의 PM의 연소 온도(약 560℃)는 제3 재생에서의 PM의 연소 온도(약 600℃)보다 약간 낮게 설정되어 있다.
이에 따라, 제3 재생보다 시간이 걸리지만, 엔진 본체(2)의 부하 변동이 격렬한 작업 환경하에도 산화 촉매(61)의 과승온에 의한 열열화를 방지할 뿐만 아니라 작업을 계속하면서 재생을 행할 수 있다.
제2 재생에서는, 우선, 제1 재생과 마찬가지로 연료 분사 밸브(22)의 연료 분사 상태(시기, 횟수, 압력 등) 변경, 흡입 스로틀(33)의 개방도 변경, 상류측 배기 스로틀(43)의 개방도 변경, 하류측 배기 스로틀(44)의 개방도 변경, 및 EGR 밸브(52)의 개방도 변경 등 중 하나, 또는 이들의 조합에 의해 엔진 본체(2)로부터 배출되는 배기 가스의 온도를 산화 촉매(61)의 활성 온도(약 200℃)까지 상승시킨다. 그 후, 포스트 분사를 행함으로써 배기 가스의 온도를 제2 재생의 목표 온도(약 560℃)까지 상승시킨다.
한편, 배기 가스의 온도를 상승시키는데 있어서 흡입 스로틀(33)의 개방도 변경을 채용하는 경우에는, 제1 재생과 마찬가지로, 단계적으로 배기 가스의 온도를 상승시키도록 흡입 스로틀(33)의 개방도를 제어하는 것이 바람직하다.
제2 재생에서는, DPF(62)에 퇴적된 PM을 포스트 분사를 사용함으로써 약 560℃에서 30분간 연소하기 때문에, DPF(62)에 퇴적된 PM이 완전하게 제거된 것으로 간주하고, ECU(8)는 기억되어 있는 현재의 PM 퇴적량을 제로로 한다.
그러나, PM에는 연소 제거할 수 없는 애쉬가 포함되어 있어, 실제의 PM 퇴적량은 제로가 아니다. 이 때문에, 미리 실험 등에 의해 구해져 ECU(8)에 기억된, DPF(62) 전후의 차압과 애쉬의 관계를 나타내는 맵을 참조하고, 제2 재생 직후에 산출된 DPF(62) 전후의 차압에 기초하여 DPF(62)에 잔존하는 애쉬의 양을 추정한다. 그리고, 당해 애쉬의 추정량에 기초해, 스텝 1에서 제1 PM 퇴적량을 산출할 때 이용되고, DPF(62) 전후의 차압에 대한 PM 퇴적량을 나타내는 차압 맵을 갱신한다.
이에 따라, 제1 PM 퇴적량의 산출시에 애쉬의 퇴적량이 고려되어, 과도하게 제1 재생, 제2 재생, 또는 제3 재생이 실시되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 PM 퇴적량의 산출시에 적산 오차를 저감시킬 수 있다.
ECU(8)는, 제2 재생을 행한 후, 리셋 재생중 램프(72)를 소등시킴과 함께 긴급 재생 금지중 램프(74)를 점등시키고, 제어 단계를 스텝 S1로 이행한다.
스텝 S13에서, ECU(8)는 제2 재생 또는 제3 재생이 종료하고 나서 제3 설정 시간(50 시간) 이상 경과했는지 여부를 판정한다.
한편, ECU(8)는 제2 재생 또는 제3 재생이 종료한 후의 운전 시간이 제3 설정 시간(50 시간)이 된 시점에서, 긴급 재생 금지중 램프(74)를 소등시키는 것으로 한다.
제2 재생 또는 제3 재생이 종료하고 나서 제3 설정 시간(50 시간) 이상 경과한 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S14로 이행한다.
제2 재생 또는 제3 재생이 종료하고 나서 제3 설정 시간(50 시간) 이상 경과하지 않은 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S4로 이행한다.
한편, 본 실시 형태에서는, 제3 설정 시간을 50 시간으로 하였지만, 연비 악화 등의 문제를 초래하지 않는 한 이에 한정되지 않는다. 또한, 시간이 아니라 연료 분사 밸브(22)의 연소실(21)에의 연료 분사량을 기준으로 해도 무방하다.
스텝 S14에서, ECU(8)는 엔진 본체(2)가 공회전(idling) 상태(디젤 엔진(1)이 작업 차량에 탑재되는 경우에는 작업 차량이 중립 상태)인지 여부를 판정한다.
엔진 본체(2)가 공회전 상태인 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S15로 이행한다.
엔진 본체(2)가 공회전 상태가 아닌 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S4로 이행한다.
스텝 S15에서, ECU(8)는 긴급 재생중 램프(73)를 점등시킨다. 이는 작업자가 제어 패널(7)을 통해 긴급 재생, 즉 제3 재생이 행해지고 있다고 하는 것을 눈으로 확인할 수 있도록 하기 위함이다.
ECU(8)는 긴급 재생중 램프(73)를 점등시킨 후, 제어 단계를 스텝 S16으로 이행한다.
스텝 S16에서, ECU(8)는 제3 재생을 행한다.
전술한 바와 같이, 제3 재생은 포스트 분사를 사용해 DPF(62)에 퇴적된 PM을 약 600℃에서 15분간 연소함으로써 제거하는 제어이다.
제3 재생은, PM 퇴적량이 제2 임계치를 넘은 상태에서 작업자가 제어 패널(7)의 긴급 재생 개시 스위치(76)를 누른 경우에 행해진다.
이에 따라, 긴급시의 재생으로서 DPF(62)의 재생을 행할 수 있어, PM이 DPF(62)에 과잉 퇴적됨으로써 일어나는 폭주 재생을 방지할 수 있다.
또한, 제3 재생은, PM 퇴적량이 제2 임계치를 넘지 않은 상태라도, 작업자가 제어 패널(7)의 긴급 재생 개시 스위치(76)를 누른 경우에 행해지지만, 전회 실시한 제2 재생 또는 제3 재생으로부터 제3 설정 시간(50 시간) 이상 경과하지 않았으면 제3 재생을 실시할 수 없다.
이에 따라, 무제한으로 제3 재생을 실시하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 포스트 분사에 의한 엔진 본체(2)의 윤활유 희석을 방지할 수 있다.
제3 재생에서는, 우선, 제2 재생과 마찬가지로, 연료 분사 밸브(22)의 연료 분사 상태(시기, 횟수, 압력 등) 변경, 흡입 스로틀(33)의 개방도 변경, 상류측 배기 스로틀(43)의 개방도 변경, 하류측 배기 스로틀(44)의 개방도 변경, 및 EGR 밸브(52)의 개방도 변경 등 중 하나, 또는 이들의 조합에 의해 엔진 본체(2)로부터 배출되는 배기 가스의 온도를 산화 촉매(61)의 활성 온도(약 200℃)까지 상승시킨다. 그 후, 포스트 분사를 행함으로써 배기 가스의 온도를 제3 재생의 목표 온도(약 600℃)까지 상승시킨다.
한편, 배기 가스의 온도를 상승시키는데 있어서 흡입 스로틀(33)의 개방도 변경을 채용하는 경우에는, 제1 재생과 마찬가지로, 단계적으로 배기 가스의 온도를 상승시키도록 흡입 스로틀(33)의 개방도를 제어하는 것이 바람직하다.
제3 재생에서는, DPF(62)에 퇴적된 PM을 포스트 분사를 사용함으로써 약 600℃에서 15분간 연소하기 때문에, 제2 재생과 마찬가지로, DPF(62)에 퇴적된 PM이 완전 제거된 것으로 간주하고, ECU(8)는 기억되어 있는 현재의 PM 퇴적량을 제로로 함과 함께, 제3 재생 직후에서의 DPF(62) 전후의 차압으로부터 산출한 PM 퇴적량에 근거해, DPF(62) 전후의 차압에 대한 PM 퇴적량을 나타내는 차압 맵을 갱신한다.
이에 따라, 제1 PM 퇴적량의 산출시에 애쉬의 퇴적량이 고려되게 되어, 과도하게 제1 재생, 제2 재생, 또는 제3 재생이 실시되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 PM 퇴적량의 산출시에 적산 오차를 저감시킬 수 있다.
ECU(8)는, 제3 재생을 행한 후, 긴급 재생중 램프(73) 및 긴급 재생 지시 램프(75)를 소등시킴과 함께 긴급 재생 금지중 램프(74)를 점등시키고, 제어 단계를 스텝 S1로 이행한다.
스텝 S17에서, ECU(8)는 긴급 재생 지시 램프(75)를 점등시킨다. 이는 작업자가 제어 패널(7)을 통해 긴급 재생, 즉 제3 재생을 행하기 위해 긴급 재생 개시 스위치(76)를 누를 필요가 있다는 경고가 있는 것을 눈으로 확인할 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 경고음을 냄으로써, 작업자에게 긴급 재생 개시 스위치(76)의 압하를 촉구하도록 구성해도 된다.
ECU(8)는, 긴급 재생 지시 램프(75)를 점등시킨 후, 제어 단계를 스텝 S18로 이행한다.
스텝 S18에서, ECU(8)는 PM 퇴적량이 제2 임계치를 넘은 상태에서 제4 설정 시간(10분) 이상 경과했는지 여부를 판정한다.
PM 퇴적량이 제2 임계치를 넘은 상태에서 제4 설정 시간(10분) 이상 경과한 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S19로 이행한다.
PM 퇴적량이 제2 임계치를 넘은 상태에서 제4 설정 시간(10분) 이상 경과하지 않은 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S20으로 이행한다.
여기에서, '제4 설정 시간'이란, ECU(8)에 의한 DPF(62)의 재생 제어에서 최적인 시간으로서 미리 실험 등에 의해 구해진 것이다. 본 실시 형태에서는, 제4 설정 시간이 10분으로 설정되어 있다. 단, 제4 설정 시간은 폭주 재생 등의 문제를 초래하지 않는다면 10분으로 한정되지 않는다. 또한, 시간이 아니라 연료 분사 밸브(22)의 연소실(21)에의 연료 분사량을 기준으로 해도 된다.
스텝 S19에서, ECU(8)는 엔진 본체(2)의 엔진 출력을 제한한다.
상세하게는, ECU(8)는 엔진 본체(2)의 엔진 회전수, 및 토크 등이 통상시의 수치까지 상승하지 않도록 제한한다.
이에 따라, 작업자가 경보를 무시하고 작업을 계속한 경우라도, 엔진 출력이 높아지지 않기 때문에 작업의 속행이 곤란해져 어쩔 수 없게 재생을 행하게 되어, 작업자에게 제3 재생의 실시, 즉 긴급 재생 개시 스위치(76)의 압하를 촉구할 수 있다. 또한, 배기 가스의 고온화를 방지할 수 있어, PM이 DPF(62)에 과잉 퇴적되었을 때, 배기 가스의 고온화에 수반하는 폭주 재생을 방지할 수 있다. 또한, 배기 가스의 압력이 저하함으로써, PM이 DPF(62)에 과잉 퇴적되었을 때, 배기 가스가 새는 것을 방지할 수 있다.
또한, ECU(8)는 엔진 본체(2)의 최저 엔진 회전수를 상승시킨다.
이에 따라, PM이 DPF(62)에 과잉 퇴적되었을 때, 배기 가스의 감소에 수반하는 폭주 재생을 방지할 수 있다.
스텝 S20에서, ECU(8)는, 스텝 S3과 마찬가지로, 긴급 재생 개시 스위치(76)가 작업자에 의해 눌렸는지 여부, 즉 긴급 재생 개시 스위치(76)가 ON 상태인지 여부를 판정한다.
긴급 재생 개시 스위치(76)가 ON 상태인 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S14로 이행한다.
긴급 재생 개시 스위치(76)가 ON 상태가 아닌 경우, ECU(8)는 제어 단계를 스텝 S1로 이행한다.
〈산업상의 이용 가능성〉
본 발명은 디젤 파티규레이트 필터를 구비하는 디젤 엔진에 이용할 수 있다.
1 디젤 엔진
2 엔진 본체
3 흡기 통로
4 배기 통로
5 EGR 장치
6 배기 정화 장치
7 제어 패널
8 ECU
21 연소실
22 연료 분사 밸브
33 흡입 스로틀
43 상류측 배기 스로틀
44 하류측 배기 스로틀
52 EGR 밸브
61 산화 촉매
62 DPF

Claims (9)

  1. 산화 촉매,
    디젤 파티규레이트 필터,
    상기 디젤 파티규레이트 필터의 상류측과 하류측의 차압을 검지하는 수단,
    상기 차압에 기초하여 상기 디젤 파티규레이트 필터에 퇴적된 입자상 물질의 양을 추정하고, 추정량에 기초해 상기 디젤 파티규레이트 필터를 재생하는 제어 수단을 구비하는 디젤 엔진에 있어서,
    상기 제어 수단에 의한 상기 디젤 파티규레이트 필터의 재생 제어는,
    포스트 분사를 사용하지 않고, 상기 산화 촉매의 활성 온도 영역에서 재생을 행하는 제1 재생,
    포스트 분사를 사용해, 연소 제거할 수 없는 애쉬를 제외한 입자상 물질을 완전하게 연소 제거하는 제2 재생,
    비작업시에 수동 조작으로, 포스트 분사를 사용해, 연소 제거할 수 없는 애쉬를 제외한 입자상 물질을 완전하게 연소 제거하는 제3 재생을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재생은, 상기 추정량이 제1 임계치를 넘고 또한 엔진 출력이 자기 재생이 행해지는 운전 영역에서의 부하보다 약간 작은 부하가 걸리는 운전 영역에 있는 경우에 행해지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 재생은, 상기 추정량이 상기 제1 임계치를 넘은 상태에서 제1 설정 시간 경과하거나, 또는 제2 설정 시간마다, 엔진 출력이 경부하이면서 저회전인 운전 영역 이외의 운전 영역에 있는 경우에 행해지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재생 또는 상기 제3 재생의 종료 후부터 제3 설정 시간 내에는, 상기 제3 재생의 실시가 불가능한 것을 특징으로 하는 디젤 엔진.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 추정량이 제2 임계치를 넘으면, 상기 제3 재생의 실시를 재촉하는 경보를 발하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 추정량이 제2 임계치를 넘은 상태에서, 제4 설정 시간 내에 상기 제3 재생이 행해지지 않는 경우에는, 엔진 출력을 제한하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재생에서의 재생 온도는, 상기 제3 재생에서의 재생 온도보다 약간 낮은 것을 특징으로 하는 디젤 엔진.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재생 및 상기 제3 재생의 실시 직후에, 상기 제어 수단에 기억되어 있는 상기 추정량을 제로로 함과 동시에,
    상기 차압에 기초하여 상기 디젤 파티규레이트 필터에 퇴적된 애쉬의 양을 추정하고, 애쉬의 양에 근거해 상기 제어 수단에 기억되어 있는 상기 디젤 파티규레이트 필터에 퇴적된 입자상 물질의 양과 상기 차압의 관계를 보정하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진.
  9. 제1항에 있어서,
    흡입 공기의 양을 조정하는 흡입 스로틀을 구비하고,
    상기 제1 재생, 상기 제2 재생, 또는 상기 제3 재생의 실시시에, 상기 흡입 스로틀의 개방도를 배기 가스의 온도가 상기 산화 촉매의 활성 온도가 되는 개방도로 한 후, 배기 가스의 온도가 상기 제1 재생, 상기 제2 재생, 또는 상기 제3 재생의 목표 온도가 되는 개방도로 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진.
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