JP2010116817A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタの再生効率を確保しつつ、再生時における排気性能を向上させる。
【解決手段】ＤＰＦの強制再生時に、エンジンの低負荷時または低回転時には筒内ポスト噴射を使用する一方、高回転高負荷時には排気管燃料添加弁のみを使用して、酸化触媒に燃料を供給する。更に、筒内ポスト噴射による再生時に、ＥＧＲ装置による排気の還流を規制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に係り、詳しくは、ＥＧＲ装置を備えたエンジンのＤＰＦの再生技術に関する。

ディーゼルエンジンには、排気中に含まれるカーボンを主成分とするＰＭ（パティキュレートマター）を捕集、除去するため、排気浄化装置として排気通路にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が広く備えられている。このようなＤＰＦでは、ＰＭが堆積すると捕集機能が低下するとともに圧損が増加してしまう。そこで、ＤＰＦの排気上流側に酸化触媒を備え、この酸化触媒に燃料を供給して排気温度を上昇させて、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させることにより、ＤＰＦを再生させる技術が開発されている。酸化触媒に燃料を供給する方法としては、例えばエンジン運転時における燃料の主噴射の後に筒内に燃料を噴射する筒内ポスト噴射が知られている。

また、上記筒内ポスト噴射が可能なエンジンでは、更にＥＧＲ装置を備えている場合には、上記筒内ポスト噴射を実行した際にＥＧＲ通路に未燃燃料が流入してしまう虞がある。そこで、筒内ポスト噴射によるＤＰＦの再生時にはＥＧＲ弁を閉動作させて、未燃燃料のＥＧＲ通路への流入を防止する技術も開発されている（特許文献１）。
特開２００５−２９９４８０号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、筒内ポスト噴射時にＥＧＲ弁を閉動作させてしまうと、ＤＰＦの再生時間中にＥＧＲ（排気の還流）が行われず、エンジンからのＮＯx排出量が増大する虞がある。
一方、排気通路に設けられた酸化触媒に燃料を供給する方法としては、上記筒内ポスト噴射の他に、排気通路に設けられた燃料噴射弁（排気通路燃料添加弁）から燃料を排気通路内に燃料を添加する技術も開発されている。しかしながら、このような排気通路燃料添加弁による燃料供給では、特に排気流量の少ない低回転時や排気温度の低い低負荷時において、燃料が排気に一様に混合し難いので、酸化触媒での異常燃焼や、酸化性能が確保されずフィルタの再生効率が低下する虞がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気通路に設けられた酸化触媒に燃料を適切に供給して、フィルタの再生効率を確保しつつ、再生時における排気性能を向上させるエンジンの排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、エンジンの排気通路から排気の一部を導入し吸気通路に還流するＥＧＲ手段と、エンジンの排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、フィルタの上流側に燃料を供給して排気温度を上昇させることで、フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去してフィルタを再生する再生手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、再生手段は、エンジンの主噴射の後に筒内へ燃料を噴射する筒内ポスト噴射手段と、ＥＧＲ手段の排気導入部より下流側かつフィルタより上流側の排気通路内に燃料を添加する排気通路燃料添加手段と、を備えるとともに、エンジンの運転状態に基づいて筒内ポスト噴射手段及び排気通路燃料添加手段のいずれか一方または両方を選択し使用して燃料を供給し、筒内ポスト噴射手段による再生時に、ＥＧＲ手段による排気の還流を規制することを特徴とする。

本発明の請求項１のエンジンの排気浄化装置によれば、フィルタの再生時に燃料を供給する際に、エンジンの運転状態に基づいて筒内ポスト噴射手段及び排気通路燃料添加手段を選択するので、エンジンの運転状態に適した燃料供給が可能となり、筒内ポスト噴射手段による再生時にＥＧＲ手段による排気の還流が規制されるので、筒内ポスト噴射手段によってエンジンから排気とともに流出した未燃燃料がＥＧＲ手段によって吸気通路に還流することが防止される。したがって、再生時における筒内への燃料供給精度の低下を防止し、エンジンの運転安定性を確保することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置が適用されたエンジン１の給排気系の概略構成図である。
エンジン１はターボチャージャ２を備えたコモンレール式ディーゼルエンジンである。
エンジン１のシリンダヘッド３には、各気筒毎にグロープラグ４及び筒内燃料噴射弁５が設けられている。筒内燃料噴射弁５は、コモンレール６から供給された高圧化した燃料を筒内に噴射する機能を有する。コモンレール６には、図示しない燃料タンクから燃料が高圧ポンプ７により高圧化されて供給される。

ターボチャージャ２は、エンジン１の吸気通路である吸気管１０に介装されたコンプレッサ１１と、排気通路である排気管１２に介装されたタービン１３と、を含んで構成されており、エンジン１の排気によって駆動されたタービン１３の回転力を利用して、コンプレッサ１１を駆動して吸気を圧縮することで、吸気流量を増加させて、エンジン１の出力を向上させる機能を有している。本実施形態のターボチャージャ２は、ベーン駆動アクチュエータ１４によりベーン開度を調節可能な構造である、所謂可変容量ターボチャージャである。

吸気管１０には、コンプレッサ１１の上流側にエアクリーナ１５が設けられるとともに、コンプレッサ１１から下流側に向かって順番に、インタークーラ１６、吸気流量を調節するスロットルバルブ１７が介装されている。
排気管１２には、タービン１３から下流側に向かって順番に、酸化触媒２０、ＮＯx吸蔵触媒２１、ＤＰＦ２２（フィルタ）が介装されている。酸化触媒２０は、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する機能を有する。

ＮＯx吸蔵触媒２１は、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を含んだ担体に、バリウム（Ｂａ），カリウム（Ｋ）等のＮＯx吸蔵剤を担持させて構成されており、リーン空燃比雰囲気（酸化雰囲気）下でＮＯxを捕捉する一方、リッチ空燃比雰囲気（還元雰囲気）下で、捕捉しているＮＯxを放出し、排気中のＨＣ、ＣＯと反応させて還元する機能を有している。なお、本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵触媒２１の下流にＤＰＦ２２を配置しているが、このレイアウトにこだわる必要はなく、ＮＯｘ吸蔵触媒２１の上流にＤＰＦ２２を配置したり、ＮＯｘ吸蔵触媒２１を外したレイアウトでも良い。

ＤＰＦ２２は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖して、排気中のＰＭを捕集する機能を有しており、更に、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。
ＤＰＦ２２の上流側となる酸化触媒２０の上流には、排気管燃料添加弁２３が設置されている。排気管燃料添加弁２３には、図示しない燃料タンクから、エンジン１によって駆動される燃料ポンプによって燃料が供給される。排気管燃料添加弁２３は、供給された燃料を排気管１２内に噴射する機能を有している。

また、エンジン１には、ＥＧＲ装置（ＥＧＲ手段）が備えられている。ＥＧＲ装置は、タービン１３の上流側の排気管１２とスロットルバルブ１７の下流側の吸気管１０とを連通するＥＧＲ通路３０と、該ＥＧＲ通路３０を開閉するＥＧＲ弁３１と、ＥＧＲ通路３０に介装されたＥＧＲクーラ３２とを含んで構成されている。ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ弁３１を開作動させることで、排気の一部を吸気に還流させ、エンジン１の燃焼温度を低下させてＮＯxの排出を抑制する機能を有する。

ＥＣＵ４０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ４０の入力側には、クランク角を検出するクランク角センサ４１や図示しないエアフローセンサ、アクセルポジションセンサ等が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。

一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述した筒内燃料噴射弁５、ＥＧＲ弁３１及びベーン駆動アクチュエータ１４、スロットルバルブ１７等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ４０は、各種センサ類からの検出情報に基づいて筒内への燃料噴射量、燃料噴射時期、ＥＧＲ量、ベーン開度、吸気量等を演算し、各種出力デバイスにそれぞれ出力することで、適正なタイミングで筒内燃料噴射弁５等を制御する。

ところで、以上のようにＤＰＦ２２の上流に酸化触媒２０を配置することにより、リッチ空燃比雰囲気下では、酸化触媒２０からＮＯ_２が排出され、ＮＯx吸蔵触媒２１を通過してＤＰＦ２２に流入し、ＤＰＦ２２に捕集され堆積しているＰＭ中の炭素成分であるすすと反応してこれを酸化させる。酸化したすすはＣＯ_２となり、ＤＰＦ２２から除去され、ＤＰＦ２２が連続的に再生される（連続再生）。

上記の連続再生では、エンジン１の運転状況により十分にＤＰＦ２２の再生が行われない場合がある。そこで、ＥＣＵ４０は、ＤＰＦ２２でのＰＭの堆積量を推定し、この推定量が許容量以上となったときに、強制再生を実施させる。ＰＭの堆積量は、例えば筒内への燃料噴射量とエンジン１の運転時間を積算して推定したり、ＤＰＦ２２の上流側と下流側とで排気管１２内の差圧を検出し、差圧と排気流量とに基づいて堆積量を推定したりすればよい。

本実施形態では、筒内ポスト噴射による再生と、排気管燃料添加による再生との２つの方式の強制再生が可能な構成となっている。
筒内ポスト噴射による再生は、ＥＣＵ４０が筒内燃料噴射弁５を制御して、主噴射の後にエンジン１の運転に寄与しないタイミングで燃料を噴射させることで、排気管１２に未燃燃料を排出させる（筒内ポスト噴射手段）。

排気管燃料添加による再生は、ＥＣＵ４０が排気管燃料添加弁２３を制御して、排気管１２内に直接燃料を噴射させる（排気通路燃料添加手段）。
そして、排気管１２内に供給された燃料は、酸化触媒２０に流入し、酸化触媒２０で酸化することで、排気温度を上昇させる。これにより、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭを燃焼除去し、ＤＰＦ２２を再生させる。

図２は、強制再生の方式選択に用いられるマップである。
ＥＣＵ４０は、強制再生時において、クランク角センサ４１から入力したクランク角の推移に基づいて計測したエンジン１の回転速度と、アクセルポジションセンサから演算されるドライバが要求する負荷（トルク）とに基づいて、筒内ポスト噴射または排気管燃料添加を選択する。詳しくは、図２に示すように、低回転あるいは低負荷時では筒内ポスト噴射が選択され、高回転高負荷時では、筒内ポスト噴射が選択されずに排気管燃料添加のみが選択される。以下、図２のように設定する理由を述べる。

筒内ポスト噴射は燃料混入によるオイル希釈を招くため、基本的には使用を控えることが望ましい。ただし低負荷や低回転時は排気温度が低く排気流量が少ないため、排気管噴射だけの場合、燃料の分散・霧化状態が悪い。このため酸化触媒２０で部分的な異常高温燃焼や、活性不良による酸化効率の低下を生じ、フィルタ再生に不具合が発生する虞がある。したがって、このように排気管噴射のみではフィルタ再生の不具合が生じる領域である低負荷や低回転時においては、酸化触媒の活性状態に応じて燃料噴霧の混合状態の良い筒内ポスト噴射が選択されるように設定する。

なお、低回転あるいは低負荷時では筒内ポスト噴射と排気管燃料添加とを併用してもよい。
次に、ＥＧＲ弁３１の作動制御と昇温制御について説明する。
図３に示すように、ステップＳ１０では、ＤＰＦ２２の再生要求条件と再生実施条件とが成立しているか否かを判断する。再生要求条件は、ＤＰＦ２２でのＰＭの堆積量（推定量）が許容量以上であるか否かを条件としている。また、再生実施条件は、水温，排気温，車速，負荷等が所定値以上のとき、すなわち現状の運転状態が強制再生可能な状態になるか否かを条件としている。

ステップＳ１０でＤＰＦ２２の強制再生要求と実施の条件が成立したときステップＳ１１に移行し、ＤＰＦ２２の強制再生のための排気の昇温制御が実施される。ここではまず、筒内ポスト噴射や排気管燃料添加を行う前に、筒内燃料噴射弁５による多段噴射や吸気絞りによる昇温制御が行われる。ステップＳ１２では、図２に示したマップを用いて、現在の運転領域が筒内ポスト噴射の領域か排気管燃料添加の領域かを判定し、ステップＳ１３で筒内ポスト噴射が必要な場合にはステップＳ１４に進み、ＥＧＲ弁３１を閉作動させ、排気の吸気管への還流を規制する。その後ステップＳ１５にて筒内ポスト噴射により昇温を開始し、ステップＳ１６のＤＰＦ再生が完了したか否かを判定し、完了したらフローを終了し、完了しなければステップＳ１２にリターンする。

ステップＳ１３にて筒内ポスト噴射が不必要、すなわち排気管燃料添加が必要となった場合には、ステップＳ１７に移行し、ＥＧＲ弁３１の開が選択される。この場合、筒内ポスト噴射が行われないので、ＥＧＲ通路に未燃燃料が流入しがたくなるため、排気の吸気管への還流を規制する必要がなく排気性能が向上する。その後ステップＳ１８にて排気温度やＰＭ燃焼のための酸素量を考慮してＥＧＲ弁３１の開度，ターボチャージャ２の過給能力，スロットルバルブ１７を調整した上で、ステップＳ１９で排気管燃料添加による昇温を開始し、ステップＳ１６のＤＰＦ再生が完了したか否かを判定し、完了したらフローを終了し、完了しなければステップＳ１２にリターンする。

以上のように、本実施形態では、ＤＰＦ２２を強制再生する際に、低回転または低負荷時には筒内ポスト噴射が採用される一方、高回転高負荷時では排気管燃料添加のみ採用される。筒内ポスト噴射は排気管燃料添加と比較して排気と燃料との混合性が良いので、上記のように低回転または低負荷時に筒内ポスト噴射が採用されることで、酸化触媒２０での酸化機能が促進され、ＤＰＦ２２の再生効率を向上させることができる。

一方、高回転高負荷時には、排気流量が多くかつ排気温度も高い状況であるので、排気管燃料添加を採用しても、十分に排気と燃料とが混合し、酸化触媒２０での酸化性能が確保される。排気管燃料添加弁２３は、ＥＧＲ通路の排気導入部より下流側に配置されているので、排気管燃料添加弁２３からの燃料噴射時に、ＥＧＲ弁３１を開弁させても燃料がＥＧＲ通路３０へ流入しない。したがって、再生時においてもＥＧＲが可能となり、再生時における排気性能を向上させることができる。

また、筒内ポスト噴射時には、ＥＧＲ弁３１を閉弁してＥＧＲを規制するので、未燃燃料のＥＧＲ通路３１への流入が防止される。したがって、ＥＧＲ通路３０を介して吸気管１０へ未燃燃料が流入することを防止でき、筒内への燃料供給量への影響が排除され、燃焼安定性を確保することができる。また、ＥＧＲ通路３０の内壁やＥＧＲクーラ３２に未燃燃料がタール状に堆積することを防止できる。

なお、上記再生時において、ベーン開度、スロットルバルブ開度、筒内への燃料噴射タイミング等も合わせて制御することが望ましい。これらの制御は、ＤＰＦ２２においてＰＭを燃焼させる際に最適な排気温度、酸素量等を満足させるように、エンジン回転速度及び負荷に基づいて設定すればよい。このように設定することで、例えばＥＧＲ導入による排気温度の低下を抑制するとともに、排気管燃料添加による酸化触媒２０の活性低下あるいは異常高温となることを抑制することができる。

また、本実施形態では、酸化触媒２０の上流に排気管燃料添加を行ったが、ＤＰＦ２２再生のための燃料添加であって、ＥＧＲ手段の排気導入部より下流側かつＤＰＦより上流側の範囲であれば、どこに燃料添加しても良い。

本発明に係るエンジンの給排気系の概略構成図である。 強制再生の方式選択に用いられるマップである。 ＥＧＲ弁作動制御と昇温制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
５ 筒内燃料噴射弁
２０ 酸化触媒
２２ ＤＰＦ
２３ 排気管燃料添加弁
３０ ＥＧＲ通路
３１ ＥＧＲ弁
４０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. エンジンの排気通路から排気の一部を導入し吸気通路に還流するＥＧＲ手段と、
   エンジンの排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記フィルタの上流側に燃料を供給して排気温度を上昇させることで、前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去して前記フィルタを再生する再生手段と、
   を備えたエンジンの排気浄化装置であって、
   前記再生手段は、前記エンジンの主噴射の後に筒内へ燃料を噴射する筒内ポスト噴射手段と、前記ＥＧＲ手段の排気導入部より下流側かつ前記フィルタより上流側の排気通路内に燃料を添加する排気通路燃料添加手段と、を備えるとともに、前記エンジンの運転状態に基づいて前記筒内ポスト噴射手段及び前記排気通路燃料添加手段のいずれか一方または両方を選択し使用して燃料を供給し、前記筒内ポスト噴射手段による再生時に、前記ＥＧＲ手段による排気の還流を規制することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。

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