JP2010133307A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気ガス中の粒子状物質を捕集する捕集装置を強制再生させる際に、捕集装置の耐久性低下を招くことなく効率的に粒子状物質を焼却して燃費改善を図る。
【解決手段】第1のインターバル時間でPM減量率が第1の閾値に達しない場合、DPF再生制御の制御量を補正して再生ガス温度を昇温方向に変更し(S4)、第2のインターバル時間でPM減量率が第2の閾値以上か否かを判定する。PM減量率が第1,第2の閾値より小さい場合、最大制限温度以下でDPF再生制御の制御量を補正して再生ガス温度を昇温方向に変更し、PMの焼却を促進する。一方、第2のインターバル時間で第2の閾値以上のPM減量率以上になった場合、DPF再生制御の制御量をイニシャル設定に戻し(S6)、PMの急激な燃焼によるDPF損傷を防止する。これにより、DPFの耐久性低下を招くことなく効率的にPMを焼却し、燃費改善を図ることができる。
【選択図】図5

Description

本発明は、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集する捕集装置を備えるエンジンの排気浄化装置に関する。
近年、自動車等の車両においては、エンジンからの排気ガスを浄化する排気浄化装置の一部として、エンジン特にディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる粒子状物質(PM;Particulate Matter)を濾過・捕集するための捕集装置を搭載している。この捕集装置は、DPF(Diesel Particulate Filter)と呼ばれるフィルタから構成されるのが一般的であるが、PMの堆積により濾過・捕集性能が低下するため、堆積したPMを除去して初期状態に再生するための再生処理を強制的に行う必要がある。
このようなDPFの再生処理は、一般に、DPFへのPMの堆積量を推定し、PM堆積量が一定量以上になったとき、DPFを再生する再生ガスとしての排気ガスの温度を上昇させ、DPFに堆積したPMを強制的に燃焼させるようにしている。例えば、特許文献1には、所定の時間間隔で排気温度を一時的に上昇させ、排気温度上昇時のDPFの下流における排気温度が所定の判定値以上に上昇したとき、DPFの再生処理を実行する技術が開示されている。
しかしながら、DPFに堆積したPMを強制的に燃焼させる場合、堆積したPMを残らず燃焼させると再生時間が長くかかって燃費の悪化を招く、再生時間を短縮するため再生ガスの温度を上げすぎるとDPFが熱劣化する等して耐久性の低下を招くといった問題がある。
そこで、特許文献2には、PM堆積量が増加するに従いPM燃焼速度が高まる点に着目して、PM燃焼効率が高い領域において強制再生を行い、PM燃焼効率が低い領域では強制再生を行わないことにより強制再生に要する時間を短縮する技術が開示されている。
特開2004−300973号公報 特開2005−307746号公報
上述の特許文献2の技術によれば、DPFの再生時間を短縮可能であるものの、DPFのPM堆積量は常に一定以上に維持されることになる。従って、燃費悪化を防止することはできるとしても、DPFに常にPMが残留していることからエンジンの出力低下を招く虞があり、必ずしも有効とはいえない。
このように、DPFの強制再生を行なう場合には、再生ガスの温度を上げて再生時間を短縮すると熱劣化等の耐久性低下を招く虞があり、一方、再生時間を短縮するためPMを残らず燃焼させずに一定量残すと、エンジンの出力低下を招くといった問題があり、従来の技術では、DPFの耐久性低下を招くことなく効率的にPMを燃焼させて再生時間を短縮し、燃費改善を図ることは困難である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、排気ガス中の粒子状物質を捕集する捕集装置を強制再生させる際に、捕集装置の耐久性低下を招くことなく効率的に粒子状物質を焼却して燃費改善を図ることのできるエンジンの排気浄化装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明によるエンジンの排気浄化装置は、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集する捕集装置を備え、該捕集装置に堆積した粒子状物質を昇温手段により除去する再生処理を実行するエンジンの排気浄化装置において、上記再生処理の実行中、所定のインターバル時間で上記粒子状物質の減量率が閾値以上か否かを判定する減量率判定部と、上記減量率判定部の判定結果に応じて上記粒子状物質を焼却するための上記昇温手段を可変に制御する再生制御部とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、排気ガス中の粒子状物質を捕集する捕集装置を強制再生させる際に、捕集装置の耐久性低下を招くことなく効率的に粒子状物質を焼却して燃費改善を図ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1〜図5は本発明の実施の一形態に係り、図1はエンジンの全体構成図、図2はDPF再生制御に係るブロック図、図3は指定インターバル時間毎のPM減量判定の説明図、図4は指定インターバル時間内でのPM減量判定の説明図、図5はDPF再生制御ルーチンのフローチャートである。
図1において、符号1はエンジンであり、本実施の形態においては、コモンレール式燃料噴射システムによるディーゼルエンジンである。このエンジン1の燃焼室上部には、吸気ポート2と排気ポート3とが開口されると共に、図示しない高圧ポンプから圧送される高圧燃料を畜圧するコモンレールの燃料を各気筒の燃焼室内に噴射するインジェクタ4が臨まされている。尚、符号5は吸気弁、符号6は排気弁である。
又、吸気ポート2の上流に吸気通路7が連通され、その中途に吸気チャンバ8が形成されている。更に、この吸気通路7の空気取り入れ口にエアクリーナ9が取付けられ、その直下流に吸入空気量を検出する吸入空気量センサ11が臨まされている。
又、排気ポート3の下流に排気通路10が連通され、この排気通路10に、主として排気ガス中の炭化水素(HC)を触媒反応により酸化させるDOC(Diesel Oxidation Catalyst;ディーゼル用酸化触媒)12と、排気ガス中のSoot(煤、カーボンスート),SOF(Soluble Organic Fraction;可溶性有機成分),SO4(sulfate;サルフェート)等の粒子状物質(PM:Particulate Matter)をDOC12の下流側で捕集する捕集装置であるDPF(Diesel Particulate Filter;ディーゼルパティキュレートフィルタ)13とが介装されている。
排気通路10のDPF13上下流には、DPF13の入口温度(DPF13に供給される排気ガスの温度)を検出する温度センサ14aと、DPF13の出口温度(DPF13直下流の排気ガスの温度)を検出する温度センサ14bとが臨まされている。更に、DPF13の上下流は、DPF13の入口の圧力と出口の圧力との差圧を検出する差圧センサ15に連通されている。
DOC12は、例えばコーディエライトハニカム構造体等よりなるセラミック製担体の表面に、白金、パラジウム等の貴金属やアルミナ等の金属酸化物を担持して形成されている。また、DPF13は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形して、ガス流路となる多数のセルを入口側又は出口側が互い違いとなるように目封じして形成され、DPF13に排気ガスが流入すると、DPF13の多孔性の隔壁を通過しながら下流側へ流れ、その間、排気ガス中のPMが捕集されて次第に堆積する。
一方、符号50は、エンジン1を電子的に制御するエンジン制御ユニット(ECU)であり、CPU,ROM,RAM,I/Oインターフェイス等からなるマイクロコンピュータを中心として、その他、A/D変換器、タイマ、カウンタ、各種ロジック回路等の周辺回路を含んで構成されている。ECU50には、上述の各センサ11,14〜16からの検出信号が入力され、また、クランク角センサ16で検出したエンジン回転数を示す信号、アクセル開度センサ17で検出したアクセル開度を示す信号、その他図示しない各種センサ類からの信号が入力される。
尚、ECU50は、更に、例えばCAN(Controller Area Network)等の通信プロトコルに基づく車内ネットワーク(図示せず)に接続され、この車内ネットワークに接続される他の複数のECU、変速機を制御するトランスミッションECUやブレーキを制御するブレーキECU等の他の複数のECUと、相互にデータを送受信し、各種情報の授受を行う。
ECU50は、エンジン運転状態を検出する各種センサ類からの信号、車内ネットワークを介して入力される各種制御情報に基づいて、燃料噴射量や噴射タイミング等を演算してエンジン1の運転を制御する。このエンジン制御においては、通常走行時、クランク角センサ16からの信号に基づくエンジン回転数とアクセル開度センサ17からの信号に基づく負荷とに応じて、マップ参照等により燃料噴射量や噴射時期を決定し、例えばプレ噴射とメイン噴射とを組み合わせたピストン上死点前後の多段噴射のパターンでインジェクタ4から高圧燃料を噴射させ、燃焼安定化及び排気エミッションの低減を図っている。
また、ECU50は、通常のエンジン制御と並行して、所定のタイミングでDPF13を再生するための再生処理を実行する。DPF13の再生処理は、エンジンから意図的に不完全燃焼成分を含むガスを排出させ、DOC12で燃焼(酸化)させることにより、その発生熱によってDPF13に捕集されているPMを焼却してフィルタを再生する処理であり、通常運転時とは別の強制再生運転モードへ移行させ、上死点前後のメイン噴射のリタード等の多段噴射における遅延噴射、ピストン下死点近傍でのポスト噴射等を実施することにより、DPF13へ供給する排気ガス(再生ガス)の温度を上昇させ、DPF13に捕集・堆積されているPMを焼却して除去する。
このため、ECU50は、DPF再生処理に係る各手段の機能として、図2に示すように、PM堆積率推定部51、DPF再生制御部52、PM減量率判定部53を備えている。ECU50は、DPF13のPM堆積率Yを推定し、推定したPM堆積率Yが予め設定した規定値を超えた場合、DPF再生処理を開始する。このDPF再生処理の開始後、ECU50は指定のインターバル時間毎にPM堆積率Yの減量状態を判定し、PM堆積率Yの減量度合いが閾値以上か否かに応じてDPF再生処理を制御する。
詳細には、PM堆積率推定部51は、エンジン運転状態、DPF13の上下流側の差圧、排気ガス温度等に基づいてPM堆積率Yを推定する。例えば、エンジン回転数と燃料噴射量とに基づくPM排出量のマップを予め実験或いはシミュレーションにより作成しておき、このマップに基づいてPM堆積率を推定したり、差圧センサ15でDPF13の入口の圧力と出口の圧力との差圧を検出し、この差圧に基づいてPM堆積率を推定する。
また、排気温度に基づいてPM堆積率を推定する場合には、PM堆積量に応じてDPF13の熱容量が変化することに基づき、排気ガス温度の上昇度合いを調べてPM堆積率を推定する。すなわち、DPF13は、PM堆積量が少ないときには熱容量も比較的小さく、流入する排気より比較的早期に温度が上昇する一方、PM堆積量が多くなると、DPF13の熱容量が増大し、流入する排気による温度上昇が比較的緩やかなものとなる。DPF13の温度上昇は、DPF13の出口側の排気温度に反映されることから、DPF13の出口側の排気温度を温度センサ14bによって検出し、排気温度の上昇速度θvを調べることにより、PM堆積率を推定することができる。
例えば、以下の(1)式に示すように、堆積したPM以外の熱容量すなわちDPF13だけの熱容量の影響を排除するため、PM堆積率が0の場合(DPF再生運転終了後)の排気温度上昇速度θv0と、その後の運転時に検出される排気温度上昇速度の最大値θvmaxとの差分に変換係数kを乗算し、PM堆積率Yを求める。
Y=k×(θv0−θvmax) …(1)
尚、変換係数kは、排気温度上昇速度の差分をPM堆積量に変換する係数であり、エンジン回転数とアクセル開度とに基づくマップ参照等によって求め、エンジン回転数が増加する程、またアクセル開度が増加する程、変換係数kが大きくなるように設定される。
以上のPM堆積率の推定処理は、単独或いは組み合わせて用いることが可能であり、PM堆積率推定部51は、推定したPM堆積率Yを予め設定されている規定値と比較し、比較結果をDPF再生制御部52に出力する。
DPF再生制御部52は、PM堆積率Yが規定値を超えたとき、上述したメイン噴射のリタードやポスト噴射等の手段により、DPF13に供給する排気ガス(再生ガス)の温度を通常運転時よりも上昇させ、DPF13に堆積されているPMを焼却してフィルタを再生する再生処理を開始し、PM堆積率Yがほぼ0となったとき、DPF再生処理を終了する。
このDPF再生制御におけるインジェクタ4に対して出力される制御量(メイン噴射のリタード量、ポスト噴射の燃料噴射量等)のDPF再生処理開始時のイニシャル値は、通常運転時の制御量マップに対してDPF再生処理用として用意された制御量マップにより与えられる。即ち、PM堆積率Yが規定値を超えてDPF再生処理の開始が判断されると、通常運転用マップからDPF再生処理用マップに切り替えられて、エンジン回転数とエンジン負荷からDPF再生処理用マップに基づいてイニシャルの制御量が設定される。なお、このDPF再生処理用マップに格納されている制御量の値は、DPF13の入口における排気ガス温度がDPF再生に好適な所定温度になるように、DPF13の容量等の特性を考慮してシミュレーション或いは実験等により予め設定されている。
DPF再生処理の実行中は、高温の再生ガスによるPM焼却の進行と共にPM堆積率Yが減少してゆく割合(PM減量率ΔY)を、PM減量率判定部53で所定のタイミング毎に判定している。DPF再生制御部52は、PM減量率判定部53からの判定結果に応じて、PM減量率ΔYが低いときは、DPF13の熱劣化を回避するための最大制限温度以下の範囲で再生ガスの温度を上昇させてPMの焼却を促進するようDPF再生制御における制御量を可変設定する。
PM減量率判定部53は、PM堆積率Yに対するPM減量率ΔYを、所定のインターバル時間毎に判定する。本実施の形態においては、第1のインターバル時間T1と、この第1のインターバル時間T1よりも短い第2のインターバル時間T2との2段階でPM減量率ΔYの判定を実施する。
第1のインターバル時間T1での判定は、図2に示すように、第1のインターバル時間T1(例えば、20sec)毎に前回のPM堆積率Yt-1と今回のPM堆積率Ytとの差分をPM減量率ΔYとしてモニタし、このPM減量率ΔYが第1の閾値a1以上であるか否かを判定する。
閾値a1は、DPF再生処理が設計上の制御目標通りに進行し、DPF13に堆積しているPMが予定した設定量で減量している状態を判定するための判定値であり、エンジン形式やDPF13の仕様に応じて予め実験或いはシミュレーションにより設定されている。この第1のインターバル時間T1における判定の結果、ΔY≧a1の場合には、DPF13のPMが順調に減量していると判断して再生制御を継続する。
一方、図3に示すように、ΔY<a1の場合、すなわちDPF13のPM減量率が設計値よりも小さい場合には、再生ガスの目標温度を上昇させてPMの焼却を促進する。例えば、DPF再生制御の制御量に対し、DPF入口温度を所定温度上昇させるために必要な補正量を予め実験或いはシミュレーションに基づいて設定しておき、これにより補正された制御量にて燃料噴射(メイン噴射やポスト噴射)を実行する。なお、DPF入口温度の急激な変化を防止するために、制御量を補正後の値まで徐々に変化させることが好ましい。
この制御量の補正後は、第1のインターバル時間よりも短いインターバル時間T2毎にモニタされているPM減量率ΔYが第2の閾値a2以上になっているか否か判定する。第2のインターバル時間T2によって判定するPM減量率ΔYは、前回のPM堆積率Yt−1と今回のPM堆積率Ytとの差分、或いは各差分をなまし処理や平均化処理した値を採用する。
第2の閾値a2は、DPF13内部でのPMの急激な燃焼による損傷のリスクを回避するための判定値であり、a2>a1である。したがって、ΔY≧a2の場合、DPF再生制御の制御量をイニシャル値に戻して再生ガスの昇温を停止させ、DPF13の損傷を防止する。
一方、ΔY<a2でDPF13の損傷リスクのない状況下であれば、再度第1のインターバル時間T1でモニタされているPM減量率ΔYを閾値a1と比較し、ΔY<a1でPMの焼却が未だ十分でない場合には、制御量を追加補正して再生ガス温度を更に上昇させる。この一連の動作は、ΔY<a2でDPF13の損傷リスクのない状況下である限り、ΔY≧a1となってPMの焼却が十分に促進されている状態となるまで繰り返し実行される。なお、上述した制御量に対する追加の補正は、最初の補正より少なく設定するようにしてもよく、また、それ以降に追加される補正も徐々に少なくなるようにしてもよい。
これにより、再生ガスの温度を過度に上昇させることなく効率的にDPF13に堆積しているPMを焼却・除去することができ、DPF13の熱劣化による耐久性低下を回避することができるばかりでなく、再生時間が長くなることを防止して燃費改善を図ることができる。
尚、第1のインターバル時間T1によるPM減量判定と第2のインターバル時間T2によるPM減量判定は、異なるタイミングでも同じタイミングでも良い。すなわち、第1のインターバル時間T1によるPM減量判定の判定結果に応じて第2のインターバル時間T2によるPM減量判定に移行しても良く、或いは、第2のインターバル時間T2によるPM減量判定を常時実施し、第2のインターバル時間T2を集約した結果として第1のインターバル時間T1でのPM減量判定としても良い。
次に、以上のDPF再生に係るプログラム処理について、図5のフローチャートを用いて説明する。尚、図5はDPF再生処理の開始と共に実行されるDPF再生制御ルーチンである。
このDPF再生制御ルーチンでは、先ず、最初のステップS1において、現在のPM堆積率が指定インターバル時間前のPM堆積率に対して減量しているか否かを調べる。具体的には、指定インターバル時間として第1のインターバル時間T1を用い、前回のインターバル時間前のPM堆積率Yt-1から今回のPM堆積量Ytを減算してPM減量率ΔYを算出し、このPM減量率ΔYが第1の閾値a1以上であるか否かを判定する。
その結果、PM減量率ΔYが閾値a1以上である場合には、DPF再生が目論み通りに順調に進んでいると判断してステップS7でDPF再生処理を継続する。一方、PM減量率ΔYが第1の閾値a1に達していない場合には、ステップS1からステップS2へ進み、温度センサ14aで検出された現在のDPF入口温度がDPF13を保護するための最大制限温度以下か否かを調べる。
その結果、現在のDPF入口温度が最大制限温度を超えている場合には、ステップS3で制御量を変えずに維持したまま、ステップS7でDPF再生処理を継続する。一方、ステップS2において、現在設定の目標DPF入口温度が最大制限温度以下の場合には、ステップS2からステップS4へ進み、ステップS4以下で制御量を補正して再生ガス温度を昇温方向に変更する処理を行う。
その後、ステップS5へ進み、第2のインターバル時間T2毎にPM堆積率の減量度合いをモニタし、PM減量率ΔYが第2の閾値a2以上で規定以上の減量率を示しているか否かを判定する。
ステップS5において、ΔY<a2である場合には、再生ガスの昇温に伴うPMの急激な燃焼による損傷のリスクはないものと判断してステップS1に戻り、以上説明したように、PM減量率ΔYと第1の閾値a1との大小関係に応じた処理を行う。その結果、第1のインターバル時間T1で意図したPM減量率が得られない場合には、最大制限温度以下の範囲で制御量を追加補正して再生ガス温度を上昇させ、DPF13に堆積したPMの焼却を促進することができる。
一方、ステップS5において、ΔY<a2の場合には、ステップS5からステップS6へ進んでDPF再生制御の制御量をイニシャル設定に戻してステップS1に戻る。このDPF再生制御の制御量のイニシャル値への変更により、再生ガスの昇温を停止させ、PMの急激な燃焼によるDPF13の損傷を防止することができる。
以上の過程を経てステップS7でDPF再生が継続されると、その後、ステップS8でPM堆積率YがDPF13に残留しているPM成分をほぼ0と見なせる終了判定値以下になったか否かを調べる。そして、PM堆積率Yが未だ終了判定値より大きい場合には、ステップS1に戻って以上の処理を続行し、PM堆積率Yが終了判定値以下になったとき、PM再生処理を完了して通常運転に復帰する。
このように本実施の形態においては、DPF13の再生処理中に、PMの減量率を判定しながらPMを焼却・除去するための再生制御の制御量を補正するので、再生ガスの温度及び再生処理時間を適切且つ効率的に管理することができる。これにより、DPF13の耐久性低下やエンジン出力の低下を招くことなくPM捕集性能を有効に維持することができ、燃費改善を図ることができる。
尚、以上の実施の形態においては、エンジンとしてディーゼルエンジンを例に取って説明したが、筒内燃料噴射式ガソリンエンジン等のように排気ガス中に粒子状物質を含む他のエンジンにも適用可能である。
エンジンの全体構成図 DPF再生制御に係るブロック図 指定インターバル時間毎のPM減量判定の説明図、 指定インターバル時間内でのPM減量判定の説明図、 DPF再生制御ルーチンのフローチャート
符号の説明
1 エンジン
13 DPF(捕集装置)
50 エンジン制御ユニット
51 PM堆積率推定部
52 DPF再生制御部
53 PM減量率判定部
Y PM堆積率
ΔY PM減量率
a1 第1の閾値
a2 第2の閾値

Claims (6)

  1. 排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集する捕集装置を備え、該捕集装置に堆積した粒子状物質を昇温手段により除去する再生処理を実行するエンジンの排気浄化装置において、
    上記再生処理の実行中、所定のインターバル時間で上記粒子状物質の減量率が閾値以上か否かを判定する減量率判定部と、
    上記減量率判定部の判定結果に応じて上記粒子状物質を焼却するための上記昇温手段を可変に制御する再生制御部と
    を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
  2. 上記再生制御部は、上記減量率が第1の閾値以上と判定されている場合、上記昇温手段による制御を変更することなく上記再生処理を継続することを特徴とする請求項1記載のエンジンの排気浄化装置。
  3. 上記再生制御部は、上記減量率が第1の閾値より少ないと判定された場合、上記昇温手段を昇温方向に制御することを特徴とする請求項1又は2記載のエンジンの排気浄化装置。
  4. 上記再生制御部は、上記減量率が第2の閾値以上と判定された場合、上記昇温手段による昇温制御を停止することを特徴とする請求項3記載のエンジンの排気浄化装置。
  5. 上記減量率判定部は、上記減量率の上記第2の閾値に対する判定を、上記減量率の上記第1の閾値に対する判定のインターバル時間より短いインターバル時間で行うことを特徴とする請求項4記載のエンジンの排気浄化装置。
  6. 上記昇温手段は、多段噴射におけるメイン噴射の噴射時期のリタード又はメイン噴射の噴射後のポスト噴射であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一に記載のエンジンの排気浄化装置。
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