JP2011069324A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】DPFの目詰まりを抑制しつつ排気浄化性能を維持する。
【解決手段】車両停車中かつDPF強制再生条件が成立したならば(S1,2)、DOC活性温度を目標温度に設定すると共に、センサで検出したDOC入口温度を入口温度に設定する(S3,4)。車両停止中でなくかつDPF強制再生条件が成立したならば(S1、S10)、DPF再生温度を目標温度に設定すると共に、センサで検出したDPF入口温度を入口温度に設定する(S11,12)。車両停車中でなくかつDPF強制再生条件が成立していなければ(S1,S10)、SCR活性温度を目標温度に設定すると共に、センサで検出したSCR入口温度を入口温度に設定する(S13,14)。そして、入口温度が目標温度以下であれば(S5)、入口温度が目標温度に近づくように、DOCの排気上流に配設した電気ヒータを制御する(S8,9)。
【選択図】図2

Description

本発明は、エンジンの排気に含まれるPM(粒子状物質)及びNOx(窒素酸化物)を浄化する排気浄化装置に関する。
エンジンの排気に含まれるPM及びNOxを浄化する排気浄化装置として、特開2009−138680号公報(特許文献1)に記載されるように、排気通路に連続再生式DPF(Diesel Particulate Filter)装置及びSCR(Selective Catalytic Reduction)触媒を夫々配設したものが提案されている。この排気浄化装置は、連続再生式DPF装置でPMを連続的に捕集除去する一方、SCR触媒でNOxを選択還元浄化することで、排気中のPM及びNOxを同時に浄化する。
特開2009−138680号公報
ところで、連続再生式DPF装置でPMを連続的に捕集除去するためには、その前段に配置されたDOC(Diesel Oxidation Catalyst)が活性温度以上に昇温している必要がある。また、連続再生式DPF装置において、低負荷運転など排気温度がDOC活性温度以下の状態が長時間連続すると、PMの酸化を促進する二酸化窒素の生成能力が低下してDPFに目詰まりが発生してしまうため、DPFに捕集されたPMを強制的に焼却する「強制再生処理」が不可欠である。このとき、DPFの強制再生処理が実行されるためには、DPFが再生温度以上に昇温している必要がある。さらに、SCR触媒でNOxを選択還元浄化するためにも、SCR触媒が活性温度以上に昇温している必要がある。
しかしながら、DOCの活性温度,DPFの再生温度及びSCR触媒の活性温度が相互に異なるため、排気温度を昇温させる公知の手法を適用しただけでは、DPFの目詰まりを抑制しつつ、排気浄化性能を維持することは困難であった。
そこで、本発明は従来技術の問題点に鑑み、連続再生式DPF装置の排気上流に配設された電気ヒータを適宜制御することで、DOC,DPF又はSCR触媒に流入する排気温度を制御し、DPFの目詰まりを抑制しつつ、排気浄化性能を維持したエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
このため、本発明では、DOC及びDPFを有する連続再生式DPF装置と、前記連続再生式DPF装置の排気下流に配設されたSCR触媒と、前記連続再生式DPF装置の排気上流に配設された電気ヒータと、前記DOCの入口における排気温度を検出する第1の温度検出手段と、前記DPFの入口における排気温度を検出する第2の温度検出手段と、前記SCR触媒の入口における排気温度を検出する第3の温度検出手段と、車両が駐車中であるか否かを判定する駐車判定手段と、前記DPFの強制再生条件が成立したか否かを判定する条件判定手段と、前記駐車判定手段により駐車中であると判定され、かつ、前記条件判定手段により強制再生条件が成立していると判定されたときに、前記DOCの活性温度を目標温度に設定すると共に、前記第1の温度検出手段により検出された排気温度を入口温度に設定する第1の設定手段と、前記駐車判定手段により駐車中でないと判定され、かつ、前記条件判定手段により強制再生条件が成立していると判定されたときに、前記DPFの再生温度を目標温度に設定すると共に、前記第2の温度検出手段により検出された排気温度を入口温度に設定する第2の設定手段と、前記駐車判定手段により駐車中でないと判定され、かつ、前記条件判定手段により強制再生条件が成立していないと判定されたときに、前記SCR触媒の活性温度を目標温度に設定すると共に、前記第3の温度検出手段により検出された排気温度を入口温度に設定する第3の設定手段と、前記入口温度が目標温度以下であるとき、前記入口温度が目標温度に近づくように、前記電気ヒータの作動を制御する第1のヒータ制御手段と、を含んでエンジンの排気浄化装置を構成する。
本発明によれば、車両が停車中であり、かつ、DPFの強制再生条件が成立していれば、停車中におけるDPFの強制再生処理を促進すべく、目標温度としてDOCの活性温度が設定されると共に、制御変数としての入口温度としてDOCの入口における排気温度が設定される。また、車両が走行中であり、かつ、DPFの強制再生条件が成立していれば、走行中におけるDPFの強制再生処理を促進すべく、目標温度としてDPFの再生温度が設定されると共に、入口温度としてDPFの入口における排気温度が設定される。さらに、車両が走行中であり、かつ、DPFの強制再生条件が成立していなければ、走行中におけるSCR触媒の排気浄化機能を促進すべく、目標温度としてSCR触媒の活性温度が設定されると共に、入口温度としてSCR触媒の入口における排気温度が設定される。
そして、入口温度が目標温度以下であれば、入口温度を目標温度に近づけるための必要発熱量に基づいて、電気ヒータの作動が制御される。このため、車両の状態に応じて、DOC,DPF又はSCR触媒を各機能が発揮される温度に近づけることができ、DPFの目詰まりを抑制しつつ、排気浄化性能を維持することができる。
本発明を具現化した排気浄化装置の一例を示す概略図 制御プログラムの内容を示すフローチャート 必要発熱量を求めるためのマップの説明図
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図1は、本発明を具現化した排気浄化装置の一実施形態を示す。
ディーゼルエンジン10の吸気マニフォールド12に接続される吸気管14(吸気通路)には、吸気流通方向に沿って、空気中の埃などを除去するエアクリーナ16、ターボチャージャ18のコンプレッサ18A、ターボチャージャ18により高温となった吸気を冷却するインタークーラ20、吸気脈動を平滑化する吸気コレクタ22がこの順番で配設される。
一方、ディーゼルエンジン10の排気マニフォールド24に接続される排気管26(排気通路)には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ18のタービン18B、連続再生式DPF装置28、還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル30、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用してNOxを選択還元浄化するSCR触媒32、SCR触媒32を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒34がこの順番で配設される。連続再生式DPF装置28は、少なくとも一酸化窒素(NO)を二酸化窒素(NO2)へと酸化させるDOC28Aと、PMを捕集除去するDPF28Bと、を含んで構成される。なお、DPF28Bの代わりに、その表面に触媒(活性成分及び添加成分)を担持させたCSF(Catalyzed Soot Filter)を使用することもできる。
還元剤タンク36に貯蔵される尿素水溶液は、ポンプ及び流量制御弁が内蔵された還元剤添加ユニット38を経由して、噴射ノズル30に供給される。ここで、還元剤添加ユニット38としては、ポンプが内蔵されたポンプモジュールと、流量制御弁が内蔵されたドージングモジュールと、に2分割された構成であってもよい。
連続再生式DPF装置28の排気上流、即ち、ターボチャージャ18のタービン18BとDOC28Aとの間に位置する排気管26には、吸気を強制的に加熱するために、バッテリなどにより駆動される電気ヒータ40が配設される。
排気浄化装置の制御系として、電気ヒータ40とDOC28Aとの間に位置する排気管26には、DOC28Aの入口における排気温度(DOC入口温度)を検出する温度センサ42(第1の温度検出手段)が取り付けられる。DOC28AとDPF28Bとの間に位置する排気管26には、DPF28Bの入口における排気温度(DPF入口温度)を検出する温度センサ44(第2の温度検出手段)が取り付けられる。DPF28Bと噴射ノズル30との間に位置する排気管26には、SCR触媒32の入口における排気温度(SCR入口温度)を検出する温度センサ46(第3の温度検出手段)が取り付けられる。DPF28Bが配設された排気管26の近傍には、DPF28Bの強制再生条件が成立したか否かを判定するために、DPF28Bの排気上流及び排気下流の差圧を検出する差圧センサ48(差圧検出手段)が取り付けられる。また、図示しない駐車ブレーキレバー及び変速機には、駐車ブレーキを作動させたときにONとなるブレーキスイッチ50(作動状態検出手段)及びニュートラルとなったときにONとなるニュートラルスイッチ52(変速状態検出手段)が夫々取り付けられる。さらに、エアクリーナ16とターボチャージャ18のコンプレッサ18Aとの間に位置する吸気管14には、吸気流量を検出するエアフローセンサ54が取り付けられる。
温度センサ42,44及び46、差圧センサ48,ブレーキスイッチ50,ニュートラルスイッチ52並びにエアフローセンサ54の各出力信号は、コンピュータを内蔵した後処理コントロールユニット(ACU:After treatment Control Unit)56に入力される。また、ACU56は、エンジン運転状態としての回転速度Ne及び燃料噴射量q、並びに、車速vを適宜読み込み可能とすべく、CAN(Controller Area Network)などを介して、ディーゼルエンジン10を電子制御するエンジンコントロールユニット(ECU)58と接続される。そして、ACU56は、ROM(Read Only Memory)などに記憶された制御プログラムを実行することで、各センサ及び各スイッチからの出力信号に応じて、還元剤添加ユニット38及び電気ヒータ40を夫々電子制御する。ここで、ECU58が回転速度検出手段,噴射量検出手段及び車速検出手段として機能するが、回転速度Ne及び燃料噴射量q並びに車速vは、公知のセンサを用いて直接検出するようにしてもよい。
かかる排気浄化装置において、ディーゼルエンジン10の排気は、排気マニフォールド24,ターボチャージャ18のタービン18Bを経て、連続再生式DPF装置28のDOC28Aに導入される。DOC28Aに導入された排気は、NOがNO2へと酸化されつつDPF28Bへと流れる。DPF28Bでは、排気中のPMが捕集されると共に、DOC28Aにより生成されたNO2を使用してPMが酸化される。
また、エンジン運転状態に応じて噴射ノズル30から噴射供給(添加)された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、SCR触媒32において排気中のNOxと選択還元反応し、無害な水(H2O)及び窒素(N2)へと浄化されることは知られたことである。このとき、DOC28AによりNOがNO2へと酸化され、排気中のNOとNO2との比率が選択還元反応に適したものに改善されるため、SCR触媒32におけるNOx浄化効率を向上させることができる。一方、SCR触媒32を通過したアンモニアは、その排気下流に配設された酸化触媒34により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。
図2は、ディーゼルエンジン10が始動されたことを契機として、ACU56が所定時間ごとに繰り返し実行する電気ヒータ40の制御プログラムの内容を示す。なお、ACU54が制御プログラムを実行することで、駐車判定手段,条件判定手段,第1の設定手段,第2の設定手段,第3の設定手段,推定手段,第1のヒータ制御手段,第2のヒータ制御手段及び減速判定手段が夫々具現化される。
ステップ1(図では「S1」と略記する。以下同様。)では、ブレーキスイッチ50がON(駐車ブレーキ作動)かつニュートラルスイッチ52がON(ニュートラル)であるか否かを介して、車両が駐車中であるか否かを判定する。そして、車両が駐車中であればステップ2へと進む一方(Yes)、車両が駐車中でなければ(即ち、一時停車を含む走行中であれば)ステップ10へと進む(No)。ここで、駐車ブレーキ作動中及びニュートラルであるときに駐車中であると判定することで、車両が駐車中であることを高精度に判定することができる。なお、ステップ1の処理が駐車判定手段に該当する。
ステップ2では、車両が駐車中であることを前提とし、差圧センサ48により検出された差圧が所定圧力以上であるか否かを介して、DPF28Bの強制再生処理を開始する強制再生条件が成立したか否かを判定する。ここで、所定圧力は、DPF28Bに目詰まりが発生したことを判定するための閾値であって、例えば、排圧の許容最大値より若干低い圧力をとる。そして、強制再生条件が成立したならばステップ3へと進む一方(Yes)、強制再生条件が成立していなければ処理を終了させる(No)。なお、ステップ2の処理が条件判定手段に該当する。
ステップ3では、電気ヒータ40により排気温度を上昇させる目標温度として、DOC28Aが活性化するDOC活性温度(例えば250℃)を設定する。
ステップ4では、制御変数としての入口温度として、温度センサ42により検出されたDOC入口温度を設定する。なお、ステップ3及びステップ4の処理が第1の設定手段に該当する。
ステップ5では、入口温度が目標温度より高いか否かを判定する。そして、入口温度が目標温度より高ければステップ6へと進む(Yes)。一方、入口温度が目標温度以下であればステップ9へと進み(No)、「必要発熱量=排気流量×比熱×(目標温度―入口温度)」という計算式を用いて、排気流量,目標温度及び入口温度に応じた必要発熱量を算出する。ここで、排気流量は、センサ追加によるコスト及び重量増加を防止すべく、エンジン運転状態(ECU58から読み込んだ燃料噴射量q及びエンジン回転速度Ne並びにエアフローセンサ54により検出した吸気流量)に基づいて推定すればよい。なお、排気流量を推定する処理が推定手段に該当する。
ステップ6では、ECU58から車速v及び燃料噴射量qを読み込み、車速vが0より大きく(v>0)かつ燃料噴射量qが0(q=0)であるか否かを介して、車両が減速中であるか否かを判定する。そして、車速vが0より大きくかつ燃料噴射量qが0であればステップ7へと進む一方(Yes)、それ以外であれば処理を終了させる(No)。ここで、車速vが0より大きくかつ燃料噴射量qが0であるときに減速中であると判定することで、その後排気温度が低下することを事前に認識することができる。なお、ステップ6の処理が減速判定手段に該当する。
ステップ7では、図3に示すように、エンジン回転速度に対応した必要発熱量が設定されたマップを参照し、ECU58から読み込んだエンジン回転速度Neに適合した必要発熱量を求める。ここで、マップに設定された必要発熱量は、車両が減速中であるため、排気温度が徐々に低下することを見越して、入口温度を目標温度に維持するのに必要な熱量である。また、マップを参照して必要発熱量を求めることで、ACU56の制御負荷増大を抑制することができる。
ステップ8では、必要発熱量に基づいて電気ヒータ40の作動を制御する。即ち、入口温度が目標温度に近づくように、又は、入口温度が目標温度に維持されるように、電気ヒータ40の作動を制御する。なお、ステップ5,ステップ8及びステップ9の処理が第1のヒータ制御手段に該当する一方、ステップ5,ステップ7及びステップ8の処理が第2のヒータ制御手段に該当する。
ステップ10では、車両が走行中であることを前提とし、差圧センサ48により検出された差圧が所定圧力以上であるか否かを介して、DPF28Bの強制再生処理を開始する強制再生条件が成立したか否かを判定する。そして、強制再生条件が成立したならばステップ11へと進む一方(Yes)、強制再生条件が成立していなければステップ13へと進む(No)。なお、ステップ10の処理が条件判定手段に該当する。
ステップ11では、電気ヒータ40により排気温度を上昇させる目標温度として、DPF28Bが再生するDPF再生温度(例えば300℃)を設定する。
ステップ12では、制御変数としての入口温度として、温度センサ44により検出されたDPF入口温度を設定した後、ステップ5へと進む。なお、ステップ11及びステップ12の処理が第2の設定手段に該当する。
ステップ13では、電気ヒータ40により排気温度を上昇させる目標温度として、SCR触媒34が活性化するSCR活性温度(例えば220℃)を設定する。
ステップ14では、制御変数としての入口温度として、温度センサ46により検出されたSCR入口温度を設定した後、ステップ5へと進む。なお、ステップ13及びステップ14の処理が第3の設定手段に該当する。
かかる排気浄化装置によれば、車両が停車中であり、かつ、DPF28Bの強制再生条件が成立していれば、停車中におけるDPF28Bの強制再生処理を促進すべく、目標温度としてDOC活性温度が設定されると共に、制御変数としての入口温度としてDOC入口温度が設定される。また、車両が走行中であり、かつ、DPF28Bの強制再生条件が成立していれば、走行中におけるDPF28Bの強制再生処理を促進すべく、目標温度としてDPF再生温度が設定されると共に、入口温度としてDPF入口温度が設定される。さらに、車両が走行中であり、かつ、DPF28Bの強制再生条件が成立していなければ、走行中におけるSCR触媒32の排気浄化機能を促進すべく、目標温度としてSCR活性温度が設定されると共に、入口温度としてSCR入口温度が設定される。
そして、入口温度が目標温度以下であれば、入口温度を目標温度に近づけるための必要発熱量に基づいて、電気ヒータ40の作動が制御される。このため、車両の状態に応じて、DOC28A,DPF28B又はSCR触媒32を各機能が発揮される温度に近づけることができ、DPF28Bの目詰まりを抑制しつつ、排気浄化性能を維持することができる。
また、入口温度が目標温度より高く、かつ、車両が減速中であれば、エンジン回転速度Neに応じた必要発熱量に基づいて、電気ヒータ40の作動が制御される。即ち、車両が減速中のときにはエンジン負荷が小さいため、排気温度が徐々に低下して目標温度より低下してしまう。このため、入口温度を目標温度に維持する必要発熱量に基づいて、電気ヒータ40の作動を制御することで、入口温度が目標温度以下に低下することを防止し、排気浄化性能が低下することを抑制することができる。
10 ディーゼルエンジン
28 連続再生式DPF装置
28A DOC
28B DPF
32 SCR触媒
40 電気ヒータ
42 温度センサ
44 温度センサ
46 温度センサ
48 差圧センサ
50 ブレーキスイッチ
52 ニュートラルスイッチ
54 エアフローセンサ
56 ACU
58 ECU

Claims (7)

  1. DOC及びDPFを有する連続再生式DPF装置と、
    前記連続再生式DPF装置の排気下流に配設されたSCR触媒と、
    前記連続再生式DPF装置の排気上流に配設された電気ヒータと、
    前記DOCの入口における排気温度を検出する第1の温度検出手段と、
    前記DPFの入口における排気温度を検出する第2の温度検出手段と、
    前記SCR触媒の入口における排気温度を検出する第3の温度検出手段と、
    車両が駐車中であるか否かを判定する駐車判定手段と、
    前記DPFの強制再生条件が成立したか否かを判定する条件判定手段と、
    前記駐車判定手段により駐車中であると判定され、かつ、前記条件判定手段により強制再生条件が成立していると判定されたときに、前記DOCの活性温度を目標温度に設定すると共に、前記第1の温度検出手段により検出された排気温度を入口温度に設定する第1の設定手段と、
    前記駐車判定手段により駐車中でないと判定され、かつ、前記条件判定手段により強制再生条件が成立していると判定されたときに、前記DPFの再生温度を目標温度に設定すると共に、前記第2の温度検出手段により検出された排気温度を入口温度に設定する第2の設定手段と、
    前記駐車判定手段により駐車中でないと判定され、かつ、前記条件判定手段により強制再生条件が成立していないと判定されたときに、前記SCR触媒の活性温度を目標温度に設定すると共に、前記第3の温度検出手段により検出された排気温度を入口温度に設定する第3の設定手段と、
    前記入口温度が目標温度以下であるとき、前記入口温度が目標温度に近づくように、前記電気ヒータの作動を制御する第1のヒータ制御手段と、
    を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
  2. エンジン運転状態に基づいて排気流量を推定する推定手段を更に備え、
    前記第1のヒータ制御手段は、前記目標温度,前記入口温度及び前記推定手段により推定された排気流量に応じた必要発熱量を算出し、この必要発熱量に基づいて電気ヒータの作動を制御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. 駐車ブレーキの作動状態を検出する作動状態検出手段と、
    変速機の変速状態を検出する変速状態検出手段と、
    を更に備え、
    前記駐車判定手段は、前記作動状態検出手段により駐車ブレーキが作動していることが検出され、かつ、前記変速状態検出手段により変速機がニュートラルに変速されていることが検出されたときに、前記車両が駐車中であると判定することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエンジンの排気浄化装置。
  4. 前記DPFの排気上流及び排気下流の差圧を検出する差圧検出手段を更に備え、
    前記条件判定手段は、前記差圧検出手段により検出された差圧が所定圧力以上となったときに、前記DPFの強制再生条件が成立したと判定することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載のエンジンの排気浄化装置。
  5. エンジン回転速度を検出する回転速度検出手段と、
    車両が減速中であるか否かを判定する減速判定手段と、
    前記入口温度が目標温度より高く、かつ、前記減速判定手段により減速中であると判定されたときに、前記入口温度が目標温度に維持されるように、前記回転速度検出手段により検出されたエンジン回転速度に応じて電気ヒータの作動を制御する第2のヒータ制御手段と、
    を更に備えたことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載のエンジンの排気浄化装置。
  6. 前記第2のヒータ制御手段は、エンジン回転速度に対応した必要発熱量が設定されたマップを参照し、前記回転速度検出手段により検出されたエンジン回転速度に適合した必要発熱量を求め、この必要発熱量に基づいて電気ヒータの作動を制御することを特徴とする請求項5記載のエンジンの排気浄化装置。
  7. 車速を検出する車速検出手段と、
    燃料噴射量を検出する噴射量検出手段と、
    を更に備え、
    前記減速判定手段は、前記車速検出手段により検出された車速が0より大きく、かつ、前記噴射量検出手段により検出された燃料噴射量が0であるときに、前記車両が減速中であると判定することを特徴とする請求項5又は請求項6に記載のエンジンの排気浄化装置。
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