JP3775021B2

JP3775021B2 - エンジンの排気微粒子処理装置

Info

Publication number: JP3775021B2
Application number: JP31978997A
Authority: JP
Inventors: 靖久北原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2017-11-20
Also published as: JPH11153020A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等の筒内燃料噴射式機関から排出される排気微粒子を捕集する排気微粒子処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
ディーゼルエンジンの排気浄化装置として、エンジン排気通路に設けたフィルタにて排気中の微粒子を捕集し、捕集した微粒子をヒーターにより定期的に加熱して焼却することによりフィルタを再生するようにした排気微粒子処理装置が知られている。この種の装置ではフィルタの性能を維持するために、捕集した微粒子の量を正確に検出して適切なタイミングで焼却する必要がある。
【０００３】
このために、例えば特開平７−０２６９３３に記載されたものでは、フィルタを通過する体積流量とフィルタ前後の差圧（圧力損失）とからフィルタの圧力損失に起因する層流のずれを考慮してフィルタの差圧を補正して求めるようにしている。また、特開平８−１０９８１８に開示された装置では、フィルタを通過する体積流量とフィルタの差圧に加え、フィルタの温度特性からフィルタの差圧を補正してフィルタに堆積した微粒子の捕集量を求めるようにしている。
【０００４】
しかしながら、圧力損失やフィルタの特性から微粒子の堆積量を求めるものでは、フィルタ再生後に微粒子の燃え残りが存在すると以後の捕集期間のあいだに燃え残りの影響で燃焼伝播が期待できる量の微粒子が捕集されず、次回再生時に燃え残りが増大してフィルタ性能が悪化してしまうという問題が生じる。また、再生時のフィルタ温度をフィードバックして次回の再生時期を決定するようにしても、フィルタの周縁部に燃え残りが存在する場合には、同様に燃え残りが増大して燃え残り微粒子の異常燃焼によってフィルタが劣化するおそれがある。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題に着目してなされたもので、フィルタに燃え残りの排気微粒子が生じた場合には、次回の再生開始基準値を補正して、より高い圧力損失値に達するまで微粒子を捕集することで再生時の燃焼伝播が確実に行われるだけの微粒子を蓄積して燃え残りが生じないようにした排気微粒子処理装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、エンジン排気通路に介装され排気微粒子を捕集するフィルタと、フィルタへの排気流を絞る排気流制御手段と、フィルタの圧力損失に基づいてフィルタ再生時期を検出する再生時期検出手段と、前記再生時期検出結果に基づきフィルタを加熱してフィルタに捕集された排気微粒子を燃焼させる再生手段とを有する排気微粒子処理装置において、前記再生手段を、フィルタの再生後にフィルタに燃え残り排気微粒子を検出した場合は、再生を開始する圧力損失の基準値を補正して、予め定めた基準値よりも高い圧力損失値に達してから再生を開始するように構成すると共に、再生開始圧力損失を検出したときの排気温度が予め定めた所定の温度よりも低い場合は、排気凝縮水や低沸点ＨＣが蒸発しかつ排気微粒子の燃焼開始温度よりも低い温度に該フィルタを加熱するようにした。
【０００７】
請求項２の発明は、上記請求項１の発明の再生手段を、再生開始圧力損失を検出したときの排気温度が予め定めた所定の温度よりも低い条件で一定時間以上運転がされたときに、前記排気微粒子の燃焼開始温度よりも低い温度でのフィルタの加熱を行うように構成した。
【０００８】
請求項３の発明は、上記請求項１または請求項２の発明の再生手段を、排気微粒子捕集中の単位時間当たりの圧力損失の変化量が予め定めた判定基準値よりも大きく、かつフィルタ再生後に検出した圧力損失が予め定めた判定基準値よりも大きいときにフィルタに燃え残りの排気微粒子があると判定するように構成した。
【０００９】
請求項４の発明は、上記各発明の再生手段を、フィルタに燃え残りの排気微粒子があることを検出した後、次回の再生開始圧力損失値に達するまでの間に、高負荷運転条件が予め定めた所定の時間以上続いた場合には燃え残りの排気微粒子に基づく再生開始基準値の補正を行わないように構成した。
【００１０】
請求項５の発明は、上記各発明の再生手段を、排気温度を上昇させるフィルタ温度昇温手段によりフィルタを加熱するように構成した。
【００１１】
【作用・効果】
請求項１または請求項２以下の各発明によれば、フィルタに燃え残りの排気微粒子が検出された場合には次に再生を開始するときの圧力損失の基準値が高く補正されるので、それだけ次回再生までの期間が長くなり、比較的多量の排気微粒子が捕集されることになる。これによりフィルタ内に再生時の燃焼伝播が可能になるだけの十分な量の排気微粒子が蓄積されるので、次回再生時に微粒子を確実に燃焼させてフィルタを十分に再生し劣化を回避することができる。
【００１２】
また、低排温条件でフィルタに蓄積される凝縮水や低沸点ＨＣによるフィルタ圧力損失への影響を考慮し、これらが蓄積される運転条件にてフィルタの温度を高めることにより水分やＨＣの蒸発を促すようにしたので、前記影響を排除して再生開始基準値を的確に設定することができる。この場合、凝縮水や低沸点ＨＣが蓄積されやすい低排気温度の運転条件下でのみこのフィルタ加熱を行うので、フィルタ加熱のための燃料消費を必要最小限に抑制することができる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、燃え残りの排気微粒子の存在を微粒子捕集中の圧力損失の上昇率に基づいて判定するので、燃え残りの排気微粒子の存在を精度良く検出することができる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、フィルタが自己再生可能な運転状態が所定の時間継続した場合、再生開始基準値の補正は解除する。前記運転状態の継続により、燃え残りの排気微粒子があったとしても自己再生現象により燃焼するのでフィルタは初期状態に近い清浄な状態に復帰し、したがって再生開始時期の基準値を補正する必要がなくなり、むしろ補正を解除することでフィルタは所期の捕集機能を発揮する。
【００１５】
フィルタを上記のように加熱するには、請求項５の発明として示したように、排気温度を上昇させるフィルタ温度上昇手段を適用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は実施形態に係る排気微粒子処理装置の機械的構成の概略を示したものである。図において、１０１はディーゼルエンジン、１０２はその排気通路、３０１は再生手段にあたるコントロールユニットである。排気通路１０２は途中から２系統に分岐し、各系統にそれぞれ排気制御手段にあたる排気流路切換バルブ１０６１、１０６２、フィルタケース２０３に収納された中空円筒状のフィルタ２０１１、２０１２、フィルタの圧力損失を検出するための排圧センサ１０４１、１０４２が設けられている。なお、フィルタの圧力損失はフィルタ上下流間の圧力差で示されるが、下流側圧力は大気圧とみなすことができるので、この場合上流側の排圧のみで圧力損失を代表させている。
【００１７】
フィルタケース２０３は円筒形状のフィルタ２０１１、２０１２の内径部から外径部へと向かって半径方向に排気が流れるような通路構成となっており、これに対応してフィルタ２０１１、２０１２にはその内径部に再生用ヒータ２０２１、２０２２が設けられている。前記とは逆に再生用ヒータを外径部に備え、外径部から内径部へと排気を流す構成のフィルタを用いることもできる。なおフィルタケース２０３には再生時の燃焼用酸素を補給するための大気導入口４１、４２が設けられている。
【００１８】
コントロールユニット３０１は、排気切り替えバルブ１０６１と１０６２を相反的に切り替えてフィルタ２０１１と２０１２にて交互的に排気微粒子を捕集する。すなわち一方のフィルタが再生中のときは他方のフィルタのみで排気微粒子の捕集が行われる。
【００１９】
例えば、フィルタ２０１１に排気微粒子を捕集し、再生時期圧力であることを排圧センサ１０４１で検知した場合、排気流路切換バルブ１０６１を閉じた後にヒータ２０２１に通電してフィルタを再生する。
【００２０】
ここで、内径部から外径部へと排気を流す構成の中空円筒状フィルタの場合、再生時に燃焼伝播や加熱が不十分であった場合には図２に示すように外周部に排気微粒子の燃え残りが発生してしまう。燃え残りによって再生後の圧力損失が図４に示すように燃え残りが無い場合に比べ高くなり、捕集中の排圧上昇も早くなる。この結果、図２に示すように燃焼伝播しにくい領域が生じてしまい、これによりヒータ加熱しても燃え残り部分を十分に焼却することができず、燃え残りを解消できない。そこで本実施形態では、再生後の排圧が所定の基準値Ｐ１より高い場合は燃え残りがあると判断し、所定の再生時期背圧Ｐ２に修正係数Ｐ’を乗じた修正再生時期排圧に達するまで捕集を続ける。補正した背圧Ｐ’・Ｐ２まで捕集を続けることで、図３に示すようにフィルタ全体に燃焼伝播可能な密度まで微粒子を捕集できる。この状態でヒータによる再生を行うことで外周部まで燃焼が伝播し、外周部の燃え残りが確実に解消される。
【００２１】
図１１はこのようなフィルタ再生のための基本的な制御動作の一例を流れ図として示したものである。これを説明すると、まずＳ１でエンジン１０１の運転状態を検出し、例えばＳ２でエンジン負荷及び回転数が所定値以下の再生可能運転状態であったときには次にＳ３、Ｓ１２にて各フィルタの排圧センサ１０４１、１０４２の出力からフィルタ２０１１の排圧Ｐａとフィルタ２０１２の排圧Ｐｂを検出し、これらを各々の再生開始基準圧力Ｐ２ａ，Ｐ２ｂと比較して再生開始の可否を決定する。なお、Ｐ２ａ，Ｐ２ｂの初期値は何れもＰ２で同一である。
【００２２】
もしＳ３にてＰａ＞Ｐ２ａであったときには、Ｓ４にて他方のフィルタ２０１２が再生中でないことを条件にＳ５〜Ｓ８の処理にてフィルタ２０１１の再生を開始する。すなわち、排気流路切替バルブ１０６１を閉ざした後ヒータ２０２１に通電し、所定時間ｔｒ２が経過したら通電を停止してバルブ１０６１を開く。
【００２３】
Ｓ９以降では、再生が終了した直後の排圧Ｐａを検出し、これを再生後の排圧の基準値Ｐ１と比較する。Ｐａ＞Ｐ１のときは図４に示したように燃え残りの排気微粒子があると判定できるので、再生開始基準値Ｐ２ａに所定の補正係数Ｐ’（ただしＰ’＞１）を乗じてこれを新たなＰ２ａとして設定する（Ｓ１０）。これに対して、Ｐａ＞Ｐ１でなかったときには燃え残りの排気微粒子はないと判定し、Ｐ２ａに初期値Ｐ２を設定する（Ｓ１１）。
【００２４】
もしＳ３にてＰａ＞Ｐａ２でなかった場合、次に他方のフィルタ２０１２についての再生の可否を該フィルタの排圧Ｐｂと基準値Ｐ２ｂとの比較に基づいて決定する。その後の処理内容は上記第１のフィルタ２０１１に対するのと同様であり、すなわちＳ１３〜Ｓ１７の処理にて他方のフィルタ２０１１が再生中でないことを条件に排気流路切替バルブ１０６２を閉ざした後ヒータ２０２２に通電し、所定時間ｔｒ２が経過したら通電を停止してバルブ１０６２を開く。次にＳ１８以下の処理にて、再生が終了した直後の排圧Ｐｂを検出し、これを再生後の排圧の基準値Ｐ１と比較する。Ｐｂ＞Ｐ１のときはフィルタ２０１２に燃え残りの排気微粒子があると判定できるので、再生開始基準値Ｐ２ｂに前記補正係数Ｐ’を乗じてこれを新たなＰ２ｂとして設定し、Ｐｂ＞Ｐ１でなかったときには燃え残りの排気微粒子はないと判定し、Ｐ２ｂに初期値Ｐ２を設定する。
【００２５】
このようにして、フィルタに燃え残りの排気微粒子があった場合には次回の再生開始基準値Ｐ２ａまたはＰ２ｂが増大し、それだけ多くの排気微粒子が捕捉されてから再生が開始されることになるので、フィルタ中での燃焼伝播を確実にして燃え残りを解消することができる。
【００２６】
ところで、フィルタに燃え残りの排気微粒子が存在する場合、図５に示したように微粒子捕集中のフィルタの排圧の上昇率が高くなる傾向を示す。そこで、排圧センサ出力からこの圧力上昇率ｄＰ／ｄｔを検出し、これが予め定めた基準値以上に大であり、かつ再生後の排圧が基準値以上であった場合に燃え残りがあると判定するようにしてもよく、これにより燃え残りの有無をより精度よく判定することが可能である。また、図６に示したように、排気中に含まれるオイルアッシュの堆積もフィルタの排圧上昇に相関するので、このオイルアッシュの堆積に伴うフィルタ圧損の増加量を排圧の補正に加えること、具体的にはフィルタ再生後の排圧が運転時間に応じたオイルアッシュによる排圧の増加量にP１を加えた値を基準値として設定することにより、これを越えた場合に燃え残りの排気微粒子があると判定するようにしてもよく、これによっても燃え残りの排気微粒子有無の判定の精度を高めることができる。
【００２７】
次に本実施形態における低排気温度条件下での制御動作につき説明する。図１２はその動作内容を示す流れ図である。この制御は、図１１の構成に加えて、低排温運転に伴う排圧上昇を抑制し、再生時期をより正確に検知するためのものである。すなわち、図８に示すように低排温運転領域で長時間運転を続けると、図７に示すように排気凝縮水が溜まり排圧が急上昇してしまう。すると正しい再生開始時期ではないのに再生開始時期が到来したと判断してしまうおそれがある。そこで、低排温条件で一定時間以上運転が続いたら、フィルタの温度を図９に示すように再生温度よりも低温の、排気凝縮水が蒸発しうる温度、例えば２００℃程度にフィルタを加熱し、排気凝縮水をフィルタから蒸発させるのである。図１２において、各フィルタ２０１１または２０１２についての再生開始排圧の判定処理（Ｓ３またはＳ１２）の前段にて切替バルブが開いているか否かを検出し（Ｓ３０またはＳ３５）、次に低排温運転条件であった場合にはＳ３１またはＳ３６以下の処理によりフィルタ捕集中に低排温運転条件が所定の時間ｔ１以上続いているかを判断し、続いている場合にはフィルタ温度上昇手段を作動させる点が図１１と異なる。なお、図１２においてＳ３〜Ｓ１１，Ｓ１２〜Ｓ２０の処理については図１１と同一であるので略記してある。前記のフィルタ温度昇温手段としては、例えば吸気絞り弁や排気絞り弁により吸排気の流れを絞ることにより排気温度を上昇させるか、またはフィルタ再生用ヒータ２０２１、２０２２に排気凝縮水蒸発温度に達するまで通電する構成とする。
【００２８】
図１３は、本発明において、フィルタの自已再生による燃え残りの解消の補正を施す場合の実施形態を示している。図１０に示すように、高排温条件では排気微粒子の自己着火が起こる運転領域が存在し、この運転条件での連続運転時間が所定の時間以上続いた場合は自己再生により微粒子が燃焼するので、燃え残りを考慮した再生時期の補正を行う必要がなくなり、そこで再生時期の補正を中止するようにしたものである。図１１の処理との相違点は、Ｓ５０またはＳ５４以下の処理にて、切替バルブが開放している側のフィルタつまり微粒子捕集中のフィルタについて自已再生運転領域での運転が所定の時間ｔ１以上続いているかを判断し、当該運転状態が継続している場合には燃え残りが自已再生により解消したと判定し、前回の再生で燃え残りがあると判定されていても再生開始圧損の補正を解除するようにした点である。その他の点は図１１と同一であるので略記してある。
【００２９】
なお、上記各実施形態は排気通路に２系統のフィルタを設けてこれらを交互的に再生する構成のものを示したが、本発明はこれに限られず、単一のフィルタを用いた排気微粒子処理装置にも適用可能である。この場合、フィルタの再生を低負荷で排気流量の少ないときにフィルタへの排気流を絞りながら行うか、またはフィルタへの排気を遮断する場合にはエンジンからの排気がフィルタを迂回して流れるように図る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の機械的構成の概略図。
【図２】従来技術において燃え残りの排気微粒子により燃焼伝播しない領域が生じた状態を示す中空状フィルタの横断面図。
【図３】上記実施形態の効果を示すための中空状フィルタの横断面図。
【図４】燃え残りの排気微粒子の有無に応じた再生後のフィルタ圧力損失の相違を示す説明図。
【図５】燃え残りの排気微粒子の有無に応じた微粒子補修中の圧力損失の上昇率の相違を示す説明図。
【図６】運転経過時間に応じてオイルアッシュの堆積に対する補正のための係数を付与するマップの特性図。
【図７】低排温運転条件でのフィルタへの凝縮水の堆積がフィルタの圧力損失値に及ぼす影響を示した説明図。
【図８】低排温運転領域をエンジン回転数Ｎｅと負荷Ｑとの関係において示した説明図。
【図９】排気微粒子（ＰＭ）の燃焼温度と凝縮水の蒸発温度との関係を示した説明図。
【図１０】フィルタの自己再生領域をエンジン回転数Ｎｅと負荷Ｑとの関係において示した説明図。
【図１１】本発明の第１の実施形態の動作内容を示した流れ図。
【図１２】本発明の第１の実施形態の動作内容を示した他の流れ図。
【図１３】本発明の第２の実施形態の動作内容を示した流れ図。
【符号の説明】
１０１エンジン
１０２排気通路
３０１コントロールユニット
１０４１排圧センサ
１０４２排圧センサ
１０６１排気流路切替バルブ
１０６２排気流路切替バルブ
２０１１フィルタ
２０１２フィルタ
２０２１再生用ヒータ
２０２２再生用ヒータ

Claims

エンジン排気通路に介装され排気微粒子を捕集するフィルタと、フィルタへの排気流を絞る排気流制御手段と、フィルタの圧力損失に基づいてフィルタ再生時期を検出する再生時期検出手段と、前記再生時期検出結果に基づきフィルタを加熱してフィルタに捕集された排気微粒子を燃焼させる再生手段とを有する排気微粒子処理装置において、
前記再生手段を、フィルタの再生後にフィルタに燃え残り排気微粒子を検出した場合は、再生を開始する圧力損失の基準値を補正して、予め定めた基準値よりも高い圧力損失値に達してから再生を開始するように構成すると共に、再生開始圧力損失を検出したときの排気温度が予め定めた所定の温度よりも低い場合は、排気凝縮水や低沸点ＨＣが蒸発しかつ排気微粒子の燃焼開始温度よりも低い温度に該フィルタを加熱するように構成したことを特徴とするエンジンの排気微粒子処理装置。
再生手段は、再生開始圧力損失を検出したときの排気温度が予め定めた所定の温度よりも低い条件で一定時間以上運転がされたときに、前記排気微粒子の燃焼開始温度よりも低い温度でのフィルタの加熱を行うように構成したことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気微粒子処理装置。
再生手段は、排気微粒子捕集中の単位時間当たりの圧力損失の変化量が予め定めた判定基準値よりも大きく、かつ再生後に検出した圧力損失が予め定めた判定基準値よりも大きいときにフィルタに燃え残りの排気微粒子があると判定するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンの排気微粒子処理装置。
再生手段は、フィルタに燃え残りの排気微粒子があることを検出した後、次回の再生開始圧力損失値に達するまでの間に、高負荷運転条件が予め定めた所定の時間以上続いた場合には燃え残りの排気微粒子に基づく再生開始基準値の補正を行わないように構成したことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のエンジンの排気微粒子処理装置。
再生手段は、排気温度を上昇させるフィルタ温度昇温手段によりフィルタを加熱するように構成したことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載のエンジンの排気微粒子処理装置。