JP3788283B2 - 過給機付ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給機付ディーゼルエンジンの排気浄化装置に関し、特に、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを再生する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から排気中のパティキュレート（Particulate Matter、以下ＰＭという）の放出を防止するため、ＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter、以下ＤＰＦという）を排気通路中に備えるディーゼルエンジンが知られている。
【０００３】
この種のディーゼルエンジンでは、ＤＰＦが捕集したＰＭの堆積量が多くなると、排気圧力が増大し性能が悪化するので、堆積したＰＭを定期的に除去してＤＰＦを再生させる必要がある。
ここで、ＤＰＦに堆積したＰＭは、ＤＰＦ中の雰囲気温度（すなわち、排気温度）が６００℃以上であり、ＤＰＦ中の酸素濃度がＰＭ堆積量に対して十分であるときに着火し燃焼伝播により一気に燃焼させることができる。
【０００４】
一般にディーゼルエンジンの排気中の酸素濃度は高いので、ＤＰＦ中の雰囲気温度、すなわち、排気温度を上昇させることができれば、堆積したＰＭを燃焼させＤＰＦの再生が可能となる。
ところで、ウエストゲートバルブを備えた過給機付ディーゼルエンジンにおいては、ウエストゲートバルブの開閉を制御することで排気温度を制御できることが知られており、例えば特開平５−２１４９２３号公報には、ＤＰＦ再生時にウエストゲートバルブを全開にして排気温度を上昇させる技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のようにＤＰＦ再生時にウエストゲートバルブを全開とすると以下のような問題がある。
すなわち、ウエストゲートバルブを全開とすることで排気温度が上昇し、ＤＰＦに堆積したＰＭを着火、燃焼させることができるが、ＤＰＦに堆積しているＰＭの量が多い場合、着火したＰＭが燃焼伝播により急激に燃焼し（すなわち、燃焼速度が速くなり）、ＤＰＦ内部が非常に高温となってしまうことがある。
【０００６】
すると、ＤＰＦ自体にクラック等の不具合が発生して、再生処理後のＰＭ捕集効率が大幅に低減してしまうといった問題があった。
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、ＤＰＦを再生時におけるＤＰＦの破損を確実に回避できるディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１に係る発明は、排気通路に設けられた過給機のタービン下流側に配設され、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、前記過給機のタービンの上流側から分岐して前記パティキュレートフィルタの上流側に接続するバイパス通路と、該バイパス通路に介装され、その開度が制御される制御弁と、前記パティキュレートフィルタの再生時期を検出する再生時期検出手段と、前記パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレート堆積量を算出するパティキュレート堆積量算出手段と、パティキュレートフィルタ再生時に、算出されたパティキュレート堆積量に応じて前記制御弁の開度を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、算出されたパティキュレート堆積量が所定値以上のときは、前記制御弁を全開よりも小さい所定開度で所定時間のあいだ開弁した後に全開とする一方、算出されたパティキュレート堆積量が前記所定値を下回るときは、前記制御弁を直ちに全開とし、算出されたパティキュレート堆積量と前記所定値との差が大きいほど、前記所定時間を大きく設定することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記パティキュレートフィルタの上流側の排気圧力と下流側の排気圧力とを検出する排気圧力検出手段を備え、前記パティキュレート堆積量算出手段は、検出したパティキュレートフィルタ上流側の排気圧力と下流側の排気圧力との差圧に基づいてパティキュレート堆積量を算出することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記制御手段は、エンジン運転状態が低速荷低中負荷領域にあるときは、前記制御弁の開弁操作を禁止することを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、
過給機のタービン下流側に配設されたＤＰＦに堆積しているＰＭを燃焼させて再生する際に、過給機タービンの上流側から分岐してＤＰＦの上流側に接続するバイパス通路の制御弁の開度を、ＤＰＦに堆積したＰＭ堆積量に応じて変更するので、排気温度の上昇を調整しつつ、ＤＰＦの再生処理が可能となる。これにより、堆積しているＰＭが多く、急激に燃焼してＤＰＦ内が極めて高温になるような事態を回避することができ、ＤＰＦの破損を防止してＤＰＦの再生処理が実行できる。
【００１４】
ここで、ＤＰＦに堆積しているＰＭ堆積量を推定して算出し、算出したＰＭ堆積量に応じてバイパス通路の制御弁の開度を制御するので、例えばＰＭ堆積量が多くＰＭが燃焼伝播して急激に燃焼するおそれがある場合は、燃焼初期時における排気温度の上昇を緩やかに行い、ＤＰＦの破損を防止する。
【００１５】
一方、算出したＰＭ堆積量が比較的少ない場合はＰＭの燃焼伝播による急激な燃焼のおそれはないが、ＰＭの燃焼処理が行い難い状態であるので、前記制御弁を直ちに全開とし、排気温度の上昇を速やかに行ってＰＭを一気に燃焼させる。従って、ＰＭ堆積量に応じて排気温度を最適に制御でき、ＤＰＦの破損を防止しつつ、ＤＰＦの再生処理を効率的に実行できる。
【００１６】
より具体的には、算出されたＰＭ堆積量があらかじめ設定した所定値以上のときは、前記制御弁を全開とすると排気温度が上昇しすぎてＰＭが急激に燃焼するおそれがあるので、前記制御弁を全開よりも小さい所定開度で所定時間のあいだ開弁することでバイパス通路を部分的に開放し、その後全開とする。これにより、排気温度の上昇を緩やかに行いＰＭの急激な燃焼を回避できる。この場合において、前記所定時間は、算出されたＰＭ堆積量と前記所定値との差が大きいほど大きく設定される。
【００１７】
一方、算出されたＰＭ堆積量が前記所定値を下回るときは、前記制御弁を直ちに全開とすることで、ＰＭを確実、かつ、速やかに燃焼させる。
請求項２に係る発明によれば、ＤＰＦにＰＭが堆積するとその量に応じてＤＰＦ上流側と下流側の排気圧力の差が大きくなるので、これを検出することでＰＭ堆積量を容易に算出できる。なお、簡易にはＤＰＦ下流側の排気圧力を大気圧としてもよい。この場合はＤＰＦ下流側の排気圧力検出手段が不要となる。
【００１８】
また、ＰＭ堆積量を算出することなく、差圧に応じてバイパス通路弁の開度を変更するようにしてもよい。
請求項３に係る発明によれば、エンジン運転状態が低速低中負荷領域にあるときは、前記制御弁の開弁操作を禁止するので、過給圧が低下し、空燃比の悪化してしまう事態を抑制でき、運転性の悪化を防止できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す過給機付ディーゼルエンジンのシステム図である。
図に示すように、本実施形態に係る過給機付ディーゼルエンジンは、エンジン本体１と、該エンジン本体１に取り付けられたコモンレール燃料噴射系２と、過給機３と、排気系に設けられて排気中のパティキュレート（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４と、を含んで構成されている。
【００２３】
コモンレール燃料噴射系２は、コモンレール５及び燃料ポンプ６をその主要構成要素としており、高圧の燃料をエンジン本体１に供給する。
過給機３のコンプレッサ７は、吸気通路８に接続されており、駆動されて圧縮空気をエンジン本体１に供給する。
過給機３のタービン９は、排気通路１０に接続されており、エンジン本体１からの排気により回転されて前記コンプレッサ７を駆動する。
【００２４】
排気通路１０には、エンジン本体１と過給機のタービン９との間から分岐して吸気系に接続するＥＧＲ通路１１と、該ＥＧＲ通路１１よりも下流側で分岐して、更に下流側に配置されたＤＰＦ４の直前に接続するバイパス通路１２とが設けられている。ＥＧＲ通路１１には、ＥＧＲバルブ１３が介装されておりその開度が制御される。また、バイパス通路には、バイパス通路バルブ１４が介装されておりその開度が制御される。
【００２５】
ここで、前記ＥＧＲバルブ１３及びバイパス通路バルブ１４が閉弁されているときは、エンジン本体１からの排気は全て過給機３のタービン９を通過し、その後、ＤＰＦ４により浄化されて外部に排出される。
また、前記ＥＧＲバルブ１３が開弁されると、排気の一部がＥＧＲ通路１１を通じて吸気系に還流され、前記バイパス通路バルブ１４が開弁されると、排気の一部が前記過給機３のタービン９を通過せずにバイパス通路９を通じてＤＰＦ４直前の排気通路へと導かれる。
【００２６】
従って、タービン９を通過することなくＤＰＦ４の直前の排気通路へ導かれた排気は、熱エネルギをタービン９で奪われることがないためＤＰＦ４直前の排気通路の排気温度を上昇させ、これによってＤＰＦ４を昇温させることができる。
なお、前記ＥＧＲバルブ１３及びバイパス通路バルブ１４の開閉制御は、入力される各種の信号に基づいてコントロールユニット２０により行われる。
【００２７】
コントロールユニット２０に入力される信号としては、エンジン本体１に組み込まれたエンジン回転速度センサ２１からのエンジン回転速度信号Ｎｅ、アクセル開度センサ２２からのアクセル開度信号Ａｃｃ、ＤＰＦ４の上流側、下流側それぞれに設けられた圧力センサ２３、２４からの排気圧力信号Ｐｉｎ、Ｐｏｕｔ等がある。
【００２８】
次に、上記過給機付ディーゼルエンジンのＤＰＦ４の再生処理について説明する。
本実施形態では、前記バイパス通路バルブ１４の開弁することで排気の温度を上昇させて堆積したＰＭを着火、燃焼させて再生処理を行うが、バイパス通路バルブ１４の開度を制御することで、堆積したＰＭの急激な燃焼を抑制し、ＤＰＦ４の破損を防止するようにしている。
【００２９】
具体的には、ＤＰＦ４再生処理時に、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭ堆積量を算出（検出又は推定）し、算出したＰＭ堆積量が所定値以上であるときは、バイパス通路バルブ１４を部分的に（すなわち、所定開度で）開弁した後、全開とするよう制御する。
一方、算出したＰＭ堆積値が前記所定値を下回るときは、バイパス通路バルブ１４を直ちに全開にしてＰＭを一気に燃焼させる。
【００３０】
なお、ＰＭ堆積量は、ＤＰＦ４に流入する排気の圧力と、ＤＰＦ４から流出する排気の圧力とをそれぞれ圧力センサ２３、２４でモニタし、その差圧に基づいて概算する。
図２は、本実施形態（第１実施形態）に係るＤＰＦ４の再生処理ルーチンを示すフローチャートである。
【００３１】
図２において、ステップ２０１（図では、Ｓ２０１と記す。以下同じ）では、エンジン回転速度Ｎｅ、アクセル開度Ａｃｃ、ＤＰＦ４上流側の排気圧力Ｐｉｎ、下流側の排気圧力Ｐｏｕｔを検出する。
ステップ２０２では、検出したエンジン回転速度Ｎｅ及びアクセル開度Ａｃｃに基づいて、あらかじめ設定されたマップ（図示省略）を参照して燃料噴射量Ｑを読み込む。
【００３２】
ステップ２０３では、検出したＤＰＦ４上流側の排気圧力Ｐｉｎと下流側の排気圧力Ｐｏｕｔからその差圧ΔＰ（＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）を算出する。
なお、Ｐｏｕｔを大気圧Ｐ0とした差圧ΔＰ'（＝Ｐｉｎ−Ｐ0）により近似するようにしてもよい。この場合、ＤＰＦ４の下流側の圧力センサが不要になり、その関連部品を削減でき、コストダウンが図れる。
【００３３】
ステップ２０４では、ステップ２０３で算出した差圧ΔＰ（又はΔＰ'）に基づいて、マップ（図示省略）を参照することによりＰＭ堆積量を算出する（読み込む）。なお、ここで使用するマップは、例えば差圧ΔＰ（又はΔＰ'）とＰＭ堆積量とを一対一対応させてあらかじめ実験等により求めたものである。
ステップ２０５では、ＤＰＦ４の再生時期か否かを判定する。
【００３４】
具体的には、ステップ２０４で算出したＰＭ堆積量があらかじめ設定された基準値を超えているか否かで判定する。この基準値は、ＤＰＦ４再生処理が必要であるＰＭ堆積量としてあらかじめ実験等により求めたものである。
ＤＰＦ４再生時期であれば、ステップ２０６に進み、再生時期でなければ、本制御を終了する。
【００３５】
ステップ２０６では、ステップ２０４で算出した（読み込んだ）ＰＭ堆積量が所定値以上であるか否かを判定する。
この所定値は、バイパス通路バルブ１４を全開にしてＤＰＦ４の再生処理を行うと堆積しているＰＭが一気に燃焼することで過度の温度上昇を招き、ＤＰＦ４が破損するおそれがあるＰＭ堆積量としてあらかじめ設定されたものである（ステップ２０５で用いる基準値よりも大きい値として設定される）。
【００３６】
算出したＰＭ堆積量が所定値以上であれば、ステップ２０７に進み、まずバイパス通路バルブ１４を部分的に開弁し、その後に全開とする。
具体的には、図３に実線で示すように、バイパス通路バルブ１４の開度を、所定時間Ｔのあいだ所定開度ａ（％）とした後、全開（１００％）とする。
この所定開度ａ（％）は、ＤＰＦに堆積しているＰＭが燃焼伝播を起こさないような排気温度となるように設定されるものであり、例えばステップ２０２で読み込んだ燃料噴射量Ｑ（すなわち、燃焼状態）に応じて設定される。
【００３７】
なお、本実施形態では、バイパス通路バルブ１４の開度をａ（％）と１００（％）の２段階で制御するようにしているが、３段階以上であってもよく、また、開度が連続的に増加するようにしてもよい。
また、読み込んだＰＭ堆積量と前記所定値との差が大きいほど、バイパス通路バルブ１４を部分的に開弁する時間（すなわち、所定時間Ｔ）が大きくなるよう設定してもよい。
【００３８】
一方、算出したＰＭ堆積量が前記所定値を下回れば、ステップ２０８に進み、バイパス通路バルブ１４の開度を全開とする（図３の破線）。
以上のように、ＤＰＦ４再生時に、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭ堆積量が所定値以上であるときは、バイパス通路バルブ１４を全開にする前に部分的に開弁するので６００℃（ＰＭが着火、燃焼する温度）を超えない範囲で排気の温度を上昇させることができる。
【００３９】
これにより、ＰＭの燃焼伝播に伴う過度な温度上昇（１２００℃以上）を回避してＤＰＦ４の破損を防止しつつ、ＰＭの酸化反応によりＤＰＦ４の再生処理を行うことができる。
なお、排気の温度が６００℃を超えないときであってもＰＭの酸化反応は起こるので（ＰＭの燃焼伝播は起こらないが）、バイパス通路バルブ１４を所定時間Ｔのあいだ部分的に開弁することでＰＭを徐々に減少させて、前記所定値よりも少なくすることができる。
【００４０】
そして、前記所定時間Ｔ経過後は、ＰＭ堆積量が前記所定値を下回り、ＰＭの燃焼に伴うＤＰＦ４の破損のおそれがなくなるので、バイパス通路バルブ１４を全開にして残りのＰＭを燃焼させれば、ＤＰＦ４の破損を確実に回避しつつ、再生処理を行える。
一方、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭ堆積量が所定値を下回るときは、バイパス通路バルブ１４を全開とするので、ＤＰＦ４の再生処理を速やかに行うことができる。
【００４１】
なお、本制御に加えて、ステップ２０８においてバイパス通路バルブ１４を全開とする際に、エンジン運転状態が低速低中負荷領域にあるときはバイパス通路バルブ１４の開弁操作を禁止する制御を備えるようにしてもよい。このようにすれば、バイパス通路バルブ１４を開弁することにより過給圧が低下し、空燃比の悪化してしまう事態を抑制でき、運転性の悪化を防止できる。
【００４２】
また、本実施形態ではバイパス通路バルブ１４の開度制御のみを行うことで排気の温度を上昇させＤＰＦ４の再生処理を行っているが、ＤＰＦ４にヒータを設け、バイパス通路バルブ１４の開度制御とヒータ制御とを併用することで、ＤＰＦ４の再生処理を行うようにしてもよい。
次に本発明の第２実施形態について説明する。
【００４３】
図４は、本発明の第２実施形態を示す過給機付ディーゼルエンジンのシステム図である。図において、前記第１実施形態の構成（図１）と異なるのは、ＤＰＦ４の下流側に温度センサ２５が配設されている点のみであり、その他については同じであるので説明は省略する。なお、他のセンサの検出信号と同様、温度センサ２５からの排気温度信号Ｔｅｘｈもコントロールユニット２０に入力される。
【００４４】
前記第１実施形態がＤＰＦ４に堆積しているＰＭ堆積量に基づいてバイパス通路バルブ１４の開度を制御したのに対し、本実施形態では、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭの燃焼速度に基づいてバイパス通路バルブ１４の開度を制御する。
具体的には、ＤＰＦ４の再生処理時に、まずバイパス通路バルブ１４を部分的に（すなわち、所定開度で）開弁することでＤＰＦ４再生処理を開始する。これにより、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭの燃焼伝播は起こらないもののＰＭの酸化反応は起こる（燃焼する）ので、その燃焼速度を算出（検出又は推定）する。
【００４５】
そして、算出した燃焼速度が所定速度以上のときは、ＰＭの燃焼に伴う過度な温度上昇を防止すべく、バイパス通路バルブ１４を全開とせずに部分的に開弁するよう制御する。
一方、算出した燃焼速度が前記所定速度を下回るときは、バイパス通路バルブ１４を全開にして堆積しているＰＭを燃焼伝播により一気に燃焼させる。
【００４６】
なお、ＰＭの燃焼速度は、ＤＰＦ４から流出する排気の温度変化を、温度センサ２５でモニタし、ＤＰＦ４再生処理開始後におけるＤＰＦ４から流出する排気温度の温度上昇率に基づいて概算する。
図５は、本実施形態（第２実施形態）に係るＤＰＦ４の再生処理ルーチンを示すフローチャートである。
【００４７】
図５において、ステップ５０１では、エンジン回転速度Ｎｅ、アクセル開度Ａｃｃ、ＤＰＦ４上流側の排気圧力Ｐｉｎ、下流側の排気圧力Ｐｏｕｔ、ＤＰＦ４下流側の排気温度Ｔｅｘｈを検出する。
ステップ５０２から５０５までは、前記第１実施形態（図２）におけるステップ２０２からステップ２０５までと同様である。
【００４８】
ステップ５０５において、ＤＰＦ４再生時期であれば、ステップ５０６に進み、再生時期でなければ本制御を終了する。
ステップ５０６では、バイパス通路バルブ１４を部分的に開弁し、ＤＰＦ４の再生処理を開始する。
ステップ５０７では、ＤＰＦ４再生処理開始から所定時間経過後のＤＰＦ４下流側の排気温度Ｔｅｘｈｓを検出する。
【００４９】
ステップ５０８では、ＤＰＦ４下流側の排気温度ＴｅｘｈとＤＰＦ４再生処理開始から所定時間経過後のＤＰＦ４下流側の排気温度Ｔｅｘｈｓとに基づく排気温度の温度上昇率から堆積しているＰＭの燃焼速度を算出（推定）する。
ステップ５０９では、算出したＰＭ燃焼速度が所定速度以上であるか否かを判定する。
【００５０】
ＰＭ燃焼速度が所定速度以上であれば、ステップ５１０に進み、バイパス通路バルブ１４を全開とせずに部分的に開弁（所定開度で開弁）することで、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭが燃焼伝播を起こさないような排気温度としてＤＰＦ４再生処理を行う。
すなわち、ＰＭ燃焼速度が所定速度以上のときは、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭ量が多いと考えられるため、バイパス通路バルブ１４を全開とせずに部分的に開弁することでＰＭの燃焼伝播による過度の温度上昇を回避しつつ、ＤＰＦ４の再生処理を行う。
【００５１】
なお、この場合のバイパス通路バルブ１４の開度は、あらかじめ所定開度として設定してもよいが、算出したＰＭ燃焼速度と前記所定速度との差に応じて設定するようにしてもよい（例えば、その差が大きいほどバイパス通路バルブ１４の開度が小さくなるよう設定する）。
一方、ＰＭ燃焼速度が所定速度を下回れば、ステップ５１１に進み、バイパス通路バルブ１４を全開として堆積しているＰＭを燃焼伝播により一気に燃焼させる。
【００５２】
以上のように、本実施形態においても、ＰＭの燃焼に伴う過度な温度上昇（１２００℃以上）を回避してＤＰＦ４の破損を防止しつつ、ＤＰＦ４の再生処理を行うことができる。
なお、本実施形態においても、前記第１実施形態と同様に、ステップ５１０においてバイパス通路バルブ１４を全開とする際に、エンジン運転状態が低速低中負荷領域にあるときはバイパス通路バルブ１４の開弁操作を禁止する制御を備えるようにしてもよく、また、ＤＰＦ４にヒータを設け、バイパス通路バルブ１４の開度制御とヒータ制御とを併用することで、ＤＰＦ４の再生処理を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るシステム図。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＤＰＦ再生処理ルーチンを示すフローチャート。
【図３】バイパス通路バルブの開弁状態（開度）を説明する図。
【図４】本発明の第２実施形態に係るシステム図
【図５】本発明の第２実施形態に係るＤＰＦ再生処理ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン本体
３ 過給機
４ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
５ コモンレール
６ 燃料ポンプ
７ 過給機のコンプレッサ
９ 過給機のタービン
１１ ＥＧＲ通路
１２ バイパス通路
１３ ＥＧＲバルブ
１４ バイパス通路バルブ
２３ 上流側圧力センサ
２４ 下流側圧力センサ
２５ 温度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給機付ディーゼルエンジンの排気浄化装置に関し、特に、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを再生する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から排気中のパティキュレート（Particulate Matter、以下ＰＭという）の放出を防止するため、ＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter、以下ＤＰＦという）を排気通路中に備えるディーゼルエンジンが知られている。
【０００３】
この種のディーゼルエンジンでは、ＤＰＦが捕集したＰＭの堆積量が多くなると、排気圧力が増大し性能が悪化するので、堆積したＰＭを定期的に除去してＤＰＦを再生させる必要がある。
ここで、ＤＰＦに堆積したＰＭは、ＤＰＦ中の雰囲気温度（すなわち、排気温度）が６００℃以上であり、ＤＰＦ中の酸素濃度がＰＭ堆積量に対して十分であるときに着火し燃焼伝播により一気に燃焼させることができる。
【０００４】
一般にディーゼルエンジンの排気中の酸素濃度は高いので、ＤＰＦ中の雰囲気温度、すなわち、排気温度を上昇させることができれば、堆積したＰＭを燃焼させＤＰＦの再生が可能となる。
ところで、ウエストゲートバルブを備えた過給機付ディーゼルエンジンにおいては、ウエストゲートバルブの開閉を制御することで排気温度を制御できることが知られており、例えば特開平５−２１４９２３号公報には、ＤＰＦ再生時にウエストゲートバルブを全開にして排気温度を上昇させる技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のようにＤＰＦ再生時にウエストゲートバルブを全開とすると以下のような問題がある。
すなわち、ウエストゲートバルブを全開とすることで排気温度が上昇し、ＤＰＦに堆積したＰＭを着火、燃焼させることができるが、ＤＰＦに堆積しているＰＭの量が多い場合、着火したＰＭが燃焼伝播により急激に燃焼し（すなわち、燃焼速度が速くなり）、ＤＰＦ内部が非常に高温となってしまうことがある。
【０００６】
すると、ＤＰＦ自体にクラック等の不具合が発生して、再生処理後のＰＭ捕集効率が大幅に低減してしまうといった問題があった。
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、ＤＰＦを再生時におけるＤＰＦの破損を確実に回避できるディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１に係る発明は、排気通路に設けられた過給機のタービン下流側に配設され、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、前記過給機のタービンの上流側から分岐して前記パティキュレートフィルタの上流側に接続するバイパス通路と、該バイパス通路に介装され、その開度が制御される制御弁と、前記パティキュレートフィルタの再生時期を検出する再生時期検出手段と、前記パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレート堆積量を算出するパティキュレート堆積量算出手段と、パティキュレートフィルタ再生時に、算出されたパティキュレート堆積量に応じて前記制御弁の開度を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、算出されたパティキュレート堆積量が所定値以上のときは、前記制御弁を全開よりも小さい所定開度で所定時間のあいだ開弁した後に全開とする一方、算出されたパティキュレート堆積量が前記所定値を下回るときは、前記制御弁を直ちに全開とし、算出されたパティキュレート堆積量と前記所定値との差が大きいほど、前記所定時間を大きく設定することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記パティキュレートフィルタの上流側の排気圧力と下流側の排気圧力とを検出する排気圧力検出手段を備え、前記パティキュレート堆積量算出手段は、検出したパティキュレートフィルタ上流側の排気圧力と下流側の排気圧力との差圧に基づいてパティキュレート堆積量を算出することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記制御手段は、エンジン運転状態が低速荷低中負荷領域にあるときは、前記制御弁の開弁操作を禁止することを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、
過給機のタービン下流側に配設されたＤＰＦに堆積しているＰＭを燃焼させて再生する際に、過給機タービンの上流側から分岐してＤＰＦの上流側に接続するバイパス通路の制御弁の開度を、ＤＰＦに堆積したＰＭ堆積量に応じて変更するので、排気温度の上昇を調整しつつ、ＤＰＦの再生処理が可能となる。これにより、堆積しているＰＭが多く、急激に燃焼してＤＰＦ内が極めて高温になるような事態を回避することができ、ＤＰＦの破損を防止してＤＰＦの再生処理が実行できる。
【００１４】
ここで、ＤＰＦに堆積しているＰＭ堆積量を推定して算出し、算出したＰＭ堆積量に応じてバイパス通路の制御弁の開度を制御するので、例えばＰＭ堆積量が多くＰＭが燃焼伝播して急激に燃焼するおそれがある場合は、燃焼初期時における排気温度の上昇を緩やかに行い、ＤＰＦの破損を防止する。
【００１５】
一方、算出したＰＭ堆積量が比較的少ない場合はＰＭの燃焼伝播による急激な燃焼のおそれはないが、ＰＭの燃焼処理が行い難い状態であるので、前記制御弁を直ちに全開とし、排気温度の上昇を速やかに行ってＰＭを一気に燃焼させる。従って、ＰＭ堆積量に応じて排気温度を最適に制御でき、ＤＰＦの破損を防止しつつ、ＤＰＦの再生処理を効率的に実行できる。
【００１６】
より具体的には、算出されたＰＭ堆積量があらかじめ設定した所定値以上のときは、前記制御弁を全開とすると排気温度が上昇しすぎてＰＭが急激に燃焼するおそれがあるので、前記制御弁を全開よりも小さい所定開度で所定時間のあいだ開弁することでバイパス通路を部分的に開放し、その後全開とする。これにより、排気温度の上昇を緩やかに行いＰＭの急激な燃焼を回避できる。この場合において、前記所定時間は、算出されたＰＭ堆積量と前記所定値との差が大きいほど大きく設定される。
【００１７】
一方、算出されたＰＭ堆積量が前記所定値を下回るときは、前記制御弁を直ちに全開とすることで、ＰＭを確実、かつ、速やかに燃焼させる。
請求項２に係る発明によれば、ＤＰＦにＰＭが堆積するとその量に応じてＤＰＦ上流側と下流側の排気圧力の差が大きくなるので、これを検出することでＰＭ堆積量を容易に算出できる。なお、簡易にはＤＰＦ下流側の排気圧力を大気圧としてもよい。この場合はＤＰＦ下流側の排気圧力検出手段が不要となる。
【００１８】
また、ＰＭ堆積量を算出することなく、差圧に応じてバイパス通路弁の開度を変更するようにしてもよい。
請求項３に係る発明によれば、エンジン運転状態が低速低中負荷領域にあるときは、前記制御弁の開弁操作を禁止するので、過給圧が低下し、空燃比の悪化してしまう事態を抑制でき、運転性の悪化を防止できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す過給機付ディーゼルエンジンのシステム図である。
図に示すように、本実施形態に係る過給機付ディーゼルエンジンは、エンジン本体１と、該エンジン本体１に取り付けられたコモンレール燃料噴射系２と、過給機３と、排気系に設けられて排気中のパティキュレート（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４と、を含んで構成されている。
【００２３】
コモンレール燃料噴射系２は、コモンレール５及び燃料ポンプ６をその主要構成要素としており、高圧の燃料をエンジン本体１に供給する。
過給機３のコンプレッサ７は、吸気通路８に接続されており、駆動されて圧縮空気をエンジン本体１に供給する。
過給機３のタービン９は、排気通路１０に接続されており、エンジン本体１からの排気により回転されて前記コンプレッサ７を駆動する。
【００２４】
排気通路１０には、エンジン本体１と過給機のタービン９との間から分岐して吸気系に接続するＥＧＲ通路１１と、該ＥＧＲ通路１１よりも下流側で分岐して、更に下流側に配置されたＤＰＦ４の直前に接続するバイパス通路１２とが設けられている。ＥＧＲ通路１１には、ＥＧＲバルブ１３が介装されておりその開度が制御される。また、バイパス通路には、バイパス通路バルブ１４が介装されておりその開度が制御される。
【００２５】
ここで、前記ＥＧＲバルブ１３及びバイパス通路バルブ１４が閉弁されているときは、エンジン本体１からの排気は全て過給機３のタービン９を通過し、その後、ＤＰＦ４により浄化されて外部に排出される。
また、前記ＥＧＲバルブ１３が開弁されると、排気の一部がＥＧＲ通路１１を通じて吸気系に還流され、前記バイパス通路バルブ１４が開弁されると、排気の一部が前記過給機３のタービン９を通過せずにバイパス通路９を通じてＤＰＦ４直前の排気通路へと導かれる。
【００２６】
従って、タービン９を通過することなくＤＰＦ４の直前の排気通路へ導かれた排気は、熱エネルギをタービン９で奪われることがないためＤＰＦ４直前の排気通路の排気温度を上昇させ、これによってＤＰＦ４を昇温させることができる。
なお、前記ＥＧＲバルブ１３及びバイパス通路バルブ１４の開閉制御は、入力される各種の信号に基づいてコントロールユニット２０により行われる。
【００２７】
コントロールユニット２０に入力される信号としては、エンジン本体１に組み込まれたエンジン回転速度センサ２１からのエンジン回転速度信号Ｎｅ、アクセル開度センサ２２からのアクセル開度信号Ａｃｃ、ＤＰＦ４の上流側、下流側それぞれに設けられた圧力センサ２３、２４からの排気圧力信号Ｐｉｎ、Ｐｏｕｔ等がある。
【００２８】
次に、上記過給機付ディーゼルエンジンのＤＰＦ４の再生処理について説明する。
本実施形態では、前記バイパス通路バルブ１４の開弁することで排気の温度を上昇させて堆積したＰＭを着火、燃焼させて再生処理を行うが、バイパス通路バルブ１４の開度を制御することで、堆積したＰＭの急激な燃焼を抑制し、ＤＰＦ４の破損を防止するようにしている。
【００２９】
具体的には、ＤＰＦ４再生処理時に、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭ堆積量を算出（検出又は推定）し、算出したＰＭ堆積量が所定値以上であるときは、バイパス通路バルブ１４を部分的に（すなわち、所定開度で）開弁した後、全開とするよう制御する。
一方、算出したＰＭ堆積値が前記所定値を下回るときは、バイパス通路バルブ１４を直ちに全開にしてＰＭを一気に燃焼させる。
【００３０】
なお、ＰＭ堆積量は、ＤＰＦ４に流入する排気の圧力と、ＤＰＦ４から流出する排気の圧力とをそれぞれ圧力センサ２３、２４でモニタし、その差圧に基づいて概算する。
図２は、本実施形態（第１実施形態）に係るＤＰＦ４の再生処理ルーチンを示すフローチャートである。
【００３１】
図２において、ステップ２０１（図では、Ｓ２０１と記す。以下同じ）では、エンジン回転速度Ｎｅ、アクセル開度Ａｃｃ、ＤＰＦ４上流側の排気圧力Ｐｉｎ、下流側の排気圧力Ｐｏｕｔを検出する。
ステップ２０２では、検出したエンジン回転速度Ｎｅ及びアクセル開度Ａｃｃに基づいて、あらかじめ設定されたマップ（図示省略）を参照して燃料噴射量Ｑを読み込む。
【００３２】
ステップ２０３では、検出したＤＰＦ４上流側の排気圧力Ｐｉｎと下流側の排気圧力Ｐｏｕｔからその差圧ΔＰ（＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）を算出する。
なお、Ｐｏｕｔを大気圧Ｐ0とした差圧ΔＰ'（＝Ｐｉｎ−Ｐ0）により近似するようにしてもよい。この場合、ＤＰＦ４の下流側の圧力センサが不要になり、その関連部品を削減でき、コストダウンが図れる。
【００３３】
ステップ２０４では、ステップ２０３で算出した差圧ΔＰ（又はΔＰ'）に基づいて、マップ（図示省略）を参照することによりＰＭ堆積量を算出する（読み込む）。なお、ここで使用するマップは、例えば差圧ΔＰ（又はΔＰ'）とＰＭ堆積量とを一対一対応させてあらかじめ実験等により求めたものである。
ステップ２０５では、ＤＰＦ４の再生時期か否かを判定する。
【００３４】
具体的には、ステップ２０４で算出したＰＭ堆積量があらかじめ設定された基準値を超えているか否かで判定する。この基準値は、ＤＰＦ４再生処理が必要であるＰＭ堆積量としてあらかじめ実験等により求めたものである。
ＤＰＦ４再生時期であれば、ステップ２０６に進み、再生時期でなければ、本制御を終了する。
【００３５】
ステップ２０６では、ステップ２０４で算出した（読み込んだ）ＰＭ堆積量が所定値以上であるか否かを判定する。
この所定値は、バイパス通路バルブ１４を全開にしてＤＰＦ４の再生処理を行うと堆積しているＰＭが一気に燃焼することで過度の温度上昇を招き、ＤＰＦ４が破損するおそれがあるＰＭ堆積量としてあらかじめ設定されたものである（ステップ２０５で用いる基準値よりも大きい値として設定される）。
【００３６】
算出したＰＭ堆積量が所定値以上であれば、ステップ２０７に進み、まずバイパス通路バルブ１４を部分的に開弁し、その後に全開とする。
具体的には、図３に実線で示すように、バイパス通路バルブ１４の開度を、所定時間Ｔのあいだ所定開度ａ（％）とした後、全開（１００％）とする。
この所定開度ａ（％）は、ＤＰＦに堆積しているＰＭが燃焼伝播を起こさないような排気温度となるように設定されるものであり、例えばステップ２０２で読み込んだ燃料噴射量Ｑ（すなわち、燃焼状態）に応じて設定される。
【００３７】
なお、本実施形態では、バイパス通路バルブ１４の開度をａ（％）と１００（％）の２段階で制御するようにしているが、３段階以上であってもよく、また、開度が連続的に増加するようにしてもよい。
また、読み込んだＰＭ堆積量と前記所定値との差が大きいほど、バイパス通路バルブ１４を部分的に開弁する時間（すなわち、所定時間Ｔ）が大きくなるよう設定してもよい。
【００３８】
一方、算出したＰＭ堆積量が前記所定値を下回れば、ステップ２０８に進み、バイパス通路バルブ１４の開度を全開とする（図３の破線）。
以上のように、ＤＰＦ４再生時に、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭ堆積量が所定値以上であるときは、バイパス通路バルブ１４を全開にする前に部分的に開弁するので６００℃（ＰＭが着火、燃焼する温度）を超えない範囲で排気の温度を上昇させることができる。
【００３９】
これにより、ＰＭの燃焼伝播に伴う過度な温度上昇（１２００℃以上）を回避してＤＰＦ４の破損を防止しつつ、ＰＭの酸化反応によりＤＰＦ４の再生処理を行うことができる。
なお、排気の温度が６００℃を超えないときであってもＰＭの酸化反応は起こるので（ＰＭの燃焼伝播は起こらないが）、バイパス通路バルブ１４を所定時間Ｔのあいだ部分的に開弁することでＰＭを徐々に減少させて、前記所定値よりも少なくすることができる。
【００４０】
そして、前記所定時間Ｔ経過後は、ＰＭ堆積量が前記所定値を下回り、ＰＭの燃焼に伴うＤＰＦ４の破損のおそれがなくなるので、バイパス通路バルブ１４を全開にして残りのＰＭを燃焼させれば、ＤＰＦ４の破損を確実に回避しつつ、再生処理を行える。
一方、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭ堆積量が所定値を下回るときは、バイパス通路バルブ１４を全開とするので、ＤＰＦ４の再生処理を速やかに行うことができる。
【００４１】
なお、本制御に加えて、ステップ２０８においてバイパス通路バルブ１４を全開とする際に、エンジン運転状態が低速低中負荷領域にあるときはバイパス通路バルブ１４の開弁操作を禁止する制御を備えるようにしてもよい。このようにすれば、バイパス通路バルブ１４を開弁することにより過給圧が低下し、空燃比の悪化してしまう事態を抑制でき、運転性の悪化を防止できる。
【００４２】
また、本実施形態ではバイパス通路バルブ１４の開度制御のみを行うことで排気の温度を上昇させＤＰＦ４の再生処理を行っているが、ＤＰＦ４にヒータを設け、バイパス通路バルブ１４の開度制御とヒータ制御とを併用することで、ＤＰＦ４の再生処理を行うようにしてもよい。
次に本発明の第２実施形態について説明する。
【００４３】
図４は、本発明の第２実施形態を示す過給機付ディーゼルエンジンのシステム図である。図において、前記第１実施形態の構成（図１）と異なるのは、ＤＰＦ４の下流側に温度センサ２５が配設されている点のみであり、その他については同じであるので説明は省略する。なお、他のセンサの検出信号と同様、温度センサ２５からの排気温度信号Ｔｅｘｈもコントロールユニット２０に入力される。
【００４４】
前記第１実施形態がＤＰＦ４に堆積しているＰＭ堆積量に基づいてバイパス通路バルブ１４の開度を制御したのに対し、本実施形態では、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭの燃焼速度に基づいてバイパス通路バルブ１４の開度を制御する。
具体的には、ＤＰＦ４の再生処理時に、まずバイパス通路バルブ１４を部分的に（すなわち、所定開度で）開弁することでＤＰＦ４再生処理を開始する。これにより、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭの燃焼伝播は起こらないもののＰＭの酸化反応は起こる（燃焼する）ので、その燃焼速度を算出（検出又は推定）する。
【００４５】
そして、算出した燃焼速度が所定速度以上のときは、ＰＭの燃焼に伴う過度な温度上昇を防止すべく、バイパス通路バルブ１４を全開とせずに部分的に開弁するよう制御する。
一方、算出した燃焼速度が前記所定速度を下回るときは、バイパス通路バルブ１４を全開にして堆積しているＰＭを燃焼伝播により一気に燃焼させる。
【００４６】
なお、ＰＭの燃焼速度は、ＤＰＦ４から流出する排気の温度変化を、温度センサ２５でモニタし、ＤＰＦ４再生処理開始後におけるＤＰＦ４から流出する排気温度の温度上昇率に基づいて概算する。
図５は、本実施形態（第２実施形態）に係るＤＰＦ４の再生処理ルーチンを示すフローチャートである。
【００４７】
図５において、ステップ５０１では、エンジン回転速度Ｎｅ、アクセル開度Ａｃｃ、ＤＰＦ４上流側の排気圧力Ｐｉｎ、下流側の排気圧力Ｐｏｕｔ、ＤＰＦ４下流側の排気温度Ｔｅｘｈを検出する。
ステップ５０２から５０５までは、前記第１実施形態（図２）におけるステップ２０２からステップ２０５までと同様である。
【００４８】
ステップ５０５において、ＤＰＦ４再生時期であれば、ステップ５０６に進み、再生時期でなければ本制御を終了する。
ステップ５０６では、バイパス通路バルブ１４を部分的に開弁し、ＤＰＦ４の再生処理を開始する。
ステップ５０７では、ＤＰＦ４再生処理開始から所定時間経過後のＤＰＦ４下流側の排気温度Ｔｅｘｈｓを検出する。
【００４９】
ステップ５０８では、ＤＰＦ４下流側の排気温度ＴｅｘｈとＤＰＦ４再生処理開始から所定時間経過後のＤＰＦ４下流側の排気温度Ｔｅｘｈｓとに基づく排気温度の温度上昇率から堆積しているＰＭの燃焼速度を算出（推定）する。
ステップ５０９では、算出したＰＭ燃焼速度が所定速度以上であるか否かを判定する。
【００５０】
ＰＭ燃焼速度が所定速度以上であれば、ステップ５１０に進み、バイパス通路バルブ１４を全開とせずに部分的に開弁（所定開度で開弁）することで、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭが燃焼伝播を起こさないような排気温度としてＤＰＦ４再生処理を行う。
すなわち、ＰＭ燃焼速度が所定速度以上のときは、ＤＰＦ４に堆積しているＰＭ量が多いと考えられるため、バイパス通路バルブ１４を全開とせずに部分的に開弁することでＰＭの燃焼伝播による過度の温度上昇を回避しつつ、ＤＰＦ４の再生処理を行う。
【００５１】
なお、この場合のバイパス通路バルブ１４の開度は、あらかじめ所定開度として設定してもよいが、算出したＰＭ燃焼速度と前記所定速度との差に応じて設定するようにしてもよい（例えば、その差が大きいほどバイパス通路バルブ１４の開度が小さくなるよう設定する）。
一方、ＰＭ燃焼速度が所定速度を下回れば、ステップ５１１に進み、バイパス通路バルブ１４を全開として堆積しているＰＭを燃焼伝播により一気に燃焼させる。
【００５２】
以上のように、本実施形態においても、ＰＭの燃焼に伴う過度な温度上昇（１２００℃以上）を回避してＤＰＦ４の破損を防止しつつ、ＤＰＦ４の再生処理を行うことができる。
なお、本実施形態においても、前記第１実施形態と同様に、ステップ５１０においてバイパス通路バルブ１４を全開とする際に、エンジン運転状態が低速低中負荷領域にあるときはバイパス通路バルブ１４の開弁操作を禁止する制御を備えるようにしてもよく、また、ＤＰＦ４にヒータを設け、バイパス通路バルブ１４の開度制御とヒータ制御とを併用することで、ＤＰＦ４の再生処理を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るシステム図。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＤＰＦ再生処理ルーチンを示すフローチャート。
【図３】バイパス通路バルブの開弁状態（開度）を説明する図。
【図４】本発明の第２実施形態に係るシステム図
【図５】本発明の第２実施形態に係るＤＰＦ再生処理ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン本体
３ 過給機
４ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
５ コモンレール
６ 燃料ポンプ
７ 過給機のコンプレッサ
９ 過給機のタービン
１１ ＥＧＲ通路
１２ バイパス通路
１３ ＥＧＲバルブ
１４ バイパス通路バルブ
２３ 上流側圧力センサ
２４ 下流側圧力センサ
２５ 温度センサ
Claims (3)
- 排気通路に設けられた過給機のタービン下流側に配設され、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
前記過給機のタービンの上流側から分岐して前記パティキュレートフィルタの上流側に接続するバイパス通路と、
該バイパス通路に介装され、その開度が制御される制御弁と、
前記パティキュレートフィルタの再生時期を検出する再生時期検出手段と、
前記パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレート堆積量を算出するパティキュレート堆積量算出手段と、
パティキュレートフィルタ再生時に、算出されたパティキュレート堆積量に応じて前記制御弁の開度を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、算出されたパティキュレート堆積量が所定値以上のときは、前記制御弁を全開よりも小さい所定開度で所定時間のあいだ開弁した後に全開とする一方、算出されたパティキュレート堆積量が前記所定値を下回るときは、前記制御弁を直ちに全開とするようにし、
算出されたパティキュレート堆積量と前記所定値との差が大きいほど、前記所定時間を大きく設定することを特徴とする過給機付ディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 前記パティキュレートフィルタの上流側の排気圧力と下流側の排気圧力とを検出する排気圧力検出手段を備え、
前記パティキュレート堆積量算出手段は、検出したパティキュレートフィルタ上流側の排気圧力と下流側の排気圧力との差圧に基づいてパティキュレート堆積量を算出することを特徴とする請求項１記載の過給機付ディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 前記制御手段は、エンジン運転状態が低速荷低中負荷領域にあるときは、前記制御弁の開弁操作を禁止することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の過給機付ディーゼルエンジンの排気浄化装置。
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