JP5858224B2

JP5858224B2 - 排気浄化装置の再生装置

Info

Publication number: JP5858224B2
Application number: JP2011249797A
Authority: JP
Inventors: 川島　一仁; 川島　　一仁; 田代　圭介; 圭介田代; 橋本　賢治; 賢治橋本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: JP2013104380A

Description

本発明は、エンジンの排気通路に設けられた排気浄化装置の再生時における温度制御技術に関する。

ディーゼルエンジンの排気を浄化する排気浄化装置として、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）が知られている。ＤＰＦは、排気通路に設けられ、排気中の微粒子状物質（パティキュレートマター、以下、ＰＭという）を捕集するものである。また、ＤＰＦを昇温させて、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼・除去し、ＤＰＦを再生させる技術が知られている。

ＤＰＦに堆積しているＰＭは、炭素を主成分とするすすが多く含まれており、再生時における燃焼によって発熱し、ＤＰＦが排気温度より上昇する場合がある。特に、ＰＭが多量に堆積している場合には、ＰＭが一度に燃焼するとＤＰＦの温度が大幅に上昇し、ＤＰＦを焼損させる虞がある。
そこで、排気通路に排気冷却装置を備え、排気の温度が過度に高い場合に、排気冷却装置によって排気浄化手段に流入する排気を冷却し、排気浄化手段の過度な温度上昇を防止する技術が提案されている(特許文献１)。

特開平５−３２１６４０号公報

しかしながら、上記特許文献１では、排気制御弁により排気通路を切換えることで、排気冷却装置を排気が通過するか否かを制御する構成となっている。ここで、燃費及び排気浄化性能を確保するために再生時間を短縮しようとすると、排気浄化手段の温度を極力高い温度に設定することが望ましいが、排気浄化手段が過昇温となるリスクが高まってしまう。そこで、特許文献１においては、大容量の排気冷却装置を採用することで過昇温となるリスクを低減させることが可能であるものの、コストや設置スペースの増加を招くとともに、大容量の排気冷却装置では細かい温度制御が困難となる虞がある。

本発明は、この様な問題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、再生時において、排気浄化手段の過度な温度上昇を確実に防止するとともに、精度の良い排気浄化手段の温度制御を可能とし、再生時間を短縮可能な排気浄化装置の再生装置を提供する。

上記の目的を達成するために、請求項１の排気浄化装置の再生装置は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化手段に流入する排気の温度を上昇させ、排気浄化手段を再生する排気浄化装置の再生装置であって、該排気浄化手段に流入する排気への燃料添加量を制御して、排気への供給熱量を制御する第１の温度制御手段と、排気浄化手段の上流側の排気通路に並列にバイパス路を接続し、当該バイパス路に熱交換手段を備え、熱交換手段を通過する排気の流量を当該排気通路に備えた開閉弁により制御して、排気浄化手段に流入する排気からの回収熱量を制御する第２の温度制御手段と、排気浄化手段の温度状態を検出する温度状態検出手段と、温度状態検出手段により検出された排気浄化手段の温度状態に基づいて、排気浄化手段の過昇温の可能性を判定し、当該過昇温の可能性に基づいて、温度状態検出手段により検出された排気浄化手段の温度状態に基づいて、第１の温度制御手段及び第２の温度制御手段を選択または併用して作動させる制御手段と、を備え、第１の温度制御手段は、排気浄化手段の過昇温の可能性の判定時において燃料添加量を減少させて、排気浄化手段に流入する排気の温度を低下させる第１の温度低下手段を含んでなり、第２の温度制御手段は、排気浄化手段の過昇温の可能性の判定時において開閉弁を閉状態として、バイパス路を通過する排気の流量を増加して、排気浄化手段に流入する排気の温度を低下させる第２の温度低下手段を含んでなる、ことを特徴とする。

また、請求項２の排気浄化装置の再生装置は、請求項１において、制御手段は、排気浄化手段の温度と排気浄化手段の温度上昇率とに基づいて、排気浄化手段が過昇温となるリスクを複数の段階別に判定することを特徴とする。

また、請求項３の排気浄化装置の再生装置は、請求項２において、制御手段は、排気浄化手段が過昇温となるリスクを３段階に分け、当該リスクが中段階である場合には、第２の温度低下手段のみを作動させることを特徴とする。
また、請求項４の排気浄化装置の再生装置は、請求項２または３において、制御手段は、排気浄化手段が過昇温となるリスクを３段階に分け、当該リスクが高段階である場合には、第１の温度低下手段及び第２の温度低下手段のいずれも作動させることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、第１の温度制御手段は、燃料添加量を増減させて排気浄化手段に流入する排気の温度を制御するので、排気浄化手段の温度を大きく変化させることができる。
また、第２の温度制御手段は、排気通路に備えられた開閉弁を制御し、バイパス路に備えられた熱交換手段に排気を通過させて、排気浄化手段に流入する排気の温度を制御するので、排気温度を迅速に変化させることが可能となり、排気浄化手段の温度をタイミング良く変化させて排気浄化手段の温度制御を精度良く行うことができる。

そして、排気浄化手段の温度状態に基づいて、排気浄化手段の過昇温の可能性を判定し、当該過昇温の可能性に基づいて、第１の温度制御手段及び第２の温度制御手段を選択または併用して作動させており、このように特性の異なる２つの温度制御手段を排気浄化手段の温度状態に基づいて適宜用いることで、排気浄化手段の温度を精度良く制御することが可能となる。
特に、第１の温度制御手段の第１の温度低下手段は、排気浄化手段の過昇温の可能性の判定時において、内燃機関における燃料噴射量を減少させて排気浄化手段に流入する排気の温度を低下させるので、再生時において排気浄化手段の温度を大きく低下させることができる。

また、第２の温度制御手段の第２の温度低下手段は、排気浄化手段の過昇温の可能性の判定時において、バイパス路を通過する排気の流量を増加させて、熱交換手段に排気を通過させて排気の温度を低下させるので、排気温度を迅速に低下させることが可能となり、再生時に排気浄化手段の温度をタイミング良く低下させて排気浄化手段の温度制御を精度良く行うことができる。
このように特性の異なる２つの温度低下手段を排気浄化手段の温度状態に基づいて適宜用いることで、排気浄化手段の過度な温度上昇を確実に防止できるとともに、排気浄化手段の温度を精度良く制御することが可能となる。よって、再生時における排気浄化手段の目標温度を高く設定することが可能となり、再生時間の短縮化を図ることができる。

また、請求項２の発明によれば、排気浄化手段の温度だけでなく、排気浄化手段の温度上昇率も合わせて排気浄化手段の温度状態が判定されるので、排気浄化手段が過昇温になるリスクを複数の段階別に、より正確に判定することができる。よって、この排気浄化手段の温度状態に基づいて排気浄化手段に流入する排気の温度を低下させることで、排気浄化手段の過昇温をより確実に回避することが可能となる。
また、請求項３の発明によれば、排気浄化手段が過昇温となるリスクが３段階のうちの中段階である場合には、第２の温度低下手段のみを作動させるので、排気浄化手段の温度制御をより精度良く行うことができる。
また、請求項４の発明によれば、排気浄化手段が過昇温となるリスクが３段階のうちの高段階である場合には、第１の温度低下手段及び第２の温度低下手段のいずれも作動させるので、排気浄化手段に流入する排気温度をより低下させることができる。

本発明の第１の実施形態の排気浄化装置の再生装置が適用されたディーゼルエンジンの吸排気系の構成図である。本発明の第１の実施形態における排気熱回収装置の構造図である。温度低下機能の選択用マップである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の排気浄化装置の再生装置が適用されたディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）の吸排気系の構成を示している。
エンジン１は、例えば車両に搭載されたコモンレール式直列多気筒の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２には、燃焼室３内に燃料を噴射する電磁式の燃料噴射弁４が気筒毎に設けられている。各燃料噴射弁４は図示しないコモンレールに接続されており、コモンレールから、高圧の燃料が供給される。

エンジン１の吸気通路１０には、吸入空気量を調節する電磁式の吸気絞り弁１１と、その上流側に吸気流量を検出するエアフローセンサ１２が設けられている。
エンジン１の排気通路２０には、排気中の微粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ２１：排気浄化手段）が備えられている。ＤＰＦ２１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、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。

また、ＤＰＦ２１の上流側の排気通路２０には、酸化触媒（以下、ＤＯＣ２２という）が設けられている。ＤＯＣ２２は、例えば、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ＣＯ₂及びＨ₂Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ₂を生成する機能を有する。

また、酸化触媒２２の下流側には、酸化触媒２２を通過した直後の排気温度を検出する排気温度センサ３０が備えられている。ＤＰＦ２１の下流側には、ＤＰＦ２１通過直後の排気温度を検出する排気温度センサ３１が設けられている。更に、ＤＰＦ２１の上流側と下流側との差圧を検出する差圧センサ３２が設けられている。
電子コントロールユニット（以下、ＥＣＵ４０という）（制御手段）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、上述したエアフローセンサ１２、排気温度センサ３０，３１及び差圧センサ３２の他に、クランク角を検出するクランク角センサ３３、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルポジションセンサ３４、及び車速を検出する車速センサ３５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、燃料噴射弁４、吸気絞り弁１１等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ４０において演算された燃料噴射量、燃料噴射時期等がそれぞれ出力され、これにより、適正なタイミングで吸気絞り弁１１及び燃料噴射弁４等の制御が実施される。

上記のようにＤＰＦ２１の上流にＤＯＣ２２が配置されていると、通常のエンジン運転時には、ＤＯＣ２２において生成されたＮＯ₂がＤＰＦ２１に流入し、ＤＰＦ２１に捕集され堆積しているＰＭ中の炭素成分である煤と反応してこれを酸化させる。酸化した煤はＣＯ₂となり、ＤＰＦ２１から除去され、これによりＤＰＦ２１が連続的に再生される連続再生が行われる。

一方、エンジン１の運転状況によっては、上記連続再生だけではＤＰＦ２１の再生が十分に行われない場合がある。そこで、ＥＣＵ４０は、エンジン１の運転を制御してＤＰＦ２１を強制再生させる機能（再生装置）を有している。
詳しくは、ＥＣＵ４０は、差圧センサ３２にて検出される差圧よりＤＰＦ２１におけるＰＭの堆積量を算出する。算出された堆積量が予め実験にて設定された許容堆積量以上となると、排気温度センサ３１により検出したＤＰＦ２１通過後の排気温度、即ちＤＰＦ２１の温度が、強制再生温度の目標値である目標再生温度となるように強制再生温度を昇温させる。

当該強制再生は、エンジン１の運転時における燃料の主噴射の後の例えば膨張行程以降に強制再生温度となるように燃料のポスト噴射（副噴射）を行い、未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）を含んだ排気を排気通路２０に排出させることによって行われる。排気中に混入された未燃燃料は、ＤＯＣ２２に流入して酸化され、酸化の反応熱によって排気温度を上昇させる。これにより、高温の排気が排気下流側のＤＰＦ２１に流入して当該ＤＰＦ２１に堆積したＰＭを加熱し燃焼させ、ＤＰＦ２１を強制的に再生させることが可能である。

更に、本実施形態では、排気熱を回収するための排気熱回収装置５０を備えている。
排気熱回収装置５０は、ＤＯＣ２２とＤＰＦ２１との間の排気通路２０の一部である主排気通路５１に対して並列に設けられたバイパス路５２と、バイパス路５２に設けられた熱交換器５３(熱交換手段)と、主排気通路５１とバイパス路５２との分岐部に設けられた開閉弁５４とにより構成されている。

熱交換器５３は、エンジン１の冷却水が導入されており、バイパス路５２を通過する排気と冷却水との間で熱交換を行う機能を有する。
開閉弁３４は、ＥＣＵ４０により作動制御され、主排気通路５１を開閉する機能を有し、主排気通路５１を全開とする全開状態と主排気通路５１を全閉とする全閉状態との間で切り換え可能である。バイパス通路５２は主排気通路５１より流路断面積が小さく、また熱交換器５３が備えられているため、流路抵抗が大きいので、開閉弁５４が全開状態では酸化触媒２２から排出された排気の多くが主排気通路５１を通過する。一方、開閉弁５４が全閉状態では、酸化触媒２２から排出された排気は全てバイパス通路５２を通過する。したがって、開閉弁５４は、酸化触媒２２から排出された排気がバイパス路５２、及び主排気通路５１のいずれかを通過するように流路を切換える機能と同等の機能を有する。

そして、ＥＣＵ４０がバイパス路５２を排気が通過するように開閉弁５４を作動制御することで、熱交換器５３によって、バイパス路５２を通過する排気と冷却水との間で熱交換が行われ、排気熱を回収することができる。
ＥＣＵ４０は、エンジン１の冷態始動時（例えば、冷却水温度が所定温度以下である場合）において、バイパス路５２を排気が通過するように開閉弁３４を閉作動制御する。これにより、エンジン１の冷却水が暖められるので、エンジン１の冷態始動時において、排気熱を利用して暖機を促し、暖機運転時間を短縮させることができる。

更に、本実施形態のエンジン１には、上記強制再生時において、ＤＰＦ２１の過剰な温度上昇を防止すべく、ＤＰＦ２１に流入する排気温度を低下させる温度低下機能が２つ備えられている。
２つの温度低下機能のうちの第１の温度低下機能（第１の温度低下手段、第１の温度制御手段）では、ＥＣＵ４０は、強制再生時におけるポスト噴射を停止するように燃料噴射弁４を作動制御する。これにより、ＤＯＣ２２への未燃燃料の供給が停止され、ＤＯＣ２２での酸化が抑えられて、ＤＰＦ２１に流入する排気の温度が低下する。

また、２つの温度低下機能のうちの第２の温度低下機能（第２の温度低下手段、第２の温度制御手段）では、ＥＣＵ４０は、バイパス路５２を排気が通過するように開閉弁５４を作動制御する。これにより、バイパス路５２を通過する排気が熱交換器５３において冷却水と熱交換して排気温度が低下する。
ＥＣＵ４０は、強制再生時において、ＤＰＦ２１の温度状態に基づいて、上記第１の温度低下機能及び第２の温度低下機能を選択、あるいは併用して実行させる。

図３は、温度低下機能の選択用マップである。
詳しくは、ＥＣＵ４０は、強制再生時において、排気温度センサ３１から排気温度をＤＰＦ温度として逐次入力し、当該ＤＰＦ温度と単位時間あたりのＤＰＦ温度の上昇量であるＤＰＦ温度上昇率とに基づいて、図３を用いて、ＤＰＦ２１が過昇温となるリスクをゾーン１〜３の３段階に判定する。

図３に示すように、ＤＰＦ温度が低温、及びＤＰＦ温度上昇率が低上昇率である場合には、過昇温のリスクが低いゾーン１に、高温及び高上昇率では過昇温のリスクが高いゾーン３に、更にゾーン１とゾーン２の間に過昇温のリスクが中程度であるゾーン２に判定するよう設定されている。
そして、ＥＣＵ４０は、ゾーン１では、上記第１の温度低下機能及び第２の温度低下機能のいずれも実行させず、強制再生をそのまま実施させる。

ゾーン２では、上記２つの温度低下機能のうち第２の温度低下機能のみ実行させる。
ゾーン３では、上記第１の温度低下機能及び第２の温度低下機能のいずれも実行させる。
以上のように制御することで、本実施形態では、強制再生時において、第１の温度低下機能及び第２の温度低下機能を選択または併用して、ＤＰＦ２１の温度上昇を規制するようにしている。詳しくは、ＤＰＦ２１の温度状態が、過昇温のリスクが低い場合には第１の温度低下機能及び第２の温度低下機能のいずれも作動させず、過昇温のリスクが中程度の場合には、第２の温度低下機能のみ実行させる。更に、過昇温のリスクが高い場合には、第１の温度低下機能及び第２の温度低下機能の両方を実行させる。

第１の温度低下機能は、ポスト噴射を停止するように燃料噴射弁４を作動制御するので、ＤＰＦ温度を大幅に低下させることが可能である。また、ポスト噴射を停止させるので、無駄な燃料消費を抑えることができる。
第２の温度低下機能は、熱交換器５３に排気を通過させることで瞬時に排気を冷却させることが可能である。よって、ＤＰＦ２１の温度を応答性良く適切なタイミングで低下させることが可能であり、ＤＰＦ２１の温度調整を精度良く行うことが可能である。

このように、本実施形態では、２つの特性の異なる温度低下機能を備えており、過昇温のリスクの程度に応じてこれらの温度低下機能を選択及び併用するので、ＤＰＦ２１の過度な温度上昇を確実に防止することができるとともに、ＤＰＦ２１の温度を迅速にタイミング良く低下させることが可能となる。よって、再生時においてＤＰＦ２１の温度を極力高く設定することが可能となり、再生時間の短縮化を図ることができる。

更に、本実施形態では、過昇温のリスクが中程度のゾーン２では第２の温度低下機能を実施し、過昇温のリスクが高いゾーン３では第２の温度低下機能と第１の温度低下機能を実施するので、第１の温度低下機能よりも第２の温度低下機能を優先して実施されることとなる。したがって、第１の温度低下機能よりも第２の温度低下機能の実施機会が増加し、ＤＰＦ２１の温度を迅速にタイミング良く低下させることが可能となり、ＤＰＦ２１の温度制御をより精度良く行うことが可能となっている。

また、ＥＣＵ４０は、ＤＰＦ２１の温度状態として、ＤＰＦ２１の温度だけでなくＤＰＦ２１の温度上昇率も合わせて、過昇温のリスクを判定するので、ＤＰＦ２１が過昇温になる危険性をより正確に判定することができ、ＤＰＦ２１の過昇温をより確実に回避することが可能となる。
また、再生時以外においても、第１の温度低下機能及び第２の温度低下機能を適宜選択または併用して実施することで、ＤＰＦの温度制御を精度良く行うことが可能である。

なお、本願発明は、以上の実施形態に限定されるものではない。
例えば、ゾーン２においてＤＰＦ２１の温度状態を細分化し、この細分化した温度状態に基づく過昇温のリスクに応じて開閉弁５４の開度を複数の段階あるいは連続的に変更可能としてもよい。このようにすれば、更にＤＰＦ２１の温度制御を正確に行うことができる。

また、第１の温度低下機能において、ポスト噴射量を停止するのではなく、減少させるように制御してもよい。
また、本発明は、ＤＰＦの再生だけでなく、その他のフィルタや触媒等の各種排気浄化装置の温度制御に対して適用可能である。しかしながら、本発明は、ＤＰＦのように、堆積している堆積物が再生時に燃焼して過昇温となり易い排気浄化装置に対して特に有効である。

１エンジン
４燃料噴射弁
２０排気通路
２１ＤＰＦ
２２ＤＯＣ
３１温度センサ
４０ＥＣＵ
５０排気熱回収装置
５２バイパス路
５３熱交換器

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化手段に流入する排気の温度を上昇させ、前記排気浄化手段を再生する排気浄化装置の再生装置であって、
該排気浄化手段に流入する排気への燃料添加量を制御して、前記排気への供給熱量を制御する第１の温度制御手段と、
前記排気浄化手段の上流側の排気通路に並列にバイパス路を接続し、当該バイパス路に熱交換手段を備え、前記熱交換手段を通過する排気の流量を当該排気通路に備えた開閉弁により制御して、前記排気浄化手段に流入する排気からの回収熱量を制御する第２の温度制御手段と、
前記排気浄化手段の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
前記温度状態検出手段により検出された前記排気浄化手段の温度状態に基づいて、前記排気浄化手段の過昇温の可能性を判定し、当該過昇温の可能性に基づいて、前記第１の温度制御手段及び第２の温度制御手段を選択または併用して作動させる制御手段と、を備え、
前記第１の温度制御手段は、前記排気浄化手段の過昇温の可能性の判定時において前記燃料添加量を減少させて、前記排気浄化手段に流入する排気の温度を低下させる第１の温度低下手段を含んでなり、
前記第２の温度制御手段は、前記排気浄化手段の過昇温の可能性の判定時において前記開閉弁を閉状態として、前記バイパス路を通過する排気の流量を増加して、前記排気浄化手段に流入する排気の温度を低下させる第２の温度低下手段を含んでなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の再生装置。
前記制御手段は、前記排気浄化手段の温度と前記排気浄化手段の温度上昇率とに基づいて、前記排気浄化手段が過昇温となるリスクを複数の段階別に判定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の再生装置。
前記制御手段は、前記排気浄化手段が過昇温となるリスクを３段階に分け、当該リスクが中段階である場合には、前記第２の温度低下手段のみを作動させることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置の再生装置。
前記制御手段は、前記排気浄化手段が過昇温となるリスクを３段階に分け、当該リスクが高段階である場合には、前記第１の温度低下手段及び前記第２の温度低下手段のいずれも作動させることを特徴とする請求項２または３に記載の排気浄化装置の再生装置。