JP6008978B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関、特に、ディーゼル機関の排気ガス通路に前段酸化触媒と粒子状物質を捕集するフィルタとを備えた排ガス処理装置に関する。
ディーゼルエンジンの黒煙対策として、排気中に含まれるPM(粒子状物質、Particulate
Matter)を捕集するために、DPF(Diesel Particulate
Filter)が使用されているが、捕集されたPMを定期的に燃焼除去するため、DPF内部のPM堆積量を推定して所定量に達したら排気ガスの温度を強制的に上昇させて、PMを燃焼除去するDPFの強制再生が行われる。
Matter)を捕集するために、DPF(Diesel Particulate
Filter)が使用されているが、捕集されたPMを定期的に燃焼除去するため、DPF内部のPM堆積量を推定して所定量に達したら排気ガスの温度を強制的に上昇させて、PMを燃焼除去するDPFの強制再生が行われる。
しかし、エンジンの運転状態によっては強制再生中にPMが異常燃焼を起こしてDPFが過昇温して、DPFの熱溶損やクラックによる破損を生じるおそれがある。このDPFの異常燃焼による過昇温を防止する制御として、特許文献1(特開2011−153591号公報)および、特許文献2(特開2003−206726号公報)が知られている。
特許文献1には、内燃機関が高回転状態又は高負荷の運転領域αから低回転低負荷の運転領域βに設定時間T1内に移行するときをDPF異常燃焼生起運転と判定する。DPF異常燃焼生起運転と判定したとき、吸気スロットルバルブ4全開にして、排気ガス流量を増大させ、排気ガスの顕熱による熱持ち去りによりDPFフィルタ装置を冷却すると共に、レイトポスト噴射を続行させ、DPFフィルタ周囲の酸素濃度を低下させ、DPFフィルタに捕集されたPMの異常燃焼を抑制する。これによって、DPFフィルタ装置の異常昇温を早期に抑制できる技術が開示されている。
また、特許文献2には、DPFの再生中に、エンジンの排気流量が低下する低負荷回転域に移行したとき、バーナを作動させてターボ過給機のタービンに燃焼ガスを供給して、タービン仕事を増大させて過給を促進し、エンジンの排気流量の増加に伴ってDPFの放熱を促進して過昇温を抑制する技術が開示されている。
強制再生中のDPFの過昇温は、比較的負荷が低い運転点において一旦再生が開始した後すぐに排ガス流量が低い運転状態に変化しその状態にいるだけでも起こり得るため、特許文献1のように高回転状態又は高負荷の運転領域αから低回転低負荷の運転領域βに設定時間T1内に移行するときをDPF異常燃焼生起運転と判定するだけでは、強制再生中のDPFの過昇温が生じる運転状態を精度よく判定できない。
強制再生中のDPFの過昇温が生じる運転状態を精度よく判定できない場合には、過昇温を防止するために、強制再生が継続する低負荷の最も排ガス流量が小となる運転点で過昇温が起こらないように再生開始となるPMの堆積量(限界堆積量)を減らさなければならない。
これは、再生間隔が短くなり、再生頻度が増大することから、再生時に用いるポスト噴射による燃料量の増加による燃費の悪化や、オイルダイリューションの増大につながる。
これは、再生間隔が短くなり、再生頻度が増大することから、再生時に用いるポスト噴射による燃料量の増加による燃費の悪化や、オイルダイリューションの増大につながる。
また、特許文献2のように、エンジンの排気流量が低下する低負荷回転域に移行したとき、バーナを作動させてターボ過給機のタービンに燃焼ガスを供給して、タービン仕事を増大させて過給を促進し、エンジンの排気流量の増加に伴ってDPFの放熱を促進して過昇温を抑制する技術では、バーナやこれに伴う補機類の設置によるコストアップやDPF装置が大型化して搭載スペースが小さい場合には、設置が困難となる問題を有している。
そこで、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びDPFを設けて、排気ガス中のPMを除去する排ガス浄化装置において、DPFの強制再生時にDPFの過昇温を防止して、DPFの熱溶損やクラックによる破損を防止するとともに、強制再生の再生頻度の増大を防止して燃費悪化およびオイルダイリューションを低減することを目的とする。
本発明はかかる目的を達成するため、内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びDPFを設けて排気ガス中のPMを前記DPFに捕集するとともに、捕集したPMを燃焼させて前記DPFを強制再生する内燃機関の排ガス浄化装置において、
吸気スロットル弁の開度およびポスト噴射時間を制御してDPFの強制再生を制御する強制再生制御手段と、前記強制再生制御手段による強制再生処理中に、排ガス流量が第1閾値未満で該第1閾値より小さい第2閾値以上のときに、吸気スロットル弁の開制御によって、前記DPFの過昇温を回避して強制再生を継続できる排ガス流量であると判定する第1判定手段と、該第1判定手段によって、排ガス流量が第1閾値未満で第2閾値以上と判定した場合に排ガス流量を増大せしめるように前記吸気スロットル弁を制御する排ガス増量制御手段と、排ガス流量が前記第2閾値未満のときに、吸気スロットルバルブを開制御しても、前記DPFの過昇温を回避して強制再生を継続困難な排ガス量であると判定する第2判定手段と、該第2判定手段によって、排ガス流量が第2閾値未満と判定した場合に強制再生処理を中断する強制再生中断手段と、を備え、さらに、前記強制再生中断手段とは別に設けられ、強制再生制御中に前記前段酸化触媒の入口または出口の排ガス温度が所定温度未満になった場合、前記DPFの出口の排ガス温度が所定温度を超えた場合、前記ポスト噴射時間が所定時間を超えた場合の内の少なくともいずれか一つの条件に基づいて強制再生処理を中断するシステム安全手段を備え、前記システム安全手段におけるすべての中断条件に該当しない場合に、前記第1判定手段に基づく排ガス増量制御、及び前記第2判定手段に基づく強制再生中断制御を実行することを特徴とする。
吸気スロットル弁の開度およびポスト噴射時間を制御してDPFの強制再生を制御する強制再生制御手段と、前記強制再生制御手段による強制再生処理中に、排ガス流量が第1閾値未満で該第1閾値より小さい第2閾値以上のときに、吸気スロットル弁の開制御によって、前記DPFの過昇温を回避して強制再生を継続できる排ガス流量であると判定する第1判定手段と、該第1判定手段によって、排ガス流量が第1閾値未満で第2閾値以上と判定した場合に排ガス流量を増大せしめるように前記吸気スロットル弁を制御する排ガス増量制御手段と、排ガス流量が前記第2閾値未満のときに、吸気スロットルバルブを開制御しても、前記DPFの過昇温を回避して強制再生を継続困難な排ガス量であると判定する第2判定手段と、該第2判定手段によって、排ガス流量が第2閾値未満と判定した場合に強制再生処理を中断する強制再生中断手段と、を備え、さらに、前記強制再生中断手段とは別に設けられ、強制再生制御中に前記前段酸化触媒の入口または出口の排ガス温度が所定温度未満になった場合、前記DPFの出口の排ガス温度が所定温度を超えた場合、前記ポスト噴射時間が所定時間を超えた場合の内の少なくともいずれか一つの条件に基づいて強制再生処理を中断するシステム安全手段を備え、前記システム安全手段におけるすべての中断条件に該当しない場合に、前記第1判定手段に基づく排ガス増量制御、及び前記第2判定手段に基づく強制再生中断制御を実行することを特徴とする。
かかる発明によれば、強制再生中のDPFの過昇温は、一旦再生が開始すると、開始後すぐに排ガス流量が低い運転状態に変化しその状態にいるだけでも起こり得るため、高負荷域から低負荷域へと大きな負荷変化がない場合においても、強制再生中に排ガス流量が少なく再生処理中にDPFが過昇温になるおそれがある排ガス流量を、予め試験またはシミュレーションで算出した所定の第1閾値と第2閾値を設定し、第1閾値未満で該第1閾値より小さい第2閾値より多い運転状態に変化した場合にはDPFの過昇温が発生するおそれがあると判定して、排ガス増量制御手段によって排ガス流量を増大せしめるように吸気スロットル弁を制御する。
これによって、DPFの過昇温を、排ガス量を増加せしめて排ガスの顕熱による熱量の持ち去りによって、すなわち、排ガスへの放熱作用によってDPFを冷却することができ、DPFの熱溶損やクラックによる破損を防止することができる。
第2閾値以下に排ガス流量が低下した場合には、再生継続が不可能であると判定して強制再生を中断する。
第2閾値以下に排ガス流量が低下した場合には、再生継続が不可能であると判定して強制再生を中断する。
また、吸気スロットル弁の制御で排ガス流量を増大せしめるようするので、排ガス流量を増大させるために特別に補機類を設置する必要がなく、補機類の設置によるコストアップやDPF装置が大型化して搭載スペースが小さい場合に設置困難となることもない。
さらに、DPFの過昇温を精度よく防止できるようになるので、強制開始のPM堆積量の限界値を引き上げることができるようになり、強制再生の間隔を増大できる。これによって、強制再生間隔が短くなって再生頻度が増えることを防止して再生時に使用するポスト噴射燃料の増大を抑えて燃費悪化やオイルダイリューションを低減できる。
また、本発明において、前記強制再生中断手段は、さらにDPF入口温度が所定値を超えた場合に前記強制再生処理を中断するとよい。
このように構成することで、DPF入口温度が所定値以下で過昇温のリスクが無い時の再生処理中断を回避することができる。それにより再生が中断され繰り返されることによる燃費悪化やポスト噴射量増大によるオイルダイリューションの増大を抑制できる。
このように構成することで、DPF入口温度が所定値以下で過昇温のリスクが無い時の再生処理中断を回避することができる。それにより再生が中断され繰り返されることによる燃費悪化やポスト噴射量増大によるオイルダイリューションの増大を抑制できる。
また、本発明において、前記強制再生中断手段は、さらにPM堆積量が所定値を超えた場合に前記強制再生処理を中断するとよい。
このように構成することで、PM堆積量が所定値以下で過昇温のリスクが無い時の再生処理中断を回避することができる。それにより再生が中断され繰り返されることによる燃費悪化やポスト噴射量増大によるオイルダイリューションの増大を抑制できる。
このように構成することで、PM堆積量が所定値以下で過昇温のリスクが無い時の再生処理中断を回避することができる。それにより再生が中断され繰り返されることによる燃費悪化やポスト噴射量増大によるオイルダイリューションの増大を抑制できる。
また、本発明は、前記強制再生中断手段とは別に設けられ、強制再生制御中に前記前段酸化触媒の入口または出口の排ガス温度が所定温度未満になった場合、前記DPFの出口の排ガス温度が所定温度を超えた場合、前記ポスト噴射時間が所定時間を超えた場合の内の少なくともいずれか一つの条件に基づいて強制再生処理を中断するシステム安全手段を備えることを特徴とする。
前記強制再生制御中に前記前段触媒の入口または出口の排ガス温度が所定温度未満になった場合には、強制再生中に内燃機関の負荷が下がるなどして再生が継続できなくなったと判断して再生処理を中断する。
また、前記DPFの出口の排ガス温度が所定温度を超えた場合には、DPFでのPM燃焼が過昇温状態にあると判断して再生処理を中断する。
また、前記ポスト噴射時間が所定時間を超えた場合には、ポスト噴射の噴きすぎによる過昇温を防ぐために再生処理を中断する。
以上のように、強制再生処理を強制再生中断手段とは別に設けられたシステム安全手段によって中断することによって、強制再生中のDPFの過昇温対策の制御が十分効果を発揮しない場合においても、フェールセーフ的に、DPFの熱溶損やクラックによる破損を防止できるようになっている。
また、前記DPFの出口の排ガス温度が所定温度を超えた場合には、DPFでのPM燃焼が過昇温状態にあると判断して再生処理を中断する。
また、前記ポスト噴射時間が所定時間を超えた場合には、ポスト噴射の噴きすぎによる過昇温を防ぐために再生処理を中断する。
以上のように、強制再生処理を強制再生中断手段とは別に設けられたシステム安全手段によって中断することによって、強制再生中のDPFの過昇温対策の制御が十分効果を発揮しない場合においても、フェールセーフ的に、DPFの熱溶損やクラックによる破損を防止できるようになっている。
また、本発明において、前記排ガス増量制御手段における排ガス流量を増大せしめる前記吸気スロットル弁の制御は、該吸気スロットル弁を全開にするとよい。
このように、排ガス増量制御手段によって排ガス流量を増大せしめるために吸気スロットル弁を全開にするので、迅速な昇温抑制効果が得られる。
また、本発明において、前記排ガス増量手制御段における排ガス流量を増大せしめる前記吸気スロットル弁の制御は、第1閾値の排ガス流量を目標排ガス流量としてスロットル開度を制御するとよい。
このように、第1閾値の排ガス流量を目標排ガス流量にしてスロットル開度を制御するので、全開状態に制御するのに比べて、排ガス流量の大きな変化が抑制されて、内燃機関の回転変動を抑えることができる。これによって、DPFの異常燃焼による過昇温防止運転を大きなエンジン回転編度を伴わずに行うことができる。また、少しでも吸気スロットル弁による昇温が期待でき、ポスト噴射量が減り、燃費悪化やオイルダイリューションを低減できる。
また、本発明において、前記第1判定手段および第2判定手段は、それぞれ内燃機関の回転数とトルクとによって表される運転領域を表わす第1判定マップおよび第2判定マップに基づいて判定されるとよい。
このように、第1判定手段および第2判定手段を、内燃機関の回転数と負荷によってあらわされる2次元の第1判定マップおよび第2判定マップによって構成するので、内燃機関の運転状態に応じた排ガス流量の状態を簡単且つ正確に判定を行うことができる。
また、本発明において、前記第1判定マップおよび第2判定マップが一つのマップによって構成されるとよい。
このように、第1判定マップと第2判定マップとが一つのマップで構成されるので、制御装置の記憶容量を低減でき、制御装置を簡素化できる。
このように、第1判定マップと第2判定マップとが一つのマップで構成されるので、制御装置の記憶容量を低減でき、制御装置を簡素化できる。
本発明によれば、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びDPFを設けて、排気ガス中のPMを除去する排ガス浄化装置において、DPFの強制再生時にDPFの過昇温を防止して、DPFの熱溶損やクラックによる破損を防止するとともに、PM堆積量の限界値を増大でき強制再生の再生頻度の増大を防止して燃費悪化およびオイルダイリューションを低減できる。
以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に、図1〜図4を参照して説明する。
図1に、本発明の排ガス浄化装置1をディーゼルエンジン(以下エンジンという)3に適用した第1実施形態の全体構成を示す。
図1において、エンジン3のシリンダ5の内部にピストン7が内蔵され、ピストン7の上方に燃焼室9が形成されている。シリンダヘッドには、吸気管13及び排気管15が接続され、これら吸気管13および排気管15が接続するシリンダヘッド内の吸気ポートおよび排気ポートと燃焼室9の接続部には、吸気弁17及び排気弁19が設けられている。
本発明の第1実施形態に、図1〜図4を参照して説明する。
図1に、本発明の排ガス浄化装置1をディーゼルエンジン(以下エンジンという)3に適用した第1実施形態の全体構成を示す。
図1において、エンジン3のシリンダ5の内部にピストン7が内蔵され、ピストン7の上方に燃焼室9が形成されている。シリンダヘッドには、吸気管13及び排気管15が接続され、これら吸気管13および排気管15が接続するシリンダヘッド内の吸気ポートおよび排気ポートと燃焼室9の接続部には、吸気弁17及び排気弁19が設けられている。
また、シリンダヘッドの上部中央には、燃料を燃焼室9に噴射する燃料インジェクタ21が設けられている。燃料インジェクタ21には、インジェクタポンプ23から、コモンレール(蓄圧器)25を介して軽油などの燃料が高圧で供給され、燃料が燃焼室9に噴射されるようになっている。
また、燃料の噴射時期及び噴射量は、制御装置(ECU)27によって制御されている。噴射された燃料は、吸気管13および吸気ポートを通って供給された空気と混合し、その混合気は、燃焼室9内で圧縮されて着火し燃焼する。
また、燃料の噴射時期及び噴射量は、制御装置(ECU)27によって制御されている。噴射された燃料は、吸気管13および吸気ポートを通って供給された空気と混合し、その混合気は、燃焼室9内で圧縮されて着火し燃焼する。
また、エンジン3は、排気管15内に配置された排気タービン29と、吸気管13内に配置され該排気タービン29と同軸で駆動されるコンプレッサ31とからなる排気ターボ過給機33を備えている。排気ターボ過給機33のコンプレッサ31から吐出された給気aは、吸気管13を通ってインタークーラ35で冷却された後、給気室37に入る。給気室37の入口側には、吸気管13を流れる給気流量を制御する吸気スロットルバルブ39が設けられている。また、給気室37には、給気圧センサ41および給気温度センサ43が設けられている。
排気タービン29の下流側の排気管15には、前段酸化触媒(DOC)45と、該前段酸化触媒45の下流側にDPF(フィルタ装置)47が設けられている。燃焼室9で燃焼した燃焼ガス、即ち、排気ガスeは、排気管15に排出され、排気ターボ過給機33の排気タービン29を駆動してコンプレッサ31の動力源となる。その後、排気ガスeは、前段酸化触媒45およびDPF47を通り、DPF47で排気ガスe中に含まれるPMが捕集される。
DPF47でPMを除去された排気ガスeは、図示省略のマフラーを経由して外部に排出される。
DPF47でPMを除去された排気ガスeは、図示省略のマフラーを経由して外部に排出される。
前段酸化触媒45の入口側、DPF47の入口側および出口側の排気管15には、夫々排気ガスeの温度を検出する温度センサ49、51、53がそれぞれ設けられている。
また、DPF47の入口と出口との排気ガスeの圧力差を検出する差圧センサ55が設けられ、吸気管13の入口部には、吸気流量計(エアフローセンサ)57が設けられている。
また、DPF47の入口と出口との排気ガスeの圧力差を検出する差圧センサ55が設けられ、吸気管13の入口部には、吸気流量計(エアフローセンサ)57が設けられている。
また、吸気管13と排気管15との間には、EGR管59が設けられている。EGR管59には、EGRクーラ61およびEGR管59を流れる排ガス量を制御するEGRバルブ63が設けられている。排気ガスeの一部は、EGR管59を通り、EGRクーラ61で冷却された後、給気室37に戻される。これによって、給気中の酸素量を減らし、ピーク時の燃焼温度を下げ、NOXの発生を抑制している。
温度センサ49、51、53、差圧センサ55、吸気流量計57の検出値、および吸気スロットルバルブ39の開度信号が、制御装置(ECU)27に入力されている。
また、制御装置27には、エンジン負荷信号もしくは燃料噴射量信号と、エンジン回転数信号とが入力されている。これらの入力値に基づいて、制御装置27は、燃料インジェクタ21、インジェクタポンプ23、吸気スロットルバルブ39およびEGRバルブ63等を制御して、エンジン3の運転を制御している。
また、制御装置27には、エンジン負荷信号もしくは燃料噴射量信号と、エンジン回転数信号とが入力されている。これらの入力値に基づいて、制御装置27は、燃料インジェクタ21、インジェクタポンプ23、吸気スロットルバルブ39およびEGRバルブ63等を制御して、エンジン3の運転を制御している。
次に、制御装置27について説明する。
図2に示すように制御装置27には、吸気スロットルバルブ39の開度およびポスト噴射量または噴射時間を制御してDPF47の強制再生を制御する強制再生制御手段65と、強制再生制御手段65による強制再生処理中に、排ガス流量が第1閾値未満で該第1閾値より小さい第2閾値より多い運転状態であるかを判定する第1判定手段67と、該第1判定手段によって、排ガス流量が第1閾値未満で第2閾値より多いと判定した場合に排ガス流量を増大せしめるように吸気スロットルバルブ39の弁開度を制御する排ガス増量制御手段69と、第2閾値未満の排ガス流量の運転状態を判定する第2判定手段71と、該第2判定手段71によって、排ガス流量が第2閾値未満と判定した場合に強制再生処理を中断する強制再生中断手段73とを有している。
図2に示すように制御装置27には、吸気スロットルバルブ39の開度およびポスト噴射量または噴射時間を制御してDPF47の強制再生を制御する強制再生制御手段65と、強制再生制御手段65による強制再生処理中に、排ガス流量が第1閾値未満で該第1閾値より小さい第2閾値より多い運転状態であるかを判定する第1判定手段67と、該第1判定手段によって、排ガス流量が第1閾値未満で第2閾値より多いと判定した場合に排ガス流量を増大せしめるように吸気スロットルバルブ39の弁開度を制御する排ガス増量制御手段69と、第2閾値未満の排ガス流量の運転状態を判定する第2判定手段71と、該第2判定手段71によって、排ガス流量が第2閾値未満と判定した場合に強制再生処理を中断する強制再生中断手段73とを有している。
強制再生制御手段65によって、DPF47に所定量のPMが堆積した時に再生処理を開始する。エンジン運転中に、強制再生処理を行なう場合に再生処理の開始は、例えば、DPFに堆積するPM堆積量の推定値やエンジン運転時間や車両の走行距離や燃料消費量や、さらにDPF47の前後圧力差を差圧センサ55で検出してこの圧力差を基に判断される。
また、強制再生制御手段65によって、再生開始の指令が出されると、まず吸気スロットルバルブ39を閉弁する制御が行われる。この制御は排温を上げDOC45を活性化するとともに排温を高く維持することでオイルダイリューション量を低減させる。
更に、DOC45が活性化し条件が整うと燃焼室9に燃料を主噴射した後、ポスト噴射を行うように燃料インジェクタ21に噴射タイミングの指令を行う。これによって、主噴射後に噴射されたポスト噴射の燃料は燃焼しきらずに排気管15に排出される。
更に、DOC45が活性化し条件が整うと燃焼室9に燃料を主噴射した後、ポスト噴射を行うように燃料インジェクタ21に噴射タイミングの指令を行う。これによって、主噴射後に噴射されたポスト噴射の燃料は燃焼しきらずに排気管15に排出される。
ポスト噴射された未燃HC成分は、活性化した前段酸化触媒45の触媒作用で酸化し、その時発生する反応熱で排気ガスeの温度を略600℃以上に昇温する。そして、排気ガスeを600℃以上にすることで、DPF47に捕集されたPMの燃焼が促進され、DPF47からPMが除去される。
強制再生の制御が開始されて、DPF47内に堆積しているPMの燃焼が開始されると、PMの燃焼が完了するまでには、排ガスの酸素濃度が所定量必要であるため、所定の排ガス流量を流通する必要がある。
図3は、エンジンの運転状態と排ガス流量の変化傾向を示し、再生可能領域Xと、再生不可能領域Yとを示している。
また、図3の領域αは、吸気スロットルバルブ39の閉じ制御を解除して開弁制御することで、異常燃焼することなく強制再生が継続できる領域である。
すなわち、この領域α内にエンジン3の回転数と負荷が突入した時には、強制再生のための吸気スロットルバルブ39の閉じ制御を解除して、開制御して排ガス流量を増加方向にすることで、過昇温を回避できる領域であり、この排ガス流量の増加に応じてPM限界堆積量を高く設定することができる。
この領域α内にエンジン3の運転状態が入ったか否かは、第1判定手段67によって判定する。そして、領域α内に入った時には、排ガス増量制御手段69によって、吸気スロットルバルブ39の閉じ制御を解除して開制御して、排ガス流量を増加方向に制御して再生を継続可能なようにする。
また、図3の領域αは、吸気スロットルバルブ39の閉じ制御を解除して開弁制御することで、異常燃焼することなく強制再生が継続できる領域である。
すなわち、この領域α内にエンジン3の回転数と負荷が突入した時には、強制再生のための吸気スロットルバルブ39の閉じ制御を解除して、開制御して排ガス流量を増加方向にすることで、過昇温を回避できる領域であり、この排ガス流量の増加に応じてPM限界堆積量を高く設定することができる。
この領域α内にエンジン3の運転状態が入ったか否かは、第1判定手段67によって判定する。そして、領域α内に入った時には、排ガス増量制御手段69によって、吸気スロットルバルブ39の閉じ制御を解除して開制御して、排ガス流量を増加方向に制御して再生を継続可能なようにする。
図3の領域βは、吸気スロットルバルブ39の閉じ制御を解除して開制御して排ガス流量を増加させても排ガス量が少なく、過昇温回避が困難である領域である。
この領域β内にエンジン3の運転状態が入ったか否かは、第2判定手段71で判定する。そして、領域β内に入った時には、強制再生中断手段73によって、強制再生制御を中断して吸気スロットルバルブ39の閉じ制御を解除してエンジン3の運転状態に応じた開度制御に移行すると共に、ポスト噴射の指令を解除する。
この領域β内にエンジン3の運転状態が入ったか否かは、第2判定手段71で判定する。そして、領域β内に入った時には、強制再生中断手段73によって、強制再生制御を中断して吸気スロットルバルブ39の閉じ制御を解除してエンジン3の運転状態に応じた開度制御に移行すると共に、ポスト噴射の指令を解除する。
なお、領域αと領域βの範囲は、より具体的には、所定のエンジン回転数間(R1〜R2)で、斜めの等排ガス流量ラインL1、L2によって略囲われる範囲になっている。領域α、βを形成する上側の境界ラインがこの排ガス流量ラインL1、L2に近似した屈曲ラインとなっている。
制御装置27には、さらに、システム安全手段75、および強制再生終了判定手段77を有しており、このシステム安全手段75は、前述のように、第2判定手段71によって、エンジン3の運転状態が領域βに移行したことを判定して、その結果で強制再生を中断するものではなく、強制再生制御中に前段酸化触媒45の入口または出口の排ガス温度を温度センサ49、51で検出して該検出温度を閾値と比較して判断し、所定温度未満になった場合には、強制再生中にエンジン負荷が下がるなどして再生が継続できなくなると判断した場合に再生処理を中断するものである。
また、DPF47の出口の排ガス温度を温度センサ53で検出して該検出温度を基に判断して、所定の閾値温度を超えた場合には、DPF47でのPM燃焼が過昇温状態にあると判断して再生処理を中断する。
また、ポスト噴射による噴射時間を検出して積算し、積算時間が所定時間を超えた場合には、DOCの閉塞によるHCのスリップなどによりポスト噴射の噴きすぎによる過昇温を防ぐために再生を中断する。なお、噴射時間は噴射回数を積算してもよく、噴射した期間が所定の閾値と比較して判断できればよい。
また、DPF47の出口の排ガス温度を温度センサ53で検出して該検出温度を基に判断して、所定の閾値温度を超えた場合には、DPF47でのPM燃焼が過昇温状態にあると判断して再生処理を中断する。
また、ポスト噴射による噴射時間を検出して積算し、積算時間が所定時間を超えた場合には、DOCの閉塞によるHCのスリップなどによりポスト噴射の噴きすぎによる過昇温を防ぐために再生を中断する。なお、噴射時間は噴射回数を積算してもよく、噴射した期間が所定の閾値と比較して判断できればよい。
以上のように、排ガス流量による第2判定手段71での強制再生中断の判定とは別に、システム安全手段75によって強制再生処理を中断する条件を付加することによって、第2判定手段71による強制再生の中断だけではなく、フェールセーフ的に強制再生を中断する制御を付加することで、DPF47の熱溶損やクラックによる破損を確実に防止できるようになっている。
また、強制再生終了判定手段77は、再生を開始後にPM堆積量が所定値未満に減少し、且つ所定時間を超えた場合には強制再生が完了したと判定し、強制再生制御を終了させる。具体的には、吸気スロットルバルブ39の閉じ制御を解除して、ポスト噴射の噴射制御を解除する。
以上のように構成された制御装置27による具体的な制御フローを、図4を参照して説明する。
ステップS1で強制再生が開始されると、すなわち、例えば、エンジン運転時間や車両の走行距離や燃料消費量や、DPF47の前後圧力差を検出する差圧センサ55からの信号を基に、PMが所定量堆積して再生が必要であると判定されて強制再生の条件が整うと、ステップS2で、強制再生制御が開始される。
ステップS1で強制再生が開始されると、すなわち、例えば、エンジン運転時間や車両の走行距離や燃料消費量や、DPF47の前後圧力差を検出する差圧センサ55からの信号を基に、PMが所定量堆積して再生が必要であると判定されて強制再生の条件が整うと、ステップS2で、強制再生制御が開始される。
強制再生制御は、前述したように吸気スロットルバルブ39の絞り制御と、主噴射の後に噴射するポスト噴射制御によって、前段酸化触媒45の活性化によって排ガス温度をDPF47のPMが燃焼促進する温度、約600℃まで昇温させる。
次に、ステップS3では、ポスト噴射時間を検出してその時間が所定時間t1を超え、且つDPF47の入口ガス温度を温度センサ51からの検出信号を基に閾値T1未満かを判定する。または、単にポスト噴射時間が所定時間t2を超えているか否かを判定する。これらの判定によって、前段酸化触媒45が閉塞等の不具合によってDPF47の入口温度が上がらない時には、ポスト噴射の噴きすぎによる過昇温を防止するようになっている。
ステップS3の判定がYesであれば、ステップS14に進んで強制再生を中断して、DPF47の過昇温による焼損を防止する。Noの場合には、ステップS4に進む。
ステップS4では、DPF47の出口ガス温度を温度センサ53からの検出信号を基に閾値T2を超え、且つ継続時間がt3を超えているかを判定する。または、単にDPF47の出口ガス温度が閾値T3を超えているか否かを判定する。これらの判定によって、DPF47内でPMが異常燃焼状態にあるか否かを判定して、異常燃焼状態の時には、Yesと判定してステップS14に進んで強制再生を中断して、過昇温を防止する。Noの場合には、ステップS5に進む。
ステップS5では、前段酸化触媒(DOC)45の入口ガス温度または出口ガス温度を温度センサ49、51からの検出信号を基に閾値T4を超えているか否かを判定する。Noの場合にはステップS14に進んで強制再生を中断する。これによって、強制再生中にエンジン負荷が下がるなどして再生が継続できなくなる運転状態にあることを判定して、強制再生を中断して無駄なポスト噴射を噴かないようにし強制再生制御をやり直して効率よい再生を行うようにする。Yesの場合には、ステップS6に進む。
以上のステップS3、S4、S5によって、強制再生制御において基本的な安全機能の制御を実施している(図4のD部)。すなわち、システム安全手段75による制御が実施される。
なお、排ガス流量に基づく判定によって強制再生時の過昇温防止の制御、すなわち、第1判定手段67、および第2判定手段71は後述するステップS6〜S13、S15によって行っている(図4のE部)。
以上のステップS3、S4、S5によって、強制再生制御において基本的な安全機能の制御を実施している(図4のD部)。すなわち、システム安全手段75による制御が実施される。
なお、排ガス流量に基づく判定によって強制再生時の過昇温防止の制御、すなわち、第1判定手段67、および第2判定手段71は後述するステップS6〜S13、S15によって行っている(図4のE部)。
次にステップS6においては、DPF47の入口ガス温度が、温度センサ51からの検出信号を基に閾値T5を超えているか否かを判定する。Noであり、超えていない場合には、ステップS19に進んで、PM堆積量がq2未満で強制再生時間がt4を超えているか否かを判定する。Yesの場合には、再生が完了したと判定してステップS20で強制再生を完了し、Noの場合には、ステップS2に戻って再度強制再生制御を実行する。
ステップS6でYesの場合には、ステップS7でPM堆積量を算出し、該堆積量が閾値q1を超えているか否かを判定する。Noの場合には、ステップS6と同様に、ステップS19に進む。Yesの場合には、ステップS8に進む。PM堆積量の算出は、運転状態に基づきエンジンから排出されるPM量とDPF47内部で燃焼消失するPM再生量の差分値の積算や、DPF47の前後差圧や、燃料噴射時間等のエンジン3の運転条件を基に算出して推定される。
ステップS8では、排ガス流量が閾値Q1未満か否かが判定される。この閾値Q1は図3で示した等排ガス流量ラインL1に相当する。
排ガス流量は、吸気流量計(エアフローセンサ)57からの検出値、若しくはエンジン回転数、燃料噴射量、給気圧センサ41からの給気圧力量、および給気温度センサ43からの給気温度信号等を基に算出して求めて推定した値を用いてもよい。
排ガス流量は、吸気流量計(エアフローセンサ)57からの検出値、若しくはエンジン回転数、燃料噴射量、給気圧センサ41からの給気圧力量、および給気温度センサ43からの給気温度信号等を基に算出して求めて推定した値を用いてもよい。
閾値Q1未満でない場合つまりNoの場合には、エンジン回転数と負荷によっては、図3の再生不可能領域Yに入る可能性があるが、エンジン回転数が中、高回転域にあるためDPF47の過昇温は生じにくい。このため、ステップS19に進んで、再生が既に完了したかを判定する。
閾値Q1未満である場合つまりYesの場合には、図3の再生不可能領域Yに入る可能性が高いため、ステップS9に進んで、吸気スロットルバルブ39の閉制御を中断して、吸気スロットルバルブ39の開度を全開状態にする。また、他の手段によってエンジン回転数を上昇するようにして、排ガス流量を増大させてもよい。
なお、ステップS8で排ガス流量を判定した後に、エンジン回転数と負荷に基づいて、図3の領域αまたは領域βの運転領域内に存在するか否かの判定をさらに含めると、より精度の高い昇温防止制御ができる。
すなわち、排ガス流量の算出値による判定では、図3に示す等排ガス流量ラインL1、L2のように、過昇温が特に生じやすいエンジン回転数の低い領域α、βを含む範囲での判定となるため、エンジン回転数と負荷との運転状態を見て、領域α、βに入ったか否かの判定を用いることでより精度よく、過昇温が生じやすい排ガス流量の低い運転状態であるかを判定することが可能となる。
すなわち、排ガス流量の算出値による判定では、図3に示す等排ガス流量ラインL1、L2のように、過昇温が特に生じやすいエンジン回転数の低い領域α、βを含む範囲での判定となるため、エンジン回転数と負荷との運転状態を見て、領域α、βに入ったか否かの判定を用いることでより精度よく、過昇温が生じやすい排ガス流量の低い運転状態であるかを判定することが可能となる。
ステップS9で、吸気スロットルバルブ39の閉弁制御を解除した後に、ステップS10で、DPF47の入口ガス温度が、温度センサ51からの検出信号を基に閾値T5'を超えているか否かを判定する。Noであれば、PMの過昇温状態が落ち着くと判定して、ステップS15に進んで、吸気スロットルバルブ39の閉弁制御を再開し、またはエジン回転数の増大制御を終了させて強制再生の制御を再度実行する。
一方、ステップS10でYesであれば、まだ過昇温状態が継続すると判定し、ステップS11で、PM堆積量が閾値q1を超えているか否かを判定する。超えていればYesとなって、堆積量がまだ残っているため過昇温状態が生じ得ると判定して次のステップS12へ進み、超えていなければNoとなり、過昇温は生じにくいと判定してステップS15に進んで、吸気スロットルバルブ39の閉弁制御を再度行い、またはエジン回転数の増大制御を終了させて強制再生の制御を再度実行する。
ステップS12では、排ガス流量を閾値Q1より大きい閾値Q1'と比較して、Q1'未満であるか否かを判定する。
ステップS12でNoの場合には、排ガス流量が閾値Q1より大きくなっており、過昇温は生じにくくなっていると判定してステップS15へ進む。Yesの場合にはステップS13に進んで、閾値Q1より小さい閾値Q2と比較して該閾値より大きいか否かを判定する。この閾値Q2は、図3の排ガス流量ラインL2に相当する。
ステップS12でNoの場合には、排ガス流量が閾値Q1より大きくなっており、過昇温は生じにくくなっていると判定してステップS15へ進む。Yesの場合にはステップS13に進んで、閾値Q1より小さい閾値Q2と比較して該閾値より大きいか否かを判定する。この閾値Q2は、図3の排ガス流量ラインL2に相当する。
閾値Q2未満である場合には、過昇温の危険性が高いため、ステップS14に進んで強制再生を中断する。
また、ステップS13で、Noの場合には、ステップS18に進んで、ステップS19と同様に、PM堆積量がq2未満で強制再生時間がt4を超えているか否かを判定して、Yesの場合には、再生が完了したと判定してステップS20で強制再生を完了する。Noの場合には、ステップS17、S16に進んで、ステップS3、S4と同様の強制再生中断の要否判定を行って、Yesの場合には、ステップS14で強制判定を中断する。
また、ステップS13で、Noの場合には、ステップS18に進んで、ステップS19と同様に、PM堆積量がq2未満で強制再生時間がt4を超えているか否かを判定して、Yesの場合には、再生が完了したと判定してステップS20で強制再生を完了する。Noの場合には、ステップS17、S16に進んで、ステップS3、S4と同様の強制再生中断の要否判定を行って、Yesの場合には、ステップS14で強制判定を中断する。
また、ステップS17、S16でNoの場合には、ステップS9に戻って、吸気スロットルバルブ39の閉制御を中断して、全開状態にする。なお、吸気スロットルバルブ39の全開による以外に他の手段によってエンジン回転数を上昇するようにして、排ガス流量を増大させるようにしてもよい。
制御フローの説明において、具体的数値の一例を下記に示す。
T1:500℃、T2:750℃、T3:800℃、T4:240℃、T5:570℃、T5':570℃、
q1:4g/L、q2:1g/L、
t1:2min、t2:30min、t3:10sec、t4:10min、
Q1:100kg/h、Q1':120kg/h、Q2:70kg/h。
である。
T1:500℃、T2:750℃、T3:800℃、T4:240℃、T5:570℃、T5':570℃、
q1:4g/L、q2:1g/L、
t1:2min、t2:30min、t3:10sec、t4:10min、
Q1:100kg/h、Q1':120kg/h、Q2:70kg/h。
である。
以上のように構成された、制御装置27における制御フローによって、排ガス流量の変化を第1閾値である閾値Q1と比較して、Q1未満である場合には、図3に示す再生境界領域Zまたは再生不許可領域Yの領域にあるため、吸気スロットルバルブの閉制御を中断して全開制御に変更して、ガス量を増加せしめて排ガスの顕熱による熱量の持ち去りによって、すなわち、排ガスへの放熱作用によってDPF47を冷却して昇温を防止できる。
さらに、第2閾値のQ2と比較して第2閾値以下に排ガス流量が低下した場合には、再生不許可領域Yの領域にあるため、再生継続が不可能であると判定して強制再生を中断することによって、DPF47の熱溶損やクラックによる破損を防止することができる。
また、吸気スロットルバルブ39の制御で排ガス流量を増大せしめるようするので、補機類の設置によるコストアップやDPF装置が大型化して搭載スペースが小さい場合に設置困難となることもない。
さらに、DPF47の過昇温が生じやすい、排ガス流量が低い運転状態を、排ガス流量を用いて精度良く判定できるため、強制開始のPM堆積量の限界値堆積量を引き上げることができるようになり、強制再生の間隔を増大できる。これによって、強制再生間隔が短くなって再生頻度が増えることを防止して再生時に使用するポスト噴射燃料の増大を抑えて燃費悪化やオイルダイリューションを低減できる。
(第2実施形態)
次に、図5の制御フローチャートを参照して第2実施形態について説明する。第2実施形態は第1実施形態に対して、図4のフローチャートのステップS9とS15とが、ステップS29とS35に代わっただけであり、その他の構成は同一であるため同一のステップ符号を用いて説明は省略する。
次に、図5の制御フローチャートを参照して第2実施形態について説明する。第2実施形態は第1実施形態に対して、図4のフローチャートのステップS9とS15とが、ステップS29とS35に代わっただけであり、その他の構成は同一であるため同一のステップ符号を用いて説明は省略する。
図5において、ステップS19では、吸気スロットルバルブ39を全開制御するのではなく、第1閾値として設定した排ガス流量のQ1を目標排ガス流量として、該目標排ガス流量になるように吸気スロットルバルブを開度制御する。
ステップS25では、このようにQ1を目標排ガス流量とした吸気スロットルバルブ39の開度制御を終了させる。
ステップS25では、このようにQ1を目標排ガス流量とした吸気スロットルバルブ39の開度制御を終了させる。
本第2実施形態によれば、第1閾値Q1の排ガス流量を目標排ガス流量として、該排ガス流量になるように吸気スロットルバルブ39の開度を制御するので、全開状態に制御するのに比べて、排ガス流量の大きな変化が抑制されて、エンジン3の回転変動を抑えることができる。このため、DPF47の異常燃焼による過昇温防止運転を大きなエンジン回転編度を伴わずに実行できる。また、スロットルバルブの開きすぎによる排温の低下によりオイルダイリューション量が増大することを抑制することができる。
(第3実施形態)
次に、図6の制御フローチャートおよび図7を参照して第3実施形態について説明する。第3実施形態は第1実施形態に対して、図4のフローチャートのステップS8、S12、S13が、ステップS28、S32、S33に代わっただけであり、その他の構成は同一であるため同一のステップ符号を用いて説明は省略する。
次に、図6の制御フローチャートおよび図7を参照して第3実施形態について説明する。第3実施形態は第1実施形態に対して、図4のフローチャートのステップS8、S12、S13が、ステップS28、S32、S33に代わっただけであり、その他の構成は同一であるため同一のステップ符号を用いて説明は省略する。
図6において、ステップS28で、排ガス流量を算出する代わりに、予めエンジン回転数と負荷に基づく2次元マップによって、排ガス流量が低下して過昇温を生じるおそれがある領域を予め設定しておく。領域αは、第1実施形態で説明した領域と同様である。ステップS28で、エンジン回転数と負荷との検出信号に基づいて、エンジン3の運転状態が運転領域αに入ったか否かを判定する。
また、ステップS32では、領域α+βに入ったかを判定して、Noの場合には、領域がα+β以外の領域、すなわち過昇温を生じるおそれがない領域に排ガス流量が増加したことを示し、ステップS15へと進む。また、ステップと32で領域α+βに入ったかの判定結果がYesの場合には、ステップS33で運転領域がβであるか否かを判定して、領域βに入った場合には、ステップS14で強制再生を中断する。その他は、第1実施形態と同様である。
運転領域αを示す第1判定マップ91は、図7(B)のデータ配列で構成された2次元マップであり、また、運転領域βを示す第2判定マップ92は、図7(C)のデータ配列で構成された2次元マップである。
さらに、第1判定マップ91と第2判定マップ92とが1枚のマップになった一体マップ93として構成してもよく、この一体マップ93は、図7(D)のデータ配列で構成された2次元マップである。
さらに、第1判定マップ91と第2判定マップ92とが1枚のマップになった一体マップ93として構成してもよく、この一体マップ93は、図7(D)のデータ配列で構成された2次元マップである。
本第3実施形態によれば、領域α、βをそれぞれ、エンジン3の回転数と負荷によって表される2次元の第1判定マップ91および第2判定マップ92によって構成するので、エンジン3の運転状態に応じた排ガス流量の状態を簡単且つ正確に判定を行うことができる。
また、第1判定マップ91および第2判定マップ92が一つの一体マップ93によって構成されるとよく、第1判定マップ91と第2判定マップ92とが一つの一体マップ93で構成されるので、制御装置27の記憶容量を低減でき、制御装置27を簡素化できる。
また、第1判定マップ91および第2判定マップ92が一つの一体マップ93によって構成されるとよく、第1判定マップ91と第2判定マップ92とが一つの一体マップ93で構成されるので、制御装置27の記憶容量を低減でき、制御装置27を簡素化できる。
本発明によれば、内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びDPFを設けて、排気ガス中のPMを除去する排ガス浄化装置において、DPFの強制再生時にDPFの過昇温を防止して、DPFの熱溶損やクラックによる破損を防止するとともに、強制再生の再生頻度の増大を防止して燃費悪化およびオイルダイリューションを低減できるため、ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置への適用技術として有用である。
1 排ガス浄化装置
3 エンジン(内燃機関)
11 吸気管
15 排気管(排ガス通路)
21 燃料インジェクタ
27 制御装置(ECU)
39 吸気スロットルバルブ(吸気スロットル弁)
45 前段酸化触媒
47 DPF
65 強制再生制御手段
67 第1判定手段
69 排ガス増量制御手段
71 第2判定手段
73 強制再生中断手段
75 システム安全手段
77 強制再生終了判定手段
79 強制再生終了手段
91 第1判定マップ
92 第2判定マップ
93 一体マップ
α、β 運転領域
X 再生許可領域
Y 再生不許可領域
Z 再生境界領域
L1、L2 等排ガス流量ライン
3 エンジン(内燃機関)
11 吸気管
15 排気管(排ガス通路)
21 燃料インジェクタ
27 制御装置(ECU)
39 吸気スロットルバルブ(吸気スロットル弁)
45 前段酸化触媒
47 DPF
65 強制再生制御手段
67 第1判定手段
69 排ガス増量制御手段
71 第2判定手段
73 強制再生中断手段
75 システム安全手段
77 強制再生終了判定手段
79 強制再生終了手段
91 第1判定マップ
92 第2判定マップ
93 一体マップ
α、β 運転領域
X 再生許可領域
Y 再生不許可領域
Z 再生境界領域
L1、L2 等排ガス流量ライン
Claims (7)
- 内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びDPFを設けて排気ガス中のPMを前記DPFに捕集するとともに、捕集したPMを燃焼させて前記DPFを強制再生する内燃機関の排ガス浄化装置において、
吸気スロットル弁の開度およびポスト噴射時間を制御してDPFの強制再生を制御する強制再生制御手段と、
前記強制再生制御手段による強制再生処理中に、排ガス流量が第1閾値未満で該第1閾値より小さい第2閾値以上のときに、吸気スロットル弁の開制御によって、前記DPFの過昇温を回避して強制再生を継続できる排ガス流量であると判定する第1判定手段と、
該第1判定手段によって、排ガス流量が第1閾値未満で第2閾値以上と判定した場合に排ガス流量を増大せしめるように前記吸気スロットル弁を制御する排ガス増量制御手段と、
排ガス流量が前記第2閾値未満のときに、吸気スロットルバルブを開制御しても、前記DPFの過昇温を回避して強制再生を継続困難な排ガス量であると判定する第2判定手段と、
該第2判定手段によって、排ガス流量が第2閾値未満と判定した場合に強制再生処理を中断する強制再生中断手段と、を備え、
さらに、前記強制再生中断手段とは別に設けられ、強制再生制御中に前記前段酸化触媒の入口または出口の排ガス温度が所定温度未満になった場合、前記DPFの出口の排ガス温度が所定温度を超えた場合、前記ポスト噴射時間が所定時間を超えた場合の内の少なくともいずれか一つの条件に基づいて強制再生処理を中断するシステム安全手段を備え、
前記システム安全手段におけるすべての中断条件に該当しない場合に、前記第1判定手段に基づく排ガス増量制御、及び前記第2判定手段に基づく強制再生中断制御を実行することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記強制再生中断手段は、さらにDPF入口温度が所定値を超えた場合に前記強制再生処理を中断することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記強制再生中断手段は、さらにPM堆積量が所定値を超えた場合に前記強制再生処理を中断することを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記排ガス増量制御手段における排ガス流量を増大せしめる前記吸気スロットル弁の制御は、該吸気スロットル弁を全開にすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記排ガス増量制御手段における排ガス流量を増大せしめる前記吸気スロットル弁の制御は、第1閾値の排ガス流量を目標排ガス流量としてスロットル開度を制御することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記第1判定手段および第2判定手段は、それぞれ内燃機関の回転数とトルクとによって表される運転領域を表わす第1判定マップおよび第2判定マップに基づいて判定されることを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記第1判定マップおよび第2判定マップが一つのマップによって構成されることを特徴とする請求項6記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
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