JP7135612B2 - 排気浄化装置および排気浄化方法 - Google Patents

排気浄化装置および排気浄化方法 Download PDF

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Description

本開示は、排気浄化装置および排気浄化方法に関する。
従来、内燃機関から排出される排ガスを浄化する排気浄化装置として、酸化触媒および捕集フィルタを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
酸化触媒は、活性状態である場合、排ガスに含まれるＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）を酸化させ、非活性状態である場合、排ガスに含まれるＨＣを吸蔵する。
捕集フィルタは、酸化触媒の後段に設けられ、排ガス中の粒子状物質（Particulate Matter：以下、ＰＭという）を捕集する。捕集されたＰＭは、捕集フィルタに堆積する。
排気浄化装置は、捕集フィルタに堆積したＰＭを除去する処理を行う。この処理は、例えば、燃料を内燃機関の気筒内に噴射することにより行われる。この燃料が酸化触媒で燃焼されることにより、排ガスの温度が上昇し、捕集フィルタに堆積したＰＭが燃焼する。
特表２０１０－５１９４５９号公報
しかしながら、従来の排気浄化装置では、上記処理に係る燃費の点で改善の余地があった。
本開示の目的は、燃費の改善を実現する排気浄化装置および排気浄化方法を提供することである。
本開示の一態様に係る排気浄化装置は、排ガス中の炭化水素を吸蔵する酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側に設けられ、前記排ガス中の粒子状物質を捕集する捕集フィルタと、前記酸化触媒における前記炭化水素の吸蔵量に応じて、前記捕集フィルタに堆積した前記粒子状物質を除去する再生処理の開始タイミングを決定する制御部と、を備える。
本開示の一態様に係る排気浄化方法は、排ガス中の炭化水素を吸蔵する酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側に設けられ、前記排ガス中の粒子状物質を捕集する捕集フィルタと、を備えた装置における排気浄化方法であって、前記酸化触媒における前記炭化水素の吸蔵量に応じて、前記捕集フィルタに堆積した前記粒子状物質を除去する再生処理の開始タイミングを決定する。
本開示によれば、燃費の改善を実現できる。
本開示の実施の形態に係る内燃機関および排気浄化装置を模式的に示す図 本開示の実施の形態に係るＥＣＵの動作のフローを示す図 本開示の実施の形態および比較例それぞれに係るＰＭ堆積量の変化を示す図
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜構成＞
まず、本開示の実施の形態に係る内燃機関１および排気浄化装置１００について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る内燃機関１および排気浄化装置１００を模式的に示す図である。図１において、破線の矢印は、電気信号の流れを示している。
図１に示す内燃機関１および排気浄化装置１００は、例えば車両に搭載される。
内燃機関１は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関１は、４つの気筒２を備えている。各気筒２には、気筒２内への燃料の噴射を行う燃料噴射装置３が設けられている。各燃料噴射装置３の動作は、後述するＥＣＵ１０によって制御される。
また、内燃機関１には、内燃機関１で生じた排ガスが流れる排気管４が接続されている。内燃機関１から排出された排ガスは、図１の左側から右側へ流れる。
排気浄化装置１００は、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）５、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）６、およびＥＣＵ（Electric Control Unit）１０を有する。ＤＯＣ５、ＤＰＦ６は、この順に排気管４に設けられている。
なお、ＤＯＣ５は、「酸化触媒」の一例に相当する。また、ＤＰＦ６は、「捕集フィルタ」の一例に相当する。また、ＥＣＵ１０は、「制御部」の一例に相当する。
ＤＯＣ５は、活性状態である場合、排ガスに含まれるＨＣおよびＣＯを酸化させ、非活性状態である場合、排ガスに含まれるＨＣを吸蔵する。
ＤＰＦ６は、排ガスに含まれるＰＭを捕集する。捕集されたＰＭは、ＤＰＦ６に堆積する。ＤＰＦ６は、例えば、微孔径を有する多孔質セラミック等により形成される。
差圧センサ７は、随時、ＤＰＦ６の上流側圧力と下流側圧力との差圧を検出する。差圧センサ７は、検出した差圧（以下、検出差圧という）を示す信号をＥＣＵ１０へ出力する。
ＥＣＵ１０は、燃料噴射装置３から噴射される燃料の噴射量および噴射タイミングを制御する制御装置である。
図示は省略するが、ＥＣＵ１０は、ハードウェアとして、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有する。本実施の形態で説明するＥＣＵ１０の各機能は、ＣＰＵがＲＯＭから読み出したコンピュータプログラムをＲＡＭ上で実行することにより実現される。
詳細は図２を用いて後述するが、ＥＣＵ１０は、第１噴射パターン、第２噴射パターンをこの順で行うように燃料噴射装置３を制御する。
その際、ＥＣＵ１０は、第１噴射パターンが行われた後でＤＯＣ５におけるＨＣの吸蔵量が所定値（後述する第２閾値）以下となったら、燃料噴射装置３に第２噴射パターンを実行させる。換言すれば、ＥＣＵ１０は、第１噴射パターンが行われた後でＤＯＣ５におけるＨＣの吸蔵量が所定値以下となるまで、燃料噴射装置３に第２噴射パターンを実行させない。
第１噴射パターンおよび第２噴射パターンは、それぞれ、複数回の燃料噴射処理を含む多段噴射処理である。また、第２噴射パターンでは、第１噴射パターンに比べて、燃料噴射処理の回数が多い。第１噴射パターンの実行後に第２噴射パターンを実行する処理は、後述する「再生処理」に相当する。
例えば、第１噴射パターンは、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射を含む。この場合、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射がこの順で行われる。
例えば、第２噴射パターンは、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射を含む。この場合、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射がこの順で行われる。なお、第２噴射パターンは、ポスト噴射の代わりに、排気管４内に直接燃料を噴射する排気管噴射を含んでもよい。
＜動作＞
次に、ＥＣＵ１０の動作について、図２を用いて説明する。図２は、ＥＣＵ１０の動作のフローを示す図である。図２に示フローは、例えば、内燃機関１の始動時に開始される。
まず、ＥＣＵ１０は、再生処理の実行が必要であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。
再生処理とは、ＤＰＦ６に堆積したＰＭを除去してＤＰＦ６を再生させる処理である。
ステップＳ１０１では、例えば、ＥＣＵ１０は、検出差圧が第１閾値以上であるか否かを判定する。
第１閾値は、再生処理を実行する必要があると判断可能な差圧の下限値である。第１閾値は、予め実施された実験またはシミュレーションの結果に基づいて設定される。
検出差圧が第１閾値以上ではない場合、ＥＣＵ１０は、再生処理の実行が必要ではないと判定する（ステップＳ１０１：ＮＯ）。この場合、フローはステップＳ１０１へ戻る。そして、ＥＣＵ１０は、再度、検出差圧が第１閾値以上であるか否かを判定する。
一方、検出差圧が第１閾値以上である場合、ＥＣＵ１０は、再生処理の実行が必要であると判定し（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、燃料噴射装置３に第１噴射パターンを実行させる（ステップＳ１０２）。これにより、燃料噴射装置３は、第１噴射パターンを実行する。
第１噴射パターンが実行された後、ＥＣＵ１０は、ＤＯＣ５におけるＨＣの吸蔵量（以下、ＨＣ吸蔵量という）が第２閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。この判定により、第２噴射パターンの開始タイミングが決定される。
第２閾値は、ＤＯＣ５に吸蔵されたＨＣが燃焼したときに生じる急激な温度上昇によりＤＯＣ５が破損しないとされるＨＣ吸蔵量の上限値である。この第２閾値は、予め実施された実験またはシミュレーションの結果に基づいて設定される。第２閾値は、「予め設定された吸蔵量」の一例に相当する。
ＨＣ吸蔵量は、公知の方法を用いて算出することができる。例えば、ＤＯＣ５に対するＨＣ供給量からＨＣ消費量を減算してＨＣ吸蔵量を算出する方法がある。
ＨＣ供給量は、例えば、燃料噴射装置３の燃料噴射量およびＤＯＣ５の温度に基づいて、所定の関数またはマップによって求めることができる。ＤＯＣ５の温度は、図示しないセンサ等により検出できる。
ＨＣ消費量は、排ガスの流量、ＤＯＣ５の温度、ＨＣ堆積量に基づいて、所定の関数またはマップによって求めることができる。ＮＯｘ排出量は、燃料噴射装置３の燃料噴射量に基づいて算出できる。
なお、ＨＣ吸蔵量の算出方法は、上記以外の公知の方法であってもよい。
また、ＥＣＵ１０自身がＨＣ吸蔵量を算出してもよいし、ＥＣＵ１０が、他の装置（例えば、他のＥＣＵ）で算出されたＨＣ吸蔵量を示す情報を受け取ってもよい。
以下、図２の説明に戻る。
ＨＣ吸蔵量が第２閾値以下ではない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、ＥＣＵ１０は、再度、ＨＣ吸蔵量が第２閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。
一方、ＨＣ吸蔵量が第２閾値以下である場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１０は、燃料噴射装置３に第２噴射パターンを実行させる（ステップＳ１０４）。これにより、燃料噴射装置３は、第２噴射パターンを実行する。なお、第２噴射パターンの開始タイミングは、ＨＣ吸蔵量が第２閾値以下となった時点でもよいし、その時点よりも所定時間が経過した時点でもよい。
＜作用効果＞
次に、本実施の形態の作用効果について、図３を用いて説明する。図３は、本開示の実施の形態および比較例それぞれに係るＰＭ堆積量（ＤＰＦに堆積したＰＭの量）の変化を示す図である。図３において、横軸は経過時間を示しており、縦軸はＰＭ堆積量を示している。
まず、比較例について説明する。図３の破線は、比較例のＰＭ堆積量の変化を示している。なお、ここでは、比較例に係る排気浄化装置の構成が、図１に示す構成と同様であるとして説明する。
比較例では、例えばＨＣ吸蔵量が第２閾値に到達した場合、第１噴射パターンが実行される。これは、ＨＣ吸蔵量が第２閾値より大きくなった場合に第１噴射パターンが実行されると、多量のＨＣの燃焼により急激に温度が上昇し、ＤＯＣが破損してしまうためである。図３に示すタイミングＴ１は、第１噴射パターンの開始タイミングである。
燃料噴射装置３により第１噴射パターンが実行されると、ＤＯＣ５に燃料が供給される。これにより、ＤＯＣ５は発熱し、ＤＯＣ５に吸蔵されたＨＣは燃焼する。よって、ＨＣ吸蔵量が減少する（図示略）。一方で、図３のタイミングＴ１以降の破線に示すように、ＰＭ堆積量は減少しない。
第１噴射パターンが終了すると、続いて第２噴射パターンが実行される。図３に示すタイミングＴ２は、第２噴射パターンの開始タイミングである。
燃料噴射装置３により第２噴射パターンが実行されると、ＤＯＣ５に燃料が供給される。これにより、ＤＯＣ５は発熱し、ＤＯＣ５を通過する排ガスの温度が上昇する。そして、高温となった排ガスがＤＰＦ６に供給されると、ＤＰＦ６に堆積したＰＭが燃焼する。これにより、図３のタイミングＴ２以降の破線に示すように、ＰＭ堆積量が減少する。
上述した一連の動作は、繰り返し行われる。図３に示すタイミングＴ３は、第１噴射パターンの開始タイミングであり、図３に示すタイミングＴ４は、第２噴射パターンの開始タイミングである。
次に、本実施の形態について説明する。図３の実線は、本実施の形態のＰＭ堆積量の変化を示している。
上述したとおり、本実施の形態では、検出差圧が第１閾値以上である場合に第１噴射パターンが実行される。図３に示すタイミングｔ１は、第１噴射パターンの開始タイミングである。
燃料噴射装置３により第１噴射パターンが実行されると、上述した比較例と同様に、ＤＯＣ５の発熱によりＤＯＣ５に吸蔵されたＨＣは燃焼し、ＨＣ吸蔵量が減少する（図示略）。一方で、図３のタイミングｔ１以降の実線に示すように、ＰＭ堆積量は減少しない。
本実施の形態では、タイミングｔ１以降において、ＨＣ吸蔵量が第２閾値以下になったか否かが判定される。判定の結果、ＨＣ吸蔵量が第２閾値以下になった場合、第２噴射パターンが実行される。図３に示すタイミングｔ２は、第２噴射パターンの開始タイミングである。
このように、本実施の形態では、タイミングｔ１以降において、ＨＣ吸蔵量が第２閾値以下になるまで第２噴射パターンを実行しないようにする。この理由は、上述した比較例と同様に、多量のＨＣの燃焼により急激に温度が上昇することによって、ＤＯＣ５が破損することを防ぐためである。
また、第２噴射パターンをＨＣ吸蔵量が第２閾値以下になってから実行することにより、第１噴射パターンおよび第２噴射パターンの実行回数を削減することができる。例えば、図３に示すように、同じ経過時間で見た場合の第１噴射パターンおよび第２噴射パターンの実行回数は、比較例では２回ずつであるが、本実施の形態では１回ずつである。よって、本実施の形態では、第１噴射パターンおよび第２噴射パターンで噴射される燃料の量を削減することができ、燃費の改善を実現できる。
以上、本開示の実施の形態について説明したが、本開示は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、本実施の形態では、燃料が気筒２内へ噴射される場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、燃料は、排気管４内に噴射されてもよい。
また、例えば、本実施の形態では、検出差圧が第１閾値以上であるときに第１噴射パターンが実行される場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、公知の方法を用いてＤＰＦ６のＰＭ堆積量を算出し、その算出値が予め設定された閾値以上である場合に第１噴射パターンが実行されてもよい。
本開示の排気浄化装置および排気浄化方法は、内燃機関から排出される排ガスの浄化に有用である。
１ 内燃機関
２ 気筒
３ 燃料噴射装置
４ 排気管
５ ＤＯＣ
６ ＤＰＦ
７ 差圧センサ
１０ ＥＣＵ
１００ 排気浄化装置

Claims (4)

  1. 排ガス中の炭化水素を吸蔵する酸化触媒と、
    前記酸化触媒よりも下流側に設けられ、前記排ガス中の粒子状物質を捕集する捕集フィルタと、
    前記酸化触媒における前記炭化水素の吸蔵量に応じて、前記捕集フィルタに堆積した前記粒子状物質を除去する再生処理の開始タイミングを決定する制御部と、を備える、
    排気浄化装置。
  2. 前記制御部は、
    前記再生処理の実行が必要である場合、複数回の燃料噴射処理を含む第１噴射パターンを燃料噴射装置に実行させ、
    前記第１噴射パターンの開始後に、前記炭化水素の吸蔵量が予め設定された吸蔵量以下になった場合、前記第１噴射パターンよりも燃料噴射処理の回数が多い第２噴射パターンを前記燃料噴射装置に実行させる、
    請求項１に記載の排気浄化装置。
  3. 前記第１噴射パターンは、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、および、アフタ噴射を含み、
    前記第２噴射パターンは、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、および、ポスト噴射または排気管噴射を含む、
    請求項２に記載の排気浄化装置。
  4. 排ガス中の炭化水素を吸蔵する酸化触媒と、
    前記酸化触媒よりも下流側に設けられ、前記排ガス中の粒子状物質を捕集する捕集フィルタと、を備えた装置における排気浄化方法であって、
    前記酸化触媒における前記炭化水素の吸蔵量に応じて、前記捕集フィルタに堆積した前記粒子状物質を除去する再生処理の開始タイミングを決定する、
    排気浄化方法。
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