JP4013801B2

JP4013801B2 - ディーゼルエンジン用排気浄化装置

Info

Publication number: JP4013801B2
Application number: JP2003077734A
Authority: JP
Inventors: 季明井上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP2004285882A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、エンジンの排気浄化装置に関し、特に、ディーゼルエンジンから排出されるディーゼルパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタの再生処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排気ガス中にはカーボン粒子を主とする微粒子（ディーゼルパティキュレート）が含まれているため、ディーゼルエンジンのなかには排気通路に微粒子を捕集するフィルタを設け、微粒子が大気中に放出されないようにしたものがある。このようなディーゼルエンジンでは、フィルタに捕集されている微粒子の量が多くなるとフィルタの捕集能力が低下してくるので、捕集量が多くなってきた場合は適当なタイミングで捕集されている微粒子を燃焼させ、フィルタを再生する必要がある。
【０００３】
特許文献１では、各気筒の排気ポートにフィルタを設けて排気中の微粒子を捕集し、捕集されている微粒子が増大しフィルタを再生させる必要が生じた場合は、排気絞り弁により排気流量を絞る、各気筒の膨張行程に燃料噴射を行う等により排気温度を上昇させ、フィルタに捕集されている微粒子を燃焼させている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１７９３２６
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、排気温度を上昇させてフィルタに捕集されている微粒子を燃焼させているものの、フィルタが完全に再生されたかどうかがわからないため、フィルタの再生処理が必要以上に長く行われて燃料消費量が増大したり、あるいは逆に、フィルタの再生が不十分のまま再生処理が終了してしまう可能性があった。また、排気温度がモニタできないために、フィルタの温度がその許容温度を超えて上昇した場合にはフィルタが劣化する可能性もあった。
【０００６】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであり、短時間かつ最小限の燃料消費でフィルタの再生処理を行うことができるようにすることを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明に係るディーゼルエンジン用排気浄化装置は、エンジンに接続されてエンジンの排気が流通する排気通路と、酸化触媒を有し、前記排気通路の途中に設けられてエンジンの排気中に含まれる微粒子を捕集し蓄積するフィルタと、フィルタ上流の排気中に燃料を追加的に噴射する追加燃料噴射装置とを備える。フィルタに蓄積された微粒子を燃焼させる際、第１の燃料噴射量で燃料が排気中に供給されるように追加燃料噴射装置を制御し、第１の燃料噴射量で燃料が排気中に供給された後のフィルタにおける圧力損失の変化速度に応じて第２の燃料噴射量を設定し、設定された第２の燃料噴射量で燃料が排気中に噴射されるように追加燃料噴射装置を制御する。
【０００８】
【作用及び効果】
フィルタに蓄積されている微粒子を燃焼させてフィルタの捕集能力を再生させる必要があるときは、フィルタ上流の排気中に燃料を追加的に噴射し、酸化触媒上で生じる酸化反応の反応熱で微粒子を燃焼処理する。この際、本発明によれば、第１の燃料噴射量で燃料が噴射され、第１の燃料噴射量で燃料を噴射した後のフィルタでの圧力損失の変化速度に応じてその後の燃料噴射量（第２の燃料噴射量）が設定される。
【０００９】
フィルタ上流に燃料を噴射した後のフィルタにおける圧力損失の変化速度が蓄積されている微粒子の量に応じて変化することから、フィルタにおける圧力損失の変化速度に応じてその後の燃料噴射量を設定すれば蓄積されている微粒子の量に対応した燃料噴射量を設定することができ、再生処理に要する燃料の総量を減らしつつ再生処理に要する時間を短縮することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る排気浄化装置を備えたディーゼルエンジン１の概略構成を示しており、車両に搭載されている。エンジン１はいわゆるコモンレール方式のディーゼルエンジンである。図示しない燃料タンクから供給される燃料は、高圧燃料噴射ポンプ２によりコモンレール３に圧送され、これによってコモンレール３内に蓄えられた高圧の燃料は所定のタイミングで各インジェクタ４から各気筒５に噴射される。
【００１２】
エンジン１の排気は排気マニホールド６を通って排気管７に流入し、ディーゼルパティキュレートフィルタ８（以下、単にフィルタ）を通って大気に排出される。フィルタ８はセラミック、金属製不織布等の耐熱性を有する多孔質の材料から形成されており、排気が流れる互いに連通しない多数の細長い流路を有している。また、フィルタ８は酸化触媒を有しており、酸化触媒は例えばフィルタ８と一体的に設けられている。エンジン１の排気がフィルタ８に流入すると、フィルタ８は排気に含まれているカーボン粒子を主とする微粒子（ディーゼルパティキュレート）を捕集し、捕集された微粒子はフィルタ８内に蓄積される。
【００１３】
フィルタ８の上流には排気中に燃料を追加的に噴射、供給する追加燃料インジェクタ１０（追加燃料噴射装置）、二次空気を供給する二次エアーポンプ１１（二次空気供給装置）が取り付けられていて、フィルタ８の再生処理を行う際には、追加燃料インジェクタ１０から追加燃料が排気中に噴射されるとともに、二次エアーポンプ１１から排気中に二次空気が供給される。「追加的に」というのはインジェクタ４から噴射される燃料に加えてという意味である。供給された追加燃料と二次空気はフィルタ８が有する酸化触媒上で酸化反応を起こし、この反応熱によってフィルタ８に蓄積されている微粒子が燃焼処理される。
【００１４】
また、フィルタ８にはフィルタ８における圧力損失を検出するセンサとして、フィルタ８の上流側圧力と下流側圧力との差圧ΔPを検出する差圧センサ２４が取り付けられている。ここでは差圧センサ２４はフィルタ８の上流側と下流側を連通する通路３０に取り付けられる単一のセンサで構成されるが、フィルタ８の上流側と下流側にそれぞれ圧力センサを取り付け、検出された上流側圧力から下流側圧力を減じて差圧ΔPを求めるようにしても良い。
【００１５】
エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵ）２０には、エンジン１の吸入空気量を検出するエアフローメータ２１、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ２２、運転者によるアクセルペダルの操作量を検出するアクセル操作量センサ２３からの信号等、車両の運転状態を示す信号が入力され、入力された信号に基づき高圧燃料噴射ポンプ２、インジェクタ４を駆動し、エンジン１の燃料噴射制御を行う。さらに、ＥＣＵ２０には差圧センサ２４からの信号も入力され、フィルタ８の状態を判断するのに用いられる。
【００１６】
ＥＣＵ２０はフィルタ８の再生処理の要否を判断し、フィルタ８の再生処理が必要であると判断した場合には追加燃料インジェクタ１０、二次エアーポンプ１１を駆動して排気中に追加燃料と二次空気を供給し、酸化触媒上で起こる酸化反応の反応熱を利用して蓄積されている微粒子を燃焼させ、フィルタ８を再生させる。
【００１７】
以下、ＥＣＵ２０が行うフィルタ８の再生処理について図２に示すフローチャートを参照しながら詳しく説明する。
【００１８】
まず、ステップＳ１では、フィルタ８の再生処理を前回実行したときからの経過時間に基づき再生処理が必要かどうか判断する。前回の再生処理実行時からの経過時間に基づき判断するのは、前回実行時からの経過時間が長くなるほどフィルタ８に蓄積されている微粒子の量も増大するからである。具体的には、再生処理を前回実行したときからの経過時間をみて、前回実行時からの経過時間が所定時間を超えている場合にフィルタ８の再生処理が必要であると判断しステップＳ２に進む。前回実行時からの経過時間が所定時間を超えていない場合はそのまま終了する。
【００１９】
なお、再生処理の要否は他の方法で判断するようにしても良く、例えば、フィルタ８における圧力損失、すなわち差圧センサ２４で検出されるフィルタ８の上流側圧力と下流側圧力との差圧ΔPに基づき判断するようにしてもよい。フィルタ８における圧力損失が大きくなるほどフィルタ８に微粒子が蓄積しており、その目詰まりが進行していることから再生処理の要否を判断できる。
【００２０】
ステップＳ２ではフィルタ８の再生処理を開始する。再生処理では、フィルタ８に流入する排気に向けて追加燃料インジェクタ１０から追加燃料を噴射し、二次エアーポンプ１１から排気中に二次空気を供給する。追加燃料インジェクタ１０から噴射される燃料の量INJVOLは所定の初期値INJVOL0（第１の燃料噴射量）に設定され、二次エアーポンプから供給される二次空気の供給量EXHAIRは初期値EXHAIR0に設定される。初期値INJVOL0、EXHAIR0はそれぞれ再生処理開始後早い時期に再生処理の効果が現れるよう比較的大きな値に設定される。
【００２１】
ステップＳ３ではステップＳ２で設定された追加燃料噴射量INJVOL、二次空気供給量EXHAIRが実現されるように追加燃料インジェクタ１０、二次エアーポンプ１１をそれぞれ制御する。
【００２２】
ステップＳ４では差圧センサ２４で検出される差圧ΔP[mbar]が第１のしきい値ΔPth1[mbar]よりも小さいかどうかを判断する。第１のしきい値ΔPth1は、例えば、再生処理開始前の差圧ΔP0よりも小さく後述する第２のしきい値ΔPth2よりも大きい値（ΔPth1＝ΔP0−α＞ΔPth2）に設定される。差圧ΔPが第１のしきい値ΔPth1よりも小さい場合はステップＳ５に進み、そうでない場合はステップＳ２、Ｓ３に戻って燃料噴射量INJVOL0、二次空気供給量EXHAIR0のまま追加燃料の噴射と二次空気の供給を継続する。
【００２３】
ステップＳ５では、差圧センサ２４で検出される差圧ΔPの変化速度DIFPRE[mbar/sec]（フィルタ８における圧力損失の変化速度）を演算し、変化速度DIFPREに基づき図３に示すテーブルを参照して追加燃料インジェクタ１０から噴射する追加燃料の量INJVOL（第２の燃料噴射量）、二次エアーポンプ１１から供給する二次空気の量EXHAIRを設定する。差圧ΔPの変化速度DIFPREは例えば単位時間当たりの差圧ΔPの変化量とすることができる。
【００２４】
ここで追加燃料噴射量INJVOL、二次空気供給量EXHAIRは、差圧変化速度DIFPREが大きいほど大きな値に設定される。これは、差圧変化速度DIFPREが大きいほどフィルタ８に蓄積されている微粒子の量が多いと考えられ、蓄積されている微粒子を効果的に燃焼処理するためには燃料、空気の量も増大させる必要があるからである。なお、図３のテーブルの具体的な数値は実験結果等に基づき最適な値が設定される。
【００２５】
ステップＳ６ではステップＳ５で設定された追加燃料噴射量INJVOL、二次空気供給量EXHAIRが実現されるように追加燃料インジェクタ１０、二次エアーポンプ１１をそれぞれ制御する。
【００２６】
ステップＳ７では差圧センサ２４で検出される差圧ΔPが第２のしきい値ΔPth2[mbar]まで低下したかどうかを判断する。第２のしきい値ΔPth2はフィルタ８が十分に再生されたと判断できる値、例えば、フィルタ８に目詰まりがない場合に生じる差圧に略等しい値に設定される。差圧ΔPが第２のしきい値ΔPth2まで低下した場合はフィルタ８に蓄積されていた微粒子はほぼ燃焼処理されたと判断し、ステップＳ８に進んで追加燃料噴射量INJVOL、二次空気供給量EXHAIRをそれぞれゼロに設定して追加燃料と二次空気の供給を停止させ、再生処理を終了する。なお、このとき、次回の再生処理を実行するタイミングを判断するために、再生処理実行時からの経過時間を計測するタイマを起動させる。
【００２７】
差圧センサ２４で検出される差圧ΔPが第２のしきい値ΔPth2まで低下するまでは、ステップＳ６に戻って再生処理が継続され、追加燃料の噴射と二次空気の供給が継続される。
【００２８】
図４はフィルタ８の再生処理実行時の様子を示したタイムチャートである。図４の上段はフィルタ８の入口温度及び出口温度の推移、中段は追加燃料噴射量の推移、下段はフィルタ８における圧力損失（＝フィルタの上流側圧力と下流側圧力との差圧ΔP）を示している。また、破線は追加燃料、二次空気ともに供給し、追加燃料噴射量、二次空気供給量を差圧変化速度に応じて設定した場合（本発明を適用した場合）を示し、一点鎖線は一定量の追加燃料を継続して噴射する場合（本発明を適用しない場合）を示している。
【００２９】
これに示されるように、本発明を適用した場合は、再生処理を開始してフィルタ８における圧力損失が第１の所定値まで低下したら、追加燃料噴射量及び二次空気供給量が減らされるのであるが、その際、追加燃料噴射量及び二次空気供給量は圧力損失の変化速度に応じて設定される。そして、その後、さらに圧損が第２の所定値まで低下したら追加燃料の噴射及び二次空気の供給が停止され、再生処理が終了する。
【００３０】
追加燃料と二次空気が混合されて酸化触媒上での酸化反応が促進されることから、本発明を適用しない場合よりも早い時期からフィルタ８に蓄積されている微粒子の燃焼が開始され、フィルタ８から流出する排気の温度が上昇することになる。特に、追加燃料噴射量、二次空気供給量を再生処理の進行度合いに応じて段階的に減少させたことにより、再生処理に要する追加燃料の総量を本発明を適用しない場合に比べて大幅に減少させることができ、燃料の消費量を抑えて車両の燃費を向上させることができる。また、再生処理をより短時間のうちに終了させることが可能になる。
【００３１】
なお、上記実施形態では再生処理時に追加燃料と二次空気を差圧変化速度に応じて供給しているが、この処理を簡略化し、追加燃料のみを差圧変化速度に応じて供給し、追加燃料噴射量を再生処理の進行度合いに応じて段階的に減少させるようにしてもよい。図４に併せて描かれている実線は本発明の一部変更例を示し、追加燃料のみ供給し、追加燃料噴射量を差圧変化速度に応じて設定する場合を示している。
【００３２】
この場合、再生処理の効率は若干落ちるものの、本発明を適用しない場合に比べれば再生処理に要する燃料の総量を抑えることができ、再生処理に要する時間も短縮することができる。また、この構成によれば二次エアーポンプ１１が不要になるので、装置構成、制御内容を簡略化しつつ再生処理の効率を上げたい場合に有用である。
【００３３】
上記したように、本発明に係るディーゼルエンジン用排気浄化装置は、エンジンに接続されてエンジンの排気が流通する排気通路（排気マニホールド６、排気管７）と、酸化触媒を有し、排気通路の途中に設けられてエンジンの排気中に含まれる微粒子を捕集し蓄積するフィルタ（フィルタ８）と、フィルタ上流の排気中に燃料を追加的に噴射する追加燃料噴射装置（追加燃料噴射インジェクタ１０）とを備え、フィルタに蓄積された微粒子を燃焼させる際、第１の燃料噴射量で燃料が排気中に供給されるように追加燃料噴射装置を制御し（ステップＳ２、Ｓ３）、第１の燃料噴射量で燃料が排気中に供給された後のフィルタにおける圧力損失の変化速度に応じて第２の燃料噴射量を設定し（ステップＳ５）、設定された第２の燃料噴射量で燃料が排気中に噴射されるように追加燃料噴射装置を制御する（ステップＳ６）。
【００３４】
フィルタ上流に燃料を供給したときの圧力損失の変化速度はフィルタに蓄積されている微粒子の量に応じて変化することから、本発明によれば、フィルタに蓄積されている微粒子を燃焼処理する際に排気中に供給される燃料の量を最適化することができ、再生に要する燃料の総量を抑えつつ、再生処理に要する時間も短縮することができる。再生処理が必要以上に継続されて、フィルタの温度がその許容温度を超えて上昇したり、排気性能が悪化することもない。
【００３５】
第２の燃料噴射量は、例えば、第１の燃料噴射量で燃料を供給した後のフィルタでの圧力損失の変化速度が大きいほど大きく設定される。これは、フィルタにおける圧力損失の変化速度が大きいほどフィルタに蓄積されている微粒子の量も多く、これを燃焼処理するためにはより多くの燃料が必要されるからである。
【００３６】
また、本発明に係るディーゼルエンジン用排気浄化装置は、フィルタ上流の排気中に空気を供給する二次空気供給装置（二次エアーポンプ１１）をさらに備えており、制御装置はフィルタに蓄積された微粒子を燃焼させる際、第１の燃料噴射量で燃料を供給した後のフィルタでの圧力損失の変化速度に応じて空気供給量を設定し（ステップＳ５）、設定された空気供給量の空気が排気中に供給されるように二次空気供給装置を制御する（ステップＳ６）。これにより、排気中に噴射された追加燃料の燃焼が促進され、フィルタに蓄積された微粒子の燃焼も促進されるので、より少ない燃料量でより短時間のうちに再生処理を行うことができる。
【００３７】
空気供給量は、例えば、第１の燃料噴射量で燃料を供給した後のフィルタでの圧力損失の変化速度が大きいほど大きく設定される。これは、フィルタでの圧力損失の変化速度に応じて追加燃料の噴射量が設定されることに対応させたものであり、これによって追加燃料に必要な空気を過不足なく供給することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施形態は本発明を説明するためのものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態は当業者にとって自明な範囲で種々の変更が可能であり、例えば、ここでは車両用ディーゼルエンジンを例にとって説明したが、本発明は車両用に限らず、ディーゼルエンジンに広く適用可能なものである。また、適用可能なディーゼルエンジンの種類も上記したコモンレール式のディーゼルエンジンに限定されるものではない。さらに、フィルタ上流に追加燃料、二次空気を供給する構成も図１に示した構成以外の構成であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンの概略構成図である。
【図２】エンジンコントロールユニットが行うディーゼルパティキュレートフィルタの再生処理の内容を示したフローチャートである。
【図３】フィルタにおける圧力損失に応じて追加燃料噴射量、二次空気供給量を設定するためのテーブルである。
【図４】本発明の作用を説明するためのタイムチャートであり、フィルタの再生処理を行っているときのフィルタの入口温度及び出口温度、追加燃料噴射量、フィルタにおける圧力損失の変化を示す。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン
２高圧燃料噴射ポンプ
３コモンレール
４インジェクタ
６排気マニホールド
７排気管
８ディーゼルパティキュレートフィルタ（フィルタ）
１０追加燃料インジェクタ（追加燃料噴射装置）
１１二次エアーポンプ（二次空気供給装置）
２０エンジンコントロールユニット（制御装置）
２４差圧センサ

Claims

エンジンに接続されて前記エンジンの排気が流通する排気通路と、
酸化触媒を有し、前記排気通路の途中に設けられて前記エンジンの排気中に含まれる微粒子を捕集し蓄積するフィルタと、
前記フィルタ上流の排気中に燃料を噴射する追加燃料噴射装置と、
前記フィルタに蓄積された微粒子を燃焼させる際、第１の燃料噴射量で燃料が排気中に供給されるように前記追加燃料噴射装置を制御する手段と、
前記第１の燃料噴射量で燃料が排気中に供給された後の前記フィルタにおける圧力損失の変化速度に応じて第２の燃料噴射量を設定する手段と、
設定された第２の燃料噴射量で燃料が排気中に噴射されるように前記追加燃料噴射装置を制御する手段と、
を備えたことを特徴とするディーゼルエンジン用排気浄化装置。
前記第１の燃料噴射量で燃料が噴射された後の前記フィルタでの圧力損失の変化速度が大きいほど前記第２の燃料噴射量を大きく設定することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン用排気浄化装置。
前記フィルタ上流の排気中に空気を供給する二次空気供給装置と、
前記フィルタに蓄積された微粒子を燃焼させる際、前記第１の燃料噴射量で燃料が噴射された後の前記フィルタでの圧力損失の変化速度に応じて空気供給量を設定する手段と、
設定された空気供給量で空気が排気中に供給されるように前記二次空気供給装置を制御する手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のディーゼルエンジン用排気浄化装置。
前記第１の燃料噴射量で燃料が噴射された後の前記フィルタでの圧力損失の変化速度が大きいほど空気供給量を大きく設定することを特徴とする請求項３に記載のディーゼルエンジン用排気浄化装置。