JP4293891B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気管の途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ないため、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。

即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。

ただし、この種のパティキュレートフィルタにおいては、排気温度の低いアイドリング状態が長く継続した場合に触媒床温度が低下して活性が下がり、排気ガス中に含まれる未燃燃料の炭化水素がパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化処理しきれずに徐々に溜まってしまうので、長時間のアイドリング状態を経た後に車両が走行を開始して排気温度が上昇した際に、パティキュレートフィルタに溜まった炭化水素が急激に酸化反応を起こして白煙を生じる虞れがあることが懸念されている。

因みに、このようにアイドリング状態が長く継続してしまうような事態としては、例えば、長距離輸送トラックが高速道路等のパーキングでエンジンをかけたまま休憩（仮眠）している場合（冷房等の空調を作動させ続けたい場合）等が想定される。

そして、前述した如きアイドリング状態が長く継続した後の走行開始時における排気ガスの白煙化の対策としては、所定時間以上のアイドリング状態の継続が確認された時に、パティキュレートフィルタより上流側で排気ガスを所定温度以上に昇温する排気昇温手段を作動させ、アイドリング状態が長く継続して大量の炭化水素がパティキュレートフィルタに溜まる前に炭化水素を酸化処理してしまうという昇温制御を用いたものが既に提案されている（例えば先行出願１「特願２００２−８８５０８号明細書」、先行出願２「特願２００２−２９６１７３号明細書」参照）。

また、このようにアイドリング状態で自動的に昇温制御をかけて走行再開時の白煙発生を防止するとした場合、従来においては、パティキュレートフィルタの触媒床温度の代用値として排気温度を計測する温度センサを装備し、その検出温度が目標温度以上となってから一定時間が経過した時に、パティキュレートフィルタの炭化水素が全て酸化処理され尽くしたものと看做して排気昇温手段の作動を完了することが検討されている。

しかしながら、温度センサの検出温度が目標温度に達していない条件下でも、パティキュレートフィルタ内で炭化水素の酸化処理は緩慢に進行しているので、外気温度の変化等の外乱により排気温度が変化して、目標温度に到達するまでの時間にバラツキが生じてしまうと、目標温度に到達した時点での炭化水素の残存量が異なり、目標温度に到達するまでに長く時間を要する冬期等では、既に目標温度に到達した時点で炭化水素の残存量がかなり減ってきているにもかかわらず、そこから更に必要以上の一定時間（夏期でも確実に炭化水素を酸化処理し尽くせる設定時間の場合）に亘り排気昇温手段が作動されて燃費の悪化を招く虞れがあった。

また、温度センサの検出温度が目標温度に達している条件下でも、その温度が高ければ高いほど酸化触媒による反応速度も高まっているので、単純に目標温度に到達してから一定時間をかけて炭化水素を酸化処理するというだけでは、実際の炭化水素の処理状態に対応した昇温制御が実行されることにはならず、既に炭化水素が酸化処理し尽くされているのに無駄な排気昇温手段の作動が継続されて燃費の悪化を招くケースも考えられた。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、実際の状態に近い正確な炭化水素処理量を把握して排気昇温手段の作動完了の時期を適切に判定し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気管の途中に装備された触媒再生型のパティキュレートフィルタと、該パティキュレートフィルタより上流側で排気ガスを所定温度以上に昇温する排気昇温手段と、アイドリング状態の継続が所要の待機時間以上続いた時に前記排気昇温手段を所要の作動時間だけ作動せしめる制御装置とを備えた排気浄化装置であって、外気温度を検出する温度センサと、パティキュレートフィルタの触媒床温度を推定する温度推定手段とを備え、前記温度センサの検出温度に基づき待機時間を決定すると共に、前記排気昇温手段の作動後に前記温度推定手段の推定温度に基づき温度帯ごとに設定されている単位時間当たりの炭化水素処理量を時々刻々積算し且つその積算値が目標値以上となった時に前記排気昇温手段の作動完了を判定して作動時間を決定するように前記制御装置を構成したことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、温度センサの検出温度に基づいて決定された待機時間以上のアイドリング状態の継続が制御装置で確認された時に排気昇温手段が作動される一方、該排気昇温手段の作動後に検出された温度推定手段の推定温度が属する温度帯での単位時間当たりの炭化水素処理量が時々刻々積算され、その積算値が目標値以上となった時に前記排気昇温手段の作動完了が判定されるので、外気温度の変化等の外乱により排気温度が変化しても、実際の状態に近い正確な炭化水素処理量が把握されて排気昇温手段の作動完了の時期が適切に判定され、既に炭化水素が全て酸化処理され尽くしている状況下での無駄な排気昇温手段の作動継続が回避されることになる。

更に、本発明をより具体的に実施するに際しては、例えば、パティキュレートフィルタの触媒床温度の代用値として排気温度を計測する温度センサを温度推定手段として採用すれば良い。

また、エンジンの各気筒に対し燃料を噴射する燃料噴射装置を排気昇温手段として採用し、該燃料噴射装置に対し通常のアイドリング時より回転数を上げるべくメイン噴射の一回当たりの噴射量を増加し且つ該メイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を追加する燃料噴射指令が昇温制御指令として制御装置から出力されるように構成することが可能である。

このようにすれば、メイン噴射の一回当たりの噴射量が増加されて回転数が上げられることによりエネルギー投入量が増えて排気温度の上昇が図られ、しかも、アフタ噴射による燃料が出力に転換され難いタイミングで燃焼することによりエンジンの熱効率が下がり、燃料の発熱量のうちの動力に利用されない熱量が増えて排気温度の上昇が図られることになる。

また、斯かる燃料噴射装置を排気昇温手段として採用した場合には、排気流量を適宜に絞り込む排気絞り手段を排気昇温手段として併用することが好ましく、このようにすれば、前述したエンジン側における回転数の上昇とアフタ噴射の追加に併せて排気絞り手段により排気流量が絞り込まれる結果、その上流側の排気ガスが昇温されることで排気温度が上昇されると共に、排気抵抗が高まることにより気筒内に比較的温度の低い吸気が流入し難くなって比較的温度の高い排気ガスの残留量が増加し、この比較的温度の高い排気ガスを多く含む気筒内の空気が次の圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも更なる排気温度の上昇が図られることになる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、実際の状態に近い正確な炭化水素処理量を把握できて、排気昇温手段の作動完了の時期を適切に判定することができるので、常に必要な作動時間だけで排気昇温手段による昇温制御を完了することができ、アイドリング時に昇温制御をかけることによる燃費の悪化を必要最小限に抑制することができるという優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

更に、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。

また、この排気管１１の途中には、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１２が装備されており、図２に拡大して示す如く、このパティキュレートフィルタ１２は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路１２ａの入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１２ａについては、その出口が目封じされるようになっており、各流路１２ａを区画する多孔質薄壁１２ｂを透過した排気ガス９のみが下流側へ排出されるようにしてある。

更に、パティキュレートフィルタ１２の直前位置には、該パティキュレートフィルタ１２に捕集されるパティキュレートの燃焼除去を助勢するためのフロースルー型の酸化触媒１３が配置されており、図３に拡大して示す如く、この酸化触媒１３は、前後方向に開通する多数の流路１３ａ（セル）がセル壁１３ｂにより画定されたハニカム構造を有している。

そして、この前段の酸化触媒１３とパティキュレートフィルタ１２との間には、前段の酸化触媒１３を通過してパティキュレートフィルタ１２に入る排気ガス９の温度を触媒床温度の代用値として計測する温度センサ１４（パティキュレートフィルタ１２の触媒床温度を推定する温度推定手段）が装備されており、該温度センサ１４の温度信号１４ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１５に対し入力されるようになっている。

この制御装置１５は、エンジン制御コンピュータを兼ねていることから燃料の噴射に関する制御も担うようになっており、より具体的には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１６（負荷センサ）からのアクセル開度信号１６ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１７からの回転数信号１７ａとに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒８に燃料を噴射する燃料噴射装置１８に向け燃料噴射信号１８ａが出力されるようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置１８は、各気筒８毎に装備される複数のインジェクタ１９により構成されており、これら各インジェクタ１９の電磁弁が前記燃料噴射信号１８ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量が適切に制御されるようになっている。

また、吸気管５におけるエアクリーナ３とコンプレッサ２ａとの間には、吸気４の温度を外気温度として計測する温度センサ２０が装備されており、該温度センサ２０の検出信号２０ａも前記制御装置１５に対し入力されるようになっている。

そして、前記制御装置１５では、アクセル開度信号１６ａ及び回転数信号１７ａに基づいて通常モードの燃料噴射信号１８ａが決定されるようになっている一方、後述するアイドリング判定手段によりアイドリング状態が確認されている条件下において、前記温度センサ２０の検出温度に基づき待機時間Ａ（図４参照：１〜２時間程度）を決定すると共に、前記温度センサ１４の検出温度に基づき作動時間Ｂ（図４参照）を決定して間欠的に通常モードから昇温モードへの切り替えを行い、この昇温モードに切り替わった際には、図４に示す如く、通常のアイドリング時（約４５０ｒｐｍ程度）より回転数を上げる制御（１０００ｒｐｍ程度）を実行するべく圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われていたメイン噴射の一回当たりの噴射量を増加すると共に、該メイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を追加するような噴射パターンの燃料噴射信号１８ａ（燃料噴射指令）が出力されるようになっている。

ここで、前記制御装置１５においては、温度センサ１４の検出温度に基づき作動時間Ｂを決定するにあたり、通常モードから昇温モードへの切り替わった後に、前記温度センサ１４の検出温度に基づき温度帯ごとに設定されている単位時間当たりの炭化水素処理量が時々刻々積算され、その積算値が目標値以上となった時に昇温モードの終了（排気昇温手段の作動完了）が判定されて作動時間Ｂの決定が成されるようにしてある。

即ち、図５にグラフで示している通り、パティキュレートフィルタ１２の触媒床温度に対する炭化水素の酸化処理の反応速度は予備実験等により予め把握しておくことができるので、温度センサ１４の検出温度に応じて炭化水素の酸化処理の反応速度が制御マップ等から読み出されるようにしておけば、当該反応速度に演算周期を乗算することで演算周期内における炭化水素処理量が算出され、これを制御装置１５内で演算する度に前回値に積算していくことで炭化水素処理量の積算値が得られることになる。

更に、パティキュレートフィルタ１２より上流側の適宜位置には、排気管１１の流路を適宜な開度に絞り込む開度調整可能な排気ブレーキ２１が装備されており、該排気ブレーキ２１は、制御装置１５からの開度指令信号２１ａにより開閉制御されるようになっているが、本形態例においては、制御装置１５にて昇温モードが選択された際に、排気ブレーキ２１に対し本来の作動から独立した別の作動を指令し、後述する如き排気温度を上げるための排気絞り手段として排気ブレーキ２１を活用できるようにしてある。

ここで、前述した制御装置１５には、先に説明した各温度センサ１４，２０、アクセルセンサ１６、回転センサ１７のほか、ギヤ位置がニュートラルポジションにあることを検出するニュートラルスイッチ２２、サイドブレーキが引かれていることを検出するサイドブレーキスイッチ２３、車速を検出する車速センサ２４の夫々からの検出信号２２ａ，２３ａ及び車速信号２４ａが入力されるようになっており、これらの信号に基づき車両がアイドリング状態にあるか否かが判定され、アイドリング状態が前記待機時間Ａを超えたことが確認された時に間欠的に通常モードから昇温モードへの切り替わりが実行されるようになっている。

より具体的には、回転センサ１７により比較的低い所定の回転数域であることが確認され、アクセルセンサ１６によりアクセルオフ（負荷が零）が確認され、ニュートラルスイッチ２２によりギヤ位置がニュートラルポジションにあることが確認され、サイドブレーキスイッチ２３によりサイドブレーキが引かれていることが確認され、車速センサ２４により車速が零であることが確認された時に現在の運転状態がアイドリング状態にあると制御装置１５で判定されるようになっている。

ここで、アイドリング状態の判定にあたっては、これらのセンサ類やスイッチ類からの信号を必ずしも全て必要とするわけではなく、少なくとも回転センサ１７と、アクセルセンサ１６，ニュートラルスイッチ２２，サイドブレーキスイッチ２３，車速センサ２４の何れか一つ以上との組み合わせによりアイドリング判定手段を構成することが可能である。

而して、このような制御装置１５により本形態例の運転制御を行えば、回転センサ１７，アクセルセンサ１６，ニュートラルスイッチ２２，サイドブレーキスイッチ２３，車速センサ２４から成るアイドリング判定手段によりアイドリング状態が確認されている条件下で、前記温度センサ２０の検出温度に基づいて決定された待機時間Ａで制御装置１５が通常モードから昇温モードへ切り替わり、制御装置１５から燃料噴射装置１８に向けメイン噴射の一回当たりの噴射量を増加し且つ該メイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を追加するような噴射パターンの燃料噴射信号１８ａ（燃料噴射指令）が出力される。

この結果、メイン噴射の一回当たりの噴射量が増加されることによりエネルギー投入量が増えて排気温度の上昇が図られ、しかも、アフタ噴射による燃料が出力に転換され難いタイミングで燃焼することによりディーゼルエンジン１の熱効率が下がり、燃料の発熱量のうちの動力に利用されない熱量が増えて排気温度の上昇が図られることになる。

また、特に本形態例では、排気流量を適宜に絞り込む排気絞り手段を成す排気ブレーキ２１を排気昇温手段として併用しているので、前述したディーゼルエンジン１側における回転数の上昇とアフタ噴射の追加に合わせて排気ブレーキ２１で排気流量が絞り込まれ、その上流側の排気ガス９が昇温されることで排気温度が上昇されると共に、排気抵抗が高まることにより気筒内に比較的温度の低い吸気が流入し難くなって比較的温度の高い排気ガス９の残留量が増加し、この比較的温度の高い排気ガス９を多く含む気筒内の空気が次の圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも更なる排気温度の上昇が図られることになる。

そして、通常モードから昇温モードへの切り替わりが成された後に、前記温度センサ１４の検出温度に基づき温度帯ごとに設定されている単位時間当たりの炭化水素処理量が時々刻々積算され、その積算値が目標値以上となった時に昇温モードの終了（排気昇温手段の作動完了）が判定されることになり、これによって、外気温度の変化等の外乱により排気温度が変化しても、その影響を受けることなく、実際の状態に近い正確な炭化水素処理量が把握されて昇温モードの終了の時期が適切に判定され、既に炭化水素が全て酸化処理され尽くしている状況下での無駄な昇温モードの継続が回避されることになる。

従って、上記形態例によれば、実際の状態に近い正確な炭化水素処理量を把握できて、昇温モードの終了の時期を適切に判定することができるので、常に必要な作動時間だけでアイドリング回転数の増加やアフタ噴射の追加等による昇温制御を完了することができ、アイドリング時に昇温制御をかけることによる燃費の悪化を必要最小限に抑制することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、排気昇温手段には図示する例以外の構成を採用しても良いこと、また、温度推定手段として触媒床温度の代用値として排気温度を計測する温度センサを採用する以外に、吸気温度やエンジン回転数や負荷等に基づき現在の運転状態におけるパティキュレートフィルタの触媒床温度を演算処理により算出して推定するようにしても良いこと、また、排気絞り手段を排気ブレーキとは別に設けても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。 図１の酸化触媒の詳細を一部を切り欠いて示す斜視図である。 図１の制御装置による回転数制御のパターンを示すグラフである。 触媒床温度と反応速度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
９ 排気ガス
１１ 排気管
１２ パティキュレートフィルタ
１４ 温度センサ（温度推定手段）
１４ａ 温度信号
１５ 制御装置
１８ 燃料噴射装置（排気昇温手段）
２１ 排気ブレーキ（排気絞り手段：排気昇温手段）

Claims (4)

1. 排気管の途中に装備された触媒再生型のパティキュレートフィルタと、該パティキュレートフィルタより上流側で排気ガスを所定温度以上に昇温する排気昇温手段と、アイドリング状態の継続が所要の待機時間以上続いた時に前記排気昇温手段を所要の作動時間だけ作動せしめる制御装置とを備えた排気浄化装置であって、外気温度を検出する温度センサと、パティキュレートフィルタの触媒床温度を推定する温度推定手段とを備え、前記温度センサの検出温度に基づき待機時間を決定すると共に、前記排気昇温手段の作動後に前記温度推定手段の推定温度に基づき温度帯ごとに設定されている単位時間当たりの炭化水素処理量を時々刻々積算し且つその積算値が目標値以上となった時に前記排気昇温手段の作動完了を判定して作動時間を決定するように前記制御装置を構成したことを特徴とする排気浄化装置。
2. パティキュレートフィルタの触媒床温度の代用値として排気温度を計測する温度センサを温度推定手段として採用したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. エンジンの各気筒に対し燃料を噴射する燃料噴射装置を排気昇温手段として採用し、該燃料噴射装置に対し通常のアイドリング時より回転数を上げるべくメイン噴射の一回当たりの噴射量を増加し且つ該メイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を追加する燃料噴射指令が昇温制御指令として制御装置から出力されるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
4. 排気流量を適宜に絞り込む排気絞り手段を排気昇温手段として併用したことを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。

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