JP5471834B2 - 排気ガス浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、長時間アイドル運転のＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の再生において、ＰＴＯ装置（パワーテイクオフ装置）の作動時に再生要求から再生開始までの待ち時間を短くした排気ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（パティキュレート・マター：以下ＰＭという）をディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter ：以下ＤＰＦという）と呼ばれるフィルタで捕集する排気ガス浄化装置の一つに連続再生型ＤＰＦ装置がある。

この連続再生型ＤＰＦ装置では、排気ガス温度が約３５０℃以上の時には、ＤＰＦに捕集されたＰＭは連続的に燃焼して浄化され、ＤＰＦは自己再生するが、低速低負荷等の排気温度が低い場合には、触媒の温度が低下して活性化しないため、ＰＭを酸化してＤＰＦを自己再生することが困難となる。そのため、ＰＭのＤＰＦへの堆積により目詰まりが進行するため、この目詰まりによる排圧上昇の問題が生じる。

そこで、ＤＰＦへのＰＭ堆積量が所定の量（閾値）を超えたときに、シリンダ内（筒内）における多段遅延噴射（マルチ噴射）や後噴射（ポスト噴射）等により、排気ガスを強制的に昇温させて、捕集ＰＭを強制的に燃焼除去する強制再生を行う。この強制再生では、ポスト噴射等によって排気ガス中に供給されたＨＣ（炭化水素）を、ＤＰＦの上流側に配置された酸化触媒やＤＰＦに担持した酸化触媒で燃焼させることにより、この酸化反応熱を利用して、ＤＰＦの入口やＤＰＦのフィルタ表面の排気ガス温度を上昇させ、ＤＰＦに蓄積されたＰＭが燃焼する温度以上にＤＰＦを昇温して、ＰＭを燃焼除去する。

この強制再生には、手動再生で行う場合と自動再生で行う場合とがある。手動再生の場合には、ＤＰＦの目詰まりが所定の量を超えたときに、運転者に警告を出して、この警告を受けた運転者が、強制再生の開始用のボタンを押すことで、強制再生を行う。一方、自動再生では、フィルタの目詰まりが所定の量を超えたときに、特に運転者に警告を出すことなく、自動で走行中であっても強制再生を行う。

この強制再生の一つに、所定時間以上アイドル状態が連続された時に行う長時間アイドル時の強制再生（Long Low Idle Regeneration:LLIRという）があるが、ＰＴＯ装置を装備した特装車においては、ＰＴＯ装置の作動時に強制再生を行うと、遅延噴射は燃焼が不安定なので回転変動が出易く、また、負荷によって噴射タイミングを大きく変化させるので過渡的な燃焼が不安定なため、エンジン回転数が変化するという影響が生じてしまうという問題がある。

この問題に対して、従来技術においては、このアイドル状態で且つＰＴＯ装置の作動時にはＤＰＦの強制再生を禁止していた。例えば、エンジン動力をＰＴＯ装置を介してアイドリング状態で取り出して補機を駆動し得るようにした特装車で、アイドリング状態での強制再生ではエンジンの回転数を上昇させる強制再生制御を行う排気浄化装置において、ＰＴＯ装置が作動状態にある条件下で強制再生した場合に生じるエンジンの運転状態の急変や補機の作動不良を避けるため、この条件下ではポスト噴射の追加や回転数の上昇等の強制再生を行うための再生制御指令が出力されないようにした排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、同様な排気ガス浄化装置で、ＰＴＯ装置の実質的な作動を重視して、ＰＴＯ装置のスイッチがオンで且つ外部アクセルの特装用レバー等による補機に対する操作入力が検知された場合に限り、制御装置から昇温制御指令が出力されないように構成した排気ガス浄化装置も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

一方、特装車は、特別装備の負荷のために、特別装備をしていない標準車よりも短時間で多量のＰＭがＤＰＦに堆積してしまうため、長時間アイドル運転時における強制再生をＰＴＯ装置の作動時に禁止してしまうと、ＤＰＦの目詰まりが発生し、排圧が過剰に上昇してエンジンの運転に不具合が生じるという問題が生じる。つまり、長時間アイドル運転時のＰＴＯ装置の作動時のように、低中負荷運転が繰り返されるような場合では、短時間でＰＭが堆積してしまうにも関わらず、ＤＰＦの強制再生ができないので、ＤＰＦ内に過剰にＰＭが堆積してしまう。このＰＭ堆積を解消するためにＤＰＦを強制再生しようとすると、ＰＴＯ作業を中断する必要が生じ、作業効率の低下を招くという問題がある。

この問題を解決するために、排気ガス中のＰＭを浄化するためのＤＰＦを備えた特装車両において、長時間アイドル運転時で且つＰＴＯが作動状態であっても、マルチ噴射制御を禁止してエンジン回転変動を避けつつ強制再生を実行し、ＤＰＦを良好な状態に維持できるようにした排気ガス浄化システムも提案されている（特許文献３参照）。

特開２００４−１５０４１７号公報 特開２００５−１３９９４４号公報 特開２００８−１８０１５４号公報

ところで、ＬＬＩＲの制御においては、車両の停車中であり、走行距離やＤＰＦの差圧によりＰＭ堆積量を算出することが困難であることから、停車時間によりＰＭ堆積量を算出している。このため、信号待ち等で一時的に停車しているときにも再生要求が出て強制再生が開始する虞があり、この強制再生は手動再生相当を自動で実施するもので、車両を停車した状態での再生を余儀なくされ、利便性が悪い。そこで、このような問題を解消するために、再生要求から再生開始までの間に例えば交通信号の待ち時間よりも長い所定の待ち時間を設定することが考えられる。

しかしながら、特装車によっては、一回の作業時間が短時間のものもあり、この場合にも前記待ち時間を適用したのでは、短時間のＰＴＯ装置の作業時間をＤＰＦの再生に有効利用することが難しい。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、排気ガス中のＰＭを浄化するためのＤＰＦを備えた特装車両において、短時間のＰＴＯ装置の作業時間をＤＰＦの再生に有効利用することができる排気ガス浄化システムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、車両に搭載した内燃機関の排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタを有する排気ガス浄化装置を備えると共に、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生を実施する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記制御装置が、車両の停車開始からの停車時間により算出したＰＭ堆積量に基づく前記強制再生の再生要求から再生開始までの間に所定の待ち時間を設けており、該待ち時間が、パワーテイクオフ装置のスイッチがオフの場合には第１の待ち時間であり、前記パワーテイクオフ装置のスイッチがオンの場合には前記第１の待ち時間よりも短い第２の待ち時間であることを特徴とする。

前記制御装置が、前記パワーテイクオフ装置のスイッチがオンで、且つ前記内燃機関が高負荷及び高排気温度状態であるときに、前記強制再生を実行することが好ましい。

本発明によれば、排気ガス中のＰＭを浄化するためのＤＰＦを備えた特装車両において、短時間のＰＴＯ装置の作業時間をＤＰＦの再生に有効利用することができる。

本発明の実施形態に係る排気ガス浄化システムの全体構成を示す図である。 ＰＴＯ不使用時の再生の待ち時間を説明する図である。 ＰＴＯ使用時の再生の待ち時間を説明する図である。

以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。

図１に、この実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１は、ディーゼルエンジン（内燃機関）１０の排気通路１１に排気ガス浄化装置１２とサイレンサ１３を備えて構成される。この排気ガス浄化装置１２は、連続再生型ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ、或いはＤＰＤ：ディーゼルパティキュレートディフューザともいう）装置の一つであり、上流側に酸化触媒装置１２ａを、下流側に触媒付きフィルタ装置（ＤＰＦ）１２ｂを配置して構成される。前記ＤＰＦ１２ｂは、ＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter)からなる。排気ガスＧは、この排気ガス浄化装置１２により浄化されて、浄化された排気ガスＧｃとしてサイレンサ１３を経由して大気中に放出される。

前記酸化触媒装置１２ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成される。触媒付きフィルタ装置１２ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。排気ガスＧ中のＰＭ（粒子状物質）は、多孔質のセラミックの壁で捕集（トラップ）される。

そして、前記触媒付きフィルタ装置１２ｂのＰＭの堆積量を推定するために、排気ガス浄化装置１２の前後に接続された導通管に差圧センサ３１が設けられる。また、この排気ガス浄化装置１２の下流側又は上流側に排気絞り手段として排気スロットル弁１４が設けられる。

また、吸気通路１５には、エアクリーナ１６、ＭＡＦセンサ（吸入空気量センサ）１７、吸気絞り弁（インテークスロットル）１８が設けられる。この吸気絞り弁１８は、吸気マニホールドへ入る吸気Ａの量を調整する。また、ＥＧＲ通路１９にはＥＧＲクーラ３９とＥＧＲ量を調整するＥＧＲ弁２１が設けられる。排気通路１１にはターボチャージャ３６のタービン部３６ａが設けられ、吸気通路１５にはダーボチャージャ３６のコンプレッサ部３６ｂが設けられる。

更に、触媒付きフィルタ装置１２ｂの強制再生制御用に、酸化触媒装置１２ａの上流側に酸化触媒入口排気温度センサ３２が設けられ、酸化触媒装置１２ａと触媒付きフィルタ装置１２ｂの間にフィルタ入口排気温度センサ３３が設けられる。この酸化触媒入口排気温度センサ３２は、酸化触媒装置１２ａに流入する排気ガスＧの温度である酸化触媒入口排気温度Ｔｇ１を検出する。また、フィルタ入口排気温度センサ３３は、触媒付きフィルタ装置１２ｂに流入する排気ガスＧの温度であるフィルタ入口排気温度Ｔｇ２を検出する。

これらのセンサの出力値は、エンジン１０の運転の全般的な制御を行うと共に、排気ガス浄化装置１２の強制再生制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）４０に入力され、この制御装置４０から出力される制御信号により、排気スロットル弁１４、吸気絞り弁１８、ＥＧＲ弁２１、燃料噴射装置（噴射ノズル）２２等が制御される。

この燃料噴射装置２２は、燃料ポンプ（図示しない）で昇圧された高圧の燃料を一時的に貯えるコモンレール噴射システム（図示しない）に接続されており、制御装置４０には、エンジン１０の運転のために、アクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）３４からのアクセル開度、回転数センサ３５からのエンジン回転数等の情報の他、車両速度、冷却水温度等の情報も入力され、燃料噴射装置２２から所定量の燃料が噴射されるように通電時間信号が出力される。

また、この排気ガス浄化装置１２の強制再生制御において、走行中に自動的に強制再生するだけでなく、触媒付きフィルタ装置１２ｂのＰＭの捕集量が一定量を超えて、触媒付きフィルタ装置１２ｂが目詰まった時に、運転者（ドライバー）に注意を促し、任意に運転者が車両を停止して強制再生ができるように、点滅により注意を喚起し点灯により再生中であることを表示する手動再生表示灯２３と、自動再生中であることを点灯により表示する自動再生表示灯２４と、手動再生ボタン（マニュアル再生スイッチ）２５が設けられる。また、エンジン１０の動力を取り出すＰＴＯ装置（パワーテイクオフ装置）２６が設けられ、このＰＴＯ装置２６のオンオフを行うスイッチ（ＰＴＯスイッチという）２７が配置され、このＰＴＯスイッチ２７の信号が制御装置４０に入力されると共に、制御装置４０によりＰＴＯ装置２６の操作を行うように構成される。

この排気ガス浄化システム１の制御においては、通常の運転でＰＭを捕集するが、この通常の運転において、強制再生開始の時期であるか否かを監視し、強制再生開始の時期であると判定されると強制再生を行う。この強制再生には、走行中に強制再生を行う自動再生と、警告によって運転者が車両を停止してから手動再生ボタン２５を押すことにより開始される手動再生とがあり、走行距離やＤＰＦ差圧の値により適宜選択実施される（表１参照）。

前記手動再生により、走行中の自動再生の場合における走行中の強制再生時のポスト噴射により未燃燃料がエンジンオイル（潤滑オイル）に混入してエンジンオイルを希釈するというオイルダイリューション（オイル希釈）の問題を解決でき、また、オイルダイリューションの問題が生じない時の自動再生により、手動再生の場合の運転者の再生制御開始信号の入力（停車と再生ボタン押し等）の煩わしさを少なくすることができ、利便性の向上が図れる。

前記強制再生では、フィルタ入口排気温度センサ３３又は酸化触媒入口排気温度センサ３２で検知される排気ガスの温度であるフィルタ入口排気温度又は酸化触媒入口排気温度が所定の第１判定温度（約２５０℃）より低い時には、マルチ噴射制御を行って、エンジン１０から排出された時の排気ガスの温度である排気温度を上昇させる排気温度昇温制御を実施し、このフィルタ入口排気温度Ｔｇ２又は酸化触媒入口排気温度Ｔｇ１が所定の第１判定温度（約２５０℃）以上になった時にポスト噴射を行うＰＭ燃焼除去制御を実施し触媒付きフィルタ１２ｂの強制再生を行う。この強制再生では、車両が停車している場合には、排気スロットル弁１４を閉じて排気絞りを行う。なお、これらの強制再生を行う再生制御装置は制御装置４０に組み込まれる。なお、ＰＭ燃焼除去制御では、必要に応じて、マルチ噴射とポスト噴射を組み合わせる。

この所定の第１判定温度は、この温度以上の場合に酸化触媒装置１２ａの酸化触媒が活性化する温度であり、例えば、約２５０℃に設定される。また、触媒付きフィルタ装置１２ｂに捕集されたＰＭは、触媒付きフィルタ装置１２ｂに流入する排気ガスの温度が所定の第２判定温度（例えば、３５０℃）以上になると、燃焼し、除去される。このＰＭの燃焼除去により触媒付きフィルタ装置１２ｂは再生される。

そして、本実施の形態では特に、前記制御装置４０が、車両の停車開始からの停車時間により算出したＰＭ排出量（ＰＭ堆積量）に基づく前記強制再生の再生要求から再生開始までの間に所定の待ち時間（再生待機時間）を設けており、この待ち時間が、ＰＴＯ装置２６のスイッチ（ＰＴＯスイッチ）２７がオフの場合（すなわち通常の運転状態時）には交通信号機の待ち時間ｔｃよりも長い第１の待ち時間ｔａ（例えば５分）とされており（表１、図２参照）、ＰＴＯスイッチ２７がオンの場合には前記第１の待ち時間ｔａよりも短い第２の待ち時間ｔｂ（例えば１分）とされている（表１、図３参照）。

前記第１の待ち時間ｔａを設けたのは、信号待ちで停車している間に強制再生が開始するのを回避して利便性を向上させるためである。また、第２の待ち時間ｔｂを設けたのは、コンクリートポンプ車のように一回の作業時間が短時間のものにも長い待ち時間を適用すると短時間のＰＴＯ装置２６の作業時間をＤＰＦの再生に有効利用することが難しくなることから、短時間のＰＴＯ装置２６の作業時間をＤＰＦの再生に有効利用するためである。

前記制御装置４０は、前記ＰＴＯスイッチ２７がオンで、且つ前記ディーゼルエンジン１０が高負荷及び高排気温度状態であるときに、前記強制再生を実行するようになっている。従って、この場合、ＰＴＯスイッチ２７がオンでも、前記ディーゼルエンジン１０が高負荷又は高排気温度状態でないときには、第２の待ち時間ｔｂ後に再生開始になっても前記強制再生は行われない。前記ディーゼルエンジン１０が高負荷であるか否かは、燃料噴射量が所定値以上であるか否かにより判定される。また、高排気温度状態であるか否かは、フィルタ入口排気温度センサ３３又は酸化触媒入口排気温度センサ３２で検知される排気ガスの温度が所定の判定温度（約２５０℃）以上であるか否かにより判定される。

エンジン１０のアイドル運転状態の継続時間が所定の判定時間ｔｉｃを経過した場合である長時間アイドル運転時において、ＰＴＯ装置２６が作動状態である場合は、排気ガスの温度Ｔｇ２（又はＴｇ１）が所定の第１判定温度Ｔｃ１よりも低くても、エンジン１０の回転変動防止のため、排気温度を上昇するためのマルチ噴射制御を禁止する。しかし、このマルチ噴射制御を禁止している最中であっても、排気ガスの温度Ｔｇ２（又はＴｇ１）が所定の第１判定温度Ｔｃ１以上になった時には、即ち、酸化触媒が活性化温度以上になった時には、ポスト噴射制御を行うＰＭ燃焼除去制御を行って、触媒付きフィルタ装置１２ｂに流入する排気ガスの温度を上昇させて、触媒付きフィルタ１２ｂの強制再生をする。

つまり、長時間アイドル再生時にＰＴＯ装置２６が作動状態であっても、触媒付きフィルタ１２ｂの強制再生を実行するように制御し、排気ガスの温度が高い、例えば、エンジンの負荷条件が所定値以上の場合では、触媒付きフィルタ装置１２ｂの強制再生を再生可能とするが、この制御では、排気ガスの温度が低い時に行うマルチ噴射制御は、エンジン回転数変動の防止のために禁止する。

なお、長時間アイドル運転時でない場合や、長時間アイドル運転時であっても、ＰＴＯ装置２６が作動状態にない場合は、排気ガスの温度が所定の第１判定温度よりも低いときは、マルチ噴射による排気温度昇温制御を実施する。また、排気ガスの温度が所定の第１判定温度Ｔｃ１以上になったときには、ポスト噴射制御を行うＰＭ燃焼除去制御を行って、触媒付きフィルタ装置１２ｂに流入する排気ガスの温度を上昇させて、触媒付きフィルタ装置１２ｂの強制再生をする。

次に、前記排気ガス浄化システムの作用を述べる。この排気ガス浄化システム１によれば、車両に搭載したディーゼルエンジン１０の排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタを有する排気ガス浄化装置１２を備えると共に、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生を実施する制御装置４０を備えた排気ガス浄化システム１において、前記制御装置４０が、車両の停車開始からの停車時間により算出したＰＭ堆積量に基づく前記強制再生の再生要求から再生開始までの間に所定の待ち時間を設けており、該待ち時間が、ＰＴＯ装置２６のＰＴＯスイッチ２７がオフの場合には交通信号機の待ち時間ｔｃよりも長い第１の待ち時間ｔａであり、前記ＰＴＯスイッチ２７がオンの場合には前記第１の待ち時間ｔａよりも短い第２の待ち時間ｔｂであるため、排気ガス中のＰＭを浄化するためのＤＰＦを備えた特装車両において、短時間のＰＴＯ装置２６の作業時間をＤＰＦの再生に有効利用することができ、ＤＰＦを良好な状態に維持できる。

また、排気ガス中のＰＭを浄化するための触媒付きフィルタ装置１２ｂを備えた特装車両において、長時間アイドル時におけるＰＴＯ作動時の強制再生制御では、エンジン回転変動の原因となるマルチ噴射を禁止してポスト噴射による再生を行うので、ＰＴＯ作動時のエンジン回転変動を避けることができる。

また、前記制御装置４０が、エンジン１０の負荷状況を監視し、ＰＴＯスイッチ２７がオンで、且つ前記エンジン１０が高負荷及び高排気温度状態であるときに、前記強制再生を実行するので、触媒付きフィルタ装置１２ｂにＰＭが過度に溜め込まれるという問題が解消され、エンジン運転状態に排圧上昇による不具合が起きることがなくなる。つまり、ＰＴＯ作動を中止することなく、触媒付きフィルタ装置１２ｂの強制再生が可能となるので、触媒付きフィルタ装置１２ｂの目詰まりを防止することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。排気ガス浄化システムの排気ガス浄化装置としては、上流側の酸化触媒装置１２ａと下流側の触媒付きフィルタ装置１２ｂとの組み合わせを例にして説明したが、酸化触媒を担持したフィルタであってもよい。また、酸化触媒装置１２ａの上流側に未燃燃料（ＨＣ）を供給する方法としてポスト噴射で説明したが、排気通路１１に未燃燃料供給装置を配置して、この未燃燃料供給装置から直接排気通路１１内に未燃燃料を噴射する排気管内直接噴射の方法を採用してもよい。

１ 排気ガス浄化システム
１０ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１１ 排気通路
１２ 排気ガス浄化装置
１２ａ 酸化触媒装置
１２ｂ 触媒付きフィルタ装置
２６ ＰＴＯ装置（パワーテイクオフ装置）
２７ ＰＴＯスイッチ
４０ 制御装置（ＥＣＵ）
ｔａ 第１の待ち時間
ｔｂ 第２の待ち時間

Claims (2)

1. 車両に搭載した内燃機関の排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタを有する排気ガス浄化装置を備えると共に、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生を実施する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
   前記制御装置が、車両の停車開始からの停車時間により算出したＰＭ堆積量に基づく前記強制再生の再生要求から再生開始までの間に所定の待ち時間を設けており、該待ち時間が、パワーテイクオフ装置のスイッチがオフの場合には第１の待ち時間であり、前記パワーテイクオフ装置のスイッチがオンの場合には前記第１の待ち時間よりも短い第２の待ち時間であることを特徴とする排気ガス浄化システム。
2. 前記制御装置が、前記パワーテイクオフ装置のスイッチがオンで、且つ前記内燃機関が高負荷及び高排気温度状態であるときに、前記強制再生を実行することを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。

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