JP4308702B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

この発明は、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）を除去処理するための排気浄化装置に関する。

近年、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるＰＭを低減する排気浄化装置として、上流側から酸化触媒（ＤＯＣ）とＰＭを捕集するフィルタ（ＤＰＦ）が並んで設けられた連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＣＲ−ＤＰＦと称する）の開発が注目されている。このＣＲ−ＤＰＦは、エンジンの排気中に含まれるＰＭをフィルタに捕集しつつ、その捕集ＰＭを燃焼除去するものである。酸化触媒はフィルタの上流側に設けられ、酸化触媒において排気中に含まれるＮＯをＮＯ₂に変換することによりフィルタにおける捕集ＰＭの酸化反応を促すとともに、酸化触媒における酸化反応熱によりフィルタを加熱する機能を果たす。

しかし、酸化触媒はその触媒の性質上、高温にさらされると上記機能が低下する劣化を起こし、ＣＲ−ＤＰＦシステムの性能低下を招く。このため、酸化触媒の劣化度を精度よく判定してたポスト噴射等にしたり、システムの性能維持に役立てたいという要求がある。

従来、触媒の劣化を検出するものとして、例えば特許文献１に開示された排気浄化装置は、酸化触媒を通過した排気の酸素濃度を検出するＯ₂センサを備え、このＯ₂センサの出力値に応じて酸化触媒の劣化度を判定するようになっている。

特許文献２に開示された排気浄化装置は、酸化触媒の上流側と下流側にて排気温度を検出する排気温度センサを備え、この排気温度センサの出力値とエンジンの運転状態に応じて可燃物（ＨＣ）の単位流量当たりの発熱量を推定し、推定された発熱量が設定値以下と判定される回数をカウントし、カウントされた回数が所定回数以上になったときに、酸化触媒が劣化状態にあるものと判定するようになっている。
特開２００２−２５６８５６号公報 特開２００３−１０６１４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された排気浄化装置は、酸素濃度を高精度で検出するＯ₂センサを必要とするため、製品のコストアップを招き、酸化触媒の劣化度を判定する制御が複雑化するという問題点があった。

特許文献２に開示された排気浄化装置は、可燃物の単位流量当たりの発熱量を精度よく推定することが難しく、酸化触媒が劣化状態を精度よく判定できないという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタに設けられる酸化触媒の触媒劣化状態を精度よく判定できる排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明では、エンジンの排出ガス成分を触媒作用により酸化させる酸化触媒と、この酸化触媒の下流側に介装され排気中に含まれるＰＭを捕集するフィルタとを備えるエンジンの排気浄化装置において、燃料噴射時期を遅らせたポスト噴射等にてフィルタの強制再生を行う強制再生手段と、酸化触媒の温度を検出する温度検出手段と、酸化触媒の検出温度が予め設定された触媒劣化判定温度を超える過熱温度を算出する過熱温度算出手段と、運転時間に対して検出された過熱温度が高まるのに応じて重み付けをした超過時間を積算する超過時間積算手段と、積算された超過時間に応じて触媒劣化度を判定する触媒劣化判定手段とを備える。

本発明によると、酸化触媒の温度が所定の触媒劣化判定温度を超えて上昇する過熱温度に応じて触媒機能が低下する現象に対応して、運転時間に対して過熱温度に応じて重み付けをした超過時間を積算し、積算された超過時間に応じて触媒劣化度を判定する構成としたため、空燃比センサ等を用いることなく、酸化触媒の劣化状態を精度よく判定できる。

本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１において、１０はディーゼルエンジンであり、コモンレール式燃料噴射装置（図示せず）を備える。エンジン１０の吸気通路１１にターボ過給機１２のコンプレッサ１２ａ、インタクーラ１３、吸気絞り弁１４が介装される。エンジン１０の排気通路１５にターボ過給機１２のタービン１２ｂ、排気絞り弁１６、ＣＲ−ＤＰＦ１７が介装される。図１において、２２はターボ過給機１２のタービン１２ｂを迂回するターボバイパス通路に設けられる開閉バルブ、２１はＥＧＲ（排気還流）装置のＥＧＲバルブである。

ＣＲ−ＤＰＦ１７は、酸化触媒２６とＤＰＦ２５とから構成される。排気通路１５には酸化触媒２６の下流側にＤＰＦ２５が介装される。

ＤＰＦ（フィルタ）２５は、ハニカム構造体に形成され、その格子状に区画される流路（セル）の入口と出口が交互に目封じされる。つまり、入口の目封じされる流路と出口の目封じされる流路とが交互に隣接され、これらを区画する多孔質の隔壁が排気の通過を許容するようになっている。この例においては、隔壁に捕集されるＰＭの燃焼可能な着火温度を低めに設定するため、触媒（プラチナ等）付きフィルタが採用される。

酸化触媒２６は、触媒と、この触媒を担持するハニカム構造体とを備え、ハニカム構造体の格子状に区画される流路を通過する排気に含まれる主にＨＣ（炭化水素）を酸化処理するものであり、その反応熱により触媒温度が上昇して堆積ＰＭの燃焼を促進するのである。

コモンレール式燃料噴射装置は、コモンレールに燃料を蓄圧する高圧ポンプと、このコモンレールを介して導かれる加圧燃料を各気筒に噴射する燃料噴射ノズルとを備え、この燃料噴射ノズルの作動がコントロールユニット２０によって制御される。コントロールユニット２０の制御に必要な検出手段として、エンジン回転数Ｎｅを検出する回転センサ（クランク角センサを兼ねる）およびエンジン負荷ｑを検出する負荷センサのほか、ＣＲ−ＤＰＦ１７の入口圧力と出口圧力との差圧を検出する差圧センサ３０、酸化触媒２６の出口温度（ＤＰＦ２５の入口温度）を検出する温度センサ３１ａとＤＰＦ２５の出口温度を検出する温度センサ３１ｂ、吸気流量を検出するエアフローセンサ３２等が設けられる。

酸化触媒２６の予熱手段については、ＥＧＲバルブ２１、吸気絞り弁１４または排気絞り弁１６、ターボバイパスの開閉バルブ２２がエンジン１０の排気温度を積極的に高める制御に利用される。ターボ過給機１２が可変ノズル式の場合、可変ノズルを触媒の予熱手段として制御することも考えられる。

ＤＰＦ２５の強制再生が必要な時期の判定については、ＤＰＦ２５のＰＭ堆積量算出値（推定量）が所定値以上のときにＤＰＦ２５の強制再生時期を判定する判定手段と、ＤＰＦ２５前後の差圧（またはＣＲ−ＤＰＦ１７の入口圧力）が所定値以上のときにＤＰＦ２５の強制再生時期を判定する判定手段と、ＰＭ堆積量算出値に基づく強制再生の完了から計測される運転時間（または運転距離）が強制再生用に設定のインターバルに達するとその間に強制再生の履歴がないときにＤＰＦ２５の強制再生時期を判定する判定手段と、運転時間（または運転距離または強制再生の回数）がＰＭ堆積量算出値を定期的に初期化する０リセット強制再生用のインターバルに達すると強制再生を判定する第二判定手段とが設定される。

ＤＰＦ２５の強制再生時期はこのような複数の異なる方法に基づいて判定される。コントロールユニット２０は、これら何れかの判定を受けると、そのときの判定方法に対応する強制再生モードとしてＰＭ堆積量算出値に応じた強制再生温度および強制再生時間を設定する。

コントロールユニット２０は、燃料の噴射制御を行うのにあたり、通常の制御マップと、強制再生用の昇温マップが格納されている。通常運転時にエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷ｑとから通常の制御マップに基づいて噴射ノズルへの燃料噴射信号（噴射量の指令および噴射時期の指令）を決定する。ＤＰＦ２５の強制再生が必要な時期を判定すると、通常の制御マップから強制再生用の昇温マップに切換え、ＣＲ−ＤＰＦ１７の雰囲気温度が所定値（例えば、２３０℃）を下回るときは、触媒の予熱手段を駆動するほか、必要があれば昇温マップに基づいて燃料のメイン噴射に続いて燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行う燃料噴射信号を決定する一方、ＣＲ−ＤＰＦ１７の雰囲気温度が所定値以上のときは、昇温マップに基づいてメイン噴射の後から圧縮上死点より遅れるタイミングでポスト噴射を行う燃料噴射信号を決定する。

コントロールユニット２０は、酸化触媒２６が所定の触媒劣化判定温度（例えば７００℃）を超えないようにエンジン１０の運転を制御する。これは、例えば強制再生用の昇温制御マップに基づいてメイン噴射の後から圧縮上死点より遅れるタイミングでポスト噴射をする燃料噴射制御が行われるＤＰＦ２５の強制再生時等に、温度センサ３１ａによって検出される酸化触媒２６のＤＯＣ出口温度が所定値を超えて上昇すると、昇温制御マップから通常の制御マップへと切換え、ポスト噴射を行わない通常の燃料噴射制御を行うようになっている（図７参照）。

しかし、ポスト噴射が行われるＤＰＦ２５の強制再生時等に何らかの原因で酸化触媒２６が触媒劣化判定温度を超える状態で運転される可能性がある。その場合、酸化触媒２６はその触媒機能が低下する劣化を起こし、ＣＲ−ＤＰＦ１７の性能低下を招く。

酸化触媒２６の触媒機能が低下する劣化度合いは、酸化触媒２６が触媒劣化判定温度を超える超過温度が高いほど大きくなる。例えば、酸化触媒２６が例えば７００℃を維持して運転される場合は運転時間が６００分を超えると触媒機能の劣化度が所定の限界値に達する一方、酸化触媒２６が例えば１０００℃を維持して運転される場合は運転時間が例えば１分を超えると触媒劣化度が所定の限界値に達する。

本発明は、上記した酸化触媒２６の温度に応じて触媒機能が低下する現象に着目してなされたものであり、コントロールユニット２０は酸化触媒２６の検出温度が予め設定された触媒劣化判定温度を超える過熱温度を算出する過熱温度算出手段と、運転時間に対して検出された過熱温度が高まるのに応じて重み付けをした超過時間を積算する超過時間積算手段と、積算された超過時間に応じて触媒劣化度を判定する触媒劣化判定手段とを備え、触媒劣化度を精度よく判定するものである。

図２は触媒劣化度を判定するマップの概念図である。このマップは横軸に酸化触媒２６のＤＯＣ出口温度（過熱温度）とし、縦軸を各ＤＯＣ出口温度毎に積算される運転時間として、ＤＯＣ出口温度に応じた限界運転時間が設定されている。この限界運転時間はＤＯＣ出口温度が高い程短くなるように設定されている。ＤＯＣ出口温度が例えば７００℃では限界運転時間が６００分となり、ＤＯＣ出口温度が例えば１０００℃では限界運転時間が例えば１分となっている。

図３は触媒劣化度を判定する過程を示す説明図である。これについて説明すると、ポスト噴射が行われるＤＰＦ２５の強制再生時等に何らかの原因で酸化触媒２６が所定の触媒劣化温度（例えば７００℃）を超える状態で運転されることが４回あった場合、１〜３回目までの運転時では各ＤＯＣ出口温度毎に積算される運転時間が限界値を超えないが、１〜４回目までの運転時では各ＤＯＣ出口温度毎に積算される運転時間が限界値を超える。したがって４回目の運転時に触媒機能が限界値を超えて劣化したものと判定される。

本実施形態では、温度検出手段として酸化触媒２６の下流側のＤＯＣ出口温度を検出する温度センサ３１ａを設け、コントロールユニット２０は温度センサ３１ａの検出値に応じて酸化触媒２６の触媒機能の劣化を判定する。

図４のフローチャートはＤＰＦ２５の強制再生を行う制御ルーチンの例を示しており、これはコントロールユニット２０において一定周期毎に実行される。

これについて説明すると、まず、ステップ１にて、前回のエンジン運転状況をメモリより読み込む。

続くステップ２にて、システムのハード面及びソフト面にて何らかの異常が生じたか否かを判定する。ここで異常が生じたと判定された場合、ステップ９に進んで警告ランプ等を点灯して運転者に異常を知らせる。

図５のフローチャートは酸化触媒の触媒機能の劣化を判定するルーチンを示して
おり、図４のフローチャートにおけるステップ２にて行われるシステムの異常を判定するルーチンの一つとして行われる。

これについて説明すると、まず、ステップ１１にて、前回までのエンジン運転時に記憶されたデータをメモリより読み込む。続くステップ１２にて、酸化触媒２６のＤＯＣ出口温度が触媒劣化判定温度を超えるか否かを判定する。

ここでＤＯＣ出口温度が触媒劣化判定温度を超えたと判定された場合、ステップ１３に進み、ＤＯＣ出口温度が触媒劣化判定温度を超えた運転時の回数をカウントする。

続くステップ１４に進んで、ＤＯＣ出口温度が触媒劣化判定温度を超えた過熱温度を算出し、運転時間に対してこの過熱温度が高まるのに応じて重み付けをした超過時間を積算する。

続くステップ１５に進んで、積算された超過時間が設定値を超えたか否かを判定する。

ここで、積算された超過時間が設定値を超えたことが判定された場合、ステップ１６に進んで、警告ランプ等を点灯して運転者に異常を知らせる。

異常が生じていないと判定された場合、ステップ３に進んで、ＰＭ堆積量算出値を算出する。ここでは、このＰＭ堆積量算出値は予め設定されたマップに基づきエンジン１０の回転数等の運転状態に応じてＰＭ排出量を算出し、このＰＭ排出量から加速度補正等の各補正を行い、さらに温度センサ３１ａによって検出される排気温度に応じて算出された自己再生量を差し引いて求められる。

続くステップ４に進んで、強制再生が必要な時期に達したか否かを判定する。ここでは、ＰＭ堆積量算出値（推定値）が閾値を超えるか、走行距離や走行時間が閾値を超えるか、あるいは排気圧力（ＣＲ−ＤＰＦ１７の前後差圧）が閾値を超えるなどの強制再生が必要な時期を判定する。

ここで強制再生が必要な時期に達したと判定された場合、ステップ５に進んで通常の制御マップに基づいて燃料噴射制御を行う捕集モードから、強制再生用の昇温マップに基づいて燃料噴射制御を行う強制再生モードに移行し、ＤＰＦ２５の強制再生が行われる。

こうして強制再生モードに移行すると、ステップ６に進んで、強制再生時間が閾値を超えるか、あるいはＰＭ堆積量算出値が閾値より少なくなったことが判定されるまでＤＰＦ２５の強制再生が行われる。

ステップ７にてイグニッションスイッチがＯＦＦになったエンジン停止時に、ステップ８に進んでシステム終了時におけるエンジン運転状況をメモリに保存し、本ルーチンを終了する。

以上のように、酸化触媒２６の温度が触媒劣化判定温度を超えて上昇する過熱温度に応じて触媒機能が低下する現象に対応して、運転時間に対して過熱温度に応じて重み付けをした超過時間を積算し、積算された超過時間に応じて触媒劣化度を判定する構成としたため、酸化触媒２６の触媒劣化状態を精度よく判定できる。

酸化触媒２６のＤＯＣ出口温度は、酸化触媒２６を通過した排気温度であり、酸化触媒２６における触媒の活性化状態を反映しているため、酸化触媒２６の触媒劣化状態を精度よく判定できる。

次に他の実施形態を図６を参照して説明する。コントロールユニット２０は酸化触媒２６の検出温度が触媒劣化判定温度を超える運転条件を判定し、ＤＰＦ２５の強制再生時のポスト噴射量を補正する構成としても良い。

図６はこの制御内容を示す説明図である。これについて説明すると、コントロールユニット２０は、ＤＰＦ２５の強制再生時にエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度（エンジン負荷ｑ）とから強制再生用の昇温制御マップに基づいてメイン噴射の後から圧縮上死点より大幅に遅れるタイミングでポスト噴射を行う。エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度に応じてポスト噴射量が増減するのに伴って、酸化触媒２６のＤＯＣ出口温度が変化し、ポスト噴射量が過大となる（１）（２）の運転条件にて酸化触媒２６のＤＯＣ出口温度が触媒劣化判定温度を超えて上昇している。これに対応してコントロールユニット２０は、酸化触媒２６の温度が触媒劣化判定温度を超える運転条件を判定し、判定された運転条件に基づいて酸化触媒２６が過熱される原因となる強制再生用の昇温制御マップに設定されたポスト噴射量を特定でき、このポスト噴射量を補正することにより、酸化触媒２６が過熱されて劣化が進むことを防止できる。

次に他の実施形態を図７を参照して説明する。コントロールユニット２０は酸化触媒２６の検出温度が触媒劣化判定温度を超えることを判定して通常の制御マップと強制再生用の昇温制御マップの切換えを行うマップ切換温度を補正する構成としても良い。

図７はこの制御内容を示す説明図である。これについて説明すると、コントロールユニット２０は強制再生用の昇温制御マップに基づいてポスト噴射をする燃料噴射制御が行われるＤＰＦ２５の強制再生時等に、温度センサ３１ａによって検出される酸化触媒２６のＤＯＣ出口温度が所定のマップ切換温度を超えて上昇すると、通常の制御マップに切換え、ポスト噴射を行わない通常の燃料噴射制御を行うようになっている。マップ切換温度の設定値が高すぎると、酸化触媒２６が触媒劣化判定温度を頻繁に超える可能性がある。

これに対応して、コントロールユニット２０は検出される酸化触媒２６の温度が触媒劣化判定温度を超える頻度を算出し、この頻度が所定値より高い場合にマップ切換温度を低く補正することにより、酸化触媒２６が過熱されて劣化が進むことを防止できる。

他の実施形態として、ＤＰＦ２５の出口温度を検出する温度センサ３１ｂの検出信号に応じてＤＰＦ２５に担持される触媒劣化度を判定する構成としても良い。この場合、酸化触媒２６の触媒劣化度を判定する制御と同様に、検出されるＤＰＦ２５の温度が触媒劣化判定温度を超える過熱温度を算出し、運転時間に対して検出された過熱温度が高まるのに応じて重み付けをした超過時間を積算し、積算された超過時間に応じて触媒劣化度を判定する構成とする。

他の実施形態として、触媒劣化判定手段によって求められた酸化触媒２６の触媒劣化度に応じて触媒劣化係数を求め（図２参照）、この触媒劣化係数に応じてＰＭ堆積量算出値を補正する構成としても良い。

ＰＭ堆積量算出値は予め設定されたマップに基づきエンジン１０の回転数等の運転状態に応じてＰＭ排出量を算出し、このＰＭ排出量から加速度補正等の各補正を行い、さらに温度センサ３１ａによって検出される排気温度に応じて算出された自己再生量を差し引いて求められる。酸化触媒２６の触媒劣化度、ＤＰＦ２５に担持される触媒劣化度が高まるのに応じて自己再生量が少なくなるように補正することにより、ＰＭ堆積量算出値の精度を高められる。

また、酸化触媒２６の温度検出手段として酸化触媒２６の床温度を検出する床温度センサを設け、コントロールユニット２０はこの床温度センサの検出値に応じて酸化触媒２６の触媒機能の劣化を判定する構成としても良い。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の排気浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるＰＭを連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタを介して除去処理するものに利用できる。

本発明の実施形態を示す排気浄化装置のシステム図。 同じく触媒劣化度を判定するマップの概念図。 同じく触媒劣化度を判定する過程を示す説明図。 同じく強制再生を行う制御内容を示すフローチャート。 同じく酸化触媒の触媒機能の劣化を判定する制御内容を示すフローチャート。 同じく酸化触媒の温度が触媒劣化判定温度を超える運転条件を判定する制御内容を示す説明図。 同じくマップ切換温度を補正する制御内容を示す説明図。

符号の説明

１０ エンジン
１５ 排気通路
１７ ＣＲ−ＤＰＦ
１９ 燃料噴射装置
２０ コントロールユニット
２５ ＤＰＦ（フィルタ）
２６ 酸化触媒
３１〜３５ 温度センサ

Claims (4)

1. エンジンの排出ガス成分を触媒作用により酸化させる酸化触媒と、この酸化触媒の下流側に介装され排気中に含まれるＰＭを捕集するフィルタとを備える排気浄化装置において、
   前記エンジンの燃料噴射時期を遅らせたポスト噴射等にてフィルタの強制再生を行う強制再生手段と、前記酸化触媒の温度を検出する温度検出手段と、前記酸化触媒の検出温度が予め設定された触媒劣化判定温度を超える過熱温度を算出する過熱温度算出手段と、運転時間に対して検出された過熱温度が高まるのに応じて重み付けをした超過時間を積算する超過時間積算手段と、積算された超過時間に応じて触媒劣化度を判定する触媒劣化判定手段とを備えたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記強制再生手段は前記フィルタの強制再生時に前記酸化触媒の温度が前記触媒劣化判定温度を超える運転条件を判定し、前記フィルタの強制再生時のポスト噴射量を補正する構成と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. 前記強制再生手段は前記フィルタの強制再生時に前記酸化触媒の温度が前記触媒劣化判定温度を超えることを判定して通常の制御マップと強制再生用の昇温制御マップの切換えを行うマップ切換温度を補正する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
4. 前記強制再生手段は運転条件に応じてＰＭ堆積量算出値を算出し、前記触媒劣化判定手段によって求められた触媒劣化度に応じて触媒劣化係数を算出し、この触媒劣化係数に応じてＰＭ堆積量算出値を補正する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。

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