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JP2011220158A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

エンジンの排気浄化装置 Download PDF

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JP2011220158A JP2010088543A JP2010088543A JP2011220158A JP 2011220158 A JP2011220158 A JP 2011220158A JP 2010088543 A JP2010088543 A JP 2010088543A JP 2010088543 A JP2010088543 A JP 2010088543A JP 2011220158 A JP2011220158 A JP 2011220158A
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雅一 矢野
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智史 中嶋
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知行 竹田
Takafumi Amano
貴文 天野
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Abstract

【課題】排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分の蓄積量の推定精度を向上させる。
【解決手段】エンジン運転状態に応じた燃料供給量から、排気に含まれる所定の燃料成分（硫黄成分，炭化水素成分など）の単位時間当たりの排出量を推定し（Ｓ１及びＳ２）、ＤＯＣなどの排気浄化エレメントにおける燃料成分の蓄積量を積算する（Ｓ３）。また、排気浄化エレメントに流入する排気温度に応じて、排気浄化エレメントから単位時間当たりに離脱する燃料成分の離脱量を推定し（Ｓ４）、燃料成分の蓄積量から離脱量を減算する（Ｓ５）。そして、燃料成分の蓄積量が所定値以上になると（Ｓ６）、排気浄化エレメントに蓄積されている燃料成分を強制的に離脱させる時期が到来したと判断し、警告灯を点灯させると共に（Ｓ７）、排気の温度を燃料成分の離脱温度よりも昇温させる強制離脱処理を実行する（Ｓ８）。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気を浄化する排気浄化装置に関する。
エンジンの排気を浄化する排気浄化装置として、ＰＭ（Particulate Matter）を捕集・除去するDiesel Particulate Filter（以下ＤＰＦという）、一酸化炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化する三元触媒、還元剤を用いてＮＯｘを浄化するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒などが実用化されている。このような排気浄化装置においては、エンジンの排気管に配設されたＤＰＦなどの排気浄化エレメントに、例えば、排気に含まれる硫黄成分が蓄積すると、触媒の劣化，排圧上昇などの不具合が発生してしまう。このため、特開２００５−７６４９５号公報（特許文献１）に記載されるように、燃料消費量と燃料の硫黄含有率に基づいて、排気浄化エレメントに蓄積された硫黄成分の蓄積量を推定し、これが所定値以上になると、硫黄成分の強制離脱処理を実行する技術が提案されている。
特開２００５−７６４９５号公報
しかしながら、従来技術においては、排気温度が硫黄成分の離脱温度より高い領域では、排気浄化エレメントに蓄積された硫黄成分が減ることを考慮していなかったため、硫黄成分の蓄積量の推定精度が高くなかった。このため、排気浄化エレメントに許容値以上の硫黄成分が蓄積しても強制離脱処理が実行されないなど、排気浄化装置としての機能を維持できないおそれがあった。なお、このような問題は、燃料成分の一例としての硫黄成分に限らず、例えば、ＨＣを主成分とする未燃燃料などでも同様に起こり得る。
そこで、本発明は従来技術の問題点に鑑み、排気温度に応じて燃料成分が離脱する特性に着目し、排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分の蓄積量の推定精度を向上させた排気浄化装置を提供することを目的とする。
このため、本発明に係るエンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設された排気浄化エレメントと、前記排気浄化エレメントに流入する排気の温度を検出する温度センサと、排気に含まれる所定の燃料成分の単位時間当たりの排出量を推定する排出量推定手段と、前記温度センサにより検出された排気の温度に基づいて、前記排気浄化エレメントから離脱する燃料成分の単位時間当たりの離脱量を推定する離脱量推定手段と、前記燃料成分の単位時間当たりの排出量及び離脱量に基づいて、前記排気浄化エレメントに蓄積されている燃料成分の蓄積量を推定する蓄積量推定手段と、を有する。
本発明によれば、排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分は、排気の温度が燃料成分の離脱温度より高い領域で減少する特性に着目し、燃料成分の排出量だけではなくその離脱量をも考慮することで、排気浄化エレメントにおける燃料成分の蓄積量を高精度に推定することができる。
本発明を具現化した排気浄化装置の一例を示す全体構成図 制御プログラムの一例を示すフローチャート 排気温度に応じた燃料成分の離脱量を推定するためのマップの説明図
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明を具現化した排気浄化装置の一例を示す。
ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、吸気流通方向に沿って、空気中の埃などを濾過するエアクリーナ１６，吸気を過給するターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８を通過して高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０がこの順番で配設される。
一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２２に接続される排気管２４には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，連続再生式ＤＰＦ装置２６、還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルを有する還元剤噴射装置２８，尿素水溶液から生成されるアンモニア（還元剤）を用いてＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒３０，ＳＣＲ触媒３０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒３２がこの順番で配設される。連続再生式ＤＰＦ装置２６は、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ2（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２６Ａと、排気中のＰＭを捕集・除去するＤＰＦ２６Ｂと、を含んで構成される。なお、ＤＰＦ２６Ｂの代わりに、その表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することができる。ここで、排気管２４に配設されたＤＯＣ２６Ａ，ＤＰＦ２６Ｂ，ＳＣＲ触媒３０及びアンモニア酸化触媒３２の少なくとも１つが、排気浄化装置の一部を構成する排気浄化エレメントに該当する。
また、ディーゼルエンジン１０には、排気の一部を吸気に導入して再循環させることで、燃焼温度の低下によりＮＯｘを低減するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置３４が取り付けられる。ＥＧＲ装置３４は、排気管２４を流れる排気の一部を吸気管１４へと導入するためのＥＧＲ管３４Ａと、ＥＧＲ管３４Ａを流れる排気を冷却するＥＧＲクーラ３４Ｂと、吸気管１４へと導入する排気のＥＧＲ率を制御するためのＥＧＲ制御弁３４Ｃと、を含んで構成される。
排気浄化装置の制御系として、連続再生式ＤＰＦ装置２６のＤＯＣ２６Ａの排気上流には、ＤＯＣ２６Ａに流入する排気の温度（排気温度）Ｔ1を検出する温度センサ３６が取り付けられる。連続再生式ＤＰＦ装置２６のＤＯＣ２６ＡとＤＰＦ２６Ｂとの間には、ＤＰＦ２６Ｂに流入する排気の温度（排気温度）Ｔ2を検出する温度センサ３８が取り付けられる。連続再生式ＤＰＦ装置２６と還元剤噴射装置２８との間には、ＳＣＲ触媒３０及びアンモニア酸化触媒３２に流入する排気の温度（排気温度）Ｔ3を検出する温度センサ４０が取り付けられる。なお、アンモニア酸化触媒３２に流入する排気温度を検出するために、ＳＣＲ触媒３０とアンモニア酸化触媒３２との間に温度センサを更に取り付けてもよい。
温度センサ３６，３８及び４０の各出力信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット４２に入力される。また、コントロールユニット４２には、ディーゼルエンジン１０の運転状態の一例として、回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ４４、及び、負荷Ｑを検出する負荷センサ４６の出力信号も入力される。ここで、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑとしては、例えば、吸気流量，吸気圧力，過給圧力，アクセル開度，スロットル開度など、トルクと密接に関連する状態量を適用することができる。なお、ディーゼルエンジン１０の回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑは、ＣＡＮ（Controller Area Network）などを介して、ディーゼルエンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（図示せず）から読み込むようにしてもよい。
そして、コントロールユニット４２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリに記憶された制御プログラムを実行することで、各種センサからの信号に基づいて、排気浄化エレメントに許容値を超える燃料成分（硫黄成分，ＨＣ成分など）が蓄積したか否かを判定する。また、コントロールユニット４２は、排気浄化エレメントに許容値を超える燃料成分が蓄積したと判定したときに、排気温度を昇温させて燃料成分を強制離脱させるべく、ディーゼルエンジン１０に取り付けられた燃料噴射装置に対して燃料増量指令を出力すると共に、コンビネーションメータに付設された警告灯４８を点灯させる。
なお、コントロールユニット４２が制御プログラムを実行することで、排出量推定手段，離脱量推定手段，蓄積量推定手段及び判定手段の一例が夫々具現化される。また、コントロールユニット４２及び警告灯４８が協働することで、報知手段の一例が具現化される。さらに、コントロールユニット４２及び燃料噴射装置が協働することで、昇温手段の一例が具現化される。
図２は、ディーゼルエンジン１０が始動されたことを契機として、コントロールユニット４２が単位時間（例えば１秒）ごとに繰り返し実行する制御プログラムの内容を示す。なお、コントロールユニット４２は、図２に示す制御プログラムとは異なる制御プログラムに従って、エンジン運転状態などに応じて、還元剤噴射装置２８及びＥＧＲ制御弁３４Ｃを夫々電子制御する。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、コントロールユニット４２が、エンジン運転状態に応じた単位時間当たりの燃料供給量を演算する。即ち、コントロールユニット４２は、例えば、負荷センサ４６から負荷Ｑを読み取り、負荷に対応した燃料供給量が設定されたマップを参照して、負荷Ｑに応じた燃料供給量を演算する。なお、燃料供給量は、図示しないエンジンコントロールユニットから読み込むようにしてもよい。
ステップ２では、コントロールユニット４２が、例えば、単位時間当たりの燃料供給量に対して、燃料を構成する所定の燃料成分の含有率を乗算することで、単位時間当たりの燃料成分の排出量を推定する。ここで、燃料成分の含有率は、例えば、燃料特性に応じた固定値をとるようにすればよい。
ステップ３では、コントロールユニット４２が、例えば、「蓄積量＝蓄積量＋単位時間当たりの排出量」という式を利用して、監視対象とする排気浄化エレメント、即ち、ＤＯＣ２６Ａ，ＤＰＦ２６Ｂ，ＳＣＲ触媒３０又はアンモニア酸化触媒３２に蓄積された燃料成分の蓄積量を推定する。
ステップ４では、コントロールユニット４２が、例えば、図３に示すように、排気温度に対応した燃料成分の離脱量が設定されたマップを参照して、温度センサ３６，３８又は４０から読み込んだ、監視対象となる排気浄化エレメントに流入する排気温度Ｔi（i＝１〜３）に応じた燃料成分の離脱量を推定する。図３に示すマップでは、排気温度が燃料成分の離脱温度Ｔ0以下の領域では、燃料成分が離脱され得ない「０」であることが設定されている。なお、排気温度に対応した燃料成分の離脱量は、ターゲットとする燃料成分ごとに、例えば、シミュレーション，実験などを通して求めればよい。
ステップ５では、コントロールユニット４２が、燃料成分の離脱量に基づいて、例えば、「蓄積量＝蓄積量―離脱量」という式を利用して、監視対象となる排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分の蓄積量を更新する。
ステップ６では、コントロールユニット４２が、排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分の蓄積量が所定値以上であるか否かを判定する。ここで、所定値は、排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分の強制離脱を行うべきか否かを判定するための閾値であって、例えば、排気浄化エレメントに許容される燃料成分の許容蓄積量より若干低い値を持つ。そして、コントロールユニット４２は、燃料成分の蓄積量が所定値以上であると判定すれば処理をステップ７へと進める一方（Ｙｅｓ）、燃料成分の蓄積量が所定値未満であると判定すれば処理を終了させる（Ｎｏ）。
ステップ７では、コントロールユニット４２が、排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分の強制離脱が実行されていることを報知すべく、コンビネーションメータに付設された警告灯４８を点灯させる。ここで、警告灯４８の代わりに、ブザーなどを採用してもよい。
ステップ８では、コントロールユニット４２が、排気温度を燃料成分の離脱温度よりも昇温させることで、排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分を強制離脱させるため、ディーゼルエンジン１０に取り付けられた燃料噴射装置に対して、燃料供給量の増量指令を出力する。なお、排気温度を昇温させる昇温手段として、吸気シャッタ又は排気シャッタの開閉制御，可変ターボチャージャのベーン開度制御， ポスト噴射など公知の手段を採用することもできる。
かかる排気浄化装置において、ディーゼルエンジン１０の排気は、排気マニフォールド２２，ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂを経て、連続再生式ＤＰＦ装置２６のＤＯＣ２６Ａに導入される。ＤＯＣ２６Ａに導入された排気は、一部のＮＯがＮＯ2へと酸化されつつＤＰＦ２６Ｂへと流れる。ＤＰＦ２６Ｂでは、排気中のＰＭが捕集・除去されると共に、ＤＯＣ２６Ａにより生成されたＮＯ2を使用してＰＭが酸化されることで、ＰＭの捕集・除去及び再生が同時に行われる。
また、エンジン運転状態に応じて還元剤噴射装置２８から噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒３０において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、無害成分であるＨ2Ｏ（水）及びＮ2（窒素ガス）へと浄化されることは知られたことである。一方、ＳＣＲ触媒３０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒３２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。
このような排気浄化過程において、燃料供給量から推定された単位時間当たりの燃料成分の排出量を順次積算しつつ、この積算値から排気温度に応じた燃料成分の離脱量を順次減算することで、監視対象となる排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分の蓄積量が推定される。このとき、排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分は、排気温度が燃料成分の離脱温度より高い領域で減少する特性に着目し、燃料成分の排出量だけではなくその離脱量をも考慮することで、排気浄化エレメントにおける燃料成分の蓄積量を高精度に推定することができる。そして、燃料成分の蓄積量が所定値以上になると、コンビネーションメータに付設された警告灯４８が点灯されると共に、燃料成分の強制離脱処理が実行される。
ここで、排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分の蓄積量は、コントロールユニット４２が、エンジン停止時に不揮発性メモリに書き込む一方、エンジン始動時に不揮発性メモリから読み出すようにしてもよい。このようにすれば、燃料成分の蓄積量は、エンジン停止によりリセットされないことから、それまで演算された値を引き継ぐことができ、燃料成分の蓄積量の推定精度が低下することを抑制できる。なお、コントロールユニット４２が、エンジン停止時に燃料成分の蓄積量を不揮発性メモリに書き込む処理が書込手段に、エンジン始動時に不揮発性メモリから燃料成分の蓄積量を読み出す処理が読出手段に夫々該当する。
また、整備工場などにおいて、排気浄化エレメントの清掃などが行われることを考慮し、燃料成分の蓄積量を強制的にリセットできる機能（リセット手段）を設けてもよい。さらに、排気浄化エレメントに蓄積された燃料成分の強制離脱は、自動的ではなく、警告灯４８が点灯したことに気付いた運転者などの指示に応じて実行されるようにしてもよい。
なお、本発明は、ディーゼルエンジン１０の排気浄化装置に限らず、ガソリンエンジンの排気に含まれるＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘを同時に浄化する三元触媒にも適用することができる。また、本発明は、ＤＯＣ２６Ａ，ＤＰＦ２６Ｂ，ＳＣＲ触媒３０，アンモニア酸化触媒３２及び三元触媒に限らず、排気管に配設された各種の排気浄化エレメントにも適用することができる。さらに、本発明は、複数の排気浄化エレメントを監視対象としてもよい。
１０ ディーゼルエンジン
２４ 排気管
２６ 連続再生式ＤＰＦ装置
２６Ａ ＤＯＣ
２６Ｂ ＤＰＦ
３０ ＳＣＲ触媒
３２ アンモニア酸化触媒
３６ 温度センサ
３８ 温度センサ
４０ 温度センサ
４２ コントロールユニット
４８ 警告灯

Claims (9)

  1. エンジンの排気管に配設された排気浄化エレメントと、
    前記排気浄化エレメントに流入する排気の温度を検出する温度センサと、
    排気に含まれる所定の燃料成分の単位時間当たりの排出量を推定する排出量推定手段と、
    前記温度センサにより検出された排気の温度に基づいて、前記排気浄化エレメントから離脱する燃料成分の単位時間当たりの離脱量を推定する離脱量推定手段と、
    前記燃料成分の単位時間当たりの排出量及び離脱量に基づいて、前記排気浄化エレメントに蓄積されている燃料成分の蓄積量を推定する蓄積量推定手段と、
    を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
  2. 前記燃料成分の蓄積量が所定値以上になったときに、前記排気浄化エレメントに蓄積されている燃料成分を強制的に離脱させる時期が到来したと判定する判定手段を更に備えたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
  3. 前記燃料成分を強制的に離脱させる時期が到来したと判定されたときに、その旨を報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
  4. 前記燃料成分を強制的に離脱させる時期が到来したと判定されたときに、前記排気浄化エレメントに流入する排気の温度を燃料成分の離脱温度よりも昇温させる昇温手段を更に備えたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
  5. エンジン停止時に、前記燃料成分の蓄積量を不揮発性メモリに書き込む書込手段と、
    エンジン始動時に、前記不揮発性メモリから燃料成分の蓄積量を読み出す読出手段と、
    を更に備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
  6. 前記燃料成分の蓄積量を強制的にリセットするリセット手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
  7. 前記排出量推定手段は、単位時間当たりの燃料供給量、及び、燃料における燃料成分の含有率に基づいて、前記燃料成分の単位時間当たりの排出量を推定することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
  8. 前記離脱量推定手段は、排気の温度に対応した燃料成分の離脱量が設定されたマップを参照して、前記温度センサにより検出された排気の温度に応じた燃料成分の離脱量を推定することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
  9. 前記蓄積量推定手段は、前記燃料成分の単位時間当たりの排出量を順次積算しつつ、この積算値から燃料成分の単位時間当たりの離脱量を順次減算することで、前記燃料成分の蓄積量を推定することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
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