JP2005264785A - ディーゼルエンジンの排気後処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタの再生処理中に過渡状態になった場合における動力性能の低下を防止する。
【解決手段】排気通路（２）にパティキュレートを捕集して堆積させるフィルタ（４１）を備え、フィルタ（４１）の再生時期になったときにフィルタ（４１）の再生処理を行うディーゼルエンジンの排気浄化装置において、車両の運転状態が過渡状態であるかを判定する過渡状態判定手段（３１）と、フィルタ（４１）の再生処理中に前記過渡状態判定手段（３１）により車両の運転状態が過渡状態であると判定されたきにフィルタ（４１）の再生処理を解除する再生処理解除手段（３１）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明はディーゼルエンジンの排気パティキュレートを処理する排気後処理装置に関する。

ディーゼルエンジンから排出される排気パティキュレートを処理するために、排気系にパティキュレートを捕集するフィルタを配置し、フィルタに所定量のパティキュレートが堆積したとき、フィルタ温度を上昇させてフィルタに堆積しているパティキュレートを燃焼処理する、いわゆるフィルタの再生処理を行うものが各種提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−１５５７２６号公報

ところで、フィルタの再生処理中に加速が行われることがあり、このときには加速時の要求に応じたエンジントルクを応答よく発生させることが必要である。

しかしながら、上記の特許文献１の技術ではフィルタの再生処理中に過渡状態になったか否かを判定していないので、フィルタの再生処理中における加速時の要求に応じたエンジントルクを応答よく発生させることができない。特に吸気絞りをも行ってフィルタの昇温を行わせている場合には、過渡状態における吸入空気量の不足分が大きくなり、動力性能が低下してしまう。

そこで本発明は、フィルタの再生処理中に過渡状態になった場合における動力性能の低下を防止するようにした装置を提案することを目的とする。

本発明は、排気中のパティキュレートを捕集して堆積させるフィルタを備え、このフィルタの再生時期になったときにフィルタの再生処理を行うディーゼルエンジンの排気浄化装置において、車両の運転状態が過渡状態であるかを判定し、前記フィルタの再生処理中に前記過渡状態判定手段により運転状態が過渡状態であると判定されたきに前記フィルタの再生処理を解除するように構成する。

本発明によれば、フィルタの再生時期になったときにフィルタの再生処理を行うと共に、車両の運転状態が過渡状態であるかを判定し、フィルタの再生処理中に車両の運転状態が過渡状態であると判定されたきに前記ルタの再生処理を解除するので、フィルタの再生処理中に加速が行われても吸入空気量が不足することがなく、これによりフィルタの再生処理中に加速が行われた場合における動力性能の低下を防止できる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態を示す概略構成図である。図１において、１はディーゼルエンジンで、排気通路２と吸気通路３のコレクタ部３ａとを結ぶＥＧＲ通路４に、圧力制御弁（図示しない）からの制御圧力に応動するダイヤフラム式のＥＧＲ弁６を備えている。圧力制御弁は、エンジンコントローラ３１からのデューティ制御信号により駆動されるもので、これによって運転条件に応じた所定のＥＧＲ率を得るようにしている。

エンジンにはコモンレール式の燃料噴射装置１０を備える。この燃料噴射装置１０は、主に燃料タンク（図示しない）、サプライポンプ１４、コモンレール（蓄圧室）１６、気筒毎に設けられるノズル１７からなり、サプライポンプ１４により加圧された燃料は蓄圧室１６にいったん蓄えられ、この蓄圧室１６の高圧燃料が気筒数分のノズル１７へと分配される。

ノズル１７（燃料噴射弁）は、針弁、ノズル室、ノズル室への燃料供給通路、リテーナ、油圧ピストン、リターンスプリングなどからなり、油圧ピストンへの燃料供給通路に三方弁（図示しない）が介装されている。三方弁（電磁弁）のＯＦＦ時には針弁が着座状態にあるが、三方弁がＯＮ状態になると針弁が上昇してノズル先端の噴孔より燃料が噴射される。つまり三方弁のＯＦＦからＯＮへの切換時期により燃料の噴射開始時期が、またＯＮ時間により燃料噴射量が調整され、蓄圧室１６の圧力が同じであればＯＮ時間が長くなるほど燃料噴射量が多くなる。

ＥＧＲ通路４の開口部下流の排気通路２に、排気の熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン２２と吸気を圧縮するコンプレッサ２３とを同軸で連結した可変容量ターボ過給機２１を備える。タービン２２のスクロール入口に、アクチュエータ２５により駆動される可変ノズル２４が設けられ、エンジンコントローラ３１により、可変ノズル２４は低回転速度域から所定の過給圧が得られるように、低回転速度側ではタービン２２に導入される排気の流速を高めるノズル開度（傾動状態）に、高回転速度側では排気を抵抗なくタービン２２に導入させノズル開度（全開状態）に制御する。

上記のアクチュエータ２５は、制御圧力に応動して可変ノズル２６を駆動するダイヤフラムアクチュエータ２６と、このダイヤフラムアクチュエータ２６への制御圧力を調整する圧力制御弁２７とからなり、可変ノズル２４の実開度が目標ノズル開度となるように、デューティ制御信号が作られ、このデューティ制御信号が圧力制御弁２７に出力される。

コレクタ３ａ入口には、アクチュエータ４３により駆動される吸気絞り弁４２（吸気絞り手段）が設けられている。上記のアクチュエータ４３は、制御圧力に応動して吸気絞り弁４２を駆動するダイヤフラムアクチュエータ４４と、このダイヤフラムアクチュエータ４４への制御圧力を調整する圧力制御弁４５とからなり、吸気絞り弁４２が目標開度まで閉じられるように、デューティ制御信号が作られ、このデューティ制御信号が圧力制御弁４５に出力される。

アクセルセンサ３２、エンジン回転速度とクランク角度を検出するセンサ３３、水温センサ３４、エアフローメータ３５からの信号が入力されるエンジンコントローラ３１では、これらの信号に基づいて目標ＥＧＲ率と目標過給圧とが得られるようにＥＧＲ制御と過給圧制御を協調して行う。

排気通路２には排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ４１を備える。フィルタ４１のパティキュレート捕集量が所定値に達すると、排気温度を上昇させてフィルタ４１に捕集しているパティキュレートを燃焼除去する。

フィルタ４１の圧力損失（フィルタ４１の上流と下流の圧力差）を検出するために、フィルタ４１をバイパスする差圧検出通路に差圧センサ３６が設けられる。

この差圧センサ３６により検出されるフィルタ４１の圧力損失は、温度センサ３７からのフィルタ入口温度、温度センサ３８からのフィルタ出口温度と共にエンジンコントローラ３１に送られ、主にマイクロプロセッサで構成されるエンジンコントローラ３１では、これらに基づいてフィルタ４１のパティキュレート捕集量を燃やし切る再生処理を行う。

この場合に、フィルタ４１の再生処理は少なくとも吸気絞りを含んだ排気昇温手段を用いて排気温度を上昇させることから開始する。排気昇温手段は、吸気絞り手段としての吸気絞り弁４２、燃料噴射装置から噴射される燃料の噴射時期（メイン噴射時期）を基本噴射時期より遅角させたり基本噴射時期に戻したりするメイン噴射時期進遅角手段、メイン噴射後にさらに追加の噴射（ポスト噴射）を行うポスト噴射手段などからなり、例えばポスト噴射手段は運転条件が中負荷中速域まで作動される。また、吸気絞り手段は排気昇温が十分でなくなる低負荷側で作動される。ここで、排気昇温手段としての吸気絞り手段を作動させることは、吸気絞り弁４２を全開状態から所定の閉状態にすることを意味している。

本実施形態では、このように少なくとも吸気絞り手段を含んだ排気昇温手段を用いて排気温度を上昇させフィルタ４１の再生処理を行うエンジンを前提として、このフィルタ４１の再生処理中に車両の運転条件が過渡状態になったか否かを判定し、この判定結果よりフィルタ４１の再生処理中に車両の運転条件が過渡状態になった場合にフィルタ４１の再生処理を解除する。すなわち、フィルタ４１の再生処理を解除して動力性能を低下させない状態にする。

この制御について図２を参照して具体的に説明すると、図２は通常時の制御（燃費やエンジン出力が最適となるようにする制御）から出発してフィルタ４１の再生処理に移行し、フィルタ４１の再生処理中に過渡状態が判定され、その後に過渡状態が終了したのでフィルタ４１の再生処理に戻り、やがてフィルタ４１の再生処理が終了して通常時の制御に戻る場合を想定し、この場合にフィルタ４１の再生処理手段に含まれる排気昇温手段の作動状態がどのように変化するのかをモデル的に示している。

ただし、少なくとも吸気絞り手段を含んだ排気昇温手段としては様々なものが考え得るので、ここでは吸気絞り手段と組み合わせる排気昇温手段がメイン噴射時期を基本噴射時期より遅角させたり基本噴射時期に戻したりするメイン噴射時期進遅角手段である場合で代表させている。

通常時にはメイン噴射時期はエンジンの負荷と回転速度をパラメータとする通常時制御用のマップに従って制御される。通常時である時刻ｔ１でフィルタ４１の再生処理の開始時期になると、フィルタ４１を高温（パティキュレートが燃焼し始めるのは３５０℃程度、活発に燃焼するのは例えば６５０℃以上）にするため、メイン噴射時期のマップを通常時制御用から排気昇温用へと切換えると共に、吸気絞り弁４２を通常時の状態（全開位置）から所定の閉位置へと閉じる。このメイン噴射時期のマップ切換時と吸気絞り時にはランプ制御を施す。また、図示しないが、メイン噴射時期の排気昇温用へのマップ切換と吸気絞りに伴う出力低下を補うため、フィルタ４１の再生処理への移行時にはメイン噴射量を増量補正する。

メイン噴射時期及び吸気絞りの各ランプ制御が終了するｔ２の時刻では、エンジンの負荷と回転速度から定まる運転条件が図３に示す吸気量のフィードバック制御域Ａにあるので、エアフローメータ３５により検出される実際の吸入空気量が目標値と一致するように吸気絞り弁開度を制御する吸気量のフィードバック制御（吸気に関するフィードバック制御）を開始する。これは、フィルタ４１の昇温状態を維持させるための操作である。

このフィルタ４１の再生処理中にアクセルセンサ３２により検出されるアクセル開度あるいは燃料噴射量の変化量（微分値や前回値との差分）から過渡状態（加速時）か否かを判定する。過渡状態と判定した時刻ｔ３、つまり吸気絞りを行っているフィルタ４１の再生処理中におけるこのような加速時には吸気絞りにより加速時の要求に応えられず、動力性能が低下するので、フィルタ４１の再生処理を中断（解除）するためメイン噴射時期のマップを通常時制御用のマップに戻すと共に吸気絞り弁開度を通常時の全開状態に戻す。メイン噴射量の増量補正も中断する。この場合に、実験結果によれば、加速時の要求に応じるため吸気絞り弁開度を全開位置へとステップ的に戻すと共にメイン噴射時期をステップ的に通常時の値へと進角させたところトルクショックが生じたので、図示のようにメイン噴射時期を通常時の値へと戻す際にはランプ制御を加えている。

一方、時刻ｔ３では同時に吸気量のフィードバック制御域Ａから吸気圧フィードバック制御域Ｂへと横切るものとすると（図３の態様１参照）、ｔ３で吸気量のフィードバック制御を解除し、即座に吸気圧センサ３９（コレクタ３ａに設けられている）により検出される吸気圧が目標値と一致するように可変ノズル２４の開度を制御する吸気圧のフィードバック制御を開始するのではなく、ｔ３より所定のディレイ時間（ディレイ期間）をおいた時刻ｔ５より吸気圧のフィードバック制御（これも吸気に関するフィードバック制御）を開始する。吸気圧のフィードバック制御への切換時にこのようにディレイ時間を設けたのは次の理由からである。すなわち、フィルタ４１の再生処理中の過渡判定で吸気絞り弁４２を全開状態に戻すが、直ぐには吸入空気量が増えず遅れをもって平衡状態へと落ち着く。吸気絞り弁４２部を流れる吸入空気量が平衡状態に落ち着く前に吸気圧のフィードバック制御を行わせると可変ノズル２４を絞りすぎることになり、目標の吸気圧を超えてしまういわゆるオーバーブーストが生じる。そこで、吸気絞り弁４２の全開状態で流れる定常時の吸入空気量に落ち着いてから吸気圧のフィードバック制御を開始するようにしたものある。すなわち、吸気絞り弁４２の全開状態で流れる定常時の吸入空気量に落ち着く時間を目安にディレイ時間を定めている。なお、吸気圧のフィードバック制御もフィルタ４１の昇温状態を維持させるための操作であることに変わりない。

加速の終了する時刻ｔ６では、中断したフィルタ４１の再生処理を再開するためメイン噴射時期のマップを通常時制御用から排気昇温用へと切換える（基本噴射時期から所定値だけ遅角させる）。このときにもトルクショックが生じるのでランプ制御を施す。また、フィルタ４１の再生処理の再開時にもメイン噴射量を増量補正する。

ただし、時刻ｔ３以降は吸気圧のフィードバック制御域Ｂにあるので、排気昇温のための吸気絞りは行っていない。これは、吸気圧のフィードバック制御域Ｂでは吸気量フィードバック制御域Ａと相違して、吸気絞りを行わなくても排気昇温が可能であるからである。

ランプ制御の終了する時刻ｔ７以降は従来と同様である。すなわち、時刻ｔ７よりメイン噴射時期を排気昇温用マップに従って制御し、時刻ｔ８で再生処理の終了タイミングになると、メイン噴射時期のマップを再び排気昇温用のマップから通常時制御用のマップに戻し、その際ランプ制御を加える。

このように、本実施形態ではｔ１からｔ８までフィルタ４１の再生処理が行われるが、このフィルタ４１の再生処理中のｔ３よりｔ６の過渡状態判定期間でフィルタ４１の再生処理を中断して再生過渡制御を行う。

図２には過渡状態（加速時）で同時に吸気量のフィードバック制御域Ａから吸気圧のフィードバック制御域Ｂへと運転条件が横切る場合を示したが、本発明の対象はこの場合に限定されるものでなく、２つのフィードバック制御域を横切らない次の２つの場合にも適用がある。

（１）吸気量のフィードバック制御域Ａにおけるフィルタ４１の再生処理中に加速時が 判定され加速終了後も吸気量のフィードバック制御域Ａにある場合（図３の態様２ 参照）、
（２）吸気圧のフィードバック制御域Ｂにおけるフィルタ４１の再生処理中に加速時が 判定され加速終了後も吸気圧のフィードバック制御域Ｂにある場合（図３の態様３ 参照）、
エンジンコントローラ３１により実行されるこの制御を図４のフローチャートにより詳述する。ただし、通常時の制御からフィルタ４１の再生処理への移行時及びフィルタ４１の再生処理から通常時の制御への移行時に行われるランプ処理については省略している。また、吸気量のフィードバック制御、吸気圧のフィードバック制御についても省略している。

図４において、ステップ１ではフィルタ４１の再生処理中であるか否かをみる。フィルタ４１の再生処理中でなければステップ２に進み通常時の制御を行う。このとき、メイン噴射量はアクセル開度とエンジン回転速度をパラメータとして基本噴射量を格納している通常時制御用のマップに従って制御され、メイン噴射時期はこの基本噴射量とエンジン回転速度をパラメータとして基本噴射時期を格納している通常時制御用のマップに従って制御される。

フィルタ４１の再生処理中であるときにはステップ１よりステップ３に進みアクセル開度あるいは燃料噴射量の変化量（微分値や前回値との差分）から過渡状態（加速時）であるか否かをみる。過渡状態でないときにはステップ４に進んでフィルタ４１の再生処理を行う。このときメイン噴射時期は基本噴射量とエンジン回転速度をパラメータとする排気昇温用のマップに従って制御される。基本噴射量とエンジン回転速度が同じであるとき排気昇温用のマップには通常時制御用マップより遅角側の値が格納されている。また、メイン噴射補正量のマップに従ってメイン噴射量が基本噴射量より増量される。

過渡状態であると判定したときにはステップ３よりステップ５に進んで、本発明により新たに導入した再生過渡制御を行う。この再生過渡制御については図５のフローにより説明する。

図５（図４のステップ５のサブルーチン）は一定時間毎に実行する。図５においてステップ１１ではフィルタ４１の再生処理中において定常状態から過渡状態に切換わったタイミングであるか否かをみる。定常状態から過渡状態に切換わったタイミングであるときにはステップ１２、１３に進んでランプフラグ（ゼロに初期設定）＝１、ディレイフラグ（ゼロに初期設定）＝１とすると共にステップ１４でランプ制御とディレイ処理を行う。ここでのランプ処理は、図２においてメイン噴射時期についての時刻ｔ３からのランプ処理のこと、またここでのディレイ処理は図２において吸気圧のフィードバック制御についての時刻ｔ３からのディレイ処理のことである。このときのランプ応答時間は、通常時の制御からフィルタ４１の再生処理への切換時及びその逆への切換時に行うランプ制御のランプ応答時間とは別に設定し、応答を速くできるようにする。

次回にはステップ１１よりステップ１５、１６に進み、ランプフラグ、ディレイフラグをみる。このランプフラグ、ディレイフラグは前回にいずれも１となっているので、ステップ１５、１６よりステップ１７に進み、ランプ制御が終了したか否かをみる。ランプ制御が終了していなければステップ１８に進んでランプ制御とディレイ処理を継続する。

やがて、ランプ制御が終了したときにはステップ１７よりステップ１９に進んでランプフラグ＝０とする。このランプフラグ＝０により次回にはステップ１６よりステップ２０に進みディレイ処理が終了したか否かをみる。ディレイ処理が終了していなければステップ２１に進んでディレイ処理を継続する。

やがてディレイ処理も終了したときにはステップ２０よりステップ２２に進んでディレイフラグ＝０とする。このディレイフラグ＝０により次回にはステップ１５よりステップ２３に進み過渡時制御を行う。ここでの過渡時制御は通常時の制御に等しく、吸気絞り弁４２を全開状態にし、かつ通常時制御用のマップに従ってメイン噴射時期を基本噴射時期に制御する。また、メイン噴射量の増量補正を中断する。ここでの過渡時制御は、図２において吸気絞り弁についてのｔ５よりｔ６までの期間中の制御及びメイン噴射時期についての時刻ｔ４（ランプ応答時間が経過した時刻）よりｔ６までの期間中の制御のことである。

ここでは、過渡時制御を通常時の制御に等しくしたが、通常時の制御と異ならせるようにしてもかまわない。つまり、動力性能が回復するような制御として通常時の制御を採用しているので、動力性能が回復するような制御であれば通常時の制御と異なってもかまわない。

ここで、本実施形態の作用、効果を説明する。

本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、フィルタ４１の再生時期になったときにフィルタ４１の再生処理を行うと共に、車両の運転状態が過渡状態であるかを判定し、フィルタ４１の再生処理中に車両の運転状態が過渡状態であると判定されたきにフィルタの４１再生処理を解除するので、フィルタ４１の再生処理中に加速が行われても吸入空気量が不足することがなく、これによりフィルタ４１の再生処理中に加速が行われた場合における動力性能の低下を防止できる。

また、吸気絞り開始後に吸気圧のフィードバック制御を行う場合において、フィルタ４１の再生処理中の過渡判定で吸気絞り弁４２を全開状態に戻すが、直ぐには吸入空気量が増えず遅れをもって平衡状態へと落ち着くことから、吸気絞り弁４２部を流れる吸入空気量が平衡状態に落ち着く前に吸気圧のフィードバック制御を行わせたのでは可変ノズル２４を絞りすぎることになり、目標の吸気圧を超えてしまういわゆるオーバーブーストが生じ兼ねない。これに対して、本実施形態（請求項６に記載の発明）によれば、吸気絞り開始後（吸気絞り手段の作動開始後）に吸気圧のフィードバック制御（吸気に関するフィードバック制御）を行う場合において、過渡状態と判定したときには、その時刻（図２のｔ３）よりディレイ時間（所定の期間）の経過後に吸気圧のフィードバック制御を行うので、あるいは本実施形態（請求項８に記載の発明）によれば過渡状態であると判定された時刻よりディレイ時間（所定の期間）は吸気圧のフィードバック制御を中止するので、可変ノズル２４の絞りすぎによるオーバーブーストを防止できる。

請求項１に記載の過渡状態判定手段の機能は図４のステップ３により、再生処理解除手段の機能は図４のステップ５及び図５により果たされている。

本発明の一実施形態を示す概略構成図。 フィルタの再生処理中に過渡状態になったときの本実施形態の作用を示す波形図。 吸気量のフィードバック制御域と吸気圧のフィードバック制御域との切り分けを示す領域図。 本実施形態の制御内容を説明するためのフローチャート。 再生過渡制御を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１ エンジン
２ 排気通路
３１ エンジンコントローラ
３９ 吸気圧センサ
４１ フィルタ
４２ 吸気絞り弁（吸気絞り手段）

Claims (8)

1. 排気中のパティキュレートを捕集して堆積させるフィルタを備え、
   このフィルタの再生時期になったときにフィルタの再生処理を行うディーゼルエンジンの排気浄化装置において、
   車両の運転状態が過渡状態であるかを判定する過渡状態判定手段と、
   前記フィルタの再生処理中に前記過渡状態判定手段により前記車両の運転状態が過渡状態であると判定されたきに前記フィルタの再生処理を解除する再生処理解除手段と
   を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
2. 前記過渡状態は、車両の加速状態であ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の排気浄化装置。
3. 前記フィルタの再生処理手段は排気を昇温させる排気昇温手段であり、この排気昇温手段に少なくとも吸入空気量を低減させる吸気絞り手段を含んでいる
   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の排気浄化装置。
4. 前記フィルタの再生処理の解除は、前記車両の運転状態が過渡状態であると判定されたときに動力性能を低下させない状態にすることであることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
5. 前記フィルタの再生処理手段に、吸気絞り手段と、燃料噴射時期を基本噴射時期より遅角させたり基本噴射時期に戻したりする噴射時期進遅角手段とを含む場合に、前記動力性能を低下させない状態にすることは、前記吸気絞り手段により吸気絞り弁を全開状態にすると共に、前記噴射時期進遅角手段により前記燃料噴射時期を基本噴射時期に戻すことであることを特徴とする請求項４に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
6. 前記吸気絞り手段の作動開始後に、吸気に関するフィードバック制御を行う場合に、前記車両の運転状態が過渡状態であると判定された時刻より所定の期間経過後に前記吸気に関するフィードバック制御を行う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の排気浄化装置。
7. 前記吸気に関するフィードバック制御とは、吸気圧のフィードバック制御であることを特徴とする請求項６に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
8. 前記吸気に関するフィードバック制御中に前記吸気絞り手段の作動を行っている場合に、前記車両の運転状態が過渡状態であると判定された時刻より所定の期間は前記吸気に関するフィードバック制御を中止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の排気浄化装置。

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