JP2011069323A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの排気浄化装置において、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）の目詰まりを抑制する。
【解決手段】エンジン運転状態に応じて推定された単位時間あたりのＨＣ排出量及びＨＣ酸化量の差分に基づいて、ＤＯＣの表面に付着した炭化水素（ＨＣ）付着量を算出する（Ｓ１〜Ｓ４）。そして、ＨＣ付着量が所定値Ｓ1より大きければ（Ｓ５）、吸気通路に配設された吸気スロットルの開度を小さくし（Ｓ７）、空気過剰率の低下を通して排気温度を上昇させることで、ＤＯＣの表面に付着したＨＣの酸化除去を促進させる。また、ＨＣの酸化除去を促進させる処理が開始された後、ＨＣ付着量が所定値Ｓ2未満になれば（Ｓ９）、吸気スロットルの開度を元に戻す（Ｓ１０）。このため、ＨＣ付着量が所定値Ｓ2〜Ｓ1の範囲に制限され、ＤＯＣの目詰まりを抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置において、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）の目詰まりを抑制する技術に関する。

ディーゼルエンジンの排気に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を連続的に除去する排気浄化装置として、特開２００８−１２８０６３号公報（特許文献１）に記載されるように、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）の排気上流にＤＯＣを配設した連続再生式ＤＰＦ装置が提案されている。連続再生式ＤＰＦ装置では、ＤＯＣで一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化させ、ＤＰＦで捕集されたＰＭをＮＯ₂と反応させることで、ＰＭの連続的な除去を可能としている。また、連続再生式ＤＰＦ装置であっても、例えば、排気温度が低い状態が長時間連続すると、ＰＭとＮＯ₂との反応が不十分となることから、ＤＰＦに堆積したＰＭを定期的に焼却する強制再生処理が不可欠である。このため、連続再生式ＤＰＦ装置では、ＤＰＦの排気上流と排気下流との差圧が所定値以上になったときに、ＤＰＦの強制再生処理を開始するようにしていた。

特開２００８−１２８０６３号公報

しかしながら、従来提案の連続再生式ＤＰＦ装置では、ＤＯＣ表面に炭化水素（ＨＣ）の成分が堆積しても、ＤＰＦの排気上流と排気下流との差圧が上昇しないため強制再生処理が開始されず、ＤＯＣによるＮＯ₂の生成が不十分となってしまう。このため、ＤＰＦに供給されるＮＯ₂が減少し、連続的なＰＭ除去ができなくなくなることから、排気浄化性能が低下するおそれがあった。なお、このような問題は、ディーゼルエンジンの排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するため、選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）の排気上流にＤＯＣが配設された排気浄化装置でも同様に発生する。

そこで、本発明は従来技術の問題点に鑑み、エンジン運転状態に応じてＤＯＣ表面に付着したＨＣ量を推定し、これが所定値以上となったときに排気温度を上昇させてＨＣ酸化を促進することで、ＤＯＣの目詰まりを抑制したディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、ディーゼルエンジンの排気通路に配設された酸化触媒と、ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて、酸化触媒の表面に付着するＨＣ付着量を推定する付着量推定手段と、ＨＣ付着量が第１の所定値より大きくなったときに、ディーゼルエンジンの排気温度を上昇させる排気温度上昇手段と、を含んでディーゼルエンジンの排気浄化装置を構成した。

本発明によれば、ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて推定されたＨＣ付着量が第１の所定値より大きくなると、ディーゼルエンジンの排気温度が上昇される。そして、酸化触媒の表面に付着したＨＣは、排気温度の上昇に伴って酸化除去が促進される。このため、酸化触媒の表面に付着するＨＣ付着量が第１の所定値以下に制限され、酸化触媒の目詰まりが抑制されることから、排気浄化性能が低下することを抑制することができる。

本発明を具現化した排気浄化装置の一例を示す概略構成図 制御プログラムの内容を示すフローチャート ＨＣ排出量マップの説明図 ＨＣ酸化量マップの説明図 ＨＣ酸化速度マップの説明図

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一例として、排気中のＰＭを連続的に除去する排気浄化装置の概略構成を示す。

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（吸気通路）には、吸気流通方向に沿って、空気中の埃などを除去するエアクリーナ１６，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により高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０，吸気通路を全閉から全開までの範囲で開閉する電子制御式の吸気スロットル２２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２４に接続される排気管２６（排気通路）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，少なくとも排気中のＮＯをＮＯ₂へと酸化させるＤＯＣ２８（酸化触媒），排気中のＰＭを捕集除去するＤＰＦ３０がこの順番で配設される。なお、ＤＰＦ３０の代わりに、ＤＰＦ３０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）を使用することもできる。

コンピュータを内蔵したコントロールユニット３２には、ディーゼルエンジン１０の回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ３４、及び、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑを検出する負荷センサ３６の各出力信号が入力される。ここで、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑとして、本実施形態では燃料噴射量を用いるが、例えば、吸気圧力，過給圧力，アクセル開度などトルクと密接に関連する他の状態量を利用することもできる。また、ディーゼルエンジン１０の回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑは、回転速度センサ３４及び負荷センサ３６で直接検出する構成に限らず、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から読み込むこともできる。

そして、コントロールユニット３２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、ＤＯＣ２８に付着したＨＣ成分を酸化除去すべく、エンジン運転状態としての回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑに基づいて、吸気スロット２２の開度を適宜電子制御する。なお、コントロールユニット３２は、制御プログラムを実行することで、付着量推定手段及び排気温度上昇手段を夫々具現化する。

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３２が所定時間Δｔ[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。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、エンジン運転状態として、回転速度センサ３４から回転速度Ｎｅを読み込むと共に、負荷センサ３６から負荷Ｑを読み込む。

ステップ２では、エンジン運転状態に応じた単位時間あたりのＨＣ排出量Ａ_ij [mg/秒]を推定演算する。具体的には、図３に示すように、エンジン回転速度[rpm]及び燃料噴射量[mg/ストローク]に対応した単位時間あたりのＨＣ排出量Ａ_ijが設定されたＨＣ排出量マップを参照し、回転速度Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑに応じた単位時間あたりのＨＣ排出量Ａ_ijを求める。ここで、ＨＣ排出量マップに設定されるＨＣ排出量は、例えば、実験などを通して求めるようにすればよい。また、ＨＣ排出量マップにおいて、回転速度Ｎｅ又は燃料噴射量Ｑに応じたＨＣ排出量Ａ_ijがないときには、公知の補間技術を用いて、隣接する複数のＨＣ排出量からＨＣ排出量Ａ_ijを求めるようにすればよい（以下同様）。

ステップ３では、エンジン運転状態に応じた単位時間あたりのＨＣ酸化量Ｂ_ij[mg/秒]を推定演算する。具体的には、図４に示すように、エンジン回転速度及び燃料噴射量に対応した単位時間あたりのＨＣ酸化量Ｂ_ijが設定されたＨＣ酸化量マップを参照し、回転速度Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑに応じた単位時間あたりのＨＣ酸化量Ｂ_ijを求める。ここで、ＨＣ酸化量マップに設定されるＨＣ酸化量は、例えば、実験などを通して求めるようにすればよい。

ステップ４では、ＤＯＣ２８の表面に付着していると推定されるＨＣ付着量を算出する。具体的には、次式のように、ＨＣ付着量に対して、単位時間あたりのＨＣ排出量Ａ_ij及びＨＣ酸化量Ｂ_ijの差分に所定時間Δｔを乗算した値を順次加算することで、ＨＣ付着量を更新する。なお、所定時間Δｔが１[秒]であるときには、ＨＣ付着量に対してＨＣ排出量Ａ_ij及びＨＣ酸化量Ｂ_ijの差分を順次加算するだけでよい。

ＨＣ付着量＝ＨＣ付着量＋（Ａ_ij−Ｂ_ij）×Δｔ
ステップ５では、ＤＯＣ２８の表面に付着したＨＣの酸化除去を行っているか否かを示すフラグ（Ｆｌａｇ）が０であるか否かを判定する。ここで、フラグは、ＨＣの酸化除去を行っているときには「１」、ＨＣの酸化除去を行っていないときには「０」の値をとる。そして、フラグが０（酸化除去中でない）であればステップ６へと進む一方（Ｙｅｓ）、フラグが１（酸化除去中）であればステップ９へと進む（Ｎｏ）。

ステップ６では、ＨＣ付着量が所定値Ｓ1（第１の所定値）より大きいか否かを判定する。ここで、所定値Ｓ1は、ＤＯＣ２８の表面に付着したＨＣを酸化除去すべきか否かを判定するための閾値であって、例えば、ＤＯＣ２８におけるＮＯ₂の生成反応に支障がないできるだけ大きな値に設定される。そして、ＨＣ付着量が所定値Ｓ1より大きければステップ７へと進む一方（Ｙｅｓ）、ＨＣ付着量が所定値Ｓ1以下であれば処理を終了する（Ｎｏ）。

ステップ７では、空気過剰率の低下を通して排気温度を上昇させ、ＤＯＣ２８の表面に付着したＨＣの酸化除去を促進すべく、吸気スロットル２２の開度を小さくする。ここで、吸気スロットル２２は、例えば、排気温度に応じた開度とすることができる。

ステップ８では、フラグを１（酸化除去中）に設定する。
ステップ９では、ＨＣ付着量が所定値Ｓ2（第２の所定値）未満であるか否かを判定する。ここで、所定値Ｓ2は、ＤＯＣ２８の表面に付着したＨＣを酸化除去する処理を終了すべきか否かを判定するための閾値であって、例えば、ＤＯＣ２８の表面に付着したＨＣがすべて酸化除去されたことを示す「０」に設定される。そして、ＨＣ付着量が所定値Ｓ2未満であればステップ１０へと進む一方（Ｙｅｓ）、ＨＣ付着量が所定値Ｓ2以上であれば処理を終了する（Ｎｏ）。

ステップ１０では、ＤＯＣ２８の表面に付着したＨＣを酸化除去する処理を終了させるべく、吸気スロットル２２の開度を元に戻す。
ステップ１１では、フラグを０（酸化除去中でない）に設定する。

このような排気浄化装置によれば、エンジン運転状態に基づいて推定されたＨＣ付着量が所定値Ｓ1より大きくなると、吸気管１４に配設された吸気スロットル２２の開度が小さくなるように制御される。そして、空気過剰率の低下を通して排気温度が上昇し、ＤＯＣ２８の表面に付着したＨＣの酸化除去が促進される。また、ＨＣの酸化除去が促進される処理が開始された後、エンジン運転状態に基づいて推定されたＨＣ付着量が所定値Ｓ2未満になると、吸気抵抗の増加による燃費低下を抑制すべく、吸気管１４に配設された吸気スロットル２２の開度が元に戻るように制御される。このため、ＤＯＣ２８の表面に付着するＨＣ付着量が所定値Ｓ2〜Ｓ1の範囲に制限され、ＤＯＣ２８の目詰まりが抑制されることから、燃費低下及び排気浄化性能が低下することを抑制することができる。

ＤＯＣ２８の表面に付着したＨＣの酸化除去を促進しているときに、排気温度に応じて吸気スロットル２２の開度を動的に増減するようにすれば、排気温度が過度に上昇することが防止され、例えば、ＤＯＣ２８の触媒に熱影響が及ぶことを抑制できる。また、単位時間あたりのＨＣ排出量及びＨＣ酸化量は、夫々、ＨＣ排出量マップ及びＨＣ酸化量マップを参照して求められるため、制御負荷の増大を抑制することができる。

なお、ＨＣの酸化除去を促進させるべく、排気温度を上昇させる手段として、可変ノズルターボ（ＶＮＴ：Variable Nozzle Turbo）で空気過剰率を低下させたり、排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置のＥＧＲ率を上昇させたり、燃料噴射時期を遅角させるなど公知の方法を採用してもよい。また、排気温度を上昇させる手段として、ヒータやバーナなどの外部熱源を使用してもよい。

ＨＣ酸化量Ｂ_ijを推定演算するにあたり、ＨＣ酸化量マップに代えて、図５に示すように、排気温度に対応したＨＣ酸化速度が設定されたＨＣ酸化速度マップを参照し、ＤＯＣ２８の排気上流における排気温度Ｔに応じたＨＣ酸化速度からＨＣ酸化量Ｂ_ijを求めるようにしてもよい。

本発明は、ディーゼルエンジン１０の排気に含まれるＰＭを連続的に除去する排気浄化装置に限らず、ＳＣＲの排気上流にＤＯＣが配設され、排気に含まれるＮＯｘを液体還元剤又はその前駆体を用いて還元浄化する排気浄化装置にも適用することができる。

１０ ディーゼルエンジン
１４ 吸気管
２２ 吸気スロットル
２６ 排気管
２８ ＤＯＣ
３２ コントロールユニット
３４ 回転速度センサ
３６ 負荷センサ

Claims (6)

1. ディーゼルエンジンの排気通路に配設された酸化触媒と、
   前記ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて、前記酸化触媒の表面に付着する炭化水素付着量を推定する付着量推定手段と、
   前記付着量推定手段により推定された炭化水素付着量が第１の所定値より大きくなったときに、前記ディーゼルエンジンの排気温度を上昇させる排気温度上昇手段と、
   を含んで構成された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. 前記付着量推定手段は、前記ディーゼルエンジンの運転状態に応じた炭化水素排出量及び炭化水素酸化量の差分に基づいて、前記酸化触媒の表面に付着する炭化水素付着量を推定することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
3. 前記付着量推定手段は、前記ディーゼルエンジンの回転速度及び負荷に対応した炭化水素排出量が設定された排出量マップを参照して、前記ディーゼルエンジンの運転状態に応じた炭化水素排出量を求めることを特徴とする請求項２記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
4. 前記付着量推定手段は、前記ディーゼルエンジンの回転速度及び負荷に対応した炭化水素酸化量が設定された酸化量マップを参照して、前記ディーゼルエンジンの運転状態に応じた炭化水素酸化量を求めることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
5. 前記付着量推定手段は、前記ディーゼルエンジンの排気温度に対応した炭化水素酸化速度が設定された酸化速度マップを参照して、前記ディーゼルエンジンの運転状態に応じた炭化水素酸化量を求めることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
6. 前記排気温度上昇手段は、前記付着量推定手段により推定された炭化水素付着量が第２の所定値未満になったときに、前記ディーゼルエンジンの排気温度を上昇させる処理を中止することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。

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