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WO2011092873A1 - 内燃機関の排気ガス処理方法及び装置 - Google Patents

内燃機関の排気ガス処理方法及び装置 Download PDF

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WO2011092873A1
WO2011092873A1 PCT/JP2010/059936 JP2010059936W WO2011092873A1 WO 2011092873 A1 WO2011092873 A1 WO 2011092873A1 JP 2010059936 W JP2010059936 W JP 2010059936W WO 2011092873 A1 WO2011092873 A1 WO 2011092873A1
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WO
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exhaust gas
dpf
temperature
filter
internal combustion
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PCT/JP2010/059936
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English (en)
French (fr)
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増田　具承
恒 高柳
圭祐 奥田
和樹 西澤
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas treatment method and apparatus provided with a pre-stage oxidation catalyst and a filter for collecting particulate matter in an exhaust gas passage of an internal combustion engine, particularly a diesel engine.
  • PM particulate matter
  • DPF filter Diesel Particulate Filter
  • a pre-stage oxidation catalyst (DOC; Diesel Oxidation Catalyst) is provided in the upstream exhaust gas passage of the DPF filter.
  • DOC Diesel Oxidation Catalyst
  • fuel is mainly injected into the combustion cylinder, and the main injected fuel is burned to generate engine output.
  • fuel is injected in an early post-injection.
  • Ariposuto injection is performed at the starting time t 1 of the forced regeneration step.
  • Early post-injected fuel burns in a high temperature atmosphere in the combustion cylinder, and the high temperature generated by this combustion raises the temperature of the pre-stage oxidation catalyst to the activation temperature (DOC temperature rising stage A).
  • curve X is the inlet temperature of the DPF filter device
  • curve Y is the internal temperature of the DPF filter device
  • curve Z is the pressure of the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage.
  • the forced regeneration process of the DPF filter when the diesel engine shifts from normal operation to low rotation and low load operation such as idling, the oxygen concentration in the exhaust gas increases and the amount of heat removed from the DPF filter by the exhaust gas decreases. As a result, the temperature inside the DPF rises and the combustion rate of the PM collected by the DPF filter increases. Therefore, as shown in FIG. 9, the internal temperature of the DPF filter device abnormally rises, and the DPF filter itself may be damaged due to thermal melting or cracking. In addition, when a catalyst is supported on the DPF filter, the catalyst may be thermally deteriorated.
  • Patent Document 1 discloses an exhaust gas treatment device including a DPF filter device in an exhaust gas passage of a diesel engine.
  • the clutch of the clutch that connects and disconnects the internal combustion engine and its load is detected.
  • control is performed so that the rotation of the internal combustion engine is gradually switched to a rotational speed after clutch disconnection at a slower speed than normal.
  • Patent Document 2 discloses an exhaust gas treatment apparatus that includes a front-stage oxidation catalyst and a DPF filter device in an exhaust gas passage of a diesel engine, and an EGR pipe that returns a part of the exhaust gas to an intake passage.
  • a control prohibiting means for prohibiting the reduction of the exhaust gas flow rate is provided.
  • the exhaust gas flow rate is maintained, and the DPF filter is cooled by carrying away heat.
  • Patent Document 2 post-injection is performed in combination with the above-described control, and the amount of oxygen in the exhaust gas is reduced by reacting additional fuel from the post-injection with oxygen in the exhaust gas. It is disclosed that PM combustion is suppressed and abnormal temperature rise of the DPF filter is prevented.
  • the abnormal temperature rise prevention means of the DPF filter of Patent Document 1 is intended only for operation when the clutch is disengaged, and is a control that slowly reduces the engine speed, so that the change to a sudden low load other than when the clutch is disengaged Not applicable to
  • the abnormal temperature rise prevention means of the DPF filter disclosed in Patent Document 2 is (1) when the internal combustion engine is in a no-load state or an idling state, and (2) the accumulated amount of PM collected in the DPF filter is a predetermined amount or more.
  • DPF filter temperature DPF filter outlet exhaust gas temperature
  • the reduction of the exhaust gas flow rate is stopped and the internal combustion engine is rotated at a high speed. I am trying to change it to the side.
  • Patent Document 2 since it is necessary to provide a means for closing the EGR valve and use the EGR valve closing operation at the time of control, there is a problem that it is not effective for an internal combustion engine that does not use the EGR valve. is there.
  • the present invention provides an exhaust gas treatment apparatus in which a pre-oxidation catalyst and a DPF filter are provided in an exhaust gas passage of an internal combustion engine to remove PM in the exhaust gas.
  • a pre-oxidation catalyst and a DPF filter are provided in an exhaust gas passage of an internal combustion engine to remove PM in the exhaust gas.
  • an exhaust gas treatment method for an internal combustion engine of the present invention includes: A trapping process for collecting particulate matter in exhaust gas discharged from an internal combustion engine with a filter, and post-injecting fuel, and raising the temperature of the exhaust gas to the combustion temperature of the particulate matter with a pre-stage oxidation catalyst
  • An exhaust gas treatment method for an internal combustion engine comprising: a forced regeneration step of burning and removing particulate matter collected by the filter with exhaust gas, During the forced regeneration step, the DPF that has detected the exhaust gas temperature at the filter and has transitioned from a high rotation or high load operation state to a low rotation and low load operation state including an idling state within a set time.
  • a first step of determining the presence or absence of abnormal combustion occurrence operation In the first step, when it is determined that the inlet exhaust gas temperature of the filter is equal to or higher than the combustion temperature of the particulate matter and the DPF abnormal combustion occurrence operation has been performed, the filter is provided in the intake passage or the exhaust gas passage.
  • the third step is performed in parallel with the second step, and the post injection is continued as it is, the oxygen concentration around the filter is lowered, and the combustion rate of the particulate matter is lowered.
  • the exhaust gas temperature at the inlet of the DPF filter is detected in the first step, it can be confirmed that the forced regeneration process is reliably performed by the DPF filter. Further, as described above, according to the knowledge obtained by the present inventors, in an internal combustion engine, in particular, a diesel engine, an abnormal combustion of the DPF filter does not occur only in a low rotation and low load state, and high rotation It has been found that abnormal combustion occurs only when the state or high load state shifts to a low rotation / low load state within a certain time.
  • the DPF abnormal combustion occurs operation when the time zone for shifting from the high rotation state or the high load state to the low rotation and low load state is within a range of 10 seconds or less. This is because the combustion speed at low rotation and low load is slower than the combustion speed at high rotation or high load in the steady state, and when transiently changes from high rotation or high load to low rotation and low load, This is because the PM combustion speed in the DPF remains at a high speed and becomes a low-rotation low-load operation state, and the probability of occurrence of DPF abnormal combustion occurrence operation increases. Thereby, it is possible to more reliably determine the DPF abnormal combustion occurrence operation.
  • the second step when it is determined that the DPF abnormal combustion occurrence operation has been performed, in the second step, an operation of fully opening the throttle valve provided in the intake passage or the exhaust gas passage is performed, or the low load operation is performed. At least one of the operations that does not lower the rotational speed at the time below the set value is performed.
  • a decrease in the exhaust gas flow rate in a low rotation state or a low load state can be suppressed, and abnormal temperature rise of the DPF filter can be suppressed due to heat removal due to sensible heat of the exhaust gas.
  • the opening operation of the throttle valve is not necessary, it is possible to perform the fully opening operation, so that simple control is required and the control device is inexpensive.
  • the third step for continuing the post injection is performed.
  • the oxygen concentration around the DPF filter can be reduced, and the burning rate of the particulate matter can be reduced.
  • the third step is performed in parallel with the second step, the abnormal temperature rise of the DPF filter can be eliminated at an early stage.
  • the forced regeneration process can be continued even in a low rotation and low load state. Therefore, the forced regeneration process is not interrupted or restarted, and the DPF filter can be maintained at a constant temperature at which PM can be removed by combustion, so that the thermal efficiency of the internal combustion engine does not decrease. Furthermore, since the post-injection is continued as it is, the post-injection amount required for raising the temperature of the DPF filter can be reduced at the time of restart after interruption of forced regeneration, and oil dilution that tends to occur in the forced regeneration process can be reduced. Fuel consumption can be reduced.
  • the estimated deposition amount of the particulate matter is obtained, and when the estimated deposition amount exceeds the threshold value, each step from the first step to the third step is performed, and the estimated deposition amount is less than the threshold value. Then, the throttle valve opening control may be resumed and the post injection continued.
  • the larger the estimated amount of particulate matter deposited the easier the DPF filter burns abnormally. Therefore, if the estimated accumulation amount is obtained, abnormal combustion of the DPF filter can be estimated with higher probability.
  • the first step to the third step are performed when the estimated accumulation amount exceeds the set threshold value, abnormal combustion of the DPF filter can be reliably suppressed, and abnormality of the DPF filter can be prevented. When combustion does not occur, unnecessary control can be avoided. Further, when the estimated accumulation amount is equal to or less than the threshold value, the exhaust valve amount can be reduced while suppressing abnormal combustion of the DPF filter by restarting the throttle valve opening control and continuing the post injection. The post injection amount can be reduced, and the oil dilution can be reduced.
  • the amount of PM emission can be obtained from the fuel injection amount of the internal combustion engine, and the amount of deposition can be obtained by subtracting the amount of PM combustion from this amount of PM emission.
  • the accumulation amount can be obtained from the differential pressure of the exhaust gas before and after the DPF filter.
  • the temperature of the exhaust gas passing through the upstream oxidation catalyst is detected, and the temperature of the exhaust gas is equal to or lower than the activation temperature of the upstream oxidation catalyst
  • the forced regeneration process may be interrupted.
  • a throttle valve provided in the intake passage or the exhaust gas passage; A temperature sensor for detecting an inlet exhaust gas temperature of the filter; DPF abnormal combustion determination means for determining whether or not there is a DPF abnormal combustion occurrence operation in which the internal combustion engine has shifted from a high rotation or high load operation state to a low rotation low load operation state including an idling state within a set time; During the forced regeneration step of burning and removing the particulate matter collected by the filter, the exhaust gas temperature at the filter inlet is equal to or higher than the combustion temperature of the particulate matter, and the DPF abnormal combustion determination means performs the DPF abnormal combustion occurrence operation.
  • the throttle valve When it is determined that there is, the throttle valve is fully opened, or at least one of the operations that does not lower the rotation speed during low load operation to a setting value or less is performed, the exhaust gas flow rate is increased, and post injection is performed. And a controller that performs control so as to continue as it is.
  • the controller performs at least one of the operation of fully opening the throttle valve or not lowering the rotation speed during the low load operation to a setting value or less.
  • the DPF filter is cooled by increasing the flow rate and removing heat by sensible heat of the exhaust gas.
  • the oxygen concentration around the DPF filter is lowered and the combustion rate of PM trapped in the DPF filter is reduced, so that the abnormal temperature rise of the DPF filter can be accelerated. Can be resolved.
  • the apparatus further comprises means for estimating the amount of particulate matter deposited, wherein the controller has a DPF filter inlet exhaust gas temperature equal to or higher than the combustion temperature of the particulate matter, and the DPF abnormal combustion determination means causes the DPF abnormal combustion occurrence operation.
  • the controller has a DPF filter inlet exhaust gas temperature equal to or higher than the combustion temperature of the particulate matter
  • the DPF abnormal combustion determination means causes the DPF abnormal combustion occurrence operation.
  • An exhaust gas treatment method for an internal combustion engine comprising: a forced regeneration step, wherein the particulate matter trapped in the filter is combusted and removed with the exhaust gas whose temperature has been elevated.
  • the exhaust gas temperature is detected, and whether or not there is a DPF abnormal combustion occurrence operation in which the internal combustion engine has shifted from a high rotation or high load operation state to a low rotation low load operation state including an idling state within a set time
  • the third step is performed in parallel with the second step, and the post-injection is continued as it is, and the oxygen concentration around the filter is lowered and the combustion rate of the particulate matter is lowered. Since the abnormal temperature rise due to abnormal combustion can be eliminated at an early stage, the DPF filter can be prevented from being damaged due to thermal melting or cracking, and the thermal idling state within a set time
  • the occurrence of abnormal combustion of the DPF filter can be predicted fairly accurately, unnecessary control is performed when abnormal combustion of the DPF filter is performed, and the thermal efficiency of the internal combustion engine does not need to be reduced.
  • the forced regeneration process is not interrupted and restarted, and the DPF filter can be maintained at a constant temperature at which PM can be removed by combustion. do not do.
  • oil dilution that tends to occur in the forced regeneration process can be reduced, and fuel consumption can be reduced.
  • the exhaust gas passage of the internal combustion engine is provided with the pre-stage oxidation catalyst and the filter, the particulate matter in the exhaust gas is collected by the filter, the fuel is post-injected, and the pre-stage oxidation catalyst exhausts the exhaust gas.
  • an exhaust gas treatment apparatus for an internal combustion engine that raises the gas to the combustion temperature of particulate matter and burns and removes the particulate matter collected by the filter with the heated exhaust gas, it is provided in the intake passage or the exhaust passage.
  • 1 is a system diagram of a diesel engine according to a first embodiment of the method and apparatus of the present invention. It is a diagram which shows an example of the DPF abnormal combustion century operation of the said 1st Embodiment. It is a flowchart which shows the operation procedure which concerns on the said 1st Embodiment. It is a diagram which shows transition of the temperature of the DPF filter of the said 1st Embodiment. It is a flowchart which shows the operation procedure which concerns on 2nd Embodiment of the method and apparatus of this invention. It is a diagram which shows the threshold value of PM deposition amount which concerns on the said 2nd Embodiment. It is a diagram which shows the fuel-injection process of a diesel engine. It is a diagram which shows the forced regeneration process of the DPF filter of a diesel engine. It is a diagram which shows the temperature of a DPF filter when it transfers to the low rotation state or a low load state in the exhaust gas treatment apparatus of the conventional diesel engine.
  • FIG. 1 A first embodiment in which the method and apparatus of the present invention are applied to a diesel engine will be described with reference to FIGS.
  • a piston 14 is built in a combustion cylinder 12 of a diesel engine 10, and a combustion chamber 16 is formed above the piston 14.
  • An intake pipe 18 and an exhaust pipe 20 are connected to the cylinder head of the combustion cylinder 12, and an intake valve 22 and an exhaust valve 24 are provided at these connecting portions.
  • an injector 26 for injecting fuel into the combustion chamber 16 is provided in the upper center of the cylinder head.
  • Fuel such as light oil
  • the fuel injection timing and the injection amount are precisely controlled by the ECU 32.
  • the injected fuel is mixed with the air supplied from the intake pipe 18, and the air-fuel mixture is compressed in the combustion chamber 16 to ignite and burn.
  • the diesel engine 10 includes an exhaust turbocharger 34 including an exhaust turbine 36 disposed in the exhaust pipe 20 and a compressor 38 disposed in the intake pipe 18 and driven coaxially with the exhaust turbine 36. .
  • the air a discharged from the compressor 38 of the exhaust turbocharger 34 passes through the intake pipe 18 and is cooled by the intercooler 40 and then enters the intake chamber 42.
  • An intake throttle valve 44 that controls the opening degree of the intake pipe 18 is provided on the inlet side of the intake chamber 42.
  • the air supply chamber 42 is provided with a supply air pressure sensor 46 and an air supply temperature sensor 48.
  • the downstream side exhaust pipe 20 of the exhaust turbine 36 is provided with a front stage oxidation catalyst 50 and a DPF filter device 52 on the downstream side of the front stage oxidation catalyst 50.
  • the combustion gas combusted in the combustion chamber 16, that is, the exhaust gas e is discharged to the exhaust pipe 20 and drives the exhaust turbine 36 of the exhaust turbocharger 34 to become a power source for the compressor 38. Thereafter, the exhaust gas e passes through the pre-stage oxidation catalyst 50 and the DPF filter device 52, and PM contained in the exhaust gas e is collected by the DPF filter device 52.
  • the exhaust gas e from which PM has been removed by the DPF filter device 52 is discharged to the outside from a muffler outlet (not shown).
  • exhaust temperature sensors 54, 56, and 58 for detecting the temperature of the exhaust gas e are provided in the exhaust pipe 20 on the inlet side of the upstream oxidation catalyst 50 and on the inlet side and outlet side of the DPF filter device 52, respectively. Further, a differential pressure sensor 66 for detecting the pressure difference of the exhaust gas e between the inlet and the outlet of the DPF filter device 52 is provided, and an intake flow meter 68 is provided at the inlet of the intake pipe 18.
  • the exhaust pipe 20 is provided with an exhaust throttle valve 70 for controlling the exhaust gas flow rate.
  • An EGR pipe 60 is connected between the intake pipe 18 and the exhaust pipe 20.
  • the EGR pipe 60 is provided with an EGR valve 64 that controls the opening degree of the EGR cooler 62 and the EGR pipe 60.
  • a part of the exhaust gas e passes through the EGR pipe 60, is cooled by the EGR cooler 62, and then returned to the intake chamber 42. This reduces the amount of oxygen in the intake air, lowering the combustion temperature of the peak, thereby suppressing the occurrence of NO X.
  • the exhaust temperature sensors 54, 56, 58, the differential pressure sensor 66, the detected value of the intake flow meter 68, and the opening signal of the exhaust throttle valve 70 are sent to the ECU 32. Further, an engine load signal or a fuel injection amount signal and an engine speed are input to the ECU 32. Based on these input values, the ECU 32 controls the operation of the diesel engine 10 by controlling the injector 26, the injector pump 28, the intake throttle valve 44, the EGR valve 64, and the like.
  • the ECU 32 includes an operation region determination unit 72 and a DPF abnormal combustion determination unit 74.
  • the operation region determination means 72 determines in which region shown in FIG. 2 the operation state of the diesel engine 10 is based on the engine load signal or fuel injection amount signal input to the ECU 32 and the engine speed.
  • the DPF abnormal combustion determination means 74 is set from the region ⁇ in which the diesel engine 10 is in the high rotation or high load operation state to the region ⁇ in the medium rotation or medium load operation state.
  • DPF abnormal combustion occurrence operation in which the DPF filter device 52 may cause abnormal combustion when it shifts to a region ⁇ that is in a low rotation and low load operation state including an idling state within a time T 1 (for example, a range within 10 seconds). Determine that has happened.
  • step 10 issues a command for ECU32 is forced regeneration process starts (step 10), as shown in FIG. 7, after the main injection of fuel into the combustion chamber 16, at the start time t 1 of the forced regeneration step, the fuel Early post injection. Early post-injected fuel is combusted at the temperature of the combustion chamber 16, and as shown in FIG. 8, the temperature of the preceding oxidation catalyst 50 is raised to the activation temperature in the preceding oxidation catalyst temperature raising stage A (step 11).
  • the pre-stage oxidation catalyst 50 If the pre-stage oxidation catalyst 50 does not reach the activation temperature even after the early post-injection, the pre-stage oxidation catalyst 50 is heated by the restriction of the intake pipe 18 by the intake throttle valve 44 and the change in the early post-injection conditions. Even when the pre-oxidation catalyst 50 reaches the activation temperature or higher, the throttle by the intake throttle valve 44 and the change of the early post injection conditions are continuously performed.
  • the exhaust temperature sensor 56 detects the exhaust gas temperature at the inlet of the DPF filter device 52 (step 13).
  • the inlet exhaust gas temperature is higher than ⁇ target temperature (for example, 600 ° C.) ⁇ 30 ° C.>, and it is confirmed that the forced regeneration process is performed reliably.
  • the inlet exhaust gas temperature is ⁇ target temperature (for example, 600 ° C.) ⁇ 30 ° C.> or less, the process returns to step 12.
  • the ECU 32 determines the operating state from the engine load signal or fuel injection amount signal and the engine speed (step 14).
  • the operation state determined here belongs to the region ⁇ and then shifts to the operation region ⁇ of low rotation and low load
  • the DPF abnormal combustion determination means 74 determines that the DPF abnormal combustion occurrence operation has occurred (step 15). .
  • step 14 When it is determined that the operation state does not belong to the region ⁇ (step 14) or that the DPF abnormal combustion occurrence operation does not occur (step 15), the process returns to step 12, or the duration of the forced regeneration process (here, If the allowable time set for the DPF filter device 52 at which the inlet exhaust gas temperature is 600 ⁇ 30 ° C. has passed (step 16), the forced regeneration process is completed (step 17).
  • step 15 If it is determined in step 15 that the DPF abnormal combustion occurs, the control of the intake throttle valve 44 is interrupted and fully opened.
  • a rotational speed ⁇ higher than the engine rotational speed in a normal idling state is set in advance.
  • the engine speed is increased to the rotational speed ⁇ (step 18). For example, the engine speed is increased from 1,000 rpm to 1,200 rpm. By this operation, the exhaust gas flow rate can be rapidly increased. At this time, the late post injection continues as it is.
  • step 19 the operation state is determined again (step 19). If the operation state does not belong to the region ⁇ , the control of the intake throttle valve 44 is resumed (step 20), and then the process returns to step 12. If the operating state is still in the region ⁇ , the exhaust temperature sensor 54 or 56 detects the inlet or outlet exhaust gas temperature of the pre-stage oxidation catalyst 50 (step 21). If these detected values are below the activation temperature, it is determined that the forced regeneration process has not been performed, and the forced regeneration process is interrupted (step 22).
  • step 20 the control of the intake throttle valve 44 is resumed (step 20), and then the process proceeds to step 12. Return. Otherwise, return to step 18.
  • the exhaust gas flow rate is increased, While heat removal by heat is performed and the rate post injection is continued as it is, the oxygen concentration of the DPF filter device 52 is lowered and the combustion rate of PM is lowered, so the abnormal temperature rise of the DPF filter device 52 Can be resolved early. Therefore, it is possible to prevent the DPF filter from being damaged due to thermal melting or cracking, and to prevent thermal deterioration of the catalyst carried on the DPF filter.
  • a rotational speed ⁇ higher than the engine rotational speed in the normal idling state is set in advance, and in step 18, the engine rotational speed is set to the rotational speed ⁇ in parallel with the control interruption (full open) of the intake throttle valve 44. Since the exhaust gas flow rate is increased, the exhaust gas flow rate can be rapidly increased. Therefore, the abnormal temperature rise of the DPF filter device 52 can be eliminated at an early stage in the initial stage of control.
  • FIG. 4 shows the temperature transition of the DPF filter according to the present embodiment when transitioning from the region ⁇ to the idling operation (region ⁇ ) during the forced regeneration process, and the temperature transition of the DPF filter when the conventional operation is performed. Is shown in comparison.
  • idling is performed within a set time T 1 from a region ⁇ that is an operation state of high rotation or high load through a region ⁇ that is an operation state of medium rotation or medium load.
  • the temperature of the DPF filter does not increase so much from the target temperature (for example, 600 ° C.), and substantially follows the target temperature. I understand that.
  • abnormal combustion of the DPF filter may occur only when the operation state of the diesel engine 10 shifts from the high rotation or high load region ⁇ to the low rotation and low load operation including the idling state within the set time T 1. Therefore, the abnormal combustion prevention control is performed, and therefore, unnecessary control is not performed and the thermal efficiency of the diesel engine 10 is not lowered easily.
  • the late post injection is continued as it is, so that the forced regeneration process can be continued, and the forced regeneration process is not interrupted or restarted, and the DPF filter is burned with PM. Therefore, the thermal efficiency of the diesel engine 10 does not decrease.
  • the post-injection amount required to raise the temperature of the DPF filter can be reduced when restarting after a forced regeneration interruption, oil dilution that tends to occur in the forced regeneration process can be reduced, and fuel consumption can be reduced. Become.
  • the control during abnormal combustion of the DPF filter since the control of the intake throttle valve 44 is simply interrupted and fully opened, the control device can be reduced in cost.
  • the intake throttle valve 44 is provided in the intake pipe 18 to control the exhaust gas flow rate, but the opening of the exhaust throttle valve 70 provided in the exhaust pipe 20 instead of the intake pipe 18 is controlled. May be controlled to control the exhaust gas flow rate.
  • both the intake throttle valve 44 and the exhaust throttle valve 70 may be controlled.
  • the exhaust gas flow rate is increased so that the forced regeneration process is interrupted when the exhaust gas temperature passing through the front stage oxidation catalyst becomes lower than the activation temperature of the front stage oxidation catalyst 50. Therefore, fuel consumption can be reduced.
  • Step 24 Step 25, and Step 26 are different from those of the first embodiment, and the others are the same as those of the first embodiment.
  • step 25 the amount of accumulated PM collected in the DPF filter device 52 is estimated.
  • the fuel injection amount and the fuel combustion amount input to the ECU 32 are obtained as a function of the exhaust gas temperature, and the collected PM amount can be obtained by subtracting the fuel combustion amount from the fuel injection amount.
  • the PM deposition amount can be obtained from the differential pressure of the exhaust gas before and after the DPF filter device 52 obtained by the differential pressure sensor 66.
  • a threshold value C is provided for the PM estimated accumulation amount, and when the PM estimated accumulation amount exceeds the threshold value C, the operation according to the present invention is performed. Further, when the estimated PM accumulation amount is equal to or less than the threshold value C and it is not determined that the DPF abnormal combustion occurrence operation is performed, the process proceeds to step 25. In step 25, when the estimated PM deposition amount is equal to or less than the set value and the duration of the forced regeneration process is equal to or longer than the set time, the forced regeneration process is completed. Otherwise, the process returns to step 12. Yes.
  • step 21 when the estimated PM accumulation amount is equal to or less than the threshold value C, or when the control interruption time of the intake throttle valve 44 exceeds the set allowable time, the intake throttle valve 44 is controlled. If not, the process returns to step 18. At this time, the late post injection is continued as it is.
  • FIG. 6 shows respective threshold values C1 to C3 when the target temperature of the DPF filter is 570 ° C., 600 ° C., or 630 ° C.
  • the threshold value C may be changed according to the target temperature of the DPF filter. That is, when the target temperature is low, the threshold value C is increased, and when the target temperature is high, the threshold value C is decreased. The reason is that the higher the target temperature, the more likely the abnormal combustion of the DPF filter occurs. Therefore, it is necessary to suppress the occurrence of abnormal combustion by setting the threshold value C small.
  • the PM estimated accumulation amount when determining the presence or absence of the DPF abnormal combustion occurrence operation, a factor called the PM estimated accumulation amount is added, and the operation is changed according to the PM estimated accumulation amount. It is possible to accurately grasp the situation that occurs. Therefore, it is possible to reliably grasp abnormal combustion of the DPF filter and prevent an abnormal temperature increase of the DPF filter at an early stage. Further, when the DPF abnormal combustion occurrence operation is performed, unnecessary operation is not required, so that the thermal efficiency of the diesel engine 10 is not lowered.
  • the opening degree control of the intake throttle valve 44 is resumed and the late post injection is continued, thereby suppressing the abnormal combustion of the DPF filter device 52 and the exhaust gas amount. Therefore, the late post injection amount can be reduced, and the oil dilution can be reduced.
  • an exhaust gas treatment apparatus for an internal combustion engine particularly a diesel engine
  • abnormal combustion of the DPF filter can be prevented, and damage to the DPF filter and thermal deterioration of the catalyst carried on the DPF filter can be effectively prevented.

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Abstract

内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びＤＰＦフィルタを設けた排ガス処理装置において、内燃機関が高負荷状態から低負荷状態に変化したときに発生するＤＰＦフィルタの異常燃焼を防止することが課題である。本発明は、内燃機関が高回転状態又は高負荷の運転領域αから低回転低負荷の運転領域βに設定時間Ｔ１内に移行するときをＤＰＦ異常燃焼生起運転と判定する。ＤＰＦ異常燃焼生起運転と判定したとき、吸気スロットルバルブ４４を全開して、排気ガス流量を増大させ、排気ガスの顕熱による熱持ち去りによりＤＰＦフィルタ装置５２を冷却すると共に、レイトポスト噴射を続行させ、ＤＰＦフィルタ周囲の酸素濃度を低下させ、ＤＰＦフィルタに捕集されたＰＭの異常燃焼を抑制する。これによって、ＤＰＦフィルタ装置５２の異常昇温を早期に抑制できる。

Description

内燃機関の排気ガス処理方法及び装置
　本発明は、内燃機関、特に、ディーゼル機関の排気ガス通路に前段酸化触媒と粒子状物質を捕集するフィルタとを備えた排ガス処理方法及び装置に関する。
　ディーゼル機関の排気ガス規制では、ＮＯＸ低減と同様に重要なのが粒子状物質（ＰＭ；Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ。以下「ＰＭ」と言う。）の低減である。排気ガスからＰＭを除去する有効な手段として、ＤＰＦフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｆｉｌｔｅｒ）と称されるフィルタを用いたＰＭ捕集手段が知られている。
　ＤＰＦは、排気ガス温度が低い運転状態では、ＤＰＦにＰＭが溜まり続けるので、排気ガスの温度を強制的に上昇させて、ＰＭを燃焼除去する強制再生を行なう必要がある。
　この強制再生工程を図７及び図８により説明する。ＤＰＦフィルタの上流側排気ガス通路には前段酸化触媒（ＤＯＣ；Ｄｉｅｓｅｌ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　Ｃａｔａｌｙｓｔ）が設けられる。
　図７に示すように、燃焼シリンダに燃料が主噴射され、主噴射された燃料が燃焼してエンジン出力を発生する。主噴射後、燃料がアーリポスト噴射される。図７に示すように、アーリポスト噴射は、強制再生工程の開始時点ｔ１で行なわれる。アーリポスト噴射された燃料は、燃焼シリンダ内の高温雰囲気で燃焼し、この燃焼で生じた高温により、前段酸化触媒が活性温度まで昇温される（ＤＯＣ昇温ステージＡ）。
　次に、下死点の手前（図８中、ｔ２の時点）でさらに燃料をレイトポスト噴射する。レイトポスト噴射された燃料は、活性化された前段酸化触媒の触媒作用で酸化され、その時発生する反応熱で排気ガスの温度を６００℃以上に昇温する（ＤＰＦ入口温度昇温ステージＢ）。排気ガスの温度を６００℃以上にすることで、ＤＰＦフィルタに捕集されたＰＭが燃焼し、ＤＰＦフィルタから除去される。
　しかし、ＤＰＦフィルタの強制再生工程中に、ディーゼル機関が通常運転からアイドリング運転等の低回転低負荷運転に移行すると、図９に示すように、ＤＰＦフィルタに捕集されたＰＭが異常燃焼を起して異常昇温する場合がある。図９中、曲線ＸはＤＰＦフィルタ装置の入口温度であり、曲線ＹはＤＰＦフィルタ装置の内部温度であり、曲線Ｚは排ガス路を流れる排ガスの圧力である。
　ＤＰＦフィルタの強制再生工程中に、ディーゼル機関が通常運転からアイドリング状態等の低回転低負荷運転に移行した場合、排気ガス中の酸素濃度が増加及び排気ガスによりＤＰＦフィルタから持ち去られる熱量が低下して、ＤＰＦ内部の温度が上昇し、ＤＰＦフィルタに捕集されたＰＭの燃焼速度が増大する。従って、図９に示すように、ＤＰＦフィルタ装置の内部温度が異常上昇し、ＤＰＦフィルタ自体の熱溶損やクラックによる破損が起こるおそれがある。また、ＤＰＦフィルタに触媒が担持されている場合には、該触媒の熱劣化が起こるおそれがある。
　特許文献１には、ディーゼル機関の排気ガス通路にＤＰＦフィルタ装置を備えた排ガス処理装置が開示されている。この排ガス処理装置では、ＤＰＦフィルタの温度を検出し、ＤＰＦフィルタに捕集されたＰＭが急速燃焼を起す可能性があると判断された時に、内燃機関とその負荷との断接を行なうクラッチの切断時に、内燃機関の回転を通常時より緩い速度で徐々にクラッチ切断後の回転数に切り換える制御を行なう。これによって、ＤＰＦフィルタに流入する排気ガス量を確保して、ＤＰＦフィルタの異常昇温を防止することが開示されている。
　特許文献２には、ディーゼル機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びＤＰＦフィルタ装置を備え、かつ排気ガスの一部を吸気路に戻すＥＧＲ管を備えた排ガス処理装置において、内燃機関が無負荷あるいはアイドリング運転状態にあるとき、ＤＰＦフィルタに捕集されたＰＭの堆積量が所定量以上であり、かつＤＰＦフィルタの温度が所定温度以上であることが検出されたとき、ＥＧＲ弁を閉鎖すると共に、排気ガス流量の低減を禁止する制御禁止手段を備えることが開示されている。これによって、排気ガス流量を維持し、熱の持ち去りによってＤＰＦフィルタを冷却するようにしている。
　さらに、特許文献２には、前記制御と併用して、ポスト噴射を行い、ポスト噴射による追加燃料と排気ガス中の酸素とを反応させて、排気ガス中の酸素量を低下させ、これによって、ＰＭの燃焼を抑えて、ＤＰＦフィルタの異常昇温を防止することが開示されている。
特開２００４－６８８０４号公報 特開２００３－２７９２１号公報
　特許文献１のＤＰＦフィルタの異常昇温防止手段は、クラッチの切断時の作動だけを対象とし、しかもエンジン回転数をゆっくり下げる制御であるため、クラッチの切断時以外の急激な低負荷への変化には適用できない。
　特許文献２に開示されたＤＰＦフィルタの異常昇温防止手段は、（１）内燃機関が無負荷状態又はアイドリング状態のとき、（２）ＤＰＦフィルタに捕集されたＰＭの堆積量が所定量以上であるとき、（３）ＤＰＦフィルタの温度（ＤＰＦフィルタ出口排気ガス温度）が所定温度以上であるとき、の３条件が満足されたときに、排気ガス流量の低減を止め、内燃機関を高回転側に変更するようにしている。
　これに対し、本発明者等が得た知見によれば、内燃機関、特に、ディーゼル機関において、単に低回転低負荷状態であるだけでは、ＤＰＦフィルタの異常燃焼が起こらないことがわかった。即ち、高回転状態又は高負荷状態からある一定時間内に低回転低負荷状態に移行したときのみ、即ち、エンジンの回転数又は負荷がある程度急激に変化する場合に、異常燃焼が起こることが判明した。
　従って、特許文献２に開示された手段では、ＤＰＦフィルタの異常燃焼が起こらないときに、不必要な制御を行なうことになり、その分ディーゼル機関の燃焼効率が低下するという問題がある。
　さらに、特許文献２では、ＥＧＲ弁を閉弁する手段を設け、制御時ＥＧＲ弁の閉弁操作を併用する必要があるため、ＥＧＲ弁を用いない内燃機関に対しては効果がないという問題がある。
　本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びＤＰＦフィルタを設けて、排気ガス中のＰＭを除去する排ガス処理装置において、内燃機関が高回転状態又は高負荷状態から低回転低負荷状態に変化したときに発生するＤＰＦフィルタの異常燃焼を防止して、ＤＰＦフィルタの熱溶損やクラックによる破損を防止し、あるいはＤＰＦフィルタに触媒が担持されている場合には、該触媒の熱劣化を防止することを目的とする。また、ＤＰＦフィルタの異常燃焼を安価な制御装置で実現することを目的とする。
　かかる目的を達成するため、本発明の内燃機関の排ガス処理方法は、
　内燃機関から排出された排気ガス中の粒子状物質をフィルタで捕集する捕集工程と、燃料をポスト噴射し、前段酸化触媒で排気ガスを粒子状物質の燃焼温度まで昇温させ、昇温した排気ガスで前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する強制再生工程と、からなる内燃機関の排ガス処理方法において、
　前記強制再生工程中に、前記フィルタの入口排気ガス温度を検出し、かつ内燃機関が高回転又は高負荷の運転状態から、設定時間以内にアイドリング状態を含む低回転低負荷運転状態に移行したＤＰＦ異常燃焼生起運転の有無を判定する第１ステップと、
　該第１ステップで、該フィルタの入口排気ガス温度が前記粒子状物質の燃焼温度以上であり、かつ前記ＤＰＦ異常燃焼生起運転があったと判定されたとき、吸気路又は排気ガス路に設けられたスロットルバルブを全開するか、又は低負荷運転時の回転数を設定値以下に下げない操作の少なくとも一方を行ない、排気ガス流量を増大させる第２ステップと、
　該第２ステップと並行して行なわれ、ポスト噴射をそのまま継続し、前記フィルタ周囲の酸素濃度を低下させ、前記粒子状物質の燃焼速度を低下させる第３ステップと、からなるものである。
　本発明方法では、前記第１ステップで、ＤＰＦフィルタの入口排気ガス温度を検出するようにしているため、ＤＰＦフィルタで強制再生工程が確実に行なわれていることを確認することができる。
　また、前述のように、本発明者等が得た知見によれば、内燃機関、特に、ディーゼル機関において、単に低回転低負荷状態であるだけでは、ＤＰＦフィルタの異常燃焼が起こらず、高回転状態又は高負荷状態から一定時間内に低回転低負荷状態に移行したときのみ異常燃焼が起こることが判明した。
　この知見に基づいて、本発明方法では、内燃機関が高回転又は高負荷の運転状態から、設定時間以内にアイドリング状態を含む低回転低負荷運転状態に移行したＤＰＦ異常燃焼生起運転の有無を判定するようにしている。こうしてＤＰＦ異常燃焼生起運転を判定したときのみ、第２ステップ及び第３ステップを行って、ＤＰＦフィルタにおける異常燃焼の発生をかなり正確に予測可能になる。そのため、特許文献２のように、不必要な制御を行なって、内燃機関の燃焼効率を低下させずに済む。
　高回転状態又は高負荷状態から低回転低負荷状態に移行する時間帯が、特に、１０秒以内の範囲であるときに、ＤＰＦ異常燃焼生起運転になると判定するとよい。これは、定常状態において高回転又は高負荷状態での燃焼速度に対して、低回転低負荷での燃焼速度は遅く、過渡的に高回転又は高負荷状態から、低回転低負荷へ変化すると、ＤＰＦ内のＰＭ燃焼速度は速い状態のまま低回転低負荷の運転状態となってしまい、ＤＰＦ異常燃焼生起運転が起こる確率が増える為である。これによって、ＤＰＦ異常燃焼生起運転をより確実に判定できる。
　また、本発明方法では、ＤＰＦ異常燃焼生起運転があったと判定されたとき、第２ステップで、吸気路又は排気ガス路に設けられたスロットルバルブを全開とする操作を行なうか、又は低負荷運転時の回転数を設定値以下に下げない操作の少なくとも一方を行なう。
これによって、低回転状態又は低負荷状態での排気ガス流量の低下を抑制でき、排気ガスの顕熱による熱持ち去りにより、ＤＰＦフィルタの異常昇温を抑制できる。また、スロットルバルブの開度制御をすることなく、全開とする操作でよいので、簡単な制御で済み、制御装置が安価となる。
　また、第２ステップと並行して、ポスト噴射をそのまま継続する第３ステップを行なう。これによって、ＤＰＦフィルタ周囲の酸素濃度を低下させ、粒子状物質の燃焼速度を低下させることができる。このように、第２ステップと並行して第３ステップを行なうので、ＤＰＦフィルタの異常昇温を早期に解消できる。
　また、第３ステップで、ポスト噴射をそのまま継続するので、低回転低負荷状態となっても、強制再生工程の継続が可能になる。そのため、強制再生工程の中断や再開の繰り返しがなくなり、ＤＰＦフィルタをＰＭの燃焼除去が可能な一定温度に維持できるので、内燃機関の熱効率が低下しない。
　さらに、ポスト噴射をそのまま継続するので、強制再生中断後の再開時においてＤＰＦフィルタの昇温に必要なポスト噴射量を低減でき、強制再生工程に発生しがちなオイルダイリューションも低減できると共に、燃料消費量の低減が可能になる。
　本発明方法において、粒子状物質の推定堆積量を求めると共に、該推定堆積量が閾値を越えた時に、第１ステップから第３ステップまでの各ステップを行なうと共に、該推定堆積量が閾値以下となったら、前記スロットルバルブの開度制御を再開させ、かつポスト噴射を継続させるようにするとよい。粒子状物質の推定堆積量が大きいほど、ＤＰＦフィルタが異常燃焼しやすい。そのため、該推定堆積量を求めるようにすれば、より高い確率でＤＰＦフィルタの異常燃焼を推定可能になる。
　従って、該推定堆積量が設定された閾値を越えたときに、第１ステップ～第３ステップを行なうようにすれば、ＤＰＦフィルタの異常燃焼を確実に抑制できるようになると共に、ＤＰＦフィルタの異常燃焼が起こらないときに、不必要な制御を行なわずに済む。
　また、該推定堆積量が閾値以下となったら、前記スロットルバルブの開度制御を再開させ、かつポスト噴射を継続させることにより、ＤＰＦフィルタの異常燃焼を抑えながら、排気ガス量を低減できるので、ポスト噴射量を低減でき、引いては、オイルダイリューションを低減できる。
　粒子状物質の堆積量を推定する方法は、例えば、内燃機関の燃料噴射量からのＰＭ排出量を求め、このＰＭ排出量からＰＭ燃焼量を差引いて堆積量を求める事ができる。あるいは、ＤＰＦフィルタ前後の排気ガスの差圧から堆積量を求めることができる。
　本発明方法において、第１ステップから第３ステップまでの各ステップを行なった後、前段酸化触媒を通る排気ガスの温度を検出し、該排気ガスの温度が前段酸化触媒の活性温度以下であるとき、強制再生工程を中断させるようにするとよい。
　第２ステップ及び第３ステップを実施することにより、排気ガス温度が低下し、前段酸化触媒を通る排気ガス温度が前段酸化触媒の活性温度以下となったとき、強制再生は起こらなくなる。このとき強制再生工程を続行しても無駄であるので、強制再生工程を中断するようにする。これによって、燃料消費量を低減できる。
　前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の内燃機関の排ガス処理装置は、
　内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びフィルタを備え、排気ガス中の粒子状物質を該フィルタで捕集すると共に、燃料をポスト噴射し、該前段酸化触媒で排気ガスを粒子状物質の燃焼温度まで昇温させ、昇温した排気ガスで前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する内燃機関の排ガス処理装置において、
　吸気路又は排気ガス路に設けられたスロットルバルブと、
　前記フィルタの入口排気ガス温度を検出する温度センサと、
　内燃機関が高回転又は高負荷の運転状態から、設定時間以内にアイドリング状態を含む低回転低負荷運転状態に移行したＤＰＦ異常燃焼生起運転の有無を判定するＤＰＦ異常燃焼判定手段と、
　前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する強制再生工程中に、前記フィルタ入口排気ガス温度が粒子状物質の燃焼温度以上であり、かつ該ＤＰＦ異常燃焼判定手段によりＤＰＦ異常燃焼生起運転があったと判定されたとき、前記スロットルバルブを全開とするか、又は低負荷運転時の回転数を設定値以下に下げない操作の少なくとも一方を行ない、排気ガス流量を増大させると共に、ポスト噴射をそのまま継続させるように制御するコントローラと、を備えたものである。
　本発明装置では、前記ＤＰＦ異常燃焼判定手段により、ＤＰＦフィルタの異常燃焼の有無を判定するので、ＤＰＦ異常燃焼の発生をより確実に予想できる。そのため、不必要な制御を行なって、内燃機関の燃焼効率を低下させずに済む。
　また、ＤＰＦ異常燃焼生起運転があったと判定されたとき、コントローラで、スロットルバルブを全開とするか、又は低負荷運転時の回転数を設定値以下に下げない操作の少なくとも一方を行ない、排気ガス流量を増大させて、排気ガスの顕熱による熱持ち去りにより、ＤＰＦフィルタを冷却する。同時に、ポスト噴射をそのまま継続させることにより、ＤＰＦフィルタ周囲の酸素濃度を低下させ、ＤＰＦフィルタに捕集されたＰＭの燃焼速度を低減するようにしているので、ＤＰＦフィルタの異常昇温を早期に解消できる。
　本発明装置において、粒子状物質の堆積量を推定する手段を備え、前記コントローラが、ＤＰＦフィルタ入口排気ガス温度が粒子状物質の燃焼温度以上であり、ＤＰＦ異常燃焼判定手段によりＤＰＦ異常燃焼生起運転があったと判定されると共に、前記手段により推定された粒子状物質の堆積量が閾値を越えた時に、スロットルバルブを全開とするか、又は低負荷運転時の回転数を設定値以下に下げない操作の少なくとも一方を行ない、排気ガス流量を増大させると共に、ポスト噴射をそのまま継続させるように制御するものであるとよい。
　かかる操作を行なうことにより、より高い確率でＤＰＦフィルタの異常燃焼を推定可能になる。従って、ＰＭ推定堆積量が設定された閾値を越えたときに、第１ステップ～第３ステップを行なうようにすれば、ＤＰＦフィルタの異常燃焼を確実に抑制できるようになると共に、ＤＰＦフィルタの異常燃焼が行ないときに、不必要な制御を行なわずに済む。
　本発明方法によれば、内燃機関から排出された排気ガス中の粒子状物質をフィルタで捕集する捕集工程と、燃料をポスト噴射し、前段酸化触媒で排気ガスを粒子状物質の燃焼温度まで昇温させ、昇温した排気ガスで前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する強制再生工程と、からなる内燃機関の排ガス処理方法において、強制再生工程中に、前記フィルタの入口排気ガス温度を検出し、かつ内燃機関が高回転又は高負荷の運転状態から、設定時間以内にアイドリング状態を含む低回転低負荷運転状態に移行したＤＰＦ異常燃焼生起運転の有無を判定する第１ステップと、該第１ステップで、該フィルタの入口排気ガス温度が前記粒子状物質の燃焼温度以上であり、かつ前記ＤＰＦ異常燃焼生起運転があったと判定されたとき、吸気路又は排気ガス路に設けられたスロットルバルブを全開とするか、又は低負荷運転時の回転数を設定値以下に下げない操作の少なくとも一方を行ない、排気ガス流量を増大させる第２ステップと、該第２ステップと並行して行なわれ、ポスト噴射をそのまま継続し、前記フィルタ周囲の酸素濃度を低下させ、前記粒子状物質の燃焼速度を低下させる第３ステップと、からなるので、ＤＰＦフィルタの異常燃焼による異常昇温を早期に解消できるため、ＤＰＦフィルタの熱溶損やクラックによる破損を防止できると共に、該ＤＰＦフィルタに担持された触媒の熱劣化を未然に防止できる。
　また、ＤＰＦフィルタの異常燃焼の発生をかなり正確に予測できるようになるので、ＤＰＦフィルタの異常燃焼が行ないときに、不必要な制御を行なって、内燃機関の熱効率を低下させずに済む。また、第３ステップで、ポスト噴射をそのまま継続するので、強制再生工程の中断や再開の繰り返しがなくなり、ＤＰＦフィルタをＰＭの燃焼除去が可能な一定温度に維持できるので、内燃機関の熱効率が低下しない。さらに、ポスト噴射をそのまま継続するので、強制再生工程に発生しがちなオイルダイリューションも低減できると共に、燃料消費量の低減が可能になる。
　本発明装置によれば、内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びフィルタを備え、排気ガス中の粒子状物質を該フィルタで捕集すると共に、燃料をポスト噴射し、該前段酸化触媒で排気ガスを粒子状物質の燃焼温度まで昇温させ、昇温した排気ガスで前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する内燃機関の排ガス処理装置において、吸気路又は排気ガス路に設けられたスロットルバルブと、前記フィルタの入口排気ガス温度を検出する温度センサと、内燃機関が高回転又は高負荷の運転状態から、設定時間以内にアイドリング状態を含む低回転低負荷運転状態に移行したＤＰＦ異常燃焼生起運転の有無を判定するＤＰＦ異常燃焼判定手段と、前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する強制再生工程中に、前記フィルタ入口排気ガス温度が粒子状物質の燃焼温度以上であり、かつ該ＤＰＦ異常燃焼判定手段によりＤＰＦ異常燃焼生起運転があったと判定されたとき、前記スロットルバルブを全開とするか、又は低負荷運転時の回転数を設定値以下に下げない操作の少なくとも一方を行ない、排気ガス流量を増大させると共に、ポスト噴射をそのまま継続させるように制御するコントローラと、を備えたことにより、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
本発明方法及び装置の第１実施形態に係るディーゼル機関の系統図である。 前記第１実施形態のＤＰＦ異常燃焼世紀運転の一例を示す線図である。 前記第１実施形態に係る操作手順を示すフローチャートである。 前記第１実施形態のＤＰＦフィルタの温度の推移を示す線図である。 本発明方法及び装置の第２実施形態に係る操作手順を示すフローチャートである。 前記第２実施形態に係るＰＭ堆積量の閾値を示す線図である。 ディーゼル機関の燃料噴射工程を示す線図である。 ディーゼル機関のＤＰＦフィルタの強制再生工程を示す線図である。 従来のディーゼル機関の排ガス処理装置において、低回転状態又は低負荷状態に移行したときのＤＰＦフィルタの温度を示す線図である。
　以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
（第１実施形態）
　本発明方法及び装置をディーゼル機関に適用した第１実施形態を図１～図３により説明する。図１において、ディーゼル機関１０の燃焼シリンダ１２の内部にピストン１４が内蔵され、ピストン１４の上方に燃焼室１６が形成されている。燃焼シリンダ１２のシリンダヘッドには、吸気管１８及び排気管２０が接続され、これらの接続部には、吸気弁２２及び排気弁２４が設けられている。
　また、シリンダヘッドの上部中央には、燃料を燃焼室１６に噴射するインジェクタ２６が設けられている。インジェクタ２６には、インジェクタポンプ２８から、コモンレール（蓄圧器）３０を介して軽油などの燃料が高圧で供給され、燃料が燃焼室１６に噴射される。燃料の噴射時期及び噴射量は、ＥＣＵ３２によって精密に制御されている。噴射された燃料は、吸気管１８から供給された空気と混合し、その混合気は、燃焼室１６内で圧縮されて着火し燃焼する。
　ディーゼル機関１０は、排気管２０内に配置された排気タービン３６と、吸気管１８内に配置され該排気タービン３６と同軸で駆動されるコンプレッサ３８とからなる排気ターボ過給機３４を備えている。排気ターボ過給機３４のコンプレッサ３８から吐出された空気ａは、吸気管１８を通ってインタークーラ４０で冷却された後、吸気室４２に入る。吸気室４２の入口側には、吸気管１８の開度制御を行なう吸気スロットルバルブ４４が設けられている。また、給気室４２には、給気圧センサ４６及び給気温度センサ４８が設けられている。
　排気タービン３６の下流側排気管２０には、前段酸化触媒５０と、前段酸化触媒５０の下流側にＤＰＦフィルタ装置５２が設けられている。燃焼室１６で燃焼した燃焼ガス、即ち、排気ガスｅは、排気管２０に排出され、排気ターボ過給機３４の排気タービン３６を駆動してコンプレッサ３８の動力源となる。その後、排気ガスｅは、前段酸化触媒５０及びＤＰＦフィルタ装置５２を通り、ＤＰＦフィルタ装置５２で排気ガスｅ中に含まれるＰＭが捕集される。ＤＰＦフィルタ装置５２でＰＭを除去された排気ガスｅは、図示省略のマフラー出口から外部に排出される。
　なお、前段酸化触媒５０の入口側及びＤＰＦフィルタ装置５２の入口側及び出口側の排気管２０には、夫々排気ガスｅの温度を検出する排温センサ５４、５６及び５８が設けられている。また、ＤＰＦフィルタ装置５２の入口と出口との排気ガスｅの圧力差を検出する差圧センサ６６が設けられ、吸気管１８の入口部には、吸気流量計６８が設けられている。また、排気管２０に排気ガス流量を制御する排気スロットルバルブ７０が設けられている。
　吸気管１８と排気管２０間には、ＥＧＲ管６０が接続されている。ＥＧＲ管６０には、ＥＧＲクーラ６２及びＥＧＲ管６０の開度を制御するＥＧＲバルブ６４が設けられている。排気ガスｅの一部は、ＥＧＲ管６０を通り、ＥＧＲクーラ６２で冷却された後、吸気室４２に戻される。これによって、吸気中の酸素量を減らし、ピーク時の燃焼温度を下げ、ＮＯＸの発生を抑制している。
　排温センサ５４、５６，５８、差圧センサ６６、吸気流量計６８の検出値、及び排気スロットルバルブ７０の開度信号はＥＣＵ３２に送られる。また、ＥＣＵ３２には、エンジン負荷信号又は燃料噴射量信号とエンジン回転数とが入力されている。これらの入力値に基づいて、ＥＣＵ３２が、インジェクタ２６、インジェクタポンプ２８、吸気スロットルバルブ４４及びＥＧＲバルブ６４等を制御して、ディーゼル機関１０の運転を制御する。
　ＥＣＵ３２は、運転領域判定手段７２及びＤＰＦ異常燃焼判定手段７４を備えている。運転領域判定手段７２は、ＥＣＵ３２に入力されたエンジン負荷信号又は燃料噴射量信号とエンジン回転数とから、ディーゼル機関１０の運転状態が、図２に示すどの領域にあるかを判定する。ＤＰＦ異常燃焼判定手段７４は、図２に示すように、ディーゼル機関１０が、高回転又は高負荷の運転状態である領域αから、中回転又は中負荷の運転状態である領域γを経て、設定時間Ｔ１（例えば１０秒以内の範囲）以内に、アイドリング状態を含む低回転低負荷運転状態である領域βに移行したとき、ＤＰＦフィルタ装置５２が異常燃焼を起すおそれがあるＤＰＦ異常燃焼生起運転が起こったと判定する。
　次に、図３により、ディーゼル機関１０が稼動し、ディーゼル機関１０の稼動中に、強制再生工程を行なう場合の操作手順を説明する。図３において、ＥＣＵ３２が強制再生工程開始の指令を出すと（ステップ１０）、図７に示すように、燃焼室１６に燃料を主噴射した後、強制再生工程の開始時点ｔ１で、燃料をアーリポスト噴射する。アーリポスト噴射された燃料は、燃焼室１６の温度で燃焼し、図８に示すように、前段酸化触媒昇温ステージＡで、前段酸化触媒５０を活性温度まで昇温する（ステップ１１）。
　アーリポスト噴射を行なっても前段酸化触媒５０が活性温度以上にならないときは、吸気スロットルバルブ４４による吸気管１８の絞り、及びアーリポスト噴射条件の変化により、前段酸化触媒５０を昇温させるようにする。前段酸化触媒５０が活性温度以上になっても、吸気スロットルバルブ４４による絞り及びアーリポスト噴射条件の変化を継続して行なう。
　次に、下死点の手前（図８中、ｔ２の時点）で燃料をレイトポスト噴射する。レイトポスト噴射された未燃ＨＣ成分は、前段酸化触媒５０の触媒作用で酸化し、その時発生する反応熱で排気ガスｅの温度を６００℃以上に昇温する（ＤＰＦ入口温度昇温ステージＢ）。排気ガスｅを６００℃以上にすることで、ＤＰＦフィルタ装置５２の捕集されたＰＭが燃焼し、ＤＰＦフィルタ装置５２から除去される（ステップ１２）。
　次に、排温センサ５６により、ＤＰＦフィルタ装置５２の入口排気ガス温度を検出する（ステップ１３）。ここで該入口排気ガス温度が＜目標温度（例えば６００℃）－３０℃＞より大であることを確認し、強制再生工程が確実に行なわれていることを確認する。該入口排気ガス温度が＜目標温度（例えば６００℃）－３０℃＞以下であるときは、ステップ１２に戻る。
　次に、ＥＣＵ３２で、エンジン負荷信号又は燃料噴射量信号とエンジン回転数とから、運転状態を判定する（ステップ１４）。ここで判定した運転状態が領域αに属し、かつその後、低回転低負荷の運転領域βに移行したとき、ＤＰＦ異常燃焼判定手段７４によって、ＤＰＦ異常燃焼生起運転が起こったと判定する（ステップ１５）。
　運転状態が領域αに属さず（ステップ１４）、あるいはＤＰＦ異常燃焼生起運転が起こらないと判定されたときは（ステップ１５）、ステップ１２に戻るか、あるいは、ここで強制再生工程の持続時間（ＤＰＦフィルタ装置５２の入口排気ガス温度が６００±３０℃の持続時間）が設定された許容時間を過ぎていれば（ステップ１６）、強制再生工程を完了させる（ステップ１７）。
　ステップ１５で、ＤＰＦ異常燃焼生起運転と判定されたら、吸気スロットルバルブ４４の制御を中断して全開とする。また、本実施形態では、通常のアイドリング状態におけるエンジン回転数より高い回転数γを予め設定しておく。そして、吸気スロットルバルブ４４の制御中断と並行して、エンジン回転数を回転数γに上げるようにする（ステップ１８）。
　例えば、エンジン回転数を１，０００ｒｐｍから１，２００ｒｐｍに増加させる。この操作によって、排気ガス流量を急激に増大できる。このとき、レイトポスト噴射はそのまま続行する。
　次に、運転状態を再度判定し（ステップ１９）、運転状態が領域βに属してなければ、吸気スロットルバルブ４４の制御を再開し（ステップ２０）、その後、ステップ１２に戻る。運転状態が依然として領域βであれば、排温センサ５４又は５６により前段酸化触媒５０の入口又は出口排気ガス温度を検出する（ステップ２１）。これらの検出値が活性温度以下であれば、強制再生工程が行なわれていないと判断して、強制再生工程を中断する（ステップ２２）。
　次に、吸気スロットルバルブ４４の制御を中断した持続時間が設定された許容時間Ｔ２（分）を越えていれば、吸気スロットルバルブ４４の制御を再開し（ステップ２０）、その後、ステップ１２に戻る。そうでなければ、ステップ１８に戻る。
　本実施形態によれば、ＤＰＦ異常燃焼判定手段７４により、ＤＰＦ異常燃焼生起運転が起こり、ＤＰＦフィルタ装置５２が異常燃焼するおそれがあると判定したとき、排気ガス流量を増大させ、排気ガスの顕熱による熱持ち去りを行なうと共に、レイトポスト噴射をそのまま持続させて、ＤＰＦフィルタ装置５２の酸素濃度を低下させ、ＰＭの燃焼速度を低下させるようにしているので、ＤＰＦフィルタ装置５２の異常昇温を早期に解消できる。そのため、ＤＰＦフィルタの熱溶損やクラックによる破損を防止できると共に、該ＤＰＦフィルタに担持された触媒の熱劣化を未然に防止できる。
　特に、通常のアイドリング状態におけるエンジン回転数より高い回転数γを予め設定しておき、ステップ１８で、吸気スロットルバルブ４４の制御中断（全開）と並行して、エンジン回転数を該回転数γに上げるようにしているので、排気ガス流量を急激に増大できる。そのため、制御の初期段階でＤＰＦフィルタ装置５２の異常昇温を早期に解消できる。
　図４は、強制再生工程中に、領域αからアイドリング運転（領域β）に移行した時の、本実施形態によるＤＰＦフィルタの温度推移と、従来の操作を行なった場合のＤＰＦフィルタの温度推移とを比較して示している。図４に示すように、本実施形態よれば、高回転又は高負荷の運転状態である領域αから、中回転又は中負荷の運転状態である領域γを経て、設定時間Ｔ１以内に、アイドリング状態を含む低回転低負荷運転状態である領域βに移行したときであっても、ＤＰＦフィルタの温度が目標温度（例えば６００℃）からそれほど上昇せず、略目標温度に沿って推移していることがわかる。
　また、ディーゼル機関１０の運転状態が高回転又は高負荷の領域αから、設定時間Ｔ１以内にアイドリング状態を含む低回転低負荷運転に移行したときのみ、ＤＰＦフィルタの異常燃焼が起こるおそれがあると判定して、異常燃焼防止制御を行なうので、特許文献２のように、不必要な制御を行なって、ディーゼル機関１０の熱効率を徒らに低下させることがない。
　また、ＤＰＦ異常燃焼生起運転が起こっても、レイトポスト噴射をそのまま継続するので、強制再生工程の継続が可能になると共に、強制再生工程の中断や再開の繰り返しがなくなり、ＤＰＦフィルタをＰＭの燃焼が可能な一定温度に維持できるので、ディーゼル機関１０の熱効率が低下しない。
　さらに、強制再生中断後の再開時においてＤＰＦフィルタの昇温に必要なポスト噴射量を低減でき、強制再生工程に発生しがちなオイルダイリューションも低減できると共に、燃料消費量の低減が可能になる。
　さらに、ＤＰＦフィルタの異常燃焼時の制御として、吸気スロットルバルブ４４の制御を中断させて、全開とするだけの簡単な制御を行なうので、制御装置を低コストにできる。
　なお、ステップ１８で並行して行なう吸気スロットルバルブ４４の制御中断とエンジン回転数を通常のアイドリング状態の回転数より高い回転数γに上げる操作とは、どちらか一方を行なうようにしてもよい。
　また、前記第１実施形態では、吸気管１８に吸気スロットルバルブ４４を設けて、排気ガス流量を制御したが、吸気管１８の代わりに、排気管２０に設けられた排気スロットルバルブ７０の開度を制御して、排気ガス流量を制御するようにしてもよい。あるいは、吸気スロットルバルブ４４及び排気スロットルバルブ７０の両方を制御するようにしてもよい。
　また、ＤＰＦフィルタの異常燃焼時、排気ガス流量を増大させることで、前段酸化触媒を通る排気ガス温度が前段酸化触媒５０の活性温度以下となったとき、強制再生工程を中断するようにしているので、燃料消費量を低減できる。
（第２実施形態）
　次に、本発明方法及び装置の第２実施形態を図５及び図６により説明する。本実施形態に係るディーゼル機関１０の構成は、前記第１実施形態と同一である。図５に示すように、本実施形態の操作手順では、ステップ２４、ステップ２５及びステップ２６が第１実施形態と異なり、その他は第１実施形態と同一である。
　本実施形態では、ステップ２５で、ＤＰＦフィルタ装置５２に捕集されたＰＭの堆積量を推定する。その推定方法は、ＥＣＵ３２に入力された燃料噴射量と、燃料燃焼量を排気ガス温度の関数として求め、該燃料噴射量から該燃料燃焼量を減算して、捕集ＰＭ量を求めることができる。あるいは、差圧センサ６６で求めた、ＤＰＦフィルタ装置５２前後の排気ガスの差圧からＰＭ堆積量を求めることができる。
　本実施形態では、ＰＭ推定堆積量に閾値Ｃをもうけ、ＰＭ推定堆積量が閾値Ｃを越えたとき、本発明による操作を行なうようにしている。また、ＰＭ推定堆積量が閾値Ｃ以下であり、かつＤＰＦ異常燃焼生起運転と判定されないときに、ステップ２５に移る。ステップ２５で、ＰＭ推定堆積量が設定値以下であり、かつ強制再生工程の持続時間が設定時間以上であるときに、強制再生工程を完了させ、そうでないときに、ステップ１２に戻るようにしている。
　また、ステップ２１の後で、ＰＭ推定堆積量が閾値Ｃ以下であるか、又は、吸気スロットルバルブ４４の制御中断時間が設定された許容時間を超えているときに、吸気スロットルバルブ４４の制御を再開し、そうでないときに、ステップ１８に戻るようにしている。なお、このとき、レイトポスト噴射をそのまま続行する。
　図６は、ＤＰＦフィルタの目標温度を５７０℃、６００℃又は６３０℃としたときの、夫々の閾値Ｃ１～３を示す。図６に示すように、目標とするＤＰＦフィルタの温度に応じて、閾値Ｃを変えるようにするとよい。即ち、目標温度が低いときは、閾値Ｃを大きく取り、目標温度が高いときは、閾値Ｃを小さく取る。その理由は、目標温度が高いほど、ＤＰＦフィルタの異常燃焼が起こりやすいので、閾値Ｃを小さく取ることによって、異常燃焼の発生を抑制する必要があるからである。
　本実施形態によれば、ＤＰＦ異常燃焼生起運転の有無を判定する際に、ＰＭ推定堆積量というファクターを加え、ＰＭ推定堆積量に応じて操作を変えるようにしているので、ＤＰＦフィルタの異常燃焼が起こる状況をより高い確率で的確に把握できる。そのため、ＤＰＦフィルタの異常燃焼を確実に把握して、ＤＰＦフィルタの異常昇温を早期に防止できる。また、ＤＰＦ異常燃焼生起運転が行ないときは、不必要な操作を行なわずに済むので、ディーゼル機関１０の熱効率を低下させない。
　また、ＰＭ推定堆積量が閾値Ｃ以下となったら、吸気スロットルバルブ４４の開度制御を再開させ、かつレイトポスト噴射を継続させることにより、ＤＰＦフィルタ装置５２の異常燃焼を抑えながら、排気ガス量を低減できるので、レイトポスト噴射量を低減でき、引いては、オイルダイリューションを低減できる。
　本発明によれば、内燃機関、特にディーゼル機関の排ガス処理装置において、ＤＰＦフィルタの異常燃焼を防止して、ＤＰＦフィルタの損傷やＤＰＦフィルタに担持された触媒の熱劣化を効果的に防止できる。

Claims (5)

  1. 　内燃機関から排出された排気ガス中の粒子状物質をフィルタで捕集する捕集工程と、燃料をポスト噴射し、前段酸化触媒で排気ガスを粒子状物質の燃焼温度まで昇温させ、昇温した排気ガスで前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する強制再生工程と、からなる内燃機関の排ガス処理方法において、
    　前記強制再生工程中に、前記フィルタの入口排気ガス温度を検出し、かつ内燃機関が高回転又は高負荷の運転状態から、設定時間以内にアイドリング状態を含む低回転低負荷運転状態に移行したＤＰＦ異常燃焼生起運転の有無を判定する第１ステップと、
    　該第１ステップで、該フィルタの入口排気ガス温度が前記粒子状物質の燃焼温度以上であり、かつ前記ＤＰＦ異常燃焼生起運転があったと判定されたとき、吸気路又は排気ガス路に設けられたスロットルバルブを全開するか、又は低負荷運転時の回転数を設定値以下に下げない操作の少なくとも一方を行ない、排気ガス流量を増大させる第２ステップと、
    　該第２ステップと並行して行なわれ、ポスト噴射をそのまま継続し、前記フィルタ周囲の酸素濃度を低下させ、前記粒子状物質の燃焼速度を低下させる第３ステップと、からなることを特徴とする内燃機関の排ガス処理方法。
  2. 　前記粒子状物質の推定堆積量を求めると共に、該推定堆積量が閾値を越えた時に、前記第１ステップから第３ステップまでの各ステップを行なうと共に、該推定堆積量が閾値以下となったら、前記スロットルバルブの開度制御を再開させ、かつポスト噴射を継続させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス処理方法。
  3. 　前記第１ステップから第３ステップまでの各ステップを行なった後、前段酸化触媒を通る排気ガスの温度を検出し、該排気ガスの温度が前段酸化触媒の活性温度以下であるとき、強制再生工程を中断させるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排ガス処理方法。
  4. 　内燃機関の排気ガス通路に前段酸化触媒及びフィルタを備え、排気ガス中の粒子状物質を該フィルタで捕集すると共に、燃料をポスト噴射し、該前段酸化触媒で排気ガスを粒子状物質の燃焼温度まで昇温させ、昇温した排気ガスで前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する内燃機関の排ガス処理装置において、
    　吸気路又は排気ガス路に設けられたスロットルバルブと、
    　前記フィルタの入口排気ガス温度を検出する温度センサと、
    　内燃機関が高回転又は高負荷の運転状態から、設定時間以内にアイドリング状態を含む低回転低負荷運転状態に移行したＤＰＦ異常燃焼生起運転の有無を判定するＤＰＦ異常燃焼判定手段と、
    　前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する強制再生工程中に、前記フィルタ入口排気ガス温度が粒子状物質の燃焼温度以上であり、かつ該ＤＰＦ異常燃焼判定手段によりＤＰＦ異常燃焼生起運転があったと判定されたとき、前記スロットルバルブを全開とするか、又は低負荷運転時の回転数を設定値以下に下げない操作の少なくとも一方を行ない、排気ガス流量を増大させると共に、ポスト噴射をそのまま継続させるように制御するコントローラと、を備えたことを特徴とする内燃機関の排ガス処理装置。
  5. 　前記粒子状物質の堆積量を推定する手段を備え、
    　前記コントローラが、前記フィルタ入口排気ガス温度が粒子状物質の燃焼温度以上であり、前記ＤＰＦ異常燃焼判定手段によりＤＰＦ異常燃焼生起運転があったと判定されると共に、前記手段により推定された粒子状物質の堆積量が閾値を越えた時に、前記スロットルバルブを全開とするか、又は低負荷運転時の回転数を設定値以下に下げない操作の少なくとも一方を行ない、排気ガス流量を増大させると共に、ポスト噴射をそのまま継続させるように制御するものであることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排ガス処理装置。
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