JP6056267B2

JP6056267B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP6056267B2
Application number: JP2012186973A
Authority: JP
Inventors: 和郎倉田; 裕樹谷口
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: JP2014043816A

Description

この発明は、パティキュレートフィルタを備えたディーゼルエンジン等のエンジンの排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンにおいて、排気(exhaust gas)を浄化するための手段として、排気系にパティキュレートフィルタを設けた排気浄化装置が知られている。この種の排気浄化装置は、排気中の粒子状物質（主として炭素）をパティキュレートフィルタによって捕集するとともに、パティキュレートフィルタに堆積している粒子状物質の量が多くなったときなどに、該粒子状物質を燃焼させる処理（再生処理）を行なうようにしている。

また特許文献１，２に開示されているように、パティキュレートフィルタの破損を検出する手段を備えた排気浄化装置も知られている。特許文献１に開示されている異常検出装置では、パティキュレートフィルタが破損したときに生じるエンジンの排気の圧力損失の低下を、ＥＧＲ弁開度あるいは吸気温度に基いて検出している。特許文献２の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの上流側と下流側の圧力差等に基いて、パティキュレートフィルタの見かけの通路面積を求め、異常な通路面積の増加が検出されたときに、パティキュレートフィルタが破損したと判定している。また特許文献３に開示されているように、パティキュレートフィルタ中のアッシュ成分の堆積量を推定する手段を有し、アッシュ成分の堆積量が所定量を越えた場合に警報を発する排気浄化装置も知られている。

特開２００１−２０７８２８号公報特開２００２−３７１８２７号公報特開２００６−１０５０５６号公報

特許文献１のように、パティキュレートフィルタが破損したときに生じる排気の圧力損失の低下をＥＧＲ弁開度あるいは吸気温度に基いて検出するものでは、パティキュレートフィルタが破損し粒子状物質が大気に放出されていても、圧力損失の低下が比較的小さい場合や、エンジンの運転状況に応じて圧力損失の低下が小さい場合には、パティキュレートフィルタが破損していることを検出できない可能性がある。

特許文献２のように、パティキュレートフィルタが破損したときに生じる上流側と下流側の圧力差等に基いてパティキュレートフィルタの見かけの通路面積を求めるものでは、パティキュレートフィルタが破損し粒子状物質が大気に放出されていても、パティキュレートフィルタの上流側と下流側の圧力差等が比較的小さい場合や、エンジンの運転状況に応じて圧力損失の低下が小さい場合には、パティキュレートフィルタが破損していることを検出できない可能性がある。

特許文献３のように、パティキュレートフィルタ中のアッシュ成分の堆積量が増加したときに警報を発する排気浄化装置では、アッシュ成分が異常に堆積したことを報知することはできても、パティキュレートフィルタが破損したことを報知することはできない。

従って本発明が解決しようとする課題は、パティキュレートフィルタの破損等の不具合により粒子状物質が大気に排出されていることを検出できる排気浄化装置を提供することにある。

本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気中の粒子状物質を捕集しかつ該粒子状物質を燃焼させる再生処理が行なわれるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタから排出される排気の一部を前記エンジンの吸気系に還流させるＥＧＲ流路を備えたＥＧＲ装置と、前記ＥＧＲ流路を流れる前記排気を冷却媒体によって冷却するＥＧＲクーラと、ＥＣＵ等の制御部とを有している。該制御部は、前記パティキュレートフィルタの再生前の第１の時期に前記ＥＧＲクーラの入口温度および出口温度と前記冷却媒体の温度に基いて該ＥＧＲクーラの第１の冷却効率を演算し、前記第１の時期よりも後の第２の時期に前記入口温度および出口温度と前記冷却媒体の温度に基いて該ＥＧＲクーラの第２の冷却効率を演算し、前記第１の冷却効率と前記第２の冷却効率との差が所定値を越えた場合に前記パティキュレートフィルタの破損を報知するための報知手段を作動させる。

１つの実施形態では、前記入口温度を検出する第１の温度センサと、前記出口温度を検出する第２の温度センサと、前記冷却媒体の温度を検出する第３の温度センサとを有している。また前記制御部は、前記第１の冷却効率と前記第２の冷却効率とを互いに一定のエンジン回転数のもとで求めるようにしている。また前記制御部は、前記パティキュレートフィルタの強制再生前の第１の時期に前記第１の冷却効率を求め、前記パティキュレートフィルタの強制再生後の第２の時期に前記第２の冷却効率を求めてもよい。

本発明の排気浄化装置によれば、パティキュレートフィルタが破損して粒子状物質が大気に排出されていることをＥＧＲクーラの冷却効率に基いて検出することができ、パティキュレートフィルタの破損によって粒子状物質が大気に排出されることを抑制することができる。

１つの実施形態に係る排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンの概略図。エンジン回転数とＥＧＲクーラの冷却効率との関係を示す図。前記排気浄化装置の制御部による処理の流れの一部を示すフローチャート。

以下に本発明の１つの実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
図１は、ディーゼルエンジン１０の一例を模式的に示している。このディーゼルエンジン１０は、エンジン本体１１と、吸気系１２と、排気系１３と、燃料噴射システム１４と、排気浄化装置１５と、制御部１６などを備えている。

エンジン本体１１は、シリンダライナ２０と、ピストン２１と、燃焼室２２と、クランクシャフト２３と、吸気弁２４と、排気弁２５などを含んでいる。燃料噴射システム１４は、エンジン本体１１の各気筒ごとに設けられた燃料噴射弁２７と、燃料を加圧してコモンレール２８に供給する燃料ポンプ２９などを備えている。制御部１６は、例えば車載コンピュータを用いたＥＣＵ（Electronic Control Unit）であり、エンジン１０の運転状態に応じて燃料噴射弁２７の噴射量および噴射時期等を制御する機能を有している。

吸気系１２は、吸気の上流側から下流側に向かって、エアフィルタ３１と、吸気通路３２に設けた低圧スロットル弁３３と、ターボチャージャ３４のコンプレッサ３４ａと、吸気を冷却するためのインタクーラ３５と、吸気通路３６に設けた高圧スロットル弁３７と、吸気絞り弁３８などを含んでいる。

排気系１３は、排気弁２５の下流に形成された排気通路４０と、ターボチャージャ３４のタービン３４ｂと、排気浄化装置１５の一部をなす酸化触媒４１と、酸化触媒４１の下流側に配置されたパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：diesel particulate filter）４２と、パティキュレートフィルタ４２の下流側に配置された排気通路４３などを含んでいる。酸化触媒４１とパティキュレートフィルタ４２は、排気系１３の一部をなすＤＰＦハウジング４４に収容されている。

パティキュレートフィルタ４２は排気中のスモーク成分である粒子状物質（パティキュレートマタ−）を捕集する機能を有している。パティキュレートフィルタ４２は、排気が通過可能でかつ粒子状物質が通過不可能な多孔質の隔壁によって仕切られた多数のフィルタ室を有し、排気が前記隔壁を厚さ方向に通過するときに、排気中の前記粒子状物質が前記隔壁によって捕捉されるようになっている。

酸化触媒４１は、例えばセラミック等の触媒担持体と、白金やバナジウム化合物等からなる触媒を有している。この触媒４１の温度が活性開始温度（例えば２５０℃）を越えていれば、排気中のＮＯが効率良く酸化されてＮＯ_２に変化する。このＮＯ_２によって、パティキュレートフィルタ４２に付着している粒子状物質を比較的低温度（例えば２５０〜３５０℃）で燃焼させることができる。

前記吸気通路３６と排気通路４０との間に高圧ＥＧＲ装置５０が設けられている。“ＥＧＲ”は“Exhaust gas recirculation（排気ガス再循環）”の略語である。この高圧ＥＧＲ装置５０は、吸気通路３６と排気通路４０とをつなぐ高圧ＥＧＲ流路５１と、高圧ＥＧＲ流路５１から吸気通路３６に流入する高圧ガスを制御する高圧ＥＧＲ弁５２などを備えている。高圧ＥＧＲ弁５２はエンジン１０の運転状況に応じてアクチュエータ５２ａによって開閉され、排気通路４０内を流れる排気の一部を吸気通路３６に流入させる機能を有している。

ターボチャージャ３４のコンプレッサ３４ａの上流側の吸気通路３２と、パティキュレートフィルタ４２の下流側の排気通路４３との間に、低圧ＥＧＲ装置６０が設けられている。この低圧ＥＧＲ装置６０は、吸気通路３２と排気通路４３とをつなぐ低圧ＥＧＲ流路６１と、低圧ＥＧＲ流路６１から吸気通路３２に流入する低圧ガスを制御する低圧ＥＧＲ弁６２と、ＥＧＲクーラ６３などを含んでいる。低圧ＥＧＲ弁６２はエンジン１０の運転状況に応じてアクチュエータ６２ａによって開閉され、排気通路４３内を流れる排気の一部を吸気通路３２に流入させる機能を有している。

ＥＧＲクーラ６３は、低圧ＥＧＲ流路６１から吸気通路３２に向かって流れるガスをエンジン冷却液（クーラント）等の冷却媒体によって冷却する機能を有している。ＥＧＲクーラ６３の入口側、例えばパティキュレートフィルタ４２の出口付近に、ＥＧＲクーラ６３の入口温度を検出する第１の温度センサ７１が配置されている。ＥＧＲクーラ６３の出口側に、ＥＧＲクーラ６３の出口温度を検出する第２の温度センサ７２が配置されている。ＥＧＲクーラ６３には、該ＥＧＲクーラ６３の冷却液（冷却媒体）の温度を検出する第３の温度センサ７３が配置されている。

第１の温度センサ７１によって検出されるＥＧＲクーラ入口温度（排気温度）をＴ１、第２の温度センサ７２によって検出されるＥＧＲクーラ出口温度をＴ２、第３の温度センサ７３によって検出されるＥＧＲクーラ６３の冷却液温度をＴ３としたとき、ＥＧＲクーラ６３の冷却効率η（％）は、下記の（１）式によって算出することができる。この演算は、例えば制御部１６によって行なわれる。
η＝｛（Ｔ１ーＴ２）／（Ｔ１ーＴ３）｝×１００ …… （１）
図２は、エンジン回転数とＥＧＲクーラ６３の冷却効率との関係を示している。図２において実線で示す冷却効率η１は、ＥＧＲクーラ６３に粒子状物質等の汚れの原因物質が付着する前の冷却効率の一例を示している。２点鎖線で示す冷却効率η２は、ＥＧＲクーラ６３に粒子状物質等の汚れの原因物質がある程度付着した後の冷却効率の一例を示している。

図２に示されるように、ＥＧＲクーラ６３の冷却効率はエンジン回転数が高くなるほど下がる傾向がある。しかもＥＧＲクーラ６３の冷却効率はＥＧＲクーラ６３に粒子状物質等の汚れが付着すると低下する。このため、互いに一定のエンジン回転数（例えば図２中のエンジン回転数Ｎ）のもとで第１および第２の冷却効率η１，η２を求め、両者の差（η１−η２）を演算することにより、ＥＧＲクーラ６３の汚れの進み具合を判断することが可能である。

次に、排気浄化装置１５を備えたディーゼルエンジン１０の作用について説明する。
エンジン１０の運転中に排出される排気中の粒子状物質（主に炭素）がパティキュレートフィルタ４２によって捕集される。エンジン１０の運転によって排気温度が上昇し、酸化触媒４１が活性化すると、排気中のＮＯｘが酸化触媒４１によって酸化されてＮＯ_２に変化する。パティキュレートフィルタ４２に付着していた粒子状物質の炭素成分がこのＮＯ_２によって比較的低温（例えば２５０℃〜３５０℃前後）で燃焼し、ＣＯ_２に変化する。酸化触媒４１の酸素の変換効率は、ある温度域（例えば２５０℃以上の活性温度域）で最大となるから、排気温度がこの温度域にあればＮＯ_２によって煤が燃焼し、パティキュレートフィルタ４２の連続再生が行なわれる。

エンジン１０の運転状況によっては、連続再生ではパティキュレートフィルタ４２に捕集された粒子状物質が燃焼しきれずに粒子状物質が堆積することがある。パティキュレートフィルタ４２に堆積した粒子状物質の実際の堆積量を直接検出することが難しい場合、パティキュレートフィルタ４２に対する粒子状物質の堆積量が推定される。

粒子状物質の堆積量を推定するには、例えば車両の走行時間あるいはエンジンの稼動時間を積算した所定時間を強制再生インターバルとして設定し、この所定時間（強制再生インターバル）が経過したときに、粒子状物質が所定量堆積したと推定し、下記の強制再生が行なわれる。あるいはパティキュレートフィルタ４２の入口側の圧力と出口側の圧力変化に基いて、粒子状物質の堆積量を推定することができる場合もある。

粒子状物質の堆積量（推定量）が許容値を越えた場合に、制御部１６の指令によりパティキュレートフィルタ４２に堆積している粒子状物質を強制的に燃焼（酸化）させるための処理（強制再生）が実施される。強制再生を行なう際に酸化触媒４１が活性温度に達していなければ、例えば燃料噴射弁２７の噴射タイミングを遅らせたり噴射圧力を低減させる等によって、酸化触媒４１を活性温度まで昇温させる。酸化触媒４１が活性温度に達すると、強制再生モードに移行し、例えば燃料噴射弁２７によるポスト噴射を行なうとか、排気中に未燃燃料を添加するなどの強制再生手段により、パティキュレートフィルタ４２に堆積している粒子状物質を強制的に酸化（燃焼）させる。

パティキュレートフィルタ４２が万一破損すると、排気中の粒子状物質が大気中に排出されるおそれがある。そこで本実施形態の排気浄化装置１５は、パティキュレートフィルタ４２の破損による粒子状物質の大気排出を防ぐために、以下に述べる処理を行なう手段（コンピュータプログラム）を備えている。

図３は、前記制御部１６によるパティキュレートフィルタ４２の破損判断処理の一例を示すフローチャートである。制御手段として機能する制御部１６のメモリには、この処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit））のためのコンピュータプログラムが格納されている。

図３中のステップＳ１では、第１の温度センサ７１によって、ＥＧＲクーラ６３の入口側温度Ｔ１が検出される。また第２の温度センサ７２によってＥＧＲクーラ６３の出口側温度Ｔ２が検出される。さらに第３の温度センサ７３によって、ＥＧＲクーラ６３の冷却液温度Ｔ３が検出される。

ステップＳ２では、前記温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に基いて、パティキュレートフィルタ４２の強制再生前（第１の時期）におけるＥＧＲクーラ６３の第１の冷却効率η１（％）が演算される。第１の冷却効率η１は、前記（１）式によって求めることができる。

ステップＳ３において、パティキュレートフィルタ４２が強制再生後か否かが判断される。強制再生後（ステップＳ３で“ＹＥＳ”）であれば、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、パティキュレートフィルタ４２の強制再生後（第２の時期）のＥＧＲクーラ６３の冷却効率η２（％）が前記（１）式によって演算され、ステップＳ５に進む。

図２に示すようにＥＧＲクーラ６３の冷却効率はエンジン回転数に応じて変化するため、第１の冷却効率η１と第２の時期の冷却効率η２とは、互いに同等のエンジン回転数のもとで求めるとよい。ステップＳ５では、強制再生前（第１の時期）の冷却効率η１と強制再生後（第２の時期）の冷却効率η２との差（η１ーη２）が所定値と比較される。

パティキュレートフィルタ４２が正常であれば（破損していなければ）、パティキュレートフィルタ４２による粒子状物質の捕集機能が正常に働くため、パティキュレートフィルタ４２から排出される排気中の粒子状物質の量は第１の時期と第２の時期とでそれほど大きな差は生じない。このため第１の時期においてＥＧＲクーラ６３に付着している粒子状物質の量と、第２の時期においてＥＧＲクーラ６３に付着している粒子状物質の量との間に大差はないから、第１の冷却効率η１と第２の冷却効率η２との間に大きな差は生じない。

これに対し、パティキュレートフィルタ４２が破損していると、パティキュレートフィルタ４２による粒子状物質の捕集機能が正常に働かなくなるため、パティキュレートフィルタ４２から流出する粒子状物質の一部が低圧ＥＧＲ流路６１を通ってＥＧＲクーラ６３に到達し、粒子状物質がＥＧＲクーラ６３に付着する。

このためパティキュレートフィルタ４２が破損していると、強制再生前（第１の時期）にＥＧＲクーラ６３に付着している粒子状物質の量と比べて、強制再生後（第２の時期）にＥＧＲクーラ６３に付着している粒子状物質の量が多くなり、ＥＧＲクーラ６３の冷却効率が低下する。

例えば図２において、実線で示す第１の冷却効率η１と比較して、２点鎖線で示す第２の冷却効率η２が低下するため、両者の差（η１−η２）が所定値（図２の例では５％前後）を越えたときに、パティキュレートフィルタ４２から許容値を越える粒子状物質が排出されている（パティキュレートフィルタ４２が破損している）、と判断するのである。所定値の一例は５％であるが、この値はＥＧＲクーラ６３の性能等に応じて設定される。

前記ステップＳ５において、第１の冷却効率η１と第２の時期の冷却効率η２との差が所定値を越えていると（図３において“ＹＥＳ”）、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、パティキュレートフィルタ４２が破損している（粒子状物質の排出量が多い）と判断し、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、警告灯や警報ブザー等の報知手段を作動させることにより（例えば表示部８０の警告灯を点灯させるとか、警報ブザーを鳴らす等）、車両の乗員等にパティキュレートフィルタ４２が破損していることを報知する。

なお、第１の冷却効率η１を演算する第１の時期と、第２の冷却効率η２を演算する第２の時期とは、前記実施形態に限定されるものではない。例えば強制再生前の第１の時期に第１の冷却効率η１を求めたのち、強制再生前の第２の時期に第２の冷却効率η２を求め、これら冷却効率η１，η２の差を所定値と比較してもよい。また強制再生条件が成立した時点（強制再生の直前）の第２の時期に、第２の冷却効率η２を求めてもよい。要するに、パティキュレートフィルタ４２の再生前の第１の時期において第１の冷却効率η１を求めたのち、第１の時期よりも後で第１の時期よりもパティキュレートフィルタ４２の堆積量が一定量増えていることが予想される第２の時期において、第２の冷却効率η２を求めればよい。

また本発明を実施するに当たって、エンジン本体や吸気系、排気系、ＥＧＲ装置、制御部をはじめとして、パティキュレートフィルタ、ＥＧＲクーラ、第１〜第３の温度センサなど排気浄化装置を構成する要素の構造や配置等の態様を適宜変更して実施できることは言うまでもない。

１０…ディーゼルエンジン、１２…吸気系、１３…排気系、１５…排気浄化装置、１６…制御部、３２…吸気通路、４２…パティキュレートフィルタ、４３…排気通路、６０…ＥＧＲ装置、６１…ＥＧＲ流路、６３…ＥＧＲクーラ、７１…第１の温度センサ、７２…第２の温度センサ、７３…第３の温度センサ、８０…表示部（報知手段）。

Claims

エンジンの排気中の粒子状物質を捕集しかつ該粒子状物質を燃焼させる再生処理が行なわれるパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタから排出される排気の一部を前記エンジンの吸気系に還流させるＥＧＲ流路を備えたＥＧＲ装置と、
前記ＥＧＲ流路を流れる前記排気を冷却媒体によって冷却するＥＧＲクーラと、
前記パティキュレートフィルタの再生前の第１の時期に前記ＥＧＲクーラの入口温度および出口温度と前記冷却媒体の温度に基いて該ＥＧＲクーラの第１の冷却効率を演算し、前記第１の時期よりも後の第２の時期に前記入口温度および出口温度と前記冷却媒体の温度に基いて該ＥＧＲクーラの第２の冷却効率を演算し、前記第１の冷却効率と前記第２の冷却効率との差が所定値を越えた場合に前記パティキュレートフィルタの破損を報知するための報知手段を作動させる制御部と、
を具備したことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記入口温度を検出する第１の温度センサと、前記出口温度を検出する第２の温度センサと、前記冷却媒体の温度を検出する第３の温度センサとを有したことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記制御部は、前記第１の冷却効率と前記第２の冷却効率とを互いに一定のエンジン回転数のもとで求めることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記制御部は、前記パティキュレートフィルタの強制再生前の第１の時期に前記第１の冷却効率を求め、前記パティキュレートフィルタの強制再生後の第２の時期に前記第２の冷却効率を求めることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジンの排気浄化装置。