排气净化系统及其再生控制方法

专利名称：排气净化系统及其再生控制方法
技术领域：
本发明涉及排气净化系统及其再生控制方法，特别是使用称为柴油机颗粒过滤器(DPFDiesel Particulate Filter以下称为“DPF”)的过滤器，俘获柴油发动机的排气中的颗粒状物质(PMParticulateMatter，以下称为“PM”)的排气净化系统及其再生控制方法。
背景技术：
对于从柴油发动机排出的PM的排出量，以及NOx、CO、HC等的限制，逐年在加强，人们开发了通过DPF俘获该PM，使向外部排出的FM的量减少的技术。
在直接俘获该PM的DPF中，包括有陶瓷制的整体蜂窝状壁流动型(ウオ—ルフロ—タイプ)过滤器，使陶瓷，金属呈纤维状的纤维型过滤器等。采用这些DPF的排气净化装置设置于发动机的排气管的管路中，对由发动机产生的排气进行净化处理。
但是，在该DPF中，由于伴随PM的俘获，产生筛眼堵塞，排气压力(排压)上升，故必须去除由该DPF俘获的PM，为此人们开发了几种方法和系统。
其中，包括有通过电加热器或燃烧器，对过滤器进行加热，以燃烧方式去除PM的系统，使空气反方向流动，进行反洗的系统等。但是，在这些系统中，由于从外部供给加热用的能量，进行PM的燃烧，故具有使燃料消耗率恶化、难于再生控制的问题。
另外，由于在采用这些系统时，多数的情况是设置具有过滤器的二个系统的排气通路，交替反复进行PM的俘获和过滤器的再生，所以系统变大，成本也容易上升。
为了解决这些问题，人们提出了在如图3和图4所示的壁流动型的过滤器中，装配催化剂，降低DPF的再生温度，利用来自发动机的排气热量，进行DPF再生的连续再生型DPF系统。
该壁流动型的过滤器10按照下述方式形成其包括周围由多孔质壁面12形成的多个排气通路11a，11b，以及在该排气通路(管)11a，11b的入口侧15和出口侧16，分别呈交错状，将孔密封13。
在该连续再生型DPF系统中，由于DPF的再生和PM的俘获基本上连续地进行，变为更加简化的一体的系统，所以也使再生控制简化。
图5为采用二氧化氮的连续再生型DPF系统(NO2再生型DPF系统)1A的实例，其由上游的氧化催化剂3Aa与下游的壁流动型的过滤器3Ab构成。通过该上游的铂等的氧化催化剂3Aa，将排气中的一氧化氮氧化，通过所产生的二氧化氮，将在下游的过滤器3Ab中俘获的PM氧化，形成二氧化碳，去除PM。
利用二氧化氮进行的PM的氧化，较利用氧进行的PM的氧化，能量势垒较低，能够在低温下进行。由此，能够减小外部的能量供给，可通过利用排气中的热能，在连续地俘获PM的同时，把PM氧化去除，进行过滤器的再生。
另外，图6所示的连续再生型DPF系统(一体型NO2再生DPF系统)1B为图5的系统1A的改良型。在该系统1B中，将氧化催化剂32A涂敷于壁流动型的带催化剂的过滤器3B的壁表面上，在该壁表面上，进行将排气中的一氧化氮的氧化和利用二氧化氮对PM的氧化。通过该方案，系统简化。但是，由于将催化剂涂敷于壁流过滤器的壁表面上，就有初期的过滤器的压损增大的倾向。
此外，在图7所示的连续再生型DPF系统(带PM氧化催化剂的DPF系统)1C中，把铂等贵金属氧化催化剂32A，以及PM氧化催化剂32B，涂敷在壁流动型的带PM氧化催化剂的过滤器3C的壁表面上，在该壁表面上，从较低的温度，就进行PM的氧化。
该PM氧化催化剂32B为通过排气中的氧，直接对PM进行氧化的催化剂，其由二氧化铈等形成。
并且，在该连续再生型DPF系统1C中，在低温氧化区域(350℃～450℃的范围内)，利用氧化催化剂32A的把一氧化氮氧化成二氧化氮的反应，通过二氧化氮，对PM进行氧化。另外，在中温氧化区域(400℃～600℃的范围内)，利用PM氧化催化剂32B，使排气中的氧活性化，通过将PM直接氧化的反应，将PM氧化。另外，在高于PM在排气中的氧中燃烧的温度的高温氧化区域(大于600℃)，通过排气中的氧，将PM氧化。
在这些连续再生型DPF系统中，通过采用催化剂，二氧化氮进行PM的氧化，降低PM的可氧化温度，在俘获PM的同时对其进行氧化去除。
但是，即使在这些连续再生型DPF系统中，仍旧需要使排气温度上升到350℃。由此，在怠速，低负荷的发动机运转状态下，由于排气温度不足，催化剂的温度降低，活性度下降，所以，上述的反应不发生，不能够将PM氧化，对DPF进行再生。
于是，如果持续进行这样的运转状态，在不能够把DPF再生的状态下，PM被堆积于DPF中，筛眼堵塞，导致排气压力上升，燃料消耗率恶化等问题。
由此，在这些连续再生型DPF系统中，把从发动机运转状态计算出的到DPF的PM累积量，与预先根据PM累积量和DPF压损之间的关系而设定的DPF再生条件相比较，进行DPF再生控制运转，把累积的PM燃烧去除。
在该过滤器再生控制中，即使在排气温度低的怠速，低负荷的发动机运转条件的情况下，采用共用轨道(コモンレ—ルcommon rail)等的电子控制式燃料喷射系统，通过喷射时期延迟，多级喷射等，使排气温度上升，或通过后喷射(ポスト喷射)，排气管内喷射，向DPF前段的氧化催化剂，供给燃料，使其燃烧，使排气温度上升而超过PM的再燃烧温度，进行过滤器的再生。
但是，在该DPF的再生控制中，在排气量较多的中速旋转区域，开始PM再燃烧时，若在PM的燃烧初期，发动机旋转骤变为怠速这样的排气量少的运转条件，则在DPF内，带走由PM的氧化产生的热量的排气流量减少。另外，通过该排气，带到DPF的外部的热量也减少。
由此，DPF内部变为高温状态。由于该升温的作用，产生以下这样的问题。即，由于DPF温度超过蜂窝材料熔化的温度，故产生DPF的熔损。另外，由高温造成的热应变，在蜂窝材料上，产生裂缝，直至破坏。此外，由于该高温的作用，超过催化剂的耐久温度，故催化剂反常的恶化。
此外，即使在怠速运转等这样的排气量小的运转条件，进行DPF的再生控制的情况下，由于因PM的燃烧而产生的热不能由排气而带出到DPF之外，故DPF内部处于高温状态，引起DPF的熔损，催化剂的恶化。
为此，如果在连续怠速运转时，不进行DPF的再生控制，则产生下述问题，即，PM向DPF累积，排出压力上升，导致燃料消耗率恶化，发动机的故障等问题。
图8表示在DPF再生时的PM的燃烧中，使怠速运转开始，排气流量急剧减少时的DPF内部的温度分布。从该图看出，DPF的后端中心部C的附近处于异常的高温状态。

发明内容
本发明是为了解决上述已有技术的问题而提出，本发明的目的在于提供一种排气净化系统及其再生控制方法，其中在DPF再生控制运转中，即使在怠速运转的情况下，仍可确保合适的排气流量，避免因排气流量的减少引起的DPF的升温，防止DPF的熔损，催化剂的恶化。
用于实现上述目的的排气净化系统及其再生控制方法如下述构成。
该排气净化系统具有对柴油发动机的排气中的颗粒状物质进行净化处理的柴油机颗粒过滤器，在对上述柴油机颗粒过滤器进行再生的再生控制运转的开始时与再生控制运转中，判断发动机的运转状态是否为怠速(アイドル)运转，在判定处于怠速运转中时，控制怠速转数上升到规定的旋转次数的再生控制装置。
另外，上述排气净化系统按照下述方式构成上述再生控制装置对应累积于上述柴油机颗粒过滤器中的微粒物质的累积量，设定上述规定的旋转次数。
此外，上述排气净化系统按照下述方式构成上述柴油机颗粒过滤器为壁流动型过滤器，其包括周围由多孔质壁面形成的多个排气通路，其中，在排该气通路的入口侧和出口侧，呈交错状将孔密封。
该壁流动型的过滤器包括陶瓷制的整体蜂窝型过滤器。
还有，作为俘获上述PM的DPF，除了采用壁流动型的过滤器以外，还可采用把陶瓷、金属做成纤维状的纤维型的过滤器等，另外，在这些DPF中，也有装有氧化催化剂、PM氧化催化剂的情况。
再有，上述排气净化系统的再生控制方法如下述构成。
该排气净化系统的再生控制方法是一种装备有把柴油发动机的排气中的颗粒状物质进行净化处理的柴油机颗粒过滤器的排气净化系统的再生控制方法，在对上述柴油机颗粒过滤器进行再生的再生控制运转的开始时，与再生控制运转中，判断发动机的运转状态是否为怠速运转，在判定处于怠速运转中时，进行使怠速转数上升到规定的旋转次数的控制。
另外，在上述排气净化系统的再生控制方法中，对应累积于上述柴油机颗粒过滤器上的微粒物质的累积量，设定上述规定的旋转次数。
按照这些方案，在DPF的再生控制运转时，当发动机的运转条件转移到排气流量急剧减少的怠速运转、当处于排气流量少的怠速运转，而需要进行DPF再生控制运转时，由于对应于PM累积量，使怠速旋转次数上升，故可将因PM的氧化而产生的热带出到DPF之外。于是，可防止由于局部的高温而造成的DPF的熔损，催化剂的恶化。
另外，由于即使在怠速运转这样的排气流量少的条件下，仍可进行DPF的再生控制运转，故可防止由于PM的累积量的增加而造成的排气压力的上升，以及由该排气压力的上升造成的燃料消耗率的恶化，发动机的故障。另外，由于对应累积于DPF中的PM的累积量，使怠速旋转上升，故可使怠速旋转次数的上升量达到必要的最小限，可抑制燃料消耗率的恶化。
于是，本申请发明的排气净化系统构成低成本、可靠性较高的排气净化系统。
附图简要说明

图1为表示本发明实施例的排气净化系统的结构图；图2为表示本发明实施例的再生控制示意图，图2(a)为表示再生控制流程的一个实例的流程图，图2(b)为表示用于怠速旋转次数上升设定的怠速旋转上升图形、的实例的示意图；图3为DPF的模式的结构图，图3(a)为包含局部剖面的立体图，图3(b)为主视图，图3(c)为后视图；图4为图3的DPF的模式的侧面剖视图；图5为表示已有技术的设置有氧化催化剂的连续再生型DPF系统的一个实例的结构图；图6为表示已有技术的设置有带氧化催化剂的过滤器的连续再生型DPF系统的一个实例的结构图；图7为表示已有技术的设置有带PM氧化催化剂的过滤器的连续再生型DPF系统的一个实例的结构图；图8为表示已有技术的过滤器的再生控制运转中的，进行怠速运转时的温度分布的状态的模式侧面剖视图的等温图。
具体实施例方式
下面就本发明实施例的排气净化系统和其再生控制方法，以DPF为壁流动型过滤器的情况为实例，参照附图进行说明。在图1所示的排气净化系统1中，柴油发动机E包括通用轨道(コモンレ—ルcommon rail)等的电子控制式燃料喷射系统4，旋转传感器21，负荷传感器22。
另外，在排气通路2上，从上游起，设置有DPF前级氧化催化转化器3a，DPF入口排气压力传感器23和DPF入口排气温度传感器24，DPF3b，DPF出口排气压力传感器25，消音器8。
此外，设置有电子控制装置(controllerECU)5，该电子控制装置从这些传感器类，接收信号，进行对电子控制式燃料喷射系统4的控制以及其它与发动机相关的控制和排气净化系统1的再生控制等。另外，该电子控制装置5从电池7，得到电力供给而运作。
上述DPF前级氧化催化剂3a是由具有从上游，贯通到下游的多个排气通路(管)的堇青石，SiC，不锈钢，金属等，形成蜂窝结构形成的，同时，在这些排气通路的壁表面上，在氧化铝，沸石，二氧化硅上涂敷携带铂等的氧化催化剂30而形成。
上述氧化催化剂30由铂等贵金属形成，通过催化作用，使后喷射等产生的HC燃烧，将上述氧化催化剂30的下游的排气温度提高，使在后级的DPF3b中俘获的PM氧化。
在该DPF3b中采用图3和图4所示的壁流动型的过滤器10。该过滤器10包括周围由多孔质壁面12形成的多个排气通路11a，11b，并且在该排气通路(管)11a，11b的入口侧15与出口侧16，呈错开状将孔密封13。排气G从入口侧15，进入排气通路11a，通过多孔质壁面12，进入排气通路11b，从出口侧16，作为已被净化的排气Gc而排出。
该排气G中的PM在通过上述多孔质壁面12时，被多孔质壁面12俘获。被俘获的PM在排气温度约600℃以上时，自己燃烧，将其净化为二二氧化碳。在约600℃以下，约350℃以上时，因排气中的二氧化氮与过滤器携带的PM催化剂的氧化作用，进行燃烧净化处理。在排气温度低于约350℃时，通过发动机的PM再燃烧控制，使排气温度上升到600℃附近，进行燃烧净化处理。
下面对该排气净化系统1的再生控制方法进行描述。
图2表示本发明的再生控制流程的一个实例。
图2(a)所示的再生控制流程是与控制发动机等的主控制流程并行实行的控制流程。因此，若使发动机的运转开始，从主控制流程发出开始、切断发动机等的发动机运转停止指令的同时，通过插入，使实行停止、返回，回到主控制流程。另外，在图2(a)的流程图中，未表示由于插入而实行停止的部分。
另外，如果上述再生控制流程开始，则在步骤S11中，在规定时间ts(与控制的循环时间相关的时间)的期间，进行普通运转控制，然后进行步骤S12，在该步骤S12，判断DPF的再生控制是否是必要的，如果不必要，则返回到步骤S11的普通运转控制。
此外，在于步骤S12的判断中，判定DPF的再生控制是必要的场合，进入步骤S20，进行再生控制。
在该DPF的再生控制的是否判断中，根据发动机运转条件，推定在DPF中累积的PM量，将其累加，由此，算出PM累积量，在该算出的PM累积量大于预定的PM累积极限值时，判定再生控制是必要的。
或者，求出对应于PM累积量的DPF压力损失(或，前后压力差)，在根据DPF出口排气压力传感器25(或，DPF入口排气压力传感器23与DPF出口排气压力传感器25)的压力测定值求出的DPF压力损失(或，前后压力差)，大于预定的DPF压力损失极限值(或，压力差极限值)时，判定再生控制是必要的。
接着，在步骤S20的再生控制中，最初，在步骤S21，根据发动机的旋转传感器21与负荷传感器22测定的旋转次数与负荷，监视发动机的运转状态，判断是否处于怠速运转状态。
在该步骤S21的判断中，在判定怠速运转的场合，在步骤S22，进行怠速旋转次数上升的设定。该怠速旋转次数上升的设定如图2(b)所示的那样，根据相对于PM累积量的怠速旋转上升旋转数的怠速旋转上升图形的数据而设定。该怠速旋转上升曲线图形预先根据试验或者实验等的数据设定，其存储于控制系统中。
另外，此时的PM累积量在再生开始时，与用于再生控制的判断的值相同，在再生的过程中，为下述值，该值是通过DPF出口排气压力传感器25的测定压力，DPF出口排气压力传感器25的测定压力与DPF入口排气压力传感器23的测定压力之间的压力差，根据压力(或，压力差)与PM累积量之间的关系而求出的。
然后，按照在步骤S22中已设定的旋转次数，在规定时间ts的期间，进行步骤S23的高速怠速旋转再生控制，然后，进行步骤S25。
该步骤S23的高速怠速旋转再生控制按照下述方式进行，该方式为通过使怠速旋转次数上升，相对普通的怠速旋转时的排气量，使排气量增加，控制把因PM的燃烧而产生的热量带出到DPF3b的外部。另外由于此时的排气流量减小，因此减少或者不进行喷射时间延迟，多级喷射等的排气温度上升控制，抑制排气温度的上升。
另外，在上述步骤S21的判断中，在判定不是怠速运转的场合，在规定时间ts的期间，进行步骤S24的排气升温再生控制，然后，进行步骤S25。
在该排气升温再生控制中，在发动机的燃料喷射控制中，通过使喷射时期延迟，或进行多级喷射，或借助后喷射、排气管内喷射，向DPF前级氧化催化剂3a，供给燃料，通过其燃烧，使排气温度上升，由此，提高排气温度，使DPF温度上升到可进行被俘获于DPF中的PM的氧化的温度以上。
通常，即使在该排气升温再生控制中，为了使DPF通过后的排气温度不过度上升，通过DPF出口排气温度传感器26的温度等，进行监视，同时对排气升温进行调节控制。
接着，在步骤S25，判断再生控制是否结束，如果结束，则DPF得到充分地再生，不必进行再生控制，返回到步骤S11的普通运转控制。另外，如果未结束，则DPF的再生不充分，需要再生控制，返回到步骤S21，继续进行再生控制。
如果采用上述方案的排气系统1及其再生控制方法，在DPF的再生控制时，判断发动机的运转状态是否为怠速运转，或是否转移到怠速运转，同时进行再生控制。接着，在判定怠速运转的场合，使怠速旋转次数，上升到与PM累积量相对应的高速怠速旋转次数。通过这些控制，在调整排气流量与排气温度的同时，进行再生控制。
于是，即使在怠速运转时，仍可避免排气流量极度地降低，可防止在DPF的内部，产生蓄热。由此，在DPF的局部，不产生处于高温的部分，可避免DPF的熔损，开裂造成的破损。
另外，在本实施例中，采用具有DPF前级氧化催化剂3a与DPF3b的排气净化系统1，但是，并不限定于此，本发明还可适用于其它的排气净化系统。
比如，无论对于不具有该DPF前级氧化催化剂3a，而仅仅具有DPF的排气净化系统，还是对于图6，图7所示的那样的，不具有DPF前级氧化催化剂3a，而具有带催化剂的过滤器、带PM氧化催化剂的过滤器的排气净化系统1B，1C等，本发明均可适用。
此外，对于具有带催化剂的过滤器，带PM氧化催化剂的过滤器的排气净化系统1B，1C，不仅可避免过滤器的熔损，开裂造成的破损，还可防止涂敷于过滤器上的催化剂由于高温造成的性能变差。
还有，作为再生控制运转的排气升温用，代替发动机的燃料喷射中的后喷射使排气温度升高，也可使用下述系统，在该系统中，从设置于DPF前级氧化催化剂3a上游的排气通路2上的喷射阀，在排气通路2内，进行燃料喷射，实现排气升温。
权利要求
1.一种排气净化系统，该排气净化系统具有对柴油发动机的排气中的颗粒状物质进行净化处理的柴油机颗粒过滤器，其特征在于具有在对上述柴油机颗粒过滤器进行再生的再生控制运转的开始时、及再生控制运转中，判断发动机的运转状态是否为怠速运转，在判定处于怠速运转中时，进行使怠速转数上升到规定的旋转次数的控制的再生控制装置。
2.根据权利要求1所述的排气净化系统，其特征在于上述再生控制装置对应累积于上述柴油机颗粒过滤器中的微粒物质的累积量，设定上述规定的旋转次数。
3.根据权利要求1或2所述的排气净化系统，其特征在于上述柴油机颗粒过滤器为壁流动型过滤器，其包括周围由多孔质壁面形成的多个排气通路，在该排气通路的入口侧和出口侧，呈交错状将孔密封。
4.一种排气净化系统的再生控制方法，是包括对柴油发动机的排气中的颗粒状物质进行净化处理的柴油机颗粒过滤器的排气净化系统的再生控制方法，其特征为在对上述柴油机颗粒过滤器进行再生的再生控制运转的开始时与再生控制运转中，判断发动机的运转状态是否为怠速运转，在判定处于怠速运转中时，进行使怠速转数上升到规定的旋转次数的控制。
5.根据权利要求4所述的排气净化系统的再生控制方法，其特征在于对应累积于上述柴油机颗粒过滤器中的微小颗粒物质的累积量，设定上述规定的旋转次数。
全文摘要
一种排气净化系统,在包括对柴油发动机的排气中的颗粒状物质进行净化处理的DPF的该排气净化系统中,备有再生控制装置,该再生控制装置在对上述DPF进行再生的再生控制运转的开始时与再生控制运转中,判断发动机的运转状态是否为怠速运转,在判定处于怠速运转中时,进行使怠速转数上升到规定的旋转次数的控制通过上述方案,在DPF再生控制运转中,即使在怠速运转时,仍可确保合适的排气流量,避免由于排气流量的减少造成的DPF的升温,防止DPF的熔损,催化剂的性能变差。
文档编号B01D46/42GK1423035SQ02154310
公开日2003年6月11日 申请日期2002年11月28日 优先权日2001年11月28日
发明者我部正志, 今井武人, 越智直文 申请人:五十铃自动车株式会社