CN102959188A - 柴油机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

在DPF再生中断之后的发动机自动再次起动后再次开始DPF再生的情况下，考虑由于DPF再生中断而引起的排气的氧气浓度增加部分，进行DPF再生控制的校正，以抑制由于DPF再生而引起的温度上升。具体地说，在从发动机自动再次起动的时刻t1开始的规定禁止时间ΔT1内，禁止通过后喷射进行DPF再生的再次开始，并且将后喷射量向下降侧进行校正。

Description

柴油机的排气净化装置
技术领域
本发明涉及一种进行怠速停止的柴油机的排气净化装置，特别地，涉及柴油机微粒过滤器（下面也称为DPF）的再生。
背景技术
在专利文献1中记载了下述技术，即，在怠速运转中进行使发动机自动停止的怠速停止的柴油机中，在怠速停止过程中，使用催化剂上游的排气温度，考虑催化剂的放热量和传热量而推定DPF温度，以使得即使在怠速停止中也可以正确地推定DPF温度（催化剂层温）。
另外，在专利文献2中记载：在同样地进行怠速停止的柴油机中，在利用后喷射而进行DPF再生的过程中向怠速运转转换的情况下，禁止怠速停止，在怠速运转中继续DPF再生而直至DPF再生完成。其理由是：如果在DPF再生中为了进行怠速停止而使DPF再生中断，则DPF的温度显著降低，因此直至完成DPF再生需要较多的时间及能量。
但是，如上述所示，在DPF再生中向怠速运转转换的情况下，禁止怠速停止而直至DPF再生完成，这样，进行怠速停止机会、频率下降，由于怠速停止而得到的排气减少及节能效果降低。因此，本发明人研究出了下述技术，即，在DPF再生中向怠速停止转换的情况下，使DPF再生暂时中断，在怠速停止之后的发动机自动再次起动后，再次开始DPF再生。
但是，如上述所示，在发动机自动再次起动后再次开始DPF再生的情况下，在DPF温度的预测值和实际的DPF温度之间容易产生背离。具体地说，在停止燃料供给而进行怠速停止时，由于发动机停止之前的发动机空转而向排气中供给空气，DPF中的氧气浓度升高。由此，如是在DPF再生再次开始时与DPF再生中断前相同地进行后喷射，则担心会导致DPF温度暂时过高的过升温，给DPF带来恶劣影响，或导致燃料消耗的提高。
专利文献1：日本特开2010－24848号公报
专利文献2：日本专利第4012043号公报
发明内容
本发明着眼于在如上述所示进行怠速停止的过程中使DPF再生暂时中断的情况下产生的新问题，其目的在于抑制发动机自动再次起动后的DPF再生再次开始时的过度升温。
因此，本发明提供一种进行在怠速运转中使发动机自动停止的怠速停止的柴油机的排气净化装置，其具有：
DPF再生单元，其在排气系统中设置收集排气中的微粒的柴油机微粒过滤器，如果规定的DPF再生条件成立，则将上述柴油机微粒过滤器升温，进行柴油机微粒过滤器的DPF再生；
DPF再生中断单元，其在该DPF再生过程中向怠速运转转换的情况下，使上述DPF再生中断而进行怠速停止；
DPF再生再次开始单元，其在上述DPF再生中断后的发动机自动再次起动之后，使DPF再生再次开始；以及
校正单元，其在上述DPF再生再次开始时，考虑由于上述怠速停止时发动机空转而引起的排气的氧气浓度增加部分，进行DPF再生控制的校正，以抑制由于上述DPF再生而引起的温度上升。
根据本发明，由于即使在DPF再生过程中向怠速运转转换的情况下，也可以使DPF再生暂时中断而进行怠速停止，因此，进行怠速停止的机会、频率升高，可以得到由于怠速停止而产生的期望的排气减少效果及降低燃料消耗效果。
并且，在本发明中，由于在发动机自动再次起动后的DPF再生再次开始时，考虑由于伴随DPF再生中断的怠速停止时的发动机空转而引起的排气的氧气浓度增加部分，进行DPF再生控制的校正，因此可以抑制DPF再生再次开始时的温度过度上升，由此可以抑制DPF耐久性的下降及燃料消耗增加。
附图说明
图1是表示本发明涉及的柴油机的排气净化装置的一个例子的概略结构图。
图2是表示实施例及对比例中的DPF再生的中断、再次开始时的后喷射量、发动机转速及DPF温度的变化的时序图。
图3是表示本发明的第1实施例及第2实施例涉及的发动机自动再次起动时的DPF再生再次开始的控制流程的流程图。
图4是表示本发明的第1实施例涉及的图3的后喷射量的运算处理的子程序。
图5是表示本发明的第2实施例涉及的图3的后喷射量的运算处理的子程序。
图6是表示图3的后喷射禁止时间的运算处理的子程序。
图7是表示图3的DPF中心温度预测值的运算处理的子程序。
图8是表示后喷射量的占空比基础值的控制对应图的说明图。
图9是表示相对于后喷射量的DPF中心温度预测值的占空比校正系数的控制表的说明图。
图10是表示相对于后喷射量的氧气浓度及发动机转速的占空比校正系数的控制对应图的说明图。
图11是表示后喷射禁止时间的基础值的控制对应图的说明图。
图12是表示后喷射禁止时间的校正系数的控制对应图的说明图。
图13是表示DPF温度ISS校正量的控制对应图的说明图。
图14是表示相对于DPF温度ISS校正量的ISS开始后的经过时间的控制表的说明图。
图15是表示单位占空比温度上升值的控制对应图的说明图。
图16是表示本发明的第3实施例涉及的发动机自动再次起动时的DPF再生再次开始的控制流程的流程图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的最佳实施方式进行详细说明。图1是表示本发明涉及的柴油机的一个例子的系统结构图。1为柴油机主体；2为各气缸的燃料喷射阀；3为具有贮存高压燃料的贮压室的燃料喷射装置（下面称为共轨式燃料喷射装置）；4为进气总管；5为进气通路；10为排气通路；9为控制单元，其存储及执行目标再生温度的设定及再生处理时的升温控制等后述的各种控制；14为变速器，其将柴油机主体1的驱动力向驱动轴传递。此外，变速器14可以是有级变速器、无级变速器中的任一种。
由共轨式燃料喷射装置3向燃料喷射阀2中供给高压燃料。另外，各燃料喷射阀2根据来自控制单元（ECU）9的喷射信号进行开闭动作，向气缸内喷射高压燃料。在与柴油机主体1的各进气口连接的进气总管4上连接进气通路5，在该进气通路5中，从上游侧开始配置用于增压的可变喷嘴式涡轮增压器6的压缩机6a、对被加压而成为高温的空气进行冷却的中间冷却器7、以及控制进气量的进气节流阀8。另外，在排气通路10上，从其上游侧开始依次配置有：可变喷嘴式涡轮增压器6的涡轮6b；氧化催化剂11，其承载对排气中的未燃烧成分进行氧化处理的贵金属；吸附型NOx催化剂12，其吸收排气中的NOx；以及微粒过滤器（DPF）13，其收集排气中的PM（微粒）。另外，设置EGR通路15，其从排气通路10的涡轮6b的上游分支而与进气总管4连接，在该EGR通路15上设置EGR阀16，利用该EGR阀16，根据运转条件控制向进气中回流的排气量。
在ECU9中，输入来自下述传感器的各检测信号：发动机转速传感器17，其检测发动机转速；加速器开度传感器18，其检测加速器踏板的开度；排气压力传感器19，其检测排气通路10的氧化催化剂11和DPF 13之间的排气压力，即DPF 13的上游侧的排气压力；排气空燃比传感器20，其检测DPF 13的下游的排气空燃比；温度传感器21，其检测DPF 13的催化剂层下温度，即DPF温度；以及温度传感器22，其检测吸附型NOx催化剂12的温度，除此之外，还输入DPF 13内的PM堆积量等。并且，基于这些检测信号分别运算、输出下述信号：用于控制可变喷嘴式涡轮增压器6的可变喷嘴叶片的开度的信号；用于控制EGR阀16的开度的信号；用于控制进气节流阀8的开度的信号；用于控制由燃料喷射阀2进行的燃料喷射量的信号；以及判断DPF 13的再生时间，用于使燃料喷射阀2为了DPF再生而使排气温度上升所需的燃料供给的动作的信号等。
下面，参照图2的时序图及图3~图7的流程图，对DPF 13的再生控制，特别对伴随怠速停止的DPF再生暂时中断至发动机自动再次起动后的DPF再生的再次开始控制的第1实施例及第2实施例进行说明。
参照图2，实施例的特性如后述所示，表示在发动机自动停止后的DPF再生再次开始时，使后喷射的开始时刻t2延迟，并且将后喷射量向下降侧校正的情况下的特性，对比例的特性表示在发动机自动停止后的DPF再生时，不对后喷射的开始时刻及后喷射量进行校正的情况下的特性。
如图2所示，在DPF再生过程中向怠速运转转换的情况下，使DPF再生、即后喷射暂时中断而实施怠速停止，在怠速停止之后的发动机自动再次起动后的适当时刻t2，再次开始DPF再生（后喷射）。由此，不会由于DPF再生而使怠速停止的机会、频率减少，可以得到由于怠速停止而产生的期望的排气减少、燃料消耗降低的效果。此外，在该例子中，从要求怠速的时刻t0开始暂时向怠速运转转换，而在怠速运转稳定的时刻t0＇进行怠速停止，但也可以从要求怠速的时刻t0开始立即进行怠速停止。如果向怠速停止转换，则使后喷射随主喷射一同停止，由后喷射进行的DPF再生中断。此外，也可以从向怠速运转转换的时刻t0开始，立即停止后喷射，使DPF再生中断。
图3是表示用于DPF 13再生的再次开始控制的、ECU 9执行的主程序的流程图。此外，该控制程序每隔极短的固定周期，例如每10ms反复执行。
在步骤S1中，判定是否为DPF再生控制的实施中（包含由于怠速停止而引起的DPF再生的中断中）。DPF再生众所周知，是为了持续使用DPF而利用燃烧等方法定期地去除所收集的PM（主要是煤烟），在该实施例中，进行将公知的氧化催化剂11和后喷射组合的DPF再生。后喷射是在压缩上死点附近的燃料的主喷射后，在比压缩上死点晚的膨胀行程之后的非点火定时进行后喷射，使排气温度升高。但是，作为DPF再生的方法，并不限于此，也可以是使用加热器等的方法等。如果是DPF再生中，则前进至步骤S2，如果不是DPF再生中，则结束本程序。
在步骤S2中，判定是否为由于制动器踏板的放开等而从怠速停止恢复，即是否为怠速停止后的发动机自动再次起动中，该判定例如可以使用适当的标记而进行。如果是怠速停止后的发动机自动再次起动中，则向步骤S3及之后步骤跳转，并且开始发动机的自动再次起动，即，开始压缩上死点附近的主燃料喷射等。如果不是发动机的自动再次起动中，则结束本程序。也就是说，在是伴随DPF再生中断的怠速停止之后的发动机自动再次起动的情况下，步骤S1、S2这二者为肯定，向步骤S3及之后步骤跳转。
在步骤S3中，读入表示发动机运转状态的各种信号，即，读入发动机转速、燃料喷射量、PM堆积量预测值、氧气（O2）浓度以及DPF 目标温度等。在步骤S4中，利用后述的图7的子程序，计算DPF中心温度预测值（DPF温度预测值、DPF预测温度、或者简称为DPF温度）。在步骤S5中，利用后述的图4（第1实施例）或图5（第2实施例）的子程序，计算后喷射量。在步骤S6中，利用后述的图6的子程序，计算后喷射的禁止时间ΔT1。
在步骤S7中，判定后喷射执行标记是否为1。该后喷射执行标记设定为，在伴随DPF再生中断的怠速停止之后的发动机自动再次起动时，在利用后喷射的DPF再生再次开始的条件（但是，与步骤S8的后喷射禁止时间ΔT1有关的条件除外）成立的情况下为1，不成立的情况下为0。例如，在发动机自动再次起动后直至发动机运转稳定的极短期间内（参照图2的期间ΔT1′），后喷射执行标记为0，禁止利用后喷射的DPF再生的再次开始。
在步骤S8中，判定从发动机自动再次起动的开始时刻t1开始的经过时间，是否经过了规定的后喷射禁止时间（禁止时间）ΔT1。具体地说，判定在发动机自动再次起动的开始时刻t1清零的计数值是否达到规定值。如果从发动机自动再次起动的开始时刻t1开始的经过时间达到后喷射禁止时间ΔT1，则从步骤S8前进至步骤S9，实施后喷射。
另一方面，在未达到后喷射禁止时间ΔT1的情况下，从步骤S8跳转至步骤S 10，将计数值加上1。这样，在本实施例中，为了抑制DPF再生再次开始时的温度过度上升，在从发动机自动再次起动开始的规定禁止时间ΔT1的期间，禁止由后喷射进行的DPF再生。
参照图2对如上所述设置禁止时间的理由进行说明。
在怠速停止时，由于发动机空转，因此在不进行燃料喷射的状态下新鲜空气直接向排气通路供给。由此，在怠速停止过程中，在DPF上游的排气系统的氧气浓度升高的状态下发动机停止。因此，在从怠速停止恢复时，由于使发动机起动而使氧气浓度较高的排气在DPF再生再次开始后向DPF供给，氧气浓度暂时较大地上升。由此，如对比例所示，如果在从DPF再生再次开始经过较短的时间ΔT1′后立即进行后喷射，则如符号P所示，成为以氧气浓度较高的状态由后喷射供给燃料的情况，促进氧化反应而使DPF温度暂时较大地上升，可能会大幅超过目标DPF温度的上限值（例如700℃）。因此，在本实施例中，通过在从发动机自动再次起动的开始时刻t1开始的规定禁止时间ΔT1内禁止后喷射，而不在DPF再生开次开始后的氧气浓度较高的状态下进行后喷射。由此，可以抑制、避免如上所述的DPF温度的过度上升。
图4是图3的步骤S5的子程序，表示DPF再生再次开始时的后喷射量的运算处理的第1实施例。在该第1实施例中，仅基于DPF预测温度（DPF中心温度预测值）简单地将DPF再生再次开始时的后喷射量向减少侧进行校正。也就是说，考虑因伴随怠速停止的氧气浓度的上升等而引起的温度上升部分，对发动机自动再次起动后的DPF预测温度向增加侧进行校正（参照图7），通过使用基于该DPF预测温度计算出的占空比校正系数H1设定后喷射量，将DPF再生时的后喷射量向下降侧校正。
在步骤S21中，使用图8所示的控制对应图，由发动机转速和主喷射量计算后喷射量的占空比基础（Duty base）值。如图8所示，后喷射量的占空比基础值设定为，在包含怠速在内的低转速、低负载（主喷射量较少）侧增大，在高转速、高负载（主喷射量较多）侧减小。
在步骤S22中，参照图9所示的控制表，由DPF预测温度计算后喷射量的占空比校正系数H1。该校正系数H1是小于或等于1的值，以使DPF再生再次开始时的后喷射量减少，在DPF预测温度较高时为了不会过升温而设定为较小的值，在DPF预测温度较低时为了促进DPF温度的升温而设定为较高的值。也就是说，由于DPF预测温度越高，相对于后喷射量的温度上升幅度越大，因此DPF预测温度越高，使校正系数H1越小，使后喷射量越少。在步骤S23中，通过对上述后喷射量占空比基础值和后喷射量占空比校正系数H1进行乘法运算，求出后喷射量的占空比值。
在步骤S24中，将DPF再生目标温度和DPF中心温度预测值的偏差除以每单位占空比的温度上升量，求出校正占空比值。即，求出与DPF温度的目标值和预测值（实测值）的偏差相对应的校正占空比值。并且，在步骤S25中，将上述后喷射量占空比值加上校正占空比值，求出作为最终后喷射量的后喷射量的最终占空比值。
图5是表示图3的步骤S5中的后喷射量的运算处理的第2实施例的子程序，在该第2实施例中，除上述DPF预测温度之外，还考虑对DPF再生再次开始时的过升温影响较大的PM堆积量和氧气浓度，将后喷射量向减少侧进行校正。氧气浓度的推定，在怠速停止时间较短的情况下，可以使用排气空燃比传感器20的检测值进行推定，或者，也可以从怠速停止时间及怠速停止时的发动机转速（空转转速），或怠速停止时的发动机转速的累积值等进行推定。
在步骤S21及步骤S22中，与上述第1实施例相同地，计算后喷射量的占空比基础值，并且求出后喷射量的占空比值的校正系数H1。
在步骤S22A中，如图10的控制对应图所示，基于PM堆积量预测值和氧气浓度，求出后喷射量的占空比值的第2校正系数H2。如图10所示，由于氧气浓度越高，越促进DPF再生再次开始时的氧化反应，DPF温度的升温越大，因此，为了抑制该升温而将校正系数H2设定为较小的值。即，以氧气浓度变得越高而后喷射量变得越少的方式设定校正系数H2。另外，由于PM堆积量预测值越大，越促进DPF再生再次开始时的氧化反应，DPF温度的升温越大，因此，为了抑制该升温而将校正系数H2设定为越小的值。即，以PM堆积量变得越多而后喷射量变得越少的方式设定校正系数H2。
在步骤S23A中，通过对上述后喷射量的占空比基础值乘以后喷射量的占空比校正值H1和占空比校正值H2，求出后喷射量占空比值。在步骤S24及S25中，与上述第1实施例相同地，通过求出校正占空比值，并且将该校正占空比值和上述后喷射量占空比值相加，求出作为最终后喷射量的后喷射量的最终占空比值。
根据该第2实施例，由于除了DPF预测温度之外，还考虑对DPF再生再次开始时的DPF升温影响较大的PM堆积量和氧气浓度，因此可以更准确、精度更高地将后喷射量向减少侧进行校正。
图6是图3的步骤S6的子程序，表示后喷射的禁止时间ΔT1的运算处理。在步骤S31中，参照图11所示的控制表，基于氧气浓度和PM堆积量预测值，计算后喷射禁止时间的基础值。如图11所示，由于氧气浓度越高，越促进DPF再生再次开始后的氧化反应，容易导致过度升温，因此氧气浓度变得越高，使禁止时间的基础值越大，以避开再次开始后的温度暂时升高的峰值区域（参照图2的符号P）。即，以氧气浓度变得越高而禁止时间ΔT1越长的方式设定禁止时间的基础值。相同地，由于PM堆积量预测值越大，越促进DPF再生再次开始后的氧化反应，越容易导致过度升温，因此PM堆积量预测值变得越大，使禁止时间的基础值越大，以避开再次开始后的温度暂时升高的峰值区域（参照图2的符号P）。即，以PM堆积量变得越多而禁止时间ΔT1越长的方式设定禁止时间的基础值。
在步骤S32中，参照图12的控制表，由DPF中心温度预测值（DPF预测温度）计算后喷射禁止时间的校正系数H3。如图12所示，DPF中心温度预测值越高，校正系数H3设定为越大的值，以使得使禁止时间越长而抑制DPF再生再次开始后的过度升温。并且，在步骤S33中，通过将上述后喷射禁止时间的基础值和校正系数H3相乘，计算最终的后喷射禁止时间ΔT1。
图7是表示图3的步骤S4中的DPF中心温度预测值的运算处理的子程序。在这里计算出的DPF中心温度预测值，是在由于DPF再生再次开始而进行后喷射的情况下的、考虑了由于怠速停止中的氧气浓度增加等而引起的升温部分的推定值。
在步骤S41中，读入后喷射量的占空值。在步骤S42中，参照图13所示的控制对应图，基于PM堆积量预测值和氧气浓度，计算DPF温度ISS（怠速停止开始）校正量。如图13所示，由于氧气浓度越高，DPF再生再次开始时的温度上升越大，因此为了抑制该升温而使DPF温度ISS校正量增大。相同地，由于PM堆积量预测值越大，DPF再生再次开始时的温度上升越大，因此为了抑制该升温而使DPF温度ISS校正量增大。并且，由于从发动机自动再次起动（ISS）开始的经过时间越长，由于怠速停止而产生的氧气浓度过剩的影响越小，对DPF过度升温的影响越弱，因此如图14所示，从发动机自动再次起动开始的经过时间越长，上述DPF温度ISS校正量成为越小的值，最终成为0。即，由DPF温度ISS校正量进行的校正，仅限于在从发动机自动再次起动开始的规定时间内进行。
在步骤S43中，参照图15所示的控制对应图，基于发动机转速和燃料喷射量，计算单位占空比温度上升值。并且，在步骤S44中，使用上述后喷射量占空比值、单位占空比温度上升值、由温度传感器21检测出的DPF入口温度（或DPF温度预测值）、考虑了HC氧化反应热的DPF温度校正量、以及上述DPF温度ISS校正量，求出最终的DPF中心温度预测值。
此外，DPF再生的结束由未图示的其他程序判定、执行，众所周知，例如在PM堆积量下降至小于或等于规定量的情况下，或者在排气压力下降至小于或等于规定值的情况下，结束DPF再生。
图16表示相对于上述第1、第2实施例，省略禁止时间ΔT1的设定的第3实施例。此外，对于与上述的实施例相同的处理内容，标注相同的参照标号，适当省略重复的说明。也就是说，在该第3实施例中，省略图2的步骤S8和S10的后喷射禁止时间的设定处理。在该情况下，也与上述第1、第2实施例相同地，由于在发动机自动再次起动后的DPF再生再次开始时，考虑使DPF再生中断的怠速停止中的排气的氧气浓度增加部分，将后喷射量向下降侧进行校正，以抑制由于DPF再生而引起的温度上升，因此可以抑制DPF再生再次开始时的温度过度上升。
另外，在该第3实施例中，作为第1、第2实施例中的DPF再生再次开始时的升温抑制控制的后喷射量的减少和后喷射禁止时间的设定，仅进行其中的后喷射量的减少，但也可以与之相反，仅进行后喷射禁止时间的设定。

Claims (11)

1.一种柴油机的排气净化装置，该柴油机进行在怠速运转中使发动机自动停止的怠速停止，该柴油机的排气净化装置具有：
DPF再生单元，其在排气系统中设置收集排气中的微粒的柴油机微粒过滤器，如果规定的DPF再生条件成立，则将上述柴油机微粒过滤器升温，进行柴油机微粒过滤器的DPF再生；
DPF再生中断单元，其在该DPF再生过程中向怠速运转转换的情况下，使上述DPF再生中断而进行怠速停止；
DPF再生再次开始单元，其在上述DPF再生中断后的发动机自动再次起动之后，使DPF再生再次开始；以及
校正单元，其在上述DPF再生再次开始时，考虑由于上述怠速停止时发动机空转而引起的排气的氧气浓度增加部分，进行DPF再生控制的校正，以抑制由于上述DPF再生而引起的温度上升。
2.根据权利要求1所述的柴油机的排气净化装置，其特征在于，
上述DPF再生单元，在压缩上死点附近的主喷射之后，在膨胀行程及之后行程的非点火定时进行后喷射。
3.根据权利要求2所述的柴油机的排气净化装置，其特征在于，
上述校正单元，在上述发动机自动再次起动后的规定禁止期间内，禁止后喷射。
4.根据权利要求3所述的柴油机的排气净化装置，其特征在于，
堆积在上述柴油机微粒过滤器中的PM的堆积量越多，使上述禁止期间越长。
5.根据权利要求3或4所述的柴油机的排气净化装置，其特征在于，
排气中的氧气浓度越高，使上述禁止期间越长。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的柴油机的排气净化装置，其特征在于，
上述柴油机微粒过滤器的DPF温度越高，使上述禁止期间越长。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的柴油机的排气净化装置，其特征在于，
上述校正单元，将上述后喷射的后喷射量向下降侧进行校正。
8.根据权利要求7所述的柴油机的排气净化装置，其特征在于，
堆积在上述柴油机微粒过滤器中的PM的堆积量越多，上述校正单元使上述后喷射量越少。
9.根据权利要求7或8所述的柴油机的排气净化装置，其特征在于，
排气中的氧气浓度越高，上述校正单元使上述后喷射量越少。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的柴油机的排气净化装置，其特征在于，
上述柴油机微粒过滤器的DPF温度越高，上述校正单元使上述后喷射量越少。
11.根据权利要求2至10中的任一项所述的柴油机的排气净化装置，其特征在于，
对应于DPF温度设定后喷射量，以使得上述柴油机微粒过滤器的DPF温度越高，上述后喷射的后喷射量越少，
上述校正单元，将上述DPF温度向增加侧进行校正。
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