柴油发动机的排气处理装置
阅读说明：本技术 柴油发动机的排气处理装置 (Exhaust gas treatment device for diesel engine ) 是由 井上胜支 藤原正德 冈野宏昭 于 2019-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种能够进行准确的灰烬堆积量的推定的柴油发动机的排气处理装置。在DPF(2)的再生处理结束后,基于从DPF(2)的再生处理的结束时起到追溯规定时间的追溯时为止的再生即将结束之前的期间存储于存储装置(6)的所述压差和排气流量的数据,通过灰烬堆积量推定装置(7)推定DPF(2)的灰烬堆积量。优选地,电子控制装置(20)基于灰烬堆积量的推定值达到了规定的警报必要值的情况,通过警报装置(8)发出警报。(The invention provides an exhaust gas treatment device for a diesel engine, which can estimate the ash accumulation amount accurately. After the regeneration process of the DPF (2) is finished, the ash accumulation amount of the DPF (2) is estimated by an ash accumulation amount estimation device (7) on the basis of the data of the pressure difference and the exhaust gas flow rate stored in a storage device (6) during a period from the end of the regeneration process of the DPF (2) to a retrospective time traced back for a predetermined time immediately before the regeneration is finished. Preferably, the electronic control device (20) issues an alarm by the alarm device (8) based on the fact that the estimated value of the ash deposition amount has reached a predetermined alarm necessary value.)
技术领域
本发明涉及柴油发动机的排气处理装置，详细地说，涉及能够进行准确的灰烬堆积量的推定的柴油发动机的排气处理装置。
背景技术
以往，作为柴油发动机的排气处理装置具有如下装置：该装置具有配置在排气路径上的DPF、推定堆积于DPF的PM的堆积量的PM堆积量推定装置、排气升温装置、以及电子控制装置，电子控制装置基于DPF的PM堆积量的推定值达到了规定的再生必要值的情况，进行DPF的再生处理(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2006-105056号公报(参照图1～图4)
在专利文献1的装置中，在DPF的再生处理刚结束后，电子控制装置基于DPF的排气入口侧和排气出口侧的压差来推定灰烬堆积量，但在DPF的再生处理刚结束后，压差、排气流量因发动机负载和发动机转速的变动而大幅变动，从而难以推定准确的灰烬堆积量。
发明内容
本发明的课题在于，提供一种能够进行准确的灰烬堆积量的推定的柴油发动机的排气处理装置。
在本发明中，在DPF的再生处理结束后，基于从DPF的再生处理结束时起到追溯规定时间的追溯时为止的再生即将结束之前的期间存储于存储装置的所述压差和排气流量的数据，通过灰烬堆积量推定装置推定DPF的灰烬堆积量。
在本发明中，优选地，电子控制装置基于灰烬堆积量的推定值达到了规定的警报必要值的情况，通过警报装置发出警报。
根据本发明，通过在再生即将结束之前的期间使排气温度维持在规定范围内，使压差、排气流量的变动小，而且几乎完全焚烧妨碍灰烬堆积量的推定的PM，因此，能够进行准确的灰烬堆积量的推定。
附图说明
图1是本发明的实施方式的发动机的示意图。
图2是图1的发动机的电子控制装置的处理的流程图。
附图标记的说明：
1：排气路径
2：DPF
3：压差传感器
4：PM堆积量推定装置
5：计时装置
6：存储装置
7：灰烬堆积量推定装置
8：警报装置
9：排气流量运算装置
15：燃料供给映射图
19：排气升温装置
20：电子控制装置
22：气流传感器
38：DPF入口侧排气温度传感器
40：大气压传感器
S3：存储
S5：再生处理的结束
S6：推定灰烬堆积量
具体实施方式
图1和图2是说明本发明的实施方式的发动机的图，在该实施方式中，对具有排气处理装置的立式水冷的直列四缸柴油发动机进行说明。
该发动机作业机的概要如下所述。
如图1所示，该发动机具有：气缸体11；组装在气缸体11的上部的气缸盖12；设置在气缸体11的后部的飞轮13；设置在气缸体11的前部的发动机冷却风扇14；配置在气缸盖12的横向一侧的进气歧管(未图示)；配置在气缸盖12的横向另一侧的排气歧管16；与排气歧管16连接的增压器17；设置在增压器17的排气下游侧的排气处理箱18；燃料供给装置19a；以及电子控制装置20。
进气装置的概要如下所述。
如图1所示，进气装置具有：增压器17的压缩机17a；配置在压缩机17a的进气上游侧的空气净化器21；设置在空气净化器21与压缩机17a之间的气流传感器22；配置在压缩机17a的进气下游侧的中间冷却器23；配置在中间冷却器23的进气下游侧的进气节流阀24；以及配置在进气节流阀24的进气下游侧的进气歧管(未图示)。
气流传感器22和进气节流阀24的电动促动器24a与电子控制装置20电连接。
电子控制装置20使用发动机ECU。ECU是电子控制单元的简称，且是微型计算机。
燃料供给装置19a的概要如下。
如图1所示，燃料供给装置19a是共轨式，具有：***各气缸的多个燃料喷射器25；将蓄压的燃料分配到多个燃料喷射器25的共轨26；向共轨26压送燃料的燃料供给泵27；以及燃料箱28。
燃料供给泵27以及燃料喷射器25的电磁阀25a与电子控制装置20电连接。油门传感器29、曲轴传感器30以及气缸判别传感器31与电子控制装置20电连接。通过油门传感器29检测发动机的目标转速，通过曲轴传感器30检测发动机的实际转速和曲柄角度。通过气缸判别传感器31检测各气缸的燃烧行程。
在燃料供给装置19a中，电子控制装置20基于发动机的目标转速和实际转速的偏差来运算发动机负载，根据发动机的目标转速和发动机负载，燃料喷射器25的电磁阀25a在规定时刻进行规定时间开阀，并在规定时刻从燃料喷射器25向各气缸喷射规定量的燃料32。燃料32是轻油。
如图1所示，油门传感器29用于检测油门杆29a的目标转速设定位置，在油门传感器29中使用电位计。
如图1所示，曲轴传感器30检测安装在飞轮13上的曲轴检测盘30a的突起的通过。曲轴检测盘30a在其周缘具有1个起点突起和等间距设置的多个相位突起，通过电子控制装置20基于这些突起的通过速度来运算发动机实际转速，并基于已经通过的相位突起与起点突起之间的相位差来运算曲柄角度。
气缸判别传感器31检测安装在动阀凸轮轴(未图示)的气缸判别盘31a的突起的通过。气缸判别盘31a在其周缘具有一个突起，基于该突起的通过，由电子控制装置20判别四个周期的燃烧行程。
曲轴传感器30和气缸判别传感器31使用电磁拾取传感器。
排气装置的概要如下所述。
如图1所示，排气装置具有：排气歧管16；设置在排气歧管16的排气下游侧的增压器17的排气涡轮17b；以及设置在排气涡轮17b的排气下游侧的排气处理装置33。从排气歧管16至排气处理装置33的一连串路径为排气路径1。
排气处理装置33的概要如下所述。
排气处理装置33具有：设置在增压器17的排气涡轮17b的排气下游侧的排气处理箱18；配置在排气处理箱18内的排气上游侧的DOC35；配置在排气处理箱18内的排气下游侧的DPF2。
DPF是柴油微粒过滤器的简称，用于捕获发动机排气中的PM。PM是颗粒状物质的简称。如图1所示，在DPF2中使用在内部并排设有沿轴长方向的多个单元2a且相邻的单元2a、2a的入口和出***替被封闭而成的壁流式的陶瓷蜂窝。
DOC是柴油氧化催化剂的简称，对发动机排气中的CO(一氧化碳)和NO(一氧化氮)进行氧化。在DOC35中，使用在内部贯通状地并排设有沿轴长方向的多个单元35a而成的穿流式的陶瓷蜂窝，在单元内装载有铂、钯、铑等氧化催化剂成分。
排气处理装置33具有DPF2的再生装置R。
DPF2的再生装置R具有：推定堆积于DPF2的PM的堆积量的PM堆积量推定装置4和电子控制装置20，电子控制装置20基于DPF2的PM堆积量达到规定的再生必要值的情况，进行DPF2的再生处理。在DPF2的再生处理中，利用排气升温装置19使排气39升温，从而焚烧堆积于DPF2的PM。
PM堆积量推定装置4由电子控制装置20构成，基于由检测DPF2的排气入口侧和排气出口侧的压差的压差传感器3检测出的压差，推定堆积于DPF2的PM的堆积量。也可以基于发动机运转时间的累计值、燃料供给量的累计值代替DPF2的压差，来推定堆积于DPF2的PM的堆积量。
排气升温装置19具有：进气节流阀24；燃料供给装置19a；DOC35；检测DOC35的排气入口侧的排气温度的DOC入口侧的排气温度传感器37；检测DPF2的排气出口侧的排气温度的DPF出口侧的排气温度传感器36；以及检测DPF2的排气入口侧的排气温度的DPF入口侧的排气温度传感器38。
上述各传感器36、37、38均与电子控制装置20电连接。
如图1所示，在排气处理装置33中，通过DPF2捕获发动机排气39中的PM，通过由DOC35使排气39中的NO(一氧化氮)氧化而获得的N02(二氧化氮)，使堆积于DPF2的PM在较低的温度下连续地氧化燃烧，并且基于由压差传感器3检测出的压差达到了规定的再生必要值的情况，通过电子控制装置20的控制，使用共轨式燃料供给装置19a的后喷射将供给至排气39的未燃燃料在DOC35中催化燃烧，使排气39升温，从而使堆积于DPF2的PM在较高的温度下燃烧，使DPF2再生。
在排气温度低且DOC35的入口侧排气温度未达到DOC35的活性化温度的情况下，通过电子控制装置20的控制，使进气节流阀24节流，以实现排气温度的上升。
DPF的再生处理的开始时刻如下所述。
在由压差传感器3检测出的压差达到再生必要值的时刻，DOC35的入口侧排气温度达到DOC35的活性化温度，在该时刻开始后喷射的情况下，后喷射的开始时刻成为DPF的再生处理的开始时刻。
在由压差传感器3检测出的压差达到了再生必要值的时刻，DOC35的入口侧排气温度未达到DOC35的活性化温度，在使进气节流阀24节流的情况下，进气节流阀24的节流开始时刻成为DPF的再生处理的开始时刻。在这种情况下，也可以将DOC35的入口侧排气温度达到DOC35的活性化温度而开始后喷射的时刻定义为DPF的再生处理的开始时刻。
此外，也可以使用通过在增压器17的排气涡轮17b与DOC35之间配置的排气管燃料喷射器(未图示)将未燃燃料向排气39喷射的排气管喷射，来代替共轨式的燃料供给装置19a的后喷射。另外，也可以通过电加热器的发热、排气节流阀的排气节流来进行排气升温，来代替共轨式的燃料供给装置19a的后喷射。
该发动机具有堆积于DPF的灰烬的灰烬堆积警报装置。
灰烬是指锌化合物、钙化合物等的灰分。
锌化合物来源于发动机油中含有的耐磨剂、抗氧化剂，钙化合物来源于发动机油中含有的净化剂、酸中和剂。
如图1所示，发动机具有灰烬堆积量的推定装置。
灰烬堆积量的推定装置具有：DPF入口侧的排气温度传感器38、压差传感器3、排气流量运算装置9、存储装置6、计时装置5、以及灰烬堆积量推定装置7。
在DPF2的再生处理时，电子控制装置20基于DPF入口侧的排气温度传感器38的排气温度的检测，将排气温度维持在规定范围内，并且如图2所示，将由压差传感器3检测出的DPF2的排气入口侧与排气出口侧的压差、由排气流量运算装置9运算出的排气流量的数据存储于存储装置6(S3)，DPF2的再生处理结束(S5)之后，基于在从DPF2的再生处理结束时起到追溯规定时间的追溯时为止的再生即将结束之前的期间存储于存储装置6的上述压差和排气流量的数据，通过灰烬堆积量推定装置7推定DPF2的灰烬堆积量(S6)。
在再生即将结束之前的期间，通过将排气温度维持在规定范围内，不仅压差、排气流量的变动小，而且妨碍灰烬堆积量的推定的PM也被充分地焚烧，因此，能够进行准确的灰烬堆积量的推定。
如图1所示，存储装置6和计时装置5内置于电子控制装置20。PM堆积量推定装置4、灰烬堆积量推定装置7和排气流量运算装置9由电子控制装置20构成。在电子控制装置20中内置有CPU。CPU是中央处理装置的简称。
存储装置6可以使用内置于电子控制装置20的非易失性存储器，例如可以使用闪存、P-ROM、EP-ROM、E2P-ROM。
如图1所示，该发动机具有警报装置8，电子控制装置20基于灰烬堆积量的推定值达到规定的警报必要值的情况，通过警报装置8发出警报。
因此，能够通过警报向发动机驾驶员通知需要灰烬清洗。
警报装置8由与电子控制装置20电连接的警报灯构成，利用警报灯的点亮来发出警报。在警报灯中，使用发光二极管。
在警报装置8中，可以使用液晶显示器、有机EL显示器等显示器，来代替警报灯，也可以通过显示文字、图形、符号来发出警报。EL是电致发光的简称。
在警报装置8中，也可以用警报蜂鸣器、警报铃等警报音发生装置，来代替警报灯，也可以通过警报音发出警报。
如图1所示，该发动机具有气流传感器22、大气压传感器40和燃料供给映射图。
电子控制装置20基于由气流传感器22测量出的进气流量、由大气压传感器40检测出的大气压、由压差传感器3检测出的压差、以及由燃料供给映射图15测量出的燃料供给量，通过排气流量运算装置9运算排气流量。
燃料供给映射图15存储在存储装置6中，燃料供给映射图15被输入与发动机转速和发动机负载对应的燃料供给量。
在该情况下，由于基于进气流量、大气压、压差以及燃料供给量来运算排气流量，因此，能够进行准确的排气流量的推定。
排气流量是每单位时间的排气体积流量，对由气流传感器22测量出的进气流量进行转换，通过下式求出。
将每单位时间的排气体积流量设为V(m3/sec)，将每单位时间的进气质量流量设为G(g/sec)，将DPF温度设为T(K)，将大气压设为P0(kPa)，将DPF的压差设为ΔP(kPa)，将每单位时间的燃料供给量设为Q(cc/sec)。根据DPF2的入口排气温度推定DPF温度。
V(m3/sec)
＝[G(g/sec)/28.8(g/mol)]
×22.4×10-3(m3/mol)
×[T(K)/273(K)]
×[P0(kPa)/(P0(kPa)+ΔP(kPa))]
+Q(cc/sec)/207.3(g/mol)
×0.84(g/cc)×6.75
×22.4×10-3(m3/mol)
×[P0(kPa)/(P0(kPa)+ΔP(kPa))]
式的右边第一项是将进气的质量流量转换为体积流量。
右边第二项是由喷射燃料的燃烧所引起的从进气向排放气体的增加量。在第二项中，0.84(g/cc)是轻油的代表性的液体密度。22.4×10-3(m3/mol)为在摄氏0度、1个大气压(atm)下的理想气体的每1mol的体积。6.75是排放气体相对于燃料喷射量1(mol)的摩尔数的增加率。
灰烬堆积量的推定能够基于将DPF2的压差ΔP(kPa)除以排气流量V(m3/sec)而得到的压差转换值PC(kPa·sec/m3)来进行，在压差转换值PC达到规定值(例如50kPa·sec/m3)的情况下，判定为灰烬堆积量的推定值达到规定的警报必要值。
在该发动机中，也可以进行简单的排气流量的推定，以代替上述精密的排气流量的推定。
即，在该发动机中，也可以具有气流传感器22，电子控制装置20将由气流传感器22测量出的进气流量视为排气流量，由排气流量运算装置9运算排气流量。
在该情况下，将进气流量视为排气流量来运算排气流量，因此，能够简单地进行排气流量的推定。
利用流程图对由电子控制装置进行的DPF再生以及灰烬的堆积量的推定等处理的步骤进行说明。
如图2所示，在步骤S1中，判定DPF2的PM堆积量的推定值是否达到规定的再生必要值。重复判定直到肯定为止，若判定为肯定，则转移到步骤S2。
在步骤S2中，开始DPF的再生处理，并转移到步骤S3。在DPF的再生处理中，在DOC35的入口侧排气温度未达到DOC35的活性化温度的情况下，当进气节流阀24被节流而达到活性化温度时，通过燃料供给装置19a的后喷射向排气39供给未燃燃料，未燃烧燃料在DOC35被催化燃烧，排气温度升温，从而将积存于DPF2的PM焚烧除去。
在步骤S3中，存储DPF的排气入口侧和排气出口侧的压差和排气流量，并转移到步骤S4。
在步骤S4中，判定是否满足再生结束条件。在判定为肯定的情况下，转移到步骤S5。
再生结束条件是通过后喷射使DPF入口排气温度维持规定的再生要求温度(例如500℃左右)的累计时间达到规定的结束设定时间。
此外，在DPF的再生过程中，在DPF出口侧排气温度达到异常高温(例如700℃左右)的情况下，为了避免DPF2的热损伤，中止后喷射。
在步骤S5中，结束DPF的再生处理，并转移到步骤S6。
在步骤S6中，根据再生即将结束之前的期间的压差和排气流量推定灰烬堆积量，并转移到步骤S7。在本实施方式中，再生即将结束之前的期间设为在再生结束时和从再生结束时起追溯规定时间(10分钟)的追溯时之间的期间。
在步骤S7中，判定灰烬堆积量是否达到规定的警报必要值，在判定为肯定的情况下，转移到步骤S8。
在步骤S8中，发出警报，并返回到步骤S1。
在确认了通过清洗除去了来自DPF2的灰烬、更换了DPF2的情况下，解除警报。
在步骤S4中的判定为否定的情况下，转移到步骤S9。
在步骤S9中，继续进行DPF2的再生处理，返回到步骤S3。
在步骤S7中的判定为否定的情况下，不发出步骤S8的警报，返回到步骤S1。