JP2005090359A

JP2005090359A - Ｄｐｆの再生制御装置

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Publication number: JP2005090359A
Application number: JP2003325040A
Authority: JP
Inventors: Makoto Otake; 真大竹; Junichi Kawashima; 純一川島; Naoya Tsutsumoto; 直哉筒本; Mitsunori Kondo; 光徳近藤; Takao Inoue; 尊雄井上; Shoichiro Ueno; 昌一郎上野; Toshimasa Koga; 俊雅古賀
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2005-04-07
Also published as: US7146805B2; EP1517029A3; EP1517029A2; US20050056009A1; CN1598254A; CN1329640C

Abstract

【課題】再生中のＰＭ再生量を精度良く推定する。
【解決手段】本発明のＤＰＦ再生制御装置１０は、ディーゼルエンジン２０の排気系３２に設けられ、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ１１と、フィルタ１１の再生時の目標温度を設定する手段１６と、フィルタ１１の再生タイミングになったときに前記目標温度までフィルタ１１を昇温させて再生を行う再生手段１０と、フィルタ１１の温度を検出する手段１４、１５と、フィルタ１１が前記目標温度以上である時間を積算して得られる有効再生時間Ｔｅを算出する有効再生時間算出手段１６と、前記有効再生時間Ｔｅに基いて、パティキュレートの燃焼除去量に相当する再生量を推定する再生量推定手段１６と、前記再生量が所定の目標値となるまで前記再生を継続する再生制御手段１６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンから排気されるパティキュレートを捕集するフィルタの再生制御に関し、特に、完全再生に適した条件を確実に検出して再生を行うフィルタ再生制御装置に関する。

ディーゼルエンジンの黒煙対策として、排気中に含まれるパティキュレート（粒子状物質(Particlate Matter)、以下「ＰＭ」と略す）を捕集するためのパティキュレートフィルタ（Diesel Particlate Filter、以下「ＤＰＦ」と略す）が知られている。ＤＰＦはＰＭ捕集量に限界があるため、ある規定のＰＭ量を捕集した場合には、ＤＰＦの温度を加熱用ヒータによって強制的に上昇させる等の方法でＰＭを燃焼させて強制的に除去する、いわゆる再生を行う必要がある。

しかし、再生は刻々と変わるさまざまな運転状況の中で行うため、ＰＭの燃焼に必要な温度まで昇温できず、１回の再生中にＤＰＦ内のＰＭを全て再生させる（以下、完全再生という）ことができない場合がある。完全再生ができなかった場合（以下、部分再生という）にはＤＰＦ内にＰＭが偏在することになり、次回の再生までのＰＭ捕集量を精度よく推定することが困難となる。

特許文献１には、部分再生後であってもＰＭ捕集量を精度よく推定する技術として、再生後にＤＰＦ加熱用ヒータを再度加熱してＤＰＦ端面が設定温度に上昇するまでの所要時間を測定し、また、定量の再生用ガスを流して再生用ガス流速を測定し、前記所要時間と前記再生用ガス流速との関係から求まる再生後のガス流速を用いてＰＭ捕集量を推定する方法が開示されている。
特開平５−１０６４２７号公報

しかしながら、特許文献１の方法は再生の度に加熱ヒータおよび再生用ガスを流す為のポンプを駆動するので、電力消費量が増加する。したがって、発電の為にエンジン負荷が増大し、燃費悪化につながるという問題がある。

そこで、本発明ではエンジン等の負荷を増大させることなく、ＰＭ捕集量の推定を精度良く行える装置を提供することを目的とする。

本発明のＤＰＦ再生制御装置は、ディーゼルエンジンの排気系に設けられ、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタと、フィルタの再生時の目標温度を設定する手段と、フィルタの再生タイミングになったときに前記目標温度まで前記フィルタを昇温させて再生を行う再生手段と、前記フィルタの温度を検出する手段と、前記フィルタが前記目標温度以上である時間を積算して得られる有効再生時間を算出する有効再生時間算出手段と、前記有効再生時間に基いて、パティキュレートの燃焼除去量に相当する再生量を推定する再生量推定手段と、前記再生量が所定の目標値となるまで前記再生を継続する再生制御手段と、を備える。

本発明によれば、フィルタがパティキュレートを燃焼させるのに必要な温度以上である時間を積算して有効再生時間とし、例えば、予め設定しておいた再生量マップから前記有効再生時間によって検索して再生量を推定している。つまり、実際のフィルタ温度および燃焼時間に基いて再生量を推定するので、パティキュレートの偏在等によりばらつきが生じるフィルタ入口−出口間の差圧等による推定に比べて、精度良く再生量を推定することが可能となる。

以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。

図１は、本発明のディーゼルエンジンのフィルタ再生制御装置の一実施形態を示す図である。

２０はディーゼルエンジンであり、燃焼室上部には燃料を噴射する燃料噴射弁２３が設けられ、吸気通路３２にはエアクリーナ３５、吸気量を測定するエアフローメータ３４、ターボチャージャ２９のコンプレッサー２９ａ、コンプレッサー２９ａによって圧縮されて高温になった空気を冷却するインタークーラ２８、ディーゼルエンジン２０に供給する空気量を調節する吸気絞り弁２１を備え、排気通路３３には、ターボチャージャ２９のタービン２９ｂ、ＤＰＦ再生制御装置１０が設けられる。タービン２９ａはコンプレッサー２９ａと連結されており、排気通路３３を流れる排気ガスによって駆動される。また、排気通路３３と吸気通路３２とを連結して排気ガスの一部を吸気通路３２に戻すＥＧＲ配管３０が設けられ、ＥＧＲ配管３０にはＥＧＲ量を調節するＥＧＲバルブ２２が設けられる。

ＤＰＦ再生制御装置１０（再生手段）は、ＤＰＦ１１と、差圧センサ１２と、ＤＰＦ入口温度センサ１３と、ＤＰＦ出口温度センサ１４と、Ａ／Ｆセンサ１５と、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１６とを備える。

ＤＰＦ１１は、ディーゼルエンジン２０から排出された排気ガス中のＰＭを捕集するフィルタであり、例えば、セラミック多孔質フィルタ等を使用することができる。差圧センサ１２は、ＤＰＦ１１の入口側の圧力と、出口側の圧力との差圧を検出する圧力差測定手段であり、検出した差圧信号をＥＣＵ１６に出力する。ＤＰＦ入口温度センサ１３は、ＤＰＦ１１の入口温度を検出する温度測定手段であり、入口温度信号をＥＣＵ１６に出力する。ＤＰＦ出口温度センサ１４は、ＤＰＦ１１の出口温度を検出する温度測定手段であり、出口温度信号をＥＣＵ１６に出力する。Ａ／Ｆセンサ１５は、ディーゼルエンジン２０から排出された排気ガスの空燃比を検出するセンサで、ＤＰＦ１１の上流側の排気通路３３に設けられる。なお、このＡ／Ｆセンサ１５は、理論空燃比を判断できればよいので、Ｏ₂ センサを使用してもよい。

ＥＣＵ１６は各センサ１２〜１５から信号を入力し、それらの信号に基いてＰＭ捕集量の推定を行い、その推定に基づいて再生制御の実行・停止を決定する（再生制御手段）。

図２はＥＣＵ１６が行う上記制御のフローチャートである。

ステップＳ１００では、従来から行われている方法と同様に、差圧センサ１２からの入力信号に基いて再生前のＰＭ捕集量ＰＭｉを推定する。

ステップＳ１０１では、ＰＭ捕集量ＰＭｉが再生実行の閾値として実験等により予め定めた目標再生ＰＭ捕集量ＰＭα以上であるか否かの判定を行い、目標ＰＭ捕集量ＰＭα以下の場合はステップＳ１００へ戻る。目標ＰＭ捕集量ＰＭα以上の場合はステップＳ１０２へ進み再生フェーズの開始を決定し、ステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、図３に示すようなマップを用いてＰＭ捕集量ＰＭｉから目標ＤＰＦ入口温度Ｔｄを算出する（目標温度設定手段）。図３は目標ＤＰＦ入口温度ＴｄとＰＭ捕集量ＰＭｉとの関係を予め定めたマップであり、ＰＭ捕集量ＰＭｉが多くなるほど目標ＤＰＦ入口温度Ｔｄは低くなっている。これは、ＰＭ捕集量ＰＭｉが増加すると、再生中に燃焼するＰＭ量が多くなり、燃焼による温度上昇と加熱ヒータによる温度上昇とによってＤＰＦが過剰に高温となるので、これを防止するためである。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で算出した目標ＤＰＦ入口温度Ｔｄとなるように、排気温度を昇温する昇温フェーズを開始する。昇温方法は、通常の燃料噴射後に再度燃料噴射を行うポスト噴射や、燃料噴射時期を遅らせる噴射時期リタード等、従来から行われている方法を用いる。

ステップＳ１０５では、従来から行われている方法と同様にＤＰＦ入口温度センサ１３およびＤＰＦ出口温度センサ１４からの入力信号に基いて、ＤＰＦベッド温度Ｔｂｅｄを推定する（フィルタ温度設定手段）。

ステップＳ１０６では、有効再生時間Ｔｅを算出する（有効再生時間算出手段）。有効再生時間ＴｅとはステップＳ１０５で算出したＤＰＦベッド温度Ｔｂｅｄが目標ベッド温度Ｔｘを超えた時間を積算したものである。図５はＤＰＦベッド温度Ｔｂｅｄの時間変化を表したものであり、この図において有効再生時間Ｔｅは次式（１）で表すことができる。
Ｔｅ＝ｔｘ１＋ｔｘ２＋ｔｘ３＋ｔｘ４・・・（１）
有効再生時間Ｔｅとは、前述したとおり目標ベッド温度Ｔｘを超えた時間を積算したもの、つまり、確実に再生が行われる時間を積算したものである。したがってこの有効再生時間を用いることによって、精度良く再生量を推定することが可能となる。なお、目標ベッド温度Ｔｘは目標ＤＰＦ入口温度Ｔｄから定まり、ＰＭ捕集量ＰＭｉに応じて変化する値である。

上記のように有効再生時間Ｔｅを算出したら、ステップＳ１０７に進みＰＭ再生量（ＰＭ燃焼量）ＰＭｒを算出する。有効再生時間ＴｅとＤＰＦベッド温度Ｔｂｅｄとの間には図６のマップに示すように、有効再生時間Ｔｅが長く、ＤＰＦベッド温度Ｔｂｅｄが高くなるほどＰＭ再生量ＰＭｒが多くなるという関係がある。このマップからステップＳ１０６で算出した有効再生時間Ｔｅによって検索することによってＰＭ再生量ＰＭｒを算出する（再生量推定手段）。

ステップＳ１０８では、有効再生時間Ｔｅが経過した後のＤＰＦに捕集されているＰＭ残存量ＰＭｘをステップＳ１００で求めたＰＭ捕集量ＰＭｉとステップＳ１０７で求めた再生量ＰＭｒとから、次式（２）により算出する。

ＰＭｘ＝ＰＭｉ−ＰＭｒ・・・（２）
ＰＭ残存量ＰＭｘを算出したらステップＳ１０９に進み、ＰＭ再生量ＰＭｒが目標ＰＭ再生量ΔＰＭ以上であるか否かの判定を行う。なお、目標ＰＭ再生量ΔＰＭは、使用するＤＰＦの再生特性を実験等により予め調べておいて設定する。

ステップＳ１０９でＰＭ再生量ＰＭｒが目標ＰＭ再生量ΔＰＭより少ない場合はステップＳ１０６に戻り、ステップＳ１０６〜Ｓ１０９を繰り返す。なお、２回目以降において有効再生時間Ｔｅ経過後のＰＭ残存量ＰＭｘを算出する場合には、式（２）のＰＭｉは前回計算時のＰＭｘとする。

ステップＳ１０９で、ＰＭ再生量ＰＭｒが目標ＰＭ再生量ΔＰＭ以上である場合はステップＳ１１０に進み、ＰＭ残存量ＰＭｘが最終目標ＰＭ量ＰＭｄ以上であるか否かの判定を行う。ＰＭ残存量ＰＭｘが最終目標ＰＭ量ＰＭｄ以上である場合には、ステップＳ１０３に戻り、上記ステップＳ１０３〜Ｓ１１０を繰り返す。なお、最終目標ＰＭ量ＰＭｄは、各走行条件に応じて再生フェーズ終了時に残存する許容ＰＭ量を設定するものであり、ＤＰＦの再生特性を予め実験等により求めておいて設定する。

ＰＭ残存量ＰＭｘが各走行条件における目標ＰＭ量ＰＭｄ以下である場合には再生フェーズを終了する。

以上により本実施形態では、ＰＭ再生量の推定を、再生に必要な温度として設定した目標ベッド温度を超えた時間、つまり確実に再生が行われる時間である有効再生時間Ｔｅを用いて行うので、精度良く推定することが可能となる。

第２実施形態について説明する。

本実施形態のシステム構成及びＥＣＵ１６が実行する制御は基本的に第１実施形態と同様であるが、図２のステップＳ１０６に相当するステップで実行する有効再生時間Ｔｅの算出方法が異なる。

本実施形態では、目標ベッド温度Ｔｘに達していない場合でも、再生可能な所定の温度を超えていれば再生可能温度時間として有効再生時間Ｔｅにカウントする。これは、目標ベッド温度Ｔｘに達していない場合であっても、実際には再生が始まっており、この時の再生量を加味することによって、より高精度のＰＭ量推定を行うためである。

次に、本実施形態の有効再生時間Ｔｅの算出方法について、図７を用いて説明する。図７は図５と同様にＤＰＦベッド温度Ｔｂｅｄの時間変化を表したものである。

目標ベッド温度Ｔｘ以下であっても再生可能な温度を低温側からＴａ、Ｔｂ、Ｔｃ・・・と設定する。そしてＤＰＦベッド温度ＴｂｅｄがＴａ−Ｔｂ間の範囲（以下、再生可能温度範囲Ｔａ−Ｔｂという）にある時間をｔａ１、ｔａ２、・・・、Ｔｂ−Ｔｃ間をｔｂ１、ｔｂ２、・・・、Ｔｃ−Ｔｄ間をｔｃ１、ｔｃ２、・・・（以下、再生可能温度積算時間ｔａ、ｔｂ、ｔｃ・・・という）と設定し、他の範囲についても同様に設定する。

ＥＣＵ１６はステップＳ１０５に相当するステップで算出したＤＰＦベッド温度Ｔｂｅｄから再生可能温度積算時間ｔａ、ｔｂ、ｔｃ・・・を逐次算出し、それらを積算していく。このとき、例えば再生可能温度範囲Ｔａ−ＴｂとＴｂ−Ｔｃとを比べると、どちらも再生が行われものの、温度の高い再生可能温度範囲Ｔｂ−Ｔｃの場合の方が再生量は多くなる。つまり、再生可能温度積算時間ｔａ１とｔｂ１とでは単位時間当たりの再生量が異なる。他の再生可能温度積算時間ｔｂ、ｔｃ、・・・についても同様であり、再生可能温度積算時間ｔａ、ｔｂ、ｔｃ・・・をそのまま積算すると、再生量ＰＭｒを正確に推定することはできない。そこで、有効再生時間Ｔｅを算出するにあたっては、先に設定した再生可能温度範囲毎に単位時間当たりの再生量に応じた重み付けを行うこととする。

重み付け係数Ｋは図４に示すマップを用いて設定する。図４はＰＭ捕集量ＰＭｉおよびＤＰＦベッド温度Ｔｂｅｄと重み付け係数Ｋとの関係を示したマップであり、ＰＭ捕集量ＰＭｉが多く、ＤＰＦベッド温度Ｔｂｅｄが高いほど重み付け係数Ｋは大きくなる。再生可能温度範囲Ｔａ−Ｔｂ、Ｔｂ−Ｔｃ、Ｔｃ−Ｔｄ・・・の係数をそれぞれＫａ、Ｋｂ、Ｋｃ・・・とし、目標ベッド温度Ｔｘを超えた場合はＫｘ＝１．０とする。

以上のように各値を設定すると、有効再生時間Ｔｅは次式（３）で表すことができる。

Ｔｅ＝Ｋａ×ｔａ＋Ｋｂ×ｔｂ＋Ｋｃ×ｔｃ＋・・・＋ｔｘ・・・（３）
上記のように有効再生時間Ｔｅを算出した後は、再び図２と同様のステップを行う。

以上により本実施形態では、有効再生時間Ｔｅとして、目標ベッド温度Ｔｂｅｄ以下であっても再生可能な温度に達している時間をカウントしているので、再生量をより精度良く推定することが可能である。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置に適用することができる。

本発明の第１実施形態のシステム構成を表す図である。第１実施形態の再生制御のフローチャートである。目標ＤＰＦ入口温度とＰＭ捕集量との関係を示すマップである。ＤＰＦベッド温度およびＰＭ捕集量と有効再生時間温度係数との関係を示すマップである。ＤＰＦベッド温度の時間変化を示す図である。ＤＰＦベッド温度および有効再生時間とＰＭ再生量との関係を示すマップである。ＤＰＦベッド温度の時間変化を示す図である。

符号の説明

１０ＤＰＦ再生制御装置
１１ＤＰＦ
１２差圧センサ
１３ＤＰＦ入口温度センサ
１４ＤＰＦ出口温度センサ
１５Ａ／Ｆセンサ
１６エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
２０ディーゼルエンジン

Claims

ディーゼルエンジンの排気系に設けられ、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタと、
フィルタの再生時の目標温度を設定する手段と、
フィルタの再生タイミングになったときに前記目標温度まで前記フィルタを昇温させて再生を行う再生手段と、
前記フィルタの温度を検出する手段と、
前記フィルタが前記目標温度以上である時間を積算して得られる有効再生時間を算出する有効再生時間算出手段と、
前記有効再生時間に基いて、パティキュレートの燃焼除去量に相当する再生量を推定する再生量推定手段と、
前記再生量が所定の目標値となるまで前記再生を継続する再生制御手段と、を備えることを特徴とするＤＰＦの再生制御装置。
前記有効再生時間算出手段は、前記目標温度以下であっても前記パティキュレートを再生可能な温度以上となる時間も検出し、前記検出時間に対して温度に応じた重み付けを行って有効再生時間に取り入れる請求項１に記載のＤＰＦの再生制御装置。
前記有効再生時間算出手段は、前記目標温度以下であっても前記パティキュレートを再生可能な温度以上となる時間も検出し、前記検出時間に対してパティキュレートの捕集量と温度に応じた重み付けを行って有効再生時間に取り入れる請求項１に記載のＤＰＦの再生制御装置。