JP2005120981A - フィルタ再生制御装置 - Google Patents

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【課題】フィルタ再生直後の、フィルタの急激な温度上昇を抑制する。
【解決手段】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、前記パティキュレートの捕集量を推定する捕集量推定手段16と、フィルタ11の再生時の目標温度をパティキュレート捕集量に応じて徐々に上昇させるよう設定する目標温度設定手段16と、フィルタ11の温度を検出する手段14、15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、を備えることを特徴とする。
【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、再生時の燃焼温度を適切に制御する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、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に記載の方法では、1回の再生は前回の再生後に設定した一定の再生条件(排気ガス流速)で行われるため、再生条件が高温に設定されると、PMの再燃焼が始まった直後にフィルタ温度が急上昇して過剰に高温となり、これにより触媒が劣化したり担体が破損したりする可能性がある。また、触媒や担体の保護のために高温になる度に再生を中断すると、DPF内にPMが残り、またその残量も毎回一定ではない。したがって再生を実行する回数が増加して燃費が悪化する。
そこで、本発明では再生時のDPF内温度を適切に制御することを目的とする。
本発明のディーゼルエンジンのフィルタ再生制御装置は、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、前記パティキュレートの捕集量を推定する捕集量推定手段と、フィルタの再生時の目標温度をパティキュレート捕集量に応じて徐々に上昇させるよう設定する目標温度設定手段と、前記フィルタの温度を検出する手段と、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、を備える。
本発明によれば、再生期間中のフィルタの温度をパティキュレート捕集量に応じて徐々に上昇させるので、再生開始後にパティキュレートが急速に燃焼することを防止できる。したがって、フィルタが過剰に高温になることを防止できる。
また、パティキュレート捕集量が少なくなるほどフィルタ温度を上昇させるよう制御するので、パティキュレートを効果的に燃焼させ、再生に要する時間を短縮することが可能となる。したがって再生による燃費の悪化を抑制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が設けられる。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を備える。
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とを接続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。
図2はECU16が行うフィルタ再生制御のフローチャートであり、再生時に、フィルタ11内のPM捕集量PMiの減少に応じてDPF入口温度Tdを徐々に上昇させるよう設定するものである。
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(捕集量推定手段)。基本的には、差圧が大きくなるほどPM捕集量が増大する。
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より少ない場合はステップS100へ戻る。目標PM捕集量PMα以上の場合はステップS102へ進み再生制御への切換えを行い、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から再生中の目標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が少なくなるにつれて目標DPF入口温度Tdは段階的に高くなるよう設定されている。なお、図中点線で示した曲線はPM捕集量PMiの変化に逐次対応した場合であり、本実施形態はこの曲線に基いて3段階以上に分けて目標DPF入口温度Tdが上昇するように設定されている。
上記の設定は、再生開始時にはPM捕集量PMiが多いので、PM燃焼時の燃焼熱が大きくなり、この燃焼熱によってDPFベッド温度Tbedが上昇してさらに燃焼し易くなる、つまり、PM捕集量PMiが多い場合にはPMは燃焼しやすいという特性に基いている。この燃焼熱によるDPFベッド温度Tbedの上昇を見込んで目標DPF入口温度Tdは低めに設定され、後述する制御により再生中に再度目標DPF入口温度Tdを設定するときには、PM捕集量PMiは減少して燃焼しにくくなっているので、前回よりも高い温度に設定される。なお、後述するステップによって再びステップS103を実行する時は、PM捕集量をPMxとする。
ステップS104では、DPF入口温度をステップS103で算出した目標DPF入口温度Tdまで昇温する制御(排温昇温フェーズ)を開始する。昇温方法は、従来から行われている方法と同様に、ディーゼルエンジン20に対して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によって排気温度を上昇させる方法を用いる。
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(フィルタ温度検出手段)。
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)。
ここで、有効再生時間算出方法について、図5、図9を参照して説明する。図5はDPFベッド温度Tbedの時間変化を表したものであり、図9は有効再生時間算出方法のフローチャートである。
図9のステップS200ではDPFベッド温度Tbedが目標DPFベッド温度Txを超えた時間、つまり図5のtx1、tx2、・・・を検出する。
ステップS201では、ステップS200で求めた値から、次式(1)を用いて有効再生時間Teを算出する。
Te=tx1+tx2+tx3+tx4+・・・ (1)
有効再生時間Teとは上記の通り目標DPFベッド温度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。したがって有効再生時間Te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DPF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捕集量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捕集量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捕集量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捕集量PMxが最終目標PM量PMd以上であるか否かの判定を行う。
PM捕集量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制御を終了する。なお、最終目標PM量PMdは、各走行条件に応じて再生制御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捕集量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。
前述したように、ステップS103で再度目標DPF入口温度を設定するときには、再生によってPM捕集量PMi(もしくはPMx)が減少しているので、目標DPF入口温度Tdは前回の設定よりも高く設定される。つまり、ステップS103〜S110を繰り返すと、目標DPF入口温度Tdが徐々に上昇することになる。
この制御によるDPF入口温度Td、DPFベッド温度Tbed、PM捕集量PMiの変化を図8のタイムチャートを参照して説明する。
図中の実線は本実施形態の制御(以下、本制御)を実行した場合、点線は従来と同様に再生開始から終了まで一定のDPF入口温度を設定する制御(以下、従来制御)を実行した場合である。なお、本制御は目標DPF入口温度をPM捕集量に応じてTd1、Td2、Td3の三段階に分けており、従来制御はTd2に設定している。
本制御は、t0で再生制御の開始とともにDPF入口温度Tdが上昇し始め、それに伴ってDPFベッド温度Tbedも上昇する。そしてt1で目標DPF入口温度Td1に達したら昇温を停止する。しかし、DPFベッド温度Tbedの上昇によってPMが燃焼を開始するので、この燃焼熱によってDPFベッド温度Tbedは上昇し続ける。ただし、目標DPF入口温度はTd1と低めに設定されているため、PMの燃焼熱は大きくなく、DPFベッド温度Tbedが急激に上昇することはない。燃焼によってPM捕集量PMiが減少すると、PMは燃焼しにくく、また、燃焼熱も小さくなるので、目標DPF入口温度をt0ではTd2、t3ではTd3と徐々に上昇させることによってDPFベッド温度Tbedを上昇させてPMを燃焼させる。
以上のように、本制御ではPMの燃焼熱によってDPFベッド温度Tbedが過剰に上昇することはなく、再生制御中のDPFベッド温度Tbedの最高温度はTbed1である。また、PM捕集量PMiに適したDPFベッド温度Tbedを設定するので、有効再生時間を短くすることができる。
一方、従来制御は、本制御と同様にt0で再生制御を開始するが、目標DPF入口温度がTd2に設定されている為、Td1を超えてもDPF入口温度の昇温が続けられる。このとき、PMの燃焼が開始しており、PM捕集量PMiが多いので燃焼が活発に行われ、燃焼熱が大きくなる。したがってDPF入口温度Tdの昇温と相俟ってDPFベッド温度Tbedが本制御に比べて急激に上昇し、目標フィルタベッド温度Txを大幅に超えるTbed2まで上昇して、触媒の耐久性が悪化する場合がある。
Tbed2まで上昇した後は、目標DPFベッド温度Txに向けて降下するが、PM捕集量PMiが減少して燃焼しにくい状態になるとDPFベッド温度TbedはTxを徐々に下まわるようになり、PMの燃焼効率が低下するので有効再生時間は長くなる。
以上により本実施形態では、再生期間中のフィルタの温度をパティキュレート捕集量に応じて徐々に上昇させるので、再生開始後にパティキュレートが急速に燃焼することを防止できる。したがって、フィルタが過剰に高温になることを防止できる。
パティキュレート捕集量が少なくなるほどフィルタ温度を上昇させるよう制御するので、パティキュレートを効果的に燃焼させ、再生に要する時間を短縮することが可能となる。したがって再生による燃費の悪化を抑制することが可能となる。
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。
PM捕集量PMiに応じて、目標DPF入口温度Tdを適切に設定するので、DPFベッド温度Tbedの過剰な上昇による触媒の耐久性の悪化を防止することができ、また、有効再生時間を短縮することができる。
第2実施形態について、図7および図10を参照して説明する。
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り、図10は本実施形態の有効再生時間算出フローチャートである。
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DPF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DPF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。
以下、本実施形態の有効再生時間Teの算出方法について具体的に説明する。
図7において、目標DPF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。
図10のステップS300では、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・・・を逐次算出する。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、ステップS301で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。
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DPF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し、ステップS302で次式(3)にしたがって有効再生時間Teを算出する。
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、第1実施形態と同様の効果に加えて、有効再生時間Teとして、目標DPF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。
本実施形態のシステムの構成を表す図である。 本実施形態で実行する制御のフローチャートである。 DPF入口温度マップである。 有効再生時間温度係数マップである。 有効再生時間の算出方法を説明するための、目標DPFベッド温度の時間変化を表すタイムチャートである。 PM再生量マップである。 有効再生時間の算出方法を説明するための、目標DPFベッド温度の時間変化を表すタイムチャートである。 DPF入口温度、DPFベッド温度、PM捕集量の変化を表すタイムチャートである。 第1実施形態の有効再生時間算出方法のフローチャートである。 第2実施形態の有効再生時間算出方法のフローチャートである。
符号の説明
11 DPF
12 差圧センサ
13 DPF入口温度センサ
14 DPF出口温度センサ
15 A/Fセンサ
16 コントロールユニット(ECU)
20 ディーゼルエンジン

Claims (5)

  1. 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、
    前記パティキュレートの捕集量を推定する捕集量推定手段と、
    フィルタの再生時の目標温度をパティキュレート捕集量に応じて徐々に上昇させるよう設定する目標温度設定手段と、
    前記フィルタの温度を検出する手段と、
    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、を備えることを特徴とするディーゼルエンジンのフィルタ再生制御装置。
  2. 前記目標温度設定手段は、前記フィルタの温度を3段階以上にわけて上昇させる請求項1に記載のディーゼルエンジンのフィルタ再生制御装置。
  3. 前記捕集量推定手段は、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を備え、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請求項1または2に記載のディーゼルエンジンのフィルタ再生制御装置。
  4. 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3に記載のディーゼルエンジンのフィルタ再生制御装置。
  5. 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3に記載のディーゼルエンジンのフィルタ再生制御装置。
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