JP2013224617A - Ｄｐｆの再生方法及び排気ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＰＦの再生処理の終了時を正確に判定して燃費を低減することができるＤＰＦの再生処理方法及び排気ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】ＤＰＦの再生処理中にＤＰＦから排出されるカーボン量を積算し、その積算値から再生処理中に投入された燃料に含まれるカーボン量を差し引くことでＰＭ燃焼により発生したカーボン量を算出し、その算出したカーボン量が初期のＰＭ堆積量以上になったときにＤＰＦの再生処理を終了する。
【選択図】図１

Description

本発明はＤＰＦの再生方法及び排気ガス浄化システムに関し、更に詳しくは、ＤＰＦの再生処理の終了時を正確に判定して燃費を低減することができるＤＰＦの再生方法及び排気ガス浄化システムに関する。

自動車搭載の内燃機関等から排出される排気ガスの中には、粒子状物質と呼ばれるＰＭ（パティキュレートマター）が含まれている。通常、このＰＭは、内燃機関の排気通路に配置される、種々の形状及び材質で構成されたＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）により捕集している。

このＤＰＦ内に捕集されたＰＭの捕集量は、圧力センサで検出されるＤＰＦの前後の圧力差等によって管理されており、一定以上の圧力差が生じるとＰＭが所定量堆積したと判断して、再生処理が行われるようになっている。この再生処理は、ＰＭが燃焼される温度にＤＰＦを昇温して、予め設定された時間の間維持するという毎回同じ条件で、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼除去している。このようにＤＰＦを備えた内燃機関では、ＰＭの捕集とＤＰＦの再生処理を繰り返すことで、ＰＭを大気に放出しないようにしている。

このＤＰＦの再生処理は、ＤＰＦを毎回同じ条件の温度に同じ時間の間に維持することで行っているので、毎回一定量の燃料を消費することになる。その結果、ＰＭ堆積量が少ない時は、ＰＭ燃焼量に対する燃料使用量の一部が無駄になり、燃費の悪化につながるという問題がある。そのため、ＤＰＦ再生に関わるパラメータを利用して燃料消費量が最小となるようなＤＰＦの再生方法が必要とされている。

これに関連して、簡素な構成で精度よくフィルタの再生の終了タイミングを判定できるようにするために、フィルタの再生時に、フィルタが活性化してＰＭが効率的に燃焼する温度である所定温度（６００℃）にフィルタ温度が達した時点からの酸素質量流量の積算値が、再生開始時のフィルタにおけるＰＭ堆積量に相当する所定値に達すると再生終了と判定する排ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この排ガス浄化装置では、ＰＭの燃焼量と酸素質量流量との関係を利用してＰＭの総燃焼量を、酸素質量流量の積算値に所定の係数Ｃを乗じた値に等しいとしているが、実際には、所定の温度に昇温するまでにもＰＭが燃焼除去されたり、再生制御中に維持されるフィルタ温度も内燃機関の状況によって完全に一定にすることは困難であったりするために、ＰＭの完全除去の時点と再生終了と判断する時点とが必ずしも一致しない場合が発生する可能性がある。

そのため、本発明者らは、ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムで、ＰＭ堆積量が限界に達しているか否かを判定し、ＰＭ堆積量が限界に達している場合には、ＤＰＦの再生処理を行い、このＤＰＦの再生処理時にＤＰＦの昇温制御とＤＰＦの温度維持制御を行うＤＰＦの再生方法において、ＤＰＦの前後の圧力差が一定値以上になったときには、フィルタにＰＭが所定量堆積したものと判断して、再生処理を終了するようにしている。

しかしながら、ＰＭ堆積量とＤＰＦの前後の圧力差（圧力損失）との間には、図２に示すように、ヒステリシスな関係が存在するため、圧力損失の値を基に再生処理が終了したと判断しても、実際には未だ相当量のＰＭが堆積していてＤＰＦ再生が不十分なケースがあることが予想される。そのような場合には、次回の再生処理のタイミングが短くなって、ＤＰＦの再生効率が低下して燃費が悪化してしまうおそれがある。このようなことから、ＤＰＦの再生処理の終了時の判定を正確に行うことが望まれている。

特開２００４−２９３３４０号公報

本発明の目的は、ＤＰＦの再生処理の終了時を正確に判定して燃費を低減することができるＤＰＦの再生処理方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明のＤＰＦの再生方法は、ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムで、ＰＭ堆積量が限界に達しているか否かを判定し、ＰＭ堆積量が限界に達している場合には、ＤＰＦの再生処理を行い、このＤＰＦの再生処理時にＤＰＦの昇温制御とＤＰＦの温度維持制御を行うＤＰＦの再生方法において、ＤＰＦの再生処理中に前記ＤＰＦから排出されるカーボン量を積算し、その積算値から再生処理中に投入された燃料に含まれるカーボン量を差し引くことでＰＭ燃焼により発生したカーボン量を算出し、前記算出したカーボン量が前記ＰＭ堆積量以上になったときにＤＰＦの再生処理を終了することを特徴とするものである。

上記の目的を達成する本発明の排気ガス浄化システムは、ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムにおいて、上記のＤＰＦの再生方法を行う再生制御装置を備えたことを特徴とするものである。

本発明のＤＰＦの再生方法及び排気ガス浄化システムによれば、再生処理におけるＰＭ燃焼に由来するカーボン量の積算値が初期のＰＭ堆積量以上になったときを再生処理の終了時と判定するようにしたので、実際のＰＭ捕集量に応じた再生処理が可能となるため、燃費を低減することができる。

本発明に係る実施の形態のＤＰＦの再生方法の制御フローの一例を示す図である。 ＤＰＦにおけるＰＭ堆積量と圧力損失との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施の形態のＤＰＦの再生方法及び排気ガス浄化システムについて説明する。最初に、本発明に係る実施の形態のＤＰＦの再生方法を実施するための排気ガス浄化システムについて説明する。

このＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムは、上流側の酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）の担体と下流側の酸化触媒が担持されているディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter：以下ＤＰＦという）を備えて構成され、内燃機関の排気通路に設けられる。なお、この排気ガス浄化システムは、上流に酸化触媒（ＤＯＣ）の担体が付き、下流には、酸化触媒無しのＤＰＦの担体が付く構成の排気ガス浄化システムであってもよい。

内燃機関の運転中においては、排気ガス中に含まれている粒子状物質（ＰＭ: Particulate Matter：以下ＰＭという）は、排気ガスの温度や組成によっては、排気ガス中の酸素や二酸化窒素（ＮＯ₂）により排気ガス中もしくはＤＰＦで一部は酸化されるが、排気ガスの温度や組成によっては、排気ガス中もしくはＤＰＦで酸化されずに、排気ガス浄化システムのＤＰＦに捕集される。

このＤＰＦに捕集されたＰＭの堆積量が増加してくると、ＤＰＦの圧力損失が大きくなり、内燃機関の運転に支障をきたすので、ＤＰＦの前後の差圧を計測したり、前回の再生処理からの走行距離や燃料消費量等からＰＭの堆積量を推定したりして、ＤＰＦの前後差圧やＰＭの堆積量がそれぞれの閾値を超えた場合に、ＤＰＦのフィルタ温度をＰＭ燃焼温度まで高めて、その温度を維持して、ＤＰＦに捕集されているＰＭを燃焼除去するＤＰＦの再生処理が行われる。このフィルタ温度の昇温と温度維持に際しては、シリンダ内のマルチ噴射（多段遅延噴射）やポスト噴射、排気管内直接燃料噴射、吸気絞り、排気絞り、ＥＧＲ制御等を組み合わせて、排気ガスの昇温と高温維持が行われ、この高温の排気ガスでフィルタ温度を制御している。

本発明に係る実施の形態のＤＰＦの再生方法においては、ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムで、ＤＰＦの前後差圧等からＰＭ堆積量が限界に達しているか否かを判定し、ＰＭ堆積量が限界に達している場合には、ＤＰＦの再生処理を行い、このＤＰＦの再生処理時にＤＰＦの温度をモニターしながら、シリンダ内燃料噴射におけるマルチ噴射（多段遅延噴射）やポスト噴射等によるＤＰＦの昇温制御とＤＰＦの温度維持制御を行う。

そして、ＤＰＦの再生処理時に、ＤＰＦ出口の排気ガスを計測し、排出された全カーボン量を求める。次に、その全カーボン量から再生時に投入されている燃料（エンジン駆動分＋ＤＰＦ昇温分）に含まれるカーボン量を差し引いて余剰カーボン量を推定する。再生時における余剰カーボン量の積算値が、ＤＰＦ再生処理開始時の初期ＰＭ堆積量以上になったときに再生処理を終了するようにする。

このＤＰＦの再生方法は、図１に示すような制御フローによって行われる。この制御フローでは、内燃機関の運転開始と共に、上位の制御フローから呼ばれてスタートし、ステップＳ１１で、ＤＰＦの前後差圧の測定を行う。このとき、内燃機関の運転開始と共に、内燃機関で発生する排気ガス中のＰＭをＤＰＦで捕集している。次のステップＳ１２で、このＤＰＦの前後差圧ΔＰｍが所定の判定用差圧（閾値）ΔＰを超えているか否かを判定する。

このステップＳ１２の判定で、ＤＰＦの前後差圧ΔＰｍが判定用差圧ΔＰを超えていない場合（ＮＯ）は、ＤＰＦのＰＭ捕集能力に余裕があるとして、ステップＳ１１に戻り、ＰＭの捕集を継続する。また、このステップＳ１２の判定で、ＤＰＦの前後差圧ΔＰｍが判定用差圧ΔＰを超えている場合（ＹＥＳ）は、ＤＰＦのＰＭ捕集能力に余裕がなくなってきているとして、ステップＳ１３に行き、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼除去するＤＰＦの再生制御を開始する。

このＤＰＦの再生制御が開始されると、ステップＳ２０の制御フローとステップＳ１４以下の制御フローとが並行して行われる。一方のステップＳ２０の制御フローでは、ＤＰＦに堆積されたＰＭの燃焼除去のために、排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの昇温制御と排気ガスの温度維持制御が行われる。この排気ガス昇温制御と排気ガスの温度維持制御は従来技術における周知の技術を用いて行うことができるので、ここでは、詳細は述べない。

他方のステップＳ１４から始まる制御フローでは、ステップＳ１４においてＤＰＦ出口の排気ガスの計測を開始して、全排出カーボン量[Ｃ_t]を求める。次に、ステップ１５では、全排出カーボン量から再生時に投入されている燃料に含まれるカーボン量[Ｃ_F]を差し引いて余剰カーボン量[Ｃ_IN(ＰＭ)]を推定する。この投入された燃料は、エンジンの駆動と、ポスト噴射などによるフィルタの昇温とに用いられたものである。従って、余剰カーボン量[Ｃ_IN(ＰＭ)]はＰＭ燃焼に由来することになる。そして、ステップＳ１６において、再生処理中における余剰カーボンの積算値Ｃｓｕが初期のＰＭ堆積量[Ｃ_O]以上であるかを判断する。余剰カーボンの積算値Ｃｓｕが、初期のＰＭ堆積量[Ｃ_O]未満である場合（ＮＯ）は、ＤＰＦに堆積したＰＭを完全に除去できていないとして、ステップＳ１７で予め設定した時間（ステップＳ１６の判定のインターバルに関係する時間）の間待機して、ステップＳ１５に戻る。ステップＳ１６の判定で、余剰カーボンの積算値Ｃｓｕが、初期のＰＭ堆積量Ｃ_O以上である場合（ＹＥＳ）は、ＤＰＦに堆積したＰＭを完全に除去できているとして、ステップＳ１８に行く。

ステップＳ１８では、再生制御が完了したとして、並行して実施されているステップＳ２０の制御フローに対して、再生制御終了の信号の発信を行い、ステップＳ２０の制御フローを停止させて、ステップＳ１１に戻る。一方、再生制御終了の信号を受けたステップＳ２０の制御フローでは、再生処理の終了処理を行ってステップＳ２０の制御フローを終了させて、ステップＳ１１に戻る。

上記の図１に示す制御フローでは、ステップＳ１１に戻ると、内燃機関の通常運転によるＰＭの捕集を再開し、ステップＳ１１からステップＳ１８を繰り返して実施する。そして、内燃機関の運転を終了するときには、割り込みが生じて、ステップＳ１９で、終了処理をした後、上位の制御フローに戻り、上位の制御フローの終了と共に、図１の制御フローも終了する。

このように、ＰＭ燃焼に由来するカーボン量を基にして、ＤＰＦの再生処理の終了時を正確に判定することで、ＤＰＦの再生処理の開始時における実際のＰＭ堆積量に応じて再生処理を行うことが可能となるため、燃費の悪化を抑制することができる。

なお、全排出カーボン量[Ｃ_t]及び再生時に投入された燃料に含まれるカーボン量[Ｃ_F]は、それぞれのガスをセンサで測定し、以下の式によって算出することができる。但し、[Ｆｕｅｌ]は投入燃料量を示す。

そして、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムは、上流側の酸化触媒と下流側のＤＰＦとを有して構成される排気ガス浄化システムにおいて、上記の実施の形態のＤＰＦの再生方法を行う再生制御装置を備えて構成される。

ΔＰ 判定用差圧（閾値）
ΔＰｍ ＤＰＦの前後差圧
[Ｃ_t] 全排出カーボン量
[Ｃ_F] 再生時に投入された燃料に含まれるカーボン量
[Ｃ_IN(ＰＭ)] 余剰カーボン量
Ｃｓｕ 余剰カーボン積算量
[Ｃ_O] 初期のＰＭ堆積量
[Ｆｕｅｌ] 投入燃料量

Claims (2)

1. ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムで、ＰＭ堆積量が限界に達しているか否かを判定し、ＰＭ堆積量が限界に達している場合には、ＤＰＦの再生処理を行い、このＤＰＦの再生処理時にＤＰＦの昇温制御とＤＰＦの温度維持制御を行うＤＰＦの再生方法において、
   ＤＰＦの再生処理中に前記ＤＰＦから排出されるカーボン量を積算し、その積算値から再生処理中に投入された燃料に含まれるカーボン量を差し引くことでＰＭ燃焼により発生したカーボン量を算出し、
   前記算出したカーボン量が前記ＰＭ堆積量以上になったときにＤＰＦの再生処理を終了することを特徴とするＤＰＦの再生方法。
2. ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムにおいて、請求項１に記載のＤＰＦの再生方法を行う再生制御装置を備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。

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