JP3959598B2 - 連続再生式ｄｐｆの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続再生式ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（以下、ＤＰＦと略す）の制御装置に係り、詳しくは、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれるパティキュレート・マター（以下、ＰＭと略す）をＤＰＦに捕捉して焼却除去する連続再生式ＤＰＦの制御装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
バス、トラック等に搭載されるディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等のほかにＰＭが多く含まれており、このＰＭを処理するための後処理装置として、酸化触媒をフィルタ前段に配置、若しくはフィルタ自体に酸化触媒を担持して排ガス中のＮＯからＮＯ2を生成し、生成されたＮＯ2によりフィルタに捕捉したＰＭを酸化燃焼させる連続再生式ＤＰＦが実用化されている。連続再生式ＤＰＦの作用を得るには、排ガスによりＤＰＦが十分に昇温されて酸化触媒が活性化している必要がある。例えば、このときの排気温としては２５０℃以上が要求されるが、市街地走行等の走行状況では要求される温度域に到達しない場合が多く、結果としてＰＭが焼却されることなく次第にＤＰＦでの堆積量が増加してしまう現象が生じる。そこで、ＰＭの堆積量が所定の閾値に達したときには、例えば吸排気絞りや燃料噴射タイミングのリタード等の昇温技術によりＤＰＦを昇温して、積極的にＰＭを焼却する再生促進制御が必要となる。
【０００３】
又、上記ＰＭの堆積量を直接検出することは困難なため、例えば、ＤＰＦの前後差圧からＰＭ堆積量を推定したり、或いは、台上試験により運転領域（エンジン回転速度及び負荷）毎にエンジンからのＰＭ排出量とＤＰＦでのＰＭ焼却量とを測定して、両者の差を各運転領域でのＰＭ堆積量と見なし、実際の運転領域から対応するＰＭ堆積量を求めるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した前段の推定手法は、ＰＭ堆積量がＤＰＦの前後差圧と相関するとの観点に立ったものであるが、両者は必ずしも相関しない。即ち、ＤＰＦは外周側が大気に近いため冷却され易いことから、中心部ほど温度が高くなり、外周部ではＰＭの燃え残りが生じ易い。よって、ＰＭ堆積量には中心部から外周部にかけて偏りが発生し、しかも、その偏りはＤＰＦの昇温状況によって相違する。これが上記した相関関係を崩す要因となり、結果としてＰＭ堆積量の推定に誤差を発生させてしまうことになる。
【０００５】
一方、後段の推定手法は、台上試験と実際の制御との間でエンジンやＤＰＦの個体差（製造誤差等）が存在するため、ＰＭ堆積量データに対して実勢値がばらつく上に、エンジンやＤＰＦの経年劣化を台上試験ではデータに反映することが困難なため、ＰＭ堆積量の推定誤差は避けられない。
以上の結果、実際に比較してＰＭ堆積量が大きく推定されたときには、上記再生促進制御が必要以上に頻繁に実行されて燃費悪化を引き起こし、逆にＰＭ堆積量が小さく推定されたときには、必要なときに再生促進制御が実行されずに、多量に堆積したＰＭが急速燃焼してＤＰＦの破損や劣化等を引き起こしてしまう。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＰＭ堆積量を正確に推定して、常に適切なタイミングで再生促進制御を実行することができる連続再生式ＤＰＦの制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、エンジンの排気通路に設けられて、排ガス中に含まれるパティキュレート・マターを捕捉するフィルタと、フィルタを強制的に昇温して、フィルタに堆積したパティキュレート・マターを焼却除去する再生促進手段と、フィルタの温度を検出する温度検出手段と、エンジンの排ガスに含まれるＮＯ x/ Ｓ oot を判定するＮＯ x/ Ｓ oot 判定手段と、フィルタに堆積したパティキュレート・マターを焼却可能な温度に対して、温度検出手段にて検出されたフィルタ温度が下回ったときの頻度を判定すると共に、上記ＮＯ x/ Ｓ oot 判定手段にて判定されたＮＯ x/ Ｓ oot が低いほど、上記フィルタ温度より判定した頻度を増加側に補正する温度頻度判定手段と、温度頻度判定手段にて判定された頻度が大きいときに、再生促進手段にフィルタを昇温させる制御手段とを備えた。
【０００８】
従って、エンジンからの排ガスはフィルタを通過し、その際に排ガスに含まれるパティキュレート・マターがフィルタに捕捉される。フィルタでのパティキュレート・マターの堆積量は温度によって変化し、フィルタが所定温度以上、例えば２５０℃以上のときにはフィルタ上のパティキュレート・マターが焼却除去されるため、その堆積量が次第に減少し、逆に所定温度未満のときにはパティキュレート・マターが焼却されないため、その堆積量が次第に増加する。
また、排ガス中のＮＯ x 量が多い状態では、パティキュレート・マター中の炭素（Ｃ）を反応させるためのＮＯ 2 が豊富に生成されることから、パティキュレート・マターの燃焼作用が活発化される傾向がある。即ち、パティキュレート・マターの焼却は排ガス中のＮＯ x 量、より詳しくはＮＯ x/ Ｓ oot の影響を受けて、ＮＯ x/ Ｓ oot の増加に伴って促進される。
【０００９】
そして、実際のフィルタ温度が上記所定温度を下回ったときの頻度が判定されてＮＯ x/ Ｓ oot が低いほど増加側に補正され、その頻度が大きいときには、再生促進手段によりフィルタが強制的に昇温されて、パティキュレート・マターの焼却除去が図られる。つまり、頻度が大きいときには、フィルタ温度が継続的に低下したりＮＯ x/ Ｓ oot が低くてパティキュレート・マターを焼却し難い状況であったりしてパティキュレート・マターの堆積量は確実に増加していると推測できるため、このフィルタ温度及びＮＯ x/ Ｓ oot に基づく頻度はパティキュレート・マターの堆積量に対して正確に相関し、例えば、ＤＰＦの前後差圧からＰＭ堆積量を推定する従来技術のように、ＤＰＦでのＰＭ堆積量の偏りによる影響を受けることは一切ない。又、現時点のフィルタ温度及びＮＯ x/ Ｓ ootを利用して頻度を求めているため、例えば、台上試験のデータからパティキュレート・マターの堆積量を推定する従来技術のように、エンジンやＤＰＦの個体差及び経年劣化等の影響を受けることもない。従って、フィルタでのパティキュレート・マターの堆積量を正確に推定可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をコモンレール式ディーゼルエンジンに適用される連続再生式ＤＰＦの制御装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の連続再生式ＤＰＦの制御装置を示す全体構成図であり、図中のディーゼルエンジン１は、例えば直列４気筒エンジンとして構成され、その各気筒には燃料噴射ノズル２が設けられている。各燃料噴射ノズル２は燃料管路３を介して共通のコモンレール４に接続され、コモンレール４は燃料供給装置５に接続されている。
【００１２】
又、エンジン１の排気通路７には後処理装置８が設けられ、この後処理装置８は上流側の酸化触媒９と下流側のフィルタとしての連続再生式ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）１０とから構成されている。例えば酸化触媒９は、ハニカム型のセラミック担体上にプラチナ（Ｐｔ）等の貴金属からなる触媒層を担持して構成されている。又、ＤＰＦ１０は、例えば特開平１１−１０１１２２号公報に記載されているように、ハニカム型のセラミック担体からなり、その多数の排ガス通路の上流側と下流側の開口部を交互に閉鎖することにより、図中に矢印で示すように、通路を形成している多孔質の壁を経て排ガスを流通させるように構成されている。
【００１３】
一方、車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）１１が設置されている。ＥＣＵ１１の入力側には、アクセル操作量を検出するアクセルセンサ１２、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ１３、後処理装置８の上流側に設置されて、後処理装置８に導入される排ガスの温度（以下、ＤＰＦ前温という）を検出する温度検出手段としての排気温センサ１５等の各種センサ類が接続され、出力側には前記燃料噴射ノズル２や燃料供給装置５等の各種アクチュエータ類が接続されている。
【００１４】
エンジン１からの排ガスは、排気通路７に案内されて酸化触媒９を経てＤＰＦ１０に至り、ＤＰＦ１０の通路の壁を流通する際に含有するＰＭが捕捉され、大気中に排出される。例えば高速走行等のようにＤＰＦ前温が２５０℃以上に保たれる運転状態では、それに相当する温度まで酸化触媒９も昇温されて活性化しており、又、ＤＰＦ１０も燃焼可能な温度に達しているので、捕捉されたＰＭは焼却除去される。このときのＤＰＦ１０でのＰＭ焼却量はエンジン１からのＰＭ排出量を上回ることから、結果としてＤＰＦ１０に堆積しているＰＭは次第に減少することになり、連続的にＰＭが焼却されてＤＰＦ１０が再生される。
【００１５】
一方、例えば市街地走行等のようにＤＰＦ前温が２５０℃を下回る運転状態では、酸化触媒９及びＤＰＦ１０の温度も低下してＰＭの焼却が中断されるため、上記したＤＰＦ１０の連続的な再生作用は奏されなくなり、ＤＰＦ１０のＰＭ堆積量が次第に増加することになる。そこで、ＰＭ堆積量が所定値に達した時点でＤＰＦ１０を強制的に昇温させるための再生促進制御を実行するが、本実施形態の連続再生式ＤＰＦの制御装置では、排気温が２５０℃を下回る時間頻度に基づいて再生促進制御の実行タイミングを決定しており、以下、その制御の詳細を説明する。
【００１６】
図２は再生促進制御の実行タイミングを決定するＥＣＵの処理手順を示しており、まず、燃料噴射量、エンジン回転速度、ＤＰＦ前温等の各種情報がアイドル除外部２１に入力される。アイドル除外部２１では、燃料噴射量及びエンジン回転速度が共に所定値以下であるときに、再生促進制御の対象から除外する。つまり、アイドル運転時等のような低負荷低回転域ではエンジン１からのＰＭ排出量が少なくて、ＤＰＦ１０のＰＭ堆積量もほとんど増加しないことから、再生促進制御は不要と見なしているのである。
【００１７】
次いで、ＤＰＦ前温はＫ１設定部２２に入力され、ＤＰＦ前温に基づいて温度頻度係数Ｋ１が設定される（温度頻度判定手段）。この設定処理は図３のマップに従って行われ、設定後の温度頻度係数Ｋ１は乗算部２３に入力される。
一方、燃料噴射量及びエンジン回転速度はＮＯx/Ｓoot設定部２４に入力され、これらの検出情報に基づいて図４のマップからＮＯx/Ｓootが推定されて（ＮＯx/Ｓoot判定手段）、その値がＫ２設定部２５に入力される。Ｋ２設定部２５では、図５のマップに従ってＮＯx/Ｓootから補正係数Ｋ２が設定され、設定後の補正係数Ｋ２が前記乗算部２３に入力される。
【００１８】
乗算部２３では温度頻度係数Ｋ１と補正係数Ｋ２が乗算され、乗算後の値がＫ３設定部２６に入力される。Ｋ３設定部２６では入力値が規定時間毎に移動平均されて再生係数Ｋ３が求められると共に、その再生係数Ｋ３は記憶部２７に記憶されて、次回のＫ３設定部２６での演算に利用される。
図３に示すように前記温度頻度係数Ｋ１は、ＤＰＦ前温が２５０℃未満の領域で０に設定される一方、２５０℃以上の領域では温度上昇に応じて１から次第に増加設定される。この図３の特性は、２５０℃を境界として活性化するＤＰＦ１０の特性から求められたものであり、結果として温度頻度係数Ｋ１は（ＤＰＦ１０でのＰＭ焼却量／エンジン１からのＰＭ排出量）を表して、ＤＰＦ１０でのＰＭ堆積量（ＤＰＦ１０の再生状況）と相関することになり、Ｋ１＝１以上では、ＤＰＦ１０を再生するための温度に関する要件が満たされていることを意味する。
【００１９】
又、図５に示すように前記補正係数Ｋ２は、ＮＯx/Ｓootが２５以上の領域ではＮＯx/Ｓootの増加に応じて１から次第に増加設定される一方、ＮＯx/Ｓootが２５未満の領域ではＮＯx/Ｓootの減少に応じて１から減少されて、１６未満の領域では一定値（＜１）に設定される。このときのＮＯx/Ｓootは、排ガス成分がＰＭを焼却し易い条件を具備しているか否かを表す指標として用いられている。
【００２０】
即ち、ＰＭを焼却可能な本来の下限温度は６００℃程度であるが、ＮＯ2との酸化反応により、燃焼可能な下限温度を２５０℃まで下げることが可能となる。しかしながら、そのＮＯ2の生成は排ガス中のＮＯx量に左右され、ＮＯx量が多い場合にはＮＯ2も多量に生成されるので２５０℃程度で安定した燃焼が得られるが、ＮＯx量が少ない場合にはＮＯ2の生成量も低下してしまうことから、２５０℃程度の温度状況では安定したＰＭ燃焼を得難くなる。
【００２１】
つまり、上記図３の２５０℃の条件は、排ガス中に十分なＮＯxが存在することを前提としたものである。よって、ＰＭの焼却は排ガス中のＮＯx量、より詳しくはＮＯx/Ｓootの影響を受けて、ＮＯx/Ｓootの増加に伴って促進され、且つ、２５０℃程度でＰＭを焼却するにはＮＯx/Ｓoot＝２５以上が望ましいことが判明しているため、これらの要件を鑑みて上記図５の特性が設定されているのである。
【００２２】
結果として、以上の特性の温度頻度係数Ｋ１及び補正係数Ｋ２から求められた前記再生係数Ｋ３は、１を境界としてＤＰＦ１０でのＰＭ堆積量と相関し、再生係数Ｋ３が１より低下するほど、ＤＰＦ１０でのＰＭ焼却量に対してエンジン１からのＰＭ排出量が上回って、ＰＭ堆積量が増加する状況となり、逆に再生係数Ｋ３が１より増加するほど、エンジン１からのＰＭ排出量に対してＤＰＦ１０でのＰＭ焼却量が上回って、ＰＭ堆積量が減少する状況となる。
【００２３】
そして、この再生係数Ｋ３に基づいてＥＣＵ１１により再生促進制御が実行される（制御手段）。例えば、再生係数Ｋ３が１を下回って予め第１の設定値として設定された０．８未満になると、再生促進制御として周知の吸排気絞りやリタードが実行されて（再生促進手段）、排ガスの昇温、及び未燃燃料が酸化触媒９で反応したときの反応熱により、下流側のＤＰＦ１０が昇温される。
【００２４】
又、これらの再生促進制御ではＤＰＦ１０を再生可能な温度域まで昇温できず、再生係数Ｋ３が更に低下して予め第２の設定値として設定された０．５未満になると、再生促進制御としてポスト噴射が実施される（再生促進手段）。このポスト噴射は、上記主噴射のタイミングより遅い膨張行程以降で主噴射とは別個に行われる燃料噴射であり、噴射された燃料を燃焼室内の火炎により燃焼させて排ガスを昇温させたり、未燃燃料のまま酸化触媒９で反応させて反応熱を発生させたりし、これによりＤＰＦ１０の昇温を図るものである。このポスト噴射による昇温は上記吸排気絞りやリタードより遥かに強力であり、ＤＰＦ１０は確実に昇温されて再生される。
【００２５】
以上のように本実施形態の連続再生式ＤＰＦの制御装置では、ＤＰＦ前温に基づいて温度頻度係数Ｋ１を設定し、その温度頻度係数Ｋ１から求めた再生係数Ｋ３に基づいて再生促進制御の要否を判定している。そして、ＤＰＦ前温に基づく温度頻度係数Ｋ１はＤＰＦ１０でのＰＭ堆積量と正確に相関するため、例えば、ＤＰＦの前後差圧からＰＭ堆積量を推定する従来技術のように、ＤＰＦでのＰＭ堆積量の偏りによる影響を受けることは一切ない。又、現時点のＤＰＦ前温を利用して温度頻度係数Ｋ１を求めているため、例えば、台上試験のデータからＰＭ堆積量を推定する従来技術のように、エンジン１やＤＰＦ１０の個体差及び経年劣化等の影響を受けることもない。従って、ＤＰＦ１０でのＰＭ堆積量を極めて正確に推定して、常に適切なタイミングで再生促進制御を実行することができる。
【００２６】
よって、再生促進制御が不適切なタイミングで実行されたときのトラブル、例えば再生促進制御が必要以上に頻繁に実行された場合の燃費悪化、或いは逆に、必要なときに再生促進制御が実行されなかった場合のＤＰＦ１０の破損や劣化等を未然に回避することができる。
しかも、ＤＰＦ前温とは別のＰＭ堆積量に影響する要因であるＮＯx/Ｓootを、補正係数Ｋ２として再生係数Ｋ３に反映させているため、ＤＰＦ前温のみから判定した場合に比較して、ＰＭ堆積量の推定誤差をより排除できる。例えばＤＰＦ前温が２５０℃以上であっても、ＮＯx/Ｓootが２５未満ではＮＯxが不足するため、ＰＭ堆積量が増加して再生促進制御が必要なときがある。このような場合、ＤＰＦ前温のみの判定では１以上の温度頻度係数Ｋ１が設定されて、再生促進制御が実行されないのに対し、本実施形態では、ＮＯx/Ｓootから設定された１未満の補正係数Ｋ２により再生係数Ｋ３が減少補正されるため、結果として再生促進制御が実行され易くなり、その実行タイミングを一層適切なものとすることができる。
【００２７】
加えて、ＤＰＦの前後差圧からＰＭ堆積量を推定する従来技術では、排気通路の排ガスをパイプにより圧力センサまで導く必要があり、ＰＭの堆積によりパイプが閉塞されてしまう虞があるが、本実施形態では圧力センサを用いておらず、又、排気温センサ１５ではこのようなトラブルは発生しないことから、その信頼性を向上できるという利点もある。
【００２８】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、コモンレール式ディーゼルエンジン用の連続再生式ＤＰＦの制御装置として具体化し、再生促進制御の一つとしてをポスト噴射を実施したが、代わりに通常のディーゼルエンジンに適用し、再生促進制御として吸排気絞りとリタードのみを実施するようにしてもよい。
【００２９】
又、上記実施形態では、ＤＰＦ前温に基づく温度頻度係数Ｋ１、及びＮＯx/Ｓootに基づく補正係数Ｋ２から再生係数Ｋ３を求めて、その再生係数Ｋ３に応じてＰＭ堆積量を推定したが、必ずしもＮＯx/Ｓootを考慮する必要はなく、ＤＰＦ前温のみに基づいてＰＭ堆積量を推定してもよい。
更に、上記実施形態では、温度頻度係数Ｋ１と補正係数Ｋ２の乗算値を移動平均して再生係数Ｋ３を求めたが、各係数Ｋ１，Ｋ２が適正値（Ｋ１≧１、Ｋ２≧１）を下回ったときの頻度と相関する値を求める処理であれば、これに限定されることはなく、例えば各係数Ｋ１，Ｋ２を順次積分処理してもよい。
【００３０】
一方、上記実施形態では、ＤＰＦ１０に導入される排ガス温度であるＤＰＦ前温に基づいてＰＭ堆積量を推定したが、ＤＰＦ１０の温度と相関する値であれば、これに限定されるものではなく、例えばＤＰＦ自体の温度を検出するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明の連続再生式ＤＰＦの制御装置によれば、ＰＭ堆積量を正確に推定して、常に適切なタイミングで再生促進制御を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の連続再生式ＤＰＦの制御装置を示す全体構成図である。
【図２】再生促進制御の実行タイミングを決定するＥＣＵの処理手順を示す説明図である。
【図３】ＤＰＦ前温から温度頻度係数Ｋ１を設定するためのマップを示す説明図である。
【図４】燃料噴射量及びエンジン回転速度からＮＯx/Ｓootを推定するためのマップを示す説明図である。
【図５】ＮＯx/Ｓootから補正係数Ｋ２を設定するためのマップを示す説明図である。
【符号の説明】
１ エンジン
７ 排気通路
１０ ＤＰＦ（フィルタ）
１１ ＥＣＵ（再生促進手段、温度頻度判定手段、ＮＯx/Ｓoot判定手段、制御手段）
１５ 排気温センサ（温度検出手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続再生式ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（以下、ＤＰＦと略す）の制御装置に係り、詳しくは、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれるパティキュレート・マター（以下、ＰＭと略す）をＤＰＦに捕捉して焼却除去する連続再生式ＤＰＦの制御装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
バス、トラック等に搭載されるディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等のほかにＰＭが多く含まれており、このＰＭを処理するための後処理装置として、酸化触媒をフィルタ前段に配置、若しくはフィルタ自体に酸化触媒を担持して排ガス中のＮＯからＮＯ2を生成し、生成されたＮＯ2によりフィルタに捕捉したＰＭを酸化燃焼させる連続再生式ＤＰＦが実用化されている。連続再生式ＤＰＦの作用を得るには、排ガスによりＤＰＦが十分に昇温されて酸化触媒が活性化している必要がある。例えば、このときの排気温としては２５０℃以上が要求されるが、市街地走行等の走行状況では要求される温度域に到達しない場合が多く、結果としてＰＭが焼却されることなく次第にＤＰＦでの堆積量が増加してしまう現象が生じる。そこで、ＰＭの堆積量が所定の閾値に達したときには、例えば吸排気絞りや燃料噴射タイミングのリタード等の昇温技術によりＤＰＦを昇温して、積極的にＰＭを焼却する再生促進制御が必要となる。
【０００３】
又、上記ＰＭの堆積量を直接検出することは困難なため、例えば、ＤＰＦの前後差圧からＰＭ堆積量を推定したり、或いは、台上試験により運転領域（エンジン回転速度及び負荷）毎にエンジンからのＰＭ排出量とＤＰＦでのＰＭ焼却量とを測定して、両者の差を各運転領域でのＰＭ堆積量と見なし、実際の運転領域から対応するＰＭ堆積量を求めるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した前段の推定手法は、ＰＭ堆積量がＤＰＦの前後差圧と相関するとの観点に立ったものであるが、両者は必ずしも相関しない。即ち、ＤＰＦは外周側が大気に近いため冷却され易いことから、中心部ほど温度が高くなり、外周部ではＰＭの燃え残りが生じ易い。よって、ＰＭ堆積量には中心部から外周部にかけて偏りが発生し、しかも、その偏りはＤＰＦの昇温状況によって相違する。これが上記した相関関係を崩す要因となり、結果としてＰＭ堆積量の推定に誤差を発生させてしまうことになる。
【０００５】
一方、後段の推定手法は、台上試験と実際の制御との間でエンジンやＤＰＦの個体差（製造誤差等）が存在するため、ＰＭ堆積量データに対して実勢値がばらつく上に、エンジンやＤＰＦの経年劣化を台上試験ではデータに反映することが困難なため、ＰＭ堆積量の推定誤差は避けられない。
以上の結果、実際に比較してＰＭ堆積量が大きく推定されたときには、上記再生促進制御が必要以上に頻繁に実行されて燃費悪化を引き起こし、逆にＰＭ堆積量が小さく推定されたときには、必要なときに再生促進制御が実行されずに、多量に堆積したＰＭが急速燃焼してＤＰＦの破損や劣化等を引き起こしてしまう。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＰＭ堆積量を正確に推定して、常に適切なタイミングで再生促進制御を実行することができる連続再生式ＤＰＦの制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、エンジンの排気通路に設けられて、排ガス中に含まれるパティキュレート・マターを捕捉するフィルタと、フィルタを強制的に昇温して、フィルタに堆積したパティキュレート・マターを焼却除去する再生促進手段と、フィルタの温度を検出する温度検出手段と、エンジンの排ガスに含まれるＮＯ x/ Ｓ oot を判定するＮＯ x/ Ｓ oot 判定手段と、フィルタに堆積したパティキュレート・マターを焼却可能な温度に対して、温度検出手段にて検出されたフィルタ温度が下回ったときの頻度を判定すると共に、上記ＮＯ x/ Ｓ oot 判定手段にて判定されたＮＯ x/ Ｓ oot が低いほど、上記フィルタ温度より判定した頻度を増加側に補正する温度頻度判定手段と、温度頻度判定手段にて判定された頻度が大きいときに、再生促進手段にフィルタを昇温させる制御手段とを備えた。
【０００８】
従って、エンジンからの排ガスはフィルタを通過し、その際に排ガスに含まれるパティキュレート・マターがフィルタに捕捉される。フィルタでのパティキュレート・マターの堆積量は温度によって変化し、フィルタが所定温度以上、例えば２５０℃以上のときにはフィルタ上のパティキュレート・マターが焼却除去されるため、その堆積量が次第に減少し、逆に所定温度未満のときにはパティキュレート・マターが焼却されないため、その堆積量が次第に増加する。
また、排ガス中のＮＯ x 量が多い状態では、パティキュレート・マター中の炭素（Ｃ）を反応させるためのＮＯ 2 が豊富に生成されることから、パティキュレート・マターの燃焼作用が活発化される傾向がある。即ち、パティキュレート・マターの焼却は排ガス中のＮＯ x 量、より詳しくはＮＯ x/ Ｓ oot の影響を受けて、ＮＯ x/ Ｓ oot の増加に伴って促進される。
【０００９】
そして、実際のフィルタ温度が上記所定温度を下回ったときの頻度が判定されてＮＯ x/ Ｓ oot が低いほど増加側に補正され、その頻度が大きいときには、再生促進手段によりフィルタが強制的に昇温されて、パティキュレート・マターの焼却除去が図られる。つまり、頻度が大きいときには、フィルタ温度が継続的に低下したりＮＯ x/ Ｓ oot が低くてパティキュレート・マターを焼却し難い状況であったりしてパティキュレート・マターの堆積量は確実に増加していると推測できるため、このフィルタ温度及びＮＯ x/ Ｓ oot に基づく頻度はパティキュレート・マターの堆積量に対して正確に相関し、例えば、ＤＰＦの前後差圧からＰＭ堆積量を推定する従来技術のように、ＤＰＦでのＰＭ堆積量の偏りによる影響を受けることは一切ない。又、現時点のフィルタ温度及びＮＯ x/ Ｓ ootを利用して頻度を求めているため、例えば、台上試験のデータからパティキュレート・マターの堆積量を推定する従来技術のように、エンジンやＤＰＦの個体差及び経年劣化等の影響を受けることもない。従って、フィルタでのパティキュレート・マターの堆積量を正確に推定可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をコモンレール式ディーゼルエンジンに適用される連続再生式ＤＰＦの制御装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の連続再生式ＤＰＦの制御装置を示す全体構成図であり、図中のディーゼルエンジン１は、例えば直列４気筒エンジンとして構成され、その各気筒には燃料噴射ノズル２が設けられている。各燃料噴射ノズル２は燃料管路３を介して共通のコモンレール４に接続され、コモンレール４は燃料供給装置５に接続されている。
【００１２】
又、エンジン１の排気通路７には後処理装置８が設けられ、この後処理装置８は上流側の酸化触媒９と下流側のフィルタとしての連続再生式ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）１０とから構成されている。例えば酸化触媒９は、ハニカム型のセラミック担体上にプラチナ（Ｐｔ）等の貴金属からなる触媒層を担持して構成されている。又、ＤＰＦ１０は、例えば特開平１１−１０１１２２号公報に記載されているように、ハニカム型のセラミック担体からなり、その多数の排ガス通路の上流側と下流側の開口部を交互に閉鎖することにより、図中に矢印で示すように、通路を形成している多孔質の壁を経て排ガスを流通させるように構成されている。
【００１３】
一方、車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）１１が設置されている。ＥＣＵ１１の入力側には、アクセル操作量を検出するアクセルセンサ１２、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ１３、後処理装置８の上流側に設置されて、後処理装置８に導入される排ガスの温度（以下、ＤＰＦ前温という）を検出する温度検出手段としての排気温センサ１５等の各種センサ類が接続され、出力側には前記燃料噴射ノズル２や燃料供給装置５等の各種アクチュエータ類が接続されている。
【００１４】
エンジン１からの排ガスは、排気通路７に案内されて酸化触媒９を経てＤＰＦ１０に至り、ＤＰＦ１０の通路の壁を流通する際に含有するＰＭが捕捉され、大気中に排出される。例えば高速走行等のようにＤＰＦ前温が２５０℃以上に保たれる運転状態では、それに相当する温度まで酸化触媒９も昇温されて活性化しており、又、ＤＰＦ１０も燃焼可能な温度に達しているので、捕捉されたＰＭは焼却除去される。このときのＤＰＦ１０でのＰＭ焼却量はエンジン１からのＰＭ排出量を上回ることから、結果としてＤＰＦ１０に堆積しているＰＭは次第に減少することになり、連続的にＰＭが焼却されてＤＰＦ１０が再生される。
【００１５】
一方、例えば市街地走行等のようにＤＰＦ前温が２５０℃を下回る運転状態では、酸化触媒９及びＤＰＦ１０の温度も低下してＰＭの焼却が中断されるため、上記したＤＰＦ１０の連続的な再生作用は奏されなくなり、ＤＰＦ１０のＰＭ堆積量が次第に増加することになる。そこで、ＰＭ堆積量が所定値に達した時点でＤＰＦ１０を強制的に昇温させるための再生促進制御を実行するが、本実施形態の連続再生式ＤＰＦの制御装置では、排気温が２５０℃を下回る時間頻度に基づいて再生促進制御の実行タイミングを決定しており、以下、その制御の詳細を説明する。
【００１６】
図２は再生促進制御の実行タイミングを決定するＥＣＵの処理手順を示しており、まず、燃料噴射量、エンジン回転速度、ＤＰＦ前温等の各種情報がアイドル除外部２１に入力される。アイドル除外部２１では、燃料噴射量及びエンジン回転速度が共に所定値以下であるときに、再生促進制御の対象から除外する。つまり、アイドル運転時等のような低負荷低回転域ではエンジン１からのＰＭ排出量が少なくて、ＤＰＦ１０のＰＭ堆積量もほとんど増加しないことから、再生促進制御は不要と見なしているのである。
【００１７】
次いで、ＤＰＦ前温はＫ１設定部２２に入力され、ＤＰＦ前温に基づいて温度頻度係数Ｋ１が設定される（温度頻度判定手段）。この設定処理は図３のマップに従って行われ、設定後の温度頻度係数Ｋ１は乗算部２３に入力される。
一方、燃料噴射量及びエンジン回転速度はＮＯx/Ｓoot設定部２４に入力され、これらの検出情報に基づいて図４のマップからＮＯx/Ｓootが推定されて（ＮＯx/Ｓoot判定手段）、その値がＫ２設定部２５に入力される。Ｋ２設定部２５では、図５のマップに従ってＮＯx/Ｓootから補正係数Ｋ２が設定され、設定後の補正係数Ｋ２が前記乗算部２３に入力される。
【００１８】
乗算部２３では温度頻度係数Ｋ１と補正係数Ｋ２が乗算され、乗算後の値がＫ３設定部２６に入力される。Ｋ３設定部２６では入力値が規定時間毎に移動平均されて再生係数Ｋ３が求められると共に、その再生係数Ｋ３は記憶部２７に記憶されて、次回のＫ３設定部２６での演算に利用される。
図３に示すように前記温度頻度係数Ｋ１は、ＤＰＦ前温が２５０℃未満の領域で０に設定される一方、２５０℃以上の領域では温度上昇に応じて１から次第に増加設定される。この図３の特性は、２５０℃を境界として活性化するＤＰＦ１０の特性から求められたものであり、結果として温度頻度係数Ｋ１は（ＤＰＦ１０でのＰＭ焼却量／エンジン１からのＰＭ排出量）を表して、ＤＰＦ１０でのＰＭ堆積量（ＤＰＦ１０の再生状況）と相関することになり、Ｋ１＝１以上では、ＤＰＦ１０を再生するための温度に関する要件が満たされていることを意味する。
【００１９】
又、図５に示すように前記補正係数Ｋ２は、ＮＯx/Ｓootが２５以上の領域ではＮＯx/Ｓootの増加に応じて１から次第に増加設定される一方、ＮＯx/Ｓootが２５未満の領域ではＮＯx/Ｓootの減少に応じて１から減少されて、１６未満の領域では一定値（＜１）に設定される。このときのＮＯx/Ｓootは、排ガス成分がＰＭを焼却し易い条件を具備しているか否かを表す指標として用いられている。
【００２０】
即ち、ＰＭを焼却可能な本来の下限温度は６００℃程度であるが、ＮＯ2との酸化反応により、燃焼可能な下限温度を２５０℃まで下げることが可能となる。しかしながら、そのＮＯ2の生成は排ガス中のＮＯx量に左右され、ＮＯx量が多い場合にはＮＯ2も多量に生成されるので２５０℃程度で安定した燃焼が得られるが、ＮＯx量が少ない場合にはＮＯ2の生成量も低下してしまうことから、２５０℃程度の温度状況では安定したＰＭ燃焼を得難くなる。
【００２１】
つまり、上記図３の２５０℃の条件は、排ガス中に十分なＮＯxが存在することを前提としたものである。よって、ＰＭの焼却は排ガス中のＮＯx量、より詳しくはＮＯx/Ｓootの影響を受けて、ＮＯx/Ｓootの増加に伴って促進され、且つ、２５０℃程度でＰＭを焼却するにはＮＯx/Ｓoot＝２５以上が望ましいことが判明しているため、これらの要件を鑑みて上記図５の特性が設定されているのである。
【００２２】
結果として、以上の特性の温度頻度係数Ｋ１及び補正係数Ｋ２から求められた前記再生係数Ｋ３は、１を境界としてＤＰＦ１０でのＰＭ堆積量と相関し、再生係数Ｋ３が１より低下するほど、ＤＰＦ１０でのＰＭ焼却量に対してエンジン１からのＰＭ排出量が上回って、ＰＭ堆積量が増加する状況となり、逆に再生係数Ｋ３が１より増加するほど、エンジン１からのＰＭ排出量に対してＤＰＦ１０でのＰＭ焼却量が上回って、ＰＭ堆積量が減少する状況となる。
【００２３】
そして、この再生係数Ｋ３に基づいてＥＣＵ１１により再生促進制御が実行される（制御手段）。例えば、再生係数Ｋ３が１を下回って予め第１の設定値として設定された０．８未満になると、再生促進制御として周知の吸排気絞りやリタードが実行されて（再生促進手段）、排ガスの昇温、及び未燃燃料が酸化触媒９で反応したときの反応熱により、下流側のＤＰＦ１０が昇温される。
【００２４】
又、これらの再生促進制御ではＤＰＦ１０を再生可能な温度域まで昇温できず、再生係数Ｋ３が更に低下して予め第２の設定値として設定された０．５未満になると、再生促進制御としてポスト噴射が実施される（再生促進手段）。このポスト噴射は、上記主噴射のタイミングより遅い膨張行程以降で主噴射とは別個に行われる燃料噴射であり、噴射された燃料を燃焼室内の火炎により燃焼させて排ガスを昇温させたり、未燃燃料のまま酸化触媒９で反応させて反応熱を発生させたりし、これによりＤＰＦ１０の昇温を図るものである。このポスト噴射による昇温は上記吸排気絞りやリタードより遥かに強力であり、ＤＰＦ１０は確実に昇温されて再生される。
【００２５】
以上のように本実施形態の連続再生式ＤＰＦの制御装置では、ＤＰＦ前温に基づいて温度頻度係数Ｋ１を設定し、その温度頻度係数Ｋ１から求めた再生係数Ｋ３に基づいて再生促進制御の要否を判定している。そして、ＤＰＦ前温に基づく温度頻度係数Ｋ１はＤＰＦ１０でのＰＭ堆積量と正確に相関するため、例えば、ＤＰＦの前後差圧からＰＭ堆積量を推定する従来技術のように、ＤＰＦでのＰＭ堆積量の偏りによる影響を受けることは一切ない。又、現時点のＤＰＦ前温を利用して温度頻度係数Ｋ１を求めているため、例えば、台上試験のデータからＰＭ堆積量を推定する従来技術のように、エンジン１やＤＰＦ１０の個体差及び経年劣化等の影響を受けることもない。従って、ＤＰＦ１０でのＰＭ堆積量を極めて正確に推定して、常に適切なタイミングで再生促進制御を実行することができる。
【００２６】
よって、再生促進制御が不適切なタイミングで実行されたときのトラブル、例えば再生促進制御が必要以上に頻繁に実行された場合の燃費悪化、或いは逆に、必要なときに再生促進制御が実行されなかった場合のＤＰＦ１０の破損や劣化等を未然に回避することができる。
しかも、ＤＰＦ前温とは別のＰＭ堆積量に影響する要因であるＮＯx/Ｓootを、補正係数Ｋ２として再生係数Ｋ３に反映させているため、ＤＰＦ前温のみから判定した場合に比較して、ＰＭ堆積量の推定誤差をより排除できる。例えばＤＰＦ前温が２５０℃以上であっても、ＮＯx/Ｓootが２５未満ではＮＯxが不足するため、ＰＭ堆積量が増加して再生促進制御が必要なときがある。このような場合、ＤＰＦ前温のみの判定では１以上の温度頻度係数Ｋ１が設定されて、再生促進制御が実行されないのに対し、本実施形態では、ＮＯx/Ｓootから設定された１未満の補正係数Ｋ２により再生係数Ｋ３が減少補正されるため、結果として再生促進制御が実行され易くなり、その実行タイミングを一層適切なものとすることができる。
【００２７】
加えて、ＤＰＦの前後差圧からＰＭ堆積量を推定する従来技術では、排気通路の排ガスをパイプにより圧力センサまで導く必要があり、ＰＭの堆積によりパイプが閉塞されてしまう虞があるが、本実施形態では圧力センサを用いておらず、又、排気温センサ１５ではこのようなトラブルは発生しないことから、その信頼性を向上できるという利点もある。
【００２８】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、コモンレール式ディーゼルエンジン用の連続再生式ＤＰＦの制御装置として具体化し、再生促進制御の一つとしてをポスト噴射を実施したが、代わりに通常のディーゼルエンジンに適用し、再生促進制御として吸排気絞りとリタードのみを実施するようにしてもよい。
【００２９】
又、上記実施形態では、ＤＰＦ前温に基づく温度頻度係数Ｋ１、及びＮＯx/Ｓootに基づく補正係数Ｋ２から再生係数Ｋ３を求めて、その再生係数Ｋ３に応じてＰＭ堆積量を推定したが、必ずしもＮＯx/Ｓootを考慮する必要はなく、ＤＰＦ前温のみに基づいてＰＭ堆積量を推定してもよい。
更に、上記実施形態では、温度頻度係数Ｋ１と補正係数Ｋ２の乗算値を移動平均して再生係数Ｋ３を求めたが、各係数Ｋ１，Ｋ２が適正値（Ｋ１≧１、Ｋ２≧１）を下回ったときの頻度と相関する値を求める処理であれば、これに限定されることはなく、例えば各係数Ｋ１，Ｋ２を順次積分処理してもよい。
【００３０】
一方、上記実施形態では、ＤＰＦ１０に導入される排ガス温度であるＤＰＦ前温に基づいてＰＭ堆積量を推定したが、ＤＰＦ１０の温度と相関する値であれば、これに限定されるものではなく、例えばＤＰＦ自体の温度を検出するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明の連続再生式ＤＰＦの制御装置によれば、ＰＭ堆積量を正確に推定して、常に適切なタイミングで再生促進制御を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の連続再生式ＤＰＦの制御装置を示す全体構成図である。
【図２】再生促進制御の実行タイミングを決定するＥＣＵの処理手順を示す説明図である。
【図３】ＤＰＦ前温から温度頻度係数Ｋ１を設定するためのマップを示す説明図である。
【図４】燃料噴射量及びエンジン回転速度からＮＯx/Ｓootを推定するためのマップを示す説明図である。
【図５】ＮＯx/Ｓootから補正係数Ｋ２を設定するためのマップを示す説明図である。
【符号の説明】
１ エンジン
７ 排気通路
１０ ＤＰＦ（フィルタ）
１１ ＥＣＵ（再生促進手段、温度頻度判定手段、ＮＯx/Ｓoot判定手段、制御手段）
１５ 排気温センサ（温度検出手段）
Claims (1)
- エンジンの排気通路に設けられて、排ガス中に含まれるパティキュレート・マターを捕捉するフィルタと、
上記フィルタを強制的に昇温して、該フィルタに堆積したパティキュレート・マターを焼却除去する再生促進手段と、
上記フィルタの温度を検出する温度検出手段と、
上記エンジンの排ガスに含まれるＮＯ x/ Ｓ oot を判定するＮＯ x/ Ｓ oot 判定手段と、
上記フィルタに堆積したパティキュレート・マターを焼却可能な温度に対して、上記温度検出手段にて検出されたフィルタ温度が下回ったときの頻度を判定すると共に、上記ＮＯ x/ Ｓ oot 判定手段にて判定されたＮＯ x/ Ｓ oot が低いほど、上記フィルタ温度より判定した頻度を増加側に補正する温度頻度判定手段と、
上記温度頻度判定手段にて判定された頻度が大きいときに、上記再生促進手段にフィルタを昇温させる制御手段と
を備えたことを特徴とする連続再生式ＤＰＦの制御装置。
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