JP4995117B2

JP4995117B2 - Ｄｐｆ堆積量推定装置

Info

Publication number: JP4995117B2
Application number: JP2008042141A
Authority: JP
Inventors: 和成井手
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: JP2009174513A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンのＤＰＦ（黒煙除去装置）の再生装置に用いられ、排気ポートに連なる排気通路に、排ガス中のＰＭ（パティキュレート（微小固形物））を除去するＤＰＦ（黒煙除去装置）を備えたＤＰＦの堆積量を推定するＤＰＦ堆積量推定装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガス中のパティキュレート（微小固形物、以下ＰＭという）を除去するＤＰＦ（黒煙除去装置）が設けられているディーゼルエンジンにおいて、前記ＤＰＦにはメタルタイプとセラミックスタイプの２タイプがある。メタルタイプは取り扱いが容易であるが、ＰＭの捕集率が５０〜６０％と低い。一方セラミックスタイプは捕集率は９０％以上と高いが、ＤＰＦにＰＭが堆積し易く、堆積したＰＭを強制的に燃焼させる必要がある。
今後は、ＰＭの規制値が厳しくなることから捕集率の良好なセラミックスタイプが主流になると考えられ、ＤＰＦの堆積除去の実施にあたっては、エンジンの運転履歴やＤＰＦの状態から、ＰＭの堆積量を正確に推定することが必須となる。

図７（Ａ）は、ＤＰＦ装置を備えたディーゼルエンジンの吸、排気系統の構成図、図７（Ｂ）は吸気スロットルバルブと排気スロットルバルブの開度状況の説明図である。
図７において、排気タービン１５ａとこれに同軸駆動されるコンプレッサ１５ｂとを備えた排気ターボ過給機１５で、該過給機１５のコンプレッサ１５ｂから吐出された空気は空気冷却器３ａで冷却され、吸気スロットルバルブ４で開度を制御された後、エンジン１００に吸気される。
エンジン１００においては、蓄圧器２ａにて蓄圧された高圧燃料が燃料噴射弁３３から噴射され、前記空気との混合によって燃焼され、燃焼ガス即ち排ガスは排気管１３を通って前記排気タービン１５ａを駆動し、ＤＰＦ装置５０に送り込まれる。

図６は、代表的なＤＰＦ装置の縦断面図であり、図６において、１３はエンジン（図示省略）の排気ポートに連通される排気管、５０は該排気管１３に接続されるＤＰＦ装置である。該ＤＰＦ装置５０は、ＤＰＦ本体２１内に収納されたＤＰＦ１と該ＤＰＦ１の上流側に設置された前段酸化触媒３が設置されている。
エンジンからの排気ガスは、排気管１３から入口室４１を通って前段酸化触媒３に入り、この前段酸化触媒３で酸化され、そのとき発生する酸化熱でＤＰＦ１が６００〜６５０℃に上昇し、該ＤＰＦ１に堆積したＰＭを燃焼させ、燃焼ガスは出口室５１から外部に排出される。
図６において、Ｐ１がＤＰＦ１の入口圧力、Ｔ１がＤＰＦ１の入口温度、Ｐ２がＤＰＦ１の出口圧力、Ｔ２がＤＰＦ１の出口温度である。

前記図７（Ａ）に示すようなディーゼルエンジンにおいては、図７（Ｂ）に示すように、吸気スロットルバルブ４と排気スロットルバルブ５との、制御状態を示す。図７（Ｂ）のように、エンジン回転数及び燃料噴射量で吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５の開度をそれぞれ個別に設定して、該開度を前記エンジン回転数及び燃料噴射量に適合するようにしている。

また、特許文献１（特開２００５−７６６０４号公報）においては、排気スロットルバルブをＤＰＦの下流に設けたＤＰＦの再生制御装置において、排気温度検出器と燃料制御手段と排気絞り制御手段を備え、ＤＰＦの再生時には前記燃料制御手段による多段遅延噴射と、前記排気絞り制御手段による排気スロットルバルブの排気絞りによる排気温度の昇温制御を行うようにして、排気温度の低いときでも、効率良く排気温度の昇温せしめてＰＭの再生が出来るようにしている。

特開２００５−７６６０４号公報

ＤＰＦ再生装置にあっては、再生時の排気温度の上昇効果については、吸気スロットルバルブ４と排気スロットルバルブ５に持っている個体差や環境条件（外気温度）、エンジンの回転数、燃料噴射時期等のエンジン運転条件、及び再生時の軽油噴射量あるいはポスト噴射条件等によって差が出る。

そのうち、吸気スロットルバルブ４と排気スロットルバルブ５については、従来は図７（Ｂ）のように、エンジン回転数及び燃料噴射量で該吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５の開度をそれぞれ個別に設定して、該開度を前記エンジン回転数及び燃料噴射量に適合するようにして、予め決められた開度に設定しており、バルブの個体差や環境条件（外気温度）の変化によって排気温度の上昇効果に差があることは考慮されていない。

また、かかるＤＰＦ再生時の排気温度の上昇効果について、前記特許文献１（特開２００５−７６６０４号公報）においては、排気温度の低いときでも効率良く排気温度の昇温せしめてＰＭの再生が出来るようにするため、排気スロットルバルブと排気温度の検出器と燃料制御手段と該排気スロットルバルブを制御する排気絞り制御手段を備えて、ＤＰＦの再生時には前記燃料制御手段による多段遅延噴射と、前記排気絞り制御手段による排気スロットルバルブの排気絞りによる排気温度の昇温制御を行うことにより、ＤＰＦ再生時の排気温度を高温に制御している。

しかしながら、前記図７（Ａ）に示すようなディーゼルエンジンにおいても、前記特許文献１（特開２００５−７６６０４号公報）に示すようなディーゼルエンジンにおいても、ＤＰＦ再生時の排気温度を制御するにあたり、吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５を排気温度によりフィードバック制御することについては述べておらず、このため両バルブの個体差や環境条件（外気温度）の変化によって排気温度の上昇効果に差が出ることがある。

また、前記特許文献１（特開２００５−７６６０４号公報）においては、排気温度の検出とこの排気温度検出値による排気絞り制御手段によって該排気スロットルバルブの排気絞りを変化させることにより、排気温度の低いときでも効率良く排気温度の昇温せしめてＰＭの再生が出来るようにしているが、排気温度と吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方の開度とのフィードバック制御、該排気温度と再生時の軽油噴射量あるいはポスト噴射条件の総合的な制御については、述べられていない。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ＤＰＦ再生時の排気温度と、吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの開度とを関連付けてフィードバック制御するとともに、排気温度とＤＰＦ再生時の軽油噴射量あるいはポスト噴射条件の総合的な制御を実現可能として、ＤＰＦ再生時の排気温度を適正に保持して、ＤＰＦの再生を効果的に行うＤＰＦ再生制御装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するもので、エンジンの排気ポートに連なる排気通路に排ガス中のＰＭ（パティキュレート（微小固形物））を除去するＤＰＦ（黒煙除去装置）と、エンジンの吸気通路に該吸気通路の通路面積を制御する吸気スロットルバルブと、前記エンジンの排気通路の前記ＤＰＦよりも下流側に排気通路の通路面積を制御する排気スロットルバルブと、前記ＤＰＦの上流入口部に燃料を噴射する再生時燃料噴射弁とを備え、前記ＤＰＦに堆積されたＰＭを前記再生時燃料噴射弁からの燃料により燃焼、除去させるＤＰＦ再生制御装置において、
前記排気通路の後処理装置入口の排ガス温度を検出する排ガス温度センサと、前記排ガス温度センサからの後処理装置入口排ガス温度が入力されるとともに該後処理装置入口排ガス温度であって再生時目標排ガス温度より低い所定の目標排ガス温度が設定され、前記目標排ガス温度と前記後処理装置入口排ガス温度との排ガス温度偏差を算出し、該排ガス温度偏差に基づき、前記吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方の開度をフィードバック制御するＰＩＤ制御器とを備え、
該ＰＩＤ制御器によって設定された前記吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方のバルブ開度を保持しつつ、前記目標排ガス温度に達した後、前記再生時燃料噴射弁からの再生時燃料噴射量を予め設定した噴射量に一定制御することを特徴とする（請求項１）。

また、本発明は、前記ＤＰＦ再生制御装置において、
前記排気通路の後処理装置入口の排ガス温度を検出する排ガス温度センサと、前記排ガス温度センサからの後処理装置入口排ガス温度が入力されるとともに該後処理装置入口排ガス温度であって再生時目標排ガス温度より低い所定の目標排ガス温度が設定され、前記目標排ガス温度と前記後処理装置入口排ガス温度との排ガス温度偏差を算出し、前記排ガス温度偏差により、前記吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方の開度をフィードバック制御して設定するＰＩＤ制御器とを備え、該ＰＩＤ制御器によって設定された前記吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方のバルブ開度を保持して前記ＤＰＦの上流側に設置された前段触媒の昇温準備を行いその開度を保持しつつ、その後、前記ディーゼルエンジンのメイン燃料噴射時期よりも一定時期遅れて燃料の第１回目の噴射を行うアーリーポスト噴射と、該アーリーポスト噴射後に第２回目の噴射を行うレイトポスト噴射とを行うように構成したことを特徴とする（請求項２）。

本発明によれば、コントローラによって、後処理装置入口排ガス温度であって再生時目標排ガス温度より低い所定の目標排ガス温度と排ガス温度センサからの後処理装置入口排ガス温度との排ガス温度偏差を算出し、該排ガス温度偏差に基づき、前記吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方の開度を制御するとともに、ＤＰＦの上流入口部に燃料を噴射する再生時燃料噴射弁からの再生時燃料噴射量を予め設定した噴射量に一定制御するので、
目標排ガス温度と後処理装置入口排ガス温度検出値との排ガス温度偏差つまり目標排ガス温度になるように、吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの開度をフィードバック制御することにより、前記両バルブの個体差や環境条件（外気温度）の変化によって排気温度の上昇に差が出るのを防止できる。
また、ＤＰＦの上流入口部に燃料を噴射する再生時燃料噴射弁からの再生時燃料噴射量を予め設定した噴射量に一定制御するので、再生時燃料噴射量を排ガス温度が常時再生時目標排ガス温度範囲になるように、制御することができる。

これにより、排ガス温度を、吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの開度並びに再生時燃料噴射量と、総合的な制御を実現可能となり、ＤＰＦ再生時の排気温度を適正に保持して、ＤＰＦの再生を効果的に行うことができる。

また本発明によれば、コントローラによって、後処理装置入口排ガス温度であって再生時目標排ガス温度より低い所定の目標排ガス温度と排ガス温度センサからの後処理装置入口排ガス温度との排ガス温度偏差を算出し、該排ガス温度偏差に基づき、前記吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方の開度を設定して、前記双方のバルブの開度をかかる開度に保持して前記ポスト噴射を行い、後処理装置入口排ガス温度を前記目標排ガス温度に保持するように構成し、前記ポスト噴射を、前記ディーゼルエンジンのメイン燃料噴射時期よりも一定時期遅れて燃料を第１回目の噴射を行うアーリーポスト噴射と、該アーリーポスト噴射後に第２回目の噴射を行うレイトポスト噴射により構成したので、
前記排ガス温度偏差がゼロつまり目標排ガス温度になるように、吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの開度をフィードバック制御して、双方のバルブの開度をかかる開度に保持して前記ポスト噴射を行うので、排気温度を常時再生時目標排ガス温度に保持することができる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明に第１実施例にかかるＤＰＦ装置を備えたディーゼルエンジンの吸、排気系統の構成図である。この第１実施例においてはコモンレール噴射装置を備えないエンジンを示す。
図１において、エンジンの吸気口から吸気管３に吸入された吸気は、吸気スロットルバルブ４で開度を制御された後、エンジン１００に吸気される。
エンジン１００においては、燃料ポンプ２にて高圧に加圧された高圧燃料が燃料噴射弁３３から噴射され、前記空気との混合によって燃焼される。この燃焼ガス即ち排ガスは排気管１３を通って、軽油噴射弁７を経てＤＰＦ装置５０に送り込まれる。そしてＤＰＦ装置５０にてＰＭを燃焼させた後の排ガスは、排気スロットルバルブ５で開度を制御されてから外気に排出される。

前記ＤＰＦ装置５０は図６と同様の構造であり、図６において、１３はエンジン（図示省略）の排気ポートに連通される排気管、５０は該排気管１３に接続されるＤＰＦ装置である。該ＤＰＦ装置５０は、ＤＰＦ本体２１内に収納されたＤＰＦ１と該ＤＰＦ１の上流側に設置された前段酸化触媒３が設置されている。
エンジンからの排気ガスは、排気管１３から入口室４１を通って前段酸化触媒３に入り、この前段酸化触媒３で酸化され、そのとき発生する酸化熱でＤＰＦ１が６００〜６５０℃に上昇し、該ＤＰＦ１に堆積したＰＭを燃焼させ、燃焼ガスは出口室５１から外部に排出される。
図６において、Ｐ１がＤＰＦ１の入口圧力、Ｔ１がＤＰＦ１の入口温度、Ｐ２がＤＰＦ１の出口圧力、Ｔ２がＤＰＦ１の出口温度である。

本発明は、かかるディーゼルエンジン特にコモンレール噴射装置を備えないディーゼルエンジンに好適なＤＰＦ再生制御装置に関するものである。
図１において、７は再生時燃料噴射弁で、前記排気管１３のＤＰＦ装置５０の上流入口部に燃料を噴射するものである。８は前記排気管１３の再生時燃料噴射弁７の入口の排ガス温度を検出する排ガス温度センサである。前記ＤＰＦ装置５０および前記再生時燃料噴射弁７によって排気通路の後処理装置を構成し、該後処理装置の入口の排ガス温度を排ガス温度センサ８によって検出している。
２０はコントローラで、前記排ガス温度センサ８で検出された温度から排気管１３内の排ガス温度の値が入力され、その入力信号に基づき前記吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５に開度信号を出力するとともに、再生時燃料噴射弁７に燃料噴射信号を出力する。

次に、図２は、前記実施例におけるＤＰＦ再生制御装置の制御ブロック図である。
図２において、排ガス温度センサ８からの前記再生時燃料噴射弁７の入口の排ガス温度の検出値は、コントローラ２０の排ガス温度偏差算出部２２に入力される。２１は目標排ガス温度算出部で、ＤＰＦ再生を実施するエンジン運転条件において、ＤＰＦ１再生を実施するのに最適な目標排ガス温度が設定されている。
前記排ガス温度偏差算出部２２においては、後処理装置入口排ガス温度であって再生時目標排ガス温度より低い所定の目標排ガス温度と現状の排ガス温度の検出値との偏差を算出し、ＰＩＤ制御器２３に入力する。

ＰＩＤ制御器２３においては、前記排ガス温度偏差をゼロにする目標排ガス温度に相当する吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５の開度の組み合わせを算出して、前記吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５に出力する。
また、ＰＩＤ制御器２３においては、前記吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５の開度を保持して前段触媒の昇温準備を行いその開度に保持し、あと予め設定した再生時の噴射量を一定に制御する。そして係る一定制御の噴射量を再生時の燃料噴射量として再生時燃料噴射弁７に出力する。
尚、図３は、かかる実施例における排ガス温度の上昇度合いを示す線図である。

即ち、前記ＰＩＤ制御器２３においては、吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５の開度、及び再生時燃料噴射弁７による燃料噴射量を制御して、排ガス温度を再生時目標排ガス温度に保持する。

以上のように、かかる実施例によれば、後処理装置入口排ガス温度であって再生時目標排ガス温度より低い所定の目標排ガス温度と後処理装置の入口の排ガス温度検出値、つまり再生時燃料噴射弁７の入口の排ガス温度の検出値との排ガス温度偏差が、目標排ガス温度になるように、吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５の開度をフィードバック制御することにより、前記両バルブ４、５の個体差や環境条件（外気温度）の変化によって排気温度の上昇に差が出るのを防止できる。
また、ＤＰＦ１の上流入口部に燃料を噴射する再生時燃料噴射弁７からの再生時燃料噴射量を予め設定した噴射量に一定制御するので、再生時燃料噴射量を排ガス温度が常時再生時目標排ガス温度範囲になるように、制御することができる。

本発明の第２実施例においては、図１のように、再生時燃料噴射弁７を備えず、図４（Ａ´）のように、エンジンの燃料噴射弁３３によるメイン噴射の後に、アーリーポスト噴射と、該アーリーポスト噴射後に第２回目の噴射を行うレイトポスト噴射とを行うようにしている。

従来は、図４（Ｂ）にように、吸気スロットルバルブ４と排気スロットルバルブ５の絞りによる制御と、アーリーポスト噴射と、該アーリーポスト噴射後に第２回目の噴射を行うレイトポスト噴射とを個別に制御して、強制再生処理を行っていた。
この第２実施例の場合は、図５に示すような、第１実施例と同様に、前記排ガス温度センサ８からの前記後処理装置の入口の排ガス温度検出値、つまり再生時燃料噴射弁７の入口の排ガス温度の検出値は、排ガス温度偏差算出部２２に入力される。２１は目標排ガス温度算出部で、ＤＰＦ再生を実施するエンジン運転条件において、ＤＰＦ１再生を実施するのに最適な目標排ガス温度が設定されている。

そして、前記排ガス温度偏差算出部２２においては、後処理装置入口排ガス温度であって再生時目標排ガス温度より低い所定の目標排ガス温度と現状の排ガス温度の検出値との偏差を算出し、ＰＩＤ制御器２３に入力する。
該ＰＩＤ制御器２３においては、前記吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５の双方の開度を設定して、図４（Ａ）のように、前記双方のバルブの開度をかかる開度に保持して前段触媒３の昇温準備を行いその開度に保持し、あとディーゼルエンジンのメイン燃料噴射時期よりも一定時期遅れて燃料を第１回目の噴射を行うアーリーポスト噴射と、該アーリーポスト噴射後に第２回目の噴射を行うレイトポスト噴射を行うように構成した。

これにより、再生時目標排ガス温度になるように、吸気スロットルバルブ４及び排気スロットルバルブ５の開度をフィードバック制御して、双方のバルブ４，５の開度をかかる開度に保持して前記ポスト噴射を行うので、排気温度を常時再生時目標排ガス温度に保持することができる。

本発明によれば、ＤＰＦ再生時の排気温度と、吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの開度とを関連付けてフィードバック制御するとともに、排気温度とＤＰＦ再生時の軽油噴射量あるいはポスト噴射条件の総合的な制御を実現可能として、ＤＰＦ再生時の排気温度を適正に保持して、ＤＰＦの再生を効果的に行うＤＰＦ再生制御装置を提供できる。

本発明の第１実施例にかかるＤＰＦ装置を備えたディーゼルエンジンの吸、排気系統の構成図である。前記実施例におけるＤＰＦ再生制御装置の制御ブロック図である。本発明の第２実施例排ガス温度上昇線図である。（Ａ）は第２実施例における制御ブロック図、（Ｂ）が従来例を示す。前記第２実施例におけるＤＰＦ再生制御装置の制御ブロック図である。代表的なＤＰＦ装置の縦断面図である。（Ａ）は、ＤＰＦ装置を備えたディーゼルエンジンの吸、排気系統の構成図、であり、（Ｂ）は吸気スロットルバルブと排気スロットルバルブの開度状況の説明図である。

１ＤＰＦ
２燃料ポンプ
３前段酸化触媒
４吸気スロットルバルブ
５排気スロットルバルブ
７再生時燃料噴射弁
８排ガス温度センサ
１３排気管
２０コントローラ
２３ＰＩＤ制御器
５０ＤＰＦ装置
１００エンジン

Claims

エンジンの排気ポートに連なる排気通路に排ガス中のＰＭ（パティキュレート（微小固形物））を除去するＤＰＦ（黒煙除去装置）と、エンジンの吸気通路に該吸気通路の通路面積を制御する吸気スロットルバルブと、前記エンジンの排気通路の前記ＤＰＦよりも下流側に排気通路の通路面積を制御する排気スロットルバルブと、前記ＤＰＦの上流入口部に燃料を噴射する再生時燃料噴射弁とを備え、前記ＤＰＦに堆積されたＰＭを前記再生時燃料噴射弁からの燃料により燃焼、除去させるＤＰＦ再生制御装置において、
前記排気通路の後処理装置入口の排ガス温度を検出する排ガス温度センサと、前記排ガス温度センサからの後処理装置入口排ガス温度が入力されるとともに該後処理装置入口排ガス温度であって再生時目標排ガス温度より低い所定の目標排ガス温度が設定され、前記目標排ガス温度と前記後処理装置入口排ガス温度との排ガス温度偏差を算出し、該排ガス温度偏差に基づき、前記吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方の開度をフィードバック制御するＰＩＤ制御器とを備え、
該ＰＩＤ制御器によって設定された前記吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方のバルブ開度を保持しつつ、前記目標排ガス温度に達した後、前記再生時燃料噴射弁からの再生時燃料噴射量を予め設定した噴射量に一定制御することを特徴とするＤＰＦ再生制御装置。
ディーゼルエンジンの排気ポートに連なる排気通路に排ガス中のＰＭ（パティキュレート（微小固形物））を除去するＤＰＦ（黒煙除去装置）と、前記エンジンの吸気通路に該吸気通路の通路面積を制御する吸気スロットルバルブと、前記エンジンの排気通路の前記ＤＰＦよりも下流側に排気通路の通路面積を制御する排気スロットルバルブとを備え、ディーゼルエンジンのメイン燃料噴射時期よりも一定時期遅れて燃料を噴射するポスト噴射を行い、前記ＤＰＦに堆積されたＰＭを前記ポスト噴射による燃料により燃焼、除去させるＤＰＦ再生制御装置において、
前記排気通路の後処理装置入口の排ガス温度を検出する排ガス温度センサと、前記排ガス温度センサからの後処理装置入口排ガス温度が入力されるとともに該後処理装置入口排ガス温度であって再生時目標排ガス温度より低い所定の目標排ガス温度が設定され、前記目標排ガス温度と前記後処理装置入口排ガス温度との排ガス温度偏差を算出し、前記排ガス温度偏差により、前記吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方の開度をフィードバック制御して設定するＰＩＤ制御器とを備え、該ＰＩＤ制御器によって設定された前記吸気スロットルバルブ及び排気スロットルバルブの双方のバルブ開度を保持して前記ＤＰＦの上流側に設置された前段触媒の昇温準備を行いその開度を保持しつつ、その後、前記ディーゼルエンジンのメイン燃料噴射時期よりも一定時期遅れて燃料の第１回目の噴射を行うアーリーポスト噴射と、該アーリーポスト噴射後に第２回目の噴射を行うレイトポスト噴射とを行うように構成したことを特徴とするＤＰＦ再生制御装置。