JP5440385B2 - 排ガス浄化システム - Google Patents

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本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集すると共にＮＯｘを浄化して排気する排ガス浄化システムに係り、特にＤＰＤを自動再生時に増・減速された際の排ガス浄化システムに関するものである。
ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化して排気する排ガス浄化システムとして、排気管にＤＰＤ（Diesel Particulate Defuser）及びＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択触媒還元）装置を接続した排ガス浄化システムが開発されている。
この排ガス浄化システムでは、ＤＰＤで、排気ガス中のＰＭを捕集する。また、排ガス浄化システムでは、ＳＣＲ装置を備えたＳＣＲシステムで、尿素タンクに貯留された尿素水をＳＣＲの排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱でアンモニアを生成し、このアンモニアによって、ＳＣＲ触媒上でＮＯｘを還元して浄化する（例えば、特許文献１、２参照）。
ＤＰＤで捕集したＰＭは、フィルタの目詰まりの原因となるため、捕集堆積したＰＭを適宜酸化させ、除去して再生する必要がある。
この目詰まりの検出は、排気圧センサがＤＰＤ前後の差圧を検知し、その差圧が上限値に達したときに、ＥＣＵ（Engine Control Unit）が自動的に、或いは手動で行う場合には、キャビン内に設けられたＤＰＤ警告灯を点灯し、ドライバーが再生実行スイッチを押すことで、ＤＰＤ再生が開始される。
ＤＰＤは、未燃焼燃料を酸化する活性触媒からなるＤＯＣと排ガス中のＰＭを捕集するＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）からなり、ＤＰＤ再生の際には、燃料のマルチ噴射（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射）を行って排気温度をＤＯＣの触媒活性温以上に上げた後、ポスト噴射を追加して、排気温度を５００℃以上に上昇させ、この高温の排気ガスでＣＳＦに捕集されたＰＭを燃焼させ、除去して再生するものである。
ＤＰＤ再生は、走行中に自動再生を行う場合と、車を停止してアイドル回転で手動再生する場合とがある。通常は走行中に自動再生するが、ポスト噴射により、気筒の潤滑油中に燃料油が混入し、潤滑油のダイリューション（希釈）が生じるため、手動再生にてダイリューション量を低減するようになっている。
また走行中の自動再生で、車の停止時には、アイドル回転でも再生できるように排気ブレーキバルブを閉じて排気温度の低下を防止して、再生を継続するようにしている。
この自動再生は、ＤＯＣの下流側に設けた排気温度センサでＣＳＦに流入する排ガス温度を検知し、その排ガス温度と再生目標温度との偏差を求め、その偏差に基づいて再生目標温度となるようポスト噴射量がＰＩＤ制御される。
特開２０００−３０３８２６号公報 特許第４１７５２８１号公報
この走行自動再生に、急加速と排気ブレーキバルブを閉じる急減速を繰り返すような場合、加速時におけるターボで、ブースト圧が急激に立ち上がってしまい、ＤＰＤを通過する空気量が急増大し、ＤＰＤ内部を掃気してしまい、ポスト噴射を行っていても、ＤＰＤ温度が低下してしまう。また例えば、下り坂などでの減速で排気ブレーキバルブを閉じたときや、急加速から急減速が行われ排気ブレーキ中には排ガス量が減るため、ＰＩＤ制御によるポスト噴射制御の追従性が悪くなってしまう。
そこで従来においては、このような運転状況下では、燃料噴射量が所定値量まで低下したときや排気ブレーキバルブが閉じられたときに、ポスト噴射を停止し、排気ブレーキバルブが開になったときや走行が安定したときに、新たにＰＩＤ制御でポスト噴射を行って走行自動再生を行うようにしている。
しかしながら、走行自動再生中の減速のたびにポスト噴射を停止し、再度ＰＩＤ制御でポスト噴射を行ったのでは、積分制御項が、直前まで積分した操作量をゼロとして、再度偏差を積分をしなおすため、排気ガス温度を目標再生温度に昇温するまでに時間がかかってしまい自動再生時間が長くなってしまう問題がある。
また、同様に排気ブレーキバルブを閉じたときに、ポスト噴射を停止する場合でも、ＰＩＤ制御がそのたびに新たに繰り返されるため、適正なポスト噴射量に制御することは困難となる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、走行自動再生において、加速・減速が繰り返されたり、排気ブレーキバルブが閉じられても、ＰＩＤ制御によるポスト噴射を的確に制御できる排ガス浄化システムを提供することにある。
上記目的を達成するために請求項１の発明は、ディーゼルエンジンの排気管に排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＤを接続し、前記ＤＰＤのＰＭ量が一定量以上になったとき、ポスト噴射を行ってディーゼルエンジンの排ガス温度を上昇させてＤＰＤを自動再生する排ガス浄化システムにおいて、自動再生する際の排ガス温度を検知し、検出した排ガス温度と再生目標温度との偏差を求め、この偏差に基づいて、ポスト噴射量をＰＩＤ制御するに際して、走行自動再生時に排気ブレーキバルブが閉じられたときに、ポスト噴射を停止し、排気ブレーキが閉じられている間、ＰＩＤ制御で積分制御項の演算を継続し、排気ブレーキバルブが開にされたとき、継続して演算された積分制御項を初期操作量とすることを特徴とする排ガス浄化システムである。
請求項２の発明は、前記排気ブレーキバルブが開で、減速されたとき、ＰＩＤ制御でポスト噴射を継続して行う請求項１記載の排ガス浄化システムである。
請求項３の発明は、減速後に停車したとき、ＰＩＤ制御をリセットする請求項１記載の排ガス浄化システムである。
本発明によれば、走行自動再生時の運転状況に応じてポスト噴射量をＰＩＤ制御で的確に制御できるという優れた効果を発揮するものである。
本発明の一実施の形態を示す全体構成図である。 本発明における自動再生時の制御チャートを示す図である。 本発明における自動再生時の走行自動再生とアイドル自動再生時の制御チャートを示す図である。 本発明と従来における走行自動再生時のポスト噴射と排気ブレーキバルブとＰＩＤ制御の積分制御項と排ガス温度の関係を説明するチャートで、（ａ）は本発明、（ｂ）は従来例のチャートである。
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１において、ディーゼルエンジン１０の吸気マニホールド１１と排気マニホールド１２は、過給機１３のコンプレッサ１４とタービン１５にそれぞれ連結され、上流側吸気管１６ａからの空気がコンプレッサ１４で昇圧され、下流側吸気管１６ｂのインタークーラ１７を通って冷却されて吸気スロットルバルブ１８を介して吸気マニホールド１１からディーゼルエンジン１０に供給され、ディーゼルエンジン１０からの排気ガスは、タービン１５を駆動した後、排気管２０に排気される。
上流側吸気管１６ａには、吸気量を測定するエアマスフローセンサ（ＭＡＦ）１９が設けられ、そのエアマスフローセンサ（ＭＡＦ）で、吸気スロットルバルブ１８の開度が制御されて吸気量が調整される。また排気管２０と上流側吸気管１６ａには排気ガスの一部をエンジン１０の吸気系に戻してＮＯｘを低減するためのＥＧＲ管２１が接続され、そのＥＧＲ管２１にＥＧＲクーラ２２とＥＧＲバルブ２３とが接続される。
排気管２０には、排気ブレーキバルブ２４、ＤＰＤ２５、排気スロットルバルブ２６、サイレンサー２７が接続される。ＤＰＤ２５は、未燃焼燃料を酸化する活性触媒からなるＤＯＣ２８と排ガス中のＰＭを捕集するＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）２９からなる。また図には示していないが、排気スロットルバルブ２６とサイレンサー２７間に、ＮＯｘをアンモニアで脱硝するＳＣＲ装置が接続される。
ＤＯＣ２８の前後には、排ガス温度センサ３０ａ、３０ｂが設けられ、ＣＳＦ２９のＰＭ堆積量を検出する差圧センサ３１が設けられ、これら検出値がＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）３２に入力される。
ＥＣＵ３２には、エンジンの回転数を検出する回転センサ３３の検出値、車速センサ３４の検出値、大気圧センサ３５の検出値が入力される。
ＥＣＵ３２は、走行中、アクセル開度に応じて燃料インジェクタ３８での燃料噴射量を制御すると共に、吸気スロットルバルブ１８、排気ブレーキバルブ２４、排気スロットルバルブ２６を適宜制御するようになっている。
この排ガス処理システムにおいて、ＥＣＵ３２は、ＣＳＦ２９の前後の差圧を検出する差圧センサ３１の検出値により、ＤＰＤ２５にＰＭが一定量堆積した判断したとき、又は前回の再生後からの走行距離が所定値に達したときに、ディーゼルエンジン１０からの排ガス温度を昇温してＰＭを燃焼させて再生するようになっている。
この再生は、ＤＯＣ２８の触媒活性温度以上になるよう、燃料インジェクタ３８でマルチ噴射（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射）を行った後、ポスト噴射を行って排ガス温度を５００℃程度に昇温してＰＭを燃焼させるものであり、通常は走行中に自動再生するが、ポスト噴射により、気筒の潤滑油中に燃料油が混入し、潤滑油のダイリューション（希釈）が生じるため、手動再生にてダイリューション量を低減するようになっている。
さて、自動再生する際のＥＣＵ３２の制御チャートを図２により説明する。
自動再生する際には、ＥＣＵ３２は、吸気スロットルバルブ１８を絞り、ＥＧＲバルブ２３を閉じ、マルチ噴射を行って排気ガス温度を触媒活性温度に昇温してＤＯＣ２８の触媒活性温度を上げ、次にマルチ噴射にポスト噴射を加えて排ガス温度を５００℃程度に昇温してＰＭを燃焼させてＤＰＤ２５を再生する。再生終了後は、吸気スロットルバルブ１８とＥＧＲバルブ２３を通常制御に戻す。
この自動再生中、車が信号待ちなどで停車しているときには、エンジン回転を通常アイドル回転（低１）から、変速機のギヤがニュートラルのときには再生アイドル回転数を通常より高い回転数（高）とし、ギヤインのときには、停止から走行する際の急発進を防止するために再生アイドル回転数を、ギヤがニュートラルのときより低い回転数（低２）に設定される。また自動再生中は、ＥＣＵ３２が自動再生警告ランプ３６ｂを点灯させる。
図３は自動再生する際の排ガス目標温度とポスト噴射量の積算値と再生時間をカウントするチャートを示したものである。
先ず、マルチ噴射からポスト噴射に切り替えてＤＰＤを再生する際には、排ガス温度を昇温すると堆積したＰＭが一気に燃焼するのを防止すべく、例えば、初期の再生目標温度を５００℃程度とし、ＤＰＤ内のＰＭをある程度燃焼させたならば、目標温度を変更して最終再生目標温度を、初期再生目標温度より高い温度、例えば６００℃程度になるようにポスト噴射量を制御する。
この際、ＥＣＵ３２は、初期の再生目標温度Ｔａに対して図示の点線示した低いＰＭ燃焼判定温度ＴａPMを設定し、そのＰＭ燃焼判定温度ＴａPM以上に排ガス温度が高いときにはＰＭが燃焼されているとして、その時間を積算し、その積算時間が例えば２〜５分となったときには、次の最終再生目標温度Ｔｂに変更し、その最終再生目標温度Ｔｂに対して同じく低いＰＭ燃焼判定温度ＴｂPMを設定し、そのＰＭ燃焼判定温度ＴｂPM以上に排ガス温度が高いときにはＰＭが燃焼されているとして、その時間を積算し、その積算時間が例えば、温度変更から３〜１０分となったときに再生完了とする。
また、ＥＣＵ３２は、排ガス温度がＰＭ燃焼判定温度ＴａPM、ＴｂPM以上に上がる時間が少なく、積算時間をカウントしない場合には、ポスト噴射量を積算した値がエンジン噴射可能上限値以上となったときには、再生未完了と判断する。
この自動再生中に再生目標温度Ｔａ、Ｔｂに対して高い、ポスト噴射可能上限温度ＴａL、ＴｂLを設定し、排ガス温度が、ポスト噴射可能上限温度ＴａL、ＴｂL以上のときには、ＤＰＤ溶損防止のためポスト噴射を中止する。
なお、手動再生する際には、ＥＣＵ３２が手動再生警告ランプ３６ａを点滅させて手動再生を警告し、この警告を受けて、運転手が、車を停止させると共に、ＤＰＤ手動再生実行スイッチ３７を押すことで手動再生が開始される。
手動再生の際には、ＥＣＵ３２は、エンジン回転数をアイドル回転から再生アイドル回転数に上げ、吸気スロットルバルブ１８を絞り、ＥＧＲバルブ２３を閉じると共に排気ブレーキバルブ２４を閉じて、マルチ噴射を行って排気ガス温度を昇温し、昇温後に、排気ブレーキバルブ２４を開とすると共に排気スロットルバルブ２６を閉じて、マルチ噴射にポスト噴射を加えて排ガス温度を、５００℃程度に昇温してＰＭを燃焼させてＤＰＤ２５を再生する。この手動再生でも、図３で説明した再生目標温度Ｔａ、Ｔｂを設定すると共に同様に再生時間をカウントする。
次に、ポスト噴射量のＰＩＤ制御について説明する。
先ず自動再生中に図１で説明した排ガス温度センサ３０ｂで排ガス温度が検知され、ＥＣＵ３２は、上述した再生目標温度Ｔａ、Ｔｂと排ガス温度の偏差ｅを求めその偏差に基づいてＰＩＤ制御により、燃料インジェクタ３８によるポスト噴射の操作量Ｍを決定する。
この操作量Ｍは、下式で表される。
Ｍ＝Ｋｐ・ｅ＋Ｋｉ・（１／Ｔｉ）・∫ｅｄｔ＋Ｋｄ・Ｔｄ（ｄｅ／ｄｔ）
上式中、Ｋｐは、比例制御の比例定数、Ｋｉは積分制御の比例定数、Ｋｄは微分制御の比例定数、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間、ｔは時間である。
ここで、操作量Ｍは、比例制御項と積分制御項と微分制御項の総和で決定される。実際のポスト噴射量は、この操作量Ｍにベース項の操作量を足し合わせて、燃料インジェクタ３８の燃圧と開弁時間にて決定される。
このＰＩＤ制御で、走行自動再生中は、エンジン回転数も高いため、ポスト噴射量に見合って排ガス温度を高くすることができるため、再生目標温度Ｔａ、Ｔｂに正確に制御することができる。
この自動再生中に、車が急加速や急減速を繰り返したり、或いは下り坂を走行して排気ブレーキバルブを運転手が閉としたときには、ポスト噴射を継続するとＤＰＤ２５内の温度が急上昇してポスト噴射可能上限温度ＴａL、ＴｂLを超えるおそれが生じるためポスト噴射を行わないようにする。
従来においては、図４（ｂ）に示すように、排気ブレーキバルブが閉じられたとき、ポスト噴射を停止し、同時にＰＩＤ制御も停止し、排気ブレーキバルブが開いたときに、再度ＰＩＤ制御によりポスト噴射を行うようにしているが、この場合、ＰＩＤ制御の積分制御項は、ＰＩＤ制御停止で、ゼロリセットされるめ、ＰＩＤ制御開始から再度偏差ｅを積分することとなり、その後、排気ブレーキバルブが閉じられると、積分制御項を再度ゼロリセットするため、ポスト噴射量の適正な制御が行われずに、排ガス温度が、排気ブレーキバルブの閉のたびに下がり、再生目標温度Ｔａ、Ｔｂに制御することができず、再生時間がかかったり、再生未完了となる問題がある。
そこで本発明は、図４（ａ）に示すように、排気ブレーキバルブが閉じられたとき、ポスト噴射を停止するものの、ＰＩＤ制御だけは、リセットせずに継続するようにしたものである。これにより、急加速・急減速を繰り返し、排気ブレーキバルブが頻繁に開閉されても、積分制御項は偏差ｅを積分し続けるため、排気ブレーキバルブが開となったときに、その積分制御項の操作量が、ＰＩＤ制御の初期操作量としてポスト噴射量に加わるため、排ガス温度を、再生目標温度Ｔａ、Ｔｂに維持することが可能となる。
また従来においては、急加速後に、アクセルを離して減速した場合、燃料噴射量の総量が所定値に下がる際にポスト噴射を停止し、同時にＰＩＤ制御もゼロリセットし、その後燃料噴射量の総量が所定値以上に上がったときに、再度ＰＩＤ制御によりポスト噴射していたが、この制御では、排気温度が増減速のたびに上下する不具合があるが、本発明においては、減速時に、ＰＩＤ制御を継続させることで、排気温度を再生目標温度Ｔａ、Ｔｂに維持することが可能となる。この場合、ポスト噴射は、継続するようにし、減速から車が停止したときに積分制御項をゼロリセットすることで、その後の発進でも支障なく適正なＰＩＤ制御が行える。
以上本発明は、走行自動再生時にＰＩＤ制御でポスト噴射量を制御する際に、急減速で排気ブレーキを閉じてポスト噴射を停止しても、ＰＩＤ制御を継続させて積分制御項で偏差を積分することで、減速後の再加速でも適正にポスト噴射量をＰＩＤ制御することができる。
１０ ディーゼルエンジン
２０ 排気管
２４ 排気ブレーキバルブ
２５ ＤＰＤ
３２ ＥＣＵ
３３ 回転センサ
３５ 大気圧センサ

Claims (3)

  1. ディーゼルエンジンの排気管に排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＤを接続し、前記ＤＰＤのＰＭ量が一定量以上になったとき、ポスト噴射を行ってディーゼルエンジンの排ガス温度を上昇させてＤＰＤを自動再生する排ガス浄化システムにおいて、自動再生する際の排ガス温度を検知し、検出した排ガス温度と再生目標温度との偏差を求め、この偏差に基づいて、ポスト噴射量をＰＩＤ制御するに際して、走行自動再生時に排気ブレーキバルブが閉じられたときに、ポスト噴射を停止し、排気ブレーキが閉じられている間、ＰＩＤ制御で積分制御項の演算を継続し、排気ブレーキバルブが開にされたとき、継続して演算された積分制御項を初期操作量とすることを特徴とする排ガス浄化システム。
  2. 前記排気ブレーキバルブが開で、減速されたとき、ＰＩＤ制御でポスト噴射を継続して行う請求項１記載の排ガス浄化システム。
  3. 減速後に停車したとき、ＰＩＤ制御をリセットする請求項１記載の排ガス浄化システム。
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