JP5609139B2

JP5609139B2 - Ｄｐｆの再生制御方法

Info

Publication number: JP5609139B2
Application number: JP2010033870A
Authority: JP
Inventors: 和生大角
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: JP2011169235A

Description

本発明は、車両の排気管に接続されたＤＰＦの目詰まりを的確に判断してＤＰＦを再生するためのＤＰＦの再生制御方法に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるＰＭ（パティキュレートマター；粒状物質）の浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気管にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を接続し、そのＤＰＦでＰＭを捕集して、排気ガスを浄化して大気へ排出するものである。

このＤＰＦで、捕集された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を定期的に酸化させ、除去して再生する必要がある。

このＤＰＦの目詰まりの検出は、排気圧センサがＤＰＦ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（エンジンコントロールユニット）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ＤＰＦ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、ＤＰＦの再生が開始される。

再生は、排気温度を６００℃に上昇させ、この高温の排気ガスでＤＰＦ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。

この再生は、エンジンの排気側の排気スロットルバルブが開で、噴射パターンをプレ噴射とメイン噴射のマルチ噴射を行っている際に、排気スロットルバルブを閉じ、メイン噴射の前後にプレ噴射とアフター噴射を追加して増量したマルチ噴射（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射）を行うことで、排気ガス温度が上昇し、ＤＰＦ内の酸化触媒の活性温度（２５０℃）以上に上げ、その後、マルチ噴射（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射）に、ポスト噴射を追加することで、ＤＰＦ内の酸化触媒による触媒燃焼で排気ガスを６００℃まで温度を上昇させて、ＰＭを燃焼させている。

この再生運転においては、ＤＰＦを再生する時期を的確に判定することが重要である。

従来の技術では、特許文献１〜４に示されるように、ＤＰＦの前後の差圧とＰＭ堆積量の関係を事前に把握して、マップやモデルを使って適宜差圧による再生時期の判断を行っていた。

しかし、ＤＰＦに堆積するＰＭはＳＯＦ（有機溶剤可溶分）とＳＯＯＴ（煤）の割合により堆積状態が異なり必ずしも差圧とＰＭ堆積量の関係が一定にならない問題があった。そのため、再生時期の判断が厳密に行えない場面が生じている。

特許第３９５１６１９号公報特許第４１００４４８号公報特許第４１４０６４０号公報特許第４２３２５５６号公報

すなわち、図７は、車両から排出され、ＤＰＦに堆積した試料Ａ〜ＣのＰＭの表面ＳＥＭ像を示したもので、図７（ａ）は、ＳＯＦ５０％の試料Ａ、図７（ｂ）はＳＯＦ２５％の試料Ｂ、図７（ｃ）は、ＳＯＦ５％以下の試料Ｃを示している。

図７からわかるように、ＰＭは、使用条件でＳＯＦとＳＯＯＴの割合が一定ではなく、ＳＯＦの割合が多いと気孔が少なく、ＳＯＦの割合が少ないと気孔が多くなる。このように、ＳＯＦ量の違いは堆積形態（緻密さ）の大きい差異となって表れる。これが差圧判定のばらつき要因となる。

このため、ＳＯＦ量が多いＰＭでは、ＳＯＯＴが少ないため、過度にＤＰＦの再生運転が行われ、ＳＯＦ量が少ない時には、ＳＯＯＴの除去が不十分な再生となってしまい的確な再生運転が行えない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＤＰＦ前後の差圧を判定する前に、差圧のばらつき要因となるＳＯＦ量の違いを取り除く前処理を行うことで、再生時期の判断を精密に行うことができるＤＰＦの再生制御方法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、エンジンの排気管にＤＰＦを接続し、そのＤＰＦで排気ガス中のＰＭを捕集して排気ガスを浄化して排気し、そのＤＰＦに堆積したＰＭによるＤＰＦ前後の差圧を検知し、その差圧が上限値以上となったときにＤＰＦを再生するＤＰＦの制御方法において、ＤＰＦ再生終了時から次のＤＰＦ再生までの時間をカウントすると共に、その間のＤＰＦの入口温度を検出し、そのＤＰＦ入口温度が、ＤＰＦ再生終了後からＰＭ中にＳＯＦ（有機溶剤可溶分）が生成する温度（Ｔ_SOF）以下となっているＳＯＦ時間（ｔ_L1〜n）を積算し、上記ＤＰＦ前後の差圧が上限値以上となったとき、ＰＭ中のＳＯＦを酸化除去すべく、ＳＯＦ積算時間（ｔ_L）とＰＭの酸化速度（Ｖ _SOF ）とに応じてＤＰＦの温度をＳＯＦ温度（Ｔ_SOF）以上に保つ前処理時間（ｔ）を決定し、その前処理条件でＳＯＦを酸化除去し、しかる後、ＳＯＯＴの割合の多くなったＤＰＦ前後の差圧を検知し、その差圧が上限値以上となったときに、ＤＰＦ中のＳＯＯＴを酸化除去してＤＰＦを再生することを特徴とするＤＰＦの再生制御方法である。

請求項２の発明は、前処理時間（ｔ）は、ＰＭ堆積量の判定値をＷ_PMとし、ＳＯＦ除去後のＰＭ質量をＷ_SOFとし、ＰＭの酸化速度をＶ_SOFとし、ＳＯＦ積算時間（ｔ_L）、再生間隔をｔ_oとしたとき、
ｔ＝（Ｗ_PM×Ｗ_SOF）／Ｖ_SOF×ｔ_L／ｔ_o
で決定し、
さらに前処理条件（ＰＣ）は、
ＰＣ＝Ｔ_SOF×ｔ
で設定する請求項１記載のＤＰＦの再生制御方法である。

請求項３の発明は、前処理条件は、ＤＰＦにＳＯＦ温度（Ｔ_SOF）として前記ＰＭの酸化速度（Ｖ _SOF ）が最大値を示す２５０〜３００℃の排ガスを、前処理時間（ｔ）流して行う請求項１又は２記載のＤＰＦの再生制御方法である。

本発明によれば、ＤＰＦ前後の差圧を判定する際に、先ず差圧が上限値に達した時にＳＯＦを除去する前処理運転を行い、その後、実質的にＳＯＯＴ堆積による差圧に基づいて再生時期を判断することで的確な再生運転を行うことが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ＤＰＦの再生制御方法のフローチャートを示す図である。本発明において、ＤＰＦに堆積したＰＭを加熱した時の質量変化を示す図である。本発明において、ＤＰＦに堆積したＰＭを加熱した時の酸化速度を示す図である。本発明において、ＤＰＦ再生間隔の間のＤＰＦ入口温度の経時変化の一例を示す図である。本発明と従来例におけるＤＰＦのＰＭ堆積量と圧力損失の関係を示す図である。本発明において、ディーゼルエンジン排気系に組み込まれたＤＰＦシステムを示す図である。ＤＰＦに堆積したＰＭの表面のＳＥＭ像を示す図である。

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。

先ず、図６により、本発明におけるディーゼルエンジン排気系に組み込まれたＤＰＦシステムを説明する。

図６において、ディーゼルエンジン１０には、吸気マニホールド１１と排気マニホールド１２が接続される。吸気マニホールド１１には吸気管１３が接続され、その吸気管１３に吸気スロットルバルブ１４が接続される。

排気マニホールド１２には排気管１５が接続され、その排気管１５に排気スロットルバルブ１６、ＤＰＦ１８、消音器１９が順次接続される。排気スロットルバルブ１６は、エアータンク２０からの空気圧を調整する電気式制圧切替バルブ１７で、その開度が制御される。

ＤＰＦ１８は、排気管１５を拡径したＤＰＦ本体２１内の前段に酸化触媒２２が設けられ、後段に触媒化セラミックフィルター２３が設けられて構成され、前段の酸化触媒２２で、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）やＣＯを酸化すると共にＰＭの一部を酸化し、後段の触媒化セラミックフィルター２３で、ＰＭを捕集する。

ＤＰＦ１８には酸化触媒２２の前後の排気ガス温度を検出する排気温度センサ２４，２５が設けられ、また触媒化セラミックフィルター２３の前後の排気ガスの差圧を検出する排気圧力センサ２６が設けられ、これらの検出値がＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）３０に入力される。

ＥＣＵ３０には、車速センサ２７からの車速、各種センサ２８からエンジン回転数やエンジン冷却水温度が入力され、これらに基づいてＥＣＵ３０が、エンジン１０の燃料噴射量を決定すると共に、各種マルチ噴射パターン（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射、ポスト噴射）を適宜選択して燃料を噴射すべく燃料噴射装置（図示せず）を制御する。

また、ＥＣＵ３０は、排気圧力センサ２６で検出した差圧と排気温度センサ２４，２５の検出値に基づいて、吸気スロットルバルブ１４の開度を制御し、また電気式制圧切替バルブ１７に開度信号を出力して排気スロットルバルブ１６の開度を制御して、エンジン１０に供給する吸気量とエンジン１０からの排気ガス量を調整し、その排気ガス温度を制御することで、ＤＰＦ１８に流入する排気ガス温度を上昇させてＤＰＦ１８を連続再生運転できるようになっている。

本発明において、ＥＣＵ３０は、排気圧力センサ２６で検出した差圧が上限値（ΔＰ_limit）以上のときに、再生運転する前に、ＤＰＦ１８に堆積したＰＭ中のＳＯＦ量をＤＰＦの入口温度の経時変化から決定し、ＳＯＦを除去する前処理運転を行ってＰＭからＳＯＦを除去し、ＳＯＯＴの割合の多くなったＤＰＦ前後の差圧を検知し、その差圧が上限値（ΔＰ_limit）以上かどうかを判断することで、的確な再生時期を判断することができ、これにより、的確な再生運転を行うことができる。

以下に、本発明のＤＰＦの再生制御方法を詳細に説明する。

図７で説明したように、車両から排出されるＰＭは使用条件でＳＯＦとＳＯＯＴの割合が一定ではなく、ＳＯＦ量の違いは堆積形態（緻密さ）の大きい差異となって表れる。これが差圧判定のばらつき要因となる。

そこで、図７（ａ）の試料Ａ（ＳＯＦ量５０％）、図７（ｂ）の試料В（ＳＯＦ量２５％、図７（ｃ）の試料Ｃ（ＳＯＦ量５％以下）の示差熱分析を行った結果を図２に示す。

図２は、試料Ａ〜ＣのＰＭを示差熱分析器で熱質量分析を行ったときの温度とＰＭ質量変化を示したものである。

ＰＭを２５０〜３００℃まで加熱すると、ＰＭ質量変化は、試料Ａ＞試料Ｂ＞試料Ｃであるが、３００℃以上となると各試料Ａ〜Ｃは同じ質量変化となり、５００℃までは質量変化がなく５００℃以上となると同じ質量変化となり、６００℃でＰＭがなくなることがわかる。

そこでこの図２の結果から、試料Ａ〜Ｃは同じ質量変化となるＷ_SOFのときの温度をＴ_SOFとすると、Ｔ_SOFまでの質量減少は各試料Ａ〜ＣのＰＭの水分量とＳＯＦ分量の和の違いを示している。またＴ_SOF以上では、各ＰＭとも質量減少は一定の曲線を描くことから、Ｔ_SOF以上に、すなわちＳＯＦ除去温度に加熱すればＰＭ中の組成はほぼ均一になった（Ｗ_SOF）と考えることができる。

尚、エンジン機種により多少の幅はあるものの、ＳＯＦ除去温度Ｔ_SOFは、２５０℃〜３００℃位、Ｗ_SOFは０．２〜０．５である。

図３は、図２から算出したＰＭの酸化速度を示したものである。

図３より、ＳＯＦ分の酸化速度は、ＳＯＦ除去温度Ｔ_SOFの時に最大値（Ｖ_SOF）を示し、その後、酸化速度は遅くなり、５００℃以上でＳＯＯＴの酸化により酸化速度が上昇する結果が得られた。

以上より、ＤＰＦに堆積するＰＭ中のＳＯＦ量にバラツキがあっても、ＰＭ中のＳＯＦを除去すれば、ＰＭは、図７（Ｃ）の試料ＣのようにＳＯＦ量の少ない略ＳＯＯＴからなるＰＭとすることができる。

そこで、ＰＭ中に発生するＳＯＦ量を推定することで、ＳＯＦを効率よく除去ができることがわかる。

図４は、図６で説明したＤＰＦシステムにおいて、排気温度センサ２４，２５で、ＤＰＦ再生直後から、ＰＭを捕集した際のＤＰＦ入口の温度の経時変化を示したものである。

排ガス中に発生するＳＯＦは、ＳＯＦ除去温度Ｔ_SOF以下になったときに発生し、ＳＯＦ除去温度Ｔ_SOF以上では酸化燃焼すると考えられるため、ＤＰＦ入口の温度が、ＳＯＦ除去温度Ｔ_SOF以下となる時間（ｔ_L1〜ｔ_Ln）を積算する。

すなわち、図４でＤＰＦ再生間隔（時間ｔ₀）中のＴ_SOF以下となる時間（ｔ_L）の合計は、
ｔ_L＝ｔ_L1＋ｔ_L2＋ｔ_L3＋ｔ_L4＋ｔ_L5＋ｔ_L6
となり、再生間隔の時間ｔ₀中の時間ｔ_Lは、ＰＭに含まれるＳＯＦ量を表すものとなる。

そこで、実際にＤＰＦに堆積したＰＭの組成を均質化するためにＰＭ中のＳＯＦを除去する前処理条件（ＰＣ）を説明する。

ＤＰＦに堆積したＰＭの大部分がＳＯＯＴで、差圧の上限値（ΔＰ_limit）となるときの、ＰＭ堆積量の判定値をＷ_PMとし、ＳＯＦ除去後のＰＭ質量をＷ_SOFとし、ＰＭの酸化速度をＶ_SOFとし、ＳＯＦ積算時間（ｔ_L）、再生間隔をｔ_oとしたとき、前処理時間（ｔ）は、
ｔ＝（Ｗ_PM×Ｗ_SOF）／Ｖ_SOF×ｔ_L／ｔ_o …（１）
で決定し、
また前処理条件（ＰＣ）は、
ＰＣ＝Ｔ_SOF×ｔ …（２）
で決定する。

式１中のＰＭ堆積量の判定値Ｗ_PMは、エンジンの形式とＤＰＦの形式から予め求めておき、同時にＰＭの酸化速度Ｖ_SOFも実際に酸化させた時の値を基に求めておき、これら値を図６のＥＣＵ３０に記憶させておく。またＴ_SOFは、ＥＣＵが、エンジン排気系で得られる２５０〜３００℃の値の中で適宜決定できるようにする。

このように前処理時間（ｔ）とＳＯＦ除去温度Ｔ_SOFを考慮した前処理条件（ＰＣ）を決定し、ＤＰＦを図６で説明したＤＰＦシステムで、実際にＤＰＦに流す排ガスのＳＯＦ除去温度Ｔ_SOFを調整し、これを前処理時間（ｔ）保持し、これに基づいて前処理することで、図７（ｃ）に示した試料Ｃの状態にＰＭを均質化することができ、この前処理後は、差圧の上限値（ΔＰ_limit）に達したときに、排ガス温度を６００℃とすることで、的確な再生処理が行える。

図５は、ＰＭ堆積量とＤＰＦ前後の圧力損失の関係を示したもので、線Ａは図７（ａ）に示したＳＯＦ量の試料Ａ、線Ｃは、図７（ｃ）に示したＳＯＦ量の試料Ｃを示し、図５（ａ）は本発明のＰＭ堆積量と圧力損失の関係を、図５（ｂ）は従来のＰＭ堆積量と圧力損失の関係を示している。

図５（ａ）に示すように適正なＰＭ堆積量になったときの圧力損失は、線Ａのｍａｘと線Ｃのｍｉｎでほとんど差がないものとできるのに対して、図５（ｂ）に示す従来例では、線Ａのｍａｘと線Ｃのｍｉｎとの圧力損失差が大きく、線Ａに近い状態ではＳＯＦ割合が多くなる。

このように本発明では、従来の方法ではばらつきの大きかった差圧による再生判定を行う前に、上述の前処理を加えることで精密化できる。

この本発明の再生制御方法は、図６で説明したＥＣＵ３０にプログラムされており、ＥＣＵ３０が、排気圧力センサ２６で検出した差圧と排気温度センサ２４，２５の検出値に基づいて再生時期を判断すると共に再生制御を実行するようになっている。

このＥＣＵ３０による再生制御のフローチャートを図１により説明する。

ＤＰＦ再生運転が終了し、次のＤＰＦ詰まり判定４０をスタートさせ、ＤＰＦ入口温度（Ｔ）と、時間（ｔ）の測定４１を行う。この際、時間ｔがカウントされ、そのカウント値（Σｔ₀）が、内部記憶４２される。

また温度（Ｔ）は、ｓｔｅｐ１で、Ｔ＜Ｔ _SOFかどうかが判断され、Ｔ＜Ｔ _SOFであれば、そのＴ＜Ｔ _SOFとなっている間の時間（ｔ_L＝Σｔ_Ln）が、自動的に内部記憶４３される。

次に差圧（ΔＰ）の測定４４がなされ、ｓｔｅｐ２で差圧測定した差圧（ΔＰ）が、ΔＰ_limit＞ΔＰかどうかが判断され、ΔＰ_limit＞ΔＰであれば、ＤＰＦ詰まり判定４０側に戻されて、再度、ｓｔｅｐ１で、ＤＰＦ温度（Ｔ）がＴ＜Ｔ _SOFとなっているかどうかが判断され、Ｔ＜Ｔ _SOFとなっていれば、その時間（ｔ_L）が積算される。

次にｓｔｅｐ２の判断で、ΔＰ_limit≦ΔＰとなったときに、前処理（ＰＣ）４５を行う。この際、内部記憶４２，４３に記憶された積算時間（ｔ₀）とＴ＜Ｔ _SOFとなっている間の積算時間（ｔ_L）を基に、式１，２で説明した計算を行って、すなわち、
ｔ＝（Ｗ_PM×Ｗ_SOF）／Ｖ_SOF×ｔ_L／ｔ_o …（１）
ＰＣ＝Ｔ_SOF×ｔ …（２）
を計算して前処理４５を行い、ＤＰＦに堆積したＰＭ中のＳＯＦを除去する。

次に、ｓｔｅｐ３で差圧判定し、再度ΔＰ_limit＞ΔＰかどうかが判断される。

前処理４５でＤＰＦに堆積したＰＭ中のＳＯＦが除去された場合には、ＳＯＦが除去されるために、ΔＰ_limit＞ΔＰであり、ＤＰＦ詰まり判定４０側に戻され、ｓｔｅｐ１，ｓｔｅｐ２の判断で、必要に応じて再度前処理がなされる。

そして、ＰＭ中のＳＯＦが少なくなり、ＤＰＦに堆積するＳＯＯＴが多く、ＳＯＯＴ量（ＰＭ推定値）に基づく差圧上限値（ΔＰ_limit）以上になったとき、ｓｔｅｐ３で、ΔＰ_limit≦ΔＰと判断され、実際のＤＰＦ再生４６をスタートさせる。このｓｔｅｐ３での判断は、図５（ａ）で説明したＤＰＦに堆積するＰＭ推定値と圧力損失に基づくものであり、ΔＰ_limit≦ΔＰは、ＳＯＦが除去されたＳＯＯＴの多いＰＭの差圧ΔＰであり、同一条件で再生処理が的確に行えることとなる。

なお、図１のフローでｓｔｅｐ２、ｓｔｅｐ３の差圧判定で、上限値をΔＰ_limitと同じにしているが、ｓｔｅｐ２の上限値ΔＰ_limitは、ｓｔｅｐ３の上限値ΔＰ_limitより低い値に設定しておいてもよい。

次に、ＥＣＵ３０による前処理（ＰＣ）４５制御は、図６で説明した、エンジン１０の排気側の排気スロットルバルブ１６が開で、噴射パターンをプレ噴射とメイン噴射のマルチ噴射を行っている際に、排気スロットルバルブ１６を閉じ、メイン噴射の前後にプレ噴射とアフター噴射を追加して増量したマルチ噴射（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射）を行うことで、排気ガス温度が上昇し、ＤＰＦ内の酸化触媒２２の活性温度（２５０℃）以上に上げ、これをＳＯＦ除去温度Ｔ_SOFとし、前処理ＰＣ時間（＝Ｔ_SOF×ｔ）継続することでＳＯＦの除去を行う。

またＤＰＦ再生４６は、排気スロットルバルブ１６を閉じ、マルチ噴射（パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射、ポスト噴射）を行うことで、ＤＰＦ１８内の酸化触媒２２による触媒燃焼で排気ガスを６００℃まで温度を上昇させて、ＰＭを酸化燃焼させることで行う。この再生は、触媒化セラミックフィルター２３に堆積するＰＭが実質的にＳＯＯＴであり、その堆積量も略一定のため、再生時間を的確に設定することが可能となる。

１０エンジン
１５排気管
１８ＤＰＦ
４５前処理（ＰＣ）
４６ＤＰＦ再生

Claims

エンジンの排気管にＤＰＦを接続し、そのＤＰＦで排気ガス中のＰＭを捕集して排気ガスを浄化して排気し、そのＤＰＦに堆積したＰＭによるＤＰＦ前後の差圧を検知し、その差圧が上限値以上となったときにＤＰＦを再生するＤＰＦの制御方法において、ＤＰＦ再生終了時から次のＤＰＦ再生までの時間をカウントすると共に、その間のＤＰＦの入口温度を検出し、そのＤＰＦ入口温度が、ＤＰＦ再生終了後からＰＭ中にＳＯＦ（有機溶剤可溶分）が生成する温度（Ｔ_SOF）以下となっているＳＯＦ時間（ｔ_L1〜n）を積算し、上記ＤＰＦ前後の差圧が上限値以上となったとき、ＰＭ中のＳＯＦを酸化除去すべく、ＳＯＦ積算時間（ｔ_L）とＰＭの酸化速度（Ｖ _SOF ）とに応じてＤＰＦの温度をＳＯＦ温度（Ｔ_SOF）以上に保つ前処理時間（ｔ）を決定し、その前処理条件でＳＯＦを酸化除去し、しかる後、ＳＯＯＴの割合の多くなったＤＰＦ前後の差圧を検知し、その差圧が上限値以上となったときに、ＤＰＦ中のＳＯＯＴを酸化除去してＤＰＦを再生することを特徴とするＤＰＦの再生制御方法。
前処理時間（ｔ）は、ＰＭ堆積量の判定値をＷ_PMとし、ＳＯＦ除去後のＰＭ質量をＷ_SOFとし、ＰＭの酸化速度をＶ_SOFとし、ＳＯＦ積算時間（ｔ_L）、再生間隔をｔ_oとしたとき、
ｔ＝（Ｗ_PM×Ｗ_SOF）／Ｖ_SOF×ｔ_L／ｔ_o
で決定し、
さらに前処理条件（ＰＣ）は、
ＰＣ＝Ｔ_SOF×ｔ
で設定する請求項１記載のＤＰＦの再生制御方法。
前処理条件は、ＤＰＦにＳＯＦ温度（Ｔ_SOF）として前記ＰＭの酸化速度（Ｖ _SOF ）が最大値を示す２５０〜３００℃の排ガスを、前処理時間（ｔ）流して行う請求項１又は２記載のＤＰＦの再生制御方法。