JP5720230B2 - パティキュレートフィルタシステム - Google Patents

Description

本発明はディーゼルエンジンの排気ガスから粒子状物質をパティキュレートフィルタで捕集し、これを排気管噴射により燃焼除去するパティキュレートフィルタシステムに関する。

近年、ディーゼルエンジンの排気ガスからＰＭ（Particulate Matter；粒子状物質）を浄化するためのＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）装置の開発が行われている。また、排気ガス中のＮＯ_xを浄化するためのＬＮＴ（Lean NO_x Trap）触媒の開発が行われている。このような排気ガス浄化装置を排気管に接続したＤＰＦシステムでは、浄化装置の浄化効率が低下したときに、排気ガスに未燃燃料を添加して、これを排気管に設けられたＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；酸化触媒）で酸化燃焼させ、高温の排気ガスでＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼除去（ＤＰＦ強制再生）したり、ＬＮＴ触媒をリッチ還元することが行われる。

この未燃燃料を排気ガスに添加する手段として、エンジン筒内のオイル希釈が発生せず、燃料添加時でもＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）制御を掛けることができ、昇温に要する燃料消費量を低く抑えることができる排気管噴射が注目されている。排気管噴射は、排気管に設けた排気管インジェクタから未燃燃料を排気ガスに添加する方法である（例えば、特許文献１，２参照）。また排気管噴射は、ＬＮＴ触媒をリッチ還元する際に、エンジンの燃焼と関係なく排気ガスの空燃比リッチ制御を行うことができる。

排気管噴射を用いるＤＰＦシステムでは、ＰＭ燃焼およびリッチ還元を安定的に行うべく、排気管インジェクタからの排気噴射量の流量バラツキを小さくすることが望ましい。

特許第４４１７８７８号公報 特許第４５６１４６７号公報 特開２０１０−１２１５１４号公報

上述の排気管インジェクタの流量バラツキの原因に、インジェクタの製造バラツキや、経年劣化による閉塞がある。これらが大きくなると、排気ガス温度による噴射量のフィードバック（ＦＢ）制御を行ったとしても、補正限界を超えて排気噴射量が不安定となり、安定した温度制御が出来なくなる可能性が大きくなる。

その結果、排気ガス温度が不安定になり、ＤＰＦ再生が不十分となる可能性がある。また、ＬＮＴ触媒のリッチ還元に使用する場合、リッチ還元時の還元剤量がばらついて、ＮＯ_x還元不良やＨＣスリップを生じる可能性もある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、排気管インジェクタの製造バラツキや経年劣化による噴射量の変化が生じても、適切な排気噴射量でパティキュレートフィルタ再生できるパティキュレートフィルタシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、排気管インジェクタから燃料を噴射し、これをＤＯＣで酸化燃焼させてＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼除去するＤＰＦ強制再生を行うＤＰＦシステムにおいて、前記ＤＯＣの入口および出口側に設けられ、ＤＰＦ強制再生時のＤＯＣ入口温度およびＤＯＣ出口温度を検出する温度センサと、ＤＰＦ強制再生時の排気ガス流量を測定して排気ガスＳＶ比を決定するＳＶ比決定手段と、前記温度センサの検出値と前記ＳＶ比決定手段の決定値とが入力され、それら値が理論発熱領域内にあるか否かを判定する発熱領域判定部を有すると共に、前記温度センサの検出値と前記ＳＶ比決定手段の決定値とが前記理論発熱領域内にあるときに、前記排気管インジェクタの実噴射量の低下量を診断する実噴射量診断部を有するインジェクタ診断手段と、を備えたものである。

前記実噴射量診断部は、前記ＤＯＣの出入口温度差と前記排気ガス流量とから前記ＤＯＣの実発熱量を算出して積算すると共に、前記排気管インジェクタの指示噴射量から前記ＤＯＣの理論発熱量を算出して積算し、前記実発熱量および理論発熱量の積算値から、前記排気管インジェクタの実噴射量の低下量を診断するようにされると良い。

前記インジェクタ診断手段は、前記診断された実噴射量の低下量に基づいて、前記排気管インジェクタの指示噴射量を補正するようにされると良い。

前記インジェクタ診断手段は、前記診断された実噴射量の低下量に基づいて前記排気管インジェクタの指示噴射量を補正する補正係数を設定し、その補正係数が予め設定された故障判定閾値を超えるとき、前記排気管インジェクタの故障を検知するようにされると良い。

本発明によれば、排気管インジェクタの製造バラツキや経年劣化による噴射量の変化が生じても、適切な排気噴射量でパティキュレートフィルタ再生できるパティキュレートフィルタシステムを提供できる。

本発明のＤＰＦシステムの構成を示す概略図である。 本発明のＤＰＦシステムの動作を示す流れ図である。 ＤＯＣの理論発熱領域および発熱係数を示す図である。

以下に、本発明の好適な実施の形態について図面に基づき説明する。

図１は、本実施の形態のＤＰＦシステムの構成を示す概略図である。

本実施の形態のＤＰＦシステム１０はターボチャージャ１１を搭載しており、エアクリーナ１２から吸入される空気はターボチャージャ１１のコンプレッサ１３で圧縮されると共に吸気通路１４に圧送され、吸気通路１４に接続された吸気マニホールド１５からエンジンＥに供給される。吸気通路１４には、エンジンＥへの空気量を調節するための吸気バルブ１６が設けられる。

エンジンＥから排出される排気ガスは排気マニホールド１７からターボチャージャ１１のタービン１８に流入すると共にタービン１８を駆動させ、排気管１９に排気される。

このＤＰＦシステム１０は、吸気マニホールド１５と排気マニホールド１７とを接続するＥＧＲ管２０と、ＥＧＲ管２０を通過する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２１と、排気マニホールド１７から吸気マニホールド１５へ還流させる排気ガス量を調節するためのＥＧＲバルブ２２と、を備え、排気ガスの一部を吸気側へ還流させてエンジンアウトのＮＯ_x量を低減させるＥＧＲ制御を行う。

排気管１９にはＤＯＣ２３が配設され、そのＤＯＣ２３の上流側の排気管１９には排気管インジェクタ２４が、下流側の排気管１９には排気ガスからＰＭを捕集するためのＤＰＦ２５が設けられる。なお、本発明では排気管１９に接続する排気ガス浄化装置をＤＰＦ２５に限定するものではなく、例えばＤＰＦ２５以外にもＬＮＴ触媒やＨＣ−ＳＣＲ（HydroCarbon-Selective Catalytic Reduction）装置などを排気管に設けることができる。

さらに排気管１９には、ＤＯＣ２３の入口側（上流側）および出口側（下流側）に、ＤＯＣ入口温度Ｔ_entおよびＤＯＣ出口温度Ｔ_docを検知する温度センサ２６，２７が設けられる。

エンジンＥ、吸気バルブ１６、ＥＧＲバルブ２２、排気管インジェクタ２４、温度センサ２６，２７はＥＣＵ（Electronical Control Unit；電子制御装置）２８と接続される。ＥＣＵ２８は温度センサ２６，２７からの信号が入力されると共に、エンジンＥの運転、吸気バルブ１６およびＥＧＲバルブ２２の開度、排気管インジェクタ２４の排気管噴射等を制御する。この他にも、ＥＣＵ２８には車両に搭載される各種センサ（吸入空気量を検出するＭＡＦ（Mass Air Flow）センサなど）からの信号が入力されたり、ＤＯＣ２３の故障診断（ＯＢＤ診断（On-Board Diagnostics））などを行ったりする。

このＤＰＦシステム１０では、ＤＰＦ２５に堆積したＰＭが一定量以上となったとき、エンジンＥを制御してエンジンアウトの排気ガス温度を上昇させると共に、排気管インジェクタ２４から燃料を噴射し、この燃料をＤＯＣ２３で燃焼させて排気ガス温度を更に上昇させ、高温の排気ガスでＰＭを燃焼除去するＤＰＦ強制再生が行われる。

このとき、排気管インジェクタ２４の噴射量が製造バラツキや経年劣化によって低下すると、排気ガス温度が安定せずＤＰＦ再生が出来なくなる虞がある。

そこで本実施の形態に係るＤＰＦシステム１０では、ＤＰＦ強制再生時の排気ガス流量Ｖを測定して排気ガスＳＶ比を決定するＳＶ比決定手段２９と、排気管インジェクタ２４の指示噴射量Ｑ_req、ＤＯＣ入口温度Ｔ_ent、ＤＯＣ出口温度Ｔ_doc、排気ガスＳＶ比が入力され、排気管インジェクタ２４の実噴射量の低下量を診断するインジェクタ診断手段３０と、がＥＣＵ２８に搭載される。

さらにインジェクタ診断手段３０は、ＤＯＣ入口温度Ｔ_entおよび排気ガスＳＶ比が理論発熱領域内にあるか否かを判定する発熱領域判定部３１と、ＤＯＣ入口温度Ｔ_entおよび排気ガスＳＶ比が理論発熱領域内にあるときに、排気管インジェクタ２４の実噴射量の低下量を診断する実噴射量診断部３２と、を有する（なお、理論発熱領域Ｒについては後述する）。

ＳＶ比決定手段２９は、ＭＡＦセンサの入力値（吸入空気量）および筒内インジェクタの噴射指示値から排気ガス流量Ｖを測定し、排気ガスの排気ガスＳＶ比（ＤＯＣ２３の体積に対する排気ガス流量Ｖの比）を決定するようにされる。

インジェクタ診断手段３０の発熱領域判定部３１は、ＤＯＣ入口温度Ｔ_entおよび排気ガスＳＶ比が、理論発熱領域Ｒ内にあるか否かを判定するように構成される。理論発熱領域Ｒとは、排気管インジェクタ２４から添加された燃料がＤＯＣ２３で完全燃焼するときの排気ガス条件であり、予めＤＰＦシステム１０の試験運転により求められる。

図３は、ＤＰＦシステム１０の試験運転により求めた理論発熱領域Ｒと、排気ガス温度（ＤＯＣ入口温度Ｔ_ent）および排気ガスＳＶ比との関係を表すものである。ＤＯＣ入口温度Ｔ_entが低く、排気ガスＳＶ比が高い条件では、排気管噴射した燃料は完全燃焼できず、発熱係数（排気噴射量に対する発熱量）は低くなる。他方、ＤＯＣ入口温度Ｔ_entが高く、かつ、排気ガスＳＶ比が低い条件では、排気管噴射された燃料が完全燃焼し、発熱係数が１（すなわち、理論発熱量）となる。本実施の形態のＤＰＦシステム１０では、ＤＯＣ入口温度Ｔ_entが２５０℃以上約３２３℃以下、排気ガスＳＶ比が０以上２５０００以下である範囲を、理論発熱領域Ｒとした。ただし本発明は理論発熱領域Ｒの設定態様を特に限定するものではなく、ＤＯＣ２３の特性やＤＰＦシステム１０の構成に合わせて適宜設定可能である。

インジェクタ診断手段３０の実噴射量診断部３２は、発熱領域判定部３１によりＤＯＣ入口温度Ｔ_entおよび排気ガスＳＶ比が上述の理論発熱領域Ｒ内にあると判定されたとき、排気管インジェクタ２４の指示噴射量Ｑ_req、ＤＯＣ出入口温度差ΔＴ（すなわち、ＤＯＣ出口温度Ｔ_docとＤＯＣ入口温度Ｔ_entの温度差）、排気ガス流量Ｖから、排気管インジェクタ２４の実噴射量の低下量を診断する。

ここで、実噴射量診断部３２が実噴射量の低下量を診断する方法について詳細に説明する。

まず実噴射量診断部３２は、ＳＶ比決定手段２９が測定している排気ガス流量Ｖを読込み、ＤＯＣ出入口温度差ΔＴ［Ｋ］、排気ガス流量Ｖ［Ｋｇ／ｓ］、排気ガス比熱［Ｊ／Ｋｇ＊Ｋ］（定数）より、ＤＯＣ２３の実発熱量Ｃ₁［Ｊ／ｓ］を算出する。
実発熱量Ｃ₁［Ｊ／ｓ］＝ＤＯＣ出入口温度差ΔＴ［Ｋ］＊排気ガス流量Ｖ［Ｋｇ／ｓ］＊排気ガス比熱［Ｊ／Ｋｇ＊Ｋ］

算出した実発熱量Ｃ₁を積算して、実発熱量Ｃ₁の積算値Ｊ₁を算出しておく。

これと同時に、軽油の低位発熱量３８．２［ＭＪ／Ｌ］と排気管インジェクタ２４の指示噴射量Ｑ_req［Ｌ］より理論発熱量Ｃ₂を算出し、これを積算して理論発熱量Ｃ₂の積算値Ｊ₂を算出しておく。
理論発熱量Ｃ₂［Ｊ／ｓ］＝軽油の低位発熱量３８．２［ＭＪ／Ｌ］＊指示噴射量Ｑ_req［Ｌ］

実噴射量診断部３２は、排気ガス条件が理論発熱領域Ｒ内にあるときに、実発熱量Ｃ₁および理論発熱量Ｃ₂の積算値Ｊ₁，Ｊ₂を算出するが、本来この領域では、ＤＯＣ２３上では理論発熱量Ｃ₂を得られるはずである。よってＤＯＣ２３や排気管インジェクタ２４に故障がなければ、上記の実発熱量Ｃ₁は理論発熱量Ｃ₂に近い値となるはずである。

しかし、排気管インジェクタ２４の噴射指示値と実値に乖離があった場合（すなわち、排気管インジェクタ２４の製造バラツキや経年劣化により実噴射量が指示噴射量Ｑ_reqから低下している場合）、実発熱量Ｃ₁は理論発熱量Ｃ₂より低くなる。例えば排気管インジェクタ２４の詰まりにより、噴射指示値に対し実値が７０％しか無い場合、７０％の発熱量となる。

そこで実噴射量診断部３２は、算出した実発熱量Ｃ₁および理論発熱量Ｃ₂の積算値Ｊ₁，Ｊ₂から、排気管インジェクタ２４の実噴射量の低下量を診断する。本実施の形態では、実噴射量の低下量を、理論発熱量Ｃ₂の積算値Ｊ₂に対する実発熱量Ｃ₁の積算値Ｊ₁の比（つまり、Ｊ₁÷Ｊ₂）として評価する。本発明は、実発熱量Ｃ₁および理論発熱量Ｃ₂の積算時間について特に限定するものではなく、適宜設定可能であるが、診断中（積算中）にＤＯＣ入口温度Ｔ_entおよび排気ガスＳＶ比が理論発熱領域Ｒ外となるときには、誤診断を防ぐべく直ちに診断を中断するようにされる。

またインジェクタ診断手段３０は、実噴射量診断部３２が診断した実噴射量の低下量から、排気管インジェクタ２４の噴射量を補正する補正係数ｆを設定し、排気管インジェクタ２４の噴射量を補正するようにされる。より具体的には、実噴射量の低下量の逆数（すなわち、「理論発熱量Ｃ₂の積算値Ｊ₂」÷「実発熱量Ｃ₁の積算値Ｊ₁」）を補正係数ｆに設定し、この補正係数ｆを排気管インジェクタ２４の指示噴射量Ｑ_reqに乗算して、実噴射量が増加するように補正を行う。ただし、本発明は指示噴射量Ｑ_reqの補正方法を特に限定するものではなく、例えば、より補正の精度を上げる為、数回のＤＰＦ強制再生で診断しながら徐々に指示噴射量Ｑ_reqの補正を行っても良い。

さらにインジェクタ診断手段３０は、補正係数ｆが予め設定される故障判定閾値Ｆ_malよりも大きくなったとき、排気管インジェクタ２４の故障を検知するように構成される。故障を検知したインジェクタ診断手段３０は、排気管インジェクタ２４の洗浄や交換をドライバに促すべく、車両のキャビン内に設けられる警告灯を点灯させるなどすると良い。本発明は、故障判定閾値Ｆ_malの設定値を特に限定するものではなく、ＤＯＣ２３および排気管インジェクタ２４の特性や、ＤＰＦシステム１０の構成に合わせて適宜変更可能である。

なお、実発熱量Ｃ₁の低下は、ＤＯＣ２３の触媒機能の低下が原因となる場合もあるため、本実施の形態の実噴射量診断部３２は、ＥＣＵ２８で行われているＤＯＣ２３のＯＢＤ診断から、ＤＯＣ２３が正常であるとされた場合にのみ、実噴射量の低下量を診断するものとする。

次に、このＤＰＦシステム１０の動作について図２を用いて説明する。

ＤＰＦ強制再生中、ＤＰＦシステム１０が備えるＳＶ比決定手段２９およびインジェクタ診断手段３０は、以下の動作を繰り返すようにされる。

先ずステップＳ２１において、ＳＶ比決定手段２９は、ＥＣＵ２８から読み込んだＭＡＦセンサおよび筒内インジェクタの噴射指示値を基に排気ガス流量Ｖを測定すると共に、この測定値から排気ガスＳＶ比を決定し、ステップＳ２２に進む。

次にステップＳ２２では、インジェクタ診断手段３０の発熱領域判定部３１が、温度センサ２６からの入力値（ＤＯＣ入口温度Ｔ_ent）およびＳＶ比決定手段２９の決定値（排気ガスＳＶ比）が、理論発熱領域Ｒ内にあるか否かを判定する。ＤＯＣ入口温度Ｔ_entおよび排気ガスＳＶ比が理論発熱領域Ｒ内にあるときには、実噴射量の低下量を診断すべくステップＳ２３に進む。他方、ＤＯＣ入口温度Ｔ_entおよび排気ガスＳＶ比が理論発熱領域Ｒ内にないときには、実噴射量の低下量を診断できないので、ステップＳ２１にリターンする。

ステップＳ２３では、インジェクタ診断手段３０が、ＥＣＵ２８が行っているＤＯＣ２３のＯＢＤ診断から、ＤＯＣ２３が正常であるか否かを判断する。ＤＯＣ２３が正常でない場合、実噴射量の低下量は診断不能であるので、ステップＳ２１にリターンする。他方、ＤＯＣ２３が正常であると判断したときには、実噴射量の低下量を診断すべく、ステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４では、インジェクタ診断手段３０の実噴射量診断部３２が、排気管インジェクタ２４の指示噴射量Ｑ_req、ＤＯＣ入口温度Ｔ_ent、ＤＯＣ出口温度Ｔ_doc、ＳＶ比決定手段２９が測定している排気ガス流量Ｖから、ＤＯＣ２３の実発熱量Ｃ₁および理論発熱量Ｃ₂を算出して積算し、これら実発熱量Ｃ₁および理論発熱量Ｃ₂の積算値Ｊ₁，Ｊ₂から、実噴射量の低下量（Ｊ₁÷Ｊ₂）を診断する。

その後ステップＳ２５において、インジェクタ診断手段３０は、実噴射量診断部３２が診断した実噴射量の低下量から補正係数ｆを設定し、これを指示噴射量Ｑ_reqに乗算した値で排気管インジェクタ２４から排気管噴射させる。本実施の形態では、補正係数ｆを実噴射量の低下量の逆数（すなわち、「理論発熱量Ｃ₂の積算値Ｊ₂」÷「実発熱量Ｃ₁の積算値Ｊ₁」）に設定する。

次いでステップＳ２６では、インジェクタ診断手段３０が、補正係数ｆと故障判定閾値Ｆ_malとを比較し、排気管インジェクタ２４の故障判定を行う。補正係数ｆが故障判定閾値Ｆ_mal以下であるとき、排気管インジェクタ２４の故障を検知することなく動作を終了する。他方、補正係数ｆが故障判定閾値Ｆ_malを超えるときにはステップＳ２７に進み、排気管インジェクタ２４の故障を検知して動作を終了する。なお補正係数ｆは、排気管インジェクタ２４の洗浄若しくは交換を行った後、オペレータによりリセットされる。

なお、実噴射量の低下量を診断中にＤＯＣ入口温度Ｔ_entおよび排気ガスＳＶ比が理論発熱領域Ｒ外となった場合には、誤診断を防ぐべく直ちに診断を中断して動作を終了するようにされる。

以上要するに、本実施の形態に係るＤＰＦシステム１０は、ＤＯＣ入口温度Ｔ_entおよび排気ガスＳＶ比が理論発熱領域Ｒ内にあるときに限り、排気管噴射によるＤＯＣ２３の実発熱量Ｃ₁を算出し、ＤＯＣ２３の理論発熱量Ｃ₂（すなわち、軽油の理論発熱量）に対する比率（発熱係数）を求めて、排気管インジェクタ２４の実噴射量の低下量を診断すると共に、排気管インジェクタ２４の故障判定を行うようにされる。

このようにされることで、簡便な構造で追加コストを発生させることなく、排気管インジェクタ２４の実噴射量の診断や、故障判定を正確に行うことが可能である。

また本実施の形態では、診断した実噴射量の低下量に基づき、排気管インジェクタ２４の指示噴射量Ｑ_reqを増加補正するようにされる。

これにより、排気管インジェクタ２４の製造バラツキや経年劣化による噴射量の変化が生じても、ＤＰＦ強制再生時の温度安定性や、ＬＮＴ触媒のリッチ還元の安定性を確保することができる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

上記実施の形態では、ＤＰＦ強制再生中に実噴射量の低下量を診断するため、診断の結果に応じて指示噴射量Ｑ_reqを迅速に補正できるが、例えば、インジェクタ診断手段３０は、理論発熱領域Ｒ内での実発熱量Ｃ₁および理論発熱量Ｃ₂の積算をＤＰＦ強制再生の終了まで継続し、ＤＰＦ強制再生が終了した後に診断を行うようにされても良い。このようにされると、ＤＰＦ強制再生中に受けた外乱による診断への影響を少なくでき、より精度良く診断および補正を行うことができる。

１０ ＤＰＦシステム
２３ ＤＯＣ
２４ 排気管インジェクタ
２６ 温度センサ（入口側）
２７ 温度センサ（出口側）
２９ ＳＶ比決定手段
３０ インジェクタ診断手段
３１ 発熱領域判定部
３２ 実噴射量診断部

Claims (3)

1. 排気管インジェクタから燃料を噴射し、これを酸化触媒で酸化燃焼させてパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するパティキュレートフィルタ強制再生を行うパティキュレートフィルタシステムにおいて、
   前記酸化触媒の入口および出口側に設けられ、パティキュレートフィルタ強制再生時の酸化触媒入口温度および酸化触媒出口温度を検出する温度センサと、パティキュレートフィルタ強制再生時の排気ガス流量を測定して排気ガスＳＶ比を決定するＳＶ比決定手段と、前記温度センサの検出値と前記ＳＶ比決定手段の決定値とが入力され、それら値が理論発熱領域内にあるか否かを判定する発熱領域判定部を有すると共に、前記温度センサの検出値と前記ＳＶ比決定手段の決定値とが前記理論発熱領域内にあるときに、前記排気管インジェクタの実噴射量の低下量を診断する実噴射量診断部を有するインジェクタ診断手段とを備え、
   前記実噴射量診断部は、前記酸化触媒の出入口温度差と前記排気ガス流量とから前記酸化触媒の実発熱量を算出して積算すると共に、前記排気管インジェクタの指示噴射量から前記酸化触媒の理論発熱量を算出して積算し、前記実発熱量および理論発熱量の積算値から、前記排気管インジェクタの実噴射量の低下量を診断することを特徴とするパティキュレートフィルタシステム。
2. 前記インジェクタ診断手段は、前記診断された実噴射量の低下量に基づいて、前記排気管インジェクタの指示噴射量を補正する請求項１記載のパティキュレートフィルタシステム。
3. 前記インジェクタ診断手段は、前記診断された実噴射量の低下量に基づいて前記排気管インジェクタの指示噴射量を補正する補正係数を設定し、その補正係数が予め設定された故障判定閾値を超えるとき、前記排気管インジェクタの故障を検知する請求項１又は２記載のパティキュレートフィルタシステム。