JP6688572B2 - Ｄｐｆ再生制御方法及びｄｐｆ再生制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を捕獲、除去するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の再生技術に係り、特に、構成の簡素化と共に、再生処理の信頼性、安定性の向上等を図ったものに関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気系には、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Material）を捕獲、除去するためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）と称されるフィルタが設けられることは、良く知られている通りである。
かかるＤＰＦは、使用に伴うフィルタの目詰まりによる機能低下を改善するため、通常、何らかの方法により、目詰まりを解消するための再生処理が施される。

例えば、ＤＰＦと共に酸化触媒を設けた構成として、酸化触媒により未燃燃料を酸化させ排気ガス温度を上昇させることでＤＰＦ再生を行う方法などがＤＰＦ再生技術として良く知られている。
また、エンジンの燃料室内へ、正規の噴射後に、追加の噴射であるポスト噴射を行い、高温の排気ガスを意図的に発生させる手法や、排気管内に燃料を直接噴射する手法なども良く知られている（例えば、特許文献１等参照）。

さらに、吸入空気量を減少させ、エンジンの燃焼室内の燃焼温度を上げることで、酸化触媒に必要な高温の排気ガスを得る手法もある。
また、さらに、排気ガスの温度を強制的に上昇させる専用のヒータを排気管内に別個に設ける手法や、燃料を排気管内で燃焼させる装置を別途設ける手法などもある。

特開２０１３−１０８４４４号公報（第４−７頁、図１−図３）

しかしながら、ポスト噴射を行う方法や排気管内に燃料を直接噴射する方法は、酸化触媒の温度が触媒活性温度以上あることが、その効果が発揮されるための条件であるため、別途、酸化触媒の温度を触媒活性温度以上に維持する方策が必要である。
また、排気ガスの温度を上昇させるため専用のヒータを設ける手法や、燃料を排気管内で燃焼させる装置を別途設ける手法は、装置の高価格化を招き、必ずしも現実的ではないという問題がある。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、新たな部品を追加することなく、比較的簡易な構成で、確実なＤＰＦ再生を可能とするＤＰＦ再生制御方法及びＤＰＦ再生制御装置を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るＤＰＦ再生制御方法は、
内燃機関が排出する粒子状物質を捕獲するフィルタに捕集された前記粒子状物質を、酸化触媒による排気ガス内未燃燃料の酸化による排気ガス温度の上昇によって燃焼させることで前記フィルタの再生を可能としたＤＰＦ再生制御装置におけるＤＰＦ再生制御方法であって、
前記内燃機関に設けられた燃料噴射弁に燃料を供給することなく通電のみを行うブランクショットを実行し、電力消費を増加せしめることで前記内燃機関の負荷の増加を促進し、排気ガスの温度上昇を生じせしめるよう構成されてなるものである。
また、上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るＤＰＦ再生制御装置は、
内燃機関が排出する粒子状物質を捕獲するフィルタに捕集された前記粒子状物質を、酸化触媒による排気ガス内未燃燃料の酸化による排気ガス温度の上昇によって燃焼させることで前記フィルタの再生を可能としたＤＰＦ再生制御装置であって、
前記内燃機関の動作制御を行う電子制御ユニットを有し、
前記電子制御ユニットは、
前記内燃機関に設けられた燃料噴射弁に燃料を供給することなく通電のみを行うブランクショットを実行し、電力消費を増加せしめることで前記内燃機関の負荷の増加を促進し、排気ガスの温度上昇を生じせしめることを可能に構成されなるものである。

本発明によれば、従来では排気ガス温度が酸化触媒の触媒活性温度を下回ってしまうような低負荷運転時に、燃料噴射弁によりいわゆるブランクショットを行うことで、電力消費に起因する内燃機関の負荷増加を促進させ、結果的に、ＤＰＦ再生のためのポスト噴射や排気管内燃料噴射に必要な排気ガスの温度上昇を実現することができるので、新たな部品を追加することなく、比較的簡易な構成で、確実なＤＰＦ再生を可能にするという効果を奏するものである。

本発明の実施の形態におけるＤＰＦ再生制御装置の構成例を示す構成図である。 図１に示されたＤＰＦ再生制御装置を構成する電子制御ユニットにおいて実行される本発明の実施の形態におけるＤＰＦ再生制御処理の手順を示すサブルーチンフローチャートである。 図２のサブルーチンフローチャートに示されたブランクショット処理のより具体的な処理手順を示すサブルーチンフローチャートである。 本発明の実施の形態におけるブランクショット処理を電子制御ユニットにおいて実行するために電子制御ユニットに必要とされる機能を説明する機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態におけるＤＰＦ再生制御装置の構成例について、図１を参照しつつ説明する。
本発明の実施の形態におけるＤＰＦ再生制御装置は、内燃機関としてのディーゼルエンジン１の排気管２の適宜な位置に設けられたＤＰＦ装置１１と、本発明の実施の形態におけるＤＰＦ再生制御処理や燃料噴射弁３の噴射制御処理等を含むディーゼルエンジン１の種々の動作制御処理等を実行する電子制御ユニット２０とに大別されて構成されたものとなっている。

ディーゼルエンジン１は、気筒数に応じた複数の燃料噴射弁３を有すると共に、排気ガスを流通させる排気管２が接続されている。
排気管２の適宜な位置にはＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置１１が設けられている。本発明の実施の形態におけるＤＰＦ装置１１は、ディーゼルエンジン１側に配設された酸化触媒４と、その後段側に配設された粒子状物質を捕集するフィルタ５とを具備して構成されたものとなっており、かかる構成は、基本的に従来装置と同一である。

電子制御ユニット２０は、例えば、公知・周知の構成を有してなるマイクロコントローラ（図示せず）を中心に、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶素子（図示せず）を有すると共に、燃料噴射弁３を通電駆動するための回路（図示せず）などを主たる構成要素として構成されたものとなっている。
かかる電子制御ユニット２０には、エンジン回転数、アクセル開度、外気温度、大気圧などの各種の図示されないセンサによる検出信号が入力され、従来同様、ディーゼルエンジン１の様々な動作制御処理に供されるようになっている。

さらに、本発明の実施の形態においては、ＤＰＦ装置１１の内部における酸化触媒４の上流側（ディーゼルエンジン１側）の温度を検出する触媒上流温度センサ６と、酸化触媒４の下流側の温度を検出する触媒下流温度センサ７とがＤＰＦ装置１１に設けられており、その出力信号は、電子制御ユニット２０に入力され、後述する本発明の実施の形態におけるＤＰＦ再生制御処理に供されるようになっている。

次に、電子制御ユニット２０により実行される本発明の実施の形態におけるＤＰＦ再生制御処理について、図２乃至図４を参照しつつ説明する。
電子制御ユニット４による処理が開始されると、最初に、ＤＰＦ再生中であるか否かが判定される（図２のステップＳ１０２参照）。
まず、本発明の実施の形態におけるＤＰＦ再生制御装置は、従来の手法に基づくＤＰＦ再生処理制御が実行されるよう構成されているものを前提として、さらに、後述する本発明の実施の形態における新たなＤＰＦ再生制御処理、すなわち、より具体的には、ブランクショット処理（図２のステップＳ１０６参照）が実行されることで、より確実なＤＰＦ再生を実現可能としたものとなっている。

ここで、従来の手法に基づくＤＰＦ再生制御処理は、特定の手法に限定される必要はないが、本発明の実施の形態におけるＤＰＦ装置１１は、先に説明したように、酸化触媒４とフィルタ５とを具備して構成されたものであるため、いわゆる連続再生式として良く知られている方式に基づくものが好適である。
なお、ＤＰＦ再生中か否かの判断は、例えば、いわゆる制御判定用のフラグを用いるのが好適である。すなわち、電子制御ユニット２０においてＤＰＦ制御処理によりＤＰＦ再生のための所要の制御が開始された際に”１”に設定される一方、所望の制御が終了された際に”０”に設定されるフラグ（以下、説明の便宜上「再生動作判定用フラグ」と称する」）を用意し、この再生動作判定用フラグの値が”１”の場合にＤＰＦ再生中であると判定するようにすると好適である。

しかして、ステップＳ１０２においてＤＰＦ再生中であると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、後述するステップＳ１０４の処理へ進むこととなる。
一方、ＤＰＦ再生中ではないと判定された場合（ＮＯの場合）には、ＤＰＦ装置１１は通常の使用状態（ノーマルモード）、すなわち、ＤＰＦ再生処理が停止された状態で、フィルタ５による粒子状物質の捕獲が行われることとなる（図２のステップＳ１１０参照）。そして、このステップＳ１１０の処理実行後は、図示されないメインルーチンへ一旦戻り、ディーゼルエンジン１の動作制御に必要な他の処理が実行され、所定の繰り返し時間を経た後、再び、この図２に示された一連の処理が実行されることとなる。

一方、ステップＳ１０４においては、後述するブランクショット処理（図２のステップＳ１０６参照）を実行するための所要の条件が充足されているか否かが判定される。
ここで、ブランクショット処理実行のための所要の条件とは、酸化触媒４の温度がブランクショットを実行するに適した温度にあることである。
本発明の実施の形態においては、具体的には、以下に説明する２つの判定方法のいずれか、又は、組み合わせによって、ブランクショット処理を実行するための所要の条件が充足されたか否かが判定されるものとなっている。

判定方法の一つは、酸化触媒４の温度である触媒温度Ｔcatが予め設定された触媒温度閾値を下回っているか否かを判定するものである。
ここで、触媒温度Ｔcatは、酸化触媒４の内部温度であり、触媒上流温度センサ６により検出された酸化触媒４の上流側の温度と、触媒下流温度センサ７により検出された酸化触媒４の下流側の温度に基づいて算出された触媒内温度を用いるのが好適である。ここで、触媒上流温度センサ６により検出された酸化触媒４の上流側の温度（以下、説明の便宜上「上流側温度」と称する）と、触媒下流温度センサ７により検出された酸化触媒４の下流側の温度（以下、説明の便宜上「下流側温度」と称する）に基づいて算出される触媒内温度は、単に上流側温度と下流側温度の差として求められるものではなく、例えば、上流側温度と下流側温度の平均値を用いるのが好適である。
また、触媒温度Ｔcatは、触媒上流温度センサ６により検出された酸化触媒４の上流側の温度を便宜的に酸化触媒４の内部温度であるとして用いても良い。

さらに、酸化触媒４の内部温度の変化をモデル化し、電子制御ユニット２０において、そのモデル（温度モデル）に基づいて、酸化触媒４の内部温度（以下、説明の便宜上「モデル温度」と称する）を逐次、演算算出して求められた温度を触媒温度Ｔcatとして用いるようにしても好適である。なお、このような温度変化のモデルは、従来から用いられている手法に基づくもので良く、本発明特有のものである必要は無い。
また、触媒温度閾値は、装置の具体的な仕様を考慮して、試験結果やシミュレーション結果に基づいて定めるのが好適である。

判定方法の二つ目は、触媒温度Ｔcatが上述の触媒温度閾値を上回っており、かつ、触媒温度Ｔcatの時間変化率が予め定められた変化率（以下、説明の便宜上「所定基準変化率」と称する）を下回っているか否かを判定するものである。
ここで、触媒温度の時間変化率ΔＴcatは、ある時刻ｔ１における触媒温度を
Ｔcat（ｔ１）、時刻ｔ１から微小時間Δｔ経過した時点の触媒温度をＴcat（Δｔ）とすると、ΔＴcat＝｛Ｔcat（Δｔ）−Ｔcat（ｔ１）｝／Δｔと表されるものである。このステップＳ１０４おいて、酸化触媒４の温度がブランクショットを実行するに適した温度にあると判断できるのは、Ｔcat（ｔ１）＞Ｔcat（Δｔ）であって、ΔＴcatが負の所定値を採る場合である。
すなわち、この二つ目の判定方法においては、触媒温度Ｔcatが上述の触媒温度閾値を上回っており、かつ、触媒温度の時間変化率ΔＴcatが、負の所定基準変化率を下回っている場合には、酸化触媒４の温度がブランクショットを実行するに適した温度にあると判定されることとなる。

しかして、ステップＳ１０４において、上述したいずれかの判定方法に基づいて、ブランクショット処理を実行するための所要の条件が充足されていると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、ステップＳ１０６の処理へ進む一方、所要の条件が充足されていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、ステップＳ１０８の処理へ進むこととなる。
ステップＳ１０８においては、いわゆる従来のＤＰＦ再生処理が実行されて、一連の処理が終了され、図示されないメインルーチンへ一旦戻ることとなる。

一方、ステップＳ１０６においては、ＤＰＦ再生に必要な排気ガスの温度上昇のためのブランクショット処理が実行される。
ここで、ブランクショットとは、燃料噴射弁３による燃料噴射を行うことなく燃料噴射弁３への短時間の通電のみを行うものである。ブランクショット処理は、かかるブランクショットを適宜な回数実行することで、装置全体の電力消費を増加させ、それによるオルタネータ（図示せず）のトルク増を招くことで、ディーゼルエンジン１の負荷を上昇させ、その結果、排気ガスの温度上昇を促進し、酸化触媒４を、未燃燃料の酸化に適した酸化触媒温度に確実に維持し、安定したＤＰＦ再生を可能とするものである。

図３には、ブランクショット処理のより具体的な手順がサブルーチンフローチャートに示されており、また、図４には、電子制御ユニット２０においてブランクショット処理が実行される際に電子制御ユニット２０に必要とされる機能を、機能ブロックで模式的に表した機能ブロック図が示されている。以下、ブランクショット処理の具体的な手順について、図３及び図４を参照しつつ説明する。

電子制御ユニット２０による処理が開始されると、ＰＩＤ制御におけるＰＩＤ演算が行われる（図３のステップＳ２０２参照）。
すなわち、ブランクショット処理におけるブランクショットの適切な回数を算出するため、本発明の実施の形態においては、ＰＩＤ制御とフィードフォワード制御が行われるようになっている（図４参照）。なお、図４においては、電子制御ユニット２０内で、ＰＩＤ制御の機能を果たす部分をＰＩＤガバナＢＬ４−１として、また、フィードフォワード制御の機能を果たす部分をフィードフォワード部ＢＬ４−２として、それぞれ表されている。

まず、ＰＩＤ制御は、目標触媒温度（又は、目標指示噴射量）と、触媒温度Ｔcat（又は、指示噴射量）との差に基づいて行われるようになっており（図４参照）、ステップＳ２０２においては、目標触媒温度（又は、目標指示噴射量）と、触媒温度Ｔcat（又は、指示噴射量）との差に応じたＰＩＤ制御における制御値が演算算出されるものとなっている。

目標触媒温度は、触媒温度Ｔcatの目標値であり、電子制御ユニット２０において実行される従来のＤＰＦ再生制御において所定の演算式によって算出されるようになっているものである。
なお、目標触媒温度に代えて目標指示噴射量を、触媒温度Ｔcatに代えて指示噴射量を、それぞれ用いても良い。

ここで、目標指示噴射量は、酸化触媒温度を触媒活性温度以上に保つために必要な１気筒に噴射させるべき指示燃料量の目標値として演算算出されるものであり、例えば、予め設定されたエンジン回転数と目標指示噴射量との相関関係を規定した特性線に基づいて算出されるものである。
一方、指示噴射量は、ディーゼルエンジン１や燃料噴射弁３の実際の動作特性等を考慮の上、１気筒に噴射させるべき指示燃料量として演算算出されるものである。
この指示噴射量は、電子制御ユニット２０において従来同様、別途実行される燃料噴射制御処理において、ディーゼルエンジン１の回転数、アクセル開度等のディーゼルエンジン１の動作状態に基づいて演算算出されるものである。

次いで、フィードフォワード演算が行われる（図３のステップＳ２０４参照）。本発明の実施の形態において、フィードフォワード制御は、触媒温度Ｔcat（又は、指示噴射量）に基づいて行われるようになっており、ステップＳ２０４においては、触媒温度Ｔcat（又は、指示噴射量）に応じたフィードフォワード制御における制御値が演算算出されるものとなっている。
なお、フィードフォワード制御は、従来から良く知られているように、制御を乱す外的な要因が発生した場合に、その影響が現れる前に、事前に影響を極力なくすべく所要の修正動作を行う制御手法で、制御を乱す外的な要因による影響が現れてからでないと制御の修正動作を行えないフィードバック制御の欠点を補う制御手法である。

次いで、ブランクショット回数の算出が行われる（図３のステップＳ２０６参照）。
すなわち、ステップＳ２０２で算出されたＰＩＤ制御における制御値と、ステップＳ２０４で算出されたフィードフォワード制御における制御値との加算結果に対して、次述するようにリミット処理が施されて、最終的なブランクショット回数が決定されることとなる。

リミット処理は、上述のようにして算出されたブランクショット回数に対して所要の制限を施して、最終的なブランクショット回数（以下、説明の便宜上「最終ブランクショット回数」）を設定する処理である。
本発明の実施の形態において、最終ブランクショット回数は、次述するように定められた上限値と下限値との間に制限されるものとなっている。
すなわち、例えば、電子制御ユニット２０の許容消費電力が、最終的ブランクショット回数の上限値と下限値を設定するための指標（以下、説明の便宜上「制限指標」と称する）とされ、制限指標の大きさ、すなわち、電子制御ユニット２０の許容消費電力に応じた、上限値、下限値が定められるようになっている。

そして、ステップＳ２０２で算出されたＰＩＤ制御における制御値と、ステップＳ２０４で算出されたフィードフォワード制御における制御値との加算結果が、上述の上限値と下限値との間にある場合は、上限値、又は、下限値に制限されることなく、最終ブランクショット回数として出力される一方、上限値、又は、下限値を超える場合には、上限値、又は、下限値が最終ブランクショット回数として出力されるものとなっている。
なお、電子制御ユニット２０の許容消費電力に応じた、適切な上限値、下限値は、試験結果やシミュレーション結果に基づいて定めるのが好適である。

制限指標としては、電子制御ユニット２０の許容消費電力の他、例えば、電子制御ユニット２０内部の温度や、電子制御ユニット２０における演算処理時間、燃料噴射弁３を駆動するための駆動回路（図示せず）の通電時間などが好適である。

さらに、本発明の実施の形態におけるリミット処理においては、リミット処理の停止用のフラグを、例えば、”０”に設定した場合には、ブランクショット回数を”０”として、ブランクショットを停止させることが可能に構成されたものとなっている。
上述のようにして最終的なブランクショット回数が定められた後は、一連の処理が終了されることとなる。

新たな部品を追加することなく、比較的簡易な構成で、確実なＤＰＦ再生が所望されるＤＰＦ装置に適用できる。

１…ディーゼルエンジン
４…酸化触媒
５…フィルタ
１１…ＤＰＦ装置
２０…電子制御ユニット

Claims (6)

1. 内燃機関が排出する粒子状物質を捕獲するフィルタに捕集された前記粒子状物質を、酸化触媒による排気ガス内未燃燃料の酸化による排気ガス温度の上昇によって燃焼させることで前記フィルタの再生を可能としたＤＰＦ再生制御装置におけるＤＰＦ再生制御方法であって、
   前記内燃機関に設けられた燃料噴射弁に燃料を供給することなく通電のみを行うブランクショットを実行し、電力消費を増加せしめることで前記内燃機関の負荷の増加を促進し、排気ガスの温度上昇を生じせしめることを特徴とするＤＰＦ再生制御方法。
2. 前記ブランクショットは、前記酸化触媒が所定の温度条件を満たしている場合に実行され、
   前記所定の温度条件は、前記酸化触媒の内部温度である触媒温度が触媒温度閾値を下回っていることであり、
   前記触媒温度は、前記酸化触媒の上流側と下流側の温度差、前記酸化触媒の上流側の温度、又は、前記酸化触媒の温度変化をモデル化した温度モデルに基づいて演算算出されたモデル温度のいずれかを用いることを特徴とする請求項１記載のＤＰＦ再生制御方法。
3. 前記所定の温度条件は、前記酸化触媒の内部温度である触媒温度が触媒温度閾値を下回っていることに代えて、
   前記触媒温度が触媒温度閾値を上回っており、かつ、前記触媒温度の温度変化率が負の所定基準変化率を下回っていることであることを特徴とする請求項２記載のＤＰＦ再生制御方法。
4. 内燃機関が排出する粒子状物質を捕獲するフィルタに捕集された前記粒子状物質を、酸化触媒による排気ガス内未燃燃料の酸化による排気ガス温度の上昇によって燃焼させることで前記フィルタの再生を可能としたＤＰＦ再生制御装置であって、
   前記内燃機関の動作制御を行う電子制御ユニットを有し、
   前記電子制御ユニットは、
   前記内燃機関に設けられた燃料噴射弁に燃料を供給することなく通電のみを行うブランクショットを実行し、電力消費を増加せしめることで前記内燃機関の負荷の増加を促進し、排気ガスの温度上昇を生じせしめることを可能に構成されてなることを特徴とするＤＰＦ再生制御装置。
5. 前記電子制御ユニットは、前記酸化触媒の内部温度である触媒温度が触媒温度閾値を下回っている場合に前記ブランクショットを実行し、
   前記触媒温度は、前記酸化触媒の上流側と下流側の温度に基づいて算出された触媒内温度、前記酸化触媒の上流側の温度、又は、前記酸化触媒の温度変化をモデル化した温度モデルに基づいて演算算出されたモデル温度のいずれかが用いられるよう構成されてなることを特徴とする請求項４記載のＤＰＦ再生制御装置。
6. 前記電子制御ユニットは、前記酸化触媒の内部温度である触媒温度が触媒温度閾値を下回っている場合に前記ブランクショットを実行することに代えて、
   前記触媒温度が触媒温度閾値を上回っており、かつ、前記触媒温度の温度変化率が負の所定基準変化率を下回っている場合に前記ブランクショットを実行するよう構成されてなることを特徴とする請求項５記載のＤＰＦ再生制御装置。

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