JP4849823B2 - パティキュレートフィルタの再生制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、パティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタの再生制御装置に関する。

一般に、内燃機関、特にディーゼルエンジンは、運転時において粒子状物質（パティキュレート。以下「ＰＭ」という）を排出する。このＰＭを大気中に排出させないように、ディーゼルエンジンの排気系にはパティキュレートフィルタが装着される。パティキュレートフィルタは、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過して隣の通路へと抜ける際にＰＭを捕集する。

パティキュレートフィルタにおいて捕集されたＰＭは、フィルタ内の堆積量が増えるにつれてフィルタ性能を劣化させるため、定期的にフィルタの再生処理が必要となる。フィルタ内に堆積したＰＭは、フィルタ内温度を高温に制御することにより燃焼され、フィルタから除去される。フィルタ内の温度を高温にするために、例えばポスト噴射など排気温度を高める処理が一般に行われている。

パティキュレートフィルタの再生処理を効率良く行うためには、再生処理を実行する時期が重要となる。例えば特許文献１では、燃料噴射量およびエンジン回転数から運転領域を判定し、再生処理に適した所定の運転領域のときに再生制御を実行する手法が開示されている。また、再生処理中に再生に適さない運転領域になった場合でも、パティキュレートフィルタの温度が所定値以上ならば再生の効率はさほど変わらないので再生制御を継続する手法も開示されている。

また、特許文献２では、車速センサに基づいて渋滞走行を判定し、渋滞時には再生制御を禁止する手法が開示されている。渋滞走行時にはエンジン回転数が低減するため排気温度が下がり、パティキュレートを燃焼させるために必要な燃料添加量が増加する。渋滞時に再生制御を禁止することにより、再生制御の燃料添加量を抑制して燃費を向上させることができる。
特開2000-161044 特開2004-132223

しかし、特許文献１の手法は、再生継続の判断基準がパティキュレートフィルタ内の温度に基づいているので、排気温度の変動を検知しにくいという問題がある。排気温度がパティキュレートの燃焼温度に達した後にパティキュレートフィルタの再生が行われる関係上、排気温度の変化に対して遅れが生じる。また、排気温度を上昇させるために排気管内のパティキュレートフィルタより上流に酸化触媒を配置している場合、パティキュレートフィルタの温度を判断基準としては、酸化触媒の活性度合いは考慮することができない。

特許文献２の手法は、再生処理中に渋滞を検知した場合でも再生処理は所定時間継続してしまう。つまり、排気温度が低くなり再生に適さない運転領域となったとしても、効率の悪い再生処理を回避する手段は開示されていない。また、特許文献２では、車速センサのみに基づいて渋滞検知が行われており、しきい値の設定によっては低速ギヤで比較的速度を出すといった渋滞時特有の運転状態をカバーできない場合がある。

したがって、本発明は上述の問題点を鑑み、パティキュレートフィルタの再生処理における燃料消費を抑制し、再生効率を向上させることができるパティキュレートフィルタの再生制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、パティキュレートフィルタと、該パティキュレートフィルタの上流に設けられた酸化触媒と、を排気系に備えるディーゼルエンジンにおいて、パティキュレートフィルタの再生を制御する装置を提供する。この装置は、酸化触媒およびパティキュレートフィルタの間に設けられた、排気温度を検出する温度検出手段と、パティキュレートフィルタの再生制御に適した運転条件において該再生制御を行う再生手段と、を備える。再生手段は、再生制御中に上述の運転条件を外れたとき、温度検出手段の検出温度が所定値以上ならば、再生制御を継続する。

この発明では、酸化触媒およびパティキュレートフィルタの間で計測された排気温度に基づいて再生処理継続を判定する。したがって、本発明により、酸化触媒の活性度合いまで考慮して再生制御の実施可否を判定できるので、無駄なポスト噴射による燃費の悪化や、オイルダイリューションを抑制することが可能となり、パティキュレートフィルタの再生効率が向上する。

本発明の一実施形態では、再生制御に適した運転条件を外れたときとは渋滞時であって、該渋滞は車速が所定値以下のときに検知される。所定値はギヤ段に応じて設定される。また、本発明の一実施形態では、所定値は、所定のギヤ段以上のときの該所定値が、所定のギヤ段より小さいときの該所定値よりも低くなるよう設定される。これにより、低速ギヤで比較的速度を出すといった渋滞時特有の運転状態を渋滞と判定できるので、渋滞走行の判定精度が向上する。また、上述の通り、渋滞時でも排気温度が所定値以上ならば再生を継続させることができるので、再生効率が向上する。

次に、図面を参照して、本発明であるパティキュレートフィルタの再生制御装置の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に従う、車両に搭載されるディーゼルエンジンおよびその制御装置の全体的な構成図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１００は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース１００ｂ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１００ａ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１００ｄ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース１００ｃを備えている。メモリ１００ｄのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。この発明に従うパティキュレートフィルタの再生制御のためのプログラムは、該ＲＯＭに格納される。ＲＯＭは、ＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ１００ａによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に格納される。

ＥＣＵ１００に向けて送られたセンサ出力等の各種信号は入力インタフェース１００ｂに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１００ａは、変換されたデジタル信号を、メモリ１００ｄに格納されているプログラムに従って処理し、車両の各部へ送るための制御信号を作り出す。出力インタフェース１００ｃは、これらの制御信号を、燃料噴射装置１１０、インテークシャッタ１０６、ＥＧＲバルブ１１８、およびその他不図示の各部位へと送る。

ディーゼルエンジン１０１には、燃料噴射装置１１０が取り付けられておりＥＣＵ１００の制御により燃料の噴射が制御される。燃料噴射装置１１０は、不図示のコモンレール（蓄圧室）に接続されており、ＥＣＵ１００からの信号により、圧縮行程上死点付近で筒内へ燃料の噴射（メイン噴射）を行う。さらに、燃料噴射装置１１０は、ＥＣＵ１００からの信号によりポスト噴射を行う。ポスト噴射とは、メイン噴射が終了した後の、膨張行程および排気行程において追加的に行う燃料噴射である。ポスト噴射を行うと、この燃料のエネルギーはエンジンの出力に変換されず、多くが熱エネルギーなどの排気エネルギーとなる。また、ポスト噴射によって、未燃焼燃料が多く排気として放出される。そして、この未燃焼燃料は酸化触媒１０８において酸化され熱へと変化する。よって、この排気の熱によってＤＰＦ１０２が暖められることとなる。

ディーゼルエンジン１０１には、クランク角センサ１０４が設けられている。クランク角センサ１０４は、クランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１００に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（たとえば、３０度）で出力されるパルス信号である。ＥＣＵ１００は、該ＣＲＫ信号に応じ、エンジン１０１の回転数を算出する。尚、ＥＣＵ１００のメモリには、エンジン出力とトルク値のマップが格納されており、算出されたエンジン回転数から適宜これらを求めることができるようになっている。

また、ディーゼルエンジン１０１には、水温センサ１０５が取り付けられている。水温センサ１０５は、エンジン１０１中のウォータージャケット内を流れる冷却水の温度を計測して、計測値をＥＣＵ１００へと送る。

ディーゼルエンジン１０１の排気直後には、酸化触媒（ＣＡＴ）１０８が取り付けられている。酸化触媒１０８は、未燃の炭化水素を酸化して浄化し、また、この酸化プロセスにより排気温度を上昇させる。

ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１０２が、排気管内の酸化触媒１０８の下流側に取り付けられている。ＤＰＦ１０２は、セラミック、金属製不織布等の耐熱性を有する多孔質のフィルタ壁からなり、排気の流れ方向に排気流路を形成する多数の流路を有している。多孔質の孔径は、１０ミクロン程度であり、排気中に含まれる粒子状物質（パティキュレート。以下「ＰＭ」という）は、排気が多孔質のフィルタ壁を通過する際に捕集される。

ＤＰＦ１０２の排気流路のそれぞれは、排気流れ方向の上流端または下流端のうち一方が閉塞されている。上流端が閉塞された流路と下流端が閉塞された流路とが交互に互いに隣接して配設されている。このため、各気筒の排気ポートから排出される排気は、それぞれのＤＰＦの上流端が解放された（下流端が閉塞された）流路に流入し、流路相互を隔てる多孔質のフィルタ壁を通過して下流端が解放された流路に流入し下流端からＤＰＦ外に流出するようになっている。

ＤＰＦ１０２において捕集されたＰＭは、フィルタ内の堆積量が増えるにつれてフィルタ性能を劣化させるため、定期的にＤＰＦ１０２の再生処理が必要となる。ＤＰＦ１０２内に堆積したＰＭは、フィルタ内温度を高温に制御することにより燃焼され、ＤＰＦ１０２から除去される。フィルタ内の温度を高温にするために、例えばポスト噴射、インテークシャッタ閉弁、またはＥＧＲ導入などの排気温度を高めるための制御が実行される。

差圧センサ１１１が、ＤＰＦ１０２の上流側および下流側に圧力導入管を介して接続されている。差圧センサ１１１は、ＤＰＦ１０２の前後差圧に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。ＤＰＦ１０２上下流の差圧は、フィルタ内のＰＭの蓄積に伴い増大する特徴がある。そこで、ＥＣＵ１００は、差圧センサ１１１の出力に基づいてＤＰＦ１０２におけるＰＭ堆積量を求める。

第1の排気温度センサ１０７が、酸化触媒１０８の上流側に取り付けられている。第1の排気温度センサ１０７は、酸化触媒上流の排気温度（ＣＡＴ前温度）を計測して計測値をＥＣＵ１００へ送る。

また、第2の排気温度センサ１０９が、酸化触媒１０８とＤＰＦ１０２との間に取り付けられている。第２の排気温度センサ１０９は、ＤＰＦ上流の排気温度（ＤＰＦ前温度）を計測して計測値をＥＣＵ１００へ送る。

エアフローメータ１１９が、排気管１０３内に設置されている。エアフローメータ１１９は、排気ガスの流量を計測して、ＥＣＵ１００に送る。

アクセル開度センサ１１３が、車両のアクセルペダルに取り付けられており、運転者によるアクセルの踏み込み量がＥＣＵ１００に送信されるようになっている。ＥＣＵ１００は、送信された踏み込み量から要求されるエンジンの出力値およびトルク値を演算して、エンジン１０１が要求されるこれらの値を出力するように、燃料噴射装置１１０の燃料噴射量などを制御する。

車速センサ１１５が、車両の速度をＥＣＵ１００に入力する。また、ギヤ段などの車両の走行状態に関する情報もＥＣＵ１００に入力されている。車速およびギヤ段を含めた多種のセンサ情報に基づいて、ＥＣＵ１００は運転状態を判定する。

インテークシャッタ１０６が、吸気管１１２内に設置されている。インテークシャッタ１０６は、通常運転時には常時全開の状態で保たれており、ＤＰＦ１０２の再生処理時など排気温度を上昇させたい場合に全閉される。

吸気管１１２および排気管１０３の間には、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）１１７が設置されている。ＥＣＵ１００によってＥＧＲバルブ１１８の開度が調節され、排気管１０３内を流れる排気ガスの一部が吸気管１１２に戻され再利用される。

さらに、不図示としたものもあるが、このディーゼルエンジン１０１を運転するために必要な他のセンサ類（吸気管圧力センサ）や、各種装置（ターボチャージャ、コモンレール（蓄圧室）など）が取り付けられている。

次に、図２および図３を参照して本実施形態によるＤＰＦ１０２の再生制御および再生中断判定について説明する。これらの処理は、ＥＣＵ１００に記憶されたソフトウェアプログラムによって一定時間毎に実行される。

図２は、本実施形態によるＤＰＦ再生制御のフローチャートである。

ステップＳ１０１において、現在の車両の運転状態ステータスを求め、再生制御に適した運転状態かどうかを判定する。

運転状態ステータスは、車速センサ１１５の計測値から求められる車速、クランク角センサ１０４およびアクセル開度センサ１１３の計測値から求められるエンジン負荷量（回転数、燃料噴射量）、水温センサ１０５の計測値から求められるエンジン水温、第1の排気温度センサ１０７の計測値から求められるＣＡＴ前温度、第２の排気温度センサ１０９の計測値から求められるＤＰＦ前温度、およびギヤ段などその他複数のセンサ情報に基づいて、ＥＣＵ１００によって選択される。運転状態ステータスは、例えば所定の複数のグループの中から選択される。

選択された運転状態ステータスによって、現在の運転状態が再生制御に適した状態かどうかを判定する。再生制御に適した運転状態ステータスが選択された場合には、ステップＳ１０３に進む。このとき、再生処理の開始トリガとなるＰＭ堆積量のしきい値や、再生制御の設定が、選択された運転状態ステータスに応じて決定される。再生制御に不向きな運転状態ステータスが選択された場合には、処理を終了する。ここで、再生制御に不向きな運転状態とは、例えば車速が低い場合、またはＣＡＴ前温度やＤＰＦ前温度が低い場合などが挙げられる。

ステップＳ１０３において、ＤＰＦ１０２のＰＭ堆積量を推定する。ＰＭ堆積量の推定は、以下に説明する２つの方法を並行して行い、いずれか大きい方を選択する。

第1の推定方法は、マップによるＰＭ堆積量推定である。この方法では、ＰＭの瞬間的な排出量を表すＰＭ排出量マップが、エンジン回転数が増大するとＰＭが増大するという関係と、供給した燃料量に含まれるカーボン成分の関係とから予め実験的に求められマップとしてメモリ１００ｄに格納されている。ＥＣＵ１００は、アクセル開度センサ１１３およびクランク角度センサ１０４の計測値から、現在の燃料噴射量およびエンジン回転数を算出する。次に、ＥＣＵ１００は、燃料噴射量およびエンジン回転数から構成されるＰＭ排出量マップをメモリ１００ｄから読み出し、現在の燃料噴射量およびエンジン回転数からＰＭの瞬間の排出量を特定する。そして、バックグラウンドで逐次瞬間のＰＭの排出量を積算し、現在のＰＭ堆積量の推定値を算出する。

第２の推定方法は、ＤＰＦ１０２前後の差圧によるＰＭ堆積量推定である。この方法は、ＰＭがＤＰＦ１０２内に堆積するのに伴って、ＤＰＦ１０２前後の差圧が増加するという特性を利用している。ＥＣＵ１００は、差圧センサ１１１の計測値からＤＰＦ１０２前後の差圧ΔＰを求め、エアフローメータ１１９の計測値から排気ガス流量ＦＬを求める。そして、ＥＣＵ１００は、ΔＰ／ＦＬの値に基づいて、現在のＰＭ堆積量の推定値を算出する。

上記の第１および第２の推定方法によって求められた推定値のうち、大きい方をＰＭ堆積量として選択する。なお、ＰＭ堆積量の推定には、既知の別の手法を用いても良い。

ステップＳ１０５において、ＰＭ堆積量が所定の許容量を超えるかどうかを確認する。ここで、所定許容量は、ステップＳ１０１において決定された運転状態ステータスに応じて設定される。例えば、高負荷かつ高速走行のときはＰＭ堆積量の許容量は小さくなる。ＰＭ堆積量が所定の許容量を超えているときは、ＤＰＦ１０２にＰＭが許容量以上堆積していると判定され、ステップＳ１０７に進む。ＰＭ堆積量が所定値以下のときは、ＤＰＦ１０２にはまだＰＭ堆積能力があると判定され、処理を終了する。

ステップＳ１０７において、ＤＰＦ１０２の再生処理を実行する。再生処理の内容は、ステップＳ１０１において決定されて運転状態ステータスに応じて設定されており、例えば、ポスト噴射、インテークシャッタ閉弁またはＥＧＲ導入などの各種制御を選択的に実行する。また、再生処理は、運転状態ステータスに応じた所定時間に渡って実行される。そして、ＤＰＦ前温度が６００℃となる状態が一定時間経過した時点、またはＰＭ堆積量が０になった時点で再生処理が成功したものと判定される。

図３は、本実施形態によるＤＰＦ再生処理の中断判定のフローチャートである。

上述のＤＰＦ再生制御は、一旦ステップＳ１０７において再生処理が実行されると、所定時間または再生成功判定まで継続される。しかし、再生処理が開始された後に渋滞など低速で排気温度が上昇しにくい状態になると、ＤＰＦ１０２内を所望の温度以上に保つために余計なエネルギーが必要となり、ポスト噴射による無駄な燃料消費などの問題が生じると考えられる。このような問題を回避するために、再生処理中に悪条件に陥った場合に再生を中断する機能が必要である。

また、渋滞など一般に再生処理に不向きな運転状態でも、排気温度が高ければ再生処理の効率はそれほど低下しない。このような状態ではＰＭを十分に燃焼することができるので、再生処理を継続する方が有効である。

したがって、本実施形態では、ＤＰＦ１０２の再生処理中に再生の中断の判定を行う。

ステップＳ２０１において、車両の運転状態が渋滞であるかどうかを確認する。渋滞の判定は、ＥＣＵ１００に入力される車速センサ１１５およびギヤ段の情報に基づいて行われる。そして、ギヤ段に応じて車速のしきい値を設け、しきい値以下の場合に渋滞と判定する。一般に、渋滞時には低速ギヤのまま走行する機会が多いので、低速ギヤのときの車速のしきい値を大きく設定することで、渋滞時に起こりうる走行状態をカバーする。車速のしきい値は、例えば、ギヤ段が３速以下のとき６０km/hであり、ギヤ段が４速以上のとき５０km/hである。渋滞と判定された場合、ステップＳ２０３に進む。渋滞ではないと判定された場合、ステップＳ２０７に進み再生処理を継続する。

ステップＳ２０３において、第２の排気温度センサ１０９によって計測されるＤＰＦ前温度が所定値以下かどうかを確認する。ＤＰＦ前温度は、ＤＰＦ内温度に比べて排気温度の変動の影響を直接受けるので、また、酸化触媒１０８の活性度を考慮することができるので、排気温度の状況を精度良く把握することができる。所定値は、ＤＰＦ再生が十分に実行可能な温度であれば良く、例えば３５０℃である。ＤＰＦ前温度が所定値以下の場合、ＤＰＦ再生処理の効率が低下すると判定され、ステップＳ２０５に進み再生処理は中断される。ＤＰＦ温度が所定値以上の場合、ＤＰＦ再生処理の効率が落ちない程度の燃焼条件を満たしていると判定され、ステップＳ２０７に進んで再生処理は継続される。

以上、本発明の具体的な実施例について説明した。しかし、本発明はこのような実施例に限定されるものではない。上述の実施形態では、ＤＰＦ１０２の再生処理中に再生処理に適した運転状態を外れる状況として渋滞時を例示したが、その他の低速走行となりうる運転状況においても本発明による再生制御の中断判定手法は適用可能である。

本発明の実施形態に従う、ディーゼルエンジンおよびその制御装置の概略図である。 本実施形態によるＤＰＦ再生制御のフローチャートである。 本実施形態によるＤＰＦ再生処理の中断判定のフローチャートである。

符号の説明

１００ ＥＣＵ
１０２ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
１０３ 排気管
１０６ インテークシャッタ
１０８ 酸化触媒
１０９ 排気温度センサ
１１０ インジェクタ
１１７ ＥＧＲ

Claims (2)

1. パティキュレートフィルタと、該パティキュレートフィルタの上流に設けられた酸化触媒と、を排気系に備えるディーゼルエンジンにおいて、パティキュレートフィルタの再生を制御する装置であって、
   前記酸化触媒および前記パティキュレートフィルタの間に設けられた、排気温度を検出する温度検出手段と、
   前記パティキュレートフィルタの再生制御に適した運転条件において該再生制御を行う再生手段とを備え、
   前記再生手段は、再生制御中に車速がギヤ段に応じて設定される所定値以下に低下したとき前記運転条件を外れた渋滞時であるとして、前記温度検出手段の検出温度が所定値以上の場合は再生制御を継続し、当該検出温度が所定値未満の場合は再生制御を中断する、パティキュレートフィルタの再生制御装置。
2. 前記所定値は、所定のギヤ段以上のときの該所定値が、所定のギヤ段より小さいときの該所定値よりも低くなるよう設定される、請求項１に記載の装置。

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