説明

DPFの再生制御方法

【課題】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。
【解決手段】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が生成する温度(TSOF)以下となっているSOF時間(tL1〜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、SOF積算時間(tL)に応じてDPFの温度のSOF温度(TSOF)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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特許第3951619号公報
【特許文献2】特許第4100448号公報
【特許文献3】特許第4140640号公報
【特許文献4】特許第4232556号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【課題を解決するための手段】
【0015】
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(TSOF)以下となっているSOF時間(tL1〜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(tL)に応じてDPFの温度のSOF温度(TSOF)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。
【0016】
請求項2の発明は、前処理時間(t)は、PM堆積量の判定値をWPMとし、SOF除去後のPM質量をWSOFとし、PMの酸化速度をVSOFとし、SOF積算時間(tL)、再生間隔をtoとしたとき、
t=(WPM×WSOF)/VSOF×tL/to
で決定し、
さらに前処理条件(PC)は、
PC=TSOF×t
で設定する請求項1記載のDPFの再生制御方法である。
【0017】
請求項3の発明は、前処理条件は、DPFにSOF温度(TSOF)として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。
【発明の効果】
【0018】
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。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】DPFに堆積したPMの表面のSEM像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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(ΔPlimit)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(ΔPlimit)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。
【0029】
以下に、本発明のDPFの再生制御方法を詳細に説明する。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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WSOFのときの温度をTSOFとすると、TSOF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TSOF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、TSOF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(WSOF)と考えることができる。
【0035】
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TSOFは、250℃〜300℃位、WSOFは0.2〜0.5である。
【0036】
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。
【0037】
図3より、SOF分の酸化速度は、SOF除去温度TSOFの時に最大値(VSOF)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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
排ガス中に発生するSOFは、SOF除去温度TSOF以下になったときに発生し、SOF除去温度TSOF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TSOF以下となる時間(tL1〜tLn)を積算する。
【0042】
すなわち、図4でDPF再生間隔(時間t0)中のTSOF以下となる時間(tL)の合計は、
L=tL1+tL2+tL3+tL4+tL5+tL6
となり、再生間隔の時間t0中の時間tLは、PMに含まれるSOF量を表すものとなる。
【0043】
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。
【0044】
DPFに堆積したPMの大部分がSOOTで、差圧の上限値(ΔPlimit)となるときの、PM堆積量の判定値をWPMとし、SOF除去後のPM質量をWSOFとし、PMの酸化速度をVSOFとし、SOF積算時間(tL)、再生間隔をtoとしたとき、前処理時間(t)は、
t=(WPM×WSOF)/VSOF×tL/to …(1)
で決定し、
また前処理条件(PC)は、
PC=TSOF×t …(2)
で決定する。
【0045】
式1中のPM堆積量の判定値WPM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VSOF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TSOF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。
【0046】
このように前処理時間(t)とSOF除去温度TSOF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TSOF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(ΔPlimit)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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
また温度(T)は、step1で、T>TSOFかどうかが判断され、T>TSOFであれば、そのT>TSOFとなっている間の時間(tL)が、積算され自動的に内部記憶43される。
【0054】
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、ΔPlimit>ΔPかどうかが判断され、ΔPlimit>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>TSOFとなっているかどうかが判断され、T>TSOFとなっていれば、その時間(tL)が積算される。
【0055】
次にstep2の判断で、ΔPlimit≦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>TSOFとなっている間の積算時間(tL)を基に、式1,2で説明した計算を行って、すなわち、
t=(WPM×WSOF)/VSOF×tL/to …(1)
PC=TSOF×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。
【0056】
次に、step3で差圧判定し、再度ΔPlimit>ΔPかどうかが判断される。
【0057】
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、ΔPlimit>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。
【0058】
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(ΔPlimit)以上になったとき、step3で、ΔPlimit≦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、ΔPlimit≦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。
【0059】
なお、図1のフローでstep2、step3の差圧判定で、上限値をΔPlimitと同じにしているが、step2の上限値ΔPlimitは、step3の上限値ΔPlimitより低い値に設定しておいてもよい。
【0060】
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TSOFとし、前処理PC時間(=TSOF×t)継続することでSOFの除去を行う。
【0061】
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。
【符号の説明】
【0062】
10 エンジン
15 排気管
18 DPF
45 前処理(PC)
46 DPF再生

【特許請求の範囲】
【請求項1】
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(TSOF)以下となっているSOF時間(tL1〜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(tL)に応じてDPFの温度のSOF温度(TSOF)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。
【請求項2】
前処理時間(t)は、PM堆積量の判定値をWPMとし、SOF除去後のPM質量をWSOFとし、PMの酸化速度をVSOFとし、SOF積算時間(tL)、再生間隔をtoとしたとき、
t=(WPM×WSOF)/VSOF×tL/to
で決定し、
さらに前処理条件(PC)は、
PC=TSOF×t
で設定する請求項1記載のDPFの再生制御方法。
【請求項3】
前処理条件は、DPFにSOF温度(TSOF)として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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2011−169235(P2011−169235A)
【公開日】平成23年9月1日(2011.9.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−33870(P2010−33870)
【出願日】平成22年2月18日(2010.2.18)
【出願人】(000000170)いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Fターム(参考)】