JP5625476B2

JP5625476B2 - Ｄｐｆシステム

Info

Publication number: JP5625476B2
Application number: JP2010113766A
Authority: JP
Inventors: 貴夫小野寺; 佐藤　等; 等佐藤; 弘幸石川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2030-05-17
Also published as: JP2011241741A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集するＤＰＦシステムに関するものである。

ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭをＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、例えば、その一種であるＤＰＤ（Diesel Particulate Defuser）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減するＤＰＦシステムが開発されている。

ＤＰＦを用いたＤＰＦシステムは、他の排ガス浄化システム（例えば、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システム）と同様に、排気管の途中に設けられ、排気ガスを浄化して大気中に排出するものである（例えば、特許文献１参照）。

このＤＰＦシステムとして、ＤＰＦの上流側にＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）を設けた連続再生型のＤＰＦシステムがある。このＤＰＦシステムは、ＮＯ₂によるＰＭの酸化が、排気ガス中のＯ₂によってＰＭを酸化することで低温で行われることを利用したもので、上流側のＤＯＣにより、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ₂にして、このＮＯ₂で、下流側のＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化してＣＯ₂とし、ＰＭを除去してＤＰＦ再生を行っている。

ところが、このようなＤＰＦシステムにおいても、排気ガス温度が低い場合には、ＤＯＣの温度が低下して活性化しないため、酸化反応が促進されず、ＰＭを酸化してＤＰＦ再生を行うことができないため、ＰＭのＤＰＦへの堆積が継続されてフィルタの目詰まりが進行してしまう。

このフィルタの目詰まりに対して、ＰＭ堆積量が所定の堆積量を超えたときに排気ガス温度を目標温度（例えば、５００℃〜６００℃程度）まで強制的に昇温させて、ＤＰＦに捕集されているＰＭを強制的に燃焼除去することが行われる。

ＰＭ堆積量は、ＤＰＦ前後の排気の差圧を計測する差圧センサの出力値に比例するため、差圧センサの出力値が所定の差圧を超えたときに、ＥＣＵ（Engine Control Unit）はフィルタの目詰まりを検出し、ＥＣＵが自動的に（自動再生）、或いは手動（手動再生）で行う場合には、キャビン内に設けられたＤＰＦ警告灯（ＤＰＦランプ）を点灯し、車両の停止後、ドライバーが再生実行スイッチ（手動再生実行スイッチ）を押すことで、ＤＰＦ再生を開始する。

なお、フィルタの目詰まりの検出は、ＤＰＦ前後の排気の差圧以外にも、走行距離に基づいてなされる場合もある。この場合は、走行距離が所定の距離を超えたときに、上述したように自動或いは手動でＤＰＦ再生を開始する。

ＤＰＦ再生が開始されると、ＥＣＵが燃料噴射や排気スロットル、排気ブレーキバルブを制御し、排気ガス温度を上昇させ、ＤＰＦに堆積したＰＭが燃焼される。

このＤＰＦ再生においては、ディーゼルエンジンの爆発工程後にポスト噴射を行うことにより、排気ガス温度を上昇させているため、エンジンオイルに微量ながら燃料が混入する、所謂ダイリューションと呼ばれる現象が発生する。このダイリューションにより、エンジンオイルの希釈が進むとエンジンの故障を招く虞がある。

ダイリューションに関しては、車両の走行中に行う自動再生では、停車アイドル状態に比べて排気ガス温度の制御が難しいので、排気ガス温度を目標温度まで昇温させるためには多量のポスト噴射が必要となり、その結果として、ダイリューション量が多くなる。

これに対し、車両を停止させて行う手動再生は、排気ガス温度の制御が容易に行えるため、ポスト噴射量が少なくて済み、自動再生に比べてダイリューション量を抑えることができる。

手動再生は安定してＤＰＦ再生を行えるので、自動再生に比べて手動再生の方が効率が良いと言う特長があるが、手動再生を行うには車両を所定の時間（例えば、２０〜３０分程度）停止させる必要があり、利便性の面では自動再生に劣っている。このような理由から、自動再生と手動再生を状況に応じて適宜選択して行うＤＰＦ再生制御が行われている。

自動再生と手動再生の選択は、蓄積ダイリューション量に基づいてなされる。蓄積ダイリューション量とは、ＤＰＦ再生によって増加するダイリューション量を積算すると共に、走行によってエンジンオイルに混入した燃料が揮発して減少するダイリューション量を減算して計算されるものである。

具体的には、予め蓄積ダイリューション量に所定の閾値を設定しておき、計算された蓄積ダイリューション量がその閾値未満のとき、自動再生を行い、蓄積ダイリューション量が閾値を超えているとき、ドライバーに手動再生を促すようにしている。

このように、蓄積ダイリューション量が多いときは、ダイリューションの発生が少ない手動再生を行い、蓄積ダイリューション量が少ないときは、利便性の優れた自動再生を行っている。

更に、自動再生と手動再生の選択は、ＤＰＦ再生終了から次のＤＰＦ再生開始までの走行距離である再生インターバルに基づいてもなされる。具体的には、再生インターバルが設定した手動再生閾値未満のとき、蓄積ダイリューション量に関わらずドライバーに手動再生を促すようにしている。

再生インターバルが短くなる、即ち走行距離が短いのにも拘わらずＰＭがＤＰＦに閾値を超えて堆積する理由としては、先のＤＰＦ再生でＰＭが十分に除去されなかった可能性が考えられる。そのため、再生インターバルが手動再生閾値未満のときは、安定してＤＰＦ再生を行える手動再生を選択し、確実にＰＭを除去するようにしている。

特許第４１７５２８１号公報

ところで、車両の停止と走行を繰り返す渋滞等では、走行距離が短くてもＰＭ堆積量が閾値を超えてしまう場合がある。このような場合には、再生インターバルが短くなるが、そのためにユーザに何度も手動再生を促すこととなり、その度に車両を停止させて所定の時間待機してＤＰＦ再生を行う必要があるので、ユーザにとって利便性が非常に悪いと言う問題がある。

そこで、本発明の目的は、従来に比べて利便性を改善したＤＰＦシステムを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、ディーゼルエンジンの排気管に排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦを接続し、そのＤＰＦのＰＭ堆積量が一定量を超えたとき、ＰＭを燃焼させることができる温度まで排気ガス温度を昇温すると共にその温度が所定時間維持されたら昇温を終了するＤＰＦ再生を行うに際し、ＤＰＦ再生終了から次のＤＰＦ再生開始までの走行距離である再生インターバルが設定した手動再生閾値未満のとき、ドライバーの指示により手動で開始されるＤＰＦ再生である手動再生の開始をドライバーに促すことなく、制御手段の指示により自動で開始されるＤＰＦ再生である自動再生を行い、この自動再生が所定回数連続したとき、手動再生の開始をドライバーに促すようにしたＤＰＦシステムである。

ＤＰＦ再生によって増加するダイリューション量を積算すると共に走行によって減少するダイリューション量を減算して蓄積ダイリューション量を計算しておき、ＤＰＦ再生の再生インターバルが手動再生閾値未満で、且つ、蓄積ダイリューション量が閾値未満のとき、手動再生の開始をドライバーに促すことなく自動再生を行い、この自動再生が所定回数連続したとき、手動再生の開始をドライバーに促すようにし、ＰＭ堆積量は、ＤＰＦ前後の差圧に基づいて検出すると良い。

本発明によれば、従来に比べて利便性を改善したＤＰＦシステムを提供することができる。

ＤＰＦシステムの構成を示すシステム図である。ＤＰＦ再生の開始トリガーを説明する図である。手動再生を説明する図である。自動再生を説明する図である。ＤＰＦシステムの動作を説明する図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、ＤＰＦシステムを示すシステム図である。

図１において、ディーゼルエンジン１０の吸気マニホールド１１と排気マニホールド１２は、過給機（ターボチャージャー）１３のコンプレッサ１４とタービン１５にそれぞれ連結され、上流側吸気管１６ａからの空気がコンプレッサ１４で昇圧され、下流側吸気管１６ｂのインタークーラ１７を通って冷却されて吸気スロットル（吸気スロットルバルブ）１８を介して吸気マニホールド１１からディーゼルエンジン１０に供給され、ディーゼルエンジン１０からの排気ガスは、タービン１５を駆動した後、排気管２０に排気される。

上流側吸気管１６ａには、吸気量を測定するＭＡＦ（Mass Air Flow）センサ１９が設けられ、そのＭＡＦセンサ１９で、吸気スロットル１８の開度が制御されて吸気量が調整される。また、排気管２０と上流側吸気管１６ａには排気ガスの一部をディーゼルエンジン１０の吸気系に戻してＮＯ_Xを低減するためのＥＧＲ管２１が接続され、そのＥＧＲ管２１にＥＧＲクーラ２２とＥＧＲバルブ２３とが接続される。

排気管２０には、排気ブレーキバルブ２４、ＤＰＦ２５、排気スロットル（排気スロットルバルブ）２６、サイレンサー２７が接続される。ＤＰＦ２５は、未燃焼燃料を酸化する活性触媒からなるＤＯＣ２８と排ガス中のＰＭを捕集するＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter)２９からなる。

また、図１には示していないが、排気スロットル２６とサイレンサー２７間にＳＣＲ装置が接続される。ＳＣＲ装置は、排気ガス中のＮＯ_XをＮＨ₃と反応させてＮ₂とＨ₂Ｏにして浄化する装置である。

ＤＯＣ２８の前後には、ポスト噴射の可否、ポスト噴射量、及びＤＰＦ再生の完了の判断に用いられる排気ガス温度センサ３０ａ，３０ｂが設けられる。また、ＣＳＦ２９のＰＭ堆積量を推定するために、ＣＳＦ２９前後の排気の差圧を計測する差圧センサ３１が設けられる。

これらセンサの出力値は、ディーゼルエンジン１０の運転の全般的な制御を行うと共に、ＤＰＦ再生も行うＥＣＵ３２に入力され、このＥＣＵ３２から出力される制御信号により、ディーゼルエンジン１０の燃料インジェクタ３３や、排気スロットル２６、排気ブレーキバルブ２４、ＥＧＲバルブ２３等が制御される。

ＥＣＵ３２には、ディーゼルエンジン１０の運転のために、アクセルポジションセンサからのアクセル開度、回転数センサからのエンジン回転数、車速センサ３４からの車速等の情報の他、エンジン冷却水の温度等の情報も入力される。

また、ＥＣＵ３２には、キャビン内に設けられた手動再生用のＤＰＦ警告灯３５ａ、自動再生用のＤＰＦ警告灯３５ｂや、ドライバーが手動再生を実行するための再生実行スイッチ３６、ディーゼルエンジン１０に何らかの不具合が発生したときに、それをユーザーに知らせるべく点灯するチェックエンジンランプ３７等が接続され、制御される。

このシステムにおいては、空気は、上流側吸気管１６ａのＭＡＦセンサ１９を通過し、過給機１３のコンプレッサ１４で昇圧され、下流側吸気管１６ｂのインタークーラ１７を通って冷却されて吸気スロットル１８を介して吸気マニホールド１１からディーゼルエンジン１０のシリンダ内に入る。

一方、シリンダ内で発生した排気ガスは、排気マニホールド１２を通過してタービン１５を駆動し、ＤＰＦ２５とＳＣＲ装置からなる排ガス浄化システムで浄化され、サイレンサー２７で消音されて大気中に排出される。排気ガスの一部は、ＥＧＲクーラ２２で冷却され、その量をＥＧＲバルブ２３で調整されて、吸気マニホールド１１に循環される。

排気ガス中にはＰＭが含まれており、このＰＭはＤＰＦ２５によって捕集される。ＤＰＦ２５では、常時は、ＤＯＣ２８で排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ₂にして、このＮＯ₂で、下流側のＣＳＦ２９に捕集されたＰＭを酸化してＣＯ₂とし、ＣＳＦ２９からＰＭを除去する、所謂ＤＰＦ再生を連続的に行っている。

ところが、排気ガス温度が低い場合には、ＤＯＣ２８の温度が低下して活性化しないため、酸化反応が促進されず、ＰＭを酸化してＤＰＦ再生を行うことができないため、ＰＭのＣＳＦ２９への堆積が継続されてフィルタの目詰まりが進行してしまう。

このフィルタの目詰まりに対して、ＰＭ堆積量が所定の堆積量を超えたときに排気ガス温度を強制的に昇温させて、ＣＳＦ２９に捕集されているＰＭを強制的に燃焼除去することが行われる。

ＰＭ堆積量は、図２に示すように、差圧センサ３１の出力値に比例するため、差圧センサ３１の出力値が所定の差圧（差圧閾値）を超えたときに、ＥＣＵ３２はフィルタの目詰まりを検出し、ＥＣＵ３２が自動的にＤＰＦ再生を行うか、或いは、ＤＰＦ警告灯３５ａを点灯し、ドライバーに再生実行スイッチ３６を押下することによるＤＰＦ再生を促す。このように差圧により、開始時期を判断するＤＰＦ再生が差圧型再生である。以下、ＥＣＵ３２が自動的に行うＤＰＦ再生を自動再生、ドライバーが手動で行う再生を手動再生と言う。詳しくは後述するが、自動再生と手動再生の選択は、ＥＣＵ３２で計算される蓄積ダイリューション量に基づいてなされる。

なお、ＤＰＦ再生の開始時期は、差圧センサ３１の出力値以外にも、車速センサ３４で計測された車速を基に計算される走行距離が所定の距離（距離閾値）を超えたかどうかで判断しても良い。このように走行距離により、開始時期を判断するＤＰＦ再生が距離型再生である。

手動再生と自動再生の例を図３，４を用いて説明する。

手動再生は、車両を停止させた状態で行われる。図３に示すように、車両の停止後、ユーザが再生実行スイッチ３６を押下して手動再生が開始されると、ＥＣＵ３２によって燃料インジェクタ３３、ディーゼルエンジン１０、排気ブレーキバルブ２４、ＥＧＲバルブ２３、吸気スロットル１８が制御され、排気ガス温度がＤＯＣ２８の活性化する温度（例えば、２５０℃）まで昇温される。

より具体的には、ＥＣＵ３２は、燃料インジェクタ３３を制御してマルチ噴射を開始し、ディーゼルエンジン１０を制御してエンジン回転数を上昇させ、排気ブレーキバルブ２４を急速昇温のため閉じ、ＥＧＲバルブ２３を燃料の還流防止のため閉じ、吸気スロットル１８を制御して吸気量を絞り、温度低下を抑制すると共に負荷を上げる。

ＤＯＣ２８が活性化したら、マルチ噴射と共にポスト噴射を開始し、排気ブレーキバルブ２４を開き、排気スロットル２６を閉じ、排気ガス温度を目標温度まで更に昇温する。

このとき、目標温度は、例えば、５００℃と６００℃の２段階に設定され、各目標温度が所定時間維持されるようにＥＣＵ３２によって制御される。目標温度を多段階とするのは、ＰＭが燃焼することによって生じる熱により、ＣＳＦ２９が溶けてしまうのを防止するためである。つまり、ＰＭが多く残っているＤＰＦ再生初期においては、ＰＭの燃焼により多くの熱が発生するため、目標温度を低めに設定し、ＰＭが燃焼して少なくなったＤＰＦ再生後期においては、目標温度を高く設定し、効率よくＰＭが燃焼するようにしている。

しかる後、ＥＣＵ３２は、燃料インジェクタ３３を制御して通常噴射に復帰させ、ディーゼルエンジン１０を制御してエンジン回転数を通常のアイドル状態に戻し、排気スロットル２６を開き、ＥＧＲバルブ２３を通常（開）に戻し、吸気スロットル１８を通常（開）に戻す。これにより、排気ガス温度が低下し、手動再生が終了する。

この手動再生では、車両を停止させた状態でＤＰＦ再生を行うため、排気ガス温度を安定に保つことができ、効率よく確実にＰＭを燃焼させることができる一方で、手動再生中は車両を停止して所定の時間待機しておく必要がある。

次に、自動再生を説明する。

自動再生は、車両の走行中に行われる。図４に示すように、ＥＣＵ３２によって自動再生が開始されると、ＥＣＵ３２が燃料インジェクタ３３、ディーゼルエンジン１０、ＥＧＲバルブ２３、吸気スロットル１８を制御し、排気ガス温度をＤＯＣ２８の活性化する温度まで昇温する。自動再生では、手動再生と異なり走行中のため、排気ブレーキバルブ２４を閉じることができないが、信号待ち等の車両停止時には排気ブレーキバルブ２４を閉じて、排圧を上昇させ、排気ガス温度を昇温、保温するようにする。

ＤＯＣ２８が活性化したら、マルチ噴射と共にポスト噴射を開始し、排気ガス温度を目標温度まで更に昇温する。走行中のため、排気スロットル２６も閉じることができないので、排気スロットル２６は常時開にされる。

その後、排気ガス温度が目標温度まで上昇、所定時間維持されたら、ＥＣＵ３２は、燃料インジェクタ３３を制御して通常噴射に復帰させ、ディーゼルエンジン１０を制御してエンジン回転数を通常に戻し、ＥＧＲバルブ２３を通常（開）に戻し、吸気スロットル１８を通常（開）に戻す。これにより、排気ガス温度が低下し、自動再生が終了する。

この自動再生では、車両が走行している状態でＤＰＦ再生を行うため、手動再生に比べて利便性に優れる。その反面、自動再生では、排気ガス温度が安定せず、或いは、なかなか上昇せず、手動再生に比べてポスト噴射量が多くなり、ダイリューション量が増加する傾向にある。

このように、自動再生と手動再生は、それぞれメリットとデメリットがあり、状況に応じて適宜選択して使い分けることが好ましいと言える。自動再生と手動再生の選択は、ＤＰＦ再生によって増加するダイリューション量を積算すると共に、走行によってエンジンオイルに混入した燃料が揮発して減少するダイリューション量を減算して計算される蓄積ダイリューション量に基づいてなされる。

具体的には、図５に示すように、予め蓄積ダイリューション量に所定の閾値を設定しておき、計算された蓄積ダイリューション量がその閾値未満のとき、自動再生を行い（例えば、図５の部分Ａ）、蓄積ダイリューション量が閾値を超えているとき、ドライバーに手動再生を促すようにしている（例えば、図５の部分Ｂ）。

このように、蓄積ダイリューション量が多いときは、ダイリューションの発生が少ない手動再生を行い、蓄積ダイリューション量が少ないときは、利便性の優れた自動再生を行うことで、利便性と蓄積ダイリューション量の低減を両立している。

更に、自動再生と手動再生の選択は、ＤＰＦ再生終了から次のＤＰＦ再生開始までの走行距離である再生インターバルに基づいてもなされる。具体的には、再生インターバルが設定した手動再生閾値未満のとき、蓄積ダイリューション量に関わらずドライバーに手動再生を促すようにしている（例えば、図５の部分Ｃ）。

この問題を解決したのが本実施の形態に係るＤＰＦシステムであり、本ＤＰＦシステムでは、ＤＰＦ再生の再生インターバルが手動再生閾値未満で、且つ、蓄積ダイリューション量が閾値未満のとき、ドライバーに手動再生を促すことなく自動再生を行い（例えば、図５の部分Ｄ）、この自動再生が所定回数（図５では、３回）連続したとき、ドライバーに手動再生を促すようにした（例えば、図５の部分Ｅ）。

このようにすることで、何度も手動再生を要求する従来の問題を解決し、ユーザの利便性を改善することができる。

以下に、自動再生が所定回数連続したとき、ドライバーに手動再生を促すようにした理由を述べる。

上述したように手動再生は、安定してＤＰＦ再生を行えることから、蓄積ダイリューション量が閾値を超えたとき以外にも、再生インターバルが短いとき、即ち自動再生では十分にＰＭを除去することができないようなときに行われる。

そのため、ＤＰＦ再生の再生インターバルが手動再生閾値未満で、且つ、蓄積ダイリューション量が閾値未満のとき、ドライバーに手動再生を促すことなくなされる自動再生が連続して行われると言うことは、ＰＭの除去が不十分な状態が継続していることを意味する。このような場合に、際限なく自動再生を連続して行うようにしてしまうと、ユーザの利便性は改善するものの、本来のＤＰＦ再生と言う機能が十分に発揮されないこととなる。そのため、際限なく自動再生の連続実行を許可してしまうと、ＰＭの堆積によりＤＰＦシステムに故障を生じてしまう虞がある。

また、短い再生インターバルでＤＰＦ再生が行われると言うことは、ＤＰＦシステムに何らかの故障が発生しており、ＤＰＦ再生が正常に行えなくなっている場合も考えられる。しかし、際限なく自動再生を連続して行うようにしてしまうと、ＤＰＦシステムの故障の検出が遅れてしまうことがある。

これらの問題を回避するため、本ＤＰＦシステムでは、自動再生が所定回数連続したとき、ドライバーに手動再生を促すようにした。

以上説明したＤＰＦシステムによれば、ＤＰＦ再生の再生インターバルが手動再生閾値未満で、且つ、蓄積ダイリューション量が閾値未満のとき、ドライバーに手動再生を促すことなく自動再生を行うようにしているため、ユーザに何度も手動再生を要求するような事象を減らすことができ、従来に比べてユーザの利便性を改善することができる。

また、この自動再生が所定回数連続したとき、ドライバーに手動再生を促すようにしたので、本来のＤＰＦ再生の機能が十分に果たされると共に、ＤＰＦシステムの故障の検出を遅延させるような問題を回避できる。

１０ディーゼルエンジン
２０排気管
２５ＤＰＦ

Claims

ディーゼルエンジンの排気管に排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦを接続し、そのＤＰＦのＰＭ堆積量が一定量を超えたとき、ＰＭを燃焼させることができる温度まで排気ガス温度を昇温すると共にその温度が所定時間維持されたら昇温を終了するＤＰＦ再生を行うに際し、ＤＰＦ再生終了から次のＤＰＦ再生開始までの走行距離である再生インターバルが設定した手動再生閾値未満のとき、ドライバーの指示により手動で開始されるＤＰＦ再生である手動再生の開始をドライバーに促すことなく、制御手段の指示により自動で開始されるＤＰＦ再生である自動再生を行い、この自動再生が所定回数連続したとき、手動再生の開始をドライバーに促すようにしたことを特徴とするＤＰＦシステム。
ＤＰＦ再生によって増加するダイリューション量を積算すると共に走行によって減少するダイリューション量を減算して蓄積ダイリューション量を計算しておき、ＤＰＦ再生の再生インターバルが手動再生閾値未満で、且つ、蓄積ダイリューション量が閾値未満のとき、手動再生の開始をドライバーに促すことなく自動再生を行い、この自動再生が所定回数連続したとき、手動再生の開始をドライバーに促すようにし、ＰＭ堆積量は、ＤＰＦ前後の差圧に基づいて検出する請求項１に記載のＤＰＦシステム。