JP2008190470A - 排気浄化フィルタの再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＭセンサを使用してＤＰＦの再生終了を行う手段を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、内燃機関の排気通路に設けられて内燃機関から排出される排出ガス中に含まれるパティキュレートを捕集する排気浄化フィルタと、排気浄化フィルタの下流側に設けられて排気中に含まれるパティキュレート量を検出するパティキュレート量検出センサと、捕集したパティキュレートが所定量を超えた場合に排気浄化フィルタを再生する再生手段と、パティキュレート量検出センサによって検出される排気浄化フィルタ下流のパティキュレート量に基づいて排気浄化フィルタの再生を終了する再生終了手段Ｓ１０６と、を有する
【選択図】図２

Description

本発明は排気浄化フィルタの再生装置に関する。

従来から、ディーゼルエンジンは、排気の浄化対策として排気通路にパティキュレート（Particulate Matter；以下「ＰＭ」という）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下「ＤＰＦ」という）を装着している。ＤＰＦは、ＰＭを捕集し続けると、やがて目詰まりを起こす。そのため、ＰＭがある程度堆積したら排気温度を上昇させて、堆積したＰＭを強制的に燃焼除去してＤＰＦを再生するＤＰＦ再生制御が行われている。

ＤＰＦの目詰まりを検出してＤＰＦを再生するか否かを判定する技術として、ＤＰＦの入口と出口との差圧（前後差圧）に基づいて判定する技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。

また、ＤＰＦの上流側にパティキュレートの堆積を検出するセンサを設け、このセンサの検出値に基づいてＤＰＦを再生するか否かを判定する技術も公知である（例えば、特許文献２、特許文献３参照）
特開２００２−９７９３０号公報 特開平８−６８３１０号公報 特開平８−６８３１３号公報

しかし、上述した従来のＤＰＦ再生制御の終了判定は、ＤＰＦ内のＰＭ残存量を、ＤＰＦに堆積したＰＭの燃焼量を再生時間から推定して判定するか、又は、ＤＰＦの前後差圧から判定していた。このような従来の終了判定では、運転状況等によってＤＰＦのＰＭ残存量にばらつきが生じやすく、精度が悪かった。そのため、ＰＭ残存量のばらつきを考慮して、再生時間にマージンを持たせていた。したがって、無駄に再生している時間が多く、燃費の悪化や触媒の早期劣化、フィルタ再生時の燃料ポスト噴射によるエンジンオイルの希釈化といった問題があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、ＤＰＦの再生終了判定を精度良く行うことができるＤＰＦ再生装置を提供することを目的とする。

内燃機関の排気通路に設けられて内燃機関から排出される排出ガス中に含まれるパティキュレートを捕集する排気浄化フィルタと、前記排気浄化フィルタの下流側に設けられて排気中に含まれるパティキュレート量を検出するパティキュレート量検出センサと、捕集したパティキュレートが所定量を超えた場合に前記排気浄化フィルタを再生する再生手段と、前記パティキュレート量検出センサによって検出される前記排気浄化フィルタ下流のパティキュレート量に基づいて排気浄化フィルタの再生を終了する再生終了手段と、を有する

発明者らによれば、ＤＰＦの再生が進みＤＰＦ内の堆積量が減少すると、ＤＰＦの捕集効率が低下してＤＰＦの下流にわずかにＰＭが漏れることが見出された。そこで、本発明では、この漏れたＰＭをパティキュレート量検出センサで検出し、ＤＰＦの再生終了を判定する。そのため、ＤＰＦの無駄な再生を防止できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明によるＤＰＦ再生装置の概略図である。ディーゼルエンジン１は排気通路２を備える。排気通路２には上流から順にＤＰＦ３とスート（ＳＯＯＴ；ＰＭを構成する煤粒子）センサ１１とが配設される。

スートセンサ１１は、ＤＰＦ３から排出された排気中のＰＭ量を検出する。スートセンサ１１には、例えば、特開平８−６８３１３号公報や特開２００５−３３７７８２号公報に開示されているものなど、公知のいかなるスートセンサを適用してもよい。特開８−６８３１３号公報に開示されているスートセンサは、電気的に帯電したＰＭが測定電極に作用させる電荷を測定することで排気中のＰＭ量を検出する。特開２００５−３３７７８２号公報に開示されているスートセンサは、２つの酸素センサをそれぞれ拡散抵抗の異なる多孔体で覆い、それぞれの酸素濃度を比較して排気中のＰＭ量を検出する。これらに限らず、排気中のＰＭ量の変化による測定膜の振動数の変化を検出することで排気中のＰＭ量を検出することもできる。

ＤＰＦ３は、排気通路２を流れる排気を多孔質のフィルタ材に通すことで、排気中のＰＭを捕集する。ＤＰＦ３は、ＰＭを捕集し続けると、やがて目詰まりを起こす。

そこで、コントローラ１０は、ＤＰＦ３内のＰＭの堆積量が所定量に達すると、ＤＰＦ３を再生する。そのため、コントローラ１０は、ディーゼルエンジン１の排気温度を上昇させてＤＰＦ３内に堆積したＰＭを燃焼させる。ディーゼルエンジン１の排気温度を上昇させるには、燃料噴射タイミングの遅角、ポスト噴射の実行等の燃料噴射制御による方法など、公知のいかなる方法を適用してもよい。

なお、コントローラ１０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発メモリ２０及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

また、コントローラ１０は、ＤＰＦ３を再生するために、ＤＰＦ３内のＰＭ堆積量を推定する。そのため、コントローラ１０には、ディーゼルエンジン１の吸入空気流量を検出するエアフローメータ１２、ディーゼルエンジン１の回転速度を検出する回転速度センサ１３及びディーゼルエンジン１の負荷を検出する負荷センサ１４などからの検出信号が入力される。ディーゼルエンジン１の負荷は、車両が備えるアクセラレータペダルの踏込量やディーゼルエンジン１の燃料噴射量Ｑで代表させることができる。

ところで、排気圧損を抑えてエンジン出力の向上を図るためには、ＤＰＦ３のフィルタの目を粗くすることが望ましい。しかしながら、フィルタの目を粗くすると、再生終了後しばらくの間はＤＰＦ３のＰＭ捕集効率が低下する。これは、再生終了後しばらくの間は、フィルタの目より小さい粒径のＰＭがフィルタをすり抜け、ＤＰＦ３の下流に排出されるからである。なお、再生終了後しばらく経つと、フィルタの目より小さい粒径のＰＭも捕集される。これは、再生終了後、フィルタの目より大きい粒径のＰＭが捕集されると、それに伴い、フィルタの目が埋まっていくからである。

このように、再生終了後から一定量（基準堆積量）のＰＭが堆積するまでは、フィルタの目より小さい粒径のＰＭはフィルタをすり抜け、ＤＰＦ３の下流に排出される。その後、ＰＭが堆積してフィルタの目が埋まってくると、フィルタの目より小さい粒径のＰＭも捕集される。そのため、ＤＰＦ３のＰＭ捕集効率は回復し、ＤＰＦ３の下流に排出されるＰＭ量は極めて小さな量となる。

つまり、排気圧損を抑えるためにフィルタの目を粗くしたＤＰＦは、ＰＭ堆積量が少ないほど、ＰＭ捕集効率が低下するという特性を有している。

そこで、本発明は、ＤＰＦのこの特性を利用して再生終了判定を行う。

再生開始からしばらくの間は、ＤＰＦ３のフィルタの目が埋まっているため、ＤＰＦ３の下流にＰＭはほとんど排出されない。したがって、この期間は、スートセンサ１１は、ほとんどＰＭを検出しない。しかし、ＤＰＦ３の再生が進みＰＭ堆積量が減少していくと、ＤＰＦ３の下流に粒径の小さいＰＭが漏れ出してくる。すると、スートセンサ１１は、このＤＰＦ３の下流に漏れ出したＰＭを検出する。本発明では、この漏れ出したＰＭをスートセンサ１１が検出したとき、ＤＰＦ３の再生が終了したと判定する。このように判定することで、ＤＰＦ３を無駄に再生することを防止することができる。

すなわち、ＤＰＦ３の再生が進みＰＭ堆積量が減少していくと、ＤＰＦ３の下流に粒径の小さいＰＭが漏れ出してくる。そこで、この漏れたＰＭをスートセンサ１１が検出したとき、ＤＰＦ３の再生が終了したと判定する。このように判定することで、ＤＰＦ３を無駄に再生することを防止することができる。

以下では、図２を参照して上述したＤＰＦ３の再生終了判定の具体的な内容について説明する。

図２は、本実施形態によるＤＰＦ３の再生終了判定について説明するフローチャートである。コントローラ１０は、このフローをディーゼルエンジン１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ミリ秒）で繰り返し実行する。

ステップＳ１０１において、コントローラ１０は、ディーゼルエンジン１からＰＭが排出されているか否かを判定する。本実施形態では、燃料噴射が行われている場合には、ディーゼルエンジン１からＰＭが排出されていると判定する。コントローラ１０は、燃料噴射が行われている場合はステップＳ１０２に処理を移行し、燃料噴射が行われていない場合は今回の処理を終了する。

ステップＳ１０２において、コントローラ１０は、ＰＭ堆積中にスートセンサ１１がＰＭを検出しているか否かを検出する。コントローラ１０は、スートセンサ１１がＰＭを検出している場合にはステップＳ１０３に処理を移行し、検出していない場合にはステップＳ１０５に処理を移行する。

ステップＳ１０３において、コントローラ１０は、ＰＭ堆積量ＰＭａが基準堆積量を超えているか否かを判定する。ここで、ＰＭ堆積量ＰＭａはＤＰＦ内に堆積している全ＰＭ量を指す。コントローラ１０は、ＰＭ堆積量ＰＭａが基準堆積量を超えていなければ今回の処理を終了し、超えていればステップＳ１０４に処理を移行する。

なお、コントローラ１０は、以下の方法でＤＰＦ３内のＰＭ堆積量ＰＭａを算出する。

コントローラ１０は、ディーゼルエンジン１の燃料噴射量Ｑと回転速度ＮＥに基づき、あらかじめＲＯＭに格納された特性マップを参照して、単位時間当たりのＰＭ堆積量ΔＰＭを求める。この単位時間当たりのＰＭ堆積量の特性マップはあらかじめ実験を通じて設定される。単位時間をあらかじめルーチンの演算周期に等しく設定しておくことで、ΔＰＭは前回のルーチン実行から今回のルーチン実行までの期間のＰＭ堆積量となる。そして、コントローラ１０は、不揮発メモリ２０に格納されたＰＭ堆積量の前回値ＰＭａｚに、今回のルーチン実行で求めた単位時間当たりのＰＭ堆積量ΔＰＭを加えることで、ＤＰＦ内のＰＭ堆積量ＰＭａを算出する。ディーゼルエンジン１の運転条件が、ＤＰＦ３内のＰＭが自動的に燃焼するような運転条件であれば、運転条件に応じたＰＭの燃焼除去量を減じてΔＰＭを求めてもよい。このような運転条件として、例えば、高速、高負荷時のように排気温度が上昇してＤＰＦ３の再生が可能な運転条件が挙げられる。

ステップＳ１０４において、コントローラ１０は、ＤＰＦ３本体に破損等が生じ、機能故障を生じていると判定する。ＤＰＦ３内のＰＭ堆積量ＰＭａが基準堆積量に達し、ＰＭ捕集効率が回復しているにも関わらず、スートセンサ１１がＤＰＦ３から排出されるＰＭを検出しているためである。

ステップＳ１０５において、コントローラ１０は、ＤＰＦ３が再生中か否かを判定する。具体的には、コントローラ１０は、再生中フラグの値を判定し、１（再生中）の場合は
ステップＳ１０６に処理を移行し、０（非再生中）の場合は今回の処理を終了する。再生中フラグは、エンジン運転条件等が考慮され、例えばアイドル運転時、減速運転時、又は極低車速（例えば20km/h未満）の時などは、再生条件非成立とされる。

ステップＳ１０６において、コントローラ１０は、スートセンサ１１の出力値Ｉ_SOOTが再生終了判定値（所定値）を超えているか否かを判定する。再生中にスートセンサ１１の出力値Ｉ_SOOTが再生終了判定値を超えれば、ＤＰＦ３の再生が進み、ＰＭ捕集効率が低下したことによって、ＤＰＦ３から排出されるＰＭをスートセンサ１１が検出していると判定できるためである。

なお、再生終了判定値は運転条件に応じて可変とする。コントローラ１０は、例えば以下の方法で再生終了判定値を決定する。

コントローラ１０は、排気流量をエンジン運転条件に応じて、あらかじめ実験を通じて設定された排気流量マップから求める。コントローラ１０は、この排気流量に基づいて、あらかじめＲＯＭに格納された図３に示す特性のテーブルから再生終了判定値を決定する。図３は排気流量から再生終了判定値を設定するテーブルである。これに示すように、排気流量が大きくなるほど再生終了判定値は大きくなる。

再生終了判定値は上記の方法に限らず、例えば以下の方法で決定してもよい。図４はエンジン回転速度から再生終了判定値を設定するテーブルである。コントローラ１０は、エンジン回転速度に基づいて、あらかじめＲＯＭに格納された図４に示す特性のテーブルから再生終了判定値を決定する。このテーブルに示すように、エンジン回転速度が高くなるほど再生終了判定値は大きくなる。さらに、エンジン回転速度が同じならば、ディーゼルエンジン１から排出されるＰＭ排出量が多いほど再生終了判定値は大きくなる。ディーゼルエンジン１から排出されるＰＭ排出量は、エンジン運転条件に応じて、あらかじめ実験を通じて設定されたＰＭ排出量マップから求めればよい。

ステップＳ１０６において、スートセンサ１１の出力値Ｉ_SOOTが再生終了判定値を超えているとき、すなわち、ＤＰＦ３から排出された排気中に基準値以上のＰＭが含まれているとき、コントローラ１０は、ステップＳ１０７に処理を移行する。

ステップＳ１０６において、スートセンサ１１の出力値Ｉ_SOOTが再生終了判定値以内のとき、すなわち、ＤＰＦ３から排出された排気中に含まれるＰＭが基準値以下のとき、コントローラ１０は、今回の処理を終了する。

ステップＳ１０７において、コントローラ１０は、ＤＰＦ３の再生を終了する。

図５は、ＤＰＦ３のＰＭ堆積量とＰＭ捕集効率の関係を示した図である。

上述したように再生終了後から一定量（基準堆積量）のＰＭが堆積するまでは、フィルタの目より小さい粒径のＰＭはフィルタをすり抜ける。そのため、図５においてハッチングで示すように、再生終了後から基準堆積量のＰＭが堆積するまでの期間は、ＤＰＦ３の捕集効率が低下する。その後、基準堆積量のＰＭが堆積してフィルタの目が埋まってくると、フィルタの目より小さい粒径のＰＭも捕集される。そのため、ＤＰＦ３の捕集効率は回復する。ＤＰＦ内のＰＭ堆積量ＰＭａが基準堆積量を超えていれば、図５に示すようにＤＰＦの捕集効率はほぼ１００％となる。本実施形態では、基準堆積量をＤＰＦ３のＰＭ捕集容量の１割弱程度に設定しているが、それに限られるものではない。

図６は、ＤＰＦ３から排出されたＰＭ量とスートセンサ１１の出力値との関係を示した図である。

図５に示したように、ＤＰＦ３の再生が進みＰＭ堆積量が減少していくと、ＰＭ捕集効率は、ＰＭ低捕集効率領域に達する。ＰＭ低捕集効率領域では、ＤＰＦ３から比較的多くのＰＭを含んだ排気が排出される。この排出されたＰＭが所定量を超えたときのスートセンサ１１の出力値を再生終了判定値とする。

以上説明した本発明によれば、排気圧損を抑えるためにフィルタの目を粗くしたＤＰＦが有するＰＭ堆積量が少ないほどＰＭ捕集効率が低下するという特性を利用して再生終了判定を行う。すなわち、ＤＰＦ３の再生が進むとＰＭ捕集効率が低下するため、ＤＰＦ３は比較的多くのＰＭを含んだ排気を排出する。この排出されたＰＭをスートセンサ１１が検出したときにＤＰＦ３の再生が終了した判定することで、ＤＰＦ３を無駄に再生することを防止できる。よって、燃費の悪化や、エンジンオイルの希釈化、触媒の早期劣化を防止できる。また、ＰＭ低捕集効率領域でＰＭの捕集を行う時間が少なくなるので、ＤＰＦを完全再生する場合に比べて、ＰＭの排出を抑制できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、本実施形態では、ＤＰＦ３内のＰＭの堆積量を算出する方法として、ディーゼルエンジン１の運転条件によって定まる単位時間当たりのＰＭ堆積量を積算することで、ＰＭの堆積量を計算する運転履歴法を適用した。しかし、この方法に限らず、ディーゼルエンジン１の運転条件によって定まる排気流量に応じたＤＰＦ３の上下流の差圧又はＤＰＦ３の入口近傍の絶対圧からＰＭ堆積量を推定してもよい。排気流量が一定の場合には、ＰＭ堆積量の増加に応じて差圧又は絶対圧が上昇する。したがって、ＰＭ堆積量は、排気流量と差圧又は絶対圧との関係からあらかじめ実験を通じて設定されたマップから求めることができる。この場合には、コントローラ１０には、ＤＰＦ３の上下流の差圧を検出する差圧センサ又はＤＰＦ３の上流の圧力を検出する圧力センサの検出信号を入力する。

また、本実施形態では、燃料噴射が行われていない場合には、ディーゼルエンジン１からＰＭが排出されていないと判定した。これに加えて、エンジン１から排出されるＰＭが自動的に燃焼するような高負荷運転条件の場合もＰＭが排出されていないと判定してもよい。

また、本実施形態では、ＤＰＦ３の下流にスートセンサ１１を１つ設けたが、２つ設けても良い。スートセンサ１１に一定量のＰＭが付着したときは、ヒータによってセンサ表面のＰＭを燃焼除去させる必要がある。このスートセンサ１１の再生中は、ＰＭの検出ができない。そのため、スートセンサが１つでは、ＰＭの検出を連続的に行うことができない。そこで、ＤＰＦ３の下流にスートセンサ１１を２つ設け、それぞれを交互に再生させる。これにより、ＰＭの検出を連続的に行うことができる。

ＤＰＦ再生装置の概略図である。 ＤＰＦの再生終了判定について説明するフローチャートである。 排気流量から再生終了判定値を設定するテーブルである。 エンジン回転速度から再生終了判定値を設定するテーブルである。 ＤＰＦのＰＭ堆積量とＰＭ捕集効率の関係を示した図である。 ＤＰＦから排出されたＰＭ量とスートセンサ１１の出力値との関係を示した図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ 排気通路
３ ＤＰＦ（排気浄化フィルタ）
１１ ＰＭセンサ（パティキュレート量検出センサ）
Ｓ１０６ 再生終了判定手段

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられて内燃機関から排出される排出ガス中に含まれるパティキュレートを捕集する排気浄化フィルタと、
   前記排気浄化フィルタの下流側に設けられて排気中に含まれるパティキュレート量を検出するパティキュレート量検出センサと、
   捕集したパティキュレートが所定量を超えた場合に前記排気浄化フィルタの再生を開始する再生開始手段と、
   前記パティキュレート量検出センサによって検出される前記排気浄化フィルタ下流のパティキュレート量に基づいて排気浄化フィルタの再生を終了する再生終了手段と、
   を有する排気浄化フィルタの再生装置。
2. 前記再生終了手段は、前記パティキュレート量検出センサの検出値が所定値を超えた場合に前記排気浄化フィルタの再生を終了する
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化フィルタの再生装置。
3. 前記所定値は、前記内燃機関の運転条件が高負荷のときほど大きい
   ことを特徴とする請求項２に記載の排気浄化フィルタの再生装置。
4. 前記パティキュレート量検出センサを２つ設けて、交互に使用する
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の排気浄化フィルタの再生装置。

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