JP2011149357A

JP2011149357A - Ｄｐｆ再生装置

Info

Publication number: JP2011149357A
Application number: JP2010012140A
Authority: JP
Inventors: Toshitaka Minami; 利貴南
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2011-08-04

Abstract

【課題】煤ブレークスルーを低減すると共に、ＤＰＦ再生に伴う燃費の悪化とオイルの希釈を低減するＤＰＦ再生装置を提供する。
【解決手段】内燃機関２からの排気ガス流路３に設置されてＰＭを捕集するＤＰＦ４と、ＤＰＦ４に捕集されたＰＭを除去するためにポスト噴射制御を許可するポスト噴射制御許可手段５と、ＤＰＦ４の下流でＰＭの濃度を検出するＰＭセンサ６と、ポスト噴射制御が許可された後、ＰＭセンサ６で検出されるＰＭの濃度が所定値以上になると、ポスト噴射制御を禁止するポスト噴射制御禁止手段７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポスト噴射でＤＰＦを再生するＤＰＦ再生装置に係り、煤ブレークスルーを低減すると共に、ＤＰＦ再生に伴う燃費の悪化とオイルの希釈を低減するＤＰＦ再生装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関を搭載した車両では、内燃機関から大気までの排気ガスの排出流路に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）を設置し、排気ガスに含まれる煤、すなわち粒子状物質（Particurate Matter；以下、ＰＭという）を捕集している。ＤＰＦは、主としてセラミックからなり、ハニカム細孔（又は四角い細孔）を多数有するフィルタである。ＤＰＦでは、排気ガスの通路となるハニカム細孔の表面にＰＭが付着することでＰＭが捕集される。

ＤＰＦに捕集されたＰＭが過度に多く堆積すると、内燃機関の排圧が上昇し内燃機関の特性の低下をきたす。そこで、内燃機関において主噴射後に追加燃料噴射（以下、ポスト噴射という）を行うポスト噴射制御を行うことによって、排気温度を上昇させ、これによってＤＰＦを昇温させてＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させて除去する。この動作をＤＰＦ再生という。

ＤＰＦに堆積したＰＭの量が増えると、ＤＰＦの上流下流間における排気ガス圧力の差（差圧）が大きくなるので、差圧を検出しておき、差圧が所定値以上になったとき、ＤＰＦ再生を開始するとよい。

ＤＰＦ再生時に、ＤＰＦに堆積したＰＭの量が多いと、大量のＰＭが燃焼して温度が過度に上昇し、ＤＰＦが溶損してしまう。これを避けるために、従来は、ＤＰＦ再生を開始してから終了するまでの時間、つまりポスト噴射制御を行う時間をＰＭの燃焼に最低必要な時間よりも余裕を持って長めに設定し、ＤＰＦに堆積したＰＭを完全に除去している。これにより、次回のＤＰＦ再生までに大量のＰＭが堆積しないようにできる。

特許３９３３１７２号公報特開２００９−２９３５１８号公報特開２００８−２９７９６９号公報特開２００６−２５００４８号公報

しかし、長時間にわたりポスト噴射を行うと、燃料消費量が増大して燃費が悪化すると共に、排出されるＣＯ_２が多くなるという弊害がある。また、長時間にわたりポスト噴射を行うと、噴射された燃料が潤滑油（オイル）に混入してオイルが希釈されてしまうという弊害がある。

一方、ＤＰＦでは、ＰＭが完全に除去されたＤＰＦ再生直後には、ＰＭの捕集効率が低下することが知られている。この現象をブローオフという。ＰＭが完全に除去されたＤＰＦは、排気ガスの通路となるハニカム細孔の表面に凹凸が表れ、ブローオフが生じる。その後、ハニカム細孔の表面がＰＭで一様に覆われて平坦になると、捕集効率が回復してブローオフが解消される。

ＤＰＦにブローオフが生じると、捕集されなかったＰＭがテールパイプから大気に抜け出てしまうという煤ブレークスルーが起きてしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、煤ブレークスルーを低減すると共に、ＤＰＦ再生に伴う燃費の悪化とオイルの希釈を低減するＤＰＦ再生装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、内燃機関からの排気ガス流路に設置されて粒子状物質（以下、ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）と、前記ＤＰＦに捕集されたＰＭを除去するためにポスト噴射制御を許可するポスト噴射制御許可手段と、前記ＤＰＦの下流でＰＭの濃度を検出するＰＭセンサと、ポスト噴射制御が許可された後、前記ＰＭセンサで検出されるＰＭの濃度が所定値以上になると、ポスト噴射制御を禁止するポスト噴射制御禁止手段とを備えたものである。

前記ＰＭセンサは、排気ガス中に光を照射し、排気ガス中のＰＭによる散乱光を受光し、その散乱光受光光量からＰＭの濃度を求めてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）煤ブレークスルーを低減することができる。

（２）燃費の悪化を低減することができる。

（３）オイルの希釈を低減することができる。

本発明の一実施形態を示すＤＰＦ再生装置の構成図である。本発明に用いるＰＭセンサの原理的構成図である。本発明のＤＰＦ再生装置におけるポスト噴射制御の許可と禁止の手順を示すフローチャートである。本発明のＤＰＦ再生装置におけるＤＰＦ差圧と下流ＰＭ濃度のグラフである。本発明と従来技術のＤＰＦ再生装置におけるＰＭ捕集効率と下流ＰＭ濃度の遷移を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係るＤＰＦ再生装置１は、内燃機関２からの排気ガス流路３に設置されてＰＭを捕集するＤＰＦ４と、ＤＰＦ４に捕集されたＰＭを除去するためにポスト噴射制御を許可するポスト噴射制御許可手段５と、ＤＰＦ４の下流でＰＭの濃度を検出するＰＭセンサ６と、ポスト噴射制御が許可された後、ＰＭセンサ６で検出されるＰＭの濃度が所定値以上になると、ポスト噴射制御を禁止するポスト噴射制御禁止手段７とを備える。

ＤＰＦ４は、従来公知のもので、多数のハニカム細孔を有するセラミックから構成される。ＤＰＦ４の入口と出口間には、ＤＰＦ４の上流下流間における排気ガス圧力の差（差圧）を検出する差圧センサ８が設けられる。

ポスト噴射制御許可手段５とポスト噴射制御禁止手段７は、プログラム式のデジタル回路であり、ＡＤコンバータを内蔵することにより、ＰＭセンサ６、差圧センサ８のアナログ出力電圧を読み取ることができる。ポスト噴射制御許可手段５とポスト噴射制御禁止手段７は、車両の燃料噴射等を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）９に組み込むのが好ましい。

ＰＭセンサ６は、排気ガス中に光を照射し、排気ガス中のＰＭによる散乱光を受光し、その散乱光受光光量からＰＭの濃度を求めるものである。詳しく述べると、ＰＭセンサ６は、図２に示されるように、排気ガス流路３から排気ガスの一部を抽出するサンプリング管２１と、検出用空間Ｓを有するチャンバ２２と、サンプリング管２１からチャンバ２２内に流入する排気ガス中にレーザ光等の測定光を入射させる光源２３と、排気ガスで生じた所定角度θにおける散乱光（例えば、後方散乱光）の強度を検出する散乱光受光器２４とを備える。

本実施形態では、図１のＥＣＵ９において、散乱光受光器２４が検出した散乱光強度を散乱光強度からＰＭ濃度を求める濃度比例式に代入してＰＭ濃度を演算するようになっている。散乱光強度がＰＭ濃度に比例するというＰＭ濃度検出の原理は、本発明者が着眼したもので、すでに出願をしている。具体的には、受光器が検出した散乱光強度をＩｓｃａとしたとき、ＰＭ濃度Ｃｍを次の濃度比例式により演算して求める。濃度比例式中の定数については、あらかじめ実験を行うことにより、具体的な数値を調べておき、ＥＣＵ９にはその具体的な数値を設定しておくとよい。
濃度比例式
Ｉｓｃａ∝Ｃｍ（３Ｄｆ／２ｅｑ^２）^Ｄｆ／２
Ｄｆ；furactal Dimension 一定
ｑ＝４πｓｉｎ（θ／２）
ｅは自然対数係数

本発明のＤＰＦ再生装置１におけるポスト噴射制御の許可と禁止の手順を図３に示す。図示されるように、ステップＳ１において、ポスト噴射制御許可手段５は、差圧センサ８で検出された差圧が所定の閾値を超えたかどうか判定する。差圧が所定の閾値を超えていると、ステップＳ２に進み、ポスト噴射制御許可手段５は、ポスト噴射制御を許可する。ポスト噴射制御における具体的な噴射タイミング、噴射量については、公知の燃料噴射制御手段により決定される。これにより、ポスト噴射制御が許可されると、燃料噴射制御手段は、各燃焼サイクルにおいてメイン噴射の後にポスト噴射を行うようになる。

ステップＳ３において、ポスト噴射制御禁止手段７は、ＰＭセンサ６で検出されるＰＭ濃度が所定値以上かどうか判定する。ＰＭ濃度が所定値以上であれば、ポスト噴射制御禁止手段７は、ポスト噴射制御を禁止する。これにより、ポスト噴射制御が禁止されると、燃料噴射制御手段は、ポスト噴射を行わなくなる。

次に、本発明に係るＤＰＦ再生装置１の動作を説明する。

図４に示されるように、差圧センサ８で検出されるＤＰＦ４の上流下流間の差圧Ｐｄが十分に小さい値０．５ｋＰａであったとする（＃１）。このとき、ＰＭセンサ６で検出されるＰＭ濃度Ｃｍは、十分に小さい値（本実施形態では０ｍｇ／ｍ^３）である。

内燃機関２の運転時間が経過すると、ＤＰＦ４に捕集されたＰＭの蓄積量が増えていくため、差圧Ｐｄは徐々に大きくなる。この間、ＰＭ濃度Ｃｍは十分に小さい値を維持する。

差圧Ｐｄが閾値である１．０ｋＰａを超えると（＃２）、ポスト噴射制御が許可される（＃３）。ポスト噴射制御によるＤＰＦ再生が開始され、排気ガスの温度が上昇すると、図示しない排気タービンが多く回るようになるため、吸入空気量が増加し、ＤＰＦ４の上流の圧力が増加する。このときＤＰＦ４ではＰＭの蓄積量が多いためＤＰＦ４における抵抗が大きく、差圧Ｐｄが急激に大きくなる（＃４）。その後、ＤＰＦ４に蓄積されていたＰＭが燃焼により減少すると、ＤＰＦ４における抵抗が減少して差圧Ｐｄが小さくなる（＃５）。

このとき、従来のようにＰＭが完全に除去されてもポスト噴射制御によるＤＰＦ再生を継続させると、ＤＰＦ４自体の抵抗があるため、差圧Ｐｄはそれ以上小さくはならず、一点鎖線で示すように、所定の値が維持される。

一方、ＤＰＦ４のＰＭが完全に除去されると、ＰＭの捕集効率が急激に低下し、ブローオフが発生する。ブローオフが発生すると、捕集されなかったＰＭがＤＰＦ４の下流に流れてくるため、ＰＭセンサ６で検出されるＰＭ濃度が高くなる（＃６）。本発明では、ＰＭセンサ６で検出されるＰＭ濃度Ｃｍが所定値、例えば、０．２ｍｇ／ｍ^３以上となった時点で、ポスト噴射制御が禁止される（＃７）。

ポスト噴射制御の禁止により、ＤＰＦ再生が終了すると、排気ガス温度が下がり、ＤＰＦ４の上流の圧力が低下し、差圧Ｐｄが低下して十分に小さい値である０．５ｋＰａに戻る（＃８）。その後、内燃機関２の運転時間が経過すると、ＤＰＦ４には、ある程度のＰＭが蓄積され、差圧が上昇を始める（＃９）。このため、ＰＭの捕集効率が回復してブローオフが解消され、ＰＭセンサ６で検出されるＰＭ濃度が十分に小さい値に戻る（＃１０）。

以上のような制御が行われる結果、本発明と従来技術とでは図５に示すような差異が生じる。

まず、ＤＰＦ再生開始のタイミングは、本発明も従来技術も同じであり、ＤＰＦ４の上流下流間の差圧が閾値を超えると、ポスト噴射制御が許可されることでＤＰＦ再生が開始される。その後、従来技術では、ＰＭの燃焼に最低必要な時間よりも余裕を持って長い時間、ＤＰＦ再生を継続してから終了する。これに対し、本発明では、ブローオフによってＤＰＦ４の下流のＰＭ濃度が所定値以上になったときポスト噴射制御が禁止されることでＤＰＦ再生が終了する。したがって、本発明では、ＤＰＦ再生の期間が従来技術に比べて著しく短縮される。

以上説明したように、本発明のＤＰＦ再生装置１によれば、ブローオフの発生時点でＤＰＦ再生が終了するので、その後のブローオフの解消が促進され、その結果、煤ブレークスルーを低減することができる。

本発明のＤＰＦ再生装置１によれば、ＤＰＦ再生の期間が従来技術に比べて短縮されることにより、燃費の悪化を低減することができると共に、二酸化炭素排出の低減にも寄与する。

本発明のＤＰＦ再生装置１によれば、ＤＰＦ再生の期間が従来技術に比べて短縮されることにより、ＤＰＦ再生期間を通じてのポスト噴射による総燃料噴射量が従来技術に比べて少なくなるので、燃料によるオイルの希釈を低減することができる。

１ＤＰＦ再生装置
２内燃機関
３排気ガス流路
４ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
５ポスト噴射制御許可手段
６ＰＭセンサ
７ポスト噴射制御禁止手段
８差圧センサ
２１サンプリング管
２２チャンバ
２３光源
２４散乱光受光器

Claims

内燃機関からの排気ガス流路に設置されて粒子状物質（以下、ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）と、前記ＤＰＦに捕集されたＰＭを除去するためにポスト噴射制御を許可するポスト噴射制御許可手段と、前記ＤＰＦの下流でＰＭの濃度を検出するＰＭセンサと、ポスト噴射制御が許可された後、前記ＰＭセンサで検出されるＰＭの濃度が所定値以上になると、ポスト噴射制御を禁止するポスト噴射制御禁止手段とを備えたことを特徴とするＤＰＦ再生装置。
前記ＰＭセンサは、排気ガス中に光を照射し、排気ガス中のＰＭによる散乱光を受光し、その散乱光受光光量からＰＭの濃度を求めることを特徴とする請求項１記載のＤＰＦ再生装置。