JP2011256847A - 排ガス浄化システム - Google Patents
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Abstract
【課題】走行自動再生から停止時の自動アイドル再生の制御を的確に行え、しかも自動アイドル再生から走行自動再生に移行しても排ガス温度がオーバシュートすることがない排ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン10の排気管20に排気ガス中のPMを捕集するDPD25を接続し、前記DPD25のPM量が一定量以上になったとき、排気管噴射を行ってディーゼルエンジン10の排ガス温度を上昇させてDPDを自動再生する排ガス浄化システムにおいて、自動再生する際のDPD再生の排ガス温度を検知し、検出した排ガス温度と再生目標温度との偏差を求め、この偏差に基づいて、排気管噴射量をPID制御するに際して、走行自動再生から停車によるアイドル自動再生に移行したとき、PID制御での積分制御項をゼロにリセットして排気管噴射量を制御するものである。
【選択図】図2
【解決手段】ディーゼルエンジン10の排気管20に排気ガス中のPMを捕集するDPD25を接続し、前記DPD25のPM量が一定量以上になったとき、排気管噴射を行ってディーゼルエンジン10の排ガス温度を上昇させてDPDを自動再生する排ガス浄化システムにおいて、自動再生する際のDPD再生の排ガス温度を検知し、検出した排ガス温度と再生目標温度との偏差を求め、この偏差に基づいて、排気管噴射量をPID制御するに際して、走行自動再生から停車によるアイドル自動再生に移行したとき、PID制御での積分制御項をゼロにリセットして排気管噴射量を制御するものである。
【選択図】図2
Description
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中のPM(Particulate Matter)を捕集すると共にNOxを浄化して排気する排ガス浄化システムに係り、特にDPDを自動再生時に一時停車してアイドル自動再生する際の排ガス浄化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を浄化して排気する排ガス浄化システムとして、排気管にDPD(Diesel Particulate Defuser)及びSCR(Selective Catalytic Reduction;選択触媒還元)装置を接続した排ガス浄化システムが開発されている。
この排ガス浄化システムでは、DPDで、排気ガス中のPMを捕集する。また、排ガス浄化システムでは、SCR装置を備えたSCRシステムで、尿素タンクに貯留された尿素水をSCRの排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱でアンモニアを生成し、このアンモニアによって、SCR触媒上でNOxを還元して浄化する(例えば、特許文献1、2参照)。
DPDで捕集した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を適宜酸化させ、除去して再生する必要がある。
この目詰まりの検出は、排気圧センサがDPD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(Engine Control Unit)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DPD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、DPD再生が開始される。
DPDは、未燃焼燃料を酸化する活性触媒からなるDOC(Diesel Oxidation Catalyst)と排ガス中のPMを捕集するCSF(Catalyzed Soot Filter)からなる。
DPD再生は、燃料のマルチ噴射(パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射)を行って排気温度をDOCの触媒活性温度以上に上げた後、ポスト噴射を追加して、排気温度を500℃、600℃程度に上昇させ、この高温の排気ガスでCSFに捕集されたPMを燃焼させ、除去して再生する。しかし、ポスト噴射すると、気筒の潤滑油中に燃料油が混入し、潤滑油のダイリューション(希釈)が生じるため、DPD上流側の排気管内で燃料(HC)を噴射する、いわゆる排気管噴射によるDPD再生が行われるようになってきている。
この排気管噴射でも、ポスト噴射と同様に、DPD再生は、走行中に自動再生を行う場合と、車を停止してアイドル回転で手動再生する場合とがある。通常は、走行中に自動再生するが、走行中の再生のため、車が加減速を繰り返したときなどには、排ガス温度が安定せずDPD内でPMの燃え残りが生じやすい。そこで、再生インターバルが短く、DPD自動再生が繰り返し行われる場合には、運転手に手動再生を警告し、車を停止した状態で、手動再生実行スイッチを押すことで、手動再生にてDPDのPMを除去するようにしている。
また走行中の自動再生で、車の停止時には、アイドル回転でも再生できるように排気ブレーキバルブを閉じて排気温度の低下を防止して、再生を継続するようにしている。
この自動再生は、DOCの下流側に設けた排気温度センサでCSFに流入する排ガス温度を検知し、その排ガス温度と再生目標温度(一例として500℃、600℃)との偏差を求め、その偏差に基づいて再生目標温度となるよう排気管噴射量がPID制御される。
ところで、停車時のアイドル自動再生は、再生アイドル回転数に落すと共に排気ブレーキバルブを閉じることで、回転数が低く排気ガス量が少ないアイドル中であってもDPD内の排ガスの保温を図りながら排気管噴射を行って自動再生できるようにしている。
しかしながら、上述のように排気ブレーキバルブを閉じて、排気管噴射を行っても、DOCに流れる排ガス量が少ないため、再生温度が再生目標温度に達しない場合が多く、また排気管噴射された未燃燃料は、DOCに蓄積されたままとなる。
一般に、PID制御は、比例制御項(P項)、積分制御項(I項)、微分制御項(D項)を組み合わせて設定値に収束させる制御であり、比例制御項で偏差に比例させて操作量を変え、積分制御項で偏差を足していき、その値に比例して操作量を変えることで、比例制御での残存偏差(定常偏差)を解消させ、さらに微分制御項では、偏差の変化率を速度に変え、これに比例した操作量を出すことで、応答速度を速くしていち早く設定値に収束させるように制御するものである。
ここで、アイドル自動再生時には、上述したように再生温度が目標温度に達しないため、PID制御で排気管噴射量を制御していると、比例制御項では、その偏差に基づいて、一定の操作量を出力し、また微分制御項も偏差がないため一定の操作量を出力するため、偏差に変化のない状態でも制御的にはアイドル制御時に支障を来すことはない。しかし、積分制御項では、所定の積分時間で偏差を足していくため、アイドル制御が長くなると、積分制御項の操作量が増大し、上限値まで上昇してしまう。また、走行中とアイドル時では排気ガス量が大きく異なるため、それぞれにおいて最適な積分制御項をとる必要がある。
このように積分制御項が上限値まで上昇してアイドル自動再生から走行自動再生になった場合、排気ブレーキバルブを開くと、大量の排気ガスがエンジンから排ガス管に流れ、また同時に、それまでのPID制御で決定した操作量で、排気管噴射を行うと大量の未燃燃料と排ガスがDPDに流れ、しかもDOCに蓄積された未燃燃料も燃焼し、再生温度が目標温度に対して過大なオーバーシュートが発生してしまう問題がある。この場合、過大なオーバーシュートが発生するのは、アイドル自動再生時間が長い場合であり、またアイドル停止時間が短い場合は、積分制御項による影響は少ないと考えられる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、走行自動再生から停止時の自動アイドル再生の制御を的確に行え、しかも自動アイドル再生から走行自動再生に移行しても排ガス温度がオーバーシュートすることがない排ガス浄化システムを提供することにある。
上記目的を達成するために請求項1の発明は、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DPDを接続し、前記DPDのPM量が一定量以上になったとき、排気管噴射を行ってディーゼルエンジンの排ガス温度を上昇させてDPDを自動再生する排ガス浄化システムにおいて、自動再生する際のDPD再生中の排ガス温度を検知し、検出した排ガス温度と再生目標温度との偏差を求め、この偏差に基づいて、排気管噴射量をPID制御するに際して、走行自動再生から停車によるアイドル自動再生に移行したとき、PID制御での積分制御項をゼロにリセットして排気管噴射量を制御することを特徴とする排ガス浄化システムである。
請求項2の発明は、前記停車後のアイドル自動再生開始から所定時間以内に走行自動再生に移行したときには、前記アイドル自動再生で積分制御項をゼロにリセットした後のPID制御でそのまま排気管噴射量を制御する請求項1記載の排ガス浄化システムである。
請求項3の発明は、前記停車後のアイドル自動再生開始から、所定時間を超えて走行自動再生に移行したときには、再度PID制御の積分制御項をゼロにリセットする請求項1記載の排ガス浄化システムである。
請求項4の発明は、走行自動再生から車を減速して停車した際に、減速時は、そのままPID制御による排気管噴射を継続し、停車後にPID制御の積分制御項をゼロにリセットする請求項1記載の排ガス浄化システムである。
請求項5の発明は、アイドル自動再生を開始する際に排気ブレーキバルブを閉じ、走行自動再生に移行したとき排気ブレーキバルブを開とする請求項1〜3いずれかに記載の排ガス浄化システムである。
本発明によれば、アイドル自動再生時のPID制御による弊害を解消でき、DPD内での排ガスのオーバーシュートを防止できるという優れた効果を発揮するものである。
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。
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、吸気量を測定するマスエアフローセンサ(MAF)19が設けられ、そのマスエアフローセンサ(MAF)で、吸気スロットルバルブ18の開度が制御されて吸気量が調整される。また排気マニホールド12と吸気マニホールド11には排気ガスの一部をエンジン10の吸気系に戻してNOxを低減するためのEGR(Exhaust Gas Recirculation;排気再循環)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、DPD25、排気スロットルバルブ26、サイレンサー27が接続される。DPD25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CSF29からなる。
排気ブレーキバルブ24の上流側には、DPD再生時に排気ガス温度を昇温させるべく、排気管20に燃料を噴射(排気管噴射)する排気管インジェクタ39が設けられる。この排気管インジェクタ39に図示しない燃料タンクからの燃料を供給する燃料供給ライン40には、燃料中に混入、発生する異物や水分を除去する燃料フィルタ41が接続され、その下流側に排気管インジェクタ39の燃料圧力を測定する燃料圧力センサ42が設けられる。
また図には示していないが、排気スロットルバルブ26とサイレンサー27間に、NOxをアンモニアで脱硝するSCR装置が接続される。
DOC28の前後には、排ガス温度センサ30a、30bが設けられ、CSF29のPM堆積量を検出する差圧センサ31が設けられ、これら検出値がECU(エンジンコントロールユニット)32に入力される。
ECU32には、エンジンの回転数を検出する回転センサ33の検出値、車速センサ34の検出値が入力される。
ECU32は、走行中、アクセル開度に応じて燃料インジェクタ38での燃料噴射量を制御すると共に、吸気スロットルバルブ18、排気ブレーキバルブ24、排気スロットルバルブ26を適宜制御するようになっている。
この排ガス処理システムにおいて、ECU32は、CSF29の前後の差圧を検出する差圧センサ31の検出値により、DPD25にPMが一定量堆積したと判断したとき、又は前回の再生後からの走行距離が所定値に達したときに、排ガス温度を最終的に600℃程度に昇温してPMを燃焼させて再生するようになっている。
この再生は、DOC28の触媒活性温度以上になるよう、燃料インジェクタ38でマルチ噴射(パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射)を行った後、排気管インジェクタ39で排気管20内に燃料を排気管噴射を行って排ガス温度を、一例として500℃、600℃に昇温してPMを燃焼させるものであり、通常は走行中に自動再生し、その間ECU32は、自動再生ランプ36bを再生中点灯する。自動再生は、走行中に加減速が繰り返されると排ガス温度が安定せず、DPD25でPMの燃え残りが生じ、再生インターバルが短くなったときには、手動再生ランプ36aを点灯して運転手に手動再生を警告し、運転手が、車を停止した状態で、手動再生実行スイッチ37を押すことで、手動再生にてDPD25を再生できるようになっている。
さて、自動再生する際のECU32の制御チャートを図2により説明する。
自動再生する際には、ECU32は、吸気スロットルバルブ18を絞り、マルチ噴射を行って排気ガス温度を触媒活性温度以上に昇温し、次にマルチ噴射に排気管インジェクタ39による排気管噴射を加えて排ガス温度を一例として500℃、600℃に昇温してPMを燃焼させてDPD25を再生する。また再生は排気管噴射であるため、EGRバルブ23は、通常制御のままとなる。再生終了後は、吸気スロットルバルブ18を通常制御に戻す。
この自動再生中、車が信号待ちなどで停車しているときには、エンジン回転を通常アイドル回転から、変速機のギヤがニュートラルのときには再生アイドル回転数を上昇させ、ギヤインのときには、停止から走行する際の急発進を防止するために再生アイドル回転数をギヤがニュートラルのときの再生アイドル回転数より低く設定される。また自動再生中は、ECU32が自動再生警告ランプ36bを点灯させる。
マルチ噴射に排気管噴射を加えてDPDを再生する際には、排ガス温度を600℃に昇温すると堆積したPMが一気に燃焼するのを防止すべく、例えば、初期の再生目標温度を一例として500℃とし、DPD内のPMをある程度燃焼させたならば、目標温度を変更して最終再生目標温度を一例として600℃になるように排気管噴射量を制御する。
次に、排気管噴射量のPID制御について説明する。
先ず自動再生中に図1で説明した排ガス温度センサ30bで排ガス温度が検知され、ECU32は、再生目標温度と排ガス温度の偏差eを求めその偏差に基づいてPID制御により、排気管インジェクタ39による排気管噴射の操作量Mを決定する。
この操作量Mは、次式で表される。
M=Kp・e+Ki・(1/Ti)・∫edt+Kd・Td(de/dt)
M=Kp・e+Ki・(1/Ti)・∫edt+Kd・Td(de/dt)
上式中、Kpは、比例制御の比例定数、Kiは積分制御の比例定数、Kdは微分制御の比例定数、Tiは積分時間、Tdは微分時間、tは時間である。
ここで、操作量Mは、比例制御項と積分制御項と微分制御項の総和で決定される。実際の排気管噴射量は、この操作量Mにベース項の操作量を足し合わせ、燃料圧力センサ42の燃圧と排気管インジェクタ39の開弁時間にて決定される。
このPID制御で、走行自動再生中は、エンジン回転数も高いため、排気管噴射量に見合って排ガス温度を高くすることができるため、再生目標温度に対し正確に制御することができる。
しかし、信号待ちや交通事情で、車が停車する直前では、エンジン回転数が落ち、排ガス量も少なくなり、偏差eが大きくなり、その状態で、車が停止して排気ブレーキバルブ24と排気スロットルバルブ26を閉じて排気管噴射量を増すことによりDPD25内の排気ガス温度が下がらないように制御し、エンジン回転は、通常のアイドル回転から再生アイドル回転数に、ギヤがニュートラル、ギヤインでも上げるものの、この再生アイドル回転数では、走行時のエンジン回転数より低いため、エンジンへの吸気量及び排ガス量も少なくなるため、再生目標温度を維持又は上げることが難しくなる。その結果偏差eがさらに大きくなる。
ここで、偏差eが一定とした場合は、比例制御項と微分制御項は、一定であるが、積分制御項は、その増大した偏差eを積分していくため、アイドル再生中には排気管噴射量が上限値まで上昇してしまう。この制御状態で、停止から走行して走行自動再生に移行した際には、エンジン回転数の上昇とともに吸気量も増大してしまい、排ガス温度が急激に上昇し、DPD25を溶損させてしまうおそれが生じる。
そこで、本発明においては、車が停止してアイドル自動再生を開始する際に、排気ブレーキバルブ24の閉動作と合わせて、PID制御の制御式中の積分制御項をゼロにリセットするようにする。このように積分制御項をゼロにリセットすることで、停車直前の車の走行状態による偏差eの積分がなくなり、停車時の偏差eに基づいたPID制御により排気管噴射量を決定してアイドル自動再生を行うことで、安定したアイドル自動再生が行える。
また、このゼロリセット後にアイドル自動再生を行っている間に、車が停車から所定時間以内(例えば3分以内)に走行した場合には、そのゼロリセット後のPID制御による排気管噴射量の制御で走行自動再生を行うことで、走行自動再生が支障なく行える。また停車時間が所定時間(例えば3分)を超える場合には、積分制御項による操作量が増大するため、その積分制御項を再度ゼロにリセットして走行自動再生することで、排ガス温度のオーバーシュートの発生を防止することができる。
以上本発明は、アイドル自動再生時に、PID制御で排気管噴射量を制御する際に、PID制御の積分制御項をゼロにリセットすることで、安定したアイドル自動再生が行え、またそのアイドル自動再生後は、車の停止時間に応じて、積分制御項を再度ゼロにリセットするかリセットせずにそのまま制御を継続するかを判断することで、アイドル自動再生から走行自動再生に移行しても支障なくその切り替えが行える。
10 ディーゼルエンジン
20 排気管
25 DPD
32 ECU
33 回転センサ
39 排気管インジェクタ
20 排気管
25 DPD
32 ECU
33 回転センサ
39 排気管インジェクタ
Claims (5)
- 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DPDを接続し、前記DPDのPM量が一定量以上になったとき、排気管噴射を行ってディーゼルエンジンの排ガス温度を上昇させてDPDを自動再生する排ガス浄化システムにおいて、自動再生する際のDPD再生の排ガス温度を検知し、検出した排ガス温度と再生目標温度との偏差を求め、この偏差に基づいて、排気管噴射量をPID制御するに際して、走行自動再生から停車によるアイドル自動再生に移行したとき、PID制御での積分制御項をゼロにリセットして排気管噴射量を制御することを特徴とする排ガス浄化システム。
- 前記停車後のアイドル自動再生開始から所定時間以内に走行自動再生に移行したときには、前記アイドル自動再生で積分制御項をゼロにリセットした後のPID制御でそのまま排気管噴射量を制御する請求項1記載の排ガス浄化システム。
- 前記停車後のアイドル自動再生開始から、所定時間を超えて走行自動再生に移行したときには、再度PID制御の積分制御項をゼロにリセットする請求項1記載の排ガス浄化システム。
- 走行自動再生から車を減速して停車した際に、減速時は、そのままPID制御による排気管噴射を継続し、停車後にPID制御の積分制御項をゼロにリセットする請求項1記載の排ガス浄化システム。
- アイドル自動再生を開始する際に排気ブレーキバルブを閉じ、走行自動再生に移行したとき排気ブレーキバルブを開とする請求項1〜3いずれかに記載の排ガス浄化システム。
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