JP5440384B2 - 排ガス浄化システム - Google Patents

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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と排ガス中のＰＭを捕集するＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter)からなり、ＤＰＤ再生の際には、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、除去して再生するものである。
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、ポスト噴射により、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、手動再生にてダイリューション量を低減するようになっている。
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ポスト噴射量がＰＩＤ制御される。
特開２０００−３０３８２６号公報 特許第４１７５２８１号公報
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ポスト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、ポスト噴射を行っても、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。またポスト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（Ｐ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制御でポスト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き、それまでのＰＩＤ制御で決定した操作量で、ポスト噴射を行うと、大量の排気ガスがエンジンから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、ポスト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、ポスト噴射量を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ポスト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制御でそのままポスト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、前記所定時間が３分である請求項２又は３記載の排ガス浄化システムである。
請求項５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制御によるポスト噴射を継続し、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６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を開とする請求項１〜４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。
本発明の一実施の形態を示す全体構成図である。 本発明における自動再生時の制御チャートを示す図である。
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、吸気量を測定するエアマスフローセンサ（ＭＡＦ）１９が設けられ、そのエアマスフローセンサ（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。また排気管２０と上流側吸気管１６ａ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ＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）２９からなる。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、大気圧センサ３５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、ディーゼルエンジン１０からの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、ポスト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するが、ポスト噴射により、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、手動再生にてダイリューション量を低減す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、ＥＧＲバルブ２３を閉じ、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てＤＯＣ２８の触媒の温度を上げ、次にマルチ噴射にポスト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。再生終了後は、吸気スロットルバルブ１８とＥＧＲバルブ２３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。
マルチ噴射からポスト噴射に切り替えて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℃になるようにポスト噴射量を制御する。
次に、ポスト噴射量の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、燃料インジェクタ３８によるポスト噴射の操作量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）
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。実際のポスト噴射量は、この操作量Ｍにベース項の操作量を足し合わせ、燃料インジェクタ３８の燃圧と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、ポスト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ポスト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制御によりポスト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（３分以内）に走行した場合には、そのゼロリセット後のＰＩＤ制御によるポスト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制御でポスト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
３５ 大気圧センサ

Claims (6)

  1. 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、ポスト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、ポスト噴射量を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ポスト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。
  2. 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制御でそのままポスト噴射量を制御する請求項１記載の排ガス浄化システム。
  3. 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。
  4. 前記所定時間が３分である請求項２又は３記載の排ガス浄化システム。
  5. 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制御によるポスト噴射を継続し、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。
  6. 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を開とする請求項１〜４いずれかに記載の請求項１記載の排ガス浄化システム。
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