JP5702287B2 - ディーゼル微粒子フィルタ、エンジンおよび後処理システムにおける煤負荷を推定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般にディーゼル微粒子フィルタに関し、より詳細にはディーゼル微粒子フィルタにおける煤負荷を推定する方法および装置に関する。

ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）システムは、多くの市場、特に大型トラック市場では一般的になってきており、当面、重要な粒子状物質排出ソリューションであり続ける可能性が高い。ＤＰＦ内に蓄積した煤質量を推定する種々の方法があるが、現在では、１つの直接フィードバック機構、すなわちＤＰＦの前後の圧力降下を測定する圧力降下（ｄＰ）センサしかない。

ｄＰ信号を使用して、通常はある一定期間にわたる多数のフィルタの観察に基づいて、ＤＰＦ煤質量を相関関係またはモデルによって推定することができ、それにより「規準（nominal）」ＤＰＦと呼ばれるべきもののデータが確立される。モデル入力は、いくつかの不確定要素を有する。オフセット、ヒステリシス、温度ドリフト、時間ドリフトなどの典型的なセンサ不確定要素に加えて、モデル精度に影響を及ぼすさらに他の要素がある。そのような要素には、ＤＰＦ間のばらつき、フィルタの灰負荷、煤負荷の不均一性、触媒シンタリングなどがあり、これらの要素はすべて、対象フィルタ（subject filter）の圧力降下データを規準ＤＰＦ前後の圧力降下と明確に比較して、規準ＤＰＦの煤負荷に基づいて対象ＤＰＦの煤負荷を推定することを困難にする。

対象ＤＰＦの煤負荷を適切な精度で推定できないと、ＤＰＦが破損したり、ＤＰＦが粒子のフィルタリングを十分に行えなくなったりすることがある。対象ＤＰＦの推定煤負荷が低すぎる場合は、能動的再生操作が行なわれる前に対象ＤＰＦが煤で過負荷状態になっていることがあり、また再生操作で許容可能な煤蓄積レベルまで燃焼されていなことがある。対象ＤＰＦの推定煤負荷が高すぎる場合は、対象ＤＰＦが、過度の再生操作を受けていることがあり、これにより有効寿命が短くなる可能性がある。

ＤＰＦの煤負荷推定精度を改善する技術を提供することが望ましい。

本発明の一態様によれば、ディーゼル微粒子フィルタの煤負荷を推定する方法が、規準ディーゼル微粒子フィルタの煤負荷を推定するための煤負荷モデルを確立する段階と、規準フィルタと対象フィルタとの差を考慮するために対象フィルタの煤負荷モデルを調整する段階と、調整した煤負荷モデルを使用して対象フィルタの煤負荷を推定する段階とを含む。

本発明の別の態様によれば、排気後処理システムを備えたディーゼル・エンジンが、対象ディーゼル微粒子フィルタとコントローラを有し、コントローラは、規準ディーゼル微粒子フィルタの煤負荷を推定するための煤負荷モデルを含み、コントローラは、規準フィルタと対象フィルタの違いを考慮するために対象フィルタの煤負荷モデルを調整するように適応され、且つ調整した煤負荷モデルを使用して対象フィルタの煤負荷を推定するように適応される。

本発明の特徴と利点は、同じ数字が類似要素を示す図面と共に以下の詳細な説明を読むことによってよりよく理解される。

本発明の一態様による排気後処理システムを備えたエンジンの概略図である。 ２つの異なるディーゼル微粒子フィルタの圧力降下と体積流量測定値との差を示すグラフである。 規準フィルタ、高抵抗フィルタおよび低抵抗フィルタの圧力降下と体積流量範囲の関係を概略的比較するグラフである。

図１に、本発明の一態様による排気後処理システム２３を有するディーゼル・エンジン２１が示される。後処理システム２３は、エンジン２１の下流にディーゼル微粒子フィルタ２５（ＤＰＦ）を含む。ＤＰＦ２５は、以下では、比較のために使用される規準ＤＰＦと区別するために「対象」ＤＰＦと呼ばれる。対象ＤＰＦ２５は、触媒フィルタでよい。

ヒータ２７が、対象ＤＰＦ２５の上流に提供され、エンジン２１からＤＰＦに入る排気の温度を高めて対象ＤＰＦの能動的再生を行うように適応される。対象ＤＰＦ２５の少なくとも１つの状態を検出するためにセンサ２９が提供される。センサ２９は、コントローラ３１に信号を送ってヒータ２７がその信号に応じて能動的再生操作を開始するように構成される。少なくとも１つの状態は、対象ＤＰＦ２５前後の圧力降下、エンジン２１の燃料消費量、エンジンを含む車両が移動した距離、およびエンジンまたはフィルタの動作時間をうちの少なくとも１つでよい。少なくとも１つの状態は、対象フィルタ２５の煤負荷の推定レベルに対応する。後処理システム２３は、通常、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）（図示せず）などの他の後処理装置を含む。しかしながら、ＤＯＣは、一種のヒータ２７と見なされてもよく、バーナや電気ヒータなどの個別のヒータと関連して提供されてもよい。

コントローラ３１は、コンピュータなどの任意の適切なタイプのコントローラである。コントローラ３１は、規準ＤＰＦの煤負荷を推定するための煤負荷モデルを含む。モデルは、一般に、例えば様々な気圧、排気温度、動作長等の種々の動作条件下での実際のフィルタの観測に基づいて、コントローラ内にプログラムされる。コントローラ３１は、規準ＤＰＦと対象ＤＰＦとの差を考慮するために対象ＤＰＦ２５の煤負荷モデルを調整するように適応される。また、コントローラ３１は、調整した煤負荷モデルを使用して対象ＤＰＦ２５の煤負荷を推定するように適応される。

本発明の一態様によれば、規準ＤＰＦと対象ＤＰＦとの差を考慮するために対象ＤＰＦ２５の煤負荷モデルが調整される。例えば、図２は、２台のトラックからの２つのＤＰＦに関する２組のｄＰ（ＤＰＦ前後の圧力降下）と体積流量（ＤＰＦを通る）測定値との関係を示す。各組は、始動から各フィルタの能動的再生までの様々な時間に取得された複数の別々の測定値を含む。

考察のため、ｄＰと体積流量測定値との関係の低い方の組Ｌは、規準ＤＰＦに関するデータを表わすと見なされ、ｄＰと体積流量測定値との関係の高い方の組Ｕは、対象ＤＰＦに関するデータを表わす。しかしながら、規準ＤＰＦと対象ＤＰＦとの差は、図３に示されたように、対象ＤＰＦのｄＰと体積流量測定値との１組の関係が、規準フィルタのｄＰと体積流量測定値との１組の関係より低い場合があるようなものになる可能性があり、図３は、規準ＤＰＦのｄＰと体積流量との関係の範囲を、高抵抗ＤＰＦと低抵抗ＤＰＦの範囲と概略的に比較するものであることを理解されよう。図２において、組ＬおよびＵの測定値の下にある点線は、新しいフィルタまたは能動的再生直後のフィルタのｄＰと体積流量との関係を近似的に示すのを支援するために提供される。

本発明のいくつかの態様では、対象ＤＰＦの煤負荷モデルの調整は、対象ＤＰＦのｄＰと体積流量との関係を表す曲線に係数を掛けて、その曲線が規準ＤＰＦの曲線に近づくようにすることを含む。例えば、測定値Ｌが、規準フィルタのｄＰと体積流量の関係を表す場合は、測定値Ｕの下の点線の傾きに係数を掛けて、その傾きが、測定値Ｌの下の点線の傾きと等しくなるようにしてもよい。一般的に、この係数は、それぞれデグリーニングされ（de-greened）且つそれぞれ実質的に煤負荷のない規準フィルタと対象フィルタのｄＰと体積流量との関係を示す曲線即ちデータ点を比較することによって決定される。この状態は、通常、新しいフィルタのデグリーニング（de-greening）後の状態、または昔のフィルタの完全な能動的再生後の状態である。当然ながら、係数は、デグリーニング後の最初の始動時、能動的再生直後、またはある一定期間内を含むがそれだけではない他の時間に規準フィルタと対象フィルタのｄＰと体積流量との関係を示す曲線即ちデータ点を比較するような何か他の方法で決定されてもよい。

対象ＤＰＦ２５の煤負荷は、調整された煤負荷モデルを使用することにより、コントローラ３１によって推定される。本発明の一態様に従って説明すると、対象ＤＰＦ２５のｄＰと体積流量との関係を示す曲線即ちデータ点は、規準ＤＰＦの曲線即ちデータ点により近づくように係数が掛けられ、調整係数を掛けた対象フィルタのｄＰと体積流量測定値との関係を比較することによって、対象フィルタ２５の煤負荷を推定することができる。対象フィルタの測定値に係数を掛けることによって調整されたｄＰと体積流量との関係を示す値における規準フィルタの煤負荷は、対象ＤＰＦ２５の煤負荷に対応するように推測することができる。

対象ＤＰＦ２５の推定煤負荷が決定されたとはいえ、能動的再生サイクルは、通常、対象ＤＰＦの推定煤負荷が所定レベルを超えたときに開始される。例えば、煤負荷モデルが、煤負荷を、何らかの体積流量における規準ＤＰＦ前後の圧力降下の関数として推定する場合は、対象ＤＰＦ２５前後の圧力降下と体積流量を監視して、特定の体積流量における少なくとも１つの圧力降下測定値を得ることができ、また特定の体積流量における少なくとも１つの圧力降下測定値の関数として対象ＤＰＦの煤負荷を推定することができる。採用される調整技術によって調整されるような圧力降下測定値が、所定値を超えた場合、コントローラ３１に信号を送り、コントローラ３１は信号を送って、例えばヒータ２７を活動化することにより能動的再生を開始することができる。

本発明の別の態様によれば、次の式に従って時間ｔにおける対象ＤＰＦの煤負荷モデルの誤差（Ｅ（ｔ））を計算することによって、対象ＤＰＦ２５の煤負荷を推定することができる。

ここで、時間ｔ＝０，１，２，…,Ｔ
Ｘ（ｔ）は、所定のフィルタ条件での対象ＤＰＦの煤負荷の計算値であり、
Ｘｂａｒは、所定のフィルタ条件での規準ＤＰＦの煤負荷の較正値であり
Ｘｂａｒは、実際の測定値または内部質量モデル予測値に基づく一定値または時間変化値でよい。

時間Ｔにおいて、次のようにオフセット値Ｚ（ｔ）が決定される。

ここでＧは、時間ｔ＝０から時間ｔ＝Ｔの間の煤負荷データの信頼性に対応する係数である。対象ＤＰＦの煤負荷の推定値Ｘａ（ｔ）は、次の式により決定することができる。

オフセット値Ｚ（ｔ）を加算することは、モデル誤差を最小にするためにｄＰ煤モデルを調整する１つの単純で実際的な方法である。

当然ながら、オフセット値Ｚ（ｔ）を加算する他に、ｄＰ煤モデルを調整する方法はある。例えば、誤差をなくすために、下の式４で使用されるｄＰ煤モデル・パラメータを調整するか、さらにはモデルの構造を調整してもよい。

本発明の別の態様によれば、煤負荷モデルは、圧力降下の式に従って、規準ＤＰＦ前後の圧力降下によって煤負荷を決定する。

ここで、ｄＰ_nomは、規準ＤＰＦ前後の圧力降下であり
μ（Ｔ）は、温度Ｔでの排気ガスの粘度であり
ｕ_wallは、壁流速であり
ｗ_nom.wallは、規準ＤＰＦの壁厚であり
ｋ_nom.wallは、規準ＤＰＦの透過度であり、
ｗ_sootは、煤層の厚さであり、
ｋ_sootは、煤層の透過度である。

式で対象ＤＰＦ内のゼロ煤負荷が正確に計算されるようにｗ_wallとｋ_wallのいずれかまたは両方に係数を掛けることによって、対象ＤＰＦ２５の煤負荷モデルを調整することができる。例えば、始動時または完全な能動的再生後、ｗ_sootがゼロまたは実質的にゼロに等しいはずであるとき、特定のμ（Ｔ）とｕ_wallにおける対象ＤＰＦ２５のｄＰが、そのμ（Ｔ）とｕ_wallにおける規準フィルタのｄＰと異なる場合は、ｗ_wallとｋ_wallのいずれかまたは両方に調整係数を掛けて、調整されたｄＰが、ゼロ煤負荷における規準フィルタのｄＰと等しくなるようにする。

圧力降下に関する前述の式は、もっと複雑な式をできるだけ簡略にしたものである。単純化された圧力降下式は、通常、多数の変数を考慮するより複雑な式の近似である。例示のため、フィルタの少なくとも１つの特定のモデルに適用できるより複雑な圧力降下式（および非圧縮性の流れで灰堆積がゼロと仮定する）は、次の式で表すことができる。

ここで、

ε＝ＤＰＦの空孔率
α＝チャネル幅
ｗ＝煤ケーキの厚さ
ｗ_s＝基板壁の厚さ
μ＝排気の粘度
Ｑ＝排気の体積流量
Ｖ_trap＝ＤＰＦ体積
ｋ＝ＤＰＦの透過度性
Ｆ＝２８．４５４
Ｌ＝チャネル長
ρ＝排気の密度
ζ〜０．６７−０．８２

本出願では、「含む（including）」などの用語の使用は、幅広く解釈され、「含む（comprising）」のような用語と同じ意味を有し、他の構造、材料または操作の存在を排除しない。同様に、「できる（can）」や「でよい（may）」などの用語の使用は、幅広く解釈され、また構造、材料または操作が必ずしも必要ではないことを表し、これらの用語を使用しないことは、構造、材料または操作が不可欠であることを表すものではない。構造、材料または操作が不可欠であると現在考えられる限り、そのような構造、材料または操作はそのように識別される。

本発明を好ましい実施形態により図示し説明してきたが、特許請求の範囲に記載されたような発明から逸脱することなく変形と変更を行うことができることが分かる。

２１ ディーゼル・エンジン
２３ 排気後処理システム
２５ ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）
２７ ヒータ
２９ センサ
３１ コントローラ

Claims (19)

1. ディーゼル微粒子フィルタの煤負荷を推定する方法であって、
   規準ディーゼル微粒子フィルタの煤負荷を推定するための煤負荷モデルを確立する段階と、
   前記規準フィルタと対象フィルタとの差を考慮するために、デグリーニングされた規準フィルタとデグリーニングされた対象フィルタとに基づいて前記規準フィルタと前記対象フィルタとの差を決定することによって、前記対象フィルタの前記煤負荷モデルを調整する段階と、
   前記調整した煤負荷モデルを使用して、任意の一点である時間ｔにおける前記対象フィルタの前記煤負荷モデルの誤差（Ｅ（ｔ））を計算することによって、前記対象フィルタの煤負荷を推定する段階とを含む方法。
2. 前記対象フィルタの前記推定煤負荷が所定レベルを超えたときに能動的再生サイクルを開始する段階を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記煤負荷モデルが、煤負荷を前記規準フィルタ前後の圧力降下の関数として推定する、請求項１に記載の方法。
4. 前記対象フィルタ前後の圧力降下を監視して少なくとも１つの圧力降下測定値を取得する段階と、前記対象フィルタの煤負荷を前記少なくとも１つの圧力降下測定値の関数として推定する段階とを含む、請求項３に記載の方法。
5. 新しい対象フィルタに基づいて前記規準フィルタと前記対象フィルタとの差を決定する段階を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記対象フィルタの能動的再生後に前記規準フィルタと前記対象フィルタとの差を決定する段階を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記モデルを確立する段階が、前記規準フィルタ前後の規準圧力低下と体積流量との関係を表す第１の曲線を確立する段階を含み、前記対象フィルタ前後の測定圧力降下値と前記対象フィルタを通る体積流量との関係を表す第２の曲線を定義する段階を含み、前記煤負荷モデルを調整する段階が、前記第２の曲線上の値に係数を掛けて前記第２の曲線が前記第１の曲線に近づくようにする段階を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記調整した煤負荷モデルが、煤負荷を前記対象フィルタ前後の前記測定圧力降下の関数として推定する、請求項７に記載の方法。
9. 前記モデルを確立する段階が、複数の体積流量における前記規準フィルタ前後の規準圧力降下を確立する段階を含み、前記調節する段階が、前記体積流量における前記対象フィルタ前後の圧力降下を測定する段階と、前記体積流量における前記測定圧力降下に係数を掛けて、前記対象フィルタ前後の前記測定圧力降下が、前記体積流量における前記規準圧力降下の値に近づくようにする段階とを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記推定する段階が、ある体積流量における測定圧力降下に前記体積流量に対応する係数を掛けて調整圧力降下を得る段階と、前記調整圧力降下を前記体積流量における規準圧力降下と比較する段階とを含む、請求項９に記載の方法。
11. 時間ｔにおける前記対象フィルタの前記煤負荷モデルの誤差（Ｅ（ｔ））が、
    E(t)=sum(X(t)-Xbar)/T
    ここで、時間ｔ＝０，１，２，…，Ｔ
    Ｘ（ｔ）は、所定のフィルタ条件での前記対象フィルタの煤負荷の計算値であり、
    Ｘｂａｒは、前記所定のフィルタ条件での前記規準フィルタの煤負荷の較正値であり、時間Ｔにおいて、煤負荷の前記推定値Ｘａ（ｔ）を提供するために前記計算値Ｘ（ｔ）をずらすことができるオフセット値Ｚ（ｔ）は、次の式によって表わされ、
    Z(t)=Z(t-1)+G*[E(t-1)-Z(t-1)]
    ここで、Ｇが、時間ｔ＝０から時間ｔ＝Ｔまでの煤負荷データの信頼性に対応する係数であり、前記対象フィルタの煤負荷の前記推定値Ｘａ（ｔ）が、式Ｘａ（ｔ）＝Ｘ（ｔ）−Ｚ（ｔ）によって表わされる、請求項１に記載の方法。
12. 前記煤負荷モデルが、煤負荷を前記規準フィルタの少なくとも一部分の前後の圧力降下の関数として決定する、請求項１に記載の方法。
13. 前記煤負荷モデルが、前記対象フィルタに関して、前記対象フィルタのゼロ煤負荷を正確に計算するように前記基準フィルタの壁厚（ｗ_wall）に係数を掛ける式によって調整される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記煤負荷モデルが、前記対象フィルタに関して、前記対象フィルタのゼロ煤負荷を正確に計算するように前記基準フィルタの透過度（ｋ_wall）に係数を掛ける式によって調整される、請求項１２に記載の方法。
15. 排気後処理システムを備えたディーゼル・エンジンであって、
    対象ディーゼル微粒子フィルタと、
    コントローラとを有し、前記コントローラが、規準ディーゼル微粒子フィルタの煤負荷を推定するための煤負荷モデルを含み、前記コントローラが、前記規準フィルタと前記対象フィルタとの差を考慮するために、デグリーニングされた規準フィルタとデグリーニングされた対象フィルタとに基づいて前記規準フィルタと前記対象フィルタとの差を決定することによって、前記対象フィルタの前記煤負荷モデルを調整し、前記調整した煤負荷モデルを使用して、任意の一点である時間ｔにおける前記対象フィルタの前記煤負荷モデルの誤差（Ｅ（ｔ））を計算することによって、前記対象フィルタの煤負荷を推定するように適応されている、ディーゼル・エンジン。
16. 前記対象フィルタが、触媒フィルタである、請求項１５に記載の排気後処理システムを有するディーゼル・エンジン。
17. 前記対象フィルタを能動的再生するためのヒータを含む、請求項１５に記載の排気後処理システムを有するディーゼル・エンジン。
18. 前記対象フィルタの少なくとも１つの状態を検出し、信号を前記コントローラに送って前記信号に応じて能動的再生を開始するセンサを有する、請求項１７に記載の排気後処理システムを有するディーゼル・エンジン。
19. 前記少なくとも１つの状態が、圧力降下、燃料消費量、移動距離および動作時間のうちの少なくとも１つである、請求項１８に記載の排気後処理システムを有するディーゼル・エンジン。

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