CN103857886A

CN103857886A - Dpf的pm堆积量估算装置

Info

Publication number: CN103857886A
Application number: CN201280049745.6A
Authority: CN
Inventors: 佐瀬辽; 高柳恒; 奥田圭佑
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: EP2781709B1; WO2013073326A1; CN103857886B; EP2781709A1; JP2013104416A; US9074505B2; US20140238003A1; EP2781709A4

Abstract

一种DPF的PM堆积量估算装置（50），包括计算向排气通路（3）排出的PM排出量的排出量计算装置（51）和计算在DPF（7）自然再生的PM再生量的自然再生量计算装置（52），在PM堆积量估算装置（50）中，从在排出量计算装置（51）计算出的PM排出量和在自然再生量计算装置（52）计算出的PM再生量的差值，估算DPF（7）中的PM堆积量。并且，在供气流量计（31）确认有异常时，不使用在供气流量计（31）测定的供气流量而计算二氧化氮导致的PM再生量，估算DPF中的PM堆积量。

Description

DPF的PM堆积量估算装置

技术领域

本发明涉及一种用于估算堆积在柴油颗粒过滤器（以下，简称为DPF）的PM堆积量的PM堆积量估算装置，所述DPF用于收集包含在柴油发动机的排放气体中的颗粒物质（排气微粒，以下简称为PM）。

背景技术

作为一种除去柴油发动机的排放气体中包含的PM的有效技术，已知有DPF。

DPF是利用过滤器的PM收集装置，是被设在排气通路，利用过滤器收集从发动机排出的碳颗粒等PM，从而从排放气体中除去PM的装置。在DPF被收集的PM的一部分通过从运转中的发动机排出的高温的排放气体而进行燃烧（自然再生），而剩余的PM却堆积在DPF的过滤器。如果PM过度堆积，将导致PM收集能力的降低、发动机的输出降低等问题。因此，在DPF中，有必要在适当的时机实施使堆积在过滤器的PM强制燃烧，从而使过滤器再生的强制再生。

为了掌握实施强制再生的适当时机，有必要高精度的估算过滤器的PM堆积量。在过少地估计PM堆积量的情况下，强制再生的时机变晚，除了因PM的过度堆积导致PM收集能力的降低、发动机输出的降低等问题之外，还有可能因强制再生时的过度升温导致DPF受损。反之，在过多地估计PM堆积量的情况下，强制再生的频次变多，将产生燃料效率变差、油稀释（オイルダイリュージョン）等问题。

因此，堆积在DPF的过滤器的PM堆积量的估算式，通常如以下的式（1）所示。

PM堆积量=PM排出量－PM再生量（1）

（在此，PM排出量是指包含在从发动机排出的排放气体中的PM量。此外，此处所述的PM再生量特指自然再生量，意味着不是在强制再生时期，而是在通常运转时期通过从发动机排出的高温排放气体而进行燃烧的PM量。）

上述的PM排出量，由以发动机转速和燃料喷射量作为输入数据的脉谱图计算。另一方面，除了发动机转速和燃料喷射量之外，PM再生量还基于温度传感器、压力传感器、供气流量计（空气流量计）等各种传感器的测量值进行计算。因此，在空气流量计等传感器发生故障的情况下，PM再生量的估算将变得困难。

在专利文献1中公开有一种技术，在对PM再生量的估算必要的空气流量计等传感器发生故障的情况下，不在上述（1）式中减去PM再生量，而是使PM堆积量≒PM排放量，从而计算PM堆积量，由此，防止了PM堆积量的过少估算，避免在过滤器过度堆积PM。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：（日本）特开2006-316746号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在上述的专利文献1中，在计算PM堆积量时，由于完全不考虑PM再生量，所以PM堆积量会被过大地估算。因此，DPF的强制再生实施频次将变高，会产生燃料效率变差、油稀释等问题。此外，空气流量计，特别是红外线式空气流量计，存在因污垢等而发生故障的情况，与其他类型的传感器相比，存在招致更多异常的问题。

本发明是鉴于上述以往的课题而做出的发明，其目的在于提供一种DPF的PM堆积量估算装置，即使在供气流量计（空气流量计）确认有异常的情况下，所述PM堆积量估算装置也能比以往更高的精度地估算PM堆积量。

解决课题的技术方案

本发明是为了达到如上所述的现有技术中的课题及目的而发明出的，

本发明的DPF的PM堆积量估算装置包括，

收集从内燃机排出到排气通路的排放气体中的排气微粒（PM）的柴油颗粒过滤器（DPF）、估算堆积在该DPF的PM堆积量的PM堆积量估算装置，其特征在于，

具有计算被排出到所述排气通路的PM排出量的排出量计算装置和计算在所述DPF自然再生的PM再生量的自然再生量计算装置，所述PM堆积量估算装置从在所述排出量计算装置中计算的PM排出量和在所述自然再生量计算装置中计算的PM再生量的差值，估算DPF中的PM堆积量，

所述自然再生量计算装置将包含在所述排放气体中的氧气导致的PM再生量和包含在所述排放气体中的二氧化氮导致的PM再生量相加，计算所述自然再生的PM量，对于该二氧化氮导致的PM再生量的计算必要的数据的至少一部分，基于在供气流量计测定的供气流量进行计算，所述供气流量计被设在向所述内燃机输送空气的供气通路，

在确认所述供气流量计有异常时，不使用由该供气流量计测定的供气流量而计算所述二氧化氮导致的PM再生量，估算所述DPF中的PM堆积量。

在上述的本发明中，分为氧气导致的PM再生量和二氧化氮导致的PM再生量而估算自然再生的PM再生量。此时，对于计算二氧化氮导致的PM再生量的计算必要的排放气体的流量数据，从在供气流量计测定的供气流量计算。另一方面，在氧气导致的PM再生量的计算中，不使用在供气流量计测定的供气流量。并且，在供气流量计测定的供气流量确认有异常时，不使用由供气流量计测定的供气流量而计算二氧化氮导致的PM再生量。并且，通过将这样计算的二氧化氮导致的PM再生量和氧气导致的PM再生量相加，计算（估算）DPF中的PM堆积量。

因此，在这样构成的本发明的DPF的PM堆积量估算装置中，即使在供气流量计确认有异常的情况下，由于至少能够继续计算氧气导致的PM再生量，所以与以往相比，能够以更高精度估算PM堆积量。

在上述发明中，优选地，在供气流量计确认有异常时，代替供气流量计而利用其它替代装置计算供气流量，计算二氧化氮导致的PM再生量，估算DPF中的PM堆积量。

此时，在上述发明中，所述替代装置可以由压力、温度测定装置和供气流量计算装置构成，所述压力、温度测定装置测定与所述内燃机的上游侧连接着的供气支管部的压力及温度，所述供气流量计算装置从该被测定的压力及温度计算供气流量。通过以上述方式构成，即使在供气流量计确认有异常的情况下，与以往相比，能够以更高精度估算PM堆积量。此外，作为上述压力、温度测定装置，可以适当地利用设在供气支管部的EGR控制用压力传感器及温度传感器等。

此外，在此时，在上述发明中，所述替代装置可以由转速、喷射量测定装置和供气流量计算装置构成，所述转速、喷射量测定装置测定所述内燃机的发动机转速及燃料喷射量，所述供气流量计算装置利用脉谱图计算供气流量，所述脉谱图由所述内燃机的发动机转速及燃料喷射量和供气流量之间的关系组成。通过以上述方式构成，即使在供气流量计确认有异常的情况下，与以往相比，能够以更高精度估算PM堆积量。此外，作为上述的转速、喷射量测定装置，可以适当地利用为了控制内燃机而设置的各种传感器。

此外，在上述发明中，不是利用其它的替代装置计算供气流量而计算二氧化氮导致的PM再生量，而是将二氧化氮导致的PM再生量视为零而进行计算，估算在DPF中的PM堆积量。本发明的自然再生量计算装置将氧气导致的PM再生量和二氧化氮导致的PM再生量相加，计算出自然再生的PM量，所以即使将二氧化氮导致的PM再生量视为零而进行计算，也由于计算出了氧气导致的PM再生量，因此与以往相比，能够以更高精度计算出自然再生的PM量。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种DPF的PM堆积量估算装置，即使在供气流量计（空气流量计）确然有异常的情况下，与以往相比，所述PM堆积量估算装置也能够以更高的精度估算PM堆积量，避免因强制再生的频次高而导致的燃料效率变差、油稀释等问题。

附图说明

图1是具有DPF的柴油发动机的整体结构图。

图2是表示本发明的排出量计算装置的方框图。

图3是表示本发明的自然再生量计算装置的方框图。

图4是表示第一实施方式中自然再生量计算装置的控制流程的流程图。

图5是表示本发明的空气流量计的异常判定顺序的流程图。

图6是表示本发明的空气流量计的恢复判定顺序的流程图。

图7是表示第二实施方式中的控制流程的流程图。

图8是表示第三实施方式中的控制流程的流程图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式进行详细说明。

需要指出的是，本发明的范围并不限于以下的实施方式。在以下实施方式中所述的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，在没有特别说明的情况下，并不将本发明的范围限定在其所述的范围内，而只不过是单纯的说明例。

图1是具有DPF的柴油发动机的整体结构图。首先，参照图1，说明将本发明的PM堆积量估算装置适用于柴油发动机的情况下的整体结构。

如图1所示，在柴油发动机的内燃机1的下游侧，经由排气支管29连接有排气通路3。在排气通路3设有排放气体后处理装置9，该排放气体后处理装置9由DOC（氧化催化剂）5和位于该DOC5的下游侧的DPF7构成。DOC5具有氧化除去排放气体中的碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）的同时，氧化排放气体中的一氧化氮（NO）而生成二氧化氮（NO₂）的功能。如上所述，DPF7是利用过滤器收集包含在排放气体中的碳颗粒等PM，从排放气体中除去PM的装置。

此外，在内燃机1的上游侧，经由供气支管18连接有供气通路13。并且，在供气通路13和排气通路3之间设有排气涡轮增压器11。所述排气涡轮增压器11具有配置在排气通路3的排气涡轮11b和配置在供气通路13的压缩器11a，该压缩器11a被排气涡轮11b同轴驱动。此外，在供气通路13设有中间冷却器15以及供气节流阀17。并且，从压缩器11a排出的空气26在中间冷却器15被冷却之后，供气流量由供气节流阀17控制，之后，经由供气支管18流入到内燃机1的各气缸内的燃烧室（未图示）。

此外，在内燃机1设有高压共轨（コモンレール）燃料喷射装置（未图示），其控制燃料的喷射时期及喷射量，向气缸内的燃烧室喷射燃料。并且，从ECU19向高压共轨燃料喷射装置输入控制信号，从而在规定的喷射时期从该高压共轨燃料喷射装置的高压共轨器向燃料喷射阀提供规定量的燃料。图中的符号21表示从ECU19向高压共轨燃料喷射装置输入的控制信号的输入位置。

此外，从排气通路3的排气支管29的正下游位置分岔有EGR管23。并且，EGR管23与位于供气节流阀17的下游侧的供气支管18连接。此外，在EGR管配置有EGR阀25。通过开闭控制EGR阀25，从内燃机1排出的排放气体27的一部分通过EGR管23在内燃机1进行再循环。

从内燃机1排出的排放气体27，通过排气支管29及排气通路3，驱动上述的排气涡轮11b，同轴驱动压缩器11a。并且，所述排放气体在通过了排气通路3之后，向上述的排放气体后处理装置9的DOC5及DPF7流动。

在供气通路13配置有检测向压缩器11a流入的空气流量的空气流量计31（供气流量计）、吸气温度传感器33。并且，向ECU19输入与在该空气流量计31被测定的供气流量及在该吸气温度传感器33被测定的吸气温度相关的信号。

此外，在排气通路3配置有DOC入口温度传感器35、DPF入口温度传感器37、DPF差压传感器38及DPF出口温度传感器39。并且，向ECU19输入与在这些传感器测定的DOC入口温度、DPF入口温度、DPF出口温度等相关的信号。

此外，在ECU19中，基于来自未图示的曲轴传感器、凸轮传感器、加速器传感器、节流阀传感器等各种传感器的输入信号，计算发动机转速及燃料喷射量。

此外，在供气节流阀17的下游侧配置有测定供气支管18内的温度及压力的供气温度传感器41及供气压力传感器43。并且，向ECU19输入与在该供气温度传感器41测定的供气温度及在该供气压力传感器43测定的供气压力相关的信号。然后，在ECU19，基于这些供气温度、供气压力等计算出最适当的EGR量，进行EGR阀25的开闭控制。

ECU19由微型计算机构成，所述微型计算机由中央处理装置（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）及I/O接口等构成。来自上述的传感器的各种信号经由I/O接口被输入到CPU。在CPU中，按照被存储在ROM的控制程序，执行各种控制。并且，如图1所示，本发明的PM堆积量估算装置50、排出量计算装置51及自然再生量计算装置52由该ECU19构成。

在排出量计算装置51计算包含在从内燃机1排出的排放气体中的PM量（PM排出量）。如图2所示，在排出量计算装置51的PM排出量的计算利用PM排出量脉谱图55进行，所述PM排出量脉谱图55以发动机转速和燃料喷射量作为输入数据。所述PM排出量脉谱图55是通过进行实验等而制成的，被预先存储在ECU19的ROM。

在自然再生量计算装置52计算自然再生量，即，不是强制再生时期，而是通过通常运转时期的内燃机1排出的高温的排放气体而进行燃烧的PM量（PM再生量）。如图3所示，该PM再生量是通过分别计算氧气（O₂）导致的PM再生量和二氧化氮（NO₂）导致的PM再生量，将这些PM再生量相加而计算出的。

氧气导致的PM再生量利用O₂再生量脉谱图计算，所述O₂再生量脉谱图以DPF出入口平均温度和氧气浓度作为输入数据。此时，氧气浓度虽然可以通过O₂传感器等进行测定，但是在本实施方式中，基于排放气体的压力和温度、燃料喷射量、EGR回流率等，由ECU19进行计算。

二氧化氮导致的PM再生量是利用NO₂再生量脉谱图计算的，所述NO₂再生量脉谱图以DPF出入口平均温度、供气流量（排放气体流量）、DOC温度、发动机转速、燃料喷射量、DPF出入口温度作为输入数据。此时，排放气体流量从在上述的空气流量计31测定的供气流量进行计算。此外，如后所述，在空气流量计31确认有异常时，利用代替空气流量计31的其他替代装置60计算供气流量。

上述的O₂再生量脉谱图及NO₂再生量脉谱图是通过进行实验等而制成的，被预先存储在ECU19的ROM。

接着，在PM堆积量估算装置50中，从在排出量计算装置51计算出的PM排出量和在自然再生量计算装置52计算出的PM再生量的差值，基于以下的式（2），计算出（估算）PM堆积量。

PM堆积量=PM排出量－PM再生量

=PM排出量－（O₂导致的PM再生量+NO₂导致的PM再生量）（2）

<第一实施方式>

在上述结构中，对于具有DPF7和PM堆积量估算装置50的本发明的DPF的PM堆积量估算装置的第一实施方式，进行如下说明。图4是表示第一实施方式中自然再生量计算装置的控制流程的流程图。

如图4所示，开始后，首先进行空气流量计（AFM）的异常判定。然后，如果AFM正常工作（S1中YES情况），就通过AFM测定供气流量（S2），计算NO₂导致的PM再生量（S3）。然后，与另行计算的O₂导致的PM再生量相加，计算出PM再生量（S4）。

另一方面，在上述的空气流量计（AFM）的异常判定中，在AFM确认有异常的情况（S1中NO情况）下，在向驾驶员发出警报之后（S5），将EGR阀25完全关闭（S6）。然后，在ECU19中，根据利用供气温度传感器41及供气压力传感器43测定的供气支管18内的温度及压力，基于预先存储在ROM的如下的式（3）、（4），计算出供气流量（S7）。然后，从该供气流量算出排放气体的流量数据，进行NO₂导致的PM再生量的计算（S3）。

G_cyl=（ρ·V_strk·N_e/60）·（2/I_cyc）·N_cyl·E_V （3）

ρ=P/RT （4）

（在此，G_cyl是供气流量，ρ是供气密度，P是供气支管部的绝对压力，T是供气支管部的温度，R是气体状态常数，V_strk是相当于一个气缸的冲程容积，N_e是发动机转速，I_cyc是冲程，N_cyl是气缸数，E_V是体积效率，且是从其他脉谱图中计算确定的。）

即，在第一实施方式中，代替上述的供气流量计而计算供气流量的其他替代装置60，可以由测定供气支管18的压力及温度的供气温度传感器41及供气压力传感器43（压力、温度传感器）和从所述被测定的压力及温度计算供气流量的ECU19（供气流量计算装置）构成。

接着，基于图5及图6，对图4所示的AFM的异常判定（S1）的详细判定顺序进行说明。图5是表示本发明的空气流量计的异常判定顺序的流程图，图6是表示本发明的空气流量计的恢复判定顺序的流程图。

如图5所示，在AFM的异常判定中，首先判定点火开关的ON/OFF（S8），在点火开关处于ON的情况下，在开启异常过程时间的计时器（S9）之后，判定利用AFM测定的供气流量是否处于规定的阈值范围（S10）。所述阈值范围的设定，例如能够通过预先进行实验等而计算出与规定的发动机转速对应的通常时的供气流量范围而设定。然后，在AFM的测定流量不在规定的阈值范围的情况（S9中的YES情况）下，判定异常过程时间是否超过了预先设定的异常判定时间（S11），在YES的情况下判定AFM异常，使异常标记成为ON（S12），重置异常过程时间（S13）。另一方面，在AFM的测定流量处于规定的阈值范围的情况（S10的NO情况）下，直接重置异常过程时间（S13）。此外，在S11中异常过程时间未超出异常判定时间的情况下，对异常过程时间进行计时（S14）之后，再次重复S10中AFM的测定流量的异常判定。

此外，如图6所示，在AFM的恢复判定中，首先判定异常标记的ON/OFF状态（S14），在异常标记为ON的情况下，在开启恢复过程时间的计时器（S15）之后，与上述的S10同样地，判定利用AFM测定的供气流量是否处于规定的阈值范围（S16）。然后，在AFM的测定流量处于规定的阈值范围的情况（S16的NO情况）下，判定恢复过程时间是否超过了预先设定的恢复判定时间（S17），在YES的情况下判定AFM已从异常状态恢复，使异常标记成为OFF（S18），重置异常过程时间（S19）。此外，在S17中，在恢复过程时间未超过恢复判定时间的情况下，在对恢复过程时间进行计时之后（S20），再次重复S16中AFM的测定流量的异常判定。

在以上述方式构成的本发明的DPF的PM堆积量估算装置中，即使在空气流量计31确认有异常的情况下，也继续进行PM再生量的计算，所以与以往相比，能够以更高精度估算PM堆积量。此外，作为替代装置60中的压力、温度测定装置，利用EGR控制用供气温度传感器41及供气压力传感器43，所以不需要新的传感器就能够构成替代装置60。

<第二实施方式>

下面，对于本发明的DPF的PM堆积量估算装置的第二实施方式，进行如下说明。图7是表示第二实施方式的自然再生量计算装置的控制流程的流程图。此外，图7所示的第二实施方式的控制流程与上述的第一实施方式的控制流程基本相同，对于相同的步骤标注相同的符号，省略详细的说明。

在第二实施方式中，如图7（A）所示，与上述的第一实施方式的区别在于，在判定AFM异常的情况（S1的NO情况）下，代替从供气支管部的压力、温度计算供气流量（S7），利用供气流量脉谱图61计算供气流量数据（S7’）。如图7（B）所示，供气流量脉谱图61是以发动机转速及燃料喷射量作为输入数据的脉谱图。如上所述，发动机转速及燃料喷射量是基于来自曲轴传感器、凸轮传感器、加速器传感器、节流阀传感器等各种传感器的输入信号，在ECU19中计算的。此外，供气流量脉谱图61是通过进行实验等而制成的，被预先存储在ECU19的ROM。

即，在第二实施方式中，代替上述的供气流量计而计算供气流量的其他替代装置60，由下述部件构成：对发动机转速及燃料喷射量的计算必要的各种传感器及ECU19（转速、喷射量测定装置）；从所述发动机转速及燃料喷射量和供气流量脉谱图61计算供气流量的ECU19（供气流量计算装置）。

在以上述方式构成的本发明的DPF的PM堆积量估算装置中，即使在空气流量计31确认有异常的情况下，也继续进行PM再生量的计算，所以与以往相比，能够以更高精度估算PM堆积量。此外，作为替代装置60中的转速、喷射量测定装置，能够利用用于控制内燃机1而设置的各种传感器，所以不需要新的传感器就能够构成替代装置60。

<第三实施方式>

下面，对于本发明的DPF的PM堆积量估算装置的第三实施方式，进行如下说明。图8是表示第三实施方式的自然再生量计算装置的控制流程的流程图。此外，图8所示的第三实施方式的控制流程与上述的第一实施方式的控制流程基本相同，对相同的步骤标注相同的符号，省略详细的说明。

如图8所示，在第三实施方式中，与上述的第一实施方式的区别在于，在判定AFM异常的情况（S1中NO情况）下，将NO₂导致的PM再生量设定为零（S3’），代替从供气支管部的压力、温度计算供气流量（S7），计算NO₂导致的PM再生量（S3）的计算步骤。

即，在上述的式（2）中，将NO₂导致的PM再生量视为零，基于PM再生量≒O₂导致的PM再生量的下述的式（2），估算PM堆积量。

PM堆积量=PM排出量－PM再生量

=PM排出量－O₂导致的PM再生量（2’）

这样，即使将NO₂导致的PM再生量作视为零而进行计算，由于本发明的自然再生量计算装置会将O₂导致的PM再生量和NO₂导致的PM再生量相加，计算自然再生的PM量，所以作为PM再生量，还会考虑O₂导致的PM再生量。因此，即使在这种情况下，与以往相比，也能够以更高精度计算自然再生的PM量。

以上说明了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述的形态，可以在不超出本发明的目的的范围内做出各种变更。

产业上的利用可能性

根据本发明，作为能够高精度地估算堆积在DPF的PM堆积量的DPF的PM堆积量估算装置，能够适用于柴油发动机等。

Claims

1.一种DPF的PM堆积量估算装置，包括收集从内燃机排出到排气通路的排放气体中的排气微粒（PM）的柴油颗粒过滤器（DPF）、和估算堆积在该DPF的PM堆积量的PM堆积量估算装置，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的DPF的PM堆积量估算装置，其特征在于，

在确认所述供气流量计有异常时，代替供气流量计而利用其它替代装置计算供气流量，计算所述二氧化氮导致的PM再生量，估算DPF中的PM堆积量。

3.根据权利要求2所述的DPF的PM堆积量估算装置，其特征在于，所述替代装置由压力、温度测定装置和供气流量计算装置构成，所述压力、温度测定装置测定与所述内燃机的上游侧连接着的供气支管部的压力及温度，所述供气流量计算装置从该被测定的压力及温度计算供气流量。

4.根据权利要求2所述的DPF的PM堆积量估算装置，其特征在于，所述替代装置由转速、喷射量测定装置和供气流量计算装置构成，所述转速、喷射量测定装置测定所述内燃机的发动机转速及燃料喷射量，所述供气流量计算装置从脉谱图计算供气流量，所述脉谱图由所述内燃机的发动机转速及燃料喷射量和供气流量之间的关系组成。

5.根据权利要求1所述的DPF的PM堆积量估算装置，其特征在于，在确认所述供气流量计有异常时，将二氧化氮导致的PM再生量视为零而进行计算，估算在DPF中的PM堆积量。