JP2003065033A - パティキュレートフィルタの再生時期判定装置 - Google Patents

パティキュレートフィルタの再生時期判定装置

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JP2003065033A
JP2003065033A JP2001252955A JP2001252955A JP2003065033A JP 2003065033 A JP2003065033 A JP 2003065033A JP 2001252955 A JP2001252955 A JP 2001252955A JP 2001252955 A JP2001252955 A JP 2001252955A JP 2003065033 A JP2003065033 A JP 2003065033A
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air amount
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engine
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Tamon Tanaka
多聞 田中
Setsuo Nishihara
節雄 西原
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Mitsubishi Motors Corp
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Mitsubishi Motors Corp
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Publication date
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    • F02M26/04EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Filtering Of Dispersed Particles In Gases (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 常に的確にフィルタ再生時期を判定できるパ
ティキュレートフィルタの再生時期判定装置を提供す
る。 【解決手段】 パティキュレート捕集量の増加に伴って
機関の体積効率が低下すると(から)、必要な空気
量を確保して従前の目標空燃比を保つべく、EGR量EG
Rが減量されることから、結果として筒内吸入新気量An
は増加する。そこで、筒内吸入新気量Anが機関の運転
状態に応じた基準吸入新気量An0を越えたときに、DP
Fの再生時期と見なして強制再生制御を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関(以下、
エンジンという)の排気通路に設けられて排気中のパテ
ィキュレートを捕集するパティキュレートフィルタの再
生時期判定装置に関するものである。
【0002】
【関連する背景技術】ディーゼルエンジンから排出され
る排ガスには、HC、CO、NOx等のほかにパティキ
ュレートが多く含まれており、このパティキュレートを
処理するための後処理装置として、排ガス中のパティキ
ュレートを捕集するパティキュレートフィルタが提案さ
れている。フィルタのパティキュレート捕集量には限界
があるため、捕集量が所定値に達した時点で、フィルタ
を昇温してフィルタ上のパティキュレートを焼却除去す
る強制再生制御を実施している。
【0003】フィルタ再生時期の判定手法としては、捕
集量が排ガス流量とフィルタでの圧損(フィルタの前後
差圧)に対して相関することに着目し、マップに従って
排ガス流量及びフィルタ圧損から求めた捕集量が所定値
に達したときに、フィルタ再生時期と見なす技術があ
る。しかしながら、フィルタ圧損の検出のためには圧力
センサを要することからコストアップを招く上に、排ガ
スをセンサ検出部に導く圧力導入孔に煤の目詰まりが生
じると正確な検出が不能となるため、信頼性の点でも十
分でなかった。
【0004】そこで、例えば実開平3−41112号公
報には、機関の吸入空気量又は吸気体積効率を機関の運
転状態に応じた所定値と比較し、吸入空気量又は吸気体
積効率が所定値を下回ったときにフィルタ再生時期と見
なす技術が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、排ガスの後
処理とは別に、機関自体から排出される排ガスを改善す
る技術も種々開発されており、その一つとして燃焼を改
善するためにEGR量を制御して筒内空燃比を目標空燃
比に制御する技術がある。EGR量を調整して空燃比を
制御する場合、パティキュレートフィルタの捕集量が増
加すると、フィルタによる圧力損失が増加して機関の体
積効率が低下するため、必要な空気量を確保するために
はEGR量を減量させる必要があり、結果的に吸入空気
量が増大する。
【0006】このようにEGR量で筒内空燃比を制御す
る機関においては、パティキュレート捕集量が増加する
と吸入空気量が増大する。従って、吸入空気量が少なく
なったことでフィルタ再生時期を判定しようとする上記
公報記載の従来技術の手法は全く使用できない。又、体
積効率の低下を判定基準とする手法の場合は、EGR作
動中は体積効率を演算できないため判定不能となる問題
があり、EGR量で筒内空燃比を制御する機関のように
頻繁にEGRを作動させる機関には適用が困難である。
【0007】本発明の目的は、EGR量で筒内空燃比を
制御する機関にも適用可能であり、EGR作動に影響さ
れることなく、常に的確にフィルタ再生時期を判定する
ことができるパティキュレートフィルタの再生時期判定
装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明では、内燃機関の排気通路に設けら
れて排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレ
ートフィルタと、EGR量を調整して空燃比を目標空燃
比に制御する空燃比制御手段と、機関の吸入空気量を検
出する吸入空気量検出手段と、吸入空気量検出手段が検
出した空気量が機関の運転状態に応じた所定値を越えて
いる場合に、フィルタの再生時期と判定する再生時期判
定手段とを備えた。
【0009】従って、空燃比制御手段によりEGR量が
調整されて、機関の筒内空燃比が目標空燃比に制御され
る。一方、フィルタへのパティキュレート堆積量が増加
すると、それに応じて機関の体積効率が低下するが、こ
のときの空燃比制御手段は、必要な空気量を確保して従
前の目標空燃比を保つために、EGR量を減量すること
から、結果的に新気として機関に導入される吸入空気量
が増加することになる。
【0010】即ち、フィルタのパティキュレート捕集量
の増加に伴って機関の吸入空気量が増加するため、当該
吸入空気量を機関の運転状態に応じた所定値と比較すれ
ば、パティキュレート捕集量が反映された的確な再生時
期を判定可能となる。又、請求項2の発明では、再生時
期判定手段を、EGR弁の開度が略一定となる運転状態
下で再生時期の判定を行うようにしたものである。
【0011】従って、EGR弁の開度が略一定で、EG
R量の増減の影響を吸入空気量が受けない運転状態下で
再生時期の判定が行われるため、この要因による誤差を
排除して、再生時期の判定精度を向上可能となる。更
に、請求項3の発明では、空燃比制御手段を、吸入空気
量検出手段の出力と演算により求めたEGR中の空気量
とに基づいてEGR量を調整するようにしたものであ
る。
【0012】従って、空燃比制御に使用する空燃比制御
手段の出力を利用して、フィルタの再生時期を判定して
いるため、再生時期の判定のための専用のセンサを設け
る必要がなくなる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明をディーゼルエンジ
ン用の排気浄化装置に備えられたディーゼル・パティキ
ュレート・フィルタ(以下、DPFという)を対象とす
る再生時期判定装置に具体化した一実施形態を説明す
る。図1は本実施形態のDPFの再生時期判定装置を示
す全体構成図である。当該排気浄化装置はコモンレール
式ディーゼルエンジン1に適用されており、図示しない
コモンレールに蓄圧された高圧燃料が各気筒の燃料噴射
ノズル2に分配供給されて、燃料噴射ノズル2の開弁に
応じてエンジン1の燃焼室内に噴射されるようになって
いる。
【0014】エンジン1の吸気通路3には、上流側よ
り、吸入空気量を検出するエアフローセンサ4、ターボ
チャージャ5のコンプレッサ5a、インタークーラ6、
吸気絞り弁7が設けられている。又、排気通路8には、
上流側より、前記コンプレッサ5aに対し同軸上に結合
されたターボチャージャ5のタービン5b、酸化触媒
9、上流側温度センサ10a、圧力センサ11、フィル
タとしてのDPF(ディーゼル・パティキュレート・フ
ィルタ)12、下流側温度センサ10b、排気絞り弁1
3が設けられている。
【0015】DPF12はハニカム型のセラミック担体
からなり、多数の排ガス通路12aの上流側と下流側の
開口部を交互にプラグ12cで閉鎖することにより、通
路12aを形成する多孔質の濾過面12bを経て排ガス
を流通させるようになっている。そして、酸化触媒9と
DPF12により、所謂連続再生式DPFと呼ばれる後
処理装置14が構成されている。
【0016】又、前記吸気通路3の吸気絞り弁7より下
流位置と前記排気通路8のタービン5bより上流位置と
はEGR通路15により接続され、このEGR通路15
を経て排ガスがEGRガスとして吸気通路3側に還流さ
れるようになっている。EGR通路15にはEGR弁1
6及びEGRクーラ17が設けられ、EGR弁16の開
度に応じて前記EGRガスの還流量が調整されるように
なっている。
【0017】一方、図示しない入出力装置、制御プログ
ラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置(RO
M,RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウ
ンタ等を備えたECU(電子制御ユニット)21が設置
されている。ECU21の入力側には、アクセル操作量
θaccを検出するアクセルセンサ22、エンジン回転速
度Neを検出する回転速度センサ23、前記エアフロー
センサ4、上流側と下流側の温度センサ10a,10b
及び圧力センサ11等の各種センサ類が接続され、出力
側には前記燃料噴射ノズル2、吸気絞り弁7、排気絞り
弁13、EGR弁16等の各種デバイス類が接続されて
いる。
【0018】ECU21はセンサ類からの検出情報に基
づいて燃料噴射ノズル2による燃料噴射量や噴射時期を
制御すると共に、EGR弁16の開度を制御してEGR
還流量を制御し、これによりエンジン1を適正領域で運
転させる。一方、排ガスに含有されたパティキュレート
は後処理装置14のDPF12により捕捉され、酸化触
媒9が活性化し、DPF温度が所定以上の運転状態にお
いて、捕捉されたパティキュレートはDPF12上で連
続的に焼却除去され、これにより大気中へのパティキュ
レートの排出が防止される。
【0019】又、このような連続再生作用が得られない
運転状態が継続されて、DPF12でのパティキュレー
ト捕集量が次第に増加して許容量を越えると、ECU2
1はパティキュレートを強制的に焼却除去する強制再生
制御を実施する。本実施形態では、強制再生制御とし
て、通常の燃料噴射(主噴射)の後に、膨張行程或いは
排気行程において追加燃料を噴射するポスト噴射を実施
している。このポスト噴射は、まず、膨張行程側で実施
されて、追加燃料を未燃燃料(HC,CO等)として排
気中の酸素と反応させて、排気昇温による酸化触媒9の
活性化を図り、その後に、噴射時期を排気行程側に切換
えて、未燃燃料(HC,CO等)を酸化触媒9上で酸化
させたときの反応熱により、DPF12上のパティキュ
レートの燃焼除去を図るものである。
【0020】ECU21は上記したDPF12の強制再
生制御、及びEGR弁16の開度制御のために、図2に
示すEGR制御・DPF再生ルーチンを所定の制御イン
ターバルで実行しており、以下、その詳細を説明する。
まず、ステップS2で所定のマップに従ってエンジン回
転速度Ne及び燃料噴射量F(機関負荷)から目標空燃
比tgtA/Fを算出し、ステップS4で現在の機関運転状態
において、算出した目標空燃比tgtA/Fを達成するために
要する目標筒内空気量tgtAを算出する。その後、ステ
ップS6で筒内空気量偏差ΔAを次式(1)より算出す
る。
【0021】ΔA=tgtA−A ………(1) ここに、Aは前行程で筒内に吸入された空気量(以下、
筒内空気量という)であり、その算出手順は後述する。
次いで、ステップS8で筒内空気量偏差ΔAに応じたE
GR弁16の駆動量をPID演算し、演算値に基づいて
EGR弁16を駆動制御する。以上の処理により、筒内
に還流されるEGR量が制御されて、筒内空気量Aが目
標筒内空気量tgtAに調整され、結果として筒内空燃比
が目標空燃比tgtA/Fに制御される。
【0022】その後、ECU21はステップS10で機
関が定常運転中か否かを判定する。この判定は、例えば
EGR開度、エンジン回転速度Ne、吸入空気量等に基
づいて行われ、これらの値が変動しているときには、ス
テップS10でNO(否定)の判定を下してルーチンを
終了する。又、定常運転中としてステップS10でYE
S(肯定)の判定を下したときには、ステップS12に
移行して、所定のマップに従ってエンジン回転速度Ne
及び燃料噴射量Fから機関の運転状態に応じた基準吸入
新気量An0を設定する。続くステップS12では、エア
フローセンサ4にて検出された吸入空気量(以下、筒内
吸入新気量Anという)が基準吸入新気量An0を越えて
いるか否かを判定し、NOのときにはルーチンを終了
し、YESのときにはステップS16に移行して、DP
F12を再生すべく上記強制再生制御を実行した後、ル
ーチンを終了する。
【0023】一方、上記した筒内空気量Aは、以下の手
順で算出される。ここで、図3に示すように筒内に吸入
される総ガス量Wは、上記した筒内吸入新気量AnとE
GR量EGRとに大別され、EGR量EGRは、EGR中の空
気量AeとEGR中の空気以外のガス量とに分別され
る。そして、この筒内吸入新気量AnとEGR中の空気
量Aeとの和が、上記した筒内空気量Aに相当する。
【0024】まず、次式(2)に従って筒内吸入総ガス量
Wを算出する。 W=V×R×η ………(2) ここに、Vは機関の行程容積、Rはガス密度、ηは体積
効率である。行程容積Vとしては事前に判明している値
が用いられ、ガス密度Rは、吸気温やブースト圧等と相
関することから、これらの値に基づいて所定のマップか
ら求められる。
【0025】又、体積効率ηについては、機関の吸入空
気量(筒内吸入新気量An)や排気圧力に基づいて算出
される。詳しくは、この算出処理は、EGRの影響を受
けないEGR停止中に実行され、例えば吸入空気量につ
いては、現在の運転状態(エンジン回転速度Ne及び燃
料噴射量F)に対応する基準値とエアフローセンサ4に
よる検出値との差を算出し、この差に基づいて、運転状
態(エンジン回転速度Ne及び燃料噴射量F)に対応す
る体積効率ηを所定のマップから算出する。排気圧力に
基づいて算出する場合についても同様であり、現在の運
転状態に対応する基準値と圧力センサ11による検出値
との差を算出し、この差に基づいて体積効率ηを算出す
る。
【0026】尚、体積効率ηの算出処理が実施できない
EGR作動中は、EGR停止中に求めた最新値を適用し
ているが、このEGR制御では、例えば体積効率に基づ
いてフィルタ再生時期を判定する従来技術のように、必
ずしもリアルタイムの値を用いる必要がないため、筒内
吸入総ガス量Wの算出には何ら支障はない。次いで、次
式(3)に従ってEGR量EGRを算出する。
【0027】EGR=W−An ………(3) 更に、次式(4)に従ってEGR中の空気量Aeを算出す
る。 Ae=EGR×CEGRair ………(4) ここに、CEGRairはn行程前のEGR中の空気濃度であ
り、nとしては、EGR通路15を経たEGRの還流に
要する機関の行程数が設定されている。空気濃度CEGRa
irは次式(5)に従って算出される。
【0028】
【数1】
【0029】ここに、SA/Fは、理論空燃比(例えば1
4.53)であり、F×SA/Fで、消費される空気量を表
すことになる。その後、次式(6)に従って筒内空気量A
を算出し、この算出値を上記ステップS6の筒内空気量
偏差ΔAの算出に用いる。 A=An+Ae ………(6) 尚、演算開始当初は上式(4)を用いてEGR中の空気
量Aeを算出できないため、当初は空気量Aeとして所定
値若しくは0が設定され、演算の繰り返しにより次第に
実際に則した空気量Aeに接近し、それに伴って筒内空
気量Aの算出精度が向上することになる。
【0030】一方、図4は、パティキュレート堆積前と
堆積後とのEGR制御状態を比較した説明図であり、こ
の図では、に示すパティキュレート堆積前の機関の体
積効率ηを100%とし、に示すパティキュレート
堆積後に体積効率ηが90%まで低下した場合を表して
いる。上記ステップS2〜8の処理に相当するEGR制
御を実行しないエンジンでは、に示すように体積効率
ηの低下分だけ筒内吸入新気量Anが減少するのに対し
て、本実施形態のエンジン1では、従前の筒内空燃比を
保つべく、に示すようにEGR量EGRが減量されて、
筒内空気量Aが一定に保持される。
【0031】ここで、EGR量EGRの減量に伴ってEG
R中の空気量Aeは減少方向に影響を受ける一方、EG
R量EGRを減量すると、燃焼後の排気ガスの空気濃度CE
GRair(=Ae/EGR)が増加することから、この要因は、
EGR中の空気量Aeに対して増加方向に影響を及ぼ
す。本出願の発明者は、台上試験を実施して上記両要因
による影響を比較した結果、後者の空気量Aeに対する
増加方向の影響に対して、前者の減少方向の影響が大で
あることを確認した。従って、EGR量EGRの減量によ
りEGR中の空気量Aeも減少し、このときの筒内空気
量Aは一定に保持されているため、結果として筒内吸入
新気量Anが増加方向に変化することになる。
【0032】即ち、筒内吸入新気量AnはDPFのパテ
ィキュレート捕集量と相関して、捕集量の増加に伴って
増加する。よって、上記のように筒内吸入新気量Anを
機関の運転状態に応じた基準吸入新気量An0と比較すれ
ば、パティキュレート捕集量が反映された的確なタイミ
ングで強制再生制御を実行できる。又、筒内吸入新気量
Anはエアフローセンサ4にて常に検出されるため、例
えば体積効率に基づいて再生時期を判定する従来技術の
ように、EGR作動中に判定不能となる虞は一切なく、
EGR作動中か否かに関係なく再生時期を判定可能であ
る。その結果、本実施形態のDPFの再生時期判定装置
によれば、常に的確にフィルタ再生時期を判定すること
ができる。
【0033】しかも、筒内吸入新気量Anは、EGR開
度、エンジン回転速度Ne、吸入空気量等の影響を受け
て増減し、特にEGR開度の変動によりEGR量EGRが
増減すると、図4に基づく説明からも明らかなように、
筒内吸入新気量Anは直接的に影響されて大きく増減し
てしまう。本実施形態では、このような不具合の虞がな
い定常運転中(ステップS10の判定がYES)に限っ
て再生時期の判定を行うため、これらの要因による誤差
を排除して、再生時期の判定精度をより一層向上させる
ことができる。
【0034】一方、空燃比制御に使用するエアフローセ
ンサ4の検出値(筒内吸入新気量An)を利用して、D
PF12の再生時期を判定しているため、再生時期を判
定するための専用のセンサを新たに設ける必要がなく、
コスト低減に寄与できるという利点もある。以上で実施
形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に
限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、
ディーゼルエンジン用の排気浄化装置に備えられたDP
F12の再生時期判定装置として具体化し、強制再生制
御としてをポスト噴射を実施したが、エンジンの形式や
強制再生制御の内容等はこれに限ることはなく、例え
ば、通常のディーゼルエンジンに適用して、強制再生制
御としてポスト噴射に代えて吸排気絞りと噴射時期のリ
タードを実施してもよい。
【0035】又、上記実施形態では、DPF12の上流
側に酸化触媒9を設けた連続再生式DPFとして後処理
装置14を構成したが、例えば酸化触媒9をDPF12
と一体化したり、或いは酸化触媒9を備えない一般的な
DPFとして構成したりしてもよい。更に、上記実施形
態では、演算により求めた筒内空気量Aに基づいてEG
R弁16の開度を制御したが、例えば、排気系に設けた
リニアO2センサからの出力に基づき、空気過剰率を直
接的にフィードバック制御してもよい。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように請求項1の発明のパ
ティキュレートフィルタの再生時期判定装置によれば、
EGR量で筒内空燃比を制御する機関にも適用可能であ
り、EGR作動に影響されることなく、常に的確にフィ
ルタ再生時期を判定することができる。
【0037】又、請求項2の発明のパティキュレートフ
ィルタの再生時期判定装置によれば、請求項1の発明に
加えて、EGR量の増減に起因する誤差を排除して、再
生時期の判定精度をより一層向上させることができる。
更に、請求項3の発明のパティキュレートフィルタの再
生時期判定装置によれば、請求項1の発明に加えて、再
生時期を判定するための専用のセンサを設ける必要がな
く、コスト低減に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態のDPFの再生時期判定装置を示す全
体構成図である。
【図2】ECUが実行するEGR制御・DPF再生ルー
チンを示すフローチャートである。
【図3】筒内に吸入される総ガス量Wの内分けを示す説
明図である。
【図4】パティキュレート堆積前と堆積後とのEGR制
御状態を比較した説明図である。
【符号の説明】
1 エンジン(内燃機関) 4 エアフローセンサ(吸入空気量検出手段) 12 DPF(フィルタ) 21 ECU(空燃比制御手段、再生時期判定手段)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F01N 3/24 F01N 3/24 S 3G301 F02D 21/08 301 F02D 21/08 301B 4D058 41/02 380 41/02 380E 41/04 355 41/04 355 43/00 301 43/00 301G 301N F02M 25/07 570 F02M 25/07 570D 570J Fターム(参考) 3G062 AA01 AA05 BA02 CA06 ED08 GA01 GA04 GA06 GA09 GA22 3G084 AA01 AA03 BA03 BA04 BA05 BA08 BA09 BA13 BA15 BA19 BA20 BA24 DA10 DA27 EB06 EB08 EB11 FA07 FA10 FA11 FA12 FA13 FA17 FA26 FA27 FA29 FA33 FA37 FA38 3G090 AA02 BA01 CA00 CA01 CB25 DA03 DA09 DA12 DA18 DA20 EA02 EA04 EA05 EA06 EA07 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AB02 AB13 BA00 BA15 BA19 BA31 CB02 CB03 DB06 DB07 DB08 DB09 DB10 DC01 EA01 EA05 EA06 EA07 EA08 EA09 EA15 EA17 EA20 EA32 EA34 FB01 FB14 GA06 GB17 HA15 HA37 HB05 HB06 3G092 AA02 AA17 AA18 AB03 BA04 DB03 DC03 DC09 DC12 DC14 EA08 EC09 FA18 FA44 FA50 GA08 HA01Z HB01X HB02X HD01Z HD07X HD08Z HE01Z HF08Z 3G301 HA02 HA06 HA11 HA13 JA00 JA24 JA26 LB11 MA01 MA18 MA23 NA06 NA08 NC01 NC04 ND02 NE23 PA01Z PA07Z PA10Z PB03Z PB05Z PD04Z PD11Z PD14Z PD15Z PE01Z 4D058 JA32 JB06 MA44 NA03 NA04 PA04 SA08 TA06

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関の排気通路に設けられて排気中
    のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィル
    タと、 EGR量を調整して空燃比を目標空燃比に制御する空燃
    比制御手段と、 機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、 上記吸入空気量検出手段が検出した空気量が機関の運転
    状態に応じた所定値を越えている場合に、上記フィルタ
    の再生時期と判定する再生時期判定手段とを備えたこと
    を特徴とするパティキュレートフィルタの再生時期判定
    装置。
  2. 【請求項2】 上記再生時期判定手段は、EGR弁の開
    度が略一定となる運転状態下で再生時期の判定を行うこ
    とを特徴とする請求項1に記載のパティキュレートフィ
    ルタの再生時期判定装置。
  3. 【請求項3】 上記空燃比制御手段は、上記吸入空気量
    検出手段の出力と演算により求めたEGR中の空気量と
    に基づいてEGR量を調整することを特徴とする請求項
    1に記載のパティキュレートフィルタの再生時期判定装
    置。
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