JP2004293413A

JP2004293413A - 排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP2004293413A
Application number: JP2003086921A
Authority: JP
Inventors: Junichi Onuma; 潤一大沼
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP4333180B2

Abstract

【課題】エンジンの主要パラメータであるエンジン回転数と燃料流量と、差圧の時間変化率から簡便で精度良くＰＭ捕集量を推定することができ、適切な時期に連続再生型ＤＰＦの再生処理を行うことができる排気ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】連続再生型ＤＰＦ１３を備えた排気ガス浄化システム１において、予め、複数のエンジン運転条件Ｎ，Ｑに対応したＰＭ生成量Ｍ１及び差圧ΔＰを測定して、ＰＭ生成率Ｒｍ１とＰＭ浄化率Ｒｍ２を算定する数学モデルの多項式の係数を決定し、この数学モデルを用いて、エンジン運転中のＤＰＦ前後差圧の時間変化率ＲｄｐからＰＭ生成量、ＰＭ浄化量の時間変化量ΔＭ１，ΔＭ２を算定し、これらから連続再生型ＤＰＦ内のＰＭ蓄積量ＰＭｓを算定する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続再生型ＤＰＦを備えて、エンジンの排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル内燃機関から排出されるパティキュレート（パティキュレート・マター：粒子状物質：以下ＰＭという）の排出量は、ＮＯｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきており、このＰＭをＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ：ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
【０００３】
このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック製のモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等があり、これらのＤＰＦを用いた排気ガス浄化システムは、他の排気ガス浄化システムと同様に、内燃機関の排気通路の途中に設置され、内燃機関で発生する排気ガスを浄化して排出している。
【０００４】
これらのＤＰＦ装置に、ＣＲＴ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇＴｒａｐ）方式と呼ばれる、ＤＰＦの上流側に酸化触媒（ＤｉｅｓｅｌＯｘｄａｔｉｏｎＣａｔａｌｙｓｔ：ＤＯＣ）を設けた連続再生型ＤＰＦや、ＣＳＦ（ＣａｔａｌｙｚｅｄＳｏｏｔＦｉｌｔｅｒ）方式と呼ばれる、フィルタに担持させた触媒の作用によってＰＭの燃焼温度を低下させ、排気ガスによってＰＭを焼却する連続再生型ＤＰＦがある。
【０００５】
このＣＲＴ方式の連続再生型ＤＰＦは、ＮＯ_２（二酸化窒素）によるＰＭの酸化が、排気ガス中の酸素によりＰＭを酸化することより低温で行われることを利用したもので、酸化触媒とフィルタとから構成され、この上流側の白金等を担持した酸化触媒により、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ_２にして、このＮＯ_２で、下流側のフィルタに捕集されたＰＭを酸化してＣＯ_２（二酸化炭素）とし、ＰＭを除去している。
【０００６】
また、ＣＳＦ方式の連続再生型ＤＰＦは、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等の触媒を有する触媒付きフィルタで構成され、低温域（３００℃〜６００℃程度）では、触媒付きフィルタにおける排気ガス中のＯ_２（酸素）を使用した反応（４ＣｅＯ_２＋Ｃ→２Ｃｅ_２Ｏ_３＋ＣＯ_２，２Ｃｅ_２Ｏ_３＋Ｏ_２→４ＣｅＯ_２等）によりＰＭを酸化し、高温域（６００℃程度以上）では、排気ガス中のＯ_２により直接ＰＭを酸化している。
【０００７】
しかしながら、これらの連続再生型ＤＰＦにおいても、排気温度が低い場合やＮＯの排出が少ない内燃機関の運転状態、例えば、内燃機関のアイドル運転や低負荷・低速度運転等の低排気温度状態が継続した場合においては、排気ガス温度が低く触媒の温度が低下して活性化しないため、酸化反応が促進されず、また、ＮＯが不足するので、上記の反応が生ぜず、ＰＭを酸化してフィルタを再生できない。
【０００８】
そのため、ＰＭのフィルタへの堆積が継続されて、フィルタの目詰まりが進行すると、排圧が上昇し、燃費の悪化を招き、また、エンジン停止等のトラブルが生じるおそれがある。
【０００９】
そこで、これらの連続再生型ＤＰＦでは、このＰＭの蓄積量が予め設定されたＰＭの蓄積限界値に到達した時に、エンジンの運転状態を再生モード運転に変更して、排気温度を強制的に上昇させたり、ＮＯｘの量を増加させたりして、フィルタに捕集されたＰＭを酸化して除去し、連続再生型ＤＰＦを強制再生している。
【００１０】
そして、このＤＰＦの再生開始の判断には、ＤＰＦの前後の差圧（ＤＰＦの圧力損失）が利用される場合もあるが、エンジン回転速度とエンジン負荷から予め記憶したこれらに対応したパティキュレート排出特性とからＰＭ排出量を求め、これを積算して捕集量（ＰＭ蓄積量）を求めたり（例えば、特許文献１参照。）、エンジン負荷、回転数、走行距離、走行時間、または燃料消費量の少なくともいずれか一つに基づいて、より具体的にはエンジン負荷と回転数から求めたＰＭ捕集量を走行距離で補正したりして求めた単位時間当たりのＰＭ捕集量を積算して捕集量（ＰＭ蓄積量）を求めている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１１】
また、差圧と差圧を検出した時点までのエンジン回転数の積算値と差圧に対する基準積算値との比に基づいて捕集量（ＰＭ蓄積量）を求め、更に、この捕集量にエンジン負荷に応じた補正係数を乗じて補正して捕集量を求めたり（例えば、特許文献３参照。）、差圧と回転数をニュートルネットを応用して捕集量（ＰＭ蓄積量）を求めたりしている（例えば、特許文献４参照。）。
【００１２】
【特許文献１】
特公平０１−２３６４７号公報（第２頁）
【特許文献２】
特許第２６２６１１１号公報（第３頁、第４頁）
【特許文献３】
特開平０８−２１０１２２号公報（第３頁、第４頁）
【特許文献４】
特開平０８−２８４６３８号公報（第６頁、第７頁）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのＰＭ蓄積量の算定においては、予めベンチテスト等で求めたマップデータを使用したり、ニュートラルを使用したりするため、データの蓄積やプログラム等のソフト作成に手間が掛かるという問題がある。
【００１４】
また、ＤＰＦの前後の差圧から、ＰＭ捕集量、ＰＭ浄化量を数学モデルで推定する方法を使用する場合は、ＤＰＦの前後の差圧がＤＰＦ周囲の気圧及びＰＭ以外の成分の堆積の影響によっても変化するため、ＤＰＦの前後の差圧からＤＰＦ内のＰＭ蓄積量を正確に推定することは難しいという問題がある。
【００１５】
本発明は、上述の問題を解決するべくなされたものであり、その目的は、エンジンの主要パラメータであるエンジン回転数と燃料流量と、ＤＰＦ差圧変化率を用いて、エンジンで生成されるＰＭ生成量と化学反応によりＤＰＦ内から浄化されるＰＭ浄化量を推測する数学モデルを使用して、簡便で精度良くＰＭ捕集量を推定し、適切な時期に連続再生型ＤＰＦの再生を行うことができる排気ガス浄化システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられたパティキュレートを捕集する連続再生型ＤＰＦと該連続再生型ＤＰＦの前後の差圧を検出する差圧センサと前記連続再生型ＤＰＦの再生制御を行う再生制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記再生制御装置は、前記連続再生型ＤＰＦの再生処理を制御する再生制御手段を備え、該再生制御手段は、前記差圧とエンジン回転数とエンジンの燃料流量を入力するデータ入力手段と、前記差圧の時間に関する変化率であるＤＰＦ差圧変化率を算定する差圧変化率算定手段と、前記回転数と前記燃料流量から数学モデルに基づいてＰＭ生成率を算定するＰＭ生成率算定手段と、前記回転数と前記燃料流量から数学モデルに基づいてＰＭ浄化率を算定するＰＭ浄化率算定手段と、前記ＰＭ生成率から所定時間の間のＰＭ生成量を算定するＰＭ生成量算定手段と、前記ＰＭ浄化率から所定時間の間のＰＭ浄化量を算定するＰＭ浄化量算定手段と、前記ＰＭ生成量と前記ＰＭ浄化量とから所定時間後のＰＭ蓄積量を算定するＰＭ蓄積量算定手段を備えて構成される。
【００１７】
この排気ガス浄化システムによれば、連続再生型ＤＰＦの再生開始等の判断に使用するＰＭの堆積量の推定において、エンジン回転数、燃料流量とＤＰＦ前後差圧の時間変化率であるＤＰＦ差圧変化率とから、ＰＭ生成量を算出する数学モデルのＰＭ生成量予測モデル式を用いてＰＭ生成量の時間変化量を求め、また、ＰＭ浄化量を算出する数学モデルのＰＭ浄化量予測モデル式を用いてＰＭ浄化量の時間変化量を求めて、これらのＰＭ生成量の時間変化量とＰＭ浄化量の時間変化量と連続再生型ＤＰＦの捕集率とから、連続再生型ＤＰＦにおけるＰＭ蓄積量を推定する。
【００１８】
この数学モデルのＰＭ生成量予測モデル式とＰＭ浄化量予測モデル式の係数は、予め、エンジンの運転条件を表す回転数と燃料流量とＤＰＦ差圧変化率とＰＭ生成量の関係を予め測定して、最小二乗法等により決定しておく。
【００１９】
つまり、予め、複数のエンジン運転条件（エンジン回転数、燃料流量）に対応したＰＭ生成量及び差圧を測定して係数を決定した数学モデルの多項式を用いて、走行中のＤＰＦ差圧変化率からＰＭ生成量、ＰＭ浄化量の時間変化量を算定し、更に、これらから、連続再生型ＤＰＦ内のＰＭ蓄積量を算定する。
【００２０】
そして、本発明の排気ガス浄化システムによれば、数学モデルに基づいて、エンジン回転数、燃料流量とＤＰＦ差圧変化率とから、ＰＭ蓄積量を正確に推定することができるので、適切な時期にＤＰＦ強制再生処理制御に入ることができ、ＤＰＦの溶損、エンジンの燃費悪化等を防止できる。
【００２１】
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、再生制御装置が、ＤＰＦ差圧変化率が所定の設定値を超える場合は、エンジン回転数、燃料流量、ＤＰＦ差圧変化率を記録し、このＤＰＦ差圧変化率が所定の設定値を超えた回数が所定の設定回数を超える場合は、数学モデルの係数を修正する係数修正手段を備えて構成される。
【００２２】
この係数修正手段を備えることにより、ＤＰＦ差圧変化率の範囲に応じて係数を設定した数学モデルで、精度良く、ＰＭ生成率とＰＭ浄化率を算定できる。
【００２３】
また、ＰＭ生成率算定手段で、ＰＭ生成率を算定する数学モデルを、回転数と燃料流量とに関する二次式とし、ＰＭ浄化率算定手段で、ＰＭ浄化率を算定する数学モデルを、回転数と燃料流量の積に関する二次式とすることにより、比較的簡単な近似式で、ＰＭ生成率とＰＭ浄化率を精度よく算定できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムについて、酸化触媒（ＤＯＣ）と触媒付きフィルタ（ＣＳＦ）の組合せで構成される連続再生型ＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムを例にして図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１に、この実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この内燃機関の排気ガス浄化システム１では、ディーゼルエンジン（内燃機関）１０の排気マニホールド１１に接続する排気通路１２に連続再生型ＤＰＦ１３が設けられている。この連続再生型ＤＰＦ１３は、上流側に酸化触媒１３ａを下流側に触媒付きフィルタ１３ｂを有して構成される。
【００２６】
この酸化触媒１３ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金（Ｐｔ）等の酸化触媒を担持させて形成され、触媒付きフィルタ１３ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。
【００２７】
そして、触媒付きフィルタ１３ｂに、モノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタを採用した場合には、排気ガスＧ中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質）は多孔質のセラミックの壁で捕集（トラップ）され、繊維型フィルタタイプを採用した場合には、フィルタの無機繊維でＰＭを捕集する。
【００２８】
そして、触媒付きフィルタ１３ｂの再生制御用に、連続再生型ＤＰＦ１３の前後の差圧を検出する差圧センサ２１が設けられ、更に、酸化触媒１３ａと触媒付きフィルタ３１ｂの上流側、中間及び下流側に、それぞれ、上流側温度センサ２２、中間温度センサ２３及び下流側温度センサ２４が設けられる。
【００２９】
また、エンジン１０の制御用に、エンジン回転数を検出する回転数センサ（図示しない）と、エンジンの負荷を検出するアクセル開度センサ等の負荷センサ（図示しない）が設けられる。
【００３０】
これらのセンサの出力値は、エンジン１０の運転の全般的な制御を行うと共に、触媒付きフィルタ１３ｂの再生制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）３０に入力され、この制御装置３０から出力される制御信号により、エンジン１０の燃料噴射装置１４や、吸気マニホールド１５への吸気量を調整する吸気弁１６や、ＥＧＲ通路１７にＥＧＲクーラ１８と共に設けられたＥＧＲ量を調整するＥＧＲバルブ１９等が制御される。
【００３１】
この燃料噴射装置１４は燃料ポンプ（図示しない）で昇圧された高圧の燃料を一時的に貯えるコモンレール（図示しない）に接続されており、制御装置３０には、エンジンの運転のために、ＰＴＯのスイッチのＯＮ／ＯＦＦ，ニュートラルスイッチのＯＮ／ＯＦＦ，車両速度，冷却水温度Ｔｗ，エンジン回転数Ｎ，アクセル開度Ａｃｃ等の情報も入力される。
【００３２】
そして、排気ガス浄化システム１では、図２に示すように、連続再生型ＤＰＦ１３の再生処理等を制御するための再生制御装置３０ａが設けられる。この再生制御装置３０ａは、エンジン１０の制御装置３０の一部に組み込まれ、連続再生型ＤＰＦ１３の再生制御はエンジン１０の制御と並行して行われる。
【００３３】
そして、再生制御装置３０ａには、エンジン１０からの測定データとしてエンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑが入力され、連続再生型ＤＰＦ１３からのデータとして、差圧ΔＰが入力され、データ処理した後、ＰＭ蓄積量ＰＭｓが算定され、このＰＭ蓄積量ＰＭｓに基づいて、連続再生型ＤＰＦ１３の再生処理開始が判断され、この判断に基づいて再生処理が行われる。
【００３４】
この再生制御装置３０ａは、連続再生型ＤＰＦ１３の再生処理を制御する再生制御手段Ｃ１を備えて構成され、図３に示すように、この再生制御手段Ｃ１は、再生開始判定手段Ｃ１０、通常制御運転手段Ｃ２０、再生処理制御運転手段Ｃ３０等を備えて構成され、再生開始判定手段Ｃ１０は、データ入力手段Ｃ１１、差圧変化率算定手段Ｃ１２、ＰＭ生成率算定手段Ｃ１３、ＰＭ浄化率算定手段Ｃ１４、ＰＭ生成量算定手段Ｃ１５、ＰＭ浄化量算定手段Ｃ１６、ＰＭ蓄積量算定手段Ｃ１７、及び、係数修正手段Ｃ１８を備えて構成される。
【００３５】
そして、データ入力手段Ｃ１１は、連続再生型ＤＰＦ装置１３の前後の差圧ΔＰとエンジン回転数Ｎとエンジンの燃料流量Ｑを入力し、差圧変化率算定手段Ｃ１２は、差圧ΔＰから差圧の時間に関しての変化率であるＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐを算定し、ＰＭ生成率算定手段Ｃ１３は、エンジン回転数Ｎと燃料流量Ｑから数学モデルに基づいてＰＭ生成率Ｒｍ１を算定し、ＰＭ浄化率算定手段Ｃ１４は、エンジン回転数Ｎと燃料流量Ｑから数学モデルに基づいてＰＭ浄化率Ｒｍ２を算定するように構成される。
【００３６】
また、ＰＭ生成量算定手段Ｃ１５は、ＰＭ生成率Ｒｍ１から所定の時刻ｔ_ｋから所定の時間間隔Δｔの間のＰＭ生成量ΔＭ１を算定し、ＰＭ浄化量算定手段Ｃ１６は、ＰＭ浄化率Ｒｍ２から所定の時刻ｔ_ｋから所定の時間間隔Δｔの間のＰＭ浄化量ΔＭ２を算定し、ＰＭ捕集量積算手段Ｃ１７は、ＰＭ生成量ΔＭ１とＰＭ浄化量ΔＭ２とから所定の時刻ｔ_ｋから所定の時間間隔Δｔ後の時刻ｔ_ｋ＋１のＰＭ蓄積量ＰＭｓを算定するように構成される。
【００３７】
そして、係数修正手段Ｃ１８は、ＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐが所定の設定値Ｒｄｐ０を超える場合は、エンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑ、ＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐを記録し、このＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐが所定の設定値Ｒｄｐ０を超えた回数Ｌが所定の設定回数Ｌ０を超える場合は、ＰＭ生成率算定手段Ｃ１３とＰＭ浄化率算定手段Ｃ１４の数学モデルの係数を修正するように構成される。
【００３８】
次に、ＰＭ生成率算定手段Ｃ１３とＰＭ浄化率算定手段Ｃ１４で使用される数学モデルと、実験データからこれらの係数を推定するための数学モデルについて説明する。
【００３９】
この数学モデルは、ＤＰＦ差圧ΔＰ、ＰＭ生成量Ｍ１、ＰＭ浄化量Ｍ２、ＰＭ捕集量Ｍ３についての時間変化量Ｒｄｐ（＝ｄΔＰ／ｄｔ）、Ｒｍ１（＝ｄＭ１／ｄｔ）、Ｒｍ２（＝ｄＭ２／ｄｔ）、Ｒｍ３（＝ｄＭ３／ｄｔ）における、Ｒｍ１を推定するＰＭ生成量予測モデル式、及び、Ｒｍ２を推定するＰＭ浄化量予測モデル式、及び、実験データからこれらのモデル式の係数を決定するために用いるＲｄｐ、Ｒｍ１、Ｒｍ２、Ｒｍ３相互間の関係を示す数式である。
【００４０】
先ず、ＰＭ生成量予測モデル式に関しては、ＰＭ生成量Ｍ１の時間変化率であるＰＭ生成率Ｒｍ１を、エンジン回転数Ｎと燃料流量Ｑをパラメータとし、係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを定数とする二次多項式である（１）式で表す。
【００４１】
次に、ＰＭ浄化量予測モデル式に関しては、ＰＭ浄化量Ｍ２の時間変化率であるＰＭ浄化率Ｒｍ２を、エンジン回転数Ｎと燃料流量Ｑの積（Ｎ＊Ｑ）をパラメータとし、係数Ａ、Ｂ、Ｃを定数とする二次多項式である（２）式で表す。
【００４２】
【数１】

【００４３】
一方、特定のエンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑのエンジン運転条件におけるＤＰＦ差圧ΔＰの時間変化Ｒｄｐは、Ｋを比例定数とする（３）式で表わす。つまり、ここで、α（０＜α＜１）をＤＰＦの捕集率とし、ＤＰＦ差圧ΔＰの時間変化Ｒｄｐは、ＤＰＦ内でのＰＭ捕集量Ｍ３（＝Ｍ１＊α）の時間変化率であるＰＭ捕集率Ｒｍ３（＝Ｒｍ１＊α）とＰＭ浄化率Ｒｍ２の差に比例するものとする。
【００４４】
ここで、ＰＭの浄化が発生しないエンジンの運転条件ではＲｍ２＝０であるから（４）式となり、また、（３）式を変形すると（５）式となる。
【００４５】
【数２】

【００４６】
従って、この（４）式からエンジンの運転条件（Ｎ，Ｑ）におけるＲｄｐ、Ｒｍ１の試験データにより比例定数Ｋを決定でき、５点以上の異なるエンジン運転条件（Ｎ、Ｑ）におけるＲｄｐ、Ｒｍ１の試験データがあれば、ＰＭ生成量予測モデル式（１）の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを決定できる。なお、ＤＰＦの捕集率αは、予め実験等で測定し、求めておく。
【００４７】
また、（５）式からＰＭ浄化率Ｒｍ２を算定できるので、３点以上の異なる、ＰＭ浄化が起こると推定されるエンジン運転条件（Ｎ、Ｑ）についてのＲｄｐ、Ｒｍ１のデータがあれば、ＰＭ浄化量予測モデル式（２）の係数Ａ、Ｂ、Ｃを決定できる。
【００４８】
そして、この再生制御装置３０ａの再生制御手段Ｃ１で使用される（１）式と（２）式の係数の決定は、図４及び図５の制御フローによって行われ、連続再生型ＤＰＦ１３の再生処理の制御は、図６の制御フローに従って行われる。
【００４９】
最初に、数学モデルの（１）式と（２）式の係数決定について説明する。
【００５０】
図４のＰＭ生成量予測モデル式（１）の係数決定の制御フローでは、ＰＭ生成量予測モデル式である（１）式の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを、最小二乗法により五元連立一次方程式を立ててこれを解いて求める。なお、連立一次方程式の解法は公知であるので、図４には示さない。
【００５１】
この図４の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、エンジン回転数Ｎｉ，燃料流量Ｑ_ｉ，ＰＭ生成率Ｒｍ１_ｉ，ｉ＝１〜ｎの試験データを入力する。但し、ｎはデータ数であり、５以上の整数である。
【００５２】
次のステップＳ１２では、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを求めるための五元連立一次方程式（ステップＳ１３の式）の係数等Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕ，Ｖ，Ｆ，Ｇ，Ｘ，Ｙ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｍ，Ｗ，Ｚを算定する。但し、式中の記号「Σ_ｉ」はｉ＝１〜ｎの総和を示す。
【００５３】
そして、ステップＳ１３では、この五元連立一次方程式を解き、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを算定する。これにより、ＰＭ生成量予測モデル式（１）が決定できるので、この制御フローを終了しリターンする。
【００５４】
また、図５のＰＭ浄化量予測モデル式（２）の係数決定の制御フローでは、（５）式を変形した（６）式からＰＭ浄化率とＰＭ生成率の比Ｒ１２_ｉ＝Ｒｍ１_ｉ／Ｒｍ２_ｉが１以上となった場合をＰＭ浄化が起きるエンジン運転条件と仮定し、このエンジン運転条件について、（５）式からＰＭ浄化率Ｒｍ２_ｉを算定し、ＰＭ浄化量予測モデル式である（２）式の係数Ａ，Ｂ，Ｃを、最小二乗法により三元連立一次方程式を立ててこれを解いて求める。なお、連立一次方程式の解法は公知であるので、図５には示さない。
【００５５】
【数３】

【００５６】
この図５の制御フローがスタートすると、ステップＳ２１で、エンジン回転数Ｎ_ｉ，燃料流量Ｑ_ｉ，ＰＭ生成率Ｒｍ１_ｉ，ｉ＝１〜ｎの試験データを入力する。但し、ｎはデータ数であり、５以上の整数である。
【００５７】
ステップＳ２２で、ｎ個のデータについて、ＰＭ生成率Ｒｍ１_ｉとＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐ_ｉと予め試験データにより決定した比例定数Ｋとから、（６）式によりＰＭ浄化率とＰＭ生成率の比Ｒ１２_ｉを算定する。
【００５８】
ステップＳ２３では、ＰＭ浄化率とＰＭ生成率の比Ｒ１２_ｉが１以上となった場合のデータ、エンジン回転数Ｎ_ｊ，燃料流量Ｑ_ｊ，ＰＭ生成率Ｒｍ１_ｊ，ＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐ_ｊ，ｊ＝１〜ｍを選定する。但し、ｍは選択されたデータの数であり、３以上でｎ以下の整数である。
【００５９】
ステップＳ２４では、ステップＳ２３で選び出された測定データＮ_ｊ，Ｑ_ｊ，Ｒｍ１_ｊ，Ｒｄｐ_ｊ，ｊ＝１〜ｍから、（５）式よりＰＭ浄化率Ｒｍ２ｊを計算する。
【００６０】
次のステップＳ２５では、エンジン回転数Ｎ_ｊ，燃料流量Ｑ_ｊとステップＳ２４で算定された、ＰＭ浄化率Ｒｍ２_ｊ，ｊ＝１〜ｍから、ＰＭ浄化率予測モデル式（２）の係数Ａ，Ｂ，Ｃを求めるための三元連立一次方程式（ステップＳ２６の式）の係数等Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｊを算定する。但し、式中の記号「Σ_ｊ」はｊ＝１〜ｍの総和を示す。
【００６１】
そして、ステップＳ２６では、この三元連立一次方程式を解き、係数Ａ，Ｂ，Ｃを算定する。これにより、ＰＭ浄化量予測モデル式（２）が決定できるので、この制御フローを終了してリターンする。
【００６２】
次に、測定データにより各係数を決定されたＰＭ生成量予測モデル式（１）とＰＭ浄化量予測モデル式（２）に基づいて、ＰＭ蓄積量を算定する制御について、図６の制御フローに基づいて説明する。
【００６３】
この制御フローが再生制御フローから呼ばれてスタートすると、ステップＳ３１で時刻ｔ_ｋをカウントし、時刻ｔ_ｋ及び時間間隔Δｔを記録する。なお、この時間間隔Δｔはこの制御用の時間間隔であり、計測データＮ_ｉ，Ｑ_ｉ，Ｒｍ１_ｉ，Ｒｄｐ_ｉのサンプリング間隔とは異なる。
【００６４】
ステップＳ３２で時刻ｔ_ｋにおけるエンジン回転数Ｎ_ｋ，燃料流量Ｑ_ｋ，ＤＰＦ差圧ΔＰ_ｋを検出し、ステップＳ３３で、これらのデータを用いて、時刻ｔ_ｋにおけるＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐ_ｋ（＝ΔＰ_ｋ／Δｔ）を算定し、また、数学モデル（１）式と（２）式からＰＭ浄化率Ｒｍ１_ｋとＰＭ生成率Ｒｍ２_ｋを算定する。
【００６５】
そして、次のステップＳ３４で、時刻ｔ_ｋから時刻ｔ_ｋ＋１（＝ｔ_ｋ＋Δｔ）のΔｔ時間内におけるＰＭ生成量ΔＭ１_ｋ（＝Ｒｍ１_ｋ＊Δｔ）とＰＭ浄化量ΔＭ２_ｋ（＝Ｒｍ２_ｋ＊Δｔ）を算定し、ステップＳ３５で、時刻ｔ_ｋ＋１におけるＰＭ蓄積量（ＰＭ_ｋ＋１＝ＰＭ_ｋ＋ΔＭ１_ｋ＊α−ΔＭ２_ｋ）を算定する。ここで、α（０＜α＜１）はＤＰＦの捕集率である。
【００６６】
また、ステップＳ３６で、ＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐ_ｋが、現在の数学モデルの式（１）（２）の係数を決定した設定範囲内（Ｒｄｐ_ｋ≦Ｒｄｐ０）にあるかを判定し、設定範囲内であった場合には、そのままステップＳ３８に行き、設定範囲外であった場合には、ステップＳ３７で、設定範囲外の回数Ｌをカウント（Ｌ＝Ｌ＋１）し、その時の測定データであるエンジン回転数Ｎ_ｋ，燃料流量Ｑ_ｋ，ＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐ_ｋを記録し、ステップＳ３８に行く。
【００６７】
ステップＳ３８では、設定範囲外の回数Ｌが所定の設定回数Ｌ０を超えたか否かを判定し、超えない場合は、そのままリターンし、超えた場合には、ステップＳ３８で、ＰＭ生成量予測モデル式（１）の係数決定の制御フロー（図とＰＭ浄化量予測モデル式（２）の係数決定の制御フロー（図１０）を呼んで、各数式モデル（１）式及び（２）式の係数の修正を行ってから、リターンする。
【００６８】
以上のＰＭ蓄積量を算定する制御によれば、本数学モデルでは、連続再生型ＤＰＦ１３内のＰＭ生成量Ｍ１、ＰＭ浄化量Ｍ２及びＰＭ捕集量Ｍ３の時間変化率Ｒｍ１，Ｒｍ２，Ｒｍ３（＝Ｒｍ１＊α）が、エンジン回転数Ｎと燃料流量Ｑを変数とする（１）式、（２）式で算定される。
【００６９】
そのため、エンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑ、ＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐ及びその間の経過時間ｔを記録した運転履歴情報に基づいて、この数学モデルの（１）式、（２）式を用いることにより、ＰＭ生成量Ｍ１、ＰＭ浄化量Ｍ２及びＰＭ捕集量Ｍ３の、所定の時間Δｔ内の各変化量ΔＭ１、ＰＭ浄化量ΔＭ２及びＰＭ捕集量ΔＭ３を推定できる。
【００７０】
またＰＭ蓄積量（ＰＭの重量）の初期値ＰＭｓ_１が既知であれば、ＰＭ蓄積量ＰＭｓの変化量ΔＰＭｓ（＝ΔＭ３−ΔＭ２＝ΔＭ１＊α−ΔＭ２）を積算することにより、その時点ｔ_ｋ＋１におけるＰＭ蓄積量ＰＭｓ_Ｋ＋１を推定できる。
【００７１】
従って、本発明の排気ガス浄化システム１によれば、ＰＭ蓄積量ＰＭｓを精度良く検知でき、再生開示時期を適切に判定でき、より適切な時期にＤＰＦ再生処理制御に入ることができるので、連続再生型ＤＰＦ１３の溶損や燃費の悪化等を回避できる。
【００７２】
次に、上記の制御により算定したＰＭ捕集量、ＰＭ浄化量の算出例を示す。
【００７３】
図７に示したような試験状態において、ＰＭ発生量Ｍ１及びＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐの測定試験を実施した。この測定試験では、エンジン回転数Ｎを一定（２０００ｒｐｍ）とし、ＤＰＦ入口温度Ｔｉｎの時間変化が階段状に上昇するように、燃料流量Ｑを一定の時間間隔で増加し、この時の排気温度、排気流量及びＰＭ発生量Ｍ１に応じてＤＰＦ差圧ΔＰを階段状に上昇させた。この時のＤＰＦ入口温度Ｔｉｎ及びＤＰＦ差圧ΔＰの測定値の一例を図８に示す。
【００７４】
このＤＰＦ入口温度Ｔｉｎを一定とした時間帯では、温度レベルがＰＭ浄化反応の起こる温度よりも低ければ、ＰＭがＤＰＦに捕集されるため、ＤＰＦ差圧ΔＰは一定又は増加となる。一方、温度レベルがＰＭ浄化反応が起きる温度以上ならば、ＤＰＦ差圧ΔＰは捕集されるＰＭ量と浄化されるＰＭ量に応じて、ＤＰＦ内のＰＭ量が減少、平衡、または増加するため、ＤＰＦ差圧ΔＰは減少、平衡、または増加のいずれかとなる。
【００７５】
そして、ＤＰＦ入口温度Ｔｉｎを一定とした時間帯（１０分間）の中間点付近の９０秒間におけるＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐの平均値を、予測式モデル（１）の係数決定用測定データＲｄｐ_ｉとした。この試験により得られたＰＭ生成量Ｍ１及びＤＰＦ差圧変化率Ｒｄｐの測定データＭ１ｍ，Ｒｄｐｍを、エンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑをパラメータとするマップ表示で、図９及び図１０に示す。
【００７６】
これらの測定データＭ１ｍ，ＲｄｐｍとＤＰＦ差圧モデル（４）式より比例定数Ｋを０．００４（ｍｍＡｑ／ｓ）と推定し、この比例定数Ｋと測定データＭ１ｍ，ＲｄｐｍからＰＭ生成量予測モデル式（１）の係数を決定した。このＰＭ生成量予測モデル式（１）で算定されたＰＭ生成量Ｍ１の計算値Ｍ１ｃをエンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑをパラメータとするマップ表示で図１１に示す。
【００７７】
また、比例定数Ｋと測定データＭ１，Ｒｄｐと（５）式からＰＭ浄化量Ｍ２の推定Ｍ２ｅを算定した。さらに、ＰＭ浄化量予測モデル式（２）の係数を決定し、このＰＭ浄化量予測モデル式（２）で算定された計算値Ｍ２ｃで推定値Ｍ２ｅを補足した結果をエンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑをパラメータとするマップ表示で図１２に示す。
【００７８】
また、図１３に、ＰＭ浄化率とＰＭ生成率の比Ｒ１２をエンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑをパラメータとするマップ表示で示す。この比Ｒ１２が１よりも大きい場合には、ＰＭ生成率Ｒｍ１よりＰＭ浄化率Ｒｍ２が上回っていると推定できるので、（６）式で算定される比Ｒ１２が１より大きくなる測定データを選定し、この選定された測定データからＰＭ浄化量予測モデル式（２）の係数を決定している。この比Ｒ１２が１よりも大きい領域を斜線で示す。
【００７９】
【発明の効果】
以上に説明をしたように、本発明の排気ガス浄化システムによれば、数学モデルに基づいて、エンジン回転数、燃料流量とＤＰＦ前後差圧の時間変化率であるＤＰＦ差圧変化率とから、ＰＭ積算量を正確に推定することができるので、連続再生型ＤＰＦに蓄積されたＰＭの量が再生開始のＰＭ蓄積量に達しているか否かを正確に検知でき、適切な時期にＤＰＦの再生処理制御に入ることができるので、ＤＰＦの溶損、燃費の悪化等を防止できる。
【００８０】
また、ＤＰＦ差圧変化率が所定の設定値を超える回数が、所定の設定回数を超える場合は、数学モデルの係数を修正する係数修正手段を備えることにより、差圧の変化率の範囲に応じて係数を設定した数学モデルで、精度良く、ＰＭ生成率とＰＭ浄化率を算定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムのシステム構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のエンジン、連続再生型ＤＰＦ、計測系及びデータ処理系の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る排気ガス浄化システムの制御手段の構成を示す図である。
【図４】ＰＭ生成量予測モデル式の係数決定の制御フローの一例を示す図である。
【図５】ＰＭ浄化量予測モデル式の係数決定の制御フローの一例を示す図である。
【図６】ＰＭ蓄積量の算定の制御フローの一例を示す図である。
【図７】測定試験時におけるエンジン、連続再生型ＤＰＦ、計測系及びデータ処理系の構成を示す図である。
【図８】ＤＰＦ入口温度とＤＰＦ差圧の実測例を示す図である。
【図９】ＰＭ生成量の実測値をマップ表示で示す図である。
【図１０】ＤＰＦ差圧変化率の実測値をマップ表示で示す図である。
【図１１】ＰＭ生成量の算定値をマップ表示で示す図である。
【図１２】ＰＭ浄化量の算定値をマップ表示で示す図である。
【図１３】ＰＭ浄化量とＰＭ生成量の比をマップ表示で示す図である。
【符号の説明】
１排気ガス浄化システム
１０ディーゼルエンジン（内燃機関）
１２排気通路
１３連続再生型ＤＰＦ装置
１３ａ酸化触媒
１３ｂ触媒付きフィルタ（ＤＰＦ）
２１差圧センサ
３０制御装置（ＥＣＵ）
３０ａ再生制御装置
Ｃ１再生制御手段
Ｃ１０再生開始判定手段
Ｃ１１データ入力手段
Ｃ１２差圧変化率算定手段
Ｃ１３ＰＭ生成率算定手段
Ｃ１４ＰＭ浄化率算定手段
Ｃ１５ＰＭ生成量算定手段
Ｃ１６ＰＭ浄化量算定手段
Ｃ１７ＰＭ蓄積量算定手段
Ｃ１８係数修正手段
Ｃ２０通常制御運転手段
Ｃ３０再生処理制御運転手段
Ｌ回数
Ｌ０所定の設定回数
Ｎエンジン回転数
ＰＭｓＰＭ蓄積量
Ｑ燃料流量
ＲｄｐＤＰＦ差圧変化率
Ｒｍ１ＰＭ生成率
Ｒｍ２ＰＭ浄化率
Ｒｄｐ０所定の設定値
ｔ_ｋ所定の時刻
ΔＰ差圧
Δｔ所定の時間間隔
ΔＭ１ＰＭ生成量
ΔＭ２ＰＭ浄化量

Claims

ディーゼルエンジンの排気通路に設けられたパティキュレートを捕集する連続再生型ＤＰＦと該連続再生型ＤＰＦの前後の差圧を検出する差圧センサと前記連続再生型ＤＰＦの再生制御を行う再生制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記再生制御装置は、前記連続再生型ＤＰＦの再生処理を制御する再生制御手段を備え、該再生制御手段は、
前記差圧とエンジン回転数とエンジンの燃料流量を入力するデータ入力手段と、
前記差圧の時間に関する変化率であるＤＰＦ差圧変化率を算定する差圧変化率算定手段と、
前記回転数と前記燃料流量から数学モデルに基づいてＰＭ生成率を算定するＰＭ生成率算定手段と、
前記回転数と前記燃料流量から数学モデルに基づいてＰＭ浄化率を算定するＰＭ浄化率算定手段と、
前記ＰＭ生成率から所定時間の間のＰＭ生成量を算定するＰＭ生成量算定手段と、
前記ＰＭ浄化率から所定時間の間のＰＭ浄化量を算定するＰＭ浄化量算定手段と、
前記ＰＭ生成量と前記ＰＭ浄化量とから所定時間後のＰＭ蓄積量を算定するＰＭ蓄積量算定手段を備えることを特徴とする排気ガス浄化システム。
前記再生制御装置が、前記ＤＰＦ差圧変化率が所定の設定値を超える場合は、エンジン回転数、燃料流量、ＤＰＦ差圧変化率を記録し、このＤＰＦ差圧変化率が所定の設定値を超えた回数が前記所定の設定回数を超える場合は、前記数学モデルの係数を修正する係数修正手段を備えることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
前記ＰＭ生成率算定手段で、ＰＭ生成率を算定する数学モデルを、前記回転数と前記燃料流量とに関する二次式とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。
前記ＰＭ浄化率算定手段で、ＰＭ浄化率を算定する数学モデルを、前記回転数と前記燃料流量の積に関する二次式とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の排気ガス浄化システム。