JP2006316682A - Exhaust emission control device of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に内燃機関の排気中のパティキュレート(粒子状物質)を捕集するパティキュレートフィルタ(DPF:Diesel Particulate Filter)を有するものに関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine, and more particularly, to an apparatus having a particulate filter (DPF: Diesel Particulate Filter) for collecting particulates (particulate matter) in the exhaust gas of an internal combustion engine.
ディーゼル内燃機関の排気系に排気中のパティキュレートを捕集するDPFを設け、パティキュレートの排出量を低減する技術は広く用いられている。DPFが捕集しうるパティキュレート量には限界があるため、DPFに堆積したパティキュレート量を算出し、算出したパティキュレート堆積量に応じて、堆積したパティキュレートを燃焼させる再生処理の実行時期が判定される。 2. Description of the Related Art A technique for providing a DPF that collects particulates in exhaust gas in an exhaust system of a diesel internal combustion engine to reduce the amount of particulate emissions is widely used. Since there is a limit to the amount of particulates that can be collected by the DPF, the amount of particulates accumulated in the DPF is calculated, and the execution timing of the regeneration process for burning the accumulated particulates is commensurate with the calculated amount of particulates accumulated. Determined.
特許文献1には、DPFのパティキュレート堆積量を算出する手法の一例が示されている。すなわち、機関回転数及びアクセルペダルの踏み込み量に応じて、単位時間当たりのパティキュレート排出量が算出され、さらに機関冷却水温に応じた補正が行われ、補正後のパティキュレート排出量を積算することにより、パティキュレート堆積量が算出される。さらに特許文献1に示された手法では、DPFに堆積したパティキュレートが燃焼するときは、単位時間当たりの再生量(堆積量の減少量)が算出され、パティキュレート堆積量から再生量が減算される。
アクセルペダルが急激に踏み込まれる加速時のような過渡状態では、機関回転数及びアクセルペダル踏み込み量に応じて算出される単位時間当たりのパティキュレート排出量が実際の値からずれるため、パティキュレート堆積量の算出精度が低下し、DPF再生処理の実行時期が望ましい時期より遅れるという課題があった。 In a transient state, such as during acceleration when the accelerator pedal is depressed suddenly, the particulate emissions per unit time calculated according to the engine speed and accelerator pedal depression amount deviate from the actual values. There is a problem that the calculation accuracy of the DPF is lowered, and the execution time of the DPF regeneration process is delayed from the desired time.
本発明はこの点に着目してなされたものであり、DPFのパティキュレート堆積量をより正確に算出し、DPFの再生処理を適切な時期に実行することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to this point, and provides an exhaust emission control device for an internal combustion engine that can more accurately calculate the amount of particulate deposition of DPF and execute DPF regeneration processing at an appropriate time. The purpose is to do.
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、内燃機関(1)の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(12)を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記機関(1)の運転状態に応じて、前記パティキュレートフィルタ(12)に堆積する単位時間当たりのパティキュレート量(PMBASE)を算出するパティキュレート量算出手段(31)と、前記機関(1)で燃焼する混合気の空気過剰率(λACT)を検出する空気過剰率検出手段(21,33)と、前記空気過剰率の目標値(λCMD)と、検出される空気過剰率(λACT)との比較結果(λRATIO)に基づいて、前記パティキュレート量(PMBASE)を補正する補正手段(32,34,35,36)と、該補正されたパティキュレート量(PMUT)を積算することによりパティキュレート堆積量(PMACC)を算出する積算手段(41)とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記補正手段は、前記比較結果(λRATIO)及び前記機関の負荷を示すパラメータ(QINJ)に基づいて前記パティキュレート量(PMBASE)を補正することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect, the correction means is configured to determine the parameter based on the comparison result (λRATIO) and a parameter (QINJ) indicating the load of the engine. The curate amount (PMBASE) is corrected.
請求項1に記載の発明によれば、機関の運転状態に応じて、パティキュレートフィルタに堆積する単位時間当たりのパティキュレート量が算出され、機関で燃焼する混合気の空気過剰率の目標値と、検出される空気過剰率との比較結果に基づいて、パティキュレート量が補正され、補正されたパティキュレート量を積算することによりパティキュレート堆積量が算出される。例えば機関の加速時のような過渡状態では、燃料量の増加に対して吸入空気量の増加が遅れるため、空気過剰率が一時的に増加する傾向があるが、従来手法ではこの点が考慮されていなかった。したがって、空気過剰率の目標値と検出値の比較結果に基づいて、パティキュレート量を補正することにより、空気過剰率の目標値からずれに応じた補正が行われ、より正確なパティキュレート堆積量を得ることができる。その結果、DPF再生処理を適切な時期に実行することが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, the amount of particulate per unit time accumulated on the particulate filter is calculated according to the operating state of the engine, and the target value of the excess air ratio of the air-fuel mixture combusted in the engine is calculated. The particulate amount is corrected based on the comparison result with the detected excess air ratio, and the particulate accumulation amount is calculated by integrating the corrected particulate amount. For example, in a transient state such as when the engine is accelerating, the increase in intake air is delayed with respect to the increase in fuel, and thus the excess air ratio tends to increase temporarily. It wasn't. Therefore, by correcting the particulate amount based on the comparison result between the target value and the detected value of the excess air ratio, correction according to the deviation from the target value of the excess air ratio is performed, and a more accurate particulate deposition amount. Can be obtained. As a result, the DPF regeneration process can be executed at an appropriate time.
請求項2に記載の発明によれば、空気過剰率の検出値と、目標値との比較結果とともに、機関の負荷を示すパラメータに基づいて、パティキュレート量の補正が行われる。空気過剰率のずれの影響は、機関負荷が高いほど大きくなるので、機関負荷に基づく補正を行うことにより、より一層正確なパティキュレート堆積量を得ることができる。 According to the second aspect of the present invention, the particulate quantity is corrected based on the comparison result between the detected value of the excess air ratio and the target value and the parameter indicating the engine load. Since the influence of the deviation of the excess air ratio increases as the engine load increases, a more accurate particulate accumulation amount can be obtained by performing correction based on the engine load.
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態にかかる排気浄化装置を備えた内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関(以下単に「エンジン」という)1は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁16が設けられている。燃料噴射弁16は、電子制御ユニット(以下「ECU」という)20に電気的に接続されており、燃料噴射弁16の開弁時間及び開弁時期は、ECU20により制御される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an internal combustion engine equipped with an exhaust emission control device according to an embodiment of the present invention and its control device. An internal combustion engine (hereinafter simply referred to as “engine”) 1 is a diesel engine that directly injects fuel into a cylinder, and a fuel injection valve 16 is provided in each cylinder. The fuel injection valve 16 is electrically connected to an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 20, and the valve opening time and valve opening timing of the fuel injection valve 16 are controlled by the
エンジン1は、吸気管2、排気管4、及び過給機8を備えている。過給機8は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン10と、タービン10により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ9とを備えている。
タービン10は、複数の可変ベーン(図示せず)を備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数(回転速度)を変更できるように構成されている。タービン10のベーン開度は、ECU20により電磁的に制御される。
The
The
吸気管2内の、コンプレッサ9の下流には加圧された空気を冷却するためのインタークーラ5及び吸入空気量を制御するインテークシャッタ(スロットル弁)3が設けられている。インテークシャッタ3は、図示しないアクチュエータを介してECU20により、開閉制御される。
An
排気管4のタービン10の上流側と、吸気管2のインテークシャッタ5の下流側との間には、排気を吸気管2に還流する排気還流通路6が設けられている。排気還流通路6には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁(以下「EGR弁」という)7が設けられている。EGR弁7は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はECU20により制御される。
Between the upstream side of the
排気管4の、タービン10の下流側には、排気を浄化する触媒コンバータ11と、DPF12とが上流側からこの順序で設けられている。
触媒コンバータ11は、排気中に含まれる炭化水素及び一酸化炭素の酸化を促進するための酸化触媒を内蔵する。なお、触媒コンバータ11は、NOxを吸着するNOx吸着剤及びNOxの還元作用が付加されたものであってもよい。
On the downstream side of the
The
DPF12は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素(C)を主成分とするパティキュレートであるスート(soot)を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素(SiC)等のセラミックスや金属多孔体が使用される。
When the exhaust gas passes through the fine holes in the filter wall, the
DPF12のスート捕集能力の限界、すなわち堆積限界までスートを捕集すると、排気圧力の上昇を引き起こすので、適時スートを燃焼させる再生処理を行う必要がある。この再生処理では、排気の温度をスートの燃焼温度まで上昇させるために、ポスト噴射が実行される。ポスト噴射は、燃料噴射弁16により、排気行程において行われる燃料噴射である。ポスト噴射により噴射された燃料は、主として触媒コンバータ11で燃焼し、DPF12に流入する排気の温度を上昇させる。
If soot is collected up to the limit of the soot collecting ability of the
さらにエンジン1のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ22、及びエンジン1の吸入空気流量GAを検出する吸入空気流量センサ21、並びに図示しない他のセンサ、例えばエンジン1の冷却水温TWを検出する冷却水温センサ、エンジン1により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量APを検出するアクセルセンサ、エンジン1の吸気温TAを検出する吸気温センサ、大気圧PAを検出する大気圧センサ、DPF12の直ぐ上流側における排気温度TEXを検出する排気温センサなどが設けられており、これらのセンサの検出信号が、ECU20に供給される。エンジン1の回転数(回転速度)NEは、クランク角度位置センサ22の出力から算出される。
Further, a crank
ECU20は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット(以下「CPU」という)、CPUで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁16、EGR弁7などに制御信号を供給する出力回路から構成される。
The
図2は、DPF12のパティキュレート堆積量PMACCを算出するモジュールの構成を示すブロック図である。このモジュールの機能は実際にはECU20のCPUによる演算処理により実現される。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a module for calculating the particulate accumulation amount PMMAC of the
図2に示す堆積量算出モジュールは、PMBASE算出部31と、λCMD算出部32と、λACT算出部33と、除算部34と、Kλ算出部35と、乗算部36と、PMCR算出部37と、加算部38と、PMRG算出部39と、減算部40と、積算部41と備えている。
2 includes a
PMBASE算出部31は、検出されるエンジン回転数NE及び燃料噴射量QINJに応じたPMBASEマップ(図示せず)を検索することにより、エンジン1から排出される単位時間当たりのパティキュレート量の基本値である基本パティキュレート排出量PMBASEを算出する。PMBASEマップは、エンジン回転数NEが増加するほど、また燃料噴射量QINJが増加するほど、基本パティキュレート排出量PMBASEが増加するように設定されている。なお、燃料噴射量QINJは、アクセルペダル踏み込み量APに応じて算出される、単位時間当たりの燃料噴射量(燃料噴射弁16により噴射される燃料量)であり、エンジン1の負荷にほぼ比例する。
The
λCMD算出部32は、エンジン回転数NE及び燃料噴射量QINJに応じて、λCMDマップ(図示せず)を検索し、エンジン1で燃焼する混合気の空気過剰率の目標値(以下「目標空気過剰率」という)λCMDを算出する。λCMDマップは、エンジン回転数NEが増加するほど、また燃料噴射量QINJが増加するほど、目標空気過剰率λCMDが増加するように設定されている。
The
λACT算出部33は、吸入空気流量GA及び燃料噴射量QINJを下記式(1)に適用して、実空気過剰率λACTを算出する。
λACT=GA/(QINJ×RSTOICH) (1)
ここで、RSTOICHは理論空燃比である。
The
λACT = GA / (QINJ × RSTOICH) (1)
Here, RSTOICH is the stoichiometric air-fuel ratio.
除算部34では、目標空気過剰率λCMDと、実空気過剰率λACTとの比(以下「空気過剰率比」という)λRATIO(=λCMD/λACT)を算出する。
Kλ算出部35は、空気過剰率比λRATIO及び燃料噴射量QINJに応じて図3に示すKλマップを検索し、補正係数Kλを算出する。Kλマップは、高負荷運転状態では例えばラインL1で示すような特性に設定され、低負荷運転状態では例えばラインL2で示すような特性に設定されている。すなわち、Kλマップは、空気過剰率比λRATIOが増加するほど、また燃料噴射量QINJ(エンジン負荷)が増加するほど、補正係数Kλが増加するように設定されている。また、Kλマップは、空気過剰率比λRATIOの変化に対する補正係数Kλの変化率が、燃料噴射量QINJが増加するほど大きくなるように設定されている。
The
The
乗算部36は、基本パティキュレート排出量PMBASEに補正係数Kλを乗算する。PMCR算出部37は、エンジン冷却水温TW、吸気温TA及び大気圧PAに応じて、補正量PMCRを算出する。加算部38は、乗算部36の出力(PMBASE×Kλ)に、補正量PMCRを加算する。PMRG算出部39は、燃料噴射量QINJ,吸入空気流量GA,及び排気温度TEXに応じて、DPF12に堆積したパティキュレートの減少量PMRGを算出する。これは、エンジン1の高負荷運転時は、排気温度TEXが上昇し、ポスト噴射を実行しなくても、DPF12に堆積したパティキュレートが燃焼する(自然再生により減少する)ので、その自然再生によるパティキュレートの減少量を考慮したものである。
The
乗算部36,加算部38,及び減算部40による演算をまとめると下記式(2)により、単位時間当たりのパティキュレート排出量PMUTが算出される。
PMUT=PMBASE×Kλ+PMCR−PMRG (2)
By summing up the calculations performed by the
PMUT = PMBASE × Kλ + PMCR−PMRG (2)
積算部41は、パティキュレート排出量PMUTを下記式(3)に適用して積算することにより、DPF12のパティキュレート堆積量PMACCを算出する。
PMACC=PMACC+PMUT (3)
ここで、右辺のPMACCは単位時間前の算出値である。
The accumulating
PMMAC = PMMAC + PMUT (3)
Here, PMACC on the right side is a calculated value before unit time.
ECU20は、パティキュレート堆積量PMACCが所定閾値PMATHに達したとき、DPF12の再生処理を実行する。
The
図4は、エンジン1の加速時におけるパティキュレート排出量PMUTの算出結果を説明するためのタイムチャートである。同図(a)は、パティキュレート排出量PMUTの推移を示し、同図(b)は目標空気過剰率λCMD及び実空気過剰率λACTの推移を示し、同図(c)は燃料噴射量QINJ及びエンジン回転数NEの推移を示す。
FIG. 4 is a time chart for explaining the calculation result of the particulate discharge amount PMUT when the
時刻t0においてアクセルペダルが踏み込まれると、図4(c)に示すように、燃料噴射量QINJがステップ状に増加し、エンジン回転数NEが徐々に増加していく。このとき目標空気過剰率λCMDは、同図(b)に破線で示すように徐々に増加していくが、実空気過剰率λACTは、燃料噴射量QINJの増加に対して吸入空気量の増加が遅れるため、時刻t0直後において急激に減少し、その後徐々に増加する。その結果、基本パティキュレート排出量PMBASEは、同図(a)に破線で示すように変化するが、補正係数Kλにより補正されたパティキュレート排出量PMUTは、同図に実線で示すように時刻t0直後において急激に増加し、その後徐々に減少する。 When the accelerator pedal is depressed at time t0, as shown in FIG. 4C, the fuel injection amount QINJ increases stepwise, and the engine speed NE gradually increases. At this time, the target excess air ratio λCMD gradually increases as shown by the broken line in FIG. 5B, but the actual excess air ratio λACT increases the intake air amount as the fuel injection amount QINJ increases. Since it is delayed, it decreases rapidly immediately after time t0 and then gradually increases. As a result, the basic particulate discharge amount PMBASE changes as shown by a broken line in FIG. 5A, but the particulate discharge amount PMUT corrected by the correction coefficient Kλ is time t0 as shown by a solid line in FIG. Immediately after that, it increases rapidly and then gradually decreases.
実際のパティキュレート排出量は、図4(a)に実線で示すように推移するので、パティキュレート排出量PMUTは単位時間当たりのパティキュレート排出量を正確に示す。したがって、パティキュレート排出量PMUTを積算することにより、正確なパティキュレート堆積量PMACCを得ることができる。すなわち従来の手法では、基本パティキュレート排出量PMBASEがそのまま積算されていたため、パティキュレート排出量が実際より小さな値にずれていたが、本実施形態では、補正係数Kλにより基本パティキュレート排出量PMBASEを補正することにより、パティキュレート排出量PMUTを算出するようにしたので、より正確なパティキュレート排出量PMUTを得、ひいてはより正確なパティキュレート堆積量PMACCを得ることができる。その結果、適切な時期にDPFの再生処理を実行することが可能となる。 Since the actual particulate discharge amount changes as shown by a solid line in FIG. 4A, the particulate discharge amount PMUT accurately indicates the particulate discharge amount per unit time. Accordingly, by accumulating the particulate discharge amount PMUT, an accurate particulate deposition amount PMMAC can be obtained. In other words, in the conventional method, since the basic particulate discharge amount PMBASE is integrated as it is, the particulate discharge amount is shifted to a value smaller than the actual value. Since the particulate discharge amount PMUT is calculated by the correction, a more accurate particulate discharge amount PMUT can be obtained, and thus a more accurate particulate deposition amount PMMAC can be obtained. As a result, the DPF regeneration process can be executed at an appropriate time.
本実施形態では、吸入空気流量センサ21及びECU20が空気過剰率検出手段を構成し、ECU20がパティキュレート量算出手段、補正手段、及び積算手段を構成する。具体的には、図2のλACT算出部33が空気過剰率検出手段の一部に相当し、図2のPMBASE算出部31がパティキュレート量算出手段に相当し、λCMD算出部32、除算部34、Kλ算出部35、及び乗算部36が補正手段に相当し、積算部41が積算手段に相当する。
In the present embodiment, the intake air
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。図5は、図2に示す堆積量算出モジュールの変形例の構成を示すブロック図である。図5に示す堆積量算出モジュールは、図2のKλ算出部35に代えて、Kλ算出部35aを備えている。Kλ算出部35aには、燃料噴射量QINJが入力されておらず、Kλ算出部35aは、空気過剰率比λRATIOに応じて図6に示すKλテーブルを検索し、補正係数Kλを算出する。
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made. FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a modified example of the accumulation amount calculation module shown in FIG. The deposition amount calculation module shown in FIG. 5 includes a
図5に示す変形例では、補正係数Kλは、平均的なエンジン負荷に対応するKλテーブル(図6)を用いて、空気過剰率比λRATIOのみに応じて算出される。このようにエンジン負荷を示すパラメータである燃料噴射量QINJを用いない場合には、エンジン負荷が平均的な値からずれたときに、パティキュレート排出量PMUTが真の値から若干ずれるが、基本パティキュレート排出量PMBASEをそのまま用いる従来例に比べて、パティキュレート排出量PMUTの算出精度を向上させることができる。 In the modification shown in FIG. 5, the correction coefficient Kλ is calculated according to only the excess air ratio λRATIO using the Kλ table (FIG. 6) corresponding to the average engine load. Thus, when the fuel injection amount QINJ, which is a parameter indicating the engine load, is not used, the particulate emission amount PMUT slightly deviates from the true value when the engine load deviates from the average value. Compared with the conventional example in which the curated discharge amount PMBASE is used as it is, the calculation accuracy of the particulate discharge amount PMUT can be improved.
また上述した実施形態では、実空気過剰率λACTは、式(1)により算出したが、排気系に酸素濃度センサを設け、その酸素濃度センサ出力に応じて算出するようにしてもよい。
また上述した実施形態では、エンジン負荷を示すパラメータとして燃料噴射量QINJを用いたが、これに変えてアクセルペダル踏み込み量APを用いてもよい。
In the above-described embodiment, the actual excess air ratio λACT is calculated by the equation (1). However, an oxygen concentration sensor may be provided in the exhaust system and may be calculated according to the oxygen concentration sensor output.
In the above-described embodiment, the fuel injection amount QINJ is used as a parameter indicating the engine load. However, the accelerator pedal depression amount AP may be used instead.
また上述した実施形態では、空気過剰率比λRATIO(及び燃料噴射量QINJ)に応じて補正係数Kλを算出しているが、これに代えて目標空気過剰率λCMDと、実空気過剰率λACTとの差Dλ(=λCMD−λACT)に応じて補正係数Kλを算出するようにしてもよい。この場合、KλマップまたはKλテーブルは、差Dλが増加するほど、補正係数Kλが増加するように設定される。 In the above-described embodiment, the correction coefficient Kλ is calculated according to the excess air ratio λRATIO (and the fuel injection amount QINJ), but instead of this, the target excess air ratio λCMD and the actual excess air ratio λACT are calculated. The correction coefficient Kλ may be calculated according to the difference Dλ (= λCMD−λACT). In this case, the Kλ map or the Kλ table is set so that the correction coefficient Kλ increases as the difference Dλ increases.
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。 The present invention can also be applied to an exhaust purification device such as a marine vessel propulsion engine such as an outboard motor having a vertical crankshaft.
1 内燃機関
12 ディーゼルパティキュレートフィルタ
20 電子制御ユニット(パティキュレート量算出手段、空気過剰率検出手段、補正手段、積算手段)
21 吸入空気流量センサ(空気過剰率検出手段)
DESCRIPTION OF
21 Intake air flow rate sensor (excess air ratio detection means)
Claims (2)
前記機関の運転状態に応じて、前記パティキュレートフィルタに堆積する単位時間当たりのパティキュレート量を算出するパティキュレート量算出手段と、
前記機関で燃焼する混合気の空気過剰率を検出する空気過剰率検出手段と、
前記空気過剰率の目標値と、検出される空気過剰率との比較結果に基づいて、前記パティキュレート量を補正する補正手段と、
該補正されたパティキュレート量を積算することによりパティキュレート堆積量を算出する積算手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 In an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine comprising a particulate filter that collects particulates in the exhaust gas of the internal combustion engine,
A particulate amount calculating means for calculating a particulate amount per unit time deposited on the particulate filter in accordance with an operating state of the engine;
An excess air ratio detecting means for detecting an excess air ratio of an air-fuel mixture combusted in the engine;
Correction means for correcting the particulate amount based on a comparison result between the target value of the excess air ratio and the detected excess air ratio;
An exhaust emission control device for an internal combustion engine, comprising: integrating means for calculating a particulate accumulation amount by integrating the corrected particulate amount.
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