JP2007016684A - パティキュレート堆積量推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アッシュが堆積しても、フィルタ前後差圧からパティキュレートフィルタに対するパティキュレートの堆積量を精度良く推定できるようにする。
【解決手段】 走行距離に基づくアッシュ堆積量の推定値に基づき、フィルタ有効容量の減少変化に対応するための圧損倍率ｋ、及び、アッシュの堆積による差圧分ΔＰ_ASHを求める一方、フィルタ前後差圧ΔＰtotalを検出し、パティキュレートの堆積による差圧分ΔＰ_PMを、ΔＰ_PM＝ΔＰtotal／ｋ−ΔＰ_ASHとして算出する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、パティキュレート堆積量推定装置に関し、詳しくは、主にディーゼルエンジンの排気の後処理のために使用されるパティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートの量を推定する技術に関する。

従来から、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（以下、「パティキュレート」という）を排気中から捕集するために、セラミック等をハニカム状モノリスに成形してなるパティキュレートフィルタが使用されている。
前記パティキュレートフィルタに対してパティキュレートが許容量を上回って堆積すると、見詰まりが生じて排圧を上昇させ、運転性に悪影響を及ぼすようになる。

そこで、フィルタに堆積したパティキュレートを定期的に焼却し、フィルタの見詰まりを生じさせないようにしているが、前記再生のための焼却では除去できずにフィルタ上に燃え残る成分（以下、「アッシュ」という）がある。
特許文献１には、走行距離から前記アッシュの堆積量を推定し、フィルタ前後差圧から推定されるパティキュレート堆積量から前記アッシュ堆積量を減算することで、最終的なパティキュレート堆積量を求める装置が開示されている。
特開２００４−２１１６５０号公報

ところで、従来では、アッシュの堆積による圧損が、パティキュレートの堆積による圧損と同様に発生するものと仮定し、フィルタ前後差圧から推定した堆積量から、走行距離に基づき推定したアッシュ堆積量を減算することで、パティキュレート堆積量を推定していた。
しかし、パティキュレートとアッシュとはフィルタに対する堆積分布が異なり、パティキュレートが略フィルタ全体（壁内及び壁面上）に堆積するのに対し、アッシュは主にフィルタの下流側閉塞端に堆積し、アッシュの堆積によってパティキュレートフィルタの有効容量が減少変化する。

従来装置では、前記アッシュの堆積のよるフィルタ有効容量の減少変化に対応できず、アッシュの堆積量が多くなるほどパティキュレートの堆積量に大幅な推定誤差を生じていた。
パティキュレートの堆積量に推定誤差があると、再生処理を適切なタイミングで行わせることができなくなり、フィルタに対するパティキュレートの過堆積が生じたり、無駄な再生処理により燃費性能が低下したりするという問題が生じる。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、アッシュが堆積しても、フィルタ前後差圧からパティキュレートの堆積量を精度良く推定できるパティキュレート堆積量推定装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明に係るパティキュレート堆積量推定装置は、アッシュ堆積量の推定値からアッシュの堆積によるフィルタ有効容量の変化を判定し、該判定結果とフィルタ前後差圧の検出値とから、パティキュレートフィルタに対するパティキュレート堆積量を推定する。

かかる構成によると、アッシュの堆積によってフィルタの有効容量が減少変化するので、アッシュ堆積量の推定結果からアッシュの堆積によるフィルタ有効容量の減少変化を判定し、この減少変化したフィルタ有効容量でのフィルタ前後差圧からパティキュレートの堆積量を推定する。
従って、アッシュの堆積によるフィルタの有効容量を減少変化に対応して、パティキュレート堆積量を推定でき、アッシュ堆積量が増大変化しても、高い精度でパティキュレートを推定させることができる。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用直噴ディーゼルエンジン（以下「エンジン」という。）１の構成図である。
エンジン１の吸気通路２の導入部には、エアクリーナ（図示せず）が取り付けられており、このエアクリーナにより吸入空気中の粉塵が除去される。

前記エアクリーナの下流には、可変ノズルターボチャージャ３のコンプレッサ部３ａが設置されており、前記エアクリーナを通過した吸入空気は、このコンプレッサ部３ａにより圧縮されて送り出される。
前記コンプレッサ部３ａの下流には、インタークーラ４が設置されており、コンプレッサ部３ａから圧送された吸入空気は、このインタークーラ４で冷却される。

さらに、サージタンク５の直前に絞り弁６が設置されており、前記インタークーラ４で冷却された吸入空気は、この絞り弁６を通過してサージタンク５に流入し、前記サージタンク５からマニホールド部を介して各気筒に分配される。
エンジン１の本体において、インジェクタ７は、気筒毎に燃焼室上部の略中央に固定されている。

エンジン１の燃料系は、コモンレール８を含んで構成され、図示しない燃料ポンプにより圧送された燃料が、コモンレール８を介して各インジェクタ７に供給される。
前記インジェクタ７は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）２１からの燃料噴射制御信号により作動する。
前記インジェクタ７による燃料噴射は、複数回に分けて行われ、インジェクタ７は、エンジン１のトルクを制御するためのメイン噴射以外に、発生するパティキュレートを減少させるためのパイロット噴射、及び、後述するパティキュレートフィルタ１２の再生時に排気温度を上昇させるためのポスト噴射を行う。

前記パイロット噴射は、メイン噴射よりも進角させて行われ、ポスト噴射は、メイン噴射から遅角させて行われる。
一方、排気通路９には、前記ターボチャージャ３のタービン部３ｂが設置され、このタービン部３ｂの下流には、排気の後処理のため、パティキュレートフィルタ１２が設置されている。

排気中のパティキュレートは、このパティキュレートフィルタ１２を通過する際に排気中から除去される。
また、排気通路９と吸気通路２（サージタンク５）との間に、排気還流管１０が接続され、この排気還流管１０の途中には排気還流制御弁１１が介装されている。
そして、前記排気還流制御弁１１が、前記ＥＣＵ２１からの排気還流制御信号により作動することで、排気還流制御弁１１の開度に応じた適量の排気が吸気通路２に還流される。

前記ＥＣＵ２１に入力される信号には、パティキュレートフィルタ１２の入口部及び出口部における排気温度Ｔexhin，Ｔexhoutを検出するための温度センサ３１，３２、パティキュレートフィルタ１２の前後差圧ΔＰtotalを検出するための差圧センサ３３（前後差圧検出手段）、エンジン１の吸入空気流量を検出するエアフローメータ３４、クランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサ３５、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３６、エンジン１によって駆動される車両の走行速度を検出する車速センサ３７、前記温度センサ３１近傍における排気圧力Ｐexhを検出するための排気圧力センサ３８からの信号が含まれる。

前記ＥＣＵ２１は、これらの信号に基づいてパティキュレートフィルタ１２におけるパティキュレート堆積量を推定し、該推定結果に基づいて再生要求を判断する。
そして、再生が必要であると判断すると、所定の再生許可運転条件において排気温度を昇温させてパティキュレートを燃焼させるフィルタ再生制御を行う。
前記再生制御において排気温度を昇温させる手段としては、インジェクタ７、ターボチャージャ３、排気還流制御弁１１及び吸気絞り弁６が含まれ、フィルタ再生時には、インジェクタ７のメイン噴射時期，ポスト噴射時期及びポスト噴射量、ターボチャージャ３のベーン角、排気還流制御弁１１の開度、吸気絞り弁６の開度のうちの少なくとも１つを調整することで、排気温度を昇温させてパティキュレートフィルタ１２に堆積したパティキュレートを燃焼させる。

ここで、パティキュレートフィルタ１２の再生に関するＥＣＵ２１の演算処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。
ステップＳ１では、再生判定フラグＦが０であるか否かを判定する。
前記再生判定フラグＦが０であると判定したときは、ステップＳ２へ進み、前記再生判定フラグＦが０でない（１である）と判定したときは、ステップＳ５へ進む。

再生判定フラグＦは、エンジン１の始動時に０に設定され、パティキュレートフィルタ１２の再生要求時に１に設定される。
ステップＳ２では、パティキュレートフィルタ１２におけるパティキュレートの堆積量ＰＭを推定する。
パティキュレート堆積量ＰＭの推定は、後述する図５のフローチャートに従って行われる。

ステップＳ３では、パティキュレート堆積量ＰＭが規定量ＰＭ１以上になったか否かを判定する。
パティキュレート堆積量ＰＭが規定量ＰＭ１以上になったときは、ステップＳ４へ進み、パティキュレート堆積量ＰＭが規定量ＰＭ１未満であると判定したときは、本ルーチンのステップＳ１から再度演算処理されるようにする。

前記規定量ＰＭ１は、パティキュレート堆積量の許容上限値に相当する値として予め設定される。
ステップＳ４では、前記再生判定フラグＦを１に設定する。
ステップＳ５では、パティキュレートフィルタ１２の再生処理の実行許可条件が成立しているか否かを判別し、実行許可条件が成立していれば、ステップＳ６へ進む。

前記実行許可条件としては、車速，エンジン負荷などの運転条件が予め設定されている許可条件を満たしているか否かを判別する。
ステップＳ６では、パティキュレートフィルタ１２に堆積しているパティキュレートを、排気温度を昇温させることで燃焼させるフィルタ再生制御を実行する。
ステップＳ７では、パティキュレートフィルタ１２の再生処理が完了したか否かを判別する。

ここでは、フィルタ１２におけるパティキュレートの堆積量が再生処理によって所定量以下にまで低下したか否かに基づいて、前記再生処理の完了判断を行わせることができ、パティキュレートの堆積量としては、後述する図５のフローチャートに従って推定されるパティキュレート堆積量ＰＭを用いることができる。
また、再生処理によって燃焼したパティキュレートの総量を、排気流量Ｑｅｘｈ及びパティキュレートフィルタ１２の温度Ｔｄｐｆから推定されるパティキュレート燃焼速度ΔＰＭ（単位時間に燃焼するパティキュレートの量）に基づいて判断して、再生処理の完了を判断させることができる。

再生処理の完了が判断されると、ステップＳ８へ進んで、前記再生判定フラグＦを０に設定し、再生処理を終了させる。
以上のようにして、パティキュレートフィルタ１２を再生させるための制御を行い、再生完了を判定したときには（ステップＳ７）、図３のフローチャート（アッシュ堆積量推定手段）に従ってパティキュレートフィルタ１２に対するアッシュ堆積量ＡＳＨを推定する。

前記アッシュとは、パティキュレートを燃焼させた際の燃え残りをいい、主なものとしてパティキュレート中の不燃成分である硫酸カルシウムの他、エンジン１の摺動部で発生した摩耗粉や、排気マニホールド又はタービンハウジングの錆び等がある。
そして、フィルタ再生処理の直後であれば、パティキュレートの堆積が殆どなく、そのときのフィルタ前後差圧は、アッシュの堆積量を示すものと判断できる。

図３のフローチャートにおいて、ステップＳ２１では、パティキュレートフィルタ１２の再生を完了した直後であるか否かを判定する。
再生を完了した直後であるときは、ステップＳ２２へ進み、再生完了直後でないと判定したときは、後述するステップＳ２７へ進む。
再生完了直後であることは、前記再生判定フラグＦに０が設定されており、かつ、前記再生判定フラグＦが１から０に切り換えられた後における経過時間又は走行距離が所定値に達していないことで判定する。

ステップＳ２２では、排気流量Ｑｅｘｈを読み込む。
ステップＳ２３では、読み込んだ排気流量Ｑｅｘｈが規定量に達しているか否かを判定する。
このステップＳ２３の判定は、パティキュレートフィルタ１２の前後差圧の測定に適した条件になっているか否かを確認するためのものである。

排気流量Ｑｅｘｈが規定量に達していると判定したときは、ステップＳ２４へ進み、達していないと判定したときは、本ルーチンのステップＳ２１から再度演算処理されるようにする。
ステップＳ２４では、フィルタ前後差圧ΔＰtotal及び走行距離Ｄを読み込む。走行距離Ｄは、車両の出荷時又はパティキュレートフィルタ１２が直前に交換されたときを０とした走行距離であり、車速ＶＳＰの累積により算出する（Ｄ＝Σ（ＶＳＰ×Δｔ）：Δｔを演算周期とする。）。

ステップＳ２５では、フィルタ前後差圧ΔＰtotal及び排気流量Ｑｅｘｈに基づいてアッシュ堆積量ＡＳＨを推定する。
アッシュ堆積量ＡＳＨの推定は、フィルタ前後差圧ΔＰtotal及び排気流量Ｑｅｘｈに応じてアッシュ堆積量ＡＳＨを割り付けたマップ（図４）を参照して行われる。
このマップから求められるアッシュ堆積量ＡＳＨは、一定の排気流量Ｑｅｘｈのもとでは、フィルタ前後差圧ΔＰtotalが大きいときほど大きな値として推定され、更に、アッシュがフィルタの下流側閉塞端にのみ堆積して、アッシュの堆積量がそのままフィルタ有効容量の減少分になるという前提でマップ特性が設定されている。

尚、より正確にアッシュ堆積量ＡＳＨを推定するには、マップから読み込んだアッシュ堆積量ＡＳＨに、フィルタ入口部排気温度Ｔｅｘｈｉｎ及び排気圧力Ｐｅｘｈによる補正を施すとよい。
ステップＳ２６では、それまでの走行距離に応じて積算したアッシュ堆積量ＡＳＨと、前記ステップＳ２５で求めたアッシュ堆積量ＡＳＨとの比較から、走行距離に対するアッシュ堆積量ＡＳＨの増大変化速度を修正する学習補正処理を行う。

走行距離（走行履歴）に対するアッシュ堆積量ＡＳＨの推定値は、使用しているエンジンオイルの種類やオイル消費量のばらつきに影響されて、実際値に対して誤差を有するようになる。
そこで、アッシュのみによる圧損（フィルタ前後差圧）を示すことになる、再生直後のフィルタ前後差圧ΔＰtotalからアッシュ堆積量ＡＳＨを求め、該アッシュ堆積量ＡＳＨが略実際値を示しているものとして、走行距離（走行履歴）に基づくアッシュ堆積量の推定特性をフィルタ再生毎に修正させるものである。

尚、パティキュレートフィルタ１２に対し、基準を上回る量のアッシュが堆積している場合に、運転者に対してパティキュレートフィルタ１２の交換を促す警告を発する手段を設けることができる。
ステップＳ２７では、前記再生直後のフィルタ前後差圧ΔＰtotalから求めたアッシュ堆積量ＡＳＨにより逐次修正される、走行距離（走行履歴）とアッシュ堆積量ＡＳＨとの相関から、そのときの走行距離におけるアッシュ堆積量ＡＳＨを求める。

また、走行距離の他、オイル消費量やエンジン負荷などからその時々のアッシュ堆積量を推定させることができる。
図５は、図２のフローチャートのステップＳ２の処理を詳細に示すフローチャートである。
ステップＳ２０１では、差圧センサ３３で検出されたフィルタ前後差圧ΔＰtotal，そのときの排気流量Ｑｅｘｈ及び前記図３のフローチャートに示す処理で推定されたアッシュ堆積量ＡＳＨを読み込む。

ステップＳ２０２では、前記アッシュ堆積量ＡＳＨに基づいてパティキュレートフィルタ１２の有効容量の変化に相関する変数である圧損倍率ｋを設定する（有効容量判定手段）。
前記アッシュは、主にパティキュレートフィルタ１２の下流側閉塞端に堆積し、このアッシュの堆積によってパティキュレートフィルタ１２の有効容量が減少変化し、アッシュ堆積量が略有効容量の減少変化分に相当することになる。

そして、同じパティキュレート堆積量に対するフィルタ前後差圧が、アッシュの堆積によってフィルタ有効容量が減少するほど大きくなる傾向を示す。
そこで、アッシュ堆積によるフィルタ有効容量の減少によるフィルタ前後差圧の増大率を前記圧損倍率ｋとして設定し、圧損倍率ｋにより前後差圧の検出値ΔＰtotalを補正することで、アッシュ堆積によるフィルタ有効容量の減少変化の影響を排除する。

即ち、フィルタ前後差圧ΔＰtotalは、パティキュレートの堆積による差圧分をΔＰ_PMとアッシュの堆積による差圧分をΔＰ_ASHとしたときに、ΔＰtotal＝ｋ（ΔＰ_PM＋ΔＰ_ASH）として表され、前記圧損倍率ｋは、アッシュの堆積による有効容量の減少変化に応じて増大変化する。
従って、アッシュ堆積量の推定値から前記圧損倍率ｋを設定し、ΔＰ_PM＝ΔＰtotal／ｋ−ΔＰ_ASHとしてパティキュレートの堆積による差圧分ΔＰ_PMを求めることができる。

前記アッシュ堆積量（フィルタの有効容量）と圧損倍率ｋとの相関は、予め図６に示すようなマップに設定されており、そのときのアッシュ堆積量に基づいて圧損倍率ｋを、前記マップから検索する。
ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２で設定した圧損倍率ｋを用い、前記ΔＰ_PM＝ΔＰtotal／ｋ−ΔＰ_ASHとしてパティキュレートの堆積による差圧分ΔＰ_PMを求め、更に、差圧分ΔＰ_PMからパティキュレート堆積量を求める（パティキュレート堆積量推定手段）。

ここで、差圧分ΔＰ_PMの算出に用いるΔＰtotalは、差圧センサ３３で検出されたフィルタ前後差圧ΔＰtotalであり、ΔＰ_ASHは走行距離から推定したアッシュ堆積量とそのときの排気流量Ｑｅｘｈとから図４に示す相関に基づいて求める。
そして、前記圧損分ΔＰ_PMを求めると、該圧損分ΔＰ_PMとそのときの排気流量Ｑｅｘｈとから図４に示す相関と同様な相関を参照して、パティキュレート堆積量ＰＭを求める。

従って、アッシュの堆積によりフィルタ有効容量の減少変化が発生しても、パティキュレート堆積量を精度良く推定することができる。
但し、前後差圧（差圧分ΔＰ_PM）とパティキュレート堆積量ＰＭとの間には、図７に示すようなヒステリシス特性が存在する。
図７において、直線Ａは、フィルタ壁内にパティキュレートが堆積していく場合の差圧の上昇特性を示し、直線Ｂは、パティキュレートがフィルタ壁表面に堆積していく場合の差圧の上昇特性を示し、直線Ｃは、フィルタ壁内のパティキュレートが燃焼して差圧が減少とするときの特性を示し、直線Ｄは、フィルタ壁表面に堆積したパティキュレートが燃焼して差圧が減少するときの特性を示し、パティキュレートの堆積は、Ａ→Ｂの順で進行し、再生時には、Ｃ→Ｄの順をたどってパティキュレートの燃焼による堆積量の減少変化が発生する。

図７に示すように、フィルタ壁内にパティキュレートが堆積していく場合には、フィルタ壁表面に堆積する場合よりも、堆積量の増大に対する差圧の増大速度が大きく、また、フィルタ壁内のパティキュレートが燃焼する場合には、フィルタ壁表面のパティキュレートが燃焼する場合よりも、堆積量の減少に対する差圧の減少速度が大きく、パティキュレートの堆積量が増大変化するときの堆積量の増大に対する差圧の変化と、パティキュレートが燃焼して堆積量が減少するときの差圧の変化とは同一軌跡を辿らない。

従って、同じパティキュレート堆積量及び排気流量Ｑｅｘｈのときであっても、パティキュレート堆積量の増大時であるか減少時（再生燃焼時）であるかによってフィルタ前後差圧が異なる値を示すことになり、換言すれば、増大変化時である減少変化時（再生燃焼時）であるかを問わずに、フィルタ前後差圧からパティキュレート堆積量を推定すると、推定誤差を生じることになる。

そこで、本実施形態では、予め図７に示すようなヒステリシス特性を実験的に求めておき、パティキュレート堆積量の増大変化時であるか減少変化時（再生制御時）であるか否かに基づいて、差圧分ΔＰ_PMをパティキュレート堆積量に変換する特性を切り換えるようにしてある。
従って、本実施形態によると、パティキュレートの堆積量が増大変化するときと、再生によりパティキュレートの堆積量が減少変化するときとの双方で、高い精度でパティキュレート堆積量を推定させることができる。

実施形態に係るディーゼルエンジンの構成図。 同上実施形態における再生制御ルーチンを示すフローチャート。 同上実施形態におけるアッシュ堆積量の推定ルーチンを示すフローチャート。 同上実施形態における排気流量Ｑｅｘｈ及びフィルタ前後差圧ΔＰtotalとアッシュ堆積量ＡＳＨとの関係を示す線図。 同上実施形態におけるパティキュレート堆積量の推定ルーチンを示すフローチャート。 同上実施形態におけるフィルタ有効容量と圧損倍率ｋとの相関を示す線図。 同上実施形態におけるパティキュレート堆積量とフィルタ前後差圧との相関におけるヒステリシス特性を示す線図。

符号の説明

１…ディーゼルエンジン、２…吸気通路、３…ターボチャージャ、６…吸気絞り弁、７…インジェクタ、８…コモンレール、９…排気通路、１１…排気還流制御弁、１２…パティキュレートフィルタ、２１…電子制御ユニット、３１，３２…排気温度センサ、３３…フィルタ前後差圧センサ

Claims (7)

1. エンジン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に対するパティキュレートの堆積量を推定するパティキュレート堆積量推定装置であって、
   前記パティキュレートフィルタの前後差圧を検出すると共に、前記パティキュレートフィルタに対するアッシュの堆積量を推定し、アッシュ堆積量の推定値からアッシュの堆積によるフィルタ有効容量の変化を判定し、該判定結果と前記前後差圧とから、前記パティキュレートフィルタに対するパティキュレート堆積量を推定することを特徴とするパティキュレート堆積量推定装置。
2. エンジン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に対するパティキュレートの堆積量を推定するパティキュレート堆積量推定装置であって、
   前記パティキュレートフィルタの前後差圧を検出する前後差圧検出手段と、
   前記パティキュレートフィルタに対するアッシュの堆積量を推定するアッシュ堆積量推定手段と、
   前記アッシュ堆積量の推定値から、アッシュの堆積によるフィルタ有効容量の変化を判定する有効容量判定手段と、
   前記前後差圧と前記フィルタ有効容量の変化とに基づいて、前記パティキュレートフィルタに対するパティキュレート堆積量を推定するパティキュレート堆積量推定手段と、
   を含んで構成されることを特徴とするパティキュレート堆積量推定装置。
3. 前記パティキュレート堆積量推定手段が、前記前後差圧検出手段で検出された前後差圧を、前記有効容量判定手段で判定されたフィルタ有効容量の変化に応じて補正し、該補正後の前後差圧に基づいてパティキュレート堆積量を推定することを特徴とする請求項２記載のパティキュレート堆積量推定装置。
4. 前記有効容量判定手段が、前記アッシュ堆積量の推定値に基づき、フィルタ有効容量の変化に対応した圧損倍率及びアッシュの堆積によるフィルタ前後差圧分を決定し、
   前記パティキュレート堆積量推定手段が、前記前後差圧検出手段で検出された前後差圧を前記圧損倍率で補正した結果から、前記アッシュの堆積によるフィルタ前後差圧分を減算した値を、パティキュレートの堆積によるフィルタ前後差圧分として求めることを特徴とする請求項３記載のパティキュレート堆積量推定装置。
5. 前記パティキュレート堆積量推定手段が、パティキュレート堆積量の増大変化時であるか減少変化時であるかにより、パティキュレート堆積量の推定特性を切り換えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載のパティキュレート堆積量推定装置。
6. 前記アッシュ堆積量推定手段が、車両の走行距離からアッシュ堆積量を推定することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載のパティキュレート堆積量推定装置。
7. 前記アッシュ堆積量推定手段が、前記パティキュレートフィルタの再生直後のフィルタ前後差圧に基づいて、アッシュ堆積量を推定することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載のパティキュレート堆積量推定装置。

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