JP2007016722A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パティキュレートフィルタの有効容量を減少させることになるアッシュの堆積量を精度良く推定し、パティキュレート堆積量の推定精度を向上させる。
【解決手段】 アッシュの堆積によってフィルタ有効容量が減少し、これによってフィルタ前後差圧が増大するときの増大率を示す圧損倍率ｋを、アッシュ堆積量の推定値に基づいて設定する。次いで、アッシュがフィルタ壁内に堆積する条件で走行していた頻度に基づいて前記圧損倍率ｋを補正することで、実際の有効容量の減少変化に見合う圧損倍率ｋを得る。そして、フィルタ前後差圧、排気流量、圧損倍率ｋ（有効容量）に基づいてパティキュレートの堆積量を推定し、パティキュレート堆積量が規定量に達すると、フィルタの再生制御を実行させる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、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を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置に関し、詳細には、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、堆積したパティキュレートを定期的に焼却し、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、走行距離からアッシュ堆積量を推定し、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変化する。

このため、従来装置では、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生じると、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。

そこで、アッシュ堆積によるフィルタ有効容量の減少を考慮して、パティキュレートの堆積量をフィルタ前後差圧から推定させることが要求されるが、アッシュは条件によってはフィルタ壁内に堆積する場合があり、アッシュが全てフィルタの下流閉塞端に堆積するものとしてフィルタ有効容量を判定すると、パティキュレート堆積量の推定誤差を招いてしまうという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、フィルタ有効容量を減少させることになるアッシュの堆積量を精度良く推定できるエンジンの排気浄化装置を提供し、以って、パティキュレート堆積量の推定精度を向上させることを目的とする。

そのため、本発明では、アッシュの堆積量を推定する一方で、パティキュレートフィルタの壁内にアッシュが堆積する条件での走行頻度を検出し、前記アッシュ堆積量の推定値を前記走行頻度の情報に基づいて補正する構成とした。

かかる構成によると、パティキュレートフィルタの壁内にアッシュが堆積する条件での走行頻度から、全体のアッシュ量の中でフィルタの下流閉塞端に堆積してフィルタ有効容量を減少させることになるアッシュ量を精度良く求めることができ、以って、アッシュの堆積による有効容量の変化を精度良く判断できる。

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、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の動作を図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に堆積しているパティキュレートの量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に達し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に達したと判定したときは、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に達していないと判定したときは、本ルーチンをリターンする。

前記規定量ＰＭ１は、パティキュレートの許容堆積量の上限を示すもの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、排気温度を昇温させてパティキュレートを燃焼させる再生制御を実行する。

前記再生制御においては、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、パティキュレート燃焼速度（単位時間に燃焼するパティキュレートの量を示す。）ΔＰＭを推定することで、パティキュレートの残存率ｒＰＭを算出する。
そして、前記パティキュレートの残存率ｒＰＭが規定値Ｒ１にまで減少したか否かを、ステップＳ６で判断し、残存率ｒＰＭが規定値Ｒ１にまで減少すると、ステップＳ７へ進んで、前記再生判定フラグＦを０に設定し、再生制御を終了させる。

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（ステップＳ６）、図３のフローチャートに従ってアッシュ堆積量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ほか、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。

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、本ルーチンをリターンする。
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。
この判定は、パティキュレートフィルタ１２の前後差圧が測定に適した値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、本ルーチンをリターンする。
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設定を行う。

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が略実際のアッシュ堆積量ＡＳＨを示しているものとして、走行距離（走行履歴）に対するアッシュ堆積量ＡＳＨの推定特性を、前記実際のアッシュ堆積量ＡＳＨに推定結果が近づくように修正するものである。

尚、パティキュレートフィルタ１２に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構成とすることができる。
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、フィルタ前後差圧ΔＰtotal，排気流量Ｑｅｘｈ及びアッシュ堆積量ＡＳＨを読み込む。
前記アッシュ堆積量ＡＳＨは、走行距離に基づいて積算させる値であって、パティキュレートフィルタ１２の再生完了時には、フィルタ前後差圧に基づいて修正される値である。

ステップＳ２０２では、前記アッシュ堆積量ＡＳＨに基づいて圧損倍率ｋを設定する。
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する。
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の有効容量が減少するほど大きくなる傾向を示すことになり、この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とするものであり、圧損倍率ｋにより差圧の検出値を補正することで、初期容量であったときの圧損に変換させることができる。

即ち、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きに、アッシュ堆積の影響を有効容量の減少として捉えて、アッシュの堆積によって減少した有効容量で発生している圧損がパティキュレートの堆積によるものであるとして、パティキュレート堆積量を推定させる。
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初期量から減少補正される有効容量に対応する圧損倍率ｋを、前記マップから検索する。

ステップＳ２０３では、それまでの走行距離において、アッシュがフィルタ壁内に堆積する条件で走行した距離の割合（アッシュの壁内堆積条件での走行頻度）に基づいて、前記圧損倍率ｋを補正する。
前記ステップＳ２０２では、アッシュ堆積量が全て有効容量を減少させるものとして圧損倍率ｋを求めたが、下記条件（１）〜（３）が全て成立するときには、アッシュはフィルタ壁内に堆積し、このフィルタ壁内に堆積したアッシュは有効容量を減少させることにならない。

（１）パティキュレートフィルタ１２にパティキュレートが堆積していない（堆積量が所定量未満である）。
（２）パティキュレートフィルタ１２の温度が所定温度以上である。
（３）排気温度が所定温度以上である。
尚、上記（１）の条件、及び、（２）と（３）との少なくとも一方の条件が成立したときを、アッシュがフィルタ壁内に堆積する条件が成立していると判断させても良い。

前記ステップＳ２０３では、アッシュがフィルタ壁内に堆積する条件で走行した距離の割合が大きいほど、換言すれば、全アッシュ堆積量のうちのフィルタ壁内に堆積したアッシュ量の割合が多いほど、前記圧損倍率ｋをより小さく修正する。
即ち、アッシュが全てフィルタの下流閉塞端に堆積すれば、アッシュ堆積量がそのままフィルタ有効容量の減少分になるが、上記条件（１）〜（３）が全て成立するときには、アッシュがフィルタの壁内に堆積して、壁内に堆積したアッシュ分は有効容量の減少に影響を与えることがない。

そこで、壁内堆積アッシュ量を除いてフィルタの下流閉塞端に堆積するアッシュ量による実際の有効容量の減少に対応するように、圧損倍率ｋに修正するものである。
尚、アッシュがフィルタ壁内に堆積する条件で走行した距離の割合（壁内堆積条件での走行頻度）に基づいて圧損倍率ｋを補正する変わりに、アッシュ堆積量から求めた有効容量又は有効容量を求めるのに用いるアッシュ堆積量を補正しても、実質的には同じである。

また、走行距離の代わりに、オイル消費量のうちでフィルタ壁内にアッシュが堆積する条件のときに消費されたオイルの割合や、エンジン負荷の積算値のうちでフィルタ壁内にアッシュが堆積する条件でのエンジン負荷の割合などに基づいて、圧損倍率ｋを補正することができる。
ステップＳ２０４では、前記フィルタ前後差圧ΔＰtotal，排気流量Ｑｅｘｈ、及び、壁内堆積条件での走行頻度に基づいて修正された圧損倍率ｋ（フィルタ有効容量）に基づいて、パティキュレート堆積量ＰＭを推定する。

上記のように、アッシュの堆積によるフィルタ有効容量の減少による圧損倍率の変化を求め、減少したフィルタ有効容量での前後差圧ΔＰtotalからパティキュレート堆積量ＰＭを推定させるようにすれば、アッシュの堆積によってフィルタの有効容量が大きく減少変化しても、パティキュレート堆積量ＰＭの推定精度を確保することができる。
更に、アッシュがフィルタ壁内に堆積する条件で走行した距離の割合（壁内堆積条件での走行頻度）に基づき圧損倍率ｋを修正するので、実際の有効容量を精度良く推定でき、パティキュレート堆積量の推定精度をより向上させることができる。

尚、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が増大変化するときと、減少変化するときとでは、前後差圧とパティキュレート堆積量との相関にずれが生じる所謂ヒステリシス特性を有することがある。
そこで、パティキュレート堆積量の推定においては、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って、パティキュレート堆積量の推定特性を切り換えることが好ましい。

実施形態に係るディーゼルエンジンの構成図。 同上実施形態に係る再生制御ルーチンを示すフローチャート。 同上実施形態に係るアッシュ堆積量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。 同上実施形態に係るパティキュレート堆積量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との相関を示す線図。

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 (5)

1. 車両用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を備えたエンジンの排気浄化装置であって、
   前記アッシュの堆積量を推定する一方、前記パティキュレートフィルタの壁内にアッシュが堆積する条件での走行頻度を検出し、該走行頻度に基づいて前記アッシュ堆積量の推定値を補正することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 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の堆積量が所定量未満であり、かつ、前記パティキュレートフィルタの温度及び／又は排気温度が所定温度以上であるときに、前記パティキュレートフィルタの壁内にアッシュが堆積する条件であると判断することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記走行頻度と、アッシュ堆積量の推定値とに基づいて、前記パティキュレートフィルタの有効容量を推定することを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記パティキュレートフィルタの有効容量と、前記パティキュレートフィルタの前後差圧とから、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の堆積量を推定し、このパティキュレートの堆積量に基づいて前記パティキュレートフィルタの再生要求を判断することを特徴とする請求項３記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記アッシュ堆積量の推定が、車両の走行履歴に基づき行われる構成であって、
   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の堆積量が所定量未満であるときの前記パティキュレートフィルタの前後差圧から推定したアッシュ堆積量と、車両の走行履歴から推定したアッシュ堆積量との比較から、前記車両の走行履歴に基づくアッシュ堆積量の推定特性を補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。

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