JP2007332791A - 内燃機関の排気浄化装置および内燃機関の排気浄化方法 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置および内燃機関の排気浄化方法 Download PDF

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Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの温度をより正確に求めることができる技術を提供する。
【解決手段】パティキュレートフィルタと、吸入新気量を検出する吸入空気量検出手段と、フィルタよりも下流の排気通路から吸入空気量検出手段よりも下流の吸気通路へ排気の一部を還流するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路を流通する排気の量を推定するＥＧＲガス量推定手段（Ｓ１０２）と、ＥＧＲガス量および吸入新気量に基づいて、フィルタを通過する排気の量を検出するフィルタ通過ガス量検出手段（Ｓ１０４）と、フィルタに流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、フィルタを通過する排気の量および排気の温度に基づいて、排気がフィルタに与える熱量を推定することで、フィルタの温度を推定するフィルタ温度推定手段（Ｓ１０６，１０７）と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置および内燃機関の排気浄化方法に関する。
パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路と、エアフローメータよりも下流の吸気通路と、を接続するＥＧＲ通路を備えた内燃機関の排気浄化装置において、該パティキュレートフィルタの上流側と下流側との差圧に基づいて該パティキュレートフィルタの詰まりを判定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−６９２０７号公報
ここで、パティキュレートフィルタを通過する排気の量は、ＥＧＲ通路を通過する排気の量と、内燃機関に吸入される新気の量と、内燃機関に供給される燃料の量と、の和であるため、ＥＧＲ通路に備わるＥＧＲ弁の開度を変更すると、パティキュレートフィルタを通過する排気の量が変わってしまう。
ところで、パティキュレートフィルタの再生処理を行なうときには、該パティキュレートフィルタの温度をＰＭが酸化される温度まで上昇させる。このときに、パティキュレートフィルタの温度が所望の温度となるように、該パティキュレートフィルタの温度制御が行われる。
ここで、パティキュレートフィルタの温度制御を行うために、該パティキュレートフィルタを通過する排気の量から温度の変化量を求めることがある。すなわち、フィルタを通過する排気の量とこの排気の温度とに基づいて、排気からフィルタへ移動する熱量を推定し、該フィルタの温度上昇値を推定することがある。しかし、上述のようにＥＧＲ通路を通過する排気の量が変化することにより、フィルタを通過する排気の量が変化するので、吸入新気量を測定するだけではフィルタを通過する排気の量を求めることができない。そのため、フィルタの温度上昇値を正確に求めることが困難となる。
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの温度をより正確に求めることができる技術を提供することを目的とする。
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
吸気通路を流れる新気の量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路と前記吸入空気量検出手段よりも下流の吸気通路とを接続し排気通路を流れる排気の一部を吸気通路に還流するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路を流通する排気の量を推定するＥＧＲガス量推定手段と、
前記ＥＧＲガス量推定手段により推定される排気の量および前記吸入空気量検出手段により検出される新気の量に基づいて、前記パティキュレートフィルタを通過する排気の量を検出するフィルタ通過ガス量検出手段と、
前記パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
前記フィルタ通過ガス量検出手段により検出される排気の量および前記排気温度検出手段により検出される排気の温度に基づいて、排気が前記パティキュレートフィルタに与える熱量を推定することで、前記パティキュレートフィルタの温度を推定するフィルタ温度推定手段と、
を備えることを特徴とする。
パティキュレートフィルタを通過する排気の量およびパティキュレートフィルタに流入する排気の温度は、該パティキュレートフィルタの温度の上昇値と相関する。すなわち、パティキュレートフィルタを通過する排気の量およびパティキュレートフィルタに流入する排気の温度から、該パティキュレートフィルタの温度の上昇値を求めることにより、該パティキュレートフィルタの温度を推定することができる。このようにしてパティキュレートフィルタの温度を正確に推定するためには、前記排気の量および排気の温度を正確に求める必要がある。なお、パティキュレートフィルタの温度の上昇値を求めるためには、該パティキュレートフィルタの質量や比熱も必要となることがあるが、これらは予め求めておくことができる。
ここで、ＥＧＲ通路に排気が流通していない場合には、吸入空気量検出手段により検出される新気の量と気筒内に供給される燃料量との和が、パティキュレートフィルタを通過する排気の量と略等しくなる。しかし、ＥＧＲ通路は、パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路と、吸入空気量検出手段よりも下流の吸気通路と、を接続しているため、該ＥＧＲ通路に排気を流通させると、新気の量と燃料量との和が、パティキュレートフィルタを通過する排気の量と異なることになる。
しかし、パティキュレートフィルタを通過する排気の量は、吸入空気量検出手段により検出される新気の量と、ＥＧＲガス量推定手段により推定される排気の量と、気筒内に供給される燃料量と、の和として求めることができる。この関係から、フィルタ通過ガス量検出手段は、パティキュレートフィルタを通過する排気の量を検出する。
なお、排気温度検出手段はパティキュレートフィルタを通過する排気の温度を直接検出してもよく、内燃機関の運転状態から推定してもよい。
このようにしてパティキュレートフィルタを通過する排気の量およびパティキュレートフィルタに流入する排気の温度を得ることができるので、これらの値を用いてフィルタ温度推定手段は該パティキュレートフィルタの温度を推定することができる。
本発明においては、前記ＥＧＲ通路が接続されるよりも下流側の吸気通路の圧力を検出する吸気圧力検出手段を更に備え、
前記ＥＧＲガス量推定手段は、前記吸入空気量検出手段により検出される新気の量と、前記吸気圧力検出手段により検出される圧力と、前記ＥＧＲ通路を流通する排気の量と、の関係を記憶しており、この関係から前記ＥＧＲ通路を流通する排気の量を推定することができる。
ここで、ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスの量が増加すると、気筒内に吸入されるガス中の新気の量がＥＧＲガスの増加分だけ減少する。すなわち、ＥＧＲガス量が増加しても、新気量が減少するので、気筒内に吸入されるガス量は変わらない。そして、気筒内に吸入されるガス量は、吸気通路の圧力と相関する。そのため、ＥＧＲ通路が接続されるよりも下流側の吸気通路の圧力は、ＥＧＲガスの量が増減しても、それによっては変化しない。
したがって、ＥＧＲ通路を通過する排気の量と、吸入空気量検出手段により検出される
新気の量と、吸気通路の圧力と、の関係を予め実験等により求めておくことができる。そして、新気の量を吸入空気量検出手段により検出し、且つＥＧＲ通路が接続されるよりも下流側の吸気通路の圧力を吸気圧力検出手段により検出すれば、ＥＧＲ通路を通過する排気の量を求めることができる。
また、上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用してもよい。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタよりも上流側と下流側との差圧を検出する差圧検出手段と、
前記パティキュレートフィルタの詰まり度合いを推定する詰まり推定手段と、
前記詰まり推定手段により推定されるパティキュレートフィルタの詰まり度合いに基づいて、前記差圧検出手段により検出される差圧のうちで該パティキュレートフィルタの詰まりにより発生する分の差圧を推定する詰まり差圧推定手段と、
前記差圧検出手段により検出される差圧から前記詰まり差圧推定手段により推定される差圧を減じた値に基づいて前記パティキュレートフィルタを通過する排気の量を検出するフィルタ通過ガス量検出手段と、
前記パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
前記フィルタ通過ガス量検出手段により検出される排気の量および前記排気温度検出手段により検出される排気の温度に基づいて、排気が前記パティキュレートフィルタに与える熱量を推定することで、前記パティキュレートフィルタの温度を推定するフィルタ温度推定手段と、
を備えることを特徴としてもよい。
詰まり推定手段が推定するパティキュレートフィルタの詰まり度合いとは、該パティキュレートフィルタに粒子状物質が捕集されることにより排気の抵抗が増加する度合いとしてもよく、該パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の量としてもよい。また、排気の抵抗が増加することと相関する値を詰まり度合いとしてもよい。
そして、詰まり差圧推定手段は、パティキュレートフィルタの詰まり度合いに応じて発生する差圧を推定する。
一般に、パティキュレートフィルタの上流側と下流側との差圧は、該パティキュレートフィルタを通過する排気の量と相関する。そのため、この差圧からパティキュレートフィルタを通過する排気の量を求めることができる。しかし、パティキュレートフィルタに多くの粒子状物質が堆積すると、排気の抵抗が大きくなる。これにより、前記差圧は大きくなる。そのため、パティキュレートフィルタを通過する排気の量を差圧に基づいて求める場合には、排気の抵抗が大きくなることにより該パティキュレートフィルタを通過する排気の量を誤って求めるおそれがある。
すなわち、差圧は、排気の抵抗と、パティキュレートフィルタを通過する排気の量と、のどちらによっても変わるため、本発明では、排気の抵抗分の差圧を排除してからパティキュレートフィルタを通過する排気の量を求める。つまり、パティキュレートフィルタに粒子状物質が堆積することにより大きくなった分の差圧を、検出される差圧から除去することにより、排気の量の分に応じた差圧を求めることができる。これにより、パティキュレートフィルタを通過する排気の量をより正確に求めることができる。
また、上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用してもよい。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
吸気通路を流れる新気の量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路と前記吸入空気量検出手段よりも下流の吸気通路とを接続し排気通路を流れる排気の一部を吸気通路に還流するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路が接続されるよりも下流側の吸気通路内の空燃比を検出する吸気空燃比検出手段と、
前記吸入空気量検出手段により検出される新気の量、内燃機関に供給される燃料量、および前記吸気空燃比検出手段により検出される空燃比に基づいて、前記パティキュレートフィルタを通過する排気の量を検出するフィルタ通過ガス量検出手段と、
前記パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
前記フィルタ通過ガス量検出手段により検出される排気の量および前記排気温度検出手段により検出される排気の温度に基づいて、排気が前記パティキュレートフィルタに与える熱量を推定することで、前記パティキュレートフィルタの温度を推定するフィルタ温度推定手段と、
を備えることを特徴としてもよい。
吸気空燃比検出手段は、新気とＥＧＲガスとが混ざり合った後の空燃比を検出している。ここで、新気には燃料が含まれないので、吸気空燃比検出手段により検出される空燃比の燃料に相当する分は、ＥＧＲガスに含まれるものである。そして、吸気空燃比検出手段により検出される空燃比のガスが内燃機関の気筒内に導入される。
ここで、新気量と、吸気の空燃比と、が分かっているので、内燃機関に吸入されるＥＧＲガス量をこれらに基づいて算出することができる。
さらに、パティキュレートフィルタを通過する排気の量は、内燃機関からの排気の量と等しくなる。すなわち、内燃機関から排出されるガス量を求めることにより、パティキュレートフィルタを通過する排気の量を求めることができる。上述したように、内燃機関に導入されるガスは、新気とＥＧＲガスとが混ざり合ったものである。これに燃料が加えられたものが内燃機関から排出される。
そして、内燃機関に導入される新気の量は、吸入空気量検出手段により検出される。また、内燃機関に導入されるＥＧＲガスの量は、吸入空気量検出手段により検出される新気量、および吸気空燃比検出手段により検出される空燃比に基づいて求めることができる。燃料量は、例えば内燃機関を制御する装置からの指令値により求めることができる。
これらに基づいて、パティキュレートフィルタを通過する排気の量を算出することができる。この排気の量から上述のようにしてパティキュレートフィルタの温度を算出することができる。また、吸気空燃比検出手段による検出値からＥＧＲ量を正確に求めることができるので、パティキュレートフィルタの温度をより精度良く求めることができる。
また、上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化方法は、以下の手段を採用してもよい。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化方法は、
吸気通路からパティキュレートフィルタに至る間に出入する少なくともＥＧＲガスを含む気体の量に基づいて該パティキュレートフィルタを通過する排気の量を求める第１の工程と、
第１の工程で得られる排気の量と、前記パティキュレートフィルタに流入する排気の温度と、に基づいて得られる該パティキュレートフィルタに与えられる熱量から該パティキュレートフィルタの温度を推定する第２の工程と、
を含んでなることができる。
すなわち、吸気通路からパティキュレートフィルタに至る間の気体が流れる通路に、流入するガスと流出するガスとがあるとした場合、流入するガスと流出するガスとの差を求めることにより、残りのガス量を求めることができる。この残りのガス量は、パティキュレートフィルタを通過する。
また、パティキュレートフィルタを通過する排気の量とパティキュレートフィルタに流入する排気の温度とに基づいて、排気がパティキュレートフィルタに与える熱量を求めることができる。そして、この熱量は、パティキュレートフィルタの温度と相関するため、この熱量に基づいてパティキュレートフィルタの温度を求めることができる。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタの温度をより正確に求めることができる。そのため、パティキュレートフィルタの温度制御が容易になる。
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。
内燃機関１には、吸気管３および排気管４が接続されている。この吸気管３の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５ａが設けられている。また、コンプレッサハウジング５ａよりも上流の吸気管３には、該吸気管３内を流通する吸気の流量を調節する第１スロットル６が設けられている。この第１スロットル６は、電動アクチュエータにより開閉される。第１スロットル６よりも上流の吸気管３には、該吸気管３内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ７が設けられている。このエアフローメータ７により、内燃機関１の吸入新気量が測定される。なお、本実施例においてはエアフローメータ７が、本発明における吸入空気量検出手段に相当する。
コンプレッサハウジング５ａよりも下流の吸気管３には、吸気と外気とで熱交換を行うインタークーラ８が設けられている。そして、インタークーラ８よりも下流の吸気管３には、該吸気管３内を流通する吸気の流量を調整する第２スロットル９が設けられている。この第２スロットル９は、電動アクチュエータにより開閉される。
一方、排気管４の途中には、前記ターボチャージャ５のタービンハウジング５ｂが設けられている。また、タービンハウジング５ｂよりも下流の排気管４には、パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）１０が設けられている。このフィルタ１０には、吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒という。）が担持されている。このパティキュレートフィルタは、排気中の粒子状物質を捕集する。また、ＮＯx触媒は、該ＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵し、一
方、該ＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していたＮＯxを放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、該ＮＯx触媒から放出されたＮＯxが還元される。
フィルタ１０には、該フィルタ１０の上流側と下流側との圧力差を測定する差圧センサ１１が取り付けられている。この差圧センサ１１により、フィルタ１０に捕集されている
粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）の量を検出することができる。なお、本実施例においては差圧センサ１１が、本発明における差圧検出手段に相当する。
また、フィルタ１０よりも上流且つタービンハウジング５ｂよりも下流の排気管４には、該排気管４を流通する排気の温度を検出する排気温度センサ１２が取り付けられている。この排気温度センサ１２によりフィルタ１０の温度が測定される。なお、本実施例においては排気温度センサ１２が、本発明における排気温度検出手段に相当する。
そして、内燃機関１には、排気管４内を流通する排気の一部を低圧で吸気管３へ再循環させる低圧ＥＧＲ装置３０が備えられている。この低圧ＥＧＲ装置３０は、低圧ＥＧＲ通路３１、低圧ＥＧＲ弁３２、およびＥＧＲクーラ３３を備えて構成されている。
低圧ＥＧＲ通路３１は、フィルタ１０よりも下流側の排気管４と、コンプレッサハウジング５ａよりも上流且つ第１スロットル６よりも下流の吸気管３と、を接続している。この低圧ＥＧＲ通路３１を通って、排気が低圧で再循環される。そして、本実施例では、低圧ＥＧＲ通路３１を通って再循環される排気を低圧ＥＧＲガスと称している。
また、低圧ＥＧＲ弁３２は、低圧ＥＧＲ通路３１の通路断面積を調整することにより、該低圧ＥＧＲ通路３１を流れる低圧ＥＧＲガスの量を調整する。さらに、ＥＧＲクーラ３３は、該ＥＧＲクーラ３３を通過する低圧ＥＧＲガスと、内燃機関１の冷却水とで熱交換をして、該低圧ＥＧＲガスの温度を低下させる。
また、内燃機関１には、排気管４内を流通する排気の一部を高圧で吸気管３へ再循環させる高圧ＥＧＲ装置４０が備えられている。この高圧ＥＧＲ装置４０は、高圧ＥＧＲ通路４１、および高圧ＥＧＲ弁４２を備えて構成されている。
高圧ＥＧＲ通路４１は、タービンハウジング５ｂよりも上流側の排気管４と、第２スロットル９よりも下流の吸気管３と、を接続している。この高圧ＥＧＲ通路４１を通って、排気が高圧で再循環される。そして、本実施例では、高圧ＥＧＲ通路４１を通って再循環される排気を高圧ＥＧＲガスと称している。
また、高圧ＥＧＲ弁４２は、高圧ＥＧＲ通路４１の通路断面積を調整することにより、該高圧ＥＧＲ通路４１を流れる高圧ＥＧＲガスの量を調整する。
そして、低圧ＥＧＲ通路３１が接続される箇所よりも下流で且つコンプレッサハウジング５ａよりも上流の吸気管３には、該吸気管３を流通する吸気の空燃比を検出する吸気空燃比センサ１３が取り付けられている。なお、本実施例においては吸気空燃比センサ１３が、本発明における吸気空燃比検出手段に相当する。また、第２スロットル９よりも下流の吸気管３には、該吸気管３内の圧力を検出する吸気圧力センサ１７が取り付けられている。なお、本実施例においては吸気圧力センサ１７が、本発明における吸気圧力検出手段に相当する。
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。また、ＥＣＵ２０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１４を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１５、及び機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１６が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ２０には、第１スロットル６、第２スロットル９、低圧ＥＧＲ弁３２、及び高圧ＥＧＲ弁４２が電気配線を介して接続
されており、該ＥＣＵ２０によりこれらの機器が制御される。
そして、本実施例においては、該フィルタ１０を通過する排気の量を推定し、この排気の量と排気の温度等とからフィルタ１０の温度（床温）を算出する。ここで、フィルタ１０を通過する排気の量は、エアフローメータ７により検出される新気の量と、低圧ＥＧＲ通路３１から吸気管３に還流される低圧ＥＧＲガス量と、気筒２に供給される燃料量と、の和となる。そして、フィルタ１０を通過する排気が持っている熱がフィルタ１０の温度を上昇させる。そして、フィルタ１０を通過する排気の量と排気の温度とに基づいて該フィルタ１０の温度の上昇値を求めることができる。これにより、フィルタ１０の温度を算出することができる。
次に、本実施例によるフィルタ１０の床温を算出するフローについて説明する。図２は、本実施例によるフィルタ１０の床温を算出するフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。
ステップＳ１０１では、エアフローメータ７により吸入新気量Ｇａが検出される。
ステップＳ１０２では、低圧ＥＧＲ弁３２を通過する低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒが推定される。低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒは、エアフローメータ７により検出される吸入新気量Ｇａと、吸気圧力センサ１７により得られる吸気圧力Ｐｉｍと、に基づいて得ることができる。
ここで、低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒが増加した場合には、吸入新気量Ｇａが減少する。このように、低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒが増加しても、気筒２内に吸入されるガスの総量は変わらない。これは低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒが減少した場合も同じである。つまり、低圧ＥＧＲガス量が増減しても、内燃機関１の運転状態が変わらなければ、低圧ＥＧＲ通路３１が接続されるよりも下流の吸気管３の圧力は変わらない。
よって、低圧ＥＧＲ弁３２を通過する低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒと、エアフローメータ７により検出される吸入新気量Ｇａと、吸気圧力センサ１７により得られる吸気圧力Ｐｉｍと、の関係を予め実験等により求めてマップ化しておけば、エアフローメータ７と吸気圧力センサ１７との検出値を該マップに代入することで、低圧ＥＧＲ弁３２を通過する低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒを求めることができる。
ここで、図３は、吸入新気量Ｇａと、吸気圧力Ｐｉｍと、低圧ＥＧＲ弁３２を通過する低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒと、の関係を例示した図である。この関係を予め実験等により求めてＥＣＵ２０に記憶させておく。なお、本実施例においてはステップＳ１０２の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明におけるＥＧＲガス量推定手段に相当する。
ステップＳ１０３では、燃料噴射量Ｇｆが算出される。燃料噴射量Ｇｆは、気筒２内に噴射される燃料量であり、機関回転数および機関負荷等に基づいてＥＣＵ２０が算出する値である。
ステップＳ１０４では、フィルタ１０を通過する排気の量Ｇｄｐｆが算出される。フィルタ１０を通過する排気の量Ｇｄｐｆは、ステップＳ１０１で算出される新気量Ｇａと、ステップＳ１０２で算出される低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒと、ステップＳ１０３で算出される燃料噴射量Ｇｆと、の和として求めることができる。なお、本実施例においてはステップＳ１０４の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明におけるフィルタ通過ガス量検出手段に相当する。
ステップＳ１０５では、フィルタ１０の入ガス温度Ｔｉｎが検出される。フィルタ１０の入ガス温度Ｔｉｎは、フィルタ１０に流入する排気の温度であり、排気温度センサ１２により得ることができる。
ステップＳ１０６では、フィルタ１０に流入するエネルギＥｉｎが算出される。このエネルギＥｉｎは、フィルタ１０の温度上昇値を求めるために用いられる。そして、流入エネルギＥｉｎは以下の式により得ることができる。
Ｅｉｎ＝Ｇｄｐｆ×Ｒ×Ｔｉｎ
ただし、Ｒは排気のガス定数である。
ステップＳ１０７では、フィルタ１０の床温が算出される。ここで、フィルタ１０の温度上昇値ｄＴは、フィルタ１０に与えられたエネルギをフィルタ１０の比熱κおよびフィルタ１０の質量Ｍで除した値として求めることができる。
すなわち、以下の式により求めることができる。
ｄＴ＝Ｅｉｎ／（κ・Ｍ）
このように、フィルタ１０に現時点で流入する排気の温度に基づいて、フィルタ１０の温度上昇値ｄＴを求めることができるので、現時点でのフィルタ１０の温度に該温度上昇値ｄＴを加えることにより、その後のフィルタ１０の温度を推定することができる。なお、本実施例においてはステップＳ１０６及びステップＳ１０７の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明におけるフィルタ温度推定手段に相当する。
以上説明したように、本実施例によれば、フィルタ１０の床温を精度良く求めることができるので、フィルタ１０の再生やＮＯxの浄化、さらには硫黄被毒回復を行なうときに
該フィルタ１０の温度の制御が容易となる。そのため、これらの制御を効率良く行なうことができる。
本実施例では、フィルタ１０を通過する排気の量をフィルタ１０の上流側と下流側との差圧を用いて検出するときに、フィルタ１０の詰まり度合いを考慮する。
ここで、フィルタ１０の上流側と下流側との差圧を検出することにより、フィルタを通過する排気の量を求めることができる。しかし、フィルタ１０にＰＭが堆積すると、該フィルタ１０の抵抗が大きくなるため、フィルタ１０の上流側と下流側との差圧が変化する。これにより、フィルタ１０を通過する排気の量と差圧との関係が変わるので、そのままでは該フィルタ１０を通過する排気の量を差圧に基づいて正確に求めることが困難となる。
その点、本実施例では、フィルタ１０に堆積しているＰＭにより前記差圧が変化している分を、差圧センサ１１により検出される差圧から除去することにより、フィルタ１０を通過する排気の量に応じて発生する差圧のみを検出する。この差圧に基づいてフィルタ１０を通過する排気の量を算出し、さらにこの排気の量に基づいてフィルタ１０の温度を算出することにより、該フィルタ１０の温度を精度良く求めることができる。
次に、本実施例によるフィルタ１０の床温を算出するフローについて説明する。図４は、本実施例によるフィルタ１０の床温を算出するフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。なお、フィルタ１０にＰＭが堆積していない状態（例えばフィルタ１０が新品の状態）において差圧センサ１１により検出される差圧を予めＥＣＵ２０に記憶させておく。この予め求められる差圧を以下「基準差圧
ΔＰｂ」と称する。
ステップＳ２０１では、フィルタ１０の上流側と下流側との差圧が差圧センサ１１により検出される。この差圧は、フィルタ１０を通過する排気の量に応じて発生する差圧と、フィルタ１０に堆積しているＰＭの量に応じて発生する差圧と、を含んでいる。本ステップで検出される差圧を以下「検出差圧ΔＰａ」と称する。
ステップＳ２０２では、フィルタ１０の詰まり度合いを推定する。この詰まり度合いは、フィルタ１０に捕集されているＰＭの量Ｇｐｍ（以下、捕集量Ｇｐｍという。）をそのまま用いることができる。
捕集量Ｇｐｍについては後述するが、以下のようにして求めてもよい。すなわち、捕集量Ｇｐｍは、内燃機関１の運転状態（排気温度、燃料噴射量、機関回転数）に応じたＰＭ捕集量を予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップにより得られるＰＭ捕集量を積算して求めることができる。さらに、車両走行距離若しくは走行時間に応じて捕集量Ｇｐｍを推定しても良い。なお、本実施例においてはステップＳ２０２の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明における詰まり推定手段に相当する。
ステップＳ２０３では、捕集量Ｇｐｍにより発生する分の差圧が推定される。捕集量Ｇｐｍとその分の差圧との関係は、予め実験等により求めてマップ化しておく。
ここで、図５は、差圧ΔＰと捕集量Ｇｐｍとの関係を示した図である。図５中「Ａ」で示される点は、捕集量Ｇｐｍが０のとき又はフィルタ１０の再生処理を行なった直後のときであり、例えば新品状態のときとしてもよい。このＡ点では、基準差圧ΔＰｂとなっている。そして、図５にステップＳ２０２で推定される捕集量Ｇｐｍを代入すると、「Ｂ」で示される点を得ることができる。このＢ点に相当する差圧を図５により求める。そして、Ｂ点からＡ点の差圧を減じた値は、ステップＳ２０２で得た捕集量Ｇｐｍに応じて上昇している分の差圧Ｐｐ（以下、ＰＭ分差圧Ｐｐという。）を示している。
さらに、検出差圧ΔＰａから、ＰＭ分差圧Ｐｐを減じることにより、排気の量のみに応じた差圧を求めることができる。なお、本実施例においてはステップＳ２０３の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明における詰まり差圧推定手段に相当する。
ステップＳ２０４では、フィルタ１０の入ガス温度Ｔｉｎが検出される。フィルタ１０の入ガス温度Ｔｉｎは、フィルタ１０に流入する排気の温度であり、排気温度センサ１２により得ることができる。
ステップＳ２０５では、フィルタ１０に流入するエネルギＥｉｎが算出される。このエネルギＥｉｎは、フィルタ１０の温度上昇値を求めるために用いられる。そして、流入エネルギＥｉｎは以下の式により得ることができる。
Ｅｉｎ＝ｆ（ΔＰａ−Ｐｐ）×Ｒ×Ｔｉｎ
ただし、Ｒは排気のガス定数である。また、ｆ（ΔＰａ−Ｐｐ）では、排気のみに応じた差圧を質量流量に変換している。なお、本実施例においてはｆ（ΔＰａ−Ｐｐ）の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明におけるフィルタ通過ガス量検出手段に相当する。
ステップＳ２０６では、フィルタ１０の床温が算出される。ここで、フィルタ１０の温度上昇値ｄＴは、フィルタ１０に与えられたエネルギをフィルタ１０の比熱κおよびフィルタ１０の質量Ｍで除した値として求めることができる。
すなわち、以下の式により求めることができる。
ｄＴ＝Ｅｉｎ／（κ・Ｍ）
このように、フィルタ１０に現時点で流入する排気の温度に基づいて、フィルタ１０の温度上昇値ｄＴを求めることができるので、現時点でのフィルタ１０の温度に該温度上昇値ｄＴを加えることにより、フィルタ１０の温度を推定することができる。なお、本実施例においてはステップＳ２０５及びステップＳ２０６の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明におけるフィルタ温度推定手段に相当する。
ここで、フィルタ１０の詰まり度合いを求める手法について説明する。この詰まり度合いを求めるときには、低圧ＥＧＲ弁３２を全閉で固定する。このように、低圧ＥＧＲ弁３２を全閉で固定すると、エアフローメータ７で検出される吸入空気量に基づいて、フィルタ１０を通過する排気の流量を容易に推定することができる。これにより、詰まり度合いを容易に求めることができる。
ここで、フィルタ１０のすぐ上流の排気管４における断面積をＡ０、排気の流速をＵ０とする。また、フィルタ１０におけるＰＭの詰まりを絞りと考え、その断面積をＡ１、フィルタ１０での排気の流速をＵｃａｔとする。
上記の関係をベルヌーイの定理に当てはめると、次式を得ることができる。
Figure 2007332791
 ただし、Ｐ０はフィルタ１０のすぐ上流における排気の圧力、Ｐ１はフィルタ１０のすぐ下流における排気の圧力である。また、流体密度を一定と仮定している。そして、
Figure 2007332791
 が成立するので、フィルタ１０の上流側と下流側との差圧ΔＰは、以下のようになる。
Figure 2007332791
そして、式３を変形して次式を得ることができる。
Figure 2007332791
ここで、ΔＰ／Ｕｃａｔ2は、フィルタ１０の詰まりに相当する断面積Ａ１を代表して
いる。
次に、本実施例によるフィルタ１０の詰まり度合いを求めるフローについて説明する。図６は、本実施例によるフィルタ１０の詰まり度合いを求めるフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。
ステップＳ３０１では、フィルタ１０の詰まり判定条件が成立しているか否か判定される。本ステップでは、フィルタ１０の詰まり判定を行うのに適した状態となっているか否
か判定される。例えば、内燃機関１が定常状態であるか否か、フィルタ１０の温度が所定の範囲内であるか否か判定される。また、ＰＭが多く堆積し得る所定の距離を走行したか否か判定してもよい。ステップＳ３０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ３０２へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。
ステップＳ３０２では、低圧ＥＧＲ弁３２が全閉とされる。すなわち、フィルタ１０を通過する排気中に低圧ＥＧＲガスを含まないようにする。これにより、フィルタ１０を通過する排気の流量を算出しやすくすることができる。
ステップＳ３０３では、新気量Ｇａが算出される。新気量Ｇａは、エアフローメータ７により得ることができる。
ステップＳ３０４では、フィルタ１０の上流側と下流側との差圧ΔＰが算出される。フィルタ１０の上流側と下流側との差圧ΔＰは、差圧センサ１１により得ることができる。
ステップＳ３０５では、フィルタ１０を通過する排気の温度（以下、フィルタ通過排気温度という。）Ｔｃａｔを算出する。フィルタ通過排気温度Ｔｃａｔは、排気温度センサ１２により得ることができる。このフィルタ通過排気温度は、フィルタ１０を通過する排気の質量流量を体積流量に変換するために用いられる。
ステップＳ３０６では、燃料噴射量Ｇｆが算出される。燃料噴射量Ｇｆは、気筒２内に噴射される燃料量であり、機関回転数および機関負荷等に基づいてＥＣＵ２０が算出する値である。
ステップＳ３０７では、フィルタ１０よりも上流の排気管４内の圧力（以下、フィルタ上流圧力）Ｐ６が算出される。フィルタ上流圧力Ｐ６は、フィルタ１０よりも上流且つタービンハウジング５ｂよりも下流の排気管４に排気の圧力を検出するセンサを取り付けることにより得ることができる。
ステップＳ３０８では、フィルタ１０を通過する排気の体積流量Ｖｃａｔが算出される。体積流量Ｖｃａｔは状態式に基づいて次式により得ることができる。
Figure 2007332791
ステップＳ３０９では、フィルタ１０を通過する排気の平均流速（以下、排気平均流速という。）Ｕｃａｔが算出される。排気平均流速Ｕｃａｔは、ステップＳ３０８で算出された体積流量Ｖｃａｔを、フィルタ１０の断面積Ａで除して求めることができる。フィルタ１０の断面積Ａは、予め求めておく。
ステップＳ３１０では、ΔＰ／Ｕｃａｔ2をフィルタ１０の詰まり度合いとして記憶す
る。
このようにしてフィルタ１０の詰まり度合いを求めることができる。そして、図５と同様にして、差圧ΔＰと詰まり度合いとの関係をマップ化しておけば、ＰＭ分差圧Ｐ１を求めることができる。また、この詰まり度合いを捕集量Ｇｐｍに換算する式を予め求めておくことにより、詰まり度合いから捕集量Ｇｐｍを求め、その値を図５に代入してＰＭ分差圧Ｐ１を求めてもよい。
なお、本実施例では、フィルタ１０の詰まり判定を行うときに、低圧ＥＧＲ弁３２を全閉としているが、これに代えて低圧ＥＧＲ弁３２を全閉以外の所定の開度で固定してもよい。この場合、低圧ＥＧＲ通路３１を流れる低圧ＥＧＲガスの量を直接測定、若しくは推定する。そして、低圧ＥＧＲガスの量とエアフローメータ７により検出される新気量とを合わせて、フィルタ１０を通過する排気の流量を算出する。
以上説明したように、本実施例によれば、フィルタ１０の上流側と下流側との差圧から、フィルタ１０に捕集されているＰＭの影響分を排除することにより、該フィルタ１０を通過する排気の量をより正確に求めることができる。これにより、該フィルタ１０の床温を精度良く求めることができるので、フィルタ１０の再生やＮＯxの浄化、さらには硫黄
被毒回復を行なうときに該フィルタ１０の温度の制御が容易となる。そのため、これらの制御を効率良く行なうことができる。
本実施例では、低圧ＥＧＲ通路３１が接続されるよりも下流の吸気管３を流れる吸気の空燃比と、エアフローメータ７を通過する新気量とに基づいて、フィルタ１０を通過する排気の量を求めることにより該フィルタ１０の温度を推定する。
図７は、本実施例によるフィルタ１０の床温を算出するフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。
ステップＳ４０１では、吸気空燃比ＡＦＲが検出される。吸気空燃比ＡＦＲは、吸気空燃比センサ１３により検出される。
ステップＳ４０２では、内燃機関１に吸入される新気量Ｇａが検出される。この新気量Ｇａは、エアフローメータ７により得ることができる。そして、気筒２内に吸入されるガス量は、この新気量Ｇａと低圧ＥＧＲガス量とを合わせた値となる。
ステップＳ４０３では、燃料噴射量Ｇｆが算出される。燃料噴射量Ｇｆは、気筒２内に噴射される燃料量であり、機関回転数および機関負荷等に基づいてＥＣＵ２０が算出する値である。
ステップＳ４０４では、フィルタ１０を通過する排気の量Ｇｄｐｆが算出される。フィルタ１０を通過する排気の量Ｇｄｐｆは、ステップＳ４０２で算出される新気量Ｇａと、ステップＳ４０３で算出される燃料噴射量Ｇｆと、低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒとの和として求めることができる。
ここで、低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒは、新気量Ｇａを吸気空燃比ＡＦＲで除して求めることができるので、フィルタ１０を通過する排気の量Ｇｄｐｆは以下の式で求めることができる。
Ｇｄｐｆ＝Ｇａ＋Ｇｆ＋Ｇａ／ＡＦＲ
なお、本実施例においてはステップＳ４０４の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明におけるフィルタ通過ガス量検出手段に相当する。
ステップＳ４０５では、フィルタ１０の入ガス温度Ｔｉｎが検出される。フィルタ１０の入ガス温度Ｔｉｎは、フィルタ１０に流入する排気の温度であり、排気温度センサ１２により得ることができる。
ステップＳ４０６では、フィルタ１０に流入するエネルギＥｉｎが算出される。このエ
ネルギＥｉｎは、フィルタ１０の温度上昇値を求めるために用いられる。そして、流入エネルギＥｉｎは以下の式により得ることができる。
Ｅｉｎ＝Ｇｄｐｆ×Ｒ×Ｔｉｎ
ただし、Ｒは排気のガス定数である。
ステップＳ４０７では、フィルタ１０の床温が算出される。ここで、フィルタ１０の温度上昇値ｄＴは、フィルタ１０に与えられたエネルギをフィルタ１０の比熱κおよびフィルタ１０の質量Ｍで除した値として求めることができる。
すなわち、以下の式により求めることができる。
ｄＴ＝Ｅｉｎ／（κ・Ｍ）
このように、フィルタ１０に現時点で流入する排気の温度に基づいて、フィルタ１０の温度上昇値ｄＴを求めることができるので、現時点でのフィルタ１０の温度に該温度上昇値ｄＴを加えることにより、フィルタ１０の温度を推定することができる。なお、本実施例においてはステップＳ４０６及びステップＳ４０７の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明におけるフィルタ温度推定手段に相当する。
以上説明したように、本実施例によれば、吸入新気量Ｇａおよび吸気空燃比ＡＦＲを用いることにより、低圧ＥＧＲガス量を精度良く求めることができる。これにより、フィルタ１０を通過する排気の量をより正確に求めることができるので、該フィルタ１０の床温を精度良く求めることができる。そのため、フィルタ１０の再生やＮＯxの浄化、さらに
は硫黄被毒回復を行なうときに該フィルタ１０の温度の制御が容易となる。これにより、これらの制御を効率良く行なうことができる。
実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 実施例１によるフィルタの床温を算出するフローを示したフローチャートである。 吸入新気量Ｇａと、吸気圧力Ｐｉｍと、低圧ＥＧＲ弁を通過する低圧ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒと、の関係を例示した図である。 実施例２によるフィルタの床温を算出するフローを示したフローチャートである。 差圧ΔＰと捕集量Ｇｐｍとの関係を示した図である。 実施例２によるフィルタの詰まり度合いを求めるフローを示したフローチャートである。 実施例３によるフィルタの床温を算出するフローを示したフローチャートである。
符号の説明
１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気管
４ 排気管
５ ターボチャージャ
５ａ コンプレッサハウジング
５ｂ タービンハウジング
６ 第１スロットル
７ エアフローメータ
８ インタークーラ
９ 第２スロットル
１０ パティキュレートフィルタ
１１ 差圧センサ
１２ 排気温度センサ
１３ 吸気空燃比センサ
１４ アクセルペダル
１５ アクセル開度センサ
１６ クランクポジションセンサ
１７ 吸気圧力センサ
２０ ＥＣＵ
３０ 低圧ＥＧＲ装置
３１ 低圧ＥＧＲ通路
３２ 低圧ＥＧＲ弁
３３ ＥＧＲクーラ
４０ 高圧ＥＧＲ装置
４１ 高圧ＥＧＲ通路
４２ 高圧ＥＧＲ弁

Claims (5)

  1. 排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
    吸気通路を流れる新気の量を検出する吸入空気量検出手段と、
    前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路と前記吸入空気量検出手段よりも下流の吸気通路とを接続し排気通路を流れる排気の一部を吸気通路に還流するＥＧＲ通路と、
    前記ＥＧＲ通路を流通する排気の量を推定するＥＧＲガス量推定手段と、
    前記ＥＧＲガス量推定手段により推定される排気の量および前記吸入空気量検出手段により検出される新気の量に基づいて、前記パティキュレートフィルタを通過する排気の量を検出するフィルタ通過ガス量検出手段と、
    前記パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
    前記フィルタ通過ガス量検出手段により検出される排気の量および前記排気温度検出手段により検出される排気の温度に基づいて、排気が前記パティキュレートフィルタに与える熱量を推定することで、前記パティキュレートフィルタの温度を推定するフィルタ温度推定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記ＥＧＲ通路が接続されるよりも下流側の吸気通路の圧力を検出する吸気圧力検出手段を更に備え、
    前記ＥＧＲガス量推定手段は、前記吸入空気量検出手段により検出される新気の量と、前記吸気圧力検出手段により検出される圧力と、前記ＥＧＲ通路を流通する排気の量と、の関係を記憶しており、この関係から前記ＥＧＲ通路を流通する排気の量を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
    前記パティキュレートフィルタよりも上流側と下流側との差圧を検出する差圧検出手段と、
    前記パティキュレートフィルタの詰まり度合いを推定する詰まり推定手段と、
    前記詰まり推定手段により推定されるパティキュレートフィルタの詰まり度合いに基づいて、前記差圧検出手段により検出される差圧のうちで該パティキュレートフィルタの詰まりにより発生する分の差圧を推定する詰まり差圧推定手段と、
    前記差圧検出手段により検出される差圧から前記詰まり差圧推定手段により推定される差圧を減じた値に基づいて前記パティキュレートフィルタを通過する排気の量を検出するフィルタ通過ガス量検出手段と、
    前記パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
    前記フィルタ通過ガス量検出手段により検出される排気の量および前記排気温度検出手段により検出される排気の温度に基づいて、排気が前記パティキュレートフィルタに与える熱量を推定することで、前記パティキュレートフィルタの温度を推定するフィルタ温度推定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  4. 排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
    吸気通路を流れる新気の量を検出する吸入空気量検出手段と、
    前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路と前記吸入空気量検出手段よりも下流の吸気通路とを接続し排気通路を流れる排気の一部を吸気通路に還流するＥＧＲ通路と、
    前記ＥＧＲ通路が接続されるよりも下流側の吸気通路内の空燃比を検出する吸気空燃比検出手段と、
    前記吸入空気量検出手段により検出される新気の量、内燃機関に供給される燃料量、お
    よび前記吸気空燃比検出手段により検出される空燃比に基づいて、前記パティキュレートフィルタを通過する排気の量を検出するフィルタ通過ガス量検出手段と、
    前記パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
    前記フィルタ通過ガス量検出手段により検出される排気の量および前記排気温度検出手段により検出される排気の温度に基づいて、排気が前記パティキュレートフィルタに与える熱量を推定することで、前記パティキュレートフィルタの温度を推定するフィルタ温度推定手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  5. 吸気通路からパティキュレートフィルタに至る間に出入する少なくともＥＧＲガスを含む気体の量に基づいて該パティキュレートフィルタを通過する排気の量を求める第１の工程と、
    第１の工程で得られる排気の量と、前記パティキュレートフィルタに流入する排気の温度と、に基づいて得られる該パティキュレートフィルタに与えられる熱量から該パティキュレートフィルタの温度を推定する第２の工程と、
    を含んでなる内燃機関の排気浄化方法。
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