JP2008190406A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低流量域でのフィルタにおけるパティキュレートの堆積量を正確に推定する。
【解決手段】ＤＰＦの前後の差圧に基づいてＰＭの堆積量を推定する内燃機関の排気浄化装置において、排気流量Ｑeに基づいて排気の粘性によるフィルタの閉塞度合に相当する縮流係数相当項補正係数Ｃrを演算し（Ｓ２４）、該閉塞度合に基づいて縮流係数相当項（Ｂ×ζ）を補正することで（Ｓ２６）、ＤＰＦの前後の差圧を補正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）におけるパティキュレートの堆積量を推定する技術に関する。

ディーゼルエンジンの排気を浄化する装置として、ＤＰＦを備えるものが知られている。ＤＰＦは、排気通路に設けられ、排気中のパティキュレート（以下、ＰＭという）を捕集する。また、ＤＰＦに捕集されて堆積したＰＭを除去するために、ＤＰＦの上流に酸化触媒を備え、この酸化触媒に未燃燃料を流入させて排気温度を上昇させることにより、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させる強制再生が知られている。

強制再生は、通常、ＤＰＦにおけるＰＭの堆積量が許容限界値に達した時点で実行される。このものにおいて、ＰＭの堆積量を知るために、例えばＤＰＦの前後差圧を検出し、この前後差圧に基づいてＰＭの堆積量を推定する装置が知られている。このものでは、更に、フィルタでの圧損による堆積量の推定誤差を低減させるために、排気流量の全域に亘ってＤＰＦの前後差圧を縮小するように補正する（特許文献１）。
特開平７−７７０２８号公報

しかしながら、通常、ＤＰＦは、ＰＭの除去率を確保するために、フィルタ内部の壁に形成された排気の通路となる孔が微細化している。したがって、特に排気流量が少ない低流量域では、排気の粘性によりこの微細な孔を排気が通過し難くなることから、大幅に圧損が大きくなる。このため、上記のように、全流量域に亘って前後差圧を縮小するように補正するものでは、低流量域において、補正が不足し、実際の堆積量より多く推定してしまう虞がある。このように、実際の堆積量より多く堆積量を推定してしまうと、必要以上に頻繁に強制再生が実施されることとなり、燃費の悪化を招いてしまう。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気の低流量域において、パティキュレートの堆積量を精度良く推定可能な排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタと、フィルタの前後差圧を検出する差圧検出手段と、フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段と、フィルタ温度検出手段により検出されたフィルタの温度に基づいて、排気粘度を推定する排気粘度推定手段と、フィルタを通過する排気の流量を検出する流量検出手段と、差圧検出手段により検出されたフィルタの前後差圧、流量検出手段により検出された排気の流量及び排気粘度推定手段により推定された排気粘度に基づいて、フィルタに捕集されたパティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段と、流量検出手段により検出された排気の流量に基づいて、堆積量推定手段により推定される堆積量を補正する補正手段と、を備え、補正手段は、流量検出手段により検出された排気の流量が所定の低流量域では、該低流量域よりも流量の多い高流量域より補正量を大きくすることを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記補正手段は、流量検出手段により検出された排気の流量に基づくフィルタの閉塞度合を補正することを特徴とする。
また、請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記補正手段は、更に、流量検出手段により検出された排気の流量に基づいて、堆積量推定手段により推定された堆積量を補正することを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、フィルタの前後差圧、排気流量及び排気粘度に基づいて推定されるパティキュレートの堆積量が、排気流量に基づいて補正される。そして、低流量域において、高流量域より補正を大きくするので、排気の粘度が大きくとも堆積量を精度良く推定することができる。
また、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、堆積量の推定において推定精度の低下要因となりやすいフィルタの閉塞度合が補正されるので、低流量域での堆積量の推定精度を十分に確保することができる。

また、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、補正手段が、排気流量に基づく閉塞度合と、堆積量推定手段により推定された堆積量とを補正するので、排気流量に基づいて堆積量が２回補正されることとなり、堆積量の推定精度を向上させることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用されたエンジン（内燃機関）１の全体構成図である。
エンジン１は、例えばコモンレール式直列多気筒のディーゼルエンジンである。エンジン１のシリンダヘッド２には、燃焼室３に臨んで電磁式の燃料噴射ノズル４が気筒毎に設けられている。各燃料噴射ノズル４は高圧パイプ５によりコモンレール６に接続されるとともに、コモンレール６は高圧パイプ７を介して高圧ポンプ８に接続されている。高圧ポンプ８は燃料タンク９に貯留された燃料（軽油）をコモンレール６に供給する機能を有しており、コモンレール６に供給された燃料は高圧の状態で蓄えられ、各燃料噴射ノズル４から燃焼室３内に噴射される。

シリンダヘッド２には、各気筒毎に燃焼室と連通する吸気ポート１０及び排気ポート１１が夫々形成されており、吸気ポート１０には吸気管１２が、排気ポート１１には排気管１３が接続されている。また、シリンダヘッド２には、吸気ポート１０を開閉する吸気バルブ１４と、排気ポート１１を開閉する排気バルブ１５とが設けられている。
吸気管１２には、吸入空気量を調節する電磁式の吸気絞り弁１６と、その上流側に吸気流量を検出するエアフローセンサ１７が設けられている。

排気管１３と吸気管１２との間には、電磁開閉弁であるＥＧＲ弁１９が介挿されたＥＧＲ管１８が設けられている。ＥＧＲ管１８は、一端が排気ポート１１近傍で排気管１３に接続される一方、他端が吸気ポート１０近傍で吸気管１２に接続され、排気管１３と吸気管１２とを連通する。
排気管１３には、上流側から順番に、触媒ユニット２０、ＤＰＦ（本発明のフィルタに該当する）２１が介装されている。触媒ユニット２０は、筒状のケースの中に第１の酸化触媒２２及び第２の酸化触媒２３が収容されて形成されている。第１の酸化触媒２２は排気上流側に設けられ、第２の酸化触媒２３は第１の酸化触媒２２と間隔をおいて下流側に設けられている。第１の酸化触媒２２及び第２の酸化触媒２３は、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ２及びＨ２Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ２を生成する機能を有する。

本実施形態のＤＰＦ２１は、酸化触媒機能付き（酸化触媒担持型）のものである。ＤＰＦ２１は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖して、排気中のＰＭを捕集する機能を有しており、更に、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。

また、ＤＰＦ２１の下流側には、ＤＰＦ温度Ｔfとして、ＤＰＦ２１通過直後の排気温度を検出する温度センサ（フィルタ温度検出手段）２６が設けられている。更に、ＤＰＦ２１の上流側及び下流側には、ＤＰＦ２１の前後差圧（上流側と下流側との差圧）Ｐdを検出する差圧センサ（差圧検出手段）２７が備えられている。
ＥＣＵ３０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。

ＥＣＵ３０の入力側には、上述したエアフローセンサ１７、温度センサ２６及び差圧センサ２７の他に、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ３１、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルポジションセンサ３２、及び車速を検出する車速センサ３３等が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
一方、ＥＣＵ３０の出力側には、燃料噴射ノズル４、吸気絞り弁１６、ＥＧＲ弁１９等の各種出力デバイスが接続されている。これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ３０において演算された燃料噴射量Ｑf、燃料噴射時期、ＥＧＲ量等がそれぞれ出力され、これにより、適正なタイミングで吸気絞り弁１６、燃料噴射ノズル４、ＥＧＲ弁１９等の制御が実施される。

以上のようにＤＰＦ２１の上流に第１の酸化触媒２２及び第２の酸化触媒２３を配置することにより、下流側の第２の酸化触媒２３からＮＯ２がＤＰＦ２１に流入し、ＤＰＦ２１に捕集され堆積しているＰＭ中の炭素成分であるすすと反応して酸化させる。酸化したすすはＣＯ２となり、ＤＰＦ２１から除去され、ＤＰＦ２１が連続的に再生される（連続再生）。

上記の連続再生では、エンジン１の運転状況により十分にＤＰＦ２１の再生が行われない場合がある。そこで、ＥＣＵ３０は、ＤＰＦ２１に所定量以上のＰＭが堆積した場合に強制再生を実施させる。強制再生は、エンジン運転時における燃料の主噴射の後にポスト噴射を行って、未燃燃料を含んだ排気を排気管１３に排出させることによって行われる。排気中の未燃燃料は、第１の酸化触媒２２に流入して酸化し、排気温度を上昇させる。これにより、ＤＰＦ２１に堆積したＰＭを燃焼させ、ＤＰＦ２１を再生させる。

図２は、ＰＭの堆積量Ｑpの推定手順を示すフローチャートであり、以下、同フローチャートに沿って本発明に係るＰＭの堆積量Ｑpの推定制御を説明する。
本ルーチンは、エンジン１の作動開始に伴い実行が開始され、エンジン１の作動中は繰り返し実行される。
先ずステップＳ１０では、ＰＭの堆積量Ｑpの推定に必要なパラメータを入力する。この堆積量Ｑpの推定に必要なパラメータとして、差圧センサ２７により検出されたＤＰＦ２１の前後差圧Ｐd、エアフローセンサ１７により検出された吸気流量Ｑi、燃料噴射量Ｑf、温度センサ２６により検出されたＤＰＦ温度Ｔf、排気圧力Ｐe等が挙げられる。そして、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０において入力した吸気流量Ｑi及び燃料噴射量Ｑfに基づいて排気流量Ｑeを演算する（流量検出手段）。この排気流量Ｑeの演算は、例えばあらかじめＥＣＵ３０の記憶装置に記憶させておいたマップから吸気流量Ｑi及び燃料噴射量Ｑfに基づいて読み出すことによって行えばよい。そして、ステップＳ２２に進む。
ステップＳ２２では、ステップＳ２０において演算した排気流量Ｑeが所定値Ｑ1未満であるか否かを判別する。所定値Ｑ1未満である場合はステップＳ２４に進む。所定値Ｑ1は、排気の粘度による堆積量Ｑpの推定に対する影響が顕著に現れる上限値に設定すればよく、例えば４０００ｌ/ｍｉｎに設定すればよい。

ステップＳ２４では、ステップＳ２０において演算した排気流量Ｑeに基づいて縮流係数相当項補正係数Ｃr（閉塞度合）を演算する。この縮流係数相当項補正係数Ｃrの演算は、例えばあらかじめＥＣＵ３０の記憶装置に記憶させておいた図３に示すようなマップから排気流量Ｑeに基づいて読み出すことによって行われる。図３に示すように、縮流係数相当項補正係数Ｃrは、所定値Ｑ1以上では１で一定になっており、所定値Ｑ1未満の領域で排気流量Ｑeが低下するにしたがって低下する。そして、ステップＳ２６に進む。

ステップＳ２６では、縮流係数相当項（Ｂ×ζ）を補正する（補正手段）。この補正は、縮流係数相当項（Ｂ×ζ）に対して、ステップＳ２４において演算された縮流係数相当項補正係数Ｃrを乗算するものである。そして、ステップＳ２８に進む。
一方、ステップＳ２２において、排気流量Ｑeが所定値Ｑ1以上であると判定された場合にも、ステップＳ２８に進む。

ステップＳ２８では、補正後の縮流係数相当項（Ｂ×ζ）´を用いて、堆積量Ｑp´を演算する。詳しくは、まず、ＤＰＦ２１の圧損ΔＰ＝Ａ×μ×Ｑe＋（Ｂ×ζ）´×ρ×Ｑe２を利用して、前後差圧Ｐdを補正する。Ａ及びＢはＤＰＦ２１の諸元によって定まる定数であってＰＭの堆積量によって１次的に変化する。μは粘性係数、ζは縮流係数、ρは排気密度である。粘性係数μ及び排気密度ρは、排気温度（ＤＰＦ温度Ｔf）から、例えばマップを用いて求められる（排気粘度推定手段）。そして、補正後の前後差圧Ｐd´を用いるとともに、ステップＳ１０において入力した差圧Ｐd以外のパラメータを用いて堆積量Ｑpを演算する（堆積量推定手段）。

以上のように、排気流量Ｑeが所定値Ｑ1より少ない場合では、縮流係数相当項（Ｂ×ζ）に対して１より小さい縮流係数相当項補正係数Ｃrを乗算することで、ＤＰＦ２１の圧損ΔＰ、即ちＤＰＦ２１の前後差圧Ｐdが小さく補正され、これに伴い堆積量Ｑpが少なく推定される。したがって、排気の粘性によるＤＰＦ２１の閉塞を考慮した堆積量Ｑpの推定が可能となり、排気流量Ｑeが少ない低流量域で正確な堆積量Ｑpの推定が可能となる。

図４は、本実施形態における補正前及び補正後の堆積量（推定値）及び実際の堆積量を比較したグラフである。
図４に示すように、本実施形態では、排気流量Ｑeの少ない低流量域において、排気流量Ｑeに基づく補正によって堆積量Ｑpの推定値が低く抑えられ、実際の堆積量Ｑrにより近い値になっていることが判明できる。

本実施形態では、排気流量Ｑeに基づいて縮流係数相当項（Ｂ×ζ）を補正しているが、排気流量Ｑeに基づいて差圧補正係数Ｃdを演算しこの差圧補正係数ＣdによりＤＰＦ２１の差圧Ｐdを直接補正したり、排気流量Ｑeに基づいて堆積量補正係数Ｃpを演算しこの堆積量補正係数Ｃpにより堆積量Ｑpを補正したりしてもよい。差圧補正係数Ｃd及び堆積量補正係数Ｃpは、例えばあらかじめＥＣＵ３０の記憶装置に記憶させておいたマップから排気流量Ｑeに基づいて読み出すことによって求めればよい。また、これらの補正を複数組み合わせて行ってもよい。このように補正を複数行うことによって、堆積量の推定精度を更に向上させることができる。

以上の実施形態では、縮流係数相当項補正係数Ｃr、差圧補正係数Ｃd、堆積量補正係数Ｃpを、図３に示すように排気流量Ｑeが所定値Ｑ1以下の低流量域において低下するように補正しているが、更に所定値Ｑ1より大きい高流量域でも補正してよい。この場合、例えば図５に示すように、ＤＰＦ２１の諸元に基づいて、排気流量Ｑeが低下するに従ってこれらの係数Ｃr、Ｃd及びＣpを低下させるようにすればよい。

本発明に係る内燃機関の全体構成図である。 ＰＭの堆積量の推定手順を示すフローチャートである。 縮流係数相当項補正係数の一設定例を示すグラフである。 補正前及び補正後の推定堆積量及び実際の堆積量を比較したグラフである。 縮流係数相当項補正係数、差圧補正係数及び堆積量補正係数の他の設定例を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン
４ 燃料噴射ノズル
２１ ＤＰＦ
２６ 温度センサ
２７ 差圧センサ
３０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタと、
   前記フィルタの前後差圧を検出する差圧検出手段と、
   前記フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段と、
   前記フィルタ温度検出手段により検出されたフィルタの温度に基づいて、排気粘度を推定する排気粘度推定手段と、
   前記フィルタを通過する排気の流量を検出する流量検出手段と、
   前記差圧検出手段により検出されたフィルタの前後差圧、前記流量検出手段により検出された排気の流量及び前記排気粘度推定手段により推定された排気粘度に基づいて、前記フィルタに捕集されたパティキュレートの堆積量を推定する堆積量推定手段と、
   前記流量検出手段により検出された排気の流量に基づいて、前記堆積量推定手段により推定される堆積量を補正する補正手段と、を備え、
   前記補正手段は、前記流量検出手段により検出された排気の流量が所定の低流量域では、該低流量域よりも流量の多い高流量域より補正量を大きくすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記補正手段は、前記流量検出手段により検出された排気の流量に基づく前記フィルタの閉塞度合を補正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. 前記補正手段は、更に、前記流量検出手段により検出された排気の流量に基づいて、前記堆積量推定手段により推定された堆積量を補正することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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