JP2008255812A

JP2008255812A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2008255812A
Application number: JP2007096085A
Authority: JP
Inventors: Ryota Hosaka; 亮太保坂
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2008-10-23
Also published as: DE102008016858A1; US20080276599A1

Abstract

【課題】エネルギー消費を伴う粒子状物質の堆積量の推定頻度を適正化して、エネルギー消費を抑えることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ＤＰＦ１２の前後における排気圧力差ΔＰ１に基づいて第１のＰＭ堆積量ＱＰＭ１の推定処理を行う第１のマップデータを、ＤＰＦ１２の前後の排気圧力差ΔＰ１と、ＰＭを一時的に燃焼させた際の温度上昇に基づく第２のＰＭ堆積量の推定処理により得られた第２のＰＭ堆積量ＱＰＭ２と、に基づいて、排気圧力差ΔＰ１を算出した際のＰＭ堆積量が第２のＰＭ堆積量ＱＰＭ２と同値となるように修正し、次回の「第１のＰＭ堆積量の推定処理」によって推定された第１のＰＭ堆積量ＱＰＭ１の精度をより一層高めて、「第２のＰＭ堆積量の推定処理」を行うか否かをより的確に判断させる。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、さらに詳しくは、ディーゼルエンジンの排気ガス中から粒子状物質を捕集し、燃焼により除去する排気浄化装置に関する。

従来、この種の内燃機関の排気浄化装置にあっては、粒子状物質捕集手段に捕集した粒子状物質の堆積量を推定し、その推定値が所定値に達すると燃焼処理を行うように構成されている。
粒子状物質の堆積量の推定方法には、粒子状物質捕集手段よりも上流側の排気圧と下流側の排気圧との差圧によるもの（例えば、特許文献１参照）、堆積した粒子状物質を一時的に燃焼させた際の温度上昇によるものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−３４００２３号公報特開２００５−２２６５４７号公報

しかしながら、上記した従来の内燃機関の排気浄化装置にあっては、次のような問題がある。すなわち、前者にあっては、燃焼処理を行う際の排気ガスの温度や流量によっては、堆積した粒子状物質が燃焼したり、しなかったりすることがある。そのため、何回か燃焼処理を行った後では、例え堆積量が同一であっても差圧は異なることがあるので、差圧に基づいて堆積量を正確に推定することは困難である。
また、後者にあっては、推定量をほぼ正確に推定することはできるものの、排気温度上昇制御は、燃料の通常噴射に加えてポスト噴射（１回の燃焼のうち、メイン噴射後に行う噴射）を行うことによって実行される。このため、粒子状物質の堆積量を推定する度毎にエネルギーを消費するので、粒子状物質の堆積量を推定する推定頻度が多いとエネルギー消費量も多くなるという問題がある。

そこで、この発明は、上記した従来技術が有している問題点を解決するためになされたものであって、エネルギー消費を伴う粒子状物質の堆積量の推定頻度を適正化して、エネルギー消費を抑えることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気ガス中から粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集手段と、前記粒子状物質捕集手段の前後の排気圧力を検出する排気圧力検出手段と、前記粒子状物質捕集手段よりも下流側の排気温度を検出する排気温度検出手段と、前記粒子状物質捕集手段を通過する排気ガスの温度を上昇させる加熱手段と、前記粒子状物質捕集手段に捕集された前記粒子状物質の堆積量を推定すると共に、前記加熱手段を温度制御する制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記排気圧力検出手段が検出した検出値に基づいて算出した前記粒子状物質捕集手段の前後における排気圧力差と、予めメモリに保存した粒子状物質捕集手段の前後の排気圧差と粒子状捕集手段の粒子状物質堆積量との相関関係を示した第１のマップデータと、を用いて第１の粒子状物質堆積値を推定し、前記第１の粒子状物質堆積量が閾値に達している場合には、前記加熱手段により前記粒子状物質捕集手段に堆積した前記粒子状物質を一時的に燃焼させると共に、前記粒子状物質を燃焼させた際の温度上昇と、予め前記メモリに保存した粒子状物質を燃焼させた際の温度上昇と粒子状捕集手段の粒子状物質堆積量との相関関係を示した第２のマップデータと、を用いて第２の粒子状物質堆積量を推定し、前記排気圧力検出手段が検出した検出値に基づいて算出した前記粒子状物質捕集手段の前後における排気圧力差と、前記第２の粒子状物質堆積量とに基づいて前記第１のマップデータに示された粒子状物質捕集手段の前後の排気圧差と粒子状捕集手段の粒子状物質堆積量との相関関係を修正することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、粒子状物質捕集手段の前後における排気圧力差に基づいて粒子状物質堆積量の推定処理を行う第１のマップデータは、粒子状物質を一時的に燃焼させた際の温度上昇に基づく第２の粒子状物質堆積量の推定処理が実行されると、粒子状物質捕集手段の上流側排気圧と下流側排気圧との差圧と、第２の粒子状物質堆積量の推定処理によって求められた第２の粒子状物質堆積量と、に基づいて修正される。すなわち、次回の、第１のマップデータと、粒子状物質捕集手段の上流側排気圧と下流側排気圧との差圧と、により推定された第１の粒子状物質の堆積量の精度はより一層高まることとなる。これにより、第１のマップデータを用いて推定した第１の粒子状物質堆積量と、予め設定された閾値とを比較して、堆積した粒子状物質を一時的に燃焼させた際の温度上昇に基づいて第２の粒子状物質堆積量を推定する推定処理を行うか否かを的確に判断することができるようになる。その結果、エネルギー消費を伴う第２の粒子状物質の堆積量の推定頻度が適正化され、エネルギー消費を低減することができるようになる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、粒子状物質捕集手段の前後における排気圧力差に基づいて第１の粒子状物質堆積量の推定処理を行うための第１のマップデータは、堆積した粒子状物質を一時的に燃焼させる第２の粒子状物質堆積量の推定処理が行われると、推定誤差がなくなるように修正される。そして、その修正された第１のマップデータを用いて推定された第１の粒子状物質堆積量と閾値とを比較することにより、堆積した粒子状物質を一時的に燃焼させた際の温度上昇に基づいて第２の粒子状物質堆積量を推定する推定処理を行うか否かが的確に判断されるようになる。その結果、エネルギー消費を伴う第２の粒子状物質の堆積量の推定頻度が適正化され、エネルギー消費を低減することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することができるようになる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明が適用された内燃機関の排気浄化装置の構成図である。

まず、本発明が適用された内燃機関の排気浄化装置の構成について図１を用いて説明する。
同図に示されるように、内燃機関の排気浄化装置１０は、内燃機関としてのディーゼルエンジン１１、粒子状物質捕集装置１２、第１及び第２の排気圧センサ１３，１４、排気温度センサ１５、加熱装置、制御装置としてのＥＣＵ１６、を備えて構成されている。

詳述すると、ディーゼルエンジン１１は、ＥＣＵ１６の制御下で、エンジンの燃焼室内において圧縮した空気に燃料を噴射して着火、燃焼させて動力を得るものである。燃料の噴射量は、ＥＣＵ１６内部のマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）が、アクセルペダル操作量、エンジン回転数、及び多くの追加補正係数を、メモリに保存されている特性マップデータと比較して適切に算出する。そして、燃焼室内の燃焼ガスは、排気ガスとしてエンジンから排出される。

粒子状物質捕集装置（以下、ＤＰＦという）１２は、ディーゼルエンジン１１の排気ガス中に含まれている粒子状物質（以下、ＰＭという）を、例えば、セラミックファィバ製（炭化珪素モノリス）のフィルタによって捕集し、堆積したＰＭが所定量に達したならば、ＥＣＵ１６の制御下の加熱手段を用いて排気温度を上昇させて、フィルタに担持した触媒の反応によりＰＭを燃焼させて除去し、フィルタを再生するように構成されている。なお、フィルタに堆積したＰＭ堆積量は、詳しくは後述するが、ＥＣＵ１６が推定するようになっている。

第１及び第２の排気圧センサ１３，１４は、ＤＰＦ１２を通過する前後、すなわちＤＰＦ１２の上流側排気圧と下流側排気圧とをそれぞれ検出するものである。これら第１及び第２の排気圧センサ１３，１４が検出した検出値は、ＥＣＵ１６に入力されて、ＰＭ堆積量を推定する際に用いられる。これは、ＤＰＦ１２で捕集したＰＭ量が増えると、ＤＰＦ１２を通過する前後で排気ガスの圧力差が上昇するためである。
なお、第１及び第２の排気圧センサ１３，１４の代わりに、ＤＰＦ１２を通過する前後の排気圧力差を検出する排気差圧センサを用いてもよい。

排気温度センサ１５は、ＤＰＦ１２を通過した排気ガスの排気温度ＴＡＦＴを検出するものであり、ＤＰＦ１２の下流側に配置されている。この排気温度センサ１５が検出した検出値は、ＥＣＵ１６に入力されて、ＰＭ堆積量の推定や、ＤＰＦ１２を再生するための温度制御（ＤＰＦ１２の温度を必要以上に上げすぎると触媒が劣化するため）等に用いられる。

加熱手段は、ＥＣＵ１６の制御下で、ＤＰＦ１２に流入する排気ガスの温度をＰＭの燃焼温度まで上昇させるものである。具体的には、燃料の通常噴射に加えてポスト噴射（１回の燃焼のうち、メイン噴射後に行う噴射）を行う燃料噴射制御である。なお、加熱手段は、燃料噴射制御にのみ限定されるものではなく、例えば、ＤＰＦ１２のフィルタに密着させた電気ヒータであってもよい。

ＥＣＵ１６は、燃料噴射制御、ＰＭ堆積量の推定処理やＰＭの燃焼処理を行うためのコンピュータプログラムに従って動作するマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）を備えた回路で形成されている。すなわち、このＥＣＵ１６は、アクセルペダル操作量、エンジン回転数、及び多くの追加補正係数を、図示しないメモリに保存されている特性マップデータと比較し、適切な噴射量を演算し、実行させるように設定されている。
さらに、このＥＣＵ１６は、メモリに保存されている複数のマップデータ（数値テーブル）と、第１及び第２の排気圧センサ１３，１４の検出値と、排気温度センサ１５の検出値とに基づいてＰＭ堆積量の推定を行うように設定されている。
さらには、ＥＣＵ１６は、ＰＭ堆積量（以下にあっては、第２のＰＭ堆積量ＱＰＭ２のこと）が所定値（閾値）に達したならば、加熱手段を用いてＤＰＦ１２を通過する排気ガスの排気温度を上昇させて、ＤＰＦ１２に堆積したＰＭを燃焼させてＤＰＦ１２を再生するための温度制御を行うように設定されている。

ここで、ＥＣＵ１６にて行われるＰＭ堆積量の推定方法について図２〜５を用いて説明する。
図２は、ＥＣＵにて行われるＰＭ堆積量の推定方法を示したフローチャート、図３は、差圧ΔＰとＰＭ堆積量との関係を示す第１のマップデータ、図４は、ＤＰＦの温度上昇とＰＭ堆積量との関係を説明するための図、図５は、ＤＰＦの温度上昇とＰＭ堆積量との関係を示す第２のマップデータである。

まず、ＥＣＵ１６は、ステップ１において、第１の排気圧センサ１３によって検出されたＤＰＦ１２の上流側の排気圧Ｐ１と、第２の排気圧センサ１４によって検出されたＤＰＦ１２の下流側の排気圧Ｐ２との読み込みを開始する。

ステップ２では、読み込んだ排気圧Ｐ１と排気圧Ｐ２とに基づいて、ＤＰＦ１２の上流側排気圧と下流側排気圧との差圧ΔＰ１をΔＰ＝｜Ｐ２−Ｐ１｜から算出する。

ステップ３では、ステップ２で算出された差圧ΔＰ１と、メモリに保存されている第１のマップデータとに基づいて第１のＰＭ堆積値ＱＰＭ１を推定する「第１のＰＭ堆積量の推定処理」を開始する。なお、「第１のＰＭ堆積量の推定処理」は、予め設定された所定間隔をあけて実行されるようになっている。
第１のマップデータには、図３に示されるように、ＤＰＦ１２の上流側排気圧と下流側排気圧との差圧ΔＰと、ＤＰＦ１２のＰＭ堆積量との相関関係がラインＬ１（ＯＬＤ）によって示されており、ＤＰＦ１２の上流側排気圧と下流側排気圧との差圧ΔＰ１を算出すると、ＤＰＦ１２の第１のＰＭ堆積量ＱＰＭ１が推定される。
なお、ＰＭ堆積量ＱＰＭ１は、フィルタのセル隔壁の表面を平滑面（幾何表面）とみなした場合の幾何表面１ｍ^2あたり堆積量（ｇ）で表している（^は、べき乗の演算子）。

ステップ４では、第１のマップデータを用いて推定した第１のＰＭ堆積量ＱＰＭ１と、予め設定された閾値とを比較して、堆積したＰＭを一時的に燃焼させた際の温度上昇に基づいてＰＭ堆積量ＱＰＭ２を推定する「第２のＰＭ堆積量の推定処理」を開始するか否かを判断する。
第１のＰＭ堆積量ＱＰＭ１が閾値に達していない、つまり燃焼処理を実行する程ＰＭが堆積していないと判断すると、ステップ１にリターンする。
これに対し、第１のＰＭ堆積量ＱＰＭ１が閾値に達した、つまり堆積したＰＭの燃焼処理を実行する必要があると判断すると、ステップ５に移行して、堆積したＰＭを一時的に燃焼させた際の温度上昇に基づいてＰＭ堆積量ＱＰＭ２を推定する「第２のＰＭ堆積量の推定処理」を開始する。

ここで、堆積したＰＭを一時的に燃焼させた際の温度上昇に基づいてＰＭ堆積量を推定する「第２のＰＭ堆積量の推定処理」について説明する。
ＤＰＦ１２は、ポスト噴射制御が開始されると、未燃の燃料が排気ガスと共に供給され、ＤＰＦ１２に担持した触媒が反応熱を発することにより温度が上昇するのに応じて、ＤＰＦ１２の下流側における排気温度ＴＡＦＴも上昇する。このとき、ＰＭ堆積量が少なければ、ＤＰＦ１２の熱容量は小さいので、図４に示されるラインＬ３で示すように、排気温度ＴＡＦＴは比較的速い温度で上昇する。これに対し、ＰＭ堆積量が多ければ、堆積したＰＭ量に応じて熱容量は大きくなるので、同図のラインＬ４で示すように、排気温度ＴＡＦＴは比較的緩やかに上昇する。なお、α１及びα２は、一定時間当たりの温度上昇量、すなわち、温度上昇速度に相当する。

そこで、予め実験により、ポスト噴射制御開始から一定時間ｔが経過後の排気温度ＴＡＦＴの温度上昇値とＰＭ堆積量との相関関係を示すマップデータ（後述する第２のマップデータのこと）を作成してメモリに保存しておき、そのマップデータを用いてＰＭ堆積量を推定してやれば、ほぼ正確な推定値が得られることとなる。

すなわち、ステップ６では、ポスト噴射制御開始から一定時間ｔ経過後の排気温度ＴＡＦＴの温度上昇値を排気温度センサ１５が検出した検出値に基づいて算出し、次のステップ７では、その算出値（排気温度ＴＡＦＴの温度上昇値）と、図５に示された第２のマップデータとに基づいて第２のＰＭ堆積量ＱＰＭ２を推定する。

ステップ８では、差圧ΔＰ１と第２のＰＭ堆積量ＱＰＭ２とに基づいて図３に示された第１のマップデータのラインＬ１（ＯＬＤ）の傾きを修正すると共に新たなラインＬ１（ＮＥＷ）としてメモリに保存する。それから、ステップ１にリターンする。

これは、第１のＰＭ堆積量ＱＰＭ１と第２のＰＭ堆積量ＱＰＭ２とがずれているということは、第１のマップデータのラインＬ１（ＯＬＤ）を用いてＰＭ堆積量を推定したのでは、推定した値（第１のＰＭ堆積量ＱＰＭ１）に誤差が含まれるということである。この誤差を取り除くには、ラインＬ１（ＯＬＤ）の傾きを、差圧ΔＰ１と第２のＰＭ堆積量ＱＰＭ２とに応じて修正すればよい。すなわち、差圧ΔＰ１を算出した際のＰＭ堆積量が第２のＰＭ堆積量ＱＰＭ２と同値となるようにラインＬ１（ＯＬＤ）の傾きを修正する。そして修正したラインを新たなラインＬ１（ＮＥＷ）としてメモリに保存（更新、上書き）する。
なお、新たなラインＬ１（ＮＥＷ）の傾きが閾値を超えた場合は、第１及び第２の排気圧センサ１３，１４或いは排気温度センサ１５の故障と判断して、前回のラインＬ１（ＯＬＤ）をそのままメモリに保存する。

以上述べたように本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、「第１のＰＭ堆積量の推定処理」を行うための第１のマップデータのラインＬ１（ＯＬＤ）は、「第２のＰＭ堆積量の推定処理」が実行されると、ＤＰＦ１２の上流側排気圧と下流側排気圧との差圧ΔＰ１と、「第２のＰＭ堆積量の推定処理」によって求められた第２のＰＭ堆積量ＱＰＭ２と、に応じて修正される。これにより、次回の「第１のＰＭ堆積量の推定処理」によって推定された第１のＰＭ堆積量ＱＰＭ１の精度はより一層高まることとなるので、第１のマップデータ（ＮＥＷバージョン）を用いて推定した第１のＰＭ堆積量と、予め設定された閾値とを比較して、堆積したＰＭを一時的に燃焼させた際の温度上昇に基づいて第２のＰＭ堆積量を推定する推定処理を行うか否かをより的確に判断することができるようになる。その結果、エネルギー消費を伴う第２のＰＭ堆積量の推定頻度が適正化され、エネルギー消費を抑えることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することができるようになる。

本発明が適用された内燃機関の排気浄化装置の構成図である。ＥＣＵにて行われるＰＭ堆積量の推定方法を示したフローチャートである。差圧ΔＰとＰＭ堆積量との関係を示す第１のマップデータである。ＤＰＦの温度上昇とＰＭ堆積量との関係を説明するための図である。ＤＰＦの温度上昇とＰＭ堆積量との関係を示す第２のマップデータである。

符号の説明

１０…内燃機関の排気浄化装置
１１…ディーゼルエンジン（内燃機関）
１２…ＤＰＦ，粒子状物質捕集装置（粒子状物質捕集手段）
１３…第１の排気圧センサ（排気圧力検出手段）
１４…第２の排気圧センサ（排気圧力検出手段）
１５…排気温度センサ（排気温度検出手段）
１６…ＥＣＵ，制御装置（制御手段）
ＰＭ…粒子状物質

Claims

内燃機関の排気ガス中から粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集手段と、
前記粒子状物質捕集手段の前後の排気圧力を検出する排気圧力検出手段と、
前記粒子状物質捕集手段よりも下流側の排気温度を検出する排気温度検出手段と、
前記粒子状物質捕集手段を通過する排気ガスの温度を上昇させる加熱手段と、
前記粒子状物質捕集手段に捕集された前記粒子状物質の堆積量を推定すると共に、前記加熱手段を温度制御する制御手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記制御手段は、前記排気圧力検出手段が検出した検出値に基づいて算出した前記粒子状物質捕集手段の前後における排気圧力差と、予めメモリに保存した粒子状物質捕集手段の前後の排気圧差と粒子状捕集手段の粒子状物質堆積量との相関関係を示した第１のマップデータと、を用いて第１の粒子状物質堆積値を推定し、
前記第１の粒子状物質堆積量が閾値に達している場合には、前記加熱手段により前記粒子状物質捕集手段に堆積した前記粒子状物質を一時的に燃焼させると共に、前記粒子状物質を燃焼させた際の温度上昇と、予め前記メモリに保存した粒子状物質を燃焼させた際の温度上昇と粒子状捕集手段の粒子状物質堆積量との相関関係を示した第２のマップデータと、を用いて第２の粒子状物質堆積量を推定し、
前記排気圧力検出手段が検出した検出値に基づいて算出した前記粒子状物質捕集手段の前後における排気圧力差と、前記第２の粒子状物質堆積量とに基づいて前記第１のマップデータに示された粒子状物質捕集手段の前後の排気圧差と粒子状捕集手段の粒子状物質堆積量との相関関係を修正することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。