JP2013234594A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタにおける粒子状物質の堆積量を精度良く推定することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタが排気通路に設けられている。電子制御装置は、前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆに対して圧縮性補正係数Ｋを乗じることによりＰＭ堆積量推定値Ｄｐ２を算出する。この圧縮性補正係数Ｋは、当該ＰＭ堆積量推定値Ｄｐ２を算出するに先立ち、前回の制御周期において算出されたＰＭ堆積量推定値Ｄｐ１、直前に算出されているアッシュ堆積量推定値Ｄａ、及び排気流量Ｆに基づき設定される。
【選択図】図５

Description

本発明は、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタが排気通路に設けられる内燃機関に適用され、同フィルタに堆積している粒子状物質の量を推定する排気浄化装置に関する。

従来、ディーゼル機関の排気通路にフィルタを設け、このフィルタにより排気中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するようにした排気浄化装置が周知である（例えば特許文献１参照）。フィルタにより捕集されたＰＭの堆積量が増大するにつれてフィルタでの圧力損失が増大し、これに伴いエンジンの排気背圧が増大して機関出力が低下するといった問題や燃費が悪化するといった問題が生じる。

そこで、フィルタに捕集されているＰＭの堆積量（以下、ＰＭ堆積量）を推定するとともに、この推定値が所定値以上に達すると、ポスト噴射の実行等を通じてフィルタに流入する排気の温度を上昇させてフィルタを高温化し、これにより、フィルタに堆積しているＰＭを酸化（燃焼）除去してフィルタを再生するようにしている。

ここで、ＰＭ堆積量を推定する方法としては、フィルタの前後差圧を差圧センサにより検出するとともに、その検出値に基づきＰＭ堆積量を推定する方法がある。これは、ＰＭ堆積量が増大するほどフィルタの前後差圧が大きくなる傾向に着目したものである。

特開２００９―２２８４８７号公報

ところで、フィルタの前後差圧に基づきＰＭ堆積量を推定する構成にあっては、フィルタの前後差圧が大きくなるほどＰＭ堆積量の推定精度が悪化することから、フィルタにおけるＰＭ堆積量を精度良く推定することが困難なものとなっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フィルタにおける粒子状物質の堆積量を精度良く推定することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
（１）請求項１に記載の発明は、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタが排気通路に設けられる内燃機関に適用され、同フィルタに堆積している粒子状物質の量を推定する排気浄化装置において、前記フィルタの前後差圧を排気流量で除した値に対して補正係数を乗じることにより同フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定値を算出するものであり、前記補正係数は、当該粒子状物質の堆積量推定値を算出するに先立ち、それまでに算出されている前記フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定値、それまでに算出されている同フィルタにおけるアッシュの堆積量推定値、及び排気流量に基づき設定されることをその要旨としている。

フィルタにおける粒子状物質の堆積量が同一であっても排気流量が多いほどフィルタの前後差圧が大きくなる。上記構成によれば、フィルタの前後差圧を排気流量で除した値に基づき粒子状物質の堆積量推定値が算出されるようになる。このため、粒子状物質の堆積量推定値に対して排気流量が及ぼす影響を小さくすることができるようになる。

ここで、粒子状物質の堆積量が同一であってもフィルタの前後差圧を排気流量で除した値は常に一定値にはならないことが発明者によって見出された。すなわち、フィルタの前後差圧が高くなる状況下ほど実際にはフィルタを通過する排気が圧縮されるようになることから、フィルタの前後差圧が高くなる状況下ほどこうした排気の圧縮性に起因してフィルタの前後差圧を排気流量で除した値が小さく算出される傾向がある。また、粒子状物質の堆積量が同一であってもアッシュ堆積量が多いときほどフィルタの目詰まりが生じやすくなり、フィルタの前後差圧が大きくなる傾向がある。上記構成によれば、上記補正係数が、それまでに算出されている粒子状物質の堆積量推定値と、それまでに算出されているアッシュの堆積量推定値と、排気流量とに基づき設定される。このため、上記補正係数には、粒子状物質の堆積量推定値、アッシュの堆積量推定値、排気流量が加味されるようになり、上記補正係数が適切な値に設定されるようになる。従って、フィルタにおける粒子状物質の堆積量を精度良く推定することができるようになる。

ちなみに、上記補正係数は、粒子状物質の堆積量推定値及び排気流量が一定であるとき、アッシュの堆積量推定値が大きいほど大きな値に設定されることとなる。
（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定値、同フィルタにおけるアッシュの堆積量推定値、及び排気流量と、前記補正係数との関係を規定したマップを備え、前記補正係数は前記マップを参照して設定されることをその要旨としている。

同構成によれば、粒子状物質の堆積量推定値、アッシュの堆積量推定値、及び排気流量と、補正係数との関係が規定されたマップを参照して補正係数が設定されるようになるため、補正係数の設定を容易且つ的確に行なうことができるようになる。

（３）請求項１又は請求項２に記載の発明は、請求項３に記載の発明によるように、前記フィルタの前後差圧を排気流量で除した値に対して補正係数を乗じることにより算出された粒子状物質の堆積量推定値に基づき前記補正係数を設定するといった態様をもって具体化することができる。

この場合、フィルタの前後差圧に基づく算出態様のみによって粒子状物質の堆積量推定値を算出することが可能となるため、粒子状物質の堆積量推定値の算出態様を簡易なものとすることができるようになる。

（４）また、請求項１又は請求項２に記載の発明は、請求項４に記載の発明によるように、機関運転状態に基づき前記フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定値を別途算出するとともに、この算出された粒子状物質の堆積量推定値に基づき前記補正係数を設定するといった態様をもって具体化することができる。

この場合、例えばそのときどきの機関回転速度及び燃料噴射量に基づきフィルタに新たに堆積した粒子状物質の量を算出するとともにこれを積算することにより、フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定値を算出することが好ましい。

（５）また、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明は、請求項５に記載の発明によるように、内燃機関は車載内燃機関であり、機関潤滑油の消費量及び車両の走行距離の少なくとも一方に基づき前記フィルタにおけるアッシュの堆積量推定値を算出するとともに、この算出されたアッシュの堆積量推定値に基づき前記補正係数を設定するといった態様をもって具体化することができる。

フィルタに堆積しているアッシュの量は、機関潤滑油の消費量や車両の走行距離と相関を有する。このため、上記態様によれば、アッシュの堆積量推定値を的確に算出することができるようになる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置について、フィルタを中心とした排気浄化装置の構成を示す概略図。 ＰＭ堆積量が０ｇであるときのアッシュ堆積量とフィルタの前後差圧を排気流量で除した値との関係を異なる排気流量毎に示すグラフ。 ＰＭ堆積量が１５ｇであるときのアッシュ堆積量とフィルタの前後差圧を排気流量で除した値との関係を異なる排気流量毎に示すグラフ。 （ａ）〜（ｃ）はアッシュ堆積量と補正係数との関係を異なる排気流量毎に示すマップ。 同実施形態におけるＰＭ堆積量推定値の算出処理の実行手順を示すフローチャート。

以下、図１〜図５を参照して、本発明を車載ディーゼル機関（以下、機関）の排気浄化装置として具体化した一実施形態について説明する。
図１に示すように、機関の排気通路２には上流側から順に、酸化触媒４、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭ）を捕集するフィルタ６が設けられている。

フィルタ６におけるＰＭの堆積量推定値（以下、ＰＭ堆積量推定値）を算出する処理を含む機関の各種制御は、電子制御装置２０により実行される。電子制御装置２０は、各種制御に係る演算処理を実施する中央演算処理装置（ＣＰＵ）、各種制御用のプログラムやデータが記憶された読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、演算処理の結果等を一時的に記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備えて構成されている。そして、電子制御装置２０は、各種センサの検出信号を読み込み、各種演算処理を実行し、その結果に基づいて機関を統括的に制御する。

各種センサとしては、機関回転速度ＮＥを検出する機関回転速度センサ２１、アクセル操作量ＡＣＣＰを検出するアクセル操作量センサ２２、吸入空気量ＧＡを検出する吸入空気量センサ２３、及びフィルタ６の前後差圧ΔＰを検出する差圧センサ２４が設けられている。またこの他、機関運転状態や車両走行状態を把握するための各種センサが設けられている。尚、排気流量Ｆは吸入空気量ＧＡ及び燃料噴射量Ｑから求められる。

さて、フィルタ６におけるＰＭ堆積量が同一であっても排気流量Ｆが多いほどフィルタ６の前後差圧ΔＰが大きくなる。そこで、本実施形態では、フィルタ６の前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆに基づきＰＭ堆積量推定値を算出するようにしている。これにより、ＰＭ堆積量推定値に対して排気流量Ｆが及ぼす影響を小さくするようにしている。

ここで、前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆに対してアッシュ堆積量、排気流量Ｆ、及びＰＭ堆積量が及ぼす影響について説明する。
アッシュは、フィルタ６に堆積する堆積物のうちポスト噴射等によってフィルタ６を再生した際に酸化除去されない灰分である。そのため、ＰＭ堆積量が同一であっても、アッシュ堆積量が多くなるほど、フィルタ６の前後差圧ΔＰが増大する。

図２に、ＰＭ堆積量が０ｇであるとき、すなわちフィルタ６にＰＭが堆積していないときのアッシュ堆積量（ｇ）と、前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆとの関係を異なる排気流量Ｆ毎に示す。

図２に示すように、ＰＭ堆積量が０ｇであるとき、アッシュ堆積量が多くなるほど前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆは大きくなる。またこのとき、アッシュ堆積量が約１４０ｇ以上においては、排気流量Ｆが多くなるほど前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆは小さくなる。

図３に、ＰＭ堆積量が１５ｇであるときのアッシュ堆積量（ｇ）と、前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆとの関係を異なる排気流量Ｆ毎に示す。
図３に示すように、ＰＭ堆積量が１５ｇであるときにおいても、アッシュ堆積量が多くなるほど前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆは大きくなる。この値ΔＰ／Ｆは、ＰＭ堆積量が０ｇであるときに比べて同一のアッシュ堆積量、同一の排気流量Ｆにおいてそれぞれ大きくなる。またこのとき、アッシュ堆積量全域において、排気流量Ｆが多くなるほど前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆは小さくなる。

これらのことから、ＰＭ堆積量が同一であっても他の条件が異なれば、前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆは一定値にならない。より詳しくは、排気流量Ｆが多い状況下のようにフィルタ６の前後差圧ΔＰが高くなる状況下ほど実際にはフィルタ６を通過する排気が圧縮されることとから、前後差圧ΔＰが高くなる状況下ほどこうした排気の圧縮性に起因して前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆが小さく算出される傾向がある。また、ＰＭ堆積量が同一であってもアッシュ堆積量が多いときほどフィルタ６の目詰まりが生じやすくなり、フィルタ６の前後差圧ΔＰが大きくなる傾向がある。

そこで、本実施形態では、電子制御装置２０を通じて、前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆに対して圧縮性補正係数Ｋを乗じることによりＰＭ堆積量推定値Ｄｐを算出するようにしている。ここで、上記圧縮性補正係数Ｋは、当該ＰＭ堆積量推定値を算出するに先立ち、前回の制御周期において算出されたＰＭ堆積量推定値Ｄｐ、直前に算出されているアッシュ堆積量推定値Ｄａ、及び排気流量Ｆに基づき設定される。具体的には、電子制御装置２０は、図４（ａ）〜（ｃ）に一例を示すように、ＰＭ堆積量推定値Ｄｐ、アッシュ堆積量推定値Ｄａ、及び排気流量Ｆと、圧縮性補正係数Ｋとの関係を規定したマップを備えており、このマップを参照して圧縮性補正係数Ｋが設定される。

尚、図４（ａ）はＰＭ堆積量推定値Ｄｐが０ｇのときのアッシュ堆積量推定値Ｄａ（ｇ）と圧縮性補正係数Ｋとの関係を異なる排気流量Ｆ毎に示している。
また図４（ｂ）はＰＭ堆積量推定値Ｄｐが１０ｇのときのアッシュ堆積量推定値Ｄａ（ｇ）と圧縮性補正係数Ｋとの関係を異なる排気流量Ｆ毎に示している。

また図４（ｃ）はＰＭ堆積量推定値Ｄｐが２０ｇのときのアッシュ堆積量推定値Ｄａ（ｇ）と圧縮性補正係数Ｋとの関係を異なる排気流量Ｆ毎に示している。
またこれら図中において実線は排気流量Ｆが１０（ｇ／ｓ）のとき、破線は排気流量Ｆが５０（ｇ／ｓ）のとき、一点鎖線は排気流量Ｆが１００（ｇ／ｓ）のときの上記関係をそれぞれ示している。

図４（ａ）〜（ｃ）に併せ示すように、ＰＭ堆積量推定値Ｄｐが一定であれば、アッシュ堆積量推定値Ｄａが大きくなるほど圧縮性補正係数Ｋは大きくされている。より詳しくは、アッシュ堆積量推定値Ｄａが大きくなるほど同アッシュ堆積量推定値Ｄａに対する圧縮性補正係数Ｋの変化量、すなわち傾きは大きくされている。

またこのとき、アッシュ堆積量推定値Ｄａが一定であれば、排気流量Ｆが多いほど圧縮性補正係数Ｋは大きくされている。
更に、同一のアッシュ堆積量推定値Ｄａ及び同一の排気流量ＦにおいてはＰＭ堆積量推定値Ｄｐが大きくなるほど圧縮性補正係数Ｋは大きくされている。

次に、図５のフローチャートを参照して、本実施形態におけるＰＭ堆積量推定値の算出処理の実行手順について説明する。尚、この一連の処理は機関運転中において電子制御装置２０により所定期間毎に繰り返し実行される。

図５に示すように、この一連の処理では、まず、差圧センサ２４により検出されたフィルタ６の前後差圧ΔＰを読み込む（ステップＳ１）。
次に、ステップＳ２に進み、吸入空気量センサ２３により検出された吸入空気量ＧＡと機関運転状態に基づき算出される燃料噴射量Ｑとから排気流量Ｆを算出する。

次に、ステップＳ３に進み、図４に示す３次元マップを参照して、前回の制御周期において算出されたＰＭ堆積量推定値Ｄｐ１、直前に算出されたアッシュ堆積量推定値Ｄａ、及び排気流量Ｆに基づき圧縮性補正係数Ｋを設定する。ちなみに、本実施形態では、ＰＭ堆積量推定値の算出処理とは別の周知の算出処理を通じて、所定期間毎にアッシュ堆積量推定値Ｄａが算出される。具体的には、アッシュ堆積量推定値Ｄａは機関潤滑油の消費量及び車両の走行距離の双方に基づき算出される。

こうして圧縮性補正係数Ｋを設定すると、次に、ステップＳ４に進み、前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆに対して圧縮性補正係数Ｋを乗じることにより（式（１）参照）、ＰＭ堆積量推定値Ｄｐ２を算出し、この一連の処理を一旦終了する。

Ｄｐ２ ＝ （ΔＰ／Ｆ）・Ｋ ・・・（式１）

次に、本実施形態の作用について説明する。

前述したように、フィルタ６におけるＰＭ堆積量が同一であっても排気流量Ｆが多いほどフィルタ６の前後差圧ΔＰが大きくなる。本実施形態によれば、フィルタ６の前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆに基づきＰＭ堆積量推定値Ｄｐが算出されるようになる。このため、ＰＭ堆積量推定値Ｄｐに対して排気流量Ｆが及ぼす影響を小さくすることができるようになる。

また、本実施形態によれば、上記圧縮性補正係数Ｋが、前回の制御周期において算出されたＰＭ堆積量推定値Ｄｐ１と、それまでに算出されているアッシュ堆積量推定値Ｄａと、排気流量Ｆとに基づき設定される。このため、上記圧縮性補正係数Ｋには、これらＰＭ堆積量推定値Ｄｐ１、アッシュ堆積量推定値Ｄａ、排気流量Ｆが加味されるようになる。これにより、上記圧縮性補正係数Ｋが適切な値に設定されるようになる。従って、フィルタ６におけるＰＭ堆積量を精度良く推定することができるようになる。

以上説明した本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、以下に示す効果（１）〜（３）が得られるようになる。
（１）電子制御装置２０は、前後差圧ΔＰを排気流量Ｆで除した値ΔＰ／Ｆに対して圧縮性補正係数Ｋを乗じることによりＰＭ堆積量推定値Ｄｐ２を算出する。この圧縮性補正係数Ｋは、当該ＰＭ堆積量推定値Ｄｐ２を算出するに先立ち、前回の制御周期において算出されたＰＭ堆積量推定値Ｄｐ１、直前に算出されているアッシュ堆積量推定値Ｄａ、及び排気流量Ｆに基づき設定される。こうした構成によれば、ＰＭ堆積量を精度良く推定することができるようになる。

（２）ＰＭ堆積量推定値Ｄｐ１、アッシュ堆積量推定値Ｄａ、及び排気流量Ｆと、圧縮性補正係数Ｋとの関係を規定した３次元マップを備えている。また、圧縮性補正係数Ｋはこの３次元マップを参照して設定される。こうした構成によれば、上記３次元マップを参照して圧縮性補正係数Ｋが設定されるようになるため、圧縮性補正係数Ｋの設定を容易且つ的確に行なうことができるようになる。また、前後差圧ΔＰに基づく算出態様のみによってＰＭ堆積量推定値を算出することが可能となるため、ＰＭ堆積量推定値の算出態様を簡易なものとすることができるようになる。

（３）機関潤滑油の消費量及び車両の走行距離の双方に基づきフィルタ６におけるアッシュ堆積量推定値Ｄａを算出するとともに、この算出されたアッシュ堆積量推定値Ｄａに基づき圧縮性補正係数Ｋを設定する。フィルタ６に堆積しているアッシュの量は、機関潤滑油の消費量や車両の走行距離と相関を有することから、こうした構成によれば、アッシュ堆積量推定値Ｄａを的確に算出することができるようになる。

尚、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。

・上記実施形態では、機関潤滑油の消費量及び車両の走行距離の双方に基づきアッシュ堆積量推定値Ｄａを算出するようにしたが、アッシュ堆積量推定値の算出方法はこれに限られるものではなく、機関潤滑油の消費量及び車両の走行距離のいずれか一方に基づきアッシュ堆積量推定値Ｄａを算出するようにしてもよい。また他の算出方法によりアッシュ堆積量推定値を算出するようにしてもよい。

・上記実施形態では、前回の制御周期において算出されたＰＭ堆積量推定値Ｄｐ１に基づき圧縮性補正係数Ｋを設定するようにしたが、こうした補正係数の設定に用いられるＰＭ堆積量推定値の算出方法はこれに限られるものではない。他に例えば、そのときどきの機関回転速度ＮＥ及び燃料噴射量Ｑに基づきフィルタ６に新たに堆積したＰＭの量を算出するとともにこれを積算していくことによって、ＰＭ堆積量推定値を算出するようにしてもよい。尚、この場合には、フィルタが完全に再生された際には、ＰＭ堆積量推定値を例えば「０」にすればよい。

・上記実施形態では、３次元マップを参照することによって圧縮性補正係数Ｋを設定するようにしたが、これに代えて、ＰＭ堆積量推定値Ｄｐ、アッシュ堆積量推定値Ｄａ、及び排気流量Ｆと、補正係数との関数を用意しておき、この関数によって補正係数を算出するようにすることもできる。

・本発明をガソリン機関の排気浄化装置として具現化することもできる。

２…排気通路、４…酸化触媒、６…フィルタ、２０…電子制御装置、２１…機関回転速度センサ、２２…アクセル操作量センサ、２３…吸入空気量センサ、２４…差圧センサ。

Claims (5)

1. 排気中の粒子状物質を捕集するフィルタが排気通路に設けられる内燃機関に適用され、同フィルタに堆積している粒子状物質の量を推定する排気浄化装置において、
   前記フィルタの前後差圧を排気流量で除した値に対して補正係数を乗じることにより同フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定値を算出するものであり、
   前記補正係数は、当該粒子状物質の堆積量推定値を算出するに先立ち、それまでに算出されている前記フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定値、それまでに算出されている同フィルタにおけるアッシュの堆積量推定値、及び排気流量に基づき設定される
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定値、同フィルタにおけるアッシュの堆積量推定値、及び排気流量と、前記補正係数との関係を規定したマップを備え、
   前記補正係数は前記マップを参照して設定される
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記フィルタの前後差圧を排気流量で除した値に対して補正係数を乗じることにより算出された粒子状物質の堆積量推定値に基づき前記補正係数を設定する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   機関運転状態に基づき前記フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定値を別途算出するとともに、この算出された粒子状物質の堆積量推定値に基づき前記補正係数を設定する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   内燃機関は車載内燃機関であり、
   機関潤滑油の消費量及び車両の走行距離の少なくとも一方に基づき前記フィルタにおけるアッシュの堆積量推定値を算出するとともに、この算出されたアッシュの堆積量推定値に基づき前記補正係数を設定する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。