JP2019183816A - 排気処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】昇温開始時から温度安定時まで昇温に用いられる燃料添加量を適切に調整する。【解決手段】制御装置は、ＰＭ堆積量を算出するステップ（Ｓ１００）と、ＰＭ堆積量が再生判定値よりも大きいと（Ｓ１０２にてＹＥＳ）、ベース燃料添加量を算出するステップ（Ｓ１０４）と、要求燃料添加量を算出するステップ（Ｓ１１６）と、各部の燃料添加量の部分上限値を算出するステップ（Ｓ１１８）と、燃料添加量の指令値の上限値を設定するステップ（Ｓ１２０）と、燃料添加量の指令値を設定するステップ（Ｓ１２２）と、燃料添加制御を実行するステップ（Ｓ１２４）とを含む、制御処理を実行する。【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンから排出される排気を浄化する排気処理システムに関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を浄化するために、排気管には排気処理装置が設けられる。排気処理装置は、たとえば、粒子状物質を捕集するＰＭ除去フィルタと、ＰＭ除去フィルタよりも排気の流れの上流側に配置された酸化触媒(ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst)とによって構成される。ＰＭ除去フィルタにおける粒子状物質の堆積量（以下、ＰＭ堆積量と記載する）が多くなると、フィルタが目詰まりを起こしてエンジン背圧が増大し、出力性能が低下したり、堆積したＰＭが急激に酸化発熱してＰＭ除去フィルタが破損したりする。そのため、ＰＭ除去フィルタを昇温させることによって捕集した粒子状物質を燃焼させてフィルタから除去するＰＭ除去フィルタの再生が行なわれる。ＰＭ除去フィルタの昇温は、たとえば、燃料添加装置を用いて排気に添加した燃料を酸化触媒で反応させ、その反応熱によって昇温した排気をＰＭ除去フィルタに流通させることによって行なわれる。このとき、燃料の添加量が過剰に供給されると添加された燃料の一部が未燃状態となり白煙として排出されることになる。そのため、白煙が排出されないように燃料添加量が調整される。

たとえば、特開２０１１−２３１６４５号公報（特許文献１）には、触媒温度と排気流量から、排気中に白煙を発生させないための白煙限界Ａ／Ｆ値を求め、白煙限界Ａ／Ｆ値から燃料添加量を決定する技術が開示される。

特開２０１１−２３１６４５号公報

上述のような構成を有する排気処理装置においては、昇温開始時における酸化触媒およびＰＭ除去フィルタの温度分布と、温度安定時における酸化触媒およびＰＭ除去フィルタの温度分布とを比較した場合に温度勾配が異なる。そのため、たとえば、ＰＭ除去フィルタに流入する排気の温度を用いて酸化触媒やＰＭ除去フィルタの温度を推定する場合には、ＰＭ除去フィルタの温度勾配の変化を精度高く推定することができない。その結果、白煙が排出されないようにマージンを大きくとって燃料添加量を制限することになるため、ＰＭ除去フィルタを適切に昇温させることができない場合がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、昇温開始時から温度安定時まで昇温に用いられる燃料添加量を適切に調整する排気処理システムを提供することである。

この発明のある局面に係る排気処理システムは、エンジンの排気通路に設けられ、排気通路内に燃料を添加する燃料添加装置と、排気通路における燃料添加装置よりも下流の位置に設けられ、排気通路を流通する排気を浄化する排気処理装置とを備える。排気処理装置は、燃料添加装置によって添加された燃料を用いて排気を昇温する昇温部を含む。排気処理システムは、昇温部において昇温される排気温度を目標温度に昇温するための燃料添加量の指令値に基づいて燃料添加装置を制御する制御装置をさらに備える。制御装置は、排気処理装置を排気の流通方向に複数の部分に区分けして、排気処理装置の部分の温度と排気流量とに基づいて燃焼可能な燃料添加量の上限値を部分毎に算出する。制御装置は、燃料添加量の上限値の総和を指令値の上限値として設定する。

このようにすると、各部分で燃焼が可能な燃料添加量の上限値が算出されることになるため、上限値の総和を指令値の上限値として設定することによって、上限値を精度高く設定することができるため、燃料を過不足なく添加することができる。そのため、添加した燃料の一部が未燃状態となることを抑制して、白煙の排出を抑制することができるとともに、排気処理装置を適切に昇温させることができる。

好ましくは、排気処理装置は、排気通路における燃料添加装置よりも下流の位置に昇温部として設けられる酸化触媒と、排気通路における酸化触媒よりも下流の位置に設けられ、排気に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタとを含む。制御装置は、フィルタに捕集された粒子状物質の堆積量が再生判定値よりも大きい場合、フィルタに流入する排気の排気温度が目標温度になるように燃料添加装置を制御する。制御装置は、酸化触媒を排気の流通方向に複数の部分に区分けして、酸化触媒の部分の温度と排気流量とに基づいて燃料添加量の第１上限値を酸化触媒の部分毎に算出する。制御装置は、フィルタを排気の流通方向に複数の部分に区分けして、フィルタの部分の温度と排気流量とに基づいて燃料添加量の第２上限値をフィルタの部分毎に算出する。制御装置は、第１上限値の総和と第２上限値の総和との和を指令値の上限値として設定する。

このようにすると、酸化触媒およびフィルタの各部分で燃料の燃焼が可能な燃料添加量の第１上限値および第２上限値が算出されることになるため、第１上限値の総和と第２上限値の総和との和を指令値の上限値として設定することによって、指令値の上限値を精度高くすることができるため、燃料を過不足なく添加することができる。そのため、添加した燃料の一部が未燃状態となることを抑制して、白煙の排出を抑制することができるとともに、フィルタを適切に昇温させることができる。

さらに好ましくは、制御装置は、エンジンの回転数、燃料噴射量、排気温度およびＰＭ堆積量に基づいて目標温度を設定する。制御装置は、目標温度を用いて燃料添加量の要求値を算出する。制御装置は、上限値が要求値よりも大きい場合に、要求値を指令値として設定する。制御装置は、上限値が要求値よりも小さい場合に、上限値を指令値として設定する。

このようにすると、指令値の上限値と要求値との比較結果に基づいて指令値を設定することによって、燃料を過不足なく添加することができる。そのため、白煙の排出を抑制することができるとともに、フィルタを適切に昇温させることができる。

この発明によると、昇温開始時から温度安定時まで昇温に用いられる燃料添加量を適切に調整する排気処理システムを提供することができる。

本実施の形態におけるエンジンの概略構成を示す図である。 昇温開始時における酸化触媒およびＰＭ除去フィルタの温度分布を示す図である。 温度安定時における酸化触媒およびＰＭ除去フィルタの温度分布を示す図である。 制御装置で実行される制御処理を示すフローチャートである。 酸化触媒およびＰＭ除去フィルタにおける区分けされた部分を説明するための図である。 昇温開始時の酸化触媒およびＰＭ除去フィルタの各部分の温度分布を示す図である。 昇温開始時の酸化触媒およびＰＭ除去フィルタの各部分の部分上限値分布を示す図である。 温度安定時の酸化触媒およびＰＭ除去フィルタの各部分の温度分布を示す図である。 温度安定時の酸化触媒およびＰＭ除去フィルタの各部分の部分上限値分布を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態におけるエンジン１の概略構成を示す図である。本実施の形態において、エンジン１は、たとえば、コモンレール式のディーゼルエンジンを一例として説明する。エンジン１は、たとえば、車両の駆動源として搭載される。

エンジン１は、エンジン本体１０と、エアクリーナ２０と、インタークーラ２６と、吸気マニホールド２８と、過給機３０と、排気マニホールド５０と、排気処理装置５６と、排気再循環装置（以下、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置と記載する）６０と、制御装置２００と、エンジン回転数センサ２０２と、エアフローメータ２０８と、燃料ポンプ２１０と、燃料フィルタ２１２と、燃料タンク２１４とを備える。

エンジン本体１０は、複数の気筒１２と、コモンレール１４と、複数のインジェクタ１６とを含む。本実施の形態においては、エンジン１は、直列４気筒エンジンを一例として説明するが、その他の気筒レイアウト（たとえば、Ｖ型あるいは水平型）のエンジンであってもよい。

複数のインジェクタ１６は、複数の気筒１２の各々に設けられ、その各々がコモンレール１４に接続されている燃料噴射装置である。燃料タンク２１４に貯留された燃料は、燃料フィルタ２１２を経由して燃料ポンプ２１０によって所定圧まで加圧されてコモンレール１４へ供給される。コモンレール１４に供給された燃料は複数のインジェクタ１６の各々から所定のタイミングで噴射される。複数のインジェクタ１６は、制御装置２００からの制御信号ＩＪ１〜ＩＪ４に基づいて動作する。

エアクリーナ２０は、エンジン１の外部から吸入される空気から異物を除去する。エアクリーナ２０には、第１吸気管２２の一方端が接続される。

第１吸気管２２の他方端には、過給機３０のコンプレッサ３２の吸気流入口に接続される。コンプレッサ３２の吸気流出口には、第２吸気管２４の一方端が接続される。コンプレッサ３２は、第１吸気管２２から流通する空気を過給して第２吸気管２４に供給する。コンプレッサ３２の詳細な動作については後述する。

第２吸気管２４の他方端には、インタークーラ２６の一方端が接続される。インタークーラ２６は、第２吸気管２４を流通する空気を冷却する空冷式あるいは水冷式の熱交換器である。

インタークーラ２６の他方端には、第３吸気管２７の一方端が接続される。第３吸気管２７の他方端には、吸気マニホールド２８が接続される。吸気マニホールド２８は、エンジン本体１０の複数の気筒１２の各々の吸気ポートに連結される。なお、吸気マニホールド２８の上流には、たとえば、排気マニホールド５０からＥＧＲ装置６０を経由して還流する排気（以下、吸気通路に還流される排気をＥＧＲガスとも記載する）を吸気マニホールドに流通させるための吸気絞り弁が設けられていてもよい。

排気マニホールド５０は、エンジン本体１０の複数の気筒１２の各々の排気ポートに連結される。排気マニホールド５０には、第１排気管５２の一方端が接続される。第１排気管５２の他方端は、過給機３０のタービン３６に接続される。そのため、各気筒の排気ポートから排出される排気は、排気マニホールド５０に集められた後、第１排気管５２を経由してタービン３６に供給される。

タービン３６には、第２排気管５４の一方端が接続される。第２排気管５４の他方端は、排気処理装置５６の入口部分に接続される。排気処理装置５６は、酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）５６ａと、ＰＭ除去フィルタ５６ｂと、燃料添加装置５６ｃと、第１排気温度センサ７０と、第２排気温度センサ７２と、第３排気温度センサ７４とを含む。

ＰＭ除去フィルタ５６ｂは、酸化触媒５６ａよりも排気の流路（排気通路）における下流側に設けられる。燃料添加装置５６ｃは、酸化触媒５６ａよりも排気の流路における上流側に設けられる。第１排気温度センサ７０は、タービン３６と、酸化触媒５６ａとの間の排気の流路に設けられる。第２排気温度センサ７２は、酸化触媒５６ａとＰＭ除去フィルタ５６ｂとの間の排気の流路に設けられる。第３排気温度センサ７４は、ＰＭ除去フィルタよりも排気の流路における下流側に設けられる。

ＰＭ除去フィルタ５６ｂは、流通する排気に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭ（Particulate Matter）と記載する。）を捕集する。ＰＭ除去フィルタ５６ｂは、たとえば、セラミックやステンレス等によって形成される。捕集されたＰＭは、ＰＭ除去フィルタ５６ｂ内に堆積する。

酸化触媒５６ａと燃料添加装置５６ｃとは、ＰＭ除去フィルタ５６ｂに堆積したＰＭを燃焼させ、除去する（再生する）再生機構として機能する。酸化触媒５６ａは、排気が流通する場合に、流通する排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）および炭素酸化物（ＣＯｘ）などを酸化するとともに、排気中に燃料添加装置５６ｃから添加された燃料が含まれる場合には燃料を酸化する。燃料の酸化によって生じる反応熱により酸化触媒５６ａを通過する排気の温度が上昇する。高温の排気がＰＭ除去フィルタ５６ｂを通過することによってＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度が上昇し、ＰＭ除去フィルタ５６ｂ内に堆積したＰＭが酸化除去される（燃焼させられる）。これにより、ＰＭ除去フィルタ５６ｂが再生される。

排気処理装置５６の出口部分には、第３排気管５８の一方端が接続される。第３排気管５８の他方端には、触媒などの排気から特定の成分を除去する追加の排気処理装置やマフラー等が接続される。そのため、タービン３６から排出された排気は、第２排気管５４、排気処理装置５６、第３排気管５８、各種触媒およびマフラー等を経由して車外に排出される。

第３吸気管２７と排気マニホールド５０とは、エンジン本体１０を経由せずにＥＧＲ装置６０によって接続される。ＥＧＲ装置６０は、ＥＧＲバルブ６２と、ＥＧＲクーラ６４と、ＥＧＲ通路６６とを含む。ＥＧＲ通路６６は、第３吸気管２７と排気マニホールド５０とを接続する。ＥＧＲバルブ６２と、ＥＧＲクーラ６４とは、ＥＧＲ通路６６の途中に設けられる。

ＥＧＲバルブ６２は、制御装置２００からの制御信号に応じて、ＥＧＲ通路６６を流通するＥＧＲガスの流量を調整する。ＥＧＲクーラ６４は、たとえば、ＥＧＲ通路６６を流通するＥＧＲガスを冷却する水冷式あるいは空冷式の熱交換器である。排気マニホールド５０内の排気がＥＧＲ装置６０を経由してＥＧＲガスとして吸気側に戻されることによって気筒内の燃焼温度が低下され、ＮＯｘの生成量が低減される。

過給機３０は、コンプレッサ３２と、タービン３６とを含む。コンプレッサ３２のハウジング内にはコンプレッサホイール３４が収納され、タービン３６のハウジング内にはタービンホイール３８が収納される。コンプレッサホイール３４とタービンホイール３８とは、連結軸４２によって連結され、一体的に回転する。そのため、コンプレッサホイール３４は、タービンホイール３８に供給される排気の排気エネルギーによって回転駆動される。

エンジン１の動作は、制御装置２００によって制御される。制御装置２００は、各種処理を行なうＣＰＵ（Central Processing Unit）と、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）およびＣＰＵの処理結果等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等を含むメモリと、外部との情報のやり取りを行なうための入・出力ポート（いずれも図示せず）とを含む。入力ポートには、上述したセンサ類（たとえば、第１排気温度センサ７０、第２排気温度センサ７２、第３排気温度センサ７４、エンジン回転数センサ２０２、エアフローメータ２０８等）が接続される。出力ポートには、制御対象となる機器（たとえば、複数のインジェクタ１６、燃料添加装置５６ｃおよび燃料ポンプ２１０等）が接続される。

制御装置２００は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン１が所望の運転状態となるように各種機器を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。また、制御装置２００には、時間の計測を行うためのタイマー回路（図示せず）が内蔵されている。

第１排気温度センサ７０は、タービン３６の排気流出口から流出する排気の温度（以下、排気温度Ｔｅｘ１と記載する）を検出する。第１排気温度センサ７０は、検出した排気温度Ｔｅｘ１を示す信号を制御装置２００に送信する。

第２排気温度センサ７２は、酸化触媒５６ａから流出する排気の温度（以下、排気温度Ｔｅｘ２と記載する）を検出する。第２排気温度センサ７２は、検出した排気温度Ｔｅｘ２を示す信号を制御装置２００に送信する。

第３排気温度センサ７４は、ＰＭ除去フィルタ５６ｂから流出する排気の温度（以下、排気温度Ｔｅｘ３と記載する）を検出する。第３排気温度センサ７４は、検出した排気温度Ｔｅｘ３を示す信号を制御装置２００に送信する。

エンジン回転数センサ２０２は、エンジン１のクランクシャフトの回転数をエンジン回転数ＮＥとして検出する。エンジン回転数センサ２０２は、検出したエンジン回転数ＮＥを示す信号を制御装置２００に送信する。

エアフローメータ２０８は、第１吸気管２２に導入される新気の流量（吸入空気量）Ｑｉｎを検出する。エアフローメータ２０８は、検出した吸入空気量Ｑｉｎを示す信号を制御装置２００に送信する。

燃料タンク２１４は、複数のインジェクタ１６および燃料添加装置５６ｃに供給するための燃料を貯留する。燃料ポンプ２１０は、制御装置２００からの制御信号に応じて動作し、燃料タンク２１４に貯留される燃料をコモンレール１４に圧送したり、燃料添加装置５６ｃに供給したりする。燃料ポンプ２１０と燃料タンク２１４との間の燃料が流通する通路には燃料フィルタ２１２が設けられる。燃料フィルタ２１２は、流通する燃料に含まれる異物を捕集する。

以上のような構成を有するエンジン１においては、ＰＭ除去フィルタ５６ｂにおけるＰＭの堆積量が多くなると、ＰＭ除去フィルタ５６ｂのフィルタ部分が目詰まりを起こして機能が低下する場合がある。そのため、制御装置２００は、ＰＭ除去フィルタ５６ｂを再生するための再生処理を実行する。

より具体的には、制御装置２００は、ＰＭ除去フィルタ５６ｂ内のＰＭの堆積量を取得する。制御装置２００は、たとえば、所定の制御周期（たとえば、数秒）におけるエンジン１の運転条件（たとえば、エンジン回転数ＮＥの平均値や燃料噴射量の指令値の平均値）から複数の気筒１２からの所定の制御周期におけるＰＭの排出量の推定値を算出する。制御装置２００は、算出された推定値を積算することによってＰＭ堆積量を取得する。制御装置２００は、取得したＰＭ堆積量が再生判定値を超えると再生処理を実行する。

制御装置２００は、再生処理の実行とともに、燃料添加装置５６ｃから燃料添加を開始する。制御装置２００は、たとえば、排気温度Ｔｅｘ２を、目標温度に昇温するための燃料添加量の指令値を設定し、設定された指令値に従って燃料添加装置５６ｃを制御する。ここで、排気の目標温度は、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度をＰＭ除去フィルタ５６ｂの再生が可能な温度まで昇温することができる排気温度として設定される。

上述のような再生処理により、排気処理装置５６では、燃料添加装置５６ｃから排気に燃料が添加され、添加された燃料が酸化触媒５６ａで反応し、その反応熱によって排気が昇温する。そして、高温となった排気がＰＭ除去フィルタ５６ｂに流れることによって、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度が、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの再生が可能な温度範囲内の温度まで昇温し、ＰＭ除去フィルタ５６ｂ内のＰＭが燃焼される。制御装置２００は、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度がＰＭ除去フィルタ５６ｂの再生が可能な温度範囲内の温度になった状態の経過時間をカウントし、カウントした経過時間の合計が所定の再生終了時間を超えた場合に、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの再生が完了したと判定する。

上述のような構成を有する排気処理装置５６においては、制御装置２００は、ＰＭ除去フィルタ５６ｂに捕集されたＰＭ堆積量が再生判定値よりも大きい場合、ＰＭ除去フィルタ５６ｂに流入する排気の温度を目標温度に昇温するための燃料添加量の指令値を設定し、設定された指令値に基づいて燃料添加装置５６ｃを制御する。

このとき、過剰な燃料添加量が指令値として設定されると、燃料添加装置５６ｃから添加された燃料の一部が未燃状態となり白煙として排出されることになる。そのため、制御装置２００は、白煙が排出されないように燃料添加量を調整する。

しかしながら、酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの昇温開始時における酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度分布と、酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度安定時における酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度分布とを比較した場合に温度勾配が異なる。

図２は、昇温開始時における酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度分布を示す図である。図２の上段においては、酸化触媒５６ａと、ＰＭ除去フィルタ５６ｂとの位置関係と、第１排気温度センサ７０、第２排気温度センサ７２および第３排気温度センサ７４による排気温度Ｔｅｘ１，Ｔｅｘ２，Ｔｅｘ３の検出位置が示される。図２の下段においては、上段の酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの排気の流通方向の位置に対する昇温開始時の温度の分布が示される。

図３は、温度安定時における酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度分布を示す図である。図３の上段においては、図２の上段の構成と同様であるため、その詳細な説明は繰り返さない。図３の下段においては、上段の酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの排気の流通方向の位置に対する温度安定時の温度の分布が示される。

図２の下段の温度分布に示すように、昇温開始時においては、添加された燃料が酸化触媒５６ａにおいて酸化し、その反応熱によって温度が上昇する。これに対してＰＭ除去フィルタ５６ｂは、酸化触媒５６ａの昇温によって昇温された排気によって昇温することになるため、昇温開始時においては温度が低い状態が維持される。

これに対して、昇温が継続されて温度安定状態になると、図３の下段の温度分布に示すように、温度安定時においては、酸化触媒５６ａにおいて昇温された排気がＰＭ除去フィルタ５６ｂに流入し、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度が上昇する。さらに、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度が上昇することによって、適量の燃料が添加されている場合には、ＰＭ除去フィルタ５６ｂにおいても添加された燃料を燃焼させることができる。この場合、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度は、酸化触媒５６ａよりも高くなり、かつ、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの後端に近づくほど温度が高くなる。

このように、昇温開始時と温度安定時とで温度勾配が異なる。そのため、たとえば、ＰＭ除去フィルタ５６ｂに流入する排気の温度を用いて酸化触媒５６ａやＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度を推定する場合には、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度勾配の変化を精度高く推定することができない。その結果、白煙が排出されないようにマージンを大きくとって燃料添加量を制限することになるため、適量の燃料を添加することができず、ＰＭ除去フィルタ５６ｂを速やかに昇温させることができない場合がある。

そこで、本実施の形態においては、制御装置２００は、以下のように動作するものとする。すなわち、制御装置２００は、酸化触媒５６ａを排気の流通方向に複数の部分に区分けして、酸化触媒５６ａの部分の温度と排気流量とに基づいて燃料添加量の第１上限値を酸化触媒５６ａの部分毎に算出する。さらに、制御装置２００は、ＰＭ除去フィルタ５６ｂを排気の流通方向に複数の部分に区分けして、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの部分の温度と排気流量とに基づいて燃料添加量の第２上限値をＰＭ除去フィルタ５６ｂの部分毎に算出する。そして、制御装置２００は、第１上限値の総和と第２上限値の総和との和を指令値の上限値として設定する。

このようにすると、燃料噴射量の指令値の上限値を精度高くすることができるため、燃料を過不足なく添加することができる。そのため、添加した燃料の一部が未燃状態となることを抑制して、白煙の排出を抑制することができるとともに、酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂを適切に昇温させることができる。

以下、図４を参照して、本実施の形態における制御装置２００で実行される制御処理について説明する。図４は、制御装置２００で実行される制御処理を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、所定の制御周期（たとえば、数秒）毎にメインルーチン（図示せず）から呼び出されて実行される。

ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、制御装置２００は、ＰＭ堆積量を算出する。制御装置２００は、たとえば、前回算出されたＰＭ堆積量の前回値に所定の制御周期におけるＰＭ排出量を加算することによってＰＭ堆積量の今回値を算出する。制御装置２００は、エンジン回転数と燃料噴射量と所定のマップとを用いて所定の制御周期におけるＰＭ排出量を算出する。

Ｓ１０２にて、制御装置２００は、算出されたＰＭ堆積量が再生判定値よりも大きいか否かを判定する。ＰＭ堆積量が再生判定値よりも大きいと判定される場合（Ｓ１０２にてＹＥＳ）、処理はＳ１０４に移される。

Ｓ１０４にて、制御装置２００は、ベース燃料添加量を算出する。具体的には、制御装置２００は、目標温度、排気温度Ｔｅｘ１、排気流量に基づきベース燃料添加量を算出する。

制御装置２００は、エンジン回転数センサ２０２からエンジン回転数ＮＥを取得する。制御装置２００は、たとえば、エンジン回転数ＮＥの他に、アクセル操作量、冷却水温度、吸入空気量Ｑｉｎ、吸気温度等の運転状態に応じて燃料噴射量マップ等を用いて燃料噴射量を決定する。ベース添加燃料量は、酸化触媒５６ａに流入する排気温度が所定温度であって、かつ、排気流量が所定流量である場合を想定したときに排気温度を目標温度に上昇するために必要となる予め定められた燃料添加量である。

Ｓ１０６にて、制御装置２００は、排気温度Ｔｅｘ２が目標温度であるか否かを判定する。制御装置２００は、第２排気温度センサ７２から排気温度Ｔｅｘ２を取得する。排気温度Ｔｅｘ２が目標温度であると判定される場合（Ｓ１０６にてＹＥＳ）、処理はＳ１１０に移される。一方、排気温度Ｔｅｘ２が目標温度でないと判定される場合（Ｓ１０６にてＮＯ）、処理はＳ１０８に移される。

Ｓ１０８にて、制御装置２００は、目標温度が排気温度Ｔｅｘ２よりも大きいか否かを判定する。目標温度が排気温度Ｔｅｘ２よりも大きいと判定される場合（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、処理はＳ１１２に移される。

Ｓ１１０にて、制御装置２００は、前回の計算における燃料添加量の補正量を今回の計算における燃料添加量の補正量として設定する。Ｓ１１２にて、制御装置２００は、前回の計算における燃料添加量の補正量に変化分αを加算した値を今回の計算における燃料添加量の補正量として設定する。Ｓ１１４にて、制御装置２００は、前回の計算における燃料添加量の補正量に変化分αを減算した値を今回の計算における燃料添加量の補正量として設定する。

Ｓ１１６にて、制御装置２００は、ベース燃料添加量に今回の計算における燃料添加量の補正量を加算して要求燃料添加量を算出する。

Ｓ１１８にて、制御装置２００は、各部の燃料添加量の部分上限値を算出する。具体的には、制御装置２００は、酸化触媒５６ａを排気の流通方向に複数の部分に区分けして、酸化触媒５６ａの部分の温度と排気流量とに基づいて燃料添加量の第１部分上限値を酸化触媒５６ａの部分毎に算出する。さらに、制御装置２００は、ＰＭ除去フィルタ５６ｂを排気の流通方向に複数の部分に区分けして、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの部分の温度と排気流量とに基づいて燃料添加量の第２部分上限値をＰＭ除去フィルタ５６ｂの部分毎に算出する。

図５は、酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂにおける区分けされた部分を説明するための図である。図５に示すように、本実施の形態においては、制御装置２００は、酸化触媒５６ａを排気の流通方向に３つの部分Ｃ１〜Ｃ３に区分けし、区分けした部分毎の温度を推定する。制御装置２００は、たとえば、排気温度Ｔｅｘ２と排気流量と所定のマップ等を用いて温度分布（たとえば、排気温度Ｔｅｘ２との温度差の分布）を推定し、推定された温度分布に時間遅れ等を考慮して３つの部分Ｃ１〜Ｃ３の各々の温度を推定する。なお、温度分布の推定には、排気温度Ｔｅｘ２および排気流量に加えて排気温度Ｔｅｘ１を用いてもよい。

制御装置２００は、酸化触媒５６ａにおいて、区分けした部分毎の温度の推定値と排気流量とを用いて部分毎の燃料添加量の第１部分上限値を算出する。燃料添加量の第１部分上限値とは、酸化触媒５６ａの区分けした部分における白煙が排出されない単位時間当たりの燃料添加量の範囲のうちの上限値を示す。制御装置２００は、たとえば、酸化触媒５６ａにおける温度と排気流量と第１部分上限値との関係を示すマップを用いて区分けした部分毎の第１部分上限値を算出する。温度と排気流量と第１部分上限値との関係を示すマップは、たとえば、実験等によって適合され予め作成されて、制御装置２００のメモリに記憶される。なお、制御装置２００は、たとえば、吸入空気量Ｑｉｎに基づいて排気流量を推定する。また、第１部分上限値の算出に用いられるマップとしては、酸化触媒５６ａの各部分において共通のマップが用いられてもよいし、位置に応じて個別に設定されたマップが用いられてもよい。

さらに、本実施の形態においては、制御装置２００は、ＰＭ除去フィルタ５６ｂを排気の流通方向に４つの部分Ｄ１〜Ｄ４に区分けし、区分けした部分毎の温度を推定する。制御装置２００は、たとえば、排気温度Ｔｅｘ３と排気流量と所定のマップ等を用いて温度分布（たとえば、排気温度Ｔｅｘ３との温度差の分布）を推定し、推定された温度分布に時間遅れ等を考慮して４つの部分Ｄ１〜Ｄ４の各々の温度を推定する。なお、温度分布の推定には、排気温度Ｔｅｘ３および排気流量に加えて排気温度Ｔｅｘ２を用いてもよい。

制御装置２００は、ＰＭ除去フィルタ５６ｂにおいて、区分けした部分毎の温度の推定値と排気流量とを用いて部分毎の燃料添加量の第２部分上限値を算出する。燃料添加量の第２部分上限値とは、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの区分けした部分における白煙が排出されない単位時間当たりの燃料添加量の範囲のうちの上限値を示す。制御装置２００は、たとえば、ＰＭ除去フィルタ５６ｂにおける温度と排気流量と第２部分上限値との関係を示すマップを用いて区分けした部分毎の第２部分上限値を算出する。温度と排気流量と第２部分上限値との関係を示すマップは、たとえば、実験等によって適合され予め作成されて、制御装置２００のメモリに記憶される。また、第２部分上限値の算出に用いられるマップとしては、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの各部分において共通のマップが用いられてもよいし、位置に応じて個別に設定されたマップが用いられてもよい。

Ｓ１２０にて、制御装置２００は、第１部分上限値の総和と、第２部分上限値の総和との和を単位時間当たりの燃料添加量の指令値の上限値として設定する。

Ｓ１２２にて、制御装置２００は、単位時間当たりの燃料添加量の指令値を設定する。制御装置２００は、要求燃料添加量と燃料添加量の指令値の上限値とのうちのいずれか少ない方を燃料添加量の指令値として設定する。

Ｓ１２４にて、制御装置２００は、燃料添加制御を実行する。制御装置２００は、たとえば、エンジン１のクランクシャフトの回転角が１サイクル中の所定のクランク角になる場合に、設定された指令値に基づいて燃料添加制御を実行する。所定のクランク角とは、たとえば、特定の気筒が特定の行程（たとえば、排気行程）となるクランク角であってもよい。

以上のような構造およびフローチャートに基づく制御装置２００の動作について図６〜図９を参照しつつ説明する。

たとえば、ＰＭ堆積量が再生判定値を超える場合を想定する。エンジン１の作動時においては、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量を用いてＰＭ堆積量が算出され（Ｓ１００）、算出されたＰＭ堆積量が再生判定を超えると判定される場合（Ｓ１０２にてＹＥＳ）、ベース燃料添加量が算出され（Ｓ１０４）、排気温度Ｔｅｘ２が目標温度でなく（Ｓ１０６にてＮＯ）、目標温度よりも低い場合には（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、前回の計算における補正量に変化分αを加算した値が今回の計算における補正量として設定され（Ｓ１１２）、ベース燃料添加量に今回の計算における補正量が加算された値が要求燃料添加量として設定される（Ｓ１１６）。

酸化触媒５６ａの区分けされた各部分の燃料添加量の第１部分上限値およびＰＭ除去フィルタ５６ｂの区分けされた各部分の燃料添加量の第２部分上限値が算出され（Ｓ１１８）、算出された第１部分上限値の総和と第２部分上限値の総和との和が燃料添加量の指令値の上限値として設定される（Ｓ１２０）。

要求燃料添加量と燃料添加量の指令値の上限値とのうちのいずれか小さい方が燃料添加量の指令値として設定され（Ｓ１２２）、燃料添加制御が実行される（Ｓ１２４）。

＜昇温開始時の燃料添加制御について＞
図６は、昇温開始時の酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの各部分の温度分布を示す図である。図６の上段においては、区分けされた部分を有する酸化触媒５６ａと、区分けされた部分を有するＰＭ除去フィルタ５６ｂの位置関係と、第１排気温度センサ７０、第２排気温度センサ７２および第３排気温度センサ７４による排気温度Ｔｅｘ１，Ｔｅｘ２，Ｔｅｘ３の検出位置が示される。図６の下段においては、上端の酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの排気の流通方向の位置Ｃ１〜Ｃ３，Ｄ１〜Ｄ４における昇温開始時の温度分布が示される。

図６に示すように、昇温開始時においては、酸化触媒５６ａの部分Ｃ１〜Ｃ３においては、添加された燃料の反応熱によって温度が上昇しており、特に部分Ｃ１が最も温度が高い状態となる。これに対して、燃料の反応熱が酸化触媒５６ａの温度上昇に用いられることから、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの部分Ｄ１〜Ｄ４において、温度が低い状態が維持されることとなる。

図７は、昇温開始時の酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの各部分の部分上限値分布を示す図である。図７には、酸化触媒５６ａの各部分Ｃ１〜Ｃ３における燃料添加量の第１部分上限値、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの各部分Ｄ１〜Ｄ４における燃料添加量の第２部分上限値、排気温度Ｔｅｘ２に基づいて設定される燃料添加量、および、排気温度Ｔｅｘ２に基づいて設定される燃料添加量の上限値と部分上限値の総和と要求燃料添加量との比較結果が示される。

図７に示すように、昇温開始時においては、酸化触媒５６ａにおいては、燃料の反応熱によって温度が上昇していることから上昇した温度に対応する分だけ第１部分上限値が設定されることになる。一方、ＰＭ除去フィルタ５６ｂにおいては、温度が低い状態が維持されることになるため、燃料の燃焼に寄与しないため、第２部分上限値がいずれもゼロとなる。

この場合において、排気温度Ｔｅｘ２に基づいて設定される燃料添加量の上限値と同程度の酸化触媒５６ａの部分上限値の総和が燃料添加量の指令値の上限値として設定されることとなる。なお、要求燃料添加量は、燃料添加量の指令値の上限値よりも大きいため、燃料添加量の指令値の上限値が燃料添加量の指令値として設定され、燃料添加制御が実行される。

＜温度安定時の燃料添加制御について＞
図８は、温度安定時の酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの各部分の温度分布を示す図である。図８の上段と下段とに示される図は、温度分布が異なる以外は図６の上段と下段とに示される図の構成と同じ構成である。そのため、その詳細な説明は繰り返さない。

図８に示すように、温度安定時においては、酸化触媒５６ａの部分Ｃ１〜Ｃ３においては、添加された燃料の反応熱によって温度が高い状態が維持されており、特に部分Ｃ３が最も温度が高い状態となる。これに対して、燃料の反応熱によって温度が上昇した排気がＰＭ除去フィルタ５６ｂに供給され、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度が高い状態になるとともに、適量の燃料が添加されることによって、添加された燃料が酸化触媒５６ａだけでなく、ＰＭ除去フィルタ５６ｂにおいても燃焼することになるため、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度が酸化触媒５６ａの温度よりも高い状態で維持される。特に、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの後端側の部分Ｄ４が最も温度が高い状態となる。

図９は、温度安定時の酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの各部分の部分上限値分布を示す図である。図９に示される図は、燃料添加量の程度が異なる以外は、図７に示される図の構成と同様である。そのため、その詳細な説明は繰り返さない。

図９に示すように、温度安定時においては、酸化触媒５６ａにおいては、高い温度で維持されていることから温度に対応した第１部分上限値が設定されることになる。さらに、ＰＭ除去フィルタ５６ｂにおいては、高い温度で維持されていることから温度に対応した第２部分上限値が設定されることになる。このとき、ＰＭ除去フィルタ５６ｂのうちの酸化触媒５６ａよりも比較的高い温度になる部分Ｄ２〜Ｄ４においては、第１部分上限値よりも高い値が第２部分上限値として設定されることになる。

この場合において、第１部分上限値の総和と第２部分上限値の総和との和が燃料添加量の指令値の上限値として設定される。設定された燃料添加量の指令値の上限値は、要求燃料添加量よりも大きいため、要求燃料添加量が燃料添加量の指令値として設定される。そのため、要求どおりの燃料が添加されることになるため、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度を適切な温度で維持することができる。

なお、排気温度Ｔｅｘ２に基づいて設定される燃料添加量の上限値を燃料添加量の指令値の上限値として設定される場合には、燃料添加量の指令値の上限値が要求燃料添加量よりも小さい値になる。そのため、燃料添加量の指令値の上限値が燃料添加量の指令値として設定されることになる。そのため、要求どおりの燃料が添加されないため、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度維持に必要な燃料が添加されず、ＰＭ除去フィルタ５６ｂの温度を適切な温度に昇温させたり、適切な温度で維持できなかったりする場合がある。

以上のようにして、本実施の形態に係る排気処理システムによると、酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの各部分で燃料の燃焼が可能な燃料添加量の第１部分上限値および第２部分上限値が算出されることになるため、第１部分上限値の総和と第２部分上限値の総和との和が指令値の上限値として設定される。これにより、指令値の上限値を精度高くすることができるため、燃料を過不足なく添加することができる。そのため、添加した燃料の一部が未燃状態となることを抑制して、白煙の排出を抑制することができるとともに、ＰＭ除去フィルタ５６ｂを適切に昇温させることができる。したがって、昇温開始時から温度安定時まで昇温に用いられる燃料添加量を適切に調整する排気処理システムを提供することができる。

さらに、このように燃料添加量の適切な調整が可能となることによって、排気処理装置の小型化や排気処理装置に含まれる貴金属等の量の低減が可能となる。その結果、排気処理装置の生産コストの低減が図れる。

以下、変形例について説明する。
上述の実施の形態では、排気処理装置５６として酸化触媒５６ａとＰＭ除去フィルタ５６ｂとを含む構成を一例とし、酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂの各々を複数の部分に区分けし、区分けした部分毎に燃料添加量の上限値を算出するものとして説明したが、排気処理装置５６は、たとえば、酸化触媒５６ａとＰＭ除去フィルタ５６ｂとその他触媒とのうちのいずれかを含む構成であってもよいし、酸化触媒５６ａおよびＰＭ除去フィルタ５６ｂに加えてその他の触媒を含む構成であってもよい。

さらに上述の実施の形態では、酸化触媒５６ａを３つの部分Ｃ１〜Ｃ３に区分けする場合を一例として説明したが、酸化触媒５６ａを２つの部分に区分けしてもよいし、４つ以上の部分に区分けしてもよい。

さらに上述の実施の形態では、ＰＭ除去フィルタ５６ｂを４つの部分Ｄ１〜Ｄ４に区分けする場合を一例として説明したが、ＰＭ除去フィルタ５６ｂを２つあるいは３つに区分けしてもよいし、５つ以上の部分に区分けしてもよい。

さらに上述の実施の形態では、排気温度Ｔｅｘ２，Ｔｅｘ３を用いて部分Ｃ１〜Ｃ３および部分Ｄ１〜Ｄ４の温度を推定するものとして説明したが、各部分に温度センサを設けるようにしてもよいし、複数の部分のうちのいずれかに温度センサを設け、設けられた温度センサの検出結果を用いて他の部分の温度を推定するようにしてもよい。

なお、上記した変形例は、その全部または一部を組み合わせて実施してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ エンジン、１０ エンジン本体、１２ 気筒、１４ コモンレール、１６ インジェクタ、２０ エアクリーナ、２２，２４，２７ 吸気管、２６ インタークーラ、２８ 吸気マニホールド、３０ 過給機、３２ コンプレッサ、３４ コンプレッサホイール、３６ タービン、３８ タービンホイール、４２ 連結軸、５０ 排気マニホールド、５２，５４，５８ 排気管、５６ 排気処理装置、５６ａ 酸化触媒、５６ｂ ＰＭ除去フィルタ、５６ｃ 燃料添加装置、６０ ＥＧＲ装置、６２ ＥＧＲバルブ、６４ ＥＧＲクーラ、６６ ＥＧＲ通路、７０，７２，７４ 排気温度センサ、２００ 制御装置、２０２ エンジン回転数センサ、２０８ エアフローメータ、２１０ 燃料ポンプ、２１２ 燃料フィルタ、２１４ 燃料タンク。

Claims (3)

1. エンジンの排気通路に設けられ、前記排気通路内に燃料を添加する燃料添加装置と、
   前記排気通路における前記燃料添加装置よりも下流の位置に設けられ、前記排気通路を流通する排気を浄化する排気処理装置とを備え、
   前記排気処理装置は、前記燃料添加装置によって添加された燃料を用いて排気を昇温する昇温部を含み、
   前記昇温部において昇温される排気温度を目標温度に昇温するための燃料添加量の指令値に基づいて前記燃料添加装置を制御する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記排気処理装置を排気の流通方向に複数の部分に区分けして、前記排気処理装置の部分の温度と排気流量とに基づいて燃焼可能な燃料添加量の上限値を部分毎に算出し、
   前記燃料添加量の上限値の総和を前記指令値の上限値として設定する、排気処理システム。
2. 前記排気処理装置は、
   前記排気通路における前記燃料添加装置よりも下流の位置に前記昇温部として設けられる酸化触媒と、
   前記排気通路における前記酸化触媒よりも下流の位置に設けられ、排気に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタとを含み、
   前記制御装置は、前記フィルタに捕集された前記粒子状物質の堆積量が再生判定値よりも大きい場合、前記フィルタに流入する排気の排気温度が目標温度になるように前記燃料添加装置を制御し、
   前記制御装置は、
   前記酸化触媒を排気の流通方向に複数の部分に区分けして、前記酸化触媒の部分の温度と排気流量とに基づいて前記燃料添加量の第１上限値を前記酸化触媒の部分毎に算出し、
   前記フィルタを排気の流通方向に複数の部分に区分けして、前記フィルタの部分の温度と排気流量とに基づいて前記燃料添加量の第２上限値を前記フィルタの部分毎に算出し、
   前記第１上限値の総和と前記第２上限値の総和との和を前記指令値の上限値として設定する、請求項１に記載の排気処理システム。
3. 前記制御装置は、
   前記エンジンの回転数、燃料噴射量および排気温度に基づいて前記目標温度を設定し、
   前記目標温度を用いて前記燃料添加量の要求値を算出し、
   前記上限値が前記要求値よりも大きい場合に、前記要求値を前記指令値として設定し、
   前記上限値が前記要求値よりも小さい場合に、前記上限値を前記指令値として設定する、請求項１または２に記載の排気処理システム。

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