JP4048993B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンの排気浄化装置に関し、詳しくはエンジン排気中の微粒子状物質を捕集するフィルタの交換時期を正確に判定するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等から排出される微粒子状物質（以下「排気微粒子」という。）を浄化処理するためにエンジン排気系統にフィルタを設け、捕捉した排気微粒子を所定のインターバルで酸化もしくは焼却することによりフィルタ再生するようにした装置が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２３４５０９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フィルタには可燃性の排気微粒子のほかにエンジンオイル添加物やエンジン部品に由来する不燃物質（以下「アッシュ」と言う。）も付着する。アッシュは再生による燃焼処理ができないためある程度の期間が経過するとフィルタの圧損やろ過面積の低下を引き起こす。このためフィルタは使用経過に応じた交換あるいは洗浄等のメンテナンスが必要である。
【０００５】
しかしながら、従来はアッシュの堆積量をエンジンの運転時間や車両の走行距離などから推定していたので誤差が大きく、実際上はこの誤差を見込んでメンテナンス期間を決めていたので、必要以上に短期間でメンテナンスを行うというむだが生じていた。また、アッシュ堆積量はオイル消費量にある程度相関することが知られているが、オイルの種類や性状によってアッシュ濃度が異なるため、仮にオイル消費量を正確に検出したとしても必ずしも正しいアッシュ堆積量を推定できないという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段とその効果】
本発明では、フィルタの前後差圧を用いて推定アッシュ量ASH_aを求める一方、エンジン運転履歴からオイル消費量を算出し、このオイル消費量を用いてアッシュ量ASH_bを求める。アッシュ量ASH_bを算出するにあたっては、推定アッシュ量ASH_aにより補正したアッシュ濃度を適用し、これにより実際のオイルの性状に対応した正確なアッシュ量に修正する。差圧による推定アッシュ量ASH_aはより直接的に検出できる反面、検出するには一定の条件を満たす必要があり、この条件外の領域については連続的に算出できるアッシュ量ASH_bを用いて補う。またアッシュ量ASH_bを算出するにあたっては前述の通り推定アッシュ量ASH_aにより修正したアッシュ濃度を適用する。したがって、本発明によればフィルタに付着したアッシュの量を正確に判定して適切な時期にフィルタの洗浄または交換を行うことが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明を適用可能なエンジンシステムの一例を示している。図において、１はエンジンの本体、２は吸気通路、３は排気通路である。エンジン本体１には燃料噴射弁４と燃料噴射ポンプ５が取り付けられている。吸気通路２には、上流側からエアクリーナ６、エアフロメータ７、排気ターボチャージャ８のコンプレッサ９、インタークーラ１０、スロットルバルブ１１が介装されている。排気通路３には、上流側から排気ターボチャージャ８のタービン１２、排気微粒子を捕集するフィルタ（ＤＰＦ）１３が介装されている。１４と１５はそれぞれフィルタ１３の入口温度と出口温度を検出する温度センサ、１６はフィルタ１２の前後圧力差を検出する圧力センサである。１７は吸気通路２と排気通路３とを連通するＥＧＲ通路であり、その途中にＥＧＲバルブ１８とＥＧＲクーラ１９が介装されている。排気ターボチャージャ８はそのタービン１２に流入する排気の流速を加減することができる可変ノズル２０を備えている。２１はエンジン回転数およびクランク位置を検出するクランク角センサである。
【０００８】
２２はコントロールユニットであり、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されている。コントロールユニット２２は、前記各種センサからの信号に基づき、燃料噴射時期、燃料噴射量、スロットルバルブ開度、ＥＧＲ量、可変ノズル開度等を制御すると共に、フィルタ１３の微粒子堆積量およびアッシュ量を算出するための演算手段として機能する。
【０００９】
図２は、前記コントロールユニット２２により実行されるアッシュ量算出のための演算処理のメインルーチンを表している。このフローは一定時間ごとに周期的に実行される。以下の説明およびフロー中で符号Ｓを付して示した数字は処理ステップ番号である。
【００１０】
この演算処理つきまず概略を説明すると、Ｓ２１にてフィルタ１３の前後差圧を用いて推定アッシュ量ASH_aを算出し、次いでＳ２２〜Ｓ２３にてエンジン運転状態からオイル消費量OC_totalを求める。オイル消費量OC_totalは、次式に示されるようにオイル消費速度OCに制御周期Δtを乗じたものを逐次積算する処理により求める
OC_total＝OC_total＋OC・Δt … （１）
オイル消費速度OCは、吸入空気量または燃料噴射量等によって代表されるエンジン負荷（トルク）Qとエンジン回転数Neとの関係からオイル消費速度OCを与えるようにあらかじめ設定されたマップから読み取る。なおエンジン回転数、吸入空気量等のエンジン運転状態はバックグラウンドで常時的に検出および記憶されている。
【００１１】
前記推定アッシュ量ASH_aはn回周期で更新される。Ｓ２４〜Ｓ２７では前記推定アッシュ量ASH_aの更新に同期して、その時点でのASH_aを演算アッシュ量ASHとして設定すると共にn回積算分のオイル消費量(OC_total)nにその時点での消費量OC_totalを設定したうえで、オイルのアッシュ濃度DENS_ASHを求める。推定アッシュ量ASH_aの更新周期の間はＳ２８〜Ｓ２９の処理により前記アッシュ濃度DENS_ASHとオイル消費量oc_totalを用いて実アッシュ量ASH_bを算出し、これを演算アッシュ量ASHとして設定する。
【００１２】
次に、前記推定アッシュ量ASH_a、アッシュ濃度DENS_ASH、実アッシュ量ASH_bの算出手法の詳細につき説明する。
【００１３】
図３は、図２のＳ２１に対応する推定アッシュ量ASH_aの算出サブルーチンである。まずＳ３１にてフィルタ１３が完全再生された直後であるか否かを判定する。これはフィルタ１３から可燃性の排気微粒子を十分に排除し、アッシュのみが付着した状態での前後差圧ΔＰを正確に求めるためである。具体的には、例えば完全再生後１秒以内または車両の走行距離１km以内であることを条件として完全再生直後であると判定する。フィルタ再生の手法としては、例えば微粒子堆積量があらかじめ決められた基準値を超えたときに排気温度を上昇させてフィルタの触媒反応により微粒子を酸化処理する。排気温度上昇制御につき、図１に示したエンジンシステムを前提に説明すると、スロットルバルブ１１による吸気絞り、燃料噴射時期の遅角化、二次噴射、ＥＧＲ量減、可変ノズル２０の開度制御の何れかを実施し、再生に必要な３００℃以上の排気温度を確保するようにする。
【００１４】
次いでＳ３２では、排ガス流量が大きいときほどフィルタ１３に堆積したアッシュ量の影響が差圧ΔＰに顕著に現れることから、排ガス流量が十分であるか否かをエンジン運転状態（Q，Ne）から判定する。
【００１５】
前記Ｓ３１の判定でフィルタ完全再生直後でない場合またはＳ３２の判定で排ガス流量が不十分な運転状態である場合は何もせずに図２の処理に戻る。フィルタ完全再生直後かつ排ガス流量が十分である場合には、Ｓ３３以降の推定アッシュ量演算処理を実行する。
【００１６】
Ｓ３３〜Ｓ３５では、それぞれフィルタ前後差圧ΔＰの読み込み、その補正、排気流量Vexhの算出を行う。フィルタ前後差圧ΔＰは差圧センサ１６からの信号を読み取ることで求める。差圧ΔＰは温度センサ１４からの排気温度信号および排気圧力（運転状態信号からのマップ読み込みによる）で補正したものを新たな差圧ΔＰとする。排気流量Vexhはエアフロメータ７からの吸気量信号および燃料噴射量指令値から算出する。
【００１７】
Ｓ３６では、前述のようにして求めた差圧ΔＰと排気流量Vextとからアッシュ量の推定値ASH_aを求める。これはΔＰとVextとに応じてASH_aを与えるようにあらかじめ設定されたマップを読み込む処理による。次いでＳ３７では、前記の処理による推定アッシュ量ASH_aの算出をn回繰り返したときにそのn回分の積算値をASH_aと置くと共に、ASH_aの更新フラグをセットして図２の処理に戻る。なお、図３では前記n回分の積算を行うためのカウンタの処理は図示省略してある。
【００１８】
アッシュ濃度DENS_ASHは、前述のようにして算出したn回分の推定アッシュ量ASH_aと対応するオイル消費量OC_totalの関係を最小自乗法等により平均化して得た線形特性の傾きとして求める。
【００１９】
実アッシュ量ASH_bの算出手法は図４に示したとおりである。まずＳ４１にてエンジン運転状態(Q,Ne)から図２のＳ２２と同様の要領にてオイル消費速度OCをマップ検索し、Ｓ４２で次式に示したようにOCに処理周期Δtと前記アッシュ濃度DENS_ASHを乗じたものを算出アッシュ量ASHに加算してゆく。
【００２０】
ASH_b＝ASH＋OC・Δt・DENS_ASH … （２）
ただしアッシュ濃度DENS_ASHは推定アッシュ量ASH_aが最初の更新時期を迎えるまでは算出されないので、それまでは所定の初期設定値を用いて計算される。
【００２１】
図５に前記演算処理によるアッシュ量ASHの演算結果を示している。図中の実線は前記演算結果を、破線は実際のアッシュ量の推移を、○印は推定アッシュ量ASH_aの補正による更新タイミングをそれぞれ表している。前述したように推定アッシュ量ASH_aが最初の更新を受けるまではアッシュ濃度DENS_ASHとして初期設定値によるアッシュ量計算が行われる。この場合、実質的にオイル消費量OC_totalのみの運転履歴に依存したアッシュ量計算となるので、アッシュ濃度の初期値を安全側に見込むこととあわせて、アッシュ量ASHはは比較的急速に増大する。図のM1点はそのままアッシュ量計算を続けたと仮定した場合に限界アッシュ量に達する時期を示している。これに対して、本願発明ではフィルタ差圧による推定アッシュ濃度ASH_aを周期的に更新しながらアッシュ濃度DENS_ASHを修正しているので、実線で示したように実際のアッシュ量推移に近似した結果が得られる。これにより限界アッシュ量に達する時期（図のM2点）を正確に判定することが可能となる。
【００２２】
なお、この実施形態ではアッシュ量ASH_bおよびアッシュ濃度DENS_ASHの算出のためにオイル消費量を用いているが、オイル消費量を代表する運転履歴として車両の走行距離やエンジンの運転時間を適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なエンジンシステムの概略図。
【図２】本発明の一実施形態に係るアッシュ量演算処理の手順を示す第１の流れ図。
【図３】同じく第２の流れ図。
【図４】同じく第３の流れ図。
【図５】実施形態の演算処理によるアッシュ量の変化特性を示す特性線図。
【符号の説明】
１ エンジン本体
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 燃料噴射弁
５ 燃料噴射ポンプ
７ エアフロメータ
８ 排気ターボチャージャ
９ コンプレッサ
１１ スロットルバルブ
１２ タービン
１３ フィルタ
１６ 差圧センサ
１７ ＥＧＲ通路
１８ ＥＧＲバルブ１８
２０ ターボチャージャの可変ノズル
２１ クランク角センサ
２２ コントロールユニット

Claims (7)

  1. エンジンからの排気微粒子を捕集するフィルタの前後差圧を検出する差圧検出手段と、
    エンジン運転状態を検出する手段と、
    前記差圧を用いてフィルタの推定アッシュ量ＡＳＨ＿ａを求める第１のアッシュ量演算手段と、
    エンジン運転状態を用いてオイル消費量ＯＣ＿ｔｏｔａｌを求めるオイル消費量演算手段と、
    オイル消費量ＯＣ＿ｔｏｔａｌと推定アッシュ量ＡＳＨ＿ａとからアッシュ濃度ＤＥＮＳ＿ＡＳＨを求めるアッシュ濃度演算手段と、
    オイル消費量ＯＣ＿ｔｏｔａｌとアッシュ濃度ＤＥＮＳ＿ＡＳＨとを用いてフィルタのアッシュ量ＡＳＨ＿ｂを求める第２のアッシュ量演算手段と、
    を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
  2. エンジンからの排気微粒子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、
    エンジン運転状態を検出する手段と、
    前記差圧を用いてフィルタの推定アッシュ量ＡＳＨ＿ａを求める第１のアッシュ量演算手段と、
    エンジン運転状態を用いてオイル消費量ＯＣ＿ｔｏｔａｌを求めるオイル消費量演算手段と、
    オイル消費量ＯＣ＿ｔｏｔａｌと推定アッシュ量ＡＳＨ＿ａとからアッシュ濃度ＤＥＮＳ＿ＡＳＨを求めるアッシュ濃度演算手段と、
    オイル消費量ＯＣとオイルのアッシュ濃度ＤＥＮＳ＿ＡＳＨとを用いてフィルタのアッシュ量ＡＳＨ＿ｂを求める第２のアッシュ量演算手段と、
    フィルタに捕集した排気微粒子を燃焼処理する再生手段と、
    を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
  3. 前記第１のアッシュ量演算手段は、
    エンジン運転状態を用いて排気流量を求める排気流量演算手段を備え、
    排気流量とフィルタ前後差圧とからアッシュ量を付与するように設定されたマップを参照して推定アッシュ量ＡＳＨ＿ａを演算する
    請求項１または請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
  4. 前記第１のアッシュ量演算手段は、
    フィルタが完全再生された後、かつ排気流量が十分にあることを条件として推定アッシュ量ＡＳＨ＿ａを演算する
    請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
  5. 前記第２のアッシュ量演算手段は、
    エンジン負荷と回転数とからオイル消費量を付与するように設定されたマップを参照して得たオイル消費量ＯＣ＿ｔｏｔａｌとオイル中のアッシュ濃度ＤＥＮＳ＿ＡＳＨとから実アッシュ量を演算する
    請求項１または請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
  6. 前記アッシュ濃度演算手段は、
    推定アッシュ量とオイル消費量の複数回の積算値からアッシュ濃度の平均値を算出し、該平均値をアッシュ濃度ＤＥＮＳ＿ＡＳＨとして設定する
    請求項１または請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
  7. 前記オイル消費量演算手段は、
    オイル消費量を車両の走行距離またはエンジンの運転時間で代表させる
    請求項１または請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
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