JP4434038B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排気通路にパティキュレートフィルタを備えた内燃機関の排ガス浄化装置に関し、詳しくは再生中のパティキュレートフィルタの昇温制御に関する。
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（以下、ＰＭと記載）を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと記載）を備えた排気ガス浄化装置が知られている。この装置では、ＤＰＦへのＰＭ堆積量が所定値に到達した時に、例えば６００℃以上となるようにＤＰＦを昇温し、ＤＰＦ上のＰＭを焼却除去してＤＰＦ再生を行う。
この時、ＤＰＦの昇温手段としては、通常、ポスト噴射や燃料噴射時期の遅角、吸気絞り等が使われるが、これらはいずれも燃費悪化を伴う問題がある。一方、温度が高いほどＰＭの燃焼速度が速く、従って再生が短時間で終了するため、ＤＰＦ再生に伴う燃費悪化は小さくなる。ところが、ＤＰＦ温度が高すぎるとＰＭが急速に燃焼することでＤＰＦ温度が急上昇し、ＤＰＦの破損あるいはＤＰＦに担持した触媒の劣化等をまねく危険がある。つまり、燃費悪化を抑制し、かつ安全にＤＰＦを再生するためには、ＤＰＦ温度を再生に適した温度（目標温度）近傍に維持できるような温度制御が必要となる。
ただし、昇温手段の昇温能力には制限があり運転状態毎にばらつきが生じるため、再生中のＤＰＦ温度が変動する。また、低負荷時や減速中といった運転状態では昇温能力が不足して昇温効果が十分得られずにＤＰＦ温度が大きく低下する。このため、再生中のＤＰＦ温度の変動を抑制するために、昇温手段の操作量を補正してＤＰＦ温度を速やかに、目標温度近傍に復帰させる必要がある。
従来技術として、所定の目標温度とセンサ等により検出した排気温度の偏差や偏差の積算値に所定のフィードバック（以下、Ｆ／Ｂと記述）ゲインを乗じたものを補正量として昇温手段の操作量を補正し、ＤＰＦ温度を再生に適した目標値近傍に維持する排気温度フィードバック制御がある（例えば、特許文献１）。
特開２００３−１７２１８５号公報
一般的に、このＦ／Ｂゲインが大きいほど排気温度が目標温度まで到達する時間が短くなり、制御系の応答性が向上する反面、目標温度近傍での温度が振動的になり安定性が低下する。逆にＦ／Ｂゲインが小さい場合は、応答性が低下して安定性が向上する。そのため、応答性と安定性を両立した最適なＦ／Ｂゲインを選定して温度制御を行う必要がある。
ところが、昇温手段の操作量に対する排気温度変化は、主にＤＰＦの基材と排気との熱伝達による遅れのために、時間遅れを持つ。さらに、運転状態の変化により制御対象の時間遅れが変化するため、図３（ａ) に示すように最適なＦ／Ｂゲインが異なってくる。そのため、Ｆ／Ｂゲインが一定である場合（図３ (ａ) のＤ）、時間遅れが大きい運転条件（図３（ａ）のＢ）では、図３（ｂ）の運転条件Ｂのようにオーバーシュートが大きくなって安定性が低下し、逆に、時間遅れが小さい運転条件（図３ (ａ）のＣ）では、図３ (ｂ）の運転条件Ｃのように応答性が低下するという問題がある。
そこで、本願発明は、ＤＰＦ再生中の温度制御において、現在の運転状態に応じた最適なＦ／Ｂゲインでフィードバック制御し、制御系の安定性と応答性を両立させることを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明請求項１の内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気管に設置されるパティキュレートフィルタと、
上記パティキュレートフィルタを昇温するための昇温手段と、
内燃機関の運転状態を検出するための運転状態検出手段と、
上記パティキュレートフィルタの温度を検出するための温度検出手段と、
上記パティキュレートフィルタへのパティキュレート堆積量を推定するパティキュレート堆積量推定手段と、
上記パティキュレート堆積量推定手段の出力が所定値を超えた時に、上記昇温手段を操作して上記パティキュレートフィルタを所定の目標温度近傍まで昇温し堆積したパティキュレートを焼却除去する再生制御手段とを備え、
上記再生制御手段が、
上記昇温手段の基本操作量を算出する基本操作量算出手段と、
上記運転状態検出手段の出力を基に、上記昇温手段の操作量変化に対する排気温度変化の時間遅れが大きいほどフィードバックゲインの絶対値が小さく、時間遅れが小さいほどフィードバックゲインの絶対値が大きくなるようにフィードバックゲインを算出するフィードバックゲイン算出手段と、
上記フィードバックゲイン算出手段で算出したフィードバックゲインと上記温度検出手段の出力を基に上記昇温手段による操作量の補正量を算出する補正量算出手段とを有している。
上述したように、昇温操作量に対する排気温度変化は時間遅れをもち、さらに、運転状態の変化により、制御対象の時間遅れが変化する。例えば、図４に示すように、運転状態が変化して排気流量が増加すると、熱伝達率が増加して時間遅れが減少する。そこで、本発明の再生制御手段は、運転状態を検出して、この状態にて定まる排気流量と時間遅れとの関係から現在の時間遅れの大きさを知り、それに応じた最適なフィードバックゲインを算出する。このフィードバックゲインを用いて、昇温操作量の補正を行うことで、時間遅れを考慮した温度補正を行なって、速やかに目標温度に近づけることができる。このように、本発明によれば、現在の運転条件に応じた最適なＦ／Ｂゲインを選択して、制御系を高応答化させるとともに、安定性を確保することができる。
請求項２の装置において、上記補正量算出手段は、上記温度検出手段の出力、および、上記温度検出手段の過去の複数の履歴または上記昇温手段による操作量の補正量の過去値またはその過去の複数の履歴にフィードバックゲインを乗じて上記補正量の更新値を算出する。
好適には、昇温操作量の補正量の更新値を算出する際に、温度検出手段の出力だけでなく昇温手段による操作量の補正量の過去値またはその過去の複数の履歴を用いた状態フィードバック制御を行なう。例えば、過去の補正量により、その補正量によって今後生じる温度変化を知ることができるので、これらを基に、上記フィードバックゲイン算出手段により運転状態に応じて算出された最適なフィードバックゲインを乗じて補正量の更新値を算出することで、より高い安定性と応答性を実現できる。
請求項３の装置において、上記再生制御手段は、上記昇温手段の操作量変化に対する排気温度変化の時間的な遅れを伝達関数により表現するモデル設定手段を備え、
上記フィードバックゲイン算出手段は、上記モデル設定手段により設定された伝達関数を基に、運転状態に応じた最適なフィードバックゲインを算出する。
具体的には、図６のように昇温操作量変化に対する排気温度変化の時間的な遅れを伝達関数を用いて表すことができる。そこで、伝達関数を用いて制御対象をモデル化し、最適なフィードバックゲインを算出し、状態フィードバック制御を行なうことで、応答性と安定性をともに向上させることができる。
請求項４の装置において、上記モデル設定手段は、上記時間遅れをむだ時間と時定数とで表される伝達関数または高次遅れで表される伝達関数として表現する。
具体的には、上記時間遅れはむだ時間と時定数を用いた伝達関数で表すことができる。または高次遅れで表される伝達関数を用いてもよく、上記効果が容易に得られる。
請求項５の装置において、上記補正量算出手段は、上記温度検出手段の出力と上記目標温度との偏差または偏差の積算値または偏差の変化量、またはそのいずれか複数にフィードバックゲインを乗じることで補正量を算出する。
あるいは、排気温度の検出値と目標温度との偏差を用いて、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御等を行なってもよい。この場合も、上述したように時間遅れに応じたフィードバックゲインを用いることで、同様の効果が得られる。
請求項６の装置において、上記運転状態検出手段は吸気量検出手段であり、
上記フィードバックゲイン算出手段は、上記吸気量検出手段の出力に応じてフィードバックゲインを変更する。
温度変化の時間遅れは、排気流量に応じて変化する。よって排気流量の変化を吸気量によって測定し、これを基にフィードバックゲインを算出することで、現在の運転条件に適した最適なフィードバックゲインで制御を行なうことができる。
請求項７の装置において、上記運転状態検出手段は内燃機関の回転数と要求噴射量を検出するものであり、
上記フィードバックゲイン算出手段は、内燃機関の回転数と要求噴射量に応じてフィードバックゲインを変更する。
吸気量が内燃機関の回転数と要求噴射量に応じて一義的に決まるようなシステムでは、回転数と要求噴射量によって現在の運転状態を知ることができる。よって、回転数と要求噴射量に応じて、フィードバックゲインを変更する方法によっても同様の効果が得られる。
請求項８の装置において、上記フィードバックゲイン算出手段は、予め算出して記録したフィードバックゲインを多段階で切り替えるか、またはフィードバックゲインを連続的に変更する。
例えば吸気量の大きさによって分けられた複数の運転条件ごとに、最適なフィードバックゲインを予め算出し、例えば吸気量の検出結果を基にフィードバックゲインを切り替えることで容易に上記効果が得られる。あるいは、運転条件に適したフィードバックゲインを連続的に設定可能とすれば、より精度よく最適なフィードバックゲインで制御を行なうことができる。
以下、本発明を適用したディーゼルエンジンの排気浄化装置の第１の実施形態について説明する。図１はシステムの構成の一例を示す図で、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３上流に酸化触媒（ＤＯＣ）４が設置された構成としてある。ＤＰＦ３は、ディーゼルエンジン１の排気管２ａ、２ｂ間に設置され、ＤＰＦ３上流の排気管２ａにＤＯＣ４が設置される。ＤＰＦ３は公知の構造のセラミック製フィルタであり、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形して、ガス流路となる多数のセルを入口側または出口側が互い違いとなるように目封じしてなる。エンジン１から排出された排気ガスは、ＤＰＦ３の多孔性の隔壁を通過しながら下流へ流れ、その間にパティキュレート（ＰＭ）が捕集されて次第に堆積する。
ＤＯＣ４は公知の構造で、コーディエライトハニカム構造体等よりなるセラミック製担体の表面に酸化触媒を担持してなる。ＤＯＣ４は、排気通路２に供給される炭化水素（ＨＣ）を触媒反応により燃焼させて排気温度を上昇させ、ＤＰＦ３を昇温する。ＤＰＦ３は金属製フィルタであってもよく、酸化触媒が担持されていても、担持されていなくてもよい。あるいは、酸化触媒が担持されたＤＰＦ３を用い、その上流にＤＯＣ４を設置しない装置構成とすることもできる。
ＤＰＦ３上流の排気管２ａには、ＤＯＣ４とＤＰＦ３の間に上流側排気温センサ５１が設置され、ＤＰＦ３下流の排気管２ｂには下流側排気温センサ５２が設置される。これら排気温センサ５１、５２（温度検出手段）はＥＣＵ６に接続されており、ＤＰＦ３に流入する排気の温度またはＤＰＦ３から排出される排気の温度を検出して、ＥＣＵ６に出力する。エンジン１の吸気管１１には、エアフロメータ５３（吸気量検出手段）が設置されて吸気量をＥＣＵ６に出力するようになっている。エアフロメータ５３下流の吸気管１１には吸気絞り弁１２が設置されており、ＥＣＵ６の指令で吸気量を増減する。吸気絞り弁１２は、設置された吸気管１１の流路面積をバルブ開度変化により変化させて吸気量を操作する。また、ＤＰＦ３下流の排気管２ｂには、Ａ／Ｆセンサ（空燃比センサ）５４が設置される。Ａ／Ｆセンサ５４の代わりに排気管にＯ2 センサを設置したり、これらセンサを組み合わせてもよい。
また、エンジン１の吸気管１１は、ＥＧＲ制御弁７を備えたＥＧＲ通路１３によって、ＤＯＣ４の上流側の排気管２ａと連通しており、ＥＧＲ制御弁７はＥＣＵ６の指令で吸気に還流する排気量（ＥＧＲ量）を増減する。ＥＧＲ制御弁７は、例えば、電気式バキューム調量バルブ（ＥＶＲＶ）と機械式バルブ (ＥＧＲＶ) からなる公知の構成で、ＥＣＵ６から出力される制御電流に応じて、バキュームポンプから受けるバキューム量を調整し、負圧室に制御負圧を発生させて、機械式バルブの弁リフト量を制御する。
排気管２ａ、２ｂには、ＤＰＦ３にて捕集されたパティキュレートの量（ＰＭ堆積量）を知るために、ＤＰＦ３の前後差圧を検出する差圧センサ８が接続される。差圧センサ８の一端側はＤＰＦ３上流の排気管２ａに、他端側はＤＰＦ３下流の排気管２ｂにそれぞれ圧力導入管８１、８２を介して接続されており、ＤＰＦ３の前後差圧に応じた信号をＥＣＵ６に出力する。
ＥＣＵ６には、さらに、アクセル開度センサやエンジン回転数センサといった図示しない各種センサが接続されている。ＥＣＵ６は、これら各種センサからの検出信号を基にエンジン１の運転状態を検出し（運転状態検出手段）、最適な燃料噴射量、噴射時期、噴射圧等を算出してエンジン１への燃料噴射を制御するとともに、吸気絞り弁１２やＥＧＲ制御弁７の弁開度等を制御する。また、上述した各種センサ出力に基づいてポスト噴射等を行い、ＤＰＦ３をＰＭの燃焼温度以上に昇温することによりＤＰＦ３を再生する。
以下に、ＤＰＦ３の再生について説明する。ＥＣＵ６は、排気温度を昇温し、さらに排気中のＨＣを増量してＤＯＣ４でのＨＣ反応熱によりＤＰＦ３を昇温する手段（昇温手段）と、ＤＰＦ３へのＰＭ堆積量を推定する手段（パティキュレート堆積量推定手段）と、ＰＭ堆積量が予め決められた所定値を超えた時に、昇温手段を操作してＤＰＦ３を所定の目標温度近傍まで昇温し、堆積したＰＭを焼却除去する手段（再生制御手段）とを有している。
パティキュレート堆積量推定手段は、例えば、差圧センサ８で検出されるＤＰＦ３の前後差圧からＰＭ堆積量を推定する。排気流量が一定である場合にはＰＭ堆積量が多いほどＤＰＦ前後差圧が増加するので、この関係を予め調べておくことでＰＭ堆積量を知ることができる。あるいは、各種センサ出力から知られるエンジン運転条件を基にＰＭ排出量を算出し、これを積算してＰＭ堆積量を推定することもできる。これらの方法を組み合わせることもできる。
昇温手段として、具体的には、ポスト噴射や、ＤＯＣ４上流の排気管２ａに設置される燃料添加装置（図示せず）から排気中への燃料添加、あるいは、燃料噴射時期遅角（リタード）、吸気絞り弁１２による吸気絞り等が用いられる。また、吸気用インタクーラを備えるエンジンにおいてインタクーラバイパスを行うこともできる。これらの操作により、排気通路２に供給される未燃ＨＣがＤＯＣ４で酸化反応により発熱し、または、エンジン１から排出される排気温度が上昇して、ＤＰＦ３に高温の排気を供給する。昇温手段としては、これらのうちいずれか１つの操作を行っても、複数の操作を組み合わせることもできる。
ＤＰＦ３の再生に必要な温度（目標温度）は一定の所定値とし、安全性を考慮して極力高温に設定する（例えば６００℃）。あるいは、目標温度を、昇温中のパティキュレート残存量に応じて変更することもできる。この場合、パティキュレート残存量（ＰＭ堆積量）が少ないほど目標温度を大きな値とするとよく、例えば、パティキュレート量が所定値（例えば４ｇ／Ｌ）を超えた時には、パティキュレートの急速燃焼を回避するために目標温度を６００℃とし、パティキュレート量が所定値（例えば４ｇ／Ｌ）以下の時には、再生による燃費悪化を低減するために目標温度を６５０℃とする。または、これを多段階に変えてもよい。
一例として、ＤＰＦ３上流にＤＯＣ４を設置した図１の構成において、昇温手段としてポスト噴射を行なった場合のＤＯＣ４とＤＰＦ３の間の排気温度の制御手法について詳述する。図２は、本実施形態におけるＤＰＦ温度制御の概要を示すブロック図で、再生制御手段は、エンジン回転数Ｎｅと要求噴射量Ｑｆから現在の運転状態に応じた基本ポスト噴射量ＱＰＢＳＥを算出するとともに（基本操作量算出手段）、吸気量ＧＡから現在の運転状態に応じたＦ／Ｂゲインを算出し（フィードバックゲイン算出手段）、上流排気温度ＴＨＩＮと目標温度ＴＨＴＲＧとの偏差および過去の補正量の履歴（補正量の過去値）を基に、算出したＦ／Ｂゲインを用いて温度補正量ＴＨＦＢを算出する（補正量算出手段）。この温度補正量ＴＨＦＢと、現在のエンジン回転数Ｎｅと要求噴射量Ｑｆに対応する温度変化量の感度ＰＴＧＡＩＮから最終ポスト噴射量補正量ＱＰＦＢ（補正量の更新値）を算出し、基本ポスト操作量ＱＰＢＳＥに加算することで、最終ポスト噴射量ＱＰＦＩＮを算出する。
上述したように、昇温手段の操作量（ポスト噴射量）の変化に対して、排気温度変化は時間遅れを持つ。このため、例えば、図３（ａ）の運転状態Ａを基準にＦ／Ｂゲインを設定した場合、図３（ｂ）に示すように、時間遅れがより大きい運転状態Ｂでは制御系の応答性が向上する反面、排気温度は振動的となって安定性が低下する。特に、高温側にオーバーシュートする場合は、ＰＭが急速燃焼し、ＤＰＦ３の破損をまねく危険性が生じる。逆に、時間遅れが小さい運転状態Ｃでは応答性が低下する。そこで、本発明では、運転状態によってＦ／Ｂゲインを切り替え、現在の運転条件に適したＦ／Ｂゲインを用いて昇温手段の補正量を算出することで、Ｆ／Ｂゲインのずれにより応答性または安定性が悪化するのを防止する。Ｆ／Ｂゲインは、温度変化の時間遅れの大きさに応じて切り替える。
この時間遅れは、図４に示すように、ＤＯＣ４やＤＰＦ３を通過する排気流量に応じて変化する。すなわち、排気流量が増加すると、排気とＤＯＣ４やＤＰＦ３との熱伝達率が増加して、時間遅れは減少する。逆に、排気流量が減少すると、時間遅れが増加する。ここで、系の時間遅れを図６に示すように時定数Ｔとむだ時間Ｌで表現すると、図５に示すように、排気流量がこの時定数Ｔ、むだ時間Ｌの変化に対して支配的なことが実験的に確認できる。従って、排気流量を検出することで、現在の運転条件での時間遅れを知ることができ、その時間遅れの大きさに応じてＦ／Ｂゲインを切り替えればよいことがわかる。具体的には、排気流量は吸気量ＧＡにより検出できるので、吸気量ＧＡを吸気管１１に設置されたエアフロメータ５３等により検出して、その吸気量に応じて決まる時間遅れに適したＦ／Ｂゲインを選択する。
つまり、従来技術において、排気流量の変化が伴う運転条件の変更が生じる際に、この運転条件が変更される前に設定された同一のポスト噴射量を噴射させていると、ＤＰＦ温度（例えば、ＤＰＦ出口温度にてＤＰＦ温度を推定検出）の上昇速度が変化してしまっていた。これに対して、本発明においては、運転条件が変化しても、ＤＰＦ温度の上昇速度を狙いの状態に確保できるように、時々刻々と変化する運転条件の変化に対応した昇温手段の補正量を前記した算出手順に沿って求め、この補正量を反映したポスト噴射量を変化させながら噴射するものである。なお、ＦＢゲインとは、ＤＰＦ温度の実値と狙い値との偏差指標値と、この偏差指標値に対応する単位時間当たりの熱投与量（例えば、ポスト噴射量）との対応値の比率を示している。
図７にＦ／Ｂゲインを吸気量ＧＡに応じて切り替えた場合の温度制御結果を示す。図７の上段のように排気流量が異なる複数の運転条件で、それぞれの排気流量における時間遅れを考慮して選択したＦ／Ｂゲインを用いて温度制御を実施した時の排気温度変化を中段に示した（本発明の制御方法）。また、比較のため、一定のＦ／Ｂゲインで、同様の制御を行った場合を下段（従来の制御方法）に示した。図示されるように、一定のＦ／Ｂゲインで制御を行う従来の制御方法は、実線で示す排気流量では良好な応答性と安定性となるが、排気流量が大きいと（図中、点線）、オーバーシュートが増大し、目標温度近傍での安定性が悪化する。また、排気流量が小さいと（図中、鎖線）、目標温度に収束するまでに長時間を要する。これに対し、本発明による制御方法でＦ／Ｂゲインを吸気量ＧＡごとに切り替えた場合、どの運転条件でもオーバーシュートの増大を防ぎ、良好な安定性を得ることができる。
また、温度補正量ＴＨＦＢを算出する際、検出した排気温度ＴＨＩＮと目標温度との偏差（または偏差の積算値または偏差の変化量）にフィードバックゲインを乗じる制御方法を採用してもよいが、好適には、検出した排気温度ＴＨＩＮだけでなく、ある所定時間過去の温度補正量ＴＨＦＢの履歴を用いることで、より応答性と安定性の高い温度制御ができる。これは、過去の温度補正量ＴＨＦＢにより、その温度補正量ＴＨＦＢによって今後生じる温度変化を知ることができるからであり、その温度変化に応じて現在の温度補正量ＴＨＦＢを算出するため、排気温度ＴＨＩＮのみをフィードバックする制御方法よりも応答性と安定性が向上する。この過去の温度補正量ＴＨＦＢおよび排気温度のＦ／Ｂゲインを算出するために、昇温手段の操作量変化に対する温度変化の関係を伝達関数で表現し、その伝達関数を用いて温度変化を推定し補正量に反映させる。これは排気温度と過去の温度補正量を状態量としてこれをフィードバックする状態フィードバック制御である。
図８にこの状態フィードバック制御による温度制御と、検出した排気温度のみをフィードバックする制御方法（ここではＰＩ制御）の制御性能を比較した結果を示す。図示されるように、状態フィードバック制御を行なうことでＰＩ制御（Ｆ／Ｂゲイン小）に比べて良好な応答性が得られる。それに対してＰＩ制御ではＦ／Ｂゲインを大きくして応答性を向上させてもオーバーシュートが大きくなり安定性が低下する。従って、好適には、状態フィードバック制御を行なうと、応答性の向上と安定性の向上を両立できる。
具体的には、上記図６で示されるように、昇温操作量に対する排気温度変化の時間的な遅れを時定数（１次遅れ）Ｔとむだ時間Ｌで表される伝達関数としてモデル化し（モデル設定手段）、この伝達関数を基に、最適なＦ／Ｂゲインを算出する。この時、高次遅れで表される伝達関数で表現することもできる。なお、高次遅れで伝達関数を表現すると、高精度で遅れを表現できるので、モデルの適合や演算処理が複雑になる反面、より高精度な制御が可能となる利点がある。
そして、上流排気温度ＴＨＩＮと目標温度ＴＨＴＲＧとの偏差および過去に算出された温度補正量の各々に、算出したＦ／Ｂゲインを乗じて温度補正量ＴＨＦＢを算出する。状態フィードバック制御では、操作量変化と排気温度変化の関係を伝達関数により表現しているため、その伝達関数を用いて、応答性と安定性の重みをパラメータとして、操作量と目標との偏差の評価関数が最小となるようなＦ／Ｂゲインを一意に算出できる（ＰＩ制御のように、トライアンドエラーでゲイン適合を行う必要がない）。ただし、この方法では、Ｆ／Ｂゲインの算出に多くの繰り返し計算を要するため、制御モデル毎のＦ／Ｂゲインを事前に算出しておく必要がある。
また、状態フィードバック制御におけるＦ／Ｂゲインの算出に、極配置法を用いてもよい。この手法は制御系の応答性と安定性の特性を示す制御系の伝達関数の極を与えれば、四則演算によりＦ／Ｂゲインを算出でき、車両走行中に検出した吸気量に対応した状態Ｆ／Ｂゲインを連続的に算出することができる。これにより、より精密に運転状態に適したＦ／Ｂゲインを算出でき、制御精度が向上する。またＦ／Ｂゲインを連続的に変化させることでゲイン切替え時の補正量の誤計算をなくすことができる。
以上、ＤＰＦ３上流にＤＯＣ４が設置された構成におけるＤＯＣ４とＤＰＦ３間の排気温度の制御手法についての効果を説明したが、ＤＯＣ４を備えない構成で、運転状態、昇温操作量、排気温度等から推定したＤＰＦ温度をフィードバック制御する場合も同様の効果が得られる。
また、上述したモデル設定手段のパラメータ（時定数やむだ時間）の変化に対しては、吸気量が支配的であるが、回転数・噴射量によって吸気量が一意に決まるシステム（例えば、吸気絞り弁１２開度やＥＧＲ制御弁７開度、可変ノズルベーン開度といった吸気系のアクチュエータをオープン制御しているシステム）の場合は、回転数と噴射量によりモデル化しＦ／Ｂゲインを算出することもできる。
図９〜図１８に本実施形態におけるＥＣＵ６の動作を示すフローチャートを示す。以下に動作の詳細を説明する。図９は、ＤＰＦ３を再生する際の基本動作を示す図であり、まず、ステップ１００で、ＤＰＦ３のＰＭ堆積量ＭＰＭを検出する。例えば、ＤＰＦ３を通過する排気流量とＤＰＦ前後差圧の関係は、ＰＭ堆積量により変化する。この関係を利用して、ＤＰＦ上下流の圧力が導入される差圧センサ８で検出した差圧とＤＰＦ３を通過する排気流量を基に、ＰＭ堆積量を算出する。また、各運転条件でエンジンから排出されるＰＭを推定し、それを積算することで算出してもよい。
ステップ２００では、ステップ１００で算出したＰＭ堆積量ＭＰＭを、再生開始ＰＭ堆積量ＭＰＭＨ（所定値１：例えば４ｇ／Ｌ）と比較する。そして、ＰＭ堆積量ＭＰＭが再生開始ＰＭ堆積量ＭＰＭＨを超えていれば、ＤＰＦ３の再生の必要があると判断し、ステップ３００へ進む。ステップ３００では、ＤＰＦ再生フラグＸＲＧＮをオンにし、ステップ５００へ進んでＤＰＦ３の再生制御を行う。ステップ２００でＭＰＭがＭＰＭＨ以下ならば、ステップ４００へ進み、ＤＰＦ再生フラグＸＲＧＮがオンかどうかを判定する。ＤＰＦ再生フラグＸＲＧＮがオンならば再生中と判断し、ステップ５００へ進んでＤＰＦ３を昇温する。ＸＲＧＮがオフならば、ＤＰＦ３の昇温を行わない。
ステップ５００では、ＤＰＦ３を再生可能な温度に昇温するために必要なポスト噴射量を算出する。以下、図１０により詳細な動作を説明する。ステップ５１０では、現在の運転状態に対応した基本ポスト噴射量ＱＰＢＳＥを算出する。具体的には、まず、現在のエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆを読み込み、予め作成しておいた基本ポスト噴射量ＱＰＢＳＥマップを用いて、基本ポスト噴射量ＱＰＢＳＥを算出する。
ステップ５２０では、目標温度ＴＨＴＲＧを算出する。目標温度ＴＨＴＲＧはＰＭが急速燃焼するＤＰＦ温度以下で極力高温に設定することが望ましい。ＰＭの急速燃焼を引き起こすＤＰＦ温度はＰＭ堆積量に応じて異なるため、ＰＭ堆積量ＭＰＭに応じて目標温度ＴＨＴＲＧを変更してもよい。例えば、ＰＭ堆積量ＭＰＭが所定値１（例えば４ｇ／Ｌ）を超える場合は、所定値１以下の目標温度（例えば６５０℃）に対して低い目標温度（例えば６００℃）とする。
ステップ５３０では、現在の排気温度を目標温度ＴＨＴＲＧ近傍に維持するために必要な温度補正量ＴＨＦＢを算出する。以下、図１３により詳細な動作を説明する。ステップ５３１では、ＤＰＦ３上流の排気管２ａに設置された上流側排気温センサ５１の出力から、ＤＰＦ上流排気温度ＴＨＩＮを読み込む。ステップ５３２では、ＤＰＦ上流排気温度ＴＨＩＮとフィードバック開始温度ＫＴＨＳＴＦＢを比較し、フィードバック開始温度ＫＴＨＳＴＦＢを超える場合は、ステップ５３４へ進みフィードバックを行う。フィードバック開始温度ＫＴＨＳＴＦＢ以下の場合は、ステップ５３３へ進みフィードバックを停止する。これは、排気温度の低下によりＨＣの反応量が減少して、未反応のＨＣがすり抜けることを防ぐためである。
ステップ５３４では、吸気管１１に設置されたエアフロメータ５３の出力から現在の吸気量ＧＡを読み込む。ステップ５３５では、現在の吸気量ＧＡに基づいて制御モデル選択Ｎｏ．：ＮＭＤＬを設定する。制御モデルは、例えば、図１１に示すように、吸気量ＧＡに応じて５段階に設定される（ＮＭＤＬ＝１〜５）。ステップ５３６では、ステップ５３５で設定した制御モデル選択Ｎｏ．：ＮＭＤＬの前回値（ｉ−１）と今回値（ｉ）が異なるか否か、すなわち制御モデルが切り替わったか否かを判定する。制御モデルが切り替わっていない場合はステップ５３８に進み、切り替わっている場合は、ステップ５３７に進む。
ステップ５３７では、今回の温度補正量ＴＨＦＢ（ｉ）を新たに計算せず、前回の補正量ＴＨＦＢ（ｉ−１）をホールドする。これは、制御モデルの切替え時に、誤計算による温度補正量ＴＨＦＢの設定ミスを防止するためである。
ステップ５３８〜５４６では、切り替わった制御モデル選択Ｎｏ．：ＮＭＤＬが１〜５のいずれかを順に判定し、モデル選択Ｎｏ．：ＮＭＤＬに指示された制御モデルと、この制御モデルについて予め応答性、安定性を適合したＦ／Ｂゲイン配列Ｋを算出する。
Ｋ＝［Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 ，・・・, ＫNL+1，Ｋa ］
ＫＦＢ１〜ＫＦＢ５：各制御モデルに対応するＦ／Ｂゲイン配列
Ｆ／Ｂゲインは、モデルのむだ（時間／演算周期）＋１個分と積分項のゲイン１個分設定される。
続くステップ５４７〜５４９では、ステップ５３８〜５４６で算出したＦ／Ｂゲイン配列Ｋを用い、ステップ５２０、５３１で算出した上流排気温度ＴＨＩＮ、目標温度ＴＨＴＲＧと、むだ時間前から前回までの温度補正量ＴＨＦＢ（ｉ−１）・・・ＴＨＦＢ（ｉ−ＮＬ）から、下記の式により温度補正量ＴＨＦＢを算出する。
ＴＨＦＢＢ（ｉ）＝Ｋ1 ＴＨＩＮ（ｉ）＋Ｋ2 ＴＨＦＢ（ｉ−１）＋・・・＋ＫNL+1ＴＨＦＢ（ｉ−ＮＬ）
ＺＩ（ｉ）＝ＺＩ（ｉ−１）＋Ｋa ｛ＴＨＴＲＧ−ＴＨＩＮ（ｉ）｝
ＴＨＦＢ（ｉ）＝ＴＨＦＢＢ（ｉ）＋ＺＩ（ｉ）
ＺＩ：積分補正量
ＮＬ：むだ時間／演算周期
ステップ５５０では、運転状態に応じたポスト噴射量変化に対する温度変化ゲインＰＴＧＡＩＮを算出する。具体的には、まず、現在のエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆを読み込み、予め作成しておいた温度変化ゲインＰＴＧＡＩＮマップを用いて、対応する温度変化ゲインＰＴＧＡＩＮを算出する。これは、温度の次元（例えば℃）で算出した温度補正量ＴＨＦＢを、昇温操作量であるポスト噴射量の次元（例えばｍｍ3 ／ｓｔ）に変換するためで、温度変化ゲインＰＴＧＡＩＮ（例えば（ｍｍ3 ／ｓｔ）／℃）を用いて次元を合わせることで、最終的な補正が可能となる。
ステップ５６０では、基本ポスト噴射量ＱＰＢＳＥに温度補正量ＴＨＦＢに対応したポスト噴射量補正量を加算し、最終ポスト噴射量ＱＰＦＩＮを算出する。具体的には、図１２のように、ステップ５６１で、温度補正量ＴＨＦＢに温度補正量に対する温度変化ゲインＰＴＧＡＩＮを乗じて、ポスト噴射補正量ＱＰＦＢを算出する。ステップ５６２では、基本ポスト噴射量ＱＰＢＳＥにポスト噴射補正量ＱＰＦＢを加算し、最終ポスト噴射量ＱＰＦＩＮを算出する。ステップ５６３では、下記の式によりステップ５５２で算出した最終ポスト噴射量ＱＰＦＩＮの上下限ガードを行う。
ＱＰＭＩＮ＜ＱＰＦＩＮ＜ＱＰＭＡＸ
図９のステップ６００では、ステップ１００で算出したＰＭ堆積量ＭＰＭを、再生終了ＰＭ堆積量ＭＰＭＬ（所定値２：例えば０．５ｇ／Ｌ）と比較する。そして、ＰＭ堆積量ＭＰＭが再生終了ＰＭ堆積量ＭＰＭＬ以下ならば、再生終了と判断し、ステップ７００へ進む。ステップ７００では、ＤＰＦ再生フラグＸＲＧＮをオフにし、再生を終了する。
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。システムの構成は上記第１の実施形態と同様であり説明を省略する。本実施形態では制御理論の一手法である極配置法を用いて、検出した吸気量をもとにＦ／Ｂゲインを連続的に算出する。図１４〜図１８に本実施形態におけるＥＣＵ６動作のフローチャートを示す。以下に動作の詳細を説明する。図１４はＤＰＦ３を再生する際の基本動作を示す図で、ステップ１１００〜１４００、ステップ１６００〜１７００は、第１の実施形態の図９におけるステップ１００〜４００、ステップ６００〜７００に対応する。
まず、ステップ１１００で、ＤＰＦ３のＰＭ堆積量ＭＰＭを検出し、ステップ１２００では、ステップ１１００で算出したＰＭ堆積量ＭＰＭが、再生開始ＰＭ堆積量ＭＰＭＨ（所定値１：例えば４ｇ／Ｌ）を超えていれば、ＤＰＦ３の再生の必要があると判断し、ステップ１３００へ進む。ステップ１３００では、ＤＰＦ再生フラグＸＲＧＮをオンにし、ステップ１５００へ進んでＤＰＦ３の再生制御を行う。ステップ１２００でＭＰＭがＭＰＭＨ以下ならば、ステップ１４００へ進みＤＰＦ再生フラグＸＲＧＮがオンかどうかを判定する。ＤＰＦ再生フラグＸＲＧＮがオンならば再生中と判断し、ステップ１５００へ進んでＤＰＦ３を昇温する。ＸＲＧＮがオフならば、ＤＰＦ３の昇温を行わない。
ステップ１５００では、ＤＰＦ３を再生可能な温度に昇温するために必要なポスト噴射量を算出する。以下、図１５により詳細な動作を説明する。ステップ１５１０〜１５２０、ステップ１５５０〜１５６０は、上記第１の実施形態例の図１０におけるステップ５１０〜５２０、ステップ５５０〜５６０に対応する。まず、ステップ１５１０で、現在のエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆから運転状態に対応した基本ポスト噴射量ＱＰＢＳＥを算出し、次いで、ステップ１５２０で、目標温度ＴＨＴＲＧを算出する。目標温度ＴＨＴＲＧはＰＭが急速燃焼するＤＰＦ温度以下で極力高温に設定することが望ましく、ＰＭ堆積量ＭＰＭに応じて目標温度ＴＨＴＲＧを変更してもよい。
ステップ１５３０では、現在の排気温度を目標温度ＴＨＴＲＧ近傍に維持するために必要な温度補正量ＴＨＦＢを算出する。以下、図１６により詳細な動作を説明する。ステップ１５３１では、ＤＰＦ３上流の排気管２ａに設置された上流側排気温センサ５１の出力から、ＤＰＦ上流排気温度ＴＨＩＮを読み込む。ステップ１５３２では、ＤＰＦ上流排気温度ＴＨＩＮとフィードバック開始温度ＫＴＨＳＴＦＢを比較し、フィードバック開始温度ＫＴＨＳＴＦＢを超える場合は、ステップ１５３４へ進みフィードバックを行う。フィードバック開始温度ＫＴＨＳＴＦＢ以下の場合は、ステップ１５３３へ進みフィードバックを停止する。
ステップ１５３４では、現在の吸気量ＧＡに対応する制御系のシステムの応答性と安定性を表す目標特性多項式係数Ａ１，Ａ２を算出する。システムの極は減衰係数ζと固有角周波数ωによって任意に指定することができ、この極がシステムの応答性と安定性を支配する。本ルーチンでは、吸気量に対応した減衰係数ζと固有角周波数ωを予め適合し、検出した吸気量ＧＡに応じて算出する。以下、図１７により詳細な動作を説明する。まず、図１７（ａ）のステップ１５３４Ａでは、吸気管１１に設置されたエアフロメータ５３の出力から現在の吸気量ＧＡを読み込む。次いで、ステップ１５３４Ｂで、減衰係数ζを所定値ＫＤＭＰとして記憶し、ステップ１５３４Ｃで固有角周波数ωを算出する。この時、図１７（ｂ）に示す関係から予め作成した固有角周波数マップを用い、読み込んだ吸気量ＧＡ１に対応する値αを算出して、ステップ１５３４Ｄで固有角周波数ωとして記憶する。
その後、ステップ１５３４Ｅで、減衰係数ζと固有角周波数ωを基にシステムの離散特性多項式
ｚ２＋Ａ１・ｚ＋Ａ２の係数である目標特性多項式係数Ａ１、Ａ２を、以下の式をもとに算出する（ｄｔ：演算周期）。
Figure 0004434038

Figure 0004434038
ステップ１５３５では、現在の吸気量に対応するモデル定数を算出する。以下、図１８により詳細な動作を説明する。まず、図１８（ａ）のステップ１５３５Ａで、現在の吸気量ＧＡを読み込む。次いで、ステップ１５３５Ｂで、図１７（ｂ）に示す関係から予め作成した時定数マップを用い、読み込んだ吸気量ＧＡ１に対応する値βを、ステップ１５３５Ｃで、時定数Ｔとして記憶する。次いで、ステップ１５３４Ｄで、図１７（ｃ）に示す関係から予め作成したむだ時間マップを用いて、吸気量ＧＡ１に対応する値γを算出し、ステップ１５３５Ｄで、むだ時間Ｌとして記憶する。
図１６のステップ１５３６では、上記のようにして算出した目標特性多項式係数Ａ１，Ａ２、時定数Ｔ、むだ時間Ｌをもとに減衰係数ζと固有角周波数ωで指定されるシステムを目標特性（応答性、安定性）とするＦ／Ｂゲイン配列Ｋ［Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 ，・・・, ＫNL+1，Ｋa ；（ＮＬ：Ｌ／ｄｔ）］を算出する。この手法によるＦ／Ｂゲイン算出の演算は上記第１の実施形態で用いた手法のような繰り返し演算を必要とせず、簡易な四則演算で行えるため、ＥＣＵ６上で随時演算できる。そのため、現在の運転条件に適したＦ／Ｂゲインを連続的に算出できる。
ステップ１５３７〜１５４９では、ステップ１５３６で算出したＦ／Ｂゲイン配列Ｋを用い、ステップ１５２０、１５３１で算出した上流排気温度ＴＨＩＮ、目標温度ＴＨＴＲＧと、むだ時間前から前回までの温度補正量ＴＨＦＢ（ｉ−１）・・・ＴＨＦＢ（ｉ−ＮＬ）から、下記の式により温度補正量ＴＨＦＢを算出する。
ＴＨＦＢＢ（ｉ）＝Ｋ1 ＴＨＩＮ（ｉ）＋Ｋ2 ＴＨＦＢ（ｉ−１）＋・・・＋ＫNL+1ＴＨＦＢ（ｉ−ＮＬ）
ＺＩ（ｉ）＝ＺＩ（ｉ−１）＋Ｋa ｛ＴＨＴＲＧ−ＴＨＩＮ（ｉ）｝
ＴＨＦＢ（ｉ）＝ＴＨＦＢＢ（ｉ）＋ＺＩ（ｉ）
ＺＩ：積分補正量
図１５のステップ１５５０では、運転状態に応じたポスト噴射量変化に対する温度変化ゲインＰＴＧＡＩＮを算出し、ステップ１５６０では、基本ポスト噴射量ＱＰＢＳＥに温度補正量ＴＨＦＢに対応したポスト噴射量補正量を加算し、最終ポスト噴射量ＱＰＦＩＮを算出する。
図１４のステップ１６００では、ステップ１１００で算出したＰＭ堆積量ＭＰＭが、再生終了ＰＭ堆積量ＭＰＭＬ（所定値２：例えば０．５ｇ／Ｌ）以下ならば再生終了と判断し、ステップ１７００へ進む。ステップ１７００では、ＤＰＦ再生フラグＸＲＧＮをオフにし、再生を終了する。
本発明を適用した排気浄化装置の全体構成図である。 ＥＧＲ制御弁の構成を示すブロック図である。 （ａ）は温度変化の時間遅れの大きさによって最適なフィードバックゲインが異なることを示す図、（ｂ）はフィードバックゲインが一定である時の運転状態による排気温度変化の違いを示す図である。 排気流量に応じて昇温操作量変化に対する排気温度変化の時間遅れが変化することを示す図である。 排気流量に応じて時定数、むだ時間が変化することを示す図である。 昇温操作量に対する排気温度変化の時間遅れを伝達関数で表すモデル図である。 本発明の効果を説明するための図で、排気流量に対してフィードバックゲインを切り替えることで制御系の応答性と安定性が向上できることを示す図である。 状態フィードバックによる制御とＰＩ制御による制御性能を比較して示す図である。 第１の実施形態におけるＥＣＵによるＤＰＦ再生の基本動作を示すフローチャート図である。 ポスト噴射量を算出するためのフローチャート図である。 吸気量に基づいて制御モデルを設定する方法を説明するための図である。 最終ポスト噴射量を算出するためのフローチャート図である。 昇温操作量の温度補正量を算出するためのフローチャート図である。 第２の実施形態におけるＥＣＵによるＤＰＦ再生の基本動作を示すフローチャート図である。 ポスト噴射量を算出するためのフローチャート図である。 昇温操作量の温度補正量を算出するためのフローチャート図である。 （ａ）は吸気量に対応した目標特性多項式係数を算出するためのフローチャート図、（ｂ）は吸気量と固有角周波数の関係を示す図である。 （ａ）は吸気量に対応したモデル定数を算出するためのフローチャート図、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ吸気量と制御モデルの時定数、むだ時間との関係を示す図である。
符号の説明
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１１ 吸気管
１２ 吸気絞り弁
１３ ＥＧＲ通路
２ａ、２ｂ 排気管
３ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
４ 酸化触媒（ＤＯＣ）
５１、５２ 排気温センサ
５３ エアフロメータ（吸気量検出手段）
５４ Ａ／Ｆセンサ
６ ＥＣＵ
７ ＥＧＲ制御弁
８ 差圧センサ

Claims (8)

  1. 内燃機関の排気管に設置されるパティキュレートフィルタと、
    上記パティキュレートフィルタを昇温するための昇温手段と、
    内燃機関の運転状態を検出するための運転状態検出手段と、
    上記パティキュレートフィルタの温度を検出するための温度検出手段と、
    上記パティキュレートフィルタへのパティキュレート堆積量を推定するパティキュレート堆積量推定手段と、
    上記パティキュレート堆積量推定手段の出力が所定値を超えた時に、上記昇温手段を操作して上記パティキュレートフィルタを所定の目標温度近傍まで昇温し堆積したパティキュレートを焼却除去する再生制御手段とを備え、
    上記再生制御手段が、
    上記昇温手段の基本操作量を算出する基本操作量算出手段と、
    上記運転状態検出手段の出力を基に、上記昇温手段の操作量変化に対する排気温度変化の時間遅れが大きいほどフィードバックゲインの絶対値が小さく、時間遅れが小さいほどフィードバックゲインの絶対値が大きくなるようにフィードバックゲインを算出するフィードバックゲイン算出手段と、
    上記フィードバックゲイン算出手段で算出したフィードバックゲインと上記温度検出手段の出力を基に上記昇温手段による操作量の補正量を算出する補正量算出手段とを有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 上記補正量算出手段は、上記温度検出手段の出力、および、上記温度検出手段の過去の複数の履歴または上記昇温手段による操作量の補正量の過去値またはその過去の複数の履歴にフィードバックゲインを乗じて上記補正量の更新値を算出する請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 上記再生制御手段は、上記昇温手段の操作量変化に対する排気温度変化の時間的な遅れを伝達関数により表現するモデル設定手段を備え、
    上記フィードバックゲイン算出手段は、上記モデル設定手段により設定された伝達関数を基に、運転状態に応じた最適なフィードバックゲインを算出する請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 上記モデル設定手段は、上記時間遅れをむだ時間と時定数とで表される伝達関数または高次遅れで表される伝達関数として表現する請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 上記補正量算出手段は、上記温度検出手段の出力と上記目標温度との偏差または偏差の積算値または偏差の変化量、またはそのいずれか複数にフィードバックゲインを乗じることで補正量を算出する請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 上記運転状態検出手段は吸気量検出手段であり、
    上記フィードバックゲイン算出手段は、上記吸気量検出手段の出力に応じてフィードバックゲインを変更する請求項１ないし５のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 上記運転状態検出手段は内燃機関の回転数と要求噴射量を検出するものであり、
    上記フィードバックゲイン算出手段は、内燃機関の回転数と要求噴射量に応じてフィードバックゲインを変更する請求項１ないし５のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 上記フィードバックゲイン算出手段は、予め算出して記録したフィードバックゲインを多段階で切り替えるか、またはフィードバックゲインを連続的に変更する請求項６または７記載の内燃機関の排気浄化装置。
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