JP4463726B2 - パティキュレート堆積量算出装置 - Google Patents

Description

この発明は、ディーゼル・エンジンの排気系に設けられるパティキュレート・フィルタに堆積されるパティキュレートの堆積量を求める装置に関する。

ディーゼル・エンジンの排気ガスに含まれるパティキュレートをディーゼル・パティキュレート・フィルタ（DPF）で捕集し、所定のタイミングでDPFを加熱し、蓄積したパティキュレートを消失させDPFを再生することが行われている。この処理を適正に実行するためには、DPFに堆積するパティキュレート（PM、particulate material、微粒子物質ともいう）の量を知る必要がある。

特許文献１には、圧力センサを用いないで、フィルタのパティキュレート堆積量を算出することが記載されている。また、特許文献２には、差圧センサを用いてDPFの入り口と出口における排気圧力の差を検出し、この差圧に基づいてパティキュレート堆積量を算出することが記載されている。

しかしながら、エンジン回転数が低い状態では、排気通路内の排気ガス流量が少ないため、DPF前後の圧力差が小さく、圧力差に基づいてパティキュレート堆積量を正確に推定することができなくなる。特許文献３には、DPF前後の圧力差に基づいてパティキュレート堆積量を推定する手段と、エンジンの運転状態に基づいてパティキュレート堆積量を推定する手段と、を備え、エンジンの回転数から見て、信頼性が高い方の推定データを使用することが記載されている。
特開平5-332125号公報 特開2004-19523号公報 特開2004-132358号公報

DPF前後の差圧に基づいてパティキュレート堆積量を算出する手段と、エンジン運転状態に基づいてパティキュレート堆積量を推定する手段との両方を備えた装置は、片方だけに依存する手法よりも信頼性の高い推定値が得られる。しかしながら、エンジン運転状態に基づいて推定されるパティキュレート推定量は、時間とともに諸々の誤差が蓄積されていき、信頼性が低下するという問題を含んでいる。

この発明は、上記のような課題を解決する装置を提供する。この装置は、少なくともエンジンの回転数および負荷に基づいてパティキュレート堆積量の推定値を求める推定手段と、パティキュレート・フィルタの入り口および出口の排気圧力の差に基づいてパティキュレートの堆積量を算出する手段とを備える。さらに、この装置は、前記算出された堆積量が前記パティキュレート推定値を上回るとき、前記推定手段におけるパティキュレート推定値を該堆積量に設定し、その後の推定を実行させる更新手段を備える。

この発明によると、パティキュレート・フィルタ前後の圧力差に基づいて算出される堆積量がエンジン回転数および燃料噴射量に基づいて推定されるパティキュレート発生量の推定値を超えるとき、この推定値を圧力差に基づいて算出された堆積量に修正するので、シミュレーションによる誤差の蓄積を排除することができ、推定の信頼性を高めることができる。
また、この発明の一形態（請求項２）では、この装置は、パティキュレート推定値と算出された堆積量とを比較し、大きい方の値を選択する選択手段をさらに備える。

この形態によると、２つの演算結果のうち大きい方の値を採用するので、この値に基づいて実行されるパティキュレート・フィルタ再生処理が早く実行されることになる。こうしてパティキュレート・フィルタの再生処理の遅れを防止することができる。

次に図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。図１は、この発明をディーゼル・エンジンの排気系に適用したときのシステムの全体的構成を示す図である。ディーゼル・エンジン11の各気筒には燃料噴射装置すなわちインジェクタ17が設けられ、シリンダブロックには冷却水の温度TWを検知する水温センサ19が設けられている。排気管22から吸気管13に通じる排気再循環（EGR）路33が設けられ、EGR制御弁35によってEGRの量が制御される。

排気管22には酸化触媒21およびディーゼル・パティキュレート・フィルタ（DPF）25が設けられている。酸化触媒21は、典型的にはハニカム状のコーディライトまたは耐熱鋼の媒体の表面に活性アルミナなどをコーティングし、このコーティング層に白金、パラジウムまたはロジウムなどの貴金属の触媒活性成分を含ませている。酸化触媒は、排気ガス中のNO、HC、COを酸化して、NO2、H2、CO2に変換する。DPF25は、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタで、セラミック、金属製不織布などの耐熱性の多孔質のフィルタ壁からなる。

DPF25の入り口と出口には、差圧センサ31のセンサ端子が配置されており、入り口の排気圧力と出口の排気圧力との差DPを表すセンサ出力信号が電子制御ユニット（ECU）41に送られる。ECU41は、排気流量Fおよび差圧DPに基づいてDPFにおけるパティキュレート堆積量を算出し、パティキュレート堆積量が所定の値を超えると、エンジン11においてポスト噴射を実施して酸化触媒21に未燃焼の燃料を供給し、酸化触媒21で燃焼させ高温の排気ガスをDPF25に送り、堆積しているパティキュレートを燃やして消失させ、DPF25を再生する。ポスト噴射とは、エンジン出力を発生するための主噴射を実施した後の膨張行程または排気行程において追加的に実施する燃料噴射をいい、排気系で燃焼させ排気ガスの温度を上昇させるためのものである。

排気流量は、吸入空気量、吸気管圧力その他のパラメータに基づいて算出することができる。この手法は公知のものであるので、詳細な説明は省略する。

DPF再生時には、酸化触媒21における未燃燃料の酸化、燃焼により排気ガスの温度は500度から600度になる。この温度が過度に高くなると、酸化触媒21およびDPF25を劣化させる。排気ガスの温度をモニタして過度の高温にならないよう制御するため、および諸々の制御に利用するために、温度センサ23が酸化触媒21の入り口に設けられ、DPF25の入り口に温度センサ27が設けられている。

各種センサからの信号は、ECU41に入力される。ECU41は、諸々の入力信号に基づいて、必要とする燃料噴射量Qを算出して、インジェクタに駆動信号をおくり、またDPF25の再生タイミングを判定してポスト噴射の制御信号をインジェクタに送る。

ECU41は、基本的にはコンピュータであり、入力インタフェース43、演算を実行するCPU44、CPU44による演算の作業領域を提供し、コンピュータ・プログラムおよびデータの一時記憶領域を提供するランダムアクセスメモリ45、プログラムおよびデータを格納するROM46、書換可能メモリ49、および出力インタフェース47を備えている。書換可能メモリ49は、書換可能なROMであるEEPROM、またはバックアップRAM（電源オフのときでも維持電流が供給され、記憶を維持するRAM）で構成され、運転サイクルごとに更新されるデータの記憶に使用される。

図２は、ROM46に格納されているコンピュータ・プログラムに従ってECU41が実行し実現するパティキュレート堆積量を求める装置の機能ブロック図である。PM発生量算出部101は、エンジン回転数NEおよび燃料噴射量Qに基づいて、予め用意されROM46に格納されている変換マップを参照し、単位時間当たりのPM発生量を求める。

DPF25に堆積しているパティキュレートは、ECU41による制御の下に実行されるDPFの再生処理によって燃焼されるほか、通常の運転時にも運転状態により排気ガス温度が上昇し、DPFの温度が上昇すると、燃焼して堆積量が減少する。再生量算出部103は、このような通常の運転時においてパティキュレートが燃焼したときのパティキュレートの減少量すなわち再生量を、エンジン回転数NE、燃料噴射量Q、DPF前の温度センサ27の出力から推定されるDPF25の表面温度に基づいて、算出する。

PM発生量算出部101で算出されたPM発生量は、PM積算部107で積算される。再生量算出部103で算出されたパティキュレートの再生量は、PM発生量から減算される。機能ブロック図では、このことを減算器105で表している。PM積算部107は、積算の初期値として前回の運転サイクル終了時のPM積算値を書換可能メモリ49に記憶しており、この初期値に対して今回の運転サイクルで算出されるPM発生量を逐次加算し、PM積算値を求める。このPM積算値をシミュレーションによるPM積算値（推定値）と呼ぶ。

一方、PM堆積量算出部109は、運転領域を参照してDPF前後に十分な差圧が発生しない運転領域にあるときは、PM堆積量をゼロとして出力する。PM堆積量算出部109は、運転領域がDPF前後に測定可能な差圧を発生する領域にあるときは、差圧センサ31からの出力DP、および排気流量算出部111によって算出される排気流量に基づいて、ROM46に格納されているマップを参照してPM堆積量の現在値を求める。このPM堆積量を差圧法によるPM堆積量と呼ぶ。

選択部113は、シミュレーションによるPM積算値と差圧法によるPM堆積量とを比較し、大きい方の値を採用する。こうして採用された値は、ECU41によって実現される積極的なDPF再生の制御に使用される。DPF再生は、公知であるので、詳細な説明は省略する。パティキュレートの堆積量が過大になると、エンジンの運転に支障を生じる恐れがあるので、安全のため、上記の２つの手法による値のうち大きい方を採用して以後のDPF再生の制御に使用する。

更新部115は、選択部113において差圧法によるPM堆積量が選択されることに応じて、このときのPM堆積量を以後のPM発生量積算の初期値としてPM積算部107に渡す。差圧法によるPM堆積量は、シミュレーションによるPM積算値より信頼性が高いと考えられる。この考えに従って、差圧法によるPM堆積量がシミュレーションによるPM積算値を上回るときは、前者を採用し、後者の値を前者の値に更新して、以後のバックグラウンドでのシミュレーション演算に使用する。こうすることにより、シミュレーションにおける誤差の累積を防止し、シミュレーションの信頼性を高めることができる。

選択部113が出力するPM堆積量は、DPFの再生処理を制御するために用いられるから、安全のため、すなわち再生処理の遅れを防止するため、差圧法によるPM堆積量とシミュレーションによるPM積算量のうち、値の大きい方を選択することにしたのである。

図３は、シミュレーションによるPM積算値と差圧法によるPM堆積量の関係の一例を示す。DPFが新しくてパティキュレートの堆積が少ないときは、DPFの通気抵抗が小さく差圧センサの出力は小さい。この状態では、差圧法によるPM堆積量の算出は信頼性が低いので、シミュレーションによるPM積算量を採用する。差圧法によるPM堆積量は、その値が所定のリミット値に達するまで、ゼロとして扱う。

図３の線Aは、シミュレーションによるPM積算値の推移を示している。aaの時点で、差圧センサから十分な出力が出されるようになり、差圧法によるPM堆積量が線Bのようになったとする。この場合、選択部113は、aaの時点で差圧法によるPM堆積量を採用する。これに応じて更新部115は、PM積算部107におけるPM積算値をリセットし、aaの時点での差圧法によるPM堆積量をPM積算値として設定し、この値を用いて以後のPM積算をバックグラウンドで実行する。

シミュレーションによるPM積算値（推定値）が差圧法によるPM堆積量より大きくなると、選択部113は、PM積算値をパティキュレートの堆積量として採用する。その後に再び差圧法によるPM堆積量がシミュレーションによるPM積算値より大きくなると、選択部113は、差圧法によるPM堆積量をパティキュレートの堆積量として採用する。このとき、更新部115は、PM積算部107におけるPM積算値をリセットし、差圧法によるPM堆積量をPM積算値として設定する。PM積算部107は、こうして更新された値を用いてバックグラウンドでその後の演算を実行する。

この発明によると、バックグラウンドでの積算は、差圧法によるPM堆積量を初期値として実行されるので、シミュレーションによる誤差が蓄積されることがなく、シミュレーションの信頼性が向上する。

以上にこの発明を一実施例について説明したが、この発明は、このような実施例に限定されるものでく、たとえば船外機など直立式のエンジンにも適用することができる。

この発明を適用するディーゼル・エンジンの全体的な構成を示す図。 この発明の一実施例の装置の機能ブロック図。 この発明の一実施例におけるシミュレーションによるPM積算値と差圧法によるPM堆積量との関係を示す図。

符号の説明

２５ ディーゼル・パティキュレート・フィルタ
３１ 差圧センサ
４１ 電子制御ユニット（ECU）

Claims (2)

1. ディーゼル・エンジンのパティキュレート・フィルタにおけるパティキュレート堆積量を求める装置であって、
   少なくともエンジンの回転数および負荷に基づいてパティキュレート堆積量の推定値を求める推定手段と、
   パティキュレート・フィルタの入り口および出口の排気圧力の差に基づいてパティキュレートの堆積量を算出する手段と、
   前記算出された堆積量が前記パティキュレート推定値を上回るとき、該パティキュレート推定値を該堆積量に設定し、その後の推定を実行させる更新手段と、
   を備えるパティキュレート堆積量を求める装置。
2. 前記パティキュレート推定値と前記算出された堆積量とを比較し、大きい方の値を選択する選択手段をさらに備える請求項１に記載の装置。

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