JP4463727B2 - 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。

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。

また、特許文献４には、DPF再生処理の終了時におけるDPF前後の差圧に基づいてアッシュ残留量を推定し、アッシュ残留量が所定のレベルを超えると、DPFを交換するための警告を発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 特開2004-76605号公報

十分にDPF前後の差圧が確保できる領域においては差圧によるパティキュレート堆積量の信頼性は高いが、運転状態により差圧が十分出ない領域（排気流量の少ない低負荷時など）においては差圧による堆積量の算出は禁止することが行われる。しかし、このような禁止処理がされなかったときでも、運転領域だけでなく、パティキュレート堆積量が少ない状態では、DPF前後で十分な差圧が発生しない。この領域において差圧に基づいてパティキュレート堆積量を求めると、誤検知の恐れがあり、特にパティキュレート堆積量が過小な側にずれている場合、過堆積にもかかわらず、それが判定できず、DPFの再生実行によって熱暴走を発生する可能性がある。

また、DPFの再生処理を行った後にDPFに残留するアッシュ（灰）の量が大きくなると、アッシュによる通気抵抗がDPF前後の差圧として現れるようになる。したがって、差圧に基づいて演算するパティキュレートの堆積量からアッシュ残留量を引いた値をパティキュレートの堆積量として算出し、DPF再生処理の制御に利用する。

本来、差圧法によるPM堆積量の算出は、現実のDPFの前後の差圧に基づいているので、十分な差圧が得られる状態では、差圧法によるPM堆積量の算出の法がシミュレーション法による算出よりも信頼性が高い。アッシュが残留しているときは、DPF前後の差圧がアッシュ残留分だけ大きくなり、アッシュ残留量を減算した実質的なPM堆積量が比較的小さくても差圧法によって信頼性の高い堆積量を求めることが可能であるにもかかわらず、差圧法で求めたPM堆積量が採用されないという現象を生じる。

この発明は、このような問題を解決することを目的とする。

この発明（請求項１）のパティキュレート堆積量を算出する装置は、パティキュレート・フィルタ前後の排気圧力の差に基づいてパティキュレート堆積量を算出する堆積量算出手段と、前記堆積量が所定のリミット値以下であるとき、パティキュレートの堆積量としてゼロを選択する選択手段と、を備える。

この発明によると、DPF前後の差圧に基づいて求められるパティキュレート堆積量がリミット値以下であるときは、差圧が十分に出ず信頼性が低い領域であると判断して、差圧法による堆積量をゼロとし、結果的に他の方法によって求められる堆積量を採用する。こうすることにより、差圧法によるパティキュレート堆積量の採用による誤検知を抑制することができる。

この発明の一形態（請求項２）による装置は、さらに、運転状態に基づいてパティキュレート堆積量の推定値を算出する堆積量推定手段と、前記排気圧力の差に基づいて算出された堆積量と前記推定値とを比較し、大きい方を有効なパティキュレート堆積量として選択する選択手段と、を備える。

この形態によると、さらに差圧法によって求めたパティキュレート堆積量よりも運転状態に基づいて求めるパティキュレート推定値が大きいときは、後者の推定値を採用し、パティキュレート堆積量の算出を継続するので、より正確なDPF制御を行うことができる。

この発明のもう一つの形態（請求項３）による装置は、パティキュレート・フィルタの再生処理が実行された後に、パティキュレート・フィルタに残留するアッシュの量を検出する手段と、前記検出されたアッシュ残留量が大きいほど、前記リミット値を小さい値に設定する手段と、を備える。

この形態によると、アッシュが蓄積するほど、パティキュレート堆積量のリミット値を小さくする。パティキュレート堆積量が小さくてもDPF前後に相当の差圧が発生するので、差圧法によって小さいパティキュレート堆積量であっても信頼性の高い値を求めることができる。

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積算値と呼ぶ。

一方、PM堆積量算出部109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。

DPFが比較的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。

差圧法によるPM堆積量がリミット値を越え、且つ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、差圧法によって算出されたPM堆積量をパティキュレートの堆積量として選択する。その後、シミュレーションによるPM積算値が差圧法によるPM堆積量より大きくなると、選択部113は、シミュレーションによる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。

図３は、図２におけるPM積算量算出部109の詳細な構成を示すブロック図である。PM堆積量演算部109’は、DPF25の入り口と出口の排気圧の差DP、および前述のようにして排気流量算出部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堆積量を求める。一方、アッシュ残留量推定部121は、DPF25の再生処理が終了した後に、DPF25の入り口と出口の排気圧の差DPに基づいてROM46に格納されているマップを参照してアッシュの残留量を推定する。減算部122において、推定されたPM堆積量からこのアッシュ残留量を減算し、その値が実質的なPM堆積量として比較部125および切り換え部127に送られる。

リミット値部123は、アッシュ残留量に応じて、リミット値を設定する。このリミット値は、たとえば次の表のような８点格子のデータを用意しておき、アッシュ残留量にしたがって補間演算を実行して求めることができる。

実質的PM堆積量は、こうして設定されたリミット値と比較部125で比較される。この比較結果に応じて、実質的PM堆積量がリミット値を超えるときは、切り換え部127によって実質的PM堆積量が選択されて出力され、この値に基づいてDPF25を再生するための制御が行われる。実質的PM体制器量がリミット値に達しないときは、切り換え部127によってゼロが選択されて出力される。この場合は、上述したようにシミュレーション法によって求めるPM積算値をパティキュレートの堆積量として採用して制御を行う。このPM積算値からもアッシュ残留量を減算して実質的なPM積算値を求める。

この発明によると、DPF前後の差圧に基づいて求められるパティキュレート堆積量がリミット値以下であるときは、差圧が十分に出ず信頼性が低い領域であると判断して、差圧法による堆積量をゼロとするので、DPF前後の差圧が十分でない状態で差圧法によるパティキュレート堆積量を採用することによる誤検知を抑制することができる。

また、一形態では、差圧法によって求めたパティキュレート堆積量よりも運転状態に基づいて求めるパティキュレート推定値が大きいときは、後者の推定値を採用し、パティキュレート堆積量の算出を継続するので、より正確なDPF制御を行うことができる。

さらにもう一つの形態では、差圧法によって求めるパティキュレート堆積量を採用するためのリミット値をアッシュ残留量が大きいほど小さくするので、差圧法の利用範囲を拡大し、信頼性の高いパティキュレート堆積量を求めることができる。

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はなく、たとえば船外機など直立型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。 図２のPM堆積量算出部109の詳細を示す機能ブロック図。

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 (3)

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算出する装置であって、
   パティキュレート・フィルタ前後の排気圧力の差に基づいてパティキュレート堆積量を算出する堆積量算出手段と、
   前記堆積量が所定のリミット値以下であるとき、パティキュレートの堆積量としてゼロを選択する選択手段と、
   を備えるパティキュレート堆積量算出装置。
2. 運転状態に基づいてパティキュレート堆積量の推定値を算出する堆積量推定手段と、
   前記排気圧力の差に基づいて算出された堆積量と前記推定値とを比較し、大きい方を有効なパティキュレート堆積量として選択する選択手段と、
   を備える、請求項１に記載のパティキュレート堆積量算出装置。
3. パティキュレート・フィルタの再生処理が実行された後に、パティキュレート・フィルタに残留するアッシュの量を検出する手段と、
   前記検出されたアッシュ残留量が大きいほど、前記リミット値を小さい値に設定する手段と、
   を備える、請求項１に記載のパティキュレート堆積量算出装置。
   

Images