JP4506060B2 - パティキュレートフィルタの再生制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気を浄化するパティキュレートフィルタの再生制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンにおいて、その排気（排出ガス）を浄化するための装置として、酸化触媒とパティキュレートフィルタを用いる連続再生式ＤＰＦ（Diesel particulate filter）が知られている。この種の浄化装置は、排気中のＮＯｘを酸化触媒によって酸化させてＮＯ_２に変化させ、ＮＯ_２によってパティキュレートフィルタ中のスート（主として炭素）を燃焼させることができる。
【０００３】
上記連続再生式ＤＰＦにおいて、パティキュレートフィルタにスートが過剰に堆積すると、エンジン出力が低下するばかりか、スート燃焼時の異常高温によって、パティキュレートフィルタが溶損するおそれがある。このため、堆積したスートを、何らかの昇温手段によって的確なタイミングで強制的に燃焼（すなわち強制再生）させる必要がある。強制再生の手段として、エンジンの膨張行程あるいは排気行程で燃料の噴射（いわゆるポスト燃料噴射）を行うことが知られている。
【０００４】
強制再生を実施する時期は、例えばパティキュレートフィルタの前後差圧や排気流量等に基いてパティキュレートの捕集量を推定し、所定の捕集量を超えたときに強制再生条件が成立したと判断するようにしている。しかしパティキュレートフィルタが捕集する物質には、スート以外に、強制再生では燃焼させることのできないエンジンオイルや燃料中の物質、あるいは酸化スケール等の灰分が存在する。これらの灰分は、車両が走行するにつれて次第にパティキュレートフィルタに堆積してゆく。
【０００５】
上記灰分の捕集量が増大してゆくと、スートの堆積推定値と実際のスート堆積量の誤差が大きくなり、強制再生を適正な時期に行うことができなくなる。例えば灰分の捕集量が多くなると、スート堆積量が少なくても強制再生条件が成立することになり、その結果、強制再生のインターバルが短縮し、燃費の悪化をまねくことになる。
【０００６】
パティキュレートフィルタに捕集された灰分を推定するために、特開平７−１１９３５号公報に記載されているように、強制再生の実施回数をカウントし、そのカウント数に基いてパティキュレートフィルタの圧力損失を補正する排気ガス浄化装置が提案されている。あるいは特開平９−２８００３６号公報には、強制再生時の最高温度から真のスート捕集量を推定し、強制再生実施前の推定値との差から灰分量を推定することが記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特開平７−１１９３５号公報に記載されている技術は、強制再生の実施回数のみに基いて、見込みによる灰分量推定を行うため、例えばエンジンオイルの品質が悪かった場合や、排気系へのオイル混入などの変動要因に対処することができず、正確な灰分量推定が不可能である。
【０００８】
一方、特開平９−２８００３６号公報に記載されている従来技術は、強制再生時の最高温度に基いて灰分量を推定している。しかしながらエンジンの運転状態によって排気中の酸素量が相違し、燃焼速度がばらつくため発熱率も異なり、強制再生時の最高温度がばらつくことにより、灰分量の推定精度が十分ではない。
【０００９】
従ってこの発明の目的は、捕集された灰分量を高精度に推定することのできるパティキュレートフィルタの再生制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のパティキュレートフィルタの再生制御装置は、請求項１に記載したように、パティキュレートフィルタの捕集量を推定する捕集量推定手段と、強制再生手段と、再生完了判定手段と、灰分堆積量算出手段と、補正手段とを備えている。
【００１１】
上記強制再生手段は、例えばポスト燃料噴射を行うなどの昇温手段によって排気温度を上昇させ、パティキュレートフィルタに堆積しているスートを再燃焼させる。上記再生完了判定手段は、パティキュレートフィルタに関する温度が所定温度以上の状態が所定時間以上継続し、かつ、パティキュレートフィルタの入口側温度と出口側温度との差が所定温度以下となったときに、再生が完了したと判断する。
【００１２】
灰分堆積量算出手段は、パティキュレートフィルタの再生完了が判定されたときに、上記捕集量推定手段により推定される捕集量に基いて、灰分堆積量を求める。上記補正手段は、灰分堆積量算出手段により求めた灰分堆積量に基いて、上記捕集量推定手段による推定捕集量あるいは上記所定値を補正する機能を有している。
【００１３】
本発明において、さらに好ましくは、上記灰分堆積量算出手段によって算出された灰分堆積量が許容値を超えているときに警報を発する警報手段を備えているとよい。
【００１４】
上記捕集量推定手段の好ましい態様では、パティキュレートフィルタの上流側圧力と下流側圧力との差に基いて捕集量を推定する。この場合、比較的簡便に堆積量を推定できる一方で、パティキュレートフィルタ内に堆積する灰分も含めて堆積量を推定することになる。しかし本発明では、上記補正手段により、灰分を除くパティキュレートの推定捕集量に応じて適切な強制再生制御を実現できるので、簡便かつ高精度に強制再生制御を行うことが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について、図１と図２を参照して説明する。
図１は、内燃機関の一例として、排気浄化装置１０を備えたディーゼルエンジン１１を模式的に示している。このエンジン１１は、エンジン本体１２と、吸気系１３および排気系１４と、ＥＧＲ装置１５と、マイクロコンピュータ等を用いた制御部（コントロールユニット）１６などを備えている。
【００１６】
エンジン本体１２は、ピストン２０と、燃焼室２１と、燃料噴射弁２２などを含んでいる。ＥＧＲ装置１５は、ＥＧＲ弁２３と、ＥＧＲクーラ２４と、アクチュエータ２５などを含んでいる。ＥＧＲ弁２３は、制御部１６によって制御されるＤＣサーボモータを用いたアクチュエータ２５によって開度を変化させることができる。ＥＧＲ弁２３は、ＥＧＲ通路２６に設けられている。
【００１７】
吸気系１３は吸気通路３０と、コンプレッサ３１と、インタークーラ３２と、吸気絞り弁３３などを含んでいる。吸気絞り弁３３は、アクチュエータ３４によって開度を変化させることができる。コンプレッサ３１の上流側にエアフローセンサ３５が設けられている。吸気絞り弁３３の下流側に吸気圧センサ３６が設けられている。
【００１８】
排気系１４は、排気通路４０と、タービン４１と、排気絞り弁４２と、酸化触媒４３と、パティキュレートフィルタ４４と、外囲器４５などを含んでいる。外囲器４５に、酸化触媒４３とパティキュレートフィルタ４４が収納されている。パティキュレートフィルタ４４は排気中のパティキュレートを捕集することができる。排気絞り弁４２はアクチュエータ４６によって開度を変化させることができる。図１に示す排気絞り弁４２はフィルタ４４の下流側に設けられているが、排気絞り弁４２を酸化触媒４３の上流側に設けてもよい。
【００１９】
パティキュレートフィルタ４４の前後差圧を検出するために、フィルタ４４の上流側に第１の圧力センサ５０が設けられ、フィルタ４４の下流側に第２の圧力センサ５１が設けられている。
【００２０】
酸化触媒４３とパティキュレートフィルタ４４との間に、パティキュレートフィルタ４４の入口側温度を検出する第１の温度センサ５２が設けられている。パティキュレートフィルタ４４の出口側に、パティキュレートフィルタ４４の出口側温度を検出する第２の温度センサ５３が設けられている。これら温度センサ５２，５３の少なくとも一方の検出値に基いて、パティキュレートフィルタ４４に関する温度を検出することができる。
【００２１】
制御部１６は、マイクロプロセッサ等の演算機能と各種マップを記憶するメモリ等を有する電子部品等によって構成されている。この制御部１６には、運転状態検出手段の一例であるエンジン回転数センサ５４と、噴射量検出器５５が接続されている。運転状態検出手段として、エンジン回転数センサ５４以外に、吸入空気量あるいは排出ガス空燃費のうち少なくとも１つを検出するようにしてもよい。
【００２２】
制御部１６は、圧力センサ５０，５１によって検出されるフィルタ４４の前後差圧と、温度センサ５２の検出温度と、エンジン回転数センサ５４によって検出されるエンジン回転数に基き、予め作成されたマップにより、パティキュレートフィルタ４４のスートの堆積量を推定するようになっている。すなわち、制御部１６と圧力センサ５０，５１とエンジン回転数センサ５４などは、この発明で言う捕集量推定手段として機能する。
【００２３】
制御部１６は、燃料噴射弁２２の噴射量および噴射時期を制御する機能を有している。すなわちこの制御部１６は、ポスト噴射制御手段およびメイン噴射制御手段としても機能する。ここで言うメイン噴射とは、エンジン１１の運転状態に応じて、エンジン本体１２の圧縮上死点付近で燃料を噴射する通常の燃料噴射操作である。
【００２４】
ポスト燃料噴射は、メイン燃料噴射後のエンジン本体１２の膨張行程あるいは排気行程において、燃料噴射弁２２から燃焼室２１内に燃料を噴射する操作である。ポスト燃料噴射が行われると、連続再生時よりも高い温度域でスートと燃料が排ガス中のＯ_２と反応して燃焼し、パティキュレートフィルタ４４の強制再生がなされる。すなわち制御部１６と燃料噴射弁２２等は、この発明で言う強制再生手段（昇温手段）としても機能する。
【００２５】
次に上記排気浄化装置１０の作用について、図２のフローチャートを参照して説明する。
エンジン１１が運転されると、排気中に含まれるパティキュレートがパティキュレートフィルタ４４に捕捉される。
【００２６】
また、排気中のＮＯｘが酸化触媒４３によって酸化されてＮＯ_２に変化する。このＮＯ_２によって、フィルタ４４中のスートが比較的低い温度域（例えば２７０℃〜３５０℃前後）で燃焼することによって、パティキュレートフィルタ４４の連続再生が行われる。酸化触媒４３の酸素の変換効率は、ある温度域（例えば２００℃以上の活性温度域）で最大となるから、排気温度がこの温度域にあればＮＯ_２によってスートが燃焼し、連続再生を行うことができる。
【００２７】
パティキュレートフィルタ４４に堆積したスートが許容値を超えたとき、すなわち図２中のステップＳ１において強制再生開始条件が成立したとき、強制再生を開始する。この実施形態の場合、捕集量推定手段（制御部１６および圧力センサ５０，５１等）によって求めたパティキュレートフィルタ４４の推定捕集量が設定値（例えば堆積量が２５グラム）を超えたときに、強制再生条件が成立したと判断する。
【００２８】
そしてステップＳ２において強制再生（ポスト燃料噴射）が開始される。ポスト燃料噴射が行われると、エンジンの膨張行程あるいは排気行程において燃焼室２１内に噴射された燃料がパティキュレートフィルタ４４に到達し、連続再生時よりも高い温度域（例えば５００℃〜５５０℃以上）にてスートと燃料が排ガス中のＯ_２と反応して燃焼する。
【００２９】
さらにステップＳ３において、第１の温度センサ５２によって検出されるパティキュレートフィルタ４４の入口側温度が、強制再生可能な所定温度Ａ（例えば５５０℃）を超えているか否かが判断される。ここで入口側温度が所定温度Ａ以上であれば強制再生が開始されたと判断し、ステップＳ４に移る。
【００３０】
ステップＳ４では、上記入口側温度が所定温度Ａ以上の状態が所定時間Ｔ１以上継続したか否かが判断される。ここで言う所定時間Ｔ１は、強制再生が十分完了する時間である。ステップＳ４において“ＹＥＳ”であれば、ステップＳ５に移る。
【００３１】
ステップＳ５では、第２の温度センサ５３によって検出されるフィルタ４４の出口側温度ｔ１と、第１の温度センサ５２によって検出されるフィルタ４４の入口側温度ｔ２との差が算出され、その差の絶対値（｜ｔ１−ｔ２｜）が所定温度Ｂ以下になったか否かが判断される。これらのステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５と温度センサ５２，５３とタイマを含む制御部１６等は、この発明でいう再生完了判定手段として機能する。
【００３２】
ステップＳ５において“ＹＥＳ”であれば、フィルタ４４内の可燃物質が燃え尽き、フィルタ４４が完全再生されたと判断される。このためステップＳ６にて強制再生が完了したと判断する。所定温度Ｂは、温度センサ５２，５３のばらつき等を考慮した値である。なお、ステップＳ５において“ＮＯ”であれば、強制再生を続行する。
【００３３】
ステップＳ７において、捕集量推定手段（制御部１６および圧力センサ５０，５１等）によって、強制再生完了直後のパティキュレートフィルタ４４の捕集量Ｗ１を推定する。強制再生完了直後はスートがほぼ完全に燃焼し、実質的に灰分のみが残っているはずであるから、ステップＳ７で求めた捕集量Ｗ１を灰分とみなす（ステップＳ８）。すなわちステップＳ７，Ｓ８は、この発明でいう灰分堆積量算出手段として機能する。
【００３４】
そしてステップＳ９において、捕集量（灰分）Ｗ１に応じて、次回の強制再生条件の補正を行う。例えば強制再生を開始する判断基準となる捕集量のしきい値に灰分Ｗ１を加算するとか、あるいは、捕集量推定手段によって求める捕集量推定値から灰分Ｗ１を減算する。こうすることにより、灰分Ｗ１を除く捕集量が所定値を超えたときに次回の強制再生が開始されるようにする。すなわちステップＳ９は、この発明でいう補正手段として機能する。
【００３５】
さらにステップＳ１０において、灰分Ｗ１が許容値を超えているか否かが判断され、灰分Ｗ１が許容値を超えている場合には、運転席の計器板等に設けたアラームランプを点灯させるとか、警報音を出すなどの警報手段を作動させ、車両の乗員等に知らせる。灰分Ｗ１が許容値を超えている場合、パティキュレートフィルタ４４の清掃を行い、灰分を除去することによって性能の維持を図る。
【００３６】
一方、ステップＳ１において強制再生条件が成立していない場合（“ＮＯ”の場合）、ステップＳ２０に移行する。
ステップＳ２０では、温度センサ５２によって検出されるフィルタ４４の入口側温度が連続再生等の再生可能な所定温度Ｃを超えているか否かが判断される。ここで入口側温度が所定温度Ｃ以上であれば、再生が開始されたと判断しステップＳ２１に移る。
【００３７】
ステップＳ２１では、上記入口側温度が所定温度Ｃ以上の状態が所定時間Ｔ２以上継続したか否かが判断される。ここで言う所定時間Ｔ２は、例えば通常走行時（高速走行等）において連続再生が十分完了する時間である。ステップＳ２１において“ＹＥＳ”であれば、ステップＳ２２に移る。
【００３８】
ステップＳ２２では、第２の温度センサ５３によって検出されるフィルタ４４の出口側温度ｔ１と、第１の温度センサ５２によって検出されるフィルタ４４の入口側温度ｔ２との差が算出され、その差の絶対値（｜ｔ１−ｔ２｜）が所定温度Ｄ以下になったか否かが判断される。
【００３９】
ステップＳ２２において“ＹＥＳ”であれば、再生によってフィルタ４４内のスートが燃え尽きたと判断できるため、ステップＳ２３において再生が完了したと判断する。そののち強制再生の場合と同様にステップＳ７以降の処理を行う。上記ステップＳ２２において“ＮＯ”であれば、再生を続行する。ステップＳ２０〜Ｓ２２は、この発明でいう再生完了判定手段として機能する。
【００４０】
これらのステップＳ１〜Ｓ１１，Ｓ２０〜２３は、制御部１６に予め組込まれている所定のプログラムに基いて自動的になされる。
以上説明した実施形態のパティキュレートフィルタ４４の再生制御装置は、フィルタ４４が捕集した灰分量を除く捕集推定量に基いて、次回の強制再生時期を判断するため、強制再生のインターバルを適正に保つことができ、燃費の悪化を防ぐことができる。
【００４１】
なお、本発明を実施するに当たり、パティキュレートフィルタや強制再生手段の具体的な態様をはじめとして、捕集量推定手段、再生完了判定手段、灰分堆積量算出手段、補正手段など、この発明の構成要素を発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更して実施できることは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、パティキュレートフィルタの再生完了が判定されたときに、捕集量推定手段によって推定される捕集量に基いて灰分堆積量を求めるため、再生完了後にパティキュレートフィルタに残存する灰分堆積量を的確に求めることができる。そしてこの灰分堆積量に基いて推定捕集量あるいは強制再生用の所定値を補正するので、堆積灰分の影響を精度良く排除することが可能となり、適切な強制再生制御を実現できる。
【００４３】
請求項１に記載した発明によれば、前記効果に加えて、パティキュレートフィルタの再生が完了した時点を的確に判定でき、灰分堆積量を精度良く求めることができる。
【００４４】
請求項２に記載した発明によれば、灰分の堆積が過大になったときに警報を発することにより、パティキュレートフィルタ等の整備を促すことができるため、性能が低下した状態のまま使用が継続されることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 排気浄化装置を備えたエンジンの概略図。
【図２】 本発明の一実施形態のパティキュレートフィルタ再生制御装置の処理内容を示すフローチャート。
【符号の説明】
１６…制御部
４４…パティキュレートフィルタ
５０，５１…圧力センサ
５２，５３…温度センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ排気中のパティキュレートを捕集す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による捕集量を推定する捕集量推定手段と、
   上記捕集量推定手段が推定した捕集量が所定値に達すると上記パティキュレートフィルタを強制的に再生する強制再生手段と、
   上記パティキュレートフィルタの再生が完了したことを判定する再生完了判定手段と、
   上記パティキュレートフィルタの再生完了が判定されたとき上記捕集量推定手段により推定される捕集量に基いて灰分堆積量を求める灰分堆積量算出手段と、
   上記灰分堆積量算出手段により算出された灰分堆積量に基いて、上記捕集量推定手段による推定捕集量あるいは上記所定値を補正する補正手段とを具備し、
   上記再生完了判定手段は、
   上記パティキュレートフィルタに関する温度が所定温度以上の状態が所定時間以上継続し、かつ、上記パティキュレートフィルタの上流と下流の温度差が所定温度以下のときに再生完了と判断することを特徴とするパティキュレートフィルタの再生制御装置。
2. 上記灰分堆積量算出手段によって算出された灰分堆積量が許容値を超えているときに警報を発する警報手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のパティキュレートフィルタの再生制御装置。

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