JP4574460B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の潤滑油の消費量を推定する潤滑油消費量推定装置、及びこの潤滑油消費量推定装置を備えた排気浄化装置に関する。

内燃機関、特にディーゼル機関では、排気中に含まれるパティキュレート（粒子状物質）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）が従来より広く使用されている。このＤＰＦが捕集しうるパティキュレート量には限界があるため、ＤＰＦに堆積したパティキュレートを燃焼させる再生処理が適時実行される。

一方、内燃機関の潤滑油は、該機関の長期間の使用により徐々に減少していく。これは、潤滑油が極少量ずつではあるが燃焼して排出されるためである。潤滑油が燃焼するとき、潤滑油に含まれる金属性清浄剤も燃焼しアッシュ（灰）が生成される。このアッシュは、金属性清浄剤の金属成分（Ｍｇ，Ｃａなど）と燃料中の硫黄分が酸化されて生成されるサルフェート化合物（サルフェートアッシュ）を主成分とするもので、ＤＰＦを備える機関では、ＤＰＦに堆積する。ＤＰＦにアッシュが堆積すると、ＤＰＦが本来捕集すべきパティキュレートの捕集能力が低下し、パティキュレートが過堆積状態となって、ＤＰＦの再生処理を行ったときに異常昇温を引き起こす可能性がある。したがって、このような異常事態を回避するためには、ＤＰＦのアッシュ堆積量を正確に推定する必要がある。

特許文献１には、エンジンのトルクと回転数に応じて、単位時間当たりのアッシュ生成量Ａｓｈを算出し、このアッシュ生成量Ａｓｈを積算することにより、アッシュ堆積量の推定値を算出する手法が示されている。
また特許文献２には、ＤＰＦの上流側の圧力と下流側の圧力との差圧ΔＰｄｐｆを検出し、ＤＰＦの再生処理を実行した直後の差圧ΔＰｄｐｆに基づいてアッシュ堆積量ＡＳＨを推定する手法が示されている。

特開２００２−２４２６６０号公報 特開２００４−２１１６５０号公報

ＤＰＦに堆積するアッシュの堆積量は、機関の潤滑油の消費量（減少量）にほぼ比例すると考えられるが、潤滑油消費量は、機関のトルク及び回転数のみに依存するものではない。したがって、特許文献１に示された手法では、アッシュ堆積量の推定精度が低くなり、パティキュレート堆積量の算出値が、過大または過小となって、パティキュレートの過堆積によるＤＰＦの異常昇温や、再生処理の実行回数の増加による燃費や排気特性の悪化が懸念される。

また特許文献２に示された手法では、アッシュ堆積量の推定時期が再生処理が完了した（堆積したパティキュレートをすべて燃焼させた）時点に限定されるという欠点がある。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、潤滑油の消費量をより正確に推定するとともに、ＤＰＦのアッシュ堆積量を常時正確に推定することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の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を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記機関の回転数及び負荷に基づいて、前記機関の潤滑油が燃焼することによる減少量に相当する潤滑油消費量の基本値を算出する基本値算出手段と、前記基本値を前記機関の冷却水温に応じて補正する補正手段と、補正された基本値を積算することにより潤滑油消費量を推定する潤滑油消費量推定手段と、該潤滑油消費量推定手段により推定される潤滑油消費量に基づいて、前記潤滑油が燃焼することによって発生する潤滑油アッシュが前記パティキュレートフィルタに堆積した量であるアッシュ堆積量を算出するアッシュ堆積量算出手段と、前記パティキュレートフィルタに堆積した物質の総量である総堆積量を算出する総堆積量算出手段と、前記総堆積量から前記アッシュ堆積量を減算した値が閾値を越えたときに、前記パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する再生手段とを備えることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記閾値は、前記アッシュ堆積量が増加するほどより小さな値に変更されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関回転数及び機関負荷に基づいて、潤滑油が燃焼することによる減少量に相当する潤滑油消費量の基本値が算出され、その基本値が冷却水温に応じて補正され、補正された基本値を積算することにより、潤滑油消費量が推定される。例えば機関の冷間時は、シリンダとピストンの間隙が大きくなり潤滑油消費量は増加する傾向がある一方、暖機完了後は、機関回転数及び機関負荷が一定であれば潤滑油消費量はほぼ一定であり、さらに機関温度が上昇すると、潤滑油の蒸発量が増加する傾向がある。したがって、機関回転数、機関負荷、及び冷却水温に応じて潤滑油消費量の推定を行うことにより、機関回転数及び機関負荷に依存する吸入空気量、及び冷却水温に応じた正確な推定を行うことができる。そして、推定される潤滑油消費量に基づいて、潤滑油が燃焼することによって発生する潤滑油アッシュがパティキュレートフィルタに堆積した量であるアッシュ堆積量が算出される。パティキュレートフィルタの潤滑油アッシュ堆積量は、潤滑油消費量にほぼ比例すると考えられるので、機関温度を示すパラメータを含む運転パラメータに応じて推定された潤滑油消費量を用いることにより、正確な潤滑油アッシュ堆積量を算出することができる。さらに堆積物質の総量である総堆積量が算出され、総堆積量からアッシュ堆積量を減算した値が閾値を越えたときに、再生処理が実行される。したがって、パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量をより正確に把握することができ、過堆積状態で再生処理を実行すること、あるいは実際には必要でない再生処理を実行することを防止できる。その結果、パティキュレートフィルタの異常昇温、あるいは燃費や排気特性の悪化を防止することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる排気浄化装置を備えた内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁１５が設けられている。燃料噴射弁１５は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁１５の開弁時間及び開弁時期は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２及び排気管４を備えている。排気管４には、排気を浄化する触媒コンバータ１１と、ＤＰＦ１２と、サイレンサ１３とが上流側からこの順序で設けられている。触媒コンバータ１１は、排気中に含まれる炭化水素及び一酸化炭素の酸化を促進するための酸化触媒を内蔵する。なお、触媒コンバータ１１は、ＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着剤及びＮＯｘの還元作用が付加されたものであってもよい。

ＤＰＦ１２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素（Ｃ）を主成分とするパティキュレートであるスート（ｓｏｏｔ）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックスや金属多孔体が使用される。

ＤＰＦ１２のスート捕集能力の限界、すなわち堆積限界までスートを捕集すると、排気圧力の上昇を引き起こすので、適時スートを燃焼させる再生処理を行う必要がある。この再生処理では、排気の温度をスートの燃焼温度まで上昇させるために、ポスト噴射が実行される。ポスト噴射は、燃料噴射弁１５により、排気行程において行われる燃料噴射である。ポスト噴射により噴射された燃料は、主として触媒コンバータ１１で燃焼し、ＤＰＦ１２に流入する排気の温度を上昇させる。

さらに吸気管２には、エンジン１の吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ２１が設けられ、エンジン１の本体には、冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ２２が設けられている。また、排気管４の触媒コンバータ１１の上流側には、排気温度ＴＥを検出する排気温度センサ２３が設けられ、ＤＰＦ１２の上流側圧力と下流側圧力との差圧ＤＰを検出する差圧センサ２４が設けられている。これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。またエンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２５が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２０に供給される。エンジン１の回転数（回転速度）ＮＥは、クランク角度位置センサの出力から算出される。

さらに図示しない他のセンサ、例えばエンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量ＡＰを検出するアクセルセンサ、大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ、当該車両の車速ＶＰを検出する車速センサなどが設けられており、これらのセンサの検出信号が、ＥＣＵ２０に供給される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁１５などに制御信号を供給する出力回路から構成される。

ＥＣＵ２０は、アクセルペダル踏み込み量ＡＰに応じて燃料噴射弁１５による燃料噴射量ＱＩＮＪを算出し、算出した燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて燃料噴射弁１５の開弁時間を制御する。さらにＥＣＵ２０は、エンジン１の潤滑油消費量（以下「オイル消費量」という）の推定を行い、推定したオイル消費量に応じてＤＰＦ１２のアッシュ堆積量ＧＡＳＨを算出するとともに、アッシュ堆積量ＧＡＳＨを用いて、ＤＰＦ１２のパティキュレート堆積量ＧＰＭを算出し、パティキュレート堆積量ＧＰＭが閾値ＧＰＭＴＨを超えると、ＤＰＦ１２に堆積したパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する。

図２（Ａ）は、ＤＰＦ１２のアッシュ堆積量ＧＡＳＨ及びパティキュレート堆積量ＧＰＭを算出し、ＤＰＦ１２の再生制御を実行する手順を示すフローチャートであり、同図（Ｂ）は、総オイル消費量ＱＯＩＬを算出する処理を示すフローチャートである。オイル消費量算出処理は、所定時間毎にＥＣＵ２０のＣＰＵで実行される。

先ず図２（Ｂ）のオイル消費量算出処理を説明する。ステップＳ１０１では、エンジン運転状態、具体的にはエンジン負荷を示す燃料噴射量ＱＩＮＪ及びエンジン回転数ＮＥに応じて図３に示すＱＯＢＳマップを検索し、瞬時基本オイル消費量ＱＯＢＳを算出する。ＱＯＢＳマップは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、また燃料噴射量ＱＩＮＪが増加するほど、瞬時基本オイル消費量ＱＯＢＳが増加するように設定されている。図３の曲線Ｌ１〜Ｌ４は、それぞれ燃料噴射量ＱＩＮＪが第１の値ＱＩＮＪ１，第２の値ＱＩＮＪ２，第３の値ＱＩＮＪ３，及び第４の値ＱＩＮＪ４である場合に対応し、第１〜第４の値ＱＩＮＪ１〜ＱＩＮＪ４は、ＱＩＮＪ１＜ＱＩＮＪ２＜ＱＩＮＪ３＜ＱＩＮＪ４なる関係を満たす。

ステップＳ１０２では、冷却水温ＴＷに応じて図４に示すＫテーブルを検索し、補正係数Ｋを算出する。Ｋテーブルは、冷却水温ＴＷが第１所定水温ＴＷ１（例えば５０〜６０℃）以下の範囲では、冷却水温ＴＷが高くなるほど、補正係数Ｋが減少するように設定され、冷却水温ＴＷが第１所定水温ＴＷ１から第２所定水温ＴＷ２（例えば１３０℃）の範囲では、補正係数Ｋは冷却水温ＴＷに拘わらずほぼ一定の値に設定され、冷却水温ＴＷが第２所定水温ＴＷ２より高い範囲では、冷却水温ＴＷが高くなるほど補正係数Ｋが増加するように設定されている。すなわち、Ｋテーブルは、以下の点を考慮して設定されている。エンジン１の冷間時は、シリンダとピストンの間隙が大きくなり瞬時オイル消費量は増加する傾向があり、暖機完了後は、エンジン回転数ＮＥ及びエンジン負荷が一定であれば瞬時オイル消費量はほぼ一定であり、さらにエンジン温度が上昇すると、潤滑油の蒸発量が増加する傾向がある。

ステップＳ１０３では、下記式（１）に瞬時基本オイル消費量ＱＯＢＳ及び補正係数Ｋを適用し、瞬時オイル消費量ＱＯＴを算出する。
ＱＯＴ＝ＱＯＢＳ×Ｋ （１）
ステップＳ１０４では、下記式（２）により瞬時オイル消費量ＱＯＴを積算し、総オイル消費量ＱＯＩＬを算出する。式（２）の右辺のＱＯＩＬは前回算出値である。
ＱＯＩＬ＝ＱＯＩＬ＋ＱＯＴ （２）

以上のように図２（Ｂ）の処理によれば、エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて算出される瞬時基本オイル消費量ＱＯＢＳが、エンジン温度を示すパラメータである冷却水温ＴＷに応じて設定される補正係数Ｋにより補正され、瞬時オイル消費量ＱＯＴが算出される。さらに瞬時オイル消費量ＱＯＴを積算することにより総オイル消費量ＱＯＩＬが算出される。したがって、エンジン温度の影響が考慮された正確なオイル消費量推定値を得ることができる。

次に図２（Ａ）のフローチャートを説明する。ステップＳ１では、差圧センサ２４により差圧ＤＰを検出する。ステップＳ２では、下記式（３）により、排気体積流量ＱＶＥを算出する。
ＱＶＥ＝ＧＥ×Ｒ×ＴＥＡ／ＰＥ （３）

ここでＧＥは排気質量流量であり、燃料噴射量ＱＩＮＪをエンジン回転数ＮＥに応じて単位時間当たりの燃料噴射量ＱＩＮＪＳに変換し、吸入空気流量ＧＡと、燃料噴射量ＱＩＮＪＳとを加算することにより算出される。またＲはガス定数であり、ＴＥＡは、検出される排気温度ＴＥを絶対温度に変換したものであり、ＰＥはＤＰＦ１２の上流側における排気圧である。本実施形態では、排気圧ＰＥは、大気圧ＰＡにサイレンサ１３の圧力損失ＤＰＳと、差圧センサ２４により検出される差圧ＤＰとを加算することにより算出される。

ステップＳ３では、排気体積流量ＱＶＥ及び差圧ＤＰに応じて、ＧＤＰＦマップ（図示せず）を検索し、ＤＰＦ１２の総堆積量ＧＤＰＦを算出する。総堆積量ＧＤＰＦは、ＤＰＦ１２に捕集された物質（オイルアッシュ、パティキュレート）の総量、すなわちアッシュ堆積量ＧＡＳＨと、パティキュレート堆積量ＧＰＭの合計である。ＧＤＰＦマップは、排気体積流量ＱＶＥが減少するほど、また差圧ＤＰが増加するほど、総堆積量ＧＤＰＦが増加するように設定されている。

ステップＳ４では、図２（Ｂ）の処理により算出される総オイル消費量ＱＯＩＬに応じて図５に示すＧＡＳＨテーブルを検索し、アッシュ堆積量ＧＡＳＨを算出する。ＧＡＳＨテーブルは、アッシュ堆積量ＧＡＳＨが総オイル消費量ＱＯＩＬにほぼ比例するように設定されている。

ステップＳ５では、総堆積量ＧＤＰＦからアッシュ堆積量ＧＡＳＨを減算することにより、パティキュレート堆積量ＧＰＭを算出し、次いでパティキュレート堆積量ＧＰＭが閾値ＧＰＭＴＨより大きいか否かを判別する（ステップＳ６）。この答が否定（ＮＯ）であるときは直ちに処理を終了し、パティキュレート堆積量ＧＰＭが閾値ＧＰＭＴＨを超えたときは、ＤＰＦ１２の再生制御が実行される（ステップＳ７）。

以上のように図２（Ａ）に示す手順によれば、総オイル消費量ＱＯＩＬに応じてアッシュ堆積量ＧＡＳＨが算出され、総堆積量ＧＤＰＦからアッシュ堆積量ＧＡＳＨを減算することにより、パティキュレート堆積量ＧＰＭが算出される。したがって、パティキュレート堆積量ＧＰＭをより正確に算出することができ、最適な時期に再生処理を実行することができる。すなわち、過堆積状態でＤＰＦ１２の再生処理を実行すること、あるいは実際のパティキュレート堆積量が少ないのに不要な再生処理を実行することが防止される。その結果、パティキュレートフィルタの異常昇温、あるいは燃費や排気特性の悪化を防止することができる。

本実施形態では、ＥＣＵ２０が潤滑油消費量推定手段を構成する。具体的には、図２（Ｂ）に示す処理が、潤滑油消費量推定手段に相当し、ステップＳ１０１が基本値算出手段に相当し、ステップＳ１０２及びＳ１０３が補正手段に相当する。また、図２（Ａ）のステップＳ３が総堆積量算出手段に相当し、ステップＳ４がアッシュ堆積量算出手段に相当し、ステップＳ６及びＳ７が再生手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、ＤＰＦ１２にオイルアッシュが堆積すると、パティキュレートを堆積させるためのＤＰＦ１２の有効容量が減少するので、図２（Ａ）のステップＳ６で適用される閾値ＧＰＭＴＨを、アッシュ堆積量ＧＡＳＨが増加するほどより小さな値に変更するようにしてもよい。

また、ＤＰＦ１２に堆積したパティキュレートを完全に燃焼させる完全再生処理の完了直後において差圧ＤＰを検出し、この差圧ＤＰ及び排気体積流量ＱＶＥに応じてアッシュ堆積量ＧＡＳＨａを算出し、総オイル消費量ＱＯＩＬに応じて算出されるアッシュ堆積量ＧＡＳＨと比較して、大きい方（安全側）を真値として採用するようにしてもよい。

またエンジン温度を示すパラメータは、冷却水温ＴＷに限るものではなく、例えば潤滑油温度ＴＯＩＬを検出する温度センサを設け、検出される潤滑油温度ＴＯＩＬを用いてもよい。またエンジンの冷間始動直後においては、始動後の経過時間ＴＡＳを、エンジン温度を示すパラメータとして用いてもよい。
また図２（Ｂ）の処理により算出される総オイル消費量ＱＯＩＬが所定閾値ＱＯＩＬＴＨに達したときは、警告ランプを点灯させるようにしてもよい。

本発明の潤滑油消費量推定手段は、ディーゼル内燃機関だけでなく、ガソリン内燃機関にも適用が可能である。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの潤滑油消費量の推定及び排気浄化装置にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 図１に示す電子制御ユニットで実行される処理の手順を示すフローチャートである。 図２に示す処理で参照されるＱＯＢＳマップを示す図である。 図２に示す処理で参照されるＫテーブルを示す図である。 図２に示す処理で参照されるＧＡＳＨテーブルを示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
４ 排気管
１２ ディーゼルパティキュレートフィルタ
１５ 燃料噴射弁
２０ 電子制御ユニット（潤滑油消費量推定手段、基本値算出手段、補正手段、アッシュ堆積量算出手段、総堆積量算出手段、再生手段）
２１ 吸入空気流量センサ
２２ 冷却水温センサ
２３ 排気温度センサ
２４ 差圧センサ
２５ クランク角度位置センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の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を備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記機関の回転数及び負荷に基づいて、前記機関の潤滑油が燃焼することによる減少量に相当する潤滑油消費量の基本値を算出する基本値算出手段と、
   前記基本値を前記機関の冷却水温に応じて補正する補正手段と、
   補正された基本値を積算することにより潤滑油消費量を推定する潤滑油消費量推定手段と、
   該潤滑油消費量推定手段により推定される潤滑油消費量に基づいて、前記潤滑油が燃焼することによって発生する潤滑油アッシュが前記パティキュレートフィルタに堆積した量であるアッシュ堆積量を算出するアッシュ堆積量算出手段と、
   前記パティキュレートフィルタに堆積した物質の総量である総堆積量を算出する総堆積量算出手段と、
   前記総堆積量から前記アッシュ堆積量を減算した値が閾値を越えたときに、前記パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する再生手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記閾値は、前記アッシュ堆積量が増加するほどより小さな値に変更されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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