JP4622719B2 - Ｐｍ堆積量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置されて排気中のＰＭ（Particulate Matter；粒子状物質）を捕集するフィルタの再生時期の判断のため、前記フィルタのＰＭ堆積量を推定する装置に関する。

従来のＰＭ堆積量推定装置としては、特許文献１に記載されているように、１）圧力センサによりフィルタの前後差圧を検出し、これに基づいてＰＭ堆積量を推定するものと、２）機関の運転状態（燃料噴射量、機関回転数、ＥＧＲ率など）に応じてＰＭ排出量を算出し、これを積算してＰＭ堆積量を推定するものとが知られている。尚、特許文献１に記載の発明では、両方の推定を実施し、より信頼性の高い方の推定データを選択して、再生時期の判断に用いている。
特開２００４−１３２３５８号公報

ところで、機関の運転状態に応じてＰＭ排出量を算出し、これを積算してＰＭ堆積量を推定する場合、予め実験で求めた機関の運転状態に対するＰＭ排出量のデータを用いるが、これは定常条件でのデータであり、過渡条件において増大するＰＭ排出量については考慮していないため、ＰＭ堆積量の推定値が実際値より少なくなり、フィルタの再生時期の判断を誤るおそれがある。

そのため、実験で求めたデータを何倍かにして用いることにより、ＰＭ堆積量の推定値を底上げする方法もあるが、このようにすると、フィルタ再生サイクルが一律に短くなり、燃費の悪化の原因となる。
本発明は、このような実状に鑑み、機関の運転状態に応じてＰＭ排出量を算出し、これを積算してＰＭ堆積量を推定する場合に、その推定精度を大幅に向上させることを目的とする。

このため、本発明は、機関の運転状態に応じて算出したＰＭ排出量を目標空気過剰率、及び、実空気過剰率に応じて補正し、補正後のＰＭ排出量を積算してフィルタのＰＭ堆積量を算出する構成とする。

本発明によれば、過渡条件において空気過剰率が変動することに着目し、ＰＭ排出量を目標空気過剰率、及び、実空気過剰率に応じて補正することで、過渡条件でのＰＭ排出量の増大を考慮に入れることができ、これによりＰＭ堆積量の推定精度を向上させることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（具体的にはディーゼルエンジン）のシステム図である。
ディーゼルエンジン１の吸気通路２には可変ノズル型の過給機（ターボチャージャ）３の吸気コンプレッサが備えられ、吸入空気は吸気コンプレッサによって過給され、インタークーラ４で冷却され、吸気絞り弁５を通過した後、コレクタ６を経て、各気筒の燃焼室内へ流入する。燃料は、コモンレール式燃料噴射装置により、すなわち、高圧燃料ポンプ７により高圧化されてコモンレール８に送られ、各気筒の燃料噴射弁９から燃焼室内へ直接噴射される。燃焼室内に流入した空気と噴射された燃料はここで圧縮着火により燃焼し、排気は排気通路１０へ流出する。

排気通路１０へ流出した排気の一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ装置により、すなわち、ＥＧＲ通路１１によりＥＧＲ弁１２を介して、吸気側へ還流される。排気の残りは、可変ノズル型の過給機３の排気タービンを通り、これを駆動する。
ここで、排気通路１０の排気タービン下流には、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１３を設け、これにより排気中のＰＭを捕集する。この他、酸化触媒やＮＯｘトラップ触媒なども設けるが、図示は省略した。

エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０には、エンジン１の制御のため、アクセル開度ＡＰＯ検出用のアクセル開度センサ２１、エンジン回転数Ｎｅ検出用の回転数センサ２２、吸入空気量Ｑａ検出用のエアフローメータ２３、排気通路１０にてエンジン１からの排気成分濃度を検出することにより空燃比を検出可能な空燃比センサ２４などから、信号が入力されている。

ＥＣＵ２０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射弁９による燃料噴射の燃料噴射量及び噴射時期制御のための燃料噴射弁９への燃料噴射指令信号、吸気絞り弁５への開度指令信号、ＥＧＲ弁１２への開度指令信号、過給機３の可変ノズル機構１５へのノズル開度指令信号等を出力する。
ここにおいて、ＥＣＵ２０では、ＤＰＦ１３でのＰＭの捕集によりＰＭ堆積量が増加すると、排気抵抗が増加して、運転性が悪化することから、ＰＭ堆積量を推定し、これが所定のしきい値を超えたときに再生時期と判断し、燃料噴射時期の遅角（あるいはポスト噴射）などにより排気温度を上昇させて、再生処理（ＰＭの燃焼除去）を行う。

次に、本発明でのＰＭ堆積量の推定について説明する。
図２はＰＭ堆積量推定の概要を示すブロック図である。
ＰＭ排出量（基本値）マップ１０１は、予め定常実験により、エンジンの運転状態、詳しくはエンジン回転数Ｎｅと負荷（例えば燃料噴射量）Ｑｆとに応じ、ＰＭ排出量を求めて、記憶させたもので、このマップを参照して、エンジン回転数Ｎｅと負荷（燃料噴射量）Ｑｆとから、ＰＭ排出量（単位時間当たりのＰＭ排出量）を算出する。尚、負荷としては、燃料噴射量の他、トルク等を用いてもよい。

ＰＭ排出量補正係数マップ１０２は、空気過剰率に応じて、補正係数を算出するためのもので、空気過剰率としては、目標空気過剰率と実空気過剰率との両方を用いる。
より具体的には、第１パラメータＡとして、目標空気過剰率ｔλを用い、第２パラメータＢとして、実空気過剰率ｒλと目標空気過剰率ｔλとの差（ｒλ−ｔλ）、又は、比（ｒλ／ｔλ）を用いる。

また、第２パラメータＢとして、実空気過剰率ｒλと目標空気過剰率ｔλとの差（誤差；ｒλ―ｔλ）を用いる場合は、これを、実空気過剰率ｒλ又は目標空気過剰率ｔλに対する比に変換した値（誤差率）を用いるとよい。
この場合、Ｂ＝（ｒλ−ｔλ）／ｔλ 又は、Ｂ＝（ｒλ−ｔλ）／ｒλ となる。
乗算部１０３は、マップ１０１から求めたＰＭ排出量（基本値）に、マップ１０２から求めたＰＭ排出量補正係数を乗じて、ＰＭ排出量（＝基本値×補正係数）を算出する。

積算部１０４は、補正後のＰＭ排出量を積算することにより、ＤＰＦのＰＭ堆積量を推定する。
次に目標空気過剰率ｔλ、実空気過剰率ｒλの求め方について説明する。
目標空気過剰率ｔλは、目標空気量ｔＱａと、実燃料噴射量Ｑｆとから、次式により算出する。

目標空気過剰率ｔλ＝目標空気量ｔＱａ／（実燃料噴射量Ｑｆ×１４．６）
尚、実燃料噴射量Ｑｆは、ＥＣＵによる燃料噴射量の指令値でよく、これはアクセル開度ＡＰＯとエンジン回転数Ｎｅとから算出される。目標空気量ｔＱａは、ＥＣＵにて燃料噴射量Ｑｆとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて算出される値とする。
実空気過剰率ｒλは、実空気量ｒＱａと、実燃料噴射量Ｑｆとから、次式により算出する。

実空気過剰率ｒλ＝実空気量ｒＱａ／（実燃料噴射量Ｑｆ×１４．６）
尚、実空気量ｒＱａは、エアフローメータ出力に基づく検出値とする。
目標空気過剰率ｔλに対する実空気過剰率ｒλの誤差を学習し、該学習に基づく学習値（学習補正係数）Ｋで空気量を補正制御する学習制御手段を備える場合、実空気量と実燃料噴射量とに基づいて算出した実空気過剰率ｒλは、前記学習値Ｋで補正するとよい。

この場合、実空気過剰率のｒλの計算式は、次式のごとくとなる。
実空気過剰率ｒλ＝〔実空気量ｒＱａ／（実燃料噴射量Ｑｆ×１４．６）〕／Ｋ
また、実空気過剰率ｒλは、上記の計算式による計算値とする他、空燃比センサによる検出値としてもよい。
図３はＰＭ堆積量推定のフローチャートである。

Ｓ１では、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆを読込む。
Ｓ２では、図４のマップを参照し、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量ＱｆとからＰＭ排出量基本値を検索する。図４のマップからわかるように、エンジン回転数Ｎｅが高いほど、また燃料噴射量Ｑｆが多いほど、ＰＭ排出量基本値は大となる。
Ｓ３では、目標空気量ｔＱａ、実空気量ｒＱａを読込む。目標空気量ｔＱａはＥＣＵでの計算値、実空気量ｔＱａはエアフローメータによる検出値である。

Ｓ４では、目標空気量ｔＱａと燃料噴射量Ｑｆとから、次式により、目標空気過剰率ｔλを算出する。
ｔλ＝ｔＱａ／（Ｑｆ×１４．６）
Ｓ５では、実空気量ｒＱａと燃料噴射量Ｑｆとから、次式により、実空気過剰率ｒλを算出する。

ｒλ＝ｒＱａ／（Ｑｆ×１４．６）
Ｓ６では、目標空気過剰率に対する実空気過剰率の誤差を学習し、該学習に基づく学習値（学習補正係数）Ｋで空気量を補正制御する学習制御手段を備える場合に、学習値Ｋを読込み、Ｓ５で算出した実空気過剰率ｒλを学習値Ｋで割ることにより、実空気過剰率ｒλを補正する。

ｒλ＝ｒλ／Ｋ
Ｓ７では、実空気過剰率ｒλと目標空気過剰率ｔλとの差を、実空気過剰率ｒλで割ることにより、誤差率Δλを算出する。
Δλ＝（ｒλ−ｔλ）／ｒλ
又は、実空気過剰率ｒλと目標空気過剰率ｔλとの差を、目標空気過剰率ｔλで割ることにより、誤差率Δλ＝（ｒλ−ｔλ）／ｔλを算出するようにしてもよい。

Ｓ８では、図５のマップを参照し、目標空気過剰率ｔλと誤差率Δλとから、ＰＭ排出量補正係数を検索する。図５からわかるように、空気過剰率の誤差率Δλがリッチ側に大きくなるほど、ＰＭ排出量補正係数は大となり、更に、目標空気過剰率ｔλがリッチ側になるほど、ＰＭ排出量補正係数は更に大となる。尚、誤差率Δλがリーン側のとき、ＰＭ排出量補正係数は１（補正なし）となる。

尚、図６の特性ａは、空気過剰率λと、ＰＭ排出量との一般的な関係を示している。特性ｂは、特性ａでのλ＝１．３でのＰＭ排出量を基準値として、各λでのＰＭ排出量の基準値に対する比を算出することにより、空気過剰率λと、ＰＭ排出量の基準値に対する比との関係を示している。図５のマップは、このような特性をもとに作成される。
Ｓ９では、Ｓ２で求めたＰＭ排出量（基本値）に、Ｓ８で求めたＰＭ排出量補正係数を乗じて、ＰＭ排出量（＝基本値×補正係数）を算出する。

Ｓ１０では、補正後のＰＭ排出量を積算することにより、ＰＭ堆積量（＝ΣＰＭ排出量）を推定する。
図７は実空気過剰率を空燃比センサにより検出する場合のフローチャートである。
異なる部分についてのみ説明すると、Ｓ３では、目標空気量ｔＱａのみを読込む。
Ｓ５では、空燃比センサ信号により、実空気過剰率ｒλを検出する。従って、図６のＳ６のような補正の必要はなくなる。他は同じである。

本実施形態によれば、過渡条件において空気過剰率が変動することに着目し、定常条件での運転状態に応じて算出したＰＭ排出量を空気過剰率に応じて補正することで、過渡条件でのＰＭ排出量の増大を考慮に入れることができ、これによりＰＭ堆積量の推定精度を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、目標空気過剰率、及び、実空気過剰率に応じて、補正することにより、過渡条件で実、目標空気過剰率が誤差を持つ場合に増大するＰＭ排出量を運転状態に応じたＰＭ排出特性を変えずに推定することができ、適合範囲も少なくてすむ。

また、本実施形態によれば、第１パラメータとして、目標空気過剰率、第２パラメータとして、実空気過剰率と目標空気過剰率との差（ｒλ−ｔλ）又は比（ｒλ／ｔλ）を用い、これらに応じて補正することにより、過渡条件で実空気過剰率が目標空気過剰率よりも過濃になることで、予測よりも多くのＰＭを発生させているという状況等を補償することができる。

また、本実施形態によれば、前記第２パラメータとして、実空気過剰率と目標空気過剰率との差（ｒλ−ｔλ）を用いる場合に、これを実空気過剰率ｔλ又は目標空気過剰率ｔλに対する比に変換した値を用いることにより、実空気過剰率と目標空気過剰率の誤差に対して、誤差の絶対値は同じでも、もとの空気過剰率に応じて実際には感度が違うのを、的確に反映して、補償することができる。

この場合、特に、分母の空気過剰率として、実空気過剰率ｒλを用いることにより、すなわち、ＰＭ発生に最も影響の大きい実空気過剰率の感度を考慮することで、図７に示すような実際の空気過剰率とＰＭ発生量の特性から直接求めた比を係数として、補正係数マップに適用することができる。
分母の空気過剰率として、目標空気過剰率ｔλを用いる場合は、実空気過剰率との誤差分だけ適合が余分に必要となるが、補償目的は満足させることができる。

また、本実施形態によれば、目標空気過剰率は、目標空気量と実燃料噴射量とに基づいて算出することにより、スモーク限界にかかるような運転が実施された場合に、実空気過剰率との誤差が小さくなってしまったり、補正係数マップの第１パラメータＡが過濃になってしまったりすることを防止できる。
また、本実施形態によれば、実空気過剰率は、実空気量と実燃料噴射量とに基づいて算出するが、これは、空気量のバラツキが空気過剰率に及ぼす影響が大きいからであり、また空気過剰率を直接検出する手段（空燃比センサ）がない場合に特に有効である。

また、本実施形態によれば、目標空気過剰率に対する実空気過剰率の誤差を学習し、該学習に基づく学習値Ｋで空気量を補正制御する学習制御手段を備える場合に、実空気量と実燃料噴射量とに基づいて算出した実空気過剰率を、前記学習値Ｋで補正することにより、実空気過剰率と目標空気過剰率とを空気量で補正して一致させる制御を行った場合に、実空気過剰率が過補正となり、実空気過剰率と目標空気過剰率の誤差が収束しないのを防止できる。

また、本実施形態によれば、排気系に空燃比センサを備える場合に、そのセンサ信号に基づいて、実空気過剰率を検出することにより、実空気過剰率をより正確にかつ簡易にとらえることができる。
尚、本発明では、エンジンからのＰＭ排出量を算出・補正し、これを積算してＤＰＦのＰＭ堆積量を算出しているが、ここでいう「ＰＭ排出量」をエンジンからの純然たるＰＭ排出量ととらえて、ＰＭ堆積量の算出に際して、ＰＭ捕集効率を考慮してもよいし、「ＰＭ排出量」を単位時間当たりのＤＰＦでのＰＭ堆積量ととらえるようにしてもよい。

本発明の一実施形態を示すディーゼルエンジンのシステム図 ＰＭ堆積量推定の概要を示すブロック図 ＰＭ堆積量推定のフローチャート ＰＭ排出量基本値マップを示す図 ＰＭ排出量補正係数マップを示す図 空気過剰率に対するＰＭ排出量の特性図 実空気過剰率を空燃比センサにより検出する場合のフローチャート

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 吸気通路
３ 過給機
４ インタークーラ
５ 吸気絞り弁
６ コレクタ
７ 高圧燃料ポンプ
８ コモンレール
９ 燃料噴射弁
１０ 排気通路
１１ ＥＧＲ通路
１２ ＥＧＲ弁
１３ ＤＰＦ
１５ 可変ノズル機構
２０ ＥＣＵ
２１ アクセル開度センサ
２２ 回転数センサ
２３ エアフローメータ
２４ 空燃比センサ

Claims (10)

1. 排気通路に排気中のＰＭを捕集するフィルタを備える内燃機関において、
   機関の運転状態に応じてＰＭ排出量を算出するＰＭ排出量算出手段と、
   前記ＰＭ排出量を目標空気過剰率、及び、実空気過剰率に応じて補正する補正手段と、
   前記補正後のＰＭ排出量を積算して前記フィルタのＰＭ堆積量を算出するＰＭ堆積量算出手段と、
   を含んで構成されるＰＭ堆積量推定装置。
2. 前記補正手段は、第１パラメータとして、目標空気過剰率、第２パラメータとして、実空気過剰率と目標空気過剰率との差を用い、これらに応じて補正することを特徴とする請求項１記載のＰＭ堆積量推定装置。
3. 前記補正手段は、第１パラメータとして、目標空気過剰率、第２パラメータとして、実空気過剰率と目標空気過剰率との比を用い、これらに応じて補正することを特徴とする請求項１記載のＰＭ堆積量推定装置。
4. 前記補正手段は、前記第２パラメータとして、実空気過剰率と目標空気過剰率との差を、実空気過剰率に対する比に変換した値を用いることを特徴とする請求項２記載のＰＭ堆積量推定装置。
5. 前記補正手段は、前記第２パラメータとして、実空気過剰率と目標空気過剰率との差を、目標空気過剰率に対する比に変換した値を用いることを特徴とする請求項２記載のＰＭ堆積量推定装置。
6. 前記目標空気過剰率は、目標空気量と実燃料噴射量とに基づいて算出することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のＰＭ堆積量推定装置。
7. 前記実空気過剰率は、実空気量と実燃料噴射量とに基づいて算出することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のＰＭ堆積量推定装置。
8. 目標空気過剰率に対する実空気過剰率の誤差を学習し、該学習に基づく学習値で空気量を補正制御する学習制御手段を備える場合に、
   実空気量と実燃料噴射量とに基づいて算出した実空気過剰率を、前記学習値で補正することを特徴とする請求項７記載のＰＭ堆積量推定装置。
9. 前記実空気過剰率は、空燃比センサにより検出することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のＰＭ堆積量推定装置。
10. 前記ＰＭ排出量算出手段は、機関回転数及び負荷に応じてＰＭ排出量を算出することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載のＰＭ堆積量推定装置。

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