JP4640066B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路にパティキュレートフィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置に関し、詳しくはパティキュレートフィルタ再生中の過昇温防止に関する。

環境対策として、内燃機関からの排出ガスを触媒やフィルタで処理し、有害成分の放出を抑制する排気浄化装置が重要となっている。一例として、ディーゼルエンジン排気管の途中にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと記載）を設置し、排出されるパティキュレート（以下、ＰＭと記載）を捕集する排気浄化装置が知られている。ＤＰＦは、例えば、ＤＰＦの前後差圧から推定されるＰＭ堆積量を基に、定期的に堆積したＰＭを焼却除去することで再生される。

かかる排気浄化装置については、現在、ＤＰＦの過昇温が問題点として指摘されている（例えば特許文献１等）。これは、ＤＰＦに堆積したＰＭが急速に燃焼することによって生じ、ＤＰＦ温度が急激に上昇して、ＤＰＦの破損および担時された触媒の劣化をまねくおそれがある。この過昇温は、特に、高負荷運転によりＤＰＦへ流入する排気温度が高い場合、またはＤＰＦ再生中の昇温操作によりＤＰＦが高温となっている状態から、車両の運転状態の変化によりＤＰＦ通過ガス流量が急減量する場合に発生しやすい。これは、図２（ａ）に示すように、ガスによる放熱量が急減少し、ＤＰＦ温度が急上昇するためである。このような状況では、過昇温を防ぐために温度上昇を抑える必要がある。
特開２００４−０６８８０４号公報

ところが、温度上昇を抑えるためにＤＰＦへ流入する熱量を減らす操作（例えば排気温度を下げる、未燃ＨＣ供給を停止する等）を行っても、ＤＰＦ後部はその上流部の発熱量を通過ガスを媒介として受け取るため、上流部全てが冷えなければ温度は低下せず、過昇温の抑制が難しい。そこで、ＤＰＦを通過するガス流量を増量し、ガスによる放熱量を増やすことで迅速にＤＰＦ後部の温度上昇を抑える必要がある。例えば、特許文献１には、過昇温のおそれがある時に、ＤＰＦに流入するガス量を増大させる制御を行うことが記載されている。

しかしながら、ＤＰＦ再生中にガス流量を増量しすぎると、ＤＰＦ前部の温度が大幅に低下する。このため、再度温度を上昇させるのに無駄な燃料を消費することになり、燃費悪化をまねくという不具合がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、ＤＰＦを通過するガス流量を適切に制御することで、ＤＰＦ後部の温度上昇を抑えて過昇温を防ぎ、かつＤＰＦ前部の温度低下による燃費悪化を防止することを目的とする。

本発明の課題を解決するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路途中に排ガス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、パティキュレートフィルタを昇温して所望の温度に維持する昇温制御手段を有する。上記昇温制御手段は、上記パティキュレートフィルタの温度を所望の温度に維持可能な熱の持ち去り量となるように、上記パティキュレートフィルタ通過ガスの目標ガス状態を算出する目標ガス状態算出手段と、上記目標ガス状態となるように上記パティキュレートフィルタ通過ガスのガス流量を制御するガス流量制御手段とを有している。

運転状態の変化による過昇温は、ガス流量の急減により放熱量が急減少した場合に生じやすい。そこで本発明では、パティキュレートフィルタが所望の温度へ維持されるような熱の持ち去り量となるように、パティキュレートフィルタ通過ガスの目標ガス状態を算出し、この目標ガス状態となるようにガス状態を制御する。これにより排出ガスの増量を必要最小限に抑え、パティキュレートフィルタ後部の温度上昇を抑えて過昇温を防ぎ、かつ前部の温度低下による燃費悪化を防止することができる。

請求項１において、上記目標ガス状態算出手段は、パティキュレートフィルタを所望の温度に維持するために必要な過不足熱量を算出し、該過不足熱量と上記パティキュレートフィルタ通過ガスへの熱の授受量が等しくなるように、上記パティキュレートフィルタ通過ガスの目標ガス状態を算出する。

具体的には、パティキュレートフィルタの温度は、パティキュレートフィルタ通過ガスによる入放熱量とパティキュレートフィルタ内部の発熱量とによって決まる（図２）。そこで、パティキュレートフィルタに供給される総熱量とこれを所望の温度に維持するために必要な熱量とから過不足熱量を算出し、この過不足熱量が、パティキュレートフィルタ通過ガスによって授受される熱量と一致するガス状態、例えばガス流量を目標値とすることで、パティキュレートフィルタ温度を維持し過昇温の防止と燃費悪化抑制を両立させることができる。

請求項２において、上記目標ガス状態算出手段は、上記パティキュレートフィルタ温度分布情報に基づき、上記パティキュレートフィルタ内の最高温度が維持されるように、上記パティキュレートフィルタ通過ガスの目標ガス状態を算出する。

パティキュレートフィルタはガス流れ方向に温度分布を有するので、この内部温度分布から、パティキュレートフィルタ内の最高温度が維持されるように目標ガス状態を算出してもよい。これにより、ＤＰＦを集中定数系で扱っている方法に対して、より精度よく目標ガス状態を算出できる。

請求項３において、上記目標ガス状態は、目標ガス流量または目標ガス温度を含む。

具体的には、目標ガス状態として、パティキュレートフィルタを通過するガス流量の目標値を設定する。あるいは、パティキュレートフィルタを通過するガス温度の目標値その他のガス状態を表す値を用いることもできる。

請求項４において、上記目標ガス状態は目標ガス流量であり、上記目標ガス状態算出手段は、現在までの運転状態の履歴を基に、内燃機関の回転数および負荷のうち少なくとも一方が高い側から低い側へ移行した場合に、上記パティキュレートフィルタ通過ガスの目標ガス流量に対して増量補正を行う。

あるいは、現在までの運転状態の履歴から、パティキュレートフィルタを所望の温度に維持するために必要な目標ガス流量を算出することもできる。具体的には、高回転数または高負荷の運転状態から低い側へ変化した時に、パティキュレートフィルタの温度が急上昇しやすいので、目標ガス流量を増量することで、温度上昇を速やかに抑制できる。

請求項５において、上記目標ガス状態は目標ガス流量であり、上記ガス流量制御手段は、上記パティキュレートフィルタ通過ガス流量が上記目標ガス流量となるように、内燃機関からの排出ガス量を操作する。

上記パティキュレートフィルタを通過するガス流量は、内燃機関からの排出ガス量によって決まるので、これが所望の流量となるように流量操作を行うことによって、パティキュレートフィルタを所望の温度に維持することができる。

請求項６において、上記ガス流量制御手段は、吸気通路の吸気スロットル開度の調整量、ＥＧＲ装置のＥＧＲ制御弁開度の調整量、および、排気タービン過給機のタービン回転力の調整量のうちの１つまたは複数の調整量の増減制御を組み合わせて新気量をフィードバック制御することにより、内燃機関からの排出ガス量を操作する。

具体的には、内燃機関からの排出ガス量は、吸気スロットル開度やＥＧＲ制御弁開度またはタービン回転力を変化させることにより制御できる。排気タービン過給機は、通常、ノズルベーン開度を変化させてタービン回転力を増減制御する。また、排気タービン過給機が電動機を備える電動機付タービン過給機の場合は、電動機の駆動力を増減制御してタービンを強制駆動することにより排ガス量を操作してもよい。この場合、排気エネルギーの少ない低回転領域で電動機によりタービンを強制駆動することで、速やかに排出ガス量を制御できる。また、パティキュレートフィルタ通過ガスの流量は、吸気通路に導入される新気量と等しいため、これをフィードバックして、新気量と目標ガス流量との偏差に応じて吸気スロットル等の開度を制御することで、パティキュレートフィルタ通過ガス流量を目標ガス流量近傍に維持できる。

請求項７において、上記ガス流量制御手段は、請求項６の新気量制御において吸気通路の吸気圧が所定値以下とならないようなガードを設定する。

パティキュレートフィルタ通過ガス流量を目標ガス流量に維持するために、新気量を過剰に減量すると、吸気圧が過剰に負圧となってシリンダ内にオイルパンからオイルが上がりやすくなる。これを防ぐために、吸気圧に応じて吸気スロットル等の開度を制限することで、シリンダ内の燃焼の悪化やオイル消費量の増大を回避することができる。

請求項８において、上記ガス流量制御手段は、内燃機関の出力軸と駆動軸との間のスリップ率と車速に応じて機関回転数を変化させて、内燃機関からの排出ガス量を増量操作する。

パティキュレートフィルタ通過ガス流量の増量量はエンジン回転数によって制限される。このため、アイドル運転時といった低回転の運転領域でガス流量を目標ガス流量まで増量できずに、過昇温が発生するおそれがある。このような場合には、これを回避するため、エンジン出力軸と車両の駆動軸のスリップ率に応じてエンジン回転数を上げて、必要なガス流量を確保することができる。

以下、本発明を適用したディーゼルエンジンの排気浄化装置について図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態のシステム構成図である。図中、ディーゼルエンジン１の排気通路２を構成する排気管２ａ、２ｂ間にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３が設置されている。ＤＰＦ３は公知の構造のセラミック製フィルタであり、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形して、ガス流路となる多数のセルを入口側または出口側が互い違いとなるように目封じしてなる。エンジン１から排出された排気ガスは、ＤＰＦ３の多孔性の隔壁を通過しながら下流へ流れ、その間にパティキュレート（ＰＭ）が捕集されて次第に堆積する。

ＤＰＦ３には、通常、酸化触媒が担持される。これにより、排気通路２に供給される炭化水素（ＨＣ）が触媒燃焼し、排気温度が上昇してＤＰＦ３を昇温する。触媒反応を利用すると、少ない燃料で効率の良い昇温を行なえる利点がある。なお、ＤＰＦ３に酸化触媒が担持しない構成としたり、酸化触媒を別体としてＤＰＦ３の上流に配置する構成とすることもできる。

ＤＰＦ３の上流側の排気管２ａおよび下流側の排気管２ｂには、それぞれ温度検出手段となる排気温センサ５１、５２が設置される。排気温センサ５１、５２はＥＣＵ６に接続されており、ＤＰＦ３の入ガス温度または出ガス温度を検出して、ＥＣＵ６に出力する。エンジン１の吸気管４には、エアフローメータ（吸気センサ）４１が設置されて吸気量をＥＣＵ６に出力するようになっている。エアフローメータ４１下流の吸気管４には、吸気スロットル４２が設置されており、ＥＣＵ６の指令で吸気量を増減する。また、吸気圧センサ４３にて吸気スロットル４２下流の吸気の圧力を検出するようになっている。

エンジン１の吸気管４は、ＥＧＲバルブ７を備えたＥＧＲ配管７１によって、上流側の排気管２ａと連通しており、ＥＧＲバルブ７はＥＣＵ６の指令で吸気に還流する排気量（ＥＧＲ量）を増減する。また、エアフローメータ４１と吸気スロットル４２の間に、可変容量ターボチャージャ（排気タービン過給機）の吸気コンプレッサ９１が設けられ、排気管２ａに設けられる排気タービン９２と図示しないタービン軸を介して連結される。可変容量ターボチャージャは公知の構造で、排気ガスにて回転駆動される排気タービン９２と吸気コンプレッサ９１を同軸に結合し、吸気コンプレッサ９１にて吸気を圧縮してエンジン１に供給する。排気タービン９２は、導入排気流速を調整するための可変ノズル（図略）を有し、エンジン１の運転状態に応じた所定の過給圧が得られるように、ＥＣＵ６の指令でノズルベーン（ＶＮＴ）開度を制御する。

排気管２ａ、２ｂには、ＤＰＦ３にて捕集されたパティキュレートの量（ＰＭ堆積量）を知るために、ＤＰＦ３の前後差圧を検出する差圧センサ８が接続される。差圧センサ８の一端側はＤＰＦ３上流の排気管２ａに、他端側はＤＰＦ３下流の排気管２ｂにそれぞれ圧力導入管８１、８２を介して接続されており、ＤＰＦ３の前後差圧に応じた信号をＥＣＵ６に出力する。

ＥＣＵ６には、また、アクセル開度センサや回転数センサといった図示しない各種センサが接続されている。ＥＣＵ６は、これらセンサからの検出信号を基に運転状態を検出し、運転状態に応じた最適な燃料噴射量、噴射時期、噴射圧等を算出して、エンジン１への燃料噴射を制御する。ＥＣＵ６は、さらに、ＤＰＦ３の再生制御を行ない、ＤＰＦ３へのＰＭ堆積量が予め設定した所定量を超えた時に、昇温手段を操作してＤＰＦ３を昇温し、堆積したＰＭを焼却除去する。このＤＰＦ３の再生制御について、次に説明する。

ＤＰＦ３へのＰＭ堆積量は、例えば、差圧センサ８により検出されるＤＰＦ前後差圧から推定されるＰＭ堆積量を基に推定する。排気流量が一定の場合には、ＰＭ堆積量が多いほどＤＰＦ前後差圧が増加するので、この関係を予め調べておくことでＰＭ堆積量を知ることができる。あるいは、各種センサ出力から知られるエンジン運転条件を基にＰＭ排出量を算出し、これを積算してＰＭ堆積量を推定することもできる。これらの方法を組み合わせることもできる。

昇温手段として、具体的には、ポスト噴射、燃料噴射時期遅角（リタード）、吸気スロットル４２による吸気絞り、あるいは、ＥＧＲ制御弁７によるＥＧＲ増量等が挙げられる。また、吸気用インタクーラを備えるエンジンにおいてインタクーラバイパスを行うこともできる。これらの操作により、排気通路２に供給される未燃ＨＣが酸化反応により発熱し、または、エンジン１から排出される排気温度が上昇して、ＤＰＦ３に高温の排気を供給する。昇温手段としては、これらのうちいずれか１つの操作を行っても、複数の操作を組み合わせてもよい。

ＥＣＵ６は、これら昇温手段を操作して、ＤＰＦ３を所望の温度に維持することによりＤＰＦ３を再生する（昇温制御手段）。ＤＰＦ３の再生に必要な温度（目標再生温度）は、一定の所定値（例えば６５０℃）としても、ＰＭ堆積量等に応じて多段階に変更してもよい。この場合、ＰＭ堆積量が多い再生初期は、目標再生温度を所定値より低くして安全性を確保し、燃焼によりＰＭ堆積量が少なくなったら目標再生温度を大きな値とすることで、効率的な再生が可能である。

ここで、昇温制御手段は、昇温操作量を制御するとともに、ＤＰＦ３を通過するガス流量を制御して、ＤＰＦ３を目標再生温度に維持する。すなわち、ＤＰＦ３を目標再生温度に維持するために必要な熱の持ち去り量となるように、目標ガス状態算出手段が、ＤＰＦ通過ガスの目標ガス状態、具体的には目標ガス流量を算出し（以降、目標ガス流量算出手段と称する）、ＤＰＦ通過ガスのガス流量がこの目標ガス流量となるように制御する（ガス流量制御手段）。

図２（ａ）に示すように、従来の制御方法では、ＤＰＦ３の再生中に運転状態が変化して（例えば減速運転）、ガス流量が急減すると、ＤＰＦ３の温度が急上昇して過昇温に至ることがある。これは、再生温度一定（ＤＰＦ通過ガスによる入熱量＋ＤＰＦ内部の発熱量＝ＤＰＦ通過ガスへの放熱量）の状態から、流量減によりＤＰＦ通過ガスによって持ち去られる熱量が急減少するためで、入熱量と発熱量の和が放熱量を上回って温度が上昇する。これを回避するには、図２（ｂ）に示すように、運転状態が変化しても、
入熱量＋発熱量＝放熱量
の関係が維持されるように、つまり、所望の再生温度に維持できる熱の持ち去り量となるように、ＤＰＦ通過ガスのガス流量を制御するのがよい。

そこで、目標ガス流量算出手段は、ＤＰＦ３の温度を維持するための過不足熱量を算出し、ＤＰＦ通過ガスによって授受される熱量が、この過不足熱量と等しくなる目標ガス流量を算出する。具体的には、図３に示すように、過不足分熱量ΔＱは、ＤＰＦ内部のＨＣ燃焼やＰＭ燃焼による発熱等による総熱量Ｑｒと、ＤＰＦ温度を流入ガス温度から目標再生温度（例えば６５０℃）まで上昇させるのに必要な熱量Ｑｂから、
ΔＱ＝Ｑｒ−Ｑｂ
と算出する。また、ＤＰＦ通過ガスへの放熱量Ｑout は、ＤＰＦ３から排出されたガスの持つ熱量ＱinとＤＰＦ３へ流入したガスの持つ熱量Ｑexから、
Ｑout ＝Ｑex−Ｑin
と算出する。ここで、流入ガス温度をＴin、流出ガス温度をＴex、ガス量をＭgas 、ガス比熱をＣｐとすると
Ｑex＝Ｃｐ×Ｍgas ×Ｔex
Ｑin＝Ｃｐ×Ｍgas ×Ｔin
の関係があるので、この放熱量Ｑout が過不足熱量ΔＱに等しくなるガス量Ｍtrg は
Ｍtrg ＝ΔＱ／｛Ｃｐ×( Ｔex−Ｔin)｝
と算出でき、これを目標ガス流量とする。

この目標ガス流量を用い、ＤＰＦ通過ガス流量が目標ガス流量となるように制御することで、熱の授受量が過不足熱量と等しくなる。よって、ＤＰＦ３を目標再生温度以上に上昇させる余剰の熱量を、ＤＰＦ通過ガスによってＤＰＦ３外へ放出できるので、ＤＰＦ３の温度は目標温度に維持される。目標ガス流量の代わりに目標ガス温度（流入ガス温度、流出ガス温度など）を設定するようにしてもよい。

または、図４、５に示すように、ＤＰＦ３の内部温度分布から、ＤＰＦ３内の最高温度が維持されるように、目標ガス流量を算出してもよい。この方法では、ＤＰＦ３を集中定数系で扱っている上記図３の方法に対して、より精度よく目標ガス流量を算出できる。この場合、図４に示すように、ＤＰＦ３内の最高温度の位置（図５中にＰmaxで示す）における過不足熱量ΔＱmax は、位置ＰmaxにおけるＨＣ燃焼やＰＭ燃焼による発熱量と熱伝導量の総熱量Ｑrmax、位置Ｐmaxに流入するガスの熱量Ｑfr、および位置Ｐmaxの温度を目標再生温度に維持する熱量Ｑbmaxから算出する。そして、ΔＱmax とそのＰmaxの上下流位置（図５中にＰfr、Prr で示す）のガス温度（図５中Ｔfr、Ｔrrで示す）から、Ｐmaxの温度を維持するようなガス流量を算出する。

この場合も、ＤＰＦ通過ガス流量がこの目標ガス流量と一致するように制御することで、ＤＰＦ３内の最高温度を目標再生温度に維持し、ＤＰＦ３が過昇温となるのを確実に防止することができる。あるいは、現在までの運転条件の履歴、例えば図２（ｂ）に示すような高負荷から低負荷、あるいは高回転から低回転への減速運転が発生した際にも、パティキュレートフィルタを所望の温度に維持するために必要な目標ガス流量を算出し、これに基づいてＤＰＦ通過ガス流量を制御することもできる。

ガス流量制御手段は、具体的には、ＤＰＦ通過ガス流量が目標ガス流量になるように、エンジン１からの排出ガス量を制御する。例えば、図１に示した排気浄化装置構成では、排出ガス量＝ＤＰＦ通過ガス流量＋ＥＧＲ量＝新気量＋ＥＧＲ量であるため、ＤＰＦ通過ガス流量は新気量に等しい。従って、新気量をフィードバックし、新気量と目標ガス流量との偏差に応じて、
吸気スロットル４２開度を操作して吸気管の圧損を変化させる、
または、ＥＧＲ制御弁７１開度を操作して、ＥＧＲ量を変化させる、
または、タービン９２のノズルベーン開度を操作して、タービン回転力を増減調整し、排気圧損および過給圧を変化させる、
等により吸気圧を操作して、新気量を目標ガス流量近傍に維持させる。また、排気タービン過給機が電動機を備える電動機付タービン過給機の場合は、電動機の駆動力を増減制御してタービンを強制駆動することにより吸気圧を操作してもよい。電動機付タービン過給機を備える場合は、排気エネルギーの少ない低回転領域で電動機によりタービンを強制駆動することで、速やかに排出ガス量を制御できる。または、上記操作の複数の組み合わせにより、ＤＰＦ通過ガス流量の制御を行ってもよい。

ここで、新気量を過剰に減量すると、吸気圧が過剰に負圧となりシリンダ内にオイルパンからオイルが上がりシリンダ内の燃焼の悪化やオイル消費量の増大といった問題が生じる。これを防ぐために、吸気圧に応じて、吸気スロットル４２開度、ＥＧＲバルブ７１開度、ノズルベーン開度を制限することで、吸気圧が過剰な負圧になることを避けるのがよい。

さらに、ＤＰＦ通過ガス流量の増量量は、エンジン回転数によって制限される。従って、アイドル運転時といった低回転の運転領域では、ガス流量を目標ガス流量まで増量できず、過昇温が発生してしまう場合がある。これを回避するためには、エンジン出力軸と車両の駆動軸のスリップ率に応じてエンジン回転数を上げて、必要なガス流量を確保するとよい。図６に示すように、スリップ率１００％ 近傍（出力軸と駆動軸が独立した状態。例えばＭＴ車でクラッチＯＦＦの状況）の場合は、目標ガス流量に到達しうる回転数までエンジン回転数を増やし、必要なガス流量を確保する。これにより、必要なガス流量を確保して過昇温を防止することができる。ただし、現在の車速に対して過剰に回転数を上げると、ドライバーの操作によりクラッチが繋がりスリップ率が０％になった場合に車両が暴走するおそれがあり、車速に応じて回転数の上限を設定して、この範囲内で回転数を変化させる。

図７〜１２に本実施形態によるＥＣＵ６の動作フローを示す。
図７は、ＤＰＦ３の昇温制御の基本動作を示すフローチャートであり、まず、ステップ１００でＤＰＦ３内部の温度分布を推定する。本実施形態では、ＤＰＦ３のガス流れ方向に１０点の温度推定点を設定し、ＤＰＦ３を１０個の領域（セル）に分割して、各セルの温度を推定することで温度分布を求める。図８（ａ）は温度分布を推定するための処理で、ステップ１０１〜１１０の各ステップで各セルの熱収支を計算する。各セルの熱収支は、図８（ｂ）に示すセルの熱収支モデルを用いて計算する。

図８（ｂ）のセル熱収支モデルにより、各セル毎に、セル内のＤＰＦ基材とガスの熱伝達量、ＨＣ発熱量、ＰＭ発熱量、上流側および下流側のセル基材温度を基に熱伝導量を算出し、セルが授受した熱量を算出する。この授受した熱量とセルの熱容量から温度上昇量を算出しセル基材温度を算出する。同時にＨＣ減少量、ＰＭ減少量、Ｏ2 消費量を計算する。この熱収支計算を１０個のセル１〜セル１０について行なって、セル基材温度Ｔ１〜Ｔ１０を算出する。Ｔ１がＤＰＦ３最前端の、Ｔ１０が最後端の温度推定値である。ガス流量はエアフロメータ４１の検出値から、セル１の上流ガス温度は上流側排気温センサ５１から、セル１の上流ＨＣ量は、運転条件を基に検出する。

図７のステップ２００では、ＤＰＦ３の前後差圧および排気流量からＰＭ堆積量を推定する。ＤＰＦ前後差圧は差圧センサ８の検出値から、排気流量はエアフローメータ４１の検出値を基に算出される。続くステップ３００では、ＤＰＦ３が再生中かどうかを判定する。再生中かどうかの判定は、例えば、図示しないＤＰＦ３の昇温制御ルーチンにおける再生判定結果を基に行う。昇温制御ルーチンでは、通常、ＤＰＦ３へのＰＭ堆積量を予め設定した再生開始ＰＭ堆積量と比較し、再生開始ＰＭ堆積量を超えたら再生の必要があると判定して再生実施フラグをオンにし、昇温操作を開始する。再生実施フラグがオンであり、ＤＰＦ３が再生中と判断した場合にはステップ４００に進み、以降のステップに従ってガス流量制御を行う。ＤＰＦ３が再生中でなけれ本処理を終了する。

ステップ４００では、ステップ１００のＤＰＦ温度分布情報からＤＰＦ３内の最高温度を再生目標温度に維持するために必要なガス流量である再生中目標ガス流量ＧＡＴＲＧを算出する。図９に再生中目標ガス流量算出ルーチンのブロック図を示す。このルーチンでは、まず、ステップ１００で算出したＤＰＦ３のセル基材温度Ｔ１〜Ｔ１０、運転条件から算出したＤＰＦ３に流入するＨＣ量情報、ステップ２００で算出したＤＰＦ３へのＰＭ堆積量を基に、ＤＰＦ３内の最高温度の位置Ｐmax （図６参照）のＨＣ燃焼による発熱量やＰＭ燃焼による発熱量、熱伝導量を算出し、これら熱量を加算して総熱量Ｑrmaxを算出する。

次いで、過不足熱量ΔＱmax を算出する。過不足熱量ΔＱmax は、ＤＰＦ３内の最高温度の位置Ｐmax の上流位置Ｐfrのガス温度から再生目標温度まで上昇させるのに必要な熱量Ｑbmaxと総熱量Ｑrmaxから、
ΔＱmax ＝Ｑrmax−Ｑbmax・・・（１）
と算出することができる（図４参照）。また、放熱量Ｑout は、ＤＰＦ３内の最高温度の位置Ｐmax の下流位置Ｐrrのガスの持つ熱量Ｑrrと上流位置位置Ｐfrのガスの持つ熱量Ｑfrから、
Ｑout ＝Ｑrr−Ｑfr・・・（２）
と算出する。
ここで、ＤＰＦ３内の最高温度の位置Ｐmax の上流位置Ｐfrのガス温度をＴfr、下流位置Ｐrrのガス温度をＴrr、ガス量をＭgas 、ガス比熱をＣｐとすると、
Ｑrr＝Ｃｐ×Ｍgas ×Ｔrr・・・（３）
Ｑfr＝Ｃｐ×Ｍgas ×Ｔfr・・・（４）
の関係があるので、この放熱量Ｑout が過不足熱量ΔＱmax に等しくなるガス量Ｍtrg は、
Ｍtrg ＝ΔＱmax ／｛Ｃｐ×（Ｔrr−Ｔfr) ｝・・・（５）
と算出できる。これを単位時間あたりのガス流量に換算して再生中目標ガス流量ＧＡＴＲＧを算出する。

ステップ５００では、新気量をフィードバックして、吸気スロットル４２開度を変化させ、新気量をステップ４００で算出した再生中目標ガス流量近傍に維持する。エンジン１への吸気量（新気量＋ＥＧＲガス量）＝排気量（ＥＧＲガス量＋ＤＰＦ通過ガス流量）であり、ＥＧＲガス量は等量であるので、ＤＰＦ３を通過する排気ガス流量は新気量と等しい。従って、吸気スロットル４２を操作して新気量を制御することでＤＰＦ通過ガス量を制御可能となる。

図１０は、新気量のフィードバック制御処理の詳細を示すもので、ステップ５０１ではエアフロメータ４１から新気量ＧＡを、ステップ５０２では吸気圧センサ４３から吸気圧ＰＩＭを読み込む。続くステップ５０３では、吸気圧ＰＩＭを予め設定した所定値と比較し、吸気圧ＰＩＭが所定値以下ならば、過剰な負圧と判定して、ステップ５０４に進む。ステップ５０４では、吸気圧ＰＩＭが過剰な負圧となることによる不具合を防止するために、吸気スロットル開度ＴＨＲを前回値ＴＨＲＯＬＤに維持し、吸気スロットル４２操作を行わずに本処理を終了する。

次いで、ステップ５０５で、エンジン回転数、要求トルクから、ベーススロットル開度ＴＨＲＢＡＳＥを算出する。ベーススロットル開度ＴＨＲＢＡＳＥの算出には、例えば、予め実験等を行って作成したマップ等を用いる。このベーススロットル開度ＴＨＲＢＡＳＥを、公知のＰＩＤ制御により補正してスロットル開度ＴＨＲを算出する。

具体的には、まず、ステップ５０６で、ステップ５０１で読み込んだ新気量ＧＡとステップ４００で算出した再生中目標ガス流量ＧＡＴＲＧの偏差ＥＧＡを算出する。
ＥＧＡ←ＧＡ−ＧＡＴＲＧ・・・（６）
この偏差ＥＧＡを用い、ステップ５０７で偏差の積分量ＩＥＧＡを、ステップ５０８では微分量ＤＥＧＡを、それぞれ前回値（ｉ−１）を用いて算出する。
ＩＥＧＡ（ｉ）←ＩＥＧＡ（ｉ−１）＋ＥＧＡ（ｉ）・・・（７）
ＤＥＧＡ（ｉ）←ＥＧＡ（ｉ） −ＥＧＡ（ｉ−１）・・・（８）
ステップ５０９では現在の吸気スロットル開度ＴＨＲを吸気スロットル開度の前回値ＴＨＲＯＬＤとし、ステップ５１０で、比例項ゲインＫＰ、積分項ゲインＫＩ、微分項ゲインＫＤからスロットル開度ＴＨＲを算出する。
ＴＨＲ←ＴＨＲＢＡＳＥ＋ＫＰ・ＥＧＡ＋ＫＩ・ＩＥＧＡ＋ＫＤ・ＤＥＧＡ・・・（９）

さらに、図７のステップ６００で、エンジン回転数を上げてガス流量を増やす必要があるかを判定する。具体的には、図１１に示すように、ステップ６０１で、クラッチが断絶しているかを判定し、断絶していると判定されたならばステップ６０２に進む。ステップ６０２では、ステップ５１０で算出した吸気スロットル開度ＴＨＲが全開しているかどうかを判定し、全開（ＴＨＲ＝ＴＨＲＭＡＸ）ならばステップ６０３に進む。ステップ６０１でクラッチが断絶していない場合、ステップ６０２で吸気スロットル開度ＴＨＲが全開でない場合にはステップ６０６に進む。

ステップ６０３では、新気量ＧＡと再生中目標ガス流量ＧＡＴＲＧの偏差ΔＧＡを算出する。次いで、ステップ６０４で、ΔＧＡが負、つまりガス流量が不足しているかどうかを判定する。ΔＧＡが負である場合は、エンジン回転数増量の必要ありと判断してステップ６０５に進み、エンジン回転数増量フラグＸＮＥＵＰをオンにする。ΔＧＡが負でない場合は、エンジン回転数増量の必要なしと判断してステップ６０６に進み、エンジン回転数増量フラグＸＮＥＵＰをオフにする。

図７のステップ７００では、エンジン回転数増量フラグＸＮＥＵＰがオンかどうかを判定し、エンジン回転数増量フラグＸＮＥＵＰをオフの場合は、そのまま本処理を終了する。エンジン回転数を増加させる必要がある場合は、ステップ８００に進み、車速に応じてエンジン回転数を上げることにより、ガス流量を増量する。図１２に示すように、まず、ステップ８０１で、車速ＳＰＤを読み込み、ステップ８０２で、目標回転数ＮＥＴＲＧを算出する。目標回転数ＮＥＴＲＧは充填効率をη、エンジン排気量をＬとして、
ＥＴＲＧ＝ＧＡＴＲＧ／ (η×Ｖ）・・・（１０）
のように算出する。

ステップ８０３では、クラッチを繋げても車両が加速しない許容最大回転数ＮＥＭＡＸを算出する。具体的には、車両の最も小さいギヤ比で、現在の車両の車速となる回転数を算出する。ステップ８０４では、目標回転数ＮＥＴＲＧを許容最大回転数ＮＥＭＡＸと比較し、目標回転数ＮＥＴＲＧが許容最大回転数ＮＥＭＡＸより大きい場合は、ステップ８０５に進む。ステップ８０５では、許容最大回転数ＮＥＭＡＸを目標回転数ＮＥＴＲＧとして回転数を制限し、ステップ８０６へ進む。目標回転数ＮＥＴＲＧが許容最大回転数ＮＥＭＡＸ以下である場合は、そのままステップ８０６に進む。ステップ８０６では、エンジン回転数が目標回転数ＮＥＴＲＧとなるように、噴射量を制御する。

以上により、ＤＰＦ通過ガス流量を再生中目標ガス流量ＧＡＴＲＧに制御することができる。よって、過不足熱量ΔＱに相当する熱量を、ＤＰＦ通過ガスによる放熱量Ｑout としてＤＰＦ３外へ放出できるので、ＤＰＦ３を再生目標温度に維持して過昇温を防止し、また燃費の悪化を抑制する。

本発明を適用した内燃機関の排気浄化装置のシステム構成図である。 （ａ）は従来の制御方法によるガス流量と再生温度変化を示す図であり、（ｂ）は本発明の制御方法によるガス流量と再生温度変化を示す図で、最適なガス流量に制御することで、ＤＰＦ温度を維持できることを示す図である。 ＤＰＦ温度を維持するために過不足する熱量の算出方法を説明する図である。 ＤＰＦ内の最高温度を維持するために過不足する熱量の算出方法を説明する図である。 ＤＰＦ内部温度分布を示す図である。 車速とスリップ率に応じて回転数を上げてＤＰＦ通過ガス流量を増量する制御方法を説明するための図である。 ＥＣＵによるＤＰＦ通過ガス流量の制御方法を示すフローチャートである。 （ａ）はＤＰＦ温度分布推定方法を示すフローチャートであり、（ｂ）はセル熱収支計算モデル図である。 目標ガス流量を算出するためのブロック図である。 新気量フィードバック制御方法を示すフローチャートである。 ガス流量増量判定方法を示すフローチャートである。 ガス流量増量方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ 排気通路
２ａ、２ｂ 排気管
３ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
４ 吸気通路
４１ エアフロメータ
４２ 吸気スロットル
４３ 吸気圧センサ
５１、５２ 排気温センサ
６ ＥＣＵ
７ ＥＧＲ制御弁
７１ ＥＧＲ通路
８ 差圧センサ
９１ タービン
９２ コンプレッサ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路途中に排ガス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、
   上記パティキュレートフィルタを昇温して所望の温度に維持する昇温制御手段が、
   上記パティキュレートフィルタを所望の温度に維持可能な熱の持ち去り量となるように、上記パティキュレートフィルタ通過ガスの目標ガス状態を算出する目標ガス状態算出手段と、
   上記目標ガス状態となるように上記パティキュレートフィルタ通過ガスのガス流量を制御するガス流量制御手段とを有し、
   上記目標ガス状態算出手段は、上記パティキュレートフィルタを所望の温度に維持するために必要な過不足熱量を算出し、該過不足熱量と上記パティキュレートフィルタ通過ガスへの熱の授受量が等しくなるように、上記パティキュレートフィルタ通過ガスの目標ガス状態を算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記目標ガス状態算出手段は、上記パティキュレートフィルタ温度分布情報に基づき、上記パティキュレートフィルタ内の最高温度が維持されるように、上記パティキュレートフィルタ通過ガスの目標ガス状態を算出する請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記目標ガス状態は、目標ガス流量または目標ガス温度を含む請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記目標ガス状態は目標ガス流量であり、上記目標ガス流量算出手段は、現在までの運転状態の履歴を基に、内燃機関の回転数および負荷のうち少なくとも一方が高い側から低い側へ移行した場合に、上記パティキュレートフィルタ通過ガスの目標ガス流量に対して増量補正を行う請求項１ないし３のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記目標ガス状態は目標ガス流量であり、上記ガス流量制御手段は、上記パティキュレートフィルタ通過ガス流量が上記目標ガス流量となるように、内燃機関からの排出ガス量を操作する請求項１または４記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 上記ガス流量制御手段は、吸気通路の吸気スロットル開度の調整量、ＥＧＲ装置のＥＧＲ制御弁開度の調整量、および、排気タービン過給機のタービン回転力の調整量のうちの１つまたは複数の調整量の増減制御を組み合わせて新気量をフィードバック制御することにより、内燃機関からの排出ガス量を操作する請求項５記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 上記ガス流量制御手段は、吸気通路の吸気圧が所定値以下とならないようなガードを設定する請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 上記ガス流量制御手段は、内燃機関の出力軸と駆動軸との間のスリップ率と車速に応じて機関回転数を変化させることにより、内燃機関からの排出ガス量を増量操作する請求項５ないし７のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。

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