JP4708778B2 - 微粒子フィルタ中に堆積された微粒子量の見積もりに基づく微粒子フィルタの再生活性化方法 - Google Patents

Description

本発明は、微粒子フィルタ中に堆積された微粒子量の見積もりに基づく微粒子フィルタの再生活性化方法に関する。

大気汚染を減少させるために、内燃式エンジンから発生される排気ガス中の混合物に対する規制が多くの国々でますます強くなっていることが知られている。

特にジーゼルエンジンにおける主な問題は排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）と微粒子に起因するもので、一酸化炭素（ＣＯ）と炭化水素（ＨＣ）とは特に問題となってはいない。

大気中に排出される排気ガス中に存在する微粒子量を最小値に減少させるためにこれまで多くの方法が提案されている。しかしながら、これらの方法の中で、ジーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）、あるいは煤煙キャッチャー又は煤煙トラップとして知られる装置を排気パイプに取り付ける方法が、ジーゼルエンジンからの微粒子排出問題に対する最終の回答として自動車業界に長年の間疑いもなく認知されていた。

特に、通常の微粒子フィルタは孔の開いた隔壁によって交互に塞がれた平行な排ガス流路から構成される。これらの隔壁によって排気ガスは排ガス流路の水平壁を強制的に通過し、微粒子を構成する未燃焼の粒子は先ず水平壁の穴に付着し、これらの孔が詰まると排ガス流路の内壁に堆積され、堆積層が形成される。

流路内壁への微粒子の堆積量が増えると、微粒子フィルタの圧力低下が進み、この微粒子フィルタからエンジン方向への反対圧力が生じる。

このような微粒子の堆積を無制限に行うことはできない。なぜなら、大量の堆積により、エンジンの性能が劣化し、運転性能が悪化し、燃費が低下し、最終的にエンジンが停止することになるとともに、微粒子の自己着火と無制御状態の燃焼により微粒子フィルタが破壊されることがあるからである。事実、大量の微粒子の堆積状態で運転中に突然で無制御状態の微粒子の燃焼が生じて「臨界」的な再生現象が生じることがあり、この結果、微粒子フィルタのセラミックマトリクス部が高温状態となり、破壊に至ることがある。

このため、いわゆる微粒子フィルタの「再生」を行うことにより、堆積された微粒子を定期的に取り除く必要がある。特に、自動車の分野では、微粒子フィルタの「再生」は堆積された微粒子（主として炭素Ｃからなる）の燃焼を意味する。この微粒子は排気ガス中に存在する酸素に接触して酸化されて一酸化炭素または二酸化炭素ＣＯ２に変換される。

しかしながらこの反応は６００℃以上の高温において自然に（即ち何らの添加物の使用なしに）生じるもので、この温度はエンジンの正常な動作状態における微粒子フィルタの入り口側で測定される温度よりずっと高い温度である。

微粒子フィルタ中の微粒子の堆積が一定のレベル以上になると、自己着火による微粒子燃焼が生じるまでその入り口側における排ガスの温度を人工的に上昇させる必要がある。

自動車の分野においてこの種のフィルタを用いる場合の主な問題がこの微粒子フィルタの再生の際に生じる。

従来、微粒子フィルタの入り口側における温度を人工的に上昇させてこの微粒子の燃焼を開始させる多くの方法が提案され、用いられてきている。

特に、微粒子燃焼の自己着火方法はそのアプローチの方法によって大きく二つの方法に分けられる。一つはディーゼル燃料に対する触媒として作用する添加物の使用に基づく自己着火方法であり、これにより再生開始温度を１００℃乃至１５０℃程度低下させることができる。一方、二つ目の方法はエンジンの燃焼状態を制御して微粒子の燃焼開始を生じさせる方法である。

特に、添加物の使用による自己着火方法は、
触媒と微粒子フィルタとを一つの容器（キャニスター）の中に収納した排気システムを必要とし、
非常に大きな体積、代表的にはエンジン排気量の約２倍の体積の微粒子フィルタを必要とし、
再生自己着火温度を１００℃乃至１５０℃程度低下させることができるディーゼル燃料用の添加物（セリウムを主体とする）を必要とし、
自動車の上で添加物を添加し自動的にそれを計量するための非常に複雑なシステムを必要とし、
エンジンの通常の使用状態では到達し得ない温度レベルを必要とするために、微粒子フィルタの入り口側で温度を上昇させるためにエンジンの特別な制御を必要とする。実際問題として、この種のシステムはエンジンが中程度の負荷のときは正確に動作するが、低負荷で長時間運転される場合（例えば町中で運転する場合など）および／または外気温度が低い場合など多くの場合に排気ガス温度は自己着火温度に到達しない。

添加物を用いた微粒子の燃焼のための自己着火方法は４５０℃乃至５００℃程度で微粒子フィルタの再生のための自己着火を可能とするが、微粒子フィルタが低い反対圧力を発生させるために、その使用に際してその利点を適切かつ充分に発揮することができない、という重大な欠点がある。即ち、
添加物を加え、またその計量を自動的に行うためのシステムが複雑であり、
ディーゼル燃料に含まれる添加物が微粒子を燃やすためにフィルタ内部に微粒子燃焼による灰を堆積させ、その量が徐々に増加するので大きな体積の微粒子フィルタを取り付ける必要があり、
微粒子フィルタの体積を大きくしてもなお走行距離８０，０００ｋｍ程度毎に微粒子フィルタからの灰の除去が必要である。実際問題として、微粒子とともにセリウムによって大量の灰がフィルタの内部に堆積するが、この灰は再生動作では除去できず、これにより自動車の走行距離が長くなるにつれてフィルタからエンジンに向かう反対圧力が徐々に増加し、従ってフィルタ内部に堆積した灰を取り除くために定期的な除去、清掃作業を必要となる。

更に添加物の使用は、添加物の添加と自動計量のためのシステムおよび大容量の微粒子フィルタのための多大の費用を伴う。

これら多くの欠点があるために、殆ど全ての自動車メーカーは微粒子燃焼の自己着火方法として添加物を用いずに行う方法を採用している。

添加物に頼らずに微粒子フィルタ中の排気ガス温度を人為的に上昇させるためにこれまでに提案され用いられている方法の一つが、捕獲され堆積された微粒子の燃焼のために自己着火温度まで微粒子フィルタの温度を上昇させるために定期的に通電されるヒータ素子を微粒子フィルタ内部に設けることである。

一方、最近になって提案された方法は、エンジンの燃焼を制御する方法によって微粒子フィルタの入り口側の排気ガス温度を高めることである。

微粒子フィルタの入り口の温度を上昇させるために共通に用いられている方法は、
燃焼を遅らせるためにメインインジェクション（主燃料の噴射）を調整すること、
メインインジェクションの動作の後でポストインジェクション（副燃料噴射）を行うこと、
または、
空気取り入れ量を減少させること（例えば、過給量を減少させあるいは取り入れ量を絞り込むこと）、
などである。

これらの方法のうち、メインインジェクションを遅らせる方法では、このメインインジェクションをある一定の限界を越えて遅らせることができないという制限がある。さもないと、ミスファイアの原因となる不安定な燃焼を生じ、その結果、白煙や青煙を生じて自動車の走行に問題が発生し、ときには「故障」状態を招く。これらの理由により、特に低速、軽負荷において微粒子フィルタの入り口において高い温度を得ることができない。

一方、本願出願人によって１９９５年７月２１日に出願番号ＰＣＴ／ＩＴ９５／００１２４で国際出願され、番号ＷＯ−Ａ−９６０３５７１で１９９６年２月８日に公開された特許出願において、メインインジェクションに加えて、膨張行程中でポストインジェクションを行い、微粒子フィルタの入り口における排気ガス温度を上昇させる方法の提案が行われた。

ここでは、メインインジェクションに対するポストインジェクションのタイミングと噴射燃料量を調整して、膨張工程における燃料の燃焼が排気ガスの温度上昇をもたらし、この温度が微粒子フィルタの再生の自己着火を生じさせるのに充分になるようにすることが記載されている。

同じく本願出願人によって１９９５年７月２１日に出願番号ＰＣＴ／ＩＴ９５／００１２３で国際出願され、番号ＷＯ−Ａ−９６０３５７２で１９９６年２月８日に公開された特許出願において、メインインジェクションに加えて、排気行程中にポストインジェクションを行う内容の、微粒子フィルタの入り口における排気ガス温度を上昇させる方法の提案が行われている。

通常、微粒子フィルタはこの微粒子フィルタの上流側にＮＯｘ除去のために取り付けられる触媒とともに単一の容器（キャニスター）に収納されるので、エンジンの排気行程において行われるポストインジェクションでは噴射された燃料は殆ど燃焼されることなく触媒に直接到達することになる。

触媒に到達した未燃焼の炭化水素は酸化発熱反応を生じ、触媒の出口側における排気ガスの温度上昇をもたらし、微粒子フィルタの入り口側の排気ガスの温度上昇をもたらす。

添加物を用いた微粒子の燃焼の自己着火方法でなく、燃料燃焼の制御に基づく微粒子燃焼の自己着火方法を実現するために、
添加物を用いた微粒子燃焼の自己着火方法に比べて半分の体積である、エンジンの排気量に略等しい体積の微粒子フィルタを用いることができ、
排気システムとして、添加物を用いて微粒子燃焼の自己着火方法を実現するのと同様の構成、すなわち単一の容器（キャニスター）に一体に収納された触媒と微粒子フィルタとを有する構成を持ち、あるいは
触媒の酸化素子と自己着火温度を低下させる金属素子（Ｃｅ＋Ｐｔ）とが堆積された単一フィルタ（触媒により生じたすすのフィルタ）を有し、
ディーゼル燃料中に添加物は必要なく、
従って、添加物を添加し、そのための自動計量を行うためのシステムを自動車に塔載する必要はないが、
微粒子フィルタの入り口側における温度上昇のためのエンジン制御が必要である。

単一の容器（キャニスター）中に一体に収納された触媒と微粒子フィルタとを有する排気システムを用いる場合と、触媒の酸化素子と自己着火温度を低下させる金属とが堆積された単一のフィルタを有する排気システムを用いる場合との違いは、第１の排気システムでは再生のための自己着火が約６００℃で起こり、微粒子フィルタは低い反対圧力を生じるのに対し、第２の排気システムでは再生のための自己着火が約４５０℃で起こるが微粒子フィルタは高い反対圧力を生じることであり、セシウムと微粒子との接触による再生効率の低下と、再生効率の変化、即ち再生を開始する温度の増加との二つのリスクがある。

一方、第２世代の共通レールインジェクションシステムの出現は微粒子フィルタの再生の分野における目覚しい進歩をもたらすことができた。

この共通レールインジェクションシステムは、本願出願人により２０００年３月３日にヨーロッパ特許出願Ｎｏ．００１０４６５１．５で出願され、２０００年９月１３日にＮｏ．ＥＰ−Ａ−１０３５３１４で公開された出願に詳細に記載されている。この出願の内容は以下の説明中で参照される。

各エンジンサイクル中及び各エンジンシリンダ中で、共通レール型のインジェクションシステムは図１に示したように以下の１回又はそれ以上のインジェクションを可能とするものである。図１では各インジェクションが行われる詳細なタイミングとエンジン角度とが示されている。

メインインジェクションＭＡＩＮ（ＭＡＩＮ１，ＭＡＩＮ２）は燃焼の上死点の略中央で行われる。

プレインジェクションＰＲＥはメインインジェクションＭＡＩＮに先行し、燃焼がメインインジェクションに引き継がれるようにメインインジェクションに適当に近接して行われる。

ポストインジェクションＡＦＴＥＲはメインインジェクションに引き続いて行われ、メインインジェクションの燃焼が継続するようにメインインジェクションに適当に近接して行われる。

他のプレインジェクションＰＩＬＯＴはプレインジェクションＰＲＥに先行し、圧縮行程中で行われ、燃焼の上死点中央よりずっと早いタイミングであり、その後のプレインジェクションＰＲＥで噴射される燃料の燃焼には関係しない。

他のポストインジェクションＰＯＳＴは前述のポストインジェクションＡＦＴＥＲに続くものであるが、燃焼の上死点中央よりずっと遅れて行われ、ポストインジェクションＡＦＴＥＲで噴射された燃料の燃焼には関係しない。

上記の各インジェクション（燃料噴射）はエンジン動作の特定の効果に対応し、特定の目的を達成することができる。即ち、
プレインジェクションＰＩＬＯＴは圧縮行程の最後におけるシリンダ内の圧力を上昇させ、この圧力の上昇はエンジンの始動時間を短縮させ、エンジンの暖機運転中のノイズ及び排出煙を減少させ、エンジンの低速運転時のトルクを増加させる。

プレインジェクションＰＲＥは点火遅れを減少させる。この点火遅れはメインインジェクションＭＡＩＮにおけるシリンダ内への燃料の噴射時間とシリンダ内における実際の燃焼開始時間との時間遅れであり、この点火遅れを減少させることによりエンジンから発生される燃焼ノイズが減少される。

ポストインジェクションＡＦＴＥＲはシリンダ内の排気ガスの後酸化を促進させる。この後酸化により燃焼行程における微粒子量を減少させることになる。

ポストインジェクションＰＯＳＴは排気行程における燃料の噴射を行うもので、この段階では既に燃焼行程での燃料の燃焼は終わっているので、後から注入された燃料は燃焼せず、そのまま排気される。このため、排気中の炭化水素ＨＣ量が増加し、これにより窒素酸化物の分解のための触媒ＤｅＮＯｘを活性化させ、効率が上昇される。この触媒ＤｅＮＯｘにおける酸化の発熱反応により微粒子フィルタの入り口における排気ガスの温度が上昇する。この微粒子フィルタはこのように触媒ＤｅＮｏｘの下流側に位置し、微粒子フィルタの再生が行われることになる。

前記メインインジェクションＭＡＩＮを２回のメインインジェクションＭＡＩＮ１、ＭＡＩＮ２に分割することができる。これにより燃焼行程におけるピーク温度を低下させ、窒素酸化物ＮＯｘ量を減少させることができる。

この多重インジェクションの詳細な説明が例えば本願出願人による上記の２０００年３月３日にヨーロッパ特許出願Ｎｏ．００１０４６５１．５で出願され２０００年９月１３日に公開されたＮｏ．ＥＰ-Ａ-１０３５３１４の明細書にある。

また、本願出願人により２００２年８月２日にヨーロッパ特許出願Ｎｏ．０２０１７３８７．８で出願され、２００３年２月５日にＮｏ．ＥＰ−Ａ−１２８１８５２で公開された出願に開示された第２世代の共通レールインジェクションシステムの記載を参照して本願発明の説明を行う。この公開された発明では微粒子フィルタの再生に必要な排気ガス温度の上昇は一回または複数回のインジェクションのタイミングを操作するもので、微粒子フィルタの再生が行われないときに仮定されたタイミングに関係して行われる。

エンジンの各動作ポイントについて出願人が深く研究したところ、上記の複数回のインジェクションの組み合わせおよびそれぞれのタイミングの特定の組み合わせを決定することができ、これにより微粒子フィルタの再生時の自己着火が可能となった。

更にこの研究により、微粒子フィルタの再生のための多重インジェクションのタイミングと組み合わせによる効果が検証できた。これにより、エンジンおよび／またはインジェクションシステムの各部の値、たとえば吸入空気流量や噴射圧力およびターボ用排気ガスの再循環量などを操作することにより前記組み合わせの効果を更に高めることができる。

特に、出願人によって決定された微粒子フィルタの再生のために微粒子フィルタの入り口の排気ガスの温度を上昇させる戦略の概要を以下に記す。

プレインジェクションＰＩＬＯＴ，ＰＲＥおよびメインインジェクション、およびポストインジェクションＡＦＴＥＲのうちの３つまたは４つのインジェクションは、微粒子フィルタの非再生状態におけるインジェクションのタイミングに比較して遅れて行われるインジェクションである。これらのインジェクションはエンジンの燃焼行程に関係し、安定した遅延燃焼状態を生成し、排気ガス温度の上昇を招く。

微粒子フィルタの上流側に設置された酸化触媒ＤｅＮＯｘに炭化水素ＨＣを供給するためにポストインジェクションＰＯＳＴが行われる。これにより発熱酸化反応が生じて酸化触媒の出口側の排気ガス温度が上昇され、微粒子フィルタの入り口の温度が上昇する。

実際に必要になったときに上述の微粒子フィルタの再生戦略を実行するためには、微粒子フィルタの内部の時々刻々の微粒子量をできるだけ正確に見積もることが基本的に重要である。

これに関連して、微粒子フィルタに堆積される微粒子量は自動車の総走行距離のみによることはなく、走行ルートの状態、自動車自体の状態等の他の要素が堆積微粒子量に明らかに影響を与えることが経験的に確認されている。更に、エンジンの動作異常、例えば微粒子排出量の異常な増加や微粒子フィルタの信頼性を大きく損なうような大量の微粒子の堆積などについても注意を払う必要がある。

微粒子の堆積量を正確に見積もって、この量が所定の限界値を越えたときにのみ微粒子フィルタの再生を行うようにするために、本願発明者は「統計」モデルと「物理」モデルとの２つの見積もりモデルを開発した。

この「統計」モデルは、自動車の分野で得られた多くのデータの集積と、エンジンの動作状態の広い範囲での複数の微粒子フィルタの動作に関する実験データとに基づいている。たとえばアイドリングや、都市およびその近郊および高速道路の運転状態、あるいは高トルク、高馬力の自動車の運転状態における実験データに基づいている。このようにして集められたデータは、エンジンの動作タイミングが変化したときの微粒子フィルタの内部の微粒子堆積に関する統計データの生成に利用される。

実際に、微粒子フィルタ中の微粒子の堆積は時間に関して強い非線型プロセスであり、かつエンジンの動作点によって強く影響を受ける。

自動車の分野におけるこのようなデータの収集により、個々のエンジンの各動作点と単位時間（ＰＭ：g/hに記されたParticulate Matter）毎の微粒子フィルタの堆積微粒子量に対応する値とを相関させることができる。

再生プロセスが開始されるべき最適微粒子量の百分率として表された最終的な見積もりとして微粒子堆積量を得るために、一定時間内に微粒子フィルタ中に堆積された微粒子量の総計として、ある時点において微粒子フィルタ中に存在する微粒子量が得られる。

「物理」モデルに関しては本願出願人により２００３年１月２３日にヨーロッパ特許出願Ｎｏ．０３００１５６２．２として出願され、２００３年８月６日にＥＰ−Ａ−１３３３１６５で公開された出願明細書に詳細な説明がある。この明細書の記載内容はこの出願の明細書でも参照される。

このモデルは、エンジンユニット内のセンサから得られた一連の入力パラメータ例えば排気ガス温度や微粒子フィルタの入り口、出口間の圧力差等のパラメータにより、与えられた所望の時点における堆積微粒子量の正確な値が得られる。

物理モデルは以下のような等式で表される。この等式は微粒子フィルタ中に堆積された微粒子質量と上述の入力パラメータとの関係を示す。

ここで、
ΔＰ_ＤＰＦ［ｍｂａｒ］は微粒子フィルタの上流側と下流側に設置された圧力センサにより測定された圧力差に対応する圧力降下であり、
Ｐ_ａｔｍ［ｍｂａｒ］は微粒子フィルタの下流側の絶対圧力であり、これは必要に応じて室内圧力により近似されるものであり、
Ｔは排気ガスの温度であり、
Ｑ_ｍ［ｍ^３／ｈ]は排気ガスの容積流量であり、エンジンに吸入される空気の流量と噴射された燃料の総量との合計値として計算されるものであり、
ｍ_ｓ［ｇ］は微粒子フィルタに堆積された微粒子量を示し、これが決定されるべき値であり、
α、β、γ、δは微粒子フィルタの幾何学的な寸法や用いられる材料の物理−化学的性質などの特性に応じた実験較正係数であり、エンジンを一定速度で回転させて行う一連のベンチテストにより実験的に決定される値である。

微粒子フィルタ中に存在する微粒子量はこのようにして上述の等式により決定できるもので、この微粒子量ｍ_ｓは次の式で表される。

本願発明の発明者による研究によれば、統計モデルと物理モデルとのいずれのモデルも微粒子フィルタ中に堆積された微粒子量を正確に見積もるためには必要であることが分かった。

実際には、統計モデルはエンジンの各部が理想的に構成され、製造上の誤差がなく、そのライフサイクルの間に何らの故障もない、という仮定に基づいている。一方、物理モデルの目的は、統計モデルで仮定された理想エンジンと実際のエンジンとの間に存在すると思われるすべての相違点を考慮に入れるためである。この相違点は微粒子が過剰に生成されるような故障（例えば排気ガス再循環バルブが開いた状態で固着するような）、あるいは微粒子の堆積が少なくなる故障（例えば排気ガスの再循環バルブが閉じた状態で固着するような）に起因する。

現在、微粒子フィルタの再生活性化方法は微粒子フィルタ内にある微粒子量の見積もりステップと、故障が生じる以前にフィルタ中に堆積されていた微粒子の最大量に等しい再生のためのある境界値を見積もり量が越えたときに直ちに再生の活性化を行うステップとを含む。

堆積された微粒子量を見積もるために、前記二つのモデルから得られた情報を用いることが考えられた。そのうち、図２に示すように、物理モデルから見積もられた微粒子量と統計モデルにより見積もられた微粒子量との中での最大レベルを信頼できる見積もりとして考えることにする。

二つのモデルによって与えられた見積もり値に対するこの種の対比は、堆積された微粒子量の保存できる見積もりを得ることを可能とし、二つのモデルに対して微粒子フィルタの再生段階の活性化に関して関与する際に同じ優先度を割り当てる。実際に、微粒子フィルタの再生活性化に充分な微粒子量が堆積されている場合に、このレベルを最初に見積もったモデルによりフィルタの再生の活性化が行われる。

しかしながらこの方法は充分ではない。実際に、物理モデルによって作られた見積もりは外部センサ、特に空気流量、排気ガス温度、微粒子フィルタの圧力低下の各センサから供給された情報に基づいている。更に、ある特定の条件下ではセンサは適当な制御システムでは検知し得ないようなエラーによって影響を受け、電気的な不調（ゆっくりした変化やオフセットや利得の変化など）によっても影響を受ける。この場合、堆積した微粒子量の見積もりは正確でなく、見積もり量が大きすぎる場合には実際に必要になる以前に再生段階の活性化が行われてしまうことになる。事実、見積もり量が大きすぎると、物理モデルは二つのモデルに与えられた通常の比に基づいて明らかに統計モデルよりも先に出力を発生し、余分に見積もられた微粒子量は再生のための臨界閾値を越えることになる。

更に、上記したように、再生の方法はポストインジェクションＰＯＳＴを含むが、これは潤滑油が薄められてしまうという問題を含んでいる。実際、このインジェクションが行われるエンジン角度においては、シリンダ内で噴射された燃料がシリンダ壁にある油膜に掛かって、この油膜が薄められることになる。

従って、物理モデルによる上記の過剰見積もりにより再生回数が増加すると、エンジンオイルが過剰に薄められ、潤滑不良を招来する。

これにより潤滑油はその主要な作用（摩擦の減少、機械部品の摩耗に対する保護、放熱など）を行うことができなくなり、エンジンがダメージを受けることになる。

従って、この発明の目的は、上述の種々の問題を解決し、微粒子フィルタに堆積された微粒子量の見積もりに基づいて微粒子フィルタの再生活性化の方法を提供することである。

この目的を達成するために、この発明の一実施形態によれば、微粒子フィルタに蓄積された微粒子量の見積もり値を計算し、前記見積もり値を微粒子の所定の最大量に対応する閾値と比較し、前記見積もり値が前記閾値を越えたときに微粒子フィルタの再生活性化を行うステップとを有する自動車エンジンのための微粒子フィルタの再生活性化方法であって、前記見積もり値を計算するステップは、実験データに基づく統計モデルによって前記微粒子フィルタ中に堆積された第１の微粒子量を見積もり、この統計モデルは前記自動車エンジンの動作状態と微粒子フィルタ中に堆積される微粒子量の対応する統計値との間の関係を示し、第１の微粒子量（Ｘ_ＭＳ）は自動車の走行距離に応じて増加する値を持ち、測定された物理量を用いた物理モデルによって前記微粒子フィルタ中に堆積された第２の微粒子量を見積もり、前記第１の微粒子量に基づき許容範囲を決定し、前記第２の微粒子量が前記許容範囲にある時に前記見積もり値を前記第２の微粒子量に設定し、前記第２の微粒子量が前記許容範囲の外にあるときに前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を前記許容範囲を示す最小制限値、最大制限値（Ｘ_{ＭＳｍａｘ}、Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}）、この最小制限値、最大制限値は前記見積もられた第1の微粒子量（Ｘ_ＭＳ）と前記最小制限値、最大制限値に対応する最小係数、最大係数と掛け算されて夫々決定される、に設定するステップを有することを特徴とする微粒子フィルタの再生活性化方法が提供される。

この発明により、エンジンにダメージを与えることなく、微粒子フィルタに堆積された微粒子量の見積もりに基づいて微粒子フィルタの再生活性化の方法を提供することができる。

この発明の概念は、堆積された微粒子量の見積もりに基づいて微粒子フィルタの再生活性化を行うことであり、物理モデルの使用はこのモデルの出力が見せかけ値であるかをチェックすることにより制限され、これによりこのモデルへの入力パラメータを供給しているセンサの不調に起因する物理モデルの不適切な使用が防止される。

統計モデルの出力に基づいて、物理モデルの使用が許可される幅が設けられる。換言すれば、入力センサの測定値に基づく物理モデルによる見積もりは統計モデルによる出力値に対応して形成された前記幅に対応する見せかけ値の最小値及び最大値と常時比較され、もしこれらの値より前記見積もりの方が大きい場合にはこの最小値又は最大値が出力される。

図３はこの発明の一実施形態による、微粒子フィルタ内に堆積された微粒子量に基づいて得られた見積もりによって微粒子フィルタの再生活性化を行うための活性化システムの構成を示すブロック図である。

図３において、再生システム１は物理モデルで用いられる第１の計算ブロック２を有する。この計算ブロック２は例えば従来用いられているものと同じものでよく、エンジンユニットで測定された値を持つ入力パラメータに基づいて堆積された微粒子量の見積もられた物理量Ｘ_ＭＦを得るために用いられる。この測定された値としては、例えばエンジンの動作点、排気ガス温度Ｔ、微粒子フィルタにおける圧力低下分ΔＰ_ＤＰＦ、排気ガスの容積流量Ｑ_ｍなどを含む。特に、見積もられた物理量Ｘ_ＭＦはある時点における微粒子フィルタ内に存在する微粒子量の正確な値を示すものである。

また、第２の計算ブロック３は統計モデルで用いられるもので、堆積された微粒子量の統計値Ｘ_ＭＳを得るためのものである。この統計値は各エンジンの動作点に対してエンジンの種々の使用条件において集積されたデータに関して統計的に処理された測定値に基づいて計算される。特に、ある時点における微粒子フィルタ内に存在する微粒子量の見積もられた統計値Ｘ_ＭＳは、ある期間にわたって堆積された微粒子量の総計として得られる。

この見積もられた統計値Ｘ_ＭＳは第１、第２の掛け算ブロック４、６で夫々最小係数α_ｍｉｎ、最大係数α_ｍａｘ（α_ｍａｘ＞α_ｍｉｎ）と掛け算される。従って、第１、第２の掛け算ブロック４、６の出力端には、夫々統計モデル用の最小制限値Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}，および最大制限値Ｘ_{ＭＳｍａｘ}が現れる。

特に、最小係数α_ｍｉｎ、最大係数α_ｍａｘは物理モデルと統計モデルとに夫々割当てられた重みに基づいて適当に較正される。特に、見積もられた物理値Ｘ_ＭＦは、それに許可された変化の範囲に基づいて重み付けされる。典型的には、最小係数α_ｍｉｎ、最大係数α_ｍａｘの値は、下限値Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}、上限値Ｘ_{ＭＳｍａｘ}が見積もられた統計値Ｘ_ＭＳと比較して百分率で例えば１０％となるように選択される。実際には、下限値Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}および上限値Ｘ_{ＭＳｍａｘ}は夫々最も良い場合即ち堆積微粒子量が最小の場合、および最も悪い場合即ち堆積微粒子量が最大の場合に対応する。これらの各場合は、統計値を形成するときの種々の条件における微粒子フィルタの最良、最悪の動作レベルに夫々対応する。

見積もられた物理値Ｘ_ＭＦはまず最大値ブロック５において統計モデルの下限値Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}と比較され、最大値ブロック５からは、下限値Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}と物理値Ｘ_ＭＦとの間の最大値に対応する制限値Ｘ_１が出力される。この制限値Ｘ_１は最小値ブロック７において上限値Ｘ_{ＭＳｍａｘ}と比較され、見積もられた操作信号Ｘ_Ｍが出力される。この見積もられた操作信号Ｘ_Ｍは微粒子フィルタに堆積された微粒子量の信頼できる見積もり値を表している。

特に、物理モデルの使用は制限され、統計モデルと関連づけて使用される。実際には調整可能な使用範囲が設定され、この範囲で見積もられた物理値Ｘ_ＭＦが信頼できるものと考えられる。

微粒子量の見積もられた操作値Ｘ_Ｍは比較ブロック８内で微粒子フィルタの再生閾値ｍ_ＴＨと比較される。この再生閾値ｍ_ＴＨは微粒子フィルタの再生プロセスが開始されるべき最適微粒子量に対応する。見積もられた操作値Ｘ_Ｍが再生閾値ｍ_ＴＨより大きい場合は活性化ブロック９により再生の活性化、即ち再生プロセスが開始される。

図４は上記の活性化システム１の動作に関するグラフを示し、縦軸即ちｙ軸は微粒子フィルタに堆積された微粒子量の見積もられた操作値Ｘ_Ｍとフィルタの再生閾値ｍ_ＴＨに対応するフィルタの再生プロセスが開始されるべき最適微粒子量との間の百分比を表す。この再生閾値は使用される微粒子フィルタの型式と容積とから決定される値であり、式、
ｍ_ＴＨ＝Ｐ_ＴＨ・Ｖ
から求められる。

ここで、Ｐ_ＴＨは質量と堆積の比、即ちグラム／リッターで表され、使用される微粒子フィルタの再生が開始されるべき最適微粒子量であり、Ｖはリッターで表される微粒子フィルタの容積である。一方、横軸即ちｘ軸は自動車の走行距離Ｓ［ｋｍ］を示す。この図４の各曲線は自動車の走行距離が変わるにつれて微粒子フィルタに堆積される微粒子量の各値の変化を示す。

図４において、点線は見積もられた統計値Ｘ_ＭＳと下限値Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}と上限値Ｘ_{ＭＳｍａｘ}とを示し、これらにより見積もられた物理値Ｘ_ＭＦが信頼できる値の範囲を決定している。見積もられた統計値Ｘ_ＭＳは微粒子フィルタが再生される以前の走行距離Ｓ_ｎｏｍを示し、下限値Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}と上限値Ｘ_{ＭＳｍａｘ}とは夫々、微粒子フィルタが再生される以前の最良の場合における最大の走行距離Ｓ_ｍａｘと、最悪の場合における最小の走行距離Ｓ_ｍｉｎとに対応している。

図４は更に、２つの異なる状況下における２つの見積もられた物理値Ｘ_ＭＦ１、Ｘ_ＭＦ２の変化を示す。見積もられた物理値Ｘ_ＭＦ１は、物理モデルの少なくとも一部が下限値Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}の下の低い見積もりを出力した場合に関する変化する値であり、見積もられた物理値Ｘ_ＭＦ２は物理モデルの少なくとも一部が上限値Ｘ_{ＭＳｍａｘ}の上の高い見積もりを出力した場合に関する変化する値である。

従って、この発明によれば、これらの見積もられた物理値Ｘ_ＭＦ１、Ｘ_ＭＦ２は下限値Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}と上限値Ｘ_{ＭＳｍａｘ}との間の範囲にあるときのみ信頼できるものと考えられる。この範囲の外側の破線で示す部分は制限を受けて、それぞれ実線で示す見積もられた操作値Ｘ_Ｍ１、Ｘ_Ｍ２として与えられる。

この発明による微粒子フィルタの再生活性化方法による利点はこの特性を調べることにより明らかとなる。

この発明の方法は実際に必要な場合にのみ再生活性化が行われる方法であることは明らかである。このため、微粒子量の過剰見積もりによる微粒子フィルタの過度の再生プロセスが行われるのを防止でき、潤滑油が薄まる不都合も回避できるとともに、微粒子の仮称見積もりによる微粒子フィルタが再生されるまでに多大の距離を走行してエンジンが故障してしまうような不都合も回避できる。

更に、見積もられた統計値に対して与えられる最小、最大係数に適当な較正が行われることにより、この発明による再生活性化システムを必要とする状態に設定でき、その見積もりの信頼性と精度とを改善することができる。

更に、物理モデルを制限することにより得られた見積もり操作値に付随する情報を適切に処理することにより、エンジンユニットの状態と使用されているセンサの状態に関して有効な診断情報を得ることができる。

この情報を用いることにより、例えば２つの最小、最大係数の値をそれぞれ１に設定し、物理モデルが使用不可になり、かつ統計モデルのみを用いるように設定することができる。これは例えば物理モデルの入力パラメータを得るために用いられるセンサの故障が検出された場合などに相当する。

最後に、前記の実施形態の再生活性化システムをより構成が簡単なもの、例えばプログラム化することができる。

この明細書に記載し、図面に示した内容の微粒子フィルタの再生方法を、添付された請求の範囲に記載したこの発明の保護範囲から逸脱しない範囲で変形し或いは変換することができることは勿論である。

共通レールインジェクションシステムにより駆動される多重インジェクションに関する作動曲線図。 物理モデル及び統計モデルにより得られた見積もりの最大値に基づく見積もり方法に関するブロック図。 この発明による再生活性化方法を実現する望ましい実施形態の構成を示すブロック図。 図３に示された各部の値の変化を示す図。

符号の説明

１…再生活性化システム、２〜７…計算手段、８…比較手段、９…再生活性化手段、３…第１見積もり手段、２…第２見積もり手段、４、６…決定手段、５、７…制限手段、４…第１掛け算器、５…最大計算ユニット、６…第２掛け算器、７…最小計算ユニット。

Claims (12)

1. 微粒子フィルタに蓄積された微粒子量の見積もり値（Ｘ_Ｍ）を計算し、
   前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を微粒子の所定の最大量に対応する閾値（ｍ_ＴＨ）と比較し、
   前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）が前記閾値（ｍ_ＴＨ）を越えたときに微粒子フィルタの再生活性化を行うステップとを有する自動車エンジンのための微粒子フィルタの再生活性化方法であって、
   前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を計算するステップは、
   実験データに基づく統計モデルによって前記微粒子フィルタ中に堆積された第１の微粒子量（Ｘ_ＭＳ）を見積もり、この統計モデルは前記自動車エンジンの動作状態と微粒子フィルタ中に堆積される微粒子量の対応する統計値との間の関係を示し、第１の微粒子量（Ｘ_ＭＳ）は自動車の走行距離に応じて増加する値を持ち、
   測定された物理量を用いた物理モデルによって前記微粒子フィルタ中に堆積された第２の微粒子量（Ｘ_ＭＦ）を見積もり、
   前記第１の微粒子量（Ｘ_ＭＳ）に基づき許容範囲を決定し、
   前記第２の微粒子量（Ｘ_ＭＦ）が前記許容範囲にある時に前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を前記第２の微粒子量（Ｘ_ＭＦ）に設定し、
   前記第２の微粒子量（Ｘ_ＭＦ）が前記許容範囲の外にあるときに前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を前記許容範囲を示す最小制限値、最大制限値（Ｘ_{ＭＳｍａｘ}、Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}）、この最小制限値、最大制限値は前記見積もられた第１の微粒子量（Ｘ_ＭＳ）と前記最小制限値、最大制限値に対応する最小係数、最大係数と掛け算されて夫々決定される、に設定するステップを有することを特徴とする微粒子フィルタの再生活性化方法。
2. 前記許容範囲の決定ステップは、前記第１微粒子量（Ｘ_ＭＳ）に基づいて上限値（Ｘ_{ＭＳｍａｘ}）を決定するステップを有し、前記設定ステップは前記第２微粒子量（Ｘ_ＭＦ）が前記上限値（Ｘ_{ＭＳｍａｘ}）より大きいときに前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を前記上限値（Ｘ_{ＭＳｍａｘ}）に設定するステップを有する請求項１による微粒子フィルタの再生活性化方法。
3. 前記許容範囲の決定ステップは、前記第１微粒子量（Ｘ_ＭＳ）に基づいて下限値（Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}）を決定するステップを更に有し、前記設定ステップは前記第２微粒子量（Ｘ_ＭＦ）が前記下限値（Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}）より小さいときに前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を前記下限値（Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}）に設定するステップを有する請求項２による微粒子フィルタの再生活性化方法。
4. 前記許容範囲の決定ステップは、
   前記下限値（Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}）を得るために前記第１微粒子量（Ｘ_ＭＳ）に第１の係数（α_ｍｉｎ）を掛け、
   前記上限値（Ｘ_{ＭＳｍａｘ}）を得るために前記第１微粒子量（Ｘ_ＭＳ）に第１の係数（α_ｍｉｎ）より大きい第２の係数（α_ｍａｘ）を掛けるステップを有する請求項３による微粒子フィルタの再生活性化方法。
5. 前記第１、第２の係数（α_ｍｉｎ、α_ｍａｘ）は較正できる値である請求項４による微粒子フィルタの再生活性化方法。
6. 前記第１、第２の係数（α_ｍｉｎ、α_ｍａｘ）は１に等しい値である請求項４による微粒子フィルタの再生活性化方法。
7. 前記測定された物理量は前記エンジンから検出される請求項１乃至６のいずれか１項による微粒子フィルタの再生活性化方法。
8. 前記第２微粒子量（Ｘ_ＭＦ）は以下の数式により見積もられる。
   

   

   ここで、
   ΔP_DPF は前記微粒子フィルタにおける圧力低下分、
   P_atm は前記微粒子フィルタの下流の絶対圧力、
   T は前記エンジンの排気ガス温度、
   Q_m は排気ガスの容積流量、
   α,β,γ,δは所定のパラメータである、請求項１乃至７のいずれか１項による微粒子フィルタの再生活性化方法。
9. 前記α,β,γ,δは実験的な較正係数であって、前記微粒子フィルタの物理的および／または物理−化学的特性に依存している請求項８による微粒子フィルタの再生活性化方法。
10. 微粒子フィルタに堆積された微粒子の量の見積もり値（Ｘ_Ｍ）を計算できる計算手段（２−７）と、
    前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を微粒子の所定の最大量に対応する閾値（ｍ_ＴＨ）と比較する手段（８）と、
    前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）が前記閾値（ｍ_ＴＨ）を越えたときに前記比較手段（８）によって活性化される再生活性化手段（９）とを有する自動車エンジンのための微粒子フィルタの再生活性化システム（１）であって、
    前記計算手段（２−７）は、
    実験データに基づく統計モデルによって前記微粒子フィルタ中に堆積された第１の微粒子量（Ｘ_ＭＳ）を見積もることができる第１見積もり手段（３）であって、この統計モデルは前記自動車エンジンの動作状態と微粒子フィルタ中に堆積される微粒子量の対応する統計値との間の関係を示し、第１の微粒子量（Ｘ_ＭＳ）は自動車の走行距離に応じて増加する値を持つ、と、
    測定された物理量を用いた物理モデルによって前記微粒子フィルタ中に堆積された第２の微粒子量（Ｘ_ＭＦ）を見積もることができる第２見積もり手段（２）と、
    前記第１の微粒子量（Ｘ_ＭＳ）に基づき許容範囲を決定できる決定手段（４，６）と、
    前記第２の微粒子量（Ｘ_ＭＦ）が前記許容範囲にある時に前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を前記第２の微粒子量（Ｘ_ＭＦ）に設定でき、前記第２の微粒子量（Ｘ_ＭＦ）が前記許容範囲の外にあるときに前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を前記許容範囲を示す最小制限値、最大制限値（Ｘ_{ＭＳｍａｘ}、Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}）に設定できる設定手段（５，７）、この最小制限値、最大制限値は前記見積もられた第１の微粒子量（Ｘ_ＭＳ）と前記最小制限値、最大制限値に対応する最小係数、最大係数と掛け算されて夫々決定される、と
    を具備することを特徴とする微粒子フィルタの再生活性化システム。
11. 前記決定手段（４、６）は、前記第１微粒子量（Ｘ_ＭＳ）に第１の係数（α_ｍｉｎ）を掛け算して前記下限値（Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}）を得ることができる第１の掛け算器と、前記第１微粒子量（Ｘ_ＭＳ）に前記第１の係数（α_ｍｉｎ）より大きい第２の係数（α_ｍａｘ）を掛け算して上限値（Ｘ_{ＭＳｍａｘ}）を得ることができる第２の掛け算器とを有する請求項１０による微粒子フィルタの再生活性化システム。
12. 前記制限手段（５，７）は、前記第２微粒子量（Ｘ_ＭＦ）と前記下限値（Ｘ_{ＭＳｍｉｎ}）とを受けて制限値（Ｘ_１）を出力する最大値計算ユニット（５）と、前記制限値（Ｘ_１）と前記上限値（Ｘ_{ＭＳｍａｘ}）とを受けて前記見積もり値（Ｘ_Ｍ）を出力する最小値計算ユニット（７）とを有する請求項１１による微粒子フィルタの再生活性化システム。

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