JP2005226547A - Exhaust emission control device of internal combustion engine - Google Patents

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Katsuji Wada
勝治 和田
Mamoru Hasegawa
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust emission control device of an internal combustion engine capable of accurately estimating a quantity of particulate matter deposited in a particulate matter collecting device. <P>SOLUTION: By reducing valve opening of a throttle valve 13 or performing post-injection, when the temperature of a DPF 15 rises, the exhaust gas temperature TAFT on the downstream side of the DPF 15 is detected, to estimate a deposit quantity QPM of soot by a difference between a maximum value α'max of a rising speed of the detected exhaust gas temperature TAFT and a rising speed α when the deposit quantity of the soot is 0, and a conversion factor K. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気系に粒子状物質捕集装置を備えるディーゼル機関の排気浄化装置に関する。   The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification device for a diesel engine having a particulate matter collecting device in an exhaust system.

ディーゼル機関の排気系に、粒子状物質の排出量を低減するために粒子状物質捕集装置を設けることは、従来より知られている。
粒子状物質捕集装置では、捕集された粒子状物質の量が限界に達すると、排気の圧力が上昇し、ディーゼル機関の出力低下、燃費の悪化及び排気特性の悪化を引き起こす。したがって、堆積した粒子状物質は、その堆積量が堆積限界に達したときには、燃焼させて除去する必要がある。 It has been conventionally known that a particulate matter collecting device is provided in an exhaust system of a diesel engine in order to reduce the discharge amount of particulate matter.
In the particulate matter collecting device, when the amount of the collected particulate matter reaches the limit, the pressure of the exhaust gas increases, causing a decrease in output of the diesel engine, deterioration of fuel consumption, and deterioration of exhaust characteristics. Therefore, the deposited particulate matter needs to be removed by burning when the amount of deposition reaches the deposition limit.

堆積した粒子状物質の除去処理（再生処理）を適切なタイミングで実行するには、粒子状物質の堆積量を正確に推定する必要がある。特許文献１には、粒子状物質捕集装置の下流側圧力と上流側圧力との差圧に基づいて粒子状物質の堆積量を推定する方法が示されている。具体的には、下流側圧力Ｐ２と上流側圧力Ｐ１との差圧ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）が所定圧力判定値を越えたとき、または圧力比（Ｐ１／Ｐ２）が、所定圧力比判定値を越えたときに、粒子状物質の堆積量が堆積限界に達したと判断される。   In order to execute the removal process (regeneration process) of the deposited particulate matter at an appropriate timing, it is necessary to accurately estimate the amount of particulate matter deposited. Patent Document 1 discloses a method for estimating the amount of particulate matter deposited based on the differential pressure between the downstream pressure and the upstream pressure of the particulate matter collection device. Specifically, when the differential pressure ΔP (= P1−P2) between the downstream pressure P2 and the upstream pressure P1 exceeds a predetermined pressure determination value, or the pressure ratio (P1 / P2) is a predetermined pressure ratio determination value. When the value exceeds, it is determined that the amount of particulate matter deposited has reached the deposition limit.

特開２００２−１８０８２０号公報JP 2002-180820 A

粒子状物質捕集装置においては、図６（ａ）に示すように、粒子状物質がフィルタ壁１００の壁面及びフィルタ壁１００の内部に堆積していく。このとき、堆積量ＱＰＭと差圧ΔＰとの関係は、図７のラインＬ１１で示すようになり、堆積量ＱＰＭにほぼ比例して差圧ΔＰが増加する。そして、排気温度が高くなり、粒子状物質が燃焼する連続再生温度に達すると（図７の点ＰＴ１）、フィルタ壁１００の内部に堆積した粒子状物質が最初に燃焼する。その結果、粒子状物質捕集装置内の粒子状物質の堆積状態は、図６（ｂ）に示すようになる。この燃焼により、堆積量ＱＰＭと差圧ΔＰは、図７のラインＬ１２で示すように変化する。すなわち、差圧ΔＰは大きく減少するが、堆積量ＱＰＭは僅かしか減少しない。そして、点ＰＴ２において排気温度が低くなり、粒子状物質が燃焼しなくなると、また粒子状物質の堆積が始まり、図６（ｃ）に示すように、フィルタ壁１００の壁面及び内部に粒子状物質が堆積していく。このとき、堆積量ＱＰＭと差圧ΔＰは、図７のラインＬ１３で示すように変化する。したがって、堆積量ＱＰＭが堆積限界ＱＭＡＸに達したときの差圧はΔＰＸ２となる。   In the particulate matter collecting apparatus, particulate matter is deposited on the wall surface of the filter wall 100 and the inside of the filter wall 100 as shown in FIG. At this time, the relationship between the deposition amount QPM and the differential pressure ΔP is as shown by a line L11 in FIG. 7, and the differential pressure ΔP increases in proportion to the deposition amount QPM. When the exhaust temperature rises and reaches the continuous regeneration temperature at which the particulate matter burns (point PT1 in FIG. 7), the particulate matter deposited inside the filter wall 100 is burned first. As a result, the accumulation state of the particulate matter in the particulate matter collecting apparatus is as shown in FIG. By this combustion, the accumulation amount QPM and the differential pressure ΔP change as indicated by a line L12 in FIG. That is, the differential pressure ΔP is greatly reduced, but the deposition amount QPM is only slightly reduced. Then, when the exhaust gas temperature becomes low at the point PT2 and the particulate matter does not burn, the particulate matter starts to accumulate, and as shown in FIG. 6C, the particulate matter is formed on the wall surface and inside of the filter wall 100. Accumulates. At this time, the deposition amount QPM and the differential pressure ΔP change as indicated by a line L13 in FIG. Therefore, the differential pressure when the deposition amount QPM reaches the deposition limit QMAX is ΔPX2.

これに対し、排気温度が上昇せず、フィルタ壁内部の粒子状物質が燃焼しなかった場合には、ラインＬ１１を延長する破線に沿って、差圧ΔＰが上昇するので、堆積量ＱＰＭが堆積限界ＱＭＡＸに達したときの差圧は、ΔＰＸ１となる。このように、堆積量ＱＰＭが同一であっても、差圧ΔＰが大きく異なることがあるため、差圧ΔＰに基づいて堆積量ＱＰＭが堆積限界ＱＭＡＸに達したか否かの判定を行うと、誤判定となる場合がある。   On the other hand, when the exhaust temperature does not rise and the particulate matter inside the filter wall does not burn, the differential pressure ΔP rises along the broken line extending the line L11, so that the accumulation amount QPM is accumulated. The differential pressure when the limit QMAX is reached is ΔPX1. As described above, even if the deposition amount QPM is the same, the differential pressure ΔP may be greatly different. Therefore, when it is determined whether the deposition amount QPM has reached the deposition limit QMAX based on the differential pressure ΔP, It may be a false determination.

また、排気ガスの温度や流量が異なれば、例え堆積量ＱＰＭが同一であっても、差圧ΔＰは異なる値を示す。
したがって、差圧ΔＰに基づく堆積量ＱＰＭの推定手法では、堆積量を正確に推定することが困難である。 Further, if the temperature and flow rate of the exhaust gas are different, even if the accumulation amount QPM is the same, the differential pressure ΔP shows a different value.
Therefore, it is difficult to accurately estimate the deposition amount with the estimation method of the deposition amount QPM based on the differential pressure ΔP.

本発明はこの点に着目してなされたものであり、粒子状物質捕集装置に堆積した粒子状物質の量を正確に推定することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to this point, and an object thereof is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that can accurately estimate the amount of particulate matter deposited on the particulate matter collection device. To do.

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（１）の排気系（４）に設けられ、前記機関（１）からの排気に含まれる粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集手段（１５）を備える内燃機関（１）の排気浄化装置において、前記粒子状物質捕集手段（１５）の下流側に設けられ、前記排気の温度を検出する排気温度センサ（２４）と、前記粒子状物質捕集手段（１５）を加熱する加熱手段（１２、１３、２０）と、該加熱手段（１２、１３、２０）により前記粒子状物質捕集手段（１５）を加熱したときに、前記排気温度センサ（２４）により検出される温度の上昇度合に基づいて、前記粒子状物質捕集手段（１５）に捕集された前記粒子状物質の量を推定する粒子状物質捕集量推定手段（２０、Ｓ４２〜Ｓ４５）とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is provided in an exhaust system (4) of an internal combustion engine (1) and collects particulate matter contained in exhaust from the engine (1). In the exhaust emission control device of the internal combustion engine (1) provided with the substance collection means (15), an exhaust temperature sensor (24) provided on the downstream side of the particulate matter collection means (15) and detects the temperature of the exhaust gas. And heating means (12, 13, 20) for heating the particulate matter collection means (15), and the particulate matter collection means (15) was heated by the heating means (12, 13, 20). Sometimes, the particulate matter trapping unit estimates the amount of the particulate matter trapped in the particulate matter trapping means (15) based on the temperature rise detected by the exhaust temperature sensor (24). A collection amount estimation means (20, S42 to S45). The features.

請求項１に記載の発明によれば、粒子状物質捕集手段が加熱されたときにおける検出排気温度の上昇度合に基づいて、粒子状物質捕集手段に捕集された粒子状物質の量が推定される。粒子状物質捕集手段に粒子状物質が捕集されると、粒子状物質捕集手段の熱容量が増加し、粒子状物質捕集手段の温度上昇速度が低下し、下流側の排気温度の上昇速度も低下する。したがって、排気温度の上昇度合に基づいて粒子状物質捕集手段が捕集した粒子状物質の量を正確に推定することができる。   According to the first aspect of the present invention, the amount of the particulate matter collected by the particulate matter collecting means is based on the degree of increase in the detected exhaust gas temperature when the particulate matter collecting means is heated. Presumed. When particulate matter is collected by the particulate matter collecting means, the heat capacity of the particulate matter collecting means increases, the temperature rise rate of the particulate matter collecting means decreases, and the downstream exhaust temperature rises. The speed is also reduced. Therefore, the amount of the particulate matter collected by the particulate matter collecting means can be accurately estimated based on the degree of increase in the exhaust temperature.

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内燃機関（以下「エンジン」という）及びその排気浄化装置の全体構成を示す図である。エンジン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１２が設けられている。燃料噴射弁１２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１２の開弁時期及び開弁時間は、ＥＣＵ２０により制御される。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) and an exhaust purification device thereof according to an embodiment of the present invention. The engine 1 is a diesel engine that directly injects fuel into a cylinder, and a fuel injection valve 12 is provided in each cylinder. The fuel injection valve 12 is electrically connected to an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 20, and the valve opening timing and valve opening time of the fuel injection valve 12 are controlled by the ECU 20.

エンジン１は、吸気管２、排気管４、及びターボチャージャ８を備えている。ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン１０と、タービン１０により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ９とを備えている。   The engine 1 includes an intake pipe 2, an exhaust pipe 4, and a turbocharger 8. The turbocharger 8 includes a turbine 10 driven by exhaust kinetic energy, and a compressor 9 that is rotationally driven by the turbine 10 and compresses intake air.

タービン１０は、ノズル開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン１０のノズル開度は、ＥＣＵ２０により電磁的に制御される。より具体的には、ＥＣＵ２０は、デューティ比可変の制御信号をタービン１０に供給し、これによってノズル開度を制御する。ノズル開度を増加させると、タービン１０の効率が向上し、タービン回転数は増加する。その結果、過給圧が増加する。   The turbine 10 is configured to change the turbine rotational speed (rotational speed) by changing the nozzle opening. The nozzle opening degree of the turbine 10 is electromagnetically controlled by the ECU 20. More specifically, the ECU 20 supplies a control signal having a variable duty ratio to the turbine 10 to thereby control the nozzle opening. Increasing the nozzle opening improves the efficiency of the turbine 10 and increases the turbine speed. As a result, the supercharging pressure increases.

吸気管２内の、コンプレッサ９の下流には吸入空気量を制御するスロットル弁１３が設けられている。吸気管２は、スロットル弁１３の下流側において各気筒に対応して分岐し、分岐した吸気管２のそれぞれは、２つの吸気ポート２Ａ，２Ｂに分岐する。なお、図１には１つの気筒に対応する構成のみが示される。
エンジン１の各気筒には、２つの吸気弁（図示せず）及び２つの排気弁（図示せず）が設けられている。２つの吸気弁により開閉される吸気口（図示せず）は吸気ポート２Ａ，２Ｂのそれぞれに接続されている。 A throttle valve 13 for controlling the amount of intake air is provided in the intake pipe 2 downstream of the compressor 9. The intake pipe 2 is branched corresponding to each cylinder on the downstream side of the throttle valve 13, and each of the branched intake pipes 2 is branched into two intake ports 2A and 2B. FIG. 1 shows only the configuration corresponding to one cylinder.
Each cylinder of the engine 1 is provided with two intake valves (not shown) and two exhaust valves (not shown). An intake port (not shown) that is opened and closed by two intake valves is connected to each of the intake ports 2A and 2B.

また、吸気ポート２Ｂ内には、当該吸気ポート２Ｂの吸入空気量を制限してエンジン１の燃焼室にスワールを発生させるスワール制御弁（以下「ＳＣＶ」という）１４が設けられている。スロットル弁１３及びＳＣＶ１４は、電動モータや油圧アクチュエータによって駆動されるバタフライ弁であり、それらの弁開度はＥＣＵ２０により制御される。   In addition, a swirl control valve (hereinafter referred to as “SCV”) 14 that generates a swirl in the combustion chamber of the engine 1 by limiting the intake air amount of the intake port 2B is provided in the intake port 2B. The throttle valve 13 and the SCV 14 are butterfly valves that are driven by an electric motor or a hydraulic actuator, and their valve openings are controlled by the ECU 20.

排気管４と吸気ポート２Ｂとの間には、排気を吸気ポート２Ｂに還流する排気還流通路５が設けられている。排気還流通路５には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）６が設けられている。ＥＧＲ弁６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。ＥＧＲ弁６には、その弁開度（弁リフト量）ＬＡＣＴを検出するリフトセンサ７が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２０に供給される。排気還流通路５及びＥＧＲ弁６より、排気還流機構が構成される。ＥＧＲ弁６は、デューティ比可変の制御信号によりその開度が制御される。   Between the exhaust pipe 4 and the intake port 2B, an exhaust gas recirculation passage 5 for returning the exhaust gas to the intake port 2B is provided. The exhaust gas recirculation passage 5 is provided with an exhaust gas recirculation control valve (hereinafter referred to as “EGR valve”) 6 for controlling the exhaust gas recirculation amount. The EGR valve 6 is an electromagnetic valve having a solenoid, and the valve opening degree is controlled by the ECU 20. The EGR valve 6 is provided with a lift sensor 7 for detecting the valve opening degree (valve lift amount) LACT, and the detection signal is supplied to the ECU 20. An exhaust gas recirculation mechanism is configured by the exhaust gas recirculation passage 5 and the EGR valve 6. The opening degree of the EGR valve 6 is controlled by a control signal having a variable duty ratio.

吸気管２には、吸入空気量ＧＡを検出する吸入空気量センサ２１と、コンプレッサ９の下流側の過給圧ＰＣＨを検出する過給圧センサ２２とが取り付けられており、これらの検出信号はＥＣＵ２０に供給される。
排気管４の、タービン１０の下流側には、ＮＯｘ浄化装置１１と粒子状物質捕集装置（以下「ＤＰＦ」（Diesel Particulate Filter）という）１５とが上流側からこの順序で設けられている。 An intake air amount sensor 21 that detects an intake air amount GA and a supercharging pressure sensor 22 that detects a supercharging pressure PCH on the downstream side of the compressor 9 are attached to the intake pipe 2. It is supplied to the ECU 20.
A NOx purification device 11 and a particulate matter collection device (hereinafter referred to as “DPF” (Diesel Particulate Filter)) 15 are provided in this order from the upstream side of the exhaust pipe 4 on the downstream side of the turbine 10.

ＮＯｘ浄化装置１１は、ＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。ＮＯｘ浄化装置１１は、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高く、還元剤（ＨＣ、ＣＯ）濃度が酸素濃度より低い排気リーン状態においては、ＮＯｘを吸収する一方、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的低く、還元剤濃度が酸素濃度より高い排気リッチ状態においては、吸収したＮＯｘを還元剤により還元し、窒素ガス、水蒸気及び二酸化炭素として排出するように構成されている。   The NOx purification device 11 includes a NOx absorbent that absorbs NOx and a catalyst for promoting oxidation and reduction. In the NOx purification device 11, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine 1 is set to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas is relatively high, and the reducing agent (HC, CO) concentration is higher than the oxygen concentration. In the low exhaust lean state, while absorbing NOx, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine 1 is set to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas is relatively low, and the reducing agent concentration In an exhaust rich state where the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration, the absorbed NOx is reduced by a reducing agent and discharged as nitrogen gas, water vapor and carbon dioxide.

なお、ＮＯｘ浄化装置１１は、排気リーン状態のときにＮＯｘを吸着し、排気リッチ状態のときにＮＯｘを還元するものや、排気リッチ状態のときにアンモニアを生成して保持し、排気リーン状態のときに保持しているアンモニアでＮＯｘを還元するものであってもよい。   The NOx purification device 11 adsorbs NOx when it is in the exhaust lean state, reduces NOx when it is in the exhaust rich state, and generates and holds ammonia when it is in the exhaust rich state, and in the exhaust lean state The NOx may be reduced with ammonia that is sometimes held.

ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力の限界、すなわち最大ＮＯｘ吸収量まで、ＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収できなくなるので、適時ＮＯｘを還元するために空燃比のリッチ化、すなわち還元リッチ化を実行する。また、ディーゼル機関用の燃料に含まれている硫黄（Ｓ）が酸化して発生したＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に付着すると、ＮＯｘ吸収能力が低下するので、適時ＳＯｘの放出（以下「サルファーパージ」という）を実行する必要がある。この場合にも、空燃比のリッチ化が実行される。これらの空燃比のリッチ化は、燃料噴射弁１２から噴射される燃料量の増量と、スロットル弁１３による吸入空気量の減量と、排気還流機構による排気還流量の増量とによって行われる。   NOx is absorbed to the limit of the NOx absorption capacity of the NOx absorbent, that is, the maximum amount of NOx absorbed, and no more NOx can be absorbed. Therefore, enrichment of the air-fuel ratio, that is, reduction enrichment, is performed to reduce NOx in a timely manner. To do. Further, if SOx generated by oxidation of sulfur (S) contained in the fuel for diesel engines adheres to the NOx absorbent, the NOx absorption capacity decreases, so that the release of SOx in a timely manner (hereinafter referred to as “sulfur purge”). ) Must be executed. Also in this case, enrichment of the air-fuel ratio is executed. The enrichment of the air-fuel ratio is performed by increasing the amount of fuel injected from the fuel injection valve 12, decreasing the intake air amount by the throttle valve 13, and increasing the exhaust gas recirculation amount by the exhaust gas recirculation mechanism.

ＤＰＦ１５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）を主成分とする粒子状物質であるスート（ｓｏｏｔ）を、フィルタ壁の表面だけでなくフィルタ壁中の孔にも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。炭化珪素からなるフィルタ壁の場合、フィルタ壁中の孔径は１０μｍ程度である。   When the exhaust gas passes through the fine pores of the filter wall, the DPF 15 converts soot, which is a particulate substance mainly composed of carbon (C), into the filter wall as well as the surface of the filter wall. It collects by depositing in the hole. As a constituent material of the filter wall, for example, ceramics such as silicon carbide (SiC) or a porous metal body is used. In the case of a filter wall made of silicon carbide, the hole diameter in the filter wall is about 10 μm.

ＤＰＦ１５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、ポスト噴射制御が実行される。ポスト噴射制御においては、燃料噴射弁１２により、圧縮行程における通常噴射だけでなく、その後の爆発行程や排気行程における後噴射（ポスト噴射）が行われる。   If soot is collected up to the limit of the soot collecting ability of the DPF 15, that is, the accumulation limit, an increase in exhaust pressure is caused. Therefore, it is necessary to perform a regeneration process for burning soot at an appropriate time. In this regeneration process, post-injection control is executed in order to raise the exhaust temperature to the soot combustion temperature. In the post-injection control, the fuel injection valve 12 performs not only normal injection in the compression stroke but also post-injection (post-injection) in the subsequent explosion stroke and exhaust stroke.

また、ＮＯｘ浄化装置１１の上流側には、比例型空燃比センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）２３が設けられ、ＤＰＦ１５の下流側には、排気温度センサ２４が設けられている。ＬＡＦセンサ２３は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した検出信号をＥＣＵ２０に供給する。排気温度センサ２４はＤＰＦ１５の下流側における排気の温度ＴＡＦＴを検出し、その検出信号をＥＣＵ２０に供給する。   A proportional air-fuel ratio sensor (hereinafter referred to as “LAF sensor”) 23 is provided on the upstream side of the NOx purification device 11, and an exhaust gas temperature sensor 24 is provided on the downstream side of the DPF 15. The LAF sensor 23 supplies a detection signal to the ECU 20 that is substantially proportional to the oxygen concentration (air-fuel ratio) in the exhaust gas. The exhaust gas temperature sensor 24 detects the exhaust gas temperature TAFT on the downstream side of the DPF 15 and supplies the detection signal to the ECU 20.

さらに、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２５及びエンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２６が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。   Further, an accelerator sensor 25 for detecting an operation amount (hereinafter referred to as “accelerator pedal operation amount”) AP of an accelerator pedal (not shown) of a vehicle driven by the engine 1 and rotation of a crankshaft (not shown) of the engine 1. A crank angle position sensor 26 for detecting the angle is provided. Detection signals from these sensors are supplied to the ECU 20.

クランク角度位置センサ２６は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）でＣＲＫパルスを発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。   The crank angle position sensor 26 is a cylinder discrimination sensor that outputs a pulse (hereinafter referred to as “CYL pulse”) at a predetermined crank angle position of a specific cylinder of the engine 1, and relates to a top dead center (TDC) at the start of the intake stroke of each cylinder. A TDC sensor that outputs a TDC pulse at a crank angle position before a predetermined crank angle (every crank angle of 180 degrees in a four-cylinder engine) and a CRK pulse that generates a CRK pulse at a constant crank angle cycle shorter than the TDC pulse (for example, a cycle of 30 °). It consists of sensors, and a CYL pulse, a TDC pulse and a CRK pulse are supplied to the ECU 5. These signal pulses are used for fuel injection control and detection of engine speed (engine speed) NE.

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１２、ＥＧＲ弁６、タービン１０、スロットル弁１３、ＳＣＶ１４などに制御信号を供給する出力回路等から構成される。   The ECU 20 shapes input signal waveforms from various sensors, corrects the voltage level to a predetermined level, converts an analog signal value into a digital signal value, a central processing unit (hereinafter referred to as “CPU”). A storage circuit for storing various calculation programs executed by the CPU and calculation results, an output circuit for supplying control signals to the fuel injection valve 12, the EGR valve 6, the turbine 10, the throttle valve 13, the SCV 14, and the like. Is done.

ＥＣＵ２０は、空燃比のリッチ化やポスト噴射の要求に応じてアクセルセンサ２５により検出されるアクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥ等から燃料噴射弁１２の開弁時間を算出し、開弁時間に応じた駆動信号を燃料噴射弁１２に供給する。   The ECU 20 calculates the valve opening time of the fuel injection valve 12 from the accelerator pedal operation amount AP and the engine speed NE detected by the accelerator sensor 25 in response to a request for enrichment of the air-fuel ratio or post injection, and the valve opening time. A drive signal corresponding to the above is supplied to the fuel injection valve 12.

次にＤＰＦ１５におけるスートの堆積量の推定方法について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。図２は、スートの堆積量とＤＰＦの温度上昇速度との関係を説明するための図である。   Next, a method for estimating the accumulation amount of soot in the DPF 15 will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the deposition amount of soot and the temperature rise rate of the DPF.

時刻ｔ１において、ＤＰＦ１５へ流入する排気の温度を上昇させる制御を開始すると、ＤＰＦ１５は流入する排気により温度が上昇する。このとき、ＤＰＦ１５の下流側における排気温度ＴＡＦＴは、ＤＰＦ１５の温度を反映したものであるため、排気温度ＴＡＦＴも上昇する。スートの堆積量が少なければ、ＤＰＦ１５の熱容量は小さいので、ラインＬ１で示すように、排気温度ＴＡＦＴは比較的速い速度で上昇する。一方、スートの堆積量が多くなれば、堆積したスートの量に応じて熱容量は大きくなるので、ラインＬ２で示すように、排気温度ＴＡＦＴは比較的緩やかに上昇する。ここでα１及びα２は、一定時間当たりの温度上昇量、すなわち、温度上昇速度に相当する。   When control for increasing the temperature of the exhaust gas flowing into the DPF 15 is started at time t1, the temperature of the DPF 15 increases due to the exhaust gas flowing in. At this time, since the exhaust temperature TAFT on the downstream side of the DPF 15 reflects the temperature of the DPF 15, the exhaust temperature TAFT also increases. If the soot accumulation amount is small, the heat capacity of the DPF 15 is small, so that the exhaust temperature TAFT rises at a relatively high speed, as indicated by the line L1. On the other hand, as the soot accumulation amount increases, the heat capacity increases in accordance with the accumulated soot amount, so that the exhaust temperature TAFT rises relatively slowly as indicated by the line L2. Here, α1 and α2 correspond to a temperature increase amount per fixed time, that is, a temperature increase rate.

ＤＰＦ１５の温度上昇速度（上昇度合）はＤＰＦ１５の熱容量にほぼ反比例する。また、スートの熱容量はその堆積量にほぼ比例する。したがって、スートの堆積量ＱＰＭは、排気温度ＴＡＦＴの上昇速度から推定することができ、具体的には、下記式（１）によりスートの堆積量ＱＰＭを算出することができる。
ＱＰＭ＝Ｋ×（α−α'ｍａｘ） （１） The temperature rise rate (degree of increase) of the DPF 15 is almost inversely proportional to the heat capacity of the DPF 15. In addition, the heat capacity of the soot is almost proportional to the amount of deposition. Therefore, the soot accumulation amount QPM can be estimated from the rising speed of the exhaust gas temperature TAFT. Specifically, the soot accumulation amount QPM can be calculated by the following equation (1).
QPM = K × (α−α′max) (1)

ここで、α'ｍａｘは検出される排気温度ＴＡＦＴの上昇速度の最大値である。αはスートの堆積量が０の場合の上昇速度であり、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、図３（ａ）に示すαマップを検索することにより算出される。αマップは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、またアクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど、温度上昇速度αが増加するように設定される。温度上昇速度αと最大値α'ｍａｘとの差分を算出するのは、堆積したスート以外の熱容量、すなわち、ＤＰＦ１５だけの熱容量の影響を排除するためである。最大値α'ｍａｘを使用するのは、温度上昇速度α'は変動するので、堆積量ＱＰＭを変動範囲の小さい方の値で推定するためである。これにより、上記式（１）より算出されるスートの堆積量ＱＰＭが実際の堆積量よりも多くなり、実際の堆積量が堆積限界に達していなくても再生処理が実行されるのを防止することができる。   Here, α′max is the maximum value of the detected rising speed of the exhaust gas temperature TAFT. α is an ascending speed when the accumulation amount of soot is 0, and is calculated by searching an α map shown in FIG. 3A in accordance with the engine speed NE and the accelerator pedal operation amount AP. The α map is set such that the temperature increase rate α increases as the engine speed NE increases and as the accelerator pedal operation amount AP increases. The difference between the temperature increase rate α and the maximum value α′max is calculated in order to eliminate the influence of the heat capacity other than the deposited soot, that is, the heat capacity of only the DPF 15. The reason why the maximum value α′max is used is that the temperature increase rate α ′ fluctuates, so that the deposition amount QPM is estimated with the smaller value in the fluctuation range. As a result, the soot deposition amount QPM calculated from the above equation (1) is larger than the actual deposition amount, and the regeneration process is prevented from being executed even if the actual deposition amount does not reach the deposition limit. be able to.

Ｋは温度上昇速度の差分をスートの堆積量に変換する変換係数であり、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、図３（ｂ）に示すＫマップを検索することにより算出される。Ｋマップは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、またアクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど、変換係数Ｋが増加するように設定される。   K is a conversion coefficient for converting the difference in temperature rise rate into the soot accumulation amount, and is calculated by searching the K map shown in FIG. 3B according to the engine speed NE and the accelerator pedal operation amount AP. The The K map is set so that the conversion coefficient K increases as the engine speed NE increases and as the accelerator pedal operation amount AP increases.

図４は、ＤＰＦ１５の再生処理を実行するか否かを判定する処理のフローチャートである。本処理は一定時間毎にＥＣＵ２０のＣＰＵで実行される。
ステップＳ４１では、図示しない処理により、第１の排気温度上昇制御を実行しているか否かを判別する。第１の排気温度上昇制御は、スロットル弁１３の弁開度を減少させるか、またはポスト噴射を行うことにより実行される。ここで、排気温度はスートが着火しない程度まで上昇される。
第１の排気温度上昇制御を実行していないときは、直ちに本処理を終了し、第１の排気温度上昇制御を実行しているときは、検出した排気温度ＴＡＦＴの最新の上昇速度α'が最大値α'ｍａｘを越えたか否かを判別する（ステップＳ４２）。その結果、上昇速度α'が最大値α'ｍａｘ以下であれば、直ちにステップＳ４４に進み、上昇速度α'が最大値α'ｍａｘより高ければ、最大値α'ｍａｘに上昇速度α'を設定する（ステップＳ４３）。最大値α'ｍａｘは、小さい値、例えば「０」に初期化されているので、最初は上昇速度α'が最大値α'ｍａｘより大きくなり、最大値α'ｍａｘは上昇速度α'に設定される。続くステップＳ４４では、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、αマップ（図３（ａ））及びＫマップ（図３（ｂ））を検索し、スートの堆積量が０のときの上昇速度α及び変換係数Ｋを算出する。 FIG. 4 is a flowchart of a process for determining whether or not to execute the regeneration process of the DPF 15. This process is executed by the CPU of the ECU 20 at regular intervals.
In step S41, it is determined whether or not the first exhaust temperature increase control is being executed by a process not shown. The first exhaust temperature rise control is executed by reducing the valve opening of the throttle valve 13 or by performing post injection. Here, the exhaust temperature is raised to such an extent that the soot does not ignite.
When the first exhaust temperature increase control is not being executed, the present process is immediately terminated. When the first exhaust temperature increase control is being executed, the latest increase rate α ′ of the detected exhaust temperature TAFT is It is determined whether or not the maximum value α′max has been exceeded (step S42). As a result, if the rising speed α ′ is equal to or lower than the maximum value α′max, the process immediately proceeds to step S44, and if the rising speed α ′ is higher than the maximum value α′max, the rising speed α ′ is set to the maximum value α′max. (Step S43). Since the maximum value α′max is initialized to a small value, for example, “0”, the rising speed α ′ is initially larger than the maximum value α′max, and the maximum value α′max is set to the rising speed α ′. Is done. In the subsequent step S44, the α map (FIG. 3A) and the K map (FIG. 3B) are searched according to the engine speed NE and the accelerator pedal operation amount AP, and the soot accumulation amount is zero. The rising speed α and the conversion coefficient K are calculated.

続くステップＳ４５では、スートの堆積量ＱＰＭを上記式（１）により算出し、該算出した堆積量ＱＰＭが、ＤＰＦ１５の堆積限界に対応する所定量ＱＰＭＴＨより多いか否かを判別する（ステップＳ４６）。その結果、堆積量ＱＰＭが所定量ＱＰＭＴＨより大きいときは、再生処理フラグＦＤＰＦＲを「１」に設定し（ステップＳ４７）、堆積量ＱＰＭが所定量ＱＰＭＴＨ以下であるときは、再生処理フラグＦＤＰＦＲを「０」に設定し（ステップＳ４８）、本処理を終了する。再生処理フラグＦＤＰＦＲが「１」に設定されると、図５の処理でＤＰＦ１５の再生のためのポスト噴射制御等が行われ、再生処理としての第２の排気温度上昇制御が実行される。第２の排気温度上昇制御では、排気温度はスートを燃焼させることができる温度まで上昇される。   In the following step S45, the soot accumulation amount QPM is calculated by the above equation (1), and it is determined whether or not the calculated accumulation amount QPM is larger than a predetermined amount QPMTH corresponding to the accumulation limit of the DPF 15 (step S46). . As a result, when the accumulation amount QPM is larger than the predetermined amount QPMTH, the regeneration processing flag FDPFR is set to “1” (step S47), and when the accumulation amount QPM is less than or equal to the predetermined amount QPMTH, the regeneration processing flag FDPFR is set to “ 0 "(step S48), and this process is terminated. When the regeneration process flag FDPFR is set to “1”, post injection control or the like for regeneration of the DPF 15 is performed in the process of FIG. 5, and second exhaust temperature rise control as regeneration process is performed. In the second exhaust temperature increase control, the exhaust temperature is raised to a temperature at which the soot can be combusted.

図４の処理によれば、ＤＰＦ１５の温度が上昇しているときに、ＤＰＦ１５の下流側における排気温度ＴＡＦＴが検出され、該検出された排気温度ＴＡＦＴの上昇速度の最大値α'ｍａｘと、スートの堆積量が０のときの上昇速度αとの差分、及び変換係数Ｋによりスートの堆積量ＱＰＭが推定される。ＤＰＦ１５にスートが堆積すると、ＤＰＦ１５の熱容量が増加し、ＤＰＦ１５の温度上昇速度が低下し、排気温度ＴＡＦＴの上昇速度も低下する。したがって、検出された排気温度ＴＡＦＴの上昇速度の最大値α'ｍａｘと、スートの堆積量が０のときの上昇速度αとの差分、及び変換係数Ｋによりスートの堆積量ＱＰＭを正確に推定することができる。   According to the processing of FIG. 4, when the temperature of the DPF 15 is rising, the exhaust temperature TAFT on the downstream side of the DPF 15 is detected, and the maximum value α′max of the detected rising speed of the exhaust temperature TAFT and the soot The soot accumulation amount QPM is estimated from the difference from the ascent rate α when the accumulation amount is 0 and the conversion coefficient K. When soot accumulates on the DPF 15, the heat capacity of the DPF 15 increases, the temperature increase rate of the DPF 15 decreases, and the increase rate of the exhaust temperature TAFT also decreases. Therefore, the soot accumulation amount QPM is accurately estimated from the difference between the detected maximum value α′max of the exhaust temperature TAFT and the increase rate α when the soot accumulation amount is 0 and the conversion coefficient K. be able to.

図４の処理では、排気温度ＴＡＦＴの上昇速度に応じて堆積量ＱＰＭが推定されるので、排気流量の少ない低回転／低負荷のエンジン運転状態においても堆積量ＱＰＭを正確に推定することができる。また、粒子状物質の堆積形態が変化しても正確な推定を行うことができる。
さらに、堆積量ＱＰＭの推定にあたり、ＤＰＦ１５の前後に配置された圧力センサを必要としないので、排気浄化装置のコストを下げることができる。 In the process of FIG. 4, the accumulation amount QPM is estimated according to the rising speed of the exhaust gas temperature TAFT. Therefore, the accumulation amount QPM can be accurately estimated even in a low rotation / low load engine operating state with a small exhaust flow rate. . In addition, accurate estimation can be performed even if the particulate matter deposition form changes.
Furthermore, since the pressure sensors arranged before and after the DPF 15 are not required for estimating the accumulation amount QPM, the cost of the exhaust gas purification device can be reduced.

図５は、燃料噴射制御処理を説明するためのフローチャートである。本処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで実行される。ステップＳ５１では、空燃比リッチ化フラグＦＲＩＣＨが「１」か否かを判別する。空燃比リッチ化フラグＦＲＩＣＨは、還元リッチ化またはサルファーパージのための空燃比リッチ化を実行するときに、図示しない処理で「１」に設定される。ステップＳ５１で、空燃比リッチ化フラグＦＲＩＣＨが「１」であるときは、ステップＳ５２に進み、燃料噴射弁１２から噴射される燃料量を増加させる増量噴射制御を実行し、本処理を終了する。   FIG. 5 is a flowchart for explaining the fuel injection control process. This process is executed by the CPU of the ECU 20. In step S51, it is determined whether or not the air-fuel ratio enrichment flag FRICH is “1”. The air-fuel ratio enrichment flag FRICH is set to “1” by a process (not shown) when executing the reduction enrichment or the air-fuel ratio enrichment for the sulfur purge. If the air-fuel ratio enrichment flag FRICH is “1” in step S51, the process proceeds to step S52, where the increase injection control for increasing the amount of fuel injected from the fuel injection valve 12 is executed, and this process ends.

空燃比リッチ化フラグＦＲＩＣＨが「０」であるときは、再生処理フラグＦＤＰＦＲが「１」であるか否かを判別し（ステップＳ５３）、ＦＤＰＦＲ＝０であるときは、ステップＳ５４に進み、燃料噴射弁１２に通常の燃料量を噴射させる通常噴射制御を実行し（ステップＳ５４）、本処理を終了する。ＦＤＰＦＲ＝１であって再生処理の実行が許可されているときは、ポスト噴射制御を実行する（ステップＳ５５）。ポスト噴射制御では、上述したように、通常の燃料噴射の後に再度燃料噴射が実行される。これにより排気温度が上昇し、ＤＰＦ１５に堆積したスートが燃焼する。ステップＳ５６では、ポスト噴射制御の開始時間から、所定再生時間ＴＤＰＦＲが経過したか否かを判別する。所定再生時間ＴＤＰＦＲは堆積限界まで堆積したスートを全て燃焼させるために必要な時間である。その結果、所定再生時間ＴＤＰＦＲが経過していないときは、直ちに本処理を終了し、所定再生時間ＴＤＰＦＲが経過したときは、再生処理フラグＦＤＰＦＲを「０」に設定し（ステップＳ５７）、本処理を終了する。   When the air-fuel ratio enrichment flag FRICH is “0”, it is determined whether or not the regeneration processing flag FDPFR is “1” (step S53). When FDPFR = 0, the process proceeds to step S54, and the fuel Normal injection control for injecting a normal amount of fuel into the injection valve 12 is executed (step S54), and this process ends. When FDPFR = 1 and execution of the regeneration process is permitted, post injection control is executed (step S55). In the post-injection control, as described above, fuel injection is performed again after normal fuel injection. As a result, the exhaust temperature rises and the soot accumulated in the DPF 15 burns. In step S56, it is determined whether or not a predetermined regeneration time TDPFR has elapsed from the start time of the post injection control. The predetermined regeneration time TDPFR is a time necessary for burning all the soot deposited up to the deposition limit. As a result, when the predetermined regeneration time TDPFR has not elapsed, the present processing is immediately terminated, and when the predetermined regeneration time TDPFR has elapsed, the regeneration processing flag FDPFR is set to “0” (step S57). Exit.

上述した実施形態では、ＤＰＦ１５が粒子状物質捕集手段に相当し、燃料噴射弁１２及びスロットル弁１３が加熱手段の一部を構成し、ＥＣＵ２０が加熱手段の一部及び粒子状物質捕集量推定手段を構成する。より具体的には、ＥＣＵ２０により実行される第１の排気温度上昇制御のための処理が、加熱手段に相当し、図４のステップＳ４２〜Ｓ４５が粒子状物質捕集量推定手段に相当する。   In the embodiment described above, the DPF 15 corresponds to the particulate matter collecting means, the fuel injection valve 12 and the throttle valve 13 constitute a part of the heating means, and the ECU 20 includes a part of the heating means and the particulate matter collection amount. The estimation means is configured. More specifically, the process for the first exhaust temperature increase control executed by the ECU 20 corresponds to the heating means, and steps S42 to S45 in FIG. 4 correspond to the particulate matter collection amount estimation means.

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、上述した実施形態では、スロットル弁１３の弁開度を減少させるか、またはポスト噴射を行うことにより、ＤＰＦ１５の温度を上昇させたが、ＤＰＦ１５に電気ヒータを設け、該電気ヒータによってＤＰＦ１５の加熱を行ってもよい。その場合、電気ヒータが加熱手段に相当する。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the temperature of the DPF 15 is increased by decreasing the valve opening of the throttle valve 13 or performing post-injection. However, the DPF 15 is provided with an electric heater, and the electric heater Heating may be performed. In that case, the electric heater corresponds to the heating means.

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制御にも適用が可能である。   The present invention can also be applied to control of a marine vessel propulsion engine such as an outboard motor having a crankshaft as a vertical direction.

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその排気浄化装置の全体構成を示す図である。1 is a diagram illustrating an overall configuration of an internal combustion engine and an exhaust purification device thereof according to an embodiment of the present invention. スートの堆積量とＤＰＦの温度上昇速度との関係を説明するための図であるIt is a figure for demonstrating the relationship between the accumulation amount of soot, and the temperature rise rate of DPF. スートの堆積量が０のときの温度上昇速度α及び変換係数Ｋが設定されたマップを示す図である。It is a figure which shows the map in which the temperature increase rate (alpha) and conversion coefficient K when the accumulation amount of soot was 0 were set. ＤＰＦの再生実行判定処理のフローチャートである。5 is a flowchart of a DPF regeneration execution determination process. 燃料噴射制御処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating a fuel-injection control process. 粒子状物質捕集装置の再生処理前後における粒子状物質の堆積形態を示す図である。It is a figure which shows the deposition form of the particulate matter before and behind the regeneration process of a particulate matter collection device. 粒子状物質の堆積量ＱＰＭと粒子状物質捕集装置の前後における差圧ΔＰの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the deposition amount QPM of particulate matter, and differential pressure | voltage (DELTA) P before and behind a particulate matter collection apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１ エンジン（内燃機関）
２ 吸気管
４ 排気管
１１ ＮＯｘ浄化装置
１２ 燃料噴射弁（加熱手段）
１３ スロットル弁（加熱手段）
１５ ＤＰＦ（粒子状物質捕集手段）
２０ 電子制御ユニット（加熱手段、粒子状物質捕集量推定手段）
２４ 排気温度センサ
1 engine (internal combustion engine)
2 Intake pipe 4 Exhaust pipe 11 NOx purification device 12 Fuel injection valve (heating means)
13 Throttle valve (heating means)
15 DPF (particulate matter collecting means)
20 Electronic control unit (heating means, particulate matter collection amount estimation means)
24 Exhaust temperature sensor

Claims (1)

内燃機関の排気系に設けられ、前記機関からの排気に含まれる粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集手段を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記粒子状物質捕集手段の下流側に設けられ、前記排気の温度を検出する排気温度センサと、
前記粒子状物質捕集手段を加熱する加熱手段と、
該加熱手段により前記粒子状物質捕集手段を加熱したときに、前記排気温度センサにより検出される温度の上昇度合に基づいて、前記粒子状物質捕集手段に捕集された前記粒子状物質の量を推定する粒子状物質捕集量推定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。
In an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, provided in an exhaust system of the internal combustion engine, comprising particulate matter collecting means for collecting particulate matter contained in exhaust from the engine,
An exhaust temperature sensor that is provided downstream of the particulate matter collecting means and detects the temperature of the exhaust;
Heating means for heating the particulate matter collecting means;
When the particulate matter collecting means is heated by the heating means, the particulate matter collected by the particulate matter collecting means is based on the degree of temperature rise detected by the exhaust temperature sensor. An exhaust emission control device for an internal combustion engine, comprising: a particulate matter collection amount estimation means for estimating the amount.
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