JP2006316682A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＤＰＦのパティキュレート堆積量をより正確に算出し、ＤＰＦの再生処理を適切な時期に実行することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて基本パティキュレート排出量ＰＭＢＡＳＥを算出する。エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて目標空気過剰率λＣＭＤを算出し、実空気過剰率λＡＣＴとの比λＲＡＴＩＯを算出する。空気過剰率比λＲＡＩＯ及び燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて補正係数Ｋλを算出し、基本パティキュレート排出量ＰＭＢＡＳＥに補正係数Ｋλを乗算する。さらに他の補正項を加減算することによりパティキュレート排出量ＰＭＵＴを算出し、これを積算することにより堆積量ＰＭＡＣＣを算出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に内燃機関の排気中のパティキュレート（粒子状物質）を捕集するパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）を有するものに関する。

ディーゼル内燃機関の排気系に排気中のパティキュレートを捕集するＤＰＦを設け、パティキュレートの排出量を低減する技術は広く用いられている。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量を算出し、算出したパティキュレート堆積量に応じて、堆積したパティキュレートを燃焼させる再生処理の実行時期が判定される。

特許文献１には、ＤＰＦのパティキュレート堆積量を算出する手法の一例が示されている。すなわち、機関回転数及びアクセルペダルの踏み込み量に応じて、単位時間当たりのパティキュレート排出量が算出され、さらに機関冷却水温に応じた補正が行われ、補正後のパティキュレート排出量を積算することにより、パティキュレート堆積量が算出される。さらに特許文献１に示された手法では、ＤＰＦに堆積したパティキュレートが燃焼するときは、単位時間当たりの再生量（堆積量の減少量）が算出され、パティキュレート堆積量から再生量が減算される。

特開平５−３３２１２５号公報

アクセルペダルが急激に踏み込まれる加速時のような過渡状態では、機関回転数及びアクセルペダル踏み込み量に応じて算出される単位時間当たりのパティキュレート排出量が実際の値からずれるため、パティキュレート堆積量の算出精度が低下し、ＤＰＦ再生処理の実行時期が望ましい時期より遅れるという課題があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、ＤＰＦのパティキュレート堆積量をより正確に算出し、ＤＰＦの再生処理を適切な時期に実行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。

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（１２）を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記機関（１）の運転状態に応じて、前記パティキュレートフィルタ（１２）に堆積する単位時間当たりのパティキュレート量（ＰＭＢＡＳＥ）を算出するパティキュレート量算出手段（３１）と、前記機関（１）で燃焼する混合気の空気過剰率（λＡＣＴ）を検出する空気過剰率検出手段（２１，３３）と、前記空気過剰率の目標値（λＣＭＤ）と、検出される空気過剰率（λＡＣＴ）との比較結果（λＲＡＴＩＯ）に基づいて、前記パティキュレート量（ＰＭＢＡＳＥ）を補正する補正手段（３２，３４，３５，３６）と、該補正されたパティキュレート量（ＰＭＵＴ）を積算することによりパティキュレート堆積量（ＰＭＡＣＣ）を算出する積算手段（４１）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、前記補正手段は、前記比較結果（λＲＡＴＩＯ）及び前記機関の負荷を示すパラメータ（ＱＩＮＪ）に基づいて前記パティキュレート量（ＰＭＢＡＳＥ）を補正することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関の運転状態に応じて、パティキュレートフィルタに堆積する単位時間当たりのパティキュレート量が算出され、機関で燃焼する混合気の空気過剰率の目標値と、検出される空気過剰率との比較結果に基づいて、パティキュレート量が補正され、補正されたパティキュレート量を積算することによりパティキュレート堆積量が算出される。例えば機関の加速時のような過渡状態では、燃料量の増加に対して吸入空気量の増加が遅れるため、空気過剰率が一時的に増加する傾向があるが、従来手法ではこの点が考慮されていなかった。したがって、空気過剰率の目標値と検出値の比較結果に基づいて、パティキュレート量を補正することにより、空気過剰率の目標値からずれに応じた補正が行われ、より正確なパティキュレート堆積量を得ることができる。その結果、ＤＰＦ再生処理を適切な時期に実行することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、空気過剰率の検出値と、目標値との比較結果とともに、機関の負荷を示すパラメータに基づいて、パティキュレート量の補正が行われる。空気過剰率のずれの影響は、機関負荷が高いほど大きくなるので、機関負荷に基づく補正を行うことにより、より一層正確なパティキュレート堆積量を得ることができる。

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１６が設けられている。燃料噴射弁１６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１６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、排気管４、及び過給機８を備えている。過給機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。
タービン１０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンの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のベーン開度は、ＥＣＵ２０により電磁的に制御される。

吸気管２内の、コンプレッサ９の下流には加圧された空気を冷却するためのインタークーラ５及び吸入空気量を制御するインテークシャッタ（スロットル弁）３が設けられている。インテークシャッタ３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ２０により、開閉制御される。

排気管４のタービン１０の上流側と、吸気管２のインテークシャッタ５の下流側との間には、排気を吸気管２に還流する排気還流通路６が設けられている。排気還流通路６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）７が設けられている。ＥＧＲ弁７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。

排気管４の、タービン１０の下流側には、排気を浄化する触媒コンバータ１１と、ＤＰＦ１２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１６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２２、及びエンジン１の吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ２１、並びに図示しない他のセンサ、例えばエンジン１の冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ、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、エンジン１の吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ、大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ、ＤＰＦ１２の直ぐ上流側における排気温度ＴＥＸを検出する排気温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。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２２の出力から算出される。

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１６、ＥＧＲ弁７などに制御信号を供給する出力回路から構成される。

図２は、ＤＰＦ１２のパティキュレート堆積量ＰＭＡＣＣを算出するモジュールの構成を示すブロック図である。このモジュールの機能は実際にはＥＣＵ２０のＣＰＵによる演算処理により実現される。

図２に示す堆積量算出モジュールは、ＰＭＢＡＳＥ算出部３１と、λＣＭＤ算出部３２と、λＡＣＴ算出部３３と、除算部３４と、Ｋλ算出部３５と、乗算部３６と、ＰＭＣＲ算出部３７と、加算部３８と、ＰＭＲＧ算出部３９と、減算部４０と、積算部４１と備えている。

ＰＭＢＡＳＥ算出部３１は、検出されるエンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＱＩＮＪに応じたＰＭＢＡＳＥマップ（図示せず）を検索することにより、エンジン１から排出される単位時間当たりのパティキュレート量の基本値である基本パティキュレート排出量ＰＭＢＡＳＥを算出する。ＰＭＢＡＳＥ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、基本パティキュレート排出量ＰＭＢＡＳＥが増加するように設定されている。なお、燃料噴射量ＱＩＮＪは、アクセルペダル踏み込み量ＡＰに応じて算出される、単位時間当たりの燃料噴射量（燃料噴射弁１６により噴射される燃料量）であり、エンジン１の負荷にほぼ比例する。

λＣＭＤ算出部３２は、エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて、λＣＭＤマップ（図示せず）を検索し、エンジン１で燃焼する混合気の空気過剰率の目標値（以下「目標空気過剰率」という）λＣＭＤを算出する。λＣＭＤ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、目標空気過剰率λＣＭＤが増加するように設定されている。

λＡＣＴ算出部３３は、吸入空気流量ＧＡ及び燃料噴射量ＱＩＮＪを下記式（１）に適用して、実空気過剰率λＡＣＴを算出する。
λＡＣＴ＝ＧＡ／（ＱＩＮＪ×ＲＳＴＯＩＣＨ） （１）
ここで、ＲＳＴＯＩＣＨは理論空燃比である。

除算部３４では、目標空気過剰率λＣＭＤと、実空気過剰率λＡＣＴとの比（以下「空気過剰率比」という）λＲＡＴＩＯ（＝λＣＭＤ／λＡＣＴ）を算出する。
Ｋλ算出部３５は、空気過剰率比λＲＡＴＩＯ及び燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて図３に示すＫλマップを検索し、補正係数Ｋλを算出する。Ｋλマップは、高負荷運転状態では例えばラインＬ１で示すような特性に設定され、低負荷運転状態では例えばラインＬ２で示すような特性に設定されている。すなわち、Ｋλマップは、空気過剰率比λＲＡＴＩＯが増加するほど、また燃料噴射量ＱＩＮＪ（エンジン負荷）が増加するほど、補正係数Ｋλが増加するように設定されている。また、Ｋλマップは、空気過剰率比λＲＡＴＩＯの変化に対する補正係数Ｋλの変化率が、燃料噴射量ＱＩＮＪが増加するほど大きくなるように設定されている。

乗算部３６は、基本パティキュレート排出量ＰＭＢＡＳＥに補正係数Ｋλを乗算する。ＰＭＣＲ算出部３７は、エンジン冷却水温ＴＷ、吸気温ＴＡ及び大気圧ＰＡに応じて、補正量ＰＭＣＲを算出する。加算部３８は、乗算部３６の出力（ＰＭＢＡＳＥ×Ｋλ）に、補正量ＰＭＣＲを加算する。ＰＭＲＧ算出部３９は、燃料噴射量ＱＩＮＪ，吸入空気流量ＧＡ，及び排気温度ＴＥＸに応じて、ＤＰＦ１２に堆積したパティキュレートの減少量ＰＭＲＧを算出する。これは、エンジン１の高負荷運転時は、排気温度ＴＥＸが上昇し、ポスト噴射を実行しなくても、ＤＰＦ１２に堆積したパティキュレートが燃焼する（自然再生により減少する）ので、その自然再生によるパティキュレートの減少量を考慮したものである。

乗算部３６，加算部３８，及び減算部４０による演算をまとめると下記式（２）により、単位時間当たりのパティキュレート排出量ＰＭＵＴが算出される。
ＰＭＵＴ＝ＰＭＢＡＳＥ×Ｋλ＋ＰＭＣＲ−ＰＭＲＧ （２）

積算部４１は、パティキュレート排出量ＰＭＵＴを下記式（３）に適用して積算することにより、ＤＰＦ１２のパティキュレート堆積量ＰＭＡＣＣを算出する。
ＰＭＡＣＣ＝ＰＭＡＣＣ＋ＰＭＵＴ （３）
ここで、右辺のＰＭＡＣＣは単位時間前の算出値である。

ＥＣＵ２０は、パティキュレート堆積量ＰＭＡＣＣが所定閾値ＰＭＡＴＨに達したとき、ＤＰＦ１２の再生処理を実行する。

図４は、エンジン１の加速時におけるパティキュレート排出量ＰＭＵＴの算出結果を説明するためのタイムチャートである。同図（ａ）は、パティキュレート排出量ＰＭＵＴの推移を示し、同図（ｂ）は目標空気過剰率λＣＭＤ及び実空気過剰率λＡＣＴの推移を示し、同図（ｃ）は燃料噴射量ＱＩＮＪ及びエンジン回転数ＮＥの推移を示す。

時刻ｔ０においてアクセルペダルが踏み込まれると、図４（ｃ）に示すように、燃料噴射量ＱＩＮＪがステップ状に増加し、エンジン回転数ＮＥが徐々に増加していく。このとき目標空気過剰率λＣＭＤは、同図（ｂ）に破線で示すように徐々に増加していくが、実空気過剰率λＡＣＴは、燃料噴射量ＱＩＮＪの増加に対して吸入空気量の増加が遅れるため、時刻ｔ０直後において急激に減少し、その後徐々に増加する。その結果、基本パティキュレート排出量ＰＭＢＡＳＥは、同図（ａ）に破線で示すように変化するが、補正係数Ｋλにより補正されたパティキュレート排出量ＰＭＵＴは、同図に実線で示すように時刻ｔ０直後において急激に増加し、その後徐々に減少する。

実際のパティキュレート排出量は、図４（ａ）に実線で示すように推移するので、パティキュレート排出量ＰＭＵＴは単位時間当たりのパティキュレート排出量を正確に示す。したがって、パティキュレート排出量ＰＭＵＴを積算することにより、正確なパティキュレート堆積量ＰＭＡＣＣを得ることができる。すなわち従来の手法では、基本パティキュレート排出量ＰＭＢＡＳＥがそのまま積算されていたため、パティキュレート排出量が実際より小さな値にずれていたが、本実施形態では、補正係数Ｋλにより基本パティキュレート排出量ＰＭＢＡＳＥを補正することにより、パティキュレート排出量ＰＭＵＴを算出するようにしたので、より正確なパティキュレート排出量ＰＭＵＴを得、ひいてはより正確なパティキュレート堆積量ＰＭＡＣＣを得ることができる。その結果、適切な時期にＤＰＦの再生処理を実行することが可能となる。

本実施形態では、吸入空気流量センサ２１及びＥＣＵ２０が空気過剰率検出手段を構成し、ＥＣＵ２０がパティキュレート量算出手段、補正手段、及び積算手段を構成する。具体的には、図２のλＡＣＴ算出部３３が空気過剰率検出手段の一部に相当し、図２のＰＭＢＡＳＥ算出部３１がパティキュレート量算出手段に相当し、λＣＭＤ算出部３２、除算部３４、Ｋλ算出部３５、及び乗算部３６が補正手段に相当し、積算部４１が積算手段に相当する。

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。図５は、図２に示す堆積量算出モジュールの変形例の構成を示すブロック図である。図５に示す堆積量算出モジュールは、図２のＫλ算出部３５に代えて、Ｋλ算出部３５ａを備えている。Ｋλ算出部３５ａには、燃料噴射量ＱＩＮＪが入力されておらず、Ｋλ算出部３５ａは、空気過剰率比λＲＡＴＩＯに応じて図６に示すＫλテーブルを検索し、補正係数Ｋλを算出する。

図５に示す変形例では、補正係数Ｋλは、平均的なエンジン負荷に対応するＫλテーブル（図６）を用いて、空気過剰率比λＲＡＴＩＯのみに応じて算出される。このようにエンジン負荷を示すパラメータである燃料噴射量ＱＩＮＪを用いない場合には、エンジン負荷が平均的な値からずれたときに、パティキュレート排出量ＰＭＵＴが真の値から若干ずれるが、基本パティキュレート排出量ＰＭＢＡＳＥをそのまま用いる従来例に比べて、パティキュレート排出量ＰＭＵＴの算出精度を向上させることができる。

また上述した実施形態では、実空気過剰率λＡＣＴは、式（１）により算出したが、排気系に酸素濃度センサを設け、その酸素濃度センサ出力に応じて算出するようにしてもよい。
また上述した実施形態では、エンジン負荷を示すパラメータとして燃料噴射量ＱＩＮＪを用いたが、これに変えてアクセルペダル踏み込み量ＡＰを用いてもよい。

また上述した実施形態では、空気過剰率比λＲＡＴＩＯ（及び燃料噴射量ＱＩＮＪ）に応じて補正係数Ｋλを算出しているが、これに代えて目標空気過剰率λＣＭＤと、実空気過剰率λＡＣＴとの差Ｄλ（＝λＣＭＤ−λＡＣＴ）に応じて補正係数Ｋλを算出するようにしてもよい。この場合、ＫλマップまたはＫλテーブルは、差Ｄλが増加するほど、補正係数Ｋλが増加するように設定される。

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。 ＤＰＦに堆積するパティキュレート量を算出するモジュールの構成を示すブロック図である。 補正係数（Ｋλ）を算出するためのマップを示す図である。 機関の加速時におけるパティキュレート排出量の推移を説明するためのタイムチャートである。 図２に示すモジュールの変形例を示すブロック図である。 図５に示すモジュールで使用されるテーブルを示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１２ ディーゼルパティキュレートフィルタ
２０ 電子制御ユニット（パティキュレート量算出手段、空気過剰率検出手段、補正手段、積算手段）
２１ 吸入空気流量センサ（空気過剰率検出手段）

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、
   前記機関の運転状態に応じて、前記パティキュレートフィルタに堆積する単位時間当たりのパティキュレート量を算出するパティキュレート量算出手段と、
   前記機関で燃焼する混合気の空気過剰率を検出する空気過剰率検出手段と、
   前記空気過剰率の目標値と、検出される空気過剰率との比較結果に基づいて、前記パティキュレート量を補正する補正手段と、
   該補正されたパティキュレート量を積算することによりパティキュレート堆積量を算出する積算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. 前記補正手段は、前記比較結果及び前記機関の負荷を示すパラメータに基づいて前記パティキュレート量を補正す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。

Images