JP2021004555A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】PMを帯電させるための電力量を抑制しつつ、フィルタのPM捕集率を早期に高める。【解決手段】内燃機関100は、機関本体1と、機関本体1の排気通路に設けられて排気中のPMを捕集するフィルタ34と、フィルタ34に流入する排気中のPMを帯電させて凝集させる凝集装置35と、を備える。内燃機関100を制御する制御装置200は、フィルタ34に流入する排気中のPMの帯電量を制御するPM帯電制御部を備える。PM帯電制御部は、フィルタ34のPM堆積量が多いときは、少ないときと比べてPMの帯電量が小さくなるように凝集装置35を制御する。【選択図】図1
Description
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
特許文献1には、従来の内燃機関として、排気中の粒子状物質(Particulate Matter;以下「PM」という。)を帯電させて凝集させることでその粒子径を大きくし、粒子径を大きくしたPMをマフラ内のPM捕集材で捕集するようにしたものが開示されている。
PMを捕集するPMフィルタのPM捕集率は、PMフィルタに堆積しているPMの量(以下「PM堆積量」という。)に応じて変化する。具体的にはPM捕集率は、PMフィルタの表面に或る程度のPMが堆積し、フィルタ表面にPMの層(PMケーキ層)が形成されると、PMケーキ層の形成前においてはフィルタをすり抜けていた粒子径の小さなPMをPMケーキ層で捕集できるようになるため、高くなる傾向にある。またPM捕集率は、PMフィルタを構成する隔壁の内部に或る程度のPMが堆積すると、仮に粒子径の小さいPMが隔壁の内部に侵入したとしても、既に隔壁の内部に堆積しているPMによって粒子径の小さいPMを捕集することができるようになるため、高くなる傾向にある。
しかしながら、前述した従来の内燃機関では、このようなPM捕集率を考慮せずにPMを帯電、凝集させてその粒子径を大きくしていたため、PMケーキ層が形成されたり、隔壁の内部に或る程度のPMが堆積したりして粒子径の小さなPMを捕集できる状態になった後、すなわちPMを帯電、凝集させてその粒子径を大きくしなくてもPMを捕集できる状態になった後も、不必要にPMを帯電させていた。そのため、PMを帯電させるための電力を無駄に消費してしまうおそれがあった。
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、PMを帯電させるための電力量を抑制しつつ、PMフィルタのPM捕集率を早期に高めることを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のある態様による内燃機関は、機関本体と、機関本体の排気通路に設けられて排気中のPMを捕集するフィルタと、フィルタに流入する排気中のPMを帯電させて凝集させる凝集装置と、を備える。内燃機関の制御装置は、フィルタに流入する排気中のPMの帯電量を制御するPM帯電制御部を備える。PM帯電制御部は、フィルタのPM堆積量が多いときは、少ないときと比べてPMの帯電量が小さくなるように、凝集装置を制御するように構成される。
本発明のこの態様によれば、PMを帯電させるための電力量を抑制しつつ、PMフィルタのPM捕集率を早期に高めることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による内燃機関100、及び内燃機関100を制御する電子制御ユニット200の概略構成図である。
図1は、本発明の第1実施形態による内燃機関100、及び内燃機関100を制御する電子制御ユニット200の概略構成図である。
本実施形態による内燃機関100は、火花点火式のガソリンエンジンであって、機関本体1と、吸気装置20と、排気装置30と、を備える。なお、内燃機関100の種類は、特に限られるものではなく、予混合圧縮着火式のガソリンエンジンであってもよいし、ディーゼルエンジンであってもよい。
機関本体1は、シリンダブロック2と、シリンダブロック2の上面に固定されたシリンダヘッド3と、を備える。
シリンダブロック2には、複数のシリンダ4が形成される。シリンダ4の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ4の内部を往復運動するピストン5が収められる。ピストン5は、コンロッド(図示せず)を介してクランクシャフト(図示せず)と連結されており、クランクシャフトによってピストン5の往復運動が回転運動に変換される。シリンダヘッド3の内壁面、シリンダ4の内壁面及びピストン5の冠面によって区画された空間が燃焼室6となる。
シリンダヘッド3には、シリンダヘッド3の一方の側面に開口すると共に燃焼室6に開口する吸気ポート7と、シリンダヘッド3の他方の側面に開口すると共に燃焼室6に開口する排気ポート8と、が形成される。
またシリンダヘッド3には、燃焼室6と吸気ポート7との開口を開閉するための吸気弁9と、燃焼室6と排気ポート8との開口を開閉するための排気弁10と、吸気弁9を開閉駆動する吸気カムシャフト11と、排気弁10を開閉駆動する排気カムシャフト12と、が取り付けられる。
さらにシリンダヘッド3には、燃焼室6内に燃料を噴射するための燃料噴射弁13と、燃料噴射弁13から噴射された燃料と空気との混合気を燃焼室6内で点火するための点火プラグ14と、が取り付けられる。なお、燃料噴射弁13は、吸気ポート7内に燃料を噴射することができるように、シリンダヘッド3に取り付けてもよい。
吸気装置20は、吸気ポート7を介してシリンダ4内に空気を導くための装置であって、エアクリーナ21と、吸気管22と、吸気マニホールド23と、エアフローメータ211と、電子制御式のスロットル弁24と、スロットルアクチュエータ25と、スロットルセンサ212と、を備える。
エアクリーナ21は、空気中に含まれる砂などの異物を除去する。
吸気管22は、一端がエアクリーナ21に連結され、他端が吸気マニホールド23のサージタンク23aに連結される。吸気管22によって、エアクリーナ21を介して吸気管22内に流入してきた空気(吸気)が吸気マニホールド23のサージタンク23aに導かれる。
吸気マニホールド23は、サージタンク23aと、サージタンク23aから分岐してシリンダヘッド側面に形成されている各吸気ポート7の開口に連結される複数の吸気枝管23bと、を備える。サージタンク23aに導かれた空気は、吸気枝管23bを介して各シリンダ4内に均等に分配される。このように、吸気管22、吸気マニホールド23及び吸気ポート7が、各シリンダ4内に空気を導くための吸気通路を形成する。
エアフローメータ211は、吸気管22内に設けられる。エアフローメータ211は、吸気管22内を流れる空気の流量(以下「吸気量」という。)を検出する。本実施形態では、このエアフローメータ211によって検出された吸気量及び燃料噴射弁13から噴射された燃料量に基づいて、後述するPMフィルタ34に流入する排気の流量FEを推定している。
スロットル弁24は、エアフローメータ211よりも下流側の吸気管22内に設けられる。スロットル弁24は、スロットルアクチュエータ25によって駆動され、吸気管22の通路断面積を連続的又は段階的に変化させる。スロットルアクチュエータ25によってスロットル弁24の開度(以下「スロットル開度」という。)を調整することで、各シリンダ4内に吸入される吸気量が調整される。スロットル開度は、スロットルセンサ212によって検出される。
排気装置30は、燃焼室6内で生じた燃焼ガス(以下「排気」という。)を浄化して外気に排出するための装置であって、排気マニホールド31と、排気管32と、触媒装置33と、ウォールフロー型のPMフィルタ34と、凝集装置35と、排気温度センサ213と、差圧センサ214と、を備える。
排気マニホールド31は、シリンダヘッド側面に形成されている各排気ポート8の開口と連結される複数の排気枝管と、排気枝管を集合させて1本にまとめた集合管と、を備える。
排気管32は、一端が排気マニホールド31の集合管に連結され、他端が外気に開口している。各シリンダ4から排気ポート8を介して排気マニホールド31に排出された排気は、排気管32を流れて外気に排出される。
触媒装置33は、担体に排気浄化触媒を担持させたものであって、排気管32に設けられる。排気浄化触媒は、例えば酸化触媒(二元触媒)や三元触媒であり、これらに限らず内燃機関100の種類や用途に応じて適当な触媒を用いることができる。本実施形態では、排気浄化触媒として三元触媒を用いる。排気浄化触媒として三元触媒を用いた場合は、排気中の有害物質であるハイドロカーボン(HC)、一酸化炭素(CO)及び窒素酸化物(NOx)が触媒装置33によって浄化される。
PMフィルタ34は、触媒装置33よりも排気流れ方向下流側の排気管32に設けられ、排気中に含まれるPMを捕集する。PMフィルタ34は、内燃機関100がガソリンエンジンの場合には、GPF(Gasoline Particulate Filter)と称され、内燃機関100がディーゼルエンジンの場合には、DPF(Diesel Particulate Filter)と称されることがある。
図2A及び図2Bは、本実施形態によるPMフィルタ34の構造について説明する図である。図2AはPMフィルタ34の正面図であり、図2BはPMフィルタ34の側面断面図である。
図2A及び図2Bに示すように、PMフィルタ34はハニカム構造をしており、互いに平行に延びる複数個の排気流通路341,342と、排気流通路341,342を互いに隔てる隔壁343と、を備える。
排気流通路341,342は、上流端が開放されかつ下流端が下流栓345により閉塞された排気流入通路341と、上流端が上流栓344により閉塞されかつ下流端が開放された排気流出通路342と、により構成される。なお、図2Aにおいては、ハッチングを付した部分が上流栓344を示す。したがって、排気流入通路341及び排気流出通路342は薄肉の隔壁343を介して交互に配置される。言い換えると排気流入通路341及び排気流出通路342は各排気流入通路341が4つの排気流出通路342によって包囲され、各排気流出通路342が4つの排気流入通路341によって包囲されるように配置される。
隔壁343は多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、リン酸ジルコニウムのようなセラミックから形成される。したがって、図2Bに矢印で示すように、排気はまず排気流入通路341内に流入し、次いで周囲の隔壁343の内部の細孔を通って隣接する排気流出通路342内に流出する。このように隔壁343は排気流入通路341の内周面を構成する。
図1に戻り、凝集装置35は、電圧印可部351と、第1放電部352a及び第2放電部352bを有する帯電部352と、を備える。
電圧印可部351は、第1放電部352a及び第2放電部352bにそれぞれ電気的に接続されており、第1放電部352aに対しては正電圧を、第2放電部352bに対しては負電圧を印加できるように構成される。
帯電部352は、触媒装置33とPMフィルタ34との間の排気管32に設けられる。帯電部352の第1放電部352aは、その内部に配置された放電電極間に電圧印可部351を介して所定の正電圧が印可されたときに正コロナ放電を発生させ、第1放電部352aを通過する排気中のPMを正に帯電させることができるように構成される。帯電部352の第2放電部352bは、その内部に配置された放電電極間に電圧印可部351を介して所定の負電圧が印可されたときに負コロナ放電を発生させ、第2放電部352bを通過する排気中のPMを負に帯電させることができるように構成される。
このように構成された凝集装置35を駆動することで、帯電部352を通過した排気中に含まれる正に帯電したPMと負に帯電したPMとを静電作用(静電気力)によって凝集させることができる。その結果、PMフィルタ34に流入する排気中のPMの個数を減少させると共に、PMの粒子径を大きくすることができる。
排気温度センサ213は、PMフィルタ34の入口側近傍の排気管32に設けられて、PMフィルタ34に流入する排気の温度TEを検出する。本実施形態では、この排気温度センサ213によって検出された排気温度TEに基づいて、PMフィルタ34の温度(以下「フィルタ温度」という。)TFを推定している。しかしながら、フィルタ温度TFの推定は、このような方法に限られるものではなく、例えば機関運転状態に応じて推定するなど、公知の種々の手法の中から適宜選択して推定すればよいものであり、フィルタ温度TFの推定にあたって必ずしも排気温度センサ213が必要になるわけではない。
差圧センサ214は、PMフィルタ34に設けられて、PMフィルタ34の前後差圧(以下「フィルタ前後差圧」という。)PDを検出する。
電子制御ユニット200は、双方向性バスによって相互に接続された中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、入力ポート、及び出力ポートを備えたマイクロコンピュータである。
電子制御ユニット200には、前述したエアフローメータ211やスロットルセンサ212、排気温度センサ213、差圧センサ214の他にも機関本体1の負荷(機関負荷)に相当するアクセルペダル220の踏み込み量(以下「アクセル踏込量」という。)に比例した出力電圧を発生する負荷センサ221、機関回転速度などを算出するための信号として機関本体1のクランクシャフト(図示せず)が例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ222などの各種センサからの出力信号が入力される。
そして電子制御ユニット200は、入力された各種センサの出力信号等に基づいて、燃料噴射弁13やスロットル弁24などを制御して、内燃機関100を制御する。以下、電子制御ユニット200によって実施される内燃機関100の制御の一つであるPM帯電制御について説明する。
前述したように、PMフィルタ34のPM捕集率(PMフィルタ34に流入したPMのうち、PMフィルタ34によって捕集されるPMの割合)は、PMフィルタ34のPM堆積量に応じて変化し、基本的にPM堆積量が少ないときと比べて多いときの方が高くなる傾向にある。
特にPMフィルタ34のPM捕集率は、PMフィルタ34に捕集されたPMによって排気流入通路341の内周面が覆われて、排気流入通路341の内周面上にPMの層(以下「PMケーキ層」という。)が形成されると、高くなる傾向にある。これは、PMケーキ層が形成される前においては、隔壁343の内部の細孔を通過して(すなわちフィルタ34をすり抜けて)排気流入流通路341から排気流出通路342に流出していた粒子径の小さなPMが、PMケーキ層が形成された後においては、PMケーキ層で捕集されてPMケーキ層上に堆積するようになるためである。
またPMフィルタ34のPM捕集率は、このようなPMケーキ層とは別に、隔壁343の内部の細孔に或る程度のPMが堆積すると、高くなる傾向にある。これは、既に隔壁343の内部の細孔に或る程度のPMが堆積していれば、仮に粒子径の小さいPMが隔壁343の内部の細孔に侵入したとしても、既に隔壁343の内部の細孔に堆積しているPMによって粒子径の小さいPMを捕集することができるようになるためである。
したがって、PMケーキ層を早期に形成することができれば、PMフィルタ34のPM捕集率を早期に高めることができるので、排気エミッションを向上させることができる。また、隔壁343の内部の細孔に或る程度のPMを早期に堆積させることができれば、同様にPMフィルタ34のPM捕集率を早期に高めることができるので、排気エミッションを向上させることができる。
そこで本実施形態では、PMフィルタ34の状態が、PMフィルタ34のPM堆積量が一定量以下であってPMケーキ層が形成される前や隔壁343の内部の細孔に或る程度のPMが堆積する前のPM捕集率が低い低捕集状態であるときは、凝集装置35を駆動して排気中のPMの粒子径を大きくすることとした。これにより、PMの大径化によって隔壁343の内部の細孔を通過しにくくなったPMを、排気流入通路341の内周面に短時間で堆積させることができるので、PMケーキ層を早期に形成することができる。また、PMが隔壁343の内部の細孔に侵入したとしても、大径化されて細孔を通過しにくくなったPMを細孔に堆積させやすくすることができる。その結果、PMフィルタ34のPM捕集率を早期に高めることができるので、排気エミッションを向上させることができる。
そして、PMケーキ層が形成され、かつ隔壁343の内部の細孔に或る程度のPMが堆積した後は、PMケーキ層や隔壁343の内部において粒子径の小さいPMを捕集することができるようになるので、凝集装置35を停止することとした。このように、PMフィルタ34の状態が、低捕集状態からPMケーキ層が形成され、かつ隔壁343の内部の細孔に或る程度のPMが堆積した後のPM捕集率が高い高捕集状態に移行した後は、凝集装置35を停止することで、PMフィルタ34の状態を低捕集状態から高捕集状態に早期に移行させつつ、凝集装置35によって消費される電力量を抑制することができる。
図3は、この本実施形態によるPM帯電制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット200は、機関運転中に本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。なお、以下では、排気流入通路341の内周面上に堆積しているPMの量、すなわちPMケーキ層を形成しているPMの量のことを「ケーキ層堆積量Mc」といい、隔壁343の内部の細孔に堆積しているPMの量のことを「ウォール層堆積量Mw」ということとする。
ステップS1において、電子制御ユニット200は、本ルーチンとは別途に機関運転中に随時算出している、ケーキ層堆積量Mcと、ウォール層堆積量Mwと、を読み込む。ケーキ層堆積量Mc及びウォール層堆積量Mwは、隔壁343の内部に細孔に堆積しているPMが燃焼した際に、PMケーキ層のPMが隔壁343の内部の細孔に入り込むと考えて、例えば、下記の(1)式及び(2)式を用いて算出することができる。
Mc=Mc+dMc−Rc−ξ×Rw …(1)
Mw=Mw−Rw+ξ×Rw …(2)
Mc=Mc+dMc−Rc−ξ×Rw …(1)
Mw=Mw−Rw+ξ×Rw …(2)
(1)式において、dMcは、PMケーキ層に堆積する単位時間当たりのPMの量である。dMcは、例えば、予め実験等によって作成されたマップ等を参照して、機関運転状態(機関負荷及び機関回転速度)などに基づいて算出することができる。Rcは、PMケーキ層で燃焼した単位時間当たりのPMの量である。Rwは、隔壁343の内部で燃焼した単位時間当たりの単位時間当たりのPMの量である。Rc及びRwはそれぞれ、例えば、予め実験等によって作成されたマップ等を参照して、フィルタ温度TF及び吸気量などに基づいて算出することができる。ξは、PMケーキ層から隔壁343の内部の細孔へ移動するPMの割合を表す係数であって、予め実験等によって定められた定数である。
ステップS2において、電子制御ユニット200は、凝集装置駆動フラグFが0に設定されているか否かを判定する。凝集装置駆動フラグFは、凝集装置35の駆動中に1に設定されるフラグであって、初期値は0に設定されている。電子制御ユニット200は、凝集装置駆動フラグFが0に設定されていれば、ステップS3の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、凝集装置駆動フラグFが1に設定されていれば、ステップS7の処理に進む。
ステップS3及びステップS4において、電子制御ユニット200は、PMフィルタ34のPM堆積量が、凝集装置35の駆動を開始する開始判定堆積量以下であるか否かを判定し、PM堆積量が開始判定堆積量以下であれば、凝集装置35の駆動を開始すべくステップS4の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、PM堆積量が開始判定堆積量よりも多ければ、今回の処理を終了する。開始判定堆積量は、例えば、PMフィルタ34の再生処理の完了時、又は完了直前直後のPM堆積量に相当する値に設定することができる。
本実施形態ではステップS3において、電子制御ユニット200は、ケーキ層堆積量Mcが所定の閾値Mc1以下であるか否かを判定する。閾値Mc1は、予め実験等によって定められる定数であって、本実施形態ではPMフィルタ34の再生処理の完了時、又は完了直前直後のケーキ層堆積量Mcに相当する値とされる。なお、PMフィルタ34の再生処理とは、PMフィルタ34が目詰まりを起こす前に、排気温度を所定の再生目標温度(例えば650℃)まで昇温させて、捕集したPMを強制的に燃焼除去してPMフィルタ34を再生する処理のことである。再生処理は、例えば、フィルタ前後差圧PDが予め設定された所定の許容上限値以上になったときに実施される。電子制御ユニット200は、ケーキ層堆積量Mcが閾値Mc1以下であれば、ステップS4の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、ケーキ層堆積量Mcが閾値Mc1よりも大きければ、今回の処理を終了する。
またステップS4において、電子制御ユニット200は、ウォール層堆積量Mwが所定の閾値Mw1以下であるか否かを判定する。閾値Mw1は、予め実験等によって定められる定数であって、本実施形態ではPMフィルタ34の再生処理の完了時、又は完了直前直後のウォール層堆積量Mwに相当する値とされる。電子制御ユニット200は、ウォール層堆積量Mwが閾値Mw1以下であれば、ステップS5の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、ウォール層堆積量Mwが閾値Mw1よりも大きければ、今回の処理を終了する。
ステップS5において、電子制御ユニット200は、凝集装置35の駆動を開始する。
ステップS6において、電子制御ユニット200は、凝集装置駆動フラグFを1に設定する。
ステップS7及びステップS8において、電子制御ユニット200は、凝集装置35の駆動中にPMフィルタ34の状態が低捕集状態から高捕集状態に移行したか否か、すなわち、PMフィルタ34のPM堆積量が凝集装置35の駆動を停止する停止判定堆積量以上になったか否かを判定し、PM堆積量が停止判定堆積量以上になっていれば、凝集装置35を停止すべくステップS9の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、PM堆積量が停止判定堆積量未満であれば、今回の処理を終了する。
本実施形態ではステップS7において、電子制御ユニット200は、ケーキ層堆積量Mcが所定の閾値Mc2(>Mc1)以上であるか否かを判定する。閾値Mc2は、予め実験等によって定められる定数であって、排気流入通路341の内周面に、粒子径の小さいPMを捕集可能な程度のPMケーキ層が形成されているか否かを判定するための閾値である。
電子制御ユニット200は、ケーキ層堆積量Mcが閾値Mc2未満であれば、粒子径の小さいPMを捕集可能な程度のPMケーキ層が十分に形成されていないと判断して今回の処理を終了する。一方で電子制御ユニット200は、ケーキ層堆積量Mcが閾値Mc2以上であれば、粒子径の小さいPMを捕集可能な程度のPMケーキ層が形成されていると判断してステップS8の処理に進む。
そしてステップS8において、電子制御ユニット200は、ウォール層堆積量Mwが所定の閾値Mw2(>Mw1)以上であるか否かを判定する。閾値Mw2は、予め実験等によって定められる定数であって、仮に粒子径の小さいPMが隔壁343の内部の細孔に侵入したとしても、既に隔壁343の内部の細孔に堆積しているPMによって粒子径の小さいPMを捕集することができる否か、すなわち、粒子径の小さいPMを捕集可能な程度に隔壁343の内部の細孔にPMが堆積しているか否かを判定するための閾値である。
電子制御ユニット200は、ウォール層堆積量Mwが閾値Mw2以未満であれば、粒子径の小さいPMを捕集可能な程度に隔壁343の内部の細孔にPMが堆積していないと判断して今回の処理を終了する。一方で電子制御ユニット200は、ウォール層堆積量Mwが閾値Mw2以上であれば、粒子径の小さいPMを捕集可能な程度に隔壁343の内部の細孔にPMが堆積していると判断してステップS9の処理に進む。
ステップS9において、電子制御ユニット200は、凝集装置35を停止させる。
ステップS10において、電子制御ユニット200は、凝集装置駆動フラグFを0に戻す。
これにより、図4に示すように、再生処理完了時、又は完了直前直後のPMフィルタ34の状態が最も低捕集状態となっているときから凝集装置35の駆動を開始し、それによりPMの粒子径を大きくしてPMケーキ層を早期に形成することができる。また、PMの大径化に伴ってPMが細孔を通過しにくくなるので、PMを細孔に堆積させやすくすることができる。その結果、PMフィルタ34のPM捕集率を早期に高めて、排気エミッションを向上させることができる。
なお図3に示すフローチャートでは、ケーキ層堆積量Mcが閾値Mc2以上、かつウォール層堆積量Mwが閾値Mw2以上になったときに凝集装置35を停止するようにしていたが、これに限らず、例えば、ウォール層堆積量Mwにかかわらず、ケーキ層堆積量Mcが閾値Mc2以上になったときに凝集装置35を停止するようにしてもよい。また、例えば、ケーキ層堆積量Mcにかかわらず、ウォール層堆積量Mwが閾値Mw2以上になったときに凝集装置35を停止するようにしてもよい。さらに、例えば、ケーキ層堆積量Mcとウォール層堆積量Mwとの和が所定値以上になったときに、凝集装置35を停止するようにしてもよい。
また本実施形態では、凝集装置35を駆動して排気中のPMを帯電させる際において、第1放電部352a及び第2放電部352bに配置された放電電極間に印可する正電圧及び負電圧の大きさをそれぞれ一定としている。すなわち本実施形態では、帯電部352を通過した排気中のPMの帯電量がそれぞれ一定の帯電量となるように、凝集装置35を制御している。しかしながら、これに限らず、例えば、PMフィルタ34のPM堆積量(例えばケーキ層堆積量Mcとウォール層堆積量Mwの和)が増大するにつれて、徐々に各放電電極間に印可する電圧(の絶対値)を小さくしてPMの帯電量が小さくなるように、凝集装置35を制御するようにしてもよい。
以上説明した本実施形態による内燃機関100は、機関本体1と、機関本体1の排気通路に設けられて排気中のPMを捕集するPMフィルタ34(フィルタ)と、PMフィルタ34に流入する排気中のPMを帯電させて凝集させる凝集装置35と、を備える。この内燃機関100を制御する電子制御ユニット200(制御装置)は、PMフィルタ34に流入する排気中のPMの帯電量を制御するPM帯電制御部を備える。
そして、PM帯電制御部は、PMフィルタ34のPM堆積量が多いときは、少ないときと比べてPMの帯電量が小さくなるように、凝集装置35を制御するように構成されている。
これにより本実施形態によれば、PMフィルタ34のPM捕集率が低いPM堆積量が少ないときには、PMを帯電、凝集させてその粒子径を大きくすることができるので、PMがPMフィルタ34をすり抜けてしまうのを抑制しつつ、PMフィルタ34の表面に早期にPMケーキ層を形成してPMフィルタ34のPM捕集率を高めることができる。そして、PMフィルタ34のPM堆積量が増大してPM捕集率が高くなった後は、PMの帯電量を小さくすることで(本実施形態では帯電量をゼロとしている)、PMを帯電させるために必要な電力量を抑制することができる。したがって本実施形態によれば、PMを帯電させるための電力量を抑制しつつ、PMフィルタ34のPM捕集率を早期に高めることができる。
また本実施形態では、PM帯電制御部は、PMフィルタ34のPM堆積量が所定の開始判定堆積量(第1堆積量)以下であれば、PMの帯電量が所定の帯電量となるように凝集装置35の駆動を開始してPMを帯電させ、凝集装置35の駆動中にPMフィルタ34のPM堆積量が開始判定堆積量よりも大きい所定の停止判定堆積量(第2堆積量)以上になったときは、凝集装置35を停止してPMへの帯電を停止するように構成されている。
開始判定堆積量は、例えば、PMフィルタ34の再生の完了時、又は完了直前直後のPM堆積量に相当する値とすることができる。停止判定堆積量は、例えば、PMフィルタ34の表面にPMケーキ層(PMの層)が形成されたと判断できるPM堆積量とすることができる。
また停止判定堆積量は、例えば、PMフィルタ34を構成する隔壁343の内部の細孔にPMが侵入してきたときに、当該PMを細孔内で捕集することが可能と判断できるPM堆積量とすることもできる。さらに停止判定堆積量は、例えば、PMフィルタ34の表面にPMの層が形成されと判断でき、かつPMフィルタ34を構成する隔壁343の内部の細孔にPMが侵入してきたときに当該PMを細孔内で捕集することが可能と判断できるPM堆積量とすることもできる。
これにより、PMフィルタ34の再生処理の完了時、又は完了処理の直前直後のPMフィルタ34の状態が最も低捕集状態となっているときから凝集装置35の駆動を開始し、それによりPMの粒子径を大きくしてPMケーキ層を早期に形成することができると共に、PMが隔壁343の内部に侵入したとしても、PMの大径化に伴ってPMが細孔を通過しにくくなるので、PMを細孔に堆積させやすくすることができる。また、凝集装置35の駆動中にPMフィルタ34のPM堆積量が停止判定堆積量以上となってPMフィルタ34の状態が高捕集状態に移行した後は、凝集装置35が停止されるので、凝集装置35の駆動期間を最適化して電力消費量を抑制することができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、PM捕集率及びPM凝集力に応じてPMの帯電量を変化させる点で、第1実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、PM捕集率及びPM凝集力に応じてPMの帯電量を変化させる点で、第1実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
前述した第1実施形態では、凝集装置35を駆動して排気中のPMを帯電させる際において、第1放電部352a及び第2放電部352bに配置された放電電極間に印可する正電圧及び負電圧をそれぞれ一定としていた。したがって、前述した第1実施形態では、正に帯電したPMの帯電量Q1及び負に帯電したPMの帯電量Q2もそれぞれ一定であった。
PM凝集力(PMの凝集しやすさ)は、各帯電量Q1,Q2が大きくなるほど、静電気力が大きくなるので大きくなる。すなわち、各帯電力Q1,Q2を大きくするほど、PMが凝集しやすくなり、PMの大径化を図ることができるので、PMケーキ層を早期に形成することができる。しかしながら、各帯電量Q1,Q2を大きくするには、各放電電極に印可する電圧(正電圧及び負電圧)を高くする必要があるので、電力消費量が増大する。
一方、このPM凝集力は、各放電電極に印可する電圧値以外にも、機関運転状態に応じて変化し、より詳細には機関運転状態に応じて変化するPMフィルタ34に流入する排気の状態(以下「フィルタ流入排気状態」という。)に応じて変化する。
図5は、PM凝集力と、フィルタ流入排気状態(PM粒子径、排気温度、排気流量)と、の関係を示した図である。
図5に示すように、PM凝集力は、PM粒子径が大きいときと比べて、小さいときのほうが大きくなる傾向にある。またPM凝集力は、PMフィルタに流入する排気の温度TEが低いときと比べて、高いときのほうが大きくなる傾向にある。さらにPM凝集力は、PMフィルタに流入する排気の流量FEが多いときと比べて、少ないときのほうが大きくなる傾向にある。
したがって、このようなフィルタ流入排気状態から定まるPM凝集力が大きいときには、小さいときと比べてPMの各帯電量Q1,Q2を小さくしても、PM凝集力を維持してPM粒子径の大径化を図ることができるので、PMケーキ層を早期に形成させると共にPMを隔壁343の内部の細孔に堆積させやすくして、PMフィルタ34のPM捕集率を早期に高めることができる。
また前述したように、PMフィルタ34のPM捕集率は、PMケーキ層が形成されると高くなるが、これ以外にも、PM凝集力と同様に機関運転状態に応じて変化し、より詳細には機関運転状態に応じて変化するフィルタ流入排気状態に応じて変化する。
図6は、PM捕集率と、フィルタ流入排気状態と、の関係を示した図である。
図6に示すように、PM捕集率は、PMフィルタ34に流入する排気中のPM粒子径が小さいときと比べて、大きいときのほうが高くなる傾向にある。またPM捕集率は、PMフィルタ34に流入する排気の温度TEが高いときと比べて、低いときのほうが高くなる傾向にある。さらにPM捕集率は、PMフィルタ34に流入する排気の流量FEが多いときと比べて、少ないときのほうが高くなる傾向にある。
したがって、このようなフィルタ流入排気状態から定まるPM捕集率が高いときには、低いときと比べてPMの各帯電量Q1,Q2を小さくし、それによりPMの粒子径が小さくなったとしても、PM捕集率を維持することができる。
そこで本実施形態では、PM凝集力及びPM捕集率に基づいて、各放電電極に印可する電圧の大きさを変化させることとした。具体的には、PM凝集力が大きいときには、小さいときと比べて各放電電極に印可する電圧(の絶対値)が小さくなるように、また、PM捕集率が高いときには、低いときと比べて各放電電極に印可する電圧(の絶対値)が低くなるように、各放電電極に印可する目標電圧を設定することとした。
図7は、この本実施形態によるPM帯電制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット200は、機関運転中に本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。図7において、ステップS1からステップS10までの処理は、第1実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。
ステップS20において、電子制御ユニット200は、第1放電部352aに配置された放電電極間、及び第2放電部352bに配置された放電電極間に印可する目標電圧を算出するための目標電圧算出処理を実施する。目標電圧算出処理の詳細については、図8を参照して後述する。
ステップS21において、電子制御ユニット200は、第1放電部352aに配置された放電電極間、及び第2放電部352bに配置された放電電極間に印可される電圧が目標電圧となるように、凝集装置35を制御する。
図8は、目標電圧算出処理の詳細について説明するフローチャートである。
ステップS201において、電子制御ユニット200は、機関本体1から排出された排気中に含まれるPMの粒子径を算出する。本実施形態では電子制御ユニット200は、予め実験等によって作成されたマップを参照し、機関運転状態(機関負荷及び機関回転速度)に基づいてPM粒子径を算出する。また電子制御ユニット200は、排気温度センサ213によって検出された排気温度TEと、吸気量及び燃料噴射弁13から噴射された燃料量に基づいて推定された排気流量FEと、読み込む。
ステップS202において、電子制御ユニット200は、予め実験等によって作成されたマップを参照し、フィルタ流入排気状態(PM粒子径、排気温度TE、排気流量FE)に基づいて、PM凝集力及びPM捕集率を算出する。
ステップS203において、電子制御ユニット200は、予め実験等によって作成されたマップを参照し、PM凝集力とPM捕集率とに基づいて、第1放電部352aに配置された放電電極間、及び第2放電部352bに配置された放電電極間に印可する目標電圧を算出する。各放電電極間に印可される目標電圧の絶対値は、PM凝集力が大きいときには、小さいときと比べて低くなるように設定される。またPM捕集率が高いときには、低いときと比べて低くなるように設定される。
以上説明した本実施形態によるPM帯電制御部は、PMを帯電させた場合のPMの凝集力が高くなる機関運転状態のときには、PMの凝集力が低くなる機関運転状態のときと比べてPMの帯電量が小さくなるように、凝集装置35を制御するようにさらに構成されている。
これにより、PMを帯電させるための電力量を抑制しつつ、PM凝集力に関しては維持することができる。そのため、PMを帯電させるための電力量を一層抑制しつつ、PMフィルタ34のPM捕集率を早期に高めることができる。
また本実施形態によるPM帯電制御部は、PMフィルタ34のPM捕集率が高くなる機関運転状態のときは、PMフィルタ34のPM捕集率が低くなる機関運転状態のときと比べてPMの帯電量が小さくなるように、凝集装置35を制御するようにさらに構成されている。
これにより、PMを帯電させるための電力量を抑制しつつ、PM捕集率に関しては維持することができる。そのため、PMを帯電させるための電力量を一層抑制しつつ、PMフィルタ34のPM捕集率の低下を抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
例えば、前述した第1実施形態のPM帯電制御を、以下の図9に示す変形例のように構成してもよい。
図9は、前述した第1実施形態の変形例によるPM帯電制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット200は、機関運転中に本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。図9において、ステップS1の処理は、第1実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。
ステップS32及びステップS33において、電子制御ユニット200は、PMフィルタ34の状態が低捕集状態であるか否か(すなわちPM堆積量が停止判定堆積量未満か否か)を判定し、低捕集状態であればステップS34の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、PMフィルタ34の状態が高捕集状態であればステップS36の処理に進む。
この変形例ではステップS32において、電子制御ユニット200は、ケーキ層堆積量Mcが閾値Mc2未満であるか否かを判定する。電子制御ユニット200は、ケーキ層堆積量Mcが閾値Mc2未満であれば、粒子径の小さいPMを捕集可能な程度のPMケーキ層が十分に形成されていないと判断してステップS33の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、ケーキ層堆積量Mcが閾値Mc2以上であれば、粒子径の小さいPMを捕集可能な程度のPMケーキ層が形成されていると判断してステップS36の処理に進む。
そしてステップS33において、電子制御ユニット200は、ウォール層堆積量Mwが閾値Mw2未満であるか否かを判定する。電子制御ユニット200は、ウォール層堆積量Mwが閾値Mw2未満であれば、粒子径の小さいPMを捕集可能な程度に隔壁343の内部の細孔にPMが堆積していないと判断してステップS34の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、ウォール層堆積量Mwが閾値Mw2以上であれば、粒子径の小さいPMを捕集可能な程度に隔壁343の内部の細孔にPMが堆積していると判断してステップS36の処理に進む。
ステップS34において、電子制御ユニット200は、PMフィルタ34の再生処理中であるか否かを判定する。電子制御ユニット200は、PMフィルタ34の再生処理中でなければ、ステップS35の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、PMフィルタ34の再生処理中であれば、PMフィルタ34に流入した排気中のPMについても、基本的にPMフィルタ34内で燃焼除去することが可能であり、あえてPM粒子径を大径化する必要がないので、ステップS36の処理に進む。
ステップS35において、電子制御ユニット200は、凝集装置35が停止されていた場合は凝集装置35の駆動を開始し、凝集装置35が駆動されていた場合はそのまま駆動状態を継続させる。
ステップS36において、電子制御ユニット200は、凝集装置35が駆動されていた場合には凝集装置35を停止させ、凝集装置35を停止させていた場合にはそのまま停止状態とする。
このように、この変形例によるPM帯電制御部は、PMフィルタ34のPM堆積量が停止判定堆積量(所定堆積量)未満のときには、PMの帯電量が所定の帯電量となるように凝集装置35を駆動してPMを帯電させ、PMフィルタ34のPM堆積量が停止判定堆積量以上のときには、凝集装置35を停止してPMへの帯電を停止するように構成されている。またPM帯電制御部は、PMフィルタ34の再生中は凝集装置35を停止してPMへの帯電を停止するようにさらに構成されている。
したがって、この変形例によるPM帯電制御によれば、PMフィルタ34の再生処理前後の所定期間(PMフィルタ34の状態が低捕集状態となっている期間であり、換言すれば、PM堆積量が停止判定堆積量未満となっている期間)にPMへの帯電が行われる。このようにしても、第1実施形態と同様に、再生処理前後のPMフィルタ34が低捕集状態となっているPM堆積量が一定以下のときに、PMの粒子径を大きくしてPMケーキ層を早期に形成することができる。また、PMが隔壁343の内部に侵入したとしても、PMの大径化に伴ってPMが細孔を通過しにくくなるので、PMを細孔に堆積させやすくすることができる。その結果、PMフィルタ34のPM捕集率を早期に高めて、排気エミッションを向上させることができる。
1 機関本体
34 PMフィルタ(フィルタ)
35 凝集装置
100 内燃機関
200 電子制御ユニット(制御装置)
34 PMフィルタ(フィルタ)
35 凝集装置
100 内燃機関
200 電子制御ユニット(制御装置)
Claims (10)
- 機関本体と、
前記機関本体の排気通路に設けられて排気中のPMを捕集するフィルタと、
前記フィルタに流入する排気中のPMを帯電させて凝集させる凝集装置と、
を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置であって、
前記フィルタに流入する排気中のPMの帯電量を制御するPM帯電制御部を備え、
前記PM帯電制御部は、
前記フィルタのPM堆積量が多いときは、少ないときと比べてPMの帯電量が小さくなるように、前記凝集装置を制御する、
内燃機関の制御装置。 - 前記PM帯電制御部は、
前記フィルタのPM堆積量が所定の第1堆積量以下であれば、PMの帯電量が所定の帯電量となるように前記凝集装置の駆動を開始してPMを帯電させ、前記凝集装置の駆動中に前記フィルタのPM堆積量が前記第1堆積量よりも大きい所定の第2堆積量以上になったときは、前記凝集装置を停止してPMへの帯電を停止するように構成される、
請求項1に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記フィルタに堆積したPMを燃焼除去して前記フィルタを再生させる再生制御部をさらに備え
前記第1堆積量は、前記フィルタの再生の完了時、又は完了直前直後のPM堆積量に相当する値である、
請求項2に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記第2堆積量は、前記フィルタの表面にPMの層が形成されたと判断できるPM堆積量である、
請求項2又は請求項3に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記第2堆積量は、前記フィルタを構成する隔壁の内部の細孔にPMが侵入してきたときに、当該PMを前記細孔内で捕集することが可能と判断できるPM堆積量である
請求項2又は請求項3に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記第2堆積量は、前記フィルタの表面にPMの層が形成されたと判断でき、かつ前記フィルタを構成する隔壁の内部の細孔にPMが侵入してきたときに当該PMを前記細孔内で捕集することが可能と判断できるPM堆積量である、
請求項2又は請求項3に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記PM帯電制御部は、
PMを帯電させた場合のPMの凝集力が高くなる機関運転状態のときは、PMの凝集力が低くなる機関運転状態のときと比べてPMの帯電量が小さくなるように、前記凝集装置を制御するようにさらに構成される、
請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記PM帯電制御部は、
前記フィルタのPM捕集率が高くなる機関運転状態のときは、前記フィルタのPM捕集率が低くなる機関運転状態のときと比べてPMの帯電量が小さくなるように、前記凝集装置を制御するようにさらに構成される、
請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記PM帯電制御部は、
前記フィルタのPM堆積量が所定堆積量未満のときには、PMの帯電量が所定の帯電量となるように前記凝集装置を駆動してPMを帯電させ、前記フィルタのPM堆積量が前記所定堆積量以上のときには、前記凝集装置を停止してPMへの帯電を停止するように構成される、
請求項1に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記フィルタに堆積したPMを燃焼除去して前記フィルタを再生させる再生制御部をさらに備え、
前記PM帯電制御部は、
前記フィルタの再生中は、前記凝集装置を停止してPMへの帯電を停止するようにさらに構成される、
請求項9に記載の内燃機関の制御装置。
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