JP3598961B2

JP3598961B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Info

Publication number: JP3598961B2
Application number: JP2000291472A
Authority: JP
Inventors: 元久上條; 弘赤間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: JP2002097930A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特にディーゼル機関において問題となる排気微粒子（パティキュレート）を捕集して除去する内燃機関の排気浄化装置に関し、より詳しくは、捕集された微粒子を機関の運転中に連続的に燃焼除去するとともに、残存する微粒子捕集量を逐次正確に把握するようにして、必要な場合には適切な時期に強制的な再生を行うようにした排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼル機関において、排気ガス中に含まれる排気微粒子の処理が大きな問題となっている。この排気微粒子の大部分は、カーボンと可溶性有機物質（ＳＯＦ）の合成物であり、その大きさは、通常、数μｍ〜数十μｍ程度のものである。この排気微粒子の大気中への放出を防止するためには、排気通路に、排気微粒子を捕集するフィルタ、いわゆるディーゼルパティキュレートフィルタを設けることが有効であるが、この種のフィルタは、排気微粒子の捕集に伴って、いわゆる目詰まりを生じることから、何らかの手段で捕集された排気微粒子を除去してフィルタを再生する必要があり、この再生をいかに行うかが大きな技術課題となっている。
【０００３】
フィルタで捕集された微粒子は、酸素の存在下で約６００℃以上に加熱されると、酸素と反応して容易に燃焼焼却できるが、排気ガスの熱のみでは一般に温度が不十分であり、微粒子を完全に燃焼させることは困難である。
【０００４】
そのため、強制的な加熱手段を用いてフィルタを再生させる方法が多く提案されており、例えば、実開平１−１４４４２７号公報には、フィルタを２つに区画するとともに、それぞれの前面に電気ヒータを配し、所定量の排気微粒子が捕集された段階で、各区画毎に電気ヒータに通電して加熱するとともに、この再生中の区画に流れる排気量を少量に制限するようにした構成が開示されている。
【０００５】
また、特開平６−１２３２１６号公報には、ディーゼルパティキュレートフィルタの圧力損失を圧力センサによって検出し、そのときの機関回転数と前回の強制再生時からの通算運転時間とを考慮して、異常な目詰まりやフィルタ素子の破損などを検出するようにした異常検出装置が開示されている。
【０００６】
また、特開平１１−１３４５５号公報には、エンジン運転状態に応じて微粒子発生量を高精度に検出し、単位時間当たりの微粒子発生量を積算することによって、フィルタの捕集量を推定し、これが所定値に達した段階で加熱手段を作動させてフィルタの再生を行うようにしたディーゼルパティキュレートフィルタ装置が開示されている。
【０００７】
一方、特許第３０１２２４９号公報には、より低温の排気温度の下で、ディーゼルパティキュレートフィルタに捕集された微粒子の燃焼が行われるようにしたフィルタ再生方法が開示されている。これは、排ガス中のＮＯとＯ２とから触媒作用によって二酸化窒素ＮＯ２を生成し、この酸化力の強いＮＯ２をフィルタ上の排気微粒子に作用させることで、微粒子を燃焼させるようにしたものであって、これにより、例えば２５０℃〜４００℃程度の排気温度の下で燃焼が可能となる。従って、運転中に、連続的に再生がなされることになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼルパティキュレートフィルタを何らかの手段で強制的に再生するに際しては、フィルタにおける微粒子の捕集量、つまりフィルタに堆積している微粒子の量を精度良く検出することが重要である。一般に、微粒子捕集量が所定レベルに達した時点で電気ヒータによる加熱等の再生促進を開始するのであるが、実際に所定レベルに達する前に、当該レベルに達したと判断してしまうと、加熱手段によるフィルタの加熱回数が不必要に増加し、加熱手段に必要な電力等のエネルギの消費が増加するとともに、過度の加熱の繰り返しによってフィルタの耐久性が低下する。また、逆に、フィルタの微粒子捕集量が所定レベルに達した後に、遅れて当該レベルに達したと判断するようなことがあると、フィルタが目詰まり状態となって排気圧力損失が増加し、燃費が悪化する。
【０００９】
上記特開平６−１２３２１６号公報や特開昭６０−８５２１４号公報に示された構成では、車両の走行に伴って機関回転数や負荷が刻々と変動し、また、排気ガス流量の変化によりフィルタに作用する圧力も変動するため、微粒子捕集量の高精度な検出は到底不可能である。
【００１０】
また上記特開平１１−１３４５５号公報のように、微粒子の排出量に着目した方法では、上記特許第３０１２２４９号公報に開示されているように、フィルタに捕集された微粒子が運転中に連続的に燃焼するようにした、いわゆる連続燃焼方式のものにおいては、微粒子の連続的な燃焼除去量が反映されず、微粒子捕集量を精度よく把握することはできない。
【００１１】
この発明は、いわゆる連続燃焼方式のものにおいても、フィルタに残存する微粒子捕集量を正確に把握し得るようにし、必要な場合には適切な時期に強制的な再生を行うようにすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る内燃機関の排気浄化装置は、
機関の排気通路に配設され、流入する排気ガス中の微粒子を捕集するとともに、捕集された微粒子が燃焼により除去される微粒子捕集手段と、
上記微粒子捕集手段に流入する排気ガスの状態を制御して微粒子捕集手段の再生を促進する複数種類の再生手段と、
この複数種類の再生手段の中から一つあるいは複数組み合わせて再生を実行する再生制御手段と、
上記微粒子捕集手段に捕集された微粒子の燃焼特性を示す燃焼速度定数に基づいて、上記微粒子捕集手段に存在する微粒子捕集量を推定する微粒子捕集量推定手段と、
を備え、
上記燃焼速度定数は、上記再生手段の一つあるいは組み合わせからなる各再生条件毎に設定されており、
上記微粒子捕集量推定手段は、再生実行前に、各再生条件に対応する複数の燃焼速度定数に基づいて、上記微粒子捕集量を各再生条件毎に推定し、
上記再生制御手段は、この推定された複数の微粒子捕集量に基づき最適な再生条件を選択することを特徴としている。
【００１４】
請求項８の発明では、上記微粒子捕集量推定手段は、微粒子が燃焼する間に新たに捕集される微粒子の量を示す微粒子生成量をさらに考慮して、上記微粒子捕集手段に存在する微粒子捕集量を推定することを特徴としている。
そして、請求項９の発明では、上記微粒子生成量は、上記再生手段の一つあるいは組み合わせからなる各再生条件毎に設定されている。
【００１８】
請求項６の発明は、上記燃焼速度定数が、機関回転数と負荷とに対応して設定されることを特徴としている。
【００１９】
請求項１０の発明は、上記微粒子生成量が、機関回転数と負荷とに対応して設定されることを特徴としている。
【００２３】
請求項２の発明では、上記再生手段の一つは、上記微粒子捕集手段の再生時に、上記微粒子捕集手段に流入する排気ガスを加熱する手段である。
【００２４】
請求項３の発明では、上記再生手段の一つは、上記微粒子捕集手段の再生時に、機関の吸入空気量を減少させる手段である。
【００２５】
請求項４の発明では、上記再生手段の一つは、上記微粒子捕集手段の再生時に、燃料の主噴射の後に一定量の燃料を噴射する手段である。
【００２６】
請求項５の発明では、上記再生手段の一つは、排気ガスを排気通路から吸気通路に還流する手段である。
【００２７】
また請求項７の発明においては、上記微粒子捕集手段の上流側に、流入する排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ２を生成する酸化触媒手段をさらに備えている。
【００２８】
本発明において最も注目すべき点は、微粒子の燃焼除去量を、実験により予め設定される燃焼速度定数を用いて把握する点である。
【００２９】
図１は、予め実機内燃機関でカーボンＣと可溶性有機物質ＳＯＦ微粒子を付着させたパティキュレートフィルタを、モデルガス評価装置を用いて、雰囲気温度３００℃一定の条件で、一定混合ガス（ＮＯ２＋Ｎ２）雰囲気下に曝した場合の微粒子の燃焼特性を示している。なお、本発明はＮＯ２を用いた連続燃焼による再生に限定されるものではなく、種々の再生方法を適用できることは言うまでもない。
【００３０】
この図１は、縦軸がＣＯとＣＯ２の生成量であり、ＮＯ２を構成する酸素による微粒子の燃焼量が、時間の経過に伴って減少する挙動を表している。
【００３１】
ここで、微粒子燃焼量の減少は直線的な変化とならず、燃焼開始直後における単位時間当たりの微粒子燃焼量に比べ、時間が経過した後の単位時間当たりの微粒子燃焼量の方が、少なくなる傾向がある。
【００３２】
これは、単位時間当たりの微粒子燃焼量が、フィルタ上の微粒子量（微粒子捕集量）と比例関係にあることに起因しており（後述する式１の右辺参照）、燃焼に伴って微粒子捕集量が減少していくと、単位時間当たりの微粒子燃焼量が減少するため、結果として、単位時間当たりの微粒子燃焼量が徐々に変化することになる。
【００３３】
このことは、実機機関において、連続燃焼による微粒子燃焼量が、同じ運転条件であっても、微粒子捕集量によって異なることを示しており、この点が、連続燃焼時に微粒子捕集量の把握を困難にする理由である。
【００３４】
この問題を解決するために、フィルタに捕集された微粒子の燃焼特性を示す燃焼モデルを立てたので、以下、これを説明する。
【００３５】
時刻ｔにおける微粒子捕集量をＤ（ｔ）とし、フィルタに捕集された微粒子が単位時間内に燃焼する確率をＲとすると、単位時間当たりの微粒子燃焼量は、これらを乗じて、Ｒ・Ｄ（ｔ）となる。本実験の場合、雰囲気条件が一定のため、上記の燃焼確率Ｒは一定値である。
【００３６】
一方、フィルタに捕集された微粒子の単位時間当たりの変化量、すなわち、微粒子捕集量Ｄ（ｔ）の変化速度は、ｄＤ（ｔ）／ｄｔと記述できる。
【００３７】
微粒子捕集量Ｄ（ｔ）の変化は、燃焼による減少であるため、上記の単位時間当たりの微粒子燃焼量と、微粒子の単位時間当たりの変化量との関係は、次の微分方程式で示される。
【００３８】
ｄＤ（ｔ）／ｄｔ＝−Ｒ・Ｄ（ｔ） …（１）
この微分方程式を解くと、
Ｄ（ｔ）＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｒ・ｔ） …（２）
となる。この式２に、ｔ＝０を代入すると、
Ｄ（ｔ＝０）＝Ｄ０＝Ａ・ｅｘｐ（０）＝Ａ …（３）
となって、Ａが、ｔ＝０の時の微粒子捕集量Ｄ、つまり初期微粒子捕集量Ｄ０として得られる。従って、式２および式３から、次のように燃焼モデルが導出される。
【００３９】
Ｄ（ｔ）＝Ｄ０・ｅｘｐ（−Ｒ・ｔ） …（４）
ここで、上記のＲを、燃焼速度定数と呼ぶこととする。
【００４０】
以上の知見は、フィルタに捕集された微粒子の燃焼特性は、雰囲気が一定の場合、初期微粒子捕集量と燃焼速度定数とが判れば一義的に定まり、式４より、任意の時間の微粒子捕集量を予測できることを示している。
【００４１】
次に、実際の実験結果から燃焼速度定数Ｒを求める。まず、実験で観察された曲線をＧ（ｔ）とすると、これは燃焼した微粒子が気体になったときの濃度であり、微粒子燃焼量はＲ・Ｄ（ｔ）であるから、次の式５が得られる。
【００４２】

ここで、Ｎは、実験条件（ガス流量）毎に定まる、気体濃度への変換係数である。
【００４３】
実際の実験で得られた曲線を、そのまま式５の形に近似すると、
Ｇ（ｔ）＝４０８．５３７５・ｅｘｐ（−０．０００１３７ｔ） …（６）
となり、Ｒ＝０．０００１３７、Ｇ０＝４０８．５３７５であった。
【００４４】
なお、相関係数は０．９９８５と高く、このことは、モデルに対する誤差要因（例えば、微粒子捕集量Ｄ（ｔ）が変化するとＲが変化する現象など）がほとんど存在しないことを示している。
【００４５】
ところで、上記の式４は、連続燃焼による微粒子の減少のみを考慮したものであり、この式４により、フィルタに微粒子が新たに流入しないものと仮定した場合の微粒子捕集量を算出することができる。しかし、実機では、フィルタに捕集された微粒子の燃焼中もフィルタに微粒子が継続して流入するので、これを考慮する必要がある。単位時間当たりにフィルタに流入する微粒子量、すなわち、内燃機関の微粒子生成量をＢとすると、前述した式１は、次式７のようになる。
【００４６】
ｄＤ（ｔ）／ｄｔ＝Ｂ−Ｒ・Ｄ（ｔ） …（７）
この式７の微分方程式を解くと、ある時刻ｔの微粒子捕集量Ｄ（ｔ）は次式８で表される。
【００４７】
Ｄ（ｔ）＝（Ｄ０−Ｂ／Ｒ）・ｅｘｐ（−Ｒ・ｔ）＋Ｂ／Ｒ …（８）
従って、この式８によって、新たな微粒子の流入をも考慮したものとして、微粒子捕集量を高精度に推定することができる。
【００４８】
また、他の方法として、燃焼中のフィルタに微粒子が継続的に流入する場合の微粒子捕集量を、近似式を用いて算出することも可能である。
【００４９】
すなわち、単位時間後の微粒子捕集量を算出する場合、微粒子量を推定する際の時間軸における単位時間は微少として扱うことができるため、その間に流入する単位時間当たりの微粒子量Ｂを、予め初期微粒子捕集量Ｄ０に加えておき、式４を次式９のような近似式とすれば、次式により燃焼および流入の双方を考慮した微粒子捕集量の推定が可能である。
【００５０】
Ｄ（ｔ）＝（Ｄ０＋Ｂ）・ｅｘｐ（−Ｒ） …（９）
なお、実際のエンジンコントロールユニットにおける推定の際の計算間隔を例えば１秒程度とすると、式８と式９による結果はほぼ等しくなる。また、一般に、式９の方が計算量が少なく、エンジンコントロールユニットにおける計算の負荷は小さなものとなる。
【００５１】
次に、燃焼速度定数Ｒと燃焼時の雰囲気との関係について説明する。
【００５２】
燃焼速度定数Ｒの物理的意味は、上述したように、微粒子の燃焼確率であるから、燃焼時の雰囲気が変われば燃焼確率が変化し、燃焼速度定数Ｒも変化する。燃焼速度定数Ｒが大きくなるほど、同じ微粒子捕集量で比較した場合の燃焼速度は速いと言える。
【００５３】
図２〜５は、種々の雰囲気条件と燃焼速度定数Ｒとの関係を示す。
【００５４】
図２は、雰囲気温度との関係を示しており、燃焼速度定数Ｒは温度が高いほど大きくなる。なお、この図から、ＮＯ２を構成する酸素による微粒子燃焼は２００℃付近から、Ｏ２による微粒子燃焼は４００℃付近から始まることが判る。また、Ｏ２による燃焼の方が傾きが急な理由は、今回の実験では、Ｏ２濃度がＮＯ２濃度の５００倍であることによる。
【００５５】
図３は、ＮＯ２濃度との関係を示しており、燃焼速度定数ＲはＮＯ２濃度が高いほど大きくなる。
【００５６】
図４は、Ｏ２濃度との関係を示しており、燃焼速度定数ＲはＯ２濃度が高いほど大きくなる。
【００５７】
図５は、フィルタの空間速度ＳＶとの関係を示しており、燃焼速度定数Ｒは空間速度ＳＶが高いほど大きくなる。
【００５８】
実機においては、上述した雰囲気条件および微粒子の質は、フィルタの強制的な再生促進のための制御によって、種々組み合わさった形で変化するが、これらの関係をまとめると以下のようになる。つまり、再生制御に伴う右側のパラメータによって左側のパラメータが影響を受ける。そして、この左側のパラメータの変化に対し、上述した傾向に従って燃焼速度定数Ｒが変化する。
【００５９】
▲１▼温度：ポスト噴射量、通電昇温、吸気絞り
▲２▼ＮＯ２量：ＥＧＲ量、温度（＝▲１▼）
▲３▼Ｏ２量：ＥＧＲ量
▲４▼排気流量：吸気絞り
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃焼モデルから定まる燃焼速度定数に基づいて微粒子捕集手段の微粒子捕集量を精度良く推定することができ、特に、再生を促進する手段に応じて予め燃焼速度定数を設定しておくことで、再生実行前に、再生に伴う微粒子捕集量の変化を一層正確に推定することが可能となり、最適な再生条件を選択することができる。
【００６１】
特に、請求項８の発明によれば、再生中に新たに流入する微粒子流入量をも考慮した形で微粒子捕集量を精度良く推定することができる。
【００６３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施例を説明する。
【００６４】
図６は、この発明に係る排気浄化装置を備えたディーゼル機関の一実施例を示す構成説明図であって、機関本体１に接続された排気通路２に、カーボンＣと可溶性有機物質ＳＯＦを主成分とする排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタ３が介装されているとともに、該フィルタ３の上流側に、酸化触媒４が配置されている。この酸化触媒４は、排気中のＮＯをＮＯ２に変換する作用を果たし、このＮＯ２がフィルタ３上に捕集された微粒子に接触することで、より低温から微粒子の連続的な燃焼が可能となっている。また、吸気通路５には、吸気流量ひいては排気流量を抑制するために吸気絞弁６が介装されている。そして、排気還流装置として、排気通路２から吸気通路５へと排気還流通路７が設けられ、かつ排気還流率を可変制御する排気還流制御弁８が介装されている。
【００６５】
また、このディーゼル機関は、いわゆるコモンレール式の燃料噴射装置９を備えている。すなわち、燃料タンク１０内の燃料が高圧に加圧された状態でコモンレール１１に蓄えられ、燃料噴射ノズル１２から噴射される。
【００６６】
さらに、上記フィルタ３には、その温度を高めるために、電気ヒータ１８が適宜位置に設けられている。
【００６７】
上記の燃料噴射ノズル１２、排気還流制御弁８、吸気絞弁６、添加剤制御弁１４、電気ヒータ１８は、いずれも再生手段として、エンジンコントロールユニット１５によって適宜に制御される。このエンジンコントロールユニット１５には、機関運転条件を示す回転数センサ１６やアクセル開度センサ１７等からの種々の検出信号が入力されており、これに基づいて、後述するように、パティキュレートフィルタ３における微粒子捕集量の推定ならびに再生制御が行われる。
【００６８】
図７は、機関運転条件、具体的には、機関回転数と燃料流量とに対応する微粒子生成量（単位時間当たりの生成量）Ｂを予め実験等により求めて割り付けた数値グラフ、図８は、同じく、機関回転数と燃料流量とに対応する燃焼速度定数Ｒを予め実験等により求めて割り付けた数値グラフである。
【００６９】
次に、この実施例の排気浄化装置における連続再生制御について説明する。
【００７０】
図９は、エンジンコントロールユニット１５において、微粒子捕集量を推定するルーチンを示すフローチャートである。なお、このルーチンは、エンジンコントロールユニット１５において、１秒間隔で繰り返し実行される。
【００７１】
先ず初めに、ステップ１において、各センサ信号の読み取りが行われる。なお、そのときの機関回転数を添字ａで、アクセル開度を添字ｂで示す。次に、ステップ２で、現在の機関運転状態に対応した微粒子生成量Ｂａｂと燃焼速度定数Ｒａｂとを、図７および図８の特性のマップから求める。
【００７２】
そして、ステップ３で、これらの微粒子生成量Ｂａｂと燃焼速度定数Ｒａｂとを用い、前述した式９に基づいて、微粒子捕集量Ｄ０を推定する。なお、ステップ３では、機関から排出される微粒子の全てがパティキュレートフィルタ３に捕集されるものとみなしているが、実際に捕集される割合は、生成量の９０％程度なので、より精度を高めるためには、マップから求めた生成量Ｂａｂの値に捕集率ηｐｍを乗じて捕集率修正後の生成量Ｂａｂを算出し、これから微粒子捕集量Ｄ０を演算することが望ましい。あるいは、図７のマップに予め設定される生成量Ｂａｂの値を、捕集率を考慮した値としておくようにしてもよい。
【００７３】
ステップ４では、ステップ３で計算した微粒子捕集量Ｄ０が、所定の上限値Ｄｌｍｔよりも低いか判断する。この上限値Ｄｌｍｔは、フィルタ３の目詰まりによる機関運転への悪影響が顕著になるレベルに設定される。ここで、Ｙｅｓであれば、この微粒子捕集量推定ルーチンが繰り返される。一方、上限値Ｄｌｍｔを越えている場合には、より微粒子が燃焼除去され易い制御を選択する図２０のルーチンに進む。
【００７４】
図２０のルーチンは、やはり、エンジンコントロールユニット１５において１秒毎に繰り返し実行される。
【００７５】
まず、ステップ１１で各センサ信号を読み取る。次に、ステップ１２において、複数の再生条件毎に設定される燃焼速度定数Ｒおよび微粒子生成量Ｂを用いて、いくつかの再生手段を適用した場合の微粒子捕集量Ｚｘをそれぞれ算出する。すなわち、図１０は、排気還流を行った条件下での機関回転数と燃料流量とに対応する微粒子生成量ＢＥを予め実験等により求めて割り付けた数値グラフ、図１１は、同じく、排気還流を行った条件下での機関回転数と燃料流量とに対応する燃焼速度定数ＲＥを予め実験等により求めて割り付けた数値グラフである。同様に、図１２および図１３は、排気還流とポスト噴射（燃焼行程後期での付加的な燃料噴射）を行った条件下での微粒子生成量ＢＥＰおよび燃焼速度定数ＲＥＰの数値グラフ、図１４および図１５は、排気還流とポスト噴射と吸気絞りとを行った条件下での微粒子生成量ＢＥＰＩおよび燃焼速度定数ＲＥＰＩの数値グラフ、図１６および図１７は、排気還流と吸気絞りとを行った条件下での微粒子生成量ＢＥＩおよび燃焼速度定数ＲＥＩの数値グラフ、図１８および図１９は、排気還流を行うとともに電気ヒータ１８への通電による昇温を行った条件下での微粒子生成量ＢＥＫおよび燃焼速度定数ＲＥＫの数値グラフ、である。つまり、微粒子生成量Ｂおよび燃焼速度定数Ｒの添え字Ｅ，Ｐ，Ｉ，Ｋ，Ｌは、それぞれ、Ｅ：ＥＧＲ、Ｐ：ポスト噴射、Ｉ：吸気絞り、Ｋ：通電昇温、を表している。
【００７６】
ステップ１２では、これらの微粒子生成量Ｂおよび燃焼速度定数Ｒを用いて、前述の式９に基づき、それぞれの再生条件での微粒子捕集量Ｚｘを推定するのである。なお、上記の再生手段の組み合わせは例示に過ぎず、これ以外の再生手段の組み合わせ、あるいは各再生手段単独での利用も可能である。
【００７７】
上記のようにステップ１２で複数の微粒子捕集量Ｚｘを求めた後に、ステップ１３で、最小のものを選択する。この微粒子捕集量Ｚｘが最小となる再生条件（再生手段の組み合わせ）が、そのときの運転条件においては、最も高い効率でフィルタ３の再生を行える再生条件となる。従って、図示せぬ他のルーチンによって、選択された再生手段、例えば電気ヒータ１８への通電等が実行される。
【００７８】
図２１のフローチャートは、この強制的な再生手段の実行中に行われる微粒子捕集量Ｚｘの推定ルーチンを示している。なお、このルーチンは、エンジンコントロールユニット１５において、１秒間隔で繰り返し実行される。
【００７９】
先ず初めに、ステップ２１において、各センサ信号の読み取りが行われる。次に、ステップ２２で、現在の機関運転状態に対応した微粒子生成量ＢＸａｂと燃焼速度定数ＲＸａｂとを、図１０〜図１９の中の対応するマップから求める。これは、勿論、上記ステップ１３で最適なものとして選択された再生条件、つまり、実行されている再生手段に対応するマップの値である。
【００８０】
そして、ステップ２３で、これらの微粒子生成量ＢＸａｂと燃焼速度定数ＲＸａｂとを用い、前述した式９に基づいて、微粒子捕集量Ｄ０を推定する。フィルタ３の捕集率ηｐｍを考慮した方が望ましいのは、前述した場合と同様である。
【００８１】
ステップ２４では、ステップ２３で計算した微粒子捕集量Ｄ０が、所定の上限値Ｄｌｍｔの３０％の値よりも低くなったか判断する。この値は、フィルタ３の再生が十分行われたとみなしうるレベルに相当する。ここで、ＮＯであれば、電気ヒータ１８の通電等の再生手段を継続しつつ、この微粒子捕集量推定ルーチンが繰り返される。一方、Ｄｌｍｔ・０．３の値よりも低くなった場合には、図９に示した通常の連続燃焼における微粒子捕集量推定ルーチンに戻る。そして、この場合、図示せぬ他のルーチンによって、実行中の再生手段、例えば電気ヒータ１８への通電等が停止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】微粒子を付着させたパティキュレートフィルタにおける微粒子燃焼挙動を示す特性図。
【図２】雰囲気温度と燃焼速度定数Ｒとの関係を示す特性図。
【図３】ＮＯ２濃度と燃焼速度定数Ｒとの関係を示す特性図。
【図４】Ｏ２濃度と燃焼速度定数Ｒとの関係を示す特性図。
【図５】対フィルタ容積ＳＶと燃焼速度定数Ｒとの関係との関係を示す特性図。
【図６】この発明に係る排気浄化装置を備えたディーゼル機関の構成説明図。
【図７】機関回転数と燃料流量とに対応する微粒子生成量Ｂの数値グラフ。
【図８】機関回転数と燃料流量とに対応する燃焼速度定数Ｒの数値グラフ。
【図９】連続燃焼中に微粒子捕集量を推定するルーチンを示すフローチャート。
【図１０】排気還流を行った条件下での機関回転数と燃料流量とに対応する微粒子生成量ＢＥの数値グラフ。
【図１１】排気還流を行った条件下での機関回転数と燃料流量とに対応する燃焼速度定数ＲＥの数値グラフ。
【図１２】排気還流とポスト噴射を行った条件下での微粒子生成量ＢＥＰの数値グラフ。
【図１３】排気還流とポスト噴射を行った条件下での燃焼速度定数ＲＥＰの数値グラフ。
【図１４】排気還流とポスト噴射と吸気絞りとを行った条件下での微粒子生成量ＢＥＰＩの数値グラフ。
【図１５】排気還流とポスト噴射と吸気絞りとを行った条件下での燃焼速度定数ＲＥＰＩの数値グラフ。
【図１６】排気還流を行うとともに吸気絞りを行った条件下での微粒子生成量ＢＥＩの数値グラフ。
【図１７】排気還流を行うとともに吸気絞りを行った条件下での燃焼速度定数ＲＥＩの数値グラフ。
【図１８】排気還流を行うとともに電気ヒータ１８への通電による昇温を行った条件下での微粒子生成量ＢＥＫの数値グラフ。
【図１９】排気還流を行うとともに電気ヒータ１８への通電による昇温を行った条件下での燃焼速度定数ＲＥＫの数値グラフ。
【図２０】再生条件を選択するためのルーチンを示すフローチャート。
【図２１】再生手段による再生中の微粒子捕集量推定ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
３…パティキュレートフィルタ
４…酸化触媒
６…吸気絞弁
７…排気還流通路
９…燃料噴射装置
１５…エンジンコントロールユニット
１８…電気ヒータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that collects and removes exhaust particulates (particulates), which are particularly problematic in a diesel engine. More specifically, the present invention relates to a method for continuously collecting captured particulates during operation of the engine. The present invention relates to an exhaust gas purifying apparatus that burns and removes the remaining particulate matter, and sequentially and accurately grasps the remaining particulate collection amount, and forcibly performs regeneration at an appropriate time when necessary.
[0002]
[Prior art]
In recent years, treatment of exhaust particulates contained in exhaust gas has become a major problem in diesel engines. Most of the exhaust particles are a composite of carbon and a soluble organic substance (SOF), and the size is usually about several μm to several tens μm. In order to prevent the emission of the exhaust particulates into the atmosphere, it is effective to provide a filter for collecting the exhaust particulates, a so-called diesel particulate filter, in the exhaust passage. Since the so-called clogging occurs with the collection of water, it is necessary to remove exhaust particulates collected by some means to regenerate the filter, and how to perform this regeneration is a major technical issue. .
[0003]
When the fine particles collected by the filter are heated to about 600 ° C. or more in the presence of oxygen, they can react with oxygen and easily burn and incinerate, but the temperature of exhaust gas alone is generally insufficient. It is difficult to completely burn the fine particles.
[0004]
For this reason, many methods for regenerating the filter using forced heating means have been proposed. For example, Japanese Utility Model Laid-Open Publication No. 1-144427 discloses that a filter is divided into two and an electric heater is provided on the front of each filter. Disclosed is a configuration in which, when a predetermined amount of exhaust particulates is collected, an electric heater is energized and heated for each section, and the amount of exhaust flowing to the section being regenerated is reduced to a small amount. Have been.
[0005]
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-123216 discloses a technique in which the pressure loss of a diesel particulate filter is detected by a pressure sensor, and an abnormal speed is considered in consideration of the engine speed at that time and the total operation time since the previous forced regeneration. There has been disclosed an abnormality detecting device for detecting a serious clogging or a breakage of a filter element.
[0006]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-13455 discloses that the amount of generated fine particles is detected with high accuracy according to the engine operating state, and the amount of generated fine particles per unit time is integrated, thereby estimating the trapping amount of the filter. There is disclosed a diesel particulate filter device in which the heating means is operated to regenerate the filter when this reaches a predetermined value.
[0007]
On the other hand, Japanese Patent No. 3012249 discloses a filter regeneration method in which fine particles trapped by a diesel particulate filter are burned at a lower exhaust gas temperature. In this method, nitrogen dioxide NO2 is generated by catalytic action from NO and O2 in exhaust gas, and the strong oxidizing NO2 acts on exhaust particulates on a filter to burn the particulates. Thus, combustion can be performed at an exhaust gas temperature of, for example, about 250 ° C to 400 ° C. Therefore, regeneration is performed continuously during operation.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
When forcibly regenerating a diesel particulate filter by some means, it is important to accurately detect the amount of trapped fine particles in the filter, that is, the amount of fine particles deposited on the filter. Generally, when the amount of trapped fine particles reaches a predetermined level, regeneration promotion such as heating by an electric heater is started, but before it reaches the predetermined level before it actually reaches the predetermined level, The number of times of heating of the filter by the heating means is unnecessarily increased, the consumption of energy such as electric power required for the heating means is increased, and the durability of the filter is reduced due to excessive repetition of heating. Conversely, if it is determined that the amount of collected fine particles of the filter reaches the predetermined level and then reaches the level with a delay, the filter becomes clogged and the exhaust pressure loss increases. , Fuel economy deteriorates.
[0009]
In the configurations disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-123216 and 60-85214, the engine speed and load fluctuate every moment as the vehicle travels, and the filter is controlled by a change in the exhaust gas flow rate. Since the pressure acting on the particles also fluctuates, highly accurate detection of the amount of trapped fine particles is almost impossible.
[0010]
Further, in the method focusing on the amount of discharged fine particles as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-13455, as disclosed in the above-mentioned Japanese Patent No. 301,249, the particles captured by the filter are continuously discharged during operation. In the case of the so-called continuous combustion system, in which the amount of continuous removal of fine particles is not reflected, the amount of collected fine particles cannot be accurately grasped.
[0011]
The present invention is to make it possible to accurately grasp the amount of trapped fine particles remaining in a filter even in a so-called continuous combustion system, and to perform forced regeneration at an appropriate time when necessary. Aim.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to claim 1 is
A particulate collection means disposed in an exhaust passage of the engine, for collecting particulates in the exhaust gas flowing in, and for removing the collected particulates by combustion;
A plurality of types of regenerating means for controlling the state of the exhaust gas flowing into the particulate collecting means to promote the regeneration of the particulate collecting means,
Reproduction control means for executing reproduction by one or a combination of the plurality of types of reproduction means;
Based on a burning rate constant indicating the combustion characteristics of the fine particles collected by the fine particle collecting means, a fine particle collection amount estimating means for estimating the fine particle collection amount present in the fine particle collecting means,
With
The combustion rate constant is set for each regeneration condition consisting of one or a combination of the regeneration means,
The particulate matter collection amount estimating means, before performing the regeneration, based on a plurality of combustion rate constants corresponding to each regeneration condition, estimates the particulate collection amount for each regeneration condition,
The regeneration control means is characterized in that an optimal regeneration condition is selected based on the plurality of estimated fine particle collection amounts .
[0014]
In the invention of claim 8, the particle collection amount estimating means exists in the particle collecting means, further considering a particle generation amount indicating an amount of fine particles newly collected while the fine particles are burning. It is characterized by estimating the amount of collected fine particles .
According to the ninth aspect of the present invention, the amount of generated fine particles is set for each of the regeneration conditions including one or a combination of the regeneration means.
[0018]
The invention according to claim 6 is characterized in that the combustion rate constant is set according to the engine speed and the load.
[0019]
The invention according to claim 10 is characterized in that the amount of generated fine particles is set in accordance with the engine speed and the load .
[0023]
In the invention of claim 2 , one of the regenerating means is means for heating the exhaust gas flowing into the fine particle collecting means when the fine particle collecting means is regenerating.
[0024]
In the invention according to claim 3 , one of the regenerating means is a means for reducing the intake air amount of the engine when regenerating the particulate collecting means.
[0025]
In the invention of claim 4 , one of the regenerating means is means for injecting a fixed amount of fuel after the main injection of the fuel at the time of regenerating the particulate collecting means.
[0026]
In the invention of claim 5 , one of the regenerating means is a means for recirculating exhaust gas from the exhaust passage to the intake passage.
[0027]
Further, in the invention of claim 7 , an oxidation catalyst means for oxidizing NO in the exhaust gas flowing in to generate NO2 is further provided upstream of the particulate collection means.
[0028]
The most remarkable point in the present invention is that the amount of fine particles removed by burning is grasped by using a burning rate constant preset by an experiment.
[0029]
FIG. 1 shows a particulate filter in which carbon C and soluble organic substance SOF fine particles are previously adhered to an actual internal combustion engine using a model gas evaluation device at a constant atmosphere temperature of 300 ° C. and a constant mixed gas (NO 2 + N 2) atmosphere. It shows the combustion characteristics of the fine particles when exposed to the bottom. Note that the present invention is not limited to regeneration by continuous combustion using NO2, and it goes without saying that various regeneration methods can be applied.
[0030]
In FIG. 1, the vertical axis represents the amounts of generated CO and CO2, and shows a behavior in which the amount of burning of the fine particles by the oxygen constituting NO2 decreases with time.
[0031]
Here, the decrease in the amount of particulate combustion does not become a linear change, and the amount of particulate combustion per unit time after a lapse of time is smaller than the amount of particulate combustion per unit time immediately after the start of combustion. Tend.
[0032]
This is because the amount of particulates burned per unit time is proportional to the amount of particulates on the filter (the amount of particulates collected) (see the right side of Equation 1 described later). As the collection amount decreases, the amount of particulate combustion per unit time decreases, and as a result, the amount of particulate combustion per unit time gradually changes.
[0033]
This indicates that, in the actual engine, the amount of fine particles burned by continuous combustion varies depending on the amount of collected fine particles even under the same operating conditions. That is why it is difficult.
[0034]
In order to solve this problem, a combustion model showing the combustion characteristics of the fine particles collected by the filter has been set up. This will be described below.
[0035]
Assuming that the amount of collected fine particles at time t is D (t) and the probability that the fine particles collected by the filter burn in a unit time is R, the amount of the burned fine particles per unit time is multiplied by R · D (t). In the case of this experiment, the above combustion probability R is a constant value because the atmospheric conditions are constant.
[0036]
On the other hand, the amount of change per unit time of the fine particles collected by the filter, that is, the change speed of the amount D (t) of collecting fine particles can be described as dD (t) / dt.
[0037]
Since the change in the amount of trapped fine particles D (t) is a decrease due to combustion, the relationship between the amount of burned fine particles per unit time and the amount of change in fine particles per unit time is expressed by the following differential equation. .
[0038]
dD (t) / dt = −R · D (t) (1)
Solving this differential equation gives
D (t) = A · exp (−R · t) (2)
It becomes. Substituting t = 0 into Equation 2 gives:
D (t = 0) = D0 = A.exp (0) = A (3)
Thus, A is obtained as the amount D of collected fine particles when t = 0, that is, the amount D0 of collecting the initial fine particles. Therefore, from Equations 2 and 3, a combustion model is derived as follows.
[0039]
D (t) = D0.exp (-R.t) (4)
Here, the above R is referred to as a combustion rate constant.
[0040]
From the above findings, the combustion characteristics of the fine particles trapped by the filter are uniquely determined when the initial amount of trapped fine particles and the burning rate constant are known when the atmosphere is constant. This indicates that the amount of collection can be predicted.
[0041]
Next, the burning rate constant R is obtained from the actual experimental results. First, assuming that a curve observed in the experiment is G (t), this is the concentration when the burned fine particles turn into a gas, and the burned amount of fine particles is R · D (t). Is obtained.
[0042]

Here, N is a conversion coefficient to gas concentration determined for each experimental condition (gas flow rate).
[0043]
When the curve obtained in the actual experiment is directly approximated to the form of Equation 5,
G (t) = 408.5375 · exp (−0.000137t) (6)
R = 0.000137 and G0 = 408.5375.
[0044]
The correlation coefficient is as high as 0.9985, which indicates that there is almost no error factor with respect to the model (for example, a phenomenon in which R changes when the amount of collected fine particles D (t) changes). .
[0045]
By the way, the above equation 4 considers only the reduction of the particulates due to the continuous combustion, and the equation 4 makes it possible to calculate the particulate collection amount on the assumption that the particulates do not newly flow into the filter. it can. However, in an actual machine, it is necessary to take this into consideration because the particulates continuously flow into the filter even during the combustion of the particulates captured by the filter. Assuming that the amount of fine particles flowing into the filter per unit time, that is, the amount of generated fine particles in the internal combustion engine is B, the above-described Expression 1 is represented by the following Expression 7.
[0046]
dD (t) / dt = BR-D (t) (7)
Solving the differential equation of the equation (7), the particulate collection amount D (t) at a certain time t is expressed by the following equation (8).
[0047]
D (t) = (D0−B / R) · exp (−R · t) + B / R (8)
Therefore, the expression 8 allows the amount of collected fine particles to be estimated with high accuracy, taking into account the inflow of new fine particles.
[0048]
As another method, the amount of trapped fine particles when the fine particles continuously flow into the burning filter can be calculated using an approximate expression.
[0049]
That is, when calculating the amount of trapped fine particles after a unit time, the unit time on the time axis when estimating the amount of the fine particles can be treated as a very small amount. By adding Equation 4 to an approximate expression such as the following Equation 9 in addition to the initial particulate collection amount D0, the following equation can be used to estimate the particulate collection amount in consideration of both combustion and inflow.
[0050]
D (t) = (D0 + B) .exp (-R) (9)
Note that if the calculation interval at the time of estimation in the actual engine control unit is, for example, about 1 second, the results of

Expressions

8 and 9 become substantially equal. In general, Equation 9 requires a smaller amount of calculation, and the calculation load on the engine control unit is smaller.
[0051]
Next, the relationship between the burning rate constant R and the atmosphere during burning will be described.
[0052]
As described above, the physical meaning of the burning rate constant R is the burning probability of the fine particles. Therefore, if the atmosphere during burning changes, the burning probability changes, and the burning rate constant R also changes. It can be said that the larger the burning rate constant R, the faster the burning rate when compared with the same amount of collected fine particles.
[0053]
2 to 5 show the relationship between various atmospheric conditions and the burning rate constant R.
[0054]
FIG. 2 shows the relationship with the ambient temperature. The combustion rate constant R increases as the temperature increases. From this figure, it can be seen that the combustion of the fine particles by the oxygen constituting NO2 starts around 200 ° C., and the combustion of the fine particles by O 2 starts around 400 ° C. Further, the reason why the slope of the combustion by O2 is steeper is that the O2 concentration is 500 times the NO2 concentration in this experiment.
[0055]
FIG. 3 shows the relationship with the NO2 concentration, and the combustion rate constant R increases as the NO2 concentration increases.
[0056]
FIG. 4 shows the relationship with the O2 concentration, and the combustion rate constant R increases as the O2 concentration increases.
[0057]
FIG. 5 shows the relationship with the space velocity SV of the filter, and the combustion rate constant R increases as the space velocity SV increases.
[0058]
In an actual machine, the above-mentioned atmospheric conditions and the quality of fine particles change in various combinations due to the control for forcibly promoting the regeneration of the filter. These relationships are summarized as follows. That is, the left parameter is affected by the right parameter associated with the playback control. Then, in response to the change of the left parameter, the combustion rate constant R changes according to the above-mentioned tendency.
[0059]
(1) Temperature: Post injection amount, energization temperature rise, intake throttle (2) NO2 amount: EGR amount, temperature (= 1)
(3) O2 amount: EGR amount (4) Exhaust flow rate: intake throttle
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to the amount of particulate matter trapped in the particulate collection means for accuracy better estimated based on the burn rate constant determined from the combustion model, in particular, the pre-combustion rate constant depending on the means for promoting regeneration By setting, it is possible to more accurately estimate the change in the amount of collected fine particles due to the regeneration before the regeneration, and to select the optimal regeneration conditions.
[0061]
In particular, according to the eighth aspect of the present invention, the amount of trapped fine particles can be accurately estimated in consideration of the amount of newly introduced fine particles during regeneration.
[0063]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described.
[0064]
FIG. 6 is a structural explanatory view showing an embodiment of a diesel engine provided with the exhaust gas purifying apparatus according to the present invention. In the exhaust passage 2 connected to the engine body 1, carbon C and soluble organic material SOF are mainly used. A particulate filter 3 for collecting exhaust particulates as a component is interposed, and an oxidation catalyst 4 is disposed upstream of the filter 3. The oxidation catalyst 4 has a function of converting NO in the exhaust gas to NO2, and the NO2 comes in contact with the fine particles collected on the filter 3, thereby enabling the continuous combustion of the fine particles from a lower temperature. ing. In addition, an intake throttle valve 6 is interposed in the intake passage 5 in order to suppress the intake flow rate and hence the exhaust flow rate. As an exhaust gas recirculation device, an exhaust gas recirculation passage 7 is provided from the exhaust gas passage 2 to the intake passage 5, and an exhaust gas recirculation control valve 8 for variably controlling the exhaust gas recirculation rate is provided.
[0065]
This diesel engine includes a so-called common rail type fuel injection device 9. That is, the fuel in the fuel tank 10 is stored in the common rail 11 in a state of being pressurized to a high pressure, and is injected from the fuel injection nozzle 12.
[0066]
Further, the filter 3 is provided with an electric heater 18 at an appropriate position in order to increase the temperature.
[0067]
The fuel injection nozzle 12, the exhaust gas recirculation control valve 8, the intake throttle valve 6, the additive control valve 14, and the electric heater 18 are all appropriately controlled by an engine control unit 15 as a regeneration unit. The engine control unit 15 receives various detection signals from the rotation speed sensor 16, the accelerator opening sensor 17, and the like, which indicate engine operating conditions. The estimation of the amount of collected fine particles and the regeneration control are performed.
[0068]
FIG. 7 is a numerical graph in which a particulate generation amount (production amount per unit time) B corresponding to the engine operating conditions, specifically, the engine speed and the fuel flow rate is obtained in advance through experiments or the like and assigned, and FIG. 3 is a numerical graph in which a combustion rate constant R corresponding to an engine speed and a fuel flow rate is obtained in advance through experiments or the like and assigned.
[0069]
Next, continuous regeneration control in the exhaust gas purification apparatus of this embodiment will be described.
[0070]
FIG. 9 is a flowchart showing a routine for estimating the amount of trapped fine particles in the engine control unit 15. This routine is repeatedly executed by the engine control unit 15 at one-second intervals.
[0071]
First, in step 1, each sensor signal is read. The engine speed at that time is indicated by a suffix a, and the accelerator opening is indicated by a suffix b. Next, in step 2, a particulate generation amount Bab and a combustion rate constant Rab corresponding to the current engine operating state are determined from the characteristic maps of FIGS.
[0072]
Then, in step 3, the particulate matter collection amount D0 is estimated on the basis of the aforementioned equation 9 using the particulate matter generation amount Bab and the burning rate constant Rab. In step 3, it is assumed that all of the fine particles discharged from the engine are collected by the particulate filter 3. However, since the actual collection rate is about 90% of the generated amount, the accuracy is higher. In order to increase the value, it is desirable to calculate the generation amount Bab after correcting the collection ratio by multiplying the value of the generation amount Bab obtained from the map by the collection ratio ηpm, and calculate the particle collection amount D0 from this. Alternatively, the value of the generation amount Bab set in advance in the map of FIG. 7 may be set to a value in consideration of the collection rate.
[0073]
In step 4, it is determined whether or not the trapped amount D0 of particles calculated in step 3 is lower than a predetermined upper limit Dlmt. The upper limit Dlmt is set to a level at which adverse effects on engine operation due to clogging of the filter 3 become significant. Here, if Yes, this routine for estimating the amount of trapped fine particles is repeated. On the other hand, if the value exceeds the upper limit Dlmt, the routine proceeds to a routine in FIG. 20 for selecting a control in which fine particles are more easily burned and removed.
[0074]
The routine of FIG. 20 is also repeatedly executed by the engine control unit 15 every second.
[0075]
First, in step 11, each sensor signal is read. Next, in step 12, using the combustion rate constant R and the particulate generation amount B set for each of a plurality of regeneration conditions, the particulate collection amount Zx when some regeneration means are applied is calculated. That is, FIG. 10 is a numerical graph in which the particulate matter generation amount BE corresponding to the engine speed and the fuel flow rate under the condition of performing the exhaust gas recirculation is determined in advance by experiment or the like, and FIG. 9 is a numerical graph in which a combustion rate constant RE corresponding to the engine speed and the fuel flow rate under the conditions under which the combustion was performed is obtained in advance through experiments or the like and assigned. Similarly, FIG. 12 and FIG. 13 are numerical graphs of the particulate generation amount BEP and the burning rate constant REP under the condition of performing exhaust gas recirculation and post-injection (additional fuel injection in the latter stage of the combustion stroke), FIG. FIG. 15 is a numerical graph of the particulate generation amount BEPI and the combustion rate constant REPI under the conditions of exhaust gas recirculation, post-injection, and intake throttling. FIGS. 16 and 17 show the conditions of exhaust gas recirculation and intake throttling. Numerical graphs of the particle generation amount BEI and the combustion rate constant REI below, and FIGS. 18 and 19 show the particle generation amount BEK and the combustion under the condition that the exhaust gas is recirculated and the temperature is increased by energizing the electric heater 18. It is a numerical graph of a rate constant REK. That is, the suffixes E, P, I, K, and L of the particulate generation amount B and the combustion rate constant R represent E: EGR, P: post injection, I: intake throttle, and K: energization temperature rise, respectively. I have.
[0076]
In step 12, the amount of trapped fine particles Zx under the respective regeneration conditions is estimated on the basis of the above-mentioned equation 9 using the generated amount of fine particles B and the burning rate constant R. It should be noted that the combination of the above-mentioned reproducing means is only an example, and other combinations of the reproducing means or each reproducing means alone can be used.
[0077]
After obtaining a plurality of trapped amounts Zx of particles in step 12 as described above, in step 13 the smallest one is selected. The regeneration condition (combination of regeneration means) at which the amount of collected fine particles Zx is the minimum is the regeneration condition under which the filter 3 can be regenerated with the highest efficiency under the operating conditions at that time. Therefore, energization of the selected regenerating means, for example, the electric heater 18 is executed by another routine (not shown).
[0078]
The flowchart in FIG. 21 shows a routine for estimating the amount of trapped fine particles Zx performed during execution of the forced regeneration means. This routine is repeatedly executed by the engine control unit 15 at one-second intervals.
[0079]
First, in step 21, reading of each sensor signal is performed. Next, in step 22, a particulate generation amount BXab and a combustion rate constant RXab corresponding to the current engine operating state are obtained from the corresponding maps in FIGS. This is, of course, the reproduction condition selected as the optimal one in step 13, that is, the value of the map corresponding to the reproducing means being executed.
[0080]
Then, in step 23, the particle collection amount D0 is estimated on the basis of the above-described equation 9 using the particle generation amount BXab and the burning rate constant RXab. It is desirable to consider the collection rate ηpm of the filter 3 as in the case described above.
[0081]
In step 24, it is determined whether or not the particulate matter collection amount D0 calculated in step 23 is lower than 30% of a predetermined upper limit value Dlmt. This value corresponds to a level at which it can be considered that the regeneration of the filter 3 has been sufficiently performed. Here, if NO, this particulate collection amount estimation routine is repeated while continuing the regeneration means such as energization of the electric heater 18. On the other hand, when it becomes lower than the value of Dlmt · 0.3, the process returns to the routine for estimating the amount of trapped fine particles in the normal continuous combustion shown in FIG. Then, in this case, the energization of the running regeneration means, for example, the electric heater 18 is stopped by another routine (not shown).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a characteristic diagram showing a particulate combustion behavior in a particulate filter to which fine particles are adhered.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between an ambient temperature and a burning rate constant R.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between a NO2 concentration and a combustion rate constant R.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between an O2 concentration and a combustion rate constant R.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between a relationship between a filter volume SV and a combustion rate constant R.
FIG. 6 is a configuration explanatory view of a diesel engine provided with the exhaust gas purification device according to the present invention.
FIG. 7 is a numerical graph of a particulate generation amount B corresponding to an engine speed and a fuel flow rate.
FIG. 8 is a numerical graph of a combustion rate constant R corresponding to an engine speed and a fuel flow rate.
FIG. 9 is a flowchart showing a routine for estimating the amount of trapped fine particles during continuous combustion.
FIG. 10 is a numerical graph of a particulate matter generation amount BE corresponding to an engine speed and a fuel flow rate under conditions of exhaust gas recirculation.
FIG. 11 is a numerical graph of a combustion rate constant RE corresponding to an engine speed and a fuel flow rate under conditions of exhaust gas recirculation.
FIG. 12 is a numerical graph of a particulate generation amount BEP under the conditions of exhaust gas recirculation and post-injection.
FIG. 13 is a numerical graph of a combustion rate constant REP under the conditions of exhaust gas recirculation and post-injection.
FIG. 14 is a numerical graph of a particulate generation amount BEPI under the conditions of exhaust gas recirculation, post injection, and intake throttle.
FIG. 15 is a numerical graph of a combustion rate constant REPI under the conditions of exhaust gas recirculation, post-injection, and intake throttle.
FIG. 16 is a numerical graph of a particulate generation amount BEI under a condition in which exhaust gas recirculation is performed and an intake throttle is performed.
FIG. 17 is a numerical graph of a combustion rate constant REI under the condition of performing exhaust gas recirculation and performing intake throttle.
FIG. 18 is a numerical graph of the amount BEK of generated fine particles under the condition that the exhaust gas is recirculated and the temperature is increased by energizing the electric heater 18.
FIG. 19 is a numerical graph of a combustion rate constant REK under the condition that the exhaust gas is recirculated and the temperature is increased by energizing the electric heater 18.
FIG. 20 is a flowchart showing a routine for selecting a reproduction condition.
FIG. 21 is a flowchart showing a routine for estimating the amount of trapped fine particles during regeneration by the regeneration unit.
[Explanation of symbols]
3 Particulate filter 4 Oxidation catalyst 6 Intake throttle valve 7 Exhaust recirculation passage 9 Fuel injector 15 Engine control unit 18 Electric heater

Claims

機関の排気通路に配設され、流入する排気ガス中の微粒子を捕集するとともに、捕集された微粒子が燃焼により除去される微粒子捕集手段と、
上記微粒子捕集手段に流入する排気ガスの状態を制御して微粒子捕集手段の再生を促進する複数種類の再生手段と、
この複数種類の再生手段の中から一つあるいは複数組み合わせて再生を実行する再生制御手段と、
上記微粒子捕集手段に捕集された微粒子の燃焼特性を示す燃焼速度定数に基づいて、上記微粒子捕集手段に存在する微粒子捕集量を推定する微粒子捕集量推定手段と、
を備え、
上記燃焼速度定数は、上記再生手段の一つあるいは組み合わせからなる各再生条件毎に設定されており、
上記微粒子捕集量推定手段は、再生実行前に、各再生条件に対応する複数の燃焼速度定数に基づいて、上記微粒子捕集量を各再生条件毎に推定し、
上記再生制御手段は、この推定された複数の微粒子捕集量に基づき最適な再生条件を選択することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。A particulate collection means disposed in an exhaust passage of the engine, for collecting particulates in the exhaust gas flowing in, and for removing the collected particulates by combustion;
A plurality of types of regenerating means for controlling the state of the exhaust gas flowing into the particulate collecting means to promote the regeneration of the particulate collecting means,
Reproduction control means for executing reproduction by one or a combination of the plurality of types of reproduction means;
Based on a burning rate constant indicating the combustion characteristics of the fine particles collected by the fine particle collecting means, a fine particle collection amount estimating means for estimating the fine particle collection amount present in the fine particle collecting means,
With
The combustion rate constant is set for each regeneration condition consisting of one or a combination of the regeneration means,
The particulate matter collection amount estimating means, before performing the regeneration, based on a plurality of combustion rate constants corresponding to each regeneration condition, estimates the particulate collection amount for each regeneration condition,
The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine, wherein the regeneration control means selects an optimal regeneration condition based on the plurality of estimated particulate collection amounts .

上記再生手段の一つは、上記微粒子捕集手段の再生時に、上記微粒子捕集手段に流入する排気ガスを加熱する手段であ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。The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein one of the regenerating means is a means for heating exhaust gas flowing into the particulate collecting means when the particulate collecting means is regenerated. .

上記再生手段の一つは、上記微粒子捕集手段の再生時に、機関の吸入空気量を減少させる手段であ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。2. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein one of the regenerating means is a means for reducing an intake air amount of the engine when the particulate collecting means is regenerated.

上記再生手段の一つは、上記微粒子捕集手段の再生時に、燃料の主噴射の後に一定量の燃料を噴射する手段であ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。2. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1 , wherein one of the regenerating means is means for injecting a fixed amount of fuel after the main fuel injection when regenerating the particulate trapping means. .

上記再生手段の一つは、排気ガスを排気通路から吸気通路に還流する手段であ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。2. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1 , wherein one of the regenerating means is means for recirculating exhaust gas from an exhaust passage to an intake passage.

上記燃焼速度定数は、機関回転数と負荷とに対応して設定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5 , wherein the combustion rate constant is set according to an engine speed and a load.

上記微粒子捕集手段の上流側に、流入する排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ２を生成する酸化触媒手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6 , further comprising an oxidation catalyst means for oxidizing NO in the inflowing exhaust gas to generate NO2, on an upstream side of the particulate collection means. Engine exhaust purification device.

上記微粒子捕集量推定手段は、微粒子が燃焼する間に新たに捕集される微粒子の量を示す微粒子生成量をさらに考慮して、上記微粒子捕集手段に存在する微粒子捕集量を推定することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。The particulate matter collection amount estimating means estimates the amount of particulate matter present in the particulate matter collecting means, further taking into account the amount of fine particles generated indicating the amount of fine particles newly collected during burning of the fine particles. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7, wherein:

上記微粒子生成量は、上記再生手段の一つあるいは組み合わせからなる各再生条件毎に設定されていることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 8, wherein the particulate generation amount is set for each of the regeneration conditions including one or a combination of the regeneration units.

上記微粒子生成量は、機関回転数と負荷とに対応して設定されることを特徴とする請求項８または９に記載の内燃機関の排気浄化装置。 The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 8, wherein the particulate generation amount is set in accordance with the engine speed and the load.