JP3864910B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に排気中の粒子状物質であるＰＭ（Particulate Matter）を捕集するフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置に関し、特にそのフィルタの再生技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、特許文献１に示されるように、排気通路にＰＭ捕集用フィルタを配置し、所定の再生時期に、フィルタの温度を上昇させる再生処理を行ってフィルタに捕集されているＰＭを燃焼除去することが行われている。
【０００３】
再生時期の判断については、フィルタの目詰まりにより圧力損失が増大することから、フィルタの前後差圧（上流側と下流側との圧力差）を検出することで、ＰＭ堆積量（ＰＭ捕集量）を推定し、これが所定値以上となると、再生時期と判断している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−３４８５３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フィルタには、その後部（下流側）からＰＭが堆積して行くが、再生を開始すると、フィルタ中心部の方が、フィルタ周辺部に比べて、温度が高くなるので、ＰＭの燃焼は中心部から始まり、徐々に周辺部に波及していく。
【０００６】
このため、再生中に、運転状態が変化し、再生が続行できなくなるような運転状態に飛び込んで、再生を中断した場合、部分再生状態となるが、周辺部のＰＭが燃え残るため、ＰＭの偏在を生じてしまう。ＰＭが偏在して堆積し始めると、ＰＭ堆積量に対してフィルタ前後差圧が低く現れるようになる。従って、フィルタ前後差圧とＰＭ堆積量との関係が、完全再生後と、部分再生後（再生中断後）とで、変化してしまう。
【０００７】
従って、部分再生後（再生中断後）に、フィルタ前後差圧よりＰＭ堆積量を推定して、この推定値が所定値に達したところで、再生を開始すると、推定誤差により、完全再生後に比べ、実際のＰＭ堆積量が多いため、フィルタ内の温度が急激に上昇し、限界温度を超えてしまうという問題点があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、完全再生後と部分再生後とにかかわらず、ＰＭ堆積量の推定精度を高めて、同一ＰＭ堆積量にて再生を開始できるようすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、ＰＭ捕集用フィルタにおけるＰＭの偏在状態を判断し、この偏在状態に応じて、フィルタ前後差圧からのＰＭ堆積量の推定値を変化させる構成とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、ＰＭの偏在を生じているときは、フィルタ前後差圧からのＰＭ堆積量の推定値が大きくなるように補正することで、偏在の有無にかかわらず、同一ＰＭ堆積量にて再生を開始することができ、過度の温度上昇を招くことを防止できる。また、再生終了時期をＰＭ堆積量の推定値によって判断する場合、完全再生に至る前に再生を終了するようなことなく、的確に判断できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す車両用ディーゼルエンジンのシステム図である。
【００１２】
ディーゼルエンジン１の各気筒の燃焼室２には、吸気系のエアクリーナ３から、可変ノズル型過給機４の吸気コンプレッサ５、インタークーラ６、吸気絞り弁７、及び、吸気マニホールド８を経て、空気が吸入される。燃料供給系は、コモンレール（図示せず）からこれに蓄圧された高圧燃料を導いて各気筒の燃焼室２内に任意のタイミングで燃料噴射可能な燃料噴射弁９を備えて構成され、各気筒の圧縮行程にて燃料噴射（メイン噴射）がなされ、圧縮着火により燃焼する。燃焼後の排気は、排気系の排気マニホールド１０、可変ノズル型過給機４の排気タービン１１を経て排出される。
【００１３】
ここで、ディーゼルエンジン１から排出される排気中のＰＭを浄化するため、排気通路には、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１２を設け、これによりＰＭを捕集する。
【００１４】
ＤＰＦ１２は、図２の斜視図に示すように、多孔質セラミックからなり、円柱状の外形を有するハニカム構造体であり、図示しない円筒状のケーシング内に保持マットを介して収納される。
【００１５】
ＤＰＦ１２の内部構造について説明すると、ハニカム構造体の拡大断面図である図３に示すように、ハニカム構造体の多孔質の格子状セル壁２１により仕切られて複数の並列なセル空間２２が設けられ、各セル空間２２はそれぞれ排気流れ方向に延在している。そして、セル空間２２の隣接するもの同士において、一方は出口側を、他方は入口側を、それぞれ封止材２３、２４により交互に封止してある。
【００１６】
入口側が開口し出口側を封止材２３により封止されているセル空間２２が排気流入側セル空間２２Ａであり、入口側を封止材２４により封止され出口側が開口しているセル空間２２が排気流出側セル空間２２Ｂである。
【００１７】
ここで、エンジンからの排気は、排気流入側セル空間２２Ａに流入し、多孔質のセル壁２１（その気孔）を介してのみ、排気流出側セル空間２２Ｂに流出するので、セル壁２１にて排気中のＰＭを確実に捕集することができる。
【００１８】
ＤＰＦ１２でのＰＭの捕集によりＰＭ堆積量が増加すると、排気抵抗が増大して、運転性が悪化する。よって、所定の再生時期か否かを判断し、再生時期の場合は、再生処理手段（ＤＰＦ１２の温度、より具体的にはＤＰＦ１２に流入する排気温度を上昇させる手段）、例えば燃料噴射弁９の燃料噴射時期（メイン噴射時期）の遅角、燃料噴射弁９による膨張行程もしくは排気行程での追加的な燃料噴射であるポスト噴射、吸気絞り弁７の開度減少、又は、可変ノズル型過給機４による過給圧の低下などを用いて、ＰＭを燃焼させることにより、ＤＰＦ１２を再生する。
【００１９】
このため、図１に示してあるように、燃料噴射弁９、吸気絞り弁７、可変ノズル型過給機４の作動を制御するエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１３に、エンジン回転数を検出する回転数センサ１４、エンジン負荷（例えばアクセル開度）を検出する負荷センサ１５、車速を検出する車速センサ１６などの他、ＤＰＦ１２での圧力損失の検出のためＤＰＦ１２の前後差圧を検出する差圧センサ１７の信号を入力してある。
【００２０】
ここにおいて、ＥＣＵ１３では、差圧センサ１７の信号に基づいてＤＰＦ１２の前後差圧を検出し、検出された前後差圧に基づいてテーブルを参照してＰＭ堆積量を推定する。そして、推定されたＰＭ堆積量に基づいて再生時期を判断し、再生時期と判断されたときに、所定の再生実施条件（再生可能な運転状態）であることを条件として、再生処理を行う。
【００２１】
図４に再生時のＤＰＦ１２の各部（中心位置Ａ、最外周位置Ｃ、及びこれらの中間位置Ｂ）のベッド温度の時間経過を示す。
再生を開始すると、ＤＰＦ温度は約６５０℃まで上昇する。しかし、ＤＰＦ温度は排気ガスによって昇温させているため、排気流量分布により均一に分布せず、中心部に比べ、周辺部の温度が若干低い値となってしまう。従って、再生中のＰＭの燃焼除去は中心部から始まり、徐々に周辺部に波及していく。
【００２２】
ＤＰＦ１２が完全に再生されれば、ＤＰＦ１２内のＰＭがほぼ全て燃焼除去されるので、完全再生後は、図５（Ａ）に示すように、ＰＭはＤＰＦ１２の後部（下流側）から均一に層状に堆積していき、ＰＭの偏在は生じない。但し、堆積していくのは、図３の排気流入側セル空間２２Ａである。
【００２３】
これに対し、再生を中断して、部分再生となると、温度分布の関係から、図５（Ｂ）に示すように、ＤＰＦ１２の周辺部に多くＰＭが残り（再生残し分）、その後、ＰＭは中心部が少なく、周辺部が多い偏在状態で、湾曲状に堆積していき、ＰＭの偏在を生じてしまう。
【００２４】
ここで、図５（Ｂ）に示したような部分再生後のＰＭ堆積分布（偏在有り）の場合、ＰＭが外側に多く、中心に少ないことにより、図５（Ａ）に示したような完全再生後のＰＭ堆積分布（偏在無し）と比較した場合に、同一ＰＭ堆積量でのＤＰＦ１２における圧力損失が少なくなってしまう。
【００２５】
このため、偏在有りの場合に、偏在無しの場合と同様に、ＤＰＦ前後差圧からＰＭ堆積量を推定すると、誤差が生じる。
従って、偏在有りの場合に、ＰＭ堆積量の推定値が所定値に達したところで、再生を開始すると、偏在無しの場合に比べ、実際のＰＭ堆積量が多いため、図６に示すＰＭ堆積量（及びＤＰＦ入口側排気温度）と再生時ＤＰＦ温度との関係からわかるように、ＤＰＦ温度が急激に上昇し、限界温度を超えてしまう。
【００２６】
また、図７にＰＭ堆積量と完全再生時間との関係を示すが、再生終了時期をＤＰＦ前後差圧からのＰＭ堆積量の推定値によって判断する場合、ＰＭ堆積量を少なく見積もってしまうことで、再生時間を短くしてしまい（完全再生に至る前に再生を終了してしまい）、再生残し分をさらに形成してしまう。
【００２７】
そこで本発明では、ＤＰＦ前後差圧からＰＭ堆積量を推定するためのテーブルを偏在無しの場合と偏在有りの場合とで使い分けるようにすることで、推定誤差の発生を防止する。
【００２８】
図８（Ａ）に完全再生後（偏在無し）の場合の前後差圧−ＰＭ堆積量テーブルを示し、図８（Ｂ）に部分再生後（偏在有り）の場合の前後差圧−ＰＭ堆積量テーブルを示す。
【００２９】
図８（Ａ）のテーブルでは、例えば、ＤＰＦ前後差圧（ΔＰ）＝αのとき、ＰＭ堆積量（Ｍ）＝βとなる。
図８（Ｂ）のテーブルでは、例えば、ＤＰＦ前後差圧（ΔＰ）＝αのとき、ＰＭ堆積量（Ｍ）＝γとなる。γ＞βである。
【００３０】
すなわち、同一のＤＰＦ前後差圧（ΔＰ）の場合でも、ＰＭ偏在有りの場合は、ＰＭ堆積量の推定値を大きくすることによって、偏在により、見かけ上、圧力損失が減少した分を補うのである。
【００３１】
尚、ここでは２種のテーブルを示したが、ＰＭ偏在の程度、具体的には、再生中断状況（目標再生処理温度、再生継続時間などを考慮）によって、数パターン用いるようにしてもよい。
【００３２】
次に、ＥＣＵ１３による具体的な制御内容を図９及び図１０のフローチャートにより説明する。
図９はＰＭ堆積量推定ルーチンであり、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００３３】
Ｓ１では、差圧センサ１７の信号を読込んで、ＤＰＦ１２の前後差圧（ΔＰ）を検出する。
Ｓ２では、後述する図１０のルーチンにより設定されるテーブル選択フラグの値を判定し、０（完全再生後；ＰＭ偏在無し）の場合は、Ｓ３へ、１（部分再生後；ＰＭ偏在有り）の場合は、Ｓ４へ進む。
【００３４】
Ｓ３では、完全再生後（ＰＭ偏在無し）の場合であるので、ＤＰＦ前後差圧からＰＭ堆積量を推定するためのテーブルとして、図８（Ａ）のテーブル、すなわち、ＤＰＦ前後差圧（ΔＰ）から実験により与えられたデータをもとにして設定した通常のテーブルを選択し、Ｓ５へ進む。
【００３５】
Ｓ４では、部分再生後（ＰＭ偏在有り）の場合であるので、ＤＰＦ前後差圧からＰＭ堆積量を推定するためのテーブルとして、図８（Ｂ）のテーブル、すなわち、ＤＰＦ前後差圧（ΔＰ）に対してＰＭ堆積量（Ｍ）を大きめに設定した通常とは異なるテーブルを選択し、Ｓ５へ進む。
【００３６】
Ｓ５では、Ｓ３又はＳ４にて選択されたテーブルを参照し、Ｓ１で検出されたＤＰＦ前後差圧（ΔＰ）より、ＰＭ堆積量（Ｍ）を推定する。
尚、フローチャート上では省略したが、ＤＰＦ前後差圧は、排気流量に応じても変化し、同一のＰＭ堆積量のときは、排気流量が増加するほど、大きくなるので、回転数センサ１４及び負荷センサ１５の信号に基づいてエンジン回転数及び負荷を検出し、これらに基づき、所定のマップを参照するなどして、排気流量を推定し、これに応じて、ＰＭ堆積量の推定値を補正するのが望ましい。
【００３７】
図１０は再生制御ルーチンであり、これも所定時間毎に実行される。
Ｓ１１では、再生中フラグの値を判定し、０（非再生中）の場合はＳ１２へ進む。
【００３８】
Ｓ１２では、図９のルーチンにより推定されたＰＭ堆積量（Ｍ）を読込み、再生時期判断用の所定値Ｍ１と比較して、ＰＭ堆積量≧Ｍ１か否かを判定する。
ＰＭ堆積量＜Ｍ１の場合は、再生時期ではないと判断して、リターンするが、ＰＭ堆積量≧Ｍ１の場合は、再生時期（要再生）と判断して、Ｓ１３へ進む。
【００３９】
Ｓ１３では、現在の運転条件が再生実施条件を満足しているかどうかの判定を行い、アイドル運転時などを除き、ある程度の高回転、高負荷条件又は高車速条件で運転されているときなど、再生実施条件を満たすときには、再生処理を開始すべく、Ｓ１４へ進む。
【００４０】
Ｓ１４では、再生中フラグを１にセットして、Ｓ１５へ進む。尚、このようにして再生中フラグが１にセットされた後は、次回以降の本ルーチンの実行時に、Ｓ１１での判定でＹＥＳとなるので、Ｓ１１からＳ１５へ進む。
【００４１】
Ｓ１５では、ＤＰＦ１２の再生のため、ＤＰＦ１２の温度（ＤＰＦ１２に流入する排気温度）を上昇させる再生処理を行って、ＤＰＦ１２に捕集されているＰＭを燃焼除去する。具体的には、例えば燃料噴射弁９の燃料噴射時期（メイン噴射時期）の遅角、燃料噴射弁９による膨張行程もしくは排気行程での追加的な燃料噴射であるポスト噴射、吸気絞り弁７の開度減少、又は、可変ノズル型過給機４による過給圧の低下などを用いて、排気温度を上昇させることで、ＤＰＦ１２内の温度をＰＭの燃焼可能な温度まで上昇させて、ＤＰＦ１２に捕集されているＰＭを燃焼除去する。この場合に、目標再生処理温度を設定し、これに基づいて、燃料噴射時期（メイン噴射時期）、ポスト噴射量、吸気絞り弁開度、又は過給圧を設定するのが望ましい。
【００４２】
Ｓ１６では、所定の完全再生条件を満たしているか否かを判定するため、図９のルーチンにより推定される最新のＰＭ堆積量（Ｍ）を読込み、所定値Ｍ２（但しＭ２＜Ｍ１）と比較して、ＰＭ堆積量≦Ｍ２か否かを判定する。又は、所定の再生時間が経過したか否かを判定する。
【００４３】
ＰＭ堆積量＞Ｍ２の場合（又は所定の再生時間が経過していない場合）は、完全再生ではないと判断して、Ｓ１７へ進む。
Ｓ１７では、所定の再生中断条件を満たしているか否かを判定するため、前記再生実施条件が不成立となったか否かを判定し、再生実施条件が成立している場合は、再生を続行すべく、リターンする。
【００４４】
Ｓ１６での判定でＰＭ堆積量≦Ｍ２となった場合（又は所定の再生時間が経過した場合）は、完全再生と判断して、Ｓ１８へ進む。
Ｓ１８では、完全再生（ＰＭ偏在無し）であるので、テーブル選択フラグ＝０として、Ｓ２０へ進む。すなわち、図８（Ａ）のテーブルを使用するように切換える。尚、テーブル選択フラグの値は、エンジン停止後も記憶内容が保持されるバックアップＲＡＭに記憶させる。
【００４５】
Ｓ１７での判定で再生実施条件不成立となった場合は、再生を中断すべきと判断して、Ｓ１９へ進む。
Ｓ１９では、部分再生（ＰＭ偏在有り）であるので、テーブル選択フラグ＝１として、Ｓ２０へ進む。すなわち、図８（Ｂ）のテーブルを使用するように切換える。
【００４６】
Ｓ２０では、再生処理を終了する。すなわち、Ｓ１５で再生処理用の値に変更したパラメータを全て元の値（運転状態の応じた通常値）に戻す。
そして、Ｓ２１では、再生中フラグを０にリセットして、リターンする。
【００４７】
尚、図９及び図１０のフローチャートにおいて、Ｓ１の部分が前後差圧検出手段に相当し、Ｓ５の部分がＰＭ堆積量推定手段に相当し、Ｓ１２の部分が再生時期判断手段に相当し、Ｓ１５の部分が再生処理手段に相当する。そして、Ｓ１６〜Ｓ１９の部分が偏在状態判断手段に相当し、Ｓ２〜Ｓ４の部分がＰＭ堆積量推定手段によるＤＰＦ前後差圧からのＰＭ堆積量の推定値を変化させる補正手段に相当する。
【００４８】
本実施形態によれば、ＤＰＦ１２におけるＰＭの偏在状態を判断し、偏在状態に応じて、ＤＰＦ前後差圧からのＰＭ堆積量の推定値を変化させるようにしたため、偏在の有無にかかわらず、ＰＭ堆積量の推定精度を向上させて、常に同一ＰＭ堆積量にて再生を開始することができ、過度の温度上昇を招くことを防止できる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、ＤＰＦ前後差圧に対してＰＭ堆積量の推定値を記憶させたテーブルを特性を異ならせて複数備え、偏在状態に応じて、ＰＭ堆積量推定用のテーブルを選択的に切換えるようにしたことで、特に、ＰＭの偏在無しの場合に対し、ＰＭの偏在の程度が大きい場合に、同一のＤＰＦ前後差圧でのＰＭ堆積量の推定値が大きくなる特性のテーブルに切換えるようにしたことで、簡単な手法で適正に補正を行うことができる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、偏在状態の判断に際し、再生処理終了時に、所定の完全再生条件を満たして再生処理を終了した場合（完全再生）と、所定の再生中断条件を満たして再生処理を終了した場合（部分再生）とを判別し、その判別結果から、偏在状態を判断することにより、極めて簡単な手法で偏在状態を的確に捉えることができる。
【００５１】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
本実施形態では、図１０の再生制御ルーチンに代えて、図１１の再生制御ルーチンを実行する。図１１のルーチンでは、図１０のルーチンに対し、Ｓ１６又はＳ１７での判定でＹＥＳと判断された場合の処理のみが異なる。
【００５２】
Ｓ１６又はＳ１７での判定でＹＥＳとなった場合、いずれも、Ｓ２２へ進んで、再生処理を終了し、更にＳ２３で再生中フラグを０にリセットする。
その後、Ｓ２４へ進んで、図９のルーチンにより検出される最新のＤＰＦ前後差圧（ΔＰ）を読込み、その変化率ｄ（ΔＰ）／ｄｔを算出する。そして、この再生処理終了時のＤＰＦ前後差圧の変化率ｄ（ΔＰ）／ｄｔが略０になっているか否かを判定する。
【００５３】
再生処理終了時のＤＰＦ前後差圧の変化率ｄ（ΔＰ）／ｄｔが略０になっている場合は、完全再生（ＰＭ偏在無し）とみなして、Ｓ２５へ進み、テーブル選択フラグ＝０として、リターンする。
【００５４】
再生処理終了時のＤＰＦ前後差圧の変化率ｄ（ΔＰ）／ｄｔが略０になっていない場合は、部分再生（ＰＭ偏在有り）とみなして、Ｓ２６へ進み、テーブル選択フラグ＝１として、リターンする。
【００５５】
尚、ここでは、Ｓ２４〜Ｓ２６の部分が偏在状態判断手段に相当する。
特に本実施形態によれば、偏在状態の判断に際し、再生処理終了時のＤＰＦ前後差圧の変化率に基づいて、偏在状態を判断することにより、より正確に偏在状態を捉えることができる。従って、テーブルを更に多数用意しておくことにより、より正確な補正が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示すディーゼルエンジンのシステム図
【図２】 ＤＰＦの概略斜視図
【図３】 ＤＰＦの内部構造を示す拡大断面図
【図４】 再生時のＤＰＦの各部の温度の時間経過を示す図
【図５】 完全再生後と部分再生後のＰＭ堆積分布を示す図
【図６】 ＰＭ堆積量と再生時ＤＰＦ温度との関係を示す図
【図７】 ＰＭ堆積量と完全再生時間との関係を示す図
【図８】 ＤＰＦ前後差圧−ＰＭ堆積量テーブルを示す図
【図９】 ＰＭ堆積量推定ルーチンのフローチャート
【図１０】 ＤＰＦ再生制御ルーチンのフローチャート
【図１１】 他の実施形態でのＤＰＦ再生制御ルーチンのフローチャート
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン
４ 可変ノズル型過給機
７ 吸気絞り弁
９ 燃料噴射弁
１２ ＤＰＦ
１３ ＥＣＵ
１７ 差圧センサ

Claims (5)

  1. 排気通路に排気中のＰＭを捕集するフィルタを備える一方、前記フィルタの前後差圧を検出する前後差圧検出手段と、検出された前後差圧に基づいてＰＭ堆積量を推定するＰＭ堆積量推定手段と、推定されたＰＭ堆積量に基づいて再生時期を判断する再生時期判断手段と、再生時期と判断されたときに前記フィルタの温度を上昇させる再生処理を行って前記フィルタに捕集されているＰＭを燃焼除去する再生処理手段と、再生中に推定されたＰＭ堆積量に基づいて再生終了時期を判断する再生終了時期判断手段とを備える内燃機関の排気浄化装置において、
    前記フィルタにおけるＰＭの偏在状態を判断する偏在状態判断手段と、
    前記偏在状態に応じて、前記ＰＭ堆積量推定手段による前記前後差圧からのＰＭ堆積量の推定値を変化させる補正手段と、
    を設けた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、前記前後差圧に対してＰＭ堆積量の推定値を記憶させたテーブルを特性を異ならせて複数備え、前記偏在状態に応じて、前記ＰＭ堆積量推定手段にて使用するテーブルを選択的に切換えるものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記補正手段は、ＰＭの偏在無しの場合に対し、ＰＭの偏在の程度が大きい場合に、同一前後差圧でのＰＭ堆積量の推定値が大きくなる特性のテーブルに切換えることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記偏在状態判断手段は、再生処理終了時に、所定の完全再生条件を満たして再生処理を終了した場合と、所定の再生中断条件を満たして再生処理を終了した場合とを判別し、その判別結果から、前記偏在状態を判断するものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記偏在状態判断手段は、再生処理終了時の前記前後差圧の変化率に基づいて、前記偏在状態を判断するものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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