JP5325249B2

JP5325249B2 - 粒子状物質堆積量推定装置、排気ガス浄化システム、および粒子状物質堆積量推定方法

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Publication number: JP5325249B2
Application number: JP2011061722A
Authority: JP
Inventors: 秀夫小栗; 哲順宮原
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: WO2012127973A1; DE112012001284T5; JP2012197705A; US20130269323A1; CN103261598A; US8762034B2; DE112012001284B4; KR101420582B1; CN103261598B; KR20130114174A

Description

この発明は、エンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）を除去するＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）の再生処理を行う際にＤＰＦ内のＰＭ堆積量を推定する粒子状物質堆積量推定装置、これを用いた排気ガス浄化システム、および粒子状物質堆積量推定方法に関するものである。

ディーゼルエンジンでは、排気ガス中に含まれるＰＭを低減するため、排気管路にＤＰＦが設けられる。このＤＰＦは、排気ガス中に含まれるススなどのＰＭを捕集し、このＰＭが低減された排気ガスを外気に排出する。ＤＰＦで捕集したＰＭが多くなるとフィルタ機能が低下するため、ＤＰＦでは、捕集されたＰＭを燃焼させる再生が行われる。この再生には、排気ガスの温度が高いときに堆積したＰＭが自然に燃焼する自然再生と、ＰＭ堆積量が所定の基準値を超えたときに行う強制再生とがある。この強制再生では、排気温度を高めるようエンジンの運転状態を調整し、さらにＤＰＦ前段で燃料を噴射する外部ドージング、またはエンジンのシリンダ内に燃料を噴射する内部ドージングを行うことによって、ＰＭを強制的に燃焼させる。この強制再生には、さらに自動強制再生と手動強制再生とがある。ＰＭ堆積量が、自動強制再生が行われるときの基準値よりもさらに多くなって、ＤＰＦが閉塞される可能性がある場合には、手動による強制再生の実行を促す警告が運転者に発せられる。

ここで、ＤＰＦに捕集されるＰＭ堆積量は、エンジン運転中は実測することができないため、推定によって算出される。たとえば、特許文献１には、エンジンの運転状態によってＰＭ排出量が設定されるＰＭ排出量モデルと、ＤＰＦの出口温度と入口温度との温度差によってＰＭ再生量が設定されるＰＭ再生量モデルと、排ガス流量とＤＰＦの差圧とからＰＭ堆積量が設定されるＤＰＦ差圧モデルとを有し、ＰＭ排出量とＰＭ再生量との差に、エンジン回転数およびエンジンの燃料噴射量に従って決定される係数Ｋを用いてＤＰＦ差圧モデルの推定値を補正したＰＭ堆積量補正量を加算してＤＰＦのＰＭ堆積推定量を算出するＤＰＦ堆積量推定装置が記載されている。

また、特許文献２には、エンジン回転数と、燃料流量と、ＤＰＦ前後差圧の時間変化率であるＤＰＦ差圧変化率とから、ＰＭ生成量を算出する数学モデルのＰＭ生成量予測モデル式を用いてＰＭ生成量の時間変化量を求め、また、ＰＭ浄化量を算出する数学モデルのＰＭ浄化量予測モデル式を用いてＰＭ浄化量の時間変化量を求め、これらのＰＭ生成量の時間変化量とＰＭ浄化量の時間変化量とＤＰＦの捕集率とから、ＤＰＦのＰＭ蓄積量を推定する排気ガス浄化システムが記載されている。

特開２００９−１８５７８１号公報特開２００４−２９３４１３号公報

ところで、図１３上段に示すように、ＤＰＦを構成するセル内に捕集されたＰＭ１０１はセル内で一様に堆積されるが、ＰＭ１０１が多くなると、図１３下段に示すように、セル内で堆積されたＰＭ１０１が所々剥がれ、剥がれたＰＭ１０２によってセル閉塞が生じる場合があることが確認されている。

ここで、上述した特許文献１のように、差圧を用いてＰＭ堆積量を推定する場合では、セル閉塞が生じたときに問題が生じる。すなわち、セル閉塞が生じたときに、差圧を用いてＰＭ堆積量を推定する場合では、ＰＭの推定量が実際のＰＭ堆積量より大きくなってしまうため、実際には、手動強制再生が必要なほどにはＰＭが堆積していないにもかかわらず、手動強制再生を促す警告を発報してしまうという問題点があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＰＭ堆積量を精度高く推定することができる粒子状物質堆積量推定装置、これを用いた排気ガス浄化システム、および粒子状物質堆積量推定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる粒子状物質堆積量推定装置は、エンジンの排気ガスから粒子状物質を除去する粒子状物質除去フィルタの入口側と出口側との差圧および排気ガス流量をもとに前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定した差圧堆積量を算出する差圧堆積量算出部と、前記粒子状物質除去フィルタに入力される前記排気ガス内の粒子状物質量から前記粒子状物質除去フィルタで燃焼する粒子状物質量を減算するモデルを用いて前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定したモデル堆積量を算出するモデル堆積量算出部と、前記差圧堆積量の時間変化率を算出する差圧変化率算出部と、第１係数と第２係数との和が一定値となる条件で、前記差圧堆積量に第１係数を乗算した値と前記モデル堆積量に第２係数を乗算した値との加算値を粒子状物質堆積量として算出する際、前記排気ガス流量が所定値を超える場合、前記第１係数の値を前記第２係数の値に比して大きく設定し、前記排気ガス流量が前記所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値を超える場合、該設定された第１係数に比して前記第１係数の値を小さい値に修正して前記粒子状物質堆積量を算出する粒子状物質堆積量算出部と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかる粒子状物質堆積量推定装置は、上記の発明において、前記粒子状物質堆積量算出部は、前記第１係数と前記第２係数との和を１に設定し、前記排気ガス流量が所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値を越える場合、前記第１係数の値を１未満に設定し、前記排気ガス流量が所定値を超えない場合、前記第１係数の値を０に設定することを特徴とする。

また、この発明にかかる粒子状物質堆積量推定装置は、上記の発明において、前記粒子状物質堆積量算出部は、前記排気ガス流量が前記所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値以上である場合、前記差圧堆積量の時間変化率の増加に応じて、設定された前記第１係数を減少させることを特徴とする。

また、この発明にかかる粒子状物質堆積量推定装置は、上記の発明において、前記粒子状物質堆積量算出部は、算出した前記粒子状物質堆積量が閾値を超える場合、前記粒子状物質除去フィルタに対する手動強制再生を行わせる指示を出力することを特徴とする。

また、この発明にかかる排気ガス浄化システムは、エンジンの排気ガスから粒子状物質を除去する粒子状物質除去フィルタと、前記エンジンを制御するエンジン制御部と、
前記粒子状物質除去フィルタの再生を制御する再生制御部と、前記粒子状物質除去フィルタの入口側と出口側との差圧を検出する差圧センサと、前記粒子状物質除去フィルタに対する手動強制再生を指示する再生指示部と、を備え、前記再生制御部は、前記差圧および前記エンジン制御部から入力される排気ガス流量をもとに前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定した差圧堆積量を算出する差圧堆積量算出部と、前記粒子状物質除去フィルタに入力される前記排気ガス内の粒子状物質量から前記粒子状物質除去フィルタで燃焼する粒子状物質量を減算するモデルを用いて前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定したモデル堆積量を算出するモデル堆積量算出部と、前記差圧堆積量の時間変化率を算出する差圧変化率算出部と、第１係数と第２係数との和が一定値となる条件で、前記差圧堆積量に第１係数を乗算した値と前記モデル堆積量に第２係数を乗算した値との加算値を粒子状物質堆積量として算出する際、前記排気ガス流量が所定値を超える場合、前記第１係数の値を前記第２係数の値に比して大きく設定し、前記排気ガス流量が前記所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値を超える場合、該設定された第１係数に比して前記第１係数の値を小さい値に修正して前記粒子状物質堆積量を算出し、この算出した前記粒子状物質堆積量が閾値を超える場合、前記手動強制再生を行うべき旨の指示を前記再生指示部に出力する粒子状物質堆積量算出部と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかる排気ガス浄化システムは、上記の発明において、前記再生制御部は、前記再生指示部から手動強制再生実行の指示を受け付けた場合、前記エンジン制御部を介して手動強制再生を実行することを特徴とする。

また、この発明にかかる粒子状物質堆積量推定方法は、エンジンの排気ガスから粒子状物質を除去する粒子状物質除去フィルタの入口側と出口側との差圧および排気ガス流量をもとに前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定した差圧堆積量を算出する差圧堆積量ステップと、前記粒子状物質除去フィルタに入力される前記排気ガス内の粒子状物質量から前記粒子状物質除去フィルタで燃焼する粒子状物質量を減算するモデルを用いて前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定したモデル堆積量を算出するモデル堆積量算出ステップと、前記差圧堆積量の時間変化率を算出する差圧変化率算出ステップと、第１係数と第２係数との和が一定値となる条件で、前記差圧堆積量に第１係数を乗算した値と前記モデル堆積量に第２係数を乗算した値との加算値を粒子状物質堆積量として算出する際、前記排気ガス流量が所定値を超える場合、前記第１係数の値を前記第２係数の値に比して大きく設定し、前記排気ガス流量が前記所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値を超える場合、該設定された第１係数に比して前記第１係数の値を小さい値に修正して前記粒子状物質堆積量を算出する粒子状物質堆積量算出ステップと、を含むことを特徴とする。

この発明によれば、第１係数と第２係数との和が一定値となる条件で、差圧堆積量に第１係数を乗算した値とモデル堆積量に第２係数を乗算した値との加算値を粒子状物質堆積量として算出する際、排気ガス流量が所定値を超える場合、前記第１係数の値を前記第２係数の値に比して大きく設定し、前記排気ガス流量が前記所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値を超える場合、該設定された第１係数に比して前記第１係数の値を小さい値に修正して前記粒子状物質堆積量を算出するようにしているので、精度の高い粒子状物質堆積量を推定することができる。これにより、ＤＰＦ内のセル閉塞が生じた場合のように、実際の粒子状物質堆積量とは無関係に差圧が急上昇し、推定した粒子状物質堆積量が非常に大きくなることによって、手動強制再生を促す誤った警報を出してしまうことを防止することができる。

図１は、この発明の実施の形態にかかる排気ガス浄化システムを含むディーゼルエンジンの概要構成を示す模式図である。図２は、図１に示した再生制御部の構成を示すブロック図である。図３は、ＰＭ堆積量をパラメータとした排気ガス流量と差圧との関係を示す図である。図４は、モデル堆積量算出部の詳細構成を示すブロック図である。図５は、ＰＭ堆積量算出部によるＰＭ堆積量算出処理手順を示すフローチャートである。図６は、図５に示した係数決定処理の処理手順を示すフローチャートである。図７は、係数αの排気ガス流量依存性を示す図である。図８は、差圧堆積量算出が主として適用される範囲を示す図である。図９は、ＤＰＦのセル閉塞による差圧急上昇が発生した場合のＰＭ堆積量、差圧、および差圧堆積量時間変化率の時間変化を示すタイムチャートである。図１０は、差圧堆積量時間変化率の増大に伴って係数α’を減少させる関数の一例を示す図である。図１１は、排気ガス流量の閾値近傍で係数αにモジュレーションをかけた一例を示す図である。図１２は、ＰＭ堆積量算出の際に差圧堆積量とモデル堆積量との双方を常に用いる場合の一例を示す図である。図１３は、ＰＤＦのセルが閉塞する状態を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

図１は、この発明の実施の形態にかかる排気ガス浄化システムを含むディーゼルエンジン１００の概要構成を示す模式図である。図１において、ディーゼルエンジン１００は、内部に複数の燃焼室が形成されたエンジン本体１と、吸入される空気をフィルタを用いて濾過し、埃などの異物が燃焼室に混入するのを防止するエアクリーナ２と、エンジン本体１内部の各燃焼室に給気を供給する給気管路３と、エンジン本体１内部の各燃焼室から排出された排気ガスを排出する排気管路４と、冷却機構５と、排気タービン過給機６と、排気浄化装置７と、排気再循環システム８と、エンジンコントローラ３０と、再生制御部４０と、再生指示部５０とを有する。
を備える。

エンジン本体１と給気管路３との間には、給気管路３からの給気がエンジン本体１内部の各燃焼室に分配されるように、給気マニホールド３Ａが取り付けられている。エンジン本体１と排気管路４との間には、エンジン本体１内部の各燃焼室から排出された排気ガスがまとめて排気管路４に流入するように、排気マニホールド４Ａが取り付けられている。

給気管路３には、排気タービン過給機６によって圧縮された空気を冷却するためのアフタークーラ１１が設けられている。冷却機構５は、エンジン本体２内に収められた図示しないクランクシャフト等により駆動されるポンプ１２を備える。ポンプ１２によって圧送された冷却水は、エンジン本体１，排気タービン過給機６，図示しないオイルクーラ等の冷却が必要な部位を冷却した後、冷却機構５に設けられたラジエータ１３によって空冷されるようになっている。アフタークーラ１１とラジエータ１３とは、エンジン本体１に設けられ、且つ、図示しないクランクシャフト等によって回転駆動されるファン１４によって、その冷却作用が促進されるようになっている。

排気タービン過給機６は、排気管路４の途中に設けられたタービン２１と、給気管路３の途中に設けられ、タービン２１に連結されて駆動されるコンプレッサ２２と、タービン２１に供給される排気ガスの流速を制御するために可変ターボノズル２３とを備える。排気タービン過給機６は、可変ターボノズル２３の開度を制御することにより、タービン２１の回転数を制御する。タービン２１の回転によってコンプレッサ２２が駆動し、エンジン本体１への給気過給が行われる。なお、可変ターボノズル２３は、全閉時には、パイパス路２４を介して排気浄化装置７側に排気するようにしている。すなわち、可変ターボノズル２３が開時には、排気ガスをタービン翼車２１ａに供給して仕事をさせ、可変ターボノズル２３が全閉時には、排気ガスを、バイパス路２４を介して排気浄化装置７側に出力してタービン翼車２１ａへの仕事を小さくして排気温度を高めるようにしている。

排気浄化装置２は、タービン２１の下流側に設けられ、排気ガスに含まれるＰＭを除去するものであり、ＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）７１、ＤＰＦ７２、差圧センサ７３、温度センサ７４を有する。ＤＯＣ７１およびＤＰＦ７２は、円筒状の排気管路内部に設けられ、排気管路の上流側にＤＯＣ７１が設けられ、排気管路の下流側にＤＰＦ７２が設けられる。また、タービン２１と排気浄化装置７との間には、ドージング燃料供給装置７０から供給されるドージング燃料を噴射するドージングノズル７０ａが配置される。このドージング燃料の噴射は、強制再生が指示された場合に行われる。

ＤＯＣ７１は、Ｐｔなどによって実現され、排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＰＭに含まれるＳＯＦ（有機可溶成分）を酸化して除去する。さらに、ＤＯＣ２１は、排気ガスに含まれるＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ_２（二酸化窒素）に変化させ、さらにはドージングノズル７０ａから噴射されたドージング燃料を酸化することによって排気ガス温度を上昇させる。

ＤＰＦ７２は、ＰＭを捕集する。ＤＰＦ７２は、炭化珪素等を基材として実現される。排気ガスに含まれるＰＭは、ＤＰＦ７２に形成された微細な穴を通過する際に捕集される。そして、ＤＰＦ７２は、図１に示すように、排気ガスの流れ方向に沿った微細流路を有するセルが円筒状の排気管路内に密集配置される。そして、上流側端部を目封じさせたセルと、下流側端部を目封じさせたセルとを交互に配置したウォールフロー型ＤＰＦである。捕集されたＰＭは、排気ガスが酸化反応を進行させることができる温度であることを条件として、排気ガスに含まれる酸素およびＤＯＣ７１で生成されたＮＯ_２によって酸化（燃焼）されることになる。

差圧センサ７３は、ＤＰＦ７２の上流側に配置されてＤＰＦ７２の上流側の圧力を検出する圧力センサ７３ａと、ＤＰＦ７２の下流側に配置されてＤＰＦ７２の下流側の圧力を検出する圧力センサ７３ｂと、圧力センサ７３ａが検出した圧力から圧力センサ７３ｂが検出した圧力を減算した差圧を再生制御部４０に出力する差圧検出部７３ｃとを有する。

温度センサ７４は、ＤＰＦ７２の上流側に配置され、ＤＰＦ７２の入口の排気温度を検出し、ＤＰＦ温度として再生制御部４０に出力する。

排気再循環システム８は、排気マニホールド４Ａと給気管路３とを連通する排気再循環通路３１を備える。排気再循環通路３１は、排気マニホールド４Ａから排気ガスの一部を抽出して給気管路３に再循環させる。排気再循環通路３１には、排気再循環通路３１を開閉するＥＧＲバルブ３２と、排気マニホールド４Ａからの排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ３３とが設けられている。排気再循環システム８は、排気再循環通路３１を介して排気ガスの一部を給気マニホールド３Ａに還流させることによって、給気中の酸素濃度を低下させ、エンジン本体１の燃焼温度を下げる。これにより、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の量を低減させることができる。

ここで、ディーゼルエンジン１００は、制御系として、エンジン回転速度センサ３ａと、給気圧センサ３ｃと、排気圧センサ３ｄと、タービン回転速度センサ３ｅ，流量センサ３ｆを備える。エンジン回転速度センサ３ａは、エンジン本体１の図示しないクランクシャフトの回転速度を検出し、図示しないクランクシャフトの回転速度を示す信号をエンジンコントローラ３０に入力する。

給気圧センサ３ｃは、コンプレッサ２２の出口通路と給気マニホールド３Ａとの間の給気圧力を検出し、エンジンコントローラ３０に入力する。排気圧センサ３ｄは、排気マニホールド４Ａとタービン２１の入口通路との間の排気圧力を検出し、排気圧力を示す信号をエンジンコントローラ３０に入力する。タービン回転速度センサ４ｅは、タービン２１の回転速度を検出し、タービン２１の回転速度を示す信号をエンジンコントローラ３０に入力する。

エンジンコントローラ３０は、図示しないアクセルペダルなどのオペレータの要求に応じた入力手段の入力値に応じて、燃料噴射量、燃料噴射タイミング、ＥＧＲバルブ３２、可変ターボノズル２３を調整してエンジン回転数やトルク制御を行うとともに、再生制御部４０からの指示によって、燃料噴射量、燃料噴射タイミング、ＥＧＲバルブ３２、可変ターボノズル２３を調整して排気温度を上昇させ、その後ドージングノズル７０ａからドージング燃料を噴射することによって、強制再生制御を行う。特に、エンジンコントローラ３０は、強制再生制御を行う場合、燃料噴射量を抑え、ＥＧＲバルブ３２、可変ターボノズル２３をそれぞれ閉にすることによって排気温度を上昇させる。

再生制御部４０は、差圧堆積量算出部４１、モデル堆積量算出部４２、差圧堆積量時間変化率算出部４３、およびＰＭ堆積量算出部４４を有する。再生制御部４０は、エンジンコントローラ３０から得られる排気ガス流量情報、ＰＭ発生量情報、ＰＭ燃焼量情報、差圧センサ７３から得られる差圧、および温度センサ７４から得られるＤＰＦ温度をもとにＤＰＦ７２に堆積するＰＭ堆積量を推定し、ＰＭ堆積量が所定の閾値を越える場合に、再生指示部５０に通知する。また、再生制御部４０は、再生指示部５０からの手動再生指示があった場合に、エンジンコントローラ３０に手動強制再生を行わせる。また、手動強制再生が終了した場合、その旨を再生指示部５０に通知する。

再生指示部５０は、運転席近傍に設けられた入出力操作が可能な表示パネルに設けられ、再生制御部４０から通知があった場合、手動再生指示を促す警告表示を行うとともに、手動再生指示の操作があった場合に、手動再生指示を再生制御部４０に出力する。また、再生指示部５０は、手動強制再生指示の終了通知があった場合、その旨を表示出力する。

ここで、再生制御部４０による再生制御処理について説明する。図２は、再生制御部４０の詳細構成を示すブロック図である。図２において、差圧堆積量算出部４１には、差圧センサ７３からのＤＰＦ７２の差圧と、温度センサ７４からのＤＰＦ温度と、エンジンコントローラ３０からの排気ガス流量情報とが入力される。排気ガス流量情報は、ＤＰＦ７２に入力される排気ガス体積流量である。エンジンコントローラ３０は、流量センサ３ｆが検出した給気質量流量と燃料噴射量センサ３ｂが検出した燃料噴射量から推定される排気質量流量とを加算した質量流量を差圧堆積量算出部４１に出力する。そして、差圧堆積量算出部４１は、エンジンコントローラ３０から入力された排気ガス流量を、温度センサ７４から入力されたＤＰＦ温度をもとに排気体積流量に変換する。

差圧堆積量算出部４１は、この変換した排気ガス流量と差圧とＰＭ堆積量との関係を示す３次元マップを有し、変換された排気ガス流量と差圧とを入力値としてＰＭ堆積量を出力する。図３は、ＰＭ堆積量をパラメータとした排気ガス流量と差圧との関係を示す図である。排気ガス流量が一定の場合、差圧の増大に伴ってＰＭ堆積量は増大する。また、差圧が一定の場合、排気ガス流量の増大に伴ってＰＭ堆積量は減少する。たとえば、図３に示すように、排気ガス流量がＱＶ１で差圧がＤＰ１〜ＤＰ４の場合、それぞれＰＭ堆積量は、Ｐ１〜Ｐ４となる。すなわち、ＰＭ堆積量は、Ｐ１よりＰ４のほうが大きい。そして、差圧堆積量算出部４１は、推定したＰＭ堆積量を差圧堆積量ＰＭａとしてＰＭ堆積量算出部４４および差圧堆積量時間変化率算出部４３に出力する。

一方、図４に示すように、モデル堆積量算出部４２には、エンジンコントローラ３０からのＰＭ発生量情報およびＰＭ燃焼量情報と、温度センサ７４からのＤＰＦ温度とが入力される。エンジンコントローラ３０は、燃料噴射量や空燃比などをもとに推定した排気ガス内のＰＭ発生量を示すＰＭ発生量情報と、ＤＯＣ７１から出力されると推定したＮＯ_２発生量およびＤＯＣ７１から出力されるＯ_２発生量を示すＰＭ燃焼量情報とをモデル堆積量算出部４２に出力する。モデル堆積量算出部４２は、エンジンから発生するＰＭ発生量からＤＰＦ７２で燃焼するＰＭ燃焼量を減算することによってＰＭ堆積量を推定する燃焼モデルＭを用いている。なお、燃焼モデルＭは、ＰＭ堆積速度を算出している。

ＮＯ_２によるＰＭ燃焼量算出部４２ａは、エンジンコントローラ３０から入力されたＮＯ_２発生量とＤＰＦ温度とをもとに、あらかじめ実測等で求めておいたＤＰＦ７２に堆積したＰＭがＮＯ_２によって酸化（燃焼）する反応速度をマップ等で記憶しておいたものを用いて、ＮＯ_２によるＰＭ燃焼速度を算出する。Ｏ_２によるＰＭ燃焼量算出部４２ｂは、エンジンコントローラ３０から入力されたＯ_２発生量とＤＰＦ温度とをもとに、あらかじめ実測等で求めておいたＤＰＦ７２に堆積したＰＭがＯ_２によって酸化（燃焼）する反応速度をマップ等で記憶しておいたものを用いて、Ｏ_２によるＰＭ燃焼速度を算出する。ここで、エンジンコントローラ３から入力されるＰＭ発生量は、ＰＭ発生速度であり、演算器４２ｃは、ＰＭ発生速度からＮＯ_２によるＰＭ燃焼速度およびＯ_２によるＰＭ燃焼速度を減算したＰＭ堆積速度を積算部４２ｄに出力する。積算部４２ｄは、入力されたＰＭ堆積速度をもとにＰＭ堆積量を積算し、この積算したＰＭ堆積量をモデル堆積量ＰＭｂとしてＰＭ積算量算出部４４に出力する。

図２に戻り、ＰＭ堆積量算出部４４は、差圧堆積量算出部４１から入力された差圧堆積量ＰＭａとモデル堆積量算出部４２から入力されたモデル堆積量ＰＭｂとに対して重み係数をかけてＰＭ堆積量ＰＭｓを算出する。すなわち、ＰＭ堆積量ＰＭｓは、係数α（０≦α≦１）として次式（１）で表せる。
ＰＭｓ＝α・ＰＭａ＋（１−α）・ＰＭｂ …（１）
すなわち、差圧堆積量ＰＭａにかかる重み係数である係数αと、モデル堆積量ＰＭｂにかかる重み係数である係数（１−α）とは、それぞれ加算して「１」となるようにしている。換言すれば、係数αによって、差圧堆積量ＰＭａとモデル堆積量ＰＭｂとの配分比を決定している。係数αが１であれば、ＰＭ堆積量Ｐｓは、差圧堆積量ＰＭａの値となり、係数αが０であれば、ＰＭ堆積量Ｐｓは、モデル堆積量ＰＭｂの値となる。

また、ＰＭ堆積量算出部４４は、係数αを決定する係数決定部４５を有する。係数決定部４５には、エンジンコントローラ３０からの排気ガス流量情報と、温度センサ２４からのＤＰＦ温度とが入力され、ＤＰＦ温度で変換補正したＤＰＦ７２での排気ガス流量を算出し、この排気ガス流量の値が所定値ＱＶｔｈを越えた場合には、係数αを１に設定し、排気ガス流量の値が所定値ＱＶｔｈ未満である場合には、係数αを０に設定する。一方、差圧堆積量時間変化率算出部４３は、差圧堆積量算出部４１から入力される差圧堆積量の時間変化率である差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａを算出し、係数決定部４５内の係数修正部４６に出力する。係数決定部４６は、差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａが閾値ΔＰＭａｔｈを越えた場合に、係数αの値を、係数αの値よりも小さい係数α’に修正する。

図５および図６に示すフローチャートを参照して、ＰＭ堆積量算出部４４の処理手順について説明する。まず、図５において、ＰＭ堆積量算出部４４は、まず、差圧堆積量算出部４１から差圧堆積量ＰＭａを取得する（ステップＳ１０１）。さらに、ＰＭ堆積量算出部４４は、モデル堆積量算出部４２からモデル堆積量ＰＭｂを取得する（ステップＳ１０２）。その後、係数決定部４５によって係数αを決定する係数決定処理を行わせる（ステップＳ１０３）。その後、ＰＭ堆積量算出部４４は、決定された係数αを用い、式（１）に従って、ＰＭ堆積量ＰＭｓを算出する（ステップＳ１０４）。その後、ＰＭ堆積量算出部４４は、算出されたＰＭ堆積量ＰＭｓが閾値ＰＭｔｈを越えているか否かを判断する（ステップＳ１０５）。ＰＭ堆積量ＰＭｓが閾値ＰＭｔｈを越えていない場合（ステップＳ１０５，Ｎｏ）には、ステップＳ１０１に移行して上述した処理を繰り返す。一方、ＰＭ堆積量ＰＭｓが閾値ＰＭｔｈを越えている場合（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）には、再生指示部５に対して手動強制再生をすべき旨の指示を行い（ステップＳ１０６）、その後、ステップＳ１０１に移行して上述した処理を繰り返す。

ステップＳ１０３に示す係数決定処理は、図６に示したフローチャートに従って行われる。すなわち、係数決定部４５は、まず、排気ガス流量が所定値ＱＶｔｈを越えているか否かを判断する（ステップＳ２０１）。排気ガス流量が所定値ＱＶｔｈを越えていない場合（ステップＳ２０１，Ｎｏ）には、係数αを０に設定して（ステップＳ２０３）、ステップＳ１０３にリターンする。一方、排気ガス流量が所定値ＱＶｔｈを越えている場合（ステップＳ２０１，Ｙｅｓ）には、さらに差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａが閾値ΔＰＭａｔｈを越えているか否かを判断する（ステップＳ２０２）。差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａが閾値ΔＰＭａｔｈを越えていない場合（ステップＳ２０２，Ｎｏ）には、係数αを１に設定して（ステップＳ２０４）、ステップＳ１０３にリターンする。一方、差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａが閾値ΔＰＭａｔｈを越えている場合（ステップＳ２０２，Ｙｅｓ）には、係数αを１よりも小さい係数α’に修正され（ステップＳ２０５）、ステップＳ１０３にリターンする。

この結果、係数αは、図７に示すように決定される。すなわち、排気ガス流量ＱＶが所定値ＱＶｔｈ未満である場合、係数αは０となる。所定値ＱＶｔｈを越えている場合であって差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａが閾値ΔＰＭａｔｈ未満である場合、係数αは１となる。所定値ＱＶｔｈを越えている場合であって差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａが閾値ΔＰＭａｔｈを越えている場合、係数αは１よりも小さい係数α’に修正される。

ここで、排気ガス流量ＱＶが所定値ＱＶｔｈ未満（図８に示す領域Ｒ１）の場合に係数αを０とするのは、領域Ｒ１では、差圧堆積量ＰＭａの推定精度が低くなるからである。このため、領域Ｒ１では、係数αを０としてＰＭ堆積量ＰＭｓをモデル堆積量ＰＭｂで推定するようにしている。また、排気ガス流量ＱＶが所定値ＱＶｔｈを越えた（図８に示す領域Ｒ２）の場合には係数αを１としてＰＭ堆積量ＰＭｓを差圧堆積量ＰＭａで推定するようにしている。

一方、排気ガス流量ＱＶが所定値ＱＶｔｈを越えた（図８に示す領域Ｒ２）の場合に係数αを１としてＰＭ堆積量ＰＭｓをすべて差圧堆積量ＰＭａで推定すると、図１３に示したようにＤＰＦ７２のセル内でＰＭが剥がれて、セルが閉塞される場合があり、この場合、実際のＰＭ堆積量とは無関係に差圧が急上昇してＰＭ堆積量の推定精度が極端に悪くなるとともに、無用な手動強制再生を指示することになる。このため、差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａが閾値ΔＰＭａｔｈを越えた場合、係数αを１よりも小さい係数α’にして、セル閉塞による差圧急上昇に伴う差圧堆積量ＰＭａの増大分の影響を小さくなるようにしている。

たとえば、図９に示す時点ｔ１でＤＰＦ７２のセル閉塞が発生した場合、図９（ｂ）に示すように、セル閉塞に伴って、破線部のように差圧ＤＰは急上昇する。そのとき、図９（ｃ）に示すように、時点ｔ１で差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａは、破線部のように閾値ΔＰＭａｔｈを越える。その場合、図９（ａ）に示すように、算出されたＰＭ堆積量ＰＭｓは、手動強制再生指示を行うための閾値ＰＭｔｈを越えてしまう。この場合、図９（ａ）の実線で示す実際のＰＭ堆積量と破線で示す算出されたＰＭ堆積量との差である斜線分のＰＭ堆積量増加分ΔＳは、大きな誤差となる。このため、係数αを１よりも小さい係数α’にして、ＰＭ堆積量増加分ΔＳを減少させ、モデル堆積量ＰＭｂの推定割合を増やして補うようにしている。

したがって、この実施の形態では、排気ガス流量ＱＶが所定値ＱＶｔｈを越えない領域Ｒ１では、差圧堆積量ＰＭａに比して誤差の小さいモデル堆積量ＰＭｂを用いてＰＭ堆積量ＰＭｓを推定し、排気ガス流量ＱＶが所定値ＱＶｔｈを越える領域Ｒ２では、精度の高い差圧堆積量ＰＭａを用いてＰＭ堆積量ＰＭｓを推定するようにし、さらに、排気ガス流量ＱＶが所定値ＱＶｔｈを越える領域Ｒ２では、係数αを小さくしてＤＰＦ２２のセル閉塞に伴う差圧急上昇による誤差成分が小さくなるようにしているので、精度の高く無駄のない手動強制再生の指示を確実に行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａの変動にかかわらず、係数α’を予め設定された一定の値としていた（図１０のＬ１）が、これに限らず、係数α’を差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａの関数値としてもよい。すなわち、
α‘＝ｆ（ΔＰＭａ）
とし、図１０のＬ２に示すように、差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａの増加に伴って係数α‘の値が減少するようにすればよい。これによって、可能な限り差圧堆積値ＰＭａを用いて推定精度を上げるとともに、無駄な手動強制再生の指示発生を抑えることができる。なお、差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａに替えて、差圧時間変化率の関数としてもよい。

また、上述した実施の形態では、図７に示すように、排気ガス流量ＱＶの所定値ＱＶｔｈで急激に係数が変化するようにしていたが、これに限らず、図１１に示すように、所定値ＱＶｔｈを越えてから、滑らかに係数αが変化するようにモジュレーションをかけるようにしてもよい。

さらに、上述した実施の形態では、差圧堆積量時間変化率ΔＰＭａの急上昇の発生がない場合、領域Ｒ１で係数αを０に設定し、領域Ｒ２で係数αを１に設定することを前提としていたが、これに限らず、図１２に示すように、領域Ｒ１の係数αは０でなく、領域Ｒ１では主にモデル堆積量ＰＭｂが用いられ、また、領域Ｒ２の係数αは１でなく、領域Ｒ２では主に差圧堆積量ＰＭａが用いられるようにしてもよい。

１エンジン本体
２エアクリーナ
３給気管路
４排気管路
５冷却機構
６排気タービン過給機
７排気浄化装置
８排気再循環システム
３ａエンジン回転速度センサ
３ｃ給気圧センサ
３ｄ排気圧センサ
３ｅタービン回転速度センサ
３ｆ流量センサ
２１タービン
２１ａタービン翼車
２２コンプレッサ
２３可変ターボノズル
２４バイパス路
３０エンジンコントローラ
３１排気再循環通路
３２ＥＧＲバルブ
３３ＥＧＲクーラ
４０再生制御部
４１差圧堆積量算出部
４２モデル堆積量算出部
４２ａＮＯ_２によるＰＭ燃焼量算出部
４２ｂＯ_２によるＰＭ燃焼量算出部
４２ｃ演算器
４２ｄ積算部
４３差圧堆積量時間変化率算出部
４４ＰＭ堆積量算出部
４５係数決定部
４６係数修正部
５０再生指示部
７０ドージング燃料供給装置
７０ａドージングノズル
７１ＤＯＣ
７２ＤＰＦ
７３差圧センサ
７４温度センサ
１００ディーゼルエンジン

Claims

エンジンの排気ガスから粒子状物質を除去する粒子状物質除去フィルタの入口側と出口側との差圧および排気ガス流量をもとに前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定した差圧堆積量を算出する差圧堆積量算出部と、
前記粒子状物質除去フィルタに入力される前記排気ガス内の粒子状物質量から前記粒子状物質除去フィルタで燃焼する粒子状物質量を減算するモデルを用いて前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定したモデル堆積量を算出するモデル堆積量算出部と、
前記差圧堆積量の時間変化率を算出する差圧堆積量変化率算出部と、
第１係数と第２係数との和が一定値となる条件で、前記差圧堆積量に第１係数を乗算した値と前記モデル堆積量に第２係数を乗算した値との加算値を粒子状物質堆積量として算出する際、前記排気ガス流量が所定値を超える場合、前記第１係数の値を前記第２係数の値に比して大きく設定し、前記排気ガス流量が前記所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値を超える場合、該設定された第１係数に比して前記第１係数の値を小さい値に修正して前記粒子状物質堆積量を算出する粒子状物質堆積量算出部と、
を備えたことを特徴とする粒子状物質堆積量推定装置。
前記粒子状物質堆積量算出部は、前記第１係数と前記第２係数との和を１に設定し、前記排気ガス流量が所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値を越える場合、前記第１係数の値を１未満に設定し、前記排気ガス流量が所定値を超えない場合、前記第１係数の値を０に設定することを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質堆積量推定装置。
前記粒子状物質堆積量算出部は、前記排気ガス流量が前記所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値以上である場合、前記差圧堆積量の時間変化率の増加に応じて、設定された前記第１係数を減少させることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子状物質堆積量推定装置。
前記粒子状物質堆積量算出部は、算出した前記粒子状物質堆積量が閾値を超える場合、前記粒子状物質除去フィルタに対する手動強制再生を行わせる指示を出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の粒子状物質堆積量推定装置。
エンジンの排気ガスから粒子状物質を除去する粒子状物質除去フィルタと、
前記エンジンを制御するエンジン制御部と、
前記粒子状物質除去フィルタの再生を制御する再生制御部と、
前記粒子状物質除去フィルタの入口側と出口側との差圧を検出する差圧センサと、
前記粒子状物質除去フィルタに対する手動強制再生を指示する再生指示部と、
を備え、
前記再生制御部は、
前記差圧および前記エンジン制御部から入力される排気ガス流量をもとに前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定した差圧堆積量を算出する差圧堆積量算出部と、
前記粒子状物質除去フィルタに入力される前記排気ガス内の粒子状物質量から前記粒子状物質除去フィルタで燃焼する粒子状物質量を減算するモデルを用いて前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定したモデル堆積量を算出するモデル堆積量算出部と、
前記差圧堆積量の時間変化率を算出する差圧変化率算出部と、
第１係数と第２係数との和が一定値となる条件で、前記差圧堆積量に第１係数を乗算した値と前記モデル堆積量に第２係数を乗算した値との加算値を粒子状物質堆積量として算出する際、前記排気ガス流量が所定値を超える場合、前記第１係数の値を前記第２係数の値に比して大きく設定し、前記排気ガス流量が前記所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値を超える場合、該設定された第１係数に比して前記第１係数の値を小さい値に修正して前記粒子状物質堆積量を算出し、この算出した前記粒子状物質堆積量が閾値を超える場合、前記手動強制再生を行うべき旨の指示を前記再生指示部に出力する粒子状物質堆積量算出部と、
を備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
前記再生制御部は、前記再生指示部から手動強制再生実行の指示を受け付けた場合、前記エンジン制御部を介して手動強制再生を実行することを特徴とする請求項５に記載の排気ガス浄化システム。
エンジンの排気ガスから粒子状物質を除去する粒子状物質除去フィルタの入口側と出口側との差圧および排気ガス流量をもとに前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定した差圧堆積量を算出する差圧堆積量ステップと、
前記粒子状物質除去フィルタに入力される前記排気ガス内の粒子状物質量から前記粒子状物質除去フィルタで燃焼する粒子状物質量を減算するモデルを用いて前記粒子状物質除去フィルタに堆積する粒子状物質堆積量を推定したモデル堆積量を算出するモデル堆積量算出ステップと、
前記差圧堆積量の時間変化率を算出する差圧変化率算出ステップと、
第１係数と第２係数との和が一定値となる条件で、前記差圧堆積量に第１係数を乗算した値と前記モデル堆積量に第２係数を乗算した値との加算値を粒子状物質堆積量として算出する際、前記排気ガス流量が所定値を超える場合、前記第１係数の値を前記第２係数の値に比して大きく設定し、前記排気ガス流量が前記所定値を超え、かつ前記差圧堆積量の時間変化率が所定閾値を超える場合、該設定された第１係数に比して前記第１係数の値を小さい値に修正して前記粒子状物質堆積量を算出する粒子状物質堆積量算出ステップと、
を含むことを特徴とする粒子状物質堆積量推定方法。