JP2018145905A

JP2018145905A - 推定装置及び推定方法

Info

Publication number: JP2018145905A
Application number: JP2017042605A
Authority: JP
Inventors: 明寛澤田; Akihiro Sawada; 正信嶺澤; Masanobu Minesawa; 栄治和光; Eiji Wako; 佐藤　晃; Akira Sato; 晃佐藤
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2037-03-07
Also published as: JP6938970B2

Abstract

【課題】ＮＯｘ質量流量の推定精度を効果的に向上させる。【解決手段】エンジン１０から排出される排気ガスの質量流量を取得する排気ガス質量流量取得部１１０と、排気ガスの窒素化合物濃度を取得する窒素化合物濃度取得部９５と、排気ガスの質量流量の位相を窒素化合物濃度の位相に補正する位相補正時間を、排気ガスの質量流量に設定する位相補正時間設定部１２０，１５０と、位相補正時間設定部１２０，１５０により位相補正時間が設定された排気ガスの質量流量及び窒素化合物濃度取得部９５により取得された窒素化合物濃度に基づいて、窒素化合物の質量流量を推定する窒素化合物質量流量推定部１３０とを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、推定装置及び推定方法に関し、特に、エンジンの排気通路における窒素化合物の質量流量（以下、ＮＯｘ質量流量）の推定に関する。

従来、ＮＯｘ質量流量をＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度及び吸入空気流量センサ（以下、ＭＡＦセンサ）により検出される吸入空気流量等に基づいて推定する技術が種々提案されている（例えば、特許文献１，２等参照）。

特開２０１６−２００１１１号公報特開２００９−２８１９５２号公報

ところで、ＭＡＦセンサ及びＮＯｘセンサを用いてＮＯｘ質量流量を推定する場合には、ＭＡＦセンサの位置とＮＯｘセンサとの位置が離れているため、排気ガス質量流量とＮＯｘ濃度とは位相差が発生することとなり、ＮＯｘ質量流量を正確に推定することができないという課題がある。その結果、例えば、このような推定値に基づいてＳＣＲ触媒に還元剤として供給する尿素水の供給量を制御する場合には、供給量の不足や過大な噴射により、ＮＯｘ浄化率が低下したりアンモニアスリップが生じたりする場合がある。

本開示の技術は、ＮＯｘ質量流量の推定精度を効果的に向上させることを目的とする。

本開示の技術は、エンジンから排出される排気ガスの質量流量を取得する排気ガス質量流量取得手段と、前記排気ガスの窒素化合物濃度を取得する窒素化合物濃度取得手段と、前記排気ガスの質量流量の位相を前記窒素化合物濃度の位相に補正する位相補正時間を、前記排気ガスの質量流量に設定する位相補正時間設定手段と、前記位相補正時間設定手段により位相補正時間が設定された排気ガスの質量流量及び前記窒素化合物濃度取得手段により取得された窒素化合物濃度に基づいて、窒素化合物の質量流量を推定する窒素化合物質量流量推定手段とを備えることを特徴とする。

また、前記排気ガス質量流量取得手段は、前記エンジンのエンジン負荷を取得するエンジン負荷取得手段と、前記エンジンの吸気通路内に吸入される吸入空気流量を取得する空気流量取得手段とを備え、前記エンジン負荷に応じた前記エンジンの燃料指示噴射量及び前記吸入空気流量に基づいて、前記排気ガスの質量流量を取得することが好ましい。

さらに、前記位相補正時間設定手段は、前記排気ガスの質量流量が大きくなるに伴い前記位相補正時間を小さくすることが好ましい。

本開示の技術は、エンジンから排出される排気ガスの質量流量及び前記排気ガスの窒素化合物濃度を取得し、前記排気ガスの質量流量の位相を前記窒素化合物濃度の位相に補正する位相補正時間を、前記排気ガスの質量流量に設定し、前記位相補正時間が設定された排気ガスの質量流量及び前記窒素化合物濃度に基づいて、窒素化合物の質量流量を推定することを特徴とする。

本開示の技術によれば、ＮＯｘ質量流量の推定精度を効果的に向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの吸排気系を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係る推定装置の機能ブロック図である。本発明の一実施形態に係る排気ガス質量流量と位相補正時間との相関関係を規定するマップの一例を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る推定装置及び推定方法による作用効果を説明する図である。本発明の他実施形態に係る推定装置の機能ブロック図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る推定装置及び推定方法について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、エンジン）１０には、吸気マニホールド１１及び排気マニホールド１２が設けられている。吸気マニホールド１１には新気を導入する吸気通路１３が接続され、排気マニホールド１２には排気ガスを大気に放出する排気通路１４が接続されている。

吸気通路１３には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１５、ＭＡＦセンサ９３、過給機２０のコンプレッサ２２、インタークーラ１６、ブースト圧センサ９２等が設けられている。排気通路１４には、排気上流側から順に、過給機２０のタービン２１、前段後処理装置４０、排気温度センサ９４、上流ＮＯｘセンサ９５、後段後処理装置４１、下流ＮＯｘセンサ９６等が設けられている。

排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置）３０は、タービン２１よりも上流側の排気通路１４とコンプレッサ２２よりも下流側の吸気通路１３とを接続するＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲ量を調整可能なＥＧＲバルブ３３とを備えている。

前段後処理装置４０は、排気上流側から順に、酸化触媒４２と、パティキュレイト・フィルタ（以下、フィルタ）４３とを備えている。

酸化触媒４２は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に酸化触媒成分等を担持して形成されており、排気ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）を酸化する。酸化触媒４２は、何れも図示しない筒内インジェクタのポスト噴射や排気管インジェクタの排気管噴射によって未燃状態のＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

フィルタ４３は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ４３は、排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭ）を隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積量が所定の上限閾値に達すると、これを燃焼除去するフィルタ再生が実施される。

後段後処理装置４１は、排気上流側から順に、尿素水添加装置４４と、選択的還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒）４８とを備えている。

尿素水添加装置４４は、尿素水を貯留する尿素水タンク４５と、尿素水タンク４５から尿素水を汲み上げる尿素水ポンプ４６と、排気通路１４内に尿素水を添加する尿素水添加ノズル４７とを備えている。尿素水添加ノズル４７から排気通路１４内に噴射された尿素水は、排気熱により分解されてアンモニア（ＮＨ_３）が生成され、下流側のＳＣＲ触媒４８に還元剤として供給される。

ＳＣＲ触媒４８は、例えば多孔質セラミック担体にゼオライト等を担持して形成されている。ＳＣＲ触媒４８は、尿素水添加ノズル４７から還元剤として供給されるＮＨ_３を吸着すると共に、吸着したＮＨ_３で通過する排気ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

エンジン回転数センサ９０は、エンジン１０の図示しないクランクシャフトからエンジン回転数Ｎｅを検出する。アクセル開度センサ９１は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量に応じたエンジン１０の燃料指示噴射量Ｑを指示する。

ブースト圧センサ９２は、吸気通路１３内のブースト圧（過給圧）を検出する。ＭＡＦセンサ９３は、エアクリーナ１５から吸気通路１３に導入される吸入空気流量ｑ_Ａｉｒを検出する。排気温度センサ９４は、ＳＣＲ触媒４８の上流側の排気通路１４を流れる排気ガスの排気温度を検出する。

上流ＮＯｘセンサ９５及び下流ＮＯｘセンサ９６は、例えば、２セル式等のＮＯｘセンサであって、Ｏ２濃度及びＮＯｘ濃度ＮＯｘ_＿Ｓを検出する。なお、排気温度センサ９４、上流ＮＯｘセンサ９５及び下流ＮＯｘセンサ９６の取り付け位置は図示例に限定されず、排気通路１４の他の部位であってもよい。これら各センサ９０〜９６は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）１００と電気的に接続されている。

ＥＣＵ１００は、エンジン１０等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。これら各種制御を行うため、ＥＣＵ１００には、各センサ９０〜９６のセンサ値が入力される。

また、図２に示すように、ＥＣＵ１００は、排気ガス質量流量演算部１１０と、位相補正時間設定部１２０と、ＮＯｘ質量流量推定値演算部１３０と、係数設定部１４０とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ１００に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

排気ガス質量流量演算部１１０は、アクセル開度センサ９１から入力されるエンジン１０の燃料指示噴射量Ｑ及びＭＡＦセンサ９３から入力される吸入空気流量ｑ_Ａｉｒに基づいて、エンジン１０から排出される排気ガスの単位時間当たりに通過する質量流量（以下、排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘ）を演算する。より詳しくは、排気ガス質量流量演算部１１０は、燃料指示噴射量Ｑと吸入空気流量ｑ_Ａｉｒとを加算演算することにより、排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘを演算する。

位相補正時間設定部１２０は、排気ガス質量流量演算部１１０から入力される排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘの位相を、上流ＮＯｘセンサ９５から入力される上流ＮＯｘ濃度ＮＯｘ_＿Ｓの位相に補正する位相補正時間（遅れ時間）Ｔを推定して、排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘに設定する。位相補正時間Ｔは、ＭＡＦセンサ９３の位置における吸入空気が吸気通路１３、エンジン１０、排気通路１４を流れて排気ガスとして上流ＮＯｘセンサ９５に到達するまでの時間であって、例えば、排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘに従って設定される。

より詳しくは、ＥＣＵ１００のメモリには、予め実験等により作成した、排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘと位相補正時間Ｔとの相関関係を規定する位相補正時間マップＭ１（図３参照）が記憶されている。この位相補正時間マップＭ１において、位相補正時間Ｔは排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘが大きくなるに従い小さくなるように設定されている。位相補正時間設定部１２０は、位相補正時間マップＭ１から排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘに応じた位相補正時間Ｔを読み取り、当該位相補正時間Ｔを排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘに設定する。

ＮＯｘ質量流量推定値演算部１３０は、係数設定部１４０から入力される係数Ｋ、上流ＮＯｘセンサ９５から入力される上流ＮＯｘ濃度ＮＯｘ_＿Ｓ及び位相補正時間設定部１２０から入力される位相補正時間Ｔが設定された排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘ（以下、補正後排気ガス質量流量ｑｍ_{＿Ｅｘ＿Ｔ}）に基づいて、上流ＮＯｘセンサ９５の位置におけるＮＯｘの単位時間当たりに通過する質量流量の推定値（以下、ＮＯｘ質量流量推定値ｑｍ_＿ＮＯｘ）を演算する。

より詳しくは、係数設定部１４０は、例えば、ＮＯｘ重量比を所定の係数Ｋとして設定し、当該係数Ｋの値をＮＯｘ質量流量推定値演算部１３０に出力する。そして、ＮＯｘ質量流量推定値演算部１３０は、係数Ｋと、上流ＮＯｘ濃度ＮＯｘ_＿Ｓと、補正後排気ガス質量流量ｑｍ_{＿Ｅｘ＿Ｔ}とを乗算演算することにより、ＮＯｘ質量流量推定値ｑｍ_＿ＮＯｘを演算する。なお、係数Ｋは、予め規定された固定値であってもよく、上流ＮＯｘセンサ９５からのセンサ値に基づく空気過剰率に応じたマップ等により変化させてもよい。

以上詳述したように、本実施形態によれば、燃料指示噴射量Ｑ及び吸入空気流量ｑ_Ａｉｒに基づいて演算される排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘに位相補正時間Ｔを設定することで、図４中に特性線Ａで示される排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘは、特性線Ｂで示される補正後排気ガス質量流量ｑｍ_{＿Ｅｘ＿Ｔ}に補正される。そして、特性線Ｂで示される補正後排気ガス質量流量ｑｍ_{＿Ｅｘ＿Ｔ}と特性線Ｃで示される上流ＮＯｘ濃度ＮＯｘ_＿Ｓに基づいて、ＮＯｘ質量流量推定値ｑｍ_＿ＮＯｘを演算することで、ＮＯｘ質量流量推定値ｑｍ_＿ＮＯｘを上流ＮＯｘセンサ９５の位置におけるＮＯｘ質量流量の実際値に近づけられるようになっている。これにより、ＮＯｘ質量流量の推定精度を効果的に向上させることができる。そして、ＮＯｘ質量流量の精度が向上することで、例えば、尿素水添加ノズル４７から噴射される尿素水噴射量をより正確に制御することができ、その結果、尿素水噴射量の不足又は過大な噴射によるＮＯｘ浄化率の低下やアンモニアスリップを効果的に防止することが可能になる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図５に示すように、ＥＣＵ１００は、排気ガス質量流量演算部１１０と、位相補正時間演算設定部１５０と、ＮＯｘ質量流量推定値演算部１３０と、係数設定部１４０とを一部の機能要素として有してもよい。この場合、位相補正時間演算設定部１５０は、例えば、ＭＡＦセンサ９３から上流ＮＯｘセンサ９５までの通路容積Ｖを排気ガス体積流量ｑｖ_＿Ｅｘで除算演算することにより位相補正時間Ｔを演算し、当該位相補正時間Ｔを排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘに設定する。ここで、通路容積Ｖは、予め設計値等により固定値として設定されている。また、排気ガス体積流量ｑｖ_＿Ｅｘは、エンジン回転数Ｎｅ、燃料指示噴射量Ｑ、ブースト圧センサ９２から入力されるブースト圧、排気温度センサ９４から入力される排気温度等に基づいて演算される。これにより、位相補正時間Ｔをリアルタイムに演算することができ、ＮＯｘ質量流量の推定精度を効果的に向上させることができる。

また、排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘは、燃料指示噴射量Ｑと吸入空気流量ｑ_Ａｉｒとを加算演算するものに限定されず、図示しない排気ガス流量センサにより取得してもよく、この他種々の方法により取得してもよい。

さらに、位相補正時間Ｔは、排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘの位相を上流ＮＯｘ濃度ＮＯｘ_＿Ｓの位相に補正するものに限定されず、上流ＮＯｘ濃度ＮＯｘ_＿Ｓの位相を排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘの位相に補正するものであってもよく、上流ＮＯｘ濃度ＮＯｘ_＿Ｓの位相と排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘの位相との双方を補正して位相を合わせてもよい。

さらに、ＮＯｘ質量流量推定値ｑｍ_＿ＮＯｘは、上流ＮＯｘ濃度ＮＯｘ_＿Ｓ及び補正後排気ガス質量流量ｑｍ_{＿Ｅｘ＿Ｔ}に基づいて演算するものに限定されず、下流ＮＯｘセンサ９６から入力される下流ＮＯｘ濃度に基づいて演算してもよい。

さらに、排気ガス質量流量ｑｍ_＿Ｅｘ及び上流ＮＯｘ濃度ＮＯｘ_＿Ｓは、例えば、ローパスフィルタ等のフィルタによってノイズ成分を除去する等のフィルタ処理を施してもよい。

さらに、ＮＯｘ質量流量推定値ｑｍ_＿ＮＯｘは、尿素水添加ノズル４７から噴射される尿素水噴射量を制御するものに限定されず、その他の各種判定や各種制御に用いることができる。

１０エンジン
１３吸気通路
１４排気通路
４４尿素水添加装置
４７尿素水添加ノズル
４８ＳＣＲ触媒
９１アクセル開度センサ（エンジン負荷取得手段）
９３ＭＡＦセンサ（空気流量取得手段）
９５上流ＮＯｘセンサ（窒素化合物濃度取得手段）
１００ＥＣＵ
１１０排気ガス質量流量演算部（排気ガス質量流量取得手段）
１２０位相補正時間設定部（位相補正時間設定手段）
１３０ＮＯｘ質量流量推定値演算部（窒素化合物質量流量推定手段）
１４０係数設定部
１５０位相補正時間演算設定部（位相補正時間設定手段）

Claims

エンジンから排出される排気ガスの質量流量を取得する排気ガス質量流量取得手段と、
前記排気ガスの窒素化合物濃度を取得する窒素化合物濃度取得手段と、
前記排気ガスの質量流量の位相を前記窒素化合物濃度の位相に補正する位相補正時間を、前記排気ガスの質量流量に設定する位相補正時間設定手段と、
前記位相補正時間設定手段により位相補正時間が設定された排気ガスの質量流量及び前記窒素化合物濃度取得手段により取得された窒素化合物濃度に基づいて、窒素化合物の質量流量を推定する窒素化合物質量流量推定手段と
を備えることを特徴とする推定装置。
前記排気ガス質量流量取得手段は、
前記エンジンのエンジン負荷を取得するエンジン負荷取得手段と、
前記エンジンの吸気通路内に吸入される吸入空気流量を取得する空気流量取得手段と
を備え、
前記エンジン負荷に応じた前記エンジンの燃料指示噴射量及び前記吸入空気流量に基づいて、前記排気ガスの質量流量を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の推定装置。
前記位相補正時間設定手段は、前記排気ガスの質量流量が大きくなるに伴い前記位相補正時間を小さくする
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の推定装置。
エンジンから排出される排気ガスの質量流量及び前記排気ガスの窒素化合物濃度を取得し、前記排気ガスの質量流量の位相を前記窒素化合物濃度の位相に補正する位相補正時間を、前記排気ガスの質量流量に設定し、前記位相補正時間が設定された排気ガスの質量流量及び前記窒素化合物濃度に基づいて、窒素化合物の質量流量を推定する
ことを特徴とする推定方法。