JP4333180B2

JP4333180B2 - Exhaust gas purification system

Info

Publication number: JP4333180B2
Application number: JP2003086921A
Authority: JP
Inventors: 潤一大沼
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004293413A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続再生型ＤＰＦを備えて、エンジンの排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル内燃機関から排出されるパティキュレート（パティキュレート・マター：粒子状物質：以下ＰＭという）の排出量は、ＮＯｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきており、このＰＭをＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ：Diesel Particulate Filter ）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
【０００３】
このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック製のモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等があり、これらのＤＰＦを用いた排気ガス浄化システムは、他の排気ガス浄化システムと同様に、内燃機関の排気通路の途中に設置され、内燃機関で発生する排気ガスを浄化して排出している。
【０００４】
これらのＤＰＦ装置に、ＣＲＴ（Continuously Regenerating Trap）方式と呼ばれる、ＤＰＦの上流側に酸化触媒（Diesel Oxdation Catalyst：ＤＯＣ）を設けた連続再生型ＤＰＦや、ＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter ）方式と呼ばれる、フィルタに担持させた触媒の作用によってＰＭの燃焼温度を低下させ、排気ガスによってＰＭを焼却する連続再生型ＤＰＦがある。
【０００５】
このＣＲＴ方式の連続再生型ＤＰＦは、ＮＯ₂（二酸化窒素）によるＰＭの酸化が、排気ガス中の酸素によりＰＭを酸化することより低温で行われることを利用したもので、酸化触媒とフィルタとから構成され、この上流側の白金等を担持した酸化触媒により、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ₂にして、このＮＯ₂で、下流側のフィルタに捕集されたＰＭを酸化してＣＯ₂（二酸化炭素）とし、ＰＭを除去している。
【０００６】
また、ＣＳＦ方式の連続再生型ＤＰＦは、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）等の触媒を有する触媒付きフィルタで構成され、低温域（３００℃〜６００℃程度）では、触媒付きフィルタにおける排気ガス中のＯ₂（酸素）を使用した反応（４ＣｅＯ₂＋Ｃ→２Ｃｅ₂Ｏ₃＋ＣＯ₂，２Ｃｅ₂Ｏ₃＋Ｏ₂→４ＣｅＯ₂等）によりＰＭを酸化し、高温域（６００℃程度以上）では、排気ガス中のＯ₂により直接ＰＭを酸化している。
【０００７】
しかしながら、これらの連続再生型ＤＰＦにおいても、排気温度が低い場合やＮＯの排出が少ない内燃機関の運転状態、例えば、内燃機関のアイドル運転や低負荷・低速度運転等の低排気温度状態が継続した場合においては、排気ガス温度が低く触媒の温度が低下して活性化しないため、酸化反応が促進されず、また、ＮＯが不足するので、上記の反応が生ぜず、ＰＭを酸化してフィルタを再生できない。
【０００８】
そのため、ＰＭのフィルタへの堆積が継続されて、フィルタの目詰まりが進行すると、排圧が上昇し、燃費の悪化を招き、また、エンジン停止等のトラブルが生じるおそれがある。
【０００９】
そこで、これらの連続再生型ＤＰＦでは、このＰＭの蓄積量が予め設定されたＰＭの蓄積限界値に到達した時に、エンジンの運転状態を再生モード運転に変更して、排気温度を強制的に上昇させたり、ＮＯｘの量を増加させたりして、フィルタに捕集されたＰＭを酸化して除去し、連続再生型ＤＰＦを強制再生している。
【００１０】
そして、このＤＰＦの再生開始の判断には、ＤＰＦの前後の差圧（ＤＰＦの圧力損失）が利用される場合もあるが、エンジン回転速度とエンジン負荷から予め記憶したこれらに対応したパティキュレート排出特性とからＰＭ排出量を求め、これを積算して捕集量（ＰＭ蓄積量）を求めたり（例えば、特許文献１参照。）、エンジン負荷、回転数、走行距離、走行時間、または燃料消費量の少なくともいずれか一つに基づいて、より具体的にはエンジン負荷と回転数から求めたＰＭ捕集量を走行距離で補正したりして求めた単位時間当たりのＰＭ捕集量を積算して捕集量（ＰＭ蓄積量）を求めている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１１】
また、差圧と差圧を検出した時点までのエンジン回転数の積算値と差圧に対する基準積算値との比に基づいて捕集量（ＰＭ蓄積量）を求め、更に、この捕集量にエンジン負荷に応じた補正係数を乗じて補正して捕集量を求めたり（例えば、特許文献３参照。）、差圧と回転数をニュートルネットを応用して捕集量（ＰＭ蓄積量）を求めたりしている（例えば、特許文献４参照。）。
【００１２】
【特許文献１】
特公平０１−２３６４７号公報（第２頁）
【特許文献２】
特許第２６２６１１１号公報（第３頁、第４頁）
【特許文献３】
特開平０８−２１０１２２号公報（第３頁、第４頁）
【特許文献４】
特開平０８−２８４６３８号公報（第６頁、第７頁）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのＰＭ蓄積量の算定においては、予めベンチテスト等で求めたマップデータを使用したり、ニュートラルを使用したりするため、データの蓄積やプログラム等のソフト作成に手間が掛かるという問題がある。
【００１４】
また、ＤＰＦの前後の差圧から、ＰＭ捕集量、ＰＭ浄化量を数学モデルで推定する方法を使用する場合は、ＤＰＦの前後の差圧がＤＰＦ周囲の気圧及びＰＭ以外の成分の堆積の影響によっても変化するため、ＤＰＦの前後の差圧からＤＰＦ内のＰＭ蓄積量を正確に推定することは難しいという問題がある。
【００１５】
本発明は、上述の問題を解決するべくなされたものであり、その目的は、エンジンの主要パラメータであるエンジン回転数と燃料流量と、ＤＰＦ差圧変化率を用いて、エンジンで生成されるＰＭ生成量と化学反応によりＤＰＦ内から浄化されるＰＭ浄化量を推測する数学モデルを使用して、簡便で精度良くＰＭ捕集量を推定し、適切な時期に連続再生型ＤＰＦの再生を行うことができる排気ガス浄化システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられたパティキュレートを捕集する連続再生型ＤＰＦと該連続再生型ＤＰＦの前後の差圧を検出する差圧センサと前記連続再生型ＤＰＦの再生制御を行う再生制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、該再生制御手段は、エンジン回転数及び燃料流量におけるＤＰＦ差圧率及びＰＭ生成率の試験データを複数記憶する記憶手段と、前記複数の試験データの中から選択された試験データを用いて数学モデルの係数の決定を行う手段と、前記差圧とエンジン回転数とエンジンの燃料流量を入力するデータ入力手段と、前記差圧の時間に関する変化率であるＤＰＦ差圧変化率を算定する差圧変化率算定手段と、前記回転数と前記燃料流量から数学モデルに基づいてＰＭ生成率を算定するＰＭ生成率算定手段と、前記回転数と前記燃料流量から数学モデルに基づいてＰＭ浄化率を算定するＰＭ浄化率算定手段と、前記ＰＭ生成率から所定時間の間のＰＭ生成量を算出するＰＭ生成量算定手段と、前記ＰＭ浄化率から所定時間の間のＰＭ浄化量を算出するＰＭ浄化量算定手段と、前記ＰＭ生成量と前記ＰＭ浄化量とから所定時間後のＰＭ蓄積量を算定するＰＭ蓄積量算定手段を備え、前記再生制御装置が、前記ＤＰＦ差圧変化率が所定の設定値を超える場合は、エンジン回転数、燃料流量、ＤＰＦ差圧変化率を記録し、このＤＰＦ差圧変化率が所定の設定値を超えた回数が前記所定の設定回数を超える場合は、このＤＰＦ差圧変化率に応じた範囲の試験データを用いて、前記数学モデルの係数を決定することにより、前記数学モデルの係数を修正する係数修正手段を備えて構成される。
【００１７】
この排気ガス浄化システムによれば、連続再生型ＤＰＦの再生開始等の判断に使用するＰＭの堆積量の推定において、エンジン回転数、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て、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連続再生型ＤＰＦの捕集率とから、連続再生型ＤＰＦにおけるＰＭ蓄積量を推定する。
【００１８】
この数学モデルのＰＭ生成量予測モデル式とＰＭ浄化量予測モデル式の係数は、予め、エンジンの運転条件を表す回転数と燃料流量とＤＰＦ差圧変化率とＰＭ生成量の関係を予め測定して、最小二乗法等により決定しておく。
【００１９】
つまり、予め、複数のエンジン運転条件（エンジン回転数、燃料流量）に対応したＰＭ生成量及び差圧を測定して係数を決定した数学モデルの多項式を用いて、走行中のＤＰＦ差圧変化率からＰＭ生成量、ＰＭ浄化量の時間変化量を算定し、更に、これらから、連続再生型ＤＰＦ内のＰＭ蓄積量を算定する。
【００２０】
そして、本発明の排気ガス浄化システムによれば、数学モデルに基づいて、エンジン回転数、燃料流量とＤＰＦ差圧変化率とから、ＰＭ蓄積量を正確に推定することができるので、適切な時期にＤＰＦ強制再生処理制御に入ることができ、ＤＰＦの溶損、エンジンの燃費悪化等を防止できる。
【００２２】
この係数修正手段を備えることにより、ＤＰＦ差圧変化率の範囲に応じて係数を設定した数学モデルで、精度良く、ＰＭ生成率とＰＭ浄化率を算定できる。
【００２３】
また、ＰＭ生成率算定手段で、ＰＭ生成率を算定する数学モデルを、回転数と燃料流量とに関する二次式とし、ＰＭ浄化率算定手段で、ＰＭ浄化率を算定する数学モデルを、回転数と燃料流量の積に関する二次式とすることにより、比較的簡単な近似式で、ＰＭ生成率とＰＭ浄化率を精度よく算定できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムについて、酸化触媒（ＤＯＣ）と触媒付きフィルタ（ＣＳＦ）の組合せで構成される連続再生型ＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムを例にして図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１に、この実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この内燃機関の排気ガス浄化システム１では、ディーゼルエンジン（内燃機関）１０の排気マニホールド１１に接続する排気通路１２に連続再生型ＤＰＦ１３が設けられている。この連続再生型ＤＰＦ１３は、上流側に酸化触媒１３ａを下流側に触媒付きフィルタ１３ｂを有して構成される。
【００２６】
この酸化触媒１３ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金（Ｐｔ）等の酸化触媒を担持させて形成され、触媒付きフィルタ１３ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。
【００２７】
そして、触媒付きフィルタ１３ｂに、モノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタを採用した場合には、排気ガスＧ中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質）は多孔質のセラミックの壁で捕集（トラップ）され、繊維型フィルタタイプを採用した場合には、フィルタの無機繊維でＰＭを捕集する。
【００２８】
そして、触媒付きフィルタ１３ｂの再生制御用に、連続再生型ＤＰＦ１３の前後の差圧を検出する差圧センサ２１が設けられ、更に、酸化触媒１３ａと触媒付きフィルタ３１ｂの上流側、中間及び下流側に、それぞれ、上流側温度センサ２２、中間温度センサ２３及び下流側温度センサ２４が設けられる。
【００２９】
また、エンジン１０の制御用に、エンジン回転数を検出する回転数センサ（図示しない）と、エンジンの負荷を検出するアクセル開度センサ等の負荷センサ（図示しない）が設けられる。
【００３０】
これらのセンサの出力値は、エンジン１０の運転の全般的な制御を行うと共に、触媒付きフィルタ１３ｂの再生制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）３０に入力され、この制御装置３０から出力される制御信号により、エンジン１０の燃料噴射装置１４や、吸気マニホールド１５への吸気量を調整する吸気弁１６や、ＥＧＲ通路１７にＥＧＲクーラ１８と共に設けられたＥＧＲ量を調整するＥＧＲバルブ１９等が制御される。
【００３１】
この燃料噴射装置１４は燃料ポンプ（図示しない）で昇圧された高圧の燃料を一時的に貯えるコモンレール（図示しない）に接続されており、制御装置３０には、エンジンの運転のために、ＰＴＯのスイッチのＯＮ／ＯＦＦ，ニュートラルスイッチのＯＮ／ＯＦＦ，車両速度，冷却水温度Ｔｗ，エンジン回転数Ｎ，アクセル開度Ａｃｃ等の情報も入力される。
【００３２】
そして、排気ガス浄化システム１では、図２に示すように、連続再生型ＤＰＦ１３の再生処理等を制御するための再生制御装置３０ａが設けられる。この再生制御装置３０ａは、エンジン１０の制御装置３０の一部に組み込まれ、連続再生型ＤＰＦ１３の再生制御はエンジン１０の制御と並行して行われる。
【００３３】
そして、再生制御装置３０ａには、エンジン１０からの測定データとしてエンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑが入力され、連続再生型ＤＰＦ１３からのデータとして、差圧ΔＰが入力され、データ処理した後、ＰＭ蓄積量ＰＭｓが算定され、このＰＭ蓄積量ＰＭｓに基づいて、連続再生型ＤＰＦ１３の再生処理開始が判断され、この判断に基づいて再生処理が行われる。
【００３４】
この再生制御装置３０ａは、連続再生型ＤＰＦ１３の再生処理を制御する再生制御手段Ｃ１を備えて構成され、図３に示すように、この再生制御手段Ｃ１は、再生開始判定手段Ｃ１０、通常制御運転手段Ｃ２０、再生処理制御運転手段Ｃ３０等を備えて構成され、再生開始判定手段Ｃ１０は、データ入力手段Ｃ１１、差圧変化率算定手段Ｃ１２、ＰＭ生成率算定手段Ｃ１３、ＰＭ浄化率算定手段Ｃ１４、ＰＭ生成量算定手段Ｃ１５、ＰＭ浄化量算定手段Ｃ１６、ＰＭ蓄積量算定手段Ｃ１７、及び、係数修正手段Ｃ１８を備えて構成される。
【００３５】
そして、データ入力手段Ｃ１１は、連続再生型ＤＰＦ装置１３の前後の差圧ΔＰとエンジン回転数Ｎとエンジンの燃料流量Ｑを入力し、差圧変化率算定手段Ｃ１２は、差圧ΔＰから差圧の時間に関しての変化率であるＤＰＦ差圧変化率Ｒdpを算定し、ＰＭ生成率算定手段Ｃ１３は、エンジン回転数Ｎと燃料流量Ｑから数学モデルに基づいてＰＭ生成率Ｒm1を算定し、ＰＭ浄化率算定手段Ｃ１４は、エンジン回転数Ｎと燃料流量Ｑから数学モデルに基づいてＰＭ浄化率Ｒm2を算定するように構成される。
【００３６】
また、ＰＭ生成量算定手段Ｃ１５は、ＰＭ生成率Ｒm1から所定の時刻ｔ_kから所定の時間間隔Δｔの間のＰＭ生成量ΔＭ１を算定し、ＰＭ浄化量算定手段Ｃ１６は、ＰＭ浄化率Ｒm2から所定の時刻ｔ_kから所定の時間間隔Δｔの間のＰＭ浄化量ΔＭ２を算定し、ＰＭ捕集量積算手段Ｃ１７は、ＰＭ生成量ΔＭ１とＰＭ浄化量ΔＭ２とから所定の時刻ｔ_kから所定の時間間隔Δｔ後の時刻ｔ_k+1のＰＭ蓄積量ＰＭｓを算定するように構成される。
【００３７】
そして、係数修正手段Ｃ１８は、ＤＰＦ差圧変化率Ｒdpが所定の設定値Ｒdp０を超える場合は、エンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑ、ＤＰＦ差圧変化率Ｒdpを記録し、このＤＰＦ差圧変化率Ｒdpが所定の設定値Ｒdp０を超えた回数Ｌが所定の設定回数Ｌ０を超える場合は、ＰＭ生成率算定手段Ｃ１３とＰＭ浄化率算定手段Ｃ１４の数学モデルの係数を修正するように構成される。
【００３８】
次に、ＰＭ生成率算定手段Ｃ１３とＰＭ浄化率算定手段Ｃ１４で使用される数学モデルと、実験データからこれらの係数を推定するための数学モデルについて説明する。
【００３９】
この数学モデルは、ＤＰＦ差圧ΔＰ、ＰＭ生成量Ｍ１、ＰＭ浄化量Ｍ２、ＰＭ捕集量Ｍ３についての時間変化量Ｒdp（＝ｄΔＰ／ｄｔ）、Ｒm1（＝ｄＭ１／ｄｔ）、Ｒm2（＝ｄＭ２／ｄｔ）、Ｒm3（＝ｄＭ３／ｄｔ）における、Ｒm1を推定するＰＭ生成量予測モデル式、及び、Ｒm2を推定するＰＭ浄化量予測モデル式、及び、実験データからこれらのモデル式の係数を決定するために用いるＲdp、Ｒm1、Ｒm2、Ｒm3相互間の関係を示す数式である。
【００４０】
先ず、ＰＭ生成量予測モデル式に関しては、ＰＭ生成量Ｍ１の時間変化率であるＰＭ生成率Ｒm1を、エンジン回転数Ｎと燃料流量Ｑをパラメータとし、係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを定数とする二次多項式である（１）式で表す。
【００４１】
次に、ＰＭ浄化量予測モデル式に関しては、ＰＭ浄化量Ｍ２の時間変化率であるＰＭ浄化率Ｒm2を、エンジン回転数Ｎと燃料流量Ｑの積（Ｎ＊Ｑ）をパラメータとし、係数Ａ、Ｂ、Ｃを定数とする二次多項式である（２）式で表す。
【００４２】
【数１】

【００４３】
一方、特定のエンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑのエンジン運転条件におけるＤＰＦ差圧ΔＰの時間変化Ｒdpは、Ｋを比例定数とする（３）式で表わす。つまり、ここで、α（０＜α＜１）をＤＰＦの捕集率とし、ＤＰＦ差圧ΔＰの時間変化Ｒdpは、ＤＰＦ内でのＰＭ捕集量Ｍ３（＝Ｍ１＊α）の時間変化率であるＰＭ捕集率Ｒm3（＝Ｒm1＊α）とＰＭ浄化率Ｒm2の差に比例するものとする。
【００４４】
ここで、ＰＭの浄化が発生しないエンジンの運転条件ではＲm2＝０であるから（４）式となり、また、（３）式を変形すると（５）式となる。
【００４５】
【数２】

【００４６】
従って、この（４）式からエンジンの運転条件（Ｎ，Ｑ）におけるＲdp、Ｒm1の試験データにより比例定数Ｋを決定でき、５点以上の異なるエンジン運転条件（Ｎ、Ｑ）におけるＲdp、Ｒm1の試験データがあれば、ＰＭ生成量予測モデル式（１）の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを決定できる。なお、ＤＰＦの捕集率αは、予め実験等で測定し、求めておく。
【００４７】
また、（５）式からＰＭ浄化率Ｒm2を算定できるので、３点以上の異なる、ＰＭ浄化が起こると推定されるエンジン運転条件（Ｎ、Ｑ）についてのＲdp、Ｒm1のデータがあれば、ＰＭ浄化量予測モデル式（２）の係数Ａ、Ｂ、Ｃを決定できる。
【００４８】
そして、この再生制御装置３０ａの再生制御手段Ｃ１で使用される（１）式と（２）式の係数の決定は、図４及び図５の制御フローによって行われ、連続再生型ＤＰＦ１３の再生処理の制御は、図６の制御フローに従って行われる。
【００４９】
最初に、数学モデルの（１）式と（２）式の係数決定について説明する。
【００５０】
図４のＰＭ生成量予測モデル式（１）の係数決定の制御フローでは、ＰＭ生成量予測モデル式である（１）式の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを、最小二乗法により五元連立一次方程式を立ててこれを解いて求める。なお、連立一次方程式の解法は公知であるので、図４には示さない。
【００５１】
この図４の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、エンジン回転数Ｎｉ，燃料流量Ｑ_i，ＰＭ生成率Ｒm1_i，ｉ＝１〜ｎの試験データを入力する。但し、ｎはデータ数であり、５以上の整数である。
【００５２】
次のステップＳ１２では、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを求めるための五元連立一次方程式（ステップＳ１３の式）の係数等Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕ，Ｖ，Ｆ，Ｇ，Ｘ，Ｙ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｍ，Ｗ，Ｚを算定する。但し、式中の記号「Σ_i」はｉ＝１〜ｎの総和を示す。
【００５３】
そして、ステップＳ１３では、この五元連立一次方程式を解き、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを算定する。これにより、ＰＭ生成量予測モデル式（１）が決定できるので、この制御フローを終了しリターンする。
【００５４】
また、図５のＰＭ浄化量予測モデル式（２）の係数決定の制御フローでは、（５）式を変形した（６）式からＰＭ浄化率とＰＭ生成率の比Ｒ12_i ＝Ｒｍ _2i ／Ｒｍ _1iが１以上となった場合をＰＭ浄化が起こるエンジン運転条件と仮定し、このエンジン運転条件について、（５）式からＰＭ浄化率Ｒｍ_2iを算定し、ＰＭ浄化量予測モデル式である（２）式の係数Ａ，Ｂ，Ｃを、最小二乗法により三元連立一次方程式を立ててこれを解いて求める。なろ、連立一次方程式の解法は公知であるので、図５には示さない。
【００５５】
【数３】

【００５６】
この図５の制御フローがスタートすると、ステップＳ２１で、エンジン回転数Ｎ_i，燃料流量Ｑ_i，ＰＭ生成率Ｒm1_i，ｉ＝１〜ｎの試験データを入力する。但し、ｎはデータ数であり、５以上の整数である。
【００５７】
ステップＳ２２で、ｎ個のデータについて、ＰＭ生成率Ｒm1_iとＤＰＦ差圧変化率Ｒdp_iと予め試験データにより決定した比例定数Ｋとから、（６）式によりＰＭ浄化率とＰＭ生成率の比Ｒ12_iを算定する。
【００５８】
ステップＳ２３では、ＰＭ浄化率とＰＭ生成率の比Ｒ12_iが１以上となった場合のデータ、エンジン回転数Ｎ_j，燃料流量Ｑ_j，ＰＭ生成率Ｒm1_j，ＤＰＦ差圧変化率Ｒdp_j，ｊ＝１〜ｍを選定する。但し、ｍは選択されたデータの数であり、３以上でｎ以下の整数である。
【００５９】
ステップＳ２４では、ステップＳ２３で選び出された測定データＮ_j，Ｑ_j，Ｒm1_j，Ｒdp_j，ｊ＝１〜ｍから、（５）式よりＰＭ浄化率Ｒm2ｊを計算する。
【００６０】
次のステップＳ２５では、エンジン回転数Ｎ_j，燃料流量Ｑ_jとステップＳ２４で算定された、ＰＭ浄化率Ｒm2_j，ｊ＝１〜ｍから、ＰＭ浄化率予測モデル式（２）の係数Ａ，Ｂ，Ｃを求めるための三元連立一次方程式（ステップＳ２６の式）の係数等Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｊを算定する。但し、式中の記号「Σ_j」はｊ＝１〜ｍの総和を示す。
【００６１】
そして、ステップＳ２６では、この三元連立一次方程式を解き、係数Ａ，Ｂ，Ｃを算定する。これにより、ＰＭ浄化量予測モデル式（２）が決定できるので、この制御フローを終了してリターンする。
【００６２】
次に、測定データにより各係数を決定されたＰＭ生成量予測モデル式（１）とＰＭ浄化量予測モデル式（２）に基づいて、ＰＭ蓄積量を算定する制御について、図６の制御フローに基づいて説明する。
【００６３】
この制御フローが再生制御フローから呼ばれてスタートすると、ステップＳ３１で時刻ｔ_kをカウントし、時刻ｔ_k及び時間間隔Δｔを記録する。なお、この時間間隔Δｔはこの制御用の時間間隔であり、計測データＮ_i，Ｑ_i，Ｒm1_i，Ｒdp_iのサンプリング間隔とは異なる。
【００６４】
ステップＳ３２で時刻ｔ_kにおけるエンジン回転数Ｎ_k，燃料流量Ｑ_k，ＤＰＦ差圧ΔＰ_kを検出し、ステップＳ３３で、これらのデータを用いて、時刻ｔ_kにおけるＤＰＦ差圧変化率Ｒdp_k（＝ΔＰ_k／Δｔ）を算定し、また、数学モデル（１）式と（２）式からＰＭ浄化率Ｒm1_kとＰＭ生成率Ｒm2_kを算定する。
【００６５】
そして、次のステップＳ３４で、時刻ｔ_kから時刻ｔ_k+1（＝ｔ_k＋Δｔ）のΔｔ時間内におけるＰＭ生成量ΔＭ１_k（＝Ｒm1_k＊Δｔ）とＰＭ浄化量ΔＭ２_k（＝Ｒm2_k＊Δｔ）を算定し、ステップＳ３５で、時刻ｔ_k+1におけるＰＭ蓄積量（ＰＭ_k+1＝ＰＭ_k＋ΔＭ１_k＊α−ΔＭ２_k）を算定する。ここで、α（０＜α＜１）はＤＰＦの捕集率である。
【００６６】
また、ステップＳ３６で、ＤＰＦ差圧変化率Ｒdp_kが、現在の数学モデルの式（１）（２）の係数を決定した設定範囲内（Ｒdp_k≦Ｒdp０）にあるかを判定し、設定範囲内であった場合には、そのままステップＳ３８に行き、設定範囲外であった場合には、ステップＳ３７で、設定範囲外の回数Ｌをカウント（Ｌ＝Ｌ＋１）し、その時の測定データであるエンジン回転数Ｎ_k，燃料流量Ｑ_k，ＤＰＦ差圧変化率Ｒdp_kを記録し、ステップＳ３８に行く。
【００６７】
ステップＳ３８では、設定範囲外の回数Ｌが所定の設定回数Ｌ０を超えたか否かを判定し、超えない場合は、そのままリターンし、超えた場合には、ステップＳ３９で、ＰＭ生成量予測モデル式（１）の係数決定制御フロー（図４）とＰＭ浄化量予測モデル式（２）の係数決定の制御フロー（図５）を呼んで、各数式モデル（１）式及び（２）式の係数の修正を行ってから、リターンする。
【００６８】
以上のＰＭ蓄積量を算定する制御によれば、本数学モデルでは、連続再生型ＤＰＦ１３内のＰＭ生成量Ｍ１、ＰＭ浄化量Ｍ２及びＰＭ捕集量Ｍ３の時間変化率Ｒm1，Ｒm2，Ｒm3（＝Ｒm1＊α）が、エンジン回転数Ｎと燃料流量Ｑを変数とする（１）式、（２）式で算定される。
【００６９】
そのため、エンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑ、ＤＰＦ差圧変化率Ｒdp及びその間の経過時間ｔを記録した運転履歴情報に基づいて、この数学モデルの（１）式、（２）式を用いることにより、ＰＭ生成量Ｍ１、ＰＭ浄化量Ｍ２及びＰＭ捕集量Ｍ３の、所定の時間Δｔ内の各変化量ΔＭ１、ＰＭ浄化量ΔＭ２及びＰＭ捕集量ΔＭ３を推定できる。
【００７０】
またＰＭ蓄積量（ＰＭの重量）の初期値ＰＭｓ₁が既知であれば、ＰＭ蓄積量ＰＭｓの変化量ΔＰＭｓ（＝ΔＭ３−ΔＭ２＝ΔＭ１＊α−ΔＭ２）を積算することにより、その時点ｔ_k+1におけるＰＭ蓄積量ＰＭｓ_K+1を推定できる。
【００７１】
従って、本発明の排気ガス浄化システム１によれば、ＰＭ蓄積量ＰＭｓを精度良く検知でき、再生開示時期を適切に判定でき、より適切な時期にＤＰＦ再生処理制御に入ることができるので、連続再生型ＤＰＦ１３の溶損や燃費の悪化等を回避できる。
【００７２】
次に、上記の制御により算定したＰＭ捕集量、ＰＭ浄化量の算出例を示す。
【００７３】
図７に示したような試験状態において、ＰＭ発生量Ｍ１及びＤＰＦ差圧変化率Ｒdpの測定試験を実施した。この測定試験では、エンジン回転数Ｎを一定（２０００ｒｐｍ）とし、ＤＰＦ入口温度Ｔinの時間変化が階段状に上昇するように、燃料流量Ｑを一定の時間間隔で増加し、この時の排気温度、排気流量及びＰＭ発生量Ｍ１に応じてＤＰＦ差圧ΔＰを階段状に上昇させた。この時のＤＰＦ入口温度Ｔin及びＤＰＦ差圧ΔＰの測定値の一例を図８に示す。
【００７４】
このＤＰＦ入口温度Ｔinを一定とした時間帯では、温度レベルがＰＭ浄化反応の起こる温度よりも低ければ、ＰＭがＤＰＦに捕集されるため、ＤＰＦ差圧ΔＰは一定又は増加となる。一方、温度レベルがＰＭ浄化反応が起きる温度以上ならば、ＤＰＦ差圧ΔＰは捕集されるＰＭ量と浄化されるＰＭ量に応じて、ＤＰＦ内のＰＭ量が減少、平衡、または増加するため、ＤＰＦ差圧ΔＰは減少、平衡、または増加のいずれかとなる。
【００７５】
そして、ＤＰＦ入口温度Ｔinを一定とした時間帯（１０分間）の中間点付近の９０秒間におけるＤＰＦ差圧変化率Ｒdpの平均値を、予測式モデル（１）の係数決定用測定データＲdp_iとした。この試験により得られたＰＭ生成量Ｍ１及びＤＰＦ差圧変化率Ｒdpの測定データＭ１m ，Ｒdpm を、エンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑをパラメータとするマップ表示で、図９及び図１０に示す。
【００７６】
これらの測定データＭ１m ，Ｒdpm とＤＰＦ差圧モデル（４）式より比例定数Ｋを０．００４（ｍｍＡｑ／ｓ）と推定し、この比例定数Ｋと測定データＭ１m ，Ｒdpm からＰＭ生成量予測モデル式（１）の係数を決定した。このＰＭ生成量予測モデル式（１）で算定されたＰＭ生成量Ｍ１の計算値Ｍ１c をエンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑをパラメータとするマップ表示で図１１に示す。
【００７７】
また、比例定数Ｋと測定データＭ１，Ｒdpと（５）式からＰＭ浄化量Ｍ２の推定Ｍ２e を算定した。さらに、ＰＭ浄化量予測モデル式（２）の係数を決定し、このＰＭ浄化量予測モデル式（２）で算定された計算値Ｍ２c で推定値Ｍ２e を補足した結果をエンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑをパラメータとするマップ表示で図１２に示す。
【００７８】
また、図１３に、ＰＭ浄化率とＰＭ生成率の比Ｒ12をエンジン回転数Ｎ、燃料流量Ｑをパラメータとするマップ表示で示す。この比Ｒ12が１よりも大きい場合には、ＰＭ生成率Ｒm1よりＰＭ浄化率Ｒm2が上回っていると推定できるので、（６）式で算定される比Ｒ12が１より大きくなる測定データを選定し、この選定された測定データからＰＭ浄化量予測モデル式（２）の係数を決定している。この比Ｒ12が１よりも大きい領域を斜線で示す。
【００７９】
【発明の効果】
以上に説明をしたように、本発明の排気ガス浄化システムによれば、数学モデルに基づいて、エンジン回転数、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積算量を正確に推定することができるので、連続再生型ＤＰＦに蓄積されたＰＭの量が再生開始のＰＭ蓄積量に達しているか否かを正確に検知でき、適切な時期にＤＰＦの再生処理制御に入ることができるので、ＤＰＦの溶損、燃費の悪化等を防止できる。
【００８０】
また、ＤＰＦ差圧変化率が所定の設定値を超える回数が、所定の設定回数を超える場合は、数学モデルの係数を修正する係数修正手段を備えることにより、差圧の変化率の範囲に応じて係数を設定した数学モデルで、精度良く、ＰＭ生成率とＰＭ浄化率を算定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムのシステム構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のエンジン、連続再生型ＤＰＦ、計測系及びデータ処理系の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る排気ガス浄化システムの制御手段の構成を示す図である。
【図４】ＰＭ生成量予測モデル式の係数決定の制御フローの一例を示す図である。
【図５】ＰＭ浄化量予測モデル式の係数決定の制御フローの一例を示す図である。
【図６】ＰＭ蓄積量の算定の制御フローの一例を示す図である。
【図７】測定試験時におけるエンジン、連続再生型ＤＰＦ、計測系及びデータ処理系の構成を示す図である。
【図８】ＤＰＦ入口温度とＤＰＦ差圧の実測例を示す図である。
【図９】ＰＭ生成量の実測値をマップ表示で示す図である。
【図１０】ＤＰＦ差圧変化率の実測値をマップ表示で示す図である。
【図１１】ＰＭ生成量の算定値をマップ表示で示す図である。
【図１２】ＰＭ浄化量の算定値をマップ表示で示す図である。
【図１３】ＰＭ浄化量とＰＭ生成量の比をマップ表示で示す図である。
【符号の説明】
１排気ガス浄化システム
１０ディーゼルエンジン（内燃機関）
１２排気通路
１３連続再生型ＤＰＦ装置
１３ａ酸化触媒
１３ｂ触媒付きフィルタ（ＤＰＦ）
２１差圧センサ
３０制御装置（ＥＣＵ）
３０ａ再生制御装置
Ｃ１再生制御手段
Ｃ１０再生開始判定手段
Ｃ１１データ入力手段
Ｃ１２差圧変化率算定手段
Ｃ１３ＰＭ生成率算定手段
Ｃ１４ＰＭ浄化率算定手段
Ｃ１５ＰＭ生成量算定手段
Ｃ１６ＰＭ浄化量算定手段
Ｃ１７ＰＭ蓄積量算定手段
Ｃ１８係数修正手段
Ｃ２０通常制御運転手段
Ｃ３０再生処理制御運転手段
Ｌ回数
Ｌ０所定の設定回数
Ｎエンジン回転数
ＰＭｓＰＭ蓄積量
Ｑ燃料流量
Ｒdp ＤＰＦ差圧変化率
Ｒm1 ＰＭ生成率
Ｒm2 ＰＭ浄化率
Ｒdp０所定の設定値
ｔ_k 所定の時刻
ΔＰ差圧
Δｔ所定の時間間隔
ΔＭ１ＰＭ生成量
ΔＭ２ＰＭ浄化量[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification system that includes a continuous regeneration type DPF and purifies engine exhaust gas.
[0002]
[Prior art]
The amount of particulate matter (particulate matter: hereinafter referred to as PM) emitted from a diesel internal combustion engine is being regulated more and more with NOx, CO, HC, etc., and this PM is converted into DPF (diesel). A technology for reducing the amount of PM collected by a filter called a particulate filter (Diesel Particulate Filter) has been developed.
[0003]
DPFs that collect PM include ceramic monolith honeycomb wall flow type filters, fiber type filters made of ceramic or metal fibers, and exhaust gas purification systems using these DPFs. Like other exhaust gas purification systems, the exhaust gas is installed in the middle of the exhaust passage of the internal combustion engine, and exhaust gas generated in the internal combustion engine is purified and discharged.
[0004]
In these DPF devices, a continuous regeneration type DPF in which an oxidation catalyst (Diesel Oxdation Catalyst: DOC) is provided upstream of the DPF, a filter called a CRT (Continuously Regenerating Trap) system, and a filter called a CSF (Catalyzed Soot Filter) system There is a continuous regeneration type DPF in which the combustion temperature of PM is lowered by the action of a catalyst carried on the catalyst, and PM is incinerated with exhaust gas.
[0005]
This CRT type continuous regeneration type DPF is NO₂Utilizes the fact that the oxidation of PM by (nitrogen dioxide) is performed at a lower temperature than the oxidation of PM with oxygen in the exhaust gas. It consists of an oxidation catalyst and a filter, and supports this upstream platinum etc. NO (nitrogen monoxide) in the exhaust gas is oxidized by the oxidized catalyst₂And this NO₂Then, the PM collected in the downstream filter is oxidized to CO.₂(Carbon dioxide) and PM is removed.
[0006]
Also, the CSF type continuous regeneration type DPF is cerium oxide (CeO).₂) In the exhaust gas in the filter with a catalyst in a low temperature range (about 300 ° C. to 600 ° C.).₂Reaction using (oxygen) (4CeO₂+ C → 2Ce₂O_Three+ CO₂, 2Ce₂O_Three+ O₂→ 4CeO₂Etc.) to oxidize PM, and in a high temperature range (about 600 ° C. or higher), O in exhaust gas₂This directly oxidizes PM.
[0007]
However, even in these continuous regeneration type DPFs, when the exhaust temperature is low or the operating state of the internal combustion engine with low NO emission, for example, the low exhaust temperature state such as idle operation or low load / low speed operation of the internal combustion engine continues. In this case, since the exhaust gas temperature is low and the temperature of the catalyst is not lowered and activated, the oxidation reaction is not promoted, and NO is insufficient, so that the above reaction does not occur and the PM is oxidized and filtered. Cannot be played.
[0008]
Therefore, when PM is continuously deposited on the filter and the filter is clogged, the exhaust pressure increases, fuel consumption is deteriorated, and troubles such as engine stop may occur.
[0009]
Therefore, in these continuous regeneration type DPFs, when the accumulated amount of PM reaches a preset accumulation limit value of PM, the engine operating state is changed to regeneration mode operation, and the exhaust temperature is forcibly increased. Or increasing the amount of NOx to oxidize and remove the PM trapped in the filter to forcibly regenerate the continuously regenerating DPF.
[0010]
In some cases, the differential pressure before and after the DPF (pressure loss of the DPF) is used to determine the start of regeneration of the DPF, but the particulate discharge corresponding to these stored in advance from the engine rotational speed and the engine load. The PM emission amount is obtained from the characteristics, and this is integrated to obtain the collection amount (PM accumulation amount) (see, for example, Patent Document 1), engine load, rotation speed, travel distance, travel time, or fuel consumption. Based on at least one of the quantities, more specifically, the PM collection amount per unit time obtained by correcting the PM collection amount obtained from the engine load and the rotational speed with the travel distance is integrated. Thus, the amount collected (PM accumulated amount) is obtained (see, for example, Patent Document 2).
[0011]
In addition, the amount of collected (PM accumulated amount) is obtained based on the ratio between the differential pressure and the integrated value of the engine speed up to the time when the differential pressure is detected and the reference integrated value with respect to the differential pressure. The correction amount is multiplied by a correction coefficient corresponding to the engine load to obtain a collection amount (see, for example, Patent Document 3), or the differential pressure and the rotational speed are applied using a neutron net to collect the amount (PM accumulation amount). (For example, refer to Patent Document 4).
[0012]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 01-23647 (Page 2)
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2626111 (page 3, page 4)
[Patent Document 3]
JP 08-210122 A (pages 3 and 4)
[Patent Document 4]
JP 08-284638 A (pages 6 and 7)
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the calculation of the amount of accumulated PM, the map data previously obtained by a bench test or the like is used, or the neutral is used. is there.
[0014]
In addition, when using a method for estimating the amount of PM collected and the amount of PM purification using a mathematical model from the differential pressure before and after the DPF, the differential pressure before and after the DPF is caused by the pressure around the DPF and the accumulation of components other than PM. Since it also changes due to the influence, there is a problem that it is difficult to accurately estimate the PM accumulation amount in the DPF from the differential pressure before and after the DPF.
[0015]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and its object is to generate PM generated by an engine using engine revolution speed, fuel flow rate, and DPF differential pressure change rate, which are main engine parameters. Use a mathematical model to estimate the amount of PM purified from the DPF by the amount of product and chemical reaction, estimate the amount of PM trapped easily and accurately, and regenerate the continuously regenerating DPF at an appropriate time It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purification system capable of achieving the above.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
An exhaust gas purification system for achieving the above object is a difference between a continuous regeneration type DPF that collects particulates provided in an exhaust passage of a diesel engine and a differential pressure that detects a differential pressure before and after the continuous regeneration type DPF. In the exhaust gas purification system including a pressure sensor and a regeneration control device that performs regeneration control of the continuous regeneration type DPF, the regeneration control means includes:A storage means for storing a plurality of DPF differential pressure rate and PM generation rate test data at an engine speed and a fuel flow rate, and a coefficient of a mathematical model are determined using test data selected from the plurality of test data. Means,Data input means for inputting the differential pressure, engine speed and engine fuel flow rate, differential pressure change rate calculating means for calculating a DPF differential pressure change rate which is a change rate with respect to time of the differential pressure, and the rotational speed PM generation rate calculation means for calculating a PM generation rate from the fuel flow rate based on a mathematical model, and based on the mathematical model from the rotation speed and the fuel flow ratePM purification rateA PM purification rate calculating means for calculating a PM generation amount calculating means for calculating a PM generation amount for a predetermined time from the PM generation rate, and a PM for calculating a PM purification amount for a predetermined time from the PM purification rate Purification amount calculation means, and PM accumulation amount calculation means for calculating a PM accumulation amount after a predetermined time from the PM generation amount and the PM purification amount, and the regeneration control device has a predetermined rate of change in DPF differential pressure. When the set value is exceeded, the engine speed, the fuel flow rate, and the DPF differential pressure change rate are recorded, and when the number of times that the DPF differential pressure change rate exceeds the predetermined set value exceeds the predetermined set number of times,By determining the coefficient of the mathematical model using test data in a range corresponding to the DPF differential pressure change rate,Coefficient correcting means for correcting the coefficient of the mathematical model is provided.
[0017]
According to this exhaust gas purification system, in estimating the amount of accumulated PM used to determine the start of regeneration of a continuous regeneration type DPF, the DPF differential pressure that is the rate of change over time of the engine speed, the fuel flow rate, and the differential pressure across the DPF Based on the rate of change, the PM generation amount prediction model formula of the mathematical model for calculating the PM generation amount is used to obtain the time change amount of the PM generation amount, and the PM purification amount prediction model formula of the mathematical model for calculating the PM purification amount Is used to determine the amount of time change in the PM purification amount, and the PM accumulation in the continuous regeneration type DPF is obtained from the time variation amount of the PM generation amount, the time variation amount of the PM purification amount, and the collection rate of the continuous regeneration type DPF. Estimate the amount.
[0018]
The coefficients of the mathematical model PM generation amount prediction model equation and the PM purification amount prediction model equation are obtained by measuring in advance the relationship among the engine speed, the fuel flow rate, the DPF differential pressure change rate, and the PM generation amount. Thus, it is determined by the least square method or the like.
[0019]
That is, the DPF differential pressure change rate during traveling is determined using a mathematical model polynomial in which the coefficient is determined by measuring the PM generation amount and the differential pressure corresponding to a plurality of engine operating conditions (engine speed, fuel flow rate) in advance. From this, the amount of time change of the PM generation amount and the PM purification amount is calculated, and further, the PM accumulation amount in the continuous regeneration type DPF is calculated from these.
[0020]
According to the exhaust gas purification system of the present invention, the PM accumulation amount can be accurately estimated from the engine speed, the fuel flow rate, and the DPF differential pressure change rate based on a mathematical model. Thus, the DPF forced regeneration processing control can be entered, and it is possible to prevent melting of the DPF, deterioration of fuel consumption of the engine, and the like.
[0022]
By providing this coefficient correction means, the PM generation rate and the PM purification rate can be accurately calculated with a mathematical model in which a coefficient is set according to the range of the DPF differential pressure change rate.
[0023]
Further, the mathematical model for calculating the PM generation rate by the PM generation rate calculating means is a quadratic expression relating to the rotational speed and the fuel flow rate, and the mathematical model for calculating the PM purification rate by the PM purification rate calculating means is the rotational speed. By using a quadratic expression related to the product of the fuel flow rate, the PM generation rate and the PM purification rate can be calculated with high accuracy by a relatively simple approximate expression.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an exhaust gas purification system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to an example of an exhaust gas purification system provided with a continuous regeneration type DPF constituted by a combination of an oxidation catalyst (DOC) and a filter with catalyst (CSF). Will be described with reference to FIG.
[0025]
FIG. 1 shows a configuration of an exhaust gas purification system 1 according to this embodiment. In the exhaust gas purification system 1 for an internal combustion engine, a continuous regeneration type DPF 13 is provided in an exhaust passage 12 connected to an exhaust manifold 11 of a diesel engine (internal combustion engine) 10. The continuous regeneration type DPF 13 includes an oxidation catalyst 13a on the upstream side and a filter 13b with a catalyst on the downstream side.
[0026]
This oxidation catalyst 13a is formed by carrying an oxidation catalyst such as platinum (Pt) on a carrier such as a porous ceramic honeycomb structure, and the filter with catalyst 13b is formed at the inlet of the channel of the porous ceramic honeycomb. And a monolith honeycomb wall flow type filter in which the outlets are alternately sealed, or a felt-like filter in which inorganic fibers such as alumina are laminated at random. A catalyst such as platinum or cerium oxide is supported on the filter.
[0027]
When a monolith honeycomb wall flow type filter is adopted as the filter with catalyst 13b, PM (particulate matter) in the exhaust gas G is collected (trap) by the porous ceramic wall. In the case of adopting a fiber type filter type, PM is collected by inorganic fibers of the filter.
[0028]
For the regeneration control of the filter with catalyst 13b, a differential pressure sensor 21 for detecting the differential pressure before and after the continuous regeneration type DPF 13 is provided, and further, upstream, intermediate and downstream of the oxidation catalyst 13a and the filter with catalyst 31b. Are provided with an upstream temperature sensor 22, an intermediate temperature sensor 23, and a downstream temperature sensor 24, respectively.
[0029]
For controlling the engine 10, a rotation speed sensor (not shown) for detecting the engine speed and a load sensor (not shown) such as an accelerator opening sensor for detecting the engine load are provided.
[0030]
The output values of these sensors are input to a control device (ECU: engine control unit) 30 that performs overall control of the operation of the engine 10 and also controls regeneration of the filter with catalyst 13b, and is output from the control device 30. In response to the control signal, the fuel injection device 14 of the engine 10, the intake valve 16 that adjusts the intake air amount to the intake manifold 15, the EGR valve 19 that adjusts the EGR amount provided together with the EGR cooler 18 in the EGR passage 17, etc. Is controlled.
[0031]
The fuel injector 14 is connected to a common rail (not shown) that temporarily stores high-pressure fuel that has been boosted by a fuel pump (not shown). Information such as ON / OFF of the switch, ON / OFF of the neutral switch, vehicle speed, cooling water temperature Tw, engine speed N, accelerator opening Acc, and the like are also input.
[0032]
In the exhaust gas purification system 1, as shown in FIG. 2, a regeneration control device 30 a for controlling regeneration processing or the like of the continuous regeneration type DPF 13 is provided. The regeneration control device 30 a is incorporated in a part of the control device 30 of the engine 10, and regeneration control of the continuous regeneration type DPF 13 is performed in parallel with the control of the engine 10.
[0033]
Then, the engine speed N and the fuel flow rate Q are input to the regeneration control device 30a as the measurement data from the engine 10, and the differential pressure ΔP is input as the data from the continuous regeneration type DPF 13, and after the data processing, PM The accumulated amount PMs is calculated, and based on this PM accumulated amount PMs, the start of the regeneration process of the continuous regeneration type DPF 13 is determined, and the regeneration process is performed based on this determination.
[0034]
The regeneration control device 30a includes a regeneration control unit C1 that controls the regeneration process of the continuous regeneration type DPF 13. As shown in FIG. 3, the regeneration control unit C1 includes a regeneration start determination unit C10, a normal control operation. The regeneration start control means C10 comprises a data input means C11, a differential pressure change rate calculation means C12, a PM generation rate calculation means C13, a PM purification rate calculation means C14, A PM generation amount calculation means C15, a PM purification amount calculation means C16, a PM accumulation amount calculation means C17, and a coefficient correction means C18 are provided.
[0035]
The data input means C11 inputs the differential pressure ΔP before and after the continuous regeneration type DPF device 13, the engine speed N, and the fuel flow rate Q of the engine, and the differential pressure change rate calculation means C12 calculates the differential pressure from the differential pressure ΔP. The DPF differential pressure change rate Rdp, which is the change rate with respect to time, is calculated, and the PM generation rate calculation means C13 calculates the PM generation rate Rm1 based on the mathematical model from the engine speed N and the fuel flow rate Q, and the PM purification The rate calculating means C14 is configured to calculate the PM purification rate Rm2 from the engine speed N and the fuel flow rate Q based on a mathematical model.
[0036]
Further, the PM generation amount calculation means C15 determines the predetermined time t from the PM generation rate Rm1._kTo calculate a PM generation amount ΔM1 during a predetermined time interval Δt, and the PM purification amount calculation means C16 determines a predetermined time t from the PM purification rate Rm2._kThe PM purification amount ΔM2 during the predetermined time interval Δt is calculated, and the PM trapping amount integrating means C17 calculates the PM time from the PM generation amount ΔM1 and the PM purification amount ΔM2._kT after a predetermined time interval Δt from_{k + 1}The PM accumulation amount PMs is calculated.
[0037]
When the DPF differential pressure change rate Rdp exceeds a predetermined set value Rdp0, the coefficient correcting means C18 records the engine speed N, the fuel flow rate Q, the DPF differential pressure change rate Rdp, and this DPF differential pressure change rate. When the number of times Ldp exceeds the predetermined set value Rdp0 exceeds the predetermined number of times L0, the coefficient of the mathematical model of the PM generation rate calculation means C13 and the PM purification rate calculation means C14 is modified.
[0038]
Next, a mathematical model used in the PM generation rate calculation unit C13 and the PM purification rate calculation unit C14 and a mathematical model for estimating these coefficients from experimental data will be described.
[0039]
This mathematical model is expressed as follows: DPF differential pressure ΔP, PM generation amount M1, PM purification amount M2, PM trapping amount M3, time change amounts Rdp (= dΔP / dt), Rm1 (= dM1 / dt), Rm2 (= dM2) / Dt), Rm3 (= dM3 / dt), a PM generation amount prediction model equation for estimating Rm1, a PM purification amount prediction model equation for estimating Rm2, and coefficients of these model equations are determined from experimental data. It is a mathematical formula showing the relationship among Rdp, Rm1, Rm2, and Rm3 used for the purpose of
[0040]
First, regarding the PM generation amount prediction model formula, the PM generation rate Rm1 which is the time change rate of the PM generation amount M1 is used, the engine speed N and the fuel flow rate Q are parameters, and the coefficients a, b, c, d and e are set. It is expressed by equation (1), which is a quadratic polynomial that is a constant.
[0041]
Next, regarding the PM purification amount prediction model equation, the PM purification rate Rm2 that is the time change rate of the PM purification amount M2 is used as a parameter with the product (N * Q) of the engine speed N and the fuel flow rate Q as a parameter. This is expressed by equation (2), which is a quadratic polynomial with B and C as constants.
[0042]
[Expression 1]

[0043]
On the other hand, the time change Rdp of the DPF differential pressure ΔP under the engine operating conditions of a specific engine speed N and fuel flow rate Q is expressed by the equation (3), where K is a proportional constant. That is, here, α (0 <α <1) is the DPF collection rate, and the time change Rdp of the DPF differential pressure ΔP is the time change rate of the PM collection amount M3 (= M1 * α) in the DPF. It is assumed that it is proportional to the difference between the PM collection rate Rm3 (= Rm1 * α) and the PM purification rate Rm2.
[0044]
Here, since Rm2 = 0 under the operating condition of the engine in which PM purification does not occur, Equation (4) is obtained, and Equation (5) is obtained by transforming Equation (3).
[0045]
[Expression 2]

[0046]
Therefore, from this equation (4), the proportionality constant K can be determined from the test data of Rdp and Rm1 under the engine operating conditions (N, Q), and Rdp and Rm1 under five different engine operating conditions (N, Q) can be determined. If there is test data, the coefficients a, b, c, d, and e of the PM generation amount prediction model equation (1) can be determined. The DPF collection rate α is determined in advance by experiments and the like.
[0047]
In addition, since the PM purification rate Rm2 can be calculated from the equation (5), if there is data of Rdp and Rm1 for three or more different engine operating conditions (N, Q) where PM purification is estimated to occur, PM The coefficients A, B, and C of the purification amount prediction model equation (2) can be determined.
[0048]
The coefficients of the equations (1) and (2) used in the regeneration control means C1 of the regeneration control device 30a are determined by the control flow of FIGS. 4 and 5, and the regeneration process of the continuous regeneration type DPF 13 is performed. This control is performed according to the control flow of FIG.
[0049]
First, the coefficient determination of the mathematical models (1) and (2) will be described.
[0050]
In the control flow for determining the coefficient of the PM generation amount prediction model equation (1) in FIG. 4, the coefficients a, b, c, d, and e of the equation (1), which is the PM generation amount prediction model equation, are calculated by the least square method. Establish the original simultaneous linear equation and solve it. In addition, since the solution method of simultaneous linear equations is well-known, it is not shown in FIG.
[0051]
When the control flow of FIG. 4 starts, in step S11, the engine speed Ni, the fuel flow rate Q_i, PM generation rate Rm1_i, I = 1 to n test data is input. However, n is the number of data and is an integer of 5 or more.
[0052]
In the next step S12, the coefficients, etc., of the five-way simultaneous linear equation (the expression of step S13) for obtaining the coefficients a, b, c, d, e, R, S, T, U, V, F, G, X, Y, H, I, J, K, M, W, and Z are calculated. However, the symbol “Σ_i"Indicates the sum of i = 1 to n.
[0053]
In step S13, the five-way simultaneous linear equations are solved, and coefficients a, b, c, d, and e are calculated. Thereby, since the PM generation amount prediction model equation (1) can be determined, this control flow is ended and the process returns.
[0054]
In the control flow for determining the coefficient of the PM purification amount prediction model equation (2) in FIG. 5, the ratio R12 of the PM purification rate and the PM generation rate from the equation (6) obtained by modifying the equation (5)._i = Rm _2i / Rm _1iIs assumed to be an engine operating condition in which PM purification occurs, and for this engine operating condition, the PM purification rate Rm from the equation (5)_2iAnd the coefficients A, B, and C of the formula (2) that is a PM purification amount prediction model formula are obtained by solving a three-dimensional simultaneous linear equation by the least square method. Of course, the solution of simultaneous linear equations is well known and is not shown in FIG.
[0055]
[Equation 3]

[0056]
When the control flow of FIG. 5 starts, in step S21, the engine speed N_i, Fuel flow Q_i, PM generation rate Rm1_i, I = 1 to n test data is input. However, n is the number of data and is an integer of 5 or more.
[0057]
In step S22, PM generation rate Rm1 for n data._iAnd DPF differential pressure change rate Rdp_iAnd the proportionality constant K previously determined from the test data, the ratio R12 of the PM purification rate and the PM generation rate according to the equation (6)_iIs calculated.
[0058]
In step S23, the ratio R12 of the PM purification rate and the PM generation rate_iData when engine is 1 or more, engine speed N_j, Fuel flow Q_j, PM generation rate Rm1_j, DPF differential pressure change rate Rdp_j, J = 1 to m. However, m is the number of selected data, and is an integer of 3 or more and n or less.
[0059]
In step S24, the measurement data N selected in step S23._j, Q_j, Rm1_j, Rdp_j, J = 1 to m, the PM purification rate Rm2j is calculated from the equation (5).
[0060]
In the next step S25, the engine speed N_j, Fuel flow Q_jAnd PM purification rate Rm2 calculated in step S24_j, J = 1 to m, the coefficients of ternary simultaneous linear equations (formula of step S26) for obtaining the coefficients A, B, and C of the PM purification rate prediction model formula (2), etc. R, S, T, F, Calculate G, H, and J. However, the symbol “Σ_j"Indicates the sum of j = 1 to m.
[0061]
In step S26, the ternary simultaneous linear equations are solved and the coefficients A, B, and C are calculated. Thereby, since the PM purification amount prediction model equation (2) can be determined, this control flow is ended and the process returns.
[0062]
Next, regarding the control for calculating the PM accumulation amount based on the PM generation amount prediction model equation (1) and the PM purification amount prediction model equation (2) in which each coefficient is determined by the measurement data, the control flow of FIG. This will be explained based on.
[0063]
When this control flow is called from the regeneration control flow and starts, in step S31, the time t_kAnd the time t_kAnd record the time interval Δt. This time interval Δt is a time interval for this control, and the measurement data N_i, Q_i, Rm1_i, Rdp_iDifferent from the sampling interval.
[0064]
At time t32, time t_kEngine speed N_k, Fuel flow Q_k, DPF differential pressure ΔP_kIn step S33, using these data, the time t_kDPF differential pressure change rate Rdp_k(= ΔP_k/ Δt), and the PM purification rate Rm1 from the mathematical models (1) and (2)_kAnd PM production rate Rm2_kIs calculated.
[0065]
In the next step S34, the time t_kTo time t_{k + 1}(= T_kPM generation amount ΔM1 within Δt time of + Δt)_k(= Rm1_k* Δt) and PM purification amount ΔM2_k(= Rm2_k* Δt) is calculated, and in step S35, the time t_{k + 1}PM accumulation amount (PM_{k + 1}= PM_k+ ΔM1_k* Α-ΔM2_k) Is calculated. Here, α (0 <α <1) is the DPF collection rate.
[0066]
In step S36, the DPF differential pressure change rate Rdp_kWithin the set range (Rdp) where the coefficients of the equations (1) and (2) of the current mathematical model are determined._k≦ Rdp0), if it is within the set range, the process goes to step S38 as it is, and if it is outside the set range, the number of times L outside the set range is counted (L = L + 1), and the engine speed N as the measurement data at that time_k, Fuel flow Q_k, DPF differential pressure change rate Rdp_kAnd go to step S38.
[0067]
In step S38, it is determined whether or not the number of times L outside the set range has exceeded the predetermined set number of times L0.In step S39,Coefficient determination control flow of PM generation amount prediction model equation (1)(Fig. 4)And control flow for determining the coefficient of PM purification amount prediction model equation (2)(Fig. 5), And after correcting the coefficients of each mathematical model (1) and (2), the process returns.
[0068]
According to the control for calculating the PM accumulation amount described above, in this mathematical model, the time change rates Rm1, Rm2, and Rm3 of the PM generation amount M1, the PM purification amount M2, and the PM collection amount M3 in the continuous regeneration type DPF 13 (= Rm1 * α) is calculated by the equations (1) and (2) using the engine speed N and the fuel flow rate Q as variables.
[0069]
Therefore, based on the operation history information in which the engine speed N, the fuel flow rate Q, the DPF differential pressure change rate Rdp, and the elapsed time t between them are recorded, the mathematical models (1) and (2) are used. The amount of change ΔM1, PM purification amount ΔM2, and PM collection amount ΔM3 within a predetermined time Δt of the PM generation amount M1, the PM purification amount M2, and the PM collection amount M3 can be estimated.
[0070]
In addition, the initial value PMs of the PM accumulation amount (PM weight)₁Is known, by accumulating the change amount ΔPMs (= ΔM3−ΔM2 = ΔM1 * α−ΔM2) of the PM accumulation amount PMs, the time t_{k + 1}PM accumulation amount PMs_{K + 1}Can be estimated.
[0071]
Therefore, according to the exhaust gas purification system 1 of the present invention, the PM accumulation amount PMs can be accurately detected, the regeneration disclosure timing can be appropriately determined, and the DPF regeneration processing control can be entered at a more appropriate time. It is possible to avoid melting of the regenerative DPF 13 and deterioration of fuel consumption.
[0072]
Next, a calculation example of the PM trapping amount and the PM purification amount calculated by the above control will be shown.
[0073]
In the test state as shown in FIG. 7, a measurement test of the PM generation amount M1 and the DPF differential pressure change rate Rdp was performed. In this measurement test, the engine speed N is constant (2000 rpm), and the fuel flow rate Q is increased at regular time intervals so that the time change of the DPF inlet temperature Tin rises stepwise. The DPF differential pressure ΔP was raised stepwise according to the exhaust gas flow rate and the PM generation amount M1. An example of measured values of the DPF inlet temperature Tin and the DPF differential pressure ΔP at this time is shown in FIG.
[0074]
In a time zone in which the DPF inlet temperature Tin is constant, if the temperature level is lower than the temperature at which the PM purification reaction occurs, PM is collected in the DPF, so the DPF differential pressure ΔP becomes constant or increases. On the other hand, if the temperature level is equal to or higher than the temperature at which the PM purification reaction occurs, the DPF differential pressure ΔP decreases, balances, or increases depending on the amount of collected PM and the amount of PM to be purified. The DPF differential pressure ΔP is either decreased, balanced, or increased.
[0075]
Then, the average value of the DPF differential pressure change rate Rdp in the vicinity of the middle point of the time zone (10 minutes) where the DPF inlet temperature Tin is constant is used as the coefficient determination measurement data Rdp of the prediction model (1)._iIt was. The measurement data M1m and Rdpm of the PM generation amount M1 and the DPF differential pressure change rate Rdp obtained by this test are shown in a map display using the engine speed N and the fuel flow rate Q as parameters, as shown in FIGS.
[0076]
The proportional constant K is estimated to be 0.004 (mmAq / s) from these measured data M1m and Rdpm and the DPF differential pressure model (4), and the PM generation amount prediction model formula is calculated from the proportional constant K and the measured data M1m and Rdpm. The coefficient of (1) was determined. FIG. 11 shows a map display in which the calculated value M1c of the PM generation amount M1 calculated by the PM generation amount prediction model equation (1) uses the engine speed N and the fuel flow rate Q as parameters.
[0077]
Further, the estimated M2e of the PM purification amount M2 was calculated from the proportionality constant K, the measurement data M1, Rdp and the equation (5). Further, the coefficient of the PM purification amount prediction model equation (2) is determined, and the result obtained by supplementing the estimated value M2e with the calculated value M2c calculated by this PM purification amount prediction model equation (2) is the engine speed N, fuel flow rate. A map display with Q as a parameter is shown in FIG.
[0078]
Further, FIG. 13 shows a ratio R12 between the PM purification rate and the PM generation rate in a map display using the engine speed N and the fuel flow rate Q as parameters. If this ratio R12 is greater than 1, it can be estimated that the PM purification rate Rm2 is greater than the PM generation rate Rm1, so select measurement data that will cause the ratio R12 calculated by equation (6) to be greater than 1. The coefficient of the PM purification amount prediction model equation (2) is determined from the selected measurement data. A region where the ratio R12 is larger than 1 is indicated by hatching.
[0079]
【The invention's effect】
As described above, according to the exhaust gas purification system of the present invention, based on the mathematical model, from the engine speed, the fuel flow rate, and the DPF differential pressure change rate that is the time change rate of the differential pressure across the DPF, Since the PM accumulated amount can be accurately estimated, it is possible to accurately detect whether the amount of PM accumulated in the continuous regeneration type DPF has reached the PM accumulation amount at the start of regeneration, and regeneration of the DPF at an appropriate time. Since the process control can be entered, it is possible to prevent the DPF from being melted and the fuel consumption from being deteriorated.
[0080]
In addition, when the number of times that the DPF differential pressure change rate exceeds the predetermined set value exceeds the predetermined set number, by providing coefficient correction means for correcting the coefficient of the mathematical model, it is possible to respond to the range of the differential pressure change rate. The PM generation rate and the PM purification rate can be calculated accurately with a mathematical model in which coefficients are set.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram of an exhaust gas purification system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an engine, a continuous regeneration type DPF, a measurement system, and a data processing system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of control means of the exhaust gas purification system according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a control flow for determining a coefficient of a PM generation amount prediction model equation;
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a control flow for determining a coefficient of a PM purification amount prediction model equation;
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a control flow for calculating a PM accumulation amount.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an engine, a continuous regeneration type DPF, a measurement system, and a data processing system during a measurement test.
FIG. 8 is a diagram showing an example of actual measurement of DPF inlet temperature and DPF differential pressure.
FIG. 9 is a diagram showing a measured value of the PM generation amount in a map display.
FIG. 10 is a diagram showing a measured value of a DPF differential pressure change rate in a map display.
FIG. 11 is a diagram showing a calculated value of the PM generation amount in a map display.
FIG. 12 is a diagram showing a calculated value of the PM purification amount in a map display.
FIG. 13 is a diagram showing the ratio between the PM purification amount and the PM generation amount in a map display.
[Explanation of symbols]
1 Exhaust gas purification system
10 Diesel engine (internal combustion engine)
12 Exhaust passage
13 Continuous regeneration type DPF device
13a Oxidation catalyst
13b Filter with catalyst (DPF)
21 Differential pressure sensor
30 control unit (ECU)
30a Reproduction control device
C1 Reproduction control means
C10 reproduction start judging means
C11 data input means
C12 Differential pressure change rate calculation means
C13 PM generation rate calculation means
C14 PM purification rate calculation means
C15 PM generation amount calculation means
C16 PM purification amount calculation means
C17 PM accumulated amount calculation means
C18 coefficient correction means
C20 Normal control operation means
C30 regeneration processing control operation means
L times
L0 Preset number of times
N engine speed
PMs PM accumulation amount
Q Fuel flow rate
Rdp DPF differential pressure change rate
Rm1 PM production rate
Rm2 PM purification rate
Rdp0 Preset value
t_k Predetermined time
ΔP differential pressure
Δt Predetermined time interval
ΔM1 PM production
ΔM2 PM purification amount

Claims

A continuous regeneration type DPF that collects particulates provided in an exhaust passage of a diesel engine, a differential pressure sensor that detects a differential pressure before and after the continuous regeneration type DPF, and a regeneration control device that performs regeneration control of the continuous regeneration type DPF In an exhaust gas purification system equipped with
The reproduction control means includes
Storage means for storing a plurality of DPF differential pressure rate and PM generation rate test data at engine speed and fuel flow rate;
Means for determining coefficients of a mathematical model using test data selected from the plurality of test data;
Data input means for inputting the differential pressure, the engine speed and the fuel flow rate of the engine;
A differential pressure change rate calculating means for calculating a DPF differential pressure change rate which is a change rate with respect to time of the differential pressure;
PM generation rate calculation means for calculating a PM generation rate based on a mathematical model from the rotational speed and the fuel flow rate;
And PM purification ratio calculating means for calculating a PM purification ratio on the basis of the mathematical model from the fuel flow rate and the rotational speed,
PM generation amount calculation means for calculating a PM generation amount during a predetermined time from the PM generation rate;
PM purification amount calculation means for calculating a PM purification amount for a predetermined time from the PM purification rate;
PM accumulation amount calculation means for calculating the PM accumulation amount after a predetermined time from the PM generation amount and the PM purification amount,
If the DPF differential pressure change rate exceeds a predetermined set value, the regeneration control device records the engine speed, the fuel flow rate, the DPF differential pressure change rate, and the DPF differential pressure change rate is set to a predetermined set value. If the number of times exceeds the predetermined number of times, the coefficient of the mathematical model is corrected by determining the coefficient of the mathematical model using test data in a range corresponding to the DPF differential pressure change rate. An exhaust gas purification system comprising coefficient correction means.

2. The exhaust gas purification system according to claim 1, wherein a mathematical model for calculating a PM generation rate by the PM generation rate calculation unit is a quadratic expression relating to the rotation speed and the fuel flow rate.

3. The exhaust gas purification system according to claim 1, wherein the mathematical model for calculating the PM purification rate by the PM purification rate calculation means is a quadratic expression related to a product of the rotation speed and the fuel flow rate. .