JP4930416B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気中に含まれる粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を捕集するために排気系へ装入されたＰＭ捕集フィルタを備える排気浄化装置に関し、特に、そのＰＭ捕集フィルタの再生制御に関する。

内燃機関の中でも特にディーゼルエンジンに設けられる排気浄化装置のＰＭ捕集フィルタは、一般的に、多孔質のセラミックスから形成されたハニカム構造とされ、各セル（通路）の壁を排気が通過するときにＰＭを捕集するウォールフロー型のものが使用される。このウォールフロー型に代表されるＰＭ捕集フィルタでは、ＰＭ堆積量が過剰になると、捕集能力が低下したり、排気の通気抵抗が増して排圧が上がるといった不具合につながるため、連続再生ができるように構成されている。通常は、白金等の酸化触媒をＰＭ捕集フィルタに担持させ、フィルタ温度（例えば床温：bed temperature）の上昇でＰＭを燃焼させることにより、堆積したＰＭの除去を実現している。

このようなＰＭ捕集フィルタの再生には、フィルタ温度が燃焼に必要な温度以上のときに未燃焼燃料を供給する方式が採用されている。ただし、この方式においては燃料を使用することから、燃費に影響しないように、内燃機関の運転状態に応じた単位時間堆積量の積算からＰＭの堆積量を演算して適正な再生時期を判断する制御が実行される（特許文献１）。

このＰＭ堆積量演算制御においては、イグニッションオフ等で内燃機関が停止するときに、そのときのＰＭ堆積量を不揮発性のメモリに記憶し、次の内燃機関の運転再開（イグニッションオン等）に際し、前の停止時にメモリに記憶したＰＭ堆積量を始動時の初期値として読み込む制御が実行される（特許文献１の段落００５９〜００６０参照）。
特開２００６−００２６７２号公報

しかしながら、内燃機関の停止直後は、フィルタ温度がＰＭ可燃温度よりも高くなっていることがあり、この場合、当該フィルタ温度がＰＭ可燃温度以下へ冷めるまでの間に燃焼する堆積ＰＭがある。従来のＰＭ堆積量演算制御では、この停止中のＰＭ燃焼分が始動時初期値に反映されないので、誤差が累積され、ＰＭ捕集フィルタ再生時期判断のずれにつながる。

本発明は、このような技術背景に基づいたもので、内燃機関の停止中ＰＭ燃焼分を考慮することのできる排気浄化装置を提案するものである。

本発明で提案する排気浄化装置は、内燃機関の排気系に装入され、排気中に含まれるＰＭを捕集するＰＭ捕集フィルタと、前記内燃機関が運転を停止するときに得られる前記ＰＭ捕集フィルタの停止時フィルタ温度を少なくとも記憶する停止時ＰＭ燃焼情報記憶手段と、前記内燃機関が運転を再開するときに、前記停止時フィルタ温度と当該始動時に得られる前記ＰＭ捕集フィルタの始動時フィルタ温度とに基づいて、前記ＰＭ捕集フィルタ内で停止中に燃焼したＰＭの量である停止中ＰＭ燃焼量を推定する停止中ＰＭ燃焼量演算手段と、を含んだ構成とする。

上記提案に係る排気浄化装置によれば、内燃機関停止時のフィルタ温度に応じた停止中ＰＭ燃焼分が、停止中ＰＭ燃焼量演算手段によって推定される。したがって、この停止中ＰＭ燃焼量演算手段により推定された停止中ＰＭ燃焼量を、運転再開の始動時に、前の停止時までに演算してあるＰＭ堆積量に反映させ、当該反映後のＰＭ堆積量を始動時の初期値として用いるようにすれば、内燃機関の停止中ＰＭ燃焼分を考慮してより精度の高いＰＭ堆積量演算制御を実行可能である。

本発明の実施形態に係る排気浄化装置の構成例を、図１に示す。内燃機関の一例として、排気ターボ過給器を備えたコモンレール式のディーゼルエンジンを図示している。
このディーゼルエンジン１の吸気系には、吸気上流から順に、エアフロセンサ２、ターボ過給器３のコンプレッサ３ａ、インタークーラ４、吸気スロットル５が備えられ、サージタンク６を有する吸気マニホールドを通して気筒へ吸入空気が流入する。また、燃料噴射系は、サプライポンプ７及びコモンレール８を備え、燃料を加圧して噴射ノズル９から気筒内へ噴射する。さらに、本例のディーゼルエンジン１は、排気マニホールドから吸気マニホールドへ排気を還流させる排気還流（ＥＧＲ）装置として、ＥＧＲクーラ１０及びＥＧＲバルブ１１を備えている。

そして、このディーゼルエンジン１の排気系には、排気上流から順に、ターボ過給器３のタービン３ｂ及び選択触媒還元（ＳＣＲ）用の酸化触媒１２が配設され、この酸化触媒１２の下流に、ウォールフロー型のＰＭ捕集フィルタとしてＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２０が装入されている。図示は省略するが、このＤＰＦ２０よりも下流には、ＳＣＲ用の還元剤噴射ノズル、選択還元触媒などが配設され、ＮＯｘ及びＰＭを浄化する排気浄化装置が設けられている。

ＤＰＦ２０の排気入口には、排気の入口温度を計測するための入口温度センサ２１が配設され、ＤＰＦ２０の排気出口には、排気の出口温度を計測するための出口温度センサ２２が設けられている。また、ＤＰＦ２０の排気出口には、排気流量を計測するためのエアフロセンサ２３が設けられ、さらに、排気入口と排気出口とにおける差圧を計測するための差圧センサ２４も設けられている。

これらのセンサ及びエンジン１の冷却水温度を計測する水温センサ２５の各計測信号は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）３０に入力されて、該ＥＣＵ３０によってエンジン１の運転が制御される。

本実施形態のＥＣＵ３０は、入口温度センサ２１、出口温度センサ２２及びエアフロセンサ２３の各出力値に基づいて、ＤＰＦ２０のフィルタ温度（ここでは床温）を演算するフィルタ温度演算手段として動作する。その機能ブロック図を図２に示している。

フィルタ温度演算手段は、応答遅れフィルタ処理部３１、時定数算出部３２、補正値演算部３３、１／Ｚ変換部３４、加算部３５を含む。応答遅れフィルタ処理部３１は、入口温度センサ２１の出力値を入力し、エアフロセンサ２３による排気流量を基に時定数算出部３２で算出される時定数と演算する。一方、出口温度センサ２２の出力値は、補正値演算部３３に入力され、１／Ｚ変換部３４を経て入力されるフィルタ温度値と演算される。そして、加算部３５において、応答遅れフィルタ処理部３１の出力値を補正値演算部３３による補正値で補正し、フィルタ温度が出力される。すなわち、ＤＰＦ２０の入口温度及び出口温度を用いて、当該ＤＰＦ２０のフィルタ温度として床温を推定することができる。

このように推定されるフィルタ温度に対し、エンジン１が停止するときのＰＭ燃焼分の関係について、図３を参照して説明する。図３は、横軸に時間をとって示した運転停止から再開までのタイムチャートである。

ＥＣＵ３０は、ｔ１でイグニッションオフが検出されるとエンジン１の停止制御を実行し、その後にｔ２でイグニッションオンが検出されるとエンジン１の始動制御を実行する（図３Ａ）。この運転停止から再開までの停止中ｔ１〜ｔ２の間に、フィルタ温度は、図３Ｂに示すごとく推移する。すなわち、フィルタ温度が、例えば５００℃のＰＭ可燃温度を上回っているときにｔ１となった場合、該フィルタ温度が停止後にＰＭ可燃温度以下へ冷えるまでには、ｔ１からｔ３までのタイムラグΔｔが存在する。したがって、このΔｔの間に、ＤＰＦ２０内に堆積しているＰＭが燃焼する停止中ＰＭ燃焼量ΔＰＭが存在する。

図３Ｃに示すように、従来技術では、エンジン１停止時ｔ１に、該ｔ１までに演算済みのＰＭ堆積量を不揮発性のメモリに記憶する。そして、図中点線で示すように、運転再開時ｔ２に際し、そのメモリに記憶したＰＭ堆積量を始動時の初期値として読み込む制御を実行している。このとき読み込まれるＰＭ堆積量は、図中実線で示す実際のＰＭ堆積量に対して停止中ＰＭ燃焼量ΔＰＭだけずれているので、この後に累積されるＰＭ堆積量は、実際の値に対しΔＰＭ分の誤差を保って推移することになる。

本実施形態のＥＣＵ３０は、停止時ＰＭ燃焼情報記憶手段及び停止中ＰＭ燃焼量演算手段として動作することにより、停止中ＰＭ燃焼量ΔＰＭを推定し、運転再開後のＰＭ堆積量誤差を抑制する。図４及び図５に、ＥＣＵ３０で実行される停止時ＰＭ燃焼情報記憶手段及び停止中ＰＭ燃焼量演算手段のフローチャートを例示して説明する。

図４Ａに示すように、停止時ＰＭ燃焼情報記憶手段として動作するＥＣＵ３０は、イグニッションスイッチのオフが確認されてエンジン１の運転を停止するときに（Ｓ１）、上記フィルタ温度演算手段として取得しているＤＰＦ２０のフィルタ温度を、停止時フィルタ温度として不揮発性のメモリ（ＥＥＰＲＯＭ等）に記憶する（Ｓ２）。また、本例の場合はこのステップＳ２においてさらに、停止時冷却水温度、ＤＰＦ２０内に残存する停止時酸素濃度、そして、当該停止時にＤＰＦ２０内に堆積している停止時ＰＭ堆積量を、同メモリに記憶する。

停止時冷却水温度は、図１に示す水温センサ２５から取得される。また、停止時酸素濃度は、エアフロセンサ２３により計測される排気流量に基づき取得される。本例の場合はさらに、そのエアフロセンサ２３による酸素濃度を、停止時のエンジン回転速度（あるいは負荷）を基に補正して、より正確な残存酸素濃度を算出するようにしている。また、停止時ＰＭ堆積量は、ＥＣＵ３０が、エンジン１の停止までに演算していたＰＭ堆積量である。

これら停止時ＰＭ燃焼情報を記憶した後、運転再開でイグニッションスイッチがオンされると、エンジン１の始動に伴いＥＣＵ３０は停止中ＰＭ燃焼量演算手段として動作する。

図４Ｂに示すように、ＥＣＵ３０は、イグニッションオンが確認されると（Ｓ３）、前記ステップＳ２で記憶した停止時ＰＭ燃焼情報、すなわち停止時フィルタ温度、停止時冷却水温度、停止時酸素濃度、停止時ＰＭ堆積量を読み出す（Ｓ４）。続いてＥＣＵ３０は、停止中ＰＭ燃焼量を演算するために必要な始動時情報として、水温センサ２５で計測される始動時冷却水温度を取得する（Ｓ５）。

停止時ＰＭ燃焼情報及び始動時情報が得られると、ＥＣＵ３０は、まず、停止時フィルタ温度に基づいて、停止中にＰＭ燃焼が発生しているか否か判断する（Ｓ６）。すなわち、停止時フィルタ温度がしきい値、例えば５００℃のＰＭ可燃温度以上か否か判断することで、これ以降の停止中ＰＭ燃焼量演算を実行するか否かを決定する。停止時フィルタ温度がＰＭ可燃温度に達していなければ、ＥＣＵ３０は、停止中ＰＭ燃焼量演算を実行せずに終了する。

一方、ＥＣＵ３０は、ステップＳ６の結果、停止中ＰＭ燃焼有りと判断されれば、続けて停止中ＰＭ燃焼量演算を実行する（Ｓ７）。この停止中ＰＭ燃焼量演算ステップＳ７のフローを図５に示している。

停止中ＰＭ燃焼量演算を実行するＥＣＵ３０は、まず、停止時冷却水温度及び始動時冷却水温度に基づき停止時フィルタ温度を補正して、始動時フィルタ温度を推定する（Ｓ１０）。始動時フィルタ温度が推定できれば、停止から始動までの停止時間を推測することができる。

図３Ｂに示すように、エンジン１の停止後に冷却水温度は徐々に下がっていく。そこで、停止時冷却水温度に比べて始動時冷却水温度がどれだけ下がったか、その差分を求めれば、図３Ｂのフィルタ温度プロファイルから、始動時フィルタ温度を推定することができる。図３Ｂに示すフィルタ温度プロファイルは、シミュレーションで求められた温度推移で、停止時フィルタ温度ごとに決まっている。したがって、停止時フィルタ温度が分かればフィルタ温度プロファイルは決まり、停止時冷却水温度と始動時冷却水温度との差が求まれば、この差分が停止からの時間に相当するので、プロファイル上で該当するフィルタ温度を始動時フィルタ温度として推定することができる。すなわち、停止時冷却水温度及び始動時冷却水温度と停止時フィルタ温度とのマップを記憶してあれば、停止時冷却水温度及び始動時冷却水温度に基づいて停止時フィルタ温度を補正することで、始動時フィルタ温度を推定することができる。

このようにして停止時フィルタ温度と始動時フィルタ温度（停止からの始動までの時間）とが決まると、停止時フィルタ温度から始動時フィルタ温度までの間で、フィルタ温度プロファイルの曲線とＰＭ可燃温度とで囲まれた面積を、停止中ＰＭ燃焼量として演算することができる。

この後、ＥＣＵ３０は、上記の停止時酸素濃度及び停止時ＰＭ堆積量を読み出し（Ｓ１１）、停止時フィルタ温度、始動時フィルタ温度、停止時酸素濃度及び停止時ＰＭ堆積量に基づいて、停止中ＰＭ燃焼量を演算する（Ｓ１２）。具体的には、停止時フィルタ温度及び始動時フィルタ温度から停止中ＰＭ燃焼量の基本値を算出する。そしてこの基本値に対し、停止時の運転状態により変化する停止時酸素濃度によって補正をかける。たとえば、停止時のエンジン回転速度が高ければ停止時酸素濃度は濃くなって燃焼速度が速くなり、反対にエンジン回転数が低ければ停止時酸素濃度は薄くなって燃焼速度が遅くなる。したがって、停止時酸素濃度に応じて前記基本値を増減させる。また、堆積しているＰＭの量によっても燃焼速度が変わるので、停止時ＰＭ堆積量に応じた変数によって、前記基本値を補正する。

停止中ＰＭ燃焼量の演算と共に、ＥＣＵ３０はＰＭ堆積量演算手段として動作し、例えば図６のフローチャートを実行して、エンジン１が始動した後のＤＰＦ２０におけるＰＭ堆積量を停止中ＰＭ燃焼量に基づき演算する。

イグニッションスイッチのオンを確認したＥＣＵ３０は（Ｓ２０）、ＰＭ排出量演算Ｓ２１）とＰＭ燃焼量演算（Ｓ２２）とを実行する。ＰＭ排出量はつまりＤＰＦ２０への流入量であり、エアフロセンサ２３による排気流量に排気中ＰＭ濃度を乗算することで算出され、初期値はゼロである。排気中ＰＭ濃度はエンジン運転状態、例えば回転速度と負荷の関数として算出可能である。ＰＭ燃焼量は、運転中にＤＰＦ２０において燃焼するＰＭ燃焼分であり、上述したフィルタ温度演算手段によって得られるフィルタ温度と、現在のＰＭ堆積量と、排気中の酸素濃度とから算出することができる。排気中酸素濃度は、エアフロセンサ２３による排気流量及びエンジン運転状態（回転速度、負荷）から求められる。ＥＣＵ３０は、このＰＭ燃焼量の初期値として、ステップＳ７の停止中ＰＭ燃焼量を使用する。

ＥＣＵ３０は、これらＰＭ排出量とＰＭ燃焼量とにより、ＤＰＦ２０内のＰＭ堆積量を演算する（Ｓ２３）。このステップＳ２３では、ＤＰＦ２０のフィルタ温度に応じた変数をＰＭ排出量に乗算することで、運転状態に応じた堆積量増加分を算出する。そして、現在のＰＭ堆積量に、堆積量増加分を加算すると共にＰＭ燃焼量を減算して、ＰＭ堆積量を積算していく。始動時の初期値では、ＰＭ排出量がゼロであり、ＰＭ燃焼量は停止中ＰＭ燃焼量とし、ＰＭ堆積量には停止時ＰＭ堆積量を用いる。したがって、始動時最初に、停止時ＰＭ堆積量から停止中ＰＭ燃焼量を減算した始動時ＰＭ堆積量が提供され、該始動時ＰＭ堆積量を初期値としてその後の積算が実行される。

ＰＭ堆積量演算後は、イグニッションスイッチのオフを確認して（Ｓ２４）、オフにならないうちはＰＭ排出量及びＰＭ燃焼量演算から繰り返し、イグニッションオフで図４のフローを開始する。

ＥＣＵ３０は、このようにＰＭ堆積量演算手段として演算したＰＭ堆積量に基づいて、該ＰＭ堆積量が所定値に達すると、再生制御手段としてＤＰＦ２０の再生処理を実行する。この再生処理については、例えば前述の特許文献１等の文献に説明されているので、ここでは省略する。

排気浄化装置の構成例を示したディーゼルエンジンの概略図。 フィルタ温度演算手段を説明する機能ブロック図。 停止中におけるフィルタ温度及び冷却水温度の推移を説明するチャート。 停止時ＰＭ燃焼情報記憶手段（Ａ）及び停止中ＰＭ燃焼量演算手段（Ｂ）を説明するフローチャート。 図５の停止中ＰＭ燃焼量演算ステップの詳細を説明するフローチャート。 ＰＭ堆積量演算手段を説明するフローチャート。

符号の説明

１ 内燃機関（ディーゼルエンジン）
２０ ＰＭ捕集フィルタ（ＤＰＦ）
２１ 入口温度センサ
２２ 出口温度センサ
２３ エアフロセンサ
２４ 差圧センサ
２５ 水温センサ
３０ ＥＣＵ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気系に装入され、排気中に含まれる粒子状物質を捕集するＰＭ捕集フィルタと、
   前記内燃機関が運転を停止するときに得られる前記ＰＭ捕集フィルタの停止時フィルタ温度を少なくとも記憶する停止時ＰＭ燃焼情報記憶手段と、
   前記内燃機関が運転を再開するときに、前記停止時フィルタ温度と当該始動時に得られる前記ＰＭ捕集フィルタの始動時フィルタ温度とに基づいて、前記ＰＭ捕集フィルタ内で停止中に燃焼した粒子状物質の量である停止中ＰＭ燃焼量を推定する停止中ＰＭ燃焼量演算手段と、
   を含んで構成されることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記停止時ＰＭ燃焼情報記憶手段は、前記内燃機関が運転を停止するときに計測される停止時冷却水温度も記憶し、
   前記停止中ＰＭ燃焼量演算手段は、前記停止時冷却水温度と始動時に計測される始動時冷却水温度とによって前記停止時フィルタ温度を補正して、前記始動時フィルタ温度を推定することを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記停止時ＰＭ燃焼情報記憶手段は、前記内燃機関が運転を停止するときに得られる前記ＰＭ捕集フィルタ内の停止時酸素濃度も記憶し、
   前記停止中ＰＭ燃焼量演算手段は、前記停止時酸素濃度によって前記停止中ＰＭ燃焼量を補正することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の排気浄化装置。
4. 前記停止中ＰＭ燃焼量演算手段は、前記内燃機関が運転を停止するまでに演算された前記ＰＭ捕集フィルタ内の粒子状物質堆積量を停止時ＰＭ堆積量として、当該停止時ＰＭ堆積量により前記停止中ＰＭ燃焼量を補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の排気浄化装置。
5. 前記停止中ＰＭ燃焼量演算手段は、前記停止時フィルタ温度が所定のしきい値以上のときに前記停止中ＰＭ燃焼量の推定を実行することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の排気浄化装置。
6. 前記停止中ＰＭ燃焼量に基づいて、前記内燃機関が始動した後の前記ＰＭ捕集フィルタにおける粒子状物質の堆積量を演算するＰＭ堆積量演算手段をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の排気浄化装置。
7. 前記ＰＭ堆積量演算手段は、
   前記内燃機関が運転を停止するまでに演算された前記ＰＭ捕集フィルタ内の粒子状物質堆積量から前記停止中ＰＭ燃焼量を減算して始動時ＰＭ堆積量を算出し、
   該始動時ＰＭ堆積量を初期値として、前記内燃機関が始動した後の運転状態に応じた増加分を加算して、前記始動後の粒子状物質堆積量を算出することを特徴とする請求項６記載の排気浄化装置。
8. 前記ＰＭ堆積量演算手段により演算される粒子状物質の堆積量に基づいて、前記ＰＭ捕集フィルタの再生処理を実行する再生制御手段をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の排気浄化装置。

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