(57)【要約】【課題】パティキュレートフィルターを備えたエンジンにおいて、パティキュレートフィルターのＰＭ堆積量の推定精度の向上を図る。【解決手段】パティキュレートフィルター１３とＰＭ堆積量推定手段５３とを具備するエンジン５において、パティキュレートフィルター１３の入口と出口のフィルター差圧に基づいてＰＭ堆積量を推定する第一推定手段５１と、エンジン５の運転状態に基づいてＰＭ堆積量を推定する第二推定手段５２とを具備し、経過時間Ｔが所定時間Ｔ１以上経過していれば、第一推定手段５１を選択し、経過時間Ｔが所定時間Ｔ１より小さければ、第二推定手段５２を選択する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パティキュレートフィルター（１３）とＰＭ堆積量推定手段（５３）とを具備するエンジン（５）において、
パティキュレートフィルター（１３）の入口と出口のフィルター差圧に基づいてＰＭ堆積量を推定する第一推定手段（５１）と、エンジン（５）の運転状態に基づいてＰＭ堆積量を推定する第二推定手段（５２）とを具備し、
経過時間（Ｔ）が所定時間（Ｔ１）以上経過していれば、第一推定手段（５１）を選択し、経過時間（Ｔ）が所定時間（Ｔ１）より小さければ、第二推定手段（５２）を選択する
ことを特徴とするエンジン。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンにおいて、前記第一推定手段（５１）から第二推定手段（５２）に切り替えたときには、前記第一推定手段（５１）によるＰＭ堆積量の最終値を、前記第二推定手段（５２）により推定されるＰＭ堆積量の初期値として用いることを特徴とするエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パティキュレートフィルターを備えたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンに備えられる黒煙浄化装置は公知である。黒煙浄化装置は、ディーゼルエンジンの有毒な排出ガスのうち粒子状物質（パティキュレートマター、以下、ＰＭと称する) を取り除く装置である。黒煙浄化装置には、酸化触媒及びパティキュレートフィルター（以下、フィルターと称する）が備えられている。フィルターは、フィルター機能のみしか有さないため、長く使用すると詰まりが生じて排気負荷が大きくなり効率が悪化する。そこで、フィルターを温めてＰＭを燃やすフィルター再生手段も公知である。
【０００３】
フィルター再生手段においては、フィルターのＰＭ堆積量を推定する必要がある。しかし、フィルターにおけるＰＭ堆積状態は、フィルターの内部に溜まる状態と表面に溜まる状態との２つがある。
【０００４】
さらに、この２つの状態はエンジン運転状態やＰＭ堆積量によって異なる。つまり、フィルター差圧とＰＭ堆積量の相関関係は一定でないことから、フィルター差圧とＰＭ堆積量とは、ヒステリシスループを持つ複雑な相関を示すことが分かっている。
【０００５】
従来、ＰＭ堆積量推定手段として、フィルターの差圧に基づいてＰＭ堆積量を推定する第一推定手段と、エンジンの運転履歴、ＰＭ排出量、又は黒煙浄化装置のＰＭ再生量に基づいてＰＭ堆積量を推定する第二推定手段と、が公知である。
【０００６】
フィルター再生手段において、第一推定手段はエンジン回転数又はエンジン負荷が高いエンジン運転状態（再生域）に用いられ、第二推定手段はエンジン回転数又はエンジン負荷が低いエンジン運転状態（非再生域）に用いられている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−９０２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
エンジン運転状態が非再生域から再生域に移行したときは、推定手段の選択も第二推定手段から第一推定手段に切り替えられる。しかし、発明者らは、エンジン運転状態が非再生域から再生域に移行したときに、フィルター差圧とＰＭ堆積量の相関関係においてしばらくは急激なフィルター差圧の変動があることを試験によって確認した。
【０００９】
そのため、エンジン運転状態によっては、比較的推定精度の良い第一推定手段であってもＰＭ堆積量の推定値がばらついてしまうことになる。そこで、解決しようとする課題は、パティキュレートフィルターを備えたエンジンにおいて、上記不具合を改善することで、パティキュレートフィルターのＰＭ堆積量の推定精度を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１１】
請求項１においては、パティキュレートフィルター（１３）とＰＭ堆積量推定手段（５３）とを具備するエンジン（５）において、パティキュレートフィルター（１３）の入口と出口のフィルター差圧に基づいてＰＭ堆積量を推定する第一推定手段（５１）と、エンジン（５）の運転状態に基づいてＰＭ堆積量を推定する第二推定手段（５２）とを具備し、経過時間（Ｔ）が所定時間（Ｔ１）以上経過していれば、第一推定手段（５１）を選択し、経過時間（Ｔ）が所定時間（Ｔ１）より小さければ、第二推定手段（５２）を選択するものである。
【００１２】
請求項２においては、請求項１記載のエンジンにおいて、前記第一推定手段（５１）から第二推定手段（５２）に切り替えたときには、前記第一推定手段（５１）によるＰＭ堆積量の最終値を、前記第二推定手段（５２）により推定されるＰＭ堆積量の初期値として用いるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１４】
請求項１においては、フィルター差圧に変動が生じているときには、第二推定手段を用いてＰＭ堆積量を推定することによって、パティキュレートフィルターのＰＭ堆積量の推定精度を向上することができる。
【００１５】
請求項２においては、第一推定手段から第二推定手段に切り替える毎に第二推定手段（の初期化を、随時第一推定手段による比較的推定精度の良いＰＭ推定量の最終値によって行うことによって、第二推定手段のＰＭ堆積量の推定精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例に係るディーゼルエンジンの全体的な構成を示した構成図。
【図２】エンジン運転状態とＰＭ再生領域の相関を示すグラフ図。
【図３】フィルター差圧とＰＭ堆積量との相関を示すグラフ図。
【図４】フィルターにおけるＰＭ堆積時とＰＭ再生時を示す模式図。
【図５】ＰＭ堆積量推定手段を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、発明の実施の形態を説明する。まず、本発明の実施例に係るディーゼルエンジンについて、その概略構成を説明する。
【００１８】
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、エンジンと称する）５は、エンジン本体２０と、給気経路と、パティキュレートマター（以下、ＰＭと称する）を取り除く黒煙浄化装置１０を備える排気経路と、Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ装置（以下、ＥＧＲ装置と称する）と、Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ（以下、ＥＣＵと称する）１００と、を備えて構成されている。なお、エンジン５は、本実施例では車両に搭載されているものとする。
【００１９】
エンジン本体２０は、４気筒ディーゼルエンジンであって、図示しない燃料噴射装置と、気筒２５・２５・２５・２５と、給気マニホールド２１と、排気マニホールド２２と、を備えて構成されている。
【００２０】
給気経路は、空気中に含まれる塵挨等を除去するエアクリーナ２３と、開閉制御されることで給気流量を調整する給気絞り弁２４と、を備えて構成されている。給気絞り弁２４は、給気流量を絞ることで排気ガス温度を上昇させて、後述する酸化触媒１２においてＰＭの燃焼を促進し詰まりを防止する装置である。
【００２１】
排気経路は、詳しくは後述する黒煙浄化装置１０と、排気ガス中に還元剤又は助燃剤を投入する添加剤投入装置１４と、開閉制御されることで排気流量を調整する排気絞り弁１５と、を備えて構成されている。添加剤投入装置１４は、排気ガス中に還元剤を投入することで酸化触媒１２で酸化させることで排気ガス温度を上昇させる、或いは、触媒のような助燃剤を投入することで、ＰＭの燃焼温度を通常より下げる装置である。排気絞り弁１５は、排気流量を絞ることで排気ガス温度を上昇させて、後述する酸化触媒１２においてＰＭの燃焼を促進し詰まりを防止する装置である。
【００２２】
また、排気経路には、黒煙浄化装置１０の下流に排気ガス温度センサー３４、排気流量センサー３５が設けられている。
【００２３】
ＥＧＲ装置は、吸入空気中の酸素濃度を低くして、燃料をゆるやかに燃やすことで窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑える装置であって、排気ガスの一部を給気側に戻すためのＥＧＲ経路７１と、開閉制御されることでＥＧＲ量を調整するＥＧＲ弁７２と、を備えて構成されている。
【００２４】
黒煙浄化装置１０は、導入された排気ガスを多孔質の隔壁を通過させ、排気ガスに含まれるＰＭをろ過するパティキュレートフィルター（以下、フィルターと称する）１３と、フィルター１３の上流側に別体で配置され、未燃物（燃料）やＣＯを接触させて燃やすことで( 酸化反応) 酸化触媒の温度を上げ、フィルター１３を温める酸化触媒１２と、を備えて構成されている。
【００２５】
また、黒煙浄化装置１０には、フィルター１３の入口に設けられるフィルター入口圧力センサー３１と、フィルター１３の出口に設けられるフィルター出口圧力センサー３２と、フィルター１３に設けられるフィルター温度センサー３３と、が設けられている。
【００２６】
エンジン回転数センサー４１は、エンジン本体２０のクランク軸近傍に設けられている。ラック位置センサー４２は、燃料噴射装置のラック位置近傍に設けられている。アクセルの設定位置を検出するアクセル開度センサー４３は、車両のアクセル近傍に設けられている。車速センサー４４は、車両のトランスミッション近傍に設けられている。
【００２７】
ＥＣＵ１００は、コントローラ５０と、記憶部６０と、を備えて構成されている。コントローラ５０は、詳しくは後述する第一推定手段５１と、第二推定手段５２と、ＰＭ堆積量推定手段５３と、フィルター再生手段５４としての機能を有する。記憶部６０は、後述する定数及びマップを予め記憶しておくことができる。
【００２８】
ＥＣＵ１００は、フィルター１３の入口圧力を検出できるフィルター入口圧力センサー３１と、フィルター１３の出口圧力を検出できるフィルター出口圧力センサー３２と、フィルター１３の温度を検出できるフィルター温度センサー３３と、排気ガス温度を検出できる排気ガス温度センサー３４と、排気ガスの流量を検出できる排気流量センサー３５と、エンジン回転数を検出できるエンジン回転数センサー４１と、燃料噴射装置のラック位置を検出できるラック位置センサー４２と、アクセル開度を検出できるアクセル開度センサー４３と、車両の走行速度を検出できる車速センサー４４と、に接続されている。
【００２９】
ここで、ＰＭ堆積量とフィルター差圧との相関について詳細に説明する。なお、ＰＭ堆積量とはフィルター１３における堆積したＰＭ量、黒煙浄化装置の差圧としてのフィルター差圧とはフィルター１３の入口圧力と出口圧力の差をいう。
【００３０】
図２に示すように、黒煙浄化装置１０は、エンジン運転状態に応じて、再生域と非再生域に区分けされる。図２において、エンジン運転状態とは、エンジン回転数とエンジン負荷とにより決まる。再生とは、黒煙浄化装置１０において、フィルター１３に堆積したＰＭを燃焼させて無害な二酸化炭素にすることである。再生域とは、エンジン回転数及びエンジン負荷が高く、排気ガス温度が高い領域であってＰＭが燃焼できる領域である。再生域では、ＰＭは堆積されることなく再生され続けることになる。非再生域とは、エンジン回転数及びエンジン負荷が低く、排気ガス温度が低い領域であってＰＭが燃焼できない領域である。非再生域においては、ＰＭは堆積され続けることになる。
【００３１】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、フィルター１３にＰＭが堆積する場合と、フィルター１３に堆積したＰＭが再生される場合とでは、フィルター１３の内部と表面が段階的に再生又は堆積されることになる。図３（ａ）は、上述した非再生域において、フィルター１３にＰＭが堆積する場合を段階的に示している。すなわち、非再生域では、まず、フィルター１３内部及び表面にＰＭが堆積し、やがてフィルター内部に溜まらなくなればフィルター１３表面にのみ堆積していく。図３（ｂ）は、上述した再生域において、フィルター１３に堆積したＰＭが再生される場合を示している。すなわち、再生域では、まず、排気ガスが流れるフィルター１３内部のＰＭが先に再生され、やがてフィルター１３表面のＰＭの再生が支配的になる。
【００３２】
このようにフィルター１３の内部と表面が段階的に再生又は堆積されるため、ＰＭ堆積状態は常に一定ではない。そのため、ＰＭ堆積量とフィルター差圧とは、以下に示す特性を有する。
【００３３】
図４に示すように、ＰＭ堆積量及びフィルター差圧の遷移は、上段特性ラインと連続再生時堆積ラインとで表されるヒステリシスループを持つ複雑な相関を示す（図４における太い実線）。ここで、堆積限界（図４における一点鎖線）とは、黒煙浄化装置１０においてフィルター１３に堆積できるＰＭ堆積量の限界に安全率（本実施例では８０％）を考慮した閾値である。
【００３４】
図４における矢印ａに示すように、フィルター１３にＰＭが堆積しない状態から、エンジン５が非再生域で運転されると、上述したように、フィルター１３内部及び表面にＰＭが徐々に堆積されるため、内部に堆積されるＰＭの量が増加し、その抵抗によって急激にフィルター差圧が増加する。そして、堆積量がさらに増加して、フィルター内部に溜まらなくなれば、ＰＭはフィルター１３表面にのみ堆積し、上段特性ラインが示すようにＰＭ堆積量の増加に対して緩やかにフィルター差圧が上昇する。
【００３５】
図４における矢印ｂに示すように、フィルター１３にＰＭが堆積した状態からエンジン５が再生域で運転されると、上述したように、排気ガスが流れているフィルター１３内のＰＭが先に再生されるために、まず上段特性線より急激にフィルター差圧が下がる。そして、フィルター１３内のＰＭがほぼ再生すると、フィルター１３表面のＰＭの再生が支配的になるため、連続再生時堆積ラインに示すようにＰＭ堆積量の減少に対して緩やかなフィルター差圧となる。図４における矢印ｂ´に示すように、フィルター１３内のＰＭがほぼ再生した場合は、エンジン運転状態によって、連続再生時堆積ライン上の左右どちらかに進みフィルター１３表面ＰＭの堆積と再生がバランスした点で安定する。その後、再生域にある限り、この連続再生時堆積ライン上を状態によって遷移する。
【００３６】
図４における矢印ｃに示すように、再生域又は非再生域を遷移する場合は、上段特性ライン又は連続再生時堆積ラインのどちらかの線上から急激に他方のライン上に遷移する。フィルター１３内部のＰＭが詰まり切る、或いは再生しきった場合には、緩やかな上段特性ライン又は連続再生時堆積ライン上を動く。つまり、上段特性ライン又は連続再生時堆積ライン上にあるとき以外は、常に急激なフィルター差圧の変動が生じる。
【００３７】
ここで、上述した堆積量とフィルター差圧の遷移の相関を踏まえた上で、本実施例の各手段について説明する。第一推定手段５１は、フィルター差圧に基づいてＰＭ堆積量を推定する手段であって、エンジン運転状態が再生域にある場合に用いられる推定手段である。本実施例では、フィルター入口圧力センサー３１とフィルター出口圧力センサー３２とによって検出されるフィルター差圧に温度、ガス量等の補正を行い、予め実験や計算で求めておいた堆積限界差圧とを比較することで、ＰＭ堆積量を推定する。なお、第一推定手段５１は、フィルター１３前の圧力に基づいてＰＭ堆積量を推定しても良い。
【００３８】
第二推定手段５２は、エンジン運転履歴、ＰＭ排出量、又は黒煙浄化装置１０のＰＭ再生量等のエンジン運転状態に基づいてＰＭ堆積量を推定する手段であって、エンジンが非再生域で運転されている場合に用いられる推定手段である。本実施例では、第二推定手段５２は、エンジン５の運転時間（車両に搭載された場合には走行距離であっても良い）に係数を加味してＰＭ堆積量を推定している。
【００３９】
ＰＭ堆積量推定手段５３は、フィルター再生域運転又は非再生域運転であるかに基づいて、第一推定手段５１又は第二推定手段５２を選択して使用することによってＰＭ堆積量を推定する手段である。ここで、特記すべき事項として、本実施例のＰＭ堆積量推定手段５３は、第二推定手段５２から第一推定手段５１に切り替えるときは、第二推定手段５２を所定時間継続して使用した後に、第一推定手段５１を使用することとしている。
【００４０】
上述のように、エンジンの運転が非再生域から再生域に切り替わるときは、急激なフィルター差圧の変動が生じている。そこで、この切り替わるときに第二推定手段５２を所定時間継続して使用し、ＰＭ堆積量の推定値が大きく変動しないようにしている。つまり、黒煙浄化装置１０において、フィルター１３のＰＭ堆積量の推定精度を向上している。
【００４１】
本実施例では、ＰＭ堆積量推定手段５３は、排気ガス温度及び排気ガス流量に基づいてフィルター再生域運転又は非再生域運転であるか判断している。具体的には、ＰＭ堆積量推定手段５３は、排気ガス温度と排気ガス流量との双方にそれぞれ閾値を設け、その閾値を超えたか否かに基づいてフィルター再生域運転又は非再生域運転と判断する。このとき、閾値を超えて、フィルター再生域運転と判断すれば、第一推定手段５１を選択してＰＭ堆積量を推定する。
【００４２】
このようにして、フィルター再生域運転または非再生域運転であるかの判断精度を向上して、ＰＭの再生領域を確実に判断し、ＰＭの再生領域に適した推定手段を選択して、ＰＭ堆積量の推定精度を向上させている。
【００４３】
ここで、フィルター再生域運転又は非再生域運転であるかを判断するにあたって、前記排気ガス温度及び排気ガス流量に限定されることなく、エンジン負荷としての燃料噴射装置のラック位置、エンジン回転数、エンジン回転数の変化の割合であるエンジン回転変化率、排気ガス流量、フィルター温度、フィルター差圧、フィルター差圧の変化の割合であるフィルター差圧変化率、ＰＭ堆積量、アクセル開度、アクセル開度の変化の割合であるアクセル開度変化率、車速、車速の変化の割合である車速変化のいずれか一つ又はこれらのうちの複数に基づいて判断しても良い。
【００４４】
ここで、前記第二推定手段５２が継続して使用される所定時間は、ＰＭ堆積量又はエンジン運転状態に基づいて算出される。本実施例では、エンジン運転状態として排気ガス温度を用いて算出している（図５参照）。
【００４５】
また、エンジン運転状態としての排気ガス温度を用いることに限定されることはなく、エンジン負荷としての燃料噴射装置のラック位置、エンジン回転数、排気ガス流量、フィルター温度、アクセル開度、車速のいずれか一つ又はこれらのうちの複数を用いても良い。
【００４６】
ここで、エンジン運転状態としてのフィルター差圧の変化率を用いる場合、フィルター差圧とＰＭ堆積量の相関関係における急激なフィルター差圧の変動の見極めができる。つまり、第二推定手段５２よりも比較的に推定精度が良い第一推定手段５１に短時間で移行できる。
【００４７】
フィルター再生手段５４は、ＰＭ堆積量推定手段５３を用いて推定されたＰＭ堆積量に応じて燃焼させることによって、フィルター１３を再生する手段である。本実施例では、フィルター再生手段５４として、少なくとも給気絞り弁２４又は排気絞り弁１５によって給気流量を減少させる、排気圧力を上昇させて排気ガス温度を上昇させる、排気ガス中に還元剤を投入することで酸化触媒１２で還元剤を酸化させる、或いは排気ガス中に助燃剤を投入する、ことによってＰＭを燃焼させている。なお、これらのフィルター再生手段５４は、公知技術である。
【００４８】
ここで、ＰＭ堆積量推定手段５３の制御フローについて詳細に説明する。図５に示すように、Ｓ１０１において、コントローラ５０は、エンジンを始動するとＰＭ堆積量推定手段５３によりＰＭ堆積量の推定制御を開始する。Ｓ１０２において、コントローラ５０は、ＰＭが堆積していない状態、つまり、フィルター再生域で運転されているとして排気ガス温度Ｔｅｘを読み込む。Ｓ１０３において、コントローラ５０は、排気ガス温度Ｔｅｘが所定温度Ｔｅｘ１以上か否かを判定する。このとき、Ｓ１０３にて排気ガス温度Ｔｅｘが所定温度Ｔｅｘ１より低ければ、Ｓ１０７に移行し第二推定手段５２を選択してＰＭ堆積量を推定する。Ｓ１０４において、コントローラ５０は、Ｓ１０３にて排気ガス温度Ｔｅｘが所定温度Ｔｅｘ１以上であれば、排気ガス温度Ｔｅｘが所定温度Ｔｅｘ１以上となってからの経過時間Ｔを算出する。Ｓ１０５において、コントローラ５０は、経過時間Ｔが所定時間Ｔ１以上か否かを判定する。このとき、経過時間Ｔが所定時間Ｔ１より小さければ、Ｓ１０７に移行し第二推定手段５２を選択してＰＭ堆積量を推定する。Ｓ１０７において、コントローラ５０は、経過時間Ｔが所定時間Ｔ１以上経過していれば、Ｓ１０６に移行し第一推定手段５２を選択してＰＭ堆積量を推定する。
【００４９】
Ｓ１０７において、コントローラ５０は、第二推定手段５２において、Ｓ１０７に移行してからのエンジン５の運転時間によってＰＭ堆積量を推定するものとしている。このようにして、フィルター差圧に変動が生じている時には第二推定手段５２を用いてＰＭ堆積量推定精度の向上を図っている。
【００５０】
また、図５には図示していないが、ＰＭ堆積量推定手段５３の選択を第一推定手段５１から第二推定手段５２に切り替えたとき、前記第一推定手段５１によるＰＭ堆積量の最終値を前記第二推定手段５２により推定されるＰＭ堆積量の初期値としている。このようにして、ＰＭ堆積量推定手段５３の選択を第一推定手段５１から第二推定手段５２に切り替える毎に第二推定手段５２の初期化を、随時第一推定手段５１による比較的推定精度の良いＰＭ推定量の最終値によって行うことができる。つまり、第二推定手段５２のＰＭ堆積量推定精度を向上できる。
【符号の説明】
【００５１】
５    ディーゼルエンジン
１０    黒煙浄化装置
１２    酸化触媒
１３    パティキュレートフィルター
１４    添加剤投入装置
１５    排気絞り弁
２０    エンジン本体
２４    給気絞り弁
３４    排気ガス温度センサー
５１    第一推定手段
５２    第二推定手段
５３    ＰＭ堆積量推定手段
５４    フィルター再生手段
６０    記憶部
１００    ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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