(57)【要約】【課題】連続再生式トラップフィルタに捕集された粒子状物質の堆積量を高精度に検出する。【解決手段】空気過剰率λに対応する黒煙濃度が設定されたマップを参照し、吸気流量及び燃料噴射量から求めた空気過剰率λに対応した黒煙濃度から、単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算すると共に（Ｓ１，Ｓ２）、加減速などの過渡運転を反映すべく、排出量に対して機関回転速度又は機関負荷の変化率に応じた過渡補正を行う（Ｓ３）。また、連続再生式トラップフィルタの床温に対応する単位時間当たりの粒子状物質の燃焼量が設定されたマップを参照し、床温に対応した燃焼量を演算する（Ｓ４）。そして、連続再生式トラップフィルタに単位時間当たりに堆積する粒子状物質の堆積量を求めるべく、単位時間当たりの粒子状物質の排出量から燃焼量を減算し（Ｓ５）、その減算値を順次積算して粒子状物質の堆積量を検出する（Ｓ６）。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関運転状態に対応した単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算すると共に、排気通路に介装された連続再生式トラップフィルタの温度に対応した単位時間当たりの粒子状物質の燃焼量を演算し、前記単位時間当たりの粒子状物質の排出量から燃焼量を減算した減算値を順次積算して、前記連続再生式トラップフィルタに堆積した粒子状物質の堆積量を検出することを特徴とする連続再生式トラップフィルタの粒子状物質堆積量検出方法。
【請求項２】
前記排出量は、機関回転速度又は機関負荷の変化率に基づいて過渡補正されることを特徴とする請求項１記載の連続再生式トラップフィルタの粒子状物質堆積量検出方法。
【請求項３】
機関運転状態に対応した単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算する排出量演算手段と、
排気通路に介装された連続再生式トラップフィルタの温度に対応した単位時間当たりの粒子状物質の燃焼量を演算する燃焼量演算手段と、
前記排出量演算手段により演算された排出量から前記燃焼量演算手段により演算された燃焼量を減算した減算値を順次積算して、前記連続再生式トラップフィルタに堆積した粒子状物質の堆積量を検出する堆積量検出手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする連続再生式トラップフィルタの粒子状物質堆積量検出装置。
【請求項４】
前記排出量演算手段により演算された排出量を、機関回転速度又は機関負荷の変化率に基づいて過渡補正する過渡補正手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の連続再生式トラップフィルタの粒子状物質堆積量検出装置。
【請求項５】
前記排出量演算手段は、機関運転状態としての空気過剰率に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の連続再生式トラップフィルタの粒子状物質堆積量検出装置。
【請求項６】
前記排出量演算手段は、機関運転状態としての機関回転速度及び空気過剰率に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の連続再生式トラップフィルタの粒子状物質堆積量検出装置。
【請求項７】
前記排出量演算手段は、機関運転状態としての機関回転速度及び燃料噴射量に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の連続再生式トラップフィルタの粒子状物質堆積量検出装置。
【請求項８】
前記燃焼量演算手段は、前記連続再生式トラップフィルタの温度及び空間速度に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の燃焼量を演算することを特徴とする請求項３〜請求項７のいずれか１つに記載の連続再生式トラップフィルタの粒子状物質堆積量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気中の粒子状物質を捕集しつつ燃焼させる連続再生式トラップフィルタにおいて、特に、トラップフィルタに捕集された粒子状物質の堆積量を高精度に検出する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ディーゼルエンジンの排気を浄化することを目的として、排気通路に介装されたトラップフィルタ（以下「フィルタ」という）により粒子状物質（Particulate Matter，以下「ＰＭ」という）を捕集除去する排気浄化装置が公知である。排気浄化装置では、フィルタで捕集されたＰＭが増加するにつれて、フィルタの目詰まりが進行するので、電気ヒータやバーナなどの加熱手段により、捕集されたＰＭを燃焼除去しなければならない。ＰＭの燃焼除去は、フィルタの目詰まりがある程度進行したときに実行するのが理想的であるため、特許文献１に開示されるように、排気通路内の排気圧力変化に基づいて、その時期を決定する技術が提案されている。
【０００３】
ところで、現在、ディーゼルエンジンの排気浄化装置において、排気通路に介装された連続再生式トラップフィルタ（以下「連続再生式フィルタ」という）により、排気中のＰＭを連続的に除去する技術が期待されている。連続再生式フィルタでは、排気中のＰＭを捕集しつつ、捕集したＰＭを触媒作用により燃焼（酸化）させることで、連続的な排気浄化が実現されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２７７７１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
触媒作用が効果的に発揮されるためには、連続再生式フィルタが触媒活性温度以上に昇温されている必要がある。連続再生式フィルタが昇温しにくい条件、例えば、排気温度が低い条件で長時間運転すると、ＰＭの燃焼が充分行われず、ＰＭ捕集量が燃焼量を上回る状態が誘発され、ＰＭ堆積量が徐々に増加してしまうおそれがある。ＰＭ堆積量の増加は、排気圧力の増加，出力の低下，連続再生式フィルタの溶損などの不具合発生要因となる。このため、連続再生式フィルタであっても、従来のフィルタと同様に、適宜ＰＭを強制的に燃焼除去させなければならない。
【０００６】
しかしながら、連続再生式フィルタにおいては、ＰＭ捕集及び燃焼作用から、堆積可能なＰＭ量は極少量であるため、排気通路内における排気圧力変化や圧力損失が小さく、一般的な圧力センサではこれを検出することはできなかった。このため、従来技術では、連続再生式フィルタに堆積したＰＭを燃焼除去する時期を適切に決定することは困難であり、ＰＭ堆積量を高精度に検出する技術の出現が熱望されていた。
【０００７】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、機関運転状態に対応したＰＭ排出量と触媒活性状態に対応したＰＭ燃焼量との差分から連続再生式フィルタに堆積したＰＭ堆積量を高精度に検出する、連続再生式トラップフィルタの粒子状物質堆積量検出方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明では、機関運転状態に対応した単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算すると共に、排気通路に介装された連続再生式トラップフィルタの温度に対応した単位時間当たりの粒子状物質の燃焼量を演算し、前記単位時間当たりの粒子状物質の排出量から燃焼量を減算した減算値を順次積算して、前記連続再生式トラップフィルタに堆積した粒子状物質の堆積量を検出することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明では、前記排出量は、機関回転速度又は機関負荷の変化率に基づいて過渡補正されることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、機関運転状態に対応した単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算する排出量演算手段と、排気通路に介装された連続再生式トラップフィルタの温度に対応した単位時間当たりの粒子状物質の燃焼量を演算する燃焼量演算手段と、前記排出量演算手段により演算された排出量から前記燃焼量演算手段により演算された燃焼量を減算した減算値を順次積算して、前記連続再生式トラップフィルタに堆積した粒子状物質の堆積量を検出する堆積量検出手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の発明では、前記排出量演算手段により演算された排出量を、機関回転速度又は機関負荷の変化率に基づいて過渡補正する過渡補正手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の発明では、前記排出量演算手段は、機関運転状態としての空気過剰率に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算することを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の発明では、前記排出量演算手段は、機関運転状態としての機関回転速度及び空気過剰率に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算することを特徴とする。
【００１３】
請求項７記載の発明では、前記排出量演算手段は、機関運転状態としての機関回転速度及び燃料噴射量に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算することを特徴とする。
【００１４】
請求項８記載の発明では、前記燃焼量演算手段は、前記連続再生式トラップフィルタの温度及び空間速度に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の燃焼量を演算することを特徴とする。
【００１５】
請求項１又は請求項３に記載の発明によれば、機関運転状態に対応した単位時間当たりの粒子状物質の排出量が演算されると共に、排気通路に介装された連続再生式トラップフィルタの温度に対応した単位時間当たりの粒子状物質の燃焼量が演算される。そして、単位時間当たりの粒子状物質の排出量から燃焼量を減算した減算値が順次積算され、連続再生式トラップフィルタに堆積した粒子状物質の堆積量が検出される。
【００１６】
請求項２又は請求項４に記載の発明によれば、機関回転速度又は機関負荷の変化率に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量が過渡補正される。このため、加減速などの過渡運転で変化する排出量が、高精度に演算されることとなる。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、機関運転状態としての空気過剰率に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量が演算される。
請求項６記載の発明によれば、機関運転状態としての機関回転速度及び空気過剰率に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量が演算される。このため、機関回転速度を考慮した排出量が演算されることから、その演算精度が一層向上される。
【００１８】
請求項７記載の発明によれば、機関運転状態としての機関回転速度及び燃料噴射量に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量が演算される。このため、機関回転速度を考慮した排出量が演算されることから、その演算精度が一層向上される。
【００１９】
請求項８記載の発明によれば、連続再生式トラップフィルタの温度及び空間速度に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の燃焼量が演算される。このため、空間速度を考慮した燃焼量が演算されることから、その演算精度が一層向上される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明を適用したディーゼルエンジンの全体構成を示す。
【００２１】
ディーゼルエンジン１０の排気通路１２には、その上流から下流にかけて、ターボチャージャ１４のタービン１４Ａ及び連続再生式フィルタ１６が夫々介装される。連続再生式フィルタ１６は、セラミックなどの多孔性部材からなる隔壁により排気流と略平行なセルが多数形成され、各セルの入口と出口とが目封材により互い違いに千鳥格子状に目封じされる。そして、出口が塞がれたセル内の排気が、隔壁を介して、入口が塞がれている隣接するセルに流入するとき、排気中のＰＭが隔壁を構成する多孔性部材により捕集され、排気が浄化される。また、連続再生式フィルタ１６には、例えば、アルミナに白金を担持させた酸化触媒が塗布され、捕集されたＰＭが酸化触媒の触媒作用により燃焼（酸化）されることで、連続的な排気浄化が実現される。
【００２２】
一方、ディーゼルエンジン１０の吸気通路１８には、その上流から下流にかけて、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｂ及びインタークーラ２０が夫々介装される。
【００２３】
連続再生式フィルタ１６の上流及び下流の排気通路１２には、夫々、排気温度ＴU及びＴLを検出する温度センサ２２及び２４が介装される。また、コンプレッサ１４Ｂの上流の吸気通路１８には、吸気流量Ｇaを検出するエアフローセンサ２６が介装される。さらに、機関回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ２８、及び、燃料噴射量などにより代表される機関負荷ｑを検出する負荷センサ３０が設けられる。そして、温度センサ２２及び２４，エアフローセンサ２６，回転速度センサ２８及び負荷センサ３０の各出力は、マイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット３２に夫々入力され、後述する処理により、連続再生式フィルタ１６のＰＭ堆積量が検出される。
【００２４】
なお、コントロールユニット３２では、排出量演算手段，燃焼量演算手段，堆積量検出手段及び過渡補正手段が夫々ソフトウエア的に実現される。
図２は、コントロールユニット３２において、ディーゼルエンジン１０始動後に実行される処理内容を示す。
【００２５】
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、エアフローセンサ２６からの吸気流量Ｇa、及び、エンジン制御で使用される燃料噴射量（燃料流量）Ｇfに基づいて、燃料を完全燃焼させるのに必要な空気量に対して実際に供給される空気量の割合を示す空気過剰率λが演算される。
【００２６】
ステップ２では、単位時間当たりのＰＭ排出量が演算される。即ち、ＰＭ排出量は機関運転状態を示す空気過剰率λと密接に関連しているので、図３（Ａ）に示すように、空気過剰率λに対応する黒煙濃度が設定された黒煙排出特性マップが参照され、ステップ１で演算された空気過剰率λに対応する黒煙濃度が演算される。そして、演算された黒煙濃度に対して排気流量が乗算され、単位時間当たりのＰＭ排出量が演算される。なお、ステップ１及びステップ２の処理が、排出量演算手段に該当する。
【００２７】
ステップ３では、加減速などの過渡運転を反映すべく、ＰＭ排出量が過渡補正される。即ち、図４に示すように、過渡変化を示す変化率（機関回転速度Ｎeの変化率ΔＮe、又は、機関負荷ｑの変化率Δｑ）に対応する補正係数が設定された補正マップが参照され、過渡補正時の変化率に対応した補正係数が演算される。そして、例えば、ＰＭ排出量に対して補正係数が乗算され、ＰＭ排出量が過渡補正される。このようにすれば、補正マップを適切に設定することで、加減速などの過渡運転で変化するＰＭ排出量を高精度に演算することができる。なお、ステップ３の処理が、過渡補正手段に該当する。
【００２８】
ステップ４では、単位時間当たりのＰＭ燃焼量を示すＰＭ燃焼速度が演算される。即ち、ＰＭ燃焼速度は連続再生式フィルタ１６の触媒温度（床温）と密接に関連しているので、図５（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、床温Ｔに対応するＰＭ燃焼速度が設定されたＰＭ燃焼速度特性マップが参照され、温度センサ２２及び２４からの排気温度ＴU及びＴLに基づく演算により床温Ｔを求め、床温Ｔに対応するＰＭ燃焼速度が演算される。ここで、図５（Ａ）に示すＰＭ燃焼速度特性マップは、ある閾値以上のときに、その燃焼速度が一律に設定されているため、マップ設定に要する記憶容量を低減することができる。なお、ステップ４の処理が、燃焼量演算手段に該当する。
【００２９】
また、床温Ｔとしては、連続再生式フィルタ１６の上流及び下流における排気温度の演算値を用いる代わりに、連続再生式フィルタ１６の温度を直接検出した値、又は、その下流における排気温度を用いるようにしてもよい。
【００３０】
ステップ５では、単位時間当たりのＰＭ排出量からＰＭ燃焼速度が減算され、連続再生式フィルタ１６において単位時間当たりに堆積されるＰＭ堆積量が演算される。ここで、ＰＭ排出量よりＰＭ燃焼速度が大きいときには、両者の減算値が負となるが、これは連続再生式フィルタ１６に堆積されたＰＭが減少していることを示す。
【００３１】
ステップ６では、単位時間当たりのＰＭ堆積量が順次積算され、連続再生式フィルタ１６におけるＰＭ堆積量が演算される。ここで、ＰＭ排出量よりＰＭ燃焼速度が大きい状態が長時間持続すると、両者の減算値が負となることからＰＭ堆積量が０より小さくなることがあるので、例えば、リミッタによりその最小値が０になるように制限することが望ましい。なお、ステップ５及びステップ６の処理が、堆積量検出手段に該当する。
【００３２】
ステップ７では、ＰＭ堆積量が連続再生式フィルタ１６を強制的に再生する時期になったことを示す閾値より大であるか否かが判定される。そして、ＰＭ堆積量が閾値より大であればステップ８へと進み（Ｙｅｓ）、ＰＭ堆積量が閾値以下であればステップ１へと戻る（Ｎｏ）。
【００３３】
ステップ８では、連続再生式フィルタ１６を強制的に再生すべく、例えば、燃料噴射時期を変更することで、排気温度を強制的に昇温させる。このようにすれば、排気温度の上昇により、連続再生式フィルタ１６の床温が活性温度以上に昇温され、触媒作用が活発になることからＰＭ堆積量を減少させることができる。なお、連続再生式フィルタ１６の耐熱性能が優れている場合には、排気温度をさらに昇温させ、ここに堆積されているＰＭを着火燃焼させるようにしてもよい。
【００３４】
ステップ９では、連続再生式フィルタ１６が強制的に再生されたので、そのＰＭ堆積量が初期値にクリアされる。
以上説明したステップ１〜ステップ９の処理によれば、機関運転状態に対応したＰＭ排出量と触媒活性状態に対応したＰＭ燃焼速度との差分を順次積算することで、高価かつ高精度な圧力センサを使用しなくとも、連続再生式フィルタ１６に堆積されたＰＭ堆積量が高精度に検出される。そして、ＰＭ堆積量が閾値より大となったときには、連続再生式フィルタ１６を強制的に再生する時期が到来したと判断し、例えば、排気温度を強制的に昇温することで、ＰＭの燃焼除去が促進される。
【００３５】
なお、単位時間当たりのＰＭ排出量は、図３（Ｂ）に示すように、所定規則により区画された機関回転速度域ごとにその黒煙排出特性が設定された複数の黒煙排出特性マップの中から、回転速度センサ２８からの機関回転速度Ｎeに対応した黒煙排出特性マップを選択し、空気過剰率λに対応する黒煙濃度からＰＭ排出量を演算するようにしてもよい。このようにすれば、機関回転速度Ｎeを考慮して、空気過剰率λに対するＰＭ排出量が演算されるため、演算精度を一層向上させることができる。
【００３６】
また、空気過剰率λを使用せず、同図（Ｃ）に示すように、機関運転状態を示す機関回転速度Ｎe及び燃料噴射量Ｇfに対応した黒煙濃度が三次元的に設定された黒煙排出特性マップを参照して、黒煙濃度から単位時間当たりのＰＭ排出量を演算するようにしてもよい。ここで、黒煙排出特性マップでは、その色が濃い領域ほど黒煙濃度が濃いことを示している。このようにすれば、同図（Ｂ）と同様に、機関回転速度Ｎeを考慮して、空気過剰率λと同等な特性を示す燃料噴射量Ｇfに対応するＰＭ排出量が演算されるため、演算精度を一層向上させることができる。
【００３７】
一方、単位時間当たりのＰＭ燃焼速度は、図５（Ｃ）に示すように、連続再生式フィルタ１６の床温Ｔ及び空間速度ＳＶに対応したＰＭ燃焼速度が三次元的に設定されたＰＭ燃焼速度特性マップを参照して、演算するようにしてもよい。ここで、空間速度ＳＶは、エアフローセンサ２６からの吸気流量Ｇa及び連続再生式フィルタ１６の容積に基づいて演算される。また、ＰＭ燃焼速度特性マップでは、その色が濃い領域ほどＰＭ燃焼速度が大であることを示している。このようにすれば、空間速度ＳＶを考慮して、床温Ｔに対応するＰＭ燃焼速度が演算されるため、演算精度を一層向上させることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１又は請求項３に記載の発明によれば、高価かつ高精度な圧力センサを使用しなくとも、演算により、連続再生式トラップフィルタに堆積した粒子状物質の堆積量を高精度に検出することができる。また、高価かつ高精度な圧力センサが不要であることから、コスト低減も図ることもできる。
【００３９】
請求項２又は請求項４に記載の発明によれば、加減速などの過渡運転で変化する排出量を、高精度に演算することができる。
請求項５記載の発明によれば、機関運転状態としての空気過剰率に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量を演算することができる。
【００４０】
請求項６記載の発明によれば、機関運転状態としての機関回転速度及び空気過剰率に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量が演算されるため、その演算精度を一層向上することができる。
【００４１】
請求項７記載の発明によれば、機関運転状態としての機関回転速度及び燃料噴射量に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の排出量が演算されるため、その演算精度を一層向上することができる。
【００４２】
請求項８記載の発明によれば、連続再生式トラップフィルタの温度及び空間速度に基づいて、単位時間当たりの粒子状物質の燃焼量が演算されため、その演算精度を一層向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したディーゼルエンジンの全体構成図
【図２】ＰＭ堆積量の演算処理を示すフローチャート
【図３】黒煙排出特性マップの各種適用例を示し、（Ａ）〜（Ｃ）は夫々第１実施例〜第３実施例の説明図
【図４】補正マップの説明図
【図５】ＰＭ燃焼速度特性マップの各種適用例を示し、（Ａ）〜（Ｃ）は夫々第１実施例〜第３実施例の説明図
【符号の説明】
１０  ディーゼルエンジン
１２  排気通路
１６  連続再生式フィルタ
２２  温度センサ
２４  温度センサ
２６  エアフローセンサ
２８  回転速度センサ
３０  負荷センサ
３２  コントロールユニット
【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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