(57)【要約】【課題】排気中のＰＭを捕集するフィルタの状態を精度良く推定できる車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置を提供する。【解決手段】フィルタ状態推定装置は、減速中にスロットル開度を変化させることにより排気流速が異なる複数の状況を形成して、各状況下におけるフィルタの前後差圧を測定すると共に各状況下における排気流速を算出し、各状況下における排気流速及び前後差圧に基づき、前後差圧を規定する排気流速の二次式の一次係数及び二次係数を算出し、二次係数に基づきフィルタの前端面のＰＭの詰まり状態を推定すると共に、一次係数に基づきフィルタの隔壁のＰＭの詰まり状態を推定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用内燃機関の排気通路に設けられた、排気中の微粒子物質を捕集するフィルタの状態を推定する車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置であって、
前記車両用内燃機関の減速中にスロットル開度を変化させることにより排気流速が異なる複数の状況を形成して、各状況下における前記フィルタの前後差圧を測定すると共に各状況下における排気流速を算出する測定・算出手段と、
前記測定・算出手段により得られた、各状況下における排気流速及び前後差圧に基づき、前後差圧を規定する排気流速の二次式の一次係数及び二次係数を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された二次係数に基づき前記フィルタの前端面の微粒子物質の詰まり状態を推定すると共に、前記算出手段により算出された一次係数に基づき前記フィルタの隔壁の微粒子物質の詰まり状態を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気中の微粒子物質（ＰＭ：Particulate Matter）の大気への放散を防止するために、内燃機関の排気通路に、ＰＭを捕集するパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタと表記する）を設置することが行われている。
【０００３】
フィルタ内のＰＭの堆積量が増大すると、流通抵抗の増加により内燃機関の背圧が上昇して機関性能が低下する。そのため、排気通路にフィルタが設置された内燃機関では、通常、燃料供給によりフィルタの温度を上昇させてフィルタを再生する（フィルタ内のＰＭを酸化除去する）フィルタ再生処理が行われている。
【０００４】
そして、フィルタ再生処理の開始条件としては、フィルタの前後差圧（又は、フィルタの前後差圧から求めたＰＭ堆積量）が規定値以上となるという条件が採用されていることが多いのであるが、フィルタ再生処理時に、フィルタの前端面近くにＰＭが燃え残る現象が生ずることがある。
【０００５】
そのような現象（以下、前端面詰まりと表記する）が生じている場合、上記開始条件では、フィルタ再生処理を適切なタイミングで開始することが出来ない。そのため、フィルタの前後差圧からＰＭ堆積量を求めると共に、走行履歴（各時刻における燃料噴射量）からＰＭ堆積量を求め、それらの２種類のＰＭ堆積量の差に基づき、前端面詰まりが生じているか否かを判定することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０５７６０８号公報
【特許文献２】特開２００４−０１９５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
走行履歴から正確なＰＭ堆積量を求めることは困難である。従って、フィルタの前後差圧から求めたＰＭ堆積量と、走行履歴から求めたＰＭ堆積量との差から、フィルタの状態（前端面詰まりが生じているか否か）を判定したのでは、フィルタの状態を誤判定してしまう虞がある。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、排気中のＰＭ（微粒子物質）を捕集するフィルタの状態を精度良く推定することが出来る車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の、車両用内燃機関の排気通路に設けられた、排気中の微粒子物質を捕集するフィルタの状態を推定する車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置は、前記車両用内燃機関の減速中にスロットル開度を変化させることにより排気流速が異なる複数の状況を形成して、各状況下における前記フィルタの前後差圧を測定すると共に各状況下における排気流速を算出する測定・算出手段と、前記測定・算出手段により得られた各状況下における排気流速及び前後差圧に基づき、前後差圧を規定する排気流速
の二次式の一次係数及び二次係数を算出する算出手段と、前記算出手段により算出された二次係数に基づき前記フィルタの前端面の微粒子物質の詰まり状態を推定すると共に、前記算出手段により算出された一次係数に基づき前記フィルタの隔壁の微粒子物質の詰まり状態を推定する推定手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、排気中の微粒子物質を捕集するフィルタの状態を精度良く推定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置を適用した内燃機関システムの概略構成図である。
【図２】図２は、フィルタの構成及び機能を説明するための図である。
【図３】図３は、実施形態に係る車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置としてのＥＣＵが実行するフィルタ管理処理の流れ図である。
【図４】図４は、フィルタ管理処理により求められる前後差圧算出式の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。
【００１３】
図１に、本発明の一実施形態に係る車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置を適用した内燃機関システムの概略構成を示す。
【００１４】
この内燃機関システムは、車両に搭載されるシステムである。図示してあるように、内燃機関システムは、内燃機関１、本実施形態に係る車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置としてのＥＣＵ(Electronic Control Unit）２０等を備えている。
【００１５】
内燃機関１は、コモンレール内の高圧燃料を噴射するインジェクタが各気筒に取り付けられているディーゼルエンジンである。内燃機関１には、内燃機関１へ新気を導入するための吸気通路２が接続されている。この吸気通路２の途中には、吸気量を制御するためのスロットル弁３と、吸気量を検出（測定）するためのエアフローメータ４とが配置されている。
【００１６】
内燃機関１には、内燃機関１からの排気を外部に排出するたための排気通路５も接続されている。この排気通路５の途中には、排気を浄化するための排気浄化装置１０が配置されている。
【００１７】
排気浄化装置１０は、その内部に、ＮＯｘ（窒素酸化物）等を酸化するための酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）１０ａと、排気中のＰＭ（微粒子物質）を捕集
除去するためのフィルタ（ＤＰＦ：Diesel particulate filter）１０ｂとが、上流側か
らこの順に配置されている装置である。
【００１８】
ここで、図２を用いて、排気浄化装置１０内のフィルタ１０ｂの構成及び機能を説明しておくことにする。
【００１９】
図２（Ａ）に示してあるように、フィルタ１０ｂは、上流側（図２における左側）端部が開口し、下流側端部が目封止されたセル１００ａと、上流側端部が目封じされ、下流側端部が開口したセル１００ａとが交互に配置された構成を有している。また、各セル１００ａのセル隔壁１００ｂには、多数の細孔が形成されている。従って、図２（Ｂ）に示し
てあるように、フィルタ１０ｂに流入した排気は、各セル１００ａのセル隔壁１００ｂに形成されている細孔を介してセル間を通過する。そして、排気が細孔を通過する際に、排気中のＰＭが細孔内に捕集される。
【００２０】
図１に戻って、内燃機関システムの構成の説明を続ける。
排気浄化装置１０には、フィルタ１０ｂの前後差圧Δｐを測定するための差圧センサ１１が取り付けられている。排気通路５の、排気浄化装置１０よりも上流側の部分には、フィルタ再生処理時に排気に燃料を添加するための燃料添加弁１４が配置されている。
【００２１】
排気通路５の、排気浄化装置１０の直下流の部分には、フィルタ１０ｂ（排気浄化装置１０）から排出される排気の温度を、フィルタ１０ｂの温度として測定するための温度センサ１５が設けられている。
【００２２】
ＥＣＵ２０は、上記した各種センサや、イグニッションキー、アクセル開度センサ等からの信号に基づき、本内燃機関システムの各部（各気筒に設けられているインジェクタ、スロットル弁３等）を統合的に制御するユニットである。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、フラッシュＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access
Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ＲＯＭ）等で構成されており、ＥＣＵ２０のフラッシュＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラム（ファームウェア）が記憶されている。
【００２３】
以下、ＥＣＵ２０の機能を、車両用内燃機関のフィルタ状態推定装置としての機能を中心に説明する。尚、以下の説明では、スロットル弁３の開度のことを、スロットル開度と表記する。また、フィルタ１０ｂの温度（本実施形態では、温度センサ１５により測定される温度）のことを、フィルタ温度と表記する。
【００２４】
ＥＣＵ２０は、内燃機関１が始動されると、内燃機関１を制御しながら、図３に示した手順のフィルタ管理処理を周期的に実行するように構成（プログラミング）されている。
【００２５】
すなわち、このフィルタ管理処理を開始したＥＣＵ２０は、まず、フィルタ再生処理又は流速増加処理（図では、フィルタ再生処理等）を実行中であるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。このステップにて実行中であるか否かが判断されるフィルタ再生処理、流速増加処理の詳細については後述する。
【００２６】
フィルタ再生処理等を実行中ではなかった場合（ステップＳ１０１；ＮＯ）、ＥＣＵ２０は、車両が減速中であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。このステップの判断は、車速に基づき行われるものであっても、アクセル開度（アクセルベダルの踏み込む量）に基づき行われるものであっても良い。
【００２７】
ＥＣＵ２０は、車両が減速中ではなかった場合（ステップＳ１１０；ＮＯ）には、このフィルタ管理処理（図３の処理）を一旦終了してから、再び、フィルタ管理処理を開始する。
【００２８】
一方、車両が減速中であった場合（ステップＳ１１０；ＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、スロットル開度を変化させることにより排気流速が異なる複数の状況を形成して、各状況下におけるフィルタ１０ｂの前後差圧Δｐを測定すると共に各状況下における排気流速ｕを算出する処理（ステップＳ１１１）を行う。  
【００２９】
より具体的には、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１１１にて、スロットル開度をステップ状に変化させて、スロットル開度を変化させる度に、前後差圧Δｐと吸気量とを測定し、測
定した吸気量から排気流速ｕを算出する処理を行う。また、ステップＳ１１１の処理時、ＥＣＵ２０は、フューエルカットが行われていない場合には、吸気量、燃料噴射量、前後差圧Δｐ及びフィルタ温度から排気流速ｕを算出し、フューエルカットが行われている場合には、燃料噴射量＝０として排気流速ｕを算出する。
【００３０】
ステップＳ１１１の処理を終えたＥＣＵ２０は、ステップＳ１１２以降の処理を開始する。尚、流れ図への表記は省略してあるが、ステップＳ１１１の処理が完了する前に、アクセルペダルが踏み込まれた場合、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１１２以降の処理を行うことなく、このフィルタ管理処理を一旦終了する。
【００３１】
ステップＳ１１２にて、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１１１の処理により得られた、各状況下における前後差圧Δｐ及び排気流速ｕに基づき、前後差圧Δｐを算出するための排気流速ｕの二次多項式ａ・ｕ２＋ｂ・ｕ＋ｃの二次係数ａ及び一次係数ｂを算出する。
【００３２】
より具体的には、ＥＣＵ２０は、各状況下における前後差圧Δｐ及び排気流速ｕに基づき、最小自乗法によって、排気流速ｕから算出された“ａ・ｕ２＋ｂ・ｕ＋ｃ”値と測定された前後差圧Δｐの差の絶対値の総和が最小となるａ、ｂ、ｃ値を算出する。
【００３３】
尚、前後差圧Δｐは、排気流速ｕの二次多項式で表せることが知られている（特許文献２参照）。従って、このステップＳ１１２の処理により、図４に模式的に示したように、各状況下における前後差圧Δｐ、排気流速ｕの測定／算出結果（図４における●）とフィットする前後差圧算出式“Δｐ＝ａ・ｕ２＋ｂ・ｕ＋ｃ”が得られることになる。
【００３４】
ステップＳ１１２の処理を終えたＥＣＵ２０は、算出した二次係数ａから前端面詰まり量Ｑａを求めると共に、算出した一次係数ｂから隔壁詰まり量Ｑｂを求める（ステップＳ１１３）。ここで、前端面詰まり量Ｑａとは、フィルタ１０ｂの前端面近くのＰＭの堆積量のことであり、隔壁詰まり量Ｑｂとは、フィルタ１０ｂの隔壁（フィルタ１０ｂの、“前端面近く”ではない部分）のＰＭの堆積量のことである。
【００３５】
すなわち、既に説明したように、前後差圧Δｐは、排気流速ｕの二次多項式で表せるが、多孔質内の圧損は、流速に線形比例し（ダルシー則）、流路面積が急激に縮小する管路の圧損は、流速の二乗に線形比例する。そして、前端面詰まりが生じていない場合、フィルタ１０ｂは、単純な多孔質体と見做すことができるし、前端面詰まりが生じている場合、フィルタ１０ｂの前端面で、流路面積が急激に縮小することになる。従って、二次係数ａの値と前端面詰まり量Ｑａとの間には強い相関関係があり、一次係数ｂの値と隔壁詰まり量Ｑｂとの間にも強い相関関係がある。
【００３６】
ステップＳ１１３では、実験により求められた、上記した各相関関係を表すテーブル又は関係式により、係数ａ、ｂの値から、それぞれ、前端面詰まり量Ｑａ、隔壁詰まり量Ｑｂを求める処理が行われる。
【００３７】
ステップＳ１１３の処理を終えたＥＣＵ２０は、隔壁詰まり量Ｑｂが予め設定されている隔壁用閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１４）。そして、ＥＣＵ２０は、隔壁詰まり量Ｑｂが隔壁用閾値以上であった場合（ステップＳ１１４；ＹＥＳ）には、フィルタ温度をＴｂまで上昇させるフィルタ再生処理を開始する（ステップＳ１１６）。
【００３８】
ステップＳ１１６で開始されるフィルタ再生処理は、フィルタ１０ｂの隔壁に堆積しているＰＭの酸化除去を目的とした処理である。従って、Ｔｂとしては、フィルタ１０ｂの隔壁に堆積しているＰＭが酸化除去されることになるフィルタ温度が使用される。
【００３９】
尚、ＥＣＵ２０がステップＳ１１６及び後述するステップＳ１１７にて実際にフィルタ再生処理を開始するのは、フィルタ再生処理を実行できる条件（排気流量＞規定値等）が満たされている場合であり、フィルタ再生処理を実行できる条件が満たされていなかった場合、ＥＣＵ２０は、当該条件が満たされてから、フィルタ再生処理を開始する。また、上記した内燃機関システムの構成から推定されるように、ＥＣＵ２０がステップＳ１１６及びＳ１１７にて開始するフィルタ再生処理は、排気添加弁１４からの燃料噴射により排気浄化装置１０に流入する排気中に燃料を含ませる処理である。だたし、各フィルタ再生処理は、ポスト噴射により排気浄化装置１０に流入する排気中に燃料を含ませる処理であっても良い。
【００４０】
ステップＳ１１６の処理を終えたＥＣＵ２０は、フィルタ再生処理を行いながら、実行中のフィルタ再生処理の終了条件が満たされるのを監視（待機）している状態（ステップＳ１０１及びＳ１０２の判断を繰り返している状態）となる。尚、ステップＳ１０２で満たされているか否かが判断される『フィルタ温度をＴｂまで上昇させるフィルタ再生処理』の終了条件は、フィルタ１０ｂの隔壁に堆積しているＰＭが減少することにより成立する条件であれば良い。従って、例えば、『Δｐの変化量（減少量）が前端面用変化量閾値以上となる』という条件や、『フィルタ温度がＴａとなった後、前端面詰まり量Ｑａが所定量まで減少する時間として予め設定されている時間が経過した』という条件を、『フィルタ温度をＴｂまで上昇させるフィルタ再生処理』の終了条件として使用することが出来る。
【００４１】
ＥＣＵ２０は、実行中のフィルタ再生処理の終了条件が成立したことを検出したときに（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、フィルタ再生処理を終了（ステップＳ１０３）すると共にフィルタ管理処理を一旦終了する。そして、ＥＣＵ２０は、車両の減速が開始されるのを監視している状態（ステップＳ１０１及びＳ１１０の判断を繰り返している状態）となる。
【００４２】
また、隔壁詰まり量Ｑｂが隔壁用閾値以上ではなかった場合（ステップＳ１１４；ＮＯ）、ＥＣＵ４０は、前端面詰まり量Ｑａが予め設定されている前端面用閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１５）。
【００４３】
前端面詰まり量Ｑａが前端面用閾値以上でなかった場合（ステップＳ１１５；ＮＯ）、ＥＣＵ２０は、特に処理を行うことなく、フィルタ管理処理を一旦終了する。一方、前端面詰まり量Ｑａが前端面用閾値以上であった場合（ステップＳ１１５；ＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１１７にて、フィルタ温度を、Ｔｂよりも高いＴａまで上昇させるフィルタ再生処理、又は、排気流速を増加させる流速増加処理を開始してから、フィルタ管理処理を一旦終了する。
【００４４】
以下、前端面詰まり量Ｑａが前端面用閾値以上であった場合に、フィルタ温度をＴａ（＞Ｔｂ）まで上昇させるフィルタ再生処理、又は、排気流速を増加させる流速増加処理が開始されるようにしている理由を説明する。
【００４５】
前端面詰まり量Ｑａが前端面用閾値以上である場合、フィルタ１０ｂの前端面近くにＰＭが堆積している。そして、フィルタ１０ｂの前端面近くに堆積しているＰＭは、フィルタ温度をＴａまで上昇させるフィルタ再生処理では酸化除去されなかったＰＭである。従って、比較的に短時間のフィルタ再生処理で当該ＰＭを酸化除去するためには、フィルタ温度を、Ｔｂよりも高い温度Ｔａとする必要がある。
【００４６】
また、排気流速を増加させると、排気の流れによるせん断力が増大する。従って、排気流速を増加させる流速増加処理を行えば、フィルタ１０ｂの前端面近くに堆積しているＰ
Ｍの一部を除去することが出来る。
【００４７】
このような理由により、前端面詰まり量Ｑａが前端面用閾値以上である場合に、フィルタ温度をＴａ（＞Ｔｂ）まで上昇させるフィルタ再生処理、又は、排気流速を増加させる流速増加処理が行われるようにしているのである。
【００４８】
尚、ステップＳ１１７において開始されるフィルタ再生処理／流速増加処理の終了条件は、フィルタ１０ｂの前端面近くのＰＭが減少することにより成立する条件であれば良い。従って、例えば、『Δｐの変化量（減少量）が前端面用変化量閾値以上となる』という条件や、『フィルタ温度がＴａとなった後、前端面詰まり量Ｑａが所定量まで減少する時間として予め設定されている時間が経過した』という条件を、フィルタ再生処理／流速増加処理の終了条件として使用することが出来る。
【００４９】
以上、説明したように、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の減速中にスロットル開度を変化させることにより排気流速ｕが異なる複数の状況を形成して、各状況下におけるフィルタの前後差圧Δｐを測定すると共に各状況下における排気流速ｕを算出（ステップＳ１１２）し、測定／算出した各状況下における排気流速ｕ及び前後差圧Δｐに基づき、前後差圧Δｐを規定する排気流速ｕの二次式“Δｐ＝ａ・ｕ２＋ｂ・ｕ＋ｃ”の二次係数ａ及び一次係数ｂを算出する（ステップＳ１１３）。
【００５０】
従って、ＥＣＵ２０により算出される二次係数ａ及び一次係数ｂは、その算出に幅広い排気流速範囲内のデータが使用されているが故に、高精度のものとなる。
【００５１】
そして、ＥＣＵ２０は、そのようにして算出された二次係数ａ、一次係数ｂに基づき、それぞれ、フィルタ１０ｂの前端面、隔壁のＰＭによる詰まり状態を判定（推定）する（ステップＳ１１４及びＳ１１６）。従って、ＥＣＵ２０によるフィルタの状態の判定結果は、他の手法による判定結果よりも、正確なものとなる。
【００５２】
《変形形態》
上記した技術は、各種の変形を行えるものである。例えば、フィルタ管理処理（図３）のステップＳ１１４〜Ｓ１１７を、ａ値とａ値用の閾値との比較によりフィルタ１０ｂの前端面の詰まり状態を推定し、ｂ値とｂ値用の閾値との比較によりフィルタ１０ｂの隔壁の詰まり状態を推定する処理に変形しても良い。また、フィルタ管理処理を、前端面詰まりが生じていると推定された場合（ステップＳ１１５；ＹＥＳ）にも、フィルタ温度をＴｂまで上昇させるフィルタ再生処理が行われる処理に変形することも出来る。ただし、フィルタ温度をＴｂまで上昇させるフィルタ再生処理によりフィルタ１０ｂの前端面近くに堆積しているＰＭを酸化除去するためには、フィルタ再生処理を長時間行わなくてはならない。従って、前端面詰まりが生じている場合にも、フィルタ温度をＴｂまで上昇させるフィルタ再生処理が行われるようにしておいた場合、フィルタ再生処理のために使用される燃料量が増えてしまう。そして、上記のようにしておけば、フィルタ再生処理のために使用される燃料量を抑えることが出来るのであるから、前端面詰まりがフィルタ１０ｂに生じている場合に行われる処理は、フィルタ温度をＴａ（＞Ｔｂ）まで上昇させるフィルタ再生処理、又は、排気流速を増加させる流速増加処理としておくことが好ましい。
【００５３】
フィルタ管理処理を、減速フューエルカット中にステップＳ１１１以降の処理が行われる処理（換言すれば、減速中であってもフューエルカット中でない場合には、ステップＳ１１１以降の処理が開始されない処理）に変形しても良い。また、フィルタ管理処理の具体的な内容が上記したものと同一でなくても良いことや、車両用内燃機関のフィルタ状態制御装置（ＥＣＵ２０）を、上記したものとは具体的な構成が異なる内燃機関（排気通路にＰＭ捕集用のフィルタが配置されたガソリンエンジン、ＰＭ捕集用のフィルタの前段に
酸化触媒が設けられていない内燃機関等）のフィルタの状態を推定する装置として使用しても良いことなどは、当然のことである。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・内燃機関
２・・・吸気通路
３・・・スロットル弁
４・・・エアフローメータ
５・・・排気通路
１０・・・排気浄化装置
１０ａ・・・酸化触媒
１０ｂ・・・フィルタ
１１・・・差圧センサ
１４・・・燃料添加弁
１５・・・排気温度センサ
２０・・・ＥＣＵ
【図１】
2017008758.tif 000003
【図２】
2017008758.tif 000004
【図３】
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【図４】
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