(57)【要約】【課題】ＤＰＦの強制再生時期の適正化を図る。【解決手段】各種運転状態としての排気圧力Ｐ，ＤＰＦの上流及び下流における排気温度ＴU及びＴD，回転速度Ｎe，負荷Ｑ及び吸気流量Ｆを夫々読み込み（Ｓ１）、微小時間Δｔの間に発生するＰＭ発生量を求め（Ｓ２）、これをＰＭ堆積量ｍに加算して初期堆積量とする（Ｓ３）。また、各種運転状態より排気性状及び空間速度ＳＶを求め、これを考慮して導き出したＰＭ堆積量推定式「ｍ＝ｍ・ｅｘｐ（−Ｂ・Δｔ）」から微小時間Δｔ経過後のＰＭ堆積量ｍを推定する（Ｓ４）。そして、ＰＭ堆積量ｍが所定値以上であれば、ＤＰＦの強制再生処理を実行した後、ＰＭ堆積量ｍを０にリセットする（Ｓ５〜７）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気中の粒子状物質を捕集しつつ、二酸化窒素を利用して粒子状物質を酸化させる連続再生式フィルタと、
前記連続再生式フィルタの温度を検出する温度検出手段と、
前記連続再生式フィルタを通過する排気の性状を検出する排気性状検出手段と、
前記連続再生式フィルタを通過する排気の空間速度を検出する空間速度検出手段と、
前記連続再生式フィルタにおいて粒子状物質を酸化して二酸化炭素を生成する酸化反応の少なくとも１つをモデル化した酸化反応速度式に対して、空間速度と密接に関連する反応速度に応じた補正を施した補正酸化反応速度式から導き出される粒子状物質の堆積量推定式を参照し、前記フィルタ温度，排気性状及び空間速度により特定される状態において微小時間経過後の粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定手段と、
前記堆積量推定手段により推定された粒子状物質堆積量が所定値以上となったときに、前記連続再生式フィルタの強制再生処理を実行する強制再生実行手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記補正酸化反応速度式には、前記連続再生式フィルタにおいて粒子状物質を酸化して一酸化炭素を生成する酸化反応の少なくとも１つをモデル化した酸化反応速度式が更に含まれていることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記温度検出手段は、前記連続再生式フィルタの排気上流側及び排気下流側の排気温度の相加平均からフィルタ温度を間接的に検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記排気性状は、前記連続再生式フィルタを通過する排気に含まれる二酸化窒素，酸素及び水蒸気のモル分圧であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項５】
二酸化窒素，酸素及び水蒸気のモル分圧は、夫々、排気中の二酸化窒素，酸素及び水蒸気の濃度に排気圧力を乗算することで検出されることを特徴とする請求項４記載の排気浄化装置。
【請求項６】
エンジンの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
エンジンの負荷を検出する負荷検出手段と、
を更に備え、
排気中の二酸化窒素，酸素及び水蒸気の濃度は、前記回転速度及び負荷から間接的に求められることを特徴とする請求項５記載の排気浄化装置。
【請求項７】
排気中の粒子状物質を捕集しつつ、二酸化窒素を利用して粒子状物質を酸化させる連続再生式フィルタと、前記連続再生式フィルタの温度を検出する温度検出手段と、前記連続再生式フィルタを通過する排気の性状を検出する排気性状検出手段と、前記連続再生式フィルタを通過する排気の空間速度を検出する空間速度検出手段と、前記連続再生式フィルタを強制再生する強制再生手段と、前記温度検出手段，排気性状検出手段及び空間速度検出手段からの検出信号を夫々読み込み、その検出信号に基づいて前記強制再生手段を制御するコントロールユニットと、を含んで構成された排気浄化装置を用いた排気浄化方法であって、
前記コントロールユニットは、前記連続再生式フィルタにおいて粒子状物質を酸化して二酸化炭素を生成する酸化反応の少なくとも１つをモデル化した酸化反応速度式に対して、空間速度と密接に関連する反応速度に応じた補正を施した補正酸化反応速度式から導き出される粒子状物質の堆積量推定式を参照し、前記フィルタ温度，排気性状及び空間速度により特定される状態において微小時間経過後の粒子状物質の堆積量を推定すると共に、その堆積量が所定値以上となったときに、前記強制再生手段による連続再生式フィルタの強制再生処理を実行することを特徴とする排気浄化方法。
【請求項８】
前記補正酸化反応速度式には、前記連続再生式フィルタにおいて粒子状物質を酸化して一酸化炭素を生成する酸化反応の少なくとも１つをモデル化した酸化反応速度式が更に含まれていることを特徴とする請求項７記載の排気浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続再生式のディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を用いて排気中の粒子状物質（ＰＭ）を除去する排気浄化装置において、ＤＰＦの強制再生時期の適正化を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンは、空気過剰率λの大きい領域で燃焼が行われるため、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）の排出量が少ない反面、窒素酸化物（ＮＯｘ）及びＰＭの排出量が多いという特性がある。このため、ＰＭ排出量を低減する排気浄化装置として、排気通路に配設されたＤＰＦによりＰＭを捕集するものが実用化されている。ＤＰＦにおいては、ＰＭ捕集量の増加に伴って目詰まりが進行するため、ＰＭを適宜焼却する強制再生処理が不可欠である。近年では、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）により生成させた二酸化窒素（ＮＯ2）を利用して、ＤＰＦで捕集されたＰＭを比較的低温で連続的に酸化除去する連続再生式ＤＰＦの研究開発が進められている。しかし、排気温度が低温であるときには、ＮＯ2を利用したＰＭの酸化除去が不十分となるため、強制再生処理を省くことができないのが実情である。
【０００３】
ＤＰＦの強制再生時期を判定するため、特開２００６−４６２４７号公報（特許文献１）又は特開２００２−１８０８２１号公報（特許文献２）に記載されるように、ＤＰＦの圧力損失からＰＭ堆積量を推定するものが提案されている。また、特開２００６−２６７２号公報（特許文献３）に記載されるように、排気空燃比から求めたＰＭ発生量及び排気温度から求めたＰＭ酸化量を夫々積算し、これらの差をＰＭ堆積量とするものも提案されている。さらに、特開２００１−２０７８２９号公報（特許文献４）に記載されるように、エンジン運転状態に応じたＰＭ排出量及びＰＭ燃焼量をマップ化し、これらからＰＭ堆積量を推定する技術も提案されている。
【特許文献１】特開２００６−４６２４７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８０８２１号公報
【特許文献３】特開２００６−２６７２号公報
【特許文献４】特開２００１−２０７８２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来提案技術では、ＰＭ酸化反応と密接に関連する排気性状及び空間速度を考慮せず、ＤＰＦの圧力損失、排気の空燃比及び温度、又は、エンジン運転状態からＰＭ堆積量を求めていたため、多様な条件下で、ＰＭ堆積量を高精度に推定することは困難であった。ＰＭ堆積量の推定精度が不十分であると、ＤＰＦの強制再生処理が適切な時期に開始されず、例えば、ＤＰＦの圧力損失増大による出力低下及び燃費低下などを来たしてしまうおそれがあった。
【０００５】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排気性状及び空間速度を考慮したＰＭ堆積量推定式を用いてＰＭ堆積量を高精度に推定することで、ＤＰＦの強制再生時期の適正化を図った排気浄化装置及び排気浄化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明では、連続再生式フィルタにおいてＰＭを酸化してＣＯ2を生成する酸化反応の少なくとも１つをモデル化した酸化反応速度式に対して、空間速度と密接に関連する反応速度に応じた補正を施した補正酸化反応速度式から導き出されるＰＭの堆積量推定式を参照し、連続再生式フィルタの温度，排気性状及び空間速度により特定される状態において微小時間経過後のＰＭ堆積量を適宜推定する。そして、ＰＭ堆積量が所定値以上となったときに、連続再生式フィルタの強制再生処理を実行する。このとき、ＰＭ堆積量の推定精度を向上させるべく、補正酸化反応速度式に、連続再生式フィルタにおいてＰＭを酸化させてＣＯを生成する酸化反応の少なくとも１つをモデル化した酸化反応速度式を更に含めることが望ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、エンジン運転状態の変化に伴って時々刻々と変化する排気性状及び空間速度を考慮したＰＭ堆積量推定式により、微小時間経過後におけるＰＭ堆積量が推定される。このとき、ＰＭ堆積量推定式では、連続再生式フィルタにおいてＰＭを酸化してＣＯ2を生成する酸化反応の少なくとも１つをモデル化した酸化反応速度式に対して空間速度を考慮した補正が施されているので、反応速度が極値を有する特性が反映されており、ＰＭ堆積量を高精度に推定することができる。そして、ＰＭ堆積量が所定値以上となると、連続再生式フィルタの強制再生時期が到来したと判断し、その強制再生処理が実行される。このため、連続再生式フィルタの強制再生時期の適正化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明を具現化した排気浄化装置を詳述する前に、排気性状及び空間速度を考慮したＰＭ堆積量推定式について説明する。
ＤＰＦにおいて、ＮＯ2を利用したＰＭ酸化反応式は、
Ｃ＋2ＮＯ2→ＣＯ2＋2ＮＯ                        (1)
Ｃ＋ＮＯ2→ＣＯ＋ＮＯ                                  (2)
Ｃ＋1/2Ｏ2＋ＮＯ2＋(ＮＯ2)→ＣＯ2＋ＮＯ＋(ＮＯ2)       (3)
Ｃ＋1/2Ｏ2＋(ＮＯ2)→ＣＯ＋(ＮＯ2)                     (4)
と表わすことができる。また、ＮＯ2によるカーボンブラック（carbon black）の酸化反応速度論（出典：「Carbon」，米国，Elsevier Science Ltd.，2002年3月，Volume 40，Number 3，p.335-343）によれば、各ＰＭ酸化反応式(1)〜(4)において微小時間dtで酸化されるＰＭ酸化量dm1〜dm4は、モデル化することで、次のようなＰＭ酸化反応速度式で表わされる。なお、以下の説明では、各ＰＭ酸化反応式(1)〜(4)に対応するＰＭ酸化反応速度式などは、添え字１〜４によって区別することとする。
【０００９】
【数１】
2009108809.tif 000003
【００１０】
ここで、ＰＭ酸化反応速度式における各変数は、次の通りである。
ＰNO2：排気のＮＯ2モル分圧
ｘH2O：排気のＨ2Ｏモル分圧
ｘO2 ：排気のＯ2モル分圧
α  ：ＰＭ酸化反応式(1)におけるＮＯ2の反応次数
β  ：ＰＭ酸化反応式(2)におけるＮＯ2の反応次数
δ  ：ＰＭ酸化反応式(3)におけるＮＯ2の反応次数
ξ  ：ＰＭ酸化反応式(4)におけるＮＯ2の反応次数
φ  ：ＰＭ酸化反応式(1)におけるＨ2Ｏの反応次数
μ  ：ＰＭ酸化反応式(2)におけるＨ2Ｏの反応次数
θ  ：ＰＭ酸化反応式(3)(4)におけるＨ2Ｏの反応次数
γ  ：ＰＭ酸化反応式(3)(4)におけるＯ2の反応次数
a〜c：定数
ｋi  ：化学反応の速度定数（ｉ＝１〜４）
化学反応の速度定数ｋiは、アレニウスの式によれば、温度に無関係な定数（頻度因子）をＡ、活性化エネルギー（アレニウスパラメータ）をＥ、気体定数をＲ及び絶対温度をＴとすると、具体的には、次のように表わすことができる。
【００１１】
【数２】
2009108809.tif 000004
【００１２】
また、反応速度が極値を有する一般的な反応速度式ｒは、慶伊富長，「反応速度論」，東京化学同人，2001年2月，第３版によれば、速度定数をｋ及びＫX、化学種濃度をＸ及び反応次数をｑとすると、次のように表わされる。
【００１３】
【数３】
2009108809.tif 000005
【００１４】
この反応速度式ｒにおいて、化学種濃度Ｘを空間速度ＳＶ、及び、反応次数ｑを１又は２をとるフィッティングパラメータとして次式のように変形すると、空間速度ＳＶに関する比例式が得られる。そして、その比例式の「切片×傾き」から速度定数ｋを算出し、また、「切片÷傾き」から速度定数Ｋxを算出する。
【００１５】
【数４】
2009108809.tif 000006
【００１６】
ＤＰＦにおけるＰＭ酸化反応による生成物はＣＯ2が大部分であるので、次式のように、反応速度式ｒを適用して、ＰＭ酸化反応式(1)及び(3)のみに対して反応速度補正を行ったＰＭ酸化反応速度式を導き出す。
【００１７】
【数５】
2009108809.tif 000007
【００１８】
ＤＰＦでは、ＰＭ酸化反応式(1)〜(4)によりＰＭ酸化が行われているため、微小時間dtにおけるＰＭ酸化量dmは次式で表わすことができる。
【００１９】
【数６】
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【００２０】
そして、微小時間dtにおけるＰＭ酸化量dmを表わす式において、右辺をＢとおいて積分及び変形すると、次式のような時間ｔ秒後のＰＭ堆積量ｍを推定するためのＰＭ堆積量推定式が導き出される。ここで、ＰＭ堆積量推定式における変数Ｃは、不定積分により表れた変数であって、時間ｔ＝０におけるＰＭ堆積量ｍを示すものである。
【００２１】
【数７】
2009108809.tif 000009
【００２２】
次に、本発明を具現化した排気浄化装置について詳述する。
図１において、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド１２に接続された排気管１４には、排気流通方向に沿って、ＮＯをＮＯ2へと酸化させるＤＯＣ１６と、ＰＭを捕集しつつ連続的に酸化除去する連続再生式のＤＰＦ１８と、がこの順番で配設される。ＤＰＦ１８の基体表面には、ＰＭ酸化温度を低下させるべく、貴金属などの触媒成分がコーティングされる。
【００２３】
排気浄化装置の制御系として、ＤＰＦ１８の排気上流側の排気圧力Ｐを検出する圧力センサ２０と、耐久性向上の観点からＤＰＦ１８の温度Ｔを間接的に検出すべく、その排気上流側及び下流側の排気温度ＴU及びＴDを夫々検出する温度センサ２２及び２４（温度検出手段）と、エンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ２６（回転速度検出手段）と、アクセル開度，燃料噴射量，過給圧などのエンジン負荷Ｑを検出する負荷センサ２８（負荷検出手段）と、が配設される。また、ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド３０に接続された吸気管３２には、エアクリーナ３４により埃などの不純物が除去された吸気の吸気流量Ｆを検出するエアフローメータ３６が配設される。
【００２４】
圧力センサ２０，温度センサ２２及び２４，回転速度センサ２６，負荷センサ２８，エアフローメータ３６の各出力信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット３８に入力される。そして、コントロールユニット３８では、そのＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、ＰＭ堆積量が推定されると共に、例えば、必要に応じて排気温度を上昇させて強制再生処理を開始すべく、例えば、強制再生手段としての燃料噴射装置４０に対して燃料増量指令が出力される。
【００２５】
図２は、コントロールユニット３８において、ディーゼルエンジン１０が始動されたことを契機として、微小時間Δｔごとに繰り返し実行される制御プログラムの処理内容を示す。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、ディーゼルエンジン１０の各種運転状態として、圧力センサ２０から排気圧力Ｐ，温度センサ２２及び２４から排気温度ＴU及びＴD，回転速度センサ２６から回転速度Ｎe，負荷センサ２８から負荷Ｑ及びエアフローメータ３６から吸気流量Ｆを夫々読み込む。
【００２６】
ステップ２では、微小時間Δｔの間に発生するＰＭ発生量、即ち、ＤＰＦ１８に流入するＰＭ流入量を演算する。具体的には、回転速度及び負荷に対応したＰＭ発生量が設定された制御マップを参照し、回転速度Ｎe及び負荷Ｑに対応したＰＭ発生量を求める。また、ＰＭ発生量の演算精度を向上させるべく、制御マップから求められたＰＭ発生量に対して、空気過剰率λに応じたλ補正を行うようにしてもよい。
【００２７】
ステップ３では、ＰＭ堆積量ｍにＰＭ発生量を加算することで、時間ｔ＝０におけるＰＭ堆積量ｍ、即ち、初期堆積量を求める。
ステップ４では、前述したＰＭ堆積量推定式を利用し、微小時間Δｔ経過後のＰＭ堆積量ｍを推定演算する。具体的には、排気温度Ｔu及びＴDの相加平均をＤＰＦ１８の温度Ｔとみなし、化学反応の速度定数ｋi及びＫSVを夫々求める。また、ＰＭ酸化反応速度式に排気のＮＯ2モル分圧ＰNO2，Ｈ2Ｏモル分圧ｘH2O，Ｏ2モル分圧ｘO2及び空間速度ＳＶを代入し、その右辺に対応するＢを求める。その後、ｍ＝ｍ・ｅｘｐ（−Ｂ・Δｔ）というＰＭ堆積量推定式から微小時間Δｔ経過後のＰＭ堆積量ｍを求める。
【００２８】
このとき、ＮＯ2モル分圧ＰNO2，Ｈ2Ｏモル分圧ｘH2O及びＯ2モル分圧ｘO2は、直接検出できないことに加え耐久性向上の観点から、回転速度及び負荷に対応したＮＯ2濃度，Ｈ2Ｏ濃度及びＯ2濃度が設定された制御マップを参照し、回転速度Ｎe及び負荷Ｑに対応した各濃度を求め、排気圧力Ｐを各濃度で除算することで夫々求めればよい。また、空間速度ＳＶは、吸気流量Ｆ及び燃料噴射量から演算された排気流量をＤＰＦ１８の容積で除算することで求めればよい。なお、吸気流量Ｆは、回転速度及び負荷に対応した吸気流量が設定された制御マップを参照し、回転速度Ｎe及び負荷Ｑに対応した吸気流量Ｆを間接的に求めるようにしてもよい。ここで、ＮＯ2モル分圧ＰNO2，Ｈ2Ｏモル分圧ｘH2O及びＯ2モル分圧ｘO2を求める処理が排気性状検出手段に、空間速度ＳＶを求める処理が空間速度検出手段に、ＰＭ堆積量ｍを推定する処理が堆積量推定手段に夫々該当する。
【００２９】
ステップ５では、ＰＭ堆積量ｍが所定値以上であるか否かを判定する。ここで、所定値は、ＤＰＦ１８の強制再生処理を開始すべきか否かを判定するための閾値であって、例えば、ＤＰＦ１８の機能を損なわない程度の堆積量の上限値に設定される。そして、ＰＭ堆積量ｍが所定値以上であればステップ６へと進む一方（Ｙｅｓ）、ＰＭ堆積量ｍが所定値未満であれば処理を終了する（Ｎｏ）。
【００３０】
ステップ６では、燃料噴射装置４０に燃料増量指令を出力することで、ＤＰＦ１８の強制再生処理を実行する。ここで、燃料噴射装置４０に燃料増量指令を出力する処理が強制再生実行手段に該等する。なお、ＤＰＦ１８の強制再生処理としては、燃料増量によるものに限らず、例えば、ＤＰＦ１８に付設された電気ヒータを作動させるなど、公知技術が適用できる。
【００３１】
ステップ７では、ＤＰＦ１８の強制再生処理が完了すると、ここに堆積していたＰＭがすべて焼却されるとみなされるので、ＰＭ堆積量ｍを０にリセットする。
かかる排気浄化装置によれば、微小時間Δｔの間に発生するＰＭ発生量を加算した初期堆積量を基準として、ディーゼルエンジン１０の運転状態変化に伴って時々刻々と変化する排気性状及び空間速度ＳＶを考慮したＰＭ堆積量推定式により、微小時間Δｔ経過後におけるＰＭ堆積量ｍが推定される。このとき、ＰＭ堆積量推定式では、ＤＰＦ１８におけるＰＭ酸化反応式をモデル化したＰＭ酸化反応速度式に対して空間速度ＳＶを考慮した補正が施されているため、反応速度が極値を有する特性が反映されており、ＰＭ堆積量を高精度に推定することができる。そして、ＰＭ堆積量ｍが所定値以上であれば、ＤＰＦ１８の強制再生時期が到来したと判断し、その強制再生処理が実行される。
【００３２】
従って、ＤＰＦ１８の強制再生処理が適切な時期に開始され、その圧力損失増大による出力低下及び燃費低下などを抑制することができる。
ここで、ＰＭ堆積量推定式において、ＰＭ酸化反応式(1)及び(3)に対応したＰＭ酸化反応速度式の少なくとも一方のみを用いれば、ＰＭ堆積量の推定精度をある程度維持しままた、その演算負荷の増加を抑制することができる。また、これに加えてＰＭ酸化反応式(2)及び(4)の少なくとも一方に対応したＰＭ酸化反応速度式も併せて用いれば、ＰＭ堆積量の推定精度をさらに向上させることができる。
【００３３】
なお、ＤＰＦ１８の温度Ｔは、その排気上流側及び下流側の排気温度の相加平均から間接的に検出せず、ＤＰＦ１８に付設された温度センサから直接検出するようにしてもよい。また、排気のＮＯ2濃度，Ｈ2Ｏ濃度，Ｏ2濃度及び排気流量は、回転速度Ｎe及び負荷Ｑなどから間接的に求めず、Ｏ2センサなどの公知のセンサを用いて直接検出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明を具現化した排気浄化装置の全体構成図
【図２】制御プログラムの制御内容を示すフローチャート
【符号の説明】
【００３５】
１６  ＤＯＣ
１８  ＤＰＦ
２０  圧力センサ
２２  温度センサ
２４  温度センサ
２６  回転速度センサ
２８  負荷センサ
３６  エアフローメータ
３８  コントロールユニット
４０  燃料噴射装置
【図１】
2009108809.tif 000010
【図２】
2009108809.tif 000011