内燃機関の制御装置
【課題】 燃費や排ガス特性を良好に維持しながら、アイドル運転状態などへの移行後におけるフィルタの過昇温を防止でき、それにより、フィルタの劣化および破損を確実に防止することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】 この制御装置１では、内燃機関３が通常運転状態からアイドル運転状態などに移行した後のフィルタ１４の過昇温を防止するために、通常運転状態において、算出されたパティキュレート堆積量ＱＰＭおよび検出されたフィルタの温度ＴＤＰＦに応じて、内燃機関３の出力をあらかじめ制限する。
【解決手段】 この制御装置１では、内燃機関３が通常運転状態からアイドル運転状態などに移行した後のフィルタ１４の過昇温を防止するために、通常運転状態において、算出されたパティキュレート堆積量ＱＰＭおよび検出されたフィルタの温度ＴＤＰＦに応じて、内燃機関３の出力をあらかじめ制限する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、特にディーゼルエンジンから排出された排ガス中のパティキュレートを捕捉するフィルタを有する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の内燃機関の制御装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この内燃機関は、排気管に設けられ、排ガス中のパティキュレート（以下「ＰＭ」という）を捕捉するＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）と、排ガスの一部を吸気管に還流させる、ＥＧＲ制御弁を有するＥＧＲ装置と、排気管のＤＰＦよりも下流側に設けられ、排ガスの流量を調整する排気絞り弁などを備えている。
【０００３】
この制御装置では、内燃機関が高負荷運転状態からアイドル運転状態または無負荷運転状態に切り換えられた後、ＤＰＦの温度が所定温度よりも低い場合、またはＤＰＦのパティキュレート堆積量（以下「ＰＭ堆積量」という）が所定量よりも小さい場合には、ＥＧＲ制御弁を開弁するとともに、排気絞り弁を閉弁する。これにより、排気絞り弁を介してＤＰＦに流入する排ガスの流量および排ガス中の酸素量が低減されることによって、ＤＰＦ内におけるＰＭの燃焼が抑制され、ＤＰＦの過昇温が防止される。
【０００４】
一方、ＤＰＦの温度が所定温度以上で、かつＤＰＦのＰＭ堆積量が所定量以上の場合には、ＥＧＲ制御弁を閉弁するとともに、排気絞り弁を開弁する。これにより、排ガスが、ＥＧＲ通路を還流することなく、すべて排気絞り弁を通過することによって、ＤＰＦに流入する排ガスの流量が十分に確保される。その結果、ＤＰＦから排ガスによって持ち去られる熱量が多くなることによって、ＤＰＦの過昇温が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許３９５９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した従来の内燃機関の制御装置では、長時間の高負荷運転により、ＤＰＦ温度が所定温度を大幅に上回っているような場合には、ＥＧＲ制御弁および排気絞り弁の制御により、排ガス中の酸素量の低減または排ガス流量の確保を図ったとしても、それらには限界があり、ＤＰＦの過昇温を確実に防止することができない。このようなＤＰＦの過昇温を防止するために、例えばＤＰＦのＰＭ堆積量を制限した場合には、燃料のポスト噴射などによるＤＰＦの再生動作を頻繁に行うことが必要になり、燃費の悪化やオイルダイリュージョンを招く。また、ＥＧＲ制御弁を閉弁した場合には、排ガス中のＮＯｘなどの有害物質の排出量が増加し、排ガス特性の悪化を招く。
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、燃費や排ガス特性を良好に維持しながら、アイドル運転状態または無負荷運転状態への移行後におけるフィルタの過昇温を防止でき、それにより、フィルタの劣化および破損を確実に防止することができる内燃機関の制御装置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】
【０００８】
この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関３から排出された排ガス中のパティキュレートを捕捉するフィルタ（実施形態における（以下、本項において同じ）ＤＰＦ１４）を有する内燃機関の制御装置であって、内燃機関３の運転状態を判定する運転状態判定手段（ＥＣＵ２、ステップ１）と、フィルタに堆積したパティキュレートの堆積量を、パティキュレート堆積量ＱＰＭとして算出するパティキュレート堆積量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ２）と、フィルタの温度ＴＤＰＦを検出するフィルタ温度検出手段（ＤＰＦ温度センサ２２）と、判定された内燃機関３の運転状態が通常運転状態からアイドル運転状態または無負荷運転状態に移行した後のフィルタの過昇温を防止するために、通常運転状態において、算出されたパティキュレート堆積量ＱＰＭおよび検出されたフィルタの温度ＴＤＰＦに応じて、内燃機関３の出力をあらかじめ制限する出力制限手段（ＥＣＵ２、インジェクタ６、ＥＧＲ制御弁１２ｂ、ステップ６）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この内燃機関の制御装置によれば、内燃機関から排出された排ガス中のＰＭ（パティキュレート）をフィルタが捕捉することにより、排ガスが浄化される。また、フィルタに堆積したＰＭ堆積量を算出するとともに、通常運転状態において、このフィルタのＰＭ堆積量と検出されたフィルタの温度に応じて、内燃機関の出力が制限される。
【００１０】
後述するように、内燃機関が通常運転状態からアイドル運転状態または無負荷運転状態（以下「アイドル運転状態など」という）に移行した後に、フィルタが昇温されることにより到達する最高到達温度は、アイドル運転状態などへの移行時におけるフィルタのＰＭ堆積量およびフィルタの温度によって変化し、ＰＭ堆積量が大きいほど、またフィルタの温度が高いほど、より高くなるという特性がある。このような特性に基づき、本発明によれば、通常運転状態において、フィルタのＰＭ堆積量および温度に応じて内燃機関の出力をあらかじめ制限するので、その後のアイドル運転状態などにおけるフィルタの過昇温を防止でき、それにより、フィルタの劣化および破損を確実に防止することができる。
【００１１】
また、このようにアイドル運転状態などにおけるフィルタの過昇温が防止される結果、同じ目的のために従来行われていた、フィルタのＰＭ堆積量の制限およびＥＧＲ制御弁の閉弁は不要になるため、燃費や排ガス特性を良好に維持することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、パティキュレート堆積量算出手段は、フィルタの上流側と下流側との間の排ガスの圧力の損失ＤＰを検出する圧力損失検出手段（差圧センサ２３）と、検出された圧力損失ＤＰに基づいて、パティキュレート堆積量を第１堆積量ＱＰＭ１として算出する第１堆積量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１０）と、フィルタに流入するパティキュレートの流入量ＱＰＭＩＮを算出するパティキュレート流入量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１１）と、フィルタから流出するパティキュレートの流出量ＱＰＭＯＵＴを算出するパティキュレート流出量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１２）と、算出されたパティキュレート流入量ＱＰＭＩＮと算出されたパティキュレート流出量ＱＰＭＯＵＴとの差ΔＱＰＭ２に基づいて、パティキュレート堆積量を第２堆積量ＱＰＭ２として算出する第２堆積量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１３，１４）と、を有し、算出された第１堆積量ＱＰＭ１および第２堆積量ＱＰＭ２のうちのより大きなものを、パティキュレート堆積量ＱＰＭとして算出する（ステップ１５〜１７）ことを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、検出されたフィルタの上流側と下流側との間の排ガスの圧力損失に基づくフィルタのＰＭ堆積量を、第１堆積量として算出する。また、フィルタに流入するＰＭ流入量と、フィルタから流出するＰＭ流出量をそれぞれ算出するとともに、両者の差に基づくＰＭ堆積量を第２堆積量として算出する。そして、算出されたこれらの第１および第２堆積量のうちのより大きなものを、フィルタのＰＭ堆積量として算出する。
【００１４】
以上のようにして算出される第１および第２堆積量を比較すると、排ガスの圧力損失に基づく第１堆積量は、フィルタにおけるＰＭの実際の堆積状態を直接的に反映するため、一般により高い精度で算出される一方で、例えば排気系の破損などが生じた場合には、圧力損失がＰＭの実際の堆積状態を良好に反映しなくなるため、算出精度が低下する。また、前述したように、アイドル運転状態などにおけるフィルタの最高到達温度は、移行時のＰＭ堆積量が大きいほど高くなる。以上から、本発明によれば、互いに異なる手法で算出された第１および第２堆積量のうちのより大きい方、すなわち、フィルタの過昇温を防止する上でより安全側のものを、ＰＭ堆積量として採用するので、フィルタの過昇温をより確実に防止することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、出力制限手段は、パティキュレート堆積量ＱＰＭに基づいて、内燃機関３がアイドル運転状態または無負荷運転状態に移行した後にフィルタの温度ＴＤＰＦがフィルタの所定の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴを超えないような上限温度ＴＬＭＴを設定する上限温度設定手段（ＥＣＵ２、ステップ４）を有し、通常運転状態において、フィルタの温度ＴＤＰＦが設定された上限温度ＴＬＭＴを超えないように、内燃機関３の出力を制限する（ステップ６）ことを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、ＰＭ堆積量に基づいて、フィルタの上限温度を設定するとともに、通常運転状態において、フィルタの温度が設定された上限温度を超えないように、内燃機関の出力を制限する。これにより、内燃機関がアイドル運転状態などに移行した後に、フィルタの温度がフィルタの所定の耐熱限界温度を超えることがなくなるので、フィルタの劣化および破損をさらに確実に防止することができる。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項２または３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、フィルタの壁の厚さＴＦは０．２５４ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
一般に、フィルタに捕捉されたＰＭは、フィルタの壁の表面および内部に堆積する。この場合、ＰＭがフィルタの壁の表面にのみ堆積した状態では、排ガスの圧力損失は、壁の厚さにかかわらずほぼ一定である。これに対し、ＰＭがフィルタの壁の表面および内部に堆積した状態では、図１０に示すように、圧力損失のばらつきΔＤＰは、フィルタの壁の厚さＴＦが大きいほど、より大きくなり、特に壁の厚さＴＦが０．２５４ｍｍ（＝１０ｍｉｌ）よりも大きくなると、増大することが確認された。本発明によれば、フィルタの壁の厚さが０．２５４ｍｍ以下であるので、ばらつきの小さい状態で検出された排ガスの圧力損失に基づいて第１堆積量を算出でき、それにより、第１堆積量の算出精度、ひいてはフィルタのＰＭ堆積量の算出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を適用した内燃機関の構成を概略的に示す図である。
【図２】制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】ＤＰＦの構成を示す斜視図である。
【図４】セグメントの構成を概略的に示す断面図である。
【図５】内燃機関の出力制限処理を示すフローチャートである。
【図６】上限温度を設定するためのマップである。
【図７】図６において設定された上限温度を説明するためのマップである。
【図８】パティキュレート堆積量の算出処理を示すフローチャートである。
【図９】実施形態による制御結果を比較例とともに示す図である。
【図１０】フィルタの壁の厚さと圧力損失のばらつきとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。図１に示すように、本発明の制御装置１を適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３は、車両（図示せず）に搭載された、例えば４気筒（１つのみ図示）のディーゼルエンジンである。
【００２１】
エンジン３は、気筒ごとにピストン３ａとシリンダヘッド３ｂを備えており、これらのピストン３ａとシリンダヘッド３ｂによって燃焼室３ｃが形成されている。シリンダヘッド３ｂには、吸気管４および排気管５がそれぞれ接続されるとともに、燃焼室３ｃに臨むように燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６が取り付けられている。
【００２２】
インジェクタ６は、燃焼室３ｃの天壁の中央に配置されており、コモンレールを介して高圧ポンプ（いずれも図示せず）に接続されている。高圧ポンプは、後述するＥＣＵ２による制御によって、燃料タンク（図示せず）の燃料を、高圧に昇圧した後、コモンレールを介してインジェクタ６に送り、インジェクタ６はこの燃料を燃焼室３ｃに噴射する。インジェクタ６の燃料噴射の時間（以下「燃料噴射量」という）ＱＩＮＪおよびタイミングは、ＥＣＵ２からの駆動信号によって制御される（図２参照）。
【００２３】
また、エンジン３のクランク軸３ｄには、マグネットロータ２０ａおよびＭＲＥピックアップ２０ｂから成る、クランク角センサ２０が設けられている。クランク角センサ２０は、クランク軸３ｄの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する（図２参照）。
【００２４】
ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、各気筒においてピストン３ａが吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。
【００２５】
また、エンジン３には、ＥＧＲ管１２ａおよびＥＧＲ制御弁１２ｂを有するＥＧＲ装置１２が設けられている。ＥＧＲ管１２ａは、吸気管４と排気管５をつなぐように接続されている。このＥＧＲ管１２ａを介して、エンジン３の排ガスの一部が吸気管４に還流し、それにより、エンジン３の燃焼室３ｃ内の燃焼温度が低下することで、排ガス中のＮＯｘが減少する。
【００２６】
ＥＧＲ制御弁１２ｂは、ＥＧＲ管１２ａに取り付けられており、リニア電磁弁で構成され、そのバルブリフト量がＥＣＵ２からの駆動信号に応じてリニアに変化する。ＥＣＵ２は、ＥＧＲ制御弁１２ｂのバルブリフト量を制御することにより、ＥＧＲ管１２ａを介して吸気管４に還流する排ガスの量であるＥＧＲ量を制御する（図２参照）。
【００２７】
また、吸気管４のＥＧＲ管１２ａよりも上流側には、エアフローセンサ２１が設けられている。このエアフローセンサ２１は、吸入空気量ＧＡＩＲを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する（図２参照）。
【００２８】
また、排気管５には、上流側から順に、触媒装置１３およびＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）１４が設けられている。この触媒装置１３は、ＮＯｘ触媒と酸化触媒（いずれも図示せず）を組み合わせたものである。このＮＯｘ触媒は、エンジン３に供給される混合気の空燃比がリーンのときに、排ガス中のＮＯｘを吸着し、排ガスを浄化するとともに、空燃比がリッチのときに、吸着したＮＯｘを還元するという特性を有する。また、上記の酸化触媒は、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化し、排ガスを浄化する。
【００２９】
ＤＰＦ１４は、排ガス中のＰＭを捕捉し、排ガスを浄化するものである。図３に示すように、ＤＰＦ１４は、ケース１５と、このケース１５に取り付けられた複数のセグメント１６を備えている。ケース１５は、排気管５の長さ方向に延びる円筒状の本体部１５ａと、この本体部１５ａ部の内側に設けられた格子状の仕切壁１５ｂを有している。この仕切壁１５ｂで仕切られた各空間には、本体部１５ａとほぼ同じ長さの角柱状のセグメント１６がはめ込まれ、取り付けられている。
【００３０】
各セグメント１６は、ＰＭを捕捉するためのフィルタ壁１６ａを有している（図４参照）。このフィルタ壁１６ａは、例えばコージェライトなどの多孔質セラミックで構成され、その厚さＴＦは、例えば０．２５４ｍｍ（１０ｍｉｌ）である。また、フィルタ壁１６ａは、格子状に配置されるとともに、同図に示すように、セグメント１６の長さ方向に連続的に延びていて、このフィルタ壁１６ａで仕切られた各空間に、排ガスが流れる排ガス通路１６ｂが形成されている。
【００３１】
また、各排ガス通路１６ｂの上流側および下流側の端部には、それらを塞ぐように目封じ１６ｃが設けられている。これらの目封じ１６ｃは、複数の排ガス通路１６ｂに対し、上流側端部および下流側端部のいずれにおいても、千鳥状に配置されており（図３参照）、また、図４に示すように、各排ガス通路１６ｂの上流側端部および下流側端部の一方にのみ設けられている。具体的には、目封じ１６ｃは、各排ガス通路１６ｂにおいて、上流側端部に設けられている場合には、下流側端部には設けられておらず、逆に、上流側端部に設けられていない場合には、下流側端部に設けられている。
【００３２】
以上の構成のＤＰＦ１４によれば、図４に示すように、排ガスは、ＤＰＦ１４の目封じ１６ｃが設けられていない上流側端部から排ガス通路１６ｂに流入する。その排ガス通路１６ｂの下流側端部には目封じ１６ｃが設けられているため、その後、排ガスは、フィルタ壁１６ａの細孔を通って隣りの排ガス通路１６ｂに流入した後、目封じ１６ｃが設けられていない下流側端部から排気管５に流出する。以上のように排ガスがフィルタ壁１６ａを通過する際に、排ガス中のＰＭがフィルタ壁１６ａの表面および内部に捕捉され、それにより、排ガスが浄化される。
【００３３】
図１に示すように、ＤＰＦ１４には、ＤＰＦ温度センサ２２が設けられている。このＤＰＦ温度センサ２２は、ＤＰＦ１４の温度（以下「ＤＰＦ温度」という）ＴＤＰＦを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する（図２参照）。
【００３４】
また、排気管５には、触媒装置１３とＤＰＦ１４の間とＤＰＦ１４の下流側に接続された圧力導入路５ａが設けられており、この圧力導入通路５ａには差圧センサ２３が設けられている。差圧センサ２３は、排気管５内のＤＰＦ１４よりも上流側と下流側との間の排ガスの圧力の差（以下「差圧」という）ＤＰを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する（図２参照）。ＤＰＦ１４に堆積したＰＭの堆積量（以下「ＰＭ堆積量」という）が大きいほど、ＤＰＦ１４の通気抵抗が増大することによって、差圧ＤＰがより大きくなるので、差圧ＤＰはＰＭ堆積量を良好に反映する。
【００３５】
ＥＣＵ２は、本実施形態において、運転状態判定手段、パティキュレート堆積量算出手段、出力制限手段、第１堆積量算出手段、パティキュレート流入量算出手段、パティキュレート流出量算出手段、第２堆積量算出手段および上限温度設定手段を構成するものであり、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、および入出力インターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。前述した各種のセンサ２０〜２３からの検出信号は、入力インターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。ＣＰＵは、入力されたこれらの検出信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、以下に述べるような、エンジン３の制御を実行する。
【００３６】
図５は、エンジン３の出力制限処理を示すフローチャートである。本処理は、エンジン３がアイドル運転状態以外の通常運転状態（以下「通常運転状態」という）からアイドル運転状態に移行した後のＤＰＦ１４の過昇温を防止するために、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦおよびＤＰＦ１４のＰＭ堆積量ＱＰＭに応じて、エンジン３の出力を制限するものであり、所定時間ごとに実行される。
【００３７】
まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、通常運転フラグＦ＿ＯＰＮＮが「１」であるか否かを判別する。この通常運転フラグＦ＿ＯＰＮＮは、エンジン３が通常運転状態のときに「１」にセットされるものである。このステップ１の答がＮＯで、エンジン３がアイドル運転状態のときには、本処理を終了する。このステップ１の答がＹＥＳで、エンジン３が通常運転状態のときには、ＰＭ堆積量ＱＰＭを算出する（ステップ２）。その算出方法については後述する。
【００３８】
次に、ステップ２で算出されたＰＭ堆積量ＱＰＭに応じ、図６に示すマップを検索することによって、通常運転状態におけるＤＰＦ１４の上限温度ＴＬＭＴを設定する（ステップ３）。このマップでは、上限温度ＴＬＭＴは、ＰＭ堆積量ＱＰＭが大きいほど、より低い値に設定されている。このマップは、以下のようにして設定されたものである。
【００３９】
図７は、エンジン３の通常運転状態からアイドル運転状態への移行時におけるＤＰＦ温度（以下「移行時温度」という）ＴＤＰＦＴＲＴと、その移行後のアイドル運転状態においてＤＰＦ１４が昇温され、到達する最高温度（以下「最高到達温度」という）ＴＭＡＸとの関係を、２つのＰＭ堆積量ＱＰＭＡおよびＱＰＭＢ（ＱＰＭＡ＜ＱＰＭＢ）について示したものである。同図に示すように、移行時温度ＴＤＰＦＴＲＴが同じ場合、最高到達温度ＴＭＡＸは、ＰＭ堆積量ＱＰＭが大きいほど、より高い値になっている。これは、ＰＭ堆積量ＱＰＭが大きいほど、移行後のアイドル運転状態において燃焼するＰＭ量が大きくなり、それに応じてＤＰＦ１４に発生する熱量が大きくなるためである。
【００４０】
また、ＰＭ堆積量ＱＰＭが一定の場合、最高到達温度ＴＭＡＸは、移行時温度ＴＤＰＦＴＲＴが高くなるにつれて、リニアに上昇する。これは、移行時温度ＴＤＰＦＴＲＴが高いほど、初期温度が高いとともに、ＰＭの燃焼が促進され、それによりＤＰＦ１４に発生する熱量が大きくなるためである。
【００４１】
また、図７中のＴＤＰＦＬＭＴはＤＰＦ１４の耐熱限界温度を示しており、上述した関係から、移行時温度ＴＤＰＦＴＲＴがこの耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴに対応する温度を超えないようにすることによって、最高到達温度ＴＭＡＸを、ＤＰＦ１４の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴを超えないように制御することが可能になる。このような観点から、図６のマップは、耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴに対応する移行時温度ＴＤＰＦＴＲＴを、様々なＰＭ堆積量ＱＰＭに対して実験によって求め、上限温度ＴＬＭＴとして表したものである。
【００４２】
図５に戻り、前記ステップ３に続くステップ４では、上限温度ＴＬＭＴと所定温度ΔＴ（例えば２０〜３０℃）との差（ＴＬＭＴ−ΔＴ）を、基準温度ＴＲＥＦとして算出する。次に、検出されたＤＰＦ温度ＴＤＰＦが、基準温度ＴＲＥＦよりも高いか否かを判別する（ステップ５）。このステップの答がＮＯで、ＴＤＰＦ≦ＴＲＥＦのときには、本処理を終了する。一方、ステップ５の答がＹＥＳで、ＴＤＰＦ＞ＴＲＥＦのときには、エンジン３の出力を制限し（ステップ６）、その後、本処理を終了する。
【００４３】
ここで、このエンジン３の出力の制限は、例えば、エンジン３の運転状態に応じて設定された燃料噴射量ＱＩＮＪを減少させるとともに、ＥＧＲ制御弁１２ｂのバルブリフト量を増大させ、ＥＧＲ量を増加させることにより、吸入空気量ＧＡＩＲを減少させることによって行われる。それにより、エンジン３から排出される熱量が減少することによって、ＤＰＦ１４に発生する熱量が減少する。その結果、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦの温度の上昇が抑制され、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが上限温度ＴＬＭＴを超えないように制限される。
【００４４】
図８は、図５のステップ２で実行されるＰＭ堆積量ＱＰＭの算出サブルーチンを示す。まず、ステップ１０において、第１堆積量ＱＰＭ１を算出する。具体的には、第１堆積量ＱＰＭ１は、差圧センサ２３により検出された差圧ＤＰと、燃料噴射量ＱＩＮＪおよび吸入空気量ＧＡＩＲから算出された排ガス流量とに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。
【００４５】
次に、ＤＰＦ１４に流入するＰＭの流入量（以下「ＰＭ流入量」という）ＱＰＭＩＮを算出する（ステップ１１）。このＰＭ流入量ＱＰＭＩＮは、エンジン３におけるＰＭの発生量に相当し、具体的には、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量ＱＩＮＪに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。
【００４６】
次に、ＤＰＦ１４から流出するＰＭの流出量（以下「ＰＭ流出量」という）ＱＰＭＯＵＴを算出する（ステップ１２）。このＰＭ流出量ＱＰＭＯＵＴは、ＤＰＦ１４におけるＰＭの再生量に相当し、具体的には、エンジン回転数ＮＥ、燃料噴射量ＱＩＮＪおよびＤＰＦ温度ＴＤＰＦに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。
【００４７】
次に、ＰＭ流入量ＱＰＭＩＮとＰＭ流出量ＱＰＭＯＵＴとの差（ＱＰＭＩＮ−ＱＰＭＯＵＴ）を、堆積量差分ΔＱＰＭ２として算出する（ステップ１３）。次のステップ１４では、前回の第２堆積量ＱＰＭ２に堆積量差分ΔＱＰＭ２を加算した値（ＱＰＭ２＋ΔＱＰＭ２）を、今回の第２堆積量ＱＰＭ２として算出する。
【００４８】
次に、ステップ１０で算出された第１堆積量ＱＰＭ１が、第２堆積量ＱＰＭ２よりも大きいか否かを判別する（ステップ１５）。この答がＹＥＳで、ＱＰＭ１＞ＱＰＭ２のときには、第１堆積量ＱＰＭ１をＰＭ堆積量ＱＰＭとして設定し（ステップ１６）、本処理を終了する。一方、上記ステップ１５の答がＮＯで、ＱＰＭ１≦ＱＰＭ２のときには、第２堆積量ＱＰＭ２をＰＭ堆積量ＱＰＭとして設定し（ステップ１７）、本処理を終了する。以上のように、このＰＭ堆積量ＱＰＭの算出処理では、排ガスの差圧ＤＰなどに基づいて第１堆積量ＱＰＭ１を算出し、ＰＭ流入量ＱＰＭＩＮおよびＰＭ流出量ＱＰＭＯＵＴなどに基づいて第２堆積量ＱＰＭ２を算出するとともに、これらの第１および第２堆積量ＱＰＭ１，ＱＰＭ２のうち、より大きいものがＰＭ堆積量ＱＰＭとして算出される。
【００４９】
図９は、本実施形態による制御によって得られたアイドル運転状態への移行後におけるＤＰＦ１４の最高到達温度ＴＭＡＸを比較例とともに示したものである。この実施形態は、通常運転状態において、上限温度ＴＬＭＴを６００℃として出力制限処理を行った後、ＤＰＦ１４に所定量のＰＭが堆積した状態で、アイドル運転状態（ＥＧＲ併用、アイドル回転数＝８２０ＲＰＭ）に移行させたものである。これに対し、比較例は、通常運転状態において、この出力制限処理を行わず、ＤＰＦ１４が６４０℃の状態から、アイドル運転状態に移行したものであり、他の条件は互いに同じである。
【００５０】
その結果、実施形態では、アイドル運転状態への移行後において、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが上限温度ＴＬＭＴからわずかに上昇しているだけで、最高到達温度ＴＭＡＸは、ＤＰＦ１４の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴ（例えば８５０〜９００℃）を下回っている。これに対し、比較例では、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが移行時の温度から大きく上昇し、最高到達温度ＴＭＡＸが耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴを大きく超えている。以上から、実施形態の出力制限処理により、最高到達温度ＴＭＡＸを、ＤＰＦ１４の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴを超えないように制御できることが確認された。なお、例示した上記の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴは、ＤＰＦ１４の実際の耐熱限界温度よりも低く設定されている。これは、ＤＰＦ１４の上流側に設けられた触媒装置１３の耐熱限界温度が、触媒装置１３の材料などによって変化するものの、この例ではＤＰＦ１４の実際の耐熱限界温度よりも低いためである。このため、上記のＤＰＦ１４の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴは、触媒装置１３の劣化防止の観点から、触媒装置１３の耐熱限界温度に合わせたより低い値に設定されている。
【００５１】
以上のように、本実施形態の制御装置１によれば、通常運転状態においてＤＰＦ１４のＰＭ堆積量ＱＰＭおよびＤＰＦ温度ＴＤＰＦに応じてエンジン３の出力をあらかじめ制限するので、その後のアイドル運転状態におけるＤＰＦ１４の過昇温を防止でき、それにより、ＤＰＦ１４の劣化および破損を確実に防止することができる。また、このようにアイドル運転状態におけるＤＰＦ１４の過昇温が防止される結果、同じ目的のために従来行われていた、ＰＭ堆積量ＱＰＭの制限およびＥＧＲ制御弁の閉弁は不要になるため、燃費や排ガス特性を良好に維持することができる。
【００５２】
また、前述したようにして互いに異なる手法で算出された第１および第２堆積量ＱＰＭ１，ＱＰＭ２のうちのより大きいもの、すなわち、ＤＰＦ１４の過昇温を防止する上でより安全側のものを、ＰＭ堆積量ＱＰＭとして採用するので、ＤＰＦ１４の過昇温をより確実に防止することができる。
【００５３】
また、通常運転状態において、ＰＭ堆積量ＱＰＭに基づいて、ＤＰＦ１４の上限温度ＴＬＭＴを設定するとともに、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが上限温度ＴＬＭＴを超えないように、エンジン３の出力を制限する。これにより、エンジン３が通常運転状態からアイドル運転状態に移行した後に、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦがＤＰＦ１４の所定の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴを超えることがなくなるので、ＤＰＦ１４の劣化および破損をさらに確実に防止することができる。
【００５４】
また、ＤＰＦ１４のフィルタ壁１６ａの厚さＴＦが０．２５４ｍｍ（１０ｍｉｌ）であるので、ばらつきの小さい状態で検出された排ガスの差圧ＤＰに基づいて第１堆積量ＱＰＭ１を算出でき、それにより、第１堆積量ＱＰＭ１の算出精度、ひいてはＤＰＦ１４のＰＭ堆積量ＱＰＭの算出精度を向上させることができる。
【００５５】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、本実施形態は、ＤＰＦ１４の過昇温を防止するための制御を、通常運転状態からアイドル運転状態への移行後を対象として行っているが、通常運転状態から無負荷運転状態への移行後を対象としてもよい。
【００５６】
また、実施形態では、出力の制限を、燃料噴射量ＱＩＮＪの減少とＥＧＲ量の増加による吸入空気量ＧＡＩＲの減少とによって、行っているが、例えば、点火時期を遅角側に制御することによって行ってもよい。また、実施形態では、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦをＤＰＦ温度センサ２２によって検出しているが、例えば、ＤＰＦ１４の上流側および下流側の排ガス温度を検出し、その検出結果から推測してもよい。
【００５７】
さらに、本実施形態は、本発明を車両用の内燃機関に適用した例であるが、これに限定されることなく、他の産業用機械、例えば、クランク軸を鉛直方向に配置した船外機などのような船舶推進機用の内燃機関にも適用可能である。その他、細部の構成を、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 制御装置
２ ＥＣＵ（運転状態判定手段、パティキュレート堆積量算出手段、出力制 限手段、第１堆積量算出手段、パティキュレート流入量算出手 段、パティキュレート流出量算出手段、第２堆積量算出手段、 上限温度設定手段）
３ 内燃機関
１４ ＤＰＦ（フィルタ）
１６ａ フィルタ壁（フィルタの壁）
２２ ＤＰＦ温度センサ（フィルタ温度検出手段）
２３ 差圧センサ（圧力損失検出手段）
ＱＰＭ ＰＭ堆積量（パティキュレート堆積量）
ＴＤＰＦ ＤＰＦ温度（フィルタ温度）
ＤＰ 差圧（圧力損失）
ＱＰＭ１ 第１堆積量
ＱＰＭＩＮ ＰＭ流入量
ＱＰＭＯＵＴ ＰＭ流出量
ΔＱＰＭ２ 堆積量差分（パティキュレート流入量とパティキュレート流出量との 差）
ＱＰＭ２ 第２堆積量
ＴＤＰＦＬＭＴ 耐熱限界温度
ＴＬＭＴ 上限温度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、特にディーゼルエンジンから排出された排ガス中のパティキュレートを捕捉するフィルタを有する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の内燃機関の制御装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この内燃機関は、排気管に設けられ、排ガス中のパティキュレート（以下「ＰＭ」という）を捕捉するＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）と、排ガスの一部を吸気管に還流させる、ＥＧＲ制御弁を有するＥＧＲ装置と、排気管のＤＰＦよりも下流側に設けられ、排ガスの流量を調整する排気絞り弁などを備えている。
【０００３】
この制御装置では、内燃機関が高負荷運転状態からアイドル運転状態または無負荷運転状態に切り換えられた後、ＤＰＦの温度が所定温度よりも低い場合、またはＤＰＦのパティキュレート堆積量（以下「ＰＭ堆積量」という）が所定量よりも小さい場合には、ＥＧＲ制御弁を開弁するとともに、排気絞り弁を閉弁する。これにより、排気絞り弁を介してＤＰＦに流入する排ガスの流量および排ガス中の酸素量が低減されることによって、ＤＰＦ内におけるＰＭの燃焼が抑制され、ＤＰＦの過昇温が防止される。
【０００４】
一方、ＤＰＦの温度が所定温度以上で、かつＤＰＦのＰＭ堆積量が所定量以上の場合には、ＥＧＲ制御弁を閉弁するとともに、排気絞り弁を開弁する。これにより、排ガスが、ＥＧＲ通路を還流することなく、すべて排気絞り弁を通過することによって、ＤＰＦに流入する排ガスの流量が十分に確保される。その結果、ＤＰＦから排ガスによって持ち去られる熱量が多くなることによって、ＤＰＦの過昇温が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許３９５９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した従来の内燃機関の制御装置では、長時間の高負荷運転により、ＤＰＦ温度が所定温度を大幅に上回っているような場合には、ＥＧＲ制御弁および排気絞り弁の制御により、排ガス中の酸素量の低減または排ガス流量の確保を図ったとしても、それらには限界があり、ＤＰＦの過昇温を確実に防止することができない。このようなＤＰＦの過昇温を防止するために、例えばＤＰＦのＰＭ堆積量を制限した場合には、燃料のポスト噴射などによるＤＰＦの再生動作を頻繁に行うことが必要になり、燃費の悪化やオイルダイリュージョンを招く。また、ＥＧＲ制御弁を閉弁した場合には、排ガス中のＮＯｘなどの有害物質の排出量が増加し、排ガス特性の悪化を招く。
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、燃費や排ガス特性を良好に維持しながら、アイドル運転状態または無負荷運転状態への移行後におけるフィルタの過昇温を防止でき、それにより、フィルタの劣化および破損を確実に防止することができる内燃機関の制御装置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】
【０００８】
この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関３から排出された排ガス中のパティキュレートを捕捉するフィルタ（実施形態における（以下、本項において同じ）ＤＰＦ１４）を有する内燃機関の制御装置であって、内燃機関３の運転状態を判定する運転状態判定手段（ＥＣＵ２、ステップ１）と、フィルタに堆積したパティキュレートの堆積量を、パティキュレート堆積量ＱＰＭとして算出するパティキュレート堆積量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ２）と、フィルタの温度ＴＤＰＦを検出するフィルタ温度検出手段（ＤＰＦ温度センサ２２）と、判定された内燃機関３の運転状態が通常運転状態からアイドル運転状態または無負荷運転状態に移行した後のフィルタの過昇温を防止するために、通常運転状態において、算出されたパティキュレート堆積量ＱＰＭおよび検出されたフィルタの温度ＴＤＰＦに応じて、内燃機関３の出力をあらかじめ制限する出力制限手段（ＥＣＵ２、インジェクタ６、ＥＧＲ制御弁１２ｂ、ステップ６）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この内燃機関の制御装置によれば、内燃機関から排出された排ガス中のＰＭ（パティキュレート）をフィルタが捕捉することにより、排ガスが浄化される。また、フィルタに堆積したＰＭ堆積量を算出するとともに、通常運転状態において、このフィルタのＰＭ堆積量と検出されたフィルタの温度に応じて、内燃機関の出力が制限される。
【００１０】
後述するように、内燃機関が通常運転状態からアイドル運転状態または無負荷運転状態（以下「アイドル運転状態など」という）に移行した後に、フィルタが昇温されることにより到達する最高到達温度は、アイドル運転状態などへの移行時におけるフィルタのＰＭ堆積量およびフィルタの温度によって変化し、ＰＭ堆積量が大きいほど、またフィルタの温度が高いほど、より高くなるという特性がある。このような特性に基づき、本発明によれば、通常運転状態において、フィルタのＰＭ堆積量および温度に応じて内燃機関の出力をあらかじめ制限するので、その後のアイドル運転状態などにおけるフィルタの過昇温を防止でき、それにより、フィルタの劣化および破損を確実に防止することができる。
【００１１】
また、このようにアイドル運転状態などにおけるフィルタの過昇温が防止される結果、同じ目的のために従来行われていた、フィルタのＰＭ堆積量の制限およびＥＧＲ制御弁の閉弁は不要になるため、燃費や排ガス特性を良好に維持することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、パティキュレート堆積量算出手段は、フィルタの上流側と下流側との間の排ガスの圧力の損失ＤＰを検出する圧力損失検出手段（差圧センサ２３）と、検出された圧力損失ＤＰに基づいて、パティキュレート堆積量を第１堆積量ＱＰＭ１として算出する第１堆積量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１０）と、フィルタに流入するパティキュレートの流入量ＱＰＭＩＮを算出するパティキュレート流入量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１１）と、フィルタから流出するパティキュレートの流出量ＱＰＭＯＵＴを算出するパティキュレート流出量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１２）と、算出されたパティキュレート流入量ＱＰＭＩＮと算出されたパティキュレート流出量ＱＰＭＯＵＴとの差ΔＱＰＭ２に基づいて、パティキュレート堆積量を第２堆積量ＱＰＭ２として算出する第２堆積量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１３，１４）と、を有し、算出された第１堆積量ＱＰＭ１および第２堆積量ＱＰＭ２のうちのより大きなものを、パティキュレート堆積量ＱＰＭとして算出する（ステップ１５〜１７）ことを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、検出されたフィルタの上流側と下流側との間の排ガスの圧力損失に基づくフィルタのＰＭ堆積量を、第１堆積量として算出する。また、フィルタに流入するＰＭ流入量と、フィルタから流出するＰＭ流出量をそれぞれ算出するとともに、両者の差に基づくＰＭ堆積量を第２堆積量として算出する。そして、算出されたこれらの第１および第２堆積量のうちのより大きなものを、フィルタのＰＭ堆積量として算出する。
【００１４】
以上のようにして算出される第１および第２堆積量を比較すると、排ガスの圧力損失に基づく第１堆積量は、フィルタにおけるＰＭの実際の堆積状態を直接的に反映するため、一般により高い精度で算出される一方で、例えば排気系の破損などが生じた場合には、圧力損失がＰＭの実際の堆積状態を良好に反映しなくなるため、算出精度が低下する。また、前述したように、アイドル運転状態などにおけるフィルタの最高到達温度は、移行時のＰＭ堆積量が大きいほど高くなる。以上から、本発明によれば、互いに異なる手法で算出された第１および第２堆積量のうちのより大きい方、すなわち、フィルタの過昇温を防止する上でより安全側のものを、ＰＭ堆積量として採用するので、フィルタの過昇温をより確実に防止することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、出力制限手段は、パティキュレート堆積量ＱＰＭに基づいて、内燃機関３がアイドル運転状態または無負荷運転状態に移行した後にフィルタの温度ＴＤＰＦがフィルタの所定の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴを超えないような上限温度ＴＬＭＴを設定する上限温度設定手段（ＥＣＵ２、ステップ４）を有し、通常運転状態において、フィルタの温度ＴＤＰＦが設定された上限温度ＴＬＭＴを超えないように、内燃機関３の出力を制限する（ステップ６）ことを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、ＰＭ堆積量に基づいて、フィルタの上限温度を設定するとともに、通常運転状態において、フィルタの温度が設定された上限温度を超えないように、内燃機関の出力を制限する。これにより、内燃機関がアイドル運転状態などに移行した後に、フィルタの温度がフィルタの所定の耐熱限界温度を超えることがなくなるので、フィルタの劣化および破損をさらに確実に防止することができる。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項２または３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、フィルタの壁の厚さＴＦは０．２５４ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
一般に、フィルタに捕捉されたＰＭは、フィルタの壁の表面および内部に堆積する。この場合、ＰＭがフィルタの壁の表面にのみ堆積した状態では、排ガスの圧力損失は、壁の厚さにかかわらずほぼ一定である。これに対し、ＰＭがフィルタの壁の表面および内部に堆積した状態では、図１０に示すように、圧力損失のばらつきΔＤＰは、フィルタの壁の厚さＴＦが大きいほど、より大きくなり、特に壁の厚さＴＦが０．２５４ｍｍ（＝１０ｍｉｌ）よりも大きくなると、増大することが確認された。本発明によれば、フィルタの壁の厚さが０．２５４ｍｍ以下であるので、ばらつきの小さい状態で検出された排ガスの圧力損失に基づいて第１堆積量を算出でき、それにより、第１堆積量の算出精度、ひいてはフィルタのＰＭ堆積量の算出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を適用した内燃機関の構成を概略的に示す図である。
【図２】制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】ＤＰＦの構成を示す斜視図である。
【図４】セグメントの構成を概略的に示す断面図である。
【図５】内燃機関の出力制限処理を示すフローチャートである。
【図６】上限温度を設定するためのマップである。
【図７】図６において設定された上限温度を説明するためのマップである。
【図８】パティキュレート堆積量の算出処理を示すフローチャートである。
【図９】実施形態による制御結果を比較例とともに示す図である。
【図１０】フィルタの壁の厚さと圧力損失のばらつきとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。図１に示すように、本発明の制御装置１を適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３は、車両（図示せず）に搭載された、例えば４気筒（１つのみ図示）のディーゼルエンジンである。
【００２１】
エンジン３は、気筒ごとにピストン３ａとシリンダヘッド３ｂを備えており、これらのピストン３ａとシリンダヘッド３ｂによって燃焼室３ｃが形成されている。シリンダヘッド３ｂには、吸気管４および排気管５がそれぞれ接続されるとともに、燃焼室３ｃに臨むように燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６が取り付けられている。
【００２２】
インジェクタ６は、燃焼室３ｃの天壁の中央に配置されており、コモンレールを介して高圧ポンプ（いずれも図示せず）に接続されている。高圧ポンプは、後述するＥＣＵ２による制御によって、燃料タンク（図示せず）の燃料を、高圧に昇圧した後、コモンレールを介してインジェクタ６に送り、インジェクタ６はこの燃料を燃焼室３ｃに噴射する。インジェクタ６の燃料噴射の時間（以下「燃料噴射量」という）ＱＩＮＪおよびタイミングは、ＥＣＵ２からの駆動信号によって制御される（図２参照）。
【００２３】
また、エンジン３のクランク軸３ｄには、マグネットロータ２０ａおよびＭＲＥピックアップ２０ｂから成る、クランク角センサ２０が設けられている。クランク角センサ２０は、クランク軸３ｄの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する（図２参照）。
【００２４】
ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、各気筒においてピストン３ａが吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。
【００２５】
また、エンジン３には、ＥＧＲ管１２ａおよびＥＧＲ制御弁１２ｂを有するＥＧＲ装置１２が設けられている。ＥＧＲ管１２ａは、吸気管４と排気管５をつなぐように接続されている。このＥＧＲ管１２ａを介して、エンジン３の排ガスの一部が吸気管４に還流し、それにより、エンジン３の燃焼室３ｃ内の燃焼温度が低下することで、排ガス中のＮＯｘが減少する。
【００２６】
ＥＧＲ制御弁１２ｂは、ＥＧＲ管１２ａに取り付けられており、リニア電磁弁で構成され、そのバルブリフト量がＥＣＵ２からの駆動信号に応じてリニアに変化する。ＥＣＵ２は、ＥＧＲ制御弁１２ｂのバルブリフト量を制御することにより、ＥＧＲ管１２ａを介して吸気管４に還流する排ガスの量であるＥＧＲ量を制御する（図２参照）。
【００２７】
また、吸気管４のＥＧＲ管１２ａよりも上流側には、エアフローセンサ２１が設けられている。このエアフローセンサ２１は、吸入空気量ＧＡＩＲを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する（図２参照）。
【００２８】
また、排気管５には、上流側から順に、触媒装置１３およびＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）１４が設けられている。この触媒装置１３は、ＮＯｘ触媒と酸化触媒（いずれも図示せず）を組み合わせたものである。このＮＯｘ触媒は、エンジン３に供給される混合気の空燃比がリーンのときに、排ガス中のＮＯｘを吸着し、排ガスを浄化するとともに、空燃比がリッチのときに、吸着したＮＯｘを還元するという特性を有する。また、上記の酸化触媒は、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化し、排ガスを浄化する。
【００２９】
ＤＰＦ１４は、排ガス中のＰＭを捕捉し、排ガスを浄化するものである。図３に示すように、ＤＰＦ１４は、ケース１５と、このケース１５に取り付けられた複数のセグメント１６を備えている。ケース１５は、排気管５の長さ方向に延びる円筒状の本体部１５ａと、この本体部１５ａ部の内側に設けられた格子状の仕切壁１５ｂを有している。この仕切壁１５ｂで仕切られた各空間には、本体部１５ａとほぼ同じ長さの角柱状のセグメント１６がはめ込まれ、取り付けられている。
【００３０】
各セグメント１６は、ＰＭを捕捉するためのフィルタ壁１６ａを有している（図４参照）。このフィルタ壁１６ａは、例えばコージェライトなどの多孔質セラミックで構成され、その厚さＴＦは、例えば０．２５４ｍｍ（１０ｍｉｌ）である。また、フィルタ壁１６ａは、格子状に配置されるとともに、同図に示すように、セグメント１６の長さ方向に連続的に延びていて、このフィルタ壁１６ａで仕切られた各空間に、排ガスが流れる排ガス通路１６ｂが形成されている。
【００３１】
また、各排ガス通路１６ｂの上流側および下流側の端部には、それらを塞ぐように目封じ１６ｃが設けられている。これらの目封じ１６ｃは、複数の排ガス通路１６ｂに対し、上流側端部および下流側端部のいずれにおいても、千鳥状に配置されており（図３参照）、また、図４に示すように、各排ガス通路１６ｂの上流側端部および下流側端部の一方にのみ設けられている。具体的には、目封じ１６ｃは、各排ガス通路１６ｂにおいて、上流側端部に設けられている場合には、下流側端部には設けられておらず、逆に、上流側端部に設けられていない場合には、下流側端部に設けられている。
【００３２】
以上の構成のＤＰＦ１４によれば、図４に示すように、排ガスは、ＤＰＦ１４の目封じ１６ｃが設けられていない上流側端部から排ガス通路１６ｂに流入する。その排ガス通路１６ｂの下流側端部には目封じ１６ｃが設けられているため、その後、排ガスは、フィルタ壁１６ａの細孔を通って隣りの排ガス通路１６ｂに流入した後、目封じ１６ｃが設けられていない下流側端部から排気管５に流出する。以上のように排ガスがフィルタ壁１６ａを通過する際に、排ガス中のＰＭがフィルタ壁１６ａの表面および内部に捕捉され、それにより、排ガスが浄化される。
【００３３】
図１に示すように、ＤＰＦ１４には、ＤＰＦ温度センサ２２が設けられている。このＤＰＦ温度センサ２２は、ＤＰＦ１４の温度（以下「ＤＰＦ温度」という）ＴＤＰＦを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する（図２参照）。
【００３４】
また、排気管５には、触媒装置１３とＤＰＦ１４の間とＤＰＦ１４の下流側に接続された圧力導入路５ａが設けられており、この圧力導入通路５ａには差圧センサ２３が設けられている。差圧センサ２３は、排気管５内のＤＰＦ１４よりも上流側と下流側との間の排ガスの圧力の差（以下「差圧」という）ＤＰを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する（図２参照）。ＤＰＦ１４に堆積したＰＭの堆積量（以下「ＰＭ堆積量」という）が大きいほど、ＤＰＦ１４の通気抵抗が増大することによって、差圧ＤＰがより大きくなるので、差圧ＤＰはＰＭ堆積量を良好に反映する。
【００３５】
ＥＣＵ２は、本実施形態において、運転状態判定手段、パティキュレート堆積量算出手段、出力制限手段、第１堆積量算出手段、パティキュレート流入量算出手段、パティキュレート流出量算出手段、第２堆積量算出手段および上限温度設定手段を構成するものであり、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、および入出力インターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。前述した各種のセンサ２０〜２３からの検出信号は、入力インターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。ＣＰＵは、入力されたこれらの検出信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、以下に述べるような、エンジン３の制御を実行する。
【００３６】
図５は、エンジン３の出力制限処理を示すフローチャートである。本処理は、エンジン３がアイドル運転状態以外の通常運転状態（以下「通常運転状態」という）からアイドル運転状態に移行した後のＤＰＦ１４の過昇温を防止するために、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦおよびＤＰＦ１４のＰＭ堆積量ＱＰＭに応じて、エンジン３の出力を制限するものであり、所定時間ごとに実行される。
【００３７】
まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、通常運転フラグＦ＿ＯＰＮＮが「１」であるか否かを判別する。この通常運転フラグＦ＿ＯＰＮＮは、エンジン３が通常運転状態のときに「１」にセットされるものである。このステップ１の答がＮＯで、エンジン３がアイドル運転状態のときには、本処理を終了する。このステップ１の答がＹＥＳで、エンジン３が通常運転状態のときには、ＰＭ堆積量ＱＰＭを算出する（ステップ２）。その算出方法については後述する。
【００３８】
次に、ステップ２で算出されたＰＭ堆積量ＱＰＭに応じ、図６に示すマップを検索することによって、通常運転状態におけるＤＰＦ１４の上限温度ＴＬＭＴを設定する（ステップ３）。このマップでは、上限温度ＴＬＭＴは、ＰＭ堆積量ＱＰＭが大きいほど、より低い値に設定されている。このマップは、以下のようにして設定されたものである。
【００３９】
図７は、エンジン３の通常運転状態からアイドル運転状態への移行時におけるＤＰＦ温度（以下「移行時温度」という）ＴＤＰＦＴＲＴと、その移行後のアイドル運転状態においてＤＰＦ１４が昇温され、到達する最高温度（以下「最高到達温度」という）ＴＭＡＸとの関係を、２つのＰＭ堆積量ＱＰＭＡおよびＱＰＭＢ（ＱＰＭＡ＜ＱＰＭＢ）について示したものである。同図に示すように、移行時温度ＴＤＰＦＴＲＴが同じ場合、最高到達温度ＴＭＡＸは、ＰＭ堆積量ＱＰＭが大きいほど、より高い値になっている。これは、ＰＭ堆積量ＱＰＭが大きいほど、移行後のアイドル運転状態において燃焼するＰＭ量が大きくなり、それに応じてＤＰＦ１４に発生する熱量が大きくなるためである。
【００４０】
また、ＰＭ堆積量ＱＰＭが一定の場合、最高到達温度ＴＭＡＸは、移行時温度ＴＤＰＦＴＲＴが高くなるにつれて、リニアに上昇する。これは、移行時温度ＴＤＰＦＴＲＴが高いほど、初期温度が高いとともに、ＰＭの燃焼が促進され、それによりＤＰＦ１４に発生する熱量が大きくなるためである。
【００４１】
また、図７中のＴＤＰＦＬＭＴはＤＰＦ１４の耐熱限界温度を示しており、上述した関係から、移行時温度ＴＤＰＦＴＲＴがこの耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴに対応する温度を超えないようにすることによって、最高到達温度ＴＭＡＸを、ＤＰＦ１４の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴを超えないように制御することが可能になる。このような観点から、図６のマップは、耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴに対応する移行時温度ＴＤＰＦＴＲＴを、様々なＰＭ堆積量ＱＰＭに対して実験によって求め、上限温度ＴＬＭＴとして表したものである。
【００４２】
図５に戻り、前記ステップ３に続くステップ４では、上限温度ＴＬＭＴと所定温度ΔＴ（例えば２０〜３０℃）との差（ＴＬＭＴ−ΔＴ）を、基準温度ＴＲＥＦとして算出する。次に、検出されたＤＰＦ温度ＴＤＰＦが、基準温度ＴＲＥＦよりも高いか否かを判別する（ステップ５）。このステップの答がＮＯで、ＴＤＰＦ≦ＴＲＥＦのときには、本処理を終了する。一方、ステップ５の答がＹＥＳで、ＴＤＰＦ＞ＴＲＥＦのときには、エンジン３の出力を制限し（ステップ６）、その後、本処理を終了する。
【００４３】
ここで、このエンジン３の出力の制限は、例えば、エンジン３の運転状態に応じて設定された燃料噴射量ＱＩＮＪを減少させるとともに、ＥＧＲ制御弁１２ｂのバルブリフト量を増大させ、ＥＧＲ量を増加させることにより、吸入空気量ＧＡＩＲを減少させることによって行われる。それにより、エンジン３から排出される熱量が減少することによって、ＤＰＦ１４に発生する熱量が減少する。その結果、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦの温度の上昇が抑制され、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが上限温度ＴＬＭＴを超えないように制限される。
【００４４】
図８は、図５のステップ２で実行されるＰＭ堆積量ＱＰＭの算出サブルーチンを示す。まず、ステップ１０において、第１堆積量ＱＰＭ１を算出する。具体的には、第１堆積量ＱＰＭ１は、差圧センサ２３により検出された差圧ＤＰと、燃料噴射量ＱＩＮＪおよび吸入空気量ＧＡＩＲから算出された排ガス流量とに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。
【００４５】
次に、ＤＰＦ１４に流入するＰＭの流入量（以下「ＰＭ流入量」という）ＱＰＭＩＮを算出する（ステップ１１）。このＰＭ流入量ＱＰＭＩＮは、エンジン３におけるＰＭの発生量に相当し、具体的には、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量ＱＩＮＪに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。
【００４６】
次に、ＤＰＦ１４から流出するＰＭの流出量（以下「ＰＭ流出量」という）ＱＰＭＯＵＴを算出する（ステップ１２）。このＰＭ流出量ＱＰＭＯＵＴは、ＤＰＦ１４におけるＰＭの再生量に相当し、具体的には、エンジン回転数ＮＥ、燃料噴射量ＱＩＮＪおよびＤＰＦ温度ＴＤＰＦに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。
【００４７】
次に、ＰＭ流入量ＱＰＭＩＮとＰＭ流出量ＱＰＭＯＵＴとの差（ＱＰＭＩＮ−ＱＰＭＯＵＴ）を、堆積量差分ΔＱＰＭ２として算出する（ステップ１３）。次のステップ１４では、前回の第２堆積量ＱＰＭ２に堆積量差分ΔＱＰＭ２を加算した値（ＱＰＭ２＋ΔＱＰＭ２）を、今回の第２堆積量ＱＰＭ２として算出する。
【００４８】
次に、ステップ１０で算出された第１堆積量ＱＰＭ１が、第２堆積量ＱＰＭ２よりも大きいか否かを判別する（ステップ１５）。この答がＹＥＳで、ＱＰＭ１＞ＱＰＭ２のときには、第１堆積量ＱＰＭ１をＰＭ堆積量ＱＰＭとして設定し（ステップ１６）、本処理を終了する。一方、上記ステップ１５の答がＮＯで、ＱＰＭ１≦ＱＰＭ２のときには、第２堆積量ＱＰＭ２をＰＭ堆積量ＱＰＭとして設定し（ステップ１７）、本処理を終了する。以上のように、このＰＭ堆積量ＱＰＭの算出処理では、排ガスの差圧ＤＰなどに基づいて第１堆積量ＱＰＭ１を算出し、ＰＭ流入量ＱＰＭＩＮおよびＰＭ流出量ＱＰＭＯＵＴなどに基づいて第２堆積量ＱＰＭ２を算出するとともに、これらの第１および第２堆積量ＱＰＭ１，ＱＰＭ２のうち、より大きいものがＰＭ堆積量ＱＰＭとして算出される。
【００４９】
図９は、本実施形態による制御によって得られたアイドル運転状態への移行後におけるＤＰＦ１４の最高到達温度ＴＭＡＸを比較例とともに示したものである。この実施形態は、通常運転状態において、上限温度ＴＬＭＴを６００℃として出力制限処理を行った後、ＤＰＦ１４に所定量のＰＭが堆積した状態で、アイドル運転状態（ＥＧＲ併用、アイドル回転数＝８２０ＲＰＭ）に移行させたものである。これに対し、比較例は、通常運転状態において、この出力制限処理を行わず、ＤＰＦ１４が６４０℃の状態から、アイドル運転状態に移行したものであり、他の条件は互いに同じである。
【００５０】
その結果、実施形態では、アイドル運転状態への移行後において、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが上限温度ＴＬＭＴからわずかに上昇しているだけで、最高到達温度ＴＭＡＸは、ＤＰＦ１４の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴ（例えば８５０〜９００℃）を下回っている。これに対し、比較例では、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが移行時の温度から大きく上昇し、最高到達温度ＴＭＡＸが耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴを大きく超えている。以上から、実施形態の出力制限処理により、最高到達温度ＴＭＡＸを、ＤＰＦ１４の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴを超えないように制御できることが確認された。なお、例示した上記の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴは、ＤＰＦ１４の実際の耐熱限界温度よりも低く設定されている。これは、ＤＰＦ１４の上流側に設けられた触媒装置１３の耐熱限界温度が、触媒装置１３の材料などによって変化するものの、この例ではＤＰＦ１４の実際の耐熱限界温度よりも低いためである。このため、上記のＤＰＦ１４の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴは、触媒装置１３の劣化防止の観点から、触媒装置１３の耐熱限界温度に合わせたより低い値に設定されている。
【００５１】
以上のように、本実施形態の制御装置１によれば、通常運転状態においてＤＰＦ１４のＰＭ堆積量ＱＰＭおよびＤＰＦ温度ＴＤＰＦに応じてエンジン３の出力をあらかじめ制限するので、その後のアイドル運転状態におけるＤＰＦ１４の過昇温を防止でき、それにより、ＤＰＦ１４の劣化および破損を確実に防止することができる。また、このようにアイドル運転状態におけるＤＰＦ１４の過昇温が防止される結果、同じ目的のために従来行われていた、ＰＭ堆積量ＱＰＭの制限およびＥＧＲ制御弁の閉弁は不要になるため、燃費や排ガス特性を良好に維持することができる。
【００５２】
また、前述したようにして互いに異なる手法で算出された第１および第２堆積量ＱＰＭ１，ＱＰＭ２のうちのより大きいもの、すなわち、ＤＰＦ１４の過昇温を防止する上でより安全側のものを、ＰＭ堆積量ＱＰＭとして採用するので、ＤＰＦ１４の過昇温をより確実に防止することができる。
【００５３】
また、通常運転状態において、ＰＭ堆積量ＱＰＭに基づいて、ＤＰＦ１４の上限温度ＴＬＭＴを設定するとともに、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦが上限温度ＴＬＭＴを超えないように、エンジン３の出力を制限する。これにより、エンジン３が通常運転状態からアイドル運転状態に移行した後に、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦがＤＰＦ１４の所定の耐熱限界温度ＴＤＰＦＬＭＴを超えることがなくなるので、ＤＰＦ１４の劣化および破損をさらに確実に防止することができる。
【００５４】
また、ＤＰＦ１４のフィルタ壁１６ａの厚さＴＦが０．２５４ｍｍ（１０ｍｉｌ）であるので、ばらつきの小さい状態で検出された排ガスの差圧ＤＰに基づいて第１堆積量ＱＰＭ１を算出でき、それにより、第１堆積量ＱＰＭ１の算出精度、ひいてはＤＰＦ１４のＰＭ堆積量ＱＰＭの算出精度を向上させることができる。
【００５５】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、本実施形態は、ＤＰＦ１４の過昇温を防止するための制御を、通常運転状態からアイドル運転状態への移行後を対象として行っているが、通常運転状態から無負荷運転状態への移行後を対象としてもよい。
【００５６】
また、実施形態では、出力の制限を、燃料噴射量ＱＩＮＪの減少とＥＧＲ量の増加による吸入空気量ＧＡＩＲの減少とによって、行っているが、例えば、点火時期を遅角側に制御することによって行ってもよい。また、実施形態では、ＤＰＦ温度ＴＤＰＦをＤＰＦ温度センサ２２によって検出しているが、例えば、ＤＰＦ１４の上流側および下流側の排ガス温度を検出し、その検出結果から推測してもよい。
【００５７】
さらに、本実施形態は、本発明を車両用の内燃機関に適用した例であるが、これに限定されることなく、他の産業用機械、例えば、クランク軸を鉛直方向に配置した船外機などのような船舶推進機用の内燃機関にも適用可能である。その他、細部の構成を、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 制御装置
２ ＥＣＵ（運転状態判定手段、パティキュレート堆積量算出手段、出力制 限手段、第１堆積量算出手段、パティキュレート流入量算出手 段、パティキュレート流出量算出手段、第２堆積量算出手段、 上限温度設定手段）
３ 内燃機関
１４ ＤＰＦ（フィルタ）
１６ａ フィルタ壁（フィルタの壁）
２２ ＤＰＦ温度センサ（フィルタ温度検出手段）
２３ 差圧センサ（圧力損失検出手段）
ＱＰＭ ＰＭ堆積量（パティキュレート堆積量）
ＴＤＰＦ ＤＰＦ温度（フィルタ温度）
ＤＰ 差圧（圧力損失）
ＱＰＭ１ 第１堆積量
ＱＰＭＩＮ ＰＭ流入量
ＱＰＭＯＵＴ ＰＭ流出量
ΔＱＰＭ２ 堆積量差分（パティキュレート流入量とパティキュレート流出量との 差）
ＱＰＭ２ 第２堆積量
ＴＤＰＦＬＭＴ 耐熱限界温度
ＴＬＭＴ 上限温度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排ガス中のパティキュレートを捕捉するフィルタを有する内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の運転状態を判定する運転状態判定手段と、
前記フィルタに堆積したパティキュレートの堆積量を、パティキュレート堆積量として算出するパティキュレート堆積量算出手段と、
前記フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段と、
前記判定された前記内燃機関の運転状態が通常運転状態からアイドル運転状態または無負荷運転状態に移行した後の前記フィルタの過昇温を防止するために、前記通常運転状態において、前記算出された前記パティキュレート堆積量および前記検出されたフィルタの温度に応じて、前記内燃機関の出力をあらかじめ制限する出力制限手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記パティキュレート堆積量算出手段は、
前記フィルタの上流側と下流側との間の排ガスの圧力の損失を検出する圧力損失検出手段と、
当該検出された圧力損失に基づいて、前記パティキュレート堆積量を第１堆積量として算出する第１堆積量算出手段と、
前記フィルタに流入するパティキュレートの流入量を算出するパティキュレート流入量算出手段と、
前記フィルタから流出するパティキュレートの流出量を算出するパティキュレート流出量算出手段と、
前記算出されたパティキュレート流入量と前記算出されたパティキュレート流出量との差に基づいて、前記パティキュレート堆積量を第２堆積量として算出する第２堆積量算出手段と、を有し、
前記算出された第１堆積量および第２堆積量のうちのより大きなものを、前記パティキュレート堆積量として算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記出力制限手段は、
前記パティキュレート堆積量に基づいて、前記内燃機関が前記アイドル運転状態または前記無負荷運転状態に移行した後に前記フィルタの温度が当該フィルタの所定の耐熱限界温度を超えないような上限温度を設定する上限温度設定手段を有し、
前記通常運転状態において、前記フィルタの温度が前記設定された上限温度を超えないように、前記内燃機関の出力を制限することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記フィルタの壁の厚さは０．２５４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１】
内燃機関から排出された排ガス中のパティキュレートを捕捉するフィルタを有する内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の運転状態を判定する運転状態判定手段と、
前記フィルタに堆積したパティキュレートの堆積量を、パティキュレート堆積量として算出するパティキュレート堆積量算出手段と、
前記フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段と、
前記判定された前記内燃機関の運転状態が通常運転状態からアイドル運転状態または無負荷運転状態に移行した後の前記フィルタの過昇温を防止するために、前記通常運転状態において、前記算出された前記パティキュレート堆積量および前記検出されたフィルタの温度に応じて、前記内燃機関の出力をあらかじめ制限する出力制限手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記パティキュレート堆積量算出手段は、
前記フィルタの上流側と下流側との間の排ガスの圧力の損失を検出する圧力損失検出手段と、
当該検出された圧力損失に基づいて、前記パティキュレート堆積量を第１堆積量として算出する第１堆積量算出手段と、
前記フィルタに流入するパティキュレートの流入量を算出するパティキュレート流入量算出手段と、
前記フィルタから流出するパティキュレートの流出量を算出するパティキュレート流出量算出手段と、
前記算出されたパティキュレート流入量と前記算出されたパティキュレート流出量との差に基づいて、前記パティキュレート堆積量を第２堆積量として算出する第２堆積量算出手段と、を有し、
前記算出された第１堆積量および第２堆積量のうちのより大きなものを、前記パティキュレート堆積量として算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記出力制限手段は、
前記パティキュレート堆積量に基づいて、前記内燃機関が前記アイドル運転状態または前記無負荷運転状態に移行した後に前記フィルタの温度が当該フィルタの所定の耐熱限界温度を超えないような上限温度を設定する上限温度設定手段を有し、
前記通常運転状態において、前記フィルタの温度が前記設定された上限温度を超えないように、前記内燃機関の出力を制限することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記フィルタの壁の厚さは０．２５４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２４２６３９（Ｐ２０１０−２４２６３９Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９２９３７（Ｐ２００９−９２９３７）
【出願日】平成２１年４月７日（２００９．４．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月７日（２００９．４．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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