特開 2022-187333 ＰＭ燃焼量算出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022187333

(43)【公開日】2022-12-19

(54)【発明の名称】ＰＭ燃焼量算出装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/023 20060101AFI20221212BHJP

   F02D 45/00 20060101ALI20221212BHJP

【ＦＩ】

F01N3/023 K ZAB

F02D45/00 360Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021095316

(22)【出願日】2021-06-07

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】阿久津 知一

(72)【発明者】

【氏名】井下 憲二

(72)【発明者】

【氏名】生田 英二

【テーマコード（参考）】

3G190

3G384

【Ｆターム（参考）】

3G190BA05

3G190CB13

3G190CB18

3G190CB24

3G190EA01

3G190EA32

3G190EA42

3G384BA34

3G384DA14

3G384ED11

3G384FA01Z

3G384FA40Z

3G384FA56Z

3G384FA58Z

(57)【要約】

【課題】ＰＭの燃焼量の算出精度の低下を抑制したＰＭ燃焼量算出装置を提供することを課題とする。
【解決手段】内燃機関から排出された排気中のＰＭを捕集するフィルタに堆積した前記ＰＭの堆積量の増加速度及び減少速度をそれぞれ算出する速度算出部と、前記増加速度が大きいほどカウントアップ量を大きくし、前記減少速度が大きいほどカウントダウン量を大きくして、カウンタ値を算出するカウンタ値算出部と、前記減少速度に基づいて前記フィルタに堆積した前記ＰＭのベース燃焼量を算出するベース燃焼量算出部と、前記カウンタ値が大きいほど、前記ベース燃焼量を小さな値に補正して前記ＰＭの燃焼量として算出する燃焼量算出部と、を備えたＰＭ燃焼量算出装置。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関から排出された排気中のＰＭを捕集するフィルタに堆積した前記ＰＭの堆積量の増加速度及び減少速度をそれぞれ算出する速度算出部と、
前記増加速度が大きいほどカウントアップ量を大きくし、前記減少速度が大きいほどカウントダウン量を大きくして、カウンタ値を算出するカウンタ値算出部と、
前記減少速度に基づいて前記フィルタに堆積した前記ＰＭのベース燃焼量を算出するベース燃焼量算出部と、
前記カウンタ値が大きいほど、前記ベース燃焼量を小さな値に補正して前記ＰＭの燃焼量として算出する燃焼量算出部と、を備えたＰＭ燃焼量算出装置。

【請求項2】

前記カウンタ値算出部は、前記増加速度の大きさと前記減少速度の大きさとが同じ場合には、前記カウントアップ量よりも前記カウントダウン量の方が大きくなるようにして前記カウンタ値を算出する、請求項１のＰＭ燃焼量算出装置。

【請求項3】

前記内燃機関の吸入空気量を取得する取得部を備え、
前記燃焼量算出部は、前記吸入空気量が大きいほど、前記ベース燃焼量を大きな値に補正して前記ＰＭの燃焼量として算出する、請求項１又は２のＰＭ燃焼量算出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＰＭ燃焼量算出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関から排出された排気中のＰＭ（Particulate Matter:粒子状物質）を捕集するフィルタに堆積したＰＭの燃焼量を、フィルタでのＰＭの堆積量や吸入空気量、フィルタ温度に基づいて算出する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１６７９４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えばフィルタの前端面に堆積したＰＭの密度が高い場合には、フィルタの中腹部から後端面にかけて酸素が十分に拡散することができずに、ＰＭの燃焼が不十分となるおそれがある。上記の技術では、このようなフィルタの前端面でのＰＭの密度が反映されないため、ＰＭの燃焼量を算出精度が低下するおそれがある。

【0005】

そこで本発明は、ＰＭの燃焼量の算出精度の低下を抑制したＰＭ燃焼量算出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】

【0006】

上記目的は、内燃機関から排出された排気中のＰＭを捕集するフィルタに堆積した前記ＰＭの堆積量の増加速度及び減少速度をそれぞれ算出する速度算出部と、前記増加速度が大きいほどカウントアップ量を大きくし、前記減少速度が大きいほどカウントダウン量を大きくして、カウンタ値を算出するカウンタ値算出部と、前記減少速度に基づいて前記フィルタに堆積した前記ＰＭのベース燃焼量を算出するベース燃焼量算出部と、前記カウンタ値が大きいほど、前記ベース燃焼量を小さな値に補正して前記ＰＭの燃焼量として算出する燃焼量算出部と、を備えたＰＭ燃焼量算出装置によって達成できる。

【0007】

前記カウンタ値算出部は、前記増加速度の大きさと前記減少速度の大きさとが同じ場合には、前記カウントアップ量よりも前記カウントダウン量の方が大きくなるようにして前記カウンタ値を算出してもよい。

【0008】

前記内燃機関の吸入空気量を取得する取得部を備え、前記燃焼量算出部は、前記吸入空気量が大きいほど、前記ベース燃焼量を大きな値に補正して前記ＰＭの燃焼量として算出してもよい。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ＰＭの燃焼量の算出精度の低下を抑制したＰＭ燃焼量算出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、エンジンシステムの概略構成図である。

【図2】図２は、補正係数の算出制御の一例を示したフローチャートである。

【図3】図３Ａは、ＰＭの堆積量の変化速度を入力変数としカウントアップ量及びカウントダウン量を出力変数としたマップであり、図３Ｂは、カウンタ値を入力変数とし補正係数を出力変数としたマップの一例である。

【図4】図４は、ＥＣＵが実行するＰＭ燃焼量の補正制御の一例を示したフローチャートである。

【図5】図５は、ＰＭの燃焼条件、ＰＭの堆積量、堆積量の変化速度、カウンタ値、及び補正係数の推移を示したタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［エンジンシステムの概略構成］
図１は、エンジンシステム１の概略構成図である。エンジンシステム１は、エンジン１０、エンジン１０に接続された吸気通路１２及び排気通路２２、及びエンジン１０を制御するＥＣＵ（Electric Control Unit）３０を備えている。エンジン１０は、内燃機関の一例であり、４気筒直列式のガソリンエンジンであるが、これに限定されず例えばディーゼルエンジンであってもよい。エンジン１０では、吸気通路１２から吸入された空気は、複数の気筒１４のそれぞれの燃焼室１６に流入する。気筒１４のそれぞれには、燃料を噴射する燃料噴射弁１８と、火花放電を生じさせる点火装置２０とが設けられている。燃焼室１６において、空気と燃料との混合気は、燃焼に供され、燃焼に供された混合気は、排気として、排気通路２２に排出される。排気通路２２には、酸素吸蔵能力を有した三元触媒２４が設けられている。さらに、排気通路２２のうち三元触媒２４の下流には、ガソリンパティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）２６が設けられている。ＧＰＦ２６は、排気中のＰＭを捕集することよりＰＭが堆積する。

【0012】

ＥＣＵ３０は、エンジン１０の出力トルク等を制御するために、燃料噴射弁１８や点火装置２０等を制御する。この際、ＥＣＵ３０は、三元触媒２４の上流側に設けられた空燃比センサ４０によって検出される空燃比や、クランク角センサ４２の出力信号、エアフローメータ４４によって検出される吸入空気量Ｇａを参照する。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び書き換え可能な不揮発性メモリを備えており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することにより上記制御量の制御を実行する。また、詳しくは後述するが、ＥＣＵ３０は、ＧＰＦ２６に堆積したＰＭの燃焼量を算出するＰＭ燃焼量算出制御を実行し、ＥＣＵ３０のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び不揮発性メモリは、速度算出部、カウンタ値算出部、ベース燃焼量算出部、燃焼量算出部、及び取得部を機能的に実現する。ＥＣＵ３０は、ＰＭ燃焼量算出装置の一例である。

【0013】

［ＰＭ燃焼量算出制御］
ＧＰＦ２６でのＰＭの堆積量を算出し、この堆積量に応じて種々の制御が実行される。ここで、ＧＰＦ２６に堆積したＰＭは、燃料カット制御や空燃比リーン制御の実行時にＧＰＦ２６に供給された酸素により燃焼する。このような場合でのＰＭ燃焼量を精度よく算出することにより、ＰＭの堆積量を精度よく算出することができる。本実施例では、以下のようにＧＰＦ２６の前端面（排気の上流側の端面）でのＰＭ密度を考慮して、ＰＭ燃焼量を精度よく算出する。具体的にはＥＣＵ３０は、後述するＧＰＦ２６に堆積したＰＭの燃焼量のベース値であるＰＭベース燃焼量を算出し、ＰＭベース燃焼量に少なくともＧＰＦ２６の前端面でのＰＭ密度を考慮した補正係数Ｋを乗算して、最終的なＰＭ燃焼量を算出する。最初に補正係数Ｋの算出制御について説明する。

【0014】

［補正係数算出制御］
図２は、補正係数Ｋの算出制御の一例を示したフローチャートである。本制御は、イグニッションがオンの間に所定の周期で繰り返し実行される。ＥＣＵ３０は、ＰＭの燃焼条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１）。具体的には、燃料噴射を停止した燃料カット制御や、空燃比を理論空燃比よりも大きいリーンに設定した空燃比制御が実行されている場合には、ＰＭの燃焼条件が成立したものと判定される。この場合、燃料カットが実行されていない場合や空燃比が理論空燃比に制御されている場合と比較して、ＧＰＦ２６に多くの酸素が供給されＧＰＦ２６に堆積したＰＭが燃焼する。

【0015】

ステップＳ１でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ３０はＰＭの堆積量の減少速度を算出する（ステップＳ２ａ）。ＰＭの堆積量の減少速度とは、ＧＰＦ２６に堆積したＰＭが燃焼することにより堆積量が減少する速度である。ＰＭの堆積量の減少速度は、例えば吸入空気量Ｇａ、回転速度ＮＥ、及びＧＰＦ２６の温度であるフィルタ温度を入力変数とし減少速度を出力変数としたマップに基づいて算出される。尚、フィルタ温度は、ＥＣＵ３０が回転速度ＮＥ及び吸入空気量Ｇａに基づいて算出してもよいし、ＥＣＵ３０がＧＰＦ２６に設けられた温度センサの検出値から算出してもよい。また、ＰＭの堆積量の減少速度はその他の方法により算出してもよい。ステップＳ２ａは、速度算出部が実行する処理の一例である。次にＥＣＵ３０は、算出された減少速度に基づいて、後述するカウンタ値αを所定のカウントダウン量だけカウントダウンする（ステップＳ３ａ）。ステップＳ３ａは、カウンタ値算出部が実行する処理の一例である。

【0016】

ステップＳ１でＮｏの場合には、ＰＭの堆積量の増加速度を算出する（ステップＳ２ｂ）。ＰＭの堆積量の増加速度は、例えば吸入空気量Ｇａ、回転速度ＮＥ、及びフィルタ温度を入力変数とし増加速度を出力変数とするマップに基づいて算出される。ステップＳ２ｂは、速度算出部が実行する処理の一例である。また、ＰＭの堆積量の増加速度はその他の方法により算出してもよい。次にＥＣＵ３０は、算出された増加速度に基づいて、カウンタ値αを所定のカウントアップ量だけカウントアップする（ステップＳ３ｂ）。ここでカウンタ値αは、詳しくは後述するがＧＰＦ２６の前端面に堆積したＰＭの密度に相当する値である。ステップＳ３ｂは、カウンタ値算出部が実行する処理の一例である。

【0017】

ＥＣＵ３０は、カウントアップ量及びカウントダウン量を、図３Ａに示すマップを参照して算出する。図３Ａは、ＰＭの堆積量の変化速度を入力変数としカウントアップ量及びカウントダウン量を出力変数としたマップである。横軸がＰＭの堆積量の変化速度を示し、縦軸がカウントアップ量及びカウントダウン量を示す。変化速度がプラスの値の場合は、変化速度は堆積量の増加速度を示し、変化速度がマイナスの値の場合は、変化速度は堆積量の減少速度を示す。図３Ａに示すように、堆積量の増加速度が大きいほど、カウントアップ量が増大する。堆積量の増加速度が大きいほど、ＧＰＦ２６の前端面に堆積するＰＭ密度が早く高くなる傾向があるからである。また、堆積量の減少速度が大きいほど、カウントダウン量が増大する。堆積量の減少速度が大きいほど、ＧＰＦ２６の前端面に堆積したＰＭの燃焼量が増大して、前端面でのＰＭ密度が早く小さくなる傾向があるからである。

【0018】

また、図３Ａに示すように、堆積量が増加を示す場合での傾きよりも、堆積量が減少を示す場合での傾きの方が大きい。換言すれば、堆積量の増加速度の大きさと減少速度の大きさとが同じ場合には、カウントアップ量よりもカウントダウン量の方が大きい。上述したようにカウンタ値αは、ＧＰＦ２６の前端面に堆積したＰＭの密度を示す値として用いられるところ、ＧＰＦ２６の堆積量が増加している際には、ＧＰＦ２６の前端面のみならず中腹部等でも堆積量が増加する。これに対して、ＰＭが燃焼して堆積量が減少する際には、酸素が先に供給されるＧＰＦ２６の前端面に堆積したＰＭから燃焼し始める。即ち、堆積量の増加速度と減少速度とが同じ場合には、ＧＰＦ２６の前端面でのＰＭの増加速度よりも減少速度の方が大きいからである。このようにカウンタ値αは、ＧＰＦ２６の前端面でのＰＭ密度を精度よく示している。このマップは、上述した算出方法により算出されたＰＭの増加速度及び減少速度と、その速度に対応したＧＰＦ２６の前端面でのＰＭ密度の変化量との関係を算出した実験結果に基づいて規定され、ＥＣＵ３０のＲＯＭに予め記憶されている。

【0019】

尚、図３Ａの例では、変化速度に対してカウントアップ量及びカウントダウン量は直線的に変化するがこれに限定されず、曲線状に変化してもよい。また、カウントアップ量及びカウントダウン量の算出は、このようなマップに限定されず、演算式により算出してもよい。また、カウンタ値αの初期値は０であり、例えば、ＧＰＦ２６の堆積量がゼロと算出された場合に、カウンタ値αを初期値にリセットする。

【0020】

次にＥＣＵ３０は、エアフローメータ４４から吸入空気量Ｇａを取得する（ステップＳ４）。ステップＳ４は、取得部が実行する処理の一例である。次にＥＣＵ３０は、図３Ｂに示すマップを参照して補正係数Ｋを算出する（ステップＳ５）。図３Ｂは、カウンタ値αを入力変数とし補正係数Ｋを出力変数としたマップの一例である。横軸がカウンタ値αを示し、縦軸が補正係数Ｋを示している。補正係数Ｋは、後述するＧＰＦ２６のＰＭベース燃焼量に対してＧＰＦ２６の前端面でのＰＭ密度を反映するための係数である。補正係数Ｋは最大値で１であり０よりも大きい値である。カウンタ値αが０の場合には、Ｋ＝１として算出される。カウンタ値αが０とは、ＧＰＦ２６でのＰＭ燃焼量に影響を与えないほどに、ＧＰＦ２６の前端面でのＰＭの密度が小さい場合を示している。また、カウンタ値αが増大するほど補正係数Ｋは小さな値をとる。カウンタ値αが大きいほど、ＧＰＦ２６の前端面でのＰＭの密度が高いことを示し、ＰＭ燃焼量が低下する傾向があるからである。

【0021】

また、図３Ｂには、吸入空気量Ｇａが大きい場合と小さい場合とを示している。カウンタ値αが同じであった場合には、吸入空気量Ｇａが大きい場合の方が小さい場合よりも、補正係数Ｋは大きな値として算出される。吸入空気量Ｇａが大きい場合の方が小さい場合よりも、ＧＰＦ２６に供給される酸素量が増加し、ＧＰＦ２６でのＰＭ燃焼量も増加する傾向にあるからである。

【0022】

尚、図３Ｂのマップには、吸入空気量Ｇａが大きい場合と小さい場合の２つのみを示しているが、実際には、吸入空気量Ｇａの大きさ毎に補正係数Ｋが規定されている。図３Ｂのマップは、予め実験により取得され、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されている。補正係数Ｋの算出方法は、上記のようなマップを参照することに限定されず、例えば演算式により算出してもよい。

【0023】

［ＰＭ燃焼量補正制御］
次に、ＥＣＵ３０が実行するＰＭ燃焼量の補正制御について説明する。図４は、ＥＣＵ３０が実行するＰＭ燃焼量の補正制御の一例を示したフローチャートである。本制御は、イグニッションがオンの間に所定の周期で繰り返し実行される。

【0024】

ＥＣＵ３０は、ＰＭの燃焼条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１は、上述したステップＳ１と同じ処理である。ステップＳ１１でＮｏの場合には、本制御は終了する。ステップＳ１１でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ３０はＰＭベース燃焼量を算出する（ステップＳ１２）。具体的にはＥＣＵ３０は、ステップ２ａと同様の方法により堆積量の減少速度を算出し、この減少速度は単位時間当たりの減少量に相当するため、この減少量を順次積算していくことにより、ＰＭベース燃焼量を算出することができる。ステップＳ１２は、ベース燃焼量算出部が実行する処理の一例である。

【0025】

次にＥＣＵ３０は、ＰＭベース燃焼量に、補正係数Ｋやその他の種々の観点を考慮したその他の補正係数を乗算して、最終的なＰＭ燃焼量を算出する（ステップＳ１３）。その他の補正係数とは、例えば、ＧＰＦ２６でのアッシュ堆積量、エンジンシステム１を搭載した車両の通算走行距離、ＰＭの燃焼条件成立時での空燃比等をそれぞれ考慮した補正係数であるが、これに限定されない。これらの補正係数も補正係数Ｋと同様に、最大値が１であり０より大きい値である。尚、アッシュ堆積量を考慮した補正係数は、アッシュ堆積量が増大するほど小さな値となる。通算走行距離を考慮した補正係数は、通算走行距離が増大するほど小さな値となる。ＰＭの燃焼条件成立時での空燃比を考慮した補正係数は、リーン空燃比が大きいほど大きな値となる。ステップＳ１３は、燃焼量算出部が実行する処理の一例である。

【0026】

以上のように、少なくともＧＰＦ２６の前端面でのＰＭ密度を考慮してＰＭベース燃焼量が補正されて、最終的なＰＭ燃焼量が算出されるため、ＰＭ燃焼量の算出精度の低下が抑制されている。

【0027】

図５は、ＰＭの燃焼条件、ＰＭの堆積量、堆積量の変化速度、カウンタ値α、及び補正係数Ｋの推移を示したタイミングチャートである。図５に示すように、ＰＭの燃焼条件が不成立の場合には、ＰＭの増加速度が算出されて堆積量が増加し、カウンタ値αも増大し、補正係数Ｋは低下する。尚、堆積量は、ステップＳ２ｂと同様の方法により算出された堆積量の増加速度に基づいて算出される。即ち、単位時間毎に算出された増加速度は単位時間当たりの堆積量の増加量に相当し、この増加量を順次積算してくことにより、堆積量を算出することができる。ＰＭの燃焼条件が成立した時刻ｔ１では、カウンタ値αは比較的大きな値であるため、ＧＰＦ２６の前端面でのＰＭ密度が比較的高いものと考えられ、よって補正係数Ｋは比較的小さい値として算出される。ここで、ＰＭべース燃焼量に比較的小さい値である補正係数Ｋを乗算して最終的なＰＭ燃焼量が算出されるため、得られたＰＭ燃焼量は、ＧＰＦ２６の前端面でのＰＭ密度を考慮したＰＭ燃焼量となる。尚、時刻ｔ１以降からＰＭの燃焼条件が不成立となる時刻ｔ２までの間では、ＰＭの減少速度が算出され、この減少速度に応じて単位時間毎のＰＭベース燃焼量が算出され、カウンタ値αも減少し補正係数Ｋは増大し、単位時間当たりのＰＭベース燃焼量に単位時間毎に算出された補正係数Ｋが乗算されて単位時間毎のＰＭ燃焼量が算出される。この単位時間毎のＰＭ燃焼量を時刻ｔ１から時刻ｔ２まで順次積算した値が、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間でのＰＭ燃焼量となる。図５には、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間でのＰＭベース燃焼量の大きさと補正後のＰＭ燃焼量の大きさとを示している。時刻ｔ２でＰＭの燃焼条件が不成立となると、再びＰＭ堆積量が一定の増加速度で増大し、カウンタ値αも増大する。このように、ＰＭの燃焼条件が成立している時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間でのＰＭ燃焼量の算出精度の低下が抑制されているため、それ以降の堆積量の算出精度の低下も抑制される。

【0028】

尚、本実施例では、ＧＰＦ２６の前後での圧力差を用いてＰＭ燃焼量を推定する方法とは異なり、圧力差を検出するためのセンサは不要である。このため、エンジンシステム１の製造コストが抑制されている。

【0029】

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0030】

１０ エンジン
１２ 吸気通路
１６ 燃焼室
１８ 燃料噴射弁
２０ 点火装置
２２ 排気通路
２４ 三元触媒
２６ ＧＰＦ（フィルタ）
３０ ＥＣＵ（速度算出部、カウンタ値算出部、ベース燃焼量算出部、燃焼量算出部、ＰＭ燃焼量算出装置）
４０ 空燃比センサ
４２ クランク角センサ
４４ エアフローメータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】