JP2004124855A

JP2004124855A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2004124855A
Application number: JP2002291503A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Kuboshima; 窪島　司; Shinichiro Okugawa; 奥川　伸一朗; Masumi Kinugawa; 衣川　真澄; Kiyonori Sekiguchi; 関口　清則
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-03
Also published as: US7152392B2; DE10346029A1; US20040123586A1; DE10346029B4; JP3969273B2

Abstract

【課題】触媒やＤＰＦといった排気後処理装置の中心温度を精度よく検出し、その検出値を基に触媒温度制御やＤＰＦの再生制御を行い、あるいは劣化判定を行なうことにより、内燃機関の排気浄化装置の安全性の向上、浄化性能の向上を実現する。
【解決手段】内燃機関の排気管２ａ、２ｂ間に酸化触媒付ＤＰＦ３を設置し、その出ガス温度を排気温センサ４１で検出する。ＥＣＵ６は、排気温センサ４１の出力から酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度の推定値を、ＤＰＦの温度変化に対する出ガス温度変化の逆伝達関数を用いて算出し、算出される温度推定値に基づいて酸化触媒付ＤＰＦ３の過昇温防止制御あるいは再生制御を行う。伝達関数は一次遅れとムダ時間を用いて簡易に表現され、また、排気流量に応じて一次遅れの時定数とムダ時間を設定することで、比較的容易にしかも精度良い推定が可能となる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気後処理装置を備える内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、後処理装置の温度を推定して、その推定値を基に排気後処理装置を最適な状態に保持することのできる内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、環境対策として、内燃機関から排出される大気汚染物質を削減する排気後処理装置が種々提案されており、酸化触媒やＮＯｘ触媒、三元触媒といった触媒システムの導入が進められている。また、ディーゼルエンジンでは、排出ガス中に含まれるパティキュレート（粒子状物質）が問題となっており、パティキュレートを捕集して定期的に燃焼除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下ＤＰＦと称する）や、これに触媒を担持させた触媒付ＤＰＦを搭載することが検討されている。ＤＰＦは、捕集したパティキュレートを定期的に燃焼除去することで再生され、触媒を担持させると再生温度が低下してより安定した燃焼が可能になる。
【０００３】
ここで、排気後処理装置を効率よく作動させるには、装置の温度管理が重要となる。特に、触媒を用いた場合には、十分な触媒活性が得られる温度以上で、かつ過昇温による触媒の損傷等を防止するために、所定の使用温度範囲内　（例えば２００〜７００℃）で使用する必要がある。また、ＤＰＦの再生は、ポスト噴射等を行って未燃ＨＣを供給し、ＤＰＦを例えば６００℃以上に昇温することによって行われるが、条件によってはパティキュレートの燃焼熱でＤＰＦが過昇温となることがあり、触媒の劣化やフィルタ基材の破損等のおそれがある。
【０００４】
そこで、排気後処理装置の温度を検出して、触媒の状態を検出することが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１には、ＮＯｘ還元触媒を備えた排気浄化装置に温度検出手段を設け、検出された温度に応じて空気過剰率を増減して、触媒温度を所定温度範囲内に制御することが記載されている。また、特許文献２には、触媒の上流側および下流側にそれぞれ第１および第２の温度検出手段を設け、第１および第２の温度検出手段からの出力信号を比較することで触媒劣化を判断する装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平４−２２４２２１号公報
【特許文献２】
特許第２５９３５０６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
触媒やＤＰＦといった排気後処理装置の状態を最もよく代表するのは、装置中心温度であるが、これを直接検出することは実用上困難である。このため、従来の装置では、排気後処理装置の上流または下流の排気温度を装置温度とみなしており、例えば、特許文献１では、触媒出ガス温度＝触媒温度として触媒温度を制御している。しかしながら、車両加減速時等は、触媒出ガス温度≠触媒温度であり、触媒温度を適正範囲に維持できないという問題があった。
【０００７】
これは、触媒やＤＰＦが、通常、熱容量の大きいセラミックハニカム構造体を触媒担体またはフィルタ基材としているために、装置中心温度の変化が装置下流の排気温度に反映されるまでに、時間的なずれがあることによる。しかも、触媒反応やパティキュレートの燃焼を伴うために、実際の温度とのずれが大きくなると、触媒の劣化をまねくおそれがあった。
【０００８】
また、特許文献２の触媒劣化の判定も、車両の加減速に伴い排気温度そのものが変化するため、２つの温度検出手段の出力差が、触媒反応による温度変化であるか排気温度の変化によるものであるかを区別することが困難である。従って、この方法では車両停止時あるいは定速走行時しか判定ができず、しかも長時間にわたる定速走行は、実走行では機会が少ないため、実用性に問題があった。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気浄化装置において、触媒やＤＰＦといった排気後処理装置の中心温度を精度よく検出すること、そして、その検出値を基に触媒温度制御やＤＰＦの再生制御を行い、あるいは劣化判定を行なうことにより、安全性を高め、高性能で信頼性の高い装置を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に設置される排気後処理装置と、該排気後処理装置の下流側の排気温度を検出する出ガス温度検出手段と、上記出ガス温度検出手段の出力から上記排気後処理装置の温度を推定する温度推定手段と、該温度推定手段によって算出される温度推定値に基づいて上記排気後処理装置が所定の状態にあるかどうかを検出する状態検出手段を備えており、上記温度推定手段は、上記排気後処理装置の温度推定値を、上記排気後処理装置の温度変化に対する出ガス温度変化の逆伝達関数を用いて算出するものとする。
【００１１】
本発明では、発熱反応を伴う触媒やＤＰＦといった排気後処理装置の温度変化をより反映する装置下流側の排気温度（出ガス温度）に着目し、この出ガス温度を用いて装置中心温度を推定する。この時、上記排気後処理装置の温度変化に対する出ガス温度変化の逆伝達関数を用いることで、比較的容易に、かつ精度よい温度推定が可能になる。よって、この温度推定値から排気後処理装置の状態、例えば、適正温度範囲にあるかどうかを判定し、これを基に排気後処理装置の制御を行なうことで、装置を最適な状態に保ち、安全でかつ効率的に排気浄化を行なうことができるので、信頼性が大きく向上する。
【００１２】
請求項２の装置では、上記温度推定手段における上記逆伝達関数を一次遅れとムダ時間で表現する。排気後処理装置の温度変化に対する出ガス温度変化を実験的に調べたところ、一次遅れとムダ時間という簡単な系で近似できることが判明し、その逆伝達関数を用いて排気後処理装置の中心温度を推定することで、簡易で高精度な検出が可能になる。
【００１３】
請求項３の装置では、上記温度推定手段は、上記逆伝達関数における一次遅れの時定数Ｔ１　とムダ時間Ｌ１　をそれぞれ排気流量に応じて変更する。排気流量が多いほど排気と排気後処理装置の間の単位時間あたりの熱伝達が多くなるので、これを考慮して一次遅れの時定数Ｔ１　とムダ時間Ｌ１　を変更することで、装置中心温度をより精度よく推定することができる。
【００１４】
請求項４の装置のように、具体的には、上記温度推定手段は、上記逆伝達関数における一次遅れの時定数Ｔ１　とムダ時間Ｌ１　をそれぞれ排気流量が大であるほど小さくなるように変更する。これにより、排気流量の影響を排除することができる。
【００１５】
請求項５の装置では、上記状態検出手段の検出結果に基づいて上記排気後処理装置を所定の状態に制御する制御手段を設ける。例えば、上記状態検出手段により排気後処理装置が適正温度範囲を超えた時に、装置の温度を低下させて所定の状態を保つように制御することで、装置の安全性を向上させることができる。
【００１６】
請求項６の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設置される排気後処理装置と、該排気後処理装置の上流側の排気温度を検出する入ガス温度センサと、下流側の排気温度を検出する出ガス温度センサと、上記入ガス温度センサの出力から上記排気後処理装置の温度を推定する第１の温度推定手段と、上記出ガス温度センサの出力から上記排気後処理装置の温度を推定する第２の温度推定手段と、上記第１の温度推定手段によって算出される第１の温度推定値および上記第２の温度推定手段によって算出される第２の温度推定値に基づいて、上記排気後処理装置が所定の状態にあるかどうかを検出する状態検出手段を備える。上記第１の温度推定手段は、上記排気後処理装置の第１の温度推定値を、入ガス温度変化に対する上記排気後処理装置の温度変化の伝達関数を用いて算出し、上記第２の温度推定手段は、上記排気後処理装置の第２の温度推定値を、上記排気後処理装置の温度変化に対する出ガス温度変化の逆伝達関数を用いて算出するものとする。
【００１７】
上記第１の温度推定手段によって算出される第１の温度推定値は、排気後処理装置における発熱を含まないものであり、上記第２の温度推定手段によって算出される第２の温度推定値は、排気後処理装置における発熱を含むものとなるので、これら２つの温度推定値を比較することで、上記排気後処理装置の状態をより正確に判断することができる。この場合も、これら第１および第２の温度推定値を、入ガス温度変化に対する上記排気後処理装置の温度変化の伝達関数、あるいは上記排気後処理装置の温度変化に対する出ガス温度変化の逆伝達関数を用いて比較的容易に推定することができる。そして、両者を比較することで運転状態の変化に伴う時間的な温度変化のずれやなまりの影響をキャンセルできるので、温度変化の正確な検出が可能である。
【００１８】
請求項７の装置では、上記第１および第２の温度推定手段における上記伝達関数および逆伝達関数を、それぞれ一次遅れとムダ時間で表現する。入ガス温度変化に対する上記排気後処理装置の温度変化、排気後処理装置の温度変化に対する出ガス温度変化は、それぞれ一次遅れとムダ時間という簡単な系で近似することができるので、その伝達関数または逆伝達関数を用いて排気後処理装置の中心温度を推定し、両者を比較することで、簡易で高精度な検出が可能になる。
【００１９】
請求項８の装置では、上記第１および第２の温度推定手段は、上記伝達関数および逆伝達関数における一次遅れの時定数Ｔ１　、Ｔ２　とムダ時間Ｌ１　、Ｌ２　をそれぞれ排気流量に応じて変更する。排気流量が多いほど排気と排気後処理装置の間の単位時間あたりの熱伝達が多くなるので、これを考慮して一次遅れの時定数Ｔ１　、Ｔ２　とムダ時間Ｌ１　、Ｌ２　を変更することで、より精度よい推定が可能になる。
【００２０】
請求項９の装置のように、具体的には、上記第１および第２の温度推定手段は、上記伝達関数および逆伝達関数における一次遅れの時定数Ｔ１　、Ｔ２　とムダ時間Ｌ１　、Ｌ２　をそれぞれ排気流量が大であるほど小さくなるように変更する。これにより、排気流量の影響を排除することができる。
【００２１】
請求項１０の装置のように、上記排気後処理装置を、表面に触媒を担持したものとすることができる。この場合には、上記第１の温度推定値が上記触媒による反応熱を含まない上記排気後処理装置の温度となり、上記第２の温度推定値が上記触媒による反応熱を含む上記排気後処理装置の温度となるので、上記第１、第２の温度推定値を比較することで、触媒反応による温度変化を、時間的な温度変化のずれと温度変化のなまりの影響を受けずに検出することができる。
【００２２】
請求項１１の装置では、上記状態検出手段を、上記第１および第２の温度推定値の差が所定値より小さい時に、上記触媒が劣化したと判定する劣化判定手段とする。上述したように、上記第１の温度推定値は上記触媒による反応熱を含まず、上記第２の温度推定値は上記触媒による反応熱を含むので、両者の差から触媒反応による温度変化を正確に検出することができる。そして、触媒が十分機能していない場合には両者の差が小さくなるので、この差を所定値と比較することで触媒の劣化を容易に検出することができる。
【００２３】
請求項１２の装置では、上記状態検出手段は、上記所定値を内燃機関の運転状態に応じて決定する。触媒反応による温度変化は内燃機関の運転状態によって異なるので、これを考慮して上記所定値を変更することで、より正確な劣化判定が可能になる。
【００２４】
請求項１３の装置では、上記状態検出手段は、上記出ガス温度検出手段により検出される出ガス温度が上記触媒の活性温度以上である場合にのみ劣化判定を実施するものとする。触媒が活性温度に到達していない場合には、触媒反応による温度上昇が生じないので、このような場合には劣化判定を実施しないことで、誤検出を防止することができる。
【００２５】
請求項１４の装置では、上記排気後処理装置を、触媒付パティキュレートフィルタ、パティキュレートフィルタ、酸化触媒、ＮＯｘ触媒および三元触媒のうちのいずれか１つ、または２つ以上を組み合わせたものとする。本発明は、発熱反応を伴い熱容量の大きい触媒やパティキュレートフィルタに好適に適用されて、その温度を正確に推定することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はディーゼルエンジンの排気浄化装置の全体構成を示すもので、エンジン１の排気通路には、排気管２ａ、２ｂ間に排気後処理装置としての酸化触媒付ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、酸化触媒付ＤＰＦと称する）３が設置されている。酸化触媒付ＤＰＦ３は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形して、ガス流路となる多数のセルを入口側または出口側が互い違いとなるように目封じしてなり、セル壁表面には、Ｐｔ等の酸化触媒が塗布されている。エンジン１から排出された排気ガスは、酸化触媒付ＤＰＦ３の多孔性の隔壁を通過しながら下流へ流れ、その間にパティキュレートが捕集されて次第に堆積する。
【００２７】
酸化触媒付ＤＰＦ３の下流側の排気管２ｂには、酸化触媒付ＤＰＦ３の温度を知るために、出ガス温度検出手段として排気温センサ４１が設置されている。排気温センサ４１はＥＣＵ６に接続されており、酸化触媒付ＤＰＦ３の出ガス温度を検出して、ＥＣＵ６に出力する。また、エンジン１の吸気管７には、エアフローメータ（吸気量センサ）７１が設置してあり、吸気量を検出して、ＥＣＵ６に出力するようになっている。
【００２８】
排気管２ａ、２ｂには、酸化触媒付ＤＰＦ３にて捕集されたパティキュレートの量（ＰＭ捕集量）を知るために、酸化触媒付ＤＰＦ３の前後差圧を検出する差圧センサ５が接続される。差圧センサ５の一端側は酸化触媒付ＤＰＦ３上流の排気管２ａに、他端側は酸化触媒付ＤＰＦ３下流の排気管２ｂにそれぞれ圧力導入管５１、５２を介して接続されており、酸化触媒付ＤＰＦ３の前後差圧に応じた信号をＥＣＵ６に出力する。
【００２９】
ＥＣＵ６には、さらに、アクセル開度センサ６１や回転数センサ６２といった各種センサが接続されており、これらセンサからの検出信号を基にエンジン１の運転状態を検出するようになっている。ＥＣＵ６は、運転状態に応じた最適な燃料噴射量、噴射時期、噴射圧等を算出して、エンジン１のフィードバック制御を行う。
【００３０】
本実施の形態において、ＥＣＵ６は、排気温センサ４１およびエアフローメータ７１の出力値に基づき、酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度を推定し（温度推定手段）、ＤＰＦ温度の推定値から酸化触媒付ＤＰＦ３が所定の温度範囲にあるかどうかを検出して（状態検出手段）、酸化触媒付ＤＰＦ３の過昇温防止制御を行う（制御手段）。また、算出された酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度と、差圧センサ５、エアフローメータ７１の出力値に基づき、酸化触媒付ＤＰＦ３のパティキュレート堆積量（ＰＭ堆積量）を算出して、ＰＭ堆積量が所定量を超えているかどうかを検出し（状態検出手段）、酸化触媒付ＤＰＦ３の再生を制御する（制御手段）。温度推定手段によるＤＰＦ３中心温度の推定方法について、次に説明する。
【００３１】
図２は、エンジン１にて、エンジン回転数一定で燃料噴射量をステップ変化（増量）させた場合の、酸化触媒付ＤＰＦ３への入ガス温度、中心温度（ＤＰＦ温度）、出ガス温度、それぞれの変化を一例として示す図である。図示するように、入りガス温度が上昇してもＤＰＦ温度および出ガス温度は直ちに上昇を開始せず、しかも温度上昇は緩やかとなる。これは、酸化触媒付ＤＰＦ３が熱容量の大きいセラミック構造体からなるためであり、また、酸化触媒が担持されているため、排気中のＨＣが多い場合には、ＨＣの酸化燃焼による発熱でＤＰＦ温度および出ガス温度が入ガス温度より高くなる。
【００３２】
従って、入ガス温度からは発熱を伴うＤＰＦ温度を正しく検出することはできない。一方、出ガス温度はＤＰＦ温度の変化に比較的沿う曲線となるが、図２のように時間的なずれがある。図２の例では、ＤＰＦ温度と出ガス温度がほぼ同じ温度となるのに、入ガス温度の変化から数十秒以上の時間を要しており、出ガス温度をＤＰＦ温度として触媒の状態を判断したり、ＰＭ堆積量を算出すると、その間、制御性が低下することになる。
【００３３】
そこで、本発明では、酸化触媒による反応熱を反映する出ガス温度に着目し、ＤＰＦ温度との関係を簡単な伝達関数で表すことによって、出ガス温度からＤＰＦ温度を精度よく推定することを可能にする。簡便のため、排気中のＨＣが少なく酸化触媒付ＤＰＦ３における発熱量が小さい場合の、入ガス温度、ＤＰＦ温度、出ガス温度の変化を図３（ａ）に示す。図３（ａ）のように、出ガス温度は、ＤＰＦ温度の上昇開始からしばらく変化せず、ＤＰＦ温度より温度上昇速度が小さくなっていることから、この関係を簡単な「一次遅れ＋ムダ時間」で表現できる。そして、この関係から、図３（ｂ）に示すように、ＤＰＦ温度変化に対する出ガス温度変化の逆伝達関数を用いて、酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度の推定値を求めることができることがわかる。図３（ｂ）中、Ｔ１　は一次遅れの時定数、Ｌ１　はムダ時間を示す。
【００３４】
一次遅れの時定数Ｔ１　とムダ時間Ｌ１　は、図３（ａ）を基に算出することができるが、図３（ａ）の関係は排気流量によって変化する。これを考慮して、排気流量に応じて時定数Ｔ１　とムダ時間Ｌ１　を、図４（ａ）、（ｂ）のように変更する。図４（ａ）、（ｂ）は排気流量を変更することにより実験的に求められたもので、排気流量が多いほど、時定数Ｔ１　およびムダ時間Ｌ１　は小さくなる。これは、排気流量が多いほど排気と酸化触媒付ＤＰＦ３との間の単位時間あたりの熱伝達が多くなることによるもので、排気流量が所定値以上の範囲では時定数Ｔ１　およびムダ時間Ｌ１　はほぼ一定となる。このため、ＥＣＵ６の温度推定手段は、まず、排気流量を算出し、排気流量に応じて一次遅れの時定数Ｔ１　とムダ時間Ｌ１　を設定変更するとともに、これら設定値と上記図３（ｂ）の逆伝達関数を用いて、ＤＰＦ温度を推定する。
【００３５】
このＥＣＵ６の作動の一例を図５に示すフローチャートを用いて説明する。本処理は、ＥＣＵ６において所定の周期で実行されるもので、まず、ステップ１０１でエアフローメータ７１の出力から吸気量ＧＡを、排気温センサ４１の出力から酸化触媒付ＤＰＦ３の出ガス温度Ｔｅｘ１　を読み込む。次いで、ステップ１０２で吸気量ＧＡから排気流量Ｖｅｘを算出する。ここで算出される排気流量Ｖｅｘは、排気の質量流量（ｇ／ｓｅｃ　）であり、エアフローメータ７１は、通常、吸気の質量流量（ｇ／ｓｅｃ　）を検出するので、ここでは、吸気量ＧＡ＝排気流量Ｖｅｘとなる。
【００３６】
ステップ１０３では、ステップ１０２で算出される排気流量Ｖｅｘにおける一次遅れの時定数Ｔ１　とムダ時間Ｌ１　を算出する。ＥＣＵ６は、図４（ａ）、（ｂ）に示した排気流量と時定数Ｔ１　、ムダ時間Ｌ１　との関係を、予めマップとして記憶しており、これを基に時定数Ｔ１　、ムダ時間Ｌ１　を算出する。さらに、ステップ１０４で、ステップ１０３で算出した時定数Ｔ１　、ムダ時間Ｌ１　を用い、図３に示した逆伝達関数を基に、酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度ＴＤＰＦを算出する。
【００３７】
ステップ１０５では、ステップ１０４で算出した酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度ＴＤＰＦを予め決められた所定の許容温度Ｔ０と比較し、許容温度Ｔ０より低い温度かどうかを判定する。この許容温度Ｔ０は、ＤＰＦ３に担持される酸化触媒が劣化するおそれのある温度、例えば８００℃とし、ＴＤＰＦ＜Ｔ０であれば、酸化触媒付ＤＰＦ３は許容温度範囲内であると判断してステップ１０６へ進む。ステップ１０５が否定判定された場合には、過昇温による酸化触媒の劣化を防止するために、ステップ１０７へ進んで酸化触媒付ＤＰＦ３の温度低減操作を行う。
【００３８】
ステップ１０７における酸化触媒付ＤＰＦ３の温度低減操作は、例えば、吸気絞りを全開にして排気流量を増加させることにより、酸化触媒付ＤＰＦ３を冷却し、あるいは、後述するＤＰＦ再生のための昇温中であれば昇温操作を中止するといった操作の実施によって行うことができる。この操作により、酸化触媒付ＤＰＦ３が所定の許容温度を超えて温度上昇するのを防止できる。その後、本処理を一旦終了する。
【００３９】
ステップ１０６では、酸化触媒付ＤＰＦ３に堆積しているＰＭ堆積量ｍを算出する。ＰＭ堆積量ｍは、吸気量ＧＡと、ステップ１０４で算出した酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度ＴＤＰＦ、および差圧センサ５にて検出される酸化触媒付ＤＰＦ３前後の差圧Ｐから、予めＥＣＵ６のメモリに記憶されているマップに基づいて算出される。一般に、酸化触媒付ＤＰＦ３に堆積するパティキュレートの量が増加するのに伴い、差圧センサ５で検出される差圧Ｐが増加し、また、ＰＭ堆積量ｍが同じでも排気の体積流量Ｖｅｘ´（Ｌ／ｍｉｎ　）に応じて差圧Ｐの検出値が変動することから、これらの関係を予め実験等により求めておくことでＰＭ堆積量ｍを算出することができる。なお、排気の体積流量Ｖｅｘ´（Ｌ／ｍｉｎ　）は、吸気量ＧＡ（ｇ／ｓｅｃ　）をＤＰＦ中心温度ＴＤＰＦと差圧Ｐを用いて体積換算することにより求められる。
【００４０】
ステップ１０８では、ステップ１０６で算出したＰＭ堆積量ｍが許容ＰＭ堆積量ｍ０より少ないかどうかを判定する。この許容ＰＭ堆積量ｍ０は、ＰＭ堆積量の増加によるエンジンの出力低下、あるいは多量のパティキュレートが燃焼することによる酸化触媒やフィルタ基材の破損回避のために、予め決められる所定量（例えば１０ｇ）である。ＰＭ堆積量ｍ＜許容ＰＭ堆積量ｍ０であれば、まだ再生は必要ないと判断して本処理を一旦終了する。肯定判定された場合には、ステップ１０９へ進んで、ＤＰＦ再生のための温度上昇操作を行う。
【００４１】
ステップ１０９におけるＤＰＦ再生のための温度上昇操作として、具体的には、燃料噴射弁１２から燃焼室に燃料を噴射する際にポスト噴射や噴射時期の遅角を行う等の操作がなされる。ポスト噴射や遅角を行うと、通常噴射の場合よりも排気が高温になるとともに、未燃ＨＣが酸化触媒付ＤＰＦ３内に供給されて酸化触媒上で酸化反応し、排気がさらに昇温する。これにより、酸化触媒付ＤＰＦ３を所定温度（例えば６００℃）以上に昇温することができ、付着したパティキュレートを燃焼除去して、捕集能力を回復させることができる。他の手段により温度上昇操作を行なったり、運転状態に応じて、複数の手段を使い分けたりしてももちろんよい。
【００４２】
図６は、本実施の形態の装置を用いて、ＥＣＵ６にて酸化触媒付ＤＰＦ３の出ガス温度Ｔｅｘ１　から中心温度ＴＤＰＦを算出した時の、算出された推定値と実測値とを比較して示したものである。図のように車速を変化させた時、これに伴ってＤＰＦ温度の実測値（細線）が大きく変化するが、出ガス温度Ｔｅｘ１　からの推定値（実線）が実測値から大きくずれることはなく、本発明の温度推定手段による温度推定精度が極めて高いことが確認された。
【００４３】
このように、本発明によれば、簡単な伝達関数を用いて酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度を高い精度で推定できるので、酸化触媒付ＤＰＦ３が適正温度範囲にあるかどうかを精度よく検出することができる。そして、所定の許容温度Ｔ０を超えた場合には、直ちに温度低減操作することで、酸化触媒付ＤＰＦ３の過昇温防止制御を行い、触媒の劣化やフィルタ基材の破損を防止して酸化触媒付ＤＰＦ３の耐久性を向上することができる。ここで温度推定精度が低いと、酸化触媒付ＤＰＦ３の再生中において、実際の温度が許容温度Ｔ０よりも低い状態で昇温操作を中止してしまい、パティキュレートが除去されないために、頻繁な再生が必要となる等の不具合が生じる可能性があるが、本発明では、温度推定精度が高いため、不要な昇温操作（ポスト噴射）を実施することがなく、燃費の悪化が防止できる。
【００４４】
さらに、再生制御におけるＰＭ堆積量ｍの算出にも、酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度の推定値を用いているため、ＰＭ堆積量ｍの算出精度を向上することができる。よって、ＰＭ堆積量ｍが許容範囲にあるかどうかを精度よく検出することができ、所定の許容ＰＭ堆積量ｍ０を超えた場合には、酸化触媒付ＤＰＦ３の昇温操作を行ってパティキュレートを燃焼除去することで、効率的に再生制御を実施することができる。
【００４５】
上記第１の実施の形態では、排気後処理装置として、酸化触媒付ＤＰＦを用いたが、酸化触媒以外の触媒を担持したＤＰＦや触媒を担持していないＤＰＦを用いた場合も、同様の方法で出ガス温度から中心温度を推定することができる。そして、推定された温度を基に過昇温防止制御や再生制御を行うことで、触媒やＤＰＦを保護しつつ、高い排気浄化性能を実現できる。排気後処理装置として、ＤＰＦ以外にも、例えば、酸化触媒、ＮＯｘ触媒、三元触媒等の触媒を用いることができ、同様にして推定した中心温度を基に過昇温防止制御を行なうことで同様の効果が得られる。これら触媒またはＤＰＦを複数組み合わせて排気後処理装置としてももちろんよい。
【００４６】
図７に本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態では、酸化触媒付ＤＰＦ３の上流側の排気管２ａに、入ガス温度検出手段として排気温センサ４２を設置してあり、酸化触媒付ＤＰＦ３の入ガス温度を検出して、ＥＣＵ６に出力する。それ以外の排気浄化装置の基本構成は、上記第１の実施の形態と同様であり、説明を省略する。上記第１の実施の形態では、酸化触媒付ＤＰＦ３の出ガス温度から、触媒反応による発熱を伴う酸化触媒付ＤＰＦ３中心温度を、精度よく推定できることを示したが、本実施の形態では、この推定値と、酸化触媒付ＤＰＦ３の入ガス温度からの推定値を基に、酸化触媒の劣化判定を行う。
【００４７】
本実施の形態において、ＥＣＵ６は、上記第１の実施の形態と同様にして、酸化触媒付ＤＰＦ３下流の排気温センサ４１およびエアフローメータ７１の出力値に基づき、触媒反応による発熱を含む酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度を推定し、これを第１の温度推定値（以下、第１推定値という）とするとともに（第１の温度推定手段）、酸化触媒付ＤＰＦ３上流の排気温センサ４２およびエアフローメータ７１の出力値に基づき、触媒反応による発熱を含まない酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度を推定して、第２の温度推定値（以下、第２推定値という）とする（第２の温度推定手段）。そして、これら第１推定値および第２推定値を比較して、その差を算出することで触媒反応による温度上昇を検出し、両者の差が所定値よりも小さい時に酸化触媒の劣化と判定する（状態検出手段、劣化判定手段）。
【００４８】
触媒前後の排気温センサの出力を比較して劣化を判定する方法は、従来より知られているが、ただ単に両者の温度差を見るだけでは正確な判定が困難である。これは、２つの排気温センサの間にある触媒が、熱容量の大きいセラミック構造体を用いているためであり、加減速等で運転状態が変化すると、入ガス温度の変化と出ガス温度の変化との間に、上記図２に示した時間的な温度変化のずれと温度変化のなまりが発生するためである。本実施の形態では、この点を考慮し、酸化触媒付ＤＰＦ３への入ガス温度変化とＤＰＦ中心温度変化と出ガス温度変化の関係を、上記第１の実施の形態と同様の「一次遅れ＋ムダ時間」で表現する。そして、入ガス温度および出ガス温度から、図８に示す逆伝達関数および伝達関数を用いて、それぞれ推定されるＤＰＦ中心温度（第１および第２推定値）を比較することで、時間的な温度変化のずれと温度変化のなまりの影響をキャンセルする。図８中、Ｔ１　、Ｔ２　は一次遅れの時定数、Ｌ１　、Ｌ２　はムダ時間を示す。
【００４９】
すなわち、第１の温度推定手段では、図８の下段に示すＤＰＦ中心温度変化に対する出ガス温度変化の逆伝達関数を用いて、出ガス温度から酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度を推定する（第１推定値）。この第１推定値は、上記第１の実施の形態で説明した通り、酸化触媒における反応熱を含んだものとなる。一方、第２の温度推定手段では、図８の上段に示す入ガス温度変化に対するＤＰＦ中心温度変化の伝達関数を用いて、入ガス温度から酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度を推定する（第２推定値）。この第２推定値は酸化触媒における反応熱を含まないものとなる。従って、両者の差をとることで、時間的な温度変化のずれと温度変化のなまりの影響を除去した状態で、触媒反応によるＤＰＦ前後の温度変化を、正確に検出することができる。
【００５０】
本実施の形態においても、排気流量が多いほど排気と酸化触媒付ＤＰＦ３との間の熱伝達が多くなることを考慮して、一次遅れの時定数Ｔ１　、Ｔ２　とムダ時間Ｌ１　、Ｌ２　を、排気流量に応じて変更する。上述した図４（ａ）、（ｂ）と図９（ａ）、（ｂ）に示されるように、排気流量が多いほど、時定数Ｔ１　、Ｔ２　およびムダ時間Ｌ１　、Ｌ２　が小さくなるように変更される。
【００５１】
このＥＣＵ６の作動の一例を図１１に示すフローチャートを用いて説明する。本処理は、ＥＣＵ６において所定の周期で実行されるものとする。まず、ステップ２０１で各種センサの出力からエンジン運転状態を検出するとともに、エアフローメータ７１の出力から吸気量ＧＡを、排気温センサ４１の出力から酸化触媒付ＤＰＦ３の出ガス温度Ｔｅｘ１　を、排気温センサ４２の出力から酸化触媒付ＤＰＦ３の入ガス温度Ｔｅｘ２　を読み込む。次いで、ステップ２０２で、酸化触媒付ＤＰＦ３の出ガス温度Ｔｅｘ１　から、ＤＰＦ温度の第１推定値を算出する。このステップ２０２は、上記図６におけるステップ１０１からステップ１０４に対応するもので、同様にして、吸気量ＧＡから排気流量Ｖｅｘを算出した後、この排気流量Ｖｅｘにおける一次遅れの時定数Ｔ１　とムダ時間Ｌ１　を図４（ａ）、（ｂ）から算出し、さらに図８下段の逆伝達関数を用いて算出したＤＰＦ温度を、第１推定値とすればよい。
【００５２】
ステップ２０３では、ステップ２０２で算出したＤＰＦ温度の第１推定値が、予め決められた所定値より高い温度かどうかを判定する。この所定値は、ＤＰＦ３に担持される酸化触媒の活性化温度、例えば２００℃とし、第１推定値＞所定値であれば、酸化触媒付ＤＰＦ３は活性化温度以上であると判断してステップ２０４へ進む。ステップ２０３が否定判定された場合には、酸化触媒が活性化しておらず、触媒反応熱による温度上昇の検出が不可能であるため、そのまま終了する。
【００５３】
ステップ２０４では、酸化触媒付ＤＰＦ３の入ガス温度Ｔｅｘ２　から、ＤＰＦ温度の第２推定値を算出する。まず、ステップ２０２で算出した排気流量Ｖｅｘにおける一次遅れの時定数Ｔ２　とムダ時間Ｌ２　を、図９（ａ）、（ｂ）から算出し、さらに図８上段の伝達関数を用いて算出したＤＰＦ温度を、第２推定値とすればよい。次いで、ステップ２０５で、エンジン運転状態（例えば、回転数、トルクまたは燃料噴射量）から触媒劣化判定の基準値を算出する。これは、エンジン運転状態により排気中の未燃ＨＣの量が増減し、触媒反応による温度上昇の予測値が変化するためで、予測される温度上昇が大きいほど基準値も大きくなる。この基準値の算出の基になるマップは、予め実験等により求めてＥＣＵ６のメモリに記憶されており、例えば、図１１のように、エンジン回転数とトルクに対して基準値が変化する。
【００５４】
ステップ２０６では、ステップ２０２、２０４で算出した第１推定値と第２推定値の差を求め、ステップ２０５で算出した基準値と比較する。そして、第１推定値−第２推定値＞基準値であれば、酸化触媒反応によるＤＰＦ３の温度上昇が予測される所定値以上であり、酸化触媒は劣化していないと判断して、本処理を終了する。ステップ２０６が否定判定された場合には、予測される温度上昇が見られず、酸化触媒の劣化で触媒が十分機能していないと判断し、ステップ２０７へ進んで、故障警告灯（ＭＩＬ）を点灯する。
【００５５】
本実施の形態によれば、簡単な伝達関数を用いて入ガス温度および出ガス温度からそれぞれ推定される酸化触媒付ＤＰＦ３の中心温度を比較することで、排気温度の変化の影響を排除することができる。よって、加減速等で運転状態が変化するような場合にも、触媒の劣化を正確に検出して運転者に警告することができるので、信頼性が大きく向上する。
【００５６】
なお、酸化触媒付ＤＰＦ３の再生中には、ＨＣおよびパティキュレートの燃焼による温度上昇が発生するので、図１１とは異なる基準値による判定が必要となるが、再生中であっても、ＨＣおよびパティキュレートの燃焼による温度上昇を考慮して触媒劣化判定の基準値を算出するようにすれば、同様の方法で劣化判定を行なうことができる。
【００５７】
上記第２の実施の形態では、排気後処理装置として、酸化触媒付ＤＰＦを用いたが、酸化触媒以外の触媒を担持したＤＰＦや他の触媒、例えば、酸化触媒、ＮＯｘ触媒、三元触媒等の触媒を排気後処理装置とすることもでき、同様の方法で入ガス温度および出ガス温度からそれぞれ推定される触媒中心温度を比較することで、運転状態によらず、触媒の劣化を正確に検出できる。
【００５８】
以上のように、本発明によれば、触媒またはＤＰＦが適正温度範囲にあるかどうか、または触媒が劣化しているかどうかといった状態を正確に検出して、これらが所定の状態となるように制御することができる。なお、上記実施の形態では、本発明による温度推定手段を用いて触媒またはＤＰＦの温度制御、再生制御、劣化判定等を行なう場合について説明したが、それ以外の制御に適用することももちろんできる。例えば、上記第１の実施の形態では、過昇温防止制御として、排気後処理装置が所定温度を超えた時に温度を低減する操作を行うようにしたが、触媒を活性温度以上に保持するために所定温度以下となった時に昇温操作するといった制御を行なうこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の全体概略構成図である。
【図２】酸化触媒付ＤＰＦの入ガス温度変化時のＤＰＦ中心温度および出ガス温度変化の様子を示す図である。
【図３】（ａ）は酸化触媒付ＤＰＦの発熱が少ない場合の入ガス温度とＤＰＦ中心温度および出ガス温度の関係を示す図であり、（ｂ）は酸化触媒付ＤＰＦの中心温度の算出方法を説明するための図である。
【図４】（ａ）は酸化触媒付ＤＰＦの中心温度変化に対する出ガス温度変化の時定数Ｔ１　と排気流量の関係を、（ｂ）はムダ時間Ｌ１　と排気流量の関係をそれぞれ示す図である。
【図５】第１の実施の形態におけるＥＣＵの過昇温防止および再生制御のフローチャートを示す図である。
【図６】第１の実施の形態の効果を示す図で、出ガス温度からのＤＰＦ中心温度の推定値と実測値を比較して示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の全体概略構成図である。
【図８】第２の実施の形態におけるＤＰＦ中心温度の第１推定値と第２推定値の算出方法を説明するための図である。
【図９】（ａ）は酸化触媒付ＤＰＦの入ガス温度変化に対するＤＰＦ中心温度変化の時定数Ｔ２　と排気流量の関係を、（ｂ）はムダ時間Ｌ２　と排気流量の関係をそれぞれ示す図である。
【図１０】第２の実施の形態におけるＥＣＵの触媒劣化判定のフローチャートを示す図である。
【図１１】第２の実施の形態におけるＥＣＵの触媒劣化判定基準値を示す図である。
【符号の説明】
１　内燃機関
２ａ、２ｂ　排気管
３　酸化触媒付ＤＰＦ（排気後処理装置）
４１　排気温センサ（出ガス温度検出手段）
４２　排気温センサ（入ガス温度検出手段）
５　差圧センサ
６　ＥＣＵ（温度推定手段、状態検出手段、制御手段、劣化判定手段）
７　吸気管
８　エアフローメータ

Claims

内燃機関の排気通路に設置される排気後処理装置と、該排気後処理装置の下流側の排気温度を検出する出ガス温度検出手段と、上記出ガス温度検出手段の出力から上記排気後処理装置の温度を推定する温度推定手段と、該温度推定手段によって算出される温度推定値に基づいて上記排気後処理装置が所定の状態にあるかどうかを検出する状態検出手段を備え、上記温度推定手段は、上記排気後処理装置の温度推定値を、上記排気後処理装置の温度変化に対する出ガス温度変化の逆伝達関数を用いて算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
上記温度推定手段において、上記逆伝達関数は一次遅れとムダ時間で表現される請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記温度推定手段は、上記逆伝達関数における一次遅れの時定数Ｔ１　とムダ時間Ｌ１　をそれぞれ排気流量に応じて変更する請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記温度推定手段は、上記逆伝達関数における一次遅れの時定数Ｔ１　とムダ時間Ｌ１　をそれぞれ排気流量が大であるほど小さくなるように変更する請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記状態検出手段の検出結果に基づいて上記排気後処理装置を所定の状態に制御する制御手段を設ける請求項１ないし４のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の排気通路に設置される排気後処理装置と、該排気後処理装置の上流側の排気温度を検出する入ガス温度センサと、下流側の排気温度を検出する出ガス温度センサと、上記入ガス温度センサの出力から上記排気後処理装置の温度を推定する第１の温度推定手段と、上記出ガス温度センサの出力から上記排気後処理装置の温度を推定する第２の温度推定手段と、上記第１の温度推定手段によって算出される第１の温度推定値および上記第２の温度推定手段によって算出される第２の温度推定値に基づいて、上記排気後処理装置が所定の状態にあるかどうかを検出する状態検出手段を備え、上記第１の温度推定手段は、上記排気後処理装置の第１の温度推定値を、入ガス温度変化に対する上記排気後処理装置の温度変化の伝達関数を用いて算出し、上記第２の温度推定手段は、上記排気後処理装置の第２の温度推定値を、上記排気後処理装置の温度変化に対する出ガス温度変化の逆伝達関数を用いて算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
上記第１および第２の温度推定手段において、上記伝達関数および逆伝達関数は、それぞれ一次遅れとムダ時間で表現される請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記第１および第２の温度推定手段は、上記伝達関数および逆伝達関数における一次遅れの時定数Ｔ１　、Ｔ２　とムダ時間Ｌ１　、Ｌ２　をそれぞれ排気流量に応じて変更する請求項６　または７　記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記第１および第２の温度推定手段は、上記伝達関数および逆伝達関数における一次遅れの時定数Ｔ１　、Ｔ２　とムダ時間Ｌ１　、Ｌ２　をそれぞれ排気流量が大であるほど小さくなるように変更する請求項６または８記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記排気後処理装置は表面に触媒が担持されており、上記第１の温度推定値が上記触媒による反応熱を含まない上記排気後処理装置の温度であり、上記第２の温度推定値が上記触媒による反応熱を含む上記排気後処理装置の温度である請求項６ないし９のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記状態検出手段が、上記第１および第２の温度推定値の差が所定値より小さい時に、上記触媒が劣化したと判定する劣化判定手段である請求項１０記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記状態検出手段は、上記所定値を内燃機関の運転状態に応じて決定する請求項１１記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記状態検出手段は、上記出ガス温度検出手段により検出される出ガス温度が上記触媒の活性温度以上である場合にのみ劣化判定を実施する請求項１１または１２記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記排気後処理装置は、触媒付パティキュレートフィルタ、パティキュレートフィルタ、酸化触媒、ＮＯｘ触媒および三元触媒のうちのいずれか１つ、または２つ以上を組み合わせたものである請求項１ないし１３のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。