JP2005098290A

JP2005098290A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2005098290A
Application number: JP2004219773A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Yabaneta; 茂人矢羽田; Makoto Saito; 誠斉藤; Masumi Kinugawa; 真澄衣川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2024-07-28
Also published as: JP4320621B2; US20050044846A1; US7197868B2; DE102004040954B4; DE102004040954A1

Abstract

【課題】ＤＰＦを有する排気後処理装置において、ＤＰＦに粒径成長した不燃性のアッシュが滞留しないようにすることである。
【解決手段】エンジン１の運転状態に基づいてＤＰＦ３３に堆積したアッシュの粒径成長の進行状態をＥＣＵ８で推定し、アッシュの粒径成長の進行に伴う推定粒径値が所定値を超えていると判断されるときは、パティキュレートの堆積量が再生すべき基準の堆積量に達していなくとも、ＤＰＦ３３の再生を強制実施し、パティキュレートを燃焼除去するとともに、アッシュをＤＰＦ３３から排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気ポートから排出される排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、パティキュレートフィルタの再生に関する。

従来より、環境対策として、内燃機関の排気ポートから排出される大気汚染物質を削減する排気浄化装置が導入されており、かかる排気浄化装置として、酸化触媒やＮＯｘ触媒、三元触媒といった触媒システムが広く知られている。また、近年、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる煤やＳＯＦなどのパティキュレート（粒子状物質）が課題となっており、パティキュレート対策用の排気浄化装置として、排気通路にパティキュレートフィルタを設けたものがある。パティキュレートフィルタでは、流入した排気に多孔質の隔壁を透過させ、その際に隔壁の表面や細孔でパティキュレートを捕集する。捕集されて堆積する量が過剰に増えると、パティキュレートフィルタにおける流通抵抗の増大で内燃機関の背圧が上昇し，出力の低下などをもたらす。このため、パティキュレートフィルタは、堆積したパティキュレートを定期的に燃焼除去することにより再生する。

下記特許文献１には、パティキュレートの堆積量を推定して、推定結果に基づいてパティキュレートの再生時期を判断するものが開示されている。堆積量は、例えば、堆積によりパティキュレートフィルタにおける圧力損失が増大することを利用して、前後差圧や、排気流量に基づいて演算される。そして、パティキュレートの堆積量が所定のしきい値を超えると、再生開始時期と判断する。

パティキュレートフィルタにはまた、パティキュレートとともにアッシュが流入する。アッシュは、主にエンジンオイル中のＣａと燃料中のS（硫黄）が反応して生成されるも
ので、不燃性の微粒子である。パティキュレートフィルタに流入したアッシュの中は、堆積したパティキュレートによる捕捉状態となりやすい。
特開平４−２２４２２１号公報

ところで、アッシュは燃焼室で生成されたときには粒径が０．１μｍから数μｍであり、パティキュレートフィルタの平均細孔径10〜数10μｍに比して十分に小さい。粒径がこの程度であれば、パティキュレートが燃焼除去されるパティキュレートフィルタの再生時に細孔を通り抜け、パティキュレートフィルタから排出される。しかしながら、パティキュレートフィルタに滞留するうちにアッシュの粒径成長が進行するため、その進行状態によっては、アッシュは、パティキュレートフィルタの再生時においても、パティキュレートフィルタから排出されにくくなる。すると、残留したアッシュのために、パティキュレートが燃焼除去されてもパティキュレートフィルタにおける圧力損失が本来のレベルまで復帰しないなどの不具合を招くおそれがある。

前記特許文献１のように適宜、堆積したパティキュレートを燃焼除去する技術によっても次のようにアッシュの残留を十分に回避することができない。すなわち、パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートは、パティキュレートフィルタ温度が高温となる高負荷の運転条件が継続すると再生制御によらずに燃焼除去されるため、この除去量と新たにパティキュレートフィルタに流入するパティキュレートの流量とがバランスしてパティキュレート堆積量が増大しないことが起こり得る。この場合、再生開始時期と判断されないまま、アッシュが長期間にわたってパティキュレートフィルタ内に滞留することとなり粒径成長が引き起こされてしまう。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、パティキュレートフィルタからのアッシュの排出を適正に行い得る内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項1記載の発明では、内燃機関の排気通路の途中に、排気中のパティキュレートを
捕集するフィルタであって、捕集堆積したパティキュレートの燃焼により再生可能なパティキュレートフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置において、
排気ガス中の不燃性のアッシュの粒径成長の進行状態を推定するアッシュ粒径成長推定手段を具備せしめるとともに、
前記アッシュ粒径成長推定手段による前記アッシュ粒径成長の進行に伴う推定粒径値が所定値を越えるときにこれを前記パティキュレートフィルタの再生開始時期と判定する再生時期判定手段とを具備せしめる。

アッシュの粒径成長が進行しすぎないうちにパティキュレートフィルタの再生がなされるので、パティキュレートフィルタに滞留したアッシュは、パティキュレートフィルタの再生時に、スムーズにパティキュレートフィルタから排気通路の下流へと排出される。

請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記アッシュ粒径成長推定手段は、前記パティキュレートフィルタの温度が高いほど、かつ、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点からの経過時間が長いほど、前記アッシュの粒径成長が進行しているものと推定する推定手段とする。

アッシュはその粒子同士が凝集することで粒径成長する。したがって、高温度下で粒径成長が促進され、高温度におかれている状態が継続するほど粒径成長は進行していくことになる。パティキュレートフィルタの温度が高いほど、かつ、パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点からの経過時間が長いほど、アッシュの粒径成長が進行しているものと推定することで、アッシュの粒径成長の進行状態を正確に把握することができる。

請求項３記載の発明では、請求項２の発明の構成において、前記アッシュ粒径成長推定手段には、前記パティキュレートフィルタの温度が予め設定した基準温度を超えているか否かを判定する温度判定手段と、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点以後において、前記温度判定手段が肯定判断されている時間を積算する時間積算手段とを具備せしめて、該時間積算手段で得られた積算時間が長いほど、前記アッシュの粒径成長が進行しているものと推定するようにし、
前記再生時期判定手段を、前記積算時間が予め設定した基準値を超えているか否かに基づいて、再生開始時期か否かを判定するように設定する。

基準温度を粒径成長が開始される温度以上に設定すれば、積算時間は、基準温度で規定される所定の速度以上で粒径成長が進行している時間となり、粒径値と対応付けられる。したがって、積算時間から簡易に粒径成長の進行状態が知られる。

請求項４記載の発明では、請求項２の発明の構成において、前記アッシュ粒径成長推定手段には、前記パティキュレートフィルタの温度に基づいて、アッシュの粒径成長の単位時間当たりの進行度を演算する単位時間当たり進行度演算手段と、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点からの前記単位時間当たりの進行度を積算してこれを前記粒径成長の進行度とする進行度積算手段とを具備せしめて、該進行度積算手段で得られた進行度が大きいほど、前記アッシュの粒径成長が進行しているものと推定するようにし、
前記再生時期判定手段を、前記進行度が予め設定した基準値を超えているか否かに基づいて、再生開始時期か否かを判定するように設定する。

アッシュの粒径成長の速度すなわち単位時間当たりの進行度は温度によって異なるから、単位時間当たりの進行度を積算することで、運転期間中、パティキュレートフィルタの温度が変動する場合でも、正確にアッシュの粒径成長の進行状態が知られる。

請求項５記載の発明では、請求項４の発明の構成において、前記単位時間当たり進行度演算手段を、前記パティキュレートフィルタの温度に重みを乗じて、これを前記単位時間当たりの進行度とし、かつ、前記重みが、前記パティキュレートフィルタの温度が予め設定した基準温度になるまでは０で、前記基準温度を超えると、温度に応じて大きくなるように設定する。
単位時間当たりの進行度の関数形が、粒径成長の速度と温度との実際の関係に即したものとなるので、アッシュの粒径成長の進行状態の把握がさらに正確なものとなる。

請求項６記載の発明では、請求項１ないし５の発明の構成において、前記パティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量を推定するパティキュレート堆積量推定手段を具備せしめ、
前記再生時期判定手段を、前記パティキュレート堆積量推定手段で得られたパティキュレート堆積量が予め設定した基準値を超えると、これを前記パティキュレートフィルタの再生開始時期と判定するように設定する。

パティキュレートの堆積量を推定して推定堆積量に基づいて再生開始時期を判定する排気浄化装置にも請求項１〜５の発明は適用することができる。パティキュレートフィルタに流入する排気は内燃機関の運転状態によっては、相当程度高温となり、かかる高温排気にパティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートがさらされると、所定の再生処理によることなく燃焼除去される。このため、燃焼除去されるパティキュレートの量と、新たに堆積するパティキュレートの量とがバランスしてパティキュレートの堆積量が略一定で推移する場合がある。この場合には、パティキュレートフィルタの前回の再生が完了してから、再生が開始されるまでが長くなるので、再生開始時にはアッシュの粒径成長が相当程度進行することが起こり得る。請求項６記載の発明によれば、推定されたパティキュレートの堆積量がパティキュレートフィルタの再生を開始すべき値に達していなくとも、アッシュの粒径成長が相当程度進行していれば、パティキュレートフィルタの再生開始時期と判定するので、パティキュレートフィルタが再生されないまま滞留したアッシュが粒径成長をし続けるのを回避するができる。

一方、推定されたパティキュレート堆積量に基づいて再生開始時期を判定するようになっているので、パティキュレートが過剰に堆積するのを確実に回避することができる。

請求項７記載の発明では、請求項１ないし６の発明の構成において、前記パティキュレートフィルタにおける前記アッシュの堆積量を推定するアッシュ堆積量推定手段を具備せしめ、
前記アッシュ粒径成長推定手段は、推定された前記アッシュの堆積量が予め設定した基準値になるまでは、前記アッシュの粒径成長が開始される前の状態である推定する推定手段とする。

アッシュの粒径成長はアッシュ粒子が凝集して生じるため、ある程度の密度でアッシュが堆積していることがアッシュ粒径成長の前提条件となる。したがって、推定された前記アッシュの堆積量が予め設定した基準値になるまでは、前記アッシュの粒径成長が開始される前の状態であるとすることで、より正確に粒径成長の進行状態を把握することができる。

請求項８記載の発明では、請求項７の発明の構成において、前記アッシュ堆積量推定手段は、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点以後における内燃機関の総運転量または燃料消費量が大きいほど、前記アッシュの堆積量が多いと推定する推定手段とする。

アッシュは排気とともに排出されるので、内燃機関の総運転量または燃料消費量が大きいほど、アッシュの生成量は多い。したがって、アッシュの堆積量を、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点以後における内燃機関の総運転量または燃料消費量に基づいて推定することで、正確にアッシュの堆積量を把握することができる。

請求項９記載の発明では、請求項７の発明の構成において、前記アッシュ堆積量推定手段は、前記内燃機関の運転状態に基づいて単位時間当たりのアッシュの生成量を演算するとともに、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点以後において、演算された前記単位時間当たりのアッシュの生成量を積算し、積算されたアッシュの生成量に基づいてアッシュの堆積量を推定する推定手段とする。

単位時間当たりのアッシュの生成量は内燃機関の運転状態によって異なるから、運転期間中、内燃機関の運転状態が変動する場合でも、正確にアッシュの生成量が知られる。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１に本発明の排気浄化装置を付設した内燃機関であるディーゼルエンジンシステムの全体構成を示す。

エンジン１は、各気筒に共通のコモンレール６２と、該コモンレール６２に連結されて各気筒の燃焼室にそれぞれ燃料を噴射する複数のインジェクタ６１を有している。エンジン１の吸気マニホールド２２は、吸気管２１に連結しており、連結部に設けられる吸気スロットル弁２３によって、吸気流量が調整されるようになっている。吸気管２１を流通する吸気はエアーフローメータ７１により検出されるようになっている。

エンジン１の排気ポート１０１からの排気は排気通路３により排出されるようになっている。排気通路３は、上流側より排気マニホールド３２および排気管３１からなり、排気管３１の途中にはパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３３が設置されている。ＤＰＦ３３は公知の構成で、例えば、コーディエライトなどの耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形して、多孔性の隔壁で区画された多数のセルの入口または出口を互い違いに目封じしてなる。排気は、入口が開口しているセルからＤＰＦ３３内に入り、多孔性の隔壁を通過する際にパティキュレート（以下，適宜、ＰＭという）が捕集される。排気と接触するＤＰＦ３３の内表面は、ＰＭの酸化を促進する触媒を担持した構造とすることもでき、ＤＰＦ３３の低温度域で安定的にＰＭを燃焼除去することができる。

排気管３１には、ＤＰＦ３３の上流側に遠心過給機４のタービン４１が設けられ，吸気管２１に設けられるコンプレッサ４２とタービン軸を介して連結されている。これにより、排気の熱エネルギーを利用してコンプレッサ４２を作動させて、吸気管２１に導入される吸気をコンプレッサ４２内で圧縮する。吸気スロットル弁２３よりも上流の吸気管２１内には、クーラ２４が設けられ、コンプレッサ４２で圧縮されて高温となった吸気がここで冷却される。

排気マニホールド３２は、ＥＧＲ通路５１によって、吸気マニホールド２２と連結されており、排気の一部が、ＥＧＲ通路５１を経て吸気に戻されるようになっている。ＥＧＲ通路５１の、吸気マニホールド２２への出口部には、ＥＧＲ弁５２が設けられ、その開度を調整することにより、吸気に還流される排気の量を調整できるようになっている。ＥＧＲ通路５１の途中には、還流されるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５３が設けられる。

排気管３２には、ＤＰＦ３３にて捕集されたパティキュレートの量（ＰＭ捕集量）を推定するために、ＤＰＦ３３の前後差圧を検出する差圧センサ７２が設けられている。差圧センサ７２は排気管３１に、ＤＰＦ３３よりも上流と、ＤＰＦ３３よりも下流とでそれぞれ圧力導入管を介して接続されており、ＤＰＦ３３の前後差圧に応じた信号を出力するようになっている。また、ＤＰＦ３３の入口部および出口部には、それぞれ排気の温度を検出する温度センサ７３ａ，７３ｂが設けてあり、ＤＰＦ３３を流通する排気およびＤＰＦ３３を代表する温度（ＤＰＦ温度）を検出するようになっている。ＤＰＦ温度を求めるにあたっては、２つの温度センサ７３ａ，７３ｂの検出温度の平均化処理や、一次遅れフィルタなどの各種のフィルタ処理を行い得る。

ＥＣＵ８には、前記エアーフローメータ７１、差圧センサ７２、温度センサ７３ａ，７３ｂ、空燃比センサ７４などの出力信号や、ＥＧＲ弁５２の開度、エンジン回転数、車速、冷却水温、アクセル開度、クランク位置、燃料圧などを検出する各種センサからの出力信号が入力し、エンジン１各部の状態（運転状態）が知られるようになっている。ＥＣＵ８は、これらの各種センサの出力信号から知られるエンジン１の運転状態に基づいて運転状態に応じた最適な燃料噴射量、ＥＧＲ量を算出して、吸気スロットル弁２３、インジェクタ６１、ＥＧＲ弁５２などをフィードバック制御する。

また、ＥＣＵ８は、エアーフローメータ７１にて検出される吸気流量、差圧センサ７２にて検出されるＤＰＦ３３の前後差圧をもとに、ＰＭ捕集量を演算して、ＤＰＦ３３の再生を制御する。一般に、ある排気流量に対して，ＰＭ捕集量の増加に伴い、差圧が増加することから、この関係を利用してＰＭ捕集量を算出することができる。そして、算出されたＰＭ捕集量が所定値を超えたときにＤＰＦ３３を昇温させて、パティキュレートを燃焼、除去する再生処理を行う。

ＤＰＦ３３の再生手段としては、具体的には，インジェクタ６１による燃料噴射の際に、ポスト噴射や、熱サイクルの効率を下げて廃熱を増大させる噴射時期の遅角を行う。あるいは、吸気スロットル弁２３を通常より閉じ側とするなどにより、排気を昇温させる方法が採用され得る。

また、吸気スロットル弁２３を閉じ側とした場合は、吸気量が減少して気筒内に流入するガスの熱容量が減少するために、排気温度が上昇する。

図２にＤＰＦ３３の再生制御の内容を示す。ステップＳ１０１はパティキュレート堆積量推定手段としての処理で、ＰＭ堆積量ｍを演算する。予めＥＣＵ８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。ＤＰＦ３３に堆積するＰＭの量が増加するのに伴い、差圧センサ５３で検出される差圧が増加し、また、ＰＭ堆積量ｍが同じでも排気流量に応じて差圧の検出値が異なることから、これらの関係を予め実験等により求めておくことで、前後差圧および排気流量に対して１つのＰＭ堆積量ｍ対応する二次元マップをつくることができる。

ステップＳ１０２は再生開始時期判定手段としての処理で、ステップＳ１０１で推定されたＰＭ堆積量ｍが予め設定した基準値である限界ＰＭ堆積量ｍ１よりも大きいか否かを判定し、肯定判断されるとＳ１０３に進み、否定判断されるとステップＳ１０１に戻る。ここで、ＰＭ堆積量ｍを演算するステップＳ１０１は例えば所定周期で実行する。

ステップＳ１０３ではＤＰＦ３３の完全再生すなわちＰＭ堆積量ｍが０になるまでポスト噴射を実行する。
一方、ＥＣＵ８では、別の制御フローにしたがってＤＰＦ３３の再生開始時期の判定を行い、再生開始時期と判定されると、再生制御を行うようになっている。これを図３に示す。

ステップＳ２０１はアッシュ粒径成長推定手段としての処理で、ＥＣＵ８に入力するエンジン各部の状態に基づいてアッシュ粒径成長の進行状態を推定する。

続くステップＳ２０２は再生開始時期判定手段としての処理で、推定されたアッシュ粒径成長の進行状態に基づいて、ＤＰＦ３３におけるアッシュの残存可能性の有無を判定する。判定は、アッシュ粒径成長の進行に伴う推定粒径値が予め設定した所定値を超えていれば、残存可能性ありと判定される。

アッシュの残存可能性がなくステップＳ２０２が否定判断されると、ステップＳ２０１に戻り、アッシュ粒径成長の進行状態が継続して監視される。

アッシュの推定粒径値が所定値を超えており、アッシュの残存可能性が肯定判断されると、ステップＳ２０２からステップＳ２０３に進み、ＤＰＦの完全再生を実施する。これは前記ＰＭ堆積量ｍが限界ＰＭ堆積量ｍ１に達したときにＤＰＦ３３の完全再生を実施した場合と同様にポスト噴射などにより行う。

図４（Ａ）はアッシュがＤＰＦ３３に堆積したＰＭに捕捉されている状態を示しており、排気のガス流れに乗ることができずアッシュはＤＰＦ３３に滞留状態となっている。ＤＰＦ３３に流入する排気はエンジン１の運転状態によっては、相当程度高温となり、かかる高温排気にＤＰＦ３３に堆積したＰＭがさらされると、ポスト噴射等による再生処理によることなく燃焼除去される。このため、燃焼除去されるＰＭの量と、新たにＤＰＦ３３に流入し堆積するＰＭの量とがバランスしてＰＭの堆積量が略一定で推移する場合がある。この場合には、ＰＭ堆積量に基づくＤＰＦ再生開始時期の判定だけを行う従来の排気浄化装置ではＤＰＦ３３の前回の再生が完了してから、次に再生が開始されるまでの時間が長くなる。

図５はアッシュの主成分であるＣａＳＯ4の粉末状試薬を電気炉中で８００°Ｃで焼成し、顕微鏡によりＣａＳＯ4の粒径を観察したものである。焼成前に１μｍであったＣａＳＯ4が焼成時間に応じて粒径成長していくことが分かる。このことから、ＤＰＦ３３の前回の再生が完了してから、次に再生が開始されるまでの時間が長くなると、再生開始時に、高温の排気ガスにさらされるＤＰＦ３３のアッシュの粒径成長が相当程度進行することが起こり得る。

本排気浄化装置によれば、推定されたＰＭの堆積量が再生開始すべき値に達していなくとも、アッシュの粒径成長が相当程度進行しており、推定粒径値が所定値を超えていれば、ＤＰＦ３３の再生開始時期と判定する。ここで前記所定値は、ＤＰＦの隔壁の細孔をアッシュ粒子が十分に通り抜けられる上限を考慮して設定する。図４（Ｂ）は、ＤＰＦ３３の完全再生が完了した状態を示している。ＰＭは燃焼除去されている。前記のごとくアッシュの粒径成長が、ＤＰＦ３３の再生完了後，アッシュが残存するほどに進行していない段階でステップＳ２０２が肯定判断されるので、アッシュ粒子がガス流れに乗ってＤＰＦ３３から排出される。

このように、アッシュ粒径成長が進行しすぎないうちにＤＰＦ３３が完全再生されるので、アッシュがＤＰＦ３３内に残存し、隔壁の細孔を通り抜けられなくなるといった不具合を防止することができる。

また、本排気浄化装置によれば、エンジン１の運転状態によってはアッシュの粒径成長は停滞しているがＰＭの堆積は促進されるという状況もあり得るが、アッシュ粒径成長の進行状態に基づくＤＰＦ再生開始時期の判定を行うだけではなくＰＭ堆積量に基づくＤＰＦ再生開始時期の判定をも行うことで、ＰＭの過剰堆積によるエンジン１の背圧の増大や、急速燃焼でＤＰＦ３３を損傷するのを防止することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態になる排気浄化装置は、基本的な構成が第１実施形態のものと同じで、第１実施形態との相違点が、アッシュの粒径成長の進行状態に基づくＤＰＦの再生開始時期の判定について実行される、排気浄化装置のＥＣＵにおける制御内容である。図６に排気浄化装置のＥＣＵで実行される制御の一部を示す。以下の説明において、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。

ステップＳ３０１は温度判定手段としての処理で、ＤＰＦ温度Ｔが粒径成長開始温度Ｔ１よりも大きいか否かを判定する。粒径成長開始温度Ｔ１は予め設定される基準温度で、アッシュの粒径成長が開始される温度である。かかる粒径成長開始温度Ｔ１が存在するのは、アッシュの粒径成長はその粒子の凝集によるものであり、一定の温度がないと凝集が生じないからである。粒径成長開始温度Ｔ１は予め実験などにより求めておくことになる。図７はアッシュの主成分であるＣａＳＯ4の粉末状試薬を電気炉中で焼成し、焼成時間2時間後に顕微鏡によりＣａＳＯ4の粒径を観察したものである。焼成前のＣａＳＯ4の粒径は１μｍである。図より、ある温度を境界に大きく粒径成長が加速していることが分かる。粒径成長開始温度Ｔ１は、かかる粒径成長が加速される境界の温度に設定する。

また、ステップＳ３０１は後述するＤＰＦ完全再生（ステップＳ３０４）実行時以外、所定周期で実行される。

ＤＰＦ温度Ｔが粒径成長開始温度Ｔ１に達せずステップＳ３０１が否定判断されると、ステップＳ３０１が繰り返される。

ＤＰＦ温度Ｔが粒径成長開始温度Ｔ１を超え、ステップＳ３０１が肯定判断されると、ステップＳ３０２に進む。ステップＳ３０２は時間積算手段としての処理で、積算時間Ｓを、これに一定時間を加算することで更新する。加算する一定時間はステップＳ３０１の実行間隔である前記所定周期である。また、積算時間Ｓは、ＤＰＦ３３の前回の完全再生処理の完了時にリセットされている。

続くステップＳ３０３は再生開始時期判定手段としての処理で、積算時間Ｓが限界積算時間Ｓ１よりも大きいか否かを判定する。限界積算時間Ｓ１は予め設定される基準時間で、詳しくは後述するように、基準時間経過したときのアッシュの粒径成長の進行状態が、ＤＰＦ３３の再生によりＤＰＦ３３をアッシュがスムーズに排出可能な上限の進行状態となるような時間である。予め実験などにより求めておくことになる。

ステップＳ３０３が否定判断されると、ステップＳ３０１に戻る。

ステップＳ３０３が肯定判断されると、ステップＳ３０４に進み、ＤＰＦの完全再生を実施する。そして、ＤＰＦの完全再生が完了すると、ステップＳ３０５で積算時間Ｓをリセットする（Ｓ＝０）
ステップＳ３０１でＤＰＦ温度と比較する基準温度が粒径成長開始温度Ｔ１となっているので、積算時間Ｓは粒径成長が進行している状態の時間だけを積算した時間となり、アッシュの粒径値と良好に対応付けられる。したがって、積算時間Ｓから簡易に粒径成長の進行状態が知られる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態になる排気浄化装置は、第２実施形態との相違点が、アッシュの粒径成長の進行状態に基づくＤＰＦの再生開始時期の判定について実行される、排気浄化装置のＥＣＵにおける制御内容である。図８に排気浄化装置のＥＣＵで実行される制御の一部を示す。以下の説明において、前記各実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。

ステップＳ４０１はアッシュ堆積量推定手段としての処理で、アッシュ推定積算量Ａを更新する。アッシュ推定積算量Ａは、ＤＰＦ３３の前回の完全再生処理の完了時点以後において生成され、ＤＰＦ３３に流入したアッシュの生成量の推定値であり、例えばＤＰＦ３３の前回の完全再生の完了時点以後の総走行距離のようなエンジン１の総運転量や、ＤＰＦ３３の前回の完全再生の完了時点以後の総燃料噴射量を指標とすることができる。ＤＰＦ３３の前回の完全再生の完了時点以後の総走行距離を指標とする場合は、ＤＰＦ３３の前回の完全再生の完了時点における当該車両の総走行距離を記憶し、現在の総走行距離との差分を求めることになる。総走行距離は例えばトリップメータで表示されるデータと同じものが用いられ得る。また、総燃料噴射量を指標とする場合は、ＤＰＦ３３の前回の完全再生の完了時点以後における燃料噴射量の指令値を積算して求めることになる。図９に示すように、運転時間の経過に応じて総走行距離や総合料噴射量が増大し、大きな値を示せば、その分、アッシュも多く生成されているといえるからである。

また、エンジン１の運転状態に基づいてアッシュの単位時間当たりの生成量を算出し、これを積算してもよい。ここで、エンジン１の負荷に着目すると、低負荷のときには吸気圧が低くなることで，エンジン１のシリンダー内へのエンジンオイルの上がり量が増大し、アッシュが生成されやすい状態にあるといえる。また、高負荷側では高過給となって、過給機４からのオイル漏れ量が増大し、アッシュが生成されやすい状態にあるといえる。負荷の軽重はアクセル開度やエンジン回転数に基づいて判断できる。また、エンジン回転数が高回転となるほど吸気量が増大し、ブローバイガスに乗ってシリンダー内に流入するオイル分が増大し、アッシュが生成されやすい状態にあるといえる。したがって、アクセル開度やエンジン回転数に対して単位時間当たりのアッシュの生成量が対応するマップを予め実験により求めておき、これをＥＣＵ８に記憶して、マップを参照して単位時間当たりのアッシュの生成量を演算する。勿論、アクセル開度やエンジン回転数のほか，運転状態を規定する状態量で単位時間当たりのアッシュの生成量を規定するものであればこれをパラメータとして単位時間当たりのアッシュの生成量を求めるマップとしてもよい。

ステップＳ４０２では、アッシュ推定積算量Ａが限界アッシュ積算量Ａ１よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ４０２は後述するステップＳ４０５とともに構成される再生開始時期判定手段としての処理であり、限界アッシュ積算量Ａ１は、粒径成長が開始されるアッシュ積算量である。これはアッシュの粒径成長が、分散する多数のアッシュ粒子が凝集することで生じることから、堆積密度がある程度ないと凝集が生じないことに基因している。アッシュ推定積算量Ａが限界アッシュ積算量Ａ１に達せずステップＳ４０２が否定判断されると、ステップＳ４０１に戻る。アッシュ推定積算量Ａを更新するステップＳ４０１は所定周期で実行する。

アッシュ推定積算量Ａが限界アッシュ積算量Ａ１を超え、ステップＳ４０２が肯定判断されると、ステップＳ４０３に進む。ステップＳ４０３〜Ｓ４０５は第２実施形態のステップＳ３０１〜Ｓ３０３と同様の処理であり、積算時間Ｓを演算し、積算時間Ｓが限界積算時間Ｓ１を超えると、ステップＳ４０６でＤＰＦ３３の完全再生を実施する。

ＤＰＦ３３の完全再生の完了後、続くステップＳ４０７でアッシュ推定積算量Ａをリセットする（Ａ＝０）とともに、ステップＳ４０８で積算時間Ｓをリセットする（Ｓ＝０）
本排気浄化装置によれば、ＤＰＦ温度Ｔが粒径成長開始温度Ｔ１を超える時間が長く続いても、アッシュ推定積算量が限界アッシュ積算量Ａ１を超えてステップＳ４０２が肯定判断されない限り、ステップＳ４０３以降の処理はなされないから、ステップＳ４０２により、アッシュ推定積算量が限界アッシュ積算量Ａ１を超えない限り、アッシュが粒径成長を開始する前の状態であると判断していることになる。アッシュの堆積がある程度、進行し、粒径成長が開始される条件が整ってから、ＤＰＦ温度が粒径成長開始温度Ｔ１を超えている時間が積算されるから、さらに正確に粒径成長の進行状態を把握することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態になる排気浄化装置は、第２実施形態との相違点が、アッシュの粒径成長の進行状態に基づくＤＰＦの再生開始時期の判定について実行される、排気浄化装置のＥＣＵにおける制御内容である。図１０に排気浄化装置のＥＣＵで実行される制御の一部を示す。以下の説明において、前記各実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。

ステップＳ５０１は単位時間当たり進行度演算手段および進行度積算手段としての処理で、アッシュの粒径成長の単位時間当たりの進行度である温度状態変数を演算する（単位時間当たり進行度演算手段）とともに、これを積算値Ｃに加算することにより積算値Ｃを更新する（進行度積算手段）。温度状態変数は、アッシュの粒径成長が促進される環境か否かを定量的に示しており、ＤＰＦ温度Ｔに重みαを乗じたものとして与えられる。ここで、重みは、図１１に示すように、ＤＰＦ温度Ｔが粒径成長開始温度Ｔ１までは０で、粒径成長開始温度Ｔ１を超えると、ＤＰＦ温度Ｔが高いほど大きな値となる。粒径成長が生じる粒径成長開始温度Ｔ１以上の温度域においてＤＰＦ温度Ｔが高いほど大きな値となるのは、高温下ではアッシュ粒子が凝集しやすく、粒径成長が促進されるためである。ＥＣＵ８は図１１に示すＤＰＦ温度Ｔと重みαとの関係をマップとして記憶しており、該マップを参照して重みαの値が決定される。また、積算値Ｃは、ＤＰＦ３３の前回の完全再生処理の完了時にリセットされている。

続くステップＳ５０２は再生開始時期判定手段としての処理で、積算値Ｃが限界重み積算値Ｃ１よりも大きいか否かを判定する。限界重み積算値Ｃ１は予め設定される基準値で、基準時間経過したときのアッシュの粒径成長の進行状態が、ＤＰＦ３３の再生時にアッシュがスムーズにＤＰＦ３３から排出可能な上限の進行状態となるような積算値Ｃである。予め実験などにより求めておくことになる。

ステップＳ５０２が否定判断されると、ステップＳ５０１に戻る。

ステップＳ５０２が肯定判断されると、ステップＳ５０３に進み、ＤＰＦの完全再生を実施する。ＤＰＦの完全再生が完了すると、ステップＳ５０４で積算値Ｃをリセットする（Ｃ＝０）。

温度状態変数Ｔ×αは前記のごとく粒径成長しやすい環境か否かを定量的に示しており、単位時間当たりの粒径値の増加量と良好に対応付けられる。エンジン１の運転状態によってＤＰＦ温度が変動し、粒径成長の速度が一定しなくともアッシュの粒径成長の進行状態を正確に知ることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態になる排気浄化装置は、第３実施形態との相違点が、アッシュの粒径成長の進行状態に基づくＤＰＦの再生開始時期の判定について実行される、排気浄化装置のＥＣＵにおける制御内容である。図１２に排気浄化装置のＥＣＵで実行される制御の一部を示す。以下の説明において、前記各実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。

ステップＳ６０１、Ｓ６０２は第３実施形態のステップＳ４０１、Ｓ４０２と同様の処理であり、アッシュ推定積算量Ａを限界アッシュ積算量Ａ１と比較して、アッシュ推定積算量Ａが限界アッシュ積算量Ａ１をこえない限り、ステップＳ６０２以降の処理が実行されない。ステップＳ６０３、Ｓ６０４は第４実施形態のステップＳ５０１、Ｓ５０２と同様の処理で、温度状態変数Ｔ×αの積算値Ｃが演算されて、積算値Ｃが限界重み積算値Ｃ１を超えると、ステップＳ６０５でＤＰＦ３３の完全再生を実施し、完全再生が完了すると、ステップＳ６０６でアッシュ推定積算量Ａをリセットするとともに（Ａ＝０）、ステップＳ６０７で積算値Ｃをリセットする（Ｃ＝０）。

このように、温度状態変数Ｔ×αを積算してＤＰＦ完全再生開始時期を判定するものに対しても、アッシュの堆積がある程度、進行し、粒径成長が開始される条件が整ってから、温度状態変数Ｔ×αを積算することで、さらに正確に粒径成長の進行状態を把握することができる。

なお、ステップＳ６０１、Ｓ６０２を省略するとともに、重みαをＤＰＦ温度Ｔおよびアッシュ推定積算量Ａの二次元マップにより演算するようにして、該マップを、図１３に示すように、アッシュ推定積算量Ａが限界アッシュ積算量Ａ１よりも小さいときに重みαとして０を与えるようにしても、図１２のフローのものと等価な作用が得られる。この場合、マップが、アッシュ推定積算量Ａが限界アッシュ積算量Ａ１よりも大きい領域でアッシュ推定積算量Ａが大きいほど重みαが大きくなる傾向を示すマップとすれば、さらに正確にアッシュの粒径成長の進行状態を把握することができる。前記のごとくアッシュの粒径成長はアッシュ粒子の凝集により生じるため、ＤＰＦ温度が同じであっても、アッシュの堆積量が多くなればその分粒径成長が促進されるからである。

なお、ＤＰＦ３３の再生中は、滞留したアッシュが定常的に高温下にさらされるため、アッシュの粒径成長が生じやすい環境となっている。したがって、その間の粒径成長を見越して、ＤＰＦ３３の完全再生を実施するか否かを判定するための、限界積算時間Ｓ１や限界重み積算値Ｃ１を設定するのがよい。この場合、限界積算時間Ｓ１や限界重み積算値Ｃ１をその時点のＰＭ堆積量ｍによって可変として、ＰＭ堆積量ｍが多いほど限界積算時間Ｓ１や限界重み積算値Ｃ１が小さくなるようにするのもよい。

また、前記各実施形態では、ＰＭ堆積量ｍに基づく再生開始時期の判定をも併せて行うようにしているが、要求される仕様などによってはアッシュの粒径成長の進行状態のみに基づいてＤＰＦ３３の再生開始時期を判定するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態になる排気浄化装置を付設した内燃機関の全体概略構成図である。前記排気浄化装置を構成するＥＣＵで実行されるパティキュレートフィルタの再生制御の内容を示すフローチャートである。前記排気浄化装置を構成するＥＣＵで実行されるパティキュレートフィルタの別の再生制御の内容を示すフローチャートである。（Ａ）はパティキュレートが堆積した状態の前記パティキュレートフィルタの隔壁の断面図であり、（Ｂ）はパティキュレートが燃焼除去した状態の前記パティキュレートフィルタの隔壁の断面図である。アッシュの粒径成長を説明する第1のグラフである。本発明の第２実施形態になる排気浄化装置を構成するＥＣＵで実行されるパティキュレートフィルタの再生制御の内容を示すフローチャートである。アッシュの粒径成長を説明する第２のグラフである。本発明の第３実施形態になる排気浄化装置を構成するＥＣＵで実行されるパティキュレートフィルタの再生制御の内容を示すフローチャートである。前記パティキュレートフィルタの再生制御を説明するグラフである。本発明の第４実施形態になる排気浄化装置を構成するＥＣＵで実行されるパティキュレートフィルタの再生制御の内容を示すフローチャートである。前記パティキュレートフィルタの再生制御を説明するグラフである。本発明の第５実施形態になる排気浄化装置を構成するＥＣＵで実行されるパティキュレートフィルタの再生制御の内容を示すフローチャートである。前記パティキュレートフィルタの再生制御を説明するグラフである。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
３排気通路
３１吸気絞り弁
３３パティキュレートフィルタ
７１エアフローメータ
７２差圧センサ
８ＥＣＵ（アッシュ粒径成長推定手段、再生開始時期判定手段、温度判定手段、時間積算手段、単位時間当たり進行度演算手段、進行度積算手段、パティキュレート堆積量推定手段）

Claims

内燃機関の排気通路の途中に、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタであって、捕集堆積したパティキュレートの燃焼により再生可能なパティキュレートフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置において、
排気ガス中の不燃性のアッシュの粒径成長の進行状態を推定するアッシュ粒径成長推定手段を具備せしめるとともに、
前記アッシュ粒径成長推定手段による前記アッシュ粒径成長の進行に伴う推定粒径値が所定値を越えるときに、これを前記パティキュレートフィルタの再生開始時期と判定する再生時期判定手段とを具備せしめたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記アッシュ粒径成長推定手段は、前記パティキュレートフィルタの温度が高いほど、かつ、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点からの経過時間が長いほど、前記アッシュの粒径成長が進行しているものと推定する推定手段である内燃機関の排気浄化装置。
請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記アッシュ粒径成長推定手段には、前記パティキュレートフィルタの温度が予め設定した基準温度を超えているか否かを判定する温度判定手段と、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点以後において、前記温度判定手段が肯定判断されている時間を積算する時間積算手段とを具備せしめて、該時間積算手段で得られた積算時間が長いほど、前記アッシュの粒径成長が進行しているものと推定するようにし、
前記再生時期判定手段を、前記積算時間が予め設定した基準値を超えているか否かに基づいて、再生開始時期か否かを判定するように設定した内燃機関の排気浄化装置。
請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記アッシュ粒径成長推定手段には、前記パティキュレートフィルタの温度に基づいて、アッシュの粒径成長の単位時間当たりの進行度を演算する単位時間当たり進行度演算手段と、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点からの前記単位時間当たりの進行度を積算してこれを前記粒径成長の進行度とする進行度積算手段とを具備せしめて、該進行度積算手段で得られた進行度が大きいほど、前記アッシュの粒径成長が進行しているものと推定するようにし、
前記再生時期判定手段を、前記進行度が予め設定した基準値を超えているか否かに基づいて、再生開始時期か否かを判定するように設定した内燃機関の排気浄化装置。
請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記単位時間当たり進行度演算手段を、前記パティキュレートフィルタの温度に重みを乗じて、これを前記単位時間当たりの進行度とし、かつ、前記重みが、前記パティキュレートフィルタの温度が予め設定した基準温度になるまでは０で、前記基準温度を超えると、温度に応じて大きくなるように設定した内燃機関の排気浄化装置。
請求項１ないし５いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量を推定するパティキュレート堆積量推定手段を具備せしめ、
前記再生時期判定手段を、前記パティキュレート堆積量推定手段で得られたパティキュレート堆積量が予め設定した基準値を超えると、これを前記パティキュレートフィルタの再生開始時期と判定するように設定した内燃機関の排気浄化装置。
請求項１ないし６いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタにおける前記アッシュの堆積量を推定するアッシュ堆積量推定手段を具備せしめ、
前記アッシュ粒径成長推定手段は、推定された前記アッシュの堆積量が予め設定した基準値になるまでは、前記アッシュの粒径成長が開始される前の状態であると推定する推定手段である内燃機関の排気浄化装置。
請求項７記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記アッシュ堆積量推定手段は、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点以後における内燃機関の総運転量または燃料消費量が大きいほど、前記アッシュの堆積量が多いと推定する推定手段である内燃機関の排気浄化装置。
請求項７記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記アッシュ堆積量推定手段は、前記内燃機関の運転状態に基づいて単位時間当たりのアッシュの生成量を演算するとともに、前記パティキュレートフィルタの前回の再生が完了した時点以後において、演算された前記単位時間当たりのアッシュの生成量を積算し、積算されたアッシュの生成量に基づいてアッシュの堆積量を推定する推定手段である内燃機関の排気浄化装置。