JP2007032553A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の再生時期を的確に判断する。
【解決手段】 ＥＣＵ５１で実行されるＰＭ量の演算において、ＤＰＦ３２のＰＭ堆積量
に応じて圧力損失が増加する増加特性を規定する堆積特性を、遷移点を越えると傾きが緩
くなる初期点から遷移点までの前段特性線と遷移点からの後段特性線で表し、前記堆積特性に基づき圧力損失から堆積量を算出する。堆積量が再生要求値になると、再生を実行する。排気微粒子の燃焼に伴い前記パティキュレートフィルタへの堆積状態が変化し、前記後段特性線上の点から、前記初期点を通り前記後段特性線と同じ傾きの直線により表される表層部堆積特性線に向かう、堆積量減衰特性線を辿る堆積特性となった時には、前記表層部堆積特性線への移行が完了するまでの間、再生要求値を、堆積排気微粒子が燃焼状態になると小さくし、再生時期が遅すぎになるのを回避する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特にパティキュレートフィルタを再生する技術に関する。

近年、自動車等に搭載される内燃機関では、排気エミッションの向上が要求されており、特に軽油を燃料とする圧縮着火式のディーゼルエンジンでは、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯx に加え、排気ガス中に含まれる煤やＳＯＦ等の排気微粒子を除去することが必要になる。このため、排気通路にパティキュレートフィルタを配置し、ここで、排気ガス中の排気微粒子を捕集している。

パティキュレートフィルタは、流入した排気ガス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排気ガス中の排気微粒子を捕集する。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、出力の低下等をもたらす。このため、パティキュレートフィルタに捕集された排気微粒子をパティキュレートフィルタから適宜、除去してパティキュレートフィルタを再生する必要がある。

パティキュレートフィルタの再生を内燃機関の運転中に可能としたものとして、パティキュレートフィルタに白金等の酸化触媒を設けて、酸化触媒の酸化作用を利用したものがある。このものでは、例えば排気行程において燃料を噴射するポスト噴射により燃料をパティキュレートフィルタに供給し、その燃焼熱を利用して、噴射燃料に比して酸化しにくい堆積排気微粒子を酸化、除去する。

パティキュレートフィルタの再生は頻繁に行うと燃費が悪化し、一方、次に再生するまでの間が空きすぎると、排気微粒子の堆積量が過剰で、再生処理において排気微粒子が急速に燃焼して、パティキュレートフィルタが異常な高温となり、破損するおそれがある。このため、排気微粒子の堆積量の多少を判断し、再生時期を決定するのが望ましい。特許文献１には、パティキュレートフィルタへの排気微粒子の堆積量の増大による前記通気抵抗の増大で、パティキュレートフィルタの入口と出口との間の差圧が増大することを利用して、この差圧を検出し、検出差圧が所定値を越えると再生すべき時期と判じるものが開示されている。
特開平７−３３２０６５号

しかしながら、前記特許文献１の技術では、差圧を含む内燃機関の運転状態が同じであっても、実際の排気微粒子の堆積量が異なるという問題があり、必ずしも十分な精度で排気微粒子の堆積量を知り、再生時期を適正に判断することができない。

これは、排気微粒子の堆積状態に、パティキュレートフィルタの細孔内への堆積と、表層部への堆積の２種類があること、このうち細孔内に堆積した排気微粒子のほうが、層状に堆積した排気微粒子よりも、フィルタ基材上の酸化触媒に接している割合が大きいので燃焼しやすい、といったことが、大きく影響していると推測される。このため、排気ガスの温度、流れの偏りが原因となり、局所的に燃焼量のばらつきが生じたり、燃焼が途中で中断するおそれがある。さらに、細孔内への堆積特性線は傾きが急であり、この特性線上においては堆積微粒子の変化により、表層部への堆積特性線上にあるときよりも大きく圧力損失が変化するなど、堆積量を精度よく知ることが難しい。

本発明は前記実情に鑑みなされたもので、再生時期を適正に判断することができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

発明者らは、パティキュレートフィルタに関し、排気微粒子の堆積と、これが排気ガスの流通におよぼす影響について鋭意実験研究を重ねた結果、パティキュレートフィルタの入口側と出口側との間の差圧、すなわちパティキュレートフィルタにおける圧力損失と堆積量とを対応付ける堆積特性が、堆積が進行する過程において、圧力損失が高い方に凸となる堆積特性となることがわかった。詳しくは、堆積量が０の初期点を通る直線を前段特性線（以下、適宜、ＰＭ増加前段特性線という；図２参照）として該前段特性線上を辿って圧力損失が上昇し、遷移点を越えると前記第１の特性線よりも緩い傾きの直線を後段特性線（以下、適宜、ＰＭ増加後段特性線という；図２参照）として該後段特性線上を辿って圧力損失が上昇する堆積特性となる。この、遷移点を挟む前後で２つの特性線が異なる傾向を示すのは、パティキュレートフィルタにおける圧力損失が、最初は、パティキュレートフィルタの細孔の空間容積に対し、排気微粒子が詰まっている容積の割合で増大するのに対して、細孔が排気微粒子により略詰まってしまうと、今度は圧力損失が排気微粒子の堆積層の厚さに応じて増大するためと認められる。

一方、パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子が燃焼、消失して排気微粒子の堆積量が低減する場合を考えると、この場合には、前記特性線上を辿らない。すなわち、堆積量と圧力損失とを対応付ける堆積特性が、排気微粒子が堆積していく増加特性と、排気微粒子が燃焼して堆積量が低減していく低減特性とが異なる堆積特性となる。堆積排気微粒子の堆積量が低減する過程においては、圧力損失が低い側に凸となるプロファイルを呈する。詳しくは、堆積特性は、前記ＰＭ増加後段特性線よりも急な傾きの直線を辿る低減特性となる。これは、パティキュレートフィルタにおいて、隔壁の表層で堆積層を形成する排気微粒子によりも、細孔に詰まっている排気微粒子が主に燃焼することによるものと認められる。そして、細孔に詰まっている排気微粒子が燃焼してしまい堆積層を形成する排気微粒子だけが残存する状態まで燃焼が進行すると、堆積特性は、初期点を通り、傾きが前記ＰＭ増加後段特性線と同じ直線（表層部堆積特性線）となる。

また、堆積排気微粒子の燃焼が途中で停止し、新たな排気微粒子の捕集により、堆積量が増加に転じると、当該時点の圧力損失および堆積量を通るＰＭ増加特性線と平行な線上を圧力損失が上昇する。既に前記堆積層が形成されているので、この新たに捕集される排気微粒子は細孔を再び埋めることには寄与せず、前記堆積層の厚さをさらに厚くしていくことに寄与し、堆積量に対する圧力損失の傾きは燃焼前と同程度となる。そして、前記のごとく細孔の排気微粒子の堆積量が減っているので、ＰＭ増加特性線が、燃焼で減じられた堆積排気微粒子の量に応じて圧力損失の小側にシフトしていくことになる。この、堆積排気微粒子が一部燃焼した後で堆積量が増加するときに圧力損失および堆積量がしたがう堆積特性を、仮に堆積量の小側に延長したとすれば、遷移点が初期点に近くなったものとなる。

本発明はかかる知見に基づきなされたものである。

請求項１記載の発明では、排気通路の途中に、排気微粒子を捕集し該捕集された排気微粒子が堆積するパティキュレートフィルタを有し、該パティキュレートフィルタの排気微粒子の堆積量の演算値が所定の再生要求値に達すると堆積排気微粒子を燃焼除去して前記パティキュレートフィルタを再生する強制再生を行うようにした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の圧力損失を検出する圧力損失検出手段と、
排気微粒子の堆積量と前記圧力損失とを対応付ける堆積特性を、堆積量が０の初期点を通る直線を堆積量が少量側の前段特性線として、前記初期点から前記前段特性線を辿って圧力損失が上昇し、所定の遷移点を越えると、前記前段特性線よりも緩い傾きの直線を堆積量が多量側の後段特性線として該後段特性線を辿って圧力損失が上昇する堆積特性とし、該堆積特性に基づき、少なくとも前記圧力損失を入力として堆積量を演算する堆積量演算手段と、
排気微粒子の燃焼に伴い前記パティキュレートフィルタへの堆積状態が変化し、前記後段特性線上の点から、前記初期点を通り前記後段特性線と同じ傾きの直線により表される表層部堆積特性線に向かう、堆積量減衰特性線を辿る堆積特性となった時に、前記表層部堆積特性線への移行が完了するまでの間、前記再生要求値が小さくなるように前記再生要求値を補正する再生要求値補正手段とを具備する構成とする。

前記のごとく、燃焼により実際の堆積特性が変化する。特に、堆積排気微粒子が（自然再生、強制再生を問わず）燃焼状態にある際に、堆積量減衰特性線として示される、後段特性線上の点から表層部堆積特性線へ到達するまでの間において、この燃焼が途中で（意図的、あるいは強制的に）中断されると、その中断時におけるパティキュレートフィルタへの排気微粒子の捕集量残存量の推定精度が著しく低下する。したがって、例えば自然再生による燃焼に基因して、演算された堆積量が実際の堆積量よりも少量側に現れる誤差を生むおそれがある。よって、このような再生の中断による推定精度の低下を補うよう、堆積排気微粒子が燃焼により堆積量減衰特性線を辿る状態にある時には、誤差を大きく見込んで実際の堆積量が過多となるのを未然に防ぐ。すなわち、前記再生要求値を小さくし安全側にシフトすることで、再生時期が適正な時期よりも遅れてしまうのを回避することができる。

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、前記堆積量減衰特性線を、前記後段特性線上の点から排気微粒子が低減する方向へ向かう低減特性線と、燃焼が停止して再び排気微粒子が増加する方向へ向かう増加特性線とを組み合わせたものとし、前記後段特性線上の点を燃焼開始屈曲点、前記低減特性線から増加特性線への転換点を再堆積屈曲点とする。
この時、前記再生要求値補正手段は、前記燃焼開始屈曲点から前記再堆積屈曲点が離れるほど、前記再生要求値の補正量を大きく設定するようにした。

堆積微粒子の燃焼量の演算においては、燃焼量が多いほど累積誤差が大きくなるため、前記再生要求値の補正量を大きくすることで、より安全側に設定しておくことができる。よって、実際の堆積量が過多となる可能性がより低くなり、再生時期を適正な時期として、再生時の安全性を向上させる効果が高い。

請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記堆積量減衰特性線上における、前記パティキュレートフィルタに堆積した堆積排気微粒子の燃焼量の積算値を演算する燃焼量演算手段を具備せしめ、
前記再生要求値補正手段は、前記燃焼量の積算値に基づいて前記燃焼量の積算値が大きいほど前記再生要求値が小さくなるように前記再生要求値の補正量を演算するように設定する。

堆積排気微粒子の燃焼が進行するほど、堆積量の前記誤差が累積するから、前記燃焼量の積算値が大きいほど前記再生要求値が小さくなるように再設定されるようにすることで、再生時期をより適正に設定することができる。

請求項４記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記堆積量減衰特性線上における、前記パティキュレートフィルタに堆積した堆積排気微粒子の燃焼量の積算値を演算する燃焼量演算手段を具備せしめ、
前記堆積量演算手段は、前記堆積量減衰特性線の前記増加特性線を前記後段特性線と略平行な線として、前記燃焼量が多いほど前記後段特性線が圧力損失の小側に略平行にシフトするように補正して、堆積量の演算に用いる前記増加特性線を設定するようにした。

堆積排気微粒子が燃焼して前記後段特性線上の点から前記堆積量減衰特性線を辿る堆積状態となると、堆積量の演算に用いる堆積特性が後段特性線と略平行な増加特性線に補正されて、実際の堆積特性に即したものになるので、堆積量をより正確に把握し得る。また、堆積排気微粒子の燃焼量は堆積量に依存するから、燃焼量の推定において堆積量の推定誤差に基因した影響を低減することができる。

請求項５記載の発明では、請求項１ないし４のいずれかの発明の構成において、前記再生要求値補正手段は、排気微粒子の前記パティキュレートフィルタへの堆積状態が、前記後段特性線上の点から前記堆積量減衰特性線を辿り前記表層部堆積特性線へ到達すると、前記再生要求値を初期値にリセットするように設定する。

表層部堆積特性線は、細孔内に堆積排気微粒子がなくパティキュレート隔壁の表層の堆積層のみが新たな捕集排気微粒子により増大し、燃焼により減少するときの堆積特性であるから、堆積と燃焼により別の堆積特性に変化することはない。したがって、再生要求値を安全側にシフトしておく必要がなく、パティキュレートフィルタの再生を遅過ぎでも早過ぎでもない適正な時期に行い得る。

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、前記再生要求値補正手段は、堆積排気微粒子を完全除去する完全再生実行直後の所定期間における内燃機関の運転状態に基づいて前記再生要求値を補正するように設定する。

排気微粒子が堆積していく態様は、厳密にはそのときの内燃機関の運転状態に依存する。特に堆積排気微粒子が完全に除去され細孔内を中心に排気微粒子が堆積する状態においては、排気微粒子の堆積状態によって前段特性線の傾きや遷移点がばらつくことになる。したがって、再生要求値を補正することで、さらに適正に再生時期を判断し得る。

請求項７記載の発明では、請求項６の発明の構成において、前記内燃機関の運転状態には内燃機関への吸入空気量を含むものとする。

堆積排気微粒子が完全に除去された直後においては、パティキュレートフィルタを流通する排ガスの流速によっては細孔内に流入した排気微粒子が達する細孔の深さが変わり、前記のごとく堆積特性に影響を与える。したがって、内燃機関への吸入空気量を含む内燃機関の運転状態に基づいて適正な再生要求値の補正量を設定し得る。

図１に本発明を適用した第１実施形態になるディーゼルエンジンの構成を示す。内燃機関であるディーゼルエンジンは、４気筒を備えたエンジン本体１に、吸気通路２の最下流部である吸気マニホールド２１と、排気通路３の最上流部である排気マニホールド３１とが接続され、排気通路３は、排気マニホールド３１の集合部にパティキュレートフィルタ３２が連なっている。パティキュレートフィルタ３２は、コーディエライトや炭化珪素等の多孔質セラミック製のハニカム構造体の流路を目封じしてフィルタ本体４を形成したもので、入口３２ａから流入したエンジン本体１の各気筒からの排気ガスが、多孔質の隔壁を通り、出口３２ｂから下流へと流れていく。このとき、パティキュレートフィルタ３２には、排気ガスに含まれる排気微粒子（以下、適宜、ＰＭという）が捕集され、走行距離に応じて堆積していく。また、パティキュレートフィルタ３２のフィルタ本体４の表面には白金やパラジウム等の貴金属を主成分とする酸化触媒が担持されており、所定の温度条件下でＰＭを酸化、燃焼し、除去する。

エンジン本体１のインジェクタ等、エンジン各部を制御するＥＣＵ５１が設けられている。

ＥＣＵ５１には、運転状態を示す種々の信号が入力している。この中には、パティキュレートフィルタ３２に堆積するＰＭの堆積量を知るための信号も含まれており、そのためのセンサが設けられている。すなわち、排気通路３には管壁を貫通して燃焼状態検出手段である温度センサ５３ａ，５３ｂが設けてあり、排気ガスの温度を検出するようになっている。温度センサ５３ａ，５３ｂはパティキュレートフィルタ３２の直上流と直下流とのそれぞれに設けられている。温度センサ５３ａの検出温度は、パティキュレートフィルタ３２の入口３２ａにおける、流通する排気ガスの温度であり、以下、ＤＰＦ入口温度という。温度センサ５３ｂの検出温度は、パティキュレートフィルタ３２の出口３２ｂにおける、流通する排気ガスの温度であり、以下、ＤＰＦ出口温度という。ＤＰＦ入口温度とＤＰＦ出口温度からは、平均の演算やフィルタ処理などの方法によりパティキュレートフィルタ３２を代表する温度（以下、適宜、ＤＰＦ温度という）を演算する。

また、排気通路３には、パティキュレートフィルタ３２の直上流側で分岐する第１の分岐通路３３ａと、パティキュレートフィルタ３２の直下流側で分岐する第２の分岐通路３３ｂとが接続され、両分岐通路３３ａ，３３ｂに介設された圧力損失検出手段である差圧センサ５４が、パティキュレートフィルタ入口３２ａとパティキュレートフィルタ出口３２ｂとの差圧を検出するようになっている。この差圧はパティキュレートフィルタ３２における圧力損失を示している。

また、吸気通路２にはエアフローメータ５２が設けられ、吸入空気量を検出するようになっている。

その他、ＥＣＵ５１に、アクセル開度、冷却水温等の、一般的なディーゼルエンジンの運転状態を示すパラメータが入力しているのは勿論である。

ＥＣＵ５１はマイクロコンピュータを中心に構成された一般的な構成のもので、そのＲＯＭには、内燃機関各部を制御するための運転制御プログラムの他、パティキュレートフィルタ３２におけるＰＭの堆積量の算出や、堆積量の算出値に基づいてパティキュレートフィルタ３２を再生するか否かを判断する再生制御プログラムや、この算出プログラムで用いられる堆積特性を特定する情報が格納されている。

再生制御プログラムの内容に先立ち、発明者らが、パティキュレートフィルタに関し、ＰＭの堆積と、これが排気ガスの流通におよぼす影響について鋭意実験研究を重ねた結果得た知見について説明する。図２は、ＰＭが堆積していない新品若しくはパティキュレートフィルタ３２を完全に再生した直後の状態から、排気流量を一定としてＰＭが堆積していくときの圧力損失ΔＰとＰＭ堆積量ＭL との関係を示すもので、圧力損失ΔＰはＰＭ堆積量ＭL の増加に応じて上昇する。圧力損失ΔＰとＰＭ堆積量ＭL との関係のプロファイルは上に凸となる。詳しくは、特性線が実質的に直線で表され、ＰＭ堆積量ＭL がある大きさになる点（以下、適宜、遷移点という）で前記直線の傾きが不連続に変化する。ＰＭ堆積量ＭL が遷移点堆積量を越えると前記傾きが緩やかになる。すなわち２本の直線でＰＭの増加時の堆積特性が近似される。

ここで、遷移点を挟んで前記傾きが異なることについて説明する。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、パティキュレートフィルタ本体４の隔壁（以下、適宜、ＤＰＦ壁という）でＰＭの堆積が進行していく様子を示しており、この順に、ＰＭ堆積量が多くなる。

図３（Ａ）は新品若しくはパティキュレートフィルタ３２を完全に再生した直後の、排気微粒子が堆積していない状態であり、ＤＰＦ壁をＰＭが透過する際における圧力損失は、パティキュレートフィルタ３２の形状諸元で規定される。

この状態から図３（Ｂ）に示すように、排気微粒子が、上流側のＤＰＦ壁表層に堆積したり、細孔に詰まって、圧力損失ΔＰが上昇するが、図中、矢印で示すように、排気ガスは細孔に向かうように流れが形成されるので、最初のうちは細孔が詰まることが圧力損失ΔＰを上昇させる支配要因となる。但し、排気ガスの流速によっては、細孔内に流入したＰＭが達する細孔の深さが変わるので、ＰＭ増加前段特性線および遷移点が変動する。

細孔の多くが詰まり、ＤＰＦ壁表層の全面にＰＭ堆積層が形成されると、今度は、図３（Ｃ）に示すように、排気ガス中の排気微粒子によりＰＭ堆積層の厚さが増していくことになる。ここでは、ＤＰＦ壁表層を覆うＰＭ堆積層が厚くなることが圧力損失ΔＰを上昇させる支配要因となる。

このように、細孔の多くが詰まり、ＤＰＦ壁表層にＰＭ堆積層が形成される遷移点の前と後とで圧力損失ΔＰを上昇させる支配要因が異なる。細孔に排気微粒子が詰まっていない状態では良好に流通が自在であった細孔が、ＰＭが細孔で捕集されて細孔に詰まると、急激に圧力損失が増大するので、細孔の多くが詰まってしまうまでは、前掲図２に示すように、ＰＭ堆積量ＭL に対する圧力損失ΔＰの変化率は比較的、大きい（ＰＭ増加前段特性線）。一方、細孔の多くが詰まってしまった以降では圧力損失ΔＰの上昇の支配要因がＰＭ堆積層が厚くなることに変わるから、ＰＭ堆積量に対する圧力損失ΔＰの変化率は緩やかなものに変わることになる（ＰＭ増加後段特性線）。

次に示す図４は、初期点からＰＭ増加前段特性線およびＰＭ増加後段特性線を辿る通常（再生直後）の堆積特性（１）に、ＰＭが堆積した状態から自然再生によりＰＭが燃焼してＰＭ堆積量が減少していくときの圧力損失とＰＭ堆積量との関係を併せて示すものである。後段特性線上の点ｂ１において、自然再生が開始され、パティキュレートフィルタ３２に堆積した排気微粒子が燃焼、消失していくと、図中で点（ＰＭ堆積量、圧力損失）が初期点側に移動することになるが、ＰＭ増加後段特性線をもとには辿らない。ＰＭ燃焼時には、ＰＭ増加前段特性線の傾きとＰＭ増加後段特性線の傾きとの間の傾きの線を辿ることになる。この際、細孔に詰まったＰＭが燃焼する傾向が強いため、燃焼時の傾きは簡単にはＰＭ増加前段特性線の傾きと同じと捉えることができる。例えば、図中に示すように、燃焼を開始した時の点ｂ１から点ｃ１へ向かう低減特性線上を推移することになる。

堆積ＰＭの燃焼は運転状態によっては停止するから、パティキュレートフィルタ３２で堆積と燃焼とを繰り返す。例えば、ｃ１に達した後、再び堆積に転じると、ＰＭ増加後段特性線と平行な増加特性線を辿って堆積が進行する。そして堆積から燃焼に転じると、再び、初期点側に戻る低減特性線を辿ることになる。この時、後段特性線上の点ｂ１を燃焼開始屈曲点、再び堆積に転じる点ｃ１を再堆積屈曲点とする。

また、図中の表層部堆積特性線は、燃焼により細孔内のＰＭがすべて消失して、ＤＰＦ壁表層のＰＭのみ残存する状態になったときに辿る堆積特性（２）であり、初期点を通り、ＰＭ増加後段特性線と同じ傾きの直線となる。

ＥＣＵ５１のＲＯＭには、通常の特性線として、遷移点までのＰＭ増加前段特性線と、遷移点以降のＰＭ増加後段特性線とが堆積量マップとして記憶されている。特性線は、予め実験などから得られたデータに基づいて作成される。そして、検出差圧や排気流量に基づいて、所定排気流量下での圧力損失ΔＰを求め、前記堆積量マップを参照してＰＭ堆積量を演算する。排気流量は例えば吸気量をＤＰＦ温度などにより補正して求める。また、堆積量マップの堆積特性は、堆積ＰＭの燃焼量を演算して燃焼量に応じた分、ＰＭ増加後段特性線が圧力損失の小側にシフトされるように補正される。そして、演算されたＰＭ堆積量が再生要求値（以下、適宜、ＰＭ堆積量限界閾値という）に達すると、ポスト噴射などによりパティキュレートフィルタ３２を強制再生し、パティキュレートフィルタ３２の堆積ＰＭをすべて除去して（完全再生）、ＰＭの過剰堆積を回避する。

図５に、ＥＣＵ５１で実行されるパティキュレートフィルタ３２の再生に関する制御内容を示す。ステップＳ１０１は堆積量演算手段としての処理で、通常の堆積特性（１）に基づいてＰＭ堆積量を推定する。

ステップＳ１０２では細孔内のＰＭが燃焼状態にあるか否かを判定する。判定は、ＤＰＦ温度が予め設定した基準温度以上であれば、燃焼状態と判断する。否定判断されるとステップＳ１０１に戻る。

細孔内のＰＭが燃焼状態にあるか否かを判定するステップＳ１０２が肯定判断されると、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３は燃焼量演算手段としての処理で、細孔内ＰＭの燃焼量を演算し、積算する。図６はＤＰＦ温度とＰＭ燃焼速度との関係を示すもので、ＤＰＦ温度が高いほど、また、ＰＭ堆積量が多いほど、ＰＭ燃焼速度は速くなる。ステップＳ１０３で演算される細孔内ＰＭの燃焼量は単位時間を制御周期にとったＰＭ燃焼速度であり、ＤＰＦ温度やＰＭ堆積量に基づいて演算される。演算は、前記ＤＰＦ温度およびＰＭ堆積量に対してＰＭ燃焼量を対応させるＰＭ燃焼量マップを参照して演算される。細孔内ＰＭの燃焼量の積算値はその前回値に今回の細孔内ＰＭの燃焼量を加算して、細孔内ＰＭの燃焼量の積算値を更新することでなされる。なお、細孔内ＰＭの燃焼量は、ＤＰＦ温度、ＰＭ堆積量のほか、排気ガス中のＮＯx濃度、酸素濃度、前記圧力損失ΔＰ、エンジン回転数、燃料噴射量、車速、吸入空気量などに依存するので、これらをパラメータとして、さらに高精度に細孔内ＰＭの燃焼量を算出するのもよい。

ステップＳ１０４〜Ｓ１０７は再生要求値補正手段としての処理で、ステップＳ１０４では、細孔内ＰＭ燃焼量に基づいて新しくＰＭ堆積量限界閾値Ｃを算出する。ここで、ＰＭ堆積量限界閾値は、パティキュレートフィルタ３２の堆積ＰＭを強制的に燃焼しパティキュレートフィルタ３２を再生するか否かを判断するための閾値（再生要求値）であり、再生直後は、初期ＰＭ堆積量限界閾値Ａに設定されている。

ＰＭ堆積量限界閾値Ｃの算出は、ステップＳ１０３で算出された細孔内ＰＭの燃焼量積算値に基づいて次のようになされる。図７はＰＭ堆積量と圧力損失との関係を示すもので、ＰＭの堆積のみ進行すれば、点（ＰＭ堆積量、圧力損失）はＰＭ増加前段特性線から後段特性線上を辿るが、ＰＭの燃焼が生じると、低圧力損失、少ＰＭ堆積量側に変化する。前記のごとく、燃焼は細孔内のＰＭを中心に進行するから、ＰＭ増加後段特性線を辿らずに、堆積量減衰特性線を辿って表層部堆積特性線へ向かう。すなわち、燃焼に伴いＰＭ増加前段特性線と同じ傾きの低減特性線（図中、矢印）に沿って圧力損失、ＰＭ堆積量が低下する。燃焼停止後の堆積特性は、現在の点（ＰＭ堆積量、圧力損失）から、演算で得られた細孔内ＰＭの燃焼量積算値の分、増加前段特性線と同じ傾きの直線に沿って低圧力損失、少ＰＭ堆積量側に移動した点（ＰＭ堆積量、圧力損失）を求め、当該点（ＰＭ堆積量、圧力損失）を通るようにＰＭ増加後段特性線を平行移動することで与えられる（増加特性線）。

さて細孔内ＰＭの燃焼量積算値の演算において誤差があったとすると（以下、この誤差を見込み誤差Δｅという）、当該見込み誤差Δｅに基因して、補正後の堆積特性を表す堆積量減衰特性線の増加特性線が、実際の堆積特性に対してどれだけＰＭ堆積量の方向にずれるかを見積もると、式（１）となる。式中、ΔＰＭは前記ずれの見積もり値、ｋ１はＰＭ増加前段特性線の傾き、ｋ２はＰＭ増加特性線の傾きである。
ΔＰＭ＝｛（ｋ１−ｋ２）／ｋ２｝×Δｅ・・・（１）

すなわち、燃焼量が実際よりも見込み誤差Δｅ少なく演算されると、図より知られるように、演算により得られるＰＭ堆積量は実際よりもずれの見積もり値ΔＰＭ少なく把握されることになる。

したがって、ステップＳ１０４では、ずれの見積もり値ΔＰＭをＰＭ堆積量限界閾値Ｂの補正量として、現在のＰＭ堆積量限界閾値Ｂ（図７には、現在のＰＭ堆積量限界閾値Ｂ＝初期ＰＭ堆積量限界閾値Ａの場合を示す）から前記見積もり値ΔＰＭを減じ、減算値をＰＭ堆積量限界閾値Ｃとする。

ステップＳ１０５では、堆積特性が表層部堆積特性線に向かって移行途中であるのか、あるいは表層部堆積特性線に達したのかを判定する。判定は、ステップＳ１０３で求められた細孔内ＰＭ燃焼量積算値が予め設定した基準値に達したか否かにより行う。基準値は、細孔内に捕集され得る限界値（遷移点における堆積量に相当する）に設定され、細孔内ＰＭ燃焼量積算値が基準値に達していなければ、移行途中と判断する。

堆積特性が移行途中か否かを判定するステップＳ１０５が肯定判断されると、ステップＳ１０６で現在のＰＭ堆積量限界閾値Ｂを、ステップＳ１０４で求めたＰＭ堆積量限界閾値Ｃにより更新し、本フローを終了する。

一方、堆積特性が移行途中か否かを判定するステップＳ１０５が否定判断されると、ステップＳ１０７でＰＭ堆積量限界閾値Ｂを初期ＰＭ堆積量限界閾値Ａにより更新する。すなわち、ＰＭ堆積量限界閾値Ｃの算出に用いたΔＰＭは、演算に用いる堆積特性と実際の堆積特性とのずれの、燃焼に基因した大きさをあらわすものである。細孔内ＰＭがすべて燃焼し、表層のみにＰＭが残っている蓋然性が高ければ、堆積特性として表層部堆積特性線とすればよく、ΔＰＭは０とみなすことができる。本ステップＳ１０７の処理はかかる理由により、ＰＭ堆積量限界閾値Ｂを初期ＰＭ堆積量限界閾値Ａに引き戻すものである。

図８はＰＭ堆積量限界閾値Ｂの推移を示すもので、堆積ＰＭの燃焼開始までは初期ＰＭ堆積量限界閾値Ａである。燃焼により堆積特性が後段堆積特性線から増加特性線に変わると、初期ＰＭ堆積量限界閾値Ａから、このときのＰＭ燃焼量積算値に応じた見込み誤差Δｅを考慮したＰＭ堆積量限界閾値Ｃiに変わる。その後、さらに燃焼が繰り返されれば、その都度、新たに算出されたＰＭ堆積量限界閾値Ｃjに更新される。燃焼により見込み誤差Δｅは累積していくので、更新されるにしたがって、ＰＭ堆積量限界閾値Ｂは小さく、より安全側にシフトしていく。そして、堆積特性の表層部堆積特性線への移行が完了すれば、再び初期ＰＭ堆積量限界閾値Ａにリセットされる。

このように、燃焼によるＰＭ堆積量の推定誤差が累積するのに応じて、ＰＭ堆積量限界閾値Ｂが小さくより安全側にシフトし、パティキュレートフィルタ３２の再生の再生時期が遅すぎにならないようにすることができる。そして、堆積特性が表層部堆積特性線になると初期ＰＭ堆積量限界閾値Ａに引き戻すことで、再生時期が早くなり過ぎるのを回避することができ、再生頻度を適正化することができる。

なお、完全再生実行直後の通常の堆積特性（１）は予め記憶したものを用いてもよいが、高精度化を図るには次のようにするのもよい。すなわち堆積ＰＭが完全に除去された完全再生直後においては、排気ガスの流速によって、細孔内に流入したＰＭが達する細孔の深さが変わるので、ＰＭ増加前段特性線および遷移点が変動する。したがって堆積特性のずれを見積もり、ＰＭ堆積量限界閾値を補正することで、さらに高精度に再生時期を判断し得る。

ここで、前記排気ガスの流速はエンジン本体１への吸入空気量に依存するから、エアーフローメータ５２により検出される吸入空気量と堆積特性のずれとの対応関係を予め実験などにより求めておき、かかるデータに基づいて作成したマップにより、ＰＭ堆積量限界閾値を補正すればよい。なお、補正量は吸入空気量に限らず、エンジン回転数などの他の運転状態をパラメータとして求めてもよいのは勿論である。

また、本実施形態では、細孔内ＰＭ燃焼量に基づいて見込み誤差Δｅを求め、これによりＰＭ堆積量限界閾値の補正量ΔＰＭを算出しているが、簡単には燃焼の積算時間が長くなるほど大きな補正量ΔＰＭが与えられるようにしてもよい。

パティキュレートフィルタは、図９に示すように、触媒が非担持のフィルタ本体４２を設けるとともにそれよりも上流に触媒４１を設けた触媒前置き型のパティキュレートフィルタ本体４Ａにより構成することもできる。また、この場合において、差圧センサ５４は、図１０に示すように、フィルタ本体４２の前後の差圧を検出するようにしてもよい。また、上流側の排気温センサ５３ａは、図１１に示すように、触媒４１とフィルタ本体４２との間で温度を検出する構成とするのもよい。また、図１２に示すように、図９，図１０の特徴を両方とも採用する構成とするのもよい。

本発明の排気ガス浄化装置を適用した内燃機関の構成図である。 前記排気ガス浄化装置のパティキュレートフィルタにおいて、排気微粒子が堆積していくときの堆積量と圧力損失との関係を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ前記パティキュレートフィルタに排気微粒子が堆積していく状態を示す堆積量の異なる図である。 前記パティキュレートフィルタにおいて、排気微粒子が堆積していくときと、堆積した排気微粒子が燃焼、消失していくときの堆積量と圧力損失との関係を示す第１のグラフである。 前記内燃機関の各部を制御するＥＣＵで実行される制御内容を示すフローチャートである。 前記ＥＣＵで実行される制御内容を示す温度と排気微粒子の燃焼速度との関係を示すグラフである。 前記パティキュレートフィルタにおいて、排気微粒子が堆積していくときと、堆積した排気微粒子が燃焼、消失していくときの堆積量と圧力損失との関係を示す第２のグラフである。 前記パティキュレートフィルタにおいて、排気微粒子が堆積していくときと、堆積した排気微粒子が燃焼、消失していくときの堆積量と圧力損失との関係を示す第３のグラフである。 本発明の第１の変形例の構成図である。 本発明の第２の変形例の構成図である。 本発明の第３の変形例の構成図である。 本発明の第４の変形例の構成図である。

符号の説明

１ エンジン本体
２１ 吸気マニホールド
３１ 排気マニホールド
３２ パティキュレートフィルタ
４ 本体
５１ ＥＣＵ（堆積量演算手段、再生要求値補正手段、燃焼量演算手段）
５２ エアフローメータ
５３ａ，５３ｂ 温度センサ（燃焼状態検出手段）
５４ 差圧センサ（圧力損失検出手段）

Claims (7)

1. 排気通路の途中に、排気微粒子を捕集し該捕集された排気微粒子が堆積するパティキュレートフィルタを有し、該パティキュレートフィルタの排気微粒子の堆積量の演算値が所定の再生要求値に達すると堆積排気微粒子を燃焼除去して前記パティキュレートフィルタを再生する強制再生を行うようにした内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記パティキュレートフィルタの圧力損失を検出する圧力損失検出手段と、
   排気微粒子の堆積量と前記圧力損失とを対応付ける堆積特性を、堆積量が０の初期点を通る直線を堆積量が少量側の前段特性線として、前記初期点から前記前段特性線を辿って圧力損失が上昇し、所定の遷移点を越えると、前記前段特性線よりも緩い傾きの直線を堆積量が多量側の後段特性線として該後段特性線を辿って圧力損失が上昇する堆積特性とし、該堆積特性に基づき、少なくとも前記圧力損失を入力として堆積量を演算する堆積量演算手段と、
   排気微粒子の燃焼に伴い前記パティキュレートフィルタへの堆積状態が変化し、前記後段特性線上の点から、前記初期点を通り前記後段特性線と同じ傾きの直線により表される表層部堆積特性線に向かう、堆積量減衰特性線を辿る堆積特性となった時に、前記表層部堆積特性線への移行が完了するまでの間、前記再生要求値が小さくなるように前記再生要求値を補正する再生要求値補正手段とを具備することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記堆積量減衰特性線は、前記後段特性線上の点から排気微粒子が低減する方向へ向かう低減特性線と、燃焼が停止して再び排気微粒子が増加する方向へ向かう増加特性線とを組み合わせてなり、
   前記再生要求値補正手段は、前記堆積量減衰特性線における前記後段特性線上の点を燃焼開始屈曲点、前記低減特性線から増加特性線への転換点を再堆積屈曲点とした時に、前記燃焼開始屈曲点から前記再堆積屈曲点が離れるほど、前記再生要求値の補正量を大きく設定するようにした内燃機関の排気ガス浄化装置。
3. 請求項１または２記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記パティキュレートフィルタに堆積した堆積排気微粒子の燃焼量の積算値を演算する燃焼量演算手段を具備せしめ、
   前記再生要求値補正手段は、前記燃焼量の積算値に基づいて前記燃焼量の積算値が大きいほど前記再生要求値が小さくなるように前記再生要求値の補正量を演算するように設定した内燃機関の排気ガス浄化装置。
4. 請求項１または２記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記堆積量減衰特性線上における、前記パティキュレートフィルタに堆積した堆積排気微粒子の燃焼量の積算値を演算する燃焼量演算手段を具備せしめ、
   前記堆積量演算手段は、前記堆積量減衰特性線の前記増加特性線を前記後段特性線と略平行な線として、前記燃焼量が多いほど前記後段特性線が圧力損失の小側に略平行にシフトするように補正して、堆積量の演算に用いる前記増加特性線を設定するようにした内燃機関の排気ガス浄化装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記再生要求値補正手段は、排気微粒子の前記パティキュレートフィルタへの堆積状態が、前記後段特性線上の点から前記堆積量減衰特性線を辿り前記表層部堆積特性線へ到達すると、前記再生要求値を初期値にリセットするように設定した内燃機関の排気ガス浄化装置。
6. 請求項１ないし５いずれか記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記再生要求値補正手段は、堆積排気微粒子を完全除去する完全再生実行直後の所定期間における内燃機関の運転状態に基づいて前記再生要求値を補正するように設定した内燃機関の排気ガス浄化装置。
7. 請求項６記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記内燃機関の運転状態には内燃機関への吸入空気量を含む内燃機関の排気ガス浄化装置。
   
   

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