JP2013221419A - Ｄｐｆの再生方法及び排気ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＰＦの再生効率を向上して燃費の悪化を抑制することができるＤＰＦの再生方法及び排気ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】ＤＰＦの再生制御時に、特定の温度における排気ガス流量とＤＰＦ入口温度とＰＭ堆積量とから予め決定したＰＭ燃焼反応速度のデータベース、及び特定の温度におけるＰＭ除去量のデータベースに基づいて、計測又は推定されたフィルタ温度における、予め設定した時間内におけるＰＭ除去量を算出し、該算出されたＰＭ除去量を累積して、再生制御開始から燃焼除去したＰＭの累積ＰＭ除去量を算出し、該累積ＰＭ除去量が再生制御開始時に推定したＰＭ堆積量になってから再生制御を終了する。
【選択図】図４

Description

本発明はＤＰＦの再生方法及び排気ガス浄化システムに関し、更に詳しくは、ＤＰＦの再生効率を向上して燃費の悪化を抑制することができるＤＰＦの再生方法及び排気ガス浄化システムに関する。

自動車搭載の内燃機関等から排出される排気ガスの中には、粒子状物質と呼ばれるＰＭ（パティキュレートマター）が含まれている。通常、このＰＭは、内燃機関の排気通路に配置される、種々の形状及び材質で構成されたＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）により捕集している。

このＤＰＦ内に捕集されたＰＭの捕集量は、圧力センサで検出されるＤＰＦの前後の圧力差等によって管理されており、一定以上の圧力差が生じるとＰＭが所定量堆積したと判断して、再生処理が行われるようになっている。この再生処理は、ＰＭが燃焼される温度にＤＰＦを昇温して、予め設定された時間の間維持するという毎回同じ条件で、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼除去している。このようにＤＰＦを備えた内燃機関では、ＰＭの捕集とＤＰＦの再生処理を繰り返すことで、ＰＭを大気に放出しないようにしている。

このＤＰＦの再生処理は、ＤＰＦを毎回同じ条件の温度に同じ時間の間に維持することで行っているので、毎回一定量の燃料を消費することになる。その結果、ＰＭ堆積量が少ない時は、ＰＭ燃焼量に対する燃料使用量の一部が無駄になり、燃費の悪化につながるという問題がある。そのため、ＤＰＦ再生に関わるパラメータを利用して燃料消費量が最小となるようなＤＰＦの再生方法が必要とされている。

これに関連して、簡素な構成で精度よくフィルタの再生の終了タイミングを判定できるようにするために、フィルタの再生時に、フィルタが活性化してＰＭが効率的に燃焼する温度である所定温度（６００℃）にフィルタ温度が達した時点からの酸素質量流量の積算値が、再生開始時のフィルタにおけるＰＭ堆積量に相当する所定値に達すると再生終了と判定する排ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この排ガス浄化装置では、ＰＭの燃焼量と酸素質量流量との関係を利用してＰＭの総燃焼量を、酸素質量流量の積算値に所定の係数Ｃを乗じた値に等しいとしているが、実際には、所定の温度に昇温するまでにもＰＭが燃焼除去されたり、再生制御中に維持されるフィルタ温度も内燃機関の状況によって完全に一定にすることは困難であったりするために、ＰＭの完全除去の時点と再生終了と判断する時点とが必ずしも一致しない場合が発生する可能性がある。

そのため、本発明者らは、ＤＰＦの再生制御時に、ＰＭ燃焼速度又はＰＭ除去量のデータベースに基づいて、計測又は推定されたフィルタ温度における、予め設定した時間内におけるＰＭ除去量を算出し、その算出されたＰＭ除去量を累積して、再生制御開始から燃焼除去したＰＭの累積ＰＭ除去量を算出し、その累積ＰＭ除去量が再生制御開始時に推定したＰＭ堆積量になってから再生制御を終了するＤＰＦの再生方法を提案した。

しかしながら、実際のＰＭ燃焼反応速度はエンジンの排気ガス流量に依存して変化するため、上記のようなＤＰＦの再生方法では、エンジンの運転条件が変化する実走行時においてＤＦＰ再生処理を効率的に実施することは困難であり、余分なポスト噴射などにより燃費の悪化をもたらすおそれがある。

特開２００４−２９３３４０号公報

本発明の目的は、ＤＰＦの再生効率を向上して燃費の悪化を抑制することができるＤＰＦの再生方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明のＤＰＦの再生方法は、ＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムで、ＰＭ堆積量が限界に達しているか否かを判定し、ＰＭ堆積量が限界に達している場合には、ＤＰＦの再生制御を行い、このＤＰＦの再生制御時にＤＰＦの昇温制御とＤＰＦの温度維持制御とを行うＤＰＦの再生方法において、予め設定した排気ガス流量と予め設定したＤＰＦ入口温度とに対して、特定の温度における排気ガス流量別でかつＤＰＦ入口温度別のＰＭ燃焼反応速度のデータベースを予め設定し、予め設定した排気ガス流量と予め設定したＰＭ残量とに対して、特定の温度における排気ガス流量別でかつＰＭ残量別のＰＭ燃焼反応速度のデータベースを予め設定し、予め設定したＰＭ捕集量と予め設定したフィルタ温度に対して、前記ＰＭ燃焼反応速度に係る２つのデータベースのうち小さい方のＰＭ燃焼反応速度を用いて算出したＰＭ捕集量別でかつフィルタ温度別のＰＭ除去量のデータベースを予め設定してＤＰＦの再生制御装置に記憶し、ＤＰＦの再生制御時に、前記ＰＭ除去量のデータベースに基づいて、計測又は推定されたフィルタ温度における、予め設定した時間内におけるＰＭ除去量を算出し、該算出されたＰＭ除去量を累積して、再生制御開始の時点から燃焼除去したＰＭの累積ＰＭ除去量を算出し、該累積ＰＭ除去量が再生制御開始時に推定したＰＭ堆積量になってから再生制御を終了することを特徴とするものである。

上記の目的を達成する本発明の排気ガス浄化システムは、ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムにおいて、上記のＤＰＦの再生方法を行う再生制御装置を備えたことを特徴とするものである。

本発明のＤＰＦの再生方法及び排気ガス浄化システムによれば、ＤＰＦに堆積しているＰＭのＰＭ燃焼反応速度を、エンジンの排気ガス流量とＤＰＦ入口温度とＰＭ堆積量とから予め決定するようにしたので、車両の実走行時におけるエンジンの運転状態に応じた最適なＤＰＦ再生制御を行って、余分なポスト噴射等を避けることができるため、ＤＰＦ再生効率を向上して燃費の悪化を抑制することができる。

排気ガス流量とＤＰＦ入口温度をパラメータとしたＰＭ燃焼反応速度を示すマップデータの構成を示す図である。 排気ガス流量とＰＭ堆積量をパラメータとしたＰＭ燃焼反応速度を示すマップデータの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態のＤＰＦの再生方法の制御フローの一例を示す図である。 図３のステップＳ３０の詳細を示す図である。 図４のステップＳ３３の詳細を示す図である。 第１温度領域と第２温度領域を示す図である。 酸化触媒の温度と、一酸化窒素と二酸化窒素の量との関係を示す図である。 反応次数を求めるための図である。 反応速度定数を求めるための図である。 活性化エネルギーを求めるための図である。 ＰＭ堆積量と触媒温度をパラメータとしたＰＭ除去量を示すマップデータの構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のＤＰＦの再生方法、及び、排気ガス浄化システムについて説明する。最初に、本発明に係る実施の形態のＤＰＦの再生方法を実施するための排気ガス浄化システムについて説明する。

このＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムは、上流側の酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）の担体と下流側の酸化触媒が担持されているディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter：以下ＤＰＦという）を備えて構成され、内燃機関の排気通路に設けられる。なお、この排気ガス浄化システムは、上流に酸化触媒（ＤＯＣ）の担体が付き、下流には、酸化触媒無しのＤＰＦの担体が付く構成の排気ガス浄化システムであってもよい。

内燃機関の運転中においては、排気ガス中に含まれている粒子状物質（ＰＭ: Particulate Matter：以下ＰＭという）は、排気ガスの温度や組成によっては、排気ガス中の酸素や二酸化窒素（ＮＯ₂）により排気ガス中もしくはＤＰＦで一部は酸化されるが、排気ガスの温度や組成によっては、排気ガス中もしくはＤＰＦで酸化されずに、排気ガス浄化システムのＤＰＦに捕集される。

このＤＰＦに捕集されたＰＭの堆積量が増加してくると、ＤＰＦの圧力損失が大きくなり、内燃機関の運転に支障をきたすので、ＤＰＦの前後の差圧を計測したり、前回の再生処理からの走行距離や燃料消費量等からＰＭの堆積量を推定したりして、ＤＰＦの前後差圧やＰＭの堆積量がそれぞれの閾値を超えた場合に、ＤＰＦのフィルタ温度をＰＭ燃焼温度まで高めて、その温度を維持して、ＤＰＦに捕集されているＰＭを燃焼除去するＤＰＦの再生処理が行われる。このフィルタ温度の昇温と温度維持に際しては、シリンダ内のマルチ噴射（多段遅延噴射）やポスト噴射、排気管内直接燃料噴射、吸気絞り、排気絞り、ＥＧＲ制御等を組み合わせて、排気ガスの昇温と高温維持が行われ、この高温の排気ガスでフィルタ温度を制御している。

本発明に係る実施の形態のＤＰＦの再生方法においては、ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムで、ＤＰＦの前後差圧等からＰＭ堆積量が限界に達しているか否かを判定し、ＰＭ堆積量が限界に達している場合には、ＤＰＦの再生制御を行い、このＤＰＦの再生制御時にＤＰＦの温度をモニターしながら、シリンダ内燃料噴射におけるマルチ噴射（多段遅延噴射）ポスト噴射等によるＤＰＦの昇温制御とＤＰＦの温度維持制御を行う。

また、このＤＰＦの再生方法において、特定の温度における化学反応の速度を予測する式であるアレニウスの式を用いて、予め設定したＰＭ捕集量と、予め設定したフィルタ温度に対して排気ガス流量とＤＰＦ入口温度とＰＭ堆積量とから予め決定したＰＭ燃焼反応速度を用いて、ＰＭ捕集量別でかつフィルタ温度別のＰＭ燃焼反応速度のデータベースを予め設定したり、又は、このＰＭ燃焼反応速度を用いて算出したＰＭ捕集量別でかつフィルタ温度別のＰＭ除去量のデータベースを予め設定したりして、このデータベースをＤＰＦの再生制御装置に記憶する。

そして、ＤＰＦの再生制御時に、ＰＭ燃焼反応速度又はＰＭ除去量のデータベースに基づいて、計測又は推定されたフィルタ温度における、予め設定した時間内におけるＰＭ除去量を算出し、この算出されたＰＭ除去量を累積して、再生制御開始から燃焼除去したＰＭの累積ＰＭ除去量を算出し、この累積ＰＭ除去量が再生制御開始時に推定したＰＭ堆積量になってから再生制御を終了するようにする。

このＤＰＦの再生方法では、事前準備として、排気ガス流量別でかつＤＰＦ入口温度別のデータベースと、排気ガス流量別でかつＰＭ堆積量別のＰＭ燃焼反応速度のデータベースと、ＰＭ捕集量別でかつフィルタ温度別のＰＭ除去量のデータベースとを用意する必要がある。

このＰＭ除去量の算出に際しては、ＤＰＦにおけるＰＭ燃焼反応速度がＤＰＦのフィルタ温度に依存して燃焼の反応が異なる。

図６に示すように、ＤＰＦに流入する排気ガスの温度が低く、酸化触媒が活性化温度Ｔ１より低い間は、ＰＭを燃焼除去することができないので、排気ガスの昇温を行い、酸化触媒が活性化温度である第１温度Ｔ１以上になるのを待つ。

酸化触媒が第１温度Ｔ１以上になり、第１温度領域Ｒ１になると、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）が酸化されて二酸化窒素（ＮＯ₂）が発生し、（１ａ）式の燃焼反応式（化学反応式）により、二酸化窒素（ＮＯ₂）でＤＰＦに捕集されたＰＭ（Ｃ）が酸化され除去される。この活性化温度Ｔ１は酸化触媒の種類にもよるが、概ね２００℃程度である。この第１温度領域Ｒ１ではＤＰＦの上流側の酸化触媒（ＤＯＣ）によって二酸化窒素（ＮＯ₂）が生成されるので、二酸化窒素の生成量が多く、二酸化窒素によるＰＭ酸化が主に行われる温度領域である。

また、酸化触媒が第１温度Ｔ１よりも高く、二酸化窒素が減少する第２温度Ｔ２以上になり、第２温度領域Ｒ２になると、図７に示すように、酸化触媒に接触した後の排気ガス中の二酸化窒素（ＮＯ₂）の量が減少し、（１ｂ）式の燃焼反応式により、排気ガス中の酸素（Ｏ₂）でＤＰＦに捕集されたＰＭ（Ｃ）が酸化され除去される。つまり、二酸化窒素は第２温度Ｔ２以上になると生成量が図７に示すように減少するため、ＰＭ燃焼反応に寄与する割合が減少し、この二酸化窒素の代わりに酸素によるＰＭ燃焼が主に行われる領域である。この第２温度Ｔ２は酸化触媒の種類にもよるが、概ね５００℃程度である。

このように、ＰＭの燃焼反応は、酸化触媒の温度領域によって異なるので、その燃焼反応速度も異なってくる。

上記のように、ＰＭの燃焼反応はフィルタ温度によって、二酸化窒素（ＮＯ₂）による酸化と酸素（Ｏ₂）による酸化との違いがあり化学反応が異なるため、ＰＭの燃焼反応速度も異なる、そのため、ＰＭの燃焼反応をフィルタ温度Ｔｍを用いて、昇温過程の第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２までの第１温度領域Ｒ１と、温度維持過程の第２温度Ｔ２以上の第２温度領域Ｒ２の２つの温度領域に分類する。この第１温度領域Ｒ１は、目安の温度で２００℃以上５００℃以下の温度範囲であり、この第２温度領域Ｒ２は、目安の温度で５００℃以上の温度範囲である。この第２温度領域の上限は、ＤＰＦの耐熱温度や排気ガスの最高予測温度等であり、例えば、１０００℃等に設定される。つまり、データベースの第２温度領域の温度範囲としては５００℃以上で１０００℃以下としておく。

上記のように、第１温度領域Ｒ１と第２温度領域Ｒ２とでは、ＰＭを燃焼させる酸化剤が二酸化窒素と酸素という具合に異なるため、ＰＭの燃焼反応の反応式は異なる。

次に、第１温度領域におけるＰＭ燃焼反応式（１ａ）、ＰＭ燃焼反応速度式（２ａ）、反応次数決定式（３ａ）、反応速度定数決定式（４ａ）、活性化エネルギーＥａ１と頻度因子Ａ１を用いたアレニウス（Ａｒｒｅｈｅｎｉｕｓ）の式（５ａ）（６ａ）、時間ｔで燃焼除去したＰＭ除去量ΔＰＭｅ１の算出式（７ａ）を示す。なお、以下の計算では、反応時間（ＤＰＦの再生制御の制御間隔の時間）を「ｔ」、初期ＰＭ堆積量を「［Ｃ₀］」、時間ｔ後のＰＭ堆積量を「［Ｃ］」、反応速度を「ｖ１、−ｄ［Ｃ］／ｄｔ」、反応速度定数を「ｋ１」、反応次数を「ｎ１」、排気ガス流量を「Ｇ」、ＤＰＦ入口温度を「Ｔｓ１」とする。

ＰＭ燃焼反応式（１ａ）は、ＤＰＦ入口温度Ｔｓ１が第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２までの第１温度領域Ｒ１では、次の（１ａ）式となる。

ＰＭ燃焼反応速度ｖ１は、排気ガス流量ＧとＰＭ堆積量[Ｃ]とＤＰＦ入口温度Ｔｓ１とによって決定される。そのため、本発明では、再生処理でのＤＰＦ入口温度Ｔｓ１をモニタリングしつつ、排気ガス流量ＧごとのＰＭ燃焼反応速度ｖ１をリグ装置で計測し、それを基にして図１に示すように、ＤＰＦ入口温度Ｔｓ１と排気ガス流量Ｇとに対するＰＭ燃焼反応速度ｖ１をＧＴ_i1j（ＧＴ₁₁₁〜ＧＴ₃₁₃に相当）としてマップデータ等の第１データベースとしてデータベース化しておく。また、図２に示すように、ＤＰＦ入口温度Ｔｓ１におけるＰＭ堆積量[Ｃ^-n+1]と排気ガス流量Ｇとに対する燃焼反応速度ｖ１をＧＣ_i1j（ＧＣ₁₁₁〜ＧＣ₃₁₃に相当）として第２データベースとしてデータベース化しておく。そして、以下の計算に用いるＰＭ燃焼反応速度ｖ１として、第１及び第２データベースのうちの小さい方の値を用いる。

反応次数ｎ１の算出は、ＰＭ燃焼反応速度式（２ａ）を変形した、反応次数決定式（３ａ）を用いて行う。

この反応次数決定式（３ａ）を基に、図８に示すように、縦軸にｌｎ（Ｖ₀)を、横軸にｌｎ（Ｃ₀)を取ったグラフを作成すると一次曲線が得られる（「ｌｎ（ ）」は自然対数を示す）。この一次曲線の傾きが反応次数ｎ１となる。

次に、この決定した反応次数ｎ１を用いて、反応速度定数ｋ１を算出する。この算出は、ＰＭ燃焼反応速度式を変形し、反応次数ｎ１を代入した反応速度決定式（４ａ）式を用いて行う。

この反応速度決定式（４ａ）式に基づいて、図９に示すように、縦軸に「[１／（−ｎ＋１）］[（Ｃ₀）^-n+1−（Ｃ）^-n+1］を、横軸に時間ｔを取ったグラフを作成すると一次曲線が得られる。この一次曲線の傾きが反応速度定数ｋ１となるので、この傾きの数値を反応速度定数ｋ１の数値とすることで、反応速度定数ｋ１の数値を決定する。

一方、気体定数を「Ｒ」とし、反応温度（絶対温度）を「Ｔ」とし、活性化エネルギー（アレニウスパラメータ）を「Ｅａ１」とし、温度に無関係な定数である頻度因子を「Ａ１」とすると、ある温度での化学反応の速度を予測する式であるアレニウスの式は「ｋ１＝Ａ１・ｅｘｐ（−Ｅａ１／ＲＴ）」となる。先に決定された反応速度定数ｋ１から、アレニウスの式の活性化エネルギーＥａ１と、頻度因子Ａ１を算出する。アレニウスの式を自然対数の形にすると（５ａ）（６ａ）のようになる。

この（６ａ）式から、図１０に示すような、縦軸にｌｎｋ１を、横軸に温度の逆数（１／Ｔ）を取った対数グラフ（アレニウスプロット）を作成すると、（１／Ｔ）の一次曲線である直線が得られる。この直線の傾きが（−Ｅａ１／Ｒ）となるので、この傾きの数値を活性化エネルギーＥａ１の数値とし、縦軸との交点（切片）ｌｎＡ１の数値から、頻度因子Ａ１の数値を算出する。

この方法で算出された活性化エネルギーＥａ１と頻度因子Ａ１は、この第１温度範囲Ｒ１におけるＰＭ燃焼反応を一般化した値であるため、この値を使用することで、一般化したＰＭ燃焼反応速度定数ｋ１を算出することが可能となる。

従って、アレニウスの式に、この活性化エネルギーＥａ１と頻度因子Ａ１を代入すると、（６ａ）式となり、（６ａ）式のアレニウスの式に代入して求めた各温度Ｔにおける反応速度定数ｋ１を（２ａ）式に代入して変形した（７ａ）から、ｔ秒間で燃焼したＰＭ除去量ΔＰＭｅ１を算出することができる。

この（７ａ）式のＰＭの初期堆積量［Ｃ₀］^-n1+1は、ＤＰＦの前後差圧から推定する。このＰＭの初期堆積量［Ｃ₀］^-n1+1からｔ秒後のＰＭ堆積量（ＰＭ残量）［Ｃ］^-n1+1を差し引くとｔ秒で燃焼したＰＭ除去量ΔＰＭｅ１を求めることができる。次に計算で、このＰＭ堆積量［Ｃ］^-n1+1を次の再生処理の開示時の初期堆積量として扱うことで、順次ＰＭ除去量ΔＰＭｅ１を計算することができる。従って、このｔ秒で燃焼したＰＭ除去量ΔＰＭｅ１を累積計算（積算）していくことでＤＰＦに堆積したＰＭ堆積量ΔＰＭｃが燃え尽きるまでの燃焼時間を求めることが可能となる。

つまり、第１及び第２データベースから決定したＰＭ燃焼反応速度ｖ１をアレニウスプロットすることで、アレニウスの式の活性化エネルギーＥａ１と頻度因子Ａ１を算出でき、この活性化エネルギーＥａ１と頻度因子Ａ１を固定化することで、そのＰＭ燃焼反応における一般的な燃焼速度定数ｋを算出できる一般的なアレニウスの式を得ることができる。

この活性化エネルギーＥａ１と頻度因子Ａ１を特定したアレニウスの式により、ある温度Ｔｍにおける反応速度定数ｋ１ｍを算出できる。従って、さらに、これらの算出の過程で得られた反応次数ｎ１により、制御間隔ｔの間で燃焼除去されるＰＭ除去量ΔＰＭｅ１ｍをＰＭ堆積量［Ｃ₀］、［Ｃ］と温度［Ｔ］の組み合わせに対して算出することができるようになる。

この算出結果を図１１に示すように、ＰＭ堆積量［Ｃ₀ｉ］、［Ｃ］（Ｃ１〜Ｃ４に相当）と温度［Ｔｊ］（Ｔ１〜Ｔ４に相当）に対するｔ時間の間のＰＭ除去量ΔＰＭｅ１ｍをＣＴｉｊ（ＣＴ１１〜ＣＴ４４に相当）としてマップデータ等の第５データベースとしてデータベース化しておく。

同様にして、第２温度領域Ｒ２におけるＰＭ燃焼反応式（１ｂ）、ＰＭ燃焼反応速度式（２ｂ）、反応次数決定式（３ｂ）、反応速度定数決定式（４ｂ）、活性化エネルギーＥａ２と頻度因子Ａ２を用いたアレニウスの式（５ｂ）（６ｂ）、時間ｔで燃焼除去したＰＭ除去量ΔＰＭｅ２の算出式（７ｂ）を示す。なお、以下の計算では、反応時間（ＤＰＦの再生制御の制御間隔の時間）を「ｔ」、初期ＰＭ堆積量を「［Ｃ₀］」、時間ｔ後のＰＭ堆積量を「［Ｃ］」、反応速度を「ｖ２、−ｄ［Ｃ］／ｄｔ」、反応速度定数を「ｋ２」、反応次数を「ｎ２」、ＤＰＦ入口温度を「Ｔｓ２」とする。

ＰＭ燃焼反応式（１ｂ）は、ＤＰＦ入口温度Ｔｓ２が第１温度Ｔ２以上の第２温度領域Ｒ２では、次の（１ｂ）式となる。

本発明では、排気ガス流量ＧごとのＰＭ燃焼反応速度ｖ２をリグ装置で計測し、それを基にして図１と同様に、ＤＰＦ入口温度Ｔｓ２と排気ガス流量Ｇとに対するＰＭ燃焼反応速度ｖ２をＧＴ_i2jとしてマップデータ等の第３データベースとしてデータベース化しておく。また、図２と同様に、ＤＰＦ入口温度Ｔｓ２におけるＰＭ堆積量[Ｃ^-n+1]と排気ガス流量Ｇとに対する燃焼反応速度ｖ２をＧＣ_i2jとして第４データベースとしてデータベース化しておく。そして、以下の計算に用いるＰＭ燃焼反応速度ｖ２として、第３及び第４データベースのうちの小さい方の値を用いる。

反応次数ｎ２の算出は、ＰＭ燃焼反応速度式（２ｂ）を変形した、反応次数決定式（３ｂ）を用いて行う。

この反応次数決定式（３ｂ）を基に、図６と同様に、縦軸にｌｎ（Ｖ₀)を、横軸にｌｎ（Ｃ₀)を取ったグラフを作成すると一次曲線が得られる。この一次曲線の傾きが反応次数ｎ２となるので、この傾きの数値を反応次数ｎ２の数値とすることで、反応次数ｎ２の数値を決定する。

次に、この決定した反応次数ｎ２を用いて、反応速度定数ｋ２を算出する。この算出は、ＰＭ燃焼反応速度式を変形し、反応次数ｎ２を代入した反応速度決定式（４ｂ）式を用いて行う。

この反応速度決定式（４ｂ）式に基づいて、図９と同様に、縦軸に「[１／（−ｎ＋１）］[（Ｃ₀）^-n+1−（Ｃ）^-n+1］を、横軸に時間ｔを取ったグラフを作成すると一次曲線が得られる。この一次曲線の傾きが反応速度定数ｋ２となるので、この傾きの数値を反応速度定数ｋ２の数値とすることで、反応速度定数ｋ２の数値を決定する。

一方、気体定数を「Ｒ」とし、反応温度（絶対温度）を「Ｔ」とし、活性化エネルギー（アレニウスパラメータ）を「Ｅａ２」とし、温度に無関係な定数である頻度因子を「Ａ２」とすると、ある温度での化学反応の速度を予測する式であるアレニウスの式は「ｋ２＝Ａ２・ｅｘｐ（−Ｅａ２／ＲＴ）」となる。先に決定された反応速度定数ｋ２から、アレニウスの式の活性化エネルギーＥａ２と、頻度因子Ａ２を算出する。アレニウスの式を自然対数の形にすると（５ｂ）（６ｂ）のようになる。

この（６ｂ）式から、図１０と同様に、縦軸にｌｎｋ２を、横軸に温度の逆数（１／Ｔ）を取った対数グラフ（アレニウスプロット）を作成すると、（１／Ｔ）の一次曲線である直線が得られる。この直線の傾きが（−Ｅａ２／Ｒ）となるので、この傾きの数値を活性化エネルギーＥａ２の数値とし、縦軸との交点（切片）ｌｎＡ２の数値から、頻度因子Ａ２の数値を算出する。

この方法で算出された活性化エネルギーＥａ２と頻度因子Ａ２は、この第２温度範囲Ｒ２におけるＰＭ燃焼反応を一般化した値であるため、この値を使用することで、一般化したＰＭ燃焼反応速度定数ｋ２を算出することが可能となる。

従って、アレニウスの式に、この活性化エネルギーＥａ２と頻度因子Ａ２を代入すると、（６ｂ）式となり、（６ｂ）式のアレニウスの式に代入して求めた各温度Ｔにおける反応速度定数ｋ２を（２ｂ）式に代入して変形した（７ｂ）から、ｔ秒間で燃焼したＰＭ除去量ΔＰＭｅ２を算出することができる。

この（７ｂ）式のＰＭの初期堆積量［Ｃ₀］^-n2+1は、ＤＰＦの前後差圧から推定する。このＰＭの初期堆積量［Ｃ₀］^-n2+1からｔ秒後のＰＭ堆積量（ＰＭ残量）［Ｃ］^-n2+1を差し引くとｔ秒で燃焼したＰＭ除去量ΔＰＭｅを求めることができる。次に計算で、このＰＭ堆積量［Ｃ］^-n2+1を次の再生処理の開示時の初期堆積量として扱うことで、順次ＰＭ除去量ΔＰＭｅ２を計算することができる。従って、このｔ秒で燃焼したＰＭ除去量ΔＰＭｅを累積計算（積算）していくことでＤＰＦに堆積したＰＭ堆積量ΔＰＭｃが燃え尽きるまでの燃焼時間を求めることが可能となる。

つまり、第３及び第４データベースから決定したＰＭ燃焼反応速度ｖ２をアレニウスプロットすることで、アレニウスの式の活性化エネルギーＥａ２と頻度因子Ａ２を算出でき、この活性化エネルギーＥａ２と頻度因子Ａ２を固定化することで、そのＰＭ燃焼反応における一般的な燃焼速度定数ｋを算出できる一般的なアレニウスの式を得ることができる。

この活性化エネルギーＥａ２と頻度因子Ａ２を特定したアレニウスの式により、ある温度Ｔｍにおける反応速度定数ｋ２ｍを算出できる。従って、さらに、これらの算出の過程で得られた反応次数ｎ２により、制御間隔ｔの間で燃焼除去されるＰＭ除去量ΔＰＭｅ２ｍをＰＭ堆積量［Ｃ₀］、［Ｃ］と温度［Ｔ］の組み合わせに対して算出することができるようになる。

この算出結果を図１１と同様に、ＰＭ堆積量［Ｃ₀ｉ］、［Ｃ］（Ｃ１〜Ｃ４に相当）と温度［Ｔｊ］（Ｔ１〜Ｔ４に相当）に対するｔ時間の間のＰＭ除去量ΔＰＭｅ２ｍをＣＴｉｊ（ＣＴ１１〜ＣＴ４４に相当）としてマップデータ等の第６データベースとしてデータベース化しておく。

本発明に係る実施の形態のＤＰＦの再生方法においては、上記の第１温度領域Ｒ１と第２温度領域Ｒ２の両方に対してそれぞれ、ＰＭ堆積量［Ｃ₀ｉ］、［Ｃ］と温度［Ｔｊ］に対するｔ時間の間のＰＭ除去量ΔＰＭｅ１ｍ、ΔＰＭｅ２ｍをＣＴｉｊとしてデータベース化しておき、このデータベースをもとに、ＤＰＦの再生処理に際して、ＤＰＦの再生処理時の進捗に応じて変化する触媒温度指標温度Ｔｍに対するＰＭ除去量ΔＰＭｅｍを求めて、累積計算して累積ＰＭ除去量ΣＰＭｅｍが、ＤＰＦの再生開始時に推定したＰＭ堆積量ΣＰＭｃｍに達するまでは、再生制御を終了しないようにしている。

このＤＰＦの再生方法は、図３〜図５に示すような制御フローによって行われる。この制御フローでは、内燃機関の運転開始と共に、上位の制御フローから呼ばれてスタートし、ステップＳ１１で、ＤＰＦの前後差圧の測定を行う。このとき、内燃機関の運転開始と共に、内燃機関で発生する排気ガス中のＰＭをＤＰＦで捕集している。次のステップＳ１２で、このＤＰＦの前後差圧ΔＰｍが所定の第１判定用差圧（閾値）ΔＰ１を超えているか否かを判定する。

このステップＳ１２の判定で、ＤＰＦの前後差圧ΔＰｍが第１判定用差圧ΔＰ１を超えていない場合（ＮＯ）は、ＤＰＦのＰＭ捕集能力に余裕があるとして、ステップＳ１１に戻り、ＰＭの捕集を継続する。また、このステップＳ１２の判定で、ＤＰＦの前後差圧ΔＰｍが第１判定用差圧ΔＰ１を超えている場合（ＹＥＳ）は、ＤＰＦのＰＭ捕集能力に余裕がなくなってきているとして、ステップＳ１３に行き、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼除去するＤＰＦの再生制御を開始する。

このＤＰＦの再生制御が開始されると、ステップＳ２０の制御フローとステップＳ３０の制御フローが並行して行われる。このステップＳ２０の制御フローでは、ＤＰＦに堆積されたＰＭの燃焼除去のために、排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの昇温制御と排気ガスの温度維持制御が行われる。この排気ガス昇温制御と排気ガスの温度維持制御は従来技術における周知の技術を用いて行うことができるので、ここでは、詳細は述べない。

一方、ステップＳ３０は、ＤＰＦの再生制御の終了判定を行う制御フローである。図４に示すように、最初のステップＳ３１では、ＤＰＦの前後差圧ΔＰｍからＤＰＦに堆積されたＰＭ堆積量ΣＰＭｃｍを算出する。このＰＭ堆積量ΣＰＭｃｍは、予め実験等で、ＤＰＦの前後差圧ΔＰとＤＰＦにおけるＰＭ堆積量ΣＰＭｃとの関係を求めてデータベースを作成し、マップデータ等の形で、このＤＰＦの前後差圧ΔＰとＰＭ堆積量ΣＰＭｃとの関係のデータベースをＤＰＦの再生制御装置に記憶しておき、実際に測定されたＤＰＦ前後差圧ΔＰｍに対して、このＤＰＦの前後差圧ΔＰとＰＭ堆積量ΣＰＭｃとの関係のデータベースを参照することにより、容易に求めることができる。また、このステップＳ３１で、累積ＰＭ除去量ΣＰＭｅｍをゼロに設定しておく。

次のステップＳ３２では、ＤＰＦ内部の温度であるフィルタ温度ＴｍをＤＰＦ内部に設けた温度センサによる測定し、又はＤＰＦに流入する排気ガスの温度等から推定し、読み込む。次のステップＳ３３では、このフィルタ温度Ｔｍに対しての制御時間ｔの間におけるＰＭ除去量ΔＰＭｅｍを算出する。このステップＳ３３は図５に示すような制御フローになっているが、これについては後で説明する。次のステップＳ３４では、このＰＭ除去量ΔＰＭｅｍを累積計算して、累積ＰＭ除去量ΣＰＭｅｍを算出する（ΣＰＭｅｍ＝ΣＰＭｅｍ＋ΔＰＭｅｍ）。

次のステップＳ３５では、累積ＰＭ除去量ΣＰＭｅｍがＰＭ堆積量ΣＰＭｃｍを超えたか否かを判定する。このステップＳ３５の判定で累積ＰＭ除去量ΣＰＭｅｍがＰＭ堆積量ΣＰＭｃｍを超えていない場合（ＮＯ）は、ＤＰＦに堆積したＰＭを除去できていないとして、ステップＳ３２に戻り、ステップＳ３２からステップＳ３５を繰り返す。このステップＳ３５の判定で累積ＰＭ除去量ΣＰＭｅｍがＰＭ堆積量ΣＰＭｃｍを超えている場合（ＹＥＳ）は、ＤＰＦに堆積したＰＭを除去できたとして、ステップＳ１４に行く。

ステップＳ１４では、ＤＰＦの前後差圧ΔＰｍの測定を行い、次のステップＳ１５で、このＤＰＦの前後差圧ΔＰｍが所定の第２判定用差圧（閾値）ΔＰ２以下になっているか否かを判定する。このステップＳ１５の判定で、ＤＰＦの前後差圧ΔＰｍが第２判定用差圧（閾値）ΔＰ２以下になっていない場合（ＮＯ）は、ＤＰＦに堆積したＰＭを完全に除去できていないとして、ステップＳ１６で予め設定した時間（ステップＳ１５の判定のインターバルに関係する時間）の間待機して、ステップＳ１４に戻る。このステップＳ１５の判定で、ＤＰＦの前後差圧ΔＰｍが第２判定用差圧（閾値）ΔＰ２以下になっている場合（ＹＥＳ）は、ＤＰＦに堆積したＰＭを完全に除去できているとして、ステップＳ１７に行く。

ステップＳ１７では、再生制御が完了したとして、並行して実施されているステップＳ２０の制御フローに対して、再生制御終了の信号の発信を行い、ステップＳ２０の制御フローを停止させて、ステップＳ１１に戻る。一方、再生制御終了の信号を受けたステップＳ２０の制御フローでは、再生処理の終了処理を行ってステップＳ２０の制御フローを終了させて、ステップＳ１１に戻る。

上記のように、図３から図５に示す制御フローでは、ステップＳ１１に戻ると、内燃機関の通常運転によるＰＭの捕集を再開し、ステップＳ１１からステップＳ１７を繰り返して実施する。そして、内燃機関の運転を終了するときには、割り込みが生じて、ステップＳ１８で、終了処理をした後、上位の制御フローに戻り、上位の制御フローの終了と共に、図３の制御フローも終了する。

次に、このフィルタ温度Ｔｍに対しての制御時間ｔの間におけるＰＭ除去量ΔＰＭｅｍを算出するステップＳ３３について、図５に示す制御フローを参照しながら説明する。このステップＳ３３においては、最初のステップＳ３３ａで、ＤＰＦ入口温度Ｔｓが所定の第１判定温度Ｔ１以上であるか否かを判定する。このステップＳ３３ａで、ＤＰＦ入口温度Ｔｓが第１判定温度Ｔ１より小さい場合（ＮＯ）はフィルタ温度Ｔｍが低すぎてＤＰＦに捕集されたＰＭの燃焼除去はできないとして、ステップＳ３４に行く。このステップＳ３３ａで、ＤＰＦ入口温度Ｔｓが第１判定温度Ｔ１以上の場合（ＹＥＳ）はステップＳ３３ｂに行く。

ステップＳ３３ｂでは、ＤＰＦ入口温度Ｔｓが所定の第２判定温度Ｔ２以上であるか否かを判定する。このステップＳ３３ｂで、ＤＰＦ入口温度Ｔｓが第２判定温度Ｔ２より小さい場合（ＮＯ）はフィルタ温度Ｔｍが第１温度領域Ｒ１にあるとして、ステップＳ３３ｃに行く。また、このステップＳ３３ｂで、ＤＰＦ入口温度Ｔｓが第２判定温度Ｔ１以上の場合（ＹＥＳ）はフィルタ温度Ｔｍが第２温度領域Ｒ２にあるとして、ステップＳ３３ｄに行く。

ステップＳ３３ｃでは、第１温度領域Ｒ１における活性化エネルギーＥａ１と頻度因子Ａ１を用いて算出した、フィルタ温度Ｔ毎のｔ秒間に燃焼除去されるＰＭ除去量ΔＰＭｅ１の第５データベースを用いて、フィルタ温度Ｔｍにおけるｔ秒間に燃焼除去されるＰＭ除去量ΔＰＭｅｍを算出する。その後、ステップＳ３４に行く。

ステップＳ３３ｄでは、第２温度領域Ｒ２における活性化エネルギーＥａ２と頻度因子Ａ２を用いて算出した、フィルタ温度Ｔ毎のｔ秒間に燃焼除去されるＰＭ除去量ΔＰＭｅ２の第６データベースを用いて、フィルタ温度Ｔｍにおけるｔ秒間に燃焼除去されるＰＭ除去量ΔＰＭｅｍを算出する。その後、ステップＳ３４に行く。

このＤＰＦの再生方法によれば、ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムで、ＤＰＦの前後差圧ΔＰｍからＰＭ堆積量ΔＰＭｃが限界に達しているか否かを判定し、ＰＭ堆積量ΔＰＭｃが限界に達している場合には、ＤＰＦの再生制御を行い、このＤＰＦの再生制御時にＤＰＦのフィルタ温度Ｔｍをモニターしながら、ポスト噴射によるＤＰＦの昇温制御とＤＰＦの温度維持制御を行うＤＰＦの再生方法において、特定の温度における化学反応の速度を予測する式であるアレニウスの式を用いて、予め設定したＰＭ捕集量ΔＰＭｃと、予め設定したフィルタ温度Ｔに対して排気ガス流量ＧとＤＰＦ入口温度Ｔｓ１、Ｔｓ２とＰＭ堆積量[Ｃ]^-n+1とから予め決定したＰＭ燃焼反応速度ｖ１、ｖ２を用いて、ＰＭ捕集量別でかつフィルタ温度別のＰＭ燃焼反応速度のデータベース、または、このＰＭ燃焼反応速度を用いて算出したＰＭ捕集量別でかつフィルタ温度別のＰＭ除去量のデータベースを予め設定して、ＤＰＦの再生制御装置に記憶し、ＤＰＦの再生制御時に、ＰＭ燃焼反応速度又はＰＭ除去量のデータベースに基づいて、計測又は推定されたフィルタ温度Ｔｍにおける、予め設定した時間内におけるＰＭ除去量ΔＰＭｅｍを算出し、この算出されたＰＭ除去量ΔＰＭｅｍを累積して、再生制御開始から燃焼除去したＰＭの累積ＰＭ除去量ΣＰＭｅｍを算出し、この累積ＰＭ除去量ΣＰＭｅｍが再生制御開始時に推定したＰＭ堆積量ΣＰＭｃｍになってから再生制御を終了することができる。

特に、ＰＭ燃焼反応速度ｖ１、ｖ２として、排気ガス流量ＧとＤＰＦ入口温度Ｔｓ１、Ｔｓ２とＰＭ堆積量[Ｃ]^-n+1とから予め決定した値を用いて、車両の実走行時におけるエンジンの運転状態に応じた最適なＤＰＦ再生制御を行うので、余分なポスト噴射等を避けることができるため、ＤＰＦ再生効率を向上して燃費の悪化を抑制することができる。また、ＤＰＦにコートする触媒や材料でもパラメータ算出により容易に再生効率を向上することができるという効果も期待できる。

更に、上記のＤＰＦの再生方法において、図３〜図５の制御フローのステップＳ３０の「ＤＰＦの再生処理の終了判定」の中に、ＤＰＦの再生制御時に、再生中のＰＭ捕集量ΔＰＭｃに対して、ＰＭ燃焼反応速度ｖ又はＰＭ除去量ΔＰＭｅのデータベースに基づいて、ＰＭ除去量ΔＰＭｅが最大になる目標フィルタ温度Ｔｔを算出するステップを加えて、この目標フィルタ温度Ｔｔを、ステップＳ２０の「ＤＰＦ再生処理」に出力し、計測又は推定されたフィルタ温度Ｔｍがこの目標フィルタ温度ＴｔになるようにＤＰＦの昇温制御とＤＰＦの温度維持制御を制御するように構成すると、ＰＭ除去量ΔＰＭｅに関わるアレニウスの式の、反応次数ｎ１、ｎ２、活性化エネルギーＥａ１、Ｅａ２、反応速度定数ｋ１、ｋ２等の反応パラメータから、ＰＭが燃焼するのに必要な温度と時間の関係を算出して、最も都合のよい条件で再生を実行することができるようになる。これにより、再生処理の効率が向上し、低燃費化を図ることができる。

上記のＤＰＦの再生方法によれば、ＤＰＦの再生処理時のＰＭ除去量ΔＰＭｅ１ｍ、ΔＰＭｅ２ｍが、ＰＭ捕集量（ＰＭ堆積量）ΔＰＭｃとフィルタ温度Ｔｍの両方に依存することに着目して、フィルタ温度Ｔｍをモニターすることで、より正確なＰＭ除去量ΔＰＭｅ１ｍ、ΔＰＭｅ２ｍを算出でき、より適切な反応終了の時期（タイミング）を算出することが可能となる。

そして、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムは、上流側の酸化触媒と下流側のＤＰＦとを有して構成される排気ガス浄化システムにおいて、上記の実施の形態のＤＰＦの再生方法を行う再生制御装置を備えて構成される。

Ａ１、Ａ２ 頻度因子
［Ｃ］ ｔ時間後のＰＭ堆積量
［Ｃ₀］ 初期ＰＭ堆積量
［Ｃ］^-n1+1 ｔ秒後のＰＭ堆積量（ＰＭ残量）
［Ｃ₀］^-n1+1 ＰＭの初期堆積量
［Ｃ₀ｉ］、［Ｃ］、Ｃ１〜Ｃ４ ＰＭ堆積量
Ｅａ１、Ｅａ２ 活性化エネルギー（アレニウスパラメータ）
Ｇ 排気ガス流量
ｋ１、ｋ２ 反応速度定数
ｎ１、ｎ２ 反応次数
Ｒ 気体定数
Ｒ１ 第１温度領域
Ｒ２ 第２温度領域
Ｔ 反応温度（絶対温度）
Ｔ１ 第１温度
Ｔ２ 第２温度
［Ｔｊ］、Ｔ１〜Ｔ４ 温度
Ｔｍ フィルタ温度
Ｔｓ ＤＰＦ入口温度
Ｔｔ 目標フィルタ温度
ｔ 反応時間（ＤＰＦの再生制御の制御間隔の時間）
ｖ１、ｖ２、−ｄ［Ｃ］／ｄｔ 反応速度（ＰＭ燃焼反応速度）
ΔＰ、ΔＰｍ ＤＰＦの前後差圧
ΔＰ１ 第１判定用差圧（閾値）
ΔＰ２ 第２判定用差圧（閾値）
ΔＰＭｃ ＰＭ堆積量
ΔＰＭｅ、ΔＰＭｅ１、ΔＰＭｅ２ ＰＭ除去量
ΔＰＭｅｍ、ΔＰＭｅ１ｍ、ΔＰＭｅ２ｍ、ＣＴｉｊ、ＣＴ１１〜ＣＴ４４ ｔ時間の間のＰＭ除去
ΣＰＭｃｍ ＤＰＦの再生開始時に推定したＰＭ堆積量
ΣＰＭｅｍ 累積ＰＭ除去量

Claims (5)

1. ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムで、ＰＭ堆積量が限界に達しているか否かを判定し、ＰＭ堆積量が限界に達している場合には、ＤＰＦの再生制御を行い、このＤＰＦの再生制御時にＤＰＦの昇温制御とＤＰＦの温度維持制御とを行うＤＰＦの再生方法において、
   予め設定した排気ガス流量と予め設定したＤＰＦ入口温度とに対して、特定の温度における排気ガス流量別でかつＤＰＦ入口温度別のＰＭ燃焼反応速度のデータベースを予め設定し、
   予め設定した排気ガス流量と予め設定したＰＭ残量とに対して、特定の温度における排気ガス流量別でかつＰＭ残量別のＰＭ燃焼反応速度のデータベースを予め設定し、
   予め設定したＰＭ捕集量と予め設定したフィルタ温度に対して、前記ＰＭ燃焼反応速度に係る２つのデータベースのうち小さい方のＰＭ燃焼反応速度を用いて算出したＰＭ捕集量別でかつフィルタ温度別のＰＭ除去量のデータベースを予め設定してＤＰＦの再生制御装置に記憶し、
   ＤＰＦの再生制御時に、前記ＰＭ除去量のデータベースに基づいて、計測又は推定されたフィルタ温度における、予め設定した時間内におけるＰＭ除去量を算出し、
   該算出されたＰＭ除去量を累積して、再生制御開始の時点から燃焼除去したＰＭの累積ＰＭ除去量を算出し、該累積ＰＭ除去量が再生制御開始時に推定したＰＭ堆積量になってから再生制御を終了することを特徴とするＤＰＦの再生方法。
2. ＤＰＦの再生制御時に、再生中のＰＭ捕集量に対して、ＰＭ除去量が最大になる目標フィルタ温度を算出し、該目標フィルタ温度に前記計測又は推定されたフィルタ温度がなるようにＤＰＦの昇温制御とＤＰＦの温度維持制御を制御することを特徴とする請求項１に記載のＤＰＦの再生方法。
3. 前記ＤＰＦにおいて二酸化窒素量によるＰＭ除去が支配的となる排気ガスの温度又はフィルタ温度の温度領域を第１温度領域とし、該第１温度領域よりも上の温度領域で、前記ＤＰＦにおいて酸素によるＰＭ除去が支配的となる排気ガスの温度又はフィルタ温度の温度領域を第２温度領域とし、
   前記２つのデータベースのそれぞれを、前記ＤＰＦ入口温度が前記第１温度領域内である場合と、前記ＤＰＦ入口温度が前記第２温度領域内である場合とに分けてそれぞれ予め設定することを特徴とする請求項１又は２に記載のＤＰＦの再生方法。
4. 前記第１温度領域が２００℃以上５００℃以下であり、前記第２温度領域が５００℃以上１０００℃以下であることを特徴とする請求項３に記載のＤＰＦの再生方法。
5. ＤＰＦを有して構成される排気ガス浄化システムにおいて、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＰＦの再生方法を行う再生制御装置を備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。

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