JP2020133401A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に複数の気筒が設けられている場合に、複数の気筒から排気通路に排出される粒子状物質の量の算出精度を向上させる。
【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、冷却水によって冷却される複数の気筒が設けられた内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、複数の気筒のうちの二以上の所定数の気筒の壁温を算出又は検出する壁温算出部と、壁温算出部によって算出又は検出された壁温に基づいて、複数の気筒から排気通路に排出される粒子状物質の量を算出するＰＭ量算出部とを備える。
【選択図】図６

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、排気エミッションを改善すべく、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタを内燃機関の排気通路に設けることが知られている。

しかしながら、フィルタに堆積したＰＭの量が多くなると、フィルタが目詰まりし、背圧が上昇する。このため、ＰＭの堆積量が多いときには、内燃機関の損傷を防止するために内燃機関の出力制限等が必要となる場合がある。また、ＰＭの堆積量が多いときにフィルタ上のＰＭが燃焼除去されると、フィルタの温度が過剰に上昇し、フィルタが劣化するおそれがある。

このため、ＰＭの堆積量に応じて内燃機関を適切に制御するためには、ＰＭの堆積量を精度良く推定できることが望ましい。排気ガスがフィルタを通過するとき、排気ガス中のＰＭの量が多いほど、フィルタに捕捉されるＰＭの量が多くなる。このため、ＰＭの堆積量を精度良く推定するためには、排気通路に排出されるＰＭの量を推定する必要がある。

これに関して、特許文献１には、排気通路に排出されるＰＭの量を、燃料噴射量、酸素濃度、排気温度、燃料噴射圧力及び気筒内温度の少なくとも一つに基づいて算出することが記載されている。

特開２０１２−１４９５２４号公報

しかしながら、内燃機関に複数の気筒が設けられている場合、気筒間の温度が異なる場合がある。例えば、冷却水が気筒の周りを循環する場合、気筒内の熱によって冷却水が暖められる。このため、冷却水が通過する順番が遅い気筒では、冷却水による冷却効果が小さくなる。この結果、特に冷却水の温度が低いときには、気筒間の温度差が大きくなる。したがって、一つの気筒の温度からＰＭの排出量が算出される場合、気筒間の壁温の差によって算出精度が低下する。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、内燃機関に複数の気筒が設けられている場合に、複数の気筒から排気通路に排出される粒子状物質の量の算出精度を向上させることにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）冷却水によって冷却される複数の気筒が設けられた内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記複数の気筒のうちの二以上の所定数の気筒の壁温を算出又は検出する壁温算出部と、前記壁温算出部によって算出又は検出された壁温に基づいて、前記複数の気筒から前記排気通路に排出される粒子状物質の量を算出するＰＭ量算出部とを備える、内燃機関の排気浄化装置。

（２）前記壁温算出部は前記複数の気筒の壁温を算出又は検出する、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（３）前記壁温算出部は、前記複数の気筒のうちの少なくとも一つの気筒の単位時間当たりの壁温の変化量の絶対値が所定値よりも大きいと判定した場合には、該絶対値が該所定値よりも小さいと判定した場合よりも演算負荷が高くなるように前記所定数の気筒の壁温を算出する、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（４）前記壁温算出部は、前記絶対値が前記所定値よりも大きいと判定した場合には、前記所定数の気筒の壁温を算出し、前記絶対値が前記所定値よりも小さいと判定した場合には、前記複数の気筒のうちの前記所定数未満の気筒の壁温を算出する、上記（３）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（５）前記壁温算出部は、前記絶対値が前記所定値よりも大きいと判定した場合には、前記複数の気筒の壁温を算出し、前記絶対値が前記所定値よりも小さいと判定した場合には、前記複数の気筒のうちの一つの気筒の壁温を算出する、上記（４）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（６）前記内燃機関に三つ以上の気筒が設けられ、前記複数の気筒のうちの一つの気筒は、冷却水が最初に通過する気筒及び冷却水が最後に通過する気筒以外の気筒である、上記（５）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（７）前記壁温算出部は、前記絶対値が前記所定値よりも大きいと判定した場合には、演算負荷が相対的に高い演算方法によって前記所定数の気筒の壁温を算出し、前記絶対値が前記所定値よりも小さいと判定した場合には、演算負荷が相対的に低い演算方法によって前記所定数の気筒の壁温を算出する、上記（３）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（８）前記壁温算出部は、前記絶対値が前記所定値よりも大きいと判定した場合には、演算負荷が相対的に高い演算方法によって前記複数の気筒の壁温を算出し、前記絶対値が前記所定値よりも小さいと判定した場合には、演算負荷が相対的に低い演算方法によって前記複数の気筒の壁温を算出する、上記（７）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（９）前記壁温算出部は、前記内燃機関の暖機が完了していない場合に、前記少なくとも一つの気筒の単位時間当たりの壁温の変化量の絶対値が前記所定値よりも大きいと判定する、上記（３）から（８）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（１０）前記壁温算出部は、前記複数の気筒への燃料供給を停止する燃料カット制御が所定時間以上継続して実行された場合に、前記少なくとも一つの気筒の単位時間当たりの壁温の変化量の絶対値が前記所定値よりも大きいと判定する、上記（３）から（９）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

本発明によれば、内燃機関に複数の気筒が設けられている場合に、複数の気筒から排気通路に排出される粒子状物質の量の算出精度を向上させることができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、ＥＣＵの機能ブロック図である。 図３は、気筒の壁温とその気筒から排出される排気ガス中のＰＭ濃度との関係を示す図である。 図４は、シリンダブロックに流入する冷却水の循環経路を概略的に示す図である。 図５は、内燃機関の暖機中における第１気筒及び第３気筒の壁温の変化を示す図である。 図６は、本発明の第一実施形態におけるＰＭ排出量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図７は、冷却水の流量と冷却水の温度との関係を示す図である。 図８は、内燃機関が冷間始動されるときの全体ＰＭ排出量の積算値の時間推移を示す図である。 図９は、本発明の第二実施形態におけるＰＭ排出量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、本発明の第三実施形態におけるＰＭ排出量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
以下、図１〜図７を参照して本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関の構成＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。内燃機関は、火花点火式内燃機関であり、具体的にはガソリンを燃料とするガソリンエンジンである。内燃機関は車両に搭載される。

内燃機関は、シリンダブロック２及びシリンダヘッド４を含む機関本体１を備える。シリンダブロック２の内部には、複数の気筒が形成される。本実施形態では、気筒の数は４つである。図１には、第１気筒６１のみが示されている。各気筒には、気筒の軸線方向に往復運動するピストン３が配置される。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。

シリンダヘッド４には吸気ポート７及び排気ポート９が形成される。吸気ポート７及び排気ポート９は燃焼室５に接続される。内燃機関は、シリンダヘッド４内に配置された吸気弁６及び排気弁８を更に備える。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

内燃機関は点火プラグ１０及び燃料噴射弁１１を更に備える。点火プラグ１０は、シリンダヘッド４の内壁面の中央部に配置され、点火信号に応じて火花を発生させる。燃料噴射弁１１は、シリンダヘッド４の内壁面周辺部に配置され、噴射信号に応じて燃料を燃焼室５内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

内燃機関は、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５、エアクリーナ１６及びスロットル弁１８を更に備える。各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。スロットル弁１８は、サージタンク１４とエアクリーナ１６との間の吸気管１５内に配置され、スロットル弁駆動アクチュエータ１７（例えばＤＣモータ）によって駆動される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、その開度に応じて吸気通路の開口面積を変更することができる。

内燃機関は、排気マニホルド１９、排気管２２、触媒２０及びフィルタ２３を更に備える。各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は、触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して、フィルタ２３を内蔵した下流側ケーシング２４に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２、下流側ケーシング２４等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。

内燃機関の各種制御は、内燃機関に設けられた各種センサの出力等に基づいて電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。ＥＣＵ３１は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を備える。ＥＣＵ３１は内燃機関の制御装置の一例である。

ＥＣＵ３１には、各種センサの出力が入力される。本実施形態では、エアフロメータ４０、温度センサ４１、負荷センサ４３及びクランク角センサ４４の出力がＥＣＵ３１に入力される。

エアフロメータ４０は、吸気通路、具体的にはスロットル弁１８よりも上流側の吸気管１５内に配置される。エアフロメータ４０は、吸気通路を流れる空気の流量を検出する。エアフロメータ４０はＥＣＵ３１に電気的に接続され、エアフロメータ４０の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

温度センサ４１は、フィルタ２３よりも下流側の排気通路（具体的には排気管２２）に配置され、フィルタ２３から流出する排気ガスの温度を検出する。温度センサ４１はＥＣＵ３１に電気的に接続され、温度センサ４１の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

負荷センサ４３は、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル４２に接続され、アクセルペダル４２の踏み込み量を検出する。負荷センサ４３はＥＣＵ３１に電気的に接続され、負荷センサ４３の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５は負荷センサ４３の出力に基づいて機関負荷を算出する。

クランク角センサ４４は、内燃機関のクランクシャフトが所定角度（例えば１５度）回転する毎に出力パルスを発生させる。クランク角センサ４４はＥＣＵ３１に電気的に接続され、クランク角センサ４４の出力は入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５はクランク角センサ４４の出力に基づいて機関回転数を計算する。

一方、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続され、ＣＰＵ３５はこれらを制御する。具体的には、ＣＰＵ３５は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁１８の開度を制御する。

＜内燃機関の排気浄化装置＞
以下、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」と称する）について説明する。

排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配置された触媒２０及びフィルタ２３を備える。図１に示されるように、触媒２０はフィルタ２３よりも上流側の排気通路に配置される。触媒２０は排気ガス中の有害物質を浄化する。例えば、触媒２０は、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能な三元触媒である。

フィルタ２３は排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集する。本実施形態では、フィルタ２３はガソリンパティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）である。

ＰＭを含む排気ガスがフィルタ２３に流入すると、ＰＭがフィルタ２３に捕捉され、ＰＭがフィルタ２３に堆積する。フィルタ２３に堆積したＰＭの量が多くなると、フィルタ２３の閉塞（目詰まり）が生じる。この結果、フィルタ２３を通した排気ガスの排出が妨げられ、背圧が上昇する。

一方、フィルタ２３の温度が高いときにフィルタ２３に酸素が供給されると、フィルタ２３に堆積したＰＭが酸化されて燃焼除去される。この現象はフィルタ２３の再生と称される。フィルタ２３の再生によって、フィルタ２３に堆積したＰＭの量が減少する。

排気浄化装置は、壁温算出部５１、ＰＭ量算出部５２及び機関制御部５３を更に備える。図２は、ＥＣＵ３１の機能ブロック図である。本実施形態では、ＥＣＵ３１が、壁温算出部５１、ＰＭ量算出部５２及び機関制御部５３を有する。壁温算出部５１、ＰＭ量算出部５２及び機関制御部５３は、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたプログラムをＥＣＵ３１のＣＰＵ３５が実行することによって実現される機能ブロックである。

ＰＭ量算出部５２は、内燃機関に設けられた複数の気筒から排気通路に排出されるＰＭの量（以下、「全体ＰＭ排出量」と称する）、すなわち機関本体１から排気通路に排出されるＰＭの量を算出する。ＰＭは、燃焼室５において燃料が不完全燃焼することによって生じる。また、気筒の壁温が低いほど、気筒内に供給された燃料の霧化が促進されず、不完全燃焼する燃料の量が多くなる。このため、気筒の壁温が低いほど、その気筒から排出されるＰＭの量が多くなる。

図３は、気筒の壁温とその気筒から排出される排気ガス中のＰＭ濃度との関係を示す図である。図３に示されるように、気筒の壁温が低くなるにつれて、その気筒から排出されるＰＭの量は指数関数的に増加する。このようにＰＭの排出量が気筒の壁温と相関するため、気筒の壁温に基づいてＰＭの排出量を推定することができる。

しかしながら、内燃機関に複数の気筒が設けられている場合、気筒間の壁温が異なる場合がある。図４を参照して、その理由について説明する。図４は、シリンダブロック２に流入する冷却水の循環経路７０を概略的に示す図である。本実施形態における内燃機関は水冷内燃機関であり、内燃機関に設けられた複数の気筒（第１気筒６１〜第４気筒６４）は冷却水（クーラント）によって冷却される。

冷却水の循環経路７０には、ラジエータ７１、サーモスタット７２及びウォーターポンプ７３が配置される。ラジエータ７１は、内燃機関を搭載した車両が走行するときの走行風等を用いて、ラジエータ７１を通過する冷却水を冷却する。サーモスタット７２は、冷却水の温度に応じて開度が変化する弁を有し、サーモスタット７２を通過する冷却水の流量を変更する。冷却水の温度が高いほど、弁の開度が大きくなり、冷却水の流量が増大する。ウォーターポンプ７３は、冷却水が循環経路７０を循環するように冷却水を圧送する。

図４の矢印は、冷却水が循環する方向を示している。ラジエータ７１に流入する冷却水は、ラジエータ７１、サーモスタット７２、ウォーターポンプ７３及びシリンダブロック２の順に循環経路７０を循環する。

図４に示されるように、循環経路７０はシリンダブロック２内で二つの経路に分岐する。一方の経路は第１気筒６１の周りを通過し、他方の経路は、第１気筒６１、第２気筒６２、第３気筒６３及び第４気筒６４の周りを通過する。図１に示されるように、シリンダブロック２において、各気筒の周りには循環経路７０としてウォータージャケット７０ａが形成されている。冷却水は、各気筒の周りのウォータージャケット７０ａを通過するとき、各気筒から熱を受け取り、各気筒を冷却する。

図４を再び参照すると、循環経路７０は、複数の気筒の周りを通過した後、シリンダブロック２内において再び合流し、シリンダブロック２から出る。シリンダブロック２の出口における循環経路７０には水温センサ４５が配置される。水温センサ４５は、シリンダブロック２から流出する冷却水の温度を検出する。水温センサ４５はＥＣＵ３１に電気的に接続され、水温センサ４５の出力はＥＣＵ６１に入力される。具体的には、水温センサ４５の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

本実施形態のように内燃機関に複数の気筒が設けられている場合、冷却水を複数の気筒に同時に供給することはできない。図４の例では、ラジエータ７１によって冷却された冷却水は、最初に第１気筒６１の周りを通過し、次いで第２気筒の周りを通過し、次いで第３気筒６３の周りを通過し、最後に第４気筒６４の周りを通過する。このとき、冷却水は、各気筒から受け取る熱によって徐々に暖められる。

このため、冷却水が気筒の周りを通過するときの冷却水の温度は、冷却水が通過する順番が遅い気筒ほど高くなる。この結果、冷却水が通過する順番が遅い気筒ほど、冷却水による冷却効果が小さくなり、気筒の壁温が高くなる。図４の例では、気筒の壁温は、第１気筒６１、第２気筒６２、第３気筒６３及び第４気筒６４の順で高くなる。

図５は、内燃機関の暖機中における第１気筒６１及び第３気筒６３の壁温の変化を示す図である。図５に示されるように、内燃機関の暖機によって第１気筒６１及び第３気筒６３の壁温は徐々に上昇する。このとき、冷却水が通過する順番が相対的に遅い第３気筒６３の壁温は、冷却水が通過する順番が相対的に早い第１気筒６１の壁温よりも高くなる。

複数の気筒の壁温が上記のような傾向を有するため、全体ＰＭ排出量を算出するために一つの気筒の壁温が用いられる場合、気筒間の壁温の差によって算出精度が低下する。このため、本実施形態では、壁温算出部５１は複数の気筒（第１気筒６１〜第４気筒６４）のうちの二以上の所定数の気筒の壁温を算出又は検出し、ＰＭ量算出部５２は、壁温算出部５１によって算出又は検出された壁温に基づいて全体ＰＭ排出量を算出する。このことによって、気筒間の壁温差の影響を低減することができ、ひいては全体ＰＭ排出量の算出精度を向上させることができる。

また、ＰＭ量算出部５２は、全体ＰＭ排出量に基づいて、フィルタ２３に堆積したＰＭの量（以下、「ＰＭ堆積量」と称する）を算出する。例えば、ＰＭ量算出部５２は、サイクル毎に全体ＰＭ排出量を算出し、全体ＰＭ排出量を積算することによってＰＭ堆積量を算出する。

一方、上述したように、フィルタ２３の温度が高いときにフィルタ２３に酸素が供給されると、フィルタ２３に堆積したＰＭが酸化されて燃焼除去される。また、内燃機関では、所定の実行条件が満たされているときに、内燃機関に設けられた複数の気筒への燃料供給を停止する燃料カット制御が実行される。所定の実行条件は、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以上であるときに満たされる。

このため、ＰＭ量算出部５２は、フィルタ２３の温度が所定温度以上であるときに燃料カット制御が実行された場合には、所定量だけＰＭ堆積量を少なくする。フィルタ２３の温度は、例えば、温度センサ４１の出力に基づいて算出される。

機関制御部５３は、ＰＭ量算出部５２によって算出されたＰＭ堆積量に基づいて内燃機関を制御する。ＰＭ堆積量が多いときにフィルタ２３の再生が行われると、フィルタ２３の温度が過剰に上昇し、フィルタ２３が劣化するおそれがある。このため、例えば、機関制御部５３は、ＰＭ堆積量が所定量以上である場合に、排気温度の上昇を抑制すべく内燃機関の出力を制限する。なお、機関制御部５３は、ＰＭ堆積量が所定量以上である場合に、燃料カット制御を禁止し又は燃料カット制御の連続実行時間を制限してもよい。

また、ＰＭ堆積量が多くなると、フィルタ２３が目詰まりし、背圧が上昇する。このため、機関制御部５３は、ＰＭ堆積量が所定量以上である場合に、ＰＭ堆積量を迅速に減少させるべくＰＭの再生を行ってもよい。具体的には、機関制御部５３は、ＰＭ堆積量が所定量以上である場合に、燃焼室５に供給される混合気の目標空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に設定されるリーン制御を実行してもよい。リーン制御が実行されると、酸素がフィルタ２３に供給され、ＰＭの燃焼が促進される。

＜ＰＭ排出量算出処理＞
以下、図６のフローチャートを参照して、全体ＰＭ排出量を算出するための制御について詳細に説明する。図６は、本発明の第一実施形態におけるＰＭ排出量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。所定の実行間隔は例えば内燃機関の一回のサイクルの時間である。

最初に、ステップＳ１０１において、壁温算出部５１は、内燃機関に設けられた複数の気筒のうちの二以上の所定数の気筒の壁温を算出する。気筒が冷却水によって冷却される場合、気筒の壁と冷却水との間の熱抵抗Ｒは以下の式によって表される。
Ｒ＝（Ｔｗ−Ｔｃ）／Ｑｗ…（１）
ここで、Ｔｗは気筒の壁温であり、Ｔｃは、気筒の周りを通過する冷却水の温度（以下、「周辺水温」と称する）であり、Ｑｗは気筒内での混合気の燃焼による発熱量である。

上記式（１）は下記式（２）に変換される。
Ｔｗ＝Ｑｗ・Ｒ＋Ｔｃ…（２）

例えば、壁温算出部５１は、上記式（２）を用いて、発熱量Ｑｗ、熱抵抗Ｒ及び周辺水温Ｔｃに基づいて壁温Ｔｗを算出する。周辺水温Ｔｃが気筒毎に異なる値となるため、壁温Ｔｗは所定数の気筒のそれぞれについて算出される。発熱量Ｑｗ、熱抵抗Ｒ及び周辺水温Ｔｃは以下のように算出される。

発熱量Ｑｗは、吸入空気量が大きいほど大きくなる。このため、壁温算出部５１は、マップ又は計算式を用いて、吸入空気量に基づいて発熱量Ｑｗを算出する。吸入空気量はエアフロメータ４０によって検出される。

熱抵抗Ｒは、冷却水の流量が大きいほど小さくなる。また、冷却水の流量は、ウォーターポンプ７３の回転数が高いほど大きくなり、サーモスタット７２の開度が大きいほど大きくなる。さらに、ウォーターポンプ７３の回転数は、機関回転数が高いほど高くなり、サーモスタット７２の開度は、冷却水の温度が高いほど大きくなる。したがって、熱抵抗Ｒは、機関回転数が高いほど小さくなり、冷却水の温度が高いほど小さくなる。このため、壁温算出部５１は、マップ又は計算式を用いて、機関回転数及び冷却水の温度に基づいて熱抵抗Ｒを算出する。機関回転数は、クランク角センサ４４の出力に基づいて算出される。冷却水の温度は水温センサ４５によって検出される。

なお、ウォーターポンプ７３の回転数を検出する回転数センサが設けられている場合、機関回転数の代わりにウォーターポンプ７３の回転数を用いて熱抵抗Ｒが算出されてもよい。また、サーモスタット７２の開度を検出する開度センサが設けられている場合、冷却水の温度の代わりにサーモスタット７２の開度を用いて熱抵抗Ｒが算出されてもよい。また、冷却水の流量を検出する流量センサが設けられている場合、流量センサによって検出された冷却水の流量に基づいて熱抵抗Ｒが算出されてもよい。

図７は、冷却水の流量と冷却水の温度との関係を示す図である。図７には、循環経路７０の各位置（シリンダブロック２の入口、第１気筒６１の周り、第２気筒６２の周り、第３気筒６３の周り、第４気筒６４の周り及びシリンダブロック２の出口）における冷却水の温度が示されている。本実施形態では、シリンダブロック２の出口に水温センサ４５が配置されているため、シリンダブロック２の出口における冷却水の温度Ｔｓは水温センサ４５によって検出される。

図７に示されるように、それぞれの気筒の周りの冷却水の温度は、水温センサ４５によって検出される冷却水の温度Ｔｓが高いほど高くなり、冷却水の流量が小さいほど高くなる。また、冷却水の温度は、第１気筒６１、第２気筒６２、第３気筒６３及び第４気筒６４の順で高くなり、気筒間の温度差は、冷却水の流量が大きいほど大きくなる。

このため、壁温算出部５１は、マップ又は計算式を用いて、機関回転数及び冷却水の温度に基づいて冷却水の流量を算出する。また、壁温算出部５１は、マップ又は計算式を用いて、水温センサ４５によって検出された冷却水の温度と、冷却水の流量とに基づいて気筒毎に周辺水温Ｔｃを算出する。

なお、ウォーターポンプ７３の回転数を検出する回転数センサが設けられている場合、機関回転数の代わりにウォーターポンプ７３の回転数を用いて冷却水の流量が算出されてもよい。また、サーモスタット７２の開度を検出する開度センサが設けられている場合、冷却水の温度の代わりにサーモスタット７２の開度を用いて冷却水の流量が算出されてもよい。また、冷却水の流量を検出する流量センサが設けられている場合、壁温算出部５１は、マップ又は計算式を用いて、水温センサ４５によって検出された冷却水の温度と、流量センサによって検出された冷却水の流量とに基づいて気筒毎に周辺水温Ｔｃを算出してもよい。

また、壁温算出部５１は、気筒毎に作成されたマップ又は計算式を用いて、吸入空気量と、機関回転数と、水温センサ４５によって検出された冷却水の温度とに基づいて、気筒毎の壁温を算出してもよい。また、壁温算出部５１は、上記（１）式とは異なるモデル式等を用いて気筒毎の壁温を算出してもよい。

次いで、ステップＳ１０２において、ＰＭ量算出部５２は、ステップＳ１０１において算出された所定数の気筒の壁温に基づいて全体ＰＭ排出量を算出する。例えば、ＰＭ量算出部５２は以下の式によって全体ＰＭ排出量ＴＰＭを算出する。
ＴＰＭ＝ＰＰＭ・Ｎｔ／Ｎｐ…（３）

上記式（３）において、ＰＰＭは、壁温が算出された気筒（所定数の気筒）から排出されるＰＭの量であり、気筒毎に算出されたＰＭ排出量の和として算出される。気筒毎のＰＭ排出量は、マップ又は計算式を用いて気筒の壁温に基づいて算出される。Ｎｔは、内燃機関に設けられた気筒の総数であり、本実施形態では４である。Ｎｐは、壁温が算出された気筒の数（所定数）である。

例えば、第１気筒６１及び第３気筒６３の壁温が算出される場合、第１気筒６１のＰＭ排出量及び第３気筒６３のＰＭ排出量がそれぞれ算出され、これらの和に２（４／２）を乗算することによって全体ＰＭ排出量ＴＰＭが算出される。なお、上記式（３）の右辺に、予め定められた補正係数が乗算されてもよい。

また、ＰＭ量算出部５２は、ステップＳ１０１において算出された所定数の気筒の壁温の平均値を算出し、この平均値に基づいて全体ＰＭ排出量を算出してもよい。この場合、壁温の平均値に補正係数が乗算され、補正係数が乗算された平均値に基づいて全体ＰＭ排出量が算出されてもよい。ステップＳ１０２の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、壁温を検出する壁温センサが気筒内に設けられ、ステップＳ１０１において、壁温算出部５１は、壁温センサを用いて、所定数の気筒の壁温を検出してもよい。この場合、壁温センサは、壁温が検出される気筒毎に設けられる。また、ステップＳ１０１において、壁温算出部５１は、内燃機関に設けられた複数の気筒の壁温、すなわち全ての気筒の壁温を算出又は検出してもよい。このことによって、気筒間の壁温差の影響を排除することができ、ひいては全体ＰＭ排出量の算出精度を更に向上させることができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る排気浄化装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

上述したように、第一実施形態では、全体ＰＭ排出量を算出するために、二以上の所定数の気筒の壁温が算出又は検出される。しかしながら、所定数の気筒の壁温が検出される場合、筒内環境で使用可能な高価な壁温センサを所定数の気筒に設ける必要がある。また、所定数の気筒の壁温が算出される場合、壁温が算出される気筒の数が多いほど、ＥＣＵ３１の演算負荷が増大する。

図８は、内燃機関が冷間始動されるときの全体ＰＭ排出量の積算値の時間推移を示す図である。図８に示されるように、内燃機関が冷間始動されてから所定時間（図８では約２００秒）の間に、全体ＰＭ排出量が多くなり、全体ＰＭ排出量の積算値が急激に上昇する。一方、内燃機関の暖機後には、気筒の壁温が高いため、全体ＰＭ排出量は減少する。したがって、フィルタ２３に供給されるＰＭの大部分が内燃機関の暖機中に発生するため、内燃機関の暖機中には全体ＰＭ排出量を精度良く算出する必要がある。

また、内燃機関の暖機時のように各気筒の壁温の変化量が大きいときには、気筒間の壁温差も大きくなる。一方、内燃機関の暖機が完了し、各気筒の壁温が一定の温度に収束した後では、気筒間の壁温差が小さくなる。また、内燃機関の暖機後であっても、燃料カット制御の実行等によって各気筒の壁温が低下する場合には、各気筒の壁温の変化量の絶対値が大きくなり、気筒間の壁温差も大きくなる。

このため、第二実施形態では、壁温算出部５１は、複数の気筒のうちの少なくとも一つの気筒の単位時間当たりの壁温の変化量の絶対値（以下、単に「壁温の変化量の絶対値」と称する）が所定値よりも大きいと判定した場合には、壁温の変化量の絶対値が所定値よりも小さいと判定した場合よりも演算負荷が高くなるように所定数の気筒の壁温を算出する。具体的には、壁温算出部５１は、壁温の変化量の絶対値が所定値よりも大きいと判定した場合には、二以上の所定数の気筒の壁温を算出し、壁温の変化量の絶対値が所定値よりも小さいと判定した場合には、複数の気筒のうちの上記所定数未満の気筒の壁温を算出する。このことによって、全体ＰＭ排出量の算出精度を向上させつつ、ＥＣＵ３１の演算負荷を低減することができる。

＜ＰＭ排出量算出処理＞
図９は、本発明の第二実施形態におけるＰＭ排出量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。所定の実行間隔は例えば内燃機関の一回のサイクルの時間である。

最初に、ステップＳ２０１において、壁温算出部５１は、壁温の変化量の絶対値が所定値以上であるか否かを判定する。例えば、壁温算出部５１は、内燃機関の暖機が完了していない場合に、壁温の変化量の絶対値が所定値以上であると判定し、内燃機関の暖機が完了している場合に、壁温の変化量の絶対値が所定値未満であると判定する。例えば、壁温算出部５１は、冷却水の水温が所定温度に達していない場合に、内燃機関の暖機が完了していないと判定し、壁温の変化量の絶対値が所定値以上であると判定する。また、壁温算出部５１は、内燃機関が始動されてからの経過時間が所定時間に達していない場合に、内燃機関の暖機が完了していないと判定し、壁温の変化量の絶対値が所定値以上であると判定してもよい。

ステップＳ２０１において壁温の変化量の絶対値が所定値以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、図７のステップＳ１０１と同様に、壁温算出部５１は、内燃機関に設けられた複数の気筒のうちの二以上の所定数の気筒の壁温を算出する。

次いで、ステップＳ２０３では、ＰＭ量算出部５２は、図７のステップＳ１０２と同様に、ステップＳ２０２において算出された所定数の気筒の壁温に基づいて全体ＰＭ排出量を算出する。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０１において壁温の変化量の絶対値が所定値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、図７のステップＳ１０１と同様の方法によって、壁温算出部５１は、内燃機関に設けられた複数の気筒のうちの所定数未満の気筒の壁温を算出する。

次いで、ステップＳ２０５では、ＰＭ量算出部５２は、図７のステップＳ１０２と同様の方法によって、ステップＳ２０４において算出された所定数未満の気筒の壁温に基づいて全体ＰＭ排出量を算出する。ステップＳ２０５の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ２０１において、壁温算出部５１は、燃料カット制御が所定時間以上継続して実行された場合に、壁温の変化量の絶対値が所定値以上であると判定し、燃料カット制御が所定時間以上継続して実行されていない場合に、壁温の変化量の絶対値が所定値未満であると判定してもよい。また、壁温センサが一つの気筒内に設けられ、ステップＳ２０１において、壁温算出部５１は、壁温センサによって検出された壁温の変化量の絶対値が所定値以上であるか否かを判定してもよい。

また、本制御ルーチンでは、壁温算出部５１は、壁温の変化量の絶対値が所定値以上であると判定した場合には、二以上の所定数の気筒の壁温を算出し、壁温の変化量の絶対値が所定値よりも小さいと判定した場合には、複数の気筒のうちの上記所定数未満の気筒の壁温を算出する。しかしながら、壁温算出部５１は、壁温の変化量の絶対値が所定値よりも大きいと判定した場合には、二以上の所定数の気筒の壁温を算出し、壁温の変化量の絶対値が所定値以下であると判定した場合には、複数の気筒のうちの上記所定数未満の気筒の壁温を算出してもよい。すなわち、ステップＳ２０１において、壁温算出部５１は、壁温の変化量の絶対値が所定値よりも大きいか否かを判定してもよい。

また、壁温算出部５１は、ステップＳ２０２において複数の気筒（全ての気筒）の壁温を算出し、ステップＳ２０４において複数の気筒のうちの一つの気筒の壁温を算出してもよい。このことによって、気筒間の壁温差が大きいときの全体ＰＭ排出量の算出精度を更に向上させることができると共に、ＥＣＵ３１の演算負荷の低減効果を更に高めることができる。

内燃機関に三つ以上の気筒が設けられている場合、複数の気筒のうちの一つの気筒は、例えば、冷却水が最初に通過する気筒及び冷却水が最後に通過する気筒以外の気筒、すなわち壁温が最低の気筒及び壁温が最大の気筒以外の気筒に設定される。このことによって、全ての気筒の壁温の平均値に近い値を用いて全体ＰＭ排出量を算出することができ、一つの気筒の壁温に基づいて全体ＰＭ排出量を算出するときの算出精度の低下を抑制することができる。

例えば、本実施形態のように直列に配置された４つの気筒が内燃機関に設けられている場合、複数の気筒のうちの一つの気筒は、冷却水が二番目に通過する第２気筒６２、又は冷却水が三番目に通過する第３気筒６３に設定される。また、気筒の壁温が低いほど、壁温に基づいて算出される全体ＰＭ排出量は多くなる。このため、好ましくは、複数の気筒のうちの一つの気筒は第２気筒６２に設定される。このことによって、全体ＰＭ排出量が真の値よりも少なく算出されることを抑制することができる。

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る排気浄化装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第二実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第二実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第三実施形態においても、壁温算出部５１は、壁温の変化量の絶対値が所定値よりも大きいと判定した場合には、壁温の変化量の絶対値が所定値よりも小さいと判定した場合よりも演算負荷が高くなるように所定数の気筒の壁温を算出する。具体的には、壁温算出部５１は、壁温の変化量の絶対値が所定値よりも大きいと判定した場合には、演算負荷が相対的に高い演算方法によって二以上の所定数の気筒の壁温を算出し、壁温の変化量の絶対値が所定値よりも小さいと判定した場合には、演算負荷が相対的に低い演算方法によって上記所定数の気筒の壁温を算出する。このことによって、全体ＰＭ排出量の算出精度を向上させつつ、ＥＣＵ３１の演算負荷を低減することができる。

＜ＰＭ排出量算出処理＞
図１０は、本発明の第三実施形態におけるＰＭ排出量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。所定の実行間隔は例えば内燃機関の一回のサイクルの時間である。

最初に、ステップＳ３０１において、図９のステップＳ２０１と同様に、壁温算出部５１は、壁温の変化量の絶対値が所定値以上であるか否かを判定する。壁温の変化量の絶対値が所定値以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０２に進む。

ステップＳ３０２では、壁温算出部５１は、演算負荷が相対的に高い演算方法によって所定数の気筒の壁温を算出する。具体的には、壁温算出部５１は、図７のステップＳ１０１と同様に、所定数の気筒の壁温を算出する。

次いで、ステップＳ３０３では、ＰＭ量算出部５２は、図７のステップＳ１０２と同様に、ステップＳ３０２において算出された所定数の気筒の壁温に基づいて全体ＰＭ排出量を算出する。ステップＳ３０３の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ３０１において壁温の変化量の絶対値が所定値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、壁温算出部５１は、演算負荷が相対的に低い演算方法によって所定数の気筒の壁温を算出する。

例えば、壁温算出部５１は、ステップＳ１０１と同様の方法によって一つの気筒の壁温を算出し、気筒毎に定められた所定のオフセット量をこの壁温に加算することによって他の気筒の壁温を算出する。例えば、ステップＳ１０１と同様の方法によって第３気筒６３の壁温が算出される場合、第１気筒６１及び第２気筒６２のオフセット量は負となり、第４気筒６４のオフセット量は正となる。なお、壁温センサが一つの気筒内に設けられ、壁温センサによって検出された壁温に所定のオフセット量を加算することによって他の気筒の壁温が算出されてもよい。

次いで、ステップＳ３０５では、ＰＭ量算出部５２は、図７のステップＳ１０２と同様に、ステップＳ３０４において算出された所定数の気筒の壁温に基づいて全体ＰＭ排出量を算出する。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ３０２及びステップＳ３０４において、壁温算出部５１は複数の気筒（全ての気筒）の壁温を算出してもよい。このことによって、全体ＰＭ排出量の算出精度を更に向上させることができる。また、本制御ルーチンは図９の制御ルーチンと同様に変形可能である。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。

例えば、内燃機関の構成は、上述した構成に限定されない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように構成されてもよい。また、触媒２０は省略されてもよい。

また、サーモスタット７２は循環経路７０においてシリンダブロック２とラジエータ７１との間に配置されてもよい。また、水温センサ４５は、冷却水の温度を検出できれば、循環経路７０内の他の位置に配置されてもよい。

また、内燃機関は圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。この場合、例えば、内燃機関の排気通路には、触媒２０として酸化触媒が配置され、フィルタ２３としてディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が配置される。

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、第二実施形態と第三実施形態とが組み合わされる場合、図９のステップＳ２０４において、壁温算出部５１は、図１０のステップＳ３０４と同様の方法によって、演算負荷が相対的に低い演算方法によって所定数未満の気筒の壁温を算出してもよい。

２２ 排気管
２３ フィルタ
５１ 壁温算出部
５２ ＰＭ量算出部
６１ 第１気筒
６２ 第２気筒
６３ 第３気筒
６４ 第４気筒

Claims (10)

1. 冷却水によって冷却される複数の気筒が設けられた内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記複数の気筒のうちの二以上の所定数の気筒の壁温を算出又は検出する壁温算出部と、
   前記壁温算出部によって算出又は検出された壁温に基づいて、前記複数の気筒から前記排気通路に排出される粒子状物質の量を算出するＰＭ量算出部と
   を備える、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記壁温算出部は前記複数の気筒の壁温を算出又は検出する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記壁温算出部は、前記複数の気筒のうちの少なくとも一つの気筒の単位時間当たりの壁温の変化量の絶対値が所定値よりも大きいと判定した場合には、該絶対値が該所定値よりも小さいと判定した場合よりも演算負荷が高くなるように前記所定数の気筒の壁温を算出する、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記壁温算出部は、前記絶対値が前記所定値よりも大きいと判定した場合には、前記所定数の気筒の壁温を算出し、前記絶対値が前記所定値よりも小さいと判定した場合には、前記複数の気筒のうちの前記所定数未満の気筒の壁温を算出する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記壁温算出部は、前記絶対値が前記所定値よりも大きいと判定した場合には、前記複数の気筒の壁温を算出し、前記絶対値が前記所定値よりも小さいと判定した場合には、前記複数の気筒のうちの一つの気筒の壁温を算出する、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記内燃機関に三つ以上の気筒が設けられ、前記複数の気筒のうちの一つの気筒は、冷却水が最初に通過する気筒及び冷却水が最後に通過する気筒以外の気筒である、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記壁温算出部は、前記絶対値が前記所定値よりも大きいと判定した場合には、演算負荷が相対的に高い演算方法によって前記所定数の気筒の壁温を算出し、前記絶対値が前記所定値よりも小さいと判定した場合には、演算負荷が相対的に低い演算方法によって前記所定数の気筒の壁温を算出する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記壁温算出部は、前記絶対値が前記所定値よりも大きいと判定した場合には、演算負荷が相対的に高い演算方法によって前記複数の気筒の壁温を算出し、前記絶対値が前記所定値よりも小さいと判定した場合には、演算負荷が相対的に低い演算方法によって前記複数の気筒の壁温を算出する、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記壁温算出部は、前記内燃機関の暖機が完了していない場合に、前記少なくとも一つの気筒の単位時間当たりの壁温の変化量の絶対値が前記所定値よりも大きいと判定する、請求項３から８のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記壁温算出部は、前記複数の気筒への燃料供給を停止する燃料カット制御が所定時間以上継続して実行された場合に、前記少なくとも一つの気筒の単位時間当たりの壁温の変化量の絶対値が前記所定値よりも大きいと判定する、請求項３から９のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images