JP2021004555A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＭを帯電させるための電力量を抑制しつつ、フィルタのＰＭ捕集率を早期に高める。【解決手段】内燃機関１００は、機関本体１と、機関本体１の排気通路に設けられて排気中のＰＭを捕集するフィルタ３４と、フィルタ３４に流入する排気中のＰＭを帯電させて凝集させる凝集装置３５と、を備える。内燃機関１００を制御する制御装置２００は、フィルタ３４に流入する排気中のＰＭの帯電量を制御するＰＭ帯電制御部を備える。ＰＭ帯電制御部は、フィルタ３４のＰＭ堆積量が多いときは、少ないときと比べてＰＭの帯電量が小さくなるように凝集装置３５を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、従来の内燃機関として、排気中の粒子状物質（Particulate Matter；以下「ＰＭ」という。）を帯電させて凝集させることでその粒子径を大きくし、粒子径を大きくしたＰＭをマフラ内のＰＭ捕集材で捕集するようにしたものが開示されている。

特開２００６−１８８９７９号公報

ＰＭを捕集するＰＭフィルタのＰＭ捕集率は、ＰＭフィルタに堆積しているＰＭの量（以下「ＰＭ堆積量」という。）に応じて変化する。具体的にはＰＭ捕集率は、ＰＭフィルタの表面に或る程度のＰＭが堆積し、フィルタ表面にＰＭの層（ＰＭケーキ層）が形成されると、ＰＭケーキ層の形成前においてはフィルタをすり抜けていた粒子径の小さなＰＭをＰＭケーキ層で捕集できるようになるため、高くなる傾向にある。またＰＭ捕集率は、ＰＭフィルタを構成する隔壁の内部に或る程度のＰＭが堆積すると、仮に粒子径の小さいＰＭが隔壁の内部に侵入したとしても、既に隔壁の内部に堆積しているＰＭによって粒子径の小さいＰＭを捕集することができるようになるため、高くなる傾向にある。

しかしながら、前述した従来の内燃機関では、このようなＰＭ捕集率を考慮せずにＰＭを帯電、凝集させてその粒子径を大きくしていたため、ＰＭケーキ層が形成されたり、隔壁の内部に或る程度のＰＭが堆積したりして粒子径の小さなＰＭを捕集できる状態になった後、すなわちＰＭを帯電、凝集させてその粒子径を大きくしなくてもＰＭを捕集できる状態になった後も、不必要にＰＭを帯電させていた。そのため、ＰＭを帯電させるための電力を無駄に消費してしまうおそれがあった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、ＰＭを帯電させるための電力量を抑制しつつ、ＰＭフィルタのＰＭ捕集率を早期に高めることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様による内燃機関は、機関本体と、機関本体の排気通路に設けられて排気中のＰＭを捕集するフィルタと、フィルタに流入する排気中のＰＭを帯電させて凝集させる凝集装置と、を備える。内燃機関の制御装置は、フィルタに流入する排気中のＰＭの帯電量を制御するＰＭ帯電制御部を備える。ＰＭ帯電制御部は、フィルタのＰＭ堆積量が多いときは、少ないときと比べてＰＭの帯電量が小さくなるように、凝集装置を制御するように構成される。

本発明のこの態様によれば、ＰＭを帯電させるための電力量を抑制しつつ、ＰＭフィルタのＰＭ捕集率を早期に高めることができる。

図１は、本発明の第１実施形態による内燃機関、及び内燃機関を制御するための電子制御ユニットの概略構成図である。 図２Ａは、本発明の第１実施形態によるＰＭフィルタの正面図である。 図２Ｂは、本発明の第１実施形態によるＰＭフィルタの側面断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態によるＰＭ帯電制御について説明するフローチャートである。 図４は、本発明の第１実施形態によるＰＭ帯電制御の動作について説明するタイムチャートである。 図５は、ＰＭ凝集力と、フィルタ流入排気状態（ＰＭ粒子径、排気温度、排気流量）と、の関係を示した図である。 図６は、ＰＭ捕集率と、フィルタ流入排気状態（ＰＭ粒子径、排気温度、排気流量）と、の関係を示した図である。 図７は、本発明の第２実施形態によるＰＭ帯電制御について説明するフローチャートである。 図８は、目標電圧算出処理について説明するフローチャートである。である。 図９は、本発明の第１実施形態の変形例によるＰＭ帯電制御について説明する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１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による内燃機関１００、及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。

本実施形態による内燃機関１００は、火花点火式のガソリンエンジンであって、機関本体１と、吸気装置２０と、排気装置３０と、を備える。なお、内燃機関１００の種類は、特に限られるものではなく、予混合圧縮着火式のガソリンエンジンであってもよいし、ディーゼルエンジンであってもよい。

機関本体１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に固定されたシリンダヘッド３と、を備える。

シリンダブロック２には、複数のシリンダ４が形成される。シリンダ４の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ４の内部を往復運動するピストン５が収められる。ピストン５は、コンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）と連結されており、クランクシャフトによってピストン５の往復運動が回転運動に変換される。シリンダヘッド３の内壁面、シリンダ４の内壁面及びピストン５の冠面によって区画された空間が燃焼室６となる。

シリンダヘッド３には、シリンダヘッド３の一方の側面に開口すると共に燃焼室６に開口する吸気ポート７と、シリンダヘッド３の他方の側面に開口すると共に燃焼室６に開口する排気ポート８と、が形成される。

またシリンダヘッド３には、燃焼室６と吸気ポート７との開口を開閉するための吸気弁９と、燃焼室６と排気ポート８との開口を開閉するための排気弁１０と、吸気弁９を開閉駆動する吸気カムシャフト１１と、排気弁１０を開閉駆動する排気カムシャフト１２と、が取り付けられる。

さらにシリンダヘッド３には、燃焼室６内に燃料を噴射するための燃料噴射弁１３と、燃料噴射弁１３から噴射された燃料と空気との混合気を燃焼室６内で点火するための点火プラグ１４と、が取り付けられる。なお、燃料噴射弁１３は、吸気ポート７内に燃料を噴射することができるように、シリンダヘッド３に取り付けてもよい。

吸気装置２０は、吸気ポート７を介してシリンダ４内に空気を導くための装置であって、エアクリーナ２１と、吸気管２２と、吸気マニホールド２３と、エアフローメータ２１１と、電子制御式のスロットル弁２４と、スロットルアクチュエータ２５と、スロットルセンサ２１２と、を備える。

エアクリーナ２１は、空気中に含まれる砂などの異物を除去する。

吸気管２２は、一端がエアクリーナ２１に連結され、他端が吸気マニホールド２３のサージタンク２３ａに連結される。吸気管２２によって、エアクリーナ２１を介して吸気管２２内に流入してきた空気（吸気）が吸気マニホールド２３のサージタンク２３ａに導かれる。

吸気マニホールド２３は、サージタンク２３ａと、サージタンク２３ａから分岐してシリンダヘッド側面に形成されている各吸気ポート７の開口に連結される複数の吸気枝管２３ｂと、を備える。サージタンク２３ａに導かれた空気は、吸気枝管２３ｂを介して各シリンダ４内に均等に分配される。このように、吸気管２２、吸気マニホールド２３及び吸気ポート７が、各シリンダ４内に空気を導くための吸気通路を形成する。

エアフローメータ２１１は、吸気管２２内に設けられる。エアフローメータ２１１は、吸気管２２内を流れる空気の流量（以下「吸気量」という。）を検出する。本実施形態では、このエアフローメータ２１１によって検出された吸気量及び燃料噴射弁１３から噴射された燃料量に基づいて、後述するＰＭフィルタ３４に流入する排気の流量ＦＥを推定している。

スロットル弁２４は、エアフローメータ２１１よりも下流側の吸気管２２内に設けられる。スロットル弁２４は、スロットルアクチュエータ２５によって駆動され、吸気管２２の通路断面積を連続的又は段階的に変化させる。スロットルアクチュエータ２５によってスロットル弁２４の開度（以下「スロットル開度」という。）を調整することで、各シリンダ４内に吸入される吸気量が調整される。スロットル開度は、スロットルセンサ２１２によって検出される。

排気装置３０は、燃焼室６内で生じた燃焼ガス（以下「排気」という。）を浄化して外気に排出するための装置であって、排気マニホールド３１と、排気管３２と、触媒装置３３と、ウォールフロー型のＰＭフィルタ３４と、凝集装置３５と、排気温度センサ２１３と、差圧センサ２１４と、を備える。

排気マニホールド３１は、シリンダヘッド側面に形成されている各排気ポート８の開口と連結される複数の排気枝管と、排気枝管を集合させて１本にまとめた集合管と、を備える。

排気管３２は、一端が排気マニホールド３１の集合管に連結され、他端が外気に開口している。各シリンダ４から排気ポート８を介して排気マニホールド３１に排出された排気は、排気管３２を流れて外気に排出される。

触媒装置３３は、担体に排気浄化触媒を担持させたものであって、排気管３２に設けられる。排気浄化触媒は、例えば酸化触媒（二元触媒）や三元触媒であり、これらに限らず内燃機関１００の種類や用途に応じて適当な触媒を用いることができる。本実施形態では、排気浄化触媒として三元触媒を用いる。排気浄化触媒として三元触媒を用いた場合は、排気中の有害物質であるハイドロカーボン（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）が触媒装置３３によって浄化される。

ＰＭフィルタ３４は、触媒装置３３よりも排気流れ方向下流側の排気管３２に設けられ、排気中に含まれるＰＭを捕集する。ＰＭフィルタ３４は、内燃機関１００がガソリンエンジンの場合には、ＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）と称され、内燃機関１００がディーゼルエンジンの場合には、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）と称されることがある。

図２Ａ及び図２Ｂは、本実施形態によるＰＭフィルタ３４の構造について説明する図である。図２ＡはＰＭフィルタ３４の正面図であり、図２ＢはＰＭフィルタ３４の側面断面図である。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ＰＭフィルタ３４はハニカム構造をしており、互いに平行に延びる複数個の排気流通路３４１，３４２と、排気流通路３４１，３４２を互いに隔てる隔壁３４３と、を備える。

排気流通路３４１，３４２は、上流端が開放されかつ下流端が下流栓３４５により閉塞された排気流入通路３４１と、上流端が上流栓３４４により閉塞されかつ下流端が開放された排気流出通路３４２と、により構成される。なお、図２Ａにおいては、ハッチングを付した部分が上流栓３４４を示す。したがって、排気流入通路３４１及び排気流出通路３４２は薄肉の隔壁３４３を介して交互に配置される。言い換えると排気流入通路３４１及び排気流出通路３４２は各排気流入通路３４１が４つの排気流出通路３４２によって包囲され、各排気流出通路３４２が４つの排気流入通路３４１によって包囲されるように配置される。

隔壁３４３は多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、リン酸ジルコニウムのようなセラミックから形成される。したがって、図２Ｂに矢印で示すように、排気はまず排気流入通路３４１内に流入し、次いで周囲の隔壁３４３の内部の細孔を通って隣接する排気流出通路３４２内に流出する。このように隔壁３４３は排気流入通路３４１の内周面を構成する。

図１に戻り、凝集装置３５は、電圧印可部３５１と、第１放電部３５２ａ及び第２放電部３５２ｂを有する帯電部３５２と、を備える。

電圧印可部３５１は、第１放電部３５２ａ及び第２放電部３５２ｂにそれぞれ電気的に接続されており、第１放電部３５２ａに対しては正電圧を、第２放電部３５２ｂに対しては負電圧を印加できるように構成される。

帯電部３５２は、触媒装置３３とＰＭフィルタ３４との間の排気管３２に設けられる。帯電部３５２の第１放電部３５２ａは、その内部に配置された放電電極間に電圧印可部３５１を介して所定の正電圧が印可されたときに正コロナ放電を発生させ、第１放電部３５２ａを通過する排気中のＰＭを正に帯電させることができるように構成される。帯電部３５２の第２放電部３５２ｂは、その内部に配置された放電電極間に電圧印可部３５１を介して所定の負電圧が印可されたときに負コロナ放電を発生させ、第２放電部３５２ｂを通過する排気中のＰＭを負に帯電させることができるように構成される。

このように構成された凝集装置３５を駆動することで、帯電部３５２を通過した排気中に含まれる正に帯電したＰＭと負に帯電したＰＭとを静電作用（静電気力）によって凝集させることができる。その結果、ＰＭフィルタ３４に流入する排気中のＰＭの個数を減少させると共に、ＰＭの粒子径を大きくすることができる。

排気温度センサ２１３は、ＰＭフィルタ３４の入口側近傍の排気管３２に設けられて、ＰＭフィルタ３４に流入する排気の温度ＴＥを検出する。本実施形態では、この排気温度センサ２１３によって検出された排気温度ＴＥに基づいて、ＰＭフィルタ３４の温度（以下「フィルタ温度」という。）ＴＦを推定している。しかしながら、フィルタ温度ＴＦの推定は、このような方法に限られるものではなく、例えば機関運転状態に応じて推定するなど、公知の種々の手法の中から適宜選択して推定すればよいものであり、フィルタ温度ＴＦの推定にあたって必ずしも排気温度センサ２１３が必要になるわけではない。

差圧センサ２１４は、ＰＭフィルタ３４に設けられて、ＰＭフィルタ３４の前後差圧（以下「フィルタ前後差圧」という。）ＰＤを検出する。

電子制御ユニット２００は、双方向性バスによって相互に接続された中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入力ポート、及び出力ポートを備えたマイクロコンピュータである。

電子制御ユニット２００には、前述したエアフローメータ２１１やスロットルセンサ２１２、排気温度センサ２１３、差圧センサ２１４の他にも機関本体１の負荷（機関負荷）に相当するアクセルペダル２２０の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２２１、機関回転速度などを算出するための信号として機関本体１のクランクシャフト（図示せず）が例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２２２などの各種センサからの出力信号が入力される。

そして電子制御ユニット２００は、入力された各種センサの出力信号等に基づいて、燃料噴射弁１３やスロットル弁２４などを制御して、内燃機関１００を制御する。以下、電子制御ユニット２００によって実施される内燃機関１００の制御の一つであるＰＭ帯電制御について説明する。

前述したように、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率（ＰＭフィルタ３４に流入したＰＭのうち、ＰＭフィルタ３４によって捕集されるＰＭの割合）は、ＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量に応じて変化し、基本的にＰＭ堆積量が少ないときと比べて多いときの方が高くなる傾向にある。

特にＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率は、ＰＭフィルタ３４に捕集されたＰＭによって排気流入通路３４１の内周面が覆われて、排気流入通路３４１の内周面上にＰＭの層（以下「ＰＭケーキ層」という。）が形成されると、高くなる傾向にある。これは、ＰＭケーキ層が形成される前においては、隔壁３４３の内部の細孔を通過して（すなわちフィルタ３４をすり抜けて）排気流入流通路３４１から排気流出通路３４２に流出していた粒子径の小さなＰＭが、ＰＭケーキ層が形成された後においては、ＰＭケーキ層で捕集されてＰＭケーキ層上に堆積するようになるためである。

またＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率は、このようなＰＭケーキ層とは別に、隔壁３４３の内部の細孔に或る程度のＰＭが堆積すると、高くなる傾向にある。これは、既に隔壁３４３の内部の細孔に或る程度のＰＭが堆積していれば、仮に粒子径の小さいＰＭが隔壁３４３の内部の細孔に侵入したとしても、既に隔壁３４３の内部の細孔に堆積しているＰＭによって粒子径の小さいＰＭを捕集することができるようになるためである。

したがって、ＰＭケーキ層を早期に形成することができれば、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率を早期に高めることができるので、排気エミッションを向上させることができる。また、隔壁３４３の内部の細孔に或る程度のＰＭを早期に堆積させることができれば、同様にＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率を早期に高めることができるので、排気エミッションを向上させることができる。

そこで本実施形態では、ＰＭフィルタ３４の状態が、ＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量が一定量以下であってＰＭケーキ層が形成される前や隔壁３４３の内部の細孔に或る程度のＰＭが堆積する前のＰＭ捕集率が低い低捕集状態であるときは、凝集装置３５を駆動して排気中のＰＭの粒子径を大きくすることとした。これにより、ＰＭの大径化によって隔壁３４３の内部の細孔を通過しにくくなったＰＭを、排気流入通路３４１の内周面に短時間で堆積させることができるので、ＰＭケーキ層を早期に形成することができる。また、ＰＭが隔壁３４３の内部の細孔に侵入したとしても、大径化されて細孔を通過しにくくなったＰＭを細孔に堆積させやすくすることができる。その結果、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率を早期に高めることができるので、排気エミッションを向上させることができる。

そして、ＰＭケーキ層が形成され、かつ隔壁３４３の内部の細孔に或る程度のＰＭが堆積した後は、ＰＭケーキ層や隔壁３４３の内部において粒子径の小さいＰＭを捕集することができるようになるので、凝集装置３５を停止することとした。このように、ＰＭフィルタ３４の状態が、低捕集状態からＰＭケーキ層が形成され、かつ隔壁３４３の内部の細孔に或る程度のＰＭが堆積した後のＰＭ捕集率が高い高捕集状態に移行した後は、凝集装置３５を停止することで、ＰＭフィルタ３４の状態を低捕集状態から高捕集状態に早期に移行させつつ、凝集装置３５によって消費される電力量を抑制することができる。

図３は、この本実施形態によるＰＭ帯電制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、機関運転中に本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。なお、以下では、排気流入通路３４１の内周面上に堆積しているＰＭの量、すなわちＰＭケーキ層を形成しているＰＭの量のことを「ケーキ層堆積量Ｍｃ」といい、隔壁３４３の内部の細孔に堆積しているＰＭの量のことを「ウォール層堆積量Ｍｗ」ということとする。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、本ルーチンとは別途に機関運転中に随時算出している、ケーキ層堆積量Ｍｃと、ウォール層堆積量Ｍｗと、を読み込む。ケーキ層堆積量Ｍｃ及びウォール層堆積量Ｍｗは、隔壁３４３の内部に細孔に堆積しているＰＭが燃焼した際に、ＰＭケーキ層のＰＭが隔壁３４３の内部の細孔に入り込むと考えて、例えば、下記の（１）式及び（２）式を用いて算出することができる。
Ｍｃ＝Ｍｃ＋ｄＭｃ−Ｒｃ−ξ×Ｒｗ …（１）
Ｍｗ＝Ｍｗ−Ｒｗ＋ξ×Ｒｗ …（２）

（１）式において、ｄＭｃは、ＰＭケーキ層に堆積する単位時間当たりのＰＭの量である。ｄＭｃは、例えば、予め実験等によって作成されたマップ等を参照して、機関運転状態（機関負荷及び機関回転速度）などに基づいて算出することができる。Ｒｃは、ＰＭケーキ層で燃焼した単位時間当たりのＰＭの量である。Ｒｗは、隔壁３４３の内部で燃焼した単位時間当たりの単位時間当たりのＰＭの量である。Ｒｃ及びＲｗはそれぞれ、例えば、予め実験等によって作成されたマップ等を参照して、フィルタ温度ＴＦ及び吸気量などに基づいて算出することができる。ξは、ＰＭケーキ層から隔壁３４３の内部の細孔へ移動するＰＭの割合を表す係数であって、予め実験等によって定められた定数である。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、凝集装置駆動フラグＦが０に設定されているか否かを判定する。凝集装置駆動フラグＦは、凝集装置３５の駆動中に１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定されている。電子制御ユニット２００は、凝集装置駆動フラグＦが０に設定されていれば、ステップＳ３の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、凝集装置駆動フラグＦが１に設定されていれば、ステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ３及びステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、ＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量が、凝集装置３５の駆動を開始する開始判定堆積量以下であるか否かを判定し、ＰＭ堆積量が開始判定堆積量以下であれば、凝集装置３５の駆動を開始すべくステップＳ４の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ＰＭ堆積量が開始判定堆積量よりも多ければ、今回の処理を終了する。開始判定堆積量は、例えば、ＰＭフィルタ３４の再生処理の完了時、又は完了直前直後のＰＭ堆積量に相当する値に設定することができる。

本実施形態ではステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、ケーキ層堆積量Ｍｃが所定の閾値Ｍｃ１以下であるか否かを判定する。閾値Ｍｃ１は、予め実験等によって定められる定数であって、本実施形態ではＰＭフィルタ３４の再生処理の完了時、又は完了直前直後のケーキ層堆積量Ｍｃに相当する値とされる。なお、ＰＭフィルタ３４の再生処理とは、ＰＭフィルタ３４が目詰まりを起こす前に、排気温度を所定の再生目標温度（例えば６５０℃）まで昇温させて、捕集したＰＭを強制的に燃焼除去してＰＭフィルタ３４を再生する処理のことである。再生処理は、例えば、フィルタ前後差圧ＰＤが予め設定された所定の許容上限値以上になったときに実施される。電子制御ユニット２００は、ケーキ層堆積量Ｍｃが閾値Ｍｃ１以下であれば、ステップＳ４の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ケーキ層堆積量Ｍｃが閾値Ｍｃ１よりも大きければ、今回の処理を終了する。

またステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、ウォール層堆積量Ｍｗが所定の閾値Ｍｗ１以下であるか否かを判定する。閾値Ｍｗ１は、予め実験等によって定められる定数であって、本実施形態ではＰＭフィルタ３４の再生処理の完了時、又は完了直前直後のウォール層堆積量Ｍｗに相当する値とされる。電子制御ユニット２００は、ウォール層堆積量Ｍｗが閾値Ｍｗ１以下であれば、ステップＳ５の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ウォール層堆積量Ｍｗが閾値Ｍｗ１よりも大きければ、今回の処理を終了する。

ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、凝集装置３５の駆動を開始する。

ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、凝集装置駆動フラグＦを１に設定する。

ステップＳ７及びステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、凝集装置３５の駆動中にＰＭフィルタ３４の状態が低捕集状態から高捕集状態に移行したか否か、すなわち、ＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量が凝集装置３５の駆動を停止する停止判定堆積量以上になったか否かを判定し、ＰＭ堆積量が停止判定堆積量以上になっていれば、凝集装置３５を停止すべくステップＳ９の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ＰＭ堆積量が停止判定堆積量未満であれば、今回の処理を終了する。

本実施形態ではステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、ケーキ層堆積量Ｍｃが所定の閾値Ｍｃ２（＞Ｍｃ１）以上であるか否かを判定する。閾値Ｍｃ２は、予め実験等によって定められる定数であって、排気流入通路３４１の内周面に、粒子径の小さいＰＭを捕集可能な程度のＰＭケーキ層が形成されているか否かを判定するための閾値である。

電子制御ユニット２００は、ケーキ層堆積量Ｍｃが閾値Ｍｃ２未満であれば、粒子径の小さいＰＭを捕集可能な程度のＰＭケーキ層が十分に形成されていないと判断して今回の処理を終了する。一方で電子制御ユニット２００は、ケーキ層堆積量Ｍｃが閾値Ｍｃ２以上であれば、粒子径の小さいＰＭを捕集可能な程度のＰＭケーキ層が形成されていると判断してステップＳ８の処理に進む。

そしてステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、ウォール層堆積量Ｍｗが所定の閾値Ｍｗ２（＞Ｍｗ１）以上であるか否かを判定する。閾値Ｍｗ２は、予め実験等によって定められる定数であって、仮に粒子径の小さいＰＭが隔壁３４３の内部の細孔に侵入したとしても、既に隔壁３４３の内部の細孔に堆積しているＰＭによって粒子径の小さいＰＭを捕集することができる否か、すなわち、粒子径の小さいＰＭを捕集可能な程度に隔壁３４３の内部の細孔にＰＭが堆積しているか否かを判定するための閾値である。

電子制御ユニット２００は、ウォール層堆積量Ｍｗが閾値Ｍｗ２以未満であれば、粒子径の小さいＰＭを捕集可能な程度に隔壁３４３の内部の細孔にＰＭが堆積していないと判断して今回の処理を終了する。一方で電子制御ユニット２００は、ウォール層堆積量Ｍｗが閾値Ｍｗ２以上であれば、粒子径の小さいＰＭを捕集可能な程度に隔壁３４３の内部の細孔にＰＭが堆積していると判断してステップＳ９の処理に進む。

ステップＳ９において、電子制御ユニット２００は、凝集装置３５を停止させる。

ステップＳ１０において、電子制御ユニット２００は、凝集装置駆動フラグＦを０に戻す。

これにより、図４に示すように、再生処理完了時、又は完了直前直後のＰＭフィルタ３４の状態が最も低捕集状態となっているときから凝集装置３５の駆動を開始し、それによりＰＭの粒子径を大きくしてＰＭケーキ層を早期に形成することができる。また、ＰＭの大径化に伴ってＰＭが細孔を通過しにくくなるので、ＰＭを細孔に堆積させやすくすることができる。その結果、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率を早期に高めて、排気エミッションを向上させることができる。

なお図３に示すフローチャートでは、ケーキ層堆積量Ｍｃが閾値Ｍｃ２以上、かつウォール層堆積量Ｍｗが閾値Ｍｗ２以上になったときに凝集装置３５を停止するようにしていたが、これに限らず、例えば、ウォール層堆積量Ｍｗにかかわらず、ケーキ層堆積量Ｍｃが閾値Ｍｃ２以上になったときに凝集装置３５を停止するようにしてもよい。また、例えば、ケーキ層堆積量Ｍｃにかかわらず、ウォール層堆積量Ｍｗが閾値Ｍｗ２以上になったときに凝集装置３５を停止するようにしてもよい。さらに、例えば、ケーキ層堆積量Ｍｃとウォール層堆積量Ｍｗとの和が所定値以上になったときに、凝集装置３５を停止するようにしてもよい。

また本実施形態では、凝集装置３５を駆動して排気中のＰＭを帯電させる際において、第１放電部３５２ａ及び第２放電部３５２ｂに配置された放電電極間に印可する正電圧及び負電圧の大きさをそれぞれ一定としている。すなわち本実施形態では、帯電部３５２を通過した排気中のＰＭの帯電量がそれぞれ一定の帯電量となるように、凝集装置３５を制御している。しかしながら、これに限らず、例えば、ＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量（例えばケーキ層堆積量Ｍｃとウォール層堆積量Ｍｗの和）が増大するにつれて、徐々に各放電電極間に印可する電圧（の絶対値）を小さくしてＰＭの帯電量が小さくなるように、凝集装置３５を制御するようにしてもよい。

以上説明した本実施形態による内燃機関１００は、機関本体１と、機関本体１の排気通路に設けられて排気中のＰＭを捕集するＰＭフィルタ３４（フィルタ）と、ＰＭフィルタ３４に流入する排気中のＰＭを帯電させて凝集させる凝集装置３５と、を備える。この内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００（制御装置）は、ＰＭフィルタ３４に流入する排気中のＰＭの帯電量を制御するＰＭ帯電制御部を備える。

そして、ＰＭ帯電制御部は、ＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量が多いときは、少ないときと比べてＰＭの帯電量が小さくなるように、凝集装置３５を制御するように構成されている。

これにより本実施形態によれば、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率が低いＰＭ堆積量が少ないときには、ＰＭを帯電、凝集させてその粒子径を大きくすることができるので、ＰＭがＰＭフィルタ３４をすり抜けてしまうのを抑制しつつ、ＰＭフィルタ３４の表面に早期にＰＭケーキ層を形成してＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率を高めることができる。そして、ＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量が増大してＰＭ捕集率が高くなった後は、ＰＭの帯電量を小さくすることで（本実施形態では帯電量をゼロとしている）、ＰＭを帯電させるために必要な電力量を抑制することができる。したがって本実施形態によれば、ＰＭを帯電させるための電力量を抑制しつつ、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率を早期に高めることができる。

また本実施形態では、ＰＭ帯電制御部は、ＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量が所定の開始判定堆積量（第１堆積量）以下であれば、ＰＭの帯電量が所定の帯電量となるように凝集装置３５の駆動を開始してＰＭを帯電させ、凝集装置３５の駆動中にＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量が開始判定堆積量よりも大きい所定の停止判定堆積量（第２堆積量）以上になったときは、凝集装置３５を停止してＰＭへの帯電を停止するように構成されている。

開始判定堆積量は、例えば、ＰＭフィルタ３４の再生の完了時、又は完了直前直後のＰＭ堆積量に相当する値とすることができる。停止判定堆積量は、例えば、ＰＭフィルタ３４の表面にＰＭケーキ層（ＰＭの層）が形成されたと判断できるＰＭ堆積量とすることができる。

また停止判定堆積量は、例えば、ＰＭフィルタ３４を構成する隔壁３４３の内部の細孔にＰＭが侵入してきたときに、当該ＰＭを細孔内で捕集することが可能と判断できるＰＭ堆積量とすることもできる。さらに停止判定堆積量は、例えば、ＰＭフィルタ３４の表面にＰＭの層が形成されと判断でき、かつＰＭフィルタ３４を構成する隔壁３４３の内部の細孔にＰＭが侵入してきたときに当該ＰＭを細孔内で捕集することが可能と判断できるＰＭ堆積量とすることもできる。

これにより、ＰＭフィルタ３４の再生処理の完了時、又は完了処理の直前直後のＰＭフィルタ３４の状態が最も低捕集状態となっているときから凝集装置３５の駆動を開始し、それによりＰＭの粒子径を大きくしてＰＭケーキ層を早期に形成することができると共に、ＰＭが隔壁３４３の内部に侵入したとしても、ＰＭの大径化に伴ってＰＭが細孔を通過しにくくなるので、ＰＭを細孔に堆積させやすくすることができる。また、凝集装置３５の駆動中にＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量が停止判定堆積量以上となってＰＭフィルタ３４の状態が高捕集状態に移行した後は、凝集装置３５が停止されるので、凝集装置３５の駆動期間を最適化して電力消費量を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、ＰＭ捕集率及びＰＭ凝集力に応じてＰＭの帯電量を変化させる点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。

前述した第１実施形態では、凝集装置３５を駆動して排気中のＰＭを帯電させる際において、第１放電部３５２ａ及び第２放電部３５２ｂに配置された放電電極間に印可する正電圧及び負電圧をそれぞれ一定としていた。したがって、前述した第１実施形態では、正に帯電したＰＭの帯電量Ｑ１及び負に帯電したＰＭの帯電量Ｑ２もそれぞれ一定であった。

ＰＭ凝集力（ＰＭの凝集しやすさ）は、各帯電量Ｑ１，Ｑ２が大きくなるほど、静電気力が大きくなるので大きくなる。すなわち、各帯電力Ｑ１，Ｑ２を大きくするほど、ＰＭが凝集しやすくなり、ＰＭの大径化を図ることができるので、ＰＭケーキ層を早期に形成することができる。しかしながら、各帯電量Ｑ１，Ｑ２を大きくするには、各放電電極に印可する電圧（正電圧及び負電圧）を高くする必要があるので、電力消費量が増大する。

一方、このＰＭ凝集力は、各放電電極に印可する電圧値以外にも、機関運転状態に応じて変化し、より詳細には機関運転状態に応じて変化するＰＭフィルタ３４に流入する排気の状態（以下「フィルタ流入排気状態」という。）に応じて変化する。

図５は、ＰＭ凝集力と、フィルタ流入排気状態（ＰＭ粒子径、排気温度、排気流量）と、の関係を示した図である。

図５に示すように、ＰＭ凝集力は、ＰＭ粒子径が大きいときと比べて、小さいときのほうが大きくなる傾向にある。またＰＭ凝集力は、ＰＭフィルタに流入する排気の温度ＴＥが低いときと比べて、高いときのほうが大きくなる傾向にある。さらにＰＭ凝集力は、ＰＭフィルタに流入する排気の流量ＦＥが多いときと比べて、少ないときのほうが大きくなる傾向にある。

したがって、このようなフィルタ流入排気状態から定まるＰＭ凝集力が大きいときには、小さいときと比べてＰＭの各帯電量Ｑ１，Ｑ２を小さくしても、ＰＭ凝集力を維持してＰＭ粒子径の大径化を図ることができるので、ＰＭケーキ層を早期に形成させると共にＰＭを隔壁３４３の内部の細孔に堆積させやすくして、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率を早期に高めることができる。

また前述したように、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率は、ＰＭケーキ層が形成されると高くなるが、これ以外にも、ＰＭ凝集力と同様に機関運転状態に応じて変化し、より詳細には機関運転状態に応じて変化するフィルタ流入排気状態に応じて変化する。

図６は、ＰＭ捕集率と、フィルタ流入排気状態と、の関係を示した図である。

図６に示すように、ＰＭ捕集率は、ＰＭフィルタ３４に流入する排気中のＰＭ粒子径が小さいときと比べて、大きいときのほうが高くなる傾向にある。またＰＭ捕集率は、ＰＭフィルタ３４に流入する排気の温度ＴＥが高いときと比べて、低いときのほうが高くなる傾向にある。さらにＰＭ捕集率は、ＰＭフィルタ３４に流入する排気の流量ＦＥが多いときと比べて、少ないときのほうが高くなる傾向にある。

したがって、このようなフィルタ流入排気状態から定まるＰＭ捕集率が高いときには、低いときと比べてＰＭの各帯電量Ｑ１，Ｑ２を小さくし、それによりＰＭの粒子径が小さくなったとしても、ＰＭ捕集率を維持することができる。

そこで本実施形態では、ＰＭ凝集力及びＰＭ捕集率に基づいて、各放電電極に印可する電圧の大きさを変化させることとした。具体的には、ＰＭ凝集力が大きいときには、小さいときと比べて各放電電極に印可する電圧（の絶対値）が小さくなるように、また、ＰＭ捕集率が高いときには、低いときと比べて各放電電極に印可する電圧（の絶対値）が低くなるように、各放電電極に印可する目標電圧を設定することとした。

図７は、この本実施形態によるＰＭ帯電制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、機関運転中に本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。図７において、ステップＳ１からステップＳ１０までの処理は、第１実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。

ステップＳ２０において、電子制御ユニット２００は、第１放電部３５２ａに配置された放電電極間、及び第２放電部３５２ｂに配置された放電電極間に印可する目標電圧を算出するための目標電圧算出処理を実施する。目標電圧算出処理の詳細については、図８を参照して後述する。

ステップＳ２１において、電子制御ユニット２００は、第１放電部３５２ａに配置された放電電極間、及び第２放電部３５２ｂに配置された放電電極間に印可される電圧が目標電圧となるように、凝集装置３５を制御する。

図８は、目標電圧算出処理の詳細について説明するフローチャートである。

ステップＳ２０１において、電子制御ユニット２００は、機関本体１から排出された排気中に含まれるＰＭの粒子径を算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたマップを参照し、機関運転状態（機関負荷及び機関回転速度）に基づいてＰＭ粒子径を算出する。また電子制御ユニット２００は、排気温度センサ２１３によって検出された排気温度ＴＥと、吸気量及び燃料噴射弁１３から噴射された燃料量に基づいて推定された排気流量ＦＥと、読み込む。

ステップＳ２０２において、電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたマップを参照し、フィルタ流入排気状態（ＰＭ粒子径、排気温度ＴＥ、排気流量ＦＥ）に基づいて、ＰＭ凝集力及びＰＭ捕集率を算出する。

ステップＳ２０３において、電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたマップを参照し、ＰＭ凝集力とＰＭ捕集率とに基づいて、第１放電部３５２ａに配置された放電電極間、及び第２放電部３５２ｂに配置された放電電極間に印可する目標電圧を算出する。各放電電極間に印可される目標電圧の絶対値は、ＰＭ凝集力が大きいときには、小さいときと比べて低くなるように設定される。またＰＭ捕集率が高いときには、低いときと比べて低くなるように設定される。

以上説明した本実施形態によるＰＭ帯電制御部は、ＰＭを帯電させた場合のＰＭの凝集力が高くなる機関運転状態のときには、ＰＭの凝集力が低くなる機関運転状態のときと比べてＰＭの帯電量が小さくなるように、凝集装置３５を制御するようにさらに構成されている。

これにより、ＰＭを帯電させるための電力量を抑制しつつ、ＰＭ凝集力に関しては維持することができる。そのため、ＰＭを帯電させるための電力量を一層抑制しつつ、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率を早期に高めることができる。

また本実施形態によるＰＭ帯電制御部は、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率が高くなる機関運転状態のときは、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率が低くなる機関運転状態のときと比べてＰＭの帯電量が小さくなるように、凝集装置３５を制御するようにさらに構成されている。

これにより、ＰＭを帯電させるための電力量を抑制しつつ、ＰＭ捕集率に関しては維持することができる。そのため、ＰＭを帯電させるための電力量を一層抑制しつつ、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率の低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、前述した第１実施形態のＰＭ帯電制御を、以下の図９に示す変形例のように構成してもよい。

図９は、前述した第１実施形態の変形例によるＰＭ帯電制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、機関運転中に本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。図９において、ステップＳ１の処理は、第１実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。

ステップＳ３２及びステップＳ３３において、電子制御ユニット２００は、ＰＭフィルタ３４の状態が低捕集状態であるか否か（すなわちＰＭ堆積量が停止判定堆積量未満か否か）を判定し、低捕集状態であればステップＳ３４の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ＰＭフィルタ３４の状態が高捕集状態であればステップＳ３６の処理に進む。

この変形例ではステップＳ３２において、電子制御ユニット２００は、ケーキ層堆積量Ｍｃが閾値Ｍｃ２未満であるか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、ケーキ層堆積量Ｍｃが閾値Ｍｃ２未満であれば、粒子径の小さいＰＭを捕集可能な程度のＰＭケーキ層が十分に形成されていないと判断してステップＳ３３の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ケーキ層堆積量Ｍｃが閾値Ｍｃ２以上であれば、粒子径の小さいＰＭを捕集可能な程度のＰＭケーキ層が形成されていると判断してステップＳ３６の処理に進む。

そしてステップＳ３３において、電子制御ユニット２００は、ウォール層堆積量Ｍｗが閾値Ｍｗ２未満であるか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、ウォール層堆積量Ｍｗが閾値Ｍｗ２未満であれば、粒子径の小さいＰＭを捕集可能な程度に隔壁３４３の内部の細孔にＰＭが堆積していないと判断してステップＳ３４の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ウォール層堆積量Ｍｗが閾値Ｍｗ２以上であれば、粒子径の小さいＰＭを捕集可能な程度に隔壁３４３の内部の細孔にＰＭが堆積していると判断してステップＳ３６の処理に進む。

ステップＳ３４において、電子制御ユニット２００は、ＰＭフィルタ３４の再生処理中であるか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、ＰＭフィルタ３４の再生処理中でなければ、ステップＳ３５の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ＰＭフィルタ３４の再生処理中であれば、ＰＭフィルタ３４に流入した排気中のＰＭについても、基本的にＰＭフィルタ３４内で燃焼除去することが可能であり、あえてＰＭ粒子径を大径化する必要がないので、ステップＳ３６の処理に進む。

ステップＳ３５において、電子制御ユニット２００は、凝集装置３５が停止されていた場合は凝集装置３５の駆動を開始し、凝集装置３５が駆動されていた場合はそのまま駆動状態を継続させる。

ステップＳ３６において、電子制御ユニット２００は、凝集装置３５が駆動されていた場合には凝集装置３５を停止させ、凝集装置３５を停止させていた場合にはそのまま停止状態とする。

このように、この変形例によるＰＭ帯電制御部は、ＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量が停止判定堆積量（所定堆積量）未満のときには、ＰＭの帯電量が所定の帯電量となるように凝集装置３５を駆動してＰＭを帯電させ、ＰＭフィルタ３４のＰＭ堆積量が停止判定堆積量以上のときには、凝集装置３５を停止してＰＭへの帯電を停止するように構成されている。またＰＭ帯電制御部は、ＰＭフィルタ３４の再生中は凝集装置３５を停止してＰＭへの帯電を停止するようにさらに構成されている。

したがって、この変形例によるＰＭ帯電制御によれば、ＰＭフィルタ３４の再生処理前後の所定期間（ＰＭフィルタ３４の状態が低捕集状態となっている期間であり、換言すれば、ＰＭ堆積量が停止判定堆積量未満となっている期間）にＰＭへの帯電が行われる。このようにしても、第１実施形態と同様に、再生処理前後のＰＭフィルタ３４が低捕集状態となっているＰＭ堆積量が一定以下のときに、ＰＭの粒子径を大きくしてＰＭケーキ層を早期に形成することができる。また、ＰＭが隔壁３４３の内部に侵入したとしても、ＰＭの大径化に伴ってＰＭが細孔を通過しにくくなるので、ＰＭを細孔に堆積させやすくすることができる。その結果、ＰＭフィルタ３４のＰＭ捕集率を早期に高めて、排気エミッションを向上させることができる。

１ 機関本体
３４ ＰＭフィルタ（フィルタ）
３５ 凝集装置
１００ 内燃機関
２００ 電子制御ユニット（制御装置）

Claims (10)

1. 機関本体と、
   前記機関本体の排気通路に設けられて排気中のＰＭを捕集するフィルタと、
   前記フィルタに流入する排気中のＰＭを帯電させて凝集させる凝集装置と、
   を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置であって、
   前記フィルタに流入する排気中のＰＭの帯電量を制御するＰＭ帯電制御部を備え、
   前記ＰＭ帯電制御部は、
   前記フィルタのＰＭ堆積量が多いときは、少ないときと比べてＰＭの帯電量が小さくなるように、前記凝集装置を制御する、
   内燃機関の制御装置。
2. 前記ＰＭ帯電制御部は、
   前記フィルタのＰＭ堆積量が所定の第１堆積量以下であれば、ＰＭの帯電量が所定の帯電量となるように前記凝集装置の駆動を開始してＰＭを帯電させ、前記凝集装置の駆動中に前記フィルタのＰＭ堆積量が前記第１堆積量よりも大きい所定の第２堆積量以上になったときは、前記凝集装置を停止してＰＭへの帯電を停止するように構成される、
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記フィルタに堆積したＰＭを燃焼除去して前記フィルタを再生させる再生制御部をさらに備え
   前記第１堆積量は、前記フィルタの再生の完了時、又は完了直前直後のＰＭ堆積量に相当する値である、
   請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記第２堆積量は、前記フィルタの表面にＰＭの層が形成されたと判断できるＰＭ堆積量である、
   請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記第２堆積量は、前記フィルタを構成する隔壁の内部の細孔にＰＭが侵入してきたときに、当該ＰＭを前記細孔内で捕集することが可能と判断できるＰＭ堆積量である
   請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記第２堆積量は、前記フィルタの表面にＰＭの層が形成されたと判断でき、かつ前記フィルタを構成する隔壁の内部の細孔にＰＭが侵入してきたときに当該ＰＭを前記細孔内で捕集することが可能と判断できるＰＭ堆積量である、
   請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記ＰＭ帯電制御部は、
   ＰＭを帯電させた場合のＰＭの凝集力が高くなる機関運転状態のときは、ＰＭの凝集力が低くなる機関運転状態のときと比べてＰＭの帯電量が小さくなるように、前記凝集装置を制御するようにさらに構成される、
   請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記ＰＭ帯電制御部は、
   前記フィルタのＰＭ捕集率が高くなる機関運転状態のときは、前記フィルタのＰＭ捕集率が低くなる機関運転状態のときと比べてＰＭの帯電量が小さくなるように、前記凝集装置を制御するようにさらに構成される、
   請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記ＰＭ帯電制御部は、
   前記フィルタのＰＭ堆積量が所定堆積量未満のときには、ＰＭの帯電量が所定の帯電量となるように前記凝集装置を駆動してＰＭを帯電させ、前記フィルタのＰＭ堆積量が前記所定堆積量以上のときには、前記凝集装置を停止してＰＭへの帯電を停止するように構成される、
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
10. 前記フィルタに堆積したＰＭを燃焼除去して前記フィルタを再生させる再生制御部をさらに備え、
    前記ＰＭ帯電制御部は、
    前記フィルタの再生中は、前記凝集装置を停止してＰＭへの帯電を停止するようにさらに構成される、
    請求項９に記載の内燃機関の制御装置。

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