JP4008867B2

JP4008867B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4008867B2
Application number: JP2003285149A
Authority: JP
Inventors: 隆幸足立; 彰川上
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: JP2005054634A

Description

この発明は、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるPM（Particulate Matter:粒子状物質）を除去処理するための排気浄化装置に関する。

近年、ディーゼルエンジンの排気中に含まれるPMの有望な低減手段のひとつとして、連続再生式フィルタ装置（CR-DPF：continuous Regeneratoin-Diesel Particulate Filter）の開発が注目される（特許文献１〜特許文献５、参照）。連続再生式フィルタ装置は、エンジンの排気中に含まれるPMをフィルタに捕集しつつ、その捕集PMを触媒作用により連続的に燃焼除去するものである。このようなフィルタ装置においても、触媒には活性温度領域があり、これを下回るような排気温度での運転状態が長く継続すると、フィルタの連続再生が十分に行われず、PM堆積量が過剰になり、エンジン性能に悪影響を及ぼしかねない。また、触媒の活性温度領域に入るような排気温度での運転状態へ移行すると、フィルタの過剰に堆積するPMが急激に燃焼する可能性があり、フィルタの溶損や亀裂を生じやすくなる。そのため、必要な時期に強制的な堆積PMの燃焼除去（フィルタの強制再生）が行われるのである。
特開２００３−１５５９１５号特開２００３−１５５９１６号特開２００３−１５５９１９号特開２００３−１２９８３５号特開２００３−３８３３号

強制再生の必要な時期（強制再生時期）を判定する方法については、エンジンの運転履歴から推定されるフィルタのPM堆積量から強制再生時期を判定する方法と、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧から強制再生時期を判定する方法と、が試行される。前者の場合、環境条件など外乱要因に影響され、フィルタのPM堆積量を正確に推定するのが難しく、PM堆積量の推定値と実際値とのズレが経時的に大きくなる可能性が考えられる。後者の場合、フィルタ上流の排気圧力（またはフィルタ前後の差圧）にPM堆積量は敏感に反映しづらく、フィルタの目詰まり状態がある程度以上に進行しないと検出しえないのである。そのため、両者の併用が想定されるが、強制再生時期の判定方法によりPM堆積量が大きく異なる可能性もあり、強制再生を一律のパターンに制御する場合、過剰な強制再生による燃費の悪化、堆積PMの異常燃焼によるフィルタおよび触媒の劣化、の誘発も懸念される。

この発明は、このような不具合を未然に回避しつつ、強制再生を効率よく適確に処理しえる手段の提供を目的とする。

第１の発明は、エンジンの排気中に含まれるPMを捕集しつつ触媒作用により燃焼させる排気浄化装置において、フィルタのPM堆積量を推定する手段と、複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段と、強制再生時期との判定を受けるとその判定方法に対応する強制再生モードとしてフィルタのPM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間を設定する手段と、強制再生時期との判定を受けると強制再生モードに基づいてフィルタ温度を強制的に高める昇温制御を行う手段と、フィルタ温度が強制再生温度以上の継続状態が強制再生時間に達するとフィルタの強制的な昇温制御を解除する手段と、を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る排気浄化装置において、複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段は、フィルタのPM堆積量が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段と、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段と、を備えることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明に係る排気浄化装置において、複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段は、フィルタのPM堆積量が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段と、フィルタの強制的な昇温制御の解除から計測される運転時間または運転距離が強制再生用に設定のインターバルに達するとその間にフィルタの強制的な昇温制御の履歴がないときに強制再生時期を判定する手段と、を備えることを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明に係る排気浄化装置において、複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段は、フィルタのPM堆積量が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段と、運転時間または運転距離またはフィルタの強制的な昇温制御の回数がPM堆積量を定期的に初期化する０リセット強制再生用に設定のインターバルに達すると強制再生時期を判定する手段と、を備えることを特徴とする。

第５の発明は、第１の発明に係る排気浄化装置において、複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段は、フィルタのPM堆積量が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段と、フィルタの強制的な昇温制御の解除から計測される運転時間または運転距離が強制再生用に設定のインターバルに達するとその間にフィルタの強制的な昇温制御の履歴がないときに強制再生時期を判定する手段と、運転時間または運転距離またはフィルタの強制的な昇温制御の回数がPM堆積量を定期的に初期化する０リセット強制再生用に設定のインターバルに達すると強制再生時期を判定する手段と、を備えることを特徴とする。

第６の発明は、第２の発明に係る排気浄化装置において、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段は、強制再生時期の判定基準となる所定値として複数の異なるレベル値を設定する手段と、を備えることを特徴とする。

第７の発明は、第２の発明に係る排気浄化装置において、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段は、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧に基づく判定を特定の運転条件に制限する手段と、を備えることを特徴とする。

第８の発明は、第２の発明に係る排気浄化装置において、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段は、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧を排気温度により補正する手段と、を備えることを特徴とする。

第９の発明は、第１の発明に係る排気浄化装置において、フィルタのPM堆積量を推定する手段は、エンジンの運転状態としての空気過剰率に基づいて単位時間あたりのPM排出量を求める手段と、フィルタの温度および空間速度に基づいて単位時間あたりのPM燃焼量を求める手段と、PM排出量からPM燃焼量を引く減算値の順次積算よりフィルタのPM堆積量を求める手段と、を備えることを特徴とする。

第１０の発明は、第１の発明に係る排気浄化装置において、強制再生時期との判定を受けると強制再生モードに基づいてフィルタ温度を強制的に高める昇温制御を行う手段は、フィルタ温度が触媒の反応に必要な所定温度を下回るときは触媒を予熱するべくエンジンの排気温度を積極的に高める昇温制御１を行う手段と、フィルタ温度が触媒の反応に必要な所定温度以上のときは触媒の反応を促進すべく排気中に未燃燃料を添加する昇温制御２を行う手段と、を備えることを特徴とする。

第１１の発明は、第１０の発明に係る排気浄化装置において、強制再生時期との判定を受けると強制再生モードに基づいてフィルタ温度を強制的に高める昇温制御を行う手段は、エンジンの排気温度またはエンジンの負荷が下限値を下回る運転状態のときは通常制御を行いつつ昇温制御１への移行に待機する手段と、を備えることを特徴とする。

第１２の発明は、第１０の発明に係る排気浄化装置において、強制再生時期との判定を受けると強制再生モードに基づいてフィルタ温度を強制的に高める昇温制御を行う手段は、エンジンの排気温度が上限値を超えると昇温制御２を中止する手段と、を備えることを特徴とする。

第１３の発明は、第１の発明〜第５の発明、の何れかに係る排気浄化装置において、フィルタ下流の排気温度を上限値以下に抑えるべく排気中の酸素量を積極的に制御する手段と、を備えることを特徴とする。

第１の発明においては、強制再生時期の判定に複数の方法が併用されるので、複数のチェックが働くため、フィルタのPM堆積量が過剰に至るのを未然に回避しえる確率を高められる。複数の判定方法に対応する強制再生モードが選定され、そのときのPM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間に基づく解除条件が成立するまでの間、フィルタの昇温制御が行われるのである。このため、フィルタの強制再生をそのときのPM堆積量に適合する燃焼形態（燃焼時間や燃焼温度）をもって効率よく適正に処理しえるようになり、過剰な強制再生による燃費の悪化や堆積PMの異常燃焼によるフィルタおよび触媒の劣化を有効に防止できる。

第２の発明においては、強制再生時期の判定にPM堆積量に基づく判定方法とフィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧に基づく判定方法とが併用され、これらのチェックが働くため、フィルタのPM堆積量が過剰に至るのを未然に回避しえる確率を高められる。これらの判定方法に対応する強制再生モードが選定され、そのときのPM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間に基づく解除条件が成立するまでの間、フィルタの昇温制御が行われるのである。このため、フィルタの強制再生をそのときのPM堆積量に適合する燃焼形態（燃焼時間や燃焼温度）をもって効率よく適正に処理しえるようになり、過剰な強制再生による燃費の悪化や堆積PMの異常燃焼によるフィルタおよび触媒の劣化を防止できる。

第３の発明においては、強制再生時期の判定にPM堆積量に基づく判定方法と強制再生用のインターバルに基づく判定方法とが併用され、これらのチェックが働くため、フィルタのPM堆積量が過剰に至るのを未然に回避しえる確率を高められる。これらの判定方法に対応する強制再生モードが選定され、そのときのPM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間に基づく解除条件が成立するまでの間、フィルタの昇温制御が行われるのである。このため、フィルタの強制再生をそのときのPM堆積量に適合する燃焼形態（燃焼時間や燃焼温度）をもって効率よく適正に処理しえるようになり、過剰な強制再生による燃費の悪化や堆積PMの異常燃焼によるフィルタおよび触媒の劣化を防止できる。強制再生用のインターバルに基づく判定方法については、PM堆積量に基づく強制再生の解除から計測される運転時間または運転距離が設定のインターバルに達するとその間にPM堆積量に基づく強制再生の履歴がないときに強制再生時期を判定するものであり、この再生処理によりPM堆積量の実際値と推定値とのズレを補正する効果も期待できる。

第４の発明においては、強制再生時期の判定にPM堆積量に基づく判定方法と０リセット強制再生用のインターバルに基づく判定方法とが併用され、これらのチェックが働くため、フィルタのPM堆積量が過剰に至るのを未然に回避しえる確率を高められる。これら判定方法に対応する強制再生モードが選定され、そのときのPM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間に基づく解除条件が成立するまでの間、フィルタの昇温制御が行われるのである。このため、フィルタの強制再生をそのときのPM堆積量に適合する燃焼形態（燃焼時間や燃焼温度）をもって効率よく適正に処理しえるようになり、過剰な強制再生による燃費の悪化や堆積PMの異常燃焼によるフィルタおよび触媒の劣化を防止できる。０リセット強制再生用のインターバルに基づく判定方法については、運転時間または運転距離またはPM堆積量に基づく強制再生の回数が設定のインターバルに達すると強制再生時期を判定するものであり、この定期的な強制再生によりフィルタのPM堆積量が完全に燃焼処理されるようになり、PM堆積量の推定値を初期化しえる（実際値と推定値とのズレを０に補正できる）効果が得られる。

第５の発明においては、強制再生時期の判定にPM堆積量に基づく判定方法と強制再生用のインターバルに基づく判定方法と０リセット強制再生用のインターバルに基づく判定方法とが併用され、これらのチェックが働くため、フィルタのPM堆積量が過剰に至るのを未然に回避しえる確率を高められる。これら判定方法に対応する強制再生モードが選定され、そのときのPM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間に基づく解除条件が成立するまでの間、フィルタの昇温制御が行われるのである。このため、フィルタの強制再生をそのときのPM堆積量に適合する燃焼形態（燃焼時間や燃焼温度）をもって効率よく適正に処理しえるようになり、過剰な強制再生による燃費の悪化や堆積PMの異常燃焼によるフィルタおよび触媒の劣化を防止できる。強制再生用のインターバルに基づく再生処理および０リセット強制再生用のインターバルに基づく再生処理により、PM堆積量の実際値と推定値とのズレが補正され、PM堆積量の推定精度を高度に維持しえるのである。

第６の発明においては、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧に基づく強制再生時期の判定が複数の異なるレベルで行えるようになり、これら判定に対応する強制再生モードを設定することにより、そのときのPM堆積量に適合する燃焼形態（燃焼時間や燃焼温度）をもって効率よく適正に処理しえるようになり、過剰な強制再生による燃費の悪化や堆積PMの異常燃焼によるフィルタおよび触媒の劣化を防止できる。

第７の発明においては、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧に基づく強制再生時期の判定を特定の運転条件に制限することにより、強制再生時期の判定に用いられる検出値（排気圧力または差圧）も安定するため、強制再生時期の判定が正確に行える。

第８の発明においては、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧をエンジンの排気温度に応じて補正（温度補償）することにより、同一の目詰まり状態においても、排気温度によって変化してしまう排気圧力や差圧のバラツキが抑制されるので、強制再生時期の判定が正確に行える。

第９の発明においては、スモーク濃度に密接な対応関係にある空気過剰率から正確なPM排出量が求められ、フィルタの温度と空間速度とからPMの正確な燃焼速度が求められ、PM排出量からPM燃焼量（PM燃焼速度×単位時間）を引く減算処理により、PM堆積量の高度な推定値が得られる。

第１０の発明においては、強制再生へ移行すると、フィルタ温度が所定温度を下回るときは、昇温制御１により排気温度が高められ、触媒を予熱する。フィルタ温度が所定温度以上のときは、昇温制御２により排気中に未燃燃料が添加され、触媒上で反応するため、その反応熱を排気昇温の熱源に堆積PMの燃焼が促進される。

第１１の発明においては、エンジンの排気温度またはエンジンの負荷が下限値を下回る運転状態のときは、昇温制御１へ移行せず、通常制御のまま待機するのである。このような排気温度の低い運転状態においては、排気昇温が困難であり、昇温に時間が要するため、強制再生時期の判定に拘わらず、通常制御のまま待機することにより、燃焼効率の悪い昇温制御１が回避される。

第１２の発明においては、フィルタ下流の排気温度が上限値を超えると、昇温制御２の中止により、堆積PMの異常燃焼に伴うフィルタの許容範囲を超える昇温が抑えられるため、フィルタ劣化や触媒劣化の防止に寄与できる。

第１３の発明においては、フィルタ下流の排気温度を上限値以下に抑えるべく排気中の酸素濃度を積極的に制御することにより、急激な昇温を招く堆積PMの異常燃焼が抑えられるため、フィルタ劣化や触媒劣化の防止に寄与できる。

図１において、１０はディーゼルエンジンであり、コモンレール式燃料噴射装置（図示せず）を備える。エンジン１０の吸気通路１１にターボ過給機１２のコンプレッサ１２ａ，インタクーラ１３，吸気絞り弁１４が介装される。エンジン１０の排気通路１５にターボ過給機１２のタービン１２ｂ，排気絞り弁１６，連続再生式フィルタ装置（CR-DPF）１７、が介装される。コモンレール式燃料噴射装置は、コモンレールに燃料を蓄圧する高圧ポンプと、コモンレールに各気筒の噴射ノズルを接続する燃料供給管と、を備える。燃料噴射装置および後述の予熱手段を制御するのがコントロールユニット２０であり、通常の制御マップのほか、強制再生用の昇温制御マップが格納される。２１はEGR（排気還流）装置のEGRバルブ、２２はターボ過給機１２のタービン１２ｂを迂回するターボバイパスの開閉バルブである。

CR-DPF１７は、DPF（Diesel Particulate Filter）２５と酸化触媒２６（DOC：Diesel Oxidation Catalyst ）とから構成される。DPF２５は、ハニカム構造体に形成され、その格子状に区画される流路（セル）の入口と出口が交互に目封じされる。つまり、入口の目封じされる流路と出口の目封じされる流路とが交互に隣接され、これらを区画する多孔質の隔壁が排気の通過を許容するようになっている。この例においては、隔壁に捕集されるPMの燃焼可能な着火温度を低めに設定するため、触媒（アルミナなど）付きフィルタ（CSF：Catalyzed Soot Filter）が採用される。DOC２６は、触媒を担持するハニカム構造体に形成され、ハニカム構造体の格子状に区画される流路を通過する排気に含まれる主にHC（炭化水素）を酸化処理するものであり、その反応熱により触媒温度が上昇して堆積PMの燃焼を促進するのである。

コントロールユニット２０の制御に必要な検出手段として、エンジン回転数Neを検出する回転センサ（クランク角センサを兼ねる）およびエンジン負荷q（例えば、燃料噴射量）を検出する負荷センサのほか、CR-DPF１７の入口圧力と出口圧力との差圧を検出する差圧センサ３０、DPF２５の入口温度を検出する温度センサ３１ａとDPF２５の出口温度を検出する温度センサ３１ｂ、吸気流量を検出するエアフローセンサ３２、等が設けられる。

図１５は、PM堆積量と排気温度との関係を表す例示するものであり、PM排出量＝PM燃焼量となる基準温度を上回る排気温度の運転状態のときは、PM燃料量＞PM排出量となり、PM堆積量（またはDPF前後の差圧が減少する一方、基準温度を下回る排気温度の運転状態のときは、PM燃焼量＜PM排出量となり、PM堆積量が増加する。そのため、基準温度を下回る排気温度の運転状態が継続することにより、PM堆積量が所定値を超えると、エンジン性能の低下を回避するため、強制再生が必要となるのである。DPF前後の差圧または排気圧力と排気温度との関係ついても、PM堆積量と排気温度との関係と同様である。

コントロールユニット２０は、エンジン回転数Neとエンジン負荷ｑとから通常の制御マップに基づいて噴射ノズルへの燃料噴射信号（噴射量の指令および噴射時期の指令）を決定する。DPF２５の強制再生が必要な時期を判定すると、通常の制御マップから強制再生用の昇温マップに切り替わり、CR-DPF１７の雰囲気温度が所定値（例えば、230℃）を下回るときは、触媒の予熱手段を駆動するほか、必要があれば昇温マップ１に基づいて燃料のメイン噴射に続いて燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行うような燃料噴射信号を決定する一方、CR-DPFの雰囲気温度が所定値以上のときは、昇温マップ２に基づいてメイン噴射から大幅に遅れるタイミングでポスト噴射を行うような燃料噴射信号を決定するのである。

触媒の予熱手段については、EGRバルブ２１，吸気絞り弁１４または排気絞り弁１６，ターボバイパスの開閉バルブ２２、がエンジン１０の排気温度を積極的に高める制御に利用される。ターボ過給機１２が可変ノズル式の場合、ターボバイパスの開閉バルブ２２に代えて可変ノズルを触媒の予熱手段として制御することも考えられる。

DPF２５の強制再生が必要な時期の判定については、DPF２５のPM堆積量（推定値）が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段（図２のS2）と、CR-DPF１７前後の差圧（またはCR-DPF１７の入口圧力）が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段（図２のS4）と、PM堆積量に基づく強制再生の完了から計測される運転時間（または運転距離）が強制再生用に設定のインターバルに達するとその間に強制再生の履歴がないときに強制再生時期を判定する手段（図２のS6）と、運転時間（または運転距離または強制再生の回数）がPM堆積量を定期的に初期化する０リセット強制再生用のインターバルに達すると強制再生を判定する手段（図２のS8）と、が設定される。

図１２において、Tは強制再生用のインターバル、T0intは０リセット再生用のインターバルであり、☆はT0int毎の０リセット強制再生、○はPM堆積量に基づく強制再生、◇は強制再生用のインターバルTに基づく強制再生、の実行を例示する。T1＜T，T3＜T，T2＝T，T4＝T，T5＜Tである。

DPF２５の強制再生時期は、このような複数の異なる方法に基づいて判定され、これら何れかの判定を受けると、そのときの判定方法に対応する強制再生モードとしてPM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間を設定する手段（図２のS9）が設定される。CR-DPF１７前後の差圧から強制再生時期を判定する手段においては、強制再生時期の判定基準となる所定値としてレベル１とこれより高いレベル２が設定され、これらレベル１，レベル２に基づく強制再生時期の判定毎に異なる強制再生モードとしてPM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生温度が設定されるのである。

強制再生モードは、PM堆積量の超過に基づく強制再生時期の判定，差圧レベル１の超過に基づく強制再生時期の判定，差圧レベル２の超過に基づく強制再生時期の判定，強制再生用のインターバルに基づく強制再生時期の判定，０リセット強制再生用のインターバルに基づく強制再生時期の判定、から選定される（図１１、参照）。これらモードに対応する強制再生温度Treg1〜Treg5は、マップ２に基づく昇温制御の目標温度であり、PM堆積量に応じて設定される（図１３、参照）。強制再生時間T1〜T5については、PM堆積および強制再生温度Treg1〜Treg5に応じて設定される（図１４、参照）。そして、DPFの出口温度が強制再生温度Treg1〜Treg5以上の継続状態が強制再生時間T1〜T5に達すると、昇温マップ２に基づく燃料噴射制御を解除する手段（図３のS11およびS12、参照）が設定される。

PM堆積量の算出（図２のS1）については、吸気流量（エアフローセンサ３２の検出信号）と燃料流量（エンジン負荷ｑの検出信号）とから空気過剰率を求め、空気過剰率からスモーク濃度を求め、スモーク濃度と吸気流量とから単位時間あたりのPM排出量を求める。その一方、DPFのPM燃焼特性マップに基づいて、触媒の酸化作用により堆積PMの燃焼が開始される排気条件において、単位時間あたりのPM燃焼量を求める。具体的には、触媒による酸化反応の効率に影響を与える空間速度を求め、DPF２５の触媒温度（DPF２５の出口温度または入口温度と出口温度との平均値）と空間速度とからPM燃焼速度を求め、単位時間あたりのPM燃焼量に変換する。そして、PM排出量からPM燃焼量を引く減算値を順次に積算することにより、DPFのPM堆積量を求めるのである。減算値は、負になる可能性があるので、負の減算値＝０に修正する処理が設定される。

図２，図３は、コントロールユニット２０の制御内容を説明するフローチャートであり、S1においては、DPF２５のPM堆積量を算出する。S2においては、PM堆積量の算出値（推定量）が所定値（しきい値）以上かどうかを判定する。S3においては、CR-DPF１７前後の差圧を読み込む。S4においては、差圧がレベル１またはレベル２を超過かどうかを判定する。S5においては、運転時間（または運転距離）のカウント値を読み込む。S6においては、運転時間（または運転距離）のカウント値が強制再生用のインターバルに達したかどうか、かつその間に強制再生の履歴がないかどうか、を判定する。S7においては、運転時間（または運転距離または強制再生回数）のカウント値を読み込む。S8においては、運転時間（または運転距離または強制再生回数）のカウント値が０リセット強制再生用のインターバルに達したかどうかを判定する。

S2の判定がnoかつS4の判定がnoかつS6の判定がnoかつS8の判定がnoのときは、S1へ戻る。S2の判定がyesまたはS4の判定がyesまたはS6の判定がyesまたはS8の判定がyesのときは、S9へ進む。S9においては、強制再生時期の判定（yes）がS2の判定〜S8の判定の何れかに拠るのかに応じて強制再生モードを選定する。S2の判定に拠る場合、PM堆積量の超過に対応する強制再生モードにより、強制再生温度Treg１および強制再生時間T1をPM堆積量に応じて設定する。S4の判定に拠る場合、差圧レベル１の超過に対応する強制再生モードまたは差圧レベル２の超過に対応する強制再生モードにより、強制再生温度Treg2またはTreg3および強制再生時間T2またはT3をPM堆積量に応じて設定する。S6の判定に拠る場合、強制再生用のインターバルに対応する強制再生モードにより、強制再生温度Treg4および強制再生時間T4をPM堆積量に応じて設定する。S8の判定に拠る場合、０リセット強制再生用のインターバルに対応する強制再生モードにより、強制再生温度Treg5および強制再生時間T5をPM堆積量に応じて設定する。

S10においては、選定の強制再生モードに基づいて強制再生を実行する。触媒の酸化反応に十分な排気温度の運転状態のときは、DPF２５の出口温度を監視しながら、昇温マップ２に基づいてメイン噴射から大幅に遅れるタイミングでポスト噴射を行うように燃料噴射装置を制御する（昇温制御２）。触媒の酸化反応に必要な排気温度を下回る運転状態のときは、CR-DPF１７の雰囲気温度を監視しながら、触媒の予熱手段を制御するほか、必要があれば昇温マップ１に基づいてメイン噴射に続いて燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行うように燃料噴射装置を制御する（昇温制御１）。アフタ噴射においては、燃料の発熱量のうちの動力に使用されない熱量が増えて排気温度が上昇するため、DPF２５の触媒も堆積PMの酸化処理に必要な温度へ高められるのである。触媒温度が酸化処理に必要な温度に至ると昇温マップ１から昇温マップ２へ切り替わり、ポスト噴射により、排気中に添加される未燃燃料が触媒上で酸化反応され、その反応熱により触媒温度を上昇させるため、堆積PMの燃焼処理が促進される（図１０、参照）。

S11においては、DPFの出口温度が強制再生温度（しきい値）に達するかどうか、を判定する。S11の判定がyesになると、S12へ進む一方、S11の判定がnoのときは、yesになるまで判定を繰り返す。S12においては、DPFの出口温度が強制再生温度以上の継続時間が強制再生時間（しきい値）に達したかどうかを判定する。S12の判定がyesになると、S13へ進む一方、S12の判定がnoのときは、yesになるまで判定を繰り返す。S13においては、強制再生モードをリセットする。S14においては、強制再生の昇温制御を解除すると共に通常の燃料噴射へ復帰するのである。

図４は、S1（図２、参照）の処理を説明するフローチャートであり、S1.1においては、吸気流量と燃料流量とから空気過剰率を算出する。S1.2においては、空気過剰率からマップに基づいてスモーク濃度を求める。S1.3においては、スモーク濃度と吸気流量とからPM排出量を算出する。スモーク濃度−空気過剰率との関係は、エンジン回転数Neも影響するため、空気過剰率とエンジン回転数Neとから、３次元マップに基づいて、スモーク濃度を求めると良い。

S1.4においては、吸気流量と排気の密度とから排気流量＝吸気流量／排気の密度を算出する。排気の密度は、空気の密度と同等であるとの仮定に基づいて、排気温度（DPF２５の入口温度と出口温度との平均値）とCR-DPF１７前後の差圧とから求める。S1.5においては、排気流量とDPF２５のフィルタ容量とから空間速度＝排気流量／フィルタ容量を算出する。S1.6においては、空間速度とDPF２５の雰囲気温度（DPF２５の出口温度または入口温度または出口温度と入口温度との平均値）とからマップに基づいてPM燃焼速度を求め、単位時間あたりのPM燃焼量に変換する。

S1.7においては、PM排出量からPM燃焼量を引く減算値を順次に積算することにより、DPF２５のPM堆積量を算出する。減算値＝PM排出量−PM燃焼量が負となる可能性があり、このようなの場合、減算値＝０に修正するのである。

図５は、S3（図２、参照）の処理を説明するフローチャートであり、S3.1においては、差圧センサ３０の検出信号および温度センサ３１ａ，３１ｂの検出信号を読み込む。S3.2においては、DPF２５の入口温度および出口温度に基づいて、強制再生時期の判定基準値と対比される、CR-DPF１７前後の差圧を補正する。

CR-DPF１７前後の差圧は、DPF２５のPM堆積量が同一の場合においても、運転条件に応じて大きく変化するので、差圧の検出を特定の運転条件に制限することが考えられる。図６は、その具体的な処理を説明するフローチャートであり、S3.01においては、エンジンの運転状態が差圧検出の許可条件を満たすかどうかを判定する。S3.01の判定がyesのときは、S3.02およびS3.03へ進み、図５のS3.1およびS3.2と同様の処理を行う一方、S3.01の判定がnoのときは、差圧検出の許可条件が成立するかどうかの判定を繰り返すのである。これにより、強制再生時期の判定に用いられる検出値（排気圧力または差圧）も安定するため、強制再生時期の判定が正確に行えるようになる。

図７は、S5（図２、参照）の処理を説明するフローチャートであり、S5.1においては、強制再生の完了かどうかを判定する。S5.1の判定がyesのときは、S5.2において、運転時間（または運転距離）のカウントを０から開始する。S5.3においては、運転時間（または運転距離）のカウント（計測）を処理する。S5.4においては、強制再生の開始かどうかを判定する。S5.4の判定がyesのときは、S5.5において、運転時間（または運転距離）のカウント値を０にリセットする。S5.1の判定がnoのときは、強制再生の完了かどうかの判定を繰り返す。S5.4の判定がnoのときは、S5.3へ戻り、運転時間（または運転距離）のカウント処理を継続する。

図８は、S7（図２、参照）の処理を説明するフローチャートであり、S7.1においては、０リセット強制再生の完了かどうかを判定する。S7.1の判定がyesのときは、S7.2において、運転時間（または運転距離または強制再生回数）のカウントを０から開始する。S7.3においては、運転時間（または運転距離または強制再生回数）のカウント（計測）を処理する。S7.4においては、０リセット強制再生の開始かどうかを判定する。S7.4の判定がyesのときは、S7.5において、運転時間（または運転距離または強制再生回数）のカウント値を０にリセットする。S7.1の判定がnoのときは、０リセット強制再生の完了かどうかの判定を繰り返す。S7.4の判定がnoのときは、S7.3へ戻り、運転時間（または運転距離または強制再生回数）のカウント処理を継続する。

図９は、S10（図２、参照）の処理を説明するフローチャートであり、S10.1においては、昇温制御１が有効な下限値を下回る排気温度の運転状態かどうか判定する。S10.1の判定がyesのときは、S10.2へ進む一方、S10．１の判定がnoのときは、S10.5において、通常の制御マップに基づく燃料噴射を継続しつつ、昇温制御１への移行に待機する。

S10.2においては、触媒の酸化反応に十分な排気温度の運転状態かどうかを判定する。S10.2の判定がyesのときは、S10.3において、通常の制御マップを昇温マップ２へ切り替えることにより、メイン噴射から大幅に遅れるタイミングでポスト噴射を行うように燃料噴射装置を制御する（昇温制御２）。その一方、S10.2の判定がnoのときは、S10.4において、触媒の予熱手段を制御するほか、必要があればメイン噴射に続いて燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行うように燃料噴射装置を制御する（昇温制御１）。

昇温制御２（S10.3）においては、堆積PMの異常燃焼によりDPF２５の雰囲気温度が急激に上昇する可能性が全くないわけでないため、DPFの出口温度が許容範囲の上限値に達すると、燃料のポスト噴射を中止するように設定すると良い。

DPF２５の強制再生時期の判定については、PM堆積量の推定に基づく判定方法と、差圧レベルに基づく判定方法と、強制再生用のインターバルに基づく判定方法と、０リセット強制再生用のインターバルに基づく判定方法と、が併用されるのであり、これらのチェックが働くため、PM堆積量が過剰に至るのを未然に回避しえる確率が高められる。これら判定方法に対応する強制再生モードが選定され、PM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間に基づく解除条件が成立するまでの間、CR-DPF１７の昇温制御が行われるのである。このため、強制再生時期の判定方法によりPM堆積量の判定レベルが異なっても、強制再生をそのときのPM堆積量に適合する燃焼形態（燃焼時間や燃焼温度）をもって効率よく適正に処理しえるようになり、過剰な強制再生による燃費の悪化や堆積PMの異常燃焼によるフィルタおよび触媒の劣化を防止できる。

具体的には、想定されるPM堆積量が大きくなる程、昇温制御２の目標温度（強制再生温度）が低く設定される（図１３、参照）ので、堆積PMの異常燃焼が防止され、強制再生を効率よく適正に制御できるのである。また、強制再生用のインターバルに基づく再生処理および０リセット強制再生用のインターバルに基づく再生処理により、PM堆積量の実際値と推定値とのズレが補正されるので、PM堆積量の推定精度も高度に維持しえるのである。

堆積PMの異常燃焼を回避する手段として、DPF２５の出口温度または入口温度またはこれらの平均値に応じて排気中の酸素濃度を制御することにより、DPF２５の雰囲気温度を許容範囲の上限値以下に抑えることも考えられる。その場合、コントロールユニット２０において、EGR弁２１，吸気絞り弁１４または排気絞り弁１５，ターボバイパスの開閉バルブ２２または可変ノズル式ターボ過給機の可変ノズル、などを対象に排気中の酸素濃度をDPF２５の昇温に応じて減少させるような制御機能が設定されることになる。

昇温制御２の対象は、燃料のポスト噴射に限定されるものでなく、CR-DPF１７上流の排気通路１５への燃料を添加する装置を設定することもできる。昇温制御１の対象は、既述の予熱手段のほか、エンジンの負荷を強制的に高める装置（リターダブレーキなど）の利用も考えられる。

システムの構成を説明する概要図である。コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。コントロールユニットの制御内容に係る強制再生モード設定例である。コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。

符号の説明

１０ディーゼルエンジン
１１吸気通路
１２ターボ過給機
１４吸気絞り弁
１５排気通路
１６排気絞り弁
１７ CR-DPF（連続再生式フィルタ装置）
２０コントロールユニット
２１ EGRバルブ
２２ターボバイパスの開閉バルブ
２５ DPF（CSF）
２６ DOC（酸化触媒）
３０差圧センサ
３１ａ，３１ｂ温度センサ
３２エアフローセンサ

Claims

エンジンの排気中に含まれるPMを捕集しつつ触媒作用により燃焼させる排気浄化装置において、フィルタのPM堆積量を推定する手段と、複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段と、強制再生時期との判定を受けるとその判定方法に対応する強制再生モードとしてフィルタのPM堆積量に応じた強制再生温度および強制再生時間を設定する手段と、強制再生時期との判定を受けると強制再生モードに基づいてフィルタ温度を強制的に高める昇温制御を行う手段と、フィルタ温度が強制再生温度以上の継続状態が強制再生時間に達するとフィルタの強制的な昇温制御を解除する手段と、を備えることを特徴とする排気浄化装置。
複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段は、フィルタのPM堆積量が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段と、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段は、フィルタのPM堆積量が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段と、フィルタの強制的な昇温制御の解除から計測される運転時間または運転距離が強制再生用に設定のインターバルに達するとその間にフィルタの強制的な昇温制御の履歴がないときに強制再生時期を判定する手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段は、フィルタのPM堆積量が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段と、運転時間または運転距離またはフィルタの強制的な昇温制御の回数がPM堆積量を定期的に初期化する０リセット強制再生用に設定のインターバルに達すると強制再生時期を判定する手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段は、フィルタのPM堆積量が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段と、フィルタの強制的な昇温制御の解除から計測される運転時間または運転距離が強制再生用に設定のインターバルに達するとその間にフィルタの強制的な昇温制御の履歴がないときに強制再生時期を判定する手段と、運転時間または運転距離またはフィルタの強制的な昇温制御の回数がPM堆積量を定期的に初期化する０リセット強制再生用に設定のインターバルに達すると強制再生時期を判定する手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段は、強制再生時期の判定基準となる所定値として複数の異なるレベル値を設定する手段と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段は、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧に基づく判定を特定の運転条件に制限する手段と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧が所定値以上のときに強制再生時期を判定する手段は、フィルタ上流の排気圧力またはフィルタ前後の差圧を排気温度により補正する手段と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
フィルタのPM堆積量を推定する手段は、エンジンの運転状態としての空気過剰率に基づいて単位時間あたりのPM排出量を求める手段と、フィルタの温度および空間速度に基づいて単位時間あたりのPM燃焼量を求める手段と、PM排出量からPM燃焼量を引く減算値の順次積算よりフィルタのPM堆積量を求める手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
強制再生時期との判定を受けると強制再生モードに基づいてフィルタ温度を強制的に高める昇温制御を行う手段は、フィルタ温度が触媒の反応に必要な所定温度を下回るときは触媒を予熱するべくエンジンの排気温度を積極的に高める昇温制御１を行う手段と、フィルタ温度が触媒の反応に必要な所定温度以上のときは触媒の反応を促進すべく排気中に未燃燃料を添加する昇温制御２を行う手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
強制再生時期との判定を受けると強制再生モードに基づいてフィルタ温度を強制的に高める昇温制御を行う手段は、エンジンの排気温度またはエンジンの負荷が下限値を下回る運転状態のときは通常制御を行いつつ昇温制御１への移行に待機する手段と、を備えることを特徴とする請求項１０に記載の排気浄化装置。
強制再生時期との判定を受けると強制再生モードに基づいてフィルタ温度を強制的に高める昇温制御を行う手段は、エンジンの排気温度が上限値を超えると昇温制御２を中止する手段と、を備えることを特徴とする請求項１０に記載の排気浄化装置。
フィルタ下流の排気温度を上限値以下に抑えるべく排気中の酸素量を積極的に制御する手段と、を備えることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の排気浄化装置。