JP4232822B2 - フィルタ上下流の差圧算出装置及び同フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気中の粒子状物質を捕集するフィルタを備える排気浄化装置に適用されて、このフィルタの上流と下流との差圧を算出する差圧算出装置及びこのフィルタにおける粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定装置に関する。

従来、自動車用ディーゼルエンジン等の内燃機関には、その排気通路に配置されてＰＭ（粒子状物質）を捕集するフィルタを有する排気浄化装置を備えたものがある。このフィルタにおけるＰＭの堆積量が増加すると、これに伴って排気通路の圧力が上昇するため、燃費の悪化などを招くといった問題が生じる。そこで、このような排気浄化装置では、例えば、フィルタにおけるＰＭの堆積量が過多となっていると推定されるときにポスト噴射などの追加的な燃料噴射を行って、フィルタに捕集されたＰＭを燃焼させて除去する、いわゆるフィルタの再生を行うようにしている。

フィルタにおけるＰＭの堆積量の推定においては、例えば特許文献１に記載されるように、フィルタの上流と下流との差圧に基づいてＰＭの堆積量を検知する粒子捕集状態検知装置が用いられている。

特許文献１の検知装置は、フィルタの上流に通じる通気部を備え、内燃機関の運転中にこの通気部を通じてフィルタの上流の圧力を検出する。そして、フィルタの下流側は大気に通じているために、このフィルタの下流の圧力は、排気通路に排気が流れていないときは大気圧によって代用することができることから、この検知装置は、フィルタの下流の圧力として大気圧を用いるようにしている。具体的に、この検知装置は、通気部がフィルタを介してフィルタの下流にも連通していることを利用して、予め排気が流れていない内燃機関の始動時にこの通気部を通じて大気圧を検出するようにしている。そして、この検知装置は、このようにして検出された内燃機関の運転中におけるフィルタの上流の圧力と内燃機関の始動時における下流の圧力（大気圧）とからフィルタの差圧を算出することにより、フィルタに捕集されたＰＭの堆積量を推定するようにしている。
特開平９−２５６８３７号公報

ところで、内燃機関の運転中において、フィルタの下流の圧力は、このフィルタの下流側の排気通路の構成や内燃機関の運転状態などの影響を受ける。特に、最近では、フィルタの下流側の排気通路に、この排気通路の流路断面積を可変とする排気絞り弁を設けてフィルタの再生の効率化や寒冷地におけるエンジンの暖気などを図るようにしたものが採用されており、このように従来よりも複雑化した排気通路の構成は、フィルタの下流の圧力にさらに影響を及ぼすものとなっている。

しかしながら、特許文献１に記載の粒子捕集状態検知装置では、フィルタの下流の圧力として単に内燃機関の始動時の圧力を用いており、上述した排気通路の構成や内燃機関の運転状態については何ら考慮されていないため、この始動時の圧力と運転中の実際のフィルタの下流の圧力とが乖離するおそれがある。このため、フィルタの上流と下流との差圧を正確に算出することができず、この差圧に基づいて推定されるＰＭの堆積量についても、信頼度が低下するおそれがある。

なお、推定されるＰＭの堆積量の信頼度が低下すると、
・フィルタにおけるＰＭの堆積量が所定量となったときにフィルタの再生制御を開始する排気浄化装置では、フィルタにおけるＰＭの堆積量が所定量を超えていないのにフィルタの再生制御が開始されたり、ＰＭの堆積量が所定量を超えているのにフィルタの再生制御が開始されなかったりする。
・フィルタの再生制御中にこの差圧に基づいてＰＭの堆積量を推定し、これによりフィルタがどの程度再生されたかを判定してフィルタの再生制御の終了時期を決定する排気浄化装置では、フィルタが完全に再生されていないのにフィルタの再生制御を終了したり、フィルタが完全に再生されているのにフィルタの再生制御を継続したりする。
等々のフィルタの再生制御に関連する不都合をも招来するおそれがある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気中の粒子状物質を捕集するフィルタの上流と下流との差圧を正確に算出することのできる差圧算出装置と、このフィルタにおける粒子状物質の堆積量を正確に推定することのできる堆積量推定装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に配置されて前記内燃機関から排出される粒子状物質を捕集するフィルタを備える排気浄化装置のフィルタ上下流の差圧算出装置であって、前記フィルタの上流の圧力を検出する圧力検出手段と、前記フィルタの下流側の排気通路における全圧力損失を導出し、同全圧力損失を大気圧に加算することにより前記フィルタの下流の圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力検出手段により検出された前記フィルタの上流の圧力と前記圧力推定手段により推定された前記フィルタの下流の圧力とから前記フィルタの上流と下流との差圧を算出する算出手段とを備えていることを要旨としている。

上記構成の排気浄化装置においては、フィルタがこのフィルタの下流側に接続する排気通路を介して大気に通じている。したがって、内燃機関の運転中におけるフィルタの下流の圧力は、フィルタの下流側の排気通路を排気が流れることに生じる全圧力損失分だけ大気圧よりも大きい値となる。この点、同構成によれば、圧力推定手段が、この全圧力損失を導出してフィルタの下流の圧力を推定するようにしたために、このようにして推定されるフィルタの下流の圧力は、実際のフィルタの下流の圧力に即したものとなる。すなわち、上記構成によれば、圧力推定手段によって推定されるフィルタの下流の圧力の信頼度が向上するため、これに基づいて算出されるフィルタの上流側と下流側との差圧についても、その信頼度が向上する。

なお、例えば、前記圧力検出手段によって検出されるフィルタの上流の圧力が、大気圧を基準とした圧力であるゲージ圧として検出される場合、前記圧力推定手段も、フィルタの下流の圧力をゲージ圧として推定すればよい。すなわち、この場合、圧力推定手段は、フィルタの下流の圧力として、この全圧力損失の値を直接用いることができる。

請求項２に記載の発明は、内燃機関の排気通路に配置されて前記内燃機関から排出される粒子状物質を捕集するフィルタと、前記排気通路における前記フィルタの下流側に配置されて前記排気通路の流路断面積を可変とする排気絞り弁とを備える排気浄化装置のフィルタ上下流の差圧算出装置であって、前記フィルタの上流の圧力を検出する圧力検出手段と、前記フィルタの下流側の排気通路における前記排気絞り弁の上流から下流までの所定区間の圧力損失である第１圧力損失と前記フィルタの下流側の排気通路における前記所定区間以外の圧力損失である第２圧力損失とを個別に導出することにより前記フィルタの下流側の排気通路における全圧力損失を導出し、同全圧力損失を大気圧に加算することにより前記フィルタの下流の圧力を推定する圧力推定手段と、前記圧力検出手段により検出された前記フィルタの上流の圧力と前記圧力推定手段により推定された前記フィルタの下流の圧力とから前記フィルタの上流と下流との差圧を算出する算出手段とを備えていることを要旨としている。

上述したように、内燃機関の運転中におけるフィルタの下流の圧力は、フィルタの下流側の排気通路を排気が流れることに生じる全圧力損失分だけ大気圧よりも大きい値となる。

ここで、このフィルタの下流側の排気通路には排気絞り弁が設けられているが、この排気絞り弁の上流から下流までの所定区間における圧力損失は、この弁の特性や作動状態の影響を受ける。この点、同構成では、圧力推定手段が、この所定区間の圧力損失である第１圧力損失と、所定区間以外の圧力損失である第２圧力損失とを個別に導出するようにしたために、フィルタの下流側の排気通路における全圧力損失をより正確に導出することができる。これにより、圧力推定手段によって推定されるフィルタの下流の圧力は、実際のフィルタの下流の圧力に即したものとなる。すなわち、上記構成によれば、圧力推定手段によって推定されるフィルタの下流の圧力の信頼度が向上するため、これに基づいて算出されるフィルタの上流側と下流側との差圧についても、その信頼度が向上する。

なお、例えば、前記圧力検出手段によって検出されるフィルタの上流の圧力が、大気圧を基準とした圧力であるゲージ圧として検出される場合、前記圧力推定手段は、フィルタの下流の圧力としてこの圧力損失の値を直接用いることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記排気浄化装置は、前記所定区間における前記排気絞り弁の上流と下流とを接続して前記排気絞り弁をバイパスするウエイストゲートと、該ウエイストゲートに設けられて前記排気絞り弁の上流と下流との差圧が所定の圧力値以下となるように調整するウエイストゲート弁とを備え、前記圧力推定手段は、前記所定の圧力値を前記第１圧力損失の上限値として前記フィルタの下流の圧力を推定することを要旨としている。

上記構成の排気浄化装置においては、排気絞り弁の上流側と下流側との差圧は、ウエイストゲート弁により前記所定の圧力値以下となるように調整される。したがって、前記第１圧力損失は、例えば、内燃機関の運転状態などの影響を受けて変化するものの、最大でも前記所定の圧力値となる。この点、排気絞り弁及びウエイストゲート弁を備える上記排気浄化装置に差圧算出装置を適用する場合は、上記構成を採用することにより、このウエイストゲート弁による圧力調整作用を考慮した上で前記第１圧力損失を導出することができるため、フィルタの上流側と下流側との差圧をより正確に算出することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記圧力推定手段は、前記内燃機関の吸入空気量が多いほど前記フィルタの下流の圧力が高いように推定することを要旨としている。

内燃機関においては、吸入空気量が多いほど、その排気通路を流れる排気の量も多くなるため、フィルタの下流側の排気通路における全圧力損失が大きくなる。また、上述したように、フィルタの下流の圧力は、大気圧よりもフィルタの下流側の排気通路の全圧力損失分だけ大きい値となるため、吸入空気量が多いほど高い値となる。したがって、上記構成を採用することにより、圧力推定手段が、このような吸入空気量とフィルタの下流の圧力との関係を考慮した上で、フィルタの下流の圧力をより正確に推定することができるため、これに基づいて算出される差圧についても、その信頼度が向上する。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記圧力推定手段は、前記内燃機関の排気温度が高いほど前記フィルタの下流の圧力が高いように推定することを要旨としている。

内燃機関においては、排気温度が高いほど内燃機関の排気通路を流れる排気の比体積が大きくなるため、フィルタの下流側の排気通路における全圧力損失が大きくなる。また、上述したように、フィルタの下流の圧力は、大気圧よりもフィルタの下流側の排気通路の全圧力損失分だけ大きい値となるため、排気温度が高いほど高い値となる。したがって、上記構成を採用することにより、圧力推定手段が、このような排気温度とフィルタの下流の圧力との関係を考慮した上で、フィルタの下流の圧力をより正確に推定することができるため、これに基づいて算出される差圧についても、その信頼度が向上する。

請求項６に記載の発明は、粒子状物質の堆積量推定であって、装置請求項１〜５の何れかに記載のフィルタ上下流の差圧算出装置と、該差圧算出装置により算出された前記フィルタの差圧に基づいて粒子状物質の堆積量を推定する推定手段とを備えていることを要旨としている。

同構成によれば、請求項１〜５の何れかに記載のフィルタ上下流側の差圧算出手段によって算出される信頼度の高い差圧に基づいてＰＭの堆積量を推定することができるため、推定手段によって推定されるＰＭの堆積量についても、その信頼度が向上する。

また、例えば、このようにして推定されたフィルタにおけるＰＭの堆積量に基づいて、フィルタの再生制御の開始時期や終了時期を決定する排気浄化装置においては、これらの時期を適切に決定することができる。すなわち、フィルタの再生制御を適切に行うことができる。

以下、図１〜５を参照して、車載内燃機関の粒子状物質捕集用のフィルタを備えた排気浄化装置に、本発明に係るフィルタ上下流の差圧算出装置及び同フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定装置を適用した実施形態について説明する。

図１は、本発明に係る排気浄化装置を搭載した車載内燃機関の模式図である。内燃機関１０は、各気筒１１に形成される燃焼室１２と、燃焼室１２に吸入空気を送り込む吸気通路１３と、燃焼室１２での燃焼により生じた排気が排出される排気通路１４とを備えている。

吸気通路１３には、その通路面積を可変とする吸気絞り弁１５が設けられ、吸気絞り弁１５はアクチュエータ１７によって駆動される。そして、吸気絞り弁１５の開度が制御されることにより燃焼室１２に吸入される空気量が調整される。吸気通路１３に吸入された空気は、燃焼室１２に設けられた燃料噴射弁１６より噴射された燃料と混合して混合気となり、燃焼室１２で燃焼する。また、吸気通路１３には、燃焼室１２に吸入される空気量を検出するためのエアフローメータ３１が設けられている。

排気通路１４には、排気中に含まれる有害なＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）を酸化して浄化するＣＣＯ（酸化触媒コンバータ）２３とＰＭ（粒子状物質）を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）２４とが順に配置され、燃焼室１２での燃焼により生じた排気が送り込まれる。ＤＰＦ２４は、多孔質材料によって形成されており、これにより排気中のＰＭを捕集するようにしている。なお、本実施形態では、ＤＰＦ２４にも排気中のＨＣやＣＯを酸化する酸化触媒が担持されている。さらに、排気通路１４におけるＣＣＯ２３の上流側には、ＣＣＯ２３とは別の酸化触媒コンバータ（図示略）が設けられている。そして、これらの酸化触媒によって触発される反応により、ＤＰＦ２４に捕集されたＰＭを酸化（燃焼）させて除去する、いわゆるＤＰＦ２４の再生が行われる。

また、排気通路１４におけるＣＣＯ２３とＤＰＦ２４との間には、温度センサ３２と圧力センサ３３とが順に設けられている。温度センサ３２は排気通路１４を流れる排気の温度を検出するものであり、圧力センサ３３は、ＤＰＦ２４の上流の圧力を検出するためのものである。また、この圧力センサ３３は、検出値としてゲージ圧、すなわち大気圧を「０」としたときの圧力を検出するように構成されている。

排気通路１４は、ＤＰＦ２４の下流側の排気通路３４において第１から第３までの３つの区間３４ａ〜３４ｃに区分されている。なお、これらの各区間３４ａ〜３４ｃは、連続して形成されているが、本実施形態の特徴を説明するために便宜上このように定義する。

ＤＰＦ２４の下流端に第１区間３４ａを介して接続する第２区間３４ｂには、排気絞り弁１８が設けられている。すなわち、本実施形態では、この第２区間が、排気絞り弁１８の上流から下流までの所定区間を構成する。この排気絞り弁１８は、アクチュエータ１９によって全開状態と全閉状態との２つの状態の間で切換えられる切換弁である。

さらに、第２区間３４ｂには、排気絞り弁１８の上流と下流とに接続し、この排気絞り弁１８をバイパスするウエイストゲート２０が設けられている。このウエイストゲート２０には、排気絞り弁１８の上流の圧力を調整するウエイストゲート弁２１が設けられている。このウエイストゲート弁２１は、自己調圧式の弁であり、ウエイストゲート弁２１の上流と下流との差圧、すなわち排気絞り弁１８の上流と下流との差圧が所定の圧力値（例えば、１５０〔ｋＰａ〕）を超えると自動的に開いて圧力調整を行う。

第２区間３４ｂに連続する第３区間３４ｃには、排気による騒音を低減させるためのマフラ３８が設けられており、この第３区間３４ｃの下流端は大気に直接通じている。
こうした内燃機関１０の各種制御は、電子制御装置４０により実施されている。電子制御装置４０は、機関制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が一時的に記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成されている。そして、電子制御装置４０は、フィルタの下流の圧力ＰＬを推定する圧力推定手段と、この圧力推定手段によって推定されるＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬ及び圧力センサ３３によって検出されるフィルタ上流の圧力ＰＵからＤＰＦ２４の上流と下流との差圧ΔＰを算出する算出手段としての機能を備えている。さらに、電子制御装置４０は、算出手段によって算出されたフィルタの上流と下流との差圧に基づいて、ＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量を推定する推定手段としての機能を備えている。すなわち、本実施形態では、圧力センサ３３と電子制御装置４０とがフィルタ上下流の差圧算出装置及び同フィルタの粒子状物質の堆積量推定装置とを構成している。

電子制御装置４０の入力ポートには、上述した各センサに加え、機関回転速度を検出するＮＥセンサ３５、アクセル操作量を検出するアクセルセンサ３６、吸気絞り弁１５の開度を検出する吸気絞りセンサ３７等が接続されている。また電子制御装置４０の出力ポートには、吸気絞り弁１５、燃料噴射弁１６、排気絞り弁１８の駆動回路が接続されている。

電子制御装置４０は、上記各センサから入力される検出信号により把握される機関運転状態に応じて、上記出力ポートに接続された各機器類の駆動回路に指令信号を出力する。このようにして吸気絞り弁１５の開度制御、燃料噴射弁１６からの燃料噴射制御、排気絞り弁１８の開閉制御等の各種制御が電子制御装置４０により実施される。

このように構成された内燃機関１０の排気浄化装置では、ＤＰＦ２４に捕集されたＰＭを除去するために、ＤＰＦ２４に堆積したＰＭを酸化（燃焼）させて浄化するＤＰＦ２４の再生制御が実施される。以下、このＤＰＦ２４の再生制御について説明する。

図２は内燃機関１０の運転時間に対するＰＭの堆積量を示したタイムチャートである。同図に示すように、時間Ｔ０から内燃機関１０の運転が開始されると、運転時間の経過に伴ってＤＰＦ２４で捕集されるＰＭの堆積量が増加する。そこで、ＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量が予め設定された所定量Ｍに達したと推定される時間Ｔ１から、電子制御装置４０によるＤＰＦ２４の再生制御が行われる。具体的に、この再生制御は、例えば、排気絞り弁１８の作動により排気温度及び排気圧力を上昇させるとともに、ＣＣＯ２３の酸化触媒やＤＰＦ２４に担持された酸化触媒に未燃燃料成分を供給することにより行われ、未燃燃料成分の排気中や触媒上での酸化に伴う発熱により触媒を活性化させるとともに触媒周りのＰＭを燃焼させる。なお、この再生制御における触媒への未燃燃料成分の供給は、例えば、内燃機関１０の駆動に寄与する燃料噴射弁１６からの燃料噴射の後、例えば排気行程中での燃料噴射であるポスト噴射等によって行われる。そして、電子制御装置４０は、ＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量がこのＰＭの燃焼によりほぼ「０」となったと推定される時間Ｔ２に、このＤＰＦ２４の再生制御を終了する。電子制御装置４０は、このような制御を繰り返し行うことで、外部へ排出されるＰＭの量を低減するようにしている。

なお、再生制御が実行される時間Ｔ１からＴ２までの期間Ｘにおいては、排気絞り弁１８が、例えば以下のように制御される。すなわち、車両が加速状態にあるときには、電子制御装置４０が駆動信号「ＯＦＦ」を出力し、アクチュエータ１９によって排気絞り弁１８が全開状態とされる。一方、車両が加速状態以外の定速走行状態、減速状態、アイドル状態等にあるときには、電子制御装置４０が駆動信号「ＯＮ」を出力し、アクチュエータ１９によって排気絞り弁１８が全閉状態とされる。つまり、車両が加速状態にあるときは、燃焼室１２に吸入される空気量が増加するため、排気絞り弁１８を開くことで車両の加速性能が損なわれることを抑制している。このように、期間Ｘでは、排気絞り弁１８が車両の運転状態に応じて適宜開閉制御されることによりＤＰＦ２４の再生制御が行われる。

そして、排気絞り弁１８を閉じることによって排気圧力が上昇するため、空気量の増量によりＤＰＦ２４における酸素の量が増加し、これにより、ＰＭの酸化速度が高くなる。また、排気絞り弁１８の開度を絞ることによって排気抵抗が増大するため、燃料噴射量が増加して排気温度も上昇し、これにより、ＣＣＯ２３やＤＰＦ２４の酸化触媒がより活性化されるため、ＰＭの酸化速度が高くなる。このようにして、排気絞り弁１８を閉じると、ＤＰＦ２４に堆積したＰＭの酸化が促進されるため、ＤＰＦ２４の再生制御が実行される期間Ｘを短縮し、燃料噴射弁１６からの未燃燃料成分の供給量を抑制することにより燃費の悪化を抑制することができる。

上述したように、ＤＰＦ２４の再生制御の開始及び終了の時期は、ＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量を推定することにより決定される。以下に電子制御装置４０が行うＰＭの堆積量の推定について説明する。

まず、再生制御の開始時期の決定について説明する。再生制御の開始時期は、電子制御装置４０が、ＤＰＦ２４の上流と下流との差圧ΔＰを算出するとともに、この算出された差圧ΔＰが予め設定された所定値となるとＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量が所定量Ｍであると推定することにより決定される。この開始時期の決定のために行われるＰＭの堆積量推定について、図３〜図５に基づいて説明する。

図３は、電子制御装置４０が実行するＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量の推定ルーチンを示すフローチャートである。
図３に示すように、ＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量の推定ルーチンが開始されると、ステップＳ１において、ＤＰＦ２４の上流の圧力ＰＵが圧力センサ３３によって検出されるとともに、電子制御装置４０の圧力推定手段によりＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬが推定される。

ここで、図１を示して説明したように、ＤＰＦ２４は、このＤＰＦ２４の下流側の排気通路３４を介して大気に通じている。したがって、ＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬは、大気圧よりもこの下流側の排気通路３４の全圧力損失分だけ高い値となる。そこで、圧力推定手段は、この全圧力損失を大気圧に加算することにより圧力ＰＬを推定するが、本実施形態の特徴として、第２区間３４ｂにおける圧力損失である第１圧力損失Ｐ１と第１区間３４ａ及び第３区間３４ｃにおける圧力損失である第２圧力損失Ｐ２とを個別に導出することによりこの全圧力損失を導出するようにしている。

まず、第２区間３４ｂの圧力損失である第１圧力損失Ｐ１について説明する。図４は、排気絞り弁１８の全閉時における内燃機関１０の排気温度及び吸入空気量Ｇａと第１圧力損失Ｐ１との関係を示したグラフである。図４に示すように、排気絞り弁１８の全閉時における第１圧力損失Ｐ１は、吸入空気量Ｇａが一定であると、排気温度が高いほど排気の比体積が大きくなるため大きくなり、排気温度が一定であると、吸入空気量Ｇａが多いほど大きくなる。また、上述したように、排気絞り弁１８の上流と下流との差圧は、ウエイストゲート弁２１の自己調圧作用により前記所定の圧力値までしか上昇しないため、第１圧力損失Ｐ１は、このように吸入空気量Ｇａの増大や排気温度の上昇に伴って大きくなるものの、その上限値Ｐｍａｘは前記所定の圧力値となる。

また、排気絞り弁１８の全開時における第１圧力損失Ｐ１については、図示は省略するが、同様に、吸入空気量Ｇａが一定であると、排気温度が高いほど大きくなり、排気温度が一定であると、吸入空気量Ｇａが多いほど大きくなる。しかしながら、この排気絞り弁１８の全開時における第１圧力損失Ｐ１は、無視できるほど小さく、実質的に０〔ｋＰａ〕とみなすことのできる値となっている。

次に、第１区間３４ａ及び第３区間３４ｃの圧力損失である第２圧力損失Ｐ２について、図５に基づいて説明する。図５は、内燃機関１０の排気温度及び吸入空気量Ｇａと第２圧力損失Ｐ２との関係を示したグラフである。この図５に示すように、第２圧力損失Ｐ２は、吸入空気量Ｇａが一定であると、排気温度が高いほど排気の比体積が大きくなるため大きくなり、排気温度が一定であると、吸入空気量Ｇａが多いほど大きくなる。なお、この第２圧力損失Ｐ２については、上限値が特に設定されていないが、通常は、前記所定の圧力値よりも低い値（例えば６０〔ｋＰａ〕）までしか大きくならない。

なお、排気絞り弁１８が全開状態から全閉状態となると、一時的に排気が第３区間３４ｃに流れなくなるが、通常は、直ぐに排気絞り弁１８の上流と下流との差圧が前記所定の圧力値に達して、ウエイストゲート弁２１の作用により排気がウエイストゲート２０を介して第３区間３４ｃに流れるようになる。したがって、第３区間３４ｃに排気が流れない状況は実質的にはないということができるため、排気絞り弁１８の作動状態に拘わらず、排気温度及び吸入空気量Ｇａと第２圧力損失Ｐ２との関係は図５により示される。

そして、排気温度と吸入空気量Ｇａは、それぞれ温度センサ３２及びエアフローメータ３１で検出されるため、この検出値を図４や図５等に適用することにより、第１圧力損失Ｐ１及び第２圧力損失Ｐ２がそれぞれ導出される。例えば、検出された排気温度が温度Ｔｓ〔℃〕、吸入空気量Ｇａが５０〔ｇ／ｈ〕である場合、第１圧力損失Ｐ１は、排気絞り弁１８の全開時には実質的に０〔ｋＰａ〕と導出され、排気絞り弁１８の全閉時には図４に基づいて損失値Ｐｍａｘ〔ｋＰａ〕と導出され、第２圧力損失Ｐ２は、図５に基づいて損失値Ｐｓ〔ｋＰａ〕と導出される。したがって、ＤＰＦ２４の下流側の排気通路３４の全圧力損失は、排気絞り弁１８の全開時には損失値Ｐｓ〔ｋＰａ〕となり、排気絞り弁１８の全閉時には損失値（Ｐｍａｘ＋Ｐｓ）〔ｋＰａ〕となる。

なお、本実施形態において、排気絞り弁１８は、ＤＰＦ２４の再生制御の際に間欠的に全閉状態とされるが、再生制御の開始時期の決定を行うとき、すなわちこの再生制御が行われていないときには排気絞り弁１８が全開状態であるため、全圧力損失は、図５に示す第２圧力損失Ｐ２のみを用いて導出されることとなる。しかし、このような内燃機関１０を採用した車両においては、例えば寒冷地における内燃機関の暖気などを目的として、この再生制御を行っていないときにも排気絞り弁１８を全閉するといった態様を採用する場合もある。したがって、このような場合は、再生制御の開始時期の決定おいて、排気絞り弁１８の全閉時には、全圧力損失を図４に示す第１圧力損失Ｐ１と図５に示す第２圧力損失Ｐ２とを加算して導出し、排気絞り弁１８が全開時には、全圧力損失を第２圧力損失Ｐ２のみから導出するようにしてもよい。

このように、圧力推定手段は、内燃機関１０の運転状態を示す指標となる吸入空気量Ｇａ及び排気温度と、ＤＰＦ２４の下流側の排気通路３４の構成とを考慮した上でこの排気通路３４における全圧力損失を導出する。そして、圧力推定手段は、この導出された全圧力損失を大気圧に加算することによりＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬを推定する。ここで、ＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬは、特に排気絞り弁１８やウエイストゲート弁２１の作動状態の影響を受けるが、全圧力損失の導出にあたり、これらの弁が設けられる第２区間３４ｂの圧力損失を、これらの弁の作動状態などを考慮した上で、他の区間３４ａ，３４ｃとは別に導出するようにしている。したがって、排気通路３４の全圧力損失をより正確に導出することができるため、このようにして導出された全圧力損失を大気圧に加算することにより求められるＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬは、現状に即した信頼度の高い値となる。また、上述したように、第１圧力損失Ｐ１及び第２圧力損失Ｐ２のそれぞれは、基本的には吸入空気量Ｇａの増大及び排気温度の上昇に伴って大きくなるため、結果的に、ＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬも吸入空気量Ｇａの増大及び排気温度の上昇に伴って高いように推定されることとなる。

なお、本実施形態では、圧力センサ３３によって検出されるＤＰＦ２４の上流の圧力は、大気圧を基準とした圧力であるゲージ圧で検出されるため、下流の圧力ＰＬもゲージ圧として推定する。すなわち、圧力推定手段は、ＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬとして、このようにして導出された全圧力損失の値を直接適用することができる。

次に、ステップＳ２において、算出手段が、圧力センサ３３により検出されたＤＰＦ２４の上流の圧力ＰＵから圧力推定手段により推定されたＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬを減算して、ＤＰＦ２４の上流と下流との差圧ΔＰを算出する。そして、上述したように、圧力推定手段によって推定されるＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬの信頼度が向上するため、これを用いて算出されるフィルタの上流と下流との差圧ΔＰについても、その信頼度が向上する。

そして、ステップＳ３において、電子制御装置４０の推定手段が、ステップＳ２で算出された差圧ΔＰに基づいて、ＰＭの堆積量を推定する。具体的に、差圧ΔＰが所定値となると、ＰＭの堆積量が予め設定した所定量Ｍとなっていると推定する。これにより、ＤＰＦ２４の再生制御が開始される。

ＤＰＦ２４の再生制御の終了時期は、ＰＭの酸化（燃焼）速度とＤＰＦ２４の再生時間とからＰＭの累積処理量を算出し、この再生制御の開始時におけるＰＭ堆積量Ｍとこの累積ＰＭ処理量とがほぼ同じとなったら、ＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量がほぼ「０」となったと推定することにより決定される。

なお、再生制御の終了時期についても、電子制御装置４０によって差圧ΔＰを算出するとともに、この差圧ΔＰに基づいてＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量を推定することにより決定するようにしてもよい。すなわち、電子制御装置４０は、算出される差圧ΔＰが所定値以下となったら、ＤＰＦ２４の堆積量が「０」となったと推定し、この再生制御を終了してもよい。そして、上述したように、ＤＰＦ２４の再生制御中に排気絞り弁１８の開閉が繰り返されるため、排気絞り弁１８の全開時には、全圧力損失を図５に示す第２圧力損失Ｐ２のみを用いて導出し、排気絞り弁１８の全閉時には、全圧力損失を図４に示す第１圧力損失Ｐ１と図５に示す第２圧力損失Ｐ２とを加算した値を用いて導出するようにする。なお、排気絞り弁１８の全開時及び排気絞り弁１８の全閉時の何れか一方においてのみ、この差圧ΔＰの算出及びＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量の推定をするようにしてもよい。

上記実施形態のフィルタ上下流の差圧算出装置及び同フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態の差圧算出装置では、圧力センサ３３によって検出されるＤＰＦ２４の上流の圧力ＰＵと、圧力推定手段によってＤＰＦ２４の下流側の排気通路３４における全圧力損失を導出することによって推定されるＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬとから、ＤＰＦ２４の上流と下流との差圧ΔＰを算出するようにしている。特に、本実施形態では、ＤＰＦ２４の下流側の排気通路３４に排気絞り弁１８が設けられているため、排気絞り弁１８が設けられる第２区間３４ｂの圧力損失である第１圧力損失Ｐ１と、それ以外の区間３４ａ，３４ｃとの圧力損失である第２圧力損失Ｐ２とを個別に導出することによりこの全圧力損失を導出するようにしている。これにより、排気絞り弁１８の特性や作動状態に応じて全圧力損失を正確に導出することができるため、この全圧力損失を大気圧に加算することにより得られるＤＰＦ２４の下流の圧力は、より現実に即したものとなる。すなわち、圧力推定手段によって推定されるフィルタの下流の圧力ＰＬの信頼度が向上するため、これに基づいて算出されるフィルタの上流と下流との差圧ΔＰについても、その信頼度が向上する。

（２）本実施形態の排気浄化装置では、排気絞り弁１８をバイパスするウエイストゲート２０と、このウエイストゲート２０に設けられて排気絞り弁１８の上下流の差圧を所定の圧力値に調整するウエイストゲート弁２１とを備えており、差圧算出装置の圧力推定手段は、この所定の圧力値を第１圧力損失Ｐ１の上限値とするようにしている。これにより、ウエイストゲート弁２１による圧力調整作用を考慮した上で第１圧力損失Ｐ１を導出することができるため、ＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬをより正確に推定することができることから、ＤＰＦ２４の上流と下流との差圧ΔＰをより正確に算出することができる。

（３）本実施形態の差圧算出装置では、圧力推定手段が、ＤＰＦ２４の下流の圧力を内燃機関１０の吸入空気量Ｇａが多いほど高く、内燃機関１０の排気温度が高いほど高いように推定している。すなわち、内燃機関１０の運転状態がフィルタの下流の圧力ＰＬに及ぼす影響を考慮した上で、このフィルタの下流の圧力ＰＬを推定するようにしている。したがって、この圧力ＰＬの信頼度が向上し、これに基づいて算出される差圧ΔＰについても、その信頼度がさらに向上する。

（４）本実施形態の差圧算出装置では、圧力センサ３３がＤＰＦ２４の上流の圧力をゲージ圧で検出するようにしている。これにより、算出手段が差圧ΔＰを算出する際に、ＤＰＦ２４の下流の圧力として全圧力損失の値を直接適用することができる。すなわち、差圧ΔＰの算出にあたり、真空を「０」とする絶対圧で大気圧を検出する必要がなくなるとともに、ＤＰＦ２４の下流の圧力ＰＬについても、大気圧に全圧力損失を加算する手順を省略することができるため、その推定手順の簡略化を図ることができる。

（５）本実施形態の堆積量推定装置は、上述した差圧算出装置を備え、該差圧算出装置によって算出された差圧ΔＰに基づいてＰＭの堆積量を推定するようにしている。これにより、差圧算出装置によって算出される信頼度の高い差圧に基づいてＰＭの堆積量を推定することができるため、推定手段によって推定されるＰＭの堆積量についても、その信頼度が向上する。

そして、本実施形態の排気浄化装置においては、このようにして推定されたＰＭの堆積量に基づいて、ＤＰＦ２４の再生制御を開始する時期を決定するようにしている。これにより、ＤＰＦ２４にＰＭがあまり堆積していないのに不必要にフィルタの再生制御を開始したり、ＤＰＦ２４におけるＰＭの堆積量が過多となっているのにフィルタの再生が開始されなかったりすることを抑制することができる。また、ＤＰＦ２４の再生制御の終了時期をこのようにして推定されたＰＭの堆積量に基づいて決定するといった態様を採用する場合は、ＤＰＦ２４が完全に再生されていないのにこの再生制御が終了されたり、ＤＰＦ２４が完全に再生されているのに継続してこの再生制御が行われたりすることを抑制することができる。すなわち、ＤＰＦ２４の再生制御を適切な時期で開始したり終了したりすることができるため、ＤＰＦ２４の再生を確実に行うことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、排気絞り弁１８が全開状態と全閉状態との切換えにより排気通路１４の流路断面積を変更するようにしているが、排気絞り弁１８を開度が任意に設定自在な弁で構成するようにしてもよい。そして、このような場合にも、排気絞り弁１８の開度に応じて図４のような第１圧力損失Ｐ１を導出するグラフを適宜作成するなどして差圧ΔＰを算出するようにしてもよい。

・上記実施形態では、燃料噴射弁１６からのポスト噴射等により、未燃燃料成分の供給を行うようにしているが、排気通路１４におけるＤＰＦ２４の上流に添加弁を設け、その添加弁から未燃燃料成分を供給するように構成してもよい。

・上記実施形態では、排気絞り弁１８の上流と下流との差圧が所定の圧力値を超えると自動的に開いて圧力調整を行う自己調圧式のウエイストゲート弁２１を用いるようにしているが、電子制御装置４０の駆動信号に基づいて開閉を行う電磁式のウエイストゲート弁を用いるようにしてもよい。

・上記実施形態では、圧力検出手段が、大気圧を「０」としたときの圧力であるゲージ圧を検出する圧力センサ３３を用いるようにしているが、真空を「０」としたときの圧力である絶対圧を検出する圧力センサを用いるようにしてもよい。

・上記実施形態では、排気温度を検出する温度センサ３２をＣＣＯ２３とＤＰＦ２４との間に順に設けるようにしたが、この温度センサ３２は、例えば、ＣＣＯ２３の上流側やＤＰＦ２４の下流側に設けるようにしてもよい。また、ＤＰＦ２４の上流の圧力を検出する圧力センサ３３についても、例えば、ＣＣＯ２３の上流に設けるようにしてもよい。

・上記実施形態では、ＤＰＦ２４に酸化触媒を担持させるようにしたが、このＤＰＦ２４が触媒を担持していない構成であってもよいし、上記実施形態のようにＤＰＦ２４に触媒を担持させる場合は、ＣＣＯ２３を省略するようにしてもよい。また、図示を省略したＣＣＯ２３のさらに上流に設けられる触媒コンバータについても省略するようにしてもよい。

・上記実施形態では、先に示した図４及び図５に示したように、内燃機関の運転状態を示す２つの指標である吸入空気量Ｇａ及び排気温度と第１及び第２の各圧力損失Ｐ１，Ｐ２との関係を予め設定するようにしているが、これらの指標のうち何れか１方のみと各圧力損失Ｐ１，Ｐ２との関係を予め設定しておくようにしてもよい。このように２つの指標のうち何れか一方のみと圧力損失Ｐ１，Ｐ２との関係から、ＤＰＦ２４の下流の圧力を推定しても、従来のように内燃機関１０の運転状態を何ら考慮せず推定されるＤＰＦの下流の圧力よりは信頼度は高いものとなる。なお、図４及び図５は、これらの関係を概念的に示したものであるため、実際にはこのようなグラフを作成する必要はなく、この概念に基づいた計算式などによって各圧力損失Ｐ１，Ｐ２を導出するようにしてもよい。

・上記実施形態では、圧力推定手段が、第１圧力損失Ｐ１と第２圧力損失Ｐ２とを導出してから全圧力損失を導出するようにしているが、区間ごとの圧力損失Ｐ１，Ｐ２を導出する手順を省略して全圧力損失を直接導出するようにしてもよい。特に、上記実施形態では、排気浄化装置が排気絞り弁１８を備えている構成であったが、排気絞り弁１８の有無に拘わらず、このように全圧力損失を直接導出するようにしてもよい。

・上記実施形態では、排気絞り弁１８の全開時には、圧力推定手段が、第１圧力損失Ｐ１を実質的に「０」とみなし、全圧力損失を第２圧力損失Ｐ２のみから導出するようにしているが、排気絞り弁１８の全開時にも、第１圧力損失Ｐ１の値を正確に導出し、第２圧力損失Ｐ２と加算することにより全圧力損失を導出するようにしてもよい。また、ＤＰＦ２４下流側の排気通路３４に作動状態によって圧力損失を変化させるような部品が設けられている場合には、この部品の上流から下流までの所定区間の圧力損失と、それ以外の区間の圧力損失とを個別に導出することにより、全圧力損失を導出するようにしてもよい。

・上記実施形態では、圧力推定手段が、第２区間３４ｂを所定区間として第１圧力損失Ｐ１を導出しているが、ＤＰＦ２４の下流端から排気絞り弁１８の下流側まで、すなわち第１及び第２区間３４ａ，３４ｂを所定区間として第１圧力損失Ｐ１を導出するようにしてもよい。

本発明に係るフィルタ上下流の差圧算出装置及び同フィルタにおける粒子状物質の堆積量推定装置が適用される排気浄化装置を搭載した車載内燃機関の構成を示す模式図。 内燃機関の運転時間に対するＰＭの堆積量を示すタイムチャート。 ＤＰＦにおけるＰＭの堆積量の推定を行うフローチャート。 排気絞り弁の全閉時における排気温度及び吸入空気量Ｇａと第１圧力損失との関係を示すグラフ。 排気温度及び吸入空気量Ｇａと第２圧力損失との関係を示すグラフ。

符号の説明

１０…内燃機関、１１…気筒、１２…燃焼室、１３…吸気通路、１４…排気通路、１５…吸気絞り弁、１６…燃料噴射弁、１７，１９…アクチュエータ、１８…排気絞り弁、２０…ウエイストゲート、２１…ウエイストゲート弁、２３…ＣＣＯ、２４…ＤＰＦ、３１…エアフローメータ、３２…温度センサ、３３…圧力センサ、３４…ＤＰＦの下流側の排気通路、３４ａ〜３４ｂ…第１〜第３区間、３５…ＮＥセンサ、３６…アクセルセンサ、３７…吸気絞りセンサ、３８…マフラ、４０…電子制御装置。

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に配置されて前記内燃機関から排出される粒子状物質を捕集するフィルタを備える排気浄化装置のフィルタ上下流の差圧算出装置であって、
   前記フィルタの上流の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記フィルタの下流側の排気通路における全圧力損失を導出し、同全圧力損失を大気圧に加算することにより前記フィルタの下流の圧力を推定する圧力推定手段と、
   前記圧力検出手段により検出された前記フィルタの上流の圧力と前記圧力推定手段により推定された前記フィルタの下流の圧力とから前記フィルタの上流と下流との差圧を算出する算出手段とを備えている
   ことを特徴とするフィルタ上下流の差圧算出装置。
2. 内燃機関の排気通路に配置されて前記内燃機関から排出される粒子状物質を捕集するフィルタと、前記排気通路における前記フィルタの下流側に配置されて前記排気通路の流路断面積を可変とする排気絞り弁とを備える排気浄化装置のフィルタ上下流の差圧算出装置であって、
   前記フィルタの上流の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記フィルタの下流側の排気通路における前記排気絞り弁の上流から下流までの所定区間の圧力損失である第１圧力損失と前記フィルタの下流側の排気通路における前記所定区間以外の圧力損失である第２圧力損失とを個別に導出することにより前記フィルタの下流側の排気通路における全圧力損失を導出し、同全圧力損失を大気圧に加算することにより前記フィルタの下流の圧力を推定する圧力推定手段と、
   前記圧力検出手段により検出された前記フィルタの上流の圧力と前記圧力推定手段により推定された前記フィルタの下流の圧力とから前記フィルタの上流と下流との差圧を算出する算出手段とを備えている
   ことを特徴とするフィルタ上下流の差圧算出装置。
3. 請求項２において、
   前記排気浄化装置は、前記所定区間における前記排気絞り弁の上流と下流とを接続して前記排気絞り弁をバイパスするウエイストゲートと、該ウエイストゲートに設けられて前記排気絞り弁の上流と下流との差圧が所定の圧力値以下となるように調整するウエイストゲート弁とを備え、
   前記圧力推定手段は、前記所定の圧力値を前記第１圧力損失の上限値として前記フィルタの下流の圧力を推定する
   ことを特徴とするフィルタ上下流の差圧算出装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項において、
   前記圧力推定手段は、前記内燃機関の吸入空気量が多いほど前記フィルタの下流の圧力が高いように推定する
   ことを特徴とするフィルタ上下流の差圧算出装置。
5. 請求項１〜４の何れか1項において、
   前記圧力推定手段は、前記内燃機関の排気温度が高いほど前記フィルタの下流の圧力が高いように推定する
   ことを特徴とするフィルタ上下流の差圧算出装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のフィルタ上下流の差圧算出装置と、該差圧算出装置により算出された前記フィルタの差圧に基づいて粒子状物質の堆積量を推定する推定手段とを備えている
   ことを特徴とするフィルタにおける粒子状物質の堆積量推定装置。

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