JP4438729B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン、特にディーゼルエンジンの排気を浄化するのに用いて好適な排気浄化装置に関する。
従来より、車両に搭載されるディーゼルエンジンの後処理装置として、排ガス中に含まれるパティキュレートマター（粒子状物質，以下ＰＭと略す）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ，以下フィルタと略す）と、フィルタ上のＰＭを酸化除去するための酸化触媒とを備えた排気浄化装置が開発されている。この排気浄化装置では、酸化触媒を利用して排ガス中のＮＯからＮＯ2を生成するとともに、フィルタ上に捕集されたＰＭとＮＯ2とを反応させてＰＭを連続的に焼却除去し、フィルタを再生するようになっている。なお、このように連続的にＰＭを焼却除去する方式を、連続再生式と呼ぶ（例えば特許文献１）。
一方、車両渋滞（例えば、低負荷且つ低回転の状態）の多い日本の運転条件下では排ガス温度が上昇しにくく、フィルタの温度がＰＭの燃焼に必要な温度まで上昇しなければ、フィルタ上のＰＭが十分に焼却除去されないおそれがある。そこで、意図的にフィルタ温度を必要な温度に維持することによって強制的にＰＭの焼却を行う、強制再生式のものも開発されている。強制再生式の排気浄化装置としては、例えば、フィルタにヒータ等の外部熱源を設けるものや、排ガス温度を上昇させることによってフィルタ温度を高温にするものが開発されている。
また、フィルタの前段（排気通路の上流側）に設けられた酸化触媒に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、その酸化熱でフィルタを昇温する手法も提案されている。これは、未燃燃料の持つ発熱量をフィルタの昇温に直接利用できるため、良好な熱効率を得ることができ、燃費の悪化を抑えることが可能な手法として期待されている。
特開２００３−１３７３０号公報
しかし、フィルタの上流側から熱量を与えて昇温させる手法の場合、フィルタから排気通路の外部への放熱により、フィルタの下流側での温度上昇が鈍くなることが考えられる。例えば、図７に示すように、フィルタの入口側の温度をＰＭの燃焼に必要な目標温度に合わせる制御を行う場合、フィルタの出口側の温度が目標温度に達していない可能性があり、フィルタ内のＰＭが十分に焼却されないおそれがある。
特に、エンジンが比較的低回転で運転しているアイドル時には排ガス流量が少ないため、未燃燃料から与えられる酸化熱と比較してフィルタから外部へ放熱される熱量の割合が高まり、フィルタの入口側と出口側との温度差が大きくなる。つまり、排ガス流量が少ない運転条件下においては、フィルタ内（特に出口側）に再生されにくい部位が生じるおそれがあるという課題がある。
また、一般にフィルタの熱容量は大きいため、排気通路上におけるフィルタの入口側と出口側とでは、温度上昇速度に差異が生じる。そのため、フィルタの出口側の温度をフィードバック制御しようとしても、良好な応答性が得られにくく、フィルタの入口側の温度の過昇温により溶損が起こりやすくなるという課題もある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、過昇温によるフィルタの溶損を防止しながらフィルタ内全体の効率的な再生が可能な排気浄化装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置（請求項１）は、エンジンの排気通路上に介装された酸化触媒と、該排気通路上における該酸化触媒の下流側に介装されたフィルタと、を備えた排気浄化装置において、該排気通路における該フィルタの下流側の排気温度の目標値を出口目標温度として設定する出口温度設定手段と、該エンジンから排出される排気の該フィルタ内通過時に、該フィルタから該排気通路の外部へ放熱される損失熱量を算出する損失熱量算出手段と、該損失熱量によって低下する損失温度を該出口目標温度に加算した温度を、該フィルタの上流側の入口目標温度として設定する入口温度設定手段とを備える。
また、本発明の排気浄化装置（請求項１）は、該フィルタの上流側の排気温度が該入口目標温度となるように、該酸化触媒へ供給される未燃燃料の供給量を調節する燃料量調節手段を備える。
さらに、本発明の排気浄化装置（請求項１）は、該排気通路の外部の気温を外気温として検出する外気温検出手段と、該エンジンから排出される排気の流量を検出又は算出する排気流量算出手段と、該車両の走行速度を検出する車速検出手段と、該酸化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、該酸化触媒へ流入する前の排気温度を触媒入口排気温度として検出する触媒入口温度検出手段とを備え、該燃料量調節手段は、該エンジンから排出される排気の比熱と、該排気の流量，該入口目標温度及び該触媒入口排気温度とに基づき、該フィルタの上流側の排気を該入口目標温度まで昇温させるために必要な第１未燃燃料量を演算するガス昇温演算手段と、該酸化触媒の比熱と、該入口目標温度及び該酸化触媒の温度とに基づき、該酸化触媒を該入口目標温度まで昇温させるために必要な第２未燃燃料量を演算する触媒昇温演算手段と、該酸化触媒から該排気通路の外部への熱伝達率と、該酸化触媒の温度，該外部の気温及び該走行速度とに基づき、該酸化触媒から該排気通路の外部へ放熱される熱量相当の第３未燃燃料量を演算する放熱量演算手段と、該第１未燃燃料量，該第２未燃燃料量及び該第３未燃燃料量を合算して総未燃燃料量を演算し、該酸化触媒へ供給される未燃燃料の供給量を該総未燃燃料量に調節する総未燃燃料量演算手段と、を有する。
この場合、該出口目標温度には、該フィルタに溶損が生じない範囲内で、該フィルタの出口側において粒子状物質（ＰＭ）が十分に燃焼する温度が設定されることが好ましい。また、該出口目標温度は、上記の条件下でできるだけ低い温度が設定されることが好ましい。
また、該排気通路における該フィルタの入口側の排気温度を検出する入口温度検出手段を備え、該燃料量調節手段は、該入口温度検出手段で検出された該入口側の排気温度に基づくフィードバック制御により、該未燃燃料の供給量を調節することが好ましい（請求項２）。
また、該燃料量調節手段は、該フィルタの全体が該出口目標温度よりも高温となった状態から予め設定された所定時間が経過したときに、該未燃燃料の供給を停止することが好ましい（請求項３）。
さらに、該排気通路中における該フィルタの出口側の排気温度を検出する出口温度検出手段を備え、該燃料量調節手段は、該出口温度検出手段で検出された該出口側の排気温度が該出口目標温度と等しくなった（或いは、該出口目標温度以上になった）時点から予め設定された所定時間が経過したときに、該未燃燃料の供給を停止することが好ましい（請求項４）。
換言すれば、該燃料量調節手段は、該下流側の温度が該出口目標温度と等しくなってから予め設定された所定時間経過したときに、フィルタ上の粒子状物質（ＰＭ）の燃焼浄化が完了したと判断して、フィルタの再生制御を終了する。つまり、該下流側の温度が該出口目標温度と等しくなった（或いは、該出口目標温度以上になった）時点で、入口側，出口側に関わらずフィルタ上全体での再生の効果が保証されるとみなすことができるため、この再生効果の保証された時点からカウント（計時）を開始して、再生制御の終了タイミングが定められる。
また、該排気通路の外部の気温を外気温として検出する外気温検出手段と、該エンジンから排出される排気の流量を検出又は算出する排気流量算出手段と、該車両の走行速度を検出する車速検出手段とを備え、該損失熱量算出手段は、該外気温，該排気の流量及び該走行速度に基づいて、該損失熱量を算出することが好ましい（請求項５）。
本発明の排気浄化装置（請求項１）によれば、出口側におけるフィルタの表面温度が出口目標温度となるような、フィルタ上流側の温度を正確に設定することが可能となる。したがって、フィルタの上流側から下流側にかけての全体で、粒子状物質（ＰＭ）の燃え残りのない十分な再生が実現できる。また、燃え残りがないため、次回の強制再生時の過昇温を抑制することができ、フィルタの溶損を防止できる。
また、燃料噴射量を調節するという簡素な構成で、フィルタの上流側の温度を増減制御することができる。
さらに、排気，酸化触媒及び外気間の熱量の移動を正確に把握することができ、入口目標温度を得るのに必要な未燃燃料量を正確に算出することができる。つまり、外気温や酸化触媒の温度，車両の走行状態等、演算条件の異なる状態に対しても、加減速等の外乱（ノイズ）を伴って演算条件が変動する過渡的な状態に対しても、正確にフィルタの再生制御を実施できる。
また、本発明の排気浄化装置（請求項２）によれば、フィルタの入口側の温度を短時間で且つ正確に入口目標温度にすることができる。
また、本発明の排気浄化装置（請求項３）によれば、フィルタ全体が出口目標温度よりも高温であるような、十分な燃焼効率が確保された燃焼状態での経過時間に基づいて制御の終了判定が行われるため、フィルタ上の燃え残りを防止でき、フィルタを完全に再生することができる。
また、本発明の排気浄化装置（請求項４）によれば、効率的に再生が行われる時刻からの経過時間を参照することによって、完全に再生されるタイミングを把握することができ、再生時間を短縮することができる。これにより、車両の燃費を向上させることができる。
また、本発明の排気浄化装置（請求項５）によれば、温度移動に着目した演算によって損失熱量を厳密に把握することができ、フィルタの出口側の温度が出口目標温度となるような入口側の温度を正確に求めることができる。
以下、図面により、本発明の一実施形態について説明する。図１〜図６は、本発明の一実施形態としての排気浄化装置を示すものであり、図１は本排気浄化装置の構成を模式的に示すブロック構成図、図２は本装置の制御装置における制御ブロック図、図３は本装置の燃料量調節部における制御ブロック図、図４は図３の燃料量調節部における演算内容を示すブロック図であり、（ａ）はガス昇温演算部における演算ブロック図、（ｂ）は触媒昇温演算部における演算ブロック図、（ｃ）は放熱量演算部における演算ブロック図、図５は本装置による再生制御の終了判定に係るフローチャート、図６は本装置のフィルタの入口及び出口温度の変化を示すグラフである。
［構成］
（１）全体構成
図１に示すエンジンＥは、軽油（ＨＣ）を燃料とするディーゼルエンジンである。このエンジンＥの排気通路１０上には、エンジンＥから排出される排ガス（排気）の流通経路の上流側から順に、酸化触媒（ＤＯＣ）１及びフィルタ（ＤＰＦ，ディーゼルパティキュレートフィルタ）２が介装されている。
酸化触媒１は、排ガスに含まれる酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ2）を生成し、このＮＯ2をフィルタ２へ供給するものである。また、酸化触媒１は、排ガス中の未燃燃料（ＨＣ）を酸化させて酸化熱を発生させ、排ガスの温度を上昇させるように機能する。
フィルタ２は、黒煙の原因となる排ガス中のパティキュレートマター（炭素Ｃを主体とする粒子状物質，ＰＭ）を捕集する多孔質フィルタ（例えば、セラミックフィルタ）である。図１に模式的に示すように、フィルタ２の内部は壁体によって排気ガスの流通方向に沿って複数に分割されており、排ガスがこの壁体を通過する際に壁体内へＰＭが捕集されて、排ガスが浄化（濾過）されるようになっている。
また、フィルタ２上では、酸化触媒１から供給されるＮＯ2を酸化剤として、捕集したＰＭが所定の温度条件下で焼却されるようになっている。これにより、フィルタ２の壁体内に蓄積されたＰＭが取り除かれて、フィルタ２が再生浄化されることになる。
酸化触媒１の内部には、触媒温度ＴCを検出する触媒温度センサ（触媒温度検出手段）７が設けられる。また酸化触媒１の上流側には、酸化触媒１へ流入する前の排ガス温度（触媒入口排気温度）ＴAを検出する触媒入口温度センサ（触媒入口温度検出手段）６が設けられるとともに、フィルタ２を挟んでその前後にはそれぞれ、フィルタ２の入口側２ａ及び出口側２ｂの排ガス温度ＴI，ＴOを検出するための入口温度センサ（入口温度検出手段）５ａ及び出口温度センサ（出口温度検出手段）５ｂが設けられている。これらの各センサで実測により検出された触媒，排ガスの温度情報ＴC，ＴA，ＴI及びＴOは、後述する制御装置３へ入力されるようになっている。
なおエンジンＥには、燃料噴射量を検出するセンサ（図示せず）が設けられるほか、排気通路の外部の温度（外気温）Ｔを検出する外気温センサ（外気温検出手段）８，排気浄化装置が適用される車両の走行速度（車速）Ｖを検出する車速センサ（車速検出手段）９が設けられている。
制御装置３は、図１に示すように、制御部として、出口温度設定部（出口温度設定手段）３ａ，排気流量算出部（排気流量算出手段）３ｂ，損失熱量算出部（損失熱量算出手段）３ｃ，入口温度設定部（入口温度設定手段）３ｄ及び燃料量調節部（燃料量調節手段）４を備えて構成されており、エンジンＥにおける燃料噴射量等を制御するための電子制御ユニットである。この制御装置３は、上記の触媒温度センサ７，入口温度センサ５ａ，出口温度センサ５ｂ，触媒入口温度センサ６，外気温センサ８及び車速センサ９における検出情報やエンジンＥの燃料噴射量に基づいて、排ガス中のＨＣ量を制御し、フィルタ２を強制的に再生浄化する再生制御（強制再生）を実施する。
（２）制御装置３の構成
まず制御装置３は、図２に示すように、フィルタ２の下流側の排気温度の目標値を設定し、これに外気温Ｔ，排ガス流量Ｆ及び車速Ｖを加味した演算を行って、フィルタ２の上流側の目標温度Ｔ IT を設定する。制御装置３の各制御部における機能を以下に詳述する。
出口温度設定部３ａは、排気通路１０におけるフィルタ２の下流側の排気温度の目標値を出口目標温度ＴOTとして設定する。ここで設定される出口目標温度ＴOTは、フィルタ２に溶損が生じない範囲で、フィルタ２の出口側２ｂにおいてＰＭが十分に燃焼（例えば、完全燃焼）しうる温度に設定されている。なお、本実施形態では、出口目標温度ＴOTが一定値（例えば、６５０°Ｃ）である。また、ここで設定された出口目標温度ＴOTは、損失熱量算出部３ｃへ入力される。
排気流量算出部３ｂは、エンジンＥの燃料噴射量に基づいて排ガスの流量Ｆを算出する。なお、燃料噴射量に基づく算出の代わりに、エンジンＥへの吸気量を直接検出するセンサを設けてその吸気量に基づいて排ガスの流量Ｆを算出してもよい。ここで算出された排ガスの流量Ｆは、入口温度設定部３ｄへ入力される。
損失熱量算出部３ｃは、エンジンＥから排出される排ガスのフィルタ２内通過時に、フィルタ２から排気通路１０の外部へ放熱される損失熱量Ｑを算出する。ここでは、以下の式１に従って、出口温度設定部３ａで設定された出口目標温度ＴOT，外気温センサ８で検出された外気温Ｔ及び車速センサ９で検出された車速Ｖに基づいて損出熱量Ｑが演算される。なお、算出された損失熱量Ｑは、入口温度設定部３ｄへ入力される。
Figure 0004438729
 なお、ここでいう損失熱量Ｑとは、フィルタ２から排ガスへ移動する熱量を含まず、フィルタ２内部からフィルタ２の外装ケースを介して排気通路１０の外側（すなわち、外気）へ移動してそのまま損失される熱量のことである。
入口温度設定部３ｄは、損失熱量Ｑによって低下する損失温度ＴCOを出口目標温度ＴOTに加算した温度を、フィルタ２の上流側の入口目標温度ＴITとして設定する。つまりここでは、フィルタ２の入口側２ａから出口側２ｂへの間の排ガス温度の低下量ＴCOが損失熱量Ｑとしてフィルタ２の外部へ放熱されたものとみなされ、以下の式２，式３に従って、損失温度ＴCO及び入口目標温度ＴITが算出されるようになっている。ここで設定された入口目標温度ＴITは、燃料量調節部４へ入力される。
Figure 0004438729
Figure 0004438729
（３）燃料量調節部４の構成
また、制御手段３は、図３に示すように、設定されたフィルタ２の上流側の目標温度Ｔ IT が得られるように、酸化触媒１へ供給される未燃燃料の供給量を調節するようになっており、具体的には、燃料量調節部４が、フィルタ２の入口側２ａの排気温度ＴIが入口目標温度ＴITと等しくなるように、エンジンＥから排出される排ガス中への燃料の供給量、又は、添加量を調節する。この燃料量調節部４の内部には、制御部として、ガス昇温演算部（ガス昇温演算手段）４ａ，触媒昇温演算部（触媒昇温演算手段）４ｂ，放熱量演算部（放熱量演算手段）４ｃ及び総未燃燃料量演算部（総未燃燃料量演算手段）４ｄが備えられている。
なお、燃料量調節部４における燃料の供給，添加方法は任意であるが、例えばエンジンＥのシリンダ筒内に燃料を噴射する方法や、排気通路内に噴射する方法、直接酸化触媒１へ供給する方法等が考えられる。
ガス昇温演算部４ａは、エンジンＥから排出される排気の比熱（予め設定された定数）ｄgと、排気の流量Ｆ，入口目標温度ＴIT及び酸化触媒１へ流入する前の排ガス温度ＴAとに基づき、温度ＴIの排ガスを入口目標温度ＴITに昇温させるために必要なＨＣ添加量ＱPGを第１未燃燃料量として演算する。つまりここでは、排ガスの昇温のために必要な未燃燃料量が演算されることになる。
図４（ａ）に示すように、ガス昇温演算部４ａ内には、入口目標温度ＴITに対する触媒前の排ガス温度ＴAの温度差を算出する減算器１１と、減算器１１で算出された温度差，排気の比熱及び排気の流量Ｆを乗算する乗算部１２とが設けられている。これにより、乗算部１２からはＨＣ添加量ＱPGが出力されることになる。なお、ここでの演算を数式に表すと以下の式４の通りとなる。
Figure 0004438729
 触媒昇温演算部４ｂは、酸化触媒１の比熱（予め設定された定数）ｄcと、入口目標温度ＴIT及び触媒温度ＴCとに基づき、酸化触媒１を入口目標温度ＴITまで昇温させるために必要なＨＣ添加量ＱPCを第２未燃燃料量として演算する。つまりここでは、酸化触媒１の昇温に必要な未燃燃料量が演算される。
図４（ｂ）に示すように、触媒昇温演算部４ｂ内には、入口目標温度ＴITに対する触媒温度ＴCの温度差を算出する減算器１３と、減算器１３で算出された温度差と酸化触媒の比熱とを乗算する乗算部１４と、乗算部１４での演算結果のうちの負の範囲をカットするリミッタ部１５とが設けられている。これにより、リミッタ部１５からは、乗算部１４の演算結果が正であればＨＣ添加量ＱPCが出力されることになる。また、乗算部１４の演算結果が負であれば、ＨＣ添加量ＱPCがＱPC＝０として出力される。なお、ここでの演算を数式に表すと以下の式５の通りとなる。
Figure 0004438729
 放熱量演算部４ｃは、酸化触媒１の外気への熱伝達率ｋ（前述の通り、予め設定された定数）と、触媒温度ＴC，外気温Ｔ及び車速Ｖとに基づき、酸化触媒１から外気へ放熱される熱量相当のＨＣ添加量ＱPLを第３未燃燃料量として演算する。つまりここでは、放熱によって失われる熱量を補填するのに必要な未燃燃料量が算出される。
図４（ｃ）に示すように、放熱量演算部４ｃ内には、触媒温度ＴCと外気温Ｔとの温度差を算出する減算部１６と、車速Ｖの平方根を演算する平方根演算部１７と、減算部１６で算出された温度差，平方根演算部１７で演算された車速Ｖの平方根及び酸化触媒の外気への熱伝達率ｋを乗算する乗算部１８とが設けられている。これにより、乗算部１８からは、ＨＣ添加量ＱPLが出力されることになる。なお、ここでの演算を数式に表すと以下の式６の通りとなる。
Figure 0004438729
 また、総未燃燃料量演算部４ｄでは、図３に示すように、上記の各演算部４ａ〜４ｃで各ＨＣ添加量ＱPG，ＱPC及びＱPLが演算されると、これらを加算した量のＨＣが酸化触媒１へ供給されるように、エンジンＥにおける燃料噴射を制御するようになっている。これにより、フィルタ２の上流側の排ガス温度ＴIが入口目標温度ＴITとなるように、排気中の未燃燃料量が調節され、各ＨＣ添加量ＱPG，ＱPC及びＱPLの総和量の未燃燃料が酸化触媒１へ供給される。
つまり、実際の制御に係る総ＨＣ添加量ＱPは、以下の式７で表される。
Figure 0004438729
 また、制御装置３は、入口温度センサ５ａから入力されるフィルタ２の上流側の排ガス温度ＴIに基づいて、ＨＣ添加量のフィードバック制御を行うようになっている。これにより、フィルタ２の入口側の排ガス温度ＴIが短時間で且つ正確に入口目標温度ＴITへ漸近するようになっている。
（４）強制再生制御の終了判定
なお、ここでは詳述を省略するが、制御手段３は、公知の手法を用いてフィルタ２の再生浄化が必要であるか否かを判定し、上述のような強制再生制御を開始するようになっている。また、強制再生制御の終了条件については、出口温度センサ５ｂから入力されるフィルタ２の下流側の排ガス温度ＴOに基づいて判定されるようになっている。
具体的には、フィルタ２の下流側の排ガス温度ＴOが出口温度設定部３ａで設定された出口目標温度ＴOTと等しくなった時点（又は、排ガス温度ＴOが出口目標温度ＴOTを超えた時点）から所定時間が経過したときに、ＨＣ量の制御を停止して再生制御を終了する。つまり、フィルタ２の全体が出口目標温度ＴOTよりも高温な状態であれば、フィルタ２における燃焼効率が十分に確保されると考えられるため、本実施形態ではフィルタ２の下流側の排ガス温度ＴOと出口目標温度ＴOTとが等しくなった時点からの経過時間に基づいて制御の終了判定が行われる。
［作用］
本排気浄化装置は上記のように構成されて、以下のように作用する。
（１）入口目標温度ＴITの設定
まず、出口温度設定部３ａにおいて、排気通路１０におけるフィルタ２の下流側の排気温度の目標値が出口目標温度ＴOTとして設定される。続いて、外気温センサ８，車速センサ９において外気温Ｔ，車速Ｖが検出され、制御装置３へ入力される。次に、損失熱量算出部３ｃにおいて、上記の式１に基づいて、フィルタ２から排気通路１０の外部へ放熱される損失熱量Ｑが算出される。一方、排気流量算出部３ｂでは、エンジンＥから入力される燃料噴射量の情報に基づいて、排ガスの流量Ｆが算出される。
そして、入口温度設定部３ｄにおいて、損失熱量Ｑ及び排ガスの流量Ｆに基づき、上記式２よりフィルタの入口側２ａから出口側２ｂへの間で低下する排ガスの損失温度ＴCOが算出される。そして、上記の式３に基づいて、出口目標温度ＴOTに損失温度ＴCOが加算され、フィルタ２の上流側の入口目標温度ＴITが設定される。
（２）ＨＣ添加量の算出
入口温度設定部３ｄで入口目標温度ＴITが設定されると、燃料量調整部４において、フィルタ２の上流側の排気温度ＴIが入口目標温度ＴITと等しくなるようなＨＣ添加量が演算される。
まず、ガス昇温演算部４ａにおいて、エンジンＥから排出される排気の比熱ｄgと、排気の流量Ｆ，入口目標温度ＴIT及び触媒前の排ガス温度ＴAとに基づき、上記の式４に従って、排ガスの昇温に係るＨＣ添加量ＱPGが算出される。
続いて、触媒昇温演算部４ｂにおいて、酸化触媒１の比熱ｄcと、入口目標温度ＴIT及び触媒温度ＴCとに基づき、上記の式５に従って、酸化触媒１の昇温に係るＨＣ添加量ＱPCが算出される。
さらに、放熱量演算部４ｃにおいて、酸化触媒１の外気への熱伝達率ｋと、触媒温度ＴC，外気温Ｔ及び車速Ｖとに基づき、上記の式６に従って、酸化触媒１からの放熱による損失熱量に係るＨＣ添加量ＱPLが算出される。
そして、総未燃燃料量演算部４ｄにおいて、ガス昇温演算部４ａ，触媒昇温演算部４ｂ及び放熱量演算部４ｃで算出された各ＨＣ添加量が合算されて、実際の制御に係る総ＨＣ添加量ＱPが算出される。
（３）制御フロー
上記の通り総ＨＣ添加量ＱPが算出されると、制御装置３により、入口温度センサ５ａから入力されるフィルタ２の上流側の排ガス温度ＴIに基づいて、ＨＣ添加量ＱPのフィードバック制御が行われる。これにより、フィルタ２の入口側の排ガス温度ＴIが入口目標温度ＴITへ漸近するようなフィルタ２の再生制御がなされる。
次に、図５を用いて再生制御の終了判定に係るフローチャートを説明する。このフローチャートは、制御装置３内において所定周期で繰り返し実行されている。
ステップＡ１０では、再生制御が実施されているか否かが判定される。再生制御が実施されている場合にはステップＡ４０へ進み、実施されていない場合にはステップＡ２０へ進む。
ステップＡ２０では、予め設定された所定の強制再生開始条件を満たしているか否かが判定される。なお詳細な説明は省略するが、強制再生開始条件とは、例えば前回の強制再生制御が終了してからの車両の走行距離が所定距離以上であることや、前回の強制再生制御が終了してからの運転時間が所定時間以上であること、或いは、フィルタ２の上流，下流における排気の差圧が所定圧以上であること等の条件である。つまり、フィルタ２の強制的な再生制御が必要であると思われる状態を判定するための条件のことである。
強制再生開始条件が成立した場合には、ステップＡ３０へ進んで再生制御が開始され、ステップＡ４０以降のフローへと進む。また、強制再生開始条件が成立しない場合には、再生制御が実施されず、そのままこのフローを終了する。つまり、ステップＡ４０以降のフローは、強制再生制御が実施されている場合にのみ処理されることになる。
ステップＡ４０では、出口温度センサ５ｂで検出されたフィルタ２の下流側の排ガス温度ＴOと出口温度設定部３ａで設定された出口目標温度ＴOTとが参照される。続くステップＡ５０では、カウンタＣがＣ＝０であるか否かが判定される。このカウンタＣは再生制御の終了時間を計時するためのパラメータであり、その初期値がＣ＝０に設定されている。ここでＣ＝０の場合にはステップＡ６０へ進み、Ｃ≠０の場合にはステップＡ７０へ進む。
ステップＡ６０では、排ガス温度ＴOと出口目標温度ＴOTとが等しいか否かが判定される。ここで、ＴO＝ＴOTである場合にはステップＡ７０へ進み、ＴO≠ＴOTである場合にはそのままこのフローを終了する。つまりこの場合、再生制御が実施されてはいるが、フィルタ２の下流側の温度が目標値まで上昇しきっていない状態であるため、引き続き、排ガスの温度を上昇させるように再生制御が継続して実施される。
また、再生制御によりフィルタ２の下流側の温度が目標値に達すると、ステップＡ６０での条件判定により、ステップＡ７０へ進むことになる。なお、このステップＡ６０での判定条件を「ＴO≧ＴOTであるか否か」としてもよい。
ステップＡ７０では、カウンタＣにＣ＋１が代入加算される。つまり、初期値が０であったカウンタＣは、ＴO＝ＴOTとなった時点から増加し始め、計時（時間のカウント）を開始する。またこれにより、一旦計時を開始すると、ステップＡ５０での条件判定により、その後の排ガス温度ＴOの大きさに関わらず計時が継続される。
続くステップＡ８０では、カウンタＣが予め設定された所定値Ｃ0よりも大きいか否かが判定される。ここでＣ＞Ｃ0である場合にはステップＡ９０へ進み、再生制御を終了する。また、ステップＡ８０において、Ｃ≦Ｃ0である場合にはそのままこのフローを終了する。
つまりここでは、カウンタＣが所定値Ｃ0よりも大きくなるまで時間が経過したか否かを判定しており、所定値Ｃ0とは排ガス温度ＴOが出口目標温度ＴOT と等しくなってから再生制御を継続すべき経過時間に対応する大きさの値となっている。
［効果］
本実施形態の排気浄化装置によれば、以下のような効果を奏する。
例えば図７に示すように、フィルタ２の入口側の排ガス温度が６５０°Ｃになるように排ガス中のＨＣ量を制御する従来の排気浄化装置と比較すると、本排気浄化装置では、図６に示すように、フィルタ２の出口側の排ガス温度ＴOTが６５０°Ｃとなるように排ガス中のＨＣ量が制御されるため、フィルタ２の全体を６５０°Ｃよりも高温の状態にすることができる。つまり、フィルタ２の上流側から下流側にかけての全体でＰＭの燃え残りの少ない十分な再生を実現することができるようになる。また、再生後にフィルタ２上に残留するＰＭの燃え残りが少ないため、次回の強制再生時の過昇温を抑制することができ、フィルタの溶損を防止することができる。
また、本排気浄化装置では、フィルタ２の出口側の排ガス温度ＴOTを６５０°Ｃにすべく、フィルタ２から外気への損失熱量Ｑを考慮し、放熱による温度低下分ＴCOを推定して補正している。つまり、フィルタ２の出口側でＰＭが十分に燃焼しうる温度ＴOTに対し温度低下分ＴCOを加算して、再生制御の目標値となるフィルタ２の入口側の排ガス温度ＴITを設定するため、フィルタ２の出口側の排ガス温度ＴOTが６５０°Ｃになることを保証することができる。なお、損失熱量Ｑに基づく演算であるため、たとえ運転領域が変化したとしても正確な温度制御が可能である。
また、排気通路１０の外部の気温Ｔ，排ガス流量Ｆ及び車速Ｖに基づく熱量の移動に着目した演算によって、損失熱量Ｑを厳密に把握することができ、フィルタ２の出口側の温度が出口目標温度ＴOTとなるような入口側の温度ＴITを正確に求めることができる。
さらに、フィルタ２の入口側の排ガス温度をＴITとする再生制御において、排ガス中のＨＣ量を調整することで排ガス温度を上昇させるため、例えばエンジンＥでの燃料噴射量を制御すれば排ガス中へＨＣを添加することができ、制御構成が簡素である。つまり、排ガスやフィルタ２の昇温に係るヒータ等の外部熱源を必要とせず、コストを低減させることができる。
フィルタ２の再生制御が開始されると、実際のフィルタ２の上流側の排ガス温度ＴIに基づくフィードバック制御により排ガス中のＨＣ添加量が制御されるため、フィルタ２の入口側の排ガス温度ＴIを短時間で且つ正確に入口目標温度ＴITへ漸近させることができる。また、図５に示す制御フローに従い、効率的に再生が行われる時刻からの経過時間Ｃを計時することによってフィルタ２上での再生状態を正確に推定，把握することができる。つまり、低い温度で時間をかけて再生するよりも短時間で再生を完了させることができ、全体的な再生時間を短縮することができる。これにより、車両の燃費を向上させることができる。
また、調整するＨＣ添加量の演算において、排ガス，酸化触媒１及び外気間の熱量の移動を正確に把握することができ、入口目標温度ＴITを得るのに必要な総ＨＣ添加量ＱPを正確に算出することができる。つまり、外気温Ｔや酸化触媒１の温度ＴC，車両の走行状態等、演算条件の異なる状態に対しても、或いは、加減速等の外乱（ノイズ）を伴って演算条件が変動する過渡的な状態に対しても、正確にフィルタ２の再生制御を実施できる。
また、ＨＣ添加量の演算において、燃料量調節部４に予め設定されている定数パラメータは、排気の比熱ｄgと、酸化触媒１の比熱ｄcと、酸化触媒１の外気への熱伝達率ｋとの３種類のみである。つまり、熱量の移動に着目すれば、エンジン回転数やエンジントルクといったパラメータやこれらのパラメータに係る適合マップを用意しておかなくても、正確にＨＣ添加量を演算することができ、適合工数を減少させることができる。
［その他］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば上述の実施形態では、制御装置３においてフィルタ２の上流側の排ガス温度ＴIに基づいて、ＨＣ添加量のフィードバック制御が行われているが、このようなフィードバック制御については必須ではない。フィードバック制御を実施しない場合には、本装置から入口温度センサ５ａを取り除くことができる。
同様に、再生制御の終了判定についても、上記以外の手法を用いてもよい。例えば、フィルタ２の下流側の排ガス温度ＴOが出口温度設定部３ａで設定された出口目標温度ＴOTと等しくなると推定できる上流側の排ガス温度を終了判定温度として実験等で予め把握しておき、入口温度センサ５ａから入力されるフィルタ２の上流側の排ガス温度ＴIがこの終了判定温度と等しくなった（又は、終了判定温度を超えた）時点からカウンタの計時を開始するよう構成する。この場合、本装置から出口温度センサ５ｂを取り除くことができる。
また、上述の実施形態では、フィルタ２の下流側の排気温度の目標値（出口目標温度ＴOT）が予め設定された一定値（６５０°Ｃ）として設定されるようになっているが、これをエンジンＥの運転状態や車両の走行状態，外気温等の諸条件に応じて変更設定する構成としてもよい。これにより、諸条件に応じたきめの細かい温度管理が可能となり、再生効率をより高めることができる。
本排気浄化装置の構成を模式的に示すブロック構成図である。 本装置の制御装置における制御ブロック図である。 本装置の燃料量調節部における制御ブロック図である。 本装置の燃料量調節部における演算内容を示すブロック図であり、（ａ）はガス昇温演算部における演算ブロック図、（ｂ）は触媒昇温演算部における演算ブロック図、（ｃ）は放熱量演算部における演算ブロック図である。 本装置による再生制御の終了判定に係るフローチャートである。 本装置のフィルタの入口及び出口温度の変化を示すグラフである。 従来の排気浄化装置におけるフィルタの入口及び出口温度の変化を示すグラフである。
符号の説明
１ 酸化触媒
２ フィルタ
３ 制御装置
３ａ 出口温度設定部（出口温度設定手段）
３ｂ 損失熱量算出部（損失熱量算出手段）
３ｃ 排気流量算出部（排気流量算出手段）
３ｄ 入口温度設定部（入口温度設定手段）
４ 燃料量調節部（燃料量調節手段）
４ａ ガス昇温演算部（ガス昇温演算手段）
４ｂ 触媒昇温演算部（触媒昇温演算手段）
４ｃ 放熱量演算部（放熱量演算手段）
４ｄ 総未燃燃料量演算部（総未燃燃料量演算手段）
５ａ 入口温度センサ（入口温度検出手段）
５ｂ 出口温度センサ（出口温度検出手段）
６ 触媒入口温度センサ（触媒入口温度検出手段）
７ 触媒温度センサ（触媒温度検出手段）
８ 外気温センサ（外気温検出手段）
９ 車速センサ（車速検出手段）
１０ 排気通路

Claims (5)

  1. エンジンの排気通路上に介装された酸化触媒と、該排気通路上における該酸化触媒の下流側に介装されたフィルタと、を備えた排気浄化装置において、
    該排気通路における該フィルタの下流側の排気温度の目標値を出口目標温度として設定する出口温度設定手段と、
    該エンジンから排出される排気の該フィルタ内通過時に、該フィルタから該排気通路の外部へ放熱される損失熱量を算出する損失熱量算出手段と、
    該損失熱量によって低下する損失温度を該出口目標温度に加算した温度を、該フィルタの上流側の入口目標温度として設定する入口温度設定手段と、
    該フィルタの上流側の排気温度が該入口目標温度となるように、該酸化触媒へ供給される未燃燃料の供給量を調節する燃料量調節手段と、
    該排気通路の外部の気温を外気温として検出する外気温検出手段と、
    該エンジンから排出される排気の流量を検出又は算出する排気流量算出手段と、
    該車両の走行速度を検出する車速検出手段と、
    該酸化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
    該酸化触媒へ流入する前の排気温度を触媒入口排気温度として検出する触媒入口温度検出手段とを備え、
    該燃料量調節手段は、
    該エンジンから排出される排気の比熱と、該排気の流量，該入口目標温度及び該触媒入口排気温度とに基づき、該フィルタの上流側の排気を該入口目標温度まで昇温させるために必要な第１未燃燃料量を演算するガス昇温演算手段と、
    該酸化触媒の比熱と、該入口目標温度及び該酸化触媒の温度とに基づき、該酸化触媒を該入口目標温度まで昇温させるために必要な第２未燃燃料量を演算する触媒昇温演算手段と、
    該酸化触媒から該排気通路の外部への熱伝達率と、該酸化触媒の温度，該外部の気温及び該走行速度とに基づき、該酸化触媒から該排気通路の外部へ放熱される熱量相当の第３未燃燃料量を演算する放熱量演算手段と、
    該第１未燃燃料量，該第２未燃燃料量及び該第３未燃燃料量を合算して総未燃燃料量を演算し、該酸化触媒へ供給される未燃燃料の供給量を該総未燃燃料量に調節する総未燃燃料量演算手段と、を有する
    ことを特徴とする、排気浄化装置。
  2. 該排気通路における該フィルタの入口側の排気温度を検出する入口温度検出手段を備え、
    該燃料量調節手段は、該入口温度検出手段で検出された該入口側の排気温度に基づくフィードバック制御により、該未燃燃料の供給量を調節する
    ことを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
  3. 該燃料量調節手段は、該フィルタの全体が該出口目標温度よりも高温となった状態から予め設定された所定時間が経過したときに、該未燃燃料の供給を停止する
    ことを特徴とする、請求項１又は２記載の排気浄化装置。
  4. 該排気通路中における該フィルタの出口側の排気温度を検出する出口温度検出手段を備え、
    該燃料量調節手段は、該出口温度検出手段で検出された該出口側の排気温度が該出口目標温度と等しくなった時点から予め設定された所定時間が経過したときに、該未燃燃料の供給を停止する
    ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の排気浄化装置。
  5. 該排気通路の外部の気温を外気温として検出する外気温検出手段と、
    該エンジンから排出される排気の流量を検出又は算出する排気流量算出手段と、
    該車両の走行速度を検出する車速検出手段とを備え、
    該損失熱量算出手段は、該外気温，該排気の流量及び該走行速度に基づいて、該損失熱量を算出する
    ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の排気浄化装置。
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