JP4446840B2 - 堆積量推定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、堆積量推定装置に関する。
自動車等に搭載される内燃機関、特にディーゼル型内燃機関では、機関本体から排出される排気ガス中には煤およびＳＯＦ（可溶性有機物質）等の成分を含む微粒子（Particulate Matter）が含まれており、多くの内燃機関では微粒子を大気中に放出しないようにするために微粒子を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」と称す）が機関排気通路上に設けられている。
このようなフィルタでは、捕集された微粒子、特に煤がフィルタ上に堆積するとフィルタの目詰まりが発生することがある。目詰まりが発生すると、フィルタの排気上流において排気ガスの圧力が上昇し、機関出力の低下、燃費悪化等を招く。このため、多くのフィルタでは、排気温度やフィルタの温度を煤の燃焼温度にまで昇温することによりフィルタ上に堆積している煤を燃焼、除去する処理（以下、「フィルタの再生処理」と称す）を行うようにしている。これにより、煤の堆積によるフィルタの目詰まりの発生を抑制することができる。
ところが、フィルタ上に煤が多量に堆積した状態でフィルタの再生処理を行うと、堆積している煤が一気に燃焼し、フィルタが過昇温する虞がある。一方、フィルタ上に煤が少量しか堆積していない状態でフィルタの再生処理を行うと、燃費悪化を招くことになる。したがって、フィルタの再生処理を適切に行うためには、フィルタ上への煤堆積量を正確に把握することが必要とされる。
特開平０９−９４４３４号公報 特開２００３−１６６４１３号公報 特開２００３−１６６４１２号公報 特開２００３−２９３７３２号公報 特開２００３−１８４５３６号公報
ところで、フィルタに白金等の触媒を担持させると、触媒近傍においてフィルタに堆積した煤は触媒の酸化作用によりフィルタの温度等が上記煤燃焼温度に達しなくても煤酸化温度以上であれば酸化、除去される。このように触媒を担持させたフィルタの例が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載のフィルタでは、フィルタの隔壁表面上のみならずフィルタの隔壁の細孔表面上にも触媒が担持されている。したがって、フィルタ上、すなわちフィルタの隔壁表面上および細孔表面上に堆積した煤は、その近傍に触媒が担持されていれば、フィルタの温度が煤燃焼温度よりも低くても酸化せしめられる。このように、フィルタに触媒を担持させることにより、比較的低温から煤を酸化・除去することができる。
しかしながら、触媒による煤の酸化・除去はフィルタ全体に亘って均一に行われないことがある。この理由としては、例えば、排気温度の上昇等によりフィルタの温度が高くなった場合にフィルタ全体に温度差が生じることが多く、よってフィルタ上に堆積している煤の一部のみが触媒の酸化作用により酸化されることが挙げられる。
このような状況においては、フィルタ上への煤堆積量が同一であっても、フィルタの前後差圧は同一でない。すなわち、酸化される煤の量によって、および酸化された煤が堆積していたフィルタ上の領域によって、フィルタの前後差圧は異なるものとなる。したがって、この場合、フィルタの前後差圧を検出しても、検出したフィルタの前後差圧からフィルタ上への煤堆積量を正確に推定することは困難である。
そこで、特許文献２に記載の堆積量推定装置では、煤堆積量がフィルタの前後差圧の検出値に反映されない場合、すなわち、所定期間内におけるフィルタの前後差圧検出値の変化量が所定量未満である場合には、それまでのフィルタの前後差圧の履歴に基づいて煤堆積量を推定するようにしている。これにより、検出したフィルタの前後差圧からフィルタ上への煤堆積量の推定が困難なときであっても、フィルタ上への煤堆積量を推定することができるようになる。
しかしながら、上記特許文献２に記載の装置では、煤堆積量がフィルタの前後差圧検出値に反映されない場合においては、それまでのフィルタの前後差圧の履歴に基づいて煤堆積量を推定しているため、フィルタ上への煤堆積量の推定は正確なものではない。
したがって、上記特許文献２に記載の堆積量推定装置を用いてもなお煤堆積量を常に正確に推定することができる堆積量推定装置が望まれており、よって、本発明の目的は煤堆積量を常に正確に推定することができる堆積量推定装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気通路上に配置されると共に触媒を担持したフィルタと、該フィルタの前後差圧を検出すると共に該検出された前後差圧に基づいて上記フィルタ上への煤堆積量を推定する堆積量推定手段とを具備する堆積量推定装置において、上記フィルタ上に堆積している煤の酸化状態を検出する酸化状態検出手段と、上記フィルタの温度を触媒の酸化作用によって煤が酸化せしめられる煤酸化温度以上であって触媒の酸化作用なくして煤が燃焼する煤燃焼温度よりも低い温度にまで昇温して、上記フィルタに担持された触媒近傍において該フィルタ上に堆積している煤を強制的に酸化させる強制酸化手段とをさらに具備し、上記触媒近傍において上記フィルタ上に堆積している煤が部分的にのみ酸化されていることが上記酸化状態検出手段によって検出された場合には、上記堆積量推定手段は上記触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤を上記強制酸化手段によって酸化させてから煤堆積量を推定する。
第１の発明によれば、触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤が部分的にのみ酸化されている場合、すなわち、フィルタの前後差圧に基づいてフィルタ上への煤堆積量を推定するのが困難な場合に、強制酸化手段によって触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤が全て酸化され、その後フィルタの前後差圧に基づいて煤堆積量が推定せしめられる。触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤が全て酸化されると、フィルタの前後差圧に基づいてフィルタ上への煤堆積量を正確に推定することができるため、触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤が部分的にのみ酸化されている場合であってもフィルタ上への煤堆積量を正確に推定することができるようになる。
なお、「煤酸化温度」とは、触媒の酸化作用によって煤が酸化せしめられる温度であり、触媒の酸化作用なくして煤が燃焼する煤燃焼温度よりも低い温度である。「触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤」とは、フィルタの温度が煤酸化温度以上になると触媒の酸化作用によって酸化せしめられる程度に触媒に近接して堆積している煤を意味し、フィルタ上に堆積している全ての煤の一部である。
第２の発明では、第１の発明において、上記フィルタ上に堆積している煤がほとんどまたは全く酸化されていない場合における上記フィルタの前後差圧と煤堆積量との関係を示す未酸化時マップと、上記触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤がほとんどまたは全て酸化されている場合における上記フィルタの前後差圧と煤堆積量との関係を示す酸化時マップとをさらに具備し、上記堆積量推定手段は、上記フィルタ上に堆積している煤がほとんどまたは全く酸化されていないことが上記酸化状態検出手段によって検出された場合には上記検出されたフィルタの前後差圧に基づいて上記未酸化時マップを用いて煤堆積量を推定し、上記触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤がほとんどまたは全て酸化されていることが上記酸化状態検出手段によって検出された場合には上記検出されたフィルタの前後差圧に基づいて上記酸化時マップを用いて煤堆積量を推定し、上記触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤が部分的にのみ酸化されていることが上記酸化状態検出手段によって検出された場合には上記強制酸化手段によって煤を酸化させてから上記検出されたフィルタの前後差圧に基づいて上記酸化時マップを用いて煤堆積量を推定する。
フィルタ上に堆積している煤がほとんどまたは全く酸化されていない場合および触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤がほとんどまたは全て酸化されている場合には、フィルタの前後差圧と煤堆積量とは一定の関係を有する。このため、第２の発明では、これら場合には、検出されたフィルタの前後差圧に基づいてマップを用いて煤堆積量を推定するようにしている。
第３の発明では、第１または第２の発明において、上記酸化状態検出手段は上記フィルタの温度履歴に基づいて酸化状態を検出する。
フィルタ上に堆積している煤の酸化状態、すなわちフィルタ上に堆積している煤が全く酸化されていないか、触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤が部分的にのみ酸化されているか、または触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤が全て酸化されているかについては、フィルタの温度およびその温度の継続時間等に応じて変化する。第３の発明では、フィルタの温度履歴に基づいて酸化状態が検出されるため、煤の酸化状態を正確に検出することができる。
本発明では、触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤が部分的にのみ酸化されている場合、すなわちフィルタの前後差圧に基づいてフィルタ上への煤堆積量を推定するのが困難な場合であっても、強制酸化手段によって触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤が全て酸化されてからフィルタの前後差圧に基づいて煤堆積量が推定せしめられるため、煤堆積量が正確に推定される。この結果、本発明によれば、煤堆積量を常に正確に推定することができる。
以下、図面を参照して内燃機関に用いられる本発明の堆積量推定装置について説明する。図１は本発明の堆積量推定装置を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアクリーナ８に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置され、さらに吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための吸気冷却装置（インタークーラ）１０が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水が吸気冷却装置１０内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１１およびパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」と称す）１２を内蔵したケーシング１３に連結される。ケーシング１３の出口はマフラ１４に連結される。排気マニホルド５の集合部出口には排気マニホルド５内を流れる排気ガス中に例えば燃料を添加するための燃料添加装置１５が配置される。
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１６内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１７が配置される。また、ＥＧＲ通路１６周りにはＥＧＲ通路１６内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置（ＥＧＲクーラ）１８が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水がＥＧＲ冷却装置１８内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１９を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２０に連結される。このコモンレール２０内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１から燃料が供給され、コモンレール２０内に供給された燃料は各燃料供給管１９を介して燃料噴射弁３に供給される。
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの排気上流の吸気ダクト６には、この吸気ダクト６内を流れる吸入空気の流量を検出するためのエアフロメータ２２が取付けられ、またフィルタ１２の排気下流にはフィルタ１２を通過する排気ガスの温度を検出するための温度センサ２３が取付けられる。さらに、ケーシング１３にはフィルタ１２の排気上流側と排気下流側との間の差圧（以下、「前後差圧」と称す）を検出するための差圧センサ２４が取付けられる。これらエアフロメータ２２、温度センサ２３および差圧センサ２４の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば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４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁９駆動用ステップモータ、燃料添加装置１５、ＥＧＲ制御弁１７、および燃料ポンプ２１に接続される。
図２（Ａ）および（Ｂ）はフィルタ１２の構造を示す。なお、図２（Ａ）はフィルタ１２の正面図を示しており、図２（Ｂ）はフィルタ１２の側面断面図を示している。図２（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにフィルタ１２はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０、６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。したがって排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が四つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が四つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。
フィルタ１２は例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されており、したがって排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４の細孔内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。よって、フィルタ１２に流入した排気ガス中に含まれた微粒子は、排気ガスがフィルタ１２の隔壁６４に沿って流れる際に隔壁６４の表面上に付着するか、または排気ガスが隔壁６４の細孔内を通る際に隔壁６４の細孔表面上に付着することによりフィルタ１２に捕集される。
このようにしてフィルタ１２に捕集された微粒子が多くなると、隔壁６４の表面上および隔壁６４の細孔表面上（以下、これらをまとめて「フィルタ１２上」と称す）に微粒子が堆積し、やがてフィルタ１２の目詰まりが生じ、フィルタ１２に起因する排気ガスの圧力損失（以下、「圧損」と称す）が高くなる。フィルタ１２に起因する排気ガスの圧損の上昇はフィルタ１２の排気上流における排気ガスの圧力上昇を招き、その結果、機関出力の低下や燃費悪化等の問題が生じる。
このため、フィルタ１２を備える多くの内燃機関では、フィルタ１２上に堆積している微粒子、特に煤の量を推定し、推定された煤堆積量が予め定められた限界堆積量を超えた場合に、フィルタ１２を煤燃焼温度（例えば、約６００℃）にまで昇温させることによって、フィルタ１２上に堆積している煤を燃焼・除去するフィルタ１２の再生処理が行われる。これにより、微粒子、特に煤の堆積によるフィルタ１２の目詰まりの発生を抑制することができる。
なお、限界堆積量とは、フィルタ１２を煤燃焼温度にまで昇温させてもフィルタ１２上に堆積している煤が一気に燃焼してフィルタ１２が過昇温してしまうことがない範囲内で最も多い煤堆積量である。このように限界堆積量となるまでフィルタ上に煤を堆積させてからフィルタ１２の再生処理を行うことにより、フィルタ１２の過昇温によるフィルタ１２の溶損等を防止することができると同時に、後述するように燃料やエネルギを消費するフィルタ１２の再生処理の実行回数を少なくすることで燃費悪化を防止することができる。
フィルタ１２の再生処理を実行するに当たっては、フィルタ１２の温度を上昇させる昇温処理が行われ、フィルタ１２の温度が煤燃焼温度以上に維持される。具体的には、温度センサ２３によりフィルタ１２の排気下流における排気ガスの温度が検出され、この温度センサ２３の出力に基づいてフィルタ１２の温度が推定される。そして、推定されるフィルタ１２の温度が煤燃焼温度以上となるように、昇温処理のフィードバック制御が行われる。
昇温処理としては、例えば、以下の二つの処理が挙げられる。一つ目の昇温処理は、フィルタ１２に流入する排気ガスの温度を上昇させる処理（以下、排気昇温処理と称す）である。この排気昇温処理では、具体的には、内燃機関の燃焼室２に燃料を噴射するタイミングを遅らせたり、内燃機関の燃焼室２に機関駆動用の燃料を噴射した後に少量の燃料を噴射して燃焼させたり、フィルタ１２上流に電気ヒータやグロープラグを設け、これら電気ヒータまたはグロープラグを作動させたりすることによって、排気ガスの温度が上昇せしめられ、結果的に、フィルタ１２が昇温される。また、燃焼室２内に燃料を点火するための点火栓が設けられている場合には、この点火栓による燃料の点火タイミングを遅らせることによっても、排気ガスの温度を上昇させることができる。
二つ目の昇温処理は、フィルタ１２内で化学反応を起こさせて発熱させる処理（以下、発熱昇温処理と称す）である。この発熱昇温処理では、具体的には、内燃機関の燃焼室２に機関駆動用の燃料を噴射した後に少量の燃料を噴射し、その燃料を燃焼させずにそのまま燃焼室２から排出させたり、フィルタ１２の排気上流において排気ガスに燃料を添加する燃料添加装置１５を設け、この装置から排気ガスに燃料を添加したりして、燃料がフィルタ１２に供給され、これら燃料がフィルタ１２内にて燃焼せしめられることによってフィルタ１２が昇温される。
また、直噴型火花点火式内燃機関を用いている場合には、上記昇温処理以外にも、燃焼室２へのＥＧＲガスの流入を遮断すると共にスロットル弁９の開度を小さくし、燃焼室２内での燃焼形態を成層燃焼から均質燃焼へと切り替えることによって昇温処理が行われる。
ところで、フィルタ１２上への煤堆積量は正確に推定する必要がある。これは、上述したように、煤堆積量が増大し過ぎてフィルタの再生処理中にフィルタ１２が過昇温するのを防止するため、およびフィルタの再生処理の実行回数を少なくすることで燃費悪化を防止するためである。フィルタ１２上の煤堆積量の推定は、フィルタ１２に起因する排気ガスの圧損、すなわちフィルタ１２の前後差圧に基づいて行われる。これは、フィルタ１２上に煤が均一に堆積している場合には、フィルタ１２上の煤堆積量とフィルタ１２に起因する排気ガスの圧損との間に一定の関係があるためである。
図３（Ａ）の曲線ａは、フィルタ１２上に堆積している煤が全く燃焼および酸化されていない場合における煤堆積量と排気ガスの圧損との関係を示している。図３（Ａ）の曲線ａで示したように、フィルタ１２上の煤堆積量が多くなるにつれて、フィルタ１２に起因する圧損も大きくなる。特に、煤堆積量が少ないときには、煤堆積量の増加に対する圧損の上昇度合が大きいが、これは煤がフィルタ１２上にほとんど堆積していない状態では煤が隔壁６４の表面上よりも隔壁６４の細孔表面上に堆積し易く、且つ煤が隔壁６４表面上に堆積するよりも隔壁６４の細孔表面上に堆積した方が圧損が高くなり易いためである。
したがって、本実施形態では、煤堆積量を推定するにあたり、図３（Ａ）の曲線ａのような煤堆積量とフィルタ１２に起因する圧損との関係を予め実験によりまたは計算によって求め、マップ（以下、「未酸化時マップ」と称す）としてＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存しておく。そして、機関運転中においては、差圧センサ２４によって検出されたフィルタ１２の前後差圧に基づいて上記未酸化時マップを用いて煤堆積量が推定せしめられる。
ところで、本発明で用いられるフィルタ１２の隔壁６４の表面上および隔壁６４の細孔表面上にはアルミナ等を担体として、白金（Ｐｔ）等の触媒が担持されている。このような触媒には酸化作用があるため、フィルタ１２に担持されている各触媒近傍ではフィルタ１２に堆積している煤はフィルタ１２の温度が煤燃焼温度より低い煤酸化温度（例えば、約４５０℃〜５００℃）で酸化され、除去される。
したがって、フィルタ１２の温度が煤酸化温度以上にまで昇温されて、触媒近傍においてフィルタ１２上に堆積している煤が酸化せしめられている場合、フィルタ１２上への煤堆積量と圧損との関係は、図３（Ａ）の曲線ａに示した煤が全く燃焼および酸化されていない場合とは異なる一定の関係となる。すなわち、図３（Ａ）の曲線ｂで示したように、曲線ａの関係に比べて、煤堆積量に対する圧損が小さいと共に煤堆積量が少ないときの煤堆積量の増加に対する圧損の上昇度合も小さい。これは、フィルタ１２の隔壁６４の細孔表面上に堆積している煤の方が、隔壁６４の表面上に堆積している煤よりも触媒により酸化され易いことによる。すなわち、触媒を隔壁６４の表面上および隔壁６４内の細孔表面上に等間隔に分散させた場合、隔壁６４の表面が平坦面であるのに対して細孔表面が細孔を囲うような表面となっていることにより、結果的に、堆積している或る煤に対して一定半径内に位置する触媒の量が多く、煤と触媒が接触し易い。よって細孔表面上に堆積している煤の方が酸化され易い。
したがって、フィルタ１２の温度が煤酸化温度以上となっている場合には、煤堆積量を推定するにあたって上記未酸化時マップを用いることはできないが、このような場合であっても、フィルタ１２上に煤が均一に堆積している場合には、フィルタ１２上の煤堆積量とフィルタ１２に起因する排気ガスの圧損との間に一定の関係がある。このため、このような場合には、煤堆積量を推定するにあたり、図３（Ａ）の曲線ｂのような煤堆積量とフィルタ１２に起因する圧損との関係を予め実験によりまたは計算によって求め、マップ（以下、「酸化時マップ」と称す）としてＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存する。そして、使用時には、差圧センサ２４によって検出されたフィルタ１２の前後差圧に基づいて上記酸化時マップを用いて煤堆積量が推定せしめられる。
このように、本実施形態では、基本的に、フィルタ１２の温度が煤酸化温度よりも低い場合には、未酸化時マップを用いてフィルタ１２の前後差圧に基づいて煤堆積量を推定し、フィルタ１２の温度が煤酸化温度以上である場合には、酸化時マップを用いてフィルタ１２の前後差圧に基づいて煤堆積量を推定するようにしている。
ところが、フィルタ１２の温度が上記煤酸化温度に達していないながらも比較的高温（例えば、約３００℃〜４００℃）の状態が継続する場合、フィルタ１２上の煤の一部がフィルタ１２上に担持されている触媒の酸化作用によって酸化せしめられる。これは、フィルタ１２において温度や排気ガスの流速が局所的に高い領域が存在するためである。この場合、フィルタ１２上に堆積している煤はフィルタ１２全体に亘って均一に分布せず、フィルタ１２上の場所によって煤の堆積量にばらつきが生じる。
このような場合、酸化せしめられる煤の量およびフィルタ１２上において煤が酸化せしめられる場所は一定ではなく、したがってフィルタ１２上への煤堆積量とフィルタ１２に起因する圧損との関係も一定ではない。特に、フィルタ１２上の煤の一部が酸化せしめられるような場合には、上述したように隔壁６４の表面上に堆積している煤よりも隔壁６４内の細孔表面上に堆積している煤が酸化され易い。よって隔壁６４内の細孔表面上に堆積している煤から酸化せしめられることになるため、多少煤が酸化せしめられるだけでもフィルタ１２に起因する圧損が大きく低下することが多い。このため、フィルタ１２上の煤の一部が触媒によって酸化せしめられた場合には、煤堆積量を推定するにあたり、上記未酸化時マップを近似的に用いることができないばかりか、このような場合に対応するマップを作ることもできない。すなわち、フィルタ１２上の煤の一部が酸化せしめられている状態では、フィルタ１２上への煤堆積量を正確に推定するのは困難である。
そこで、本発明では、フィルタ１２上の煤の一部が酸化せしめられている場合には、昇温処理を行って強制的にフィルタ１２の温度を煤酸化温度以上にまで上昇させ、触媒近傍においてフィルタ１２上に堆積している煤全てを酸化させて、フィルタ１２上全体に亘って煤が均一に堆積するようにさせる（均一化処理）。その後、フィルタ１２の前後差圧に基づいて酸化時マップを用いて煤堆積量を推定する。
図４は、本発明を用いた場合におけるフィルタ１２の温度、フィルタ１２上への煤堆積量およびフィルタ１２に起因する排気ガスの圧損のタイムチャートの例である。まず、期間Ｉにおいて、フィルタ１２の温度は低い。このため、フィルタ１２上に煤が堆積しても煤は酸化および燃焼せず、よって煤堆積量が時間に応じて増大する。これに伴って、図３（Ａ）の曲線ａに沿って圧損が上昇する。期間Ｉにおいては、差圧センサ２４によって検出されたフィルタ１２の前後差圧に基づいて未酸化時マップを用いてフィルタ１２上への煤堆積量を正確に推定することができる。期間ＩＩでは、機関運転状態の変化によりフィルタ１２の温度が上昇し、上記煤酸化温度に達していないながらも比較的高温となる。これにより、フィルタ１２上に堆積している煤の一部が酸化せしめられる。このとき、図４の例においては、単位時間あたりに酸化せしめられる煤の量よりも単位時間あたりにフィルタ１２に捕集される煤の量の方が多いため、煤堆積量は増大する。一方、上述したようにフィルタ１２の隔壁６４内の細孔表面上の煤が酸化せしめられるため、フィルタ１２に起因する排気ガスの圧損が低下する。
フィルタ１２上に堆積している煤の一部が酸化せしめられているのが検出されると、期間ＩＩＩにおいて上述した昇温処理を行うことでフィルタ１２の温度を煤酸化温度にまで昇温させる均一化処理が行われる。これにより、フィルタ１２に担持されている触媒近傍においてフィルタ１２上に堆積している煤全てが酸化・除去せしめられ、これに伴ってフィルタ１２に起因する圧損が低下せしめられる。フィルタ１２に担持されている触媒近傍においてフィルタ１２上に堆積している煤が完全に酸化・除去されると、均一化処理が終了せしめられ、フィルタ１２の温度が低下すると共にフィルタ１２上への煤堆積量およびフィルタ１２に起因する圧損が再び増大せしめられる（期間ＩＶ）。このとき、煤はフィルタ１２上全体に亘って均一に堆積することとなっており、煤堆積量と圧損との関係は図３（Ａ）の曲線ｂ上の関係となる。したがって、期間ＩＶにおいては差圧センサ２４によって検出されたフィルタ１２の前後差圧に基づいて酸化時マップを用いてフィルタ１２上への煤堆積量を正確に推定することができるようになる。
フィルタ１２の温度が図４のように推移した場合におけるフィルタ１２上への煤堆積量とフィルタ１２に起因する排気ガスの圧損との関係の推移を図３（Ｂ）に示す。期間Ｉにおいてフィルタ１２の温度が低い場合には、図３（Ａ）の曲線ａに沿って煤堆積量の増加に伴って圧損が上昇し、期間ＩＩにおいてフィルタ１２の温度が煤酸化温度に達していないながらも比較的高温になると煤堆積量が増加しつつ圧損が低下せしめられる。次いで、期間ＩＩＩにおいて均一化処理によりフィルタ１２の温度が煤酸化温度にまで昇温せしめられると、煤堆積量が減少すると共に圧損も低下せしめられ、図３（Ａ）の曲線ｂ上に到達する。その後、均一化処理が終了せしめられると、期間ＩＶにおいて図３（Ａ）の曲線ｂに沿って煤堆積量の増加に伴って圧損が上昇する。
このように、本発明によれば、フィルタ１２上に堆積している煤の一部が酸化せしめられることにより未酸化時マップを用いて煤堆積量を推定することができなくなった場合に、均一化処理によりフィルタ１２の温度を煤酸化温度まで昇温して、触媒近傍においてフィルタ１２上に堆積している煤を全て酸化させて、フィルタ１２上全体に亘って煤が均一に堆積するようにさせることで、酸化時マップを用いて煤堆積量を推定することができるようになる。よって、機関運転中のほとんどの期間において未酸化時マップまたは酸化時マップを用いて煤堆積量を正確に推定することができる。
図５は、フィルタ１２上への煤堆積量を推定するための堆積量推定制御の制御ルーチンを示す。まず、ステップ１０１において、機関運転状態に関する各種パラメータが検出される。このようなパラメータとしては、機関負荷、機関回転数、吸入空気量、フィルタ１２の温度等が挙げられる。次いで、ステップ１０２において、ステップ１０１において検出された各種パラメータに基づいて機関運転状態が定常状態にあるか否かが判定される。ステップ１０２において、機関運転状態が定常状態にないと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられ、すなわちフィルタ１２上への煤堆積量の推定が行われない。すなわち、フィルタ１２に起因する排気ガスの圧損は、フィルタ１２上への煤堆積量のみならず排気ガス流量等の他のパラメータによっても変化する。このため、これらパラメータは機関運転状態が定常状態にないと大きく変動し、検出される圧損も変動してしまう。その結果、フィルタ１２上への煤堆積量の推定が正確に行われない。よって、機関運転状態が定常状態にないときにはフィルタ１２上への煤堆積量の推定が中止せしめられる。
一方、ステップ１０２において、機関運転状態が定常状態にあると判定された場合にはステップ１０３へと進む。ステップ１０３では、フィルタ１２上にＳＯＦ（有機性可溶物質）が付着しているか否かが判定され、ＳＯＦが付着している場合にはステップ１０４に進んでフィルタ１２上に付着しているＳＯＦを除去するＳＯＦ除去処理が行われる。ＳＯＦは、微粒子を構成する一つの物質であるが、微粒子の大部分を占める煤に比べて煤酸化温度が低く比較的低温（例えば、２５０℃〜３００℃。以下、「ＳＯＦ酸化温度」と称す）で酸化される。ＳＯＦもフィルタ１２上に付着すると、僅かながらもフィルタ１２に起因する圧損を増大させるため、ＳＯＦがフィルタ１２上に付着している状態にあると、圧損から煤堆積量を正確に推定するのが困難となる。このため、本実施形態では、ＳＯＦがフィルタ１２上に付着している場合には圧損の検出前に予め除去しておくようにしている。
なお、フィルタ１２上にＳＯＦが付着しているか否かの判断は、機関運転状態の履歴に基づいて行われる。例えば、フィルタ１２の温度が継続的に２５０℃〜３００℃となっている場合にはフィルタ１２上にＳＯＦが付着していないと判断される。また、ＳＯＦ除去処理は、例えば、昇温処理によってフィルタ１２の温度を上記ＳＯＦ酸化温度にまで昇温することによって行われる。
ステップ１０３においてＳＯＦが付着していないと判定された場合、またはステップ１０４においてＳＯＦ除去処理が行われた場合に、ステップ１０５へと進む。ステップ１０５では、フィルタの再生処理が行われてから均一化処理が実行されたか否かが判定される。均一化処理が実行されていないと判定された場合には、ステップ１０６へと進む。
ステップ１０６では、フィルタ１２上に堆積している煤の一部が酸化されたか否かが判定される。この判定は、フィルタ１２の温度履歴に基づいて行われる。例えば、フィルタ１２の温度が一定時間以上に亘って３００℃〜４００℃となっている場合に、フィルタ１２上に堆積している煤の一部が酸化されたと判断される。ステップ１０６において、フィルタ１２上に堆積している煤が全く酸化されていないと判定された場合には、ステップ１０７へと進み、未酸化時マップがロードされる。次いで、ステップ１０８において差圧センサ２４によって検出されたフィルタ１２の前後差圧に基づいてステップ１０７でロードされた未酸化時マップを用いて煤堆積量が推定される。
一方、ステップ１０６において、フィルタ１２上に堆積している煤の一部が酸化されたと判定された場合には、ステップ１０９へと進む。ステップ１０９では、フィルタ１２に担持された触媒近傍においてフィルタ１２上に堆積している煤が全て酸化されたか否かが判定される。この判定は、フィルタ１２の温度履歴に基づいて行われる。例えば、フィルタ１２の温度が一定時間以上に亘って煤酸化温度以上となっている場合に、触媒近傍においてフィルタ１２上に堆積している煤の全てが酸化されたと判断される。ステップ１０９で、触媒近傍においてフィルタ１２上に堆積している煤が部分的にのみ酸化されていると判定された場合には、ステップ１１０へと進む。ステップ１１０では、均一化処理が実行され、フィルタ１２の温度が所定時間に亘って煤酸化温度以上に維持され、ステップ１１１へと進む。一方、ステップ１０９において、触媒近傍においてフィルタ１２上に堆積している煤が全て酸化されたと判定された場合には、均一化処理を行う必要がないため、ステップ１１０をスキップして、ステップ１１１へと進む。
ステップ１１１では、酸化時マップがロードされる。次いで、ステップ１０８では、ステップ１０８において差圧センサ２４によって検出されたフィルタ１２の前後差圧に基づいてステップ１１１でロードされた酸化時マップを用いて煤堆積量が推定される。
なお、上記説明では、フィルタ１２に起因する排気ガスの圧損は、フィルタ１２上への煤堆積量のみに基づいて変化するように説明しているが、実際には煤堆積量以外にも排気ガスの流量等に基づいて変化する。したがって、マップも実際には、煤堆積量および排気ガスの流量等と、圧損との関係を示すマップが用いられる。
本発明の堆積量推定装置を備えた内燃機関全体を示す図である。 パティキュレートフィルタの構造を示す図である。 煤堆積量と圧損との関係を示す図である。 フィルタの温度、煤堆積量および圧損のタイムチャートである。 フィルタ上への煤堆積量を推定するための堆積量推定制御のフローチャートである。
符号の説明
１ 機関本体
２ 燃焼室
３ 燃料噴射弁
４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
１１ 酸化触媒
１２ パティキュレートフィルタ
１４ マフラ
２２ エアフロメータ
２３ 温度センサ
２４ 差圧センサ
３０ ＥＣＵ

Claims (3)

  1. 機関排気通路上に配置されると共に触媒を担持したフィルタと、該フィルタの前後差圧を検出すると共に該検出された前後差圧に基づいて上記フィルタ上への煤堆積量を推定する堆積量推定手段とを具備する堆積量推定装置において、
    上記フィルタ上に堆積している煤の酸化状態を検出する酸化状態検出手段と、
    上記フィルタの温度を触媒の酸化作用によって煤が酸化せしめられる煤酸化温度以上であって触媒の酸化作用なくして煤が燃焼する煤燃焼温度よりも低い温度にまで昇温して、上記フィルタに担持された触媒近傍において該フィルタ上に堆積している煤を強制的に酸化させる強制酸化手段とをさらに具備し、
    上記触媒近傍において上記フィルタ上に堆積している煤が部分的にのみ酸化されていることが上記酸化状態検出手段によって検出された場合には、上記堆積量推定手段は上記触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤を上記強制酸化手段によって酸化させてから煤堆積量を推定する堆積量推定装置。
  2. 上記フィルタ上に堆積している煤がほとんどまたは全く酸化されていない場合における上記フィルタの前後差圧と煤堆積量との関係を示す未酸化時マップと、上記触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤がほとんどまたは全て酸化されている場合における上記フィルタの前後差圧と煤堆積量との関係を示す酸化時マップとをさらに具備し、
    上記堆積量推定手段は、上記フィルタ上に堆積している煤がほとんどまたは全く酸化されていないことが上記酸化状態検出手段によって検出された場合には上記検出されたフィルタの前後差圧に基づいて上記未酸化時マップを用いて煤堆積量を推定し、上記触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤がほとんどまたは全て酸化されていることが上記酸化状態検出手段によって検出された場合には上記検出されたフィルタの前後差圧に基づいて上記酸化時マップを用いて煤堆積量を推定し、上記触媒近傍においてフィルタ上に堆積している煤が部分的にのみ酸化されていることが上記酸化状態検出手段によって検出された場合には上記強制酸化手段によって煤を酸化させてから上記検出されたフィルタの前後差圧に基づいて上記酸化時マップを用いて煤堆積量を推定する請求項１に記載の堆積量推定装置。
  3. 上記酸化状態検出手段は上記フィルタの温度履歴に基づいて酸化状態を検出する請求項１または２に記載の堆積量推定装置。
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