JP4506978B2

JP4506978B2 - 排気浄化装置

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Publication number: JP4506978B2
Application number: JP2005364836A
Authority: JP
Inventors: 功次佐竹; 哲朗石田; 裕樹谷口
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: JP2007170194A

Description

本発明はエンジンの排気浄化装置に関し、より詳しくはエンジンの排気中に含まれるパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置に関する。

従来より、ディーゼルエンジン等のエンジンの排気通路にパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）を設け、エンジンから排出される排気中に含まれるパティキュレート（以下ＰＭという）をフィルタで捕集し、ＰＭが大気中に放出されないようにした排気浄化装置が知られている。
図７は、このような排気浄化装置に使用されるＰＭ補修用のフィルタの例としてその一部を示した模式図であり、図８は図７のフィルタの一部を拡大した図である。図７に示すようにフィルタ１０２は、上流側と下流側とを連通する通路１０２ａが多数並設されると共に通路１０２ａの上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されたセラミック担体１０２ｂからなり、図８に示すようにセラミック担体１０２ｂには内部に多数の細孔１０２ｃが形成されている。

このようなフィルタ１０２の上流側からエンジンの排気１０４が通路１０２ａ内に供給され、セラミック担体１０２ｂ内の細孔１０２ｃ内を流通して下流側に排出されることにより、排気中のＰＭがフィルタ１０２に堆積していく（図７中の符号１０６）。
フィルタにより排気中のＰＭの捕集を継続して行うことによって、捕集したＰＭがフィルタ内に次第に堆積していくと、これに伴って徐々に排気抵抗が増大する。フィルタへのＰＭ堆積量が相当量に達すると、フィルタが目詰まりを起こしてフィルタの圧損によるエンジンの出力低下を無視することができなくなり、更にこれを放置すると最終的には排気流路が閉塞されてしまうことになるため、堆積したＰＭを何らかの方法で適宜焼却除去してフィルタの再生を行う必要があるが、フィルタの再生方法には連続再生と強制再生とがある。

フィルタの連続再生は、フィルタの上流側に配設した酸化触媒によって排気中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化させることによりＮＯ_２（二酸化窒素）を生成し、このＮＯ_２や排気中に含まれるＯ_２（酸素）を酸化剤として用いることにより、フィルタに堆積したＰＭを酸化させて連続的に除去するものである。
また、上述のような連続再生はエンジンの運転状態によって影響を受けるため、連続再生だけではフィルタに堆積したＰＭを十分に除去することができない。そこで、フィルタに堆積したＰＭを強制的に焼却して除去するために強制再生が行われる。強制再生の方法としては、排気通路に設けた燃料添加弁から排気中にＨＣを供給したり、エンジンの膨張行程や排気行程で気筒内に追加燃料を噴射することにより排気通路にＨＣを供給したりして、ＰＭが燃焼可能な温度まで排気温度を上昇させることが知られている。

このような強制再生は、フィルタへのＰＭ堆積量が所定量を超えたと推定されるときに実施するようにしているが、ＰＭ堆積量の推定が精度よく行われないと、必要以上にフィルタの強制再生が実施されることにより燃料が過剰に消費されて燃費の悪化を招いたり、不十分な強制再生によりフィルタが目詰まりを起こしたりするといった問題が生じる可能性がある。

フィルタへのＰＭ堆積量の推定は、フィルタ前後の排気の差圧に基づいて行うのが一般的であるが、より正確なＰＭ堆積量の推定を行うため、エンジンによるＰＭ生成量とフィルタにおけるＰＭ燃焼速度とに基づき、フィルタに堆積しているＰＭ量を推定するようにした排気浄化装置が特許文献１により提案されている。
特許文献１の排気浄化装置によれば、フィルタにおけるＰＭ燃焼速度はフィルタ温度やフィルタに流入する排気中のＮＯｘ濃度やＯ_２濃度によって変化するため、これらフィルタ温度、ＮＯｘ濃度及びＯ_２濃度によって補正した燃焼速度を用いてＰＭ堆積量の推定が行われる。
特開２００２−９７９３０号公報

フィルタにおけるＰＭの堆積は、フィルタに形成されている細孔内への堆積とフィルタ表面への堆積とがあり、細孔内への堆積が先に行われ、細孔内へのＰＭ堆積が飽和した後にフィルタ表面への堆積が行われる。また、ＰＭの燃焼は細孔内のＰＭから先に行われ、細孔内のＰＭが完全に燃焼してからフィルタ表面のＰＭが燃焼し、フィルタ表面のＰＭが完全に燃焼した後でなければ細孔内へのＰＭ堆積が再び行われない。

このように、フィルタにおけるＰＭの堆積及び燃焼の形態は、細孔内とフィルタ表面とで相違しており、上記特許文献１の排気浄化装置のように、単にフィルタ温度、ＮＯｘ濃度及びＯ_２濃度によって補正したＰＭの燃焼速度を用いるだけでは、細孔内のＰＭ燃焼量を推定できずＰＭ堆積量を正確に推定することが困難である。
また、従来の一般的な手法であるフィルタ前後の差圧に基づくＰＭ堆積量の推定においても、このようなフィルタにおけるＰＭの堆積及び燃焼の形態の相違があるため、単に差圧を用いた一義的なＰＭ堆積量の推定を行うだけでは正確なＰＭ堆積量を得ることができない。

具体的に図５を用いて説明する。図５はフィルタ前後の差圧とフィルタの全ＰＭ推定量との関係を示す。実線は細孔内にＰＭが飽和した状態で、一点鎖線は細孔内にＰＭが堆積していない状態のものである。例えば差圧がＰｄであった場合、細孔内にＰＭが飽和した状態ではＰＭ堆積量はｉ点に対応したＰＭ３となるが、細孔内のＰＭが完全に燃焼した状態ではＰＭ堆積量はｈ点に対応したＰＭ２となり、同じ差圧でも細孔内のＰＭ堆積量に応じて、ＰＭの推定堆積量に極めて大きな誤差が生じてしまうことになる。

このように、細孔内及びフィルタ表面の両方にＰＭが堆積している状態では、細孔内のＰＭ堆積量を正確に把握しないと、フィルタの全ＰＭ堆積量を正確に求めることができないという問題がある。
また、細孔内のＰＭ堆積量を求める上で必要となる細孔内でのＰＭ燃焼量は細孔内のＰＭ燃焼速度によって変化するが、ＰＭ燃焼速度はフィルタのＰＭ堆積量によって変動するため、予め定めた特定のＰＭ燃焼速度を用いて細孔内のＰＭ堆積量を推定したのでは、依然としてフィルタへの全ＰＭ堆積量を正確に求めることができないという問題がある。

なお、フィルタ表面にＰＭが堆積した状態で細孔内に再びＰＭが堆積することはないため、細孔内のＰＭが完全に燃焼した後は、フィルタ表面のＰＭの堆積及び燃焼によるＰＭ堆積量の変化に伴い、図５中のａ点とｆ点とを結ぶ一点鎖線上で差圧が変化することになる。従って、この状態ではフィルタ前後の差圧に基づきＰＭ堆積量を正確に推定することが可能となる。

以上のように、一般的な差圧に基づくＰＭ堆積量の推定においても、フィルタの表面と細孔におけるＰＭの堆積及び燃焼の形態の相違により、必ずしも正確にＰＭ堆積量を推定することができない。
このため、必要以上にフィルタの強制再生が実施されることにより燃料が過剰に消費されて燃費の悪化を招いたり、不十分な強制再生によりフィルタが目詰まりを起こしたりするといった問題が依然として生じる可能性がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フィルタへのＰＭ堆積量を正確に推定して、フィルタの再生を効率良く的確に行うことができる排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気通路に配設されたフィルタにより捕集されて堆積しているパティキュレートの全堆積量を繰り返し推定する排気浄化装置において、排気を細孔内に流通させることにより細孔内及び表面に排気中のパティキュレートを捕集して堆積させるフィルタと、上記フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段と、上記フィルタ温度検出手段によって検出された上記フィルタの温度に基づく上記細孔内におけるパティキュレートの基本燃焼量を、前回推定した上記フィルタの全パティキュレート堆積量に基づき補正して上記細孔内のパティキュレート燃焼量を求める燃焼量演算手段と、上記燃焼量演算手段によって求められた上記パティキュレート燃焼量に基づき、上記フィルタへの全パティキュレート堆積量を推定する堆積量推定手段とを備えたことを特徴とする（請求項１）。

このように構成された本発明の排気浄化装置によれば、フィルタにより捕集されて堆積しているパティキュレートの全堆積量を繰り返し推定する際に、フィルタの温度に基づくフィルタの細孔内におけるパティキュレートの基本燃焼量を、前回推定したフィルタの全パティキュレート堆積量に基づき補正して細孔内のパティキュレート燃焼量を求める。そして、このようにして求められた細孔内のパティキュレート燃焼量に基づき、フィルタへのパティキュレート堆積量を推定する。

また、上記排気浄化装置において、上記フィルタの前後の差圧を検出する差圧検出手段を更に備え、上記堆積量推定手段は、予め設定された上記差圧と上記フィルタへのパティキュレート堆積量との関係と、上記差圧検出手段によって検出された上記差圧とに基づき、上記フィルタへの全パティキュレート堆積量を推定するものであって、上記燃焼量演算手段によって求められた上記細孔内での上記パティキュレート燃焼量に応じて上記差圧と上記フィルタへのパティキュレート堆積量との関係を補正することを特徴とする（請求項２）。

このように構成された排気浄化装置によれば、予め設定されたフィルタ前後の差圧とフィルタへのパティキュレート堆積量との関係を、細孔内でのパティキュレート燃焼量に応じて補正し、補正後の上記関係とフィルタ前後の差圧とに基づきフィルタへの全パティキュレート堆積量を推定する。
更に、上記排気浄化装置において、上記堆積量推定手段は、上記フィルタの表面と上記細孔内の両方にパティキュレートが堆積しているときにのみ上記細孔内での上記パティキュレート燃焼量に基づく上記差圧と上記フィルタへのパティキュレート堆積量との関係の補正を行うことを特徴とする（請求項３）。

このように構成された排気浄化装置によれば、フィルタの細孔内におけるパティキュレートの燃焼量に基づく差圧とフィルタへのパティキュレート堆積量との関係の補正は、フィルタの表面と細孔内の両方にパティキュレートが堆積しているときにのみ行われる。

本発明の排気浄化装置によれば、フィルタにより捕集されて堆積しているパティキュレートの全堆積量を繰り返し推定する際に、フィルタの温度に基づくフィルタの細孔内におけるパティキュレートの基本燃焼量を、前回推定したフィルタの全パティキュレート堆積量に基づき補正することにより細孔内でのパティキュレート燃焼量を求めるようにしたので、細孔内におけるパティキュレートの燃焼量を正確に推定することができ、その結果として細孔内に堆積したパティキュレートの量を正確に推定することが可能となる。

また、フィルタ前後の差圧に基づきフィルタへのパティキュレート堆積量を推定する場合、パティキュレートの推定量に大きな影響を及ぼす細孔内のパティキュレート堆積量が正確に得られているため、フィルタへの全パティキュレート堆積量も正確に推定することが可能となる。
また、このようにフィルタへの全パティキュレート堆積量を正確に推定することによって、フィルタの強制再生を適切な時期に行うことが可能となり、必要以上に強制再生を行って燃費が悪化したり、不十分な強制再生の実施によりフィルタに目詰まりが発生したりするといった不具合も防止することが可能となる。

また、前述したようにフィルタ前後の差圧に基づくパティキュレート堆積量の推定は、フィルタの表面と細孔内の両方にパティキュレートが堆積しているときに大きな誤差が生じやすく、それ以外の場合には細孔内でのパティキュレート燃焼量に基づく補正を行わずに正確な堆積量の推定が可能であるが、フィルタの表面と細孔内の両方にパティキュレートが堆積しているときにのみ、フィルタの細孔内におけるパティキュレート燃焼量に基づく全パティキュレート堆積量の推定を行うようにすれば、必要以上に余分な処理が行われることがなく、パティキュレート堆積量を推定するための処理を迅速に行うことが可能となる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用された４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）の全体構成図を示しており、図１に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
エンジン１は各気筒に共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、図示しない燃料噴射ポンプから供給されてコモンレール２に蓄えられた高圧の燃料である軽油を各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒の燃焼室６内に燃料が噴射される。

エアクリーナ８から吸入された吸気は、吸気通路１０に装備されたターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａへと流入し、コンプレッサ１２ａで過給された吸気はインタークーラ１４及び吸気制御弁１６を介して吸気マニホールド１８に導入される。インタークーラ１４はエンジン１の吸気効率を向上させるために吸気を冷却するものである。また、吸気制御弁１６はエンジン１への吸入空気量を制御するためのものであり、エンジン１の排気温度を上昇させる必要があるときなどに閉弁方向に制御され、通常は全開位置に制御される。

吸気マニホールド１８に導入された吸気は、図示しないカムによって開閉駆動される吸気弁２０の開弁時に燃焼室６内に導入される。なお、エアクリーナ８とコンプレッサ１２ａとの間の吸気通路１０には、エンジン１への吸入空気量を検出するためのエアフローセンサ２２が設けられている。
インジェクタ４から噴射された燃料は燃焼室６内に導入された吸気と混合し、上昇するピストン２４によって圧縮されることにより圧縮着火し、そのときの爆発力によってピストン２４を押し下げクランク軸２６を回転させる。

燃焼室６内での燃料の燃焼によって生じた排気は、図示しないカムによって開閉駆動される排気弁２８の開弁時に燃焼室６から排気マニホールド３０へと排出され、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂを経て排気管３２に流入する。タービン１２ｂの回転軸はコンプレッサ１２ａの回転軸と連結されており、タービン１２ｂが排気マニホールド３０から流入する排気を受けてコンプレッサ１２ａを駆動する。なお、排気マニホールド３０と吸気マニホールド１８との間には、ＥＧＲ弁３４を介して排気マニホールド３０と吸気マニホールド１８とを連通するＥＧＲ通路３６が設けられている。

排気管３２は排気後処理装置３８に接続されており、エンジン１から排出された排気が排気後処理装置３８に流入し、排気後処理装置３８によって浄化された排気が図示しない消音装置を経た後に大気中に排出されるようになっている。
排気後処理装置３８は、上流側ケーシング４０と、上流側ケーシング４０の下流側に連通路４２で連通された下流側ケーシング４４とで構成される。上流側ケーシング４０内には酸化触媒４６が収容され、下流側ケーシング４４内には、排気中のパティキュレート（以下ＰＭという）を捕集するパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）４８が収容されている。

酸化触媒４６は、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成し、このＮＯ_２を酸化剤としてフィルタ４８に供給するものである。また、フィルタ４８は、内部に細孔が多数形成されているセラミック担体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されている。
このように酸化触媒４６とフィルタ４８とを配置することにより、フィルタ４８に捕集され堆積しているＰＭは、酸化触媒４６から供給されたＮＯ_２や排気中のＯ_２と反応して酸化し、フィルタ４８の連続再生が行われるようになっている。

排気後処理装置３８の入口近傍には排気後処理装置３８に流入する排気、即ち酸化触媒４６に流入する排気の温度を検出する入口側排気温度センサ５０が設けられており、排気後処理装置３８の出口側には排気後処理装置３８から流出する排気、即ちフィルタ４８から流出する排気の温度を検出する出口側排気温度センサ（フィルタ温度検出手段）５２が設けられている。

更に、フィルタ４８の上流側となる連通路４２で分岐した上流側分岐通路５４と、フィルタ４８の下流側で分岐した下流側分岐通路５６とが差圧センサ（差圧検出手段）５８に接続されており、差圧センサ５８によりフィルタ４８前後の差圧が検出される。
ＥＣＵ６０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うと共に、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。

ＥＣＵ６０の入力側には、各種制御に必要な情報を収集するために、上述したエアフローセンサ２２、入口側排気温度センサ５０、出口側排気温度センサ５２、及び差圧センサ５８のほか、エンジン回転数を検出する回転数センサ６２、及びアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ６４などの各種センサ類が接続されており、出力側には演算した制御量に基づき制御が行われる各気筒のインジェクタ４、吸気制御弁１６及びＥＧＲ弁３４などの各種デバイス類が接続されている。

エンジン１の各気筒への燃料供給量の演算、及び演算した燃料供給量に基づくインジェクタ４からの燃料供給制御もＥＣＵ６０によって行われる。エンジン１の運転に必要な燃料供給量（主噴射量）、即ちエンジン１によるトルクの発生に必要な燃料供給量は、回転数センサ６２によって検出されたエンジン回転数とアクセル開度センサ６４によって検出されたアクセルペダル踏込量とに基づき、予め記憶しているマップから読み出して決定する。各気筒に供給される燃料の量は、インジェクタ４の開弁時間によって調整され、決定された燃料量に対応した駆動時間で各インジェクタ４が開弁駆動され、各気筒の燃焼室６内に主噴射が行われることにより、エンジン１の運転に必要な燃料量が供給される。

このように構成されたエンジン１の排気浄化装置では、酸化触媒４６から供給されるＮＯ_２や排気中のＯ_２を酸化剤として用いた連続再生により、フィルタ４８に堆積したＰＭの除去が行われるが、エンジン１の排気温度が低い運転状態、例えば低速、低負荷運転などでは排気温度が酸化触媒４６の活性化温度まで上昇せず、排気中のＮＯが酸化されずに連続再生が行われない場合がある。このような状態が継続すると、フィルタ４８内にＰＭが過剰に堆積し、フィルタ４８が目詰まりを起こすおそれがあるため、フィルタ４８におけるＰＭの堆積状況に応じて、適宜強制再生が行われる。

フィルタ４８を強制再生するための強制再生制御は、図２のフローチャートに従い、ＥＣＵ６０によって所定の制御周期で行われる。
まず、図２のステップＳ２において、強制再生フラグＦ１の値が１であるか否かを判定する。強制再生フラグＦ１は強制再生が必要であるか否かを示すものであり、値が１であると強制再生が必要であり、値が０であると強制再生が不要であることを示す。強制再生フラグＦ１の初期設定値は０となっており、最初の制御周期ではステップＳ２からステップＳ４へと進む。

ステップＳ４ではフィルタ４８の強制再生が必要であるか否かの判定を行う。具体的には、後述する堆積量推定制御によって推定したフィルタ４８の全ＰＭ堆積量が、予め設定された強制再生開始判定値以上である場合に、強制再生が必要であると判断している。
ＰＭの推定堆積量が強制再生開始判定値未満である場合は、現時点での強制再生が不要であると判定し、この制御周期を終了し、次の制御周期において再びステップＳ２から処理を行う。

一方、強制再生が必要と判断した場合にはステップＳ６に進み、強制再生フラグＦ１の値を１とすることにより強制再生が必要であることを示すように変更し、次のステップＳ８に進む。
ステップＳ８では、入口側排気温度センサ５０によって検出された酸化触媒４６に流入する排気の温度Ｔｉｎが２５０℃以上であるか否かを判定することにより、酸化触媒４６が活性化しているか否かを判定する。

酸化触媒４６に流入する排気の温度Ｔｉｎが２５０℃未満である場合には、酸化触媒４６が活性化していないものとしてステップＳ１０に進み、酸化触媒４６の昇温制御が行われる。この昇温制御は、酸化触媒４６に高温の排気を供給することにより、酸化触媒４６の温度を活性化温度（例えば２５０℃）まで昇温するものであり、吸気制御弁１６を閉方向に制御して排気温度を上昇させると共に、必要に応じ各気筒の膨張行程においてインジェクタ４から燃焼室６内に第１の追加燃料噴射を行う。第１の追加燃料の噴射タイミングは、膨張行程終期よりも比較的早期であって、このようなタイミングで追加燃料を燃焼室６内に噴射することにより、追加燃料は燃焼室６内の高温の燃焼ガスと混合して、排気ポートや排気マニホールド３０内で燃焼し、高温の排気が酸化触媒４６に供給されることにより、酸化触媒４６の温度が上昇する。

次にステップＳ１８に進むと、ステップＳ４の時と同様に、後述の堆積量推定制御によって推定したフィルタ４８の全ＰＭ堆積量が、予め設定された強制再生終了判定値以下であるか否かの判定を行う。
上述のように酸化触媒４６はまだ十分活性化していない状況であるためＰＭの焼却は行われておらず、ＰＭの推定堆積量は強制再生終了判定値より大であると判定されて今回の制御周期を終えるので、次の制御周期で再びステップＳ２から強制再生制御が行われる。

この場合、既に強制再生フラグＦ１の値は１となっているので、ＥＣＵ６０による処理はステップＳ２からステップＳ８へ進むことになる。
ステップＳ８で、酸化触媒４６に流入する排気の温度Ｔｉｎが２５０℃未満で酸化触媒４６が依然として活性化していないと判定した場合には、再びステップＳ１０で吸気制御弁１６の閉方向への制御と第１追加燃料の噴射による触媒昇温制御が行われる。従って、酸化触媒４６に流入する排気の温度Ｔｉｎが２５０℃未満で、酸化触媒４６が活性化していない間は、制御周期ごとにステップＳ１０による触媒昇温制御が繰り返し行われる。

このようにして触媒昇温制御が繰り返され、酸化触媒４６に流入する排気の温度Ｔｉｎが２５０℃以上になって酸化触媒４６が活性化したと判定すると、ＥＣＵ６０による処理はステップＳ８からステップＳ１２へ進むようになる。
ステップＳ１２では、出口側排気温度センサ５２によって検出されたフィルタ４８出口側の排気温度Ｔｏｕｔに基づき、フィルタ４８の温度が所定温度以上であるか否かが判定される。この所定温度は、フィルタ４８でＰＭが最も効率よく燃焼する温度であり、本実施形態では６００℃を所定温度とし、出口側排気温度センサ５２によって検出されたフィルタ４８出口側の排気温度Ｔｏｕｔをフィルタ４８の温度と見なしている。

ステップＳ１２でフィルタ４８出口側の排気温度Ｔｏｕｔが６００℃以上であると判定するとステップＳ１４に進み、排気温度Ｔｏｕｔが６００℃未満であると判定するとステップＳ１６に進む。
ステップＳ１４及びＳ１６は、フィルタ４８の温度を６００℃に維持するように、インジェクタ４から第２の追加燃料を各気筒の燃焼室６内に噴射するものであって、第２の追加燃料は排気行程で噴射されるようになっている。このような噴射タイミングで第２の追加燃料が燃焼室６内に噴射されることにより、第２の追加燃料は燃焼室６内や排気マニホールド３０内で燃焼することなく酸化触媒４６に達し、活性化温度にある酸化触媒４６で燃料のＨＣが酸化される。このＨＣの酸化による排気温度の上昇によってフィルタ４８の温度が６００℃まで上昇し、フィルタ４８に堆積したＰＭが焼却される。

第２の追加燃料の噴射量は、回転数センサ６２によって検出されたエンジン回転数とＥＣＵ６０で決定される主噴射量とをパラメータとするマップに記憶されており、このマップは第２の追加燃料噴射量が比較的多めに設定された増量マップと、比較的少なめに設定された減量マップの２種類が用意されている。そして、ステップＳ１４ではフィルタ４８出口側の排気温度Ｔｏｕｔが６００℃以上であるため、減量マップを用いて比較的少なめの第２の追加燃料を噴射し、ステップＳ１６ではフィルタ４８出口側の排気温度Ｔｏｕｔが６００℃未満であるため、増量マップを用いて比較的多めの第２の追加燃料を噴射するようにしている。これによってフィルタ４８の温度が６００℃前後に維持され、フィルタ４８に堆積したＰＭが良好に焼却除去される。

ステップＳ１４又はＳ１６で第２の追加燃料を噴射するとステップＳ１８に進み、前述したように、ＰＭの推定堆積量が強制再生終了判定値以下であるか否かを判定する。ＰＭの推定堆積量が強制再生終了判定値より大である場合には、依然としてフィルタ４８の強制再生が必要であると判断し、この制御周期を終えて、次の制御周期で再びステップＳ２から制御を行う。従って、ＰＭの推定堆積量が強制再生終了判定値より大である限り、ステップＳ１４又はＳ１６によるフィルタ４８の昇温により、フィルタ４８に堆積しているＰＭの焼却除去が行われることになる。

一方、フィルタ４８に堆積していたＰＭが焼却除去され、ＰＭの全推定堆積量が強制再生終了判定値以下となり、ステップＳ１８でフィルタ４８の強制再生が完了したと判断されると、ステップＳ２０に進み強制再生フラグＦ１の値を０として、今回の制御周期を終了する。
ステップＳ２０により強制再生フラグＦ１の値が０になると、次の制御周期ではステップＳ２からステップＳ４へと処理が進むので、再びフィルタ４８の強制再生が必要となるまでは、ステップＳ２からステップＳ４の処理が繰り返され、制御周期毎に強制再生の要否が判断される。

次に、上述した強制再生制御のステップＳ４における強制再生の要否判定やステップＳ１８における強制再生の完了判定で使用するフィルタ４８の全ＰＭ堆積量を推定するための堆積量推定制御について以下に説明する。
堆積量推定制御は、図３のフローチャートに従い、ＥＣＵ６０によって所定の制御周期で行われる。なお、ここではフィルタ４８にＰＭが全く堆積していない状態から制御が開始されたものとする。

まず、ステップＳ１０２では表面堆積フラグＦ２の値が１であるか否かを判定する。フィルタ４８へのＰＭの堆積は、図８に基づいて前述したようにフィルタ４８表面への堆積（図８中の符号１０６ａの部分に相当）と、フィルタ４８の細孔内への堆積（図８中の符号１０６ｂの部分に相当）とがあり、表面堆積フラグＦ２はその値が１であることによって、フィルタ４８の表面にＰＭが堆積していることを示すものである。表面堆積フラグＦ２の初期値は０となっており、処理はステップＳ１０２からステップＳ１０４へと進む。

ステップＳ１０４では、差圧センサ５８によって検出されたフィルタ４８前後の差圧に基づき、フィルタ４８の表面へのＰＭ堆積があるか否かを判定する。
前述したように、フィルタ４８へのＰＭの堆積はまず細孔内で行われ、細孔内へのＰＭ堆積が飽和するとフィルタ４８表面への堆積が始まる。このときのフィルタ４８への全ＰＭ堆積量とフィルタ４８前後の差圧との関係は図５に示すとおりであって、フィルタ４８にＰＭが堆積していない状態から徐々にＰＭの堆積が行われると、細孔内へのＰＭの堆積に伴い、図５のａ点から実線に沿って差圧が上昇していく。そして、ｂ点で細孔内へのＰＭの堆積が飽和すると、その後はフィルタ４８表面へのＰＭの堆積に伴い、それまでよりも緩やかにｃ点に向け実線に沿って差圧が上昇していく。従って、ｂ点に対応する差圧を予め実験等で把握して記憶しておけば、差圧センサ５８によって検出されたフィルタ４８前後の差圧がｂ点に対応した差圧に達したか否かでフィルタ４８の表面へのＰＭ堆積が開始されたか否かを判定することができる。

フィルタ４８にＰＭが堆積していない状態から制御が開始されたことを前提としているので、当初はフィルタ４８前後の差圧も図５のｂ点に相当する値まで上昇しておらず、ステップＳ１０４ではフィルタ４８表面へのＰＭ堆積がないものと判断してステップＳ１０６に進むことになる。
ステップＳ１０６では、予め記憶した図５の実線で示されるフィルタ４８内の全ＰＭ堆積量とフィルタ４８前後の差圧との関係から、差圧センサ５８によって検出されたフィルタ４８前後の差圧に基づき、フィルタ４８への全ＰＭ堆積量の推定を行う。フィルタ４８では、エンジンから排出された排気がフィルタ４８を通過することにより細孔内にＰＭが堆積していくが、それと並行して酸化触媒４６から供給されるＮＯ_２や排気中のＯ_２による連続再生によりＰＭの除去も行われる。この時はまだ細孔内のみでＰＭの堆積及び除去が行われているので、ＰＭの堆積及び除去に伴って生じるＰＭ堆積量の変化に対し、差圧は図５のａ点とｂ点との間の実線上を変化することになる。従って、ここでは図５に実線で示されるＰＭ堆積量と差圧との関係を補正することなくそのまま使用することで、そのときに差圧センサ５８で検出された差圧からフィルタ４８への全ＰＭ堆積量を正確に推定することができる。

こうしてステップＳ１０６でＰＭ堆積量を推定してその制御周期を終了すると、次の制御で再びステップＳ１０２から処理が開始されるが、表面堆積フラグＦ２の値は０のままであるため、再びステップＳ１０４に進んでフィルタ４８表面へのＰＭの堆積があるか否かを判定する。従って、細孔内へのＰＭ堆積が飽和して差圧センサ５８によって検出されたフィルタ４８前後の差圧が図５のｂ点に対応した値に達するまでは、ステップＳ１０６において図５の実線で示されるＰＭ堆積量と差圧との関係に基づき、フィルタ４８への全ＰＭ堆積量の推定が行われる。

ＰＭの堆積が進み、細孔内へのＰＭ堆積が飽和すると、差圧センサ５８によって検出されたフィルタ４８前後の差圧が図５のｂ点に対応した値を超えることにより、ステップＳ１０４でフィルタ４８表面へのＰＭ堆積があると判定される。この場合、処理はステップＳ１０４からステップＳ１０８に進み、表面堆積フラグＦ２の値を１として、フィルタ４８表面へのＰＭ堆積があることを示すようにする。

次にステップＳ１１０に進むと、フィルタ４８の細孔内にＰＭが堆積しているか否かを判定する。細孔内にＰＭ堆積がないことは、後述するステップＳ１１２の処理において推定される細孔内のＰＭ堆積量が実質的になくなることによって判定される。ステップＳ１１２の処理が１度も行われずにステップＳ１１０に進んだ場合には、細孔内へのＰＭ堆積が飽和して最初の制御周期であることから、細孔内へのＰＭ堆積があるものとしてステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１２では、差圧センサ５８によって検出されたフィルタ４８前後の差圧に基づき、フィルタ４８の全ＰＭ堆積量の推定を行う。但し、ここではステップＳ１０６におけるＰＭ堆積量の推定とは異なり、図５に実線で示されるＰＭ堆積量と差圧との関係を補正した上でＰＭ堆積量の推定を行う。
即ち、細孔内へのＰＭ堆積が飽和してフィルタ４８の表面にＰＭが堆積している場合、細孔内のＰＭ堆積が飽和したままであれば、フィルタ４８表面へのＰＭ堆積に伴いフィルタ４８前後の差圧は図５のｂ点とｃ点との間の実線上で変化する。しかしながら、実際にはフィルタ４８の連続再生や強制再生によって細孔内のＰＭが燃焼するため、この細孔内でのＰＭの燃焼に伴い、ＰＭ堆積量と差圧との関係は、図５のｂ点とｃ点との間の実線部分が、同じ傾きのままｂ点の部分をａ点とｂ点との間の実線に沿ってａ点側に向けて移動するように変化し、例えばａ点からｄ点を経てｅ点へと至るような関係となる。そして細孔内のＰＭが完全に燃焼すると図５のａ点とｆ点とを結ぶ一点鎖線に示すような関係となる。

このため、フィルタ４８の表面にＰＭが堆積した状態では、図５のｂ点とｃ点との間の実線部分がどれだけａ点とｆ点とを結ぶ一点鎖線に向けて平行移動したか、即ちｄ点がａ点とｂ点との間のどの位置にあるかを正確に把握しなければ、全ＰＭ堆積量と差圧との関係を正確に補正して求めることができない。このｄ点のｂ点からのずれ量は細孔内のＰＭ燃焼量に相当し、ａ点からのずれ量はそのときの細孔内のＰＭ堆積量に対応したものである。

そこで、ステップＳ１１２ではこのような考えに基づき細孔内のＰＭ堆積量に応じて図５に実線で示されるＰＭ堆積量と差圧との関係を補正しながらフィルタ４８の全ＰＭ堆積量を推定するのである。ステップＳ１１２における全ＰＭ堆積量の推定は、具体的には図４に示すフローチャートに従って行われる。
最初のステップＳ２０２では、出口側排気温度センサ５２によって検出されたフィルタ４８の出口側の排気温度をフィルタ４８の温度として読み込みステップＳ２０４に進む。なお、本実施形態のように出口側排気温度センサ５２の検出値をそのままフィルタ４８の温度として用いずに、出口側排気温度センサ５２の検出値に１次遅れフィルタなどを適用してフィルタ４８の温度を推定するようにしてもよい。

ステップＳ２０４では、前回の制御周期で推定された細孔内のＰＭ堆積量を読み込む。なお、初めてステップＳ２０４に進んだ場合には、細孔内のＰＭ堆積が飽和してから最初の制御周期であるため、予め実験等によって把握されＥＣＵ６０内に記憶している細孔内の飽和ＰＭ堆積量を前回の細孔内推定堆積量として使用する。
次にステップＳ２０６に進むと、前回の制御周期で推定されたフィルタ４８の全ＰＭ堆積量Ｑｏｌｄを読み込む。なお、初めてステップＳ２０６に進んだ場合には、細孔内へのＰＭ堆積が飽和してから最初の制御周期であることから、細孔内に堆積したＰＭは燃焼していないものとして、図５の実線によって示されるフィルタ４８内の全ＰＭ堆積量とフィルタ４８前後の差圧との関係（ａ点〜ｂ点〜ｃ点）を用い、差圧センサ５８によって検出されたフィルタ４８前後の差圧に対応して読み出したＰＭ堆積量を前回の全ＰＭ堆積量Ｑｏｌｄとする。

次のステップＳ２０８では、ステップＳ２０６で読み込んだ前回の全ＰＭ推定堆積量Ｑｏｌｄと予め設定された基準ＰＭ堆積量Ｑｒｅｆとの偏差ΔＱｐｍを算出して次のステップＳ２１０に進む。
ステップＳ２１０では、ステップＳ２０２で読み込んだフィルタ４８の温度に基づき細孔内におけるＰＭの基本燃焼量を演算する。具体的には、フィルタ４８の仕様などに応じて予め設定されて記憶しているフィルタ４８の温度と細孔内におけるＰＭの基本燃焼速度との関係から、ステップＳ２０２で読み込んだフィルタ４８の温度に対応するＰＭの基本燃焼速度を読み出す。次に、この基本燃焼速度に１回の制御周期に相当する時間を乗算することにより、１回の制御周期の間の細孔内におけるＰＭの基本燃焼量が求められる。

ステップＳ２１０で用いられるフィルタ温度とＰＭの基本燃焼速度との関係は図６に示すようになっており、フィルタ温度の上昇と共に細孔内におけるＰＭの燃焼速度も増大する。フィルタ４８の細孔内に堆積したＰＭの燃焼速度は、フィルタ４８の全ＰＭ堆積量によって影響を受け、同じフィルタ温度の場合には全ＰＭ堆積量が増大するほど細孔内のＰＭ燃焼速度が増大する。図６に示す関係は、フィルタ４８の全ＰＭ堆積量がある特定の量であるときに対応したものであり、このときの全ＰＭ堆積量がステップＳ２０８で用いた基準ＰＭ堆積量Ｑｒｅｆに対応している。

そこで、次のステップＳ２１２では、ステップＳ２０８で求めた基準ＰＭ堆積量Ｑｒｅｆからの偏差ΔＱｐｍに所定の補正ゲインを乗算したものを、ステップＳ２１０で求めた細孔内におけるＰＭ基本燃焼量に加えることによりＰＭ基本燃焼量を補正し、１回の制御周期の間の細孔内における実際のＰＭ燃焼量を求める（燃焼量演算手段）。この所定補正ゲインは、図６におけるフィルタ温度とＰＭ基本燃焼速度との関係の前提となっている基準ＰＭ堆積量Ｑｒｅｆからの全ＰＭ堆積量のずれに対し、実際のＰＭ燃焼速度がどの程度異なるかを予め実験等により確認して求められたものである。

次にステップＳ２１４に進むと、ステップＳ２０４で読み込んだ前回の細孔内ＰＭ推定堆積量から、ステップＳ２１２で求めた今回の細孔内におけるＰＭ燃焼量を減じることにより、今回の細孔内ＰＭ推定堆積量を求め、次回の制御周期におけるステップＳ２０４で使用するためにこれを記憶した後、次のステップＳ２１６に進む。
ステップＳ２１４の処理により、図５におけるａ点からのｄ点のずれ量である細孔内ＰＭ推定堆積量が判ったので、ステップＳ２１６では、ステップＳ２１４で求められた細孔内ＰＭ推定堆積量に対応するｄ点の位置まで図５のｂ点とｃ点との間の実線部分を平行移動して補正したフィルタ４８内の全ＰＭ堆積量とフィルタ４８前後の差圧との関係（例えば図５のａ点〜ｄ点〜ｅ点）を用い、差圧センサ５８によって検出されたフィルタ４８前後の差圧に対応するフィルタ４８内の全ＰＭ堆積量を読み出し、これをフィルタ４８における全ＰＭ堆積量とすると共に（堆積量推定手段）、次回の制御周期におけるステップＳ２０６で使用するために記憶し、今回の制御周期でのＰＭ堆積量の推定を終了する。

こうして図３のステップＳ１１２によるフィルタ４８の全ＰＭ堆積量の推定を行って、図３に示す堆積量推定制御でその制御周期を終了すると、次の制御周期で再びステップＳ１０２から処理を開始する。
このとき表面堆積フラグＦ２の値は既に１となっているため、処理はステップＳ１０２からステップＳ１１０に進むことになる。

ステップＳ１１０では、前回の制御周期においてステップＳ１１２で求めた細孔内のＰＭ堆積量に基づき、細孔内へのＰＭ堆積があるか否かを判定する。そして、細孔内へのＰＭ堆積が依然としてあると判定した場合には、再びステップＳ１１２に進み、前述したように前回推定したフィルタ４８への全ＰＭ堆積量に応じて得られた細孔内のＰＭ堆積量に基づき、図５に示すフィルタ４８内の全ＰＭ堆積量とフィルタ４８前後の差圧との関係を補正しながらフィルタ４８の全ＰＭ堆積量を推定し、その制御周期を終了する。従って、ステップＳ１１２で推定された細孔内のＰＭ堆積量に基づき、細孔内のＰＭ堆積が実質的になくなったとステップＳ１１０で判定するまでは、制御周期ごとに繰り返しステップＳ１１２によるフィルタ４８の全ＰＭ堆積量の推定が行われることになる。

フィルタ４８表面にＰＭが堆積している状態では細孔内に更にＰＭが堆積することはなく、フィルタ４８の連続再生や強制再生によって細孔内のＰＭが燃焼除去され、ステップＳ１１２で推定した細孔内のＰＭ堆積量に基づき、ステップＳ１１０で細孔内に実質的にＰＭが堆積していないと判定した場合には、ステップＳ１１４に進んでフィルタ４８表面へのＰＭ堆積があるか否かを判定する。

ステップＳ１１４におけるこの判定は、ステップＳ１０４で行った表面堆積の有無の判定とは判定方法が異なり、以下のような考えに基づいて行われる。
ステップＳ１１４に進んだときには細孔内のＰＭが全て燃焼した状態にあることから、フィルタ４８内の全ＰＭ堆積量とフィルタ４８前後の差圧との関係は、図５のａ点とｆ点との間を結ぶ一点鎖線で示されることになる。また、フィルタ４８の表面にＰＭが堆積している状態では細孔内へのＰＭ堆積は生じないため、フィルタ４８表面に堆積しているＰＭが全て燃焼しない限り、フィルタ４８内のＰＭ堆積量とフィルタ４８前後の差圧との関係は一点鎖線で表されることになる。

即ち、フィルタ４８表面に堆積したＰＭは細孔内のＰＭが全て燃焼した後で燃焼を開始し、フィルタ４８表面のＰＭ燃焼に伴い、フィルタ４８前後の差圧は図５の一点鎖線上をａ点に向けて移動する一方、エンジン１から排出された排気中に含まれるＰＭがフィルタ４８表面に堆積するのに伴い、フィルタ４８前後の差圧は図５の一点鎖線上をｆ点に向けて移動する。

フィルタ４８の連続再生や強制再生によりフィルタ４８表面のＰＭが燃焼し、実質的にフィルタ４８表面のＰＭ堆積がなくなるとフィルタ４８前後の差圧は図５のａ点に対応する値となる。
従って、ステップＳ１１４では差圧センサ５８によって検出されたフィルタ４８前後の差圧が図５のａ点に対応した値に達したことをもって、フィルタ４８表面にＰＭ堆積がなくなったと判定する。ａ点に対応するフィルタ４８前後の差圧はフィルタ４８固有のものであって、フィルタ４８の仕様によって定まるものであるため、ＥＣＵ６０は予め実験等によって求められたａ点に対応する差圧を記憶している。

ステップＳ１１４でフィルタ４８表面にＰＭ堆積が依然としてあると判定した場合にはステップＳ１１６に進む。
上述したようにフィルタ４８内のＰＭ堆積量とフィルタ４８前後の差圧との関係は図５の一点鎖線で表され、この一点鎖線の傾きはｂ点とｃ点とを結ぶ実線の傾きと同じであることから、図５の実線で表される関係に基づき、一点鎖線で表される関係についても予め求めることができる。ＥＣＵ６０はこの一点鎖線で表されるＰＭ堆積量と差圧との関係についても予め記憶しており、ステップＳ１１６ではこの関係に基づき、差圧センサ５８によって検出されたフィルタ４８前後の差圧に対応するＰＭ堆積量を読み出し、これをフィルタ４８の全ＰＭ堆積量としてその制御周期を終了する。

また、ステップＳ１１４でフィルタ４８表面にはＰＭが堆積していないと判定した場合にはステップＳ１１８に進む。ステップＳ１１８では、表面堆積フラグＦ２の値を０としてフィルタ４８表面へのＰＭ堆積がないことを表すようにし、その制御周期を終了する。
こうしてフィルタ４８の強制再生や連続再生によってフィルタ４８表面及び細孔内へのＰＭ堆積が全くなくなった状態になると表面堆積フラグＦ２の値も０となるので、次の制御周期で再びステップＳ１０２から処理が開始されると、これまでに述べたものと同様にしてフィルタ４８への全ＰＭ堆積量の推定が行われることになる。

以上のように本実施形態においては、フィルタ４８の温度に基づき求められたフィルタ４８の細孔内におけるＰＭ基本燃焼量を、ＰＭの燃焼速度に寄与するフィルタ４８の全ＰＭ堆積量に基づき補正することにより、細孔内でのＰＭ燃焼量を求めるようにしたので、この細孔内のＰＭ燃焼量から細孔内のＰＭ堆積量を正確に推定することが可能となる。そして、このようにして求めた細孔内のＰＭ堆積量を用いて補正したフィルタ４８内の全ＰＭ堆積量とフィルタ４８前後の差圧との関係に基づき、フィルタ４８の全ＰＭ堆積量を推定するようにしたので、フィルタ４８の全ＰＭ堆積量を正確に推定することができる。

従って、図２のフローチャートによるフィルタ４８の強制再生制御を行う場合に、フィルタ４８の全ＰＭ堆積量に基づく強制再生の要否及び終了判定を正確に行うことができ、必要以上に強制再生を行って燃費が悪化したり、十分に強制再生が行われずにフィルタ４８が目詰まりを起こしたりするようなことがなくなる。
以上で本発明の一実施形態に係る排気浄化装置についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、ＨＣを供給してフィルタ４８を強制再生するための手段としてインジェクタ４を用い、第１追加燃料噴射や第２追加燃料噴射を行うようにしたが、これに代えてフィルタ４８よりも上流側の排気中に燃料を噴射してフィルタ４８にＨＣを供給する燃料添加弁を設けるようにしてもよい。
更に、上記実施形態では、エンジンとして４気筒ディーゼルエンジンを用いたが、エンジンの気筒数及び種類はこれに限られるものではなく、排気中のＰＭを捕集するためのフィルタを必要とするものであればよい。

本発明の実施形態に係る排気浄化装置が適用されたエンジンの全体構成図である。図１の排気浄化装置で行われるフィルタの強制再生制御のフローチャートである。図１の排気浄化装置で行われる堆積量推定制御のフローチャートである。図３の堆積量推定制御における、細孔内ＰＭ堆積量に基づく補正ありの場合の全ＰＭ堆積量推定の詳細を示すフローチャートである。図４で用いられるフィルタ前後の差圧とフィルタ内の全ＰＭ堆積量との関係を示す図である。図４で用いられる細孔内ＰＭの基本燃焼速度とフィルタ温度との関係を示す図である。フィルタにおけるＰＭの堆積状態を示す模式図である。図７の一部を拡大して示す図である。

符号の説明

１エンジン
４８フィルタ
５２出口側排気温度センサ（フィルタ温度検出手段）
５８差圧センサ（差圧検出手段）
６０ＥＣＵ

Claims

エンジンの排気通路に配設されたフィルタにより捕集されて堆積しているパティキュレートの全堆積量を繰り返し推定する排気浄化装置において、
排気を細孔内に流通させることにより細孔内及び表面に排気中のパティキュレートを捕集して堆積させるフィルタと、
上記フィルタの温度を検出するフィルタ温度検出手段と、
上記フィルタ温度検出手段によって検出された上記フィルタの温度に基づく上記細孔内におけるパティキュレートの基本燃焼量を、前回推定した上記フィルタの全パティキュレート堆積量に基づき補正して上記細孔内のパティキュレート燃焼量を求める燃焼量演算手段と、
上記燃焼量演算手段によって求められた上記パティキュレート燃焼量に基づき、上記フィルタへの全パティキュレート堆積量を推定する堆積量推定手段
とを備えたことを特徴とする排気浄化装置。
上記フィルタの前後の差圧を検出する差圧検出手段を更に備え、
上記堆積量推定手段は、予め設定された上記差圧と上記フィルタへのパティキュレート堆積量との関係と、上記差圧検出手段によって検出された上記差圧とに基づき、上記フィルタの全パティキュレート堆積量を推定するものであって、上記燃焼量演算手段によって求められた上記細孔内での上記パティキュレート燃焼量に応じて上記差圧と上記フィルタへのパティキュレート堆積量との関係を補正することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
上記堆積量推定手段は、上記フィルタの表面と上記細孔内の両方にパティキュレートが堆積しているときにのみ上記細孔内での上記パティキュレート燃焼量に基づく上記差圧と上記フィルタへのパティキュレート堆積量との関係の補正を行うことを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。