JP4631942B2

JP4631942B2 - パティキュレートフィルタ再生装置

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Publication number: JP4631942B2
Application number: JP2008189533A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎原田; 啓司山田; 明秀高見
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: EP2148071B1; EP2148071A1; JP2010025043A; US8051646B2; US20100018190A1

Description

本発明は、エンジンの燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射手段と、エンジンの排気通路に備わるパティキュレートフィルタに堆積したＰＭの量が所定値に達した場合に、エンジンの膨張行程で燃料を噴射するポスト噴射を上記燃料噴射手段に行わせることにより、上記パティキュレートフィルタに流入する排ガスの温度を上昇させて上記堆積したＰＭを燃焼させるフィルタ再生処理を実行する排ガス温度調整手段とを備えたパティキュレートフィルタ再生装置に関する。

ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンでは、ストイキ近傍で混合気を燃焼させる通常のガソリンエンジンと比べて、炭素質成分を主成分とするパティキュレート（Particulate Matter：ＰＭ）が排ガス中に多く含まれる。このため、上記ディーゼルエンジン等では、従来から、エンジンの排気通路にパティキュレートフィルタを配設してＰＭを捕集するとともに、このパティキュレートフィルタに所定量のＰＭが堆積すると、これを燃焼除去するフィルタ再生処理を実行するようにしている。

上記フィルタ再生処理は、一般に、エンジンの膨張行程で燃焼室に燃料を噴射するいわゆるポスト噴射を行うことにより行われる。すなわち、このようなポスト噴射を行うと、排ガス中に燃料成分が添加され、上記パティキュレートフィルタよりも上流側に配設された酸化触媒等で上記燃料成分が燃焼し、それによって高温化した排ガスが上記パティキュレートフィルタに流入するため、この高温の排ガスと上記パティキュレートフィルタに担持された触媒との作用により、堆積していたＰＭが燃焼除去される。

このようなフィルタ再生処理の技術が適用されたエンジンの排気浄化装置として、例えば下記特許文献１に開示されたものが知られている。具体的に、この特許文献１の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタを挟んで設けられた上流側および下流側の圧力センサによる圧力差が所定値以上である（つまりフィルタが目詰まりしている）と判定されると、再生初期モードでポスト噴射（後噴射）が実行され、その状態で所定時間が経過してフィルタ前後での排ガスの温度差が基準温度差以下になると、噴射態様が再生後期モードへ変更されるようになっている。そして、再生後期モードに移行すると、上記再生初期モードの場合と比べて、噴射量が減らされるか、または噴射時期が進角されることにより、排ガス温度の上昇が抑制されるようになっている。
特開２００４−１６２６３３号公報

上記特許文献１の技術によれば、パティキュレートフィルタ前後の排ガス温度差が小さくなって再生後期モードに移行したときに、ポスト噴射の量が減らされる等により排ガス温度の上昇が抑制されるようになっているため、過度の温度上昇によるパティキュレートフィルタの熱的損傷や、当該フィルタに担持された酸化触媒の熱劣化等を防止できるという利点がある。

しかしながら、ポスト噴射量が減らされる（または噴射時期が進角される）再生後期モードでは、排ガス温度の過度の上昇を抑制することはできても、排ガス温度の低下に伴ってＰＭ燃焼速度が遅くなるため、フィルタ内に堆積したＰＭが完全に燃焼除去されるまで上記再生後期モードを継続した場合には、再生後期モードでの処理時間が増大することにより、ポスト噴射によるトータルの燃料消費量がかえって増大してしまい、燃費性能の悪化を招くおそれがあった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、パティキュレートフィルタに堆積したＰＭを燃料のポスト噴射によって適正に燃焼除去しつつ、そのポスト噴射による燃料消費量を効果的に抑制することが可能なパティキュレートフィルタ再生装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、エンジンの燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射手段と、エンジンの排気通路に備わるパティキュレートフィルタに堆積したＰＭの量が所定値に達した場合に、エンジンの膨張行程で燃料を噴射するポスト噴射を上記燃料噴射手段に行わせることにより、上記パティキュレートフィルタに流入する排ガスの温度を上昇させて上記堆積したＰＭを燃焼させるフィルタ再生処理を実行する排ガス温度調整手段と、上記パティキュレートフィルタの上流側および下流側を流れる排ガスの圧力を検出する圧力センサとを備えたパティキュレートフィルタ再生装置であって、上記排ガス温度調整手段は、上記フィルタ再生処理によるＰＭの燃焼過程で、上記圧力センサの検出値から上記パティキュレートフィルタの前後差圧を調べ、その前後差圧の時間変化に基づいて、上記ＰＭの堆積量の低下率が所定値よりも小さくなった時点を特定し、その時点で上記燃料噴射手段によるポスト噴射の実行を停止させることにより、上記フィルタ再生処理によるＰＭの燃焼量がフィルタ再生処理を開始した時点でのＰＭの堆積量よりも所定量少ない段階で上記ポスト噴射を中断し、上記のようにＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量よりも少ない段階でポスト噴射を中断する通常のフィルタ再生処理が複数回繰り返され、フィルタ再生処理の初期段階におけるＰＭ堆積量の低下率が所定値よりも小さくなった場合に、次のフィルタ再生処理時に、ＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量と略同じになるまで上記燃料噴射手段にポスト噴射を継続させる完全フィルタ再生処理を実行することを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、パティキュレートフィルタに堆積していたＰＭが全て燃焼する前にポスト噴射が中断されるため、パティキュレートフィルタのセル壁表面およびセル壁細孔に堆積していたＰＭのうち、触媒との接触面積が小さい等の理由で相対的に燃焼し難いセル壁表面上のＰＭが主に残存した状態でフィルタ再生処理を終了することができる。そして、このようにセル壁表面上のＰＭを敢えて残したままポスト噴射を停止させることにより、パティキュレートフィルタの燃焼性能を十分に発揮可能な範囲で効率よくＰＭを燃焼除去することができ、例えばポスト噴射を長時間継続させてセル壁表面上のＰＭを完全に燃焼させた場合と異なり、ポスト噴射の所要時間をより短縮してその噴射量（燃料消費量）を効果的に削減できるという利点がある。

なお、セル壁表面上に堆積しているＰＭがセル壁細孔内に堆積しているＰＭよりも燃焼し難いという新しい知見は、本願発明者によって確認されている。すなわち、エンジンの排気系に配設されていたパティキュレートフィルタからリグ評価用のコアサンプルを切り出し、所定の模擬排ガスを流通させながらその温度を高めていくことでＰＭを燃焼させ始めるとともに、そのＰＭが完全に燃焼し終わるよりも前に上記模擬排ガスの流通および昇温を停止する（つまりＰＭの燃焼を中断する）という実験を行い、上記コアサンプル内のＰＭを調べたところ、セル壁細孔内に堆積していたＰＭは略完全に燃焼していたものの、セル壁表面上に堆積していたＰＭは燃焼し切らずに残存していた。このことは、パティキュレートフィルタに堆積していたＰＭが燃焼する場合、触媒との接触面積が圧倒的に大きいセル壁細孔内のＰＭがまず燃焼し（第１段階）、続いてセル壁表面上のＰＭが燃焼する（第２段階）ということを示している。そして、本願発明者は、上記第１段階と第２段階とでは、フィルタ前後の差圧の減少速度や排ガス温度の上昇速度等が異なるという事実を見出し、本願発明に至っている。

特に、本発明では、上記フィルタ再生処理によるＰＭの燃焼過程でその堆積量の低下率が所定値よりも小さくなった時点で、上記燃料噴射手段によるポスト噴射の実行を停止させるため、パティキュレートフィルタに堆積していたＰＭのうち、例えばセル壁細孔内のＰＭが略全て燃焼除去された時点を、上記ＰＭ堆積量の低下率の変化に基づいて適正に割り出すことができる。そして、この時点でポスト噴射を停止させることにより、比較的燃焼し易いセル壁細孔内のＰＭを効率よく燃焼除去してパティキュレートフィルタを適正に再生処理しながら、セル壁表面上に残存したＰＭを燃焼除去するために多量の燃料が消費されて燃費性能が悪化するのを効果的に防止できるという利点がある。

さらに、上記パティキュレートフィルタの前後差圧を圧力センサの検出値から調べ、その前後差圧の時間変化に基づいて、上記ＰＭ堆積量の低下率が所定値よりも小さくなった時点を特定するようにしたため、ＰＭ堆積量の減少に伴い低下するパティキュレートフィルタの前後差圧を調べるだけの比較的簡単な構成で、上記ポスト噴射の停止タイミングを適正に設定できるという利点がある。

ところで、ＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量よりも少ない段階で上記ポスト噴射を中断する通常のフィルタ再生処理を繰り返すと、セル壁表面上に堆積しているＰＭがケーキ状（スポンジ状）になって残留し続けることにより、セル壁細孔内にＰＭが入り込むことが妨げられ、再生効率が低下する場合があると考えられる。

そこで、上記排ガス温度調整手段は、ＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量よりも少ない段階で上記ポスト噴射を中断する通常のフィルタ再生処理が複数回繰り返され、フィルタ再生処理の初期段階におけるＰＭ堆積量の低下率が所定値よりも小さくなった場合に、次のフィルタ再生処理時に、ＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量と略同じになるまで上記燃料噴射手段にポスト噴射を継続させる完全フィルタ再生処理を実行する。

この構成によれば、燃焼し難いセル壁表面上のＰＭをも燃焼除去することで、再生効率が低下する要因を適正に排除でき、パティキュレートフィルタの性能を長期間に亘って良好に維持できるという利点がある。

しかも、通常のフィルタ再生処理が繰り返されることによる再生効率の低下を、ＰＭ堆積量の低下率の変化に基づいて適正に検知できるとともに、その時点でパティキュレートフィルタに堆積したＰＭを完全燃焼させることにより、パティキュレートフィルタの性能維持をより効果的に図れるという利点がある。

上記構成による場合、上記排ガス温度調整手段は、上記完全フィルタ再生処理を実行する際に、上記パティキュレートフィルタに流入する排ガスの温度が通常のフィルタ再生処理時の排ガス温度よりも高くなるように上記燃料噴射手段を制御することが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、完全フィルタ再生処理によってパティキュレートフィルタに堆積していた略全てのＰＭを燃焼させる場合でも、パティキュレートフィルタの再生に要する時間を効果的に短縮できる等の利点がある。

以上説明したように、本発明によれば、パティキュレートフィルタに堆積したＰＭを燃料のポスト噴射によって適正に燃焼除去しつつ、そのポスト噴射による燃料消費量を効果的に抑制することが可能なパティキュレートフィルタ再生装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかるパティキュレートフィルタ再生装置が適用されたエンジンの全体構成を示す概略図である。本図に示されるエンジンは、ピストンやシリンダー等を有したエンジン本体１と、このエンジン本体１に燃焼用の空気を供給するための吸気通路３と、上記エンジン本体１から排出された排ガスの通路となる排気通路５とを備えている。また、上記エンジン本体１には、図外の燃料タンクから供給される燃料をエンジン本体１の燃焼室に直接噴射するインジェクタ７（本発明にかかる燃料噴射手段に相当）が設けられている。なお、当実施形態のエンジンはディーゼルエンジンであるものとし、上記インジェクタ７からは燃料として軽油が噴射される。

上記排気通路５の途中部には、酸化触媒装置１１（以下、ＤＯＣ１１と略称する）と、パティキュレートフィルタ１３（以下、ＤＰＦ１３と略称する）とが、排ガス流れ方向の上流側から順に配設されている。

また、上記排気通路５のうち、ＤＰＦ１３とその上流側のＤＯＣ１１との間には、ＤＰＦ１３の上流側を流れる排ガスの圧力を検出する第１圧力センサ２１が設けられているとともに、ＤＰＦ１３の下流側には、ＤＰＦ１３を通過した後の排ガスの圧力を検出する第２圧力センサ２２が設けられている。

上記ＤＯＣ１１は、詳細な図示は省略するが、例えば排ガス流路に沿って延びる多数のセルを有したコーディエライト製ハニカム構造体等からなる担体の表面に酸化触媒を担持させたものであり、排ガス中に含まれるＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化反応によって浄化する機能を有している。

上記ＤＰＦ１３は、例えば図２に示すように、多孔質性のセル壁１５によって区画された多数のセル１７が排ガス流路に沿って延びるように形成された炭化珪素製ハニカム構造体等からなる担体１４を有しており、この担体１４のセル壁１５には、後述するＰＭ酸化触媒が担持されている。また、上記多数のセル１７は、図外の封止部材によって入口および出口が互い違いに目封じされている。このように構成されたＤＰＦ１３は、排ガス中に含まれるパティキュレート（以下、ＰＭと略称する）を捕集するとともに、ＨＣやＣＯを浄化する機能を有している。

図３は、上記ＤＰＦ１３のセル壁１５を拡大して示す断面図である。セル壁１５は、多数の細孔１５ａを有した多孔質性材料からなり、この細孔１５ａを形成する壁面および上記セル壁１５の表面１５ｂには、それぞれ、例えばアルミナやＺｒ系複合酸化物等の酸化物にＰｔ等の貴金属を担持させてなるＰＭ酸化触媒の層（ＰＭ酸化触媒層）１６がコーティング（担持）されている。なお、以下では、セル壁１５の細孔１５ａを「セル壁細孔１５ａ」、セル壁１５の表面１５ｂを「セル壁表面１５ｂ」と称する。

上記ＤＰＦ１５の各セル１７内に流入した排ガスは、上記セル壁細孔１５ａを通ることによって複数のセル１７の間を流通する。そして、このような排ガスの流通により、排ガス中に含まれるＰＭが、上記セル壁細孔１５ａの内部やセル壁表面１５ｂ上に捕集されるようになっている。

次に、エンジンの制御系について説明する。当実施形態のエンジンには、従来周知のＣＰＵや各種メモリ等からなるＥＣＵ３０が設けられており、このＥＣＵ３０により、エンジンの動作が統括的に制御されるようになっている。具体的に、ＥＣＵ３０は、上記圧力センサ２１，２２や、図外のエアーフローセンサ、スロットル開度センサ等の各種センサ類により検出された状態量を電気信号として受け付けるとともに、それによって得られる各種制御情報に基づいて、インジェクタ７から噴射される燃料噴射量を制御する等の、種々の制御動作を実行するように構成されている。

上記ＥＣＵ３０は、その主な機能要素として、差圧検出部３２、インジェクタ制御部３３、データ保存部３４、およびＩＯＣ３５を有している。

上記差圧検出部３２は、上記第１および第２の圧力センサ２１，２２による圧力検出値の差を算出することにより、ＤＰＦ１３の上流側および下流側を流れる排ガスの圧力差を検出するものである。なお、以下では、このようなＤＰＦ１３の上流側と下流側の圧力差のことを、「ＤＰＦ１３の前後差圧」という。

上記インジェクタ制御部３３は、上記インジェクタ７から噴射される燃料の量や噴射タイミングを制御するものである。特に、当実施形態において、インジェクタ制御部３３は、上記差圧検出部３２によって検出されたＤＰＦ１３の前後差圧が所定値に達すると、エンジンの圧縮上死点付近でインジェクタ７から燃料を噴射させる通常の燃料噴射制御に加えて、エンジンの膨張行程で燃料を噴射するいわゆるポスト噴射をインジェクタ７に実行させるように構成されている。

上記ポスト噴射は、排ガスの温度を上昇させてＤＰＦ１３に堆積しているＰＭを燃焼させるために行われる。すなわち、ＤＰＦ１３の前後差圧が所定値に達し、ＤＰＦ１３が目詰まりしつつあると判断されると、このＤＰＦ１３に堆積しているＰＭを燃焼除去してＤＰＦ１３を再生すべく、上記ポスト噴射が行われる。

具体的に、上記ポスト噴射が実行されると、排ガス中に燃料の未燃成分が多く含まれることとなるため、この未燃成分が、上記排気通路５上のＤＯＣ１１（酸化触媒装置）内で酸化反応することにより、排ガスの温度が上昇する。そして、このように高温化した排ガスと、上記ＤＰＦ１３のＰＭ酸化触媒層１６との作用により、ＤＰＦ１３に堆積していたＰＭが酸化反応（燃焼）を起こして焼失する。このように、当実施形態では、ＤＰＦ１３の前後差圧が所定値に達したときにインジェクタ７にポスト噴射を行わせることにより、排ガスの温度を上昇させてＤＰＦ１３に堆積したＰＭを燃焼除去する上記インジェクタ制御部３３によって、本発明にかかる排ガス温度調整手段が構成されている。

上記データ保存部３４には、上記インジェクタ制御部３３がポスト噴射を開始または停止するタイミングを決定するための閾値データ等が記憶されている。詳細は後述するが、ポスト噴射を開始または停止するタイミングは、上記差圧検出部３２により検出されるＤＰＦ１３の前後差圧に基づき決定されるため、上記データ保存部３４には、上記前後差圧の値やその低下率がどの程度になったときに上記ポスト噴射を開始または停止するかを決定するための閾値データ等が記憶されている。なお、ここでの閾値は、エンジンの運転状態ごとに異なるため、上記データ保存部３４には、上記閾値データが運転状態別のマップデータとして記憶されている。

上記ＩＯＣ３５は、上記差圧検出部３２、インジェクタ制御部３３、およびデータ保存部３４の間で行われるデータの送受信、および、これら各部と上記圧力センサ２１，２２やインジェクタ７等との間で行われるデータの送受信を制御するものである。

次に、上記ポスト噴射を行うことによるＤＰＦ１３の再生処理（以下、フィルタ再生処理と称する）がどのようになされるかを、図４および図５のグラフを用いて詳細に説明する。図４は、ＤＰＦ１３にＰＭが堆積するとともに、その堆積したＰＭがポスト噴射によって燃焼除去される過程で、ＤＰＦ１３の前後差圧およびＰＭ堆積量がどのように変化するかを示すグラフである。また、図５は、このようなＤＰＦ１３の状態変化を、時間経過で表わしたグラフである。

図４および図５の点ａは、ＤＰＦ１３にＰＭが堆積していない初期状態を示している。この点ａの初期状態から、エンジンの運転が開始されてエンジン本体１から排出される排ガスがＤＰＦ１３を通過し続けると、排ガス中に含まれるＰＭが徐々にＤＰＦ１３に堆積していき、これに伴ってＤＰＦ１３の前後差圧が徐々に増大していく（点ａ→ｂの区間参照）。そして、ＰＭの堆積量が所定値Ｘに達して点ｂの状態になると、上記堆積したＰＭを燃焼除去する必要があると判断され、上記ポスト噴射が開始される。

ポスト噴射が開始されると、ＤＰＦ１３に堆積していたＰＭが徐々に燃焼除去されるが、ポスト噴射の開始時点からしばらくの間は、図３に示したセル壁細孔１５ａ内に堆積しているＰＭが主に燃焼し、セル壁表面１５ｂに堆積したＰＭは比較的燃焼し難いと考えられる。これは、セル壁表面１５ｂとセル壁細孔１５ａとを比べたときに、後者の方が圧倒的に表面積が大きく、かつＰＭ酸化触媒層１６の担持量も多いためであり、また、ＰＭと触媒との接触面積も後者の方が大きいためである。図４および図５の点ｂ→ｃの区間は、このようにセル壁細孔１５ａ内のＰＭが主に燃焼除去される過程を示している。

その後、上記セル壁細孔１５ａ内のＰＭの多くが燃焼し終われると、セル壁表面１５ｂに堆積していたＰＭが燃焼し始める。図４の点ｃ→ｄの区間は、上記セル壁細孔１５ａ内に残存していたわずかなＰＭと、セル壁表面１５ｂに堆積していたＰＭの一部とが同時に燃焼除去される過程を示している。この区間ｃ→ｄでは、酸化反応が進み難いセル壁表面１５ｂ上のＰＭが部分的に燃焼するため、上記区間ｃ→ｄでの差圧の変化は、セル壁細孔１５ａ内のＰＭが主に燃焼する上記区間ｂ→ｃでの差圧変化に比べて緩やかになる。

図４および図５の点ｄは、上記セル壁細孔１５ａ内に堆積していた全てのＰＭが概ね燃焼除去された状態を示している。この状態になると、ＤＰＦ１３に堆積しているＰＭは、略全てセル壁表面１５ｂ上に存在していることになる。もちろん、この状態からさらにポスト噴射を継続すれば、破線で示す点ｄ→ａの区間のように、上記セル壁表面１５ｂに残存したＰＭを完全に燃焼除去することができるが、当実施形態では、上記点ｄの時点でポスト噴射を停止させる。このように、点ｄの時点でポスト噴射を停止させるのは、ＤＰＦ１３の燃焼性能が有効に発揮され難いセル壁表面１５ｂ上のＰＭを残したままにすることで、必要なＤＰＦ１３の性能を維持しつつ、ポスト噴射による燃料消費量の増大を抑制するためである。

すなわち、上記セル壁表面１５ｂに堆積しているＰＭが残存したままでも、流路が圧倒的に狭く表面積の大きいセル壁細孔１５ａ内にＰＭが堆積している場合に比べれば、ＤＰＦ１３による圧力損失等に及ぼす影響は小さいと考えられる。また、上記セル壁表面１５ｂに堆積しているＰＭは、上述したように、セル壁細孔１５ａ内のＰＭに比べれば酸化反応（燃焼）が進み難く、これを完全に燃焼除去するには、セル壁細孔１５ａ内のＰＭを燃焼させるときに比べてより多くの時間を要する。図５では、上記セル壁表面１５ｂ上のＰＭを含めた全てのＰＭを燃焼除去する場合のＰＭ堆積量の変化を破線で示している。上記のようにセル壁表面１５ｂ上のＰＭが相対的に燃焼し難いことから、この図５では、セル壁表面１５ｂ上のＰＭが燃焼する区間である点ｄ→ａの時間Ｔ２の方が、セル壁細孔１５ａ内のＰＭが燃焼する区間である点ｂ→ｃ→ｄの時間Ｔ１よりも長くなっている。したがって、このように燃焼し難いセル壁表面１５ｂ上のＰＭを、ポスト噴射によって完全に燃焼させようとすれば、ポスト噴射の継続時間が大幅に伸び、その分だけ必要な燃料の量（燃料消費量）が増大してしまう結果となる。そこで、当実施形態では、上記セル壁表面１５ｂ上のＰＭが残存したままの状態でポスト噴射を停止させることにより、必要なＤＰＦ１３の性能は維持しながら、ポスト噴射による燃料噴射量を抑制するようにしている。

上記点ｄでポスト噴射が停止されると、ＤＰＦ１３には再びＰＭが堆積し始め、その堆積量は、点ｄ→ｂの区間に示すように、徐々に増大していく。そして、ＰＭの堆積量が所定値Ｘに達して点ｂの状態になると、再びポスト噴射が行われ、点ｂ→ｃ→ｄの区間に示すように、ＤＰＦ１３に堆積していたＰＭが燃焼除去される。このように、当実施形態では、ＤＰＦ１３の状態が点ｂ→ｃ→ｄ→ｂの順にサイクルするように、フィルタ再生処理が実行される。

ただし、上記のようなフィルタ再生処理が繰り返し実行される中で、上記点ｄの時点でポスト噴射を中断する操作、つまり、ＰＭが燃焼除去される量（ＰＭ燃焼量）がＰＭの初期堆積量Ｘよりも少ない段階で上記ポスト噴射を中断する操作が何度も繰り返されると、ＤＰＦ１３では、セル壁表面１５ｂ上に堆積しているＰＭの総量が徐々に増大していき、ＤＰＦ１３の性能に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、当実施形態では、上記操作が所定の複数回繰り返されると、次のフィルタ再生処理では、ＰＭの初期堆積量Ｘが略全て燃焼除去されるまで上記ポスト噴射を継続させる。

図５において最も右側に位置する波形は、このような処理を行った場合のＰＭ堆積量の変化を示している。この波形によれば、ＰＭ堆積量が略ゼロとなる点ａの状態まで、つまり、上記セル壁表面１５ｂ上に残存していたＰＭを含む略全てのＰＭが完全に燃焼除去されるまで、ポスト噴射が継続されていることが分かる。なお、以下では、上記のようにＤＰＦ１３に堆積していた略全てのＰＭを燃焼させる処理を、「完全フィルタ再生処理」と称する。これに対し、図５の他の波形に示したように、ＰＭを一部残したままの状態でポスト噴射を中断し、セル壁細孔１５ａ内のＰＭのみを主に燃焼させる処理を、「通常のフィルタ再生処理」と称する。

さらに、当実施形態において、上記のような完全フィルタ再生処理を行う場合には、ポスト噴射による燃料の噴射量を、ＰＭが一部残った状態でポスト噴射を中断する通常のフィルタ再生処理を行う場合に比べて増大させるようにする。これにより、排ガス中の燃料の未燃成分が増大し、当該成分の酸化反応がより活発に起こって排ガス温度がより高い温度まで上昇するため、ＰＭの燃焼速度が速められる。図５において、ＰＭを完全燃焼させるための所要時間Ｔ１’＋Ｔ２’が、通常のフィルタ再生処理時の燃料噴射量で同様の操作を行ったときの所要時間Ｔ１＋Ｔ２に比べて短縮されているのはこのためである。

次に、以上のようなフィルタ再生処理の制御を司る上記インジェクタ制御部３３による制御動作の具体的内容を、図６のフローチャートに基づき説明する。このフローチャートがスタートすると、インジェクタ制御部３３は、まず、ＤＰＦ１３に堆積しているＰＭの量（ＰＭ堆積量）が所定の閾値Ｘより小さいか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１）。

具体的に、上記ＰＭ堆積量が所定の閾値Ｘよりも小さいか否かは、ＤＰＦ１３の前後差圧を差圧検出部３２から取得し、その値の大小を調べることによって判断される。すなわち、ＰＭ堆積量に比例して増大する上記前後差圧が、上記閾値Ｘに対応する所定の閾値（例えばＸ’）よりも小さいか否かを判定することにより、上記ＰＭ堆積量が閾値Ｘよりも小さいか否かを判定することができる。

なお、以上のようなステップＳ１での判断は、現在の運転状態を示す状態量（エンジン回転速度やエンジン負荷等）を各種センサ類から取得するとともに、上記差圧検出部３２からＤＰＦ１３の前後差圧を取得し、この取得した前後差圧の値を、上記データ保存部３４において運転状態ごとに記憶されているマップ形式の閾値データ（つまり運転状態別に分類された上記閾値Ｘ’のデータ）と比較することにより、行われる。

上記ステップＳ１でＮＯと判定されてＰＭの堆積量が閾値Ｘに達していることが確認された場合、インジェクタ制御部３３は、後述するステップＳ３で行われるフィルタ再生処理（ポスト噴射によってＰＭを燃焼させる処理）の実行回数Ｎが、あらかじめ定められた複数回数Ｎｔ（例えば１０回前後〜数十回程度）よりも小さいか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ２）。

そして、このステップＳ２でＹＥＳと判定されてフィルタ再生処理の実行回数Ｎが上記閾値Ｎｔよりも小さいことが確認された場合、インジェクタ制御部３３は、エンジンの膨張行程で燃料を噴射するポスト噴射をインジェクタ７に行わせ、ＤＰＦ１３に流入する排ガスの温度を上昇させることにより、ＤＰＦ１３に堆積していたＰＭを燃焼させるフィルタ再生処理を開始する（ステップＳ３）。

その後、インジェクタ制御部３３は、上記フィルタ再生処理中にＰＭが燃焼する過程で、ＰＭ堆積量の低下率が所定の閾値αよりも小さいか否かを判定することにより、上記フィルタ再生処理を停止すべきか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ４）。この判定処理は、ＤＰＦ１３が、図４および図５に示した点ｄの状態、つまり、セル壁細孔１５ａ（図３）の内部に堆積していたＰＭが略全て燃焼し切った状態にあるか否かを判定するものである。

すなわち、図４および図５に示した点ｄの状態では、上述したように、セル壁細孔１５ａ内に堆積していたＰＭが略全て燃焼し切っており、ＰＭはセル壁表面１５ｂ上にのみ残存しているため、ＰＭの燃焼速度（ＰＭ堆積量が低下する速度）が相対的に小さくなる。そこで、インジェクタ制御部３３は、ＰＭ堆積量の低下率が所定の閾値αよりも小さくなったときに、フィルタ再生処理を停止すべき上記点ｄの状態にあると判断する。なお、閾値αは、例えば図５のグラフにおいて、点ｃ〜ｄの区間の傾きと、点ｄ〜ａの区間の傾きとの中間程度にあたる低下率に設定される。

ここで、上記ＰＭ堆積量の低下率が閾値αよりも小さくなったか否かは、ＤＰＦ１３の前後差圧を上記差圧検出部３２から取得し、その差圧の時間変化を調べることによって判断することができる。すなわち、ＰＭ堆積量の増減に応じて変化する上記前後差圧の低下率（時間変化率）が、上記閾値αに対応する所定の閾値（例えばα’）より小さくなった時点を特定すれば、この時点を、上記ＰＭ堆積量の低下率が閾値αよりも小さくなった時点として判断することができる。

なお、以上のようなステップＳ４での判断は、現在の運転状態を示す状態量を各種センサ類から取得するとともに、上記差圧検出部３２からＤＰＦ１３の前後差圧を取得してその低下率（時間変化率）を算出し、この前後差圧の低下率を、上記データ保存部３４において運転状態ごとに記憶されているマップ形式の閾値データ（つまり運転状態別に分類された上記閾値α’のデータ）と比較することにより、行われる。

上記ステップＳ４でＹＥＳと判定された場合、すなわち、ＰＭ堆積量の低下率が閾値αよりも小さく、セル壁細孔１５ａ内のＰＭが略全て燃焼し切ったことが確認された場合、インジェクタ制御部３３は、上記インジェクタ７によるポスト噴射の実行を停止させてフィルタ再生処理を終了する処理を実行する（ステップＳ５）。そして、フィルタ再生処理の実行回数Ｎを１回分インクリメントする処理を実行した後に（ステップＳ６）、リターンする。

次に、上記ステップＳ２でＮＯと判定された場合、つまり、フィルタ再生処理の実行回数Ｎが閾値Ｎｔに達したときの制御動作について説明する。この場合、インジェクタ制御部３３は、次のステップＳ１１に移行して、フィルタ再生処理時にインジェクタ７から噴射される燃料の量（ポスト噴射量）を、先のステップＳ３〜Ｓ５で実行される通常のフィルタ再生処理時のポスト噴射量と比べて所定量多い値に設定する処理を実行する。そして、このように増量設定された噴射量でポスト噴射を開始するようにインジェクタ７を制御することにより、ＤＰＦ１３に堆積したＰＭを燃焼除去する（ステップＳ１２）。このとき、ポスト噴射量が増量設定されたことにより、先のステップＳ３〜Ｓ５で実行される通常のフィルタ再生処理のときと比べて排ガス温度がさらに高められるため、ＤＰＦ１３に堆積したＰＭは、相対的に速い燃焼速度で燃焼除去される。

その後、インジェクタ制御部３３は、フィルタ再生処理によって燃焼したＰＭの量が、フィルタ再生処理を開始した時点でのＰＭ堆積量Ｘと略同じになったか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３での判断は、ＰＭ堆積量がゼロであるときの差圧に所定の誤差を含めた値を目標差圧として、上記差圧検出部３２から入力されるＤＰＦ１３の前後差圧が、上記目標差圧以下になったか否かを判定することにより行われる。なお、上記目標差圧は、運転状態別に分類されたマップ形式で上記データ保存部３４に記憶されている。

上記ステップＳ１３でＹＥＳと判定されてＤＰＦ１３に堆積していたＰＭが略全て燃焼除去されたことが確認された場合、インジェクタ制御部３３は、上記インジェクタ７によるポスト噴射の実行を停止させてフィルタ再生処理を終了する処理を実行する（ステップＳ５）。すなわち、以上のステップＳ１２〜Ｓ１４では、ＰＭ燃焼量が初期のＰＭ堆積量Ｘと略同じになるまでポスト噴射が継続され、ＤＰＦ１３に堆積していたＰＭを略全て燃焼除去する完全フィルタ再生処理が実行される。そして、このような完全フィルタ再生処理が終了すると、フィルタ再生処理の実行回数Ｎが「０」にリセットされた後に（ステップＳ１５）、リターンされる。

以上説明したように、当実施形態のパティキュレートフィルタ再生装置は、エンジン本体１の燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ７（燃料噴射手段）と、エンジンの排気通路５に備わるＤＰＦ１３（パティキュレートフィルタ）に堆積したＰＭの量が所定値Ｘに達した場合に、エンジンの膨張行程で燃料を噴射するポスト噴射を上記インジェクタ７に行わせることにより、上記ＤＰＦ１３に流入する排ガスの温度を上昇させて上記堆積したＰＭを燃焼させるフィルタ再生処理を実行するインジェクタ制御部３３（排ガス温度調整手段）とを備える。そして、上記インジェクタ制御部３３は、上記フィルタ再生処理によって燃やされたＰＭの燃料量が、フィルタ再生処理を開始した時点でのＰＭの堆積量Ｘよりも所定量少ない段階で（当実施形態では図４および図５の点ｄの時点で）、上記インジェクタ７によるポスト噴射の実行を停止させるように構成されている。このような構成によれば、ＤＰＦ１３に堆積したＰＭを燃料のポスト噴射によって適正に燃焼除去しつつ、そのポスト噴射による燃料消費量を効果的に抑制できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、ＤＰＦ１３に堆積していたＰＭが全て燃焼する前にポスト噴射が中断されるため、ＤＰＦ１３のセル壁表面１５ａおよびセル壁細孔１５ｂに堆積していたＰＭのうち、触媒との接触面積が小さい等の理由で相対的に燃焼し難いセル壁表面１５ｂ上のＰＭが主に残存した状態でフィルタ再生処理を終了することができる。そして、このようにセル壁表面１５ｂ上のＰＭを敢えて残したままポスト噴射を停止させることにより、ＤＰＦ１３の燃焼性能を十分に発揮可能な範囲で効率よくＰＭを燃焼除去することができ、例えばポスト噴射を長時間継続させてセル壁表面１５ｂ上のＰＭを完全に燃焼させた場合と異なり、ポスト噴射の所要時間をより短縮してその噴射量（燃料消費量）を効果的に削減できるという利点がある。

もちろん、このようにするとフィルタ再生処理の回数自体は増加することになるが、このうち、セル壁表面１５ｂ上に残存したＰＭを含めた略全てのＰＭを完全に燃焼させる回数（完全フィルタ再生処理を行う回数）は大幅に少なくて済むため、ポスト噴射に必要な燃料の消費量をトータルとして削減することができ、ＤＰＦ１３に堆積したＰＭをポスト噴射によって効率よく燃焼除去しつつ、そのポスト噴射による燃焼消費量を削減して燃費性能を効果的に改善できるという利点がある。

特に、上記実施形態では、上記フィルタ再生処理によるＰＭの燃焼過程でその堆積量の低下率が所定値（閾値α）よりも小さくなった時点で、上記インジェクタ７によるポスト噴射の実行を停止させるようにしたため、ＤＰＦ１３に堆積していたＰＭのうち、セル壁細孔１５ａ内のＰＭが略全て燃焼除去された時点（図４および図５の点ｄの時点）を、上記ＰＭ堆積量の低下率の変化に基づいて適正に割り出すことができ、この時点でポスト噴射を停止させることにより、比較的燃焼し易いセル壁細孔１５ａ内のＰＭを効率よく燃焼除去してＤＰＦ１３を適正に再生処理しながら、セル壁表面１５ｂ上に残存したＰＭを燃焼除去するために多量の燃料が消費されて燃費性能が悪化するのを効果的に防止できるという利点がある。

さらに、上記実施形態では、ＤＰＦ１３の上流側および下流側を流れる排ガスの圧力を検出する圧力センサ２１，２２の検出値から上記ＤＰＦ１３の前後差圧を調べ、その前後差圧の時間変化に基づいて、上記ＰＭ堆積量の低下率が所定値（閾値α）よりも小さくなった時点を特定するようにしたため、ＰＭ堆積量の減少に伴い低下するＤＰＦ１３の前後差圧を調べるだけの比較的簡単な構成で、上記ポスト噴射の停止タイミングを適正に設定できるという利点がある。

また、上記実施形態では、ＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量よりも少ない段階で上記ポスト噴射を中断する通常のフィルタ再生処理（ステップＳ３〜Ｓ５の処理）が所定の複数回（Ｎｔ回）繰り返されると、次のフィルタ再生処理時に、ＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量と略同じになるまで上記インジェクタ７にポスト噴射を継続させる完全フィルタ再生処理（ステップＳ１２〜Ｓ１４の処理）を行うようにしたため、フィルタ再生処理のたびに燃焼されずに残るセル壁表面１５ｂ上のＰＭが過度に堆積してＤＰＦ１３の再生効率が低下するのを効果的に防止でき、ＤＰＦ１３の性能を長期間に亘って良好に維持できるという利点がある。

特に、上記実施形態では、完全フィルタ再生処理を行う際に、上記インジェクタ７からのポスト噴射量を増大させることにより、上記ＤＰＦ１３に流入する排ガスの温度を通常のフィルタ再生処理時の排ガス温度よりも高く設定するようにしたため、完全フィルタ再生処理によってＤＰＦ１３に堆積していた略全てのＰＭを燃焼させる場合でも、ＤＰＦ１３の再生に要する時間を効果的に短縮できるという利点がある。一方、実行回数の多い通常のフィルタ再生処理の際には、排ガス温度が相対的に低く設定されるため、ＤＰＦ１３を熱的損傷等から効果的に保護してその耐久性をより高められるという利点がある。

なお、上記実施形態では、ＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量よりも少ない段階で上記ポスト噴射を中断する通常のフィルタ再生処理（ステップＳ３〜Ｓ５の処理）が所定の複数回（Ｎｔ回）繰り返されると、次のフィルタ再生処理時に、ＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量と略同じになるまで上記インジェクタ７にポスト噴射を継続させる完全フィルタ再生処理（ステップＳ１２〜Ｓ１４の処理）を行うことにより、通常のフィルタ再生処理時に残されたＰＭが過度に堆積してＤＰＦ１３の再生効率が低下するのを防止するようにしたが、これと同様の目的で、例えば以下のような構成を採用することも考えられる。

すなわち、ＤＰＦ１３のセル壁表面１５ｂに残存するＰＭが過度に堆積すると、このようなＰＭがケーキ状（スポンジ状）となって残留し続けることにより、フィルタ再生処理の初期段階で、セル壁細孔１５ａ内のＰＭの燃焼が速やかに進行しなくなり、図５の２点鎖線Ｌに示すように、ＰＭ堆積量の低下率が相対的に小さくなるため、このフィルタ再生処理の初期段階におけるＰＭ堆積量の低下率が所定値よりも小さくなったときに、上記完全フィルタ再生処理を実行するようにしてもよい。このようにすれば、通常のフィルタ再生処理が繰り返されることによる再生効率の低下を、ＰＭ堆積量の低下率の変化に基づいて適正に検知できるとともに、その時点でＤＰＦ１３に堆積したＰＭを完全燃焼させることにより、ＤＰＦ１３の性能維持をより効果的に図れるという利点がある。

また、上記実施形態では、通常のフィルタ再生処理中に、上記圧力センサ２１，２２の検出値から上記ＤＰＦ１３の前後差圧を調べ、その前後差圧の時間変化に基づいて、上記ＰＭ堆積量の低下率が所定値（閾値α）よりも小さくなった時点を特定し、その時点で上記ポスト噴射を停止させるようにしたが、このような手法以外でもポスト噴射の停止タイミングを特定することが可能である。例えば、図１の２点鎖線に示すように、ＤＰＦ１３の下流側に温度センサ２３を設け、この温度センサ２３により検出された排ガス温度の時間変化に基づいて、上記ポスト噴射の停止タイミングを特定するようにしてもよい。

すなわち、ポスト噴射をきっかけにして燃焼するＰＭがＤＰＦ１３に多く堆積しているほど、ＤＰＦ１３の下流側を流れる排ガスの温度は高くなるため、このようにＰＭ堆積量に比例して高くなる（換言すればＰＭ堆積量の減少に伴い低下する）下流側の排ガス温度を調べれば、その低下率（時間変化率）に基づいて、上記ＰＭ堆積量の低下率が所定値よりも小さくなった時点（例えば図４および図５の点ｄの時点）を適正に割り出すことができ、その時点でポスト噴射を停止させることにより、セル壁表面１５ｂ上のＰＭを残しながら効率よくＤＰＦ１３の再生処理を行うことができる。

また、上記実施形態では、ＰＭ堆積量の低下率が所定の閾値αよりも小さくなったか否かを判断することにより、図４および図５の点ｄの時点、つまり、ＤＰＦ１３に堆積していたＰＭのうちセル壁細孔１５ａ内のＰＭが略全て燃焼除去された時点を特定し、この時点でポスト噴射を停止させるようにしたが、上記閾値αの値を変えることにより、図４および図５の点ｃの時点、つまり、セル壁細孔１５ａ内に残存するわずかなＰＭとセル壁表面１５ｂに堆積していた一部のＰＭとがともに燃焼し始めるタイミングを特定し、この時点でポスト噴射を停止させるようにしてもよい。

ただし、この点ｃでのＰＭ堆積量の低下率（つまり点ｃ→ｄの区間の勾配）は、セル壁細孔１５ａ内に堆積していたＰＭのみが燃焼する点ｂ→ｃ区間の勾配と比較して、あまり大きな差が出ないことも想定され、変化率のばらつき等によっては上記点ｃの時点を安定した精度で割り出すことが困難になるおそれがある。したがって、このような点を考慮すると、やはり上記実施形態のように、セル壁細孔１５ａ内のＰＭが略全て燃焼し切った点ｄの時点を特定し、この時点でポスト噴射を停止させるようにした方が、ポスト噴射の停止タイミングを安定した精度で判断できるという点でより好ましいと言える。

本発明の一実施形態にかかるパティキュレートフィルタ再生装置が適用されたエンジンの全体構成を示す概略図である。ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）の構造を説明するための概略図である。ＤＰＦのセル壁の構造を具体的に示す拡大断面図である。フィルタ再生処理に伴うＤＰＦの前後差圧およびＰＭ堆積量の変化の様子を示すグラフである。フィルタ再生処理に伴うＰＭ堆積量の時間変化を示すグラフである。パティキュレートフィルタ再生装置により行われる制御動作の具体的内容を示すフローチャートである。

５排気通路
７インジェクタ（燃料噴射手段）
１３ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
２１，２２圧力センサ
２３温度センサ
３３インジェクタ制御部（排ガス温度調整手段）

Claims

エンジンの燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射手段と、エンジンの排気通路に備わるパティキュレートフィルタに堆積したＰＭの量が所定値に達した場合に、エンジンの膨張行程で燃料を噴射するポスト噴射を上記燃料噴射手段に行わせることにより、上記パティキュレートフィルタに流入する排ガスの温度を上昇させて上記堆積したＰＭを燃焼させるフィルタ再生処理を実行する排ガス温度調整手段と、上記パティキュレートフィルタの上流側および下流側を流れる排ガスの圧力を検出する圧力センサとを備えたパティキュレートフィルタ再生装置であって、
上記排ガス温度調整手段は、
上記フィルタ再生処理によるＰＭの燃焼過程で、上記圧力センサの検出値から上記パティキュレートフィルタの前後差圧を調べ、その前後差圧の時間変化に基づいて、上記ＰＭの堆積量の低下率が所定値よりも小さくなった時点を特定し、その時点で上記燃料噴射手段によるポスト噴射の実行を停止させることにより、上記フィルタ再生処理によるＰＭの燃焼量がフィルタ再生処理を開始した時点でのＰＭの堆積量よりも所定量少ない段階で上記ポスト噴射を中断し、
上記のようにＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量よりも少ない段階でポスト噴射を中断する通常のフィルタ再生処理が複数回繰り返され、フィルタ再生処理の初期段階におけるＰＭ堆積量の低下率が所定値よりも小さくなった場合に、次のフィルタ再生処理時に、ＰＭ燃焼量がＰＭ堆積量と略同じになるまで上記燃料噴射手段にポスト噴射を継続させる完全フィルタ再生処理を実行することを特徴とするパティキュレートフィルタ再生装置。
請求項１記載のパティキュレートフィルタ再生装置において、
上記排ガス温度調整手段は、上記完全フィルタ再生処理を実行する際に、上記パティキュレートフィルタに流入する排ガスの温度が通常のフィルタ再生処理時の排ガス温度よりも高くなるように上記燃料噴射手段を制御することを特徴とするパティキュレートフィルタ再生装置。