JP5737479B2

JP5737479B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP5737479B2
Application number: JP2014525234A
Authority: JP
Inventors: 寛真西岡; 伊藤　和浩; 和浩伊藤; 大地今井; 亮太神武
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: US9689296B2; EP2921666A4; US20150292387A1; JPWO2014076767A1; WO2014076767A1; CN104411928A; EP2921666B1; EP2921666A1; CN104411928B

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタを排気通路内に配置した圧縮着火式内燃機関が公知である。その結果、大気中に排出される粒子状物質の量が抑制される。

ところが、パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の量が多くなると、パティキュレートフィルタの圧力損失が次第に大きくなる。その結果、機関出力が低下するおそれがある。

そこで、パティキュレートフィルタを酸化雰囲気に維持しつつパティキュレートフィルタの温度を上昇させるＰＭ除去制御を行い、それにより粒子状物質を燃焼させてパティキュレートフィルタから除去する内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関では、パティキュレートフィルタ２４の上流及び下流の圧力差を検出し、圧力差があらかじめ定められた上限値以上になったときにＰＭ除去制御が行われる。

特開２０００−０１８０１９号公報

ところで、排気ガス中にはアッシュと称される不燃性成分が含まれており、このアッシュは粒子状物質と共にパティキュレートフィルタに捕集される。ところが、ＰＭ除去制御が行われても、アッシュは燃焼せず又は気化せず、パティキュレートフィルタ上に残留する。このため、機関運転時間が長くなるにつれて、パティキュレートフィルタ上のアッシュ量が次第に増大し、パティキュレートフィルタの圧力損失が次第に大きくなる。その結果、ＰＭ除去制御が繰り返し行われても、機関出力が低下するおそれがある。

上述の特許文献１ではこの問題点について何ら考慮されておらず、ましてその解決策も開示されていない。

本発明によれば、機関排気通路内に配置された、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタであって、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、隔壁に、平均細孔径が隔壁基材の平均細孔径よりも小さいコート層により基材表面が覆われたコート領域と、コート領域の下流側において基材表面が前記コート層により覆われていない非コート領域とが区画され、非コート領域において排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁を通過できるように隔壁の細孔径が設定されている、パティキュレートフィルタと、非コート領域に捕集された粒子状物質の量を算出する第１の算出手段と、非コート領域に捕集された粒子状物質の量が第１の許容上限量よりも多いか否かを判別する第１の判別手段と、非コート領域に捕集された粒子状物質の量が第１の許容上限量よりも多いと判別されたときに、パティキュレートフィルタから粒子状物質を除去するためのＰＭ除去制御を行う第１のＰＭ除去手段と、を具備した内燃機関の排気浄化装置が提供される。

好ましくは、前記第１の算出手段は、パティキュレートフィルタに流入した粒子状物質の量と、コート領域の粒子状物質捕集率と、非コート領域の粒子状物質捕集率とに基づいて非コート領域に捕集された粒子状物質の量を算出する。

好ましくは、コート領域に捕集された粒子状物質の量を算出する第２の算出手段と、コート領域に捕集された粒子状物質の量が第２の許容上限量よりも多いか否かを判別する第２の判別手段と、コート領域に捕集された粒子状物質の量が第２の許容上限量よりも多いと判別されたときにＰＭ除去制御を行う第２のＰＭ除去手段と、を更に具備する。より好ましくは、前記第２の算出手段は、パティキュレートフィルタに流入した粒子状物質の量と、コート領域の粒子状物質捕集率とに基づいてコート領域に捕集された粒子状物質の量を算出する。

好ましくは、前記コート層が酸化機能を有する金属粒子から形成される。

好ましくは、前記隔壁基材の平均細孔径が２５μｍ以上かつ１００μｍ以下に設定される。

好ましくは、前記コート層を形成する粒子の平均径が１μｍ以上かつ１０μｍ以下に設定される。

粒子状物質を確実に捕集しつつ、パティキュレートフィルタの圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる。

本発明による実施例の内燃機関の全体図である。パティキュレートフィルタの正面図である。パティキュレートフィルタの側面断面図である。隔壁の部分拡大断面図である。コート層の部分拡大断面図である。パティキュレートフィルタの捕集メカニズムを説明する概略図である。パティキュレートフィルタの捕集メカニズムを説明する概略図である。パティキュレートフィルタの捕集メカニズムを説明する概略図である。パティキュレートフィルタの捕集メカニズムを説明する概略図である。パティキュレートフィルタの捕集メカニズムを説明する概略図である。本発明による実施例を説明するタイムチャートである。粒子状物質流入量ｑＰＭｉを示すマップである。コート領域の粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺを示すマップである。コート領域の粒子状物質捕集量の減少分ｑＰＭＣＺｄを示すマップである。非コート領域の粒子状物質捕集率ＥＰＭＮＣＺを示すマップである。非コート領域の粒子状物質捕集量の減少分ｑＰＭＮＣＺｄを示すマップである。パティキュレートフィルタのアッシュ捕集率ＥＡと非コート領域の粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺとの関係を示す線図である。コート領域の粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺとコート領域の粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺとの関係を示す線図である。排気浄化制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺ，ＱＰＭＮＣＺの算出を実行するルーチンを示すフローチャートである。ＰＭ除去制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。

図１を参照すると、１は圧縮着火式内燃機関の本体、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７ｃの出口に連結され、コンプレッサ７ｃの入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト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冷却装置１１が配置される。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７ｔの入口に連結され、排気タービン７ｔの出口は排気後処理装置２０に連結される。

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１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。図１に示される実施例ではこの燃料は軽油から構成される。別の実施例では、内燃機関は火花点火式内燃機関から構成される。この場合には燃料はガソリンから構成される。

排気後処理装置２０は排気タービン７ｔの出口に連結された排気管２１と、排気管２１に連結された触媒コンバータ２２と、触媒コンバータ２２に連結された排気管２３とを具備する。触媒コンバータ２２内にはウォールフロー型のパティキュレートフィルタ２４が配置される。

触媒コンバータ２２には、パティキュレートフィルタ２４の温度を検出するための温度センサ２５が設けられる。別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサが排気管２１に配置される。更に別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４から流出する排気ガスの温度を検出するための温度センサが排気管２３に配置される。これら排気ガスの温度はパティキュレートフィルタ２４の温度を表している。

触媒コンバータ２２には更に、パティキュレートフィルタ２４の圧力損失を検出するための圧力損失センサ２６が設けられる。図１に示される実施例では、圧力損失センサ２６はパティキュレートフィルタ２４の上流及び下流の圧力差を検出するための圧力差センサから構成される。別の実施例では、圧力損失センサ２６は排気管２１に取り付けられて機関背圧を検出するセンサから構成される。

一方、排気マニホルド５には燃料添加弁２７が取り付けられる。この燃料添加弁２７にはコモンレール１６から燃料が添加され、燃料添加弁２７から排気マニホルド５内に燃料が添加される。別の実施例では、燃料添加弁２７が排気管２１に配置される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータから構成され、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及び出力ポート３６を具備する。エアフローメータ８、温度センサ２５、及び圧力差センサ２６の出力信号はそれぞれ対応する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３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０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。更に入力ポート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４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。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１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、及び燃料添加弁２７に接続される。

図２Ａ及び図２Ｂはウォールフロー型パティキュレートフィルタ２４の構造を示している。なお、図２Ａはパティキュレートフィルタ２４の正面図を示しており、図２Ｂはパティキュレートフィルタ２４の側面断面図を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示されるようにパティキュレートフィルタ２４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７１ｉ，７１ｏと、これら排気流通路７１ｉ，７１ｏを互いに隔てる隔壁７２とを具備する。図２Ａに示される実施例では、排気流通路７１ｉ，７１ｏは、上流端が開放されかつ下流端が栓７３ｄにより閉塞された排気ガス流入通路７１ｉと、上流端が栓７３ｕにより閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路７１ｏとにより構成される。なお、図２Ａにおいてハッチングを付した部分は栓７３ｕを示している。したがって、排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは薄肉の隔壁７２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７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは各排気ガス流入通路７１ｉが４つの排気ガス流出通路７１ｏによって包囲され、各排気ガス流出通路７１ｏが４つの排気ガス流入通路７１ｉによって包囲されるように配置される。別の実施例では、排気流通路は、上流端及び下流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とにより構成される。

図２Ｂに示されるように、隔壁７２には、コート領域ＣＺと、コート領域ＣＺの下流側に位置する非コート領域ＮＣＺとが区画される。図３に示されるように、コート領域ＣＺでは、隔壁７２の基材７２ｓの表面がコート層７５により覆われる。これに対し、非コート領域ＮＣＺでは、隔壁基材７２ｓの表面が上述のコート層７５により覆われていない。

図３に示される実施例では、コート層７５が排気ガス流入通路７１ｉに対面する隔壁基材７２ｓの一表面に設けられる。別の実施例では、コート層７５が排気ガス流出通路７１ｏに対面する隔壁基材７２ｓの一表面に設けられる。更に別の実施例では、コート層７５が排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏに対面する隔壁基材７２ｓの両表面に設けられる。

また、図３に示される実施例では、コート領域ＣＺにおける隔壁基材７２ｓが非コート領域ＮＣＺにおける隔壁基材７２ｓよりも薄くなっており、コート領域ＣＺにおける隔壁７２の厚さと非コート領域ＮＣＺにおける隔壁７２の厚さとが互いにほぼ等しくなっている。したがって、コート領域ＣＺにおける排気ガス流入通路と７１ｉの流路面積と、非コート領域ＮＣＺにおける排気ガス流入通路と７１ｉの流路面積とが互いにほぼ等しくなっている。別の実施例では、コート領域ＣＺにおける隔壁基材７２ｓの厚さと非コート領域ＮＣＺにおける隔壁基材７２ｓの厚さとがほぼ等しくなっており、コート領域ＣＺにおける排気ガス流入通路７１ｉの流路面積が非コート領域ＮＣＺにおける排気ガス流入通路と７１ｉの流路面積よりも、コート層７５の分だけ小さくなっている。

更に、図２Ｂに示される実施例では、コート領域ＣＺの上流縁は隔壁７２の上流端にほぼ一致している。別の実施例では、コート領域ＣＺの上流縁は隔壁７２の上流端よりも下流側に位置する。また、図２Ｂに示される実施例では、非コート領域ＮＣＺの下流縁は隔壁７２の下流端にほぼ一致している。別の実施例では、非コート領域ＮＣＺの下流縁は隔壁７２の下流端よりも上流側に位置する。コート領域ＣＺの長手方向長さはパティキュレートフィルタ２４の長手方向長さの例えば５０％から９０％に設定される。

隔壁基材７２ｓは多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、リン酸ジルコニウムのようなセラミックから形成される。

一方、コート層７５は図４に示されるように多数の粒子７６から形成され、粒子７６同士の間に多数の隙間ないし細孔７７を有する。したがって、コート層７５は多孔性を有する。したがって、図２Ｂに矢印で示されるように、排気ガスはまず排気ガス流入通路７１ｉ内に流入し、次いで周囲の隔壁７２内を通って隣接する排気ガス流出通路７１ｏ内に流出する。

図４に示される実施例では、粒子７６は酸化機能を有する金属から構成される。酸化機能を有する金属として、白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄのような白金族の金属を用いることができる。別の実施例では、粒子７６は隔壁基材７２ｓと同様のセラミックから構成される。更に別の実施例では、粒子７６はセラミック及び金属の一方又は両方から構成される。

隔壁基材７２ｓの平均細孔径は２５μｍ以上かつ１００μｍ以下に設定される。隔壁基材７２ｓの平均細孔径が２５μｍ以上であると、排気ガス中に含まれるアッシュの大部分が隔壁７２を通過できることが本願発明者により確認されている。したがって、言い換えると、非コート領域ＮＣＺにおいて排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁７２を通過できるように隔壁７２の細孔径が設定される。なお、粒子状物質の平均粒径がアッシュの平均粒径よりも小さいことを考えると、非コート領域ＮＣＺにおいて粒子状物質及びアッシュが隔壁７２を通過できるように隔壁７２の細孔径が設定されるという見方もできる。

コート層７５の平均細孔径は隔壁基材７２ｓの平均細孔径よりも小さく設定される。具体的には、コート層７５の平均細孔径は、コート層７５が排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集できるように設定される。更に、粒子７６（二次粒子）の平均径は１μｍ以上かつ１０μｍ以下に設定される。粒子７６の平均径が１μｍよりも小さいと、コート層７５を通過する粒子状物質の量が許容量よりも多くなる。また、粒子７６の平均径が１０μｍよりも大きいと、パティキュレートフィルタ２４ないしコート層７５の圧力損失が許容値よりも大きくなる。

なお、本発明による実施例では、隔壁基材の細孔の平均径は水銀圧入法により得られた細孔径分布のメディアン径（５０％径）を意味し、粒子の平均径はレーザ回折・散乱法により得られた体積基準の粒度分布のメディアン径（５０％径）を意味する。

さて、排気ガス中には主として固体炭素から形成される粒子状物質が含まれている。この粒子状物質はパティキュレートフィルタ２４上に捕集される。

また、排気ガス中にはアッシュも含まれており、このアッシュも粒子状物質と共にパティキュレートフィルタ２４に捕集される。このアッシュは主として硫酸カルシウムＣａＳＯ_４、リン酸亜鉛カルシウムＣａ_１９Ｚｎ_２（ＰＯ_４）_１４のようなカルシウム塩から形成されることが本願発明者により確認されている。カルシウムＣａ，亜鉛Ｚｎ，リンＰ等は機関潤滑油に由来し、イオウＳは燃料に由来する。すなわち、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４を例にとって説明すると、機関潤滑油が燃焼室２内に流入して燃焼し、潤滑油中のカルシウムＣａが燃料中のイオウＳと結合することにより硫酸カルシウムＣａＳＯ_４が生成される。

本願発明者らによれば、平均細孔径が１０μｍから２５μｍ程度でコート層７５を備えていない従来のパティキュレートフィルタ、言い換えるとアッシュがほとんど通過できないパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置した場合、粒子状物質は隔壁７２の下流側部分よりも隔壁７２の上流側部分に堆積する傾向にあり、アッシュは隔壁７２の上流側部分よりも隔壁７２の下流側部分に堆積する傾向にあることが確認されている。

そこで、本発明による実施例では、隔壁７２の上流側にコート領域ＣＺを設け、隔壁７２の下流側に非コート領域ＮＣＺを設けている。その結果、粒子状物質が上流側のコート領域ＣＺにおいてコート層７５に捕集され、アッシュが下流側の非コート領域ＮＣＺにおいて隔壁７２を通過する。したがって、粒子状物質がパティキュレートフィルタ２４を通過するのを抑制しつつ、アッシュがパティキュレートフィルタ２４に堆積するのを抑制することができる。言い換えると、粒子状物質を確実に捕集しつつパティキュレートフィルタ２４の圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる。

燃焼室２では酸素過剰のもとで燃焼が行われている。したがって、燃料噴射弁３及び燃料添加弁２７から燃料が２次的に供給されない限り、パティキュレートフィルタ２４は酸化雰囲気にある。また、コート層７５は酸化機能を有する金属から構成される。その結果、コート層７５に捕集された粒子状物質は順次酸化される。ところが、単位時間当たりに捕集される粒子状物質の量が単位時間当たりに酸化される粒子状物質の量よりも多くなると、パティキュレートフィルタ２４上に捕集されている粒子状物質の量が機関運転時間の経過と共に増大する。

図５Ａから図５Ｅは、パティキュレートフィルタ２４上に捕集されている粒子状物質の量が機関運転時間の経過と共に増大する場合における、パティキュレートフィルタ２４の捕集メカニズムを示している。

機関運転時間が短いときすなわち機関運転の初期には、図５Ａに示されるように、粒子状物質８０は主として、コート領域ＣＺにおいてコート層７５の細孔内に捕集される。この場合、粒子状物質は非コート領域ＮＣＺまでほとんど到達しない。なお、機関運転時間がゼロの状態はパティキュレートフィルタ２４が未使用の状態に相当する。機関運転時間が経過するにつれて、コート層７５の細孔内に捕集されている粒子状物質の量が増大する。

機関運転時間が更に経過したときには、図５Ｂに示されるように、粒子状物質８０は主として、コート層７５の表面上に細孔内に捕集される。機関運転時間が更に経過するにつれて、コート層７５の表面上に捕集されている粒子状物質の量が増大する。

機関運転時間が更に経過したときには、図５Ｃに示されるように、粒子状物質８０が非コート領域ＮＣＺに到達し、隔壁７２を通過するようになる。このとき、コート領域ＣＺに捕集されている粒子状物質の量はほとんど増大しない。

機関運転時間が更に経過したときには、非コート領域ＮＣＺに到達した粒子状物質の一部が隔壁７２の細孔内壁面に衝突し、隔壁７２の細孔内に捕集されるようになる。すなわち、図５Ｄに示されるように、粒子状物質８０は主として、非コート領域ＮＣＺにおいて隔壁７２の細孔内に捕集される。機関運転時間が更に経過するにつれて、非コート領域ＮＣＺにおける隔壁７２の細孔内に捕集されている粒子状物質の量が増大する。

機関運転時間が更に経過したときには、図５Ｅに示されるように、粒子状物質８０が主として、非コート領域ＮＣＺにおける隔壁７２の表面上に捕集される。機関運転時間が更に経過するにつれて、非コート領域ＮＣＺにおける隔壁７２の表面上に捕集されている粒子状物質の量が増大する。

更に、本願発明者らによれば、吸入空気量が多いときには、コート領域ＣＺで捕集されることなく非コート領域ＮＣＺに到達する粒子状物質の量が多くなることも確認されている。したがって、吸入空気量が多いときには、コート領域ＣＺに捕集されている粒子状物質の量が少なくても、非コート領域ＮＣＺに捕集されている粒子状物質の量が増大する。

ところが、非コート領域ＮＣＺに捕集されている粒子状物質の量が過度に多くなると、アッシュが非コート領域ＮＣＺを通過することが困難となる。アッシュが非コート領域ＮＣＺを通過できないと、非コート領域ＮＣＺに多量のアッシュが堆積するおそれがある。

そこで、本発明による実施例では、非コート領域ＮＣＺに捕集された粒子状物質の量ＱＰＭＮＣＺが算出される。次いで、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが第１の許容上限量ＱＰＭＮＣＺＵよりも多いか否かが判別される。非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが第１の許容上限量ＱＰＭＮＣＺＵよりも多いと判別されたときに、パティキュレートフィルタ２４から粒子状物質を除去するためのＰＭ除去制御が行われる。その結果、非コート領域ＮＣＺに捕集されている粒子状物質の量が減少され、したがってアッシュが非コート領域ＮＣＺを容易に通過することが可能となる。

本発明による実施例では更に、コート領域ＣＺに捕集された粒子状物質の量ＱＰＭＣＺが算出される。次いで、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵよりも多いか否かが判別される。コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＺＣが第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵよりも多いと判別されたときに、パティキュレートフィルタ２４から粒子状物質を除去するためのＰＭ除去制御が行われる。その結果、コート領域ＣＺに捕集されている粒子状物質の量が減少され、コート領域ＣＺを通過して非コート領域ＮＣＺに到る粒子状物質の量が低減される。

すなわち、図６に示されるように、時間ｔ１において、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵよりも大きくなると、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが第１の許容上限量ＱＰＭＮＣＺＵよりも大きくなくても、ＰＭ除去制御が開始される。その結果、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺ及び非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺがそれぞれ減少する。次いで、時間ｔ２において、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺがほぼゼロになると、ＰＭ除去制御が停止される。

ＰＭ除去制御が停止されると、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺ及び非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺがそれぞれ増大する。次いで、時間ｔ３において、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが第１の許容上限量ＱＰＭＮＣＺＵよりも大きくなると、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵよりも大きくなくても、ＰＭ除去制御が開始される。その結果、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺ及び非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺがそれぞれ減少する。次いで、時間ｔ４において、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺがほぼゼロになると、コート領域ＣＺＮの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺがほぼゼロでなくても、ＰＭ除去制御が停止される。

すなわち、図６に示される実施例では、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵを越えたことによりＰＭ除去制御が開始されたときには、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺがほぼゼロになったときにＰＭ除去制御が停止される。また、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが第１の許容上限量ＱＰＭＮＣＺＵを越えたことによりＰＭ除去制御が開始されたときには、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺがほぼゼロになったときにＰＭ除去制御が停止される。

別の実施例では、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺ及び非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺの両方がほぼゼロになると、ＰＭ除去制御が停止される。更に別の実施例では、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺ及び非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺのいずれか一方がほぼゼロになると、ＰＭ除去制御が停止される。

コート領域ＣＺに捕集されている粒子状物質の量ＱＰＭＣＺは次式（１）を用いて繰り返し更新される。

ＱＰＭＣＺ＝ＱＰＭＣＺ＋ｑＰＭｉ・ＥＰＭＣＺ−ｑＰＭＣＺｄ（１）
式（１）において、ｑＰＭｉは単位時間当たりにパティキュレートフィルタ２４ないしコート領域ＣＺに流入した粒子状物質の量を、ＥＰＭＣＺはコート領域ＣＺの粒子状物質捕集率を、ｑＰＭＣＺｄは単位時間当たりにコート領域ＣＺから除去される粒子状物質の量を、それぞれ表している。したがって、ｑＰＭｉ・ＥＰＭＣＺは粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺの単位時間当たりの増大分を、ｑＰＭＣＺｄは粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺの単位時間当たりの減少分を、それぞれ表している。

本発明による実施例では、粒子状物質流入量ｑＰＭｉは機関運転状態に基づいて算出される。すなわち、粒子状物質流入量ｑＰＭｉは機関負荷を表す燃料噴射量ＱＦ及び機関回転数Ｎｅの関数として図７に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ３２内に記憶されており、このマップを用いて算出される。別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４上流の排気通路に取り付けられた粒子状物質センサにより粒子状物質流入量ｑＰＭｉが検出される。

コート領域ＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺはコート領域ＣＺに流入した粒子状物質の量に対するコート領域ＣＺで捕集された粒子状物質の量の比である（０≦ＥＰＭＣＺ≦１）。本発明による実施例では、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺはコート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺの関数として図８に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ３２内に記憶されており、このマップを用いて算出される。図８において、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺは、粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが非常に少ないときを除いて、粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが多くなるにつれて小さくなる。

コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺの単位時間当たりの減少分ｑＰＭＣＺｄは機関運転状態に基づいて算出される。すなわち、減少分ｑＰＭＣＺｄは吸入空気量Ｇａ及びパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦの関数として図９に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ３２内に記憶されており、このマップを用いて算出される。

一方、非コート領域ＮＣＺに捕集されている粒子状物質の量ＱＰＭＮＣＺは次式（２）を用いて繰り返し更新される。

ＱＰＭＮＣＺ＝ＱＰＭＮＣＺ＋ｑＰＭｉ・（１−ＥＰＭＣＺ）・ＥＰＭＮＣＺ−ｑＰＭＮＣＺｄ（２）
式（２）において、ＥＰＭＮＣＺは非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集率を、ｑＰＭＮＣＺｄは単位時間当たりに非コート領域ＮＣＺから除去される粒子状物質の量を、それぞれ表している。したがって、ｑＰＭｉ・（１−ＥＰＭＣＺ）はコート領域ＣＺを通過し非コート領域ＮＣＺに流入した粒子状物質の量を、ｑＰＭｉ・（１−ＥＰＭＣＺ）・ＥＰＭＮＣＺは粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺの単位時間当たりの増大分を、ｑＰＭＮＣＺｄは粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺの単位時間当たりの減少分を、それぞれ表している。

粒子状物質捕集率ＥＰＭＮＣＺは非コート領域ＮＣＺに流入した粒子状物質の量に対する非コート領域ＮＣＺで捕集された粒子状物質の量の比である（０≦ＥＰＭＮＣＺ≦１）。本発明による実施例では、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＮＣＺは、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺの関数として図１０に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ３２内に記憶されており、このマップを用いて算出される。図１０において、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＮＣＺは非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが多くなるにつれて大きくなる。

コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺの単位時間当たりの減少分ｑＰＭＣＺｄは機関運転状態に基づいて算出される。すなわち、減少分ｑＰＭＣＺｄは吸入空気量Ｇａ及びパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦの関数として図１１に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ３２内に記憶されており、このマップを用いて算出される。

したがって、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺはパティキュレートフィルタ２４に流入した粒子状物質の量ｑＰＭｉと、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺとに基づいて算出される。また、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺはパティキュレートフィルタ２４に流入した粒子状物質の量ｑＰＭｉと、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺと、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＮＣＺとに基づいて算出される。

本発明による実施例において、ＰＭ除去制御は、酸化雰囲気のもとでパティキュレートフィルタ２４の温度をＰＭ除去温度まで上昇し維持する昇温制御から構成される。ＰＭ除去温度ＴＰＭは例えば６００℃である。昇温制御では、パティキュレートフィルタ２４に捕集されている粒子状物質が酸化され、除去される。パティキュレートフィルタ２４の温度を上昇させるために、本発明による実施例では、燃料添加弁２７から添加された燃料が排気通路又はパティキュレートフィルタ２４で燃焼される。別の実施例では、燃料噴射弁３から２次的に噴射された燃料が燃焼室２、排気通路、又はパティキュレートフィルタ２４で燃焼される。

別の実施例では、ＰＭ除去制御は、粒子状物質をＮＯｘにより酸化除去するために、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガス中のＮＯｘ量を増大させるＮＯｘ増大制御から構成される。ＮＯｘ量を増大させるために例えばＥＧＲガス量が減少される。更に別の実施例では、ＰＭ除去制御は、粒子状物質をオゾンにより酸化除去するために、パティキュレートフィルタ２４上流の排気通路に連結されたオゾン供給器からオゾンをパティキュレートフィルタ２４に供給するオゾン供給制御から構成される。

次に、第１の許容上限量ＱＰＭＮＣＺＵ及び第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵについて説明する。

図１２はパティキュレートフィルタ２４のアッシュ捕集率ＥＡと非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺとの関係を示している。アッシュ捕集率ＥＡはパティキュレートフィルタ２４に流入したアッシュの量に対するパティキュレートフィルタ２４に捕集されたアッシュの量の比である。図１２に示されるように、粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが多くなるにつれて、アッシュ捕集率ＥＡが高くなる。上述の第１の許容上限量ＱＰＭＮＣＺＵはアッシュ捕集率ＥＡが許容上限値ＥＡＵとなるように設定される。その結果、アッシュ捕集率ＥＡが許容上限値ＥＡＵまで増大するとＰＭ除去制御が行われ、それによりアッシュ捕集率ＥＡが低下される。したがって、アッシュ捕集率ＥＡが許容上限値ＥＡＵを越えて増大するのが阻止されている。

図１３はコート領域ＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺとコート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺとの関係を示している。図１３に示されるように、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺは、粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが非常に少ないときを除いて、粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが多くなるにつれて小さくなる。上述の第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵは粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺが許容下限値ＥＰＭＣＺＬとなるように設定される。その結果、粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺが許容下限値ＥＰＭＣＺＬまで低下するとＰＭ除去制御が行われ、それにより粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺが増大される。したがって、粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺが許容下限値ＥＰＭＣＺＬを越えて低下するのが阻止されている。

なお、図８及び図１３に示されるコート領域ＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺとコート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺとの関係は吸入空気量Ｇａ又はパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦに応じて変動しうる。したがって、別の実施例では、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺが吸入空気量Ｇａ及びパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦの少なくとも一方に基づいて補正される。更に別の実施例では、第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵが吸入空気量Ｇａ及びパティキュレートフィルタ２４の温度ＴＦの少なくとも一方に基づいて補正される。

図１４は本発明による実施例の排気浄化制御を実行するルーチンを示している。図１４を参照すると、ステップ１０１では図１５に示されるルーチンで算出された粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺ，ＱＰＭＮＣＺが読み込まれる。続くステップ１０２ではコート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵよりも多いか否かが判別される。ＱＰＭＣＺ＞ＱＰＭＣＺＵのときには次いでステップ１０３に進み、ＰＭ除去制御が実行される。次いで処理サイクルを終了する。これに対し、ＱＰＭＣＺ≦ＱＰＭＣＺＵのときには次いでステップ１０４に進み、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが第１の許容上限量ＱＰＭＮＣＺＵよりも多いか否かが判別される。ＱＰＭＮＣＺ＞ＱＰＭＮＣＺＵのときには次いでステップ１０３に進み、ＰＭ除去制御が実行される。これに対し、ＱＰＭＮＣＺ≦ＱＰＭＮＣＺＵのときには処理サイクルを終了する。この場合には、ＰＭ除去制御が実行されない。

図１５は本発明による実施例の粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺ，ＱＰＭＮＣＺの算出制御を実行するルーチンを示している。図１５を参照すると、ステップ１１１では単位時間当たりにパティキュレートフィルタ２４に流入した粒子状物質の量ｑＰＭｉが図７を用いて算出される。続くステップ１１２ではコート領域ＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＣＺが、現在のコート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺに基づき図８を用いて算出される。続くステップ１１３ではコート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺの単位時間当たりの減少分ｑＰＭＣＺｄが図９を用いて算出される。続くステップ１１４ではコート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが式（１）を用いて算出される。続くステップ１１５では非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集率ＥＰＭＮＣＺが、現在の非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺに基づき図１０を用いて算出される。続くステップ１１６では非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺの単位時間当たりの減少分ｑＰＭＮＣＺｄが図１１を用いて算出される。続くステップ１１７では非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが式（２）を用いて算出される。

図１６は本発明による実施例のＰＭ除去制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは図１４のステップ１０３で実行される。図１６を参照すると、ステップ１２１では上述の昇温制御が行われる。続くステップ１２２では昇温制御を停止すべきか否かが判別される。本発明による実施例では、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵを越えたことによりＰＭ除去制御が開始されたときには、コート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺがほぼゼロになったときにＰＭ除去制御を停止すべきと判別される。また、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが第１の許容上限量ＱＰＭＮＣＺＵを越えたことによりＰＭ除去制御が開始されたときには、非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺがほぼゼロになったときにＰＭ除去制御を停止すべきと判別される。昇温制御を停止すべきと判別されないときにはステップ１２１に戻る。これに対し、昇温制御を停止すべきと判別されたときには処理サイクルを終了する。したがって、昇温制御が停止される。

電子制御ユニット３０（図１）は粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺ，ＱＰＭＮＣＺの算出を行うようにプログラムされている。また、電子制御ユニット３０は非コート領域ＮＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＮＣＺが第１の許容上限量ＱＰＭＮＣＺＵよりも多いか否かの判断を行うようにプログラムされている。更に、電子制御ユニット３０はコート領域ＣＺの粒子状物質捕集量ＱＰＭＣＺが第２の許容上限量ＱＰＭＣＺＵよりも多いか否かの判断を行うようにプログラムされている。更に、電子制御ユニット３０はＰＭ除去制御を行うようにプログラムされている。

これまで述べてきた本発明による実施例では、非コート領域ＮＣＺにコート層が設けられていない。別の実施例では、非コート領域ＮＣＺに、コート層７５とは異なる別のコート層が設けられる。この場合、非コート領域ＮＣＺにおける隔壁７２の平均細孔径は別のコート層が設けられた状態において、２５μｍ以上１００μｍ以下に設定される。別のコート層は例えば酸化機能を有する金属を担持した触媒コート層から形成される。その結果、非コート領域ＮＣＺに到達した粒子状物質を容易に酸化除去することができる。

１機関本体
２１排気管
２４パティキュレートフィルタ
７１ｉ排気ガス流入通路
７１ｏ排気ガス流出通路
７２隔壁
７５コート層
ＣＺコート領域
ＮＣＺ非コート領域

Claims

機関排気通路内に配置された、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタであって、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、隔壁に、平均細孔径が隔壁基材の平均細孔径よりも小さいコート層により基材表面が覆われたコート領域と、コート領域の下流側において基材表面が前記コート層により覆われていない非コート領域とが区画され、非コート領域において排気ガス中に含まれるアッシュが隔壁を通過できるように隔壁の細孔径が設定されている、パティキュレートフィルタと、
非コート領域に捕集された粒子状物質の量を算出する第１の算出手段と、
非コート領域に捕集された粒子状物質の量が第１の許容上限量よりも多いか否かを判別する第１の判別手段と、
非コート領域に捕集された粒子状物質の量が第１の許容上限量よりも多いと判別されたときに、パティキュレートフィルタから粒子状物質を除去するためのＰＭ除去制御を行う第１のＰＭ除去手段と、
を具備した内燃機関の排気浄化装置。
前記第１の算出手段は、パティキュレートフィルタに流入した粒子状物質の量と、コート領域の粒子状物質捕集率と、非コート領域の粒子状物質捕集率と、非コート領域から除去される粒子状物質の量とに基づいて非コート領域に捕集された粒子状物質の量を算出する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
コート領域に捕集された粒子状物質の量を算出する第２の算出手段と、コート領域に捕集された粒子状物質の量が第２の許容上限量よりも多いか否かを判別する第２の判別手段と、コート領域に捕集された粒子状物質の量が第２の許容上限量よりも多いと判別されたときにＰＭ除去制御を行う第２のＰＭ除去手段と、を更に具備した、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記第２の算出手段は、パティキュレートフィルタに流入した粒子状物質の量と、コート領域の粒子状物質捕集率と、コート領域から除去される粒子状物質の量とに基づいてコート領域に捕集された粒子状物質の量を算出する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記コート層が酸化機能を有する金属粒子から形成される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記隔壁基材の平均細孔径が２５μｍ以上かつ１００μｍ以下に設定される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記コート層を形成する粒子の平均径が１μｍ以上かつ１０μｍ以下に設定される、請求項１から６までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。