JP6311731B2

JP6311731B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP6311731B2
Application number: JP2016013580A
Authority: JP
Inventors: 大地今井; 寛真西岡; 藤原　清; 清藤原; 山下　芳雄; 芳雄山下; 田中　耕太; 耕太田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: US10309285B2; CN107023365B; CN107023365A; US20170211452A1; EP3199776B1; JP2017133414A; EP3199776A1

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

車両等に搭載される内燃機関においては、該内燃機関から排出される粒子状物質（ＰＭ（Particulate Matter））の大気中への排出を抑制するために、内燃機関の排気通路にフィルタを配置する技術が知られている。このようなフィルタのＰＭ堆積量が過剰に多くなると、該フィルタの圧力損失が過大となって内燃機関に作用する背圧が大きくなる。そこで、フィルタより上流の排気圧力とフィルタより下流の排気圧力との差（前後差圧）が所定の閾値以上になったときに、フィルタを高温且つ酸素過剰な雰囲気にすることで、該フィルタに堆積しているＰＭを酸化及び除去するための処理（フィルタ再生処理）を適宜行う必要がある。

ここで、フィルタに堆積するＰＭには、ＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）と煤（Soot）とが含まれる。そして、フィルタに堆積しているＰＭ量が同じであっても、ＳＯＦ量と煤量との割合によって前後差圧が異なる可能性がある。そこで、先ずフィルタの温度をＳＯＦが酸化する温度まで昇温させることで、フィルタに堆積しているＳＯＦを酸化及び除去する前処理を実行し、ＳＯＦが除去された状態における前後差圧が所定値以上になったときにフィルタの温度を煤が酸化すると考えられる温度（ＳＯＦが酸化する温度より高い温度）まで昇温させることで、フィルタに堆積している煤を酸化及び除去する処理を実行する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−１６９２３５号公報特開２００３−２５４０４２号公報特開２００３−３１４２４９号公報特開２００５−００２８３０号公報特開２００４−２２５６１６号公報

ところで、本願発明者らは、フィルタに堆積する煤の酸化速度は一様ではなく、煤の結晶構造によって酸化速度が異なることを見出した。そのため、煤の結晶構造に起因する酸化速度の違いを考慮せずに、フィルタ再生処理が実行されると、例えば、フィルタに堆積している煤のうち、酸化速度が大きくなり易い結晶構造を持つ煤の堆積量が占める割合が高い場合に、フィルタが過昇温する可能性がある。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に設けられたフィルタに堆積しているＰＭを酸化及び除去するためのフィルタ再生処理を実行する内燃機関の排気浄化装置において、フィルタの過昇温を抑制しつつ、フィルタに堆積しているＰＭを酸化及び除去することにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、フィルタ再生処理の実行前に、該フィルタ再生処理の実行時より低い温度でプレ再生処理を実行し、その際の前後差圧の変化速度に応じてフィルタ再生処理実行時におけるフィルタの温度の目標値を変更するようにした。

詳細には、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配置され、前記内燃機関から排出されるＰＭを捕集するフィルタと、前記フィルタより上流の排気圧力と前記フィルタより下流の排気圧力との差である前後差圧を検出する差圧センサと、前記フィルタに捕集されているＰＭの量であるＰＭ堆積量を取得する取得手段と、前記取得手段により取得されるＰＭ堆積量が所定の閾値以上であるときに、前記フィルタを第一目標温度まで昇温させることにより、該フィルタに捕集されているＰＭを酸化及び除去する処理であるフィルタ再生処理を実行する再生手段と、を備える。そして、前記再生手段は、前記取得手段により取得されるＰＭ堆積量が前記所定の閾値以上となったときに、前記フィルタを前記第一目標温度より低い第二目標温度まで昇温させるとともに前記フィルタへ流入する排気に含まれる二酸化窒素（ＮＯ_２）の濃度を高める処理であるプレ再生処理を所定期間実行し、そのプレ再生処理の終了後に前記フィルタ再生処理を実行するものであって、前記プレ再生処理の実行時における前記差圧センサの検出値の変化速度が大きいときの前記第一目標温度は前記変化速度が小さいときの前記第一目標温度より低い温度となるように、前記第一目標温度を設定して前記フィルタ再生処理を実行するようにした。

ここで、本願発明者らは、内燃機関から排出される煤には、その結晶構造の違いにより酸化され易い煤が含まれることを見出した。酸化され易い煤とは、格子欠陥の多い煤であると推測される。なお、本発明における格子欠陥の多い煤とは、ラマン分光法で得られるスペクトルにおいて結晶由来のＧバンドとともに欠陥由来のＤバンドにもピークを有し、Ｄバンドのピーク値が所定値以上となる煤であり、例えば活性炭のような煤のことをいう。以下、格子欠陥の多い煤を「欠陥煤」と称する場合もある。

上記した欠陥煤は、前述したように、格子欠陥の少ない煤に比べ、酸化され易い。そのため、同一の温度条件下においては、欠陥煤の酸化速度は、格子欠陥の少ない煤の酸化速度より大きくなり易い。よって、フィルタに堆積しているＰＭの総量（ＰＭ堆積量）に対して欠陥煤の堆積量が占める割合（以下、「欠陥煤比率」と称する）が大きいときは小さいときに比べ、フィルタ再生処理実行時の単位時間あたりに酸化されるＰＭの量が多くなり易く、それに応じてフィルタの温度が高くなり易い。このような実情を考慮せずに、フィルタ再生処理実行時における第一目標温度が設定されると、欠陥煤比率が高い状態でフィルタ再生処理が実行された場合に、フィルタが過昇温する可能性がある。

これに対し、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、フィルタのＰＭ堆積量が前記所定の閾値以上となったときに、先ずプレ再生処理を所定期間実行し、そのプレ再生処理の終了後に再生処理を実行する。そして、フィルタ再生処理の実行時における第一目標温度は、前記プレ再生処理の実行時における差圧センサの検出値（前後差圧）の変化速度に応じ設定される。なお、ここでいう所定期間は、前記フィルタ再生処理の実行に要する期間より十分に短い期間であって、且つフィルタに堆積している欠陥煤の極一部が酸化される程度の短い期間である。本願発明者らの知見によれば、欠陥煤は、ＮＯ_２の存在下においては、格子欠陥の少ない煤よりも低い温度で酸化され易い。よって、欠陥煤比率が大きい場合は小さい場合に比べ、プレ再生処理の実行時において単位時間あたりに酸化されるＰＭの量が多くなり、それに伴ってプレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度（減少速度）が大きくなる。このような相関を踏まえると、前記プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度が大きい場合は小さい場合に比べ、前記第一目標温度を低い温度に設定することにより、欠陥煤比率が高い場合は低い場合に比べ、前記第一目標温度が低い温度に設定されることになる。その結果、欠陥煤比率が高い状態でフィルタ再生処理が実行されても、フィルタの過昇温を抑制することができる。

ここで、前記所定期間は、予め定められた一定時間としてもよい。その場合、前記再生手段は、前記プレ再生処理の実行時における前記差圧センサの検出値の変化速度に相関す
る物理量として、前記所定期間における前記差圧センサの検出値の変化量を求めてもよい。そして、前記再生手段は、前記変化量が大きいときの第一目標温度は前記変化量が小さいときの第一目標温度より低い温度となるように、第一目標温度を設定して、フィルタ再生処理を実行すればよい。このような構成によれば、プレ再生処理の実行期間を可及的に短い期間に抑えることができる。

また、前記所定期間は、前記差圧センサの検出値の変化量が予め定められた一定量に達するまでの期間としてもよい。その場合、前記再生手段は、前記プレ再生処理の実行時における前記差圧センサの検出値の変化速度に相関する物理量として、前記所定期間の長さを求めてもよい。そして、前記再生手段は、前記所定期間の長さが短いときの第一目標温度は前記所定期間の長さが長いときの第一目標温度より低い温度となるように、第一目標温度を設定して、フィルタ再生処理を実行すればよい。このような構成によれば、前記一定量を、差圧センサのばらつき等に起因する前後差圧の変化量のばらつきより大きな値に設定することで、プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度に相関する物理量をより正確に検出することができる。

次に、本発明に係わる再生手段は、前記プレ再生処理の実行時における前記差圧センサの検出値の変化速度が大きいときは小さいときに比べ、前記フィルタに堆積しているＰＭの酸化速度が大きくなり、且つ前記フィルタの温度が高いときは低いときに比べ、前記フィルタに堆積しているＰＭの酸化速度が大きくなるという特性に基づいて、前記プレ再生処理の実行時における前記差圧センサの検出値の変化速度に対応する、前記フィルタの温度と該フィルタに堆積しているＰＭの酸化速度との関係を推定し、推定された関係におけるＰＭの酸化速度が所定の上限値と等しくなる前記フィルタの温度を求め、その温度を第一目標温度に設定してもよい。ここでいう上限値は、前記フィルタに堆積しているＰＭの酸化速度が該上限値を超えると、前記フィルタが過昇温すると考えられる値であって、前記フィルタの温度が高くなるほど小さい値に設定される。このような構成によれば、第一目標温度を、前記フィルタの過昇温を抑制し得る範囲において可及的に高い温度に設定することが可能になる。そのため、フィルタの過昇温を抑制しつつ、該フィルタに堆積しているＰＭを効率的に酸化及び除去することが可能となる。

なお、プレ再生処理が実行される際にフィルタにＳＯＦが堆積していると、欠陥煤比率が前記所定期間における前後差圧の変化速度に正確に反映され難くなる。詳細には、ＳＯＦは、欠陥煤よりも酸化され易い。そのため、フィルタにＳＯＦが堆積している状態でプレ再生処理が実行された場合と、フィルタにＳＯＦが堆積していない状態でプレ再生処理が実行された場合とでは、たとえ欠陥煤比率が同じであっても、前記所定期間における前後差圧の変化速度は、フィルタにＳＯＦが堆積している場合の方が大きくなる。よって、フィルタにＳＯＦが堆積している状態でプレ再生処理が実行された場合における差圧センサの検出値の変化速度に応じて第一目標温度が設定されると、その第一目標温度が欠陥煤比率に適した温度より低い温度になる可能性がある。その結果、フィルタに堆積しているＰＭを効率的に酸化及び除去することができなくなる虞がある。

そこで、本発明に係わる再生手段は、前記プレ再生処理を実行する前に、前記フィルタを前記第二目標温度より低く、且つＳＯＦが酸化される温度である第三目標温度まで昇温させることにより、前記フィルタに堆積しているＳＯＦを酸化及び除去する処理であるＳＯＦ除去処理を実行してもよい。このような構成によれば、フィルタにＳＯＦが堆積している状態でプレ再生処理が実行されることが抑制されるため、第一目標温度を、フィルタに堆積しているＰＭの欠陥煤比率に適した温度に設定することが可能となる。その結果、フィルタに堆積しているＰＭを効率的に酸化及び除去することができる。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられたフィルタに堆積しているＰＭを酸化及び除去するためのフィルタ再生処理を実行する内燃機関の排気浄化装置において、フィルタの過昇温を抑制しつつ、フィルタに堆積しているＰＭを酸化及び除去することができる。

本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。欠陥煤が有する格子欠陥の概念について説明するための図である。欠陥煤が酸化される概念について説明するための図である。フィルタ温度とＰＭ酸化速度との相関について、堆積欠陥煤比率がＰＭ酸化速度に与える影響について説明するための図である。プレ再生処理及びフィルタ再生処理の一連の流れを示すタイミングチャートである。プレ再生処理の実行時における差圧センサの検出値（前後差圧）の変化速度と第一目標温度との関係を示す図である。プレ再生処理を一定時間実行する場合における差圧センサの検出値（前後差圧）の変化量と第一目標温度との関係を示す図である。プレ再生処理を差圧センサの検出値の変化量が一定量に達するまで実行する場合におけるプレ再生処理の実行に要した時間（所要時間）と第一目標温度との関係を示す図である。第１の実施形態において、フィルタに堆積しているＰＭを酸化及び除去する場合にＥＣＵによって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。第１の実施形態において、フィルタに堆積しているＰＭを酸化及び除去する場合にＥＣＵによって実行される処理ルーチンの変形例を示すフローチャートである。第２の実施形態において、欠陥煤比率に対応する、フィルタ温度と再生速度との関係に基づいて、第一目標温度を設定する手順を説明する図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施形態１＞
先ず、本発明の第１の実施形態について図１乃至図１０に基づいて説明する。図１は、本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、軽油を燃料とする圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、気筒２内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。

内燃機関１は、吸気通路４と接続されている。吸気通路４には、エアフローメータ４０とスロットル弁４１とが設けられている。エアフローメータ４０は、吸気通路４内を流れる吸気（空気）の量（質量）に応じた電気信号を出力する。スロットル弁４１は、エアフローメータ４０より下流の吸気通路４に配置され、吸気通路４の通路断面積を変更することで、内燃機関１の吸入空気量を調整する。

内燃機関１は、排気通路５と接続されている。排気通路５には、フィルタケーシング５０が配置されている。フィルタケーシング５０は、排気中のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタ５０ａ（以下、単に「フィルタ５０ａ」と称する）を収容している。このフィルタ５０ａは、ウォールフロー型のパティキュレートフィルタであり、その基材には酸化触媒が担持されている。そして、フィルタケーシング５０より上流の排気通路５には、排気中へ未燃燃料を添加する燃料添加弁５１が設けられている。

フィルタケーシング５０より下流の排気通路５には、フィルタケーシング５０から流出する排気の温度に相関した電気信号を出力する排気温度センサ５２が配置されている。また、排気通路５には、フィルタ５０ａより上流の排気圧力とフィルタ５０ａより下流の排気圧力との差（以下、「前後差圧」と称する）に応じた電気信号を出力する差圧センサ５３が取り付けられている。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０が併
設されている。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等から構成される電子制御ユニットである。ＥＣＵ１０は、前述したエアフローメータ４０、排気温度センサ５２、差圧センサ５３に加え、アクセルポジションセンサ７やクランクポジションセンサ８等の各種センサと電気的に接続されている。アクセルポジションセンサ７は、図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関した電気信号を出力するセンサである。クランクポジションセンサ８は、内燃機関１の機関出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力するセンサである。これら各種センサの出力信号は、ＥＣＵ１０に入力されるようになっている。

また、ＥＣＵ１０は、上記の燃料噴射弁３、スロットル弁４１、および燃料添加弁５１等の各種機器と電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、上記した各種センサの出力信号に基づいて、上記の各種機器を制御する。例えば、ＥＣＵ１０は、アクセルポジションセンサ７やクランクポジションセンサ８の出力信号に基づいて混合気の目標空燃比を演算し、その目標空燃比とエアフローメータ４０の出力信号とから１気筒あたりの目標燃料噴射量（燃料噴射時間）を演算する。そして、ＥＣＵ１０は、目標燃料噴射量に従って燃料噴射弁３を制御する。また、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転期間中において、フィルタ５０ａにＰＭが堆積することに起因するフィルタ５０ａの目詰まりを抑制するために、該フィルタ５０ａに堆積しているＰＭを酸化及び除去するためのフィルタ再生処理を適宜に実行する。以下、本実施形態におけるフィルタ再生処理の実行方法について説明する。

ここで、フィルタ５０ａに堆積するＰＭの量（ＰＭ堆積量）ΣＰＭが所定の閾値ΣＰＭｔｈｒを超えると、フィルタ５０ａの圧力損失に起因する背圧が過大となって、内燃機関１の出力低下や燃料消費率の悪化等の不具合を招く。そのため、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転期間中に所定の周期でフィルタ５０ａのＰＭ堆積量ΣＰＭを推定し、そのＰＭ堆積量ΣＰＭが前記所定の閾値ΣＰＭｔｈｒに達したときにフィルタ再生処理を実行する。フィルタ５０ａのＰＭ堆積量ΣＰＭは、単位時間あたりにフィルタ５０ａに捕集されるＰＭの量と、単位時間あたりにフィルタ５０ａで酸化されるＰＭの量と、の差を積算する方法により推定される。その際、単位時間あたりにフィルタ５０ａに捕集されるＰＭの量は、単位時間あたりに内燃機関１から排出されるＰＭ量に、フィルタ５０ａの仕様に応じて定まる捕集率を乗算することで、求められる。単位時間あたりに内燃機関１から排出されるＰＭの量は、内燃機関１の運転状態から推定されるものとする。一方、単位時間あたりにフィルタ５０ａで酸化されるＰＭの量は、フィルタ５０ａの温度と、ＰＭ堆積量ΣＰＭの前回値と、フィルタ５０ａへ流入する排気の酸素濃度と、フィルタ５０ａへ流入する排気のＮＯ_２濃度と、をパラメータとして演算される。フィルタ５０ａの温度は、排気温度センサ５２の検出値に基づいて推定されるものとする。フィルタ５０ａへ流入する排気の酸素濃度は、内燃機関１の運転状態から推定されてもよく、又は酸素濃度センサによって検出されてもよい。フィルタ５０ａへ流入する排気のＮＯ_２濃度は、内燃機関１の運転状態から推定されてもよく、又はＮＯ_Ｘセンサの検出値から推定されててもよい。なお、フィルタ５０ａのＰＭ堆積量ΣＰＭは、差圧センサ５３により検出される前後差圧と、排気流量（燃料噴射量と吸入空気量との総和）と、をパラメータとして演算されてもよい。このような方法により、ＥＣＵ１０がフィルタ５０ａのＰＭ堆積量ΣＰＭを求めることにより、本発明に係わる「取得手段」が実現される。

フィルタ再生処理の具体的な実行方法としては、燃料添加弁５１から排気に燃料を添加することにより、その添加燃料をフィルタ５０ａに担持されている酸化触媒で酸化させて、その際に発生する反応熱でフィルタ５０ａをＰＭの酸化可能な温度（第一目標温度）まで昇温させる方法を用いることができる。なお、燃料添加弁５１を備えていない内燃機関１においては、排気行程にある気筒２の燃料噴射弁３から燃料を噴射（ポスト噴射）させることにより、フィルタ５０ａへ未燃燃料を供給してもよい。また、フィルタ５０ａを電気的に加熱するヒータが内燃機関１に併設されている場合は、該ヒータによってフィルタ５０ａを前記第一目標温度まで昇温させてもよい。

ここで、前記第一目標温度は、内燃機関１から排出されるＰＭが効率的に酸化及び除去される温度であって、フィルタ再生処理の実行中にフィルタ５０ａが過昇温しない温度に定められることが望ましい。ところで、フィルタ再生処理の実行時におけるフィルタ５０ａの温度は、ＰＭの酸化し易さに依存する。すなわち、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭの総量のうち、酸化し易いＰＭの堆積量が多くなるほど、フィルタ再生処理の実行時において単位時間あたりに酸化されるＰＭの量が多くなるため、フィルタ５０ａの温度がより高い温度まで上昇し易くなる。しかしながら、従来では、ＰＭを構成するＳＯＦと煤との間には酸化し易さに違いがあるが、煤の酸化し易さは一様であると考えられていた。そのため、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭの総量に対してＳＯＦの堆積量が占める割合に基づいて、第一目標温度を設定する方法は提案されていたが、煤の酸化し易さに違いがあることを考慮して第一目標温度を設定する方法は未だ提案されていない。

煤の酸化特性について、本願発明者らが鋭意の実験及び検証を行った結果、内燃機関１から排出される煤の酸化し易さは一様ではなく、その結晶構造によって酸化し易さが異なることを見出した。すなわち、本願発明者らは、内燃機関１から排出される煤には、酸化され易い結晶構造を持つ煤が含まれることを見出した。酸化され易い結晶構造を持つ煤とは、前述したように、格子欠陥の多い煤（欠陥煤）であると推測される。図２は、本発明における格子欠陥の概念を示したものである。図２に示すように、炭素原子が構成する結晶格子において、原子配列の乱れによって格子密度が低くなっている領域が、本発明における格子欠陥である。そして、本発明における欠陥煤とは、上記した格子欠陥を多数有する煤であって、前述したように、ラマン分光法で得られるスペクトルにおいて欠陥由来のＤバンドのピーク値が所定値以上となる煤のことをいう。また、図３は、上記した欠陥煤が酸化される概念を示したものである。図３に示すように、欠陥煤は格子欠陥周辺が酸化物（例えば、ＮＯ_２）によって酸化され易いため、煤全体として酸化され易いと推測される。よって、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭの総量（ＰＭ堆積量ΣＰＭ）に対して欠陥煤の堆積量が占める割合（欠陥煤比率）が大きい場合は小さい場合に比べ、フィルタ再生処理の実行時において単位時間あたりに酸化されるＰＭの量が多くなる。すなわち、欠陥煤比率が大きい場合は小さい場合に比べ、フィルタ再生処理の実行時におけるＰＭの酸化速度が大きくなる。図４は、フィルタ温度とＰＭの酸化速度との相関について、堆積欠陥煤比率が該ＰＭ酸化速度に与える影響について説明するための図である。図４において、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭの酸化速度（以下、単に「ＰＭ酸化速度」と記す）は、フィルタ５０ａの温度が高くなるほど大きくなる。さらに、ＰＭ酸化速度は、欠陥煤比率が小さい場合より大きい場合の方が大きくなる。これらの特性を考慮せずに第一目標温度が設定されると、欠陥煤比率が高い状態でフィルタ再生処理が実行されたときに、ＰＭ酸化速度が想定される速度より大きくなって、フィルタ５０ａの温度が第一目標温度より高い温度まで過昇温する虞がある。

そこで、本実施形態のフィルタ再生処理では、フィルタ５０ａに堆積している煤の欠陥煤比率を考慮して、第一目標温度を設定するようにした。具体的には、フィルタ再生処理の実行前にプレ再生処理を所定期間実行して、そのプレ再生処理の実行時における前後差
圧の変化速度に基づいて第一目標温度を設定する。図５は、プレ再生処理及びフィルタ再生処理が実行された場合におけるフィルタ５０ａの温度（フィルタ温度）とフィルタ５０ａへ流入する排気のＮＯ_２濃度と前後差圧との経時変化を示すタイミングチャートである。なお、図５中のｔ１は、フィルタ５０ａのＰＭ堆積量ΣＰＭが前述の所定の閾値ΣＰＭｔｈｒに達したタイミングを示す。図５に示すように、ＥＣＵ１０は、ＰＭ堆積量ΣＰＭが前述の所定の閾値ΣＰＭｔｈｒに達したときに（図５中のｔ１）、先ずプレ再生処理を所定期間（図５中のｔ１〜ｔ２の期間）実行し、そのプレ再生処理が終了したとき（図５中のｔ２）にフィルタ再生処理を開始する。ここでいうプレ再生処理は、フィルタ５０ａの温度を、欠陥煤が酸化する温度以上であって、且つ格子欠陥の少ない煤が酸化する温度（第一目標温度）より低い第二目標温度まで昇温させるとともに、フィルタ５０ａへ流入する排気に含まれるＮＯ_２の濃度をプレ再生処理の実行前より高める処理である。ＮＯ_２の存在下においては、欠陥煤は、格子欠陥の少ない煤に比べ、より低い温度で酸化される。そのため、前記第二目標温度は、ＮＯ_２の存在下において、欠陥煤が酸化され、且つ欠陥格子の少ない煤が酸化されない温度（例えば、４００℃程度）に設定されるものとする。また、ここでいう所定期間は、フィルタ再生処理の実行に要する期間より十分に短い期間であって、且つフィルタに堆積している欠陥煤の極一部が酸化される程度の短い期間である。このような方法によりプレ再生処理が実行されると、欠陥煤比率が大きい場合は小さい場合に比べ、プレ再生処理の実行時に単位時間あたりに酸化されるＰＭの量が多くなり、それに伴ってプレ再生処理の実行時における差圧センサ５３の検出値（前後差圧）の変化速度（減少速度）が大きくなる。つまり、前記プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度が大きい場合は小さい場合に比べ、欠陥煤比率が高いとみなすことができる。よって、前記プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度が大きい場合は小さい場合に比べ、第一目標温度をより低い温度に設定すれば、フィルタ５０ａの過昇温を抑制しつつ、該フィルタ５０ａに堆積しているＰＭを酸化及び除去することができる。

なお、プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度は、プレ再生処理が開始されたとき（図５中のｔ１）に差圧センサ５３によって検出される前後差圧ΔＰ１とプレ再生処理が終了されたとき（図５中のｔ２）に差圧センサ５３によって検出される前後差圧ΔＰ２との差（ΔＰ１−ΔＰ２）を、プレ再生処理の実行時間（ｔ２−ｔ１）で除算することにより、求めることができる。また、プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度と第一目標温度との関係は、予め実験等を利用した適合処理によって求めておき、それらの関係をマップ又は関数式の形態でＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶させておくものとする。その際、プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度と第一目標温度との関係は、図６に示すように、プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度が大きい場合は小さい場合に比べ、第一目標温度が低くなるように定められるものとする。なお、図６においては、プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度と第一目標温度との関係が略線形の関係になっているが、内燃機関やフィルタの仕様によっては非線形の関係になる場合もあり得る。

ここで、前記所定期間は、予め設定された一定時間であってもよい。ここでいう一定時間は、フィルタ再生処理の実行に要する時間より十分に短い時間であって、且つフィルタに堆積している欠陥煤の極一部が酸化される程度の短い時間である。その場合、ＥＣＵ１０は、プレ再生処理の実行時における差圧センサ５３の検出値（前後差圧）の変化量をパラメータとして、第一目標温度を設定してもよい。具体的には、図７に示すように、前記所定期間における差圧センサ５３の検出値の変化量（前後差圧の変化量）が大きい場合は小さい場合に比べ、第一目標温度が低い温度に設定されればよい。このように所定期間が定められると、プレ再生処理の実行期間を可及的に短い期間に抑えることができる。なお、図７においては、プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化量と第一目標温度との関係が略線形の関係になっているが、内燃機関やフィルタの仕様によっては非線形の関係になる場合もあり得る。

また、前記所定期間は、該プレ再生処理の開始時からの差圧センサ５３の検出値（前後差圧）の変化量が一定量に達するまでの期間であってもよい。ここでいう一定量は、差圧センサのばらつき等に起因する前後差圧の変化量のばらつきより大きな値である。その場合、ＥＣＵ１０は、前記所定期間の長さをパラメータとして、第一目標温度を設定してもよい。具体的には、図８に示すように、プレ再生処理の開始時からの差圧センサ５３の検出値（前後差圧）の変化量が一定量に達するまでに要した時間（所要時間）が短い場合は長い場合に比べ、第一目標温度が低い温度に設定されればよい。このように所定期間が定められると、プレ再生処理の実行時における前後差圧の変化速度に相関する物理量を、より正確に検出することができる。なお、図８においては、プレ再生処理の実行時間（所要時間）と第一目標温度との関係が略線形の関係になっているが、内燃機関やフィルタの仕様によっては非線形の関係になる場合もあり得る。

以下、本実施形態において、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭを酸化及び除去する手順について、図９に沿って説明する。図９は、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭを酸化及び除去する際にＥＣＵ１０によって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されており、該ＥＣＵ１０によって繰り返し実行される。

図９の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１の処理において、フィルタ５０ａのＰＭ堆積量ΣＰＭが前記所定の閾値ΣＰＭｔｈｒ以上であるか否かを判別する。その際、ＰＭ堆積量ΣＰＭは、前述したように、内燃機関１の運転状態から推定されてもよく、又は差圧センサ５３の検出値（前後差圧）から推定されてもよい。Ｓ１０１の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、プレ再生処理及びフィルタ再生処理を実行せずに、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１０１の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０２の処理へ進む。

Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ１０は、差圧センサ５３の検出値（前後差圧）ΔＰ１を読み込む。続いて、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３の処理へ進み、プレ再生処理を開始する。具体的には、ＥＣＵ１０は、フィルタ５０ａの温度を第二目標温度まで昇温させるとともに、フィルタ５０ａへ流入する排気に含まれるＮＯ_２の濃度をプレ再生処理の実行前より高める。フィルタ５０ａを昇温させる方法は、前述したフィルタ再生処理と同様に、燃料添加弁５１から排気に燃料を添加する方法、又は燃料噴射弁３からポスト噴射する方法を用いるものとする。また、フィルタ５０ａへ流入する排気のＮＯ_２濃度を高める方法としては、燃料噴射弁３の燃料噴射時期を圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）前まで進角させる方法を用いることができる。なお、排気通路５を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路４へ還流させるためのＥＧＲ装置が内燃機関１に併設されている場合は、ＥＣＵ１０は、ＥＧＲ装置により還流されるＥＧＲガスの量をプレ再生処理の実行前より少なくなることにより、フィルタ５０ａへ流入する排気のＮＯ_２濃度を高めてもよい。

Ｓ１０４の処理では、ＥＣＵ１０は、プレ再生処理の開始からの経過時間が一定時間以上になったか否かを判別する。Ｓ１０４の処理で否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、該Ｓ１０４の処理を再度実行することで、プレ再生処理の実行を継続する。一方、Ｓ１０４の処理で肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０５の処理へ進み、差圧センサ５３の検出値（前後差圧）ΔＰ２を読み込む。

Ｓ１０６の処理では、ＥＣＵ１０は、第一目標温度を設定する。詳細には、前記Ｓ１０２の処理で読み込まれた前後差圧ΔＰ１と前記Ｓ１０５の処理で読み込まれた前後差圧ΔＰ２との差（ΔＰ１−ΔＰ２）を前記一定時間で除算することにより、前後差圧の変化速度を演算する。なお、前記Ｓ１０２の処理で読み込まれた前後差圧ΔＰ１は、プレ再生処
理の開始時におけるフィルタ５０ａの前後差圧に相当する。また、前記Ｓ１０５の処理で読み込まれた前後差圧ΔＰ２は、プレ再生処理の終了時におけるフィルタ５０ａの前後差圧に相当する。次に、ＥＣＵ１０は、上記した手順で求められた前後差圧の変化速度を引数として、前述した図６のマップへアクセスすることで、第一目標温度を導出する。なお、前述の図７の説明で述べたように、前記一定時間における前後差圧ΔＰの変化量（ΔＰ１−ΔＰ２）をパラメータとして、第一目標温度を設定してもよい。

Ｓ１０７の処理では、ＥＣＵ１０は、プレ再生処理を終了して、フィルタ再生処理を開始する。その際、フィルタ５０ａの温度は、前記Ｓ１０６の処理で設定された第一目標温度まで上昇される。

Ｓ１０８の処理では、ＥＣＵ１０は、フィルタ再生処理の終了条件が成立しているか否かを判別する。ここでいう終了条件は、フィルタ再生処理の実行時間が所定時間以上であること、差圧センサ５３の検出値（前後差圧）が所定値以下であること、又は前述した方法により推定されるＰＭ堆積量ΣＰＭが所定量以下であること等である。Ｓ１０８の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、該Ｓ１０８の処理を再度実行する。一方、Ｓ１０８の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０９の処理へ進み、フィルタ再生処理を終了する。

このようにＥＣＵ１０が図９の処理ルーチンすることにより、本発明に係わる「再生手段」が実現される。その結果、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭの欠陥煤比率が高い状態でフィルタ再生処理が実行されても、フィルタ５０ａの過昇温を抑制することができる。

なお、図９の処理ルーチンは、プレ再生処理を一定時間実行する場合の処理ルーチンであるが、プレ再生処理の開始時からの前後差圧ΔＰの変化量が一定量に達するまで、プレ再生処理が実行されてもよい。その場合は、図１０に示すように、図９中のＳ１０４−Ｓ１０６の処理の代わりに、Ｓ２０１−Ｓ２０５の処理を実行すればよい。詳細には、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０１の処理においてプレ再生処理の開始時からの経過時間（所要時間）の計測を開始する。続いて、Ｓ２０２の処理では、ＥＣＵ１０は、差圧センサ５３の検出値（前後差圧）ΔＰ２を読み込む。Ｓ２０３の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０２の処理で読み込まれた前後差圧ΔＰ１と前記Ｓ２０２の処理で読み込まれた前後差圧ΔＰ２との差（ΔＰ１−ΔＰ２）が一定量以上であるか否かを判別する。該Ｓ２０３の処理で否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０２の処理へ戻り、プレ再生処理の実行を継続する。一方、該Ｓ２０３の処理で肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０４の処理へ進み、プレ再生処理の実行時間（所要時間）の計測を終了する。そして、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０５の処理へ進み、前記所要時間を引数として前述した図８のマップへアクセスすることにより、第一目標温度を導出する。このような方法によれば、前記一定量を、差圧センサ５３のばらつき等に起因する前後差圧の変化量のばらつきより大きな値に設定することで、プレ再生処理の実行時における実際の前後差圧の変化量をより正確に検出することができる。なお、ＥＣＵ１０は、前記一定量（前後差圧ΔＰの変化量（ΔＰ１−ΔＰ２））を前記所要時間で除算することにより、前後差圧の変化速度を演算して、その変化速度と前述した図６のマップとに基づいて、第一目標温度を設定してもよい。

ところで、プレ再生処理の実行時における前後差圧ΔＰの変化速度は、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭの欠陥煤比率が同じであっても、排気流量に応じて変化する可能性ががある。そのため、プレ再生処理は、アイドル運転状態のような定常運転状態にあるときに実行されるようにしてもよい。

＜実施形態２＞
次に、本発明の第２の実施形態について図１１に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施形態と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

前述した第１の実施形態と本実施形態との相違点は、プレ再生処理の実行時における前後差圧ΔＰの変化速度に対応する、フィルタ５０ａの温度（以下、単に「フィルタ温度」と称する）とＰＭ酸化速度との関係を求め、その関係におけるＰＭ酸化速度が所定の上限値と等しくなるフィルタ温度を、第一目標温度に設定する点にある。

具体的には、ＥＣＵ１０は、先ず、前後差圧ΔＰとＰＭ堆積量ΣＰＭとの相関に基づいて、前後差圧ΔＰの変化速度を欠陥煤の酸化速度に換算する。続いて、ＥＣＵ１０は、下記の式（１）に基づいて欠陥煤の堆積量を演算する。
［欠陥煤堆積量］＝［欠陥煤酸化速度］／（［NO₂濃度］＊［O₂濃度］＊k）・・・（１）
上記した式（１）において、ＮＯ_２濃度は、プレ再生処理の実行時にフィルタ５０ａへ流入する排気のＮＯ_２濃度である。Ｏ_２濃度は、プレ再生処理の実行時にフィルタ５０ａへ流入する排気のＯ_２濃度である。また、ｋは、排気の温度に基づいて定められる係数である。

続いて、ＥＣＵ１０は、上記の式（１）に基づいて算出された欠陥煤堆積量を、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭの総量（ＰＭ堆積量ΣＰＭ）で除算することにより、欠陥煤比率を演算する。ＥＣＵ１０は、このようにして演算された欠陥煤比率のＰＭがフィルタ５０ａに堆積していると想定した場合における、フィルタ温度とＰＭ酸化速度との関係を推定する。具体的には、前述の図４の説明で述べたような関係の中から、上記のようにして演算された欠陥煤比率に対応する、フィルタ温度とＰＭ酸化速度との関係を抽出すればよい。なお、前述の図４に示すような関係は、予め実験的に求めておくものとする。

次に、ＥＣＵ１０は、上記した手順で求められた、フィルタ温度とＰＭ酸化速度との関係において、ＰＭ酸化速度が所定の上限値と等しくなるフィルタ温度を求め、そのフィルタ温度を第一目標温度に設定する。図１１は、フィルタ温度とＰＭ酸化速度との関係において、前記所定の上限値と等しくなるフィルタ温度を求める方法を説明する図である。図１１中の実線は、欠陥煤比率に対応する、フィルタ温度とＰＭ酸化速度との関係を示す。また、図１１の一点鎖線は、前記所定の上限値を示す。ここでいう上限値は、ＰＭ酸化速度が該上限値を超えると、フィルタ再生処理の実行中にフィルタ５０ａが過昇温する可能性があると考えられる値であり、フィルタ温度が高くなるほど小さい値になるように定められる。これは、フィルタ温度が高くなるほど、単位時間あたりに酸化されるＰＭの量が多くなり易いため、それに伴ってフィル温度が過昇温し易くなるからである。本実施形態では、図１１に示すように、欠陥煤比率に対応する、フィルタ温度とＰＭ酸化速度との関係において、ＰＭ酸化速度が前記所定の上限値と等しくなる温度（図１１の実線と一点鎖線との交点であるＴｆｔ）を第一目標温度に設定する。

本実施形態によれば、第一目標温度を、フィルタ５０ａの過昇温を抑制し得る範囲において、可及的に高い温度に設定することができる。その結果、そのような第一目標温度に基づいてフィルタ再生処理が実行されると、フィルタ５０ａの過昇温を抑制しつつ、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭをより効率的に酸化及び除去することができる。

＜他の実施形態＞
フィルタ５０ａに堆積するＰＭには、ＳＯＦが含まれている場合がある。ＳＯＦは、欠陥煤よりも酸化され易い。そのため、フィルタ５０ａにＳＯＦが堆積している場合は、フィルタ５０ａにＳＯＦが堆積していない場合に比べ、プレ再生処理の実行時における前後差圧ΔＰの変化速度が大きくなる。よって、プレ再生処理の実行時における前後差圧ΔＰ
の変化速度に基づいて設定される第一目標温度は、フィルタ５０ａにＳＯＦが堆積していない場合に比べ、フィルタ５０ａにＳＯＦが堆積している場合の方が低くなる。その結果、フィルタ５０ａが過昇温しにくくなるものの、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭを効率的に酸化及び除去することができなくなる可能性がある。

そこで、プレ再生処理の実行前に、フィルタ５０ａに堆積しているＳＯＦを酸化及び除去するための処理であるＳＯＦ除去処理を実行してもよい。ＳＯＦ除去処理は、フィルタ５０ａの温度を、プレ再生処理実行時の第二目標温度より低く、且つＳＯＦが酸化される温度へ上昇させる処理である。その際、フィルタ５０ａの温度を上昇させる方法は、前述したフィルタ再生処理やプレ再生処理と同様に、燃料添加弁５１から排気へ燃料を添加する方法、又は燃料噴射弁３からポスト噴射する方法を用いるものとする。

このように、プレ再生処理の実行前にＳＯＦ除去処理が実行されると、ＳＯＦの堆積に起因する、フィルタ再生処理の効率低下を抑制することができる。なお、ＳＯＦ除去処理は、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭに実際にＳＯＦが含まれているか否かにかかわらず、プレ再生処理の実行前に必ず実行されてもよいが、フィルタ５０ａに堆積しているＰＭに含まれるＳＯＦ量の割合（以下、「ＳＯＦ比率」と称する）が所定の比率を超えていると推定された場合に限り実行されてもよい。その際、ＳＯＦ比率は、内燃機関１の運転履歴やフィルタ５０ａの温度履歴等に基づいて推定されればよい。ここでいう「所定の比率」は、プレ再生処理が実行される際のＳＯＦ比率が該所定の比率を超えると、フィルタ再生処理の効率が低下すると考えられる値であり、予め実験等を利用して適合作業によって求めておくものとする。

１内燃機関
２気筒
３燃料噴射弁
４吸気通路
５排気通路
１０ＥＣＵ
４０エアフローメータ
４１スロットル弁
５０フィルタケーシング
５１燃料添加弁
５２排気温度センサ
５３差圧センサ

Claims

内燃機関の排気通路に配置され、前記内燃機関から排出されるＰＭを捕集するフィルタと、
前記フィルタより上流の排気圧力と前記フィルタより下流の排気圧力との差である前後差圧を検出する差圧センサと、
前記フィルタに捕集されているＰＭの量であるＰＭ堆積量を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得されるＰＭ堆積量が所定の閾値以上であるときに、前記フィルタを第一目標温度まで昇温させることにより、該フィルタに捕集されているＰＭを酸化及び除去する処理であるフィルタ再生処理を実行する再生手段と、
を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記再生手段は、前記取得手段により取得されるＰＭ堆積量が前記所定の閾値以上となったときに、前記フィルタを前記第一目標温度より低い第二目標温度まで昇温させるとともに前記フィルタへ流入する排気に含まれる二酸化窒素の濃度を高める処理であるプレ再生処理を所定期間実行し、そのプレ再生処理の終了後に前記フィルタ再生処理を実行するものであって、前記プレ再生処理の実行時における前記差圧センサの検出値の変化速度が大きいときの前記第一目標温度は前記変化速度が小さいときの前記第一目標温度より低い温度となるように、前記第一目標温度を設定して、前記フィルタ再生処理を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１において、前記所定期間は、予め定められた一定時間であり、
前記再生手段は、前記プレ再生処理の実行時における前記差圧センサの検出値の変化速度に相関する物理量として、前記所定期間における前記差圧センサの検出値の変化量を求めるものであって、その変化量が大きいときの前記第一目標温度は前記変化量が小さいときの前記第一目標温度より低い温度となるように、前記第一目標温度を設定して、前記フィルタ再生処理を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１において、前記所定期間は、前記差圧センサの検出値の変化量が予め定められた一定量に達するまでの期間であり、
前記再生手段は、前記プレ再生処理の実行時における前記差圧センサの検出値の変化速度に相関する物理量として、前記所定期間の長さを求めるものであって、その長さが短いときの前記第一目標温度は前記長さが長いときの前記第一目標温度より低い温度となるように、前記第一目標温度を設定して、前記フィルタ再生処理を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１において、前記再生手段は、前記プレ再生処理の実行時における前記差圧センサの検出値の変化速度が大きいときは小さいときに比べ、前記フィルタに堆積しているＰＭの酸化速度が大きくなり、且つ前記フィルタの温度が高いときは低いときに比べ、前記フィルタに堆積しているＰＭの酸化速度が大きくなるという特性に基づいて、前記プレ再生処理の実行時における前記差圧センサの検出値の変化速度に対応する、前記フィルタの温度と該フィルタに堆積しているＰＭの酸化速度との関係を推定し、推定された関係におけるＰＭの酸化速度が所定の上限値と等しくなる前記フィルタの温度を求め、その温度を前記第一目標温度に設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１乃至４の何れか一項において、前記再生手段は、前記プレ再生処理を実行する前に、前記フィルタを前記第二目標温度より低く、且つＳＯＦが酸化される温度である第三目標温度まで昇温させることにより、前記フィルタに堆積しているＳＯＦを酸化及び除去する処理であるＳＯＦ除去処理を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。