JP6642199B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化装置、特に、排気浄化装置の排気フィルタの再生に関する。

内燃機関、例えば車両に搭載されるディーゼルエンジンの排気は、大気汚染の原因となる微粒子（Particulate Matter；以下、ＰＭという）を含んでいる。このため、ディーゼルエンジンが搭載された自動車には、排気を浄化する排気浄化装置が備えられている（特許文献１参照）。かかる排気浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気中からＰＭを除去し、ＰＭ除去後のクリーンガスを大気中に放出している。

ＰＭは、炭素成分（Carbon；以下、Ｃという）と可溶性有機成分（Soluble Organic Fraction；以下、ＳＯＦという）を主成分とする粒子状物質の総称である。Ｃは、いわゆる煤である。ＳＯＦは、燃料（軽油）やエンジンオイルの燃え残りで構成される多成分物質であり、高温では蒸気（気体）であるが、温度が低下すると煤の表面に付着して煤を大きくする性質がある。

排気浄化装置は、排気を浄化するための排気フィルタ（例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ）を備えて構成され、排気フィルタで排気からＰＭを捕集し、排気中のＰＭを除去する。排気フィルタは、例えば炭化ケイ素やコージライトなどを素材とした多孔質セラミックからなるウォールフロー型のフィルタとして構成され、排気通路に配置される。

排気フィルタでＰＭを捕集し続けると、いずれは排気フィルタに目詰まりが生じ、排気圧の増大によって燃費を低下させるおそれがある。したがって、捕集したＰＭは、排気フィルタから適宜取り除かなければならない。

排気浄化装置は、例えば、エンジンが所定条件（所定時間や所定速度など）で継続して運転され、所定量のＰＭが排気フィルタに捕集された場合、排気温度を所定時間（２０分から３０分間程度）に亘って連続してＰＭの燃焼温度（３００℃から６００℃程度）まで上昇させる。これにより、排気フィルタに捕集されたＰＭを燃焼させて排気フィルタから除去し、ＰＭを適正に捕集することが可能な状態に排気フィルタを再生する。このような再生を繰り返すことで、排気フィルタの継続使用が可能となる。

特許文献１には、排気フィルタに加え、酸化触媒が排気フィルタの上流の排気通路に設けられた排気浄化装置が開示されている。酸化触媒を設けることで、排気フィルタに流入する前に、排気からある程度のＳＯＦが捕集（酸化除去）されている。このように、排気フィルタに達するＳＯＦの量は、酸化触媒で捕集されるＳＯＦの量や酸化触媒から脱離されるＳＯＦの量に応じて、換言すれば酸化触媒の状態に応じて変動する。このため、特許文献１に開示された排気浄化装置では、酸化触媒によるＳＯＦの捕集具合を加味して、排気フィルタの再生処理開始のタイミングを制御している。

特開２０１４−２１８９８２号公報

ここで、ＰＭ、およびＰＭに含まれるＣとＳＯＦとは、それぞれ燃焼特性が異なる。例えば、ＳＯＦの燃焼温度は３００℃から４００℃程度、Ｃの燃焼温度は６００℃程度である。その一方、ＳＯＦが多成分であるのに対してＣは単成分であるため、Ｃの着火後には燃焼温度が急激に上昇しやすい。また、ＳＯＦが着火し、その燃焼熱量がＣの着火熱量（Ｃが着火する熱量）に達すると、ＳＯＦに続いてＣも燃焼する。すなわち、ＳＯＦがＣの着火剤のように作用してＰＭの全体が燃焼する。特に、ＳＯＦがＣの表面に付着している状態では、このような作用が生じやすい。

したがって、排気フィルタの再生をより効率的かつ安全に制御するためには、ＰＭ、およびＰＭに含まれるＣとＳＯＦそれぞれの捕集量（端的には燃焼熱量）、換言すればＰＭの成分を考慮することが望ましい。しかしながら、特許文献１に開示の排気浄化装置では、ＰＭの成分を考慮して排気フィルタの再生制御は行われていない。

そこで、本発明は、排気フィルタに捕集されたＰＭ、および該ＰＭに含まれるＣとＳＯＦそれぞれの捕集量（端的には燃焼熱量）を考慮して、排気フィルタの再生を行うことが可能な排気浄化装置を提供する。

本発明の排気浄化装置は、内燃機関から排出された排気に含まれる微粒子を捕集する排気フィルタと、排気フィルタを通過する前記排気の温度を上昇させる昇温制御を実施する昇温制御部と、排気フィルタが捕集した前記微粒子の捕集量および微粒子に含まれる成分ごとの捕集量を推定する捕集量推定部とを備えている。捕集量推定部は、推定した微粒子の捕集量および微粒子に含まれる成分ごとの捕集量を燃焼させた際に生じる燃焼熱量を推定する。昇温制御部は、捕集量推定部で推定した燃焼熱量に基づいて昇温制御を開始する。

例えば、捕集量推定部は、微粒子に含まれる炭素成分の燃焼熱量を推定する炭素成分燃焼熱量推定部を備える。昇温制御部は、炭素成分燃焼熱量推定部で推定した炭素成分の燃焼熱量が昇温制御の開始要否を判定するための閾値である所定の炭素成分閾値を超えた際に昇温制御を開始する

また、捕集量推定部は、微粒子に含まれる可溶性有機成分の燃焼熱量を推定する可溶性有機成分燃焼熱量推定部を備える。昇温制御部は、可溶性有機成分燃焼熱量推定部で推定した可溶性有機成分の燃焼熱量が昇温制御の開始要否を判定するための閾値である所定の可溶性有機成分閾値を超えた際に昇温制御を開始する。

加えて、捕集量推定部は、微粒子の燃焼熱量を推定する微粒子燃焼熱量推定部を備える。昇温制御部は、可溶性有機成分燃焼熱量推定部で推定した可溶性有機成分の燃焼熱量が昇温制御の開始要否を判定するための閾値より小さい値である着火閾値以上であり、かつ、微粒子燃焼熱量推定部で推定した微粒子燃焼熱量が昇温制御の開始要否を判定するための閾値である所定の微粒子閾値を超えた際に昇温制御を開始する。

これらの場合において、昇温制御の開始要否を判定するための閾値は、排気フィルタが溶け出す熱量よりも小さな熱量の値に設定されている。着火閾値は、微粒子に含まれる炭素成分が着火する熱量の値に設定されている。

また、排気浄化装置は、排気が流れる排気通路の排気フィルタよりも上流で、微粒子を酸化除去する酸化触媒と、排気通路を流れる排気の温度を測定する温度測定部とを備えている。温度測定部は、排気通路の酸化触媒の上流で排気の温度を測定する第１の温度センサと、排気通路の酸化触媒の下流かつ排気フィルタの上流で排気の温度を測定する第２の温度センサとを有している。捕集量推定部は、第１の温度センサおよび第２の温度センサで測定された排気の温度に基づいて、微粒子に含まれる成分ごとの捕集量を推定する。

本発明の排気浄化装置によれば、排気フィルタに捕集されたＰＭ、および該ＰＭに含まれるＣとＳＯＦそれぞれの捕集量（端的には燃焼熱量）を考慮して、排気フィルタの再生を行うことができる。これにより、排気フィルタ再生の実施タイミングを最適化することができ、再生回数の低減や総再生時間の短縮を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の概略構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置における排気フィルタ再生の開始要否判定の前処理の制御フロー図。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置における排気フィルタ再生の開始要否の判定処理およびその後処理の制御フロー図。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置において、排気フィルタの再生を開始しない場合のＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量の状態の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置において、排気フィルタの再生を開始しない場合のＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量の状態の別の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置において、排気フィルタの再生を開始する場合のＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量の状態の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置において、排気フィルタの再生を開始する場合のＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量の状態の別の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置において、排気フィルタの再生を開始する場合のＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量の状態のさらに別の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置において、排気フィルタの再生を開始する場合のＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量の状態のさらにまた別の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置において、排気フィルタの再生を開始しない場合のＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量の状態のさらに別の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置について、図１から図１０を参照して説明する。本実施形態の排気浄化装置は、内燃機関、例えば車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気を浄化する装置である。車両は、自家用の乗用自動車、あるいはトラックやバスなどの事業用自動車のいずれであってもよく、用途や車種は特に問わない。また、ディーゼルエンジンが搭載された車両のみならず、車両としては、例えばガソリンエンジンが搭載された自動車やハイブリッド自動車であっても構わない。

図１は、本実施形態の排気浄化装置１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、排気浄化装置１は、エンジン２の燃焼室２１から排出される排気を浄化する構成となっている。

エンジン２の燃焼室２１には、吸気弁２２を開いて吸気通路３から吸気が吸入される。燃焼室２１への吸気量は、吸気絞り弁２３の開閉によって調整される。次いで、加熱圧縮された吸気にインジェクタ２４から燃料（軽油）が噴射されると、燃料が発火し、空気と燃料を含む混合気が燃焼室２１で燃焼する。混合気の燃焼により、燃焼室２１内でピストン２５が往復運動し、このエネルギーがピストン２５に連結されたクランクシャフト２６の回転運動に変換されて出力される。燃焼後の混合気（排気）は、排気弁２７を開いて燃焼室２１から排気通路４を通して排出され、排気浄化装置１で浄化された後に大気中へ放出される。

エンジン２は、排気通路４から分岐して排気を燃焼室２１へ循環させる排気循環路５を有している。循環気（以下、ＥＧＲガスという）は、排気循環路５に設けられたＥＧＲクーラやターボチャージャ（いずれも図示省略）などを経由し、ＥＧＲ弁６の開閉によって吸気通路３の最下流などに導入される。

排気浄化装置１は、本体部１０と、酸化触媒１２と、排気フィルタ（例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ）１３を備えている。本体部１０は、排気を通流させる通気路１１を内部に有する略筒状の構造体であり、燃焼室２１と繋がる排気通路４の途中もしくは終端に配置され、排気通路４の一部を構成している。酸化触媒１２と排気フィルタ１３は、燃焼室２１から排出された排気に含まれる微粒子（ＰＭ）を除去して排気を浄化するための部材であり、酸化触媒１２を排気の流れの上流側（図１においては、左側）、排気フィルタ１３を下流側（同、右側）に位置付けてそれぞれ通気路１１に配置されている。ＰＭは、粒子状物質の総称であるが、本実施形態では便宜上、炭素成分（Ｃ）と可溶性有機成分（ＳＯＦ）の２つを成分として構成されているものとして扱う。したがって、ＰＭ、Ｃ、ＳＯＦのうちの２つの量が推定できれば、残りの１つの推定量を算出することができる。

酸化触媒１２は、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化除去するとともに、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）を生成させる。また、酸化触媒１２は、ＰＭに含まれるＳＯＦ、具体的には燃焼室２１で燃焼されなかった燃料（軽油）やエンジンオイルの燃え残りを酸化させて除去する。したがって、排気浄化装置１に流入した排気は、通気路１１において酸化触媒１２と接することでＰＭに含まれるＳＯＦの量が減少し、排気フィルタ１３へ向けて流れていく。その際、ＳＯＦの酸化反応で生じる反応熱によって排気の温度が上昇する（後述する第１状態の排気ＥＧ１よりも第２状態の排気ＥＧ２の方が高温となる）。

排気フィルタ１３は、排気（本実施形態では、燃焼室２１から排出された後、酸化触媒１２でＳＯＦ量が減少した排気）に含まれるＰＭを捕集して除去する。排気フィルタ１３の構成は特に限定されないが、例えば炭化ケイ素やコージライトなどを素材とした多孔質セラミックからなるウォールフロー型のフィルタとして構成することができる。排気フィルタ１３の排気との接触部位は、酸化触媒でコーティングされている。したがって、排気浄化装置１の通気路１１で酸化触媒１２と接した排気は、排気フィルタ１３を通過することでＰＭが酸化除去および捕集され、浄化された状態で排気浄化装置１から流出される。ただし、捕集されたＰＭが排気フィルタ１３に堆積していくため、排気フィルタ１３に目詰まりが生じて排気圧が徐々に増大していく。このため、捕集されたＰＭを適宜燃焼させて排気フィルタ１３から取り除き、ＰＭを適正に捕集することが可能な状態に排気フィルタ１３を再生させねばならない。なお、酸化触媒１２における酸化反応により生成されたＮＯ_２による酸化反応によっても、捕集されたＰＭは、一部が燃焼して排気フィルタ１３から取り除かれる。

排気浄化装置１は、排気フィルタ１３の再生を制御する制御部７を備えている。制御部７は、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路などを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御部７は、各種データを入出力回路により読み込み、メモリから読み出したプログラムを用いてＣＰＵで演算処理し、処理結果に基づいて所定の制御を行う。制御部７は、例えばエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に含めて構成すればよいが、ＥＣＵとは別途に構成してもよい。

図１に示すように、制御部７は、具体的な制御を実行するため、昇温制御部７１および捕集量推定部７２を備えている。さらに、捕集量推定部７２は、炭素成分（Ｃ）燃焼熱量推定部７３、可溶性有機成分（ＳＯＦ）燃焼熱量推定部７４、および微粒子（ＰＭ）燃焼熱量推定部７５を備えている。これらの昇温制御部７１、捕集量推定部７２、Ｃ燃焼熱量推定部７３、ＳＯＦ燃焼熱量推定部７４、およびＰＭ燃焼熱量推定部７５は、例えばプログラムとしてメモリに格納されている。なお、かかるプログラムをクラウド上に格納し、制御部７をクラウドと適宜通信させて所望のプログラムを利用可能とする構成であってもよい。この場合、制御部７は、クラウドとの通信モジュールなどを備えた構成とする。

排気フィルタ１３の再生にあたって、昇温制御部７１は、排気フィルタ１３を通過する排気の温度を上昇させる昇温制御を実施する。排気温度の上昇により、排気フィルタ１３に捕集されたＰＭが燃焼して除去される。再生させる排気フィルタ１３は、ＰＭが捕集されて堆積した状態となっており、捕集量推定部７２は、排気フィルタ１３が捕集したＰＭの捕集量（以下、ＰＭ捕集量という）を推定する。ＰＭの燃焼態様は、ＰＭの成分によって異なるため、捕集量推定部７２は、排気フィルタ１３が捕集したＰＭに含まれる成分ごとの捕集量、具体的には、ＰＭに含まれるＣおよびＳＯＦの捕集量（以下、Ｃ捕集量およびＳＯＦ捕集量という）をそれぞれ推定する。そして、捕集量推定部７２は、ＰＭ捕集量、およびＰＭに含まれる成分ごとの捕集量（Ｃ捕集量とＳＯＦ捕集量）を燃焼させた際に生じる燃焼熱量を推定する。具体的には、Ｃ燃焼熱量推定部７３がＣ捕集量の燃焼熱量（以下、Ｃ燃焼熱量という）、ＳＯＦ燃焼熱量推定部７４がＳＯＦ捕集量の燃焼熱量（同、ＳＯＦ燃焼熱量という）、およびＰＭ燃焼熱量推定部７５がＰＭ捕集量の燃焼熱量（同、ＰＭ燃焼熱量）をそれぞれ推定する。

昇温制御部７１は、捕集量推定部７２で推定したＰＭ捕集量のＰＭに含まれる成分に基づいて排気温度の昇温制御を開始する。具体的には、捕集量推定部７２のＣ燃焼熱量推定部７３、ＳＯＦ燃焼熱量推定部７４、およびＰＭ燃焼熱量推定部７５でそれぞれ推定したＣ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量、およびＰＭ燃焼熱量に基づいて、昇温制御部７１は、排気温度の昇温制御を開始する。

また、排気浄化装置１は、排気通路４を流れる排気の温度を測定する温度測定部８を備えている。本実施形態において、排気浄化装置１には、２つの温度センサ８ａ，８ｂが温度測定部８として備えられている。第１の温度センサ８ａは、排気通路４の酸化触媒１２の上流（具体的には、通気路１１よりも上流）で排気の温度を測定している。第２の温度センサ８ｂは、排気通路４の酸化触媒１２の下流かつ排気フィルタ１３の上流（すなわち、通気路１１における酸化触媒１２と排気フィルタ１３の間）で排気の温度を測定している。さらに、排気浄化装置１は、排気フィルタ１３の上流側と下流側での排気の差圧を測定する差圧測定部（一例として、差圧センサ）９を備えている。温度センサ８ａ，８ｂで測定された温度データ、および差圧センサ９で測定された差圧データは、例えば通信ケーブルなどを介して制御部７に送られる。

排気浄化装置１は、例えばエンジン２が所定条件（所定時間や所定速度など）で継続して運転され、排気フィルタ１３の再生開始要件を満たした場合、排気フィルタ１３の再生を開始する。本実施形態では、Ｃ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量、およびＰＭ燃焼熱量がこれらに対応する複数の閾値以上であるか否かを昇温制御部７１で判定している。Ｃ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量、およびＰＭ燃焼熱量は、上述のとおり捕集量推定部７２のＣ燃焼熱量推定部７３、ＳＯＦ燃焼熱量推定部７４、およびＰＭ燃焼熱量推定部７５でそれぞれ推定される。そして、かかる判定結果に基づいて、昇温制御部７１は、排気の温度を上昇させる。

本実施形態においては、排気の温度を上昇させるためのかかる閾値として、第１の閾値と第２の閾値の２つが設定されている。第１の閾値と第２の閾値は、第１の閾値が第２の閾値よりも大きな値に設定され、いずれもプログラムの読み込みパラメータの一つとして制御部７のメモリに格納されている。なお、例えば第１の閾値と第２の閾値をプログラムとともにクラウド上に格納し、制御部７をクラウドと適宜通信させてプログラムおよびこれらの閾値を利用可能とする構成であってもよい。この場合、制御部７は、クラウドとの通信モジュールなどを備えた構成とする。

第１の閾値は、排気フィルタ１３が溶け出す（溶損する）熱量よりも小さな熱量の値に設定されている。排気フィルタ１３が溶け出す熱量よりも小さな熱量とは、排気フィルタ１３が溶損してしまう熱量に達するまでにある程度の余裕を持たせた熱量として定義するものであり、排気フィルタ１３の材質などに応じて予め設定される。すなわち、ＰＭ燃焼熱量が第１の閾値以下である場合には、ＰＭを燃焼させた際に排気フィルタ１３が溶損してしまうことを防ぐことができる。本実施形態では、第１の閾値をＰＭ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量、およびＣ燃焼熱量に共通する閾値として用いている。すなわち、第１の閾値は、ＰＭ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量、およびＣ燃焼熱量に基づいて排気フィルタ１３の再生開始要否（昇温制御部７１で排気の昇温制御を行うか否か）を判定するための微粒子（ＰＭ）閾値、可溶性有機成分（ＳＯＦ）閾値、および炭素成分（Ｃ）閾値の全てを包含する（全てで一致する）閾値となっている。

これに対し、第２の閾値は、排気フィルタ１３で捕集されたＰＭに含まれるＣが着火するために必要な熱量（以下、Ｃ着火熱量という）の値に設定されている。すなわち、第２の閾値は、Ｃの着火閾値として設定されている。Ｃ着火熱量は、ＰＭに含まれるＣの物性により予め定められており、着火させるＣの量にかかわらず所定値となる。例えば、Ｃの燃焼温度（発火点）は６００℃程度であるのに対し、ＳＯＦの燃焼温度（発火点）は３００℃から４００℃程度であるので、ＳＯＦはＣよりも低温で着火しやすい。このため、ＳＯＦ燃焼熱量が第２の閾値であるＣ着火熱量に達すると、ＳＯＦに続いてＣを燃焼させること、すなわち排気フィルタ１３で捕集されたＰＭを燃焼させることができる。

図２および図３には、排気浄化装置１における排気フィルタ１３の再生制御のフローを示す。以下、排気フィルタ１３の再生制御の具体例およびその作用について、図２および図３に示すフローに従って説明する。図２は、排気フィルタ１３の再生を開始するか否かを判定するための前処理を示す制御フロー図であり、図３は、排気フィルタ１３の再生を開始するか否かの判定処理およびその後処理を示す制御フロー図である。

排気浄化装置１は、例えばエンジン２が所定条件（所定時間や所定速度など）で継続して運転された際に、排気フィルタ１３の再生を開始するか否かを次のように判定する。この場合、図２に示すように、捕集量推定部７２は、第１の温度センサ８ａおよび第２の温度センサ８ｂで測定された排気の温度に基づいて、排気フィルタ１３のＰＭ捕集量、Ｃ捕集量、およびＳＯＦ捕集量をそれぞれ推定する。

これらのＰＭ捕集量、Ｃ捕集量、およびＳＯＦ捕集量を推定するにあたって、捕集量推定部７２は、エンジン２の回転数とトルクとの関係を示す既知のマップ（図示省略）により、燃焼室２１から排出されてＤＯＣ１２と接する前の排気（図１において矢印ＥＧ１で示す。以下、第１状態の排気ＥＧ１という）に含まれるＰＭ量とＳＯＦ量を、まずそれぞれ推定する（Ｓ２０１）。推定されたＰＭ量からＳＯＦ量を減ずることで、第１状態の排気ＥＧ１に含まれるＣの推定量が算出される。この場合、捕集量推定部７２は、例えばエンジン回転数センサなどが検出した回転数データを読み込み、かかるマップを参照して第１状態の排気ＥＧ１に含まれるＰＭ量、ＳＯＦ量およびＣ量をそれぞれ推定する。かかるマップは、制御部１５のメモリ、あるいはクラウド上に格納されている。

酸化触媒１２における排気のＳＯＦ浄化率は、酸化触媒１２と接する排気の温度によって推定することができる。このため、捕集量推定部７２では、第１状態の排気ＥＧ１の温度により、酸化触媒１２における第１状態の排気ＥＧ１のＳＯＦ浄化率を推定する（Ｓ２０２）。制御部７のメモリ、あるいはクラウド上には、第１状態の排気ＥＧ１の温度と、酸化触媒１２における第１状態の排気ＥＧ１のＳＯＦ浄化率との関係を示す既知のマップ（図示省略）が格納されている。第１状態の排気ＥＧ１の温度は、第１の温度センサ８ａで測定されている。

そして、推定した浄化率を用いて、第１状態の排気ＥＧ１が酸化触媒１２と接して浄化された排気（図１において矢印ＥＧ２で示す。以下、第２状態の排気ＥＧ２という）のＰＭ量およびＳＯＦ量を、捕集量推定部７２においてそれぞれ推定する（Ｓ２０３）。

例えば、測定された第１状態の排気ＥＧ１の温度に対する酸化触媒１２のＳＯＦ浄化率（酸化触媒１２での酸化反応により除去されるＳＯＦの割合）をα１とすれば、第１状態の排気ＥＧ１に含まれるＳＯＦ量（Ｘ）のうちのＸ＊α１が、酸化触媒１２によって酸化除去される。したがって、Ｘ＊(１−α１)のＳＯＦが除去されずに残存し、第２状態の排気ＥＧ２に含まれていることになる。すなわち、第２状態の排気ＥＧ２に含まれているＳＯＦ量は、Ｘ＊(１−α１)と算出できる。

一方、第１状態の排気ＥＧ１が酸化触媒１２で浄化された後であっても、第２状態の排気ＥＧ２に含まれているＣの量は変わらない。したがって、このＣ量に第２状態の排気ＥＧ２のＳＯＦ量を加えることで、第２状態の排気ＥＧ２に含まれているＰＭの量を算出できる。

排気フィルタ１３における排気のＳＯＦ浄化率は、排気フィルタ１３を通過する排気の温度によって推定することができる。このため、捕集量推定部７２では、第２状態の排気ＥＧ２の温度により、排気フィルタ１３における第２状態の排気ＥＧ２のＳＯＦ浄化率を推定する（Ｓ２０４）。制御部７のメモリ、あるいはクラウド上には、第２状態の排気ＥＧ２の温度と、排気フィルタ１３における第２状態の排気ＥＧ２のＳＯＦ浄化率との関係を示す既知のマップ（図示省略）が格納されている。第２状態の排気ＥＧ２の温度は、第２の温度センサ８ｂで測定されている。

そして、推定した浄化率を用いて、排気フィルタ１３に捕集されたＰＭの量（ＰＭ捕集量）、ＰＭ捕集量に含まれるＳＯＦおよびＣの量（ＳＯＦ捕集量およびＣ捕集量）を、捕集量推定部７２においてそれぞれ推定する（Ｓ２０５）。

例えば、測定された第２状態の排気ＥＧ２の温度に対する排気フィルタ１３のＳＯＦ浄化率（排気フィルタ１３での酸化反応により除去されるＳＯＦの割合）をα２とすれば、第２状態の排気ＥＧ２に含まれるＳＯＦ量（Ｘ＊(１−α１)）のうちのＸ＊(１−α１)＊α２が、排気フィルタ１３によって酸化除去される。すなわち、Ｘ＊(１−α１)＊α２のＳＯＦが排気フィルタ１３で酸化除去されるので、排気フィルタ１３におけるＳＯＦ捕集量は、Ｘ＊(１−α１)＊(１−α２)と算出できる。

第２状態の排気ＥＧ２が排気フィルタ１３を通過することで、第２状態の排気ＥＧ２に含まれるＣはすべて排気フィルタ１３で捕集されたものと推定できる。したがって、このＣ量（つまり、第１状態の排気ＥＧ１に含まれていたＣの量）にＳＯＦ捕集量を加えることで、排気フィルタ１３のＰＭ捕集量を算出する。

すでにＰＭ捕集量およびＳＯＦ捕集量が算出されている場合、捕集量推定部７２は、これらの既算出値に新たに算出した値をそれぞれ加えて積算し、その積算値を、現時点におけるＰＭ捕集量およびＳＯＦ捕集量として推定する。ＰＭ捕集量およびＳＯＦ捕集量が既算出されていない（つまり、これらが初期値である）場合、捕集量推定部７２は、新たに算出した値を、現時点におけるＰＭ捕集量およびＳＯＦ捕集量として推定する。

ＰＭ捕集量の推定時のとおり、第２状態の排気ＥＧ２が排気フィルタ１３を通過することで、第２状態の排気ＥＧ２に含まれるＣは、すべて排気フィルタ１３で捕集されたものと推定できる。したがって、現時点におけるＣ捕集量は、現時点におけるＰＭ堆積量からＳＯＦ捕集量を減ずることにより推定する。あるいは、第２状態の排気ＥＧ２に含まれるＣの量（第１状態の排気ＥＧ１に含まれていたＣの量）の初期値もしくは積算値を、現時点におけるＣ捕集量として推定してもよい。

なお、本実施形態では、温度センサ８ａ，８ｂの温度データを用いてＰＭ捕集量およびＳＯＦ捕集量を推定しているが、推定方法はこれに限定されない。例えば、差圧センサ９で測定した排気フィルタ１３の上流側と下流側での排気の差圧データを用いて、ＰＭ捕集量を推定してもよい。あるいは、車両の走行距離やＰＭ捕集量を直接検出するセンサなどを用いて、ＰＭ捕集量を推定しても構わない。

このように排気フィルタ１３の現時点におけるＰＭ捕集量、ＳＯＦ捕集量、およびＣ捕集量を推定することで、捕集量推定部７２は、ＰＭ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量、およびＣ燃焼熱量をそれぞれ推定する（Ｓ２０６）。具体的には、ＰＭ燃焼熱量推定部７５がＰＭ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量推定部７４がＳＯＦ燃焼熱量、そしてＣ燃焼熱量推定部７３がＣ燃焼熱量をそれぞれ推定する。ＳＯＦ燃焼熱量推定部７４は、単位量あたりのＳＯＦの熱量にＳＯＦ捕集量を乗じることで、ＳＯＦ燃焼熱量を推定する。単位量あたりのＳＯＦの熱量は、排気フィルタ１３に捕集されたＰＭに含まれるＳＯＦの物性により予め定められている。同様に、Ｃ燃焼熱量推定部７３は、単位量あたりのＣの熱量にＣ捕集量を乗じることで、Ｃ燃焼熱量を推定する。単位量あたりのＣの熱量は、排気フィルタ１３に捕集されたＰＭに含まれるＣの物性により予め定められている。そして、ＰＭ燃焼熱量推定部７５は、ＳＯＦ燃焼熱量にＣ燃焼熱量を加えることで、ＰＭ燃焼熱量を推定する。

次いで、図３に示すように、排気フィルタ１３の再生を開始するか否かの判定処理が昇温制御部７１により行われる。排気フィルタ１３の再生開始の可否判定にあたって、昇温制御部７１は、ＰＭ燃焼熱量が第１の閾値を超えているか否かを判定する（Ｓ２０７）。この場合、例えばＳＯＦ燃焼熱量およびＣ燃焼熱量がいずれも第１の閾値を超えていなくとも、両者の合計が第１の閾値を超えていれば、ＰＭ燃焼熱量は第１の閾値を超えていることになる。また、ＳＯＦ燃焼熱量もしくはＣ燃焼熱量が第１の閾値を超えていれば、ＰＭ燃焼熱量も必然的に第１の閾値を超える。したがって、Ｓ２０７の条件判定は、ＰＭ燃焼熱量が第１の閾値を超えている場合のみならず、ＳＯＦ燃焼熱量もしくはＣ燃焼熱量が単独で第１の閾値を超えている場合も肯定される。なお、本実施形態では、ＰＭ燃焼熱量が第１の閾値を超えているか否かを判定しているが、ＰＭ燃焼熱量が第１の閾値以上であるか否かを、昇温制御部７１で判定するようにしてもよい。

ＰＭ燃焼熱量が第１の閾値を超えていない、つまりＰＭ燃焼熱量が第１の閾値以下である場合、昇温制御部７１は、排気フィルタ１３の再生を開始（実施）しない。例えば、ＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量が図４および図５に示す状態となっている場合は、これに相当する。この場合、以降はＳ２０１からの制御が繰り返される。なお、ＰＭ燃焼熱量が第１の閾値を超えていなければ、ＳＯＦ燃焼熱量もしくはＣ燃焼熱量が単独で第１の閾値を超えることはない。

これに対し、ＰＭ燃焼熱量が第１の閾値を超えている場合、昇温制御部７１は、ＳＯＦ燃焼熱量が第２の閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ２０８）。なお、本実施形態では、ＳＯＦ燃焼熱量が第２の閾値以上であるか否かを判定しているが、ＳＯＦ燃焼熱量が第２の閾値を超えているか否かを、昇温制御部７１で判定するようにしてもよい。

ＳＯＦ燃焼熱量が第２の閾値以上である場合、昇温制御部７１は、排気フィルタ１３に捕集されたＰＭが燃焼可能な温度（以下、ＰＭ燃焼可能温度という）まで、排気フィルタ１３を通過する排気（第２状態の排気ＥＧ２）の温度を上昇させる（Ｓ２０９）。例えば、ＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量が図６から図８に示す状態となっている場合は、これに相当する。この場合、ＳＯＦ捕集量のＳＯＦが燃焼すると、Ｃ燃焼熱量に関わらず（具体的には、Ｃ燃焼熱量が第１の閾値を超えているか否かによらず）、ＳＯＦ燃焼熱量によってＣ捕集量のＣを着火させることができる。したがって、第２状態の排気ＥＧ２の温度をＰＭ燃焼可能温度まで上昇させることで、排気フィルタ１３に捕集されたＰＭ（ＰＭ捕集量のすべて）を燃焼させることができる。

その際、昇温制御部７１は、第２の温度センサ８ｂで測定された温度データを読み込み、第２状態の排気ＥＧ２の温度がＰＭ燃焼可能温度まで達していることを確認する。例えば、ＳＯＦの燃焼温度は３００℃から４００℃程度、Ｃの燃焼温度は６００℃程度であるので、ＰＭの燃焼可能温度は３００℃から６００℃程度となる。したがって、第２状態の排気ＥＧ２の温度をＳＯＦの燃焼温度まで上昇させ、ＳＯＦ捕集量のＳＯＦを燃焼させると、ＳＯＦ燃焼熱量によってＣ捕集量のＣが着火して燃焼するため、第２状態の排気ＥＧ２の温度がＰＭの燃焼可能温度まで上昇する。

第２状態の排気ＥＧ２の温度を上昇させるためには、例えば、燃料のポスト噴射や吸気絞りなどを行えばよい。この場合、昇温制御部７１は、インジェクタ４や吸気絞り弁２３などの動作を制御することで、通気路１１への燃料の送り量や燃焼室２１への吸気量などを適宜調整する。また例えば、昇温制御部７１は、ＥＧＲ弁６などの動作を制御し、ＥＧＲガスを適宜導入して酸素濃度の調整を行う。

これらの制御は、排気フィルタ１３に捕集されたＰＭが完全に燃焼され、排気フィルタ１３から除去されるまで所定時間（例えば２０分から３０分間程度）に亘って継続される（Ｓ２１０）。昇温制御部７１は、例えば、差圧センサ９で測定した排気フィルタ１３の上流側と下流側での排気の差圧データを用いて、排気フィルタ１３からＰＭが除去されたか否かを判定する。差圧センサ９で測定された差圧が所定の基準値よりも小さければ、排気フィルタ１３に目詰まりが生じておらず、圧損もないものとして、排気フィルタ１３からＰＭが除去されたと判定できる。

ＰＭ燃焼可能温度での所定時間の燃焼後、排気フィルタ１３に捕集されたＰＭが除去されると、昇温制御部７１は、第２状態の排気ＥＧ２の温度制御を停止させ、第２状態の排気ＥＧ２の温度をもとの温度へ戻す（Ｓ２１１）。例えば、インジェクタ４や吸気絞り弁２３、ＥＧＲ弁６などの動作を制御し、燃料のポスト噴射や吸気絞りを停止させるとともに、ＥＧＲガスの導入を再開させる。これにより、第２状態の排気ＥＧ２の温度は、次第に上昇前（排気フィルタ１３の再生開始前）の状態まで低下する。

また、昇温制御部７１は、ＰＭ捕集量、ＳＯＦ捕集量、およびＣ捕集量を初期値にリセット（例えば、パラメータをゼロクリア）する（Ｓ２１２）。併せて、ＰＭの燃焼時間を初期値にリセット（例えば、タイマーをゼロクリア）するとともに、排気フィルタ１３の再生を実施するか否かの前提要件であるエンジン２が継続運転されていることの所定条件を初期値にリセット（例えば、フラグを解除）する。

一方、ＰＭ燃焼可能温度での所定時間の燃焼後、排気フィルタ１３に堆積しているＰＭが除去されていない場合（Ｓ２１０）、昇温制御部７１は、第２状態の排気ＥＧ２の温度をＰＭ燃焼可能温度に維持して、ＰＭの燃焼を継続させる（Ｓ２０９）。

Ｓ２０８において、ＳＯＦ燃焼熱量が第２の閾値以上ではない、つまりＳＯＦ燃焼熱量が第２の閾値に達していない場合、昇温制御部７１は、Ｃ燃焼熱量が第１の閾値を超えているか否かを判定する（Ｓ２１３）。なお、本実施形態では、Ｃ燃焼熱量が第１の閾値を超えているか否かを判定しているが、Ｃ燃焼熱量が第１の閾値以上であるか否かを、昇温制御部７１で判定するようにしてもよい。

Ｃ燃焼熱量が第１の閾値を超えている場合、昇温制御部７１は、ＰＭ燃焼可能温度まで第２状態の排気ＥＧ２の温度を上昇させる（Ｓ２０９）。例えば、ＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量が図９に示す状態となっている場合は、これに相当する。この場合、Ｃ燃焼熱量が単独で第１の閾値を超えているので、昇温制御部７１は、ＳＯＦ燃焼熱量にかかわらず、ＰＭ燃焼可能温度（具体的には、排気フィルタ１３に捕集されたＣが燃焼可能な温度）まで第２状態の排気ＥＧ２の温度を上昇させ、排気フィルタ１３に捕集されたＰＭ（ＰＭ捕集量のすべて）を燃焼させる。

これに対し、Ｃ燃焼熱量が第１の閾値を超えていない、つまりＣ燃焼熱量が第１の閾値以下である場合、昇温制御部７１は、排気フィルタ１３の再生を開始（実施）しない。例えば、ＰＭ、ＳＯＦ、およびＣの各燃焼熱量が図１０に示す状態となっている場合は、これに相当する。この場合、ＰＭ燃焼熱量が第１の閾値を超えているにも関わらず、ＳＯＦ燃焼熱量が第２の閾値、つまりＣ着火熱量に達していない。このため、ＳＯＦ捕集量のＳＯＦを燃焼させたとしても、ＳＯＦ燃焼熱量によってＣ捕集量のＣを着火させることができない。また、Ｃ燃焼熱量が第１の閾値を超えていないため、Ｃ捕集量のＣを燃焼させたとしても、その際に生じる熱量（Ｃ燃焼熱量）は、排気フィルタ１３の溶損熱量よりも小さな熱量（第１の閾値）と比べてさらに小さくなる。したがって、排気フィルタ１３の再生を見送っている。以降は、Ｓ２０１からの制御が繰り返される。

このように、本実施形態によれば、排気フィルタ１３に堆積しているＰＭを燃焼させるために排気の温度を上昇させるか否か（別の捉え方をすれば、排気フィルタ１３の再生の開始タイミング）を、第１の閾値と第２の閾値に基づいて判定することができる。すなわち、ＰＭ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量およびＣ燃焼熱量に対応して第１の閾値を設定するとともに、ＳＯＦ燃焼熱量に対応して第２の閾値を設定することができる。排気フィルタ１３に捕集されたＰＭに含まれるＳＯＦとＣの燃焼熱量（ＳＯＦ燃焼熱量とＣ燃焼熱量）は、ＰＭの成分（ＳＯＦ捕集量とＣ捕集量）に応じて変動する。したがって、本実施形態では、排気フィルタ１３に捕集されたＰＭの成分を考慮して、排気フィルタ１３の再生制御、具体的には再生開始の要否判断を行うことができる。

例えば、従来においては、排気フィルタに捕集されたＰＭの燃焼熱量（ＳＯＦ燃焼熱量およびＣ燃焼熱量）、つまりＰＭの成分に関わらず、ＰＭ捕集量が一つの閾値を超えた時に排気フィルタの再生（排気温度の上昇などによるＰＭの燃焼）が行われていた。これに対し、本実施形態では、再生を開始（排気の温度を上昇）させるか否かの閾値を、ＰＭの成分（ＰＭ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量、およびＣ燃焼熱量）に応じて複数（本実施形態では２つ）設定することができるので、より柔軟に排気フィルタ１３の再生を行うことができる。

また、本実施形態によれば、ＰＭ燃焼熱量が第１の閾値を超えていない場合に加えて、例えばＰＭ燃焼熱量が第１の閾値を超えている場合であっても、ＳＯＦ燃焼熱量が第２の閾値に達しておらず、Ｃ燃焼熱量が第１の閾値を超えていない場合には、排気フィルタ１３の再生を見送ることができる。したがって、ＰＭ燃焼熱量（換言すれば、ＰＭ捕集量）に余裕を持たせて、排気フィルタ１３の再生を開始させることができる。これにより、排気フィルタ１３の再生を開始させるまでの時間を従来よりも延ばすことができる。

このように本実施形態によれば、再生の開始（実施）タイミングをＰＭの成分（ＳＯＦ燃焼熱量とＣ燃焼熱量）を考慮して最適化することができるので、排気フィルタ１３の再生回数の低減や総再生時間の短縮を図ることが可能となる。この結果、エンジン２の燃費改善や燃費向上にも寄与することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。このような新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本実施形態では、上述したように、排気フィルタ１３が溶損する熱量よりも小さな熱量の値として、第１の閾値をＰＭ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量、およびＣ燃焼熱量に共通する閾値として用いている。すなわち、第１の閾値は、ＰＭ燃焼熱量、ＳＯＦ燃焼熱量、およびＣ燃焼熱量に基づいて排気フィルタ１３の再生開始要否を判定するためのＰＭ閾値、ＳＯＦ閾値、およびＣ閾値の全てを包含する（全てで一致する）閾値としている。

これに替えて例えば、第１の閾値を、それぞれ異なる値に設定されたＣ閾値、ＳＯＦ閾値、およびＰＭ閾値の３つに分けてもよい。一例として、Ｃ閾値は、Ｃを単独で燃焼させた際に排気フィルタ１３を溶損させるおそれのある燃焼熱量の値に設定する。同様に、ＳＯＦ閾値は、ＳＯＦを単独で燃焼させた際に排気フィルタ１３を溶損させるおそれのある燃焼熱量の値に設定する。そして、ＰＭ閾値は、ＰＭ（ＣおよびＳＯＦ）を燃焼させた際に排気フィルタ１３を溶損させるおそれのある燃焼熱量の値に設定する。ＣよりもＳＯＦを燃焼させた場合の方が急激な燃焼は起き難く、ＳＯＦよりもＰＭを燃焼させた場合の方が急激な燃焼はさらに起き難い。このため、Ｃ閾値よりもＳＯＦ閾値を大きく、ＳＯＦ閾値よりもＰＭ閾値をさらに大きな設定とすることができる。

このように第１の閾値をＣ閾値、ＳＯＦ閾値、およびＰＭ閾値に細分化することで、より一層柔軟に排気フィルタ１３の再生を行うことが可能となる。

１…排気浄化装置、２…エンジン、３…吸気通路、４…排気通路、５…排気循環路、６…ＥＧＲ弁、７…制御部、８…温度測定部、８ａ…第１の温度センサ、８ｂ…第２の温度センサ、９…差圧測定部（差圧センサ）、１０…本体部、１１…通気路、１２…酸化触媒、１３…排気フィルタ、２１…燃焼室、２２…吸気弁、２３…吸気絞り弁、２４…インジェクタ、２５…ピストン、２６…クランクシャフト、２７…排気弁、７１…昇温制御部、７２…捕集量推定部、７３…炭素成分（Ｃ）燃焼熱量推定部、７４…可溶性有機成分（ＳＯＦ）燃焼熱量推定部、７５…微粒子（ＰＭ）燃焼熱量推定部、ＥＧ１…第１状態の排気、ＥＧ２…第２状態の排気、ＥＧ３…第３状態の排気。

Claims (7)

1. 内燃機関から排出された排気に含まれる微粒子を捕集する排気フィルタと、
   前記排気フィルタを通過する前記排気の温度を上昇させる昇温制御を実施する昇温制御部と、
   前記排気フィルタが捕集した前記微粒子の捕集量および前記微粒子に含まれる成分ごとの捕集量を推定する捕集量推定部と、
   を備え、
   前記捕集量推定部は、推定した前記微粒子の捕集量および前記微粒子に含まれる成分ごとの捕集量を燃焼させた際に生じる燃焼熱量を推定し、
   前記昇温制御部は、前記捕集量推定部で推定した前記燃焼熱量に基づいて前記昇温制御を開始する
   ことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記捕集量推定部は、前記微粒子に含まれる炭素成分の燃焼熱量を推定する炭素成分燃焼熱量推定部を備え、
   前記昇温制御部は、前記炭素成分燃焼熱量推定部で推定した前記炭素成分の燃焼熱量が前記昇温制御の開始要否を判定するための閾値である所定の炭素成分閾値を超えた際に前記昇温制御を開始する
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記捕集量推定部は、前記微粒子に含まれる可溶性有機成分の燃焼熱量を推定する可溶性有機成分燃焼熱量推定部を備え、
   前記昇温制御部は、前記可溶性有機成分燃焼熱量推定部で推定した前記可溶性有機成分の燃焼熱量が前記昇温制御の開始要否を判定するための閾値である所定の可溶性有機成分閾値を超えた際に前記昇温制御を開始する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置。
4. 前記捕集量推定部は、前記微粒子の燃焼熱量を推定する微粒子燃焼熱量推定部を備え、
   前記昇温制御部は、前記可溶性有機成分燃焼熱量推定部で推定した前記可溶性有機成分の燃焼熱量が前記昇温制御の開始要否を判定するための閾値よりも小さい値である着火閾値以上であり、かつ、前記微粒子燃焼熱量推定部で推定した微粒子燃焼熱量が前記昇温制御の開始要否を判定するための閾値である所定の微粒子閾値を超えた際に前記昇温制御を開始する
   ことを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
5. 前記昇温制御の開始要否を判定するための閾値は、前記排気フィルタが溶け出す熱量よりも小さな熱量の値に設定されている
   ことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の排気浄化装置。
6. 前記着火閾値は、前記微粒子に含まれる炭素成分が着火する熱量の値に設定されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置。
7. 前記排気が流れる排気通路の前記排気フィルタよりも上流で、前記微粒子を酸化除去する酸化触媒と、
   前記排気通路を流れる前記排気の温度を測定する温度測定部と、
   を備え、
   前記温度測定部は、前記排気通路の前記酸化触媒の上流で前記排気の温度を測定する第１の温度センサと、前記排気通路の前記酸化触媒の下流かつ前記排気フィルタの上流で前記排気の温度を測定する第２の温度センサと、を有し、
   前記捕集量推定部は、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサで測定された前記排気の温度に基づいて、前記微粒子に含まれる成分ごとの捕集量を推定する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の排気浄化装置。

Images