WO2010097927A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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combustion engine
particulate matter
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櫻井　健治
宮下　茂樹
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification device for an internal combustion engine.
  • the exhaust gas of the internal combustion engine contains fine particles mainly composed of carbon, that is, particulate matter (Particulate Matter).
  • particulate matter Pulse Matter
  • an exhaust purification device in which a filter is installed in an exhaust passage and particulate matter is collected by the filter has been widely used.
  • the pressure loss (venting resistance) of the filter increases.
  • an exhaust emission control device that replaces the PM filter and continuously burns (oxidizes) the particulate matter in the catalytic converter without depositing the particulate matter.
  • it is desired to increase the combustion efficiency of particulate matter in the catalytic converter, that is, to further reduce the amount of particulate matter that flows out through the catalytic converter.
  • the present invention has been made in view of the above points, and exhaust purification of an internal combustion engine capable of reducing the amount of particulate matter flowing out from a catalytic converter that continuously burns particulate matter in exhaust gas.
  • An object is to provide an apparatus.
  • a first invention is an exhaust purification device for an internal combustion engine, A catalytic converter that continuously burns particulate matter in the exhaust gas of an internal combustion engine; A particle amount acquisition means for acquiring an inflow amount of particulate matter to the catalytic converter; Particles that change the value of the control parameter of the internal combustion engine in a direction in which the amount of particulate matter flowing into the catalytic converter increases when the value acquired by the particle amount acquisition means is smaller than a predetermined threshold value A particle amount increasing means for performing the amount increasing control; It is characterized by providing.
  • the second invention is the first invention, wherein
  • the particle amount increasing means executes the particle amount increasing control when the value acquired by the particle amount acquiring means is larger than a second threshold value smaller than the threshold value and smaller than the threshold value. It is characterized by doing.
  • the third invention is the first or second invention, wherein
  • the particle amount acquisition means is configured to determine the amount of particulate matter flowing into the catalytic converter based on at least one of engine speed, engine load, fuel injection timing, fuel injection amount, and intake air amount of the internal combustion engine. Is estimated.
  • the control parameter is fuel injection timing.
  • the catalytic converter increases the particulate matter inflow amount to the catalytic converter. It has the characteristic that there exists a part where the particulate matter outflow from the converter decreases.
  • the sixth invention is the fifth invention, wherein
  • the threshold value corresponds to a value of the particulate matter inflow amount to the catalytic converter when the particulate matter outflow amount from the catalytic converter is minimized in the graph.
  • the seventh invention is the sixth invention, wherein
  • the particle amount increasing means executes the particle amount increasing control when the value acquired by the particle amount acquiring means is larger than a second threshold value smaller than the threshold value and smaller than the threshold value.
  • the second threshold value indicates the particulate matter flowing into the catalytic converter when the particulate matter outflow amount from the catalytic converter is equal to the minimum value of the particulate matter outflow amount from the catalytic converter. It corresponds to the value of substance inflow.
  • an eighth invention is any one of the first to seventh inventions, Threshold correction means for correcting the threshold according to the state of the catalytic converter is provided.
  • a catalyst temperature raising means for raising the temperature of the catalytic converter by retarding the ignition timing is provided.
  • the catalytic converter includes, as a catalyst component, at least one of a Pr material mainly composed of Pr (praseodymium) and ceria, and an Nd material mainly composed of Nd (neodymium). .
  • an eleventh aspect of the invention is any one of the first to tenth aspects of the invention.
  • An exhaust gas flow rate acquisition means for acquiring an exhaust gas flow rate passing through the catalytic converter or a value correlated therewith;
  • prohibition means for prohibiting execution of the particle amount increase control It is characterized by providing.
  • the inflow amount of the particulate matter to the catalytic converter is acquired, and when the obtained value is smaller than the predetermined threshold value, the inflow amount of the particulate matter to the catalytic converter is increased.
  • the particle amount increase control for changing the value of the control parameter of the internal combustion engine.
  • the amount of particulate matter flowing out from the catalytic converter decreases when the amount of particulate matter flowing into the catalytic converter is intentionally increased.
  • the amount of particulate matter flowing out from the catalytic converter can be reduced by applying such a principle.
  • the particle amount increase control when the amount of the acquired particulate matter is larger than the second threshold value smaller than the threshold value and smaller than the threshold value, the particle amount increase control is executed. Can do. When the amount of particulate matter flowing into the catalytic converter is extremely small, the amount of particulate matter flowing out from the catalytic converter may be smaller if the particle amount increase control is not executed. According to the second invention, in such a case, execution of the particle amount increase control can be avoided. Thereby, the amount of particulate matter flowing out from the catalytic converter as a whole can be more reliably reduced.
  • the amount of particulate matter flowing into the catalytic converter is determined based on at least one of the engine speed, engine load, fuel injection timing, fuel injection amount, and intake air amount of the internal combustion engine. Can be estimated. For this reason, the inflow of particulate matter to the catalytic converter can be easily obtained without providing a PM sensor or the like.
  • the amount of particulate matter flowing into the catalytic converter can be easily controlled by correcting the fuel injection timing.
  • the relationship between the particulate matter inflow amount to the catalytic converter and the particulate matter outflow amount from the catalytic converter is shown in the graph, as the particulate matter inflow amount to the catalytic converter increases.
  • the amount of the particulate matter flowing out from the catalytic converter can be surely reduced.
  • the threshold value is set to a value corresponding to the value of the particulate matter inflow amount to the catalytic converter when the particulate matter outflow amount from the catalytic converter is minimized in the graph.
  • the inflow amount of the particulate matter to the catalytic converter is smaller than the second threshold value, that is, the amount of the particulate matter flowing out from the catalytic converter is greater when the particle amount increase control is not executed.
  • the number is small, execution of the control can be avoided. Thereby, the amount of particulate matter flowing out from the catalytic converter as a whole can be more reliably reduced.
  • the threshold value can be corrected according to the state of the catalytic converter.
  • a more appropriate threshold can be set according to the state of the catalytic converter, so that the amount of particulate matter flowing out from the catalytic converter can be more reliably reduced.
  • the amount of particulate matter flowing out from the catalytic converter can be further reduced by increasing the temperature of the catalytic converter by retarding the ignition timing.
  • the tenth invention as a catalyst component of the catalytic converter, by using at least one of a Pr material mainly composed of Pr (praseodymium) and ceria, and an Nd material mainly composed of Nd (neodymium).
  • Pr material mainly composed of Pr (praseodymium) and ceria
  • Nd material mainly composed of Nd (neodymium).
  • the particulate matter can be reacted efficiently with active oxygen. For this reason, the amount of particulate matter flowing out from the catalytic converter can be further reduced.
  • the eleventh aspect when the exhaust gas flow rate passing through the catalytic converter or a value correlated therewith is equal to or greater than a predetermined value, execution of the particle amount increase control is prohibited. In a region where the exhaust gas flow rate passing through the catalytic converter is large to some extent, the amount of particulate matter flowing out from the catalytic converter may be smaller if the particle amount increase control is not executed. According to the eleventh aspect, in such a case, execution of the particle amount increase control can be avoided. Thereby, the amount of particulate matter flowing out from the catalytic converter as a whole can be more reliably reduced.
  • Embodiment 1 of this invention It is a figure which shows the internal combustion engine in Embodiment 1 of this invention. It is a block diagram of the apparatus which controls the internal combustion engine of Embodiment 1 of this invention. It is a graph which shows the relationship between the amount of PM containing a catalyst and the amount of PM discharged from a catalyst. It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 1 of the present invention. It is a map for correcting the threshold value ⁇ in accordance with the space velocity SV. It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 2 of this invention. It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an internal combustion engine according to Embodiment 1 of the present invention.
  • An internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 is used as a power source for a vehicle.
  • the internal combustion engine 10 of the present embodiment is a spark ignition type internal combustion engine provided with a fuel injector (not shown) that directly injects fuel into a cylinder.
  • the internal combustion engine 10 is an in-line 4-cylinder type. However, in the present invention, the number of cylinders and the cylinder arrangement are not particularly limited. Each cylinder is provided with two intake valves 12 and two exhaust valves 14.
  • the intake pipe 16 is connected to the internal combustion engine 10.
  • a throttle valve 18 for controlling the amount of intake air is installed in the middle of the intake pipe 16.
  • the intake gas supplied from the intake pipe 16 is distributed by the intake manifold 20 and flows into each cylinder.
  • the exhaust gas discharged from the first and fourth cylinders of the internal combustion engine 10 is collected by the exhaust manifold 22 and flows into the oxidation catalyst 24. Further, exhaust gases discharged from the second cylinder and the third cylinder are collected by the exhaust manifold 26 and flow into the oxidation catalyst 24.
  • An exhaust pipe 28 is connected to the downstream side of the oxidation catalyst 24.
  • An underfloor catalyst 30 is installed in the middle of the exhaust pipe 28.
  • the exhaust manifold may not be a split type as described above.
  • the internal combustion engine 10 of the present embodiment is provided with an EGR passage 32 for performing EGR (Exhaust Gas Recirculation) for recirculating a part of the exhaust gas to the intake system.
  • EGR Exhaust Gas Recirculation
  • the upstream side of the EGR passage 32 is divided into two and connected to the exhaust manifolds 22 and 26, respectively. Further, the downstream side of the EGR passage 32 is connected to the intake pipe 16 on the downstream side of the throttle valve 18.
  • An EGR catalyst 34 and an EGR valve 36 are installed in the middle of the EGR passage 32.
  • FIG. 2 is a block diagram of a control device that controls the internal combustion engine 10 of the present embodiment.
  • the control device of this embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 50.
  • the ECU 50 includes various actuators such as a throttle valve 18, an EGR valve 36, a fuel injection device 38 for injecting fuel into the cylinder, an ignition device 40 for igniting an air-fuel mixture in the cylinder, and the internal combustion engine 10.
  • a crank angle sensor 42 for detecting the rotation angle of the crankshaft, an air flow meter 44 for detecting the intake air amount, an accelerator position sensor 46 for detecting the accelerator pedal position of the vehicle on which the internal combustion engine 10 is mounted, and a vehicle speed sensor 48 for detecting the vehicle speed.
  • Various sensors are electrically connected.
  • the oxidation catalyst 24 and the EGR catalyst 34 have a function of purifying particulate matter (Particulate Matter) in the exhaust gas.
  • the particulate matter (hereinafter referred to as “PM”) is fine particles mainly composed of carbon, such as soot and SOF (Soluble Organic Fraction).
  • the oxidation catalyst 24 and the EGR catalyst 34 purify the particulate matter by burning (oxidizing) it and converting it into CO 2 or the like. According to the present embodiment, the amount of PM discharged into the atmosphere can be reduced by purifying PM with the oxidation catalyst 24. Further, the provision of the EGR catalyst 34 can suppress the inflow of PM into the intake system. For this reason, it is possible to reliably suppress deposits (attachment) caused by PM on the intake port, the intake valve 12 and the like.
  • the oxidation catalyst 24 and the EGR catalyst 34 in this embodiment are configured not to accumulate PM like a filter but to continuously burn (react) the inflowing PM.
  • Preferable catalyst components of the oxidation catalyst 24 and the EGR catalyst 34 include Pt (platinum) and Pd (palladium) as the noble metal component, and a Pr material mainly containing ceria and Pr (praseodymium) as the metal oxide component.
  • Pt platinum
  • Pd palladium
  • Pr material mainly containing ceria and Pr (praseodymium) as the metal oxide component.
  • Nd materials containing Nd (neodymium) as a main component.
  • Ceria and Pr materials have a characteristic of efficiently generating active oxygen. Further, the Nd material is excellent in the characteristic (oxygen conductivity) that moves active oxygen along the surface without purifying it.
  • At least one of the ceria and the Pr material coexists with the Nd material.
  • PM can be efficiently oxidized by active oxygen, and particularly excellent PM purification performance can be obtained.
  • the oxidation catalyst 24 and the EGR catalyst 34 may be provided with a holding material (for example, zeolite) for holding PM for a moment.
  • a holding material for example, zeolite
  • the amount of PM discharged from the internal combustion engine 10 varies greatly depending on the operating state. For example, the amount of PM emission is greatest when high load operation is performed, particularly when acceleration is involved. On the other hand, the PM emission amount is small during low and medium load operation, but slightly increases when acceleration is involved.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the PM amount with catalyst and the PM amount with catalyst.
  • the horizontal axis indicates the number of particles contained per unit volume in the exhaust gas flowing into the catalyst (the amount of PM contained in the catalyst), and the vertical axis is included in the exhaust gas flowing out from the catalyst per unit volume. The number of particles (the amount of PM emitted from the catalyst) is indicated.
  • PM is not purified at all, that is, when the PM purification rate is 0%
  • the catalyst output PM amount becomes equal to the catalyst-containing PM amount. Therefore, a straight line passing through the origin in FIG. 3 and having an inclination of 45 ° represents a graph with a PM purification rate of 0%.
  • the catalyst when the catalyst output PM amount becomes the minimum that is, when the catalyst output PM amount starts to increase from the decrease when the catalyst-containing PM amount is increased.
  • the value of the incoming PM amount is referred to as a threshold value ⁇ .
  • the catalyst output is smaller than when the PM amount with catalyst is equal to the threshold value ⁇ .
  • the amount of PM increases. Therefore, when the catalyst-containing PM amount is between the threshold value ⁇ and the second threshold value ⁇ , the catalyst-exited PM amount is reduced by deliberately increasing the catalyst-containing PM amount to the threshold value ⁇ . can do. Therefore, in the present embodiment, when it is estimated that the PM amount with catalyst is between the threshold value ⁇ and the second threshold value ⁇ , the control for intentionally increasing the PM amount with catalyst to the threshold value ⁇ . It was decided to execute. This control is hereinafter referred to as “particle amount increase control”.
  • control parameter of the internal combustion engine 10 that affects the PM amount containing the catalyst is changed in a direction in which the PM amount containing the catalyst increases.
  • control parameters include fuel injection timing from the fuel injector of the internal combustion engine 10. As the fuel injection timing is advanced, the fuel injected from the fuel injector easily collides directly with the piston, so that the amount of PM discharged from the internal combustion engine 10 increases. Therefore, the PM amount containing the catalyst can be increased by advancing the fuel injection timing.
  • FIG. 4 is a flowchart of a routine executed by the ECU 50 in the present embodiment in order to realize the above function. This routine is repeatedly executed every predetermined time. According to the routine shown in FIG. 4, it is first determined whether or not the vehicle speed is 60 km / h or less (step 100).
  • step 100 determines that the catalyst-containing PM amount may be less than the threshold value ⁇ .
  • the determination is made based on the vehicle speed, but the same determination may be made based on the engine load of the internal combustion engine 10.
  • the engine load can be calculated based on the intake air amount, the fuel injection amount, the engine speed, and the like.
  • step 102 it is next determined whether or not acceleration is being performed (step 102). Whether or not acceleration is being performed can be determined based on, for example, the position of the accelerator pedal (depression amount) or the engine load increase rate. When the vehicle speed is 60 km / h or less and acceleration is not performed (during steady operation or deceleration), it can be determined that the amount of PM discharged from the internal combustion engine 10 is small. For this reason, when it is determined in step 102 that acceleration is not performed, it can be determined that the PM amount containing the catalyst is equal to or less than the second threshold value ⁇ . In such a case, it can be presumed that the catalyst output PM amount increases as the catalyst-containing PM amount increases, so it is better not to execute the particle amount increase control. Therefore, in this case, the processing of this routine ends here.
  • step 104 a process for determining whether or not the amount of PM with catalyst is smaller than the threshold value ⁇ is executed (step 104).
  • the amount of PM contained in the catalyst is represented by the number of PM particles contained per unit volume of the exhaust gas flowing into the oxidation catalyst 24 or the EGR catalyst 34.
  • the exhaust gas discharged from the internal combustion engine 10 flows into the oxidation catalyst 24 or the EGR catalyst 34 as it is.
  • the value of the PM amount containing the catalyst is equal to the number of PM particles contained per unit volume of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine 10 (hereinafter referred to as “the number of engine output gas PM particles”).
  • the number of engine exhaust gas PM particles is estimated based on the operating state of the internal combustion engine 10.
  • the ECU 50 stores, as a map, a result obtained by conducting an experiment in advance on the relationship between the operating state of the internal combustion engine 10 (engine speed, engine load, fuel injection timing, etc.) and the number of engine exhaust gas PM particles.
  • step 104 first, the number of engine output PM particles in the current operating state is calculated based on the map. Then, the calculated value of the engine output gas PM particle number is compared with the threshold value ⁇ .
  • the catalyst output PM amount becomes smaller when the engine output PM particle number is increased to the threshold value ⁇ .
  • the fuel injection device 38 is controlled so that the fuel injection timing is advanced (step 106).
  • the advance amount of the fuel injection timing may be set to a predetermined value, or according to the deviation between the threshold value ⁇ and the number of engine output gas PM particles calculated in the above step 104. The advance amount of the fuel injection timing may be determined.
  • control for retarding the ignition timing by the ignition device 40 is also performed. By retarding the ignition timing, the exhaust temperature rises and the catalyst bed temperature can be increased. For this reason, the PM purification rate can be further increased.
  • step 106 If the process of step 106 is executed, the process of step 104 is executed again. If it is determined in step 104 that the calculated number of engine output PM particles has reached the threshold value ⁇ , the processing of this routine is terminated.
  • the PM discharged from the internal combustion engine 10 By intentionally increasing the amount of the catalyst, control for increasing the amount of PM containing the catalyst to the threshold value ⁇ is executed. Thereby, the amount of PM flowing out from the oxidation catalyst 24 or the EGR catalyst 34 can be reduced. For this reason, it is possible to reduce the amount of PM discharged into the atmosphere, and it is possible to suppress deposit accumulation in the EGR passage 32 and the intake system.
  • the threshold value ⁇ may be corrected according to the state of the oxidation catalyst 24 or the EGR catalyst 34.
  • the threshold value ⁇ may be corrected according to the space velocity SV (Space Velocity) of the oxidation catalyst 24 or the EGR catalyst 34.
  • FIG. 5 is a map for correcting the threshold value ⁇ according to the space velocity SV.
  • the space velocity SV becomes lower, the time during which the exhaust gas stays in the catalyst becomes longer. Therefore, a chain reaction is likely to occur even if the amount of PM inflow is small. Therefore, the threshold value ⁇ tends to decrease as the space velocity SV decreases.
  • the space velocity SV may be calculated in the process of step 104, and the threshold value ⁇ may be obtained from the map shown in FIG.
  • the space velocity SV of the oxidation catalyst 24 is a value obtained by dividing the volume of the oxidation catalyst 24 by the exhaust gas flow rate passing through the oxidation catalyst 24.
  • the flow rate of exhaust gas passing through the oxidation catalyst 24 can be calculated based on the intake air amount of the internal combustion engine 10, the fuel injection amount, the engine speed, and the like.
  • the space velocity SV of the EGR catalyst 34 is a value obtained by dividing the volume of the EGR catalyst 34 by the exhaust gas flow rate passing through the EGR catalyst 34.
  • the flow rate of exhaust gas passing through the EGR catalyst 34 can be calculated based on the intake air amount of the internal combustion engine 10, the fuel injection amount, the engine speed, the opening degree of the EGR valve 36, and the like.
  • the threshold value ⁇ may be corrected according to not only the space velocity SV but also other parameters.
  • the threshold value ⁇ may be corrected based on the bed temperature of the oxidation catalyst 24 or the EGR catalyst 34.
  • the second threshold value ⁇ may be corrected in the same manner according to the space velocity SV and other parameters.
  • the amount of PM with catalyst (the number of PM gas emitted from the engine) is obtained by estimating from the engine operating state, but the present invention is not limited to such a configuration. . That is, in the present invention, a PM sensor for measuring the PM amount in the exhaust gas may be provided, and the PM amount containing the catalyst may be directly detected by the PM sensor.
  • the amount of PM with catalyst when the amount of PM with catalyst is smaller than the threshold value ⁇ , the amount of PM with catalyst is increased by advancing the fuel injection timing.
  • the amount of PM contained in the catalyst may be increased by changing the value of the control parameter. Examples of such other control parameters include an EGR rate.
  • the amount of PM contained in the catalyst is expressed by the number of PM particles contained in the exhaust gas per unit volume.
  • the present invention is not limited to this, and per unit volume in the exhaust gas.
  • the amount of PM contained in the catalyst may be represented by the PM weight contained, the total number of PM particles flowing into the catalyst per unit time, the total PM weight flowing into the catalyst per unit time, or the like.
  • the oxidation catalyst 24 or the EGR catalyst 34 is the “catalytic converter” in the first invention
  • the threshold value ⁇ is the “predetermined threshold value” in the first and sixth inventions.
  • the fuel injection timing corresponds to the “control parameter” in the first invention
  • the second threshold value ⁇ corresponds to the “second threshold value” in the second and seventh inventions.
  • the ECU 50 executes the process of step 104
  • the “particle amount acquisition means” in the first and third inventions executes the process of step 106, thereby the “particles” in the first invention.
  • the “catalyst temperature raising means” in the tenth invention calculates the threshold value ⁇ according to the map shown in FIG. Each of the “threshold correction means” in FIG.
  • Embodiment 2 the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6.
  • the description will focus on the differences from the first embodiment described above, and the same matters will be simplified or described. Omitted.
  • This embodiment can be realized by causing the ECU 50 to execute a routine shown in FIG. 6 described later instead of the routine shown in FIG. 4 using the same hardware configuration as that of the first embodiment described above. it can.
  • whether or not the amount of PM contained in the catalyst is larger than the second threshold value ⁇ is determined based on the presence or absence of acceleration, but in this embodiment, the number of engine output PM particles is set to a second value. The comparison was made directly with the threshold ⁇ .
  • FIG. 6 is a flowchart of a routine executed by the ECU 50 in the present embodiment in order to realize the above function.
  • the routine shown in FIG. 6 first, in the same manner as in the first embodiment, the number of engine output gas PM particles is estimated from the engine operating state. Then, the estimated value of the engine output gas PM particle number is compared with the second threshold value ⁇ (step 110).
  • step 110 when the number of engine output PM particles is equal to or smaller than the second threshold value ⁇ , it can be estimated that the catalyst output PM amount increases as the catalyst-containing PM amount increases. It is better not to execute volume increase control. Therefore, in this case, the processing of this routine ends here.
  • step 110 if the number of engine exhaust gas PM particles exceeds the second threshold value ⁇ in step 110, the engine output gas PM particle number is then compared with the threshold value ⁇ (step 112).
  • step 112 If the number of engine exhaust gas PM particles is smaller than the threshold value ⁇ in the above step 112, the catalyst output PM amount becomes smaller when the engine output gas PM particle number is increased to the threshold value ⁇ . Predictable. That is, in this case, it can be determined that the catalyst output PM amount can be reduced by executing the particle amount increase control. Therefore, in this case, next, control for advancing the fuel injection timing is executed in order to increase the number of engine output gas PM particles (step 114).
  • the processing in step 114 is the same as that in step 106 in the first embodiment. When the process of step 114 is executed, the process of step 112 is executed again.
  • step 112 if the number of engine exit gas PM particles is greater than or equal to the threshold value ⁇ in step 112, it can be assumed that the catalyst exit PM amount increases as the catalyst entrance PM amount increases. It is better not to execute volume increase control. Therefore, in this case, the processing of this routine ends here.
  • the “particle amount increasing means” according to the second aspect of the present invention is implemented by the ECU 50 executing the routine shown in FIG.
  • Embodiment 3 the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7.
  • the description will focus on the differences from the first and second embodiments described above, and the description of the same matters will be simplified. Or omit.
  • the catalytic converter that burns PM exhibits characteristics as shown in FIG. That is, in the graph showing the relationship between the PM amount with catalyst and the PM amount with catalyst, there is a portion where the PM amount with catalyst decreases as the PM amount with catalyst increases.
  • the characteristics as shown in FIG. that is, in a region where the space velocity SV of the catalytic converter is large to some extent, the catalyst output PM amount monotonously increases as the catalyst-containing PM amount increases. In such a region, it is not necessary to execute the above-described particle amount increase control. Therefore, in the present embodiment, the value of the space velocity SV when the characteristic as shown in FIG. 3 is not shown is examined in advance, and execution of the particle amount increase control is prohibited in a region where the space velocity SV is larger than the value. It was decided.
  • FIG. 7 is a flowchart of a routine executed by the ECU 50 in the present embodiment in order to realize the above function.
  • the space velocity SV of each of the oxidation catalyst 24 and the EGR catalyst 34 is calculated (step 120).
  • the calculation method of the space velocity SV of the oxidation catalyst 24 and the EGR catalyst 34 is as described in the first embodiment.
  • step 122 it is determined whether or not the space velocity SV calculated in step 120 exceeds a predetermined value (step 122).
  • the space velocity SV does not exceed the predetermined value, the relationship between the PM amount containing the catalyst and the PM amount coming out of the catalyst is a region having characteristics as shown in FIG. It can be determined that the control is effective. Therefore, in this case, execution of particle amount increase control is permitted (step 124). That is, in this step 124, execution of the routine shown in FIG. 4 or FIG. 6 is permitted.
  • step 126 execution of the particle amount increase control is prohibited (step 126). That is, in step 126, execution of the routine shown in FIG. 4 or FIG. 6 is prohibited.
  • the execution of the particle amount increase control may be prohibited when the space velocity SV of at least one of the oxidation catalyst 24 and the EGR catalyst 34 exceeds the predetermined value, or the oxidation catalyst 24 and the EGR catalyst may be prohibited.
  • the execution of the particle amount increase control may be prohibited only when both of the space velocities SV 34 exceed the predetermined value.
  • the routine shown in FIG. 7 may be executed while paying attention only to the space velocity SV of one of the oxidation catalyst 24 and the EGR catalyst 34. Further, since the space velocity SV correlates with the exhaust gas flow rate passing through the catalytic converter, the routine shown in FIG. 7 can be executed based on the value of the exhaust gas flow rate instead of the value of the space velocity SV.
  • the ECU 50 executes the process of step 120, so that the “exhaust gas flow rate acquisition means” in the eleventh aspect of the invention executes the processes of steps 122 and 126.
  • the “prohibiting means” in the eleventh invention is realized.

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Abstract

　本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、排気ガス中の粒子状物質を連続的に燃焼させる触媒コンバータから流出する粒子状物質の量を低減することを目的とする。 　本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気ガス中の粒子状物質を連続的に燃焼させる触媒コンバータと、触媒コンバータへの粒子状物質の流入量を取得する粒子量取得手段と、取得された粒子状物質の流入量が所定のしきい値αより少ない場合に、内燃機関の制御パラメータの値を、触媒コンバータへの粒子状物質の流入量が増加する方向に変化させる粒子量増加手段と、を備える。しきい値αは、触媒コンバータへの粒子状物質流入量と触媒コンバータからの粒子状物質流出量との関係を示すグラフにおいて、触媒コンバータからの粒子状物質流出量が極小となるときの触媒コンバータへの粒子状物質流入量の値に対応している。

Description

内燃機関の排気浄化装置
　本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
　内燃機関の排気ガス中には、カーボンを主体とする微粒子、すなわち粒子状物質（Particulate Matter）が含まれている。従来より、排気通路にフィルターを設置し、粒子状物質をこのフィルターによって捕集する排気浄化装置が広く用いられている。フィルターに粒子状物質が堆積するにつれて、フィルターの圧力損失（通気抵抗）が増大していく。このため、そのようなフィルターを備えた排気浄化装置では、フィルターに堆積した粒子状物質を燃焼させて除去するための再生制御を定期的に実行することが必要となる。
　フィルターに堆積した粒子状物質を燃焼させるためには、通常、５５０℃以上の温度が必要となる。日本特開２００５－９０３９０号公報には、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）を備えたディーゼルエンジンにおいて、ＤＰＦ再生を行う場合に、燃料噴射時期の遅角やポスト噴射などを行うことにより、ＤＰＦの温度を上昇させる技術が開示されている。
日本特開２００５－９０３９０号公報 日本特開２００７－６４１３２号公報
　上述したようなＰＭフィルターを備えた排気浄化装置では、ＰＭフィルターを再生する際に、ＰＭフィルターを高温にするためのエネルギーが必要となる。このため、内燃機関の燃費が悪化するという問題がある。
　そこで、ＰＭフィルターに代えて、粒子状物質を堆積させずに、触媒コンバータにおいて粒子状物質を連続的に燃焼（酸化）させる排気浄化装置が提案されている。そのような排気浄化装置においては、触媒コンバータでの粒子状物質の燃焼効率を高めること、すなわち、触媒コンバータをすり抜けて流出する粒子状物質の量をより低減することが要望されている。
　本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、排気ガス中の粒子状物質を連続的に燃焼させる触媒コンバータから流出する粒子状物質の量を低減することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
　第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
　内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を連続的に燃焼させる触媒コンバータと、
　前記触媒コンバータへの粒子状物質の流入量を取得する粒子量取得手段と、
　前記粒子量取得手段により取得された値が所定のしきい値より小さい場合に、前記内燃機関の制御パラメータの値を、前記触媒コンバータへの粒子状物質の流入量が増加する方向に変化させる粒子量増加制御を実行する粒子量増加手段と、
　を備えることを特徴とする。
　また、第２の発明は、第１の発明において、
　前記粒子量増加手段は、前記粒子量取得手段により取得された値が、前記しきい値より小さい第２しきい値より大きく、且つ前記しきい値より小さい場合に、前記粒子量増加制御を実行することを特徴とする。
　また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
　前記粒子量取得手段は、前記内燃機関のエンジン回転数、エンジン負荷、燃料噴射時期、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一つに基づいて、前記触媒コンバータへの粒子状物質の流入量を推定することを特徴とする。
　また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
　前記制御パラメータは、燃料噴射時期であることを特徴とする。
　また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
　前記触媒コンバータは、前記触媒コンバータへの粒子状物質流入量と前記触媒コンバータからの粒子状物質流出量との関係を示すグラフにおいて、前記触媒コンバータへの粒子状物質流入量が増加するにつれて前記触媒コンバータからの粒子状物質流出量が減少する部分が存在する特性を有するものであることを特徴とする。
　また、第６の発明は、第５の発明において、
　前記しきい値は、前記グラフにおいて前記触媒コンバータからの粒子状物質流出量が極小となるときの、前記触媒コンバータへの粒子状物質流入量の値に対応していることを特徴とする。
　また、第７の発明は、第６の発明において、
　前記粒子量増加手段は、前記粒子量取得手段により取得された値が、前記しきい値より小さい第２しきい値より大きく、且つ前記しきい値より小さい場合に、前記粒子量増加制御を実行し、
　前記第２しきい値は、前記グラフにおいて、前記触媒コンバータからの粒子状物質流出量が、前記触媒コンバータからの粒子状物質流出量の極小値に等しくなるときの、前記触媒コンバータへの粒子状物質流入量の値に対応していることを特徴とする。
　また、第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、
　前記しきい値を前記触媒コンバータの状態に応じて補正するしきい値補正手段を備えることを特徴とする。
　また、第９の発明は、第１乃至第８の発明の何れかにおいて、
　前記粒子量増加制御が実行される場合に、点火時期を遅角することによって前記触媒コンバータの温度を上昇させる触媒昇温手段を備えることを特徴とする。
　また、第１０の発明は、第１乃至第９の発明の何れかにおいて、
　前記触媒コンバータは、触媒成分として、Ｐｒ（プラセオジム）を主成分とするＰｒ材とセリアとの少なくとも一方と、Ｎｄ（ネオジム）を主成分とするＮｄ材とを有していることを特徴とする。
　また、第１１の発明は、第１乃至第１０の発明の何れかにおいて、
　前記触媒コンバータを通過する排気ガス流量またはこれと相関する値を取得する排気ガス流量取得手段と、
　前記排気ガス流量取得手段により取得された値が所定値以上である場合には、前記粒子量増加制御の実行を禁止する禁止手段と、
　を備えることを特徴とする。
　第１の発明によれば、触媒コンバータへの粒子状物質の流入量を取得し、その取得された値が所定のしきい値より小さい場合には、触媒コンバータへの粒子状物質流入量が増加するように内燃機関の制御パラメータの値を変化させる粒子量増加制御を実行することができる。本発明者らの知見によれば、触媒コンバータへの粒子状物質流入量と、触媒コンバータからの粒子状物質流出量との関係をグラフに示すと、触媒コンバータへの粒子状物質流入量が増加するにつれて触媒コンバータからの粒子状物質流出量が減少する部分が存在する。このため、場合によっては、触媒コンバータへの粒子状物質の流入量を敢えて増加させた方が、触媒コンバータからの粒子状物質流出量が少なくなるという状況が存在する。第１の発明によれば、このような原理を応用して、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量を低減することができる。
　第２の発明によれば、取得された粒子状物質の量が、上記しきい値より小さい第２しきい値より大きく、且つ上記しきい値より小さい場合に、粒子量増加制御を実行することができる。触媒コンバータへの粒子状物質の流入量が極めて少ない場合には、粒子量増加制御を実行しない方が、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量が少ないこともある。第２の発明によれば、そのような場合に、粒子量増加制御の実行を回避することができる。これにより、全体として、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量をより確実に低減することができる。
　第３の発明によれば、内燃機関のエンジン回転数、エンジン負荷、燃料噴射時期、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一つに基づいて、触媒コンバータへの粒子状物質の流入量を推定することができる。このため、ＰＭセンサ等を設けることなしに、触媒コンバータへの粒子状物質の流入量を容易に取得することができる。
　第４の発明によれば、燃料噴射時期を修正することにより、触媒コンバータへの粒子状物質の流入量を容易に制御することができる。
　第５の発明によれば、触媒コンバータへの粒子状物質流入量と触媒コンバータからの粒子状物質流出量との関係をグラフにおいて、触媒コンバータへの粒子状物質流入量が増加するにつれて触媒コンバータからの粒子状物質流出量が減少する部分が存在する特性を有する触媒コンバータを備えた排気浄化装置において、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量を確実に低減することができる。
　第６の発明によれば、上記しきい値を、上記グラフにおいて触媒コンバータからの粒子状物質流出量が極小となるときの、触媒コンバータへの粒子状物質流入量の値に対応した値とすることにより、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量をより確実に低減することができる。
　第７の発明によれば、触媒コンバータへの粒子状物質の流入量が第２しきい値より小さい場合、すなわち、粒子量増加制御を実行しない方が触媒コンバータから流出する粒子状物質の量が少ない場合には、その制御の実行を回避することができる。これにより、全体として、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量をより確実に低減することができる。
　第８の発明によれば、しきい値を触媒コンバータの状態に応じて補正することができる。これにより、触媒コンバータの状態に応じて、より適切なしきい値を設定することができるので、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量をより確実に低減することができる。
　第９の発明によれば、点火時期を遅角することによって触媒コンバータの温度を上昇させることにより、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量を更に低減することができる。
　第１０の発明によれば、触媒コンバータの触媒成分として、Ｐｒ（プラセオジム）を主成分とするＰｒ材とセリアとの少なくとも一方と、Ｎｄ（ネオジム）を主成分とするＮｄ材とを用いることにより、粒子状物質を活性酸素と効率良く反応させることができる。このため、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量を更に低減することができる。
　第１１の発明によれば、触媒コンバータを通過する排気ガス流量またはこれと相関する値が所定値以上である場合には、粒子量増加制御の実行が禁止される。触媒コンバータを通過する排気ガス流量がある程度多い領域では、粒子量増加制御を実行しない方が、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量が少ないこともある。第１１の発明によれば、そのような場合に、粒子量増加制御の実行を回避することができる。これにより、全体として、触媒コンバータから流出する粒子状物質の量をより確実に低減することができる。
本発明の実施の形態１における内燃機関を示す図である。 本発明の実施の形態１の内燃機関を制御する装置のブロック図である。 触媒入りＰＭ量と触媒出ＰＭ量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 しきい値αを空間速度ＳＶに応じて補正するためのマップである。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
符号の説明
１０　内燃機関
１２　吸気弁
１４　排気弁
１６　吸気管
１８　スロットル弁
２０　吸気マニホールド
２２，２６　排気マニホールド
２４　酸化触媒
２８　排気管
３０　アンダーフロア触媒
３２　ＥＧＲ通路
３４　ＥＧＲ触媒
３６　ＥＧＲ弁
５０　ＥＣＵ
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関を示す図である。図１に示す内燃機関１０は、車両の動力源等として用いられるものである。本実施形態の内燃機関１０は、気筒内に直接に燃料を噴射する燃料インジェクタ（図示省略）を備えた火花点火式内燃機関である。この内燃機関１０は、直列４気筒型である。ただし、本発明では、気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。各気筒には、吸気弁１２および排気弁１４が２個ずつ設けられている。
　内燃機関１０には、吸気管１６が接続されている。吸気管１６の途中には、吸入空気量を制御するためのスロットル弁１８が設置されている。吸気管１６から供給される吸気ガスは、吸気マニホールド２０によって分配されて、各気筒に流入する。
　内燃機関１０の１番気筒および４番気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド２２によって集合されて、酸化触媒２４に流入する。また、２番気筒および３番気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド２６によって集合されて、酸化触媒２４に流入する。酸化触媒２４の下流側には、排気管２８が接続されている。排気管２８の途中には、アンダーフロア触媒３０が設置されている。なお、本発明では、排気マニホールドは、上述のような分割型でなくてもよい。
　本実施形態の内燃機関１０には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を行うためのＥＧＲ通路３２が備えられている。ＥＧＲ通路３２の上流側は、二又に分かれて、排気マニホールド２２，２６にそれぞれ接続されている。また、ＥＧＲ通路３２の下流側は、スロットル弁１８より下流側の吸気管１６に接続されている。ＥＧＲ通路３２の途中には、ＥＧＲ触媒３４と、ＥＧＲ弁３６とが設置されている。
　図２は、本実施形態の内燃機関１０を制御する制御装置のブロック図である。本実施形態の制御装置は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０には、スロットル弁１８、ＥＧＲ弁３６、気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射装置３８や、気筒内の混合気に点火するための点火装置４０等の各種のアクチュエータと、内燃機関１０のクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ４２、吸入空気量を検出するエアフローメータ４４、内燃機関１０を搭載した車両のアクセルペダル位置を検出するアクセルポジションセンサ４６、車速を検出する車速センサ４８等の各種のセンサが電気的に接続されている。
　酸化触媒２４およびＥＧＲ触媒３４は、排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter）を浄化する機能を有している。粒子状物質（以下「ＰＭ」と称する）は、すす（soot）やＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）等の、カーボンを主体とする微粒子である。酸化触媒２４およびＥＧＲ触媒３４は、このような粒子状物質を燃焼（酸化）させてＣＯ2等へ転化させることにより、これを浄化する。本実施形態によれば、酸化触媒２４でＰＭを浄化することにより、大気中へのＰＭ排出量を低減することができる。また、ＥＧＲ触媒３４を設けたことにより、吸気系へのＰＭの流入を抑制することができる。このため、吸気ポートや吸気弁１２等に、ＰＭに起因するデポジットが堆積（付着）することを確実に抑制することができる。
　本実施形態における酸化触媒２４やＥＧＲ触媒３４は、フィルターのようにＰＭを溜めるのではなく、流入してくるＰＭを連続的に燃焼（反応）させるように構成されている。酸化触媒２４やＥＧＲ触媒３４の好ましい触媒成分は、貴金属成分としてはＰｔ（白金）やＰｄ（パラジウム）等が挙げられ、金属酸化物成分としてはセリアやＰｒ（プラセオジム）を主成分とするＰｒ材、Ｎｄ（ネオジム）を主成分とするＮｄ材等が挙げられる。セリアやＰｒ材は、活性酸素を効率良く生成する特性を有している。また、Ｎｄ材は、活性酸素を浄化せずに表面に沿って移動させる特性（酸素伝導性）に優れている。このため、セリアおよびＰｒ材の少なくとも一方と、Ｎｄ材とを共存させることがより好ましい。セリアおよびＰｒ材の少なくとも一方と、Ｎｄ材とを共存させることにより、活性酸素によってＰＭを効率良く酸化することができ、特に優れたＰＭ浄化性能が得られる。この場合、Ｎｄ材の重量が、セリアおよびＰｒ材の合計重量以上となるように配合することがより好ましい。
　また、酸化触媒２４やＥＧＲ触媒３４には、ＰＭを一瞬だけ保持するための保持材（例えばゼオライト）が設けられていてもよい。このような保持材を設けることにより、ＰＭを一瞬だけ保持し、その間にＰＭをより確実に燃焼させることができる。
　内燃機関１０から排出されるＰＭの量は、運転状態によって大きく変化する。例えば、ＰＭ排出量が最も多くなるのは、高負荷運転時、特に加速を伴う場合である。一方、低中負荷運転時にはＰＭ排出量は少ないが、加速を伴う場合にはやや多くなる。
　本発明者らは、酸化触媒２４やＥＧＲ触媒３４のＰＭ浄化性能を向上するべく鋭意研究を重ねた結果、以下のような知見を得た。通常、酸化触媒２４あるいはＥＧＲ触媒３４に流入するＰＭの量（以下「触媒入りＰＭ量」と称する）が多くなるにつれて、酸化触媒２４あるいはＥＧＲ触媒３４をすり抜けて酸化触媒２４やＥＧＲ触媒３４から流出するＰＭの量（以下「触媒出ＰＭ量」と称する）も多くなる。すなわち、触媒入りＰＭ量が小さくなるにつれて、通常は、触媒出ＰＭ量も小さくなる。しかしながら、本発明者らが行った実験によれば、触媒入りＰＭ量が、あるしきい値より小さくなると、触媒出ＰＭ量が逆に増加するという事実が明らかとなった。以下、図３を参照して更に説明する。
　図３は、触媒入りＰＭ量と触媒出ＰＭ量との関係を示すグラフである。図３では、横軸は、触媒に流入する排気ガス中に単位体積当たりに含まれる粒子数（触媒入りＰＭ量）を示し、縦軸は、触媒から流出する排気ガス中に単位体積当たりに含まれる粒子数（触媒出ＰＭ量）を示している。ＰＭが全く浄化されない場合、つまりＰＭの浄化率が０％である場合には、触媒出ＰＭ量は触媒入りＰＭ量に等しくなる。よって、図３中で原点を通り、傾きが４５°の直線は、ＰＭ浄化率が０％のグラフを表す。一方、ＰＭ浄化率が１００％のときのグラフは横軸に一致する。従って、実際の触媒入りＰＭ量と触媒出ＰＭ量との関係は、図３中で、原点を通って傾きが４５°の直線と、横軸との間に入ることとなる。
　図３に示すように、触媒入りＰＭ量をゼロから増加させていくにつれて、触媒出ＰＭ量は、当初は増加するが、あるところで一旦減少に転じ、その後再び増加していく。すなわち、図３に示すグラフにおいては、触媒出ＰＭ量が極小となるような点が存在する。以下の説明では、図３に示すグラフにおいて、触媒出ＰＭ量が極小となるとき（すなわち、触媒入りＰＭ量を増加させていった場合に触媒出ＰＭ量が減少から増加に転じるとき）の触媒入りＰＭ量の値をしきい値αと称する。
　触媒入りＰＭ量と触媒出ＰＭ量との関係において上記のような特性が現れる理由は必ずしも明らかではないが、触媒入りＰＭ量がしきい値αを超えると、ＰＭが連鎖的に燃焼（反応）し始めることにより、ＰＭが効率良く浄化されると考えられる。逆に言えば、触媒入りＰＭ量がしきい値αより小さいと、そのような連鎖的な反応が起こりにくくなり、かえって触媒出ＰＭ量が増加してしまうと考えることができる。
　触媒入りＰＭ量と触媒出ＰＭ量との関係が上記のような特性を示す場合には、図３に示すように、触媒入りＰＭ量がしきい値αより小さい範囲において、触媒出ＰＭ量の値が、上述した触媒出ＰＭ量の極小値に等しくなるような点が存在する。この点の触媒入りＰＭ量の値βを、以下では、第２しきい値βと称する。
　図３から分かるように、触媒入りＰＭ量がしきい値αと第２しきい値βとの間にある場合には、触媒入りＰＭ量がしきい値αに等しい場合と比べて、触媒出ＰＭ量が多くなる。従って、触媒入りＰＭ量がしきい値αと第２しきい値βとの間にある場合には、触媒入りＰＭ量をしきい値αまで敢えて増加させた方が、触媒出ＰＭ量を少なくすることができる。そこで、本実施形態では、触媒入りＰＭ量がしきい値αと第２しきい値βとの間にあると推定される場合には、触媒入りＰＭ量をしきい値αまで敢えて増加させる制御を実行することとした。この制御を以下「粒子量増加制御」と称する。
　粒子量増加制御においては、触媒入りＰＭ量（あるいは内燃機関１０からのＰＭ排出量）に影響を及ぼす内燃機関１０の制御パラメータを、触媒入りＰＭ量が増加する方向に変化させる処理を行う。そのような制御パラメータとしては、例えば、内燃機関１０の燃料インジェクタからの燃料噴射時期が挙げられる。燃料噴射時期を進角するにつれて、燃料インジェクタから噴射された燃料が直接にピストンに衝突し易くなるので、内燃機関１０からのＰＭ排出量が増加するという特性がある。よって、燃料噴射時期を進角することにより、触媒入りＰＭ量を増加させることができる。
［実施の形態１における具体的処理］
　図４は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。図４に示すルーチンによれば、まず、車速が６０ｋｍ／ｈ以下であるか否かが判別される（ステップ１００）。
　車速が６０ｋｍ／ｈを超えているような場合には、内燃機関１０の負荷がある程度大きいと判断できるため、内燃機関１０から排出されるＰＭの量が比較的多いと判定できる。このため、上記ステップ１００で、車速が６０ｋｍ／ｈを超えていた場合には、触媒入りＰＭ量がしきい値αを超えていると判断することができる。このような場合には、触媒入りＰＭ量が増加するにつれて触媒出ＰＭ量が増加する状況であると推測できるので、粒子量増加制御を実行しない方がよい。そこで、この場合には、本ルーチンの処理がここで終了される。
　一方、上記ステップ１００で、車速が６０ｋｍ／ｈ以下であった場合には、触媒入りＰＭ量がしきい値α未満である可能性があると判断できる。なお、このステップ１００では、車速に基づいて判定を行うようにしたが、内燃機関１０のエンジン負荷に基づいて同様の判定を行ってもよい。エンジン負荷は、吸入空気量、燃料噴射量、エンジン回転数などに基づいて算出することができる。
　上記ステップ１００で、車速が６０ｋｍ／ｈ以下であった場合には、次に、加速が行われているか否かが判定される（ステップ１０２）。加速が行われているか否かは、例えば、アクセルペダルの位置（踏込み量）や、エンジン負荷の増加率に基づいて判定することができる。車速が６０ｋｍ／ｈ以下で、且つ加速が行われていない場合（定常運転時または減速時）には、内燃機関１０から排出されるＰＭの量は少ないと判断できる。このため、上記ステップ１０２で、加速が行われていないと判定された場合には、触媒入りＰＭ量が第２しきい値β以下であると判断できる。このような場合には、触媒入りＰＭ量が増加するにつれて触媒出ＰＭ量が増加する状況であると推測できるので、粒子量増加制御を実行しない方がよい。そこで、この場合には、本ルーチンの処理がここで終了される。
　一方、上記ステップ１０２で、加速が行われていると判定された場合には、触媒入りＰＭ量がしきい値αと第２しきい値βとの間にある可能性が高いと判断できる。この場合には、次に、触媒入りＰＭ量がしきい値αより少ないか否かを判定するための処理が実行される（ステップ１０４）。本実施形態では、触媒入りＰＭ量を、酸化触媒２４やＥＧＲ触媒３４に流入する排気ガスの単位体積当たりに含まれるＰＭ粒子数で表す。本実施形態のシステムでは、内燃機関１０から排出される排気ガスは、そのまま酸化触媒２４あるいはＥＧＲ触媒３４に流入する。よって、触媒入りＰＭ量の値は、内燃機関１０から排出される排気ガスの単位体積当たりに含まれるＰＭ粒子数（以下「エンジン出ガスＰＭ粒子数」と称する）に等しい。本実施形態では、内燃機関１０の運転状態に基づいて、このエンジン出ガスＰＭ粒子数を推定することとしている。ＥＣＵ５０には、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、エンジン負荷、燃料噴射時期等）と、エンジン出ガスＰＭ粒子数との関係を実験によって予め調査した結果がマップとして記憶されている。ステップ１０４では、まず、そのマップに基づいて、現在の運転状態におけるエンジン出ガスＰＭ粒子数が算出される。そして、その算出されたエンジン出ガスＰＭ粒子数の値がしきい値αと比較される。
　上記ステップ１０４で、エンジン出ガスＰＭ粒子数がしきい値αより少なかった場合には、エンジン出ガスＰＭ粒子数をしきい値αまで増加させた方が、現状より触媒出ＰＭ量が少なくなると予測できる。すなわち、この場合には、粒子量増加制御を実行することにより、触媒出ＰＭ量を低減することができると判断できる。そこで、この場合には、エンジン出ガスＰＭ粒子数を増加させるため、燃料噴射時期が進角するように、燃料噴射装置３８が制御される（ステップ１０６）。このステップ１０６では、燃料噴射時期の進角量が所定値に決められていてもよいし、あるいは、しきい値αと上記ステップ１０４で算出されたエンジン出ガスＰＭ粒子数との偏差に応じて燃料噴射時期の進角量を決めるようにしてもよい。また、本実施形態では、このステップ１０６において、点火装置４０による点火時期を遅角する制御を併せて行うこととしている。点火時期を遅角することにより、排気温度が上昇し、触媒床温を高めることができる。このため、ＰＭ浄化率を更に高めることができる。
　上記ステップ１０６の処理が実行された場合には、次に、上記ステップ１０４の処理が再度実行される。そして、上記ステップ１０４で、算出されたエンジン出ガスＰＭ粒子数がしきい値αに達したと判定された場合には、本ルーチンの処理が終了される。
　以上説明した図４のルーチンの処理によれば、触媒入りＰＭ量がしきい値αと第２しきい値βとの間にあると推定される場合には、内燃機関１０から排出されるＰＭの量を敢えて増加させることにより、触媒入りＰＭ量をしきい値αまで増加させる制御が実行される。これにより、酸化触媒２４やＥＧＲ触媒３４から流出するＰＭの量を低減することができる。このため、大気中へのＰＭ排出量を低減することができ、また、ＥＧＲ通路３２や吸気系へのデポジットの堆積を抑制することができる。
　なお、本発明では、酸化触媒２４あるいはＥＧＲ触媒３４の状態に応じてしきい値αを補正するようにしてもよい。例えば、酸化触媒２４あるいはＥＧＲ触媒３４の空間速度ＳＶ（Space Velocity）に応じてしきい値αを補正するようにしてもよい。図５は、しきい値αを空間速度ＳＶに応じて補正するためのマップである。空間速度ＳＶが低くなるにつれて、排気ガスが触媒内にとどまる時間が長くなるため、ＰＭの流入量が少なくても、連鎖反応が起こり易くなる。よって、空間速度ＳＶが低くなるにつれて、しきい値αが低下する傾向がある。そのような傾向に対応するため、上記ステップ１０４の処理において、空間速度ＳＶを算出し、図５に示すマップからしきい値αを求めるようにしてもよい。
　なお、酸化触媒２４の空間速度ＳＶは、酸化触媒２４の体積を、酸化触媒２４を通過する排気ガス流量で除した値である。酸化触媒２４を通過する排気ガス流量は、内燃機関１０の吸入空気量、燃料噴射量、エンジン回転数などに基づいて算出することができる。また、ＥＧＲ触媒３４の空間速度ＳＶは、ＥＧＲ触媒３４の体積を、ＥＧＲ触媒３４を通過する排気ガス流量で除した値である。ＥＧＲ触媒３４を通過する排気ガス流量は、内燃機関１０の吸入空気量、燃料噴射量、エンジン回転数、ＥＧＲ弁３６の開度などに基づいて算出することができる。
　また、本発明では、空間速度ＳＶだけでなく、他のパラメータに応じてしきい値αを補正してもよい。例えば、酸化触媒２４あるいはＥＧＲ触媒３４の床温に基づいてしきい値αを補正してもよい。また、第２しきい値βについても、空間速度ＳＶや他のパラメータに応じて、同様の補正を行うようにしてもよい。
　また、本実施形態では、触媒入りＰＭ量（エンジン出ガスＰＭ粒子数）をエンジン運転状態から推定することによって求めるようにしているが、本発明は、このような構成に限定されるものではない。すなわち、本発明では、排気ガス中のＰＭ量を測定するＰＭセンサを設け、そのＰＭセンサによって触媒入りＰＭ量を直接に検出するようにしてもよい。
　また、本実施形態では、触媒入りＰＭ量がしきい値αより少ない場合に燃料噴射時期を進角することによって触媒入りＰＭ量を増加させることとしているが、本発明では、内燃機関１０の他の制御パラメータの値を変化させることによって触媒入りＰＭ量を増加させるようにしてもよい。そのような他の制御パラメータとしては、例えばＥＧＲ率が挙げられる。
　また、本実施形態では、触媒入りＰＭ量を排気ガス中に単位体積当たりに含まれるＰＭ粒子数で表すこととしているが、本発明では、これに限定されず、排気ガス中に単位体積当たりに含まれるＰＭ重量や、触媒に単位時間当たりに流入する総ＰＭ粒子数、触媒に単位時間当たりに流入する総ＰＭ重量などで触媒入りＰＭ量を表すようにしてもよい。
　上述した実施の形態１においては、酸化触媒２４またはＥＧＲ触媒３４が前記第１の発明における「触媒コンバータ」に、しきい値αが前記第１および第６の発明における「所定のしきい値」に、燃料噴射時期が前記第１の発明における「制御パラメータ」に、第２しきい値βが前記第２および第７の発明における「第２しきい値」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１および第３の発明における「粒子量取得手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「粒子量増加手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１０の発明における「触媒昇温手段」が、図３に示すマップに従ってしきい値αを算出することにより前記第８の発明における「しきい値補正手段」が、それぞれ実現されている。
実施の形態２．
　次に、図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。本実施形態は、前述した実施の形態１と同様のハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に、図４に示すルーチンに代えて、後述する図６に示すルーチンを実行させることにより、実現することができる。
　前述した実施の形態１では、触媒入りＰＭ量が第２しきい値βより多いか否かを、加速の有無によって判定しているが、本実施形態では、エンジン出ガスＰＭ粒子数を第２しきい値βと直接に比較することとした。
　図６は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンによれば、まず、実施の形態１と同様にして、エンジン運転状態から、エンジン出ガスＰＭ粒子数が推定される。そして、その推定されたエンジン出ガスＰＭ粒子数の値が、第２しきい値βと比較される（ステップ１１０）。
　上記ステップ１１０で、エンジン出ガスＰＭ粒子数が第２しきい値β以下であった場合には、触媒入りＰＭ量が増加するにつれて触媒出ＰＭ量が増加する状況であると推測できるので、粒子量増加制御を実行しない方がよい。そこで、この場合には、本ルーチンの処理がここで終了される。
　これに対し、上記ステップ１１０で、エンジン出ガスＰＭ粒子数が第２しきい値βを超えていた場合には、次に、エンジン出ガスＰＭ粒子数がしきい値αと比較される（ステップ１１２）。
　上記ステップ１１２で、エンジン出ガスＰＭ粒子数がしきい値αより少なかった場合には、エンジン出ガスＰＭ粒子数をしきい値αまで増加させた方が、現状より触媒出ＰＭ量が少なくなると予測できる。すなわち、この場合には、粒子量増加制御を実行することにより、触媒出ＰＭ量を低減することができると判断できる。そこで、この場合には、次に、エンジン出ガスＰＭ粒子数を増加させるために燃料噴射時期を進角する制御が実行される（ステップ１１４）。このステップ１１４の処理は、実施の形態１のステップ１０６と同様である。上記ステップ１１４の処理が実行された場合には、上記ステップ１１２の処理が再度実行される。
　一方、上記ステップ１１２で、エンジン出ガスＰＭ粒子数がしきい値α以上であった場合には、触媒入りＰＭ量が増加するにつれて触媒出ＰＭ量が増加する状況であると推測できるので、粒子量増加制御を実行しない方がよい。そこで、この場合には、本ルーチンの処理がここで終了される。
　なお、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が図６に示すルーチンの処理を実行することにより前記第２の発明における「粒子量増加手段」が実現されている。
実施の形態３．
　次に、図７を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態１および２との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。
　前述したように、ＰＭを燃焼させる触媒コンバータは、図３に示すような特性を示す。すなわち、触媒入りＰＭ量と触媒出ＰＭ量との関係を示すグラフにおいて、触媒入りＰＭ量が増加するにつれて触媒出ＰＭ量が減少するような部分が存在する。
　ただし、本発明者らの知見によれば、触媒コンバータの空間速度ＳＶがある程度大きい領域では、図３に示すような特性を示さなくなる場合もある。すなわち、触媒コンバータの空間速度ＳＶがある程度大きい領域では、触媒入りＰＭ量が増加するにつれて触媒出ＰＭ量が単調に増加する特性を示すようになる。このような領域では、前述した粒子量増加制御を実行する必要はない。そこで、本実施形態では、図３に示すような特性を示さなくなるときの空間速度ＳＶの値を予め調べておき、空間速度ＳＶがその値より大きい領域では、粒子量増加制御の実行を禁止することとした。
　図７は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンによれば、まず、酸化触媒２４およびＥＧＲ触媒３４の各々の空間速度ＳＶが算出される（ステップ１２０）。酸化触媒２４およびＥＧＲ触媒３４の空間速度ＳＶの算出方法は、実施の形態１で述べた通りである。
　次いで、上記ステップ１２０で算出された空間速度ＳＶが所定値を超えているか否かが判別される（ステップ１２２）。このステップ１２２で、空間速度ＳＶが上記所定値を超えていなかった場合には、触媒入りＰＭ量と触媒出ＰＭ量との関係が図３に示すような特性を示す領域であり、粒子量増加制御が有効であると判定できる。そこで、この場合には、粒子量増加制御の実行が許可される（ステップ１２４）。すなわち、このステップ１２４では、前述した図４または図６に示すルーチンの実行が許可される。
　これに対し、上記ステップ１２２で、空間速度ＳＶが上記所定値を超えていた場合には、触媒入りＰＭ量と触媒出ＰＭ量との関係が図３に示すような特性を示さない領域であり、粒子量増加制御は有効でないと判定できる。そこで、この場合には、粒子量増加制御の実行が禁止される（ステップ１２６）。すなわち、このステップ１２６では、前述した図４または図６に示すルーチンの実行が禁止される。
　なお、本実施形態では、酸化触媒２４およびＥＧＲ触媒３４の少なくとも一方の空間速度ＳＶが上記所定値を超えた場合に粒子量増加制御の実行を禁止してもよいし、酸化触媒２４およびＥＧＲ触媒３４の双方の空間速度ＳＶが上記所定値を超えた場合にのみ粒子量増加制御の実行を禁止してもよい。また、当初から酸化触媒２４およびＥＧＲ触媒３４の何れか一方の空間速度ＳＶにのみ着目して図７に示すルーチンを実行してもよい。また、空間速度ＳＶは、触媒コンバータを通過する排気ガス流量と相関するので、空間速度ＳＶの値に代えて排気ガス流量の値に基づいて図７に示すルーチンを実行することもできる。
　上述した実施の形態３では、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第１１の発明における「排気ガス流量取得手段」が、上記ステップ１２２および１２６の処理を実行することにより前記第１１の発明における「禁止手段」が、それぞれ実現されている。

Claims (11)

  1. 　内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を連続的に燃焼させる触媒コンバータと、
    　前記触媒コンバータへの粒子状物質の流入量を取得する粒子量取得手段と、
    　前記粒子量取得手段により取得された値が所定のしきい値より小さい場合に、前記内燃機関の制御パラメータの値を、前記触媒コンバータへの粒子状物質の流入量が増加する方向に変化させる粒子量増加制御を実行する粒子量増加手段と、
    　を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 　前記粒子量増加手段は、前記粒子量取得手段により取得された値が、前記しきい値より小さい第２しきい値より大きく、且つ前記しきい値より小さい場合に、前記粒子量増加制御を実行することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 　前記粒子量取得手段は、前記内燃機関のエンジン回転数、エンジン負荷、燃料噴射時期、燃料噴射量および吸入空気量のうちの少なくとも一つに基づいて、前記触媒コンバータへの粒子状物質の流入量を推定することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 　前記制御パラメータは、燃料噴射時期であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 　前記触媒コンバータは、前記触媒コンバータへの粒子状物質流入量と前記触媒コンバータからの粒子状物質流出量との関係を示すグラフにおいて、前記触媒コンバータへの粒子状物質流入量が増加するにつれて前記触媒コンバータからの粒子状物質流出量が減少する部分が存在する特性を有するものであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 　前記しきい値は、前記グラフにおいて前記触媒コンバータからの粒子状物質流出量が極小となるときの、前記触媒コンバータへの粒子状物質流入量の値に対応していることを特徴とする請求項５記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 　前記粒子量増加手段は、前記粒子量取得手段により取得された値が、前記しきい値より小さい第２しきい値より大きく、且つ前記しきい値より小さい場合に、前記粒子量増加制御を実行し、
    　前記第２しきい値は、前記グラフにおいて、前記触媒コンバータからの粒子状物質流出量が、前記触媒コンバータからの粒子状物質流出量の極小値に等しくなるときの、前記触媒コンバータへの粒子状物質流入量の値に対応していることを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 　前記しきい値を前記触媒コンバータの状態に応じて補正するしきい値補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9. 　前記粒子量増加制御が実行される場合に、点火時期を遅角することによって前記触媒コンバータの温度を上昇させる触媒昇温手段を備えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10. 　前記触媒コンバータは、触媒成分として、Ｐｒ（プラセオジム）を主成分とするＰｒ材とセリアとの少なくとも一方と、Ｎｄ（ネオジム）を主成分とするＮｄ材とを有していることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  11. 　前記触媒コンバータを通過する排気ガス流量またはこれと相関する値を取得する排気ガス流量取得手段と、
    　前記排気ガス流量取得手段により取得された値が所定値を超える場合には、前記粒子量増加制御の実行を禁止する禁止手段と、
    　を備えることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
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