JP4363289B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特にパティキュレートフィルタを再生する技術に関する。

近年、自動車等に搭載される内燃機関では、排気エミッションの向上が要求されており、特に軽油を燃料とする圧縮着火式のディーゼルエンジンでは、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯx に加え、排気ガス中に含まれる煤やＳＯＦ等の排気微粒子を除去することが必要になる。このため、排気通路にパティキュレートフィルタを配置し、ここで、排気ガス中の排気微粒子を捕集している。

パティキュレートフィルタは、流入した排気ガスに多孔質の隔壁を透過させ、その際に、隔壁の表面や細孔で排気ガス中の排気微粒子を捕集する。捕集されて堆積する量が過剰に増えると、パティキュレートフィルタにおける流通抵抗の増大で内燃機関の背圧が上昇し、出力の低下等をもたらす。このため、パティキュレートフィルタに捕集された排気微粒子をパティキュレートフィルタから適宜、除去してパティキュレートフィルタを再生し、パティキュレートフィルタの排気微粒子捕集能力を回復させる必要がある。

パティキュレートフィルタの再生を内燃機関の運転中に可能としたものとして、パティキュレートフィルタに白金等の酸化触媒を設けて、酸化触媒の酸化作用を利用したものがある。このものでは、例えば排気行程において燃料を噴射するポスト噴射により燃料をパティキュレートフィルタに供給し、その燃焼熱を利用して、噴射燃料に比して酸化しにくい堆積排気微粒子を酸化、除去する。

パティキュレートフィルタの再生は頻繁に行うと燃費が悪化し、一方、次に再生するまでの間が空きすぎると、排気微粒子の堆積量が過剰で、再生処理において排気微粒子が急速に燃焼して、パティキュレートフィルタが異常な高温となり、破損するおそれがある。このため、排気微粒子の堆積量の多少を判断し、再生時期を決定するのが望ましい。特許文献１には、パティキュレートフィルタへの排気微粒子の堆積量の増大による前記通気抵抗の増大で、パティキュレートフィルタの入口と出口との間の差圧が増大することを利用して、この差圧を検出し、検出差圧が所定値を越えると再生すべき時期と判じるものが開示されている。
特開平７−３３２０６５号

しかしながら、前記特許文献１の技術では、差圧を含む内燃機関の運転状態が同じであっても、実際の排気微粒子の堆積量が異なるという問題があり、必ずしも十分な精度で排気微粒子の堆積量の多少を判断することができない。

本発明は前記実情に鑑みなされたもので、排気微粒子の堆積量を正確に推定し得る内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

発明者らは、パティキュレートフィルタに関し、排気微粒子の堆積と、これが排気ガスの流通におよぼす影響について鋭意実験研究を重ねた結果、パティキュレートフィルタの入口側と出口側との間の差圧、すなわちパティキュレートフィルタにおける圧力損失と堆積量とを対応付ける堆積特性が、堆積が進行する過程において、圧力損失が高い方に凸となる堆積特性となることがわかった。詳しくは、堆積量が０の初期点を通る直線を前段特性線（図２のＰＭ増加前段特性線参照）として該前段特性線上を辿って圧力損失が上昇し、遷移点を越えると前記前段特性線よりも緩い傾きの直線を後段特性線（図２のＰＭ増加後段特性線参照）として該後段特性線上を辿って圧力損失が上昇する堆積特性となる。この、遷移点を挟む前後で２つの特性線が異なる傾向を示すのは、パティキュレートフィルタにおける圧力損失が、最初は、パティキュレートフィルタの細孔の空間容積に対し、排気微粒子が詰まっている容積の割合で増大するのに対して、細孔が排気微粒子により略詰まってしまうと、今度は圧力損失が排気微粒子の堆積層の厚さに応じて増大するためと認められる。

一方、パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子が燃焼、消失して排気微粒子の堆積量が低減する場合を考えると、この場合には、前記特性線上を辿らない。すなわち、堆積量と圧力損失とを対応付ける堆積特性が、排気微粒子が堆積していく増加特性と、排気微粒子が燃焼して堆積量が低減していく低減特性とが異なる堆積特性となる。堆積排気微粒子の堆積量が低減する過程においては、圧力損失が低い側に凸となるプロファイルを呈する。詳しくは、堆積特性は、前記ＰＭ増加後段特性線よりも急な傾きの直線を辿る低減特性となる。これは、パティキュレートフィルタにおいて、隔壁の表層で堆積層を形成する排気微粒子によりも、細孔に詰まっている排気微粒子が主に燃焼することによるものと認められる。そして、細孔に詰まっている排気微粒子が燃焼してしまい堆積層を形成する排気微粒子だけが残存する状態まで燃焼が進行すると、堆積特性は、初期点を通り、傾きが前記ＰＭ増加後段特性線と同じ直線（限界堆積特性）となる。

また、堆積排気微粒子の燃焼が途中で停止し、新たな排気微粒子の捕集により、堆積量が増加に転じると、当該時点の圧力損失および堆積量を通るＰＭ増加後段特性線上を圧力損失が上昇する。既に前記堆積層が形成されているので、この新たに捕集される排気微粒子は細孔を再び埋めることには寄与せず、前記堆積層の厚さをさらに厚くしていくことに寄与し、堆積量に対する圧力損失の傾きは燃焼前と同程度となる。そして、前記のごとく細孔の排気微粒子の堆積量が減っているので、ＰＭ増加後段特性線が、燃焼で減じられた堆積排気微粒子の量に応じて圧力損失の小側にシフトしていくことになる（移行過程特性線）。この、堆積排気微粒子が一部燃焼した後で堆積量が増加するときに圧力損失および堆積量がしたがう堆積特性を、仮に堆積量の小側に延長したとすれば、遷移点が初期点に近くなったものとなる。

本発明はかかる知見に基づきなされたものである。

請求項１記載の発明では、排気通路の途中に、排気微粒子を捕集し捕集された排気微粒子が堆積するパティキュレートフィルタを有し、該パティキュレートフィルタの排気微粒子の堆積量の演算値が所定の再生要求値に達すると堆積排気微粒子を燃焼除去して前記パティキュレートフィルタを再生する強制再生を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、
前記パティキュレートフィルタの圧力損失を検出する圧力損失検出手段と、
排気微粒子の堆積量と前記圧力損失とを対応付ける堆積特性を、堆積量が０の初期点を通る直線を堆積量が少量側の前段特性線として、前記初期点から前記前段特性線を辿って圧力損失が上昇し、所定の遷移点を越えると、前記前段特性線よりも緩い傾きの直線を堆積量が多量側の後段特性線として該後段特性線を辿って圧力損失が上昇する堆積特性とし、該堆積特性に基づき、少なくとも前記圧力損失を含む内燃機関の運転状態を入力として堆積量を演算する堆積量演算手段と、
前記堆積特性に基づいて演算された堆積量が、前記再生要求値よりも小側の値にて予め規定された強制移行処理域に入ったことを条件として、堆積特性が前記初期点を通り前記後段特性線と同じ傾きの直線により表される限界堆積特性となるまで堆積排気微粒子を燃焼せしめる強制移行処理を実施する強制移行処理手段とを具備せしめ、
かつ、前記堆積量演算手段は、前記強制移行処理手段により堆積特性が前記限界堆積特性となるまで堆積排気微粒子が燃焼すると、堆積量の演算に用いる堆積特性を前記限界堆積特性に移行させるように設定する。

運転条件の変化等により再生要求値に達する前に堆積排気微粒子が自然に燃焼することがある（自然再生）。前述したように排気微粒子が燃焼して堆積量が低減した場合の堆積特性は、前段特性線と後段特性線とよりなる増加特性と異なるため、新たな排気微粒子の捕集による堆積量を演算するには、燃焼量を正確に把握して堆積特性を補正する必要が生じる。そこで、本発明では、堆積量が予め規定した範囲に達したら、強制的に細孔内に詰まった排気微粒子を燃焼し、燃焼による変化後の堆積特性を、細孔内に排気微粒子がなく堆積層でのみ排気微粒子の捕集が進行する堆積特性、すなわち、初期点を通り、前記後段特性線と同じ傾きの直線を辿る限界堆積特性に移行させる。

この強制移行処理により、次の効果を奏する。すなわち、圧力損失と堆積量との関係が限界堆積特性によりあらわされるとき、新たな排気微粒子の捕集により堆積量が増加に転じても、限界堆積特性の特性線上を移動するだけであるので、堆積量の算出が容易になる。ただし、限界堆積特性は、堆積量が少量側で推定精度が十分とはいえないため、予め再生要求値よりも小側の強制移行処理域を設定することで、限界堆積特性の少量側の領域が不使用となるようにする。これにより、燃焼による堆積特性の変化を考慮する必要のない限界堆積特性を利用して、堆積量の算出を精度よく行い、排気微粒子の燃焼による堆積特性の推定精度の悪化を防止できる。

請求項２記載の発明では、排気通路の途中に、排気微粒子を捕集し該捕集された排気微粒子が堆積するパティキュレートフィルタを有し、該パティキュレートフィルタの排気微粒子の堆積量の演算値が所定の再生要求値に達すると堆積排気微粒子を燃焼除去して前記パティキュレートフィルタを再生する強制再生を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、
前記パティキュレートフィルタの圧力損失を検出する圧力損失検出手段と、
排気微粒子の堆積量と前記圧力損失とを対応付ける堆積特性を、堆積量が０の初期点を通る直線を堆積量が少量側の前段特性線として、前記初期点から前記前段特性線を辿って圧力損失が上昇し、所定の遷移点を越えると、前記前段特性線よりも緩い傾きの直線を堆積量が多量側の後段特性線として該後段特性線を辿って圧力損失が上昇する堆積特性とし、該堆積特性に基づき、少なくとも前記圧力損失を入力として堆積量を演算する堆積量演算手段と、
前記堆積特性に基づいて演算された堆積量が予め規定された強制移行処理域に入ったことを条件として、堆積特性が前記初期点を通り前記後段特性線と同じ傾きの直線により表される限界堆積特性となるまで堆積排気微粒子を燃焼せしめる強制移行処理を実施する強制移行処理手段とを具備せしめ、
かつ、前記堆積量演算手段は、前記強制移行処理手段により堆積特性が前記限界堆積特性となるまで堆積排気微粒子が燃焼すると、堆積量の演算に用いる堆積特性を前記限界堆積特性に移行させるように設定し、堆積排気微粒子の燃焼による前記限界堆積特性への移行途中で燃焼が中断した場合には、前記後段特性線が圧力損失が小側に略平行にシフトするように補正した移行過程特性線を設定して、該移行過程特性線を用いて排気微粒子の堆積量を演算するようになし、
前記強制移行処理手段は、前記移行過程特性線に基づく堆積量が前記強制移行処理域にある場合に、強制移行処理を実施する。

強制移行処理あるいは自然燃焼の途中で、運転状態の変化等により堆積排気微粒子の燃焼が停止した場合、新たな排気微粒子の捕集により堆積量が増加すると、その堆積特性は、後段特性線が圧力損失が小側に略平行にシフトした特性となる。したがって、これを基に移行過程特性線を設定することで、移行途中においても、堆積量を精度よく算出することができる。そして、堆積量が増加して再び強制移行処理域となったときに、これを適切に判断して、速やかに限界堆積特性へ移行させることができる。

請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、
前記強制移行処理手段は、前記強制移行処理域にて、内燃機関の運転状態から堆積排気微粒子の燃焼が可能かどうかを判断し、燃焼不可と判断された場合には強制移行処理を実施せず、燃焼可能な運転状態となったら強制移行処理を実施する。

強制移行処理域に入っても、内燃機関の運転状態によってはポスト噴射による堆積排気微粒子の燃焼が困難な場合がある。このような場合には強制移行処理を中断し、堆積排気微粒子の燃焼が可能となった時点で強制移行処理を行うことで、燃費の悪化を必要最小限に抑えることができる。

請求項４記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、
前記強制移行処理手段は、前記強制移行処理域にて、内燃機関の運転状態が自然に堆積排気微粒子が燃焼可能な運転状態であれば強制移行処理を実施せず、自然には堆積排気微粒子が燃焼しない運転状態となったら強制移行処理を実施する。

強制移行処理域にあるときに、高負荷運転状態等の堆積排気微粒子が自然に燃焼する運転状態にあれば、ポスト噴射による堆積排気微粒子の強制燃焼は不要である。このような場合には強制移行処理を中断し、堆積排気微粒子の自然燃焼が不可能となった時点で強制移行処理を行うことで、燃費の悪化を必要最小限に抑えることができる。

請求項５記載の発明では、請求項４の発明の構成において、
堆積排気微粒子の燃焼量を内燃機関の運転状態信号、排気温度、パティキュレートフィルターの圧力損失のうちの少なくとも１つないしそれ以上の信号を用いて算出する排気微粒子燃焼量演算手段を具備せしめ、
前記堆積量演算手段は、前記移行過程特性線の設定において、前記後段特性線からのシフト量を、前記排気微粒子燃焼量演算手段にて算出した堆積排気微粒子の燃焼量を基に算出する。

排気微粒子の燃焼量は、内燃機関の運転状態信号、排気温度、パティキュレートフィルターの圧力損失等から推定することができる。この燃焼量に応じて堆積特性がシフトしていくので、強制移行処理中断時の燃焼量を正確に算出し、移行過程特性線におけるシフト量の設定を行うことで、その後の移行過程特性線に基づく強制移行処理の判断を適正に行うことができる。

請求項６記載の発明では、請求項５の発明の構成において、
堆積排気微粒子の燃焼量は、酸素との反応による燃焼量と堆積排気微粒子のＮＯxとの反応による燃焼量との加算値であるものとする。

酸素よりも低温で排気微粒子を酸化せしめるＮＯxの燃焼量を考慮することで、より正確に燃焼量を把握することができる。

（第１実施形態）
図１に本発明を適用した第１実施形態になるディーゼルエンジンの構成を示す。内燃機関であるディーゼルエンジンは、４気筒を備えたエンジン本体１に、吸気通路２の最下流部である吸気マニホールド２１と、排気通路３の最上流部である排気マニホールド３１とが接続され、排気通路３は、排気マニホールド３１の集合部にパティキュレートフィルタ３２が連なっている。パティキュレートフィルタ３２は、コーディエライトや炭化珪素等の多孔質セラミック製のハニカム構造体の流路を目封じしてフィルタ本体４を形成したもので、入口３２ａから流入したエンジン本体１の各気筒からの排気ガスが、多孔質の隔壁を透り、出口３２ｂから下流へと流れていく。このとき、パティキュレートフィルタ３２には、排気ガスに含まれる排気微粒子が捕集され、走行距離に応じて堆積していく。また、パティキュレートフィルタ３２のフィルタ本体４の表面には白金やパラジウム等の貴金属を主成分とする酸化触媒が担持されており、所定の温度条件下で排気微粒子を酸化、燃焼し、除去する。

エンジン本体１のインジェクタ等、エンジン各部を制御するＥＣＵ５１が設けられている。

ＥＣＵ５１には、運転状態を示す種々の信号が入力している。この中には、パティキュレートフィルタ３２に堆積する排気微粒子の堆積量を知るための信号も含まれており、そのためのセンサが設けられている。すなわち、排気通路３には管壁を貫通して燃焼状態検出手段である温度センサ５３ａ，５３ｂが設けてあり、排気温度を検出するようになっている。温度センサ５３ａ，５３ｂはパティキュレートフィルタ３２の直上流と直下流とのそれぞれに設けられている。温度センサ５３ａの検出温度は、パティキュレートフィルタ３２の入口３２ａにおける、流通する排気ガスの温度であり、以下、ＤＰＦ入口温度という。温度センサ５３ｂの検出温度は、パティキュレートフィルタ３２の出口３２ｂにおける、流通する排気ガスの温度であり、以下、ＤＰＦ出口温度という。ＤＰＦ入口温度とＤＰＦ出口温度からは、平均の演算やフィルタ処理などの方法によりパティキュレートフィルタ３２の温度（以下、適宜、ＤＰＦ温度という）を演算する。

また、排気通路３には、パティキュレートフィルタ３２の直上流側で分岐する第１の分岐通路３３ａと、パティキュレートフィルタ３２の直下流側で分岐する第２の分岐通路３３ｂとが接続され、両分岐通路３３ａ，３３ｂに介設された圧力損失検出手段である差圧センサ５４が、パティキュレートフィルタ入口３２ａとパティキュレートフィルタ出口３２ｂとの差圧を検出するようになっている。この差圧はパティキュレートフィルタ３２における圧力損失を示している。

また、吸気通路２にはエアフローメータ５２が設けられ、吸入ガス量を検出するようになっている。

その他、ＥＣＵ５１に、アクセル開度、冷却水温等の運転状態を示すパラメータが入力しているのは勿論である。

ＥＣＵ５１はマイクロコンピュータを中心に構成された一般的な構成のもので、そのＲＯＭには、内燃機関各部を制御するための運転制御プログラムの他、パティキュレートフィルタ３２の排気微粒子の堆積量の算出や、堆積量の算出値に基づいてパティキュレートフィルタ３２を再生するか否かを判断する再生制御プログラムや、この算出プログラムで用いられる堆積特性を特定する情報が格納されている。

再生制御プログラムの内容に先立ち、発明者らが、パティキュレートフィルタに関し、排気微粒子の堆積と、これが排気ガスの流通におよぼす影響について鋭意実験研究を重ねた結果得た知見について説明する。図２は、排気微粒子が堆積していない新品若しくはパティキュレートフィルタ３２を完全に再生した直後の状態から、排気流量を一定として排気微粒子が堆積していくときの圧力損失ΔＰと排気微粒子の堆積量（ＰＭ堆積量ＭL） との関係を示すもので、圧力損失ΔＰはＰＭ堆積量ＭL の増加に応じて上昇する。圧力損失ΔＰとＰＭ堆積量ＭL との関係のプロファイルは上に凸となる。詳しくは、特性線が実質的に直線で表され、ＰＭ堆積量ＭL がある大きさになる点（以下、適宜、遷移点または増加時遷移点という）で前記直線の傾きが不連続に変化する。ＰＭ堆積量ＭL が遷移点堆積量を越えると前記傾きが緩やかになる。すなわち２本の直線で排気微粒子の増加時の堆積特性が近似される。

ここで、遷移点を挟んで前記傾きが異なることについて説明する。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、パティキュレートフィルタ本体４の隔壁（以下、適宜、ＤＰＦ壁という）で排気微粒子の堆積が進行していく様子を示しており、この順に、ＰＭ堆積量が多くなる。

図３（Ａ）は新品若しくはパティキュレートフィルタ３２を完全に再生した直後の、排気微粒子が堆積していない状態であり、ＤＰＦ壁を排気微粒子が透過する際における圧力損失は、パティキュレートフィルタ３２の形状諸元で規定される。

この状態から図３（Ｂ）に示すように、排気微粒子が、上流側のＤＰＦ壁表層に堆積したり、細孔に詰まって、圧力損失ΔＰが上昇するが、図中、矢印で示すように、排気ガスは細孔に向かうように流れが形成されるので、最初のうちは細孔が詰まることが圧力損失ΔＰを上昇させる支配要因となる。

細孔の多くが詰まり、ＤＰＦ壁表層の全面にＰＭ堆積層が形成されると、今度は、図３（Ｃ）に示すように、排気ガス中の排気微粒子によりＰＭ堆積層の厚さが増していくことになる。ここでは、ＤＰＦ壁表層を覆うＰＭ堆積層が厚くなることが圧力損失ΔＰを上昇させる支配要因となる。

このように、細孔の多くが詰まり、ＤＰＦ壁表層にＰＭ堆積層が形成される遷移点の前と後とで圧力損失ΔＰを上昇させる支配要因が異なる。細孔に排気微粒子が詰まっていない状態では良好に流通が自在であった細孔が、排気微粒子が細孔で捕集されて細孔に詰まると、急激に圧力損失が増大するので、細孔の多くが詰まってしまうまでは、前掲図２に示すように、ＰＭ堆積量ＭL に対する圧力損失ΔＰの変化率は比較的、大きい（ＰＭ増加前段特性線）。一方、細孔の多くが詰まってしまった以降では圧力損失ΔＰの上昇の支配要因がＰＭ堆積層が厚くなることに変わるから、ＰＭ堆積量に対する圧力損失ΔＰの変化率は緩やかなものに変わることになる（ＰＭ増加後段特性線）。

次に示す図４は、初期点からＰＭ増加前段特性線およびＰＭ増加後段特性線を辿る堆積特性に、排気微粒子が堆積した状態から排気微粒子が燃焼してＰＭ堆積量が減少していくときの圧力損失ΔＰとＰＭ堆積量ＭL との関係を併せて示すものである。パティキュレートフィルタ３２に堆積した排気微粒子が燃焼、消失していくと、図中で圧力損失ΔＰ、ＰＭ堆積量ＭLが初期点側に移動することになるが、前段特性線をもとには辿らない。ＰＭ燃焼時には、前段特性線の傾きと後段特性線の傾きとの間の傾きの線を辿ることになる。詳しくは後述するように、細孔に詰まったＰＭが燃焼する傾向が強く、燃焼時の傾きは前段特性線に近いものとなる。図中、Ａ点からＣ点のように推移することになる。

また、図５に示すように、パティキュレートフィルタ３２に堆積した排気微粒子の燃焼が途中で停止した場合、例えば、Ａ点からＣ点への途中で、再び堆積に転じると、後段特性線と平行な線を辿って堆積が進行する。そして堆積から燃焼に転じると、再び、初期点側に戻る特性線を辿ることになる。

また、図中の限界堆積特性は、燃焼により細孔内のＰＭがすべて消失して、ＤＰＦ壁表層のＰＭのみ残存する状態になったときに辿る堆積特性であり、初期点を通り、後段特性線と同じ傾きの直線となる。

このように、パティキュレートフィルタでは排気微粒子の増加特性と減少特性とが異なるため、排気微粒子が堆積と燃焼とを繰り返すような運転状態では、堆積量の推定が容易でない。そこで、本発明では、図４中に示すような強制移行処理域を設定して、後段特性線から強制的に限界堆積特性に移行させる、強制移行処理を実施する。強制移行処理後は、限界堆積特性線を辿って堆積が進行するため、ＰＭ堆積量の推定を精度よく行うことができる。図中、Ｃ点からＤ点のように推移することになる。

ＥＣＵ５１のＲＯＭには、通常の堆積特性をあらわす、増加時遷移点までのＰＭ増加前段特性線および遷移点以降のＰＭ増加後段特性線と、限界堆積特性線とが堆積量マップとして記憶されている。特性線は、予め実験などから得られたデータに基づいて作成される。そして、検出差圧や排気流量に基づいて、所定排気流量下での圧力損失ΔＰを演算し、前記堆積量マップの通常の堆積特性を参照してＰＭ堆積量を演算する。排気流量は例えば吸気量をＤＰＦ温度などにより補正して求める。

そして、演算されたＰＭ堆積量が予め設定した強制移行処理域に達すると、ポスト噴射などにより堆積した排気微粒子を強制的に燃焼させる。また、堆積量マップは、この強制移行処理に伴う堆積ＰＭの燃焼量を演算して燃焼量に応じた分、ＰＭ増加後段特性線が圧力損失が小側にシフトされる。強制移行処理が完了すると、その後は堆積量マップの限界堆積特性を参照してＰＭ堆積量を演算する。そして、演算されたＰＭ堆積量が予め設定した再生要求値に達すると、ポスト噴射などによりパティキュレートフィルタ３２を強制再生し、排気微粒子の過剰堆積を回避する。また、前記特性線としてＥＣＵ５１のＲＯＭに記憶する前記堆積量マップは、関係式として記憶しても良い。

図６に、ＥＣＵ５１で実行されるパティキュレートフィルタ３２の再生に関する制御内容を示す。ステップＳ１０１は堆積量演算手段としての処理で、前段特性線と後段特性線であらわされる通常の堆積特性に基づいてＰＭ量を推定する。

ステップＳ１０２で、ステップＳ１０１で演算されたＰＭ堆積量が強制移行処理域にあるか否かを判定する。強制移行処理域になくステップＳ１０２が否定判断されると、ステップＳ１０１に戻る。

ここで、強制移行処理域は、図４の後段特性線における点Ａ，Ｂと、限界堆積特性線における点Ｃ，Ｄで規定される領域であり、次のように設定される。図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）はＰＭ堆積量と圧力損失との関係を示している。図７（Ａ）に示すように、限界堆積特性は、実際にはＰＭ堆積量が少量側で特性線が一定せず、ＰＭ堆積量の推定精度は十分とはいえない。この範囲の幅を０〜ＰＭdefとすると、限界堆積特性は、前記０〜ＰＭdefの範囲でＰＭ堆積量の推定誤差が大きくなるおそれがあり、ＰＭ堆積量の推定には用いないのが望ましい。また、図７（Ｂ）は、燃焼過程を示す特性線の傾きが通常の堆積特性の前段特性線よりも緩やかな直線である。これは、細孔内のＰＭだけではなくＤＰＦ隔壁の表層に堆積したＰＭの燃焼が生じるためである。

したがって、燃焼過程により通常の堆積特性から限界堆積特性に移行したときに最も大きくＰＭ堆積量が減少したときの減少量をＰＭNOxとして、図７（Ｃ）に示すように、強制移行処理後の推定精度が確保できる基準ＰＭ堆積量Ｃを（ＰＭdef＋ＰＭNOxとすれば、通常の堆積特性から限界堆積特性に移行しても、ＰＭ堆積量の推定誤差が大きくなる前記０〜ＰＭdefの範囲で限界堆積特性を用いることにはならない。なお、後段特性線上のＡ，Ｂ点は、それぞれ限界堆積特性線上のＣ，D点を基に規定される。A点は、それ以下では限界堆積特性の精度が低下するＣ点に対応する堆積量であり、強制移行処理中に堆積量が再生要求値に達しないために移行中の最大誤差を考慮して規定したD点から、対応するＢ点が規定される。

前記０〜ＰＭdefの範囲でＰＭ堆積量の推定誤差が大きくなる理由について簡単に説明する。図８は、ＰＭ燃焼が進行し、前記０〜ＰＭdefの範囲に入ったときの、パティキュレートフィルタ３２内のＰＭの残存分布を示すもので、ＰＭはパティキュレートフィルタ３２の下流側ほど排気温度が高くなるので上流側ほど多く残存する。また、パティキュレートフィルタ３２の設置雰囲気の温度はパティキュレートフィルタ３２内の温度に比して相当、低くなっているから、パティキュレートフィルタ３２の径方向に、雰囲気温度に近い外周部側ほど低温となる傾向を示す。このため、パティキュレートフィルタ３２の外周部側ほどＰＭが多く燃え残る。このため、下流の中心に近い部分ではＤＰＦ壁表層のＰＭが燃焼しパティキュレートフィルタ３２の素地が出てしまうのに対し、その他の領域ではＰＭが残ってしまう。かかるＰＭ残存むらにより、限界堆積特性は初期点近傍で図７（Ａ）のように直線になりにくいだけではなく、ＰＭ残存むらが排気流量や前記設置雰囲気温度により変動することで、一定しない。したがって、ＰＭ堆積量の推定誤差が大きくなる前記０〜ＰＭdefの範囲が存在することになる。

次に、ＰＭNOxの大きさについて説明する。堆積ＰＭの燃焼は、触媒による反応だけでなくガス中のＮＯ2との反応による寄与も大きいため、その燃焼速度は触媒との接触性およびＮＯ2との接触性に依存する。触媒との接触性がよいほど、ＮＯ2との接触性がよいほど、燃焼速度が速くなる。ここで、堆積ＰＭには細孔内のＰＭとＤＰＦ隔壁の表層のＰＭとの２種類があるが、触媒との接触性は細孔内のＰＭの方がよく、ＮＯ2との接触性は細孔内ＰＭとＤＰＦ隔壁表層ＰＭとで同等と考えられる。したがって、総合的にはＤＰＦ隔壁表層ＰＭの燃焼速度は細孔内ＰＭの燃焼速度を超えることはない。

さて、燃焼過程の特性線を最も緩やかなものにするのは、ＤＰＦ隔壁表層ＰＭの燃焼速度が最も速くなるときである。前記のごとく総合的にはＤＰＦ隔壁表層ＰＭの燃焼速度は細孔内ＰＭの燃焼速度を超えることはないので、この点を考慮してＰＭNOxを設定することができる。すなわち、ＤＰＦ隔壁表層ＰＭの燃焼速度＝細孔内ＰＭの燃焼速度としてＰＭNOxを見積もり、基準ＰＭ堆積量Ｃを設定すれば、ＰＭ堆積量の推定誤差が大きくなる前記０〜ＰＭdefの範囲で限界堆積特性に移行することはない。図９に示すように、細孔内ＰＭの堆積量は遷移点におけるＰＭ堆積量であるから、ＤＰＦ隔壁表層ＰＭの燃焼速度＝細孔内ＰＭの燃焼速度のとき、ＤＰＦ隔壁表層では細孔内ＰＭの堆積量と同じ量のＰＭが燃焼することになる。したがって、ＰＭNOxは遷移点におけるＰＭ堆積量の２倍に設定すればよい。図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）は、このような燃焼条件でＰＭ堆積量が遷移点におけるＰＭ堆積量の２倍のとき、セル壁表層と細孔内とで同じ速さで燃焼が進行し、同時に燃焼が完了する様子を示している。ＰＭの燃焼は図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）の順に進行している。特性線上では、通常の堆積特性から限界堆積特性に、堆積量が０にて移行を完了する。また、内燃機関から排出されるＮＯ2濃度が低くなるように制御を実施した装置においては、ＤＰＦ隔壁表層ＰＭの燃焼速度＜細孔内ＰＭの燃焼速度となり、ＰＭNOxは遷移点におけるＰＭ堆積量の１倍以上２倍未満に設定すればよい。

ステップＳ１０１で演算されたＰＭ堆積量が強制移行処理域にあり、ステップＳ１０２が肯定判断されると、ステップＳ１０３で強制移行処理が実施可能か否かを判定する。本処理が否定判断されるとステップＳ１０６へ進む。強制移行処理が実施可能か否かの判定は、例えば、ポスト噴射によりＤＰＦ温度が予め設定した燃焼開始基準温度以上に昇温可能かどうかで判断する。

図１１はＤＰＦ温度とＰＭ燃焼速度との関係を示すもので、酸素とＰＭとの反応、ＮＯ2とＰＭとの反応になるものを併せて示している。ＮＯ2とＰＭとの反応は酸素とＰＭとの反応に比して低温域でも生じるため、基準温度はＮＯ2とＰＭとの反応が生じる温度に設定される。なお、ＮＯ2とＰＭとの反応は、図より知られるように燃焼速度が高温域で低下するが、その温度域においても酸素とＰＭとの反応は高温域ほどＰＭ燃焼速度は上昇するので、ＤＰＦ温度が基準温度以上であれば、強制移行処理による燃焼可能と判断することができる。

強制移行処理を行ってもＤＰＦ温度が基準温度以上にならない場合には、強制移行処理を行わない。また、ＤＰＦ温度が自然燃焼が可能な高温状態にある場合も、強制移行処理を行わないことで、燃費悪化を回避することができる。

ステップＳ１０４では強制移行処理を実施する。強制移行処理にはポスト噴射などの手段が採用し得る。次いで、ステップＳ１０５で、強制移行処理による排気微粒子の燃焼量を演算する。例えば、ＤＰＦ温度やＰＭ堆積量に基づく細孔内のＰＭの燃焼速度を演算し、演算されたＰＭの燃焼速度を燃焼開始時から積算してＰＭ燃焼量を求めることができる。

続くステップＳ１０６では、強制移行処理によるＰＭの燃焼で堆積特性が通常の堆積特性から限界堆積特性に移行完了したか否かを判定する。判定は、例えば、ステップＳ１０５で算出した燃焼開始時からのＰＭ燃焼量が、通常の堆積特性における遷移点の堆積量に達したら、肯定判断する。否定判断されるとステップＳ１０３に戻り、強制移行処理が継続される。

強制移行処理によるＰＭの燃焼により堆積特性が通常の堆積特性から限界堆積特性に移行完了しステップＳ１０６が肯定判断されると、ステップＳ１０７で強制移行処理再生を終了して、本フローはストップする。

本実施形態では、強制移行処理域に入ると、図４のように限界堆積特性に移行するまで、強制移行処理が継続されるので、排気微粒子の燃焼に伴う特性補正を頻繁に行う必要がない。また、図５のように強制移行処理の継続が困難と判断されると、実行可能な運転状態となるまで強制移行処理を中断するので、むだに処理を実行して燃費が悪化することがない。

（第２実施形態）
通常の堆積特性から限界堆積特性への移行制御は別の制御とすることもできる。図１２は、後段特性線において、強制移行処理域以外で自然再生が生じ、限界堆積特性まで移行する途中で自然再生が中断した場合である。このような場合は、中断した時点を基に、後段特性線に平行な移行過程特性線を設定し、この移行過程特性線により算出した排気微粒子の堆積量が、強制移行処理域に達したら、強制移行処理を行い限界堆積特性に移行させる。その後、限界堆積特性による演算を行い、排気微粒子の堆積量が再生要求値に達したら、強制再生を行って排気微粒子を燃焼除去する。

図１３に本発明の第２実施形態になる内燃機関の排気浄化装置のＥＣＵで実行される、通常の堆積特性から限界堆積特性への移行制御の内容を示す。ハード上の構成など、ＥＣＵにおける制御以外は第１実施形態と実質的に同じであるので、第１実施形態のものと実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

ステップＳ２０１では完全再生終了直後か否かを判定する。否定判断されると本フローをストップする。ステップＳ２０１が肯定判断されると、ステップＳ２０２でＰＭ燃焼量ＭPMbをリセットする。続くステップＳ２０３では、通常の堆積特性によりＰＭ堆積量ＭPMを推定する。

ステップＳ２０４〜Ｓ２０６は燃焼量演算手段としての処理で、ステップＳ２０４では、ＤＰＦ温度ＴDPFを検出する。ステップＳ２０５ではＰＭ堆積量ＭPM、ＤＰＦ温度ＴDPFに基づいてＰＭ燃焼速度ＶPMを算出する。ＥＣＵ５１のＲＯＭには、ＰＭ燃焼速度ＶPMはＰＭ堆積量ＭPM、ＤＰＦ温度ＴDPFを入力パラメータとしてＰＭ燃焼速度ＶPMを対応せしめるＰＭ燃焼速度マップを記憶しており、ＰＭ燃焼速度マップを参照してＰＭ燃焼速度ＶPMが算出される。図１４はＰＭ堆積量とＰＭ燃焼速度との関係を示すもので、ＰＭ堆積量が多いほどＰＭ燃焼速度は速くなる。また、図１５はＤＰＦ温度とＰＭ燃焼速度との関係を示すもので、ＤＰＦ温度が高いほどＰＭ燃焼速度は速くなる。ＰＭ燃焼速度マップは予め実験などにより得られたデータに基づいて作成される。

ステップＳ２０６では、ＰＭ燃焼量ＭPMbを算出する。ＰＭ燃焼量ＭPMbの算出は、ＰＭ燃焼速度ＶPMを積算することで得る。具体的には、前回のＰＭ燃焼量ＭPMbに今回のＰＭ燃焼速度ＶPMを加算したものにより、ＰＭ燃焼量ＭPMbを更新する。なお、ＰＭ燃焼量ＭPMbは排気温センサ５３ａ，５３ｂなどの取込み周期を単位時間とする値に規格化しておく。

ステップＳ２０７では、移行過程特性線を設定する。移行過程特性線の設定は、ステップＳ２０６で算出したＰＭ燃焼量ＭPMbに応じて、後段特性線を、圧力損失が小側に平行にシフトするように補正することによってなされる。

ステップＳ２０７で移行過程特性が設定されると、ステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８〜Ｓ２１３はステップＳ１０２〜Ｓ１０７と同様の処理である。なお、ステップＳ２１１では、ステップＳ１０５と同様にして、強制移行処理による排気微粒子の燃焼量を演算した後、演算された燃焼量に応じて、ステップＳ２０７と同様に移行過程特性線を設定する。

さて、本実施形態では、強制移行処理の実施判定に先立ち、または強制移行処理実行後に排気微粒子の燃焼が検出されると、ＰＭ燃焼量ＭPMbに応じて補正した移行過程特性線を設定する。ここで、ＰＭ燃焼量ＭPMbは、完全再生直後の状態からのＰＭの燃焼量であり、これに応じて後段特性線からの移行過程特性線のシフト量が規定される。そして、自然燃焼が継続している限り、ステップＳ２０８以降の処理は非実行であり、強制移行処理によらずに自然再生により、通常の堆積特性から限界堆積特性に近づいていくことになる。

自然再生が途中で中断すると、移行過程特性線を基にＰＭ堆積量ＭPMが算出され、強制移行処理域となったら、ステップＳ２０８以降の処理が実行される。

なお、ＰＭ燃焼量の検出は前記フローのものに限られない。ＰＭ燃焼量は、エンジン本体１およびパティキュレートフィルタ３２の状態量の変化から推定することができる。ここでエンジン本体１およびパティキュレートフィルタ３２の状態変化は、排気温度、ＮＯx濃度、酸素濃度、前記堆積量演算手段で演算された堆積量、検出差圧、エンジン回転数、燃料噴射量、排気浄化装置が搭載される自動車の車速、エンジン１の気筒への吸入空気量の単位時間当たりの変化量などがある。

その他の実施形態について説明する。図１６はＰＭ堆積量と圧力損失との関係を示すもので、後段特性線において、強制移行処理域以外の領域で自然に排気微粒子が燃焼し（自然再生）、限界堆積特性まで移行が完了した場合である。このような場合は、移行後の排気微粒子の堆積量が、強制移行処理域を規定する基準ＰＭ堆積量Ｃ以下となり、その後の排気微粒子の推定精度が低くなる。このため、排気微粒子がほぼ完全に除去できるまで（初期点まで）、強制再生を実施する。

これによれば、限界堆積特性の推定精度の低い領域が用いられるのを回避することができる。

パティキュレートフィルタは、図１７に示すように、フィルタ本体４２よりも上流に触媒４１を設けた触媒前置き型のパティキュレートフィルタ本体４Ａにより構成することもできる。また、この場合において、差圧センサ５４は、図１８に示すように、フィルタ本体４２の前後の差圧を検出するようにしてもよい。また、上流側の排気温センサ５３ａは、図１９に示すように、触媒４１とフィルタ本体４２との間で温度を検出する構成とするのもよい。また、図２０に示すように、図１８，図１９の特徴を両方とも採用する構成とするのもよい。また、フィルタ本体４２は触媒が非担持としても良い。

本発明の排気ガス浄化装置を適用した内燃機関の構成図である。 前記排気ガス浄化装置のパティキュレートフィルタにおいて、排気微粒子が堆積していくときの堆積量と圧力損失との関係を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ前記パティキュレートフィルタに排気微粒子が堆積していく状態を示す堆積量の異なる図である。 前記パティキュレートフィルタにおいて、排気微粒子が堆積していくときと、堆積した排気微粒子が燃焼、消失していくときの堆積量と圧力損失との関係を示すグラフである。 前記パティキュレートフィルタにおいて、排気微粒子が堆積していくときと、堆積した排気微粒子が燃焼、消失していくときの、別の堆積量と圧力損失との関係を示すグラフである。 前記内燃機関の各部を制御するＥＣＵで実行される制御内容を示すフローチャートである。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ前記ＥＣＵで実行される制御内容を説明するための、堆積量と圧力損失との関係を示すグラフである。 前記パティキュレートフィルタにおける、堆積排気微粒子の残存状態を示す図である。 前記ＥＣＵで実行される制御内容を説明するための、堆積量と圧力損失との関係を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ前記パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子が燃焼していく過程を示す、燃焼の進行状態の異なる図である。 前記ＥＣＵで実行される制御内容を示す温度と排気微粒子の燃焼速度との関係を示すグラフである。 本発明の第２の排気ガス浄化装置のパティキュレートフィルタにおいて、排気微粒子が堆積していくときと、堆積した排気微粒子が燃焼、消失していくときの堆積量と圧力損失との関係を示すグラフである。 本発明の第２の排気ガス浄化装置を構成するＥＣＵで実行される制御内容を示すフローチャートである。 前記ＥＣＵで実行される制御内容を説明するための、排気微粒子の堆積量と排気微粒子の燃焼速度との関係を示すグラフである。 前記ＥＣＵで実行される制御内容を説明するための、パティキュレートフィルタの温度と排気微粒子の燃焼速度との関係を示すグラフである。 本発明の第１の変形例を説明するための、堆積量と圧力損失との関係を示すグラフである。 本発明の第２の変形例の構成図である。 本発明の第３の変形例の構成図である。 本発明の第４の変形例の構成図である。 本発明の第５の変形例の構成図である。

符号の説明

１ エンジン本体
２１ 吸気マニホールド
３１ 排気マニホールド
３２ パティキュレートフィルタ
４ 本体
５１ ＥＣＵ（堆積量演算手段、再生制御手段、燃焼量演算手段）
５２ エアフローメータ
５３ａ，５３ｂ 温度センサ
５４ 差圧センサ（圧力損失検出手段）

Claims (6)

1. 排気通路の途中に、排気微粒子を捕集し該捕集された排気微粒子が堆積するパティキュレートフィルタを有し、該パティキュレートフィルタの排気微粒子の堆積量の演算値が所定の再生要求値に達すると堆積排気微粒子を燃焼除去して前記パティキュレートフィルタを再生する強制再生を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、
   前記パティキュレートフィルタの圧力損失を検出する圧力損失検出手段と、
   排気微粒子の堆積量と前記圧力損失とを対応付ける堆積特性を、堆積量が０の初期点を通る直線を堆積量が少量側の前段特性線として、前記初期点から前記前段特性線を辿って圧力損失が上昇し、所定の遷移点を越えると、前記前段特性線よりも緩い傾きの直線を堆積量が多量側の後段特性線として該後段特性線を辿って圧力損失が上昇する堆積特性とし、該堆積特性に基づき、少なくとも前記圧力損失を入力として堆積量を演算する堆積量演算手段と、
   前記堆積特性に基づいて演算された堆積量が、前記再生要求値よりも小側の値にて予め規定された強制移行処理域に入ったことを条件として、堆積特性が前記初期点を通り前記後段特性線と同じ傾きの直線により表される限界堆積特性となるまで堆積排気微粒子を燃焼せしめる強制移行処理を実施する強制移行処理手段とを具備せしめ、
   かつ、前記堆積量演算手段は、前記強制移行処理手段により堆積特性が前記限界堆積特性となるまで堆積排気微粒子が燃焼すると、堆積量の演算に用いる堆積特性を前記限界堆積特性に移行させるように設定したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 排気通路の途中に、排気微粒子を捕集し該捕集された排気微粒子が堆積するパティキュレートフィルタを有し、該パティキュレートフィルタの排気微粒子の堆積量の演算値が所定の再生要求値に達すると堆積排気微粒子を燃焼除去して前記パティキュレートフィルタを再生する強制再生を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、
   前記パティキュレートフィルタの圧力損失を検出する圧力損失検出手段と、
   排気微粒子の堆積量と前記圧力損失とを対応付ける堆積特性を、堆積量が０の初期点を通る直線を堆積量が少量側の前段特性線として、前記初期点から前記前段特性線を辿って圧力損失が上昇し、所定の遷移点を越えると、前記前段特性線よりも緩い傾きの直線を堆積量が多量側の後段特性線として該後段特性線を辿って圧力損失が上昇する堆積特性とし、該堆積特性に基づき、少なくとも前記圧力損失を入力として堆積量を演算する堆積量演算手段と、
   前記堆積特性に基づいて演算された堆積量が予め規定された強制移行処理域に入ったことを条件として、堆積特性が前記初期点を通り前記後段特性線と同じ傾きの直線により表される限界堆積特性となるまで堆積排気微粒子を燃焼せしめる強制移行処理を実施する強制移行処理手段とを具備せしめ、
   かつ、前記堆積量演算手段は、前記強制移行処理手段により堆積特性が前記限界堆積特性となるまで堆積排気微粒子が燃焼すると、堆積量の演算に用いる堆積特性を前記限界堆積特性に移行させるように設定し、堆積排気微粒子の燃焼による前記限界堆積特性への移行途中で燃焼が中断した場合には、前記後段特性線が圧力損失が小側に略平行にシフトするように補正した移行過程特性線を設定して、該移行過程特性線を用いて排気微粒子の堆積量を演算するようになし、
   前記強制移行処理手段は、前記移行過程特性線に基づく堆積量が前記強制移行処理域にある場合に、強制移行処理を実施することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記強制移行処理手段は、前記強制移行処理域にて、内燃機関の運転状態から堆積排気微粒子の燃焼が可能かどうかを判断し、燃焼不可と判断された場合には強制移行処理を実施せず、燃焼可能な運転状態となったら強制移行処理を実施する内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記強制移行処理手段は、前記強制移行処理域にて、内燃機関の運転状態が自然に堆積排気微粒子が燃焼可能な運転状態であれば強制移行処理を実施せず、自然には堆積排気微粒子が燃焼しない運転状態となったら強制移行処理を実施する内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   堆積排気微粒子の燃焼量を内燃機関の運転状態信号、排気温度、パティキュレートフィルターの圧力損失のうちの少なくとも１つないしそれ以上の信号を用いて算出する排気微粒子燃焼量演算手段を具備せしめ、
   前記堆積量演算手段は、前記移行過程特性線の設定において、前記後段特性線からのシフト量を、前記排気微粒子燃焼量演算手段にて算出した堆積排気微粒子の燃焼量を基に算出する内燃機関の排気浄化装置。
6. 請求項５記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   堆積排気微粒子の燃焼量は、酸素との反応による燃焼量と堆積排気微粒子のＮＯxとの反応による燃焼量との加算値である内燃機関の排気浄化装置。

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