JP4389606B2

JP4389606B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP4389606B2
Application number: JP2004053640A
Authority: JP
Inventors: 誠齊藤; 茂人矢羽田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: US7171803B2; JP2005240730A; US20050188686A1; DE102005008529A1

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、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する必要がある。

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。再生の実施は、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となる。この場合、再生処理において排気微粒子が急激に燃焼し、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、排気微粒子の堆積状態（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。下記特許文献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。パティキュレートフィルタの差圧はパティキュレートフィルタを流通する排気流量によって変化するため、下記特許文献２には、検出差圧を所定排気流量のときの値に換算するものが開示されている。下記特許文献２の技術では、換算に必要な現在の排気流量を内燃機関のシリンダ容積、エンジン回転数、および排気温度に基づいて算出している。
特開平７−３３２０６５号特開平７−３１７５２９号

しかしながら、排ガスが流通する排気通路における排ガスの流通状態は複雑である。このため、前記特許文献２の技術では再生時期を必ずしも適正に決定し得ないおそれがあり、なお改良の余地がある。

本発明は前記実情に鑑みなされたもので、簡単な構成で、再生時期を適正に決定し得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。

請求項１記載の発明では、内燃機関の排気通路の途中に、排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを有し、前記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を含む前記内燃機関の運転状態に基づいて前記パティキュレートフィルタでの排気微粒子の堆積状態を演算し、演算結果に基づいて前記パティキュレートフィルタを再生するか否かを決定する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を流通する排ガスの絶対圧を計測する絶対圧計測手段と、
前記絶対圧に基づいて前記パティキュレートフィルタを流通する排ガスの質量流量を体積流量に換算する流量換算手段と、
前記体積流量と前記差圧とに基づいて堆積状態を演算する堆積状態演算手段とを具備せしめ、
前記絶対圧計測手段には、前記絶対圧と大気圧との差の一部をなす前記排気通路における圧力損失分として、前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路における圧力損失分を、前記内燃機関の運転状態に基づいて演算する圧力損失分演算手段を具備せしめる。

パティキュレートフィルタを流通する排ガスの体積流量は、その絶対圧に依存する。該絶対圧と大気圧との差の一部をなす前記排気通路における圧力損失分として、内燃機関の運転状態に応じて変動する前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路における圧力損失分を求めることで、より高精度に排気微粒子の堆積状態を知ることができる。これにより、再生時期をより適正化することができる。

請求項１記載の発明では、具体的には、前記圧力損失分演算手段は、前記排気通路における圧力損失分を、前記内燃機関の吸入空気量と、前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路の温度とに基づいて演算する構成とする。

排気通路を流通する排ガスの流量は、内燃機関の吸入空気量に応じたものとなる。また、体積流量は、パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路の温度に応じて変化する。吸入空気量は、内燃機関において一般的なセンサ類であるエアーフローメータの検出値や内燃機関の制御上の演算値から知られる。また、パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路の温度はパティキュレートフィルタの本体のように取付けが困難ではない位置にセンサを取付けるなどにより得ることができる。したがって、実施が容易である。

請求項１記載の発明では、特に、前記圧力損失分演算手段は、圧力損失分を、前記吸入空気量および前記排気通路の温度に加えて外気温に基づいて演算する。

排気通路を流通する排ガスは下流に移動するにしたがって外気温の影響で温度が低下する。外気温を検出することで、排気通路における排ガス流下方向の温度勾配を見積もることができる。したがって、パティキュレートフィルタよりも下流側の排気通路に多くの温度センサを設けることなく、パティキュレートフィルタよりも下流側の排気通路の温度を把握することができる。

請求項２記載の発明では、内燃機関の排気通路の途中に、排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを有し、前記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を含む前記内燃機関の運転状態に基づいて前記パティキュレートフィルタでの排気微粒子の堆積状態を演算し、演算結果に基づいて前記パティキュレートフィルタを再生するか否かを決定する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を流通する排ガスの絶対圧を計測する絶対圧計測手段と、
前記絶対圧に基づいて前記パティキュレートフィルタを流通する排ガスの質量流量を体積流量に換算する流量換算手段と、
前記体積流量と前記差圧とに基づいて堆積状態を演算する堆積状態演算手段とを具備せしめ、
前記絶対圧計測手段には、前記絶対圧と大気圧との差の一部をなす前記排気通路における圧力損失分として、前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路における圧力損失分を、前記内燃機関の運転状態に基づいて演算する圧力損失分演算手段を具備せしめるとともに、前記絶対圧と大気圧との差の一部をなす前記パティキュレートフィルタにおける圧力損失分として、前記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に係数を乗じる演算により、パティキュレートフィルタの入口側と出口側との間における圧力分布の重心位置となる圧力値を求める別の圧力損失分演算手段を具備せしめ、前記係数はこれをｋとして０＜ｋ≦１とする。

パティキュレートフィルタの差圧を利用するので、簡単であり、以下の効果がある。排気微粒子の堆積量推定は、パティキュレートフィルタの前後間の差圧とパティキュレートフィルタを通過する排ガスの体積流量より算出する。そのため、両者とも検出値の精度が上がるほど排気微粒子の堆積量推定値の精度も上がる。ここで、パティキュレートフィルタを通過する排ガスの体積流量は、質量流量×質量を体積に換算する係数×温度補正（質量流量計測条件に対する温度による膨張/収縮分の補正）×圧力補正（質量流量計測条件に対する圧力による膨張/収縮の補正）と計算できるため、質量流量・パティキュレートフィルタを通過する排ガスの温度・パティキュレートフィルタを通過する圧力の検出値の精度が上がるほど排気微粒子の堆積量推定値の精度があがる。今回の発明では、この中でパティキュレートフィルタを通過する排ガスの圧力を高精度に検出するものである。

排気微粒子の堆積量の算出は、本来ならばパティキュレートフィルタの微小部分のセル壁を通過する排ガスの体積流量とその微小部分の絶対圧をもとに算出された微小部分の排気微粒子の堆積量をパティキュレートフィルタ全域に関して積分して求めるのがより正確であるが、簡略にはパティキュレートフィルタ全体を一つの体積流量値と一つの絶対圧値で代用して算出を行うことが実用的である。

排気微粒子の堆積層を通過する排ガスの圧力は、入口側ほど高く出口側に近づくほど圧力が低くなる。排ガスの体積流量を算出する際には、圧力重心での値を用いることが精度が高いが、圧力特性が1次の特性（直線的）の場合ならば、パティキュレートフィルタの入口側と出口側の間の圧力差の平均値（１/２）を用いて求めることができる。しかし、実際は、流入側のセルを通過するガスは徐々に減っていくため、セル内を流通していく際の単位長さ当たりの管摩擦も徐々に減っていく（圧力値の低下率が流出側に向かって小さくなっていく）。

そのため、パティキュレートフィルタ内の圧力分布としては下に凸の特性となる。圧力が下に凸の特性においては、パティキュレートフィルタの入口側と出口側の圧力差の平均値は圧力重心と一致しないため、誤差を生じることになる。そこで、内燃機関の運転状態や、排ガスの質量流量や、パティキュレートフィルタ内の温度などの情報とパティキュレートフィルタの入口側と出口側の圧力差と圧力重心の関係を事前に取得しておき、係数ｋを算出できる機能を持たせ、内燃機関が稼動する走行中などに、内燃機関の運転状態や、排ガスの質量流量や、パティキュレートフィルタ内の温度などを基に係数ｋを設定し、パティキュレートフィルタの入口側と出口側の間の差圧にｋをかけることで、パティキュレートフィルタの圧力の代表値として適したパティキュレートフィルタの圧力を決定できる。これにより、排気微粒子の堆積層を通過する排ガスの圧力を精度良く算出でき、排気微粒子の堆積量を高精度に導出することができる。

請求項３記載の発明では、請求項２の発明の構成において、前記圧力損失分演算手段は、前記排気通路における圧力損失分を、前記内燃機関の吸入空気量と、前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路の温度とに基づいて演算する構成とする。

請求項４記載の発明では、請求項３の発明の構成において、前記圧力損失分演算手段は、圧力損失分を、前記吸入空気量および前記排気通路の温度に加えて外気温に基づいて演算する。

（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。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（なお、以下の説明および図中において適宜ＤＰＦという）３２が連なっている。パティキュレートフィルタ３２の本体４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で円柱状のハニカム構造体であり、その流路をハニカム構造体の軸方向の一方の端部で目封じされてなる。エンジン本体１の各気筒からの排ガスは、本体４の一方の端部に開口する入口４ａから本体４内に流入し、本体４内を隔壁に沿って軸方向に流れるとともに多孔質の隔壁を透過する。そして、入口４ａと背向する出口４ｂから排気通路３の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温度センサ５３ａ，５３ｂが設けてあり、排ガスの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。パティキュレートフィルタ３２の直上流に設けられた温度センサ５３ａの検出温度は、パティキュレートフィルタ本体４の入口４ａにおける排ガスの温度とみなせる（以下、ＤＰＦ入口温度という）。パティキュレートフィルタ３２の直下流に設けられた温度センサ５３ｂの検出温度は、パティキュレートフィルタ本体４の出口４ｂにおける排ガスの温度とみなせる（以下、ＤＰＦ出口温度という）。

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に介設された差圧検出手段である差圧センサ５４が、前記入口４ａと前記出口４ｂと間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。

吸気マニホールド２１よりも上流側で吸気通路２にはエアフローメータ５２が設けられ、吸入空気量を検出するようになっている。

本ディーゼルエンジンが搭載される車両の下部などに圧力センサおよび温度センサが設けられ、排気通路３の設置雰囲気である外気の大気圧を検出する大気圧センサ５５、および大気温を検出する大気温センサ５６としてある。

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を算出するプログラムなどが格納されている。算出された堆積量に基づいてパティキュレートフィルタ３２を再生するか否かが判断される。

図２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。先ずステップＳ１０１で、吸入空気量、ＤＰＦ圧力損失、ＤＰＦ入口温度とＤＰＦ出口温度、および大気圧を取り込む。吸入空気量はここでは質量流量である。

ステップＳ１０２ではＤＰＦ入口温度とＤＰＦ出口温度に基づいてパティキュレートフィルタ３２内の温度の代表値としてのＤＰＦ温度を演算する。ＤＰＦ入口温度は変動が大きいので一次遅れフィルタによる処理を経たものを用いるのがよい。また、ステップＳ１０２では、下流排気管圧力損失を演算する圧力損失分演算手段としての処理を実行する。下流排気管圧力損失の演算は式（１）にしたがって演算される。式（１）は吸入空気量を、パティキュレートフィルタ３２よりも下流における体積流量に換算し、これに下流排気管圧力損失係数αを乗じるものである。式中、［ＤＰＦ出口温度（Ｋ）／２７３（Ｋ）］ではＤＰＦ出口温度をパティキュレートフィルタ３２よりも下流の温度の代表値としている。また、下流排気管圧力損失係数αは予め実験的に適合しておく。

ＤＰＦ下流排気管圧力損失（ｋＰａ）
＝［吸入空気量（ｇ／ｓｅｃ）／２８．８（ｇ／ｍｏｌ）］
×２２．４×１０^-3（ｍ³／ｍｏｌ）
×［ＤＰＦ出口温度（Ｋ）／２７３（Ｋ）］
×α・・・（１）

ステップＳ１０３は下流排気管圧力損失を演算するステップＳ１０２とともに絶対圧計測手段としての処理を構成し、ステップＳ１０３では、パティキュレートフィルタ３２の本体４における排ガスの代表的な絶対圧（以下、ＤＰＦ絶対圧という）を式（２）にしたがって演算する。式（２）は、パティキュレートフィルタ入口４ａにおける絶対圧が大気圧（ｋＰａ）＋下流排気管圧力損失（ｋＰａ）＋ＤＰＦ圧力損失（ｋＰａ）であり、パティキュレートフィルタ本体４の出口４ｂにおける絶対圧が大気圧（ｋＰａ）＋下流排気管圧力損失（ｋＰａ）であることに由来している。また、式（２）の右辺第３項の係数を（１／２）としたのは、ＤＰＦ絶対圧を、パティキュレートフィルタ本体４の入口４ａにおける絶対圧と出口４ｂにおける絶対圧との中間値とする趣旨である。
ＤＰＦ絶対圧（ｋＰａ）
＝大気圧（ｋＰａ）＋下流排気管圧力損失（ｋＰａ）＋ＤＰＦ圧力損失（ｋＰａ）×（１／２）・・・（２）

ステップＳ１０４では流量換算手段としての処理を実行する。パティキュレートフィルタ３２における排ガスの体積流量を式（３）にしたがって演算する。式（３）は吸入空気量すなわち吸入空気の質量流量を排ガスの質量流量とみなして排ガスの質量流量を体積流量に換算するものである。
ＤＰＦ体積流量（ｍ³／ｓｅｃ）
＝［吸入空気量（ｇ／ｓｅｃ）／２８．８（ｇ／ｍｏｌ）］
×２２．４×１０^-3（ｍ³／ｍｏｌ）
×［ＤＰＦ温度（Ｋ）／２７３（Ｋ）］
×［大気圧（ｋＰａ）／ＤＰＦ絶対圧（ｋＰａ）］・・・（３）

ステップＳ１０４ではまた、排ガスの粘度μをＤＰＦ温度に基づいて算出する。これは、所定の演算式若しくはマップに基づいて行う。排ガスの粘度は一般的に温度とともに上昇する。

ステップＳ１０４ではまた、排ガスの密度ρをＤＰＦ温度に基づいて算出する。これは、所定の演算式若しくはマップに基づいて行う。排ガスの密度は一般的に温度とともに上昇する。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で得られた排ガスの体積流量を、パティキュレートフィルタ３２の有効通路面積で除して、流速に換算される。

ステップＳ１０６は体積状態演算手段としての処理で、排気微粒子の堆積量（以下、適宜、ＰＭ堆積量という）を算出する。ＰＭ堆積量の算出式として、次の式（４）をＲＯＭに格納している。式中、ＭL はＰＭ堆積量、ΔＰはＤＰＦ圧力損失、ｖは流速である。式（４）のＫ1，Ｈ1，Ｋ2，Ｈ2は定数である。

ＭL ＝［ΔＰ−（Ｋ1 μｖ＋Ｈ1 ρｖ²）］／（Ｋ2μｖ＋Ｈ2 ρｖ²）
・・・（４）

式（４）はＰＭ堆積量とパティキュレートフィルタ３２における排ガスの流通状態とを対応付けるモデル式であるが、排気流速ｖをパラメータとして使っている。排気流速ｖを直接検出すること、排気流速ｖを得るために排ガスの体積流量を直接検出することは困難である。本発明のように、パティキュレートフィルタ３２における流通状態に基づいて、ＤＰＦ圧力損失、下流排気管圧力損失を求め、質量流量を体積流量に換算するという手段をとることで、構成を複雑化することなく、パティキュレートフィルタ３２における排ガスの体積流量が求められ、ＰＭ堆積量を正確に求めることができる。

得られたＰＭ堆積量ＭLは基準値と比較され、基準値を超えると所定時間、ポスト噴射などが実行されて、パティキュレートフィルタ３２を再生する。

なお、ＤＰＦ圧力損失に応じた圧力分は、ＤＰＦ圧力損失×（１／２）のほか、ＤＰＦ圧力損失×χ（０＜χ≦１）とすることができる。係数χをどの値にするかは、式（４）の係数Ｋ1，Ｈ1，Ｋ2，Ｈ2、パティキュレートフィルタ３２の内部構造などにより適合化する。また、ＰＭ堆積量の演算に用いるパティキュレートフィルタ３２内の圧力（絶対圧）はパティキュレートフィルタ３２内における圧力重心とするのが精度の点で望ましいと考えられる。

ここで、パティキュレートフィルタ３２内における圧力重心について考察すると、流入側のパティキュレートフィルタのセルを通過するガスは徐々に減っていくため、セル内を流通していく際の単位長さ当たりの管摩擦も徐々に減っていく（圧力値の低下率が流出側に向かって小さくなっていく）。したがって、パティキュレートフィルタ３２内の圧力重心は、正確にはパティキュレートフィルタ出口４ｂの圧力にＤＰＦ圧力損失×（１／２）積み上げた値、すなわち、パティキュレートフィルタ入口４ａの圧力とパティキュレートフィルタ出口４ｂの圧力との平均値とはならない。ディーゼルエンジンの運転状態や、排ガスの質量流量や、パティキュレートフィルタ３２内の温度などの情報とＤＰＦ差圧と圧力重心の関係を事前に取得しておき、ＥＣＵに係数ｋを算出できる機能を持たせ、ディーゼルエンジンが稼動する走行中などに、運転状態や、排ガスの質量流量や、パティキュレートフィルタ３２内の温度などを基に係数ｋを設定し、ＤＰＦ差圧にｋを乗じることで、パティキュレートフィルタ３２内の圧力の代表値として適したパティキュレートフィルタ３２内の圧力値を決定できる。これにより、排気微粒子の堆積層を通過する排ガスの圧力を精度良く算出でき、排気微粒子の堆積量をさらに高精度に導出することができる。

また、下流排気管圧力損失は、予め固定の係数αとともに外気温に依存する補正係数βを使って、式（５）により求めても良い。ここで、補正係数βは図３に示すように、外気温が高いほど大きな値が与えられる。これは、外気温が高いほど体積が大きくなることに基づいている。
ＤＰＦ下流排気管圧力損失（ｋＰａ）
＝［吸入空気量（ｇ／ｓｅｃ）／２８．８（ｇ／ｍｏｌ）］
×２２．４×１０^-3（ｍ³／ｍｏｌ）
×［ＤＰＦ出口温度（Ｋ）／２７３（Ｋ）］
×α×β・・・（５）

なお、本実施形態では、ＰＭ堆積量を、ＤＰＦ圧力損失ΔＰ、体積流量Ｖ、ＤＰＦ入口温度およびＤＰＦ出口温度から算出した粘度μおよび密度ρに基づいて算出し、ＰＭ堆積量の大きさで再生が必要か否かを判定しているが、式（４）による判定と実質的に等価なものであればよい。例えば、Ｍ，Ｎを再生が必要な基準のＰＭ堆積量に対応する値として、ΔＰ（ｖ，μ，ρ）＝Ｍμｖ＋Ｎρｖ²を算出するようにし、判定式 ΔＰ≧ΔＰ（ｖ，μ，ρ）が成り立つか否かを判定する。再生が必要でなければ、ΔＰ＜ΔＰ（ｖ，μ，ρ）で判定式は不成立であり、再生が必要であればΔＰ≧ΔＰ（ｖ，μ，ρ）で判定式は成立となる。

前述のように、本発明は、パティキュレートフィルタよりも下流側の排気通路における圧力損失分と、パティキュレートフィルタの入口側と出口側との間における圧力分布の重心位置となる圧力値とを積み上げて、パティキュレートフィルタを流通する排ガスの絶対圧を計測し、この積み上げ圧力値（絶対圧）を用いて、パティキュレートフィルタを通過する体積流量を求めている。これにより、パティキュレートフィルタよりも下流側の排気通路における圧力損失分と、パティキュレートフィルタの入口側と出口側との間における圧力値（差圧値）とを積み上げた圧力値（絶対圧）を用いる場合に比して、パティキュレートフィルタを通過する実態値に近似した高精度の排ガス体積流量を算出することができ、この算出した排ガス体積流量をもとに、パティキュレートフィルタにおける排気微粒子の堆積状態を高精度算出できている。

（第２形態）
図４に本発明の参考例として第２形態になる内燃機関の排気浄化装置のＥＣＵで実行される制御内容を示す。第１実施形態において、ＥＣＵにおけるプログラムの内容を一部変更したもので、基本的な構成は第１実施形態と同じであるので、説明では各部に第１実施形態と同じ番号を付し、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

図４において、ステップＳ２０１では、第１実施形態のステップＳ１０１と同様に、吸入空気量、大気圧、排ガス温度、ＤＰＦ圧力損失を検出する。ステップＳ２０２は温度分布計測手段としての処理で、」、検出された排ガス温度に基づいてパティキュレートフィルタ３２内の温度分布を算出する。温度分布は、図５に示すように、パティキュレートフィルタ本体４を、入口４ａから出口４ｂに向かう方向である中心軸Ｘ方向に３つの領域に区画し、各領域の代表温度を推定ことにより得る。領域は例えば中心軸Ｘ方向に同じ大きさとし、適宜、パティキュレートフィルタ３２の入口４ａ側から領域１、領域２、領域３という。

各領域の温度はＤＰＦ入口ガス温度ＴINに基づいて推定する。推定部位は、領域１、領域２、領域３のそれぞれに１つずつ設定されており、中心線Ｘ上のＡ点、Ｂ点、Ｃ点の３点である。なお、以下の説明においてＡ，Ｂ，ＣをそれぞれＡ点の温度、Ｂ点、Ｃ点の温度の温度をも表す記号として用いるものとする。

Ａ点〜Ｃ点の温度を推定するモデルは一次遅れおよびむだ時間よりなる伝達関数で表し（式（６））、ＤＰＦ入口温度ＴINを入力としてＡ点〜Ｃ点における温度をそれぞれ推定する。Ｔは時定数であり、Ｌはむだ時間である。

パティキュレートフィルタ３２の温度はＤＰＦ入口温度のステップ応答として温度Ａ〜温度Ｃをみると、パティキュレートフィルタ３２に流入する排ガスの温度すなわちＤＰＦ入口温度ＴINがステップ状に変化すると、その変化はＡ点〜Ｃ点におよび、排ガスがＤＰＦ入口温度ＴINの検出用の温度センサ５３ａ位置よりも下流に到達するまでの所要時間に基因して、温度Ａ〜温度ＣはＤＰＦ入口ガス温度ＴINの変化に遅れて追随変化し、ＤＰＦ入口ガス温度ＴINの値に収束していく。したがって、一次遅れおよびむだ時間よりなる伝達関数で表されるモデルにより好適にＤＰＦ内温度を推定することができる。

前記遅れは温度センサ５３ａ位置から離れているほど長くなり、Ｃ点、Ｂ点、Ａ点の順に長くなる。また、温度Ａ〜温度Ｃの追随変化のプロファイルはセラミックスを基材とするパティキュレートフィルタ本体４の比較的大きな熱容量のためになまったものとなり、その速度は、下流側ほどすなわち温度センサ５３ａ位置から離れているほど遅くなり、Ｃ点、Ｂ点、Ａ点の順に遅くなる。また、排ガス流量が多く排ガスの流速が速ければ、遅れ時間は全体に短くなり、流速は速くなる。したがって、むだ時間Ｌは温度センサ５３ａ位置からの距離が長いほど大きな値に設定し、排ガス流量が多いほど小さく設定する。また、時定数Ｔは、温度センサ５３ａ位置からの距離が長いほど大きな値に設定し、排ガス流量が多いほど小さく設定する。

このように、パティキュレートフィルタ３２の直上流で検出された温度からパティキュレートフィルタ本体４内における中心軸Ｘ上のＡ点〜Ｃ点の温度を推定することができる。パティキュレートフィルタ本体４内の中心軸Ｘ方向の温度分布が得られる。なお、以下の説明において、Ａは領域１を代表する温度であり、Ｔ1と表し、Ｂは領域２を代表する温度であり、Ｔ2と表し、Ｃは領域３を代表する温度であり、Ｔ3と表す。

図６はパティキュレートフィルタ本体４内における排ガスが流れる様子を示すもので、排ガスは隔壁に沿ってパティキュレートフィルタ３２の中心軸Ｘ方向に流れ、途中で隔壁を横切るように隔壁を透過し、再び隔壁に沿って流れていく。隔壁を排ガスが透過する位置は入口４ａ側から出口４ｂ側まで分布している。前記のごとく排ガスの体積流量は温度に依存するから、パティキュレートフィルタ本体４各部の温度が均一でないと、隔壁を透過する排ガスの体積流量がパティキュレートフィルタ本体４内でばらつくことになる。本実施形態は、よりパティキュレートフィルタ本体４内の温度分布を計測することにより、続くステップＳ２０３，Ｓ２０４で詳述するように、かかるパティキュレートフィルタ本体４内の排ガスの流通状態を反映してさらに高精度にＰＭ堆積量を求めるようにしている。

ステップＳ２０３では、各領域の温度に基づいて対応する各領域の排ガスの粘度μ、密度ρを算出する。すなわち、温度Ｔ1に基づいて領域１の粘度μ1、密度ρ1が、温度Ｔ2に基づいて領域２の粘度μ2、密度ρ2が、温度Ｔ3に基づいて領域３の粘度μ3、密度ρ3が算出される。

ステップＳ２０４は、堆積状態演算手段としての処理で、ＰＭ堆積量を演算する。演算は次の排ガスの流通モデルにしたがって行う。パティキュレートフィルタ本体４内の各位置において、前記のごとく、排ガスは隔壁を透過するものとそのまま隔壁に沿って流下するものとに分かれ、隔壁に沿って流下した排ガスも下流で順次、隔壁を透過していく。そして、既に隔壁を透過した排ガスと合流する。パティキュレートフィルタ本体４内の圧力は排ガスの履歴によらず位置のみで決まる状態量であるから、隔壁を排ガスが透過することにより生じる圧力損失（隔壁透過圧力損失）がパティキュレートフィルタ本体４の位置によらず等しくなるように、通り易いところは多量に流れ、通り難いところは少量となる自調作用が働く。

このとき、隔壁透過圧力損失を規定する排気微粒子の堆積状態、すなわち、ＰＭ堆積層の厚さは均一となる。また、隔壁はパティキュレートフィルタ本体４内で均一と考えてよいから、ＰＭ堆積量＝０のときの隔壁透過圧力損失（以下、適宜、初期隔壁透過圧力損失という）ΔＰDPFはパティキュレートフィルタ本体４内で位置によらず等しい。したがって、ＰＭ堆積層における透過圧力損失ΔＰPMは検出されたＤＰＦ差圧ΔＰから初期隔壁透過圧力損失ΔＰDPFを減じたものとなる。

さて、前記のごとく温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3はパティキュレートフィルタ本体４の上流領域、中流領域、下流領域をそれぞれ代表する温度であり、各領域内で温度が均一であるとすると、上流領域で隔壁を透過する排ガスの体積流量ｖ1、中流領域で隔壁を透過する排ガスの体積流量ｖ2、下流領域で隔壁を透過する排ガスの体積流量ｖ3は、上流領域で隔壁を透過する排ガスの質量流量Ｇ1、中流領域で隔壁を透過する排ガスの質量流量Ｇ2、下流領域で隔壁を透過する排ガスの質量流量Ｇ3を用いて、前記自調作用により、式（１１）、（１２）、（１３）となる。なお、式（１４）が成立するのは勿論である。
ｖ1＝ｆ（Ｇ1，Ｔ1，ΔＰPM）・・・（１１）
ｖ2＝ｆ（Ｇ2，Ｔ2，ΔＰPM）・・・（１２）
ｖ3＝ｆ（Ｇ3，Ｔ3，ΔＰPM）・・・（１３）
Ｇ＝Ｇ1＋Ｇ2＋Ｇ3・・・（１４）

各領域におけるＰＭ堆積量は前記式（４）の形式で表されるから、質量流量Ｇ、透過圧力損失ΔＰPM、に基づいて各領域におけるＰＭ堆積量を合計したＰＭ堆積量ＭLが求められる。パティキュレートフィルタ３２における排気微粒子の体積流量が単一の値で代表し得ない場合でも高精度にＰＭ堆積量を求め得る。

パティキュレートフィルタ３２に流入する排ガスは、パティキュレートフィルタ３２による奪熱により、また逆に排ガス中の未燃成分のパティキュレートフィルタ３２内における燃焼により、入口４ａから出口４ｂに向かう方向である中心軸Ｘ方向の温度分布が現れる。したがって、パティキュレートフィルタ３２による奪熱や排ガス中の未燃成分の燃焼に基因した排気微粒子の堆積状態の演算誤差を抑制することができる。

なお、パティキュレートフィルタ３２を中心軸Ｘ方向に３つの領域に分ける例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、領域数を２つにしてもよいし、４以上とするのもよい。

また、パティキュレートフィルタ本体４内の温度分布は、中心軸Ｘ方向に温度勾配を有する場合だけではなく、パティキュレートフィルタ本体４の径方向に温度勾配を有する場合がある。これは、主に外気温とパティキュレートフィルタ３２内の温度との差に基因し、パティキュレートフィルタ本体４の外周部は排気通路３の設置雰囲気による奪熱により温度が低くなる。したがって、図７に示すように、パティキュレートフィルタ本体４の径方向に複数の領域に区画し、各領域に温度推定部位をとってもよい。各温度Ｂ，Ｄ，Ｅにより代表される領域は、パティキュレートフィルタ３２の横断面Ｙで示すと、図８のごとく中心軸Ｘに対して同軸に位置する円または環状とする。排気通路３の設置雰囲気と熱交換をするパティキュレートフィルタ本体４の側面までの距離が略同じとなるからである。各領域の温度Ｂ，Ｄ，Ｅは中心軸Ｘ上の温度Ｂと外気温とから演算する。演算は、温度Ｂおよび外気温に対して各領域の温度が対応するマップなどに基づいて設定する。マップは中心軸Ｘ側ほど高く、外周部側で低くなるようにする。なお、温度Ｂは、前記のごとくＤＰＦ入口温度から伝達関数を用いて推定した値を用いるが、Ｂ点は、中心軸Ｘ方向のパティキュレートフィルタ本体４の中央部であり、温度の推定部位として望ましい。

このように、パティキュレートフィルタ本体４の各位置における隔壁を透過する排ガスの体積流量の分布を考慮に入れてＰＭ堆積量を演算することで、より高精度にＰＭ堆積量を得ることができる。

なお、パティキュレートフィルタ本体４内の温度分布を、パティキュレートフィルタ本体４の中心軸Ｘ方向に複数の温度推定部位を設定するとともに、横断面Ｙ方向にも複数の温度推定部位を設定するのもよい。より詳細な温度分布が得られる。

また、前記各実施形態では、排ガスの流量について、燃料噴射による体積流量の増分を考慮していないが、要求される仕様によっては、燃料の噴射量指令値に基づいて燃料と吸入空気との燃焼反応により排ガスの体積増分を算出し、排ガスの体積流量としてもよい。

本発明の内燃機関の排ガス浄化装置を適用した内燃機関の構成図である。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。前記内燃機関の排ガス浄化装置の変形例を示すグラフである。本発明の参考例として別の内燃機関の排ガス浄化装置を適用した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。前記内燃機関の排ガス浄化装置の作動を説明する図である。前記排気ガス浄化装置のパティキュレートフィルタ内における排ガスの流通を示す図である。前記内燃機関の排ガス浄化装置の変形例の作動を説明する図である。前記内燃機関の排ガス浄化装置の変形例の作動を説明するパティキュレートフィルタの横断面図である。

符号の説明

１エンジン本体
２吸気通路
２１吸気マニホールド
３排気通路
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
４ａ入口
４ｂ出口
５１ＥＣＵ（絶対圧計測手段、圧力損失分演算手段、流量換算手段、堆積状態演算手段）
５２エアフローメータ
５３ａ，５３ｂ温度センサ（温度分布検出手段）
５４差圧センサ
５５大気圧センサ
５６大気温センサ

Claims

内燃機関の排気通路の途中に、排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを有し、前記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を含む前記内燃機関の運転状態に基づいて前記パティキュレートフィルタでの排気微粒子の堆積状態を演算し、演算結果に基づいて前記パティキュレートフィルタを再生するか否かを決定する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を流通する排ガスの絶対圧を計測する絶対圧計測手段と、
前記絶対圧に基づいて前記パティキュレートフィルタを流通する排ガスの質量流量を体積流量に換算する流量換算手段と、
前記体積流量と前記差圧とに基づいて堆積状態を演算する堆積状態演算手段とを具備せしめ、
前記絶対圧計測手段には、前記絶対圧と大気圧との差の一部をなす前記排気通路における圧力損失分として、前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路における圧力損失分を、前記内燃機関の吸入空気量と、前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路の温度と、外気温とに基づいて演算する圧力損失分演算手段を具備せしめたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の排気通路の途中に、排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを有し、前記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を含む前記内燃機関の運転状態に基づいて前記パティキュレートフィルタでの排気微粒子の堆積状態を演算し、演算結果に基づいて前記パティキュレートフィルタを再生するか否かを決定する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を流通する排ガスの絶対圧を計測する絶対圧計測手段と、
前記絶対圧に基づいて前記パティキュレートフィルタを流通する排ガスの質量流量を体積流量に換算する流量換算手段と、
前記体積流量と前記差圧とに基づいて堆積状態を演算する堆積状態演算手段とを具備せしめ、
前記絶対圧計測手段には、前記絶対圧と大気圧との差の一部をなす前記排気通路における圧力損失分として、前記パティキュレートフィルタよりも下流側の前記排気通路における圧力損失分を、前記内燃機関の運転状態に基づいて演算する圧力損失分演算手段を具備せしめるとともに、前記絶対圧と大気圧との差の一部をなす前記パティキュレートフィルタにおける圧力損失分として、前記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に係数を乗じる演算により、パティキュレートフィルタの入口側と出口側との間における圧力分布の重心位置となる圧力値を求める別の圧力損失分演算手段を具備せしめ、前記係数はこれをｋとして０＜ｋ≦１としたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記圧力損失分演算手段は、前記排気通路における圧力損失分を、前記内燃機関の吸入空気量と、前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気通路の温度とに基づいて演算する内燃機関の排気浄化装置。
請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記圧力損失分演算手段は、圧力損
失分を、前記吸入空気量および前記排気通路の温度に加えて外気温に基づいて演算する内燃機関の排気浄化装置。