JP2004218440A

JP2004218440A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2004218440A
Application number: JP2003003162A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Kaneko; 智洋金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】パティキュレート捕集手段の過剰昇温に起因する溶損を防止しつつＰＭ再生処理を適切に実行することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】パティキュレート捕集手段と、パティキュレート捕集手段に捕集されたパティキュレートを酸化除去する酸化除去手段と、車両の走行状態を予測する走行状態予測手段と、走行状態予測手段にて予測された走行状態に基づいてパティキュレート捕集手段の温度を予測する温度予測手段と、温度予測手段にて予測された温度に基づいて酸化除去手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。これにより、ＰＭ再生処理中のパティキュレート捕集手段の温度を予測して酸化除去手段を制御するので、パティキュレート捕集手段が過剰に昇温することがなく、該捕集手段の溶損を防止することができる。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関するものであり、特に排気ガス中の成分を捕集し、定期的に再生処理を行う内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特にディーゼルエンジンの排気ガス中には、煤、ＨＣを主成分とするＰＭ（粒子状物質：パティキュレート・マター）が含まれている。そのため、パティキュレートフィルタ（以下、特に断らない限り「フィルタ」という。）を排気系に配置し、大気放出以前にＰＭを捕集している。そして、ＰＭがフィルタにより過度に捕集されると、フィルタは目詰まりを起こし、この目詰まりが排気抵抗の増加を生じさせエンジンの出力低下を生じさせる。そのため、フィルタに捕集されたＰＭを除去する、いわゆるＰＭ再生処理を実施することが必要である。
【０００３】
このＰＭ再生処理は、フィルタに流入する排気ガス温度が高温（例えば、５００℃以上）になるとＰＭが酸化するという性質を利用する。
【０００４】
フィルタを５００℃以上に上昇させる方法の一つとして、内燃機関の圧縮行程での主燃料噴射に加えて、排気行程中又は膨張行程中に気筒内に燃料を副次的に噴射するポスト噴射又は吸気行程又は排気行程の上死点近傍で気筒内に燃料を噴射するビゴム噴射等の副噴射を実施している。
【０００５】
また、ＰＭ再生処理の開始時期を特定する方法としては、フィルタ前後に圧力センサを設けこれらの圧力センサの検出値の差に基づいて決定する方法や、カーナビゲーションシステム等から得られる情報に基づき排気ガスの状態がＰＭ再生処理に適した開始時期であると判定して特定する方法などが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
国際公開第ＷＯ９７／１６６３２
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の排気浄化装置を搭載した自動車が標高の高い場所（高地）に行く場合、登坂路を走行する必要があることから内燃機関が高負荷運転となり排気ガス温度が高くなり易い。更に、高地の酸素濃度は低地の酸素濃度より低いため、高地走行時における内燃機関の空燃比が低地走行時よりリッチ側にずれる可能性が有り、排気ガス温度が高くなるおそれもある。
【０００８】
そのため、上述のようにＰＭ再生開始時期を特定したとしても、ＰＭ再生処理中に高地に行く場合や高地を走行する場合には、上述のように低地を走行する場合よりも排気ガス温度が高くなることから、フィルタの温度が過剰に昇温する可能性がある。そして、フィルタが過剰に昇温すると、フィルタの溶損を生じさせてしまう。
【０００９】
これは、低地では燃焼反応の時間遅れを考慮して上述のポスト噴射あるいはビゴム噴射を停止すれば過剰昇温を防止できるが、ＰＭ再生処理中に高地に行く場合や高地を走行する場合には排気ガス温度が過剰に高くなることから、ポスト噴射あるいはビゴム噴射を停止しても遅すぎる可能性があるからである。
【００１０】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、パティキュレート捕集手段の過剰昇温に起因する溶損を防止しつつＰＭ再生処理を適切に実行することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にあっては、内燃機関から排出されるパティキュレートを捕集するパティキュレート捕集手段と、前記パティキュレート捕集手段に捕集されたパティキュレートを酸化除去する酸化除去手段と、車両の走行状態を予測する走行状態予測手段と、前記走行状態予測手段にて予測された走行状態に基づいて前記パティキュレート捕集手段の温度を予測する温度予測手段と、前記温度予測手段にて予測された温度に基づいて前記酸化除去手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
前記パティキュレート捕集手段としては、パティキュレートフィルタを例示することができ、該パティキュレートフィルタに酸化触媒あるいは吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したものであってもよい。
【００１３】
このように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、パティキュレート捕集手段によりパティキュレートが過度に捕集されることに起因する内燃機関の出力低下を防止するために、酸化除去手段を備え、パティキュレート捕集手段に捕集されたパティキュレートを酸化除去してパティキュレート捕集手段の再生を図る、いわゆるＰＭ再生処理を実行する。
【００１４】
そして、ＰＭ再生処理はパティキュレート捕集手段の温度を上昇させて行うが、パティキュレート捕集手段の温度を上昇させる手段としては以下を例示することができる。（１）内燃機関の圧縮行程での主燃料噴射に加えて、排気行程中又は膨張行程中に気筒内に燃料を副次的に噴射するポスト噴射又は吸気行程もしくは排気行程の上死点近傍で気筒内に燃料を噴射するビゴム噴射等の副噴射を行う。（２）パティキュレート捕集手段の上流から排気ガス中に還元剤を添加する。
【００１５】
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、車両の走行状態を予測する走行状態予測手段と、前記走行状態予測手段にて予測された走行状態に基づいてパティキュレート捕集手段の温度を予測する温度予測手段と、前記温度予測手段にて予測された温度に基づいて前記酸化除去手段を制御する制御手段とを備えることにより、予め、該内燃機関が搭載された自動車等の車両の走行状態を予測し、該予測した走行状態からパティキュレート捕集手段の温度を予測し、該予測した温度に基づいて酸化除去手段を制御するものである。そしてこの制御は、該排気浄化装置が搭載された車両がどのような箇所を走行するかに関わらず行うものであるが、ＰＭ再生処理中に、該車両が登板路を走行する場合は内燃機関の負荷が高い運転状態となり、また、高地を走行する場合には内燃機関の空燃比がリッチ側にずれた状態で運転されるおそれがあるので、平地あるいは低地を走行する場合よりも排気ガス温度が高くなり、パティキュレート捕集手段の温度が過剰に昇温する可能性がある。かかる場合に、特に、本制御の効果が発揮され、パティキュレート捕集手段が過剰に昇温することに起因する該捕集手段の溶損を防止することができる。
【００１６】
また、前記走行状態予測手段は、内燃機関に吸入される大気の酸素濃度を予測して走行状態を予測するものであることが好適である。そして、具体的には、前記走行状態予測手段は、ナビゲーションシステムから得られる情報によりあるいは圧力センサ、空気密度センサ又は傾斜角センサの少なくとも一つを用いて内燃機関に吸入される大気の酸素濃度を予測して走行状態を予測するものであることが好適である。
【００１７】
そして、上述の本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記酸化除去手段は、内燃機関に噴射される燃料噴射量あるいは前記パティキュレート捕集手段の上流から排気ガス中に添加される還元剤添加量の少なくともいずれかを調節して前記パティキュレート捕集手段に流入する排気ガスの温度を所定温度にすることによりパティキュレートを酸化除去するものである場合、前記制御手段は、前記温度予測手段にて予測された温度が所定温度より高い場合は、前記燃料噴射量あるいは還元剤添加量を減量させるように前記酸化除去手段を制御することが好適である。
【００１８】
例えば、ナビゲーションシステムから得られる情報によりあるいは圧力センサ、空気密度センサ又は傾斜角センサの少なくとも一つを用いて予測した内燃機関に吸入される大気の酸素濃度が薄く、燃焼室内の空燃比がリッチにずれるような運転状態で車両が走行することにより、前記温度予測手段にて予測された温度が所定温度より高い場合は、制御手段が、前記燃料噴射量あるいは還元剤添加量を減量させるように前記酸化除去手段を制御するようにする。このようにすることでパティキュレート捕集手段が過剰に昇温することに起因する該捕集手段の溶損を防止することができる。
【００１９】
また、前記走行状態予測手段は、内燃機関の負荷を予測して走行状態を予測するものであることが好適である。そして、具体的には、前記走行状態予測手段は、ナビゲーションシステムから得られる情報によりあるいは圧力センサ、空気密度センサ又は傾斜角センサの少なくとも一つを用いて内燃機関の負荷を予測して走行状態を予測するものであることが好適である。
【００２０】
そして、上述の本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記酸化除去手段は、内燃機関に噴射される燃料噴射量あるいは前記パティキュレート捕集手段の上流から排気ガス中に添加される還元剤添加量の少なくともいずれかを調節して前記パティキュレート捕集手段に流入する排気ガスの温度を所定温度にすることによりパティキュレートを酸化除去するものである場合、前記制御手段は、前記温度予測手段にて予測された温度が所定温度より高い場合は、前記燃料噴射量あるいは還元剤添加量を減量させるように前記酸化除去手段を制御することが好適である。
【００２１】
例えば、ナビゲーションシステムから得られる情報によりあるいは圧力センサ、空気密度センサ又は傾斜角センサの少なくとも一つを用いて予測した内燃機関の負荷が高くなる運転状態で車両が走行することにより、前記温度予測手段にて予測された温度が所定温度より高い場合は、制御手段が、前記燃料噴射量あるいは還元剤添加量を減量させるように前記酸化除去手段を制御するようにする。このようにすることでパティキュレート捕集手段が過剰に昇温することに起因する該捕集手段の溶損の促進を防止することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４気筒ディーゼルエンジンである。
【００２４】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、蓄圧室（コモンレール）４と接続され、このコモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。
【００２５】
内燃機関１には、吸気通路７が接続されており、この吸気通路７は、エアクリーナボックス８に接続されている。そして、エアクリーナボックス８より下流の吸気通路７には、該吸気通路７内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ９が取り付けられている。
【００２６】
また、吸気通路７の途中には、過給機（ターボチャージャー）１０のコンプレッサハウジング１０ａが設けられている。コンプレッサハウジング１０ａより下流の吸気通路７にはインタークーラ１１が取り付けられている。更にインタークーラ１１より下流の吸気通路７には、該吸気通路７内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１２が設けられている。この吸気絞り弁１２には、該吸気絞り弁１２を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１３が取り付けられている。
【００２７】
そして、コンプレッサハウジング１０ａに流入し、該コンプレッサハウジング１０ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ１１にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１２によって流量を調節されて吸気通路７を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００２８】
また、内燃機関１には排気通路１４が接続され、この排気通路１４は下流にて図示しないマフラーと接続されている。
【００２９】
また、排気通路１４の途中には、前記過給機１０のタービンハウジング１０ｂが配置されており、排気通路１４のタービンハウジング１０ｂより下流の部位には、パティキュレート捕集手段である酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という。）が備えられた排気浄化装置１５が配置されている。
【００３０】
そして、排気浄化装置１５の上流の排気通路１４には該排気通路１４内を流通する排気ガスの圧力に対応した電気信号を出力するフィルタ上流圧力センサ２６が取り付けられており、排気浄化装置１５より下流の排気通路１４には排気通路１４内を流通する排気ガスの空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ１６と、該排気通路１４内を流通する排気ガスの温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ１７と、該排気通路１４内を流通する排気ガスの圧力に対応した電気信号を出力するフィルタ下流圧力センサ２７とが取り付けられている。
【００３１】
そして、タービンハウジング１０ｂから排出された排気ガスは、排気通路１４を介して排気浄化装置１５へ流入し、排気ガス中の有害物質が除去又は浄化される。
【００３２】
また、前記吸気通路７における吸気絞り弁１２より下流の部位と、前記排気通路１４におけるタービンハウジング１０ｂより上流の部位とは、排気ガスの一部を吸気通路７へ再循環させるＥＧＲ通路１８を介して連通されている。このＥＧＲ通路１８の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路１８内を流通する排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」という。）の流量を変更するＥＧＲ弁１９が設けられている。
【００３３】
そして、ＥＧＲ通路１８を介して排気通路１４から吸気通路７へ再循環されたＥＧＲガスは、吸気通路７の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒２の燃焼室へ導かれ、燃料噴射弁３から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【００３４】
ここで、ＥＧＲガスには、水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、吸熱性を有する不活性ガス成分が含まれているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が抑制される。
【００３５】
また、排気浄化装置１５より上流の排気通路１４を流通する排気ガス中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給手段２８を備えている。
【００３６】
この還元剤供給手段２８は、図１に示されるようにその噴孔が排気通路１４内に臨むよう内燃機関１のシリンダヘッドに取り付けられ、所定の開弁圧以上の燃料が印加されたときに開弁して燃料を噴射する還元剤添加弁２１と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料を前記還元剤添加弁２１へ導く還元剤供給路２２とを備えている。
【００３７】
尚、還元剤添加弁２１は、該還元剤添加弁２１の噴孔が排気通路１４におけるＥＧＲ通路１８との接続部位より下流であって、排気通路１４における４つの通路の集合部に最も近い気筒２の排気ポートに突出するとともに、排気通路１４の集合部へ向くようシリンダヘッドに取り付けられることが好ましい。
【００３８】
これは、還元剤添加弁２１から噴射された還元剤（未燃の燃料成分）がＥＧＲ通路１８へ流入するのを防止するとともに、還元剤が排気通路１４内に滞ることなく過給機１０のタービンハウジング１０ｂへ到達するようにするためである。
【００３９】
尚、図１に示す例では、内燃機関１の４つの気筒２のうち１番（＃１）気筒２が排気通路１４の集合部と最も近い位置にあるため、１番（＃１）気筒２の排気ポートに還元剤添加弁２１が取り付けられているが、１番（＃１）気筒２以外の気筒２が排気通路１４の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒２の排気ポートに還元剤添加弁２１が取り付けられるようにする。
【００４０】
このように構成された還元剤供給手段２８において、還元剤添加弁２１から排気通路１４内へ噴射された還元剤は、排気通路１４の上流から流れてきた排気ガスとともにタービンハウジング１０ｂへ流入する。タービンハウジング１０ｂ内に流入した排気ガスと還元剤とは、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に混合された排気ガスを形成する。
【００４１】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２５が併設されている。このＥＣＵ２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等からなる算術論理演算回路である。
【００４２】
ＥＣＵ２５には、前述したエアフローメータ９、空燃比センサ１６、排気温度センサ１７に加え、内燃機関１に取り付けられたクランクポジションセンサ２３及び水温センサ２４、フィルタ上流圧力センサ２６、フィルタ下流圧力センサ２７等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ２５に入力されるようになっている。
【００４３】
一方、ＥＣＵ２５には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１３、ＥＧＲ弁１９、還元剤添加弁２１等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２５が、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１３、ＥＧＲ弁１９及び還元剤添加弁２１等を制御することが可能になっている。
【００４４】
例えば、ＥＣＵ２５は、一定時間毎に実行すべき基本ルーチンにおいて、各種センサの出力信号の入力、機関回転数の演算、燃料噴射量の演算、燃料噴射時期の演算等を実行する。基本ルーチンにおいてＥＣＵ２５が入力した各種信号やＥＣＵ２５が演算して得られた各種制御値は、該ＥＣＵ２５のＲＡＭに一時的に記憶される。
【００４５】
例えば、ＥＧＲ制御では、先ず機関回転数、水温センサ２４の出力信号（冷却水温度）、アクセル開度等を読み出し、ＥＧＲ制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。
【００４６】
上記したＥＧＲ制御実行条件としては、冷却水温度が所定温度以上にある、内燃機関１が始動時から所定時間以上連続して運転されている、アクセル開度の変化量が正値である等の条件を例示することができる。
【００４７】
そして、上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立していると判定した場合は、ＥＣＵ２５は、機関回転数とアクセル開度とをパラメータとしてＥＧＲ弁開度制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した目標ＥＧＲ弁開度を算出し、該目標ＥＧＲ弁開度に対応した駆動電力をＥＧＲ弁１９に印加する。一方、上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立していないと判定した場合は、ＥＣＵ２５は、ＥＧＲ弁１９を全閉状態に保持すべく制御する。
【００４８】
また、ＥＣＵ２５はナビゲーションシステム４０と電気配線を介して接続されている。図２に示したのがナビゲーションシステム４０を例示するブロック図である。ナビゲーションシステム４０は、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）およびマップマッチングを利用したシステムであり、図示するように、地球周回軌道上にあるＧＰＳ衛星から送信される信号を受信すると共に受信した信号に基づいて演算される車両の走行位置，走行方向および車速を求める受信装置４２と、ＣＤ−ＲＯＭあるいはハードディスク（以下、「ＨＤ」という。）に格納されている地図情報を読み込むと共に読み込んだ地図情報を出力するＣＤ−ＲＯＭプレイヤあるいはＨＤドライブ４７と、地図情報や車両の走行位置等を表示すると共に目的地や走行経路等の入力を行なうタッチパネルディスプレイ４６と、これらを制御するディスプレイコントローラ４１とを備える。
【００４９】
受信装置４２は、地球周回軌道上にあるＧＰＳ衛星から送信される信号を受信するＧＰＳアンテナ４３と、ＧＰＳアンテナ４３により受信した信号を増幅する増幅器４４と、増幅された信号に基づいて車両の走行位置，走行方向および車速を演算すると共にこの情報をディスプレイコントローラ４１に出力するＧＰＳ受信機４５とを備える。ＣＤ−ＲＯＭプレイヤあるいはＨＤドライブ４７は、ＣＤ−ＲＯＭあるいはＨＤに格納されている地図情報を読み込み、この読み込まれた地図情報をディスプレイコントローラ４１に出力する。
【００５０】
なお、ＣＤ−ＲＯＭあるいはＨＤに格納されている地図情報としては、高速道路か一般道路か道路の種類や道路の幅や車線数，制限速度等の道路情報はもとより、市街地のように信号待ちの多い区域か郊外の道路のように比較的信号待ちの少ない区域か或いは上り下りの多い山間部の区域かの区域情報や、道路の各位置の標高や勾配等の情報等も含まれている。
【００５１】
また、タッチパネルディスプレイ４６には、目的地や走行経路を設定するための各種情報を入力する入力部が設けられており、運転者は、この入力部からタッチパネルディスプレイ４６に表示された地図を参照して目的地や経由地等を入力すると共にその走行経路を入力して、目的地や走行経路を設定することができる。
【００５２】
次に、本実施の形態に係る排気浄化装置１５のフィルタについて説明する。
【００５３】
図３にフィルタの構造を示す。なお、図３において（Ａ）はフィルタの横方向断面を示しており、（Ｂ）はフィルタの縦方向断面図を示している。図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにフィルタは、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気流出通路５１とにより構成される。なお、図３（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って、排気流入通路５０および排気流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。換言すると排気流入通路５０および排気流出通路５１は各排気流入通路５０が４つの排気流出通路５１によって包囲され、各排気流出通路５１が４つの排気流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００５４】
また、フィルタは例えば、コージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気流入通路５０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気流出通路５１内に流出する。そして、排気ガスが隔壁５４を通る際に、隔壁５４で排気ガス中に含まれる煤等のＰＭを捕集することにより、ＰＭを大気中に放出しないようにしている。
【００５５】
なお、フィルタの各排気流入通路５０および各排気流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上に、例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に酸化触媒が坦持されている。
【００５６】
また、本実施の形態に係るフィルタには酸化触媒が担持されているが、酸化触媒の代わりに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持してもよい。かかる場合は、ＰＭを浄化すると同時にＮＯｘも浄化することが可能となる。
【００５７】
また、ＰＭがフィルタにより過度に捕集されると隔壁５４は目詰まりを起こす。この目詰まりは排気抵抗の増加を生じさせ内燃機関１の出力低下を生じさせる。そのため、本実施の形態においては、酸化除去手段を備えており、該酸化除去手段が、フィルタの雰囲気温度を約５００℃以上の高温とし、酸素過剰雰囲気下でフィルタに捕集されたＰＭを酸化除去する、いわゆるＰＭ再生処理をすることとしている。なお、ＰＭ再生処理は、ＥＣＵ２５より実行されるＰＭ再生処理制御の一環として行われるものである。
【００５８】
次に、ＰＭ再生処理制御について具体的に説明する。
【００５９】
先ずＰＭがフィルタに所定量以上堆積し、再生の必要があるか否かを判定する。これは、フィルタの上流側に配置されたフィルタ上流圧力センサ２６の出力信号と下流側に配置されたフィルタ下流圧力センサ２７の出力信号とに基づいてフィルタ前後の差圧をＥＣＵ２５のＣＰＵが算出し、算出された差圧をＲＯＭに記憶されたフィルタ前後の差圧とＰＭ堆積量との関係を示す数値マップに代入することによりフィルタに堆積したＰＭの量を求めることにより判定することができる。
【００６０】
また、フィルタが再生されなかった時間に基づいて、あるいはフィルタが再生されなかった間に車輌が走行した距離等に基づいてＰＭの堆積量を推定して判定してもよい。
【００６１】
次にフィルタの再生の必要があると判定された場合には、ＰＭ再生処理実行条件が成立しているか否かを判定する。このＰＭ再生処理実行条件としては、例えば、フィルタが活性状態にあるか、排気温度センサ１７の出力信号値（排気ガス温度）が所定の上限値以下であるか等の条件を例示することができる。
【００６２】
そして、ＰＭ再生処理実行条件が成立していると判定された場合は、酸化除去手段が、フィルタの再生を行なうためにフィルタの温度を上昇させる。具体的にフィルタの温度を早期に上昇させる手段として、内燃機関１の圧縮行程での通常の主燃料噴射に加えて、排気行程中又は膨張行程中に気筒内に燃料を副次的に噴射するポスト噴射又は吸気行程もしくは排気行程の上死点近傍で気筒内に燃料を噴射するビゴム噴射等の副噴射を行うことが有効である。ポスト噴射においては、排気行程中又は膨張行程中に噴射された燃料が未燃燃料として酸化触媒に流入し、該触媒との反応熱により該触媒の温度が上昇する。一方、ビゴム噴射においては、吸気行程又は排気行程の上死点近傍で噴射された燃料がその後の行程で蒸発して着火し易いものとなり燃焼を安定させるので、主燃料噴射時期を遅延させることによりピストン運動に消費されるエネルギ量が減少し、それに伴い温度上昇した排気ガスがフィルタに到達することにより該フィルタの温度が上昇する。更に噴射された燃料の未燃分が酸化触媒を担持したフィルタに供給され、それが該触媒上で酸化反応を起こし、以って該触媒の温度が上昇する。そして、酸化触媒の温度が上昇すると触媒を担持したフィルタの温度も上昇し、ＰＭが酸化し除去されることとなる。なお、ポスト噴射及びビゴム噴射等の副噴射は、主燃料噴射との間に必ずしもインターバルを設ける必要はない。
【００６３】
副噴射の量及び噴射時期は、アクセル開度と機関回転数と副噴射量又は副噴射時期との関係を予め経験等により導き出してマップ化しておきＲＯＭに記憶させておけば、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから算出することができる。
【００６４】
また、上述の副噴射の代わりにあるいは副噴射とともに、還元剤添加弁２１から排気ガス中へ還元剤たる燃料を添加させることにより、それらの未燃燃料成分をフィルタに担持した酸化触媒において酸化させ、酸化の際に発生する熱によって酸化触媒の床温を高めるようにしてもよい。かかる場合にも酸化触媒の温度が上昇することによりフィルタの温度も上昇し、ＰＭが酸化し除去されることとなる。
【００６５】
そして、ＰＭ再生処理終了条件が成立したらＰＭ再生処理を終了する。このＰＭ再生処理終了条件としては、ＰＭ再生処理実行開始から所定時間経過したこと、あるいはフィルタに所定量以上堆積していないことを例示することができる。
なお、フィルタのＰＭ堆積量は、上述したように、フィルタの前後差圧とＰＭ堆積量との関係を示す数値マップに代入することにより求めることができる。
【００６６】
しかしながら、例えば、ＰＭ再生処理実行開始から所定時間経過した後にＰＭ再生処理を一律に終了する場合、ＰＭ再生処理中に登板路を走行する場合や酸素濃度が薄い高地を走行する場合には排気ガス温度が急激に上昇し、フィルタの温度が過剰に高くなるおそれもある。これは、平地を走行する場合や低地を走行する場合には燃焼反応の時間遅れを考慮してＰＭ再生中に実施される上述のポスト噴射あるいはビゴム噴射を停止すれば過剰昇温を防止できるが、ＰＭ再生処理中に登板路を走行する場合は高負荷運転となり、また、空気密度が薄く酸素濃度が低い高地を走行する場合は内燃機関の空燃比を制御したとしても低地よりもリッチ側にずれる可能性が有ることから、排気ガス温度が急激に上昇してしまうおそれがあり、ＰＭ再生処理中のポスト噴射あるいはビゴム噴射を停止しても排気ガス温度が上昇した分フィルタの温度が高くなるおそれがあるからである。
【００６７】
そこで、本実施の形態においては、フィルタの温度を予測する温度予測手段と、該温度予測手段にて予測された温度に基づいて酸化除去手段を制御する制御手段とを備え、ＰＭ再生処理中のフィルタの温度を予測し、フィルタの温度が過剰に上昇するおそれがある場合には、その時点で制御手段が酸化除去手段によるＰＭ再生処理を中止するようにする。
【００６８】
この温度予測手段は、本実施の形態に係る排気浄化装置に備えられた走行状態予測手段にて予測された車両の走行状態に基づいてフィルタの温度を予測するものであるが、具体的に、ＰＭ再生処理中のフィルタの温度を予測する手法として以下を例示することができる。ナビゲーションシステム４０から得られる道路の各位置の標高や勾配等の情報を利用する。具体的には、先ず走行状態予測手段が、ナビゲーションシステム４０より、現時点以降の自動車の走行経路から走行する道路の標高や勾配の情報を取得し、これらの情報から、車両が登板路を走行するあるいは車両が高地を走行する等を予測する。そして、ＥＣＵ２５が、車両が登板路を走行するから内燃機関の負荷が高い運転状態である走行状態となるあるいは車両が高地を走行するから内燃機関に吸入される空気の酸素濃度が薄くなり燃焼室内の空燃比がリッチ側にずれる運転状態である走行状態となる等を予測し、排気ガスの温度上昇分を予測する。一方で、ＥＣＵ２５はポスト噴射若しくはビゴム噴射等の副噴射による燃料噴射量又は還元剤添加弁２１からの排気ガス中への還元剤添加量からＰＭ再生処理のためにフィルタへ与えられる熱量は求めることができる。そして、予測された排気ガスの温度上昇分とフィルタへ与えられる熱量とから将来のフィルタの温度を予測する。
【００６９】
そして、予測したフィルタの温度が、フィルタの溶損を生じさせてしまう温度である所定温度ＴＨよりも高くなる場合は、その時点でＰＭ再生処理を中止するように制御する。なお、該所定温度は、フィルタの材質、サイズ等によって予め設定するものである。
【００７０】
次に、具体的に、ＰＭ再生処理制御を図４に示すフローチャートを用いて説明する。
【００７１】
まず、ステップ１００にてフィルタの再生処理の必要があるか否かが判定され、ＰＭ再生処理が必要であると判定された場合はステップ１０１へ進み、必要でないと判定された場合はＰＭ再生処理制御を終了する。
【００７２】
ステップ１０１では、ＰＭ再生処理実行条件が成立しているか否かが判定され、成立している場合はステップ１０２に進み、成立していない場合はＰＭ再生処理制御を終了する。そして、ステップ１０２にてＰＭ再生処理の実行開始の指示がなされ、ステップ１０３に進む。ＰＭ再生処理実行の手法としては、上述したポスト噴射あるいはビゴム噴射の副噴射又は還元剤添加弁２１による還元剤添加にて実行するものである。
【００７３】
そして、ステップ１０３にて、現時点以降の走行経路の道路の勾配や各位置の標高（高度）の情報をナビゲーションシステム４０により取得する。その後、ステップ１０４に進み、ステップ１０４にて将来のフィルタの温度を予測する。そして、ステップ１０５にて、ステップ１０４にて予測したフィルタ温度が所定温度ＴＨより高いか否かが判定され、高くない場合はステップ１０６へ進みＰＭ再生処理が継続され、高い場合はステップ１０７へ進む。
【００７４】
そして、ステップ１０７においてＰＭ再生処理が中止される。具体的には、上述したポスト噴射あるいはビゴム噴射の副噴射又は還元剤添加弁２１による還元剤添加を中止することとなる。
【００７５】
ステップ１０８においては、ＰＭ再生処理終了条件が成立しているか否かが判定される。具体的には、ＰＭ再生処理実行開始から所定時間経過したか否か、あるいはＰＭ堆積量が所定量以下か否かにより判定する。そして、ＰＭ再生処理終了条件が成立している場合はステップ１０９にてＰＭ再生処理を終了し本制御を終了する。一方、ＰＭ再生処理終了条件が成立していない場合は、再度ステップ１０３へ戻り、その後上述した処理が繰り返されることとなる。
【００７６】
なお、本実施の形態においては、ＰＭ再生処理の実行開始時期は、フィルタ前後に圧力センサを設け、フィルタ前後の差圧から目詰まりが生じているか否かを判断して決定する場合等を例示したが、ナビゲーションシステム４０に運転者から目的地や経由地が入力され、走行経路が設定されている場合は、その走行経路の勾配あるいは標高（高度）等の情報に基づき排気ガスの温度を予測して最適なＰＭ再生処理を実行できるような開始時期にて、ＰＭ再生処理の実行を開始してもよい。
【００７７】
高地に行く場合や高地を走行する場合は排気ガス温度が高くなることから、ＰＭ再生処理の実行を開始するには非常に適している。したがって、ナビゲーションシステム４０からの走行経路の情報に基づいて内燃機関からの排気ガス温度を予測し、高地に行く場合や高地を走行する場合にＰＭ再生処理の実行を開始するようにすれば、早期にフィルタの温度を上昇させることができるので燃費向上を図ることができる。
【００７８】
（第２の実施の形態）
本実施の形態は第１の実施の形態に対して、ＰＭ再生処理制御のみについて変更したものである。その他の構成は第１の実施の形態と同じであるのでその説明は省略する。
【００７９】
第１の実施の形態においては、ステップ１０５にて予測フィルタ温度が所定温度ＴＨよりも高いと判定したら、ステップ１０７にてその時点でＰＭ再生処理を中止するため、ＰＭ堆積量にかかわらずＰＭ再生処理が中止される。そこで、本実施の形態は、内燃機関の排気ガス温度の上昇分に応じて、ＰＭ再生処理の際のポスト噴射あるいはビゴム噴射の副噴射による副噴射量、又は還元剤添加弁２１から排気ガス中へ噴射される還元剤添加量を調節して、フィルタ温度が所定温度ＴＨより低くなるようにし、上述のＰＭ再生処理終了条件が成立するまでＰＭ再生処理を継続する。
【００８０】
具体的には、第１の実施の形態においては、ステップ１０５にて予測フィルタ温度が所定温度ＴＨよりも高いと判定したら、ステップ１０７にてその時点でＰＭ再生処理を中止していたが、本実施の形態では、図５のフローチャートに示すようにステップ２０５にて予測フィルタ温度が所定温度ＴＨよりも高いと判定したら、ステップ２０７にてポスト噴射あるいはビゴム噴射の副噴射による副噴射量、又は還元剤添加弁２１から排気ガス中へ噴射される還元剤添加量を減量するようにする。
【００８１】
そして、その後はステップ２０８に進み、ＰＭ再生処理終了条件が成立しているか否かを判定し、ＰＭ再生処理終了条件が成立している場合はステップ２０９にてＰＭ再生処理を終了し本制御を終了する。一方、ＰＭ再生処理終了条件が成立していない場合は、再度ステップ２０３へ戻り、ＰＭ再生処理が繰り返されることとなる。
【００８２】
例えば、ナビゲーションシステム４０により得られた、現時点以降の自動車が走行する坂道の勾配があまり急ではない場合や走行する道路の標高（高度）が高くなく酸素濃度があまり薄くならない場合は、排気ガス温度がそれ程急上昇しない。かかる場合に、内燃機関の排気ガス温度の上昇分を考慮して、ポスト噴射あるいはビゴム噴射の副噴射による副噴射量、又は還元剤添加弁２１から排気ガス中へ噴射される還元剤添加量を減量して、全体としてフィルタの温度が所定温度ＴＨより低くなるようにすることで、ＰＭ再生処理終了条件が成立するまでＰＭ再生処理を継続することができる。
【００８３】
なお、もし、ナビゲーションシステムにより得られた、現時点以降の自動車が走行する坂道の勾配が急である場合や走行する道路の標高（高度）が高く酸素濃度が薄い場合には、排気ガス温度が急上昇し、ポスト噴射あるいはビゴム噴射の副噴射による副噴射量、又は還元剤添加弁２１から排気ガス中へ噴射される還元剤添加量をゼロにする必要がある場合があるが、かかる場合にも、本実施の形態では、ＰＭ再生処理終了条件が成立するまでＰＭ再生処理を継続する。
【００８４】
（第３の実施の形態）
本実施の形態においては、第１の実施の形態及び第２の実施の形態の内燃機関又は該内燃機関が搭載される自動車に、更に自動車が位置する道路の傾斜角もしくは勾配を検知する傾斜角センサと、大気の圧力を検知する圧力センサ又は大気の酸素濃度を検知する酸素濃度センサとを備える。そして、各種センサが電気配線を介してＥＣＵ２５に接続され、各種センサの出力信号がＥＣＵ２５に入力されるようになっている。その他の構成は第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同一であるのでその説明は省略する。
【００８５】
そして、第１の実施の形態及び第２の実施の形態においては、現時点以降の自動車が走行する坂道の勾配や道路の標高（高度）等の情報をナビゲーションシステム４０にて取得して、フィルタの温度を予測していたが、本実施の形態においては、圧力センサ、空気密度センサ又は傾斜角センサの少なくとも一つを用いて現時点以降の自動車が走行する坂道の勾配や道路の標高（高度）等の情報を取得して、フィルタの温度を予測する。
【００８６】
傾斜角センサを用いれば、現時点走行している道路が坂道であることを検知できることから、現時点以降に走行する道路の勾配も同様であると判定して現時点以降の内燃機関の負荷を予測して車両の走行状態を予測し、ひいては排気ガス温度、フィルタ温度も予測することができる。
【００８７】
また、圧力センサあるいは酸素濃度センサを用いれば、現時点走行している道路の標高（高度）に応じた酸素濃度を認識できることから、現時点以降に走行する道路の酸素濃度も同様であると判定して現時点以降の燃焼室内の空燃比のズレを予測して車両の走行状態を予測し、ひいては排気ガス温度、フィルタ温度も予測することができる。
【００８８】
また、傾斜角センサ及び圧力センサ若しくは酸素濃度センサを用いれば、現時点走行している道路が登板路であることと走行している道路近辺の酸素濃度とを検知できることから、現時点以降に走行する道路の勾配及びその近辺の酸素濃度を予測して現時点以降の内燃機関の負荷及び空燃比のズレを予測し、車両の走行状態を予測できる。そして、ひいては排気ガス温度、フィルタ温度も予測することができる。
【００８９】
なお、本実施の形態に係るＰＭ再生処理制御のフローチャートとしては、図４及び図５のフローチャートにおいて、図４のステップ１０３及び図５のステップ２０３の「道路の勾配、高度等の情報をナビゲーションシステムより取得」する代わりに「道路の勾配、酸素濃度等の情報を傾斜角センサ、圧力センサあるいは酸素濃度センサより取得」するように変更するだけで、その他のステップは全て同一である。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パティキュレート捕集手段の温度を予測する温度予測手段と、パティキュレート捕集手段に捕集されたパティキュレートを酸化除去する酸化除去手段を該温度予測手段にて予測された温度に基づいて制御する制御手段とを備えているので、パティキュレート捕集手段が過剰に昇温しないようにすることができ、溶損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図２】ナビゲーションシステムの内部構成を示すブロック図である。
【図３】（Ａ）は、パティキュレートフィルタの横方向断面を示す図であり、（Ｂ）は、パティキュレートフィルタの縦方向断面を示す図である。
【図４】第１の実施の形態に係るＰＭ再生処理制御のフローチャート図である。
【図５】第２の実施の形態に係るＰＭ再生処理制御のフローチャート図である。
【符号の説明】
１内燃機関
２気筒
３燃料噴射弁
４コモンレール
５燃料供給管
６燃料ポンプ
７吸気通路
８エアクリーナボックス
９エアフローメータ
１０過給機
１１インタークーラ
１２吸気絞り弁
１３吸気絞り用アクチュエータ
１４排気通路
１５排気浄化装置
１６空燃比センサ
１７排気温度センサ
１８ＥＧＲ通路
１９ＥＧＲ弁
２０排気ポート
２１還元剤添加弁
２２還元剤供給路
２３クランクポジションセンサ
２４水温センサ
２５ＥＣＵ
２６フィルタ上流圧力センサ
２７フィルタ下流圧力センサ
２８還元剤供給手段（２１、２２を備えるもの）
４０ナビゲーションシステム
４１ディスプレイコントローラ
４２受信装置
４３ＧＰＳアンテナ
４４増幅器
４５ＧＰＳ受信機
４６タッチパネルディスプレイ
４７ＣＤ−ＲＯＭプレイヤあるいはＨＤＤ
５０排気流入通路
５１排気流出通路
５２，５３栓
５４隔壁

Claims

内燃機関から排出されるパティキュレートを捕集するパティキュレート捕集手段と、
前記パティキュレート捕集手段に捕集されたパティキュレートを酸化除去する酸化除去手段と、
車両の走行状態を予測する走行状態予測手段と、
前記走行状態予測手段にて予測された走行状態に基づいて前記パティキュレート捕集手段の温度を予測する温度予測手段と、
前記温度予測手段にて予測された温度に基づいて前記酸化除去手段を制御する制御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。
前記走行状態予測手段は、内燃機関に吸入される大気の酸素濃度を予測して走行状態を予測することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記走行状態予測手段は、内燃機関の負荷を予測して走行状態を予測することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記走行状態予測手段は、ナビゲーションシステムから得られる情報に基づいて走行状態を予測することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記走行状態予測手段は、圧力センサ、空気密度センサ又は傾斜角センサの少なくとも一つを用いて走行状態を予測することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記酸化除去手段は、内燃機関に噴射される燃料噴射量あるいは前記パティキュレート捕集手段の上流から排気ガス中に添加される還元剤添加量の少なくともいずれかを調節して前記パティキュレート捕集手段に流入する排気ガスの温度を所定温度にすることによりパティキュレートを酸化除去するものであり、
前記制御手段は、前記温度予測手段にて予測された温度が所定温度より高い場合は、前記燃料噴射量あるいは還元剤添加量を減量させるように前記酸化除去手段を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。