JP4403961B2

JP4403961B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4403961B2
Application number: JP2004363993A
Authority: JP
Inventors: 誠齊藤; 茂人矢羽田; 和治栩川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: DE102005011419B4; US20050198944A1; US7254940B2; JP2005291198A; DE102005011419A1

Description

本発明はパティキュレートフィルタを備える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の再生時期の適正化に関する。

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する。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。

堆積した排気微粒子が燃焼除去されるパティキュレートフィルタの再生の態様は、運転者のアクセルペダルの踏込みによる燃料噴射量の増大時などに高温化する排ガスの熱により自然に堆積排気微粒子が燃焼除去される自然再生と、強制的に堆積排気微粒子を燃焼除去する強制再生がある。強制再生は、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。また、燃料の噴射時期を遅角化して排ガスを高温化するものもある。

自然再生は運転者のアクセルペダル操作に応じてなされるから、不定期になされ、強制再生は随意に実行可能である。

強制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り、再生時に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、破損するおそれも生じる。このため、内燃機関の運転状態に基づいて排気微粒子の堆積量を演算し、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

ところで、堆積排気微粒子の燃焼速度はパティキュレートフィルタ内で均一であるとは限らない。均一でないと、自然再生と堆積を繰り返すうちに、パティキュレートフィルタ内の堆積ばらつきが大きくなっていくおそれがある。また、強制再生では再生が進行するにしたがって、すなわち残存排気微粒子が減り堆積量が少なくなるにしたがって再生効率が低下する。このため、堆積排気微粒子を完全除去（堆積量＝０）するのは複数回の強制再生に１回ずつに限り、その他の回の強制再生では排気微粒子が残存した状態で再生を終了するのが望ましいが、この場合は一層、パティキュレートフィルタ内の堆積分布が拡大するおそれがある。前記特許文献１の技術では堆積分布については把握できず、平均的な堆積状態しか分からないから、パティキュレートフィルタの位置によっては、急速燃焼のおそれがある。

本発明は前記実情に鑑みなされたもので、パティキュレートフィルタの再生時に堆積排気微粒子の急速燃焼を効果的に防止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。

請求項１記載の発明では、内燃機関の排気通路の途中に、排ガス中の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、該パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去するパティキュレートフィルタの再生が、堆積した排気微粒子が排ガスの温度上昇で自然に燃焼除去される自然再生とともに、内燃機関の運転状態に基づいて排気微粒子の現在の堆積量を演算し、現在の堆積量が予め設定した上限値を超えたときは、強制的に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によりなされるようにした内燃機関の排気浄化装置において、
内燃機関の運転状態に基づいて前記自然再生中か否かの判定を行う自然再生判定手段と、
前記判定により自然再生開始後に自然再生が停止したと判断されており、かつ排気微粒子の堆積量が予め設定した所定値以下になると、前記強制再生を実行させ、堆積排気微粒子の除去を行って強制再生を完了させる強制再生制御手段を具備せしめる。

自然再生とは、エンジン運転条件の変化により排気温度が排気微粒子の自然燃焼可能な温度まで上昇することにより、排気微粒子が燃焼除去されることを示す。この自然再生状態においては排気微粒子の堆積量が小さくなるほど、それまでに燃焼が積算して進行している蓋然性が高く、パティキュレートフィルタ内の堆積ばらつきが拡大しているといえる。したがって、内燃機関の運転状態に基づいて演算された堆積量が、堆積ばらつきの拡大による推定精度の悪化の観点から予め設定されたある所定値を下回ったことからパティキュレートフィルタ内の堆積ばらつきが大きくなったものと推定することができる。そして、強制再生の完了により堆積排気微粒子をほぼ完全に除去することで、堆積ばらつきが拡大するのを回避することができる。これにより、パティキュレートフィルタ内の部分的な急速燃焼の発生を効果的に防止することができる。

請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記パティキュレートフィルタ内の温度を計測する温度計測手段を具備せしめ、
前記自然再生判定手段は、前記温度が予め設定した基準値を超えると肯定判断するように設定する。

酸化触媒は活性温度を超えた温度域で堆積排気微粒子が燃焼可能となり、酸化触媒の温度はパティキュレートフィルタ内の温度の高低と対応しているから、パティキュレートフィルタ内の温度に基づいて堆積排気微粒子が燃焼状態にあるか否かを判断することができる。

請求項３記載の発明では、請求項１または２記載の構成において、前記強制再生制御手段は、前記所定値を、再生の進行とともに前記パティキュレートフィルタ内の堆積微粒子の堆積ばらつきが大きくなることに基づき、堆積ばらつきの許容限界値に対応する排気微粒子の堆積量の下限値に設定する。

自然再生中にエンジン運転条件の変化により自然再生が中断すると、パティキュレートフィルタ内の排気微粒子の既燃焼部と未燃焼部との堆積偏差が大きくなり、排気微粒子の堆積量（総量）の推定精度が悪化しやすい。さらに、この自然再生の中断パターンが繰り返されると、未燃焼部に排気微粒子が次々と累積堆積されてしまい、高排気熱によって一気に着火燃焼するおそれがある。堆積偏差は、燃焼により残存する堆積微粒子量が減少するほど大きくなる傾向があることから、その偏りが推定精度の悪化が許容できない程度かどうかによって、残存する堆積微粒子量の下限値を設定し、これを所定値として強制再生を実行する。この強制再生の完了により堆積排気微粒子をほぼ完全に除去することで、排気微粒子堆積の前歴が払拭されるので、推定精度悪化要因が排除され、排気微粒子の燃焼過程において燃焼温度が過大となるのを防止できる。

請求項４記載の発明では、内燃機関の排気通路の途中に、排ガス中の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、該パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去するパティキュレートフィルタの再生が、堆積した排気微粒子が排ガスの温度上昇で自然に燃焼除去される自然再生とともに、内燃機関の運転状態に基づいて排気微粒子の現在の堆積量を演算し、現在の堆積量が予め設定した上限値を超えたときは、強制的に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によりなされる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内における堆積排気微粒子の燃焼分布を計測する燃焼分布計測手段と、
前記パティキュレートフィルタ内における燃焼分布に基づいてパティキュレートフィルタ内の堆積排気微粒子の堆積ばらつきを示す堆積偏度を演算する堆積偏度演算手段と、
前記堆積偏度が予め設定した基準値を超えると、前記強制再生を実行させ、堆積排気微粒子の除去を行って強制再生を完了させる強制再生制御手段を具備せしめる。

堆積排気微粒子の燃焼がパティキュレートフィルタ内でばらつくことにより、パティキュレートフィルタ内で排気微粒子の堆積量のばらつきが生じるから、燃焼分布に基づいて堆積偏度を演算し、堆積偏度を基準値と比較することで、パティキュレートフィルタ内の堆積ばらつきが大きくなっているか否かを判断することができる。そして、堆積偏度が基準値を超えていれば強制再生を実行して堆積排気微粒子をほぼ完全除去することで、パティキュレートフィルタ内の一部で堆積量が過剰になるのを回避することができる。これにより、パティキュレートフィルタ内の部分的な急速燃焼の発生を効果的に防止することができる。

請求項５記載の発明では、内燃機関の排気通路の途中に、排ガス中の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、該パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去するパティキュレートフィルタの再生が、堆積した排気微粒子が排ガスの温度上昇で自然に燃焼除去される自然再生とともに、内燃機関の運転状態に基づいて排気微粒子の現在の堆積量を演算し、現在の堆積量が予め設定した上限値を超えたときは、強制的に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によりなされる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内における堆積排気微粒子の燃焼分布を計測する燃焼分布計測手段と、
前記パティキュレートフィルタ内における燃焼分布を含む内燃機関の運転状態に基づいてパティキュレートフィルタ内の堆積排気微粒子の最大堆積部における堆積量を演算する最大堆積部堆積量演算手段と、
前記最大堆積部における堆積量が予め設定した上限値を超えると、前記強制再生を実行させ、堆積排気微粒子の除去を行って強制再生を完了させる強制再生制御手段とを具備せしめる。

堆積排気微粒子の燃焼がパティキュレートフィルタ内でばらつくことにより、パティキュレートフィルタ内で排気微粒子の堆積量のばらつきが生じるから、燃焼分布に基づいて最大堆積部における堆積量を演算し、該堆積量を上限値と比較することで、パティキュレートフィルタ内の堆積ばらつきが大きくなっているか否かを判断することができる。そして、堆積量が上限値を超えていれば強制再生を実行して堆積排気微粒子をほぼ完全除去することで、パティキュレートフィルタ内の一部で堆積量が過剰になるのを回避することができる。これにより、パティキュレートフィルタ内の部分的な急速燃焼の発生を効果的に防止することができる。

最大堆積部は最も急速燃焼のおそれが大きい箇所であり、この箇所の堆積量の多少により堆積排気微粒子を完全除去するか否かを判断することで、急速燃焼を回避するとともに、完全再生の頻度を抑制することができる。

請求項６記載の発明では、請求項４または５の発明の構成において、前記パティキュレートフィルタ内の温度を計測する温度計測手段を具備せしめ、
前記燃焼分布計測手段は、前記温度と燃焼速度との対応関係に基づいて燃焼速度を演算するように設定する。

酸化触媒は活性温度を超えた温度域で堆積排気微粒子が燃焼可能で、高温ほど燃焼速度は速くなり、酸化触媒の温度はパティキュレートフィルタ内の温度の高低と対応しているから、パティキュレートフィルタ内の温度に基づいて堆積排気微粒子の燃焼速度を求めることができる。

（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。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（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（以下の説明および図中において適宜、ＰＭという）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、かかる信号を出力するセンサが次のように設けられている。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、パティキュレートフィルタ３２における排ガスの温度（ＤＰＦ温度Ｔdpf）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により検出されるＤＰＦ温度Ｔdpf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により検出される温度Ｔdpf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検出信号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状態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Ｇa、大気圧Ｐ0、ＤＰＦ温度Ｔdpf、およびＤＰＦ圧力損失ΔＰを取り込む。吸入空気量Ｇaはここでは質量流量である。ＤＰＦ温度Ｔdpfは、ＤＰＦ入口温度ＴIN、ＤＰＦ出口温度ＴOUTである。

これらのデータに基づいてＰＭ堆積量Ｍpmを算出する。ＰＭ堆積量Ｍpmの算出は、先ず、大気圧Ｐ0およびＤＰＦ温度Ｔdpfをパティキュレートフィルタ３２を流通する排ガスのガス状態（圧力および温度）として、吸入空気量Ｇaを、パティキュレートフィルタ３２を流通する排ガスの体積流量に換算する。換算では、ＤＰＦ入口温度ＴINおよびＤＰＦ出口温度ＴOUTを平均値化して、パティキュレートフィルタ３２内の温度の代表値とする。そして、得られた体積流量およびＤＰＦ圧力損失ΔＰに基づいてＰＭ堆積量Ｍpmを算出する。算出はマップや特性式にしたがって行う。なお、大気圧をパティキュレートフィルタ３２を流通する排ガスの圧力とみなすのではなく、パティキュレートフィルタ３２よりも下流における排気通路３の圧力損失分やパティキュレートフィルタ３２における圧力損失分（以下、適宜、下流排気管圧力損失という）を考慮して、パティキュレートフィルタ３２を流通する排ガスの圧力を算出するのもよい。この場合、下流排気管圧力損失は排ガスの体積流量に所定の係数を乗じることで求めるのがよい。また、パティキュレートフィルタ３２を流通する排ガスの体積流量を算出するに際し、燃焼による体積の増加を考慮するのもよい。

ステップＳ１０３では、ＰＭ堆積量Ｍpmが上限値である再生開始ＰＭ量以上か否かを判定する。否定判断されると、ステップＳ１０１に戻る。肯定判断されるとステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４は自然再生判定手段としての処理で、ＤＰＦ温度Ｔdpfが基準値であるＰＭ自然再生温度以上か否かを判定する。ＤＰＦ温度ＴdpfはＤＰＦ入口温度ＴINおよびＤＰＦ出口温度ＴOUTの平均値とするのもよいし、パティキュレートフィルタ３２内の温度を代表する別の代表温度でもよい。自然再生とは、エンジン運転条件の変化により排気温度が排気微粒子の自然燃焼可能な温度まで上昇することにより、排気微粒子が燃焼除去されることを示す。ここでは、前記ＰＭ自然再生温度は堆積排気微粒子をパティキュレートフィルタ３２の酸化触媒の活性温度を基準に設定される。ＤＰＦ温度ＴdpfがＰＭ自然再生温度に達せずステップＳ１０４が否定判断されると、ステップＳ１０５で強制再生を実行する。強制再生は例えばポスト噴射が用いられる。

続くステップＳ１０６，Ｓ１０７では、ステップＳ１０１，Ｓ１０２と同様に、吸入空気量Ｇa、大気圧Ｐ0、ＤＰＦ温度Ｔdpf、およびＤＰＦ圧力損失ΔＰを検出し（ステップＳ１０６）、これらに基づいてＰＭ堆積量Ｍpmを算出する（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０８では、ＰＭ堆積量Ｍpmが再生終了ＰＭ量以下か否かを判定する。肯定判断されると、ステップＳ１０９で、強制再生を終了する。したがって、再生終了ＰＭ量は強制再生を終了させるための基準値であり、堆積排気微粒子により増大した機関背圧の低下量を十分軽減し得る程度に低い値に設定する。ただし、低くしすぎると再生期間の後期になるほど、初期と同程度のポスト噴射を実行しても再生速度が鈍り、徒に燃料をポスト噴射で消費することになるので、再生の進行速度（堆積排気微粒子の燃焼除去の進行速度）が十分で比較的効率よく再生が行われるうちに強制再生が終了されるようにある程度、大きな値に設定する。

ＰＭ堆積量Ｍpmが再生終了ＰＭ量以下か否かを判定するステップＳ１０８が否定判断されるとステップＳ１０４に戻る。したがって、ＤＰＦ温度ＴdpfがＰＭ自然再生温度に達しない限り、強制再生によるパティキュレートフィルタの再生が行われることになる。

次に、ＤＰＦ温度ＴdpfがＰＭ自然再生温度に達しステップＳ１０４が肯定判断された場合について説明する。

ステップＳ１０４が肯定判断されるとステップＳ１１０以降の処理が実行される。ステップＳ１１０では、強制再生が中止される。ＤＰＦ温度ＴdpfがＰＭ自然再生温度に達しており（ステップＳ１０４）、自然再生が可能だからである。

続くステップＳ１１１，Ｓ１１２では、ステップＳ１０１，Ｓ１０２と同様に、吸入空気量Ｇa、大気圧Ｐ0、ＤＰＦ温度Ｔdpf、およびＤＰＦ圧力損失ΔＰを検出し（ステップＳ１１１）、これらに基づいてＰＭ堆積量Ｍpmを算出する（ステップＳ１１２）。

ステップＳ１１３〜Ｓ１１７は強制再生制御手段としての処理で、ステップＳ１１３では、ＰＭ堆積量Ｍpmが所定値（下限値）であるリセットＰＭ量以下か否かを判定する。リセットＰＭ量は再生終了ＰＭ量よりも小さな値に設定される。具体的には、燃焼とともにＤＰＦ内において排気微粒子の既燃焼部と未燃焼部との堆積偏差が大きくなることに起因し、推定の精度悪化の程度が許容できない程度となる限界値に対応する、ＤＰＦ内に残存する排気微粒子の検出値とすればよい。ステップＳ１１３が否定判断されるとステップＳ１０４に戻る。ステップＳ１１３が肯定判断されると、ステップＳ１１４でＤＰＦ温度ＴdpfがＰＭ自然再生温度以上か否かを判定し、肯定判断されると、すなわち自然再生状態であると、ステップＳ１１１に戻る。否定判断されると、ステップＳ１１５に進む。したがって、自然再生の進行でＰＭ堆積量ＭpmがリセットＰＭ量以下になった後、自然再生状態でなくなると、ステップＳ１１５以降の処理が実行されることになる。すなわち、ステップＳ１１５以降の処理は、自然再生状態でＰＭ堆積量ＭpmがリセットＰＭ量以下になることを条件として実行される。

ステップＳ１１５ではパティキュレートフィルタ３２の強制再生を実行する。ＤＰＦ温度Ｔdpfが自然再生に十分ではない温度であってもパティキュレートフィルタ３２の再生を継続するためである。また、時間カウンタをスタートさせ、強制再生開始後の経過時間を計測する。ステップＳ１１７では経過時間がリセット再生時間を超えたか否かを判定し、超えるまでステップＳ１１７が繰り返される。経過時間がリセット再生時間に達し、ステップＳ１１７が肯定判断されると、ステップＳ１１８で強制再生を終了し、前記時間カウンタをリセットする。前記リセット再生時間は、ＰＭ堆積量ＭpmがリセットＰＭ量のときに強制再生が開始されたとして、開始後、リセット再生時間が経過した時点で確実にパティキュレートフィルタ３２の堆積排気微粒子が燃焼により完全除去される時間に設定する。すなわち、パティキュレートフィルタ３２内の排気微粒子の最大堆積部でもすべて燃焼し尽くす程度の時間とする。

このように、本内燃機関の排気浄化装置によれば、ディーゼルエンジンの運転状態が自然再生状態になく、ＰＭ堆積量Ｍpmが再生開始ＰＭ量まで増加した時点で、強制再生が再生終了ＰＭ量になるまでなされる。このとき、自然再生状態になると、その期間は強制再生が中止されて、ポスト噴射による燃料の消費を軽減する。

そして、自然再生中に、ＰＭ堆積量ＭpmがリセットＰＭ量まで低下すると、十分な時間、強制再生が実行されて、パティキュレートフィルタ３に堆積した排気微粒子が完全除去される。なお、自然再生状態でなくなるまで強制再生が保留されるのは、自然再生中は強制再生の必要がないからである。

したがって、次の効果を奏する。図３はパティキュレートフィルタ３２内の径方向の温度分布を示すもので、外周部は奪熱されやすく、温度が低くなる傾向がある。また、図４に示すように燃焼速度は低温になると小さくなる。このため、再生時におけるパティキュレートフィルタ３２内における燃焼分布は、燃焼速度が、高温部となる外周部では速く、低温部となる中央部では遅くなる。低温部ではＰＭ堆積量が高温部ほどにはＰＭ堆積量が減少していかない。

このため、ＤＰＦ内の排気微粒子の既燃焼部と未燃焼部との分布ばらつきが生じてしまう。特に、自然再生中は、エンジン運転条件の変化により排気温度、または排気中の酸素量の急減が生じやすく、自然再生が中断することがある。この際には、ＤＰＦ内のＰＭ既燃焼部と未燃焼部との堆積偏差が大きくなる傾向にあるとともに、堆積偏差が大きくなるのに伴いＤＰＦ内のＰＭ堆積量（総量）の推定精度が悪化する。この推定精度が悪化した状態での堆積量推定値に、その後のＤＰＦへの排気微粒子の堆積を加算し、この加算値に基づき強制再生が実施されると、ＤＰＦ内のＰＭ未燃焼部が生じやすい部位での堆積密度が大きくなり、再生時での燃焼温度を過大とさせるおそれがある。

また、前記した自然再生の中断パターンが繰り返されると、ＤＰＦ内のＰＭ未燃焼部が生じやすい部位に次々と累積堆積され、特に、自然再生における排気温度の高排気熱が一気に着火加速させる環境が整ってしまうと、燃焼温度を過大とさせるおそれがある。

そこで、本発明は、自然再生中断時に、ＰＭ堆積量が予め設定した所定値（リセットＰＭ量）以下である際には、堆積排気微粒子をほぼ完全に除去するまで、強制再生を実行する。このように、強制再生の完了による堆積排気微粒子の除去を行ってしまえば、ＤＰＦの排気微粒子堆積の前歴が払拭されて、前行程でのＰＭ堆積量の推定精度悪化要因が排除され、ＤＰＦ内での排気微粒子の燃焼過程における異常高温度発生が回避できる。

図５はＰＭ堆積量の推移を示すもので、ＰＭ堆積量Ｍpmが再生開始ＰＭ量に達すると、強制再生がなされる。なお、ＰＭ堆積量Ｍpmが再生開始ＰＭ量に達していなくとも、ＰＭ堆積量Ｍpmが減少する期間は自然再生がなされている期間である。かかる排気微粒子の堆積と再生による燃焼除去とを繰り返しながらＰＭ堆積量が推移していくことなるが、再生がなされている期間には、前記燃焼速度の偏りに基因して、ＰＭ堆積量の偏りが拡大していく。図６はパティキュレートフィルタ３２内におけるＰＭ堆積量ばらつきを、排気微粒子の堆積が最も多い最大堆積部のＰＭ堆積量（ＰＭ堆積量のＭａｘ値）から排気微粒子の堆積が最も少ない最小堆積部のＰＭ堆積量（ＰＭ堆積量のＭｉｎ値）を減じたもので表して、このＰＭ堆積量ばらつきと、排気微粒子が均一に堆積した状態からのＰＭ燃焼量積算値との関係を示したものである。燃焼が進行するにしたがってＰＭ堆積量ばらつきが増大していく。

そして、従来の排気浄化装置（従来例）では、パティキュレートフィルタ内でＰＭ堆積量が偏ったまま排気微粒子の堆積が進行し、ＤＰＦ圧力損失ΔＰと排気流量とから求めたＰＭ堆積量Ｍpmが再び再生開始ＰＭ量に達し、強制再生がなされると、ＰＭ堆積量が多い外周部において急速燃焼が生じるおそれがある。

これに対して本発明では、自然再生によりＰＭ堆積量が減少し、リセットＰＭ量になると、強制再生による排気微粒子の完全除去が実行されるから、その後、再び、ＰＭ堆積量が再生開始ＰＭ量まで増大しても、最大堆積部となるパティキュレートフィルタ３２の外周部のＰＭ堆積量が過剰に突出することが回避される。これにより、排気微粒子の急速燃焼を防止することができる。

なお、強制再生による排気微粒子の完全除去では、前記リセット再生時間を、完全除去するのに十分な時間に設定しているが、途中、ＤＰＦ温度ＴdpfがＰＭ自然再生温度を超える期間があればその期間は強制再生を中止して自然再生のみとし、自然再生の期間の長さに応じてタイマでカウントする時間をリセット再生時間から減じるのもよい。

なお、ＤＰＦ温度ＴdpfをＰＭ自然再生温度と比較することで自然再生可能か否かを判定しているが、エンジン回転数や負荷などのディーゼルエンジンの運転状態に基づいて自然再生可能な運転状態か否かを判断するようにしてもよい。予めディーゼルエンジンの運転状態とＤＰＦ温度との対応関係を求めておき、前記対応関係をマップとしてＥＣＵ５１内に記憶しておく。

（第２実施形態）
図７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。

ＥＣＵ５１では、第１実施形態のごとくＰＭ堆積量Ｍdpfを算出し、ＰＭ堆積量Ｍdpfが再生開始ＰＭ量を超えたら、強制再生が開始され、ＤＰＦ温度ＴdpfがＰＭ自然再生温度以上となっている期間を除き、再生終了ＰＭ量になるまで続行される。

図７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Ｇa、大気圧Ｐ0、排ガス温度Ｔdpf、大気温Ｔa、およびＤＰＦ圧力損失ΔＰを検出する。

ステップＳ２０２，Ｓ２０３は燃焼分布計測手段としての処理で、ステップＳ２０２では、検出された排ガス温度Ｔdpfに基づいてパティキュレートフィルタ３２内の温度分布を求める。温度分布は、図８、図９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つに区画するとともに、区画したそれぞれをさらに径方向に３つの領域に区画し、合計９つの領域の各領域の代表温度を推定することにより得る。領域の区画は、各領域が同程度の体積となるように、すなわち排気微粒子の基本的な捕集能力が等しくなるように、例えば中心軸Ｘ方向に同じ大きさとし、径方向には横断面の面積が同じになるように設定する。以下の説明において、パティキュレートフィルタ３２の入口４ａに最も近い領域を横断面の中心側から領域１、領域２、領域３とし、中心軸Ｘ方向の中央部の領域を横断面の中心側から領域４、領域５、領域６とし、パティキュレートフィルタ３２の出口４ｂに最も近い領域を横断面の中心側から領域７、領域８、領域９とする。

各領域の温度の推定は例えばＤＰＦ入口ガス温度ＴINおよび外気温Ｔaに基づいて推定する。推定部位は、領域１〜領域９のそれぞれに１つずつ設定されており、例えば各領域の中心位置とする。領域１〜領域９の各温度推定点を順番にＡ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点、Ｅ点、Ｆ点、Ｇ点、Ｈ点、Ｉ点と表すものとする。また、以下の説明においてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，ＩをそれぞれＡ点の温度〜Ｉ点の温度をも表す記号として用いるものとする。

温度の推定は、先ず、ＤＰＦ入口温度ＴINに基づいて、中心軸Ｘ上のＡ点、Ｄ点、Ｇ点について行う。そして、温度Ａに基づいて、領域１と同軸の領域である領域２のＢ点、領域３のＣ点の温度を推定し、温度Ｄに基づいて、領域４と同軸の領域である領域５のＥ点、領域６のＦ点の温度を推定し、温度Ｇに基づいて、領域７と同軸の領域である領域８のＨ点、領域９のＩ点の温度を推定する。

中心軸Ｘ上のＡ点、Ｄ点、Ｇ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（１））、ＤＰＦ入口温度ＴINを入力として推定する。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ＴINのステップ応答として温度Ａ、温度Ｄ、温度Ｇ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した時、その変化はＡ点、Ｄ点、Ｇ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Ｄ、温度Ｇ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パティキュレートフィルタ３２内の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、Ｇ点が最も遅くなる。また、温度Ａ、温度Ｄ、温度Ｇ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、Ｇ点が最も遅くなる。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、ＤＰＦ入口温度ＴIN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、Ｄ点、Ｇ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。

また、領域１、領域４、領域７とそれぞれ同軸の領域の温度の推定は、中心軸Ｘ上の温度Ａ、温度Ｄ、温度Ｇと外気温Ｔaとから演算する。演算は、中心軸Ｘ上の温度Ａ、温度Ｄ、温度Ｇおよび外気温Ｔa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。外周部側では外気による奪熱の影響があるからである。

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堆積排気微粒子の燃焼速度を演算する。燃焼速度はステップＳ２０１〜Ｓ２０６が実行される周期を単位とする単位時間あたりの燃焼量である。前掲図４より知られるように、パティキュレートフィルタ３２の酸化触媒の活性温度に対応する燃焼開始温度以上の温度域で温度が高いほど大きな燃焼速度が得られる。

ステップＳ２０４では各領域のＰＭ堆積量ｍpmを算出する。算出に用いるＰＭ堆積特性式は、各領域ごとに、各領域の排気流量およびＤＰＦ圧力損失ΔＰに対してＰＭ堆積量を対応させるＰＭ堆積特性式が記憶されている。排気微粒子の燃焼により各領域の排気流量とＤＰＦ圧力損失ΔＰとで規定される各領域の流通特性が変化し、各領域のＰＭ堆積特性式が変化するので、先ず、ＰＭ堆積特性式を燃焼量に応じて更新する。次いで、更新後のＰＭ堆積特性式により各領域のＰＭ堆積量ｍpmを求める。各領域のＰＭ堆積量ｍpmの算出においてＰＭ堆積特性式に代入する排気流量は、前記吸入空気量に基づいて算出された排気流量を、燃焼量の分、減じた各領域のＰＭ堆積量に応じて配分したものとする。

ステップＳ２０５は堆積偏度演算手段としての処理で、パティキュレートフィルタ３２の領域１〜領域９のうち、ＰＭ堆積量の最大値ｍpm（ｍａｘ）と最小値ｍpm（ｍｉｎ）との差分を演算し、これを堆積偏度であるＰＭ堆積量ばらつきδＭpmとする。

ステップＳ２０６，Ｓ２０７は強制再生制御手段としての処理で、ステップＳ２０６では、ＰＭ堆積量ばらつきδＭpmを基準値と比較し、ＰＭ堆積量ばらつきδＭpmが基準値以上か否かを判定する。肯定判断されると、ステップＳ２０７で、第１実施形態のステップＳ１１５〜Ｓ１１７のように強制再生を実行し、堆積排気微粒子を完全除去する。

ＰＭ堆積量ばらつきδＭpmが基準値以上か否かを判定するステップＳ２０６が否定判断されるとステップＳ２０１に戻る。

また、ステップＳ２０５では、ＰＭ堆積量ばらつきδＭpmを、領域１〜領域９のうち、各領域のＰＭ堆積量の最大値ｍpm（ｍａｘ）と最小値ｍpm（ｍｉｎ）との差分を演算することで求めているが、簡単には、ステップＳ２０３で算出した燃焼速度を領域ごとに積算し、積算値のうちで最大値と最小値の差分をＰＭ堆積量ばらつきとしてもよい。排ガスはパティキュレートフィルタ３２の透過しやすいところに多く流れるため、堆積排気微粒子の燃焼によりパティキュレートフィルタ３２内で堆積量にばらつきができても、これを相殺する方向に自調作用が働くが、ＰＭ堆積量ばらつきは前記のごとく堆積排気微粒子の燃焼に基因するため、要求される仕様によっては、領域ごとの燃焼量の積算値のうちで最大値と最小値の差分が予め設定した基準値以上になったら、強制再生により、堆積排気微粒子を完全除去するようにしてもよい。

なお、パティキュレートフィルタ３２内の温度分布はＤＰＦ入口ガス温度ＴINではなく、ＤＰＦ出口温度ＴOUTに基づいて逆伝達関数により求めてもよい。また、ＤＰＦ入口温度ＴINおよびＤＰＦ出口温度ＴOUTに基づいて求めてもよい。

また、燃焼速度をパティキュレートフィルタ３２内の温度だけではなく、ディーゼルエンジンの運転状態を示す他の状態量に基づいて求めてもよい。例えば排気流量は酸素の供給量を規定し、燃焼速度を左右する。

（第３実施形態）
図１０に本発明の第３実施形態になる内燃機関の排気浄化装置のＥＣＵで実行される制御内容を示す。第２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、基本的な構成は前記各実施形態と同じであるので、説明では各部に前記各実施形態と同じ番号を付し、各実施形態との相違点を中心に説明する。

ＥＣＵ５１では、第２実施形態のステップＳ２０１〜Ｓ２０３と同様に、吸入空気量Ｇaなどを検出し（ステップＳ３０１）、各領域の温度を算出し（ステップＳ３０２）、各領域の燃焼速度を算出する（ステップＳ３０３）。ステップＳ３０２，Ｓ３０３は燃焼分布計測手段としての処理である。

ステップＳ３０４は最大堆積部堆積量演算手段としての処理で、第２実施形態のステップＳ２０４と同様にパティキュレートフィルタ３２内の各領域のＰＭ堆積量ｍpmを算出するのに加え、そのうちの最大値をとって、最大堆積部ＰＭ堆積量ｍpm（ｍａｘ）とする。

ステップＳ３０５，Ｓ３０６は強制再生制御手段としての処理で、最大堆積部ＰＭ堆積量ｍpm（ｍａｘ）を予め設定した基準値と比較し、最大堆積部ＰＭ堆積量ｍpm（ｍａｘ）が基準値を超えているか否かを判定する。肯定判断されると、ステップＳ３０６で第２実施形態のステップＳ２０７と同様に強制再生により堆積排気微粒子を完全除去する。ステップＳ３０６が否定判断されると、ステップＳ３０１に戻る。

なお、排気微粒子の堆積ばらつきが少なく、最大堆積部ＰＭ堆積量ｍpm（ｍａｘ）が基準値に達しなければ、ＰＭ堆積量Ｍpmが再生開始ＰＭ量に達するのを待って、通常の強制再生が実施され、強制再生により堆積排気微粒子を完全除去するのは、所定回数の通常の強制再生が行われた後とする。

本実施形態では、最も急速燃焼のおそれが大きい最大堆積部ＰＭ堆積量ｍpm（ｍａｘ）に基づいて強制再生により堆積排気微粒子を完全除去の可否を判断しているから、排気微粒子の堆積ばらつきに基因してある領域のＰＭ堆積量ｍpm自体が増大するのを待って前記排気微粒子の完全除去が実施され、単に堆積ばらつきが大きいのみで完全除去が実施されることはないから、その分、完全除去の頻度を抑制することができる。

また、本発明は前記各実施形態に記載のものに限らず、本発明の趣旨に反しない限り、種々の実施態様が可能である。

本発明の第１の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の全体概略構成図である。前記排気浄化装置を構成するＥＣＵで実行される制御を示すフローチャートである。前記排気浄化装置を構成するパティキュレートフィルタ内の温度分布を示すグラフである。前記パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子の燃焼速度の、パティキュレートフィルタ内の排ガスの温度に対する依存性を示すグラフである。前記排気浄化装置が作動中の排気微粒子の堆積量の推移を示すタイミングチャートである。前記パティキュレートフィルタにおいて堆積排気微粒子が燃焼していくときの、燃焼量の積算値と、残存する排気微粒子の堆積量のばらつきとの関係の一例を示すである。本発明の第２の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置を構成するＥＣＵで実行される制御を示すフローチャートである。前記ＥＣＵで実行される制御を説明するための前記排気浄化装置を構成するパティキュレートフィルタを中心とする図である。前記パティキュレートフィルタの横断面を示す図である。本発明の第３の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置を構成するＥＣＵで実行される制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１エンジン本体
２１，２２，２３，２４インジェクタ
２５コモンレール
３吸気通路
３２パティキュレートフィルタ
４排気通路
５１ＥＣＵ（自然再生判定手段、強制再生制御手段、燃焼分布計測手段、堆積偏度演算手段、最大堆積部堆積量演算手段）
５４差圧センサ
５３ａ，５３ｂ排気温センサ（温度計測手段）
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、排ガス中の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、該パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去するパティキュレートフィルタの再生が、堆積した排気微粒子が排ガスの温度上昇で自然に燃焼除去される自然再生とともに、内燃機関の運転状態に基づいて排気微粒子の現在の堆積量を演算し、現在の堆積量が予め設定した上限値を超えたときは、強制的に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によりなされるようにした内燃機関の排気浄化装置において、
内燃機関の運転状態に基づいて前記自然再生中か否かの判定を行う自然再生判定手段と、
前記判定により自然再生開始後に自然再生が停止したと判断されており、かつ排気微粒子の堆積量が予め設定した所定値以下になると、前記強制再生を実行させ、堆積排気微粒子の除去を行って強制再生を完了させる強制再生制御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。
請求項１記載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内の温度を計測する温度計測手段を具備せしめ、
前記自然再生判定手段は、前記温度が予め設定した基準値を超えると肯定判断するように設定した内燃機関の排気浄化装置。
請求項１または２記載の排気浄化装置において、前記強制再生制御手段は、前記所定値を、再生の進行とともに前記パティキュレートフィルタ内の堆積微粒子の堆積ばらつきが大きくなることに基づき、堆積ばらつきの許容限界値に対応する排気微粒子の堆積量の下限値に設定した内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の排気通路の途中に、排ガス中の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、該パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去するパティキュレートフィルタの再生が、堆積した排気微粒子が排ガスの温度上昇で自然に燃焼除去される自然再生とともに、内燃機関の運転状態に基づいて排気微粒子の現在の堆積量を演算し、現在の堆積量が予め設定した上限値を超えたときは、強制的に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によりなされる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内における堆積排気微粒子の燃焼分布を計測する燃焼分布計測手段と、
前記パティキュレートフィルタ内における燃焼分布に基づいてパティキュレートフィルタ内の堆積排気微粒子の堆積ばらつきを示す堆積偏度を演算する堆積偏度演算手段と、
前記堆積偏度が予め設定した基準値を超えると、前記強制再生を実行させ、堆積排気微粒子の除去を行って強制再生を完了させる強制再生制御手段を具備せしめたことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
内燃機関の排気通路の途中に、排ガス中の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、該パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子を燃焼除去するパティキュレートフィルタの再生が、堆積した排気微粒子が排ガスの温度上昇で自然に燃焼除去される自然再生とともに、内燃機関の運転状態に基づいて排気微粒子の現在の堆積量を演算し、現在の堆積量が予め設定した上限値を超えたときは、強制的に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によりなされる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内における堆積排気微粒子の燃焼分布を計測する燃焼分布計測手段と、
前記パティキュレートフィルタ内における燃焼分布を含む内燃機関の運転状態に基づいてパティキュレートフィルタ内の堆積排気微粒子の最大堆積部における堆積量を演算する最大堆積部堆積量演算手段と、
前記最大堆積部における堆積量が予め設定した上限値を超えると、前記強制再生を実行させ、堆積排気微粒子の除去を行って強制再生を完了させる強制再生制御手段とを具備せしめたことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
請求項４または５いずれか記載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内の温度を計測する温度計測手段を具備せしめ、
前記燃焼分布計測手段は、前記温度と燃焼速度との対応関係に基づいて燃焼速度を演算するように設定した内燃機関の排気浄化装置。