(57)【要約】【課題】パティキュレートフィルタの前後の差圧の上昇を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置は、粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの粒子状物質のアッシュの堆積量を推定する堆積量推定手段とを備える。パティキュレートフィルタは、担体に担持された白金およびロジウムの触媒粒子を含む。白金の触媒粒子は１．０ｇ／Ｌの濃度にて担体に担持され、ロジウムの触媒粒子は１．２ｇ／Ｌの濃度にて担体に担持されている。排気浄化装置は、パティキュレートフィルタのアッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、パティキュレートフィルタを７５０℃以上９００℃以下の範囲内の温度まで上昇させる制御を実施する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気過剰の雰囲気中で温度を上昇すると燃焼する燃焼成分および残存する非燃焼成分を含む粒子状物質を捕集する捕集フィルタと、
捕集フィルタの粒子状物質の非燃焼成分の堆積量を推定する堆積量推定手段とを備え、
捕集フィルタは、セリア、ジルコニア、アルミナおよびバリウムのうち少なくとも一つを含む担体と、担体に担持された白金およびロジウムの触媒粒子とを含み、
白金の触媒粒子は１．０ｇ／Ｌの濃度にて担体に担持され、ロジウムの触媒粒子は１．２ｇ／Ｌの濃度にて担体に担持されており、
捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、捕集フィルタを７５０℃以上９００℃以下の範囲内の温度まで上昇させる制御を実施することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
要求負荷が零になった場合に燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御を実施可能に形成されており、
燃料カット制御を実施した場合に捕集フィルタの温度が予め定められた熱劣化判定値を超える場合に、燃料カット制御を禁止するように形成されており、
捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、燃料カット制御の実施により捕集フィルタの温度が７５０℃以上９００℃以下の範囲内になると推定される時に、燃料カット制御の禁止を解除する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、捕集フィルタを８００℃以上９００℃以下の範囲内の温度まで上昇させる制御を実施する、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、機関本体で燃料が燃焼されて排気ガスが排出される。機関本体から排出された排気ガスは、排気浄化装置にて浄化される。排気ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＨＣ）および窒素酸化物（ＮＯX）の他に、粒子状物質（ＰＭ）が含まれる。一酸化炭素、未燃炭化水素および窒素酸化物は、触媒により酸化または還元されて浄化される。
【０００３】
排気ガスから粒子状物質を除去するためには、機関排気通路にパティキュレートフィルタと称される捕集フィルタが配置される。粒子状物質は、パティキュレートフィルタに捕集されて堆積する。堆積した粒子状物質の量が多くなった場合には、空気過剰の雰囲気中でパティキュレートフィルタを昇温する再生制御により粒子状物質を燃焼させることができる。
【０００４】
特開２０１２−０１２９４１号公報には、排気ガスを浄化する触媒と、排気ガスの一部を還流させて吸入空気に混合し得る排気ガス再循環装置とを備える内燃機関において、機関回転数と吸入空気量とから触媒温度を推定し、推定した触媒床温度が判定値を超えた場合に燃料カットを禁止する内燃機関の触媒劣化抑制制御方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−０１２９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
排気ガスに含まれる粒子状物質には、機関本体から排出される排気ガスに含まれるスート（煤）に加えて、アッシュと称される粒子状物質が含まれている。アッシュは、例えば、機関本体の潤滑油がシリンダボアとピストンとの摺動部分から燃焼室に流入することにより生じる。アッシュは、主にエンジンオイルに含まれる硫黄成分から生成される硫酸化合物であることが知られている。たとえば、圧縮自着火式の内燃機関では、アッシュは硫酸カルシウムが主成分である。火花点火式の内燃機関では、アッシュには硫酸カルシウムに加えてリン酸カルシウムが含まれる。
【０００７】
排気ガスに含まれるスートは、パティキュレートフィルタの再生制御により、燃焼させて除去することができる。ところが、アッシュは、再生制御を実施しても燃焼せずに残存する。パティキュレートフィルタに残存するアッシュは、パティキュレートフィルタの基材の開口部を閉塞する。このために、パティキュレートフィルタの前後の差圧が徐々に大きくなるという問題がある。
【０００８】
アッシュは、高温の雰囲気中で収縮する特性を有している。アッシュが収縮することによりパティキュレートフィルタの閉塞部分が減少し、パティキュレートフィルタの前後の差圧の増加を抑制することができる。ところが、アッシュが収縮する温度は非常に高く、フィルタに触媒粒子が担持されていると、触媒の浄化能力が低下する虞がある。例えば、パティキュレートフィルタが非常に高温になると触媒粒子が凝集して浄化率が低下するシンタリング現象が生じる虞がある。
【０００９】
このために、従来の技術ではアッシュを収縮させる制御を実施することができないという問題があった。たとえば、捕集フィルタの温度が所定の判定値を超えると、捕集フィルタに担持されている触媒の劣化を抑制するために、捕集フィルタの温度上昇が抑制される制御が実施されていた。この結果、アッシュの堆積により捕集フィルタの差圧が上昇するという問題があった。
【００１０】
本発明は、捕集フィルタの前後の差圧の上昇を抑制す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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、空気過剰の雰囲気中で温度を上昇すると燃焼する燃焼成分および残存する非燃焼成分を含む粒子状物質を捕集する捕集フィルタと、捕集フィルタの粒子状物質の非燃焼成分の堆積量を推定する堆積量推定手段とを備える。捕集フィルタは、セリア、ジルコニア、アルミナおよびバリウムのうち少なくとも一つを含む担体と、担体に担持された白金およびロジウムの触媒粒子とを含む。白金の触媒粒子は１．０ｇ／Ｌの濃度にて担体に担持され、ロジウムの触媒粒子は１．２ｇ／Ｌの濃度にて担体に担持されている。排気浄化装置は、捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、捕集フィルタを７５０℃以上９００℃以下の範囲内の温度まで上昇させる制御を実施する。
【００１２】
上記発明においては、要求負荷が零になった場合に燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御を実施可能に形成されており、燃料カット制御を実施した場合に捕集フィルタの温度が予め定められた熱劣化判定値を超える場合に、燃料カット制御を禁止するように形成されており、捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、燃料カット制御の実施により捕集フィルタの温度が７５０℃以上９００℃以下の範囲内になると推定される時に、燃料カット制御の禁止を解除することができる。
【００１３】
上記発明においては、捕集フィルタの非燃焼成分の堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、捕集フィルタを８００℃以上９００℃以下の範囲内の温度まで上昇させる制御を実施することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、捕集フィルタの前後の差圧の上昇を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態における内燃機関の概略図である。
【図２】実施の形態におけるパティキュレートフィルタの概略正面図である。
【図３】実施の形態におけるパティキュレートフィルタを排気ガスの流れ方向に沿って切断した概略断面図である。
【図４】パティキュレートフィルタを温度上昇した後のアッシュと基材との間隙の変化幅のグラフである。
【図５】パティキュレートフィルタを温度上昇した後のアッシュの圧縮比率のグラフである。
【図６】パティキュレートフィルタを温度上昇した後の触媒の浄化性能のグラフである。
【図７】実施の形態におけるアッシュの堆積量を推定する制御のフローチャートである。
【図８】実施の形態におけるパティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の堆積量を推定するためのマップである。
【図９】実施の形態における運転制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１から図９を参照して、実施の形態における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態では、火花点火式の内燃機関を例示して説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態における内燃機関を概略的に示す図である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２に固定されたシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２には穴部（シリンダボア）が形成され、この穴部の内部を往復移動するピストン３が配置されている。燃焼室５は、シリンダブロック２の穴部、ピストン３、およびシリンダヘッド４に囲まれる空間により構成されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉するように形成されている。
【００１８】
シリンダヘッド４の内壁面において、燃焼室５の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面の周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されても構わない。
【００１９】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５は機関吸気通路を構成する。また、吸気管１５の内部にはアクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。スロットル弁１８は、アクチュエータ１７によって回動されることで、機関吸気通路の開口面積を変更することができる。
【００２０】
内燃機関は、排気浄化装置を備える。本実施の形態の排気浄化装置は、排気浄化触媒２０と、排気浄化触媒２０よりも下流に配置されている捕集フィルタとしてのパティキュレートフィルタ２３とを含む。本実施の形態の排気浄化触媒２０は、機関本体１の近傍に配置されている。また、パティキュレートフィルタ２３は、床下に配置されている。
【００２１】
機関排気通路は、各気筒の排気ポート９、排気マニホルド１９および排気管２２等により構成されている。排気ポート９は、排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、複数の排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は、排気浄化触媒２０に連結されている。排気浄化触媒２０は、排気管２２を介してパティキュレートフィルタ２３に連結されている。
【００２２】
内燃機関の排気浄化装置は、制御装置を含む。本実施の形態の制御装置は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１にて構成されている。電子制御ユニット３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。
【００２３】
アクセルペダル４２には、アクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続されている。負荷センサ４３の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は、例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５は、クランク角センサ４４の出力パルスに基づいて機関回転数やクランク角度を検出する。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁を駆動するアクチュエータ１７に接続されている。
【００２４】
吸気管１５の内部には、吸気管１５を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置されている。エアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２５】
機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、排気マニホルド１９の集合部には、機関本体１から流出する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４０が配置されている。空燃比センサ４０により、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を検出することができる。パティキュレートフィルタ２３には、パティキュレートフィルタ２３の前後差圧を検出する差圧センサ２４が配置されている。パティキュレートフィルタ２３の上流には、パティキュレートフィルタ２３の上流側の端部の温度を検出する温度検出器として温度センサ２５が配置されている。パティキュレートフィルタ２３の下流には、パティキュレートフィルタ２３の下流側の端部の温度を検出するための温度検出器として温度センサ２６が配置されている。これらの温度センサ２５，２６、空燃比センサ４０、および差圧センサ２４の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２６】
本実施の形態の排気浄化触媒２０は、いわゆるスタートアップ触媒として機能する三元触媒である。排気浄化触媒２０は、内燃機関の始動後の低温域から未燃の炭化水素や一酸化炭素を酸化することができる。なお、排気浄化触媒２０は、三元触媒に限られず任意の排気ガスを浄化する触媒を配置することができる。または、排気浄化触媒２０は、配置されていなくても構わない。
【００２７】
図２に、本実施の形態のパティキュレートフィルタの概略正面図を示す。図３に、パティキュレートフィルタを軸方向に沿って切断したときの概略断面図を示す。パティキュレートフィルタ２３は、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を除去するためのフィルタである。本実施の形態におけるパティキュレートフィルタ２３は、円筒形状に形成されている。
【００２８】
パティキュレートフィルタ２３は、ハニカム構造を有する。パティキュレートフィルタ２３は、排気ガスの流れ方向に沿って延びる複数の通路６０，６１を有する。通路６０は、下流端が栓６２により閉塞されている。通路６１は、上流端が栓６３により閉塞されている。図２においては、栓６３の部分に斜線を付している。通路６０および通路６１は、薄肉の隔壁６４を介して交互に形成されている。
【００２９】
パティキュレートフィルタ２３の基材は、多孔質材料から形成されている。本実施の形態の基材は、アルミナ、シリカ、および酸化マグネシウムを含むコージェライトにより形成されている。排気ガスが流入する通路６０は、排気ガスが流出する通路６１に囲まれている。通路６０に流入した排気ガスは、矢印２００に示すように、周囲の隔壁６４を通って隣接する通路６１に流出する。排気ガスが隔壁６４を通過するときに粒子状物質が捕集される。粒子状物質が除去された排気ガスは、通路６１を通ってパティキュレートフィルタ２３から流出する。このように、粒子状物質は、パティキュレートフィルタに捕集される。
【００３０】
本実施の形態のパティキュレートフィルタ２３は、三元触媒としての機能を有する。パティキュレートフィルタ２３は、基材の表面に形成されたコート層を有する。コート層は、触媒作用を有する金属の触媒粒子を担持する担体を含む。担体は、セリア、ジルコニア、アルミナ、およびバリウム等のうち少なくとも一つの材質により形成されている。本実施の形態のコート層には、貴金属として白金（Ｐｔ）の触媒粒子およびロジウム（Ｒｈ）が担持されている。パティキュレートフィルタ２３に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比の近傍にすることにより、未燃の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化することができる。本実施の形態のパティキュレートフィルタ２３は、コージェライトの基材の表面にコート総量が１００ｇ／Ｌのコート層が形成されている。また、白金の触媒粒子の濃度は１．０ｇ／Ｌであり、ロジウムの触媒粒子の濃度は０．２ｇ／Ｌである。
【００３１】
パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量が再生判定値に達すると、パティキュレートフィルタの再生制御を実施する。パティキュレートフィルタの再生制御においては、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に（理論空燃比よりも大きく）維持する。そして、パティキュレートフィルタ２３の温度を再生が可能な温度以上に昇温する。たとえば、約５００℃以上で粒子状物質が燃焼可能であるので、パティキュレートフィルタを６５０℃程度まで昇温する。堆積した粒子状物質の少なくとも一部が燃焼する。そして、燃焼可能な粒子状物質が燃焼するまで所定の温度に維持する。
【００３２】
機関本体１から排出される排気ガスに含まれる粒子状物質には、再生制御により燃焼する燃焼成分と、再生制御によっても燃焼せずに残存する非燃焼成分とが含まれる。燃焼成分には、スート（煤）と称される炭素の粒子、ソフ（ＳＯＦ）と称される高沸点の有機化合物、およびサルフェートと称される硫黄成分の粒子等が含まれる。これに対して、非燃焼成分はアッシュと称され、硫酸カルシウムが主成分である。アッシュの堆積量は、機関本体１の各部分を潤滑する潤滑油の硫酸灰分含有量に比例する。すなわち、エンジンオイルに含まれる硫黄成分の量に比例する。
【００３３】
アッシュは、パティキュレートフィルタ２３の通路の表面に層状になって堆積する。アッシュ層は、温度が非常に高くなると収縮する。アッシュ層が収縮すると亀裂が生じて、この亀裂に排気ガスが流通する。また、アッシュ層が収縮すると、基材とアッシュ層との間の間隙が大きくなり、間隙部を排気ガスが流通する。この結果、パティキュレートフィルタ２３の前後の差圧の上昇を抑制することができる。
【００３４】
本実施の形態の内燃機関において、燃料に潤滑油を混合してパティキュレートフィルタ２３に意図的にアッシュ層を生成する試験を行った。試験燃料に混合するオイルとしては、ＡＰＩ（American Petroleum Institute）規格のＣＦ−４グレードのディーゼルエンジン用のエンジンオイルを用いた。このエンジンオイルを２％ガソリンに混合して、機関本体を駆動して、パティキュレートフィルタ２３の基材の表面にアッシュ層を形成した。そして、パティキュレートフィルタの温度を上昇したときのアッシュ層の挙動を試験した。
【００３５】
図４に、パティキュレートフィルタの温度を上昇させたときに生じる間隙部の変化幅を測定した結果を示す。試験では、数分間の１サイクルを設定し、粒子状物質を堆積させる周期と、パティキュレートフィルタを所定の温度まで昇温して粒子状物質を燃焼させると共にアッシュを収縮させる周期とを１サイクルとして繰り返している。そして、これらの周期の繰り返しを２０時間継続している。
【００３６】
この後にパティキュレートフィルタ２３の１つの通路を選定して、選定した通路の壁面において基材とアッシュ層との間隙部を５点計測している。横軸は、パティキュレートフィルタ２３を昇温したときの最高温度である。この試験では、６５０℃から９００℃まで温度を変化させて複数回の試験を行っている。縦軸の変化幅は、パティキュレートフィルタ２３の最高温度が６５０℃のときの間隙部の幅からの変化幅を示している。
【００３７】
全ての測定点において、パティキュレートフィルタの温度を高くするほど、間隙部の幅が大きくなっていることが分かる。間隙部の幅が大きくなると、排気ガスの流路が大きくなり、排気ガスが流通しやすくなる。アッシュを収縮させるためには、パティキュレートフィルタ２３の温度が高い方が好ましいことが分かる。また、全ての測定点において、最高温度が略８００℃以上になると、変化幅の上昇が緩やかになり間隙部の幅がほぼ一定になるという結果が得られている。
【００３８】
図５に、パティキュレートフィルタの最高温度とアッシュ層の圧縮比率との関係を示す。縦軸は、パティキュレートフィルタを高温にして収縮した結果、アッシュ層の断面積の変化率を示している。また、縦軸は、最高温度が６５０℃にて試験を行ったときのアッシュ層の断面積を１として比率を算出している。
【００３９】
パティキュレートフィルタの最高温度が上昇するほど、圧縮比率が小さくなる結果が得られている。７５０℃では１０％程度および８００℃以上では２０％程度の圧縮比率が得られている。そして、間隙部の変化幅と同様に、８００℃以上ではほぼ一定の圧縮比率になる。このように、間隙部の変化幅および圧縮比率について、パティキュレートフィルタの最高温度が８００℃以上では、ほぼ一定になるという同様の傾向が得られている。
【００４０】
一方で、排気浄化触媒は、温度が上昇すると触媒性能が劣化する熱劣化が生じる。熱劣化は、たとえばシンタリング現象を含む。シンタリング現象とは、白金等の触媒粒子同士が接合して粒径が大きくなり、この結果、触媒粒子の表面積の総和が小さくなって浄化能力が低下する現象である。排気浄化触媒の温度が高く、排気浄化触媒の周りの雰囲気が空気過剰である場合には、シンタリング現象を起こす場合がある。本実施の形態の試験においては、触媒性能を確認する試験を行った。
【００４１】
図６に、パティキュレートフィルタの最高温度に対する触媒の５０％浄化率温度のグラフを示す。縦軸は一酸化炭素について５０％の浄化率を達成する温度である。すなわち、排気ガスに含まれる一酸化炭素が５０％浄化されるときのパティキュレートフィルタの温度である。
【００４２】
パティキュレートフィルタの最高温度が９００℃を超えると、５０％浄化率温度が急激に上昇することが分かる。すなわち、パティキュレートフィルタ２３の最高温度が９００℃を超えると、浄化性能が低下することが分かる。一方で、パティキュレートフィルタ２３の温度が９００℃までは、５０％浄化率温度は、ほぼ一定である。すなわち、パティキュレートフィルタ２３の温度が９００℃までは、排気浄化触媒としての浄化性能の低下は小さいことが分かる。
【００４３】
発明者らは、これらの試験結果から、パティキュレートフィルタ２３の温度を７５０℃以上９００℃以下の温度範囲内の温度にすることにより、パティキュレートフィルタ２３の浄化性能の低下を抑制すると共に、アッシュを効果的に収縮させることを見出した。また、パティキュレートフィルタ２３の温度を８００℃以上９００℃以下の温度範囲内にすることにより、更に効果的にアッシュを収縮させることができることを見出した。これらの温度範囲は、パティキュレートフィルタの再生制御の温度よりも高い温度を含み、さらに後述の触媒劣化抑制制御の熱劣化判定値よりも高い温度を含んでいる。
【００４４】
このように、パティキュレートフィルタ２３を所定の温度範囲内に維持することにより、シンタリング等の熱劣化を抑制しつつ、アッシュ層を収縮させることができる。この結果、パティキュレートフィルタの前後の差圧の上昇を抑制することができる。なお、上記の試験をパティキュレートフィルタの容積を０．９Ｌから１．３Ｌまでの範囲で変化させて実施したが、同様の結果が得られた。このために、前後の差圧の抑制と浄化率の低下は、パティキュレートフィルタの大きさには依存しないものと考えられる。
【００４５】
本実施の形態の内燃機関は、アッシュの堆積量を推定する堆積量推定手段を備える。本実施の形態では、排気浄化装置の制御装置が、堆積量推定手段として機能する。制御装置は、パティキュレートフィルタ２３に堆積するアッシュの堆積量を推定し、アッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合に、パティキュレートフィルタ２３を７５０℃以上９００℃以下に昇温する制御を実施する。
【００４６】
ところで、本実施の形態の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタ２３の温度が熱劣化を抑制するための熱劣化判定値よりも大きくならないように触媒劣化抑制制御を実施している。本実施の形態の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタの温度を推定する温度推定手段を備える。熱劣化判定値としては、たとえば７００℃以上８００℃以下の範囲内の温度を採用することができる。本実施の形態では、アッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えた場合にパティキュレートフィルタ２３の温度を推定し、パティキュレートフィルタの温度が７５０℃以上９００℃以下になる場合には、触媒劣化抑制制御を禁止する制御を実施する。
【００４７】
図１を参照して、本実施の形態の内燃機関は、要求負荷が零になった場合には、燃料噴射弁１１からの燃料の供給を停止する。すなわち、燃料カット制御が実施される。燃料カット制御が実施されると、燃焼室５から流出する排気ガスは空気過剰の状態になる。この排気ガスが排気浄化触媒２０またはパティキュレートフィルタ２３に流入すると、酸化反応が生じて温度が上昇する場合がある。この結果、パティキュレートフィルタ２３の温度が上昇して熱劣化が生じる虞がある。
【００４８】
このために、通常の運転制御では、燃料カット制御を実施するとパティキュレートフィルタ２３の温度が熱劣化判定値を超えると判別される場合には、燃料カット制御を禁止する制御を実施している。たとえば、現在のパティキュレートフィルタ２３の温度を推定し、この温度が熱劣化判定値よりも高い場合には、燃料カット制御を禁止することができる。この制御により、パティキュレートフィルタ２３に熱劣化が生じることを抑制することができる。このように、触媒劣化抑制制御として、燃料カット制御を禁止する制御を実施している。
【００４９】
本実施の形態の内燃機関では、燃料カット制御を実施すると、パティキュレートフィルタ２３の温度が７５０℃以上９００℃以下になると推定される場合には、触媒劣化抑制制御を禁止する。すなわち、燃料カット制御の禁止を解除することにより、パティキュレートフィルタ２３の温度を上昇してアッシュを収縮させる制御を実施する。
【００５０】
図７に、パティキュレートフィルタに堆積するアッシュの堆積量を推定する制御のフローチャートを示す。前述のように、アッシュは、パティキュレートフィルタ２３の再生制御によっても燃焼せずに残存する非燃焼成分に相当する。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタ２３の再生制御が終了した直後にアッシュの堆積量を推定する。始めに、パティキュレートフィルタ２３の再生制御について説明する。
【００５１】
図８に、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量を算出するマップを示す。本実施の形態の内燃機関は、パティキュレートフィルタ２３における粒子状物質の堆積量を推定可能に形成されている。単位時間当りにパティキュレートフィルタ２３に堆積する粒子状物質の量ＰＭＡは、機関回転数Ｎと燃焼室における燃料噴射量Ｑとにより求めることができる。このマップにより求められる単位時間当りに堆積する粒子状物質の量ＰＭＡを積算することにより、任意の時刻における粒子状物質の堆積量を推定することができる。図１を参照して、このようなマップおよび算出される粒子状物質の堆積量は、電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。
【００５２】
なお、本実施の形態においては、単位時間当りに堆積される粒子状物質の量のマップを用いて、粒子状物質の堆積量を算出しているが、この形態に限られず、任意の方法により粒子状物質の堆積量を算出することができる。
【００５３】
粒子状物質の堆積量が予め定められた再生判定値を超えた場合には、パティキュレートフィルタ２３の再生制御を実施する。たとえば、排気ガスの空燃比がリーンの状態で排気浄化触媒２０に未燃燃料を供給する。酸化反応熱により排気ガスの温度が上昇する。高温の排気ガスによりパティキュレートフィルタ２３を昇温することができる。そして、粒子状物質のうち燃焼成分が全て燃焼する時間長さにて再生制御を継続する。再生制御が終了したら機関本体１を元の運転状態に戻す。
【００５４】
図７を参照して、ステップ８１においては、パティキュレートフィルタ２３の再生制御が終了したか否かを判別する。ステップ８１において、パティキュレートフィルタ２３の再生制御を実施している期間中であったり、再生制御を実施する前の期間中であったりする場合には、この制御を終了する。ステップ８１において、パティキュレートフィルタ２３の再生制御が終了した場合にはステップ８２に移行する。
【００５５】
ステップ８２においては、パティキュレートフィルタ２３の前後差圧を検出する。本実施の形態においては、図１を参照して、差圧センサ２４によりパティキュレートフィルタ２３の前後の差圧を検出する。
【００５６】
次に、ステップ８３においては、アッシュの堆積量を推定する。本実施の形態では、パティキュレートフィルタ２３の再生制御を実施すると、燃焼成分が完全に除去される。再生制御が終了した直後では、パティキュレートフィルタ２３には非燃焼成分が残存していると考えられる。このため、パティキュレートフィルタ２３の再生制御の直後に前後差圧を検出することにより、アッシュの堆積量を推定することができる。例えば、パティキュレートフィルタの前後の差圧、吸入空気量、および排気ガスの温度を関数にするアッシュの堆積量の値を電子制御ユニット３１に予め記憶させておくことができる。再生制御の直後に前後の差圧、吸入空気量およびパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの温度を検出し、これらの値に基づいてアッシュの堆積量を推定することができる。このように、パティキュレートフィルタ２３の前後の差圧に基づいてアッシュの堆積量を推定することができる。
【００５７】
次に、ステップ８４では、推定したアッシュの堆積量を電子制御ユニット３１に記憶させる。このように、パティキュレートフィルタ２３の再生制御を実施するごとにアッシュの堆積量を推定することができる。
【００５８】
図９に、本実施の形態における運転制御のフローチャートを示す。ステップ９１においては、要求負荷が零であるか否かを判別する。図１を参照して、本実施の形態では、負荷センサ４３から出力される要求負荷が零であるか否かを判別する。ステップ９１において、要求負荷が零でない場合には、この制御を終了する。ステップ９１において、要求負荷が零である場合には、ステップ９２に移行する。
【００５９】
ステップ９２においては、アッシュの堆積量を取得する。すなわち、図８におけるアッシュの堆積量を推定する制御にて推定したにアッシュの堆積量を読み込む。
【００６０】
次に、ステップ９３においては、アッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値よりも大きいか否かを判別する。ステップ９３において、アッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値以下である場合には、この制御を終了する。ステップ９３において、アッシュの堆積量が予め定められた堆積量判定値を超えている場合には、ステップ９４に移行する。
【００６１】
ステップ９４においては、現在のパティキュレートフィルタ２３の温度Ｔｃｃを取得する。本実施の形態の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタ２３の温度を検出する温度検出装置を備える。パティキュレートフィルタ２３の温度としては、パティキュレートフィルタ２３の基材の中央部の温度を採用することができる。図１を参照して、本実施の形態では、パティキュレートフィルタ２３の上流に配置されている温度センサ２５の温度を、パティキュレートフィルタ２３の上流側の端部の温度として検出する。そして、パティキュレートフィルタ２３の下流に配置されている温度センサ２６の温度を、パティキュレートフィルタ２３の下流側の端部の温度として検出する。そして、上流側の端部の温度と下流側の端部の温度との平均値をパティキュレートフィルタ２３の中央部の温度としている。
【００６２】
パティキュレートフィルタ２３の温度としては、この形態に限られず、例えば、パティキュレートフィルタ２３から流出する排気ガスの温度を採用しても構わない。または、温度検出装置は、パティキュレートフィルタ２３の温度を検出する任意の装置を採用することができる。たとえば、基材の中央部に接触する温度センサを含んでいても構わない。
【００６３】
図９を参照して、次に、ステップ９５においては、温度Ｔｃｐが予め定められた昇温許可範囲内であるか否かを判別する。この昇温許可範囲としては、燃料カット制御を実施したときにパティキュレートフィルタの温度が、７５０℃以上９００℃以下の範囲内になると予測される温度を設定することができる。たとえば、７５０℃以上９００℃以下の範囲から予め定められた温度を減算した範囲を採用することができる。
【００６４】
ステップ９５において、温度Ｔｃｃが昇温許可範囲内でない場合には、ステップ９６に移行する。ステップ９６では、触媒劣化抑制制御を許可する。たとえば、要求負荷が零になった時にパティキュレートフィルタの温度が予め定められた熱劣化判定値以下である場合には、燃料カット制御を実施する。一方で、パティキュレートフィルタの温度が熱劣化判定値よりも大きければ燃料カット制御を禁止する。
【００６５】
ステップ９５において、温度Ｔｃｃが昇温許可範囲内である場合には、ステップ９７に移行する。ステップ９７においては、触媒劣化抑制制御を禁止する。すなわち、要求負荷が零になった時にパティキュレートフィルタの温度が熱劣化判定値よりも大きくても燃料カットを実施する。燃料カットを実施することにより、パティキュレートフィルタ２３の温度が７５０℃以上９００℃以下の範囲内になり、触媒の劣化を抑制しながらアッシュを収縮させることができる。そして、燃料カット制御を実施した後には触媒劣化抑制制御を許可する状態に戻すことができる。
【００６６】
このように、本実施の形態の運転制御においては、触媒劣化を抑制しつつ効果的にパティキュレートをフィルタの前後の差圧の上昇を抑制することができる。この運転制御は、例えば、予め定められた時間間隔ごとに行うことができる。そして、ステップ９３におけるアッシュの堆積量判定値は、予め複数の値を設定しておくことができる。このような複数の判定値を設けることにより、１つの判定値を超えるごとにアッシュを収縮させることができる。所定のアッシュの堆積量ごとにアッシュを収縮させるために、１回のアッシュの収縮率が小さくなり、効果的にアッシュを収縮させることができる。
【００６７】
上記の運転制御のステップ９５においては、現在のパティキュレートフィルタの温度Ｔｃｃに基づいて、燃料カット制御を実施したときに、パティキュレートフィルタの温度が所定の温度範囲内になるか否かを推定しているが、この形態に限られず、燃料カット制御を実施した時のパティキュレートフィルタの温度Ｔｃｐを推定しても構わない。たとえば、現在のパティキュレートフィルタの温度Ｔｃｃ、機関回転数、および吸入空気量等に基づいて、燃料カット制御を実施した場合のパティキュレートフィルタ２３の温度Ｔｃｐを推定することができる。更には、排気ガスの空燃比等や、パティキュレートフィルタに燃焼成分が堆積している場合には燃焼成分が燃焼したときの温度上昇に基づいて補正しても構わない。そして、ステップ９５においては、算出した温度Ｔｃｐが７５０℃以上９００℃以下の範囲内であるか否かを判別することができる。
【００６８】
上記の運転制御では、パティキュレートフィルタの温度を推定し、パティキュレートフィルタの温度が７５０℃以上９００℃以下になる場合には、触媒劣化抑制制御を禁止する制御を実施しているが、パティキュレートフィルタの温度が８００℃以上９００℃以下になる場合に触媒劣化抑制制御を禁止する制御がより好ましい。この制御により、より効果的にアッシュを収縮させることができる。
【００６９】
本実施の形態においては、パティキュレートの前後の差圧に基づいて、アッシュの堆積量を推定しているが、この形態に限られず、アッシュの堆積量を推定可能な任意の制御を実施することができる。たとえば、機関本体の潤滑油の消費量の経年変化、機関本体の潤滑油に含まれる硫酸灰分含有量、内燃機関の運転履歴、および走行距離等に基づいて、アッシュの堆積量を推定しても構わない。
【００７０】
本実施の形態においては、アッシュの堆積量が所定の判定値を超えた場合に燃料カット制御を実施することにより、パティキュレートフィルタの温度を７５０℃以上９００℃以下にしているが、この形態に限られず、任意の制御および任意の時期に、パティキュレートフィルタの温度を所定の温度まで上昇する制御を実施することができる。たとえば、アッシュの堆積量が堆積量判定値を超えた場合に、パティキュレートフィルタの再生制御の温度を一時的に７５０℃以上９００℃以下に設定しても構わない。
【００７１】
本実施の形態では、火花点火式の内燃機関に取り付けられる排気浄化装置について説明したが、この形態に限られず、圧縮自着火式の内燃機関にも本発明の排気浄化装置を採用することができる。
【００７２】
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。また、上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。
【符号の説明】
【００７３】
１    機関本体
２３    パティキュレートフィルタ
２４    差圧センサ
２５，２６    温度センサ
３１    電子制御ユニット
４３    負荷センサ
６４    隔壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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