(57)【要約】【課題】フィルタに堆積している粒子状物質を効率的に除去する粒子状物質除去方法を提供する。【解決手段】本発明では、排気ガス中の粒子状物質を捕集可能なフィルタに堆積した粒子状物質を除去する方法が提供される。この粒子状物質除去方法では、フィルタの温度を煤燃焼温度以下であってＳＯＦ燃焼温度以上に上昇させるＳＯＦ除去制御を前回実行してからフィルタに新たに堆積した粒子状物質の量が所定堆積量以上となったことが推定されたときにＳＯＦ除去制御を実行し、その直後に、フィルタへの粒子状物質の総堆積量を推定し、推定された総堆積量が限界堆積量以上である場合には、フィルタの温度を煤燃焼温度以上に上昇させる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中の粒子状物質を捕集可能なパティキュレートフィルタであって該パティキュレートフィルタへの粒子状物質の総堆積量が限界堆積量以上になるとパティキュレートフィルタによる排気ガスに対する流抵抗が一定値以上に大きくなるようなパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を除去する方法において、
上記パティキュレートフィルタの温度を煤燃焼温度以下であって可溶性有機物質燃焼温度以上に上昇させる可溶性有機物質除去制御を前回実行してからパティキュレートフィルタに新たに堆積した粒子状物質の量が上記限界堆積量よりも少ない予め定められた所定堆積量以上となったことが推定されたときに可溶性有機物質除去制御を実行し、その直後に、パティキュレートフィルタへの粒子状物質の総堆積量を推定し、推定された総堆積量が上記限界堆積量以上である場合には、パティキュレートフィルタの温度を煤燃焼温度以上に上昇させる粒子状物質除去方法。
【請求項２】
上記パティキュレートフィルタに新たに堆積した粒子状物質の量の推定は内燃機関の運転時間に基づいて行われる請求項１に記載の粒子状物質除去方法。
【請求項３】
上記パティキュレートフィルタへの粒子状物質の総堆積量の推定は、機関燃焼室に流入する空気の質量流量と単位時間当たりに機関燃焼室に供給される燃料量とからパティキュレートフィルタへの流入排気ガスの質量流量を算出し、該流入排気ガスの質量流量とパティキュレートフィルタへの流入排気ガスの温度とからパティキュレートフィルタへの流入排気ガスの体積流量を算出し、該算出された流入排気ガスの体積流量と実際のパティキュレートフィルタの前後差圧とから粒子状物質の総堆積量を算出することによって行われる請求項１または２に記載の粒子状物質除去方法。
【請求項４】
上記粒子状物質の総堆積量の算出は、上記流入排気ガスの体積流量毎にパティキュレートフィルタに粒子状物質が堆積していない状態におけるパティキュレートフィルタの前後差圧を検出し、流入排気ガスの体積流量が上記算出された流入排気ガスの体積流量となっている場合の粒子状物質が堆積していない状態におけるパティキュレートフィルタの前後差圧と上記実際のパティキュレートフィルタの前後差圧とを比較することによって行われる請求項３に記載の粒子状物質除去方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置における粒子状物質除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、機関本体から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集することができるパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」と称す）の前後差圧を検出し、検出された前後差圧に基づいてフィルタへの粒子状物質の総堆積量を推定する堆積量推定方法が知られている。また、このようにして推定した粒子状物質の総堆積量が排気ガスの流れを悪化させてしまうような量になる前に、堆積している粒子状物質を燃焼・除去させる粒子状物質除去方法も同様に知られている。
【０００３】
このような粒子状物質除去方法としては、例えば、特許文献１に記載されたような方法が知られている。特許文献１に記載の方法では、センサによってフィルタの前後差圧を検出すると同時に、別のセンサによってフィルタの排気後流に設けられたマフラーの前後差圧を検出している。そして、マフラーの前後差圧からフィルタへの流入排気ガスの流量を算出し、この流入排気ガスの流量と上記フィルタの前後差圧とからフィルタへの粒子状物質の総堆積量を推定している。そして、推定された総堆積量が所定量以上となった場合には、フィルタを昇温して粒子状物質を除去し、フィルタによる排気ガスへの流抵抗が大きくなってしまうのを防止している。
【０００４】
【特許文献１】
実開昭６２−１９０８４１号公報
【特許文献２】
特開平０７−１８９６５６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、粒子状物質には、煤等の有機溶剤に不溶な成分（以下、「煤」と称す）とＳＯＦ等の有機溶剤に可溶な成分（以下、「ＳＯＦ」と称す）とが含まれており、煤が燃焼し始める煤燃焼温度はＳＯＦが燃焼し始めるＳＯＦ燃焼温度よりも高い。上記特許文献１に記載の方法では、これら煤とＳＯＦとの区別なくフィルタの温度を高めて粒子状物質の除去を行っている。よって、フィルタに粒子状物質が多く堆積していると判定されると、燃焼温度の低いＳＯＦがフィルタ上に多く堆積していてフィルタの温度をあまり高くしなくても十分にフィルタに堆積している粒子状物質を除去することができる場合等においても、常にフィルタを煤燃焼温度よりも高い温度に一定時間維持することになり、無駄に燃料やエネルギを消費してしまっていた。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、フィルタに堆積している粒子状物質を効率的に除去する粒子状物質除去方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明では、排気ガス中の粒子状物質を捕集可能なフィルタであって該フィルタへの粒子状物質の総堆積量が限界堆積量以上になるとフィルタによる排気ガスに対する流抵抗が一定値以上に大きくなるようなフィルタに堆積した粒子状物質を除去する方法において、上記フィルタの温度を煤燃焼温度以下であってＳＯＦ燃焼温度以上に上昇させるＳＯＦ除去制御を前回実行してからフィルタに新たに堆積した粒子状物質の量が上記限界堆積量よりも少ない予め定められた所定堆積量以上となったことが推定されたときにＳＯＦ除去制御を実行し、その直後に、フィルタへの粒子状物質の総堆積量を推定し、推定された総堆積量が上記限界堆積量以上である場合には、フィルタの温度を煤燃焼温度以上に上昇させる。
第１の発明によれば、ＳＯＦ除去制御によりフィルタに堆積しているＳＯＦを除去してから、フィルタへの粒子状物質の総堆積量が推定されるため、推定された総堆積量は煤の総堆積量を示している。そして、この煤の総堆積量が限界堆積量以上となった場合にのみ、フィルタを煤燃焼温度以上に昇温することによって煤の除去が行われる。したがって、フィルタを煤燃焼温度にまで昇温する回数は最小限に抑制される。フィルタを煤燃焼温度以上に昇温する場合には、多量の燃料やエネルギが消費されるので、フィルタの煤燃焼温度への昇温回数を少なくすることにより燃料やエネルギの消費量を少なく抑えることができる。
なお、「総堆積量」とは、実際にフィルタに堆積している粒子状物質の総量を示しており、「ＳＯＦ除去制御を前回実行してからフィルタに新たに堆積した粒子状物質の量」とは、連続した二回のＳＯＦ除去制御を実行する間にフィルタに堆積する粒子状物質の量である。
【０００８】
第２の発明では、第１の発明において、上記フィルタに新たに堆積した粒子状物質の量の推定は内燃機関の運転時間に基づいて行われる。
第２の発明によれば、粒子状物質を強制的に除去しない場合にフィルタへの粒子状物質の総堆積量がほぼ零から限界堆積量に到達するまでにかかる内燃機関の運転時間よりも短い運転時間が経過する毎に、すなわち比較的短い運転時間間隔毎にＳＯＦの除去が行われる。したがって、フィルタへの粒子状物質の総堆積量を、常にフィルタへの煤の総堆積量に近い量に維持することができ、フィルタによる排気ガスへの流抵抗を比較的小さく抑えることができる。
【０００９】
第３の発明では、第１または第２の発明において、上記フィルタへの粒子状物質の総堆積量の推定は、機関燃焼室に流入する空気の質量流量と単位時間当たりに機関燃焼室に供給される燃料量とからフィルタへの流入排気ガスの質量流量を算出し、該流入排気ガスの質量流量とフィルタへの流入排気ガスの温度とからフィルタへの流入排気ガスの体積流量を算出し、該算出された流入排気ガスの体積流量と実際のフィルタの前後差圧とから粒子状物質の総堆積量を算出することによって行われる。
第３の発明によれば、機関燃焼室に流入する空気の質量流量と、単位時間当たりに機関燃焼室に供給される燃料量と、フィルタへの流入排気ガスの温度とに基づいてフィルタへの流入排気ガスの体積流量が算出される。ここで、計算の対象となる燃料量は、機関燃焼室に取付けられた燃料噴射弁から直接的に、または機関燃焼室の吸気上流に取付けられた燃料噴射弁から間接的に機関燃焼室に供給された燃料量を含むが、これら燃料は内燃機関の圧縮・膨張行程においてほぼ完全に燃焼または気化されるものと考えられるため、その排気ガスは完全に気体状態となっている。気体状態の排気ガスにおいては、その全質量と温度とに基づいてその体積が定まる。したがって、機関燃焼室に流入する空気の質量流量と機関燃焼室に供給される燃料量とから流入排気ガスの質量流量が求められ、求められた流入排気ガスの質量流量と流入排気ガスの温度とからフィルタへの流入排気ガスの体積流量を算出することで、フィルタへの流入排気ガスの体積流量を正確に算出することができる。
このようにフィルタへの流入排気ガスの体積流量を正確に算出できれば、圧力センサ等によって検出されたフィルタの前後差圧における流入排気ガスの流量の影響を排除することができ、フィルタへの粒子状物質の総堆積量を正確に推定することができるようになる。
【００１０】
第４の発明では、第３の発明において、上記粒子状物質の総堆積量の算出は、上記流入排気ガスの体積流量毎にフィルタに粒子状物質が堆積していない状態におけるフィルタの前後差圧を検出し、流入排気ガスの体積流量が上記算出された流入排気ガスの体積流量となっている場合の粒子状物質が堆積していない状態におけるフィルタの前後差圧と上記実際のフィルタの前後差圧とを比較することによって行われる。
第４の発明によれば、粒子状物質が堆積していない状態におけるフィルタの前後差圧を基準とすることにより、フィルタ毎の製造誤差等によって生じる総堆積量の推定誤差を低減することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の粒子状物質除去方法を説明する。図１は本発明の粒子状物質除去方法が用いられるディーゼル型の圧縮自着火式内燃機関を示す。なお本発明は火花点火式内燃機関にも適用可能である。
【００１２】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。
【００１３】
吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、さらに吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示した内燃機関では冷却装置１８内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水により吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９および排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は排気管２２を介してパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」と称す）２３を内蔵したケーシング２４に連結される。
【００１４】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、「ＥＧＲ」と称す）通路２５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２５内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２６が配置される。またＥＧＲ通路２５周りにはＥＧＲ通路２５内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置２７が配置される。図１に示した内燃機関ではＥＧＲ冷却装置２７内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水によりＥＧＲガスが冷却される。
【００１５】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２８に連結される。このコモンレール２８内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９から燃料が供給され、コモンレール２８内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２８にはコモンレール２８内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３０が取り付けられ、燃料圧センサ３０の出力信号に基づいてコモンレール２８内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２９の吐出量が制御される。
【００１６】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１により互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。
【００１７】
アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏込量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５０が接続され、負荷センサ５０の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。さらに、入力ポート４５には、クランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。また、フィルタ２３の排気上流側と排気下流側とにはフィルタ２３の排気上流と排気下流との間の差圧（以下、「前後差圧」と称す）を検出するための差圧センサ５２が設けられ、また、フィルタ２３の排気上流にはフィルタ２３への流入排気ガスの温度を検出するための温度センサ５３が設けられる。さらに、吸気通路上には燃焼室５へ流入する空気の質量流量を検出するためのエアフロメータ５４が設けられる。これら差圧センサ５２、温度センサ５３およびエアフロメータ５４は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に接続される。出力ポート４６は、対応する駆動回路４８を介して、燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２６、および、燃料ポンプ２９に接続される。
【００１８】
ところで、上述したような内燃機関では、その排気ガス中に有害な粒子状物質（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  ｍａｔｔｅｒ）が含まれており、これら粒子状物質はそのまま大気中に放出されてしまうことのないようにフィルタ２３で捕集される。しかしながら、フィルタ２３は、粒子状物質を無限に捕集することができるわけではなく、フィルタ２３に捕集されている粒子状物質が増大すると、フィルタ２３が詰まり、フィルタ２３による排気ガスに対する流抵抗が大きくなってしまい、フィルタ２３に起因する排気ガスの圧力損失が大きくなってしまう。
【００１９】
このため、多くの内燃機関では、フィルタ２３に堆積している粒子状物質の総量（以下、「フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量」と称す）が、フィルタ２３を通過する排気ガスがフィルタ２３によって受ける流抵抗が一定値（例えば、機関運転状態に悪影響を与える程度）以上に大きくなるような総堆積量（以下、「限界堆積量」と称す）に達したときに、ほとんど全ての粒子状物質が燃焼して除去されるような温度にまでフィルタ２３を昇温し、所定時間に亘ってその温度に維持する制御（以下、「フィルタ再生制御」と称す）を行っている。このような制御を実行することで、フィルタ２３は、再び、粒子状物質がほとんど堆積していない状態へと戻される。したがって、多くの内燃機関では、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量が上記限界堆積量以下に維持される。
【００２０】
フィルタ再生制御を行うためには、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量を正確に推定する必要がある。例えば、推定された粒子状物質の総堆積量が実際の粒子状物質の総堆積量よりも少ない場合、実際にはフィルタ２３には限界堆積量以上の粒子状物質が堆積してしまうことがある。このときのフィルタ２３の流抵抗は非常に大きくなってしまうと共に、その後実行されるフィルタ再生制御においてフィルタ２３に多量に堆積している粒子状物質の燃焼熱で、フィルタ２３の温度がフィルタの耐久温度を超えてしまい、フィルタ２３が劣化してしまうことがある。一方、推定された粒子状物質の総堆積量が実際の粒子状物質の総堆積量よりも多い場合、実際にはフィルタ２３の限界堆積量よりも少ない粒子状物質が堆積した段階でフィルタ再生制御が実行される。通常、フィルタ再生制御を実行するとフィルタを昇温するためのエネルギや燃料の消費量が増大したりするので、フィルタ再生制御の実行回数は少ない方が好ましい。このように上記粒子状物質の総堆積量が上記限界堆積量よりも少ない状態でフィルタ再生制御を実行することになると、無駄にエネルギや燃料の消費量を多くしてしまう。したがって、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量をできるだけ正確に推定する必要がある。
【００２１】
フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量の推定は、多くの場合、フィルタ２３の前後差圧に基づいて行われる。すなわち、フィルタ２３の前後差圧が大きくなった場合には粒子状物質の総堆積量が多くなっており、フィルタ２３の前後差圧が小さくなった場合には、粒子状物質の総堆積量が少なくなっている。
【００２２】
ただし、フィルタ２３の前後差圧は、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量だけでなく、フィルタ２３に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」と称す）の体積流量に応じて変化する。すなわち、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量が同一であっても、流入排気ガスの体積流量が増大した場合にはフィルタ２３の前後差圧が大きくなり、流入排気ガスの体積流量が減少した場合にはフィルタ２３の前後差圧が小さくなる。
【００２３】
したがって、フィルタ２３の前後差圧と、フィルタ２３への流入排気ガスの体積流量と、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量との関係は図２（ａ）に示したようになる。なお、図２（ａ）は流入排気ガスの体積流量とフィルタ２３の前後差圧との関係を示したものであり、実線ａ，ｂ，ｃはフィルタ２３への粒子状物質の総堆積量が零である場合、少ない場合、多い場合をそれぞれ示している。
【００２４】
そこで、本発明の堆積量推定方法では、流入排気ガスの体積流量およびフィルタ２３の前後差圧と粒子状物質の総堆積量との関係を予め実験的に求め、図２（ｂ）に示したようにマップとしてＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存する。そして、内燃機関を実際に使用するときには、差圧センサ５２によって検出されたフィルタ２３の前後差圧および後述する方法で算出された体積流量と、ＲＯＭ４２に保存されたマップとに基づいて、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量を推定するようにしている。
【００２５】
次に、流入排気ガスの体積流量の算出方法について説明する。まず、エアフロメータ５４によって燃焼室５へ流入する空気（新気）の質量流量（以下、「空気の質量流量」と称す）を検出し、また、ＥＣＵ４０から燃料噴射弁６への噴射指令に基づいて全ての燃料噴射弁６から燃焼室５内に単位時間当たりに噴射される燃料の質量（以下、「燃料の質量流量」と称す）を算出する。基本的に、燃焼室５には外部から上述した空気および燃料のみしか供給されないので、単位時間当たりに燃焼室５に供給される物質の全質量は上記空気の質量流量と上記燃料の質量流量とを合計したものである。質量保存則により、燃焼室５に供給された物質の質量は燃料の燃焼の前後で変わらないので、燃焼室５から排出される排気ガスの質量流量も、上記空気の質量流量と燃料の質量流量とを合計したものである。
【００２６】
そして、上述したように求められた排気ガスの質量流量を、排気ガスの密度で除算することによって、排気ガスの体積流量を算出することができる。ここで、燃焼室５内に供給された燃料のほとんど全てが内燃機関の燃焼行程で燃焼したかまたは気化しているので、燃焼室５から排出された排気ガスはほとんど全て気体状態にある。このため、排気ガスの密度は、排気ガスの温度の関数である。
【００２７】
ここで、本発明において用いられる内燃機関では、フィルタ２３への流入排気ガスの温度が温度センサ５３によって検出される。よって、このように検出された流入排気ガスの温度から、排気ガスの密度を算出することができる。したがって、本発明では、こうして算出された排気ガスの密度と、上記排気ガスの質量流量とに基づいて、排気ガスの体積流量が算出される。
【００２８】
このようにして排気ガスの体積流量を算出した場合、例えばマフラーの前後差圧に基づいて排気ガスの体積流量を算出する場合に比べて、算出される体積流量の精度が高い。すなわち、マフラーの前後差圧に基づいて体積流量を算出する場合にはマフラーに粒子状物質が堆積したりマフラーが変形したりすると正確に体積流量を算出することができなくなるのに対し、本発明の上記方法で排気ガスの体積流量を算出する場合には、このような問題が起こらない。
【００２９】
また、従来では排気ガスの体積流量を算出するのに、例えばマフラーの前後差圧を検出するための差圧センサ等を設けなければならない。これに対して、一般に、本発明の堆積量推定方法を実行しない内燃機関であってもほとんどの内燃機関の吸気通路上に、燃料噴射量等、内燃機関の運転に関するパラメータを決定するためにエアフロメータが設けられる。したがって、本発明の堆積量推定方法を実行する内燃機関では、本発明の堆積量推定方法を実行することのみのために追加の装置を内燃機関に設けられることを必要とせず、よって製造コストを低減することができる。
【００３０】
なお、上記実施形態では、流入排気ガスの温度のみに基づいてフィルタ２３への流入排気ガスの密度を算出しているが、流入排気ガスの温度に加えて、流入排気ガスの空燃比（燃焼室５に供給された空気と燃料との質量比率）または流入排気ガスの圧力、あるいはこれら流入排気ガスの空燃比および圧力の両方に基づいて流入排気ガスの密度を算出してもよい。このように流入排気ガスの密度を算出することにより、より正確に流入排気ガスの密度を算出することができ、よってフィルタ２３への粒子状物質の総堆積量をより正確に求めることができる。なお、排気ガスの空燃比は上記空気の質量流量と燃料の質量流量とから算出される。
【００３１】
また、上記実施形態に示した流入排気ガスの体積流量の算出方法は、燃焼室５に流入させる吸気ガス中にＥＧＲガスが含まれる場合にも同様に用いることができる。これは、ＥＧＲガスを再循環させている場合、すなわちＥＧＲ制御の実行中には、燃焼室５に流入したＥＧＲガスの質量流量とほぼ同一の質量流量の排気ガスがＥＧＲガスとして再び吸気通路に戻されるため、ＥＧＲ制御の実行中であっても、燃焼室５に流入した空気および燃料の質量流量とほぼ同一の質量流量の排気ガスがフィルタ２３へと流れることによる。
【００３２】
さらに、上記実施形態では、体積流量と前後差圧とに基づいて粒子状物質の総堆積量を推定している。これに対し、フィルタに粒子状物質が堆積していない状態におけるフィルタ２３の前後差圧と、実際に検出されるフィルタ２３の前後差圧との圧力差（以下、「差圧差」と称す）を算出し、この差圧差と体積流量とに基づいて粒子状物質の総堆積量を推定してもよい。すなわち、上述した体積流量と前後差圧とのマップに替えて、差圧差と体積流量とのマップを予め用意する。そして、例えばフィルタ２３を製造後初めて使用する際のフィルタ２３の前後差圧を検出し、ＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存する。使用時には、検出されたフィルタ２３の前後差圧と、ＲＯＭ４２に保存されているフィルタ２３の前後差圧であって検出された体積流量に対応する前後差圧とから差圧差を算出し、算出した差圧差と検出された体積流量とに基づいてフィルタ２３への粒子状物質の総堆積量を推定する。
【００３３】
このように粒子状物質が堆積していない状態におけるフィルタ２３の前後差圧を基準とすることにより、粒子状物質が堆積していない状態におけるフィルタ２３の前後差圧に関する各フィルタ２３間の製造誤差を補償することができる。
【００３４】
次に、図３のフローチャートを参照して、本発明の堆積量推定方法の制御ルーチンについて説明する。まず、ステップ１００において、エアフロメータ５４により燃焼室５に流入する空気の質量流量Ｑｍａが検出され、燃料噴射弁６への噴射指令に基づいて燃料の質量流量Ｑｍｆが算出され、温度センサ５３によりフィルタ２３への流入排気ガスの温度Ｔｅが検出され、さらに、差圧センサ５２によりフィルタ２３の前後差圧Ｐｄが検出される。次いで、ステップ１０１において、ステップ１００で検出された空気の質量流量Ｑｍａおよび燃料の質量流量Ｑｍｆから排気ガスの質量流量Ｑｍｅが算出される。次いで、ステップ１０２において、ステップ１０１で算出された排気ガスの質量流量Ｑｍｅと流入排気ガスの温度Ｔｅとから、排気ガスの体積流量Ｑｖｅが算出され、ステップ１０３へと進む。ステップ１０３では、ステップ１０２で算出された排気ガスの体積流量Ｑｖｅとフィルタ２３の前後差圧Ｐｄと図２（ｂ）に示したマップとから、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量Ｍｐが算出され、制御ルーチンが終了する。
【００３５】
ところで、粒子状物質は、大別すると、煤（ｓｏｏｔ）等の有機溶剤に不溶な成分（以下、「煤」と称す）と、可溶性有機物質（ＳＯＦ）等の有機溶剤に可溶な成分（以下、「ＳＯＦ」と称す）とに分けられる。これら成分の性質として、ＳＯＦが燃焼し始めるＳＯＦ燃焼温度は、煤が燃焼し始める煤燃焼温度よりも低い。例えば、ＳＯＦ燃焼温度は２５０℃〜３００℃以上であり、煤燃焼温度は５００℃〜６００℃以上である。したがって、フィルタ２３に堆積しているＳＯＦを除去する場合には、フィルタ２３に堆積している煤を除去する場合に比べてフィルタ２３の温度は低温でよく、よってこの場合のフィルタ２３の昇温に用いられる燃料やエネルギの消費量は非常に少ない。
【００３６】
また、従来では、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量として煤およびＳＯＦの両方の堆積量を合計したものを推定し、推定した粒子状物質の総堆積量に基づいて煤燃焼温度にまでフィルタ２３の温度を上昇させ、その温度に維持して、フィルタ２３に堆積した粒子状物質を除去していた。この場合、ＳＯＦが多く堆積していてフィルタ２３をＳＯＦ燃焼温度にまで昇温すればＳＯＦが燃焼してフィルタ２３の粒子状物質の捕集能力が回復するときであっても、同様な操作が行われる。
【００３７】
しかしながら、上述したようにＳＯＦ燃焼温度は煤燃焼温度よりもかなり低温であるため、フィルタ２３の昇温に用いられる燃料やエネルギの消費量を考慮すると、フィルタ２３にＳＯＦが多く堆積しているときにはフィルタ２３をＳＯＦ燃焼温度にまで昇温してＳＯＦを燃焼させてフィルタ２３の粒子状物質の捕集能力を回復させるのが好ましい。すなわち、フィルタ２３を煤燃焼温度まで昇温する回数は少ない方が好ましい。そこで、本発明では以下のような方法で、フィルタ２３に堆積した粒子状物質を除去する。
【００３８】
本発明の粒子状物質除去方法では、昇温処理によってフィルタ２３をＳＯＦ燃焼温度にまで昇温する制御（以下、「ＳＯＦ除去制御」と称す）を行うことで粒子状物質のうちＳＯＦを除去した後に、上述した堆積量推定方法によりフィルタ２３への粒子状物質の総堆積量を推定する。この場合、推定される粒子状物質の総堆積量は、煤の総堆積量を指している。そして、この煤の総堆積量が上述した限界堆積量以上となった場合に、昇温処理によってフィルタ２３を煤燃焼温度にまで昇温させる制御（以下、「煤除去制御」と称す）を行い、フィルタ２３に堆積している粒子状物質を除去する。
【００３９】
また、ＳＯＦ除去制御は、比較的短い所定運転時間間隔毎に行われる。ここで、所定運転時間間隔とは、少なくとも粒子状物質を強制的に除去しない場合にフィルタ２３への粒子状物質の総堆積量がほぼ零から限界堆積量に到達するまでにかかる運転時間よりも短い時間間隔である。
【００４０】
図４（ａ）に、運転時間とフィルタ２３への粒子状物質の総堆積量との関係を示した。ここで、実線は、フィルタ２３に堆積している煤とＳＯＦとを含む粒子状物質の総量を示しており、一点鎖線は、フィルタ２３に堆積している粒子状物質のうち煤の量を示している。
【００４１】
図４（ａ）では、所定運転時間間隔Δｔ毎にＳＯＦ除去制御が行われ、よって所定運転時間間隔毎にＳＯＦが除去される。すなわち、フィルタ２３に粒子状物質がほとんど堆積していない状態にある時刻ｔ０から所定運転時間間隔Δｔが経過した時刻ｔ１に、昇温処理によってフィルタ２３をＳＯＦ燃焼温度に昇温し、フィルタ２３に堆積しているＳＯＦが除去されるような時間だけその温度に維持するＳＯＦ除去制御が実行される。そして、フィルタ２３に堆積しているＳＯＦが除去された時刻（あるいは、ＳＯＦ除去制御が終了せしめられた時刻）ｔ２にフィルタ２３への粒子状物質（すなわち、煤）の総堆積量が推定される。
【００４２】
図４（ａ）から分かるように、時刻ｔ２においては、煤の総堆積量は限界堆積量にまで到達していないため、フィルタ２３を煤燃焼温度にまで昇温することなくフィルタ２３の昇温処理が終了せしめられる。所定運転時間間隔Δｔが経過した時刻ｔ３に再び昇温処理によりフィルタ２３がＳＯＦ燃焼温度に昇温される。このような制御を時刻ｔ３〜ｔ７において繰り返すうちにフィルタ２３には煤が堆積し、時刻ｔ７にＳＯＦ除去制御を実行してフィルタ２３に堆積したＳＯＦを除去した後の時刻ｔ８にフィルタ２３への粒子状物質（すなわち、煤）の総堆積量を推定すると、煤の総堆積量が限界堆積量以上となっている。このため、時刻ｔ８において煤除去制御が実行され、すなわち更なる昇温処理によってフィルタ２３が煤燃焼温度にまで昇温され、フィルタ２３に堆積している煤が燃焼・除去される。
【００４３】
このようにフィルタ２３に堆積した粒子状物質を除去することにより、フィルタ２３を煤燃焼温度にまで昇温するのをフィルタ２３に堆積している煤の量が限界堆積量に達した場合のみとすることができる。したがって、フィルタ２３を煤燃焼温度まで昇温する回数を低減することができ、よって燃料やエネルギの消費量を低減することができる。なお、フィルタ２３をＳＯＦ燃焼温度にまで昇温する場合の燃料やエネルギの消費量は非常に少ないため、上述したようにフィルタ２３のＳＯＦ燃焼温度までの昇温を数回行っても、全体的には燃料やエネルギの消費量を低減することができる。
【００４４】
次に、図５のフローチャートを参照して、本発明の粒子状物質除去方法の制御ルーチンについて説明する。まず、ステップ１２０において、カウンタの値ＣＯＵＮＴが元のカウンタＣＯＵＮＴの値に１を加えたものとされる。ここで、カウンタは、経過時間を表すものであり、このカウンタの値ＣＯＵＮＴが所定値ａ以上となったときに所定運転時間が経過したことを示すものである。次いで、ステップ１２１において、カウンタの値ＣＯＵＮＴが所定値ａ以上であるか否か、すなわち所定運転時間が経過したか否かが判定され、カウンタの値ＣＯＵＮＴが所定値ａよりも小さいと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００４５】
一方、ステップ１２１において、カウンタの値ＣＯＵＮＴが所定値ａ以上であると判定された場合には、ステップ１２２へと進む。ステップ１２２では、ＳＯＦ除去制御が実行せしめられる。次いで、ステップ１２３において、上述した堆積量推定方法により、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量Ｍｐが推定される。ステップ１２４では、ステップ１２３で推定された総堆積量Ｍｐが予め定められた限界堆積量Ｍｐａ以上であるか否かが判定され、総堆積量Ｍｐが限界堆積量Ｍｐａよりも少ないと判定された場合にはステップ１２５へと進み、カウンタの値ＣＯＵＮＴが零にリセットされて、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００４６】
一方、ステップ１２４において、総堆積量Ｍｐが限界堆積量Ｍｐａ以上であると判定された場合には、ステップ１２６へと進む。ステップ１２６では、煤除去制御実行条件が成立しているか否かが判定される。ここで、煤除去制御実行条件が成立している場合とは、フィルタ２３を煤燃焼温度にまで昇温しやすい場合、例えば、内燃機関が高負荷・高回転で運転されている場合等が挙げられる。煤除去制御実行条件が成立していないと判定された場合には、再びステップ１２６へと戻される。一方、ステップ１２６において、煤除去制御実行条件が成立していると判定された場合には、ステップ１２７へと進んで、煤除去制御が実行せしめられる。次いで、ステップ１２８でカウンタの値ＣＯＵＮＴが零にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００４７】
なお、本発明の粒子状物質除去方法では、上述したように所定運転時間間隔Δｔ毎にＳＯＦ除去制御を実行しているが、この利点について、図４を参照して説明する。図４（ｂ）は、ＳＯＦ除去制御を実行するタイミングをフィルタ２３への粒子状物質の総堆積量に基づいて決定している場合における、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量のタイムチャートであり、図４（ａ）と同様に、実線が煤とＳＯＦとを含む粒子状物質の総堆積量、一点鎖線が煤の総堆積量を示している。
【００４８】
図４（ｂ）では、フィルタ２３への粒子状物質の総堆積量がほぼ零の状態から基準堆積量に達するまではＳＯＦ除去制御は実行されない。ここで、基準堆積量とは、限界堆積量よりも多い量であり、ＳＯＦ除去制御を実行する基準となる堆積量である。粒子状物質の総堆積量が基準堆積量に達すると、ＳＯＦ除去制御が実行され、フィルタ２３がＳＯＦ燃焼温度まで昇温され、フィルタ２３に体積しているＳＯＦが除去される。ＳＯＦを除去した直後の粒子状物質の総堆積量、すなわち煤の総堆積量が限界堆積量よりも少ない場合には、煤除去制御は実行されない。そして、このような制御が繰り返されて、ＳＯＦ除去制御を実行した直後の粒子状物質の総堆積量が限界堆積量以上となった場合には煤除去制御が実行され、フィルタ２３に堆積している煤が除去される。
【００４９】
図４（ａ）および図４（ｂ）を比較して分かるように、図４（ｂ）の場合には、煤の総堆積量が少ないうちはＳＯＦ除去制御がほとんど実行されず、逆に煤の総堆積量が多くなってからＳＯＦ除去制御が短い運転時間間隔で実行されているのに対して、図４（ａ）の場合には、煤の総堆積量に関係無くコンスタントにＳＯＦ除去制御が実行されている。したがって、所定運転時間毎にＳＯＦ除去制御を実行している場合は、総堆積量に基づいてＳＯＦ除去制御の実行タイミングを決定している場合よりも、平均的に総堆積量が少なく維持されている。すなわち、本発明の粒子状物質除去方法を実行した場合にはフィルタ２３に起因する圧損を低く維持することができることが分かる。なお、ＳＯＦ除去制御の実行回数は、図４（ａ）の場合と図４（ｂ）の場合とではほとんど変わらない。すなわち、燃料やエネルギの消費量は、運転時間間隔に基づいてＳＯＦ除去制御の実行タイミングを決定する場合における上記運転時間間隔を適切に設定すれば、運転時間および堆積量のいずれに基づいてＳＯＦ除去制御の実行タイミングを決定してもほとんど変わらないことが分かる。
【００５０】
なお、上記実施形態においては、運転時間間隔に基づいてＳＯＦ除去制御の実行タイミングを決定しているが、運転時間間隔でなく、内燃機関を搭載した車両の走行距離、積算回転数や上述した堆積量推定方法等、粒子状物質の堆積量を推定することができるパラメータであれば如何なるパラメータに基づいてＳＯＦ除去制御の実行タイミングを決定してもよい。そして、ＳＯＦ除去制御を実行してから新たに所定堆積量の粒子状物質が堆積したことが推定される毎にＳＯＦ除去制御を実行するようにするのが好ましい。ここで、所定堆積量とは、上記限界堆積量よりも少ない堆積量である。例えば、このようなパラメータとして走行距離を用いた場合、所定走行距離毎にＳＯＦ除去制御が実行される。この場合、所定走行距離とは、粒子状物質を強制的に除去しない場合にフィルタ２３への粒子状物質の総堆積量がほぼ零から限界堆積量に到達するまでにかかる走行距離よりも短い走行距離である。
【００５１】
ただし、ＳＯＦ除去制御の実行タイミングの決定は、上述した堆積量推定方法によってではなく、運転時間間隔、走行距離または積算回転数（以下、「運転時間間隔等」と称す）に基づいて行う方が好ましい。この理由について簡単に説明する。上述した堆積量推定方法でフィルタ２３への堆積量を推定する場合、ＥＣＵ４０での計算量が多くなってしまい、ＣＰＵ４４の計算負荷が大きくなってしまうため、上述した堆積量推定方法による総堆積量の推定回数は少ない方が好ましい。一方、運転時間間隔、走行距離または積算回転数に基づいて堆積量を推定する場合には、ＣＰＵ４４にはほとんど計算負荷がかからない。したがって、ＳＯＦ除去制御の実行タイミングの決定を運転時間間隔等に基づいて行う場合、上述した堆積量推定方法による総堆積量の推定はＳＯＦ除去制御の終了直後のみとなり、ＣＰＵ４４への計算負荷を低減することができる。
【００５２】
次に、昇温処理の方法について簡単に説明する。本発明では昇温処理は、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するタイミングを遅らせたり、内燃機関の燃焼室５に機関駆動用の燃料を噴射した後に少量の燃料を噴射して燃焼させたり、フィルタ２３上流に電気ヒータやグロープラグを設け、これら電気ヒータまたはグロープラグを作動させたりすることによって、排気ガスの温度を上昇させることによって行われる。また、燃焼室内に燃料を点火するための点火栓が設けられている場合には、この点火栓による燃料の点火タイミングを遅らせることによって、排気ガスの温度を上昇させることによっても昇温処理を行うことができる。
【００５３】
あるいは、内燃機関の燃焼室に機関駆動用の燃料を噴射した後に少量の燃料を噴射し、その燃料を燃焼させずにそのまま燃焼室５から排出させたり、フィルタ２３上流において排気ガスに燃料を添加するための装置を設け、この装置から排気ガスに燃料を添加したりして、燃料をフィルタ２３に供給し、これら燃料をフィルタ２３内にて燃焼させることによっても昇温処理を行うことができる。
【００５４】
また、本発明において用いられるフィルタ２３は、上述したＳＯＦ燃焼温度や煤燃焼温度にまでフィルタ２３を昇温せずに粒子状物質を除去する能力を有するフィルタであってもよい。以下、フィルタの粒子状物質除去作用について説明する。
【００５５】
図６においては、貴金属触媒として白金（Ｐｔ）を利用し、活性酸素生成剤としてカリウム（Ｋ）を利用した場合を例にとって説明するが、他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様な粒子状物質除去作用が行われる。
【００５６】
図６（ａ）および（ｂ）はフィルタ２３の隔壁の表面上および隔壁の細孔表面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表している。図６（ａ）および（ｂ）において６０は白金の粒子を示しており、６１はカリウム等の活性酸素生成剤を含む担体層を示している。
【００５７】
まず、吸気通路および燃焼室内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると、フィルタ２３に流入する排気ガスの空燃比はリーンである場合、燃焼室では、ＮＯＸ、特にＮＯおよびＮＯ２が発生するので、排気ガス中にはＮＯｘが含まれている。このように、フィルタ２２には過剰酸素、および、ＮＯＸを含んだ排気ガスが流入する。
【００５８】
排気ガスがフィルタ２３に流入すると、図６に示したように排気ガス中の酸素はＯ２−またはＯ２−の形で白金の表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金の表面上でＯ２−またはＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（２ＮＯ＋Ｏ２→２ＮＯ２）。次いで生成されたＮＯ２および排気ガス中のＮＯ２の一部は白金上で酸化されつつ活性酸素生成剤６１に吸収され、Ｋと結合しながら図６に示したように硝酸イオン（ＮＯ３−）の形で活性酸素生成剤６１内に拡散し、硝酸塩（ＫＮＯ３）を生成する。すなわち、排気ガス中の酸素が硝酸イオンの形で活性酸素生成剤に保持される。
【００５９】
ところで、燃焼室内では主にカーボン（Ｃ）からなる粒子状物質が生成される。したがって、排気ガス中にはこれら粒子状物質が含まれる。排気ガス中の粒子状物質は、排気ガスがフィルタ２３内を流れているときに、図６（ｂ）に示したように、活性酸素生成剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００６０】
活性酸素生成剤６１上に粒子状物質６２が付着すると、活性酸素生成剤６１の表面とその内部との間に濃度差が生じる。活性酸素生成剤６１内には硝酸イオンの形で酸素が保持されており、この保持されている酸素が粒子状物質６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素生成剤６２内に形成されている硝酸塩（ＫＮＯ３）がＫとＯとＮＯとに分解され、Ｏが活性酸素生成剤６１の表面に向かい、その一方でＮＯが活性酸素生成剤６１から外部に離脱せしめられる。このように外部に離脱せしめられたＮＯは上述したメカニズムで下流側の白金上において酸化され、再び活性酸素生成剤６１内に硝酸イオンの形で保持される。
【００６１】
ところで粒子状物質６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向かうＯは硝酸塩（ＫＮＯ３）のような化合物から分解された酸素であるので、不対電子を有し、極めて高い反応性を有する活性酸素となっている。これら活性酸素が粒子状物質６２に接触すると粒子状物質６２は短時間（数秒〜数十分）のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、粒子状物質６２は完全に消滅する。したがって、このようにして粒子状物質６２が酸化・除去され、粒子状物質６２はフィルタ２３上に堆積しにくくなる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の粒子状物質除去方法によれば、フィルタの煤燃焼温度への昇温回数を少なくすることで燃料やエネルギの消費量を抑制することができ、その結果、フィルタに堆積している粒子状物質を効率的に除去することができる。
【００６３】
第３および第４の発明によれば、流入排気ガスの流量を正確に推定して、粒子状物質の総堆積量を正確に推定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の粒子状物質除去方法を実行する内燃機関全体を示す図である。
【図２】流入排気ガスの体積流量と、フィルタの前後差圧と、粒子状物質の総堆積量との関係を示す図である。
【図３】本発明の堆積量推定方法のフローチャートである。
【図４】フィルタへの粒子状物質の総堆積量のタイムチャートである。
【図５】本発明の粒子状物質除去方法のフローチャートである。
【図６】本発明において使用されるフィルタの粒子状物質除去作用を説明するための図である。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
２３…パティキュレートフィルタ（フィルタ）
２４…ケーシング
４０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
５２…差圧センサ
５３…温度センサ
５４…エアフロメータ
【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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