(57)【要約】【課題】パティキュレートフィルタの強制再生を効率良く実行してエンジンの燃費を改善可能な排気浄化装置を提供する。【解決手段】エンジン１の排気管２０に介装されたパティキュレートフィルタ３２の強制再生を行っているときに、パティキュレートフィルタ３２の再生率が、３０〜５０％の範囲内の所定値に設定された目標再生率Ｒｔに達すると強制再生を終了する。【選択図】図４
2009121267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に介装され、上記エンジンの排気中に含まれるパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
上記パティキュレートフィルタの強制再生を行っているときに、上記パティキュレートフィルタの再生率が目標再生率に達すると上記強制再生を終了する制御手段とを備え、
上記目標再生率が５０％以下の所定再生率に設定されていることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
上記目標再生率は、３０乃至５０％の範囲内の所定再生率に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は排気浄化装置に関し、特に排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディーゼルエンジン等のエンジンの排気通路にパティキュレートフィルタを設け、エンジンから排出された排気中に含まれるパティキュレートをパティキュレートフィルタで捕集し、大気中にパティキュレートが放出されないようにする技術が知られている。
このようなパティキュレートフィルタでは、その上流側に酸化触媒を配置し、この酸化触媒により排気中のＮＯ（一酸化窒素）が酸化されて生成されたＮＯ２（二酸化窒素）を酸化剤として、パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを連続的に酸化除去する連続再生が行われるようになっている。しかしながら、エンジンの排気温度が低い運転状態が継続して酸化触媒によるＮＯ２の生成が十分に行われないなどの理由により、連続再生が良好に行われない場合があり、このような状態が継続すると、捕集したパティキュレートが堆積することによって次第に排気抵抗が増大するため、適宜堆積したパティキュレートを何らかの方法で強制的に焼却してパティキュレートフィルタを再生する、いわゆる強制再生を行う必要がある。
【０００３】
パティキュレートフィルタを強制再生するにはパティキュレートフィルタの温度を上昇させる必要があるが、そのために例えば、エンジンの膨張行程や排気行程で気筒内に燃料を噴射する、いわゆるポスト噴射を行う。このようなポスト噴射を行うことにより、排気通路に供給したＨＣをパティキュレートフィルタ上流の酸化触媒で酸化させ、パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を上昇させる。
【０００４】
この強制再生は、パティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量が強制再生によって所定量まで減少すると終了するが、パティキュレートフィルタから焼却除去されたパティキュレートの量を、パティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの最大許容堆積量に対する比率で表した再生率の目標値として目標再生率を設定し、この目標再生率に基づき強制再生の終了を判定するようにした排気浄化装置が例えば特許文献１によって提案されている。
【０００５】
特許文献１の排気浄化装置を含め、パティキュレートフィルタを備えた従来の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタ内に残留するパティキュレートの量を極力少なくするように強制再生を行うのが一般的であり、そのために目標再生率はできるだけ大きく設定されていた。
【特許文献１】特開２００６−２４２０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パティキュレートフィルタの強制再生を行う際には、上述したようにパティキュレートフィルタの温度を上昇させるため、ポスト噴射などによりエンジンの出力に寄与しない余分な燃料を供給する。また、電気ヒータなどを利用し、電気エネルギによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにした場合にも、消費された電気エネルギを補うためにエンジンの出力が用いられ、燃料が消費される。このため、パティキュレートフィルタの強制再生を効率良く実行することは、エンジンの燃費改善のために非常に重要な課題となっている。
【０００７】
上記特許文献１の排気浄化装置のように、パティキュレートフィルタの強制再生の完了を精度よく判定するようにして、結果的にエンジンの燃費を改善するようにした提案は従来よりなされているものの、強制再生自体を効率良く行うようにしたものではなく、大幅な燃費改善を期待することはできない。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、パティキュレートフィルタの強制再生を効率良く実行してエンジンの燃費を改善可能な排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気通路に介装され、上記エンジンの排気中に含まれるパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、上記パティキュレートフィルタの強制再生を行っているときに、上記パティキュレートフィルタの再生率が目標再生率に達すると上記強制再生を終了する制御手段とを備え、上記目標再生率が５０％以下の所定再生率に設定されていることを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
このように構成された排気浄化装置によれば、制御手段が燃料の燃焼エネルギや電気エネルギなどを用いてパティキュレートフィルタの強制再生を行い、５０％以下の所定再生率に設定された目標再生率にパティキュレートフィルタの再生率が達すると強制再生を終了する。
また、上記排気浄化装置において、上記目標再生率は、３０乃至５０％の範囲内の所定再生率に設定されているのが好ましい（請求項２）。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の排気浄化装置によれば、強制再生の際にパティキュレートフィルタの再生率が５０％を超える前に強制再生が終了する。パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレートの燃焼速度は堆積量が多いほど速くなるため、再生率が５０％を超えるまで強制再生を継続する場合に比べ、毎回の強制再生において燃焼速度の速い状態でパティキュレートの焼却除去が繰り返される。従って、一定の量のパティキュレートを強制再生で焼却除去する際の平均燃焼速度は、再生率が５０％を超えるまで強制再生を継続する場合に比べて速くなり、その分だけパティキュレートフィルタの温度を高温に維持するために消費される燃料の量や電気エネルギを低減することが可能となるので、エンジンの燃費を改善することができる。
【００１１】
また、パティキュレートフィルタの連続再生も、パティキュレートフィルタにパティキュレートが比較的多く堆積した状態で行われるので、パティキュレートの燃焼速度が速い状態でパティキュレートフィルタが連続再生されることになる。このため、仮にパティキュレートフィルタに対するパティキュレートの堆積速度は一定であるとすれば、パティキュレートフィルタにおけるパティキュレート堆積量の増大を遅くすることが可能となり、強制再生が必要となる量までパティキュレートが堆積するのに要する時間を長くすることができる。従って、強制再生の頻度を減らすことが可能となり、この点でもエンジンの燃費を改善することができる。
【００１２】
更に、車両に搭載される排気浄化装置の場合には、車両の走行への影響を考慮して車両停止中に強制再生を行うようにする場合があるが、このようにした場合、強制再生が継続している間は、車両を走行する必要が生じても走行させることができなくなるおそれがある。しかしながら、上述したように１回の強制再生に要する時間が短縮されると共に、強制再生の頻度も減少するので、このような場合においても車両が走行できなくなる可能性を低減することができ、車両の商品性を向上させることが可能となる。
【００１３】
また、目標再生率を過剰に減少させることによって、パティキュレートフィルタに大量のパティキュレートが堆積したままであると、何らかの理由によりエンジンの運転状態が急変した場合に、パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレートが自己着火し、パティキュレートフィルタの温度が急上昇することによってパティキュレートフィルタが溶損したり、パティキュレートの堆積量が急増してパティキュレートフィルタが破損したりするおそれがある。そこで、請求項２の排気浄化装置によれば、３０乃至５０％の範囲内の所定再生率に設定された目標再生率にパティキュレートフィルタの再生率が達すると強制再生を終了するようにしたので、パティキュレートフィルタは少なくとも３０％以上の再生率までは再生されることになり、エンジンの運転状態が急変するようなことがあっても、上述したような溶損や破損の問題を回避することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用される４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１の全体構成図である。
エンジン１は各気筒共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、図示しない燃料噴射ポンプから供給されてコモンレール２に蓄えられた高圧の燃料を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に燃料が噴射される。
【００１５】
吸気管６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気管６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１０及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド（吸気通路）１４に導入される。吸気管６のコンプレッサ８ａより上流側には、大気からエンジン１に吸入される空気量を検出するための吸気量センサ１６が設けられている。
【００１６】
一方、エンジン１の各気筒から排気が排出される排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド１８を介して排気管（排気通路）２０に接続されている。なお、排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁２２を介して排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路２４が設けられており、ＥＧＲ弁２２の開度を変更することにより排気マニホールド１８から吸気マニホールド１４への排気還流量を調整可能となっている。
【００１７】
排気管２０は、ターボチャージャ８のタービン８ｂを経た後、排気ブレーキとして作動する排気絞り弁２６を介して排気後処理装置２８に接続されている。なお、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂが排気管２０内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動するようになっている。
排気後処理装置２８には、酸化触媒３０が収容されると共に、この酸化触媒３０の下流側に、排気中のパティキュレートを捕集することによりエンジン１の排気を浄化するパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）３２が収容されている。
【００１８】
この酸化触媒３０は、流入する排気中に含まれるＮＯを酸化させてＮＯ２を生成し、このＮＯ２を酸化剤としてフィルタ３２に供給する機能を有している。また、フィルタ３２はハニカム型のセラミック体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、エンジン１の排気が内部を流通することによって排気中のパティキュレートを捕集する。
【００１９】
酸化触媒３０で排気中のＮＯから生成されたＮＯ２はフィルタ３２に流入し、フィルタ３２に捕集されて堆積したパティキュレートに対して酸化剤として作用することにより、フィルタ３２に堆積しているパティキュレートを酸化して除去し、フィルタ３２を連続再生すると共にＮ２となって大気中に排出される。
フィルタ３２の上流側には、フィルタ３２に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ３４、及びフィルタ３２の上流側における排気の圧力を検出する上流側排気圧センサ３６が設けられている。また、フィルタ３２の下流側には、フィルタ３２の下流側における排気の圧力を検出する下流側排気圧センサ３８が設けられている。
【００２０】
ＥＣＵ（制御手段）４０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うと共に、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。
ＥＣＵ４０の入力側には、各種制御に必要な情報を収集するため、上述した吸気量センサ１６、排気温度センサ３４、上流側排気圧センサ３６及び下流側排気圧センサ３８のほか、エンジン１の回転数を検出する回転数センサ４２、及びアクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ４４などの各種センサ類が接続されている。
【００２１】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、演算した制御量に基づいて制御が行われる各気筒のインジェクタ４、吸気制御弁１２、ＥＧＲ弁２２及び排気絞り弁２６などの各種デバイス類が接続されている。
エンジン１の各気筒への燃料供給量の演算、及び演算した燃料供給量に基づくインジェクタ４からの燃料供給制御もＥＣＵ４０によって行われる。エンジン１の運転に必要な燃料供給量（主噴射量）は、回転数センサ４２によって検出されたエンジン１の回転数とアクセル開度センサ４４によって検出されたアクセルペダルの踏込量とに基づき、予め記憶しているマップから読み出して決定する。各気筒に供給される燃料の量は、インジェクタ４の開弁時間によって調整され、決定された燃料量に対応した駆動時間で各インジェクタ４が開弁駆動され、各気筒に主噴射が行われることにより、エンジン１の運転に必要な燃料量が供給される。
【００２２】
更に、ＥＣＵ４０は、このような各気筒への燃料供給制御のほか、フィルタ３２を強制再生して機能回復させるための制御も行う。
フィルタ３２に堆積したパティキュレートは、前述したように酸化触媒３０によって生成されてフィルタ３２に流入するＮＯ２を酸化剤とした連続再生によって酸化除去されるが、アイドル運転などのように排気温度が低い運転状態が長時間続いた場合などでは、このような連続再生だけでは堆積したパティキュレートが十分に酸化除去されない場合がある。このような状態が継続すると、フィルタ３２内にパティキュレートが過剰に堆積し、フィルタ３２が目詰まりを起こすおそれがあるため、ＥＣＵ４０が強制再生制御を実行することにより、フィルタ３２におけるパティキュレートの堆積状況に応じ、適宜フィルタ３２の強制再生を行う。
【００２３】
以下では、このような強制再生制御の詳細について、図２乃至４に基づき説明する。
図２は、ＥＣＵ４０がエンジン１の運転中に所定の制御周期で繰り返し実行する強制再生制御のフローチャートである。
強制再生制御が開始されると、まずステップＳ１において、ＥＣＵ４０は強制再生フラグＦ１の値が１であるか否かを判定する。強制再生フラグＦ１はフィルタ３２の強制再生が必要であるか否かを示すものであり、その値が１であると強制再生が必要であることを示し、値が０であると強制再生が不要であることを示す。強制再生制御開始時の強制再生フラグＦ１の初期設定値は０となっているので、強制再生制御開始後の最初の制御周期では、ＥＣＵ４０が処理をステップＳ１からステップＳ２に進める。
【００２４】
ステップＳ２において、ＥＣＵ４０はフィルタ３２の強制再生が必要であるか否かの判定を行う。具体的には、上流側排気圧センサ３６及び下流側排気圧センサ３８の検出値から求めたフィルタ３２前後の差圧と、吸気量センサ１６の検出値から算出したフィルタ３２への排気流量とに基づき、フィルタ３２へのパティキュレートの堆積量を推定し、この推定堆積量が強制再生開始判定値以上である場合に、ＥＣＵ４０はフィルタ３２の強制再生が必要であると判断する。
【００２５】
パティキュレートの推定堆積量が強制再生開始判定値未満である場合、ＥＣＵ４０は現時点での強制再生が不要であると判定し、この制御周期を終了した後、次の制御周期において再びステップＳ１から処理を行う。
一方、ステップＳ２でフィルタ３２の強制再生が必要と判断した場合、ＥＣＵ４０は処理をステップＳ３に進め、強制再生フラグＦ１の値を１として、強制再生が必要であることを示すように変更し、次のステップＳ４に処理を進める。
【００２６】
ステップＳ４でＥＣＵ４０は、排気温度センサ３４によって検出されたフィルタ３２に流入する排気の温度Ｔｆが２５０℃以上であるか否かを判定することにより、酸化触媒３０が活性化しているか否かを判断する。
フィルタ３２に流入する排気の温度Ｔｆが２５０℃未満である場合、ＥＣＵ４０は酸化触媒３０が活性化していないものと判断してステップＳ５に処理を進め、酸化触媒３０の昇温制御を行った後、その制御周期を終了する。
【００２７】
この昇温制御は、酸化触媒３０に高温の排気を供給することにより、酸化触媒３０の温度を活性化温度（例えば２５０℃）まで昇温するものであり、吸気制御弁１２や排気絞り弁２６を閉方向に制御すると共に、各気筒の膨張行程においてインジェクタ４から第１の追加燃料噴射を行う。第１の追加燃料の噴射タイミングは膨張行程終期よりも比較的早期に設定されており、このようなタイミングで第１の追加燃料を気筒内に噴射することにより、第１の追加燃料と気筒内の高温の燃焼ガスとが混合し、排気ポートや排気マニホールド１８内で第１の追加燃料が燃焼する。そして、第１の追加燃料の燃焼により高温となった排気が酸化触媒３０に供給されることによって、酸化触媒３０の温度が上昇する。
【００２８】
次の制御周期でも、再びステップＳ１から処理が開始されるが、この場合には既に強制再生フラグＦ１の値が１となっているので、ＥＣＵ４０は処理をステップＳ１からステップＳ４に進め、上述したようにフィルタ３２に流入する排気の温度Ｔｆが２５０℃以上であるか否かを判定することにより、酸化触媒３０が活性化しているか否かを判断する。
ステップＳ４で、フィルタ３２に流入する排気の温度Ｔｆが２５０℃未満であって酸化触媒３０が依然として活性化していないと判断した場合、ＥＣＵ４０は再びステップＳ５において、上述したように吸気制御弁１２及び排気絞り弁２６の制御と第１の追加燃料の噴射による触媒昇温制御を行う。従って、フィルタ３２に流入する排気の温度Ｔｆが２５０℃未満で、酸化触媒３０が活性化していないと判断している間は、制御周期ごとにステップＳ５における触媒昇温制御がＥＣＵ４０によって繰り返し行われる。
【００２９】
このようにしてステップＳ５における触媒昇温制御が繰り返され、フィルタ３２に流入する排気の温度Ｔｆが２５０℃以上になって酸化触媒３０が活性化したと判断すると、ＥＣＵ４０は処理をステップＳ４からステップＳ６に進める。
ステップＳ６でＥＣＵ４０は、排気温度センサ４０によって検出されたフィルタ３２に流入する排気の温度Ｔｆが所定温度以上であるか否かを判定する。この所定温度は、フィルタ３２でパティキュレートが最も効率よく燃焼する温度であり、本実施形態では６００℃を所定温度としている。
【００３０】
ＥＣＵ４０は、ステップＳ６で排気温度Ｔｆが６００℃未満であると判定するとステップＳ７に処理を進める一方、排気温度Ｔｆが６００℃以上であると判定するとステップＳ８に処理を進める。
ステップＳ７及びＳ８における処理は、フィルタ３２に流入する排気の温度を上述した所定温度である６００℃に維持するように、インジェクタ４から第２の追加燃料を各気筒に噴射するものであって、第２の追加燃料は排気行程で噴射されるようになっている。このような噴射タイミングで第２の追加燃料が各気筒に噴射されることにより、第２の追加燃料は気筒内や排気マニホールド１８内で燃焼することなく酸化触媒３０に達し、活性化温度にある酸化触媒３０において酸化される。この酸化により排気温度が６００℃まで上昇し、高温の排気がフィルタ３２に流入することにより、フィルタ３２に堆積したパティキュレートが焼却され、フィルタ３２による排気浄化機能が良好に維持される。
【００３１】
第２の追加燃料の噴射量は、回転数センサ７４によって検出されたエンジン１の回転数とＥＣＵ４０で決定される主噴射量（負荷）とをパラメータとするマップに予め記憶されており、このマップは第２の追加燃料噴射量が比較的多めに設定された増量マップと、第２の追加燃料噴射量が比較的少なめに設定された減量マップの２種類が用意されている。そして、ステップＳ７ではフィルタ３２に流入する排気の温度Ｔｆが６００℃未満であるため、ＥＣＵ４０は増量マップを用いることにより比較的多めの第２の追加燃料を各気筒に噴射する。一方、ステップＳ８ではフィルタ３２に流入する排気の温度Ｔｆが６００℃以上であるため、ＥＣＵ４０は減量マップを用いることにより比較的少なめの第２の追加燃料を各気筒に噴射する。これによって酸化触媒３０から排出されてフィルタ３２に流入する排気の温度が６００℃前後に維持され、フィルタ３２に堆積しているパティキュレートが効率よく燃焼する。
【００３２】
ステップＳ７又はＳ８で第２の追加燃料を噴射すると、ＥＣＵ４０はステップＳ９に処理を進め、強制再生によるパティキュレートの焼却除去量を、フィルタ３２におけるパティキュレートの最大許容堆積量に対する百分率で表した再生率Ｒａが、予め設定されて記憶した目標再生率Ｒｔに達したか否かを判定する。目標再生率Ｒｔの設定方法については後述するが、現在の再生率Ｒａは、前述したようにしてフィルタ３２前後の差圧とフィルタ３２への排気流量とに基づき推定したフィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量と、予め求められているフィルタ３２におけるパティキュレートの最大許容堆積量との比によって求められる。
【００３３】
現在の再生率Ｒａが目標再生率Ｒｔに達していない場合、ＥＣＵ４０はその制御周期を終え、次の制御周期で再びステップＳ１から処理を開始する。そして、次の制御周期においてもＥＣＵ４０はステップＳ１からステップＳ４を経てステップＳ６へと処理を進めた後、ステップＳ６の判定結果に基づいてステップＳ７又はステップＳ８でフィルタ３２の昇温制御を行い、再びステップＳ９において現在の再生率Ｒａが目標再生率Ｒｔに達しているか否かを判定する。従って、フィルタ３２の強制再生が進行して再生率Ｒａが目標再生率Ｒｔに達するまでの間は、ステップＳ７又はステップＳ８におけるフィルタ３２の昇温によってフィルタ３２の強制再生が行われる。
【００３４】
そして、フィルタ３２の強制再生が進み、再生率Ｒａが目標再生率Ｒｔに達したとステップＳ９で判定すると、ＥＣＵ４０は処理をステップＳ１０に進め、強制再生フラグＦ１の値を０として、その制御周期を終了する。
こうして強制再生フラグＦ１の値が０になると、次の制御周期でＥＣＵ４０は処理をステップＳ１からステップＳ２へと進めるので、前述したようにして、フィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量に基づき、フィルタ３２の強制再生の要否を判定する。ここでは、フィルタ３２の再生率Ｒａが目標再生率Ｒｔに達してから最初の制御周期であり、パティキュレートは強制再生を必要とするほどフィルタ３２に堆積していないので、ＥＣＵ４０はフィルタ３２の強制再生が不要であると判定し、その制御周期を終了する。従って、ステップＳ７又はステップＳ８におけるフィルタ３２の昇温は行われず、フィルタ３２の強制再生が終了する。
【００３５】
次の制御周期以降も、ステップＳ１からステップＳ２の処理が繰り返され、再びフィルタ３２の強制再生が必要となるまでの間、ステップＳ２において制御周期毎に強制再生の要否が判断される。
ＥＣＵ４０による強制再生制御の詳細は以上の通りであるが、ステップＳ９で用いられる目標再生率Ｒｔの設定方法について、更に詳細に説明する。
【００３６】
フィルタ３２の強制再生において、パティキュレートの単位時間あたりの燃焼量ΔＰＭｆは、フィルタ３２におけるそのときのパティキュレート堆積量をＰＭ、フィルタ３２に供給される排気中の酸素濃度をＤｏ、フィルタ３２の温度をＴｆとすると共に、Ｅを酸化触媒３０の有無などのハードウエアの構成によって定まる活性化エネルギ定数、Ｒをガス定数、ｋ、γ及びθをそれぞれ実験によって求められる定数とすると、次の式（１）によって表される。
【００３７】
ΔＰＭｆ＝ｋ・ＰＭγ・Ｄｏθ・ｅｘｐ｛−Ｅ／（Ｒ・Ｔｆ）｝  ・・・  （１）
従って、フィルタ３２に供給される酸素の濃度Ｄｏ及びフィルタ３２の温度Ｔｆが一定である場合には、そのときのパティキュレートの堆積量が多いほど、フィルタ３２の強制再生におけるパティキュレートの単位時間あたりの燃焼量ΔＰＭｆが多くなり、強制再生におけるパティキュレートの燃焼速度が速くなる。
【００３８】
また、前述したようにしてフィルタ３２に酸化剤となるＮＯ２を供給することにより連続再生を行っている場合の、パティキュレートの単位時間あたりの燃焼量ΔＰＭｃは、上記式（１）で用いたＰＭ、Ｔｆ、Ｅ、Ｒ及びｋに加え、フィルタ３２に供給される排気中のＮＯ２の濃度をＤｎ、α及びβをそれぞれ実験によって求められる定数とすると、次の式（２）によって表される。
【００３９】
ΔＰＭｃ＝ｋ・ＰＭα・Ｄｎβ・ｅｘｐ｛−Ｅ／（Ｒ・Ｔｆ）｝  ・・・  （２）
従って、フィルタ３２の連続再生においても、フィルタ３２に供給されるＮＯ２の濃度Ｄｎ及びフィルタ３２の温度Ｔｆが一定である場合には、そのときのパティキュレートの堆積量が多いほど、パティキュレートの単位時間あたりの燃焼量ΔＰＭｃが多くなり、連続再生におけるパティキュレートの燃焼速度が速くなる。
【００４０】
このように、フィルタ３２の強制再生においては、フィルタ３２に堆積しているパティキュレートが多いほどパティキュレートの燃焼速度が速まることから、一定量のパティキュレートを燃焼除去する場合の、強制再生によるパティキュレートの平均燃焼速度を比べた場合、強制再生を完了した時点でパティキュレートフィルタ３２に残留するパティキュレートの量が多い状態で強制再生を繰り返すほど、平均燃焼速度が速まり、強制再生に要する時間が短縮されることになる。即ち、強制再生制御のステップＳ９で強制再生の終了判定に用いられる目標再生率Ｒｔを小さくするほど、複数の強制再生が行われるような一定の期間内において強制再生に費やされる合計時間を短縮することが可能となる。
【００４１】
このように強制再生に要する時間を短縮することができれば、フィルタ３２に流入する排気の温度を上昇させるために行われる第２の追加燃料噴射の燃料供給量を減少させ、エンジン１の燃費を改善することが可能となる。
また、フィルタ３２の連続再生においても、上述したようにフィルタ３２に堆積しているパティキュレートが多いほどパティキュレートの燃焼速度が速まることから、フィルタ３２に多くのパティキュレートが堆積している状態で連続再生を行った方が、パティキュレートが速く燃焼除去される分だけ堆積しにくくなり、強制再生が必要となる状態にパティキュレートがフィルタ３２に堆積するまでに要する時間が長くなる。従って、強制再生の頻度を減少させることが可能となり、この点でもフィルタ３２に流入する排気の温度を上昇させるために行われる第２の追加燃料噴射の燃料供給量を減少させ、エンジン１の燃費を改善することが可能となる。
そこで、様々なタイプのフィルタ３２を用い、目標再生率を変化させて強制再生を行った場合の燃費の変化を実験により確認したところ、フィルタ３２のタイプの違いにより燃費の大小に差が生じるものの、ほぼ共通して図３に示すような変化の傾向を有していることがわかった。
【００４２】
図３は、強制再生制御で用いられる目標再生率とエンジン１の燃費との関係を示すグラフである。なお、目標再生率を小さくすることによってフィルタ３２に堆積するパティキュレートの量が増大するので、フィルタ３２における排気圧力損失は増大することになるが、この排気圧力損失による燃費の悪化分も図３のデータに含まれている。
図３に示すように、目標再生率を種々変化させて燃費を計測すると、目標再生率が約３０％の時に最も燃費がよくなる。また、目標再生率を増大させ、５０％を超える目標再生率とした場合、燃費が大幅に悪化することがわかる。これにより、上述したような目標再生率による燃費の改善が裏付けられたことになる。
【００４３】
一方、目標再生率を減少させていった場合にも燃費が悪化するが、これは強制再生制御においてフィルタ３２の温度をパティキュレートの焼却除去が可能な温度まで上昇させる
のに要する燃料量の割合が、パティキュレートの燃焼中に必要とされる燃料量に対して増大するためと考えられる。
目標再生率を２０％程度まで低下させた場合にも、燃費としては比較的良好な値を維持しているが、以下のような理由により、目標再生率を過剰に低下するのは好ましくない。即ち、目標再生率を３０％より減少させてフィルタ３２に残留するパティキュレートを多めにすると、フィルタ３２には常に多くのパティキュレートが堆積していることになる。この場合、何らかの理由によりエンジン１の運転状態が急変し、フィルタ３２に流入する排気の温度が急上昇したり、排気中の酸素濃度が急増したりすると、フィルタ３２に大量に堆積しているパティキュレートが自己着火して急速に燃焼し、フィルタ３２が溶損する可能性が増大する。また、エンジン１の運転状態の急変により排気中に含まれるパティキュレートの量が急増した場合には、排気圧力が急速に高まってフィルタ３２が破損する可能性が高まる。
【００４４】
そこで、本実施形態では、目標再生率を３０〜５０％の範囲内の所定値（例えば最も燃費がよくなる３０％）に設定している。なお、フィルタ３２の溶損や破損について十分なマージンが確保できる場合には、目標再生率を２０％程度まで減少させてもよい。
このようにして目標再生率を設定し、前述したような強制再生制御を実行することにより、フィルタ３２におけるパティキュレートの堆積状況は図４に示すように変化する。図４は、フィルタ３２における単位容積あたりのパティキュレートの堆積量の時間的変化を示した図であるが、時刻ｔ１で前回の強制再生が終了したとすると、このときのフィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量は、目標再生率Ｒｔに対応した堆積量ＰＭｔとなっている。
【００４５】
時刻ｔ１の後、酸化触媒３０で生成されたＮＯ２を酸化剤とした連続再生が行われながら徐々にパティキュレートがフィルタ３２に堆積していくことにより、フィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量が増大していく。このとき、連続再生によるパティキュレートの燃焼速度は、前述したようにフィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量が多いほど速くなる。従って、フィルタ３２においてパティキュレートが堆積する速度は、フィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量の増大に伴って徐々に低下していくことになる。
【００４６】
そして、時刻ｔ２において、フィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量が、強制再生の開始条件に対応した上限堆積量ＰＭｍａｘに達すると、前述した強制再生制御によるフィルタ３２の強制再生が行われ、フィルタ３２の昇温が行われてパティキュレートが焼却除去される。このときの強制再生によるパティキュレートの燃焼速度も、前述したようにフィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量が多いほど速くなるので、フィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量の減少速度は、パティキュレートの堆積量が減少すると共に徐々に低下していく。
【００４７】
フィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量が、時刻ｔ３において目標再生率Ｒｔに対応した堆積量ＰＭｔまで低下すると強制再生が終了するが、仮に強制再生がそのまま継続したとすれば、パティキュレートの堆積量の減少速度は更に低下していくことになるので、パティキュレートの堆積量は図４中に一点鎖線で示すように変化することになる。しかし、実際にはフィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量がＰＭｔに低下した時点で強制再生が終了するので、フィルタ３２におけるパティキュレートの堆積量は、強制再生が終了した時刻ｔ３から再び徐々に増大していく。
【００４８】
このように、強制再生制御におけるフィルタ３２の目標再生率Ｒｔを５０％以下の所定再生率（例えば３０％）に設定することにより、前述したように、毎回の強制再生において燃焼速度の速い状態でパティキュレートの焼却除去が繰り返され、強制再生に要する合計時間が短縮されると共に、連続再生の際にパティキュレートの燃焼速度が速い状態で連続再生が行われることによって強制再生の頻度が減少し、図３に示すように良好な燃費を確保しながらフィルタ３２の強制再生を行うことができる。
【００４９】
また、本実施形態では、エンジン１が運転されている間は常に強制再生制御を実行するようにしたが、車両の走行への影響を考慮して強制再生制御を車両停止中にのみ行うようにしてもよい。このようにした場合には、上述したように１回の強制再生に要する時間が短縮されると共に、燃焼速度の速い状態で連続再生が行われることによって強制再生の頻度も減少するので、強制再生が継続して車両が走行できなくなる可能性を低減することができ、車両の商品性を向上させることが可能となる。
【００５０】
更に、本実施形態ではフィルタ３２の目標再生率Ｒｔを３０〜５０％の範囲内の所定値（例えば３０％）としているので、フィルタ３２に大量のパティキュレートが堆積したままであるときに、何らかの理由によりエンジン１の運転状態が急変して、フィルタ３２に堆積しているパティキュレートが自己着火し、フィルタ３２の温度が急上昇することによってフィルタ３２が溶損したり、パティキュレートの堆積量が急増してフィルタ３２が破損したりするといった問題の発生を回避することができる。
【００５１】
以上で本発明の一実施形態に係る排気浄化装置についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態ではフィルタ３２の強制再生の際に、インジェクタ４からのポスト噴射によって酸化触媒３０やフィルタ３２の昇温を行うようにしたが、酸化触媒３０の上流側に別途設けた燃料添加弁によって排気中に燃料を供給することにより、これらの昇温を行うようにしてもよい。
【００５２】
更に、強制再生の際の酸化触媒３０やフィルタ３２の昇温を、排気中への燃料供給によらずに電気ヒータなどを用いて電気エネルギによって行うようにした場合であっても、強制再生に要する時間の短縮及び強制再生の頻度低減により電気ヒータなどによる電気エネルギの消費量を低減することができる。従って、結果的にこのような電気エネルギを補うためにエンジン１で消費される燃料量を減少させることが可能となり、エンジン１の燃費を改善することができる。
【００５３】
また、上記実施形態では、フィルタ３２の上流側に配設した酸化触媒３０により、連続再生の際の酸化剤となるＮＯ２を生成するようにしたが、酸化触媒３０に代えてＮＯｘ吸蔵触媒など、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ２に転化可能な別の触媒を用いるようにしてもよい。更に、排気後処理装置２６の下流側に別の排気後処理装置を設けるようにしてもよい。
【００５４】
また、上記実施形態では、強制再生制御において上流側排気圧センサ３６と下流側排気圧センサ３８の検出値から求めたフィルタ３２前後の差圧と、吸気量センサ１６の検出値から算出したフィルタ３２への排気流量とに基づき、フィルタ３２へのパティキュレートの堆積量を推定し、この推定堆積量が強制再生開始判定値以上である場合に、フィルタ３２の強制再生が必要であると判断したが、強制再生の要否判定はこれに限定されるものではなく、既に公知となっている様々な方法を採用することが可能である。
【００５５】
更に、強制再生制御において酸化触媒３０を昇温する際の温度やフィルタ３２を昇温する際の温度はその一例を示すものであって、酸化触媒３０やフィルタ３２の特性などに応じて適宜変更することが可能である。
また、上記実施形態では、エンジン１を４気筒のディーゼルエンジンとしたが、エンジン１の気筒数や形式はこれに限定されるものではなく、強制再生を必要とするフィルタ３２を排気後処理装置として用いるようにしたエンジンであれば、本発明を同様に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用されたエンジンの全体構成図である。
【図２】図１の排気浄化装置における強制再生制御のフローチャートである。
【図３】パティキュレートフィルタの強制再生に用いられる目標再生率とエンジンの燃費との関係を示すグラフである。
【図４】パティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量の時間的変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  エンジン
２０  排気管（排気通路）
３２  パティキュレートフィルタ
４０  ＥＣＵ（制御手段）
【図１】
2009121267.tif 000003
【図２】
2009121267.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009121267.tif 000006