(57)【要約】【課題】ＤＰＦに熱伝導率の低い材料を用いた場合であっても、ＰＭの燃え残りが生じないように効率的に燃焼できる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】エンジンの排気浄化装置は、排気管に設けられ、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦと、ＤＰＦを再生するフィルタ再生処理を実行するフィルタ再生手段と、を備える。フィルタ再生処理は、ＤＰＦを昇温するＤＰＦ昇温処理Ｓ３と、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する通常再生燃焼処理Ｓ５と、を含む。このフィルタ再生処理において、ＤＰＦ昇温処理実行時には、排気の酸素濃度をＰＭの燃焼を抑制する濃度に制御し、通常再生燃焼処理実行時には、排気の酸素濃度をＰＭの燃焼を促進する濃度に制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の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、当該パティキュレートフィルタを再生するフィルタ再生処理を実行するフィルタ再生手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記フィルタ再生処理実行時に、排気の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段をさらに備え、
前記フィルタ再生処理は、前記パティキュレートフィルタを昇温するフィルタ昇温処理と、前記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燃焼する再生燃焼処理と、を含み、
前記酸素濃度制御手段は、前記フィルタ昇温処理実行時には、排気の酸素濃度をパティキュレートの燃焼を抑制する濃度に制御し、前記再生燃焼処理実行時には、排気の酸素濃度をパティキュレートの燃焼を促進する濃度に制御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】
前記フィルタ昇温処理時における排気の目標酸素濃度を設定する目標酸素濃度設定手段をさらに備え、
当該目標酸素濃度設定手段は、前記パティキュレートフィルタの温度及び当該パティキュレートフィルタにおける排気の空間速度に基づいて、パティキュレートの燃焼を抑制する濃度に目標酸素濃度を設定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。
【請求項３】
前記フィルタ昇温処理時における排気の目標酸素濃度を設定する目標酸素濃度設定手段をさらに備え、
当該目標酸素濃度設定手段は、排気の温度又はパティキュレートフィルタの温度の上昇に応じて目標酸素濃度を低減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。
【請求項４】
内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の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、当該パティキュレートフィルタを再生するフィルタ再生処理を実行するフィルタ再生手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記フィルタ再生処理実行時に、排気の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段をさらに備え、
前記フィルタ再生処理は、前記パティキュレートフィルタを昇温するフィルタ昇温処理と、前記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燃焼する再生燃焼処理とを含み、
前記酸素濃度制御手段は、前記フィルタ昇温処理実行時には、排気の酸素濃度を、パティキュレートの燃焼速度が所定の燃焼速度以下となるような濃度に制御し、前記再生燃焼処理実行時には、排気の酸素濃度を、パティキュレートの燃焼速度が所定の燃焼速度より大きくなるような濃度に制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記パティキュレートフィルタの上流側の排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
前記フィルタ昇温処理時における排気の目標酸素濃度を設定する目標酸素濃度設定手段と、をさらに備え、
当該目標酸素濃度設定手段は、前記排気温度検出手段により検出された排気の温度に基づいて、パティキュレートの燃焼速度が所定の燃焼速度以下となるような酸素濃度を算出し、当該算出した酸素濃度を目標酸素濃度として設定することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記パティキュレートフィルタの上流側の排気の温度を検出する排気温度検出手段をさらに備え、
前記フィルタ再生手段は、前記フィルタ昇温処理を実行し、前記排気温度検出手段により検出された排気の温度が所定の判定温度以上となった場合に、前記再生燃焼処理を実行することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記パティキュレートフィルタの上流側の排気の温度を検出する排気温度検出手段をさらに備え、
前記フィルタ再生手段は、前記フィルタ昇温処理を実行し、前記排気温度検出手段により検出された排気の温度が所定の判定温度以上となってから所定の時間が経過した後に、前記再生燃焼処理を実行することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記パティキュレートフィルタのうち外周部の温度を推定する外周部温度推定手段をさらに備え、
前記フィルタ再生手段は、前記フィルタ昇温処理を実行し、前記外周部温度推定手段により推定された温度が所定の判定温度以上となった場合に、前記再生燃焼処理を実行することを特徴とする請求項１から５の何れか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し、特に内燃機関の排気中のＰＭ（パティキュレートマター（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ））を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ））を備えるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気系にＰＭを捕集するＤＰＦを設け、ＰＭの排出量を低減する技術は広く用いられている。このＤＰＦが捕集できるＰＭの量には限界があるため、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理が適宜実行される。この再生処理は、例えば、排気工程中での燃料噴射（以下、「ポスト噴射」という）を実行することによりＤＰＦをＰＭの自着火温度まで昇温した後に、ＰＭを燃焼させる（特許文献１参照）ことで実行される。
【０００３】
しかしながら、このようなＤＰＦ再生処理を実行した際に、ＤＰＦにＰＭが燃え残ってしまうと、再生処理の頻度が増加し燃費が悪化する。また、これに加えて、ＤＰＦにおける圧損の増加に起因して燃費がさらに悪化したり、排気のエミッションが悪化したりするおそれもある。このため、ＰＭが燃え残らないようにＤＰＦ再生処理を実行することが好ましい。
【０００４】
そこで、例えば特許文献２には、ＤＰＦ再生処理の実行時に酸素濃度を制御することで、ＤＰＦの過昇温を防止しつつＰＭを完全に燃焼させる排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置では、ＤＰＦ再生処理を前期、中期、後期の３つの期間に分けるとともに、前期においてＤＰＦを急速に昇温した後、中期及び後期において酸素濃度を制御しながらＰＭを燃焼する。より具体的には、中期では酸素濃度を低くすることでＰＭの燃焼速度を下げてＤＰＦの過昇温を防止し、後期では酸素濃度を高くすることでＰＭが燃え残らないようにする。
【特許文献１】特開平８−４２３２６号公報
【特許文献２】特開２００４−２８０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＤＰＦの材料としては、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、チタン酸アルミニウム、及びコージェライト等が用いられる。チタン酸アルミニウムやコージェライトは、シリコンカーバイドと比較して安価であるものの、熱伝導率が小さい。
【０００６】
図１０は、ＤＰＦ再生の時間とＤＰＦの温度との関係を示す図である。この図１０において、破線は、ＤＰＦの材料としてシリコンカーバイドを用いた場合を示し、実線は、チタン酸アルミニウムを用いた場合を示す。図１０において、破線１０ａ及び実線１０ｂは、ＤＰＦの中央部の温度変化を示し、破線１０ｃ及び実線１０ｄは、ＤＰＦの外周部の温度変化を示す。
【０００７】
図１０に示すように、ＤＰＦの外周部は、中央部と比較して昇温しにくい傾向がある。これは、以下のような理由による。
つまり、筒状の排気通路に配設されたＤＰＦにおいて、排気はＤＰＦの中央部に溜まりやすいため、ＤＰＦの中央部と外周部との間に温度差が生じる。したがって、ＤＰＦ再生処理を行うと、ＤＰＦの中央部に堆積したＰＭから燃焼し始める。また、ＤＰＦにおいて、ＰＭが堆積した部分は堆積していない部分と比較して圧損が大きい。このため、排気はＤＰＦの中央部にさらに集中して流れてしまい、ＤＰＦの中央部と外周部との温度差がさらに大きくなる。
熱伝導率が小さい材料を用いた場合には、ＤＰＦの中央部の熱が外周部に伝わりにくくなるため、このようなＤＰＦの中央部と外周部の温度差は、さらに大きくなる。
【０００８】
その結果、例えばチタン酸アルミニウムのような熱伝導率の小さい材料を用いると、図１０に示すように、ＤＰＦの中央部の温度はＰＭの燃焼可能温度に達しても、外周部の温度はＰＭの燃焼可能温度に達しない場合がある。
【０００９】
図１１は、ＤＰＦ再生の時間とＤＰＦの再生効率との関係を示す図である。この図１１において、破線は、ＤＰＦの材料としてシリコンカーバイドを用いた場合を示し、実線は、チタン酸アルミニウムを用いた場合を示す。また、再生効率とは、ＤＰＦ再生開始時におけるＰＭの堆積重量に対する、所定時間経過後のＰＭの堆積重量の割合を示す。
【００１０】
上述のように、シリコンカーバイドを用いた場合、再生効率は、ＤＰＦ再生の時間に比例して上昇する。しかしながら、チタン酸アルミニウムを用いた場合、上述のようにＤＰＦの外周部はＰＭの燃焼可能温度に達していないため、再生効率の上昇は、ＤＰＦ再生を開始してから所定の時間が経過した後に鈍化してしまい、ＰＭの燃え残りが生じてしまう。
【００１１】
特許文献２の排気浄化装置は、このようなＰＭの燃え残りが生じないように、ＰＭの燃焼時に酸素濃度を制御するものである。しかしながら、ＤＰＦに上述のような熱伝導率の小さい材料を用いた場合には、ＰＭの燃焼を開始する際に、ＤＰＦの外周部の温度がＰＭの燃焼可能温度に達していない場合がある。このような場合、酸素濃度を制御したとしても、結局ＰＭの燃え残りが生じてしまうおそれがある。
【００１２】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、ＤＰＦに熱伝導率の低い材料を用いた場合であっても、ＰＭの燃え残りが生じないように効率的に燃焼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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（４）に設けられ、排気中の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（３２）と、当該パティキュレートフィルタを再生するフィルタ再生処理を実行するフィルタ再生手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記フィルタ再生処理実行時に、排気の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段をさらに備え、前記フィルタ再生処理は、前記パティキュレートフィルタを昇温するフィルタ昇温処理と、前記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燃焼する再生燃焼処理と、を含み、前記酸素濃度制御手段は、前記フィルタ昇温処理実行時には、排気の酸素濃度をパティキュレートの燃焼を抑制する濃度に制御し、前記再生燃焼処理実行時には、排気の酸素濃度をパティキュレートの燃焼を促進する濃度に制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記フィルタ昇温処理時における排気の目標酸素濃度を設定する目標酸素濃度設定手段をさらに備え、当該目標酸素濃度設定手段は、前記パティキュレートフィルタの温度及び当該パティキュレートフィルタにおける排気の空間速度に基づいて、パティキュレートの燃焼を抑制する濃度に目標酸素濃度を設定することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記フィルタ昇温処理時における排気の目標酸素濃度を設定する目標酸素濃度設定手段をさらに備え、当該目標酸素濃度設定手段は、排気の温度又はパティキュレートフィルタの温度の上昇に応じて目標酸素濃度を低減することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（４）に設けられ、排気中の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（３２）と、当該パティキュレートフィルタを再生するフィルタ再生処理を実行するフィルタ再生手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記フィルタ再生処理実行時に、排気の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段をさらに備え、前記フィルタ再生処理は、前記パティキュレートフィルタを昇温するフィルタ昇温処理と、前記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燃焼する再生燃焼処理とを含み、前記酸素濃度制御手段は、前記フィルタ昇温処理実行時には、排気の酸素濃度を、パティキュレートの燃焼速度が所定の燃焼速度以下となるような濃度に制御し、前記再生燃焼処理実行時には、排気の酸素濃度を、パティキュレートの燃焼速度が所定の燃焼速度より大きくなるような濃度に制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の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の上流側の排気の温度（ＴＥ）を検出する排気温度検出手段（２２）と、前記フィルタ昇温処理時における排気の目標酸素濃度を設定する目標酸素濃度設定手段と、をさらに備え、当該目標酸素濃度設定手段は、前記排気温度検出手段により検出された排気の温度に基づいて、パティキュレートの燃焼速度が所定の燃焼速度以下となるような酸素濃度を算出し、当該算出した酸素濃度を目標酸素濃度として設定することを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れかに記載の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の上流側の排気の温度（ＴＥ）を検出する排気温度検出手段（２２）をさらに備え、前記フィルタ再生手段は、前記フィルタ昇温処理を実行し、前記排気温度検出手段により検出された排気の温度が所定の判定温度（ＴＴＨＡ）以上となった場合に、前記再生燃焼処理を実行することを特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１から５の何れかに記載の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の上流側の排気の温度（ＴＥ）を検出する排気温度検出手段（２２）をさらに備え、前記フィルタ再生手段は、前記フィルタ昇温処理を実行し、前記排気温度検出手段により検出された排気の温度が所定の判定温度（ＴＴＨＢ）以上となってから所定の時間が経過した後に、前記再生燃焼処理を実行することを特徴とする。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項１から５の何れかに記載の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のうち外周部の温度（ＴＤＰＦ）を推定する外周部温度推定手段をさらに備え、前記フィルタ再生手段は、前記フィルタ昇温処理を実行し、前記外周部温度推定手段により推定された温度が所定の判定温度（ＴＴＨＣ）以上となった場合に、前記再生燃焼処理を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタを再生するフィルタ再生処理は、フィルタを昇温するフィルタ昇温処理と、堆積したパティキュレートを燃焼する再生燃焼処理とを含む。ここで、フィルタ昇温処理実行時には、排気の酸素濃度をパティキュレートの燃焼を抑制する濃度に制御し、再生燃焼処理実行時には、排気の酸素濃度をパティキュレートの燃焼を促進する濃度に制御する。
上述のように、フィルタの外周部は中央部と比較して昇温しにくい。このため、フィルタを昇温しながらパティキュレートを燃焼させると、フィルタの中央部から再生されてしまい、中央部と外周部との間で圧損差が生じ、結果として燃え残りが生じてしまう。この発明によれば、先ず、フィルタ昇温処理を実行することで、堆積したパティキュレートの燃焼を抑制しながらフィルタ全体を昇温することができる。次に、再生燃焼処理を実行することで、堆積したパティキュレートを燃焼させることができる。この際、フィルタは全領域にわたり昇温されているので、フィルタの中央部及び外周部ともに満遍なく再生することができる。したがって、熱伝導率が小さい材料をフィルタに用いた場合であっても、パティキュレートが燃え残ることがない。
また、このようにしてフィルタを完全再生することにより、再生に必要な時間を短縮するとともに、再生の頻度をも低減し、燃費を向上することができる。また、排気のエミッションを向上することもできる。
また、フィルタの中央部及び外周部ともに満遍なく再生することにより、フィルタの温度差を減らすことができる。これにより、フィルタ基材の熱衝撃による破損も防ぐことができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの温度、及び、このフィルタにおける排気の空間速度に基づいて、パティキュレートの燃焼を抑制する濃度に目標酸素濃度を設定する。これにより、より確実に酸素濃度をパティキュレートの燃焼を抑制する濃度に設定しながら、昇温にかかる時間を短縮することができる。結果として、再生に必要な時間を短縮し、燃費を向上することができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、排気の温度又はパティキュレートフィルタの温度の上昇に応じて目標酸素濃度を低減する。これにより、より確実に酸素濃度をパティキュレートの燃焼を抑制する濃度に設定しながら、昇温にかかる時間を短縮することができる。結果として、再生に必要な時間を短縮し、燃費を向上することができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、フィルタ昇温処理実行時には、排気の酸素濃度を、パティキュレートの燃焼速度が所定の燃焼速度以下となるような濃度に制御し、再生燃焼処理実行時には、排気の酸素濃度を、パティキュレートの燃焼速度が所定の燃焼速度より大きくなるように制御する。
これにより、フィルタ昇温処理を実行することで、堆積したパティキュレートの燃焼を抑制しながらフィルタ全体を昇温することができる。次に、再生燃焼処理を実行することで、堆積したパティキュレートを燃焼させることができる。この際、フィルタは全領域にわたり昇温されているので、フィルタの中央部及び外周部ともに満遍なく再生することができる。したがって、パティキュレートが燃え残ることもない。
また、このようにしてフィルタを完全再生することにより、再生に必要な時間を短縮するとともに、再生の頻度をも低減し、燃費を向上することができる。また、排気のエミッションを向上することもできる。
また、フィルタの中央部及び外周部ともに満遍なく再生することにより、フィルタの温度差を減らすことができる。これにより、フィルタ基材の熱衝撃による破損も防ぐことができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの上流側の排気の温度を検出し、この温度に基づいてパティキュレートの燃焼速度が所定の燃焼速度以下となるような酸素濃度を算出し、この酸素濃度を目標酸素濃度として設定する。これにより、より確実に酸素濃度をパティキュレートの燃焼を抑制する濃度に設定しながら、昇温にかかる時間を短縮することができる。結果として、再生に必要な時間を短縮し、燃費を向上することができる。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、フィルタ昇温処理を実行し、パティキュレートフィルタの上流側の排気の温度が所定の判定温度以上となった場合に、再生燃焼処理を実行する。これにより、より確実にフィルタを全領域にわたり昇温することができる。したがって、再生燃焼処理において、パティキュレートを満遍なく燃焼することができる。また、フィルタ昇温処理にかかる時間を最小限にすることができる。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、フィルタ昇温処理を実行し、パティキュレートフィルタの上流側の排気の温度が所定の判定温度以上となってから所定の時間が経過した後に、再生燃焼処理を実行する。これにより、より確実にフィルタを全領域にわたり昇温することができる。したがって、再生燃焼処理において、パティキュレートを満遍なく燃焼することができる。また、フィルタ昇温処理にかかる時間を最小限にすることができる。
【００２７】
請求項８に記載の発明によれば、フィルタ昇温処理を実行し、パティキュレートフィルタの外周部の温度が所定の判定温度以上となった場合に、再生燃焼処理を実行する。これにより、フィルタのうち最も昇温しにくい外周部を確実に昇温した後に、再生燃焼処理を実行することができる。したがって、パティキュレートを満遍なく燃焼することができる。また、フィルタ昇温処理にかかる時間を最小限にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、各気筒７の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒７には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間は、ＥＣＵ４０により制御される。
【００２９】
エンジン１には、吸気が流通する吸気管２と、排気が流通する排気管４と、排気管４内の排気の一部を吸気管２に還流する排気還流通路６と、吸気管２に吸気を圧送する過給機８とが設けられている。
【００３０】
吸気管２は、吸気マニホールド３の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールド５の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の排気ポートに接続されている。排気還流通路６は、排気マニホールド５から分岐し吸気マニホールド３に至る。
【００３１】
過給機８は、排気管４に設けられた図示しないタービンと、吸気管２に設けられた図示しないコンプレッサと、を備える。タービンは、排気管４を流通する排気の運動エネルギにより駆動される。コンプレッサは、タービンにより回転駆動され、吸気を加圧し吸気管２内へ圧送する。また、タービンは、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービンのベーン開度は、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００３２】
吸気管２のうち過給機８の上流側には、エンジン１の吸入空気量ＧＡを制御するスロットル弁９が設けられている。このスロットル弁９は、アクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。また、吸気管２のうち過給機８の下流側には、過給機８により加圧された吸気を冷却するためのインタークーラ１１が設けられている。
【００３３】
排気還流通路６は、排気マニホールド５と吸気マニホールド３とを接続し、エンジン１から排出された排気の一部を還流する。排気還流通路６には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ１２と、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁１３と、が設けられている。ＥＧＲ弁１３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００３４】
排気管４のうち過給機８の下流側には、触媒コンバータ３１と、パティキュレートフィルタとしてのＤＰＦ３２とが、上流側からこの順で設けられている。
【００３５】
触媒コンバータ３１は、例えば、酸化触媒を内蔵し、この触媒と排気との反応により排気を浄化するとともに、排気と触媒の反応により発生する熱で排気を昇温する。
【００３６】
ＤＰＦ３２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするＰＭを、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、チタン酸アルミニウムやコージェライト等を材料とした多孔質体が使用される。
ＤＰＦ３２の捕集能力の限界、すなわち堆積限界までＰＭを捕集すると、圧損が大きくなるので、捕集したＰＭを燃焼し、ＤＰＦ３２を再生するＤＰＦ再生処理を適宜実行する必要がある。このＤＰＦ再生処理は、例えば、主噴射とは別のトルクに寄与しない燃料噴射（以下、「ポスト噴射」という）を実行し、ＤＰＦ３２に流入する排気の温度を、ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭの燃焼温度まで上昇させ、ＰＭを燃焼させることで行われる。このＤＰＦ再生処理の手順については、後に図２を参照して詳述する。
【００３７】
ＥＣＵ４０には、排気管４のうちＤＰＦ３２の上流側の排気の温度ＴＥを検出する排気温度センサ２２が接続されており、このセンサの検出信号は、ＥＣＵ４０に供給される。
【００３８】
ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、スロットル弁９、ＥＧＲ弁１３、過給機８、及びエンジン１の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路とを備える。
【００３９】
図２は、ＥＣＵによるＤＰＦ再生処理の手順を示すフローチャートである。
図２に示すように、本実施形態のＤＰＦ再生処理は、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する通常の再生燃焼処理（ステップＳ５）と、この通常の再生燃焼処理を実行する前に、ＤＰＦを昇温しつつ排気の目標酸素濃度を通常の再生燃焼処理における酸素濃度よりも低くしてＰＭの燃焼を抑制するＤＰＦ昇温処理（ステップＳ３）と、を含む。
【００４０】
ステップＳ１では、ＤＰＦ再生要求フラグＦＤＰＦＲＲが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ３に移り、ＮＯの場合にはステップＳ２に移り、運転者の要求に応じて予定されていた燃焼を行う。ここで、このＤＰＦ再生要求フラグＦＤＰＦＲＲは、ＤＰＦ再生処理の実行を要求するフラグであり、燃料の消費量が所定値に達したとき、車両の走行距離が所定値に達したとき、あるいは、ＰＭの堆積量が所定の堆積量に達したとき等に「１」に設定される。また、このＤＰＦ再生要求フラグＦＤＰＦＲＲは、一旦「１」に設定されると、所定の再生時間が経過した後に図示しない処理により「０」に戻される。
【００４１】
ステップＳ３では、ＤＰＦ昇温処理を実行し、ステップＳ４に移る。このＤＰＦ昇温処理では、例えば、ポスト噴射を実行し、ＤＰＦに流入する排気の温度を上昇させることによりＤＰＦを昇温する。
【００４２】
ＤＰＦ昇温処理を実行する際には、ＤＰＦを昇温しつつ、このＤＰＦに流入する排気の酸素濃度を、後述の通常再生燃焼処理を実行する際における酸素濃度よりも低くなるように制御する。より具体的には、ＤＰＦに堆積したＰＭの燃焼を抑制する酸素濃度（例えば、１％以下）に目標酸素濃度を設定するとともに、この目標酸素濃度と一致するように排気の酸素濃度を制御する。ここで、酸素濃度を低減するためには、例えば、通常再生燃焼処理と比較して、ポスト噴射における燃料噴射量を増量したり、又は、主噴射を通常燃焼よりも遅角しつつスロットル弁を閉じて吸気量を減量したりする。
【００４３】
ステップＳ４では、所定の燃焼開始条件が成立しているか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５に移り、ＮＯの場合にはこの処理を直ちに終了する。
【００４４】
燃焼開始条件とは、ＤＰＦ昇温処理を終了して、通常再生燃焼処理を開始するための条件である。本実施形態では、例えば、排気温度センサにより検出された排気の温度ＴＥが所定の判定温度ＴＴＨＡ以上となること、を燃焼開始条件とする。
この他、例えば、ＤＰＦ昇温処理を実行してから、排気温度センサにより検出された排気の温度ＴＥが所定の判定温度ＴＴＨＢ以上となってから、所定の時間が経過すること、を燃焼開始条件としてもよい。
また、例えば、排気温度センサにより検出された排気の温度ＴＥに基づいてＤＰＦの外周部の温度ＴＤＰＦを推定し、このＤＰＦの温度ＴＤＰＦが所定の判定温度ＴＴＨＣ以上となること、を燃焼開始条件としてもよい。
【００４５】
ステップＳ５では、通常再生燃焼処理を実行し、この処理を終了する。この通常再生燃焼処理では、例えば、ポスト噴射を実行することで、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する。また、この通常再生燃焼処理では、ＤＰＦに堆積したＰＭの燃焼を促進する酸素濃度（例えば、１％以上）に目標酸素濃度に設定するとともに、この目標酸素濃度と一致するように排気の酸素濃度を制御する。
【００４６】
以上のような本実施形態におけるＤＰＦ再生処理と、比較例におけるＤＰＦ再生処理とを比較する。ここで、比較例のＤＰＦ再生処理とは、本実施形態における通常再生燃焼処理（図２中ステップＳ５）のみを実行した場合を示す。つまり、ＤＰＦ再生処理を開始してから終了するまで、ＤＰＦに流入する排気の酸素濃度を、ＰＭの燃焼を促進する濃度に保った場合を示す。
【００４７】
図３は、ＤＰＦ再生の時間と、ＤＰＦの上流側のガスの温度及びＤＰＦの温度との関係を示す図である。図３において、左方は比較例による結果を示し、右方は本実施形態による結果を示す。また、一点鎖線はＤＰＦ上流側の排気の中央部の温度を示し、二点鎖線はＤＰＦの上流側の排気の外周部の温度を示し、破線はＤＰＦ下端の中央部の温度を示し、実線はＤＰＦ下端の外周部の温度を示す。
【００４８】
図４から図６は、ＤＰＦ再生処理時におけるＤＰＦを模式的に示す図である。より具体的には、図４は比較例のＤＰＦ再生処理時のＤＰＦを示し、図５はＤＰＦ昇温処理時のＤＰＦを示し、図６は通常再生燃焼処理時のＤＰＦを示す。
【００４９】
図３に示すように、比較例のＤＰＦ再生処理において、ＤＰＦ上流の排気の温度は、再生開始直後に急激にＰＭの燃焼温度付近まで上昇した後、略一定となる。この排気のうち、ＤＰＦの外周部に流入する排気は、外部への放熱量が多く、ＤＰＦの中央部に流入する排気よりも温度が低い。これに加えて、ＤＰＦの中央部には排気が溜まりやすいため、ＤＰＦの中央部と外周部との間に温度差が生じる。
【００５０】
また、比較例のＤＰＦ再生処理では、ＤＰＦを昇温しながらＰＭを燃焼させる。このため、ＤＰＦ再生処理を行うと、ＤＰＦの中央部に堆積したＰＭから燃焼し始める。また、ＤＰＦにおいて、ＰＭが堆積した部分は堆積していない部分と比較して圧損が大きい。このため、排気はＤＰＦの中央部にさらに集中して流れてしまい（図４参照）、ＤＰＦの中央部と外周部との温度差がさらに大きくなってしまう。この結果、ＤＰＦの外周部はＰＭの燃焼温度に達することなく、外周部にはＰＭが燃え残ってしまう場合がある（図４参照）。
【００５１】
一方、図３に示すように、本実施形態のＤＰＦ再生処理は、ＤＰＦ昇温処理を実行した後に、通常再生燃焼処理を実行する。
ＤＰＦ昇温処理期間では、酸素濃度を制御してＤＰＦに堆積したＰＭの燃焼を抑制しつつ、ＤＰＦの中央部及び外周部を所定の時間をかけて昇温する。ここで、上述の比較例と異なり、ＰＭの燃焼を抑制しているため、ＤＰＦの中央部と外周部との間の圧損差は小さく、ＤＰＦの中央部及び外周部ともに、ＰＭの燃焼温度まで昇温することができる（図５参照）。
【００５２】
通常再生燃焼処理では、排気の酸素濃度をＰＭの燃焼を促進する濃度に制御することで、ＰＭを燃焼する。特にこの時、ＤＰＦの中央部及び外周部の温度は、ともにＰＭが燃焼可能な温度に達しているので、図６に示すように、ＰＭはＤＰＦの上端側から順に満遍なく燃焼する。
【００５３】
図７は、ＤＰＦ再生の時間と再生効率との関係を示す図である。図７において、実線は、本実施形態のＤＰＦ再生処理による再生効率の時間変化を示し、破線は、比較例のＤＰＦ再生処理による再生効率の時間変化を示す。
【００５４】
図７に示すように、比較例では、再生効率の上昇は、再生時間の経過とともに鈍化してしまい、ＤＰＦ再生処理を開始してから約２０秒経過した後は、再生効率は約６４％に収束する。これは、上述のようにＤＰＦの外周部がＰＭの燃焼可能な温度に達せず、ＰＭが燃え残るためである。
一方、本実施形態では、シリコンカーバイドのような熱伝導性の高い材料を用いた場合と同様に（上述の図１１参照）、ＤＰＦの再生効率は、再生時間に比例して上昇する。これは、上述のように、低酸素濃度でＤＰＦを昇温した後にＰＭを燃焼させるためであり、これにより、ＤＰＦを完全に再生することが可能となる。
【００５５】
本実施形態では、エンジン１の燃料噴射弁、スロットル弁９、触媒コンバータ３１、及びＥＣＵ４０によりフィルタ再生手段が構成され、エンジン１の燃料噴射弁、スロットル弁９、及びＥＣＵ４０により酸素濃度制御手段が構成され、ＥＣＵ４０により目標酸素濃度設定手段が構成され、排気温度センサ２２、及びＥＣＵ４０により外周部温度推定手段が構成される。具体的には、図２に示すＤＰＦ再生処理の実行に係る手段がフィルタ再生手段の一部に相当し、図２のステップＳ３、Ｓ５の実行に係る手段が酸素濃度制御手段、及び目標酸素濃度設定手段の一部に相当し、図２のステップＳ４の実行に係る手段が外周部温度推定手段の一部に相当する。
【００５６】
以上詳述したように、本実施形態によれば、先ず、ＤＰＦ昇温処理を実行することで、堆積したＰＭの燃焼を抑制しながらＤＰＦ３２全体を昇温することができる。次に、通常再生燃焼処理を実行することで、堆積したＰＭを燃焼させることができる。この際、ＤＰＦ３２は全領域にわたり昇温されているので、ＤＰＦ３２の中央部及び外周部ともに満遍なく再生することができる。したがって、熱伝導率が小さい材料をＤＰＦ３２に用いた場合であっても、ＰＭが燃え残ることがない。
また、このようにしてＤＰＦ３２を完全再生することにより、再生に必要な時間を短縮するとともに、再生の頻度をも低減し、燃費を向上することができる。また、排気のエミッションを向上することもできる。
また、ＤＰＦ３２の中央部及び外周部ともに満遍なく再生することにより、ＤＰＦ３２の温度差を減らすことができる。これにより、ＤＰＦ基材の熱衝撃による破損も防ぐことができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、ＤＰＦ昇温処理を実行し、ＤＰＦの上流側の排気の温度ＴＥが所定の判定温度以上となった場合に、通常再生燃焼処理を実行する。これにより、より確実にＤＰＦ３２を全領域にわたり昇温することができる。したがって、通常再生燃焼処理において、ＰＭを満遍なく燃焼することができる。また、ＤＰＦ昇温処理にかかる時間を最小限にすることができる。
【００５８】
［第２の実施形態］
図８及び図９を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態は、第１の実施形態に係るＤＰＦ再生処理の（図２のステップＳ２、及びステップＳ５参照）における目標酸素濃度の設定の仕方が異なる。本実施形態では、目標酸素濃度を、ＰＭの燃焼速度に基づいて設定する。
【００５９】
図８は、ＤＰＦの上流側の排気の温度とＰＭの燃焼速度との関係を示す図であり、排気の酸素濃度が１０％、５％、３％、及び１％の場合をそれぞれ示す。
図８に示すように、排気の温度が高くなるに従いＰＭの燃焼速度は速くなり、ＰＭの燃焼は促進され、排気の温度が低くなるに従いＰＭの燃焼速度は遅くなり、ＰＭの燃焼は抑制される。特に、同じ排気温度の下では、酸素濃度が高くなるに従いＰＭの燃焼速度は速くなり、酸素濃度が低くなるに従いＰＭの燃焼速度は遅くなる。
【００６０】
図９は、ＰＭの燃焼速度が所定の設定燃焼速度となるようにした場合における、ＤＰＦの上流側の排気の温度と酸素濃度との関係を示す図である。
図９に示すように、排気の温度が高くなるに従いＰＭの燃焼速度を一定に保つために必要な排気の酸素濃度は低くなる。
【００６１】
本実施形態では、以上のようなＰＭの燃焼速度、排気の酸素濃度、及び排気の温度の関係に基づいて、目標酸素濃度を設定する。
より具体的には、ＤＰＦ昇温処理時（図２のステップＳ２参照）には、排気温度センサにより検出された排気の温度ＴＥに基づいて、ＰＭの燃焼速度が所定の設定燃焼速度以下となるような酸素濃度を算出し、この酸素濃度を目標酸素濃度とする。さらに、この目標酸素濃度に一致するように排気の酸素濃度を制御することで、ＰＭの燃焼を抑制する。
また、通常再生燃焼処理時（図２のステップＳ５参照）には、排気温度センサにより検出された排気の温度ＴＥに基づいて、ＰＭの燃焼速度が所定の設定燃焼速度以下となるような酸素濃度を算出し、この酸素濃度を目標酸素濃度とする。さらに、この目標酸素濃度に一致するように排気の酸素濃度を制御することで、ＰＭの燃焼を促進する。
【００６２】
以上詳述したように、本実施形態によれば、上記第１の実施形態の効果に加えて、以下の効果がある。
本実施形態によれば、ＤＰＦ３２の上流側の排気の温度ＴＥを検出し、この温度ＴＥに基づいてＰＭの燃焼速度が所定の燃焼速度以下となるような酸素濃度を算出し、この酸素濃度を目標酸素濃度として設定する。これにより、より確実に酸素濃度をＰＭの燃焼を抑制する濃度に設定しながら、昇温にかかる時間を短縮することができる。結果として、再生に必要な時間を短縮し、燃費を向上することができる。
【００６３】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
【００６４】
上述した第１の実施形態では、一定の目標酸素濃度の下でＤＰＦ昇温処理を実行したが、これに限らない。例えば、ＤＰＦの温度及びＤＰＦにおける排気の空間速度に基づいて、目標酸素濃度を、ＰＭの燃焼を抑制する濃度に設定してもよい。また、例えば、排気の温度、又は、ＤＰＦの温度の変化に応じて目標酸素濃度を変更してもよい。より具体的には、排気の温度、又は、ＤＰＦの温度が上昇に応じて、目標酸素濃度を低減してもよい。
これにより、より確実に酸素濃度をＰＭの燃焼を抑制する濃度に設定しながら、昇温にかかる時間を短縮することができる。結果として、再生に必要な時間を短縮し、燃費を向上することができる。
【００６５】
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】上記実施形態に係るＥＣＵによるＤＰＦ再生処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】上記実施形態及び比較例に係るＤＰＦ再生の時間と、ＤＰＦの上流側のガスの温度及びＤＰＦの温度との関係を示す図である。
【図４】比較例に係るＤＰＦ再生処理時のＤＰＦを示す模式図である。
【図５】上記実施形態に係るＤＰＦ昇温処理時のＤＰＦを示す模式図である。
【図６】上記実施形態に係る通常再生燃焼処理時のＤＰＦを示す模式図である。
【図７】上記実施形態及び比較例に係るＤＰＦ再生の時間と再生効率との関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るＤＰＦの上流側の排気の温度とＰＭの燃焼速度との関係を示す図である。
【図９】上記実施形態に係るＤＰＦの上流側の排気の温度と酸素濃度との関係を示す図である。
【図１０】ＤＰＦ再生の時間とＤＰＦの温度との関係を示す図である。
【図１１】ＤＰＦ再生の時間とＤＰＦの再生効率との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１…内燃機関
９…スロットル弁（フィルタ再生手段、酸素濃度制御手段）
２２…排気温度センサ（排気温度検出手段、外周部温度推定手段）
３１…触媒コンバータ（フィルタ再生手段）
３２…ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
４０…電子制御ユニット（フィルタ再生手段、酸素濃度制御手段、目標酸素濃度設定手段、外周部温度推定手段）
【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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【図１０】
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【図１１】
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