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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6894249
(24)【登録日】2021年6月7日
(45)【発行日】2021年6月30日
(54)【発明の名称】排気浄化装置
(51)【国際特許分類】
F01N 3/025 20060101AFI20210621BHJP
F01N 3/023 20060101ALI20210621BHJP
F02D 45/00 20060101ALI20210621BHJP
B01D 46/42 20060101ALN20210621BHJP
【ＦＩ】
F01N3/025 101
F01N3/023 KZAB
F02D45/00 360Z
!B01D46/42 B
【請求項の数】1
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2017-21555(P2017-21555)
(22)【出願日】2017年2月8日
(65)【公開番号】特開2017-219025(P2017-219025A)
(43)【公開日】2017年12月14日
【審査請求日】2019年12月10日
(31)【優先権主張番号】特願2016-110874(P2016-110874)
(32)【優先日】2016年6月2日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】袋田 聖
(72)【発明者】
【氏名】須沢 匠
(72)【発明者】
【氏名】仙田 幸二
(72)【発明者】
【氏名】大河原 誠治
【審査官】
楠永 吉孝
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００５−２１４１７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１５−２２９９４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−１８２７８８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０１Ｎ ３／０２〜 ３／０３８
Ｂ０１Ｄ ４６／４２
Ｆ０２Ｄ ４５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
車両に搭載される内燃機関の排気通路に配され、この排気通路を流れる排気に含まれる可燃性の粒子状物質および不燃成分を捕捉するフィルターと、
このフィルターに捕捉された粒子状物質の堆積量を取得する手段と、
前記フィルターに捕捉された粒子状物質を燃焼させる燃焼手段と、
前記フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量を取得する手段と、
前記燃焼手段の作動と共に、前記車両の備えるＥＧＲ制御弁および空気圧縮機の駆動を制御する制御手段と
を具えた排気浄化装置であって、前記制御手段は、
前記フィルターに捕捉された粒子状物質の堆積量が第１の所定値以上、かつ前記フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量が第２の所定値未満の場合、前記フィルターの温度が第１の温度となるように、前記燃焼手段の作動を制御し、
前記フィルターに捕捉された粒子状物質の堆積量が前記第１の所定値以上、かつ前記フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量が前記第２の所定値以上の場合、前記フィルターの温度を前記第１の温度よりも低温の第２の温度にして、前記車両がＥＧＲ運転領域にある場合、前記ＥＧＲ制御弁の開度を絞るか、あるいは前記車両がＥＧＲ運転領域にない場合、前記空気圧縮機により外部から排気通路に圧縮空気を供給することにより、前記フィルターを通過する流れを増大させるように、前記燃焼手段の作動を制御することを特徴とする排気浄化装置。
このフィルターに捕捉された粒子状物質の堆積量を取得する手段と、
前記フィルターに捕捉された粒子状物質を燃焼させる燃焼手段と、
前記フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量を取得する手段と、
前記燃焼手段の作動と共に、前記車両の備えるＥＧＲ制御弁および空気圧縮機の駆動を制御する制御手段と
を具えた排気浄化装置であって、前記制御手段は、
前記フィルターに捕捉された粒子状物質の堆積量が第１の所定値以上、かつ前記フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量が第２の所定値未満の場合、前記フィルターの温度が第１の温度となるように、前記燃焼手段の作動を制御し、
前記フィルターに捕捉された粒子状物質の堆積量が前記第１の所定値以上、かつ前記フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量が前記第２の所定値以上の場合、前記フィルターの温度を前記第１の温度よりも低温の第２の温度にして、前記車両がＥＧＲ運転領域にある場合、前記ＥＧＲ制御弁の開度を絞るか、あるいは前記車両がＥＧＲ運転領域にない場合、前記空気圧縮機により外部から排気通路に圧縮空気を供給することにより、前記フィルターを通過する流れを増大させるように、前記燃焼手段の作動を制御することを特徴とする排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関から排出される排気に含まれる粒子状物質を浄化するための排気浄化装置に関し、特に不燃物質の堆積を抑制し得るようにしたものである。
【背景技術】
【0002】
内燃機関から排出される排気に対する環境への影響をできるだけ少なくするため、排気中に含まれる有害成分を捕捉または吸着したり、あるいは無害化する排気浄化装置を排気通路中に組み込んだ内燃機関が知られている。例えば、圧縮点火方式の内燃機関においては、排気中にＰＭ(Particulate Matter)と呼称される炭素質や炭化水素成分を含む可燃性の粒子状物質が含まれるため、ＰＭトラップを排気通路に組み込んでこれを捕捉するようにしている。また、ピストンの往復動に伴って内燃機関の燃焼室に浸入するエンジン油には、カルシウム化合物などのいわゆるアッシュ、すなわち灰分の他に、マンガン化合物や亜鉛化合物あるいはリンや硫黄などを含む金属系添加剤が配合されている。これらの金属化合物は、通常、燃焼室で燃えて完全に分解することなく排気と共に不燃成分として燃焼室から排気通路へと排出されるため、このような不燃成分もまた、ＰＭと共にＰＭトラップに捕捉されることとなる。
【0003】
このように、排気に含まれるＰＭや不燃成分がＰＭトラップに堆積し続けると、ＰＭトラップが目詰まりを起こしてしまい、内燃機関の継続的かつ円滑な運転を困難にする。このため、このＰＭトラップに捕捉されたＰＭを燃焼させたり、不燃成分をＰＭトラップから除去して定期的にＰＭトラップを再生させる必要がある。
【0004】
上述したＰＭトラップとして最もよく知られているものは触媒化ＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)であり、高温の排気を通過させることによって堆積したＰＭを燃焼させて除去することができる。しかしながら、不燃成分に関しては、高温の排気を通過させただけでは触媒化ＤＰＦからこれを除去させることが難しい。このような課題に対処するため、特許文献１においては排気通路を流れる排気流量が少ない内燃機関の運転状態において、触媒化ＤＰＦに流入する排気をリッチ空燃比の状態にしている。これにより、金属化合物成分、特に不燃成分の大部分を占めるカルシウム化合物が還元される結果、触媒化ＤＰＦからカルシウム化合物を除去することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平１０−０５４２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
通常、フィルターの再生時には、フィルターを６００℃以上に加熱してフィルターに捕捉された可燃性の粒子状物質を燃焼させている。しかしながら、フィルターに捕捉された不燃成分は、フィルターを６００℃以上に加熱してもフィルターから剥離することなく、フィルターに留まってしまう。上述した触媒化ＤＰＦに関しても、実際問題として触媒化ＤＰＦには金属化合物成分のみならずＰＭも堆積しており、このような状況で特許文献１に記載のカルシウム化合物を還元できたとしても、残りの不燃成分を触媒化ＤＰＦから排出させることは困難である。
【0007】
本発明の目的は、可燃性の粒子状物質と共にフィルターに捕捉された不燃成分をフィルターから効率よく剥離させることが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】
本発明者らは、フィルターの再生時にこれを５００〜５５０℃程度に加熱してフィルターに捕捉された可燃性の粒子状物質を燃焼させた場合、フィルターに捕捉された不燃成分がフィルターから剥離してフィルターから排除され得ることを見出した。
【0009】
本発明による排気浄化装置は、このような知見に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気通路に配され、この排気通路を流れる排気に含まれる可燃性の粒子状物質を捕捉するフィルターと、このフィルターに捕捉された粒子状物質の堆積量を取得する手段と、前記フィルターに捕捉された粒子状物質を燃焼させる燃焼手段と、前記フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量を取得する手段と、前記燃焼手段の作動を制御する制御手段とを具える。前記制御手段は、前記フィルターに捕捉された粒子状物質の堆積量が第１の所定値以上、かつ前記フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量が第２の所定値未満の場合、前記フィルターの温度が第１の温度となるように、前記燃焼手段の作動を制御する。これに対し、前記フィルターに捕捉された粒子状物質の堆積量が前記第１の所定値以上、かつ前記フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量が前記第２の所定値以上の場合、前記制御手段は、前記フィルターの温度が前記第１の温度よりも低温の第２の温度となるように、前記燃焼手段の作動を制御する。
【0010】
本発明においては、フィルターに捕捉された粒子状物質の堆積量が第１の所定値以上の場合、フィルターに捕捉された粒子状物質を燃焼させるフィルターの再生処理が行われる。この時、フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量が第２の所定値未満の場合には、フィルターの温度を第１の温度に上昇させてフィルターに捕捉された粒子状物質を燃焼させる。一方、フィルターに捕捉された不燃成分の堆積量が第２の所定値以上の場合には、フィルターの温度を第１の温度よりも低い第２の温度に上昇させてフィルターに捕捉された不燃成分をフィルターから剥離しやすくし、同時にフィルターに捕捉された粒子状物質を燃焼させることにより、剥離した不燃成分をフィルターの下流側へと流動させる。
【0011】
本発明による排気浄化装置において、第１の温度が６００℃以上であり、第２の温度は５００℃から５５０℃の範囲にあることが有効である。
【0012】
第２の温度によるフィルターへの累積投入熱量を取得するようにしてもよい。そして、この累積投入熱量がフィルターからの不燃成分の浮き上がりの始まるような閾値を越えた場合、フィルターを通過する排気流量を所定時間だけ増大させ、不燃成分をフィルターの下流側への流動を促進させることが有効である。この時、フィルターを通過する排気流量を増大させる間、第２の温度によるフィルターの加熱を中断することが有効である。また、フィルターを通過する排気流量を増大させる手段として、車両がＥＧＲ運転領域にある場合、ＥＧＲ制御弁の開度を絞るか、あるいは車両がＥＧＲ運転領域にない場合、外部から空気圧縮機により排気通路に圧縮空気を供給することができる。
【0013】
フィルターが触媒化ＤＰＦであってよく、この場合、酸化触媒をフィルターの細孔内を含むフィルターの全体に担体を介して配したものであってよい。あるいは、排気通路の上流側に面するフィルターの表面にのみ担体を介して酸化触媒を配したものであってよい。
【0014】
フィルターから剥離した不燃成分を通過させるため、フィルターの平均細孔径は１２μｍ以上であることが好ましい。しかしながら、粒子状物質を捕捉するために平均細孔径は１６μｍ以下であることが好ましい。
【0015】
第２の所定値が１０μｍ未満の場合、不燃成分によるフィルターの目詰まりは実質的に生じないので、不燃成分の第２の所定値は１０μｍであってよい。
【0016】
燃焼手段は、フィルターよりも上流側の排気通路に配されて燃料をこの排気通路に供給するための燃料添加弁と、この燃料添加弁とフィルターとの間の排気通路に配され、燃料添加弁によって排気通路に添加された燃料を燃焼させてフィルターに流入する排気の温度を昇温させる酸化触媒装置とを含むものであってよい。
【発明の効果】
【0017】
本発明の排気浄化装置によると、フィルターに捕捉された粒子状物質をフィルターから除去することに加え、この粒子状物質と共にフィルターに捕捉された不燃成分をより確実にフィルターから剥離させることができる。この結果、フィルターの再生処理を効率よく行うことが可能となる。
【0018】
第２の温度を５００℃から５５０℃の範囲に設定した場合、フィルターに捕捉された不燃成分をより確実にフィルターから剥離させることができる。
【0019】
フィルターに担体を介して酸化触媒を担持させた場合、粒子状物質の燃焼をより促進させることができる。
【0020】
フィルターの平均細孔径が１６μｍ以下の場合、粒子状物質をフィルターによって確実に捕捉することができる。
【0021】
フィルターの平均細孔径が１２μｍ以上の場合、フィルターから剥離した不燃成分をフィルターからその下流側の排気通路へと排出させることができる。
【0022】
不燃成分の第２の所定値を１０μｍにした場合、フィルターを第２の温度で加熱する回数を少なくしてフィルターの再生処理を効率よく行うことができる。
【0023】
燃焼手段が燃料添加弁と酸化触媒装置とを含む場合、フィルターの温度をより迅速かつ正確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明を圧縮点火方式の内燃機関に適用させた一実施形態のシステム概念図である。
【図4】ＤＰＦよりも下流側の排気温とＤＰＦの温度との関係を模式的に表すグラフである。
【図6】フィルターの他の実施形態を模式的に表す抽出拡大断面図である。
【図8】車両の累積走行距離と不燃成分の堆積量との関係を模式的に表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0025】
本発明による排気浄化装置を圧縮点火方式の内燃機関に組み込んだ一実施形態について、図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、対象となる内燃機関に要求される特性に応じて構成を適宜変更することが可能である。
【0026】
本実施形態におけるエンジンシステムの概念を図１に示し、このエンジンシステムにおける制御ブロックを図２に示す。なお、図１にはエンジン１０の吸排気のための動弁機構や消音器の他に、エンジン１０の円滑な運転のために必要とされる各種センサー類などもその一部が便宜的に省略されていることに注意されたい。
【0027】
本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１０ａ内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火方式の多気筒内燃機関である。しかしながら、単気筒の内燃機関であっても本発明を適用し得るものである。燃焼室１０ａにそれぞれ臨む吸気ポート１２ａおよび排気ポート１２ｂが形成されたシリンダーヘッド１２には、吸気ポート１２ａを開閉する吸気弁１３ａおよび排気ポート１２ｂを開閉する排気弁１３ｂを含む図示しない動弁機構が組み込まれている。先の燃料噴射弁１１もこのシリンダーヘッド１２に組み込まれている。
【0028】
本実施形態における燃料噴射弁１１は、燃料である軽油を圧縮行程の終了直前、つまりピストン１４ａの圧縮上死点直前にのみ燃焼室１０ａ内に直接噴射する直噴単噴射型式のものであるが、これに限定されない。
【0029】
燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に供給される燃料の噴射量および噴射時期は、運転者によるアクセルペダル１５の踏み込み量を含む車両の運転状態に基づいてＥＣＵ１６により制御される。アクセルペダル１５の踏み込み量は、アクセル開度センサー１７により検出され、その検出情報がＥＣＵ１６に出力される。
【0030】
本実施形態におけるＥＣＵ１６は、アクセル開度センサー１７や後述する各種センサー類などからの情報に基づき、車両およびエンジン１０の運転状態を判定する運転状態判定部１６ａと、燃料噴射設定部１６ｂと、燃料噴射弁駆動部１６ｃとを有する。
【0031】
燃料噴射設定部１６ｂは、運転状態判定部１６ａにて判定した車両の運転状態に基づき、エンジン１０の駆動トルク、つまり燃料噴射弁１１からの燃料噴射量と、その噴射時期などを設定する。ＥＣＵ１６の燃料噴射弁駆動部１６ｃは、この燃料噴射設定部１６ｂにて設定された燃料噴射量に対応した燃料が設定された噴射時期に噴射されるように、燃料噴射弁１１を駆動する。
【0032】
吸気ポート１２ａに連通するようにシリンダーヘッド１２に連結されて吸気ポート１２ａと共に吸気通路１８ａを画成する吸気管１８には、スロットルアクチュエーター１９を介して吸気通路１８ａの開度を調整するためのスロットル弁２０が組み込まれている。このスロットル弁２０の開度、すなわちスロットル開度は、アクセル開度センサー１７によって検出されるアクセルペダル１５の踏み込み量や車両の運転状態に基づき、ＥＣＵ１６のスロットル開度設定部１６ｄにて設定される。そして、このスロットル開度設定部１６ｄにて設定された開度となるように、ＥＣＵ１６のスロットル弁駆動部１６ｅがスロットルアクチュエーター１９を介してスロットル弁２０の駆動を行う。スロットル弁２０よりも上流側の吸気通路１８ａには、ここを流れる吸気流量を検出してこれらをＥＣＵ１６に出力するエアーフローメーター２１が設けられている。
【0033】
ピストン１４ａが往復動するシリンダーブロック１４には、連接棒１４ｂを介してピストン１４ａが連結されるクランク軸１４ｃの回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ１６に出力するクランク角センサー２２が取り付けられている。ＥＣＵ１６の運転状態判定部１６ａは、このクランク角センサー２２からの情報に基づいてクランク軸１４ｃの回転位相やエンジン回転速度の他に、車両の走行速度などを実時間で把握する。
【0034】
排気ポート１２ｂに連通するようにシリンダーヘッド１２に連結される排気管２３は、排気ポート１２ｂと共に排気通路２３ａを画成する。本実施形態のエンジンシステムには、ＥＧＲ装置２４と、排気タービン式過給機（以下、単に過給機と記述する）２５と、排気通路２３ａに燃料を添加する燃料添加弁２６と、排気浄化装置２７とがさらに組み込まれている。
【0035】
ＥＧＲ装置２４は、排気通路２３ａ内を流れる排気の一部を吸気通路１８ａに導き、排気に含まれるＮＯX、すなわち窒素酸化物の発生量を抑制する。このＥＧＲ装置２４は、ＥＧＲ通路２８ａを画成するＥＧＲ管２８と、このＥＧＲ管２８に設けられてＥＧＲ通路２８ａを流れる排気の流量を制御するＥＧＲ制御弁２９とを具えている。ＥＧＲ管２８は、シリンダーヘッド１２と過給機２５のタービン２５ａとの間の排気通路２３ａに一端が連通すると共に他端がスロットル弁２０とシリンダーヘッド１２との間の吸気通路１８ａに連通している。
【0036】
ＥＣＵ１６の運転状態判定部１６ａには、エンジン１０回転速度と、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量とに基づいて予め設定された図３に示す如きＥＧＲ運転領域に関するマップが記憶されている。本実施形態では、エンジン１０を搭載した車両がＥＧＲ運転領域にあることをＥＣＵ１６の運転状態判定部１６ａが判定した場合、この時の車両の運転状態に応じてＥＧＲ制御弁２９の開度がＥＣＵ１６のＥＧＲ量設定部１６ｆにて設定される。ＥＣＵ１６のＥＧＲ制御弁駆動部１６ｇは、ＥＧＲ制御弁２９をＥＧＲ量設定部１６ｆにて設定された開度に制御し、それ以外の場合は基本的にＥＧＲ通路２８ａを塞ぐように閉じた状態にＥＧＲ制御弁２９を駆動する。
【0037】
過給機２５は、排気通路２３ａを流れる排気の運動エネルギーを利用して燃焼室１０ａへの過給を行い、吸気密度を高め、吸気流量を増加させるためのものである。この過給機２５は、排気通路２３ａに組み込まれたタービン２５ａと、このタービン２５ａと一体に回転するコンプレッサー２５ｂとで主要部が構成されている。コンプレッサー２５ｂは、スロットル弁２０とエアーフローメーター２１との間の吸気通路１８ａに組み込まれている。過給機２５のコンプレッサー２５ｂとスロットル弁２０との間の吸気通路１８ａには、高温の排気にさらされるタービン２５ａ側からの伝熱によりコンプレッサー２５ｂを介して加熱される吸気温を低下させるためのインタークーラー２５ｃが組み込まれている。
【0038】
燃焼室１０ａ内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための排気浄化装置２７は、過給機２５のタービン２５ａよりも下流側の排気通路２３ａに配されている。本実施形態における排気浄化装置２７は、ＤＯＣ(Diesel Oxidation Catalyst)３０と、触媒化ＤＰＦ３１とを有するが、ＮＯX触媒などの他の触媒コンバーターをさらに追加することも可能である。本実施形態におけるＤＯＣ３０は、その下流に配された本発明におけるフィルターとしての触媒化ＤＰＦ（以下、単にＤＰＦと記述する）３１の再生処理を行うためのものである。すなわち、ＤＯＣ３０の上流側に配された燃料添加弁２６から排気通路２３ａに添加される燃料を燃焼させ、これによって高温となった排気をＤＰＦ３１に送り込むことにより、ＤＰＦ３１に堆積した可燃性の粒子状物質、すなわちＰＭの燃焼を促進させることができる。
【0039】
ＤＰＦ３１の温度は、排気浄化装置２７のケーシング２７ａに取り付けられたフィルター温度センサー３２により検出され、その情報がＥＣＵ１６に出力される。
【0040】
このようなフィルター温度センサー３２に代え、ＤＰＦ３１の下流側の排気通路２３ａを流れる排気温を取得し、この排気温に基づいてＤＰＦ３１の温度を取得することも可能である。ＤＰＦ３１の下流側の排気通路２３ａを流れる排気温と、ＤＰＦ３１の温度との関係を模式的に表す図４に示すように、ＤＰＦ３１の下流側の排気通路２３ａを流れる排気温は、ＤＰＦ３１の温度に対して相関性を有している。従って、ＤＰＦ３１の下流側の排気通路２３ａを流れる排気温を排気温センサーなどで検出することでも、ＤＰＦ３１の温度をほぼ正確に取得することができる。
【0041】
本実施形態におけるＤＰＦ３１の部分を抽出拡大した断面構造を模式的に図５に示す。本実施形態におけるＤＰＦ３１は、ハニカム構造のフィルター基材３１ａと、このフィルター基材３１ａの表面に形成された触媒担体層３１ｂと、この触媒担体層３１ｂに担持される図示しない酸化触媒とで構成されるが、これ限定されない。例えば、図５と同様なＤＰＦ３１の抽出拡大断面構造を模式的に図６に示す。このＤＰＦ３１は、多孔質のフィルター基材３１ａと、第２フィルター層３１ｃと、この第２フィルター層３１ｃに積層される触媒担体層３１ｂと、この触媒担体層３１ｂに担持される図示しない酸化触媒とで構成されている。第２フィルター層３１ｃは、排気通路２３ａの上流側に面するフィルター基材３１ａの表面に形成され、その平均細孔径が１６μｍ以下に設定されている。何れの構成であっても、ＤＰＦ３１の平均細孔径は、不燃成分の通過しやすさおよびＰＭの捕捉しやすさを考慮して１２μｍ以上かつ１６μｍ以下であることが好ましい。先のフィルター基材３１ａは、排気通路２３ａを仕切るようにケーシング２７ａ内に保持される。
【0042】
ＤＰＦ３１に捕捉されて堆積するＰＭの除去のためにＤＰＦ３１を再生処理する場合、ＤＰＦ３１を高温の第１の温度ＴH、例えば６５０℃に加熱すると、ＰＭは燃焼して気化し、ＤＰＦ３１から排除されるものの、不燃成分はＤＰＦ３１に残留したままとなる。これに対し、ＤＰＦ３１を第１の温度ＴHよりも低い第２の温度ＴL、例えば５００〜５５０℃に加熱すると、ＰＭの燃焼気化が緩やかとなり、ＤＰＦ３１の再生時間を通常よりも長く継続させる必要が生ずる。しかしながら、ＰＭの燃焼に伴って不燃成分がＤＰＦ３１から浮き上がり、排気の流れに沿ってＤＰＦ３１の下流側へと流動しやすくなることが判明した。この現象は、ＰＭの堆積量がある程度以上の場合にのみ発生し、ＰＭの堆積量が少ない状態でＤＰＦ３１を第２の温度ＴLに加熱しても、不燃成分はＤＰＦ３１から浮き上がることなく、ＤＰＦ３１に留まったままとなる。また、第２の温度ＴLを５００℃未満に設定した場合には、不燃成分がＤＰＦ３１から浮き上がるものの、排気の流れに沿って流動することなく、ＤＰＦ３１に留まったままとなることも確認できた。
【0043】
ここで、ＤＰＦ３１に対する加熱時間と、ＤＰＦ３１の加熱温度と、ＤＰＦ３１からの不燃成分の浮き上がりの始まりおよび流動終了時点との関係を模式的に図７に示す。図７中、破線は不燃成分がＤＰＦ３１から浮き上がり始める時点を示し、実線は不燃成分がＤＰＦ３１からの移動を完了する時点を示す。一例で説明すると、ＤＰＦ３１を５００℃に加熱した場合、加熱を開始してから６０分ほどで不燃成分がＤＰＦ３１から浮き上がり、加熱を開始してから９０分ほどで、この浮き上がり位置から完全に下流側へと移動し終えることを理解することができる。また、ＤＰＦ３１を５５０℃に加熱した場合には、加熱を開始してから５分ほどで不燃成分がＤＰＦ３１から浮き上がり、加熱を開始してから１５分ほどで、この浮き上がり位置から完全に下流側へと移動し終える。これに対し、ＤＰＦ３１を４５０℃に加熱した場合、加熱を開始してから９０分ほどで不燃成分がＤＰＦ３１から浮き上がりものの、この浮き上がり位置から下流側へと不燃成分は移動しない。
【0044】
従って、不燃成分がある程度ＤＰＦ３１に堆積するまでは高温の第１の温度ＴH（６００℃以上）にてＤＰＦ３１の再生処理を行い、不燃成分がある程度ＤＰＦ３１に堆積した場合には、低温の第２の温度ＴL（５００〜５５０℃）にてＤＰＦ３１の再生処理を所定時間行うことが有効である。これによって、不燃成分をＤＰＦ３１の下流側へと流動させ、ＤＰＦ３１の有効表面積の低減を抑えることができる。何れに場合においても、ＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが所定値ΔＰLに達するまで、ＤＰＦ３１の再生処理を継続する。
【0045】
ＤＰＦ３１に捕捉されて堆積する不燃成分の堆積量は、基本的にエンジン油の消費量に対して相関性を有しているが、個々の車両の走行距離にほぼ比例することも判明している。車両の累積走行距離ＯとＤＰＦ３１に捕捉された不燃成分の堆積量との関係を模式的に図８に示す。ＤＰＦ３１に堆積する不燃成分が例えば１０μｍ以上となった場合、この不燃成分の除去を行うことが有効である。ＤＰＦ３１に堆積する不燃成分が１０μｍ以上となるのは、エンジン１０の特性や運転状態によっても変化するが、一例として車両の累積走行距離Ｏが５００００km前後である。そこで、本実施形態におけるＥＣＵ１６の運転状態判定部１６ａは、車両の累積走行距離Ｏが５００００kmに達した時点でＤＰＦ３１から不燃成分を除去するためにＤＰＦ３１の再生処理が必要であると判定する。そして、低温でのＤＰＦ３１の再生処理を終了する度に車両の累積走行距離Ｏをリセットするようになっている。つまり、本実施形態におけるＥＣＵ１６の運転状態判定部１６ａは、本発明におけるフィルターに捕捉された不燃成分の堆積量を取得する手段としても機能する。
【0046】
また、ＥＣＵ１６の運転状態判定部１６ａは、ＤＰＦ３１を第２の温度ＴLにて加熱を行った場合のＤＰＦ３１に対する累積加熱時間、すなわち累積投入熱量ＱAを算出し、ＤＰＦ３１から不燃成分の浮き上がりが始まっているか否かを判定する。累積投入熱量ＱAは、ＤＰＦ３１の加熱温度が５００℃の場合、６０分間の累積加熱時間に相当し、ＤＰＦ３１の加熱温度が５５０℃の場合、５分間の累積加熱時間に相当し、第２の温度ＴLに応じて累積加熱時間は変化する。
【0047】
本実施形態では、ＤＰＦ３１を第２の温度ＴLにて加熱することによって、ＤＰＦ３１から浮き上がる不燃成分をより確実にＤＰＦ３１の下流側へと移動させやすくするため、ＤＰＦ３１に流れる排気流量を一時的に増大させるようにしている。具体的には、車両がＥＧＲ運転領域にある場合、ＥＧＲ制御弁２９の開度を低減させることにより、排気還流量を抑制し、これによってＤＰＦ３１へと流れる排気流量を増大させる。また、車両がＥＧＲ運転領域にない場合には、空気圧縮機３３を用いて過給機２５と排気浄化装置２７との間の排気通路２３ａへと圧縮空気を供給し、ＤＰＦ３１へと流れる排気流量を増大させる。さらには、スロットル弁２０の開度を大きくして排気流量を増大させることも可能であるが、この場合には車両の駆動力が変わらないように、燃料噴射量や噴射時期などを同時に変更する必要がある。何れの場合においても、少なくとも図７中の破線から実線へと至る期間に亙って排気流量を増大させることが有効であり、不燃成分をＤＰＦ３１の下流側へ移動させるための排気流量は、車両の運転状態や不燃成分の堆積量などに応じて増減することが好ましい。
【0048】
本実施形態のＥＣＵ１６は、車両の運転状態に基づいて空気圧縮機３３の作動を制御する空気圧縮機駆動部１６ｊを具えている。この空気圧縮機駆動部１６ｊは、累積投入熱量ＱAが図７中の破線で示す閾値ＱRに達した状態において、車両がＥＧＲ運転領域にない場合、空気圧縮機３３を作動させて圧縮空気をＤＰＦ３１の上流側の排気通路２３ａへと供給する。これにより、ＤＰＦ３１を通過する排気流量を増大させてＤＰＦ３１から浮き上がった不燃成分がＤＰＦ３１の下流側へと移動するのを促すことができる。
【0049】
ＤＰＦ３１のケーシング２７ａには、ＤＰＦ３１の上流側および下流側のケーシング２７ａ内の圧力差を検出してこれをＥＣＵ１６に出力する差圧センサー３４が取り付けられている。本実施形態における差圧センサー３４は、ＤＰＦ３１に捕捉されたＰＭの堆積量を取得する本発明の手段として機能し、ＰＭを捕捉したＤＰＦ３１の再生処理の必要性の有無を判定するための情報をＥＣＵ１６に与えることができる。ＥＣＵ１６の運転状態判定部１６ａは、この差圧センサー３４によって取得された差圧ΔＰが予め設定した閾値ΔＰH以上となった場合、ＤＰＦ３１の再生処理が必要であると判定する。そして、ＤＰＦ３１の再生処理中に差圧センサー３４によって取得される差圧ΔＰが予め設定した閾値ΔＰL以下となった場合、ＤＰＦ３１の再生処理が不要であると判定する。このような差圧センサー３４に代え、燃料消費量などに基づいてＤＰＦ３１に捕捉されたＰＭの堆積量を推定し、このＰＭの堆積量に基づいてＤＰＦ３１の再生処理の必要性の有無を判定するようにしてもよい。
【0050】
燃料噴射弁と基本的に同一構成を持つ燃料添加弁２６は、過給機２５のタービン２５ａとＤＯＣ３０との間の排気通路２３ａに配され、排気浄化装置２７のＤＯＣ３０と共に本発明の燃焼手段として機能する。燃料添加弁２６からの燃料の添加量は、ＥＣＵ１６にて設定されるＤＰＦ３１の目標加熱温度と、フィルター温度センサー３２から取得されるＤＰＦ３１の温度や排気空燃比などを含む車両の運転状態とに基づき、ＥＣＵ１６の燃料添加設定部１６ｈにて設定される。ＥＣＵ１６の燃料添加弁駆動部１６ｉは、この燃料添加設定部１６ｈにて設定された燃料が排気通路２３ａに添加されるように、燃料添加弁２６の作動を制御する。本実施形態におけるＤＰＦ３１の目標加熱温度は、不燃成分の堆積量が少ない場合に設定される高温の第１目標加熱温度ＴHと、不燃成分の堆積量が所定値以上となった場合に設定される低温の第２目標加熱温度ＴLとを有する。上述した知見から、第１目標加熱温度ＴHは例えば６００〜６５０℃程度に設定され、第２目標加熱温度ＴLは例えば５００〜５５０℃程度に設定される。
【0051】
ＥＣＵ１６は、アクセル開度センサー１７，エアーフローメーター２１，クランク角センサー２２，フィルター温度センサー３２，差圧センサー３４などからの検出情報に基づき、エンジン１０の運転状態を把握する。そして、予め設定されたプログラムに従って円滑なエンジン１０の運転がなされるように、燃料噴射弁１１，スロットルアクチュエーター１９，ＥＧＲ制御弁２９，燃料添加弁２６などの作動を制御する。
【0052】
このような本実施形態における排気浄化手順を図９のフローチャートを参照しながら説明すると、まずＳ１１のステップにてＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第１の閾値ΔＰH以上か否かを判定する。ここで、ＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第１の閾値ΔＰH未満である、すなわちＤＰＦ３１が目詰まりしていないので再生処理を行う必要がないと判断した場合には、差圧ΔＰが第１の閾値ΔＰH以上となるまで、Ｓ１１のステップの処理を繰り返す。
【0053】
このようにして、Ｓ１１のステップにてＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第１の閾値ΔＰH以上である、すなわちＤＰＦ３１が目詰まりしているので再生処理を行う必要があると判断した場合には、Ｓ１２のステップに移行する。ここで、不燃成分を除去するためのフラグがセットされているか否かを判定するが、最初はフラグがセットされていないので、Ｓ１３のステップに移行してＤＰＦ３１を第１の温度ＴHとなるように加熱する。そして、Ｓ１４のステップにてＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第２の閾値ΔＰL以下か否かを判定し、ＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第２の閾値ΔＰL以下となるまで、Ｓ１４のステップを繰り返し実行する。
【0054】
このようにして、Ｓ１４のステップにてＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第２の閾値ΔＰL以下である、すなわちＤＰＦ３１の再生処理が完了したと判断した場合には、Ｓ１５のステップに移行してＤＰＦ３１の再生処理のための加熱を止める。しかる後、Ｓ１６のステップにて累積走行距離Ｏが閾値ＯR、例えば５００００km以上か否かを判定する。ここで、累積走行距離Ｏが閾値ＯR以上である、すなわち不燃成分をＤＰＦ３１から除去する必要があると判断した場合にはＳ１７のステップに移行して不燃成分を処理するためのフラグをセットした後、上述したＳ１１のステップに戻る。
【0055】
また、先のＳ１６のステップにて累積走行距離Ｏが閾値ＯR未満である、すなわち不燃成分を除去する必要がないと判断した場合には、何もせずにＳ１１のステップに戻る。
【0056】
前記Ｓ１２のステップにてフラグがセットされている、すなわちＤＰＦ３１に堆積した不燃成分を除去する必要があると判断した場合には、Ｓ１８のステップに移行してＤＰＦ３１を第２の温度ＴLとなるように加熱する。同時に、累積投入熱量ＱAを算出する。そして、Ｓ１９のステップにて累積投入熱量ＱAが閾値ＱR以上か否かを判定する。ここで、累積投入熱量ＱAが閾値ＱR以上である、すなわち不燃成分をＤＰＦ３１の下流側に流動させてＤＰＦの目詰まりを阻止することが好ましいと判断した場合には、Ｓ２０のステップに移行する。そして、ＤＰＦ３１の加熱を中断した後、Ｓ２１のステップにて車両がＥＧＲ運転領域にあるか否かを判定する。ここで車両がＥＧＲ運転領域にあると判断した場合には、Ｓ２２のステップに移行してＥＧＲ制御弁２９の開度を低減し、より多くの排気がＤＰＦ３１側へと流れるようにし、ＤＰＦ３１に堆積した不燃成分のＤＰＦ３１の下流側への流動を促進させる。また、Ｓ２１のステップにて車両がＥＧＲ運転領域にない、すなわちＥＧＲ制御弁２９の開度が０％であって、ＥＧＲ制御弁の開度を絞ってＤＰＦ３１への排気流量を増大させることができないと判断した場合には、Ｓ２３のステップに移行する。そして、空気圧縮機３３を作動させて圧縮空気を排気通路２３ａに供給し、ＤＰＦ３１側へと流れる排気の流速を増大させ、ＤＰＦ３１に堆積した不燃成分のＤＰＦ３１の下流側への流動を促進させる。
【0057】
ＤＰＦ３１を通過する排気の流速を増大させるＳ２２，Ｓ２３のステップに続き、Ｓ２４のステップにてタイマーのカウントアップを行う。そして、Ｓ２５のステップにてタイマーのカウント値Ｃnがあらかじめ設定した閾値ＣR以上か否かを判定し、このカウント値Ｃnが閾値ＣR以上となるまで、Ｓ２４，Ｓ２５のステップを繰り返す。このようにして、タイマーのカウント値Ｃnが閾値ＣR以上である、すなわちＤＰＦ３１に堆積した不燃成分のＤＰＦ３１の下流側への流動が完了したと判断した場合には、Ｓ２６のステップに移行する。そして、ＥＧＲ制御弁２９の開度を現在の車両の運転状態に適合した開度へと戻すか、あるいは空気圧縮機３３による圧縮空気の供給を停止する。また、累積投入熱量ＱAおよびタイマーのカウント値Ｃnをそれぞれ０にリセットすると共にフラグもリセットし、さらにＤＰＦ３１を第２の温度ＴLとなるように加熱を再開する。
【0058】
しかる後、Ｓ２７のステップにてＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第２の閾値ΔＰL以下か否かを判定し、ＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第２の閾値ΔＰL以下となるまで、Ｓ２７のステップを繰り返し実行する。
【0059】
このようにして、Ｓ２７のステップにてＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第２の閾値ΔＰL以下である、すなわちＤＰＦ３１の再生処理が完了したと判断した場合には、Ｓ２８のステップに移行する。そして、ＤＰＦ３１の再生処理のための加熱を止めた後、Ｓ１１のステップに戻る。
【0060】
一方、Ｓ１９のステップにて累積投入熱量ＱAが閾値ＱR未満である、すなわち不燃成分をＤＰＦ３１の下流側にまだ流動させる必要がないと判断した場合には、先のＳ２７のステップに移行する。そして、ＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第２の閾値ΔＰL以下か否かを判定し、ＤＰＦ３１の上流側と下流側との差圧ΔＰが第２の閾値ΔＰL以下となるまで、Ｓ２７のステップを繰り返し実行する。
【0061】
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のない構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
【符号の説明】
【0062】
１０ エンジン１６ａ 運転状態判定部
１６ｈ 燃料添加設定部
１６ｉ 燃料添加弁駆動部
２３ａ 排気通路
２６ 燃料添加弁
２７ 排気浄化装置
３０ ＤＯＣ
３１ 触媒化ＤＰＦ
３４ 差圧センサー
Ｏ 累積走行距離
ＯR 累積走行距離に関する閾値
ΔＰ ＤＰＦの上流側と下流側との差圧
ΔＰH 差圧に関する第１の閾値
ＴH 第１目標加熱温度
ＴL 第２目標加熱温度