JP2015121118A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ排出量を抑制しつつ、内燃機関の空燃比の制御によりフィルタを再生できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配設された三元触媒と、前記三元触媒よりも下流の前記排気通路に配設されたフィルタと、前記フィルタよりも下流の前記排気通路に配設されたＮＯｘセンサと、前記内燃機関の空燃比を理論空燃比近傍に制御する制御部であって、前記フィルタの再生時に、前記内燃機関の空燃比を理論空燃比よりも酸素過剰な空燃比に制御し続ける再生制御処理を行い、前記ＮＯｘセンサによる前記濃度の検出値が規定値以上となったときに、当該再生制御処理を終了する制御部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関の排気中には、大気中に放出することが好ましくないＰＭ（Particulate Matters：粒子状物質）やＮＯｘ（窒素酸化物）
が含まれている。そのため、内燃機関の排気通路に、酸化触媒、フィルタ、選択還元型ＮＯｘ触媒及び酸化触媒を、上流側からこの順に配置したシステム（例えば、特許文献１参照）が開発されている。また、内燃機関の排気通路に、三元触媒、フィルタ及び選択還元型ＮＯｘ触媒を、上流側からこの順に配置したシステム（例えば、特許文献２、３参照）も開発されている。

そして、内燃機関の排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒が設けられたシステムは、通常、ＮＯｘセンサが、排気通路の選択還元型ＮＯｘ触媒よりも下流側の部分に設けられたもの（例えば、特許文献１、２参照）となっている。

特開２０１２−０３６８５６号公報 特開２０１３−０９２０５５号公報 特開２０１０−１７４７０１号公報

フィルタをすり抜けたＮＯｘ量を把握するためには、フィルタの下流側であって、選択還元型ＮＯｘ触媒等の触媒よりも上流側にＮＯｘセンサが配置されている必要がある。また、所謂ストイキ燃焼する内燃機関の排気通路に三元触媒とフィルタとを上流側からこの順に配置し、フィルタの浄化性能の再生（以下、“フィルタの再生”とも表記する）時に、内燃機関の空燃比をリーン空燃比に制御することが考えられるが、この場合、ＮＯｘがフィルタをすり抜けることを抑止する必要がある。

そこで、本発明の課題は、内燃機関の空燃比の制御によるフィルタの再生と、ＮＯｘ排出量の低減とを両立できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に配設された三元触媒と、
前記三元触媒よりも下流の前記排気通路に配設された、前記内燃機関の排気中の粒子物質を捕集するためのフィルタと、
前記フィルタよりも下流の前記排気通路に配設された、前記フィルタから流出するＮＯｘの濃度を検出するためのＮＯｘセンサと、
前記内燃機関の空燃比を理論空燃比近傍に制御する制御部であって、前記フィルタの再生時に、前記内燃機関の空燃比を理論空燃比よりも酸素過剰な空燃比に制御し続ける再生制御処理を行い、前記ＮＯｘセンサによる前記濃度の検出値が規定値以上となったときに、当該再生制御処理を終了する制御部と、
を備える。

すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、三元触媒の下流に配置されたフィルタの再生時に、『内燃機関の空燃比を理論空燃比よりも酸素過剰な空燃比に制御し続ける再生制御処理』が行われる。そのような再生制御処理が行われると、内燃機関から三元触媒を介してフィルタに酸素（及びＮＯｘ）が供給されてフィルタ内のＰＭが酸化されることになる。また、再生制御処理の開始後、しばらくすると、フィルタからＮＯｘが流出することになるが、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、“前記フィルタよりも下流の前記排気通路に配設された、前記フィルタから流出するＮＯｘの濃度を検出するためのＮＯｘセンサ”（つまり、フィルタの直後に配置されたＮＯｘセンサ）を備える。そして、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の制御部は、当該ＮＯｘセンサによるＮＯｘの濃度の検出値が規定値以上になった場合に、再生制御処理を終了する。従って、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を、規定値として小さな値を設定した形で運用すれば、ＮＯｘが少量しか排出されない形でフィルタを再生できる（内燃機関の空燃比の制御によるフィルタの再生と、ＮＯｘ排出量の低減とを、両立できる）ことになる。

尚、フューエルカット時にも、フィルタに酸素が供給されるので、フィルタの再生が或る程度進行する。ただし、フューエルカットが行われる頻度は、運転者によるアクセルワークに依存するため、フューエルカット時のみにフィルタの再生が行われてようにしておいたのでは、フィルタ内のＰＭ量を所望量（内燃機関の出力低下が少ない量）以下に抑えることが出来ない虞がある。一方、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の制御部が行う再生制御処理は、運転者によるアクセルワークとは無関係に、内燃機関の空燃比を理論空燃比よりも酸素過剰な空燃比に制御し続ける制御である。従って、この内燃機関の排気浄化装置によれば、確実に（運転者によるアクセルワークに依存しない形で）、フィルタ内のＰＭ量を所望量以下に抑えることが出来る。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の制御部が行う再生制御処理は、フィルタの床温を昇温させるための排気昇温制御（点火遅角、アクティブ制御等）を伴うものであっても排気昇温制御を伴わないものであっても良い。尚、排気昇温制御及びフューエルカットにより、フィルタを再生する（フィルタ内のＰＭ量を所望量以下にする）ことは可能である。ただし、フューエルカットが行われる頻度は、運転者によるアクセルワークに依存するため、排気昇温制御及びフューエルカットによりフィルタを再生するようにした場合、燃費が悪い排気昇温制御を長時間に亘って継続しなければならないことになる。一方、本発明に係る再生制御処理は、運転者によるアクセルワークとは無関係に、内燃機関の空燃比を理論空燃比よりも酸素過剰な空燃比に制御し続ける制御である。従って、再生制御処理として排気昇温制御を伴う処理が行われる場合、排気昇温制御及びフューエルカットによりフィルタを再生する排気浄化装置よりも、内燃機関が燃費が悪い状態で動作している時間が短い排気浄化装置を実現できることになる。

さらに、排気昇温制御を伴うフューエルカットでは、ＰＭの酸化反応熱で触媒床温が上昇し触媒劣化を招くことが考えられるが、上記再生制御処理によりフィルタに供給される酸素量は、フューエルカット時のそれよりも少ない。従って、排気昇温制御を伴う再生制御処理を行うタイプの内燃機関の排気浄化装置は、排気昇温制御を伴うフューエルカットによりフィルタの再生を行う装置よりも、触媒が劣化しにくい装置として機能することになる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の制御部による“内燃機関の空燃比を理論空燃比近傍に制御する”処理としては、“内燃機関の空燃比を、理論空燃比を含む所定の空燃比範囲内に制御する”処理や、“内燃機関の空燃比を、排気通路上の１つ又は２つの、空燃比／酸素の濃度を測定するセンサの出力に基づき、フィードバック制御する”処理を採用することが出来る。

また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の制御部は、再生制御処理の終了後、即座に、内燃機関の空燃比を理論空燃比近傍に制御する状態に戻るものであっても、上記制御処理の終了後、他の制御処理を行ってから、内燃機関の空燃比を理論空燃比近傍に制御する状態に戻るものであっても良い。

また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の制御部は、少なくとも、ＮＯｘセンサによるＮＯｘの濃度の検出値が規定値以上となった場合に、再生制御処理を終了するものでありさえすれば良い。従って、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を実現する際には、制御部として、ＮＯｘセンサによるＮＯｘの濃度の検出値が規定値以上となった場合と、フィルタの前後の差圧が予め設定されている値よりも小さくなった場合とに、再生制御処理を終了するものを採用しておくことができる。また、制御部として、再生制御処理の開始後、一定時間が経過した場合にも、再生制御処理を終了するものなどを採用することもできる。

本発明によれば、ＮＯｘ排出を抑制しつつ、内燃機関の空燃比の制御によるフィルタ再生を実現することが出来る。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの概略構成図である。 図２は、実施形態に係る内燃機関システムが備える空燃比センサのセンサ特性の説明図である。 図３は、実施形態に係る内燃機関システムが備える酸素濃度センサのセンサ特性の説明図である。 図４は、ＥＣＵを機能ブロック（手段Ａ１〜Ａ１１）で示した内燃機関システムの構成図である。 図５は、空燃比制御処理時の酸素濃度センサの出力値と下流側フィードバック補正値の変化の一例を示したタイムチャートである。 図６は、ＥＣＵ（下流側フィードバック補正値算出手段）が行うVafsfb決定処理の流れ図。 図７は、空燃比制御処理時の酸素濃度センサの出力値と下流側フィードバック補正値の変化の一例を示したタイムチャートである。 図８は、実施形態に係る内燃機関システムの変形例を説明するためのタイムチャートである。 図９は、実施形態に係る内燃機関システムの変形例を説明するためのタイムチャートである。

以下、本発明による内燃機関の排気浄化装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を内燃機関１０に適用した内燃機関システム１の概略構成を示す。

この内燃機関システム１は、車両用の内燃機関システムであり、図示してあるように、内燃機関１０と、内燃機関１０に接続された吸気通路３０及び排気通路４０と、ＥＣＵ（Electric Control Unit）５０と、アクセル開度センサ７とを含む。

アクセル開度センサ７は、車両の運転者によるアクセルペダル７ａの操作量（以下、アクセル開度と表記する）を検出するセンサである。

内燃機関１０は、点火プラグ３、燃料噴射弁６等を備えたガソリンエンジンである。この内燃機関１０は、クランクシャフトの回転角を上死点基準で検出するクランクポジションセンサ（図示略）も備えており、内燃機関１０の点火プラグ３は、イグニッションコイルを含むイグナイタ２に接続されている。

内燃機関システム１の吸気通路３０には、吸入空気量を検出するための吸入空気量センサ４、及び、吸気通路３０の開口断面積を変更するためのスロットル弁５ａが、設けられている。また、吸気通路３０には、スロットル弁５ａを駆動する（スロットル弁５ａの開度を変更する）ためのスロットル弁駆動機構５も設けられている。このスロットル弁駆動機構５は、スロットル弁５の開度（以下、スロットル弁開度TAと表記する）を検出するためのスロットルポジションセンサを含むものである。

内燃機関システム１の排気通路４０には、上流側触媒２１及びＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）２２が、上流側（内燃機関１０側）からこの順に配設されている。上流
側触媒２１は、酸素を吸蔵できる三元触媒装置（酸化セリウム等の酸素吸蔵物質を助触媒として追加した三元触媒装置）である。ＧＰＦ２２は、内燃機関１０の排気中のＰＭ（Particulate Matters：粒子状物質）を捕集するフィルタである。

排気通路４０の上流側触媒２１よりも上流側の部分には、上流側触媒２１に流入するＰＭ量を検出（測定）するためのＰＭセンサ１７と、上流側触媒２１に流入する排気の空燃比を検出するための空燃比センサ１６とが設けられている。また、排気通路４０の上流側触媒２１直後の部分には、上流側触媒２１から排出される排気の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサ１１と、上流側触媒２１から排出される排気の温度を検出するための排気温度センサ１３とが、設けられている。

さらに、排気通路４０には、ＧＰＦ２２から排出される排気の温度を検出するための排気温度センサ１４、当該排気中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ１５、及び、ＧＰＦ２２の前後の圧力差（以下、ＧＰＦ差圧DPと表記する）を検出するための差圧センサ１２も設けられている。

空燃比センサ１６は、図２に示したセンサ特性を有するセンサ（所謂、限界電流式酸素濃度センサ）である。すなわち、空燃比センサ１６は、その出力値Vabyfから、測定対象
となっている、上流側触媒２１に流入する排気の空燃比Ａ／Ｆ（Air/Fuel ratio）を求めることができるセンサとなっている。

酸素濃度センサ１１（図１）は、図３に示したセンサ特性を有するセンサ（所謂、起電力式（濃淡電池型）酸素濃度センサ）である。すなわち、酸素濃度センサ１１は、測定対象となっている、上流側触媒２１から流出する排気の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比である場合には、出力値Voxsが０．５(Ｖ)となり、当該排気の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比よりもリッチ、リーンである場合には、出力値Voxsが、それぞれ、略０．９(Ｖ)、略０．１(Ｖ)となるセンサとなっている。

ＥＣＵ５０（図１）は、各種センサからの情報に基づき、各制御対象（イグナイタ２、スロットル弁駆動機構５、燃料噴射弁６等）を制御するユニットである。図示してあるように、ＥＣＵ５０は、バスにより相互に接続された、ＣＰＵ（Central Processing Unit
）５１、ＲＯＭ（Read Only Memory）５２、ＲＡＭ（Random Access Memory）５３、バッテリ・バックアップＲＡＭ（図１では、Bakup RAM）５４及びインタフェース５５を備え
ている。

インタフェース５５は、ＣＰＵ５１と内燃機関システム１内の各部（センサ、燃料噴射弁６等）との間の情報交換を可能とするためにＥＣＵ５０内に設けられているユニットである。このインタフェース５５は、各種センサからのアナログ信号をデジタルデータ化してＣＰＵ５１に供給する機能や、ＣＰＵ５１からのデジタルデータに応じた制御信号を各制御対象に供給する機能を有している。

ＲＯＭ５２は、ＣＰＵ５１が実行するプログラムや、プログラム実行中のＣＰＵ５１が利用（参照）する情報が予め格納された不揮発性メモリである。このＲＯＭ５２には、プログラム実行中のＣＰＵ５１が利用する情報として、吸入空気量Ga及びエンジン速度NEに筒内吸入空気量Mcを対応づけた吸入空気量マップや、空燃比センサ１６のセンサ特性（図２参照）を示す情報（Vabfsと空燃比との対応関係を表す情報）を保持したセンサ特性テ
ーブルが記憶されている。尚、吸入空気量Gaとは、吸入空気量センサ４による吸入空気量の測定結果のことであり、エンジン速度NEとは、クランクポジションセンサからの信号に基づきＣＰＵ５１が把握するエンジン速度（内燃機関１０の回転数）のことである。また、筒内吸入空気量Mcとは、１回の吸気行程で内燃機関１０の気筒内に吸入される空気量のことである。

ＲＡＭ５３は、各種データの一時記憶領域として使用される揮発性メモリである。バッテリ・バックアップＲＡＭ５４は、常に（何らかの異常によりＥＣＵ５０の電源断が生じた場合にも）、失われないようにしておくべきデータの記憶装置としてＥＣＵ５０内に用意されているメモリである。

以下、ＥＣＵ５０（ＣＰＵ５１）が、内燃機関１０の空燃比を制御するために行う処理（以下、空燃比制御処理と表記する）の内容を説明する。

ＥＣＵ５０が行う空燃比制御処理は、基本的には、内燃機関１０の各気筒について、サイクル毎に、所望の空燃比を実現できる燃料噴射量Fiを算出し、算出した燃料噴射量Fiの燃料を燃料噴射弁６に噴射させる処理を繰り返す処理である。

空燃比制御処理の具体的な内容は、内燃機関システム１の状態によって異なる。ただし、ＧＰＦ２２を再生するための空燃比制御（以下、ＧＰＦ再生用空燃比制御と表記する）が開始されることがあるのは、内燃機関システム１の状態が通常状態（内燃機関１０の暖気が完了している、三元触媒２１の温度が所定温度以上になっている等の条件が成立している状態）となっている場合に限られている。そのため、以下では、内燃機関システム１の状態が通常状態となっている場合における空燃比制御処理の内容のみを、燃料噴射量Fiの算出手順を中心に説明することにする。

まず、図４を用いて、ＧＰＦ再生用空燃比制御が行われていない場合における燃料噴射量Fiの算出手順を説明する。尚、この図４は、ＥＣＵ５０を機能ブロック（手段Ａ１〜Ａ１１）で示した内燃機関システム１の構成図である。

図４に示してあるように、或るサイクルについての燃料噴射量Fiの算出時、ＥＣＵ５０は、手段Ａ１〜Ａ１１として機能する。そして、筒内吸入空気量算出手段Ａ１（筒内吸入空気量算出手段Ａ１として機能しているＥＣＵ５０；以下、同様）は、その時点における吸入空気量Ga及びエンジン速度NEに対応づけられている筒内吸入空気量Mcを、ＲＯＭ７２上の吸入空気量マップから読み出す処理を行う。

また、上流側目標空燃比設定手段Ａ２は、『エンジン速度NE、スロットル弁開度TA等から所定のアルゴリズムにて上流側目標空燃比Abyfrとする値を求め、求めた値を上流側目
標空燃比Abyfrに設定するAbyfr設定処理』を行う。内燃機関システム１の状態が通常状態
である場合、このAbyfr設定処理によって、上流側目標空燃比Abyfrに理論空燃比が設定される。

筒内吸入空気量Mcの算出（吸入空気量マップからの読み出し）及び上流側目標空燃比Abyfrの設定が完了すると、基本燃料噴射量算出手段Ａ３によって、以下の（１）式により
基本燃料噴射量Fbaseが算出される。
Fbase = Mc/Abyfr …（１）

また、上記手順によるFbaseの算出処理と同期的に、手段Ａ５〜Ａ１１によって、燃料
供給量の過不足を補償するために基本燃料噴射量Fbaseに加算される補正値である上流側
フィードバック補正値DFiが算出される。

具体的には、上流側フィードバック補正値DFiの算出時には、まず、下流側目標値設定
手段Ａ５によって、『エンジン速度NE、スロットル弁開度TA等から所定のアルゴリズムにて下流側目標値Voxsrefとする値を求め、求めた値を下流側目標値Voxsrefに設定するVoxsref設定処理』が行われる。内燃機関システム１の状態が通常状態である場合、このVoxsref設定処理によって下流側目標値Voxsrefに設定される値は、常に（エンジン速度NE、ス
ロットル弁開度TA等の値が何であっても）、測定対象の空燃比が理論空燃比である場合における酸素濃度センサ１１の出力値（つまり、“０．５”）である。

下流側目標値設定手段Ａ５による下流側目標値Voxsrefの設定が完了すると、出力偏差
量算出手段Ａ６によって、下流側目標値Voxsref（＝０．５）とその時点における酸素濃
度センサ１１の出力値Voxsとから以下の（２）式により出力偏差量DVoxsが算出される。
DVoxs ＝ Voxsref−Voxs …(２)

その後、下流側フィードバック補正値算出手段Ａ７によって、下流側フィードバック補正値Vafsfbを決定するためのVafsfb決定処理が行われる。

ＧＰＦ再生用空燃比制御が行われていない場合におけるVafsfb決定処理時には、以下の(３)式により下流側ＰＩＤ処理値Sfbpidが算出される。
Sfbpid ＝ Kp・DVoxs ＋ Ki・SDVoxs ＋ Kd・DDVoxs …(３)
ここで、Kp、Ki、Kdとは、それぞれ、予め設定されている比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインのことである。また、SDVoxsとは、出力偏差量DVoxsの時間積分値のことであり
、DDVoxsとは、出力偏差量DVoxsの時間微分値のことである。

そして、算出された下流側ＰＩＤ処理値Sfbpidと同じ値が、下流側フィードバック補正値Vafsfbとされる。

下流側フィードバック補正値算出手段Ａ７により下流側フィードバック補正値Vafsfbが決定されると、制御用空燃比相当出力値算出手段Ａ８によって、制御用空燃比相当出力値を算出するために、空燃比センサ１６の出力値Vabyfsと下流側フィードバック補正値Vafsfbとが加算される。

制御用空燃比相当出力値算出手段Ａ８による制御用空燃比相当出力値（＝Vabyfs+Vafsfb）の算出が完了すると、出力値変換手段Ａ９によって、当該制御用空燃比相当出力値に
対応づけられている空燃比が制御用空燃比abyfsとしてＲＯＭ５２上のセンサ特性テーブ
ルから読み出される。尚、センサ特性テーブルとは、既に説明したように、空燃比センサ１６のセンサ特性（図２）を示す情報（Vabfsと空燃比との間の対応関係を表す情報）を
保持したテーブルのことである。

制御用空燃比abyfsのセンサ特性テーブルからの読み出しが完了すると、空燃比偏差算
出手段Ａ１０によって、制御用空燃比Abyfsと上流側目標空燃比Abyfrとから以下の(４)式により、空燃比偏差DAFが算出される。
DAF ＝ Abyfs−Abyfr …(４)

空燃比偏差DAFの算出が完了すると、上流側フィードバック補正値算出手段Ａ１１によ
って、以下の(５)式により定義される上流側フィードバック補正値DFiが算出される。
DFi ＝ Gp・DAF＋Gi・SDAF …(５)
この(５)式において、Gp、Giは、それぞれ、予め設定されている比例ゲイン、積分ゲインであり、SDAFは、空燃比偏差DAFの時間積分値である。

そして、上流側フィードバック補正値算出手段Ａ１１により算出された上流側フィードバック補正値DFiと、基本燃料噴射量算出手段Ａ３により算出された燃料噴射量Fbaseとが、燃料噴射量算出手段Ａ４により加算されて燃料噴射量Fiが算出される。

要するに、燃料噴射量Fiは、基本的には、空燃比センサ１６により測定される空燃比がAbyfr（理論空燃比）となるようにフィードバック制御される。ただし、上流側フィード
バック補正値算出手段Ａ１０の処理対象となるDAFは、“Vabyfs相当の空燃比−Abyfr”ではなく、“（Vabyfs+Vafsfb）相当の空燃比−Abyfr”である。従って、燃料噴射量Fiには、Vafsfb分の補正も加わることになる。

また、酸素濃度センサ１１の出力値Voxsがリッチを示す値（略０．９(Ｖ)）であった場合、Voxsref＝０．５であるため、出力偏差量DVoxs（＝Voxsref-Voxs）は負の値となり、その結果として、上記（３）式により算出される下流側ＰＩＤ処理値Sfbpid（＝下流側フィードバック補正値Vafsfb）も負の値となる。また、下流側ＰＩＤ処理値Sfbpidは、出力偏差量DVoxsの時間積分値であるDDVoxsをKd倍した値と“Kp・DVoxs ＋ Ki・SDVoxs”との加算により算出される値である。従って、出力値Voxsが略０．９(Ｖ)となっている状態では、Vafsfb決定処理の実行毎に、下流側ＰＩＤ処理値Sfbpidが減少していく（|Sfbpid|が増加していく）ことになる。

同様に、酸素濃度センサ１１の出力値Voxsがリーンを示す値（略０．１(Ｖ)）である場合、下流側ＰＩＤ処理値Sfbpidは正の値となる。また、Vafsfb決定処理の実行毎に、下流側ＰＩＤ処理値Sfbpid（＝下流側フィードバック補正値Vafsfb）は、増加していくことになる。

従って、上記手順により算出される燃料噴射量Fiの燃料を燃料噴射弁６に噴射させる処理が繰り返されると、例えば、酸素濃度センサ１１の出力値Voxs、下流側フィードバック補正値Vafsfbが、それぞれ、図５の（ａ）、（ｂ）に示したように変化することになる。

以下、ＧＰＦ再生用空燃比制御について説明する。
ＧＰＦ再生用空燃比制御に関する処理は、すべて、Vafsfb決定処理時に行われる。

Vafsfb決定処理は、図６に示した手順の処理である。
すなわち、Vafsfb決定処理を開始した下流側フィードバック補正値算出手段Ａ７（以下、算出手段Ａ７とも表記する）は、まず、再生制御フラグの値に基づき、ＧＰＦ再生用空燃比制御を実行中であるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。ここで、再生制御フラグとは、算出手段Ａ７が管理している、ＧＰＦ再生用空燃比制御を実行中であるか否かを“１”、“０”で示すフラグ（初期値は、“０”）のことである。

ＧＰＦ再生用空燃比制御を実行中ではなかった場合（ステップＳ１０１；ＮＯ）、算出
手段Ａ７は、“酸素濃度センサ１１の出力値Voxsがリッチを示す値からリーンを示す値に遷移した”という現象である“リッチ→リーン遷移”が生じたか否かを判断する（ステップＳ１０２）。尚、算出手段Ａ７は、前回のVafsfb決定処理時に処理したDVoxsが正の値
であり、今回、処理するDVoxsが負の値であった場合に、“リッチ→リーン遷移”が生じ
たと判断し、それ以外の場合に、“リッチ→リーン遷移”が生じていないと判断する。

“リッチ→リーン遷移”が生じていなかった場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）、算出手段Ａ７は、既に説明した手順（（３）式参照）でSfpidを算出し、算出したSfpidと同じ値をVafsfbに設定する（ステップＳ１０９）。そして、算出手段Ａ７は、このVafsfb決定処理を終了する。

また、“リッチ→リーン遷移”が生じていた場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、算出手段Ａ７は、その時点におけるＧＰＦ差圧DPが、第１閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。ここで、第１閾値とは、ＧＰＦ再生用空燃比制御の開始条件として予め設定されている圧力差のことである。この第１閾値としては、例えば、内燃機関１０の出力が１〜２％低下することになる圧力差（ＧＰＦ差圧）や、それ以下の圧力差が使用される。

ＧＰＦ差圧DPが第１閾値未満であった場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）、算出手段Ａ７は、ステップＳ１０９の処理を行ってから、このVafsfb決定処理を終了する。

一方、ＧＰＦ差圧DPが第１閾値以上であった場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、算出手段Ａ７は、ＧＰＦ再生用空燃比制御を開始したことを記憶しておくために、再生制御フラグに“１”をセットする（ステップＳ１０４）。また、算出手段Ａ７は、ＧＰＦ再生用空燃比制御の継続時間（正確には、ＧＰＦ再生用空燃比制御開始後のVafsfb決定処理の実行回数）を計測するための変数であるαを、“０”に初期化する（ステップＳ１０４）。

次いで、算出手段Ａ７は、Sfpid1・γを算出してVafsfbに設定する（ステップＳ１０５）。ここで、Sfpid1とは、前回のVafsfb決定処理時に算出されたSfpidと同じ値のことで
ある。また、γとは、リーン深さを規定する係数として予め定められている値のことである。このγとしては、通常、“０”より大きく、“１”より小さな値が使用される。

また、このステップＳ１０５にて、算出手段Ａ７は、SDVoxs（出力偏差量DVoxsの時間
積分値）を算出して記憶する処理も行う。

ステップＳ１０５の処理を終えた算出手段Ａ７は、“α≧β”及び“Vnox≧ＮＯｘ濃度上限値”のいずれかが成立しているという制御終了条件か満たされているか否かを判断する（ステップＳ１０７）。ここで、βとは、ＧＰＦ再生用空燃比制御の継続時間（ＧＰＦ再生用空燃比制御開始後のVafsfb決定処理の実行回数）の上限値として予め設定されている値のことである。また、ＮＯｘ濃度上限値とは、ＧＰＦ再生用空燃比制御時にＧＰＦ２２から排出されることを許容するＮＯｘ濃度の上限値として予め設定されている値のことである。

そして、算出手段Ａ７は、制御終了条件が満たされていた場合（ステップＳ１０７；ＹＥＳ）には、再生制御フラグに“０”をセット（ステップＳ１０８）してから、このVafsfb決定処理を終了する。一方、制御終了条件が満たされていなかった場合（ステップＳ１０７；ＮＯ）、算出手段Ａ７は、再生制御フラグの値を書き換えることなく、Vafsfb決定処理を終了する。

また、算出手段Ａ７は、ＧＰＦ再生用空燃比制御を開始している場合（ステップＳ１０
１；ＹＥＳ）には、その時点におけるＧＰＦ差圧DPが、第２閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。ここで、第２閾値とは、上記した“α≧β”、“Vnox≧ＮＯｘ濃度上限値”と共に、ＧＰＦ再生用空燃比制御の終了条件として予め設定されている圧力差（ＧＰＦ差圧）のことである。

ＧＰＦ差圧DPが第２閾値以下ではなかった場合（ステップＳ１１０；ＮＯ）、算出手段Ａ７は、ステップＳ１０５以降の処理を行う。一方、ＧＰＦ差圧DPが第２閾値以下であった場合（ステップＳ１１０；ＹＥＳ）、算出手段Ａ７は、再生制御フラグに“０”をセットする（ステップＳ１１１）。そして、算出手段Ａ７は、ステップＳ１０９の処理を行ってから、このVafsfb決定処理を終了する。

以下、図７を用いて、Vafsfb決定処理及びＧＰＦ再生用空燃比制御の内容をさらに具体的に説明する。

ＧＰＦ差圧DPが第１閾値以上の値となっている時刻Ｔａ１に、再生制御フラグ＝“０”の状態でVafsfb決定処理が実行された場合を考える。

この場合、ＧＰＦ再生用空燃比制御中ではないので、ステップＳ１０１にて“ＮＯ”側への分岐が行われる。そして、“リッチ→リーン遷移”が生じている（図７（ａ））ため、ステップＳ１０３の判断が行われ、“ＧＰＦ差圧DP≧第１閾値”が成立しているため、再生制御フラグが“１”に書き換えられる。また、αが“０”に初期化される。

その後、Sfpid1・γが算出されてVafsfbに設定される（図７（ｂ））。Sfpid1・γというVafsfb値は、通常の制御時の値よりも小さな値である。従って、内燃機関１０の空燃比が、通常の制御時のそれよりもリーン側の空燃比に制御される。そして、“リッチ→リーン遷移”が生じた時点における上流側触媒２１の酸素吸蔵量ＯＳＡは、通常、最大吸蔵量Ｃｍａｘとなっている。そのため、その後、しばらくの間（ステップＳ１０７またはＳ１１０で“ＹＥＳ”側への分岐が行われるまでの間）は、図７（ｃ）に示してあるように、上流側触媒２１は、酸素吸蔵量ＯＳＡが、最大吸蔵量Ｃｍａｘとなっている状態をとることになる。また、図７（ｅ）に示してあるように、ＧＰＦ２２に酸素が供給されることになる。さらに、上流側触媒２１で浄化されなかったＮＯxも、ＧＰＦ２２に供給されるこ
とになる。

そして、ＧＰＦ２２に供給された酸素（及びＮＯｘ）により、ＧＰＦ２２内のＰＭの酸化（燃焼）が進行するが、通常、暫くするとＮＯｘがＧＰＦ２２から排出され始める（図７（ｄ））。ただし、Vafsfb決定処理は、ＮＯｘセンサ１５の出力値VnoxsがＮＯｘ濃度
上限値以上となると（ステップＳ１０７；ＹＥＳ）、通常の空燃比制御を行う状態に戻る処理となっている。従って、内燃機関システム１は、ＮＯｘ濃度上限値として適切な値に設定しておけば、ＮＯｘが少量しか排出されない形でＧＰＦ２２を再生できるシステムとなっていることになる。

また、ＥＣＵ５０は、“ＧＰＦ差圧DP≦第２閾値”又は“α≧β”が成立した場合にも、通常の空燃比制御を開始する。従って、内燃機関システム１は、第２閾値やβとして適切な値を設定しておけば、ＮＯｘがＧＰＦ２２から排出されない形でＧＰＦ２２を再生できるシステムとしても機能することになる。

尚、フューエルカット時にも、ＧＰＦ２２に酸素が供給される。従って、フューエルカット時にも、ＧＰＦ２２の再生が或る程度進行するが、フューエルカットが行われる頻度は、運転者によるアクセルワークに依存する。そのため、フューエルカット時のみにＧＰＦ２２の再生が行われてようにしておいたのでは、ＧＰＦ２２内のＰＭ量を所望量（内燃
機関１の出力低下が少ない量）以下に抑えることが出来ない。一方、内燃機関システム１のＥＣＵ５０が行うＧＰＦ再生用空燃比制御は、運転者によるアクセルワークとは無関係に、内燃機関１０の空燃比を理論空燃比よりも酸素過剰な空燃比に制御し続ける制御である。従って、内燃機関システム１によれば、確実に、ＧＰＦ２２内のＰＭ量を所望量以下に抑えることが出来る。

《変形形態》
上記した内燃機関システム１については、各種の変形を行うことが出来る。例えば、ＧＰＦ再生用空燃比制御時における内燃機関１０の空燃比は、理論空燃比よりも酸素過剰な空燃比でありさえすれば良い。従って、ＧＰＦ再生用空燃比制御時に算出されるVafsfb値を、時間変化しない値（Sfpid1・γ：図７参照）としておく必要はなく、例えば、図８に示したように、時間経過に伴い、Vafsfb値が増加するようにしておくことが出来る。また、図９に示したように、時間経過に伴い、Vafsfb値が減少するようにしておくことも出来る。尚、時間経過に伴い、Vafsfb値が増加するようにしておいた場合、ＧＰＦ再生用空燃比制御時にＧＰＦ２２に流入する酸素量は、図８（ｄ）に示してあるように、次第に減少していくことになる。逆に、時間経過に伴い、Vafsfb値が減少するようにしておいた場合、ＧＰＦ再生用空燃比制御時にＧＰＦ２２に流入する酸素量は、図９（ｄ）に示してあるように、次第に増加していくことになる。

また、上記したＧＰＦ再生用空燃比制御は、ＧＰＦ２２の床温を昇温させるための排気昇温制御（点火遅角、アクティブ制御等）を伴わないものであったが、ＧＰＦ再生用空燃比制御を、排気昇温制御を伴う制御に変形することも出来る。尚、排気昇温制御及びフューエルカットにより、ＧＰＦ２２を再生する（ＧＰＦ２２内のＰＭ量を所望量以下にする）ことは可能である。ただし、上記したように、フューエルカットが行われる頻度は、運転者によるアクセルワークに依存する。そのため、排気昇温制御及びフューエルカットによりＧＰＦ２２を再生するようにした場合、燃費が悪い排気昇温制御を長時間に亘って継続しなければならないことになる。一方、内燃機関システム１のＥＣＵ５０が行うＧＰＦ再生用空燃比制御は、運転者によるアクセルワークとは無関係に、内燃機関１０の空燃比を理論空燃比よりも酸素過剰な空燃比に制御し続ける制御となっている。従って、ＧＰＦ再生用空燃比制御を排気昇温制御を伴う制御に変形すれば、排気昇温制御及びフューエルカットによりＧＰＦ２２を再生するシステムよりも、燃費が悪い状態で動作している時間が短い内燃機関システム１を実現できることになる。

さらに、排気昇温制御を伴うフューエルカットでは、ＰＭの酸化反応熱で触媒床温が上昇し触媒劣化を招くことが考えられるが、上記ＧＰＦ再生用空燃比制御によりＧＰＦ２２に供給される酸素量は、フューエルカット時のそれよりも少ないし、リーン深さ係数γにより調整することが出来る。従って、排気昇温制御を伴うＧＰＦ再生用空燃比制御を行うように変形した内燃機関システム１（及び、上記した実施形態に係る内燃機関システム１）は、ＧＰＦ２２の再生時に、触媒が劣化しにくいシステムであると共に、触媒の劣化速度を制御（調整）できるシステムとなっているということも出来る。

ＥＣＵ５０を、一旦、“ＤＰ≧第１閾値”が成立した場合には、“ＤＰ≦第２閾値”が成立するまで、ＧＰＦ再生用空燃比制御（リッチ→リーン遷移後のVafsfb値を上昇させることによって内燃機関１０の空燃比を通常よりも酸素過剰な空燃比とする制御）を繰り返すユニットに変形することも出来る。尚、ＥＣＵ５０を、そのようなユニットに変形することは、Vafsfb決定処理（図６）を、例えば、『ステップＳ１０８の処理が行われると、ステップＳ１０３の判断が行われない（“リッチ→リーン遷移”時にステップＳ１０４が実行される）ようになり、ステップＳ１１１の処理が行われるとステップＳ１０３の判断が行われようになる処理』に変形することにより実現できる。

また、ＧＰＦ２２内に残存しているＮＯｘを浄化できるようにするために、ＥＣＵ５０による空燃比制御処理を、内燃機関１０の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の空燃比に制御する時間を時々長くする処理としておいても良い。

また、ＥＣＵ５０を、ＰＭセンサ１７の出力値からＧＰＦ２２内のＰＭの堆積量を推定し、推定結果に基づき、ＧＰＦ再生用空燃比制御を開始するか否かを判断するユニットに変形することも出来る。さらに、ＥＣＵ５０を、内燃機関１０の運転状況からＧＰＦ２２内のＰＭの堆積量を推定し、推定結果に基づき、ＧＰＦ再生用空燃比制御を開始するか否かを判断するユニットに変形することも出来る。

内燃機関１０の空燃比の制御手順は、『通常は、内燃機関１０の空燃比を理論空燃比近傍に制御し、ＧＰＦ２２の再生時に、内燃機関１０の空燃比を理論空燃比よりも酸素過剰な空燃比に制御し続ける再生制御処理を行い、ＮＯｘセンサ１５によるＮＯｘの濃度の検出値が規定値以上となったときに、再生制御処理を終了する』といったものでありさえすれば良い。従って、再生制御処理の終了後に、即座に、内燃機関１０の空燃比を理論空燃比近傍に制御する処理が開始されるようにしておくことも、再生制御処理の終了後に、他の制御処理（例えば、内燃機関の空燃比を、再生制御処理の終了時の空燃比によりもより酸素量が少ない空燃比に制御することによって、ＧＰＦ２２の再生を続ける処理）が行われてから、内燃機関１０の空燃比を理論空燃比近傍に制御する処理が開始されるようにしておくことも出来る。また、ＮＯｘセンサ１６とフィルタ２２との間に、ＮＯｘを浄化するための触媒を設けてはならないが、排気通路４０のＧＰＦ２２よりも下流側の箇所に、ＮＯｘを浄化するための触媒を設けておいても良いことは、当然のことである。

１ 内燃機関システム
２ イグナイタ
３ 点火プラグ
４ 吸入空気量センサ
５ スロットル弁駆動機構
５ａ スロットル弁
６ 燃料噴射弁
７ アクセル開度センサ
７ａ アクセルペダル
１０ 内燃機関
１１ 酸素濃度センサ
１２ 差圧センサ
１３、１４ 排気温度センサ
１５ ＮＯｘセンサ
１６ 空燃比センサ
１７ ＰＭセンサ
２１ 上流側触媒
２２ ＧＰＦ
３０ 吸気通路
４０ 排気通路
５０ ＥＣＵ
５１ ＣＰＵ
５２ ＲＯＭ
５３ ＲＡＭ
５４ バッテリ・バックアップＲＡＭ
５５ インタフェース

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に配設された三元触媒と、
   前記三元触媒よりも下流の前記排気通路に配設された、前記内燃機関の排気中の粒子物質を捕集するためのフィルタと、
   前記フィルタよりも下流の前記排気通路に配設された、前記フィルタから流出するＮＯｘの濃度を検出するためのＮＯｘセンサと、
   前記内燃機関の空燃比を理論空燃比近傍に制御する制御部であって、前記フィルタの再生時に、前記内燃機関の空燃比を理論空燃比よりも酸素過剰な空燃比に制御し続ける再生制御処理を行い、前記ＮＯｘセンサによる前記濃度の検出値が規定値以上となったときに、当該再生制御処理を終了する制御部と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。

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