JP4936007B2

JP4936007B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4936007B2
Application number: JP2008031822A
Authority: JP
Inventors: 敦史高野; 伸一朗奥川; 司窪島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-02-13
Also published as: JP2009191684A; DE102009000817B4; DE102009000817A1

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

今日、環境保護意識の高まりのなかで内燃機関に対してすぐれた排気浄化性能が求められている。特にディーゼルエンジンにおいては、エンジンから排出される黒煙などのいわゆる排気微粒子（または粒子状物質、パティキュレートマター、ＰＭ）の除去がより一層の普及のために重要である。この目的のために排気管の途中にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が装備されることが多い。

ＤＰＦがＰＭを捕集することにより排気中のＰＭは大部分が除去されるが、ＤＰＦ内にＰＭが堆積し続ける一方では、ＤＰＦは目詰まりを起こしてしまうので、堆積されたＰＭを燃焼して除去することで、ＤＰＦを再生する必要がある。ＤＰＦ内に堆積したＰＭを燃焼するためにシリンダ内でのメイン噴射後のポスト噴射などの手法が用いられる。

ＤＰＦ再生時に温度が上がり過ぎると、ＤＰＦが溶損するなどの不具合が生じてしまう。ＤＰＦ再生時に温度上昇が不十分だと、ＤＰＦ再生のために必要以上に長い時間がかかって例えば燃費の悪化を招いてしまう。したがってＤＰＦ再生時には、ＤＰＦ温度を適切な値に制御する必要がある。下記特許文献１には、ＤＰＦ再生時にＤＰＦの温度を最適なフィードバックゲインによって制御する技術が開示されている。

特開２００５−３２０９６２号公報

特許文献１では、新気量（吸気量）が大きいか小さいかによって、ＤＰＦの温度上昇特性、特に時間遅れや時定数が異なることに着目して、新気量によって場合分けしてフィードバックゲインを切り替えていた。

しかしＤＰＦの温度上昇特性を変化させるパラメータは新気量のみではない。図７には、ＤＰＦを温度上昇させるために同じポスト噴射量を噴射した場合での、ＰＭ堆積量が大きい場合と小さい場合のＤＰＦ再生中のＤＰＦの温度上昇の例が示されている。ＤＰＦの温度が低下したことにより、時刻ｔ０でポスト噴射量を増加させたとする。図示のとおり、時刻ｔ０以降ＤＰＦの温度が上昇する。しかし、ＰＭ堆積量が小さい場合には目標温度を超えた場合もＰＭの燃焼による発熱量が小さいためＤＰＦ破損限界温度を越えることはない。一方ＰＭ堆積量が大きい場合にＰＭ堆積量が小さい場合と同様の温度の上昇速度で昇温させると、ＰＭ燃焼による発熱量が大きいために過昇温が発生している、すなわちＤＰＦ破損限界温度を越えてしまっている。ＤＰＦ破損限界温度とは、この温度を越えると高温によってＤＰＦが溶損してしまう温度である。また温度の上昇速度とは例えば、目標温度（あるいは目標温度の所定％）に達するまでの平均の単位時間当たりの温度上昇値とすればよい。

図８、図９にはＰＭの燃焼速度と基材温度、ＰＭ堆積量（密度）との関係が示されている。図８に示されているとおり、ＰＭ堆積量が多いほどＰＭ燃焼速度が大きい。また図９に示されているとおり、ＤＰＦが高温状態にあるときは加速度的にＰＭが燃焼する。したがって図７は、同様の温度上昇速度で昇温させてもＰＭ堆積量が多いほど加速度的に燃焼して温度上昇が止まらなくなった結果だとわかる。

このように、図７，８，９から同じ温度上昇速度で昇温させた場合のＤＰＦ溶損の可能性はＰＭ堆積量によって異なり、ＤＰＦ温度（最適）制御を行う場合には、それを考慮して、特にＰＭ堆積量が大きいときのＤＰＦ温度の上昇速度を鈍化させるように制御器を設計しなければならないことがわかる。さらに噴射量の真値が指令値よりも大きくなる傾向のインジェクタが使用されている場合もあり、この場合にはさらに過昇温の危険が高まる。したがってインジェクタ誤差も考えあわせると、ＰＭ堆積量が大きいときにＤＰＦ温度の上昇速度を鈍化させるように制御器を設計することはさらに重要となる。特許文献１に開示された技術に、この観点からの改善を付加すれば、さらに優れたＤＰＦ温度制御が実現できることが期待される。

そこで本発明が解決しようとする課題は、上記問題点に鑑み、ＤＰＦの再生中にＤＰＦの温度を目標温度に近づけるように制御する際に、ＤＰＦにおけるＰＭ堆積量が多いほど制御系の速応性を緩和して過昇温を抑制する内燃機関の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及び発明の効果

上記課題を達成するために、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の途中に配置されて粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、そのパティキュレートフィルタに堆積した前記粒子状物質を燃焼して前記パティキュレートフィルタを再生する再生手段と、前記パティキュレートフィルタにおける粒子状物質の堆積量を推定する推定手段とを備え、前記再生手段は、前記パティキュレートフィルタを再生する際に、前記パティキュレートフィルタの温度を制御する温度制御器と、前記推定手段によって推定された前記粒子状物質の堆積量に応じて、前記温度制御器を調節する制御器調節手段とを有し、前記温度制御器としてフィードバック制御器が用いられ、前記制御器調節手段は、前記推定手段によって推定された前記粒子状物質の堆積量に応じて、前記フィードバック制御器におけるフィードバックゲインを調節するゲイン調節手段を備え、そのゲイン調節手段による前記フィードバックゲインの調節において、前記粒子状物質の２つの堆積量であって、大きい方の堆積量における前記フィードバックゲインの値は小さい方の堆積量における前記フィードバックゲインの値よりも小さいような２つの堆積量が存在するように調節し、より小さいフィードバックゲインにより前記パティキュレートフィルタの温度の上昇速度が緩和されることを特徴とする。

これにより本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタを再生する際に、制御器調節手段によって、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の堆積量に応じてパティキュレートフィルタの温度を制御する温度制御器を調節して、粒子状物質の堆積量が多いほど、前記パティキュレートフィルタの温度の上昇速度を鈍化させるように、前記温度制御器を調節する。したがって粒子状物質の堆積量が大きい場合にパティキュレートフィルタの過昇温が発生することが抑制される。よってＰＭ堆積量が多い場合にＰＭの発熱によってパティキュレートフィルタの温度上昇が大きくなり過ぎ、パティキュレートフィルタが溶損することを回避する排気浄化装置が実現できる。

また前記温度制御器としてフィードバック制御器が用いられ、前記制御器調節手段は、前記推定手段によって推定された前記粒子状物質の堆積量に応じて、前記フィードバック制御器におけるフィードバックゲインを調節するゲイン調節手段を備え、そのゲイン調節手段による前記調節において、前記粒子状物質の２つの堆積量であって、大きい方の堆積量における前記フィードバックゲインの値は小さい方の堆積量における前記フィードバックゲインの値よりも小さいような２つの堆積量が存在するとしてもよい。

これにより、パティキュレートフィルタ再生時においてフィードバック制御を行い、基本的な傾向としては、粒子状物質の堆積量が大きい程、フィードバックゲインの値を小さくするように調節する。よって粒子状物質の堆積量が多いほど、系の速応性が緩和された応答が達成される。したがって速応性が緩和された応答によってパティキュレートフィルタの過昇温が回避されて、過昇温によるパティキュレートフィルタの溶損の危険性を抑制した排気浄化装置が実現できる。

また前記再生手段は、前記推定手段によって推定された前記粒子状物質の堆積量が大きいほど、目標温度を低くするとしてもよい。

これにより、パティキュレートフィルタにおける粒子状物質の堆積量が大きいほど、目標温度を低くするので、ＤＰＦの溶損限界までの余裕度を大きくすることができる。したがって過昇温によるパティキュレートフィルタの溶損の危険性がさらに低減した排気浄化装置が実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置１の実施例の概略図である。

図１の排気浄化装置１は、４気筒のディーゼルエンジン２（以下では単にエンジンと称する）に対して構成されている。エンジン２に接続された吸気管３からエンジン２に空気が供給される。吸気管３にはエアフロメータ４が配置され、吸気量が計測される。また吸気管３には吸気スロットル１２が配置され、この開度が調節されることによってエンジン２に供給される吸気量が増減する。

エンジン２にはインジェクタ１３が装備されてシリンダ内に燃料が供給される。またエンジン２に接続された排気管５へ排気が排出される。電子制御装置１０（ＥＣＵ）によりインジェクタ１３によるエンジン２への燃料噴射や、吸気スロットル１２の開度調節などが制御される。ＥＣＵ１０は各種演算をおこなうＣＰＵと各種情報の記憶を行うメモリ１１とを有する構造とする。

排気管５の途中にディーゼルパティキュレートフィルタ６（ＤＰＦ）が配置されている。ＤＰＦ６には酸化触媒が担持されており、いわゆる酸化触媒付きＤＰＦ（Ｃ―ＤＰＦ）である。ＤＰＦ６の入口側と出口側とにはそれぞれ排気温度センサ７、８が配置されて、それぞれの位置における排気温度が計測される。またＤＰＦ６の入口側と出口側における排気圧の差である差圧（ＤＰＦ差圧、ＤＰＦ圧損）を計測する差圧センサ９も装備されている。エアフロメータ４、排気温度センサ７、８、差圧センサ９の計測値はＥＣＵ１０へ送られる。

ＤＰＦ６は例えば代表的な構造として、いわゆるハニカム構造において入口側と出口側を交互に目詰めした構造とすればよい。エンジン２の運転中に排出される排気には粒子状物質（ＰＭ）が含まれ、このＰＭはＤＰＦ６の上記構造のＤＰＦ壁を排気が通過するときに、このＤＰＦ壁の内部あるいは表面に捕集される。ＤＰＦ６に堆積したＰＭの堆積量が十分大きくなった度ごとに、堆積したＰＭを燃焼することによって除去し、ＤＰＦ６を再生しなければならない。ＤＰＦ６の再生のための方法として、例えばインジェクタ１３からメイン噴射後のタイミングで燃料を噴射するポスト噴射をおこなう。

本発明においては、以下で説明するように、上記の装置構成に対してＤＰＦ６の再生時における温度制御をおこなう。まず図２にはＤＰＦ６の再生時における温度制御におけるフィードバック制御系のブロック線図が示されている。図２における点線内の部分がＤＰＦ６の再生時における温度制御をおこなう温度制御器である。この温度制御器がＥＣＵ１０内にプログラムとして実現されているとすればよい。

このフィードバック制御系における制御対象は、図１の構成においてエンジン２におけるポスト噴射量を入力としてＤＰＦ６の温度を出力とする部分とする。したがって当然制御対象はエンジン２、ＤＰＦ６を含む。ＤＰＦ温度は排気温度センサ７あるいは排気温度センサ８の計測値とすればよい。また排気温度センサ７、８の計測値の平均としてもよい。また排気温度センサ７、８の計測値からＤＰＦ６の内部温度を推定するモデルを予め求めておいて、それを用いてもよい。

目標温度はＥＣＵ１０によってＤＰＦに堆積したＰＭの燃焼に必要な温度、例えば摂氏５５０度以上のある温度に設定すればよい。図２のフィードバック制御系には、目標温度とＤＰＦ温度との偏差をとって、これを積分器に入力する部分があるが、この構成によって定値目標値に対してオフセットをゼロにすることができる。

また図２では制御対象の状態変数にフィードバックゲインＦ２を乗算し、これと積分器の出力にフィードバックゲインＦ１を乗算した値との和をエンジン２への入力値であるポスト噴射量としている。ここで制御対象の状態変数は過去のポスト噴射量の指令値と積分量とすればよい。フィードバックゲインＦ１はスカラ量であり、フィードバックゲインＦ２は横ベクトル量である。Ｆ１とＦ２とが並べて作られた横ベクトル量のフィードバックゲインをＦとする。フィードバックゲインＦは、以下で説明するように最適レギュレータ理論によって求める。最適レギュレータ理論は周知のとおり、与えられた評価関数を最小化するフィードバックゲインを導出する理論である。本発明では制御対象と積分器とからなる拡大系を状態方程式で表現して、これに対して最適レギュレータ理論により最適フィードバックゲインを導出する。

拡大系の状態方程式とは次の式（Ｅ１）と（Ｅ２）（あるいは（Ｅ１）のみ）である。ここでｘはの状態変数であり、縦ベクトル量としている。ｄｘ／ｄｔはｘの時間ｔに関する微分を示す。ｕはエンジン２に入力する現在のポスト噴射量であり、スカラ量とする。ｙは制御対象の出力であるＤＰＦ温度であり、スカラ量とする。状態変数ｘは制御対象の状態と積分器の状態とを並べたベクトルである。Ａ、Ｂ、Ｃは制御対象の特性と積分器とによって定まる行列であり、Ａは正方行列、Ｂは縦ベクトル、Ｃは横ベクトルとする。
ｄｘ（ｔ）／ｄｔ＝Ａｘ（ｔ）＋Ｂｕ（ｔ）（Ｅ１）
ｙ（ｔ）＝Ｃｘ（ｔ）（Ｅ２）

また（Ｅ１）でなく、所定のサンプリング周期でサンプリングした次の（Ｅ３）を用いてもよい。ｘｄは上のｘがサンプリングされた離散時間の状態変数である。同様にｕｄは離散時間の入力である。Ａｄ、Ｂｄは上のＡ、Ｂとサンプリング周期から決まる行列である。ｋは離散時間を表す整数値である。
ｘｄ（ｋ＋１）＝Ａｄｘｄ（ｋ）＋Ｂｄｕｄ（ｋ）（Ｅ３）

ＤＰＦ６の温度上昇特性は、上述のように新気量によって変化する。ポスト噴射量とＤＰＦ６の温度の関係は例えば、むだ時間要素と１次系、２次系あるいは３次系との直列によって表現できる。そしてむだ時間及び時定数が新気量の増減によって変化する。上の（Ｅ１）では、むだ時間要素と１次系、２次系あるいは３次系との直列からなるシステムを連続時間の枠内で近似したシステムを用いればよい。また上の（Ｅ３）では、むだ時間要素と１次系、２次系あるいは３次系との直列からなる連続時間系をサンプリングしたシステムを用いればよい。

評価関数としては、次の式（Ｅ４）が用いられる。Ｑ、Ｒは設計者が設定する重み係数であり、Ｑは正定値正方行列、Ｒは正値スカラである。ｘ＊は状態変数ｘの転置とする。∫ｄｔは時間に関する積分を示し、理論的な取り扱いにおいては制御開始時刻から無限時間の積分となる。
Ｊ１＝∫（ｘ＊Ｑｘ＋Ｒｕ^２）ｄｔ（Ｅ４）

また上の（Ｅ４）ではなく次の（Ｅ５）を評価関数として用いてもよい。（Ｅ４）においては状態変数ｘ、入力ｕは連続時間の量であるのに対し、（Ｅ５）においては状態変数ｘｄ、入力ｕｄは、所定のサンプリング周期でサンプリングされた離散時間の量である。（Ｅ５）においてΣは和分を表し、理論的な取り扱いにおいては制御開始時刻から無限時間の和となる。
Ｊ２＝Σ（ｘｄ＊Ｑｘｄ＋Ｒｕｄ^２）（Ｅ５）

上述のＪ１あるいはＪ２においては、第１項であるｘ＊Ｑｘ（またはｘｄ＊Ｑｘｄ）がより小さいことはより速く状態変数が定常値に収束することを意味する。また、第２項であるＲｕ^２（またはＲｕｄ^２）がより小さいことは、より少ない操作量が用いられることを意味する。Ｑをより大きく設定して設計すると、より応答が速い制御系が得られるが、一般に大きな入力が要求される。Ｒをより大きく設定して設計すると、応答は相対的に遅くなるが、入力値が小さくてすむ。つまり、より小さい入力によって、より穏やかで安定性が向上した応答が得られる。

したがって第１項は応答性（速応性）に関する項であり、第２項は安定性に関する項であり、両者はトレードオフの関係にある。最適レギュレータ理論においては、設計者が重みＱとＲとを適切に設定することによって、応答性と安定性の２つの制御目的をトレードオフを考慮しながら最適化することができる。

最適レギュレータ理論においては、上述のＡ、Ｂ、（あるいはＡｄ、Ｂｄ、）Ｐ、Ｑから行列方程式（リカッチ方程式）を解くなどの方法によって最適なフィードバックゲインＦを求める。この計算方法は公知であるので、説明を省略する。最適なフィードバックゲインＦのうちの一部が最適なフィードバックゲインＦ１となり、別の一部が最適なフィードバックゲインＦ２となる。また上記状態方程式やその離散時間化についても公知であるので、より詳細な説明は省略する。

本発明ではこの最適レギュレータ理論を用いて予め最適なフィードバックゲインＦを計算しておき、ＥＣＵ１０のメモリ１１に記憶しておく。その際に、上述のとおり新気量（吸気量）によってもＤＰＦ６の温度上昇に関する特性が変化する。新気量が大きいほどＤＰＦ６の温度上昇特性におけるむだ時間や時定数が減少する。したがって新気量が大きいほどＤＰＦ６の温度の速応性が高まり、温度のオーバーシュートが発生する可能性がある。また図７に示されているように、ＰＭ堆積量が多いか少ないかによって、ＤＰＦ６の温度上昇に関する特性が異なっている。ＰＭ堆積量が多い場合にＤＰＦ温度の速応性を高く設定するとＤＰＦ６が過剰に温度上昇しＤＰＦ６が溶損してしまう可能性が高い。

新気量が異なることは、制御対象が異なることと同じである。またＰＭ堆積量が多い場合と少ない場合とでは適した速応性が異なる。したがって、制御対象の特性の変化に対応するために、新気量に関して場合分けをして、ＤＰＦ６の温度上昇特性をモデル化して、個々のモデルに対して最適なフィードバックゲインＦを計算する。これにより新気量とが異なることによるＤＰＦ６の温度上昇特性の変化に対応できる。

さらに、既に述べたようにＰＭ堆積量が多い場合にＰＭ堆積量が少ない場合と同様の温度上昇速度で昇温させると過昇温が発生する可能性がある。したがって本発明では、ＰＭ堆積量が大きいほど、評価関数Ｊ１あるいはＪ２における速応性に関する重み係数Ｑを相対的に小さくして、安定性に関する重みＲを相対的に大きくし、これに対応したフィードバックゲインを計算する。この安定性に関する重みＲを相対的に大きくしたフィードバックゲインを用いることでＰＭ堆積量が大きいときの過昇温を回避できる可能性が向上する。

その例が図１１に示されている。図１１では正値スカラ量である重みＲの設定例が示されている。上述の理由によって、ＰＭ堆積量に関してＲを単調増加（単調非減少）関数とする（ここではＱは一定としている）。図１１（ａ）の場合、ＰＭ堆積量が所定の閾値Ｍ１を境にＲの値を不連続に増加させている。図１１（ｂ）の場合は、連続的にＲの値を単調増加させている。例えば図１１（ｂ）でのＲはＰＭ堆積量の２次関数としてもよい。また図１１（ａ）における閾値の数は２以上の任意の整数とすればよい。そしてＲの値を閾値のところで不連続に増加させてもよい。

以上に述べた方法を用いて、新気量とＰＭ堆積量に関して場合分けをして、個々の場合に対する最適なフィードバックゲインＦを計算してメモリ１１に記憶する。場合分けの様子が図４に示されている。新気量とＰＭ堆積量とを座標軸とする平面を例えばメッシュ状に分割して、個々の領域ごとに最適なフィードバックゲインＦをＦ_ｉｊ、Ｆ_{ｉ（ｊ＋１）}、・・などと求めておく。上でも述べたように図４において縦軸のＰＭ堆積量が大きい領域ほど、図１１のように重みＱ、Ｒにおいて相対的にＲを大きく設定している。

なお最適フィードバックゲインを求める際に、上記のように最適レギュレータ理論から算出した後に、算出されたフィードバックゲインを用いてシミュレーションを行って、望ましい応答が得られたフィードバックゲインを最適フィードバックゲインと決定してもよい。ここで望ましい応答とは、オーバーシュート量と整定時間とがともに望ましい値（小さい値）である応答とすればよい。このようにして最適フィードバックゲインを決定すれば、最適レギュレータ理論においては評価関数の数値的評価のみなので具体的な応答のイメージが得られない点を、シミュレーションを実際におこなうことで補うことができる。

以上の設計法によって得られる最適フィードバックゲインでは、結果的に、ＰＭ堆積量が多いほどＲを大きくすることにより、フィードバックゲインの値が小さくなる傾向がある。厳密に述べれば、ゲイン調節手段によるフィードバックゲインの調節において、２つのＰＭ堆積量であって、大きい方のＰＭ堆積量におけるフィードバックゲインの値は小さい方のＰＭ堆積量におけるフィードバックゲインの値よりも小さいような２つのＰＭ堆積量が存在する。ここでフィードバックゲインの値とは、フィードバックゲインがベクトル（行列）の場合は、任意のノルム（ベクトルノルム、行列ノルム）の値とすればよい。こうした傾向は、上で述べたように、本発明ではＰＭ堆積量が大きい場合の過昇温を抑制することが主要な目的となっていることと合致する。すなわち本発明では、ＰＭ堆積量が多くなるとフィードバックゲインの値が下がる傾向となることによって、応答の速応性が緩和されて、過昇温が抑制される。

図３にはＤＰＦ６の再生時における温度制御処理のフローチャートが示されている。図３の処理手順が順次ＥＣＵ１０によって実行されるとすればよい。以下で図３の処理手順を説明する。図３のフローチャートは、ＤＰＦ６に堆積したＰＭがポスト噴射によって燃焼されてＤＰＦ６の再生が実行されている時間区間内で実行される。

まず手順Ｓ１０で新気量（吸気量）が計測される。この計測はエアフロメータ４によって行えばよい。ここでの新気量とは単位時間あたりの質量流量とすればよい。

次にＳ２０では、ＤＰＦ６の入口側と出口側とにおける圧力差であるＤＰＦ差圧（ＤＰＦ圧損）が計測される。そしてＳ３０で、Ｓ２０で計測したＤＰＦ差圧を用いて、ＤＰＦ６におけるＰＭの堆積量を推定する。Ｓ３０における推定方法に関しては後述する。

次にＳ４０では最適フィードバックゲインを呼び出す。上述のとおり、図４のように新気量とＰＭ堆積量とで場合分けして、それぞれの領域ごとに上述のＪ１あるいはＪ２の評価関数を最適化する最適フィードバックゲインを予め求めてメモリ１１に記憶しておく。Ｓ４０では、メモリ１１に記憶された最適フィードバックゲインのなかから、Ｓ１０でもとめた新気量とＳ３０で求めたＰＭ堆積量とに対応する領域の最適フィードバックゲインを呼び出す。

次にＳ５０ではＤＰＦ６の温度を推定する。上述のとおり、ＤＰＦ温度を推定するのではなく、排気温度センサ７あるいは排気温度センサ８による計測値そのものとしてもよい。また排気温度センサ７、８の計測値の平均をＤＰＦ６の温度の推定値としてもよい。また排気温度センサ７、８の計測値からＤＰＦ６の内部温度を推定するモデルを予め求めておいて、それを用いて推定してもよい。

最後にＳ６０ではポスト噴射量を算出する。その際に図２のフィードバック系を用いる。図２のフィードバック制御系において、フィードバックゲインＦはＳ４０で取得してあり、ＤＰＦ温度はＳ５０で取得してある。したがって、それらを用いて、図２の構成でポスト噴射量を算出する。なお、この際に制御対象の状態変数を取得するために、状態観測器（オブザーバ）を構成して用いてもよい。これにより入出力から状態変数を求めることができる。

以上のフローチャートによる処理によって制御されたＤＰＦ６の温度の挙動の例が図５に示されている。図５でのＰＭ堆積量は、図７における堆積量が多い場合の堆積量と同じである。上述のとおり、図７はＰＭ堆積量に応じて温度制御器を調節させない場合の応答である。図７でのフィードバックゲインは図５においてＰＭ堆積量がゼロのときのフィードバックゲインである。図５と図７とを比較すると、図５ではＰＭ堆積量に応じて温度制御器を調節しており、ＰＭ堆積量が多い場合なのでフィードバックゲイン値が図７よりも小さくなり、応答の速応性が緩和されている。よって図５では図７よりも温度の上昇速度が小さくなっている。よって本発明では従来のようにＤＰＦ破損限界温度を越えておらず、過昇温によるＤＰＦ６の破損の危険性がなくなっている。

上記実施例においては、新気量に応じても温度制御器を調節しているので、新気量が大きい場合の過昇温の可能性も低減できる。新気量がエンジンが正常に動作できる最小の値の場合の温度制御器を任意の新気量に対して用いた場合には、新気量が大きいときに過昇温の可能性が高い。しかし上記実施例のように新気量に応じて温度制御器を調節することによって、新気量が大きい状況での過昇温の可能性が低減される。

すなわち本発明では、新気量に応じて制御器調節手段によって調節された温度制御器を用いる場合の方が、新気量がエンジンが正常に動作できる最小の値の場合の温度制御器を任意の新気量に対して用いる場合よりも、少なくとも１つの新気量においてパティキュレートフィルタの過昇温の可能性を小さくできる。

また上記実施例で設計される温度制御器の傾向としては、結果的に、新気量が多いほど、フィードバックゲインの値が小さくなる傾向がある。より厳密には、ゲイン調節手段によるフィードバックゲインの調節において、２つの新気量であって、大きい方の新気量におけるフィードバックゲインの値は小さい方の新気量におけるフィードバックゲインの値よりも小さいような２つの新気量が存在する。ここでフィードバックゲインの値とは、フィードバックゲインがベクトル（行列）の場合は、任意のノルム（ベクトルノルム、行列ノルム）の値とすればよい。

こうした傾向は、上で述べたように、新気量が大きいほど過昇温の危険性が高いので、これを抑制したいとの目的と合致する。すなわち本発明では、新気量が大きいほどフィードバックゲインの値が下がる傾向となることによって、応答の速応性が緩和されて、過昇温が抑制される。

以上述べた実施例では最適フィードバックゲインの設計方法を従来の方法から変更したが、目標温度は変更していない。しかし、主要目的がＤＰＦ６の過昇温（及びそれによるＤＰＦ６の溶損）の回避なのであるから、目標温度を下げることも有効な場合もあり得る。目標温度を下げた場合の応答例が図６に示されている。

この例では、フィードバックゲインＦは図７から変更せずに目標温度のみを下げている。図６におけるＰＭ堆積量は、図７におけるＰＭ堆積量が大きい場合と等しい。図６と図７とを比較すると、目標温度を下げることによって過昇温が回避されていることがわかる。

このように目標温度を下げることは、単独で行ってもよく、上記図３の処理手順に組み込んでおこなってもよい。例えばＳ６０よりも前に目標温度低下の手順を追加すればよい。目標温度を単独で下げた場合には過昇温は回避できるものの、応答が遅くなってＤＰＦ６の再生時間が長くなり、燃費の悪化を招く可能性がある。目標温度の低下を図３の制御と組み合わせればこのような不具合が回避できて、最適な応答を得つつ、さらに過昇温の可能性を低減できる。

上記Ｓ３０でのＰＭ堆積量推定の方法を以下で説明する。ＰＭ堆積量とＤＰＦ圧損（差圧）との関係は、図１０に示された関係となる（あるいは近似される）との知見が得られている。すなわち、内燃機関の運転が続いてＤＰＦ６へのＰＭの堆積が進行するに従って、ＰＭ堆積量とＤＰＦ圧損とを示す点は図１０に示された初期点２０から第１特性線２１（特性線）上を図示右上へ移動し、さらに遷移点２２に達すると以後は第２特性線２３（特性線）上を図示右上へ移動する。

第１特性線２１はＤＰＦ６のフィルタ壁の壁内にＰＭが堆積する段階に対応し、第２特性線２３はフィルタ壁の壁面上にＰＭが堆積する段階に対応する。フィルタ壁の壁内にＰＭが堆積する場合は壁面上に堆積する場合よりも排気ガスの流路を新たに狭める度合いが大きく、それにより圧損値を高めるので、第１特性線２１は第２特性線２３よりも図示のとおり傾きが大きい。なお傾きはＤＰＦ圧損の増分とＰＭ堆積量の増分との比とする。

図１０に示された特性を予め求めておけば、ＤＰＦ圧損値を得ることでＤＰＦ内のＰＭの堆積量が推定できる。こうして推定されたＰＭ堆積量が再生を必要とするレベルに達した度に、ＤＰＦを再生すればよい。

図１０の点２４に達したときにＰＭ堆積量が過剰と判断されてＤＰＦ再生が開始されたとすると、図１０の点線のようにその後のＰＭ堆積量とＤＰＦ圧損は推移する。すなわちＰＭ堆積量とＤＰＦ圧損の値は、まず直線２５に沿って減少し、遷移点２６後は直線２７に沿って減少して初期点２０へ戻る。

直線２５はフィルタ壁の壁内上に堆積したＰＭが燃焼している段階であり、したがって直線２５は第１特性線２１と傾きが等しい。また直線２７はフィルタ壁の壁面に堆積したＰＭが燃焼している段階であり、したがって直線２７は第２特性線２３と傾きが等しい。以上のように図１０に示された平行四辺形の（あるいは近似される）特性によって、ＰＭ堆積時およびＰＭ燃焼時のＰＭ堆積量とＤＰＦ圧損との値は推移する。

使用する装置構成に対して予め図１０の特性線を求めておいてメモリ１１に記憶しておく。記憶する際に、例えば初期点２０、遷移点２２（、さらには点２４）の座標と特性線２１、２３の傾きのみを記憶するとしてもよい。Ｓ３０では、図１０の特性線と、Ｓ２０で取得したＤＰＦ差圧の計測値とからＰＭ堆積量を推定する。以上が手順Ｓ３０の説明である。

なお上記実施例では、ＰＭ堆積量が多い場合に応答（速応性）を緩和したが、これはＤＰＦ温度が目標温度よりも低い場合を想定していた。何らかの理由からＤＰＦ温度が目標温度を超えてしまった時点では、速応性を緩和することは意味がなく、むしろ速応性を高めて迅速に目標値までＤＰＦ温度を落とすことが望まれる。したがって、上の実施例において、ＤＰＦ温度が目標温度よりも高い場合には、実際のＰＭ堆積量に関係なく、ＰＭ堆積量が少ない（例えばゼロ）場合のフィードバックゲインを用いるよう修正してもよい。

また、本発明を図１２に示すようにＤＰＦ６の上流に酸化触媒１４を配置した構成に対して用いてもよい。図１の構成の場合にはＤＰＦ６に担持された触媒の作用でＤＰＦ６が昇温するが、図１２では酸化触媒１４の作用で排気が昇温して、それが下流のＤＰＦ６を昇温させる。本発明は図１２の構成に対しても有効である。

上の実施例において、ＤＰＦ６がパティキュレートフィルタを構成する。インジェクタ１３が再生手段を構成する。Ｓ３０の手順が推定手段を構成する。Ｓ４０の手順が制御器調節手段を構成する。Ｓ１０の手順が吸気量取得手段を構成する。Ｓ４０の手順がゲイン調節手段を構成する。また上記実施例では内燃機関としてディーゼルエンジンを用いたが、これはディーゼルエンジンでなくともよく、例えばリーンバーンガソリンエンジンでもよい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置の実施例の概略構成図。ＤＰＦ温度制御のブロック線図。ＤＰＦ再生時の温度制御処理のフローチャート。最適フィードバックゲインの場合分けを示す図。本発明におけるポスト噴射量とＤＰＦ温度の時間応答の例を示す図。本発明におけるポスト噴射量とＤＰＦ温度の時間応答の例を示す図。従来技術によるポスト噴射量とＤＰＦ温度の時間応答の例を示す図。ＰＭ堆積量とＰＭ燃焼速度との関係を示す図。基材温度とＰＭ燃焼速度との関係を示す図。ＤＰＦにおけるＰＭ堆積特性を示す図。重み係数Ｒの設定例を示す図。本発明における別の構成を示す図。

符号の説明

１排気浄化装置
２ディーゼルエンジン（内燃機関）
３吸気管
４エアフロメータ
５排気管
６ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ、パティキュレートフィルタ）
７、８排気温度センサ
９差圧センサ
１０電子制御装置（ＥＣＵ）
１１メモリ
１３インジェクタ
２１第１特性線（特性線）
２３第２特性線（特性線）

Claims

内燃機関の排気通路の途中に配置されて粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
そのパティキュレートフィルタに堆積した前記粒子状物質を燃焼して前記パティキュレートフィルタを再生する再生手段と、
前記パティキュレートフィルタにおける粒子状物質の堆積量を推定する推定手段とを備え、
前記再生手段は、
前記パティキュレートフィルタを再生する際に、前記パティキュレートフィルタの温度を制御する温度制御器と、
前記推定手段によって推定された前記粒子状物質の堆積量に応じて、前記温度制御器を調節する制御器調節手段とを有し、
前記温度制御器としてフィードバック制御器が用いられ、
前記制御器調節手段は、前記推定手段によって推定された前記粒子状物質の堆積量に応じて、前記フィードバック制御器におけるフィードバックゲインを調節するゲイン調節手段を備え、
そのゲイン調節手段による前記フィードバックゲインの調節において、前記粒子状物質の２つの堆積量であって、大きい方の堆積量における前記フィードバックゲインの値は小さい方の堆積量における前記フィードバックゲインの値よりも小さいような２つの堆積量が存在するように調節し、より小さいフィードバックゲインにより前記パティキュレートフィルタの温度の上昇速度が緩和されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記再生手段は、前記推定手段によって推定された前記粒子状物質の堆積量が大きいほど目標温度を低くする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。