JP7003878B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関から排出された粒子状物質（Particulate Matter。以下、「ＰＭ」ともいう）を捕集するために、内燃機関の排気通路内にパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」ともいう）を設けることが知られている（例えば、特許文献１）。斯かるフィルタでは、フィルタによって捕集されてフィルタ上に堆積したＰＭが多くなると、フィルタにおける圧力損失が増大し、内燃機関の出力の低下や燃焼の悪化を招いてしまう。

そこで、フィルタ上のＰＭの堆積量を推定すると共に、推定したＰＭの堆積量が多いときには、フィルタを高温にしてＰＭを燃焼させるフィルタ再生処理を行うことが知られている。ＰＭの堆積量は、例えば、フィルタへのＰＭの堆積量が多くなるほどフィルタでの圧力損失が大きくなることから、フィルタ前後の差圧に基づいて推定される。

特に、特許文献１に記載の装置では、フィルタへのアッシュの堆積量の推定値に基づいてフィルタが有効にＰＭを捕集できる容量を推定すると共に、この推定された容量とフィルタ前後の差圧とに基づいてフィルタへのＰＭの堆積量を推定している。これにより、フィルタ上にアッシュが堆積しても、フィルタ上のＰＭの堆積量を精度良く推定することができるとされている。

特開２００７－０１６６８４号公報

ところで、フィルタの前後差圧は、排気ガスの流量によっても変化する。このため、内燃機関の運転状態が変化して排気ガスの流量が変化するような場合には、フィルタの前後差圧に基づくフィルタ上のＰＭの堆積量の推定精度はそれほど高くない。加えて、排気ガスの流量が少ないときには、フィルタの前後差圧がそれほど大きくないため、ＰＭの堆積量に推定誤差が生じ易い。したがって、フィルタの前後差圧に基づいてＰＭの堆積量を推定する場合には、その推定精度はそれほど高く無く、フィルタの前後差圧に基づかない別の手法でのＰＭの堆積量の推定手法が必要とされる。

上記課題に鑑みて、本開示の目的は、新しい手法で粒子状物質の堆積量を推定することができる排気浄化装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路内に配置された触媒機能を有する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路内に配置されたパティキュレートフィルタと、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中に酸素を含む気体を供給する酸素供給装置と、前記パティキュレートフィルタから流出する排気ガス中のアンモニアの濃度に応じて出力が変化する検出装置と、前記酸素供給装置を制御すると共に前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記排気浄化触媒の温度が活性温度以上の所定の温度範囲内であって前記内燃機関の本体から排出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比である場合に、前記酸素供給装置から前記パティキュレートフィルタへ酸素を継続的又は断続的に供給するように前記酸素供給装置を制御すると共に、酸素を供給しているときの前記検出装置の出力に基づいて前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定する、内燃機関の排気浄化装置。

（２）前記所定の温度範囲が４００℃以上６００℃以下である、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（３）内燃機関の排気通路内に配置された触媒機能を有する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路内に配置されたパティキュレートフィルタと、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中に酸素を含む気体を供給する酸素供給装置と、前記パティキュレートフィルタから流出する排気ガス中のアンモニアの濃度に応じて出力が変化する検出装置と、前記酸素供給装置を制御すると共に前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記内燃機関の本体から排出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比であるときに前記排気浄化触媒において水素又はアンモニアが生成される条件下において、前記酸素供給装置から前記パティキュレートフィルタへ酸素を継続的又は断続的に供給するように前記酸素供給装置を制御すると共に、酸素を供給しているときの前記検出装置の出力に基づいて前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定する、内燃機関の排気浄化装置。

（４）前記制御装置は、前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定するときには、前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの時間平均空燃比が理論空燃比となるように前記酸素供給装置に空気を供給させる、上記（１）～（３）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（５）前記制御装置は、前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定するときには、前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が継続的に理論空燃比となるように継続的に前記酸素供給装置から酸素を供給させる、上記（１）～（４）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（６）前記制御装置は、前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定するときには、前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比との間で交互に変化するように且つ前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの時間平均空燃比が理論空燃比となるように、前記酸素供給装置から排気ガス中に空気を供給させる、上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（７）前記検出装置は、前記排気ガス中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサであり、該ＮＯｘセンサは排気ガス中のＮＯｘの濃度に加えてアンモニアの濃度に応じてその出力が変化するように構成される、上記（１）～（６）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（８）前記制御装置は、前記パティキュレートフィルタへの粒子状物質の堆積量が予め定められた量以上であるときには、前記パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を除去するフィルタ再生処理を実行する、上記（１）～（７）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

本発明によれば、新しい手法で粒子状物質の堆積量を推定することができる排気浄化装置が提供される。

図１は、一つの実施形態に係る排気浄化装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、フィルタの構造を示す図である。 図３は、フィルタ再生処理を行ったときに排気浄化装置において生じる反応を概略的に示す図である。 図４は、二次空気供給装置からの二次空気の供給量、及びフィルタに流入する排気ガスの空燃比のタイムチャートである。 図５は、フィルタ上のＰＭの堆積量を推定する際に排気浄化装置において生じる反応を概略的に示す図である。 図６は、機関本体から排出される排気ガスの空燃比、二次空気の供給量、フィルタに流入する排気ガスの空燃比、及び排気ガス中のアンモニア濃度のタイムチャートである。 図７は、機関本体から排出される排気ガスの空燃比等の、図６と同様なタイムチャートである。 図８は、一つの実施形態に係る堆積量推定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９は、一つの実施形態に係るフィルタ再生処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、第二実施形態に係る堆積量推定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、第二実施形態に係るフィルタ再生処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
≪内燃機関全体の説明≫
図１は、第一実施形態に係る排気浄化装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本発明の排気浄化装置が用いられる内燃機関では、ガソリン以外の燃料、或いはガソリンとの混合燃料を用いてもよい。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５は吸気通路を形成する。また、吸気管１５内にはスロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結され、排気マニホルド１９は排気浄化触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介してパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」ともいう）２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気浄化触媒２０とフィルタ２４との間の排気管２２には、排気管２２内を流れる排気ガス中に、すなわちフィルタ２４に流入する排気ガス中に二次空気を供給する二次空気供給装置２５が設けられる。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２及び下流側ケーシング２３は、排気通路を形成する。

なお、本実施形態の排気浄化装置では二次空気供給装置２５が設けられているが、フィルタ２４に流入する排気ガス中に酸素を含む気体を供給することができれば、他の酸素供給装置が設けられてもよい。斯かる酸素供給装置として、具体的には、例えば、排気ガス中に酸素のみを供給する装置等が挙げられる。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。

吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、排気浄化触媒２０から流出してフィルタ２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

さらに、排気浄化触媒２０には排気浄化触媒２０の温度を検出するための触媒温度センサ４６が設けられる。また、フィルタ２４にはフィルタ２４の温度を検出するためのフィルタ温度センサ４７が設けられる。また、フィルタ２４の上流側及び下流側の排気管２２の間にはフィルタ２４の前後差圧を検出するための差圧センサ４８が設けられる。加えて、フィルタ２４の下流側の排気管２２には、フィルタ２４から流出した排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサ４９が設けられる。これら温度センサ４６、４７、差圧センサ４８及びＮＯｘセンサ４９の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。

一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、スロットル弁駆動アクチュエータ１７及び二次空気供給装置２５に接続される。したがって、ＥＣＵ３１は、これら点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、スロットル弁駆動アクチュエータ１７及び二次空気供給装置２５の作動を制御する制御装置として機能する。

排気浄化触媒２０は、本実施形態では、セラミックから成る担体に触媒作用を有する触媒貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に浄化する機能を有する。なお、排気浄化触媒２０は、触媒作用を有する物質を担持していれば、酸化触媒等やＮＯｘ吸蔵還元触媒等、三元触媒以外の触媒であってもよい。

図２は、フィルタ２４の構造を示す図である。図２（Ａ）はフィルタ２４の正面図であり、図２（Ｂ）はフィルタ２４の側面断面図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、フィルタ２４はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０、６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。したがって排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。換言すると、排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。

フィルタ２４は例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されている。したがって、排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは、図２（Ｂ）において矢印で示したように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。このように排気ガスが隔壁６４内を通って流れる間に、排気ガス中に含まれるＰＭがフィルタ２４に捕集されることになる。

また、フィルタ２４には、触媒作用を有する触媒貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））が担持される。したがって、フィルタ２４は、排気ガス中のＰＭを捕集するだけでなく、排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯを酸化浄化することができる。なお、フィルタ２４は、排気ガス中のＰＭを捕集すると共に触媒作用を有する物質を担持していれば、他の構成を有していてもよい。さらに、二次空気供給装置２５とフィルタ２４との間に触媒作用を有する排気浄化触媒が配置された場合には、フィルタ２４は触媒作用を有する物質を担持していなくてもよい。

≪フィルタ再生処理≫
フィルタ２４に捕集されたＰＭはフィルタ２４上に堆積する。フィルタ２４上へのＰＭの堆積量が増大すると、隔壁６４内の細孔に目詰まりが生じ、フィルタ２４に起因する排気ガスの圧力損失が大きくなる。圧力損失の増大は、排気ガスが流れにくくなることによる内燃機関の出力の低下や、燃焼の悪化を招いてしまう。したがって、内燃機関の出力の低下や燃焼の悪化を防止するためには、フィルタ２４上へのＰＭの堆積量が限界堆積量よりも多くなった場合には、フィルタ２４上に堆積しているＰＭを酸化除去する必要がある。ここで、限界堆積量とは、それ以上フィルタ２４へのＰＭの堆積量が増大すると、フィルタ２４に起因する圧力損失が増大して内燃機関の運転状態の悪化等を招いてしまうような量である。

そこで、本実施形態では、フィルタ２４のＰＭ堆積量が多くなったときには、ＰＭを酸化除去するためにフィルタ再生処理が行われる。以下では、図３を参照して、フィルタ再生処理について説明する。図３は、フィルタ再生処理を行ったときに排気浄化装置において生じる反応を概略的に示す図である。特に、図３（Ａ）は、二次空気供給装置２５から二次空気が供給されていない場合を示しており、図３（Ｂ）は、二次空気供給装置２５から二次空気が供給されている場合を示している。

フィルタ再生処理を行うにあたっては、まず、排気浄化触媒２０の温度がその活性温度以上にまで昇温され、同様に、フィルタ２４の温度もその活性温度以上にまで昇温される。具体的には、排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の温度は、３００℃以上７００℃以下とされ、好ましくは４００℃以上６００℃以下とされる。

加えて、本実施形態では、フィルタ再生処理を行うにあたって、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」ともいう）になるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が制御される。換言すると、フィルタ再生処理を行うにあたっては、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように燃料噴射量が制御される。この結果、フィルタ再生処理中には、排気浄化触媒２０にはリッチ空燃比の排気ガスが流入する。

ここで、リッチ空燃比の排気ガス中には、未燃ＨＣやＣＯが含まれる。加えて、燃焼室５内で混合気が燃焼することにより水が発生することから、排気ガス中には水が含まれる。したがって、排気浄化触媒２０には未燃ＨＣやＣＯ及び水を含む排気ガスが流入する。

排気浄化触媒２０の温度が３００℃～５００℃である場合、排気浄化触媒２０にＣＯ及び水を含む排気ガスが流入すると、排気浄化触媒２０の触媒作用により、下記式（１）によって表される水性ガスシフト反応が排気浄化触媒２０内で生じる。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）

また、排気浄化触媒２０の温度が５００℃以上である場合、排気浄化触媒２０に未燃ＨＣ及び水を含む排気ガスが流入すると、排気浄化触媒２０の触媒作用により、下記式（２）や式（３）によって表されるような水蒸気改質反応が排気浄化触媒２０内で生じる。
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ …（２）
Ｃ₁₂Ｈ₂₆＋１２Ｈ₂Ｏ→２５Ｈ₂＋１２ＣＯ …（３）

したがって、排気浄化触媒２０の温度が活性温度（例えば、３００℃）以上であるときには、排気浄化触媒２０にリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、排気浄化触媒２０において水素が発生する。

また、機関本体１から排出された排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合であっても、この排気ガス中にはＮＯｘ（主にＮＯ）が含まれる。このように排気ガス中に含まれたＮＯは、排気浄化触媒２０の温度が比較的高温であるときには、排気浄化触媒２０の触媒作用により、排気浄化触媒２０内において下記式（４）に示したように水素と反応してアンモニアを生成する。斯かる反応は、排気浄化触媒２０の温度が４００℃～６００℃であるときに特に発生し易い。
２ＮＯ＋５Ｈ₂→２ＮＨ₃＋２Ｈ₂Ｏ …（４）

したがって、排気浄化触媒２０の温度が活性温度以上であるとき（特に、４００℃～６００℃であるとき）に、リッチ空燃比の排気ガスが排気浄化触媒２０に流入すると、排気浄化触媒２０からアンモニアを含んだリッチ空燃比の排気ガスが流出することになる。

加えて、本実施形態では、フィルタ再生処理を行うにあたって、二次空気供給装置２５から間欠的（断続的）に二次空気が供給される。図４は、二次空気供給装置２５からの二次空気の供給量、及びフィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比のタイムチャートである。なお、図４中の破線Ｘは、二次空気が供給される前の排気ガスの空燃比を示している（図示した例では、このときの空燃比が１３．６となっている）。

図４に示したように、本実施形態では、二次空気供給装置２５からは間欠的に二次空気が供給される。図４に示した例では、時刻ｔ₀～ｔ₁、時刻ｔ₂～ｔ₃、時刻ｔ₄～ｔ₅、時刻ｔ₆～ｔ₇において、一定量の二次空気が供給される。特に、本実施形態では、二次空気が供給されている時間（例えば、時刻ｔ₀～ｔ₁）と、二次空気の供給が停止されている時間（例えば、時刻ｔ₁～ｔ₂）とが等しくなるように二次空気が間欠的に供給される（以下、この時間を「周期」ともいう）。

特に、本実施形態では、二次空気の供給切替周期は、フィルタ２４に流入したリッチ空燃比の排気ガスがフィルタ２４から流出する前に、フィルタ２４にリーン空燃比の排気ガスが流入するような時間以下に設定される。好ましくは、二次空気の供給切替周期は、フィルタ２４に流入したリッチ空燃比の排気ガスがフィルタ２４の排気流れ方向において中央に到達する前に、フィルタ２４にリーン空燃比の排気ガスが流入するような時間以下に設定される。

同様に、二次空気の供給切替周期は、フィルタ２４に流入したリーン空燃比の排気ガスがフィルタ２４から流出する前に、フィルタ２４にリッチ空燃比の排気ガスが流入するような時間以下に設定される。好ましくは、二次空気の供給切替周期は、フィルタ２４に流入したリッチ空燃比の排気ガスがフィルタ２４の排気流れ方向において中央に到達する前に、フィルタ２４にリッチ空燃比の排気ガスが流入するような時間以下に設定される。具体的には、二次空気の供給切替周期は、例えば１０Ｈｚ程度とされる。

このように二次空気供給装置２５から二次空気が供給された結果、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比は、図４に示したように、リッチ空燃比と、理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」ともいう）との間で交互に変化する。特に、本実施形態では、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比が最もリッチであるときのリッチ度合い（例えば、時刻ｔ₀、ｔ₂、ｔ₄等におけるリッチ度合い）が、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比が最もリーンであるときのリーン度合い（例えば、時刻ｔ₁、ｔ₃、ｔ₅等におけるリーン度合い）と等しくなるように、二次空気が間欠的に供給されている。

この結果、本実施形態では、フィルタ２４に流入する排気ガスにおける或る程度の時間に亘った時間平均空燃比はほぼ理論空燃比となる。すなわち、本実施形態では、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比との間で交互に変化する複数のサイクルにおける平均空燃比がほぼ理論空燃比となる。

図３（Ａ）は、二次空気供給装置２５から二次空気が供給されていない場合に排気浄化装置において生じる反応を示している。図３（Ａ）からわかるように、フィルタ２４には、機関本体１から排出された排気ガスに含まれていた未燃ＨＣ、ＣＯが流入すると共に、排気浄化触媒２０において生成されたアンモニアが流入する。

一方、図３（Ｂ）は、二次空気供給装置２５から二次空気が供給されている場合に、排気浄化装置において生じる反応を示している。二次空気供給装置２５が設けられた領域よりも上流側では、二次空気が導入されていない場合と同様な反応が生じる。したがって、フィルタ２４に流入する排気ガスは、未燃ＨＣ、ＣＯ及びアンモニアを含んでいる。加えて、二次空気が供給されている場合には、フィルタ２４に流入する排気ガスは、二次空気供給装置２５から供給された空気、特に酸素を含んでいる。

このときフィルタ２４の温度が活性温度（例えば、３００℃）以上である場合には、触媒貴金属を担持するフィルタ２４上では下記式（５）に示したような反応により、アンモニアと酸素からＮＯ₂が生成される。
４ＮＨ₃＋５Ｏ₂→４ＮＯ₂＋６Ｈ₂Ｏ …（５）

このようにして生成されたＮＯ₂は、フィルタ２４上に堆積しているＰＭとの反応性が酸素よりも高い。したがって、フィルタ２４の温度が３００℃程度であれば、ＮＯ₂は下記式（６）、（７）に示したような反応によりＰＭ（炭素Ｃが主成分）を酸化除去する。加えて、フィルタ２４の温度が５５０℃程度以上であれば、排気ガス中の酸素も下記式（８）、（９）に示したような反応によりＰＭを酸化除去する。
２ＮＯ₂＋２Ｃ→２ＣＯ₂＋Ｎ₂ …（６）
ＮＯ₂＋Ｃ→ＣＯ＋ＮＯ …（７）
Ｏ₂＋Ｃ→ＣＯ₂ …（８）
Ｏ₂＋２Ｃ→２ＣＯ …（９）

また、二次空気が供給されている場合には、排気浄化触媒２０から排出された排気ガスに含まれている未燃ＨＣ及びＣＯと、供給された酸素とがフィルタ２４上で反応し、未燃ＨＣ及びＣＯが浄化される。同様に、上記式（７）及び式（９）で生成されたＣＯも、供給された酸素と反応して浄化される。

ここで、図２を参照して説明したように、フィルタ２４では排気ガスは薄肉の隔壁６４を通って流れる。また、本実施形態では、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比は比較的早い周期でリッチ空燃比とリーン空燃比との間で交互に変化する。この結果、フィルタ２４の入口では、リッチ空燃比の排気ガスとリーン空燃比の排気ガスが交互に流入したとしても、フィルタ２４の出口ではこれら排気ガスが混ざり合う。

上述したように、二次空気が供給されていないときには、フィルタ２４の下流側部分へは、未燃ＨＣ、ＣＯ及びアンモニアを含んだ排気ガスが流入する。一方、二次空気が供給されているときには、フィルタ２４の下流側部分へは、酸素を含んだ排気ガスが流入する。そして、これら排気ガスがフィルタ２４の下流側部分において混ざり合うことから、未燃ＨＣ、ＣＯ及びアンモニアが酸素と反応する。この結果、未燃ＨＣ、ＣＯ及びアンモニアが浄化されることになる。

以上より、本実施形態では、二次空気が供給されているときには、フィルタ２４にＮＯ₂を多く含んだ排気ガスが流入するため、フィルタ２４上に堆積しているＰＭの除去を促進させることができる。加えて、本実施形態では、フィルタ２４にリッチ空燃比とリーン空燃比の排気ガスが早い周期で交互に流入せしめられるため、排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ等を浄化することができ、よって排気エミッションの悪化を抑制することができる。

以上をまとめると、本実施形態では、排気浄化触媒２０の温度が活性温度以上の所定の温度範囲内であって機関本体１から排出された排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比との間で交互に変化するように二次空気供給装置２５から二次空気（酸素）が排気ガス中に周期的に増減させられつつ供給される。そして、本実施形態によれば、このように二次空気供給装置２５からの二次空気の供給を制御することによって、フィルタ２４上に堆積しているＰＭの除去を促進させつつ、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

≪堆積量の推定≫
ところで、フィルタ再生処理は、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が予め定められた所定の限界堆積量以上になると開始される。また、フィルタ再生処理は、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が予め定められた所定の再生終了量（限界堆積量よりも少ない）以下になると終了せしめられる。したがって、フィルタ再生処理の開始及び終了を適切なタイミングで行うためには、フィルタ２４上のＰＭの堆積量を正確に推定することが必要である。そこで、本実施形態では、以下の原理により、フィルタ２４の下流側に配置されたＮＯｘセンサ４９の出力に基づいて、フィルタ２４上のＰＭの堆積量を推定するようにしている。

図５は、フィルタ２４上のＰＭの堆積量を推定する際に排気浄化装置において生じる反応を概略的に示す図である。図５（Ａ）は、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が多い場合を示しており、図５（Ｂ）は、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が少ない場合を示している。

フィルタ２４上のＰＭの堆積量を推定する際には、フィルタ２４に流入する排気ガスの所定時間に亘る時間平均空燃比がほぼ理論空燃比に維持されることが好ましい。以下では、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持される場合を例にとって説明する。

ＰＭの堆積量を推定するにあたっては、フィルタ再生処理と同様に、まず、排気浄化触媒２０の温度がその活性温度以上にまで昇温され、同様に、フィルタ２４の温度もその活性温度以上にまで昇温される。具体的には、排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の温度は、３００℃以上７００℃以下とされ、好ましくは４００℃以上６００℃以下とされる。

加えて、ＰＭの堆積量を推定するにあたっては、フィルタ再生処理と同様に、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が制御される。この結果、上述したように、排気浄化触媒２０からはアンモニアを含んだ排気ガスが流出することになる。

さらに、本実施形態では、ＰＭの堆積量を推定するにあたって、二次空気供給装置２５から継続的に二次空気が供給される。特に、本実施形態では、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように二次空気供給装置２５から継続的に二次空気が供給される。この結果、フィルタ２４へは理論空燃比の排気ガスが流入することになる。

しかしながら、上述したように、排気浄化触媒２０からはアンモニアを含んだ排気ガスが流入している。加えて、排気浄化触媒２０からはリッチ空燃比の排気ガスが流出している。したがって、フィルタ２４に流入する排気ガス中には、二次空気供給装置２５から供給された空気中の酸素に加えて、排気浄化触媒２０から流出した排気ガス中のアンモニア、未燃ＨＣ及びＣＯが含まれている。

図５に示したように、フィルタ２４に流入した排気ガス中の酸素は、未燃ＨＣ及びＣＯと反応して、水やＣＯ₂を生成する。加えて、図５（Ａ）に示したようにフィルタ２４上のＰＭの堆積量が多いときには、フィルタ２４に流入した排気ガス中の酸素は、排気ガス中のアンモニアよりもフィルタ２４上のＰＭ（炭素Ｃが主成分）と優先的に反応する。この結果、フィルタ２４に流入した排気ガス中のアンモニアは、フィルタ２４上で酸素と反応せずに、そのままフィルタ２４から流出し易い。

一方、図５（Ｂ）に示したようにフィルタ２４上のＰＭの堆積量が少ないときには、フィルタ２４に流入した排気ガス中の酸素は、排気ガス中のアンモニアと優先的に反応して、上記式（５）に示したような反応により、ＮＯ₂を生成する。このようにして生成されたＮＯ₂は、酸素に比べてＰＭとの反応性が高いことから、上記式（６）に示したような反応によりＣＯ₂及びＮ₂へ変換される。この結果、フィルタ２４に流入した排気ガス中のアンモニアは、Ｎ₂へ変換されるため、フィルタ２４からは流出しにくい。

図６は、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比、二次空気供給装置２５からの二次空気の供給量、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比、及びフィルタ２４から流出する排気ガス中のアンモニア濃度のタイムチャートである。なお、図中の実線は、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が多いとき、図中の破線は、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が少ないときをそれぞれ示している。

図６に示した例では、時刻ｔ₁においてＰＭ堆積量の推定処理が開始され、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比にされる。本実施形態では、これと同時に、二次空気供給装置２５から二次空気が供給される。このときの二次空気は、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように供給される。したがって、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比は時刻ｔ₁以降も理論空燃比に維持される。

フィルタ２４のＰＭの堆積量が多いときには（図中の実線）、時刻ｔ₁以降にフィルタ２４から流出する排気ガス中のアンモニア濃度が高くなる。一方、フィルタ２４のＰＭの堆積量が少ないときには（図中の破線）、時刻ｔ₁以降にフィルタ２４から流出する排気ガス中のアンモニア濃度が低くなる。すなわち、フィルタ２４から流出する排気ガス中のアンモニア濃度はフィルタ２４上のＰＭの堆積量に応じて変化し、ＰＭの堆積量が多いほどフィルタ２４から流出する排気ガス中のアンモニア濃度が高くなる。したがって、時刻ｔ₁以降の所定の時期又は所定の期間における排気ガス中のアンモニア濃度を検出することによってフィルタ２４上のＰＭの堆積量が推定される。

本実施形態では、フィルタ２４から流出した排気ガス中のアンモニア濃度は、ＮＯｘセンサ４９によって検出される。ＮＯｘセンサ４９は、排気ガス中のＮＯｘの濃度が高くなるほどその出力値が高くなる。加えて、ＮＯｘセンサ４９は、排気ガス中のアンモニア濃度に応じてその出力が変化するように構成され、特に排気ガス中のアンモニア濃度が高くなるほどその出力値が高くなるように構成される。

また、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が少ないときには、アンモニアからＮＯ₂が生成されるが、生成されたＮＯ₂はフィルタ２４上のＰＭと反応する。したがって、このときには、ＮＯ₂はフィルタ２４から流出しないため、ＮＯｘセンサ４９の出力は基本的にフィルタ２４から流出したアンモニアの濃度に応じて変化する。

以上より、本実施形態によれば、排気浄化触媒２０の温度が活性温度以上の所定の温度範囲内であって機関本体１から排出された排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合に、二次空気供給装置２５からフィルタへ酸素を継続的に供給しているときのＮＯｘセンサ４９の出力に基づいてフィルタ２４上のＰＭの堆積量が推定される。換言すると、本実施形態によれば、機関本体１から排出された排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに排気浄化触媒２０において水素又はアンモニアが生成される条件下において、二次空気供給装置２５からフィルタへ酸素を継続的に供給しているときのＮＯｘセンサの出力に基づいてフィルタ２４上のＰＭの堆積量が推定される。特に、ＮＯｘセンサ４９の出力値が高くなるほど、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が多いものとして推定される。

また、フィルタ２４のＰＭの堆積量は、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変化させた場合でも推定することができる。以下では、図７を参照して、このような場合におけるＰＭの堆積量の推定手法について説明する。図７は、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比等の、図６と同様なタイムチャートである。図６と同様に、図中の実線は、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が多いとき、図中の破線は、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が少ないときをそれぞれ示している。

図７に示した例では、時刻ｔ₁においてＰＭ堆積量の推定処理が開始され、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に維持される。加えて、本実施形態では、二次空気供給装置２５から二次空気が断続的に供給される。この結果、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比との間で交互に変化する。

図７に示した例では、時刻ｔ₁、ｔ₃、ｔ₅で二次空気の供給が開始され、時刻ｔ₂、ｔ₄、ｔ₆において二次空気の供給が停止される。この結果、時刻ｔ₂、ｔ₄、ｔ₆においてフィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比のリーン度合いが最大となり、時刻ｔ₃、ｔ₅、ｔ₇においてフィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比のリッチ度合いが最大となる。なお、本実施形態では、二次空気は、フィルタ２４に流入する排気ガスにおける数サイクルに亘る時間平均空燃比が理論空燃比になるように供給される。

ここで、上述したように、フィルタ２４に交互に流入したリッチ空燃比の排気ガスとリーン空燃比の排気ガスとはフィルタ２４内において或る程度混ざり合う。したがって、フィルタ２４に流入したリッチ空燃比の排気ガス中にもフィルタ２４内では或る程度の酸素が含まれることになると共に、フィルタ２４に流入したリーン空燃比の排気ガス中にもフィルタ２４内では或る程度のアンモニアが含まれることになる。

このため、フィルタ２４に流入した排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合であっても、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が多いときには、排気ガス中の酸素がＰＭと反応する。一方、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が少ないときには、排気ガス中の酸素はアンモニアと反応してＮＯ₂を生成し、生成されたＮＯ₂はＰＭと反応する。したがって、フィルタ２４に流入した排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合には、フィルタ２４上のＰＭの堆積量に応じてフィルタ２４から流出する排気ガス中のアンモニア濃度が変化する。したがって、フィルタ２４に流入した排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときの排気ガス中のアンモニア濃度を検出することによって、フィルタ２４上のＰＭの堆積量を推定することができる。

一方、フィルタ２４に流入した排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合には、排気浄化触媒２０から流出した排気ガス中に含まれるＮＯ（排気浄化触媒２０にはリッチ空燃比の排気ガスが流入することから排気浄化触媒２０からは少量のＮＯのみが排出される）がフィルタ２４で浄化されない。この結果、フィルタ２４からＮＯｘが流出し、ＮＯｘセンサ４９の出力値が大きくなる。

以上より、本実施形態によれば、排気浄化触媒２０の温度が活性温度以上の所定の温度範囲内であって機関本体１から排出された排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合に、二次空気供給装置２５からフィルタ２４へ酸素を断続的に供給しているときのＮＯｘセンサ４９の出力に基づいてフィルタ２４上のＰＭの堆積量が推定される。換言すると、本実施形態によれば、機関本体１から排出された排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに排気浄化触媒２０において水素又はアンモニアが生成される条件下において、二次空気供給装置２５からフィルタ２４へ酸素を断続的に供給しているときのＮＯｘセンサ４９の出力に基づいてフィルタ２４上のＰＭの堆積量が推定される。特に、ＮＯｘセンサ４９の出力値が高くなるほど、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が多いものとして推定される。

上述したように、機関本体１から排出された排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であって二次空気が排気ガス中に供給されている場合、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が変化すると、それに伴ってフィルタ２４から流出する排気ガス中のアンモニア濃度が変化する。本実施形態によれば、この場合にフィルタ２４から流出する排気ガス中のアンモニア濃度が検出され、これに基づいてＰＭの堆積量が推定される。したがって、本実施形態によれば、従来とは異なる手法にて、フィルタ２４上のＰＭの堆積量を推定することができる。

なお、上記実施形態では、フィルタ２４の排気流れ方向下流側にＮＯｘセンサが設けられている。しかしながら、排気ガス中のアンモニアの濃度に応じてその出力が変化するような検出装置であれば、アンモニアセンサ等、他の検出装置が用いられてもよい。

特に、斯かるセンサとして、アンモニアの濃度に応じて出力値は変化するがＮＯｘの濃度に応じては出力値が変化しないアンモニアセンサを用いることが好ましい。機関本体１から排出された排気ガス中に含まれているＮＯｘは基本的に排気浄化触媒２０やフィルタ２４にて浄化されるが、一部のＮＯｘが浄化されずに残った場合には、ＮＯｘセンサによってアンモニア濃度を検出していると、残ったＮＯｘがＮＯｘセンサの出力値に影響を及ぼす。この結果、アンモニア濃度の推定に誤差が生じる。これに対してＮＯｘセンサ４９の代わりにアンモニアセンサを用いれば、排気ガス中のＮＯｘの影響を排除することができ、よってＰＭの堆積量をより正確に推定することができるようになる。

≪具体的な制御≫
次に、図８を参照して、本実施形態に係る堆積量推定処理における具体的な制御について説明する。図８は、本実施形態に係る堆積量推定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定の時間間隔毎に行われる。

まず、ステップＳ１１において、推定フラグがＯＮになっているか否かが判定される。推定フラグは、フィルタ２４の堆積量推定処理が行われているときにＯＮに設定され、それ以外のときにＯＦＦに設定されるフラグである。ステップＳ１１において、推定フラグがＯＦＦになっていると判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。

ステップＳ１２では、フィルタ２４の堆積量推定処理の実行条件が成立しているか否かが判定される。堆積量推定処理の実行条件は、例えば、内燃機関の運転時間が所定運転時間経過する毎に成立する。或いは、堆積量推定処理の実行条件は、例えば、内燃機関を搭載した車両の走行距離が一定距離に到達する毎に成立する。これにより、フィルタ２４の堆積量推定処理が一定運転時間間隔や一定走行距離間隔で実行されることになる。

また、差圧センサ４８によってもフィルタ２４上のＰＭの堆積量を推定することはできるが、差圧センサ４８による堆積量の推定精度はあまり高くない。そこで、差圧センサ４８によって検出された差圧が或る程度高いときに、本実施形態の堆積量推定処理を行うようにしてもよい。この場合、堆積量推定処理の実行条件は、差圧センサ４８によって検出されたフィルタ２４の前後差圧が所定の限界差圧よりも大きい場合には成立することになる。

ステップＳ１２において、堆積量推定処理の実行条件が成立していないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１２において、堆積量推定処理の実行条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、推定フラグがＯＮに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

推定フラグがＯＮに設定されると、次の制御ルーチンではステップＳ１１からステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の温度Ｔｃが活性温度Ｔａｃｔ（例えば、３００℃）以上であるか否かが判定される。排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の温度は、それぞれ触媒温度センサ４６及びフィルタ温度センサ４７によって検出される。

上述したように、排気浄化触媒２０の温度Ｔｃが活性温度Ｔａｃｔ未満である場合には、排気浄化触媒２０において水素やアンモニアを生成することができない。また、フィルタ２４の温度が活性温度Ｔａｃｔ未満である場合には、アンモニアやＰＭと酸素との反応がほとんど生じない。したがって、ステップＳ１４において排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の温度が活性温度Ｔａｃｔ未満であると判定された場合には、ステップＳ１５へと進み、排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の昇温処理が行われる。

ステップＳ１５における排気浄化触媒２０の昇温処理としては、例えば、複数の気筒のうちの一部の気筒では燃焼室５に供給される混合気の空燃比をリッチ空燃比に設定とし、残りの気筒では燃焼室５に供給される混合気の空燃比をリーン空燃比に設定するディザ制御が挙げられる。ディザ制御を行った場合、リッチ空燃比の気筒から排出された未燃ＨＣやＣＯを含んだ排気ガスと、リーン空燃比の気筒から排出された酸素を多く含んだ排気ガスとが混ざり合って、排気浄化触媒２０上にて反応する。このため、このときの反応熱によって排気浄化触媒２０が昇温せしめられ、またこのときに排気ガスに伝達された熱によってフィルタ２４が昇温せしめられる。なお、排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の昇温処理では、ディザ制御の代わりに、ディザ制御以外の既存の昇温制御を用いることができる。

排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の昇温処理により排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の温度Ｔｃが活性温度Ｔａｃｔ以上に上昇されると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１４からステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するリッチ空燃比制御が行われる。このときの目標空燃比は、例えば、１３．６とされる。

次いで、ステップＳ１７では、二次空気供給装置２５により二次空気が継続的に供給される。二次空気の供給量は、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように設定される。

次いで、ステップＳ１８では、推定条件が成立しているか否かが判定される。推定条件は、例えば、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるように燃料噴射弁１１から燃料噴射を開始してからの時間又は排気ガスの流量が所定の第１所定値以上になり、且つ二次空気の供給が開始されてからの時間又は排気ガスの流量が所定の第２所定値以上になると成立する。これにより、フィルタ２４に流入する排気ガスが安定して理論空燃比になってから推定が行われることになる。

ステップＳ１８において推定条件が成立していないと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１８において推定条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、フィルタ２４から流出した排気ガス中のアンモニア濃度がＮＯｘセンサ４９によって検出される。次いで、ステップＳ２０では、ステップＳ１９で推定されたアンモニア濃度に基づいて、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が推定される。なお、本実施形態では、ＮＯｘセンサ４９の１回の検出値に基づいてＰＭの堆積量が推定されている。しかしながら、複数回の検出値の平均値に基づいてＰＭの堆積量を推定するようにしてもよい。次いで、ステップＳ２１では、推定フラグがＯＦＦに設定される。

次いで、ステップＳ２２では、ステップＳ２０において推定されたＰＭの堆積量Ｄｐｍが上述した限界堆積量Ｄｍａｘ以上であるか否かが判定される。ＰＭの堆積量Ｄｐｍが限界堆積量Ｄｍａｘ未満であると推定された場合には、ステップＳ２３へと進む。ステップＳ２３では、リッチ空燃比制御が停止され、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が通常運転時の空燃比（例えば、理論空燃比付近に維持）に設定される。次いで、ステップＳ２４では、二次空気供給装置２５からの二次空気の供給が停止せしめられ、制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、ステップＳ２２において、ＰＭの堆積量Ｄｐｍが限界堆積量Ｄｍａｘ以上であると判定された場合には、ステップＳ２５へと進み、再生フラグがＯＮに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。再生フラグは、フィルタ再生が行われているときにＯＮに設定され、それ以外のときにＯＦＦに設定されるフラグである。

次に、図９を参照して、本実施形態に係るフィルタ再生処理における具体的な制御について説明する。図９は、本実施形態に係るフィルタ再生処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔毎に実行される。

まず、ステップＳ３１では、再生フラグがＯＮになっているか否かが判定される。再生フラグは、図８のステップＳ２５においてＯＮに設定される。ステップＳ３１において、再生フラグがＯＦＦに設定されていると判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、再生フラグがＯＮに設定されていると判定された場合には、ステップＳ３２へと進む。

ステップＳ３２では、排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の温度Ｔｃが活性温度Ｔａｃｔ（例えば、３００℃）以上であるか否かが判定される。ステップＳ３２において排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の温度が活性温度Ｔａｃｔ未満であると判定された場合には、ステップＳ３３へと進み、図８のステップＳ１５と同様に排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の昇温処理が行われる。一方、ステップＳ３２において排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の温度が活性温度Ｔａｃｔ以上であると判定された場合には、ステップＳ３４へと進む。

ステップＳ３４では、フィルタ２４上のＰＭの堆積量を推定するための推定条件が成立しているか否かが判定される。ステップＳ３４における推定条件は、例えば、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比になっているときに成立し、リーン空燃比になっているときには成立しない。これにより、ＮＯｘセンサ４９の出力に基づいてＰＭの堆積量を推定することができる場合にのみ推定条件が成立することになる。

ステップＳ３４において推定条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ３５～Ｓ３７がスキップされる。一方、ステップＳ３４において推定条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ３５へと進む。ステップＳ３５では、ステップＳ１９と同様に、フィルタ２４から流出した排気ガス中のアンモニア濃度がＮＯｘセンサ４９によって検出される。次いで、ステップＳ３６では、ステップＳ２０と同様に、ステップＳ３５で推定されたアンモニア濃度に基づいて、フィルタ２４上のＰＭの堆積量が推定される。

次いで、ステップＳ３７では、ステップＳ３６において推定されたＰＭの堆積量Ｄｐｍが再生終了量Ｄｍｉｎよりも多いか否かが判定される。再生終了量Ｄｍｉｎはゼロに近い予め定められた一定値である。

ステップＳ３７において、ＰＭの堆積量Ｄｐｍが再生終了量Ｄｍｉｎよりも多いと判定された場合には、ステップＳ３８へと進む。ステップＳ３８では、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるようにリッチ空燃比制御が行われる。次いで、ステップＳ３９では、二次空気供給装置２５により二次空気が断続的に供給される。二次空気の供給周期及び供給量は、フィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比が図７に示したように変動するように設定される。

その後、ＰＭの堆積量Ｄｐｍが減少して再生終了量Ｄｍｉｎ以下になると、次の制御ルーチンではステップＳ３７からステップＳ４０へと進む。ステップＳ４０では、リッチ空燃比制御が停止され、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が通常運転時の空燃比（例えば、理論空燃比付近に維持）に設定される。次いで、ステップＳ４１では、二次空気供給装置２５からの二次空気の供給が停止せしめられる。次いで、ステップＳ４２では、再生フラグがＯＦＦに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜第二実施形態＞
次に、図１０及び図１１を参照して、第二実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置について説明する。第二実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御は、基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。したがって、以下では、第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と異なる部分を中心に説明する。

上記第一実施形態では、内燃機関を搭載した車両の運転中にフィルタ再生処理が行われる。しかしながら、フィルタ再生処理は整備工場等で行われるようにしてもよい。この場合、車両には、ドライバへフィルタ再生処理が必要である旨の警告を行う警告灯（図示せず）が設けられ、この警告灯は駆動回路４５を介してＥＣＵ３１の出力ポートに接続される。警告灯は、フィルタ２４上のＰＭの堆積量を検出すると共に検出された堆積量が限界堆積量以上であった場合に点灯せしめられる。

この場合、内燃機関の排気浄化装置は、排気管２２に二次空気供給装置を取り付けるための開口（図示せず）が設けられていれば、二次空気供給装置２５を備えていなくてもよい。フィルタ再生処理を行う際には、整備工場で排気管２２の開口に取り付けられたカバーが外されると共に、この開口に二次空気供給装置が取り付けられ、この二次空気供給装置がＥＣＵの出力ポートに接続される。その後、フィルタ再生処理が行われる。

図１０は、第二実施形態に係る堆積量推定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定の時間間隔毎に行われる。図１０のステップＳ５１～Ｓ６４は、図８のステップＳ１１～Ｓ２４と同様であるため説明を省略する。

ステップＳ６２においてＰＭの堆積量Ｄｐｍが限界堆積量Ｄｍａｘ以上であると判定された場合には、ステップＳ６５へと進む。ステップＳ６５では、フィルタ２４の再生処理が必要であることを示す警告灯が点灯せしめられ、制御ルーチンが終了せしめられる。

図１１は、第二実施形態に係るフィルタ再生処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、例えば、整備工場にて排気管２２の開口に二次空気供給装置２５が取り付けられた後に、一定時間間隔毎に実行される。

まず、ステップＳ７１では、排気浄化触媒２０の温度Ｔｃが活性温度Ｔａｃｔ以上であるか否かが判定され、活性温度Ｔａｃｔ未満である場合には、ステップＳ７２へと進み、排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の昇温処理が行われる。排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の昇温処理は、図８のステップＳ１５と同様に行われてもよいし、例えば、排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の周りに電気加熱ヒータを取り付け、この電気加熱ヒータに電力を供給することによって行われてもよい。

その後、排気浄化触媒２０及びフィルタ２４の温度Ｔｃが活性温度Ｔａｃｔ以上に上昇すると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ７１からステップＳ７３へと進む。ステップＳ７３～Ｓ８０は、基本的に図９のステップＳ３４～Ｓ４１と同様であるため、説明を省略する。

１ 機関本体
５ 燃焼室
１１ 燃料噴射弁
２０ 排気浄化触媒
２５ 二次空気供給装置
２４ パティキュレートフィルタ（フィルタ）
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４６ 触媒温度センサ
４７ フィルタ温度センサ
４８ 差圧センサ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路内に配置された触媒機能を有する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路内に配置されたパティキュレートフィルタと、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中に酸素を含む気体を供給する酸素供給装置と、前記パティキュレートフィルタから流出する排気ガス中のアンモニアの濃度に応じて出力が変化する検出装置と、前記酸素供給装置を制御すると共に前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記排気浄化触媒の温度が活性温度以上の所定の温度範囲内であって前記内燃機関の本体から排出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比である場合に、前記酸素供給装置から前記パティキュレートフィルタへ酸素を継続的又は断続的に供給するように前記酸素供給装置を制御すると共に、酸素を供給しているときの前記検出装置の出力に基づいて前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定する、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記所定の温度範囲が４００℃以上６００℃以下である、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 内燃機関の排気通路内に配置された触媒機能を有する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路内に配置されたパティキュレートフィルタと、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中に酸素を含む気体を供給する酸素供給装置と、前記パティキュレートフィルタから流出する排気ガス中のアンモニアの濃度に応じて出力が変化する検出装置と、前記酸素供給装置を制御すると共に前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記内燃機関の本体から排出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比であるときに前記排気浄化触媒において水素又はアンモニアが生成される条件下において、前記酸素供給装置から前記パティキュレートフィルタへ酸素を継続的又は断続的に供給するように前記酸素供給装置を制御すると共に、酸素を供給しているときの前記検出装置の出力に基づいて前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定する、内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記制御装置は、前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定するときには、前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの時間平均空燃比が理論空燃比となるように前記酸素供給装置に空気を供給させる、請求項１～３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記制御装置は、前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定するときには、前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が継続的に理論空燃比となるように継続的に前記酸素供給装置から酸素を供給させる、請求項１～４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記制御装置は、前記パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の堆積量を推定するときには、前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比との間で交互に変化するように且つ前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの時間平均空燃比が理論空燃比となるように、前記酸素供給装置から排気ガス中に空気を供給させる、請求項１～５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記検出装置は、前記排気ガス中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサであり、該ＮＯｘセンサは排気ガス中のＮＯｘの濃度に加えてアンモニアの濃度に応じてその出力が変化するように構成される、請求項１～６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記制御装置は、前記パティキュレートフィルタへの粒子状物質の堆積量が予め定められた量以上であるときには、前記パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を除去するフィルタ再生処理を実行する、請求項１～７のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images