JP4273911B2 - 車両の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンの排ガス中に含まれるカーボン微粒子等の粒子状物質をフィルタで捕集する車両の排気浄化装置に関する。

エンジン、特に、ディーゼルエンジンの排ガス中にはカーボン微粒子等を核とする粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）が混入しており、このＰＭを大気中に放出することなく捕集するためにディーゼルエンジンの排気系にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）システムを設けることが研究され、一部で実用化も図られている。

このＤＰＦシステムは約９割のＰＭ浄化率を有し、今後更に厳しくなるＰＭ規制への適合のためには欠かせない後処理技術であるが、フィルタで捕集したＰＭはフィルタに堆積してその量が増加していくため、これを焼却してＤＰＦを再生する必要がある。特に、ＰＭ堆積量がＰＭ堆積限界に達した場合にＰＭの燃焼が開始されると多量のＰＭが過度に燃焼してしまうことから、ＤＰＦが異常な高温となって破損する恐れがあるため、確実にＰＭをフィルタから除去してＰＭ堆積量がＰＭ堆積限界に達することがないようにする必要がある。

このため、近年、酸化触媒を利用した連続再生式ＤＰＦと呼ばれるシステムが提案されている。この連続再生式ＤＰＦは、酸化触媒で生成したＮＯ₂ を利用してフィルタに堆積したＰＭを低排ガス温度から連続的に酸化処理（燃焼）することにより、フィルタの連続再生を行うシステムである。ところが、市街地走行等のように排ガス温度の低い状態が継続するような運転条件では、この酸化触媒を用いた連続再生式ＤＰＦだけでは十分なＰＭ燃焼（酸化）が得られず、フィルタの連続再生が成立しないため、強制的にＰＭを酸化（燃焼）除去する強制再生制御が必要である。

この強制再生制御は走行中に燃料のポスト噴射、或いはバーナや電気ヒータにによる加熱等を行ってフィルタ温度をＰＭが酸化（燃焼）する温度に昇温することにより、強制的にフィルタに堆積したＰＭを酸化（燃焼）除去してフィルタを再生する制御である。例えば、特許文献１，２には、ＰＭ堆積量に応じてバーナや電気ヒータの加熱による走行時強制再生制御を行う排気浄化装置の例が開示されている。

特公平３−９２８５号公報 特開平８−２８４６４３号公報

しかしながら、このような走行時強制再生制御は極低負荷運転等、排ガス温度が大幅に低い場合には成立しないことがあり、このような運転条件が継続される場合には、更にフィルタへのＰＭ堆積量が増加し、ＰＭ堆積限界を超過してフィルタ破損に至るおそれがある。

従って、本発明は上記の問題点に鑑み、いかなる運転条件でも、ＰＭの過堆積によるフィルタ破損を発生させない車両の排気浄化装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する第１発明の車両の排気浄化装置は、エンジンの排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタへの前記粒子状物質の堆積量を検出する粒子状物質堆積量検出手段と、前記粒子状物質堆積量が所定量となった場合に警告を発する警告手段と、前記フィルタに堆積した前記粒子状物質を強制的に酸化除去して強制再生する強制再生手段と、前記粒子状物質堆積量検出手段の粒子状物質堆積量検出値に基づいて前記フィルタの強制再生制御を行う強制再生制御手段とを有し、この強制再生制御手段では、前記粒子状物質堆積量が増加して、前記粒子状物質堆積量検出値が第１設定値に達する第１の状態となったときには、車両走行時に前記強制再生手段を作動させることにより、前記フィルタを強制的に再生する走行時強制再生を行い、前記粒子状物質堆積量が更に増加して、前記粒子状物質堆積量検出値が前記第１設定値よりも高い第２設定値に達する第２の状態となったときには、停車時に前記強制再生手段を作動させることにより、前記フィルタを強制的に再生する停車時強制再生を行い、前記粒子状物質堆積量が更に増加して、前記粒子状物質堆積量検出値が前記第２設定値よりも高い第３設定値に達する第３の状態となったときには、前記警告手段を作動させて警告を発することを特徴とする。

また、第２発明の車両の排気浄化装置は、第１発明の車両の排気浄化装置において、前記強制再生制御手段では、前記第３の状態となったとき、排ガス温度を所定温度以上にならないように車両の走行制限をすることにより、前記フィルタの温度を前記所定温度以上に上げないようにすることを特徴とする。

また、第３発明の車両の排気浄化装置は、第１又は第２発明の車両の排気浄化装置において、強制再生報知手段を有し、前記強制再生制御手段では、前記第１の状態となったとき、前記強制再生報知手段を作動させて走行時強制再生を実行中であることを報知し、前記第２の状態となったとき、前記強制再生報知手段を作動させて停車時強制再生を行う必要があることを報知することを特徴とする。

また、第４発明の車両の排気浄化装置は、第１、第２又は第３発明の車両の排気浄化装置において、前記粒子状物質堆積量検出手段として、フィルタ差圧に基づいて前記粒子状物質堆積量を検出する第１検出手段と、空気過剰率が所定の閾値以下となる空気過剰率頻度とフィルタ温度が所定の閾値以上となるフィルタ温度頻度とに基づく簡易計算によって前記粒子状物質堆積量を検出する第２検出手段とを有し、前記強制再生制御手段では、前記第１検出手段で検出した第１粒子状物質堆積量と、前記第２検出手段で検出した第２粒子状物質堆積量の大きい方を選択して前記粒子状物質堆積量検出値とすることを特徴とする。

また、第５発明の車両の排気浄化装置は、第４発明の車両の排気浄化装置において、前記粒子状物質堆積量検出手段として、車両の走行距離を検出する第３検出手段を有し、前記強制再生制御手段では、前記第３検出手段で検出した走行距離が所定の走行距離に達するごとに前記強制再生制御手段を作動させて前記フィルタの強制再生を行うことを特徴とする。

第１発明の車両の排気浄化装置によれば、粒子状物質堆積量が増加して、粒子状物質堆積量検出値が第１設定値に達する第１の状態となったときには、車両走行時に前記強制再生手段を作動させることにより（ポスト噴射等）、フィルタを強制的に再生する走行時強制再生を行い、粒子状物質堆積量が更に増加して、粒子状物質堆積量検出値が第１設定値よりも高い第２設定値に達する第２の状態となったときには、停車時に強制再生手段を作動させることにより（ポスト噴射等）、フィルタを強制的に再生する停車時強制再生を行い、粒子状物質堆積量が更に増加して、粒子状物質堆積量検出値が第２設定値よりも高い第３設定値に達する第３の状態となったときには、警告手段を作動させて粒子状物質堆積量の異常を警告することを特徴とするため、エンジンの運転性能の悪化を抑制し、且つ、いかなる運転条件でも、粒子状物質の過堆積によるフィルタ破損を発生させないようにすることができる。即ち、連続再生成立の場合には強制再生制御を行わずに燃費を確保することができ、走行時強制再生と停車時強制再生の２段階の強制再生制御により、強制再生の成立性を向上させることができ、更に何れの強制再生も不成立の場合には、フィルタ保護の観点から、粒子状物質堆積量の異常警告によりディーラでのフィルタ整備を促すため、粒子状物質の過堆積によるフィルタ破損を確実に防止することができる。

また、第２発明の車両の排気浄化装置によれば、第３の状態となったとき、排ガス温度が所定温度以上にならないように車両の走行制限をすることにより、フィルタの温度を前記所定温度以上に上げないようにするため、ディーラでフィルタ整備を行う前に粒子状物質の異常燃焼が発生してフィルタの劣化や破損が生じるのを防ぐことができる。

また、第３発明の車両の排気浄化装置によれば、第１の状態となったとき、強制再生報知手段を作動させて走行時強制再生を実行中であることを報知し、第２の状態となったとき、強制再生報知手段を作動させて停車時強制再生を行う必要があることを報知するため、ドライバは容易に運転状態（走行時強制再生状態）や停車時強制再生時期を把握することができる。

また、第４発明の車両の排気浄化装置によれば、粒子状物質堆積量検出手段として、フィルタ差圧に基づいて粒子状物質堆積量を検出する第１検出手段と、空気過剰率が所定の閾値以下となる空気過剰率頻度とフィルタ温度が所定の閾値以上となるフィルタ温度頻度とに基づく簡易計算によって粒子状物質堆積量を検出する第２検出手段とを有し、第１検出手段で検出した第１粒子状物質堆積量と、第２検出手段で検出した第２粒子状物質堆積量の大きい方を選択して粒子状物質堆積量検出値とするため、より確実に強制再生時期を検出することができる。

また、第５発明の車両の排気浄化装置によれば、粒子状物質堆積量検出手段として、車両の走行距離を検出する第３検出手段を有し、第３検出手段で検出した走行距離が所定値に達するごとに強制再生制御手段を作動させてフィルタの強制再生を行うため、より確実に強制再生を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る車両の排気浄化装置の構成図、図２は前記排気浄化装置における強制再生制御の説明図、図３は前記強制再生制御におけるフェイルモード時の走行制限の説明図、図４は前記強制再生制御における強制再生開始時期の判断手順を示す説明図である。また、図５，図６及び図７は前記強制再生制御で用いるＰＭ堆積量の簡易計算手法の説明図、図８は走行時強制再生制御の説明図、図９は停車時強制再生制御の説明図である。

図１に例示するトッラクやバスなどの車両のディーゼルエンジン１は、直列４気筒エンジンであり、燃焼室内に燃料噴射を行うためのインジェクタ２が各気筒に設けられている。インジェクタ２からの燃料噴射時期や燃料噴射量はエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｕｎｉｔ）によって制御される。即ち、エンジン駆動の高圧ポンプ４から吐出される高圧燃料を、エンジンＥＣＵ３で制御される燃圧調整部５で安定化した後、コモンレール６に導き、コモンレール６から分岐された各燃料管路７を介して各インジェクタ２に供給される。そして、各インジェクタ２に備えた図示しない電磁バルブの開時期や開時間が、エンジンＥＣＵ３で演算された燃料噴射時期や燃料噴射量に基づいて制御されることにより、各インジェクタ２から各燃焼室への燃料噴射時期や燃料噴射量が制御される。

エンジンＥＣＵ３では、クランク角センサ８によるディーゼルエンジン１のクランク角検出値から求めるディーゼルエンジン１の回転数と、アクセルペダル踏込量センサ９によるアクセルペダル踏込量検出値とに基づいて燃料噴射量及び燃料噴射時期を求める。

そして、エンジンＥＣＵ３では、燃料の主噴射制御に加え、詳細は後述するが、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１０の走行時強制再生制御や停車時強制再生制御を行うため、前記主噴射後の膨張行程や排気行程で更に追加の燃料をインジェクタ２から噴射させる追加燃料噴射（ポスト噴射）の制御も行う。即ち、エンジンＥＣＵ３は強制再生制御手段としても機能する。

ディーゼルエンジン１の排気系には、排気マニホールド１２と、ターボチャージャの排ガスタービン１６と、排ガスタービン１６を介して排気マニホールド１２に接続された排気管１３と、排気管１３の途中に配備されたＤＰＦシステムである排気後処理装置１１とが設けられている。従って、ディーゼルエンジン１の燃焼室から排出された排ガスは、排気マニホールド１２、排ガスタービン１６、排気管１３、排気後処理装置１１と順に流れて大気中に放出される。

排気後処理装置１１はフィルタ１０と、フィルタ１０の前段（上流側）に配置された前段触媒１４と、フィルタ１０の後段（下流側）に配置された後段触媒１５とを有してなるものである。

フィルタ１０はＳｉＣやコージェライトなどのセラミックス製であり、多数の排ガス流路を並列状に積層してなるハニカム構造体となっており、互いに隣り合う各排ガス流路の上流側と下流側の何れか一方の端部が閉鎖され、他方の端部が開放されている。従って、排ガスは、上流側端部が開放されて下流側端部が閉鎖された排ガス流路に流入した後、これらの排ガス流路を形成する側壁を通過して、隣りの排ガス流路（上流側端部が閉鎖されて下流側端部が開放された排ガス流路）に流入し、これらの排ガス流路の下流側端部から排出される。このとき、排ガス中に含まれるカーボン粒子等の粒子状物質（ＰＭ）が、前記側壁部で捕集される。

前段触媒１４は触媒担持体２１に担持されており、触媒担持体２１は両端が開放されて排ガスを上流側から下流側へ容易に通過させることができる構造となっている。前段触媒１４はＰｔなどの酸化触媒であり、排ガス中のＮＯをＯ₂ で酸化させて高活性なＮＯ₂ を生成する。このＮＯ₂ により、低排ガス温度（例えば２５０℃程度）からフィルタ１０に堆積したＰＭを酸化除去することができ、フィルタ１０の連続再生を行うことができる。なお、必ずしも前段触媒１４を設ける場合に限定するものではなく、前段触媒１４を設けずフィルタ１０に酸化触媒を担持させた場合や、前段触媒１４とフィルタ１０に酸化触媒を担持させたものとを組み合わせた場合にも、フィルタ１０の連続再生を行うことができる。

後段触媒１５も、Ｐｔなどの酸化触媒であって触媒担持体２２に担持されており、触媒担持体２２も、両端が開放されて排ガスを上流側より下流側へ容易に通過させることができる構造となっている。後段触媒１５は、強制再生時に生じるＣＯを酸化して、ＣＯが大気中に放出されてしまうのを防止するためのものである。

また、排気後処理装置１１には差圧センサ２３、圧力センサ２４及び温度センサ２５，２６が設けられている。差圧センサ２３では、フィルタ１０の前後（上流側と下流側）における排ガスの差圧を検出してエンジンＥＣＵ３へ検出信号を出力し、圧力センサ２４では、フィルタ１０の上流側の排ガス圧力を検出してエンジンＥＣＵ３へ検出信号を出力し、温度センサ２５，２６では、フィルタ１０の上流側（前段触媒１４の下流側）の排ガス温度と、フィルタ１０の下流側（後段触媒１５の上流側）の排ガス温度とをそれぞれ検出して、エンジンＥＣＵ３へ検出信号を出力する。

排気後処理装置１１の上流側における排気管１３の途中には、エキゾーストブレーキのエキゾーストバルブ（排気絞り弁）２７が設けられており、エンジンＥＣＵ３からの制御信号に基づき、エキゾーストバルブ２７の駆動装置２８が作動して、エキゾーストバルブ２７が閉じることにより、エキゾースブレーキが働くようになっている。

排気マニホールド１２の出口部には、ターボチャージャのウエストゲートバルブ２９が設けられており、エンジンＥＣＵ３からの制御信号に基づき、ウエストゲートバルブ２９の駆動装置３０が作動してウエストゲートバルブ２９が開くことにより、排気マニホールド１２から排ガスタービン１６をバイパスして排気管１３へと排ガスを逃がすことができるようになっている。

また、ディーゼルエンジン１２には、ＮＯ_X の低減を目的として排ガス再循環装置（ＥＧＲ）３１が設けられている。ＥＧＲ３１は、排気マニホールド１２から吸気マニホールド１７へと通じる再循環配管３２と、再循環配管３２の途中に設けられた排ガス冷却器３３と、再循環配管３２の排ガス入口に設けられたＥＧＲバルブ３４とを有してなり、エンジンＥＣＵ３からの制御信号に基づき、ＥＧＲバルブ３４の駆動装置３５が作動してＥＧＲバルブ３４を開閉することにより、排ガスの再循環量を調整するようになっている。

一方、ディーゼルエンジン１の吸気系には、吸気マニホールド１７と、吸気マニホールド１７に接続された吸気管１８と、吸気管１８の途中に配備されたインタークーラ２０と、吸気管１８の途中に配備され排ガスタービン１６によって回転駆動されるターボチャージャのコンプレッサ１９とが設けられている。従って、吸気は吸気管１８、インタークーラ２０、吸気マニホールド１７とを順に流れて、ディーゼルエンジン１の燃焼室に吸入される。

また、吸気管１８にはエアフローセンサ３６が設けられている。エアフローセンサ３６では、吸入されてディーゼルエンジン１２の各燃焼室へと供給される吸入空気量を検出して、エンジンＥＣＵ３へ検出信号を出力する。更に、吸気管１８の途中には吸気絞り弁３７が設けられており、エンジンＥＣＵ３からの制御信号に基づき、吸気絞り弁３７の駆動装置３８が作動して吸気絞り弁３７が開閉することにより、前記吸入空気量を調整することができるようになっている。

また、車室内のインストルメントパネル３９には、走行時強制再生を実行中であることなどをドライバに報知する強制再生報知手段としての強制再生ランプ４０と、ＰＭ堆積量の異常など何らかの異常があったことをドライバに警告するフェールランプ４１と、ドライバが手動操作してエンジンＥＣＵ３に停車時強制再生の開始を指示するための強制再生開始スイッチ４２とが設けられている。強制再生ランプ４０及びフェールランプ４１の点灯／消灯は、エンジンＥＣＵ３からの制御信号によって制御される。強制再生スイッチ４２の操作信号は、エンジンＥＣＵ３へ出力される。

また、エンジンＥＣＵ３では、車速を検出する車速センサ４３の検出信号、パーキングブレーキのＯＮ／ＯＦＦ状態などを検出するブレーキセンサ４４の検出信号、ギヤのニュートラル状態などを検出するギヤ位置センサ４５の検出信号、クラッチの接続状態を検出するクラッチセンサ４６の検出信号なども入力するようになっている。

ここで、図２〜図９に基づき、フィルタ１０の強制再生制御について説明する。

図２に示すグラフは横軸が車両の走行距離又は走行時間、縦軸がフィルタ１０のＰＭ堆積量である。図２において、（１）は比較的負荷の高い走行で排ガス温度が高いため（例えば２５０℃以上）、フィルタ１０の連続再生が成立している状態を示している。このときには、前段触媒１４によるフィルタ１０の連続再生が十分に行われることにより、ＰＭ排出量とＰＭ燃焼量のバランスがとれるため、ＰＭ堆積量は増加せずに比較的低いレベルでほぼ一定している。従って、このときには強制再生は不要であり、通常運転を行う。

一方、市街地走行等のように比較的低負荷で排ガス温度の低い状態が継続するような運転条件では、酸化触媒を用いた連続再生だけでは十分なＰＭ燃焼（酸化）が得られず、フィルタ１０の連続再生が成立しないことがあり、この場合には、（２）のように走行距離（時間）の増加に応じてＰＭ堆積量が増加してしまう。

そこで、エンジンＥＣＵ３では、（２）のようにＰＭ堆積量が増加して、ＰＭ堆積量検出手段（詳細後述）によるＰＭ堆積量検出値が第１設定値Ａに達する第１の状態となったときには（Ａ１参照）、車両走行時に強制再生手段（詳細後述）を作動させることにより、即ち、エンジンＥＣＵ３による燃料のポスト噴射制御などを行うことにより（詳細後述）、フィルタ１０を強制的に再生する走行時強制再生制御を行う。その結果、ＰＭ堆積量は（３）のように低下する。その後も運転状態に変化がなければ再びＰＭ堆積量が増加するため、同様に走行時強制再生制御が繰り返される（Ａ２、Ａ３参照）。なお、この場合の走行時とはエンジン１が負荷状態の場合だけに限らず、アイドリング状態（エンジン１が無負荷状態で空転している状態）の場合も含む。

また、この走行時強制再生の際、エンジンＥＣＵ３では、ＰＭ堆積量検出値が第１設定値Ａに達した時点で強制再生ランプ４０を点灯させることにより（走行時強制再生が終了するまで点灯させることにより）、ドライバに走行時強制再生を実施中であることを報知する。

そして更には、極低負荷運転等、排ガス温度が大幅に低い場合には走行時強制再生が成立しないことがあり、このような運転条件が継続される場合には、（４）のように更にフィルタ１０へのＰＭ堆積量が増加する。

そこで、エンジンＥＣＵ３では、（４）のようにＰＭ堆積量が更に増加して、前記ＰＭ堆積量検出手段によるＰＭ堆積量検出値が第１設定値Ａよりも高い第２設定値Ｂに達する第２の状態となったときには（Ｂ１参照）、停車時に前記強制再生手段を作動させることにより、即ち、停車時にエンジンＥＣＵ３による燃料のポスト噴射制御などを行うことにより（詳細後述）、フィルタ１０を強制的に再生する停車時強制再生制御を行う。

この停車時強制再生は走行時強制再生の場合のように自動的に開始するのではなく、手動で開始される。即ち、エンジンＥＣＵ３では、ＰＭ堆積量検出値が第２設定値Ｂに達した時点で強制再生ランプ４０を点滅させることにより、停車時強制再生を行う必要があることをドライバに報知する。そして、ドライバは強制再生ランプ４０の点滅を確認すると、車両を安全な場所に停車させ（エンジンは作動状態）、強制再生開始スイッチ４２を手動操作する（例えば押す）。

その結果、強制再生開始スイッチ４２からエンジンＥＣＵ３へ操作信号が出力されて停車時強制再生の開始が指示され、この指示に基づいてエンジンＥＣＵ３では停車時強制再生制御を行う。この停車時強制再生により、ＰＭ堆積量は（５）のように低下する。その後も運転状態に変化がなければ再びＰＭ堆積量が増加するため、同様に停車時強制再生制御が繰り返される。

なお、この第２の状態において、エンジンＥＣＵ３では、確実に停車時に強制再生を行うようにするため、停車判断条件（アクセルペダル踏込量センサ９によって検出されるアクセルペダル踏込量が０、車速センサ４３によって検出される車速が０、ブレーキセンサ４４によって検出されるパーキングブレーキの状態がＯＮ（ブレーキ作動状態）、ギヤセンサ４５によって検出されるギヤ状態がニュートラル）を満足し、且つ、その後に強制再生開始スイッチ４２が操作されたときに停車時強制再生を開始する。

これらの停車判断条件の何れか１つの条件が満足しているときに停車状態であると判断してもよく、より確実には複数（全部の場合も含む）の条件が満足しているときに停車状態であると判断してもよい。更には、クラッチセンサ４によって検出されるクラッチ状態が接続状態であること、即ち、ドライバがクラッチペダルを踏み込んでいないことを確認することも、判断条件に加えてもよい。これにより、ドライバが車両を走行させようとしていないことを、より確実に確認することができる。

更に、ドライバが強制再生開始スイッチ４２を操作しないことなどにより停車時強制再生が行われないときや、停車時強制再生が不十分であるときなどには、（６）のように更にフィルタ１０へのＰＭ堆積量が増加してＰＭ過堆積状態となることもある。

そこで、エンジンＥＣＵ３では、（６）のようにＰＭ堆積量が更に増加して、前記ＰＭ堆積量検出手段によるＰＭ堆積量検出値が第２設定値Ｂよりも高い第３設定値Ｃに達する第３の状態となったときには（Ｃ１参照）、警告手段としてのフェールランプ４１と強制再生ランプ４０とを点灯させすることにより、ドライバにＰＭ堆積量の異常を警告する。

ドライバはフェールランプ４１と強制再生ランプ４０の点灯（ＰＭ堆積量の異常警告）を確認すると、車両を運転してディーラへと運び、ディーラでのフィルタ整備を依頼して、確実なフィルタ１０の再生処理を実施する。この場合、ＰＭが堆積している当該フィルタの再生処理が完了するのを待つのではなく、当該フィルタと、既に再生処理済みの他のフィルタと交換するようにしてもよい。

また、エンジンＥＣＵ３では、第３の状態となったとき、排ガス温度が所定温度（例えば４００℃）以上にならないように車両の走行制限をして、フィルタ１０の温度を前記所定温度以上に上げないようにする。第３の状態では、ＰＭ堆積限界には達していないものの、ＰＭ過堆積状態であるため、排ガス温度が高温になってフィルタ１０の温度が高くなると、フィルタ１０に堆積しているＰＭが一気に燃焼してフィルタ１０の劣化や破損を招くおそれがあるためである。このときの走行制限としては、例えば、第３の状態のときにアクセルペダル踏込量の入力信号を制限するフィルタを設けることや、燃料噴射量の上限値を規定することなどによって燃料噴射量を制限することにより、図３に示すように負荷（トルクτ）とエンジン回転数Ｎｅとを制限して、排ガス温度（フィルタ温度）を前記所定温度以下に制限する。

ＰＭ堆積限界Ｄは、ＰＭの燃焼によりＤＰＦが異常な高温となって破損する恐れがある限界のＰＭ堆積量であり、フィルタ１０の材質などによって決まる。

図４〜図９に基づき、本実施の形態の強制再生制御について更に詳述する。

まず、図４に基づき、強制再生時期の検知について説明する。図４に示すようにＰＭ堆積量検出手段としては、フィルタ差圧に基づいてＰＭ堆積量を検出する第１検出手段と、空気過剰率とフィルタ温度とに基づく簡易計算によってＰＭ堆積量を検出する第２検出手段と、車両の走行距離を検出する第３検出手段とがある。

詳述すると、図４に示すようにエンジンＥＣＵ３では、まず、差圧センサ２３によって検出されるフィルタ１０の上流側と下流側の差圧（フィルタ差圧）に基づいて第１ＰＭ堆積量を求め（ステップＳ１，Ｓ２：フィルタ差圧によるＰＭ堆積量の計算手法の詳細は後述）、且つ、空気過剰率が所定の閾値以下となる空気過剰率頻度とフィルタ温度が所定の閾値以上となるフィルタ温度頻度とに基づく簡易計算によって第２ＰＭ堆積量を求める（ステップＳ３，Ｓ４：簡易計算手法の詳細は後述）。

そして、第１ＰＭ堆積量と第２ＰＭ堆積量の大きい方を選択し（ステップＳ５）、選択された第１ＰＭ堆積量又は第２ＰＭ堆積量と、第１設定値Ａ、第２設定値Ｂ及び第３設定値Ｃとを比較することにより、第１ＰＭ堆積量又は第２ＰＭ堆積量が、第１設定値Ａ、第２設定値Ｂ又は第３設定値Ｃに達したと判定したときには（ステップＳ６）、走行時強制再生を開始もしくは停車時強制再生を促すとともに（ステップＳ７）、ＰＭ堆積量の異常警告のためにフェールランプ４１及び強制再生ランプ４０を点灯する。

フィルタ差圧に基づいてＰＭ堆積量を求める手法は比較的確実性の高いものであり、ＰＭ堆積量検出手段として望ましいものではあるが、連続再生時にはフィルタ１０の中央部と外周部でＰＭの酸化除去状態に差が生じてＰＭ堆積量とフィルタ差圧との相関が悪化することがあり、その結果、ＰＭ堆積量の検出値が実際よりも少なくなることがある。このため、上記のようにフィルタ差圧による第１ＰＭ堆積量と、簡易計算による第２ＰＭ堆積量の大きい方を選択する構成としている。

更に、図４に示すようにエンジンＥＣＵ３では、図示しない走行距離計などの走行距離計測手段によって計測する走行距離が、所定値に達するごとに強制再生（走行時強制再生又は停車時強制再生）を繰り返し行う（ステップＳ６，Ｓ７）。この強制再生は、上記のような第１ＰＭ堆積量又は第２ＰＭ堆積量と第１設定値Ａ及び第２設定値Ｂとの比較結果に基づいて実施される強制再生とは別に実施する。

走行距離に基づいてＰＭ堆積量を推定（検出）することは、比較的精度は低いが、確実性が高いため、所定の走行距離に達するごとに強制再生を行うことは有効である。フィルタの強制再生を繰り返し行うことによって上述の第１検出手段及び第２検出手段により算出されたＰＭ堆積量の値に誤差が生じてしまうことは不可避であるが、走行距離が所定値に達するごとに強制再生を行うことにより、その誤差分をリセットすることができ、第１及び第２検出手段により適正なＰＭ堆積量の値を得ることができる。

次に、図５〜図７に基づき、ＰＭ堆積量の簡易計算手法について説明する。図５及び次式に示すように今回（現在）のＰＭ堆積量ＰＭ２（ｇ／Ｌ）は、前回求めたＰＭ堆積量ＰＭ１（ｇ／Ｌ）に、その後のΔｔ時間の間に堆積するＰＭ堆積量ΔＰＭを加えることによって求める。

ＰＭ２＝ＰＭ１＋ΔＰＭ
＝ＰＭ１＋（ＰＭ排出量−ＰＭ燃焼量）
＝ＰＭ１＋（ａ・Δｔ−ｂ・ＰＭ１・Δｔ）
＝ＰＭ１＋Δｔ（ａ−ｂ・ＰＭ１）

ＰＭ堆積量ΔＰＭは、上式のようにΔｔ時間の間のＰＭ排出量とＰＭ燃焼量との差（ＰＭ排出量−ＰＭ燃焼量）によって求めることができる。ＰＭ排出量とは、ディーゼルエンジン１から排出されるＰＭ量であり、ＰＭ燃焼量とは、連続再生などにより、フィルタ１０から酸化（燃焼）除去されるＰＭ量である。

ＰＭ排出量は、上式のようにＰＭ排出率ａ（ｇ／ｈ）にΔｔを掛けることによって求める。ＰＭ排出率ａと、Δｔ時間の間に空気過剰率λが閾値以下となる頻度（空気過剰率頻度：λ頻度）との間には、図６（ａ）に示すようにλ頻度の増加に応じてＰＭ排出率ａも増加するような相関がある。

空気過剰率λは、エアフローセンサ３６で検出される吸入空気量Ｑａと、アクセルペダル踏込量センサ９によって検出されるアクセルペダル踏込量から求める燃料噴射量Ｑｆとに基づき、次式から求める。

λ＝Ｑａ／（Ｑｆ・１４．７）

そして、Δｔ時間の間にこの空気過剰率λが所定の閾値以下となるλ頻度を求め（例えばΔｔ時間の間に１０回に対して３回閾値以下となればλ頻度は３／１０）、このλ頻度と、予め実験などで求めてエンジンＥＣＵ３のメモリなどに設定（記憶）しておいた図６（ａ）のようなλ頻度とＰＭ排出率ａとの相関マップとに基づき、ＰＭ排出率ａを求め、このＰＭ排出率ａを用いて上記のようにＰＭ排出量を求める。

一方、ＰＭ燃焼量は、上式のようにＰＭ燃焼率係数ｂに前回のＰＭ堆積量ＰＭ１とΔｔとを掛けることによって求める。即ち、ＰＭ燃焼率係数ｂとＰＭ堆積量ＰＭ１と掛けることよってＰＭ燃焼率（ｇ／ｈ）を求め、このＰＭ燃焼率にΔｔを掛けることによってＰＭ燃焼量を求める。ＰＭ燃焼率係数ｂと、Δｔ時間の間にフィルタ１０の温度が閾値以上となる頻度（フィルタ温度頻度）との間には、図６（ｂ）に示すようにフィルタ温度頻度の増加に応じてＰＭ燃焼率係数ｂも増加するような相関がある。

排ガス温度をフィルタ温度とみなすことができるため、ここでは温度センサ２５で検出されるフィルタ１０の上流側の排ガス温度をフィルタ１０の温度としている。そして、Δｔ時間の間にこのフィルタ温度が閾値以上となるフィルタ温度頻度を求め（例えばΔｔ時間の間に１０回比較して３回閾値以上となればフィルタ温度頻度は３／１０）、このフィルタ温度頻度と、予め実験などで求めてエンジンＥＣＵ３のメモリなどに設定（記憶）しておいた図６（ｂ）のようなフィルタ温度頻度とＰＭ燃焼率係数ｂとの相関マップとに基づき、ＰＭ燃焼率係数ｂを求め、このＰＭ燃焼率係数ｂを用いて上記のようにＰＭ燃焼量を求める。

フィルタ１０に堆積したＰＭは、通常、例えば６００℃程度の高温で酸素により酸化（燃焼）除去が可能であるが、前段触媒１４などの酸化触媒を用いた連続再生においては、例えば２５０℃程度の低温でも、ＰＭの酸化（燃焼）除去が可能である。このため、ここではフィルタ温度に対する閾値を、例えば２５０℃とする。

簡易計算手順は図７に示すとおりである。即ち、まず、ディーゼルエンジン１の空気過剰率λとフィルタ１０のフィルタ温度Ｔｆとを求め（ステップＳ１１，Ｓ１２）、これらの空気過剰率λ及びフィルタ温度Ｔｆとそれぞれの閾値とからΔｔ時間の間のλ頻度とフィルタ温度頻度を求める（ステップＳ１３）。その後、λ頻度と相関マップからＰＭ排出率ａを求め（ステップＳ１４）、且つ、フィルタ温度頻度と相関マップからＰＭ燃焼率係数ｂを求める（ステップＳ１５）。

続いて、ＰＭ排出率ａからΔｔ時間の間のＰＭ排出量を求め（ステップＳ１６）、且つ、ＰＭ燃焼率係数ｂと前回のＰＭ堆積量ＰＭ１とからΔｔ時間の間のＰＭ燃焼量を求める（ステップＳ１７）。そして、これらのＰＭ排出量とＰＭ燃焼量との差からΔｔ時間の間のＰＭ堆積量ΔＰＭを求め（ステップＳ１８）、このＰＭ堆積量ΔＰＭと、前回のＰＭ堆積量ＰＭ１とから今回（現在）のＰＭ堆積量ＰＭ２を求める（ステップＳ１９）。なお、この場合、前回のＰＭ堆積量ＰＭ１の初期値は、例えば０とする。

次に、フィルタ差圧によるＰＭ堆積量の計算手法について説明する。フィルタ差圧ΔＰに基づき、次式から、ＰＭ堆積量ＰＭｆを算出することができる。

ΔＰ＝Ｃ・μ・Ｑ^α
＝（Ｃ₁・（ＰＭｆ＋ａ））・μ・Ｑ^α
Ｃ₁・（ＰＭｆ＋ａ）＝ΔＰ／（μ・Ｑ^α ）
ＰＭｆ＝（１／Ｃ₁ ）（ΔＰ／（μ・Ｑ^α ））−ａ

ここで、フィルタ差圧ΔＰは、差圧センサ２３によるフィルタ差圧検出値を用いる。μは粘度係数であり、排ガス温度Ｔの関数（μ＝ｆ（Ｔ））として求めることができる。Ｑは排ガス流量であり、次式より算出する。Ｃ，Ｃ₁ ，α，ａは実験により求めた定数である。

Ｑ＝ＭＲＴ／Ｐ
ここで、Ｍ：排気質量流量
Ｒ：ガス定数
Ｔ：フィルタ温度
Ｐ：フィルタ入口温度 である。

次に、図８に基づき、走行時強制再生制御について説明する。図８において横軸は時間、縦軸は前段触媒出口温度（フィルタ入口温度）であり、低速走行時を想定している。なお、前段触媒１４の出口温度（フィルタ１０の入口温度）は、温度センサ２５によって検出される。

図８に示すように本実施の形態では、走行時強制再生の際に単に燃料のポスト噴射を行うのではなく、吸気絞りなどの排ガス昇温手段により排ガス温度を高めて前段触媒の活性化を行う。

詳述すると、図８の（１）の時点でＰＭ堆積量の検出値が第１設定値Ａに達して走行時強制再生の時期が検知されると、比較的噴射時期の早いポスト噴射であるアーリーポスト噴射を開始する。そして、（１）の時点から（２）の時点までのエンジン条件Ａの領域では、吸気絞り弁３７を閉じて吸気絞りを行うことにより吸気量を低減すること（但し、アイドリング時は除く）、ウエストゲートバルブ２９を開いて吸気量を低減すること、主噴射の燃料噴射量を増やしてアイドリング時のエンジン回転数（アイドリング回転数）を上昇させること等により、前段触媒１４を通過する排ガスの温度を上昇させて前段触媒１４を触媒活性温度（例えば２５０℃）まで上昇させる。

（２）の時点で温度センサ２５の検出値から、前段触媒出口温度が２５０℃に達したことを確認したら、ポスト噴射のタイミングなどが設定されたポストマップを切り替えて、アーリーポスト噴射から、比較的噴射時期の遅いポスト噴射であるレイトポスト噴射１に切り替える。

（２）の時点から（５）の時点までのエンジン条件Ｂの領域でも、吸気絞り弁３７を閉じて吸気絞りを行うこと、ウエストゲートバルブ２９を開いて吸気量を低減すること、ＥＧＲバルブ３４を閉じてＥＧＲカット（排ガス再循環量の低減）等をすることにより、排ガス温度を上昇させる。

前段触媒出口温度が上昇して、温度センサ２５の前段触媒出口温度検出値が所定値（例えば６００℃）に達したことを確認したら、この前段触媒出口温度検出値をフィードバックして、前段触媒出口温度（フィルタ入口温度）を前記所定温度に維持するようにポスト噴射量を制御しフィードバック制御を行う。

６００℃に達した時点から（５）の時点までの酸素供給量（吸入空気量）の積算値が所定値に達したことを確認したら、レイトポスト噴射を終了、即ち、走行時強制再生を終了する。

次に、図９に基づき、停車時強制再生制御について説明する。図９において横軸は時間、縦軸はエンジン回転数である。エンジン回転数はクランク角センサ８の検出値に基づいて得られる。

図９に示すように本実施の形態では、停車時強制再生の際にすぐにポスト噴射を開始するのではなく、吸気絞りなどの排ガス昇温手段により排ガス温度を高めてプレヒート（前段触媒の活性化）を行った後にポスト噴射を行う。

図９の（１）の時点でＰＭ堆積量の検出値が第２設定値Ｂに達して強制再生開始スイッチ４２が手動操作されると、主噴射の燃料噴射量を増やしてアイドリング回転数を所定回転数まで上昇させ、（２）の時点で前記所定回転数に達したことを確認したら、プレヒートが終了する（３）の時点までこのアイドリング回転数を維持する。このことにより、前段触媒１４を通過する排ガスの温度を上昇させる。また、（１）の時点から（３）の時点までのエンジン条件Ａの領域では、吸気絞り弁３７を閉じて吸気絞りを行うことにより吸気量を低減すること、ウエストゲートバルブ２９を開いて吸気量を低減すること、エキゾーストバルブ２７を閉じて排ガス量を絞ることによっても、前段触媒１４を通過する排ガスの温度を上昇させる。

このことにより、前段触媒１４は加熱（プレヒート）されて活性化される。（３）の時点で温度センサ２５の検出値から、前段触媒１４の温度（前段触媒出口温度）が触媒活性温度（例えば２５０℃）まで上昇したことを確認したら、更にアイドリング回転数を所定回転数まで上昇させた時点（（４）の時点）でレイトポスト噴射を開始する。その結果、活性化された前段触媒１４では、ポスト噴射によって前段触媒１４に供給される未燃の燃料の酸化が促進され、その酸化熱によってフィルタ１０に堆積したＰＭが酸化（燃焼）して除去される。レイトポスト噴射は（５）の時点まで継続する。

この（３）の時点から（５）の時点までのエンジン条件Ｂの領域では、アイドリング回転数を上記のような高回転数で一定に維持するだけでなく、吸気絞り弁３７を閉じて吸気絞りを行うこと、ウエストゲートバルブ２９を開いて吸気量を低減することによっても、排ガス温度を昇温し、前段触媒出口温度（フィルタ入口温度）を所定温度（例えば６００℃）に維持する。なお、この場合、走行時強制再生の場合と同様のフィードバック制御を行ってもよい。

（４）の時点から（５）の時点までの酸素供給量（吸入空気量）の積算値が所定値に達したことを確認したら、レイトポスト噴射を終了、即ち、停車時強制再生を終了する。その後、アイドリング回転数は元の低い回転数に戻す。

以上のように本実施の形態によれば、連続再生成立の場合には強制再生制御を行わずに燃費を確保することができ、走行時強制再生と停車時強制再生の２段階の強制再生制御により、強制再生の成立性を向上させることができ、更に何れの強制再生も不成立の場合には、フィルタ保護の観点から、ＰＭ堆積量の異常警告によりディーラでのフィルタ整備を促すため、ＰＭの過堆積によるフィルタ破損を確実に防止することができる。

また、本実施の形態によれば、第３の状態となったとき、排ガス温度が所定温度以上にならないように車両の走行制限をすることにより、フィルタ１０の温度を前記所定温度以上に上げないようにするため、ディーラでフィルタ整備を行う前にＰＭの異常燃焼が発生してフィルタ１０が劣化や破損が生じるのを防ぐことができる。

本発明はエンジンの排ガス中に含まれるカーボン微粒子等の粒子状物質をフィルタで捕集する車両の排気浄化装置に関するものであり、特に、捕集されてフィルタに堆積した粒子状物質を酸化触媒により生成したＮＯ₂ を利用して酸化除去することよりフィルタの連続再生を行う車両の排気浄化装置に適用して有用なものである。

本発明の実施の形態に係る車両の排気浄化装置の構成図である。 前記排気浄化装置における強制再生制御の説明図である。 前記強制再生制御におけるフェイルモード時の走行制限の説明図である。 前記強制再生制御における強制再生開始時期の判断手順を示す説明図である。 前記強制再生制御で用いるＰＭ堆積量の簡易計算手法の説明図である。 前記強制再生制御で用いるＰＭ堆積量の簡易計算手法の説明図である。 前記強制再生制御で用いるＰＭ堆積量の簡易計算手法の説明図である。 走行時強制再生制御の説明図である。 停車時強制再生制御の説明図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ インジェクタ
３ エンジンＥＣＵ
４ 高圧ポンプ
５ 燃圧調整部
６ コモンレール
７ 燃料管路
８ クランク角センサ
９ アクセルペダル踏込量センサ
１０ ディーゼルエンジンパティキュレートフィルタ
１１ 排気後処理装置
１２ 排気マニホールド
１３ 排気管
１４ 前段触媒
１５ 後段触媒
１６ 排ガスタービン
１７ 吸気マニホールド
１８ 吸気管
１９ コンプレッサ
２０ インタークーラ
２１，２２ 触媒担持体
２３ 差圧センサ
２４ 圧力センサ
２５，２６ 温度センサ
２７ エキゾーストバルブ
２８ 駆動装置
２９ ウエストゲートバルブ
３０ 駆動装置
３１ ＥＧＲ
３２ 再循環配管
３３ 排ガス冷却器
３４ ＥＧＲバルブ
３５ 駆動装置
３６ エアフローセンサ
３７ 吸気バルブ
３８ 駆動装置
３９ インストルメントパネル
４０ 強制再生ランプ
４１ フェールランプ
４２ 強制再生開始スイッチ
４３ 車速センサ
４４ ブレーキセンサ
４５ ギヤセンサ
４６ クラッチセンサ

Claims (5)

1. エンジンの排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記フィルタへの前記粒子状物質の堆積量を検出する粒子状物質堆積量検出手段と、
   前記粒子状物質堆積量が所定量となった場合に警告を発する警告手段と、
   前記フィルタに堆積した前記粒子状物質を強制的に酸化除去して強制再生する強制再生手段と、
   前記粒子状物質堆積量検出手段の粒子状物質堆積量検出値に基づいて前記フィルタの強制再生制御を行う強制再生制御手段とを有し、
   この強制再生制御手段では、
   前記粒子状物質堆積量が増加して、前記粒子状物質堆積量検出値が第１設定値に達する第１の状態となったときには、車両走行時に前記強制再生手段を作動させることにより、前記フィルタを強制的に再生する走行時強制再生を行い、
   前記粒子状物質堆積量が更に増加して、前記粒子状物質堆積量検出値が前記第１設定値よりも高い第２設定値に達する第２の状態となったときには、停車時に前記強制再生手段を作動させることにより、前記フィルタを強制的に再生する停車時強制再生を行い、
   前記粒子状物質堆積量が更に増加して、前記粒子状物質堆積量検出値が前記第２設定値よりも高い第３設定値に達する第３の状態となったときには、前記警告手段を作動させて警告を発することを特徴とする車両の排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の車両の排気浄化装置において、
   前記強制再生制御手段では、前記第３の状態となったとき、排ガス温度が所定温度以上にならないように車両の走行制限をすることにより、前記フィルタの温度を前記所定温度以上に上げないようにすることを特徴とする車両の排気浄化装置。
3. 請求項１又は２に記載の車両の排気浄化装置において、
   強制再生報知手段を有し、
   前記強制再生制御手段では、前記第１の状態となったとき、前記強制再生報知手段を作動させて走行時強制再生を実行中であることを報知し、前記第２の状態となったとき、前記強制再生報知手段を作動させて停車時強制再生を行う必要があることを報知することを特徴とする車両の排気浄化装置。
4. 請求項１、２又は３に記載の車両の排気浄化装置において、
   前記粒子状物質堆積量検出手段として、フィルタ差圧に基づいて前記粒子状物質堆積量を検出する第１検出手段と、空気過剰率が所定の閾値以下となる空気過剰率頻度とフィルタ温度が所定の閾値以上となるフィルタ温度頻度とに基づく簡易計算によって前記粒子状物質堆積量を検出する第２検出手段とを有し、
   前記強制再生制御手段では、前記第１検出手段で検出した第１粒子状物質堆積量と、前記第２検出手段で検出した第２粒子状物質堆積量の大きい方を選択して前記粒子状物質堆積量検出値とすることを特徴とする車両の排気浄化装置。
5. 請求項４に記載の車両の排気浄化装置において、
   前記粒子状物質堆積量検出手段として、車両の走行距離を検出する第３検出手段を有し、
   前記強制再生制御手段では、前記第３検出手段で検出した走行距離が所定の走行距離に達するごとに前記強制再生制御手段を作動させて前記フィルタの強制再生を行うことを特徴とする車両の排気浄化装置。

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