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WO2018193833A1 - 内燃機関の排気処理装置 - Google Patents

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WO2018193833A1
WO2018193833A1 PCT/JP2018/014255 JP2018014255W WO2018193833A1 WO 2018193833 A1 WO2018193833 A1 WO 2018193833A1 JP 2018014255 W JP2018014255 W JP 2018014255W WO 2018193833 A1 WO2018193833 A1 WO 2018193833A1
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WO
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air
fuel ratio
internal combustion
combustion engine
exhaust
Prior art date
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PCT/JP2018/014255
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English (en)
French (fr)
Inventor
まりえ 堀川
Original Assignee
株式会社デンソー
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Publication date
Application filed by 株式会社デンソー filed Critical 株式会社デンソー
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    • F01N2430/00—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics
    • F01N2430/06—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics by varying fuel-air ratio, e.g. by enriching fuel-air mixture
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present disclosure relates to an exhaust treatment device for an internal combustion engine, and more particularly, to an exhaust treatment device for an internal combustion engine including a three-way catalyst and a particle filter as an exhaust purification device for purifying exhaust gas.
  • Patent Document 1 discloses that lean combustion is performed for regeneration of a particle filter in a stoichiometric engine. During stoichiometric combustion, the amount of oxygen contained in the exhaust of the engine is very small. Therefore, in the one described in Patent Document 1, oxygen necessary for combustion removal of PM is supplied to the particle filter by performing lean combustion. Like to do.
  • the present disclosure has been made in view of the above problems, and provides an exhaust treatment device for an internal combustion engine capable of burning and removing particulate matter collected by a particle filter while suppressing deterioration of exhaust emission.
  • an exhaust treatment device for an internal combustion engine capable of burning and removing particulate matter collected by a particle filter while suppressing deterioration of exhaust emission.
  • the present disclosure employs the following means in order to solve the above problems.
  • the present disclosure is applied to an internal combustion engine in which an exhaust passage is provided with a three-way catalyst that oxidizes or reduces components contained in exhaust and a particulate filter that collects particulate matter contained in the exhaust.
  • the present invention relates to an exhaust treatment device that burns and removes the particulate matter collected by the particle filter when a condition is satisfied.
  • the amount of nitrogen oxides discharged from the internal combustion engine is equal to or less than a predetermined allowable emission value during the period of combustion removal of the particulate matter collected by the particle filter.
  • An air-fuel ratio control unit that controls the air-fuel ratio of the internal combustion engine is provided.
  • the air-fuel ratio is controlled so that the amount of nitrogen oxides discharged from the internal combustion engine is less than or equal to the allowable emission value.
  • the emission of nitrogen oxides can be suppressed. Thereby, it is possible to burn and remove the particulate matter collected by the particle filter while suppressing the deterioration of the exhaust emission.
  • FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of an engine control system
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the engine exhaust NOx amount and the air-fuel ratio
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method for setting the combustion A / F value during regeneration.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure of the filter regeneration processing according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing an engine operation region in which filter regeneration can be performed.
  • FIG. 6 is a diagram showing the engine exhaust NOx amount according to the engine load.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the oxygen concentration and the PM combustion rate, FIG.
  • FIG. 8 is a time chart showing a specific aspect of the filter regeneration processing of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a post-injection control process.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a processing procedure of the filter regeneration processing according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a time chart showing a specific aspect of the filter regeneration processing of the second embodiment.
  • FIG. 12 is a flowchart showing the processing procedure of the filter regeneration processing of the third embodiment.
  • FIG. 13 is a time chart showing the processing procedure of the filter regeneration processing of the third embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the maximum injection amount in the post injection,
  • FIG. 15 is a flowchart illustrating a processing procedure of the filter regeneration processing according to the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a time chart showing the processing procedure of the filter regeneration processing of the fourth embodiment.
  • the present embodiment is an in-vehicle multi-cylinder four-cycle gasoline engine that is an internal combustion engine, and an engine control system is constructed for an in-cylinder injection and spark ignition engine.
  • an electronic control unit hereinafter referred to as ECU
  • FIG. 1 shows an overall schematic configuration diagram of the engine control system.
  • the intake pipe 11 is provided with a throttle valve 14 whose opening degree is adjusted by a throttle actuator 13 such as a DC motor.
  • the opening of the throttle valve 14 (throttle opening) is detected by a throttle opening sensor built in the throttle actuator 13.
  • a surge tank 15 is provided on the downstream side of the throttle valve 14, and an intake pipe pressure sensor 16 for detecting the intake pipe pressure is provided in the surge tank 15.
  • An intake manifold 17 that introduces air into each cylinder of the engine 10 is connected to the surge tank 15.
  • the intake manifold 17 is connected to the intake port of each cylinder.
  • the intake port 18 and the exhaust port 19 of the engine 10 are provided with an intake valve 18 and an exhaust valve 19, respectively.
  • the air in the surge tank 15 is introduced into the combustion chamber 21 by the opening operation of the intake valve 18, and the exhaust gas after combustion is discharged to the exhaust pipe 22 by the opening operation of the exhaust valve 19.
  • the opening / closing timing (valve timing) of the intake valve 18 and the exhaust valve 19 is variably controlled by the variable valve timing device 20.
  • a fuel injection valve 23 for directly supplying fuel into the combustion chamber 21 is attached to the upper part of each cylinder of the engine 10.
  • the fuel injection valve 23 is connected to the fuel tank via a fuel pipe (not shown).
  • the fuel in the fuel tank is supplied to the fuel injection valve 23 of each cylinder, and is injected from the fuel injection valve 23 into the combustion chamber 21.
  • a spark plug 24 is attached to the cylinder head of the engine 10.
  • a high voltage is applied to the ignition plug 24 at a desired ignition timing through an ignition device 25 including an ignition coil.
  • an ignition device 25 including an ignition coil.
  • a spark discharge is generated between the opposing electrodes of each spark plug 24, and the mixture of fuel and intake air in the combustion chamber 21 is ignited and used for combustion.
  • the combustion control of the engine 10 is performed with an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke as one combustion cycle.
  • the exhaust pipe 22 is provided with a three-way catalyst 26 and a GPF (gasoline particulate filter) 27 as an exhaust purification device for purifying exhaust.
  • the three-way catalyst 26 is a catalyst for oxidizing or reducing carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), and nitrogen oxide (NOx), which are components in the exhaust.
  • the GPF 27 is a filter device that collects particulate matter (PM) in the exhaust gas, and is provided on the downstream side of the three-way catalyst 26.
  • the GPF 27 is a filter with a catalyst coat on which an oxidation catalyst (for example, Pt) is coated.
  • upstream and downstream of the three-way catalyst 26 are provided oxygen concentration sensors that detect the oxygen concentration of the air-fuel mixture using exhaust as a detection target.
  • a linear detection type A / F sensor 28 is arranged upstream of the three-way catalyst 26, and a binary detection type O2 sensor 29 is arranged downstream of the three-way catalyst 26.
  • the exhaust pipe 22 is provided with a differential pressure sensor 31 that detects a differential pressure between the upstream side and the downstream side of the GPF 27. The PM amount accumulated on the GPF 27 can be detected by the differential pressure sensor 31.
  • An exhaust temperature sensor 32 for detecting the exhaust temperature is provided on the exhaust pipe 22 downstream of the three-way catalyst 26 and upstream of the GPF 27.
  • the supercharger includes an intake compressor 33 disposed on the upstream side of the throttle valve 14 in the intake pipe 11, and an exhaust turbine 34 disposed on the upstream side of the three-way catalyst 26 near the outlet of the exhaust port in the exhaust pipe 22. And.
  • the intake compressor 33 and the exhaust turbine 34 are connected by a rotating shaft 35.
  • the intake compressor 33 is rotated along with the rotation.
  • the intake air in the intake pipe 11 is compressed by the centrifugal force generated by the rotation of the intake compressor 33.
  • an intercooler 12 as a heat exchanger is disposed downstream of the intake compressor 33. Since the supercharged intake air is cooled by the intercooler 12, a decrease in compression efficiency is suppressed.
  • the engine 10 is provided with a coolant temperature sensor 41 that detects the coolant temperature, a crank angle sensor 42 that outputs a rectangular crank angle signal for each predetermined crank angle of the engine 10, and the like.
  • the ECU 50 is mainly composed of a microcomputer (hereinafter referred to as a microcomputer) composed of a CPU, ROM, RAM, etc., and executes various control programs stored in the ROM, so that the ECU 50 responds to each engine operating state.
  • a microcomputer composed of a CPU, ROM, RAM, etc.
  • the ECU 50 inputs detection signals from the various sensors described above, calculates the fuel injection amount, fuel injection timing, ignition timing, etc. based on the input various detection signals, and calculates the fuel injection valve 23 and the ignition device. 25 drive and the like are controlled.
  • the ECU 50 calculates the injection timing and the injection amount based on the engine operating state (for example, engine speed and engine load). Further, the driving of the fuel injection valve 23 is controlled so that a desired injection amount of fuel is injected at the calculated injection timing.
  • the ECU 50 performs air-fuel ratio control by adjusting the opening of the throttle valve 14 (hereinafter also referred to as “throttle opening”) and the amount of fuel injected from the fuel injection valve 23 into the combustion chamber 21. ing. Specifically, at the normal time, stoichiometric operation is performed to control the throttle opening and the fuel injection amount so that the air-fuel ratio of the engine 10 becomes the stoichiometric air-fuel ratio (A / F ⁇ 14.7).
  • the engine 10 is a stoichiometric engine, but can be operated even with a lean air-fuel ratio. Specifically, when the excess air amount of lean combustion is replaced with the EGR rate, in the entire operation region of the engine 10, when only the temperature rise is performed, the engine 10 can be operated at an EGR rate of 18% or more. When performing filter regeneration, it is possible to operate at an EGR rate of 25% or more.
  • the ECU 50 determines that a predetermined amount or more of PM has accumulated on the GPF 27, the ECU 50 performs filter regeneration control for burning and removing the PM accumulated on the GPF 27. Thereby, regeneration (filter regeneration) of the PM collection function of the GPF 27 is performed.
  • filter temperature the temperature of the GPF 27
  • oxygen is present in the GPF 27.
  • the amount of NOx in the exhaust discharged from the engine 10 due to the combustion of fuel varies depending on the air-fuel ratio. Specifically, as shown in FIG. 2, when the air-fuel ratio is brought closer to the lean limit from stoichiometry, the NOx amount once increases and then gradually decreases as it becomes leaner. Further, when the air-fuel ratio is brought closer to the rich limit from stoichiometry, the NOx amount gradually decreases as it becomes richer. Focusing on this point, in the present embodiment, the amount of NOx discharged from the engine 10 (hereinafter also referred to as “engine exhausted NOx amount”) during the period in which the PM collected by the GPF 27 is burned and removed.
  • engine exhausted NOx amount the amount of NOx discharged from the engine 10
  • the air-fuel ratio is controlled so as to be equal to or less than a predetermined value (hereinafter referred to as “emission allowable value NOth”) as a value allowing discharge from the engine 10.
  • NOth a predetermined value as a value allowing discharge from the engine 10.
  • the air-fuel ratio at the time of combustion of the engine 10 is controlled to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, so that the engine exhaust NOx amount becomes equal to or less than the allowable emission value NOth during the PM combustion removal period.
  • the A / F lower limit value Amin (for example, A / F ⁇ 19) that is the lower limit value of the air-fuel ratio range in which the engine exhaust NOx amount is equal to or less than the allowable discharge value NOth.
  • an A / F upper limit value Amax (for example, A / F ⁇ 23) that is a limit (lean limit) of an air-fuel ratio at which normal combustion is possible in the engine 10 is defined as a NOx suppression range Raf.
  • Amax for example, A / F ⁇ 23
  • a limit (lean limit) of an air-fuel ratio at which normal combustion is possible in the engine 10 is defined as a NOx suppression range Raf.
  • the combustion A / F is controlled to be within the NOx suppression range Raf.
  • the filter regeneration processing of this embodiment will be described with reference to FIG.
  • the oxygen concentration in the exhaust gas supplied to the GPF 27 satisfies the demand for the combustion rate of PM while ensuring the oxygen concentration in the exhaust gas so that the NOx emission can be suppressed to the emission allowable value NOth or less.
  • the air-fuel ratio is controlled so as to be equal to or higher than the predetermined concentration determined based on the above.
  • oxygen concentration request the request based on the oxygen concentration in the exhaust gas required for setting the PM combustion rate to a predetermined value or higher (hereinafter also simply referred to as “oxygen concentration request”) are satisfied.
  • the air-fuel ratio is controlled as follows.
  • the O2 required A / F value Ao2 that is an air-fuel ratio for satisfying the oxygen concentration request is compared with the A / F lower limit value Amin, and among these, the amount of deviation from the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric)
  • the combustion is performed using a large air-fuel ratio, that is, a leaner air-fuel ratio.
  • the O2 required A / F value Ao2 is farther from the stoichiometric air-fuel ratio than the A / F lower limit value Amin and is the lean value A2
  • the O2 required A / F value Ao2 is changed to the combustion A / F.
  • step S101 it is determined whether there is a filter regeneration request based on the PM accumulation amount.
  • an affirmative determination is made when the differential pressure between the upstream side and the downstream side of the GPF 27 exceeds a predetermined pressure.
  • the method for determining the necessity of filter regeneration is not limited to the method using the differential pressure sensor 31.
  • the amount of PM detected using the PM sensor has become a predetermined value or more
  • (2) a predetermined time or more has passed since the previous filter regeneration process
  • Whether or not the filter regeneration is necessary may be determined by determining whether or not a condition such as traveling more than a distance is satisfied.
  • step S102 it is determined whether or not the engine 10 is operating. If the engine is operating, the process proceeds to step S103, and it is determined whether or not the engine 10 has been warmed up using the detected value of the coolant temperature sensor 41 or the like. If the warm-up is completed, the process proceeds to step S104, and it is determined whether or not the current engine operation state is within an operation region where filter regeneration can be performed.
  • an engine operating region in which filter regeneration can be performed is determined in advance as a map or the like (for example, the map of FIG.
  • filter regeneration is permitted in the predetermined medium rotation / medium / high load region and medium A / high rotation / medium load region A.
  • Filter regeneration is prohibited in a predetermined low rotation / low load region B and a predetermined high rotation / high load region C.
  • Region A is an operating region in which the air-fuel ratio can be controlled to the lean side as required.
  • step S105 it is determined whether the temperature of the GPF 27 (hereinafter also referred to as “filter temperature”) is higher than the target temperature Tpm.
  • the target temperature Tpm is determined in advance based on the ignition temperature of PM. For example, the target temperature Tpm is set to 600 ° C. or a value in the vicinity thereof.
  • the filter temperature may be estimated from the engine operating state or the exhaust gas temperature, or may be directly detected by providing a temperature sensor that detects the filter temperature. In this step S105, determination is performed on the filter temperature before the start of filter regeneration.
  • step S106 When a negative determination is made in at least one of steps S102 to S105, the filter regeneration is not started and the process waits as it is until all the conditions for executing the filter regeneration processing are satisfied. When an affirmative determination is made in all of steps S102 to S105, it is determined that the conditions for executing the filter regeneration process are satisfied, and the process proceeds to step S106.
  • step S106 an A / F lower limit value Amin is calculated.
  • the engine exhaust NOx amount varies depending on the engine operating state, and as shown in FIG. 6, the engine exhaust NOx amount increases as the engine load increases. Accordingly, the lower the lower limit value of the air-fuel ratio range in which the amount of engine exhaust NOx becomes equal to or less than the allowable discharge value NOth becomes leaner as the engine 10 is more heavily loaded. Therefore, in this embodiment, the A / F lower limit value Amin is calculated based on the engine load. Specifically, the map shown in FIG. 6 is determined and stored in advance, and the A / F lower limit value Amin corresponding to each engine load is read using this map. According to the map of FIG. 6, the leaner value is set as the A / F lower limit value Amin as the engine 10 becomes higher in load.
  • step S107 an O2 required A / F value Ao2 is calculated as an air-fuel ratio for satisfying the oxygen concentration request.
  • FIG. 7 shows the relationship between the oxygen concentration in the exhaust gas supplied to the GPF 27 and the PM combustion rate.
  • an oxygen concentration (hereinafter also referred to as “minimum O2 concentration Dmin”) for compensating for a combustion speed Vmin that should be ensured at a minimum is set in advance, and the minimum O2 concentration Dmin is set.
  • the O2 request A / F value Ao2 is set so that it can be secured.
  • the lower limit value D1 (for example, about 5%) of the oxygen concentration range in which the change amount of the PM combustion speed converges to a predetermined value or less when the oxygen concentration in the exhaust gas is increased is increased to the O2 required A / F value.
  • the O2 requirement A / F value Ao2 is set to the lower limit value D1 in order to suppress excessive leaning. ing.
  • step S108 it is determined whether or not the O2 request A / F value Ao2 is larger than the A / F lower limit value Amin, that is, whether the O2 request A / F value Ao2 is a value on the lean side of the A / F lower limit value Amin. Determine whether or not. If the O2 requirement A / F value Ao2 is a value on the lean side of the A / F lower limit value Amin, the process proceeds to step S109, and the combustion air-fuel ratio during filter regeneration (hereinafter also referred to as “regeneration combustion A / F”). ) To set the O2 request A / F value Ao2.
  • step S110 if the O2 required A / F value Ao2 is a value on the richer side than the A / F lower limit value Amin, the process proceeds to step S110, and the A / F lower limit value Amin is set as the combustion A / F during regeneration. Thereafter, the process proceeds to step S111.
  • step S111 it is determined whether or not the exhaust gas temperature is higher than the target temperature Tpm after the start of leaning. If the exhaust temperature is higher than the target temperature Tpm, the process proceeds to step S113. On the other hand, when the exhaust gas temperature is equal to or lower than the target temperature Tpm, the process proceeds to step S112, and exhaust gas temperature raising control is performed. As a result, the state where the filter temperature is higher than the target temperature Tpm is compensated.
  • the exhaust gas temperature raising control for example, ignition delay angle and the like can be mentioned.
  • the exhaust gas temperature raising control is executed by a separate routine (not shown).
  • a detection value of the exhaust temperature sensor 32 may be used, or an estimated value estimated from the engine operating state may be used.
  • the process proceeds to step S113 without performing the processes of steps S111 and S112.
  • the exhaust gas temperature may be estimated after a predetermined time from the start of leaning, and the exhaust gas temperature raising control may be performed based on the estimated value.
  • step S113 filter regeneration processing is performed. Specifically, for example, the intake air amount of the engine 10 is controlled so that the air-fuel ratio becomes the combustion A / F during regeneration. Thereby, filter regeneration processing is performed.
  • step S114 the PM combustion amount by the filter regeneration process is calculated, and in step S115, it is determined whether or not a predetermined PM amount (for example, the PM accumulation amount at the start of the filter regeneration process) has been combusted. If a negative determination is made in step S115, the processing after step S102 is executed again. If a positive determination is made in step S115, the process proceeds to step S116, the filter regeneration is terminated, and this routine is terminated.
  • a predetermined PM amount for example, the PM accumulation amount at the start of the filter regeneration process
  • the filter regeneration process is not started for a while, and the combustion A / F is controlled by stoichiometry.
  • a value on the lean side of the stoichiometric value is set as the combustion A / F during regeneration at time t11, and filter regeneration is started.
  • the air-fuel ratio is controlled so that the amount of engine exhaust NOx becomes equal to or less than the allowable exhaust value NOth. Therefore, the emission of nitrogen oxides can be suppressed during the combustion removal of the PM deposited on the GPF 27. As a result, PM can be removed by combustion while suppressing deterioration of exhaust emission.
  • the burning rate of the deposited PM depends on the oxygen concentration supplied to the GPF 27. The higher the oxygen concentration, the faster the PM burning rate.
  • NOx suppression request the regeneration A / F during regeneration is set in consideration of the oxygen concentration requirement for PM combustion removal, so that while quickly suppressing NOx emission Filter regeneration can be performed.
  • the O2 required A / F value Ao2 is calculated as the first required air-fuel ratio that is the air-fuel ratio for setting the oxygen concentration in the exhaust gas supplied to the GPF 27 to an oxygen concentration that satisfies the PM combustion speed requirement.
  • the A / F lower limit value Amin is calculated as the second required air-fuel ratio, which is the air-fuel ratio for making the NOx amount exhausted from the engine 10 equal to or less than the allowable emission value NOth during the period of PM combustion removal, and O2 Of the required A / F value Ao2 and the A / F lower limit value Amin, a filter regeneration process is performed by performing air-fuel ratio control using a lean value.
  • the filter regeneration is performed at the second required air-fuel ratio. Therefore, the deterioration of exhaust emission can be suppressed while the filter regeneration is performed quickly.
  • the first required air-fuel ratio is richer than the second required air-fuel ratio, and the air-fuel ratio is leaner than the first required air-fuel ratio.
  • excessive leaning can be suppressed. Thereby, the fall of the exhaust temperature resulting from leaning can be suppressed, and combustion stability can be ensured.
  • the A / F lower limit value Amin is set based on the engine load, even when the air-fuel ratio at which the engine exhaust NOx amount is equal to or less than the allowable discharge value NOth varies depending on the engine load, an appropriate air-fuel ratio for suppressing NOx Filter regeneration can be performed. Specifically, when the engine 10 is in a high load operation state, the A / F lower limit value Amin is set to a leaner side, so that NOx emission can be sufficiently suppressed even during high load operation. Further, when the engine 10 is in the low load operation state, the A / F lower limit value Amin is set to a relatively rich side, so that NOx emission can be suppressed while suppressing the occurrence of misfire as much as possible.
  • the second embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment.
  • the filter regeneration processing is performed after the filter temperature reaches the target temperature Tpm.
  • post injection is performed to increase the filter temperature. This is different from the first embodiment in that it is performed.
  • the ECU 50 performs temperature increase control for increasing the exhaust temperature by performing post injection for supplying fuel into the combustion chamber 21 after the main injection (for example, during the expansion stroke or the exhaust stroke).
  • the post injection amount Gp is set so that the temperature of the exhaust gas supplied to the GPF 27 is equal to or higher than the target temperature Tpm.
  • the post injection amount Gp is calculated based on the difference between the target temperature Tpm and the actual value or estimated value of the exhaust temperature and the exhaust flow rate.
  • step S501 the presence / absence of a filter regeneration request is determined based on the PM accumulation amount. If there is a filter regeneration request, the process proceeds to step S502, and it is determined whether or not the filter temperature is higher than the start temperature Tstart.
  • the start temperature Tstart is a value set higher than the ignition temperature of the post-injected fuel, and is set to, for example, 300 ° C. or a value in the vicinity thereof. If a negative determination is made in step S502, this routine is once ended. If an affirmative determination is made, the process proceeds to step S503.
  • step S503 it is determined whether the exhaust temperature is equal to or lower than the temperature rise determination temperature Trn. If the exhaust temperature is equal to or lower than the temperature rise determination temperature Trn, the process proceeds to step S504, and the post injection amount Gp is calculated based on the difference between the target temperature Tpm and the current exhaust temperature and the exhaust flow rate. In subsequent step S505, post injection is performed. On the other hand, if the exhaust temperature is higher than the temperature rise determination temperature Trn, the process proceeds to step S506, the post injection amount Gp is set to zero, and this routine is ended.
  • steps S201 to S204 processing similar to that in steps S101 to S104 in FIG. 4 is executed.
  • a succeeding step S205 it is determined whether or not the filter temperature is higher than the start temperature Tstart. If a negative determination is made in at least one of steps S202 to S205, the process waits until all the conditions for executing the filter regeneration process are satisfied. On the other hand, if an affirmative determination is made in all of steps S202 to S205, it is determined that the conditions for executing the filter regeneration process are satisfied, and the process proceeds to step S206.
  • step S206 the A / F lower limit value Amin is calculated in the same manner as in step S106 of FIG.
  • an O2 request A / F value Ao2 is calculated.
  • the O2 required A / F value Ao2 is calculated based on the post injection amount and the oxygen concentration request.
  • the lower limit value D1 is corrected according to the post injection amount Gp, and the O2 required A / F value Ao2 corresponding to the corrected oxygen concentration is calculated.
  • the higher the post injection amount Gp the higher the oxygen concentration in the exhaust gas is set, and the O2 required A / F value Ao2 is set to the lean side.
  • steps S208 to S210 processing similar to that in steps S108 to S110 in FIG. 4 is executed. That is, if the O2 required A / F value Ao2 is a value leaner than the A / F lower limit value Amin, the O2 required A / F value Ao2 is set to the combustion A / F during regeneration. On the other hand, when the O2 request A / F value Ao2 is a richer value than the A / F lower limit value Amin, the A / F lower limit value Amin is set to the combustion A / F during regeneration.
  • step S211 it is determined whether or not the exhaust temperature after the start of leaning is higher than the ignition temperature of the post-injected fuel (hereinafter referred to as “fuel ignition temperature Tburn”).
  • the fuel ignition temperature Tburn is, for example, 250 ° C. or a value in the vicinity thereof. If the exhaust temperature is higher than the fuel ignition temperature Tburn, the process proceeds to step S213. If the exhaust temperature is equal to or lower than the fuel ignition temperature Tburn, the process proceeds to step S212, and after the exhaust gas temperature raising control is performed, the process proceeds to step S213. In steps S213 to S216, processing similar to that in steps S113 to S116 in FIG. 4 is executed, and this routine is terminated.
  • the filter temperature becomes higher than the start temperature Tstart after the generation of the filter regeneration request
  • post injection is started at the time t21, and the air-fuel ratio is controlled to the lean side, and the filter regeneration process is started.
  • the A / F lower limit value Amin is set as the combustion A / F during regeneration (time t21 to t23).
  • the O2 request A / F value Ao2 becomes leaner than the A / F lower limit value Amin due to an increase in the accelerator operation amount, the O2 request A / F value Ao2 is set as the regeneration combustion A / F.
  • the amount of engine exhaust NOx becomes equal to or less than the allowable discharge value NOth, and the GPF 27 after combustion of fuel injected by post-injection
  • the combustion A / F during regeneration is set so that the oxygen concentration in the exhaust gas supplied to the exhaust gas satisfies the oxygen concentration requirement.
  • the third embodiment is different from the second embodiment in that the combustion A / F during regeneration is set to an A / F upper limit value Amax that is a lean limit.
  • steps S301 to S304 processing similar to that in steps S101 to S104 in FIG. 4 is executed.
  • a succeeding step S305 it is determined whether or not the filter temperature is higher than the start temperature Tstart. If a negative determination is made in at least one of steps S302 to S305, the process waits until all the conditions for executing the filter regeneration process are satisfied. On the other hand, if an affirmative determination is made in all of steps S302 to S305, it is determined that the conditions for executing the filter regeneration process are satisfied, and the process proceeds to step S306.
  • step S306 the A / F upper limit value Amax is calculated, and the calculated A / F upper limit value Amax is set as the combustion A / F during regeneration.
  • the A / F upper limit value Amax is calculated according to the engine operating state (for example, the engine rotation speed and the engine load).
  • the A / F upper limit value Amax may be a fixed value regardless of the engine operating state.
  • the intake air is increased by a method such as opening the throttle valve 14 without changing the fuel injection amount so as not to cause a torque shortage. To do.
  • step S307 it is determined whether the exhaust temperature after the start of leaning is higher than the fuel ignition temperature Tburn. If the exhaust gas temperature is higher than the fuel ignition temperature Tburn, the process proceeds to step S309. On the other hand, if the exhaust gas temperature is equal to or lower than the fuel ignition temperature Tburn, the process proceeds to step S308. After the exhaust gas temperature raising control is performed, the process proceeds to step S309. In step S309, it is determined whether or not the minimum O2 concentration Dmin can be secured. If it can be secured, the process proceeds to steps S310 to S313, and the same processing as steps S113 to S116 in FIG. 4 is executed. Then, this routine ends.
  • the filter regeneration process is performed with the combustion A / F during regeneration as the A / F upper limit value Amax, so that the filter regeneration can be performed while the NOx emission suppressing effect is further enhanced. . Further, since the oxygen concentration in the exhaust gas is high, the PM combustion rate is high, and the filter regeneration process can be completed in a short period of time.
  • the filter regeneration process is performed by setting the A / F upper limit value Amax to the combustion A / F during regeneration as in the third embodiment.
  • a / F upper limit value Amax to the combustion A / F during regeneration as in the third embodiment.
  • as much fuel as possible is supplied in the post injection. This is different from the third embodiment.
  • the PM combustion rate is sensitive to the oxygen concentration in the exhaust gas and the filter temperature, and varies depending on both, but the sensitivity to the filter temperature is higher.
  • the filter temperature is lower than the start temperature Tstart, the oxygen concentration in the exhaust gas supplied to the GPF 27 after the combustion of the post-injected fuel is within the range where the oxygen concentration is at least the O2 concentration.
  • the maximum allowable fuel injection amount is supplied by post injection. As a result, the filter temperature is quickly raised to perform efficient filter regeneration.
  • FIG. 14A shows the gas configuration in the cylinder of the engine 10
  • FIG. 14B shows the breakdown of the usage of the exhaust gas supplied to the GPF 27.
  • the A / F upper limit Amax is made as lean as possible as the combustion A / F during regeneration, so that oxygen remains in the exhaust gas after combustion of the main injection fuel.
  • the minimum O2 concentration Dmin for PM combustion is secured, and the remaining oxygen is used to supply as much fuel as possible by post-injection. Increase the temperature.
  • the maximum injection amount Gmax that can be injected by post injection is set as the post injection amount. Calculation is performed in consideration of the upper and lower limits and the upper limit of the substrate temperature of the GPF 27.
  • the remaining oxygen obtained by subtracting the oxygen necessary for burning the maximum injection amount Gmax and the oxygen corresponding to the minimum O2 concentration Dmin is used as oxygen for PM combustion.
  • the amount of oxygen used for PM combustion is calculated from the oxygen concentration remaining after the post-injected fuel is burned. This oxygen concentration may be estimated from the engine operating state, or may be detected by an O2 sensor or the like.
  • the upper and lower limits of the post injection amount and the base material of the GPF 27 are based on the remaining air amount obtained by subtracting the air amount Q2 corresponding to the minimum O2 concentration Dmin from the air amount Q1. Considering the upper limit of temperature, the maximum injection amount Gmax is calculated as the post injection amount.
  • steps S401 to S404 processing similar to that in steps S101 to S104 in FIG. 4 is executed.
  • a succeeding step S405 it is determined whether or not the filter temperature is higher than the start temperature Tstart. If a negative determination is made in at least one of steps S402 to S405, the process waits until all the conditions for executing the filter regeneration process are satisfied. On the other hand, if an affirmative determination is made in all of steps S402 to S405, it is determined that the conditions for executing the filter regeneration process are satisfied, and the process proceeds to step S406.
  • step S406 the A / F upper limit value Amax is calculated, and the calculated A / F upper limit value Amax is set to the combustion A / F during regeneration.
  • the A / F upper limit value Amax may be a variable value or a fixed value as in the third embodiment.
  • step S407 it is determined whether or not the exhaust temperature after the start of leaning is higher than the fuel ignition temperature Tburn. If the exhaust temperature is higher than the fuel ignition temperature Tburn, the process proceeds to step S409. On the other hand, if the fuel ignition temperature Tburn or lower, the process proceeds to step S408, and after the exhaust gas temperature raising control is performed, the process proceeds to step S409. In step S409, filter regeneration processing is performed.
  • the intake air amount of the engine 10 is controlled so that the combustion air-fuel ratio becomes the combustion A / F during regeneration.
  • steps S410 to S412 the same processing as in steps S114 to S116 of FIG. 4 is executed, and this routine is terminated.
  • the post injection is interrupted because the exhaust gas temperature is higher than the temperature rise determination temperature Trn.
  • PM accumulated on the GPF 27 is burned and removed by filter regeneration, leaning is completed at time t44 and the control is switched to stoichiometric control.
  • the filter regeneration process is performed with the combustion A / F during regeneration as the A / F upper limit value Amax and the fuel injection amount by post injection as the maximum injection amount Gmax, the NOx emission is suppressed.
  • Filter regeneration can be completed in a short period of time while increasing the effect.
  • the A / F lower limit value Amin and the O2 required A / F value Ao2 are variable values, but at least one of them may be a fixed value.
  • the second required air-fuel ratio is set to the A / F lower limit value Amin, but is leaner than the A / F lower limit value Amin, and from the A / F upper limit value Amax. May be a rich value.
  • air-fuel ratio feedback control may be performed so that the actual air-fuel ratio matches the target air-fuel ratio.
  • the combustion A / F during regeneration is set to the target air-fuel ratio, and air-fuel ratio feedback is performed so that the actual air-fuel ratio detected by the oxygen concentration sensor matches the combustion A / F during regeneration. It is good also as a structure which implements control.
  • the present invention is applied to an exhaust system in which the GPF 27 is disposed on the downstream side of the three-way catalyst 26 has been described as an example, but the configuration of the exhaust system is not limited to this.
  • another three-way catalyst may be further arranged upstream or downstream of the three-way catalyst 26.
  • the GPF 27 a filter not coated with an oxidation catalyst can be used.
  • the GPF 27 may be disposed on the upstream side of the three-way catalyst 26.
  • the present invention may be applied to a compression self-ignition type engine.
  • the engine provided with a supercharger you may apply to the natural aspiration engine (N / A) which is not provided with a supercharger.
  • each said component is conceptual and is not limited to the said embodiment.
  • the functions of one component may be realized by being distributed to a plurality of components, or the functions of a plurality of components may be realized by one component.

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Abstract

排気処理装置（５０）は、排気に含まれる成分を酸化又は還元する三元触媒（２６）と、排気に含まれる粒子状物質を捕集する粒子フィルタ（２７）とが排気通路（２２）に設けられた内燃機関（１０）に適用される。排気処理装置は、所定の実施条件が成立した場合に、粒子フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する。また、排気処理装置は、粒子フィルタに捕集された粒子状物質の燃焼除去の実施期間において内燃機関から排出される窒素酸化物の量が所定の排出許容値以下になるように内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御部を備える。

Description

内燃機関の排気処理装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１７年４月２１日に出願された日本出願番号２０１７－０８４８８６号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、内燃機関の排気処理装置に関し、特に、排気を浄化するための排気浄化装置として三元触媒と粒子フィルタとを備える内燃機関の排気処理装置に関する。
　従来、燃料の燃焼によって内燃機関から排出される粒子状物質（ＰＭ）を排気通路において捕集する技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ストイキエンジンにおいて、粒子フィルタの再生のためにリーン燃焼を行うことが開示されている。ストイキ燃焼中では、エンジンの排気中に含まれる酸素の量は非常に少ないため、特許文献１に記載のものでは、リーン燃焼を行うことにより、ＰＭの燃焼除去に必要な酸素を粒子フィルタに供給するようにしている。
米国特許出願公開第２０１６／０１２３２００号明細書
　三元触媒を用いた排気浄化システムの場合、粒子フィルタの再生のために単にリーン化するだけでは、空燃比が三元触媒の浄化ウィンドからリーン側に外れることに起因してＮＯｘ浄化率が低下し、排気エミッションの悪化を招くことが懸念される。
　本開示は上記課題に鑑みなされたものであり、排気エミッションの悪化を抑制しながら、粒子フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去することができる内燃機関の排気処理装置を提供することを一つの目的とする。
本開示は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
　本開示は、排気に含まれる成分を酸化又は還元する三元触媒と、前記排気に含まれる粒子状物質を捕集する粒子フィルタとが排気通路に設けられた内燃機関に適用され、所定の実施条件が成立した場合に、前記粒子フィルタに捕集された前記粒子状物質を燃焼除去する排気処理装置に関する。第１の構成は、前記粒子フィルタに捕集された前記粒子状物質の燃焼除去の実施期間において、前記内燃機関から排出される窒素酸化物の量が所定の排出許容値以下になるように前記内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御部を備える。
　上記構成では、粒子フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する際には、内燃機関から排出される窒素酸化物の量が排出許容値以下になるように空燃比を制御するため、粒子状物質の燃焼除去に際し、窒素酸化物の排出を抑制することができる。これにより、排気エミッションの悪化を抑制しながら、粒子フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去することができる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、エンジン制御システムの全体概略構成図であり、 図２は、エンジン排出ＮＯｘ量と空燃比との関係を示す図であり、 図３は、再生中燃焼Ａ／Ｆ値の設定方法を示す図であり、 図４は、第１実施形態のフィルタ再生処理の処理手順を示すフローチャートであり、 図５は、フィルタ再生を実施可能なエンジン運転領域を示す図であり、 図６は、エンジン負荷に応じたエンジン排出ＮＯｘ量を示す図であり、 図７は、酸素濃度とＰＭ燃焼速度との関係を示す図であり、 図８は、第１実施形態のフィルタ再生処理の具体的態様を示すタイムチャートであり、 図９は、ポスト噴射制御の処理手順を示すフローチャートであり、 図１０は、第２実施形態のフィルタ再生処理の処理手順を示すフローチャートであり、 図１１は、第２実施形態のフィルタ再生処理の具体的態様を示すタイムチャートであり、 図１２は、第３実施形態のフィルタ再生処理の処理手順を示すフローチャートであり、 図１３は、第３実施形態のフィルタ再生処理の処理手順を示すタイムチャートであり、 図１４は、ポスト噴射における最大噴射量を説明するための図であり、 図１５は、第４実施形態のフィルタ再生処理の処理手順を示すフローチャートであり、 図１６は、第４実施形態のフィルタ再生処理の処理手順を示すタイムチャートである。
　（第１実施形態）
　以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、内燃機関である車載多気筒４サイクルガソリンエンジンであって、筒内噴射式かつ火花点火式のエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしている。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として、燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。このエンジン制御システムの全体概略構成図を図１に示す。
　図１に示すエンジン１０において、吸気管１１には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１３によって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられている。スロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）は、スロットルアクチュエータ１３に内蔵されたスロットル開度センサにより検出される。
　スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１５が設けられ、サージタンク１５において、吸気管内圧力を検出するための吸気管内圧力センサ１６が設けられている。サージタンク１５には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１７が接続されている。吸気マニホールド１７は、各気筒の吸気ポートに接続されている。
　エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートには、それぞれ吸気バルブ１８及び排気バルブ１９が設けられている。吸気バルブ１８の開動作によりサージタンク１５内の空気が燃焼室２１内に導入され、排気バルブ１９の開動作により燃焼後の排ガスが排気管２２に排出される。吸気バルブ１８及び排気バルブ１９の開閉タイミング（バルブタイミング）は、可変バルブタイミング装置２０によりそれぞれ可変制御される。
　エンジン１０の各気筒の上部には、燃焼室２１内に燃料を直接供給する燃料噴射弁２３が取り付けられている。燃料噴射弁２３は、図示しない燃料配管を介して燃料タンクに接続されている。燃料タンク内の燃料は各気筒の燃料噴射弁２３に供給され、燃料噴射弁２３から燃焼室２１内に噴射される。
　エンジン１０のシリンダヘッドには点火プラグ２４が取り付けられている。点火プラグ２４には、点火コイル等よりなる点火装置２５を通じて、所望とする点火時期に高電圧が印加される。点火プラグ２４に対する高電圧の印加により、各点火プラグ２４の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２１内における燃料と吸気との混合気が着火されて燃焼に供される。エンジン１０の燃焼制御は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を１燃焼サイクルとして行われる。
　排気管２２には、排気を浄化するための排気浄化装置として、三元触媒２６とＧＰＦ（ガソリンパティキュレートフィルタ）２７とが設けられている。三元触媒２６は、排気中の成分である一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を酸化又は還元するための触媒である。ＧＰＦ２７は、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ装置であり、三元触媒２６の下流側に設けられている。ＧＰＦ２７は、酸化触媒（例えばＰｔ等）が表面コーティングされた触媒コート付きフィルタである。
　排気管２２において三元触媒２６の上流側及び下流側には、排気を検出対象として混合気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサが設けられている。酸素濃度センサとして本実施形態では、三元触媒２６の上流側にリニア検出式のＡ／Ｆセンサ２８が配置され、三元触媒２６の下流側に二値検出式のＯ２センサ２９が配置されている。また、排気管２２には、ＧＰＦ２７の上流側と下流側との差圧を検出する差圧センサ３１が設けられている。差圧センサ３１により、ＧＰＦ２７に堆積したＰＭ量を検出可能である。排気管２２において三元触媒２６の下流側であってＧＰＦ２７の上流側には、排気温度を検出する排気温度センサ３２が設けられている。
　本システムには、排気を利用して空気の圧縮を行う過給機が設けられている。過給機は、吸気管１１においてスロットルバルブ１４の上流側に配置された吸気コンプレッサ３３と、排気管２２において排気ポートの出口付近であって三元触媒２６の上流側に配置された排気タービン３４と、を備えている。吸気コンプレッサ３３と排気タービン３４とは回転軸３５によって連結されている。排気管２２内を流れる排気によって排気タービン３４が回転されると、その回転に伴い吸気コンプレッサ３３が回転される。このとき、吸気コンプレッサ３３の回転により生じる遠心力によって吸気管１１内の吸気が圧縮される。吸気管１１には、吸気コンプレッサ３３の下流側に、熱交換器としてのインタクーラ１２が配置されている。過給された吸気がインタクーラ１２によって冷却されることで、圧縮効率の低下が抑制される。
　その他、エンジン１０には、冷却水温を検出する冷却水温センサ４１や、エンジン１０の所定クランク角毎に矩形状のクランク角信号を出力するクランク角センサ４２などが設けられている。
　ＥＣＵ５０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）を主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ５０は、前述した各種センサなどから各々検出信号を入力し、それら入力した各種検出信号に基づいて、燃料噴射量や燃料噴射時期、点火時期等を演算して燃料噴射弁２３や点火装置２５の駆動等を制御する。燃料噴射制御について、ＥＣＵ５０は、都度のエンジン運転状態（例えばエンジン回転速度やエンジン負荷）に基づいて、噴射時期及び噴射量を算出する。また、算出した噴射時期に所望の噴射量の燃料が噴射されるよう燃料噴射弁２３の駆動を制御する。
　ＥＣＵ５０は、スロットルバルブ１４の開度（以下、「スロットル開度」ともいう。）や、燃料噴射弁２３から燃焼室２１内に噴射される燃料の量を調整することで空燃比制御を実施している。具体的には、通常時には、エンジン１０の空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）となるようにスロットル開度及び燃料噴射量を制御するストイキ運転を行っている。
　なお、エンジン１０はストイキエンジンであるが、リーン空燃比でも運転可能である。具体的には、リーン燃焼の空気過剰分をＥＧＲ率に置き換えると、エンジン１０の全運転領域において、昇温のみを実施する場合には１８％以上のＥＧＲ率で運転可能であり、昇温とフィルタ再生とを実施する場合には２５％以上のＥＧＲ率で運転可能である。
　ＥＣＵ５０は、ＧＰＦ２７にＰＭが所定量以上堆積したと判断した場合に、ＧＰＦ２７に堆積したＰＭを燃焼除去するフィルタ再生制御を実施する。これにより、ＧＰＦ２７のＰＭ捕集機能の再生（フィルタ再生）を行う。フィルタ再生を行うには、ＧＰＦ２７の温度（以下、「フィルタ温度」ともいう。）が所定温度以上であって、かつＧＰＦ２７に酸素が存在していることが必要である。
　理論空燃比での燃焼（ストイキ燃焼）が行われている状況下では、排気に含まれる酸素は極めて少ない。そのため、ストイキ燃焼中はフィルタ再生に必要な量の酸素がＧＰＦ２７に供給されず、フィルタ再生を実施できない。そこで、フィルタ再生時には、理論空燃比よりも一時的にリーンとなるように空燃比を制御することにより、フィルタ再生に必要な量の酸素をＧＰＦ２７に供給することが考えられる。しかしながら、三元触媒２６を用いた排気浄化システムの場合、フィルタ再生のために単にリーン化するだけでは、空燃比が三元触媒２６の浄化ウィンドからリーン側に外れることによってＮＯｘ浄化率が低下し、ＮＯｘエミッションの悪化を招くことが懸念される。
　ここで、燃料の燃焼によってエンジン１０から排出される排気中のＮＯｘ量は空燃比に応じて異なる。具体的には、図２に示すように、空燃比をストイキからリーン限界に近付けるとＮＯｘ量は一旦増加し、その後リーン側になるにつれて徐々に減少する。また、空燃比をストイキからリッチ限界に近付けると、リッチ側になるにつれてＮＯｘ量は徐々に減少する。この点に着目し、本実施形態では、ＧＰＦ２７で捕集されたＰＭの燃焼除去を実施する期間では、エンジン１０から排出されるＮＯｘの量（以下、「エンジン排出ＮＯｘ量」ともいう。）が、エンジン１０からの排出を許容する値として予め定めた値（以下、「排出許容値ＮＯｔｈ」という。）以下になるように空燃比を制御することとしている。これにより、ＰＭの燃焼除去の実施期間では、ＧＰＦ２７に十分な量の酸素を供給しつつ、エンジン１０から排出されるＮＯｘ量自体が少なくなるようにしている。
　特に本実施形態では、エンジン１０の燃焼時における空燃比を理論空燃比よりもリーン側で制御することによって、ＰＭの燃焼除去の実施期間においてエンジン排出ＮＯｘ量が排出許容値ＮＯｔｈ以下となるようにしている。具体的には、図２に示すように、リーン側において、エンジン排出ＮＯｘ量が排出許容値ＮＯｔｈ以下となる空燃比範囲の下限値であるＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎ（例えば、Ａ／Ｆ≒１９）と、エンジン１０において正常燃焼が可能な空燃比の限界（リーン限界）であるＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘ（例えば、Ａ／Ｆ≒２３）とによって定められる範囲をＮＯｘ抑制範囲Ｒａｆとしている。そして、フィルタ再生時には、燃焼Ａ／ＦがＮＯｘ抑制範囲Ｒａｆ内となるように制御している。
　図３を用いて、本実施形態のフィルタ再生処理について説明する。フィルタ再生時には、排気中の酸素濃度を、ＮＯｘの排出を排出許容値ＮＯｔｈ以下に抑制可能な酸素濃度に確保しつつ、ＧＰＦ２７に供給される排気中の酸素濃度が、ＰＭの燃焼速度の要求に基づき定めた所定濃度以上になるように空燃比を制御する。これにより、ＮＯｘ排出抑制要求と、ＰＭの燃焼速度を所定値以上とするために必要とされる排気中の酸素濃度に基づく要求（以下、単に「酸素濃度要求」ともいう。）と、を満たすように空燃比を制御する。
　具体的には、酸素濃度要求を満たすための空燃比であるＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２と、Ａ／Ｆ下限値Ａｍｉｎとを比較し、これらのうち、理論空燃比（ストイキ）からの乖離量が大きい空燃比、すなわち、よりリーン側の空燃比を用いて燃焼を行う。例えば、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２が、Ａ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりも理論空燃比から離れており、リーン側の値Ａ２である場合にはＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を燃焼Ａ／Ｆに設定する。一方、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２が、Ａ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりも理論空燃比に近く、リッチ側の所定値Ａ１である場合には、ＮＯｘ抑制要求を満たすＡ／Ｆのうち、リッチ側の境界値であるＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎを燃焼Ａ／Ｆに設定する。そして、その設定した燃焼Ａ／Ｆとなるようにエンジン１０の吸気量や燃料噴射量を制御する。なお、「Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２」が第１要求空燃比に相当し、「Ａ／Ｆ下限値Ａｍｉｎ」が第２要求空燃比に相当する。
　次に、本実施形態のフィルタ再生処理の処理手順について、図４のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ５０により所定時間毎に実行される。
　図４において、ステップＳ１０１では、ＰＭ堆積量に基づいてフィルタ再生要求が有るか否かを判定する。ここでは、ＧＰＦ２７にＰＭが再生判定値Ｗｔｈ以上堆積しているか否かを判定する。具体的には、差圧センサ３１の検出値を用い、ＧＰＦ２７の上流側と下流側との差圧が所定圧以上になった場合に肯定判定される。
　なお、フィルタ再生の要否を判定する方法としては、差圧センサ３１を用いる方法に限らない。例えば、（１）ＰＭセンサを用いて検出したＰＭ量が所定値以上になったこと、（２）前回のフィルタ再生処理から所定時間以上が経過したこと、（３）前回のフィルタ再生処理から所定距離以上走行したこと、等といった条件を満たすか否かを判定することによってフィルタ再生の要否を判定してもよい。
　フィルタ再生要求有りと判定されると、ステップＳ１０２～Ｓ１０５で、フィルタ再生処理の実施条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、まずステップＳ１０２で、エンジン１０が稼働中であるか否かを判定する。エンジン稼働中であれば、ステップＳ１０３へ進み、冷却水温センサ４１の検出値等を用いて、エンジン１０の暖機が完了したか否かを判定する。暖機が完了していればステップＳ１０４へ進み、現在のエンジン運転状態が、フィルタ再生を実施可能な運転領域内にあるか否かを判定する。ここでは、エンジン回転速度とエンジン負荷（例えば、吸気管内圧力）とに対応させて、フィルタ再生を実施可能なエンジン運転領域がマップ等（例えば、図５のマップ）として予め定められている。このマップ等を用いて、エンジン回転速度及びエンジン負荷の検出値から、フィルタ再生を実施可能なエンジン運転領域にあるか否かを判定する。
　図５のマップによれば、所定の中回転／中・高負荷領域及び中・高回転／中負荷領域である領域Ａではフィルタ再生が許可される。所定の低回転／低負荷領域Ｂ、及び所定の高回転／高負荷領域Ｃではフィルタ再生が禁止される。領域Ａは、要求通りに空燃比をリーン側に制御可能な運転領域である。
　フィルタ再生を実施可能なエンジン運転領域にあると判定されると、ステップＳ１０５へ進み、ＧＰＦ２７の温度（以下、「フィルタ温度」ともいう。）が目標温度Ｔｐｍよりも高温であるか否かを判定する。目標温度Ｔｐｍは、ＰＭの着火温度に基づき予め定められており、例えば６００℃又はその近傍の値が設定されている。フィルタ温度は、エンジン運転状態や排気温度から推定してもよいし、あるいはフィルタ温度を検出する温度センサを設けて直接検出してもよい。このステップＳ１０５では、フィルタ再生開始前のフィルタ温度を対象として判定を行う。
　ステップＳ１０２～Ｓ１０５の少なくともいずれかで否定判定された場合には、フィルタ再生処理の実施条件が全て成立するまでフィルタ再生を開始せずにそのまま待機する。ステップＳ１０２～Ｓ１０５の全てで肯定判定された場合、フィルタ再生処理の実施条件が成立したとしてステップＳ１０６へ進む。
　ステップＳ１０６では、Ａ／Ｆ下限値Ａｍｉｎを算出する。ここで、エンジン排出ＮＯｘ量はエンジン運転状態に応じて異なり、図６に示すように、エンジン負荷が高負荷であるほどエンジン排出ＮＯｘ量が多くなる。また、これに伴い、エンジン１０が高負荷であるほど、エンジン排出ＮＯｘ量が排出許容値ＮＯｔｈ以下となる空燃比範囲の下限値がリーン側になる。そこで本実施形態では、エンジン負荷に基づいてＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎを算出する。具体的には、図６に示すマップを予め定めて記憶させておき、このマップを用いて、都度のエンジン負荷に対応するＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎを読み出す。図６のマップによれば、エンジン１０が高負荷ほどＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎとしてはリーン側の値が設定される。
　ステップＳ１０７では、酸素濃度要求を満たすための空燃比としてＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を算出する。図７に、ＧＰＦ２７に供給される排気中の酸素濃度と、ＰＭ燃焼速度との関係を示す。排気中の酸素濃度が低濃度の範囲では、ＰＭ燃焼速度が大きく低下する。このため、限られた時間内に確実にフィルタ再生を行うようにするためには、排気中の酸素濃度をある程度以上の濃度に確保できるように空燃比を制御する必要がある。
　この点に鑑み、本実施形態では、最低限確保すべき燃焼速度Ｖｍｉｎを補償するための酸素濃度（以下、「最低Ｏ２濃度Ｄｍｉｎ」ともいう。）を予め設定しておき、最低Ｏ２濃度Ｄｍｉｎを確保することが可能となるようにＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を設定する。ここでは、排気中の酸素濃度を増大側へ変化させた場合にＰＭ燃焼速度の変化量が所定値以下に収束する酸素濃度範囲の下限値Ｄ１（例えば５％程度）をＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２に設定する。リーン限界に近付くほど、排気温度が低下したり燃焼安定性が低下したりしやすいため、本実施形態では過剰なリーン化を抑制するべく、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を下限値Ｄ１に設定している。
　続くステップＳ１０８では、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２がＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりも大きいか否か、つまりＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２がＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりもリーン側の値であるか否かを判定する。Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２がＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりもリーン側の値であれば、ステップＳ１０９へ進み、フィルタ再生中の燃焼空燃比（以下、「再生中燃焼Ａ／Ｆ」ともいう。）としてＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を設定する。一方、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２がＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりもリッチ側の値である場合には、ステップＳ１１０へ進み、再生中燃焼Ａ／ＦとしてＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎを設定する。その後、ステップＳ１１１へ進む。
　ステップＳ１１１では、リーン化の開始後において排気温度が目標温度Ｔｐｍよりも高いか否かを判定する。排気温度が目標温度Ｔｐｍよりも高い場合にはステップＳ１１３へ進む。一方、排気温度が目標温度Ｔｐｍ以下である場合には、ステップＳ１１２へ進み、排気昇温制御を実施する。これにより、フィルタ温度が目標温度Ｔｐｍよりも高温である状態を補償している。排気昇温制御としては、例えば点火遅角等が挙げられる。排気昇温制御は、図示しない別ルーチンにより実行される。なお、排気温度については、排気温度センサ３２の検出値を用いてもよいし、エンジン運転状態から推定される推定値を用いてもよい。リーン化の開始前又はリーン化開始直後の所定時間内では、ステップＳ１１１及びＳ１１２の処理を実施せずにステップＳ１１３へ進む。あるいは、リーン化開始直後の所定時間においては、リーン化を開始してから所定時間後の排気温度を推定し、その推定値に基づいて排気昇温制御を実施してもよい。
　続くステップＳ１１３では、フィルタ再生処理を実施する。具体的には、空燃比が再生中燃焼Ａ／Ｆとなるように、例えばエンジン１０の吸気量を制御する。これにより、フィルタ再生処理を実施する。ステップＳ１１４では、フィルタ再生処理によるＰＭ燃焼量を算出し、ステップＳ１１５で、所定のＰＭ量（例えば、フィルタ再生処理の開始時のＰＭ堆積量）を燃焼できたかどうかを判定する。ステップＳ１１５で否定判定された場合には、ステップＳ１０２以降の処理を再度実行する。ステップＳ１１５で肯定判定されると、ステップＳ１１６へ進み、フィルタ再生を終了して、本ルーチンを終了する。
　次に、本実施形態のフィルタ再生処理の具体的態様について、図８のタイムチャートを用いて説明する。図８では、ＰＭ堆積量が再生判定値Ｗｔｈ以上となり、フィルタ再生要求があった場合を想定している。
　フィルタ再生要求が有った後においてフィルタ温度が目標温度Ｔｐｍよりも低いと、暫くの間はフィルタ再生処理が開始されず、燃焼Ａ／Ｆはストイキで制御される。そして、排気温度が上昇してフィルタ温度が目標温度Ｔｐｍよりも高温になると、その時刻ｔ１１で再生中燃焼Ａ／Ｆとしてストイキよりもリーン側の値が設定され、フィルタ再生が開始される。
　このとき、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２（図８中の一点鎖線参照）よりもＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎの方がリーン側である場合には、図８に示すように、エミッション要求に基づきＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎが再生中燃焼Ａ／Ｆに設定されて、Ａ／Ｆ下限値Ａｍｉｎとなるように吸気量が制御される。つまり、フィルタ温度が十分に高く、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２で制御すれば堆積ＰＭを燃焼除去可能であっても、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２がＮＯｘ抑制範囲Ｒａｆよりもリッチ側である場合には、さらにリーン化した状態でフィルタ再生を行う。これにより、エンジン１０から排出されるＮＯｘ量を許容範囲に収めながらフィルタ再生が行われる。なお、図８の「Ａ／Ｆ」及び「排気中Ｏ２濃度」中の一点鎖線は、フィルタ再生時にＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２で空燃比制御を行った場合を示している。フィルタ再生によりＧＰＦ２７に堆積したＰＭが燃焼除去されると、その時刻ｔ１２でリーン化が終了され、ストイキ制御に切り替えられる。
　以上詳述した本実施形態によれば、次の優れた効果が得られる。
　フィルタ再生時には、エンジン排出ＮＯｘ量が排出許容値ＮＯｔｈ以下になるように空燃比を制御するため、ＧＰＦ２７に堆積したＰＭの燃焼除去に際し、窒素酸化物の排出を抑制することができる。これにより、排気エミッションの悪化を抑制しながらＰＭを燃焼除去することができる。
　堆積ＰＭの燃焼速度はＧＰＦ２７に供給される酸素濃度に依存し、酸素濃度が高いほどＰＭ燃焼速度が速くなる。この点に鑑み、ＮＯｘ排出抑制に基づく要求（ＮＯｘ抑制要求）に加え、ＰＭ燃焼除去のための酸素濃度要求を考慮して再生中燃焼Ａ／Ｆを設定するため、ＮＯｘ排出を抑制しながら迅速にフィルタ再生を行うことができる。
　具体的には、ＧＰＦ２７に供給される排気中の酸素濃度を、ＰＭの燃焼速度の要求を満たす酸素濃度とするための空燃比である第１要求空燃比としてＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を算出するとともに、ＰＭの燃焼除去の実施期間においてエンジン１０から排出されるＮＯｘ量を排出許容値ＮＯｔｈ以下とするための空燃比である第２要求空燃比としてＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎを算出し、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２及びＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎのうち、リーン側の値を用いて空燃比制御を行うことによりフィルタ再生処理を実施する構成とした。この構成によれば、第１要求空燃比が第２要求空燃比よりもリーン側であり、第１要求空燃比での制御によって酸素濃度要求とＮＯｘ抑制要求とを満たす場合には、それ以上のリーン化を行わないため、過剰なリーン化を抑制しつつ排気エミッションの悪化を抑制することができる。逆に、第１要求空燃比ではＮＯｘ抑制要求を満たさない場合には、第２要求空燃比でフィルタ再生を行うため、フィルタ再生を迅速に行いつつ排気エミッションの悪化を抑制することができる。
　また、第２要求空燃比としてＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎを用いるため、第１要求空燃比が第２要求空燃比よりもリッチ側であり、第１要求空燃比よりもリーン側の空燃比でフィルタ再生を行う場合に、過剰なリーン化を抑制することができる。これにより、リーン化に起因する排気温度の低下を抑制でき、また、燃焼安定性を確保することができる。
　エンジン負荷に基づいてＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎを設定するため、エンジン排出ＮＯｘ量が排出許容値ＮＯｔｈ以下となる空燃比がエンジン負荷に応じて異なる場合にも、ＮＯｘ抑制のための適切な空燃比でフィルタ再生を行うことができる。具体的には、エンジン１０が高負荷運転状態のときには、Ａ／Ｆ下限値Ａｍｉｎがよりリーン側に設定されるため、高負荷運転時にもＮＯｘ排出を十分に抑制することができる。また、エンジン１０が低負荷運転状態のときには、Ａ／Ｆ下限値Ａｍｉｎが比較的リッチ側に設定されるため、失火の発生をできるだけ抑制しつつＮＯｘの排出を抑制することができる。
　（第２実施形態）
　次に、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。第１実施形態では、フィルタ再生要求が有った場合に、フィルタ温度が目標温度Ｔｐｍになるのを待ってフィルタ再生処理を実施したが、本実施形態では、フィルタ温度を上昇させるべくポスト噴射を行う点で第１実施形態と相違する。
　ＥＣＵ５０は、燃料噴射制御において、主噴射の後に（例えば、膨張行程又は排気行程に）燃焼室２１内に燃料を供給するポスト噴射を実施して排気温度を昇温させる昇温制御を実施する。ポスト噴射に際しては、ＧＰＦ２７に供給される排気の温度が目標温度Ｔｐｍ以上となるようにポスト噴射量Ｇｐが設定される。ここでは、目標温度Ｔｐｍと排気温度の実際値又は推定値との差分と、排気流量とに基づいてポスト噴射量Ｇｐを算出する。
　ポスト噴射制御について、図９のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ５０により所定周期毎に実行される。図９において、ステップＳ５０１では、ＰＭ堆積量に基づいてフィルタ再生要求の有無を判定する。フィルタ再生要求が有ればステップＳ５０２へ進み、フィルタ温度が開始温度Ｔｓｔａｒｔよりも高いか否かを判定する。開始温度Ｔｓｔａｒｔは、ポスト噴射した燃料の着火温度よりも高温側に設定された値であり、例えば３００℃又はその近傍の値が設定されている。ステップＳ５０２で否定判定された場合には一旦本ルーチンを終了し、肯定判定された場合にはステップＳ５０３へ進む。
　ステップＳ５０３では、排気温度が昇温判定温度Ｔｒｎ以下であるか否かを判定する。排気温度が昇温判定温度Ｔｒｎ以下であればステップＳ５０４へ進み、目標温度Ｔｐｍと現在の排気温度との差分、及び排気流量に基づいてポスト噴射量Ｇｐを算出する。続くステップＳ５０５ではポスト噴射を実施する。一方、排気温度が昇温判定温度Ｔｒｎよりも高い場合には、ステップＳ５０６へ進み、ポスト噴射量Ｇｐをゼロに設定して本ルーチンを終了する。
　次に、本実施形態のフィルタ再生処理の処理手順について、図１０のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ５０により所定時間毎に実行される。なお、図１０の説明では、図４と同様の処理については、図４のステップ番号を付してその説明を省略する。
　図１０において、ステップＳ２０１～Ｓ２０４では、図４のステップＳ１０１～Ｓ１０４と同様の処理を実行する。続くステップＳ２０５では、フィルタ温度が開始温度Ｔｓｔａｒｔよりも高温であるか否かを判定する。ステップＳ２０２～Ｓ２０５の少なくともいずれかで否定判定された場合には、フィルタ再生処理の実施条件が全て成立するまで待機する。一方、ステップＳ２０２～Ｓ２０５の全てで肯定判定された場合、フィルタ再生処理の実施条件が成立したとしてステップＳ２０６へ進む。
　ステップＳ２０６では、図４のステップＳ１０６と同様にしてＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎを算出する。続くステップＳ２０７では、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を算出する。ここで、ポスト噴射を実施してフィルタ再生処理を行う場合には、ＰＭの燃焼除去のためだけでなく、ポスト噴射の燃料を燃焼させるためにも酸素が必要である。この点に鑑み、本実施形態では、ポスト噴射量と酸素濃度要求とに基づいてＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を算出する。例えば、ポスト噴射量Ｇｐに応じて下限値Ｄ１を補正し、その補正後の酸素濃度に対応するＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を算出する。このとき、ポスト噴射量Ｇｐが多いほど、排気中の酸素濃度として高い濃度が設定され、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２がリーン側に設定される。
　続くステップＳ２０８～Ｓ２１０では、図４のステップＳ１０８～Ｓ１１０と同様の処理を実行する。すなわち、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２がＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりもリーン側の値であれば、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を再生中燃焼Ａ／Ｆに設定する。これに対し、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２がＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりもリッチ側の値である場合にはＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎを再生中燃焼Ａ／Ｆに設定する。
　ステップＳ２１１では、リーン化開始後の排気温度が、ポスト噴射した燃料の着火温度（以下、「燃料着火温度Ｔｂｕｒｎ」という。）よりも高いか否かを判定する。燃料着火温度Ｔｂｕｒｎは、例えば２５０℃又はその近傍の値である。排気温度が燃料着火温度Ｔｂｕｒｎよりも高い場合にはステップＳ２１３へ進む。排気温度が燃料着火温度Ｔｂｕｒｎ以下である場合にはステップＳ２１２へ進み、排気昇温制御を実施した後、ステップＳ２１３へ進む。ステップＳ２１３～Ｓ２１６では、図４のステップＳ１１３～Ｓ１１６と同様の処理を実行し、本ルーチンを終了する。
　次に、本実施形態のフィルタ再生処理の具体的態様について、図１１のタイムチャートを用いて説明する。
　フィルタ再生要求の発生後において、フィルタ温度が開始温度Ｔｓｔａｒｔよりも高温になると、その時刻ｔ２１でポスト噴射が開始されるとともに、空燃比がリーン側に制御されてフィルタ再生処理が開始される。このとき、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２はＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりもリッチ側であるため、再生中燃焼Ａ／ＦとしてはＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎが設定される（時刻ｔ２１～ｔ２３）。そして、時刻ｔ２３において、アクセル操作量の増大により、Ｏ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２がＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりもリーン側になると、再生中燃焼Ａ／ＦとしてＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２が設定される（時刻ｔ２３～ｔ２６）。これにより、エンジン１０から排出されるＮＯｘ量を許容範囲に収めながらフィルタ再生が行われる。なお、時刻ｔ２４～ｔ２５では、排気温度が昇温判定温度Ｔｒｎよりも高いため、ポスト噴射が中断されている。フィルタ再生によりＧＰＦ２７に堆積したＰＭが燃焼除去されると、その時刻ｔ２６でリーン化が終了され、ストイキ制御に移行される。
　以上詳述した本実施形態によれば、フィルタ再生に際してポスト噴射によりフィルタ昇温させる場合には、エンジン排出ＮＯｘ量が排出許容値ＮＯｔｈ以下となり、かつポスト噴射により噴射された燃料の燃焼後においてＧＰＦ２７に供給される排気中の酸素濃度が酸素濃度要求を満たすように再生中燃焼Ａ／Ｆを設定する構成とした。こうした構成とすることにより、ポスト噴射によりフィルタ昇温を行う場合にも、ＰＭの燃焼除去を迅速に行うために必要な量の酸素をＧＰＦ２７に供給しつつ、ＮＯｘ排出量の抑制を図ることができる。
　（第３実施形態）
　次に、第３実施形態について、第２実施形態との相違点を中心に説明する。第３実施形態では、再生中燃焼Ａ／Ｆを、リーン限界であるＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘとする点で第２実施形態と相違する。
　本実施形態のフィルタ再生処理の処理手順について、図１２のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ５０により所定時間毎に実行される。なお、図１２の説明では、図４と同様の処理については、図４のステップ番号を付してその説明を省略する。
　図１２において、ステップＳ３０１～Ｓ３０４では、図４のステップＳ１０１～Ｓ１０４と同様の処理を実行する。続くステップＳ３０５では、フィルタ温度が開始温度Ｔｓｔａｒｔよりも高温であるか否かを判定する。ステップＳ３０２～Ｓ３０５の少なくともいずれかで否定判定された場合には、フィルタ再生処理の実施条件が全て成立するまで待機する。一方、ステップＳ３０２～Ｓ３０５の全てで肯定判定された場合、フィルタ再生処理の実施条件が成立したとしてステップＳ３０６へ進む。
　ステップＳ３０６では、Ａ／Ｆ上限値Ａｍａｘを算出し、その算出したＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘを再生中燃焼Ａ／Ｆに設定する。ここでは、エンジン運転状態（例えば、エンジン回転速度及びエンジン負荷）に応じてＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘを算出する。なお、Ａ／Ｆ上限値Ａｍａｘについて、エンジン運転状態にかかわらず固定値としてもよい。再生中燃焼Ａ／ＦをＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘで制御する際には、トルク不足が生じないように、燃料噴射量は変えずにスロットルバルブ１４を開くなどの方法により吸入空気を増やすようにする。
　続くステップＳ３０７では、リーン化開始後の排気温度が燃料着火温度Ｔｂｕｒｎよりも高いか否かを判定する。排気温度が燃料着火温度Ｔｂｕｒｎよりも高ければステップＳ３０９へ進む。一方、排気温度が燃料着火温度Ｔｂｕｒｎ以下であればステップＳ３０８へ進み、排気昇温制御を実施した後、ステップＳ３０９へ進む。ステップＳ３０９では、最低Ｏ２濃度Ｄｍｉｎを確保可能か否かを判定し、確保可能であればステップＳ３１０～Ｓ３１３に進み、図４のステップＳ１１３～Ｓ１１６と同様の処理を実行する。そして本ルーチンを終了する。
　次に、本実施形態のフィルタ再生処理の具体的態様について、図１３のタイムチャートを用いて説明する。
　フィルタ再生要求の発生後において、フィルタ温度が開始温度Ｔｓｔａｒｔよりも高温になると、その時刻ｔ３１でポスト噴射が開始される。ポスト噴射量については、第２実施形態と同様、目標温度Ｔｐｍに基づいて算出される。また、時刻ｔ３１では、再生中燃焼Ａ／ＦとしてＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘが設定され、フィルタ再生処理が開始される。再生中燃焼Ａ／ＦをＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘとすることにより、時刻ｔ３１以降では、ＧＰＦ２７に供給される排気中の酸素濃度が下限値Ｄ１よりも高くなり、速い燃焼速度でＰＭが燃やされる。なお、時刻ｔ３２～ｔ３３では、排気温度が昇温判定温度Ｔｒｎよりも高いため、ポスト噴射が中断されている。フィルタ再生によりＧＰＦ２７に堆積したＰＭが燃焼除去されると、その時刻ｔ３４でリーン化を終了し、ストイキ制御に切り替えられる。
　以上詳述した第３実施形態では、再生中燃焼Ａ／ＦをＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘとしてフィルタ再生処理を実施するため、ＮＯｘ排出の抑制効果をより高くしつつ、フィルタ再生を行うことができる。また、排気中の酸素濃度が高いため、ＰＭの燃焼速度が速く、フィルタ再生処理を短期間で終了させることができる。
　（第４実施形態）
　次に、第４実施形態について、第３実施形態との相違点を中心に説明する。第４実施形態では、第３実施形態と同様に再生中燃焼Ａ／ＦにＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘを設定してフィルタ再生処理を行うが、ポスト噴射に際しできるだけ多くの燃料を供給する点で第３実施形態と相違する。
　ＰＭ燃焼速度は、排気中の酸素濃度及びフィルタ温度に感度があり、両者に依存して変化するが、フィルタ温度への感度の方が高い。この点を考慮し、本実施形態では、フィルタ温度が開始温度Ｔｓｔａｒｔよりも低い場合には、ポスト噴射燃料の燃焼後においてＧＰＦ２７に供給される排気中の酸素濃度が最低Ｏ２濃度以上になる範囲で許容される最大の噴射量の燃料をポスト噴射によって供給する。これにより、フィルタ温度を速やかに高温化させて、効率的なフィルタ再生を行うようにしている。
　図１４を用いて、本実施形態のフィルタ再生処理について説明する。図１４中、（ａ）は、エンジン１０の気筒内のガス構成を示し、（ｂ）は、ＧＰＦ２７に供給される排気の用途の内訳を示している。フィルタ再生中では、Ａ／Ｆ上限値Ａｍａｘを再生中燃焼Ａ／Ｆとして可能な限りリーン化することにより、主噴射燃料の燃焼後の排気中に酸素を残存させる。本実施形態では、リーン化により追加で供給した空気量Ｑ１のうち、ＰＭ燃焼用の最低Ｏ２濃度Ｄｍｉｎを確保し、残りの酸素を用いて可能な限り多くの燃料をポスト噴射で供給することにより昇温を図る。
　具体的には、最低Ｏ２濃度Ｄｍｉｎ分の空気量Ｑ２を空気量Ｑ１から差し引いた残りの空気量（Ｑ１－Ｑ２）を基に、ポスト噴射によって噴射可能な最大噴射量Ｇｍａｘを、ポスト噴射量の上下限、及びＧＰＦ２７の基材温度の上限を考慮して算出する。この場合、最大噴射量Ｇｍａｘを燃焼させるのに必要な酸素と、最低Ｏ２濃度Ｄｍｉｎ分の酸素とを差し引いた残りの酸素が、ＰＭ燃焼用の酸素として用いられる。ＰＭ燃焼に使われる酸素量は、ポスト噴射燃料を燃焼させた後に残る酸素濃度から算出される。この酸素濃度は、エンジン運転状態から推定してもよいし、Ｏ２センサ等により検出してもよい。
　なお、本実施形態において、図９のステップＳ５０４では、空気量Ｑ１から最低Ｏ２濃度Ｄｍｉｎ分の空気量Ｑ２を差し引いた残りの空気量を基に、ポスト噴射量の上下限、及びＧＰＦ２７の基材温度の上限を考慮して、ポスト噴射量として最大噴射量Ｇｍａｘが算出される。
　次に、本実施形態のフィルタ再生処理の処理手順について、図１５のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ５０により所定時間毎に実行される。なお、図１５の説明では、図４と同様の処理については、図４のステップ番号を付してその説明を省略する。
　図１５において、ステップＳ４０１～Ｓ４０４では、図４のステップＳ１０１～Ｓ１０４と同様の処理を実行する。続くステップＳ４０５では、フィルタ温度が開始温度Ｔｓｔａｒｔよりも高温であるか否かを判定する。ステップＳ４０２～Ｓ４０５の少なくともいずれかで否定判定された場合には、フィルタ再生処理の実施条件が全て成立するまで待機する。一方、ステップＳ４０２～Ｓ４０５の全てで肯定判定された場合、フィルタ再生処理の実施条件が成立したとしてステップＳ４０６へ進む。
　ステップＳ４０６では、Ａ／Ｆ上限値Ａｍａｘを算出し、その算出したＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘを再生中燃焼Ａ／Ｆに設定する。なお、Ａ／Ｆ上限値Ａｍａｘは、第３実施形態と同じく可変値でもよいし、固定値でもよい。続くステップＳ４０７では、リーン化開始後の排気温度が燃料着火温度Ｔｂｕｒｎよりも高いか否かを判定する。排気温度が燃料着火温度Ｔｂｕｒｎよりも高ければステップＳ４０９へ進む。また、燃料着火温度Ｔｂｕｒｎ以下であればステップＳ４０８へ進み、排気昇温制御を実施した後、ステップＳ４０９へ進む。ステップＳ４０９ではフィルタ再生処理を実施する。具体的には、燃焼空燃比が再生中燃焼Ａ／Ｆとなるようにエンジン１０の吸気量を制御する。ステップＳ４１０～Ｓ４１２では、図４のステップＳ１１４～Ｓ１１６と同様の処理を実行し、本ルーチンを終了する。
　次に、本実施形態のフィルタ再生処理の具体的態様について、図１６のタイムチャートを用いて説明する。
　フィルタ再生要求の発生後において、フィルタ温度が開始温度Ｔｓｔａｒｔよりも高温になると、その時刻ｔ４１でポスト噴射が開始される。また、時刻ｔ４１では、再生中燃焼Ａ／ＦとしてＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘが設定され、フィルタ再生処理が開始される。ポスト噴射では最大噴射量Ｇｍａｘの燃料が噴射される。これにより、フィルタ温度がＰＭ着火温度（Ｔｐｍ）よりもさらに昇温し、フィルタ温度の上限値Ｔｍａｘ付近（例えば、８５０℃付近）まで昇温する。また、フィルタ再生中では、ＧＰＦ２７に供給される排気中の酸素濃度が最低Ｏ２濃度Ｄｍｉｎを下回らないように制御される。なお、時刻ｔ４２～ｔ４３では、排気温度が昇温判定温度Ｔｒｎよりも高いため、ポスト噴射が中断されている。フィルタ再生によりＧＰＦ２７に堆積したＰＭが燃焼除去されると、その時刻ｔ４４でリーン化が終了され、ストイキ制御に切り替えられる。
　以上詳述した第４実施形態では、再生中燃焼Ａ／ＦをＡ／Ｆ上限値Ａｍａｘし、かつポスト噴射による燃料噴射量を最大噴射量Ｇｍａｘとしてフィルタ再生処理を実施するため、ＮＯｘ排出の抑制効果をより高くしつつ、フィルタ再生を短期間で終了させることができる。
　（他の実施形態）
　本開示は上記実施形態に限定されず、例えば以下のように実行されてもよい。
　・上記実施形態では、Ａ／Ｆ下限値Ａｍｉｎ及びＯ２要求Ａ／Ｆ値Ａｏ２を可変値としたが、これらのうち少なくとも一方を固定値としてもよい。
　・上記第１実施形態及び第２実施形態では、第２要求空燃比をＡ／Ｆ下限値Ａｍｉｎとしたが、Ａ／Ｆ下限値Ａｍｉｎよりもリーン側であって、Ａ／Ｆ上限値Ａｍａｘよりもリッチ側の値としてもよい。
　・上記実施形態において、エンジン１０の燃焼制御を行うに当たっては、実空燃比を目標空燃比に一致させるべく空燃比フィードバック制御を実施してもよい。具体的には、フィルタ再生時であれば、再生中燃焼Ａ／Ｆを目標空燃比に設定し、酸素濃度センサで検出した実空燃比が再生中燃焼Ａ／Ｆに一致するように空燃比フィードバック制御を実施する構成としてもよい。
　・上記実施形態では、三元触媒２６の下流側にＧＰＦ２７を配置する排気系システムに適用する場合を一例に挙げて説明したが、排気系の構成はこれに限定されない。例えば、図１のシステムにおいて、三元触媒２６の上流側又は下流側に別の三元触媒を更に配置してもよい。この場合、ＧＰＦ２７としては、酸化触媒がコーティングされていないフィルタを用いることもできる。また、ＧＰＦ２７として触媒コート付きフィルタを用いる場合には、三元触媒２６の上流側にＧＰＦ２７を配置してもよい。
　・上記実施形態では、火花点火式のエンジン１０に適用する場合について説明したが、圧縮自着火式のエンジンに適用してもよい。また、過給機を備えるエンジンに適用したが、過給機を備えない自然吸気エンジン（Ｎ／Ａ）に適用してもよい。
　・上記の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散して実現したり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素で実現したりしてもよい。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (6)

  1. 　排気に含まれる成分を酸化又は還元する三元触媒（２６）と、前記排気に含まれる粒子状物質を捕集する粒子フィルタ（２７）とが排気通路（２２）に設けられた内燃機関（１０）に適用され、
    　所定の実施条件が成立した場合に、前記粒子フィルタに捕集された前記粒子状物質を燃焼除去する排気処理装置であって、
    　前記粒子フィルタに捕集された前記粒子状物質の燃焼除去の実施期間において前記内燃機関から排出される窒素酸化物の量が所定の排出許容値以下になるように前記内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御部を備える、内燃機関の排気処理装置。
  2. 　前記空燃比制御部は、前記燃焼除去の実施期間において前記内燃機関から排出される窒素酸化物の量が前記所定の排出許容値以下となり、かつ前記粒子フィルタに供給される前記排気中の酸素濃度が、前記粒子状物質の燃焼速度の要求に基づき定めた所定濃度以上になるように前記空燃比を制御する、請求項１に記載の内燃機関の排気処理装置。
  3. 　前記粒子フィルタに供給される前記排気中の酸素濃度を、前記粒子状物質の燃焼速度の要求を満たす酸素濃度とするための空燃比である第１要求空燃比を算出する第１空燃比算出部と、
    　前記燃焼除去の実施期間において前記内燃機関から排出される窒素酸化物の量を前記所定の排出許容値以下とするための空燃比である第２要求空燃比を算出する第２空燃比算出部と、を備え、
    　前記空燃比制御部は、前記燃焼除去の実施期間では、前記第１要求空燃比及び前記第２要求空燃比のうち理論空燃比からの乖離量が大きい方の空燃比となるように前記内燃機関の空燃比を制御する、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気処理装置。
  4. 　前記第２空燃比算出部は、前記内燃機関の負荷に基づいて前記第２要求空燃比を算出する、請求項３に記載の内燃機関の排気処理装置。
  5. 　前記内燃機関の主噴射の後に前記内燃機関に燃料を供給するポスト噴射を実施して前記粒子フィルタを昇温させる昇温制御部を備え、
    　前記空燃比制御部は、前記燃焼除去の実施期間において前記内燃機関から排出される窒素酸化物の量が前記所定の排出許容値以下となり、かつ前記ポスト噴射により噴射された燃料の燃焼後において前記粒子フィルタに供給される前記排気中の酸素濃度が前記所定濃度以上になるように前記空燃比を制御する、請求項２～４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気処理装置。
  6. 　前記空燃比制御部は、前記内燃機関において正常燃焼が可能な空燃比の限界である失火限界空燃比で前記内燃機関の空燃比を制御する、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気処理装置。
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