JP2002038939A

JP2002038939A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2002038939A
Application number: JP2000223046A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Ono; 智幸小野; Soichi Matsushita; 宗一松下; Yukihiro Tsukasaki; 之弘塚崎; Hiroki Matsuoka; 広樹松岡; Kotaro Hayashi; 孝太郎林; Shinobu Ishiyama; 忍石山; Yasuhiko Otsubo; 康彦大坪; Hisafumi Magata; 尚史曲田; Masaaki Kobayashi; 正明小林; Daisuke Shibata; 大介柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-24
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2002-02-06
Anticipated expiration: 2020-07-24
Also published as: JP3632573B2

Abstract

(57)【要約】【課題】還元剤の添加により有効に機能するＮＯｘ触
媒を備える装置として、還元剤の蒸発や微粒化の容易性
が変動する場合であれ、排気中に所望の還元成分を得る
ことで排気中に存在するＮＯｘの浄化効率を最適化する
ことのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジン１の運転制御を司る
電子制御装置（ＥＣＵ）８０は、排気系４０への燃料噴
射の実施に際し、排気流量（又は流速）、排気温度、並
びに排気通路内壁の壁温を検出または推定し、これらパ
ラメータに基づいて、燃料添加ノズル１７によって噴射
供給される燃料の蒸発量（微粒化量）を推定し、これを
加味してその噴射量や噴射タイミングを決定する制御を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、希薄燃焼可能な内
燃機関から排出される排気中の有害成分を浄化する排気
浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の排気浄化装置としては、
例えば特公平２７８５６１２号公報に記載の装置が知ら
れている。こうした排気浄化装置にあっては、ディーゼ
ルエンジンや希薄燃焼を行うガソリンエンジンのよう
に、少なくとも所定の運転領域では理論空燃比より高い
空燃比の混合気を燃焼に供して機関運転を行う内燃機関
に適用され、当該内燃機関の排気通路に、酸素の存在下
でＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤（触媒）を備えて構成
される。

【０００３】ＮＯｘ触媒は排気中の酸素濃度が高い状態
ではＮＯｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低い状態では
ＮＯｘを放出する特性を有する。ちなみに排気中に放出
されたＮＯｘは、排気中にＨＣやＣＯといった還元成分
が存在していれば、それらと速やかに反応してＮ２に還
元される。また、ＮＯｘ触媒は、排気中の酸素濃度が高
い状態にあるときでも所定の限界量のＮＯｘを吸収する
と、それ以上ＮＯｘを吸収しなくなる。

【０００４】そこで、このような排気浄化装置では、上
記公報にも記載されているように、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ
吸収量が限界量に達する前に、吸気系のスロットル弁を
閉弁する等によって吸気流量を低減するとともに排気系
内に還元剤を添加して、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘ
を放出および還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力
を回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り
返すのが一般的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、かかる還元
剤添加の制御を実行するに際し、同等のインターバル、
同等の供給量を適用して還元剤の添加を行っても、各回
の添加によって得られる排気中の還元成分量は、添加さ
れた還元剤がどの程度の速度で蒸発するのか、或いはど
の程度の割合で微粒化するのか等によって異なり、必ず
しも安定したものとはならない。

【０００６】還元成分量が安定が損なわれると、排気中
の空燃比も不安定となり、排気中に存在するＮＯｘの吸
収、放出、及び還元浄化を繰り返すＮＯｘ触媒にとっ
て、ＮＯｘに対する還元能力ばかりでなく、ＮＯｘの吸
収や放出に関わるＮＯｘの動態制御についても信頼性が
低下することとなる。

【０００７】さらに、蒸発若しくは微粒化しないでＮＯ
ｘ触媒上流に滞留した還元剤が一時期にＮＯｘ触媒に流
れ込み、触媒温度が過度に上昇してしまうといった懸念
も生じる。

【０００８】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであって、その目的とするところは、還元剤の添
加により有効に機能するＮＯｘ触媒を備える装置とし
て、還元剤の蒸発や微粒化の容易性が変動する場合であ
れ、排気中に所望の還元成分を得ることで排気中に存在
するＮＯｘの浄化効率を最適化することのできる内燃機
関の排気浄化装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、内燃機関の排気系に設けられ当該機関の
排気中の窒素酸化物を還元成分の存在下で浄化するＮＯ
ｘ触媒と、前記排気系の前記ＮＯｘ触媒上流に還元剤を
供給する還元剤供給手段と、前記ＮＯｘ触媒を介した前
記窒素酸化物の触媒反応に関連する排気中の還元成分量
を目標量にする前記還元剤の供給量を演算する演算手段
と、当該内燃機関の排気温度、排気壁温および排気流量
に基づいて、前記供給される還元剤の蒸発量を推定する
蒸発量推定手段と、前記推定された蒸発量に基づいて前
記供給量を補正する補正手段とを備えることを要旨とす
る。

【００１０】ここで、還元剤の蒸発量とは、液体若しく
は粉体等の形態を有する還元剤にとって、特定の環境下
での平衡状態若しくは定常状態において、当該燃料がど
の程度の割合で蒸発（または微粒化）するのがその比率
を意味する他、当該平衡状態や定常状態に達するまでに
要する期間や速度等を広く含む概念であるものとする。

【００１１】同構成によれば、供給される還元剤の蒸発
量を決定づける必要且つ十分なパラメータとして適切な
排気温度、排気壁温および排気流量を選択し、これらに
基づいて当該蒸発量を推定することとなる。そしてこの
推定量に基づいて還元剤の供給量が求められることとな
るため、触媒作用にとって、排気中における最適な還元
成分量（若しくは濃度）、或いは酸素濃度を高い精度で
得ることが容易となる。

【００１２】また、上記構成において、前記供給量推定
手段の推定する供給量は、前記排気温度及び前記排気壁
温のうち少なくとも一方が低いほど小さくする傾向にす
るのがよい。

【００１３】同構成によれば、蒸発若しくは微粒化され
ない燃料の添加を好適に防止され、無駄な燃料添加を低
減することできるようになるばかりでなく、蒸発しない
余剰燃料が当該触媒に到達せず排気系に残留するのを好
適に抑制することができるようになる。

【００１４】また、上記構成において、前記還元剤供給
手段に備えられ前記排気系に還元剤を噴射供給する噴射
供給手段と、該噴射供給手段による還元剤の噴射供給量
の波形パターンを変更する波形パターン変更手段とをさ
らに有するのがよい。

【００１５】ここで、噴射量の波形パターンには、各回
毎の噴射にかかる最大噴射量（ピーク値）や、噴射継続
時間、時間軸上にみられる噴射量の勾配、単一のピーク
からなる波形か、複数のピークからなる波形かに関わる
パターン、或いは今回の噴射時期と次回の噴射時期との
インターバル等が含まれる。さらに、噴射量の波形と相
関の高い他のパラメータ、例えば噴射供給手段の動作に
かかる制御指令信号の波形等も含まれるものとする。

【００１６】同構成によれば、例えば燃料の蒸発にかか
る効率や、供給量の高効率化といった観点から、排気系
内の環境条件や制御目的に応じ、最適な供給形態を適宜
選択することができるようになる。

【００１７】また、当該内燃機関の排気温度、排気壁温
および排気流量に基づいて、所定量の燃料を添加するた
めに実行する噴射回数を異ならしめる噴射回数制御手段
をさらに有するのがよい。

【００１８】同構成によっても、例えば燃料の蒸発にか
かる効率や、供給量の高効率化といった観点から、排気
系内の環境条件や制御目的に応じ、最適な供給形態を適
宜選択することができるようになる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる内燃機関の
排気浄化装置をディーゼルエンジンシステムに適用した
一実施の形態について説明する。

【００２０】図１において、内燃機関（以下、エンジン
という）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３
０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気
筒のディーゼルエンジンシステムである。

【００２１】先ず、燃料供給系１０は、サプライポンプ
１１、コモンレール１２、燃料噴射弁１３、緊急遮断弁
１４、燃圧制御弁１５、調量弁１６、燃料添加ノズル１
７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて
構成される。

【００２２】サプライポンプ１１は、燃料タンク（図示
略）から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１
を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１
２は、サプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所
定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、
この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料
噴射弁１３は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を
備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料
を噴射供給する。

【００２３】他方、サプライポンプ１１は、燃料タンク
から汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して
燃料添加ノズル１７に供給する。添加燃料通路Ｐ２に
は、サプライポンプ１１から燃料添加ノズル１７に向か
って緊急遮断弁１４、燃圧制御弁１５及び調量弁１６が
順次配設されている。緊急遮断弁１４は、緊急時におい
て添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を停止する。燃
圧制御弁１５は、サプライポンプ１１から供給された高
圧の燃料を所定の圧力（定圧）に保持・安定させる機能
を有する。調量弁１６は、燃料添加ノズル１７に供給す
る燃料の圧力（燃圧）を制御する。燃料添加ノズル１７
は所定圧以上の燃圧（例えば０．２ＭＰａ）が付与され
ると開弁し、排気系４０内に燃料を噴射供給する機械式
の開閉弁である。すなわち調量弁１６により燃料添加ノ
ズル１７上流の燃圧が制御されることにより、所望の燃
料が適宜のタイミングで燃料添加ノズル１７より噴射供
給（添加）される。

【００２４】吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給され
る吸入空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気
系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路
（排気通路）を形成する。

【００２５】また、このエンジン１には、周知の過給機
（ターボチャージャ）５０が設けられている。ターボチ
ャージャ５０は、シャフト５１を介して連結された２つ
のタービンホイール５２，５３を備える。一方のタービ
ンホイール（吸気側タービンホイール）５２は、吸気系
３０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール（排気
側タービンホイール）５３は排気系４０内の排気に晒さ
れる。このような構成を有するターボチャージャ５０
は、排気側タービンホイール５２が受ける排気流（排気
圧）を利用して吸気側タービンホイール５３を回転さ
せ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行う。

【００２６】吸気系３０において、ターボチャージャ５
０に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇
温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よ
りもさらに下流に設けられたスロットル弁３２は、その
開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉
弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を
絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有
する。

【００２７】また、エンジン１には、燃焼室２０の上流
（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする
排気還流通路（以下、ＥＧＲ通路という）６０が形成さ
れている。このＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸
気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電
子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気
流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１と、Ｅ
ＧＲ通路６０を通過（還流）する排気を冷却するための
ＥＧＲクーラ６２が設けられている。

【００２８】また、排気系４０において、同排気系４０
及びＥＧＲ通路６０の連絡部位の下流には、吸蔵還元型
ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒という）４１を収容
した触媒ケーシング４２が設けられている。触媒ケーシ
ング４２に収容されたＮＯｘ触媒４１は、例えばアルミ
ナ（Ａｌ２Ｏ３）を担体とし、この担体上に例えばカリ
ウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、
セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カ
ルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタン（Ｌ
ａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金Ｐｔ
のような貴金属とが担持されることによって構成され
る。

【００２９】このＮＯｘ触媒４１は、排気中に多量の酸
素が存在している状態においてはＮＯｘを吸収し、運転
空燃比が理論空燃比より小さく、排気中に酸素が低く、
且つ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が存在
している状態においてはＮＯｘをＮＯ２若しくはＮＯに
還元して放出する。ＮＯ２やＮＯとして放出されたＮＯ
ｘは排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによっ
てさらに還元され、Ｎ２となる。ちなみにＨＣやＣＯ
は、ＮＯ２やＮＯを還元することで、自身は酸化されて
Ｈ２ＯやＣＯ２となる。すなわち、触媒ケーシング４２
（ＮＯｘ触媒４１）に導入される排気中の酸素濃度やＨ
Ｃ成分を適宜調整すれば、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ
を浄化することができることになる。

【００３０】また、エンジン１の各部位には、各種セン
サが取り付けられており、当該部位の環境条件や、エン
ジン１の運転状態に関する信号を出力する。

【００３１】すなわち、レール圧センサ７０は、コモン
レール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出
信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２
内を流通する燃料のうち、調量弁１６へ導入される燃料
の圧力（燃圧）に応じた検出信号を出力する。エアフロ
メータ７２は、吸気系３０内のスロットル弁３２下流に
おいて吸入空気の流量Ｇｎに応じた検出信号を出力す
る。Ａ／Ｆセンサ７３は、排気系４０の触媒ケーシング
４２下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変
化する検出信号を出力する。排気温センサ７４は、同じ
く排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気の
温度（排気温度）Ｔｅｘに応じた検出信号を出力する。

【００３２】また、アクセル開度センサ７５はエンジン
１のアクセルペダル（図示略）に取り付けられ、同ペダ
ルへの踏み込み量Ａｃｃに応じた検出信号を出力する。
クランク角センサ７６は、エンジン１の出力軸（クラン
クシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パル
ス）を出力する。これら各センサ７０〜７６は、電子制
御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。

【００３３】ＥＣＵ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）８
１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８２、ランダムアク
セスメモリ（ＲＡＭ）８３及びバックアップＲＡＭ８
４、タイマーカウンタ８５等を備え、これら各部８１〜
８５と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路８６と、外部
出力回路８７とが双方向性バス８８により接続されて構
成される論理演算回路を備える。

【００３４】このように構成されたＥＣＵ８０は、上記
各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、
これら信号に基づいてエンジン１の燃料噴射等について
の基本制御を行う他、還元剤（還元剤として作用する燃
料）添加にかかる添加タイミングや供給量の決定等に関
する還元剤添加制御等、各種の運転制御を実行する。

【００３５】ここで、本実施の形態にかかる還元剤（燃
料）添加制御について詳述する。

【００３６】一般に、ディーゼルエンジンでは、燃焼室
内に供給される空気と燃焼に供される燃料、すなわち混
合気中の酸素が、ほとんどの運転領域で高濃度状態にあ
る。

【００３７】燃焼に供される混合気の酸素濃度は、その
まま燃焼に供された酸素を差し引いて排気中の酸素濃度
に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度（空
燃比）が高ければ、排気中の酸素濃度（空燃比）も基本
的には同様に高くなる。一方、上述したように、吸蔵還
元型ＮＯｘ触媒は排気中の酸素濃度が高ければＮＯｘを
吸収し、低ければＮＯｘをＮＯ２若しくはＮＯに還元し
て放出する特性を有するため、排気中の酸素が高濃度状
態にある限りＮＯｘを吸収することとなる。ただし、吸
蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量に限界量が存在し、
同触媒が限界量のＮＯｘを吸収した状態では排気中のＮ
Ｏｘが同触媒に吸収されず触媒ケーシングを素通りする
こととなる。

【００３８】そこで、エンジン１のように燃料添加ノズ
ル１７を備えた内燃機関では、適宜の時期にスロットル
弁３２を閉弁して吸入空気量を低減させつつ、さらに燃
料添加ノズル１７を通じ排気系４０のＮＯｘ触媒４１上
流に燃料を添加することで、一時的に排気中の酸素濃度
を低減し、且つ還元成分量（ＨＣ等）を増大させる。す
るとＮＯｘ触媒４１は、これまでに吸収したＮＯｘをＮ
Ｏ２若しくはＮＯに還元して放出し、自身のＮＯｘ吸収
能力を回復（再生）するようになる。放出されたＮＯ２
やＮＯが、ＨＣやＣＯと反応して速やかにＮ２に還元さ
れることは上述した通りである。

【００３９】このとき、自身に吸収したＮＯｘを、上記
態様で放出し、さらに還元浄化するＮＯｘ触媒４１にと
って、触媒ケーシング４２内に流入する排気中の還元成
分量（燃料の濃度）と、酸素濃度（空燃比）とにより還
元浄化の効率が決定づけられることとなる。

【００４０】ところで、還元成分の供給と、酸素濃度
（空燃比）の低減を図るべく同等量の燃料が排気中に供
給されたとしても、排気中の還元成分量として、また空
燃比を決定づける燃料成分量として寄与するのは、蒸発
した燃料、或いは十分に微粒化した燃料に限られる。

【００４１】したがって、同等量の燃料を同等時間噴射
したとしても、その結果得られる実質的な還元成分の濃
度と、空燃比とは、燃料添加ノズル１７を通じて噴射供
給される燃料のうちどの程度の割合の燃料がどの程度の
速度で気化（蒸発）、或いは微粒化されるのか、その比
率や速度により変動する。

【００４２】一方、上記燃料の蒸発や微粒化に関する比
率や速度は、当該燃料の化学的・物理的な性質を同等に
すれば、排気系４０内における触媒ケーシング４２上流
の環境条件、なかでも排気流量（又は流速）、排気温
度、並びに排気通路内壁の壁温によって概ね決定づけら
れることが発明者らによって確認されている。

【００４３】そこで、本実施の形態にかかるエンジン１
では、排気系４０への燃料噴射の実施に際し、排気流量
（又は流速）、排気温度、並びに排気通路内壁の壁温を
検出または推定し、これらパラメータに基づいて、燃料
添加ノズル１７によって噴射供給される燃料の蒸発量
（微粒化量）を推定し、これを加味してその噴射量や噴
射タイミングを決定する制御を行う。

【００４４】こうした制御態様により、ＮＯｘ触媒４１
による排気浄化の実施にあたり、排気中の適切な還元成
分量および空燃比を安定して得ることができるようにな
る。

【００４５】以下、本実施の形態にかかるエンジン１の
ＥＣＵ８０が実施する燃料添加制御に関し、その具体的
な制御手順についてフローチャートを参照して説明す
る。

【００４６】図２には、排気系４０へ燃料添加を行うに
あたり、その添加量や添加時期を制御するために実施さ
れる「燃料添加制御ルーチン」の処理内容を示す。この
ルーチン処理は、ＥＣＵ８０を通じてエンジン１の始動
と同時にその実行が開始され、所定時間毎に実行され
る。

【００４７】処理がこのルーチンに移行すると、ＥＣＵ
８０は先ずステップＳ１０１において、燃料添加の実行
にかかる調量弁１６の制御等にとって必要な運転状態を
把握する。例えばＥＣＵ８０は、クランク角センサ７６
の出力信号に基づいてエンジン１の機関回転数Ｎｅを、
またＡ／Ｆセンサ７３の出力信号に基づいて排気中の酸
素濃度（便宜上、排気空燃比という）Ａ／Ｆを各々演算
する。また、アクセルの踏み込み量Ａｃｃ、排気温度Ｔ
ｅｘ等を把握する。

【００４８】続くステップＳ１０２においては、燃料添
加を実行するか否かを判断する。燃料添加は、例えば以
下の条件（１）〜（３）が全て成立したときに行う。（１）機関回転数Ｎｅ及びアクセルの踏み込み量の関係
等からエンジン１の運転状態が燃料添加に適していると
判断される。これは、エンジン１の運転状態が、燃料添
加を実行してもトルク変動等の不具合が生じない領域に
ある条件にあたる。例えば減速時がこの条件に該当す
る。（２）排気温度Ｔｅｘが所定温度（例えば２５０℃）を
上回っていること。これは、ＮＯｘ触媒が十分に活性化
する条件にあたる。（３）ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量が所定量を上回ってい
ること。ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ吸収量がその限界値に
ある程度まで近づいたことを意味する。この吸収量は、
前回の燃料添加終了からの経過時間や、排気空燃比Ａ／
Ｆ及び排気温度Ｔｅｘの履歴等に基づいて推定すればよ
い。また、この「ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量が所定量を
上回っていること」といった条件は、「その吸収量に関
わらずＮＯｘ触媒がＮＯｘを（わずかでも）吸収してい
るとこと」といった条件に替えてもよい。ＥＣＵ８０は、上記条件（１）〜（３）全てが成立して
いるときには、燃料添加を実行すべきと判断してその処
理をステップＳ１０３に移行する。一方、上記条件
（１）〜（３）のうち何れか１つでも成立していない条
件があれば、本ルーチンを一旦抜ける。

【００４９】ステップＳ１０３においては、燃料添加の
実行に際し、排気中、厳密には触媒ケーシング４２な流
れ込む排気の空燃比（排気中の酸素濃度）の要求値（目
標値）を認識する。

【００５０】続くステップＳ１０４においては、排気の
空燃比を上記ステップＳ１０３で求めた要求値に合致さ
せ、且つＮＯｘ触媒４１中のＮＯｘを全て放出・還元さ
せるための添加燃料量（一回の燃料添加において噴射す
る燃料の総量）Ｆ、添加インターバル（今回の燃料添加
終了時から次回の燃料添加開始時までの時間）Ｉ、及び
添加パターン（時間軸上においてみられる添加燃料量の
波形パターン）Ｐを併せて決定する。そしてＥＣＵ８０
は、同ステップＳ１０４で決定された各パラメータＦ，
Ｉ，Ｐに従って調量弁１６を制御することにより、燃料
添加ノズル１７による最終的な燃料添加を実行すること
となる（ステップＳ１０５）。

【００５１】ここで、ステップＳ１０４における添加燃
料量Ｆ及び添加インターバルＩの決定に際しては、まず
基本量となる基本添加燃料量Ｆbase及び基本添加インタ
ーバルＩbaseをそれぞれ算出する。

【００５２】基本添加燃料Ｆbaseは、以下の作用
（ａ），（ｂ），（ｃ）を及ぼすに必要十分な燃料の添
加量に相当する。（ａ）排気の希釈（ｂ）酸素消費（ｃ）ＮＯｘ触媒に吸収されているＮＯｘとの反応具体的には予め設定しておくマップ等を参照し、例えば
エンジン１の機関回転数Ｎｅ、アクセルの踏み込み量Ａ
ｃｃ、Ａ／Ｆセンサの検出信号、又はこれらの履歴等に
基づいて推定すればよい。

【００５３】基本添加インターバルＩbaseも同じく、上
記作用（ａ），（ｂ），（ｃ）を及ぼすに最適な時間
（インターバル）に相当し、予め設定しておくマップ等
を参照し、例えばエンジン１の機関回転数Ｎｅ、アクセ
ルの踏み込み量Ａｃｃ、Ａ／Ｆセンサの検出信号、又は
これらの履歴等に基づいて推定すればよい。

【００５４】次に、こうして求めた基本添加燃料量Ｆba
seに対し加味する各補正値Ｆmex，Ｆvex，Ｆtex，Ｆtex
wと、基本添加インターバルＩbaseに対し加味する各補
正値Ｉmex（又はＩvex），Ｉtex，Ｉtexwとを以下のよ
うにして求める。

【００５５】先ず、補正値Ｆmex及びＩmexは、排気系４
０内におけるＮＯｘ触媒４１上流の排気流量Ｍｅｘを反
映した補正値である。排気流量Ｍｅｘは、例えば、次式
（ｉ）に基づいて推定することができる。Ｍｅｘ＝ｆ（Ｇｎ，Ｑ） …（ｉ）ただし、ｆ（Ｇｎ，Ｑ）は、変数「Ｇｎ」，「Ｑ」の関
数を意味する。また、「Ｇｎ」は、エアフロメータ７２
の検出信号に基づく吸入空気の流量にあたり、「Ｑ」
は、燃焼室２０への燃料噴射量にあたる。ちなみに、排
気流量Ｍｅｘが小さくなるほど、添加燃料の蒸発が緩慢
となるため、補正値Ｆmexは添加燃料量Ｆをより低減さ
せる性質のものとなり、補正値Ｉmexは添加インターバ
ルＩを長くさせる性質のものとなる。

【００５６】次に、補正値Ｆvex及びＩvexは、排気系４
０内におけるＮＯｘ触媒４１上流の排気流速Ｖｅｘを反
映した補正値である。排気流速Ｖｅｘは、先述の排気流
量Ｍｅｘを用い、次式（ii）に基づいて推定することが
できる。Ｖｅｘ＝Ｍｅｘ／Ａｐ …（ii）ただし、「Ａｐ」は、排気の流路面積（排気通路の内
径）にあたる。ちなみに、排気流速Ｖｅｘが小さくなる
ほど、添加燃料の蒸発が緩慢となるため、補正値Ｆmex
は添加燃料量Ｆをより低減させる性質のものとなり、補
正値Ｉmexは添加インターバルＩを長くさせる性質のも
のとなる。なお、排気流速Ｖｅｘと排気流量Ｍｅｘとは
一義的な関係にあるパラメータであるため、何れか一方
を採用して補正値を求めるようにすれば十分である。

【００５７】次に、補正値Ｆtexは、排気温センサ７４
の検出信号に基づく排気温度Ｔｅｘを反映した補正値で
ある。ちなみに、排気温度Ｔｅｘが低くなるほど添加燃
料の蒸発が緩慢となるため、補正値Ｆtexは添加燃料量
Ｆをより低減させる性質のものとなり、補正値Ｉtexは
添加インターバルＩを長くさせる性質のものとなる。

【００５８】次に、補正値Ｆtexw及びＩtexwは、排気系
４０内におけるＮＯｘ触媒４１上流の排気通路内壁の壁
温Ｔｅｘｗを反映した補正値である。排気通路内壁の壁
温Ｔｅｘｗは、先述の排気温度Ｔｅｘをもとに推定す
る。

【００５９】今、壁温がＴ０である排気通路内に、これ
と同じく温度Ｔ０の排気が流れていると仮定する。ここ
で、ある時刻ｔ０において、排気温度が温度Ｔ１に変化
し、この温度Ｔ１を十分長く維持するとすれば、その
後、任意の時刻ｔにおける壁温Ｔｘは、次式（iii）に
基づいて近似的に求められることが発明者らによって確
認されている。Ｔｘ＝Ｔ０×（１−ｅ＾（−ｔ／ｔｓ）） …（iii）ただし、「ｔｓ」は、排気（ガス）から排気通路（通路
壁の材質）へ熱が伝達されるときの熱伝達の速さを反映
する時定数にあたり、予め実験等により求めることがで
きる。すなわち、排気通路内壁の壁温は、同通路内を流
れる排気の温度の一次遅れ要素として好適に近似（推
定）される。そこで、本実施の形態では、一次なまし処
理を施すことで同排気温度Ｔｅｘの履歴に基づいて排気
通路内壁の壁温Ｔｅｘｗを求める。

【００６０】ちなみに、排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗが
低くくなるほど、添加燃料の蒸発が緩慢となるため、補
正値Ｆtexwは添加燃料量Ｆをより低減させる性質のもの
となり、補正値Ｉtexwは添加インターバルＩを長くさせ
る性質のものとなる。

【００６１】なお、このようにして求めた排気通路内壁
の壁温Ｔｅｘｗが予め設定する所定温（下限値）を下回
っている場合、ＥＣＵ８０は、添加燃料のうち、蒸発若
しくは微粒化せず排気通路内に滞留する成分量が過剰に
なると判断し、今回の燃料添加を見合わせる。

【００６２】他方、添加パターンＰの決定に際してＥＣ
Ｕ８０は、上記と同様にして求めた排気流量Ｍｅｘ、排
気流速Ｖｅｘ、排気温度Ｔｅｘ、排気通路内壁の壁温Ｔ
ｅｘｗに基づいて、添加パターンを決定する。なお、添
加パターンの変更は、調量弁１６への通電量（通電波
形）を制御することによって行う。

【００６３】図３及び図４は、何れも本実施の形態にか
かる燃料添加制御で適用される添加パターンの代表例
を、調量弁１６への通電波形（図３（ａ），図４
（ａ））、排気系４０内における排気中の還元成分量の
推移（図３（ｂ），図４（ｂ））、および酸素濃度の推
移（図３（ｃ），図４（ｃ））として同一時間軸上に示
すタイムチャートである。

【００６４】先ず、図３（ａ）に示すように燃料添加に
際して単一のピークを有する矩形波からなる電流を調量
弁１６に通電し、同調量弁１６を開弁して燃料添加ノズ
ル１７を開弁駆動した場合、図３（ｂ），（ｃ）に各々
示すように燃料の添加に伴い排気中の還元成分濃度（Ｈ
Ｃ成分濃度）は高濃度側に、酸素濃度は低濃度側に単一
のピークを示す。また、燃料添加ノズルから噴射される
瞬間的な噴射量の推移は、図３（ｂ）に示す還元成分濃
度の推移態様とほぼ一致する。

【００６５】一方、図４（ａ）に示すように燃料添加に
際して相対的に通電時間の短い矩形波からなる電流を断
続的に複数回（本例では２回）調量弁１６に通電した場
合、図４（ｂ），（ｃ）に各々示すように、燃料の添加
に伴い排気中の還元成分濃度（ＨＣ成分濃度）は高濃度
側に、酸素濃度は低濃度側に上記複数の通電波形に対応
した複数（本例では２つ）のピークを示す。またこの場
合も、燃料添加ノズルから噴射される瞬間的な噴射量の
推移は、図４（ｂ）に示す還元成分濃度の推移態様とほ
ぼ一致する。

【００６６】ここで、燃料添加ノズル１７によって添加
される燃料の量が同等である場合、図３（ａ）に示すよ
うな単一ピークの電流波形を適用して燃料噴射を行った
場合、当該燃料噴射による排気中還元成分の最大値（図
３（ｂ）参照）は、図４（ａ）に示すような断続的な通
電態様を適用して燃料噴射を行った場合に得られる排気
中還元成分の最大値（図４（ｂ）参照）よりも大きくな
る。また、燃料添加に起因する排気中還元成分の増加が
持続する時間は、単一の電流波形を適用して燃料噴射を
行った場合の方が、断続的な通電態様を適用して燃料噴
射を行った場合より短くなる。

【００６７】すなわち、一度に多量の燃料添加を行い、
高効率をもって還元成分量を高めたいとき、若しくは酸
素濃度（空燃比）を低減したいときには、図３（ａ）に
示すような単一の電流波形を適用した燃料噴射の形態
（添加パターン）が好ましい。本実施の形態において
は、排気温度Ｔｅｘや排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗが高
い場合、排気流量Ｍｅｘが大きい場合、或いは排気流速
Ｖｅｘが高い場合には、必要に応じてこのような単一の
ピークを有する電流波形を適用し、一度に多量の燃料添
加を行うことによって排気中の酸素濃度を短期間で大き
く低減させること、或いは排気中の還元成分量を効率的
に高めるようにする。

【００６８】一方、排気温度Ｔｅｘや排気通路内壁の壁
温Ｔｅｘｗが低い場合、排気流量Ｍｅｘが小さい場合、
或いは排気流速Ｖｅｘが低い場合、一度に多量の燃料添
加を行うと添加された燃料が排気通路内に滞留しやすい
ので、本来一回の添加分にあたる燃料を分割し、より少
量の燃料を複数回に亘って噴射する制御を実行すること
により、排気通路内における燃料の残留を抑制・防止す
る。

【００６９】以上、ステップＳ１０４で決定された各パ
ラメータＦ，Ｉ，Ｐに従って調量弁１６が制御され、続
くステップＳ１０５において燃料添加ノズル１７による
最終的な燃料添加が実行されることは上述した通りであ
る。

【００７０】上記処理手順に基づき、本実施の形態にか
かる「燃料添加制御ルーチン」では、ＮＯｘ触媒４１に
吸収されたＮＯｘの還元浄化を行いつつ同触媒４１のＮ
Ｏｘ吸収能力の再生を行う。

【００７１】ここで、従来の燃料添加制御にあっては、
エンジンの運転状態に応じて大きく異なる添加燃料（還
元剤）の蒸発量を十分に加味した燃料添加を行っていな
かった。

【００７２】このため、当該制御に実施にあたり、ＮＯ
ｘ触媒に吸収されたＮＯｘの放出・還元に最適な排気空
燃比や還元成分量を確保することが困難となっていた。
添加燃料の蒸発量を無視した制御では、排気浄化（ＮＯ
ｘ浄化）に適用する触媒にとって特有な還元成分量、或
いは排気空燃比を安定して得ることができないばかりで
なく、蒸発又は微粒化せず排気通路内に残留した添加燃
料が、特定の運転領域（例えば加速時等）において触媒
ケーシングに一気に流れ込み、触媒床温を過度に上昇さ
せてしまうといった二次的な弊害を招くことともなって
いた。

【００７３】ちなみに、このような添加燃料の蒸発量の
把握にあたり、例えば、単に排気温度に基づいて排気通
路の壁面付着量を推定する等し、この推定量から添加さ
れる燃料の蒸発率（気化率）を演算したとしても、添加
された燃料のうち、実際にどの程度の燃料がどの程度の
速度で蒸発するかは、燃料が添加される部位から触媒の
設置部位に亘る排気通路の微妙な環境条件によって大き
く異なる。また、排気通路内壁の壁温（壁温の変化）
は、正しくは排気から壁面に亘る熱伝達の応答遅れ要素
として把握される。すなわち、そのような応答遅れ要素
として把握される排気通路内壁の壁温を考量することな
く燃料の蒸発率を推定したところで、そうした推定に十
分な信頼性が得られるとは言い難い。

【００７４】この点、本実施の形態にかかる制御態様に
よれば、こうした添加燃料の蒸発量を決定づける必要十
分な条件である排気温度Ｔｅｘ、同排気温度Ｔｅｘの応
答遅れ要素として近似した排気通路内壁の壁温Ｔｅｘ
ｗ、および排気流速Ｖｅｘ（又は排気流量Ｍｅｘ）を適
用することにより、添加される燃料の蒸発量（蒸発の効
率）を正確に把握することとしている。

【００７５】そしてさらに、把握された蒸発の効率に応
じて燃料添加にかかる添加パターン（添加燃料の供給
量、燃料添加の前回実施から今回実施までのインターバ
ル、時間軸上に形成される噴射量の波形、各波形間の時
間間隔、所定量の燃料を添加するために実行する噴射回
数を含む）を操作することにより、最適な供給態様を選
択する。このため、燃料の蒸発（微粒化）の容易性が変
動する場合であれ、無駄のない燃料の噴射供給を行って
且つ、確実に所望の排気空燃比（還元成分量）を得るこ
とができるようになる。

【００７６】よって、幅広い運転領域において、排気中
に存在するＮＯｘの浄化効率を最適化することができる
ようになる。

【００７７】なお、上記実施の形態においては、排気通
路内壁の壁温Ｔｅｘｗを、同通路内を流れる排気の温度
（排気温度）Ｔｅｘの一次遅れ要素として近似（推定）
することとした。これに替え、排気温度Ｔｅｘを基本量
とし、熱伝達に要する応答遅れを加味して行う他の計算
方法等により、排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗを推定して
もよい。例えば、次式（iv）により排気通路内壁の壁温
Ｔｅｘｗを演算することとしてもよい。ただし、Ｔｅｘ（n)は排気温度Ｔｅｘの最新値にあた
り、Ｔｅｘ(n-1)は所定時間前に検出した排気温度Ｔｅ
ｘにあたる。

【００７８】また、上記実施の形態において説明した排
気流量Ｍｅｘ、排気流速Ｖｅｘ、排気温度Ｔｅｘ、排気
通路内壁の壁温Ｔｅｘｗと、各パラメータに関連する補
正値Ｉmex，Ｉvex，Ｉtex，Ｉtexwとの関係は、一般的
な傾向であり、厳密なものではない。ただし、その厳密
な関係は、適用対象となるエンジンシステム等に応じ実
験等によって求められるので、経験式（関数）として、
或いはマップ（数値テーブル）としてＥＣＵ８０のＲＯ
Ｍ８２等に保管し適宜活用すれば、容易に本実施の形態
にかかる制御構造を具現することができる。

【００７９】また、図３および図４において説明した排
気流量Ｍｅｘ、排気流速Ｖｅｘ、排気温度Ｔｅｘ、排気
通路内壁の壁温Ｔｅｘｗと、添加パターンとの対応関係
もまた、一般的な傾向ではあるが、そうした添加パター
ンの変更に応じて、添加される燃料の蒸発態様が顕著に
異なることは、発明者らによって確認されている。そこ
で、上記各パラメータＭｅｘ、Ｖｅｘ、Ｔｅｘ、Ｔｅｘ
ｗの変化に対応させて変更する添加パターンは、図３お
よび図４に示したものばかりでなく、例えば噴射量の最
大値（ピーク）を時間軸上に３つ、或いはそれ以上有す
るパターンを設定することもできる。また、断続的な通
電を行い時間軸上に燃料量のピークを複数形成するあた
り、各ピーク間のインターバルを異なるものとしたり、
各ピークに相当する調量弁１６への通電時間を異なるも
のとしてもよい。こうした添加パターンの変更により、
例えば上記各パラメータＭｅｘ、Ｖｅｘ、Ｔｅｘ、Ｔｅ
ｘｗの状態に関わらず、燃料の蒸発効率の最適化を図る
ことが容易になる。

【００８０】また、上記実施の形態においては、還元剤
としてディーゼルエンジンの燃料（軽油）を適用するこ
ととした。この他、ガス中の還元成分としてＮＯｘを還
元する機能を有するものであれば、他の還元剤、例えば
ガソリン、灯油等を用いても構わない。

【００８１】また、上記実施の形態においては、ＮＯｘ
触媒として、いわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を適用する
こととしたが、これに替えいわゆる選択還元型ＮＯｘ触
媒を適用してもよい。要は、ガス中の還元成分量或いは
これに関連する成分の量（例えば酸素濃度）に応じてＮ
Ｏｘの浄化（還元）作用効率が異なる触媒を適用して排
気中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置であれば、本実施
の形態において用いたものと同等の制御構造を適用して
同実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果を奏する
ことができる。

【００８２】また、本実施の形態においては、燃料タン
クからコモンレール１２へ燃料を供給するサプライポン
プ１１を用いて、サプライポンプ１１の汲み上げた燃料
の一部を排気系４０内に添加供給する装置構成を適用す
ることとした。しかし、こうした装置構成に限らず、例
えば添加燃料を燃料タンク、或いは他の燃料（還元剤）
供給源から供給する独立した供給系を備える装置構成を
適用してもよい。

【００８３】また、本実施の形態においては、燃料の排
気系への添加にあたり、添加燃料通路Ｐ２を介して供給
される燃料の圧力を調量弁１６によって制御し、その圧
力制御によって燃料添加ノズル１７の開閉弁動作を制御
する構成を適用している。これに対し、例えば燃料噴射
弁１３のように、ＥＣＵ８０による通電を通じて直接開
閉弁動作を制御される電磁弁等を燃料添加を行う噴射弁
として適用してもよい。この場合、調量弁１６は装置構
成から除外してよい。

【００８４】また、上記実施の形態においては、本発明
の排気浄化装置を内燃機関としての直列４気筒のディー
ゼルエンジン１に適用することとしたが、希薄燃焼を行
うガソリンエンジンにも好適に本発明を適用することが
できる。また、直列４気筒の内燃機関に限られることも
ない。

【００８５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
供給される還元剤の蒸発量を決定づける必要且つ十分な
パラメータとして適切な排気温度、排気壁温および排気
流量を選択し、これらに基づいて当該蒸発量を推定する
こととなる。そしてこの推定量に基づいて還元剤の供給
量が求められることとなるため、触媒作用にとって、排
気中における最適な還元成分量（若しくは濃度）、或い
は酸素濃度を高い精度で得ることが容易となる。

【００８６】また、蒸発若しくは微粒化されない燃料の
添加を好適に防止され、無駄な燃料添加を低減すること
できるようになるばかりでなく、蒸発しない余剰燃料が
当該触媒に到達せず排気系に残留するのを好適に抑制す
ることができるようになる。

【００８７】また、例えば燃料の蒸発にかかる効率や、
供給量の高効率化といった観点から、排気系内の環境条
件や制御目的に応じ、最適な供給形態を適宜選択するこ
とができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態にかかるディーゼルエン
ジンシステムを示す概略構成図。

【図２】同実施の形態にかかる燃料添加制御手順を示す
フローチャート。

【図３】同実施の形態にかかる燃料添加制御で適用され
る添加パターンの代表例を示すタイムチャート。

【図４】本実施の形態にかかる燃料添加制御で適用され
る添加パターンの代表例を示すタイムチャート。

【符号の説明】

１ディーゼルエンジン（内燃機関）１０燃料供給系１１サプライポンプ１２コモンレール１３燃料噴射弁１４緊急遮断弁１５燃圧制御弁１６調量弁１７燃料添加ノズル（噴射供給手段）２０燃焼室３０吸気系３１インタークーラ３２スロットル弁４０排気系４１ＮＯｘ触媒４２触媒ケーシング５０ターボチャージャ５１シャフト５２排気側タービンホイール５３吸気側タービンホイール６０ＥＧＲ通路６１ＥＧＲ弁６２ＥＧＲクーラ７０レール圧センサ７１燃圧センサ７２エアフロメータ７４排気温センサ７５アクセル開度センサ７６クランク角センサ８０電子制御装置（ＥＣＵ）８１中央処理装置（ＣＰＵ）８２読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８６外部入力回路８７外部出力回路８８双方向性バスＰ１機関燃料通路Ｐ２添加燃料通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者塚崎之弘愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者松岡広樹愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者林孝太郎愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者石山忍愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者大坪康彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者曲田尚史愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小林正明愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者柴田大介愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者根上秋彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小田富久愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者原田泰生愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G091 AA10 AA11 AA12 AA18 AB04 AB05 BA00 BA14 BA15 BA19 CA16 CA18 DA00 DB04 DB06 DB07 DB08 DB09 DC03 EA00 EA01 EA05 EA15 EA17 EA34 GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB17X HA37

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気系に設けられ当該機関の
排気中の窒素酸化物を還元成分の存在下で浄化するＮＯ
ｘ触媒と、前記排気系の前記ＮＯｘ触媒上流に還元剤を供給する還
元剤供給手段と、前記ＮＯｘ触媒を介した前記窒素酸化物の触媒反応に関
連する排気中の還元成分量を目標量にする前記還元剤の
供給量を演算する演算手段と、当該内燃機関の排気温度、排気壁温および排気流量に基
づいて、前記供給される還元剤の蒸発量を推定する蒸発
量推定手段と、前記推定された蒸発量に基づいて前記供給量を補正する
補正手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄
化装置。
【請求項２】前記供給量推定手段の推定する供給量
は、前記排気温度および前記排気壁温のうち少なくとも
一方が低いほど小さくなることを特徴とする請求項１記
載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】前記還元剤供給手段に備えられ前記排気
系に還元剤を噴射供給する噴射供給手段と、該噴射供給手段による還元剤の噴射供給量の波形パター
ンを変更する波形パターン変更手段とをさらに有するこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄
化装置。
【請求項４】当該内燃機関の排気温度、排気壁温およ
び排気流量に基づいて、所定量の燃料を添加するために
実行する噴射回数を異ならしめる噴射回数制御手段をさ
らに有することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の
排気浄化装置。