JP2003148225A

JP2003148225A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP2003148225A
Application number: JP2001340915A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Hashimoto; 佳宜橋本; Shizuo Sasaki; 静夫佐々木; Koji Yoshizaki; 康二吉崎; Nobuki Kobayashi; 暢樹小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2003-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】排気の一部を吸気系に還流させる機能を備え
たディーゼルエンジンにおいて、排気浄化触媒を効率的
に活性化させることのできるディーゼルエンジンの排気
浄化装置を提供する。【解決手段】エンジン１の運転状態を統括制御するＥ
ＣＵ８０は、排気系４０に設けられたＮＯｘ触媒の活性
化を図る上で、或いはＮＯｘ触媒が活性化された状態を
保持する上で同触媒への熱供給が必要とされており、且
つ、燃焼ガス中への不活性ガスを混入することがエンジ
ンの運転状態を好適化し得る条件が成立した場合には、
ＥＧＲ通路６０を介した排気還流を禁止するとともに、
ＶＶＴ機構を駆動して内部ＥＧＲの効果を得る制御（低
温燃焼の代替的な制御）を実施することにより、排気系
４０に設けられたＮＯｘ触媒を効率的に昇温する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルの排気
に含まれる有害成分や微粒子等を浄化する排気浄化装置
に関し、とくに、前記排気系の前記排気浄化触媒上流か
ら当該エンジンの吸気系に排気を還流させる排気還流通
路を備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関の機関燃焼に伴う窒素酸
化物（ＮＯｘ）の発生を抑制するための装置として、排
気の一部を当該機関の吸気系に還流させる機能を有する
排気還流（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置
が知られている。ＥＧＲ装置は、内燃機関の排気系と吸
気系との間を連絡するＥＧＲ通路や、同ＥＧＲ通路を開
閉する制御弁（ＥＧＲ弁）等を備えて構成される。ＥＧ
Ｒ通路を通じて排気の一部が吸気に混入すると、機関燃
焼に供される混合気中の不活性ガス濃度が高められて燃
焼温度が低下するため、燃焼ガス中、ひいては排気中に
おけるＮＯｘの発生量が低減されるようになる。ＥＧＲ
装置を通じて行う排気還流は、機関の燃焼状態に不具合
が生じない限り、できるだけ広範囲に亘る運転領域で実
施するのが好ましい。とくにディーゼルエンジンでは、
アイドリング等、機関負荷の低い運転条件下においても
多量の排気を吸気系に還流する（いわゆる低温燃焼を行
う）ことで、排気中のＮＯｘのみならずスモークの発生
量も極めて低いレベルに抑制することができる（例えば
特開２０００−８８３５号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、ディーゼルエン
ジンも含め一般の内燃機関には、排気中に含まれる有害
成分を浄化するべくその排気系に排気浄化用触媒が備え
られる。そして機関運転時には、排気浄化触媒を活性化
させるために、例えば排気の温度をある程度高い状態に
保持すること等により、当該触媒の床温が所定値を上回
る条件を確保する必要がある。とりわけディーゼルエン
ジンのように、大半の運転領域において空燃比の高い
（リーン雰囲気の）混合気を機関燃焼に供する内燃機関
では、排気中において燃焼に供されなかった空気の占め
る割合が大きいため、排気の温度が低くなりやすい。と
くに冷間始動時等には、暖機が完了するまでに比較的に
長時間を要する場合が多い。

【０００４】ところが、同公報にも記載されているよう
に、内燃機関に搭載されるＥＧＲ装置では、ＥＧＲ通路
から還流される排気の熱に起因する機関吸気の温度上昇
を極力抑制するために、ＥＧＲ通路を還流する排気に対
し積極的に放熱を促す装置構成が適用される。

【０００５】つまり、冷間始動時等、排気の温度が低く
排気浄化触媒が活性化され難い条件下では、ＥＧＲ装置
の機能を活用して排気中のＮＯｘ量を低減しようと試み
た場合、還流される排気に対し放熱が促されることにな
り、排気浄化触媒に効率的な熱供給が行われなくなる。
このため、排気浄化触媒の活性化に要する時間を徒に長
期化させてしまい、効率的な排気の浄化が図れなかっ
た。

【０００６】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、排気の一部
を吸気系に還流させる機能を備えたディーゼルエンジン
において、排気浄化触媒を効率的に活性化させることの
できるディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供するこ
とにある。

【０００７】

【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、ディーゼルエンジンの排気系に設けら
れ、排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒と、前記
排気系の前記排気浄化触媒上流から当該エンジンの吸気
系に排気を還流させる排気還流通路と、前記排気還流通
路内を冷却する冷却手段と、前記排気還流通路内を還流
する排気の流量を調整する流量調整手段と、当該エンジ
ンの出力軸の回転動作に連動して往復動作する吸気バル
ブ及び排気バルブの少なくとも一方について、前記出力
軸の回転動作に対応する動作特性を可変とするバルブ特
性可変機構と、を備えるディーゼルエンジンの排気浄化
装置において、前記排気浄化触媒の温度が所定値を下回
っている場合、前記還流する排気の流量を減じるととも
に、前記吸気バルブの動作特性及び前記排気バルブの動
作特性のうち少なくとも一方を制御して、当該エンジン
の燃焼室内に残留する排気を増量する制御手段を備える
ことを要旨とする。

【０００８】なお、前記排気浄化触媒の温度が所定値を
下回っている場合とは、当該触媒がその排気浄化能力を
十分発揮すべく活性化された状態に至ってない条件や、
活性化された状態を保持するのが困難である条件に相当
する。例えば、冷間始動時や、比較的長期間に亘り機関
負荷や機関回転数の低い運転状態が継続したとき（例え
ば冷間運転時）等にこのような条件が成立しやすい。こ
こで、排気を還流させることにより燃焼ガス中の不活性
成分量を増大させ、もって排気中のＮＯｘ量を減じる制
御は、広い機関運転領域で有効に活用され得る。とく
に、前記排気浄化触媒の温度が所定値を下回っている条
件下では、排気中のＮＯｘ量のみならず、スモーク量を
も減じることができるため、その制御を継続することが
望ましい。その反面、還流される排気は前記排気還流通
路を流れる過程で冷却手段によって熱を奪われることに
なるため、機関運転に伴って発生する熱の前記排気浄化
触媒の活性化のために割り当てるといった観点からは、
効率的であるといえない。

【０００９】同構成によれば、機関運転に伴って発生す
る熱が効率的に活用されることで、冷間始動時等におい
て不活性な状態にある（若しくは活性化し難い条件下に
ある）排気浄化触媒が速やかに活性されることになり、
しかも排気還流の実行を通じて得られる効果と同等の効
果が、バルブ特性可変機構の動作を通じて代替的に得ら
れる。このような制御構造を適用して排気浄化触媒を速
やかに活性化させた後、排気還流による排気特性の最適
化を開始することとすれば、排気浄化触媒の作用と、排
気還流通路の作用と、バルブ特性可変機構の作用とを併
せた総体的な排気浄化の効率が向上する。

【００１０】また、上記構成からなる排気浄化装置は、
当該エンジンの各燃焼室内の圧力を検出する圧力検出手
段を備えて、且つ、前記制御手段は、前記検出される圧
力が所定値を下回るように各燃焼室に残留する排気の量
を制限するのが好ましい。

【００１１】同構成によれば、各燃焼室に残留する排気
量が過剰に増大することで発生する機関燃焼状態の不具
合、或いはその前兆が、当該エンジンを構成する個々の
燃焼室について観測され、その観測結果が前記バルブ特
性可変機構の動作に反映（フィードバック）されること
になる。よって、当該エンジンの排気特性を良好な状態
に保持しつつ前記排気浄化触媒の暖機を早期に完了する
制御を実行する一方で、当該制御の実行中、当該エンジ
ンにとって安定した機関燃焼状態が確保される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかるディーゼル
エンジンの排気浄化装置を具体化した一実施の形態につ
いて説明する。

【００１３】〔エンジンシステムの構造及び機能〕図１
において、ディーゼルエンジン（以下、エンジンとい
う）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０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
内燃機関である。

【００１４】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、遮断弁１
４、調量弁１６、還元剤添加弁１７、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。

【００１５】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。

【００１６】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
還元剤添加弁１７に供給する。添加燃料通路Ｐ２には、
サプライポンプ１１から還元剤添加弁１７に向かって遮
断弁１４及び調量弁１６が順次配設されている。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。調量弁１６は、還元剤添加弁１７に
供給する燃料の圧力（燃圧）ＰＧを制御する。還元剤添
加弁１７は、燃料噴射弁１３と同じくその内部に電磁ソ
レノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、還元剤とし
て機能する燃料を、適宜の量、適宜のタイミングで排気
系４０の触媒ケーシング４２上流に添加供給する。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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の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
変更し、同吸入空気の供給量（流量）を調整する機能を
有する。

【００２０】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（ＥＧＲ通路）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（ＥＧＲガ
ス）の流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１
と、ＥＧＲ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。

【００２１】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）を収容した
触媒ケーシング４２が設けられている。

【００２２】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。

【００２３】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を介して還元剤添
加弁１７に導入される燃料の圧力（燃圧）ＰＧ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３
０内のスロットル弁３２下流において吸入空気の流量
（吸気量）ＧＡに応じた検出信号を出力する。空燃比
（Ａ／Ｆ）センサ７３ａは、排気系４０の触媒ケーシン
グ４２上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。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
７３ｂ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、排気系４０において
触媒ケーシング４２の排気流入部位に取り付けられ、当
該部位における排気の温度（排気温度）ＴＥＸに応じた
検出信号を出力する。ＮＯｘセンサ７５は、同じく排気
系４０の触媒ケーシング４２下流において排気中のＮＯ
ｘ濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。

【００２４】また、アクセルポジションセンサ７６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７７は、エンジン１の出力軸（ク
ランクシャフト；図示略）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７０〜７７
は、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されて
いる。

【００２５】またエンジン１には、各燃焼室２０に対応
して設けられた排気バルブの開閉動作タイミングを可変
制御する周知のバルブタイミング可変機構が搭載されて
いる。

【００２６】図２は、エンジン１に搭載されるバルブタ
イミング可変機構をその周辺部材と併せて概略的に示す
斜視図である。同図２に示すように、バルブタイミング
可変機構（以下、ＶＶＴ機構という）９０は、エンジン
１の排気カムシャフト９１の先端部に当該排気カムシャ
フト９１と相対回転可能に装着されている。ＶＶＴ機構
９０と一体に回転するように設けられた排気カムスプロ
ケット９０Ａと、吸気カムシャフト９２の先端部に当該
吸気カムシャフト９２と一体に回転するように設けられ
た吸気カムスプロケット９０Ｂとは、エンジン１のクラ
ンクシャフト（図示略）に当該クランクシャフトと一体
に回転するように設けられたクランクシャフト・スプロ
ケット（図示略）と、タイミングチェーン９０Ｃを介し
て駆動連結されている。このクランクシャフト・スプロ
ケットと排気カムスプロケット９０Ａ（或いは吸気カム
スプロケット）９０Ｂとのギア比は１：２であり、クラ
ンクシャフト・スプロケットが１回転する間に排気カム
スプロケット９０Ａ（或いは吸気カムスプロケット）９
０Ｂは２回転する。排気カムシャフト９１及び吸気カム
シャフト９２には、それぞれ複数の排気カム９１ａ及び
吸気カム９２ａが一体回転可能に設けられている。排気
カム９１ａ及び吸気カム９２ａは、その押圧に基づき排
気バルブ９１ｂ及び吸気バルブ９２ｂを開閉駆動する。
ＶＶＴ機構９０はＥＣＵ８０の指令信号に基づいて油圧
駆動され、排気カムシャフト９１との相対的な回転位相
を所望の状態に調整する機能を有する。すなわち、吸気
カムシャフト９２がクランクシャフトと同期して回転す
るのに対し、排気カムシャフト９１とクランクシャフト
９２との相対回転位相はＶＶＴ機構９０によって可変と
される。エンジン１では、このようなＶＶＴ機構９０の
機能を通じ、排気バルブ９１ｂの開閉弁動作タイミング
（吸気バルブ９２ｂに対する相対的な動作タイミング）
が適宜変更されることになる。排気カムシャフト９１の
近傍には、ＥＣＵ８０と電気的に接続され、当該排気カ
ムシャフト９１が一定角度回転する毎に検出信号（パル
ス）を出力するカム角センサ９５が取り付けられてい
る。

【００２７】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。

【００２８】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８７を介して入力
し、これら信号に基づき燃料噴射弁１３の開閉弁動作に
関する制御や、ＥＧＲ弁６１の開度調整、スロットル弁
３２の開度調整、或いはＶＶＴ機構９０の駆動制御等、
エンジン１の運転状態に関する各種制御を実施する。

【００２９】〔触媒ケーシングの構造及び機能〕次に、
以上説明したエンジン１の構成要素のうち、排気系４０
に設けられた触媒ケーシング４２について、その構造及
び機能を詳しく説明する。

【００３０】触媒ケーシング４２は、その内部に排気浄
化触媒としての吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触
媒という）を収容する。

【００３１】ＮＯｘ触媒は、例えばアルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）を主材料とするハニカム形状の構造体（パティキ
ュレートフィルタ）を担体とし、このパティキュレート
フィルタ（担体）の表面にＮＯｘ吸収剤として機能する
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（Ｌａ）、或いはイットリウム（Ｙ）のような希土類
と、酸化触媒（貴金属触媒）として機能する例えば白金
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。

【００３２】ＮＯｘ吸収剤は、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。また、排気中にＮ
Ｏｘが放出されたとき、排気中にＨＣやＣＯ等が存在し
ていれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を
促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分
とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣ
やＣＯはＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ₂に還元
される。

【００３３】一方、ＮＯｘ吸収剤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。エンジン１で
は、触媒ケーシング４２内に収容されたＮＯｘ吸収剤の
ＮＯｘ吸収量が限界量に達する前に、還元剤添加弁１７
を通じて排気通路の触媒ケーシング４２上流に還元剤
（本実施の形態では燃料）を添加供給することで、ＮＯ
ｘ触媒に吸収されたＮＯｘを放出および還元浄化し、Ｎ
Ｏｘ吸収剤（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。

【００３４】さらに、ＮＯｘ吸収剤や貴金属触媒の担体
をなすパティキュレートフィルタは、排気中に含まれる
煤等の微粒子やＮＯｘ等の有害成分を、以下のメカニズ
ムに基づいて浄化する。

【００３５】ＮＯｘ触媒が、その構成要素であるＮＯｘ
吸収剤及び貴金属触媒の協働により、排気中の酸素濃度
や還元成分量に応じてＮＯｘの吸収、放出及び浄化を繰
り返し行うことは上述した通りである。その一方、ＮＯ
ｘ触媒は、このようなＮＯｘの浄化を行う過程で副次的
に活性酸素を生成する特性を有する。パティキュレート
フィルタを排気が通過する際、その排気中に含まれる煤
等の微粒子は構造体（多孔質材料）に捕捉される。ここ
で、ＮＯｘ触媒の生成する活性酸素は、酸化剤として極
めて高い反応性（活性）を有しているため、捕捉された
微粒子のうちＮＯｘ触媒の表面や近傍に堆積した微粒子
は、この活性酸素と（輝炎を発することなく）速やかに
反応し、浄化されることになる。

【００３６】〔燃料噴射制御の概要〕ＥＣＵ８０は、各
種センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転状
態に基づき燃料噴射制御を実施する。本実施の形態にお
いて燃料噴射制御とは、各燃料噴射弁１３を通じた各燃
焼室２０内への燃料噴射の実施に関し、燃料の噴射量
Ｑ、噴射タイミング、噴射パターンといったパラメータ
を設定し、これら設定されたパラメータに基づいて個々
の燃料噴射弁１３の開閉弁操作を実行する一連の処理を
いう。

【００３７】ＥＣＵ８０は、このような一連の処理を、
エンジン１の運転中所定時間毎に繰り返し行う。燃料の
噴射量Ｑ及び噴射タイミングは、基本的にはアクセルペ
ダルへの踏み込み量ＡＣＣと、エンジン１の回転数（ク
ランク角センサ７７のパルス信号に基づいて演算するこ
とができるパラメータ）とに基づき、予め設定されたマ
ップ（図示略）を参照して決定する。

【００３８】〔ＥＧＲ制御の概要〕ＥＣＵ８０は、各種
センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転状態
に基づきＥＧＲ制御を実施する。本実施の形態において
ＥＧＲ制御とは、ＥＧＲ通路６０に設けられた電子制御
式の開閉弁（ＥＧＲ弁）６１を操作して、ＥＧＲ通路６
０を通過するガスの流量、言い換えれば排気系４０から
吸気系３０に還流される排気の流量（いわゆる外部ＥＧ
Ｒ量）を調整する処理をいう。

【００３９】目標となるＥＧＲ弁６１の開弁量（以下、
目標開弁量）は、基本的にはエンジン１の負荷や回転数
等の運転状態に基づき、予め設定されたマップ（図示
略）を参照して決定される。ＥＣＵ８０は、この目標開
弁量をエンジン１の運転中所定時間毎に更新し、逐次、
ＥＧＲ弁６１の実際の開弁量が更新された目標開弁量に
合致するよう同ＥＧＲ弁６１の駆動回路に指令信号を出
力する。

【００４０】〔ＥＧＲ制御に基づく低温燃焼〕こうした
一連の処理により排気の一部が吸気系３０に還流される
と、その還流量に応じ機関燃焼に供される混合気中の不
活性ガス成分が増量することになる。この結果、エンジ
ン１の燃焼温度が低下し（エンジン１がいわゆる低温燃
焼の状態となり）、排気中のＮＯｘ量が低減される他、
例えばＥＧＲ率（ＥＧＲガスの流量／（ＥＧＲガスの流
量＋吸入空気の流量））が５５％程度を上回る条件下に
おいてスモークがほとんど発生しなくなる。

【００４１】また、低温燃焼の実施に伴い排気中の未燃
ＨＣ（還元成分）が増量することになるため、結果とし
て、還元剤として機能する軽質なＨＣが排気系４０に添
加され排気中の還元成分濃度を高めることとなる。すな
わち、ＥＧＲ制御（低温燃焼）を実施することにより、
ＮＯｘ触媒を昇温させる効果を得ることもできる。

【００４２】〔バルブタイミング制御の概要〕ＥＣＵ８
０は、カム角センサ９５の出力信号に基づき排気カムシ
ャフト９１の回転位相を検出する一方、クランク角セン
サ７７の出力信号に基づきクランクシャフトの回転位相
を検出する。そして、排気カムシャフト９１の回転位相
とクランクシャフトの回転位相とを対比することよっ
て、クランクシャフトと排気カムシャフト９１との相対
回転位相（排気バルブ９１ｂのバルブタイミング）の実
測値を把握する。その一方、各種センサの検出信号から
把握されるエンジン１の運転状態に基づき、目標となる
排気バルブ９１ｂのバルブタイミング（目標値）を決定
する。そして、排気バルブ９１ｂのバルブタイミングの
実測値が目標値と合致するようにＶＶＴ機構９０の駆動
（バルブタイミング制御）を行う。

【００４３】〔バルブタイミング制御に基づくＮＯｘ触
媒の早期活性化〕エンジン１の運転中、上死点近傍にお
ける排気バルブ９１ｂの閉弁タイミングを進角或いは遅
角させ、排気バルブ９１ｂ及び吸気バルブ９２ｂの何れ
もが開弁状態になる期間（いわゆるバルブオーバラップ
期間）を調整すれば、排気行程を経たのち燃焼室２０内
に残留する排気（或いは吸気系３０に吹き返す排気）の
量を増大させることができ、これにより、ＥＧＲ通路６
０を介して吸気系３０に排気を還流させる場合と同様の
効果、すなわち排気中のＮＯｘ量を低減させ、且つ、排
気の温度を高めるといった効果（いわゆる内部ＥＧＲの
効果）を得ることができる。より具体的には、負荷や回
転数等、エンジン１の運転状態によって定まる所定の範
囲を超えて、排気バルブ９１ｂの閉弁タイミングを進角
させると、バルブオーバラップ期間において吸気系３０
から排気系４０に吹き抜けるガス量が減じられるため、
排気行程を経たのち燃焼室内に残留する排気の量を増大
させることができる。一方、同じくエンジン１の機関回
転数や負荷等の運転状態によって定まる所定の範囲を超
えて、排気バルブの閉弁タイミングを進角させると、バ
ルブオーバラップ期間において排気系４０から吸気系３
０に吹き返すガス量が増えるため、この場合も、排気行
程を経たのち燃焼室内に残留する排気の量が実質的に増
大する。すなわち、所定の範囲を超えて排気バルブの閉
弁タイミングを進角させる制御、或いは所定の範囲を超
えて排気バルブの閉弁タイミングを遅角させる制御の何
れを行っても内部ＥＧＲの効果を得ることができる。

【００４４】ところで、ＥＧＲ制御を通じて行う低温燃
焼、その他ＥＧＲ率を高める制御では、エンジン１の機
関運転に伴って発生する熱の一部がＥＧＲクーラ６２の
作用で外部に放熱される。このため、例えばエンジン１
が冷間始動を行っている場合や、低負荷及び低回転の状
態にある場合等にＥＧＲ制御を実行すると、排気系４０
に設けられたＮＯｘ触媒の活性化を図る上で（或いはＮ
Ｏｘ触媒が活性化された状態を保持する上で）同触媒へ
の効率的な熱供給が必要とされているにも関わらず、エ
ンジン１の機関運転に伴って不可避に発生する熱の一部
がＮＯｘ触媒の昇温になんら寄与することなく、ＥＧＲ
クーラ６２を介して廃熱されてしまうことになる。

【００４５】この点、バルブタイミングの調整を通じて
燃焼ガスへ排気を混入する場合、エンジン１の機関運転
に伴って発生した熱が、より直接的にＮＯｘ触媒に作用
する。

【００４６】そこで、本実施の形態にかかるエンジン１
では、排気系４０に設けられたＮＯｘ触媒の活性化を図
る上で、或いはＮＯｘ触媒が活性化された状態を保持す
る上で同触媒への熱供給が必要とされており、且つ、燃
焼ガス中への不活性ガスを混入することがエンジンの運
転状態を好適化し得る条件が成立した場合には、ＥＧＲ
通路６０を介した排気還流を禁止するとともに、ＶＶＴ
機構９０を駆動して内部ＥＧＲの効果を得る制御を実施
し、排気系４０に設けられたＮＯｘ触媒を効率的に昇温
させる。

【００４７】〔具体的な制御手順〕次に、上記ＶＶＴ機
構９０の駆動等を通じて行うＮＯｘ触媒の昇温制御につ
いて、ＥＣＵ８０による具体的な手順を説明する。

【００４８】図３は、ＥＣＵ８０を通じて所定時間毎に
実行される「触媒昇温制御ルーチン」を示すフローチャ
ートである。

【００４９】本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ８
０は先ずステップＳ１０１において、現在、バルブタイ
ミング制御を活用した排気の昇温が行われているか否か
を判断する。そして、その判断が否定である場合にはス
テップＳ１０２に移行し、その判断が否定である場合に
はステップＳ１０５にジャンプする。

【００５０】ステップＳ１０２においてＥＣＵ８０は、
バルブタイミング制御を活用した排気の昇温を実施すべ
きか否かを判断する。例えば、以下の条件（１），
（２）が何れも満たされている場合に、バルブタイミン
グ制御を活用した排気の昇温を実施すべきであると判断
すればよい。（１）触媒ケーシング４２に内蔵されたＮＯｘ触媒の温
度が所定値を下回っている。ここで、ＮＯｘ触媒の温度
は、例えば各種センサの出力信号に基づいて把握される
エンジン１の運転状態の履歴と、現在の排気温度ＴＥＸ
とに基づいて推定すればよい。（２）内部ＥＧＲの効果を得るために排気バルブの閉弁
タイミングを遅角しても、機関燃焼（各燃焼室２０内に
おける混合気の燃焼状態）に不具合が生じないと推定さ
れる。同ステップＳ１０２における判断が肯定である場
合、ＥＣＵ８０はＥＧＲ弁６１を閉弁状態とした上で
（ステップＳ１０３）、ＶＶＴ機構９０を駆動し排気バ
ルブ９１ｂの閉弁タイミングを遅角することにより、バ
ルブオーバラップ期間を所定の長さに設定する（ステッ
プＳ１０４）。一方、同ステップＳ１０２における判断
が否定である場合、ＥＣＵ８０は本ルーチンを一旦抜け
る。

【００５１】上記ステップＳ１０４における処理を経た
後、或いは上記ステップＳ１０１において、現在、バル
ブタイミング制御を活用した排気の昇温が行われている
旨の判断がなされた場合、ＥＣＵ８０は、触媒ケーシン
グ４２に内蔵されたＮＯｘ触媒が活性化したか否かを逐
次判断することになる（ステップＳ１０５）。そして、
同触媒が十分に活性化されたものと判断した場合には、
バルブタイミング制御を活用した排気の昇温を終了し、
通常に制御モードに復帰する（例えばＥＧＲ制御を再開
する）。

【００５２】以上の制御構造を適用する本実施の形態に
よれば、冷間始動時、或いは低温燃焼の実施に適した条
件下において、ＥＧＲ通路６０を通じた排気を還流させ
ることによって達せられる低温燃焼の効果、すなわち排
気中のＮＯｘやスモーク発生量の低減や排気の昇温とい
った効果が代替的に得らる。しかもこのとき、バルブタ
イミング制御を活用し、且つ、ＥＧＲ弁６１を閉弁状態
に保持することにより、ＥＧＲクーラ６２からの熱損失
が生じないため、ＥＧＲ通路６０を介した排気を還流さ
せることによって低温燃焼を行う場合に比べ、機関燃焼
に伴って発生する燃焼ガスのエネルギーがより効率的に
寄与して、排気の温度を上昇させる（ＮＯｘ触媒を活性
化させる）。

【００５３】なお、本実施の形態にかかるエンジン１で
は、排気カムシャフトに取り付けられたＶＶＴ機構９０
を活用し、排気バルブの閉弁タイミングを遅角させるこ
とによって内部ＥＧＲ量を増大させる構成を適用した。
これに替え、排気バルブの閉弁タイミングを進角させる
ことによって内部ＥＧＲ量を増大する構成を適用するこ
ともできる。

【００５４】さらに、ＶＶＴ機構９０を吸気カムシャフ
トに取り付け、吸気バルブ９２ｂの開弁タイミングを進
角或いは遅角させることによっても、本実施の形態と略
同等の効果を得ることができる。

【００５５】また、排気バルブ９１ｂの閉弁タイミング
や吸気バルブ９２ｂの開弁タイミングを制御する構成に
限らず、排気バルブ９１ｂの閉弁動作時や吸気バルブ９
２ｂの開弁動作時、時間軸上に表される両バルブのリフ
ト量のプロファイル（各バルブの動作特性）を変更する
他の機構（例えば各バルブの最大リフト量を可変とする
機構）を活用し、内部ＥＧＲ量を増大させる構成を適用
しても、本実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果
を奏することはできる。

【００５６】また、本実施の形態では、ＮＯｘ触媒の活
性化を行うべくバルブタイミング制御を実行している期
間中、ＥＧＲ弁６１は閉弁状態に保持することとした。
これに替え、ＥＧＲ弁６１を絞り（ＥＧＲ弁６１を僅か
に開いた状態とし）、ＥＧＲ通路６０を介して比較的少
量の排気を吸気系３０に還流させつつバルブタイミング
制御を行うことで、外部ＥＧＲの作用と内部ＥＧＲの作
用とを併せて獲得するような制御を行っても、本実施の
形態に準ずる効果を奏することはできる。

【００５７】また、本実施の形態にかかる制御構造は、
エンジン１の排気系４０に設けられたＮＯｘ触媒の早期
活性化に貢献するものであった。しかしながら、ＮＯｘ
触媒に限らず、通常の三元触媒や酸化触媒等、活性化さ
れた状態を保持するために所定量の熱エネルギーを必要
とする如何なる排気浄化用触媒を搭載したディーゼルエ
ンジンに対しても、本実施の形態にかかる制御構造を適
用することができる。

【００５８】（他の実施の形態）上記実施の形態では、
冷間始動時や冷間運転時等のような特定の条件下におい
て、ＥＧＲ弁６１を閉弁状態にした（絞った）上で、排
気バルブ９１ｂの閉弁タイミングや吸気バルブ９２ｂの
開弁タイミング等（吸排気バルブの動作特性）を目標と
なるタイミング（目標となる動作特性）に制御するとい
った制御構造を適用した。

【００５９】これに対し、以下のようなハードウエア構
成及び制御構造を適用することもできる。

【００６０】先ず、エンジン１の各燃焼室（気筒）２０
内の圧力を検出する筒内圧センサを別途設ける。そし
て、機関燃焼に伴う各燃焼室２０内の圧力推移（混合気
の燃焼状態）を観測する一方、冷間始動時や冷間運転時
等には排気バルブ９１ｂや吸気バルブ９２ｂの動作特性
を変化させ内部ＥＧＲの作用を徐々に高めていく制御を
行う。そして、各燃焼室２０における混合気の燃焼状態
に乱れや不具合が検知された場合には、内部ＥＧＲの作
用を減少させるように吸排気バルブの動作特性を変化さ
せることで各燃焼室２０内における混合気の燃焼状態を
安定させるといったフィードバック制御を行う。

【００６１】このようなハードウエア構成及び制御構造
を適用することで、各燃焼室２０に残留する排気量が過
剰に増大することで発生するエンジン１の機関燃焼状態
の不具合、或いはその前兆が、個々の燃焼室２０につい
て観測され、その観測結果がＶＶＴ機構９０（或いは吸
排気バルブの動作特性を可変とする他の機構）の動作に
反映（フィードバック）されることになる。よって、エ
ンジン１の排気特性を良好な状態に保持しつつＮＯｘ触
媒の暖機を早期に完了する制御を実行する一方で、当該
制御の実行中、エンジン１にとって安定した機関燃焼状
態が保証されるようになる。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
機関運転に伴って発生する熱が効率的に活用されること
で、冷間始動時等において不活性な状態にある（若しく
は活性化し難い条件下にある）排気浄化触媒が速やかに
活性されることになり、しかも排気還流の実行を通じて
得られる効果と同等の効果が、バルブ特性可変機構の動
作を通じて代替的に得られる。このような制御構造を適
用して排気浄化触媒を速やかに活性化させた後、排気還
流による排気特性の最適化を開始することとすれば、排
気浄化触媒の作用と、排気還流通路の作用と、バルブ特
性可変機構の作用とを併せた総体的な排気浄化の効率が
向上する。

【００６３】また、各燃焼室に残留する排気量が過剰に
増大することで発生する機関燃焼状態の不具合、或いは
その前兆が、当該エンジンを構成する個々の燃焼室につ
いて観測され、その観測結果が前記バルブ特性可変機構
の動作に反映（フィードバック）されることになる。よ
って、当該エンジンの排気特性を良好な状態に保持しつ
つ前記排気浄化触媒の暖機を早期に完了する制御を実行
する一方で、当該制御の実行中、当該エンジンにとって
安定した機関燃焼状態が確保される。

【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バルブタイミング機構
をその周辺部材と併せて概略的に示す斜視図。

【図３】同実施の形態にかかる触媒昇温制御手順を示
すフローチャート。

【符号の説明】

１ディーゼルエンジン（エンジン）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１６調量弁１７還元剤添加弁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７３ａ，７３ｂ空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７４排気温センサ７５ＮＯｘセンサ７６アクセルポジションセンサ７７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）８３ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８４バックアップＲＡＭ８５タイマーカウンタ８６外部入力回路８７外部出力回路８８双方向性バス９０ＶＶＴ機構（バルブ特性可変機構の一例）９０Ａ排気カムスプロケット９０Ｂ吸気カムスプロケット９０Ｃタイミングチェーン９１排気カムシャフト９１ａ排気カム９１ｂ排気バルブ９１排気カムシャフト９２吸気カムシャフト９２ａ吸気カム９２ｂ吸気バルブ９５カム角センサＰ１機関燃料通路Ｐ２添加燃料通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｎ 3/20 Ｆ０１Ｎ 3/24 Ｒ３Ｇ３０１ 3/24 Ｓ４Ｄ０４８Ｆ０２Ｄ 13/02 ＪＦ０２Ｄ 13/02 Ｋ 21/08 ３０１Ｂ 21/08 ３０１ 41/04 ３７０ 41/04 ３７０Ｆ０２Ｍ 25/07 ５１０ＢＦ０２Ｍ 25/07 ５１０５７０Ｊ５７０５８０Ｅ５８０Ｂ０１Ｄ 53/36 １０３Ｂ１０３Ｃ (72)発明者吉崎康二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)発明者小林暢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Ｆターム(参考） 3G018 AA11 AA12 AB07 AB17 BA31 CA01 CA18 DA70 EA02 EA11 EA12 EA16 EA17 EA22 EA31 FA01 FA27 FA28 GA08 GA09 3G062 AA01 AA05 AA10 BA09 CA02 CA03 CA07 DA02 3G084 AA01 AA03 BA20 BA23 BA24 CA01 CA02 CA03 DA10 EA11 EB08 EB12 FA07 FA10 FA13 FA20 FA21 FA26 FA27 FA28 FA30 FA33 FA37 FA38 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AA28 AB02 AB03 AB05 AB06 AB13 BA00 BA03 BA04 BA14 BA15 BA19 BA32 CA13 CA18 CB02 CB03 CB07 CB08 DA01 DA02 DB10 EA00 EA01 EA05 EA07 EA12 EA17 EA18 EA30 EA31 EA33 EA34 FA02 FA04 FA12 FB02 FB10 FC07 GA06 GB01X GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB16X HA14 HA36 HA37 HB03 HB05 HB06 3G092 AA02 AA11 AA17 AA18 AB03 DA01 DA02 DA03 DA06 DA10 DB03 DC09 DC15 EA02 EA03 EA04 EC03 EC10 FA17 GA02 GA04 GA05 HA01Z HA06Z HA13X HB03Z HC01Z HD01Z HD04Z HD06Z HD07X HE01Z HE03Z HE08Z 3G301 HA02 HA06 HA11 HA13 HA19 JA25 KA02 KA07 KA08 LA07 MA12 NA07 NC02 ND03 ND04 NE06 NE11 NE12 PA01Z PA11Z PB08Z PC01Z PD01Z PD08Z PD11Z PD15A PE01Z PE03Z PE08Z 4D048 AA06 AA13 AA14 AA18 AB01 AB02 BA02X BA03X BA14X BA15X BA18X BA30X BA41X BB02 CC27 CC38 CC51 DA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ディーゼルエンジンの排気系に設けられ、
排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒と、前記排気系の前記排気浄化触媒上流から当該エンジンの
吸気系に排気を還流させる排気還流通路と、前記排気還流通路内を冷却する冷却手段と、前記排気還流通路内を還流する排気の流量を調整する流
量調整手段と、当該エンジンの出力軸の回転動作に連動して往復動作す
る吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方につい
て、前記出力軸の回転動作に対応する動作特性を可変と
するバルブ特性可変機構と、を備えるディーゼルエンジンの排気浄化装置において、前記排気浄化触媒の温度が所定値を下回っている場合、
前記還流する排気の流量を減じるとともに、前記吸気バ
ルブの動作特性及び前記排気バルブの動作特性のうち少
なくとも一方を制御して、当該エンジンの燃焼室内に残
留する排気を増量する制御手段を備えることを特徴とす
るディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】当該エンジンの各燃焼室内の圧力を検出す
る圧力検出手段を備えて、且つ、前記制御手段は、前記検出される圧力が所定値を下回る
ように各燃焼室に残留する排気の量を制限することを特
徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化
装置。