JP2005291175A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気エミッションを悪化させることなく排気のエネルギを効率よく利用することができる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】酸化能を有する触媒上流の排気通路に設けられた過給機と、過給機のタービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を調整するタービン駆動エネルギ量調整手段（Ｓ１０６）と、アフター噴射を実行するアフター噴射実行手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、タービン駆動エネルギ量調整手段は、アフター噴射の実行により過給機のコンプレッサの仕事量が増加した場合には、増加した仕事量を零にすべくタービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を減少させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、排気のエネルギを排気浄化に効率よく利用する技術に関する。

一般に、自動車等に搭載される内燃機関、特にディーゼル機関では、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）に加えて煤などの粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を浄化することが要求されており、このような要求に対し、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という場合もある。）が担持されたパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という場合もある。）を内燃機関の排気通路に配置する方法が提案されている。

ＮＯｘ触媒は、流入排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していたＮＯｘを放出するものである。フィルタは、複数の細孔を有する多孔質の基材で構成され、排気が細孔を流通する際に排気中のＰＭを捕集するものである。このようにＮＯｘ触媒が担持されたフィルタを内燃機関の排気通路に配置することにより、排気中に含まれるＮＯｘ及びＰＭを除去することが可能となる。

ところで、フィルタにＰＭが堆積していくと、フィルタ内の排気流路が狭くなり、排気抵抗が増加する。そして、フィルタにＰＭが過度に堆積すると、排圧が上昇し、内燃機関の出力低下を生じさせてしまう。そのため、適宜のタイミングでフィルタに堆積したＰＭを酸化・除去させフィルタのＰＭ捕集能力を再生するＰＭ再生処理を行うことが必要である。

このＰＭ再生処理は、フィルタの温度をおよそ５００℃〜７００℃の高温域まで昇温させるとともに、フィルタに流入する排気の空燃比をリーン空燃比とすることにより、ＰＭを酸化除去させるものであることが知られている。

一方、内燃機関の燃料には硫黄（Ｓ）成分が含まれている場合があり、そのような燃料が内燃機関で燃焼されると、燃料中の硫黄（Ｓ）成分が酸化して硫黄酸化物（ＳＯｘ）が形成されるため、内燃機関から排出される排気にはＳＯｘが含まれることになる。そして、ＳＯｘを含有した排気がＮＯｘ触媒に流入すると、ＳＯｘがＮＯｘと同様のメカニズムによりＮＯｘ触媒に吸蔵される。但し、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘは、時間の経過とともに安定な硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）を形成するため、単にＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度を低下させるだけでは分解及び放出され難く、ＮＯｘ触媒に蓄積される傾向にある。

ＮＯｘ触媒のＳＯｘ吸蔵量が増大すると、当該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下し、排気中のＮＯｘを浄化する能力が低下する、いわゆるＳ被毒が発生する。このため、内燃機関の排気通路にＮＯｘ触媒が配置された場合は、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力が過剰に低下する前に、ＮＯｘ触媒のＳ被毒を解消させＮＯｘ浄化能力を再生するＳ再生処理を行う必要がある。

このＳ再生処理は、ＮＯｘ触媒の雰囲気温度をおよそ５００℃〜７００℃の高温域まで昇温させるとともに、ＮＯｘ触媒の上流側の排気に還元剤たる燃料を添加しＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすることにより、ＳＯｘを放出・還元するものであることが知られている。

上述したように、ＰＭ再生処理あるいはＳ再生処理においては、フィルタあるいはＮＯｘ触媒の温度をおよそ５００℃〜７００℃の高温域まで昇温させる必要があるため、主燃料噴射に加えて副次的に燃料を噴射することにより、内燃機関から排出されＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を触媒の活性温度域まで上昇させる場合がある。

しかし、遠心過給機を備えた内燃機関では、内燃機関から排出される排気の温度を高めたとしても、排気のエネルギがタービンの回転数を上げる仕事に使われてしまい、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を十分に高めることができない。

また、排気のエネルギがタービンの回転数を上げる仕事に使われてタービンの回転数が上昇するのに伴い、コンプレッサの回転も上昇し、気筒内に吸入される空気量も増えることから、吸気絞り弁の開度を小さくし吸入空気量を調節する必要がある。その結果、内燃機関のポンピングロスが大きくなり、燃費が悪化してしまう。

これに対して、遠心過給機に設けられた可変ノズル若しくはウェストゲートバルブを全開にして、排気のエネルギがタービンの回転数を上げる仕事に消費されないようにする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２７６３４０号公報 特開２００２−２３５５９０号公報 特開２００３−１２０３５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、遠心過給機に設けられた可変ノズル若しくはウェストゲートバルブを全開にすることから、排気のエネルギがタービンの回転数を上げる仕事にあまり消費されなくなる。その結果、可変ノズル若しくはウェストゲートバルブが全開にされる前よりも吸入空気量が減少してしまい、スモークが増えてしまうおそれがある。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気エミッションを悪化させることなく排気のエネルギを効率よく利用することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にあっては、内燃機関の排気通路に設けられた酸化能を有する触媒と、当該触媒上流の排気通路に設けられ排気で回転駆動されるタービンと、当該タービンが回転することにより回転し吸気過給を行うコンプレッサを有する過給機と、前記タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を調整するタービン駆動エネルギ量調整手段と、前記内燃機関から排出され前記触媒に流入する排気の温度を上昇させるべく、主燃料噴射後に燃料を噴射するアフター噴射を実行するアフター噴射実行手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記タービン駆動エネルギ量調整手段は、前記アフター噴射実行手段によるアフター噴射の実行により前記コンプレッサの仕事量が増加した場合には、当該増加した仕事量を零にすべく前記タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を減少させることを特徴とする。

このように触媒の上流の排気通路に過給機を備える内燃機関においては、アフター噴射実行手段がアフター噴射を実行して内燃機関から排出される排気の温度を上昇させても、その排気のエネルギの一部がタービンの回転数を上げる仕事に用いられてしまうと、これにより排気の温度が低下し、触媒に流入する排気の温度が十分に高くならない。

これに対して、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にあっては、タービンの回転駆動に用いられる排気の量を調整するタービン駆動エネルギ量調整手段を備え、当該タービン駆動エネルギ量調整手段が、アフター噴射の実行によりコンプレッサの仕事量が増加した場合には、アフター噴射により高められた排気のエネルギの一部がタービンの回転数を上げる仕事に用いられていると判断し、当該増加した仕事量を零にすべくタービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を減少させるので、アフター噴射による排気のエネルギの上昇を効率よく触媒の温度上昇に用いることができる。また、タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を減少するのは、アフター噴射の実行により増加したコンプレッサの仕事量を零にするため、つまり、アフター噴射実行前と等しくするためであるので、吸入空気量がアフター噴射実行前よりも減少しない。それゆえ、タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量が減少し過ぎることに起因してスモークが増加することを防止することができる。

ここで、前記タービン駆動エネルギ量調整手段は、前記過給機に設けられた可変ノズルおよび／またはウェストゲートバルブの開度を大きくすることにより前記タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を減少させることが好適である。

可変ノズルの開度が大きくなると、ノズル通路の断面積が拡大されるため、ノズル通路を流れる排気の流速及び圧力が低められ、以てタービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量が減少する。一方、ウェストゲートバルブの開度を大きくすると、タービンの回転駆動に用いられる排気の量自体が減少するので、タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量が減少する。そして、これらの開度を大きくすることで、排気のエネルギを減少させることなく触媒に導くことができるので、アフター噴射により増加した排気エネルギを効率よく触媒の温度上昇に用いることができる。

また、前記アフター噴射実行手段は、前記触媒の活性温度に基づいてアフター噴射量を決定するものであり、前記タービン駆動エネルギ量調整手段は、前記アフター噴射量が多くなる程、前記過給機に設けられた可変ノズルおよび／またはウェストゲートバルブの開度をより大きくすることが好適である。

例えば、アフター噴射実行手段は、触媒の活性温度と実際に検出したアフター噴射実行前の触媒に流入する排気の温度との差、あるいは触媒の活性温度とアフター噴射実行前の内燃機関の運転状態から推定される触媒に流入する排気の温度との差によりアフター噴射量を決定するものであることを例示することができる。

そして、可変ノズル又はウェストゲートバルブの開度が同じであるとすると、アフター噴射量が多くなる程、アフター噴射により発生する排気のエネルギ量も大きくなることから、タービンの回転駆動に用いられるエネルギ量も大きくなる。それゆえ、アフター噴射量が多くなる程、可変ノズル又はウェストゲートバルブの開度をより大きくすることで、アフター噴射により増加した排気エネルギを効率よく触媒の温度上昇に用いることができる。

また、前記内燃機関の吸気通路に、当該吸気通路を流通する吸気の量を検出する吸気量検出手段若しくは当該吸気の圧力を検出する吸気圧検出手段の少なくともいずれかを更に備え、前記タービン駆動エネルギ量調整手段は、前記吸気量検出手段若しくは前記吸気圧検出手段の検出値が前記アフター噴射の実行前よりも大きい場合に、前記タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を減少させることが好適である。

吸気量検出手段若しくは吸気圧検出手段を用いることにより、アフター噴射実行に伴いコンプレッサの仕事量が増加したか否かを簡易かつ正確に判定することができるので、吸
気量検出手段若しくは吸気圧検出手段の検出値がアフター噴射の実行前よりも大きい場合に、タービンの回転駆動に用いられる排気の量を減少させることで、アフター噴射により増加した排気エネルギを効率よく触媒の温度上昇に用いることができる。

以上説明したように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気エミッションを悪化させることなく排気のエネルギを効率よく利用することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を以下の実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明の実施例に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関であり、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、蓄圧室（コモンレール）４と接続され、このコモンレール４は燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。

また、内燃機関１には、吸気通路７が接続されており、この吸気通路７はエアクリーナボックス８に接続されている。前記エアクリーナボックス８より下流の吸気通路７には、当該吸気通路７内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ９が取り付けられている。

吸気通路７における前記エアフローメータ９より下流の部位には、過給機１０のコンプレッサハウジング１０ａが設けられている。コンプレッサハウジング１０ａより下流の吸気通路７には、インタークーラ１１が取り付けられている。更にインタークーラ１１より下流の吸気通路７には、当該吸気通路７内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１２が設けられ、この吸気絞り弁１２には、吸気絞り用アクチュエータ１３が取り付けられている。そして、吸気絞り弁１２の下流の吸気通路７には、吸気通路７内の圧縮空気の圧力、いわゆる過給圧に応じた電気信号を出力する圧力センサ１４が取り付けられている。

また、内燃機関１には、４本の枝管が一本の集合管に合流するよう形成された排気枝管１５が連結されている。この排気枝管１５の各枝管は、排気ポートを介して各気筒２の燃焼室と連通している。そして、排気枝管１５の集合管は、過給機１０のタービンハウジング１０ｂを介して排気管１６に接続されている。この排気管１６は、下流にて図示しないマフラーと接続されている。このように、排気枝管１５と排気管１６は排気通路として機能する。

また、排気管１６におけるタービンハウジング１０ｂより下流の部位には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という。）が担持されたパティキュレートフィルタ１７が備えられている。そして、フィルタ１７の上流の排気管１６には、排気管１６内を流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ１８と、当該排気管１６内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ１９とが取り付けられている。さらに、フィルタ１７の上流側と下流側の排気通路内の圧力の差に対応した電気信号を出力する差圧センサ２０が取り付けられている。

ここで、過給機１０は、内燃機関１から排出される排気の熱エネルギを駆動源として作動する可変ノズル（ＶＮ）式遠心過給機（可変ノズル式ターボチャージャ）である。そして、タービンハウジング１０ｂには、コンプレッサと連結されたタービンが回転自在に内装されており、そのタービンが排気の圧力を受けて回転するようになっている。

更に、タービンハウジング１０ｂには、当該タービンハウジング１０ｂ内の排気通路（ノズル通路）の断面積を変化させるノズルベーンが内装されている。このノズルベーンは、ＶＮ用アクチュエータ１０ｃによって開閉駆動されるようになっている。

そして、ＶＮ用アクチュエータ１０ｃによりノズルベーンの開度（以下、「ＶＮ開度」という。）が小さくされると、ノズル通路の断面積が縮小されるため、ノズル通路を流れる排気の流速及び圧力が高められ、以てタービンの回転速度及び回転トルクが高められる。

一方、ＶＮ用アクチュエータ１０ｃによりＶＮ開度が大きくされると、ノズル通路の断面積が拡大されるため、ノズル通路を流れる排気の流速及び圧力が低められ、以てタービンの回転速度及び回転トルクの過剰な増加が抑制される。

従って、内燃機関１が低回転運転状態にあるとき、言い換えれば、内燃機関１から排出される排気の流速及び圧力が低くなるときには、ＶＮ開度を小さくすることによりタービンの回転速度及び回転トルクを高め、以て吸気の過給圧を高めることが可能となる。

また、内燃機関１が高回転運転状態にあるとき、言い換えれば、内燃機関１から排出される排気の流速及び圧力が高くなるときには、ＶＮ開度を大きくすることによりタービンの回転速度及び回転トルクの過剰な増加を抑制し、以て吸気の過給圧の過剰な上昇を抑制することが可能となる。

また、排気枝管１５と排気管１６とは、バイパス通路２１を介して連通され、このバイパス通路２１には、排気枝管１５側の開口端を開閉するウェストゲート（Ｗ／Ｇ）バルブ２２が取り付けられている。ウェストゲートバルブ２２は、ソレノイドスイッチや電気モータ等からなるＷ／Ｇバルブ用アクチュエータ２３により開閉駆動される。

そして、Ｗ／Ｇバルブ用アクチュエータ２３によりウェストゲートバルブ２２の開度（以下、「Ｗ／Ｇバルブ開度」という。）が大きくされると、排気枝管１５を流れる排気の一部がバイパス通路２１を介して排気管１６へ流れるため、タービンハウジング１０ｂに流入する排気の流量が減少し、タービンハウジング１０ｂ内でタービンに印加される排気の圧力が低下する。この結果、タービンからコンプレッサへ伝達される回転エネルギも減少する。

また、内燃機関１の１番気筒（＃１）の排気ポートには、当該排気ポート内を流通する排気中に還元剤たる燃料を添加する燃料添加弁２４が取り付けられ、この燃料添加弁２４は燃料通路２５を介して前記燃料ポンプ６と接続されている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２６が併設されている。このＥＣＵ２６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどからなる算術論理演算回路である。

ＥＣＵ２６には、上述したエアフローメータ９、吸気圧センサ１４、空燃比センサ１８
、排気温度センサ１９、差圧センサ２０に加え、内燃機関１に取り付けられたクランクポジションセンサ（図示省略）及び水温センサ（図示省略）や、内燃機関１を搭載した車両の室内に取り付けられたアクセルポジションセンサ（図示省略）等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ２６に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ２６には、燃料噴射弁３、ＶＮ用アクチュエータ１０ｃ、吸気絞り用アクチュエータ１３、Ｗ／Ｇバルブ用アクチュエータ２３、燃料添加弁２４等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２６が燃料噴射弁３、ＶＮ用アクチュエータ１０ｃ、吸気絞り用アクチュエータ１３、Ｗ／Ｇバルブ用アクチュエータ２３及び燃料添加弁２４等を制御することが可能になっている。

例えば、ＥＣＵ２６は、一定時間毎に実行すべき基本ルーチンにおいて、各種センサの出力信号の入力、機関回転数の演算、燃料噴射量の演算、燃料噴射時期の演算などを実行する。基本ルーチンにおいてＥＣＵ２６が入力した各種信号やＥＣＵ２６が演算して得られた各種制御値は、ＥＣＵ２６のＲＡＭに一時的に記憶される。

更に、ＥＣＵ２６は、各種のセンサやスイッチからの信号の入力、一定時間の経過、あるいはクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理において、ＲＡＭから各種制御値を読み出し、それら制御値に従って燃料噴射弁３等を制御する。

［ＰＭ再生処理］
フィルタ１７に、ＰＭが堆積していくと、フィルタ内の排気流路が狭くなり、排気抵抗が増加してしまう。そして、フィルタ１７にＰＭが過度に堆積すると、排圧が上昇し、内燃機関の出力低下を生じさせてしまう。そのため、適宜のタイミングでフィルタに堆積したＰＭを酸化・除去してフィルタを再生するＰＭ再生処理を実行することが必要である。そのため、ＥＣＵ２６は、ＰＭ再生処理開始条件が成立したときに、以下に述べるような手法でＰＭ再生処理を実行する。

ＰＭ再生処理開始条件としては、フィルタに堆積したＰＭ量が所定量以上であるという条件を例示することができる。当該所定量は、ＰＭがフィルタに堆積することによりフィルタの目詰まりを起こし、この目詰まりが排気抵抗の増加を生じさせ、内燃機関の出力低下を生じさせてしまう限界ＰＭ堆積量よりもやや少なめに設定される量である。

また、フィルタに堆積したＰＭ量が所定量以上であるか否かを判定する方法としては、差圧センサ２０の検出値に基づいて算出されたフィルタ１７の上流側と下流側の排気通路の圧力（排気圧力）の差が所定圧以上であるときにフィルタに堆積したＰＭ量が所定量以上であると判定する方法、あるいは、前回のＰＭ再生処理終了時からの燃料噴射量の積算値が所定量以上であるときにフィルタに堆積したＰＭ量が所定量以上であると判定する方法等を例示することができる。

そして、上記したような方法によりＰＭ再生処理開始条件が成立としていると判定された場合には、ＥＣＵ２６は、フィルタの温度を５００℃〜７００℃程度の高温域まで昇温させるためのフィルタ昇温処理を実行するとともに、フィルタ１７へ流入する排気を酸素過剰な雰囲気とするためのリーン空燃比処理を行う。

フィルタ昇温処理の実行方法としては、排気行程中又は膨張行程中に気筒内に燃料を副次的に噴射するポスト噴射を行うことを例示することができる。このポスト噴射においては、排気行程中又は膨張行程中に噴射された燃料が未燃燃料としてフィルタ１７に担持さ
れたＮＯｘ触媒に流入し、該触媒との反応熱により該触媒の温度が上昇し、以てフィルタの温度が上昇する。

但し、軽負荷運転領域等内燃機関１から排出される排気の温度が低い運転領域においては、ＮＯｘ触媒が活性温度に達していない場合があり、かかる場合にポスト噴射を行っても未燃燃料が反応し難いことから、フィルタの温度が上昇し難い。そのため、かかる場合にはＮＯｘ触媒の温度を活性温度まで高めるために、アフター噴射実行手段としても機能するＥＣＵ２６が燃料噴射弁３を制御し、内燃機関１から排出される排気の温度自体を上昇させるべく主燃料噴射後比較的短期間の内に（膨張行程でポスト噴射する場合には当該ポスト噴射の噴射時期よりも早い時期に）燃料を噴射し、気筒内で燃焼させるアフター噴射を行う。

また、上述のポスト噴射の代わりにあるいはポスト噴射とともに、燃料添加弁２４から排気中へ還元剤たる燃料を添加させることにより、それらの未燃燃料成分をＮＯｘ触媒において酸化させ、酸化の際に発生する熱によってフィルタの温度を高めるようにしてもよい。

つまり、フィルタ昇温処理としては、内燃機関の運転状態あるいは排気温度センサ１９にて検出される排気温度に応じて、アフター噴射を実行するとともにポスト噴射および／または燃料添加弁２４による燃料添加を実行する態様とアフター噴射を実行せずにポスト噴射および／または燃料添加弁２４による燃料添加を実行する態様とを選択して行うものである。

リーン空燃比処理は、空燃比センサ１８の出力信号値がリーン空燃比に相当する値となるように、燃料噴射弁３から噴射される燃料量又は燃料添加弁２４から排気中へ添加される燃料量を調整する制御である。

［Ｓ再生処理］
一方、フィルタ１７に担持されたＮＯｘ触媒は、該触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときには、排気中のＮＯｘを保持して大気中に放出しないようにし、該触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比あるいはリッチ空燃比となったときには、保持していたＮＯｘを放出及び還元して除去するものである。

また、燃料中あるいはオイル中には硫黄（Ｓ）成分が含まれており、このＳ成分は酸素と反応して硫黄酸化物（ＳＯｘ）となる。そして、ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘと同様のメカニズムによって排気中のＳＯｘを保持するため、保持されたＳＯｘ量が増加すると、それに応じてＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が低下する、いわゆるＳ被毒が発生する。

そして、このようにＮＯｘ触媒にＳ被毒が生じると、ＮＯｘ浄化能力が低下し、排気中のＮＯｘがＮＯｘ触媒１５にて浄化されずに大気中へ排出されてしまうおそれがある。したがって、本実施例においては、ＮＯｘ触媒に保持されたＳＯｘを放出及び還元して除去させＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を再生する、Ｓ再生処理を実行する。そのため、ＥＣＵ２６は、Ｓ再生処理開始条件が成立したときに、以下に述べるような手法でＳ再生処理を実行する。

Ｓ再生処理開始条件としては、前回のＳ再生処理終了時から所定期間に達しているか、あるいは前回のＳ再生処理終了後に車両が走行した距離が所定距離に達しているか、等の条件を例示することができる。

そして、Ｓ再生処理開始条件が成立としていると判定された場合には、ＥＣＵ２６は、
ＮＯｘ触媒の床温を５００〜７００℃に高める触媒昇温処理を行うとともにＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とするリッチ空燃比処理を行うものである。

触媒昇温処理は、上述したフィルタ昇温処理と同一であるので、その詳細な説明は省略する。リッチ空燃比処理は、空燃比センサ１８の出力信号値がリッチ空燃比に相当する値となるように、燃料噴射弁３から噴射される燃料量又は燃料添加弁２４から排気中へ添加される燃料量を調整する制御である。

このように、上述したＰＭ再生処理あるいはＳ再生処理を行うにあたっては、フィルタ昇温処理あるいは触媒昇温処理を行う。そして、これらの昇温処理においては、フィルタ１７の温度を高めるために、内燃機関１から排出される排気の温度を上昇させるべくアフター噴射を行う場合がある。

一方、上述したようにフィルタ１７の上流の排気管１６には、タービンハウジング１０ｂが設けられており、タービンハウジング１０ｂ内に回転自在に内装されたタービンが排気の圧力を受けて回転する。つまり、排気のエネルギの一部がタービンを回転させるエネルギに用いられる。それゆえ、内燃機関１から排出される排気の温度は、タービンの回転エネルギに変換された分低下する。

したがって、上述したアフター噴射を実行しても、タービンの回転エネルギに変換された分、排気の温度が低下されてフィルタ１７に流入してしまう。また、かかる場合、アフター噴射の実行によりタービンの回転エネルギが増加した分、タービンの回転数が上昇し、コンプレッサの回転数も上昇する。その結果、アフター噴射実行前よりも吸入空気量が多くなり、内燃機関１から排出される排気の量も増加することから、フィルタ１７へ流入する排気の量も増加する。そして、この排気によりフィルタ１７の温度が冷まされることになり、アフター噴射実行にもかかわらずフィルタ１７の温度が上昇し難くなる。

［再生処理制御］
そこで、本実施例におけるＰＭ再生処理あるいはＳ再生処理を実行するにあたっては、アフター噴射を実行しても、フィルタ１７に流入する排気の温度が所望の温度に達しない場合は、所望の温度となるように、ＶＮ開度あるいはＷ／Ｇバルブ開度を調整する。

また、アフター噴射を実行しても、フィルタ１７に流入する排気の温度が所望の温度に達しないのは、アフター噴射の実行により高められた排気のエネルギがタービンの回転駆動に用いられているためであるが、これは、アフター噴射の実行によりコンプレッサの仕事量が増加したか否か、つまり、アフター噴射実行前よりも吸入空気量が多くなったか否か、あるいは吸気圧が高くなったか否かで判定する。

なお、フィルタ１７に流入する排気の温度をタービンハウジング１０ｂ内で低下させないようにするには、ＶＮ開度あるいはＷ／Ｇバルブ開度を全開にするのが好ましいが、これらの開度を大きくするのに応じて過給圧が減少して吸入空気量が減り、スモークが増えてしまうおそれがある。それゆえ、本実施例においては、所望の温度となるような開度に調整する。

以下、具体的に、図２に示すフローチャートを用いて本実施例に係る再生処理制御について説明する。この制御ルーチンは、予めＥＣＵ２６のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、一定時間の経過、あるいはクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理としてＥＣＵ２６が実行するルーチンである。

本ルーチンでは、ＥＣＵ２６は、先ず、ステップ（以下、単に「Ｓ」という。）１０１
において、上述した再生処理開始条件が成立しているか否かを判定する。つまり、ＰＭ再生処理の際には上述したＰＭ再生処理開始条件が、Ｓ再生処理の際には上述したＳ再生処理開始条件が成立しているか否かを判定する。そして、本ステップで肯定判定された場合はＳ１０２へ進み、否定判定された場合は本ルーチンの実行を終了する。

Ｓ１０２においては、再生処理を実行する。つまり、ＰＭ再生処理にあっては、上述したように、フィルタ昇温処理を実行するとともにリーン空燃比処理を行う。Ｓ再生処理にあっては、上述したように、触媒昇温処理を実行するとともにリッチ空燃比処理を行う。

その後Ｓ１０３へ進み、排気温度センサ１９にて検出されるフィルタ１７に流入する排気温度が所定温度より低いか否かを判定する。当該所定温度は、フィルタ１７に担持されたＮＯｘ触媒の活性温度と同じ温度であることを例示することができる。そして、肯定判定された場合は、ＮＯｘ触媒を活性温度にすべくＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を上昇させるために、Ｓ１０４へ進み、アフター噴射を実行する。一方、否定判定された場合は、ＮＯｘ触媒が活性状態と判断できることから、Ｓ１０８へ進み再生処理を継続する。なお、Ｓ１０４で実行されるアフター噴射の際の燃料噴射量は、排気温度センサ１９にて検出される排気温度および内燃機関１の運転状態に応じて決定される。

Ｓ１０５においては、エアフローメータ９で検出される吸入空気量あるいは圧力センサ１４で検出される吸気圧がアフター噴射実行前よりもアップしたか否かを判定する。そして、肯定判定された場合には、アフター噴射により高められた排気エネルギの一部がタービンを回転させるエネルギに用いられ、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度が前記所定温度まで達せずＮＯｘ触媒の温度を活性温度まで高められないことから、Ｓ１０６へ進み、ＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度を大きくする。一方、否定判定された場合は、現時点のＶＮ開度およびＷ／Ｇバルブ開度で、アフター噴射により高められた排気エネルギをＮＯｘ触媒の温度を活性温度まで高めるために有効に利用できていることから、ＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度を変更することなくＳ１０８へ進み再生処理を継続する。

なお、内燃機関１の運転状態によっては、エアフローメータ９あるいは圧力センサ１４の検出値は安定しないことから、本ステップでは、エアフローメータ９で検出される吸入空気量あるいは圧力センサ１４で検出される吸気圧がアフター噴射実行前よりも所定の範囲を超えてアップしたか否かを判定してもよい。

Ｓ１０６においては、ＶＮ用アクチュエータ１０ｃおよび／またはＷ／Ｇバルブ用アクチュエータ２３を制御することにより、ＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度を大きくするが、ＶＮ開度あるいはＷ／Ｇバルブ開度のいずれを変更するか、又はその両方の開度を変更するかは内燃機関１の仕様に応じて予め定められる。また、アフター噴射によりアップした吸入空気量あるいは吸気圧とＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度の変更量には相関関係があるので、当該関係を予め導き出してマップとしてＲＯＭに記憶しておき、本ステップでは、当該マップとアップした吸入空気量あるいは吸気圧に基づいてＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度の変更量を算出し、その分だけ開度を大きくするようにする。また、Ｓ１０４にて実行されるアフター噴射の燃料噴射量に応じてＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度の変更量を補正してもよい。つまり、アフター噴射の燃料噴射量が多い程ＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度の変更量がより大きくなるように補正する。そして、このように本ステップが、タービン駆動エネルギ量調整手段として機能する。

その後Ｓ１０７へ進み、エアフローメータ９で検出される吸入空気量あるいは圧力センサ１４で検出される吸気圧がアフター噴射実行前と同じになったか否かを判定する。そし
て、肯定判定された場合は、アフター噴射により高められた排気エネルギが、ＮＯｘ触媒の温度を活性温度まで高めるのに効率よく用いられていると考えられることから、Ｓ１０８へ進み、再生処理を継続する。一方、否定判定された場合には、依然としてアフター噴射により高められた排気エネルギの一部がタービンを回転させるエネルギに用いられ、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度が前記所定温度まで達せずＮＯｘ触媒の温度が活性温度まで高められないと考えられることから、再度Ｓ１０６以降の処理を再度実行する。

なお、本ステップでは、エアフローメータ９で検出される吸入空気量あるいは圧力センサ１４で検出される吸気圧がアフター噴射実行前に対して所定の範囲内の変動量であるか否かを判定してもよい。

Ｓ１０８においては、再生処理を継続するが、本ステップに進んでいるということはＮＯｘ触媒の温度が活性温度に達していることから、昇温処理においては、アフター噴射を実行せずにポスト噴射および／または燃料添加弁２４による燃料添加を実行する。

Ｓ１０９においては、再生処理終了条件が成立しているか否かを判定する。この再生処理終了条件としては、ＰＭ再生処理にあっては、差圧センサ２０の検出値に基づいて算出されたフィルタ１７の前後差圧が所定圧以下であること、あるいは、ＰＭ再生処理開始時から所定期間経過したこと、等を例示することができる。一方、Ｓ再生処理にあっては、Ｓ再生処理開始から所定期間経過していること等の条件を例示することができる。そして、本ステップで肯定判定された場合は本ルーチンの実行を終了し、否定判定された場合は再生処理終了条件が成立するまで再生処理を継続すべくＳ１０８以降の処理を実行する。

そして、このような再生処理制御を実行することにより、アフター噴射による排気のエネルギの上昇を効率よくＮＯｘ触媒の温度上昇に用いることができる。また、タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を減少すべくＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度を大きくするのは、エアフローメータ９で検出される吸入空気量あるいは圧力センサ１４で検出される吸気圧がアフター噴射実行前と同じになる、つまりアフター噴射の実行により増加したコンプレッサの仕事量を零にするためであるので、吸入空気量がアフター噴射実行前よりも減少しない。それゆえ、タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量が減少し過ぎることに起因してスモークが増加することを防止することができる。

なお、上述した再生処理制御においては、吸入空気量あるいは吸気圧の変動でＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度を変更するか否かを決定しているが、排気温度センサ１９にて検出されるフィルタ１７に流入する排気温度に基づいてＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度を変更するか否かを決定してもよい。

かかる場合のフローチャートを示したのが図３である。このフローチャートは図２に示したフローチャートに対してＳ２０５およびＳ２０７が異なるだけなので、かかる点についてのみ説明し、その他については同じ符号を示し、その説明も省略する。

Ｓ２０５においては、排気温度センサ１９にて検出されるフィルタ１７に流入する排気温度が前記所定温度より低いか否かを判定する。そして、肯定判定された場合には、アフター噴射により高められた排気エネルギの一部がタービンを回転させるエネルギに用いられているため当該温度が前記所定温度まで達していないものと判断し、Ｓ１０６へ進み、ＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度を大きくする。一方、否定判定された場合は、現時点のＶＮ開度およびＷ／Ｇバルブ開度で、アフター噴射により高められた排気エネルギをＮＯｘ触媒の温度を高めるために有効に利用できていることから、ＶＮ開度および／またはＷ／Ｇバルブ開度を変更することなくＳ１０８へ進み再生処理を継続する。

Ｓ２０７においては、排気温度センサ１９にて検出されるフィルタ１７に流入する排気温度が前記所定温度以上であるか否かを判定する。そして、肯定判定された場合は、Ｓ１０８へ進み、再生処理を継続する。一方、否定判定された場合には、依然としてアフター噴射により高められた排気エネルギの一部がタービンを回転させるエネルギに用いられているために、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度が前記所定温度まで達していないと考えられることから、再度Ｓ１０６以降の処理を実行する。

かかる場合においても、タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量が減少し過ぎることに起因してスモークが増加することを防止することができるとともにアフター噴射による排気のエネルギの上昇を効率よくＮＯｘ触媒の温度上昇に用いることができる。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 実施例に係る再生処理制御のフローチャート図である。 実施例に係る他の再生処理制御のフローチャート図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 燃料噴射弁
４ コモンレール
５ 燃料供給管
６ 燃料ポンプ
７ 吸気通路
８ エアクリーナボックス
９ エアフローメータ
１０ 過給機
１１ インタークーラ
１２ 吸気絞り弁
１３ 吸気絞り用アクチュエータ
１４ 吸気圧センサ
１５ 排気枝管
１６ 排気管
１７ フィルタ
１８ 空燃比センサ
１９ 排気温度センサ
２０ 差圧センサ
２１ バイパス通路
２２ ウェストゲートバルブ
２３ Ｗ／Ｇバルブ用アクチュエータ
２４ 燃料添加弁
２５ 燃料通路
２６ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた酸化能を有する触媒と、
   当該触媒上流の排気通路に設けられ排気で回転駆動されるタービンと、当該タービンが回転することにより回転し吸気過給を行うコンプレッサを有する過給機と、
   前記タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を調整するタービン駆動エネルギ量調整手段と、
   前記内燃機関から排出され前記触媒に流入する排気の温度を上昇させるべく、主燃料噴射後に燃料を噴射するアフター噴射を実行するアフター噴射実行手段と、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記タービン駆動エネルギ量調整手段は、前記アフター噴射実行手段によるアフター噴射の実行により前記コンプレッサの仕事量が増加した場合には、当該増加した仕事量を零にすべく前記タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を減少させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記タービン駆動エネルギ量調整手段は、前記過給機に設けられた可変ノズルおよび／またはウェストゲートバルブの開度を大きくすることにより前記タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を減少させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記アフター噴射実行手段は、前記触媒の活性温度に基づいてアフター噴射量を決定するものであり、
   前記タービン駆動エネルギ量調整手段は、前記アフター噴射量が多くなる程、前記過給機に設けられた可変ノズルおよび／またはウェストゲートバルブの開度をより大きくすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記内燃機関の吸気通路に、当該吸気通路を流通する吸気の量を検出する吸気量検出手段若しくは当該吸気の圧力を検出する吸気圧検出手段の少なくともいずれかを更に備え、
   前記タービン駆動エネルギ量調整手段は、前記吸気量検出手段若しくは前記吸気圧検出手段の検出値が前記アフター噴射の実行前よりも大きい場合に、前記タービンの回転駆動に用いられる排気のエネルギ量を減少させることを特徴とする請求項１、２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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