JP2007332935A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給機のタービンブレードなどへの還元剤の付着を抑制しつつ還元剤の霧化を促進させることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】左バンク２Ｌの各気筒３に接続される分岐排気通路１２Ｌ及び右バンク２Ｒの各気筒３に接続される分岐排気通路１２Ｒを有する排気通路５と、分岐排気通路１２Ｌ、１２Ｒに設けられる第１及び第２ターボ過給機１０、１１と、を備えた内燃機関１に適用され、各分岐排気通路１２Ｌ、１２Ｒが接続される合流排気通路１３に設けられる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒１４を備えた排気浄化装置において、分岐排気通路１２Ｌに設けられ、第１ターボ過給機１０のタービン１０ｂより上流側の分岐排気通路１２Ｌ内に還元剤を添加する第１燃料添加弁１６と、分岐排気通路１２Ｒに設けられ、第２ターボ過給機１１のタービン１１ｂよりも下流側の分岐排気通路１２Ｒに燃料を添加する第２燃料添加弁１７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路に再生式の排気浄化触媒やパティキュレートフィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

２つの気筒群と、気筒群毎に設けられる分割型排気マニホルドと、各分割側排気マニホルドのそれぞれの排気集合部の下流に配置されたターボ過給機と、このターボ過給機の下流に配置されたＮＯｘ触媒とを備え、一方の気筒群の分割型排気マニホルドに還元剤添加ノズルが設けられるとともに他方の気筒群の分割型排気マニホルドにＥＧＲ取出口が設けられる排気浄化装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００４−０７６５９５号公報 特開２００６−０２２７８８号公報

特許文献１のように還元剤添加ノズルをターボ過給機のタービンよりも上流に設けることにより、還元剤が添加された排気をターボ過給機のタービンにて攪拌し、還元剤の霧化を促進させることができるが、添加した還元剤の量が多い場合などに還元剤がターボ過給機のタービンブレードや可変ノズル式ターボ過給機の可変ノズルなどに付着してデポジットになるおそれがある。この場合、デポジットによって可変ノズルなどが固着するおそれがある。他にターボ過給機のタービンよりも下流に還元剤添加ノズルを設けた排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置では、タービンブレードや可変ノズルなどへの還元剤の付着は防止できるが、タービン下流の排気温度はタービン上流の排気温度よりも低く、またターボ過給機のタービンによって還元剤の霧化が促進されないため、還元剤が十分に霧化せず排気通路内に付着するおそれがある。

そこで、本発明は、ターボ過給機のタービンブレードなどへの還元剤の付着を抑制しつつ還元剤の霧化を促進させることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、複数の気筒群と、一端が互いに異なる気筒群の排気側に接続されるとともに他端が同一の集合部に接続され、かつ互いに並列な複数の分岐部を有する排気通路と、前記複数の分岐部にそれぞれ設けられるターボ過給機と、を備えた内燃機関に適用され、前記集合部に再生式の排気浄化手段が設けられ、前記排気浄化手段よりも上流側の排気通路内に還元剤を添加して前記排気浄化手段の再生処理を行う排気浄化装置において、前記複数の分岐部のうちの一の分岐部に設けられ、前記一の分岐部に設けられたターボ過給機のタービンより上流側の前記一の分岐部内に還元剤を添加する第１還元剤添加手段と、前記複数の分岐部のうちの他の分岐部又は集合部に設けられ、前記他の分岐部に設けられたターボ過給機のタービンよりも下流側かつ前記排気浄化手段より上流側の排気通路内に還元剤を添加する第２還元剤添加手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気浄化装置によれば、第１還元剤添加手段がターボ過給機のタービンよりも上流に設けられ、第２還元剤添加手段がターボ過給機のタービンよりも下流に設けられるので、例えば第１還元剤添加手段から添加される還元剤の量を還元剤がタービンブレードなどに付着しない程度の量に抑え、その抑えた分の還元剤を第２還元剤添加手段から添加することができる。このように各還元剤添加手段から添加される還元剤量をそれぞれ調整することにより、排気浄化手段の再生処理に必要な量の還元剤を添加しつつターボ過給機のタービンブレードなどへの還元剤の付着を抑制できる。また、第１還元剤添加手段がタービンより上流に設けられているので、第１還元剤添加手段から添加された還元剤と排気とをターボ過給機のタービンで攪拌できる。そのため、この還元剤の霧化を促進させることができる。

本発明の排気浄化装置の一形態においては、前記内燃機関の排気の温度を取得する排気温度取得手段と、前記一の分岐部に設けられたターボ過給機のタービンの温度を取得するタービン温度取得手段と、前記排気温度取得手段により取得された排気の温度及び前記タービン温度取得手段により取得されたタービンの温度の少なくともいずれか一方に基づいて前記排気浄化手段の再生処理時に前記排気浄化手段よりも上流側の排気通路内に添加すべき目標還元剤量を前記第１還元剤添加手段から添加されるべき第１還元剤量と前記第２還元剤添加手段から添加されるべき第２還元剤量とに配分する還元剤量設定手段と、前記還元剤量設定手段により設定された前記第１還元剤量及び前記第２還元剤量に基づいて前記第１還元剤添加手段及び前記第２還元剤添加手段の少なくともいずれか一方から還元剤を添加させる還元剤添加制御手段と、をさらに備えていてもよい（請求項２）。排気の温度（以下、排気温度と略称することもある。）が高いほど排気中に添加した還元剤が速やかに気化されるので、還元剤の霧化を促進させることができる。また、タービン過給機のタービンの温度（以下、タービン温度と略称することもある。）が高いほどタービンに付着した還元剤が速やかに気化されるので、タービンへの還元剤の付着を抑制しつつタービンにて還元剤と排気とを攪拌して還元剤の霧化を促進させることができる。この形態では、排気温度及びタービン温度の少なくともいずれか一方に基づいて目標還元剤量を第１還元剤量と第２還元剤量とに配分するので、第１還元剤添加手段から添加された還元剤のタービンブレードへの付着を抑制しつつ、各還元剤添加手段から添加された還元剤が排気通路内で十分に霧化するように各還元剤添加手段から添加される還元剤量を適正量に調整できる。そのため、より確実にタービンブレードなどへの還元剤の付着を抑制しつつ添加した還元剤を十分に霧化することができる。

この形態において、前記還元剤量設定手段は、前記排気温度取得手段により取得された排気の温度及び前記タービン温度取得手段により取得されたタービンの温度の両方に基づいて前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに配分するとともに、取得された排気の温度が所定の第１閾値以上、かつ取得されたタービンの温度が所定の第２閾値以上の場合には前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに均等に配分し、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値以上かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合、又は取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値以上の場合には、前記一の分岐部を流れている排気の排気熱及び前記一の分岐部に設けられたターボ過給機のタービンの熱の少なくともいずれか一方によって気化させることが可能な燃料量の上限が前記第１還元剤量に設定されるとともに前記第２還元剤量には設定した第１還元剤量を前記目標還元剤量から引いた残りが設定され、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合には、前記他の分岐部を流れている排気の排気熱で気化させることが可能な燃料量の上限が第２還元剤量に設定されるとともに前記第１還元剤量には設定した第２還元剤量を前記目標還元剤量から引いた残りが設定されてもよい（請求項３）。排気温度が第１閾値以上かつタービン温度が第２閾値以上の場合、すなわち排気温度とタービン温度の両方の温度が高い場合は、各還元剤添加手段から添加した還元剤をそれぞれ速やかに気化させることができるので、目標還元剤量を第１還元剤量と第２還元剤量とに均等に配分し、目標還元剤量の半分を第２還元剤添加手段から添加することによってタービンへの還元剤の付着を抑える。残りの半分は第１還元剤添加手段から添加されるので、タービンにより還元剤と排気とを攪拌させて、還元剤の霧化を促進させることができる。排気温度が第１閾値以上かつタービン温度が第２閾値未満の場合、又は排気温度が第１閾値未満かつタービン温度が第２閾値以上の場合、すなわち排気温度又はタービン温度のいずれか一方が低い場合、これら両方の温度が高い場合と比較して還元剤が気化し難いため、タービンブレードなどに還元剤が付着し易くなる。そこで、第１還元剤量にタービンブレードなどに還元剤が付着しない上限の燃料量を設定し、残りを第２還元剤量に配分する。これにより、還元剤の霧化を促進させつつ、タービンブレードなどへの還元剤の付着を抑制することができる。排気温度が第１閾値未満、かつタービン温度が第２閾値未満の場合、すなわち排気温度とタービン温度の両方の温度が低い場合は、さらにタービンブレードなどに還元剤が付着し易くなる。そこで、まず第２還元剤量を設定し、目標還元剤量のうちの残りを第１還元剤量に設定する。このように第１還元剤量及び第２還元剤量を設定することにより、タービンブレードなどへの還元剤の付着を抑制できる。

また、前記還元剤量設定手段は、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値以上かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合には前記目標還元剤量のうち前記第１還元剤量に配分される還元剤量の割合を示す配分率が、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値以上の場合における前記配分率より小さくなるように前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに配分してもよい（請求項４）。タービン温度が高いほど、タービンブレードなどに付着した還元剤を速やかに気化させることができる。すなわち、タービン温度が第２閾値以上の場合はタービン温度が第２閾値未満の場合よりも、より多くの還元剤を速やかに気化させることができる。そのため、タービン温度が第２閾値以上の場合はタービン温度が第２閾値未満の場合よりもより多くの還元剤が第１還元剤量に配分されるように配分率を大きくできる。このように配分率を変化させることにより、タービン温度が高い場合はタービン温度が低い場合よりも多くの還元剤を第１還元剤添加手段から添加できるので、タービンにて排気と還元剤とを攪拌し、還元剤の霧化を促進させることができる。

本発明の排気浄化装置の一形態においては、前記排気浄化手段として吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設けられ、前記還元剤は前記内燃機関の燃料であってもよい（請求項５）。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒においては再生処理時に排気に燃料を添加して触媒の周囲の排気空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにしたり、触媒の温度を再生処理時の目標温度に昇温して再生処理を行うため、本発明を好適に適用できる。

本発明の排気浄化装置の一形態においては、前記第２還元剤添加手段として排気通路内に還元剤を噴射する第２還元剤添加弁が設けられるとともに、前記第１還元剤添加手段として排気通路内に前記第２還元剤添加弁よりも細かく粒状に還元剤を噴射可能な第１還元剤添加弁が設けられてもよい（請求項６）。このような第１還元剤添加弁を第１還元剤添加手段として設けることにより、タービンブレードなどへの還元剤の付着をさらに抑制することができる。

本発明の他の排気浄化装置は、ターボ過給機を備えた内燃機関に適用され、前記ターボ過給機のタービンより下流側の排気通路に再生式の排気浄化手段が設けられ、前記排気浄化手段よりも上流側の排気通路内に還元剤を添加して前記排気浄化手段の再生処理を行う排気浄化装置において、前記タービンより上流側の排気通路内に還元剤を添加する第１還元剤添加手段と、前記タービンより下流側、かつ前記排気浄化手段より上流側の排気通路内に還元剤を添加する第２還元剤添加手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項７）。

本発明の他の排気浄化装置によれば、同一のタービンの上流側と下流側とにそれぞれ還元剤添加手段を設けたので、上述した排気浄化装置と同様に、これらの還元剤添加手段から添加される還元剤量をそれぞれ調整することにより、排気浄化手段の再生処理に必要な量の還元剤を添加しつつタービンブレードなどへの還元剤の付着を抑制できる。また、第１還元剤添加手段から添加した還元剤と排気とをタービンで攪拌できるので、還元剤の霧化を促進できる。

本発明の他の排気浄化装置の一形態においては、前記内燃機関の排気の温度を取得する排気温度取得手段と、前記タービンの温度を取得するタービン温度取得手段と、前記排気温度取得手段により取得された排気の温度及び前記タービン温度取得手段により取得されたタービンの温度の少なくともいずれか一方に基づいて前記排気浄化手段の再生処理時に前記排気通路内に添加すべき目標還元剤量を前記第１還元剤添加手段から添加されるべき第１還元剤量と前記第２還元剤添加手段から添加されるべき第２還元剤量とに配分する還元剤量設定手段と、前記還元剤量設定手段により設定された前記第１還元剤量及び前記第２還元剤量に基づいて前記第１還元剤添加手段及び前記第２還元剤添加手段の少なくともいずれか一方から還元剤を添加させる還元剤添加制御手段と、をさらに備えていてもよい（請求項８）。このように排気温度及びタービン温度の少なくともいずれか一方に基づいて第１還元剤量及び第２還元剤量を設定することにより、各還元剤添加手段から添加される還元剤量をそれぞれ適正量に調整できる。そのため、より確実にタービンブレードなどへの還元剤の付着を抑制しつつ添加した還元剤を十分に霧化できる。

この形態において、前記還元剤量設定手段は、前記排気温度取得手段により取得された排気の温度及び前記タービン温度取得手段により取得されたタービンの温度の両方に基づいて前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに配分するとともに、取得された排気の温度が所定の第１閾値以上、かつ取得されたタービンの温度が所定の第２閾値以上の場合には前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに均等に配分し、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値以上かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合、又は取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値以上の場合には、前記タービンより上流側の排気通路内を流れている排気の排気熱及び前記ターボ過給機のタービンの熱の少なくともいずれか一方によって気化させることが可能な燃料量の上限が前記第１還元剤量に設定されるとともに前記第２還元剤量には設定した第１還元剤量を前記目標還元剤量から引いた残りが設定され、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合には、前記タービンから排出された排気の排気熱で気化させることが可能な燃料量の上限が第２還元剤量に設定されるとともに前記第１還元剤量には設定した第２還元剤量を前記目標還元剤量から引いた残りが設定されてもよい（請求項９）。また、前記還元剤量設定手段は、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値以上かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合には前記目標還元剤量のうち前記第１還元剤量に配分される還元剤量の割合を示す配分率が、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値以上の場合における前記配分率より小さくなるように前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに配分してもよい（請求項１０）。このように各還元剤量を設定することにより、還元剤の霧化を十分に促進させつつ、タービンブレードなどへの還元剤の付着を抑制することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、第１還元剤添加手段をターボ過給機のタービンより上流に設けるとともに第２還元剤添加手段をターボ過給機のタービンより下流に設けたので、排気浄化手段の再生処理に必要な量の還元剤を添加しつつタービンブレードなどへの還元剤の付着を抑制できる。また、第１還元剤添加手段から添加した還元剤と排気とをタービンにて攪拌できるので、還元剤の霧化を促進できる。

図１は、本発明の排気浄化装置が組み込まれた内燃機関の一形態を示している。図１に示したように内燃機関１は、左右のバンク２Ｌ、２Ｒにそれぞれ３つずつ気筒３が設けられたＶ型６気筒のディーゼルエンジンとして構成される。そのため、内燃機関１をエンジンと呼ぶこともある。エンジン１は、例えば自動車などの車両に走行用動力源として搭載される。エンジン１においては、図１の左のバンク（以下、左バンクと略称する。）２Ｌの３つの気筒３によって一つの気筒群が構成され、図１の右のバンク（以下、右バンクと略称する。）２Ｒの３つの気筒３によって他の一つの気筒群が構成される。

エンジン１は、各気筒３に吸気を導くための吸気通路４と、各気筒３から排出された排気を所定の排気位置に導くための排気通路５と、第１ターボ過給機１０と、第２ターボ過給機１１とを備えている。吸気通路４は、各バンク２Ｌ、２Ｒに対応して設けられる分岐吸気通路６Ｌ、６Ｒと、これら分岐吸気通路６Ｌ、６Ｒが合流して接続されるインテークマニホールド７とを備えている。左バンク２Ｌに対応する分岐吸気通路６Ｌには吸気量に対応した信号を出力するエアフローメータ８と第１ターボ過給機１０のコンプレッサ１０ａとが設けられ、右バンク２Ｒに対応する分岐吸気通路６Ｒにはエアフローメータ８と第２ターボ過給機１１のコンプレッサ１１ａとが設けられる。また、図１に示したようにインテークマニホールド７の入口部７ａには吸気の流量を調整するための吸気絞り弁９が設けられる。

排気通路５は、各バンク２Ｌ、２Ｒに対応して設けられる分岐部としての分岐排気通路１２Ｌ、１２Ｒと、集合部としての合流排気通路１３とを備えている。分岐排気通路１２Ｌは、一端が左バンク２Ｌの各気筒３の排気側にそれぞれ接続されるとともに他端が合流排気通路１３に接続される。分岐排気通路１２Ｒは、一端が右バンク２Ｒの各気筒３の排気側にそれぞれ接続されるとともに他端が合流排気通路１３に接続される。以降、左バンク２Ｌの分岐排気通路１２Ｌを左分岐排気通路と呼び、右バンク２Ｒの分岐排気通路１２Ｒを右分岐排気通路と呼ぶこともある。図１に示したように左分岐排気通路１２Ｌには第１ターボ過給機１０のタービン１０ｂが設けられ、右分岐排気通路１２Ｒには第２ターボ過給機１１のタービン１１ｂが設けられる。第１及び第２ターボ過給機１０、１１は、それぞれ可変ノズル１０ｃ、１１ｃを備えた可変ノズル式ターボ過給機であり、それぞれに設けられた可変ノズル１０ｃ、１１ｃの開度を変更することによってタービン１０ｂ、１１ｂの入口部分の流路断面積を変更することができる。

合流排気通路１３には、排気浄化手段としての吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、触媒と略称することもある。）１４を含んだ排気浄化ユニット１５が設けられている。また、触媒１４の再生処理時に触媒１４の上流側の排気通路５内に還元剤としての燃料を添加するために左分岐排気通路１２Ｌには第１還元剤添加手段としての第１燃料添加弁１６が、右分岐排気通路１２Ｒには第２還元剤添加手段としての第２燃料添加弁１７がそれぞれ設けられている。図１に示したように第１燃料添加弁１６は第１ターボ過給機１０のタービン１０ｂよりも上流に配置され、第２燃料添加弁１７は第２ターボ過給機１１のタービン１１ｂよりも下流に配置される。なお、第１燃料添加弁１６には、排気通路５内に第２燃料添加弁１７よりも細かく粒状に燃料を噴射可能、すなわち第２燃料添加弁１７よりも還元剤をより微粒子状に噴射可能なものが設けられる。このように各燃料添加弁１６、１７が設けられることにより、左分岐排気通路１２Ｌが本発明の一の分岐部に相当し、右分岐排気通路１２Ｒが本発明の他の分岐部に相当する。また、第１燃料添加弁１６が本発明の第１還元剤添加弁に相当し、第２燃料添加弁１７が本発明の第２還元剤添加弁に相当する。

触媒１４は、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンの時は窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチのときは吸蔵していたＮＯｘを放出して窒素（Ｎ_２）に還元する性質を有している。触媒１４に吸蔵可能なＮＯｘ量には上限があるため、吸蔵されているＮＯｘ量がこの上限に達しないように触媒１４からＮＯｘを放出させてＮ_２に還元させるＮＯｘ還元を所定の間隔で行い、触媒１４の排気浄化性能を高い状態に維持する。また、触媒１４は、排気中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）により被毒される。そのため、触媒１４をＮＯｘ触媒から硫黄（Ｓ）が放出される温度域に昇温させるとともに排気空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにして硫黄被毒を回復させて触媒１４の機能を再生させるＳ再生を所定の間隔で行う。以降、ＮＯｘ還元及びＳ再生をまとめて機能再生処理と呼ぶこともある。これら機能再生処理は、第１燃料添加弁１６及び第２燃料添加弁１７から触媒１４の上流の排気通路４内に燃料を添加して行う。

なお、本発明において吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘを触媒にて保持できるものであればよく、吸収又は吸着いずれの態様でＮＯｘが保持されるかは吸蔵の用語によって制限されない。また、ＳＯｘの被毒についてもその態様を問わないものである。さらに、ＮＯｘやＳＯｘの放出についてもその態様を問わない。

第１燃料添加弁１６及び第２燃料添加弁１７の動作はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０によって制御される。ＥＣＵ２０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、各種センサから入力される信号に基づいて可変ノズル１０ｃ、１１ｃなどの各種の装置を操作してエンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。ＥＣＵ２０には例えばエンジン１のクランク軸の角度に対応した信号を出力するクランク角センサ２１、排気浄化ユニット１５よりも上流の合流排気通路１３内の排気温度に対応した信号を出力する排気温度取得手段としての第１排気温センサ２２、排気浄化ユニット１５を通過した排気の温度に対応した信号を出力する第２排気温センサ２３、及びエアフローメータ８、８などが接続され、ＥＣＵ２０はこれらの出力信号を参照してエンジン１の運転状態を制御する。

図２は、ＥＣＵ２０が第１燃料添加弁１６及び第２燃料添加弁１７の動作を制御するために実行する燃料添加弁制御ルーチンを示している。図２の制御ルーチンはエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。

図２の制御ルーチンにおいてＥＣＵ２０は、まずステップＳ１１において触媒１４の機能再生処理を行う触媒再生条件が成立したか否か判断する。触媒再生条件が成立したか否かは、例えばエンジン１が搭載された車両の走行距離の積算値に基づいて判断され、この積算値が予め設定した判定値を超えた場合に触媒再生条件が成立したと判断する。なお、この触媒再生条件が成立したか否かの判定方法はこの方法に限定されない。触媒１４に吸蔵されたＮＯｘ量を推定し、この推定したＮＯｘ量に基づいて判定するなど、周知の判定方法で触媒再生条件が成立したか否か判定してよい。触媒再生条件が不成立と判断した場合は今回の制御ルーチンを終了する。

一方、触媒再生条件が成立したと判断した場合はステップＳ１２に進み、ＥＣＵ２０はエンジン１の運転状態を取得する。エンジン１の運転状態としては、排気温度、第１ターボ過給機１０のタービン１０ｂの温度、及び排気の流量などが取得される。排気温度は、例えば第１排気温センサ２１の出力信号を参照して取得する。排気の流量は、例えばエアフローメータ８、８の出力信号及びクランク角センサ２１の出力信号を参照して取得する。タービン１０ｂの温度は、例えばエンジン１の運転履歴及び排気温度に基づいて推定し、取得する。例えば、タービン１０ｂの温度を推定する前の所定期間、例えば数分間のエンジン１の運転状態が略一定の場合、タービン１０ｂの温度は温度推定時にタービン１０ｂを通過した排気の温度と略同じと考えられるので、温度推定時の排気温度に基づいてたーびん１０ｂの温度を推定できる。一方、エンジン１の運転状態が変更された直後などは運転状態が変更される前の排気の温度に基づいてタービン１０ｂの温度を推定する。例えば、エンジン１の出力が増加された直後などは、排気温度は迅速に上昇するがタービン１０ｂの温度はタービン１０ｂの熱容量の影響により排気温度の上昇よりも遅れて上昇する。そこで、運転状態が変更される前の排気温度に基づいてタービン１０ｂの温度を推定する。なお、タービン１０ｂの温度は、タービン１０ｂに温度センサを設けて取得してもよい。

続くステップＳ１３においてＥＣＵ２０は機能再生処理を実施するために排気通路５内に添加すべき目標燃料量を算出する。ＮＯｘ還元を実行する場合、触媒１４周囲の排気空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにする必要があるため、目標燃料量には取得した排気の流量に基づいて排気空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにすることが可能な燃料量が設定される。Ｓ再生の場合は、排気空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにするとともに、触媒１４をＳ再生時の目標温度（例えば、６５０°Ｃ）に昇温する必要がある。そのため、目標燃料量には、取得した排気の流量に基づいて排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチになり、かつ触媒１４が目標温度に昇温される燃料量が設定される。

次のステップＳ１４においてＥＣＵ２０はエンジン１の排気温度が所定の第１閾値以上か否か判断する。排気温度が低い場合は排気熱によって燃料が気化し難くなるため、第１燃料添加弁１６から多量の燃料を添加すると第１ターボ過給機１０の可変ノズル１０ｃやタービンブレードなどに添加した燃料が付着するおそれがある。第１閾値は、このように排気温度が低くタービン１０ｂよりも上流の左分岐排気通路１２Ｌ内で燃料が気化し難い状態か否かを判断するための判断基準として設定される。第１閾値には、例えば触媒１４のＮＯｘ還元を行うために最低限必要な燃料量の半分が第１燃料添加弁１６から添加された際にこの燃料が排気中で速やかに気化する排気温度が設定される。このような温度はエンジン１の性能、触媒１４の容量などによって変化するため、第１閾値はこれらに応じて適宜変更してよい。

エンジン１の排気温度が第１閾値以上と判断した場合はステップＳ１５に進み、ＥＣＵ２０は第１ターボ過給機１０のタービン１０ｂの温度が所定の第２閾値以上か否か判断する。タービン１０ｂの温度が高い場合は、可変ノズル１０ｃやタービンブレードに燃料が付着しても、タービン１０ｂの熱によって付着した燃料が速やかに気化する。そのため、排気温度が低くても第１燃料添加弁１６から添加した燃料をタービン１０ｂの熱によって気化させることができる。そこで、第２閾値には、例えば可変ノズル１０ｃや第１ターボ過給機１０のタービンブレードに付着した燃料が速やかに気化する温度が設定される。

タービン１０ｂの温度が第２閾値以上と判断した場合はステップＳ１６に進み、ＥＣＵ２０は目標燃料量を第１燃料添加弁１６から添加されるべき第１燃料量と第２燃料添加弁１７から添加されるべき第２燃料量とに均等に配分する。すなわち、第１燃料量に目標燃料量の半分が設定され、第２燃料量に目標燃料量の半分が設定される。次のステップＳ１７においてＥＣＵ２０は、設定した第１燃料量の燃料が第１燃料添加弁１６から、設定した第２燃料量の燃料が第２燃料添加弁１７からそれぞれ添加されるように第１燃料添加弁１６及び第２燃料添加弁１７を動作させる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

ステップＳ１５でタービン１０ｂの温度が第２閾値未満と判断した場合はステップＳ１８に進み、ＥＣＵ２０はエンジン１の排気温度に基づいて第１燃料添加弁１６から添加した燃料が排気熱で気化し、可変ノズル１０ｃ及び第１ターボ過給機１０のタービンブレードに燃料が付着しない上限の燃料量を第１燃料量に設定する。また、目標燃料量から設定した第１燃料量を引いた値を第２燃料量に設定する。その後、ステップＳ１７の処理を実行し、今回の制御ルーチンを終了する。

ステップＳ１４でエンジン１の排気温度が第１閾値未満と判断した場合はステップＳ１９に進み、ＥＣＵ２０は第１ターボ過給機１０のタービン１０ｂの温度が第２閾値以上か否か判断する。この第２閾値は、ステップＳ１５で判定に使用したものと同一でよい。タービン１０ｂの温度が第２閾値以上と判断した場合はステップＳ２０に進み、ＥＣＵ２０はエンジン１の排気温度及びタービン１０ｂの温度に基づいて排気熱とタービン１０ｂの熱とによって気化させることが可能な上限の燃料量を第１燃料量に設定する。また、目標燃料量から設定した第１燃料量を引いた値を第２燃料量に設定する。その後、ステップＳ１７の処理を実行し、今回の制御ルーチンを終了する。

ステップＳ１９でタービン１０ｂの温度が第２閾値未満と判断した場合はステップＳ２１に進み、ＥＣＵ２０は排気温度に基づいて第２燃料添加弁１７から添加した燃料が排気熱によって気化する上限の燃料量を第２燃料量に設定する。また、目標燃料量から設定した第２燃料量を引いた値を第１燃料量に設定する。その後、ステップＳ１７の処理を実行し、今回の制御ルーチンを終了する。

図２の制御ルーチンでは、エンジン１の排気温度が第１閾値以上、かつタービン１０ｂの温度が第２閾値以上の場合、目標燃料量が第１燃料量と第２燃料量とに均等に配分される。この場合、目標燃料量の半分の燃料と排気とをタービン１０ｂで攪拌できるので、その分の燃料の気化を促進させることができる。また、第２燃料量に目標燃料量の半分が設定されるので、タービン１０ｂを通過する燃料量を抑えることができる。そのため、可変ノズル１０ｃや第１ターボ過給機１０のタービンブレードへの燃料の付着を抑制できる。

エンジン１の排気温度が第１閾値以上、かつタービン１０ｂの温度が第２閾値未満の場合には、第１燃料量にタービン１０ｂに流入するまでに排気熱で気化することができる上限の燃料量が設定されるので、第１ターボ過給機１０のタービンブレードや可変ノズル１０ｃへの燃料の付着を抑制できる。また、第１燃料量に排気熱で気化する上限の燃料量を設定するので、タービン１０ｂにて排気と攪拌される燃料の無駄な低減を防止し、燃料の霧化を促進させることができる。第２燃料量には、目標燃料量からこの第１燃料量を引いた値が設定されるので、触媒１４の機能再生処理に適切に実行することができる。

エンジン１の排気温度が第１閾値未満、かつタービン１０ｂの温度が第２閾値以上の場合は、第１燃料量に排気熱及びタービン１０ｂの熱で速やかに気化させることができる上限の燃料量が設定されるので、第１ターボ過給機１０のタービンブレードや可変ノズル１０ｃへの燃料の付着を抑制できる。また、このように第１燃料量を設定することにより、タービン１０ｂにて排気と攪拌される燃料の無駄な低減を防止し、燃料の霧化を促進させることができる。この場合は、タービン１０ｂの熱を考慮して第１燃料量を設定するので、エンジン１の排気温度が第１閾値以上かつタービン１０ｂの温度が第２閾値未満の場合と比較して、目標燃料量のうち第１燃料量に配分される燃料量の率である配分率を増加させることができる。すなわち、この場合における配分率は、エンジン１の排気温度が第１閾値以上かつタービン１０ｂの温度が第２閾値未満の場合における配分率よりも大きくなる。

エンジン１の排気温度が第１閾値未満かつタービン１０ｂの温度が第２閾値未満の場合は、第２燃料添加弁１７から添加された燃料が触媒１４に到達するまでに気化する上限の燃料量を第２燃料量に設定し、目標燃料量の残りを第１燃料量に設定するので、触媒１４の機能再生処理に必要な量の燃料を排気通路５に添加しつつ第１燃料添加弁１６から添加すべき燃料量を減少させることができる。そのため、第１ターボ過給機１０のタービンブレードや可変ノズル１０ｃへの燃料の付着を抑制することができる。

このように、本発明ではエンジン１の排気温度及び第１ターボ過給機１０のタービン１０ｂの温度に応じて第１燃料量及び第２燃料量を設定するので、第１ターボ過給機１０の可変ノズル１０ｃやタービンブレードへの燃料の付着を抑制しつつ、触媒１４の機能再生処理を実施するために必要な量の燃料を排気通路５内に添加することができる。また、第１燃料添加弁１６から添加された燃料と排気とをタービン１０ｂで攪拌することができるので、燃料の気化を促進させることができる。

なお、図２の制御ルーチンを実行し、各燃料添加弁１６、１７から添加されるべき燃料量を設定することにより、ＥＣＵ２０は本発明の還元剤量設定手段として機能する。また、図２のステップＳ１７を実行し、設定した燃料量の燃料が各燃料添加弁１６、１７から添加されるように各燃料添加弁１６、１７の動作を制御することによりＥＣＵ２０は本発明の還元剤添加制御手段として機能する。さらに、ステップＳ１２の処理を実行してタービン１０ｂの温度を取得することにより、ＥＣＵ２０は本発明のタービン温度取得手段として機能する。

本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明はディーゼルエンジンに限らず、ガソリンその他の燃料を利用する各種のエンジンに適用してよい。また、本発明が適用されるエンジンは、Ｖ型エンジンに限定されない。複数の気筒群を有し、各気筒群の排気側が互いに異なる分岐部を介して共通の集合部に接続され、各分岐通路にそれぞれターボ過給機が設けられるとともに集合部に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒やパティキュレートフィルタなどの再生式の排気浄化手段が設けられる種々のエンジンに本発明は適用してよい。

本発明における再生式の排気浄化手段は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に限定されない。例えば、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するパティキュレートフィルタ、又はこのパティキュレートフィルタに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒物質を担持させたものが排気浄化手段として設けられていてもよい。これらが排気浄化手段として設けられている場合も排気通路内に燃料を添加するべく燃料添加弁を設けるので、本発明を適用することにより、タービンブレードや可変ノズルなどへの燃料の付着を抑制しつつ燃料の霧化を促進させることができる。

本発明の他の形態においては、同一のタービンの上流側の排気通路と下流側の排気通路にそれぞれ燃料添加弁が設けられていてもよい。例えば、ターボ過給機を１台備え、そのターボ過給機のタービンの下流側の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒などの再生式の排気浄化手段が設けられた内燃機関に本発明を適用する場合、第１燃料添加弁がタービンより上流側の排気通路に設けられ、第２燃料添加弁がタービンより下流、かつ排気浄化手段より上流の排気通路に設けられる。これら各燃料添加弁も図２に示した燃料添加弁制御ルーチンによって制御される。このように同一のタービンの上流と下流にそれぞれ燃料添加弁を設け、排気温度とタービン温度とに基づいてこれらの燃料添加弁から添加する燃料量を調整することにより、ターボ過給機の可変ノズルやタービンブレードへの燃料の付着を抑制しつつ吸蔵還元型ＮＯｘ触媒などの排気浄化手段の機能再生処理に必要な量の燃料を排気通路に添加できる。また、タービンの上流側から添加された燃料と排気とをタービンで攪拌させ、この燃料の気化を促進させることができる。

本発明の排気浄化装置が組み込まれた内燃機関の一形態を示す図。 ＥＣＵが実行する燃料添加弁制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１ 内燃機関
５ 排気通路
１０ 第１ターボ過給機
１０ｂ タービン
１１ 第２ターボ過給機
１１ｂ タービン
１２Ｌ 分岐排気通路（一の分岐部）
１２Ｒ 分岐排気通路（他の分岐部）
１３ 合流排気通路（集合部）
１４ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（排気浄化手段）
１６ 第１燃料添加弁（第１還元剤添加手段、第１還元剤添加弁）
１７ 第２燃料添加弁（第２還元剤添加手段、第２還元剤添加弁）
２０ エンジンコントロールユニット（還元剤量設定手段、還元剤添加制御手段、タービン温度取得手段）
２２ 第１排気温センサ（排気温度取得手段）

Claims (10)

1. 複数の気筒群と、一端が互いに異なる気筒群の排気側に接続されるとともに他端が同一の集合部に接続され、かつ互いに並列な複数の分岐部を有する排気通路と、前記複数の分岐部にそれぞれ設けられるターボ過給機と、を備えた内燃機関に適用され、前記集合部に再生式の排気浄化手段が設けられ、前記排気浄化手段よりも上流側の排気通路内に還元剤を添加して前記排気浄化手段の再生処理を行う排気浄化装置において、
   前記複数の分岐部のうちの一の分岐部に設けられ、前記一の分岐部に設けられたターボ過給機のタービンより上流側の前記一の分岐部内に還元剤を添加する第１還元剤添加手段と、前記複数の分岐部のうちの他の分岐部又は集合部に設けられ、前記他の分岐部に設けられたターボ過給機のタービンよりも下流側かつ前記排気浄化手段より上流側の排気通路内に還元剤を添加する第２還元剤添加手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記内燃機関の排気の温度を取得する排気温度取得手段と、前記一の分岐部に設けられたターボ過給機のタービンの温度を取得するタービン温度取得手段と、前記排気温度取得手段により取得された排気の温度及び前記タービン温度取得手段により取得されたタービンの温度の少なくともいずれか一方に基づいて前記排気浄化手段の再生処理時に前記排気浄化手段よりも上流側の排気通路内に添加すべき目標還元剤量を前記第１還元剤添加手段から添加されるべき第１還元剤量と前記第２還元剤添加手段から添加されるべき第２還元剤量とに配分する還元剤量設定手段と、前記還元剤量設定手段により設定された前記第１還元剤量及び前記第２還元剤量に基づいて前記第１還元剤添加手段及び前記第２還元剤添加手段の少なくともいずれか一方から還元剤を添加させる還元剤添加制御手段と、をさらに備えてい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. 前記還元剤量設定手段は、前記排気温度取得手段により取得された排気の温度及び前記タービン温度取得手段により取得されたタービンの温度の両方に基づいて前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに配分するとともに、
   取得された排気の温度が所定の第１閾値以上、かつ取得されたタービンの温度が所定の第２閾値以上の場合には前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに均等に配分し、
   取得された排気の温度が前記所定の第１閾値以上かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合、又は取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値以上の場合には、前記一の分岐部を流れている排気の排気熱及び前記一の分岐部に設けられたターボ過給機のタービンの熱の少なくともいずれか一方によって気化させることが可能な燃料量の上限が前記第１還元剤量に設定されるとともに前記第２還元剤量には設定した第１還元剤量を前記目標還元剤量から引いた残りが設定され、
   取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合には、前記他の分岐部を流れている排気の排気熱で気化させることが可能な燃料量の上限が第２還元剤量に設定されるとともに前記第１還元剤量には設定した第２還元剤量を前記目標還元剤量から引いた残りが設定され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. 前記還元剤量設定手段は、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値以上かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合には前記目標還元剤量のうち前記第１還元剤量に配分される還元剤量の割合を示す配分率が、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値以上の場合における前記配分率より小さくなるように前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに配分することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記排気浄化手段として吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設けられ、前記還元剤は前記内燃機関の燃料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記第２還元剤添加手段として排気通路内に還元剤を噴射する第２還元剤添加弁が設けられるとともに、前記第１還元剤添加手段として排気通路内に前記第２還元剤添加弁よりも細かく粒状に還元剤を噴射可能な第１還元剤添加弁が設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. ターボ過給機を備えた内燃機関に適用され、前記ターボ過給機のタービンより下流側の排気通路に再生式の排気浄化手段が設けられ、前記排気浄化手段よりも上流側の排気通路内に還元剤を添加して前記排気浄化手段の再生処理を行う排気浄化装置において、
   前記タービンより上流側の排気通路内に還元剤を添加する第１還元剤添加手段と、前記タービンより下流側、かつ前記排気浄化手段より上流側の排気通路内に還元剤を添加する第２還元剤添加手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記内燃機関の排気の温度を取得する排気温度取得手段と、前記タービンの温度を取得するタービン温度取得手段と、前記排気温度取得手段により取得された排気の温度及び前記タービン温度取得手段により取得されたタービンの温度の少なくともいずれか一方に基づいて前記排気浄化手段の再生処理時に前記排気通路内に添加すべき目標還元剤量を前記第１還元剤添加手段から添加されるべき第１還元剤量と前記第２還元剤添加手段から添加されるべき第２還元剤量とに配分する還元剤量設定手段と、前記還元剤量設定手段により設定された前記第１還元剤量及び前記第２還元剤量に基づいて前記第１還元剤添加手段及び前記第２還元剤添加手段の少なくともいずれか一方から還元剤を添加させる還元剤添加制御手段と、をさらに備えていることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記還元剤量設定手段は、前記排気温度取得手段により取得された排気の温度及び前記タービン温度取得手段により取得されたタービンの温度の両方に基づいて前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに配分するとともに、
   取得された排気の温度が所定の第１閾値以上、かつ取得されたタービンの温度が所定の第２閾値以上の場合には前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに均等に配分し、
   取得された排気の温度が前記所定の第１閾値以上かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合、又は取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値以上の場合には、前記タービンより上流側の排気通路内を流れている排気の排気熱及び前記ターボ過給機のタービンの熱の少なくともいずれか一方によって気化させることが可能な燃料量の上限が前記第１還元剤量に設定されるとともに前記第２還元剤量には設定した第１還元剤量を前記目標還元剤量から引いた残りが設定され、
   取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合には、前記タービンから排出された排気の排気熱で気化させることが可能な燃料量の上限が第２還元剤量に設定されるとともに前記第１還元剤量には設定した第２還元剤量を前記目標還元剤量から引いた残りが設定されることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記還元剤量設定手段は、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値以上かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値未満の場合には前記目標還元剤量のうち前記第１還元剤量に配分される還元剤量の割合を示す配分率が、取得された排気の温度が前記所定の第１閾値未満かつ取得されたタービンの温度が前記所定の第２閾値以上の場合における前記配分率より小さくなるように前記目標還元剤量を前記第１還元剤量と前記第２還元剤量とに配分することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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