JP2008038602A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、排気系に付着している燃料を確実に除去することを目的とする。
【解決手段】吸気弁閉じ時期を下死点に近づけ、実圧縮比をアップする（ステップ１０６）。実圧縮比のアップにより、圧縮端温度が高まることを利用して、噴射時期リタード、アフター噴射を行う（ステップ１０８）。更に、排気弁の開き時期を早くする（ステップ１１２）。これらにより、排気温度を高める。また、バルブオーバーラップの大きさを最適化することで、体積効率をアップする。これにより、排気ガス流量を増加させる。排気温度および排気ガス流量がアップすることにより、排気系付着燃料の蒸発が促進されるとともに、排気系付着燃料を吹き飛ばして、除去することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、排気系に付着した燃料を除去する機能を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年、内燃機関、特にディーゼル機関を搭載する自動車に対する排出ガス規制が厳しくなってきている。そこで、ディーゼル機関に対しても、排気通路に排気処理装置を設けることが行われている。

その排気処理装置の一つとして、ＮＯｘを吸蔵する機能を有するＮＯｘ触媒が知られている。ＮＯｘ触媒にＮＯｘが一杯になった場合には、排気空燃比を一時的に理論空燃比以下のリッチとするリッチスパイクが行われる。リッチスパイクを行うと、排気ガス中の未燃ＨＣが還元剤として作用することにより、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘをＮ_２に還元浄化して放出することができる。リッチスパイク時に排気空燃比をリッチにする方法としては、ディーゼル機関の場合は、通常、ポスト噴射や、排気ガス中への燃料添加などの方法が採用される。

リッチスパイクにおいて排気ガス中に還元剤としての燃料が供給されたとき、排気ガスや排気通路の温度が低いと、燃料が蒸発しにくくなり、蒸発しきれなかった燃料が排気通路の壁面に付着し易くなる。特開２００２−３８９３９号公報には、リッチスパイク時に還元剤として供給する燃料の蒸発量を排気温度、排気壁温および排気流量に基づいて推定し、その推定された蒸発量に応じて還元剤の供給量を補正する装置が開示されている。この装置によれば、還元剤としての燃料を過剰に供給することを回避できるので、余剰燃料が排気系に残留するのを抑制することができる（同公報の段落００１３参照）。

特開２００２−３８９３９号公報 特公平７−３２００号公報 特開２００５−１０５８２１号公報 特開２００２−３０９２７号公報 特開２００５−１６４９１号公報

上述したリッチスパイク以外にも、排気空燃比を制御したり、排気処理装置の温度を上昇させたりする制御が行われることがある。例えば、ＰＭ再生や、Ｓ再生である。

ＰＭ再生とは、ＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)やＤＰＮＲ(Diesel Particulate-NOx-Reduction system)など、ＰＭ(Particulate Matter)を捕集する機能を有する排気処理装置に蓄積したＰＭを、燃焼させて除去するための制御である。ＰＭ再生では、それらの排気処理装置を例えば６００℃程度の高温にする必要がある。

Ｓ再生とは、ＮＯｘ触媒やＤＰＮＲなどの排気処理装置に吸着されたＳＯｘ（硫黄酸化物）を除去し、硫黄被毒を回復させるための制御である。Ｓ再生では、それらの排気処理装置を例えば６５０〜７００℃程度の高温にするとともに、ＳＯｘを還元するための燃料が供給されるように、排気空燃比をリッチにする必要がある。

ＰＭ再生やＳ再生において排気処理装置を高温にする場合には、ポスト噴射や排気ガス中への燃料添加などの方法により、排気通路に未燃燃料（ＨＣ）を流通させ、その未燃燃料を排気処理装置で燃焼させることが行われる。

本発明者らの知見によれば、排気系（排気ポート、排気マニホールド、ターボ過給機のタービン、触媒までの排気管など）への燃料付着は、リッチスパイク時のみならず、排気温度が低くなり易い軽負荷運転時などにおいても生ずるものである。

排気系に付着した燃料は、いずれ、蒸発したり、壁面から剥がれたりして、排気ガスと混合する。リッチスパイクや、ＰＭ再生、Ｓ再生などの制御を行っている場合に、そのような事態が生ずると、排気ガス中の燃料が目標値より増えてしまう。そうすると、排気処理装置の温度が高くなり過ぎてしまい、排気処理装置にダメージを与える恐れがある。また、リッチスパイクやＳ再生では、排気空燃比を正確に制御することが重要であるが、排気系に付着していた燃料が蒸発したり壁面から剥がれたりすると、排気空燃比に狂いが生じてしまう。

上述したような事態を回避するためには、排気系に付着している燃料を、リッチスパイク、ＰＭ再生、Ｓ再生などの制御を行う前に除去しておくことが有効である。

この発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、排気系に付着している燃料を確実に除去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を目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関の吸気弁および排気弁のバルブタイミングを可変とする可変動弁機構と、
前記内燃機関の排気系に付着している燃料を除去するための排気系付着燃料除去制御を行う排気系付着燃料除去手段とを備え、
前記排気系付着燃料除去手段は、
排気温度が通常時より高くなるように前記吸気弁および／または前記排気弁のバルブタイミングを変更する排気昇温手段と、
排気ガス量が通常時より多くなるように前記吸気弁および／または前記排気弁のバルブタイミングを変更する排気ガス増量手段と、
を含むことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気昇温手段は、
吸気弁閉じ時期を下死点に近づけて実圧縮比を高めることにより圧縮端温度を通常時より高くする圧縮端温度上昇手段と、
排気弁開き時期を通常時より早くすることにより排気エネルギを増大させる排気エネルギ増大手段と、
を含むことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記排気系付着燃料除去手段は、前記圧縮端温度上昇手段により圧縮端温度が上昇するのに応じて、燃料噴射時期を遅らせる噴射時期リタード手段を更に含むことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記排気系付着燃料除去手段は、メインの燃料噴射の後に再度燃料を噴射するアフター噴射手段を更に含むことを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記排気ガス増量手段は、体積効率が通常時より高くなるように、前記排気弁と前記吸気弁とが共に開いた状態であるバルブオーバーラップの大きさを変更する体積効率向上手段を含むことを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記内燃機関の排気通路に配置された排気処理装置と、
前記排気処理装置の温度を上昇させる制御を含む排気ガス制御を必要時に行う排気ガス制御手段と、
を更に備え、
前記排気系付着燃料除去手段は、前記排気ガス制御が実行される直前に前記排気系付着燃料除去制御を実行することを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、
前記内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
前記触媒の温度またはこれと相関する値を検出または推定する触媒温度取得手段と、
を更に備え、
前記排気ガス増量手段は、前記触媒の温度が活性温度域にない場合には、排気ガス量の増量を抑制し、前記触媒の温度が活性温度域に入るのを待ってから、排気ガス量を本来の量まで増量させることを特徴とする。

また、第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、
可変ノズルを有する可変容量型のターボ過給機と、
前記排気系付着燃料除去制御の実行中は、前記可変ノズルの開度を通常時より大きくするノズル開き手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第９の発明は、第１乃至第８の発明の何れかにおいて、
前記内燃機関の排気ガスを前記内燃機関の外部を通して吸気通路に還流させる外部ＥＧＲ手段と、
前記排気系付着燃料除去制御の実行中は、外部ＥＧＲ率を通常時より低くする外部ＥＧＲ率低減手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第１０の発明は、第１乃至第９の発明の何れかにおいて、
前記排気系に付着している燃料の量を推定する排気系付着燃料量推定手段を更に備え、
前記排気系付着燃料除去手段は、前記推定された排気系付着燃料量が所定値以上になった場合に、前記排気系付着燃料除去制御を実行することを特徴とする。

また、第１１の発明は、第１乃至第１０の発明の何れかにおいて、
前記排気系付着燃料除去制御の実行により通常時よりトルクが低下する分を補うための燃料噴射量増量を実施する燃料噴射量増量手段を更に備えることを特徴とする。

また、第１２の発明は、第１乃至第１１の発明の何れかにおいて、
前記内燃機関は、ディーゼル機関であることを特徴とする。

第１の発明によれば、内燃機関の排気系に付着している燃料を除去するための排気系付着燃料除去制御を行うことができる。そして、その排気系付着燃料除去制御においては、吸気弁や排気弁のバルブタイミングを変更することにより、排気温度および排気ガス量の双方をアップすることができる。このため、排気系付着燃料の蒸発を促進すると共に、排気系付着燃料を下流側に吹き飛ばすことができる。つまり、排気系付着燃料を確実に除去することができる。よって、排気系付着燃料の存在に起因する弊害の発生を有効に防止することができる。すなわち、排気浄化用の触媒等の温度を制御したり、その触媒等に流入する排気空燃比を制御したりする場合に、制御性が悪化することを確実に防止することができる。

第２の発明によれば、排気系付着燃料除去制御の実行時、吸気弁閉じ時期を下死点に近づけて実圧縮比を高めるとともに、排気弁開き時期を早くすることができる。このため、排気温度を容易かつ確実に高くすることができ、排気系付着燃料をより確実に除去することができる。

第３の発明によれば、排気系付着燃料除去制御の実行時、実圧縮比のアップによって圧縮端温度が上昇するのに応じて、燃料噴射時期を遅らせることができる。このため、内燃機関からのＨＣ排出量が増加することを回避しつつ、排気温度を更に高くすることができる。

第４の発明によれば、排気系付着燃料除去制御の実行時、メインの燃料噴射の後にアフター噴射を実施することができる。このため、排気温度を更に高くすることができ、排気系付着燃料をより確実に除去することができる。

第５の発明によれば、排気系付着燃料除去制御の実行時、バルブオーバーラップの大きさを最適化して体積効率を高めることができる。このため、排気ガス流量を容易かつ確実に増加させることができ、排気系付着燃料をより確実に除去することができる。

第６の発明によれば、排気処理装置の温度を上昇させる制御を含む排気ガス制御が実行される直前に排気系付着燃料除去制御を実行することができる。排気系付着燃料除去制御の実行中は、排気温度が高くされているので、排気処理装置も高温になっている。つまり、第６の発明によれば、排気処理装置の温度を上昇させる必要のある排気ガス制御を、排気処理装置が既に高温になっている排気系付着燃料除去制御の直後に実施するができる。このため、排気ガス制御をスムーズに実施することができる。その結果、排気ガス制御を短時間で終了させることができ、排気ガス制御に要する燃料を節約することができる。

第７の発明によれば、排気系付着燃料除去制御の実行時、排気浄化用の触媒の温度が活性温度域にない場合には、排気ガス量の増量を抑制し、触媒の温度が活性温度域に入るのを待ってから、排気ガス量を本来の量まで増量させることができる。このため、触媒の温度が未だ活性温度域に達していない間は、除去された排気系付着燃料が触媒に流入するのを抑制することができる。よって、排気系付着燃料が浄化されずに触媒をすり抜けて、白煙等が排出されることを有効に抑制することができる。

第８の発明によれば、排気系付着燃料除去制御の実行中は、可変容量型のターボ過給機の可変ノズルの開度を通常時より大きくすることができる。これにより、除去された排気系付着燃料が可変ノズルに再付着することを有効に防止することができる。また、可変ノズルを開くことで、ターボ過給機のタービンで回収される仕事が減少するので、ターボ過給機より下流側における排気温度を更に高めることができる。このため、ターボ過給機より下流側の排気通路に付着している燃料の除去を更に促進することができる。

第９の発明によれば、排気系付着燃料除去制御の実行中は、外部ＥＧＲ率を通常時より低くすることができる。これにより、除去された排気系付着燃料がＥＧＲ経路に回り込むことを有効に抑制することができる。よって、ＥＧＲ経路内に燃料が再付着したりするなどの弊害の発生をより確実に防止することができる。

第１０の発明によれば、排気系に付着している燃料の量を推定することができる。そして、その推定された排気系付着燃料量が所定値以上になった場合に、排気系付着燃料除去制御を実行することができる。このため、排気系付着燃料除去制御を適時に無駄なく実行することができる。

第１１の発明によれば、排気系付着燃料除去制御の実行により通常時よりトルクが低下する分を補うための燃料噴射量増量を実施することができる。排気系付着燃料除去制御の実行中にトルクが低下することを確実に防止することができる。また、燃料噴射量の増量により、排気温度を更に高くすることができる。このため、排気系付着燃料を除去する効果を更に高めることができる。

第１２の発明によれば、ディーゼル機関において、上記効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、４サイクルのディーゼル機関１０を備えている。ディーゼル機関１０は、車両に搭載され、その動力源とされているものとする。本実施形態のディーゼル機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明におけるディーゼル機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

以下、本実施形態では、本発明をディーゼル機関（圧縮着火内燃機関）の制御に適用した場合について説明するが、本発明は、ディーゼル機関の制御に限定されるものではなく、ガソリン機関（火花点火内燃機関）その他の各種の内燃機関の制御に適用することが可能である。

ディーゼル機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ１２が設置されている。各気筒のインジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。コモンレール１４内には、サプライポンプ１６によって加圧された高圧の燃料が貯留されている。そして、コモンレール１４内から、各インジェクタ１２へ、燃料が供給される。

インジェクタ１２は、１サイクル中に複数回、任意のタイミングで燃料を筒内に噴射することができる。すなわち、インジェクタ１２は、１サイクル中に、主たる燃料噴射であるメイン噴射のほかに、メイン噴射に先立つパイロット噴射や、メイン噴射の後のアフター噴射、ポスト噴射などを実施することができるようになっている。

本実施形態のディーゼル機関１０には、ターボ過給機２４が設置されている。すなわち、ディーゼル機関１０の各気筒の排気ポート２２（図２参照）から排出された排気ガスは、排気マニホールド２０にて合流し、ターボ過給機２４のタービンに流入するようになっている。

ターボ過給機２４は、可変容量型のものである。すなわち、ターボ過給機２４には、タービンの入口面積を変化させることのできる可変ノズル２３と、この可変ノズル２３の開度を変化させるためのアクチュエータ２５とが設けられている。可変ノズル２３の開度を小さくすると、タービンに流入する排気ガスの流速が速くなり、その結果、過給圧を増大させることができる。

ターボ過給機２４より下流側の排気通路１８には、排気ガスを浄化するための排気処理装置として、触媒(触媒付きフィルター)２６が設けられている。本実施形態では、触媒２６は、ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒としての機能と、ＰＭ(Particulate Matter)を捕集する機能との双方を備えているものとする。

排気通路１８には、排気ガスの温度を検出する排気温センサ１９が設置されている。また、触媒２６には、触媒２６の温度（床温）を検出する触媒温度センサ２７が設置されている。なお、本実施形態では、この触媒温度センサ２７によって触媒２６の温度を検出するものとするが、本発明では、ディーゼル機関１０の運転状態に基づいて、公知の手法により触媒２６の温度を推定するようにしてもよい。

ディーゼル機関１０の吸気通路２８の入口付近には、エアクリーナ３０が設けられている。エアクリーナ３０を通って吸入された空気は、ターボ過給機２４のコンプレッサで圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３４により、各気筒の吸気ポート３５（図２参照）に分配される。

吸気通路２８の、インタークーラ３２と吸気マニホールド３４との間には、吸気絞り弁３６が設置されている。また、吸気通路２８の、エアクリーナ３０の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３８が設置されている。

吸気通路２８の吸気マニホールド３４の近傍には、外部ＥＧＲ通路４０の一端が接続されている。外部ＥＧＲ通路４０の他端は、排気通路１８の排気マニホールド２０近傍に接続されている。本システムでは、この外部ＥＧＲ通路４０を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路２８に還流させること、つまり外部ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を行うことができる。

外部ＥＧＲ通路４０の途中には、外部ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４２が設けられている。外部ＥＧＲ通路４０におけるＥＧＲクーラ４２の下流には、ＥＧＲ弁４４が設けられている。このＥＧＲ弁４４の開度を変えることにより、外部ＥＧＲ通路４０を通る排気ガス量、すなわち外部ＥＧＲ量を調整することができる。

また、本システムにおいて、外部ＥＧＲ量は、ＥＧＲ弁４４の開度だけでなく、吸気絞り弁３６の開度によっても調整することができる。吸気絞り弁３６の開度を小さくして吸気を絞ると、吸気圧が小さくなるので、背圧（排気圧）との差圧が大きくなる。つまり、外部ＥＧＲ通路４０の前後の差圧が大きくなる。このため、外部ＥＧＲ量を多くすることができる。

そして、本実施形態のシステムは、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ４８と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０とを更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを作動させることにより、ディーゼル機関１０の運転状態を制御する。

図２は、図１に示すシステムにおけるディーゼル機関１０の一つの気筒の断面を示す図である。以下、ディーゼル機関１０について更に説明する。図２に示すように、ディーゼル機関１０のクランク軸６０の近傍には、クランク軸６０の回転角度を検出するクランク角センサ６２が取り付けられている。このクランク角センサ６２は、ＥＣＵ５０に接続されている。クランク角センサ６２によれば、機関回転速度を検出することができる。

また、ディーゼル機関１０には、吸気弁５２のバルブタイミングを可変とする吸気可変動弁機構５４と、排気弁５６のバルブタイミングを可変とする排気可変動弁機構５８とが備えられている。吸気可変動弁機構５４および排気可変動弁機構５８は、それぞれ、ＥＣＵ５０に接続されている。

本実施形態の吸気可変動弁機構５４は、吸気弁５２の開き時期および閉じ時期をそれぞれ別々に変化させることができるものとする。また、排気可変動弁機構５８も、排気弁５６の開き時期および閉じ時期をそれぞれ別々に変化させることができるものとする。

吸気可変動弁機構５４および排気可変動弁機構５８の具体的な構造は、特に限定されず、各種のカム機構などの機械的な機構を利用するものであっても、任意の時期に開閉可能な電磁駆動弁あるいは油圧駆動弁などを利用するものであってもよい。

本実施形態のシステムでは、触媒２６の機能を回復させるための制御として、リッチスパイク制御、ＰＭ再生制御、およびＳ再生制御（以下、これらを「触媒制御」と総称する）を実施するものとする。以下、各触媒制御について順次説明する。

（リッチスパイク制御）
リッチスパイク制御は、触媒２６に吸蔵されたＮＯｘをＮ_２に還元浄化して放出するための制御である。リッチスパイク制御においては、触媒２６に流入する排気ガスの空燃比（以下、単に「排気空燃比」と称する）が一時的に理論空燃比以下のリッチとなるように制御される。排気空燃比をリッチにすると、排気ガス中の未燃ＨＣが還元剤となることで、吸蔵されたＮＯｘを還元浄化することができる。

（ＰＭ再生制御）
ＰＭ再生制御は、触媒２６に捕集されたＰＭ(Particulate Matter)を燃焼させて除去するための制御である。ＰＭ再生制御では、触媒２６の温度が例えば６００℃程度の高温になるように制御される。

（Ｓ再生制御）
Ｓ再生制御とは、触媒２６にＳＯｘ（硫黄酸化物）が吸着することで生ずる硫黄被毒を回復させるための制御である。Ｓ再生制御では、触媒２６の温度が例えば６５０〜７００℃程度の高温になるように制御されるとともに、ＳＯｘを還元するべく、排気空燃比が一時的に理論空燃比以下のリッチとなるように制御される。

上述した各触媒制御において、排気空燃比をリッチにしたり、触媒２６の温度を上昇させたりする際には、ポスト噴射あるいは排気ガス中への燃料添加などの方法により、排気通路に未燃燃料（ＨＣ）を流通させることが行われる。ポスト噴射とは、筒内での燃焼が終了した後に、インジェクタ１２から追加的に燃料を噴射することである。排気ガス中への燃料添加とは、排気通路１８に設けられた燃料添加弁（図示せず）から排気ガス中に燃料を噴射することである。

［実施の形態１の特徴］
（排気系への燃料付着）
ディーゼル機関１０から排出された直後の排気ガス中には、運転状態によっても異なるが、ＨＣ、すなわち未燃燃料が多少なりとも含まれている。軽負荷運転時やアイドル時など、排気温度の低いときには、排気ポート２２、排気マニホールド２０、ターボ過給機２４のタービン、およびターボ過給機２４から触媒２６までの排気通路１８（以下、これらを総称して「排気系」と言う）の温度も低くなっている。そのようなときには、排気ガス中に含まれる未燃燃料（以下、単に「燃料」と言う）が排気系の壁面に付着し易くなる。このため、ディーゼル機関１０の運転状態によっては、排気系の壁面に燃料が液状になって付着していく場合がある。

排気系に付着している燃料は、いずれ、蒸発したり、壁面から剥がれたりして、排気ガスと混合する。そのような事態が、触媒制御の最中に生ずると、排気ガス中の燃料が目標値より増えてしまう。その結果、排気空燃比がリッチスパイクやＳ再生での適正値より低くなってしまったり、触媒２６の温度が上がり過ぎて触媒２６にダメージを与えたりするという弊害が生ずることがある。

そこで、本実施形態では、触媒制御を実行する前に、排気系に付着している燃料を除去するための制御を行うこととした。以下、その制御の内容について説明する。なお、以下の説明では、便宜上、排気系に付着している燃料を、その燃料が排気系の壁面から離脱した後も含めて、「排気系付着燃料」と称する。

（排気系付着燃料除去制御）
排気系付着燃料を除去するためには、排気温度を高くして排気系付着燃料が蒸発し易くすることと、排気ガス流量を増やして排気系付着燃料を吹き飛ばすようにすることとが有効である。本実施形態では、吸気可変動弁機構５２および排気可変動弁機構５８を用いて、排気温度のアップと、排気ガス流量のアップとを図ることとした。

図３は、排気系付着燃料除去制御における吸気弁５２および排気弁５６のバルブタイミングを説明するための図である。図３中の白く太い矢印は、通常時（排気系付着燃料除去制御の非実行時）の吸気弁５２の開弁期間の一例を示している。また、黒く太い矢印は、通常時の排気弁５６の開弁期間の一例を示している。

（実圧縮比アップによる排気温度アップ）
排気系付着燃料除去制御においては、図３中の破線で示すように、吸気弁５２の閉じ時期が通常時よりも下死点（ＢＤＣ）に近づくように、吸気可変動弁機構５４が制御される。すなわち、吸気弁５２の早閉じが実施される。吸気弁５２の閉じ時期を下死点に近づけると、有効な圧縮行程が長くなるので、実質的な圧縮比（以下、「実圧縮比」と称する）はアップする。実圧縮比がアップすると、圧縮上死点近傍の筒内温度（以下、「圧縮端温度」と称する）が高くなる。このため、排気温度をその分だけ高くすることができる。

（排気弁早開きによる排気温度アップ）
排気系付着燃料除去制御においては、図３中の破線で示すように、排気弁５６の開き時期が通常時よりも早くなるように、排気可変動弁機構５８が制御される。すなわち、排気弁５６の早開きが実施される。排気弁５６が早く開くと、筒内の燃焼ガスは、筒内で十分に膨張しないままで、つまりエネルギーの高い状態のままで、排気ガスとして排出されることになる。すなわち、排気エネルギーが高くなる。このため、排気温度および排気圧力を高めることができる。

（バルブオーバーラップの最適化による排気ガス流量アップ）
図３に示すように、ディーゼル機関１０では、通常時、排気弁５６が閉じる前に吸気弁５２が開く。バルブオーバーラップとは、吸気弁５２が開いてから排気弁５６が閉じるまでの期間、つまり、排気弁５６と吸気弁５２とが共に開いている期間のことである。

ディーゼル機関１０の体積効率をアップすることができれば、筒内に吸入される空気の量が増えるので、排気ガス流量を増やすことができる。体積効率をアップするには、空気が筒内に抵抗なく流入することができるようにするとともに、残留ガス（筒内に残留する前サイクルの既燃ガス）の量を少なくすることが重要である。排気弁５６の閉じ時期が早すぎると、排気が十分に行われず、残留ガスが増加する。また、排気弁５６の閉じ時期が遅すぎると、排気ガスが排気ポート２２から筒内に逆流し、やはり残留ガスが増加する。一方、空気を筒内に抵抗なく流入させるためには、ピストン６４の速度が速くなったところで吸気弁５２が十分にリフトしていることが必要であるため、吸気弁５２の開き時期を早くすることが求められる。しかしながら、吸気弁５２の開き時期が早すぎると、バルブオーバーラップが大きくなるので、残留ガス量が増大して、体積効率は低下する。

このように、体積効率は、吸気弁５２の開き時期と排気弁５６の閉じ時期、つまりバルブオーバーラップの大きさによって主に決定される。そして、体積効率を最高とするようなバルブオーバーラップの大きさは、機関回転速度や、機関負荷（過給圧）によって異なる。

そこで、本実施形態では、排気系付着燃料除去制御において、バルブオーバーラップの大きさを、機関回転速度および機関負荷に応じて最適化することで、体積効率をアップし、もって排気ガス流量を増加させることとした。

上述したような排気系付着燃料除去制御によれば、排気温度と排気ガス流量との双方をアップすることができるので、排気系付着燃料を有効に除去することができる。そして、排気系付着燃料を除去した後に触媒制御を行うこととすれば、触媒温度や排気空燃比を制御する際の制御性が悪化するという弊害を確実に回避することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図４は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンによれば、まず、触媒制御の要求があるか否か、すなわちリッチスパイク制御、ＰＭ再生制御、Ｓ再生制御の何れかを実行する時期が到来しているか否かが判別される（ステップ１００）。本実施形態では、触媒制御を実行する直前に、排気系付着燃料除去制御を行うこととしている。このため、触媒制御の要求がない場合には、本ルーチンの今回の処理サイクルをそのまま終了する。なお、リッチスパイク制御、ＰＭ再生制御、およびＳ再生制御を実行する時期が到来したか否かの判別手法は公知であり、他のルーチンの処理によって実行されているものとする。

一方、上記ステップ１００において、触媒制御の要求があると判別された場合には、次に、排気系付着燃料量が多量であるか否かが判別される（ステップ１０２）。本実施形態において、ＥＣＵ５０は、次のようにして、排気系付着燃料量を逐次推定しているものとする。

単位時間当たりに排気系に新たに付着する燃料の量は、ディーゼル機関１０からのＨＣ排出量が多いほど多く、また、排気系の温度が低いほど多い。ＥＣＵ５０には、ディーゼル機関１０の運転状態と、ディーゼル機関１０からのＨＣ排出量との関係を表すマップが予め記憶されている。ＥＣＵ５０には、更に、排気系の代表温度と、ディーゼル機関１０から排出されるＨＣのうちの排気系に付着する分の割合との関係を表すマップも予め記憶されている。そして、ＥＣＵ５０は、それらのマップに基づき、現在の運転状態と排気系代表温度の下で単位時間当たりに排気系に新たに付着する燃料の量を逐次算出し、その算出値を積算していくことによって、現在の排気系付着燃料量を推定している。なお、排気系代表温度は、排気温センサ１９によって検出される排気温度、あるいはディーゼル機関１０の運転状態に基づいて、推定することができる。

上記ステップ１０２では、そのようにして推定された排気系付着燃料量が所定の判定値以下である場合には、排気系付着燃料量は少量であると判別される。この場合には、このままで触媒制御を実行したとしても、排気系付着燃料が及ぼす弊害はないと判断できる。そこで、この場合には、排気系付着燃料除去制御を行うことなく、要求されている触媒制御が実施される（ステップ１２０）。

一方、上記ステップ１０２で、排気系付着燃料量の推定値が上記所定の判定値を超えている場合には、排気系付着燃料量が多量であると判別される。この場合には、排気系付着燃料除去制御を行う必要があると判断できる。そこで、この場合には、次に、触媒温度センサ２７で検出される触媒２６の温度が、活性温度より低いか否かが判別される（ステップ１０４）。

上記ステップ１０４で触媒２６の温度が活性温度より低いと判別された場合には、次に、実圧縮比をアップさせる処理が実行される（ステップ１０６）。すなわち、吸気弁５２の閉じ時期が通常時よりも下死点に近づくように、吸気可変動弁機構５４が制御される。これにより、圧縮端温度が上昇し、その分、排気温度も上昇する。

続いて、燃料噴射時期の遅角（以下、「噴射時期リタード」と称する）と、アフター噴射とが実施される（ステップ１０８）。ここで言う噴射時期リタードとは、少なくともメイン噴射の噴射時期を通常時より遅くすることを言う。メイン噴射以外の噴射を実施している場合には、それらの噴射時期も遅くしても良い。燃料噴射時期の遅角と、アフター噴射とは、共に、排気温度を高める効果を有している。このため、このステップ１０８の処理によれば、排気温度を更に上昇させることができる。

ところで、噴射時期リタードを行うと、通常は、ＨＣ排出量が増加する。しかしながら、本実施形態では、上記ステップ１０６で実施された実圧縮比のアップにより、圧縮端温度が高くされているので、噴射時期リタードを行っても、燃料を十分に燃焼させることができる。よって、ＨＣ排出量の増加を防止することができる。

なお、上記ステップ１０８では、噴射時期リタードとアフター噴射との何れか一方を実施するようにしてもよい。

上記ステップ１０６および１０８の処理によれば、排気温度を十分に高くすることができる。このため、排気系付着燃料の蒸発を十分に促進することができる。また、排気温度が高くされているので、触媒２６の温度上昇も促進される。このため、触媒２６の温度を迅速に活性温度以上まで高めることができる。

図４に示すルーチンによれば、上記ステップ１０８の処理に続いて、触媒２６の温度が活性温度以上に高くなったか否かが判別される（ステップ１１０）。そして、触媒２６の温度が活性温度以上に高くなったと判別された場合には、次に、排気弁５６の開き時期が通常時より早くなるように、排気可変動弁機構５８を制御する処理が実施される（ステップ１１２）。これにより、排気エネルギーが上昇し、排気温度および排気圧を更に高くすることができる。その結果、排気系付着燃料の蒸発を更に促進することができる。

続いて、バルブオーバーラップを最適化することにより、体積効率をアップする処理が実施される（ステップ１１４）。ＥＣＵ５０には、機関回転速度および機関負荷と、体積効率を最高とするバルブオーバーラップの大きさとの関係を定めたマップが予め記憶されている。このステップ１１４では、そのマップに基づいて、体積効率を最高とするバルブオーバーラップの大きさが算出され、その算出された大きさのバルブオーバーラップが実現するように、吸気弁５２の開き時期と排気弁５６の閉じ時期とが制御される。これにより、体積効率がアップし、排気ガス流量を増加させることができる。その結果、排気系付着燃料を下流側に効率良く吹き飛ばすことができ、確実に除去することができる。なお、このステップ１１４では、バルブオーバーラップの最適化と併せて、吸気絞り弁３６の開度を大きくする制御を行うようにしてもよい。これにより、体積効率を更に高くすることができる。

上述したように、本実施形態では、触媒２６の温度が活性温度に達していない場合には、まず、主に排気温度をアップするための処理（上記ステップ１０６および１０８）を行う。そして、触媒２６の温度が活性温度に達するのを待ってから、主に排気ガス流量をアップするための処理（上記ステップ１１４）を行う。このため、触媒２６の温度が活性温度に達するまでは、多量の排気系付着燃料が触媒２６に流入するのを抑制することができるので、排気系付着燃料が触媒２６で浄化されずに下流にすり抜けることを確実に防止することができる。すなわち、排気系から除去された排気系付着燃料（ＨＣ）を、触媒２６で確実に浄化してから大気中に放出することができる。このため、エミッションの悪化を回避することができる。一方、上記の場合において、排気温度をアップする処理と排気ガス流量をアップする処理とを同時に実施した場合には、排気系から除去された排気系付着燃料が、触媒２６の温度が活性温度に達しないうちから触媒２６に多量に流入することとなるので、その排気系付着燃料が未浄化のままで触媒２６をすり抜けて大気中に白煙として放出される事態が生じ得る。これに対し、図４に示すルーチンの処理によれば、そのような事態を生ずることを確実に防止することができる。

以上、上記ステップ１０４での触媒２６の温度、すなわち排気系付着燃料除去制御開始時の触媒２６の温度が、活性温度より低いと判別された場合の制御について説明した。これに対し、上記ステップ１０４で、触媒２６の温度が活性温度以上であると判別された場合には、上記ステップ１０６，１０８，１１２および１１４に相当する処理が同時に実施される（ステップ１１６）。すなわち、ステップ１１６では、実圧縮比のアップ、噴射時期リタード、アフター噴射、排気弁５６の早開き、および、体積効率のアップの各処理がそれぞれ実施される。このステップ１１６の処理によれば、排気温度および排気ガス流量の双方を十分にアップすることができる。このため、排気系付着燃料の蒸発を促進すると共に、排気系付着燃料を下流側に効率良く吹き飛ばすことができる。つまり、排気系付着燃料を確実に除去することができる。また、この場合には、排気温度をアップする処理と排気ガス流量をアップする処理とを同時に実施しているので、排気系付着燃料除去制御を短時間で終わらせることができる。このため、燃費やエミッションの悪化を最小限にとどめることができる。なお、この場合には、触媒２６の温度が初めから活性温度以上になっているので、除去された排気系付着燃料が未浄化で触媒２６をすり抜けることはないので、白煙が排出されるようなことはない。

以上説明したように実施された排気系付着燃料除去制御は、所定時間継続された後、終了される。そして、排気系付着燃料除去制御が終了したことが認められた場合には（ステップ１１８）、次に、上記ステップ１００で要求されていた所定の触媒制御が実行される（ステップ１２０）。この触媒制御の実行時には、既に排気系付着燃料が十分に除去されている。このため、排気系付着燃料が壁面から離脱して排気ガス中に混合することによる弊害、すなわち、排気空燃比がリッチスパイク制御やＳ再生制御の目標値より低くなったり、ＰＭ再生制御やＳ再生制御において触媒２６の温度が上がりすぎて触媒２６にダメージを与えたりするようなことを確実に防止することができる。

また、図４に示すルーチンによれば、リッチスパイク制御や、ＰＭ再生制御、Ｓ再生制御等の触媒制御の直前に排気系付着燃料除去制御を行うことができる。排気系付着燃料除去制御を実行すると、排気温度が高くされるので、触媒２６の温度も高くなる。そこで、排気系付着燃料除去制御の直後に触媒制御を実施することとすれば、触媒制御をスムーズに実施することができる。このため、触媒制御を短時間で終了させることができ、触媒制御に要する燃料を節約することができる。

本実施形態では、上述した排気系付着燃料除去制御の実行中に、ＥＣＵ５０は、図５および図６に示すルーチンを更に実行する。以下、図５および図６に示すルーチンの処理について、順次説明する。

図５に示すルーチンによれば、ターボ過給機２４の可変ノズル２３を開いて、その開度を通常時より大きくする処理が実施される（ステップ１２２）。これにより、排気系付着燃料除去制御の実行中、可変ノズル２３を開くことができる。このため、排気ポート２２や排気マニホールド２０から除去された排気系付着燃料が可変ノズル２３に再度付着することを有効に防止することができる。また、可変ノズル２３を開くことで、ターボ過給機２４のタービンで回収される仕事が減少するので、ターボ過給機２４より下流側における排気温度を更に高めることができる。このため、ターボ過給機２４より下流側の排気通路１８に付着している燃料の除去を更に促進することができる。

また、図５に示すルーチンによれば、外部ＥＧＲ率を通常時より減少させる処理が実施される（ステップ１２４）。具体的には、ＥＧＲ弁４４の開度が通常時より小さくされると共に、吸気絞り弁３６の開度を通常時より大きくすることが行われる。このステップ１２４の処理によれば、外部ＥＧＲ率を減少させることができる。その結果、排気ポート２２や排気マニホールド２０から除去された排気系付着燃料がＥＧＲ経路（ＥＧＲ通路４０やＥＧＲクーラ４２等）に回り込むことを有効に抑制することができる。よって、ＥＧＲ経路内に燃料が再付着したりするなどの弊害の発生をより確実に防止することができる。

図６に示すルーチンは、排気系付着燃料除去制御の実行中に、燃料噴射量を補正する制御を行うためのものである。前述したように、本実施形態の排気系付着燃料除去制御においては、吸気弁５２の早開きにより実圧縮比がアップされ（ステップ１２６）、更に噴射時期リタードが実施される（ステップ１２８）。

一般に、噴射時期リタードを行うと、機関サイクルの等容度が下がり、熱効率が低下するので、ディーゼル機関１０のトルクが低下する。そこで、図６に示すルーチンによれば、噴射時期リタードの実施に併せて、そのトルク低下分を補うために燃料噴射量を増量する補正が行われる（ステップ１３０）。これにより、排気系付着燃料除去制御の実行中にトルクが低下することを確実に防止することができる。また、このステップ１３０の処理によって燃料噴射量が増量されると、その分、排気温度を更に高くすることができる。このため、排気系付着燃料を除去する効果を更に高めることができる。

また、前述したように、本実施形態の排気系付着燃料除去制御においては、排気弁５６の早開きが実施される（ステップ１３２）。一般に、排気弁５６を早開きすると、筒内の燃焼ガスが十分にピストン６４を押し下げないうちに排気ガスとして排出されることになるので、トルクが低下する。そこで、図６に示すルーチンによれば、排気弁５６の早開きを実施することに併せて、そのトルク低下分を補うために燃料噴射量を更に増量する補正が行われる（ステップ１３４）。これにより、排気系付着燃料除去制御の実行中にトルクが低下することを確実に防止することができる。また、このステップ１３４の処理によって燃料噴射量が増量されると、その分、排気温度を更に高くすることができる。このため、排気系付着燃料を除去する効果を更に高めることができる。特に、本実施形態では、噴射時期リタードが実施されているので、燃焼期間が遅い時期に移行しているため、排気弁５６が早開きされたとき、排気ガスがより高温の状態で排気ポート２２に排出される。つまり、噴射時期リタードが実施されていない場合と比べ、排気損失が更に高くなる。このため、排気弁５６の早開きによるトルクの低下もその分だけ大きくなり、よって、そのトルク低下分を補うための燃料噴射量の増量代（ステップ１３４での増量代）も大きくなる。従って、排気温度を高くする上で極めて有利であり、排気系付着燃料を除去する効果を更に高めることができる。

また、上述した実施の形態１においては、吸気可変動弁機構５４および排気可変動弁機構５８が前記第１の発明における「可変動弁機構」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、図４に示すルーチンの処理を実行することにより前記第１の発明における「排気系付着燃料除去制御」が、上記ステップ１０６，１０８，１１２，１１６の処理を実行することにより前記第１の発明における「排気昇温手段」が、上記ステップ１１４，１１６の処理を実行することにより前記第１の発明における「排気ガス増量手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０６，１１６の処理を実行することにより前記第２の発明における「圧縮端温度上昇手段」が、上記ステップ１１２，１１６の処理を実行することにより前記第２の発明における「排気エネルギ増大手段」が、上記ステップ１０８，１１６の処理を実行することにより前記第３の発明における「噴射時期リタード手段」が、上記ステップ１０８，１１６の処理を実行することにより前記第４の発明における「アフター噴射手段」が、上記ステップ１１４，１１６の処理を実行することにより前記第５の発明における「体積効率向上手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、リッチスパイク制御、ＰＭ再生制御またはＳ再生制御が前記第６の発明における「排気ガス制御」に、触媒２６が前記第６の発明における「排気処理装置」および前記第７の発明における「触媒」に、触媒温度センサ２７が前記第７の発明における「触媒温度取得手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第６の発明における「排気ガス制御手段」が、図４に示すルーチンの処理を実行することにより前記第６の発明における「前記排気系付着燃料除去手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第７の発明における「前記排気ガス増量手段」が、それぞれ実現されている

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１２２の処理を実行することにより前記第８の発明における「ノズル開き手段」が、上記ステップ１２４の処理を実行することにより前記第９の発明における「外部ＥＧＲ率低減手段」が、それぞれ実現されている。また、吸気絞り弁３６、ＥＧＲ通路４０、ＥＧＲクーラ４２およびＥＧＲ弁４４が前記第９の発明における「外部ＥＧＲ手段」に相当している。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１０の発明における「排気系付着燃料量推定手段」が、図４に示すルーチンの処理を実行することにより前記第１０の発明における「排気系付着燃料除去手段」が、上記ステップ１３０および１３４の処理を実行することにより前記第１１の発明における「燃料噴射量増量手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 図１に示すシステムにおけるディーゼル機関の一つの気筒の断面を示す図である。 図１に示すシステムにおけるディーゼル機関のバルブタイミングを説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ ディーゼル機関
１２ インジェクタ
１４ コモンレール
１８ 排気通路
１９ 排気温センサ
２０ 排気マニホールド
２２ 排気ポート
２３ 可変ノズル
２４ ターボ過給機
２５ アクチュエータ
２６ 触媒
２７ 触媒温度センサ
２８ 吸気通路
３４ 吸気マニホールド
３５ 吸気ポート
３６ 吸気絞り弁
３８ エアフローメータ
４０ 外部ＥＧＲ通路
４４ ＥＧＲ弁
４８ アクセル開度センサ
５０ ＥＣＵ
５２ 吸気弁
５４ 吸気可変動弁機構
５６ 排気弁
５８ 排気可変動弁機構
６２ クランク角センサ
６４ ピストン

Claims (12)

1. 内燃機関の吸気弁および排気弁のバルブタイミングを可変とする可変動弁機構と、
   前記内燃機関の排気系に付着している燃料を除去するための排気系付着燃料除去制御を行う排気系付着燃料除去手段とを備え、
   前記排気系付着燃料除去手段は、
   排気温度が通常時より高くなるように前記吸気弁および／または前記排気弁のバルブタイミングを変更する排気昇温手段と、
   排気ガス量が通常時より多くなるように前記吸気弁および／または前記排気弁のバルブタイミングを変更する排気ガス増量手段と、
   を含むことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気昇温手段は、
   吸気弁閉じ時期を下死点に近づけて実圧縮比を高めることにより圧縮端温度を通常時より高くする圧縮端温度上昇手段と、
   排気弁開き時期を通常時より早くすることにより排気エネルギを増大させる排気エネルギ増大手段と、
   を含む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。
3. 前記排気系付着燃料除去手段は、前記圧縮端温度上昇手段により圧縮端温度が上昇するのに応じて、燃料噴射時期を遅らせる噴射時期リタード手段を更に含むことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記排気系付着燃料除去手段は、メインの燃料噴射の後に再度燃料を噴射するアフター噴射手段を更に含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記排気ガス増量手段は、体積効率が通常時より高くなるように、前記排気弁と前記吸気弁とが共に開いた状態であるバルブオーバーラップの大きさを変更する体積効率向上手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記内燃機関の排気通路に配置された排気処理装置と、
   前記排気処理装置の温度を上昇させる制御を含む排気ガス制御を必要時に行う排気ガス制御手段と、
   を更に備え、
   前記排気系付着燃料除去手段は、前記排気ガス制御が実行される直前に前記排気系付着燃料除去制御を実行することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
   前記触媒の温度またはこれと相関する値を検出または推定する触媒温度取得手段と、
   を更に備え、
   前記排気ガス増量手段は、前記触媒の温度が活性温度域にない場合には、排気ガス量の増量を抑制し、前記触媒の温度が活性温度域に入るのを待ってから、排気ガス量を本来の量まで増量させることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 可変ノズルを有する可変容量型のターボ過給機と、
   前記排気系付着燃料除去制御の実行中は、前記可変ノズルの開度を通常時より大きくするノズル開き手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記内燃機関の排気ガスを前記内燃機関の外部を通して吸気通路に還流させる外部ＥＧＲ手段と、
   前記排気系付着燃料除去制御の実行中は、外部ＥＧＲ率を通常時より低くする外部ＥＧＲ率低減手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記排気系に付着している燃料の量を推定する排気系付着燃料量推定手段を更に備え、
    前記排気系付着燃料除去手段は、前記推定された排気系付着燃料量が所定値以上になった場合に、前記排気系付着燃料除去制御を実行することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 前記排気系付着燃料除去制御の実行により通常時よりトルクが低下する分を補うための燃料噴射量増量を実施する燃料噴射量増量手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 前記内燃機関は、ディーゼル機関であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images