JP2008157192A

JP2008157192A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2008157192A
Application number: JP2006349762A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Tawara; 淳田原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: US7918084B2; RU2007147720A; US20080148720A1; JP4232823B2; ES2616039T3; EP1942262B1; EP1942262A2; EP1942262A3; RU2390642C2

Abstract

【課題】可動部材が一時的に固着状態になることに起因して、排気昇温制御中に排気温度を適切に上昇させられなくなることを抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】フィルタ再生のための排気昇温制御では、ＥＧＲ弁３６の動作を利用して排気温度の上昇を図る第１制御モードと、ＥＧＲ弁３６を利用せずに排気温度の上昇を図る第２制御モードとが、機関運転状態に応じて切り換えられる。そして、ＥＧＲ弁３６が全閉位置にて一時的な固着状態になると、排気昇温制御中、通常は第２制御モードの実施される領域全体で、同第２制御モードに代えて第１制御モードが実施される。このため、ＥＧＲ弁３６が全閉位置での一時的な固着状態のまま第２制御モードが実施されることを回避でき、その第２制御モードの実施に起因して排気昇温制御中に排気温度をフィルタ再生を行ううえで適切に上昇させられなくなることを回避できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関するものである。

従来より、内燃機関としては、機関運転時に動作されて排気温度に影響を及ぼす可動部材を備えたもの、例えばＥＧＲ弁、可変容量ターボチャージャの可変ノズル、吸気絞り弁、及び排気絞り弁等を上記可動部材として備えたものが知られている（特許文献１参照）。

こうした内燃機関に適用される排気浄化装置では、排気浄化性能の回復を図る再生処理を行うべく排気温度を上昇させる排気昇温制御を実施する際、上記可変動部材の動作に伴う排気温度の上昇を利用することが考えられている。例えば特許文献１では、吸気絞り弁、ＥＧＲ弁、及び可変容量ターボチャージャの可変ノズルのうちの少なくとも一つの開度を制御して排気温度の上昇を図ることが開示されている。また特許文献１には、燃料噴射時期を遅らせるなど、可動部材を利用せずに排気温度の上昇を図ることについても開示されている。

ここで、排気昇温制御において、排気温度の上昇を図るべく一つの可動部材の動作を全機関運転領域にて実施すること、例えば排気温度の上昇を図るためのＥＧＲ弁の開弁を全機関運転領域にて実施することは、排気温度の効果的な上昇を図るうえで必ずしも最善であるとは言えない。すなわち、ＥＧＲ弁の開弁によって排気温度の上昇を図ることは、全機関運転領域のうち、所定の領域では有効であるものの、その領域以外の領域では有効ではない場合がある。従って、上記所定の領域ではＥＧＲ弁の開弁を通じて排気温度を上昇させ、その領域以外の領域ではＥＧＲ弁を利用せずに排気温度を上昇させることが、効果的な排気温度の上昇を図るうえで好ましい。
特開２００５−４８７０１公報（請求項５、段落［００２１］）

ところで、上記ＥＧＲ弁に関しては、低温環境下での内燃機関の停止中に全閉位置にて凍りつくなど一時的な固着状態が生じることがある。このような状況のもとでは、排気昇温制御中にＥＧＲ弁の開弁を通じての排気温度の上昇が図られても、それを実現できなくなることから、排気浄化能力の回復を図るための再生処理が適切に実施されず、内燃機関の排気浄化が不十分になるおそれがある。

なお、こうした不具合に関しては、ＥＧＲ弁を排気温度の上昇を図るべく作動される可動部材として用いた場合に限らず、吸気絞り弁、排気絞り弁、及び可変容量ターボチャージャの可変ノズルなど、ＥＧＲ弁以外のものを可動部材として用いた場合においても、概ね共通するものとなっている。

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、その目的は、可動部材が一時的に固着状態になることに起因して、排気昇温制御中に排気温度を適切に上昇させられなくなることを抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、機関運転時に動作される可動部材を備えるとともに同可動部材の動作を通じて排気温度が変化する内燃機関の排気浄化装置であって、排気浄化性能の回復を図るための再生処理を行う際に内燃機関の排気温度を上昇させる排気昇温制御を実施する内燃機関の排気浄化装置において、排気昇温制御中に、前記可動部材を利用せずに排気温度の上昇を図る第１制御モードと、同可動部材の動作を通じて排気温度の上昇を図る第２制御モードと、を機関運転領域に応じて切り換える切換手段と、前記可動部材の一時的な固着状態を検出する検出手段と、前記可動部材の一時的な固着状態が検出されたとき、全機関運転領域のうち、前記第１制御モードの実施される領域を前記第２制御モードの実施される領域側に拡大するとともに、それによって前記第２制御モードの実施される領域を縮小する制御手段と、を備えた。

上記構成によれば、可動部材が一時的な固着状態になると、第１制御モードの実施領域の拡大、及び第２制御モードの実施領域の縮小が行われ、それによって排気昇温制御中に第２制御モードとなることが抑制されるとともに、第２制御モードに代えて第１制御モードによって排気温度の上昇が図られる。このため、可動部材の一時的な固着状態のまま第２制御モードとなることに起因して、排気昇温制御中に排気温度を適切に上昇させられなくなることを抑制できる。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記可動部材が一時的な固着状態にあるとき、通常時には前記第２制御モードの実施される領域全体を前記第１制御モードの実施される領域とすることを要旨とした。

上記構成によれば、可動部材が一時的な固着状態になると、通常時に第２制御モードとなる機関運転領域全体にて第２制御モードに代えて第１制御モードが実施されるため、可動部材が一時的な固着状態のまま第２制御モードとなることを回避することができる。

請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の発明において、前記制御手段は、前記可動部材の一時的な固着が解消されたとき、前記第１制御モードの実施される領域及び前記第２制御モードの実施される領域を通常の状態に戻すことを要旨とした。

上記構成によれば、可動部材の一時的な固着状態が解消すると、排気昇温制御中における第１制御モード及び第２制御モードの実施領域が変更された状態から通常の状態に戻されるため、それら実施領域の変更による影響を最小限に抑えることができる。

請求項４記載の発明では、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記可動部材はＥＧＲ弁であり、前記排気昇温制御は内燃機関の排気系に設けられて粒子状物質を捕集するフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させて除去すべく実施されるものであって、前記排気昇温制御の実行中においては、前記ＥＧＲ弁の一時的な固着状態でない条件のもと、機関低負荷領域にて前記ＥＧＲ弁を全閉状態として排気温度の上昇を図る第１制御モードとなり、この第１制御モードの実施される領域よりも機関高負荷側にて前記ＥＧＲ弁を通常時よりも開き側に動作させて排気温度の上昇を図る第２制御モードとなることを要旨とした。

排気浄化能力を回復する再生処理のうち、フィルタに堆積した粒子状物質を除去して同フィルタにおける粒子状物質の捕集能力を回復する再生処理においては、排気昇温制御としてＥＧＲ弁を開き側に動作させて排気温度の上昇を図ることが、内燃機関のＮＯｘエミッションの改善も併せて実現可能という点で好ましい。ただし、機関低負荷領域ではＥＧＲ弁を開き側に動作させても、それによる排気温度の上昇は得られにくい。このため、排気昇温制御中において、機関低負荷領域ではＥＧＲ弁を全閉状態として排気温度の上昇を図る第１制御モードとされ、この第１制御モードの実施される領域よりも機関高負荷側の領域でＥＧＲ弁を通常時よりも開き側に動作させて排気温度の上昇を図る第２制御モードとされる。これにより、フィルタにおける粒子状物質の捕集能力を回復する再生処理を実行しつつ、ＮＯｘエミッションの改善を図ることが可能になる。

また、フィルタにおける粒子状物質の捕集能力を回復する再生処理に関しては、粒子状物質の過度な堆積によるフィルタの故障を回避して粒子状物質の捕集能力を維持すべく、ＥＧＲ弁が一時的な固着状態になるという状況下であっても可能な限り実行することが好ましい。上記構成によれば、ＥＧＲ弁が一時的な固着状態になると、排気昇温制御中に通常は第２制御モードとなる機関運転領域にて、同第２制御モードに代えて第１制御モードが実施されるため、ＥＧＲ弁の一時的な固着状態にあっても排気温度を上昇させることができる。従って、ＥＧＲ弁の一時的な固着状態という状況のもとでも、フィルタにおける粒子状物質の捕集能力を回復する再生処理を行うことができ、粒子状物質の過度な堆積に起因するフィルタの故障を回避して粒子状物質の捕集能力を維持することができる。

なお、ＥＧＲ弁が一時的な固着状態になったとき、排気昇温制御中における第１制御モード及び第２制御モードの実行領域を上述したように変更すると、それによる影響としてＮＯｘエミッションの改善を図ることができなくなるという影響が生じる。しかし、上記構成を請求項３記載の発明に適用すれば、上述した第１制御モード及び第２制御モードの実行領域の変更に起因したＮＯｘエミッションの改善を図ることができなくなるという影響を最小限に抑えることができる。

請求項５記載の発明では、請求項４記載の発明において、前記第１制御モード及び前記第２制御モードでは、吸気絞り弁の開度制御、排気絞り弁の開度制御、燃焼室への主燃料噴射後に行われる燃料噴射であるアフター噴射の実行、及び可変容量ターボチャージャの容量制御のうちの少なくとも一つを通じて排気温度の上昇が図られ、前記第１制御モードの実施される領域が拡大されたとき、その拡大した部分では、吸気絞り弁の開度制御、排気絞り弁の開度制御、燃焼室への主燃料噴射後に行われる燃料噴射であるアフター噴射の実行、及び可変容量ターボチャージャの容量制御のうち第２制御モードで実施されるものが、同第２制御モードの実施時と比較して排気温度をより上昇させる態様で行われることを要旨とした。

上記構成によれば、第１制御モードにおいては、吸気絞り弁の開度制御、排気絞り弁の開度制御、アフター噴射の実行、及び可変容量ターボチャージャの容量制御のうちの少なくとも一つを通じて、排気昇温制御中における排気温度の上昇が図られる。また、第２制御モードにおいては、ＥＧＲ弁の通常時よりも開き側への動作に加え、吸気絞り弁の開度制御、排気絞り弁の開度制御、アフター噴射の実行、及び可変容量ターボチャージャの容量制御のうちの少なくとも一つを通じて、排気昇温制御中における排気温度の上昇が図られる。そして、ＥＧＲ弁の一時的な固着に基づき、第１制御モードの実行領域が第２制御モードの実行領域側に拡大したとき、その拡大した部分では、吸気絞り弁の開度制御、排気絞り弁の開度制御、燃焼室への主燃料噴射後に行われる燃料噴射であるアフター噴射の実行、及び可変容量ターボチャージャの容量制御のうち第２制御モードで実施されるものが、同第２制御モードの実施時と比較して排気温度をより上昇させる態様で行われる。従って、第１制御モードの実行領域における上記拡大した部分において、ＥＧＲ弁の開き側への動作を行うことなく、的確に排気温度を上昇させることができるようになる。

以下、本発明を自動車用の内燃機関に適用した一実施形態を図１〜図５に従って説明する。
図１は、本実施形態の制御装置が適用される内燃機関１０の構成を示している。この内燃機関１０は、コモンレール方式の燃料噴射装置、及びターボチャージャ１１を備えるディーゼル機関となっており、大きくは吸気通路１２、燃焼室１３、及び排気通路１４を備えて構成されている。

内燃機関１０の吸気系を構成する吸気通路１２には、その最上流部に配設されたエアクリーナ１５から下流側に向けて順に、エアフローメータ１６、上記ターボチャージャ１１のコンプレッサ１７、インタークーラ１８、及び吸気絞り弁１９が配設されている。また吸気通路１２は、吸気絞り弁１９の下流側に設けられた吸気マニホールド２０において分岐され、吸気ポート２１を介して内燃機関１０の各気筒の燃焼室１３に接続されている。

一方、内燃機関１０の排気系を構成する排気通路１４では、各気筒の燃焼室１３にそれぞれ接続された排気ポート２２が排気マニホールド２３を介して上記ターボチャージャ１１の排気タービン２４に接続されている。また排気通路１４の排気タービン２４下流には、上流側から順に、ＮＯｘ触媒コンバータ２５、ＰＭフィルタ２６、酸化触媒コンバータ２７が配設されている。

ＮＯｘ触媒コンバータ２５には、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒が担持されている。このＮＯｘ触媒は、排気の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気の酸素濃度が低いときにその吸蔵したＮＯｘを放出する。またＮＯｘ触媒は、上記ＮＯｘ放出時に、還元剤となる未燃燃料成分がその周囲に十分存在していれば、その放出されたＮＯｘを還元して浄化する。

ＰＭフィルタ２６は、多孔質材料によって形成されており、排気中の煤を主成分とする粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）が捕集されるようになっている。このＰＭフィルタ２６にも、上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５と同様に、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒が担持されており、排気中のＮＯｘの浄化が行われるようになっている。またこのＮＯｘ触媒によって触発される反応により、上記捕集されたＰＭが燃焼（酸化）されて除去されるようにもなっている。

酸化触媒コンバータ２７には、酸化触媒が担持されている。この酸化触媒は、排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して浄化する。
なお排気通路１４の上記ＰＭフィルタ２６の上流側及び下流側には、ＰＭフィルタ２６に流入する排気の温度である入ガス温度を検出する入ガス温度センサ２８、及びＰＭフィルタ２６通過後の排気の温度である出ガス温度を検出する出ガス温度センサ２９がそれぞれ配設されている。また排気通路１４には、上記ＰＭフィルタ２６の排気上流側とその排気下流側との差圧を検出する差圧センサ３０が配設されている。更に排気通路１４の上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５の排気上流側、及び上記ＰＭフィルタ２６と上記酸化触媒コンバータ２７との間には、排気中の酸素濃度を検出する２つの酸素センサ３１、３２がそれぞれ配設されている。

更にこの内燃機関１０には、排気の一部を吸気通路１２内の空気に再循環させる排気再循環（以下、ＥＧＲと記載する）装置が設けられている。ＥＧＲ装置は、排気通路１４と吸気通路１２とを連通するＥＧＲ通路３３を備えて構成されている。ＥＧＲ通路３３の最上流部は、排気通路１４の上記排気タービン２４の排気上流側に接続されている。ＥＧＲ通路３３には、その上流側から、再循環される排気を改質するＥＧＲ触媒３４、その排気を冷却するＥＧＲクーラ３５、その排気の流量を調整するＥＧＲ弁３６が配設されている。そしてＥＧＲ通路３３の最下流部は、吸気通路１２の上記吸気絞り弁１９の下流側に接続されている。

一方、内燃機関１０の各気筒の燃焼室１３には、同燃焼室１３内での燃焼に供される燃料を噴射するインジェクタ４０がそれぞれ配設されている。各気筒のインジェクタ４０は、高圧燃料供給管４１を介してコモンレール４２に接続されている。コモンレール４２には、燃料ポンプ４３を通じて高圧燃料が供給される。コモンレール４２内の高圧燃料の圧力は、同コモンレール４２に取り付けられたレール圧センサ４４によって検出されるようになっている。更に燃料ポンプ４３からは、低圧燃料供給管４５を通じて、低圧燃料が添加弁４６に供給されるようになっている。

こうした内燃機関１０の各種制御は、電子制御装置５０により実施されている。電子制御装置５０は、機関制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が一時記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成されている。

電子制御装置５０の入力ポートには、上述した各センサに加え、次の各種センサが接続されている。すなわち、機関回転速度を検出するＮＥセンサ５１、アクセル操作量を検出するアクセルセンサ５２、吸気絞り弁１９の開度を検出する絞り弁センサ５３、内燃機関１０の吸気温度を検出する吸気温センサ５４、同機関１０の冷却水温を検出する水温センサ５５、及びＥＧＲ弁３６の開弁を検出するリフトセンサ５６等が上記入力ポートに接続されている。また電子制御装置５０の出力ポートには、上記吸気絞り弁１９やＥＧＲ弁３６、インジェクタ４０、燃料ポンプ４３、添加弁４６等の駆動回路が接続されている。

電子制御装置５０は、上記各センサから入力される検出信号より把握される機関運転状態に応じて、上記出力ポートに接続された各機器類の駆動回路に指令信号を出力する。こうして上記吸気絞り弁１９の開度制御、上記ＥＧＲ弁３６の開度制御に基づくＥＧＲ制御、上記インジェクタ４０からの燃料噴射量、燃料噴射時期、及び燃料噴射圧の制御、上記添加弁４６からの燃料添加の制御等の各種制御が電子制御装置５０により実施されている。

以上の如く構成された本実施形態では、上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５及びＰＭフィルタ２６の排気浄化性能の回復を図る各種再生処理が実施される。
こうした再生処理の一つとして、例えばＮＯｘ触媒コンバータ２５及びＰＭフィルタ２６でのＰＭによる目詰まりを防止すべく、それらＮＯｘ触媒コンバータ２５及びＰＭフィルタ２６など排気系に堆積したＰＭを燃焼（酸化）させて浄化するフィルタ再生があげられる。ただし、同フィルタ再生を行うには、上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５やＰＭフィルタ２６を十分に高温化する必要がある。このため、フィルタ再生の実行時には、内燃機関１０の排気温度の上昇を図る排気昇温制御を行ったうえで、上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５やＰＭフィルタ２６のＮＯｘ触媒に未燃燃料成分を供給し、触媒床温を上記ＰＭの燃焼に必要な値（例えば６００〜７００℃）まで上昇される。なお、このときの触媒への未燃燃料成分の供給は、添加弁４６からの排気に対する燃料添加等によって行われる。

ちなみに本実施形態では、機関運転状態から推定される排気系でのＰＭ堆積量が許容値以上になって同ＰＭフィルタ２６等での目詰まりの発生が確認されたことなど、各種条件の成立をもって上記フィルタ再生が開始される。そして、フィルタ再生の実行により、ＰＭ堆積量が所定値（例えば「０」）まで減少すると、フィルタ再生が完了した旨判断され、同フィルタ再生が終了されることとなる。

次に、フィルタ再生を行う際に実施される排気昇温制御について説明する。
この排気昇温制御では、内燃機関１０の運転時の動作を通じて排気温度に影響を及ぼす可動部材を利用して、内燃機関１０における排気温度の上昇が図られる。こうした可動部材として、本実施形態ではＥＧＲ弁３６が用いられることとなる。具体的には、排気昇温制御中にＥＧＲ弁３６が通常時よりも開き側の開度となるよう開度制御されてＥＧＲ量が大とされ、これにより内燃機関１０の排気温度の上昇が図られる。

なお、このようにして排気温度の上昇を図ることが可能なのは、ＥＧＲ量を大とすることによって内燃機関１０における吸気通路１２に吸い込まれる新気及び排気通路１４から排出される排気の量が少なくなることが関係している。すなわち、この状況下では燃焼室１３での燃料燃焼に伴う熱を受けて排気通路１４におけるＥＧＲ通路３３よりも下流側に流れるガス（排気）の量が少なくなることから、同ガスの単位体積当たりに受ける上記熱が大となり、それに伴いＥＧＲ通路３３よりも下流側に流れる排気の温度が上昇することとなる。

排気昇温制御においてＥＧＲ弁３６を開き側に開度制御して排気温度の上昇を図ることは、内燃機関１０のＮＯｘエミッションの改善も併せて実現可能という点で好ましい。ただし、排気昇温制御中において、ＥＧＲ弁３６の開き側への開度制御を全機関運転領域にて実施することは、排気温度の上昇を図るうえで必ずしも最善ではない。すなわち、全機関運転領域でＥＧＲ弁３６の開き側への開度制御が排気温度を上昇させるために有効なわけではなく、図２に示される領域Ａのような機関低負荷領域ではＥＧＲ弁３６の開いたとしても排気温度の上昇は得られにくい。

これは、機関低負荷領域では、燃焼室１３にて燃焼される燃料の量が少なくなって燃焼室１３を通過するガスに与えられる熱量が少なくなるとともに、内燃機関の排気流量も少なくなるためである。このような状況のもとでＥＧＲ弁３６を開くと、ＥＧＲ通路３３を介して再循環する排気がその再循環過程で冷たくなるとともに、同排気が上記燃焼室１３を通過するガスを冷やしてしまうという現象を引き起こし、それに起因してＥＧＲ通路３３よりも下流に流れる排気の温度が上昇しにくくなる。特に、こうしたことはＥＧＲ通路３３にＥＧＲクーラ３５が設けられ、同ＥＧＲクーラ３５によってＥＧＲ通路３３を通過する排気が効果的に冷却されるような場合に顕著になる。

以上のことを考慮して、排気昇温制御中において機関低負荷領域ではＥＧＲ弁３６の開き側への開度制御を利用せずに排気温度の上昇が図られ、機関低負荷領域よりも高負荷側の領域ではＥＧＲ弁３６の開き側への開度制御を通じて排気温度の上昇が図られる。言い換えれば、図２の領域ＡではＥＧＲ弁３６を利用せずに排気温度の上昇を図る第１制御モードとなり、同図の領域Ａよりも高負荷側の領域ＢではＥＧＲ弁３６の通常時よりも開き側への開度制御を通じて排気温度の上昇を図る第２制御モードとなるよう、機関運転状態に応じた制御モード切り換えが実施される。このように制御モードの切り換えを実施することで、排気昇温制御中に内燃機関１０の排気温度を効果的に上昇させることができるようになる。

ここで、排気昇温制御中においては、ＥＧＲ弁３６の動作による内燃機関１０の排気温度の上昇以外に、吸気絞り弁１９の通常時よりも閉じ側への開度制御、及びインジェクタ４０から燃焼室１３への主燃料噴射後に行われる燃料噴射であるアフター噴射の実行等によっても、内燃機関１０の排気温度の上昇が図られる。従って、第１制御モードでは、ＥＧＲが実施されないようＥＧＲ弁３６を非動作状態である全閉状態とし、吸気絞り弁１９の通常時よりも閉じ側への開度制御、及びインジェクタ４０からのアフター噴射の実行等を通じて、内燃機関１０の排気温度の上昇が図られる。また、第２制御モードでは、吸気絞り弁１９の通常時よりも閉じ側への開度制御、及びインジェクタ４０からのアフター噴射の実行等によって排気温度の上昇が図られることに加え、ＥＧＲ弁３６の動作を利用して排気温度の上昇を図ること、すなわちＥＧＲ弁３６の通常時よりも開き側への開度制御を通じて排気温度の上昇を図ることが行われる。

なお、吸気絞り弁１９の通常時よりも閉じ側への開度制御や、インジェクタ４０からのアフター噴射の実行を通じて排気温度の上昇が図られるのは、それぞれ次の理由による。すなわち、吸気絞り弁１９が通常時よりも閉じ側に制御されると、内燃機関１０の吸気抵抗が大となる。そして、このような状況のもとで、要求される機関出力を得られるよう、内燃機関１０の燃料噴射量制御を通じてインジェクタ４０から燃焼室１３への主燃料噴射の際の燃料噴射量が増量される。その結果、燃焼室１３内で燃焼される燃料の量が多くなって排気温度の上昇に繋がる。また、インジェクタ４０からのアフター噴射が実行されると、そのアフター噴射の分だけ燃焼室１３内での燃料の燃焼が遅れることになる。その結果、燃焼室１３内のガスが高温の状態で排気通路１４に排出され、排気温度の上昇に繋がる。

ところで、ＥＧＲ弁３６に関しては、低温環境下での内燃機関１０の停止中に非動作状態（全閉状態）にて凍りつくなど、全閉位置での一時的な固着状態が生じるおそれがある。この場合、排気昇温制御中に機関運転領域が図２の領域Ｂとなって第２制御モードが実施される際、排気温度の上昇を図るべくＥＧＲ弁３６の開き側への開度制御を実行しようとしても、それを実現することができなくなる。そして、ＥＧＲ弁３６の開き側への開度制御を実行できないと、吸気絞り弁１９の閉じ側への開度制御やインジェクタ４０からのアフター噴射の実行がなされたとしても、排気温度をフィルタ再生上の要求どおりに上昇させることができず、排気系に堆積したＰＭのフィルタ再生による燃焼除去を適切に行えなくなる。その結果、ＰＭフィルタ２６におけるＰＭの捕集能力を回復することができず、同ＰＭに関する排気浄化が不十分になるという不具合を招き、更にはＰＭフィルタ２６においてＰＭの過度な堆積に起因する故障が生じるというおそれすらある。

このような問題に対処するため、本実施形態では、ＥＧＲ弁３６が全閉位置にて一時的な固着状態となった場合、全機関運転領域のうち、第１制御モードの実施される領域を第２制御モードの実施される領域側に拡大するとともに、それによって第２制御モードの実施される領域を縮小する。

より詳しくは、ＥＧＲ弁３６が全閉位置にて一時的な固着状態となった場合、通常は第２制御モードの実施される領域全体を第１制御モードの実施される領域とする。このため、ＥＧＲ弁３６が全閉位置にて一時的な固着状態となった場合には、図２の領域Ａだけでなく領域Ｂも第１制御モードの実施される領域となり、第１制御モードの実施される領域が図３の領域Ｃ（領域Ａ＋領域Ｂ）となるよう拡大される。なお、このときには第２制御モードの実施される領域は存在しなくなる。

ここで、上記領域Ｃでは、吸気絞り弁１９の閉じ側への開度制御、及びインジェクタ４０からのアフター噴射の実行だけで、排気温度をフィルタ再生上の要求どおりに上昇させることができるよう、吸気絞り弁１９の開度制御及びアフター噴射の噴射制御が実施される。従って、図３の領域Ｃのうち図２の領域Ｂに対応する部分では、吸気絞り弁１９の開度制御及びアフター噴射の噴射制御が、第２制御モードの実施時と比較して排気温度をより上昇させる態様で行われる。具体的には、吸気絞り弁１９の開度がより閉じ側に制御され、アフター噴射に関しては噴射量がより増量側に制御されるとともに噴射時期がより遅角側に制御されることとなる。

以上により、ＥＧＲ弁３６が全閉位置にて一時的な固着状態となったとき、通常は第２制御モードの実施される図２の領域Ｂにて、同第２制御モードに代わる第１制御モードが実施され、フィルタ再生を行うえで必要な排気温度の上昇が得られるようになる。従って、ＥＧＲ弁３６の全閉位置での一時的な固着状態のまま第２制御モードが実施されることに起因して、排気昇温制御中に排気温度をフィルタ再生を行ううえで適切に上昇させられなくなるという不具合の発生を抑制できる。

なお、ＥＧＲ弁３６が全閉位置にて一時的な固着状態となることは、上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５及びＰＭフィルタ２６の排気浄化性能の回復を図る各種再生処理のうち、フィルタ再生以外の再生処理、例えばＮＯｘ触媒に関してのＮＯｘ還元処理やＳ被毒回復処理といった再生処理にも影響を及ぼすことになる。このため、ＥＧＲ弁３６が全閉位置にて一時的な固着状態となったときには、その状況に対応してＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ還元処理の実行態様の切り換えや、ＮＯｘ触媒におけるＳ被毒回復処理の実行の禁止等も行われる。

次に、ＥＧＲ弁３６の全閉位置での一時的な固着状態の検出手順について、診断ルーチンを示す図４のフローチャートを参照して説明する。この診断ルーチンは、電子制御装置５０を通じて、例えば所定時間毎の時間割り込みにて周期的に実行される。

同ルーチンにおいては、非動作状態（全閉状態）のＥＧＲ弁３６に対し開弁指令があるか否か（Ｓ１０１）、ＥＧＲ弁３６が開弁していない状態か否か（Ｓ１０２）、及びＥＧＲ弁３６に氷結の生じる可能性のある状態であるか否か（Ｓ１０３）といった判断が行われる。なお、ステップＳ１０２の判断はリフトセンサ５６の検出信号に基づいて行われ、ステップＳ１０３の判断は水温センサ５５や吸気温センサ５４やそれ以外のセンサ（車速センサや湿度センサ等）の検出信号に基づいて行われる。そして、水温や吸気温が低い状態、また吸気温が低くかつ車速が高い状態で低温の走行風がＥＧＲ弁３６に当たる状態が、ＥＧＲ弁３６に氷結が生じる可能性のある状態としてあげられる。

そして、ステップＳ１０１で肯定判定で且つステップＳ１０２で否定判定がなされた場合には、ＥＧＲ弁３６の開弁指令に基づき同ＥＧＲ弁３６が開弁している状態にあることを意味していることから、ＥＧＲ弁３６の異常は発生していない旨判断され、氷結による全閉フラグＦが「０（氷結による全閉なし）」に設定される（Ｓ１０４）。また、ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合には、ＥＧＲ弁３６の開弁指令があるにもかかわらず同ＥＧＲ弁３６が開弁してない状態にあることを意味していることになる。この場合、ステップＳ１０３での肯定判定を条件に、凍結等によるＥＧＲ弁３６の全閉位置での一時的な固着が発生している旨判断され、氷結による全閉フラグＦが「１（氷結による全閉あり）」に設定される（Ｓ１０５）。一方、ステップＳ１０３で否定判定がなされた場合には、凍結などＥＧＲ弁３６の一時的な固着といった状態ではなく、ＥＧＲ弁３６の恒久的な固着といった異常が発生している可能性が高いことから、こうした恒久的な異常が発生している旨判断される（Ｓ１０６）。

診断ルーチンにおいては、氷結による全閉フラグＦが「１（氷結による全閉あり）」に設定されたとき、ＥＧＲ弁３６の全閉位置での凍結など、同ＥＧＲ弁３６の一時的な固着状態が検出されたことになる。また、氷結による全閉フラグＦが「１（氷結による全閉あり）」に設定された後、内燃機関１０の発熱等により、凍結等のＥＧＲ弁３６の一時的な固着が解除された場合には、ＥＧＲ弁３６の正常動作が可能になることから、ステップＳ１０２で肯定判定がなされるようになる。その結果、ステップＳ１０４の処理を通じて氷結による全閉フラグＦが「０（氷結による全閉異常なし）」に設定し直される。

次に、排気昇温制御中における第１制御モード及び第２制御モードの実施領域の変更手順について、実施領域変更ルーチンを示す図４のフローチャートを参照して説明する。この実施領域変更ルーチンは、電子制御装置５０を通じて、例えば所定時間毎の時間割り込みにて実行される。

同ルーチンにおいては、排気昇温制御中であるとき（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、氷結による全閉フラグＦが「１（氷結による全閉あり）」であるか否か、言い換えればＥＧＲ弁３６の全閉位置での一時的な固着状態が検出されているか否かが判断される（Ｓ２０２）。

ここで否定判定であれば、第１制御モード及び第２制御モードの実施領域が通常の状態とされる（Ｓ２０３）。より詳しくは、第１制御モードの実施領域が図２の領域Ａとされ、第２制御モードの実施領域が図２の領域Ｂとされる。一方、ステップＳ２０２で肯定判定がなされると、第１制御モードの実施領域が拡大されるとともに第２制御モードの実施領域が縮小されるよう、それら及び第１制御モード及び第２制御モードの実施領域の変更が行われる（Ｓ２０４）。より詳しくは。図２の領域Ａと領域Ｂとを併せた領域である図３の領域Ｃが第１制御モードの実施領域となり、第２制御モードの実施領域が存在しなくなるよう、それら第１制御モード及び第２制御モードの実施領域の変更が行われる。

上述した第１制御モード及び第２制御モードの実施領域の変更が行われた後、内燃機関１０の発熱等により凍結によるＥＧＲ弁３６の一時的な固着が解消された場合には、氷結による全閉フラグＦが「０（氷結による全閉なし）」に設定し直される。これにより、上述したように変更された第１制御モード及び第２制御モードの実施領域は、ステップＳ２０３の処理を通じて通常の状態（図２）に戻されることとなる。

なお、ＥＧＲ弁３６の一時的な固着に基づき第１制御モード及び第２制御モードの実施領域が変更されている間には、排気昇温制御中における内燃機関１０の運転制御に係る各種パラメータが、ＥＧＲ弁３６の一時的な固着状態に適した状態となるよう適宜調整される。こうした各種パラメータとしては、内燃機関１０におけるインジェクタ４０から燃焼室１３への主燃料噴射、パイロット噴射、アフター噴射等の燃料噴射量や燃料噴射時期、またコモンレール４２内の高圧燃料の圧力（レール圧）などがあげられる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）ＥＧＲ弁３６が全閉位置にて一時的な固着状態になると、フィルタ再生のための排気昇温制御中、通常は第２制御モードの実施される領域全体（図２の領域Ｂ）で、同第２制御モードに代えて第１制御モードが実施され、その第１制御モードにより排気温度の上昇が図られるようになる。このため、ＥＧＲ弁３６が全閉位置での一時的な固着状態のまま第２制御モードが実施されることを回避でき、その第２制御モードの実施に起因して排気昇温制御中に排気温度をフィルタ再生を行ううえで適切に上昇させられなくなることを回避できる。

（２）ＥＧＲ弁３６の全閉位置での一時的な固着状態が生じていないとき、フィルタ再生のための排気昇温制御中、図２の領域ＢではＥＧＲ弁３６の開き側への開度制御を通じて排気温度の上昇が図られる。これにより、排気温度の上昇を図ってフィルタ再生を実行しつつ、ＮＯｘエミッションの改善を図ることもできるようになる。

（３）ＥＧＲ弁３６の一時的な固着が解消すると、排気昇温制御中における第１制御モード及び第２制御モードの実施領域が変更された状態（図３）から通常の状態（図２）に戻される。従って、ＥＧＲ弁３６が一時的な固着状態になっている間だけ、第１制御モード及び第２制御モードの実施領域の変更が行われることになり、その変更による影響を最小限に抑えることができる。なお、こうした影響としては、排気昇温制御中に図２の領域ＢにてＥＧＲ弁３６が全閉状態に保持されてＥＧＲが行われなくなり、内燃機関１０のＮＯｘエミッション改善を図ることができなくなるという影響があげられる。

（４）フィルタ再生に関しては、過度なＰＭの堆積に起因するＰＭフィルタ２６の故障を回避してＰＭフィルタ２６のＰＭ捕集能力を維持すべく、ＥＧＲ弁３６の全閉位置での一時的な固着が生じた場合であっても、可能な限り実行することが好ましい。ここで、ＥＧＲ弁３６の全閉位置での一時的な固着が生じたとき、上記（１）に示される第１制御モード及び第２制御モードの実行領域の変更を行えば、排気昇温制御によって排気温度をフィルタ再生を行ううえで適切に上昇させることが可能になる。従って、ＥＧＲ弁３６に全閉位置での一時的な固着が生じたような状況のもとでも、フィルタ再生を行うことができ、ＰＭの過度な堆積に起因したＰＭフィルタ２６の故障を回避してＰＭフィルタ２６のＰＭ捕集能力を維持することができる。

（５）ＥＧＲ弁３６の一時的な固着に基づき、第１制御モードの実行領域が第２制御モードの実行領域側に図３の領域Ｃで示されるように拡大したとき、その拡大した部分（図２の領域Ｂに対応）では、吸気絞り弁１９の開度制御及びアフター噴射の噴射制御が、第２制御モードの実施時と比較して排気温度をより上昇させる態様で行われる。従って、第１制御モードの実行領域における上記拡大した部分において、ＥＧＲ弁３６の開き側への動作を行うことなく、的確に排気温度を上昇させることができるようになる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・ＥＧＲ弁３６の一時的な固着が解消したとき、第１制御モード及び第２制御モードの実施領域を必ずしも通常の状態に戻す必要はない。

・ＥＧＲ弁３６の一時的な固着が生じたとき、通常時に第２制御モードの実施される領域全体を第１制御モードの実施される領域とすることは必須ではない。例えば、通常時に第２制御モードの実施される領域のうち機関低負荷領域側の一部のみを、第１制御モードの実施される領域とすることも可能である。この場合、ＥＧＲ弁３６の一時的な固着が生じたとき、第１制御モードの実施領域が第２制御モードの実施領域側に拡大はするものの、その第２制御モードの実施領域のうち機関高負荷側の領域では引き続き第２制御モードが実施されることとなる。このように第１制御モード及び第２制御モードの実施領域を変更することで、ＥＧＲ弁３６が全閉位置での一時的な固着状態のまま第２制御モードが実施されることを抑制できるようにはなり、その第２制御モードの実施に起因して排気昇温制御中に排気温度を適切に上昇させられなくなることを抑制できるようにはなる。

・図６に示されるように、内燃機関の排気系に可変容量ターボチャージャ６１や排気絞り弁６２が設けられる場合、その可変容量ターボチャージャ６１の容量制御や、排気絞り弁６２の通常時よりも閉じ側への開度制御を通じて、排気温度の上昇を図るようにしてもよい。なお、可変容量ターボチャージャ６１の容量制御は、排気タービン６１ｂに設けられた可変ノズル６１ａの通常時よりも閉じ側への開度制御を通じて実現される。これら可変ノズル６１ａや排気絞り弁６２の開度制御により排気温度の上昇を図ることが可能なのは、吸気絞り弁１９の通常時よりも閉じ側への開度制御によって排気温度の上昇を図ることが可能なのと同様の理由による。また、これら可変ノズル６１ａ及び排気絞り弁６２の開度制御に関しては、電子制御装置５０によって実施される。

・フィルタ再生のための排気昇温制御に本発明を適用したが、ＮＯｘ触媒に関してのＮＯｘ還元処理やＳ被毒回復処理など他の再生処理を行うための排気昇温の際に本発明を適用してもよい。この場合、排気温度の上昇を図るために利用される可動部材として必ずしもＥＧＲ弁３６が用いられるとは限らず、吸気絞り弁１９、可変容量ターボチャージャ６１の可変ノズル６１ａ、及び排気絞り弁６２等のうちのいずれかが可動部材として用いられることもあり得る。

・ＰＭフィルタ２６としてＮＯｘ触媒の担持されたものを例示したが、ＮＯｘ触媒の担当持されていないＰＭフィルタを採用してもよい。

本実施形態の排気浄化装置が適用される内燃機関全体を示す略図。内燃機関の全運転領域のうち、第１制御モードの実施領域、及び第２制御モードの実施領域を示す図。ＥＧＲ弁の一時的な固着発生に基づき変更された第１制御モードの実施領域を示す図。ＥＧＲ弁の一時的な固着の検出手順を示すフローチャート。第１制御モード及び第２制御モードの実施領域の変更手順を示すフローチャート。内燃機関の排気系に可変容量ターボチャージャ及び排気絞り弁を設けた例を示す略図。

符号の説明

１０…内燃機関、１１…ターボチャージャ、１２…吸気通路、１３…燃焼室、１４…排気通路、１５…エアクリーナ、１６…エアフローメータ、１７…コンプレッサ、１８…インタークーラ、１９…吸気絞り弁、２０…吸気マニホールド、２１…吸気ポート、２２…排気ポート、２３…排気マニホールド、２４…排気タービン、２５…ＮＯｘ触媒コンバータ、２６…ＰＭフィルタ、２７…酸化触媒コンバータ、２８…入ガス温度センサ、２９…出ガス温度センサ、３０…差圧センサ、３１，３２…酸素センサ、３３…ＥＧＲ通路、３４…ＥＧＲ触媒、３５…ＥＧＲクーラ、３６…ＥＧＲ弁、４０…インジェクタ、４１…高圧燃料供給管、４２…コモンレール、４３…燃料ポンプ、４４…レール圧センサ、４５…低圧燃料供給管、４６…添加弁、５０…電子制御装置（切換手段、検出手段、制御手段）、５１…ＮＥセンサ、５２…アクセルセンサ、５３…絞り弁センサ、５４…吸気温センサ、５５…水温センサ（検出手段）、５６…リフトセンサ（検出手段）、６１…可変容量ターボチャージャ、６１ａ…可変ノズル、６１ｂ…排気タービン、６２…排気絞り弁。

Claims

機関運転時に動作される可動部材を備えるとともに同可動部材の動作を通じて排気温度が変化する内燃機関の排気浄化装置であって、排気浄化性能の回復を図るための再生処理を行う際に内燃機関の排気温度を上昇させる排気昇温制御を実施する内燃機関の排気浄化装置において、
排気昇温制御中に、前記可動部材を利用せずに排気温度の上昇を図る第１制御モードと、同可動部材の動作を通じて排気温度の上昇を図る第２制御モードと、を機関運転領域に応じて切り換える切換手段と、
前記可動部材の一時的な固着状態を検出する検出手段と、
前記可動部材の一時的な固着状態が検出されたとき、全機関運転領域のうち、前記第１制御モードの実施される領域を前記第２制御モードの実施される領域側に拡大するとともに、それによって前記第２制御モードの実施される領域を縮小する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記制御手段は、前記可動部材が一時的な固着状態にあるとき、通常時に前記第２制御モードの実施される領域全体を前記第１制御モードの実施される領域とする
請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記制御手段は、前記可動部材の一時的な固着が解消されたとき、前記第１制御モードの実施される領域及び前記第２制御モードの実施される領域を通常の状態に戻す
請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記可動部材はＥＧＲ弁であり、前記排気昇温制御は内燃機関の排気系に設けられて粒子状物質を捕集するフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させて除去すべく実施されるものであって、
前記排気昇温制御の実行中においては、前記ＥＧＲ弁の一時的な固着状態でない条件のもと、機関低負荷領域にて前記ＥＧＲ弁を全閉状態として排気温度の上昇を図る第１制御モードとなり、この第１制御モードの実施される領域よりも機関高負荷側にて前記ＥＧＲ弁を通常時よりも開き側に動作させて排気温度の上昇を図る第２制御モードとなる
請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記第１制御モード及び前記第２制御モードでは、吸気絞り弁の開度制御、排気絞り弁の開度制御、燃焼室への主燃料噴射後に行われる燃料噴射であるアフター噴射の実行、及び可変容量ターボチャージャの容量制御のうちの少なくとも一つを通じて排気温度の上昇が図られ、
前記第１制御モードの実施される領域が拡大されたとき、その拡大した部分では、吸気絞り弁の開度制御、排気絞り弁の開度制御、燃焼室への主燃料噴射後に行われる燃料噴射であるアフター噴射の実行、及び可変容量ターボチャージャの容量制御のうち第２制御モードで実施されるものが、同第２制御モードの実施時と比較して排気温度をより上昇させる態様で行われる
請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。