JP2009257209A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも二の排気浄化装置と、各排気浄化装置への燃料供給のための手段を備えている排気浄化システムにおいて、空燃比センサの配置の自由度が高く、排気浄化装置の排気浄化性能の再生処理を高精度に実施可能とする技術を提供する。
【解決手段】排気通路５にＮＳＲ１０とフィルタ１１ｂの二つの排気浄化装置を備え、ＮＳＲ１０とフィルタ１１ｂの間の中間部５ａには、上流側から、フィルタユニット１１に燃料を供給するための第２燃料添加弁７、ミキサ８、Ａ／Ｆセンサ９が、この順番で配置されている。そして、ＮＳＲ１０に対するＮＯx還元処理と、フィルタ１１ｂに対するＰ
Ｍ再生処理とが時期的に重なる場合には、第２燃料添加弁７からの燃料添加の前に、ミキサ８近傍の排気の温度を、第２燃料添加弁７から添加された燃料がミキサ８において確実に気化する温度まで上昇させる。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気にはＮＯxなどの有害物質が含まれている。これらの有害物質の排出を
低減するために、内燃機関の排気系に、排気中のＮＯxを浄化するＮＯx触媒を設けることが知られている。この技術において例えば吸蔵還元型ＮＯx触媒を設けた場合には、吸蔵
（吸収、吸着を含む）されたＮＯxの量が増加すると触媒の浄化能力が低下するため、間
欠リッチ制御を行うことにより吸蔵還元型ＮＯx触媒に還元剤を供給し、同触媒に吸蔵さ
れたＮＯxを放出還元することが行われる（以下、「ＮＯx還元処理」という。）。

さらに、ＮＯx触媒に排気中のＳＯxが吸蔵され、浄化能力が低下するＳＯx被毒を解消
するために、ＮＯx触媒の床温を上昇させるとともに還元剤を供給する場合もある（以下
、「ＳＯx被毒回復処理」という。）。このＳＯx被毒回復処理において還元剤は、ＮＯx
触媒の床温を上昇させるためにも用いられる。

また、内燃機関の排気にはカーボンを主成分とする微粒子物質（ＰＭ：Particulate Matter）が含まれている。これらの微粒子物質の大気への放散を防止するために内燃機関の排気系に微粒子物質を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という。）を設ける技術が知られている。

かかるフィルタにおいては、捕集された微粒子物質の堆積量が増加すると、フィルタの目詰まりによって排気における背圧が上昇し機関性能が低下するので、フィルタの温度を上昇させて捕集された微粒子物質を酸化除去することとしている（以下、「ＰＭ再生処理」という。）。この場合にも、フィルタの温度を上昇させるために、フィルタに還元剤としての燃料を供給する場合がある。

内燃機関の排気系においては、上記した吸蔵還元型ＮＯx触媒とフィルタとを含んだ複
数の排気浄化装置を直列に備える場合がある。そのような場合には、吸蔵還元型ＮＯx触
媒に対するＮＯx還元処理やＳＯx被毒回復処理と、フィルタに対するＰＭ再生処理のための燃料の供給を、独立して行うことが考えられる。（なお、以下において、吸蔵還元型ＮＯx触媒に対するＮＯx還元処理やＳＯx被毒回復処理と、フィルタに対するＰＭ再生処理
を含めて「排気浄化装置の排気浄化性能の再生処理」ともいう。）

これに関連する排気系の構成としては、排気システムを通るガス流の流れの方向に、少なくとも還元剤を供給するための手段と、第１の触媒コンバータと、粒子トラップとを含み、少なくとも１つのさらなる排気ガス浄化構成要素および／または前記第１の触媒コンバータと前記粒子トラップとの間における少なくとも０．５メートルの距離が設けられ、ミキサおよび第２の触媒コンバータが前記粒子トラップのすぐ前にあるという構成が公知になっている（特許文献１参照。）。

上記のような複数の排気浄化装置を備える排気系においては、排気通路における２つの排気浄化装置の間の領域には、下流側の排気浄化装置に対して還元剤としての燃料を供給する燃料添加弁と、上流側の排気浄化装置における空燃比を制御するための空燃比センサとを配置する必要がある。そして、空燃比センサを前記燃料添加弁の下流側に備えた場合には、燃料添加弁から添加された液滴の燃料が空燃比センサに直接付着して、センサの割れや検出精度の低下（リーンずれ）を招来する場合があった。

従って、排気通路における２つの排気浄化装置の間の領域では、空燃比センサは、燃料添加弁の上流側に配置することが望ましいが、その場合には、燃料添加弁からの燃料添加量の異常を判定するためのセンサを別途燃料添加弁の下流側で、燃料添加弁からの液滴の燃料が直接付着しない位置（例えば、下流側の排気浄化装置のさらに下流側）に配置する必要があった。

このように、複数の排気浄化装置と各排気浄化装置への燃料供給のための手段を備えている排気浄化システムにおいて、空燃比センサを排気浄化装置の間の領域に配置して構成を簡略化しつつ、空燃比の高精度な検出を維持することは困難な場合があった。
特表２００６−５２６１０２号公報

本発明の目的とするところは、排気通路に直列に配置された二以上の排気浄化装置と、各排気浄化装置への燃料供給のための手段を備えている排気浄化システムにおいて、空燃比センサの配置の自由度が高く、排気浄化装置の排気浄化性能の再生処理を高精度に実施可能とする技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、排気通路に直列に配置された二以上の排気浄化装置を備え、当該二の排気浄化装置の間の排気通路に、上流側から、下流側の排気浄化装置に燃料を供給するための燃料添加弁、ミキサ、空燃比センサの順番で配置された排気浄化システムに関する。そして、上流側の排気浄化装置に対する間欠リッチ制御の実行と、燃料添加弁からの燃料添加とが重なる場合には、燃料添加弁からの燃料添加の前に、ミキサ近傍の排気の温度を、燃料添加弁から添加された燃料が確実に気化する温度まで上昇させることを最大の特徴とする。

より詳しくは、内燃機関の排気通路に設けられ、吸蔵還元型ＮＯx触媒によって該排気
通路を通過する排気中のＮＯxを浄化する第１排気浄化装置と、
前記第１排気浄化装置に流入する排気に還元剤としての燃料を供給する燃料供給手段と、
前記排気通路における前記第１排気浄化装置の下流側に設けられ、フィルタによって該排気通路を通過する排気中の微粒子物質を浄化する第２排気浄化装置と、
前記排気通路における前記第１排気浄化装置と前記第２排気浄化装置の間の領域である中間領域に設けられ、該排気通路の中間領域を通過する排気に燃料を添加することで、前記第２排気浄化装置に還元剤としての燃料を供給する燃料添加弁と、
前記中間領域における前記燃料添加弁の下流側に設けられ、該中間領域を通過する排気と前記燃料添加弁から添加された燃料との混合を促進するミキサと、
前記中間領域における前記ミキサの下流側に設けられ、該中間領域を通過する排気の空燃比を検出する空燃比センサと、
前記燃料供給手段から前記第１排気浄化装置に間欠的に燃料を供給することによる間欠リッチ制御を行う間欠リッチ制御手段と、を備え、
前記間欠リッチ制御の実行と、前記フィルタへの還元剤の供給要求に基づく前記燃料添加弁から排気への燃料の添加とが重なる場合には、前記燃料添加弁からの燃料の添加の前に、前記中間領域における排気の温度を、前記燃料添加弁から添加された燃料が前記ミキサにおいて気化可能な所定の気化温度まで上昇させることを特徴とする。

本発明の排気浄化システムでは、第１排気浄化装置と第２排気浄化装置の二つの排気浄化装置を備える。そして、これら二つの排気浄化装置の間の中間領域に燃料添加弁と、ミ
キサと、空燃比センサとが上流側からこの順番で配置されている。

このような構成において、例えば第１排気浄化装置のＮＯx還元処理のために間欠リッ
チ制御が行なわれ、且つ、第２排気浄化装置のＰＭ再生処理ために燃料添加弁から燃料添加が行われる場合について考える。この場合は、空燃比センサにより検出される排気の空燃比に基づいて、間欠リッチ制御が行なわれる。しかし、燃料添加弁から排気に添加された燃料が液滴のまま空燃比センサに付着した場合には、空燃比センサの所謂リーンずれが生じ、空燃比センサによる空燃比の検出精度を維持することが困難となる。そうすると間欠リッチ制御の空燃比制御の精度が低下してしまう。また、液滴の燃料の付着によって空燃比センサが熱衝撃による割れなどを起こすおそれもある。

そこで、本発明においては、第１排気浄化装置に対する間欠リッチ制御と、第２排気浄化装置に対するＰＭ再生処理とが重なる場合には、予め中間領域における排気の温度を上昇させ、燃料添加弁から排気に添加された燃料がミキサで確実に気化可能なようにした。これによれば、液滴としての燃料が空燃比センサに付着することを抑制でき、リーンずれによる空燃比検出精度の低下や、空燃比センサの破損を防止することが可能となる。その結果、間欠リッチ制御における空燃比制御の精度も高く維持できる。

また、本発明によれば、空燃比センサを燃料添加弁の下流側に不都合なく配置することができるので、燃料供給手段のみならず燃料添加弁から供給される燃料の量を精度よく検出できるので、燃料供給手段及び燃料添加弁の異常判定をも上記の空燃比センサで行うことができる。

また、本発明によれば、空燃比センサと燃料添加弁との距離を不都合なく縮めることができるので、燃料添加弁、ミキサ及び空燃比センサを中間領域において不都合なくコンパクトに配置することが可能となる。

次に、本発明においては、前記間欠リッチ制御によって、前記空燃比センサに検出される排気の空燃比がリッチとなる期間には、前記燃料添加弁からの燃料の添加を禁止するようにしてもよい。

ここで、間欠リッチ制御によって空燃比がリッチとなる期間においては、空燃比センサによる空燃比検出の精度が特に要求される。しかし、この期間中に燃料添加弁から燃料が添加された場合には、添加燃料に起因する空燃比の変化により、間欠リッチ制御による空燃比のみを精度よく検出することが困難となる。

従って、本発明においては第１排気浄化装置に対する間欠リッチ制御と、第２排気浄化装置に対する燃料の供給とが重なる場合、具体的には、例えば第１排気浄化装置に対するＮＯx還元処理の実行と第２排気浄化装置に対するＰＭ再生処理の実行とが重なる場合に
、間欠リッチ制御によって、空燃比センサに検出される空燃比がリッチとなる期間においては、燃料添加弁からの燃料添加を禁止することとした。

そうすれば、燃料添加弁から排気に添加された燃料により、空燃比センサがリッチ誤判定することを抑制できる。また、本発明においては燃料添加弁からの燃料添加が行なわれる際には、排気温度が、添加された燃料がミキサにおいて充分に気化可能な温度に維持されているため、リッチ期間中の空燃比の検出の前後において燃料添加弁からの燃料添加量の異常判定を早急に行うことも可能である。

また、本発明においては、前記間欠リッチ制御によって、前記空燃比センサに検出される排気の空燃比がリーンとなる期間には、前記燃料添加弁からの燃料の添加を許可すると
ともに、前記空燃比センサの出力信号の前記内燃機関に係る制御への使用を禁止するようにしてもよい。

ここで、本発明では、間欠リッチ制御によって空燃比がリーンとなる期間においては、燃料添加弁による燃料添加は許可される。従って、この期間中の燃料添加弁からの燃料添加によって、空燃比がリーンとなる期間であるにも拘らず空燃比センサに検出される排気の空燃比がストイキ以下のリッチ空燃比となる場合が生じ得る。このような場合でも、第１排気浄化装置における空燃比はリーンである筈なので、結果として空燃比センサの出力信号を内燃機関に係る制御に用いると空燃比誤判定などの不都合が生じる場合があった。

従って本発明においては、間欠リッチ制御によって、空燃比センサに検出される排気の空燃比がリーンとなる期間には、空燃比センサの出力信号をマスクし、内燃機関に係る制御に使用されないようにした。これにより、燃料添加弁からの燃料添加が内燃機関の制御に影響することを抑制できる。なお、ここで内燃機関に係る制御としては、間欠リッチ制御における空燃比のフィードバック制御の他、空燃比のリッチ回数のカウントなどを挙げることができる。

また、本発明においては、前記空燃比センサによって検出された排気の空燃比に基づいて、前記燃料供給手段および／または前記燃料添加弁により供給された燃料の量の異常を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段によって前記燃料供給手段および／または前記燃料添加弁により供給された燃料の量の異常が検出された際に、前記第１排気浄化装置および前記第２排気浄化装置の温度を取得し、取得された温度によって、前記燃料供給手段および前記燃料添加弁のいずれから供給された燃料の量が異常かを判定する異常部判定手段と、
をさらに備えるようにしてもよい。

例えば、空燃比センサによって検出される空燃比が予定より極端に低い場合などは、燃料供給手段または燃料添加弁の故障により、燃料が供給されっ放しとなっていることが考えられる。そのような場合には、燃料供給手段と燃料添加弁のいずれに異常があるかを判定するために、本発明においては、第１排気浄化装置と第２排気浄化装置の温度を検出し、第１排気浄化装置の温度が異常に高温となっている場合には燃料供給手段に、第２排気浄化装置の温度が異常に高温となっている場合には燃料添加手段に異常が生じていると判定することとした。

また、逆の場合、すなわち空燃比センサによって検出される空燃比が予定より極端に高い場合などは、燃料供給手段または燃料添加弁の故障により、燃料の供給量が減少していることが考えられる。そのような場合には同様に、第１排気浄化装置の温度が異常に低温となっている場合には燃料供給手段に、第２排気浄化装置の温度が異常に低温となっている場合には燃料添加手段に異常が生じていると判定してもよい。

これによれば、一の空燃比センサによって、燃料供給手段と燃料添加弁のいずれかに異常が生じた場合に、異常を検出するとともに、燃料供給手段と燃料添加弁のいずれに異常が生じたかを特定することが可能となる。

また、本発明においては、前記間欠リッチ制御によって、前記空燃比センサに検出される排気の空燃比がリーンとなる期間には、前記燃料添加弁からの燃料の添加を許可するとともに、前記空燃比センサが検出した排気の空燃比が所定の限界空燃比以下となった場合には、前記燃料添加弁からの燃料の添加を停止しまたは燃料添加量を減量するようにしてもよい。

ここで、前記間欠リッチ制御のリーン期間において前記燃料添加弁からの燃料の添加が許可された場合について再度考える。この場合は、燃料添加弁から排気へ添加された燃料の量が、燃料添加弁の異常により想定以上に多くなり、排気の空燃比がストイキ以下になると、第２排気浄化装置をすり抜ける未燃燃料の量が増加し、白煙が発生するおそれがある。

これに対し、本発明では、間欠リッチ制御のリーン期間に燃料添加弁から排気に燃料を添加する場合に、空燃比センサにより検出された排気の空燃比が所定の限界空燃比（例えば、ストイキ）以下となった場合に、燃料添加弁からの燃料添加を停止しまたは添加燃料量を減量することとした。

これによれば、燃料添加弁に何らかの異常が発生し、燃料添加弁から排気に添加される燃料の量が目標値に対して極端に多くなった場合にも、第２排気浄化装置をすり抜けて未燃燃料が大気に放散されることを抑制でき、白煙の発生を抑制することができる。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明にあっては、排気通路に直列に配置された二以上の排気浄化装置と、各排気浄化装置への燃料供給のための手段を備えている排気浄化システムにおいて、空燃比センサの配置の自由度を高めることができるとともに、排気浄化装置の排気浄化性能の再生処理を高精度に実施することができる。

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例示的に詳しく説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ディーゼル機関である。なお、図１においては、内燃機関１の内部及びその吸気系は省略されている。

図１において、内燃機関１には、内燃機関１から排出される排気が流通する排気通路としての排気管５が排気マニホールド３を介して接続され、この排気管５は下流にて図示しないマフラーに接続されている。また、排気管５には、二つの排気浄化装置が備えられている。一つは排気中のＮＯxを浄化する吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、「ＮＳＲ」と略す。）１０であり、排気マニホールド３に比較的近い上流側に配置されている。そして、もう一つは排気管５におけるＮＳＲ１０の下流側に配置され、酸化能を有する酸化触媒（以下、「ＣＣｏ」と略す。）１１ａと、排気中の微粒子物質を捕捉するフィルタ１１ｂとが直列に組み合わされたフィルタユニット１１である。ここでＮＳＲ１０は第１排気浄化装置に相当し、フィルタユニット１１（フィルタ１１ｂ）は第２排気浄化装置に相当する。

また、本実施例においては、ＮＳＲ１０の上流において、ＮＳＲ１０のＮＯx還元処理
やＳＯx被毒回復処理において排気中に還元剤としての燃料を添加する燃料供給手段とし
ての第１燃料添加弁６が設けられている。また、排気管５におけるＮＳＲ１０とフィルタユニット１１との間の領域（以下、中間部）５ａには、上流側から、フィルタ１１ｂのＰＭ再生処理などにおいて還元剤としての燃料を排気中に添加する燃料添加弁としての第２燃料添加弁７、第２燃料添加弁７から添加された燃料と排気の流れを一旦乱すことで両者の混合を促進させるミキサ８、排気の空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ９が順番に配置され
ている。ここで中間部５ａは本実施例において中間領域に相当する。

以上述べたように構成された内燃機関１及びその排気系には、該内燃機関１及び排気系を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２０が併設さ
れている。このＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御する他、内燃機関１のＮＳＲ１０、フィルタユニット１１を含めた排気浄化システムに係る制御を行うユニットである。

ＥＣＵ２０には、図示しないエアフローメータ、クランクポジションセンサや、アクセルポジションセンサなどの内燃機関１の運転状態の制御に係るセンサ類の他、Ａ／Ｆセンサ９が電気配線を介して接続され、出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ２０には、内燃機関１内の図示しない燃料噴射弁等が電気配線を介して接続される他、本実施例における第１燃料添加弁６、第２燃料添加弁７が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０によって制御されるようになっている。また、ＥＣＵ２０には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えられており、ＲＯＭには、内燃機関１の種々の制御を行うためのプログラムや、データを格納したマップが記憶されている。

次に、排気管５に上流側から第１燃料添加弁６、ＮＳＲ１０、第２燃料添加弁７、ミキサ８、Ａ／Ｆセンサ９、フィルタユニット１１を備えた排気浄化システムにおける、ＮＳＲ１０及びフィルタ１１ｂの排気浄化能力の再生制御について説明する。

まず、ＮＳＲ１０のＮＯx還元処理が行われる場合には、第１燃料添加弁６から還元剤
としての燃料が排気に間欠的に添加されて、ＮＳＲ１０に導入される排気の空燃比が間欠的にリッチとなる間欠リッチ制御が行なわれる。この間欠リッチ制御におけるリッチ期間中には、酸素濃度が低下するのでＮＳＲ１０に吸蔵（吸収、吸着を含む）されていたＮＯxが放出され、リッチ排気中に大量に含まれるＨＣ、ＣＯにより放出されたＮＯxがＮ_２に還元される。なお、間欠リッチ制御における排気の空燃比は、Ａ／Ｆセンサ９からの出力信号に基づいてフィードバック制御される。なお、間欠リッチ制御はＥＣＵ２０からの指令に基づいて行なわれるので、本実施例において間欠リッチ制御手段はＥＣＵ２０を含んで構成される。

次に、フィルタ１１ｂのＰＭ再生処理が行なわれる場合について考える。この場合には、第２燃料添加弁７から還元剤としての燃料が排気中に添加される。そして、添加された燃料はミキサ８において排気と混合された後、フィルタユニット１１に導入される。フィルタユニット１１に導入された燃料がＣＣｏ１１ａにおいて酸化されることによって排気の温度が上昇し、フィルタ１１ｂの温度を上昇させてフィルタ１１ｂに堆積した微粒子物質を酸化除去させる。

次に、ＮＳＲ１０に対するＮＯx還元処理の実行と、フィルタ１１ｂに対するＰＭ再生
処理の実行とが時期的に重なる場合について考える。この場合は、第１燃料添加弁６によって間欠リッチ制御が実行された状態で、さらに第２燃料添加弁７からも排気に燃料が添加される。ここで、第２燃料添加弁７から添加された燃料は、ミキサ８において排気との混合が促進されるが、排気の温度が低温の場合には、ミキサ８において完全に気化しない場合がある。そうすると、液滴のままの燃料がＡ／Ｆセンサ９に付着するおそれがある。この場合、Ａ／Ｆセンサ９の出力が所謂リーンずれを起こし、空燃比検出の精度が低下して間欠リッチ制御における空燃比制御の精度が低下するおそれがある。さらには熱衝撃によってＡ／Ｆセンサ９に割れなどの破損が生じる場合もある。

また、第１燃料添加弁６及び第２燃料添加弁７については、各々の燃料添加弁から排気中に添加された燃料の量が目標値に対して適正かどうか、すなわち、第１燃料添加弁６及
び第２燃料添加弁７の作動の異常判定をする必要がある。この異常判定もＡ／Ｆセンサ９の出力信号に基づいて行なわれるが、第１燃料添加弁７から排気に添加された燃料がミキサ８で完全に気化しない場合には、Ａ／Ｆセンサ９のリーンずれによって、特に第２燃料添加弁７の異常判定の精度が低下するおそれがある。

従来、このような理由から、Ａ／Ｆセンサ９は、第２燃料添加弁７の上流側に配置する必要があった。また、そうした場合には、第２燃料添加弁７の異常判定を行うためのＡ／Ｆセンサを別途、例えばフィルタユニット１１の下流側に備える必要があり、そのことがシステムの簡略化やコストダウンの妨げになる場合があった。また、Ａ／Ｆセンサ９を中間部５ａの第２燃料添加弁７の下流側に配置した場合には、Ａ／Ｆセンサ９と第２燃料添加弁７との間に、添加燃料が気化するための距離を確保しなければならないため、Ａ／Ｆセンサ９の配置の自由度が低くシステム全体のコンパクト化の妨げになる場合があった。

これに対し、本実施例に係る排気浄化システムでは、例えばＮＳＲ１０のＮＯx還元処
理の実行と、フィルタ１１ｂのＰＭ再生処理の実行とが時期的に重なる場合には、第２燃料添加弁７からの燃料添加が行なわれる前に、ミキサ８の近傍の排気温度を上昇させ、第２燃料添加弁７から添加された燃料がミキサ８近傍において確実に気化するようにしている。

図２には、本実施例におけるＰＭ再生処理ルーチンのフローチャートを示す。本ルーチンは、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されたプログラムであり、内燃機関１の稼動中は所定期間毎に、ＥＣＵ２０のＣＰＵによって実行されるルーチンである。

本ルーチンが実行されるとＳ１０１において、ＰＭ再生要求があるか否かが判定される。具体的には、前回ＰＭ再生処理が行なわれてからの走行距離が、フィルタ１１ｂへの微粒子物質の堆積量が酸化除去すべき量に達したと推測される閾値としての距離を越えたか否かによって判定してもよい。また、フィルタ１１ｂの上流側と下流側に図示しない圧力センサを設けておき、フィルタ１１ｂ前後における差圧が閾値より増大したことによって判定してもよい。ここでＰＭ再生要求がないと判定された場合には、そのまま本ルーチンを一旦終了する。一方、ＰＭ再生要求があると判定された場合にはＳ１０２に進む。

Ｓ１０２においては、間欠リッチ制御が行なわれているか否かが判定される。具体的には、間欠リッチ制御が行なわれている場合にＯＮされる間欠リッチ制御フラグの値ＥＣＵ２０に読み込むことで判定してもよい。ここで間欠リッチ制御中と判定された場合にはＳ１０３に進む。一方、間欠リッチ制御中でないと判定された場合にはＳ１０３をスキップしてＳ１０４に進む。

Ｓ１０３においては、排気の昇温処理が実行される。ここでは、例えば内燃機関１における燃料噴射量を増加あるいは燃料噴射時期を遅角させることで排気の温度を上昇させてもよい。また、内燃機関１の排気行程における図示しない排気弁の開弁時期を進角制御することで排気の温度を上昇させてもよい。さらには、図示しない排気絞り弁を閉弁して背圧を上昇させるようにしてもよく、制御の内容は特に限定しない。ここでは、排気の温度を、中間部５ａにおけるミキサ８近傍の排気温度が、燃料を確実に気化させることができる温度として予め実験などで求められた温度まで上昇させる。この温度が気化温度に相当し、例えば３００℃程度としてもよい。Ｓ１０３の処理が終了するとＳ１０４に進む。

Ｓ１０４においては、ＰＭ再生処理を実行する。具体的には第２燃料添加弁７から排気への燃料添加を開始する。Ｓ１０４の処理が終了すると本ルーチンを終了する。

以上、説明したように、本実施例においては、排気管５にＮＳＲ１０とフィルタユニッ
ト１１との二つの排気浄化装置を備えており、排気管５における二つの排気浄化装置の間の中間部５ａには、上流側から第２燃料添加弁７、ミキサ８、Ａ／Ｆセンサ９を備える。また、ＮＳＲ１０の上流には第１燃料添加弁６を備える。

そして、間欠リッチ制御によるＮＳＲ１０に対するＮＯx還元処理の実行と、フィルタ
１１ｂに対するＰＭ再生処理の実行とが時期的に重なる場合には、第２燃料添加弁７からの燃料添加の前に、中間部５ａにおけるミキサ８近傍の排気温度を上昇させ、第２燃料添加弁７から添加された燃料がミキサ８において確実に気化できるようにした。これによれば、第２燃料添加弁７から添加された液滴の燃料がＡ／Ｆセンサ９に付着し、所謂リーンずれによって間欠リッチ制御における空燃比制御の精度が低下することを抑制できる。また、熱衝撃によるＡ／Ｆセンサ９の破損も防止できる。

また、本実施例では、構成としてのミキサ８と、第２燃料添加弁７からの燃料添加の前に、中間部５ａにおける排気温度を上昇させる処理とを組み合わせた。これにより、図３に示すようにＡ／Ｆセンサ９の搭載可能距離を例えば図中ＡからＢへと、短距離側に大幅にシフトさせることができ、Ａ／Ｆセンサ９の設置場所を第２燃料添加弁７の近傍に設定することが可能となった。従って、Ａ／Ｆセンサ９を中間部５ａに無理なく配置することが可能となり、排気浄化システム全体の小型化及びコストダウンが可能となった。

次に、本発明における実施例２について説明する。本実施例においては、実施例１で説明した構成の排気浄化システムにおいて、間欠リッチ制御をはじめとする内燃機関に係る制御をより高精度に維持するための処理について説明する。

ここで、ＮＳＲ１０のＮＯx還元処理において間欠リッチ制御が行なわれる場合につい
て考える。間欠リッチ制御におけるリッチ期間には、Ａ／Ｆセンサ９によって空燃比を正確に検出する必要がある。このリッチ期間において第２燃料添加弁７から燃料が排気に添加された場合には、実施例１で説明した構成によってＡ／Ｆセンサ９におけるリーンずれが抑制されたとしても、Ａ／Ｆセンサ９の設置場所における空燃比が低下してしまい、ＮＳＲ１０近傍における空燃比を誤判定してしまうおそれがある。

これに対し、本実施例においては、間欠リッチ制御中のリッチ期間においては第２燃料添加弁７から排気への燃料添加を禁止することとした。その際の排気空燃比と第２燃料添加弁７の燃料添加許否の関係に係るタイムチャートを図４に示す。

これにより、間欠リッチ制御のリッチ期間において、Ａ／Ｆセンサ９の空燃比検出に対する第２燃料添加弁７からの燃料添加の影響を排除することができる。よって、Ａ／Ｆセンサ９の出力信号に基づいて、間欠リッチ制御における排気の空燃比をより高精度に制御することが可能となる。

また、本実施例においては、間欠リッチ制御のリーン期間には、Ａ／Ｆセンサ９の出力信号に基づいた空燃比制御を必ずしも実施する必要がないので、第２燃料添加弁７から排気への燃料添加を許可することとした。従って、間欠リッチ制御のリーン期間においては、Ａ／Ｆセンサ９の出力信号は、第２燃料添加弁７から排気への燃料添加の影響を受ける。例えば、ＮＳＲ１０近傍の実際の空燃比はリーンであっても、第２燃料添加弁７から排気へ燃料が添加された直後には、Ａ／Ｆセンサ９の出力信号は瞬間的にリッチ空燃比を示すことが充分に考えられる。

ここで、上記のとおり本実施例においては、間欠リッチ制御のリーン期間にはＡ／Ｆセンサ９の出力信号に基づいた空燃比制御を必ずしも実施する必要はない。しかし、間欠リ
ッチ制御のリーン期間におけるＡ／Ｆセンサ９の出力信号は大きな誤差を含む場合があるので、上記空燃比制御に限らず内燃機関１に係る他の制御についても、間欠リッチ制御のリーン期間におけるＡ／Ｆセンサ９の出力信号を利用すべきではない。

従って、本実施例においては、間欠リッチ制御のリーン期間においては、第２燃料添加弁７から排気への燃料添加を許可するものの、Ａ／Ｆセンサ９の出力信号をマスクし、この信号の内燃機関に係る制御への利用を禁止することとした。そうすれば、間欠リッチ制御中における第２燃料添加弁７から排気への燃料添加の機会は確保しつつ、当該燃料添加が、内燃機関１の制御に影響を及ぼすことを抑制できる。なお、内燃機関１に係る制御への影響としては、例えばリッチ回数の誤カウントなどを挙げることができる。

次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例においては、実施例１で説明した構成において、Ａ／Ｆセンサの出力信号から、第１燃料添加弁および第２燃料添加弁の異常判定を行う場合の処理について説明する。

図１に示した構成においては、内燃機関１から排出される燃焼後の排気空燃比と、第１燃料添加弁６及び第２燃料添加弁７への排気への燃料添加指令の内容とより、Ａ／Ｆセンサ９の出力信号の値を推定することが可能である。そして、その推定値に対して、実際のＡ／Ｆセンサ９の出力信号が極端に相違する場合には、第１燃料添加弁６または第２燃料添加弁７のいずれかの作動が異常と判定することができる。

しかしながら、上記構成のままでは、二つの燃料添加弁の作動異常を一つのＡ／Ｆセンサ９で検出しているため、いずれの燃料添加弁の作動が異常なのかまでは判定することができない。

それに対し本実施例においては、第１燃料添加弁６または第２燃料添加弁７のいずれかの燃料添加弁の作動が異常であることが検出された場合に、ＮＳＲ１０及びフィルタ１１ｂの温度をモニターする。また、同時に、ＮＳＲ１０及びフィルタ１１ｂの温度を、内燃機関１の運転状態及び第１燃料添加弁６または第２燃料添加弁７からの燃料添加量から推定する。そして、モニターによって得られた温度と推定温度との差が閾値より大きくなっている方の燃料添加弁の作動が異常である判定する。

より具体的には、ＮＳＲ１０及びフィルタ１１ｂの温度のモニターは、ＮＳＲ１０及びフィルタ１１ｂの各々の直下流に設けた温度センサ（不図示）によって行なってもよい。また、ＮＳＲ１０及びフィルタ１１ｂの温度の推定は、内燃機関１の運転状態と、第１燃料添加弁６及び第２燃料添加弁７からの燃料添加量（目標値）と、ＮＳＲ１０及びフィルタ１１ｂの温度との関係をマップ化しておき、当該マップからＮＳＲ１０及びフィルタ１１ｂの温度の値を読み出すことにより行なってもよい。これによって、一つのＡ／Ｆセンサ９の出力信号に基づいて、本排気浄化システムが有する第１燃料添加弁６と第２燃料添加弁７のいずれの作動が異常であるかについても判定することが可能となる。

なお、ここでいう第１燃料添加弁６または第２燃料添加弁７の作動の異常としては、燃料添加弁の閉弁動作不良による燃料の添加しっ放しの他、燃料添加弁の開弁動作不良による添加燃料量の不足を例示することができる。すなわち、モニターによって得られた温度が推定温度よりも、予め設定した閾値を超えて高い場合には、対応する燃料添加弁において燃料の添加しっ放しが生じていると判定される。また、モニターによって得られた温度が推定温度よりも、予め設定した閾値を超えて低い場合には、対応する燃料添加弁において燃料添加量の不足が生じていると判定される。

また、本実施例における第１燃料添加弁６または第２燃料添加弁７の異常の検出（判定）及び、第１燃料添加弁６と第２燃料添加弁７のいずれの作動が異常であるかの判定は、いずれもＥＣＵ２０におけるプログラムの実行によって実現される。従って、ＥＣＵ２０は、本実施例における異常検出手段および異常部判定手段を構成する。

次に、本発明における実施例４について説明する。本実施例においては、実施例１で説明した構成の排気浄化システムにおいて、間欠リッチ制御をより高精度に維持するとともに、リーン期間におけるエミッションの悪化や白煙の発生を抑制する処理について説明する。

本実施例においては、実施例２における処理と同様、間欠リッチ制御中のリッチ期間においては第２燃料添加弁７から排気への燃料添加を禁止し、間欠リッチ制御のリーン期間には、第２燃料添加弁７から排気への燃料添加を許可している。そして、本実施例では、実施例２と異なり、間欠リッチ制御のリーン期間においても、Ａ／Ｆセンサ９の出力信号の利用を禁止していない。

ここで、間欠リッチ制御のリーン期間において、第２燃料添加弁７から排気へ燃料添加される主な目的は、フィルタ１１ｂの温度の維持である。従って、第２燃料添加弁７から排気へ添加された燃料の量が、第２燃料添加弁７の異常により想定以上に多くなり、排気の空燃比がストイキ以下になってしまった場合には、フィルタユニット１１をすり抜けるＨＣの量が増加し、白煙が発生するおそれがある。

これに対し、本実施例においては、間欠リッチ制御のリーン期間に第２燃料添加弁７から排気に燃料を添加する場合に、Ａ／Ｆセンサ９の出力信号が異常値（例えば、ストイキ以下）を示した時に第２燃料添加弁７からの燃料添加を停止または減量することとした。なお、異常値の閾値をストイキとした場合は、本実施例における限界空燃比はストイキということになる。

これによれば、第２燃料添加弁７に何らかの異常が発生し、添加燃料の量が目標値に対して極端に多くなった場合にも、フィルタユニット１１をすり抜けて未燃ＨＣが大気に放散されることを抑制でき、白煙の発生を抑制することができる。

なお、上記の実施例においては、間欠リッチ制御実施の例としてＮＳＲ１０に対するＮＯx還元処理を挙げて説明したが、ＮＳＲ１０に対するＳＯx被毒回復処理に対して本発明が適用できることはもちろんである。また、第２燃料添加弁７からの燃料添加として、上記の実施例では強制的なＰＭ再生処理を例に挙げて説明したが、本発明はフィルタ１１ｂの温度を強制的なＰＭ再生処理の場合（例えば６００℃付近）と比較して低温域（例えば３００℃付近）に維持するＰＭ連続再生に対して適用しても構わない。また、本発明の燃料供給手段の例として第１燃料添加弁６を挙げたが、ＮＳＲ１０に対して燃料を供給する手段としては、内燃機関１における副噴射などの別の手段を用いてもよい。

また、上記の実施例においては、排気浄化システムにおいてＮＳＲ１０とフィルタユニット１１の２つの排気浄化装置が設けられた例について説明したが、本発明の思想から逸脱しない限り、さらに多くの排気浄化装置を備えた排気浄化システムに本発明を適用してもよい。また、第１排気浄化装置または第２排気浄化装置には酸化触媒ＣＣｏ、フィルタに吸蔵還元型ＮＯx触媒が担持されたＤＰＮＲを含んでいてもよい。

また、本発明はディーゼル機関に限らず、ガソリン機関に対しても適用可能である。

本発明の実施例１に係る内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示した図である。 本発明の実施例１に係るＰＭ再生処理ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係るミキサの有無とミキサ雰囲気温度の、Ａ／Ｆセンサの搭載可能位置への影響を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る排気の空燃比と、第２燃料添加弁からの燃料添加許否との関係を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１・・・内燃機関
３・・・排気マニホールド
５・・・排気管
５ａ・・・中間部
６・・・第１燃料添加弁
７・・・第２燃料添加弁
８・・・ミキサ
９・・・Ａ／Ｆセンサ
１０・・・ＮＳＲ
１１・・・フィルタユニット
１１ａ・・・酸化触媒
１１ｂ・・・フィルタ
２０・・・ＥＣＵ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、吸蔵還元型ＮＯx触媒によって該排気通路を通過する
   排気中のＮＯxを浄化する第１排気浄化装置と、
   前記第１排気浄化装置に流入する排気に還元剤としての燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記排気通路における前記第１排気浄化装置の下流側に設けられ、フィルタによって該排気通路を通過する排気中の微粒子物質を浄化する第２排気浄化装置と、
   前記排気通路における前記第１排気浄化装置と前記第２排気浄化装置の間の領域である中間領域に設けられ、該排気通路の中間領域を通過する排気に燃料を添加することで、前記第２排気浄化装置に還元剤としての燃料を供給する燃料添加弁と、
   前記中間領域における前記燃料添加弁の下流側に設けられ、該中間領域を通過する排気と前記燃料添加弁から添加された燃料との混合を促進するミキサと、
   前記中間領域における前記ミキサの下流側に設けられ、該中間領域を通過する排気の空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記燃料供給手段から前記第１排気浄化装置に間欠的に燃料を供給することによる間欠リッチ制御を行う間欠リッチ制御手段と、を備え、
   前記間欠リッチ制御の実行と、前記フィルタへの還元剤の供給要求に基づく前記燃料添加弁から排気への燃料の添加とが重なる場合には、前記燃料添加弁からの燃料の添加の前に、前記中間領域における排気の温度を、前記燃料添加弁から添加された燃料が前記ミキサにおいて気化可能な所定の気化温度まで上昇させることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記間欠リッチ制御の実行と、前記フィルタへの還元剤の供給要求に基づく前記燃料添加弁から排気への燃料の添加とが重なる場合とは、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に対するＮ
   Ｏx還元処理と、前記フィルタに対するＰＭ再生処理とが重なる場合であることを特徴と
   する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
3. 前記間欠リッチ制御によって、前記空燃比センサに検出される排気の空燃比がリッチとなる期間には、前記燃料添加弁からの燃料の添加を禁止することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記間欠リッチ制御によって、前記空燃比センサに検出される排気の空燃比がリーンとなる期間には、前記燃料添加弁からの燃料の添加を許可するとともに、前記空燃比センサの出力信号の前記内燃機関に係る制御への使用を禁止することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記空燃比センサによって検出された排気の空燃比に基づいて、前記燃料供給手段および／または前記燃料添加弁により供給された燃料の量の異常を検出する異常検出手段と、
   前記異常検出手段によって前記燃料供給手段および／または前記燃料添加弁により供給された燃料の量の異常が検出された際に、前記第１排気浄化装置および前記第２排気浄化装置の温度を取得し、取得された温度によって、前記燃料供給手段および前記燃料添加弁のいずれから供給された燃料の量が異常かを判定する異常部判定手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化システム。
6. 前記間欠リッチ制御によって、前記空燃比センサに検出される排気の空燃比がリーンとなる期間には、前記燃料添加弁からの燃料の添加を許可するとともに、前記空燃比センサが検出した排気の空燃比が所定の限界空燃比以下となった場合には、前記燃料添加弁からの燃料の添加を停止しまたは燃料添加量を減量することを特徴とする請求項１から３のい
   ずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化システム。

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