JP2010138748A

JP2010138748A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2010138748A
Application number: JP2008314214A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Hosaka; 悠一保坂
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: JP5332575B2

Abstract

【課題】低排気温度でのＤＰＦの再生を可能にする
【解決手段】内燃機関１のＤＰＦ２１の上流に酸化触媒２２を設ける。内燃機関１の負荷と回転速度が、パティキュレート燃焼によるＤＰＦ２１の再生に適した運転領域にない場合に、空気過剰率を高めてパティキュレート発生を抑制する一方、排気還流量と還流排気温度の制御を通じて、排気温度を高めるとともに、排気還流率を低下させる。その結果、酸化触媒２２が活性化するとともに、内燃機関１の燃焼によって発生する一酸化窒素が増える。活性状態の酸化触媒２２は一酸化窒素を二酸化窒素に変換し、二酸化窒素がＤＰＦ２１のパティキュレートと反応することで、ＤＰＦ２１を再生する。したがって、パティキュレート燃焼によるＤＰＦ２１の再生に不適な運転領域においても、ＤＰＦ２１の再生を行なうことができる。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の排気通路に設けるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の再生に関する。

リーン空燃比環境で燃焼を行なうディーゼルエンジンの排気には、パティキュレートと呼ばれる炭素（Ｃ）を主成分とする粒子状物質が含まれる。ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）は、パティキュレートが大気に放出されないように、内燃機関の排気通路においてパティキュレートをトラップするフィルタである。トラップされたパティキュレートはＤＰＦに堆積する。堆積したパティキュレートは排気の温度上昇により燃焼し、ＤＰＦから除去される。この処理をＤＰＦの再生という。

ＤＰＦ再生には排気温度を上昇させる必要があるが、排気温度を上昇させると窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出が増加するという問題が生じる。特許文献１はＤＰＦ再生時の昇温性の向上と、ＮＯｘの排出抑制のための提案を行なっている。

特許文献１の従来技術はディーゼルエンジンの排気の一部を吸気に還流する排気還流（ＥＧＲ）通路と、ＥＧＲ通路の還流排気を冷却するＥＧＲクーラと、ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路と、ＥＧＲクーラとバイパス通路を切り換えるバイパス弁とを備えている。この従来技術はバイパス弁の操作により、還流排気の冷却と非冷却、あるいは冷却度合いを選択することで、ディーゼルエンジンの排気温度をＮＯｘ発生を抑制しつつＤＰＦ再生に適した温度へと制御する。
特開２００６−１５２８９１号公報

パティキュレートを燃焼させるためには、４５０℃以上の温度が必要である。しかしながら、特許文献１が開示する昇温方法は、ディーゼルエンジンの運転条件によっては、適用し難い場合がある。例えば、ディーゼルエンジンの低負荷低回転領域でポスト噴射や燃料噴射タイミングの遅角などの燃料噴射制御によって強制的に排気温度を上昇させると、ディーゼルエンジン内部のオイル希釈を招いたり、ディーゼルエンジンの燃料消費を悪化させる可能性が高い。

一方、ディーゼルエンジンの運転が低温条件で継続的に行なわれると、ＤＰＦにパティキュレートが過剰に堆積し、ＤＰＦがパティキュレートをトラップできなくなる可能性がある。

この発明は、ＤＰＦの再生に関わる上記の課題を解決すべく、低排気温度でのＤＰＦ再生を実現することを目的とする。

以上の目的を達成するために、この発明は内燃機関の排気を浄化する内燃機関の排気浄化装置において、排気に含まれるパティキュレートをトラップするディーゼルパティキュレートフィルタと、排気温度を上昇させる排気温度上昇手段と、ディーゼルパティキュレートフィルタの上流に設けられ、二酸化窒素が排気に含まれるように二酸化窒素を生成する二酸化窒素生成手段と、ディーゼルパティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積量が所定量に達したかどうかを判定する堆積量判定手段と、パティキュレートの堆積量が所定量に達した場合に、内燃機関の運転状態が燃焼によるディーゼルパティキュレートフィルタの再生に適した運転領域にあるかどうかを判定する運転領域判定手段と、パティキュレートのトラップ量が所定量に達しており、内燃機関の運転状態が燃焼によるディーゼルパティキュレートフィルタの再生に適した運転領域にある場合に、排気温度上昇手段を作動させる手段と、パティキュレートのトラップ量が所定量に達しており、内燃機関の運転状態が燃焼によるディーゼルパティキュレートフィルタの再生に適した運転領域にない場合に、二酸化窒素生成手段を作動させる手段と、を備えている。

パティキュレートのトラップ量が所定量に達しており、内燃機関の運転状態が燃焼によるディーゼルパティキュレートフィルタの再生に適した運転領域にない場合には、二酸化窒素生成手段により二酸化窒素を生成することで、生成された二酸化窒素がディーゼルパティキュレートフィルタにトラップされたパティキュレートに含まれる炭素と反応し、パティキュレートの主成分である炭素を酸化してディーゼルパティキュレートフィルタから除去する。排気温度がパティキュレートの燃焼温度に達しない内燃機関の運転状態においても、ディーゼルパティキュレートフィルタの再生が可能となるので、ディーゼルパティキュレートフィルタを再生可能な内燃機関の運転領域が拡大し、ディーゼルパティキュレートフィルタへのパティキュレートの過剰堆積を排気組成や燃費を悪化させずに防止できる。

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説明する。

図１は、この発明の第１の実施形態による排気還流装置を備えた内燃機関の概略構成図である。図２はこの発明の第１の実施形態による排気還流装置のＤＰＦ再生コンセプトを説明するダイアグラムである。図３はこの発明の第１の実施形態によるコントローラが実行するＤＰＦ再生ルーチンを説明するフローチャートである。図４はこの発明の第１の実施形態によるコントローラが実行するＮＯ₂によるＤＰＦ再生サブルーチンを説明するフローチャートである。図５は還流排気温度と空気過剰率λに対する、ＥＧＲ率、スモーク発生量、及びＮＯｘ発生量との関係を示すダイアグラムである。

図１を参照すると、車両用の４気筒圧縮着火式の内燃機関１は、吸気通路１０から吸気弁４を介して各気筒の燃焼室６に吸入した空気に、燃料噴射弁４０が燃料を噴射することで気筒内に混合気を生成する。混合気は気筒内に収装されたピストン２の往復運動によって圧縮され、圧縮に伴う温度上昇により燃焼室６内で着火して燃焼する。燃焼により燃焼室６内に発生する燃焼ガスは排気弁５から排気通路２０を通って排出される。内燃機関１は各気筒において吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を順番に繰り返す、４ーストロークサイクルエンジンで構成される。

吸気通路１０には吸気を過給するターボ過給器５０のコンプレッサと、吸気流量を調整する吸気スロットル３２が設けられる。吸気通路１０は吸気コレクタ１１を介して各気筒に接続される。

排気通路２０にはターボ過給器５０の排気タービンと、酸化触媒２２と、排気中のパティキュレートをトラップするディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２１とが設けられる。

ターボ過給器５０の排気タービンは可変ノズル２４を備える。可変ノズル２４は内燃機関１の低速回転時における排気タービンへ流入する排気の流速を高めて吸気の過給効果を高める一方、高速回転時には全開して排気の排気タービンへの流入抵抗を小さくする役割をもつ。また、排気タービンの上流から、排気の一部を吸気コレクタ１１に還流する排気還流（ＥＧＲ）通路３０が排気通路２０に接続される。

ＥＧＲ通路３０には還流排気を冷却する水冷クーラ３４と、排気還流（ＥＧＲ）流量を調整する排気還流（ＥＧＲ）弁３１が設けられる。さらに水冷クーラ３４をバイパスするバイパス通路３７と、バイパス通路３７と水冷クーラ３４の間の排気の流量比率を開度に応じて変化させるバイパス弁３８とが設けられる。

燃料噴射弁４０へ燃料を供給するために、内燃機関１のクランク軸により駆動される高圧燃料ポンプ４３と、高圧燃料ポンプ４３が吐出した高圧燃料を一時的に貯留するコモンレール４１が設けられる。高圧燃料ポンプ４３とコモンレール４１は燃料配管４２で接続される。燃料噴射弁４０はコモンレール４１に接続され、コントローラ７０から入力されるパルス幅変調信号に応じてコモンレール４１に貯留された燃料を燃焼室６に噴射する。

燃料噴射弁４０の燃料噴射、吸気スロットル３２の開度、ターボ過給器５０の可変ノズル２４の開度、ＥＧＲ弁３１の開度、及びバイパス弁３８の開度、はそれぞれコントローラ７０により制御される。コントローラ７０はこれらの制御を通じて、ＤＰＦ２１の再生を行なう。

コントローラ７０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたプログラム可能なマイクロコンピュータで構成される。コントローラを複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

燃料噴射制御のために、コントローラ７０には車両が備えるアクセルペダルの踏み込み量Ａｃｃを検出するアクセルペダル踏み込み量センサ６１、内燃機関１の回転速度とクランク角を検出するクランク角センサ６０、排気温度を検出する温度センサ６２、ＤＰＦ２１の上下流の差圧を検出する差圧センサ６３、ＤＰＦ２１のベッド温度を検出する温度センサ６４、酸化触媒２２のベッド温度を検出する温度センサ６５、排気通路２０に設けた空燃比センサ６６、内燃機関１の吸入新気量を検出するエアフローメータ６７、ＥＧＲ通路３０の還流排気量を検出する流量センサ６８、及び燃焼質６から排出される排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度センサ６９からそれぞれ検出データが信号入力される。

図２を参照して、コントローラ７０が実行するＤＰＦ２１の再生制御のコンセプトを説明する。

内燃機関１の負荷が高い高負荷領域では、排気温度が高い。この場合には、吸気スロットル３２を開いて吸入空気量を増やすのみで、ＤＰＦ２１に堆積したパティキュレートを燃焼させるのに必要な排気温度を達成可能である。

内燃機関１の負荷が低く、回転速度が高い、低負荷高回転領域では、ＤＰＦ２１に堆積したパティキュレートを燃焼させるのに必要な排気温度は、燃料噴射弁４０によるポスト噴射の実行と、メイン噴射タイミングの遅角操作によって得られる。

一方，内燃機関１の負荷と回転速度がともに低い低負荷低回転領域で、低負荷高回転領域と同様の排気温度の上昇操作を行なうと、ディーゼルエンジン内部のオイル希釈や、ディーゼルエンジンの燃料消費の悪化を招く可能性が高い。

そこで、この低負荷低回転領域では、コントローラ７０はパティキュレートの燃焼によるＤＰＦ２１の再生を行なう代わりに、ＮＯ₂をＤＰＦ２１に供給し、パティキュレートの主成分である炭素（Ｃ）に次式（１）の化学反応を生起することで、パティキュレートをＤＰＦ２１から除去する。

２ＮＯ₂＋Ｃ→２ＮＯ＋ＣＯ₂ （１）

前述のように、パティキュレートを燃焼させるは４５０℃の高温が必要であるが、上記の反応は２００℃程度で開始される。

ＤＰＦ２１に供給するＮＯ₂は、上流の酸化触媒２２において次式（２）の触媒反応により排気中のＮＯをＮＯ₂にすることで得られる。

２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂ （２）

コントローラ７０は酸化触媒２２における式（２）の化学反応を促進するために、酸化触媒２２のベッド温度を上昇させて、酸化触媒２２を活性化する。そのために、コントローラ７０は、可変ノズル２４、ＥＧＲ弁３１、及びバイパス弁３８の開度制御を通じて、燃焼室６に供給される混合気の空気過剰率λと、排気還流（ＥＧＲ）率と、還流排気の温度（ＥＧＲ温度）とを制御する。

酸化触媒２２はベッド温度が２００℃程度に達すれば活性化し、空気過剰率λの上昇により強化された空気過剰雰囲気のもとでＮＯからＮＯ₂を生成する。

図３を参照して、以上の制御を実現するために、コントローラ７０が実行するＤＰＦ再生ルーチンを次に説明する。コントローラ７０はこのルーチンを内燃機関１の運転中に一定の時間間隔、すなわち例えば１０ミリ秒ごとに実行する。

ステップＳ１でコントローラ７０は、ＤＰＦ２１の再生要求が存在するかどうかを判定する。ＤＰＦ２１の再生要求は、ＤＰＦ２１のパティキュレート堆積量か所定量を上回ることで発せられる。ＤＰＦ２１のパティキュレート堆積量は、差圧センサ６３が検出するＤＰＦ２１の上下流の差圧から推定する。

ＤＰＦ２１の再生要求が存在しない場合には、コントローラ７０は何もせずにルーチンを終了する。

ＤＰＦ２１の再生要求が存在する場合には、コントローラ７０はステップＳ２で、ＤＰＦ２１のベッド温度、内燃機関１の負荷と回転速度、及び酸化触媒２２のベッド温度を読み込む。

ここで、ＤＰＦ２１のベッド温度は温度センサ６４により検出される。酸化触媒２２のベッド温度は温度センサ６５により検出される。内燃機関１の負荷はアクセルペダル踏み込み量センサ６１が検出するアクセルペダルの踏み込み量Ａｃｃとして表される。内燃機関１の回転速度はクランク角センサ６０により検出される。

ステップＳ３で、コントローラ７０は内燃機関１の運転状態がパティキュレートの燃焼によるＤＰＦ２１の再生に適しているかどうかを判定する。具体的には、コントローラ７０は、内燃機関の負荷と回転速度に基づき、図２に示す特性の予めＲＯＭに格納された運転領域マップを検索して、内燃機関１の運転状態が、前述の高負荷領域、低負荷高回転領域、低負荷低回転領域のいずれにあるかを判定する。

判定の結果、内燃機関１の運転状態が低負荷低回転領域にある場合には、内燃機関１の運転状態がパティキュレート燃焼によるＤＰＦ２１の再生に適さない領域である。一方、内燃機関１の運転状態が他の領域にある場合には、内燃機関１の運転状態がパティキュレート燃焼によるＤＰＦ２１の再生に適した領域である。

コントローラ７０はステップＳ３の判定結果に基づき、内燃機関１の運転状態がパティキュレートの燃焼によるＤＰＦ２１の再生に適している場合には、ステップＳ６でＤＰＦ２１の通常の強制昇温操作を行なう。すなわち、燃料噴射弁４０にポスト噴射を実行させるとともに、燃料噴射弁４０のメイン噴射タイミングを遅角操作する。また、必要に応じて吸気スロットル３２を開いて吸入空気量を増やす。これらの操作は公知のＤＰＦ再生操作である。ステップＳ６の処理の後、コントローラ７０はルーチンを終了する。

一方、内燃機関１の運転状態がパティキュレートの燃焼によるＤＰＦ２１の再生に適していない場合には、ステップＳ４の処理を行なう。

ステッＳ４でコントローラ７０は燃料噴射弁４０の燃料噴射制御及び吸気スロットル３２の開度制御による強制的なＤＰＦ２１の昇温操作を禁止する。そして、次のステップＳ５で、コントローラ７０は図４に示すＮＯ₂によるＤＰＦ再生サブルーチンを実行することで、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生を行なう。

図４を参照すると、ステップＳ２１でコントローラ７０は、ステップＳ１で読み込んだ酸化触媒２２のベッド温度、ＤＰＦ２１のベッド温度、及び内燃機関１の負荷と回転速度に加えて、空気過剰率λ、ＥＧＲ率、排気温度をそれぞれ読み込む。空気過剰率λは排気通路２０に設けた空燃比センサ６６により検出される。ＥＧＲ率は還流排気量と吸入新気量との比であり、吸入新気量はエアフローメータ６７で、還流排気量は流量センサ６８でそれぞれ検出される。排気温度は温度センサ６２により検出される。

ステップＳ２２でコントローラ７０は空気過剰率λが所定値以上かどうかを判定する。

空気過剰率λが所定値以上の場合にはコントローラ７０はステップＳ２４の処理を行なう。空気過剰率λが所定値以上でない場合は、コントローラ７０はステップＳ２３で空気過剰率λの増加処理を行なう、すなわち、ＥＧＲ弁３８を閉じ、可変ノズル２４の開度を減じる。この操作により、ＥＧＲが停止し、可変ノズル２４によって加速された排気流に駆動されるターボ過給器５０の排気タービンにより、コンプレッサが吸気通路１０の吸気を過給する。

その結果、コンプレッサに過給された空気のみが内燃機関１の燃焼室６に吸入される。この操作により、空気過剰率λが増加し、燃焼室６における混合気燃焼によるパティキュレートの生成が抑制されるとともに、混合気の燃焼によりＮＯｘが発生しやすい環境となる。

発明者らの研究によれば、還流排気温度と空気過剰率λに対して、ＥＧＲ率、スモーク発生量、及びＮＯｘ発生量は図５に示すように変化する。すなわち、ステップＳ２３の処理の結果、空気過剰率λが増加すると、ＮＯｘの生成量が増加する。

ステップＳ２３の処理の後、コントローラ７０はステップＳ２４の処理を行なう。

ステップＳ２４で、コントローラ７０はＮＯｘ濃度センサ６９が検出するＮＯｘ濃度が所定濃度以上かどうかを判定する。なお、ＤＰＦ２１の再生に用いるＮＯ₂はＮＯｘの一部であってすべてではないが、ＮＯｘ濃度が高いことはＮＯ₂の濃度も高いことを意味する。

ＮＯｘ濃度が所定濃度以上の場合には、コントローラ７０はステップＳ２６の処理を行なう。ＮＯｘ濃度が所定濃度以上でない場合には、コントローラ７０はステップＳ２５で、ＮＯｘ排出制御を次のように行なう。すなわち、バイパス弁３８を開くとともに、ＥＧＲ弁３１を小開度とする。これにより、ＥＧＲ率が低下する。また、還流排気温度が上昇する。

図５を参照すると、ＥＧＲ率の低は空気過剰率λの上昇をもたらし、空気過剰率λの上昇と還流排気温度の上昇が内燃機関１によるＮＯｘの生成量を増加させる。

ステップＳ２５の処理の後、コントローラ７０はステップＳ２６の処理を行なう。

ステップＳ２６でコントローラ７０は、ＤＰＦ２１のベッド温度と、酸化触媒２２のベッド温度がそれぞれ所定温度以上かどうかを判定する。酸化触媒２２のベッド温度が所定温度以上の場合には、酸化触媒２２は活性化し、ＮＯの酸化を促進して排気中のＮＯ₂を増やす。また、ＤＰＦ２１のベッド温度が所定温度以上になると、ＤＰＦ２１に堆積したパティキュレートは酸化触媒２２において生成されたＮＯ₂により前述の式（１）と（２）の酸化反応を起し、ＤＰＦ２１から除去される。コントローラ７０はしたがって、ステップＳ２６の条件が成立する場合には、ルーチンを終了する。

ステップＳ２６の判定が否定的な場合、すなわちＤＰＦ２１のベッド温度と、酸化触媒２２のベッド温度のいずれかまたは両方が所定温度以上でない場合には、コントローラ７０は排気温度制御を次のように行なう。
すなわち、ステップＳ２５の処理と同様にバイパス弁３８を開く一方、ＥＧＲ弁３１も開く。その結果、ＥＧＲ量が増え高温の還流排気により燃焼室１から排出される排気の温度が上昇する。ステップＳ２６の処理の後、コントローラ７０はサブルーチンを終了する。

再び図３を参照すると、ステップＳ３で内燃機関１の運転状態がパティキュレートの燃焼によるＤＰＦ２１の再生に適していないと判断された場合、すなわち、内燃機関１の負荷と回転速度が図１の低負荷低回転領域にあると判断された場合には、常にステップＳ４とＳ５の処理、すなわちパティキュレートを燃焼させるための昇温制御を禁止する一方で、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生制御が行なわれる。

したがって、内燃機関１の低負荷かつ低回転領域、すなわち排気温度がパティキュレートの燃焼によるＤＰＦ２１の再生に適していない低温時、においても、ＮＯ₂を用いてＤＰＦ２１を確実に再生することができる。また、この条件では、ＤＰＦ２１を無理に昇温させないので、エンジンオイルの希釈や、燃費の悪化を防ぐことができる。

このようにして低温時におけるＤＰＦ２１の再生が可能となるので、ＤＰＦ２１を再生可能な内燃機関１の運転領域を拡大することができる。その結果、内燃機関１が低負荷低回転領域での運転を継続する場合でも、ＤＰＦ２１へのパティキュレートの過剰な堆積を確実に防止することでできる。

また、低負荷低回転領域においては、図４のサブルーチンのもとで、空気過剰率λと、ＮＯ₂濃度と、排気温度とを制御するので、燃焼室６における混合気の燃焼によるパティキュレートの発生を抑制しつつ、ＤＰＦ２１の再生に必要なＮＯ₂の酸化触媒２２における生成と、ＮＯ₂によるＤＰＦ２１の再生に必要なＤＰＦ２１のベッド温度の昇温操作とを、単一のサブルーチンの中で一度に実行可能である。

次に図６を参照してこの発明の第２の実施形態を説明する。この実施形態によるコントローラ７０は、図３のＤＰＦ再生ルーチンに代えて図６に示すＤＰＦ再生ルーチンを実行する。

図６を参照すると、コントローラ７０はステップＳ３１で、ステップＳ１の処理と同様に、ＤＰＦ２１の再生要求が存在するかどうかを判定する。

ＤＰＦ２１の再生要求が存在する場合には、コントローラ７０はステップＳ３２で、ＤＰＦ２１のベッド温度、及び内燃機関１の負荷と回転速度を読み込む。

ステップＳ３３でコントローラ７０は、ＤＰＦ２１のベッド温度が所定温度以下であり、かつ内燃機関１の負荷が所定負荷以下であり、かつ内燃機関１の回転速度が所定速度以下であるかどうかを判定する。ここで、所定負荷と所定速度は図２の低負荷低回転領域を判定するための値である。

ステップＳ３３の判定が否定的な場合には、コントローラ７０は、ステップＳ４０でステップＳ６と同様のＤＰＦ２１の強制昇温操作を行なった後、ルーチンを終了する。

ステップＳ３３の判定が肯定的な場合には、コントローラ７０はステップＳ３４において、現在の運転条件におけるＤＰＦ２１へのパティキュレート堆積速度を推定する。具体的には、空気過剰率λと内燃機関１の負荷及び回転速度をパラメータとする予めＲＯＭに格納されたマップを参照して、内燃機関１の単位時間当たりのパティキュレート排出量を計算する。このようにして計算した、単位時間当たりのパティキュレート排出量を、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生制御を行なわない場合の、ＤＰＦ２１へのパティキュレート堆積速度と見なす。

ステップＳ３５で、コントローラ７０はＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生制御を行なった場合のＤＰＦ２１へのパティキュレート流入速度を推定する。具体的には、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生制御のもとでの空気過剰率λと内燃機関１の負荷及び回転速度に基づき、ステップＳ３４で参照したマップを検索し、内燃機関１の単位時間当たりのパティキュレート排出量を計算する。その上で、単位時間当たりのパティキュレート排出量をＤＰＦ２１へのパティキュレート流入速度と見なす。ＤＰＦ２１の再生制御の手法については第１の実施例で説明した通りであり、ＤＰＦ２１の再生制御のもとでの空気過剰率λの変化は既知である。

ステップＳ３６で、コントローラ７０はＤＰＦ２１のベッド温度に基づき、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生制御を行なった場合のＤＰＦ２１の再生速度を推定する。ここで再生速度とは単位時間当たりのパティキュレートの減少量を意味する。

ステップＳ３７で、コントローラ７０はステップＳ３４で推定したＤＰＦ２１へのパティキュレート流入速度からステップＳ３５で推定したＤＰＦ２１の再生速度を差し引くことで、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生制御のもとでのＤＰＦ２１へのパティキュレート堆積速度を計算する。

ステップＳ３８で、コントローラ７０はステップＳ３４で推定したＤＰＦ２１の再生制御を行わない場合のＤＰＦ２１へのパティキュレート堆積速度と、ステップＳ３７で計算したＤＰＦ２１の再生制御のもとでのＤＰＦ２１へのパティキュレート堆積速度とを比較する。

前者が後者より大きい場合には、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生制御が効果的であることを意味する。この場合には、コントローラ７０はステップＳ３９で、図３のステップＳ５と同様に、図４に示すＮＯ₂によるＤＰＦ再生サブルーチンを実行することで、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生を行なう。

一方、前者が後者より大きくない場合には、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生制御が効果的でないことを意味する。この場合には、コントローラ７０は、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生を行なわずにルーチンを終了する。

この実施形態によれば、図２に示される内燃機関１の低負荷低回転領域において、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生に先立ち、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生が効果的かどうかをあらかじめ判定するので、ＤＰＦ２１の再生をより確実に行なうことができる。

図７を参照してこの発明の第３の実施形態を説明する。この実施形態によるコントローラ７０は図３のＤＰＦ再生ルーチンに代えて図７に示すＤＰＦ再生ルーチンを実行する。

図７を参照すると、ステップＳ４１でコントローラ７０は、図３のステップＳ１の処理と同様に、ＤＰＦ２１の再生要求が存在するかどうかを判定する。

ＤＰＦ２１の再生要求が存在する場合には、コントローラ７０はステップＳ４２で、図６のステップＳ３２と同様に、ＤＰＦ２１のベッド温度、及び内燃機関１の負荷と回転速度を読み込み、ステップＳ４３で、図６のステップＳ３３と同様に、ＤＰＦ２１のベッド温度が所定温度以下であり、かつ内燃機関１の負荷が所定負荷以下であり、かつ内燃機関１の回転速度が所定速度以下であるかどうかを判定する。

ステップＳ４３の判定が肯定的な場合には、コントローラ７０は図６のステップＳ３４−Ｓ３８と同様に、ステップＳ４７−Ｓ５１の処理を行なう。ステップＳ５１においてＤＰＦ２１の再生制御を行わない場合のＤＰＦ２１へのパティキュレート堆積速度が、ＤＰＦ２１の再生制御のもとでのＤＰＦ２１へのパティキュレート堆積速度を上回る場合には、ステップＳ５２で図６のステップＳ３９と同様に、図４に示すＮＯ₂によるＤＰＦ再生サブルーチンを実行することで、ＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生を行なう。ステップＳ５２の処理の後、コントローラ７０はルーチンを終了する。

ステップＳ５１においてＤＰＦ２１の再生制御を行わない場合のＤＰＦ２１へのパティキュレート堆積速度が、ＤＰＦ２１の再生制御のもとでのＤＰＦ２１へのパティキュレート堆積速度を上回らない場合には、コントローラ７０はＤＰＦ２１の再生を行なわずにルーチンを終了する。

一方、ステップＳ４３の判定が否定的な場合には、コントローラ７０はステップＳ４４においてエンジンオイルの希釈度を検出する。エンジンオイルの希釈度はコントローラ７０が次の方法で検出する。すなわち、燃料噴射弁４０が実行するポスト噴射量とポストン噴射を実行する期間とに基づき、あらかじめＲＯＭに格納された希釈度マップを参照して希釈度を求める。希釈度マップは、ポストン噴射量が大きく、ポスト噴射の実行期間が長いほど希釈度が大きくなるように設定される。ポスト噴射量とポスト噴射の実行期間はいずれも燃料噴射弁４０の燃料噴射制御のためにコントローラ７０が決定するので、コントローラ７０にとっては既知の値である。

ステップＳ４５で、コントローラ７０はエンジンオイルの希釈度が所定の希釈度以上かどうかを判定する。エンジンオイルの希釈度が所定の希釈度以上でない場合には、パティキュレートの燃焼によるＤＰＦ２１の再生の支障にならないと見なされる。この場合には、コントローラ７０は、図３のステップＳ６と同様のＤＰＦ２１の強制昇温操作を行なった後、ルーチンを終了する。

一方、エンジンオイルの希釈度が所定の希釈度以上の場合は、ステップＳ４３の判定が否定的であっても、ＤＰＦ２１の強制昇温操作を行なわずに、ステップＳ４７以降の処理を行なう。エンジンオイルの希釈度が高い場合に、ポスト噴射やメイン噴射の遅角化を含むＤＰＦ２１の強制昇温操作を行なうと、エンジンオイルを一層希釈することになり、エンジンオイルの潤滑効果が失われる可能性があるからである。

この実施形態では、そのような場合には、ＤＰＦ２１の強制昇温操作を行なわず、必要に応じてＮＯ₂を用いたＤＰＦ２１の再生制御を行なうことで、エンジンオイルの希釈を防ぎつつ、ＤＰＦ２１の再生を行なうことができる。

以上の各実施例において、吸気スロットル３２と燃料噴射弁４０が排気温度上昇手段を構成し、コントローラ７０のステップＳ６，Ｓ４０，及びＳ４６が排気温度上昇手段を作動させる手段を構成する。酸化触媒２２が二酸化窒素生成手段を構成し、吸気スロットル３２と可変ノズル２４が空気過剰率制御手段を構成し、排気還流弁３１とバイパス弁３８が排気還流制御手段を構成し、コントローラ７０のステップＳ５，Ｓ３９，及びＳ５０が二酸化窒素生成手段を作動させる手段を構成する。差圧センサ６３とコントローラ７０のステップＳ１，Ｓ３１，及びＳ４１が堆積量判定手段を構成する。アクセルペダル踏み込み量センサ６１とクランク角センサ６０とコントローラ７０のステップＳ３，Ｓ３３，及びＳ４３が運転領域判定手段を構成する。コントローラ７０のステップＳ４３がエンジンオイルの希釈度判定手段を構成する。コントローラ７０のステップＳ３４とＳ４７が第１の計算手段を構成する。コントローラ７０のステップＳ３５−Ｓ３７とステップＳ４８−Ｓ５０が第２の計算手段を構成する。

以上、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

この発明の第１の実施形態による排気還流装置を備えた内燃機関の概略構成図である。この発明の第１の実施形態による排気還流装置のＤＰＦ再生コンセプトを説明するダイアグラムである。この発明の第１の実施形態によるコントローラが実行するＤＰＦ再生ルーチンを説明するフローチャートである。この発明の第１の実施形態によるコントローラが実行するＮＯ₂によるＤＰＦ再生サブルーチンを説明するフローチャートである。還流排気温度と空気過剰率λに対する、ＥＧＲ率、スモーク発生量、及びＮＯｘ発生量との関係を示すダイアグラムである。この発明の第２の実施形態によるコントローラが実行するＤＰＦ再生ルーチンを説明するフローチャートである。この発明の第３の実施形態によるコントローラが実行するＤＰＦ再生ルーチンを説明するフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
１０吸気通路
２０排気通路
２１ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
２２酸化触媒
２４可変ノズル
３１ＥＧＲ弁
３２吸気スロットル
３４ＥＧＲクーラ
３７バイパス通路
３８バイパス弁
４０燃料噴射弁
５０ターボ過給器
６０クランク角センサ
６１アクセルペダル踏み込み量センサ
６２温度センサ
６３差圧センサ
６４温度センサ
６５温度センサ
６６空燃比センサ
６７エアフローメータ
６８流量センサ
６９ＮＯｘ濃度センサ
７０コントローラ

Claims

内燃機関の排気を浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
排気に含まれるパティキュレートをトラップするディーゼルパティキュレートフィルタと、
排気温度を上昇させる排気温度上昇手段と、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流に設けられ、二酸化窒素が排気に含まれるように二酸化窒素を生成する二酸化窒素生成手段と、
ディーゼルパティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積量が所定量に達したかどうかを判定する堆積量判定手段と、
パティキュレートの堆積量が所定量に達した場合に、内燃機関の運転状態が燃焼によるディーゼルパティキュレートフィルタの再生に適した運転領域にあるかどうかを判定する運転領域判定手段と、
パティキュレートのトラップ量が所定量に達しており、内燃機関の運転状態が燃焼によるディーゼルパティキュレートフィルタの再生に適した運転領域にある場合に、排気温度上昇手段を作動させる手段と、
パティキュレートのトラップ量が所定量に達しており、内燃機関の運転状態が燃焼によるディーゼルパティキュレートフィルタの再生に適した運転領域にない場合に、二酸化窒素生成手段を作動させる手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記運転領域判定手段は、内燃機関の負荷が所定負荷以下かつ内燃機関の回転速度が所定回転速度以下の低負荷低回転領域で、内燃機関の運転状態が燃焼によるディーゼルパティキュレートフィルタの再生に適した運転領域にないと判定するように構成される、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。
内燃機関を潤滑するエンジンオイルの燃料による希釈度を判定する希釈度判定手段をさらに備えるとともに、前記運転領域判定手段はエンジンオイルの希釈度が所定レベル以上の場合には、内燃機関の運転状態が燃焼によるディーゼルパティキュレートフィルタの再生に適した運転領域にないと判定するようにさらに構成される、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。
二酸化窒素生成手段を稼働させない場合のディーゼルパティキュレートフィルタのパティキュレート堆積速度を計算する第１の計算手段と、二酸化窒素生成手段を稼働させた場合のディーゼルパティキュレートフィルタのパティキュレート堆積速度を計算する第２の計算手段と、をさらに備えるとともに、前記運転領域判定手段は第１の計算手段の計算結果が、第２の計算手段の計算結果を上回らない場合には、内燃機関の運転状態が二酸化窒素を生成させるのに適した運転領域にないと判定するようにさらに構成される、ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関は排気の一部を吸気に還流する排気還流機構を備え、前記二酸化窒素生成手段は排気の流れに関してディーゼルパティキュレートフィルタの上流に設けた酸化触媒と、内燃機関が燃焼させる混合気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段と、排気還流率と還流排気の温度とを制御する排気還流制御手段とを備える、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関は可変ノズルを備えた過給器と吸気スロットルとを備え、前記排気還流機構は排気還流通路と、排気還流通路の流量を開度に応じて調整する排気還流弁と、排気還流通路の排気を冷却する冷却器と、冷却器をバイパスするバイパス通路と、冷却器とバイパス通路を通る排気の比率を変化させるバイパス弁とを備え、前記空気過剰率制御手段は吸気スロットルの開度を制御する手段と、可変ノズルの開度を制御する手段とを備え、前記排気還流制御手段は排気還流弁の開度を制御する手段と、バイパス弁の比率を制御する手段とを備える、ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関は燃焼用の燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気量を調整する吸気スロットルとを備え、前記排気温度上昇手段は燃料噴射弁の噴射タイミングを制御する手段と、吸気スロットルの開度を制御する手段とで構成される、ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。