JP2013194516A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の状態で排気中のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵材と、排気中に含まれるＰＭを捕集するＰＭフィルタと、を備えた排気浄化装置において、それぞれの浄化性能を回復させる制御の実行機会をできるだけ増やして、排気浄化性能を安定的に確保する。
【解決手段】ＮＯｘ吸蔵材（ＮＳＲ）におけるＮＯｘの吸蔵量が所定の閾値に達するか、または、ＰＭフィルタ（ＤＰＦ）におけるＰＭの堆積量が所定の閾値に達するか、のいずれかのときに、ＥＧＲガス量を増量または減量させる補正制御を行って、ＮＯｘおよびＰＭのうち前記閾値に達した方の生成量を減少させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、自動車用ディーゼルエンジン等の内燃機関に搭載される排気浄化装置に関し、特に排気通路にＮＯｘ吸蔵材およびＰＭフィルタを備えたものに係る。

従来より、自動車等に搭載されるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという場合もある）の排気浄化装置として、酸素濃度の高い排気中においてもＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化可能なリーンＮＯｘ触媒と、排気中に含まれる粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を捕集するＰＭフィルタと、を備えたものが知られている（例えば下記の特許文献１を参照）。

リーンＮＯｘ触媒の中でもＮＯｘ吸蔵還元型の触媒（NOx Storage Reduction：ＮＳＲ）は、排気中の酸素濃度が高い状態、言い換えると排気の空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンな状態でＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵材を有している。そして、酸素濃度の低下、即ち空燃比のリッチ化に伴ってＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘを、排気中のＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）などと反応させて、還元浄化する。

このようなＮＳＲでは、ＮＯｘ吸蔵量の増大に連れて排気中のＮＯｘを吸蔵する能力が低下するので、吸蔵量が所定の閾値に達すれば意図的に排気の空燃比をリッチ化させて、吸蔵されているＮＯｘを放出させかつ還元するためのＮＯｘ還元制御が行われる。具体的には例えば、排気系に燃料添加弁を設けて燃料を供給したり、燃焼室内への主燃料噴射の後に少量の燃料を噴射（ポスト噴射）することで、排気の空燃比をリッチ化させてＮＳＲを還元雰囲気にすることができる。

一方、前記のＰＭフィルタとしては、通過する排気の流れから効率よくＰＭを漉し取る（捕集する）ために種々の構造が提案されており、例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction）として知られている。こうしてＰＭを捕集するフィルタでは、捕集したＰＭが壁面に堆積することでフィルタの通気抵抗が大きくなり、やがては目詰まりを生じることになる。

そこで、フィルタにおけるＰＭの捕集量（堆積量）が所定の閾値に達すれば、前記のＮＯｘ還元制御と同様に排気系への燃料供給やポスト噴射などを行い、こうして排気中に供給された燃料の燃焼によってフィルタ温度を所定以上に高めることで、堆積しているＰＭを酸化（燃焼）させて除去するフィルタ再生制御が行われる。

特開２００７−１０７４７４号公報

ところが、自動車用のエンジンの運転状態はドライバーの意志や走行環境による影響を強く受けるため、前記のＮＯｘ還元制御やフィルタ再生制御を十分には行えないことがある。すなわち、ディーゼルエンジンは熱効率が高い分、ガソリンエンジンに比べて排気の温度が低くなるので、例えば渋滞路など非常に走行速度の低い状態が続くと、ＮＳＲやＰＭフィルタの温度もかなり低くなってしまう。

このように温度の低い状態ではＰＭフィルタを、なかなかＰＭの燃焼するような温度まで昇温させることができないし、ＮＳＲも温度の低い状態では活性が低く、ＮＯｘの放出や還元を十分には行えない。特に、フィルタ再生制御の場合は、フィルタのＰＭを燃やし尽くすために比較的長い時間を要することから、一旦、制御を開始してもエンジンの運転状態の変化によって、途中で制御を中断せざるを得ないこともある。

そのため、前記のような低速走行の頻度が高い自動車においては長期間、有効なフィルタ再生制御が行えず、ＰＭフィルタにおけるＰＭの堆積量がなかなか少なくならないという実情があった。また、仮にＰＭの堆積量が許容される上限値を越えてしまうと、その後にフィルタ再生制御が行われたとき、ＰＭの燃焼によってフィルタ温度が高くなり過ぎるおそれもある。

一方、ＮＯｘ還元制御についてはフィルタ再生制御に比べればＮＳＲの温度が低くても実行可能であり、また、短時間でＮＯｘの放出および還元浄化を終了できるものであるが、それでも一定以上の期間、有効な制御を行えず、ＮＯｘ吸蔵量が許容上限値を越えてしまう可能性がある。

かかる点に鑑みて本発明の目的は、排気浄化装置においてＮＳＲ、ＰＭフィルタのそれぞれの浄化性能を回復させる制御（ＮＯｘ還元制御やフィルタ再生制御）の実行機会をできるだけ増やして、排気浄化性能を安定的に確保することにある。

前記の目的を達成するために本発明の発明者は、実際に自動車に搭載されたディーゼルエンジンにおいてＮＯｘ還元制御やフィルタ再生制御が行われる状況を検証した結果、前記のようにＰＭフィルタが過剰なＰＭ堆積状態になったときでもＮＳＲのＮＯｘ吸蔵能力には余裕があることが多く、両者を併せた排気浄化装置全体としてはその能力を十全に発揮していないことに気づいた。

かかる知見に基づいて発明者は、従来までのようにＮＳＲの状態のみに基づいてＮＯｘ還元制御を行い、ＰＭフィルタの状態のみに基づいてフィルタ再生制御を行うのではなく、ＮＯｘ吸蔵量およびＰＭ捕集量のバランスを考慮して、いずれか一方のみが多くなり過ぎないように内燃機関の燃焼状態を制御するようにした。

−解決手段−
具体的に本発明は、内燃機関の排気通路に配設され、所定の状態で排気中のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵材と、排気中に含まれるＰＭを捕集するＰＭフィルタと、を備えた排気浄化装置が対象であり、前記内燃機関には、燃焼室に残留もしくは還流させる既燃ガス量を調整可能な既燃ガス量調整手段が設けられている。この場合に、前記ＮＯｘ吸蔵材におけるＮＯｘの吸蔵量が所定の閾値に達するか、または、前記ＰＭフィルタにおけるＰＭの捕集量が所定の閾値に達するか、のいずれかのときに、前記燃焼室において生成されるＮＯｘおよびＰＭのうち、前記閾値に達した方の生成量が減少するように、前記既燃ガス量調整手段によって既燃ガス量を増量または減量させる補正制御を行う、制御手段を備えたものである。

この特定事項により、内燃機関の運転中に燃焼室において生成されるＮＯｘおよびＰＭは、それぞれ排気浄化装置のＮＯｘ吸蔵材に吸蔵され、また、ＰＭフィルタに捕集されて除去される。そして、ＮＯｘの吸蔵量またはＰＭの捕集量のいずれかが所定の閾値に達すれば、この閾値に達した方の生成量が減少するように、内燃機関の燃焼室に残留もしくは還流される既燃ガス（以下、まとめてＥＧＲともいう）の量が増量または減量される。

すなわち、例えばＰＭフィルタのＰＭ捕集量が閾値に達すればＥＧＲは減量され、燃焼に伴うＰＭの生成量が減少するので、ＰＭフィルタのＰＭ堆積量が許容される上限値を越えるまでの期間を延長して、フィルタ再生制御の実行機会を増やすことができる。同様にＮＯｘ吸蔵量が閾値に達すればＥＧＲは増量され、ＮＯｘの生成量が減少するので、ＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ吸蔵量が許容上限値を越えるまでの期間を延長して、ＮＯｘ還元制御の実行機会を増やすことができる。

つまり、ＮＯｘ吸蔵量およびＰＭ捕集量のいずれか一方のみが多くなり過ぎないようにＥＧＲを補正制御することで、内燃機関の燃焼に伴うＮＯｘおよびＰＭの生成量のバランスを修正することができる。これにより、ＮＯｘ吸蔵材およびＰＭフィルタの能力が飽和するまでの期間を極力、延長し、それぞれの能力を十全に発揮させて、排気浄化性能を安定的に確保することができる。

好ましい態様として、前記のようなＥＧＲの補正制御を始めるタイミングは、ＮＯｘ還元制御やフィルタ再生制御を始めるタイミングと同じにしてもよい。すなわち、前記制御手段は、ＰＭフィルタにおけるＰＭの捕集量が閾値に達したときに、内燃機関が所定の運転状態、即ちＰＭフィルタの昇温が難しいような運転状態にあれば、前記のように既燃ガス（ＥＧＲ）量の補正制御を行う。

一方、内燃機関が当該所定の運転状態になければフィルタ再生制御を行い、ＰＭフィルタの温度を上昇させて、捕集されているＰＭを燃焼除去することで、フィルタの捕集能力を回復させる。換言すれば本来、フィルタ再生制御を行うべき程度にまでＰＭ捕集量が多くなっているにもかかわらず、ＰＭを燃焼除去できないときに限って、前記したＥＧＲの減量補正を行う。つまり、機関運転状態などに応じて適正に設定されているＥＧＲ量を極力、変更せず、ＥＧＲによるポンプロスの低減効果などを十分に得ることができる。

また、前記制御手段は、ＮＯｘ吸蔵材におけるＮＯｘの吸蔵量が閾値に達したときに、内燃機関が所定の運転状態にあれば前記既燃ガス（ＥＧＲ）量の補正制御を行う一方、該所定の運転状態になければ前記ＮＯｘ吸蔵材に流入する排気の空燃比をリッチ化させて、吸蔵されているＮＯｘを還元浄化するためのＮＯｘ還元制御を行うものとしてもよい。

こうすればＮＯｘ吸蔵材についても、必要に応じてＮＯｘ還元制御を行い、ＮＯｘ吸蔵能力を適正に回復することができる。また、本来、ＮＯｘ還元制御を行うべき状況にもかかわらず、ＮＯｘ還元制御を行えないときに限ってＥＧＲの増量補正を行うことで、機関運転状態などに応じて適正に設定されているＥＧＲ量を極力、変更せず、ＥＧＲの増量に伴う燃焼状態の悪化などを抑制できる。

具体的に前記制御手段は、内燃機関の燃焼室に残留もしくは還流させる既燃ガス（ＥＧＲ）量が、運転状態に対応する目標値になるように前記既燃ガス量調整手段を制御するものとし、前記補正制御としては前記既燃ガス量の目標値を増量または減量補正するものとしてもよい。

一般にディーゼルエンジンにおいては、燃焼に伴い生成されるＮＯｘおよびＰＭの量がＥＧＲの影響を受け、ＥＧＲの増量によってＮＯｘの生成を抑制できるもののＰＭは増大する傾向があり、反対にＥＧＲを減量すればＰＭは少なくなるものの、ＮＯｘの生成が盛んになる傾向がある。よって、機関運転状態に応じてＥＧＲを適正に制御することで、排気中のＮＯｘおよびＰＭをバランスよく低減することができる。

更に前記制御手段は、ＮＯｘの吸蔵量およびＰＭの捕集量のうち閾値に達していない方の当該閾値までの余裕代に応じて、前記既燃ガス量調整手段による既燃ガス（ＥＧＲ）量の増量または減量補正の度合いを変更するようにしてもよい。すなわち、例えばＰＭ捕集量が閾値に達したとき、ＮＯｘ吸蔵量の閾値までの余裕代が大きければ、その分、ＥＧＲの減量補正量を大きくすることで、ＰＭ捕集量が許容上限値を越えるまでの期間を十分に延長することができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によると、ＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ吸蔵量とＰＭフィルタのＰＭ捕集量とを考慮してＥＧＲの補正制御を行い、燃焼に伴うＮＯｘおよびＰＭの生成量のバランスを修正することによって、ＮＯｘ吸蔵材またはＰＭフィルタの能力が飽和するまでの期間を極力、延長することができる。これにより、ＮＯｘ吸蔵材およびＰＭフィルタの能力を十全に発揮させ、排気の浄化性能を安定的に確保することができる。

実施形態に係るディーゼルエンジンおよびその制御系統の概略構成を示す図である。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 インジェクタによる燃料噴射の態様を模式的に示す説明図である。 ＥＧＲ制御の基本的な制御マップの一例を示す図である。 自動車の走行に連れてＰＭ堆積量およびＮＯｘ吸蔵量が増大する様子を、ＰＭ堆積量が再生閾値を越えて増大し、許容上限値に達してしまう従来例について模式的に示すタイミングチャート図である。 ＮＯｘ還元やＤＰＦ再生の機会を増やすためのＥＧＲの補正制御について示すフローチャート図である。 ＰＭ堆積量が閾値に達してＥＧＲを減量補正する場合の図５相当図である。 ＮＯｘ吸蔵量が閾値に達してＥＧＲを増量補正する場合の図５相当図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒（例えば直列４気筒）ディーゼルエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。

−エンジンの構成−
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成を、図１を参照して説明すると、このディーゼルエンジン１（以下、単にエンジン１ともいう）においては各気筒１ａ内の燃焼室にそれぞれ噴孔を臨ませてインジェクタ２が配置されている。これら各気筒１ａ毎のインジェクタ２は全ての気筒１ａに共通のコモンレール１１に接続されており、このコモンレール１１を介して上流側のサプライポンプ１０から送られてくる燃料の供給を受ける。

サプライポンプ１０は、燃料タンクから汲み上げられた燃料を加圧した後に燃料通路１０ａを介してコモンレール１１に供給する。コモンレール１１は、サプライポンプ１０から吐出される燃料の変動を緩和して燃圧を所定値に維持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２に分配する。インジェクタ２は、所定電圧が印加されたときに開弁して、気筒１ａ内に燃料を噴射供給する電磁駆動式の開閉弁である。このインジェクタ２の開閉制御、即ち燃料の噴射量および噴射時期の制御は、制御手段としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００によって行われる。

エンジン１には吸気通路３および排気通路４が接続されている。吸気通路３には、上流部（吸入空気流れ方向の上流部）から下流側に向けて順に、エアクリーナ９、エアフローメータ３３、ターボチャージャ６のコンプレッサ６３、インタークーラ８、および、スロットルバルブ５が配置されている。スロットルバルブ５はスロットルモータ５１によって開度が調整される。このスロットル開度はスロットル開度センサ４１によって検出される。なお、吸気通路３は、スロットルバルブ５の下流側に配置された吸気マニホールド３ａにおいて各気筒１ａに対応して分岐している。

一方、排気通路４は、エンジン１の各気筒１ａに繋がる排気マニホールド４ａによって、複数の気筒１ａからの排気の流れを１つに集合させる。この排気マニホールド４ａよりも下流側の排気通路４には、排気の空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンな（排気中の酸素濃度が高い）状態でもＮＯｘを浄化可能なＮＯｘ吸蔵還元型触媒（NOx Storage Reduction：以下、ＮＳＲ２１という）と、排気中に含まれるＰＭ（粒子状物質）を捕集するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２２とが順に配置されている。

ＮＳＲ２１は一例として、一般的な三元触媒にＮＯｘ吸蔵材としてアルカリ類、アルカリ土類、希土類酸化物を担持したものであり、排気の空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンな状態で排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材により吸蔵する一方、排気の空燃比がリッチ化すると、ＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘを排気中のＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）などと反応させて、還元浄化する。

一方、ＤＰＦ２２は、一例としてコージェライトやシリカ等の多孔質セラミックス構造体であり、排気の流れ方向に延びる多数の細長いセルを有する。隣り合うセルの前端部と後端部とは交互に目封じされており、前端部の開放したセルに流入した排気が隣のセルとの間の多孔質の壁を通過する際に、排気中のＰＭが捕集される。また、本実施形態のＤＰＦ２２には白金等の貴金属が担持されており、後述するＤＰＦ再生制御の際には、堆積したＰＭの酸化反応を促進する酸化触媒として機能する。

ＮＳＲ２１の上流側（排気流れの上流側）の排気通路４にはＡ／Ｆセンサ３６および第１排気温センサ３７が配置されており、この第１排気温センサ３７の出力信号によりＮＳＲ２１に流入する排気の温度を検出することができる。また、ＮＳＲ２１とＤＰＦ２２との間の排気通路４には第２排気温センサ３８が配置されており、この第２排気温センサ３８の出力信号によりＤＰＦ２２に流入する排気の温度を検出することができる。更にＤＰＦ２２の上流側圧力と下流側圧力との差圧を検出する差圧センサ３９も設けられている。

また、本実施形態のエンジン１にはターボチャージャ６が装備されている。ターボチャージャ６は、排気通路４のタービン６２と吸気通路３のコンプレッサ６３とをロータシャフト６１を介して連結してなり、タービン６２が受ける排気流（排気圧）を利用して、コンプレッサ６３を回転させることにより吸気を過給するものである。なお、ターボチャージャ６によって過給された吸気は、吸気通路３に配設されたインタークーラ８によって冷却される。

更に本実施形態のエンジン１にはＥＧＲ装置７が装備されている。ＥＧＲ装置７は、排気通路４から排気の一部を吸気通路３に還流させて、各気筒１ａの燃焼室へ再循環させるものである。一例としてＥＧＲ装置７は、吸気マニホールド３ａと排気マニホールド４ａとを接続するＥＧＲ通路７１を備え、このＥＧＲ通路７１には、吸気側へ還流される排気（以下、ＥＧＲガスともいう）を冷却するためのＥＧＲクーラ７３と、ＥＧＲバルブ７２とが設けられている。

ＥＧＲガスの流量はＥＧＲバルブ７２の開度に応じて調整されるので、本実施形態ではＥＧＲ通路７１とＥＧＲバルブ７２とによって、気筒１ａ内の燃焼室に還流させる既燃ガス量を調整可能な既燃ガス量調整手段が構成されている。そして、以下に述べるＥＣＵ１００からの制御指令に応じて、ＥＧＲバルブ７２のアクチュエータ（図示せず）が動作され、その開度が調整される。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図２に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３およびバックアップＲＡＭ１０４などを備えている。ＲＯＭ１０２には、各種制御プログラムや、それら制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。また、ＲＡＭ１０３はＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ１０４はエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

これらＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、および、バックアップＲＡＭ１０４はバス１０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース１０５および出力インターフェース１０６と接続されている。

入力インターフェース１０５には、エンジン１の出力軸であるクランクシャフトの回転数を検出するエンジン回転数センサ３１、エンジン水温（冷却水温）を検出する水温センサ３２、吸気の流量を検出するエアフローメータ３３、吸気マニホールド３ａに配置された吸気温センサ３４、吸気マニホールド３ａに配置された吸気圧センサ３５、前記Ａ／Ｆセンサ３６、第１排気温センサ３７、第２排気温センサ３８、差圧センサ３９、コモンレール１１内の高圧燃料の圧力を検出するレール圧センサ４０、スロットル開度センサ４１、アクセル開度センサ４２、および、車速センサ４３などが接続されており、これらの各センサからの信号がＥＣＵ１００に入力される。

一方、出力インターフェース１０６には、インジェクタ２、サプライポンプ１０、スロットルバルブ５のスロットルモータ５１、ＥＧＲバルブ７２のアクチュエータなどが接続されている。そして、ＥＣＵ１００は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、エンジン１のスロットルバルブ５の開度制御、インジェクタ２による燃料噴射制御（噴射量・噴射時期の制御）、および、ＥＧＲガス量の制御などを含むエンジン１の各種制御を実行する。

一例としてＥＣＵ１００は、インジェクタ２による燃料噴射制御として、図３に模式的に示すようにパイロット噴射やメイン噴射（主としてエンジン１のトルク生成に寄与する燃料噴射）、およびポスト噴射を実行する。公知のようにパイロット噴射は、メイン噴射に先立って噴射した少量の燃料を燃焼させることにより、引き続いてメイン噴射される燃料の着火遅れ時間を短縮して、初期燃焼が過度に激しくなることを阻止するものである。

また、公知のようにポスト噴射は、メイン噴射の後に噴射した燃料が気筒１ａ内で燃焼しないタイミングで行うもので、以下に説明するＮＯｘ還元制御においてエンジン１のトルク変動を招くことなく、排気の空燃比をリッチ化しＮＳＲ２１の周囲を還元雰囲気にするのに利用される。また、ポスト噴射は、以下に説明するＤＰＦ再生制御（フィルタ再生制御）においてＤＰＦ２２の温度を上昇させるためにも利用される。

更にＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ７２の開度を制御し、気筒１ａ内に充填される吸気中のＥＧＲガスの割合を調整する。すなわち、一般にディーゼルエンジン１において燃焼に伴い生成されるＮＯｘおよびＰＭの量は、ＥＧＲの影響を受ける。ＥＧＲガスの割合が多いとＮＯｘは少なくなるもののＰＭは多くなる傾向があり、反対にＥＧＲガスの割合が少ないとＰＭは少なくなるもののＮＯｘが多くなる傾向がある。

本実施形態では、例えば図４に示すようなＥＧＲの制御マップに基づいて、基本的にエンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ７２の開度を制御するようにしている。図示の制御マップは、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量Ｑｖをパラメータとし、好適なＥＧＲバルブ７２の開度を実験・計算等によって求めた値ｅｇｒ（ＥＧＲガス量の目標値に対応）をマップ化したものであって、ＥＣＵ１００のＲＯＭ１０２内に記憶されている。なお、図４のマップでは、エンジン回転数ＮＥの高いときや燃料噴射量Ｑｖの多いときにはＥＧＲバルブ７２を閉じる（ｅｇｒは零）ように設定されている。

−排気浄化装置の制御動作−
以下に、本実施形態の排気浄化装置によるＮＯｘ還元制御、ＤＰＦ再生制御、およびそれらを協調させるためのＥＧＲ制御について説明する。先ず、ディーゼルエンジンにおいて周知のＮＯｘ還元制御およびＤＰＦ再生制御について説明した後に、ＥＧＲの補正制御について説明する。

（ＮＯｘ還元制御）
一般的にディーゼルエンジン１においては、大部分の運転領域で排気の空燃比はリーン空燃比となり、通常の運転状態ではＮＳＲ２１の周囲雰囲気は酸素濃度の高い状態になって、排気中のＮＯｘがＮＳＲ２１に吸蔵される。そして、ＮＳＲ２１の周囲雰囲気が低酸素濃度となる状況は非常に少ないため、ＮＯｘの吸蔵量は徐々に増大し、これに連れてＮＳＲ２１のＮＯｘ吸蔵能力が低下してゆく。

そこで、エンジン運転状態などに基づいて推定されるＮＯｘ吸蔵量が所定の閾値（以下、還元閾値ともいう）に達したときに、インジェクタ２からのポスト噴射によって排気中に燃料を供給することにより、その空燃比（Ａ／Ｆ）を一時的にリッチ化させる。これにより、ＮＳＲ２１の周囲が還元雰囲気になって吸蔵されているＮＯｘが放出され、還元浄化される。そして、ＮＳＲ２１のＮＯｘ吸蔵能が回復する。

なお、前記ＮＯｘ吸蔵量の推定手法としては、エンジン回転数とインジェクタ２からの燃料噴射量とに応じたＮＯｘ吸蔵量を予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップにより求められるＮＯｘ吸蔵量を積算するという方法が挙げられる。

（ＤＰＦ再生制御）
一般的にディーゼルエンジン１においては、排気中に含まれるＰＭをＤＰＦ２２によって捕集するが、こうして捕集されたＰＭはセルの壁面に堆積して排気の流れの妨げとなり、通気抵抗が大きくなってゆく。これに伴ってＤＰＦ２２の上流側の排気圧力と下流側の排気圧力との差圧が大きくなるので、差圧からＤＰＦ２２のＰＭ堆積量を推定することができる。

そこで、ＥＣＵ１００は、差圧センサ３９の出力信号から得られる差圧に基づいてマップを参照し、ＤＰＦ２２におけるＰＭの堆積量を推定する。なお、このＰＭ堆積量の推定に用いるマップは、ＤＰＦ２２前後の差圧とＰＭ堆積量との相関関係を考慮して、実験・計算等によって適合した値をマップ化したものであって、ＥＣＵ１００のＲＯＭ１０２内に記憶されている。

ＥＣＵ１００は、推定したＰＭの堆積量（捕集量）が所定の閾値（以下、再生閾値ともいう）に達すれば、インジェクタ２からのポスト噴射によって排気中に燃料を供給することにより、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭを燃焼除去するＤＰＦ再生制御を実行する。すなわち、ポスト噴射された燃料は排気とともにＮＳＲ２１に達してＨＣやＣＯ等の成分が酸化され、この酸化反応に伴う発熱で排気温度が上昇し、ＤＰＦ２２の温度が上昇する。

ＤＰＦ２２の温度がＰＭの燃焼するような温度（例えば６００°以上）まで昇温すれば、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭが燃焼を始め、この燃焼に伴う発熱でＤＰＦ２２の温度は更に上昇する。このような状態を所定の時間（例えば１０分間くらい）、維持することができれば堆積したＰＭは除去され、ＤＰＦ２２のＰＭ捕集能力が回復する。

（ＥＧＲの補正制御）
ところで、本実施形態のように自動車に搭載されたディーゼルエンジン１の運転状態はドライバーの意志や走行環境による影響を強く受けるため、前記のＮＯｘ還元制御やＤＰＦ再生制御を十分には行えないこともあり得る。すなわち、ディーゼルエンジン１は熱効率が高い分、排気の温度は例えば２００〜４００°くらいと比較的低くなるので、渋滞路等のように非常に走行速度の低い状態が続くと、ＮＳＲ２１やＤＰＦ２２の温度はかなり低下してしまう。

このように温度の低い状態のＤＰＦ２２を昇温させて、前記のようにＰＭが燃焼するような高温状態にすることは難しく、そのような高温状態に維持することは更に難しい。すなわち、一旦、ＤＰＦ再生制御を開始してＤＰＦ２２を高温状態にしたとしても、その後、ドライバーが自動車を停止させてしまえば、途中で制御を中断せざるを得ない。

このため、低速走行の頻度が高い自動車においては長期間、有効なＤＰＦ再生制御を行えず、ＤＰＦ２２におけるＰＭの堆積量が再生閾値を超えてしまうことがあった。一例として図５に示すように、ＤＰＦ２２におけるＰＭの堆積量が再生閾値を超えて更に増大し、許容上限値を越えてしまうと、その後にＤＰＦ再生制御が行われたときにＰＭが過度に激しく燃焼することにより、ＤＰＦ２２が一時的に過熱するおそれがあった。

ここで図５の例では、ＤＰＦ２２のＰＭ堆積量が再生閾値に達したときでもＮＳＲ２１のＮＯｘ吸蔵能には大きな余裕代があり、その後、前記のように許容上限値を超えたときにもＮＯｘ吸蔵能には依然、余裕代がある。換言すれば、ＤＰＦ２２の過熱のおそれがあるような状況に至っても、ＮＳＲ２１を含めた排気浄化装置全体としてはその能力が十全に発揮されていないと言うことができる。

そこで、本実施形態では、前記従来までのＮＯｘ還元制御およびＤＰＦ再生制御を個別に行うだけではなく、ＮＳＲ２１におけるＮＯｘ吸蔵量とＤＰＦ２２におけるＰＭ堆積量とのバランスを考慮して、いずれか一方のみが多くなり過ぎないようにＥＧＲを補正制御するようにした。こうすることで、いわばＮＯｘ還元制御およびＤＰＦ再生制御を協調させて、ＮＳＲ２１およびＤＰＦ２２の両方を併せた排気浄化装置全体としての能力を十全に発揮させることができる。

以下、ＥＧＲの補正制御の具体的な手順について図６のフローチャートを参照して説明する。なお、このフローチャートに示される処理は、エンジン１の運転開始後、ＥＣＵ１００により所定の周期で繰り返し実行される。

先ず、ステップＳ１においては、現在のＮＳＲ２１の温度状態や自動車の運転状態、運転履歴などに基づいて、ＮＯｘ還元制御を実行可能か否か判定する。なお、ＮＳＲ２１の温度状態は、第１排気温センサ３７の出力信号により検出してもよいし、第１排気温センサ３７および第２排気温センサ３８の両方の出力信号により検出することもできる。

そして、ＮＳＲ２１の温度状態がかなり低く、有効なＮＯｘの放出や還元を行えない低活性の状態であったり、例えば渋滞路などで非常に走行速度の低い状態であるときには、ＮＯｘ還元制御を実行できない（ステップＳ１でＮＯ）と判定して後述のステップＳ９に進む。一方、ＮＯｘ還元制御を実行可能であれば（ステップＳ１でＹＥＳ）ステップＳ２に進んで、ＮＳＲ２１におけるＮＯｘ吸蔵量が予め設定された還元閾値未満であるかどうか判定する。

その還元閾値は、ＮＯｘ吸蔵量の増大に伴いＮＳＲ２１による排気中のＮＯｘの吸蔵能力が所定以下にまで低下するような値として適宜設定されており、ＮＯｘ吸蔵量が還元閾値に達していればＮＯと判定してステップＳ３に進み、ＮＯｘ還元用のポスト噴射を開始して前記のＮＯｘ還元制御を実行する。一方、ＮＯｘ吸蔵量が還元閾値未満であれば（即ち還元閾値に達していなければ）ＹＥＳと判定し、ＮＯｘ還元制御は未だ必要ないので、ステップＳ４に進んで今度はＤＰＦ再生制御を実行可能か否か判定する。

ＤＰＦ再生制御を実行可能か否かの判定は、前記のＮＳＲ２１の場合と同じくＤＰＦ２２の温度状態や自動車の運転状態、運転履歴などに基づいて行われる。例えば、現在のＤＰＦ２２の温度状態は第２排気温センサ３８の出力信号により検出することができる。また、第１排気温度センサ３７の出力信号によりＮＳＲ２１の温度状態がＤＰＦ再生制御に適したものか否かも考慮することが好ましい。

そして、ＤＰＦ再生制御を実行できないと判定すれば（ステップＳ４でＮＯ）後述のステップＳ７に進む一方、ＹＥＳでＤＰＦ再生制御を実行可能であればステップＳ５に進んで、ＤＰＦ２２におけるＰＭ堆積量が予め設定された再生閾値未満であるかどうか判定する。ＰＭの堆積量は、差圧センサ３９の出力信号から得られる差圧に基づいてマップを参照し、算出（推定）される。また、再生閾値は、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭによって、通過する排気の圧力損失が所定値以上に大きくなるような値として適宜設定されている。

そして、ＰＭ堆積量が再生閾値以上であり（即ち再生閾値に達し）、ステップＳ５でＮＯと判定すればステップＳ６に進み、ＤＰＦ再生用のポスト噴射を開始して前記のＤＰＦ再生制御を実行する。一方、ＰＭ堆積量が再生閾値未満であれば（即ち再生閾値に達していなければ）ステップＳ５でＹＥＳと判定し、ＤＰＦ再生制御は未だ必要ないので、リターンする。

つまり、ＮＯｘ還元制御およびＤＰＦ再生制御のいずれも実行可能な状況下において、ＮＯｘ吸蔵量が還元閾値に達すればＮＯｘ還元制御を実行し、また、ＰＭ堆積量が再生閾値に達すればＤＰＦ再生制御を実行して、ＮＳＲ２１およびＤＰＦ２２のそれぞれの能力を回復させることができる。

これに対し、前記ステップＳ４においてＤＰＦ再生制御を実行できないと判定した場合はステップＳ７に進み、前記のステップＳ５と同じくＤＰＦ２２のＰＭ堆積量が再生閾値未満であるかどうか判定する。この判定がＹＥＳでＰＭ堆積量が再生閾値未満であれば（即ち再生閾値に達していなければ）、リターンする。

一方、ステップＳ７においてＰＭ堆積量が再生閾値以上である（ＮＯ）、即ち再生閾値に達していると判定された場合は、ステップＳ８に進んでＥＧＲの減量補正を実行する。例えば、図４に例示した制御マップから読み出したＥＧＲバルブ７２の開度の制御目標値ｅｇｒを減少するように補正する。この補正量は予め設定した一定値としてもよいが、補正量を可変としてもよい。

すなわち、ＮＳＲ２１のＮＯｘ吸蔵量の還元閾値までの余裕代に応じて、ＥＧＲバルブ７２の開度の補正量を、言い換えるとＥＧＲガス量の減量補正の度合いを変更するようにしてもよい。そのためには例えば、前記のようにＰＭ堆積量が再生閾値に達した時点でのＮＯｘ吸蔵量の余裕代と、その時点までＮＯｘ吸蔵量が増大するペース（走行距離あたりの増大量）とに応じた補正量を、予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップにより求められる補正量をＥＧＲバルブ７２の開度の制御目標値から減算すればよい。

つまり、本来、ＤＰＦ再生制御を行うべき程度にまでＰＭ堆積量が多くなっているにもかかわらず、ＤＰＦ２に堆積したＰＭを燃焼除去できないときには、気筒１ａ内の燃焼室に還流させるＥＧＲガス量を減らすことによって（ＮＯ₂を増大させ）、燃焼に伴うＰＭの生成量を減少させる。こうすると、図７に一例を示すように、再生閾値を越えてからＰＭ堆積量の増大するペースが鈍化し、ＰＭ堆積量が許容上限値を越えるまでに自動車がより長い距離を走行できるようになるから、ＤＰＦ再生制御を実行する機会を増やすことができる。

なお、前記のようにＥＧＲガス量を減量すると、燃焼温度の上昇に伴いＮＯｘの生成量が増大し、図示のようにＮＯｘ吸蔵量の増大するペースは上がることになるが、還元閾値には達しておらず余裕代があるので、問題は生じない。図７には、ＮＯｘ吸蔵量の余裕代に応じてＥＧＲの補正量を変更するようにした場合について示しており、これにより、ＰＭ堆積量およびＮＯｘ吸蔵量は概ね同じ時期に許容上限値に達するようになる。

ところで、前記ステップＳ１においてＮＯｘ還元制御が実行できない（ＮＯ）と判定された場合は通常、ＤＰＦ再生制御も実行できないので、この場合はステップＳ９において前記のステップＳ５，Ｓ７と同じくＰＭ堆積量が再生閾値未満であるかどうか判定する。そして、再生閾値に達していれば（判定はＮＯ）ステップＳ１０に進んでＮＳＲ２１のＮＯｘ吸蔵量が還元閾値未満であるかどうか判定し、判定がＹＥＳでＮＯｘ吸蔵量に余裕代があれば前記ステップＳ８に進んで、ＥＧＲの減量補正を実行する。

一方、ステップＳ１０の判定がＮＯでＮＳＲ２１のＮＯｘ吸蔵量が還元閾値に達していれば、すなわちＮＯｘ吸蔵量に余裕代がなければ（判定はＮＯ）、ＥＧＲの減量補正は実行しない。この場合は、ＤＰＦ２２のＰＭ堆積量が更に増大して許容上限値に達する前に何らかの処置をする必要があるので、ステップＳ１１に進んで例えばミルイルミネーションの点灯など、ドライバーへの所定の報知処理を行ってリターンする。

また、前記ステップＳ９においてＰＭの堆積量が再生閾値に達してないＹＥＳと判定すればステップＳ１２に進み、ここでもＮＳＲ２１のＮＯｘ吸蔵量が還元閾値未満であるかどうか判定する。この判定がＹＥＳでＮＯｘ吸蔵量が還元閾値に達していなければリターンする一方、ＮＯｘ吸蔵量が還元閾値に達していれば、ステップＳ１３に進んでＥＧＲの増量補正を行う。

すなわち、ＮＳＲ２１についても本来、ＮＯｘ還元制御を行う程度にまでＮＯｘ吸蔵量が多くなっていて、それにもかかわらずＮＯｘ還元制御を行えないときには、ＥＧＲの増量補正によってＮＯｘの生成量を減少させる。こうすると、図８に一例を示すように、再生閾値を越えてからＮＯｘ吸蔵量の増大するペースが鈍化し、それが許容上限値を越えるまでに自動車がより長い距離を走行できるようになるから、ＮＯｘ還元制御を実行する機会を増やすことができる。

したがって、本実施形態の排気浄化装置によると、ディーゼルエンジン１の排気系に配設されたＮＳＲ２１の状態に基づいてＮＯｘ還元制御を行い、ＤＰＦ２２の状態に基づいてＤＰＦ再生制御を行うだけではなく、ＮＳＲ２１におけるＮＯｘ吸蔵量とＤＰＦ２２におけるＰＭ堆積量とのバランスを考慮して、いずれか一方のみが多くなり過ぎないようにＥＧＲの補正制御行うようにしている。

すなわち、ＤＰＦ２２のＰＭ堆積量が再生閾値に達すればＥＧＲを減量補正し、燃焼に伴うＰＭの生成量を減少させることにより、ＰＭ堆積量が許容上限値を越えるまでの期間を延長し、ＤＰＦ再生制御の実行機会を増やすことができる。同様にＮＳＲ２１のＮＯｘ吸蔵量が還元閾値に達すればＥＧＲを増量補正し、ＮＯｘの生成量を減少させることにより、ＮＯｘ吸蔵量が許容上限値を越えるまでの期間を延長し、ＮＯｘ還元制御の実行機会を増やすことができる。

つまり、エンジン１の運転状態などに応じて好適に設定されているＥＧＲガス量を敢えて変更することで、ＮＳＲ２１およびＤＰＦ２２の余裕代に応じて、ＮＯｘおよびＰＭの生成量のバランスを修正することができる。これにより、ＮＳＲ２１およびＤＰＦ２２のいずれかの能力が飽和するまでの期間を極力、延長し、その能力を回復する機会を増やすことができ、排気浄化装置全体として能力を十全に発揮させ、排気浄化性能を安定的に確保することができる。

しかも、そうしたＥＧＲガス量の補正制御は、ＰＭ堆積量が再生閾値に達しているにもかかわらずＤＰＦ再生制御を実行できないとき、および、ＮＯｘ吸蔵量が還元閾値に達しているにもかかわらずＮＯｘ還元制御を行えないとき、のいずれかに限って行う。よって、好適に設定されているＥＧＲガス量の減量によってポンプロスの低減効果が目減りすることやＥＧＲの増量によって燃焼状態が悪化することなどの弊害は最小限に抑制できる。

−他の実施形態−
以上、説明した実施形態は自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒ディーゼルエンジン１に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、自動車以外に搭載されるディーゼルエンジンにも適用可能である。また、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンに対しても本発明は適用可能である。

また、前記実施形態では、ＥＧＲ通路７１を還流させるＥＧＲガス量をＥＧＲバルブ７２によって調整するものであったが、本発明は、これに限らず、例えば吸気バルブ、排気バルブの開閉タイミングを変更することによって、気筒１ａ内に残留もしくは排気通路４から直接、還流させる既燃ガス量を調整するものにも適用可能である。

また、前記実施形態では、インジェクタ２からのポスト噴射によってＮＯｘ還元制御やＤＰＦ再生制御を行うものであったが、本発明は、これに限らず、例えば排気通路４に設けた燃料添加弁からの燃料添加によってＮＯｘ還元制御やＤＰＦ再生制御を行う場合にも適用可能である。

また、前記実施形態では、ＮＯｘ還元制御およびＤＰＦ再生制御の両方に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、これに限らず、ＮＯｘ還元制御またはＤＰＦ再生制御のいずれか一方のみにも適用可能である。但し、ＰＭ堆積量が許容上限値を超えた場合のＤＰＦ過熱のおそれを考慮すると、少なくともＤＰＦ再生制御に本発明を適用するのが好ましい。

更に、前記実施形態では、ＰＭを捕集するフィルタとしてはＤＰＦ２２を備えたシステムについて説明したが、ＤＰＮＲを備えたシステムに対しても本発明は適用可能である。

本発明は、ＮＯｘ吸蔵材およびＰＭフィルタを備えた排気浄化装置の能力を十全に発揮させることができるものであり、特に自動車に搭載されるディーゼルエンジン等に適用して極めて有益である。

１ エンジン（内燃機関）
１ａ 気筒（燃焼室）
４ 排気通路
２１ ＮＳＲ（ＮＯｘ吸蔵材）
２２ ＤＰＦ（ＰＭフィルタ）
７１ ＥＧＲ通路（既燃ガス量調整手段）
７２ ＥＧＲバルブ（既燃ガス量調整手段）
１００ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配設され、所定の状態で排気中のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵材と、排気中に含まれるＰＭを捕集するＰＭフィルタと、を備えた排気浄化装置であって、
   前記内燃機関には、燃焼室に残留もしくは還流させる既燃ガス量を調整可能な既燃ガス量調整手段が設けられ、
   前記ＮＯｘ吸蔵材におけるＮＯｘの吸蔵量が所定の閾値に達するか、または、前記ＰＭフィルタにおけるＰＭの捕集量が所定の閾値に達するか、のいずれかのときに、前記燃焼室において生成されるＮＯｘおよびＰＭのうち、前記閾値に達した方の生成量が減少するように、前記既燃ガス量調整手段によって既燃ガス量を増量または減量させる補正制御を行う、制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記制御手段は、前記ＰＭフィルタにおけるＰＭの捕集量が前記閾値に達したとき、前記内燃機関が所定の運転状態にあれば前記既燃ガス量の補正制御を行う一方、当該所定の運転状態になければ、前記ＰＭフィルタの温度を上昇させて、捕集されているＰＭを燃焼除去するためのフィルタ再生制御を行う、内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記制御手段は、前記ＮＯｘ吸蔵材におけるＮＯｘの吸蔵量が前記閾値に達したとき、前記内燃機関が所定の運転状態にあれば前記既燃ガス量の補正制御を行う一方、当該所定の運転状態になければ、前記ＮＯｘ吸蔵材に流入する排気の空燃比をリッチ化させて、吸蔵されているＮＯｘを還元浄化するためのＮＯｘ還元制御を行う、内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記制御手段は、前記内燃機関の燃焼室に残留もしくは還流させる既燃ガス量が、運転状態に対応する目標値になるように前記既燃ガス量調整手段を制御するとともに、前記補正制御として前記既燃ガス量の目標値を増量または減量補正する、内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記制御手段は、ＮＯｘの吸蔵量およびＰＭの捕集量のうち、閾値に達していない方の当該閾値までの余裕代に応じて、前記既燃ガス量調整手段による既燃ガス量の増量または減量補正の度合いを変更する、内燃機関の排気浄化装置。

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