JP2015143507A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒へ供給する添加剤の濃度をより均一にする。【解決手段】排気通路に設けられる可変容量型ターボチャージャと、可変容量型ターボチャージャよりも下流に設けられる触媒と、触媒よりも上流に添加剤を供給する供給装置と、を備え、供給装置から添加剤を供給する場合に、内燃機関の排気が可変容量型ターボチャージャを通過することで発生する排気の旋回流の速度が所定範囲内となるようにノズルベーンの開度を調整する制御装置を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気中に還元剤または酸化剤などの添加剤を噴射することがある。この添加剤は、下流の触媒などへ到達する前に、触媒の半径方向に均一に分散することが望ましい。

ここで、内燃機関の排気通路に、上流側から順に、可変容量型ターボチャージャ、酸化触媒、ＮＯｘ触媒を備えることがある（例えば特許文献１参照。）。このような構成の場合、酸化触媒へ燃料を供給することで、酸化触媒の温度やＮＯｘ触媒の温度を上昇させることができる。内燃機関の排気が可変容量型ターボチャージャを通過すると、排気が排気通路の中心軸を中心として旋回する。このため、排気中の燃料が広い範囲に分散する。しかし、内燃機関の吸入空気量が多くなると、可変容量型ターボチャージャよりも下流において排気の旋回流の流速が高くなる。このため、排気中に添加された燃料が、排気通路の壁面側に偏ってしまう。このまま酸化触媒へ燃料が到達すると、燃料が酸化触媒の外周側に偏る。酸化触媒の外周側で反応可能な燃料量は、酸化触媒の全体で反応可能な燃料量よりも少ないため、酸化触媒の外周側に燃料が偏ると、燃料が反応しきれなくなる。そうすると、酸化触媒の外周側で反応可能な燃料量しか添加することができなくなるため、酸化触媒及びＮＯｘ触媒の温度上昇が緩慢となる。

また、内燃機関の排気通路においてターボチャージャのタービンよりも上流側に燃料添加弁を備え、内燃機関のアイドル時や軽負荷時に、燃料添加を実施するのに先立って、タービンの回転数を上昇させる技術が知られている（例えば特許文献２参照。）。内燃機関のアイドル時や軽負荷時のような排気の流量が少ない場合であっても、回転数が上昇したタービンを燃料が通過すれば、燃料の拡散が促進される。しかし、上述のように、ターボチャージャよりも下流において排気の旋回流の流速が高くなると、燃料が排気通路の壁面側に偏ってしまう。特許文献２では、排気の旋回流による燃料の偏りまでは考慮されていない。

また、タービンよりも下流に触媒を備えている場合には、タービンによって発生する旋回流が原因となって、フィルタの上流側端部において目詰まりを起こす虞がある。このため、タービンで発生する旋回流を相殺するように、ウェイストゲートから流出する排気に逆方向の旋回流を発生させる技術が知られている（例えば特許文献３参照。）。しかし、排気の旋回流が無くなったり、排気の旋回流の流速が低くなりすぎると、添加剤が排気通路の壁面側まで届き難くなるため、排気通路の中心軸側において添加剤の濃度が高くなる虞がある。

なお、ＮＯｘ触媒に尿素やアンモニアを供給する場合にも同様に、旋回流によりＮＯｘ触媒の外周側に尿素やアンモニアが偏るため、ＮＯｘ浄化率が低下する虞がある。

特開２００９−１５０２７１号公報 特開２００８−１６３８８４号公報 特開２００９−２７５５２７号公報 特開２０１２−０４７１１９号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒へ供給する添加剤の濃度をより均一にすることにある。

上記課題を達成するために本発明は、
内燃機関の排気通路に設けられ、ノズルベーンの開度を変更することで排気の流速を変化させる可変容量型ターボチャージャと、
前記可変容量型ターボチャージャよりも下流に設けられる触媒と、
前記触媒よりも上流の排気通路に添加剤を供給する供給装置と、
を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記供給装置から添加剤を供給する場合に、前記内燃機関の排気が前記可変容量型ターボチャージャを通過することで発生する排気の旋回流の速度が所定範囲内となるように前記ノズルベーンの開度を調整する。

添加剤は、例えば還元剤または酸化剤とすることができる。添加剤には、例えば、燃料または尿素水、アンモニアを用いることができる。添加剤に何を用いるのかは、触媒の種類に応じて決まる。添加剤は、例えば触媒において反応して熱を発生させたり、または、排気中の有害物質を浄化したりするときに供給する。

内燃機関の排気が可変容量型ターボチャージャを通過すると、タービンの回転により、排気が排気通路の中心軸を中心として旋回する。このように旋回する排気中に添加剤が含まれていると、該添加剤が遠心力により排気通路の壁面側に偏る虞がある。このまま排気が触媒へ到達すると、触媒の外周側に添加剤が偏る。ここで、ノズルベーンを備えた可変容量型ターボチャージャを排気が通過するときに、該ノズルベーンの開度に応じて排気の流速が変化する。このため、可変容量型ターボチャージャよりも下流で発生する旋回流の速度が、ノズルベーンの開度に応じて変化する。旋回流の速度が変化することにより、添加剤の偏り度合いも変化する。すなわち、旋回する排気の流速が高い場合には、添加剤の偏り度合いが大きくなる。一方、旋回する排気の流速が低い場合には、添加剤の偏り度合いが小さくなるが、添加剤が排気中に分散し難くなる。なお、添加剤は、可変容量型ターボチャージャよりも上流側から添加してもよく、下流側から添加してもよい。排気の旋回流の速度は、可変容量型ターボチャージャよりも下流で且つ触媒よりも上流の所定の位置における速度としてもよい。さらに、排気の旋回流の速度に代えて、ノズルベーンを通過する排気の速度としてもよい。

可変容量型ターボチャージャでは、ノズルベーンの開度を調整することにより、該ノズルベーンを通過する排気の流速を調整することができる。これにより、可変容量型ターボチャージャよりも下流の排気の旋回流の速度を調整することができる。このため、ノズルベーンの開度を調整することにより、添加剤の偏り度合いを調整することができる。例えば、ノズルベーンを通過する排気の流速が高すぎると、添加剤が排気通路の壁面側に偏るので、ノズルベーンの開度を大きくして添加剤の偏りを抑制する。

ここで、ノズルベーンの開度が大きくなるほど、排気の流速が低くなるが、排気の流速が低くなりすぎると、添加剤が排気通路の中心軸側に偏ってしまう。このため、排気の流速を低くすれば良いというものでもない。したがって、添加剤の偏り度合いが許容範囲内となるような排気の流速となるように、ノズルベーンの開度を調整すれば、添加剤の偏りを抑制することができる。所定範囲は、添加剤の偏り度合いが許容範囲内となる排気の旋回流の速度の範囲とすることができる。すなわち、所定範囲は、排気通路の半径方向の添
加剤の濃度の差が、許容範囲内となるノズルベーンの開度とすることができる。この所定範囲は、触媒の温度上昇に要する時間、触媒の温度上昇に要する添加剤量、触媒よりも下流にフィルタを備えている場合にはフィルタの再生に要する時間、触媒における排気の浄化率などに基づいて決定してもよい。ただし、所定範囲を以下のように設定することもできる。

本発明においては、前記制御装置は、前記供給装置から添加剤を供給する場合に、内燃機関から排出される粒子状物質の量が所定量以下となるように、前記ノズルベーンの開度を調整してもよい。

ノズルベーンの開度を変更すると、内燃機関の吸入空気量が変化するために、内燃機関から排出されるＰＭ量が増加する。例えば、吸入空気量が少なくなれば、ＰＭの排出量が減少する。排気通路に例えフィルタを備えていたとしても、内燃機関から排出されるＰＭ量が多くなると、フィルタの再生を実施する頻度が高くなるため、燃費が悪化する。これに対し、内燃機関から排出されるＰＭ量が所定量以下となるように、ノズルベーンの開度を調整してもよい。これにより、内燃機関から排出されるＰＭ量を低減することができる。したがって、所定量は、内燃機関から排出されるＰＭ量の許容範囲の上限値とすることができる。このため、前記所定範囲の下限値を、内燃機関から排出されるＰＭ量が所定量以下となるように設定してもよい。内燃機関から排出される粒子状物質の量は、単位時間当たりの量としてもよく、所定時間における量としてもよい。

本発明においては、前記触媒よりも下流の排気通路において粒子状物質を捕集するフィルタを備え、
前記制御装置は、前記フィルタの再生に要する時間が所定時間以下となるように、前記ノズルベーンの開度を調整してもよい。

フィルタに捕集されているＰＭを除去する処理であるフィルタ再生処理を実施するときには、フィルタよりも上流の触媒へ添加剤を供給することで、フィルタの温度を上昇させる。ここで、ノズルベーンの開度を変更すると、内燃機関の吸入空気量が変化するため、触媒を通過する酸素の量が変化する。例えば、ノズルベーンの開度を大きくすると、内燃機関の吸入空気量が減少するため、触媒を通過する酸素の量が減少する。このため、触媒に到達する酸素量が少なくなるので、触媒へ添加剤を供給したとしても、発熱量が少なくなる。これより、触媒及びフィルタの温度上昇が緩慢となる。すなわち、フィルタの再生に要する時間が長くなる。このように、ノズルベーンの開度に応じて、フィルタの再生に要する時間が変化する。なお、フィルタの再生に要する時間とは、触媒への添加剤の供給開始から、フィルタに堆積しているＰＭ量が所定量以下となるまでの時間である。この所定量は、フィルタの再生が完了したとすることのできるＰＭ量である。フィルタから完全にＰＭを除去するには時間がかかるため、多少のＰＭが残存していたとしても、フィルタの再生が完了したと判断してもよい。この所定量は、燃費等を考慮して決定してもよい。

フィルタの再生に要する時間が所定時間以下となるようにノズルベーンの開度を調整することにより、フィルタの再生に要する時間が長くなることを抑制できる。所定時間は、フィルタの再生に要する時間の許容範囲の上限値とすることができる。この許容範囲は、燃費等に基づいて決定することができる。さらに、前記所定範囲の下限値を、フィルタの再生に要する時間が所定時間以下となるように設定してもよい。また、前記所定範囲の下限値を、フィルタの再生に要する時間が所定時間以下となり、且つ、内燃機関から排出されるＰＭ量が所定量以下となるように設定してもよい。

本発明によれば、触媒へ供給する添加剤の濃度をより均一にすることができる。

実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図である。 ターボチャージャの構成を示す断面図である。 排気の旋回速度に対する、内燃機関から排出されるＰＭ量、ＣＶ値、フィルタ再生処理が完了するまでの時間の関係を示した図である。 タービンハウジングから流出する排気の温度に対する、前段触媒を通り抜ける燃料量、及び、ＳＣＲＦの温度を示した図である。 ＶＮ開度を調整するフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を、車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合について説明する。ただし、本発明に係る内燃機関は、ディーゼルエンジンに限られるものではなく、ガソリンエンジン等であってもよい。

図１は、本実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。内燃機関１には吸気通路２及び排気通路３が接続されている。

本実施例による内燃機関１は、可変容量型ターボチャージャ５０（以下、単に「ターボチャージャ５０」という。）を備えている。このターボチャージャ５０は、コンプレッサハウジング５１、タービンハウジング５２、及びセンタハウジング５３を備えて構成されている。コンプレッサハウジング５１は吸気通路２の途中に設けられ、該コンプレッサハウジング５１の内部は吸気通路２の一部を構成している。また、タービンハウジング５２は排気通路３の途中に設けられ、該タービンハウジング５２の内部は排気通路３の一部を構成している。そして、コンプレッサハウジング５１とタービンハウジング５２とは、センタハウジング５３を介して連結されている。

コンプレッサハウジング５１内には複数の羽根をもったコンプレッサインペラ５４が備えられている。タービンハウジング５２内には複数の羽根を持ったタービンインペラ５５が備えられている。コンプレッサインペラ５４とタービンインペラ５５とは、ロータシャフト５６を介して連結されている。

図２は、ターボチャージャの構成を示す断面図である。ターボチャージャ５０は、過給圧を所望の圧力とすべくタービンインペラ５５に吹き付けられる排気の流速をノズルベーン５７の開度を変更することにより可変とする。なお、ノズルベーン５７の開度のことを以下「ＶＮ開度」ともいう。図２において、実線は、ノズルベーン５７が閉じている場合（ＶＮ開度が小さい場合）を示し、破線は、ノズルベーン５７が開いている場合（ＶＮ開度が大きい場合）を示している。ノズルベーン５７は、軸５８を中心として規定の角度の範囲を回転する。

ターボチャージャ５０は、図２に示すように、タービンハウジング５２内に設けられたタービンインペラ５５の周囲に複数のノズルベーン５７を備えて構成されている。このノズルベーン５７は、アクチュエータ５９により開閉される。このノズルベーン５７を閉じ
側へ回転させると、隣接するノズルベーン５７間の間隙が狭くなり、ノズルベーン５７間の流路が閉じられることになる。一方、ノズルベーン５７を開き側へ回転させると、隣接するノズルベーン５７間の間隙が広くなり、ノズルベーン５７間の流路が開かれることになる。

このように構成されたターボチャージャ５０では、ノズルベーン５７の回転方向と回転量とを調節することにより、ノズルベーン５７間の流路の向き、及びノズルベーン５７間の間隙を変更することが可能となる。即ち、ノズルベーン５７の回転方向と回転量とを制御することにより、タービンインペラ５５に吹き付けられる排気の方向、流速、量が調節されることになる。これにより、過給圧を調節することができる。さらに、ノズルベーン５７の開度によって、タービンハウジング５２から流出する排気の流速、及び、タービンハウジング５２よりも下流の排気の流速が変化する。

一方、コンプレッサハウジング５１よりも上流の吸気通路２には、該吸気通路２内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ９５が設けられている。このエアフローメータ９５により、内燃機関１の吸入空気量が測定される。

タービンハウジング５２よりも上流の排気通路３には、燃料添加弁４が設けられている。一方、タービンハウジング５２よりも下流の排気通路３には、前段触媒５、還元剤供給弁６、ＳＣＲＦ７が排気の流れに沿って上流側から順に設けられている。なお、燃料添加弁４は、前段触媒５よりも上流側に設けられていればよいため、タービンハウジング５２よりも下流で且つ前段触媒５よりも上流の排気通路３に設けてもよい。

前段触媒５は酸化触媒である。ただし、前段触媒５は、酸化機能を有する触媒であれば酸化触媒以外の触媒であってもよい。前段触媒５は、例えば三元触媒であってもよい。燃料添加弁４は、前段触媒５に燃料を供給すべく、排気中に燃料（ＨＣ）を添加する。なお、本実施例においては燃料添加弁４が、本発明における供給装置に相当する。さらに、本実施例においては前段触媒５が、本発明における触媒に相当する。

ＳＣＲＦ７は、排気中のＰＭを捕集するウォールフロー型のフィルタに選択還元型ＮＯｘ触媒７ａ（以下、ＳＣＲ触媒７ａという。）が担持されて構成されている。ＳＣＲ触媒７ａは、アンモニアを吸着し、該アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元する。

還元剤供給弁６は、ＳＣＲ触媒７ａに還元剤としてのアンモニアを供給すべく、排気中にアンモニアを供給する。なお、アンモニアに代えて、アンモニアの前駆体を供給してもよい。アンモニアの前駆体としては、例えば尿素を挙げることができる。排気の熱により尿素が加水分解されると、アンモニアが生成される。アンモニア又はアンモニアの前駆体は、気体、液体、固体の何れの状態で供給してもよい。ＳＣＲ触媒７ａが吸着したアンモニアが還元剤となって、排気中のＮＯｘが還元される。

なお、ＳＣＲ触媒７ａよりも下流に、さらに別のＳＣＲ触媒を設けることもできる。

内燃機関１には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０には、エアフローメータ９５等の各種センサが電気的に接続されている。そして、各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。

さらに、ＥＣＵ１０には、燃料添加弁４、還元剤供給弁６、アクチュエータ５９が電気的に接続されている。そして、これらの装置がＥＣＵ１０によって制御される。なお、本実施例においてはＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

ここで、ＳＣＲＦ７には、捕集されたＰＭが徐々に堆積する。このため、ＥＣＵ１０は、ＳＣＲＦ７に堆積したＰＭを除去するためのフィルタ再生処理を実行する。フィルタ再生処理では、前段触媒５へ燃料を供給することで、該前段触媒５において排気の温度を上昇させる。前段触媒５への燃料の供給は、燃料添加弁４からの燃料添加により実施される。

前段触媒５において燃料が酸化されると酸化熱が生じる。この酸化熱によってＳＣＲＦ７に流入する排気が加熱される。これにより、ＳＣＲＦ７の温度が上昇する。フィルタ再生処理の実行時においては、前段触媒５へ供給する燃料量を制御することで、ＳＣＲＦ７の温度をＰＭの酸化が促進される所定のフィルタ再生温度（例えば、６００〜６５０℃）まで上昇させる。その結果、ＳＣＲＦ７に堆積したＰＭが酸化され除去される。

本実施例では、前回のフィルタ再生処理の実行が終了してから所定時間が経過する毎にフィルタ再生処理が実行される。なお、内燃機関１を搭載した車両が所定の走行距離を走行する毎にフィルタ再生処理を実行してもよい。また、ＳＣＲＦ７におけるＰＭ堆積量が所定の堆積量に達する毎にフィルタ再生処理を実行してもよい。ＳＣＲＦ７におけるＰＭ堆積量は、内燃機関１での燃料噴射量、ＳＣＲＦ７に流入する排気の流量、及びＳＣＲＦ７の温度等に基づいて推定することができる。ＰＭ堆積量は、ＳＣＲＦ７よりも上流と下流との排気の圧力差に基づいて推定してもよい。

ところで、排気がタービンハウジング５２を通過するときに、ＶＮ開度に応じて排気の流速が変化する。さらに、排気がタービンハウジング５２を通過すると、排気が排気通路３の中心軸を中心として旋回する。タービンハウジング５２よりも下流で排気が旋回する速度（以下、排気の旋回速度ともいう。）は、ＶＮ開度が小さくなるほど、高くなる。すなわち、ＶＮ開度が小さくなることでノズルベーン５７を通過する排気の流速が高くなり、これによりタービンハウジング５２よりも下流の排気の旋回速度も高くなる。なお、排気の旋回速度は、内燃機関１の吸入空気量及びＶＮ開度と関係しているため、これらの関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、内燃機関１の吸入空気量及びＶＮ開度に基づいて排気の旋回速度を求めることができる。さらに、排気の旋回速度は、内燃機関１の過給圧と相関関係にある。

ここで、ＥＣＵ１０がフィルタ再生処理のために燃料添加弁４から燃料添加を行っても、タービンハウジング５２よりも下流側における排気の旋回により、燃料が排気通路３の壁面側に偏る虞がある。すなわち、前段触媒５に流入する燃料が、前段触媒５の中心軸付近において比較的濃度が低くなり、前段触媒５の外周付近において比較的濃度が高くなり得る。このような場合、主に前段触媒５の外周側において熱が発生する。前段触媒５の外周側において反応する燃料量は限られているため、前段触媒５の外周側で反応する燃料量に合わせて燃料を供給すると、前段触媒５の中心軸側に供給される燃料量は比較的少なくなる。このため、前段触媒５の中心軸側で熱を発生させることが困難となるので、フィルタの再生処理が完了するまでに時間がかかってしまう。

すなわち、排気の旋回速度が高い場合には、前段触媒５の全体として発生する熱が少なくなるために、フィルタ再生処理が完了するまでに時間がかかってしまう。これにより、燃費が悪化する虞がある。

そこで本実施例では、フィルタ再生処理を実行しているときには、タービンハウジング５２よりも下流の排気の旋回速度を調整して、前段触媒５に流入する燃料が、前段触媒５の半径方向に均一となるようにする。ここで、ＶＮ開度を変化させることにより、タービンハウジング５２を通過するときの排気の流速が変化する。これにより、排気の旋回速度を変化させることができる。したがって、ＥＣＵ９０は、フィルタ再生処理の実行中にお
いて、前段触媒５に流入する燃料が均一となるように、ＶＮ開度を調整する。

図３は、排気の旋回速度に対する、内燃機関１から排出されるＰＭ量（ＰＭ排出量）、前段触媒５の上流側端面における燃料濃度の均一度合い（均一度合）、フィルタ再生処理が完了するまでの時間（再生時間）の関係を示した図である。図３において、前段触媒５の上流側端面における燃料濃度の均一度合い（均一度合）は、ＣＶ値としてもよい。「調整前」は、本実施例に係るＶＮ開度の調整を実施する前の排気の旋回速度を示し、「調整後」は、本実施例に係るＶＮ開度の調整を実施した後の排気の旋回速度を示している。

ここで、旋回速度が高くなりすぎると、燃料が前段触媒５の外周側に偏るため、燃料の均一度合いは低くなる。旋回速度が低くなりすぎると、燃料が前段触媒５の中心軸側に偏るため、燃料の均一度合いは低くなる。したがって、旋回速度が高すぎても、または、低すぎても、燃料の均一度合いは低くなる。このため、ＥＣＵ１０は、燃料の均一度合いが許容範囲内となるように、排気の旋回速度を調整する。すなわち、ＥＣＵ１０は、排気の旋回速度が所定範囲内となるように、ノズルベーン５７の開度を調整する。

一方、ＶＮ開度が小さいほど排気の旋回速度が高くなり、ＶＮ開度が大きいほど排気の旋回速度が低くなる。ＶＮ開度が小さくなると、過給圧が上昇し易くなり、内燃機関１の吸入空気量が増加する。したがって、排気の旋回速度が高いほど、内燃機関１から排出されるＰＭ量が少なくなる。このため、ＥＣＵ１０は、フィルタ再生処理を実行している場合に、排気の旋回速度が所定範囲内となり、且つ、内燃機関１から排出されるＰＭ量が所定量以下となるように、ノズルベーン５７の開度を調整してもよい。

さらに、旋回速度が高いときには、過給圧が高くなっているために、気筒内に多くの酸素が供給される。このため、排気中にも多くの酸素が含まれるようになる。したがって、排気の旋回速度が高くなるほど、フィルタ再生処理が完了するまでの時間が短くなる。このため、ＥＣＵ１０は、排気の旋回速度が所定範囲内となり、且つ、フィルタ再生処理が完了するのに要する時間が所定時間以下となるように、ノズルベーン５７の開度を調整してもよい。さらに、ＥＣＵ１０は、排気の旋回速度が所定範囲内となり、且つ、内燃機関１から排出されるＰＭ量が所定量以下となり、さらに、フィルタ再生処理が完了するのに要する時間が所定時間以下となるように、ノズルベーン５７の開度を調整してもよい。排気の旋回速度の所定範囲の下限値を、内燃機関１から排出されるＰＭ量が所定量以下となるか、または、フィルタ再生処理が完了するのに要する時間が所定時間以下となるように設定してもよい。

以上に基づいて、フィルタ再生処理を実行しているときのＶＮ開度が決定される。ＶＮ開度は、少なくとも前段触媒５の上流側端面における燃料の均一度合いが許容範囲内となるように決定される。すなわち、ＥＣＵ１０は、フィルタ再生処理の実行中において、ターボチャージャ５０を通過することで発生する排気の旋回流の速度が所定範囲内となるように、ＶＮ開度を調整する。さらに、内燃機関１から排出されるＰＭ量及びフィルタ再生処理が完了するまでの時間を考慮してＶＮ開度を決定してもよい。ここで、燃料の均一度合いだけを最適化すると、フィルタ再生処理が完了するまでの時間が長くなることにより燃費が悪化するおそれがある。さらに、燃料の均一度合いだけを最適化すると、内燃機関１から排出されるＰＭ量の増加によりフィルタの再生処理が完了するまでの時間が長くなったり、フィルタ再生処理を実行する頻度が高くなったりする虞がある。したがって、燃料の均一度合いが多少低くなっても、内燃機関１から排出されるＰＭ量を低減したり、または、フィルタ再生処理が完了するまでの時間を短縮したりすることで、全体としては燃費の悪化を抑制できる場合もある。

なお、フィルタ再生処理を実行していない場合のＶＮ開度は、内燃機関１の運転状態（
例えば機関回転数及び機関負荷）に基づいて決定される。この関係は、予め実験またはシミュレーション等により求められる。フィルタ再生処理を実行しているときには、内燃機関１の運転状態に基づいて決定されるＶＮ開度とは異なるため、内燃機関１の吸入空気量が変化する。このため、フィルタ再生処理を実行中にＶＮ開度を調整すると内燃機関１の出力が変化する虞がある。この場合、内燃機関１の気筒内に供給する燃料量（内燃機関１の気筒内で燃焼させる燃料量）を変化させることにより、内燃機関１の出力の変化を抑制することができる。

図４は、タービンハウジング５２から流出する排気の温度に対する、前段触媒５を通り抜ける燃料量（ＨＣ）、及び、ＳＣＲＦ７の温度（ＳＣＲＦ温度）を示した図である。実線は、本実施例に係るＶＮ開度の調整を行った後の場合を示し、一点鎖線は、本実施例に係るＶＮ開度の調整を行う前の場合を示している。「目標温度」は、フィルタ再生処理を実行中の目標温度である。「再生可能温度」は、ＰＭが酸化可能な温度の下限値である。

旋回速度を最適化することにより、燃料が前段触媒５へ均一に供給されるので、前段触媒５を通り抜ける燃料量が減少する。このため、前段触媒５の温度が速やかに上昇する。したがって、タービンハウジング５２から流出する排気の温度が同じであっても、旋回速度を調整することによって、ＳＣＲＦ７の温度を高くすることができる。すなわち、旋回速度を最適化することにより、排気の温度が低い場合であっても、ＳＣＲＦ７の温度がより高くなる。例えば、排気の温度が図４に示したＴ１の場合には、ＶＮ開度の調整後にはフィルタの再生が可能であるが、ＶＮ開度の調整前はフィルタの再生ができない。このように、排気の温度がより低くても、フィルタが再生される。

図５は、ＶＮ開度を調整するフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、フィルタ再生処理が実行中であるか否か判定される。本ステップでは、前段触媒５へ均一に燃料を供給する必要があるか否か判定している。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了する。

ステップＳ１０２では、タービンハウジング５２よりも下流の排気の旋回速度が推定される。排気の旋回速度は、内燃機関１の吸入空気量及びノズルベーン５７の開度と関係しているため、内燃機関１の吸入空気量及びノズルベーン５７の開度に基づいて排気の旋回速度を推定する。内燃機関１の吸入空気量及びノズルベーン５７の開度と、排気の旋回速度と、の関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。なお、排気の旋回速度は過給圧と関係しているため、過給圧に基づいて排気の旋回速度を推定することもできる。過給圧と排気の旋回速度との関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

ステップＳ１０３では、ＶＮ開度の補正が必要であるか否か判定される。本ステップでは、前段触媒５における燃料濃度のばらつきが許容範囲を超えているか否か判定している。すなわち、燃料濃度の均一度合いを改善するためにＶＮ開度を補正する必要があるか否か判定される。前段触媒５における燃料の均一度合いは、排気の旋回速度に基づいて推定される。排気の旋回速度が所定範囲内であれば、ＶＮ開度の補正は必要ないと判定される。排気の旋回速度が所定範囲外であれば、ＶＮ開度の補正が必要であると判定される。この所定範囲は、少なくとも前段触媒５の上流側端面における燃料の均一度合いが許容範囲内となるように決定される。さらに、内燃機関１からのＰＭ排出量またはフィルタ再生処理が完了するのに要する時間を考慮して決定してもよい。所定範囲は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはス
テップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０４では、ＶＮ開度が補正される。このときには、排気の旋回速度が所定範囲内となる方向にノズルベーン５７が回転するように、ＶＮ開度が補正される。ＶＮ開度は、所定角度だけ変化させてもよく、推定される排気の旋回速度と、前記所定範囲との差に応じた角度だけ変化させてもよい。さらに、排気の旋回速度が最適値となるようにＶＮ開度を調整してもよく、排気の旋回速度が最適値に近付くようにＶＮ開度を調整してもよい。ステップＳ１０４の処理が完了すると、ステップＳ１０３へ戻る。ＶＮ開度を補正するときには、内燃機関１への燃料供給量を調整して、トルクが変化しないようにしてもよい。

以上説明したように本実施例によれば、前段触媒５への燃料供給時に排気の旋回速度を調整することで、前段触媒５へ均一に燃料を供給することができる。すなわち、排気の旋回速度が高すぎて燃料が前段触媒５の外周側に偏ることを抑制できる。さらに、排気の旋回速度が低くなりすぎて燃料が前段触媒５の中心軸側に偏ることを抑制できる。これにより、より少ない燃料でより速やかに前段触媒５及びＳＣＲＦ７の温度を上昇させることができる。さらに、内燃機関１からの排気の温度がより低い状態からフィルタの再生が可能となる。

なお、本実施例では、前段触媒５に対して燃料を供給するときにＶＮ開度を調整しているが、これに代えて、例えばタービンハウジング５２よりも下流にＮＯｘ触媒を設け、該ＮＯｘ触媒に還元剤を供給するときにも同様に適用することができる。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 燃料添加弁
５ 前段触媒
６ 還元剤供給弁
７ ＳＣＲＦ
７ａ ＳＣＲ触媒
５０ 可変容量型ターボチャージャ
５１ コンプレッサハウジング
５２ タービンハウジング
５３ センタハウジング
５４ コンプレッサインペラ
５５ タービンインペラ
５６ ロータシャフト
５７ ノズルベーン
５８ 軸
５９ アクチュエータ
９５ エアフローメータ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、ノズルベーンの開度を変更することで排気の流速を変化させる可変容量型ターボチャージャと、
   前記可変容量型ターボチャージャよりも下流に設けられる触媒と、
   前記触媒よりも上流の排気通路に添加剤を供給する供給装置と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記供給装置から添加剤を供給する場合に、前記内燃機関の排気が前記可変容量型ターボチャージャを通過することで発生する排気の旋回流の速度が所定範囲内となるように前記ノズルベーンの開度を調整する制御装置を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記制御装置は、前記供給装置から添加剤を供給する場合に、内燃機関から排出される粒子状物質の量が所定量以下となるように、前記ノズルベーンの開度を調整する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記触媒よりも下流の排気通路において粒子状物質を捕集するフィルタを備え、
   前記制御装置は、前記フィルタの再生に要する時間が所定時間以下となるように、前記ノズルベーンの開度を調整する請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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