JP2017061878A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化触媒を燃料が通り抜けることに起因する排気性状の悪化を抑制しつつ、排気浄化部の内部温度を早期に上昇させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置は、内燃機関１１の排気通路１６に設けられた酸化触媒２１とフィルタ２２とを備える。排気の温度に基づいて酸化触媒２１の排気流れ方向における位置が互いに異なる３箇所の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を算出する。各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に基づいて、排気に添加する燃料量の目標値である最終添加量Ｆを算出する。そして、最終添加量Ｆに応じた量の燃料を排気に添加するべく燃料噴射弁１２を駆動する。【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。

内燃機関の排気通路には排気を浄化するための排気浄化装置が設けられている（例えば特許文献１）。
そうした排気浄化装置としては、未燃燃料や一酸化炭素を酸化させる酸化触媒と、同酸化触媒よりも排気流れ方向下流側に配置された排気浄化部（煤を濾過するフィルタや、窒素酸化物を還元して浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒など）とを有するものが知られている。

また、この排気浄化装置において、排気浄化部の機能回復を図るために、酸化触媒よりも排気流れ方向上流側で排気に燃料を添加することが提案されている。こうした装置では、内燃機関の燃焼室内においてトルク発生に寄与しないタイミングで燃料噴射弁から燃料を噴射したり、排気通路に設けられた燃料添加弁から燃料を噴射したりすることにより、排気への燃料の添加が実行される。そして、排気に添加された燃料が酸化触媒において酸化することにより、酸化触媒から流出して排気浄化部に流入する排気の温度が上昇して、排気浄化部の内部の温度が高くなる。このため、排気浄化部はその機能回復を図ることの可能な状態になる。

特開２００８−５７３６４号公報

ここで、酸化触媒の温度が高いときほど、酸化触媒において単位時間あたりに酸化させることの可能な燃料の量が多くなる。そのため、酸化触媒から流出して排気浄化部に流入する排気の温度を速やかに上昇させるためには、酸化触媒の温度が高いときほど、排気に添加する燃料の量（添加燃料量）を多くすればよい。

ただし、内燃機関の運転中において酸化触媒の排気流れ方向における各部の温度は均一ではない。
そのため、酸化触媒の中でも温度の高い高温部分に適合させて添加燃料量を定めると、高温部分では想定した量の燃料が酸化するものの、低い温度の低温部分では想定した量よりも少ない量の燃料しか酸化しない。したがって、この場合には、排気に添加した燃料の一部が酸化することなく酸化触媒を通り抜けてしまい、排気性状の悪化を招いてしまう。

一方、酸化触媒における低温部分に適合させて添加燃料量を定めると、排気に添加した燃料を酸化触媒の各部において十分に酸化させることができ、酸化触媒を燃料が通り抜けることによる排気性状の悪化を抑えることはできる。しかしながら、この場合には、高温部分において燃料を酸化させる余地があるのにも関わらず添加燃料量が少ない量になってしまうために、排気温度の上昇速度が遅くなって、排気浄化部の機能回復にかかる時間が長くなる。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化触媒を燃料が通り抜けることに起因する排気性状の悪化を抑制しつつ、排気浄化部の内部温度を早期に上昇させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するための内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、前記排気通路における前記酸化触媒よりも排気流れ方向下流側に設けられて排気を浄化する排気浄化部と、前記排気通路の排気の温度に基づいて前記酸化触媒の排気流れ方向における位置が互いに異なる複数の箇所の温度を算出する温度算出部と、前記酸化触媒よりも排気流れ方向上流側において排気に燃料を添加する添加部と、を備える。また、上記排気浄化装置は、前記温度算出部により算出された前記複数の箇所の温度に基づいて前記添加部から排気に添加する燃料量の目標値を算出する目標値算出部と、前記目標値に応じた量の燃料を排気に添加するべく、前記添加部を駆動する駆動部と、を備える。

上記装置によれば、排気に添加した燃料の酸化触媒における酸化反応によって、同酸化触媒から流出して排気浄化部に流入する排気の温度を上昇させることができ、排気浄化部の内部温度を上昇させることができる。しかも、酸化触媒の排気流れ方向における温度分布に応じて添加燃料量を定めることができる。そのため、酸化触媒の高温部分では多量の燃料を酸化させることができるとともに低温部分では活性化温度より低い場合には燃料を酸化させることができない、若しくは活性化温度以上である場合であっても燃料を少量しか酸化させることができないといったように、酸化触媒の各部で酸化する燃料の量を想定して、酸化触媒全体で酸化させることの可能な量を添加燃料量として定めることができる。したがって、上記装置によれば、燃料を酸化させる余地があるのにも関わらず添加燃料量が少量になって排気温度の上昇速度が遅くなることを抑えて、排気浄化部の内部温度を早期に上昇させることができる。また、添加燃料量が過多になって酸化触媒を燃料が通り抜けてしまうことを抑えて、燃料の通り抜けに起因する排気性状の悪化を抑制することができる。

一実施形態の内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す略図。 温度算出処理の実行手順を示すフローチャート。 ヒータ制御処理の実行手順を示すフローチャート。 添加量算出処理の実行手順を示すフローチャート。 駆動処理の実行手順を示すフローチャート。

以下、内燃機関の排気浄化装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、内燃機関１１には燃料噴射弁１２が取り付けられている。燃料噴射弁１２は内燃機関１１の燃焼室１３内に燃料を噴射する。内燃機関１１では、燃焼室１３の内部において、吸気通路１４を通じて吸入された空気と燃料噴射弁１２から噴射された燃料とが混合されるとともに、その混合ガスが燃焼される。そして、混合ガスの燃焼によって生じた力によって内燃機関１１のピストン１５が往復動するようになる。また、燃焼室１３内で燃焼したガスは、排気として燃焼室１３から排気通路１６に排出される。

排気通路１６には、排気を浄化する排気浄化部材２０が設けられている。この排気浄化部材２０の内部には、排気の流れ方向上流側（以下、単に「上流側」）から順に並ぶように酸化触媒２１とフィルタ２２とが配設されている。

酸化触媒２１には、排気中のＨＣを酸化処理する触媒が担持されている。この酸化触媒２１は、上流側の端部近傍にヒータ２３を内蔵している。ヒータ２３は電源回路２４を介してバッテリ１７に接続されている。そして、電源回路２４からヒータ２３に予め定められた一定の電力が供給されることにより、ヒータ２３が発熱して酸化触媒２１が加熱されるようになっている。なお、内燃機関１１にはその出力軸によって駆動される発電機１８が取り付けられており、この発電機１８によって発電される電力によってバッテリ１７は充電される。

フィルタ２２は、排気中のＰＭ（粒子状物質）を捕集する部材であって、多孔質のセラミックで構成されている。このフィルタ２２には、ＰＭの酸化を促進させるための触媒が担持されており、排気中のＰＭは、フィルタ２２の多孔質の壁を通過する際に捕集される。本実施形態では、フィルタ２２が、酸化触媒２１よりも排気流れ方向下流側（以下、単に「下流側」）に設けられて排気を浄化する排気浄化部に相当する。

本実施形態の排気浄化装置は各種センサを有している。各種センサとしては、例えば内燃機関１１の吸気通路１４内を通過する吸気の量（吸入空気量ＧＡ）を検出するためのエアフロメータ３１や、運転者による内燃機関１１の始動操作および停止操作を検出するための運転スイッチ３２が設けられている。また、内燃機関１１の排気通路１６における酸化触媒２１よりも上流側の部分には上流排気温度センサ３３が設けられており、この上流排気温度センサ３３は酸化触媒２１に流入する排気の温度（上流排気温度ＴＨＥＵ）を検出する。さらに、排気通路１６における酸化触媒２１とフィルタ２２との間の部分には下流排気温度センサ３４が設けられており、この下流排気温度センサ３４は酸化触媒２１から流出する排気の温度（下流排気温度ＴＨＥＢ）を検出する。また、排気通路１６におけるフィルタ２２よりも上流側の排気圧力と下流側の排気圧力との差（差圧ΔＰ）を検出するための差圧センサ３５や、大気の温度（大気温度ＴＨＡ）を検出するための大気温度センサ３６が設けられている。その他、排気通路１６におけるフィルタ２２よりも下流側の部分にはフィルタ温度センサ３７が設けられており、このフィルタ温度センサ３７はフィルタ２２から流出する排気の温度（フィルタ温度ＴＨＦ）を検出する。本実施形態では、フィルタ温度センサ３７により、フィルタ２２の内部温度（詳しくは、その指標となる温度としてのフィルタ温度ＴＨＦ）が検出される。

各種センサの出力は制御装置３０に入力される。この制御装置３０は、中央処理制御装置（ＣＰＵ）、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心に構成されている。そして、制御装置３０により、例えば燃料噴射弁１２の開弁制御（噴射量制御）や、ヒータ２３の作動制御などの各種制御が実行される。

制御装置３０は、各種制御として、フィルタ２２の機能回復を図るために、排気に燃料を添加する制御（フィルタ再生制御）を実行する。このフィルタ再生制御では、目標温度設定部３０Ａによってフィルタ温度ＴＨＦについての目標温度ＴＴ（例えば、６５０℃）が設定されるとともに、フィルタ温度ＴＨＦが目標温度ＴＴになるまで、内燃機関１１の燃焼室１３内でのトルク発生に寄与しないタイミングでの燃料噴射弁１２の燃料噴射が繰り返し実行される。本実施形態では、燃料噴射弁１２が、酸化触媒２１よりも上流側において排気に燃料を添加する添加部に相当する。

こうしたフィルタ再生制御を実行することにより、排気に添加した燃料が酸化触媒２１で酸化して同酸化触媒２１から流出する排気の温度が高くなり、酸化触媒２１よりも下流側に配置されたフィルタ２２の温度が高くなる。そして、フィルタ２２が所定の高温状態（例えば６００℃以上）になると、フィルタ２２内に堆積したＰＭが酸化してＣＯ２（二酸化炭素）及びＨ２Ｏ（水）になって排出されるといったように、ＰＭが酸化処理されて同フィルタ２２の再生が図られる。なお、フィルタ再生制御の実行時には、電源回路２４からヒータ２３への電力供給が行われる。本実施形態では、フィルタ再生制御の実行に合わせて、ヒータ２３による酸化触媒２１の加熱が実行される。

本実施形態では、フィルタ再生制御が実行されていないときにフィルタ２２のＰＭ堆積量ＰＭｓｍが予め定められた堆積量判定値Ａ以上になると、再生実行フラグがオン操作されて、フィルタ再生制御の実行が許可される。そして、フィルタ再生制御の実行中にＰＭ堆積量ＰＭｓｍが所定の再生終了値Ｂ以下になると、再生実行フラグがオフ操作されて、ＰＭ再生制御の実行が停止される。なお、上記ＰＭ堆積量ＰＭｓｍは、フィルタ２２に捕集されて堆積しているＰＭの量の推定値であり、上記圧力差ΔＰ等の内燃機関１１の運転状態に基づく周知の手法で算出される。

ここで、本実施形態の排気浄化装置では、フィルタ２２の温度を上昇させるための手法として、ヒータ２３によって酸化触媒２１を加熱する方法と排気に燃料を添加する方法との２つの方法が採用されている。以下、これら方法を採用することによるメリットとデメリットとについて説明する。

内燃機関１１が低温始動された直後など、酸化触媒２１の温度（詳しくは、その触媒床温）が活性化温度よりも低いときには、排気に燃料を添加しても、同燃料は酸化触媒２１においてほとんど酸化しないために、酸化触媒２１の温度を上昇させる効果は見込めない。これに対して、酸化触媒２１の温度が活性化温度よりも低いときであっても、ヒータ２３によって酸化触媒２１を加熱することが可能である。そのため、ヒータ２３によって加熱することにより、酸化触媒２１の温度を活性化温度以上の温度まで早期に上昇させる効果や、酸化触媒２１から流出する排気の温度を上昇させてフィルタ２２の温度を上昇させる効果を見込める。ただし、ヒータ２３による加熱のみによってフィルタ２２の温度を目標温度ＴＴまで上昇させることは、大型のヒータや大容量のバッテリが必要になるため、コストや設置スペースを考慮すると好ましくない。

また、排気に燃料を添加する方法では、添加燃料の酸化に伴い発生する熱によって酸化触媒２１や同酸化触媒２１から流出する排気が加熱されるため、熱エネルギーの発生効率が高い。これに対して、ヒータ２３によって酸化触媒２１を加熱する方法では、機関駆動式の発電機１８によって発電されてバッテリ１７に蓄えられた電力によってヒータ２３が作動して酸化触媒２１や同酸化触媒２１から流出する排気が加熱されるために、熱エネルギーの発生効率が比較的低い。

こうした実情をふまえて、本実施形態では、フィルタ再生制御の実行に際して、酸化触媒２１の温度が活性化温度より低いとき、すなわち排気への燃料の添加による酸化触媒２１の温度上昇が見込めないときには、ヒータ２３のみによって酸化触媒２１を加熱するようにしている。また、酸化触媒２１の温度が活性化温度以上であるとき、すなわち排気への燃料の添加による加熱が可能になると、ヒータ２３による加熱に加えて、排気への燃料添加による加熱を実行するようにしている。

このように本実施形態では、フィルタ再生制御の実行時に、ヒータ２３による加熱と排気への燃料添加による加熱とを利用して、酸化触媒２１や同酸化触媒２１から流出する排気を加熱して、フィルタ２２を加熱するようにしている。

前述したように、内燃機関１１の運転中において酸化触媒２１の各部の温度は均一ではないため、フィルタ再生制御の実行に際して酸化触媒２１の一箇所の温度に適合させて排気に添加する燃料の量（添加燃料量）を定めると、排気性状の悪化を招いたり、フィルタ２２の機能回復にかかる時間が長くなったりしてしまう。また本実施形態では、酸化触媒２１にヒータ２３が内蔵されているため、酸化触媒２１におけるヒータ２３が設けられた上流側の部分の温度が高くなり易いのに対して、それ以外の部分（中央部分や下流側の部分）の温度が低くなる。したがって、酸化触媒２１の排気流れ方向における温度分布が大きくなり易く、温度分布に起因する不都合が生じ易い。

こうした実情をふまえて、本実施形態では、酸化触媒２１の排気流れ方向における位置が互いに異なる３箇所の温度（上流部温度Ｔ１、中央部温度Ｔ２、下流部温度Ｔ３）を算出するようにしている。そして、フィルタ再生制御において、それら温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に基づいて添加燃料量の目標値を算出し、同目標値に応じた量の燃料を排気に添加するべく、燃料噴射弁１２の噴射量制御を実行するようにしている。

本実施形態では、こうしたフィルタ再生制御に関係する各種処理として、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を算出する処理（温度算出処理）と、ヒータ２３の作動を制御する処理（ヒータ制御処理）と、排気に添加する燃料量を算出する処理（添加量算出処理）と、燃料噴射弁１２を駆動する処理（駆動処理）とが実行される。以下、それら処理について各別に説明する。

ここでは先ず、図２を参照して、温度算出処理の実行手順を説明する。なお、図２は温度算出処理の実行手順を示しており、同図のフローチャートに示される一連の処理は、所定周期ごとの割り込み処理として、制御装置３０の温度算出部３０Ｂにより実行される処理である。

図２に示すように、この処理では先ず、上流排気温度ＴＨＥＵ、下流排気温度ＴＨＥＢ、および吸入空気量ＧＡに基づいて演算用のマップから酸化触媒２１の総受熱量ΔＱが算出される（ステップＳ１１）。

本実施形態では、各種の実験やシミュレーションの結果をもとに、ヒータ２３に前記一定の電力が供給されている状況での上流排気温度ＴＨＥＵと下流排気温度ＴＨＥＢと吸入空気量ＧＡと単位時間あたりに酸化触媒２１の全体が受ける熱量（総受熱量ΔＱ）との関係が予め求められ、同関係が上記マップとして制御装置３０に記憶されている。

総受熱量ΔＱとしては、次のような傾向を有する値が算出される。上流排気温度ＴＨＥＵが高いときほど、酸化触媒２１に流入する排気の温度が高く酸化触媒２１の受熱量が多くなり易いために、総受熱量ΔＱとして多い量が算出される。また、上流排気温度ＴＨＥＵと下流排気温度ＴＨＥＢとの差が大きいときほど、酸化触媒２１の通過に伴う排気温度の低下度合いが大きく、酸化触媒２１の受熱量が多くなっている可能性が高いため、総受熱量ΔＱとして多い量が算出される。さらに、吸入空気量ＧＡが多いときほど、単位時間当たりに酸化触媒２１を通過する排気の量が多く、排気の温度が同一であっても酸化触媒２１の受熱量が多くなり易いために、総受熱量ΔＱとして多い量が算出される。

そして、このようにして総受熱量ΔＱが算出された後、同総受熱量ΔＱと受熱係数Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ１３とに基づいて、以下の関係式から酸化触媒２１の各部（上流部分、中央部分、下流部分）における受熱量ΔＱ１，ΔＱ２，ΔＱ３が算出される。

上流部分の受熱量ΔＱ１＝ΔＱ×Ｋ１１
中央部分の受熱量ΔＱ２＝ΔＱ×Ｋ１２
下流部分の受熱量ΔＱ３＝ΔＱ×Ｋ１３

なお、上流部分は酸化触媒２１の排気流れ方向における中間部分よりも上流側の部分であり、中央部分は酸化触媒２１の排気流れ方向における中間部分であり、下流部分は酸化触媒２１の排気流れ方向における中間部分よりも下流側の部分である。また、受熱係数Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ１３は、総受熱量ΔＱを酸化触媒２１の各部が受ける熱量（ΔＱ１，ΔＱ２，ΔＱ３）に変換するための係数であり、関係式「０＜（Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ１３）＜１．０」と、関係式「Ｋ１１＋Ｋ１２＋Ｋ１３＝１．０」とを満たす値である。受熱係数Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ１３は、酸化触媒２１の各部の材質および形状やヒータ２３の配設位置および供給電力量などによって定まる値であり、各種の実験やシミュレーションの結果をもとに予め求められて制御装置３０に記憶されている。

このようにして酸化触媒２１の各部の受熱量ΔＱ１，ΔＱ２，ΔＱ３が算出された後、それら受熱量ΔＱ１，ΔＱ２，ΔＱ３と、酸化触媒２１の各部の温度の前回算出値Ｔ１ｉ，Ｔ２ｉ，Ｔ３ｉとに基づいて演算用のマップから各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が算出される。具体的には、酸化触媒２１の上流部分の受熱量ΔＱ１と温度（上流部温度Ｔ１）の前回算出値Ｔ１ｉとに基づいてマップから上流部温度Ｔ１の最新値が算出される。また、酸化触媒２１の中央部分の受熱量ΔＱ２と温度（中央部温度Ｔ２）の前回算出値Ｔ２ｉとに基づいてマップから中央部温度Ｔ２の最新値が算出される。さらに、酸化触媒２１の下流部分の受熱量ΔＱ３と温度（下流部温度Ｔ３）の前回算出値Ｔ３ｉとに基づいてマップから下流部温度Ｔ３の最新値が算出される。

本実施形態では、各種の実験やシミュレーションの結果をもとに、酸化触媒２１の温度の前回算出値（Ｔ１ｉ，Ｔ２ｉ，Ｔ３ｉ）と受熱量（ΔＱ１，ΔＱ２，ΔＱ３）と現在の温度（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）との関係が予め求められ、同関係が上記マップとして制御装置３０に記憶されている。上記マップには、前回算出値が高い温度であるときほど、また受熱量が多いときほど、酸化触媒２１の各部の温度の最新値が高い温度になる関係が定められている。なお、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の初期値としては、運転スイッチ３２によって運転者による内燃機関１１の始動操作が検出されたときの大気温度ＴＨＡが用いられる。

次に、図３を参照して、ヒータ制御処理の実行手順を説明する。なお、図３はヒータ制御処理の実行手順を示しており、同図のフローチャートに示される一連の処理は、所定周期ごとの割り込み処理として、制御装置３０のヒータ作動部３０Ｃにより実行される処理である。

図３に示すように、この処理では、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のいずれかが同酸化触媒２１の活性化温度（本実施形態では、１８０度）よりも低い場合には（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、電源回路２４からヒータ２３に予め定めた一定の電力が供給されて同ヒータ２３が作動する（ステップＳ２２）。この場合には、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を早期に活性化温度以上の温度まで上昇させるべく、ヒータ２３が作動して酸化触媒２１が加熱される。

また、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の全てが活性化温度以上であっても（ステップＳ２１：ＮＯ）、再生実行フラグがオン操作されており、且つ、フィルタ温度ＴＨＦが目標温度ＴＴよりも低いときには（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、ヒータ２３が作動する（ステップＳ２２）。すなわち、フィルタ再生制御の実行中においてフィルタ温度ＴＨＦが目標温度ＴＴに到達していないときには、フィルタ温度ＴＨＦを目標温度ＴＴまで早期に上昇させるべく、ヒータ２３が作動して酸化触媒２１が加熱される。

一方、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の全てが活性化温度以上である状態で（ステップＳ２１：ＮＯ）、再生実行フラグがオン操作されていないときには（ステップＳ２３：ＮＯ）、電源回路２４からヒータ２３に電力が供給されずに、同ヒータ２３は作動しない（ステップＳ２４）。また、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の全てが活性化温度以上である状態で（ステップＳ２１：ＮＯ）、再生実行フラグがオン操作されており、且つフィルタ温度ＴＨＦが目標温度ＴＴ以上であるときにも（ステップＳ２３：ＮＯ）、ヒータ２３は作動しない（ステップＳ２４）。

次に、図４を参照して、添加量算出処理の実行手順を説明する。なお、図４は添加量算出処理の実行手順を示しており、同図のフローチャートに示される一連の処理は、再生実行フラグがオン操作されていることを条件に、所定周期ごとの割り込み処理として、制御装置３０の目標値算出部３０Ｄにより実行される処理である。

図４に示すように、この処理では先ず、吸入空気量ＧＡと酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３とに基づいて、演算用のマップから、酸化触媒２１の各部において要求される要求添加量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が算出される（ステップＳ３１）。詳しくは、酸化触媒２１全体の温度が上流部温度Ｔ１で一定であると仮定した場合に酸化触媒２１で酸化させることの可能な燃料の量の上限値が要求添加量Ｆ１として算出される。また、酸化触媒２１全体の温度が中央部温度Ｔ２で一定であると仮定した場合に酸化触媒２１で酸化させることの可能な燃料の量の上限値が要求添加量Ｆ２として算出され、酸化触媒２１全体の温度が下流部温度Ｔ３であると仮定した場合に酸化触媒２１で酸化させることの可能な燃料の量の上限値が要求添加量Ｆ３として算出される。

本実施形態では、各種の実験やシミュレーションの結果をもとに、酸化触媒２１の温度（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）と酸化触媒２１で酸化させることの可能な燃料の量の上限値（要求添加量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）との関係が予め求められ、同関係が上記マップとして制御装置３０に記憶されている。本実施形態では、吸入空気量ＧＡが少ないときほど、排気の流速が遅く、排気に含まれる添加燃料を酸化触媒２１において完全に酸化させることの可能な時間が長くなるため、酸化触媒２１で酸化させることの可能な燃料量が多くなる。また、酸化触媒２１の温度が高いときほど、酸化触媒２１で酸化させることの可能な燃料量が多くなる。そのため、上記マップには、吸入空気量ＧＡが少ないときほど、また酸化触媒２１の温度が高いときほど、要求添加量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が多い量になる関係が定められている。ステップＳ３４の処理では、こうしたマップを用いて、要求添加量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が算出される。

その後、各要求添加量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と重み付け係数Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３とに基づいて、以下の関係式から、排気に添加する燃料量の目標値（最終添加量Ｆ）が算出された後（ステップＳ３２）、本処理は終了される。

Ｆ＝（Ｆ１×Ｋ２１）＋（Ｆ２×Ｋ２２）＋（Ｆ３×Ｋ２３）

なお、重み付け係数Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３は、要求添加量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を酸化触媒２１の各部において実際に酸化させることの可能な燃料量の上限値に変換するための係数であり、関係式「０＜（Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３）＜１．０」と、関係式「Ｋ２１＋Ｋ２２＋Ｋ２３＝１．０」とを満たす値である。また、重み付け係数Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３は、酸化触媒２１の各部の材質および形状やヒータ２３の配設位置および供給電力量などによって定まる値であり、各種の実験やシミュレーションの結果をもとに予め求められて制御装置３０に記憶されている。

ステップＳ３２の処理では、要求添加量Ｆ１に重み付け係数Ｋ２１を乗じて得られる量（Ｆ１×Ｋ２１）が酸化触媒２１の上流部分で酸化させることの可能な燃料量の上限値に相当し、要求添加量Ｆ２に重み付け係数Ｋ２２を乗じて得られる量（Ｆ２×Ｋ２２）が酸化触媒２１の中央部分で酸化させることの可能な燃料量の上限値に相当する。また、要求添加量Ｆ３に重み付け係数Ｋ２３を乗じて得られる量（Ｆ３×Ｋ２３）が酸化触媒２１の下流部分で酸化させることの可能な燃料量の上限値に相当する。そして、それら上限値を加算した値（最終添加量Ｆ）は、酸化触媒２１の全体で酸化させることの可能な燃料量の上限値になる。

次に、図５を参照して、駆動処理の実行手順を説明する。なお、図５は駆動処理の実行手順を示しており、同図のフローチャートに示される一連の処理は、再生実行フラグがオン操作されていることを条件に、所定周期ごとの割り込み処理として、制御装置３０の駆動部３０Ｅにより実行される処理である。

図５に示すように、この処理では先ず、フィルタ温度ＴＨＦが目標温度ＴＴより低いか否かが判断される（ステップＳ４１）。そして、フィルタ温度ＴＨＦが目標温度ＴＴ以上である場合には（ステップＳ４１：ＮＯ）、フィルタ温度ＴＨＦが十分に高くなっており、排気に燃料を添加する必要がないとして、燃料噴射弁１２の開弁駆動を通じた排気への燃料の添加を実行することなく（ステップＳ４２）、本処理は終了される。

一方、フィルタ温度ＴＨＦが目標温度ＴＴより低い場合には（ステップＳ４１：ＹＥＳ)、排気に燃料を添加してフィルタ温度ＴＨＦを上昇させる必要があるとして、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のうちの少なくとも一箇所の温度が酸化触媒２１の活性化温度以上であるか否かが判断される（ステップＳ４３）。

そして、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の全てが活性化温度よりも低い場合には（ステップＳ４３：ＮＯ）、排気に燃料を添加しても、同燃料が酸化触媒２１において殆ど酸化しない状況であるとして、排気への燃料の添加を実行することなく（ステップＳ４２）、本処理は終了される。

一方、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のうちの少なくとも一箇所の温度が酸化触媒２１の活性化温度以上である場合には（ステップＳ４３：ＹＥＳ）、排気に燃料を添加した場合に同燃料が酸化触媒２１において酸化する状況であるとして、単位時間当たりに前記最終添加量Ｆと同量の燃料が排気に添加されるように、燃料噴射弁１２の噴射量制御が実行される（ステップＳ４４）。

以下、このようにして最終添加量Ｆを算出することによる作用効果について説明する。
本実施形態によれば、フィルタ温度ＴＨＦが目標温度ＴＴよりも低いために同フィルタ温度ＴＨＦを上昇させる必要がある状況で、酸化触媒２１の温度が活性化温度以上になり同酸化触媒２１によって燃料を酸化させることが可能になったときに、燃料噴射弁１２の噴射量制御を通じて排気に燃料を添加することができる。これにより、排気に添加した燃料の酸化触媒２１における酸化反応によって、同酸化触媒２１から流出してフィルタ２２に流入する排気の温度を上昇させることができ、フィルタ温度ＴＨＦを上昇させることができる。

しかも、本実施形態では、酸化触媒２１の各部の温度（上流部温度Ｔ１、中央部温度Ｔ２、下流部温度Ｔ３）が算出されるとともに、それら温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に応じて、すなわち酸化触媒２１の排気流れ方向における温度分布に応じて最終添加量Ｆが定められる。そのため、酸化触媒２１の高温部分では多量の燃料を酸化させることができるが、低温部分では活性化温度より低い場合には燃料を酸化させることができない、若しくは活性化温度以上である場合であっても燃料を少量しか酸化させることができないといったように、酸化触媒２１の各部で酸化する燃料の量を想定して、酸化触媒２１全体で酸化させることの可能な量の上限値を最終添加量Ｆとして定めることができる。

したがって、酸化触媒２１によって燃料を酸化させる余地があるのにも関わらず最終添加量Ｆが少量になって排気温度の上昇速度が遅くなることを抑えて、フィルタ２２の内部温度を早期に上昇させることができる。また、最終添加量Ｆが過多になって酸化触媒２１を添加燃料が通り抜けてしまうことを抑えて、燃料の通り抜けに起因する排気性状の悪化を抑制することもできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を算出するとともに、各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に基づいて最終添加量Ｆを算出し、同最終添加量Ｆに応じた量の燃料を排気に添加するべく燃料噴射弁１２の噴射量制御を実行するようにした。そのため、酸化触媒２１を燃料が通り抜けることに起因する排気性状の悪化を抑制しつつ、フィルタ２２の内部温度を早期に上昇させることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・ヒータ制御処理（図３）のステップＳ２１の処理において、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の全て（あるいは２箇所）の温度が酸化触媒２１の活性化温度よりも低いか否かを判断するようにしてもよい。こうした装置によれば、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のうちのいずれかが酸化触媒２１の活性化温度よりも低いか否かを判断する装置と比較して、酸化触媒２１が添加燃料を酸化させることの可能な状態になるまで同酸化触媒２１をヒータ２３によって加熱する機能を維持しつつ、早期にヒータ２３の作動を停止させることができる。そのため、内燃機関１１の燃料消費量の低減を図ることができる。

・駆動処理（図５）のステップＳ４３の処理において、酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の全て（あるいは２箇所）の温度が酸化触媒２１の活性化温度以上であるか否かを判断するようにしてもよい。こうした装置によれば、ステップＳ４３の処理において、酸化触媒２１が添加燃料を酸化させることの可能な状態であることを確実に判断することができる。

・ヒータ制御処理のステップＳ２１の処理や駆動処理のステップＳ４３の処理において酸化触媒２１の各部の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の比較対象となる温度を、酸化触媒２１の活性化温度とすることに代えて、活性化温度よりも若干高い温度としてもよい。こうした装置によれば、ヒータ制御処理のステップＳ２１の処理や駆動処理のステップＳ４３の処理において、酸化触媒２１の温度が活性化温度以上で維持されるようになることを判断することができる。

・上記実施形態の排気浄化装置は、ヒータ２３を内蔵していない酸化触媒が採用された排気浄化装置にも適用することができる。この場合には、ヒータ２３を内蔵していない酸化触媒が採用された排気浄化装置を用いて各種の実験やシミュレーションを行うとともに、その結果をもとに、総受熱量ΔＱの算出に用いるマップや、受熱係数Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ１３、重み付け係数Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３、要求添加量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の算出に用いるマップを定めるようにすればよい。

・酸化触媒２１の排気流れ方向における位置が互いに異なる３箇所の温度を算出することに代えて、２箇所の温度を算出したり、４箇所以上の温度を算出したりしてもよい。この場合には、算出した酸化触媒２１の各部の温度に基づいて同酸化触媒２１の各部において要求される要求添加量を算出するとともに、それら要求添加量に基づいて最終添加量Ｆを算出し、その最終添加量Ｆに応じた量の燃料を排気に添加するべく燃料噴射弁１２の噴射量制御を実行すればよい。こうした装置によっても、酸化触媒２１を燃料が通り抜けることに起因する排気性状の悪化を抑制しつつ、フィルタ２２の内部温度を早期に上昇させることができる。

・フィルタ再生制御の実行時に、ヒータ２３に、一定電圧の電力を供給したり、目標温度ＴＴとフィルタ温度ＴＨＦとの差に応じて定まる電力を供給したり、スイッチ回路を介してバッテリ１７を直接接続するようにしたりしてもよい。この場合には、総受熱量ΔＱの算出に用いる算出パラメータや要求添加量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の算出に用いる算出パラメータに、単位時間あたりのヒータ２３の発熱量（供給電力量）が加えられる。これにより、そのときどきのヒータ２３の発熱量に応じたかたちで、総受熱量ΔＱや要求添加量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を精度良く算出することができるようになる。なお、単位時間あたりのヒータ２３の発熱量は、ヒータ２３への供給電力と電力供給時間とから求めることができる。

・上記実施形態の排気浄化装置は、フィルタ２２に代えて、あるいは併せて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が設けられた装置にも適用することができる。この場合、添加量算出処理を、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒による劣化を回復するべく酸化触媒２１よりも上流側で排気に燃料を添加する場合において燃料の添加量を算出する処理に適用することができる。

・内燃機関１１の排気通路１６に燃料を噴射する燃料添加弁を設けて、同燃料添加弁から排気通路１６内に燃料を噴射することによって、排気への燃料の添加を実行するようにしてもよい。

１１…内燃機関、１２…燃料噴射弁、１３…燃焼室、１４…吸気通路、１５…ピストン、１６…排気通路、１７…バッテリ、１８…発電機、２０…排気浄化部材、２１…酸化触媒、２２…フィルタ、２３…ヒータ、２４…電源回路、３０…制御装置、３０Ａ…目標温度設定部、３０Ｂ…温度算出部、３０Ｃ…ヒータ作動部、３０Ｄ…目標値算出部、３０Ｅ…駆動部、３１…エアフロメータ、３２…運転スイッチ、３３…上流排気温度センサ、３４…下流排気温度センサ、３５…差圧センサ、３６…大気温度センサ、３７…フィルタ温度センサ。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、
   前記排気通路における前記酸化触媒よりも排気流れ方向下流側に設けられて排気を浄化する排気浄化部と、
   前記排気通路の排気の温度に基づいて前記酸化触媒の排気流れ方向における位置が互いに異なる複数の箇所の温度を算出する温度算出部と、
   前記酸化触媒よりも排気流れ方向上流側において排気に燃料を添加する添加部と、
   前記温度算出部により算出された前記複数の箇所の温度に基づいて前記添加部から排気に添加する燃料量の目標値を算出する目標値算出部と、
   前記目標値に応じた量の燃料を排気に添加するべく、前記添加部を駆動する駆動部と
   を備える内燃機関の排気浄化装置。

Images