JP2022190300A - 触媒昇温システムの制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】直列に繋がる第１触媒と第２触媒の昇温を、より簡易な構造で、かつ、より安価に、かつ、より効率良く短時間に実現できる触媒昇温システムの制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関１０の吸気量に対して理論空燃比となる各気筒４５Ａ～４５Ｄへの燃料の量であるストイキ噴射量を算出する。ＮＳＲ６１（第１触媒）が炭化水素を浄化できる許容量をＮＳＲ６１の温度に基づいて算出する。ＳＣＲ６２（第２触媒）の暖機が必要であると判定した場合に、各気筒４５Ａ～４５Ｄの排気行程にて排気マニホルド１２Ａに排出される排気に残る炭化水素が、ＮＳＲ６１の許容量を超えないように、ストイキ噴射量を多段に分けて噴射する。ポスト噴射で噴かれた燃料の一部が、未燃燃料として残存酸素とともにＮＳＲ６１に供給され、ＮＳＲ６１にて未燃燃料と残存酸素の酸化反応が起こり、その反応熱でＳＣＲ６２の温度を効果的に上昇させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮自己着火式の内燃機関の排気経路に設けられた触媒を活性化させるために昇温する触媒昇温システムに関する。
ディーゼルエンジンでは、排気ガス中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するため、排気経路に触媒が設けられる。触媒の浄化能力を十分に発揮させるため、エンジン始動後においては、触媒の温度をより短時間で活性化温度にまで上昇させることが重要である。
このような触媒の昇温をより短時間に行う有効な手法として、エンジン気筒内での燃料の燃焼により発生した熱を触媒に届けるのではなく、エンジン気筒外での触媒自身または触媒の近傍で化学反応（酸化反応）により発生した熱を触媒に届けるものが知られている。つまり、前者では、熱が触媒に届くまでに、排気管壁面からの放熱が起こってしまうのに対し、後者では、燃料成分に化学エネルギーを残したままエンジン気筒を通過させて、触媒自身または触媒の近傍で化学反応を起こし、化学エネルギーを熱エネルギーに変換するため、前者と比較して排気管壁面からの放熱が抑制される結果、より沢山の熱を触媒に届けられる。
例えば、特許文献１では、各気筒をリーン気筒とリッチ気筒に分け、リッチ気筒からはＨＣ、ＣＯを過剰にして、リーン気筒からはＯ２を過剰にして、全体としては理論空燃比を維持する（リーン気筒の空気過剰率とリッチ気筒の空気過剰率の平均が１となるように燃料噴射量を制御する）。そして、各気筒からの排気が集合する集合部において酸化反応させるにあたって、リーン気筒での燃焼不安定化を抑制しつつ反応熱量を増大させるべく、リーン気筒の数をリッチ気筒の数より多く設定して、リーン気筒での空気過剰率を増大させることなく還元成分量（ＨＣ、ＣＯ）を増大させる技術が開示されている。
特開２０１２－５７４９２号公報
しかしながら、特許文献１に開示の技術では、リッチ気筒とリーン気筒の全体でストイキ（理論空燃比）の近傍に燃料噴射量を制御する必要がある。つまり、集合部における空燃比がストイキとなるように、例えば、リッチ気筒である＃１気筒での空気過剰率は０．８５、リーン気筒である＃３、＃４、＃２気筒でのそれぞれの気筒の空気過剰率は１．０５とし、全体としては空気過剰率が１となるように燃料噴射量を制御している。これを正確に実現するためには、各気筒の排気ポートのそれぞれにＡ／Ｆセンサを設けざるを得ず、エンジンの構造が複雑になるうえコスト高となってしまう。
また、特許文献１の内燃機関としてはガソリンエンジンを想定しており、単一の触媒を対象としている。しかし、ディーゼルエンジンでは、複数の触媒を直列で用いるのが一般的である。前段の触媒は、排気ガスから最初に熱を受け取ることができるので、何ら処置を施さなくとも比較的短時間で昇温が完了する。
一方、後段の触媒は、熱を奪われた排気ガスが流入するので、昇温に時間が掛かる。ディーゼルエンジンにおいては、前段、後段を含め全ての触媒が適温になって初めて触媒としての浄化能力が十分に発揮できるので、前段の触媒の昇温完了後に後段の触媒の昇温を待っていたのでは効率が悪い。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、直列に繋がる第１触媒と第２触媒の昇温を、より簡易な構造で、かつ、より安価に、かつ、より効率良く短時間に実現できる触媒昇温システムの制御装置を提供することを課題とする。
上記課題を達成するため、本発明の第１の発明は、圧縮自己着火式の内燃機関の排気経路に設けられた触媒を昇温する触媒昇温システムの制御装置であって、前記触媒昇温システムは、前記内燃機関の気筒それぞれに燃料を噴射する複数のインジェクタと、前記気筒からの排気が流入し、前記排気に含まれている少なくとも炭化水素を浄化可能な第１触媒と、前記第１触媒から流出される排気が流入し、前記排気に含まれている少なくとも窒素酸化物を浄化可能な第２触媒と、前記インジェクタから噴射する燃料のうち、前記気筒内で燃焼させる燃料の量を前記内燃機関に対して要求されるトルクに応じて変える制御装置と、を有しており、前記制御装置は、前記内燃機関の吸気量に対して理論空燃比となる各気筒への燃料の量であるストイキ噴射量を算出する燃料量算出部と、前記第１触媒が炭化水素を浄化できる許容量を当該第１触媒の温度に基づいて算出する許容量算出部と、前記第２触媒の昇温が必要であると判定した場合に、各気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでに噴射される燃料の総量である総噴射量が、前記燃料量算出部にて算出したストイキ噴射量となるように前記インジェクタからの燃料噴射を制御するとともに、前記排気行程の前の燃焼行程にて燃焼されず前記排気行程にて前記排気経路に排出される排気に残る炭化水素が前記許容量算出部にて算出した許容量を超えない噴射パターンで前記インジェクタからの燃料噴射を制御する、触媒昇温促進部と、を有している、触媒昇温システムの制御装置である。
次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る触媒昇温システムの制御装置であって、各気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでの燃料噴射は、前記第２触媒の昇温が必要であると前記制御装置が判定した場合には、前記内燃機関に対して要求されるトルクに応じた単数の噴射であって主となる噴射であるメイン噴射と、前記メイン噴射の前の単数または複数の噴射であるパイロット噴射と、前記メイン噴射の後の単数または複数の噴射であるアフタ噴射と、前記アフタ噴射の後の単数の噴射であるポスト噴射、を有しており、前記制御装置は、前記触媒昇温促進部にて、前記総噴射量を、前記メイン噴射と、前記パイロット噴射と、前記アフタ噴射と、前記ポスト噴射の各噴射の噴射量に分配し、前記排気行程にて前記排気経路に排出される排気に残る炭化水素が前記許容量を超えないように前記ポスト噴射の噴射時期を調整する、触媒昇温システムの制御装置である。
次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または上記第２の発明に係る触媒昇温システムの制御装置であって、前記第１触媒は、リーン燃焼時にはＮＯｘを吸着しリッチ燃焼時には吸着しているＮＯｘを浄化して排出するＮＯｘ吸蔵還元触媒であるＮＳＲ、または三元触媒、または酸化触媒のいずれかであり、前記第２触媒は、ＮＯｘを浄化する選択式還元触媒であるＳＣＲ、または微粒子捕集フィルタと一体化されたＳＣＲである、触媒昇温システムの制御装置である。
第１の発明によれば、気筒を区別することなく、全ての気筒において常に理論空燃比となるように噴射量を制御すればよく、それを実現するために必要なＡ／Ｆセンサの数は排気の合流部に１つあればよいので、より簡易な構造で、より安価に実現できる。また、排気経路に排出された炭化水素と当該炭化水素と結合しなかった残存酸素を敢えて第１触媒に供給し、第１触媒にて酸化反応させて昇温させることで、その反応熱で排気ガス温度を上げるので、第１触媒を効率よく短時間に昇温させるとともに、第１触媒の後段に位置する第２触媒もより効率よく昇温させることができる。
第２の発明によれば、排気経路に排出される炭化水素の量とポスト噴射の噴射時期には相関関係があり、その相関関係も比較的複雑なものではない。したがって、例えば両者を関係付けたマップを用意すれば、マップから第１触媒に供給すべき炭化水素の量に対応するポスト噴射の噴射時期を取得できるので、ポスト噴射の噴射時期の調整という簡易な制御で適切な量の炭化水素（及び酸素）を第１触媒に供給することができる。
第３の発明によれば、ＮＳＲを第１触媒、ＳＣＲを第２触媒、として有している触媒昇温システムへ適用させることができる。
触媒昇温システムを含む内燃機関システム全体の概略構成の例を説明する図である。 ［全体処理］の処理手順の例を説明するフローチャートである。 ［噴射量、噴射時期決定処理］の処理手順の例を説明するフローチャートである。 ［インターバル調整処理］の処理手順の例を説明するフローチャートである。 ［噴射処理］の処理手順の例を説明するフローチャートである。 ＮＳＲ温度・上限ＨＣ量特性とＮＳＲ温度・昇温代特性それぞれの例を説明する図である。 ポスト噴射インターバル・排ガス中ＨＣ量特性の例を説明する図である。 暖機用の噴射パターンにおけるポスト噴射の特徴を説明するための図である。 排気マニホルド以降の各所における排気ガス温度を示す図である。 触媒昇温システムによって暖機完了時間が短縮されたことを示す図である。 ポスト噴射インターバル・ポストトルク感度特性の例を説明する図である。
●［内燃機関システム１の概略構成の例（図１）］
以下に本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。まず図１を用いて、本発明に係る触媒昇温システムの制御装置を有する内燃機関システム１の概略構成の例について説明する。本実施の形態の説明では、圧縮自己着火式燃機関の例として、車両に搭載された内燃機関１０（例えばディーゼルエンジン）を用いて説明する。以降、内燃機関１０は、圧縮自己着火式の内燃機関を指す。なお、以降の説明において、「暖機」は「昇温」を含む。
以下、システム全体について、吸気側から排気側に向かって順に説明する。吸気管１１Ａの流入側には、エアクリーナ（図示省略）、吸気流量検出装置２１（例えば、吸気流量センサ）が設けられている。吸気流量検出装置２１は、内燃機関１０が吸入した空気の流量に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。また吸気流量検出装置２１には、吸気温度検出装置２８Ａ（例えば、吸気温度センサ）、大気圧検出装置２３（例えば、大気圧センサ）が設けられている。吸気温度検出装置２８Ａは、吸気流量検出装置２１を通過する吸気の温度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。大気圧検出装置２３は、周囲の大気圧に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。
吸気管１１Ａの流出側はコンプレッサ３５の流入側に接続され、コンプレッサ３５の流出側は吸気管１１Ｂの流入側に接続されている。ターボ過給機３０のコンプレッサ３５は、排気ガスのエネルギーによって回転駆動されるタービン３６にて回転駆動され、吸気管１１Ａから流入された吸気を吸気管１１Ｂに圧送することで過給する。
コンプレッサ３５の上流側となる吸気管１１Ａには、コンプレッサ上流圧力検出装置２４Ａ（例えば圧力センサ）が設けられている。コンプレッサ上流圧力検出装置２４Ａは、吸気管１１Ａ内の圧力に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。コンプレッサ３５の下流側となる吸気管１１Ｂ（吸気管１１Ｂにおけるコンプレッサ３５とインタークーラ１６との間の位置）には、コンプレッサ下流圧力検出装置２４Ｂ（例えば圧力センサ）が設けられている。コンプレッサ下流圧力検出装置２４Ｂは、吸気管１１Ｂ内の圧力に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。
吸気管１１Ｂには、上流側にインタークーラ１６が配置され、インタークーラ１６よりも下流側にスロットル装置４７が配置されている。インタークーラ１６は、コンプレッサ下流圧力検出装置２４Ｂよりも下流側に配置されている。インタークーラ１６とスロットル装置４７との間には、吸気温度検出装置２８Ｂ（例えば、吸気温度センサ）が設けられている。吸気温度検出装置２８Ｂは、インタークーラ１６にて温度が低下された吸気の温度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。
スロットル装置４７は、制御装置５０からの制御信号に基づいて吸気管１１Ｂの開度を調整するスロットルバルブ４７Ｖを駆動し、吸気流量を調整可能である。制御装置５０は、スロットル開度検出装置４７Ｓ（例えば、スロットル開度センサ）からの検出信号と目標スロットル開度に基づいて、スロットル装置４７に制御信号を出力してスロットルバルブ４７Ｖの開度を調整可能である。なお、目標スロットル開度とは、制御装置５０が、例えば、アクセルペダル踏込量検出装置２５からの検出信号に基づいて検出したアクセルペダルの踏込量と内燃機関１０の運転状態等に基づいて求めたものである。
アクセルペダル踏込量検出装置２５は、例えばアクセルペダル踏込角度センサであり、アクセルペダルに設けられている。制御装置５０は、アクセルペダル踏込量検出装置２５からの検出信号に基づいて、運転者によるアクセルペダルの踏込量を検出することが可能である。
吸気管１１Ｂにおけるスロットル装置４７よりも下流側には、吸気マニホルド圧力検出装置２４Ｃ（例えば圧力センサ）が設けられており、ＥＧＲ配管１３の流出側が接続されている。そして吸気管１１Ｂの流出側は吸気マニホルド１１Ｃの流入側に接続されており、吸気マニホルド１１Ｃの流出側は内燃機関１０の流入側に接続されている。吸気マニホルド圧力検出装置２４Ｃは、吸気マニホルド１１Ｃに流入する直前の吸気の圧力に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。またＥＧＲ配管１３の流出側（吸気管１１Ｂとの接続部）からは、ＥＧＲ配管１３の流入側（排気管１２Ｂとの接続部）から流入してきたＥＧＲガスが、吸気管１１Ｂ内に吐出される。
内燃機関１０は複数の気筒４５Ａ～４５Ｄを有しており、インジェクタ４３Ａ～４３Ｄが、それぞれの気筒に設けられている。インジェクタ４３Ａ～４３Ｄには、コモンレール４１と燃料配管４２Ａ～４２Ｄを介して燃料が供給されており、インジェクタ４３Ａ～４３Ｄは、制御装置５０からの制御信号によって駆動され、それぞれの気筒４５Ａ～４５Ｄ内に燃料を噴射する。
内燃機関１０には、クランク角度検出装置２２Ａ、カム角度検出装置２２Ｂ、クーラント温度検出装置２８Ｃ等が設けられている。クランク角度検出装置２２Ａは、例えば回転センサであり、内燃機関１０のクランクシャフトの回転角度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。カム角度検出装置２２Ｂは、例えば回転センサであり、内燃機関１０のカムシャフトの回転角度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。制御装置５０は、クランク角度検出装置２２Ａとカム角度検出装置２２Ｂからの検出信号に基づいて、各シリンダの行程及び回転角度等を検出することができる。またクーラント温度検出装置２８Ｃは、例えば温度センサであり、内燃機関１０内に循環されている冷却用クーラントの温度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。
内燃機関１０の排気側には排気マニホルド１２Ａの流入側が接続され、排気マニホルド１２Ａの流出側には排気管１２Ｂの流入側が接続されている。排気管１２Ｂの流出側はタービン３６の流入側に接続され、タービン３６の流出側は排気管１２Ｃの流入側に接続されている。
排気管１２Ｂには、ＥＧＲ配管１３の流入側が接続されている。ＥＧＲ配管１３は、排気管１２Ｂと吸気管１１Ｂとを連通し、排気管１２Ｂ（排気経路に相当）の排気ガスの一部を吸気管１１Ｂ（吸気経路に相当）に還流させることが可能である。またＥＧＲ配管１３には、ＥＧＲクーラ１５、ＥＧＲ弁１４が設けられている。ＥＧＲ弁１４は、制御装置５０からの制御信号に基づいて、ＥＧＲ配管１３の開度を調整することで、ＥＧＲ配管１３内を流れるＥＧＲガスの流量を調整する。
排気管１２Ｂには、排気温度検出装置２９が設けられている。排気温度検出装置２９は、例えば排気温度センサであり、排気温度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。
排気管１２Ｂの流出側はタービン３６の流入側に接続され、タービン３６の流出側は排気管１２Ｃの流入側に接続されている。タービン３６には、タービン３６へ導く排気ガスの流速を制御可能な（タービンへと排気ガスを導く流路の開度を調整可能な）可変ノズル３３が設けられており、可変ノズル３３は、ノズル駆動装置３１によって開度が調整される。制御装置５０は、ノズル開度検出装置３２（例えば、ノズル開度センサ）からの検出信号と目標ノズル開度に基づいて、ノズル駆動装置３１に制御信号を出力して可変ノズル３３の開度を調整可能である。
タービン３６の上流側となる排気管１２Ｂには、タービン上流圧力検出装置２６Ａ（例えば圧力センサ）が設けられている。タービン上流圧力検出装置２６Ａは、排気管１２Ｂ内の圧力に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。タービン３６の下流側となる排気管１２Ｃには、タービン下流圧力検出装置２６Ｂ（例えば圧力センサ）が設けられている。タービン下流圧力検出装置２６Ｂは、排気管１２Ｃ内の圧力に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。
排気管１２Ｃには、上流側にＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ：ＮＯｘ Ｓｔｏｒａｇｅ－Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）６１が配置され、ＮＳＲ６１よりも下流側に選択式還元触媒（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）６２が配置されている。また、排気管１２Ｃには、ＮＳＲ６１の上流側と下流側にそれぞれ、排気温度検出装置（触媒温度検出装置）６３Ａ、６３Ｂ（例えば、排気温度センサ）が設けられている。さらに、排気管１２Ｃには、排気温度検出装置６３Ｂの下流側に（ＮＳＲ６１の下流側かつＳＣＲ６２の上流側に）、Ａ／Ｆセンサ６４が設けられている。Ａ／Ｆセンサ６４は、排気ガス中の空燃比に応じた検出信号を出力する。
尿素水添加弁６５は、排気管１２ＣにおけるＮＳＲ６１の下流側、且つ、ＳＣＲ６２の上流側に配置されて、所定時間（例えば、２００ミリ秒～４００ミリ秒である。）毎に、排気ガス中に尿素水を添加する。また、排気管１２Ｃには、ＳＣＲ６２の上流側と下流側にそれぞれ、排気温度検出装置６６Ａ、６６Ｂ（例えば、排気温度センサ）が設けられている。
車速検出装置２７は、例えば車両速度検出センサであり、車両の車輪等に設けられている。車速検出装置２７は、車両の車輪の回転速度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。
制御装置５０は、ＣＰＵ５１、ＲＡＭ５２、記憶装置５３、タイマ５４等を有している。制御装置５０（ＣＰＵ５１）には、上述した種々の検出装置からの検出信号が入力され制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、上述した種々のアクチュエータへの制御信号を出力する。なお、制御装置５０の入出力は、上記の検出装置やアクチュエータに限定されるものではない。また、各部の温度や圧力等はセンサを搭載せずに推定計算により算出しても良い。制御装置５０は、上記の検出装置を含めた各種の検出装置からの検出信号に基づいて内燃機関１０の運転状態を検出し、上記のアクチュエータを含む各種のアクチュエータを制御する。記憶装置５３は、例えばＦｌａｓｈ－ＲＯＭ等の記憶装置であり、内燃機関の制御や自己診断等を実行するためのプログラムやデータ等が記憶されている。また制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、燃料量算出部５１Ａ、許容量算出部５１Ｂ、触媒昇温促進部５１Ｃ等を有しているが、これらの詳細については後述する。
なお、制御装置５０は、主となる燃料噴射であるメイン噴射と、メイン噴射の前段噴射となる単数または複数の燃料噴射であるパイロット噴射と、メイン噴射の後の単数または複数の噴射であるアフタ噴射と、アフタ噴射の後の単数の噴射であるポスト噴射との組み合わせからなる多段噴射について、複数の噴射パターンを有しており、触媒の温度や内燃機関１０の運転状態に応じて使い分けている。また、制御装置５０は、複数の噴射パターンそれぞれにおける各噴射の噴射量と噴射時期については、内燃機関１０の運転状態に基づいて決定している。
●［第１の実施の形態における制御装置５０の処理手順（図２～図８）］
内燃機関システム１における触媒昇温システムは、インジェクタ４３Ａ～４３Ｄと、ＮＳＲ６１と、ＳＣＲ６２と、制御装置５０とを有しており、ＮＳＲ６１よりも下流に配置されたＳＣＲ６２をより短時間に昇温するため、以下の処理を実施する。
制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、例えば所定時間間隔（数［ｍｓ］～数１０［ｍｓ］間隔）にて、図２に示す［全体処理］を起動し、ステップＳ１１０に処理を進める。
ステップＳ１１０にて制御装置５０は、ＳＣＲ６２の温度を取得し、ステップＳ１２０へ処理を進める。なお、制御装置５０は、排気温度検出装置６６Ａ、６６Ｂからの検出信号により、ＳＣＲ６２から排出される排気ガスの温度と、ＳＣＲ６２に流入する排気ガスの温度を検出し、その温度差からＳＣＲ６２の温度を推定している。
ステップＳ１２０にて制御装置５０は、取得したＳＣＲ６２の温度に基づいて、ＳＣＲ６２の暖機が必要であるか否かを判定する。制御装置５０は、暖機が必要である場合（Ｙｅｓ）はステップＳ１３０へ処理を進め、暖機が不要である場合（Ｎｏ）はステップＳ１６０へ処理を進める。
ステップＳ１３０へ処理を進めた場合、制御装置５０は、切替フラグをＯＮにして、ステップＳ１４０へ処理を進める。なお、切替フラグは、噴射パターンの切り替え（暖機用の噴射パターンを使用するか、通常の噴射パターンを使用するか）に用いられる。
ステップＳ１４０にて制御装置５０は、ＮＳＲ６１の温度を取得し、ステップＳ１５０へ処理を進める。なお、制御装置５０は、排気温度検出装置６３Ａ、６３Ｂからの検出信号により、ＮＳＲ６２から排出される排気ガスの温度と、ＮＳＲ６２に流入する排気ガスの温度を検出し、その温度差からＮＳＲ６２の温度を推定している。
ステップＳ１５０にて制御装置５０は、取得したＮＳＲ６２の温度に基づいて、上限ＨＣ量と昇温代を取得し、図２に示す処理を終了する。なお、上限ＨＣ量とは、ＮＳＲ６１が浄化可能な炭化水素の量であり、昇温代とは、ＮＳＲ６１より排出された排気ガスの温度と、ＮＳＲ６１に流入する排気ガスの温度の差である。制御装置５０の記憶装置５３には、図６に示すＮＳＲ温度・上限ＨＣ量特性及びＮＳＲ温度・昇温代特性が記憶されており、制御装置５０は、両特性とＮＳＲ６２の温度に基づいて上限ＨＣ量と昇温代を算出する。
ステップＳ１６０へ処理を進めた場合、制御装置５０は、切替フラグをＯＦＦにして、図２に示す処理を終了する。
なおステップＳ１５０の処理を実行している制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、第１触媒が炭化水素を浄化できる許容量を当該第１触媒の温度に基づいて算出する、許容量算出部５１Ｂ（図１参照）に相当している。
●［噴射量、噴射時期の決定（図３）］
制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、例えば所定クランク角度タイミングにて、図３に示す［噴射量、噴射時期決定処理］を起動し、ステップＳ２１０に処理を進める。
ステップＳ２１０にて制御装置５０は、各気筒４５Ａ～４５Ｄの吸気量、内燃機関１０の回転数、車速、アクセルペダル開度を取得し、ステップＳ２２０へ処理を進める。なお、各気筒４５Ａ～４５Ｄの吸気量とは、４つの気筒４５Ａ～４５Ｄのうち、現在着目している気筒（例えば気筒４５Ａ）における吸気行程にて当該気筒に吸い込まれる空気の量である。制御装置５０は、上述した各種の検出装置を用いて、各気筒４５Ａ～４５Ｄの吸気量を始め、各値を検出している。
ステップＳ２２０にて制御装置５０は、取得した各気筒４５Ａ～４５Ｄの吸気量、内燃機関１０の回転数、車速、アクセルペダル開度に基づいて、基本ストイキ噴射量及び要求トルクを算出し、ステップＳ２３０へ処理を進める。なお、基本ストイキ噴射量とは、ある単一の気筒に吸い込まれた空気中の酸素に対し完全燃焼する燃料（軽油）の量である。
ステップＳ２３０にて制御装置５０は、Ａ／Ｆセンサ６４からの検出信号によりＡ／Ｆ（空燃比）を取得し、ステップＳ２４０へ処理を進める。
ステップＳ２４０にて制御装置５０は、取得したＡ／Ｆに応じて基本ストイキ噴射量を補正した補正済総噴射量を算出し、ステップＳ２５０へ処理を進める。つまり、制御装置５０は、Ａ／Ｆセンサ６４により検出した実際のＡ／Ｆに基づいてフィードバック制御を実施し、基本ストイキ噴射量の誤差を調整している。
ステップＳ２５０にて制御装置５０は、切替フラグがＯＮであるか否かを判定する。制御装置５０は、切替フラグがＯＮである場合（Ｙｅｓ）はステップＳ２６０へ処理を進め、切替フラグがＯＦＦである場合（Ｎｏ）はステップＳ２８０へ処理を進める。
ステップＳ２６０へ処理を進めた場合、制御装置５０は、補正済総噴射量と要求トルクに応じて暖機用の多段噴射パターンでの各噴射における噴射量と噴射時期を決定し、ステップＳ２７０へ処理を進める。なお、暖機用の多段噴射パターンとは、パイロット噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の順に全てを噴射するものである（図８参照）。そして、ポスト噴射にて噴射された燃料のうち、燃焼しなかった未燃燃料（炭化水素）が、同じく当該未燃燃料と結合しなかった残存酸素とともにＮＳＲ６１に供給される結果、ＮＳＲ６１にて酸化反応が起こり、その反応熱でＳＣＲ６２の温度が上昇することとなる。
ステップＳ２７０にて制御装置５０は、［インターバル調整処理］を実行し、図３に示す処理を終了する。なお、［インターバル調整処理］（図４）の詳細については後述する。
ステップＳ２８０へ処理を進めた場合、制御装置５０は、補正済総噴射量と要求トルクに応じて通常の多段噴射パターンでの各噴射における噴射量と噴射時期を決定し、図３に示す処理を終了する。なお、通常の多段噴射パターンとは、既存の噴射パターンであり、例えばパイロット噴射、メイン噴射の順に噴射した後、必要に応じてアフタ噴射、ポスト噴射を噴射するものである。通常の多段噴射パターンでは、暖機用の多段噴射パターンと異なり、各噴射で噴射された燃料は、気筒４５Ａ～４５Ｄにて全て燃焼する。
なおステップＳ２２０、Ｓ２３０、Ｓ２４０の処理を実行している制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、内燃機関の吸気量に対して理論空燃比となる各気筒への燃料の量であるストイキ噴射量を算出する、燃料量算出部５１Ａ（図１参照）に相当している。
またステップＳ２５０、Ｓ２６０、Ｓ２７０の処理を実行している制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、第２触媒の暖機が必要である判定した場合に、各気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでに噴射される燃料の総量である総噴射量が、燃料量算出部にて算出したストイキ噴射量となるようにインジェクタからの燃料噴射を制御するとともに、排気行程の前の燃焼行程にて燃焼されず排気行程にて排気経路に排出される排気に残る炭化水素が許容量算出部にて算出した許容量を超えない噴射パターンでインジェクタからの燃料噴射を制御する、触媒昇温促進部５１Ｃ（図１参照）に相当している。
●［インターバル調整処理（図４）］
次に図４を用いて、図３に示すフローチャートのステップＳ２７０の［インターバル調整処理］の詳細を説明する。ＳＣＲ６２をより短時間に暖機するならば、ポスト噴射にて噴射された燃料の全てを未燃燃料としてＮＳＲ６１に供給し、より多くの反応熱を得ることが望ましい。しかし、ＮＳＲ６１の浄化能力以上の炭化水素を供給することはできないので、上限ＨＣ量に基づいてポスト噴射のインターバルを調整する。インターバルとは、アフタ噴射が噴射された時からポスト噴射が噴射される時までの時間である。インターバルを調整することにより、ポスト噴射された燃料のうち、どれだけの燃料が未燃燃料として残るかが決まる。例えば、インターバルが短ければポスト噴射で噴かれた燃料のほぼ全てが燃焼するし、長くなればなるほど未燃燃料が増える。図３に示すフローチャートのステップＳ２７０の処理を実行する際、制御装置５０は図４に示すステップＳ３１０へ処理を進める。
ステップＳ３１０にて制御装置５０は、ＳＣＲ６２の暖機が完了するまでの温度、上限ＨＣ量、昇温代に基づいてＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量を算出し、ステップＳ３２０へ処理を進める。具体的には、制御装置５０は、現在のＳＣＲ６２が暖機完了温度に達するまでの温度が大きい場合は、できる限り沢山の酸化反応熱を得るべく、上限ＨＣ量をそのままＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量とする。一方で、制御装置５０は、その温度差が小さくなると、酸化反応熱で勢い余ってＳＣＲ６２を昇温し過ぎないように、上限ＨＣ量より少ない量をＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量とする。このように、常に上限ＨＣ量をＮＳＲ６１へ供給するわけではなく、ＳＣＲ６２の暖機が完了するまでの温度、昇温代を考慮してＨＣの供給量を調整することが望ましい。
ステップＳ３２０にて制御装置５０は、ＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量に基づいてインターバルを取得する。なお、制御装置５０の記憶装置５３には、図７に示すポスト噴射インターバル・排ガス中ＨＣ量特性がポスト噴射の燃料量ごとに記憶されており、制御装置５０は、ポスト噴射インターバル・排ガス中ＨＣ量特性とＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量に基づいてポスト噴射のインターバルを算出する。例えば、ポスト噴射量がＰ１であり、ＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量がＶ１であった場合、記憶装置５３に記憶されたマップのうちポスト噴射量＝Ｐ１のマップから、排ガス中ＨＣ量がＶ１となるポスト噴射のインターバルである「Ａ」を取得する。
ステップＳ３３０にて制御装置５０は、取得したインターバルに基づいて暖機用の多段噴射パターンでのポスト噴射における噴射時期を調整し、図４に示す処理を終了する。
●［噴射処理（図５）］
制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、例えば所定クランク角度タイミングにて、図５に示す［噴射処理］を起動し、ステップＳ４１０に処理を進める。
ステップＳ４１０にて制御装置５０は、決定した噴射量と噴射時期でインジェクタ４３Ａ～４３Ｄを制御し、図５に示す処理を終了する。
●［インターバルと未燃燃料の関係（図８）］
図８は、横軸をクランク角度、縦軸をインジェクタ４３Ａ～４３Ｄの開弁度合（ＯＮはバルブが全開、ＯＦＦはバルブが全閉）とし、暖機用の多段噴射パターンの例を視覚化したものである。図８に示すように、暖機用の多段噴射パターンの例では、まず、２発のパイロット噴射の後、単発のメイン噴射が噴かれる。そして、メイン噴射に続いて、３発のアフタ噴射が噴かれた後、さらに単発のポスト噴射が噴かれる。
また、図８において、ＯＦＦからＯＮに立ち上がる起点は、各噴射の噴射時期を示し、線に囲まれた領域は、各噴射の噴射量を示している。したがって、全ての領域を合わせると、図３に示す［噴射量、噴射時期決定処理］における補正済総噴射量となる。
このような暖機用の多段噴射パターンにおいて、パイロット噴射、メイン噴射、アフタ噴射で噴かれた燃料は気筒４５Ａ～４５Ｄにて全て燃焼するのに対し、ポスト噴射で噴かれた燃料については一部が燃焼する。具体的には、最後のアフタ噴射が噴かれてからポスト噴射を噴くまでにどれだけの間隔を空けたか（インターバル）によって、燃焼する燃料の量が変わり、その量はインターバルをとればとるほど少なくなる。言い換えれば、未燃燃料（図８に示す網掛け部）の量は、インターバルをとればとるほど多くなる。
例えば、アフタ噴射からＡだけインターバルをとって噴かれたポスト噴射では、未燃燃料がＶ１だけ残るのに対し、Ａよりも長いＢだけインターバルをとったポスト噴射では、Ｖ１より多いＶ２の未燃燃料が残る。
制御装置５０の記憶装置５３には、ポスト噴射について、アフタ噴射からポスト噴射までのインターバルと、未燃燃料（炭化水素）として残る（排気ガス中に含まれる）量の関係がマップとしてポスト噴射量ごとに記憶されている（図７参照）。制御装置５０は、このポスト噴射インターバル・排ガス中ＨＣ量特性（図７参照）に基づいて、図４に示す［インターバル調整処理］を行い、できる限り多くの未燃燃料を、当該未燃燃料と結合しなかった残存酸素とともにＮＳＲ６１に供給している。
●［触媒昇温システムの作用・効果（図９～図１１）］
触媒昇温システムでは、ポスト噴射で噴かれた燃料の一部について気筒４５Ａ～４５Ｄで燃焼させることなく、敢えて未燃燃料として残存酸素とともにＮＳＲ６１に供給している。ＮＳＲ６１は、白金等の触媒物質が含まれており三元触媒としても機能するため、未燃燃料と残存酸素の酸化反応が起こり、その反応熱でＳＣＲ６２の温度を効果的に上昇させることができる。
具体的には、図９に示すように、従来、気筒４５Ａ～４５Ｄから排出された排気ガスは、排出当初は高温であるが、排気マニホルド１２Ａやターボ過給機３０、あるいは、これらを繋ぐ排気管１２Ｂ等、各所にて放熱し、気筒４５Ａ～４５Ｄからの距離が離れるにつれ、その温度は下がる一方であった。その結果、ＳＣＲ６２に届くころには、暖機には不十分な温度となっていた。
これに対し、本発明に係る触媒昇温システムによれば、気筒４５Ａ～４５Ｄにて全ての燃料が燃焼しないため、排気マニホルド１２Ａでの温度は従来と比較して低いものの、ＮＳＲ６１にて未燃燃料と残存酸素の酸化反応が起こるため温度が上昇し、ＳＣＲ６２における排気ガス温度を従来と比較してより高くすることができる。つまり、燃焼により熱エネルギーを発生させると途中で無駄に捨てられてしまうこととなるので、化学エネルギーとして保存したままＮＳＲ６１まで届けて、ＮＳＲ６１にて熱エネルギーに変換している。
その結果、図１０に示すように、ＳＣＲ６２が暖機完了温度Ｔに達するまでの時間を従来のｔ２からｔ１まで短縮することができる。なお、ＳＣＲ６２の暖機中は、できる限りＮＳＲ６１へ多くの未燃燃料を供給すべく、アフタ噴射からポスト噴射までのインターバルが比較的長くとられる。よって、図１１に示すように、インターバルが長くなればなるほどポスト噴射によるトルク感度は低くなり、メイン噴射で想定したトルクに影響を与えることはない。
本発明の触媒昇温システムは、本実施の形態で説明した外観、構成、構造等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、直列に繋がる複数の触媒としてＮＳＲ６１とＳＣＲ６２を例に説明したが、他の触媒を組み合わせたものであっても良い。具体的には、前段に配置されるＮＳＲ６１は、未燃燃料（炭化水素）と残存酸素の酸化反応を促進させるものであればよく、三元触媒または酸化触媒としても良い。また、後段に配置されるＳＣＲ６２は、微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ）と一体にしたものであっても良いし、それぞれ独立にしたうえで、前段触媒（ＮＳＲ６１、または、三元触媒、または、酸化触媒）とＳＣＲ６２の中間にＤＰＦを配置しても良い。
また、本実施形態において、暖機用の多段噴射パターンの例として、パイロット噴射（２発）、メイン噴射（１発）、アフタ噴射（３発）、ポスト噴射（１発）の順に噴くもの挙げたが、パイロット噴射とアフタ噴射の数はこれに限定されない。例えば、パイロット噴射、アフタ噴射ともに１発、あるいは、２発でも良い。
１ 内燃機関システム
１０ 内燃機関
１１Ｃ 吸気マニホルド
１１Ａ 吸気管
１１Ｂ 吸気管
１２Ａ 排気マニホルド
１２Ｂ 排気管
１２Ｃ 排気管
１３ ＥＧＲ配管
１４ ＥＧＲ弁
１５ ＥＧＲクーラ
１６ インタークーラ
２１ 吸気流量検出装置
２２Ａ クランク角度検出装置
２２Ｂ カム角度検出装置
２３ 大気圧検出装置
２４Ａ コンプレッサ上流圧力検出装置
２４Ｂ コンプレッサ下流圧力検出装置
２４Ｃ 吸気マニホルド圧力検出装置
２５ アクセルペダル踏込量検出装置
２６Ａ タービン上流圧力検出装置
２６Ｂ タービン下流圧力検出装置
２７ 車速検出装置
２８Ｃ クーラント温度検出装置
２８Ａ、２８Ｂ 吸気温度検出装置
２９ 排気温度検出装置
３０ ターボ過給機
３１ ノズル駆動装置
３２ ノズル開度検出装置
３３ 可変ノズル
３５ コンプレッサ
３６ タービン
４１ コモンレール
４２Ａ～４２Ｄ 燃料配管
４３Ａ～４３Ｄ インジェクタ
４５Ａ～４５Ｄ 気筒
４７ スロットル装置
４７Ｓ スロットル開度検出装置
４７Ｖ スロットルバルブ
５０ 制御装置
５１Ａ 燃料量算出部
５１Ｂ 許容量算出部
５１Ｃ 触媒昇温促進部
５３ 記憶装置
５４ タイマ
６１ ＮＳＲ
６２ ＳＣＲ
６３Ａ、６３Ｂ 排気温度検出装置
６４ Ａ／Ｆセンサ
６５ 尿素水添加弁
６６Ａ、６６Ｂ 排気温度検出装置

Claims (3)

  1. 圧縮自己着火式の内燃機関の排気経路に設けられた触媒を昇温する触媒昇温システムの制御装置であって、
    前記触媒昇温システムは、
    前記内燃機関の気筒それぞれに燃料を噴射する複数のインジェクタと、
    前記気筒からの排気が流入し、前記排気に含まれている少なくとも炭化水素を浄化可能な第１触媒と、
    前記第１触媒から流出される排気が流入し、前記排気に含まれている少なくとも窒素酸化物を浄化可能な第２触媒と、
    前記インジェクタから噴射する燃料のうち、前記気筒内で燃焼させる燃料の量を前記内燃機関に対して要求されるトルクに応じて変える制御装置と、
    を有しており、
    前記制御装置は、
    前記内燃機関の吸気量に対して理論空燃比となる各気筒への燃料の量であるストイキ噴射量を算出する燃料量算出部と、
    前記第１触媒が炭化水素を浄化できる許容量を当該第１触媒の温度に基づいて算出する許容量算出部と、
    前記第２触媒の昇温が必要であると判定した場合に、
    各気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでに噴射される燃料の総量である総噴射量が、前記燃料量算出部にて算出したストイキ噴射量となるように前記インジェクタからの燃料噴射を制御するとともに、前記排気行程の前の燃焼行程にて燃焼されず前記排気行程にて前記排気経路に排出される排気に残る炭化水素が前記許容量算出部にて算出した許容量を超えない噴射パターンで前記インジェクタからの燃料噴射を制御する、触媒昇温促進部と、
    を有している、
    触媒昇温システムの制御装置。
  2. 請求項１に記載の触媒昇温システムの制御装置であって、
    各気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでの燃料噴射は、前記第２触媒の昇温が必要であると前記制御装置が判定した場合には、前記内燃機関に対して要求されるトルクに応じた単数の噴射であって主となる噴射であるメイン噴射と、前記メイン噴射の前の単数または複数の噴射であるパイロット噴射と、前記メイン噴射の後の単数または複数の噴射であるアフタ噴射と、前記アフタ噴射の後の単数の噴射であるポスト噴射、を有しており、
    前記制御装置は、
    前記触媒昇温促進部にて、前記総噴射量を、前記メイン噴射と、前記パイロット噴射と、前記アフタ噴射と、前記ポスト噴射の各噴射の噴射量に分配し、前記排気行程にて前記排気経路に排出される排気に残る炭化水素が前記許容量を超えないように前記ポスト噴射の噴射時期を調整する、
    触媒昇温システムの制御装置。
  3. 請求項１または２に記載の触媒昇温システムの制御装置であって、
    前記第１触媒は、リーン燃焼時にはＮＯｘを吸着しリッチ燃焼時には吸着しているＮＯｘを浄化して排出するＮＯｘ吸蔵還元触媒であるＮＳＲ、または三元触媒、または酸化触媒のいずれかであり、
    前記第２触媒は、ＮＯｘを浄化する選択式還元触媒であるＳＣＲ、または微粒子捕集フィルタと一体化されたＳＣＲである、
    触媒昇温システムの制御装置。
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