JP3632573B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄燃焼可能な内燃機関から排出される排気中の有害成分を浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の排気浄化装置としては、例えば特公平２７８５６１２号公報に記載の装置が知られている。こうした排気浄化装置にあっては、ディーゼルエンジンや希薄燃焼を行うガソリンエンジンのように、少なくとも所定の運転領域では理論空燃比より高い空燃比の混合気を燃焼に供して機関運転を行う内燃機関に適用され、当該内燃機関の排気通路に、酸素の存在下でＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤（触媒）を備えて構成される。
【０００３】
ＮＯｘ触媒は排気中の酸素濃度が高い状態ではＮＯｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。ちなみに排気中に放出されたＮＯｘは、排気中にＨＣやＣＯといった還元成分が存在していれば、それらと速やかに反応してＮ２に還元される。また、ＮＯｘ触媒は、排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界量のＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収しなくなる。
【０００４】
そこで、このような排気浄化装置では、上記公報にも記載されているように、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量が限界量に達する前に、吸気系のスロットル弁を閉弁する等によって吸気流量を低減するとともに排気系内に還元剤を添加して、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを放出および還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力を回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返すのが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、かかる還元剤添加の制御を実行するに際し、同等のインターバル、同等の供給量を適用して還元剤の添加を行っても、各回の添加によって得られる排気中の還元成分量は、添加された還元剤がどの程度の速度で蒸発するのか、或いはどの程度の割合で微粒化するのか等によって異なり、必ずしも安定したものとはならない。
【０００６】
還元成分量が安定が損なわれると、排気中の空燃比も不安定となり、排気中に存在するＮＯｘの吸収、放出、及び還元浄化を繰り返すＮＯｘ触媒にとって、ＮＯｘに対する還元能力ばかりでなく、ＮＯｘの吸収や放出に関わるＮＯｘの動態制御についても信頼性が低下することとなる。
【０００７】
さらに、蒸発若しくは微粒化しないでＮＯｘ触媒上流に滞留した還元剤が一時期にＮＯｘ触媒に流れ込み、触媒温度が過度に上昇してしまうといった懸念も生じる。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、還元剤の添加により有効に機能するＮＯｘ触媒を備える装置として、還元剤の蒸発や微粒化の容易性が変動する場合であれ、排気中に所望の還元成分を得ることで排気中に存在するＮＯｘの浄化効率を最適化す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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気系に設けられ当該機関の排気中の窒素酸化物を還元成分の存在下で浄化するＮＯｘ触媒と、前記排気系の前記ＮＯｘ触媒上流に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記ＮＯｘ触媒を介した前記窒素酸化物の触媒反応に関連する排気中の還元成分量を目標量にする前記還元剤の供給量を演算する演算手段と、当該内燃機関の排気温度、排気壁温および排気流量に基づいて、前記供給される還元剤の蒸発量を推定する蒸発量推定手段と、前記推定された蒸発量に基づいて前記供給量を補正する補正手段とを備えることを要旨とする。
【００１０】
ここで、還元剤の蒸発量とは、液体若しくは粉体等の形態を有する還元剤にとって、特定の環境下での平衡状態若しくは定常状態において、当該燃料がどの程度の割合で蒸発（または微粒化）するのがその比率を意味する他、当該平衡状態や定常状態に達するまでに要する期間や速度等を広く含む概念であるものとする。
【００１１】
同構成によれば、供給される還元剤の蒸発量を決定づける必要且つ十分なパラメータとして適切な排気温度、排気壁温および排気流量を選択し、これらに基づいて当該蒸発量を推定することとなる。そしてこの推定量に基づいて還元剤の供給量が求められることとなるため、触媒作用にとって、排気中における最適な還元成分量（若しくは濃度）、或いは酸素濃度を高い精度で得ることが容易となる。
【００１２】
また、上記構成において、前記蒸発量推定手段の推定する蒸発量は、前記排気温度及び前記排気壁温のうち少なくとも一方が低いほど小さくする傾向にするのがよい。
【００１３】
同構成によれば、蒸発若しくは微粒化されない燃料の添加を好適に防止され、無駄な燃料添加を低減することできるようになるばかりでなく、蒸発しない余剰燃料が当該触媒に到達せず排気系に残留するのを好適に抑制することができるようになる。
【００１４】
また、上記構成において、前記還元剤供給手段に備えられ前記排気系に還元剤を噴射供給する噴射供給手段と、該噴射供給手段による還元剤の噴射供給量の波形パターンを変更する波形パターン変更手段とをさらに有するのがよい。
【００１５】
ここで、噴射量の波形パターンには、各回毎の噴射にかかる最大噴射量（ピーク値）や、噴射継続時間、時間軸上にみられる噴射量の勾配、単一のピークからなる波形か、複数のピークからなる波形かに関わるパターン、或いは今回の噴射時期と次回の噴射時期とのインターバル等が含まれる。さらに、噴射量の波形と相関の高い他のパラメータ、例えば噴射供給手段の動作にかかる制御指令信号の波形等も含まれるものとする。
【００１６】
同構成によれば、例えば燃料の蒸発にかかる効率や、供給量の高効率化といった観点から、排気系内の環境条件や制御目的に応じ、最適な供給形態を適宜選択することができるようになる。
【００１７】
また、当該内燃機関の排気温度、排気壁温および排気流量に基づいて、所定量の燃料を添加するために実行する噴射回数を異ならしめる噴射回数制御手段をさらに有するのがよい。
【００１８】
同構成によっても、例えば燃料の蒸発にかかる効率や、供給量の高効率化といった観点から、排気系内の環境条件や制御目的に応じ、最適な供給形態を適宜選択することができるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置をディーゼルエンジンシステムに適用した一実施の形態について説明する。
【００２０】
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。
【００２１】
先ず、燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、コモンレール１２、燃料噴射弁１３、緊急遮断弁１４、燃圧制御弁１５、調量弁１６、燃料添加ノズル１７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて構成される。
【００２２】
サプライポンプ１１は、燃料タンク（図示略）から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２は、サプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（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燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料を噴射供給する。
【００２３】
他方、サプライポンプ１１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して燃料添加ノズル１７に供給する。添加燃料通路Ｐ２には、サプライポンプ１１から燃料添加ノズル１７に向かって緊急遮断弁１４、燃圧制御弁１５及び調量弁１６が順次配設されている。緊急遮断弁１４は、緊急時において添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を停止する。燃圧制御弁１５は、サプライポンプ１１から供給された高圧の燃料を所定の圧力（定圧）に保持・安定させる機能を有する。調量弁１６は、燃料添加ノズル１７に供給する燃料の圧力（燃圧）を制御する。燃料添加ノズル１７は所定圧以上の燃圧（例えば０．２ＭＰａ）が付与されると開弁し、排気系４０内に燃料を噴射供給する機械式の開閉弁である。すなわち調量弁１６により燃料添加ノズル１７上流の燃圧が制御されることにより、所望の燃料が適宜のタイミングで燃料添加ノズル１７より噴射供給（添加）される。
【００２４】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸入空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００２５】
また、このエンジン１には、周知の過給機（ターボチャージャ）５０が設けられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結された２つのタービンホイール５２，５３を備える。一方のタービンホイール（吸気側タービンホイール）５２は、吸気系３０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール（排気側タービンホイール）５３は排気系４０内の排気に晒される。このような構成を有するターボチャージャ５０は、排気側タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用して吸気側タービンホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行う。
【００２６】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりもさらに下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。
【００２７】
また、エンジン１には、燃焼室２０の上流（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする排気還流通路（以下、ＥＧＲ通路という）６０が形成されている。このＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。
【００２８】
また、排気系４０において、同排気系４０及びＥＧＲ通路６０の連絡部位の下流には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒という）４１を収容した触媒ケーシング４２が設けられている。触媒ケーシング４２に収容されたＮＯｘ触媒４１は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されることによって構成される。
【００２９】
このＮＯｘ触媒４１は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸収し、運転空燃比が理論空燃比より小さく、排気中に酸素が低く、且つ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ２若しくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ２やＮＯとして放出されたＮＯｘは排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元され、Ｎ２となる。ちなみにＨＣやＣＯは、ＮＯ２やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ２ＯやＣＯ２となる。すなわち、触媒ケーシング４２（ＮＯｘ触媒４１）に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整すれば、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができることになる。
【００３０】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００３１】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料のうち、調量弁１６へ導入される燃料の圧力（燃圧）に応じた検出信号を出力する。エアフロメータ７２は、吸気系３０内のスロットル弁３２下流において吸入空気の流量Ｇｎに応じた検出信号を出力する。Ａ／Ｆセンサ７３は、排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ７４は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気の温度（排気温度）Ｔｅｘに応じた検出信号を出力する。
【００３２】
また、アクセル開度センサ７５はエンジン１のアクセルペダル（図示略）に取り付けられ、同ペダルへの踏み込み量Ａｃｃに応じた検出信号を出力する。クランク角センサ７６は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７６は、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。
【００３３】
ＥＣＵ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３及びバックアップＲＡＭ８４、タイマーカウンタ８５等を備え、これら各部８１〜８５と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路８６と、外部出力回路８７とが双方向性バス８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００３４】
このように構成されたＥＣＵ８０は、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これら信号に基づいてエンジン１の燃料噴射等についての基本制御を行う他、還元剤（還元剤として作用する燃料）添加にかかる添加タイミングや供給量の決定等に関する還元剤添加制御等、各種の運転制御を実行する。
【００３５】
ここで、本実施の形態にかかる還元剤（燃料）添加制御について詳述する。
【００３６】
一般に、ディーゼルエンジンでは、燃焼室内に供給される空気と燃焼に供される燃料、すなわち混合気中の酸素が、ほとんどの運転領域で高濃度状態にある。
【００３７】
燃焼に供される混合気の酸素濃度は、そのまま燃焼に供された酸素を差し引いて排気中の酸素濃度に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度（空燃比）が高ければ、排気中の酸素濃度（空燃比）も基本的には同様に高くなる。一方、上述したように、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は排気中の酸素濃度が高ければＮＯｘを吸収し、低ければＮＯｘをＮＯ２若しくはＮＯに還元して放出する特性を有するため、排気中の酸素が高濃度状態にある限りＮＯｘを吸収することとなる。ただし、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量に限界量が存在し、同触媒が限界量のＮＯｘを吸収した状態では排気中のＮＯｘが同触媒に吸収されず触媒ケーシングを素通りすることとなる。
【００３８】
そこで、エンジン１のように燃料添加ノズル１７を備えた内燃機関では、適宜の時期にスロットル弁３２を閉弁して吸入空気量を低減させつつ、さらに燃料添加ノズル１７を通じ排気系４０のＮＯｘ触媒４１上流に燃料を添加することで、一時的に排気中の酸素濃度を低減し、且つ還元成分量（ＨＣ等）を増大させる。するとＮＯｘ触媒４１は、これまでに吸収したＮＯｘをＮＯ２若しくはＮＯに還元して放出し、自身のＮＯｘ吸収能力を回復（再生）するようになる。放出されたＮＯ２やＮＯが、ＨＣやＣＯと反応して速やかにＮ２に還元されることは上述した通りである。
【００３９】
このとき、自身に吸収したＮＯｘを、上記態様で放出し、さらに還元浄化するＮＯｘ触媒４１にとって、触媒ケーシング４２内に流入する排気中の還元成分量（燃料の濃度）と、酸素濃度（空燃比）とにより還元浄化の効率が決定づけられることとなる。
【００４０】
ところで、還元成分の供給と、酸素濃度（空燃比）の低減を図るべく同等量の燃料が排気中に供給されたとしても、排気中の還元成分量として、また空燃比を決定づける燃料成分量として寄与するのは、蒸発した燃料、或いは十分に微粒化した燃料に限られる。
【００４１】
したがって、同等量の燃料を同等時間噴射したとしても、その結果得られる実質的な還元成分の濃度と、空燃比とは、燃料添加ノズル１７を通じて噴射供給される燃料のうちどの程度の割合の燃料がどの程度の速度で気化（蒸発）、或いは微粒化されるのか、その比率や速度により変動する。
【００４２】
一方、上記燃料の蒸発や微粒化に関する比率や速度は、当該燃料の化学的・物理的な性質を同等にすれば、排気系４０内における触媒ケーシング４２上流の環境条件、なかでも排気流量（又は流速）、排気温度、並びに排気通路内壁の壁温によって概ね決定づけられることが発明者らによって確認されている。
【００４３】
そこで、本実施の形態にかかるエンジン１では、排気系４０への燃料噴射の実施に際し、排気流量（又は流速）、排気温度、並びに排気通路内壁の壁温を検出または推定し、これらパラメータに基づいて、燃料添加ノズル１７によって噴射供給される燃料の蒸発量（微粒化量）を推定し、これを加味してその噴射量や噴射タイミングを決定する制御を行う。
【００４４】
こうした制御態様により、ＮＯｘ触媒４１による排気浄化の実施にあたり、排気中の適切な還元成分量および空燃比を安定して得ることができるようになる。
【００４５】
以下、本実施の形態にかかるエンジン１のＥＣＵ８０が実施する燃料添加制御に関し、その具体的な制御手順についてフローチャートを参照して説明する。
【００４６】
図２には、排気系４０へ燃料添加を行うにあたり、その添加量や添加時期を制御するために実施される「燃料添加制御ルーチン」の処理内容を示す。このルーチン処理は、ＥＣＵ８０を通じてエンジン１の始動と同時にその実行が開始され、所定時間毎に実行される。
【００４７】
処理がこのルーチンに移行すると、ＥＣＵ８０は先ずステップＳ１０１において、燃料添加の実行にかかる調量弁１６の制御等にとって必要な運転状態を把握する。例えばＥＣＵ８０は、クランク角センサ７６の出力信号に基づいてエンジン１の機関回転数Ｎｅを、またＡ／Ｆセンサ７３の出力信号に基づいて排気中の酸素濃度（便宜上、排気空燃比という）Ａ／Ｆを各々演算する。また、アクセルの踏み込み量Ａｃｃ、排気温度Ｔｅｘ等を把握する。
【００４８】
続くステップＳ１０２においては、燃料添加を実行するか否かを判断する。燃料添加は、例えば以下の条件（１）〜（３）が全て成立したときに行う。
（１）機関回転数Ｎｅ及びアクセルの踏み込み量の関係等からエンジン１の運転状態が燃料添加に適していると判断される。これは、エンジン１の運転状態が、燃料添加を実行してもトルク変動等の不具合が生じない領域にある条件にあたる。例えば減速時がこの条件に該当する。
（２）排気温度Ｔｅｘが所定温度（例えば２５０℃）を上回っていること。これは、ＮＯｘ触媒が十分に活性化する条件にあたる。
（３）ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量が所定量を上回っていること。ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ吸収量がその限界値にある程度まで近づいたことを意味する。この吸収量は、前回の燃料添加終了からの経過時間や、排気空燃比Ａ／Ｆ及び排気温度Ｔｅｘの履歴等に基づいて推定すればよい。また、この「ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量が所定量を上回っていること」といった条件は、「その吸収量に関わらずＮＯｘ触媒がＮＯｘを（わずかでも）吸収しているとこと」といった条件に替えてもよい。
ＥＣＵ８０は、上記条件（１）〜（３）全てが成立しているときには、燃料添加を実行すべきと判断してその処理をステップＳ１０３に移行する。一方、上記条件（１）〜（３）のうち何れか１つでも成立していない条件があれば、本ルーチンを一旦抜ける。
【００４９】
ステップＳ１０３においては、燃料添加の実行に際し、排気中、厳密には触媒ケーシング４２な流れ込む排気の空燃比（排気中の酸素濃度）の要求値（目標値）を認識する。
【００５０】
続くステップＳ１０４においては、排気の空燃比を上記ステップＳ１０３で求めた要求値に合致させ、且つＮＯｘ触媒４１中のＮＯｘを全て放出・還元させるための添加燃料量（一回の燃料添加において噴射する燃料の総量）Ｆ、添加インターバル（今回の燃料添加終了時から次回の燃料添加開始時までの時間）Ｉ、及び添加パターン（時間軸上においてみられる添加燃料量の波形パターン）Ｐを併せて決定する。そしてＥＣＵ８０は、同ステップＳ１０４で決定された各パラメータＦ，Ｉ，Ｐに従って調量弁１６を制御することにより、燃料添加ノズル１７による最終的な燃料添加を実行することとなる（ステップＳ１０５）。
【００５１】
ここで、ステップＳ１０４における添加燃料量Ｆ及び添加インターバルＩの決定に際しては、まず基本量となる基本添加燃料量Ｆｂａｓｅ及び基本添加インターバルＩｂａｓｅをそれぞれ算出する。
【００５２】
基本添加燃料Ｆｂａｓｅは、以下の作用（ａ），（ｂ），（ｃ）を及ぼすに必要十分な燃料の添加量に相当する。
（ａ）排気の希釈
（ｂ）酸素消費
（ｃ）ＮＯｘ触媒に吸収されているＮＯｘとの反応
具体的には予め設定しておくマップ等を参照し、例えばエンジン１の機関回転数Ｎｅ、アクセルの踏み込み量Ａｃｃ、Ａ／Ｆセンサの検出信号、又はこれらの履歴等に基づいて推定すればよい。
【００５３】
基本添加インターバルＩｂａｓｅも同じく、上記作用（ａ），（ｂ），（ｃ）を及ぼすに最適な時間（インターバル）に相当し、予め設定しておくマップ等を参照し、例えばエンジン１の機関回転数Ｎｅ、アクセルの踏み込み量Ａｃｃ、Ａ／Ｆセンサの検出信号、又はこれらの履歴等に基づいて推定すればよい。
【００５４】
次に、こうして求めた基本添加燃料量Ｆｂａｓｅに対し加味する各補正値Ｆｍｅｘ，Ｆｖｅｘ，Ｆｔｅｘ，Ｆｔｅｘｗと、基本添加インターバルＩｂａｓｅに対し加味する各補正値Ｉｍｅｘ（又はＩｖｅｘ），Ｉｔｅｘ，Ｉｔｅｘｗとを以下のようにして求める。
【００５５】
先ず、補正値Ｆｍｅｘ及びＩｍｅｘは、排気系４０内におけるＮＯｘ触媒４１上流の排気流量Ｍｅｘを反映した補正値である。排気流量Ｍｅｘは、例えば、次式（ｉ）に基づいて推定することができる。
Ｍｅｘ ＝ ｆ（Ｇｎ，Ｑ） …（ｉ）
ただし、ｆ（Ｇｎ，Ｑ）は、変数「Ｇｎ」，「Ｑ」の関数を意味する。また、「Ｇｎ」は、エアフロメータ７２の検出信号に基づく吸入空気の流量にあたり、「Ｑ」は、燃焼室２０への燃料噴射量にあたる。ちなみに、排気流量Ｍｅｘが小さくなるほど、添加燃料の蒸発が緩慢となるため、補正値Ｆｍｅｘは添加燃料量Ｆをより低減させる性質のものとなり、補正値Ｉｍｅｘは添加インターバルＩを長くさせる性質のものとなる。
【００５６】
次に、補正値Ｆｖｅｘ及びＩｖｅｘは、排気系４０内におけるＮＯｘ触媒４１上流の排気流速Ｖｅｘを反映した補正値である。排気流速Ｖｅｘは、先述の排気流量Ｍｅｘを用い、次式（ｉｉ）に基づいて推定することができる。
Ｖｅｘ ＝ Ｍｅｘ／Ａｐ …（ｉｉ）
ただし、「Ａｐ」は、排気の流路面積（排気通路の内径）にあたる。ちなみに、排気流速Ｖｅｘが小さくなるほど、添加燃料の蒸発が緩慢となるため、補正値Ｆｍｅｘは添加燃料量Ｆをより低減させる性質のものとなり、補正値Ｉｍｅｘは添加インターバルＩを長くさせる性質のものとなる。なお、排気流速Ｖｅｘと排気流量Ｍｅｘとは一義的な関係にあるパラメータであるため、何れか一方を採用して補正値を求めるようにすれば十分である。
【００５７】
次に、補正値Ｆｔｅｘは、排気温センサ７４の検出信号に基づく排気温度Ｔｅｘを反映した補正値である。ちなみに、排気温度Ｔｅｘが低くなるほど添加燃料の蒸発が緩慢となるため、補正値Ｆｔｅｘは添加燃料量Ｆをより低減させる性質のものとなり、補正値Ｉｔｅｘは添加インターバルＩを長くさせる性質のものとなる。
【００５８】
次に、補正値Ｆｔｅｘｗ及びＩｔｅｘｗは、排気系４０内におけるＮＯｘ触媒４１上流の排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗを反映した補正値である。排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗは、先述の排気温度Ｔｅｘをもとに推定する。
【００５９】
今、壁温がＴ０である排気通路内に、これと同じく温度Ｔ０の排気が流れていると仮定する。ここで、ある時刻ｔ０において、排気温度が温度Ｔ１に変化し、この温度Ｔ１を十分長く維持するとすれば、その後、任意の時刻ｔにおける壁温Ｔｘは、次式（ｉｉｉ）に基づいて近似的に求められることが発明者らによって確認されている。
Ｔｘ ＝ Ｔ０×（１−ｅ＾（−ｔ／ｔｓ）） …（ｉｉｉ）
ただし、「ｔｓ」は、排気（ガス）から排気通路（通路壁の材質）へ熱が伝達されるときの熱伝達の速さを反映する時定数にあたり、予め実験等により求めることができる。すなわち、排気通路内壁の壁温は、同通路内を流れる排気の温度の一次遅れ要素として好適に近似（推定）される。そこで、本実施の形態では、一次なまし処理を施すことで同排気温度Ｔｅｘの履歴に基づいて排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗを求める。
【００６０】
ちなみに、排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗが低くくなるほど、添加燃料の蒸発が緩慢となるため、補正値Ｆｔｅｘｗは添加燃料量Ｆをより低減させる性質のものとなり、補正値Ｉｔｅｘｗは添加インターバルＩを長くさせる性質のものとなる。
【００６１】
なお、このようにして求めた排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗが予め設定する所定温（下限値）を下回っている場合、ＥＣＵ８０は、添加燃料のうち、蒸発若しくは微粒化せず排気通路内に滞留する成分量が過剰になると判断し、今回の燃料添加を見合わせる。
【００６２】
他方、添加パターンＰの決定に際してＥＣＵ８０は、上記と同様にして求めた排気流量Ｍｅｘ、排気流速Ｖｅｘ、排気温度Ｔｅｘ、排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗに基づいて、添加パターンを決定する。なお、添加パターンの変更は、調量弁１６への通電量（通電波形）を制御することによって行う。
【００６３】
図３及び図４は、何れも本実施の形態にかかる燃料添加制御で適用される添加パターンの代表例を、調量弁１６への通電波形（図３（ａ），図４（ａ））、排気系４０内における排気中の還元成分量の推移（図３（ｂ），図４（ｂ））、および酸素濃度の推移（図３（ｃ），図４（ｃ））として同一時間軸上に示すタイムチャートである。
【００６４】
先ず、図３（ａ）に示すように燃料添加に際して単一のピークを有する矩形波からなる電流を調量弁１６に通電し、同調量弁１６を開弁して燃料添加ノズル１７を開弁駆動した場合、図３（ｂ），（ｃ）に各々示すように燃料の添加に伴い排気中の還元成分濃度（ＨＣ成分濃度）は高濃度側に、酸素濃度は低濃度側に単一のピークを示す。また、燃料添加ノズルから噴射される瞬間的な噴射量の推移は、図３（ｂ）に示す還元成分濃度の推移態様とほぼ一致する。
【００６５】
一方、図４（ａ）に示すように燃料添加に際して相対的に通電時間の短い矩形波からなる電流を断続的に複数回（本例では２回）調量弁１６に通電した場合、図４（ｂ），（ｃ）に各々示すように、燃料の添加に伴い排気中の還元成分濃度（ＨＣ成分濃度）は高濃度側に、酸素濃度は低濃度側に上記複数の通電波形に対応した複数（本例では２つ）のピークを示す。またこの場合も、燃料添加ノズルから噴射される瞬間的な噴射量の推移は、図４（ｂ）に示す還元成分濃度の推移態様とほぼ一致する。
【００６６】
ここで、燃料添加ノズル１７によって添加される燃料の量が同等である場合、図３（ａ）に示すような単一ピークの電流波形を適用して燃料噴射を行った場合、当該燃料噴射による排気中還元成分の最大値（図３（ｂ）参照）は、図４（ａ）に示すような断続的な通電態様を適用して燃料噴射を行った場合に得られる排気中還元成分の最大値（図４（ｂ）参照）よりも大きくなる。また、燃料添加に起因する排気中還元成分の増加が持続する時間は、単一の電流波形を適用して燃料噴射を行った場合の方が、断続的な通電態様を適用して燃料噴射を行った場合より短くなる。
【００６７】
すなわち、一度に多量の燃料添加を行い、高効率をもって還元成分量を高めたいとき、若しくは酸素濃度（空燃比）を低減したいときには、図３（ａ）に示すような単一の電流波形を適用した燃料噴射の形態（添加パターン）が好ましい。本実施の形態においては、排気温度Ｔｅｘや排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗが高い場合、排気流量Ｍｅｘが大きい場合、或いは排気流速Ｖｅｘが高い場合には、必要に応じてこのような単一のピークを有する電流波形を適用し、一度に多量の燃料添加を行うことによって排気中の酸素濃度を短期間で大きく低減させること、或いは排気中の還元成分量を効率的に高めるようにする。
【００６８】
一方、排気温度Ｔｅｘや排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗが低い場合、排気流量Ｍｅｘが小さい場合、或いは排気流速Ｖｅｘが低い場合、一度に多量の燃料添加を行うと添加された燃料が排気通路内に滞留しやすいので、本来一回の添加分にあたる燃料を分割し、より少量の燃料を複数回に亘って噴射する制御を実行することにより、排気通路内における燃料の残留を抑制・防止する。
【００６９】
以上、ステップＳ１０４で決定された各パラメータＦ，Ｉ，Ｐに従って調量弁１６が制御され、続くステップＳ１０５において燃料添加ノズル１７による最終的な燃料添加が実行されることは上述した通りである。
【００７０】
上記処理手順に基づき、本実施の形態にかかる「燃料添加制御ルーチン」では、ＮＯｘ触媒４１に吸収されたＮＯｘの還元浄化を行いつつ同触媒４１のＮＯｘ吸収能力の再生を行う。
【００７１】
ここで、従来の燃料添加制御にあっては、エンジンの運転状態に応じて大きく異なる添加燃料（還元剤）の蒸発量を十分に加味した燃料添加を行っていなかった。
【００７２】
このため、当該制御に実施にあたり、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘの放出・還元に最適な排気空燃比や還元成分量を確保することが困難となっていた。添加燃料の蒸発量を無視した制御では、排気浄化（ＮＯｘ浄化）に適用する触媒にとって特有な還元成分量、或いは排気空燃比を安定して得ることができないばかりでなく、蒸発又は微粒化せず排気通路内に残留した添加燃料が、特定の運転領域（例えば加速時等）において触媒ケーシングに一気に流れ込み、触媒床温を過度に上昇させてしまうといった二次的な弊害を招くことともなっていた。
【００７３】
ちなみに、このような添加燃料の蒸発量の把握にあたり、例えば、単に排気温度に基づいて排気通路の壁面付着量を推定する等し、この推定量から添加される燃料の蒸発率（気化率）を演算したとしても、添加された燃料のうち、実際にどの程度の燃料がどの程度の速度で蒸発するかは、燃料が添加される部位から触媒の設置部位に亘る排気通路の微妙な環境条件によって大きく異なる。また、排気通路内壁の壁温（壁温の変化）は、正しくは排気から壁面に亘る熱伝達の応答遅れ要素として把握される。すなわち、そのような応答遅れ要素として把握される排気通路内壁の壁温を考量することなく燃料の蒸発率を推定したところで、そうした推定に十分な信頼性が得られるとは言い難い。
【００７４】
この点、本実施の形態にかかる制御態様によれば、こうした添加燃料の蒸発量を決定づける必要十分な条件である排気温度Ｔｅｘ、同排気温度Ｔｅｘの応答遅れ要素として近似した排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗ、および排気流速Ｖｅｘ（又は排気流量Ｍｅｘ）を適用することにより、添加される燃料の蒸発量（蒸発の効率）を正確に把握することとしている。
【００７５】
そしてさらに、把握された蒸発の効率に応じて燃料添加にかかる添加パターン（添加燃料の供給量、燃料添加の前回実施から今回実施までのインターバル、時間軸上に形成される噴射量の波形、各波形間の時間間隔、所定量の燃料を添加するために実行する噴射回数を含む）を操作することにより、最適な供給態様を選択する。このため、燃料の蒸発（微粒化）の容易性が変動する場合であれ、無駄のない燃料の噴射供給を行って且つ、確実に所望の排気空燃比（還元成分量）を得ることができるようになる。
【００７６】
よって、幅広い運転領域において、排気中に存在するＮＯｘの浄化効率を最適化することができるようになる。
【００７７】
なお、上記実施の形態においては、排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗを、同通路内を流れる排気の温度（排気温度）Ｔｅｘの一次遅れ要素として近似（推定）することとした。これに替え、排気温度Ｔｅｘを基本量とし、熱伝達に要する応答遅れを加味して行う他の計算方法等により、排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗを推定してもよい。例えば、次式（ｉｖ）により排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗを演算することとしてもよい。

ただし、Ｔｅｘ（ｎ）は排気温度Ｔｅｘの最新値にあたり、Ｔｅｘ（ｎ−１）は所定時間前に検出した排気温度Ｔｅｘにあたる。
【００７８】
また、上記実施の形態において説明した排気流量Ｍｅｘ、排気流速Ｖｅｘ、排気温度Ｔｅｘ、排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗと、各パラメータに関連する補正値Ｉｍｅｘ，Ｉｖｅｘ，Ｉｔｅｘ，Ｉｔｅｘｗとの関係は、一般的な傾向であり、厳密なものではない。ただし、その厳密な関係は、適用対象となるエンジンシステム等に応じ実験等によって求められるので、経験式（関数）として、或いはマップ（数値テーブル）としてＥＣＵ８０のＲＯＭ８２等に保管し適宜活用すれば、容易に本実施の形態にかかる制御構造を具現することができる。
【００７９】
また、図３および図４において説明した排気流量Ｍｅｘ、排気流速Ｖｅｘ、排気温度Ｔｅｘ、排気通路内壁の壁温Ｔｅｘｗと、添加パターンとの対応関係もまた、一般的な傾向ではあるが、そうした添加パターンの変更に応じて、添加される燃料の蒸発態様が顕著に異なることは、発明者らによって確認されている。そこで、上記各パラメータＭｅｘ、Ｖｅｘ、Ｔｅｘ、Ｔｅｘｗの変化に対応させて変更する添加パターンは、図３および図４に示したものばかりでなく、例えば噴射量の最大値（ピーク）を時間軸上に３つ、或いはそれ以上有するパターンを設定することもできる。また、断続的な通電を行い時間軸上に燃料量のピークを複数形成するあたり、各ピーク間のインターバルを異なるものとしたり、各ピークに相当する調量弁１６への通電時間を異なるものとしてもよい。こうした添加パターンの変更により、例えば上記各パラメータＭｅｘ、Ｖｅｘ、Ｔｅｘ、Ｔｅｘｗの状態に関わらず、燃料の蒸発効率の最適化を図ることが容易になる。
【００８０】
また、上記実施の形態においては、還元剤としてディーゼルエンジンの燃料（軽油）を適用することとした。この他、ガス中の還元成分としてＮＯｘを還元する機能を有するものであれば、他の還元剤、例えばガソリン、灯油等を用いても構わない。
【００８１】
また、上記実施の形態においては、ＮＯｘ触媒として、いわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を適用することとしたが、これに替えいわゆる選択還元型ＮＯｘ触媒を適用してもよい。要は、ガス中の還元成分量或いはこれに関連する成分の量（例えば酸素濃度）に応じてＮＯｘの浄化（還元）作用効率が異なる触媒を適用して排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置であれば、本実施の形態において用いたものと同等の制御構造を適用して同実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果を奏することができる。
【００８２】
また、本実施の形態においては、燃料タンクからコモンレール１２へ燃料を供給するサプライポンプ１１を用いて、サプライポンプ１１の汲み上げた燃料の一部を排気系４０内に添加供給する装置構成を適用することとした。しかし、こうした装置構成に限らず、例えば添加燃料を燃料タンク、或いは他の燃料（還元剤）供給源から供給する独立した供給系を備える装置構成を適用してもよい。
【００８３】
また、本実施の形態においては、燃料の排気系への添加にあたり、添加燃料通路Ｐ２を介して供給される燃料の圧力を調量弁１６によって制御し、その圧力制御によって燃料添加ノズル１７の開閉弁動作を制御する構成を適用している。これに対し、例えば燃料噴射弁１３のように、ＥＣＵ８０による通電を通じて直接開閉弁動作を制御される電磁弁等を燃料添加を行う噴射弁として適用してもよい。この場合、調量弁１６は装置構成から除外してよい。
【００８４】
また、上記実施の形態においては、本発明の排気浄化装置を内燃機関としての直列４気筒のディーゼルエンジン１に適用することとしたが、希薄燃焼を行うガソリンエンジンにも好適に本発明を適用することができる。また、直列４気筒の内燃機関に限られることもない。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、供給される還元剤の蒸発量を決定づける必要且つ十分なパラメータとして適切な排気温度、排気壁温および排気流量を選択し、これらに基づいて当該蒸発量を推定することとなる。そしてこの推定量に基づいて還元剤の供給量が求められることとなるため、触媒作用にとって、排気中における最適な還元成分量（若しくは濃度）、或いは酸素濃度を高い精度で得ることが容易となる。
【００８６】
また、蒸発若しくは微粒化されない燃料の添加を好適に防止され、無駄な燃料添加を低減することできるようになるばかりでなく、蒸発しない余剰燃料が当該触媒に到達せず排気系に残留するのを好適に抑制することができるようになる。
【００８７】
また、例えば燃料の蒸発にかかる効率や、供給量の高効率化といった観点から、排気系内の環境条件や制御目的に応じ、最適な供給形態を適宜選択することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】同実施の形態にかかる燃料添加制御手順を示すフローチャート。
【図３】同実施の形態にかかる燃料添加制御で適用される添加パターンの代表例を示すタイムチャート。
【図４】本実施の形態にかかる燃料添加制御で適用される添加パターンの代表例を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１０ 燃料供給系
１１ サプライポンプ
１２ コモンレール
１３ 燃料噴射弁
１４ 緊急遮断弁
１５ 燃圧制御弁
１６ 調量弁
１７ 燃料添加ノズル（噴射供給手段）
２０ 燃焼室
３０ 吸気系
３１ インタークーラ
３２ スロットル弁
４０ 排気系
４１ ＮＯｘ触媒
４２ 触媒ケーシング
５０ ターボチャージャ
５１ シャフト
５２ 排気側タービンホイール
５３ 吸気側タービンホイール
６０ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲ弁
６２ ＥＧＲクーラ
７０ レール圧センサ
７１ 燃圧センサ
７２ エアフロメータ
７４ 排気温センサ
７５ アクセル開度センサ
７６ クランク角センサ
８０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
８１ 中央処理装置（ＣＰＵ）
８２ 読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）
８６ 外部入力回路
８７ 外部出力回路
８８ 双方向性バス
Ｐ１ 機関燃料通路
Ｐ２ 添加燃料通路

Claims (4)

1. 内燃機関の排気系に設けられ当該機関の排気中の窒素酸化物を還元成分の存在下で浄化するＮＯｘ触媒と、
   前記排気系の前記ＮＯｘ触媒上流に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記ＮＯｘ触媒を介した前記窒素酸化物の触媒反応に関連する排気中の還元成分量を目標量にする前記還元剤の供給量を演算する演算手段と、
   当該内燃機関の排気温度、排気壁温および排気流量に基づいて、前記供給される還元剤の蒸発量を推定する蒸発量推定手段と、
   前記推定された蒸発量に基づいて前記供給量を補正する補正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。
2. 前記蒸発量推定手段の推定する蒸発量は、前記排気温度および前記排気壁温のうち少なくとも一方が低いほど小さくなることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記還元剤供給手段に備えられ前記排気系に還元剤を噴射供給する噴射供給手段と、該噴射供給手段による還元剤の噴射供給量の波形パターンを変更する波形パターン変更手段とをさらに有することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 当該内燃機関の排気温度、排気壁温および排気流量に基づいて、所定量の燃料を添加するために実行する噴射回数を異ならしめる噴射回数制御手段をさらに有することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。

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