JP3861746B2

JP3861746B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3861746B2
Application number: JP2002143158A
Authority: JP
Inventors: 久大木; 孝宏大羽
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: FR2839743A1; FR2839743B1; DE10322155A1; JP2003328744A; DE10322155B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、より詳細には、排気通路に設けられる排気浄化触媒に対して還元剤を噴射供給する噴射ノズルを備えた排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関に代表される希薄燃焼式内燃機関では、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の排出を低減するため種々の対策が講じられている。この対策の一つに、リーンＮＯｘ触媒、および還元剤供給装置を備えて構成される排気浄化装置を使用した排気浄化技術がある。
【０００３】
このリーンＮＯｘ触媒は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を主として浄化する排気浄化触媒である。より詳しくは、排気ガスの酸素濃度が高いときにその排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、排気ガスの酸素濃度が低いときすなわちリーンＮＯｘ触媒に流れ込む排気ガスの空燃比が低いときに、その吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を排気ガス中の未燃燃料成分（ＣＯ、ＨＣ）と反応させることで、無害な窒素（Ｎ₂）に浄化する排気浄化作用を備えている。
【０００４】
一方の還元剤供給装置は、通常、酸素過剰状態で機関燃焼が行われる希薄燃焼式内燃機関において、その排気ガス中に還元剤たる機関燃料を供給することで排気ガスの酸素濃度の低下させ、また、併せて未燃燃料成分たる炭化水素（ＨＣ）をリーンＮＯｘ触媒に供給することで上記の排気浄化作用を促進させる。
【０００５】
より詳しくは、リーンＮＯｘ触媒上流の排気管に噴射ノズルを備え、上記した排気浄化作用を促進させるときには、還元剤たる機関燃料をその噴射ノズルを介して排気ガス中に噴射供給し、上記の排気浄化作用を促進させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、噴射ノズルは、排気管内に突設した状態で取り付けられるため、その噴孔周辺は、高温の排気ガスに晒される。このため噴孔周辺の高温化に伴い排気ガス中および機関燃料（還元剤）中に含まれるデポジット成分が噴孔周辺で固化し、噴孔の詰まりや噴霧状態の悪化等を引き起こす虞があった。
【０００７】
つまり、噴射ノズルの高温化は、上記した種々の弊害をもたらすため、噴射ノズルを介して還元剤を噴射供給する還元剤供給装置では、噴射ノズルを適度に冷却する必要がある。
【０００８】
本発明は、上記した技術的背景を考慮しなされたもので、噴射ノズルを効率良く冷却可能な噴射ノズルの冷却技術を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した技術的課題を解決するため、本発明では、以下の構成とした。
すなわち、内燃機関の排気通路に設けられ、適切量の還元剤の流入に伴い排気浄化作用が促進される排気浄化触媒と、この排気浄化触媒上流の排気通路に設けられ、前記排気浄化触媒に流れ込む排気ガス中に還元剤を噴射して前記排気浄化作用を促進させる噴射ノズルと、その時々に要求される噴射形態で前記噴射ノズルの開弁動作を制御する制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記制御手段は、排気ガスとの接触に起因した噴射ノズルの過熱に伴い、前記排気浄化作用を促進させるときの噴射形態とは異なるノズル冷却用の噴射形態で噴射ノズルの開弁動作を制御し、その還元剤の噴射によって噴射ノズルを冷却することを特徴とする。
【００１０】
このように構成された本発明では、排気ガスとの接触に起因した噴射ノズルの過熱を抑制するために、排気浄化作用を促進させるときの噴射形態とは異なるノズル冷却用の噴射形態で噴射ノズルの開弁動作を制御し、その還元剤の噴射によって噴射ノズル自らを冷却する。なお、上記で「噴射ノズルの過熱に伴い」とは、噴射ノズルの実質的過熱までを要求するものではなく、噴射ノズルが過熱し易い状況で足りる。
【００１１】
また、前記制御手段は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を備え、その運転状態検出手段にて検出された運転状態が所定条件を満たすときに噴射ノズルの過熱とみなし、前記ノズル冷却用の噴射形態を含む噴射形態に切り換える構成としてもよい。
【００１２】
この構成では、噴射ノズルの過熱に相関のある内燃機関の運転状態を運転状態検出手段にて監視し、噴射ノズルの過熱が想定される運転状態では、ノズル冷却用の噴射形態を含む噴射形態に切り換える。つまり、噴射ノズルの過熱に相関のある内燃機関の運転状態に応じて噴射形態を切り換え、適切な時期に噴射ノズルを冷却する。
【００１３】
また、前記ノズル冷却用の噴射形態では、所定量の還元剤を噴射させるにあたり、前記排気浄化作用を促進させるときの噴射形態に較べ、少量且つ多数回に分けて還元剤を噴射するように前記噴射ノズルの開弁動作を制御してもよい。
【００１４】
この構成では、所定量の還元剤を噴射させると仮定したとき、ノズル冷却用の噴射形態では、排気浄化作用を促進させるときの噴射形態に較べ、少量且つ多数回に分けて還元剤を噴射するように噴射ノズルの開弁動作を制御する。つまり、噴射ノズルの冷却効率を考えた場合、少量且つ多数回に分けて還元剤を噴射した方が、還元剤の消費量を必要以上に増やすことなく噴射ノズルの平均温度を低く抑えることができるため、本構成では、排気浄化用の噴射形態に相違した、少量且つ多数回に亘る還元剤の噴射によって噴射ノズルを効率良く冷却する。
【００１５】
また、前記制御手段は、排気浄化作用を促進させるべき状況において、前記排気浄化作用を促進させる噴射形態に加えてノズル冷却用の噴射形態を取り入れ、噴射ノズルの冷却を図りつつ排気浄化作用を促進させてもよい。
【００１６】
すなわち、排気浄化作用を促進させる状況においても噴射ノズルの温度は上昇するため、本構成では、排気浄化作用を促進させる噴射形態に加えてノズル冷却用の噴射形態を取り入れて、噴射ノズルの冷却を図りつつ排気浄化作用を促進させる。
【００１７】
また、前記制御手段は、前記ノズル冷却用の噴射形態に切り換えての開弁制御において、その制御期間中における少なくとも一つの開弁動作を、同制御期間における他の開弁動作に較べて長い開弁時間で開弁させてもよい。
【００１８】
この構成では、ノズル冷却用の噴射形態に切り換えての制御期間中において、その制御期間中における少なくとも一つの開弁動作を、他の開弁動作の開弁時間に較べて長くし、それによって噴射の貫徹力、すなわち噴射ノズルに付着した付着物（例えば、煤）を還元剤の噴射によって吹き飛ばす力を高め、ノズル冷却時における付着物の堆積を抑制する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置に関し、その好適な実施形態について説明する。なお、以下に示す排気浄化触媒の構造は、あくまでも本発明の一実施形態にすぎず、その詳細は、内燃機関の各種仕様等に応じて変更可能である。
【００２０】
まず、本実施の形態では、ディーゼル機関等に代表される希薄燃焼式内燃機関１の排気系に触媒コンバータ５０、及び還元剤供給装置２０を備えて排気浄化装置を構成している。
【００２１】
触媒コンバータ５０は、ケーシング５１、及びそのケーシング５１内に設けられる種々の排気浄化触媒５２ａ，５２ｂを備え、機関本体１から排出される排気ガス中の有害物質を浄化する排気浄化作用を備えている。より詳しくは、内燃機関１のタービンハウジング４下流にケーシング５１が配置され、ケーシング５１内には、排気上流側から吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａ、パティキュレートフィルタ５２ｂの順に排気浄化触媒が内蔵されている。
【００２２】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａは、希薄燃焼式内燃機関の排気系に設けられるリーンＮＯｘ触媒の代表例であり、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を主として浄化する排気浄化作用を有している。
【００２３】
より詳しくは、排気ガスの酸素濃度が高いときにその排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低いときすなわち吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気ガスの空燃比が低いときに、その吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を排気ガス中に含まれている未燃燃料成分（ＣＯ、ＨＣ）と反応させることで、無害な窒素（Ｎ₂）に浄化する排気浄化作用を有する。
【００２４】
また、その構成は、例えばアルミナ（Ａｌ²Ｏ³）を担体とし、その担体上にカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、若しくはバリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類、又はランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金（Ｐｔ）のような貴金属とを担持してなる。
【００２５】
なお、ここで上記した排気浄化作用の補足説明を行うと、希薄燃焼式内燃機関１では、通常、酸素過剰雰囲気下で燃焼が行われている。このため燃焼に伴い排出される排気ガスの酸素濃度は、上記の還元・放出作用を促す迄に低下することは殆どなく、また、排気ガス中に含まれる未燃燃料成分（ＣＯ，ＨＣ）も極僅かである。
【００２６】
したがって、本実施の形態では、還元剤たる機関燃料（ＨＣ）を排気ガス中に噴射供給することで酸素濃度の低下を促し、また、未燃燃料成分たる炭化水素（ＨＣ）を排気ガス中に補給し、上記の排気浄化作用を促進させている。なお、この排気浄化作用を促進させる還元剤の供給は、後述の還元剤供給装置２０によって行われている。
【００２７】
一方のパティキュレートフィルタ５２ｂは、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子を触媒物質の働きで酸化燃焼させる排気浄化触媒の一種である。より詳しくは、触媒物質として活性酸素放出剤を担持したフィルタ基材５８を備え、そのフィルタ基材５８上に捕集した微粒子を活性酸素の酸化力にて酸化燃焼させることで浄化（除去）する排気浄化作用を備えている。
【００２８】
フィルタ基材５８は、図２に示されるようにコージライトのような多孔質材料から形成されたハニカム形状をなし、互いに平行をなして延びる複数個の流路５５，５６を具備している。より具体的には、下流端が栓５５ａにより閉塞された排気ガス流入通路５５と、上流端が栓５６ａにより閉塞された排気ガス流出通路５６と、を備え、各排気ガス流入通路５５及び排気ガス流出通路５６は薄肉の隔壁５７を介してフィルタ基材５８における縦方向及び横方向に並んで配置されている。
【００２９】
また、隔壁５７の表面および内部の細孔には、アルミナ（Ａｌ²Ｏ³）等によって形成された担体の層が設けられ、担体上には、白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒の他、周囲に過剰酸素が存在するとその過剰酸素を吸蔵し、逆に酸素濃度が低下すると、その吸蔵した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が担持されている。
【００３０】
なお、活性酸素放出剤としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）のようなアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類、およびセリウム（Ｃｅ）、錫（Ｓｎ）のような遷移金属から選ばれた少なくとも一つを用いるとよい。
【００３１】
また、好ましくは、カルシウム（Ｃａ）よりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）などを用いるとよい。
【００３２】
このように構成されたパティキュレートフィルタ５２ｂでは、まず、排気ガス流入通路５５→隔壁５７→排気ガス流出通路５６の順に排気ガスが流れ（図２矢印ａ）、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子は、その隔壁５７を通過する過程で、隔壁５７の表面及び内部に捕集される。そして、隔壁５７に捕集された微粒子は、隔壁５７（フィルタ基材）に流れ込む排気ガスの酸素濃度を多数回に亘り変化させることで増加する活性酸素によって酸化され、ついには輝炎を発することなく燃え尽きてフィルタ基材５８上から除去される。
【００３３】
なお、本実施の形態では、パティキュレートフィルタ５２ｂに流れ込む排気ガスの酸素濃度を変化させるにあたり、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａ同様にして還元剤供給装置２０から還元剤たる機関燃料（炭化水素：ＨＣ）を排気ガス中に噴射供給し、排気ガスの酸素濃度を変化させている。
【００３４】
このように本実施の形態では、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａおよびパティキュレートフィルタ５２ｂを内蔵した触媒コンバータ５０を排気管１１に配置し、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）および煤などの微粒子を浄化している。また、本実施の形態では、上記した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａおよびパティキュレートフィルタ５２ｂによって、本発明に係る排気浄化触媒を構成している。
【００３５】
続いて、上記した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａ、及びパティキュレートフィルタ５２ｂの排気浄化作用を促す還元剤供給装置２０について説明する。
還元剤供給装置２０は、内燃機関１の排気ポート（図示略）に接続する排気枝管１２に取り付けられた噴射ノズル２１、及び内燃機関１の制御系に設けられる電子制御ユニット２２等にて構成されている。
【００３６】
噴射ノズル２１は、電磁駆動式の開閉弁であり、電子制御ユニット２２に準備される還元剤供給プログラムのもと、適切量の還元剤を適宜のタイミングで排気ガス中に噴射供給している。また、噴射ノズル２１は、内燃機関１の燃料供給系に接続され、その燃料供給系から供給される機関燃料を還元剤として触媒コンバータ５０に供給している。
【００３７】
また、電子制御ユニット２２は、触媒コンバータ５０下流に設けられた空燃比センサ２３の出力、および触媒コンバータ５０の排気上流側および排気下流側に設けられた排気温度センサ２４ａ，２４ｂの出力、さらに機関運転に即して変化する各種機関運転履歴などに基づき還元剤の供給量や供給時期を算出し、その算出した供給量および供給タイミングに基づき、噴射ノズル２１の開弁動作を制御している。なお、噴射ノズル２１の開弁制御すなわち噴射形態については、後に詳述する。また、本実施の形態では、電子制御ユニット２２で、本発明に係る制御手段を構成している。
【００３８】
そして、本実施の形態では、この還元剤供給装置２０にて排気ガス中に還元剤たる機関燃料を噴射供給し、上記した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａ、およびパティキュレートフィルタ５２ｂの排気浄化作用を促進させている。
【００３９】
ところで、上記噴射ノズル２１は、排気枝管１２内に突設した状態で取り付けられるため、その噴孔周辺は、高温の排気ガスに晒される。このため噴孔周辺の高温化に伴う排気ガス中および機関燃料（還元剤）中に含まれるデポジット成分の固化に起因して、噴孔の詰まりや噴霧状態の悪化等が引き起こされる場合もある。
【００４０】
そこで、本実施の形態に示す排気浄化装置では、排気浄化作用を促進させるときの噴射形態とは異なるノズル冷却用の噴射形態で噴射ノズル２１の開弁動作を制御し、そのノズル冷却用の噴射に伴う還元剤の噴射によって噴射ノズル２１自らを冷却している。つまり、噴射ノズル２１を冷却すべき必要が生じたときには、排気ガス温度に較べて十分に低い温度（例えば、常温）の還元剤を噴射し、その還元剤で噴射ノズル２１を冷却する。
【００４１】
以下、このノズル冷却用の噴射形態について、排気浄化作用を促進させる噴射形態との違いを踏まえつつ説明する。また、以下では、排気浄化作用を促進させるための噴射形態にて実施する還元剤の噴射を単に「排気浄化用の噴射」と称し、また、ノズル冷却用の噴射形態にて実施する還元剤の噴射を単に「ノズル冷却用の噴射」と称して説明することもある。また、上記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａ及びパティキュレートフィルタ５２ｂを総称して単に「排気浄化触媒５２」と称することもある。
【００４２】
まず、ノズル冷却用の噴射の説明に先立ち、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａやパティキュレートフィルタ５２ｂの排気浄化作用を促進させる排気浄化用の噴射について説明する。
排気浄化用の噴射では、図３に示すように、その一供給過程につき、複数回の開弁動作を繰り返すことで適切量の還元剤を排気ガス中に噴射している。また、その供給動作は、数秒から数十秒のインターバルをおいて実施されている。
【００４３】
つまり、排気浄化作用を促進させるときには、排気浄化触媒５２に流れ込む排気ガスの酸素濃度を局所的に低下させる必要があるため、本実施の形態では、一供給過程において比較的多めに還元剤を供給し、局所的に酸素濃度の低い排気ガスを作り出している。なお、好ましくは排気管１１内に発生する排気脈動に併せて噴射ノズルの開弁動作を制御すると、より効率良く排気ガスの酸素濃度を低下させることができる。
【００４４】
一方、ノズル冷却用の噴射では、所定量の還元剤を噴射させるにあたり、排気浄化作用を促進させる排気浄化用の噴射に較べ、少量且つ多数回に分けて還元剤を噴射させる。なお、ここで少量とは、図４に示されるように、排気浄化用の噴射においてその一供給過程につき噴射する還元剤の総噴射量に較べて十分に少ない噴射量である。また、多数回とは、複数の開弁動作で構成される排気浄化用の噴射を一つの供給動作とみなした場合、その供給動作の間隔（本実施の形態では、数秒〜数十秒のインターバル）に較べて十分に短い間隔で設定された噴射回数に相当する。つまり、ノズル冷却用の噴射では、少量且つ高頻度に還元剤を噴射することで、噴射ノズル２１の冷却を図っている。
【００４５】
また、本実施の形態では、ノズル冷却用の噴射において、その噴射回数（噴射の頻度）を設定するにあたり、例えば、図５に示す適性値をもって設定している。なお、図５は、総噴射量一定条件下で実験した噴射ノズル温度と噴射回数との相関を求めた実験結果である。
【００４６】
この図５を参照して噴射回数の設定について説明すると、まず、図５では、縦軸に噴射ノズル２１の温度、横軸に噴射回数（頻度）が取られ、また、グラフ右方に向かうに連れて一供給動作あたり還元剤噴射量が減り且つ噴射回数は増加するようになっている。また、図中の曲線は、その時々の噴射回数に応じた噴射ノズル２１の温度（噴射ノズル２１の温度低下量）を示している。本実施の形態では、この図５に示される実験結果において、噴射ノズル２１の温度低下量が最も大きい値を示す噴射回数（図５中Ａ点）を適正値とみなし、上述の如くその適正値をもってノズル冷却用の噴射における噴射回数（噴射の頻度）を設定している。
【００４７】
なお、ここで一方の排気浄化用噴射を図５に照らし合わせれば、噴射回数が少なく、一供給動作につき噴射する還元剤の噴射量が多い領域（例えば、図中Ｂ点）に該当する。つまり、ノズル冷却用の噴射では、少なくとも排気浄化用の噴射に対応した噴射頻度よりも高頻度で、還元剤を噴射させている。
【００４８】
またなお、図５では、適性値を超える領域において、噴射ノズル２１の冷却効率が徐々に低下しているが、これは、極端な噴射間隔の短縮に起因した噴射ノズル２１の作動不良に伴う噴射量不足によるものである。つまり、本実施の形態では、噴射回数の設定にあたり、噴射ノズル２１の機械特性（動的特性）をも考慮して噴射回数を決定している。
【００４９】
また、上記した噴射回数の設定に絡み、ノズル冷却用の噴射では、一定の間隔で還元剤を噴射させるようにしている。つまり、排気浄化用の噴射形態では、排気脈動と同期させてその開弁動作を制御しているが、ノズル冷却用の噴射では、排気脈動と関係させることなく単に時間経過に従いその開弁動作を制御している。このようにノズル冷却用の噴射では、少量且つ多数回に分けて還元剤を噴射することで、噴射ノズル２１の温度を効率良く低下させている。
【００５０】
また、一方でノズル冷却用の噴射といった固有の噴射形態が必要になる背景として、排気浄化触媒５２の過熱（熱劣化）に対する配慮がある。
まず、噴射ノズル２１の冷却のみを考えた場合には、排気浄化用の噴射においても噴射ノズル２１の冷却は図られる。しかしながら、噴射ノズル２１の過熱を抑制すべく排気浄化用の噴射を繰り返すと、多量の還元剤が幾度となく排気浄化触媒５２に供給されることになり、その結果、還元剤と触媒物質との反応に伴う反応熱によって排気浄化触媒５２が過剰に昇温し熱劣化が引き起こされる。
【００５１】
この点、少量の還元剤を多数回に分けて噴射するノズル冷却用の噴射では、排気ガスの酸素濃度変化が少なく排気浄化作用を促進させる迄に至らないため、図６に示されるように、排気浄化触媒５２の温度上昇を抑制しつつ、噴射ノズル２１を冷却できる。とりわけ、高負荷運転時には、排気ガスの温度上昇に伴い排気浄化触媒の温度も高くなるため、排気浄化用の噴射のみでは、噴射ノズル２１の冷却に対応できないといった問題が生じる。この点、本ノズル冷却用の噴射では、排気浄化触媒の温度上昇を抑制しつつ噴射ノズル２１の冷却を図れるため、広い運転領域において排気浄化触媒の熱劣化を抑制しつつ噴射ノズル２１を冷却できるといった利点が得られる。
【００５２】
続いて、上記した排気浄化用の噴射とノズル冷却用の噴射に絡み、その切り換えについて説明する。
まず、本実施の形態では、噴射ノズル２１の過熱に相関のある内燃機関１の運転状態に関連づけて作成した噴射形態選択マップを電子制御ユニットに準備し、現時点の運転状態において噴射ノズル２１を冷却すべき必要が生じているときには、ノズル冷却用の噴射を取り入れた噴射制御に切り換える。
【００５３】
なお、図７は、上記に係る噴射形態選択マップである。
噴射形態選択マップは、噴射ノズル２１の過熱に相関のある運転状態として、機関回転数、及び軸トルク（機関出力）を噴射形態の選択に用いるパラメータとし、電子制御ユニット２２では、内燃機関１に設けられる各種センサ（例えば、クランクポジションセンサ、負荷センサ）の出力値、および電子制御ユニットに記録された運転履歴（例えば、燃料消費率）等から算出した現在の機関回転数、軸トルクを上記マップ上に読み込むことで、現時点の運転状態に要求される噴射形態を設定する。
【００５４】
なお、各運転領域に対応した噴射形態を説明すると、軸トルクおよび機関回転数共に低い低負荷運転領域（図中：領域Ａ）では、排気ガス温度も比較的低く噴射ノズル２１もさほど上昇しないため、本実施の形態では、排気浄化用の噴射のみを実施し、排気浄化触媒の排気浄化作用を促進させる。
【００５５】
また、中高負荷運転領域（図中：領域Ｂ）では、排気ガス温度の上昇に起因して噴射ノズル２１の温度も上昇するため、排気浄化用の噴射にノズル冷却用の噴射を織り交ぜて、排気浄化作用を促進させつつ噴射ノズル２１の冷却を図る。なお、排気浄化用の噴射に対するノズル冷却用の噴射の織り交ぜ方は、図８に示されるように、排気浄化用の噴射が休止されている区間（本実施の形態では、数秒〜数十秒の休止区間）でノズル冷却用の噴射を実施するなどの形態を例示できる。
【００５６】
また、高負荷運転領域（図中：領域Ｃ）では、排気ガスの高温化に伴い排気浄化触媒の温度も相当に上昇するため、本実施の形態では、排気浄化触媒の熱劣化を回避すべく排気浄化用の噴射を停止し、また、ノズル冷却用の噴射で噴射ノズル２１の冷却を図る。
【００５７】
このように本実施の形態では、噴射ノズル２１の冷却が必要になる状況、すなわち、噴射ノズル２１の過熱を抑制すべき状況において、ノズル冷却用の噴射形態を含む噴射形態に切り換え、噴射ノズル２１を冷却する。
【００５８】
また、上記したノズル冷却用の噴射に絡み、本実施の形態では、ノズル冷却用の噴射に切り換えての開弁制御において、その制御期間中における少なくとも一つの開弁動作を、同制御期間における他の開弁動作に較べて長い開弁時間で開弁させている（図９参照）。
【００５９】
つまり、ノズル冷却用の噴射において、その制御期間中における少なくとも一つの開弁動作を長い開弁時間で制御し、それによって噴射の貫徹力、すなわち噴射ノズル２１に付着した付着物（例えば、煤）を還元剤の噴射によって吹き飛ばす力を高め、ノズル冷却時における付着物の堆積を抑制する。なお、図１０は、開弁時間と噴射の貫徹力との相関を表すグラフであり、同グラフからも解るように、開弁時間が長くなるほど噴射の貫徹力は長くなることが解る。
【００６０】
また、本実施の形態では、長い開弁時間で還元剤を噴射した後、次なる噴射の開始時刻を一時的に遅延させ、不必要な還元剤の消費を抑制している（図９参照）。つまり、開弁時間の長い噴射では、他の開弁制御に較べて多くの還元剤が噴射されるため、噴射ノズル２１の温度が一時的に大きく下がり、その後、しばらくの間は、噴射ノズル２１の冷却に余裕が生じる。このため、その余裕を加味して噴射間隔を長めにとり、還元剤の不要な消費を抑えている。
【００６１】
このように本実施の形態では、排気浄化作用を促進させるときの噴射形態とは異なるノズル冷却用の噴射形態で噴射ノズル２１の開弁動作を制御し、噴射ノズル２１を効率良く冷却している。また、ノズル冷却用の噴射形態では、排気浄化用の噴射形態に較べ、少量且つ多数回に分けて還元剤を噴射し、還元剤の消費量、並びに排気浄化触媒の過剰な温度上昇を抑制しつつ、噴射ノズル２１を広い運転領域にて冷却可能としている。
【００６２】
なお、上記した実施形態は、あくまでも本発明の一実施形態であり、その詳細は変更である。
例えば、上記したノズル冷却用の噴射では、噴射頻度の設定において、図５に示す適正値を以て噴射頻度を設定しているが、その適正値は、その時々に運転状態に応じて若干変化するため、運転状態に応じて噴射頻度を補正するマップを別途用意し、そのマップから読み出される補正値を以て噴射頻度を補正してもよい。
【００６３】
また、ノズル冷却用の噴射形態において、その噴射量もその時々の運転状態に応じて変化するため、上記にならい運転状態に応じて噴射量を補正するマップを準備し、その時々の運転状態に応じた最適な噴射量で噴射ノズル２１を冷却してもよい。
【００６４】
また、本実施形態では、噴射ノズル２１の温度に相関のある噴射形態選択マップをもって、噴射ノズルを冷却すべき状況か否かを判定しているが、噴射ノズル２１に温度センサを取り付け、その温度センサの出力に応じて噴射形態の切り換えてもよい。すなわち、温度センサによって噴射ノズル２１の高温化が検出されたことを受け、ノズル冷却用の噴射形態に切り換えるなど、噴射形態の選択は、上記の実施形態以外に種々の態様が考えられる。また、勿論、温度センサの出力を利用して、噴射頻度の補正や噴射量の補正も可能である。
【００６５】
また、上記した実施形態では、排気浄化作用を促進させる噴射形態（排気浄化用の噴射）において、その一供給過程につき複数の開弁動作を繰り返すことで、排気ガスの酸素濃度を局所的に低下させる噴射形態としているが、その噴射形態は、上記に限定されるものでなく、多量の還元剤を短期に集中して噴射する噴射形態であれば排気浄化用の噴射としての要をなす。
【００６６】
また、上記に絡み本発明で「ノズル冷却用の噴射形態」とは、必ずしも上記実施形態中に記載した排気浄化用の噴射に応じてその噴射形態が決定されるものではなく、排気浄化作用の促進を目的とする噴射形態に相違し、且つ噴射ノズル２１を冷却可能な噴射形態であればよい。
【００６７】
また、本発明に絡み、噴射ノズル２１の冷却のみを考えれば、噴射ノズルの周囲に冷却水を導入して噴射ノズル２１を冷却するといった手法も考えられるが、本発明では、還元剤の噴射によって噴射ノズル自らの冷却を図るため、既存の装置構成を利用して噴射ノズル２１を冷却できるといった利点も得られる。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、噴射ノズルを効率良く冷却可能な噴射ノズルの冷却技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る排気浄化装置の概略構成図。
【図２】本実施の形態に係るパティキュレートフィルタの内部構造を示す図。
【図３】排気浄化作用を促進させる噴射形態（排気浄化用の噴射）に対応した噴射波形を示す図。
【図４】噴射ノズルを冷却する噴射形態（ノズル冷却用の噴射）に対応した噴射波形を示す図。
【図５】噴射ノズルの温度と噴射頻度との相関関係を示すグラフ。
【図６】還元剤の噴射回数と排気浄化触媒の温度との相関関係を示すグラフ。
【図７】本実施の形態に係る噴射形態選択マップの概略図。
【図８】排気浄化用の噴射とノズル冷却用の噴射とを織り交ぜて実施したときの噴射波形を示す図。
【図９】ノズル冷却用の噴射形態において、噴射の貫徹力を一時的に上昇させた際の噴射波形を示す図。
【図１０】噴射の貫徹力と開弁時間との相関関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１内燃機関（機関本体）
４タービンハウジング
１１排気管
１２排気枝管
２０還元剤供給装置
２１噴射ノズル
２２電子制御ユニット
２３空燃比センサ
２４ａ，２４ｂ排気温度センサ
５０触媒コンバータ
５１ケーシング
５２排気浄化触媒
５２ａ吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
５２ｂパティキュレートフィルタ
５５排気ガス流入通路
５５ａ栓
５６排気ガス流出通路
５６ａ栓
５７隔壁
５８フィルタ基材

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、適切量の還元剤の流入に伴い排気浄化作用が促進される排気浄化触媒と、
この排気浄化触媒上流の排気通路に設けられ、前記排気浄化触媒に流れ込む排気ガス中に還元剤を噴射して前記排気浄化作用を促進させる噴射ノズルと、
その時々に要求される噴射形態で前記噴射ノズルの開弁動作を制御する制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記制御手段は、排気ガスとの接触に起因した噴射ノズルの過熱に伴い、前記排気浄化作用を促進させるときの噴射形態とは異なるノズル冷却用の噴射形態で噴射ノズルの開弁動作を制御し、その還元剤の噴射によって噴射ノズルを冷却し、
前記ノズル冷却用の噴射形態では、所定量の還元剤を噴射させるにあたり、排気脈動と関係させることなく時間経過に従いその開弁動作を制御し、且つ前記排気浄化作用を促進させるときの噴射形態に較べ、少量且つ多数回に分けて一定の間隔で還元剤を噴射するように前記噴射ノズルの開弁動作を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記制御手段は、排気浄化作用を促進させるべき状況において、前記排気浄化作用を促進させる噴射形態に加えてノズル冷却用の噴射形態を取り入れ、噴射ノズルの冷却を図りつつ前記排気浄化作用を促進させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記制御手段は、前記ノズル冷却用の噴射形態に切り換えての開弁制御において、その制御期間中における少なくとも一つの開弁動作を、同制御期間における他の開弁動作に較べて長い開弁時間で開弁させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記制御手段は、前記少なくとも一つの開弁動作を、前記他の開弁動作に較べて長い開弁時間で開弁させて還元剤を噴射した後、次なる噴射の開始時刻を一時的に遅延させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。