JP3900039B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【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する。
【0002】
【従来の技術】
特開2002−13413号公報に、内燃機関の燃焼室2から排出される排気ガス中の成分を浄化するための排気浄化装置が開示されている。この排気浄化装置は、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ(以下、単に、フィルタと称す)を具備する。また、このフィルタは、貴金属触媒と活性酸素放出剤とを担持しており、これら貴金属触媒の作用と活性酸素放出剤の作用とによって生成される活性酸素によって、捕集した微粒子を酸化除去するようになっている。
【0003】
ところで、このフィルタの活性酸素放出剤は、フィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のSOx(硫黄酸化物)を保持してしまう。ここで活性酸素放出剤が保持しているSOxの量が多くなると、フィルタに捕集された微粒子が活性酸素によって酸化除去されづらくなる。したがって、微粒子の酸化除去率を高く維持するためには、フィルタの活性酸素放出剤からSOxを放出させる必要がある。
【0004】
ここで、活性酸素放出剤は、その温度がSOx離脱温度よりも高く且つその周囲の雰囲気が還元雰囲気になっていると、保持しているSOxを放出する。そこで、上記公報に記載の排気浄化装置では、フィルタの活性酸素放出剤からSOxを放出させるべきときには、フィルタの温度をSOx離脱温度以上にまで上昇させると共に、燃料(還元剤)を多く含んだリッチ空燃比の排気ガスをフィルタに供給するようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報に記載の排気浄化装置において、フィルタからSOxを放出させ続けるためには、フィルタの温度をSOx離脱温度よりも高く維持しつつ且つフィルタ内の雰囲気を還元雰囲気に維持する必要がある。したがって、この排気浄化装置では、燃料(還元剤)を多く含んだリッチ空燃比の排気ガスをフィルタに供給し続けなければならない。ところが、これによると、排気ガスの空燃比をリッチに維持するために必要な燃料(還元剤)の量が多くなることから、燃費が悪化してしまう。あるいは、排気ガスの空燃比をリッチに維持するために多量の燃料(還元剤)がフィルタに供給されることから、燃料がフィルタにて燃焼してフィルタに熱劣化をもたらす可能性もある。
【0006】
こうした問題は、一般的に、排気ガス中の成分を浄化するための排気浄化材を備えた排気浄化装置において、還元剤を多く含んだほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを排気浄化材に供給する場合にも生じる問題である。
【0007】
そこで、本発明の目的は、排気ガス中の成分を浄化するための排気浄化材を備えた排気浄化装置において、排気浄化材にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給するために必要な還元剤の量をできるだけ少なくすることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、1番目の発明は、内燃機関の排気通路内に排気浄化材を具備し、該排気浄化材をバイパスするバイパス通路が排気通路に接続されており、該バイパス通路と排気通路との分岐領域にバイパス通路内に流入する排気ガスの量と排気浄化材に流入する排気ガスの量との割合を調整するための流量調整弁が配置されており、上記バイパス通路と排気通路との分岐領域上流にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給するための供給手段が配置されている排気浄化装置において、排気浄化材にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給して排気浄化材の内部雰囲気を還元雰囲気にすべきであると判定されたときには、上記供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給とその停止とを断続的に実行すると共に、排気浄化材へ供給される大部分の排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比であるように流量調整弁を制御する排気浄化装置であり、排気浄化材内の排気ガスの空燃比を検出するための空燃比検出手段を具備し、排気浄化材の内部雰囲気を還元雰囲気にすべきであると判定されたときには、上記供給手段からほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給し、その後、上記空燃比検出手段によって排気浄化材内の排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチとなっていることが検出されたときに、上記供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給を停止すると共に、ほとんどの排気ガスがバイパス通路に流入するように流量調整弁を制御し、その後、上記供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給とその停止とを断続的に実行すると共に、排気浄化材へ供給される大部分の排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比であるように流量調整弁を制御する排気浄化装置であって、上記空燃比検出手段が排気ガスの空燃比を検出するために排気浄化材の上流および下流に配置された空燃比センサを具備し、下流側の空燃比センサが排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比であることを検出したことをもって排気浄化材の内部雰囲気が還元雰囲気になっていると推定し、上流側の空燃比センサが排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることを検出した後にリーン空燃比であることを検出したタイミングに基づいて、ほとんどの排気ガスをバイパス通路に流入させるように流量調整弁の制御位置を切り換えるタイミングが決定されることを特徴とする排気浄化装置を提供する。これによれば、ほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを排気浄化材に供給すべきときに、排気浄化材に供給される排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比となっている。なお、ここで、排気浄化材、排気通路、および、供給手段は、後述する実施形態において、それぞれ、パティキュレートフィルタ(活性酸素生成剤)、排気管、および、燃料添加弁に相当する。また、空燃比検出手段は、空燃比センサに相当する。
【0013】
2番目の発明は、内燃機関の排気通路内に排気浄化材を具備し、該排気浄化材をバイパスするバイパス通路が排気通路に接続されており、該バイパス通路と排気通路との分岐領域にバイパス通路内に流入する排気ガスの量と排気浄化材に流入する排気ガスの量との割合を調整するための流量調整弁が配置されており、上記バイパス通路と排気通路との分岐領域上流にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給するための供給手段が配置されている排気浄化装置において、排気浄化材にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給して排気浄化材の内部雰囲気を還元雰囲気にすべきであると判定されたときには、上記供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給とその停止とを断続的に実行すると共に、排気浄化材へ供給される大部分の排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比であるように流量調整弁を制御する排気浄化装置であって、排気浄化材内がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスで充填されたことを検出するための検出手段を具備し、上記供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給とその停止とが断続的に実行されている間において、供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給の開始タイミングに基づいて、ほとんどの排気ガスを排気浄化材に流入させるように流量調整弁の制御位置を切り換えるタイミングが決定され、上記検出手段によって排気浄化材内がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスで充填されたことが検出されたタイミングに基づいて、ほとんどの排気ガスをバイパス通路に流入させるように流量調整弁の制御位置を切り換えるタイミングが決定されることを特徴とする排気浄化装置を提供する。
【0014】
3番目の発明では、2番目の発明において、上記検出手段が燃焼室内における燃料の燃焼モード毎に作成された機関回転数と機関要求負荷との関数のマップに基づいて、排気浄化材にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスが到達したことを検出する。
【0015】
4番目の発明では、2番目の発明において、上記検出手段が内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスの温度、その流量およびその圧力の少なくとも1つに基づいて、排気浄化材にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスが到達したことを検出する。
【0016】
5番目の発明では、1〜4番目の発明のいずれか1つにおいて、上記流量調整弁が第1の制御位置に位置決めされたときにはほとんどの排気ガスが排気浄化材にその一方の端面から流入し、上記流量調整弁が第2の制御位置に位置決めされたときにはほとんどの排気ガスが排気浄化材にその他方の端面から排気ガスが流入し、上記流量調整弁が第1の制御位置と第2の制御位置との中間の中立制御位置に位置決めされたときにはほとんどの排気ガスがバイパス通路に流入するように排気通路およびバイパス通路が構成されている。
【0017】
6番目の発明では、1〜4番目の発明のいずれか1つにおいて、排気ガスが排気浄化材に一方の端面からのみ流入可能に排気通路およびバイパス通路が構成されている。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を説明する。図1は、本発明の排気浄化装置を備えた内燃機関を示している。図1に示した内燃機関は、圧縮着火式のディーゼル内燃機関である。図1において、1は機関本体、2は燃焼室、3は燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドである。各燃料噴射弁3は共通のいわゆるコモンレール6に接続されている。コモンレール6は燃料を高圧下で溜めておくためのリザーバとして機能し、各燃料噴射弁3にはこのコモンレール6から燃料が供給される。
【0019】
吸気マニホルド4には吸気管7が接続されている。吸気管7には燃焼室2に吸入される空気を冷却するためのインタークーラ8が取り付けられている。インタークーラ8下流の吸気管7内には、燃焼室2内に吸入される空気の量を制御するためのスロットル弁9が配置されている。また、インタークーラ8上流において、吸気管7は排気ターボチャージャ10のコンプレッサ11の出口部に接続されている。コンプレッサ11の入口部にも吸気管7が接続されている。この吸気管7には、燃焼室2に吸入される空気の量を検出するためのエアフローメータ12が配置されている。
【0020】
排気マニホルド5には排気管13が接続されている。排気管13は排気ターボチャージャ10の排気タービン14の入口部に接続されている。この排気管13には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ(以下、メイン空燃比センサと称す)15が取り付けられている。また、排気ターボチャージャ10の排気タービン14の出口部にも排気管13が接続されている。この排気管13には、該排気管13から分岐し、この排気管13からの分岐部分に戻るようにループ状をなす分岐管16が接続されている。すなわち、分岐管16はその両端の開口が排気管13の同じ領域に開口するように排気管13に接続されている。
【0021】
分岐管16内には、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ(以下、単に、フィルタと称す)17が配置されている。なお、後述するように、フィルタ17は貴金属触媒を担持しているので、排気ガス中のHC(未燃炭化水素)やCO(一酸化炭素)をも酸化して浄化する。また、後述するように、フィルタ17は貴金属触媒と活性酸素生成剤とを担持しており、これら貴金属触媒と活性酸素生成剤とによって排気ガス中のNOx(窒素酸化物)が還元浄化されるので、フィルタ17は排気ガス中のNOxを還元して浄化する。
【0022】
図2(A)はフィルタ17の端面図であり、図2(B)はフィルタ17の縦断面図である。図2(A)および図2(B)に示したように、フィルタ17はハニカム構造をなす隔壁30を具備する。これら隔壁30によって互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路31,32が形成される。これら排気流通路のうち略半数の排気流通路31がその下流端開口を栓33で閉鎖されている。以下、これら排気流通路31を排気流入通路と称す。一方、残りの半数の排気流通路32はその上流端開口を栓34で閉鎖されている。以下、これら排気流通路32を排気流出通路と称す。排気流入通路31には4つの排気流出通路32が隣接する。一方、排気ガス流出通路32には4つの排気流入通路31が隣接する。
【0023】
排気ガスは排気流入通路31に流入する。隔壁30はコージェライトのような多孔質材料からなるので、図2(B)において矢印で示したように、排気流入通路31内の排気ガスは、隔壁30の細孔を通って、隣接する排気流出通路32内に流れ込む。
【0024】
また、フィルタ17は、貴金属触媒と活性酸素生成剤とを担持している。すなわち、本発明では、フィルタ17の隔壁30の両壁面上、および、隔壁30の細孔を画成する壁面上に全面に亘って、例えば、アルミナからなる担体層が形成され、この担体層上に、貴金属触媒と、活性酸素生成剤とが担持されている。
【0025】
貴金属触媒としては、白金(Pt)が用いられる。一方、活性酸素生成剤としては、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)、セリウム(Ce)のような希土類、鉄(Fe)のような遷移金属、およびスズ(Sn)のような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つが用いられる。
【0026】
フィルタ17は、貴金属触媒と活性酸素生成剤とによって生成される活性酸素によって、フィルタ17に捕集された微粒子を比較的短時間のうちに酸化除去する。
【0027】
すなわち、排気ガスがフィルタ17に流入すると、図3(A)に示したように、排気ガス中の酸素(O2)がO2 -またはO2-の形で白金40の表面に付着する。排気ガス中のNOはこれらO2 -またはO2-と反応し、NO2となる。斯くして生成されたNO2の一部は、白金40上で酸化されつつ活性酸素生成剤41内に吸収によって保持され、図3(A)に示したように、カリウム(K)と結合しながら硝酸イオン(NO3 -)の形で活性酸素生成剤41内に拡散し、硝酸カリウム(KNO3)を生成する。すなわち、排気ガス中の酸素が硝酸カリウム(KNO3)の形で活性酸素生成剤41内に吸収によって保持される。
【0028】
ここで、図3(B)において42で示したように、微粒子が活性酸素生成剤41の表面上に接触して付着すると、微粒子42と活性酸素生成剤41との接触面では酸素濃度が低下する。すなわち、活性酸素生成剤41の周囲の酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素生成剤41内との間で濃度差が生じ、斯くして、活性酸素生成剤41内の酸素が微粒子42と活性酸素生成剤41との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素生成剤41内に形成されている硝酸カリウム(KNO3)がカリウム(K)と酸素(O)とNOとに分解され、酸素(O)が微粒子と活性酸素生成剤41との接面に向かい、その一方で、NOが活性酸素生成剤41から外部に放出される。
【0029】
ここで、微粒子42と活性酸素生成剤41との接触面に向かう酸素は、硝酸カリウムといった化合物から分解された酸素であるので、不対電子を有し、したがって、極めて高い反応性を有する活性酸素となっている。こうして活性酸素生成剤41は活性酸素を生成する。なお、外部に放出されたNOは下流側の白金40上において酸化され、再び活性酸素生成剤41内に保持される。
【0030】
活性酸素生成剤41によって生成される活性酸素はそこに付着した微粒子42を酸化除去するために消費される。すなわち、フィルタ17に捕集された微粒子42は活性酸素生成剤41によって生成される活性酸素によって酸化除去される。
【0031】
このように、フィルタ17に捕集されている微粒子が反応性の高い活性酸素によって輝炎を発することなく酸化除去されるので、フィルタ17の温度が過剰に高くなることがなく、したがって、フィルタ17が熱劣化することがない。
【0032】
ところで、分岐管16が排気管13から分岐する領域において、排気管13内には、分岐管16に流入する排気ガスの量と分岐管16に流入せずにそのまま排気管13を流れる排気ガスの量との割合を調整するための流量調整弁18が配置されている。流量調整弁18が図4(A)に示した第1の制御位置に位置決めされたときには、ほとんどの排気ガスが分岐管16に流入し、フィルタ17にその第1の端面から流入する。そして、この場合、排気ガスは、フィルタ17の第2の端面から流出し、再び、排気管13に流入する。
【0033】
一方、流量調整弁18が図4(B)に示した第2の制御位置に位置決めされたときには、ほとんどの排気ガスが分岐管16に流入するが、フィルタ17にはその第2の端面から流入する。そして、この場合、排気ガスは、フィルタ17の第1の端面から流出し、再び、排気管13に流入する。
【0034】
さらに、流量調整弁18が図4(C)に示した第3の制御位置(中立制御位置)に位置決めされたときには、ほとんどの排気ガスが分岐管16に流入することなく、そのまま、排気管13内を流れる。すなわち、排気ガスはフィルタ17をバイパスすることとなる。したがって、この場合、流量調整弁18下流の排気管13aはフィルタ17をバイパスするバイパス通路として働く。
【0035】
流量調整弁18上流の排気管13には、排気管13内に燃料を噴射するための燃料添加弁19が取り付けられている。この燃料添加弁19は、フィルタ17にリッチ空燃比の排気ガスを供給するため、すなわち、フィルタ17に燃料を供給するために用いられる。さらに、流量調整弁18上流の排気管13には、排気ガスの温度を検出するための温度センサ20が取り付けられている。さらに、流量調整弁18下流の排気管13には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ(以下、サブ空燃比センサと称す)21が取り付けられている。
【0036】
なお、メイン空燃比センサ15に関して、排気ガスの空燃比とは、燃料噴射弁3から噴射された燃料の量に対する燃焼室2に吸入された空気の量の比である。また、フィルタ17およびサブ空燃比センサ21に関して、排気ガスの空燃比とは、燃料噴射弁3から噴射された燃料と燃料添加弁19から噴射された燃料との総量に対する燃焼室2に吸入された空気の量の比である。
【0037】
ところで、燃焼室2から排出された排気ガスを燃焼室2に導入するための排気再循環(EGR)通路22が排気マニホルド5から吸気マニホルド4まで延びる。EGR通路22には、排気ガスを冷却するためのEGRクーラ23が取り付けられている。また、EGRクーラ23上流において、EGR通路22内には、排気ガス中のCO(一酸化炭素)およびHC(未燃炭化水素)を酸化除去するための酸化触媒24が配置されている。また、EGRクーラ23下流において、EGR通路22には、燃焼室2に導入される排気ガスの量を制御するためのEGR制御弁25が取り付けられている。
【0038】
ところで、燃料には硫黄成分が含まれていることから、燃焼室2内においてSOx(硫黄酸化物)が発生する。したがって、排気ガス中にはSOxが含まれている。そして、フィルタ17の活性酸素放出剤はフィルタ17に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにSOxをも保持する。燃焼室2から排出される排気ガスの空燃比は、内燃機関が通常運転せしめられているときには、通常、リーンであるので、内燃機関が通常運転せしめられている間、活性酸素生成剤に保持されているSOxの量は徐々に増大する。
【0039】
ここで、活性酸素生成剤に保持されているSOxの量が多くなると、フィルタ17において微粒子が酸化除去されづらくなってしまう。したがって、フィルタ17における微粒子酸化除去率を高く維持するためには、活性酸素生成剤からSOxを放出させる必要がある。ここで、活性酸素生成剤はその温度がSOx離脱温度よりも高く且つその周囲の雰囲気が還元雰囲気になると、保持しているSOxを放出する。
【0040】
そこで、本発明では、活性酸素生成剤に保持されているSOxの量がフィルタ17における微粒子酸化除去率を考慮して予め定めた許容上限値に達したときに、フィルタ17の温度をSOx離脱温度以上にまで上昇させ、これと共に、燃料添加弁19から燃料を噴射することによってほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比(以下、ほぼ理論空燃比とリッチ空燃比とをまとめて、単に、リッチ空燃比と称す)の排気ガス(以下、ほぼ理論空燃比の排気ガスとリッチ空燃比の排気ガスとをまとめて、単に、リッチガスと称す)をフィルタ17に供給する。
【0041】
ところで、上述したように、活性酸素生成剤からSOxを放出させるために、リッチガスをフィルタ17に供給するためには、少なくとも、流量調整弁18を図4(A)に示した第1の制御位置、或いは、図4(B)に示した第2の制御位置に位置決めしておく必要がある。ところが、流量調整弁18を第1の制御位置または第2の制御位置に位置決めし続けた状態で、フィルタ17の内部雰囲気を還元雰囲気に維持するためには、燃料添加弁19から継続的に燃料を噴射し、リッチガスをフィルタ17に供給し続けなければならない。しかしながら、これでは、フィルタ17の内部雰囲気を還元雰囲気に維持するために必要な燃料の量が多くなってしまう。
【0042】
そこで、本発明の第1実施形態では、フィルタ17からSOxを放出させるために、フィルタ17にリッチガスを供給すべきであると判定されたときには、フィルタ17の温度をSOx離脱温度以上にまで上昇させ、これと共に、図5(A)に示したように、流量調整弁18を第1の制御位置(または、第2の制御位置)に位置決めした上で、燃料添加弁19から所定の期間に亘って燃料を噴射する。すると、図5(A)に示したように、リッチガスRGがフィルタ17に流入する。そして、図5(B)に示したように、リッチガスRGはフィルタ17から流出して、サブ空燃比センサ21に到達する。
【0043】
ここで、燃料添加弁19から燃料を噴射する期間を適切に設定しておけば、リッチガスRGがサブ空燃比センサ21に到達したときには、フィルタ17内にはリッチガスが存在し、したがって、フィルタ17の内部雰囲気は還元雰囲気となっている。そこで、第1実施形態では、リッチガスRGがサブ空燃比センサ21に到達し、サブ空燃比センサ21によって排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたときに、図5(C)に示したように、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。
【0044】
すなわち、第1実施形態では、サブ空燃比センサ21が排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたタイミングに基づいて、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気になっているタイミングが推定される。云い方を換えれば、本発明では、サブ空燃比センサ21によって排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたタイミングに基づいて、流量調整弁18の制御位置の切換タイミングが決定される。
【0045】
このように流量調整弁18の制御位置を切り換えると、ほとんどの排気ガスはフィルタ17には流入せずに、バイパス通路として機能する排気管13a内を流れることとなる。すなわち、ほとんどの排気ガスがフィルタ17をバイパスする。これによれば、燃料添加弁19から新たに燃料を噴射しなくても、一定の期間に亘って、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気に維持される。
【0046】
さらに、一定の期間が経過すると、フィルタ17の内部雰囲気は徐々に還元雰囲気ではなくなるので、第1実施形態では、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気ではなくなったときに、再び、燃料添加弁19から燃料が所定の期間に亘って噴射される。そして、図5(D)に示したように、リッチガスRGが流量調整弁18に到達したときに、流量調整弁18の制御位置が中立制御位置から第1の制御位置(または、第2の制御位置)に切り換えられる。これによれば、流量調整弁18の制御位置を切り換えたとしても、リーン空燃比の排気ガスはほとんどフィルタ17には流入せず、ほぼリッチガスのみがフィルタ17に供給されることとなる。すなわち、フィルタ17に供給される大部分の排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比となる。
【0047】
もちろん、その後、リッチガスがサブ空燃比センサ21に到達し、サブ空燃比センサ21によって排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたときには、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。以後、この制御が繰り返される。
【0048】
このように、第1実施形態によれば、SOxをフィルタ17から放出させるべきときに、ほぼリッチガスのみがフィルタ17に供給されるので、SOxをフィルタ17から放出させるために必要な燃料が少なくてすむ。
【0049】
第1実施形態に従って燃料添加弁19および流量調整弁18の動作が制御されたときの燃料添加弁19付近の排気ガスの空燃比とフィルタ17内の排気ガスの空燃比との推移の一例を図6に示した。図6において、(A)は燃料添加弁19に対する制御信号Sを示しており、制御信号SがON状態にあるときには燃料添加弁19から燃料が噴射され、制御信号SがOFF状態にあるときには燃料添加弁19からの燃料噴射が停止されている。また、図6において、(B)は燃料添加弁19付近の排気ガスの空燃比AFeの推移と示し、(C)はフィルタ17内の排気ガスの空燃比の推移AFfを示し、(D)は時刻tを示している。なお、(B)および(C)において、STは理論空燃比を示す。
【0050】
図6に示した例では、時刻t0において、フィルタ17からSOxを放出させるために、フィルタ17にリッチガスを供給すべきであると判定される。第1実施形態に従えば、ここで、フィルタ17の温度がSOx離脱温度以上にまで上昇せしめられ、これと共に、流量調整弁18が第1の制御位置に位置決めされた状態で、燃料添加弁19に対する制御信号SがON状態とされる。そして、このとき、燃料添加弁19付近の排気ガスの空燃比AFeは一気に下降してリッチ空燃比となる。さらに、少し遅れて、フィルタ17内の排気ガスの空燃比AFfも一気に下降してリッチ空燃比となる。
【0051】
そして、第1実施形態に従えば、所定の期間が経過したときに燃料添加弁19に対する制御信号SがOFF状態とされ、燃料添加弁19付近の排気ガスの空燃比AFeは一気に上昇してリーン空燃比となる。一方、第1実施形態に従えば、リッチガスがサブ空燃比センサ21に到達したときに、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられるので、フィルタ17内の排気ガスの空燃比AFfは徐々に上昇するがリッチ空燃比に維持されている。
【0052】
さらに、時刻t4において、フィルタ17内の排気ガスの空燃比AFfがリッチ空燃比でなくなると、再び、燃料添加弁19に対する制御信号SがON状態とされ、燃料添加弁19付近の排気ガスの空燃比AFeが一気に下降し、リッチガスが流量調整弁18に到達したときに流量調整弁18の制御位置が中立制御位置から第1の制御位置に切り換えられるので、フィルタ17内の排気ガスの空燃比AFfがリッチ空燃比となる。ここでも、所定の期間が経過すると燃料添加弁19に対する制御信号SがOFF状態とされ、燃料添加弁19付近の排気ガスの空燃比は一気に上昇する。しかしながら、第1実施形態に従えば、リッチガスがサブ空燃比センサ21に到達したときに、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられるので、フィルタ17内の排気ガスの空燃比AFfは徐々に上昇するがリッチ空燃比に維持されている。
【0053】
次に、第2実施形態について説明する。図7は、第2実施形態の排気浄化装置を備えた内燃機関を示している。第2実施形態では、サブ空燃比センサ21が燃料添加弁19下流であって流量調整弁18上流において、排気管13に取り付けられている。
【0054】
そして、第2実施形態では、フィルタ17からSOxを放出させるために、フィルタ17にリッチガスを供給すべきであると判定されたときには、フィルタ17の温度をSOx離脱温度以上にまで上昇させ、これと共に、流量調整弁18を第1の制御位置(または、第2の制御位置)に位置決めした上で、燃料添加弁19から所定の期間に亘って燃料を噴射する。すると、図8(A)に示したように、リッチガスRGはフィルタ17に流入する。
【0055】
そして、第2実施形態では、サブ空燃比センサ21によって排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたタイミングに基づいて、或いは、リッチガスRGがサブ空燃比センサ21に到達した後にリーン空燃比の排気ガス(以下、リーンガスと称す)がサブ空燃比センサ21に到達したタイミングに基づいて、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気になり且つほとんど全てのリッチガスがフィルタ17に流入するタイミングが推定される。
【0056】
そして、図8(B)に示したように、このタイミングにおいて流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。すなわち、第2実施形態では、サブ空燃比センサ21が排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたタイミングに基づいて、或いは、サブ空燃比センサ21が排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出された後に排気ガスの空燃比がリーン空燃比であることが検出されたタイミングに基づいて、流量調整弁18の制御位置の切換タイミングが決定される。
【0057】
これによれば、第1実施形態と同様に、燃料添加弁19から新たに燃料を噴射しなくても、一定の期間に亘って、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気に維持される。
【0058】
さらに、一定の期間が経過すると、フィルタ17の内部雰囲気は徐々に還元雰囲気ではなくなるので、第2実施形態では、第1実施形態と同様に、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気ではなくなったときに、再び、燃料添加弁19から燃料が所定の期間に亘って噴射される。
【0059】
そして、第2実施形態では、サブ空燃比センサ21にリッチガスRGが到達したタイミングに基づいて、図8(C)に示したように、リッチガスRGが流量調整弁18に到達するタイミングが推定される。そして、このタイミングにおいて流量調整弁18の制御位置が中立制御位置から第1の制御位置(または、第2の制御位置)に切り換えられる。これによれば、第1実施形態と同様に、流量調整弁18の制御位置を切り換えたとしても、ほぼリッチガスのみがフィルタ17に供給されることとなる。
【0060】
もちろん、このときにも、サブ空燃比センサ21によって排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたタイミングに基づいて、或いは、サブ空燃比センサ21によって排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたタイミングに基づいて、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気になり且つほとんど全てのリッチガスがフィルタ17に流入するタイミングが推定され、このタイミングにおいて流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。以後、この制御が繰り返される。
【0061】
このように、第2実施形態によれば、第1実施形態と同様に、SOxをフィルタ17から放出させるために必要な燃料が少なくてすむ。また、第2実施形態によれば、ほとんど全てのリッチガスがフィルタ17に流入せしめられるので、このことからも、SOxをフィルタ17から放出させるために必要な燃料が少なくてすむ。
【0062】
次に、第3実施形態について説明する。図9は、第3実施形態の排気浄化装置を備えた内燃機関を示している。第3実施形態では、燃料添加弁19下流であって流量調整弁18上流において、排気管13に空燃比センサ(以下、上流側空燃比センサと称す)21uが取り付けられ、流量調整弁18下流において、排気管13にも空燃比センサ(以下、下流側空燃比センサと称す)21dが取り付けられている。
【0063】
そして、第3実施形態では、フィルタ17からSOxを放出させるために、フィルタ17にリッチガスを供給すべきであると判定されたときには、フィルタ17の温度をSOx離脱温度以上にまで上昇させ、これと共に、流量調整弁18を第1の制御位置(または、第2の制御位置)に位置決めした上で、燃料添加弁19から所定の期間に亘って燃料を噴射する。すると、図10(A)に示したように、リッチガスRGはフィルタ17に流入する。そして、図10(B)に示したように、やがて、リッチガスRGはフィルタ17から流出して、下流側空燃比センサ21dに到達する。
【0064】
ここで、燃料添加弁19から燃料を噴射する期間を適切に設定しておけば、リッチガスRGが下流側空燃比センサ21dに到達したときには、フィルタ17内にはリッチガスが存在し、したがって、フィルタ17の内部雰囲気は還元雰囲気となっている。そこで、第3実施形態では、第1実施形態と同様に、下流側空燃比センサ21dによって排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたときに、図10(C)に示したように、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。これによれば、燃料添加弁19から新たに燃料を噴射しなくても、一定の期間に亘って、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気に維持される。
【0065】
さらに、一定の期間が経過すると、フィルタ17の内部雰囲気は徐々に還元雰囲気ではなくなるので、第3実施形態では、第1実施形態と同様に、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気ではなくなったときに、再び、燃料添加弁19から燃料が所定の期間に亘って噴射される。
【0066】
そして、第3実施形態では、上流側空燃比センサ21uにリッチガスRGが到達したタイミングに基づいて、図10(D)に示したように、リッチガスRGが流量調整弁18に到達するタイミングが推定される。そして、このタイミングにおいて流量調整弁18の制御位置が中立制御位置から第1の制御位置(または、第2の制御位置)に切り換えられる。これによれば、第1実施形態と同様に、流量調整弁18の制御位置を切り換えたとしても、リッチガスのみがフィルタに供給されることとなる。
【0067】
もちろん、このときにも、下流側空燃比センサ21dによって排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたときに、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。以後、この制御が繰り返される。
【0068】
このように、第3実施形態によれば、第1実施形態と同様に、SOxをフィルタ17から放出させるために必要な燃料が少なくてすむ。
【0069】
なお、第3実施形態において、上流側空燃比センサ21uおよび下流側空燃比センサ21dを用いて、流量調整弁18の制御位置を第1の制御位置(または、第2の制御位置)から中立制御位置に切り換えるタイミングを決定してもよい。
【0070】
次に、第4実施形態について説明する。第4実施形態では、フィルタ17にリッチガスを供給するときの流量調整弁18の切換タイミングが機関回転数と要求負荷との関数のマップの形で用意される。そして、このマップに基づいて、流量調整弁18の切換タイミングが決定される。以下、これについて詳細に説明する。
【0071】
燃料添加弁19からの燃料噴射を開始したときに燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17内を充填するまでにかかる時間は、単位時間当たりに燃焼室2から排出される排気ガスの量(以下、排気ガスの流量と称す)に依存する。そして、この排気ガスの流量は、機関回転数と要求負荷(すなわち、燃料噴射弁からの燃料噴射量)とに依存する。したがって、機関回転数と要求負荷とから、燃料添加弁19からの燃料噴射を開始したときに燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17に流入するタイミングが判る。そこで、第4実施形態では、機関回転数Nと要求負荷Lとの関数として、燃料添加弁19からの燃料噴射を開始したときに燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17に流入するタイミングを、図11(A)に示したように、予めマップの形で求めておく。
【0072】
そして、フィルタ17からSOxを放出させるために、フィルタ17にリッチガスを供給すべきであると判定されたときには、フィルタ17の温度をSOx離脱温度以上にまで上昇させ、これと共に、図8(A)に示したように、流量調整弁18を第1の制御位置(または、第2の制御位置)に位置決めした上で、燃料添加弁19から所定の期間に亘って燃料を噴射する。そして、燃料添加弁19からの燃料噴射を開始したときに、図11(A)に示したマップに基づいて、燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17内を充填するタイミングを算出し、このタイミングが到来したときに、図8(B)に示したように、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。これによれば、第1実施形態と同様に、燃料添加弁19から新たに燃料を噴射しなくても、一定の期間に亘って、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気に維持される。
【0073】
さらに、一定の期間が経過すると、フィルタ17の内部雰囲気は徐々に還元雰囲気ではなくなるので、第4実施形態でも、第1実施形態と同様に、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気ではなくなったときに、再び、燃料添加弁19から燃料が所定の期間に亘って噴射される。
【0074】
そして、燃料添加弁19からの燃料噴射が再開されたときに燃料添加弁19を通過した排気ガスが流量調整弁18に到達するまでにかかる時間も排気ガスの流量に依存することから、第4実施形態では、機関回転数Nと要求負荷Lとの関数として、燃料添加弁19からの燃料噴射が再開されたときに燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17に流入するタイミングを、図11(B)に示したように、予めマップの形で求めておく。
【0075】
そして、燃料添加弁19からの燃料噴射が再開されたときに、この図11(B)に示したマップに基づいて、燃料添加弁19を通過したリッチガスが流量調整弁18に到達するタイミングを算出し、このタイミングが到来したときに、流量調整弁18の制御位置が中立制御位置から第1の制御位置(または、第2の制御位置)に切り換えられる。これによれば、第1実施形態と同様に、流量調整弁18の制御位置を切り換えたとしても、リッチガスのみがフィルタ17に供給されることとなる。
【0076】
もちろん、このときにも、図11(A)に示したマップに基づいて、燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17内を充填するタイミングを算出し、このタイミングが到来したときに、図8(B)に示したように、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。以後、この制御が繰り返される。このように、第4実施形態によれば、第1実施形態と同様に、SOxをフィルタ17から放出させるために必要な燃料が少なくてすむ。また、第4実施形態によれば、流量調整弁18の切換タイミングを決定するのに空燃比センサを必要としないので、流量調整弁18の切換タイミングを決定するために必要な構成が少なくてすむ。
【0077】
なお、燃料添加弁19からの燃料噴射を開始したときに燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17内を充填するタイミングを利用する代わりに、燃料添加弁19からの燃料噴射が停止されたときに燃料添加弁19を通過した排気ガスが流量調整弁18を通過するタイミングを利用してもよい。すなわち、第5実施形態では、機関回転数Nと要求負荷Lとの関数として、燃料添加弁19からの燃料噴射が停止されたときに燃料添加弁19を通過した排気ガスが流量調整弁18を通過するタイミングを、図12に示したように、予めマップの形で求めておく。
【0078】
そして、フィルタ17からSOxを放出させるために、フィルタ17にリッチガスを供給すべきであると判定されたときには、フィルタ17の温度をSOx離脱温度以上にまで上昇させ、これと共に、図8(A)に示したように、流量調整弁18を第1の制御位置(または、第2の制御位置)に位置決めした上で、燃料添加弁19から所定の期間に亘って燃料を噴射する。そして、燃料添加弁19からの燃料噴射が停止されたときに、図12に示したマップに基づいて、燃料添加弁19を通過したリッチガスが流量調整弁18を通過するタイミングを算出し、このタイミングが到来したときに、図8(B)に示したように、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。これによれば、第1実施形態と同様に、燃料添加弁19から新たに燃料を噴射しなくても、一定の期間に亘って、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気に維持される。
【0079】
そして、燃料添加弁19からの燃料噴射が再開されたときには、第4実施形態にて説明した図11(B)に示したマップに基づいて、燃料添加弁19を通過したリッチガスが流量調整弁18に到達するタイミングを算出し、このタイミングが到来したときに、流量調整弁18の制御位置が中立制御位置から第1の制御位置(または、第2の制御位置)に切り換えられる。これによれば、第1実施形態と同様に、燃料添加弁19の制御位置を切り換えたとしても、ほぼリッチガスのみがフィルタ17に供給されることとなる。
【0080】
さらに、燃料添加弁19からの燃料噴射が停止されたときに、図12に示したマップに基づいて、燃料添加弁19を通過したリッチガスが流量調整弁18を通過するタイミングを算出し、このタイミングが到来したときに、図8(B)に示したように、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。以後、この制御が繰り返される。このようように、第5実施形態によれば、第1実施形態と同様に、SOxをフィルタ17から放出させるために必要な燃料が少なくてすむ。また、第5実施形態によれば、流量調整弁18の切換タイミングを決定するのに空燃比センサを必要としないので、流量調整弁18の切換タイミングを決定するために必要な構成が少なくてすむ。
【0081】
ところで、本発明の内燃機関では、EGR通路22を介して燃焼室2に導入される排気ガス(以下、EGRガスと称す)の量が多くなると燃焼室2内における煤の発生量が徐々に多くなり、やがて、ピークに達する。そして、EGRガス量がさらに多くなると、燃焼室2内における燃料およびその周辺の温度が低下して、燃焼室2内における煤の発生量が少なくなる。次に、このことについて図13を参照して説明する。
【0082】
図13は、機関低負荷運転時にスロットル弁9の開度およびEGR率を変化させることにより、空燃比A/F(図13の横軸)を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、HC,CO,NOx の排出量の変化を示した実験例を表している。図13から分かるように、この実験例では、空燃比A/Fが小さくなるほどEGR率が大きくなり、理論空燃比(≒14.6)以下のときにはEGR率は65パーセント以上となっている。
【0083】
図13に示したように、EGR率を増大することにより空燃比A/Fを小さくしていくと、EGR率が40パーセント付近となり、空燃比A/Fが30程度になったときに、スモークの発生量が増大を開始する。次いで、さらにEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくすると、スモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで、さらにEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくすると、今度はスモークが急激に低下し、EGR率を65パーセント以上とし、空燃比A/Fが15.0付近になるとスモークがほぼ零となる。すなわち、煤がほとんど発生しなくなる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、また、NOx の発生量がかなり低くなる。一方、このときHC,COの発生量は増大し始める。
【0084】
図13からは次のことが言える。すなわち、第一に、空燃比A/Fが15.0以下でスモークの発生量がほぼ零のときには、図13に示したように、NOx の発生量がかなり低下する。NOx の発生量が低下したということは燃焼室2内の燃焼温度が低下していることを意味しており、したがって、煤がほとんど発生しないときには燃焼室2内の燃焼温度が低くなっていると言える。
【0085】
第2に、スモークの発生量、すなわち、煤の発生量がほぼ零になると、図13に示したように、HCおよびCOの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。すなわち、燃料中に含まれる直鎖状炭化水素や芳香族炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると、熱分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形態をとるかは明確ではないが、いずれにしても、炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長することになる。したがって、上述したように煤の発生量がほぼ零になると、図13に示したように、HCおよびCOの排出量が増大するが、このときのHCは煤の前駆体またはその前の状態の炭化水素である。
【0086】
ところで、煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、すなわち、上述した或る温度は燃料の種類や空燃比の圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないが、この或る温度はNOx の発生量と深い関係を有しており、したがって、この或る温度はNOx の発生量から或る程度規定することができる。すなわち、EGR率が増大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低下し、NOx の発生量が低下する。このときNOx の発生量が10p.p.m. 前後またはそれ以下になったときに、煤がほとんど発生しなくなる。したがって、上述の或る温度は、NOx の発生量が10p.p.m. 前後またはそれ以下になったときの温度にほぼ一致する。
【0087】
ところで、本発明では、燃焼室2内における煤の発生量がピークとなるEGRガス量よりも多い量のEGRガスを燃焼室2内に導入しつつ燃焼室2にて燃料を燃焼させる燃焼(以下、低温燃焼と称す)と、燃焼室2内における煤の発生量がピークとなるEGRガス量よりも少ない量のEGRガスを燃焼室2内に導入しつつ燃焼室2にて燃焼を燃焼させる燃焼(以下、通常燃焼と称す)とを、機関運転状態に応じて、選択的に行わせるようにしている。
【0088】
詳細には、低温燃焼を行わせる場合、EGRガス量が比較的多いことから、燃焼室2に新たに吸入される空気の量が少ない。したがって、燃焼室2内にて燃焼可能な燃料の量も少ない。このため、低温燃焼が行われているときに内燃機関から出力可能な出力は比較的小さい。したがって、本発明では、機関運転状態が内燃機関に対する要求負荷が比較的小さく且つ機関回転数が比較的小さい状態にあるときには、低温燃焼を行わせるようにしている。ここで、要求負荷が極めて小さいときに低温燃焼を行わせると、燃焼室2内において燃料の燃焼が安定しない。そこで、本発明では、機関運転状態が要求負荷が極めて小さく且つ機関回転数が比較的小さい状態にあるときには、通常燃焼を行わせるようにしている。また、機関運転状態が上述した状態以外の状態にあるとき、すなわち、要求負荷が比較的大きいか、或いは、機関回転数が比較的大きいときには、通常燃焼を行わせるようにしている。
【0089】
すなわち、図14に示したように、本発明では、要求負荷Lが比較的小さく且つ機関回転数Nが比較的小さい領域Iにおいては低温燃焼を行わせ、要求負荷Lが比較的大きいか、或いは、機関回転数Nが比較的大きい領域IIにおいては通常燃焼を行わせるようにしている。
【0090】
なお、図13に示したように、EGR率Rが多くなると燃焼室2内におけるNOxの発生量Anが少なくなる。したがって、低温燃焼が行われているときには燃焼室2内における煤の発生量もNOxの発生量も少なくなっている。
【0091】
また、本発明の内燃機関では、燃料噴射弁3から燃焼室2内に噴射された燃料の燃焼を促進するために、内燃機関の運転状態に応じて、内燃機関の駆動用の燃料を燃料噴射弁3から噴射する直前に、少量の燃料を燃料噴射弁3から噴射するいわゆるパイロット噴射が実行されることがある。また、本発明の内燃機関では、燃焼室2から排出される排気ガスの温度を上昇するため、或るいは、燃焼室2から排出される排気ガス中にHCを含ませるために、内燃機関の駆動用の燃料を燃料噴射弁3から噴射した後に、少量の燃料を燃料噴射弁3から噴射するいわゆるポスト噴射が実行されることがある。
【0092】
このように、パイロット噴射が実行され、或いは、ポスト噴射が実行されたときに燃焼室2から排出される排気ガスの流量は、機関回転数および要求負荷が同じであっても、こうした噴射が実行されていないときに燃焼室2から排出される排気ガスの流量とは異なることがある。また、上述したように、低温燃焼が行われているときに燃焼室2から排出される排気ガスの流量も、機関回転数および要求負荷が同じであっても、通常燃焼が行われているときに燃焼室2から排出される排気ガスの流量とは異なることがある。
【0093】
このように、燃焼室2から排出される排気ガスの流量は、機関回転数および要求負荷以外にも、燃焼室2内における燃料の燃焼形態(燃焼モード)にも依存する。そこで、第4実施形態および第5実施形態において、各マップをこれら燃焼モード毎、或いは、これら燃焼モードの組合せ毎に用意してもよい。
【0094】
次に、第6実施形態について説明する。第6実施形態では、フィルタ17にリッチガスを供給するときの流量調整弁18の切換タイミングが、燃焼室2から排出される排気ガスの流量、その温度、および、その圧力のうちの少なくとも1つ(第6実施形態では、これら全て)から、所定の計算式に基づいて算出される。以下、これについて詳細に説明する。
【0095】
図15は、第6実施形態の排気浄化装置を備えた内燃機関を示している。第6実施形態では、流量調整弁18上流の排気管13に、排気ガスの圧力を検出するための圧力センサ26が取り付けられている。
【0096】
ところで、第6実施形態でも、フィルタ17からSOxを放出させるために、フィルタ17にリッチガスを供給すべきであると判定されたときには、フィルタ17の温度をSOx離脱温度以上にまで上昇させ、これと共に、図8(A)に示したように、流量調整弁18を第1の制御位置(または、第2の制御位置)に位置決めした上で、燃料添加弁19から所定の期間に亘って燃料を噴射する。
【0097】
ところで、燃料添加弁19から燃料噴射を開始したときに燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17内を充填するまでにかかる時間は、燃焼室2から排出される排気ガスの流量、その温度、および、その圧力に依存する。したがって、これらパラメータから、燃料添加弁19からの燃料噴射を開始したときに燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17に流入するタイミングが判る。
【0098】
そこで、第6実施形態では、排気ガスの流量をGex、排気ガスの気体定数をRGx、排気ガスの温度をTex、排気ガスの圧力をPex、燃料添加弁19から排気ガスが流出する側のフィルタ17の端面までの排気管13内の空間容積をVfとした場合、式(Gex×RGx×Tex/Pex)/Vfに基づいて、燃料添加弁19からの燃料噴射を開始したときに燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17内を充填するタイミングが算出される。そして、このタイミングが到来したときに、図8(B)に示したように、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。これによれば、第1実施形態と同様に、燃料添加弁19から新たに燃料を噴射しなくても、一定の期間に亘って、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気に維持される。
【0099】
さらに、一定の期間が経過すると、フィルタ17の内部雰囲気は徐々に還元雰囲気ではなくなるので、第6実施形態でも、第1実施形態と同様に、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気ではなくなったときに、再び、燃料添加弁19から燃料が所定の期間に亘って噴射される。
【0100】
ところで、燃料添加弁19から燃料噴射を再開したときに燃料添加弁19を通過したリッチガスが流量調整弁18に到達するまでにかかる時間も、排気ガスの流量、その温度、および、その圧力に依存する。したがって、これらパラメータから、燃料添加弁19からの燃料噴射が再開されたときに燃料添加弁19を通過したリッチガスが流量調整弁18に到達するタイミングが判る。
【0101】
ところで、第6実施形態では、燃料添加弁19から流量調整弁18までの排気管13内の空間容積をVvとした場合、式(Gex×RGx×Tex/Pex)/Vvに基づいて、燃料添加弁19からの燃料噴射が再開されたときに燃料添加弁19を通過したリッチガスが流量調整弁18に到達するタイミングが算出される。そして、このタイミングが到来したときに、流量調整弁18の制御位置が中立制御位置から第1の制御位置(または、第2の制御位置)に切り換えられる。これによれば、第1実施形態と同様に、流量調整弁18の制御位置を切り換えたとしても、ほぼリッチガスのみがフィルタ17に供給されることとなる。
【0102】
もちろん、このときにも、上述した式に基づいて、燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17内を充填するタイミングが算出され、このタイミングが到来したときに、図8(B)に示したように、流量調整弁18の制御位置が第1の制御位置から中立制御位置に切り換えられる。以後、この制御が繰り返される。このように、第6実施形態によれば、第1実施形態と同様に、SOxをフィルタ17から放出させるために必要な燃料が少なくてすむ。また、これによれば、流量調整弁18の切換タイミングを決定するのに空燃比センサを必要としないので、流量調整弁18の切換タイミングを決定するために必要な構成が少なくてすむ。
【0103】
なお、燃料添加弁19から燃料噴射を開始したときに燃料添加弁19を通過したリッチガスがフィルタ17内を充填するまでにかかる時間、および、燃料添加弁19から燃料噴射を再開したときに燃料添加弁19を通過したリッチガスが流量調整弁18に到達するまでにかかる時間は、燃料添加弁19から噴射された燃料の量や排気ガスの空燃比に応じて変化することから、上述した計算式に基づいて算出された切換タイミングを燃料添加弁19から噴射された燃料の量や排気ガスの空燃比に基づいて補正するようにしてもよい。
【0104】
また、図16に示した構成の排気浄化装置にも本発明を適用可能である。すなわち、第7実施形態の排気浄化装置では、排気管13内にフィルタ17が配置されている。また、このフィルタ17をバイパスするように、フィルタ17上流の排気管13からバイパス管27が分岐し、このバイパス管27がフィルタ17下流の排気管13まで延びている。
【0105】
また、バイパス管27が排気管13から分岐する領域において、排気管13内に、流量調整弁18が配置されている。この流量調整弁18は、バイパス通路に流入する排気ガスの量と、フィルタ17に流入する排気ガスの量とを調整するためのものである。第7実施形態では、流量調整弁18が図17(A)に示した通常制御位置に位置決めされているときには、ほとんどの排気ガスがフィルタ17に流入する。一方、流量調整弁18が図17(B)に示したバイパス制御位置に位置決めされているときには、ほとんどの排気ガスがバイパス管27に流入する。すなわち、排気ガスはフィルタ17をバイパスすることとなる。したがって、第7実施形態では、バイパス管がフィルタ17をバイパスするバイパス通路として働く。
【0106】
流量調整弁18上流の排気管13には、燃料添加弁19と温度センサ20とが取り付けられている。また、フィルタ17下流の排気管13には、サブ空燃比センサ21が取り付けられている。
【0107】
こうした構成の排気浄化装置には、第1実施形態が適用可能である。一例として、第1実施形態が適用された場合について説明する。第7実施形態では、フィルタ17からSOxを放出させるために、フィルタ17にリッチガスを供給すべきであると判定されたときには、フィルタ17の温度をSOx離脱温度以上にまで上昇させ、これと共に、図17(A)に示したように、流量調整弁18を通常制御位置に位置決めした上で、燃料添加弁19から所定の期間に亘って燃料を噴射する。すると、リッチガスがフィルタ17に流入する。そして、リッチガスはフィルタ17から流出して、サブ空燃比センサ21に到達する。
【0108】
第7実施形態では、リッチガスがサブ空燃比センサ21に到達し、サブ空燃比センサ21によって排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたときに、図17(B)に示したように、流量調整弁18の制御位置が通常制御位置からバイパス制御位置に切り換えられる。これによれば、第1実施形態と同様に、燃料添加弁19から新たに燃料を噴射しなくても、一定の期間に亘って、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気に維持される。
【0109】
さらに、フィルタ17の内部雰囲気が還元雰囲気ではなくなったときに、再び、燃料添加弁19から燃料が所定の期間に亘って噴射される。そして、リッチガスが流量調整弁18に到達したときに、流量調整弁18の制御位置がバイパス制御位置から通常制御位置に切り換えられる。これによれば、第1実施形態と同様に、流量調整弁18の制御位置を切り換えたとしても、ほぼリッチガスのみがフィルタ17に供給されることとなる。
【0110】
もちろん、その後、リッチガスがサブ空燃比センサ21に到達し、サブ空燃比センサ21によって排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることが検出されたときには、流量調整弁18の制御位置が通常制御位置からバイパス制御位置に切り換えられる。以後、この制御が繰り返される。
【0111】
このように、第7実施形態によれば、第1実施形態と同様に、SOxをフィルタ17から放出させるために必要な燃料が少なくてすむ。
【0112】
また、図16に示した構成の排気浄化装置において、サブ空燃比センサ21が燃料添加弁19下流であって流量調整弁18上流において、排気管13に取り付けられている場合には、第2実施形態が適用可能である。また、図16に示した排気浄化装置において、燃料添加弁19下流であって流量調整弁18上流において、排気管13に上流側空燃比センサが取り付けられ、フィルタ17下流において、排気管13に下流側空燃比センサが取り付けられている場合には、第3実施形態が適用可能である。
【0113】
もちろん、空燃比センサの取付位置や数に係わらず、図16に示した構成の排気浄化装置には、第4実施形態〜第6実施形態が適用可能である。
【0114】
なお、本発明は、広くは、排気ガス中の成分を浄化するための排気浄化材を具備する排気浄化装置において、リッチ空燃比の排気ガスを排気浄化材に供給する場合に適用可能である。例えば、本発明は、フィルタ17に捕集されている微粒子を酸化によって、或いは、燃焼によって除去するために該フィルタ17にリーン空燃比の排気ガスとリッチ空燃比の排気ガスとを供給する場合に適用可能である。この場合、フィルタ17において微粒子を除去するために必要な燃料が少なくてすむ。また、ここでのフィルタ17が上述した実施形態のフィルタ17である場合には、フィルタ17にリッチ空燃比の排気ガスが供給されると、微粒子が除去されると同時にフィルタ17に保持されているNOxをも還元浄化されるので、微粒子を除去し且つNOx触媒を還元浄化するために必要な燃料が少なくてすむと共に、これら微粒子とNOxとが同時に高い除去率(浄化率)でもって除去(浄化)される。
【0115】
また、例えば、本発明は、排気ガス中のNOxを浄化するためのNOx触媒を具備する排気浄化装置において、該NOx触媒がそこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のNOxを保持し、そこに流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比となると保持しているNOxを排気ガス中の燃料によって還元浄化し、該NOx触媒に保持されているNOxを還元浄化するために該NOx触媒にリッチ空燃比の排気ガスを供給する場合にも適用可能である。この場合、NOx触媒においてNOxを還元浄化するために必要な燃料が少なくてすむ。
【0116】
また、上述した実施形態では、燃料添加弁19から燃料を噴射することによって、フィルタ17にリッチ空燃比の排気ガスを供給しているが、これに代えて、或いは、これに加えて、燃料噴射弁3からの燃料噴射量を増量することによって、或いは、内燃機関を駆動するための燃料を燃料噴射弁3から噴射した後に追加的に燃料噴射弁3から燃料を噴射することによって、フィルタ17にリッチ空燃比の排気ガスを供給するようになっている排気浄化装置にも、本発明は適用可能である。
【0117】
【発明の効果】
本発明によれば、ほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを排気浄化材に供給すべきときに、排気浄化材に供給される大部分の排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比となっている。したがって、ほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを排気浄化材に供給するために必要な還元剤が少なくてすむ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す図である。
【図2】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図3】パティキュレートフィルタの微粒子酸化作用を説明するための図である。
【図4】流量調整弁の作用を説明するための図である。
【図5】第1実施形態における流量調整弁の切換動作を説明するための図である。
【図6】燃料添加弁付近における排気ガスの空燃比と、パティキュレートフィルタ内における排気ガスの空燃比との推移を示す図である。
【図7】第2実施形態の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す図である。
【図8】第2実施形態における流量調整弁の切換動作を説明するための図である。
【図9】第3実施形態の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す図である。
【図10】第3実施形態における流量調整弁の切換動作を説明するための図である。
【図11】(A)は第4実施形態においてリッチガスがフィルタ内に充満するタイミングを算出するためのマップを示す図であり、(B)は第4実施形態においてリッチガスが流量調整弁に到達するタイミングを算出するためのマップを示す図である。
【図12】第5実施形態においてリッチガスが流量調整弁を通過するタイミングを算出するためのマップを示す図である。
【図13】EGR率と煤の発生量とNOxの発生量との関係を示す図である。
【図14】低温燃焼と通常燃焼とのいずれの燃焼を行わせるかを決定するためのマップを示す図である。
【図15】第6実施形態の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す図である。
【図16】第7実施形態の排気浄化装置を示す図である。
【図17】第7実施形態における流量調整弁の作用を説明するための図である。
【符号の説明】
1…機関本体
2…燃焼室
3…燃料噴射弁
4…吸気マニホルド
5…排気マニホルド
13…排気管
17…パティキュレートフィルタ
18…流量調整弁
19…燃料添加弁
21…サブ空燃比センサ
21u…上流側空燃比センサ
21d…下流側空燃比センサ
22…EGR通路
27…バイパス管
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路内に排気浄化材を具備し、該排気浄化材をバイパスするバイパス通路が排気通路に接続されており、該バイパス通路と排気通路との分岐領域にバイパス通路内に流入する排気ガスの量と排気浄化材に流入する排気ガスの量との割合を調整するための流量調整弁が配置されており、上記バイパス通路と排気通路との分岐領域上流にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給するための供給手段が配置されている排気浄化装置において、排気浄化材にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給して排気浄化材の内部雰囲気を還元雰囲気にすべきであると判定されたときには、上記供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給とその停止とを断続的に実行すると共に、排気浄化材へ供給される大部分の排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比であるように流量調整弁を制御する排気浄化装置であり、
排気浄化材内の排気ガスの空燃比を検出するための空燃比検出手段を具備し、排気浄化材の内部雰囲気を還元雰囲気にすべきであると判定されたときには、上記供給手段からほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給し、その後、上記空燃比検出手段によって排気浄化材内の排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチとなっていることが検出されたときに、上記供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給を停止すると共に、ほとんどの排気ガスがバイパス通路に流入するように流量調整弁を制御し、その後、上記供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給とその停止とを断続的に実行すると共に、排気浄化材へ供給される大部分の排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比であるように流量調整弁を制御する排気浄化装置であって、
上記空燃比検出手段が排気ガスの空燃比を検出するために排気浄化材の上流および下流に配置された空燃比センサを具備し、下流側の空燃比センサが排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比であることを検出したことをもって排気浄化材の内部雰囲気が還元雰囲気になっていると推定し、上流側の空燃比センサが排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることを検出した後にリーン空燃比であることを検出したタイミングに基づいて、ほとんどの排気ガスをバイパス通路に流入させるように流量調整弁の制御位置を切り換えるタイミングが決定されることを特徴とする排気浄化装置。 - 内燃機関の排気通路内に排気浄化材を具備し、該排気浄化材をバイパスするバイパス通路が排気通路に接続されており、該バイパス通路と排気通路との分岐領域にバイパス通路内に流入する排気ガスの量と排気浄化材に流入する排気ガスの量との割合を調整するための流量調整弁が配置されており、上記バイパス通路と排気通路との分岐領域上流にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給するための供給手段が配置されている排気浄化装置において、排気浄化材にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給して排気浄化材の内部雰囲気を還元雰囲気にすべきであると判定されたときには、上記供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給とその停止とを断続的に実行すると共に、排気浄化材へ供給される大部分の排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比であるように流量調整弁を制御する排気浄化装置であって、
排気浄化材内がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスで充填されたことを検出するための検出手段を具備し、上記供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給とその停止とが断続的に実行されている間において、供給手段からのほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスの供給の開始タイミングに基づいて、ほとんどの排気ガスを排気浄化材に流入させるように流量調整弁の制御位置を切り換えるタイミングが決定され、上記検出手段によって排気浄化材内がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスで充填されたことが検出されたタイミングに基づいて、ほとんどの排気ガスをバイパス通路に流入させるように流量調整弁の制御位置を切り換えるタイミングが決定されることを特徴とする排気浄化装置。 - 上記検出手段が燃焼室内における燃料の燃焼モード毎に作成された機 関回転数と機関要求負荷との関数のマップに基づいて、排気浄化材にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスが到達したことを検出することを特徴とする請求項2に記載の排気浄化装置。
- 上記検出手段が内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスの温度、その流量およびその圧力の少なくとも1つに基づいて、排気浄化材にほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスが到達したことを検出することを特徴とする請求項2に記載の排気浄化装置。
- 上記流量調整弁が第1の制御位置に位置決めされたときにはほとんどの排気ガスが排気浄化材にその一方の端面から流入し、上記流量調整弁が第2の制御位置に位置決めされたときにはほとんどの排気ガスが排気浄化材にその他方の端面から排気ガスが流入し、上記流量調整弁が第1の制御位置と第2の制御位置との中間の中立制御位置に位置決めされたときにはほとんどの排気ガスがバイパス通路に流入するように排気通路およびバイパス通路が構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の排気浄化装置。
- 排気ガスが排気浄化材に一方の端面からのみ流入可能に排気通路およびバイパス通路が構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の排気浄化装置。
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