JP4052100B2

JP4052100B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP4052100B2
Application number: JP2002334913A
Authority: JP
Inventors: 剛橋詰
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Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2008-02-27
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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する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内温度が目標となるような時期に副噴射を実施する技術（例えば、特許文献１参照）、排気温度の上昇に伴って副噴射の時期を遅角する技術（例えば、特許文献２参照）、酸化触媒が活性化温度を超えている場合に副噴射の時期を遅角する技術（例えば、特許文献３参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−４５８２８号公報（第３−６頁、図２）
【特許文献２】
特開２００２−２３５５８９号公報（第３−７頁、図２）
【特許文献３】
特開２００２−２４２７３２号公報（第４−６頁、図８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、副噴射を行った場合の内燃機関からの排気の状態は、気温、機関温度、気圧等により影響を受ける。例えば、気温が低いと副噴射による燃料が燃焼されないまま排出されることがある一方で、気温が高いと燃料が筒内で燃えることがある。排気浄化触媒の温度によっては副噴射された燃料が燃焼したほうが良い場合や、逆に燃焼しないほうが良い場合がある。
【０００５】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、副噴射された燃料を燃焼させ、若しくは、燃焼させないようにすることができる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、
内燃機関の排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の温度を検出する排気浄化触媒温度検出手段と、
前記内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁からの主噴射後の膨張行程若しくは排気行程に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる副噴射手段と、
前記排気浄化触媒の温度が活性温度以下の場合には、前記副噴射手段による燃料の噴射時期を進角させ、前記排気浄化触媒の温度が活性温度よりも高い場合には、前記副噴射手段による燃料の噴射時期を遅角させる燃料噴射時期変更手段と、
を具備することを特徴とする。
【０００７】
本発明の最大の特徴は、排気浄化触媒が活性状態にあるか否かにより副噴射時期を変更し、排気浄化触媒の状態を考慮した副噴射が可能となる点にある。
【０００８】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、燃料噴射時期変更手段により燃料噴射時期が進角されると、主噴射による燃焼で発生した熱により副噴射された燃料が燃焼して排気の温度が上昇し、また、排気中の未燃燃料である炭化水素（ＨＣ）の量が減少する。一方、燃料噴射時期変更手段により燃料噴射時期が遅角されると、主噴射による燃焼で発生した熱による副噴射された燃料の燃焼が減少するので排気の温度が低下し、また、排気中の未燃燃料である炭化水素（ＨＣ）の量が増加する。従って、排気浄化触媒の温度が低い場合には副噴射の時期を進角して排気の温度を上昇させ、排気浄化触媒に炭化水素（ＨＣ）を供給する必要が生じた場合には副噴射の時期を遅角して炭化水素（ＨＣ）の排出量を増加させることが可能となる。
【０００９】
本発明においては、前記副噴射手段により副噴射された燃料が燃焼したか否かを判定する燃焼判定手段をさらに備え、
燃料噴射時期変更手段は、前記排気浄化触媒温度検出手段により検出された温度が前記排気浄化触媒の活性温度以下であり且つ副噴射された燃料が燃焼していないと前記燃焼判定手段により判定された場合には前記副噴射手段による燃料の噴射時期を進角させ、前記排気浄化触媒温度検出手段により検出された温度が前記排気浄化触媒の活性温度よりも高く且つ副噴射された燃料が燃焼していると前記燃焼判定手段により判定された場合には前記副噴射手段による燃料の噴射時期を遅角させても良い。
【００１０】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、燃焼判定手段の判定結果により副噴射時期を変更することができる。即ち、排気浄化触媒が活性温度以下の場合であって副噴射された燃料が燃焼していないと判定された場合には、副噴射の時期を進角させることにより、その後に副噴射された燃料を燃焼し易くすることが可能となる。一方、排気浄化触媒が活性温度よりも高い場合であって副噴射された燃料が燃焼していると判定された場合には、副噴射の時期を遅角させることにより、その後に副噴射された燃料が燃焼しないようにすることが可能となる。
【００１１】
本発明においては、前記内燃機関からの排気の温度を検出する排気温度検出手段をさらに備え、前記燃焼判定手段は、前記排気温度検出手段により検出された実際の温度が副噴射された燃料が燃焼した場合に検出されると予測される温度以下の場合に、副噴射された燃料が燃焼していないと判定することができる。
【００１２】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、副噴射された燃料が燃焼したか否かにより排気の温度が異なる。従って、副噴射された燃料が燃焼した場合の排気の温度を求めておき、この温度と検出された温度とを比較することにより副噴射された燃料が燃焼したか否か判定することが可能となる。尚、温度上昇率により燃焼したか否か判定しても良い。
【００１３】
本発明においては、前記排気浄化触媒温度検出手段により検出された温度が触媒の活性温度以下であるか否かにより、基準となる副噴射時期が異なっていても良い。
【００１４】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、副噴射の時期を進角させる場合と遅角させる場合とで基準となる噴射時期が異なる。これにより、排気浄化触媒の温度に応じた燃料噴射時期を基準とすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係る排気浄化装置を適用するエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００１７】
図１に示すエンジン１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００１８】
エンジン１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。
【００１９】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａがエンジン１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００２０】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００２１】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００２２】
次に、エンジン１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と吸気ポート（図示省略）を介して連通している。
【００２３】
前記吸気枝管８は吸気管９に接続されている。吸気管９には、該吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１が取り付けられている。
【００２４】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸気絞り弁１３には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１４が取り付けられている。
【００２５】
前記エアフローメータ１１と前記吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管９には、排気のエネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられている。
【００２６】
このように構成された吸気系では、吸気は、吸気管９を介してコンプレッサハウジング１５ａに流入する。
【００２７】
コンプレッサハウジング１５ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング１５ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮された吸気は、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００２８】
一方、エンジン１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が排気ポート１ｂを介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００２９】
前記排気枝管１８は、前記遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂと接続されている。前記タービンハウジング１５ｂは、排気管１９と接続され、この排気管１９は、下流にてマフラー（図示省略）に接続されている。
【００３０】
前記排気管１９の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）２０が設けられている。フィルタ２０は、例えばコージェライトのような多孔質材料から形成され、例えば、アルミナを担体とし、その担体上に、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、もしくはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）もしくはカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）もしくはイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属とを担持して構成されている。尚、本実施の形態では、アルミナからなる担体上にバリウム（Ｂａ）と白金（Ｐｔ）とを担持し、更に酸素貯蔵（Ｏ_２ストレージ）能のある例えばセリア（ＣｅＯ_２）等の遷移金属を添加して構成される吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単に「ＮＯx触媒」という。）を担持させている。
【００３１】
このＮＯx触媒は、該ＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵し、一方、該ＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していたＮＯxを放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、該ＮＯx触媒から放出されたＮＯxが還元される。また、セリア（ＣｅＯ_２）等の遷移金属は、排気の特性に応じて酸素を一時的に保持し、活性化酸素として放出する能力を有する。
【００３２】
一方、フィルタ２０により、排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Particulate Matter：以下、「ＰＭ」という。）が一旦捕集され、大気中へ放出されることを防止することができる。しかし、フィルタ２０に捕集されたＰＭが該フィルタ２０に堆積するとフィルタ２０の目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ２０上流の排気の圧力が上昇しエンジン１の出力低下やフィルタ２０の毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ２０上に堆積したＰＭを着火燃焼せしめることにより該ＰＭを除去することができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。フィルタ２０の再生は、排気中に存在する炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分がＮＯx触媒にて反応したときに発生する熱によりＰＭを燃焼除去させることにより可能となる。また、前記活性酸素によりフィルタ２０に捕集されたＰＭを酸化させることによっても行うことができる。
【００３３】
尚、本実施の形態においては、吸蔵還元型ＮＯx触媒を担持したパティキュレートフィルタを例示して説明するが、これに代えて、ＮＯx触媒を担持せずに単にＰＭを捕集する機能を有するだけのパティキュレートフィルタ、若しくは、酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタであっても良く、これらのパティキュレートフィルタにおいても同様の効果を得ることができる。
【００３４】
フィルタ２０より上流の排気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２４が取り付けられている。
【００３５】
このように構成された排気系では、エンジン１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポート１ｂを介して排気枝管１８へ排出され、次いで排気枝管１８から遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂに流入した排気は、該排気が持つエネルギを利用してタービンハウジング１５ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング１５ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００３６】
前記タービンハウジング１５ｂから排出された排気は、排気管１９を介してフィルタ２０へ流入し、排気中のパティキュレートマター（以下、単にＰＭという。）が捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化される。
【００３７】
ところで、エンジン１が希薄燃焼運転されている場合は、エンジン１から排出される排気の空燃比がリーン雰囲気となり排気の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれるＮＯxがＮＯx触媒に吸蔵されることになるが、エンジン１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和し、排気中のＮＯxがＮＯx触媒にて除去されずに大気中へ放出されてしまう。
【００３８】
特に、エンジン１のようなディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和し易い。尚、ここでリーン空燃比とは、ディーゼル機関にあっては例えば２０乃至５０で、三元触媒ではＮＯxを浄化できない領域を意味する。
【００３９】
従って、エンジン１が希薄燃焼運転されている場合は、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和する前にＮＯx触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高め、ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを還元させる必要がある。
【００４０】
このように酸素濃度を低下させる方法としては、排気中の燃料添加や、再循環するＥＧＲガス量を増大させて煤の発生量が増加して最大となった後に、更にＥＧＲガス量を増大させる低温燃焼（特許第３１１６８７６号）、機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の膨張行程中に再度燃料を噴射させる副噴射等の方法が考えられる。例えば、排気中の燃料添加では、フィルタ２０より上流の排気管１９を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めることができる。
【００４１】
還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気枝管１８内に臨むように取り付けられ、後述するＥＣＵ３５からの信号により開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁２８と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁２８へ導く還元剤供給路２９と、を備えている。
【００４２】
このような還元剤供給機構では、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ印加される。そして、ＥＣＵ３５からの信号により該還元剤噴射弁２８が開弁して排気枝管１８内へ還元剤としての燃料が噴射される。
【００４３】
還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気の酸素濃度を低下させる。
【００４４】
このようにして形成された酸素濃度の低い排気はフィルタ２０に流入し、フィルタ２０に吸蔵されていたＮＯxを還元することになる。
【００４５】
その後、ＥＣＵ３５からの信号により還元剤噴射弁２８が閉弁し、排気枝管１８内への還元剤の添加が停止されることになる。
【００４６】
また、エンジン１には、クランクシャフトの回転位置に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ３３が設けられている。
【００４７】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３５が併設されている。このＥＣＵ３５は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００４８】
ＥＣＵ３５には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号の他、運転者がアクセルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ３６の出力信号が入力されるようになっている。
【００４９】
一方、ＥＣＵ３５には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、還元剤噴射弁２８等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ３５が制御することが可能になっている。
【００５０】
例えば、ＮＯx浄化制御では、ＥＣＵ３５は、フィルタ２０に流入する排気中の酸素濃度を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）に低くする、所謂リッチスパイク制御を実行する。
【００５１】
リッチスパイク制御では、ＥＣＵ３５は、所定の周期毎にリッチスパイク制御実行条件が成立しているか否かを判別する。このリッチスパイク制御実行条件としては、例えば、フィルタ２０が活性状態にある、排気温度センサ２４の出力信号値（排気温度）が所定の上限値以下である、被毒解消制御が実行されていない、等の条件を例示することができる。
【００５２】
上記したようなリッチスパイク制御実行条件が成立していると判定された場合は、ＥＣＵ３５は、還元剤噴射弁２８からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく当該還元剤噴射弁２８を制御することにより、フィルタ２０に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【００５３】
具体的には、ＥＣＵ３５は、記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）、エアフローメータ１１の出力信号値（吸入空気量）、空燃比センサ（図示省略）の出力信号、燃料噴射量等を読み出す。
【００５４】
ＥＣＵ３５は、前記した機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとして還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量（目標添加量）を算出する。
【００５５】
続いて、ＥＣＵ３５は、前記目標添加量をパラメータとして還元剤噴射弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁２８から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる還元剤噴射弁２８の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【００５６】
還元剤噴射弁２８の目標開弁時間が算出されると、ＥＣＵ３５は、還元剤噴射弁２８を開弁させる。
【００５７】
ＥＣＵ３５は、還元剤噴射弁２８を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、還元剤噴射弁２８を閉弁させる。
【００５８】
このように還元剤噴射弁２８が目標開弁時間だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標空燃比の混合気を形成してフィルタ２０に流入する。
【００５９】
この結果、フィルタ２０に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で酸素濃度が変化することになり、以て、フィルタ２０がＮＯxの吸蔵と還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【００６０】
このように、フィルタ２０に流入する排気の空燃比をスパイク的に目標リッチ空燃比とし、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されたＮＯxを還元することが可能となる。
【００６１】
一方、フィルタの再生制御では、前記エンジン１の気筒２内へ機関出力のための燃料が主噴射された後の膨張行程又は排気行程中に再度燃料を噴射させ副噴射により、フィルタ２０の昇温及びＰＭの燃焼除去が行われる。
【００６２】
このようにエンジン１の気筒２内へ機関出力のための燃料が主噴射された後に再度燃料を噴射させるのは、主噴射のみにより排気中の酸素濃度を低下させようとするとスモーク等の問題が発生する虞があるからである。また、主噴射を増量すると燃料の燃焼が機関出力になるのでトルクの変動が発生し運転状態が悪化する。そこで、主噴射の後の機関出力に影響しにくい膨張行程又は排気行程で副噴射を行っている。
【００６３】
副噴射を行う場合の基準となる噴射量及び噴射時期は、アクセル開度と機関回転数と副噴射量又は副噴射時期との関係を予めマップ化しておきＥＣＵ３５に記憶させておき、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから算出することができる。
【００６４】
フィルタの再生制御では、フィルタ２０の温度を活性温度まで上昇させるための昇温段階と、活性温度以上に昇温した後にフィルタ２０に炭化水素（ＨＣ）を供給してさらに昇温させつつＰＭを除去する再生段階と、が順に実行される。
【００６５】
昇温段階では、エンジン１から排出される排気の温度を上昇させてフィルタ２０の昇温が図られる。このために、副噴射は主噴射後の早い時期に行い、主噴射された燃料の燃焼に伴う熱により副噴射された燃料が確実に燃焼するようにする。ここで、副噴射を行う時期が遅いために、主噴射による燃焼ガスの温度が低下して副噴射された燃料が燃焼しなくなり、未燃燃料である炭化水素（ＨＣ）が排出されてしまう。このときには、ＮＯx触媒は、活性温度に達していないので炭化水素（ＨＣ）を浄化することができず大気中へ放出される虞がある。従って、昇温段階では副噴射された燃料が確実に燃焼するように副噴射を行う時期を早くする。
【００６６】
一方、再生段階では、エンジン１から未燃燃料である炭化水素（ＨＣ）を排出されるようにする。このために、副噴射は主噴射後の遅い時期に行い、主噴射された燃料の燃焼に伴う熱により副噴射された燃料が燃焼しないようにする。このようにして、エンジン１から排出された炭化水素（ＨＣ）は、フィルタ２０に担持されたＮＯx触媒にて反応し、フィルタ２０の温度を上昇させる。これにより、フィルタ２０に捕集されたＰＭは、酸化され除去される。ここで、副噴射を行う時期が早いために、主噴射による燃焼ガスの温度により副噴射された燃料が燃焼すると、未燃燃料である炭化水素（ＨＣ）をフィルタ２０に供給できなくなる。この燃焼ガスによってもフィルタ２０の温度を上昇させ、ＰＭの除去を行うことが可能であるが、エンジン１内での熱損失やエンジン１からフィルタ２０の間の排気管での排気温度の低下により、ＰＭ除去に多くの燃料を必要とし燃費が悪化してしまう。従って、再生段階では副噴射された燃料が確実に燃焼しないように副噴射を行う時期を遅くする。
【００６７】
このように、副噴射を行う時期によりその効果が異なる。従来では、アクセル開度、機関回転数、エンジン１の冷却水温度等をパラメータとした実験値をマップ化し、それに基づいて副噴射の時期を定めていた。しかし、気温が低い場合では、早い時期に副噴射を行っても、気筒内の温度が低いために副噴射された燃料が燃焼しないことがあり、一方で、気温が高い場合や気圧が低い場合には、遅い時期に副噴射を行っても、気筒内の温度が高いために副噴射された燃料が燃焼してしまうことがあった。
【００６８】
そこで、本実施の形態では、排気温度センサ２４の出力信号から得られる排気温度により副噴射時期の補正を行う。
【００６９】
昇温段階は、副噴射による燃料を燃焼させて排気の温度を上昇させることを目的としている。しかし、何らかの原因により、副噴射された燃料が燃焼しなかった場合には、排気の温度が低くなる。このような場合には、副噴射の時期を進角させ、主噴射の時期に近づける。
【００７０】
一方、再生段階は、副噴射による燃料を燃焼させないで炭化水素（ＨＣ）を排出させることを目的としている。しかし、何らかの原因により、副噴射された燃料が燃焼した場合には、排気の温度が高くなる。このような場合には、副噴射の時期を遅角させ、主噴射の時期から遠ざける。
【００７１】
ここで、副噴射された燃料が燃焼したか否かの判定は、副噴射された燃料が燃焼したときの排気温度若しくは燃焼しなかったときの排気温度を予め実験等により求めておき、この値と排気温度センサ２４の出力信号とを比較して行われる。
【００７２】
次に、本実施の形態によるフィルタの再生制御について説明する。
【００７３】
図２は、本実施の形態によるフィルタの再生制御のフローを示したフローチャート図である。
【００７４】
フィルタの再生制御は、フィルタ２０に捕集されたＰＭの量が規定の量以上となった場合に行われる。ここで、規定の量とは、機関出力の低下や、フィルタ２０の毀損を回避できるＰＭ捕集量であり予め実験等により求めておく。また、フィルタ２０に捕集されたＰＭの量は、例えば、フィルタ２０前後の差圧を検出する差圧センサ（図示省略）を排気管に取り付けて、該差圧センサの検出値に応じたＰＭ量を予め実験等により求めておくことにより求めることができる。また、運転状態に応じたＰＭ排出量を予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップにより求まるＰＭ排出量を積算してＰＭの堆積量とすることもできる。更に、車両走行距離若しくは走行時間に応じてＰＭの堆積量を推定しても良い。
【００７５】
ステップＳ１０１では、前回の制御にて算出された副噴射時期の補正量αがクリアされる。ここで、補正量αは、その値が大きくなるほど噴射時期は遅くなるものとする。
【００７６】
ステップＳ１０２では、基準となる副噴射時期が算出される。基準となる副噴射時期は、アクセル開度若しくは燃料噴射量と、機関回転数と、副噴射時期との関係を予め実験等により求めてマップ化したものに、アクセル開度若しくは燃料噴射量と、機関回転数とを代入して求める。アクセル開度はアクセル開度センサ３６からの出力信号により求めることができ、燃料噴射量はＥＣＵ３５に記憶させておくことにより求めることができる。また、機関回転数は、クランクポジションセンサ３３の出力信号により求まる。
【００７７】
ステップＳ１０３では、副噴射時期の補正を行う。副噴射時期に補正量αを加算する。
【００７８】
ステップＳ１０４では、副噴射が開始される。副噴射される燃料量は、アクセル開度若しくは燃料噴射量と、機関回転数と、副噴射量との関係を予め実験等により求めてマップ化したものに、アクセル開度若しくは燃料噴射量と、機関回転数とを代入して求める。
【００７９】
ステップＳ１０５では、回転数と負荷（アクセル開度若しくは燃料噴射量）とから基準となる排気温度を算出する。この基準となる排気温度は、副噴射された燃料が燃焼したか否かの境界となる温度であり、回転数と負荷とをパラメータとして予め実験等により求めてマップ化しておく。算出された温度は、基準排気温度Ｔ１としてＥＣＵ３５に記憶される。
【００８０】
ステップＳ１０６では、実際の排気温度を検出する。排気温度は、排気温度センサ２４の出力信号により求める。検出された温度は、実測排気温度Ｔ２としてＥＣＵ３５に記憶される。
【００８１】
ステップＳ１０７では、フィルタの再生制御を継続させるか否か判定される。ＰＭの除去が終了した場合にフィルタの再生は終了される。例えば、フィルタの再生制御を行った時間を積算して、この時間が規定の時間となった場合にＰＭが除去されたとすることができる。また、例えば、フィルタ２０前後の差圧を検出する差圧センサを排気管に取り付けて、該差圧センサの検出値が規定の値以下となった場合にＰＭが除去されたとすることができる。
【００８２】
ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。
【００８３】
ステップＳ１０８では、昇温段階か否か判定される。フィルタ２０の温度が例えば２００℃となるまでは、昇温段階であると判定される。フィルタ２０の温度は、例えばフィルタ２０に温度センサを設けることにより検出が可能となる。
【００８４】
ステップＳ１０８で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１１へ進む。
【００８５】
ステップＳ１０９では、基準排気温度Ｔ１が実測排気温度Ｔ２よりも高いか否か判定される。
【００８６】
ステップＳ１０９で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ戻る。
【００８７】
ステップＳ１１０では、補正量αを減少させて副噴射の時期が進角されるようにする。補正量αは、次式により求める。
【００８８】
α＝α−１
ステップＳ１１１では、基準排気温度Ｔ１が実測排気温度Ｔ２よりも低いか否か判定される。
【００８９】
ステップＳ１１１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ戻る。
【００９０】
ステップＳ１１２では、補正量αを増加させて副噴射の時期が遅角されるようにする。補正量αは、次式により求める。
【００９１】
α＝α＋１
このようにして、副噴射が行われる時期を補正しつつフィルタの再生制御を行うことが可能となる。
【００９２】
尚、本実施の形態では、副噴射時期を排気温度によるフィードバック制御により補正したが、これに代えて、単に昇温段階では規定時期まで副噴射時期を進角させ、再生段階では規定時期まで副噴射時期を遅角させても良い。ここで、規定時期は例えば外気温度による変数としても良い。このようにすると、フィルタの再生制御に係る副噴射を開始する前に予め補正時期を決定することが可能となる。
【００９３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、フィルタの再生時の副噴射による燃料を昇温段階では燃焼するようにし、再生段階では燃焼しないようにすることができる。
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、昇温段階と再生段階とで基準となる副噴射時期を異ならせる。
【００９４】
尚、本実施の形態においては、第１の実施の形態と比較して、フィルタの再生制御方法が異なるものの、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００９５】
ここで、第１の実施の形態では、昇温段階と再生段階とで基準となる副噴射時期が等しかった。従って、等しい噴射時期から昇温段階では進角させ、再生段階では遅角させていた。一方、本実施の形態では、昇温段階及び再生段階で基準となる副噴射時期が異ならせる。即ち、昇温段階のほうが再生段階よりも早い時期を基準として副噴射の時期を決定する。つまり、第１の実施の形態に係る図２中ステップＳ１０２で説明したマップを本実施の形態では昇温段階と再生段階とで夫々備えている。これらのマップは、ステップＳ１０２と同様に実験等により求めておく。このようにして、副噴射時期を速やかに適正な値とすることが可能となる。
【００９６】
また、本実施の形態では、目標となる排気温度を昇温段階と再生段階とで異ならせても良い。つまり、第１の実施の形態に係る図２中ステップＳ１０５で説明したマップを本実施の形態では昇温段階と再生段階とで夫々異なるものを備えていても良い。これらのマップは、ステップＳ１０５と同様に実験等により求めることができる。このようにして、昇温段階では温度の高い排気をフィルタ２０に供給し、再生段階では温度が低く炭化水素（ＨＣ）を多く含んだ排気をフィルタ２０に供給することが可能となる。
【００９７】
図３は、昇温段階の副噴射時期制御のフローを示したフローチャート図である。
【００９８】
また、図４は、再生段階の副噴射時期制御のフロー示したフローチャート図である。
【００９９】
本実施の形態では、フィルタの再生制御を行う場合、予め昇温段階又は再生段階の何れかの段階であるか判定される。そして、昇温段階であると判定された場合には図３に示す昇温段階の副噴射時期制御が行われ、再生段階であると判定された場合には図４に示す再生段階の副噴射時期制御が行われる。昇温段階又は再生段階の判定は、第１の実施の形態に係る図２中ステップＳ１０８と同様にして行われる。
【０１００】
次に、昇温段階の副噴射時期制御のフローについて説明する。
【０１０１】
ステップＳ２０１からステップＳ２０７までは、図２中のステップＳ１０１からステップＳ１０７に対応している。ここで、ステップＳ２０２及びステップＳ２０５では、昇温段階用のマップを選択して用いる。
【０１０２】
また、ステップＳ２０８とステップＳ２０９は、夫々図２中のステップＳ１０９とステップＳ１１０に対応している。
【０１０３】
次に、再生段階の副噴射時期制御のフローについて説明する。
【０１０４】
ステップＳ３０１からステップＳ３０７までは、図２中のステップＳ１０１からステップＳ１０７に対応している。ここで、ステップＳ２０２及びステップＳ２０５では、再生段階用のマップを選択して用いる。
【０１０５】
また、ステップＳ３０８とステップＳ３０９は、夫々図２中のステップＳ１０９とステップＳ１１０に対応している。
【０１０６】
このようにして、昇温段階と再生段階とで異なる制御マップを使用してＰＭの除去を行うことが可能となる。
【０１０７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、昇温段階と再生段階とで異なる制御マップを用いることができ、迅速にフィルタの再生を行うことができる。
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態では、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx被毒解消制御において副噴射時期の補正を行う。
【０１０８】
尚、本実施の形態においては、第１の実施の形態と比較して、フィルタの再生制御とＳＯx被毒解消制御とで副噴射を行うという点が異なるものの、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【０１０９】
ＳＯx被毒解消制御では、ＥＣＵ３５は、フィルタ２０のＳＯxによる被毒を解消すべくＳＯx被毒解消処理を行う。
【０１１０】
ここで、エンジン１の燃料には硫黄（Ｓ）が含まれている場合があり、そのような燃料がエンジン１で燃焼されると、二酸化硫黄（ＳＯ_２）や三酸化硫黄（ＳＯ_３）などの硫黄酸化物（ＳＯx）が生成される。
【０１１１】
硫黄酸化物（ＳＯx）は、排気とともにフィルタ２０に流入し、窒素酸化物（ＮＯx）と同様のメカニズムによって吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収される。
【０１１２】
具体的には、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度が高いときには、流入排気ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ_２）や三酸化硫黄（ＳＯ_３）等の硫黄酸化物（ＳＯx）が白金（Ｐｔ）の表面上で酸化され、硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）の形でフィルタ２０に吸収される。更に、フィルタ２０に吸収された硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硫酸塩（ＢａＳＯ_４）を形成する。
【０１１３】
ところで、硫酸塩（ＢａＳＯ_４）は、硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ_３）_２）に比して安定していて分解し難く、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度が低くなっても分解されずにフィルタ２０内に残留してしまう。
【０１１４】
フィルタ２０における硫酸塩（ＢａＳＯ_４）の量が増加すると、それに応じてＮＯxの吸収に関与することができる酸化バリウム（ＢａＯ）の量が減少するため、フィルタ２０のＮＯx吸収能力が低下する、いわゆるＳＯx被毒が発生する。
【０１１５】
フィルタ２０のＳＯx被毒を解消する方法としては、フィルタ２０の雰囲気温度をおよそ６００乃至６５０℃の高温域まで昇温させるとともに、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低くすることにより、フィルタ２０に吸収されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）をＳＯ_３ ⁻やＳＯ_４ ⁻に熱分解し、次いでＳＯ_３ ⁻やＳＯ_４ ⁻を排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応させて気体状のＳＯ_２ ⁻に還元する方法を例示することができる。
【０１１６】
そこで、本実施の形態に係るＳＯx被毒解消処理では、ＥＣＵ３５は、先ずフィルタ２０の床温を高める昇温制御（昇温段階）を実行した上で、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低くすること（解消段階）により被毒解消を行うようにした。
【０１１７】
昇温段階は、吸蔵還元型ＮＯx触媒の活性温度（例えば２００℃）まで昇温させる第１昇温段階と、ＳＯx被毒解消に必要となる温度（例えば５５０℃）まで昇温させる第２昇温段階とに分かれる。第１昇温段階では、第１の実施の形態による昇温段階と同様にして、副噴射された燃料が確実に燃焼するように、副噴射時期を進角させる。一方、第２昇温段階では、第１の実施の形態による再生段階と同様にして、副噴射された燃料が燃焼しないように、副噴射時期を遅角させる。これにより、未燃燃料成分をフィルタ２０において酸化させ、酸化の際に発生する熱によってフィルタ２０の床温を高めることが可能となる。
【０１１８】
上記したような触媒昇温処理によりフィルタ２０の床温が例えば５５０℃程度の高温域まで上昇すると、ＥＣＵ３５は、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低下させる解消段階に移行する。この解消段階では、副噴射時期を遅角させて副噴射された燃料が燃焼しないようにする。さらに、還元剤噴射弁２８から燃料を噴射させても良い。
【０１１９】
このように被毒解消処理が実行されると、フィルタ２０の床温が高い状況下で、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度が低くなるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）がＳＯ_３ ⁻やＳＯ_４ ⁻に熱分解され、それらＳＯ_３ ⁻やＳＯ_４ ⁻が排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応して還元され、以てフィルタ２０のＳＯx被毒が解消されることになる。
【０１２０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＳＯx被毒解消時においてＮＯx触媒の温度が活性温度まで上昇するまでは、副噴射された燃料を燃焼させることができ、一方、活性温度まで上昇した後は副噴射された燃料を燃焼させないようにして排気中の酸素濃度を低下させることが可能となる。
【０１２１】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、触媒が活性化するまでは副噴射時期を進角させて排気の温度を上昇させ、触媒の温度を上昇させることができる。一方、触媒が活性化した後は、副噴射の時期を遅角させて触媒に未燃燃料を供給することができる。
【０１２２】
これにより、副噴射による未燃燃料の大気中への放出を抑制し、また、燃費の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用するエンジンとその吸排気系とを併せ示す概略構成図である。
【図２】第１の実施の形態によるフィルタの再生制御のフローを示したフローチャート図である。
【図３】昇温段階の副噴射時期制御のフローを示したフローチャート図である。
【図４】再生段階の副噴射時期制御のフロー示したフローチャート図である。
【符号の説明】
１・・・・エンジン
１ａ・・・クランクプーリ
２・・・・気筒
３・・・・燃料噴射弁
４・・・・コモンレール
５・・・・燃料供給管
６・・・・燃料ポンプ
６ａ・・・ポンププーリ
７・・・・ベルト
８・・・・吸気枝管
９・・・・吸気管
１１・・・エアフローメータ
１３・・・吸気絞り弁
１４・・・吸気絞り用アクチュエータ
１５・・・遠心過給機
１５ａ・・コンプレッサハウジング
１５ｂ・・タービンハウジング
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・フィルタ
２４・・・排気温度センサ
２８・・・還元剤噴射弁
２９・・・還元剤供給路
３３・・・クランクポジションセンサ
３５・・・ＥＣＵ
３６・・・アクセル開度センサ

Claims

排気浄化触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記排気浄化触媒の温度を検出する排気浄化触媒温度検出手段と、
内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁からの主噴射後の膨張行程若しくは排気行程に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる副噴射手段と、
を備え、
前記パティキュレートフィルタの再生を行なうときに前記排気浄化触媒の温度を活性温度まで上昇させる昇温段階と該活性温度まで昇温した後にさらに昇温しつつ粒子状物質を除去する再生段階とを実行し、
前記昇温段階においては前記副噴射手段による燃料の噴射時期を進角させ、前記再生段階においては前記副噴射手段による燃料の噴射時期を遅角させる燃料噴射時期変更手段を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記副噴射手段により副噴射された燃料が燃焼したか否かを判定する燃焼判定手段をさらに備え、
燃料噴射時期変更手段は、前記排気浄化触媒温度検出手段により検出された温度が前記排気浄化触媒の活性温度以下であり且つ副噴射された燃料が燃焼していないと前記燃焼判定手段により判定された場合には前記副噴射手段による燃料の噴射時期を進角させ、前記排気浄化触媒温度検出手段により検出された温度が前記排気浄化触媒の活性温度よりも高く且つ副噴射された燃料が燃焼していると前記燃焼判定手段により判定された場合には前記副噴射手段による燃料の噴射時期を遅角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。
前記内燃機関からの排気の温度を検出する排気温度検出手段をさらに備え、前記燃焼判定手段は、前記排気温度検出手段により検出された実際の温度が副噴射された燃料が燃焼した場合に検出されると予測される温度以下の場合に、副噴射された燃料が燃焼していないと判定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気浄化触媒温度検出手段により検出された温度が触媒の活性温度以下であるか否かにより、基準となる副噴射時期が異なることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気浄化触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯ x を吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していたＮＯ x を放出する吸蔵還元型ＮＯ x 触媒を含んで構成され、
前記吸蔵還元型ＮＯ x 触媒のＳＯ x 被毒を解消するときに該吸蔵還元型ＮＯ x 触媒の活性温度まで昇温させる第１昇温段階と、ＳＯ x 被毒の解消に必要となる温度まで昇温させる第２昇温段階と、前記パティキュレートフィルタに流入する排気の酸素濃度を低下させる解消段階とを実行し、
第１昇温段階では前記副噴射手段による燃料の噴射時期を進角させ、前記第２昇温段階では前記副噴射手段による燃料の噴射時期を遅角させ、前記解消段階では前記副噴射手段による燃料の噴射時期を遅角させることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。