JP4155182B2

JP4155182B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP4155182B2
Application number: JP2003410434A
Authority: JP
Inventors: 欣悟陶山; 光一朗福田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: JP2005171809A

Description

本発明は、内燃機関からの排気の浄化を行う排気浄化装置に関する。

内燃機関から排出される排気の浄化を行うための排気浄化触媒として、いわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、三元触媒、酸化触媒等が利用されている。これらの排気浄化触媒は、その触媒機能が発揮されるためには活性温度に達している必要がある。また排気浄化触媒に触媒劣化が生じると、触媒機能が十分に発揮されない虞がある。

そこで、排気浄化触媒に流入する排気に還元剤を添加したときの排気浄化触媒に流入する排気の温度と排気浄化触媒の推定温度との温度差から排気浄化触媒に触媒劣化が生じているか否かを判定する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。即ち、触媒劣化による排気浄化触媒の酸化能の低下を利用して排気浄化触媒の触媒劣化の程度を判定するものである。

また、排気浄化触媒の温度を活性温度とするために排気浄化触媒に還元剤を供給するとき、実際の排気浄化触媒の温度と排気中の還元剤量等から推定される排気浄化触媒の温度との温度差が許容範囲を超えるとき還元剤の供給を禁止する技術が公開されている（例えば、特許文献２を参照。）。即ち、還元剤が供給されることで排気浄化触媒が本来あるべき温度である排気浄化触媒温度（上述の推定された排気浄化触媒の温度）に達しないことを以て、排気浄化触媒に供給された燃料の外気への放出が抑制される。
特開２００３−２１４１５３号公報特開２００１−２２７３２５号公報

内燃機関の排気浄化触媒の触媒機能を効率的に発揮させるためには、排気浄化触媒の温度を速やかに触媒活性温度とするのが好ましい。そこで、排気浄化触媒の温度を上昇させるに当たり、排気浄化触媒に流入する排気の温度を利用することに加えて、排気浄化触媒に還元剤を供給して還元剤と排気浄化触媒との反応熱を利用することで、排気浄化触媒の温度上昇を行う。

ここで、排気浄化触媒での還元剤との反応が行われるためには、排気浄化触媒の温度が、該反応が起こり得る温度（以下、「暫定触媒活性温度」という）に達している必要がある。尚、暫定触媒活性温度は、上述の触媒活性温度より低い温度である。しかし、排気浄化触媒の温度を推定した上で該推定温度に基づいて排気浄化触媒への還元剤の供給を行うとき、該推定温度の精度が悪いと、実際の排気浄化触媒の温度が暫定触媒推定温度に達成していないときに排気浄化触媒に燃料が供給され得る。その結果、供給された還元剤が酸化触媒との反応に供されず、外気へ放出されてエミッションが悪化する虞がある。

本発明では、上記した問題に鑑み、排気浄化触媒の温度を触媒活性温度に上昇させるに際して、排気浄化触媒の温度を推定した上で該推定温度に基づいて排気浄化触媒に燃料を供給するときの、エミッションの悪化を抑制することを目的とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、第一に、排気浄化触媒の温度を推定したうえで排気浄化触媒への燃料供給を行うとともに、排気浄化触媒と供給される還元剤との反応熱による温度上昇を除外して推定された排気浄化触媒の推定温度に基づいて、排気浄化触媒への燃料供給の適否、即ち燃料供給時において排気浄化触媒の温度が暫定触媒活性温度に達しているか否かを判定するものとした。反応熱による温度上昇を除外して推定することで排気浄化触媒の温度を比較的精度よく低温側に推定することになる。従って、該推定温度を基準にすることで、排気浄化触媒の温度が暫定触媒活性温度に達しているか否かを安定的に判断することが可能となる。

そこで、本発明は、内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関の排気通路に設けられ、酸化能を有する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒に流入する排気に還元剤を添加する還元剤添加手段と、少なくとも前記排気浄化触媒に流入する排気の温度、該排気に含まれる還元剤量および該排気浄化触媒内の熱容量に基づいて、該排気浄化触媒の温度を推定する第一触媒温度推定手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気に含まれる還元剤に基づく該排気浄化触媒の温度上昇を除外したうえで、少なくとも該排気浄化触媒に流入する排気の温度および該排気浄化触媒内の熱容量に基づいて該排気浄化触媒の所定部位の温度を推定する第二触媒温度推定手段と、前記第一触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の温度が暫定触媒活性温度を超えるとき、前記還元剤添加手段による排気への還元剤の添加を行う還元剤添加制御手段と、前記第一触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の温度が前記暫定触媒活性温度より高い触媒活性温度を超えるとき、前記排気浄化触媒は活性状態にあると判定する触媒活性判定手段と、前記還元剤添加制御手段によって排気への還元剤の添加が行われているときに、前記第二触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の前記所定部位の温度に基づいて該還元剤添加制御手段による排気への還元剤の添加を禁止する還元剤添加禁止手段と、を備える。

上述の内燃機関の排気浄化装置においては、排気通路に設けられた排気浄化触媒によって排気の浄化が行われる。ここで、排気の浄化、例えば排気中のＮＯｘや粒子状物質の除去等が効率的に行われるには、排気浄化触媒の温度が活性触媒温度に達する必要がある。従って、排気浄化触媒の温度が低温であるときは、速やかに活性触媒温度にまで上昇させるのが好ましい。

そこで、排気浄化触媒の温度が比較的低温であるときは、内燃機関から排出される排気の温度によって排気浄化触媒の温度を上昇させる。そして、排気浄化触媒の温度が、排気中の還元剤を酸化し得る温度、即ち暫定触媒活性温度に到達したときは、排気浄化触媒に流入する排気に還元剤を添加することで、該排気浄化触媒に還元剤を供給し、還元剤と排気浄化触媒との間で、還元剤の酸化による反応熱を発生させて、排気浄化触媒の温度上昇を行う。これにより、排気浄化触媒の速やかな温度上昇が図られる。

このとき、燃料添加手段による排気浄化触媒への還元剤の供給開始の判断は、第一触媒温度推定手段によって推定された触媒温度が基準となる。第一触媒温度推定手段は、上述のように少なくとも流入排気の温度、供給された還元剤を含む排気中の還元剤量および排気浄化触媒の熱容量に基づいて、触媒温度を推定する。即ち、少なくとも流入排気の熱エネルギーと還元剤の酸化によって発生する酸化熱エネルギーが排気浄化触媒の温度上昇に寄与することを前提とする。更に、排気浄化触媒の熱容量を考慮することで、流入排気温度の変動による影響を緩和し、比較的安定的な触媒温度の推定が可能となる。

尚、燃料添加手段による還元剤の供給が行われる前においては、排気中に含まれる還元剤の大部分は内燃機関１からの排気に含まれる未燃焼の燃料等の還元剤である。そして、排気浄化触媒の温度は暫定触媒活性温度より低いため、排気中の還元剤による排気浄化触媒の温度上昇への寄与を、非常に小さく扱うか、若しくは無視してもよい。

しかし、第一触媒温度推定手段による推定温度の精度が低下することで、排気浄化触媒の温度が暫定触媒活性温度に到達していないにもかかわらず還元剤添加制御手段による排気浄化触媒への還元剤供給が行われると、該還元剤が酸化されずに外気へ放出されエミッションが悪化する虞がある。そこで、還元剤添加禁止手段によって、第二触媒温度推定手段による推定温度に基づいて還元剤添加制御手段による排気浄化触媒への還元剤供給が適正か否か判断され、排気浄化触媒への還元剤供給が適正でないと判断されるときは該還元剤供給が禁止される。

ここで、第二触媒温度推定手段は、排気浄化触媒の所定部位、即ち排気浄化触媒への還元剤供給の適否を判断するための排気浄化触媒のより好適な部位の温度を推定する。そして、その温度推定に際しては、排気浄化触媒に供給される還元剤の酸化によって発生する酸化熱エネルギーの該排気浄化触媒の温度上昇への寄与を考慮しない。酸化反応熱による温度上昇を除外して排気浄化触媒の温度を推定することで、温度推定に考慮されるファクターが減り該推定温度が比較的精度よくなるとともに、該推定温度が低温側の温度となる。従って、低温側の温度として比較的精度よく推定される所定部位の該推定温度を基準として、排気浄化触媒の温度が暫定触媒活性温度に達しているか否かをより安定的に判断することが可能となる。

これにより、排気浄化触媒に還元剤が供給されて該排気浄化触媒の温度上昇が行われるときであっても、還元剤の酸化が行われず外気へ還元剤が放出される虞があるときは、還元剤添加禁止手段によって排気浄化触媒への還元剤の供給が禁止されて、エミッションの悪化が抑制される。

ここで、上述の内燃機関の排気浄化装置において、前記第二触媒温度推定手段は、前記排気浄化触媒に排気が流入する部位である前端部位の温度を推定し、前記還元剤添加禁止手段は、前記還元剤添加制御手段によって排気への還元剤の添加が行われているときに前記第二触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の前端部位の温度が前記暫定触媒活性温度以下となる場合、該還元剤添加制御手段による排気への還元剤の添加を禁止してもよい。

即ち、第二触媒温度推定手段によって温度推定される排気浄化触媒の所定部位は、排気浄化触媒に排気が流入する前端部位である。前端部位は排気浄化触媒において最初に排気が流入する部位であるため排気温度の変動を強く受ける。特に、第一触媒温度推定手段によって触媒温度が暫定触媒活性温度を超えたと判断されて間もない時期においては、内燃機関の運転状態によって排気温度が低下すると前段部位の触媒温度も低下し、該触媒温度が暫定触媒活性温度より低くなる虞がある。

このとき、第二触媒温度推定手段によって温度推定される前段部位の触媒温度は還元剤の酸化による酸化熱を除外して推定されるため、該前段部位の触媒温度は排気浄化触媒における下限温度とみなすことが可能となる。そこで、第二触媒温度推定手段によって温度推定される前段部位の触媒温度が暫定触媒活性温度以下である場合には、供給された添加剤が十分に酸化されず外気へ放出される虞が大きいため、還元剤添加制御手段による還元剤の供給を禁止する。尚、第二触媒温度推定手段による温度推定においては、排気浄化触媒の熱容量を加味するため、流入排気温度の急峻な変動による影響を緩和し、比較的安定的な触媒温度の推定が可能となる。

また、第二触媒温度推定手段によって温度推定される前段部位の触媒温度が暫定触媒活性温度以下であるために排気浄化触媒への還元剤の供給が禁止された後において、再び前段部位の温度が暫定触媒活性温度を超えるときは、排気浄化触媒への還元剤の供給を再開
してもよい。

また、上述の内燃機関の排気浄化装置において、該排気浄化装置が、前記排気浄化触媒の下流側に設けられ、該排気浄化触媒から流出する排気の温度を検出する排気温度検出手段を、更に備える場合、前記第二触媒温度推定手段は、前記排気浄化触媒から排気が流出する部位である後端部位の温度を推定し、前記還元剤添加禁止手段は、前記還元剤添加制御手段によって排気への還元剤の添加が行われているときに前記第二触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の後端部位の温度と前記排気温度検出手段によって検出される排気の温度との温度差が所定温度以下となる場合、該還元剤添加制御手段による排気への還元剤の添加を禁止してもよい。

即ち、第二触媒温度推定手段によって温度推定される排気浄化触媒の所定部位は、排気浄化触媒から排気が流出する後端部位である。ここで、排気温度検出手段は排気浄化触媒の下流に備えられており排気温度検出手段によって検出される排気温度は排気浄化触媒の温度とほぼ同一視することが可能である。そして、第二触媒温度推定手段によって推定される後段部位の触媒温度は、供給された還元剤の酸化による酸化熱を除外して推定されている。従って、排気浄化触媒において供給された還元剤の酸化が適正に行われている場合には、排気温度検出手段による排気温度の検出値と第二触媒温度推定手段による後段部位の触媒温度の推定値との温度差は拡大し、該温度差は所定温度を超える。

よって、該温度差に基づいて、還元剤添加制御手段による還元剤の排気浄化触媒への供給が適正に行われているか否かを判定することが可能となり、該温度差が所定温度以下である場合には、供給された添加剤が十分に酸化されず外気へ放出される虞が強いため、還元剤添加制御手段による還元剤の供給を禁止する。

また、排気温度検出手段による排気温度の検出値と第二触媒温度推定手段による後段部位の触媒温度の推定値との温度差が所定温度以下であるために排気浄化触媒への還元剤の供給が禁止された後において、再び該温度差が所定温度を超えるときは、排気浄化触媒への還元剤の供給を再開してもよい。

ここで、本発明は、上記した課題を解決するために、排気浄化触媒から流出する排気の、比較的長い期間における温度推移に着目した。比較的長い期間における排気温度の推移に基づくことで、内燃機関の運転状態の変動に伴って排気浄化触媒から流出する排気温度が変動する場合でも比較的精度よく排気温度の推移の傾向、即ち排気温度が下降状態にあるか若しくは上昇状態にあるかを判断することが可能となる。

そこで、本発明は、内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関の排気通路に設けられ、酸化能を有する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒に流入する排気に還元剤を添加する還元剤添加手段と、少なくとも前記排気浄化触媒に流入する排気の温度、該排気に含まれる還元剤量および該排気浄化触媒内の熱容量に基づいて、該排気浄化触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、前記排気浄化触媒の下流側に設けられ、該排気浄化触媒から流出する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、前記触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の温度が暫定触媒活性温度を超えるとき、前記還元剤添加手段による排気への還元剤の添加を行う還元剤添加制御手段と、前記触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の温度が前記暫定触媒活性温度より高い触媒活性温度を超えるとき、前記排気浄化触媒は活性状態にあると判定する触媒活性判定手段と、前記還元剤添加制御手段によって排気への還元剤の添加が行われているときに、所定期間において前記排気温度検出手段によって検出される排気温度の低下量が前記内燃機関の運転状態に基づいて決定される排気温度低下許容範囲を超えた場合、該還元剤添加制御手段による排気への還元剤の添加を禁止する還元剤添加禁止手段と、を備える。

所定期間とは、上述したように、排気浄化触媒から流出する排気の温度推移の傾向を判断するために必要な期間である。換言すると、排気浄化触媒において触媒温度が暫定触媒活性温度を超えたと判断されて排気浄化触媒への還元剤の供給が行われているときの該還元剤が酸化されて排気浄化触媒の温度上昇に寄与しているか否かの判断において、内燃機関の運転状態による排気温度の変動の傾向を検出し得る検出期間である。そして、排気温度低下許容範囲とは、内燃機関の運転状態に起因する排気温度の低下の許容範囲である。

即ち、還元剤が供給されて触媒温度が上昇状態にあるときは、排気浄化触媒から流出する排気温度も同様に上昇状態となる。しかし、該排気温度も内燃機関の運転状態によって低下する場合もあるが、その低下量が排気温度低下許容範囲を超える温度低下である場合には、排気浄化触媒において供給された還元剤が酸化されずに外気へ放出されている蓋然性が高い。そこで、このような場合には、還元剤添加制御手段による還元剤の供給を禁止して、エミッションの悪化を抑制する。

排気浄化触媒の温度を触媒活性温度に上昇させるに際して、排気浄化触媒の温度を推定した上で該推定温度に基づいて排気浄化触媒に燃料を供給するときの、エミッションの悪化を抑制することが可能となる。

ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明が適用される内燃機関の吸排気系の概略構成を表すブロック図である。ここで、内燃機関１は、圧縮着火式の内燃機関である。内燃機関１の燃焼室には吸気通路２が接続されている。また、内燃機関１において燃焼により生成された排気は、内燃機関１から排気通路３へと排出される。排気通路３の途中には、酸化能を有する酸化触媒４と酸化触媒４の下流側にいわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が担持されたフィルタ（以下、単に「フィルタ」という）５が設けられている。尚、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒にはその成分に白金が含まれているため、フィルタ５は酸化能を有する触媒として作用する。また、酸化触媒４の上流側の排気通路３には、排気通路３を流れる排気に内燃機関１の燃料を添加する燃料添加弁６が設けられている。燃料添加弁６から排気へ添加された燃料は、酸化触媒４やフィルタ５に供給されて、これらの触媒に対して還元剤として作用するとともにこれらの触媒の酸化能によって酸化されて、酸化熱が発生する。

また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ＥＣＵ２０には、クランクポジションセンサ９、アクセル開度センサ１０等、内燃機関１の運転状態を検出する種々のセンサが電気配線を介して接続され、それらの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。更に、ＥＣＵ２０には、フィルタ５の下流側に設けられた排気温度センサ７と排気空燃比センサ８が電気的に接続されている。排気温度センサによってフィルタ７から流出する排気の温度を、排気空燃比センサ８によって該排気の空燃比が検出される。

一方、ＥＣＵ２０には、燃料添加弁６が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０からの
指令に従って燃料添加弁６から排気通路３を流れる排気に供給される燃料量等が制御される。また、図１には図示されていないが内燃機関１に備えられている燃料噴射弁もＥＣＵ２０と電気的に接続され、ＥＣＵ２０からの指令に従って燃料噴射弁からの燃料の噴射時期や噴射量が制御される。

このように構成される内燃機関１の排気系においては、排気中に含まれる粒子状物質がフィルタ５によって捕集された後酸化除去されたり、排気中のＮＯｘがフィルタ５における吸蔵還元型ＮＯｘ触媒によって還元されたりすることで、排気の浄化が行われる。また、酸化触媒４は排気中の燃料を酸化することで酸化熱を発生させて、フィルタ５に流入する排気温度を上昇させる。これによって、フィルタ５における吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が上昇して、触媒機能による排気浄化能力が発揮される。

しかし、酸化触媒４およびフィルタ５の触媒機能が発揮されるには、各々の触媒の温度が活性温度（以下、「触媒活性温度」という）に到達している必要がある。そこで、酸化触媒４およびフィルタ５の触媒温度を触媒活性温度に速やかに上昇させるために、内燃機関１からの排気の有する熱エネルギーを利用するとともに、燃料添加弁６から燃料を排気へ添加して、該燃料が酸化触媒４およびフィルタ５の有する酸化能によって酸化されて発生する酸化熱を利用する。このとき、燃料添加弁６からの燃料の添加は、酸化触媒４またはフィルタ５の触媒温度が、各々が有する酸化能が発揮され得る温度（以下、「暫定触媒活性温度」という）に到達している必要がある。尚、暫定触媒活性温度は、触媒機能が十分に発揮され得る上述の触媒活性温度より低い温度である。

酸化触媒４およびフィルタ５の触媒温度が暫定触媒活性温度に到達していないときに、燃料添加弁６から燃料が添加されると、該燃料が酸化触媒４やフィルタ５によって酸化されずに外気へ放出されエミッションが悪化する。そこで、燃料添加弁６からの燃料添加は、酸化触媒４やフィルタ５の温度を速やかに触媒活性温度に上昇させるために必要であるが、一方でこれらの触媒温度が暫定触媒活性温度に到達していないときはエミッションの悪化を抑制するために、燃料添加弁６からの燃料添加が実行されるのは好ましくない。従って、燃料添加弁６からの燃料添加を実行するためには、酸化触媒４およびフィルタ５の触媒温度を精度よく把握する必要がある。

そこで、酸化触媒４およびフィルタ５の触媒温度上昇を行うとともにエミッションの悪化を抑制するための、酸化触媒４およびフィルタ５の触媒温度の把握と燃料添加弁６からの燃料添加について、以下に説明する。

ここで、酸化触媒４を排気の流れる方向において二分割し、その上流側の部位を前端部位４ａと、その下流側の部位を後段部位４ｂとする。また、フィルタ５を排気の流れる方向に沿って三分割し、その最上流側の部位を前端部位５ａと、その最下流側の部位を後端部位５ｃと、前端部位５ａと後端部位５ｃとの間の部位を中間部位５ｂとする。また、各部位の触媒温度を推定するにあたり、各々に初期値が与えられる。例えば、内燃機関１の機関始動時においては、酸化触媒４およびフィルタ５の温度は、ほぼ外気温度と同一であるとみなして、外気温度と同一の値を各部位の触媒温度の初期値とする。

燃料添加弁６から添加された燃料の一部は直接酸化触媒４へ到達し、残りは排気通路３の壁面に付着する。また、既に排気通路３の壁面に付着していた燃料の一部が蒸発して、改めて酸化触媒４へ到達する。また、内燃機関１における燃料の燃焼において燃焼せずに排気中に未燃成分として残留している燃料が酸化触媒４へ到達する。これらの酸化触媒４へ到達する燃料量を、機関回転速度や機関負荷等の内燃機関１の運転状態や、該運転状態から推定される内燃機関１から排出直後の排気の温度等に基づいて算出する。

具体的には、例えば、内燃機関１の運転状態と燃料添加弁６からの燃料添加による酸化触媒４への直接の到達量との関係を実験等で予め測定して、内燃機関１の運転状態と燃料添加弁６からの添加量をパラメータとして酸化触媒４への直接の到達量を算出するマップを作成し、該マップにアクセすることで、酸化触媒４への燃料の到達量を算出する。尚、燃料添加弁６からの燃料添加が実行されていないときは、酸化触媒４への燃料の到達量は、内燃機関１の燃焼において未燃成分として排気中に残留する量である。

次に、酸化触媒４へ到達した燃料のうち、前端部位４ａによって酸化される割合を算出する。酸化能を有する触媒における燃料の酸化の程度（以下、「酸化率」という）は、該触媒に流入する排気の流量と、該触媒自身の温度によって決定される。即ち、該触媒に流入する排気の流量が増加するに従い燃料の酸化率は低下し、また該触媒自身の温度が高くなるに従い燃料の酸化率は上昇する。そこで、内燃機関１の運転状態から推定される排気流量や前端部位４ａの現時点での温度に基づいて、燃料の酸化率が算出される。そして、酸化されない燃料は前端部位４ａの下流側に位置する後端部位４ｂへ供給される。以下、同様に後端部位４ｂでの燃料の酸化率を算出する。

次に、前端部位４ａにおいて存在する熱エネルギーの総和を算出する。前端部位４ａにおいては、前端部位４ａに流入する排気の有する熱エネルギーと、前端部位４ａにおいて燃料が酸化されることによって発生する酸化熱の熱エネルギーと、現時点において前端部位４ａが有している熱エネルギーとが存在する。そして、これらの熱エネルギーの総和が前端部位４ａとそこに存在する排気へ等しく分配されて、前端部位４ａと該排気とが同一の値へ変動すると考えて、新たな前端部位４ａの温度を算出する。具体的には、前端部位４ａにおいて存在する熱エネルギーの総和を、前端部位４ａと前端部位４ａに存在する排気の総熱容量で除することで、前端部位４ａと前端部位４ａに存在する排気の温度を算出する。

その後、前端部位４ａに存在していた排気は、前端部位４ａの下流側に位置する後端部位４ｂへ移動する。そして、同様に後端部位４ｂの温度を、排気の熱エネルギー、燃料の酸化熱の熱エネルギー、後端部位４ｂ自身の熱エネルギーに基づいて算出する。

次にフィルタ５における各部位の触媒温度の算出について説明する。フィルタ５における各部位の触媒温度の算出も、上述した酸化触媒４における各部位の触媒温度の算出と同様に、フィルタ５の各部位に流入する排気の熱エネルギー、燃料の酸化熱エネルギー、各部位自身の熱エネルギーに基づいて算出される。ここで、フィルタ５の前端部位５ａに供給される燃料の量は、酸化触媒４の各部位において酸化されずに残った量であり、またフィルタ５の前端部位５ａに流入する排気は、酸化触媒４の後端部位４ｂにおいて上述のように算出され温度を有する排気である。

上述のように酸化触媒４およびフィルタ５の各部位の温度を算出し、フィルタ５の前端部位５ａの触媒温度が暫定触媒活性温度を超えるとき、燃料添加弁６からの燃料添加が実行される。また、フィルタ５の各部位の温度が触媒活性温度を超えるとき、即ち排気温度センサ７の検出値が触媒活性温度を超えるとき、フィルタ５における吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の排気浄化能力が十分に発揮されることになる。

しかし、酸化触媒４およびフィルタ５の各部位の触媒温度の算出値が実際の触媒温度と乖離している場合、特に実際の触媒温度より該算出値が高い場合には、添加された燃料の酸化が十分に行われない虞がある。そのような場合には、燃料添加弁６からの燃料添加を行わないのが好ましい。そこで、図２に基づいて、燃料添加弁６からの燃料添加の制御（以下、「燃料添加制御」という）について説明する。尚、燃料添加制御は、酸化触媒およびフィルタ５の触媒温度を上昇させるときに実行されるルーチンである。

Ｓ１０１では、フィルタ５の前端部位５ａの触媒温度であるｔｈｄｐ１を算出する。ｔｈｄｐ１の算出については、先述したように前端部位５ａに流入する排気の熱エネルギー、内燃機関１から供給された燃料のうち前端部位５ａに到達し酸化される燃料の酸化熱エネルギー、前端部位５ａの有する自身の熱エネルギーに基づいて算出される。尚、この時点においては、燃料添加弁６からの燃料添加は行われていない。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、Ｓ１０１で算出されたｔｈｄｐｌが暫定触媒活性温度Ｔｐ＿ｔｈａｖを超えるか否かが判定される。即ち、前端部位５ａの触媒温度が暫定触媒活性温度Ｔｐ＿ｔｈａｖに到達することで、排気中の燃料を酸化することが可能となるか否かが判定される。ｔｈｄｐｌが暫定触媒活性温度Ｔｐ＿ｔｈａｖを超えると判定されると、Ｓ１０３へ進む。一方、ｔｈｄｐｌが暫定触媒活性温度Ｔｐ＿ｔｈａｖを超えないと判定されると、Ｓ１０１の処理が再度行われる。

Ｓ１０３では、燃料添加弁６からの燃料添加が開始される。即ち、この時点においては、Ｓ１０２においてｔｈｄｐｌが暫定触媒活性温度Ｔｐ＿ｔｈａｖを超えると判断されているため、添加された燃料がフィルタ５におけるＮＯｘ吸蔵還元触媒の酸化能によって酸化されてＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度上昇を図るべく、燃料添加弁６からの燃料添加が開始されるのである。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。

Ｓ１０４では、該部位に供給された燃料の酸化熱エネルギーによる該部位の触媒温度の上昇を除外したうえで、前端部位５ａに流入する排気の熱エネルギーおよび前端部位５ａの有する自身の熱エネルギーに基づいて、フィルタ５の前端部位５ａの触媒温度である燃料酸化熱除去フィルタ前端部位温度ｔｈｄｐ１＿ｏｆｆが算出される。即ち、上述した触媒温度の算出方法において、前端部位５ａに流入する排気の熱エネルギーと前端部位５ａの有する自身の熱エネルギーの総和を、前端部位５ａと前端部位５ａに存在する排気の総熱容量で除することで、ｔｈｄｐ１＿ｏｆｆは算出される。Ｓ１０４の処理が終了すると、Ｓ１０５へ進む。

Ｓ１０５では、Ｓ１０４で算出されたｔｈｄｐ１＿ｏｆｆが暫定触媒活性温度Ｔｐ＿ｔｈａｖ以下であるか否かが判定される。前端部位５ａはフィルタ５において排気が流入する部位であるため、内燃機関の運転状態による排気温度の変動を強く受ける。更に、ｔｈｄｐ１＿ｏｆｆは燃料の酸化による酸化熱エネルギーを除外して算出されるため、ｔｈｄｐ１＿ｏｆｆはフィルタ５における触媒温度の下限温度とみなすことが可能となる。そこで、ｔｈｄｐ１＿ｏｆｆが暫定触媒活性温度Ｔｐ＿ｔｈａｖ以下であるか否かに基づいて、燃料添加弁６からの燃料添加の実行の適否を判定するのである。

従って、Ｓ１０５でｔｈｄｐ１＿ｏｆｆが暫定触媒活性温度Ｔｐ＿ｔｈａｖ以下であると判定されると、前端部位５ａにおいて排気中の燃料の酸化が十分に行われない蓋然性が高いことを意味し、Ｓ１０７へ進み、燃料添加弁６からの燃料添加が禁止される。一方で、ｔｈｄｐ１＿ｏｆｆが暫定触媒活性温度Ｔｐ＿ｔｈａｖを超えると判定されると、前端部位５ａにおいて排気中の燃料の酸化が十分に行われ得ることを意味し、Ｓ１０８へ進み、燃料添加弁６からの燃料添加が禁止されているときは燃料添加を再開し、燃料添加弁６からの燃料添加が行われているときは継続して該燃料添加が行われる。Ｓ１０６又はＳ１０７の処理が終了すると、Ｓ１０８へ進む。

Ｓ１０８では、排気温度センサ７による検出値であるフィルタ５から流出する排気温度が触媒活性温度ｔｈａｖを超えるか否かが判定される。排気温度センサ７はフィルタ５の下流側に配置されているため、排気温度センサ７によって検出される排気温度は、フィル
タ５の後端部位５ｃの実際の触媒温度とほぼ同一視し得る。そこで、後端部位５ｃの実際の触媒温度が触媒活性温度ｔｈａｖを超えることをもって、フィルタ５における吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が活性状態に至ったものと判定するのである。排気温度センサ７による検出値が触媒活性温度ｔｈａｖを超えると判定されると、本制御を終了する。一方で、排気温度センサ７による検出値が触媒活性温度ｔｈａｖ以下であると判定されると、Ｓ１０４以降の処理が再び行われる。

本制御によると、フィルタ５における吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度上昇は、燃料添加弁６による燃料添加を利用することで、速やかに行われるとともに、該燃料添加時において触媒温度が添加された燃料が適切に酸化されない温度となる場合には該燃料添加の実行が禁止される。その結果、添加燃料によるエミッションの悪化を抑制することが可能となる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における燃料添加制御の別の実施の形態について、図３に基づいて説明する。尚、図３に示す制御フローが行われる内燃機関の排気浄化装置は図１に示すものと同一である。また、図３に示す制御フロー中、図２に示す制御フローの処理と同一の処理については、同一の参照番号を付して、その説明を省略する。

図３に示す制御フローにおいては、Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ２０１へ進む。Ｓ２０１では、該部位に供給された燃料の酸化熱エネルギーによる該部位の触媒温度の上昇を除外したうえで、後端部位５ａに流入する排気の熱エネルギーおよび後端部位５ｃの有する自身の熱エネルギーに基づいて、フィルタ５の後端部位５ｃの触媒温度である燃料酸化熱除去フィルタ後端部位温度ｔｈｄｐ２＿ｏｆｆが算出される。即ち、上述した触媒温度の算出方法において、後端部位５ｃに流入する排気の熱エネルギーと後端部位５ｃの有する自身の熱エネルギーの総和を、後端部位５ｃと後端部位５ｃに存在する排気の総熱容量で除することで、ｔｈｄｐ２＿ｏｆｆは算出される。Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ２０２へ進む。

Ｓ２０２では、Ｓ２０１で算出されたｔｈｄｐ２＿ｏｆｆと排気温度センサ７による検出値との温度差であるΔｔｈが算出される。排気温度センサ７はフィルタ５の下流側に配置されているため、排気温度センサ７によって検出される排気温度は、フィルタ５の後端部位５ｃの実際の触媒温度とほぼ同一視し得る。従って、Δｔｈは、後端部位５ｃの実際の触媒温度と燃料の酸化が無いと仮定した場合の触媒温度との差を意味し、換言するとΔｔｈは、燃料の酸化熱エネルギーによる後端部位５ｃの触媒温度上昇への寄与度を表すパラメータである。即ち、後端部位５ｃの触媒温度が実際に暫定触媒活性温度に至り後端部位５ｃにおいて燃料の酸化が適切に行われていると、実際の触媒温度は上昇するため、Δｔｈの値が増大する。一方で、後端部位５ｃの触媒温度が実際には暫定触媒活性温度にまで至っておらず後端部位５ｃにおいて燃料の酸化が適切に行われていないと、後端部位５ｃに燃料が供給されても実際の触媒温度は上昇しないため、Δｔｈの値が増大せず、若しくはその増大量が比較的小さい。

そこで、Ｓ２０３では、Ｓ２０２で算出されたΔｔｈに基づいて、燃料添加弁６からの添加燃料が酸化されているか否かが判断される。具体的には、Δｔｈが所定温度Δｔｈ０以下であるか否かが判断される。Δｔｈ０は、燃料添加弁６からの添加燃料が酸化されているか否かを判断するためのｔｈｄｐ２＿ｏｆｆと排気温度センサ７による検出値との温度差の閾値である。ΔｔｈがΔｔｈ０以下であると判定されると、後端部位５ｃにおいて排気中の燃料の酸化が十分に行われない蓋然性が高いことを意味し、Ｓ１０７へ進み、燃料添加弁６からの燃料添加が禁止される。一方で、ΔｔｈがΔｔｈ０を超えると判定されると、後端部位５ｃにおいて排気中の燃料の酸化が十分に行われ得ることを意味し、Ｓ１
０８へ進み、燃料添加弁６からの燃料添加が禁止されているときは燃料添加を再開し、燃料添加弁６からの燃料添加が行われているときは継続して該燃料添加が行われる。Ｓ１０６又はＳ１０７の処理が終了すると、Ｓ１０８へ進む。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における燃料添加制御の別の実施の形態について、図４に基づいて説明する。尚、図４に示す制御フローが行われる内燃機関の排気浄化装置は図１に示すものと同一である。また、図４に示す制御フロー中、図２に示す制御フローの処理と同一の処理については、同一の参照番号を付して、その説明を省略する。

図４に示す制御フローにおいては、Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ３０１へ進む。Ｓ３０１では、Ｓ３０１へ移行後１０秒間隔で、排気温度センサ７によって排気温度が取得される。

ここで、図５に基づいて、排気温度センサ７によって取得される排気温度と、フィルタ５における吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒温度との関係について説明する。図５は、フィルタ５から流出する排気の温度推移を示すグラフである。該グラフの横軸は時間を表し、縦軸は排気温度を表している。また、グラフ中線Ｌ１、Ｌ２で表されるのが、排気温度の推移である。図５（ａ）、（ｂ）における横軸のＴ１〜Ｔ５における５つの時間は、各時間の間隔がＳ３０１における排気温度の取得間隔に対応して１０秒となっている。即ち、１０秒間隔で、排気温度センサ７によってフィルタ５から流出する排気の温度が検出される。

図５（ａ）は、フィルタ５の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が実際に暫定触媒活性温度に到達しているときの排気温度の推移である。この場合、内燃機関１が、減速運転等、内燃機関１から排出される排気温度が低下する運転状態でない限りは、時間Ｔ１〜Ｔ２で表すように、燃料添加弁６から添加された燃料の酸化熱エネルギー等により、フィルタ５から流出する排気温度は徐々に上昇する。また、内燃機関１が、減速運転等、内燃機関１から排出される排気温度が低下する運転状態である場合には、時間Ｔ２〜Ｔ４で表すように、排気温度は低下し、その排気温度の低下量はΔｔｈｓｃ１である。しかし、燃料の酸化熱エネルギーが発生しているため、低下量Δｔｈｓｃ１は比較的小さく、また、排気温度が低下する時間も比較的短く、その後排気温度は上昇に転じる。

一方で、図５（ｂ）に示す排気温度の推移は、実際のフィルタ５の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が暫定触媒活性温度に到達していないにもかかわらず、燃料添加弁６からの燃料添加が行われているときの排気温度の推移である。フィルタ５の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が実際には暫定触媒活性温度に到達していないため、燃料の酸化熱エネルギーは発生しない。従って、内燃機関１が、減速運転等、内燃機関１から排出される排気温度が低下する運転状態である場合には、時間Ｔ１〜Ｔ４で表すように、排気温度は低下し、その排気温度の低下量はΔｔｈｓｃ２である。そして、上述の通り、燃料の酸化熱エネルギーは発生しないため、排気温度の低下量Δｔｈｓｃ２は、図５（ａ）における低下量Δｔｈｓｃ１と比較して大きく、また長い時間にわたって排気温度の下降状態が続く。

よって、燃料添加弁６からの燃料添加時において、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が実際
に暫定触媒活性温度に到達しているか否かを、排気温度の低下量に基づいて判定することが可能となる。このとき、該判定の基準となる排気温度の低下量は、比較的長い時間における排気温度の低下量である必要がある。これは、排気温度の低下量の算出のための間隔を長くすることで、排気温度の変動の傾向が下降状態にあるのか、排気温度は一時的に下降するものの全体を通しては排気温度の変動が上昇状態にあるかが判定し得るからである。そして、図５（ｂ）に示すように排気温度の変動が下降状態にあるときは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が実際に暫定触媒活性温度に到達していないことを意味する。

そこで、Ｓ３０１の処理後、Ｓ３０２において、排気温度センサ７によって検出される排気温度が下降状態にあるか否かが判定される。具体的には、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、比較的長い期間における排気温度の低下量であるΔｔｈｓｃ１又はΔｔｈｓｃ２の値が、内燃機関の運転状態の変動に基づいて決定される排気温度の低下量を超えるときは、フィルタ５の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒温度は、実際は暫定触媒活性温度に到達していないと判断し得る。例えば、内燃機関の運転状態が減速状態となることで排気温度が２０度低下するとき、Δｔｈｓｃ１の排気温度の低下量は１０度であり、Δｔｈｓｃ２の排気温度の低下量が３０度であれば、Δｔｈｓｃ１の排気温度の低下が現れるフィルタ５の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒温度は、実際に暫定触媒活性温度に到達していると判定され、一方で、Δｔｈｓｃ２の排気温度の低下が現れるフィルタ５の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒温度は、実際は暫定触媒活性温度に到達していないと判定される。

排気温度センサ７によって検出される排気温度が下降状態にあると判定されると、フィルタ５において排気中の燃料の酸化が十分に行われない蓋然性が高いことを意味し、Ｓ１０７へ進み、燃料添加弁６からの燃料添加が禁止される。一方で、排気温度センサ７によって検出される排気温度が下降状態にないと判定されると、フィルタ５において排気中の燃料の酸化が十分に行われ得ることを意味し、Ｓ１０８へ進み、燃料添加弁６からの燃料添加が禁止されているときは燃料添加を再開し、燃料添加弁６からの燃料添加が行われているときは継続して該燃料添加が行われる。Ｓ１０６又はＳ１０７の処理が終了すると、Ｓ１０８へ進む。

本制御によると、フィルタ５における吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度上昇は、燃料添加弁６による燃料添加を利用することで、速やかに行われるとともに、該燃料添加時において触媒温度が添加された燃料が適切に酸化されない温度となる場合には該燃料添加の実行が禁止される。その結果、添加燃料によるエミッションの悪化を抑制することが可能となる。尚、本実施例において、排気温度センサ７による排気温度の取得間隔は１０秒であるが、これは一例であり、適宜変更可能である。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を表すブロック図である。本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、燃料添加弁から排気への燃料添加制御に関する第一のフローチャートである。本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、燃料添加弁から排気への燃料添加制御に関する第二のフローチャートである。本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、燃料添加弁から排気への燃料添加制御に関する第三のフローチャートである。本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、フィルタから流出する排気の温度推移を示すグラフである。

符号の説明

１・・・・内燃機関
３・・・・排気通路
４・・・・酸化触媒
４ａ・・・・前端部位
４ｂ・・・・後端部位
５・・・・フィルタ
５ａ・・・・前端部位
５ｃ・・・・後端部位
６・・・・燃料添加弁
７・・・・排気温度センサ
２０・・・・ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、酸化能を有する排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒に流入する排気に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
少なくとも前記排気浄化触媒に流入する排気の温度、該排気に含まれる還元剤量および該排気浄化触媒内の熱容量に基づいて、該排気浄化触媒の温度を推定する第一触媒温度推定手段と、
前記排気浄化触媒に流入する排気に含まれる還元剤に基づく該排気浄化触媒の温度上昇を除外したうえで、少なくとも該排気浄化触媒に流入する排気の温度および該排気浄化触媒内の熱容量に基づいて該排気浄化触媒の所定部位の温度を推定する第二触媒温度推定手段と、
前記第一触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の温度が暫定触媒活性温度を超えるとき、前記還元剤添加手段による排気への還元剤の添加を行う還元剤添加制御手段と、
前記第一触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の温度が前記暫定触媒活性温度より高い触媒活性温度を超えるとき、前記排気浄化触媒は活性状態にあると判定する触媒活性判定手段と、
前記還元剤添加制御手段によって排気への還元剤の添加が行われているときに、前記第二触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の前記所定部位の温度に基づいて該還元剤添加制御手段による排気への還元剤の添加を禁止する還元剤添加禁止手段と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。
前記第二触媒温度推定手段は、前記排気浄化触媒に排気が流入する部位である前端部位の温度を推定し、
前記還元剤添加禁止手段は、前記還元剤添加制御手段によって排気への還元剤の添加が行われているときに前記第二触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の前端部位の温度が前記暫定触媒活性温度以下となる場合、該還元剤添加制御手段による排気への還元剤の添加を禁止す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。
前記排気浄化触媒の下流側に設けられ、該排気浄化触媒から流出する排気の温度を検出する排気温度検出手段を、更に備え、
前記第二触媒温度推定手段は、前記排気浄化触媒から排気が流出する部位である後端部位の温度を推定し、
前記還元剤添加禁止手段は、前記還元剤添加制御手段によって排気への還元剤の添加が行われているときに前記第二触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の後端部位の温度と前記排気温度検出手段によって検出される排気の温度との温度差が所定温度以下となる場合、該還元剤添加制御手段による排気への還元剤の添加を禁止す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。
内燃機関の排気通路に設けられ、酸化能を有する排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒に流入する排気に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
少なくとも前記排気浄化触媒に流入する排気の温度、該排気に含まれる還元剤量および該排気浄化触媒内の熱容量に基づいて、該排気浄化触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、
前記排気浄化触媒の下流側に設けられ、該排気浄化触媒から流出する排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
前記触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の温度が暫定触媒活性温度を超えるとき、前記還元剤添加手段による排気への還元剤の添加を行う還元剤添加制御手段と、
前記触媒温度推定手段によって推定される前記排気浄化触媒の温度が前記暫定触媒活性温度より高い触媒活性温度を超えるとき、前記排気浄化触媒は活性状態にあると判定する触媒活性判定手段と、
前記還元剤添加制御手段によって排気への還元剤の添加が行われているときに、所定期
間において前記排気温度検出手段によって検出される排気温度の低下量が前記内燃機関の運転状態に基づいて決定される排気温度低下許容範囲を超えた場合、該還元剤添加制御手段による排気への還元剤の添加を禁止する還元剤添加禁止手段と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。