JP4452525B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関するものである。

近年、一部の内燃機関の排気系にはＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＯｘ浄化触媒が担持された担体やＰＭ（粒子状物質）を捕集するＰＭフィルタ、あるいはＰＭフィルタにＮＯｘ浄化触媒を担持させたＤＰＮＲ触媒等の排気浄化部材が設けられている。

これら排気浄化部材には、その浄化機能の回復等を行うために添加剤が供給される場合がある。例えば、ＮＯｘ浄化触媒が担持されたＰＭフィルタにこうした添加剤として燃料を供給することにより、ＮＯｘ浄化触媒に吸収されたＮＯｘが還元・放出されて同触媒のＮＯｘ浄化機能の回復が図られるとともに、ＰＭフィルタに捕集されたＰＭが焼失される。

ここで、上記添加剤を内燃機関の排気系に設けられた添加弁から供給する場合には、その噴射孔が排気に曝される。そのため、該噴射孔にはデポジット等の付着による詰まりが生じやすくなる。また噴射孔内にＰＭ等が侵入して堆積し、これによっても詰まりが生じやすくなる。そしてこのような結果、添加弁の流量低下が生じるおそれがある。

そこで、例えば特許文献１に記載の装置では、排気浄化部材の機能回復のための添加剤噴射が行われないときであっても、添加弁から添加剤を噴射させることにより、上述したような流量低下を抑制するようにしている。
特開２００３−２０１８３６号公報

ここで、上記特許文献１に記載の装置では、添加弁の流量低下を抑制するための添加剤噴射に際して、その噴射量を機関回転速度が高くなるほど、またアクセルペダルの操作量が大きくなるほど増大させるようにしている。

このように、噴射量を変化させることにより機関運転状態の変化に対応させて添加弁の流量低下を抑制することはできる。しかし、噴射量の設定傾向のみならずその量自体も好適に設定しなければ添加弁の流量低下を十分に抑制することはできないおそれがある。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気浄化部材に添加剤を噴射供給する添加弁にあって、同添加弁の流量低下を抑制するための好適な噴射量を確保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。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられて排気浄化部材に添加剤を噴射供給する添加弁を備え、同添加弁からの添加剤供給により前記排気浄化部材の機能回復を行う内燃機関の排気浄化装置において、前記添加弁はその先端部にサック部と、同サック部の内部空間に連通する通路である噴射孔とを有しており、前記排気浄化部材の機能回復が行われないときに、前記添加弁の噴射動作を通じて、前記サック部の内部空間の体積と前記噴射孔の通路の体積との総和であるサックボリューム以上の量の添加剤を前記サック部の内部空間及び前記噴射孔内に供給する噴射制御手段を備えることをその要旨とする。

同構成によれば、排気浄化部材の機能回復のための添加剤噴射が行われないときであっても、添加弁の噴射動作が行われる。そのため、添加弁の噴射孔に付着したデポジット等が吹き飛ばされるとともに、添加弁の先端内部に残留する添加剤によって噴射孔内へのＰＭ等の侵入も抑制される。ここで、このような添加剤噴射に際しては、サック部の内部空間の体積と噴射孔の通路の体積との総和であるサックボリューム以上の量の添加剤が噴射される。これにより、少なくとも上述したようなサック部の内部空間と噴射孔とが添加剤で満たされるため、噴射孔内へのＰＭ等の侵入を確実に抑制することができる。また、上記サックボリューム以上の量の添加剤が噴射される場合には、サック部の内部空間と噴射孔とを添加剤で満たすとともに、サックボリューム内に堆積したＰＭ等や噴射孔に付着したデポジット等も好適に吹き飛ばされるようになる。従って、添加弁の流量低下を抑制するとともに、そのための好適な噴射量を確保することができる

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記噴射制御手段は、前記排気浄化部材の温度が前記機能回復の行われる温度よりも低いときに前記添加弁の噴射動作を実行することをその要旨とする。

前記排気浄化部材の機能回復は同排気浄化部材の温度が所定の温度領域内にあるときに実行される。ここで、排気浄化部材の温度が機能回復の行われる温度よりも低いときには添加弁から添加剤が噴射されないため、同添加弁の噴射孔内へのＰＭ等の侵入が起きやすくなり、その流量低下も生じやすくなる。この点上記構成では、このような噴射孔内へのＰＭ等の侵入が起きやすいときに添加剤の噴射が行われるため、同添加弁の流量低下を好適に抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記噴射制御手段は、所定の噴射間隔時間毎に前記添加弁の噴射動作を実行することをその要旨とする。

上述したように、添加弁の噴射動作によってその先端内部には添加剤が残留し、噴射孔内へのＰＭ等の侵入を抑制することができる。ここで、添加弁の先端内部に残留する添加剤は、排気通路内に生じる負圧等によって吸い出されることがあり、この場合には噴射孔内へＰＭ等が侵入しやすくなる。この点上記構成では、添加剤が間欠噴射されるため、同噴射弁の先端内部には断続的に添加剤が供給される。そのため、上述したように添加弁の流量低下を長い期間にわたって抑制することができるようになる。

なお、このような間欠噴射に際しては、請求項４に記載の発明によるように、前記噴射間隔時間は前記添加弁の流量低下を抑制することのできる間隔が設定される、といった構成を採用することができる。

一方、添加弁の先端やその内部に堆積したＰＭ等は、ＮＯｘ等によってその固化が促進されることを本発明者らは確認している。そこで、請求項５に記載の発明によるように、前記噴射間隔時間は内燃機関のＮＯｘ排出量に基づいて設定される、といった構成を採用することにより、間欠噴射に際しての噴射間隔時間を好適に設定することができる。ここで、ＮＯｘ排出量が多いほどＰＭ等の固化がより促進されるため、同構成にあっては、ＮＯｘ排出量が多くなるほど噴射間隔時間が短くなるように設定するといった設定態様を採用することができる。

なお、ＮＯｘ排出量は請求項６に記載の発明によるように、気筒内への燃料噴射量及び機関回転速度の少なくともいずれかに基づいて推定することができる。
他方、排気の温度が高くなるほど上述したようなＰＭ等の固化は促進される。また、排気の温度と機関の冷却水温、あるいは吸気の温度とは互いに相関関係にある。そこで、請求項７に記載の発明によるように、前記噴射間隔時間は排気温度、冷却水温、及び吸気温度の少なくともいずれかに基づいて設定されるといった構成を採用することにより、上記間欠噴射に際しての噴射間隔時間を好適に設定することができる。ここで同構成にあっては、排気温度、冷却水温、及び吸気温度の少なくともいずれかが高くなるほど噴射間隔時間が短くなるように設定するといった設定態様を採用することができる。なお、排気温度については排気浄化部材の排気上流側の温度を検出、あるいは推定することが望ましい。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記噴射制御手段による前記添加弁の噴射動作に際しての噴射量を制限するとともに、その制限を実行するか否かを機関の冷却水温に基づいて判断する制限手段を備えることをその要旨とする。

機関の冷却水温が所定の温度よりも低くなると、添加弁の流量低下が生じにくくなることを本発明者らは確認している。これは冷却水温が低いときには内燃機関の本体温度も低く、添加弁の先端温度も低くなって、その先端部でのデポジット等の形成が抑制されるためであると推測される。そこで上記構成では、上述した添加弁の噴射動作に際しての噴射量を制限するか否かを冷却水温に基づいて判断し、この判断に基づいてその制限を実施するようにしている。そのため、添加弁の流量低下を抑えつつ、添加剤の噴射量を制限することができ、もって過度な添加剤の噴射を抑制することができる。また、冷却水温が低いときには排気浄化部材の浄化機能も低下していることが多く、添加剤の大気放出による排気エミッションの悪化が懸念されるが、上記構成によればこのようなときに噴射量が制限されるため、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記噴射制御手段による前記添加弁の噴射動作に際しての噴射量を制限するとともに、その制限を実行するか否かを前記添加弁の先端温度に基づいて判断する制限手段を備えることをその要旨とする。

上述したように冷却水温と添加弁の先端温度とは互いに相関関係にあるため、上記構成によるように、上述した添加弁の噴射動作に際しての噴射量を制限するか否かを添加弁の先端温度に基づいて判断するようにしても、請求項８に記載の発明と同様な作用効果を得ることができる。

なお、上述した添加弁の先端温度は、請求項１０に記載の発明によるように、冷却水温に基づいて推定することができる。
上記制限手段による噴射量の制限態様としては、請求項１１に記載の発明によるように、前記噴射制御手段による前記添加弁の噴射動作を中止させる、といった構成や、請求項１２に記載の発明によるように、前記噴射制御手段による前記添加弁の噴射動作に際しての噴射量を減量させる、といった構成を採用することができる。

（第１の実施形態）
以下、この発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を具体化した第１の実施形態について、図１〜図４を併せ参照して説明する。

図１は、本実施形態にかかる排気浄化装置を備えるディーゼル機関の制御装置、これが適用されるエンジン１、並びにそれらの周辺構成を示す概略構成図である。
エンジン１には複数の気筒＃１〜＃４が設けられている。シリンダヘッド２には複数の燃料噴射弁４ａ〜４ｄが取り付けられている。これら燃料噴射弁４ａ〜４ｄは各気筒＃１〜＃４の燃焼室に燃料を噴射する。また、シリンダヘッド２には、外気を気筒内に導入するための吸気ポートと燃焼ガスを気筒外へ排出するための排気ポート６ａ〜６ｄとが各気筒＃１〜＃４に対応して設けられている。

燃料噴射弁４ａ〜４ｄは、高圧燃料を蓄圧するコモンレール９に接続されている。コモンレール９はサプライポンプ１０に接続されている。サプライポンプ１０は燃料タンク内の燃料を吸入するとともにコモンレール９に高圧燃料を供給する。コモンレール９に供給された高圧燃料は、各燃料噴射弁４ａ〜４ｄの開弁時に同燃料噴射弁４ａ〜４ｄから気筒内に噴射される。

吸気ポートにはインテークマニホールド７が接続されている。インテークマニホールド７は吸気通路３に接続されている。この吸気通路３内には吸入空気量を調整するためのスロットル弁１６が設けられている。

排気ポート６ａ〜６ｄにはエキゾーストマニホールド８が接続されている。エキゾーストマニホールド８は排気通路２６に接続されている。
排気通路２６の途中には、排気成分を浄化する触媒装置３０が設けられている。この触媒装置３０の内部には直列に２つの排気浄化部材が配設されている。

この２つの排気浄化部材のうち、排気上流側に設けられた排気浄化部材は排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１である。他方、同ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の排気下流側に設けられた排気浄化部材は、大気に放出される排気中の粒子状物質、すなわちＰＭの量やＮＯｘの量等を低減するＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction system）触媒である。このＤＰＮＲ触媒３２は多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気中のＰＭは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気の空燃比がリーンの場合、排気中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると吸蔵しされたＮＯｘはＨＣやＣＯ等によって還元・放出される。

この他、エンジン１にはＥＧＲ装置が備えられている。このＥＧＲ装置は、吸入空気に排気の一部を導入することで気筒内の燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生量を低減させる装置である。この装置は吸気通路３と排気通路２６とを連通するＥＧＲ通路１３、同ＥＧＲ通路１３に設けられたＥＧＲ弁１５、ＥＧＲクーラ１４等により構成されている。ＥＧＲ弁１５はその開度を調整することにより排気通路２６から吸気通路３に導入される排気還流量、すなわちＥＧＲ量を調整する。ＥＧＲクーラ１４はＥＧＲ通路１３内を流れる排気の温度を低下させる。またＥＧＲ弁１５にはＥＧＲ弁開度センサ２２が配設されており、このＥＧＲ弁開度センサ２２によりＥＧＲ弁１５の開度、すなわちＥＧＲ弁開度ＥＡが検出される。

また、エンジン１は、気筒に導入される吸入空気を排気圧を利用して過給するターボチャージャ１１を備えている。吸気側タービンとスロットル弁１６との間の吸気通路３には、このターボチャージャ１１の過給により温度が上昇する吸入空気の温度を低下させるため、インタークーラ１８が備えられている。

エンジン１には、機関運転状態を検出するための各種センサが取り付けられている。例えば、エアフロメータ１９は吸気通路３内の吸入空気量を検出する。スロットル開度センサ２０はスロットル弁１６の開度を検出する。空燃比センサ２１は排気の空燃比を検出する。排気温度センサ２９は触媒装置３０の排気上流側の排気温度ＥＸＴを検出する。機関回転速度センサ２３はクランクシャフトの回転速度、すなわち機関回転速度ＮＥを検出する。アクセルセンサ２４はアクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル操作量ＡＣＣＰを検出する。空燃比センサ２１は排気の空燃比を検出する。水温センサ２８はエンジン１の冷却水温を検出する。

これら各種センサの出力は電子制御装置２５に入力される。この電子制御装置２５は、中央処理制御装置（ＣＰＵ）、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、タイマカウンタ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心として構成されている。そして、この電子制御装置２５により、例えば、燃料噴射弁４ａ〜４ｄの燃料噴射量や燃料噴射時期、サプライポンプ１０の吐出圧力、スロットル弁１６を開閉するアクチュエータ１７の駆動量、ＥＧＲ弁１５の開度等、エンジン１の各種制御が行われる。

他方、シリンダヘッド２にはＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１やＤＰＮＲ触媒３２に燃料を噴射供給するための添加弁である噴射ノズル５０が取り付けられている。この噴射ノズル５０からは、第１気筒＃１の排気ポート６ａ内に向けて添加剤である燃料が噴射される。このとき噴射された燃料は、排気とともにＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１やＤＰＮＲ触媒３２に到達する。また、噴射ノズル５０とサプライポンプ１０とは燃料供給管２７によって接続されており、燃料である軽油が供給されるようになっている。この噴射ノズル５０は燃料噴射弁４ａ〜４ｄと同様な構造を有しており、電子制御装置２５によってその噴射量及び噴射時期は制御される。

図２は、噴射ノズル５０の先端部分における断面構造を模式的に示している。
この図２に示されるように、噴射ノズル５０はその先端部が排気ポート６ａに突出するようにシリンダヘッド２に取り付けられている。噴射ノズル５０は略円筒状をなす金属製のハウジング５１と、このハウジング５１の内部に往復動可能に設けられたニードル弁５２とを備えている。また、ハウジング５１の先端側内周部分にはニードル弁５２の先端部が離着座する弁座５３が形成されている。ハウジング５１はニードル弁５２を収容する略円筒状をなすスリーブ５４と前記弁座５３よりも先端側に形成された中空半球状をなすサック部５５とから構成されている。コモンレール９内の燃料はサック部５５の内部空間に導入される。サック部５５の先端部分には、サック部５５の内部空間に連通する通路である噴射孔５６が形成されている。このサック部５５の内部空間の体積と噴射孔５６の通路の体積との総和、より厳密にはニードル弁５２が弁座５３に着座した状態にあって、同ニードル弁５２の先端面と弁座５３を構成する面とサック部５５の内壁とで囲まれる部分の体積及び噴射孔５６の通路の体積の総和を以下、「サックボリューム」という。

そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１やＤＰＮＲ触媒３２の温度が所定の温度領域にあるとき、このような噴射ノズル５０からの燃料添加が実施され、これよりＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１やＤＰＮＲ触媒３２に吸蔵されたＮＯｘの還元・放出が図られる。また、ＤＰＮＲ触媒３２に捕集されたＰＭ等が焼失される。すなわち触媒装置３０の機能回復が図られる。

ところで、上記噴射ノズル５０の噴射孔５６は排気に曝されるため、同噴射孔５６にはデポジット等の付着による詰まりが生じやすくなる。また噴射孔５６内にＰＭ等が侵入して堆積し、これによっても詰まりが生じやすくなる。ここで、上述したような触媒装置３０の機能回復時には噴射ノズル５０から燃料が噴射されるためにこのような詰まりは生じにくいものの、同機能回復が行われないときには燃料添加が実施されないために詰まりが生じやすくなり、噴射ノズル５０の流量低下が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態ではこうした噴射ノズル５０の流量低下を抑制すべく、その燃料の噴射態様を好適に設定するようにしている。以下、噴射ノズル５０の噴射量と流量低下率との関係、並びに同関係に基づく燃料の噴射制御態様とについてそれぞれ説明する。なお、流量低下率とは、設定された燃料噴射量と実際に噴射された燃料噴射量との比率であり、噴射孔５６の詰まり度合が高まるほど流量低下率は大きくなる。

図３は、噴射量と流量低下率との関係を示している。この図３に示されるように、噴射量が上記サックボリュームよりも少なくなると流量低下率が大きくなる傾向にある。逆に言えば噴射量が上記サックボリューム以上になると流量低下率が低く抑えられる傾向にある。これは、噴射量としてサックボリュームと同じ量を設定すると、サック部５５の内部空間や噴射孔５６等が燃料で満たされ、これら噴射孔５６やサック部５５内にＰＭ等が侵入できなくなるためである。さらに噴射量としてサックボリュームよりも多い量を設定すると、サック部５５の内部空間や噴射孔５６等が燃料で満たされるとともに、噴射孔５６に堆積したＰＭや、同噴射孔５６に付着したデポジット等を吹き飛ばすことができるためである。

このような噴射量と流量低下率との関係をふまえて実施される制御であって、噴射ノズル５０の流量低下を抑制するのための燃料噴射制御について、図４を併せ参照して説明する。

図４は、噴射ノズル５０の流量低下を抑制するための噴射制御についてその処理手順を示している。この処理は電子制御装置２５によって所定時間毎に繰り返し実行される。また、この処理は上記噴射制御手段を構成する。

本処理が開始されるとまず、排気温度ＥＸＴが読み込まれ、その値が判定値Ａに満たないか否かが判定される（ステップＳ１００）。この判定値Ａは、触媒装置３０の温度がその機能回復を図ることのできる温度であるか否かを判定するための値であって、適宜設定されている。そして、排気温度ＥＸＴが判定値Ａ以上である旨判定される場合には（ステップＳ１００：ＮＯ）、本処理は一旦終了される。なお、このときには別途設定された噴射制御によって触媒装置３０の機能回復に必要な量の燃料が噴射ノズル５０から噴射される。

一方、排気温度ＥＸＴが判定値Ａに満たない旨判定される場合には（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、すなわち、触媒装置３０の温度がその機能回復を図ることのできる温度よりも低い旨判定されたときには、噴射ノズル５０の流量低下を抑制するために噴射ノズル５０から燃料が噴射され（ステップＳ１１０）、本処理は一旦終了される。このときの燃料噴射に際しては、噴射量をサックボリューム以上（本実施形態では６０ｍｍ^３以上）に設定しているが、この値は噴射ノズル５０の流量低下を抑制することのできる値であれば、適宜変更することができる。

このように本実施形態によれば、触媒装置３０の機能回復が実施されない場合であっても、噴射ノズル５０から燃料が噴射されるため、同噴射ノズル５０の流量低下が抑制される。さらに先の図３に示した関係から噴射量を設定するようにしている。そのため、噴射ノズル５０の流量低下を抑制するための好適な噴射量も確保される。

以上説明したように、本実施形態によれば次のような効果を得ることができる。
（１）触媒装置３０の機能回復が行われないときに、噴射ノズル５０から燃料を噴射させるようにしている。そのため、触媒装置３０の機能回復のための燃料添加が行われないときであっても、噴射ノズル５０の噴射孔５６に付着したデポジット等が吹き飛ばされるとともに、噴射ノズル５０の先端内部に残留する燃料によって噴射孔５６内へのＰＭ等の侵入も抑制される。ここで、このような燃料噴射に際しては、噴射ノズル５０の流量低下を抑制することのできる量以上の燃料、具体的には上記サックボリューム以上の量の燃料が噴射される。そのため、サック部５５の内部空間と噴射孔５６とが燃料で満たされ、噴射孔５６内へのＰＭ等の侵入が確実に抑制される。また、サックボリューム以上の量の燃料が噴射されるため、サック部５５の内部空間と噴射孔５６とを燃料で満たすとともに、サックボリューム内に堆積したＰＭ等や同噴射孔５６に付着したデポジット等も好適に吹き飛ばされるようになる。従って、噴射ノズル５０の流量低下を抑制するとともに、そのための好適な噴射量を確保することができるようになる。

（２）触媒装置３０の温度がその機能回復の行われる温度よりも低いときに、噴射ノズル５０による燃料噴射を実行するようにしている。すなわち、噴射孔５６内へのＰＭ等の侵入が起きやすいときに燃料の噴射を行うようにしているため、噴射ノズル５０の流量低下を好適に抑制することができるようになる。
（第２の実施形態）
次に、この発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を具体化した第２の実施形態について、図５を併せ参照して説明する。

上記第１の実施形態では、先の図３に示した噴射量と流量低下率との関係に基づいて、噴射ノズル５０の流量低下を抑制するための好適な噴射量を確保するようにした。
他方、図５は、所定の噴射間隔時間で噴射ノズル５０から燃料を噴射させる、すなわち間欠噴射を実施する場合にあって、噴射間隔時間と流量低下率との関係を示している。この図５に示されるように、ある噴射間隔時間Ｔ１よりも短い噴射間隔時間では流量低下率の増大を抑制することができる。これは、次の理由によるものと考えられる。

すなわち、噴射ノズル５０からの燃料噴射によってその先端内部を満たした燃料は、排気通路内に生じる負圧等によって吸い出されることがあり、この場合には噴射孔５６内へＰＭ等が侵入しやすくなる。この点、間欠噴射を実施する場合には、噴射ノズル５０の先端内部に断続的に燃料が供給され、また噴射間隔時間が短くなるほど同先端内部には燃料が残留しやすくなるため、ＰＭの侵入を長い期間にわたって抑制することができる。また、噴射孔５６内にＰＭが侵入したとしてもその固化にはある程度の時間を要するため、噴射間隔時間が短くなるほどＰＭが固化する前に燃料噴射が行われるようになり、同燃料噴射によってＰＭや固化途中のデポジット等が吹き飛ばされるようになる。

これらのことから、噴射ノズル５０内の先端内部に燃料を保持しておける時間、及びＰＭが固化する前に燃料噴射によってこれを吹き飛ばすことのできる限界時間が上記噴射間隔時間Ｔ１となっていると考えられる。

そこで本実施形態では、上述したステップＳ１１０での燃料噴射に際して、所定の噴射間隔時間毎に燃料噴射を実行するようにしている。また、その噴射間隔時間を上記噴射間隔時間Ｔ１に設定するようにしている。なお、本実施形態における排気浄化装置では、噴射間隔時間Ｔ１を２分として設定しているが、この値は噴射ノズル５０の流量低下を抑制することのできる値であれば、適宜変更することができる。

このように本実施形態によれば、触媒装置３０の機能回復が実施されない場合であっても、噴射ノズル５０から燃料が噴射されるため、同噴射ノズル５０の流量低下が抑制される。さらに先の図３及び図５に示した関係から噴射量と噴射間隔時間とを設定するようにしている。そのため、噴射ノズル５０の流量低下を抑制するための噴射量や噴射間隔時間も好適に確保される。

以上説明したように本実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加え、次のような効果を得ることができる。
（１）所定の噴射間隔時間毎に噴射ノズル５０から燃料を噴射させるようにしている。そのため、噴射ノズル５０の流量低下を長い期間にわたって抑制することができるようになる。
（第３の実施形態）
次に、この発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を具体化した第３の実施形態について、図６を併せ参照して説明する。

図６は、噴射ノズル５０の詰まりに関する加速試験を実施したときの流量低下率を示している。この試験ではエンジン１の運転状態を加速状態、定常走行状態、アイドル状態の順で繰り返し変化させて冷却水温を所定の温度まで上昇させた後、エンジン１を停止させ、冷却水温が機関冷間時の温度まで低下してから再び、上記運転状態の変化を繰り返すようにしている。なお、冷間始動回数とは、上述したような態様でエンジン１の運転状態を変化させて冷却水温を所定の温度まで上昇させ、その後冷間時の温度まで低下させるといった一連の処理を１回としている。また、図６に「□」で示される流量低下率は、冷却水温を８０℃まで上昇させたときの流量低下率を示している。また、同図６に「△」で示される流量低下率は、冷却水温を６５℃まで上昇させたときの流量低下率を示している。この図６に示されるように、冷却水温が低い場合には流量低下率がほとんど起きないことを本発明者らは確認した。これは、冷却水温が低いときにはエンジン１の本体温度も低く、噴射ノズル５０の先端温度も低くなって、その先端部でのデポジット等の形成が抑制されるためであると推測される。

そこで本実施形態では、上記第２の実施形態で実施される燃料噴射制御において、その噴射量を制限するか否かをエンジン１の冷却水温に基づいて判断するとともに、同噴射量に対する制限処理を実行する制限手段を備えるようにしており、その制限処理に際しては上記燃料噴射制御による燃料噴射を中止させるようにしている。これは、先の図４に示したステップＳ１００の処理の直前または直後に、噴射ノズル５０からの燃料噴射を実行するか否かを冷却水温に基づいて判断する制限処理を追加することにより具現化されている。

なお本実施形態では、この制限処理としてエンジン１の冷却水温が所定の温度に満たないときに上記燃料噴射制御による燃料噴射を中止させるようにしており、その所定の温度を７０℃に設定しているが、この値は噴射ノズル５０の流量低下を抑制することのできる値であれば、適宜変更することができる。また、上記制限処理は第１の実施形態における燃料噴射制御にも同様に追加して実施することができる。

このような本実施形態によれば、第２の実施形態における効果に加え、次のような効果を得ることができる。
（１）噴射ノズル５０の燃料噴射に際して、その噴射量を制限するか否かを冷却水温に基づいて判断するようにしており、その制限態様として燃料噴射を中止させるようにしている。そのため、噴射ノズル５０の流量低下を抑えつつ、過度な燃料の噴射を抑制することができる。また、冷却水温が低いときには触媒装置３０の浄化機能も低下していることが多く、燃料の大気放出による排気エミッションの悪化が懸念されるが、上記実施形態によればこのようなときに燃料の噴射量が制限されるため、排気エミッションの悪化を抑制することもできる。

なお、上記各実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・第２の実施形態では噴射間隔時間として予め設定された固定値を設定するようにしたが、これを可変設定するようにしてもよい。

例えば、噴射ノズル５０の先端やその内部に堆積したＰＭ等は、ＮＯｘ等によってその固化が促進されることを本発明者らは確認している。そこで、エンジン１のＮＯｘ排出量に基づいて噴射間隔時間を設定するようにしてもよい。この場合には間欠噴射に際しての噴射間隔時間を好適に設定することができる。なお、ＮＯｘ排出量が多いほどＰＭ等の固化がより促進されるため、この変形例にあっては、ＮＯｘ排出量、例えば図７に例示するようにＮＯｘの累積量が多くなるほど噴射間隔時間が短くなるように可変設定するといった設定態様を採用することが望ましい。ちなみに、ＮＯｘ排出量は排気の量と相関関係にあるため、同ＮＯｘ排出量は気筒内への燃料噴射量及び機関回転速度の少なくともいずれかに基づいて推定することができる。

他方、排気の温度が高くなるほど上述したようなＰＭ等の固化は促進される。また、排気の温度と機関の冷却水温、あるいは吸気の温度とは互いに相関関係にある。そこで、先の図７に例示するように、排気温度、冷却水温、及び吸気温度の少なくともいずれかに基づいて噴射間隔時間を設定するようにしてもよい。この場合にも、間欠噴射に際しての噴射間隔時間を好適に設定することができる。ちなみにこの変形例にあっては、排気温度、冷却水温、及び吸気温度の少なくともいずれかが高くなるほど噴射間隔時間が短くなるように設定するといった設定態様を採用することが望ましい。また、排気温度については触媒装置３０の排気上流側の温度を検出、あるいは推定することが望ましい。

・第３の実施形態では、噴射量を制限するか否かを冷却水温に基づいて判断するようにしたが、冷却水温と噴射ノズル５０の先端温度とは互いに相関関係にあるため、同噴射ノズル５０の先端温度に基づいて上述したような制限処理を実行するか否かを判断するようにしてもよい。なお、上述した噴射ノズル５０の先端温度は冷却水温に基づいて推定することができる。

・第３の実施形態では、制限処理による制限態様として燃料噴射を中止させるようにしたが、燃料噴射に際しての噴射量を減量させるようにしてもよい。この場合であっても、噴射ノズル５０の流量低下を抑えつつ、過度な燃料の噴射を抑制することができる。また、排気エミッションの悪化を抑制することもできる。

・上記各実施形態では触媒装置３０の温度がその機能回復の行われる温度よりも低いときに、噴射ノズル５０の流量低下を抑制するための燃料噴射を実行するようにしたが、触媒装置３０の温度がその機能回復の行われる温度よりも高いときに、同様な態様で噴射ノズル５０の流量低下を抑制するための燃料噴射を実行するようにしてもよい。

・第１の実施形態では、触媒装置３０の機能回復を実行するか否かを排気温度に基づいて判定するようにしたが、燃料添加によって触媒装置３０の機能回復が図れるか否かを判定することのできるパラメータであれば、他のパラメータ、例えば触媒装置３０内の排気浄化部材の温度に関与するパラメータ等を用いるようにしてもよい。

また、第１の実施形態では排気温度を実際に検出するようにしたが、機関負荷等に基づいて推定するようにしてもよい。
・上記各実施形態及びその変形例において触媒装置３０内に設けられる排気浄化部材の数は適宜変更することができる。

・上記各実施形態及びその変形例において触媒装置３０内に設けられる排気浄化部材の種類は適宜変更することができる。例えばＤＰＮＲ触媒３２をＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、すなわち排気中のＰＭ等を捕集するＰＭフィルタとしてのみ機能する排気浄化部材に変更することもできる。また、触媒装置３０内に異なる種類の排気浄化部材を設ける場合にあって、排気の流れ方向におけるそれらの位置関係は任意である。例えば第１の実施形態における触媒装置３０内の排気浄化部材の位置関係として、排気上流側から順にＤＰＮＲ触媒３２とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１とを設けるようにしてもよい。

・上記各実施形態及びその変形例における添加剤は内燃機関用の燃料であったが、これと同様な作用が得られる添加剤であればどのようなものでもよい。
・上記各実施形態及びその変形例において、噴射ノズル５０は触媒装置３０の排気上流側であればその取り付け位置は任意である。また、噴射ノズル５０は燃料噴射弁４ａ〜４ｄと同様な構造を有するものに限定されるものではなく、要は添加剤を排気浄化部材に供給する添加弁であれば、本発明は同様に適用することができる。

本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の第１の実施形態について、これが適用される内燃機関及びその周辺構成を示す概略図。 同実施形態における噴射ノズルについて、その先端部分における断面構造を示す模式図。 噴射量と流量低下率との関係を示すグラフ。 同実施形態における燃料噴射制御の処理手順を示すフローチャート。 第２の実施形態における噴射間隔時間と流量低下率との関係を示すグラフ。 第３の実施形態における冷却水温と流量低下率との関係を示すグラフ。 第２の実施形態の変形例において、ＮＯｘ累積量、排気温度、冷却水温、及び吸気温度と噴射間隔時間との対応関係を示す説明図。

符号の説明

１…エンジン、２…シリンダヘッド、３…吸気通路、４ａ〜４ｄ：燃料噴射弁、６ａ〜６ｄ…排気ポート、７…インテークマニホールド、８…エキゾーストマニホールド、９…コモンレール、１０…サプライポンプ、１１…ターボチャージャ、１３…ＥＧＲ通路、１４…ＥＧＲクーラ、１５…ＥＧＲ弁、１６…スロットル弁、１７…アクチュエータ、１８…インタークーラ、１９…エアフロメータ、２０…スロットル開度センサ、２１…空燃比センサ、２２…ＥＧＲ弁開度センサ、２３…機関回転速度センサ、２４…アクセルセンサ、２５…電子制御装置、２６…排気通路、２７…燃料供給管、２８…水温センサ、２９…排気温度センサ、３０…触媒装置、５０…噴射ノズル、５１…ハウジング、５２…ニードル弁、５３…弁座、５４…スリーブ、５５…サック部、５６…噴射孔。

Claims (12)

1. 内燃機関の排気系に設けられて排気浄化部材に添加剤を噴射供給する添加弁を備え、同添加弁からの添加剤供給により前記排気浄化部材の機能回復を行う内燃機関の排気浄化装置において、
   前記添加弁はその先端部にサック部と、同サック部の内部空間に連通する通路である噴射孔とを有しており、
   前記排気浄化部材の機能回復が行われないときに、前記添加弁の噴射動作を通じて、前記サック部の内部空間の体積と前記噴射孔の通路の体積との総和であるサックボリューム以上の量の添加剤を前記サック部の内部空間及び前記噴射孔内に供給する噴射制御手段を備える
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記噴射制御手段は、前記排気浄化部材の温度が前記機能回復の行われる温度よりも低いときに前記添加弁の噴射動作を実行する
   請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記噴射制御手段は、所定の噴射間隔時間毎に前記添加弁の噴射動作を実行する
   請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記噴射間隔時間は前記添加弁の流量低下を抑制することのできる間隔が設定される
   請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記噴射間隔時間は内燃機関のＮＯｘ排出量に基づいて設定される
   請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記ＮＯｘ排出量は、気筒内への燃料噴射量及び機関回転速度の少なくともいずれかに基づいて推定される
   請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記噴射間隔時間は排気温度、冷却水温、及び吸気温度の少なくともいずれかに基づいて設定される
   請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記噴射制御手段による前記添加弁の噴射動作に際しての噴射量を制限するとともに、その制限を実行するか否かを機関の冷却水温に基づいて判断する制限手段を備える
   請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記噴射制御手段による前記添加弁の噴射動作に際しての噴射量を制限するとともに、その制限を実行するか否かを前記添加弁の先端温度に基づいて判断する制限手段を備える
   請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記添加弁の先端温度は冷却水温に基づいて推定される
    請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 前記制限手段は、前記噴射制御手段による前記添加弁の噴射動作を中止させる
    請求項８〜１０のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 前記制限手段は、前記噴射制御手段による前記添加弁の噴射動作に際しての噴射量を減量させる
    請求項８〜１０のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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