JP4998326B2 - 排気ガス浄化システムの制御方法及び排気ガス浄化システム - Google Patents

排気ガス浄化システムの制御方法及び排気ガス浄化システム Download PDF

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Description

本発明は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等の再生時において、空燃比リッチ制御等のために未燃燃料供給制御を行う際に、白煙と黒煙の両方が低減される排気ガス浄化システムの制御方法及び排気ガス浄化システムに関する。
車両搭載の内燃機関から大気中へのＮＯｘ排出量を減少するために、ＮＯｘ低減触媒として、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ：Lean NOx Trap)が使用されている。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスがリーン空燃比では、ＮＯｘを吸蔵し、リッチ空燃比では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを還元雰囲気中で還元して、ＮＯｘを低減するものである。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出及び還元して再生するためには、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を還元雰囲気に晒す必要がある。そのため、ディ−ゼルエンジンでは、通常運転時はリーン状態であるが、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生のために、内燃機関の運転状態を変更して、排気ガスを一時的にリッチ状態にする空燃比リッチ制御を実施している。
また、排気ガス中のＰＭ（微粒子状物質）を捕集するために、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が使用されているが、ＰＭの捕集量が増加した場合には、ＰＭの燃焼温度までＤＰＦを昇温してＰＭを燃焼除去している。このＤＰＦの昇温によるＰＭの燃焼除去のために、排気ガス昇温制御が行われるが、この排気ガス昇温制御において、空燃比リッチ制御を実施している。
この空燃比リッチ制御の実施には、未燃燃料供給制御が行われることが多く、この未燃燃料供給制御では、シリンダ内の燃料噴射制御において主噴射の後にポスト噴射を行うポスト噴射制御と、排気管に設けた燃料（還元剤）噴射装置から直接排気管内に燃料を噴射する排気管内直接噴射制御が用いられている。
例えば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ還元制御で、シリンダ内で燃焼する燃料を増加して内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチ側にするリッチパージ手段と、排気ガス中に未燃燃料を噴射して触媒に未燃燃料を供給する燃料添加手段とを備えて、リッチパージ手段と燃料添加手段とを選択的に用い、この燃料添加手段として、触媒の上流側に設置した燃料添加弁の排気管内直接噴射とメイン噴射後に後噴射するポスト噴射のいずれかを用いる内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、ポスト噴射の場合には、ポスト噴射による燃料噴射分だけでは、触媒を還元雰囲気に到達させることができないので、ポスト噴射と同時に大量のＥＧＲ（排気再循環）を行う。この大量のＥＧＲを、高負荷状態で、エンジン内の燃焼温度が高いときに行うと、メイン噴射の燃焼に必要とされる酸素の濃度が低下してしまい、シリンダ内の燃焼が悪化して黒煙が発生するという問題がある。
また、排気管内直接噴射の場合には、燃料噴射分のみで触媒を還元雰囲気に到達させることができるので、大量ＥＧＲは行わない。しかし、低負荷状態で触媒温度が低いときに行うと、触媒が活性化していないため、燃料が触媒をそのまま通過（スリップ）してしまい、未燃焼の燃料がそのまま大気中に排出され、白煙が発生するという問題がある。
この白煙と黒煙の低減は、自動車に対する新たな長期排ガス規制においては、ＰＭの規制の強化と共に重要視され、この白煙と黒煙の低減は重要な課題となってきている。
特開２００７−１７０２１８号公報
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガス浄化装置の浄化能力を回復する再生時に行う空燃比リッチ制御において、排気ガス中に未燃燃料を供給する未燃燃料供給制御時に、黒煙と白煙の両方を低減することができる排気ガス浄化システムの制御方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。
上記のような目的を達成するための排気ガス浄化システムの制御方法は、内燃機関の排気ガスが空燃比リーン状態時に、排気ガスを浄化し、排気ガスが空燃比リッチ状態時に浄化能力を再生する排気ガス浄化装置を備えると共に、排気ガスを空燃比リッチ状態にするための未燃燃料供給制御で、シリンダ内噴射においてポスト噴射するポスト噴射と排気管内に燃料を直接噴射する排気管内直接噴射の両方を行う排気ガス浄化システムの制御方法におけるものである。
この排気ガス浄化システムの制御方法において、内燃機関の運転状態が低負荷時には、ポスト噴射を使用して排気管内直接噴射を使用せずに未燃燃料供給制御を行い、中負荷時は、ポスト噴射と排気管内直接噴射の両方を使用して未燃燃料供給制御を行い、高負荷時は、ポスト噴射を使用せずに排気管内直接噴射を使用して未燃燃料供給制御を行う。
それと共に、中負荷時の未燃燃料供給制御では、内燃機関の運転状態から算出した目標空燃比で吸入空気量を割り算し、この割り算した値から内燃機関の運転状態によって要求される燃料流量を引き算して、排気ガスを空燃比リッチ状態にするために追加する未燃燃料の目標添加量を算出し、ポスト噴射量と排気管内直接噴射量の比率である添加量比率を内燃機関の運転状態から算出し、この添加量比率を前記目標添加量に掛け算してポスト噴射量を算出し、前記目標添加量から前記ポスト噴射量を引き算して排気管内直接噴射量を算出し、算出された前記ポスト噴射量と前記排気管内直接噴射量で未燃燃料供給する。
このポスト噴射とは、未燃燃料を排気管内に添加及び供給するもので、燃料はシリンダ内に噴射されるがシリンダ内では燃焼せずに排気管中に未燃のまま流出する噴射制御のことをいい、噴射された燃料がシリンダ内で燃料してシリンダから出る排気ガスの温度上昇に寄与するマルチ噴射（多段遅延噴射）とは異なる。また、排気管内直接噴射とは、排気管内燃料噴射が高温のシリンダ内を通過しないのに、ポスト噴射はシリンダ内を通過する点で異なる。
このポスト噴射は、シリンダ内で、排気管噴射よりも高い温度の雰囲気中に噴射されるために、燃料がある程度分解し、ＨＣガスとして触媒等に供給されるため、触媒が低温時であっても燃焼され易い状態となっており、低負荷等の排気温度が低い場合に、ポスト噴射の方が排気管内直接噴射よりも触媒反応上有利となる。
一方、高負荷では、シリンダ内温度が高いため、ポスト噴射の燃料はＨＣガス生成を超えて、酸化燃焼反応が促進されてしまうが、この時ＥＧＲ等でシリンダ内の酸素濃度が低いと、不完全燃焼が生じ黒煙が発生する。
また、本発明の排気ガス浄化装置の具体的な例としては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持した触媒装置や、ディーゼルパティキュレートフィルタや触媒を担持したディーゼルパティキュレートフィルタ等のフィルタ装置がある。
この制御方法によれば、低負荷時には排気管内直接噴射を使用しないので、白煙の発生を回避しながら、ある程度の燃料のＨＣガス化である分解を行うことができて触媒反応を促進でき、一方、高負荷時にはポスト噴射を使用しないので、シリンダ内の不完全燃料による黒煙の発生を回避できる。また、中負荷時には、内燃機関の運転状態から算出された添加量比率から、ポスト噴射量と排気管内直接噴射量を求めているので、黒煙と白煙の両方の発生を抑制しながら、未燃燃料供給を行うことができる。
上記の排気ガス浄化システムの制御方法において、前記添加量比率を、ＥＧＲ制御とポスト噴射制御を同時に行った場合に黒煙の発生が生じない限界に基づいて設定する。
この方法によれば、ポスト噴射で触媒に供給される未燃燃料は、燃料がある程度分解して、反応し易いＨＣガスになっているため、触媒上で素早く反応する。一方、排気管内噴射で触媒に供給される未燃燃料は、触媒上で分解してから反応するため、より高い温度の雰囲気が必要であり、しかも、触媒反応も遅くなる。この方法では、ポスト噴射を排気管内直接噴射よりも優先させているので、黒煙発生を回避しながら、効率よく未燃燃料を触媒反応させることができる。
上記の排気ガス浄化システムの制御方法において、前記排気ガス浄化装置がＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置とその上流側の酸化触媒装置を有して構成され、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置の触媒温度を指標する第１温度が所定の第１温度閾値以下の場合には、ポスト噴射を禁止し、前記第１温度が所定の第２温度閾値以下で、かつ、前記酸化触媒装置の触媒温度を指標する第２温度が所定の第３温度閾値以下の場合には、前記排気管内直接噴射を禁止すると共に、前記所定の第１温度閾値をポスト噴射で噴射された未燃燃料がＮＯｘ吸蔵還元型触媒で反応する温度とし、前記所定の第２温度閾値を排気管内直接噴射で噴射された未燃燃料がＮＯｘ吸蔵触媒で反応する温度とし、前記所定の第３温度閾値を排気管内直接噴射で噴射された未燃燃料が酸化触媒で反応する温度とする。この触媒温度を指標するとは、この触媒温度を推定するのに使用する温度のことで、触媒に流入する排気ガス温度や流出する排気ガス温度等を用いることができる。
この方法によれば、ポスト噴射のときも排気管内直接噴射のときも、噴射される未燃燃料が未反応のまま、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の下流側に流出するのを防止できる。
そして、上記の目的を達成するための排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気ガスが空燃比リーン状態時に、排気ガスを浄化し、排気ガスが空燃比リッチ状態時に浄化能力を再生する排気ガス浄化装置を備えると共に、排気ガスを空燃比リッチ状態にするための未燃燃料供給制御で、シリンダ内噴射においてポスト噴射するポスト噴射と排気管内に燃料を直接噴射する排気管内直接噴射の両方を行う制御装置を備えた排気ガス浄化システムである。
この排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、内燃機関の運転状態が低負荷時には、ポスト噴射を使用して排気管内直接噴射を使用せずに未燃燃料供給制御を行い、中負荷時は、ポスト噴射と排気管内直接噴射の両方を使用して未燃燃料供給制御を行い、高負荷時は、ポスト噴射を使用せずに排気管内直接噴射を使用して未燃燃料供給制御を行うように構成する。
それと共に、前記制御装置が、中負荷時の未燃燃料供給制御では、内燃機関の運転状態から算出した目標空燃比で吸入空気量を割り算し、この割り算した値から内燃機関の運転状態によって要求される燃料流量を引き算して、排気ガスを空燃比リッチ状態にするために追加する未燃燃料の目標添加量を算出し、ポスト噴射量と排気管内直接噴射量の比率である添加量比率を内燃機関の運転状態から算出し、この添加量比率を前記目標添加量に掛け算してポスト噴射量を算出し、前記目標添加量から前記ポスト噴射量を引き算して排気管内直接噴射量を算出し、算出された前記ポスト噴射量と前記排気管内直接噴射量で未燃燃料供給する制御を行うように構成する。
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記添加量比率を、ＥＧＲ制御とポスト噴射制御を同時に行った場合に黒煙の発生が生じない限界に基づいて設定するように構成する。
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記排気ガス浄化装置がＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置とその上流側の酸化触媒装置を有して構成され、前記制御装置が、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置の触媒温度を指標する第１温度が所定の第１温度閾値以下の場合には、ポスト噴射を禁止し、前記第１温度が所定の第２温度閾値以下で、かつ、前記酸化触媒装置の触媒温度を指標する第２温度が所定の第３温度閾値以下の場合には、前記排気管内直接噴射を禁止すると共に、前記所定の第１温度閾値をポスト噴射で噴射された未燃燃料がＮＯｘ吸蔵還元型触媒で反応する温度とし、前記所定の第２温度閾値を排気管内直接噴射で噴射された未燃燃料がＮＯｘ吸蔵触媒で反応する温度とし、前記所定の第３温度閾値を排気管内直接噴射で噴射された未燃燃料が酸化触媒で反応する温度とするように構成する。
これらの排気ガス浄化システムによれば、上記の排気ガス浄化システムの制御方法を実施でき、同様の効果を奏することができる。
本発明に係る排気ガス浄化システムの制御方法及び排気ガス浄化システムによれば、排気ガス浄化装置の浄化能力を回復する再生時に行う空燃比リッチ制御において、排気ガス中に未燃燃料を供給する未燃燃料供給制御のときに、ポスト噴射制御と排気管内直接噴射制御とを使い分けることで、シリンダ内の燃焼状態が悪化することを防止してシリンダ内燃焼を良好な状態に維持しながら、排気ガス中に未燃燃料を供給できるので、黒煙と白煙の両方を低減することができ、また、ＰＭの発生量が増加することを抑制することができる。
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの制御方法及び排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、上流側から順に酸化触媒装置とＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置とフィルタ装置を備えた排気ガス浄化システムを引用して説明する。
しかし、本発明は、これに限定されず、内燃機関の排気ガスが空燃比リーン状態時に、排気ガスを浄化し、排気ガスが空燃比リッチ状態時に浄化能力を再生する排気ガス浄化装置を備えると共に、排気ガスを空燃比リッチ状態にするための未燃燃料供給制御で、シリンダ内噴射においてポスト噴射するポスト噴射と排気管内に燃料を直接噴射する排気管内直接噴射の両方を行う制御装置を備えた排気ガス浄化システムに適用できる。
図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１は、ディーゼルエンジン（内燃機関）１０の排気通路１１に、酸化触媒装置１２ａ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１２ｂ、フィルタ装置１２ｃを上流側から順に配置した排気ガス浄化装置１２を設けて構成する。この排気ガス浄化装置１２の上流側に排気管内燃料噴射弁１３を設ける。また、更に排気通路１１の上流側には、ターボチャージャ１７のタービン１７ｂが配置される。
酸化触媒装置１２ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成する。また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１２ｂは、モノリス触媒で形成され、コージェライトハニカムなどの担持体に酸化アルミニウム、酸化チタン等の触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒金属と、バリウム（Ｂａ）、カリウム（Ｋ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構成される。
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１２ｂは、酸素濃度が高い排気ガスの状態、即ち、空燃比リーン状態の時に、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いかゼロの排気ガスの状態、即ち、空燃比リッチ状態か空燃比ストイキ状態の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。
フィルタ装置１２ｃは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネル（排気ガスの通路）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタ等で形成され、必要に応じて、このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒が担持される。排気ガス中のＰＭ（微粒子状物質）は、このフィルタ装置１２ｃの多孔質セラミックの壁で捕集される。このフィルタ装置１２ｃでは、ＰＭの捕集量が増加して圧力損失が増加するのを防止するために、ＰＭの捕集量が所定の捕集量を超えた場合やフィルタ装置１２ｃの前後差圧が所定の差圧量を超えた場合に、排気ガス温度を上昇して、フィルタ装置をＰＭの燃料温度以上に昇温する排気昇温制御を行う。この排気昇温制御では、未燃燃料供給制御を含む空燃比リッチ制御が行われる。
また、吸気通路１４には、エアクリーナ１５、ＭＡＦセンサ（吸入空気量センサ）１６、ターボチャージャ１７のコンプレッサ１７ａ、インタークーラー１８、吸気絞り弁１９が設けられる。また、ＥＧＲ通路２０が吸気マニホールド１４ａと排気マニホールド１１ａを接続して設けられる。このＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲクーラー２１とＥＧＲ弁２２が設けられる。
また、更に、この排気ガス浄化システム１の制御のために、酸化触媒装置１２ａとＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１２ｂの間に第１排気ガス温度センサ２３が設けられ、酸化触媒装置１２ａの上流側に第２排気ガス温度センサ２４が設けられる。また、フィルタ装置１２ｃの下流側にＮＯｘ／空気過剰率センサ２５が設けられる。
これらのセンサ２３、２４、２５の計測値とディーゼルエンジン１０の運転状況を示す、エンジン回転数Ｎｅ、燃料流量（又は負荷）Ｑ、冷却水温度、吸入空気量Ｖａ等を入力して、エンジン１０やターボチャージャ１７や排気管内燃料噴射弁１３等を制御する制御装置（ＥＣＭ：エンジンコントロールモジュール）３０が設けられる。
この制御装置３０は、エンジン１０の全般的な制御を行うと共に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１２ｂのＮＯｘ浄化能力の回復のための再生制御（以下ＮＯｘ再生制御という）や硫黄被毒から回復のための硫黄パージ制御や、フィルタ装置１２ｃのＰＭを燃焼除去するための再生制御（以下ＰＭ再生制御という）を行う。この制御装置３０から出力される制御信号により、エンジンの燃料噴射制御や、ターボチャージャ１７、吸気絞り弁１９、ＥＧＲ弁２２、排気管内燃料噴射弁１３等が制御される。
次に、上記の排気ガス浄化システム１における制御方法について説明する。この制御方法では、制御装置３０により、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１２ｂのＮＯｘ吸蔵能力に起因するＮＯｘ浄化能力を回復するためのＮＯｘ再生制御や、硫黄被毒に起因するＮＯｘ浄化能力を回復するための硫黄パージ制御や、フィルタ装置１２ｃの捕集されたＰＭを燃焼除去することでＰＭ浄化能力の回復を図るＰＭ再生制御等に際して、次のような未燃燃料供給制御を行う。
そして、本発明においては、未燃燃料供給制御は、図２に示すような制御フローに従って行われる。この図２の制御フローは、上級の制御フローで、空燃比リッチ制御が必要であり、しかも、未燃燃料供給制御が必要と判断されたときに呼ばれて、実行されて上級フローに戻ることを、この制御が必要と判断されている間は、繰り返し呼ばれて実行される制御フローとして示してある。
この図２の制御フローがスタートすると、最初のステップＳ１１の目標空燃比（又は目標空気過剰率）の算出で、エンジン回転数Ｎｅと燃料流量Ｑから、第１マップデータを参照して、目標空燃比Ａｔ（又は目標空気過剰率λｔ）を算出する。この燃料流量Ｑは通常の運転の場合に、エンジン１０の要求された出力を発生するために必要な燃料量である。
この目標空燃比Ａｔ（又は目標空気過剰率λｔ）は、今回の未燃燃料供給制御で必要とされる空燃比（又は空気過剰率）であり、通常の空燃比リッチ制御では、空気過剰率λに換算した値で概ね０．８５〜０．９５程度である。この第１マップデータは、エンジン回転数Ｎｅと燃料流量Ｑをベースとして目標の空燃比（又は空気過剰率）を示すデータであり、ベンチテストなどの結果を基に予め設定されたデータである。
次に、ステップＳ１２の目標添加量の算出で、リッチ雰囲気にするのに必要な目標添加量Ｑｒ、つまり、ポスト噴射量Ｑｐと排気管内直接噴射量Ｑｅの和Ｑｒを、吸入空気量Ｖａ、燃料流量Ｑ、理論空燃比Ａｒとから算出する。吸入空気量Ｖａには、ＭＡＦセンサ１６で測定された値を用いる。この算出には、目標空燃比Ａｔ＝吸入空気量／総燃料量＝吸入空気量Ｖａ／（目標添加量Ｑｒ＋燃料流量Ｑ）の関係を用いる。これから、目標添加量Ｑｒ＝吸入空気量Ｖａ／目標空燃比Ａｔ−燃料流量Ｑとなる。つまり、目標添加量Ｑｒは吸入空気量Ｖａを目標空燃比Ａｔで割り算した（商）（Ｖａ／Ａｔ）から燃料流量Ｑを引き算した値（差）（Ｖａ／Ａｔ−Ｑ）となる。
また、目標空気過剰率λｔを用いる場合には、更に、目標空気過剰率λｔ＝目標空燃比Ａｔ／理論空燃比Ａｒの関係を用いる。つまり、目標空燃比Ａｔ＝目標空気過剰率λｔ×理論空燃比Ａｒであるので、目標添加量Ｑｒ＝（吸入空気量Ｖａ／（目標空気過剰率λｔ×理論空燃比Ａｒ））−燃料流量Ｑ＝（Ｖａ／（λｔ×Ａｒ）−Ｑ）となる。言い換えれば、目標添加量Ｑｒは、目標空気過剰率λｔに理論空燃比Ａｒを掛け算した値（積）（λｔ×Ａｒ）で、吸入空気量Ｖａを割り算し、この割り算した値（商）（Ｖａ／（λｔ×Ａｒ））からエンジン１０の運転状態によって要求される燃料流量Ｑを引き算した値（差）として求める。この理論空燃比Ａｒはディーゼルエンジンでは、１４．８程度である。
次に、ステップＳ１３の添加量比率の算出で、ポスト噴射量Ｑｐと目標添加量Ｑｒ（＝Ｑｐ＋Ｑｅ）の比（Ｑｐ／Ｑｒ）である添加量比率Ｒｐを算出する。この添加量比率Ｒｐの算出は、エンジン回転数Ｎｅと燃料流量（又は負荷）Ｑから第２マップデータを参照して、添加量比率Ｒｐを算出する。この第２マップデータは、エンジン回転数Ｎｅと燃料流量Ｑをベースとして、添加量比率Ｒｐを示すデータであり、ベンチテストなどの結果を基に予め設定されたデータである。
この第２マップデータの添加量比率Ｒｐに関しては、エンジン１０の運転状態が低負荷であるときには、ポスト噴射を使用して排気管内直接噴射を使用せずに未燃燃料供給制御を行うようにＲｐ＝１．０とし、中負荷であるときは、ポスト噴射と排気管内直接噴射の両方を使用して未燃燃料供給制御を行うように１．０＞Ｒｐ＞０．０とし、高負荷であるときは、ポスト噴射を使用せずに排気管内直接噴射を使用して未燃燃料供給制御を行うようにＲｐ＝０．０とする。
そして、この中負荷の添加量比率Ｒｐを、ＥＧＲ制御とポスト噴射制御を同時に行った場合に黒煙の発生が生じない限界に基づいて設定する。この黒煙発生の限界を試験的に確認して、これらのデータからポスト噴射量Ｑｐと排気管内直接噴射量Ｑｅの添加量比率Ｒｐを示す第２マップデータを作成する。この第２マップデータはエンジン回転数Ｎｅと燃料流量Ｑをベースとする３次元マップとなる。
また、この添加量比率Ｒｐは、所定のエンジン運転状態で、ＥＧＲとポスト噴射によって黒煙を生じない限界に基づくものであり、この黒煙発生の状態はシリンダ内の燃焼温度によって決まるが、燃焼温度の検出は難しいので、この燃焼温度の代用としてＥＧＲ率と排気ガス温度、ＥＧＲガス温度を用いて、ＥＧＲ率と排気ガス温度から添加量比率Ｒｐを算出するように構成してもよい。例えば、ＥＧＲ率が５０％〜６０％以上で、ＥＧＲ温度が２００℃〜２５０℃以下等の範囲では、黒煙の発生を抑えながらＥＧＲとポスト噴射を行うことができる。
これによれば、ポスト噴射で触媒に供給される未燃燃料は、燃料がある程度分解して、反応し易いＨＣガスになっているため、触媒上で素早く反応する。一方、排気管内噴射で触媒に供給される未燃燃料は、触媒上で分解してから反応するため、より高い温度の雰囲気が必要であり、しかも、触媒反応も遅くなる。この方法では、ポスト噴射を排気管内直接噴射よりも優先させているので、黒煙発生を回避しながら、効率よく未燃燃料を触媒反応させることができる。
次のステップＳ１４のポスト噴射量の算出では、ポスト噴射量Ｑｐを算出する。このポスト噴射量Ｑｐは、目標添加量Ｑｒ×添加量比率Ｒｐ＝Ｑｒ×Ｒｐで算出される。つまり、目標添加量Ｑに添加量比率Ｒｐを掛けた値（積）として算出される。
次のステップＳ１５の排気管内直接噴射量の算出では、排気管内直接噴射量Ｑｅを算出する。この排気管内直接噴射量Ｑｅは、目標添加量Ｑｒ−ポスト噴射量Ｑｐ＝Ｑｒ−Ｑｐで算出される。つまり、目標添加量Ｑｒからポスト噴射量Ｑｐを引き算した値（差）として算出される。
次のステップＳ１６とＳ１７の排気ガス温度によるポスト噴射と排気管内直接噴射の可否判定では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１２ｂの触媒温度を指標する第１排気ガス温度センサ２３で検出された第１排気ガス温度Ｔ１と酸化触媒装置１２ａの触媒温度を指標する第２排気ガス温度センサ２４で検出された第２排気ガス温度Ｔ２により、ポスト噴射の禁止の判定と排気管内直接噴射の禁止の判定を行う。
このポスト噴射の禁止の判定と排気管内直接噴射の禁止の判定に関して、ステップＳ１６のポスト噴射の可否判定では、ポスト噴射による燃料添加を禁止するか否かを判定する。ポスト噴射に関しては、第１排気ガス温度センサ２３で検出した第１排気ガス温度Ｔ１が所定の第１温度閾値Ｔ１ａより高い場合（ＹＥＳ）には、ポスト噴射は可と判断し、ステップＳ１６に行く。また、第１排気ガス温度Ｔ１が所定の第１温度閾値Ｔ１ａ以下の場合（ＮＯ）には、ポスト噴射は不可であると判断し、リターンに行く。
次のステップＳ１７の排気管内直接噴射の可否判定では、排気管内直接噴射による燃料添加を禁止するか否かを判定する。排気管内直接噴射に関しては、第１排気ガス温度Ｔ１が所定の第２温度閾値Ｔ１ｂより高く、かつ、第２排気ガス温度センサ２４で検出した第２排気ガス温度Ｔ２が所定の第３温度閾値Ｔ３ａより高い場合（ＹＥＳ）には、排気管内直接噴射は可として、ステップＳ１８に行く。また、第１排気ガス温度Ｔ１が所定の第２温度閾値Ｔ１ｂ以下、または、第２排気ガス温度Ｔ２が所定の第３温度閾値Ｔ２ａ以下の場合（ＮＯ）には、排気管内直接噴射は不可と判定し、リターンに行く。
この所定の第１温度閾値Ｔ１ａと所定の第２温度閾値Ｔ１ｂは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１２ｂの触媒が活性化する温度であり、所定の第３温度閾値Ｔ２ａは、酸化触媒装置１２ａの触媒が活性化する温度である。これらの温度閾値Ｔ１ａ，Ｔ１ｂ，Ｔ２ａ以下であると、未燃燃料は触媒反応が生じないまま、下流側に流出し、白煙となってしまう。
これらの所定の第１温度閾値Ｔ１ａと所定の第２温度閾値Ｔ２ａは、同じＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１２ｂにおける白煙限界値を示すものであるが、前者は未燃燃料がより分解され易いポスト噴射による未燃燃料が触媒反応を開始する温度であり、後者は排気管内直接噴射による未燃燃料が触媒反応を開始する温度である。なお、この両者の差は小さいので制御の都合で同じ値としてもよい。また、所定の第３温度閾値Ｔ２ａは、排気管内直接噴射での酸化触媒装置１２ａにおける白煙限界値を示すものである。
これらの温度閾値Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ２ａはエンジン回転数Ｎｅ、燃料流量（又は負荷）Ｑをベースとする３次元の第３、第４及び第５マップデータによって算出される。また、これらの閾値Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ２ａの値は２００℃〜２５０℃程度である。
このステップＳ１６とステップＳ１７の未燃燃料供給の禁止により、急加速時等で、触媒温度が未だ低い状態、即ち、高負荷でも触媒温度が低温の場合には、未燃燃料供給を行わないので、白煙の発生を防止できる。
次のステップＳ１８では、ポスト噴射量Ｑｐと排気管内直接噴射量Ｑｅで、ポスト噴射と排気管内直接噴射のいずれか一方または両方で未燃燃料供給を所定の時間（一連の制御のインターバルに関係する時間）の間行う。その後、リターンする。
このリターンの後は、再生制御等で、この図２による未燃燃料供給制御を必要とする状態が継続していれば、再度、上級の制御フローから呼ばれて、ステップＳ１１〜ステップＳ１６又はステップＳ１７又はステップＳ１８が繰り返し実行される。また、エンジン１０の運転状態の変化や空燃比リッチ制御の進捗によって、未燃燃料供給制御を必要とする状況から必要としない状況に変化した場合には、その変化により、図示しないが、図２の制御フローの途中で割り込みが生じて、必要に応じて終了作業をした後、リターンして、この図２の制御フローは終了する。その後は、新たな必要が生じるまで、図２の制御フローが呼ばれなくなる。
この制御方法によれば、エンジン（内燃機関）１０の運転状態が低負荷時には、ポスト噴射を使用して排気管内直接噴射を使用せずに未燃燃料供給制御を行い、中負荷時は、ポスト噴射と排気管内直接噴射の両方を使用して未燃燃料供給制御を行い、高負荷時は、ポスト噴射を使用せずに排気管内直接噴射を使用して未燃燃料供給制御を行うことができる。
それと共に、中負荷時の未燃燃料供給制御では、エンジン１０の運転状態から算出した目標空燃比Ａｔで吸入空気量Ｖａを割り算し、この割り算した値からエンジン１０の運転状態によって要求される燃料流量Ｑを引き算して、排気ガスを空燃比リッチ状態にするために追加する未燃燃料の目標添加量Ｑｒを算出し、ポスト噴射量Ｑｐと排気管内直接噴射量Ｑｅの比率である添加量比率Ｒｐをエンジン１０の運転状態から算出し、この添加量比率Ｒｐを目標添加量Ｑｒに掛け算してポスト噴射量Ｑｐを算出し、目標添加量Ｑｒからポスト噴射量Ｑｐを引き算して排気管内直接噴射量Ｑｅを算出し、算出されたポスト噴射量Ｑｐと排気管内直接噴射量Ｑｅで未燃燃料供給することができる。
つまり、低負荷では、白煙が生成され難いポスト噴射で未燃燃料供給を行い、高負荷では、黒煙が生成され難い排気管内直接噴射で未燃燃料供給を行う。また、ポスト噴射と排気管内直接噴射とが切り替わる中負荷領域では、両方を同時に使用し、傾斜（ランプ）をつけて徐々に切り替えていく。これにより、白煙と黒煙の両方の生成を抑制することができる。
この中負荷時のポスト噴射と排気管内直接噴射との併用の効果について、図３〜図５を参照しながら説明する。上記のポスト噴射と排気管内直接噴射を併用した場合を図３に示し、ポスト噴射のみで排気管内直接噴射を行わない場合を図４に示す。排気管内直接噴射のみでポスト噴射を行わない場合を図５に示す。いずれも、横軸は、エンジン１０のトルク発生量（負荷）に関係する燃料流量Ｑであり、縦軸は、図３では「ポスト噴射量Ｑｐ／目標添加量Ｑｒ」と「排気管内直接噴射量Ｑｅ／目標添加量Ｑｒ」であり、図４では、「Ｑｐ／Ｑｒ」と「黒煙発生量」であり、図５では、「Ｑｅ／Ｑｒ」と「白煙発生量」である。
図３では、燃料流量Ｑの増加に際して、最初はポスト噴射量Ｑｐのみで対応し、黒煙の発生限界に達したら、それ以後は、ポスト噴射量Ｑｐの割合を減少し、排気管内直接噴射量Ｑｅを増加し、黒煙の発生限界Ｑｔ１を超えたらそれ以後は排気管内直接噴射量Ｑｅのみで対応する。この場合には、両方の噴射を行う「Ｑｐ＋Ｑｅ」の範囲で白煙と黒煙の発生が多少見られる。なお、図３では、この白煙と黒鉛の発生量は図示はしていない。
一方、図４に示すように、ポスト噴射量Ｑｐのみで対応した場合には、燃料流量Ｑが増加すると黒煙の発生限界Ｑｔ１以降は黒煙の発生が見られる。また、図５に示すように、排気管内直接噴射のみで対応した場合には、燃料流量Ｑが少ないと排気ガスの温度が低く白煙の発生するので、白煙の発生限界Ｑｔ２までは白煙の発生が見られる。
従って、上記の排気ガス浄化システムの制御方法および排気ガス浄化システム１によれば、排気ガス浄化装置１２の浄化能力を回復する再生時に行う空燃比リッチ制御において、排気ガス中に未燃燃料を供給する未燃燃料供給制御のときに、ポスト噴射制御と排気管内直接噴射制御とを使い分けることで、シリンダ内の燃焼状態が悪化することを防止してシリンダ内燃焼を良好な状態に維持しながら、排気ガス中に未燃燃料を供給できるので、黒煙と白煙の両方を低減することができ、また、ＰＭの発生量が増加することを抑制することができる。
また、ポスト噴射量と排気管内直接噴射量を、実際の吸入空気量と実際の燃料量とから求めるため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒等による還元量等を確認しながら、目標空燃比Ａｔを変更するだけでよく、ポスト噴射量Ｑｐと排気管内直接噴射量Ｑｅの最適化が容易となる。ポスト噴射量Ｑｐと排気管内直接噴射量Ｑｅに関しては、添加量比率Ｒｐと目標空燃比Ａｔを変更すると、黒煙、白煙、エンジン出力の変化に起因するドライビリティー（乗り心地性）の３つのパラメータの割合が変化するが、目標空燃比Ａｔの変化は、この３つのパラメータ以外のパラメータには影響しないので、添加量Ｑｒが少なくなってＮＯｘが還元できなくなるのこと等が生じない。
本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの制御方法の未燃燃料供給制御を示す制御フローの図である。 燃料流量の増加時におけるポスト噴射量と排気管内直接噴射量の関係を示す図である。 燃料流量の増加時においてポスト噴射のみで対応した場合の黒煙の発生を模式的に示す図である。 燃料流量の増加時において排気管内直接噴射のみで対応した場合の白煙の発生を模式的に示す図である。
符号の説明
１ 排気ガス浄化システム
１０ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１１ 排気通路
１２ 排気ガス浄化装置
１２ａ 酸化触媒装置
１２ｂ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置
１２ｃ フィルタ装置
１３ 排気管内燃料噴射弁
１４ 吸気通路
１６ ＭＡＦセンサ（吸入空気量センサ）
２２ ＥＧＲ弁
２３ 第１排気ガス温度センサ
２４ 第２排気ガス温度センサ
２５ ＮＯｘ／空気過剰率センサ
３０ 制御装置（ＥＣＭ）

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気ガスが空燃比リーン状態時に、排気ガスを浄化し、排気ガスが空燃比リッチ状態時に浄化能力を再生する排気ガス浄化装置を備えると共に、排気ガスを空燃比リッチ状態にするための未燃燃料供給制御で、シリンダ内噴射においてポスト噴射するポスト噴射と排気管内に燃料を直接噴射する排気管内直接噴射の両方を行う排気ガス浄化システムの制御方法において、
    内燃機関の運転状態が低負荷時には、ポスト噴射を使用して排気管内直接噴射を使用せずに未燃燃料供給制御を行い、中負荷時は、ポスト噴射と排気管内直接噴射の両方を使用して未燃燃料供給制御を行い、高負荷時は、ポスト噴射を使用せずに排気管内直接噴射を使用して未燃燃料供給制御を行うと共に、
    中負荷時の未燃燃料供給制御では、
    内燃機関の運転状態から算出した目標空燃比で吸入空気量を割り算し、この割り算した値から内燃機関の運転状態によって要求される燃料流量を引き算して、排気ガスを空燃比リッチ状態にするために追加する未燃燃料の目標添加量を算出し、
    ポスト噴射量と排気管内直接噴射量の比率である添加量比率を内燃機関の運転状態から算出し、この添加量比率を前記目標添加量に掛け算してポスト噴射量を算出し、
    前記目標添加量から前記ポスト噴射量を引き算して排気管内直接噴射量を算出し、
    算出された前記ポスト噴射量と前記排気管内直接噴射量で未燃燃料供給することを特徴とする排気ガス浄化システムの制御方法。
  2. 前記添加量比率を、ＥＧＲ制御とポスト噴射制御を同時に行った場合に黒煙の発生が生じない限界に基づいて設定することを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システムの制御方法。
  3. 前記排気ガス浄化装置がＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置とその上流側の酸化触媒装置を有して構成され、
    前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置の触媒温度を指標する第１温度が所定の第１温度閾値以下の場合には、ポスト噴射を禁止し、前記第１温度が所定の第２温度閾値以下で、かつ、前記酸化触媒装置の触媒温度を指標する第２温度が所定の第３温度閾値以下の場合には、前記排気管内直接噴射を禁止すると共に、
    前記所定の第１温度閾値をポスト噴射で噴射された未燃燃料がＮＯｘ吸蔵還元型触媒で反応する温度とし、前記所定の第２温度閾値を排気管内直接噴射で噴射された未燃燃料がＮＯｘ吸蔵触媒で反応する温度とし、前記所定の第３温度閾値を排気管内直接噴射で噴射された未燃燃料が酸化触媒で反応する温度とすることを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス浄化システムの制御方法。
  4. 内燃機関の排気ガスが空燃比リーン状態時に、排気ガスを浄化し、排気ガスが空燃比リッチ状態時に浄化能力を再生する排気ガス浄化装置を備えると共に、排気ガスを空燃比リッチ状態にするための未燃燃料供給制御で、シリンダ内噴射においてポスト噴射するポスト噴射と排気管内に燃料を直接噴射する排気管内直接噴射の両方を行う制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
    前記制御装置が、
    内燃機関の運転状態が低負荷時には、ポスト噴射を使用して排気管内直接噴射を使用せずに未燃燃料供給制御を行い、中負荷時は、ポスト噴射と排気管内直接噴射の両方を使用して未燃燃料供給制御を行い、高負荷時は、ポスト噴射を使用せずに排気管内直接噴射を使用して未燃燃料供給制御を行うと共に、
    中負荷時の未燃燃料供給制御では、
    内燃機関の運転状態から算出した目標空燃比で吸入空気量を割り算し、この割り算した値から内燃機関の運転状態によって要求される燃料流量を引き算して、排気ガスを空燃比リッチ状態にするために追加する未燃燃料の目標添加量を算出し、
    ポスト噴射量と排気管内直接噴射量の比率である添加量比率を内燃機関の運転状態から算出し、この添加量比率を前記目標添加量に掛け算してポスト噴射量を算出し、
    前記目標添加量から前記ポスト噴射量を引き算して排気管内直接噴射量を算出し、
    算出された前記ポスト噴射量と前記排気管内直接噴射量で未燃燃料供給する制御を行うことを特徴とする排気ガス浄化システム。
  5. 前記制御装置が、前記添加量比率を、ＥＧＲ制御とポスト噴射制御を同時に行った場合に黒煙の発生が生じない限界に基づいて設定することを特徴とする請求項４記載の排気ガス浄化システム。
  6. 前記排気ガス浄化装置がＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置とその上流側の酸化触媒装置を有して構成され、
    前記制御装置が、
    前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置の触媒温度を指標する第１温度が所定の第１温度閾値以下の場合には、ポスト噴射を禁止し、前記第１温度が所定の第２温度閾値以下で、かつ、前記酸化触媒装置の触媒温度を指標する第２温度が所定の第３温度閾値以下の場合には、前記排気管内直接噴射を禁止すると共に、
    前記所定の第１温度閾値をポスト噴射で噴射された未燃燃料がＮＯｘ吸蔵還元型触媒で反応する温度とし、前記所定の第２温度閾値を排気管内直接噴射で噴射された未燃燃料がＮＯｘ吸蔵触媒で反応する温度とし、前記所定の第３温度閾値を排気管内直接噴射で噴射された未燃燃料が酸化触媒で反応する温度とすることを特徴とする請求項４又は５記載の排気ガス浄化システム。
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