JP5835293B2

JP5835293B2 - 内燃機関

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Publication number: JP5835293B2
Application number: JP2013189627A
Authority: JP
Inventors: 寿丈梅本; 悠樹美才治; 吉田　耕平; 耕平吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: RU2016108471A; RU2641774C2; EP3044433A1; KR101800982B1; CN105531451A; US20160281573A1; US9926826B2; EP3044433B1; CN105531451B; KR20160035088A; WO2015037405A1; JP2015055216A

Description

本発明は内燃機関に関する。

機関排気通路内にNO_X浄化触媒を配置し、NO_X浄化触媒上流の機関排気通路内に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、リーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに機関から排出されたNO_XをNO_X浄化触媒に吸蔵させ、NO_X浄化触媒から吸蔵されたNO_Xを放出させるためにNO_X浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときには、機関の運転状態に応じて、燃焼室内にリッチ空燃比の燃焼ガスを生成するか、或いは還元剤供給弁から還元剤を噴射するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。この内燃機関では燃焼室内における燃焼ガスの空燃比がリーンからリッチに切替えられたとき、およびリッチにされているとき、およびリッチからリーンに切替えられたときに大量の煤が発生し、この大量に発生した煤によって還元剤供給弁のノズル孔が目詰まりを生ずる危険性がある。そこでこの内燃機関では、リッチ空燃比の燃焼が行われてから次のリッチ空燃比の燃焼が行われるまでの間に還元剤供給弁から少量の還元剤を噴射させてノズル孔に付着した煤を吹き飛ばし、それにより還元剤供給弁のノズル孔が目詰まりずるのを阻止するようにしている。

特開２００９−２７０５６７号公報

ところでこれまで、機関から煤が排出されると、煤が還元剤供給弁のノズル孔内に侵入してノズル孔の内周面上に付着堆積し、それによってノズル孔が目詰まりを生ずると考えられていた。従って、従来より、上述の内燃機関におけるように、機関から大量の煤が排出されたときにはノズル孔が目詰まりを生ずる危険性があると判断され、従って機関から大量の煤が排出されたときには還元剤供給弁から目詰まり防止用の還元剤を噴射することによってノズル孔が目詰まりするのを阻止するようにしている。しかしながら、本発明者がノズル孔の目詰まりについて研究を重ねた結果、還元剤供給弁からの還元剤の噴射作用が行われていないときに機関から大量の煤が排出されたとしても煤がノズル孔内に侵入せず、従って機関から大量の煤が排出されたことがノズル孔の目詰まりの原因ではなく、目詰まりの原因は、還元剤供給弁からの還元剤の噴射終了時に煤がノズル孔内に引きずり込まれることにあることが判明したのである。

即ち、還元剤供給弁からの還元剤の噴射終了時に噴射を停止すべくニードル弁が閉弁せしめられたとき、ノズル孔内に存在している還元剤は慣性力でもってノズル孔から流出する。その結果、このときノズル孔内は一時的に負圧となり、従ってこのときノズル孔の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在するとこれらの煤がノズル孔内に引き込まれ、これらの煤がノズル孔の内周面上に付着することになる。しかしながらこのように煤がノズル孔の内周面上に付着しても、短時間のうちに還元剤供給弁からの次の噴射が行われると、ノズル孔の内周面上に付着した煤は吹き飛ばされ、従ってこの場合にはノズル孔が目詰まりを生ずることはない。ところが、煤がノズル孔の内周面上に付着してから時間が経過すると煤がノズル孔の内周面上に固着し、煤がノズル孔の内周面上に固着すると還元剤が噴射されても煤が吹き飛ばされなくなる。その結果、ノズル孔の目詰まりが生ずることになる。従って、ノズル孔が目詰まりを生じないようにするには短い周期でもって還元剤供給弁から還元剤を噴射させることが必要となる。しかしながら、短い周期でもって還元剤供給弁から還元剤を噴射させると還元剤の消費量が増大することになる。

さて、上述したように、ノズル孔の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在すると還元剤供給弁からの還元剤の噴射終了時にこれらの煤がノズル孔内に引き込まれ、これらの煤がノズル孔の目詰まりを引き起こす。これに対し、ノズル孔の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在しないときに還元剤供給弁から還元剤を噴射すれば煤がノズル孔内に引き込まれることがなく、煤がノズル孔の内周面上に付着することがなくなる。従って、ノズル孔の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在しないときに還元剤供給弁から還元剤を噴射すれば、目詰まりが生ずることがなく、従ってノズル孔の内周面上に付着した煤を吹き飛ばすために短い周期でもって還元剤供給弁から還元剤を噴射する必要がなくなるために還元剤の消費量を大幅に低減できることになる。なお、ノズル孔の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在しなくなるのは燃焼室内への燃料の供給が停止されていて煤が発生していないときであり、従ってこのときに、還元剤供給弁から還元剤の噴射を行えば還元剤の消費量を大幅に低減できることになる。

従って、本発明では、機関排気通路内に配置された還元剤供給弁と、還元剤供給弁からの還元剤の噴射作用を制御するための還元剤噴射制御装置とを具備しており、還元剤供給弁は機関排気通路内に開口するノズル孔を具備すると共にノズル孔の内端側において開閉制御される形式の供給弁からなり、還元剤噴射制御装置は排気処理に必要な量の還元剤を噴射する排気処理用噴射制御と、還元剤供給弁のノズル孔の目詰まりを防止するために排気処理に必要な量の還元剤に比べて少量の還元剤を還元剤供給弁から噴射する目詰まり防止噴射制御とを行う内燃機関において、還元剤噴射制御装置は、排気処理用噴射制御の停止期間中において、燃焼室内への燃料の供給が停止されたときに、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から噴射し、かつ目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から一度噴射した後は排気処理用噴射制御が再開されるまで、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から噴射するのを停止する。

排気処理用噴射制御が行われているときには周期的に還元剤が噴射されるために還元剤供給弁のノズル孔の目詰まりは生じず、ノズル孔の目詰まりが生ずる危険性があるのは排気処理用噴射制御が停止されたときである。そこで本発明では、ノズル孔の目詰まりが生ずる危険性のある排気処理用噴射制御の停止期間中は、燃焼室内への燃料の供給が停止されたときに、即ち機関から煤が排出されていないときに目詰まり防止用還元剤が還元剤供給弁から噴射される。従って、目詰まり防止用還元剤が噴射されたときに煤がノズル孔の内周面上に付着することがなく、ノズル孔の目詰まりが生ずることがないので、目詰まり防止用還元剤が噴射された後は排気処理用噴射制御が再開されるまで、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から噴射するのが停止される。従って還元剤の消費量を大幅に低減できることになる。

図１は圧縮着火式内燃機関の全体図である。図２は触媒担体の表面部分を図解的に示す図である。図３は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。図４Ａおよび４Ｂは炭化水素噴射量と排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。図５Ａおよび５Ｂはノズル孔の内周面上への煤の付着を説明するための図である。図６Ａおよび６Ｂは煤が固着するまでの温度と時間の関係等を説明するための図である。図７は煤の排出量のマップを示す図である。図８は噴射制御を行うためのフローチャートである。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはアクチュエータにより駆動されるスロットル弁10が配置され、吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置11が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置11内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気管12を介して排気浄化触媒13の入口に連結される。本発明による実施例では、この排気浄化触媒13はNO_x吸蔵触媒からなる。排気浄化触媒13の出口はパティキュレートフィルタ14に連結され、排気浄化触媒13上流の排気管12内には圧縮着火式内燃機関の燃料として用いられる軽油その他の燃料からなる炭化水素を供給するための炭化水素供給弁15が配置される。図１に示される実施例では炭化水素供給弁15から供給される炭化水素として軽油が用いられている。なお、本発明はリーン空燃比のもとで燃焼の行われる火花点火式内燃機関にも適用することができる。この場合、炭化水素供給弁15からは火花点火式内燃機関の燃料として用いられるガソリンその他の燃料からなる炭化水素が供給される。

一方、排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、EGRと称す）通路16を介して互いに連結され、EGR通路16内には電子制御式EGR制御弁17が配置される。また、EGR通路16の周りにはEGR通路16内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置18が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置18内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。各燃料噴射弁３は燃料供給管19を介してコモンレール20に連結され、このコモンレール20は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ21を介して燃料タンク22に連結される。燃料タンク22内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ21によってコモンレール20内に供給され、コモンレール20内に供給された燃料は各燃料供給管19を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM（リードオンリメモリ）32、RAM（ランダムアクセスメモリ）33、CPU（マイクロプロセッサ）34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。排気浄化触媒13の入口には排気ガスの温度を検出するための温度センサ23が配置されており、パティキュレートフィルタ14にはパティキュレートフィルタ14の前後差圧を検出するための差圧センサ24が取り付けられている。これら温度センサ23、差圧センサ24および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁３、スロットル弁10の駆動用アクチュエータ、炭化水素供給弁15、EGR制御弁17および燃料ポンプ21に接続される。

図２は、図１に示される排気浄化触媒13の基体上に担持された触媒担体の表面部分を図解的に示している。この排気浄化触媒13では図２に示されるように例えばアルミナからなる触媒担体50上には白金Ptからなる貴金属触媒51が担持されており、更にこの触媒担体50上にはカリウムＫ、ナトリウムNa、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類金属、ランタノイドのような希土類および銀Ag、銅Cu、鉄Fe、イリジウムIrのようなNO_xに電子を供与しうる金属から選ばれた少なくとも一つを含む塩基性層53が形成されている。なお、排気浄化触媒13の触媒担体50上には白金Ptに加えてロジウムRh或いはパラジウムPdを担持させることができる。

上述したように、排気浄化触媒13はNOx吸蔵触媒からなり、機関吸気通路、燃焼室２および排気浄化触媒13上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、この排気浄化触媒13は、排気ガスの空燃比がリーンのときにはNO_xを吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチにされると吸蔵したNO_xを放出する機能している。即ち、排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNO_xは白金Pt51上において酸化されて硝酸イオンNO₃ ^-の形で塩基性層53内に拡散し、硝酸塩となる。即ち、このときには排気ガス中のNO_xは硝酸塩の形で塩基性層53内に吸蔵されることになる。一方、排気ガスの空燃比がリッチにされた場合には排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（NO₃ ^-→NO₂）に進み、斯くして塩基性層53内に吸収されている硝酸塩は順次硝酸イオンNO₃ ^-となってNO₂の形で塩基性層53から放出される。次いで放出されたNO₂は排気ガス中に含まれる炭化水素HCおよびCOによって還元される。

図３は塩基性層53のNO_x吸蔵能力が飽和する少し前に、燃焼室２内における燃焼ガスの空燃比をリッチにすることによって排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inを一時的にリッチにするようにした場合を示している。この場合、燃焼室２内における燃焼ガスの空燃比をリッチにすることのできない特定の運転状態のときに限って、炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射することにより排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされる。なお、図３に示す例ではこのリッチ制御の時間間隔は１分以上である。この場合には排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリーンのときに塩基性層53内に吸蔵されたNO_xは、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされたときに塩基性層53から一気に放出されて還元される。しかしながらこのように排気浄化触媒13のNO_xの吸蔵放出を利用してNO_xを浄化するようにした場合には触媒温度TCが250℃から300℃のときには極めて高いNO_x浄化率が得られるが触媒温度TCが350℃以上の高温になるとNO_x浄化率が低下する。

一方、炭化水素供給弁15から炭化水素を短い周期でもって噴射することによりNO_xが塩基性層53内に吸蔵される前に排気ガスの空燃比をリッチにすると、炭化水素供給弁15から噴射された炭化水素と排気ガス中に含まれるNO_xからイソシアネート化合物R-NCOおよびアミン化合物R-NH2等からなる還元性中間体が生成され、この還元性中間体は塩基性層53内に吸蔵されることなく塩基性層53上に保持される。次いで排気ガス中に含まれるNO_xはこの還元性中間体によって還元される。図４Ａは還元性中間体を生成させてNO_xを浄化するようにした場合の炭化水素供給弁15からの炭化水素噴射量と排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化を示している。この場合に排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチとされる周期は図３に示される場合に比べてかなり短く、図４Ａに示される例では排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチとされる周期、即ち炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射間隔が３秒とされている。

ところで前述したように排気浄化触媒13のNOxの吸蔵放出を利用してNOxを浄化するようにした場合には触媒温度TCが350℃以上の高温になるとNOx浄化率が低下する。このように触媒温度TCが350℃以上になるとNOx浄化率が低下するのは、触媒温度TCが350℃以上になるとNOxが吸蔵されづらくなり、かつ硝酸塩が熱分解してNO2の形で排気浄化触媒13から放出されるからである。即ち、NOxを硝酸塩の形で吸蔵している限り、触媒温度TCが高いときに高いNOx浄化率を得るのは困難である。しかしながら図４Ａに示されるNOx浄化方法では、硝酸塩の形で吸蔵されているNOx量は小量であり、斯くして触媒温度TCが400℃以上の高温時であっても高いNOx浄化率を得ることができる。この図４Ａに示されるNOx浄化方法を以下、第１のNOx浄化方法と称し、図３に示されるNOxの吸蔵放出を利用したNOx浄化方法を以下、第２のNOx浄化方法と称する。

なお、上述したように触媒温度TCが比較的低いときには第２のNOx浄化方法によるNOx浄化率の方が高くなり、触媒温度TCが高くなると第１のNOx浄化方法によるNOx浄化率の方が高くなる。従って、本発明による実施例では、概略的に言うと、触媒温度TCが低いときには第２のNOx浄化方法が用いられ、触媒温度TCが高いときには第１のNOx浄化方法が用いられる。

一方、パティキュレートフィルタ14を再生するときには炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射され、噴射された炭化水素の酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ14の昇温作用が行われる。また、排気浄化触媒13に吸蔵されたSO_xを排気浄化触媒13から放出させるときにも炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射され、噴射された炭化水素の酸化反応熱によって排気浄化触媒13の昇温作用が行われる。図４Ｂは、このようにパティキュレートフィルタ14或いは排気浄化触媒13を昇温するために炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射された場合の炭化水素供給弁15からの炭化水素噴射量と排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化を示している。図４Ｂからわかるように、このときには
排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ図４Ａに示される場合と同じような短い周期でもって炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射される。

次に、図５Ａおよび図５Ｂを参照しつつ、本発明者により見出された炭化水素供給弁15のノズル孔の目詰まりのメカニズムについて説明する。
図５Ａは炭化水素供給弁15の先端部を示しており、炭化水素供給弁15の先端部の先端面60は排気管12内に露呈している。この先端面60には複数のノズル孔61が開口している。炭化水素供給弁15の先端部内には液状の炭化水素で満たされた炭化水素室62が形成されており、この炭化水素室62にソレノイドにより駆動されるニードル弁63が配置されている。図５Ａはニードル弁63が炭化水素室62の底面上に着座しているときを示しており、このときノズル孔61からの炭化水素の噴射は停止せしめらている。なお、このときニードル弁63の先端面と炭化水素室62の底面上間にはサック室64が形成され、各ノズル孔61の内端部はこのサック室64内に開口している。

ニードル弁63が上昇せしめられて炭化水素室62の底面上から離れると炭化水素室62内の炭化水素がサック室64を介して各ノズル孔61から排気管12内に噴射される。従って、この炭化水素供給弁15は、機関排気通路内に開口するノズル孔61を具備すると共にノズル孔61の内端側において開閉制御される形式の炭化水素供給弁からなる。このような形式の炭化水素供給弁15では、従来より、機関から煤が排出されると、煤が炭化水素供給弁15のノズル孔61内に侵入してノズル孔61の内周面上に付着堆積し、それによってノズル孔61が目詰まりを生ずると考えられていた。しかしながら、本発明者がノズル孔61の目詰まりについて研究を重ねた結果、炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射が行われていないときには機関から大量の煤が排出したとしても煤はノズル孔61に侵入せず、従って機関から大量の煤が排出したことがノズル孔61の目詰まりの原因ではなく、目詰まりの原因は、炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射終了時に煤がノズル孔61に引きずり込まれることにあることが判明したのである。

即ち、図５Ａに示されるような形式の炭化水素供給弁15では、炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射終了時に噴射を停止すべくニードル弁63が閉弁せしめられたとき、サック室64およびノズル孔61内に存在している炭化水素は慣性力でもってノズル孔61から流出する。その結果、このときサック室64内およびノズル孔61内は一時的に負圧となる。従ってこのときノズル孔61の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在するとこれらの煤がノズル孔61およびサック室64内に引き込まれ、これらの煤がノズル孔61内およびサック室64の内周面上に付着することになる。しかしながらこのように煤がノズル孔61の内周面上およびサック室64の内壁面上に付着しても、短時間のうちに炭化水素供給弁15からの次の噴射が行われると、ノズル孔61の内周面上およびサック室64の内壁面上に付着した煤は吹き飛ばされ、従ってこの場合にはノズル孔61が目詰まりを生ずることはない。ところが、煤がノズル孔61の内周面上およびサック室64の内壁面上に付着してから時間が経過すると煤がノズル孔61の内周面上およびサック室64の内壁面上に固着し、このように煤がノズル孔61の内周面上およびサック室64の内壁面上に固着すると炭化水素が噴射されても煤が吹き飛ばされなくなる。その結果、ノズル孔61の目詰まりが生ずることになる。次に、この煤の固着作用について図５Ｂを参照しつつ説明する。

図５Ｂはノズル孔61の内周面65の拡大断面図を示している。炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射が終了するとノズル孔61の内周面65上には通常、炭化水素が液状の形で残留し、このとき残留する液状の炭化水素が図５Ｂにおいて符号66により図解的に示されている。一方、炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射が行われたときに、ノズル孔61の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在すると、炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射終了時にこれらの煤がノズル孔61およびサック室64内に引き込まれ、これらの煤がノズル孔61内およびサック室64の内周面上に付着する。図５Ｂにはこのときノズル孔61の内周面65上において液状炭化水素66上に付着した煤が符号67により図解的に示されている。

さて、ノズル孔61およびサック室64内に引き込まれた煤67が液状炭化水素66と接触すると、煤67と液状炭化水素66との接触面における圧力が周囲の圧力よりも低くなるために煤67は液状炭化水素66に向けて押圧され、また煤67は液状炭化水素66との間の分子間力に
よって液状炭化水素66に向けて引き寄せられるので、煤67は図５Ｂに示されるように付着した状態に保持される。このときの煤67のノズル孔61およびサック室64の内壁面に対する付着力は弱く、従ってこのような状態のときに炭化水素の噴射作用が行われるとノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着している煤67はただちに吹き飛ばされる。従って、このような状態のときに炭化水素の噴射作用が行われるとノズル孔61が目詰まりすることはない。

一方、図５Ｂに示されるように煤67が液状炭化水素66に付着している状態が長く継続すると、液状炭化水素66および煤67の細孔内に入り込んだ液状炭化水素内の炭化水素が重合して次第に高分子となり、次第に粘性が強くなっていく。液状炭化水素66の粘性が高くなるとノズル孔61およびサック室64の内壁面に対する固着力が強くなり、煤67の細孔内に入り込んだ液状炭化水素の粘性が高くなると液状炭化水素66への固着力が強くなる。即ち、煤67が液状炭化水素66に付着している状態が長く継続すると、ノズル孔61およびサック室64の内壁面に対する煤67の固着力が強くなる。このようにノズル孔61およびサック室64の内壁面に対する煤67の固着力が強くなると、炭化水素の噴射作用が行われてもノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着している煤67は固着したままで吹き飛ばされることがなく、従って、この場合には煤67によってノズル孔61が目詰まりすることになる。

この場合、煤67によってノズル孔61が目詰まりしないようにするには、ノズル孔61およびサック室64の内壁面に対する煤67の固着力がさほど強くなっていないときに、即ち炭化水素の噴射が行われればノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着している煤67が吹き飛ばされてしまう程度の固着力のときに炭化水素を噴射すればよいことになる。このように炭化水素が噴射されるとノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着している煤67が吹き飛ばされる固着力のうちで最も高い固着力を限界固着力と称すると、煤67の固着力がこの限界固着力よりも弱いときに炭化水素の噴射作用が行われればノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着している煤67は吹き飛ばされ、煤67の固着力がこの限界固着力より強くなったときに炭化水素の噴射作用が行われるとノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着している煤67は固着したままで吹き飛ばされないことになる。
次にこの限界固着力について、ノズル孔61およびサック室64の内壁面上に或る一定量の煤67が付着した場合を例にとって図６Ａを参照しつつ説明する。

この限界固着力は図６Ａにおいて破線ＧＸＯで示されている。なお、図６Ａにおいて縦軸ＴＢは炭化水素供給弁15の先端面60の温度を示しており、ｔは炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用が完了してからの経過時間を示している。炭化水素供給弁15の先端面60の温度ＴＢが高くなるほど、即ちノズル孔61およびサック室64の内壁面の温度が高くなるほど、液状炭化水素66および煤67の細孔内に入り込んだ液状炭化水素内の炭化水素の重合作用が進行し、急速に粘性が強くなる。従って、炭化水素供給弁15の先端面60の温度ＴＢが高いほど、ノズル孔61およびサック室64の内壁面に対する固着の度合いが急速に高まり、炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用が完了してからの経過時間ｔが短いうちに限界固着力ＧＸＯとなる。従って、図６Ａに示されるように、炭化水素供給弁15の先端面60の温度ＴＢが高いほど、短い経過時間ｔでもって固着力が限界固着力ＧＸＯに達することになる。

本発明による実施例では、限界固着力ＧＸＯよりも固着の度合いが若干弱い許容固着度合いＧＸが予め設定されており、固着の度合いがこの許容固着度合いＧＸに達したときに炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射してノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着している煤67を吹き飛ばすようにしている。次に、この固着の度合いの算出方法の一例について説明する。さて、図６Ａにおいて、炭化水素供給弁15の先端面60の温度ＴＢがＴＢＨである場合には、炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射が行われてからｔＨだけ時間が経過すると、固着の度合いが許容固着度合いＧＸとなる。従って、炭化水素供給弁15の先端面60の温度ＴＢがΔＴ時間に亘ってＴＢＨであったとすると、このときには許容固着度合いＧＸに向けてΔＴ/ｔＨパーセントだけ固着の度合いが進行した考えることができる。従って、順次変化する炭化水素供給弁15の先端面60の各温度ＴＢに対してΔＴ/ｔＨの値を算出し、算出されたΔＴ/ｔＨの値を積算してその積算値が１００パーセントになったときに、固着の度合いが許容固着度合いＧＸになったと判断することができる。

なお、この場合、許容固着度合いＧＸは、炭化水素供給弁15から炭化水素が最後に噴射されたときにノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着した煤67の量に応じて変化する。即ち、炭化水素供給弁15からの最後の噴射時にノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着した煤67の量が多いほど、重合する煤67の量が増大するために、固着の度合いが早い時期に許容固着度合いＧＸとなる。従って、炭化水素供給弁15からの最後の噴射時にノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着した煤67の量が多いほど、許容固着度合いを示す曲線は図６ＢにおいてＧＸ１、ＧＸ２、ＧＸ３で示されるように下方に位置することになる。本発明による実施例では、炭化水素供給弁15から炭化水素が最後に噴射されたときにノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着した煤67の量に応じた許容固着度合いＧＸ１、ＧＸ２、ＧＸ３、・・・が炭化水素供給弁15の先端面60の温度ＴＢおよび炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射が行われてからの経過時間ｔの関数として予め記憶されている。

一方、炭化水素供給弁15から炭化水素が最後に噴射されたときにノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着する煤67の量ＳＧは、炭化水素供給弁15から炭化水素が最後に噴射されたときに機関から排出されている煤の量に比例すると考えられ、機関から排出されている煤の量は機関の運転状態から定まる。従って、本発明による実施例では、炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されたときにノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着する煤67の量ＳＣは、アクセルペダル40の踏み込み量Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図７に示されるようなマップの形で予め記憶されている。

さて、上述したように、ノズル孔61およびサック室64の内壁面上に煤67が付着するのは炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射終了時に煤がノズル孔61およびサック室64内に引き込まれるからであり、炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射終了時にノズル孔61の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在しなければ、即ち、ノズル孔61の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在しないときに炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射を行えば煤がノズル孔61内に引き込まれることがなく、煤がノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着することもなくなる。煤がノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着しないと目詰まりを生ずることがなく、従ってノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着した煤を吹き飛ばすために炭化水素を炭化水素供給弁15から噴射する必要がなくなる。その結果、炭化水素の消費量を低減できることになる。

ところで、本発明による実施例では、図３に示されるように、排気浄化触媒13からNO_xを放出すべきときには、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされる。この場合、前述したように、燃焼室２内における燃焼ガスの空燃比をリッチにすることのできない特定の運転状態のときに限って、炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射することにより排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされる。また、第１のNO_x浄化方法を用いてNO_xを浄化するときには、図４Ａに示されるように炭化水素供給弁15から短い周期でもって炭化水素が噴射される。一方、パティキュレートフィルタ14を再生するためにパティキュレートフィルタ14の昇温作用を行うときには、図４Ｂに示されるように排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ炭化水素供給弁15から短い周期でもって炭化水素が噴射される。また、前述したように排気浄化触媒13に吸蔵されたSO_xを排気浄化触媒13から放出させる場合において、排気浄化触媒13の昇温作用を行うときにも、図４Ｂに示されるように排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ炭化水素供給弁15から短い周期でもって炭化水素が噴射される。

このように排気浄化触媒13又はパティキュレートフィルタ14のような排気処理装置において排気浄化処理を行うのに必要な炭化水素を炭化水素供給弁15から噴射するための制御、或いは排気浄化触媒13又はパティキュレートフィルタ14の昇温作用を行うのに必要な炭化水素を炭化水素供給弁15から噴射するための制御を排気処理用噴射制御と称すると、この噴射制御が継続的に行われている間は、炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されたときに、たとえノズル孔61およびサック室64の内壁面上に煤が付着したとしても、この煤は次に炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されたときに吹き飛ばされ、従ってこの間はノズル孔61が目詰まりを生ずることはない。

これに対し、第２のNO_x浄化方法によるNO_xの浄化作用が行われており、しかも排気浄化触媒13からNO_xを放出すべきときに、燃焼室２内における燃焼ガスの空燃比をリッチにすることによって排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされている場合には、炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用は行われない。従って、この場合に、即ち、上述の排気処理用噴射制御が停止されているときに、ノズル孔61が目詰まりを生ずる危険性がある。従って、このときには、ノズル孔61が目詰まりを生じないように、炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射することが必要となる。この場合、ノズル孔61の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在しないときに炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射を行うと、噴射開始時にノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着した煤は吹き飛ばされるが、噴射終了時に煤がノズル孔61内に引き込まれることがなく、煤がノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着することもなくなる。従って、ノズル孔61が目詰まりを生ずることがなくなる。即ち、炭化水素供給弁15から炭化水素を一度噴射すると、その後はノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着した煤を吹き飛ばすために炭化水素を炭化水素供給弁15から噴射する必要がなくなる。従って、炭化水素の消費量を低減できることになる。

そこで、本発明では、燃焼室２内への燃料の供給が停止されたときに、目詰まり防止用炭化水素を炭化水素供給弁15から噴射するようにしている。燃焼室２内への燃料の供給が停止されると、機関からは煤が全く排出されず、従ってこのときにはノズル孔61の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が全く存在しない。従って、このとき目詰まり防止用の炭化水素を炭化水素供給弁15から噴射すると、噴射開始時にノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着した煤は吹き飛ばされるが、噴射終了時に煤がノズル孔61内に引き込まれることがなく、煤がノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着することがない。なお、このときの目詰まり防止用炭化水素の噴射量は、噴射開始時にノズル孔61およびサック室64の全容積を満たす程度の炭化水素量で十分であり、従って本発明による実施例では、目詰まり防止用炭化水素の噴射量はノズル孔61およびサック室64の全容積を満たす量とされている。この目詰まり防止用炭化水素の噴射制御を目詰まり防止噴射制御と称すると、本発明では、炭化水素供給弁15のノズル孔61の目詰まりを防止するために排気処理に必要な量の炭化水素に比べて少量の炭化水素を炭化水素供給弁15から噴射する目詰まり防止噴射制御が行われていることになる。

なお、燃焼室２内への燃料の供給が停止されるときとは、車両の減速運転時において燃焼室２内への燃料の供給が停止されたとき、又は機関停止時である。機関停止時とは、運転者により機関の停止操作が行われたとき、例えば運転者によりイグニッションスイッチがオフとされたとき、又は例えば駆動源として内燃機関および電気モータを用いたハイブリッドエンジンにおいて内燃機関が自動的に停止されたときであり、このときには機関の回転が停止したときに目詰まり防止用炭化水素が炭化水素供給弁15から噴射される。

ところで、NO_xを還元するための還元剤として尿素水を用い、排気通路内に尿素水を噴射するための尿素水供給弁を機関排気通路内に配置した場合においても、同様な問題が生ずる。即ち、尿素水供給弁のノズル孔の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在するときに尿素水供給弁からの尿素水の噴射を行えば煤がノズル孔内に引き込まれ、煤がノズル孔の内壁面上に付着して目詰まりを生ずる。この場合にも、ノズル孔の排気通路内への開口部周りの排気ガス中に煤が存在しないときに尿素水供給弁からの尿素水の噴射を行えば煤がノズル孔内に引き込まれることがなく、煤がノズル孔の内壁面上に付着することもなくなる。従って、目詰まりを生ずることがなくなる。

このように、本発明は、還元剤として炭化水素を用いた場合でも、また還元剤として尿素水を用いた場合でも、適用することができる。従って、炭化水素或いは尿素水を供給するための供給弁を還元剤供給弁15と称すると、本発明は、機関排気通路内に配置された還元剤供給弁15と、還元剤供給弁15からの還元剤の噴射作用を制御するための還元剤噴射制御装置とを具備しており、還元剤供給弁15は機関排気通路内に開口するノズル孔61を具備すると共にノズル孔61の内端側において開閉制御される形式の還元剤供給弁からなり、還元剤噴射制御装置は排気処理に必要な量の還元剤を噴射する排気処理用噴射制御と、還元剤供給弁のノズル孔61の目詰まりを防止するために排気処理に必要な量の還元剤に比べて少量の還元剤を還元剤供給弁15から噴射する目詰まり防止噴射制御とを行う内燃機関の制御装置において、還元剤噴射制御装置は、排気処理用噴射制御の停止期間中において、燃焼室２内への燃料の供給が停止されたときに、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁15から噴射し、かつ目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁15から一度噴射した後は排気処理用噴射制御が再開されるまで、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁15から噴射するのを停止する。

この場合、第１の実施例では、還元剤噴射制御装置は、排気処理用噴射制御の停止期間中において、燃焼室２への燃料の供給が停止されたときのみ、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁15から噴射し、かつ目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁15から一度噴射した後は排気処理用噴射制御が再開されるまで、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁15から噴射するのを停止する。この第１実施例では、煤がノズル孔61内に引き込まれる危険性がないときのみ、目詰まり防止用還元剤が還元剤供給弁15から噴射される。なお、本発明による実施例では、図１に示される電子制御ユニット30が還元剤噴射制御装置を構成している。

一方、第２の実施例では、還元剤噴射制御装置は、排気処理用噴射制御の停止期間中において、燃焼室２への燃料の供給が停止されていないときに、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁15から噴射したときには、燃焼室内への燃料の供給が停止されていないときに目詰まり防止用還元剤が噴射されたときの排気処理用噴射制御の停止期間と同じ排気処理用噴射制御の停止期間中においても目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁15から噴射するのを許容する。即ち、排気処理用噴射制御の停止期間中には、通常一度は減速運転が行われ、従って一度は燃焼室２への燃料の供給が停止される。しかしながら、排気処理用噴射制御の停止期間中において、燃焼室２への燃料の供給が停止されなかった場合には、排気ガス中に煤が存在している場合であっても、即ち再度、目詰まりする危険性があったとしても、目詰まり防止用還元剤が還元剤供給弁15から噴射される。この場合には、再度、目詰まりする危険性が生じた場合には、目詰まり防止用還元剤が還元剤供給弁15から再度噴射される。即ち、この第２の実施例では、排気処理用噴射制御の停止期間中において、目詰まり防止用還元剤が還元剤供給弁15から噴射された後、目詰まり防止用還元剤が還元剤供給弁15から再度噴射されるのが許容される。

この場合、この第２の実施例では、還元剤噴射制御装置において、ノズル孔61内おける煤の固着度合いが算出されており、還元剤噴射制御装置は、排気処理用噴射制御の停止期間中において、燃焼室２内への燃料の供給が停止される前に、算出された煤の固着度合いが許容固着度合いＧＸ１，ＧＸ２，ＧＸ３に達したときには、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁15から噴射する。この固着度合いは、還元剤供給弁15から還元剤が噴射されたときに付着した煤の量ＳＧ、還元剤供給弁15のノズル孔61の内壁面の温度を代表する温度ＴＢおよび還元剤供給弁15の噴射停止後の経過期間ｔに基づいて算出される。

図８は、第２の実施例において還元剤として炭化水素を用いた場合の噴射制御ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割り込みによって実行される。
図８を参照すると、まず初めに、ステップ70において炭化水素供給弁15から排気処理に必要な量の炭化水素を噴射する排気処理用噴射制御が要求されているか否かが判別される。排気処理用噴射制御が要求されているときにはステップ71に進んで要求に応じた排気処理用噴射処理が行われる。即ち、排気浄化触媒13からNO_xを放出すべく排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inを一時的にリッチにするために、炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されるか、第１のNO_x浄化方法を用いてNO_xを浄化するために、炭化水素供給弁15から短い周期でもって炭化水素が噴射されるか、パティキュレートフィルタ14の昇温作用を行うために、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ炭化水素供給弁15から短い周期でもって炭化水素が噴射されか、或いは排気浄化触媒13に吸蔵されたSO_xを排気浄化触媒13から放出させるべく排気浄化触媒13の昇温作用を行うために、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ炭化水素供給弁15から短い周期でもって炭化水素が噴射される。

次いで、ステップ72では炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用が行われる毎に、図７に示すマップから、ノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着する煤67の量ＳＧが算出される。この煤67の量ＳＧは炭化水素供給弁15から炭化水素が最後に噴射されたときにノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着する煤67の量を示している。次いで、炭化水素供給弁15のノズル孔61の目詰まりが完全に解消されたことを示す目詰まり解消フラグがリセットされる。一方、ステップ70において、排気処理用噴射制御が要求されていないと判別されたとき、即ち、第２のNO_x浄化方法によるNO_xの浄化作用が行われており、排気浄化触媒13からNO_xを放出すべきときに、燃焼室２内における燃焼ガスの空燃比をリッチにすることによって排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされる場合、即ち炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用が停止されているときにはステップ74に進み、目詰まり解消フラグがセットされているか否かが判別される。目詰まり解消フラグがセットされていないときにはステップ75に進んで燃焼室２から煤が全く排出されていない運転状態であるか否かが判別される。

即ち、ステップ75では車両の減速時において燃料噴射弁３からの燃料の供給が停止されているか否かが判別される。ステップ75において、車両の減速時において燃料噴射弁３からの燃料の供給が停止されていないと判別されたときにはステップ76に進んで車両の停止時であるか否かが判別される。ステップ75において、車両の減速時において燃料噴射弁３からの燃料の供給が停止されていると判別されたとき、或いはステップ76において車両の停止時であると判別されたときにはステップ77に進んで炭化水素供給弁15から目詰まり防止用の少量の炭化水素が噴射される。次いで、ステップ78に進んで目詰まり解消フラグがセットされる。目詰まり解消フラグが一旦セットされるとその後はステップ74を経て処理サイクルを完了する。従って、ステップ70において、排気処理用噴射制御が要求されていないと判断される限り、即ち、排気処理用噴射制御が停止している期間中、炭化水素供給弁15からの目詰まり用噴射は停止される。

一方、車両の減速時における燃料噴射弁３からの燃料の供給の停止作用が行なわれておらず、かつ車両の停止時ではないときにはステップ79に進み、炭化水素供給弁15から炭化水素が最後に噴射されたときにノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着した煤67の量ＳＧに基づいて、図６Ｂに示される許容固着度合いＧＸ１，ＧＸ２，ＧＸ３が求められる。次いで、ステップ80では、求められた許容固着度合いＧＸiから、炭化水素供給弁15の先端面60の温度ＴＢにおける、煤の固着度合いが許容固着度合いＧＸiに達するまでの経過時間ｔＨが求められる。なお、この場合、炭化水素供給弁15の先端面60の温度ＴＢは温度センサ23の検出信号から推定される。次いで、ステップ81では、この経過時間ｔＨに対するルーチン割り込み時間ΔＴの比ΔＴ/ｔＨの値をＰＤに加算することによってΔＴ/ｔＨの値の積算値ＰＤが算出される。

次いで、ステップ82では、ΔＴ/ｔＨの値の積算値ＰＤが１００％に達したか否かが判別される。ΔＴ/ｔＨの値の積算値ＰＤが１００％に達したときにはステップ83に進んで炭化水素供給弁15から目詰まり防止用の少量の炭化水素が噴射される。次いで、ステップ84ではΔＴ/ｔＨの値の積算値ＰＤがクリアされる。次いでステップ85では、炭化水素供給弁15からの目詰まり用噴射が行われたときに、ノズル孔61およびサック室64の内壁面上に付着する煤67の量ＳＧが算出される。

なお、図８に示される噴射制御ルーチンにおいて、ステップ72およびステップ79から85を削除すると、第１の実施例を実行するためのルーチンとなる。

４吸気マニホルド
５排気マニホルド
７排気ターボチャージャ
12 排気管
13 排気浄化触媒
14 パティキュレートフィルタ
15 炭化水素供給弁

Claims

機関排気通路内に配置された還元剤供給弁と、還元剤供給弁からの還元剤の噴射作用を制御するための還元剤噴射制御装置とを具備しており、該還元剤供給弁は機関排気通路内に開口するノズル孔を具備すると共にノズル孔の内端側において開閉制御される形式の供給弁からなり、該還元剤噴射制御装置は排気処理に必要な量の還元剤を噴射する排気処理用噴射制御と、還元剤供給弁のノズル孔の目詰まりを防止するために該排気処理に必要な量の還元剤に比べて少量の還元剤を還元剤供給弁から噴射する目詰まり防止噴射制御とを行う内燃機関において、上記還元剤噴射制御装置は、上記排気処理用噴射制御の停止期間中において、燃焼室内への燃料の供給が停止されたときに、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から噴射し、かつ目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から一度噴射した後は排気処理用噴射制御が再開されるまで、還元剤供給弁から目詰まり防止用還元剤を噴射するのを停止する内燃機関。
上記還元剤噴射制御装置は、上記排気処理用噴射制御の停止期間中において、燃焼室内への燃料の供給が停止されたときのみ、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から噴射し、かつ目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から一度噴射した後は排気処理用噴射制御が再開されるまで、還元剤供給弁から目詰まり防止用還元剤を噴射するのを停止する請求項１に記載の内燃機関。
燃焼室内への燃料の供給が停止されるのは車両減速時又は機関停止時である請求項１に記載の内燃機関。
上記還元剤噴射制御装置は、上記排気処理用噴射制御の停止期間中において、燃焼室内への燃料の供給が停止されていないときに、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から噴射したときには、燃焼室内への燃料の供給が停止されていないときに目詰まり防止用還元剤が噴射されたときの排気処理用噴射制御の停止期間と同じ排気処理用噴射制御の停止期間中においても目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から噴射するのを許容する請求項１に記載の内燃機関。
上記還元剤噴射制御装置において、ノズル孔内における煤の固着度合いが算出されておおり、上記還元剤噴射制御装置は、上記排気処理用噴射制御の停止期間中において、燃焼室内への燃料の供給が停止される前に、算出された煤の固着度合いが許容固着度合いに達したときには、目詰まり防止用還元剤を還元剤供給弁から噴射する請求項４に記載の内燃機関。
上記固着度合いは、還元剤供給弁から還元剤が噴射されたときに付着した煤の量、還元剤供給弁のノズル孔の内壁面の温度を代表する温度および還元剤供給弁の噴射停止後の経過期間に基づいて算出される請求項５に記載の内燃機関。