JP7127612B2 - 内燃機関の排気浄化装置および制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、内燃機関の排気浄化装置および制御方法に関する。

内燃機関、特にディーゼルエンジンの排気浄化装置において、排気通路に上流側から順に酸化触媒、フィルタおよび選択還元型ＮＯｘ触媒を設けたものが知られている。またフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去してフィルタの性能を回復させるため、排気を昇温させるための再生制御を行うことも知られている。再生制御では、ポスト噴射等により排気のＨＣ濃度が増加され、このＨＣが酸化触媒で燃焼されることにより排気温度が上昇される。

特開２０１１－２５６８４７号公報

ところで、ＮＯｘ触媒はＨＣ吸着能を有する。仮に、ＮＯｘ触媒にＨＣが多量に吸着している状態で、再生制御が実行され、ＮＯｘ触媒に比較的高温の排気が供給されると、ＮＯｘ触媒に吸着されていたＨＣが脱離し、ＮＯｘ触媒の下流側に一気に放出される可能性がある。こうなると、ＨＣ濃度が高い排気が大気に排出され、環境面で好ましくないばかりでなく、白煙および異臭が発生する虞がある。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、再生制御実行時にＮＯｘ触媒から排出される排気のＨＣ濃度の上昇を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置および制御方法を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
内燃機関の排気通路に上流側から順に設けられた酸化触媒および選択還元型ＮＯｘ触媒と、
排気を昇温させるための再生制御を実行するように構成された制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、
再生制御の非実行時に前記ＮＯｘ触媒の吸着ＨＣ量を推定し、
再生制御の実行時に、排気を低速で昇温させる低速昇温制御を行った後に、排気を高速で昇温させる高速昇温制御を行うと共に、推定した吸着ＨＣ量に応じて、低速昇温制御から高速昇温制御に切り替える切替タイミングを変更する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

好ましくは、前記制御ユニットは、推定した吸着ＨＣ量が多いほど、切替タイミングを遅らせる。

好ましくは、前記制御ユニットは、推定した吸着ＨＣ量が所定の閾値以上の場合に、推定吸着ＨＣ量に応じた切替タイミングの変更を行う。

好ましくは、前記制御ユニットは、
前記ＮＯｘ触媒の入口温度が所定の第１温度から第２温度に上昇するまでの間、低速昇温制御を行い、前記ＮＯｘ触媒の入口温度が前記第２温度に達した時、低速昇温制御から高速昇温制御に切り替え、
推定した吸着ＨＣ量が多いほど、低速昇温制御の実行時間を長くする。

好ましくは、前記制御ユニットは、吸着ＨＣ量と、低速昇温制御の実行時間との関係を定めたマップを予め記憶し、前記マップから、推定した吸着ＨＣ量に対応する低速昇温制御の実行時間を算出する。

好ましくは、前記制御ユニットは、低速昇温制御中における前記ＮＯｘ触媒入口温度の時間毎の目標温度を低速昇温制御の実行時間に基づいて設定し、低速昇温制御中、前記ＮＯｘ触媒の実際の入口温度が目標温度に近づくよう、前記酸化触媒への燃料供給量をフィードバック制御する。

好ましくは、前記制御ユニットは、低速昇温制御中には筒内インジェクタにアフタ噴射を実行させ、高速昇温制御中にはアフタ噴射に追加して前記筒内インジェクタにポスト噴射を実行させるか、または排気管インジェクタに排気管噴射を実行させる。

好ましくは、前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ触媒の下流側の前記排気通路に設けられた別の酸化触媒をさらに備え、
前記制御ユニットは、再生制御の実行時に、前記別の酸化触媒から排出される排気のＨＣ濃度が所定の上限値を超えないよう、低速昇温制御から高速昇温制御への切替タイミングを設定する。

本開示の他の態様によれば、
排気通路に上流側から順に設けられた酸化触媒および選択還元型ＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の制御方法であって、
排気を昇温させるための再生制御の非実行時に前記ＮＯｘ触媒の吸着ＨＣ量を推定する第１ステップと、
再生制御の実行時に、排気を低速で昇温させる低速昇温制御を行った後に、排気を高速で昇温させる高速昇温制御を行うと共に、推定した吸着ＨＣ量に応じて、低速昇温制御から高速昇温制御に切り替える切替タイミングを変更する第２ステップと、
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御方法が提供される。

本開示によれば、再生制御実行時にＮＯｘ触媒から排出される排気のＨＣ濃度の上昇を抑制することができる。

本開示の実施形態の構成を示す概略図である。 各制御時の燃料噴射方法を示すタイムチャートである。 各マップ等を示す図である。 再生制御時の各値の変化を示すタイムチャートである。 本実施形態の制御の手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意すべきである。

図１は、本実施形態の構成を示す概略図である。内燃機関（エンジンともいう）１は、車両（図示せず）に搭載された多気筒エンジンである。本実施形態において、車両はトラック等の大型車両であり、これに搭載される車両動力源としてのエンジン１は直列４気筒ディーゼルエンジンである。しかしながら、車両および内燃機関の種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジン１はガソリンエンジンであってもよい。

なおエンジンは、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に搭載されたものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されたものでなくてもよく、定置式のものであってもよい。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、ターボチャージャ１４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射用インジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、対応気筒の筒内に燃料を供給するための筒内インジェクタであり、本実施形態の場合、筒内に燃料を直接噴射する。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量すなわち吸気流量を検出するためのセンサであり、マスエアフロー（ＭＡＦ）センサ等とも称される。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に接続された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合させる。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。

タービン１４Ｔより下流側の排気通路４には、上流側から順に、酸化触媒２２、フィルタ２３および選択還元型ＮＯｘ触媒２４が設けられる。また、ＮＯｘ触媒２４の下流側の排気通路４には、別の酸化触媒であるアンモニア酸化触媒２６が設けられる。フィルタ２３とＮＯｘ触媒２４の間の排気通路４には、還元剤としての尿素水を添加する添加弁２５が設けられる。

酸化触媒２２は、排気中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化すると共に、このときの反応熱で排気を加熱昇温し、また排気中のＮＯをＮＯ₂に酸化する。フィルタ２３は、所謂連続再生式の触媒付きフィルタからなり、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ（Particulate Matter））を捕集すると共に、捕集したＰＭを触媒作用により燃焼する。フィルタ２３は一種の触媒とみなせる。ＮＯｘ触媒２４は、添加弁２５から添加された尿素水に由来するアンモニアをＮＯｘと反応させて排気中のＮＯｘを還元浄化する。アンモニア酸化触媒２６は、ＮＯｘ触媒２４から排出された余剰アンモニアを酸化して浄化する。

酸化触媒２２より上流側の排気通路４には排気管インジェクタ３８が設けられる。排気管インジェクタ３８は、後述する再生制御時に排気通路４ないし排気管２１内に燃料を噴射し得るものである。以下、こうした排気通路４内への燃料噴射を排気管噴射と称す。本実施形態では排気管インジェクタ３８がタービン１４Ｔの下流側に設けられているが、その設置位置は変更可能である。

エンジン１は排気再循環（ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation））装置３０も備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内（特に排気マニホールド２０内）の排気ガスの一部（ＥＧＲガスという）を吸気通路３内（特に吸気マニホールド１０内）に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３３とを備える。

車両には、エンジン１を制御するための制御装置が搭載されている。制御装置は、制御ユニット、回路要素（circuitry）もしくはコントローラをなす電子制御ユニット（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）という）１００を含む。ＥＣＵ１００は、演算機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶媒体であるＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポート、ならびにＲＯＭおよびＲＡＭ以外の記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、筒内インジェクタ７、吸気スロットルバルブ１６、添加弁２５、ＥＧＲ弁３３および排気管インジェクタ３８を制御するように構成され、プログラムされている。

制御装置は、上述のエアフローメータ１３に加えて以下のセンサ類も含む。すなわち、エンジンの回転速度、具体的には毎分当たりの回転数（ｒｐｍ）を検出するための回転速度センサ４０と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４１とが設けられる。また、酸化触媒２２、フィルタ２３およびＮＯｘ触媒２４の入口部の排気温度（入口温度という）をそれぞれ検出するための排気温センサ４２，４３，４４が設けられている。また、フィルタ２３の入口部および出口部の排気圧の差圧を検出するための差圧センサ４５が設けられている。これらセンサ類の出力信号は図示せぬ信号伝達線材または無線通信を介してＥＣＵ１００に送られる。

次に、本実施形態の制御について説明する。

まず、排気を昇温させる再生制御（排気昇温制御）について説明する。ＥＣＵ１００は、差圧センサ４５により検出された差圧が所定の上限閾値以上に達したとき、フィルタ２３のＰＭ捕集量が満杯付近に達したとみなして、捕集ＰＭを燃焼除去するために、再生制御を行う。この際、ＥＣＵ１００は、後述のアフタ噴射やポスト噴射を筒内インジェクタ７に実行させ、これらによる追加燃料を酸化触媒２２で燃焼させ、フィルタ２３に供給される排気の温度を上昇させる。これによりフィルタ２３内でＰＭ燃焼が促進され、フィルタ２３内のＰＭが除去される。そしてフィルタ２３のＰＭ捕集能が回復され、フィルタ２３が再生される。

なお、ポスト噴射の代わりに、排気管インジェクタ３８による排気管噴射を行ってもよい。また再生制御の開始条件は、詳しくは後述するが、ＮＯｘ触媒２４の吸着ＨＣ量が所定の上限閾値以上に達したことであってもよい。

ところで、ＮＯｘ触媒２４は、低温時にＨＣを吸着し高温時に吸着ＮＯｘを脱離させるというＨＣ吸着能を有する。仮に、ＮＯｘ触媒２４にＨＣが多量に吸着している状態で、再生制御が実行され、ＮＯｘ触媒２４に比較的高温の排気が供給されると、ＮＯｘ触媒２４に吸着されていたＨＣが脱離し、ＮＯｘ触媒２４の下流側に一気に放出される可能性がある。こうなると、ＨＣ濃度が高い排気が大気に排出され、環境面で好ましくないばかりでなく、白煙および異臭が発生する虞がある。以下、この課題についてより詳しく説明する。

ＨＣ吸着能は、ＮＯｘ触媒２４のみならず酸化触媒２２およびフィルタ２３にも存在する。そしてエンジンの低回転・低負荷運転が継続されると、酸化触媒２２の温度および活性度が低いため、酸化触媒２２にＨＣが吸着される。酸化触媒２２で処理できなかったＨＣはフィルタ２３およびＮＯｘ触媒２４に吸着する。酸化触媒２２が経年劣化しているとこうした傾向が強くなる。酸化触媒２２にＨＣが吸着されると、酸化触媒２２の表面がガム状の粘着質となり、そこにＰＭも付着するため、酸化触媒２２が詰まり気味となり、酸化触媒２２の処理能力が著しく低下する。

こうした状況下で再生制御が開始されると、酸化触媒２２の温度は上昇するものの、その昇温速度は遅い。そして酸化触媒２２では、吸着していたＨＣが脱離して下流側に排出されると共に、追加燃料に由来するＨＣが処理しきれずにスリップして下流側に排出される。

この下流側に排出されたＨＣはフィルタ２３に吸着される。酸化触媒２２の熱容量の分だけフィルタ２３の昇温が遅れるため、フィルタ２３からのＨＣ脱離はゆっくりである。フィルタ２３から脱離したＨＣは下流側のＮＯｘ触媒２４に供給され、ＮＯｘ触媒２４に吸着される。フィルタ２３の熱容量の分だけＮＯｘ触媒２４の昇温は遅れる。このように、上流側の触媒から次々と昇温され、吸着ＨＣは上流側の触媒から次々と排出される。そしてＮＯｘ触媒２４は、最終的にＮＯｘを堰き止めるダムの如く機能する。

ＮＯｘ触媒２４の熱容量が比較的大きいので、フィルタ２３の昇温とＮＯｘ触媒２４の昇温との間には比較的大きなタイムラグがある。また、ＮＯｘ触媒２４のＨＣ吸着容量も比較的大きいので、ＮＯｘ触媒２４には比較的多量のＨＣが吸着される。

ＮＯｘ触媒２４の担体に用いられているゼオライトは、比較的高温（例えば２００℃以上）で吸着ＨＣを脱離させる能力を有している。再生制御開始からある程度の時間が経過し、ＮＯｘ触媒２４がこうしたＨＣ脱離温度に達すると、それまで吸着されていたＨＣがＮＯｘ触媒２４から一気に脱離し、下流側に放出される虞がある。

すると、ＮＯｘ触媒２４から排出される排気のＨＣ濃度がアンモニア酸化触媒２６では処理しきれないほど高くなり、許容できない程に高いＨＣ濃度の排気がアンモニア酸化触媒２６から大気に放出される虞がある。これは当然に環境上好ましくない。また高ＨＣ濃度の排気は比較的長時間、白煙として現れ、また異臭を発生させる。なおアンモニア酸化触媒２６は省略することもできるが、こうすると事態は益々悪化する。

そこで本実施形態では、かかる問題を解決するため、以下に述べる制御をＥＣＵ１００により実施する。

概して本実施形態では、再生制御の非実行時、すなわち通常制御の実行時に、ＮＯｘ触媒２４の吸着ＨＣ量を推定する。そして再生制御の実行時に、ＮＯｘ触媒２４を低速で昇温させる低速昇温制御を行った後に、ＮＯｘ触媒２４を高速で昇温させる高速昇温制御を行うと共に、推定した吸着ＨＣ量に応じて、低速昇温制御から高速昇温制御に切り替える切替タイミングを変更する。

低速昇温制御を行うと、ＮＯｘ触媒２４からのＨＣ脱離速度を遅くすることができ、ＮＯｘ触媒２４から排出される排気のＨＣ濃度を低く抑えることができる。他方、高速昇温制御を行うと、ＮＯｘ触媒２４から排出される排気のＨＣ濃度が高まる傾向にあるものの、ＮＯｘ触媒２４からのＨＣ脱離速度を速くすることができる。

本実施形態では、再生制御の初期において低速昇温制御を行い、ＮＯｘ触媒２４からの排気のＨＣ濃度を抑えながら、ＮＯｘ触媒２４の吸着ＨＣを脱離させ、その吸着量を減少させる。そして、ＮＯｘ触媒２４のＨＣ吸着量がある程度減少したら、高速昇温制御に切り替え、ＮＯｘ触媒２４の吸着ＨＣをより積極的に脱離させる。この段階では、ＨＣ吸着量が既に少なくなっているため、吸着ＨＣの脱離速度を上げても、ＮＯｘ触媒２４からの排気のＨＣ濃度を低く抑えることができる。

特に、推定した吸着ＨＣ量に応じて、低速昇温制御から高速昇温制御に切り替える切替タイミングを変更する。具体的には、推定吸着ＨＣ量が多いほど、切替タイミングを遅らせる。これにより、吸着ＨＣ量が多い場合には低速昇温制御をより長時間行い、より多くのＨＣを脱離させてから、高速昇温制御に移行できる。このため、吸着ＨＣ量に応じて切替タイミングを最適に設定することが可能である。

このように、再生制御実行時にその期間全体を通して、ＮＯｘ触媒２４からの排気のＨＣ濃度を低く抑えることができ、環境への過度のＨＣ排出を抑制できるほか、白煙および異臭の発生をも抑制できる。

本実施形態のようにアンモニア酸化触媒２６がある場合、ＥＣＵ１００は、再生制御の実行時にアンモニア酸化触媒２６から排出される排気のＨＣ濃度が所定の上限値を超えないよう、低速昇温制御から高速昇温制御への切替タイミングを設定する。これにより、上限値を超えるＨＣ濃度の排気が大気に排出されるのを抑制できる。

図２には、各制御時に１エンジンサイクル（７２０°ＣＡ）当たりに実行される燃料噴射方法を示す。横軸はクランク角θ（°ＣＡ）であり、各矩形波は各噴射の噴射時間すなわち噴射量を表す。

通常制御時には図２（Ａ）に示すように、プレ噴射Ｐｒとメイン噴射Ｍｎがこの順番で実行される。低速昇温制御時には図２（Ｂ）に示すように、パイロット噴射Ｐｌ、プレ噴射Ｐｒ、メイン噴射Ｍｎおよびアフタ噴射Ａｆがこの順番で実行される。アフタ噴射Ａｆは周知のように、メイン噴射燃料の燃焼終端付近でアフタ噴射燃料を不完全燃焼もしくは半燃えさせ、酸化触媒２２で燃焼し易くさせるような燃料噴射の態様である。なお低回転低負荷時以外ではパイロット噴射Ｐｌを省略してもよい。このような三つないし四つの燃料噴射を行う方法をマルチ噴射という。

高速昇温制御時には図２（Ｃ）に示すように、パイロット噴射Ｐｌ、プレ噴射Ｐｒ、メイン噴射Ｍｎ、アフタ噴射Ａｆおよびポスト噴射Ｐｏがこの順番で実行される。ポスト噴射Ｐｏは周知のように、ポスト噴射燃料を筒内で燃焼させず、全て酸化触媒２２で燃焼させるような燃料噴射の態様である。これにより高速昇温制御時には低速昇温制御時に比べ、フィルタ２３およびＮＯｘ触媒２４がより高速で昇温される。この高速昇温制御時の燃料噴射方法は、マルチ噴射にポスト噴射を追加したものということができる。前述したように、排気管インジェクタ３８による排気管噴射をポスト噴射Ｐｏの代わりに行ってもよい。

なお、図示例では圧縮上死点ＴＤＣ後に全ての噴射を実行し、酸化触媒２２にできるだけ高温の排気を供給するようにしている。しかしながら、燃料噴射タイミングについては変更も可能である。

いずれの制御時でも共通であるが、ＥＣＵ１００は、回転速度センサ４０およびアクセル開度センサ４１によりそれぞれ検出されたエンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃに基づき、図３（Ａ）に示すような燃料噴射量マップに従って、アフタ噴射Ａｆおよびポスト噴射Ｐｏを除く噴射の総噴射量（動力変換用噴射量）、特にインジェクタ７への指示噴射量としての目標燃料噴射量Ｑを算出する。燃料噴射量マップは予め試験等を通じて設定され、ＥＣＵ１００に記憶されている。なおマップに代わって関数を用いてもよい。これらの点は後述するマップについても同様である。目標燃料噴射量Ｑは、エンジン負荷を表すパラメータであり、このパラメータについては目標燃料噴射量Ｑ以外にもアクセル開度等の任意のパラメータを採用できる。

次にＥＣＵ１００は、通常制御時、エンジン回転数Ｎｅおよび目標燃料噴射量Ｑによって規定されるエンジン運転状態が、低回転低負荷側の第１領域Ｒ１にあるか否かを、図３（Ｂ）に示すような領域判定マップに従って判定する。本実施形態においては、エンジンの全運転領域が、第１領域Ｒ１と、それより高回転側または高負荷側の第２領域Ｒ２とに二分されている。ＥＣＵ１００は、検出されたエンジン回転数Ｎｅおよび目標燃料噴射量Ｑが領域判定マップ上の第１領域Ｒ１にあれば、エンジン運転状態が第１領域Ｒ１にあると判定し、それらが第２領域Ｒ２にあればエンジン運転状態が第２領域Ｒ２にあると判定する。本実施形態の第１領域Ｒ１は、エンジン回転数Ｎｅが所定の閾値Ｎ１以下で、かつ目標燃料噴射量Ｑが所定の閾値Ｑ１以下の領域である。

第１領域Ｒ１は、ＮＯｘ触媒２４の入口温度が低くＮＯｘ触媒２４にＨＣが吸着するような回転負荷領域として予め規定されている。逆に第２領域Ｒ２は、ＮＯｘ触媒２４の入口温度が高くＮＯｘ触媒２４にＨＣが吸着しづらい回転負荷領域として予め規定されている。

従って、エンジン運転状態が第１領域Ｒ１にいる時間、もしくは走行距離を計測することで、ＮＯｘ触媒２４に吸着されたＨＣ量を推定することができる。その時間もしくは走行距離が長くなるほど、吸着ＨＣ量も多くなるからである。時間もしくは走行距離は、吸着ＨＣ量に相関する指標値として好適に使用可能である。本実施形態では時間を用いるが、代替的に走行距離を用いてもよい。当該時間を便宜上、低負荷運転時間ｔＬと称する。

本実施形態では、低負荷運転時間ｔＬを計測することで吸着ＨＣ量を間接的に推定するが、他の推定方法も可能である。例えば、ＮＯｘ触媒２４の前後のＨＣ濃度差をＨＣセンサにより検出し、そのＨＣ濃度差を積算することで、吸着ＨＣ量をより直接的に推定してもよい。

他方、本実施形態では、推定した吸着ＨＣ量が所定の閾値以上の場合に、推定吸着ＨＣ量に応じた切替タイミングの変更を行う。言い換えれば、推定吸着ＨＣ量が閾値未満の場合には、推定吸着ＨＣ量に応じた切替タイミングの変更を行わない。推定吸着ＨＣ量が少なければ、高ＨＣ濃度の排気を大気に排出する可能性が低いため、切替タイミングを遅らせる実益が少なく、むしろ高速昇温制御に早く切り替えた方が再生制御を早く終了させられ、燃費面で有利だからである。従って本実施形態によれば、切替タイミングの変更を必要な場合に限って有利に実行できる。

図４は、本実施形態の再生制御を実施した場合の各値の経時的変化を示す。図４（Ａ）において、線ａは酸化触媒２２の入口温度Ｔｄｏｃ、線ｂはフィルタ２３の入口温度Ｔｄｐｆ、線ｃはＮＯｘ触媒２４の入口温度Ｔｓｃｒをそれぞれ示す。図４（Ｂ）において、線ｄは、ＮＯｘ触媒２４から排出された排気のＨＣ濃度（排出ＨＣ濃度という）Ｃを示す。

時刻ｔ１の前では通常制御が実行され、この最中に低負荷運転時間ｔＬが計測される。時刻ｔ１で再生制御が開始される。この開始と同時に、まず低速昇温制御が実行される。低速昇温制御では図２（Ｂ）に示したようなマルチ噴射が実行される。このうちパイロット噴射Ｐｌ、プレ噴射Ｐｒおよびメイン噴射Ｍｎは動力発生用の燃料噴射であり、アフタ噴射Ａｆのみが実質的に触媒昇温用の燃料噴射となる。初期のうちは、アフタ噴射量に関してそれ程緻密な制御は実行されていない。例えば一定量のアフタ噴射量が継続的に噴射される。

図示例の場合、時刻ｔ１の再生制御開始時点で、酸化触媒入口温度Ｔｄｏｃとフィルタ入口温度Ｔｄｐｆはほぼ同じである一方、ＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒはそれよりも低い温度となっている。この時点から低速昇温制御が開始されると、三者の温度は比較的低速で徐々に上昇していく。酸化触媒入口温度Ｔｄｏｃとフィルタ入口温度Ｔｄｐｆがほぼ同じように上昇するのに対し、ＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒは、フィルタ２３の熱容量の影響で、ある程度のタイムラグを以て、それらよりも遅れて上昇する。

この低速昇温制御中、酸化触媒２２およびフィルタ２３に吸着されていたＨＣが脱離し、順次下流側に流される。一方、ＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒはタイムラグの影響でまだＨＣ脱離開始温度Ｔａに達していない。よって前二者から脱離したＨＣは、ＮＯｘ触媒２４に吸着され、ＮＯｘ触媒２４内に徐々に堆積していく。ここでＨＣ脱離開始温度Ｔａとは、ＮＯｘ触媒２４においてＨＣ脱離可能な温度域の最低温度をいい、例えば２００℃である。

その後の時刻ｔ３で、ＮＯｘ触媒入口温度ＴｓｃｒがＨＣ脱離開始温度Ｔａに達しても、まだ依然として低速昇温制御が継続される。これにより、ＮＯｘ触媒２４からＨＣが脱離しても、図４（Ｂ）に示すように、排出ＨＣ濃度Ｃを低く抑えることができる。

図４（Ｂ）に示す上限値Ｃｈは、アンモニア酸化触媒２６で処理可能な排出ＨＣ濃度Ｃの上限値であり、言い換えれば、アンモニア酸化触媒２６から排出される排気のＨＣ濃度が所定の上限値以下に収まるような排出ＨＣ濃度Ｃの最大値である。この上限値Ｃｈの値は実機試験等を通じて予め設定される。図示するように、時刻ｔ３以降、ＮＯｘ触媒２４からＨＣが脱離しても、排出ＨＣ濃度Ｃを上限値Ｃｈ以下に抑えることができる。

その後の時刻ｔ４で、ＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒが切替温度Ｔｂ（＞Ｔａ）に達した時、制御は低速昇温制御から高速昇温制御に切り替えられる。高速昇温制御では図２（Ｃ）に示したように、アフタ噴射Ａｆに加え、ポスト噴射Ｐｏが実行される。酸化触媒２２においてポスト噴射燃料が追加で燃焼されるため、酸化触媒２２から排出される排気の温度は急激に上昇し、時刻ｔ４から、フィルタ入口温度Ｔｄｐｆが高速で上昇するようになる。

その後、タイムラグを経て、時刻ｔ５からＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒが高速で上昇するようになる。しかし、この時点では既に、時刻ｔ５の直前、具体的には時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間で実施された低速昇温制御によって、ＮＯｘ触媒２４の吸着ＨＣが相当量脱離消失している。従って、ＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒが高速で上昇したとしても、排出ＨＣ濃度Ｃが同じように急激に上昇することはなく、上限値Ｃｈ以下の低い値に抑えられる。こうして、高速昇温制御の実行時においても排出ＨＣ濃度Ｃを低く抑えることが可能である。

切替温度Ｔｂは、この温度で高速昇温制御に切り替えても排出ＨＣ濃度Ｃが上限値Ｃｈ以下となる温度のうちの最低温度として予め設定されている。切替温度Ｔｂは例えば２４０℃である。

ここで、ＮＯｘ触媒入口温度ＴｓｃｒがＨＣ脱離開始温度Ｔａに達する前と後では、低速昇温制御の方法が若干異なる。便宜上、ＨＣ脱離開始温度Ｔａに達する前の低速昇温制御を前期制御、達した後の低速昇温制御を後期制御と称する。

また、後期制御が実行される時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間の時間ｔＡは、ＮＯｘ触媒２４における推定吸着ＨＣ量に応じて変化される。この時間ｔＡを後期制御時間という。

ＥＣＵ１００は、再生制御開始前の通常制御時に、推定吸着ＨＣ量の指標値である低負荷運転時間ｔＬを計測する。そして再生制御開始と同時に、低負荷運転時間ｔＬに基づいて後期制御時間ｔＡを設定する。この際、ＥＣＵ１００は、図３（Ｃ）に示すような予め記憶した時間マップから、低負荷運転時間ｔＬに対応した後期制御時間ｔＡを算出する。そして、ＮＯｘ触媒入口温度ＴｓｃｒがＨＣ脱離開始温度Ｔａに達した時刻ｔ３に、前期制御から後期制御に切り替え、その後、設定した後期制御時間ｔＡが経過するまで、後期制御を継続する。

図３（Ｃ）に示すように、低負荷運転時間ｔＬが長いほど、すなわち推定吸着ＨＣ量が多いほど、長い後期制御時間ｔＡが算出される。従って、推定吸着ＨＣ量が多いほど、長い時間をかけてゆっくりと、多くの吸着ＨＣを脱離させることができる。よって推定吸着ＨＣ量が多い場合であっても、高速昇温制御開始前に吸着ＨＣ量を許容値以下まで減少させることができ、高速昇温制御への切り替え後に排出ＨＣ濃度Ｃが上限値Ｃｈを超えるのを確実に抑制できる。

このように、排出ＨＣ濃度Ｃの上昇を抑制するためには、高速昇温制御前の後期制御において吸着ＨＣ量を一定量以下まで確実に減少することが重要である。このため、後期制御では前期制御よりも緻密に燃料噴射量を制御する。

すなわちＥＣＵ１００は、後期制御時間ｔＡを算出した後、この後期制御時間ｔＡに基づき、後期制御中におけるＮＯｘ触媒入口温度の時間毎の目標温度を設定する。そして後期制御中、ＮＯｘ触媒入口温度の実際温度が目標温度に近づくよう、酸化触媒２２への燃料供給量をフィードバック制御する。

図３（Ｄ）は、当該目標温度の設定方法を示すグラフである。横軸は後期制御時間ｔＡで、異なる三つの後期制御時間ｔＡ１～ｔＡ３を例示する。ｔＡ１＜ｔＡ２＜ｔＡ３である。縦軸はＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒである。

ＥＣＵ１００は、後期制御時間ｔＡの間でＮＯｘ触媒入口温度ＴｓｃｒがＨＣ脱離開始温度Ｔａから切替温度Ｔｂに上昇するよう、後期制御時間ｔＡ内の時間毎の目標温度を設定する。図中の線ａ，ｂ，ｃは、それぞれ後期制御時間ｔＡ１，ｔＡ２，ｔＡ３に対応した時間毎の目標温度を示す。後期制御時間ｔＡが長いほど、すなわち推定吸着ＨＣ量が多いほど、高速昇温制御への切替タイミングは遅らせられる。またＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒの昇温速度は遅くされる。図示例の目標温度線ａ，ｂ，ｃは直線とされているが、これに限らず、曲線とされてもよい。こうして、吸着ＨＣ量の大きさに応じた最適な時間毎の目標温度を設定することができる。

ＥＣＵ１００は、後期制御中、排気温センサ４４で検出されたＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒの実際温度が、設定された目標温度に近づくよう、両者の温度差に基づき、アフタ噴射量をフィードバック制御する。これにより、実際温度を緻密に制御し、吸着ＨＣの脱離を予定通り実行することができる。

次に、図５を参照して、本実施形態のより具体的な制御の内容を説明する。ＥＣＵ１００は、図示のフローチャートの手順に従って制御を行う。

図示のフローチャートは、再生制御の開始と同時に開始される。再生制御の開始条件は、前述したように、差圧センサ４５により検出された差圧が所定の上限閾値以上に達することである。

一方、こうしたフィルタ再生要求に加え、ＮＯｘ触媒再生要求にも基づいて、再生制御が開始される。すなわち、エンジンが第１領域Ｒ１で運転されている時間すなわち低負荷運転時間ｔＬが長くなると、ＮＯｘ触媒２４のＨＣ吸着量が許容できない程に多くなってしまう。こうなると、再生制御時に排出ＨＣ濃度Ｃが高くなるだけでなく、通常制御時にＮＯｘ触媒２４がＨＣ被毒し、ＮＯｘ還元という本来の目的を十分に達成できなくなる可能性がある。よって本実施形態では、ＮＯｘ触媒再生要求にも基づいて再生制御を行うことで、吸着ＨＣを脱離させてＮＯｘ触媒２４を再生し、通常制御時におけるＮＯｘ触媒２４のＮＯｘ還元性能を十分に発揮できるようにしている。

ＮＯｘ触媒再生要求に基づく再生制御の開始条件は、低負荷運転時間ｔＬが所定の上限閾値ｔＬｍａｘ以上に達することである。ＥＣＵ１００は、両者の開始条件の少なくとも一方が成立したとき、再生制御を開始する。

フィルタ２３およびＮＯｘ触媒２４の一方の再生要求に基づいて再生制御が実行されたとき、他方も少なからず再生される。よってＥＣＵ１００は、フィルタ２３およびＮＯｘ触媒２４を再生させるため、再生制御を実行する。

再生制御開始後、ＥＣＵ１００はステップＳ１０１において、開始時点における低負荷運転時間ｔＬの値を取得する。この値は、開始時点までＥＣＵ１００によって計測されていた値である。

次にステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、取得した低負荷運転時間ｔＬを所定の閾値ｔＬｓと比較する。閾値ｔＬｓは、高速昇温制御への切替前に後期制御を行う必要がある程に多いＮＯｘ触媒２４のＨＣ吸着量に対応した値に設定されている。なお当然に、閾値ｔＬｓは先の上限閾値ｔＬｍａｘより小さい値である。

低負荷運転時間ｔＬが閾値ｔＬｓ以上の場合、ＥＣＵ１００はステップＳ１０３に進んで、低速昇温制御における前期制御と後期制御の両方を行う旨のフラグをオン（ＯＮ）にする。そしてステップＳ１０４に進んで、前期制御を実行する。

次にステップＳ１０５で、ＥＣＵ１００は、図３（Ｃ）のマップから、ステップＳ１０１で取得した低負荷運転時間ｔＬの値に対応した後期制御時間ｔＡを算出する。そして後期制御時間ｔＡに対応した時間毎の目標温度を図３（Ｄ）に示した如く設定する。

その後ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０６において、排気温センサ４４で検出されたＮＯｘ触媒入口温度の実際温度Ｔｓｃｒを取得すると共に、この実際温度Ｔｓｃｒを前述のＨＣ脱離開始温度Ｔａと比較する。実際温度ＴｓｃｒがＨＣ脱離開始温度Ｔａ未満の場合、ステップＳ１０６に戻って前期制御を継続する。

他方、実際温度ＴｓｃｒがＨＣ脱離開始温度Ｔａ以上に達した場合には、ステップＳ１０７に進んで、後期制御を実行する。これにより低速昇温制御は、比較的シンプルな前期制御から、より緻密な後期制御へと切り替えられる。

後期制御では前述したように、アフタ噴射量がフィードバック制御され、実際温度が、ステップＳ１０５で設定された目標温度に沿って正確に上昇される。よって、後期制御中における排出ＨＣ濃度Ｃを好適に抑制しつつ、必要最小限の時間で効率良く、ＮＯｘ触媒２４の吸着ＨＣ量を減少できる。

次にＥＣＵ１００は、ステップＳ１０８において、ＮＯｘ触媒入口温度の実際温度Ｔｓｃｒを前述の切替温度Ｔｂと比較する。実際温度Ｔｓｃｒが切替温度Ｔｂ未満の場合、ステップＳ１０８に戻って後期制御を継続する。

他方、実際温度Ｔｓｃｒが切替温度Ｔｂ以上に達した場合には、ステップＳ１０９に進んで、高速昇温制御を実行する。これによりポスト噴射が追加され、ＮＯｘ触媒入口温度はより高速で上昇されるようになる。

この後、図示のフローチャートは、再生制御の終了と同時に終了される。再生制御の終了条件は、開始条件がフィルタ再生要求に基づくものであれば差圧が所定の下限閾値以下に達することであり、開始条件がＮＯｘ触媒再生要求に基づくものであれば、例えば、高速昇温制御の実行時間が所定の閾値以上に達することである。

ところで、ステップＳ１０２において低負荷運転時間ｔＬが閾値ｔＬｓ未満の場合、これは、ＮＯｘ触媒２４のＨＣ吸着量が少なく、高速昇温制御への切替前に後期制御を行う必要性に乏しいことを意味する。従ってこの場合は、ステップＳ１１０に進み、ＥＣＵ１００は、後期制御を省略して前期制御から高速昇温制御に直接切り替える通常昇温制御を行う。

この場合、図４に示すように、時刻ｔ１で前期制御が開始されてから比較的短時間経過後の時刻ｔ２に、高速昇温制御に切り替えられる。この切替タイミングは、後期制御から高速昇温制御への切替タイミングｔ４よりも著しく早い。

このように、排出ＨＣ濃度Ｃの過度の上昇の虞がない場合には、早いタイミングで高速昇温制御に切り替えるので、再生制御の実行時間を最小限に済ませることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、推定した吸着ＨＣ量（低負荷運転時間ｔＬ）に応じて低速昇温制御（後期制御）から高速昇温制御に切り替える切替タイミング（時刻ｔ４）を変更するので、再生制御実行時にＮＯｘ触媒２４から排出される排気のＨＣ濃度の上昇を抑制することができる。

また、ＮＯｘ触媒２４のＨＣ吸着量が多くなるとＮＯｘ触媒２４がＨＣ被毒してそのＮＯｘ還元性能が低下するが、本実施形態によれば、吸着ＨＣを脱離させてＮＯｘ触媒２４を再生できるため、ＮＯｘ触媒２４のＮＯｘ還元性能を良好に維持することができる。

また、前期制御と後期制御を含む低速昇温制御を行うと、酸化触媒２２が比較的長時間かけてゆっくりと昇温されるので、これに吸着されたＨＣおよびＰＭを確実に燃焼除去することができ、酸化触媒２２を良好に再生することができる。

なお、以上の説明から理解されるように、本実施形態のＨＣ脱離開始温度Ｔａおよび切替温度Ｔｂは、特許請求の範囲にいう第１温度および第２温度に相当し、本実施形態の後期制御時間ｔＡは、特許請求の範囲にいう低速昇温制御の実行時間に相当する。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。

（１）例えば、推定吸着ＨＣ量、具体的には低負荷運転時間ｔＬの値は、吸着ＨＣ量に影響を及ぼす他のパラメータによって補正してもよい。

例えば、排気温センサ４２で検出される酸化触媒入口温度Ｔｄｏｃによって低負荷運転時間ｔＬを補正してもよい。この場合、酸化触媒入口温度Ｔｄｏｃが低いほど、酸化触媒２２ひいてはＮＯｘ触媒２４にＨＣが吸着され易くなるため、酸化触媒入口温度Ｔｄｏｃが低いほど、低負荷運転時間ｔＬが多くなるように補正する。例えば、演算周期毎に低負荷運転時間ｔＬを積算する際に、１演算周期当たりの時間をその時の酸化触媒入口温度Ｔｄｏｃで補正した値を積算する。

また、図示しない吸気温センサで検出される吸気温度によって低負荷運転時間ｔＬを補正してもよい。この場合、吸気温度が低いほど、筒内からＨＣが排出され易くなり、ＮＯｘ触媒２４にＨＣが吸着され易くなる。このため、吸気温度が低いほど、低負荷運転時間ｔＬが多くなるように補正する。例えば、演算周期毎に低負荷運転時間ｔＬを積算する際に、１演算周期当たりの時間をその時の吸気温度で補正した値を積算する。

また、図示しない車速センサで検出される車速によって低負荷運転時間ｔＬを補正してもよい。この場合、車速が低いほど、エンジンが低回転低負荷で運転され、ＮＯｘ触媒２４にＨＣが吸着され易くなる。このため、車速が低いほど、低負荷運転時間ｔＬが多くなるように補正する。例えば、演算周期毎に低負荷運転時間ｔＬを積算する際に、１演算周期当たりの時間をその時の車速で補正した値を積算する。

また、図示しない水温センサで検出される水温（エンジン冷却水の温度）によって低負荷運転時間ｔＬを補正してもよい。この場合、水温が低いほど、筒内からＨＣが排出され易くなり、ＮＯｘ触媒２４にＨＣが吸着され易くなる。このため、水温が低いほど、低負荷運転時間ｔＬが多くなるように補正する。例えば、演算周期毎に低負荷運転時間ｔＬを積算する際に、１演算周期当たりの時間をその時の水温で補正した値を積算する。

このように、低負荷運転時間ｔＬの値は、酸化触媒入口温度Ｔｄｏｃ、吸気温度、車速および水温の少なくとも一つにより補正可能である。こうした補正は当然にＥＣＵ１００によって行われる。

（２）後期制御の開始温度と終了温度は、前記実施形態ではＮＯｘ触媒入口温度ＴｓｃｒでＴａ，Ｔｂというように規定したが、代替的に、フィルタ入口温度Ｔｄｐｆで規定してもよい。図４に示すように、再生制御中のフィルタ入口温度ＴｄｐｆはＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒより高く、タイムラグ分早く上昇するが、これらの点を除けば、ＮＯｘ触媒入口温度Ｔｓｃｒと同じように上昇するからである。

（３）図２（Ａ）～（Ｃ）に示した燃料噴射方法に関し、動力変換用として必須なのはメイン噴射Ｍｎだけであり、パイロット噴射Ｐｌとプレ噴射Ｐｒは適宜省略してもよい。

（４）図３（Ｃ）では、低負荷運転時間ｔＬと後期制御時間ｔＡの関係を示す線が直線であるが、当該線は曲線であってもよい。

（５）図３（Ｂ）では単純に、Ｎｅ＝Ｎ１およびＱ＝Ｑ１を表す二本の直線で第１領域Ｒ１を規定しているが、これに限らず、より複雑な直線または曲線等で第１領域Ｒ１を規定してもよい。

（６）前記実施形態では上流側から順に酸化触媒２２、フィルタ２３、選択還元型ＮＯｘ触媒２４およびアンモニア酸化触媒２６を設けたが、フィルタ２３およびアンモニア酸化触媒２６の少なくとも一方は省略可能である。また、フィルタ２３の代わりに一乃至複数のＳＯＦ触媒を設けてもよい。ＳＯＦ触媒とは、ＰＭに含まれる有機可溶成分（ＳＯＦ（Soluble Organic Fraction））を除去するものである。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関（エンジン）
４ 排気通路
７ インジェクタ
２２ 酸化触媒
２３ フィルタ
２４ ＮＯｘ触媒
２６ アンモニア酸化触媒
３８ 排気管インジェクタ
４２，４３，４４ 排気温センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (9)

1. 内燃機関の排気通路に上流側から順に設けられた酸化触媒および選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   排気を昇温させるための再生制御を実行するように構成された制御ユニットと、
   を備え、
   前記制御ユニットは、
   再生制御の非実行時に前記ＮＯｘ触媒の吸着ＨＣ量を推定し、
   再生制御の実行時に、排気を低速で昇温させる低速昇温制御を行った後に、排気を高速で昇温させる高速昇温制御を行うと共に、推定した吸着ＨＣ量に応じて、低速昇温制御から高速昇温制御に切り替える切替タイミングを変更する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記制御ユニットは、推定した吸着ＨＣ量が多いほど、切替タイミングを遅らせる
   請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記制御ユニットは、推定した吸着ＨＣ量が所定の閾値以上の場合に、推定吸着ＨＣ量に応じた切替タイミングの変更を行う
   請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記制御ユニットは、
   前記ＮＯｘ触媒の入口温度が所定の第１温度から第２温度に上昇するまでの間、低速昇温制御を行い、前記ＮＯｘ触媒の入口温度が前記第２温度に達した時、低速昇温制御から高速昇温制御に切り替え、
   推定した吸着ＨＣ量が多いほど、低速昇温制御の実行時間を長くする
   請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記制御ユニットは、吸着ＨＣ量と、低速昇温制御の実行時間との関係を定めたマップを予め記憶し、前記マップから、推定した吸着ＨＣ量に対応する低速昇温制御の実行時間を算出する
   請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記制御ユニットは、低速昇温制御中における前記ＮＯｘ触媒入口温度の時間毎の目標温度を低速昇温制御の実行時間に基づいて設定し、低速昇温制御中、前記ＮＯｘ触媒の実際の入口温度が目標温度に近づくよう、前記酸化触媒への燃料供給量をフィードバック制御する
   請求項４または５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記制御ユニットは、低速昇温制御中には筒内インジェクタにアフタ噴射を実行させ、高速昇温制御中にはアフタ噴射に追加して前記筒内インジェクタにポスト噴射を実行させるか、または排気管インジェクタに排気管噴射を実行させる
   請求項１～６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記ＮＯｘ触媒の下流側の前記排気通路に設けられた別の酸化触媒をさらに備え、
   前記制御ユニットは、再生制御の実行時に、前記別の酸化触媒から排出される排気のＨＣ濃度が所定の上限値を超えないよう、低速昇温制御から高速昇温制御への切替タイミングを設定する
   請求項１～７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 排気通路に上流側から順に設けられた酸化触媒および選択還元型ＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の制御方法であって、
   排気を昇温させるための再生制御の非実行時に前記ＮＯｘ触媒の吸着ＨＣ量を推定する第１ステップと、
   再生制御の実行時に、排気を低速で昇温させる低速昇温制御を行った後に、排気を高速で昇温させる高速昇温制御を行うと共に、推定した吸着ＨＣ量に応じて、低速昇温制御から高速昇温制御に切り替える切替タイミングを変更する第２ステップと、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の制御方法。

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