JPWO2005095767A1 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

還元剤の微粒化を良好にできるとともに、燃焼空気を確実に確保できる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供する。排気ガス浄化装置でのコントローラは、可変排気ターボのノズル開度を尿素水の噴霧用にも制御するので、エンジンがＴ１〜Ｔ２の低負荷域にあって、通常では過給圧が上がらない場合でも、可変排気ターボのノズル開度を通常（二点鎖線）よりも閉じ気味に制御することにより、尿素水の噴霧に適した過給圧Ｐを得ることができ、この際の過給空気の一部で尿素水を確実に微粒化できる。また、過給圧をＰまで上げることにより、エンジンへ供給される燃焼空気が増えるので、良好な燃焼を実現でき、パーティキュレートの生成や未燃燃料の排出を抑制できる。

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に係り、詳しくは、可変排気ターボ付きの内燃機関の排気ガス通路に設けられるとともに、還元剤の供給によって排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置に関する。

従来より、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中のパーティキュレート（粒子状物質）を捕集したり、ＮＯｘ量を低減するために、内燃機関の排気ガス通路に排気ガス浄化装置を設けることが知られている。

パーティキュレートを捕集するための排気ガス浄化装置としては、ディーゼルパーティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）を備えたものが開発されて
おり、ＮＯｘ（窒素酸化物）量を低減させるための排気ガス浄化装置としては、ＮＯｘ還元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒等のＤｅＮＯｘ触媒を備えたものが開発されている。

また、近年では、排気ガス規制がより厳しくなっており、これに対応するために、ＤＰＦとＤｅＮＯｘ触媒とを直列に組み合わせた排気ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１）。このような排気ガス浄化装置によれば、例えば上流側の前段においては、ＤＰＦによりパーティキュレートを捕集し、その下流側の後段においては、ＤｅＮＯｘ触媒によりＮＯｘを低減することができ、排気ガスの浄化性能を一層向上させることが可能である。

ところで、ＮＯｘ還元触媒では、排気ガスとの反応を生じさせるために、排気ガス通路の上流側から還元剤が供給される。この還元剤は、高圧噴射により霧状に微粒化（アトマイズィング）して供給される場合もあるが、空気との混合により微粒化されることが多い。さらに、空気との混合による微粒化については、排気ターボ付きのエンジンの場合において、過給機側での過給空気の一部を還元剤噴霧手段に送り、この空気によって微粒化させることが提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２０００−１９９４２３号公報（図１等） 特開平７−１０２９４９号公報（図１等）

しかし、特許文献２によれば、排気ターボの過給機側と還元剤噴霧手段とは、空気取出通路によって単に連通しているだけであるから、エンジンが低負荷域で稼働している場合のように、排気ターボによる過給圧が比較的低く、空気流量も少ない状態では、還元剤噴射手段側に十分に空気が送られず、還元剤が微粒化しにくくなってＮＯｘ還元触媒での反応が良好に行われないという問題がある。しかも、過給圧が低い状態では通常、排気ガスの温度も低く、これに伴ってＮＯｘ還元触媒の温度も低いため、反応が一層生じにくいのである。
また、低負荷域においては、過給空気が僅かながらも還元剤噴射手段側に送られることにより、エンジンでの燃焼空気が不足し、パーティキュレートや未燃燃料が増加する可能性もある。

本発明の目的は、還元剤の微粒化を良好にできるとともに、燃焼空気を確実に確保できる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、前記内燃機関を過給する可変排気ターボと、前記内燃機関の排気ガス通路に設けられたＮＯｘ還元触媒と、前記可変排気ターボの過給機側の過給圧を利用して還元剤を前記ＮＯｘ還元触媒に噴霧する還元剤噴霧手段と、前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて、前記可変排気ターボのノズル開度を制御する開度制御手段とを備え、前記開度制御手段は、前記過給圧を制御して前記還元剤を微粒化することを特徴とする。

このような本発明によれば、可変排気ターボ用のノズル開度を開度制御手段によって還元剤の噴霧用にも制御するので、内燃機関が低回転速度域あるいは低負荷域にあって、通常では過給圧が上がらない場合でも、可変排気ターボのノズル開度を制御することにより、還元剤の噴霧に適した所定値以上の過給圧が得られるようになり、この際の過給空気の一部で還元剤が確実に微粒化される。
また、過給圧を上げることによって内燃機関へ供給される燃焼空気が増えるので、良好な燃焼が行われるようになり、パーティキュレートの生成や未燃燃料の排出が抑制される。
つまり本発明は、可変排気ターボのノズル開度を還元剤噴霧のために積極的に制御するものであり、従来の過給機側の過給空気の一部で還元剤を噴霧する構成と、従来からある可変排気ターボの構成との単なる組み合わせではない。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記開度制御手段は、前記触媒が機能を開始する基準負荷が記憶された基準負荷記憶手段と、前記負荷検出手段により検出された負荷が、前記基準負荷以上であるかを判定する負荷判定手段と、前記負荷判定手段の判定結果に基づいて、制御開度の生成及び指令を行う制御開度指令手段とを備え、前記制御開度指令手段は、前記制御開度指令によりノズル開度を制御することにより、前期過給圧を所定の値以上に維持することが望ましい。
このような本発明によれば、検出値の判定に基づいたフィードバック制御をおこなうことで、外気温の変化や経年変化などに伴う、内燃機関及び触媒の特性変化に対しても、安定した精度での還元剤の噴霧が可能となる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、所定の回転速度が記憶された基準回転速度記憶手段と、前記回転速度検出手段により検出された回転速度が、前記所定の回転速度を超える回転速度であるかを判定する回転速度判定手段と、所定の回転速度以下であると判定されると、前記負荷判定手段及び前記制御開度指令手段の動作を規制する動作規制手段とを備えていることが望ましい。
このような本発明によれば、回転速度を還元剤の噴霧のパラメータとして用いることで、もともと排気ガス温度が低く触媒が良好に働かない低回転速度域、例えばローアイドル状態において、ノズル開度を大きくしたままとして過給圧を低く抑え、還元剤の噴霧を停止させることが可能であるので、負荷のみを用いた場合に比べ、還元剤をより有効に使用することができる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記開度制御手段は、前記内燃機関の負荷とその負荷における制御開度指令とを対応させた開度制御パターンが記憶された開度制御パターン記憶手段と、前記開度制御パターン及び前記負荷検出手段の検出結果に基づいて、制御開度の生成及び指令を行う制御開度指令手段とを備え、前記開度制御パターンは、前記触媒が機能を開始する基準負荷近傍領域で極小値をとり、前記過給圧を所定の値以上に維持させるパターンであることが望ましい。
このような本発明によれば、記憶されている開度制御パターンに基づいたフィードフォワード制御をおこなうことで、負荷や回転速度などの急激な変動に対しも、応答性の高い、速やかな対応が可能となる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記開度制御パターン記憶手段は、前記内燃機関の回転速度に応じた複数の開度制御パターンを有し、前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、検出された回転速度に応じた開度制御パターンを選択するパターン選択手段とを備えていることが望ましい。
このような本発明によれば、回転速度を還元剤の噴霧のパラメータとして用いることで、もともと排気ガス温度が低く触媒が良好に働かない低回転速度域、例えばローアイドル状態において、ノズル開度を大きくしたままとして過給圧を低く抑え、還元剤の噴霧を停止させることが可能であるので、負荷のみを用いた場合に比べ、還元剤をより有効に使用することができる。

本発明の排気ガス浄化装置は、請求項４に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記所定の回転速度は、定格出力回転速度の４０％以上であることが望ましい。
このような本発明によれば、内燃機関が低負荷域で稼働している場合、すなわち排気ガスの温度が低く、触媒も十分に加熱されずに低温となっており触媒が働きにくい状態においては、所定負荷や所定回転速度の下限の値を規定することにより、触媒が働かない時期での還元剤の噴霧が抑制され、還元剤の無駄な消費がなくなる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記負荷検出手段は、前記内燃機関の燃料噴射量を検出し、前記基準負荷は、前記内燃機関が定格出力トルクの２０％以上のトルクを出力しているときの燃料噴射量であることが望ましい。
このような本発明によっても、内燃機関が低負荷域で稼働している場合、すなわち排気ガスの温度が低く、触媒も十分に加熱されずに低温となっており触媒が働きにくい状態においては、所定負荷や所定回転速度の下限の値を規定することにより、触媒が働かない時期での還元剤の噴霧が抑制され、還元剤の無駄な消費がなくなる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、前記ＮＯｘ還元触媒は尿素脱硝触媒であり、前記還元剤は尿素水であることが望ましい。
このような本発明によれば、ＮＯｘ還元触媒として尿素脱硝触媒を用い、還元剤として尿素水を用いるので、排気ガス中に含まれるＮＯｘは、噴霧した尿素水の分解によって得られるアンモニアとともに触媒に接触し、無害な窒素ガスに効率よく変換される。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、前記可変排気ターボの過給機の出口側と前記還元剤噴霧手段とは過給空気を送る空気取出通路によって連通され、この空気取出通路には、逆止弁および／または開閉弁が設けられていることが望ましい。
このような本発明によれば、空気取出通路に逆止弁および／または開閉弁を設けるので、可変排気ターボの過給機側での過給圧が排気ガスの圧力よりも低くなっても、それらの弁を閉じることで排気ガスが逆流するのを防止可能である。
また、特に開閉弁を設ければ、所定負荷以上や所定回転速度以上で内燃機関が稼働している場合であっても、開閉弁を操作して意図的に過給空気の還元剤噴霧手段側への供給を止めることが可能である。例えば、冬期で外気温が低い場合等において、ＮＯｘ還元触媒が加熱されるのに時間がかかったり、ＮＯｘ還元触媒が十分に加熱されておらず、空気の供給（還元剤の供給）によってＮＯｘ還元触媒の温度が著しく下がったりした場合、ＮＯｘ還元触媒が排気ガスによって確実に加熱されるまでの間は空気の供給を止め、還元剤が無駄に消費されるのを防止することができる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、前記過給機の出口側と前記開閉弁との間の空気取出通路には空気タンクが設けられ、前記過給機の出口側と当該空気タンクとの間の空気取出通路には圧力制御弁が設けられていることが望ましい。
このような本発明によれば、空気タンクを設けるので、この空気タンク内に過給空気を蓄えることにより、空気タンクがアキュムレータとして作用し、還元剤を噴霧させるのに安定した圧力が確保されるようになる。また、供給される空気の圧力変動（脈動）が抑制され、この点でも安定した圧力での噴霧が可能である。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、前記過給圧が所定値以上とは、０．０５ＭＰａ（０．５ｂａｒ）以上であることが望ましい。
ここで、「所定値以上の過給圧」とは、還元剤を微粒化可能な過給空気の圧力のことをいう。
このような本発明によれば、還元剤を噴霧する際の過給圧を規定することで、噴霧状態が良好となる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記開度制御手段は、前記制御開度指令によりノズル開度を制御することにより、前記基準負荷近傍領域から、前記過給圧を略一定に維持することが望ましい。
このような本発明によれば、例えば低回転速度域や低負荷域のように、ＮＯｘ還元触媒の温度が上がりにくい特定の領域内では、過給圧を一定に維持して過給空気の一部が還元剤噴霧用に過剰に供給されるのを抑制する。これにより、供給された空気によるＮＯｘ還元触媒のさらなる温度低下が防止されから、還元剤の無駄な消費が一層確実に抑えられ、かつＮＯｘ還元触媒が良好に働くようになる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記開度制御手段は、前記基準負荷近傍領域に至るまでの間に前記ノズル開度を一旦閉じ側に制御し、この後に開き側に制御することで、前記基準負荷以上の特定の負荷領域で前記過給圧を所定の値以上に維持させることが望ましい。
このような本発明によれば、専ら低負荷域での還元剤の微粒化を促進させることが可能であるが、本発明の構成によれば、ノズル開度を一旦閉じ側に制御し、この後に開き側に制御して所定値以上の過給圧を得るようにするので、さらにその後の中高速回転速度域や中高負荷域においては、再び閉じ側に制御して過給圧を徐々に上げることができる。

本発明の第１実施形態に係る排気ガス浄化装置が搭載された内燃機関回りを示す模式図。 前記第１実施形態でのコントローラの構造を示すブロック図。 前記第１実施形態でのノズル開度制御を説明するためのフローチャート。 前記第１実施形態での効果範囲を説明するための線図。 本発明の第２実施形態でのコントローラの構造を示すブロック図。 本発明の第２実施形態でのノズル開度制御を説明するための縁図。 本発明の第３実施形態を示す模式図。 本発明の第４実施形態を示す模式図。

符号の説明

１…ディーゼルエンジン（内燃機関）、２…可変排気ターボ、２Ａ…過給機、５…排気ガス通路、１０…排気ガス浄化装置、１１…尿素脱硝触媒（ＮＯｘ還元触媒）、１２…還元剤噴霧手段、１４Ａ…空気取出通路、１４Ｂ…逆止弁、１４Ｃ…開閉弁、１４Ｄ…空気タンク、１４Ｅ…圧力制御弁、１５Ａ、１５Ｂ…コントローラ（開度制御手段）、４Ａ…燃料噴射装置（負荷検出手段）、１６…過給圧センサ（負荷検出手段）、１７…排気温度センサ（負荷検出手段）、１８…エンジン回転速度センサ（回転速度検出手段）、１９…ターボ回転速度センサ（回転速度検出手段）、１５１…基準負荷記憶手段、１５２…基準回転速度記憶手段、１５３…開度制御パターン記憶手段、１５４…負荷判定手段、１５５…制御開度指令手段、１５６…パターン選択手段、１５７…回転速度判定手段、１５８…動作規制手段、Ｐ…過給圧。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第２実施形態以降において、次説する第１実施形態と同様な構成部材には同じ符合を付し、第２実施形態以降でのそれらの詳細な説明を省略または簡略化する。

〔第１実施形態〕
〔１−１〕全体構成
図１は、本発明の第１実施形態に係る排気ガス浄化装置１０が搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関）１回りを示す模式図である。
ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと称する）１は、可変排気ターボ２を備えている。可変排気ターボ２の過給機２Ａ側からの過給空気は、アフタークーラ３を介してエンジン本体４に供給され、エンジン本体４からの排気ガスは、可変排気ターボ２の圧縮機２Ｂを回転させた後、排気ガス通路５を通して排出される。

また、本実施形態のエンジン１には、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置６が
設けられており、排気マニーホールドから吸気マニーホールドに排気ガスの一部を戻すことで燃焼室内の酸素濃度を抑制し、燃焼を緩やかにして燃焼温度を低下させ、よって、高温燃焼時に生成されるＮＯｘを減少させている。このＥＧＲ装置６は、いわゆるクールドＥＧＲであり、専用のラジエータ６ＡによってＥＧＲガスを冷却し、燃焼温度をさらに低減させる構成である。なお、図中の符合「７」は、エンジン本体４を冷却するためのラジエータである。

このような本実施形態において、排気ガス浄化装置１０は、前述の可変排気ターボ２と、尿素脱硝触媒（ＮＯｘ還元触媒）１１と、還元剤噴霧手段１２と、還元剤供給手段１３と、空気供給手段１４と、これらを総括的に制御するコントローラ（開度制御手段）１５Ａと、ＤＰＦとを備えている。
ここで、尿素脱硝触媒（ＮＯｘ還元触媒）１１は、排気ガス通路５に設けられている。還元剤噴霧手段１２は、尿素脱硝触媒１１に対し、尿素水（還元剤）を噴霧する。還元剤供給手段１３は、還元剤噴霧手段１２に尿素水を供給する。空気供給手段１４は、吸気通路８から過給空気の一部を取り出して、還元剤噴霧手段１２に供給する。そして、コントローラ（開度制御手段）１５Ａが、これらを総括的に制御する。また、図示はされていないが、ＤＰＦが還元剤噴霧手段１２の上流に配置されている。

可変排気ターボ２は、詳細な図示および説明を省略するが、電気エネルギ、または油圧、空圧等の流体エネルギにより駆動されるアクチュエータ２Ｃを備え、このアクチュエータ２Ｃによってノズルベーンを駆動してノズル開度を調整する構成であり、その開度制御がコントローラ１５Ａによって制御される。

尿素脱硝触媒１１は、ゼオライト、バナジウム等の卑金属からなり、還元剤としての尿素水から得られるアンモニアと排気ガス中のＮＯｘとを反応させ、ＮＯｘを窒素と酸素とに分解して浄化する。

還元剤噴霧手段１２は、例えば２流体型の噴射ノズルを採用できる。つまり、２重管構造のノズルであり、中央側からの過給空気の噴出による負圧を利用して外側から尿素水が吸い出され、尿素水を霧状に微粒化して噴霧するものである。ただし、尿素水を微粒化して噴霧できればよく、構造は任意である。

還元剤供給手段１３は、還元剤供給通路１３Ａに設けられたポンプ１３Ｂを用いて、貯留タンク１３Ｃから尿素水を還元剤噴霧手段１２に供給する構造であり、還元剤供給通路１３Ａには電磁ソレノイド式の開閉弁１３Ｄが設けられている。開閉弁１３Ｄの開閉およびポンプ１３Ｂの駆動は、コントローラ１５Ａによって制御される。

空気供給手段１４は、吸気通路８と還元剤噴霧手段１２とを連通させる空気取出通路１４Ａを通して、可変排気ターボ２の過給機２Ａ出口側から供給される過給空気の一部を還元剤噴霧手段１２に供給する構造であり、空気取出通路１４Ａの上流側には、排気ガスの逆流を防止する逆止弁１４Ｂが、その下流側には、必要に応じて開閉される電磁ソレノイド式の開閉弁１４Ｃがそれぞれ設けられている。開閉弁１４Ｃの開閉はやはり、コントローラ１５Ａによって制御される。

エンジン本体４には燃料噴射装置４Ａが設置され、この燃料噴射装置４Ａからは燃料噴射量信号が出力される。エンジン本体４への吸気通路には過給圧センサ１６が設置され、この過給圧センサ１６からは過給圧信号が出力される。排気ガス通路５には排気温度センサ１７が設置され、この排気温度センサ１７からは排気温度信号が出力される。
ここで、燃料噴射装置４Ａ、過給圧センサ１６、排気温度センサ１７は本発明の負荷検出手段としての機能を有し、各々で検出された燃料噴射量信号、過給圧信号、排気温度信号が負荷としてそれぞれコントローラ１５Ａへ出力される。

エンジン本体４にはエンジン回転速度センサ１８が設置され、このエンジン回転速度センサ１８からはエンジン回転速度信号が出力される。前記可変排気ターボ２にはターボ回転速度センサ１９が設置され、このターボ回転速度センサ１９からはターボ回転速度信号が出力される。
ここで、エンジン回転速度センサ１８、ターボ回転速度センサ１９は本発明の回転速度検出手段としての機能を有し、各々で検出されたエンジン回転速度信号、ターボ回転速度信号が回転速度としてそれぞれコントローラ１５Ａへ出力される。

〔１−２〕コントローラの構造
次に、図２参照して、コントローラ１５Ａによる可変排気ターボ２のノズル開度の制御構造について説明する。
コントローラ１５Ａは、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）あるいは任意の制御回路を含んで構成され、本発明の開度制御手段として負荷検出手段（燃料噴射装置４Ａ、過給圧センサ１６、排気温度センサ１７）及び回転速度検出手段（エンジン回転速度センサ１８、ターボ回転速度センサ１９）からの出力信号に基づいてノズル開度調整用のアクチュエータ２Ｃ、ポンプ１３Ｂ、開閉弁１３Ｄ，１４Ｃを制御する。
開度制御手段であるコントローラ１５Ａは、基準負荷記憶手段１５１、負荷判定手段１５４、基準回転速度記憶手段１５２、回転速度判定手段１５７、制御開度指令手段１５５、動作規制手段１５８を備えて構成される。
また、これらを制御するパラメータとしては、図示しない温度センサ等によって検出される尿素脱硝触媒１１の温度やエンジン冷却水の温度、液面センサ等によって検出される貯留タンク１３Ｃ内の尿素水の残量などがある。
なお、コントローラ１５Ａは通常、エンジン１での燃料噴射量等を制御する大掛かりなものであるが、ここでは尿素水噴霧用に必要な説明に留める。

基準負荷記憶手段１５１には、触媒１１が機能を開始する基準負荷にあたる燃料噴射量、排気温度、及び還元剤噴霧手段１２での還元剤の微粒化に適した過給圧が記憶されている。
本実施例での基準負荷にあたる燃料噴射量は、ディーゼルエンジン１が定格出力トルクの２０％以上のトルクを出力しているときの燃料噴射量である。

負荷判定手段１５４は、前記負荷検出手段（燃料噴射装置４Ａ、過給圧センサ１６、排気温度センサ１７）により検出された負荷が、前記基準負荷以上であるかの判定を行う。これにより、触媒１１が機能を開始できる状態にあるか、還元剤噴霧手段１２で還元剤が微粒化できる噴霧圧が得られているかが判定される。
本実施例において、過給圧の判定基準となる所定の過給圧Ｐは、尿素水を微粒化するのに適した最低の圧力値以上であり、０．０５ＭＰａ（０．５ｂａｒ）以上である。
なお、前記回転速度検出手段（ターボ回転速度センサ１９）により検出されたターボ回転速度が、所定の許容値を超えていると判定された場合、ノズル開度を増加する指令がなされる。

基準回転速度記憶手段１５２には、所定のエンジン回転速度Ｎ１が記憶されている。
なお、本実施例における所定の回転速度Ｎ１は、エンジンの定格出力回転速度Ｎｒの４０％以上である。

回転速度判定手段１５７は、前記回転速度検出手段（エンジン回転速度センサ１８）により検出されたエンジン回転速度が、所定の回転速度Ｎ１以上であるかの判定を行う。これにより、触媒１１が機能を開始できる状態にあるかが判定される。

制御開度指令手段１５５は、前記負荷判定手段１５４の判定結果に基づいて開度の増減を決定した上で、最終的な制御開度を生成し、ノズル開度調整用のアクチュエータ２Ｃに開度制御指令を出力する。また必要に応じてポンプ１３Ｂ、開閉弁１３Ｄ、１４Ｃに制御指令を出力する。

動作規制手段１５８は、所定の回転速度Ｎ１以下であると判定されると、前記負荷判定手段１５４及び前記制御開度指令手段１５５の動作を規制し、以後の処理を行わないようにする。

〔１−３〕コントローラの作用
次に、前述した構成のコントローラの作用を図３に示されるフローチャートに基づいて説明する。
以上の構成の排気ガス浄化装置１０では、コントローラ１５Ａが負荷の変動及びエンジンの回転速度に応じてノズル開度を制御し、還元剤の微粒化が可能となる所定の過給圧を得るようにしている。

（１）コントローラ１５Ａは、付設されるＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された可変排気ターボ開度マップを読み込んだ後（処理Ｓ１）、回転速度検出手段（エンジン回転速度センサ１８）から出力されるエンジン回転速度、及び負荷検出手段（燃料噴射装置４Ａ）から出力される燃料噴射量を取得する（処理Ｓ２）。
（２）その後、コントローラ１５Ａは、図２には図示されない可変排気ターボ開度マップから、エンジン回転速度及び燃料噴射量に対応する開度値を選び出し、ノズル開度としての初期設定を行う（処理Ｓ３）。
なお、後述する負荷判定手段１５４が、過給圧が所定値Ｐより大きいと判定し、かつコントローラ１５Ａが、ノズル開度が初期設定値未満であると判定した場合、この初期設定値が最終的なノズル開度となる。
（３）さらに、コントローラ１５Ａは、負荷検出手段（過給圧センサ１６、排気温度センサ１７）から出力された過給圧及び排気温度を取得する（処理Ｓ４）。

（４）回転速度判定手段１５７は、回転速度検出手段（エンジン回転速度センサ１８）から出力されたエンジン回転速度が、所定の回転速度Ｎ１より大きいかを判定する（処理Ｓ５）。
その際、所定の回転速度Ｎ１以下であると判定される、動作規制手段１５８は、以後の処理を行わないことで、負荷判定手段１５４及び制御開度指令手段１５５の動作を規制する（処理Ｓ５）。

（５）負荷判定手段１５４は、負荷検出手段（燃料噴射装置４Ａ）から出力された燃料噴射量が、基準負荷記憶手段１５１に記憶されている基準負荷Ｔ１より大きいかを判定する（処理Ｓ６）。
また、負荷判定手段１５４は、負荷検出手段（排気温度センサ１７）から出力された排気温度が、所定の値以上であるかを判定する（処理Ｓ７）。

（６）コントローラ１５Ａは、可変排気ターボ２のノズル開度の面積が最小であるかの判定を行う（処理Ｓ８）。また、コントローラ１５Ａは、回転速度検出手段（ターボ回転速度センサ１９）から出力されたターボ回転速度が、許容値以下であるかの判定を行う（処理Ｓ９）。
なお、これらは可変排気ターボを保護するための作用であり、従来より行われている処理である。

（７）負荷判定手段１５４は、負荷検出手段（過給圧センサ１６）から出力された過給圧が、所定値Ｐより大きいかの判定を行う（処理Ｓ１０）。
（８）コントローラ１５Ａは、ノズル開度が処理Ｓ３で設定された初期設定値未満であるかの判定を行う（処理Ｓ１１）。
（９）負荷判定手段１５４は、負荷検出手段（過給圧センサ１６）から出力された過給圧が、所定値Ｐに任意値αを加えた値より大きいかの判定を行う（処理Ｓ１２）。

（１０）制御開度指令手段１５５は、上述の処理結果に基づいて、ノズル開度の減少（処理１３）、ノズル開度の増加（処理Ｓ１４）、または可変排気ターボ開度マップ通りの設定とすることを決定し、最終的な制御開度を生成する。そして、制御開度指令手段１５５は、ノズル開度調整用のアクチュエータ２Ｃに開度制御指令を出力する。また必要に応じてポンプ１３Ｂ、開閉弁１３Ｄ、１４Ｃに制御指令を出力する。

具体的には先ず、エンジン回転速度がＮ１に、無負荷の状態から負荷がＴ１に達するまでの間は（処理Ｓ５及びＳ６で判定）、コントローラ１５Ａは、可変排気ターボ２の開度マップに従いノズル開度を決定する（処理Ｓ３）。さらに、負荷がＴ１に、またはエンジン回転速度がＮ１に達するまでは、開閉弁１３Ｄ，１４Ｃが閉じられ、過給空気や尿素水が還元剤噴霧手段１２側に供給されるのを遮断し、尿素水が無駄に垂れ出るのを防止している。

負荷がＴ１を越え、かつエンジン回転速度がＮ１を越えた後、負荷判定手段１５４が、過給圧が所定値Ｐ以下であると判定すると（処理Ｓ１０）、制御開度指令手段１５５は、可変排気ターボ２のノズル開度を閉じ側に制御する指令を行い（処理Ｓ１３）、過給圧をＰの値まで上げる。そして、ノズル開度が閉じ側に作動することで、過給空気が増加して空燃比が大きくなり、燃焼空気が増す。
この後、負荷の上昇に応じて、負荷判定手段１５４が、過給圧がＰに任意値αを加えた値より大きいと判定すると（処理Ｓ１０）、制御開度指令手段１５５は、ノズル開度を開き側に制御する指令を行う（処理Ｓ１４）。これを繰り返すことで、過給圧を略Ｐのまま一定に維持させる。なお、過給圧Ｐを越えてより大きい過給圧を得るようにし、尿素水の微粒化をさらに促進させてもよいが、これによって還元剤噴霧手段１２側に送られる空気流量が必要以上に増したのでは、かえって尿素脱硝触媒１１の温度が下がってしまう可能性があるため、本実施形態では略一定に維持させるようにしている。そして、ノズル開度の増加に応じて、徐々に空燃比が小さくなるが、通常の制御の場合に比してノズル開度が閉じ気味であるから、やはり十分な燃焼空気が得られるようになっている。

そして、可変排気ターボ２の開度マップで定義された初期開度を越えた開度領域（負荷Ｔ２を超えた領域）においては、通常のノズル開度の制御を行っても、尿素脱硝触媒１１の温度は排気ガスによって十分に高められる。従って、コントローラ１５Ａが、ノズル開度は初期設定値未満であると判定すると（処理Ｓ１１）、制御開度指令手段１５５は、ノズル開度を可変排気ターボ２本来の目的のための制御、すなわち低負荷域から高負荷域まで出力を連続的にスムーズに発生させ、また、タイムラグを解消するための制御に戻す。つまり、Ｔ１からここまでの領域が、本発明での特定の負荷領域に相当する。

〔１−４〕本実施形態による効果
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）排気ガス浄化装置１０でのコントローラ１５Ａは、可変排気ターボ２のノズル開度を尿素水の噴霧用にも制御するので、エンジン１がＴ１〜Ｔ２の低負荷域にあって、通常では過給圧が上がらない場合でも、可変排気ターボ２のノズル開度を従来よりも閉じ気味に制御することにより、尿素水の噴霧に適した過給圧Ｐを得ることができ、この際の過給空気の一部で尿素水を確実に微粒化できる。
また、過給圧をＰまで上げることにより、エンジン１へ供給される燃焼空気が増えるので、良好な燃焼を実現でき、パーティキュレートの生成や未燃燃料の排出を抑制できる。

（２）排気ガスの温度が低く、尿素脱硝触媒１１が十分に加熱されず働きにくい低負荷域、すなわち負荷が定格トルクＴｒの２０％を下回るＴ１未満の領域、またはエンジンの回転速度がＮ１に達しない低速域では、開閉弁１３Ｄ，１４Ｃを閉じる等することにより過給空気を遮断し、尿素水の噴霧を行わないことで、尿素脱硝触媒１１が働かない時期での尿素水の無駄な消費を防止できる。
図４は、エンジンの負荷と回転速度との関係を示したトルク線図である。この図において、斜線で示す部分は、コントローラ１５Ａを尿素水の噴霧用に用いない場合、つまり、可変排気ターボ２のノズル開度を従来通りに制御した場合に、尿素水が良好に噴霧される領域を示している。これに対し、網掛け部分に示すように、従来では過給圧が低くて良好に噴霧されなかった低負荷域においても、ノズル開度を制御することで過給圧を上げ、尿素水を確実に噴霧させることが可能である。

（３）ＮＯｘ還元触媒として尿素脱硝触媒１１を用い、還元剤として尿素水を用いるので、排気ガス中に含まれるＮＯｘを、噴霧した尿素水の分解によって得られるアンモニアとともに触媒に接触し、無害な窒素ガスに効率よく変換できる。

（４）過給機２Ａと還元剤噴霧手段１２とを連通させる空気取出通路１４Ａには逆止弁１４Ｂや開閉弁１４Ｃが設けられているので、可変排気ターボ２の過給機２Ａ側での過給圧が排気ガスの圧力よりも低くなっても、排気ガスが逆流するのを防止できる。

（５）特に開閉弁１４Ｃが設けられているから、所定負荷のＴ１以上でエンジン１が駆動されている場合でも、開閉弁１４Ｃを操作して意図的に過給空気の還元剤噴霧手段１２側への供給を止めることができる。従って、冬期で外気温が低い場合等において、尿素脱硝触媒１１が加熱されるのに時間がかかったり、尿素脱硝触媒１１が十分に加熱されておらず、空気の供給（尿素水の供給）によって尿素脱硝触媒１１の温度が著しく下がったりした場合には、尿素脱硝触媒１１が排気ガスによって確実に加熱されるまでの間、空気の供給を止めることができ、還元剤が無駄に消費されるのを防止できる。

（６）本実施形態では、尿素水を噴霧する際の過給圧が０．０５ＭＰａ（０．５ｂａｒ）以上に規定されているので、良好な噴霧状態を実現できる。

（７）過給圧を制御するにあたり、Ｔ１〜Ｔ２間の低負荷域のように、尿素脱硝触媒１１の温度が上がりにくい特定の領域内では、過給圧を略一定のＰに維持するため、過給空気の一部が尿素水噴霧用に過剰に供給されるのを防止できる。これにより、供給された空気による尿素脱硝触媒１１のさらなる温度低下を防止できるため、尿素水の無駄な消費を一層確実に抑制でき、かつ尿素脱硝触媒１１を確実に働かせることができる。

（８）Ｔ１〜Ｔ２の低負荷域において、尿素水の微粒化を促進できるのであるが、この際、無負荷状態からＴ１までは、ノズル開度を一旦閉じ側に制御し、このＴ１〜Ｔ２までは開き側に制御して過給圧Ｐを得るようにするので、さらに、Ｔ２を越えた中高負荷域においては、再び閉じ側に制御して過給圧を徐々に上げることができ、可変排気ターボ２の本来の特性を発揮させることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、説明する。尚、以下の説明では、既に説明した部分と同一の部分については、同一符号を付してその説明を省略又は簡略する。
前述した第１実施形態では、フィードバック制御が行われており、燃料噴射量、過給圧、排気温度などの負荷、及びエンジンや可変排気ターボの回転速度の検出結果に基づいて、ノズル開度を調節していく制御方法を取っている。
これに対して、第２実施形態は、フィードバック制御によらずに、燃料噴射量及びエンジン回転速度に基づいて、開度制御パターン記憶手段１５３で記憶された開度制御パターンにより一意的に開度を制御する、いわゆるフィードフォワード制御が行われている点が、第１実施形態とは異なる。

まず、本実施形態におけるコントローラ１５Ｂの構造ついて、図５を用いて簡単に説明する。
開度制御手段１５Ｂは、開度制御パターン記憶手段１５３、パターン選択手段１５６、制御開度指令手段１５５を備えて構成される。

開度制御パターン記憶手段１５３は、触媒が機能を開始する基準負荷近傍領域で極小値をとり、過給圧を所定の値Ｐ以上に維持させる開度制御パターンを、エンジンの回転速度に応じて複数記憶している。

パターン選択手段１５６は、開度制御パターン記憶手段１５３に記憶されている複数の開度制御パターンの中から、燃料噴射装置が出力する燃料噴射量及び検出されたエンジン回転速度に応じたパターンの選択を行う。

制御開度指令手段１５５は、前記パターン選択手段１５６により選択された開度制御パターンに基づいて、制御開度の生成及び指令を行う。

次に、開度制御パターン記憶手段１５３に記憶されている開度制御パターンの特徴について、図６を用いて説明する。
具体的には先ず、無負荷の状態から負荷がＴ１に達するまでの間は、二点鎖線で示す従来の制御（尿素水噴霧を考慮しない制御）に比して、可変排気ターボ２のノズル開度を閉じ側に制御するノズル開度が記憶されている。これにより、過給圧を早い段階でＰの値まで上げる。この際、ノズル開度が閉じ側に作動することで、過給空気が増加して空燃比が大きくなり、燃焼空気が増す。さらに、負荷がＴ１に達するまでは、開閉弁１３Ｄ，１４Ｃが閉じられ、尿素水が無駄に垂れ出るのを防止している。

この後、負荷がＴ１〜Ｔ２に達するまでの間、すなわちこの間の低負荷域では、ノズル開度を開き側に、すなわち基準負荷Ｔ１近傍領域で極小値をとるように制御するノズル開度が記憶されている。これにより、この間での過給圧を略Ｐのまま一定に維持させる。Ｔ１〜Ｔ２の領域が、本発明での特定の負荷領域に相当する点は、本実施形態でも同様である。そして、Ｔ１〜Ｔ２の間では、徐々に空燃比が小さくなるが、通常の制御の場合に比してノズル開度が閉じ気味であるから、やはり十分な燃焼空気が得られるようになっている。

そして、Ｔ２を越えた負荷域においては、通常のノズル開度の制御を行っても（二点鎖線の延長上での制御）、過給圧がＰを越えるうえ、触媒の温度も排気ガスによって十分に高められるので、可変排気ターボ本来の目的のためのノズル開度が記憶されている。
なお、上述の特長を持つ開度制御パターンは、エンジン回転速度に応じて複数準備されている。

本実施形態においては、前述した効果（１）〜（８）が得られ、また、フィードフォワードにより制御応答性が高いため、負荷や回転速度などの急激な変動に対しも、速やかな対応が可能となる。しかし、外気温の変化や経年変化などに伴う、内燃機関及び触媒の特性変化に対しては、第１実施形態ほどの安定した効果が得られない可能性がある。

〔第３実施形態〕
図７には、本発明の第３実施形態に係る排気ガス浄化装置１０が示されている。本実施形態では、空気取出通路１４Ａにおいて、過給機２Ａ出口側および開閉弁１４Ｃの間に空気タンク１４Ｄを設け、この空気タンク１４Ｄと過給機２Ａ出口側との間には、逆止弁ではなく圧力制御弁１４Ｅを設けた点が第１実施形態とは異なる。他の構成や制御の仕方は第１実施形態と同じである。
そして、本実施形態での空気タンク１４Ｄは、還元剤噴霧手段１２へ供給するための空気圧を貯蓄するアキュムレータとして機能する。また、圧力制御弁１４Ｅは、空気タンク１４Ｄの蓄圧が所定以上になった場合、その上流側で空気取出通路１４Ａを開放し、過給機２Ａ側から送られる空気を逃がして空気タンク１４Ｄ等の保護を図る。

このような本実施形態では、第１実施形態と同様な構成により、前述した（１）〜（８）の効果を同様に得ることができる。加えて、以下の効果がある。
（９）空気取出通路１４Ａ上にはアキュムレータとして機能する空気タンク１４Ｄが設けられているので、この空気タンク１４Ｄ内に空気圧を蓄えることにより、尿素水を噴霧させるのに安定した圧力を確保できる。また、空気供給手段１４内の空気の圧力変動（脈動）を空気タンク１４Ｄによって効果的に減衰でき、この点でも安定した圧力での噴霧を実現できる。
さらに、空気タンク１４Ｄの上流側には圧力制御弁１４Ｅが設けられているため、空気タンク１４Ｄ内を含めた空気取出通路１４Ａ内の圧力が過剰に上昇するのを防止でき、空気供給手段１４の系内の保護を図ることができる。

〔第４実施形態〕
図８に示す本発明の第４実施形態では、空気取出通路１４Ａ上に逆止弁１４Ｂのみを設けた点が第１実施形態とは異なる。従って、本実施形態では、空気供給手段１４の構造を簡略化できるうえ、コントローラ１５Ａによる開閉弁１４Ｃ（図１）の制御を不要にできる。他の構成や制御の仕方は、第１実施形態と同じである。
このような構成では、前述した（５）の効果は得にくいが、他の効果を同様に得ることができ、本発明の目的を達成できる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、負荷がＴ１〜Ｔ２の間で、過給圧Ｐが０．０５ＭＰａ（０．５ｂａｒ）と略一定となるように制御していたが、これに限定されず、０．０５ＭＰａ（０．５ｂａｒ）を越えた過給圧であってもよい。ただし、Ｔ１〜Ｔ２のような低負荷域では、排気ガスの温度も低く、尿素脱硝触媒１１の働きも鈍いため、ここで過給圧Ｐを大幅に大きくしたのでは、供給する空気量が増えて尿素脱硝触媒１１の温度が一層下がってしまう可能性があり、噴霧した尿素水が無断になってしまう。このため、過給圧Ｐをより大きくする場合でも、過剰に大きくすることは慎むべきであり、０．１ＭＰａ（１ｂａｒ）程度に抑えることが好ましい。
Ｔ１〜Ｔ２の低負荷域においては、過給圧Ｐが一定である他、０．０５〜０．１ＭＰａ（０．５〜１ｂａｒ）の範囲で過給圧Ｐを略リニアに変動させたりしてもよい。

また、前記実施形態では、尿素水を還元剤とする尿素脱硝触媒１１が用いられていたが、この他、燃料等の炭化水素（ＨＣ）を還元剤とするＤｅＮＯｘ触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒等を用いてもよい。

ここで負荷とは、エンジンに要求されている全ての負荷、またはこれと相関関係を有するものを指し、必ずしも力に関するものではない。
また、前記実施形態の代わりに、例えばトルクメータによる計測値が負荷として用いられても良い。

前記第１実施形態では、記憶手段として、基準負荷記憶手段１５１及び基準回転速度記憶手段１５２が、判定手段として、負荷判定手段１５４及び回転速度判定手段１５７が存在するが、前記回転速度に応じた複数の基準負荷を有する負荷記憶手段、検出された回転速度に応じた基準負荷を選択する基準負荷選択手段とを備えるものであっても良い。
また、回転速度を使用せず、負荷のみを用いて、可変排気ターボ開度マップからの初期開度設定やその後の判定を行うものであっても良い。

前記第２実施形態では、開度制御パターンにより一意的に開度を制御するフィードフォワード制御のみが行われているが、これに他で検出された負荷等を用いたフィードバック制御を組み合わせて用いるものであっても良い。

本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、数量などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、数量などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

本発明の排気ガス浄化装置は、トラックやバス等の自動車、建設機械を含む各種産業機械など、可変排気ターボ付きの内燃機関を備えたあらゆるものに適用できる。特に建設機械や自動車に適用することで、環境改善に役立つメリットは大きい。

Claims (13)

1. 内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記内燃機関を過給する可変排気ターボと、
   前記内燃機関の排気ガス通路に設けられたＮＯｘ還元触媒と、
   前記可変排気ターボの過給機側の過給圧を利用して還元剤を前記ＮＯｘ還元触媒に噴霧する還元剤噴霧手段と、
   前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
   前記負荷検出手段の検出結果に基づいて、前記可変排気ターボのノズル開度を制御する開度制御手段とを備え、
   前記開度制御手段は、前記過給圧を制御して前記還元剤を微粒化する
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記開度制御手段は、
   前記触媒が機能を開始する基準負荷が記憶された基準負荷記憶手段と、
   前記負荷検出手段により検出された負荷が、前記基準負荷以上であるかを判定する負荷判定手段と、
   前記負荷判定手段の判定結果に基づいて、制御開度の生成及び指令を行う制御開度指令手段とを備え、
   前記制御開度指令手段は、前記制御開度指令によりノズル開度を制御することにより、前記過給圧を所定の値以上に維持する
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   所定の回転速度が記憶された基準回転速度記憶手段と、
   前記回転速度検出手段により検出された回転速度が、前記所定の回転速度を超える回転速度であるかを判定する回転速度判定手段と、
   所定の回転速度以下であると判定されると、前記負荷判定手段及び前記制御開度指令手段の動作を規制する動作規制手段とを備えている
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
4. 請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記開度制御手段は、
   前記内燃機関の負荷とその負荷における制御開度指令とを対応させた開度制御パターンが記憶された開度制御パターン記憶手段と、
   前記開度制御パターン及び前記負荷検出手段の検出結果に基づいて、制御開度の生成及び指令を行う制御開度指令手段とを備え、
   前記開度制御パターンは、前記触媒が機能を開始する基準負荷近傍領域で極小値をとり、前記過給圧を所定の値以上に維持させるパターンである
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記開度制御パターン記憶手段は、前記内燃機関の回転速度に応じた複数の開度制御パターンを有し、
   前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   検出された回転速度に応じた開度制御パターンを選択するパターン選択手段とを備えている
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
6. 請求項４に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記所定の回転速度は、定格出力回転速度の４０％以上である
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
7. 請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記負荷検出手段は、前記内燃機関の燃料噴射量を検出し、
   前記基準負荷は、前記内燃機関が定格出力トルクの２０％以上のトルクを出力しているときの燃料噴射量である
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記ＮＯｘ還元触媒は尿素脱硝触媒であり、
   前記還元剤は尿素水である
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記可変排気ターボの過給機の出口側と前記還元剤噴霧手段とは過給空気を送る空気取出通路によって連通され、
   この空気取出通路には、逆止弁および／または開閉弁が設けられている
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
10. 請求項９に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
    前記過給機の出口側と前記開閉弁との間の空気取出通路には空気タンクが設けられ、
    前記過給機の出口側と当該空気タンクとの間の空気取出通路には圧力制御弁が設けられている
    ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
    前記過給圧が所定値以上とは、０．０５ＭＰａ以上である
    ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
    前記開度制御手段は、前記制御開度指令によりノズル開度を制御することにより、前記基準負荷近傍領域から、前記過給圧を略一定に維持する
    ことを特徴とする内燃機械の排気ガス浄化装置。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
    前記開度制御手段は、前記基準負荷近傍領域に至るまでの間に前記ノズル開度を一旦閉じ側に制御し、
    この後に開き側に制御することで、前記基準負荷以上の特定の負荷領域で前記過給圧を所定の値以上に維持させる
    ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
    
    
    

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