JPWO2013102946A1 - 排気加熱方法 - Google Patents

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Abstract

排気浄化装置(２６)よりも上流側の排気管(２３)に配された燃料添加弁(２７ａ)から排気通路(２３ａ)に燃料を添加し、排気通路(２３ａ)に添加された燃料を加熱して着火させることにより、内燃機関から排気浄化装置(２６)に導かれる排気を加熱する本発明の方法は、排気通路(２３ａ)への燃料の添加の必要性を判定するステップと、このステップにて燃料を排気通路(２３ａ)に添加する必要があると判断した場合、燃料添加弁(２７ａ)から排気通路(２３ａ)に添加すべき燃料の添加量を設定するステップと、内燃機関の運転状態を把握するステップと、このステップにて把握された内燃機関の運転状態において、排気通路(２３ａ)を流れる排気中の煤およびＨＣの発生量が共に少ない領域に収まるように、内燃機関の燃焼室から排気通路(２３ａ)へと排出される排気の空燃比を制御するステップとを具える。

Description

本発明は、排気浄化装置よりも上流側の排気管に配された燃料添加弁から排気通路に燃料を添加し、これを加熱して着火させることにより、排気浄化装置へと導かれる排気を加熱する方法に関する。
近年、内燃機関に対する厳しい排気規制に対処するため、内燃機関の始動時に排気浄化装置の活性化を促進させたり、内燃機関の運転中にその活性状態を維持したりすることが必要となっている。このため、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に排気加熱装置を組み込んだ内燃機関が特許文献１などで提案されている。この排気加熱装置は、排気中に加熱ガスを生成し、この生成された加熱ガスを下流側の排気浄化装置に供給することにより、排気浄化装置の活性化を促進させたり、活性状態を維持するものである。このため、排気加熱装置は、燃料を排気通路中に添加する燃料添加弁と、この燃料を加熱して着火させることにより、加熱ガスを生成させるグロープラグなどの着火装置とを一般的に有する。また、この特許文献１に開示された従来の排気加熱装置においては、着火装置が燃料添加弁に近接して配されているため、燃料添加弁から排気通路に添加される燃料と排気との混合が充分になされず、着火した燃料が不完全燃焼となる場合がある。このため、燃料添加弁から噴射された燃料を受けてこれを排気通路に飛散させる受け板を排気通路に組み込むことが特許文献１にて提案されている。
特開２０１０−０８４７１０号公報
排気通路への燃料添加は、エンジンの燃焼室への燃料噴射とは異なり、燃料の噴射圧が低く、しかも圧力や温度も絶対的に低い傾向にある。このため、燃料の気化が緩慢となって燃料の液滴が排気中に残存し、内燃機関の運転状態によっては排気通路に添加された燃料を良好に燃焼させることができず、大量の煤（スモーク）が発生する可能性がある。例えば、排気通路を流れる排気中の酸素濃度が高かったり、その排気温が高い場合、着火装置による燃料の着火時の燃焼速度が早まり、大量の煤が生成される傾向を持つ。この結果、未燃燃料がそのまま下流へと伝わることにより排気浄化装置の一部を構成する触媒コンバーターへの未燃燃料の付着や、燃料すり抜けによる白煙の発生をもたらす可能性がある。
特許文献１に開示された従来の排気加熱装置においては、着火装置が燃料添加弁に近接して配されているため、燃料添加弁から排気通路に添加される燃料と排気との混合が充分になされず、着火した燃料が不完全燃焼となる場合がある。このため、大量の煤が発生して排気浄化装置の一部を構成する触媒コンバーターに目詰まりを生じさせてしまう不具合を招く。結果として、触媒コンバーターの再生処理を頻繁に行う必要が生じ、そのための燃料の消費に伴って燃費が悪化してしまう問題が生ずる。
本発明の目的は、排気浄化装置よりも上流側の排気管に配された燃料添加弁から排気通路に燃料を添加し、これを加熱して着火させることによって排気浄化装置に導かれる排気を加熱する際、煤およびＨＣの発生量を常に少なくし得る方法を提供することにある。
排気浄化装置よりも上流側の排気管に配された燃料添加弁から排気通路に燃料を添加し、排気通路に添加された燃料を加熱して着火させることにより、内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱する本発明の方法は、排気通路への燃料の添加の必要性を判定する判定ステップと、この判定ステップにて燃料を排気通路に添加する必要があると判断した場合、前記燃料添加弁から排気通路に添加すべき燃料の添加量を設定する添加量設定ステップと、内燃機関の運転状態を把握する運転状態把握ステップと、この運転状態把握ステップにて把握された内燃機関の運転状態において、排気通路を流れる排気中の煤およびＨＣの発生量が共に少ない領域に収まるように、内燃機関の燃焼室から排気通路へと排出される排気の空燃比を制御する空燃比制御ステップとを具えたことを特徴とするものである。
排気加熱装置での燃料の燃焼状態は、内燃機関の運転状態に応じて燃焼が良好な状態と煤が出やすい状態と未燃燃料が残留しやすい状態とに変化する。本発明における排気加熱装置を用いて排気の加熱を行う際には、内燃機関の燃焼室から排気通路へと排出される酸素量を減少させるように、例えば排気温や排気流量や排気中の酸素濃度などの状態に応じて燃料噴射弁から内燃機関の燃焼室に噴射される燃料の噴射量を制御する。これにより、排気加熱装置よりも下流側の排気通路を流れる排気中に煤や未燃燃料が含まれにくい運転状態にしておき、排気通路に添加される燃料の燃焼状態を良好に保つ。
本発明による排気加熱方法において、空燃比制御ステップは、内燃機関の燃焼室から排気通路へと排出される酸素量を減少させるように燃料噴射弁から内燃機関の燃焼室に噴射される燃料の噴射量を設定する噴射量設定ステップと、スロットル弁の開度を設定するステップと、ＥＧＲ制御弁の開度を設定するステップとの少なくとも１つのステップを含むことができる。この場合、添加量設定ステップは、この添加量設定ステップにて設定された燃料の添加量を噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量に応じて減量補正するステップを有することが有効である。
空燃比制御ステップが噴射量設定ステップを含み、内燃機関の運転状態を把握する運転状態把握ステップが排気温を求めるステップを含み、噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を運転状態把握ステップにて求められた排気温に応じて補正する噴射量補正ステップをさらに有するものであってよい。ここで、噴射量補正ステップは、排気温が高い運転状態にある場合、噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を増量補正するのに対し、排気温が低い運転状態にある場合、噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を減量補正することが有効である。
空燃比制御ステップが前記噴射量設定ステップを含み、内燃機関の運転状態を把握する運転状態把握ステップが内燃機関の燃焼室から排気通路へと排出される排気の空燃比を求めるステップを含み、噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を運転状態把握ステップにて求められた排気の空燃比に応じて補正する噴射量補正ステップをさらに有するものであってよい。ここで、噴射量補正ステップは、排気の空燃比がリーン領域にある場合、噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を増量補正するのに対し、排気の空燃比がリッチ領域にある場合、噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を減量補正することが有効である。
排気浄化装置がＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)を含み、このＤＰＦの再生処理中に判定ステップが燃料を排気通路に添加する必要があると判断した場合、噴射量設定ステップは、この噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を減量補正するステップを有することが好ましい。
排気通路を流れる排気の流量は、内燃機関の運転状態によってその変動幅が非常に大きく、このような排気の流量変化に拘らず、燃料添加弁から排気通路に添加される燃料の燃焼制御を正確に行うことは極めて困難を伴う。しかしながら、本発明によると、排気通路に燃料を添加する際に内燃機関の燃焼室から排気通路へと排出される排気の空燃比を制御することにより、排気通路を流れる排気中の煤およびＨＣの発生量が共に少ない領域に収めることができる。例えば、車両の減速時などで内燃機関の燃焼室への燃料の噴射を停止した状態にて排気加熱装置により排気を加熱する際、内燃機関の燃焼室に燃料を供給してこれを燃焼させずに排気に含ませるようにする。これにより排気中の酸素濃度を低下させて煤の発生を抑制することができる。
空燃比制御ステップが噴射量設定ステップと、スロットル弁開度設定ステップと、ＥＧＲ制御弁開度設定ステップとの少なくとも１つのステップを含む場合、内燃機関の燃焼室から排気通路へと排出される排気の空燃比を迅速かつ正確に制御することができる。
この添加量設定ステップにて設定された燃料の添加量を噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量に応じて減量補正する場合、未燃燃料の排出をさらに抑制することができる。
噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を運転状態把握ステップにて求められた排気温に応じて補正する場合も同様に、未燃燃料の排出をさらに抑制することができる。特に、排気温の高い運転状態の場合に燃料噴射量を増量補正するのに対し、排気温の低い運転状態の場合に燃料噴射量を減量補正することにより、未燃燃料の抑制と共に煤の生成をも併せて抑制することができる。
噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を運転状態把握ステップにて求められた排気の空燃比に応じて補正する噴射量補正ステップをさらに有する場合、未燃燃料の増加をさらに抑制することができる。特に、排気の空燃比のリーン領域において燃料噴射量を増量補正するのに対し、排気の空燃比のリッチ領域において燃料噴射量を減量補正することにより、未燃燃料の抑制と共に煤の生成をも併せて抑制することができる。
排気浄化装置がＤＰＦを含み、このＤＰＦの再生処理中に燃料を排気通路に添加する場合、設定された燃料の添加量を減量補正することにより、燃料の消費を抑えることができる。また、ＤＰＦが再生処理なので煤が生成したとしてもこれを酸化除去することができ、しかもＤＰＦに流入する排気中の酸素濃度の上昇に伴ってＰＭ(Particulate Matter)の燃焼性を高めることができる。
図１は、本発明による排気加熱方法を実施し得るエンジンシステムの一実施形態における概念図である。 図２は、図１に示した実施形態における主要部の制御ブロック図である。 図３は、筒内燃料噴射量と煤およびＨＣの発生量との関係を模式的に表すグラフである。 図４は、排気温と目標空燃比の選択領域との関係を模式的に表すグラフである。 図５は、排気温と酸素濃度と煤の大量発生領域およびＨＣの大量発生領域ならびに好適燃焼領域との関係を模式的に表すグラフである。 図６は、排気温と空燃比と煤の大量発生領域および好適燃焼領域との関係を模式的に表すグラフである。 図７は、吸気流量と空燃比と煤の大量発生領域および好適燃焼領域との関係を模式的に表すグラフである。 図８は、本実施形態における燃料の添加制御に関わる手順を表すフローチャートである。 図９は、図８中の燃料噴射量設定ステップの詳細手順を表すフローチャートである。 図１０は、図８中の燃料添加量設定ステップの詳細手順を表すフローチャートである。 図１１は、図８中の噴射量空燃比補正ステップの詳細手順を表すフローチャートである。
本発明による排気加熱方法を実現し得る圧縮点火方式の内燃機関の一実施形態について、図１〜図１１を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限らず、要求される仕様や特性などに応じてその構成を自由に変更することが可能である。
本実施形態におけるエンジンシステムの主要部を模式的に図１に示し、その制御ブロックを図２に示すが、簡略化のために図１にはエンジン１０の吸排気のための動弁機構などを便宜的に省略していることに注意されたい。
本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１０ａ内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火方式の内燃機関である。
燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に供給される燃料の量（以下、これを燃料噴射量と呼称する）および噴射タイミングは、運転者によるアクセルペダル１２の踏み込み量を含む車両の運転状態に基づいてＥＣＵ(Electronic Control Unit)１３により制御される。アクセルペダル１２の踏み込み量（以下、これをアクセル開度と記述する）θＡは、アクセル開度センサー１４により検出され、その検出情報がＥＣＵ１３に出力される。
燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に燃料を噴射する場合、本実施形態では２つの噴射モードが設定されている。すなわち、一方は燃料を燃焼室１０ａ内で圧縮点火させてこれを燃焼させ、エンジン１０の出力を得るエンジン駆動モードであり、他方は噴射された燃料を燃焼室１０ａ内で着火させず、そのまま後述する排気通路２３ａへと流す排気加熱モードである。この排気加熱モードにおける燃料噴射量と排気中の煤および未燃状態のＨＣの量との関係を模式的に図３に示す。この図３から明らかなように、燃料噴射量が少ないほど煤が発生しやすく、逆に燃料噴射量が多いほど未燃状態のＨＣの量が多くなる傾向を持つので、燃料噴射量を図３の適当な煤／ＨＣ低減範囲に収めることで、煤およびＨＣ量を共に少なくすることができる。
本実施形態では、排気加熱モードにて燃料噴射処理が必要な場合、燃料噴射量を煤／ＨＣ低減範囲のほぼ中間位置となるＦＭに設定する。しかしながら、後述する排気浄化装置２６のＤＰＦ２６ｂの再生処理中におけるＤＰＦ２６ｂへのＰＭの堆積速度ＶＤよりもＰＭの燃焼速度ＶＢが高い場合には、煤の発生が多めになってもＤＰＦ２６ｂにてこれが処理されることとなる。従って、この場合には燃料噴射量をΔＦＭだけ減量補正して燃料の無駄な消費を抑制し、未燃ＨＣの生成も抑制することができる。
また、排気温ＴＥが低すぎたり高すぎたりした場合、煤や未燃ＨＣの生成量が変化するので、排気温ＴＥに応じて燃料噴射量をさらに補正するようにしている。より具体的には、排気温ＴＥが予め設定した第１の閾温度ＴＬ未満の場合、煤の生成量が減少する可能性が高いので、燃料噴射量をΔＦＴだけ減量補正し、未燃ＨＣの生成量の増大を抑制する。逆に、排気温ＴＥが予め設定した第２の閾温度ＴＨよりも高い場合、煤の生成量が増大する可能性が高いので、燃料噴射量をΔＦＴだけ増量補正して煤の生成量の増大を抑制する。
同様に、本実施形態では実際の空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに対して例えば±ΔＲよりも大きく外れている場合にも、煤や未燃ＨＣの生成量が変化するので、空燃比ＲＮに応じて燃料噴射量をさらに補正するようにしている。より具体的には、空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに対してΔＲよりもリーン領域にある場合、煤が生成しやすくなるので、燃料噴射量をΔＦＲだけ増量補正する。逆に、空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに対してΔＲよりもリッチ領域にある場合、未燃ＨＣが生成しやすくなるので、燃料噴射量をΔＦＲだけ減量補正する。
なお、上述したような燃料噴射量の補正処理に代え、あるいはこのような燃料噴射量の補正処理に加え、吸入空気量およびＥＧＲ量の少なくとも一方を制御することでも同様な効果を得ることができる。
ＥＣＵ１３は、運転状態判定部１３ａと、燃料噴射設定部１３ｂと、燃料噴射弁駆動部１３ｃと、ＰＭ堆積速度算出部１３ｄと、ＰＭ燃焼速度算出部１３ｅとを有する。運転状態判定部１３ａは、アクセル開度センサー１４や後述する各種センサー類などからの情報に基づいて車両の運転状態を把握する。燃料噴射設定部１３ｂは、運転状態判定部１３ａでの判定結果に基づいて燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量や噴射時期を設定する。なお、排気加熱モードが選択された場合、燃料噴射設定部１３ｂは燃料噴射量を基本的にＦＭに設定する。燃料噴射弁駆動部１３ｃは、燃料噴射設定部１３ｂにて設定された量の燃料が設定された時期に燃料噴射弁１１から噴射されるように、燃料噴射弁１１の作動を制御する。ＰＭ堆積速度算出部１３ｄは、ＤＰＦ再生処理中のＰＭの堆積速度ＶＤを算出し、ＰＭ燃焼速度算出部１３ｅは、ＤＰＦ再生処理中のＰＭの燃焼速度ＶＢを算出するが、これらの算出は周知の方法で行われる。
燃焼室１０ａにそれぞれ臨む吸気ポート１５ａおよび排気ポート１５ｂが形成されたシリンダーヘッド１５には、吸気ポート１５ａを開閉する吸気弁１６ａおよび排気ポート１５ｂを開閉する排気弁１６ｂを含む図示しない動弁機構が組み込まれている。先の燃料噴射弁１１もこのシリンダーヘッド１５に組み込まれている。
吸気ポート１５ａに連通するようにシリンダーヘッド１５に連結されて吸気ポート１５ａと共に吸気通路１７ａを画成する吸気管１７には、スロットルアクチュエーター１８を介して吸気通路１７ａの開度を調整するためのスロットル弁１９が組み込まれている。
先のＥＣＵ１３は、スロットル開度設定部１３ｆと、アクチュエーター駆動部１３ｇとをさらに有する。スロットル開度設定部１３ｆは、先の運転状態判定部１３ａでの把握結果に基づいてスロットル弁１９の開度を設定する。アクチュエーター駆動部１３ｇは、スロットル弁１９がスロットル開度設定部１３ｆにて設定された開度となるように、スロットルアクチュエーター１８の作動を制御する。
ピストン２０ａが往復動するシリンダーブロック２１には、連接棒２０ｂを介してピストン２０ａが連結されるクランク軸２０ｃの回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ１３に出力するクランク角センサー２２が取り付けられている。
ＥＣＵ１３の運転状態判定部１３ａは、このクランク角センサー２２からの情報に基づき、クランク軸２０ｃの回転位相やエンジン回転数の他に車両の走行速度などを実時間で把握する。
エンジン１０には、排気通路２３ａ内を流れる排気の一部を吸気通路１７ａに導くＥＧＲ装置２４と、ターボ過給機２５と、排気浄化装置２６と、排気加熱装置２７とが組み込まれている。
主として排気中の窒素酸化物を低減するためのＥＧＲ装置２４は、ＥＧＲ通路２８ａを画成するＥＧＲ管２８と、このＥＧＲ管２８に設けられてＥＧＲ通路２８ａを流れる排気の流量を制御するＥＧＲ制御弁２９とを具えている。ＥＧＲ管２８は、排気ポート１５ｂと共に排気通路２３ａを画成する排気管２３に一端が連通すると共に他端が上述したスロットル弁１９とこのスロットル弁１９よりも下流側に配されたサージタンク１７ｂとの間の吸気通路１７ａに連通している。
本実施形態では、エンジン１０を搭載した車両が予め設定されたＥＧＲ運転領域にあることをＥＣＵ１３の運転状態判定部１３ａが判定した場合、この時の車両の運転状態に応じてＥＧＲ制御弁２９の開度がＥＣＵ１３のＥＧＲ量設定部１３ｈにて設定される。ＥＣＵ１３のＥＧＲ弁駆動部１３ｉは、ＥＧＲ制御弁２９をＥＧＲ量設定部１３ｈにて設定された開度に制御し、それ以外の場合は基本的にＥＧＲ通路２８ａを塞ぐように閉じた状態にＥＧＲ制御弁２９を駆動する。
ターボ過給機（以下、単に過給機と記述する）２５は、排気通路２３ａを流れる排気の運動エネルギーを利用して燃焼室１０ａへの過給を行い、吸気の充填効率を高めるためのものである。本実施形態における過給機２５は、吸気タービン２５ａとこの吸気タービン２５ａと一体に回転する排気タービン２５ｂとで主要部が構成されている。吸気タービン２５ａは、スロットル弁１９よりも上流側に位置する吸気管１７の途中に組み込まれている。排気タービン２５ｂは、排気ポート１５ｂに連通するようにシリンダーヘッド１５に連結された排気管２３の途中に組み込まれている。本実施形態では、排気タービン２５ｂ側からの伝熱により吸気タービン２５ａを介して加熱される吸気温を低下させるため、インタークーラー２５ｃが吸気タービン２５ａとサージタンク１７ｂとの間の吸気通路１７ａの途中に組み込まれている。
過給器２５の吸気タービン２５ａよりも上流側の吸気管１７には、ここの吸気通路１７ａを流れる吸気の流量を検出してこれをＥＣＵ１３に出力するエアーフローメーター３０が設けられている。なお、上述したＥＧＲ管２８の一端は、排気タービン２５ｂよりも上流の排気管２３に接続している。
燃焼室１０ａ内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための排気浄化装置２６は、過給機２５の排気タービン２５ｂよりも下流側の排気通路２３ａを画成する排気管２３に組み込まれている。本実施形態における排気浄化装置２６は、周知の酸化触媒コンバーター２６ａおよびＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)２６ｂを含む。しかしながら、ＮＯX(Nitrogen Oxides：窒素酸化物)触媒コンバーターなどをさらに含むものであってもよい。
この排気浄化装置２６には、その温度（以下、これを触媒温度と記述する）ＴＣを検出してＥＣＵ１３に出力するための触媒温度センサー３１が組み込まれている。また、排気浄化装置２６よりも上流かつ排気加熱装置２７よりも下流に位置する排気管２３の部分には、排気温センサー３２が取り付けられている。この排気温センサー３２は、排気浄化装置２６に流入する直前の排気通路２３ａを流れる排気温ＴＥを検出し、その検出情報をＥＣＵ１３に出力する。
本実施形態におけるＥＣＵ１３は、これら触媒温度センサー３１および排気温センサー３２からの情報に基づいて排気加熱装置２７の作動の必要性、つまり燃料添加要求の有無を判定する。通常は、酸化触媒２６ａが活性状態を維持し得る最低温度を基準とし、これよりも触媒温度ＴＣが低いか、あるいはこれよりも低くなることが予測される場合、燃料添加要求があると判定する。しかしながら、これ以外の従来から周知の判定方法を適宜採用することも可能である。
車両の運転状態および排気浄化装置２６の状態に基づいてその作動が制御される排気加熱装置２７は、エンジン１０から排気浄化装置２６に導かれる排気を加熱し、排気浄化装置２６の迅速な活性化および活性状態の保持を行うためのものである。本実施形態における排気加熱装置２７は、燃料添加弁２７ａと、グロープラグ２７ｂとを具えている。
排気浄化装置２６の活性化またはその活性状態を維持するための燃料を添加する燃料添加弁２７ａは、過給機２５の排気タービン２５ｂよりも下流かつ排気浄化装置２６よりも上流に位置する排気通路２３ａに臨むように排気管２３に取り付けられている。この燃料添加弁２７ａは、排気浄化装置２６の暖機、すなわち活性化が必要になった場合、基本的に低負荷運転状態において排気加熱装置２７を作動させ、排気通路２３ａに向けて燃料を添加するようになっている。燃料添加弁２７ａから排気通路２３ａに添加された燃料を着火させるためのグロープラグ２７ｂは、その先端側の発熱部分が燃料添加弁２７ａよりも排気通路２３ａの下流側に配され、燃料添加弁２７ａからの燃料は、この発熱部分に向けて添加される。グロープラグ２７ｂは、ＥＣＵ１３によりオン／オフを制御される図示しないスイッチを介して図示しない車載電源に接続している。グロープラグ２７ｂは、燃料添加弁駆動部１３ｌからの燃料添加弁２７ａの駆動情報に基づき、ＥＣＵ１３のグロープラグ駆動部１３ｍによってその作動のオン／オフが切り替えられる。
ＥＣＵ１３は、目標空燃比設定部１３ｊと、燃料添加設定部１３ｋと、燃料添加弁駆動部１３ｌとをさらに有する。
目標空燃比設定部１３ｊは、排気加熱処理によって排気を加熱する際に排気浄化装置２６に流入する排気の目標空燃比ＲＴを設定する。本実施形態では、排気温センサー３２によって検出される排気温ＴＥと、燃焼室１０ａから排気加熱装置２７に流入する排気中の酸素濃度とに基づき、排気加熱処理を行った場合に燃料が効率よく燃焼するような空燃比、すなわち目標空燃比ＲＴが設定される。このような排気温ＴＥと空燃比との関係を模式的に図４に示し、吸気流量，空燃比，酸素濃度，排気温ＴＥと、排気加熱処理を行った場合に燃料が効率よく燃焼する領域（以下、これを便宜的に燃焼好適領域と記述する）との関係を模式的に図５〜図７に示す。なお、酸素濃度はＥＣＵの運転状態判定部１３ａにて算出されるが、周知のＯ２センサーを排気加熱装置２７よりも上流側の排気通路２３ａに組み込むようにしてもよい。この燃焼好適領域は図５〜図７の破線で囲まれた領域であり、これらの破線で囲まれた領域に収まるように、単一の目標空燃比ＲＴが目標空燃比設定部１３ｊにて設定される。
燃料添加設定部１３ｋは、燃料添加弁２７ａから排気通路２３ａへの燃料の添加量を設定する。より具体的には、目標とすべき触媒温度ＴＴと触媒温度センサー３１によって検出される触媒温度ＴＣとの差に基づき、排気加熱処理によって排気を加熱する際に排気通路２３ａに添加すべき燃料の量、すなわち目標燃料添加量ＦＴを算出する。目標とすべき触媒温度ＴＴは、酸化触媒２６ａが活性状態となる最低温度が一般的に選択される。また、この燃料添加設定部１３ｋは、燃料添加弁２７ａに対する１回あたりの通電によって排気通路２３ａに添加される燃料の添加量（以下、これを単位添加量と記述する）ＦＵと、その通電周期（以下、これを添加周期と記述する）ｔＰとを併せて設定する。単位添加量ＦＵは、エアーフローメーター３０からの情報に基づく排気流量に基づいて設定され、基本的には排気流量が多いほど単位添加量ＦＵが多く設定される。添加周期ｔＰは、設定された単位添加量ＦＵにて排気通路２３ａに燃料を添加した場合、これが先の目標空燃比ＲＴとなるように設定される。
なお、燃料添加弁２７ａからの燃料添加と燃料噴射弁１１からの燃料噴射とが同時に実施される場合、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量に応じて先の目標燃料添加量ＦＴおよび単位添加量ＦＵの少なくとも一方が減量補正される。また、目標空燃比ＲＴに対して実際の空燃比ＲＮが異なった場合、実際の空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに合致するように空燃比制御を行い、燃料噴射量および吸入空気量およびＥＧＲ量の少なくとも１つを必要に応じて補正する。
燃料添加弁駆動部１３ｌは、燃料添加設定部１３ｋにて設定された単位添加量が設定された添加周期にて排気通路２３ａに添加されるように、燃料添加弁２７ａの作動を制御する。
本実施形態では、エアーフローメーター３０によって検出される吸入空気量と、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量および燃料添加弁２７ａからの燃料添加量とに基づき、排気浄化装置２６に流入する直前の排気の空燃比ＲＮが運転状態判定部１３ａにて算出される。しかしながら、空燃比センサーを排気加熱装置２７よりも下流および排気浄化装置２６よりも上流側の排気通路２３ａに配設し、空燃比センサーからの検出信号によってこの空燃比ＲＮを検出することも可能である。
このように、未燃燃料が含まれた排気を排気加熱装置２７に導くことにより、エンジン１０の燃焼室１０ａから排気加熱装置２７に送出される排気に含まれる酸素濃度を必要最小限に抑えることができ、煤の発生量を抑えることが可能となる。
本実施形態におけるＥＣＵ１３は、周知のワンチップマイクロプロセッサであり、図示しないデータバスにより相互接続されたＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，不揮発性メモリおよび入出力インターフェースなどを含む。このＥＣＵ１３は、円滑なエンジン１０の運転がなされるように、上述したセンサー１４，２２，３１，３２およびエアーフローメーター３０などからの検出信号に基づいて所定の演算処理を行う。そして、予め設定されたプログラムに従って燃料噴射弁１１，スロットル弁１９，ＥＧＲ制御弁２９，燃料添加弁２７ａ，グロープラグ２７ｂなどの作動を制御する。
従って、吸気通路１７ａから燃焼室１０ａ内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に噴射される燃料と混合気を形成する。そして、通常はピストン２０ａの圧縮上死点直前にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気が排気浄化装置２６を通って無害化された状態で排気管２３から大気中に排出される。
一方、本発明における排気加熱処理は、排気浄化装置２６の状態に応じてエンジン１０の運転中に実行される。このような本実施形態における排気加熱装置２７の作動手順を図８〜図１１のフローチャートを用いて説明すると、まずＳ１１のステップにて燃料添加要求があるか否かを判定する。ここで燃料添加要求がある、すなわち排気浄化装置２６を活性化させる必要があると判断した場合には、Ｓ１２のステップに移行し、現在の運転状態が煤の多量に生成する領域にあるか否かを判断する。ここで煤が大量に生成する領域に現在の運転状態がある、すなわち燃料噴射弁１１から燃料を燃焼室１０ａに噴射することが望ましいと判断した場合には、Ｓ１３のステップに移行して燃料噴射量設定処理を行う。
すなわち、図９のＳ１３１のステップにて燃料噴射量をＦＭに設定した後、Ｓ１３２のステップにてＤＰＦ２６ｂが再生処理中であるか否かを判定する。ここでＤＰＦ２６ｂが再生処理中であると判断した場合には、Ｓ１３３のステップに移行してＰＭの燃焼速度ＶＢがＰＭの堆積速度ＶＤ以上であるか否かを判定する。ここでＰＭの燃焼速度ＶＢがＰＭの堆積速度ＶＤ以上である、すなわちＤＰＦ２６ｂの再生処理によってＰＭが減少傾向にあると判断した場合には、Ｓ１３４のステップに移行する。そして、Ｓ１３１のステップにて設定された燃料噴射量ＦＭをΔＦＭだけ減量補正し、未燃ＨＣの生成量の増大を抑制する。
しかる後、Ｓ１３５のステップにて排気温ＴＥが第１閾温度ＴＬ以上かつ第２閾温度ＴＨ以下にあるか否かを判定する。ここで排気温ＴＥが第１閾温度ＴＬ以上かつ第２閾温度ＴＨ以下である、すなわち排気温ＴＥが低過ぎもせず高過ぎでもないと判断した場合には、この燃料噴射量設定のサブルーチンを終了して図８に示すメインのフローチャートのＳ１４のステップに移行する。また、Ｓ１３５のステップにて排気温ＴＥが第１閾温度ＴＬ以上でもなく、第２閾温度ＴＨ以下でもないと判断した場合には、Ｓ１３６のステップに移行して今度は排気温ＴＥが第２閾温度ＴＨよりも高いか否かを判定する。ここで、排気温ＴＥが第２閾温度ＴＨよりも高い、すなわち煤の生成量が初期予測よりも増大すると判断した場合には、Ｓ１３１のステップにて設定された燃料噴射量ＦＭをＳ１３７のステップにてΔＦＴだけ増量補正する。また、Ｓ１３６のステップにて排気温ＴＥが第２閾温度ＴＨよりも高くない、すなわち排気温ＴＥは第１閾温度ＴＬよりも低いので、煤の生成量が初期予測よりも減少すると判断した場合には、Ｓ１３８のステップに移行する。そして、Ｓ１３１のステップにて設定された燃料噴射量ＦＭをΔＦＴだけ減量補正し、未燃ＨＣの生成量の増大を抑制する。
このように、排気温ＴＥが第１閾温度ＴＬ以上でなかったり、あるいは第２閾温度ＴＨ以下ではない場合、Ｓ１３１のステップにて設定された燃料噴射量ＦＭの補正をＳ１３７，Ｓ１３８のステップにて行い、図９の燃料噴射量設定処理を終える。しかる後、図８のＳ１４のステップに移行する。
Ｓ１４のステップでは、アクセル開度θＡが０であるか否かを判定する。ここでアクセル開度θＡが０である、すなわち車両が減速中かまたはアイドリング状態であって燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内への燃料の噴射が行われていないと判断した場合には、Ｓ１５のステップに移行する。ここで燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内への燃料の噴射を開始し、燃料を燃焼室１０ａ内で燃焼させることなく、排気通路２３ａへと排出させ、排気中の酸素濃度を低下させる。このように、本実施形態では車両が減速中かまたはアイドリング状態の場合にのみ、燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａに燃料を噴射するようにしているため、エンジン１０のトルク変動による乗員の違和感を最小限に抑えることができる。このＳ１５のステップに続いてＳ１６のステップにてフラグがセットされているか否かを判定する。最初はフラグがセットされていないので、Ｓ１７のステップに移行してタイマーのカウントアップを行い、タイマーのカウント値ＣＮが目標カウント値ＣＴ以上であるか否かをＳ１８のステップにて判定する。これ以降、タイマーのカウント値ＣＮが目標カウント値ＣＴに達するまではＳ１８からＳ１１のステップまで戻り、上述した処理が基本的に繰り返される。
このようにして、Ｓ１８のステップにてタイマーのカウント値ＣＮが目標カウント値ＣＴ以上である、すなわち燃料噴射弁１１から噴射された燃料を含む排気が排気加熱装置２７に達したと判断した場合には、Ｓ１９のステップに移行してフラグをセットする。そしてＳ２０のステップに移行して燃料添加量設定処理を行う。
一方、先のＳ１２のステップにて現在の運転状態が煤の多量に生成する領域にはない、すなわち燃料を燃焼室１０ａに噴射する必要がないと判断した場合には、Ｓ２１のステップに移行する。そして、未燃ＨＣが多量に生成する運転領域に現在の運転状態があるか否かを判定する。ここで未燃ＨＣが多量に生成する運転領域にあると判断した場合には、図９のＳ１３４のステップに移行してＳ１３１のステップにて設定された燃料噴射量ＦＭをΔＦＭだけ減量補正し、ＨＣの生成が抑制されるようにする。また、Ｓ２１のステップにて未燃ＨＣが多量に生成する運転領域には現在の運転状態がない、すなわち燃料噴射弁１１から燃料を燃焼室１０ａに噴射する必要がないと判断した場合には、直ちにＳ２０のステップに移行する。なお、Ｓ１６のステップにてフラグがセットされている、すなわち燃料噴射弁１１から噴射された燃料を含む排気が排気加熱装置２７に達していると判断した場合も、Ｓ２０のステップに移行する。
図１０に示すＳ２０のステップの燃料添加量設定のサブルーチンにおいては、まず触媒温度ＴＣとその目標触媒温度ＴＴとの差に応じて目標となる燃料添加量ＦＴをＳ２０１のステップにて設定し、次いでＳ２０２のステップにて目標空燃比ＲＴを設定する。そして、Ｓ２０３のステップにて単位添加量ＦＵを算出した後、Ｓ２０４のステップにて単位添加量ＦＵと目標空燃比ＲＴとに応じた添加周期ｔＰを設定して燃料添加量設定処理を終え、図８に示すメインのフローチャートのＳ２２のステップに移行する。
このＳ２２のステップにおいては、燃料添加弁２７ａから排気通路２３ａに燃料の添加を行い、着火手段により燃料を着火して燃焼させ、高温となった排気を排気浄化装置２６へと導く。この場合、煤およびＨＣの生成が共に少なくなるように、必要に応じて燃料噴射弁１１からも燃料が燃焼室１０ａに噴射されており、煤およびＨＣによる排気浄化装置２６への悪影響を最小限に抑えることができる。次いで、Ｓ２３のステップにてフラグがセットされているか否かを判定し、ここでフラグがセットされている、すなわち燃焼室１０ａに燃料噴射弁１１からも燃料が噴射されていると判断した場合には、Ｓ２４のステップに移行して噴射量空燃比補正処理を行う。
図１１に示す噴射量空燃比補正のサブルーチンにおいては、まずＳ２４１のステップにて現在の空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに対して所定範囲にあるか否かを判定する。ここで現在の空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに対して所定範囲内にある、すなわち現在の空燃比を補正する必要がないと判断した場合には、図１１の噴射量空燃比補正処理を終えて図８のＳ２５のステップに移行する。しかしながら、Ｓ２４１のステップにて現在の空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに対して所定範囲から外れていると判断した場合には、Ｓ２４２のステップに移行して現在の空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに対してΔＲよりも大きいか否かが判定される。ここで現在の空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに対してΔＲよりも大きい、すなわちリーン過ぎて煤が生成しやすいと判断した場合には、Ｓ１３のステップにて設定された燃料噴射量をＳ２４３のステップにてΔＦＲだけ増量補正する。Ｓ２４２のステップにて現在の空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに対してΔＲよりも大きくない、すなわち空燃比がリッチ過ぎてＨＣが生成しやすいと判断した場合、Ｓ１３のステップにて設定された燃料噴射量ＦＭを、Ｓ２４４のステップにてΔＦＲだけ減量補正する。
このようにして、現在の空燃比ＲＮと目標空燃比ＲＴとの差に応じて燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を補正して現在の空燃比ＲＮが目標空燃比ＲＴに対して所定範囲に収まるように制御した後、Ｓ２５のステップに移行する。
一方、先のＳ２３のステップにてフラグがセットされていない、すなわち燃料噴射弁１１から燃料が噴射されていないと判断した場合にもＳ２５のステップに移行し、触媒温度ＴＣが目標触媒温度ＴＴ以上になったか否かを判定する。ここで触媒温度ＴＣが目標触媒温度ＴＴよりも低い、すなわち排気の加熱を継続する必要があると判断した場合には、Ｓ１１のステップに戻って上述した処理が繰り返される。また、触媒温度ＴＣが目標触媒温度ＴＴ以上である、すなわち排気浄化装置２６が活性状態となってこれ以上加熱する必要がないと判断した場合には、Ｓ２６のステップに移行する。そして排気加熱処理を終了し、タイマーのカウント値ＣＮを０にリセットした後、最初のステップＳ１１に戻る。また、Ｓ１４のステップにてアクセル開度θＡが０ではない、すなわち運転者によりアクセルペダル１２が踏み込まれている場合も、Ｓ２６のステップに移行する。その理由は、運転者によってアクセルペダル１２が踏み込まれると、燃焼室１０ａでの燃料の燃焼が始まって排気温ＴＥが上昇するため、排気加熱処理を行う必要がないからである。同様に、先のＳ１１のステップにて燃料添加要求がないと判断した場合にも、Ｓ２９のステップに移行して排気加熱処理を終了し、タイマーのカウント値ＣＮを０にリセットする。
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
１０ エンジン
１０ａ 燃焼室
１１ 燃料噴射弁
１２ アクセルペダル
１３ ＥＣＵ
１３ａ 運転状態判定部
１３ｂ 燃料噴射設定部
１３ｃ 燃料噴射弁駆動部
１３ｄ ＰＭ堆積速度算出部
１３ｅ ＰＭ燃焼速度算出部
１３ｆ スロットル開度設定部
１３ｇ アクチュエーター駆動部
１３ｈ ＥＧＲ量設定部
１３ｉ ＥＧＲ弁駆動部
１３ｊ 目標空燃比設定部
１３ｋ 燃料添加設定部
１３ｌ 燃料添加弁駆動部
１３ｍ グロープラグ駆動部
１４ アクセル開度センサー
１５ シリンダーヘッド
１５ａ 吸気ポート
１５ｂ 排気ポート
１６ａ 吸気弁
１６ｂ 排気弁
１７ 吸気管
１７ａ 吸気通路
１７ｂ サージタンク
１８ スロットルアクチュエーター
１９ スロットル弁
２０ａ ピストン
２０ｂ 連接棒
２０ｃ クランク軸
２１ シリンダーブロック
２２ クランク角センサー
２３ 排気管
２３ａ 排気通路
２４ ＥＧＲ装置
２５ ターボ過給機
２５ａ 吸気タービン
２５ｂ 排気タービン
２５ｃ インタークーラー
２６ 排気浄化装置
２６ａ 酸化触媒コンバーター
２６ｂ ＤＰＦ
２７ 排気加熱装置
２７ａ 燃料添加弁
２７ｂ グロープラグ
２８ ＥＧＲ管
２８ａ ＥＧＲ通路
２９ ＥＧＲ制御弁
３０ エアーフローメーター
３１ 触媒温度センサー
３２ 排気温センサー
θＡ アクセル開度
ＣＮ タイマーのカウント値
ＣＴ 目標カウント値
ＦＭ 燃料噴射量
ＦＴ 目標燃料添加量
ＦＵ 単位添加量
ΔＦＭ 燃料噴射補正量
ＴＣ 触媒温度
ＴＥ 排気温
ＴＨ 第２閾温度
ＴＬ 第１閾温度
ＴＴ 目標触媒温度
ＲＮ 実際の空燃比
ＲＴ 目標空燃比
ＶＢ ＰＭ燃焼速度
ＶＤ ＰＭ堆積速度
ｔＰ 添加周期

Claims (8)

  1. 排気浄化装置よりも上流側の排気管に配された燃料添加弁から排気通路に燃料を添加し、排気通路に添加された燃料を加熱して着火させることにより、内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱する方法であって、
    排気通路への燃料の添加の必要性を判定する判定ステップと、
    この判定ステップにて燃料を排気通路に添加する必要があると判断した場合、前記燃料添加弁から排気通路に添加すべき燃料の添加量を設定する添加量設定ステップと、
    内燃機関の運転状態を把握する運転状態把握ステップと、
    この運転状態把握ステップにて把握された内燃機関の運転状態において、排気通路を流れる排気中の煤およびＨＣの発生量が共に少ない領域に収まるように、内燃機関の燃焼室から排気通路へと排出される排気の空燃比を制御する空燃比制御ステップと
    を具えたことを特徴とする排気加熱方法。
  2. 前記空燃比制御ステップは、内燃機関の燃焼室から排気通路へと排出される酸素量を減少させるように燃料噴射弁から内燃機関の燃焼室に噴射される燃料の噴射量を設定する噴射量設定ステップと、スロットル弁の開度を設定するステップと、ＥＧＲ制御弁の開度を設定するステップとの少なくとも１つのステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の排気加熱方法。
  3. 前記添加量設定ステップは、この添加量設定ステップにて設定された燃料の添加量を前記噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量に応じて減量補正するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の排気加熱方法。
  4. 前記空燃比制御ステップが前記噴射量設定ステップを含み、
    内燃機関の運転状態を把握する運転状態把握ステップが排気温を求めるステップを含み、
    前記噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を、前記運転状態把握ステップにて求められた排気温に応じて補正する噴射量補正ステップをさらに有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の排気加熱方法。
  5. 前記噴射量補正ステップは、排気温が高い運転状態にある場合、前記噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を増量補正するのに対し、排気温が低い運転状態にある場合、前記噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を減量補正することを特徴とする請求項４に記載の排気加熱方法。
  6. 前記空燃比制御ステップが前記噴射量設定ステップを含み、
    内燃機関の運転状態を把握する運転状態把握ステップが内燃機関の燃焼室から排気通路へと排出される排気の空燃比を求めるステップを含み、
    前記噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を前記運転状態把握ステップにて求められた排気の空燃比に応じて補正する噴射量補正ステップをさらに有することを特徴とする請求項２から請求項５の何れかに記載の排気加熱方法。
  7. 前記噴射量補正ステップは、排気の空燃比がリーン領域にある場合、前記噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を増量補正するのに対し、排気の空燃比がリッチ領域にある場合、前記噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を減量補正することを特徴とする請求項６に記載の排気加熱方法。
  8. 排気浄化装置がＤＰＦを含み、このＤＰＦの再生処理中に前記判定ステップが燃料を排気通路に添加する必要があると判断した場合、前記噴射量設定ステップは、この噴射量設定ステップにて設定された燃料噴射量を減量補正するステップを有することを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の排気加熱方法。
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