JPWO2013179487A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関の排気通路に配置されたＮＯＸ触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯＸ触媒を昇温させるための処理に起因したエミッションの増加を少なく抑えることを課題とする。本発明の内燃機関の排気浄化装置は、上記した課題を解決するために、ＮＯＸ触媒の温度上昇量に対してＮＯＸ浄化率の上昇量が少なくなるときは、昇温処理の実行を見送るとともに、内燃機関から排出される排気の流量を少なくするための処理及び内燃機関から排出されるスモークの量を少なくするための処理を実行するようにした。

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、内燃機関の排気通路に配置されたＮＯ_Ｘ触媒を昇温させる技術に関する。

内燃機関の排気通路に排気浄化用の触媒が配置された排気浄化装置において、内燃機関の始動時に触媒を活性温度まで昇温させる昇温処理を開始する技術が知られている。また、内燃機関の始動から所定時間経過後における触媒の状態が所望の暖機状態に達していない場合は、触媒の温度が一層上昇しやすくなるように昇温処理の制御パラメータを変更する技術も提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。

また、特許文献２には、内燃機関の始動時から所定期間は該内燃機関から排出される炭化水素（ＨＣ）の量を低減させるための排出ガス低減制御を実行し、前記所定期間の経過後に排気浄化用触媒を昇温させるための触媒暖機促進制御を実行するシステムにおいて、触媒の劣化度合いに応じて前記所定期間の長さを変更する技術について述べられている。

特開２００３−１３８９６０号公報 特開２０１０−１８５３２１号公報

ところで、排気浄化用触媒として選択還元型触媒等のＮＯ_Ｘ触媒が用いられる場合に、内燃機関の始動をトリガとして昇温処理が開始されると、エミッションが却って増加する可能性があった。

たとえば、ＮＯ_Ｘ触媒の温度が活性温度より低い所定温度未満であるときは、該ＮＯ_Ｘ触媒の温度が上昇してもＮＯ_Ｘ浄化率（ＮＯ_Ｘ触媒へ流入するＮＯ_Ｘ量に対してＮＯ_Ｘ触媒で浄化されるＮＯ_Ｘ量の割合）がほとんど上昇しない。そのため、ＮＯ_Ｘ触媒の温度が前記所定温度より低いときに、内燃機関の始動をトリガとして昇温処理が開始されると、ＮＯ_Ｘ浄化率がほとんど上昇せずに、スモークや二酸化炭素（ＣＯ_２）等のエミッションが増加する可能性がある。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に配置されたＮＯ_Ｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、エミッションの増加を抑制しつつＮＯ_Ｘ触媒を昇温させることができる技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、ＮＯ_Ｘ触媒の温度とＮＯ_Ｘ浄化率との相関に着目し、ＮＯ_Ｘ触媒の温度上昇量に対してＮＯ_Ｘ浄化率の上昇量が少なくなるときは、昇温処理の実行を見送るとともに、内燃機関から排出されるエミッションの量が少なくなるように機関運転状態を調整するようにした。

詳細には、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に配置されるＮＯ_Ｘ触媒と、
前記ＮＯ_Ｘ触媒の温度を検出する検出手段と、
内燃機関から排出されるスモークの量が少なくなるように内燃機関を運転させる処理であるスモーク低減処理を実行するスモーク低減手段と、
内燃機関の吸入空気量が少なくなるように内燃機関を運転させる処理である空気量低減処理を実行する空気量低減手段と、
前記ＮＯ_Ｘ触媒の温度を上昇させる処理である昇温処理を実行する昇温手段と、
前記検出手段により検出される温度が前記ＮＯ_Ｘ触媒の活性温度より低い下限値未満であるときは前記昇温処理が実行されずに前記スモーク低減処理及び前記空気量低減処理が実行され、前記検出手段により検出される温度が前記下限値以上且つ前記活性温度未満であるときは前記昇温処理が実行されるような制御を行う制御手段と、
を備えるようにした。

ＮＯ_Ｘ触媒の温度が下限値未満であるときは、ＮＯ_Ｘ触媒の温度が上昇してもＮＯ_Ｘ浄化率（ＮＯ_Ｘ触媒へ流入するＮＯ_Ｘ量に対してＮＯ_Ｘ触媒で浄化されるＮＯ_Ｘ量の割合）がほとんど上昇しない。一方、ＮＯ_Ｘ触媒の温度が下限値以上且つ活性温度未満であるときは、ＮＯ_Ｘ触媒の温度が上昇するほど、ＮＯ_Ｘ浄化率も上昇する。なお、ここでいう「下限温度」は、たとえば、排気通路に配置されるＮＯ_Ｘ触媒の一部が活性する温度（部分活性温度）である。また、「活性温度」は、たとえば、排気通路に配置されるＮＯ_Ｘ触媒の全体が活性する温度（完全活性温度）である。

ＮＯ_Ｘ触媒の温度が前記下限温度より低いときに昇温処理が実行されると、ＮＯ_Ｘ触媒の温度は上昇するものの、ＮＯ_Ｘ浄化率はほとんど上昇しない。そのため、昇温処理の開始からＮＯ_Ｘ触媒の温度が前記下限温度以上となるまでの期間（以下、「第一期間」と称する）では、大気中へ排出されるＮＯ_Ｘの量がほとんど減少しないうえ、燃料消費量及び二酸化炭素（ＣＯ_２）の発生量が不要に増加するという問題がある。

これに対し、前記第一期間に昇温処理が実行されなくなると、昇温処理の実行に伴う燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）の増加が抑制される。ただし、前記第一期間に昇温処理が実行されない場合は実行される場合に比べ、ＮＯ_Ｘ触媒を通過するＮＯ_Ｘの量（言い換えると、ＮＯ_Ｘ触媒で浄化されないＮＯ_Ｘの量）が多くなる可能性がある。しかしながら、前記第一期間に空気量低減処理が実行されると、内燃機関から排出されるガス量の低減に伴い、内燃機関から排出されるＮＯ_Ｘの絶対量が減少する。さらに、内燃機関から排出されるガス量が少ない場合は多い場合に比べ、ＮＯ_Ｘ触媒におけるＮＯ_Ｘの空間速度（詳細には、ＮＯ_Ｘ触媒を収容する触媒ケーシング内におけるＮＯ_Ｘの空間速度）が小さくなる。ＮＯ_Ｘ触媒におけるＮＯ_Ｘの空間速度が小さい場合は大きい場合に比べ、ＮＯ_Ｘ浄化率が高くなる。よって、前記第一期間に昇温処理が実行されず且つ空気量低減処理が実行されると、ＮＯ_Ｘ触媒を通過するＮＯ_Ｘ量の増加を抑制しつつ、燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）を減少させることができる。

また、前記第一期間に空気量低減処理が実行された場合は実行されない場合に比べ、炭化水素（ＨＣ）等を含むスモークの発生量が増加する可能性がある。これに対し、前記第一期間に空気量低減処理とともにスモーク低減処理が実行されると、空気量低減処理の実行に伴うスモークの増加を抑制することができる。

なお、前記第一期間に昇温処理が実行されない場合は、ＮＯ_Ｘ触媒の温度が前記下限値に達したときに昇温処理が開始されることになる。そのため、ＮＯ_Ｘ触媒の温度が前記下限値から前記活性温度に上昇するまでの期間（以下、「第二期間」と称する）にＮＯ_Ｘ触媒を通過するＮＯ_Ｘ、スモークの発生量、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）は、ＮＯ_Ｘ触媒の温度が下限値未満であるときに昇温処理が開始される場合より多くなる可能性がある。

これに対し、前記第一期間に昇温処理が実行されず且つスモーク低減処理及び空気量低減処理が実行された場合は、前記第一期間に昇温処理が実行され且つスモーク低減処理及び空気量低減処理が実行されない場合に比べ、前記第一期間にＮＯ_Ｘ触媒を通過するＮＯ_Ｘ、スモークの発生量、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）が少なくなる。

したがって、前記第二期間にＮＯ_Ｘ触媒を通過するＮＯ_Ｘ量の増加分、スモークの発生量の増加分、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）の増加分は、第一期間にＮＯ_Ｘ触媒を通過するＮＯ_Ｘ量の減少分、スモークの発生量の減少分、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）の減少分によって相殺される。特に、第一期間に昇温処理が実行されず且つスモーク低減処理及び空気量低減処理が実行された場合は、第一期間に昇温処理が実行され且つスモーク低減処理及び空気量低減処理が実行されない場合に比べ、スモークの発生量及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）が大幅に少なくなる。

その結果、前記第一期間に昇温処理が実行されず且つ空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行された場合は、前記第一期間に昇温処理が実行され且つ空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行されない場合に比べ、第一期間及び第二期間を通じてＮＯ_Ｘ触媒を通過するＮＯ_Ｘの量を同等以下に抑えつつ、スモークの発生量及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）を減少させることができる。

本発明のスモーク低減処理として、内燃機関の気筒内へ燃料が噴射される時期である燃料噴射時期を進角させる処理が実行されてもよい。燃料噴射時期が進角された場合は進角されない場合に比べ、スモークの発生量が少なくなる。その結果、第一期間に発生するスモークの量を少なく抑えることができる。

また、排気の一部をＥＧＲガスとして気筒内へ導入するＥＧＲ装置が内燃機関に取り付けられている場合は、スモーク低減処理として、前記ＥＧＲ装置によって気筒内へ導入されるＥＧＲガスの量を減少させる処理が実行されてもよい。気筒内へ導入されるＥＧＲガスの量が少ない場合は多い場合に比べ、気筒内に導入される酸素量が多くなるとともに燃料の燃焼温度が高くなる。その結果、前記ＥＧＲ装置によって気筒内へ導入されるＥＧＲガスの量が減少された場合は減少されない場合に比べ、スモークの発生量が少なくなる。よって、第一期間に発生するスモークの量を少なく抑えることができる。

ところで、燃料噴射時期の進角や、ＥＧＲガス量の減量が行われた場合は行われない場合に比べ、ＮＯ_Ｘの発生量が多くなる可能性がある。しかしながら、ＮＯ_Ｘ発生量の増加分は、空気量低減処理の実行によって相殺することができる。

なお、本発明の昇温処理としては、ＮＯ_Ｘ触媒より上流の排気通路に配置される酸化触媒へ未燃燃料を供給する処理が実行されてもよい。未燃燃料を供給する方法としては、膨張行程又は排気行程の気筒内へ燃料を噴射（アフター噴射）する方法、又は酸化触媒より上流に配置される燃料添加弁から燃料を添加する方法を使用することができる。なお、酸化触媒へ未燃燃料を供給する場合は酸化触媒が活性している必要があるため、昇温処理はＮＯ_Ｘ触媒の温度が下限値以上であり、且つ酸化触媒の温度が活性温度以上であることを条件として実行されることが望ましい。ここでいう酸化触媒の活性温度は、排気通路に配置される酸化触媒の少なくとも一部が活性する温度であればよい。

また、本発明のＮＯ_Ｘ触媒としては、吸蔵還元型触媒や選択還元型触媒を用いることができるが、選択還元型触媒を用いることが好適である。たとえば、選択還元型触媒は、該選択還元型触媒を通過する排気の流量が少なくなるほど、部分活性温度（下限値）が低くなる傾向がある。よって、ＮＯ_Ｘ触媒として選択還元型触媒が使用される場合は、前記空気量低減処理の実行により下限値が低くなる。その結果、前記空気量低減処理が実行されない場合より早い時期に昇温処理を開始することが可能となり、選択還元型触媒の活性時期を早めることができる。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に配置されたＮＯ_Ｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、エミッションの増加を抑制しつつＮＯ_Ｘ触媒を昇温させることができる。

本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 酸化触媒の温度と浄化率との相関を示す図である。 選択還元型触媒の温度と浄化率との相関を示す図である。 昇温処理の実行方法を示すタイミングチャートである。 低ガス量燃焼処理の実行方法を示すタイミングチャートである。 低ガス量燃焼処理が実行される際にＥＣＵが実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。 選択還元型触媒の温度とＮＯ_Ｘ浄化率と排気流量との関係を示す図である。 本発明を適用する内燃機関の他の構成例を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明が適用される内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒を有する圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。なお、本発明を適用する内燃機関は、圧縮着火式の内燃機関の限られず、希薄燃焼運転される火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）であってもよい。

内燃機関１は、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁１ａを備えている。また、内燃機関１には、吸気通路２と排気通路３が接続されている。吸気通路２は、大気中から取り込まれた新気（空気）を内燃機関１の気筒へ導く通路である。排気通路３は、内燃機関１の気筒内から排出される既燃ガス（排気）を流通させるための通路である。

吸気通路２の途中には、スロットル弁４が配置されている。スロットル弁４は、吸気通路２の通路断面積を変更することにより、内燃機関１の気筒内に吸入される空気量を調整する弁機構である。なお、スロットル弁４は、弁体と該弁体を開閉駆動するための電動機とを備え、電動機は後述するＥＣＵ１０によって制御される。

排気通路３の途中には、第一触媒ケーシング５と第二触媒ケーシング６が上流側から直列に配置されている。第一触媒ケーシング５は、筒状のケーシング内に酸化触媒とパティキュレートフィルタを内装している。その際、酸化触媒は、パティキュレートフィルタの上流に配置される触媒担体に担持されてもよく、あるいはパティキュレートフィルタに担持されてもよい。

また、第二触媒ケーシング６は、筒状のケーシング内に、選択還元型触媒が担持された触媒担体を収容したものである。触媒担体は、たとえば、コーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの基材に、アルミナ系又はゼオライト系の活性成分（担体）をコーティングしたものである。さらに、触媒担体には、酸化能を有する貴金属触媒（たとえば、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等）が担持されている。このように構成される選択還元型触媒は、本発明に係わるＮＯ_Ｘ触媒の一例である。第二触媒ケーシング６は、選択還元型触媒の代わりに吸蔵還元型触媒を収容してもよい。

なお、第二触媒ケーシング６の内部において、選択還元型触媒より下流には酸化触媒を担持した触媒担体が配置されるようにしてもよい。その場合の酸化触媒は、後述する還元剤添加弁７から選択還元型触媒へ供給される還元剤のうち、選択還元型触媒をすり抜けた還元剤を酸化することができる。

第一触媒ケーシング５と第二触媒ケーシング６との間の排気通路３には、ＮＨ_３又はＮＨ_３の前駆体である還元剤を排気中へ添加（噴射）するための還元剤添加弁７が取り付けられている。還元剤添加弁７は、ニードルの移動により開閉される噴孔を有する弁装置である。還元剤添加弁７は、ポンプ７０を介して還元剤タンク７１に接続されている。ポンプ７０は、還元剤タンク７１に貯留されている還元剤を吸引するとともに、吸引された還元剤を還元剤添加弁７へ圧送する。還元剤添加弁７は、ポンプ７０から圧送されてくる還元剤を排気通路３内へ噴射する。なお、還元剤添加弁７の開閉タイミングやポンプ７０の吐出圧力は、ＥＣＵ１０によって電気的に制御されるようになっている。

ここで、還元剤タンク７１に貯留される還元剤としては、尿素やカルバミン酸アンモニウム等の水溶液や、ＮＨ_３ガスを用いることができる。本実施例では、還元剤として、尿素水溶液を用いる例について述べる。

還元剤添加弁７から尿素水溶液が噴射されると、尿素水溶液が排気とともに第二触媒ケーシング６へ流入する。その際、尿素水溶液が排気や第二触媒ケーシング６の熱を受けて熱分解又は加水分解される。尿素水溶液が熱分解又は加水分解されると、アンモニア（ＮＨ_３）が生成される。このようにして生成されたアンモニア（ＮＨ_３）は、選択還元型触媒に吸着又は吸蔵される。選択還元型触媒に吸着又は吸蔵されたアンモニア（ＮＨ_３）は、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）と反応して窒素（Ｎ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。つまり、アンモニア（ＮＨ_３）は、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の還元剤として機能する。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等を備えた電子制御ユニットである。ＥＣＵ１０は、第一排気温度センサ８、第二排気温度センサ９、クランクポジションセンサ１１、アクセルポジションセンサ１２、エアフローメータ１３、及びＡ／Ｆセンサ１４等の各種センサと電気的に接続されている。

第一排気温度センサ８は、第一触媒ケーシング５より下流、且つ第二触媒ケーシング６より上流の排気通路３に配置され、第一触媒ケーシング５から流出する排気の温度に相関する電気信号を出力する。第二排気温度センサ９は、第二触媒ケーシング６より下流の排気通路３に配置され、第二触媒ケーシング６から流出する排気の温度に相関する電気信号を出力する。クランクポジションセンサ１１は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力する。アクセルポジションセンサ１２は、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関する電気信号を出力する。エアフローメータ１３は、内燃機関１に吸入される空気量（吸入空気量）に相関する電気信号を出力する。Ａ／Ｆセンサ１４は、第一触媒ケーシング５より上流の排気通路３に配置され、排気の空燃比に相関する電気信号を出力する。

ＥＣＵ１０は、燃料噴射弁１ａ、スロットル弁４、還元剤添加弁７、及びポンプ７０等の各種機器と電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、前記各種機器を電気的に制御する。たとえば、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の燃料噴射制御や、還元剤添加弁７から間欠的に還元剤を噴射させる添加制御等の既知の制御に加え、第二触媒ケーシング６に収容された選択還元型触媒の昇温制御を実行する。以下、本実施例における昇温制御の実行方法について述べる。

内燃機関１が冷間始動されたときは、酸化触媒及び選択還元型触媒が活性していない状態、すなわち、酸化触媒が排気中の未燃燃料成分（ＨＣやＣＯ等）を酸化することができず、且つ選択還元型触媒が排気中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を還元することができない状態になる。よって、酸化触媒及び選択還元型触媒を早期に活性させる必要がある。

酸化触媒及び選択還元型触媒を早期に活性化させる方法としては、酸化触媒より上流の排気通路３に燃料を添加し、又は膨張行程若しくは排気行程の気筒内へ燃料噴射弁からアフター噴射することにより、未燃燃料成分を酸化触媒へ供給する処理（昇温処理）を実行する方法が知られている。このような方法によれば、未燃燃料成分が酸化触媒で酸化される際に発生する熱を利用して、酸化触媒や選択還元型触媒を昇温させることができる。

ところで、酸化触媒や選択還元型触媒は、所定の温度より低いときは温度上昇量に対して浄化率の上昇量が少なくなる。ここで、酸化触媒の温度（床温）と浄化率（未燃燃料の酸化率）との関係を図２に示す。図２に示すように、酸化触媒の温度が所定の温度（第一温度）Ｔｅ１より低いときは、該酸化触媒の温度が上昇しても、浄化率がほとんど上昇しない。ここでいう「第一温度Ｔｅ１」は、第一触媒ケーシング５に収容されている酸化触媒の少なくとも一部が活性する温度（部分活性温度）である。酸化触媒の温度が前記第一温度Ｔｅ１より低いときに、昇温処理が実行されると、酸化触媒に供給された未燃燃料成分の大部分が酸化されずに大気中に排出される可能性がある。

図３は、選択還元型触媒の温度と浄化率（ＮＯ_Ｘ浄化率）との関係を示す図である。図３に示すように、選択還元型触媒の温度が所定の温度（第二温度）Ｔｅ２より低いときは、該選択還元型触媒の温度上昇量に対して、ＮＯ_Ｘ浄化率の上昇量が少なくなる。一方、選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２以上、且つ第三温度Ｔｅ３未満の範囲に属するときは、該選択還元型触媒の温度上昇量に対して、ＮＯ_Ｘ浄化率の上昇量が多くなる。

ここでいう「第二温度Ｔｅ２」は、選択還元型触媒の温度が所定量上昇したときの温度変化率（選択還元型触媒の温度上昇量に対してＮＯ_Ｘ浄化率が上昇する量の割合）が基準値以上となる最低の温度であり、たとえば、第二触媒ケーシング６に収容されている選択還元型触媒の少なくとも一部が活性する温度（部分活性温度）である。なお、第二温度Ｔｅ２は、本発明に係わる「下限値」の一例である。また、「第三温度Ｔｅ３」は、たとえば、第二触媒ケーシング６に収容されている選択還元型触媒の全体が活性する温度（完全活性温度）である。

選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２より低いときに昇温処理が実行されると、選択還元型触媒の温度は上昇するが、ＮＯ_Ｘ浄化率がほとんど上昇しない。その結果、燃料消費量が不要に増加するため、酸化触媒で生成される二酸化炭素（ＣＯ_２）の量も不要に増加する可能性がある。一方、選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２以上、且つ前記第三温度Ｔｅ３未満であるときに昇温処理が実行されると、選択還元型触媒の温度を上昇させることができるとともに、ＮＯ_Ｘ浄化率も十分に上昇させることができる。

したがって、酸化触媒の温度が第一温度Ｔｅ１以上であると同時に、選択還元型触媒の温度が第二温度Ｔｅ２以上、且つ第三温度Ｔｅ３未満であることを条件として、昇温処理が実行されることが望ましい。

ここで、本実施例における昇温処理の実行方法について、図４のタイミングチャートに沿って説明する。内燃機関１が始動されると（図４中のｔ０）、排気の熱が酸化触媒と選択還元型触媒へ伝達される。その際、酸化触媒が選択還元型触媒より上流に配置されるため、酸化触媒が選択還元型触媒より先に昇温する。その結果、先ず酸化触媒の温度が前記第一温度Ｔｅ１以上に到達し（図４中のｔ１）、その後に選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２以上に到達する（図４中のｔ２）。

内燃機関１の始動時から選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２以上に到達するまでの期間（第一期間）は、選択還元型触媒の温度上昇量に対してＮＯ_Ｘ浄化率が上昇する量の割合（温度変化率）が小さくなる。そのため、前記第一期間中は、昇温処理が実行されない（昇温処理フラグがオフ（ＯＦＦ））。

選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２以上に到達した時点（図４中のｔ２）から前記第三温度Ｔｅ３以上に到達する時点（図４中のｔ３）までの期間（第二期間）は第一期間に比べ、温度変化率が大幅に大きくなる。そのため、前記第二期間中は、昇温処理が実行される（昇温処理フラグがオン（ＯＮ））。第二期間において昇温処理が実行されると、選択還元型触媒の温度が急速に上昇するとともに、温度変化率も急速に増加する。その結果、選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化率を短時間で上昇させることができる。

昇温処理の実行時において、単位時間あたりに酸化触媒へ供給される未燃燃料の量は、従来の昇温処理（内燃機関１の始動時又は始動直後に、酸化触媒に対する未燃燃料の供給が開始される処理）が実行される場合より多くされることが好ましい。その場合、選択還元型触媒の温度上昇速度及びＮＯ_Ｘ浄化率の上昇速度を一層大きくすることができる。その結果、内燃機関１の始動後に低負荷運転状態が継続される場合であっても、選択還元型触媒を速やかに活性させることができる。また、昇温処理の実行時間が短くなるため、昇温処理に起因した燃料消費量の増加（ＣＯ_２の発生量）を少なく抑えることができる。

ところで、前記第一期間に昇温処理が実行されない場合は実行される場合に比べ、該第一期間に選択還元型触媒を通過するＮＯ_Ｘの量（すなわち、選択還元型触媒により還元及び浄化されないＮＯ_Ｘの量であり、以下では「ＮＯ_Ｘ通過量」と称する）が多くなる可能性がある。また、昇温処理において単位時間あたりに酸化触媒へ供給される未燃燃料の量が従来の昇温処理より多くされると、前記第二期間における燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）が従来の昇温処理より多くなる可能性がある。

これに対し、ＥＣＵ１０は、前記第一期間中に、空気量低減処理とスモーク低減処理とを実行するようにした。

空気量低減処理は、内燃機関１の吸入空気量を減少させるための処理であり、たとえば、選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２以上であり、且つ選択還元型触媒の温度以外の条件が同等である場合に比べ、スロットル弁４の開度を小さくする処理である。なお、内燃機関１の排気通路３に排気絞り弁が配置される場合は、排気絞り弁の開度を減少させることにより、内燃機関１の吸入空気量を減少させてもよい。また、内燃機関１の排気通路３に可変容量型ターボチャージャのタービンが配置される場合は、過給圧が低くなるようにタービンの容量を変更することにより、内燃機関１の吸入空気量を減少させてもよい。

スロットル弁４の開度が小さくされる場合は小さくされない場合に比べ、内燃機関１から排出されるガス（排気）の流量が減少する。排気の流量が少ない場合は多い場合に比べ、単位時間あたりに第二触媒ケーシング６へ流入するＮＯ_Ｘの絶対量が少なくなるとともに、第二触媒ケーシング６におけるＮＯ_Ｘの空間速度（ｓｖ）が小さくなる。その結果、選択還元型触媒によって還元及び浄化されるＮＯ_Ｘの量が多くなるとともにＮＯ_Ｘ浄化率が高くなる。

したがって、前記第一期間に昇温処理が実行されず且つ空気量低減処理が実行される場合は、前記第一期間に昇温処理が実行され且つ空気量低減処理が実行されない場合に比べ、前記第一期間におけるＮＯ_Ｘ通過量を少なく抑えつつ、燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）を減少させることができる。

ところで、空気量低減処理が実行された場合は実行されない場合に比べ、炭化水素（ＨＣ）等を含むスモークの発生量が増加する可能性がある。これに対し、前記第一期間にスモーク低減処理が実行されると、空気量低減処理の実行に伴うスモークの増加を抑制することができる。

スモーク低減処理は、燃料噴射弁１ａの燃料噴射時期を進角させるための処理であり、たとえば、選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２以上であり、且つ選択還元型触媒の温度以外の条件が同等である場合に比べ、燃料噴射時期を進角させる処理である。

燃料噴射時期が進角された場合は進角されない場合に比べ、燃料と空気の混合時間（予混合時間）が長くなる。予混合時間が長い場合は短い場合に比べ、燃料と空気が均質に混合され易い。その結果、燃料が酸素不足の状況下で燃焼され難くなるため、スモークの発生量が減少する。

したがって、前記第一期間に昇温処理が実行されず、且つ空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行される場合は、前記第一期間に昇温処理が実行され、且つ空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行されない場合に比べ、前記第一期間におけるＮＯ_Ｘ通過量を少なく抑えつつ、燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）及びスモークの発生量を少なくすることができる。

なお、前記第一期間に昇温処理が実行されない場合は、選択還元型触媒の温度が第二温度Ｔｅ２に達したときに昇温処理が開始されることになる。そのため、前記第二期間におけるＮＯ_Ｘ通過量、スモークの発生量、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）は、図５に示すように、従来の昇温処理が実行された場合より多くなる場合がある。なお、図５中の実線は前記第一期間に昇温処理が実行されず且つ空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行された場合を示し、図５中の一点鎖線は従来の昇温処理が実行された場合（前記第一期間に昇温処理が実行され且つ空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行されない場合）を示す。

しかしながら、前記第一期間に昇温処理が実行されず且つスモーク低減処理及び空気量低減処理が実行された場合は、従来の昇温処理が実行された場合に比べ、前記第一期間におけるＮＯ_Ｘ通過量、スモークの発生量、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）が少なくなる。

したがって、前記第二期間におけるＮＯ_Ｘ通過量の増加分、スモーク発生量の増加分、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）の増加分は、前記第一期間におけるＮＯ_Ｘ通過量の減少分、スモークの発生量の減少分、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）の減少分によって相殺される。特に、前記第一期間に昇温処理が実行されず且つスモーク低減処理及び空気量低減処理が実行された場合は、従来の昇温処理が実行された場合に比べ、前記第一期間におけるスモークの発生量及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）が大幅に少なくなる。

その結果、前記第一期間に昇温処理が実行されず且つ空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行された場合は、前記第一期間に昇温処理が実行され且つ空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行されない場合に比べ、第一期間及び第二期間を通じて選択還元型触媒を通過するＮＯ_Ｘの量を同等以下に抑えつつ、スモークの発生量及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）を少なくすることができる。

したがって、本実施例の昇温処理によれば、燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）の増加やスモークの発生量の増加を少なく抑えつつ、選択還元型触媒を短時間に活性させることが可能になる。

次に、本実施例における昇温制御の実行手順について図６のフローチャートに沿って説明する。図６は、昇温制御が実行される際にＥＣＵ１０によって実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。図６の制御ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭ等に記憶されており、ＥＣＵ１０によって周期的に実行される。

図６の制御ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１において、第一排気温度センサ８の出力信号Ｔｃａｔ１、及び第二排気温度センサ９の出力信号Ｔｃａｔ２を読み込む。

Ｓ１０２では、ＥＣＵ１０は、選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２未満であるか否かを判別する。その際、ＥＣＵ１０は、選択還元型触媒の温度に相関する値として、第二排気温度センサ９の出力信号Ｔｃａｔ２を用いる。Ｓ１０２において肯定判定された場合（Ｔｃａｔ２＜Ｔｅ２）は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３の処理へ進む。

Ｓ１０３では、ＥＣＵ１０は、選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２に到達するまでに要する時間（到達時間）ｔａを演算する。ここでいう到達時間ｔａは、昇温処理が実行されないときに、選択還元型触媒の温度が前記第二温度Ｔｅ２に到達するまでに要する時間である。

到達時間ｔａは、内燃機関１から排出される排気の温度及び流量によって変化する。排気温度は、内燃機関１の要求トルク又は要求加速度に相関する。排気流量は、内燃機関１の回転数（機関回転数）に相関する。よって、前記到達時間ｔａは、内燃機関１の要求トルク又は要求加速度と機関回転数をパラメータとして演算することができる。

なお、内燃機関１の要求トルク又は要求加速度は、アクセルポジションセンサ１２の出力信号（アクセル開度）又はアクセル開度の変化速度に相関する。そのため、前記到達時間ｔａは、アクセル開度又はアクセル開度の変化速度と機関回転数をパラメータとして演算されてもよい。また、アクセル開度又はアクセル開度の変化速度と機関回転数と到達時間ｔａとの関係を予めマップ化してき、該マップから到達時間ｔａが演算されてもよい。

Ｓ１０４では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０３において算出された到達時間ｔａが基準時間ｔａ０より長い否かを判別する。ここでいう基準時間ｔａ０は、現時点で昇温処理が開始されたと仮定した場合に前記第一期間及び前記第二期間を通して選択還元型触媒を通過するＮＯ_Ｘの量、スモークの発生量、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）が従来の昇温処理が実行された場合より少なくなると考えられる最長の時間であり、予め実験等を用いた適合処理によって求められた時間である。

なお、前記基準時間ｔａ０は、現時点で昇温処理が開始されたと仮定した場合に、昇温処理の効果が選択還元型触媒の温度変化に反映されるまでに要する時間、言い換えると、昇温処理の開始から酸化触媒で発生する酸化反応熱が選択還元型触媒に伝達されるまでに要する時間としてもよい。

前記Ｓ１０４において肯定判定された場合（ｔａ＞ｔａ０）は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０５の処理へ進む。Ｓ１０５では、ＥＣＵ１０は、選択還元型触媒のＮＨ_３吸着量ΣＮＨ_３が目標吸着量ΣＮＨ_３ｔｒｇ以上であるか否かを判別する。ここでいう「目標吸着量ΣＮＨ_３ｔｒｇ」は、昇温処理が実行されず、且つ空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行されると仮定した場合に、前記第一期間のＮＯ_Ｘ通過量を予め想定された上限値以下に抑えるために必要なＮＨ_３吸着量ΣＮＨ_３であり、予め実験等を用いた適合処理によって定められた値である。また、選択還元型触媒のＮＨ_３吸着量ΣＮＨ_３は、還元剤添加弁７による尿素水溶液の添加履歴や内燃機関１から排出されたＮＯ_Ｘ量の履歴等をパラメータとした既知の演算方法により求めることができる。

前記Ｓ１０５において肯定判定された場合（ΣＮＨ_３≧ΣＮＨ_３ｔｒｇ）は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０６の処理へ進む。Ｓ１０６では、ＥＣＵ１０は、空気量低減処理及びスモーク低減処理を実行する。具体的には、ＥＣＵ１０は、スロットル弁４の開度（スロットル開度）を小さくするとともに、燃料噴射時期を進角させる。その際、スロットル開度の減少量及び燃料噴射時期の進角量は、内燃機関１のトルク変動や失火が発生しない最大量に設定されることが望ましく、予め実験等を用いた適合処理によって求められることが望ましい。

前記Ｓ１０５において否定判定された場合（ΣＮＨ_３＜ΣＮＨ_３ｔｒｇ）は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０７の処理へ進む。Ｓ１０７では、ＥＣＵ１０は、選択還元型触媒へ流入する排気の温度が所定温度Ｔｈｄ以上であるか否かを判別する。ここでいう「所定温度Ｔｈｄ」は、尿素水溶液が加水分解される最低の温度にマージンを加算した温度である。なお、選択還元型触媒へ流入する排気の温度としては、第一排気温度センサ８の出力信号Ｔｃａｔ１を用いることができる。

ここで、選択還元型触媒へ流入する排気の温度Ｔｃａｔ１が所定温度Ｔｈｄより低い場合は、還元剤添加弁７から尿素水溶液の添加が行われても、選択還元型触媒のＮＨ_３吸着量ΣＮＨ_３を増加させることができない。また、選択還元型触媒のＮＨ_３吸着量ΣＮＨ_３が目標吸着量ΣＮＨ_３ｔｒｇより少ないときに、昇温処理が実行されずに空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行されると、前記第一期間及び前記第二期間のＮＯ_Ｘ通過量が従来の昇温処理が実行された場合より多くなる可能性がある。

したがって、選択還元型触媒へ流入する排気の温度Ｔｃａｔ１が所定温度Ｔｈｄより低い場合は、空気量低減処理及びスモーク低減処理が実行されずに、昇温処理が実行されることが望ましい。そこで、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０７において肯定判定された場合（Ｔｃａｔ１≧Ｔｈｄ）はＳ１０６の処理へ進み、前記Ｓ１０７において否定判定された場合（Ｔｃａｔ１＜Ｔｈｄ）はＳ１０９の処理へ進むようにした。Ｓ１０９では、ＥＣＵ１０は、昇温処理を実行する。Ｓ１０７において否定判定された場合に昇温処理が実行されると、前記第一期間及び前記第二期間のＮＯ_Ｘ通過量、スモークの発生量、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）は、従来の昇温処理が実行された場合と略同等になる。よって、ＮＯ_Ｘ通過量、スモークの発生量、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）を従来の昇温処理と同等に抑えつつ、選択還元型触媒を昇温させることができる。

なお、前記Ｓ１０４において否定判定された場合（ｔａ≦ｔａ０）も、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０９の処理へ進む。その場合、前記第一期間及び前記第二期間のＮＯ_Ｘ通過量、スモークの発生量、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）を従来の昇温処理が実行された場合より少なく抑えつつ、昇温処理の開始時期を早めることができる。つまり、ＮＯ_Ｘ通過量、スモークの発生量、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）を従来の昇温処理が実行された場合より少なく抑えつつ、選択還元型触媒が活性する時期を早めることができる。

また、前記Ｓ１０２において否定判定された場合（Ｔｃａｔ２＞Ｔｅ２）は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０８の処理へ進む。Ｓ１０８では、ＥＣＵ１０は、選択還元型触媒の温度Ｔｃａｔ２が前記第三温度Ｔｅ３未満であるか否かを判別する。Ｓ１０８において否定判定された場合（Ｔｃａｔ２≧Ｔｅ３）は、選択還元型触媒が完全活性状態にあるため、ＥＣＵ１０は、本ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１０８において肯定判定された場合（Ｔｃａｔ２＜Ｔｅ３）は、選択還元型触媒が完全活性状態にないため、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０９へ進み、昇温処理を実行する。

以上述べたようにＥＣＵ１０が図６の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係わる制御手段が実現される。その結果、内燃機関１の始動時から選択還元型触媒が活性するまでの期間におけるＮＯ_Ｘ通過量、スモークの発生量、及び燃料消費量（ＣＯ_２の発生量）を従来の昇温処理が実行された場合と同等以下に抑えつつ、選択還元型触媒の昇温処理を実行することが可能になる。

なお、前記温度変化率が前記基準値以上となる選択還元型触媒の温度は、図７に示すように、第二触媒ケーシング６を通過する排気の流量が少なくなるほど、低くなる傾向がある。よって、ＥＣＵ１０は、空気量低減処理及びスモーク低減処理の実行期間中に選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化率を演算し、ＮＯ_Ｘ浄化率が一定値を超えたときに昇温処理が開始されるようにしてもよい。その際、第二触媒ケーシング６より上流の排気通路３及び第二触媒ケーシング６より下流の排気通路３にＮＯ_Ｘセンサを配置し、それらＮＯ_Ｘセンサの出力信号をパラメータとしてＮＯ_Ｘ浄化率が演算されてもよい。このような方法によれば、選択還元型触媒が活性する時期を一層早めることができる。

また、図８に示すように、吸気通路２と排気通路３を連通するＥＧＲ通路１００と該ＥＧＲ通路１００の通路断面積を変更するＥＧＲ弁１０１を具備するＥＧＲ装置が内燃機関１に取り付けられている場合は、ＥＣＵ１０は、スモーク低減処理として、ＥＧＲガス量を減少させる処理（ＥＧＲ弁１０１の開度を小さくする処理）を実行してもよい。また、ＥＣＵ１０は、スモーク低減処理として、ＥＧＲ弁１０１の開度を小さくする処理と燃料噴射時期を進角させる処理の双方を実行してもよい。その場合、スモークの発生量を一層少なく抑えることができる。なお、ＥＧＲガス量が減少された場合は減少されない場合に比べ、内燃機関１から排出されるＮＯ_Ｘの量が多くなる可能性がある。しかしながら、スモーク低減処理と同時に空気量低減処理が実行されるため、内燃機関１から排出されるＮＯ_Ｘ量が過剰に多くなることはない。

１ 内燃機関
１ａ 燃料噴射弁
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ スロットル弁
５ 第一触媒ケーシング
６ 第二触媒ケーシング
７ 還元剤添加弁
８ 第一排気温度センサ
９ 第二排気温度センサ
１０ ＥＣＵ
１１ クランクポジションセンサ
１２ アクセルポジションセンサ
１３ エアフローメータ
１４ Ａ／Ｆセンサ
７０ ポンプ
７１ 還元剤タンク
１００ ＥＧＲ通路
１０１ ＥＧＲ弁

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配置されるＮＯ_Ｘ触媒と、
   前記ＮＯ_Ｘ触媒の温度を検出する検出手段と、
   内燃機関から排出されるスモークの量が少なくなるように内燃機関を運転させる処理であるスモーク低減処理を実行するスモーク低減手段と、
   内燃機関の吸入空気量が少なくなるように内燃機関を運転させる処理である空気量低減処理を実行する空気量低減手段と、
   前記ＮＯ_Ｘ触媒の温度を上昇させる処理である昇温処理を実行する昇温手段と、
   前記検出手段により検出される温度が前記ＮＯ_Ｘ触媒の活性温度より低い下限値未満であるときは前記昇温処理が実行されずに前記スモーク低減処理及び前記空気量低減処理が実行され、前記検出手段により検出される温度が前記下限値以上且つ前記活性温度未満であるときは前記昇温処理が実行されるような制御を行う制御手段と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１において、前記スモーク低減処理は、内燃機関の気筒内へ燃料が噴射される時期である燃料噴射時期を進角させる処理を含む内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１又は２において、排気の一部をＥＧＲガスとして内燃機関の気筒内へ導入させるＥＧＲ装置を更に備え、
   前記スモーク低減処理は、前記ＥＧＲ装置により気筒内へ導入されるＥＧＲガスの量を減少させる処理を含む内燃機関の排気浄化装置。

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