WO2007066835A1

WO2007066835A1 - 内燃機関の排気浄化システム

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Publication number: WO2007066835A1
Application number: PCT/JP2006/325125
Authority: WO
Inventors: Ryoji Nishiumi; Takeshi Hashizume
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2007-06-14
Also published as: US7937207B2; JP4337809B2; JP2007162501A; CN101326349B; EP1965050B1; CN101326349A; EP3051105B1; US20090165758A1; EP3051105A1; EP1965050A4; EP1965050A1

Abstract

本発明は、ＥＧＲが行われている時にＮＯｘ触媒の還元処理が実施された場合においても、ＥＧＲによる内燃機関におけるＮＯｘの生成量の低減と、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元反応と、の双方がともに好適に行われ、排気浄化システム全体としてのＮＯｘの排出量の低減効果を高めることを可能にする技術を提供することを課題とする。本発明では、主に低圧ＥＧＲ通路２３を用いてＥＧＲが行われている時に、ＮＯｘ触媒２０の還元処理を実施すべく燃料添加弁２８から排気管に燃料添加が行われた場合、低圧ＥＧＲ通路２３によって再循環される排気の量を減量することによって、ＮＯｘ触媒２０を通過する排気の量を減少させる。

Description

明細書内燃機関の排気浄化システム技術分野

本 ¾明は、排気再循環装置を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。背景技術

内燃機関から大気中に排出される窒素酸化物（以下、「NOx」という）の量を低減する技術として、排気再循環装置（以下、「EGR装置」という）や、 NOx 触媒或いは NOx触媒を担持したパティキユレードフィルタ（以下、「フィルタ」という）などの排気浄化装置を備えた排気浄化システムが知られている。

NO X触媒は、内燃機関から排出された NO Xを排気中から NO X触媒に吸蔵することによって排気を浄化するものである。

EGR装置は、排気の一部を内燃機関の吸気系に戻し、燃焼室における混合気の燃焼温度を下げることによって、内燃機関における NO Xの生成量を低減するものである。

特開 2004— 1 50 3 1 9号公報には、過給機としてターボチャージャを備えた内燃機関において、ターボチャージャのタ一ビンより上流の排気管内の排気の一部をターボチャージャのコンプレッサより下流の吸気管に再循環させる通常の E GR装置（以下、「高圧 EG R装置」という）に加えて、ターボチャージャのタ一ビンより下流に設けられた N 0 X触媒から排出される排気の一部をターボチヤ一ジャのコンプレッサょり上流の吸気管に再循環させる低圧 EGR装置を備えた内燃機関が開示されている。

また、特開 200 5— 7 6 4 56号公報には、高圧 E G R装置及び低圧 E G R装置を備え、内燃機関において低温燃焼が行われる時に、機関要求負荷に基づいて高圧 E G R装置によつて再循環する排気の量及び低圧 E G R装置によつて再循環する排気の量を制御する内燃機関が開示されている。

また、特開 2004 _ 1 5 6 5 7 2号公報には、高圧 E G R装置及び低圧 E G R 装置を備え、内燃機関の運転条件に応じて高圧 EGR装置によって再循環する排気の量及び低圧 EG R装置によって再循環する排気の量を変化させる EG R装置が開示されている。

¾明の開示

高圧 EGR装置を用いて EGRを行った場合、高圧 E G R装置によって内燃機閲に再循環する排気の量だけタービンを駆動する排気の量が減少することになる。そのため、高圧 EG R装置を用いて大量の EGRを行うと、十分な過給圧が得られなくなる可能性がある。

それに対し、低圧 EG R装置を甲いて EGRを行った場合、タービンを駆動した後の排気の一部が低 EGR装置によって内燃機関に再循環するため、低圧 EGR 装置によって内燃機関に再循環する排気の量を増加させた場合でも過給圧は低下しにくい。さらに、低圧 EGR装置によって吸気通路に導かれた排気は、新気とともにコンプレッサによって内燃機間に過給されることになるため、内燃機関に大量の EG Rガスを導入することが可能になる。

従って、内燃機関における N 0 Xの生成量を低減させるためには低圧 E G R装置を用いて大量の EG Rを行うことが有効である。

ところで、 NO X触媒を備えた内燃機関においては、 NO X触媒の NO X吸蔵量には限界があるため、 NO X触媒にある程度の量の NO Xが吸蔵された段階で NO X触媒に燃料などの還元剤（以下、単に「燃料」という）を供給し、 NOx触媒に吸蔵された NO Xを還元し、浄化する還元処理が適宜実施される。 NOx触媒に燃料を供給する方法としては、 NOx触媒より上流の排気中に燃料を添加する方法などが採られる。この場合、排気中に添加された燃料は排気とともに NO X触媒を通過しつつ NO X触媒に吸蔵された NO X と還元反応する。すなわち、 NO Xの還元反応が好適に進行するのは添加された燃料が NO X触媒を通過する期間内に限られることになる。そのため、 NO X触媒の還元処理が好適に実施されるためには、 NO X触媒における燃料の滞留時間を長くすることが有効である。ところが、内燃機関における NO Xの生成量を低減すべく低圧 EG R装置によつて大量の E G Rを行っている時は、上記のようにターボチャージャによって高い過給圧で新気及び E G Rガスが内燃璣閲に過給されるため、内燃機関から排出される排気の流量が多くなり、排気の空間速度が速くなる。そのため、排気とともに NO X触媒を通過する燃料の NO X触媒における滞留時間が短くなり、還元処理における燃料と NO X との反応時間が不足する可能性があった。その場合、 NO X触媒に吸蔵された NOxが十分に還元されなくなる虞があった。

本 ¾明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、 EG Rと NO X触媒の還元処理とが同時期に行われる場合に、 EGRによる N 0 X低減と N O X触媒の還元処理との双方がともに好適に実施され、排気浄化システム全体としての NO X排出量の低減効果をより一層高める技術を提供することである。

上記目的を達成するための本 ¾明の内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化装置と、前記排気浄化装置の上流から燃料を供給する燃料添加装置と、前記排気浄化装置より上流の排気管に設けられたタ一ビンと前記内燃機関の吸気管の途中に設けられたコンプレッサとから成るターボチヤージャと、前記タービンより上流の排気管内の排気の一部を前記コンプレッサより下流の吸気管に再循環させる高圧 EGR装置と、前記排気浄化装置より下流の排気管内の排気の一部を前記コンプレッサより上流の吸気管に再循環させる低圧 E GR装置と、前記燃料添加装置から前記排気浄化装置に燃料が供給される時は、前記高圧 EG R装置によって再循環する排気の量及び/又は前記低圧 EG R装置によって再循環する排気の量を制御して前記排気浄化装置を通過する排気の量を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、高圧 EGR装置によって再循環する排気の量（以下、「高圧 EGRガス量」という）及び/又は低圧 EGR装置によって再循環する排気の量（以下、「低圧 EGRガス量」という）を制御して、排気浄化装置を通過する排気の量を制御することができる。

ところで、 EGRによる排気浄化効果を最適化するような高圧 EGRガス量及び低圧 EGRガス量（以下、「第 1設定量」という）と、排気浄化装置による排気浄化効果を最適化するための高圧 E G Rガス量及び低圧 E G Rガス量（以下、「第 2 設定量」という）とが異なる場合がある。 ' 本 ¾明によれば、このような場合には、排気浄化装置による排気浄化が行われる時の高圧 EG Rガス量及び低圧 EG Rガス量を第 1設定量と第 2設定量との中間的な値に制御することができる。

このように高圧 EGRガス量及び低圧 EGRガス量を制御することで、 EGRによる排気浄化効果はある程度低下する可能性がある力；、 EGRによる排気浄化効果の低下の度合いと比較して排気浄化装置による排気浄化幼果の向上の度合いの方が大きくなるように前記した中間的な値を定めることによって、 EGR及び排気浄化装置による排気浄化が双方とも好適に実施可能となる。

その結果、排気浄化装置による排気浄化が行われる時に排気浄化装置を通過する排気の量を好適に制御することが可能になり、排気浄化システム全体としての排気浄化効果を高めることができる。

例えば、排気浄化装置として NO X触媒を備えている場合には、 NO X触媒に吸蔵された NO X又は SO Xを還元して NO X触媒の NO X吸蔵能力を回復させる還元処理を実施するために、適宜燃料添加装置から N 0 X触媒に燃料が供給される上記のように構成された内燃機関の排気浄化システムでは、この還元処理において燃料添加が行われる時に、低圧 EG R装置による排気の再循環が行われる場合は、還元処理が実施されていない場合と比較して低圧 EGRガス量を減量することができる。

こうすることより、還元処理が実施されていない通常時においては、低圧 EGR 装置を用いて大量の E G Rガスを内燃機関に導入することによって内燃機関における N 0 Xの生成量を大幅に低減することができる。また、還元処理が実施される時においては、 NO X触媒を通過する排気の量が過剰になることを抑制することができるため、燃料添加によって排気中に添加される燃料（以下、「添加燃料」という ) の NO X触媒における反応時間を十分に確保することが可能になり、 NO X触媒の NO X吸蔵能力を好適に回復させることができる。

その結果、還元処理が実施される時においても、 EGRによる内燃機関の NO X 生成量の低減効果が多少低下する可能性を考慮しても、排気浄化システム全体としての NO Xの排出量の低減効果をより高めることが可能になる。

また、燃料添加が行われた時に低圧 EG Rガス量が減量されるため、添加燃料に含まれる未燃成分が低圧 EGR装置や吸気系へ流入することを抑制することができる。これにより、低圧 EG R装置や吸気系の汚れや性能低下を抑制することができる。

ところで、還元処理における NO X又は SO Xの還元反応（以下、「還元反応」と総称する）の活性は、 NO X触媒の状態に存している。具体的には、 ΝΟχ触媒が活性化の度合いが高くなるほど、還元反応は進行し易くなる ί頃向がある。そこで、本 ¾明の排気浄化システムでは、還元処理が実施される時における NO X触媒の温度が所定温度より低い場合には、 NO X触媒の温度が所定温度以上の場台と比較して低圧 EG Rガス量の減量の度合いを少なくするようにしてもよい。所定温度は、 NO X触媒が十分に活性化しているとみなすことができる NO X触媒の温度であり、予め実験により求められている。

これは、 NO X触媒の温度が低い場合には NO X触媒が十分に活性化しないため、低圧 EG Rガス量を大幅に減量して添加燃料が NO X触媒において還元反応するための時間を十分に確保したとしても、 NO X還元反応の効果は向上しにくいからである。

従って、 NO X触媒の温度が低い場合は、低圧 EGRガス量の減量の度合いを少なくすることによって EG Rによる内燃機関における NO Xの生成量の低減効果を高めるようにした方が、排気浄化システム全体としての NO Xの排出量の低減効果をより高めることができる。

また、還元処理における添加燃料による還元反応の活性は、還元処理が実施される時点において NO X'触媒がさらに吸蔵可能な NO Xの量（以下、「吸蔵余裕量」という）.に依存している。具体的には、 N 0 X触媒の吸蔵余裕量が多いほど、添加燃料による還元反応は進行し易くなる傾向がある。

そこで、本 ¾明の排気浄化システムでは、還元処理が実施される時点における N 0 X触媒の吸蔵余裕量に応じて低圧 EG Rガス量の減量の度合いを定めるようにしても良い。具体的には、 NO X触媒の吸蔵余裕量が多いほど低圧 EG Rガス量の減量の度合いを少なくしても良い。

これは、還元処理が実施される時点における NO X触媒の吸蔵余裕量が多い場合には、添加燃料の NO X触媒における反応時間が多少短縮されたとしても、還元反応は十分に進行するため、還元反応の効果は低下しにくいからである。

従って、 NO X触媒の吸蔵余裕量が多い場合は、低圧 EGRガス量の減量の度合いを少なくすることによって EG Rによる内燃機関における NO Xの生成量の低減幼果を高めるようにした方が、排気浄化システム全体としての NO Xの排出量の低減効果をより高めることができる。

上記のように、 NO X触媒の状態に応じて適宜低圧 EG Rガス量の減量の度合いを調節することによって、内燃機関に導入される EGRガス量の変化量を少なくすることができるため、トルク変動や燃焼騒音の変化などを低減することもできる。その結果、ドライバピリティが向上するという効果もある。

ところで、上記のように、低圧 EGR装置を用いて EGRを行っている場合、大量の排気と新気との混台気が内燃機関に導入されるため、内燃機関から排出される排気の温度は低温になる傾向がある。

一方、高圧 EGR装匱を用いて EGRを行っている場合は、内燃機関に再循環する排気の量は低! £ E G R装置を用いて E G Rを行っている場合と比較して少なため、内燃機関から排出される排気の温度は高温になる傾向がある。

このことから、本発明の排気浄化システムでは、高圧 EG Rガス量及び低圧 EG Rガス量を調節することによって NO X触媒を通過する排気の温度を制御し、それによって N O X触媒の温度を制御することもできる。

冽えば、還元処理における添加燃料の還元反応が好適に進行するためには、 NO X触媒が十分に活性化している必要がある。そのため、還元処理の実施前に予め N 0 X触媒の温度を上昇させる触媒昇温処理が実施されることが一般的である。そこで、本 ¾明の排気浄化システムでは、触媒昇温処理が実施される時には、触媒床温処理が実施されない場合と比較して、高圧 E G Rガス量を増量するようにしてもよい。

これにより、 NO X触媒を通過する排気の温度が高められるため、触媒昇温処理に要する時間を短縮することができる。

その結果、より早期に還元処理を実施することができ、還元反応の効果をより高めることができる。

また、 NO X触媒の NO X吸蔵反応は、 NO X触媒の温度が所定の温度範囲内に入っている時に最も進行し易くなることが知られている。

そこで、本 ¾明の排気浄化システムでは、還元処理が実施されていない時には、 NO X触媒の温度がこの所定の温度範囲内に入るように高圧 EG Rガス量及び/ 又は低圧 E G Rガス量を制御するようにしてもよい。

これにより、 NO X触媒の NO X吸蔵効率を高めることができ、より確実に排気を浄化することが可能になる。

本 ¾明の排気浄化システムにおいて、排気浄化装置として PMフイルクを備えている場合には、 PMフィルタに捕集された微粒子物質（以下、「PM」という）を酸化し、除去することによって PMフィルタの PM捕集能力を回復させるフィルタ再生処理を実施するために、適宜燃料添加装置から PMフィルタに燃料が供給される。

フィルタ再生処理が実施される時に PMフィルタを通過する排気の量が少ない場合、添加燃料が PMフィルタ全体に拡散しにくくなり、 PMフィルタの中で局所的に燃料の濃度が高い箇所が ¾生して過昇温を招いたり、 PMフィルタに堆積している PMを酸化し切るために長い時間を要する可能性がある。

そこで、排気浄化装置として PMフィルタを備えた排気浄化システムの場合、フィルタ再生処理が実施される時には、フィルタ再生処理が実施されない場合と比較して、低圧 E G Rガス量を増量するようにしてもよい。

これにより、フィルタ再生処理が実施される時には PMフィルタを通過する排気の量が増加するため、添加燃料が PMフィルタの広範囲に短時間で拡散するようになる。その結果、効率的に PMフィルタに堆積した PMを酸化し除去することが可能になる。また、低圧 EG Rガスの温度は比較的低温であるため、フィルタ再生処理に伴って ¾生する PMの酸化反応熱が効率的に排熱されるようになり、 PMフィルタの過昇温を抑制することができる。

フィルタ再生処理における PMの酸化反応の活性は、 PMフィルタの温度に依存している。具体的には、 P Mフィルタの温度が高いほど P Mの酸化反応は進行し易くなる傾向がある。そのため、フィルタ再生処理の実施前に予め P Mフィルタの温度を上昇させるフィルタ昇温処理が実施されることが一般的である。

そこて'、本 ¾明の排気浄化システムでは、フィルタ昇温処理が実施される時には、フィルタ昇温処理が実施されない場合と比較して、高圧 E G Rガス量を増量するようにしてもよい。

これにより、 P Mフィルタを通過する排気の温度が高められるため、フィルタ昇温処理に要する時間を短縮することができる。その結果、より早期に再生処理を実施することが可能になるので、 P Mフィルタによる P M浄化効果をより高めることができる。

本 ¾明の排気浄化システムの排気浄化装置による排気浄化効果は、燃料添加によつて内燃機関の排気系に添加される燃料の性状に依存している。

そこで、本発明の排気浄化システムでは、添加燃料の性状に応じて排気浄化装置を通過する排気の量を制御するようにしてもよい。

例えば、軽質で蒸発し易い性状の燃料が使用される場合、添加燃料は短時間で蒸 ¾して排気の空燃比はリツチ则に大きく変化する。しかし、排気の空燃比がリツチ则に変化する期間が短いため、例えば N 0 X触媒の還元処理において添加燃料の N O x触媒における反応時間が十分に確保できず、 N O X浄化効果が低下する可能性がある。

従って、この場合、燃料添加時には低圧 E G Rガス量を減量することが好ましいこれにより、排気浄化装置を通過する排気の量を減少させることができ、燃料添加時に N 0 X触媒を通過する排気の空燃比がリッチ側の値に移行している時間を長くすることが可能になる。

一方、蒸しにくい性状の燃料が使用される場合、燃料添加が行われても排気の空燃比が十分にリツチ则に変化しない可能性がある。そうすると、冽えば N O X触媒の場合、周囲雰囲気がある程度以上リツチ側になっていることを条件に還元反応が進行するため、 N O X浄化効果が低下する可能性がある。

従って、この場合、燃料添加時には低圧 E G Rガス量を増量することが好ましい。

これにより、排気浄化装置を通過する排気の量を増加させることができ、添加燃料の蒸 ¾が促進されるため、燃料添加時に排気の空燃比をより確実にリツチ側に移行させることが可能になる。図面の簡単な説明

図 1は、本 ¾明の実施例における内燃機関の概略構成を示す図である。

図 2は、本 ¾明の実施例における N O X触媒を通過する排気量の制御ルーチンを示すフ口一チヤ一卜である。

図 3は、本 ¾明の実施例における N O X触媒を通過する排気暈の制御が実施された場合の N O X触媒を通過する排気の空燃比、 N O X触媒を通過する排気量、及び N O X触媒から排出される N 0 Xの量の時間変化を示す図である。

¾明を実施するための最良の形態

以下に図面を参照して、この ¾明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

(実施例 1 )

図 1は本発明を適用する内燃機関の一実施形態を漠式的に示したものである。図 1 に示す内燃機関 1は、 4つの気筒 2を有するディーゼル機閲である。内燃機関 1 は、各気筒 2の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁 3を備えている。

内燃機関 1 には、吸気枝管枝管 8が接続されており、吸気枝管枝管 8の各枝管は各気筒 2の燃焼室と吸気ボー卜（図示省略）を介して連通している。吸気枝管枝管 8に接続された吸気管 9の途中には、排気のエネルギーを駆動源として作動するターボチヤ一ジャ 1 5のコンプレッサウジング 1 5 aが設けられている。

コンプレッサハウジング 1 5 aの上流にはエアクリーナ 4が設けられている。ェァクリーナ 4には、吸気管 9に流入する空気量に応じた信号を E C U 3 5に出力するェアフロ一メータ 1 1が設けられている。

コンプレッサハウジング 1 5 aの下流には吸気管 9内を流通する吸気を冷却するインタ一クーラ 1 3が設けられている。インタ一クーラ 1 3の下流には吸入空気量を調節可能なスロットル弁 1 2が設けられている。

内燃機関 1には、排気枝管枝管 1 8が接続されており、排気枝管枝管 1 8の各枝管は各気筒 2の燃焼室と排気ボー卜を介して連通している。排気枝管枝管 1 8は集合部 1 6を介してターボチャージャ 1 5のタービンハウジング 1 5 b と接続されている。タービンハウジング 1 5 bは排気管 1 9 と接続され、排気管 1 9は下流にて大気と通じている。

排気枝管枝管 1 8には、排気枝管枝管 1 8内に噴孔が臨むように燃料添加弁 2 8 が設けられている。燃料添加弁 2 8から排気枝管枝管 1 8内に添加された燃料は排気とともに排気管 1 9内を流通し、 N O x触媒 2 0に到達する。

排気管 1 9の途中には吸蔵還元型の N O X触媒 2 0 (以下、「N O x触媒」という）が設けられている。

N O X触媒 2 0は、流入する排気の酸素濃度が高い時は排気中の N O Xを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低い時は吸蔵している N O Xを放出する。その際、周囲の排気中に燃料などの還元成分が存在していれば、放出された N O X と燃料とが N O x触媒上で還元反応して N 0 Xが還元され、浄化される。

排気枝管枝管 1 8 と吸気枝管枝管 8 とは高圧 E G R通路 2 5を介して連通している。高圧 EG R通路 2 5の途中には、電磁弁などで構成され、印加電圧の大きさに応じて高圧 EGR通路 2 5を流通する排気の量（以下、「高圧 EGRガス量」という ) を変更する高圧 EGR弁 26が設けられている。高圧 EGR弁 2 6より上流には、高圧 EG Rガスを冷却する高圧 EG Rクーラ 2 7が設けられている。

高圧 EG R弁 26が開弁されると、高圧 EG R通路 2 5が導通状態となり、排気枝管枝菅 1 8内を流通する排気の一部が高 EG R通路 2 5へ流入し、高圧 EG R クーラ 2 7を経て吸気枝管枝管 8へ再循環する。

吸気枝管枝管 8へ再循環した高圧 E G Rガスは、吸気管 9を経て吸気枝管枝管 8 に流入する吸気と混合され、各気阇 2の燃焼室へ導かれる。

高圧 EG R通路 2 5を用いた EGRを行っている場合、内燃機関 1に再循環する排気の量は比較的少ないため、内燃機関 1から排出される排気の温度は比較的高温になる傾向がある。

NO X触媒 20より下流の排気管 1 9とコンプレッサハウジング 1 5 aより上流の吸気管 9とは低圧 EG R通路 2 3によって連通している。

低圧 EG R通路 2 3の途中には、電磁弁などで構成され、印加電圧の大きさに tt、じて低圧 EGR通路 2 3を流通する排気の量（以下、「低圧 EGRガス量」という ) を変更する低圧 E G R弁 5が設けられている。低圧 E G R弁 5より上流には、低圧 EG Rガスを冷却する低圧 EG Rクーラ 24が設けられている。

低圧 E G R弁 5が開弁されると、低圧 E G R通路 2 3が導通状態となり、 N 0 x 触媒 20から流出した排気の一部が低圧 EG R通路 2 3に流入し、低 EGRク一ラ 24を経てコンプレッサハウジング 1 5 aより上流の吸気管 9へ再循環する。吸気管 9へ再循環した低圧 EGRガスは、エアクリーナ 4を経て吸気管 9に流入する新気と混合し、コンプレッサハウジング 1 5 a内に設置されたコンプレッサにより圧縮され、各気筒 2の燃焼室へ導かれる。

低圧 EG R通路 2 3を用いて EG Rを行っている場台、内燃機関 1に大量の排気を再循環させることができるため、内燃機関 1から排出される排気の温度は比較的低温になる ί頃向がある。

高圧 EGR通路 2 5及び/又は低圧 EGR通路 2 3によって排気の一部が内燃機関 1に再循環することで、内燃機関 1の燃焼室における混合気の燃料温度が低下し、燃焼過程で生成される NO Xの量が低減される。

内燃機関 1には、クランクシャフ卜の回転位置に応じた電気信号を出力するクランクポジシヨンセンサ 3 3、冷却水の温度に応じた電気信号を出力する水温センサ 6が設けられている。排気管 1 9には、排気管】 9内を流通する排気の温度を検出する排気温度センサ 7が設けられている。燃料添加弁 28及び燃料噴射弁 3に燃料を供給する燃料供給装置 1 4には、蒸 ¾性などの燃料の性状を検出する燃料センサ 1 0が設けられている。

これらの各センサは電気的に E C U 3 5と接続され、その出力信号が ECU 3 5 に入力されるようになっている。

また、高圧 EG R弁 2 6、低圧 EG R弁 5、燃料添加弁 28、燃料噴射弁 3、スロットル弁 1 2はそれぞれ E C U 3 5と電気的に接続され、 E C U 3 5から出力される制御信号によつて制御される。

ECU 3 5は各センサから入力された信号に基づいて内燃機関 1の運転制御を行うとともに、 NO X触媒 20を通過する排気の流量（以下、「触媒通過排気量」という）の制御を行う。

ΝΟχ触媒 20に吸蔵可能な ΝΟχの量には上限があるため、本実施例では NO X触媒 20にある程度の量の NO Xが吸蔵された段階で、燃料噴射弁 28から排気中に燃料を添加して（以下、「燃料添加」という） NOx触媒 20の周囲雰囲気を還元雰囲気に変化させることにより、 NO X触媒 20に吸蔵された NO Xを適宜放出させるようにしている。この時、燃料添加によって添加された燃料（以下、「添加燃料」という）が排気とともに NO X触媒 20に到達して NO X触媒 20から放出された NO xを還元することにより、 NO Xが浄化される（以上の過程を「還元処理」という）。 , 還元処理においては、添加燃料が排気とともに NO X触媒 20を通過しながら N O Xの還元反応が進行するため、 NO Xが効率的に NO X触媒 20から放出され還元され、浄化されるのは添加燃料が NO X触媒 20を通過する時間内に限られることになる。従って、 NOx触媒 20によってより幼率的に NOxを浄化するためには、触媒通過排気量を減少させて NO X触媒 20における添加燃料の反応時間を十分に確保することが好ましい。

一方、内燃機関 1における NO Xの生成量は、 EGRガス量が増大するほどより効果的に低減される。そのため、 EGRによる内燃機関における NOxの生成量の低減効果をより大きくするためには、低圧 EGR通路 23を用いて大量の EGRを行うことが有効である。

ところ力；、低圧 EGR通路 2 3を用いて大量の EGRを行っている場合、触媒通過排気量も多くなるため、 NOx触媒 20における NOxの還元反応が適切に進行しなくなる可能性がある。

このように、 EGRによる内燃機関 1における NOxの生成量の低減効果を最大化する高圧 EG Rガス量及び低圧 EG Rガス量（以下、「第 1設定量」という）と、 NOx触媒 20における NO xの還元反応の効果を最大化する高圧 EG Rガス量及び低圧 EGRガス量（以下、「第 2設定量」という）とが、互いに相違しているため、 NOx触媒 20に対する還元処理が適切に実施されない虞があった。

それに対し、本実施例では、還元処理が実施される時には、燃料添加と同期して低圧 E G Rガス量を減量することによって、触媒通過排気量を減少させる。

これにより、添加燃料の N 0 X触媒 20における反応時間が十分に確保されるようになり、 NO X触媒の NO X浄化効果を高めることができる。

この場合、低圧 EGRガス量が減量されるので、 EGRによる内燃機関 1の NO x生成量の低減効果が多少低下する可能性があるが、その低下の度合いと比較して NO X触媒 20の還元反応の効果の向上の度合いが大きくなるように、低圧 EGR ガス量の減量の度合いを定めることによって、排気浄化システム全体としての NO Xの排出量の低減効果を高めることが可能になる。

また、燃料添加が行われた時に低圧 EGRガス量を減量するため、添加燃料に含まれる未燃成分の低圧 EG R通路 23への流人量が低減される。これにより、低圧 EGRクーラ 2 4、低圧 EGR弁 5、吸気管 9、ターボチヤ一ジャ 1 5、インタークーラ 1 3などの機器類に未燃燃料が流入して汚れや性能低下の原因となることを抑制することも可能になる。

以下、 ECU 3 5により行われる触媒通過排気量の制御について、図 2に基づいて説明する。図 2は触媒通過排気量の制御を行うためのルーチンを示すフローチヤ一卜である。このルーチンは ECU 3 5によって所定期間毎に繰り返し実行されるまず、ステップ 20 1では、 ECU 3 5は、内燃機関 1の運転状態を検出する。具体的には、 E C U 3 5は、内燃機関 1の機関回転数 N eをクランクボジシヨンセンサ 3 3によって検出し、水温 T eを水温センサ 6によって検出し、燃料噴射量 Q f を ECU 3 5による燃料噴射弁 3の制御信号から算出する。

ステップ 202では、 E C U 3 5は、添加燃料の性状を検出する。具体的には、燃料センサ 1 0によって燃料の蒸 ¾性 Jを検出する。燃料の蒸 ¾性 Jは、燃料添加弁 28から添加された燃料の排気中での蒸発し易さを表すパラメータであり、燃料が軽質であるほど蒸発性 Jは大きくなる。

続いて、ステップ 203からステップ 209において、 ECU 3 5は、還元処理が実施されていない時の排気浄化システム全体としての NO Xの排出量の低減効果を最適化するように低圧 EG Rガス量及び高 SEGRガス量を設定する。

具体的には、まず、ステップ 203において、 E C U 3 5は、内燃機関 1の運転状態及び燃料の蒸 ¾性 Jに応じて低圧 E G Rガス量 L E G R及び高圧 E G Rガス量 HE GRの第 1設定量を算出する。そして、その算出値を低圧 EG Rガス量 L E G R及び高圧 E G Rガス量 H E G Rの制御目標値として低圧 E G R弁 5及び高圧 EGR弁 26の開度を制御する。

続いて、ステップ 204からステップ 208では、 E C U 3 5は、 N 0 x触媒 2 0の触媒床温 T b e dが所定の温度範囲内に入るように、低圧 EG Rガス量 L EG R及び高圧 EGRガス量 H EGRを制御する。ただし、所定の温度範囲とは NO x 触媒 20の NO X吸蔵効率が高くなるような触媒床温の温度範囲であり、予め実験により求められる。

まず、ステップ 204で、 E C U 3 5は、 N O x触媒 20の触媒温度 T b e dを検出する。触媒床温 T b e dは NOx触媒 20に温度センサを取り付けて直接測定されるようにしてもよいし、排気温度センサ 7により検出される排気温度で代用してもよい。

ステップ 20 5では、 E C U 3 5は、前記ステップ 204で検出した N 0触媒 2 0の触媒昇温 T b e dが上記所定の温度範囲の下限値 T b e d m i nより低いか否かを判定する。

ステップ 20 5で肯定判定された場台は（ T b e dく T b e d m i n ) 、 ECU 3 5は、ステップ 20 7に進み、 NO x触媒 20の触媒床温 T b e dを昇温すべく高圧 EGRガス量 H EGRを増量する（ H E G R— H E G R + Δ H 1 ) 。ステップ 2 0 7を実行後、 ECU 3 5はステップ 204に戻る。この時、低圧 E G Rガス量 L EGRを減量してもよい（ L EGR— L EGR-AL 1 ) 。

一方、ステップ 2 0 5で否定判定された場合は（T b e d≥T b e d m i n ) 、 ECU 3 5は、ステップ 206に進み、 NO X触媒 20の触媒床温 T b e dが上記所定の温度範囲の上限値 T b e d m a Xより高いか否かを判定する。

ステップ 206で肯定判定された場合は（T b e d〉T b e d m a x ) 、 ECU 3 5は、ステップ 208に進み、 NO X触媒 20の触媒床温 T b e dを低下させるベく低圧 EG Rガス量 L EG Rを増量する（ L EGR— L EGR + AL 2 ) 。ステップ 208を実行後、 ECU 3 5はステップ 204に房る。この時、高！ IEGRガス量 H EG Rを減量してもよい（HEGR— HEGR— ΔΗ 2 ) 。

低圧 EG R通路 2 3を用いて EG Rを行った場合と高圧 EGR通路 2 5を用いて E G Rを行つた場合とで内燃機関 1から排出される排気の温度へ与える影響が異なることから、このように、低 EEEGRガス量 L EGR及び高圧 EGRガス量 H EG Rを調節することによって NOx触媒 20を通過する排気の温度を制御することができる。これにより、 NOx触媒 20の温度を制御することが可能になる。前記ステップ 206で否定判定された場合は（T b e d T b _e d m a _x ) 、 E CU 3 5は、 NOx触媒 20の触媒床温は NO X吸蔵効率の高い温度範囲に入っていると判断して、ステップ 209に進む。

ステップ 209では、 E C U 3 5は、 NOx触媒 20に対して還元処理を実施すべき条件が成立しているか否かを判定する。 .

具体的には、 NOx触媒 20の NOxの吸蔵量が所定吸蔵量を超えているか否かを判定する。所定吸蔵量は NO X触媒 20が適切な NOx吸蔵能力を ¾揮し得る N O X吸蔵量の上限値に基づいて求められる。

ステップ 209において肯定判定された場合、 E C U 3 5は、 NOx触媒 20に対して還元処理を実施して吸蔵された NOxを還元する必要があると判断して、ステツプ 2 1 0以降の還元処理の実行に移る。

一方、ステップ 209において否定判定された場合は、 ECU 3 5は本ルーチンの実行を終了する。

ステップ 2 1 0からステップ 2 1 3では、 E C U 3 5は、 NOx触媒 20に対して触媒昇温処理を実行する。

まず、ステップ 2 1 0では、 ECU 3 5は、内燃機関 1の運転状態及び燃料の蒸 ¾性 Jに応じて、 NO x触媒 20を通過する排気の温度を上昇させるような低 EE E GRガス量 L EGR及び高圧 EGRガス量 HEGRを算出する。そして、その算出値を低圧 E G Rガス量及び高圧 E G Rガス量の制御目標値として低圧 EGR弁 5 及び高圧 EG R弁 2 6の開度を制御する。

このような低圧 EGRガス量及び高圧 EGRガス量の設定としては、高圧 EGR ガス量 H EG Rを増量する設定を冽示することができる。

これにより、 NO X触媒 20を通過する排気の温度を上昇させることができるので、触媒昇温処理に要する時間を短縮することが可能になる。

続いて、ステップ 2 1 1において、 ECU 3 5は触媒昇温処理を実行する。触媒昇温処理としては、内燃機関 1においてボスト噴射を行う方法や、 NO X触媒 20 の上流则に設けた酸化能を有する触媒に還元剤を添加し、この還元剤が酸化反 tt、する際に ¾生する反応熱を利用して NO X触媒 20に流入する排気を昇温する方法などを例示することができる。

ステップ 2 1 2では、 ECU 3 5は、 NO X触媒 20の触媒床温 T b e dを検出し、続くステップ 2 1 3において触媒床温の検出値 T b e dが目標温度 T b e d t r gより高いか否かを判定する。すなわち、 NO X'触媒 20が十分に活性化しているか否かを判定する。

これは、 NO X触媒 20の還元処理における還元反応は、 NO X触媒 20が十分に活性化していない状態では進行しにくいからである。目標温度 T b e d t r gは、 NOx触媒 20が還元処理を適切に実施可能な状態にまで十分に活性化していると判断することが可能な NO X触媒の温度であり、予め実験により求められているステップ 2 1 3で否定判定された場合は、 E C U 3 5はステップ 2 1 2に戻る。 E C U 3 5は、ステップ 2 1 3において肯定判定されるまでステップ 2 1 2とステップ 2 1 3を繰り返し実行する。ステップ 2 1 3で肯定判定された場合は、 E C U 3 5は、 N O X触媒 20は十分に活性化していると判断して、ステップ 2 1 4に進み、触媒昇温処理を終了する。ステップ 2 1 5からステップ 2 1 7では、 E C U 3 5は、還元処理を実行する。まず、ステップ 2 1 5では、 ECU 3 5は、 NO X触媒 20の吸蔵余裕量 Yを算出する。吸蔵余裕量 Yは、現在の状態の NO X触媒 20が、 NO X吸蔵能力を失わない範囲内で更に吸蔵可能な NO Xの量である。具体的には、吸蔵余裕量 Yは、現在の触媒床温における NO X触媒 20の最大吸蔵可能量と、現在の NO X触媒 20 に吸蔵されている NOxの量と、の差として算出される。

ここで、 NO X触媒 20の最大吸蔵可能量とは、 NO X触媒 20が NO x吸蔵能力を失わない範囲内で吸蔵可能な NO Xの量の最大値である。 NOx触媒 20の最大吸蔵可能量は触媒床温に応じて定まる量であり、予め実験により求められる。ステップ 2 1 6では、 E C U 3 5は、内燃機関 1の運転状態、燃料の蒸 ¾性 J、及び NOx触媒 20の吸蔵余裕量 Yに応じて、排気浄化システム全体としての NO Xの排出量の低減効果が可及的に高くなるような低圧 EG Rガス量 L EGR及び高圧 EGRガス量 HEGRを算出する。そして、その算出値を低圧 E G Rガス量及び高圧 EG Rガス量の制御目標値として低圧 EG R弁 5及び高圧 EG R弁 26の開度を制御する。

このような低圧 EG Rガス量及び高圧 EG Rガス量の設定としては、低圧 EG R ガス量 L EGRを減量する設定を例示することができる。

これにより、触媒通過排気量を減少させることができるので、添加燃料が NOx 触媒 20において還元反応するための十分な時間を確保することが可能になる。ここで、添加燃料として蒸 ¾性 Jが大きい燃料が使用される場台、添加燃料は短時間で蒸発して排気の空燃比はリツチ側に大きく変化するが、排気の空燃比がリッチ側に変化する時間は短い。添加燃料が N 0 X触媒 20において還元反応するための時間が十分に確保できない可能性がある。そこで、添加燃料の蒸発性 Jが大きいほど低圧 E G Rガス量の減量の度合いを大きくするようにしてもよい。

これにより、触媒通過排気量が減少するため、添加燃料の NO X触媒 20における反応時間をより確実に確保することが可能になる。

また、 NOx触媒 2 0の吸蔵余裕量 Yが大きい場合、 NOx触媒 20における添加燃料の触媒浄化反応が進行し易くなる傾向がある。従って、この場合、 NOx触媒 20における添加燃料の反応時間が多少短縮されたとしても、還元反応の効果は低下しにくい。

そこで、吸蔵余裕量 Yが大きいほど、低圧 EG Rガス量の減量の度合いを小さくするようにしてもよい。

これにより、低圧 EG Rガス量の減量に伴う EGRガス量の変化量が小さくなるため、トルク変動や燃焼騒音の変化を抑制することができる。その結果、ドライバビリティが向上するという効果をも得られる。

以上のステップ 2 1 5及びステップ 2 1 6によって、低圧 EGRガス量及び高圧 E G Rガス量は、第 1設定量から第 2設定量寄りにシフ卜した量に制御されることになる。これにより EGRによる内燃機関 1の NOx'生成量の低減効果が多少低下する可能性があるが、その低下の度合いと比較して還元反応の効果の向上の度合いが大きくなるように低圧 EG Rガス量の減量の度合いを定めることによって、排気浄化システム全体としての NO Xの排出量の低減効果を高めることが可能になる。次に、ステップ 2 1 7では、 ECU 3 5は、燃料の蒸 ¾性 Jに応じて燃料噴射弁 2 8による燃料添加量 Q a cl及び燃料添加間隔 I NTを算出する。

ステップ 2 1 8では、 E C U 3 5は、ステップ 2 1 6において算出した燃料添加量 Q a d及び燃料添加間隔 I NTに基づいて燃料添加弁 28を制御して燃料添加を実施し、 NOx触媒 20の還元処理を開始する。

ステップ 2 1 9では、 ECU 3 5は、還元処理を終了させる条件が成立したか否かを判定する。還元処理を終了させる条件を判定する方法としては、還元処理によつてある程度以上の NO Xが NO X触媒 20から放出され、 NO X触媒 20の吸蔵余裕量が所定量を超えたか否かを判定する方法などを例示することができる。 EC U 3 5は、肯定判定されるまでステップ 2 1 8を繰り返し実行し、肯定判定された場合ステップ 2 20に進んで還元処理を終了する。具体的には、燃料添加弁 28を制御して燃料添加を停止する。

次に、ステップ 2 2 1では、 ECU 3 5は、低圧 EG Rガス量 L EG R及び高圧 EG Rガス量 H EG Rを第 1設定量に戻して、このルーチンの実行を終了する。図 3は、 ECU 3 5によって上記した触媒通過排気量の制御ルーチンが実行された時の、 NO X触媒 20を通過する排気の空燃比、触媒通過排気量、及び NO X触媒 20から排出される N O Xの量の時間変化を示す図である。

図 3 (I) の横軸は時間を表し、縦軸は NOx触媒 20を通過する排気の空燃比を表す。図 3 (II)の横軸は時間を表し、縦軸は触媒通過排気量を表す。図 3 (III ) の横軸は時間を表し、縦軸は NO X'触媒 20から排出される NO Xの量を表す。また、図 3 (I) から（111) において、実線で示された曲線は本実施冽に係る触媒通過排気量の制御を実施しない場合の、 ΝΟχ触媒 20を通過する排気の空燃比、触媒通過排気量、及び NO X触媒 20からの NO Xの排出量の時間変化を表し、破線で示された曲線は本実施例に係る触媒通過排気量の制御を実施した場合の NO X触媒 20を通過する排気の空燃比、触媒通過排気量、及び NOx触媒 20からの NO Xの排出量の時間変化を表している。

NO X触媒 20の還元処理を実施すべく燃料添加弁 28によって燃料添加が実行されると、 NOx触媒 20を通過する排気の空燃比は一時的に大きくリツチ側に移行する（図 3 (I) の（A) ) 。この時、触媒通過排気量の制御を実施しない場合は、触媒通過排気量が減少しないため（図 3 (Π) の（ B ) ) 、排気の空燃比は短時間で元に戻るが（図 3 (1) の（A) ) 、触媒通過排気量の制御が実施された場合は、触媒通過排気量が減少するため（図 3 (II)の（ B' ) ) 、排気の空燃比がリッチ側に移行した状態が長い時間持続するようになっている（図 3 ( I ) の（ A' )

その結果、触媒通過排気量の制御を実施しない場合（図 3 (III) の（C ) ) と比較して触媒通過排気量の制御が実施された場合は、 NO X触媒 20の還元処理において NO X触媒 20から放出された NO Xがより確実に還元され、浄化されるようになり、 NO X触媒 20から排出される NO Xの量が低減される（図 3 (III) の（C' )

以上のように、燃料添加時に E C U 35が触媒通過排気量の制御ル一チンを実行することにより、 EGRが行われている時に NO X触媒 20の還元処理が実施された場合においても、 EGRによる内燃機関 1における NOxの生成量の低減と、 N O X触媒 20における還元反応とが、双方とも好適に実施され、排気浄化システム全体としての NO Xの排出量の低減効果をより一層高めることが可能になる。なお、以上述べた実施の形態は本 ¾明を説明するための一例であって、本 ¾明の本旨を逸脱しない範囲内において上記の実施形態には種々の変更を加え得る。例えば、排気浄化装置として NO X触媒を担持した PMフィルタが備えられている場合には、燃料添加によって PMフィルタに堆積した PMを酸化し除まする再生処理が実施されることになる。再生処理においては、 PMが酸化反応する際の反応熟を効率的に排熱して PMフィルタの過昇温を抑制するために、燃料添加時に PMフィルタを通過する排気の量を増加させるベく低圧 EG Rガス量及び/又は高圧 EG R ガス量の制御が行われる。具体的には、再生処理が実施される時においては低圧 E GRガス量を増量制御する。この場合、再生処理の実施前に行われる PMフィルタの昇温処理を補助するために、昇温処理時には高圧 EG Rガス量を増量制御することは上述した NO X触媒の場合と同様である。

また、上記の実施例では排気通路における低圧 EG R通路の接続箇所より上流側に排気浄化装置として N O X触媒を備えた構成を例示したが、これは本 ¾明の効果を説明するための最も簡単な構成であって、実際にはこの他の排気浄化装置が低圧 E G R通路の接続箇所より下流側を含めて排気通路に 1又は複数備えられていてもよいことは当然である。その場合、反応活性が排気浄化装置を通過する排気の流量や空間速度に依存して変化する特性を有するものがあれば、低圧 E G R通路の接続箇所より上流则の排気通路に設置することによって、上記の実施例における N O X触媒と同様により効果的に排気浄化能力を発揮することが可能になるという本発明に特有の効果を享受することができる。産業上の利用可能性

本 ¾明の排気浄化システムにより、 E G R装置と排気浄化装置を備えた排気浄化システムにおいて、 E G R装置による排気浄化と排気浄化装置による排気浄化とが同時期に行われる場合においても、双方の排気浄化がとも好適に実施され、排気浄化システム全体としての排気浄化効果を可及的に高めることが可能になる。

Claims

請求の範囲

1 . 内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化装置と、

前記排気浄化装置の上流から燃料を供給する燃料添加装置と、

前記排気浄化装置より上流の排気管に設けられたタービンど前記内燃機関の吸気管の途中に設けられたコンプレッサとから成るターボチヤ一ジャと、 ■

前記タ一ビンより上流の排気管内の排気の一部を前記コンプレッサより下流の吸気管に再循環させる高圧 E G R装置と、

前記排気浄化装置より下流の排気管内の排気の一部を前記コンプレッサより上流の吸気管に再循環させる低圧 E G R装置と、

前記燃料添加装置から前記排気浄化装置に燃料が供給される時は、前記高圧 E G R装置によって再循環する排気の量及び又は前記低圧 E G R装置によって再循環する排気の量を制御して前記排気浄化装置を通過する排気の量を制御する制御手段と、

を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

2 . 請求項 1 において、

前記排気'净化装置に設けられた吸蔵還元型の N O X触媒に前記燃料添加装置から燃料を供給することで前記 N 0 X触媒に吸蔵された N 0 X又は S 0 Xを還元する還元処理を行う還元手段を更に備え、

前記制御手段は、前記還元処理が実施される時に前記低圧 E G R装置による排気の再循環が行われている場合は、前記還元処理が実施されていない場合と比較して、前記低圧 E G R装置によって再循環する排気の量を減量することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

3 . 請求項 2において、

前記制御手段は、前記還元処理が実施される時における前記 N 0 X触媒の温度が所定温度より低い場合は、前記減量の度合いを少なくすることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

4 . 請求項 2又は 3において、

前記制御手段は、前記還元処理が実施される時において前記 N O X触媒にさらに吸蔵させることが可能な N O Xの量に応じて前記減量の度合いを定めることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

5 . 請求項 2において、

前記還元処理の実施前に前記 N O X触媒の温度を上昇させる触媒昇温処理を行う触媒昇温手段を更に備え、

前記制御手段は、前記触媒昇温処理が実施される時には、前記触媒床温処理が実施されない場合と比較して、前記高圧 E G R装置によって再循環する排気の量を増量することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

6 . 請求項 2において、

前記制御手段は、前記還元処理が実施されていない時は、前記 N O x触媒の温度が所定の温度範囲に入るように、前記高圧 E G R装置によって再循環する排気の量及び/又は前記低圧 E G R装置によって再循環する排気の量を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

7 . 請求項 1 において、

前記排気浄化装置に設けられた P Mフィルタに前記燃料添加装置から燃料を供給することで前記 P Mフィルタに捕集された微粒子物質を酸化するフィルタ再生処理を行うフィルタ再生手段を更に備え、

前記制御手段は、前記フィルタ再生処理が実施される時には、前記フィルタ再生処理が実施されない場合と比較して、前記低圧 E G R装置によって再循環する排気の量を増量することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

8 . 請求項 7において、，

前記フィルタ再生処理の実施前に前記 P Mフィ 'レタの温度を上昇させるフィルタ昇温処理を行うフィルタ昇温手段を更に備え、

前記制御手段は、前記フィルタ昇温処理が実施される時に前記高圧 E G R装置によって再循環する排気の量を前記フィルタ昇温処理が実施されない場合と比較して増量することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

9 . 請求項 1から 8のいずれか 1項において、

前記制御手段は、前記燃料添加装置から供給される燃料の性状に応じて前記低圧 E G R装置によって再循環する排気の量及び/又は前記高圧 E G R装置によって再循環する排気の量を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。