WO2011141952A1

WO2011141952A1 - 排気浄化装置および内燃機関

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Publication number: WO2011141952A1
Application number: PCT/JP2010/003175
Authority: WO
Inventors: 布施英孝; 井上三樹男
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2011-11-17

Abstract

　本発明に係る排気浄化装置は、排気通路(Ｂ)の排気浄化用部材(Ｃ)よりも上流側に設けられた添加剤添加手段(Ｄ)と、該添加剤添加手段(Ｄ)と排気浄化用部材(Ｃ)との間に設けられて添加剤添加手段(Ｄ)から添加された添加剤の反応を促進する触媒(Ｅ)と、該触媒(Ｅ)の状態に応じて触媒(Ｅ)での添加剤添加手段(Ｄ)により添加された添加剤と排気との割合を変えるように添加剤添加手段(Ｄ)の作動を制御する添加制御手段(Ｆ)とを備える。

Description

排気浄化装置および内燃機関

　本発明は、排気を浄化するための排気浄化装置の技術に関する。

　特許文献１は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置を開示する。この装置は、ディーゼルエンジンの排気通路の途中に設けられる還元触媒と、還元触媒の上流側に還元剤を添加する添加装置と、その還元触媒より上流側に設けられて還元剤を接触分解または酸化分解する前処理触媒とを備える。

実開平６－７３３１２号公報

　ところで、特許文献１の上記装置における前処理触媒の機能はその劣化により低下する。それ故、前処理触媒が劣化していないときの還元剤の添加と、前処理触媒が劣化したときの還元剤の添加とを同じように行うことは好ましくない。

　そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、排気通路の排気浄化用部材よりも上流側に設けられた触媒の状態に応じて該触媒の上流側から添加剤を適切に供給することにある。

　本発明は、排気通路の排気浄化用部材よりも上流側に設けられた添加剤添加手段と、該添加剤添加手段と排気浄化用部材との間に設けられて添加剤添加手段から添加された添加剤の反応を促進する触媒と、該触媒の状態に応じて触媒での添加剤添加手段により添加された添加剤と排気との割合を変えるように添加剤添加手段の作動を制御する添加制御手段とを備えた、排気浄化装置を提供する。

　本発明は、そのような排気浄化装置を備えた内燃機関も提供する。

図１は、本発明に係る排気浄化装置の基本構成例を説明するための概念図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置が適用された内燃機関システムを示す概略構成図である。図３は、図２の排気浄化装置の燃料添加弁および酸化促進部材の拡大模式図である。図４は、図２の排気浄化装置の燃料添加弁の作動を説明するための図である。図５は、酸化促進部材の触媒の劣化度が相対的に低い場合の、図２の排気浄化装置の燃料添加弁の作動を説明するための図である。図６は、酸化促進部材の触媒の劣化度が相対的に高い場合の、図２の排気浄化装置の燃料添加弁の作動を説明するための図である。図７は、第１実施形態の排気浄化装置に関する実験結果を表すグラフであり、１回当たりの添加剤添加量と、酸化促進部材の触媒の温度との関係例を表すグラフである。図８は、第２実施形態の排気浄化装置に関する実験結果を表すグラフであり、燃料添加弁により添加された燃料が合流する排気中の酸素濃度と、酸化促進部材の触媒の温度との関係例を表すグラフである。

　まず、本発明に係る排気浄化装置の基本的な構成例を図１に基づき説明する。図１の排気浄化装置Ａは、排気通路Ｂに設けられた排気浄化用部材Ｃと、排気浄化用部材Ｃよりも上流側に設けられた添加剤添加手段Ｄと、排気浄化用部材Ｃと添加剤添加手段Ｄとの間に設けられた触媒Ｅとを備える。さらに、添加剤添加手段Ｄの作動を制御するための添加制御手段Ｆが備えられている。

　ここでは、添加剤添加手段Ｄは添加弁として構成されている。タンクからポンプによって圧送された添加剤は添加剤添加手段Ｄから添加される。添加剤が触媒Ｅに対して添加されるように添加剤添加手段Ｄおよび触媒Ｅは構成されると共に配置されている。

　触媒Ｅは添加剤の反応、例えば酸化反応を促進する機能を有する。好ましくは、触媒Ｅは、酸化触媒のみから構成される、または、酸化触媒を含んで構成される。触媒Ｅまたはその周囲を通過した添加剤および／またはそれらから生じた成分を含むガスは、排気浄化用部材Ｃに向けて流れる。このようなガスは燃焼ガスまたは改質された添加剤を含み、ある程度の熱を有する。したがって、このようなガスによって、排気浄化用部材Ｃは加熱される。

　ところで、触媒Ｅの状態は、使用されることにより変化する。例えば触媒Ｅは使用により劣化する。特に熱により触媒Ｅは全体的にまたは局所的に劣化する。劣化により、触媒Ｅの機能は低下する。したがって、例えば新品の触媒Ｅに対して所定量の添加剤を添加したときに触媒Ｅから流れ出るガスは、劣化した触媒Ｅに対して同所定量の添加剤を同じように添加したときに触媒Ｅから流れ出るガスに対して、異なる温度および異なる成分を有する。他方、劣化するにつれて触媒Ｅの機能は基本的に低下するので、同所定量の添加剤を同様に添加したときの触媒Ｅ自体の温度も触媒Ｅの劣化の度合いに応じて変化する。故に、触媒Ｅの状態、特にその劣化の度合いに応じて添加剤添加手段Ｄからの添加剤の添加を調節することが、触媒Ｅの長寿命化、排気浄化用部材Ｃの温度制御等の点から、望まれる。

　そこで、添加制御手段Ｆは、触媒Ｅの状態に応じて、触媒Ｅでの添加剤添加手段Ｄにより添加された添加剤と排気との割合、好ましくは混合割合を変えるように添加剤添加手段Ｄの作動を制御する。触媒Ｅでの添加剤と排気との割合を変えることで、触媒Ｅでの添加剤の反応を調整することができる。これにより触媒Ｅの温度制御および排気浄化用部材Ｃの温度制御を適切に実行することが可能になる。

　触媒Ｅでの添加剤添加手段Ｄにより添加された添加剤と排気との割合を変えることは、触媒Ｅにおける添加剤添加手段Ｄにより添加された添加剤の添加密度を変えること、換言すると、触媒Ｅに存在し得る添加剤の分散状態を変えることを意味する。

　具体的には、添加制御手段Ｆは、触媒Ｅの状態に応じて、添加剤添加手段Ｄからの１回当たりの添加剤添加量および添加剤添加間隔を変えるように添加剤添加手段の作動を制御する。そのために、図示しないが、排気浄化装置Ａは、触媒Ｅの状態を判定する状態判定装置、より具体的には触媒Ｅの劣化の度合い（劣化度）を判定する劣化判定装置を備える。そして、触媒Ｅの状態が悪化するにしたがって、特に触媒Ｅが劣化するにしたがって、添加制御手段Ｆは、１回当たりの添加剤添加量が減ると共に添加剤添加間隔が短くなるように添加剤添加手段Ｄの作動を制御する。

　次に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。まず、本発明に係る第１実施形態について説明する。

　第１実施形態の排気浄化装置１が適用された車両の内燃機関システムの概略図を図２に示す。内燃機関（以下、エンジン）１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１２から圧縮状態にある燃焼室に直接噴射することにより自然着火させる型式のエンジン、すなわちディーゼルエンジンである。

　気筒１４の燃焼室に臨むと共に吸気通路１６の一部を区画形成する吸気ポートは、シリンダヘッドに形成されていて、吸気弁によって開閉される。シリンダヘッドには、吸気通路１６の一部を区画形成する吸気マニホールド１８が接続され、さらにその上流側には同じく吸気通路１６の一部を区画形成する吸気管が接続されている。吸気通路１６の上流端側には、吸気通路１６に導かれる空気中の塵埃などを除去するべくエアクリーナ２０が設けられている。また、スロットルアクチュエータ２２によって開度が調整されるスロットル弁２４が、吸気通路１６の途中に設けられている。

　他方、気筒１４の燃焼室に臨むと共に排気通路２６の一部を区画形成する排気ポートは、シリンダヘッドに形成されていて、排気弁によって開閉される。シリンダヘッドには、排気通路２６の一部を区画形成する排気マニホールド２８が接続され、さらにその下流側には同じく排気通路２６の一部を区画形成する排気管が接続されている。排気通路２６の途中には、第１排気浄化用部材（以下、第１浄化部材）３０と第２排気浄化用部材（以下、第２浄化部材）３２とを直列的に収容した第１コンバータ３４が設けられている。さらに、第１コンバータ３４よりも下流側の排気通路には、第３排気浄化用部材（以下、第３浄化部材）３６を収容した第２コンバータ３８が設けられている。なお、第１浄化部材３０、第２浄化部材３２および第３浄化部材３６は排気浄化装置１に含まれる。

　ここでは、第１浄化部材３０は酸化触媒を含む。第１浄化部材３０は、例えば白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持したモノリス触媒として形成されている。

　また、第２浄化部材３２は排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのパティキュレートフィルタである。第２浄化部材３２であるパティキュレートフィルタは貴金属触媒を担持していない。しかしながらパティキュレートフィルタ上に白金Ｐｔのような貴金属触媒等を担持させることもできる。

　また、第３浄化部材３６はＮＯｘ浄化用の触媒、ここではＮＯｘ吸蔵触媒を含む。第３浄化部材３６では、その基体上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されている。触媒担体の表面上には白金Ｐｔなどの貴金属触媒が分散して担持されていて、さらに触媒担体の表面上にはＮＯｘ吸収剤の層が形成されている。ＮＯｘ吸収剤は排気の空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。このような第３浄化部材３６は、排気の空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低下すると例えば排気の空燃比がリッチになったときに吸蔵したＮＯｘを放出してＮＯｘを還元させる。なお、第３浄化部材３６は、アンモニアとＮＯｘとの化学反応（還元反応）を促進させるＮＯｘ浄化用の触媒を備えることが可能である。この場合には、アンモニア供給用に例えば尿素水添加装置が第１コンバータ３４と第２コンバータ３８との間に設けられ得る。

　さらに、排気により回転駆動されるタービンホイールを含むタービン４０が排気通路２６の途中に設けられている。ただし、タービン４０は、第１コンバータ３４よりも上流側の排気通路に配置されている。これに対応して、タービンホイールに同軸で連結され、タービンホイールの回転力で回転するようにしたコンプレッサホイールを含むコンプレッサ４２が吸気通路１６の途中に設けられている。すなわち、エンジン１０には、排気エネルギーを取り出すタービン４０と、タービン４０により取り出された排気エネルギーによってエンジン１０に過給するコンプレッサ４２とを有するターボチャージャ４４が設けられている。そして、コンプレッサ４２により圧縮された空気を冷却すべく、インタークーラ４６がコンプレッサ４２よりも下流側の吸気通路に設けられている。

　エンジン１０には、排気通路２６を流れる排気の一部を吸気通路１６に導く排気還流（ＥＧＲ）装置４８が設けられている。ＥＧＲ装置４８は、排気通路２６と吸気通路１６とをつなぐＥＧＲ通路５０を区画形成するＥＧＲ管５２と、ＥＧＲ通路５０の連通状態調節用のＥＧＲ弁５４と、還流される排気（ＥＧＲガス）冷却用のＥＧＲクーラ５６とを有している。ＥＧＲ管５２上流側の一端は排気マニホールド２８に接続され、その下流側の他端は吸気マニホールド１８に接続されている。ＥＧＲ弁５４はＥＧＲクーラ５６よりも下流側に設けられていて、その開度はアクチュエータ５８により調節される。

　さて、エンジン１０に設けられた排気浄化装置１はさらに温度制御装置６０を備えている。温度制御装置６０は上記した排気浄化用部材の温度を制御するべく設けられている。温度制御装置６０は、加熱用ガスを生成して下流側の第１～第３浄化部材３０、３２、３６、特に第２浄化部材３２および第３浄化部材３６に供給し、それら排気浄化用部材の暖機または加熱およびその活性状態を維持促進するためのものである。

　特に、ここでは、温度制御装置６０は、それら３つの排気浄化用部材のうちの第３浄化部材３６を第３浄化部材３６の所定活性温度域の温度まで加熱してそれがその所定活性温度域内の温度を有し続けるように作動する。また、温度制御装置６０は、第２浄化部材３２に捕集されたＰＭを除去するべく、所定時期に、所定時間、作動する。例えば、エンジン１０の累積作動時間が所定時間を越えるたびに、温度制御装置６０は作動する。なお、温度制御装置６０は、第２浄化部材３２の前後の差圧が所定圧以上になったときに、機能することもできる。この場合、第２浄化部材３２前後の差圧を検出するための圧力センサが備えられるとよい。

　温度制御装置６０は、排気浄化用部材よりも上流側に設けられた酸化促進部材６２と、該酸化促進部材６２の上流側に位置付けられた燃料添加弁６４とを有する。ここでは、これら酸化促進部材６２および燃料添加弁６４はタービン４０と第１浄化部材３０との間の排気通路に設けられている。

　さて、酸化促進部材６２は、酸化機能を有する触媒を含み、具体的には酸化触媒を含んで構成されていて、白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持したモノリス触媒として形成されている触媒部材６２ａを含む（図３参照）。酸化促進部材６２のそのような触媒部材６２ａは筒状部材６２ｂを含む支持部材によって排気通路２６に固定支持されている。そして、筒状部材６２ｂの上流側部分には、燃料添加弁６４から添加された添加剤である燃料の霧化を促す部材として衝突板６２ｃが設けられている。なお、酸化促進部材６２は、排気通路２６における排気の流れを阻害しないように定められた大きさおよび形状を有する。

　燃料添加弁６４は添加剤添加手段として備えられている。具体的には、燃料添加弁６４は、上記燃料噴射弁１２を備えた燃料噴射装置に含まれる燃料タンクからポンプによって圧送された燃料を添加供給するように設けられている。したがって、ここでは、燃料添加弁６４、燃料タンクおよびポンプは添加剤添加装置に含まれるが、燃料添加弁６４への添加剤添加装置６６の燃料供給系統は、燃料噴射弁１２への燃料噴射装置６８の燃料供給系統とは別に独立して構成可能である。燃料添加弁６４は、酸化促進部材６２に向けて添加剤としての燃料を噴射して添加するように、酸化促進部材６２に対して配置されている（図３参照）。

　燃料添加弁６４から噴射された燃料は、排気Ｇ１に混ざりつつ、酸化促進部材６２およびその周囲に至る。そして、酸化促進部材６２でその燃料の酸化反応、例えば燃焼が促される。特に、酸化促進部材６２はここでは酸化触媒を含むので、酸化促進部材６２の温度がその所定活性温度域内にあるとき、酸化促進部材６２で燃料の酸化はより好適に促進される。なお、酸化促進部材６２での燃料の酸化によって酸化促進部材６２自体の温度が上昇し、これにより酸化促進部材６２は昇温される。こうして加熱用ガスＧ２が生成されて上記排気浄化用部材に流れる。このような加熱用ガスＧ２は燃料の酸化反応により高温を有することができる。

　また、このような加熱用ガスＧ２は改質燃料を含むことがある。酸化促進部材６２の温度が高くなると、酸化促進部材６２で燃料中の炭素数の多い炭化水素が分解して、炭素数が少なく反応性の高い炭化水素が生成され、これによって燃料が反応性の高い燃料に改質される。換言すれば、酸化促進部材６２は、一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では、改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。

　このような構成を備えるエンジン１０は、制御装置７０に、各種値を検出する（推定することを含む）ための信号を電気的に出力する各種センサ類を備えている。ここで、その内のいくつかを具体的に述べる。吸入空気量を検出するためのエアフローメーター７２が吸気通路１６に備えられている。また、エアフローメーター７２近傍に吸入空気の温度を検出するための温度センサ７４が、そしてインタークーラ４６下流側にも温度を検出するための温度センサ７６が備えられている。また、過給圧を検出するための圧力センサ７８が吸気通路１６の途中に設けられている。また運転者によって操作されるアクセルペダル８０の踏み込み量に対応する位置、すなわちアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ８２が備えられている。また、スロットル弁２４の開度を検出するためのスロットルポジションセンサ８４も備えられている。さらに、ＥＧＲ弁５４の開度を検出するためのセンサ８６も備えられている。また、ピストンが往復動するシリンダブロックには、連接棒を介してピストンが連結されているクランクシャフトのクランク回転信号を検出するためのクランクポジションセンサ８８が取り付けられている。ここでは、このクランクポジションセンサ８８はエンジン回転速度を検出するためのエンジン回転速度センサとしても利用される。さらに、エンジン１０の冷却水温を検出するための温度センサ９０が備えられている。さらに、排気通路２６には、排気温センサである温度センサ９２が備えられている。温度センサ９２は第３浄化部材３６の近くの排気通路、具体的には第２浄化部材３２と第３浄化部材３６との間に設けられている。さらに、車速センサ９４が設けられている。

　制御装置７０は、ＣＰＵ、記憶装置（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ）、Ａ／Ｄ変換器、入力インタフェース、出力インタフェース等を含むマイクロコンピュータで構成されている。入力インタフェースには、上記各種センサ類が電気的に接続されている。これら各種センサ類からの出力信号または検出信号に基づき、予め設定されたプログラム等にしたがって円滑なエンジン１０の運転ないし作動がなされるように、制御装置７０は出力インタフェースから電気的に作動信号または駆動信号を出力する。こうして、燃料噴射弁１２の作動、スロットル弁２４の開度、ＥＧＲ弁５４の開度、燃料添加弁６４の作動などが制御される。

　制御装置７０は温度制御装置６０における制御手段（制御装置）の機能を有する。つまり、添加剤添加手段である燃料添加弁６４の作動を制御する添加制御手段としての機能を、制御装置７０は有する。また、酸化促進部材６２の触媒の劣化度を判定する劣化判定装置は、ここでは、車速センサ９４と制御装置７０の一部とを含んで構成されている。さらに排気浄化用部材温度検出手段としての温度センサ９２と制御装置７０の一部とは、排気浄化用部材の温度を検出する排気浄化用部材温度検出装置に含まれる。

　エンジン１０では、吸入空気量、エンジン回転速度など、すなわちエンジン負荷およびエンジン回転速度で表されるエンジン運転状態に基づいて、所望の出力を得るように、燃料噴射量（燃料量）、燃料噴射時期が設定される。そして、それら燃料噴射量、燃料噴射時期に基づいて、燃料噴射弁１２からの燃料の噴射が行われる。

　また、制御装置７０は、基本的に、エンジン運転状態に基づいて、ＥＧＲ弁５４の開度を制御するように、アクチュエータ５８を制御する。ここでは、エンジン運転状態の属する領域が高負荷側にあるほどＥＧＲ量が減少するように構築された、予め実験により定められたデータが記憶装置に記憶されている。

　そして、温度制御装置６０では、例えば、エンジン始動時、排気浄化用部材の温度が所定温度以上に早期に上がるように、特にここでは第３浄化部材３６の温度が第３浄化部材３６の所定活性温度域内に早期に達するように、燃料添加弁６４が作動させられる。つまり、燃料添加弁６４から燃料が噴射される。この燃料を含むまたはこの燃料から生じた成分を含むガスは主に酸化促進部材６２を通過して排気浄化用部材に至る。このようなエンジン始動時の排気浄化用部材へのガスの供給は、始動開始時または始動開始後の所定時期から行われ、第３浄化部材３６の温度がその所定活性温度域内の所定温度以上になるまで実行される。なお、ここでは第３浄化部材の所定活性温度域内の所定温度は、その所定活性温度域の下限温度であり、例えば２００℃に設定されている。ただし、このようなエンジン始動時の排気浄化用部材への加熱用ガスの供給は、排気浄化用部材の温度が早期に高まったとしても、エンジン暖機が完了するまで継続されるとよい。この場合、エンジン暖機完了はエンジン１０の冷却水温に基づいて判断される。例えば、排気浄化用部材の温度が早期に高まって、その後、エンジン１０の冷却水温が所定温度（例えば７０℃）以上になってエンジン暖機完了と制御装置７０が判定したとき、制御装置７０は、燃料添加弁６４の作動を停止する。

　さらに、第３浄化部材３６の温度が上記した所定活性温度域内に達した後、第３浄化部材３６の温度をその所定活性温度域内に保つように、温度制御装置６０が機能する。ここでは、第３浄化部材３６の温度が所定部材温度以下になったとき、燃料添加弁６４からの燃料添加が実行される。第３浄化部材の温度が所定部材温度以下か否かの判定は、温度センサ９２からの出力信号に基づいて推測される（検出される）第３浄化部材３６の温度に基づいて実行される。また、ここでの判定基準となる所定部材温度は、第３浄化部材３６の温度をその所定活性温度域に保つように設定されていて、その所定活性温度域の下限温度以上の温度であるとよく、ここでは２５０℃に設定されている。つまり、第３浄化部材３６の温度が所定部材温度以下であるか否かの判定は、第３浄化部材３６の温度が所定温度域として設定された２００℃以上かつ２５０℃以下の温度域内にあるか否かの判定に相当する。

　上記したような時期に燃料添加弁６４からの燃料添加が実行されるが、そのときの燃料添加は酸化促進部材６２の触媒の状態に応じて制御される。燃料添加弁６４からの燃料添加がさらに図４のフローに基づいて説明される。

　制御装置７０は、まず、排気浄化用部材の加熱が必要か否かを判定する（ステップＳ４０１）。排気浄化用部材の加熱が必要なときは、ここでは、上記したように、エンジン始動時、排気浄化用部材の温度が上記所定温度域内にあるとき、および、第２浄化部材３２に捕集されたＰＭを除去するときである。そのようなとき、排気浄化用部材の加熱が必要であると判定される（ステップＳ４０１で肯定判定）。

　排気浄化用部材の加熱が必要であると判定されると（ステップＳ４０１で肯定判定）、添加剤である燃料の添加量が算出される（ステップＳ４０３）。燃料の添加量は、排気浄化用部材の温度、ここでは特に第３浄化部材３６の温度に応じて、予め実験等により定められているデータを検索したり、または、定められている所定の演算を行ったりすることで求められる。なお、ここでは、第２浄化部材３２に捕集されたＰＭを除去するとき、所定量の添加量が読み込まれる（算出される）。

　そして、制御装置７０は、酸化促進部材６２の触媒の劣化度を算出する(見積もる)（ステップＳ４０５）。酸化促進部材６２の触媒の劣化度は、車両の総走行距離に基づいて算出される。車両の走行距離は車速センサ９４からの出力信号に基づいて得られた車速と時間との関係から求められ、制御装置７０は、走行距離を累積して総走行距離として記憶する。そして、総走行距離で予め記憶するデータを検索したり、または、予め定められている演算を行ったりすることで、酸化促進部材６２の触媒の劣化度が求められる。なお、ここでは、劣化度は、触媒の劣化の度合いに対応する値で表される。

　酸化促進部材６２の劣化度が算出されると（ステップＳ４０５）、燃料添加弁６４からの燃料の添加パターンが選択される（ステップＳ４０７）。求められた酸化促進部材６２の触媒の劣化度に基づいて予め記憶する複数の添加パターンから１つの添加パターンが選択される。複数の添加パターンは、酸化促進部材６２の触媒の劣化度が高くなるほど、１回当たりの添加剤添加量が減ると共に添加剤添加間隔が短くなるように設定されている。この関係は、実験結果に基づいている。なお、この関係は、後述される。

　そして、選択された燃料の添加パターン（ステップＳ４０７）にしたがって、設定された添加量の燃料（ステップＳ４０３）が、燃料添加弁６４から添加される（ステップＳ４０９）。これにより、上記の如く加熱用ガスが生成されて、排気浄化用部材の温度制御が実行される。

　他方、排気浄化用部材の加熱が必要でないと判定されたとき（ステップＳ４０１で否定判定）、燃料添加弁６４からの燃料添加は停止される（ステップＳ４１１）。

　このような燃料添加弁６４からの燃料添加に関して、図５および図６に基づいてさらに説明する。図５は酸化促進部材６２の触媒が新品であるときの燃料添加を説明するための図であり、図６は酸化促進部材６２の触媒がある程度劣化したときの燃料添加を説明するための図である。図５および図６のそれぞれの左側には基準添加パターンでの燃料添加が共通の比較例として示される。ただし、図５での燃料の添加量つまり添加総量は、図６での燃料の添加総量に等しい。

　図５に示されるように、酸化促進部材の触媒が新品であるとき、つまり、該触媒の劣化度が相対的に低いとき、１回当たりの添加剤添加量が多くかつ添加剤添加間隔が長い添加パターンが定められる。基準添加パターンでの１回当たりの燃料添加量α１に比べて、酸化促進部材６２の触媒が新品同様であるときの１回当たりの燃料添加量β１は多い。そして、基準添加パターンでの燃料添加間隔α２に比べて、酸化促進部材の触媒が新品であるときの燃料添加間隔β２は長い。このような添加パターンにしたがって、上記の如くステップＳ４０３で設定された添加量の燃料は、燃料添加弁６４から添加される。基準添加パターンにしたがう場合、設定された添加量は分割添加量α１に５等分され、分割添加量α１の燃料の５回の添加が間隔α２で行われる。これに対して、酸化促進部材の触媒が新品であるときに選択された図５に示される添加パターンにしたがう場合、設定された添加量は分割添加量β１に３等分され、分割添加量β１の燃料の３回分の添加が間隔β２で行われる。このように１回当たりの燃料添加量を相対的に多くすることで、酸化促進部材６２の触媒での燃料の排気に対する割合を高めることができる。好ましくは、酸化促進部材６２の触媒での空燃比はリッチにされる。こうすることで、酸化促進部材６２の触媒での燃料の反応性を抑制し、酸化促進部材６２の過度の温度上昇を抑制できる。

　これに対して、図６に示されるように、酸化促進部材の触媒がある程度劣化したとき、つまり、該触媒の劣化度が相対的に高いとき、１回当たりの添加剤添加量が少なくかつ添加剤添加間隔が短い添加パターンが定められる。基準添加パターンでの１回当たりの燃料添加量α１に比べて、酸化促進部材の触媒がある程度劣化したときの１回当たりの燃料添加量γ１は少ない。そして、基準添加パターンでの燃料添加間隔α２に比べて、酸化促進部材の触媒がある程度劣化したときの燃料添加間隔γ２は短い。このような添加パターンにしたがって、上記の如くステップＳ４０３で設定された添加量の燃料は、燃料添加弁６４から添加される。基準添加パターンにしたがう場合、設定された添加量は分割添加量α１に５等分され、分割添加量α１の燃料の５回の添加が間隔α２で行われる。これに対して、酸化促進部材の触媒がある程度劣化したときに選択された図６に示される添加パターンにしたがう場合、設定された添加量は分割添加量γ１に８等分され、分割添加量γ１の燃料の８回分の添加が間隔γ２で行われる。このように１回当たりの燃料添加量を相対的に少なくすることで、酸化促進部材６２の触媒での燃料の排気に対する割合を下げることができる。こうすることで、酸化促進部材６２の触媒での燃料の反応性が高められ、酸化促進部材６２の意図しない温度低下を抑制できる。

　このように触媒での添加燃料と排気との割合を調整することによる酸化促進部材の触媒の温度の変化を実験により調べた。その結果の一例が図７に示される。図７には、１回当たりの添加剤添加量と、酸化促進部材６２の触媒の温度との関係が表されている。図７に示されるように、１回当たりの添加剤添加量を多くするにしたがい、酸化促進部材の触媒の温度は低下する傾向を示した（図７の矢印参照）。このような実験結果に基づいて、ステップＳ４０７での添加パターンは設定されている。

　このように酸化促進部材の触媒の劣化の度合いに応じて、燃料添加弁６４からの燃料の添加が制御されるので、上記したように酸化促進部材での燃料の反応性が制御され、酸化促進部材の触媒の温度をその活性温度域内に適切に維持することができる。したがって、酸化促進部材の触媒の劣化を抑制すると共に排気浄化用部材の温度をより適切に制御することができる。

　次に、本発明に係る第２実施形態が説明される。本第２実施形態に係る排気浄化装置１０１が適用された車両の内燃機関システムの構成は上記第１実施形態に係る排気浄化装置が適用された車両の内燃機関システムの構成と概ね同じである。したがって、本第２実施形態の排気浄化装置１０１が適用された車両の内燃機関システムの説明はここでは省略される。本第２実施形態の排気浄化用装置は、その構成およびその制御の点で、第１実施形態の排気浄化用装置に対して相違点を有する。以下では、その相違点を主に説明する。なお、以下の説明では、既に説明した構成要素に対応する構成要素に、基本的に、既に説明した構成要素と同じ符号を付す。

　本第２実施形態の排気浄化装置１０１の温度制御装置１６０では、第１実施形態の排気浄化装置１の温度制御装置６０において既に説明したように燃料添加弁６４を作動させる際に、該燃料添加弁６４の作動に関係付けるように燃料噴射弁１２の作動およびＥＧＲ弁５４の作動も制御される。つまり、第２実施形態の温度制御装置１６０は、ＥＧＲ装置４８および燃料噴射装置６８を含む。ただし、ここでの燃料噴射装置６８は、燃料噴射弁１２からメイン噴射を行う第１モードと、燃料噴射弁１２からメイン噴射を行った後に燃料噴射弁１２からアフター噴射を行う第２モードとを有する燃料噴射装置である。

　上記したように、基本的には、燃料噴射弁１２の作動は、エンジン運転状態に基づいて、制御される（第１モード）。また、ＥＧＲ弁５４の作動は、エンジン運転状態に基づいて、制御される。

　しかし、燃料添加弁６４が作動されるとき、燃料噴射弁１２の作動およびＥＧＲ弁５４の作動は酸化促進部材６２の状態に応じて制御される。燃料噴射弁１２を含む燃料噴射装置６８およびＥＧＲ弁５４を含むＥＧＲ装置４８は、ここでは、排気中の酸素濃度を調整する調整装置として用いられる。なお、燃料噴射装置６８は、燃料噴射弁１２の作動を制御する燃料噴射制御手段の機能を有する制御装置７０の一部を含む。また、ＥＧＲ装置４８は、ＥＧＲ弁５４の作動を制御するＥＧＲ制御手段の機能を有する制御装置７０の一部を含む。

　燃料添加弁６４が作動されるとき、燃料噴射弁１２の作動およびＥＧＲ弁５４の作動は酸化促進部材６２の触媒の状態に応じて制御される。酸化促進部材６２の触媒の劣化度が高くなるほど、燃料添加弁６４により添加された燃料が合流する排気中の酸素濃度が高くなるように、燃料噴射弁１２の作動およびＥＧＲ弁５４の作動は制御される。なお、燃料添加弁６４からの燃料の添加総量と燃料添加弁６４により添加された燃料が合流する排気中の酸素濃度とは関係付けられる。

　酸化促進部材６２の触媒が新品であるとき、つまり、該触媒の劣化度が相対的に低いとき、燃料添加弁６４により添加された燃料が合流する排気中の酸素濃度を低減するように、燃料噴射弁１２は燃焼膨張行程末期から排気行程の間の所定の時期に燃料を燃焼室に噴射する（アフター噴射を行う）（第２モード）。これにより、酸化促進部材６２の触媒での空燃比はリッチにされる。こうすることで、酸化促進部材６２の触媒での燃料の反応性を抑制し、酸化促進部材６２の過度の温度上昇を抑制できる。なお、このような燃料噴射弁１２での燃料噴射は、燃焼室で混合気を燃焼させるための燃料噴射をメイン噴射と称することに対して、アフター噴射と称される。アフター噴射の噴射タイミングは燃料添加弁６４からの燃料添加時期と関係付けられている。なお、アフター噴射は、１回に限定されず、複数回続けられることも可能である。

　これに対して、酸化促進部材６２の触媒がある程度劣化したとき、つまり、該触媒の劣化度が相対的に高いとき、燃料添加弁６４により添加された燃料が合流する排気中の酸素濃度を増やすように、ＥＧＲ弁５４は作動される。これにより酸化促進部材６２の触媒での燃料の反応性が高められ、酸化促進部材６２の意図しない温度低下を抑制できる。なお、このようなＥＧＲ弁５４の制御は上記したＥＧＲ制御に対する補正制御として実行され、その実行時期は燃料添加弁６４からの燃料添加時期と関係付けられている。

　このように燃料添加弁６４が作動されるとき、燃料添加弁６４により添加された燃料が合流する排気中の酸素濃度を調整することによる効果を調べるべく実験を行った。その結果の一例が図８に示される。図８には、燃料添加弁６４により添加された燃料が合流する排気中の酸素濃度と、酸化促進部材６２の触媒の温度との関係が表されている。図８に示されるように、燃料添加弁６４により添加された燃料が合流する排気中の酸素濃度が低くなるにしたがい、酸化促進部材の触媒の温度は低下する傾向を示した（図８の矢印参照）。このような実験結果に基づいて、燃料添加弁１２に対するアフター噴射制御およびＥＧＲ弁５４の補正制御が実行される。

　このように酸化促進部材の触媒の劣化の度合いに応じて、燃料添加弁６４からの燃料の添加および該燃料添加弁６４により添加された燃料が合流する排気中の酸素濃度が制御されるので、酸化促進部材での燃料の反応性が制御され、酸化促進部材の触媒の温度をその活性温度域内に適切に維持することができる。したがって、酸化促進部材の触媒の劣化を抑制すると共に排気浄化用部材の温度をより適切に制御することができる。

　以上、本発明を２つの実施形態に基づいて説明したが、本発明は、他の実施形態を許容する。例えば、上記実施形態の排気浄化装置の温度制御装置は、酸化促進部材と、燃料添加弁とを備えたが、さらに発熱手段を備えることができる。発熱手段は、酸化促進部材６２よりも上流側に設けられることができる。発熱手段としてグロープラグが用いられることができ、グロープラグは、グロープラグの発熱部に向かって燃料添加弁６４の噴射口から燃料が噴射されるように燃料添加弁６４に対して配設されるとよい。ただし、発熱手段として、セラミックヒータを用いることも可能である。なお、このような発熱手段が備えられる場合、発熱手段の作動は発熱制御手段により制御され、具体的には制御装置７０によって制御されるとよい。

　また、上記実施形態では、酸化促進部材の触媒の劣化は車両の総走行距離に基づいて判断されたが、他の手段および／または方法を用いて判断されることができる。１例としては、酸化促進部材から流れ出て排気浄化用部材に至る前のガスの温度を検出する温度センサ（出ガス温度検出手段）が備えられ、この温度センサを用いて検出されたガスの温度の変化に基づいて酸化促進部材の劣化が判断されることができる。例えば、燃料添加弁６４から同様に燃料を添加しているにもかかわらず、酸化促進部材を流れ出たガスの温度が例えば３００℃から２００℃へというように低温側へ推移したときには、その触媒が劣化したと判断することができる。なお、このようなガスの温度の変化を適切に判断するために、酸化促進部材に入る排気の温度が検出され、この排気の温度を基準に酸化促進部材から流れ出て排気浄化用部材に至る前のガスの温度変化が評価されるとよい。このような排気の温度は温度センサを用いて検出することもできるが、エンジンの運転状態に基づいて検出可能である。または、酸化促進部材から流れ出て排気浄化用部材に至る前のガスの成分を検出するセンサ（出ガス成分検出手段）が備えられ、このセンサを用いて検出されたガスの成分の変化に基づいて酸化促進部材の劣化が判断されることができる。例えば、燃料添加弁６４から同様に燃料を添加しているにもかかわらず、酸化促進部材を流れ出たガスの炭化水素成分が増えるように変化したときには、その触媒が劣化したと判断することができる。

　また、上記実施形態では、添加剤添加手段として燃料添加弁を用いて、該燃料添加弁から燃料を添加した。しかし、添加剤添加弁から添加される添加剤は燃料に限らず、添加剤として、排気浄化用部材上流側に設けられた触媒で反応が促進される種々の添加剤を用いることができる。例えば、添加剤として、エタノール、メタノール等のアルコールを用いることができる。また、排気浄化用部材上流側に設けられた触媒での反応は発熱反応であることが望まれるが、酸化反応に限定されない。

　また、排気通路に設けられる排気浄化用部材の数、種類、構成および配列順序は、上記実施形態に限定されない。排気浄化用部材の数は１つでも、２つでも、４つ以上でもよい。例えば、上記第３浄化部材よりも下流側に、酸化触媒を含む排気浄化用部材がさらに備えられてもよい。排気浄化用部材として、公知の種々の触媒、フィルタ等が用いられ得る。また、上記酸化促進部材６２は、上記した構成を有する酸化触媒を含まなくてもよく、別の酸化機能を有する触媒を含むことができる。

　また、排気浄化用部材の温度は温度センサを用いて検出される以外に例えばエンジンの運転状態に基づいて推定される（検出される）ことも可能である。

　また、上記実施形態では、本発明はディーゼルエンジンに適用されたが、これに限定されず、本発明は、ポート噴射型式のガソリンエンジン、筒内噴射形式のガソリンエンジン等の各種の内燃機関に適用可能である。また、用いられる燃料は、軽油やガソリンに限らず、アルコール燃料、ＬＰＧ（液化天然ガス）等でもよい。また、本発明が適用される内燃機関の気筒数、気筒配列形式などは如何なるものであってもよい。

　また、本発明に係る排気浄化装置は、内燃機関以外の技術に適用可能である。例えば、本発明は、プラント設備に用いることも可能である。

　なお、上記２つの実施形態およびその変形例等では本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明はこれらに限定されない。本発明は、上記実施形態およびその変形例等を部分的に組み合わせた実施形態や、それらの一部からなる実施形態も許容する。例えば、上記実施形態では、酸化促進部材の触媒の状態に応じて燃料添加弁の作動が制御されたが、酸化促進部材の触媒の状態に応じて制御されるのは、調整装置としてのＥＧＲ装置のみ、または、調整装置としての燃料噴射装置のみであってもよく、調整装置としてのＥＧＲ装置および燃料噴射装置のみであってもよい。

　本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。

Claims

　排気通路の排気浄化用部材よりも上流側に設けられた添加剤添加手段と、
　該添加剤添加手段と前記排気浄化用部材との間に設けられて前記添加剤添加手段から添加された添加剤の反応を促進する触媒と、
　該触媒の状態に応じて前記触媒での前記添加剤添加手段により添加された添加剤と排気との割合を変えるように前記添加剤添加手段の作動を制御する添加制御手段と
を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
　前記添加制御手段は、前記触媒の状態に応じて、前記添加剤添加手段からの１回当たりの添加剤添加量および添加剤添加間隔を変えるように前記添加剤添加手段の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
　前記触媒の劣化度を判定する劣化判定装置をさらに備え、
　前記添加制御手段は、該劣化判定装置により判定された前記触媒の劣化度に応じて前記添加剤添加手段の作動を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置。
　前記添加制御手段は、前記劣化判定装置により判定された前記触媒の劣化度が高くなるほど、１回当たりの添加剤添加量が減ると共に添加剤添加間隔が短くなるように前記添加剤添加手段の作動を制御することを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
　前記触媒の上流側に位置付けられた発熱手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の排気浄化装置。
　排気中の酸素濃度を調整する調整装置をさらに備え、
　前記調整装置は、前記劣化判定装置により判定された前記触媒の劣化度が高くなるほど前記添加剤添加手段により添加された燃料が合流する排気中の酸素濃度が高くなるように作動することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の排気浄化装置。
　請求項１から６のいずれかに記載の排気浄化装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
　請求項６に記載の排気浄化装置を備えた内燃機関であって、
　前記調整装置はＥＧＲ装置を含むことを特徴とする内燃機関。
　請求項６に記載の排気浄化装置を備えた内燃機関であって、
　前記調整装置は、メイン噴射を行う第１モードと、メイン噴射を行った後にアフター噴射を行う第２モードとを有する燃料噴射装置を含むことを特徴とする内燃機関。
　前記調整装置は、メイン噴射を行う第１モードと、メイン噴射を行った後にアフター噴射を行う第２モードとを有する燃料噴射装置をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。