WO2022264565A1

WO2022264565A1 - 触媒昇温システムの制御装置

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Publication number: WO2022264565A1
Application number: PCT/JP2022/011017
Authority: WO
Inventors: 仁志野々村
Original assignee: 株式会社豊田自動織機
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2022-12-22
Also published as: JP7488995B2; JP2022190300A; EP4357600A1

Abstract

内燃機関（１０）の吸気量に対して理論空燃比となる各気筒（４５Ａ～４５Ｄ）への燃料の量であるストイキ噴射量が算出される。ＮＳＲ（６１）（第１触媒）が炭化水素を浄化できる許容量がＮＳＲ（６１）の温度に基づいて算出される。ＳＣＲ（６２）（第２触媒）の暖機が必要であるか否か判定される。暖気が必要と判定された場合に、各気筒（４５Ａ～４５Ｄ）の排気行程にて排気マニホルド（１２Ａ）に排出される排気に残る炭化水素が、ＮＳＲ（６１）の許容量を超えないように、ストイキ噴射量が多段に分けて噴射される。ポスト噴射で噴かれた燃料の一部が、未燃燃料として残存酸素とともにＮＳＲ（６１）に供給される。ＮＳＲ（６１）にて未燃燃料と残存酸素の酸化反応が起こり、その反応熱でＳＣＲ（６２）の温度が効果的に上昇される。

Description

触媒昇温システムの制御装置

　本開示の１つの形態は、圧縮自己着火式の内燃機関に用いられる触媒昇温システムに関する。触媒昇温システムは、例えば、排気経路に設けられた触媒を活性化させるために昇温する。

　ディーゼルエンジンでは、排気経路に触媒が設けられ、触媒が排気ガス中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化する。触媒の浄化能力を十分に発揮させるため、エンジン始動後においては、触媒の温度をより短時間で活性化温度にまで上昇させることが重要である。

　このような触媒の昇温をより短時間に行う有効な手法が従来知られている。この手法は、エンジン気筒内での燃料の燃焼により発生した熱を触媒に届ける手法ではない。例えば、エンジン気筒外でかつ触媒自身または触媒の近傍で化学反応（酸化反応）により熱を発生させ、その熱を触媒に届ける方法である。つまり、前者では、熱が触媒に届くまでに、排気管壁面からの放熱が起こってしまう。これに対し、後者では、燃料成分に化学エネルギーを残したままエンジン気筒を通過させる。そして、触媒自身または触媒の近傍で燃料を化学反応させる。すなわち、化学エネルギーが熱エネルギーに変換される。そのため、前者と比較して排気管壁面からの放熱が抑制される。これにより、より沢山の熱を触媒に届けられる。

　例えば、特開２０１２－５７４９２号公報（４９２号公報）では、各気筒をリーン気筒とリッチ気筒に分ける。リッチ気筒からはＨＣ、ＣＯを過剰にした燃料が噴射される。リーン気筒からはＯ２を過剰にした燃料が噴射される。全体としては理論空燃比を維持する。具体的には、リーン気筒の空気過剰率とリッチ気筒の空気過剰率の平均が１となるように燃料噴射量を制御している。そして、各気筒からの排気が集合する集合部において酸化反応させる。このとき、リーン気筒での燃焼不安定化を抑制しつつ反応熱量を増大させるべく、リーン気筒の数をリッチ気筒の数より多く設定する。これにより、リーン気筒での空気過剰率を増大させることなく還元成分量（ＨＣ、ＣＯ）を増大させている。

　しかしながら、４９２号公報に開示の技術では、リッチ気筒とリーン気筒の全体でストイキ（理論空燃比）の近傍に燃料噴射量を制御する必要がある。つまり、集合部における空燃比がストイキとなるように、例えば、リッチ気筒である＃１気筒での空気過剰率を０．８５にする。リーン気筒である＃３、＃４、＃２気筒でのそれぞれの気筒の空気過剰率を１．０５にする。全体としては空気過剰率が１となるように燃料噴射量を制御する。これを正確に実現するためには、各気筒の排気ポートのそれぞれにＡ／Ｆセンサを設けざるを得ない。そのため、エンジンの構造が複雑になるうえコスト高となってしまう。

　また、４９２号公報の内燃機関としてはガソリンエンジンを想定しており、単一の触媒を対象としている。しかし、ディーゼルエンジンでは、複数の触媒を直列で用いるのが一般的である。前段の触媒は、排気ガスから最初に熱を受け取ることができる。そのため、何ら処置を施さなくとも比較的短時間で昇温が完了する。

　一方、後段の触媒は、熱を奪われた排気ガスが流入する。そのため、昇温に時間が掛かる。ディーゼルエンジンにおいては、前段、後段を含め全ての触媒が適温になって初めて触媒としての浄化能力が十分に発揮できる。そのため、前段の触媒の昇温完了後に後段の触媒の昇温を待っていたのでは効率が悪い。

　したがって、直列に繋がる第１触媒と第２触媒の昇温を、より簡易な構造で、かつ、より安価に、かつ、より効率良く短時間に実現できる触媒昇温システムの制御装置が従来必要とされている。

　本開示の１つの形態は、圧縮自己着火式の内燃機関の触媒昇温システムの制御装置である。該システムは、内燃機関の排気経路に設けられた触媒を昇温する。触媒昇温システムは、内燃機関の気筒それぞれに燃料を噴射する複数のインジェクタを有する。気筒からの排気が流入する排気経路が設けられる。排気経路には、排気に含まれている少なくとも炭化水素を浄化可能な第１触媒が設けられる。さらに排気経路には、第１触媒から流出される排気が流入し、排気に含まれている少なくとも窒素酸化物を浄化可能な第２触媒が設けられる。制御装置は、インジェクタから噴射する燃料のうち、気筒内で燃焼させる燃料の量を内燃機関に対して要求されるトルクに応じて変える。制御装置の燃料量算出部は、内燃機関の吸気量に対して理論空燃比となる各気筒への燃料の量であるストイキ噴射量を算出または取得する。制御装置の許容量算出部は、第１触媒が炭化水素を浄化できる許容量を当該第１触媒の温度に基づいて算出または取得する。制御装置の触媒昇温促進部は、第２触媒の昇温が必要であると判定した場合に、各気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでに噴射される燃料の総量である総噴射量が、燃料量算出部にて算出または取得したストイキ噴射量となるようにインジェクタからの燃料噴射を制御する。さらに触媒昇温促進部は、排気行程の前の燃焼行程にて燃焼されず排気行程にて排気経路に排出される排気に残る炭化水素が許容量算出部にて算出または取得した許容量を超えない噴射パターンでインジェクタからの燃料噴射を制御する。

　したがって、気筒を区別することなく、全ての気筒において常に理論空燃比となるように噴射量を制御している。そのため、必要なＡ／Ｆセンサの数は排気の合流部に１つあればよい。その結果、より簡易な構造で、より安価にシステムを実現できる。排気経路に排出された炭化水素と当該炭化水素と結合しなかった残存酸素を敢えて第１触媒に供給する。これらは、第１触媒にて酸化反応して排気を昇温させる。その反応熱で排気ガス温度を上げるので、第１触媒を効率よく短時間に昇温させることができる。しかも、第１触媒の後段に位置する第２触媒もより効率よく昇温させることができる。

　本開示の他の１つの形態において、制御装置は、第２触媒の昇温が必要であるか否か判断する。昇温が必要であると判定した場合、制御装置は、内燃機関に対して要求されるトルクに応じた噴射パターンになるようにインジェクタを制御する。噴射パターンは、単数の噴射であって主となる噴射であるメイン噴射と、メイン噴射の前の単数または複数の噴射であるパイロット噴射を有している。さらに噴射パターンは、メイン噴射の後の単数または複数の噴射であるアフタ噴射と、アフタ噴射の後の単数の噴射であるポスト噴射を有している。制御装置の触媒昇温促進部は、総噴射量を、メイン噴射と、パイロット噴射と、アフタ噴射と、ポスト噴射の各噴射の噴射量に分配する。そして触媒昇温促進部は、排気行程にて排気経路に排出される排気に残る炭化水素が許容量を超えないようにポスト噴射の噴射時期を調整する。

　排気経路に排出される炭化水素の量とポスト噴射の噴射時期には相関関係がある。しかも、その相関関係は比較的複雑なものではない。したがって、例えば両者を関係付けたマップを用意すれば、マップから第１触媒に供給すべき炭化水素の量に対応するポスト噴射の噴射時期を取得できる。その結果、ポスト噴射の噴射時期の調整という簡易な制御で適切な量の炭化水素（及び酸素）を第１触媒に供給することができる。

　本開示の他の１つの形態において、第１触媒は、リーン燃焼時にはＮＯｘを吸着しリッチ燃焼時には吸着しているＮＯｘを浄化して排出するＮＯｘ吸蔵還元触媒であるＮＳＲ、または三元触媒、または酸化触媒のいずれかである。第２触媒は、ＮＯｘを浄化する選択式還元触媒であるＳＣＲ、または微粒子捕集フィルタと一体化されたＳＣＲである。したがって触媒昇温システムは、ＮＳＲを第１触媒、ＳＣＲを第２触媒、として有している構造も含む。

触媒昇温システムを含む内燃機関システム全体の概略構成図である。全体処理の処理手順の例のフローチャートである。噴射量、噴射時期決定処理の処理手順の例のフローチャートである。インターバル調整処理の処理手順の例のフローチャートである。噴射処理の処理手順の例のフローチャートである。ＮＳＲ温度・上限ＨＣ量特性とＮＳＲ温度・昇温代特性それぞれの例を説明する図である。ポスト噴射インターバル・排ガス中ＨＣ量特性の例を説明する図である。暖機用の噴射パターンにおけるポスト噴射の特徴を説明するための図である。排気マニホルド以降の各所における排気ガス温度を示す図である。触媒昇温システムによって暖機完了時間が短縮されたことを示す図である。ポスト噴射インターバル・ポストトルク感度特性の例を説明する図である。

［内燃機関システム１の概略構成の例（図１）］
　以下に本開示の１つの実施形態を図面を用いて説明する。図１に示す内燃機関システム１は、触媒昇温システムの制御装置を有する。内燃機関システム１の内燃機関１０は、圧縮自己着火式燃機関の例であって、車両に搭載される。内燃機関１０は、例えばディーゼルエンジンである。以降の説明において、「暖機」は「昇温」を含む。

　図１を参照して、システム全体について、吸気側から排気側に向かって順に説明する。吸気管１１Ａの流入側には、エアクリーナ（図示省略）、吸気流量検出装置２１（例えば、吸気流量センサ）が設けられている。流量検出装置２１は、内燃機関１０が吸入した空気の流量に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。流量検出装置２１には、吸気温度検出装置２８Ａ（例えば、吸気温度センサ）、大気圧検出装置２３（例えば、大気圧センサ）が設けられている。温度検出装置２８Ａは、流量検出装置２１を通過する吸気の温度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。大気圧検出装置２３は、周囲の大気圧に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。

　図１に示すように吸気管１１Ａの流出側はコンプレッサ３５の流入側に接続されている。コンプレッサ３５の流出側は吸気管１１Ｂの流入側に接続されている。ターボ過給機３０のコンプレッサ３５は、タービン３６によって回転駆動される。タービン３６は、排気ガスのエネルギーによって回転駆動される。これによりコンプレッサ３５は、吸気管１１Ａから流入された吸気を吸気管１１Ｂに圧送することで過給する。

　図１に示すように吸気管１１Ａは、コンプレッサ３５の上流側に位置する。吸気管１１Ａには、コンプレッサ上流圧力検出装置２４Ａ（例えば圧力センサ）が設けられている。圧力検出装置２４Ａは、吸気管１１Ａ内の圧力に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。吸気管１１Ｂは、コンプレッサ３５の下流側に位置する。吸気管１１Ｂには、コンプレッサ下流圧力検出装置２４Ｂ（例えば圧力センサ）が設けられている。具体的には、圧力検出装置２４Ｂは、コンプレッサ３５とインタークーラ１６の間に位置する。圧力検出装置２４Ｂは、吸気管１１Ｂ内の圧力に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。

　図１に示すように吸気管１１Ｂの上流部にインタークーラ１６が配置されている。インタークーラ１６よりも下流において吸気管１１Ｂには、スロットル装置４７が配置されている。インタークーラ１６は、コンプレッサ下流圧力検出装置２４Ｂよりも下流側に配置されている。インタークーラ１６とスロットル装置４７との間には、吸気温度検出装置２８Ｂ（例えば、吸気温度センサ）が設けられている。温度検出装置２８Ｂは、インタークーラ１６にて温度が低下された吸気の温度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。

　図１に示すようにスロットル装置４７は、吸気管１１Ｂの開度を調整するスロットルバルブ４７Ｖを有する。スロットルバルブ４７Ｖは、制御装置５０からの制御信号に基づいてスロットルバルブ４７Ｖを駆動し、吸気流量を調整可能である。制御装置５０は、スロットル開度検出装置４７Ｓ（例えば、スロットル開度センサ）からの検出信号と目標スロットル開度に基づいて、スロットル装置４７に制御信号を出力する。制御信号に基づいてスロットルバルブ４７Ｖの開度が調整可能である。目標スロットル開度は、制御装置５０が、例えば、アクセルペダルの踏込量と内燃機関１０の運転状態等に基づいて求められる。アクセルペダルの踏込量は、アクセルペダル踏込量検出装置２５からの検出信号に基づいて検出される。

　図１に示すようにアクセルペダル踏込量検出装置２５は、例えばアクセルペダル踏込角度センサであり、アクセルペダルに設けられている。制御装置５０は、アクセルペダル踏込量検出装置２５からの検出信号に基づいて、運転者によるアクセルペダルの踏込量を検出することが可能である。

　図１に示すように吸気管１１Ｂは、スロットル装置４７よりも下流の下流部を有する。吸気管１１Ｂの下流部には、吸気マニホルド圧力検出装置２４Ｃ（例えば圧力センサ）が設けられている。吸気管１１Ｂの下流部にＥＧＲ配管１３の流出側が接続されている。吸気管１１Ｂの流出側は吸気マニホルド１１Ｃの流入側に接続されている。吸気マニホルド１１Ｃの流出側は内燃機関１０の流入側に接続されている。吸気マニホルド圧力検出装置２４Ｃは、吸気マニホルド１１Ｃに流入する直前の吸気の圧力に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。ＥＧＲ配管１３の流出部は、吸気管１１Ｂと接続されている。ＥＧＲ配管１３の流入部は、排気管１２Ｂと接続されている。ＥＧＲ配管１３の流入部からＥＧＲガスが流入し、流出部から吸気管１１Ｂ内に吐出される。

　図１に示すように内燃機関１０は複数（例えば４つ）の気筒４５Ａ～４５Ｄを有している。インジェクタ４３Ａ～４３Ｄが、それぞれの気筒に設けられている。インジェクタ４３Ａ～４３Ｄには、コモンレール４１と燃料配管４２Ａ～４２Ｄを介して燃料が供給されている。インジェクタ４３Ａ～４３Ｄは、制御装置５０からの制御信号によって駆動される。これにより、それぞれの気筒４５Ａ～４５Ｄ内に燃料を噴射する。

　図１に示すように内燃機関１０には、クランク角度検出装置２２Ａ、カム角度検出装置２２Ｂ、クーラント温度検出装置２８Ｃ等が設けられている。クランク角度検出装置２２Ａは、例えば回転センサであり、内燃機関１０のクランクシャフトの回転角度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。カム角度検出装置２２Ｂは、例えば回転センサであり、内燃機関１０のカムシャフトの回転角度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。制御装置５０は、クランク角度検出装置２２Ａとカム角度検出装置２２Ｂからの検出信号に基づいて、各シリンダの行程及び回転角度等を検出することができる。クーラント温度検出装置２８Ｃは、例えば温度センサであり、内燃機関１０内に循環されている冷却用クーラントの温度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。

　図１に示すように内燃機関１０の排気側には排気マニホルド１２Ａの流入側が接続されている。排気マニホルド１２Ａの流出側には排気管１２Ｂの流入側が接続されている。排気管１２Ｂの流出側はタービン３６の流入側に接続されている。タービン３６の流出側は排気管１２Ｃの流入側に接続されている。

　図１に示すように排気管１２Ｂには、ＥＧＲ配管１３の流入側が接続されている。ＥＧＲ配管１３は、排気管１２Ｂと吸気管１１Ｂとを連通する。これにより、排気管１２Ｂ（排気経路に相当）の排気ガスの一部を吸気管１１Ｂ（吸気経路に相当）に還流させることが可能である。ＥＧＲ配管１３には、ＥＧＲクーラ１５、ＥＧＲ弁１４が設けられている。ＥＧＲ弁１４は、制御装置５０からの制御信号に基づいて、ＥＧＲ配管１３の開度を調整する。これにより、ＥＧＲ配管１３内を流れるＥＧＲガスの流量を調整する。

　図１に示すように排気管１２Ｂには、排気温度検出装置２９が設けられている。排気温度検出装置２９は、例えば排気温度センサであり、排気温度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。

　図１に示すように排気管１２Ｂの流出側はタービン３６の流入側に接続されている。タービン３６の流出側は排気管１２Ｃの流入側に接続されている。タービン３６には、可変ノズル３３が設けられている。可変ノズル３３は、排気ガスをタービン３６へ導く流路の開度を調整可能である。これにより可変ノズル３３は、タービン３６へ導く排気ガスの流速を制御可能である。可変ノズル３３は、ノズル駆動装置３１によって開度が調整される。制御装置５０は、ノズル開度検出装置３２（例えば、ノズル開度センサ）からの検出信号と目標ノズル開度に基づいて、ノズル駆動装置３１に制御信号を出力する。制御信号に基づいて可変ノズル３３の開度が調整可能である。

　図１に示すように排気管１２Ｂは、タービン３６の上流側に位置する。排気管１２Ｂには、タービン上流圧力検出装置２６Ａ（例えば圧力センサ）が設けられている。圧力検出装置２６Ａは、排気管１２Ｂ内の圧力に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。排気管１２Ｃは、タービン３６の下流側に位置する。排気管１２Ｃには、タービン下流圧力検出装置２６Ｂ（例えば圧力センサ）が設けられている。圧力検出装置２６Ｂは、排気管１２Ｃ内の圧力に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。

　図１に示すように排気管１２Ｃの上流部にＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ：ＮＯｘ　Ｓｔｏｒａｇｅ－Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）６１が配置されている。ＮＳＲ６１よりも下流側に選択式還元触媒（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）６２が配置されている。排気管１２Ｃには、ＮＳＲ６１の上流側と下流側にそれぞれに、排気温度検出装置（触媒温度検出装置）６３Ａ、６３Ｂ（例えば、排気温度センサ）が設けられている。さらに、排気管１２Ｃには、排気温度検出装置６３Ｂの下流側にＡ／Ｆセンサ６４が設けられている。具体的には、Ａ／Ｆセンサ６４は、ＮＳＲ６１とＳＣＲ６２の間に配置されている。Ａ／Ｆセンサ６４は、排気ガス中の空燃比に応じた検出信号を出力する。

　図１に示すように尿素水添加弁６５は、排気管１２ＣにおけるＮＳＲ６１の下流側に設けられる。具体的には、尿素水添加弁６５は、ＮＳＲ６１とＳＣＲ６２の間に配置されている。尿素水添加弁６５は、所定時間（例えば、２００ミリ秒～４００ミリ秒である。）毎に、排気ガス中に尿素水を添加する。排気管１２Ｃには、ＳＣＲ６２の上流側と下流側にそれぞれ、排気温度検出装置６６Ａ、６６Ｂ（例えば、排気温度センサ）が設けられている。

　図１に示すように車速検出装置２７は、例えば車両速度検出センサであり、車両の車輪等に設けられている。車速検出装置２７は、車両の車輪の回転速度に応じた検出信号を制御装置５０に出力する。

　図１に示すように制御装置５０は、ＣＰＵ５１、ＲＡＭ５２、記憶装置５３、タイマ５４等を有している。制御装置５０（ＣＰＵ５１）には、上述した種々の検出装置からの検出信号が入力される。制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、上述した種々のアクチュエータへの制御信号を出力する。なお、制御装置５０の入出力は、上記の検出装置やアクチュエータに限定されるものではない。各部の温度や圧力等はセンサを搭載せずに推定計算により算出しても良い。制御装置５０は、上記の検出装置を含めた各種の検出装置からの検出信号に基づいて内燃機関１０の運転状態を検出する。制御装置５０は、運転状態に基づいて上記のアクチュエータを含む各種のアクチュエータを制御する。記憶装置５３は、例えばＦｌａｓｈ－ＲＯＭ等の記憶装置である。記憶装置５３は、内燃機関の制御や自己診断等を実行するためのプログラムやデータ等を記憶している。また制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、燃料量算出部５１Ａ、許容量算出部５１Ｂ、触媒昇温促進部５１Ｃ等を有しているが、これらの詳細については後述する。

　制御装置５０は、多段噴射を行い、多段噴射にはメイン噴射とパイロット噴射が含まれている。メイン噴射は、主となる燃料噴射である。パイロット噴射は、メイン噴射の前に行い、単数または複数の燃料噴射である。多段噴射には、アフタ噴射とポスト噴射も含まれている。アフタ噴射は、メイン噴射の後に行い、単数または複数の燃料噴射である。ポスト噴射は、アフタ噴射の後に行い、単数の燃料噴射である。制御装置５０は、多段噴射について、複数の噴射パターンを有しており、触媒の温度や内燃機関１０の運転状態に応じて使い分けている。制御装置５０は、複数の噴射パターンそれぞれにおける各噴射の噴射量と噴射時期については、内燃機関１０の運転状態に基づいて決定している。

［第１の実施の形態における制御装置５０の処理手順（図２～図８）］
　内燃機関システム１は、触媒昇温システムを有している。触媒昇温システムは、インジェクタ４３Ａ～４３Ｄと、ＮＳＲ６１と、ＳＣＲ６２と、制御装置５０とを有している。触媒昇温システムは、ＮＳＲ６１よりも下流に配置されたＳＣＲ６２をより短時間に昇温するため、以下の処理を実施する。

　制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、例えば所定時間間隔（数［ｍｓ］～数１０［ｍｓ］間隔）にて、図２に示す全体処理を起動する。そして、ステップＳ１１０に処理を進める。

　図２のステップＳ１１０にて制御装置５０は、ＳＣＲ６２の温度を取得する。具体的には、制御装置５０は、排気温度検出装置６６Ａ、６６Ｂからの検出信号により、ＳＣＲ６２から排出される排気ガスの温度と、ＳＣＲ６２に流入する排気ガスの温度を検出する。これらの温度差からＳＣＲ６２の温度を推定している。そして、ステップＳ１２０へ処理を進める。

　図２のステップＳ１２０にて制御装置５０は、取得したＳＣＲ６２の温度に基づいて、ＳＣＲ６２の暖機が必要であるか否かを判定する。制御装置５０は、暖機が必要である場合（Ｙｅｓ）はステップＳ１３０へ処理を進める。暖機が不要である場合（Ｎｏ）はステップＳ１６０へ処理を進める。

　図２のステップＳ１３０へ処理を進めた場合、制御装置５０は、切替フラグをＯＮにして、ステップＳ１４０へ処理を進める。切替フラグは、噴射パターンの切り替えに用いられる。例えば、暖機用の噴射パターンを使用するか、通常の噴射パターンを使用するかを判断する際に切替フラグが用いられる。

　図２のステップＳ１４０にて制御装置５０は、ＮＳＲ６１の温度を取得する。具体的には、制御装置５０は、排気温度検出装置６３Ａ、６３Ｂからの検出信号により、ＮＳＲ６２から排出される排気ガスの温度と、ＮＳＲ６２に流入する排気ガスの温度を検出する。これら温度差からＮＳＲ６２の温度を推定している。そして、ステップＳ１５０へ処理を進める。

　図２のステップＳ１５０にて制御装置５０は、取得したＮＳＲ６２の温度に基づいて、上限ＨＣ量と昇温代を取得する。上限ＨＣ量とは、ＮＳＲ６１が浄化可能な炭化水素の量である。昇温代とは、ＮＳＲ６１より排出された排気ガスの温度と、ＮＳＲ６１に流入する排気ガスの温度の差である。制御装置５０の記憶装置５３には、図６に示すＮＳＲ温度・上限ＨＣ量特性及びＮＳＲ温度・昇温代特性が記憶されている。制御装置５０は、両特性とＮＳＲ６２の温度に基づいて上限ＨＣ量と昇温代を算出する。そして、図２に示す処理を終了する。

　図２のステップＳ１６０へ処理を進めた場合、制御装置５０は、切替フラグをＯＦＦにする。そして、図２に示す処理を終了する。

　図２のステップＳ１５０の処理を実行している制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、許容量算出部５１Ｂ（図１参照）に相当している。許容量算出部５１Ｂは、第１触媒が炭化水素を浄化できる許容量を当該第１触媒の温度に基づいて算出する。

［噴射量、噴射時期の決定（図３）］
　制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、例えば所定クランク角度タイミングにて、図３に示す［噴射量、噴射時期決定処理］を起動する。そして、ステップＳ２１０に処理を進める。

　図３のステップＳ２１０にて制御装置５０は、各気筒４５Ａ～４５Ｄの吸気量、内燃機関１０の回転数、車速、アクセルペダル開度を取得する。各気筒４５Ａ～４５Ｄの吸気量は、吸気行程にて当該気筒に吸い込まれる空気の量である。制御装置５０は、上述した各種の検出装置を用いて各値を検出している。そしてステップＳ２２０へ処理を進める。

　図３のステップＳ２２０にて制御装置５０は、取得した各気筒４５Ａ～４５Ｄの吸気量、内燃機関１０の回転数、車速、アクセルペダル開度に基づいて、基本ストイキ噴射量及び要求トルクを算出する。基本ストイキ噴射量とは、ある単一の気筒に吸い込まれた空気中の酸素に対し完全燃焼する燃料（軽油）の量である。そして、ステップＳ２３０へ処理を進める。

　図３のステップＳ２３０にて制御装置５０は、Ａ／Ｆセンサ６４からの検出信号によりＡ／Ｆ（空燃比）を取得する。そして、ステップＳ２４０へ処理を進める。

　図３のステップＳ２４０にて制御装置５０は、取得したＡ／Ｆに応じて基本ストイキ噴射量を補正した補正済総噴射量を算出する。つまり、制御装置５０は、Ａ／Ｆセンサ６４により検出した実際のＡ／Ｆに基づいてフィードバック制御を実施する。これにより、基本ストイキ噴射量の誤差を調整している。そして、ステップＳ２５０へ処理を進める。

　図３のステップＳ２５０にて制御装置５０は、切替フラグがＯＮであるか否かを判定する。制御装置５０は、切替フラグがＯＮである場合（Ｙｅｓ）はステップＳ２６０へ処理を進める。切替フラグがＯＦＦである場合（Ｎｏ）はステップＳ２８０へ処理を進める。

　図３のステップＳ２６０へ処理を進めた場合、制御装置５０は、補正済総噴射量と要求トルクに応じて噴射量と噴射時期を決定する。詳しくは、暖機用の多段噴射パターンでの各噴射における噴射量と噴射時期を決定する。暖機用の多段噴射パターンは、例えばパイロット噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の順に全てを噴射するものである（図８参照）。ポスト噴射にて噴射された燃料のうち、燃焼しなかった未燃燃料（炭化水素）が存在する場合がある。未燃燃料と当該未燃燃料と結合しなかった残存酸素は、ＮＳＲ６１に供給される。その結果、ＮＳＲ６１にて酸化反応が起こり、その反応熱でＳＣＲ６２の温度が上昇することとなる。そしてステップＳ２７０へ処理を進める。

　図３のステップＳ２７０にて制御装置５０は、インターバル調整処理を実行する。インターバル調整処理（図４）の詳細については後述する。そして、図３に示す処理を終了する。

　図３のステップＳ２８０へ処理を進めた場合、制御装置５０は、補正済総噴射量と要求トルクに応じて噴射量と噴射時期を決定する。具体的には、通常の多段噴射パターンでの各噴射における噴射量と噴射時期を決定する。通常の多段噴射パターンは、例えば既存の噴射パターンである。具体的にはパイロット噴射、メイン噴射の順に噴射した後、必要に応じてアフタ噴射、ポスト噴射を噴射する。通常の多段噴射パターンでは、暖機用の多段噴射パターンと異なり、各噴射で噴射された燃料は、気筒４５Ａ～４５Ｄにて全て燃焼する。そして、図３に示す処理を終了する。

　図３のステップＳ２２０、Ｓ２３０、Ｓ２４０の処理を実行している制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、燃料量算出部５１Ａ（図１参照）に相当している。燃料量算出部５１Ａは、内燃機関の吸気量に対して理論空燃比となる各気筒への燃料の量であるストイキ噴射量を算出する。

　図３のステップＳ２５０、Ｓ２６０、Ｓ２７０の処理を実行している制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、触媒昇温促進部５１Ｃ（図１参照）に相当している。触媒昇温促進部５１Ｃは、第２触媒の暖機が必要であると判定した場合に、総噴射量が、燃料量算出部にて算出したストイキ噴射量となるようにインジェクタからの燃料噴射を制御する。総噴射量は、各気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでに噴射される燃料の総量である。加えて触媒昇温促進部５１Ｃは、炭化水素が許容量を超えない噴射パターンでインジェクタからの燃料噴射を制御する。炭化水素の許容量は、排気行程の前の燃焼行程にて燃焼されず排気行程にて排気経路に排出される排気に残る炭化水素として許容量算出部にて算出される。

［インターバル調整処理（図４）］
　図４を用いて、図３に示すフローチャートのステップＳ２７０のインターバル調整処理の詳細を説明する。ＳＣＲ６２をより短時間に暖機するならば、ポスト噴射にて噴射された燃料の全てを未燃燃料としてＮＳＲ６１に供給する。これにより、より多くの反応熱を得られる。しかし、ＮＳＲ６１の浄化能力以上の炭化水素を供給することはできない、あるいは好ましくない。そのため、上限ＨＣ量に基づいてポスト噴射のインターバルを調整する。インターバルは、例えばアフタ噴射が噴射された時からポスト噴射が噴射される時までの時間である。インターバルを調整することにより、ポスト噴射された燃料のうち、どれだけの燃料が未燃燃料として残るかが決まる。例えば、インターバルが短ければポスト噴射で噴かれた燃料のほぼ全てが燃焼する。一方、インターバルが長くなればなるほど未燃燃料が増える。図３に示すフローチャートのステップＳ２７０の処理を実行する際、制御装置５０は図４に示すステップＳ３１０へ処理を進める。

　図４のステップＳ３１０にて制御装置５０は、ＳＣＲ６２の暖機が完了するまでの温度、上限ＨＣ量、昇温代に基づいてＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量を算出する。具体的には、現在のＳＣＲ６２が暖機完了温度に達するまでの温度が大きい場合は、できる限り沢山の酸化反応熱を得たい。そのため制御装置５０は、上限ＨＣ量をそのままＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量とする。一方で、暖機完了温度に達するまでの温度が小さくなると、酸化反応熱で勢い余ってＳＣＲ６２を昇温し過ぎることを防止したい。そのため制御装置５０は、上限ＨＣ量より少ない量をＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量とする。このように、常に上限ＨＣ量をＮＳＲ６１へ供給するわけではなく、ＳＣＲ６２の暖機が完了するまでの温度、昇温代を考慮してＨＣの供給量を調整することが望ましい。そしてステップＳ３２０へ処理を進める。

　図４のステップＳ３２０にて制御装置５０は、ＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量に基づいてインターバルを取得する。制御装置５０の記憶装置５３には、図７に示すポスト噴射インターバル・排ガス中ＨＣ量特性がポスト噴射の燃料量ごとに記憶されている。制御装置５０は、ポスト噴射インターバル・排ガス中ＨＣ量特性とＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量に基づいてポスト噴射のインターバルを算出する。例えば、ポスト噴射量がＰ１であり、ＮＳＲ６１へ供給するＨＣ量がＶ１である場合がある。この場合、記憶装置５３に記憶されたマップのうちポスト噴射量＝Ｐ１のマップを抽出する。抽出したマップから、排ガス中ＨＣ量がＶ１となるポスト噴射のインターバルである「Ａ」を取得する。

　図４のステップＳ３３０にて制御装置５０は、取得したインターバルに基づいて噴射時期を調整する。具体的には、暖機用の多段噴射パターンでのポスト噴射における噴射時期を調整する。そして、図４に示す処理を終了する。

［噴射処理（図５）］
　制御装置５０（ＣＰＵ５１）は、例えば所定クランク角度タイミングにて、図５に示す噴射処理を起動する。そして、ステップＳ４１０に処理を進める。

　図５のステップＳ４１０にて制御装置５０は、決定した噴射量と噴射時期でインジェクタ４３Ａ～４３Ｄを制御する。そして、図５に示す処理を終了する。

［インターバルと未燃燃料の関係（図８）］
　図８は、横軸をクランク角度、縦軸をインジェクタ４３Ａ～４３Ｄの開弁度合として有している。開弁度合いのＯＮはバルブが全開、ＯＦＦはバルブが全閉である。図８は、暖機用の多段噴射パターンの例を視覚化したものである。図８に示すように、暖機用の多段噴射パターンの例では、まず、２発のパイロット噴射を行う。その後、単発のメイン噴射が噴かれる。メイン噴射に続いて、３発のアフタ噴射が噴かれる。その後、さらに単発のポスト噴射が噴かれる。

　図８において、ＯＦＦからＯＮに立ち上がる起点は、各噴射の噴射時期を示している。線に囲まれた領域は、各噴射の噴射量を示している。したがって、全ての領域を合わせると、図３に示す［噴射量、噴射時期決定処理］における補正済総噴射量となる。

　このような暖機用の多段噴射パターンにおいて、パイロット噴射、メイン噴射、アフタ噴射で噴かれた燃料は気筒４５Ａ～４５Ｄにて全て燃焼する。一方、ポスト噴射で噴かれた燃料は一部のみが燃焼する。具体的には、燃焼する燃料の量は、インターバルの大きさによって変わる。インターバルは、最後のアフタ噴射が噴かれてからポスト噴射を噴くまでの時間間隔である。燃焼する燃料の量はインターバルが大きいほど少なくなる。言い換えれば、未燃燃料（図８に示す網掛け部）の量は、インターバルが大きいほど多くなる。

　図８に示すように、例えば、アフタ噴射からＡだけインターバルをとって噴かれたポスト噴射では、未燃燃料がＶ１だけ残る。これに対し、Ａよりも長いＢだけインターバルをとったポスト噴射では、Ｖ１より多いＶ２の未燃燃料が残る。

　制御装置５０の記憶装置５３には、インターバルと未燃燃料（炭化水素）として残る量の関係がマップとしてポスト噴射量ごとに記憶されている（図７参照）。上述するようにインターバルは、アフタ噴射からポスト噴射までの時間である。未燃燃料として残る量は、ポスト噴射の燃料の一部であって、排気ガス中に含まれている。制御装置５０は、このポスト噴射インターバル・排ガス中ＨＣ量特性（図７参照）に基づいて、図４に示すインターバル調整処理を行う。できる限り多くの未燃燃料が、当該未燃燃料と結合しなかった残存酸素とともにＮＳＲ６１に供給される。

［触媒昇温システムの作用・効果（図９～図１１）］
　触媒昇温システムでは、ポスト噴射で噴かれた燃料の一部について気筒４５Ａ～４５Ｄで燃焼させることなく、敢えて未燃燃料として残存酸素とともにＮＳＲ６１に供給している。ＮＳＲ６１は、白金等の触媒物質が含まれており三元触媒としても機能する。そのため、未燃燃料と残存酸素の酸化反応が起こる。その反応熱でＳＣＲ６２の温度を効果的に上昇させることができる。

　具体的には、図９に示すように、従来、気筒４５Ａ～４５Ｄから排出された排気ガスは、排出当初は高温である。排気マニホルド１２Ａやターボ過給機３０、あるいは、これらを繋ぐ排気管１２Ｂ等、各所にて排気ガスが放熱する。気筒４５Ａ～４５Ｄからの距離が離れるにつれ、排気ガスの温度は下がる。その結果、ＳＣＲ６２に届くころには、暖機には不十分な温度となっていた。

　これに対し、本開示の１つの形態に係る触媒昇温システムによれば、気筒４５Ａ～４５Ｄにて全ての燃料が燃焼しない。そのため、排気マニホルド１２Ａでの温度は従来と比較して低い。しかし、ＮＳＲ６１にて未燃燃料と残存酸素の酸化反応が起こる。そのため排気ガス温度が上昇する。その結果、ＳＣＲ６２における排気ガス温度を従来と比較してより高くすることができる。つまり、燃焼により熱エネルギーを発生させると途中で無駄に捨てられてしまう。これに対し、本形態では、化学エネルギーとして保存したまま未燃燃料がＮＳＲ６１まで届けられ、ＮＳＲ６１にて熱エネルギーに変換されている。

　その結果、図１０に示すように、ＳＣＲ６２が暖機完了温度Ｔに達するまでの時間を従来のｔ２からｔ１まで短縮することができる。なお、ＳＣＲ６２の暖機中は、できる限りＮＳＲ６１へ多くの未燃燃料を供給したい。そのため、アフタ噴射からポスト噴射までのインターバルが比較的長くとられる。よって、図１１に示すように、インターバルが長くなればなるほどポスト噴射によるトルク感度は低くなる。そのため、メイン噴射で想定したトルクに影響を与えることはない。

　本開示の１つの形態の触媒昇温システムは、本実施の形態で説明した外観、構成、構造等に限定されず、本開示の１つの形態の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、上記実施形態では、直列に繋がる複数の触媒としてＮＳＲ６１とＳＣＲ６２を有している。これに代えて、他の触媒を組み合わせたものであっても良い。具体的には、前段に配置されるＮＳＲ６１は、未燃燃料（炭化水素）と残存酸素の酸化反応を促進させるもので、三元触媒または酸化触媒としても良い。後段に配置されるＳＣＲ６２は、微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　ｆｉｌｔｅｒ）と一体にしたものであっても良い。あるいは、それぞれ独立にしたうえで、前段触媒（ＮＳＲ６１、または、三元触媒、または、酸化触媒）とＳＣＲ６２の中間にＤＰＦを配置しても良い。

　本実施形態において、暖機用の多段噴射パターンの例として、パイロット噴射（２発）、メイン噴射（１発）、アフタ噴射（３発）、ポスト噴射（１発）の順に噴くものである。しかし、パイロット噴射とアフタ噴射の数はこれに限定されない。例えば、パイロット噴射、アフタ噴射ともに１発、あるいは、２発でも良い。本実施形態において制御のために算出している数値は、制御装置に予め記録されたマップを用いて制御装置が取得してもよい。

Claims

　圧縮自己着火式の内燃機関の排気経路に設けられた触媒を昇温する触媒昇温システムの制御装置であって、前記触媒昇温システムは、
　前記内燃機関の気筒それぞれに燃料を噴射する複数のインジェクタと、
　前記気筒からの排気が流入する排気経路に設けられ、かつ排気に含まれている少なくとも炭化水素を浄化可能な第１触媒と、
　前記第１触媒から流出される排気が流入する排気経路に設けられ、かつ排気に含まれている少なくとも窒素酸化物を浄化可能な第２触媒と、
　前記インジェクタから噴射する燃料のうち、前記気筒内で燃焼させる燃料の量を前記内燃機関に対して要求されるトルクに応じて変える制御装置と、を有しており、
　前記制御装置は、
　前記内燃機関の吸気量に対して理論空燃比となる各前記気筒への燃料の量であるストイキ噴射量を算出または取得する燃料量算出部と、
　前記第１触媒が炭化水素を浄化できる許容量を当該第１触媒の温度に基づいて算出または取得する許容量算出部と、
　前記第２触媒の昇温が必要であると判定した場合に、
　各前記気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでに噴射される燃料の総量である総噴射量が、前記燃料量算出部にて算出または取得した前記ストイキ噴射量となるように前記インジェクタからの燃料噴射を制御するとともに、前記排気行程の前の燃焼行程にて燃焼されず前記排気行程にて前記排気経路に排出される排気に残る炭化水素が前記許容量算出部にて算出または取得した許容量を超えない噴射パターンで前記インジェクタからの燃料噴射を制御する、触媒昇温促進部と、
を有している、
　触媒昇温システムの制御装置。
　請求項１に記載の触媒昇温システムの制御装置であって、
　前記制御装置は、前記第２触媒の昇温が必要であるか否か判断し、
　前記制御装置は、前記第２触媒の昇温が必要であると判定した場合、前記内燃機関に対して要求されるトルクに応じた噴射パターンになるように前記インジェクタを制御し、
　前記噴射パターンは、単数の噴射であって主となる噴射であるメイン噴射と、前記メイン噴射の前の単数または複数の噴射であるパイロット噴射と、前記メイン噴射の後の単数または複数の噴射であるアフタ噴射と、前記アフタ噴射の後の単数の噴射であるポスト噴射、を有しており、
　前記制御装置の前記触媒昇温促進部は、前記総噴射量を、前記メイン噴射と、前記パイロット噴射と、前記アフタ噴射と、前記ポスト噴射の各噴射の噴射量に分配し、
　前記触媒昇温促進部は、前記排気行程にて前記排気経路に排出される排気に残る炭化水素が前記許容量を超えないように前記ポスト噴射の噴射時期を調整する、
　触媒昇温システムの制御装置。
　請求項１または２に記載の触媒昇温システムの制御装置であって、
　前記第１触媒は、リーン燃焼時にはＮＯｘを吸着しリッチ燃焼時には吸着しているＮＯｘを浄化して排出するＮＯｘ吸蔵還元触媒であるＮＳＲ、または三元触媒、または酸化触媒のいずれかであり、
　前記第２触媒は、ＮＯｘを浄化する選択式還元触媒であるＳＣＲ、または微粒子捕集フィルタと一体化されたＳＣＲである、
　触媒昇温システムの制御装置。