JP3557930B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼式ヒータを備えた内燃機関の排気浄化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関では、環境保護等の理由により冷間始動時に排出される比較的多量の未燃炭化水素（ＨＣ）や白煙等を低減させることが要求されている。
【０００３】
このような要求に対し、内燃機関と独立した燃焼装置（燃焼式ヒータ）を設け、この燃焼式ヒータで発生する燃焼熱を利用して内燃機関の吸気や冷却水を加熱することにより、燃料の気化、内燃機関の燃焼室内温度の昇温、及び暖機を促進させ、冷間始動時に内燃機関から排出される未燃ＨＣや白煙等を低減させる技術が提案されている。
【０００４】
また、内燃機関では、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯＸ）や未燃ＨＣ等の有害ガス成分を浄化して、排気エミッションを向上させることが要求されている。特に、ディーゼルエンジンの場合は、ＮＯＸやＨＣ等に加えて、排気中に含まれる煤などの粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を低減させることも要求されている。
【０００５】
このような要求に対し、排気の空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯＸを吸収し、排気中の酸素濃度が低下し且つＨＣや一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在するときに、吸収していたＮＯＸを放出して還元及び浄化する吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒や、多孔質のセラミック等で形成され、排気が孔を通過する際に排気中のＰＭを捕捉し、排気の空燃比がリーン且つ排気温度が高温（例えば、５００Ｃ°〜７００Ｃ°）のときに捕捉したＰＭを燃焼させるＤＰＦ等を、内燃機関の排気通路に設ける技術が提案されている。
【０００６】
ところで、比較的多くの硫黄成分が含まれた軽油を燃焼させるディーゼルエンジンでは軽油の燃焼時に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生成されるため、ディーゼルエンジンの排気には比較的多くのＳＯｘが存在することになる。
【０００７】
排気中に含まれたＳＯｘは、ＮＯＸと同様のメカニズムによって吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒に吸収される。その際、ＳＯｘは、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒において安定した硫酸塩を形成するため、ＮＯＸに比して放出され難く、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒内に蓄積される傾向にある。
【０００８】
吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒内のＳＯｘ蓄積量が増加すると、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒が吸収可能なＮＯＸ量が減少するため、排気中のＮＯＸを浄化しきれなくなる、いわゆるＳＯｘ被毒が発生し、排気エミッションが悪化してしまう。
【０００９】
このような問題に対して、特開平６−２７２５４１号公報に記載されたような内燃機関の排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、ＮＯＸ吸収剤とパティキュレートフィルタとを相互に熱伝達可能な位置に配置するとともに、前記パティキュレートフィルタ上流の排気通路に還元剤を供給する還元剤供給装置を備え、ＮＯＸ吸収剤の再生条件が成立した場合に、還元剤供給装置から還元剤を供給してＮＯＸ吸収剤に吸収されたＮＯＸを放出及び還元し、次いで前記還元剤供給装置から供給される還元剤を着火源としてパティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させ、その際に発生する燃焼熱でＮＯＸ吸収剤を昇温させ、ＮＯＸ吸収剤が高温となった時点で還元剤供給装置からＳＯｘ還元用の還元剤を供給してＳＯｘを放出及び還元しようというものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような排気浄化装置は、ＮＯＸ吸収剤に吸収されたＮＯＸやＳＯｘを放出及び還元させる際にＮＯＸ吸収剤へ還元剤を供給する還元剤供給装置等の専用の装置が必要となり、排気浄化装置を車両に搭載する際に還元剤供給装置等のスペースを確保しなければならない。
【００１１】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、燃焼式ヒータが併設された内燃機関において、還元剤供給装置等の専用の装置を付加することなく、ＮＯＸ、ＰＭ、あるいはＳＯｘ等を効率的に浄化することができる技術を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関と独立して燃料を燃焼せしめ且つ該内燃機関の関連要素を昇温させる燃焼式ヒータと、前記内燃機関の排気系に設けられ、排気中の有害ガス成分であって少なくとも窒素酸化物、粒子状物質、硫黄酸化物を浄化する排気浄化手段と、前記排気浄化手段の状態が窒素酸化物、粒子状物質、硫黄酸化物のうち、どの有害ガス成分を浄化すべき状態にあるか判定する状態判定手段と、前記燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスの性状を、前記状態判定手段により判定された有害ガス成分に応じた性状とすべく前記燃焼式ヒータの燃焼条件を変更する燃焼条件変更手段と、前記燃焼式ヒータから排出された燃焼ガスを前記排気浄化手段に導入する燃焼ガス導入手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
このように構成された排気浄化装置では、状態判定手段は、排気浄化手段の状態を判定する。そして、燃焼条件変更手段は、燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスの性状を排気浄化手段の状態に応じた性状とすべく、燃焼式ヒータの燃焼条件を変更する。燃焼ガス導入手段は、燃焼条件が変更された燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスを排気浄化手段に導入する。
【００１４】
この場合、排気浄化手段には、その排気浄化手段の状態に応じた性状の燃焼ガスが導入されることになる。尚、ここでいう燃焼ガスの性状とは、例えば、燃焼ガスの温度、燃焼ガスの空燃比、あるいは燃焼ガスを構成する各成分の量等をいい、このような性状を排気浄化手段の状態に応じた最適な性状、例えば排気浄化手段が所定の有害ガス成分を浄化するのに適した性状とすることにより、排気浄化手段において種々の有害ガス成分が効率的に浄化される。
【００１５】
また、前記した排気浄化手段は、窒素酸化物と粒子状物質と硫黄酸化物とを浄化する。この場合、状態判定手段は、排気浄化手段が窒素酸化物を浄化すべき状態にあるか否か、排気浄化手段が粒子状物質を浄化すべき状態にあるか否か、あるいは排気浄化手段が硫黄酸化物を浄化すべき状態にあるか否かを判定する。
【００１６】
また、前記燃焼条件変更手段は、窒素酸化物、粒子状物質、硫黄酸化物、の順に浄化が行われるように前記燃焼式ヒータの燃焼条件を変更するようにしてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１において、内燃機関１は、複数の気筒を有する水冷式ディーゼルエンジンである。
内燃機関１には、気筒毎に１つの燃料噴射弁１０が取り付けられている。各燃料噴射弁１０は、その噴孔が各気筒の図示しない燃焼室に臨むよう取り付けられ、燃焼室内に直接燃料を噴射することが可能となっている。燃料噴射弁１０は、燃料分配管１１を介して蓄圧室（コモンレール）１２と連通しており、コモンレール１２は、燃料通路１３を介して図示しない燃料ポンプと連通している。
【００１９】
このように構成された燃料噴射系では、燃料ポンプから吐出された燃料が燃料通路１３を介してコモンレール１２に供給され、コモンレール１２にて所定圧まで蓄圧され、蓄圧された燃料が燃料分配管１１を介して燃料噴射弁１０に印加される。そして、燃料噴射弁１０が開弁されると、蓄圧された燃料が各気筒の燃焼室内に噴射される。
【００２０】
また、内燃機関１には、吸気枝管２が接続され、この吸気枝管２の各枝管が各気筒の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。前記吸気枝管２は、吸気管３に接続され、吸気管３は、エアフィルタを内装したエアクリーナボックス４に接続されている。前記吸気管３の途中には、吸気管３内の吸気流量を調節すべく開閉駆動される吸気絞り弁２６が設けられている。吸気絞り弁２６には、ステップモータ等からなり、吸気絞り弁２６を開閉駆動するアクチュエータ２７が取り付けられている。
【００２１】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス４に流入した新気がエアフィルタにて埃や塵を除去された後、吸気管３を経て吸気枝管２へ導かれ、次いで吸気枝管２の各枝管を通って各気筒の燃焼室に分配され、燃焼室内で前述した燃料噴射弁１０から噴射される燃料と混ざり合って混合気を形成する。
【００２２】
さらに、内燃機関１には、排気枝管６が接続され、この排気枝管６の各枝管が各気筒の燃焼室と図示しない排気ポートを介して連通している。前記排気枝管６は、排気管７に接続され、前記排気管７の途中には本発明に係る排気浄化手段としての吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が配置されている。
【００２３】
吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８は、ハニカム状に配置された複数の流路を有する担体と、各流路の壁面に担持されたＮＯＸ吸収剤とから構成される。
前記担体は、多孔質のセラミックで構成されている。そして、前記担体の流路は、上流側の端部が開放され且つ下流側の端部が閉塞された流路と、上流側の端部が閉塞され且つ下流側の端部が開放された流路とが交互に配置されて構成されている。
【００２４】
前記ＮＯＸ吸収剤としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、あるいはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）やカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属類とから成るものを例示することができるが、本実施の形態では、ＢａとＰｔとからなるＮＯＸ吸収剤を例に挙げて説明する。
【００２５】
このように構成された吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８では、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の空燃比がリーンになると、排気中のＮＯＸがＮＯＸ吸収剤に吸収される。一方、排気中の酸素濃度が低下するとＮＯＸ吸収剤に吸収されていたＮＯＸが放出される。その際、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８内に還元成分が存在すると、ＮＯＸ吸収剤から放出されたＮＯＸが還元成分と反応して還元及び浄化される。
【００２６】
上記したようなＮＯＸ吸収剤におけるＮＯＸの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかにされていない部分もあるが、以下のようなメカニズムで行われていると考えられている。
【００２７】
すなわち、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の空燃比がリーンとなり、排気中の酸素濃度が高まると、排気中の酸素Ｏ２がＮＯＸ吸収剤のＰｔ表面にＯ２−あるいはＯ２−として付着し、次いで排気中のＮＯがＰｔの表面上でＯ２−あるいはＯ２−と反応して二酸化窒素（ＮＯ２）となる。続いて、ＮＯ２は、Ｐｔの表面で酸化されつつ酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硝酸イオン（ＮＯ３−）を形成する。このように、排気中のＮＯＸは、ＮＯ３−としてＮＯＸ吸収剤に吸収される。
【００２８】
上記したようなＮＯＸの吸収作用は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の空燃比がリーンにあり、且つＮＯＸ吸収剤のＮＯＸ吸収能力が飽和しない限り継続される。
【００２９】
次に、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気中の酸素濃度が低下すると、ＮＯＸ吸収剤におけるＮＯ２生成量が減少し、ＢａＯと結合していたＮＯ３−が逆にＮＯ２となってＮＯＸ吸収剤から離脱する。すなわち、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気中の酸素濃度が低下すると、ＮＯ３−の形でＮＯＸ吸収剤に吸収されていたＮＯＸは、ＮＯ２となってＮＯＸ吸収剤から放出されることになる。
【００３０】
ＮＯＸ吸収剤から放出されたＮＯＸは、排気中に含まれる還元成分（例えば、ＮＯＸ吸収剤のＰｔ上の酸素Ｏ２−あるいは酸素Ｏ２−と反応して部分酸化したＨＣやＣＯ等の活性種）と反応して窒素（Ｎ２）等に還元及び浄化される。
【００３１】
一方、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８では、排気中の粒子状物質（ＰＭ）が多孔質セラミックの孔に捕集される。このようにして捕集されたＰＭは、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の温度が高温（例えば、５００Ｃ°〜７００Ｃ°）となり、且つ排気の空燃比がリーンとなったときに、排気中のＯ２と反応して燃焼及び処理される。
【００３２】
ところで、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＮＯＸ吸収剤には、排気中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）がＮＯＸと同様のメカニズムによって吸収される。すなわち、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の空燃比がリーンのとき、排気中のＳＯｘがＮＯＸ吸収剤のＰｔ表面で酸化されてＳＯ３−やＳＯ４−となり、これらＳＯ３−、ＳＯ４−がＮＯＸ吸収剤のＢａＯと結合して硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）を形成する。
【００３３】
ＢａＳＯ４は、ＮＯ３−に比べて安定しており、さらにＢａＳＯ４の結晶が粗大化し易いため、一旦生成されると分解及び放出され難い。このため、ＮＯＸ吸収剤におけるＢａＳＯ４の生成量が増加すると、ＮＯＸと結合可能なＢａＯの量が減少し、ＮＯＸ吸収剤のＮＯＸ吸収能力が低下する、いわゆるＳＯｘ被毒が発生する。
【００３４】
ＳＯｘ被毒を解消する方法としては、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８内の温度を高温（例えば、５００Ｃ°〜７００Ｃ°）にするとともに、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の空燃比をリッチにすることにより、ＮＯＸ吸収剤中に生成されたＢａＳＯ４をＳＯ３−やＳＯ４−に熱分解し、それらＳＯ３−、ＳＯ４−をＨＣやＣＯ等の還元成分と反応させて気体状のＳＯ２に還元し、ＮＯＸ吸収剤から放出する方法を例示することができる。
【００３５】
次に、内燃機関１には、本発明にかかる燃焼式ヒータ１４が併設されている。この燃焼式ヒータ１４には、吸気導入通路１５と燃焼ガス排出通路１７とが接続されている。
【００３６】
前記吸気導入通路１５は、吸気管３に接続されており、吸気管３内を流れる吸気の一部を燃焼式ヒータ１４へ供給することが可能となっている。さらに、前記吸気導入通路１５の途中には、吸気管３内を流れる吸気の一部を強制的に燃焼式ヒータ１４へ送り込むエアポンプ１６が設けられている。
【００３７】
前記燃焼ガス排出通路１７は、前記吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８上流の排気管７に接続されており、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスを吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８へ導入することが可能となっている。このように、燃焼ガス排出通路１７と排気管７とは、本発明にかかる燃焼ガス導入手段を実現する。
【００３８】
続いて、前記燃焼式ヒータ１４には、内燃機関１の冷却水を燃焼式ヒータ１４へ導く冷却水導入通路１８と、燃焼式ヒータ１４内で暖められた冷却水を内燃機関１へ導く冷却水排出通路１９とが接続されている。
【００３９】
さらに、燃焼式ヒータ１４には、燃料導入通路２０が接続され、燃料導入通路２０は、前記した燃料通路１３に接続されている。これにより、燃料通路１３を流れる燃料の一部を燃焼式ヒータ１４へ供給することが可能になっている。
【００４０】
ここで、燃焼式ヒータ１４の具体的な構成について図２に基づいて説明する。燃焼式ヒータ１４は、内燃機関１の図示しないウォータジャケットと冷却水導入通路１８及び冷却水排出通路１９を介して連通しており、燃焼式ヒータ１４の内部には、前記ウォータジャケットからの冷却水を流すためのヒータ内部冷却水通路１４ａが形成されている。
【００４１】
前記ヒータ内部冷却水通路１４ａは、燃焼式ヒータ１４の内部に形成された燃焼室１４ｄの周りを巡回するよう構成され、ヒータ内部冷却水路１４ａ内を流れる冷却水が燃焼室１４ｄからの熱を受けて昇温するようになっている。これについては、順次述べる。
【００４２】
燃焼室１４ｄは、火炎を発生させる燃焼源としての燃焼筒１４ｂと、燃焼筒１４ｂを覆うことで火炎が外部に漏れないようにする円筒状の隔壁１４ｃとから構成されている。このように燃焼筒１４ｂを隔壁１４ｃで覆うことにより、燃焼室１４ｄが隔壁１４ｃ内に画されることになる。そして、隔壁１４ｃは、燃焼式ヒータ１４の燃焼室本体４３の外壁４３ａによって覆われており、前記隔壁１４ｃと前記外壁４３ａとの間には環状の隙間が設けられ、この隙間が前述したヒータ内部冷却水路１４ａとして機能する。
【００４３】
燃焼式ヒータ１４には、空気供給口１４ｄ１と排気排出口１４ｄ２とが形成され、これらの空気供給口１４ｄ１と排気排出口１４ｄ２とが燃焼室１４ｄに連通している。前記空気供給口１４ｄ１には前述した吸気導入通路１５が接続され、前記排気排出口１４ｄ２には前述した燃焼ガス排出通路１７が接続されている。
【００４４】
続いて、燃焼式ヒータ１４には、冷却水導入口１４ａ１と冷却水排出口１４ａ２とが形成され、これらの冷却水導入口１４ａ１と冷却水排出口１４ａ２とが前記ヒータ内部冷却水通路１４ａに連通している。前記冷却水導入口１４ａ１には前述した冷却水導入通路１８が接続され、前記冷却水排出口１４ａ２には前述した冷却水排出通路１９が接続されている。
【００４５】
また、燃焼筒１４ｂには、前記した燃料導入通路２０が接続され、燃料ポンプから吐出された燃料の一部が燃焼筒１４ｂに供給されるようになっている。燃焼筒１４ｂには、前記燃料導入通路２０によって供給された燃料を気化するための気化グロープラグ（図示せず）と、気化燃料に着火するための点火グロープラグ（図示せず）とが内装されている。尚、気化グロープラグと点火グロープラグとは、単一のグロープラグで兼用されるようにしてもよい。
【００４６】
このように構成された燃焼式ヒータ１４では、吸気導入通路１５から空気供給口１４ｄ１に流れ込んだ吸気が燃焼室１４ｄに導かれるとともに、燃料導入通路２０によって燃焼筒１４ｂに供給された燃料が図示しない気化グロープラグによって気化される。そして、前記吸気と前記気化燃料とが混合して混合気を形成し、その混合気が燃焼室１４ｄ内の図示しない点火グロープラグによって着火されて燃焼する。
【００４７】
前記燃焼室１４ｄで燃焼されたガスは、燃焼室１４ｄから排気排出口１４ｄ２に導かれ、排気排出口１４ｄ２から燃焼ガス排出通路１７へ排出される。燃焼ガス排出通路１７に排出された燃焼ガスは、その燃焼ガス排出通路１７を通って吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８上流の排気管７に導かれる。排気管７に導かれた燃焼ガスは、排気管７の上流から流れてきた排気と混ざり合いつつ吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する。
【００４８】
一方、燃焼室１４ｄ内の燃焼によって発生した燃焼熱は、隔壁１４ｃを介して前記ヒータ内部冷却水通路１４ａ内を流れる冷却水に伝達され、冷却水を昇温させる。
【００４９】
ここで図１に戻り、内燃機関１には、機関制御用の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２１が併設されている。ＥＣＵ２１は、双方向性バスによって相互に接続された、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力インタフェース回路、出力インタフェース回路等から構成され、前記入力インタフェース回路には各種のセンサが電気配線を介して接続され、前記出力インタフェース回路には、燃料噴射弁１０、燃焼式ヒータ１４、エアポンプ１６、及びアクチュエータ２７等が電気配線を介して接続されている。
【００５０】
前記した各種センサとしては、吸気管３に取り付けられたエアフローメータ５、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に取り付けられた触媒温度センサ９、内燃機関１に取り付けられたクランクポジションセンサ２２及び水温センサ２３、図示しないアクセルペダルもしくはアクセルペダルと連動して動作するアクセルレバー等に取り付けられたアクセルポジションセンサ２４、コモンレール１２に取り付けられたコモンレール圧センサ２５等を例示することができる。
【００５１】
前記エアフローメータ５は、吸気管３内を流れる吸気の質量に対応した電気信号を出力するセンサである。前記触媒温度センサ９は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８の触媒床温に対応した電気信号を出力するセンサである。前記クランクポジションセンサ２２は、内燃機関１の図示しないクランクシャフトが所定角度回転する都度パルス信号を出力するセンサである。前記水温センサ２３は、内燃機関１のウォータジャケットを流れる冷却水の温度に対応した電気信号を出力するセンサである。アクセルポジションセンサ２４は、アクセルペダルの操作量に対応した電気信号を出力するセンサである。コモンレール圧センサ２５は、コモンレール１２内の燃料圧力に対応した電気信号を出力するセンサである。
【００５２】
ＥＣＵ２１は、上記したような各種センサの出力信号値に基づいて内燃機関１の運転状態や吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８の状態を判定し、その判定結果に基づいて燃料噴射制御や燃焼式ヒータ制御を行うとともに、本発明の要旨となる排気浄化制御を行う。
【００５３】
燃料噴射制御では、例えば、ＥＣＵ２１は、エアフローメータ５、クランクポジションセンサ２２、アクセルポジションセンサ２４、及びコモンレール圧センサ２５の出力信号を入力する。
【００５４】
ＥＣＵ２１は、クランクポジションセンサ２２がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて内燃機関１の機関回転数を算出するとともに、アクセルポジションセンサ２４の出力信号に基づいて内燃機関１から出力すべきトルク、すなわち運転者が要求する機関トルクを算出する。そして、ＥＣＵ２１は、コモンレール圧センサ２５の出力信号値が機関回転数や機関トルクに応じた最適値となるように燃料ポンプの吐出量を制御するとともに、エアフローメータ５の出力信号値と機関回転数と要求機関トルクとをパラメータとして燃料噴射量（燃料噴射時間）及び燃料噴射開始時期を算出する。
【００５５】
続いて、ＥＣＵ２１は、クランクポジションセンサ２２の出力信号値（クランクシャフトの回転位置）を参照し、クランクシャフトの回転位置が前記燃料噴射開始時期と一致した時点で燃料噴射弁１０へ駆動電流を印加し、燃料噴射弁１０を開弁させる。燃料噴射弁１０に対する駆動電流の印加は、前記燃料噴射時間に相当する期間継続される。
【００５６】
また、燃焼式ヒータ制御では、ＥＣＵ２１は、内燃機関１の冷間始動時のように冷却水の温度が所定温度未満のときに、エアポンプ１６を作動させて吸気の一部を燃焼式ヒータ１４に供給すると共に、燃料の一部を燃焼式ヒータ１４に供給し、次いで燃焼式ヒータ１４の気化グロープラグ及び点火グロープラグに通電して、燃焼式ヒータ１４を運転させる。そして、燃焼式ヒータ１４の運転により冷却水が昇温し、水温センサ２３の出力信号値が所定値以上になると、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４の運転を停止する。
【００５７】
次に、本実施の形態における排気浄化制御について述べる。
排気浄化制御では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＮＯＸ浄化時期とＰＭ浄化時期とＳＯｘ浄化時期とを判別し、内燃機関１からの排気と燃焼式ヒータ１４からの燃焼ガスとの混合ガスが各々の浄化時期に応じた性状となるように燃焼式ヒータ１４の燃焼条件を制御する。
【００５８】
例えば、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８がＮＯＸ浄化時期にある場合は、混合ガス中の酸素濃度を低くするとともに混合ガス中の還元成分（ＨＣやＣＯ）の濃度を高くする必要があるため、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの空燃比がリッチ状態となるように燃焼式ヒータ１４の燃焼条件を制御する。
【００５９】
吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８がＰＭ浄化時期にある場合は、混合ガスの空燃比をリーン状態にするとともに混合ガスの温度を高くする必要があるため、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの空燃比がリーン状態で且つ燃焼ガスの温度が高くなるように燃焼式ヒータ１４の燃焼条件を制御する。
【００６０】
吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８がＳＯｘ浄化時期にある場合は、混合ガスの空燃比をリッチ状態にするとともに混合ガスの温度を高くする必要があるため、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの空燃比がリッチ状態で且つ燃焼ガスの温度が高くなるように燃焼式ヒータ１４の燃焼条件を制御する。
【００６１】
ここで、燃焼ガスの空燃比をリッチ状態にする場合は、ＥＣＵ２１は、例えば、燃料ポンプの吐出量を増加させ、燃焼式ヒータ１４に供給される燃料量を増加させる。
【００６２】
また、燃焼ガスの温度を高くする場合は、ＥＣＵ２１は、例えば、エアポンプ１６の風量を増加させて燃焼式ヒータ１４に供給される新気量を増加させるとともに、新気量の増加に比例して燃料ポンプの吐出量を増加させて燃焼式ヒータ１４に供給される燃料量を増加させる。すなわち、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４から単位時間当たりに排出される燃焼ガス流量を増加させることにより、燃焼式ヒータ１４から排出される単位時間当たりの熱量を増加させる。
【００６３】
ところで、混合ガス中で排気が占める割合は、燃焼ガスが占める割合より多いため、混合ガスの空燃比を所望のリッチ状態にする場合は、燃焼ガスの空燃比を過剰なリッチ状態とすべく燃焼式ヒータ１４に大量の燃料を供給する必要があり、燃料消費量が悪化してしまう。
【００６４】
そこで、本実施の形態では、ＥＣＵ２１は、混合ガスの空燃比をリッチ状態にする際に、内燃機関１の排気量を減少させて混合ガス中で排気が占める割合を少なくし、燃焼式ヒータ１４に供給すべき燃料量を最小限に抑えるようにした。
【００６５】
さらに、ＳＯｘを浄化するタイミングとしては、ＰＭを浄化した直後が好ましい。これは、ＳＯｘを浄化するためにはＮＯＸ吸収剤を高温にする必要があるが、ＰＭの燃焼時に発生する燃焼熱によってＮＯＸ吸収剤が昇温されるため、ＰＭ浄化直後にＳＯｘ浄化を行えば燃焼式ヒータ１４にかかる負荷を軽減することが可能となるからである。
【００６６】
以下、本実施の形態の作用及び効果について述べる。
ＥＣＵ２１は、排気浄化制御を実行するにあたり、図３に示すような排気浄化制御ルーチンを実行する。この排気浄化制御ルーチンは、所定時間毎（例えば、クランクポジションセンサ２２がパルス信号を出力する都度）に繰り返し実行されるルーチンである。
【００６７】
排気浄化制御ルーチンでは、ＥＣＵ２１は、先ず、Ｓ３０１において、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に吸収されたＮＯＸの浄化条件が成立したか否かを判別する。
【００６８】
前記したＮＯＸの浄化条件としては、例えば、（１）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が活性状態にある、（２）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＮＯＸ吸収能力が飽和直前にある等の条件を例示することができる。
【００６９】
前記（１）の条件の成立／不成立を判定する方法としては、触媒温度センサ９の出力信号値が所定値以上であるか否かを判別することにより、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が活性状態にあるか否かを判定する方法を例示することができる。
【００７０】
前記（２）の条件の成立／不成立を判定する方法としては、前回のＮＯＸ浄化完了時期から現時点に至るまでの内燃機関１の運転履歴、例えば吸入空気量や燃料噴射量の積算値が所定の判定値を越えているか否かを判定することにより、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＮＯＸ吸収能力が飽和する直前にあるか否かを推定する方法を例示することができる。
【００７１】
ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０１においてＮＯＸ浄化条件が不成立であると判定した場合は、本ルーチンの実行を一旦終了し、前記Ｓ３０１においてＮＯＸ浄化条件が成立していると判定した場合は、Ｓ３０２へ進む。
【００７２】
Ｓ３０２では、ＥＣＵ２１は、吸気絞り弁２６を所定量閉弁させるべくアクチュエータ２７を制御して、内燃機関１の吸入空気量を所定量減少させ、それにより内燃機関１の排気量を所定量減少させる。
【００７３】
Ｓ３０３では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する混合ガスの温度が３００Ｃ°〜５００Ｃ°となり、且つ混合ガスの空燃比が所定のリッチ状態となるように、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの温度及び組成（空燃比）を制御する。すなわち、ＥＣＵ２１は、エアポンプ１６の風量を増加させるとともに、燃料ポンプの吐出量を増加させる。その際、ＥＣＵ２１は、エアポンプ１６の風量増加率に対して燃料ポンプの吐出量増加率を高くして、燃焼式ヒータ１４から単位時間当たりに排出される燃焼ガス量を増加させつつ、燃焼ガスの空燃比をリッチ状態にする。
【００７４】
このとき、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８には、３００Ｃ°〜５００Ｃ°且つリッチ状態の混合ガスが流入し、ＮＯＸ吸収剤に吸収されていたＮＯＸが放出及び還元される。
【００７５】
続いて、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０４へ進み、ＮＯＸの浄化が完了したか否かを判別する。この判別方法としては、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が吸収可能な最大量のＮＯＸが吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に吸収されているときに、それら全てのＮＯＸが放出及び還元されるのに要する時間（ＮＯＸ浄化時間）を予め実験等で求めておき、ＮＯＸの浄化制御が開始された時点からの経過時間が前記ＮＯＸ浄化時間以上であるか否かを判別する方法を例示することができる。
【００７６】
尚、前記したＮＯＸ浄化時間は、混合ガスの空燃比が一定（所定のリッチ状態）である場合は、単位時間当たりの混合ガス流量によって変化し、前記単位時間当たりの混合ガス流量は、内燃機関１の吸入空気量とエアポンプ１６の風量とによって変化するため、ＮＯＸ浄化時間と吸入空気量とエアポンプ１６の風量との関係を予め実験等で求め、それらの関係をマップ化しておくようにしてもよい。この場合、ＥＣＵ２１は、吸入空気量とエアポンプ１６の風量とをパラメータとして前記マップへアクセスし、吸入空気量及びエアポンプ１６の風量から特定されるＮＯＸ浄化時間を算出する。
【００７７】
前記Ｓ３０４においてＮＯＸの浄化制御が開始された時点からの経過時間がＮＯＸ浄化時間未満であり、ＮＯＸ浄化が未完了であると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、本ルーチンの実行を一旦終了する。そして、ＥＣＵ２１は、所定時間経過後に本ルーチンを再実行し、Ｓ３０４においてＮＯＸの浄化制御が開始された時点からの経過時間がＮＯＸ浄化時間以上であると判定すると、Ｓ３０５へ進む。
【００７８】
Ｓ３０５では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に吸収されたＰＭの浄化条件が成立したか否かを判別する。
前記したＰＭの浄化条件としては、例えば、（１）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が活性状態にある、（２）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＰＭ捕集能力が飽和直前にある等の条件を例示することができる。
【００７９】
前記（２）の条件の成立／不成立を判定する方法としては、前回のＰＭ浄化完了時期から現時点に至るまでの吸入空気量や燃料噴射量の積算値が所定の判定値を越えているか否かを判定することにより、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＰＭ捕集能力が飽和する直前にあるか否かを推定する方法や、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＰＭ捕集量増加による排気抵抗の増加度合いを検出すべく吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８上流の排気管７に圧力センサを設け、その圧力センサの出力信号値が所定の判定値を越えているか否かを判定することにより、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＰＭ捕集能力が飽和する直前にあるか否かを推定する方法等を例示することができる。
【００８０】
ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０５においてＰＭ浄化条件が不成立であると判定した場合は本ルーチンの実行を一旦終了し、前記Ｓ３０５においてＰＭ浄化条件が成立していると判定した場合はＳ３０６へ進む。
【００８１】
Ｓ３０６では、ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０２において閉弁された吸気絞り弁２６の開度を通常の開度に戻すべくアクチュエータ２７を制御して、内燃機関１の吸入空気量を増加させ、それにより内燃機関１の排気量を通常の排気量に戻す。
【００８２】
尚、ＰＭの浄化を行う場合は吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する混合ガスの温度を高くする必要があるが、混合ガス中で排気が占める割合は燃焼ガスが占める割合より多いため、混合ガスの温度を高くするには燃焼ガスの温度を過剰に高くする必要があり、エアポンプ１６の負荷が増大すると共に燃焼式ヒータ１４の燃料消費量が増加してしまう。そこで、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０６の処理を行わずにＳ３０７の処理を実行するようにしてもよい。
【００８３】
Ｓ３０７では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する混合ガスの温度が５００Ｃ°〜７００Ｃ°となり、且つ混合ガスの空燃比がリーン状態となるように、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの温度及び空燃比を制御する。具体的には、ＥＣＵ２１は、エアポンプ１６の風量を増加させるとともに、それに比例して燃料ポンプの吐出量を増加させ、燃焼式ヒータ１４から単位時間当たりに排出される燃焼ガス量を増加させる。
【００８４】
このとき、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８には、５００Ｃ°〜７００Ｃ°且つリーン状態の混合ガスが流入し、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に捕集されていたＰＭが排気中のＯ２と反応して燃焼及び処理される。
【００８５】
続いて、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０８へ進み、ＰＭの浄化が完了したか否かを判別する。この判別方法としては、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が捕集可能な最大量のＰＭが吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に捕集されているときに、それら全てのＰＭが燃焼及び処理されるのに要する時間（ＰＭ浄化時間）を予め実験等で求めておき、ＰＭの浄化制御が開始された時点からの経過時間が前記ＰＭ浄化時間以上であるか否かを判別する方法や、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＰＭ捕集量減少による排気抵抗の減少度合いを検出すべく吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８上流の排気管７に圧力センサを設け、その圧力センサの出力信号値が所定の判定値未満に低下したか否かを判別する方法等を例示することができる。
【００８６】
尚、前記したＰＭ浄化時間は、混合ガスの空燃比が一定（所定のリーン状態）である場合は、単位時間当たりの混合ガス流量によって変化し、前記単位時間当たりの混合ガス流量は、内燃機関１の吸入空気量とエアポンプ１６の風量とによって変化するため、ＰＭ浄化時間と吸入空気量とエアポンプ１６の風量との関係を予め実験等で求め、それらの関係をマップ化しておくようにしてもよい。この場合、ＥＣＵ２１は、吸入空気量とエアポンプ１６の風量とをパラメータとして前記マップへアクセスし、吸入空気量及びエアポンプ１６の風量から特定されるＰＭ浄化時間を算出する。
【００８７】
前記Ｓ３０８においてＰＭの浄化制御が開始された時点からの経過時間がＰＭ浄化時間未満であり、ＰＭ浄化が未完了であると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、本ルーチンの実行を一旦終了する。そして、ＥＣＵ２１は、所定時間経過後に本ルーチンを再実行し、Ｓ３０８においてＰＭの浄化制御が開始された時点からの経過時間がＰＭ浄化時間以上であり、ＰＭ浄化が完了したと判定すると、Ｓ３０９へ進む。
【００８８】
Ｓ３０９では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に吸収されたＳＯｘの浄化条件が成立しているか否かを判別する。
前記したＳＯｘの浄化条件としては、例えば、（１）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が活性状態にある、（２）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＳＯｘ吸収量が許容範囲内の上限値に達している等の条件を例示することができる。
【００８９】
前記（２）の条件の成立／不成立を判定する方法としては、単位量当たりの燃料に含まれる硫黄成分の量と、前回のＳＯｘ浄化完了時期から現時点に至るまでの吸入空気量や燃料噴射量の積算値とに基づいて吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に吸収されたＳＯｘ量を推定し、推定されたＳＯｘ量が上限値を越えているか否かを判別する方法を例示することができる。
【００９０】
ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０９においてＳＯｘ浄化条件が不成立であると判定した場合は本ルーチンの実行を一旦終了し、前記Ｓ３０９においてＳＯｘ浄化条件が成立していると判定した場合はＳ３１０へ進む。
【００９１】
Ｓ３１０では、ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０６において通常の開度に戻された吸気絞り弁２６を所定量閉弁させるべくアクチュエータ２７を制御して、内燃機関１の吸入空気量を減少させ、それにより内燃機関１の排気量を所定量減少させる。
【００９２】
Ｓ３１１では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する混合ガスの温度が５００Ｃ°〜７００Ｃ°となり、且つ混合ガスの空燃比がリッチ状態となるように、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの温度及び空燃比を制御する。具体的には、ＥＣＵ２１は、エアポンプ１６の風量を増加させるとともに、燃料ポンプの吐出量を増加させる。その際、ＥＣＵ２１は、エアポンプ１６の風量増加率に対して燃料ポンプの吐出量増加率を高くして、燃焼式ヒータ１４から単位時間当たりに排出される燃焼ガス量を増加させつつ、燃焼ガスの空燃比をリッチ状態にする。
【００９３】
この場合、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８には、５００Ｃ°〜７００Ｃ°且つリッチ状態の混合ガスが流入するため、ＮＯＸ吸収剤中に生成されたＢａＳＯ４がＳＯ３−やＳＯ４−等に熱分解され、次いでそれらＳＯ３−、ＳＯ４−が混合ガス中のＨＣやＣＯ等と反応して気体状のＳＯ２に還元され、ＮＯＸ吸収剤から放出される。
【００９４】
続いて、ＥＣＵ２１は、Ｓ３１２へ進み、ＳＯｘの浄化が完了したか否かを判別する。この判別方法としては、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＳＯｘ吸収量が許容範囲内の上限値に達している場合に、それら全てのＳＯｘが還元及び放出されるのに要する時間（ＳＯｘ浄化時間）を予め実験等で求めておき、ＳＯｘの浄化制御が開始された時点からの経過時間が前記ＳＯｘ浄化時間以上であるか否かを判別する方法を例示することができる。
【００９５】
尚、前記したＳＯｘ浄化時間は、混合ガスの空燃比が一定（所定のリッチ状態）である場合は、単位時間当たりの混合ガス流量によって変化し、前記単位時間当たりの混合ガス流量は、内燃機関１の吸入空気量とエアポンプ１６の風量とによって変化するため、ＳＯｘ浄化時間と吸入空気量とエアポンプ１６の風量との関係を予め実験等で求め、それらの関係をマップ化しておくようにしてもよい。この場合、ＥＣＵ２１は、吸入空気量とエアポンプ１６の風量とをパラメータとして前記マップへアクセスし、吸入空気量及びエアポンプ１６の風量から特定されるＳＯｘ浄化時間を算出する。
【００９６】
前記Ｓ３１２においてＳＯｘの浄化制御が開始された時点からの経過時間が前記ＳＯｘ浄化時間未満であり、ＳＯｘ浄化が未完了であると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、本ルーチンの実行を一旦終了する。そして、ＥＣＵ２１は、所定時間経過後に本ルーチンを再実行し、Ｓ３１２においてＳＯｘの浄化制御が開始された時点からの経過時間が前記ＳＯｘ浄化時間以上であり、ＳＯｘ浄化が完了したと判定すると、Ｓ３１３へ進む。
【００９７】
Ｓ３１３では、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４及びエアポンプ１６の運転を停止するとともに、吸気絞り弁２６の開度を通常開度に戻すべくアクチュエータ２７を制御することにより、排気浄化制御を停止する。
【００９８】
このようにＥＣＵ２１が排気浄化制御ルーチンを実行することにより、本発明にかかる状態判定手段と燃焼条件変更手段とが実現される。
従って、本実施の形態によれば、燃焼式ヒータ１４を備えている内燃機関１において、ＮＯＸとＰＭとＳＯｘとの各々の浄化時期に応じて燃焼式ヒータ１４の燃焼条件を変更することにより、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する混合ガスの性状を、ＮＯＸとＰＭとＳＯｘとの各々の浄化条件に応じた性状とすることができる。
【００９９】
この結果、燃焼式ヒータ１４を備えている内燃機関では、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスを利用してＮＯＸ、ＰＭ、及びＳＯｘの浄化を行うことが可能となり、還元剤供給装置等の専用の装置を併設する必要がない。
【０１００】
【発明の効果】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、燃焼式ヒータが併設された内燃機関において、排気浄化手段が種々の有害ガス成分を浄化する時期に応じて、燃焼式ヒータの燃焼条件を変更することにより、排気浄化手段に流入する燃焼ガスの性状を、種々の有害ガス成分の浄化条件に応じた性状とすることができる。
【０１０１】
従って、本発明によれば、燃焼式ヒータが併設された内燃機関において、燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスを利用して種々の有害ガス成分を浄化することができ、還元剤供給装置等の専用の装置を併設する必要がなく、車両への搭載性に優れるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる排気浄化装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図２】燃焼式ヒータの内部構成を示す図
【図３】実施の形態にかかる排気浄化制御ルーチンを示すフローチャート図
【符号の説明】
１・・・内燃機関
２・・・吸気枝管
３・・・吸気管
６・・・排気枝管
７・・・排気管
８・・・吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒
９・・・触媒温度センサ
１４・・燃焼式ヒータ
１５・・吸気導入通路
１６・・エアポンプ
１７・・燃焼ガス排出通路
２０・・燃料導入通路
２１・・ＥＣＵ
２６・・吸気絞り弁
２７・・アクチュエータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼式ヒータを備えた内燃機関の排気浄化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関では、環境保護等の理由により冷間始動時に排出される比較的多量の未燃炭化水素（ＨＣ）や白煙等を低減させることが要求されている。
【０００３】
このような要求に対し、内燃機関と独立した燃焼装置（燃焼式ヒータ）を設け、この燃焼式ヒータで発生する燃焼熱を利用して内燃機関の吸気や冷却水を加熱することにより、燃料の気化、内燃機関の燃焼室内温度の昇温、及び暖機を促進させ、冷間始動時に内燃機関から排出される未燃ＨＣや白煙等を低減させる技術が提案されている。
【０００４】
また、内燃機関では、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯＸ）や未燃ＨＣ等の有害ガス成分を浄化して、排気エミッションを向上させることが要求されている。特に、ディーゼルエンジンの場合は、ＮＯＸやＨＣ等に加えて、排気中に含まれる煤などの粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を低減させることも要求されている。
【０００５】
このような要求に対し、排気の空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯＸを吸収し、排気中の酸素濃度が低下し且つＨＣや一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在するときに、吸収していたＮＯＸを放出して還元及び浄化する吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒や、多孔質のセラミック等で形成され、排気が孔を通過する際に排気中のＰＭを捕捉し、排気の空燃比がリーン且つ排気温度が高温（例えば、５００Ｃ°〜７００Ｃ°）のときに捕捉したＰＭを燃焼させるＤＰＦ等を、内燃機関の排気通路に設ける技術が提案されている。
【０００６】
ところで、比較的多くの硫黄成分が含まれた軽油を燃焼させるディーゼルエンジンでは軽油の燃焼時に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生成されるため、ディーゼルエンジンの排気には比較的多くのＳＯｘが存在することになる。
【０００７】
排気中に含まれたＳＯｘは、ＮＯＸと同様のメカニズムによって吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒に吸収される。その際、ＳＯｘは、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒において安定した硫酸塩を形成するため、ＮＯＸに比して放出され難く、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒内に蓄積される傾向にある。
【０００８】
吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒内のＳＯｘ蓄積量が増加すると、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒が吸収可能なＮＯＸ量が減少するため、排気中のＮＯＸを浄化しきれなくなる、いわゆるＳＯｘ被毒が発生し、排気エミッションが悪化してしまう。
【０００９】
このような問題に対して、特開平６−２７２５４１号公報に記載されたような内燃機関の排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、ＮＯＸ吸収剤とパティキュレートフィルタとを相互に熱伝達可能な位置に配置するとともに、前記パティキュレートフィルタ上流の排気通路に還元剤を供給する還元剤供給装置を備え、ＮＯＸ吸収剤の再生条件が成立した場合に、還元剤供給装置から還元剤を供給してＮＯＸ吸収剤に吸収されたＮＯＸを放出及び還元し、次いで前記還元剤供給装置から供給される還元剤を着火源としてパティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させ、その際に発生する燃焼熱でＮＯＸ吸収剤を昇温させ、ＮＯＸ吸収剤が高温となった時点で還元剤供給装置からＳＯｘ還元用の還元剤を供給してＳＯｘを放出及び還元しようというものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような排気浄化装置は、ＮＯＸ吸収剤に吸収されたＮＯＸやＳＯｘを放出及び還元させる際にＮＯＸ吸収剤へ還元剤を供給する還元剤供給装置等の専用の装置が必要となり、排気浄化装置を車両に搭載する際に還元剤供給装置等のスペースを確保しなければならない。
【００１１】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、燃焼式ヒータが併設された内燃機関において、還元剤供給装置等の専用の装置を付加することなく、ＮＯＸ、ＰＭ、あるいはＳＯｘ等を効率的に浄化することができる技術を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関と独立して燃料を燃焼せしめ且つ該内燃機関の関連要素を昇温させる燃焼式ヒータと、前記内燃機関の排気系に設けられ、排気中の有害ガス成分であって少なくとも窒素酸化物、粒子状物質、硫黄酸化物を浄化する排気浄化手段と、前記排気浄化手段の状態が窒素酸化物、粒子状物質、硫黄酸化物のうち、どの有害ガス成分を浄化すべき状態にあるか判定する状態判定手段と、前記燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスの性状を、前記状態判定手段により判定された有害ガス成分に応じた性状とすべく前記燃焼式ヒータの燃焼条件を変更する燃焼条件変更手段と、前記燃焼式ヒータから排出された燃焼ガスを前記排気浄化手段に導入する燃焼ガス導入手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
このように構成された排気浄化装置では、状態判定手段は、排気浄化手段の状態を判定する。そして、燃焼条件変更手段は、燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスの性状を排気浄化手段の状態に応じた性状とすべく、燃焼式ヒータの燃焼条件を変更する。燃焼ガス導入手段は、燃焼条件が変更された燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスを排気浄化手段に導入する。
【００１４】
この場合、排気浄化手段には、その排気浄化手段の状態に応じた性状の燃焼ガスが導入されることになる。尚、ここでいう燃焼ガスの性状とは、例えば、燃焼ガスの温度、燃焼ガスの空燃比、あるいは燃焼ガスを構成する各成分の量等をいい、このような性状を排気浄化手段の状態に応じた最適な性状、例えば排気浄化手段が所定の有害ガス成分を浄化するのに適した性状とすることにより、排気浄化手段において種々の有害ガス成分が効率的に浄化される。
【００１５】
また、前記した排気浄化手段は、窒素酸化物と粒子状物質と硫黄酸化物とを浄化する。この場合、状態判定手段は、排気浄化手段が窒素酸化物を浄化すべき状態にあるか否か、排気浄化手段が粒子状物質を浄化すべき状態にあるか否か、あるいは排気浄化手段が硫黄酸化物を浄化すべき状態にあるか否かを判定する。
【００１６】
また、前記燃焼条件変更手段は、窒素酸化物、粒子状物質、硫黄酸化物、の順に浄化が行われるように前記燃焼式ヒータの燃焼条件を変更するようにしてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１において、内燃機関１は、複数の気筒を有する水冷式ディーゼルエンジンである。
内燃機関１には、気筒毎に１つの燃料噴射弁１０が取り付けられている。各燃料噴射弁１０は、その噴孔が各気筒の図示しない燃焼室に臨むよう取り付けられ、燃焼室内に直接燃料を噴射することが可能となっている。燃料噴射弁１０は、燃料分配管１１を介して蓄圧室（コモンレール）１２と連通しており、コモンレール１２は、燃料通路１３を介して図示しない燃料ポンプと連通している。
【００１９】
このように構成された燃料噴射系では、燃料ポンプから吐出された燃料が燃料通路１３を介してコモンレール１２に供給され、コモンレール１２にて所定圧まで蓄圧され、蓄圧された燃料が燃料分配管１１を介して燃料噴射弁１０に印加される。そして、燃料噴射弁１０が開弁されると、蓄圧された燃料が各気筒の燃焼室内に噴射される。
【００２０】
また、内燃機関１には、吸気枝管２が接続され、この吸気枝管２の各枝管が各気筒の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。前記吸気枝管２は、吸気管３に接続され、吸気管３は、エアフィルタを内装したエアクリーナボックス４に接続されている。前記吸気管３の途中には、吸気管３内の吸気流量を調節すべく開閉駆動される吸気絞り弁２６が設けられている。吸気絞り弁２６には、ステップモータ等からなり、吸気絞り弁２６を開閉駆動するアクチュエータ２７が取り付けられている。
【００２１】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス４に流入した新気がエアフィルタにて埃や塵を除去された後、吸気管３を経て吸気枝管２へ導かれ、次いで吸気枝管２の各枝管を通って各気筒の燃焼室に分配され、燃焼室内で前述した燃料噴射弁１０から噴射される燃料と混ざり合って混合気を形成する。
【００２２】
さらに、内燃機関１には、排気枝管６が接続され、この排気枝管６の各枝管が各気筒の燃焼室と図示しない排気ポートを介して連通している。前記排気枝管６は、排気管７に接続され、前記排気管７の途中には本発明に係る排気浄化手段としての吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が配置されている。
【００２３】
吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８は、ハニカム状に配置された複数の流路を有する担体と、各流路の壁面に担持されたＮＯＸ吸収剤とから構成される。
前記担体は、多孔質のセラミックで構成されている。そして、前記担体の流路は、上流側の端部が開放され且つ下流側の端部が閉塞された流路と、上流側の端部が閉塞され且つ下流側の端部が開放された流路とが交互に配置されて構成されている。
【００２４】
前記ＮＯＸ吸収剤としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、あるいはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）やカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）やイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属類とから成るものを例示することができるが、本実施の形態では、ＢａとＰｔとからなるＮＯＸ吸収剤を例に挙げて説明する。
【００２５】
このように構成された吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８では、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の空燃比がリーンになると、排気中のＮＯＸがＮＯＸ吸収剤に吸収される。一方、排気中の酸素濃度が低下するとＮＯＸ吸収剤に吸収されていたＮＯＸが放出される。その際、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８内に還元成分が存在すると、ＮＯＸ吸収剤から放出されたＮＯＸが還元成分と反応して還元及び浄化される。
【００２６】
上記したようなＮＯＸ吸収剤におけるＮＯＸの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかにされていない部分もあるが、以下のようなメカニズムで行われていると考えられている。
【００２７】
すなわち、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の空燃比がリーンとなり、排気中の酸素濃度が高まると、排気中の酸素Ｏ２がＮＯＸ吸収剤のＰｔ表面にＯ２−あるいはＯ２−として付着し、次いで排気中のＮＯがＰｔの表面上でＯ２−あるいはＯ２−と反応して二酸化窒素（ＮＯ２）となる。続いて、ＮＯ２は、Ｐｔの表面で酸化されつつ酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硝酸イオン（ＮＯ３−）を形成する。このように、排気中のＮＯＸは、ＮＯ３−としてＮＯＸ吸収剤に吸収される。
【００２８】
上記したようなＮＯＸの吸収作用は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の空燃比がリーンにあり、且つＮＯＸ吸収剤のＮＯＸ吸収能力が飽和しない限り継続される。
【００２９】
次に、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気中の酸素濃度が低下すると、ＮＯＸ吸収剤におけるＮＯ２生成量が減少し、ＢａＯと結合していたＮＯ３−が逆にＮＯ２となってＮＯＸ吸収剤から離脱する。すなわち、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気中の酸素濃度が低下すると、ＮＯ３−の形でＮＯＸ吸収剤に吸収されていたＮＯＸは、ＮＯ２となってＮＯＸ吸収剤から放出されることになる。
【００３０】
ＮＯＸ吸収剤から放出されたＮＯＸは、排気中に含まれる還元成分（例えば、ＮＯＸ吸収剤のＰｔ上の酸素Ｏ２−あるいは酸素Ｏ２−と反応して部分酸化したＨＣやＣＯ等の活性種）と反応して窒素（Ｎ２）等に還元及び浄化される。
【００３１】
一方、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８では、排気中の粒子状物質（ＰＭ）が多孔質セラミックの孔に捕集される。このようにして捕集されたＰＭは、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の温度が高温（例えば、５００Ｃ°〜７００Ｃ°）となり、且つ排気の空燃比がリーンとなったときに、排気中のＯ２と反応して燃焼及び処理される。
【００３２】
ところで、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＮＯＸ吸収剤には、排気中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）がＮＯＸと同様のメカニズムによって吸収される。すなわち、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の空燃比がリーンのとき、排気中のＳＯｘがＮＯＸ吸収剤のＰｔ表面で酸化されてＳＯ３−やＳＯ４−となり、これらＳＯ３−、ＳＯ４−がＮＯＸ吸収剤のＢａＯと結合して硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）を形成する。
【００３３】
ＢａＳＯ４は、ＮＯ３−に比べて安定しており、さらにＢａＳＯ４の結晶が粗大化し易いため、一旦生成されると分解及び放出され難い。このため、ＮＯＸ吸収剤におけるＢａＳＯ４の生成量が増加すると、ＮＯＸと結合可能なＢａＯの量が減少し、ＮＯＸ吸収剤のＮＯＸ吸収能力が低下する、いわゆるＳＯｘ被毒が発生する。
【００３４】
ＳＯｘ被毒を解消する方法としては、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８内の温度を高温（例えば、５００Ｃ°〜７００Ｃ°）にするとともに、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する排気の空燃比をリッチにすることにより、ＮＯＸ吸収剤中に生成されたＢａＳＯ４をＳＯ３−やＳＯ４−に熱分解し、それらＳＯ３−、ＳＯ４−をＨＣやＣＯ等の還元成分と反応させて気体状のＳＯ２に還元し、ＮＯＸ吸収剤から放出する方法を例示することができる。
【００３５】
次に、内燃機関１には、本発明にかかる燃焼式ヒータ１４が併設されている。この燃焼式ヒータ１４には、吸気導入通路１５と燃焼ガス排出通路１７とが接続されている。
【００３６】
前記吸気導入通路１５は、吸気管３に接続されており、吸気管３内を流れる吸気の一部を燃焼式ヒータ１４へ供給することが可能となっている。さらに、前記吸気導入通路１５の途中には、吸気管３内を流れる吸気の一部を強制的に燃焼式ヒータ１４へ送り込むエアポンプ１６が設けられている。
【００３７】
前記燃焼ガス排出通路１７は、前記吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８上流の排気管７に接続されており、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスを吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８へ導入することが可能となっている。このように、燃焼ガス排出通路１７と排気管７とは、本発明にかかる燃焼ガス導入手段を実現する。
【００３８】
続いて、前記燃焼式ヒータ１４には、内燃機関１の冷却水を燃焼式ヒータ１４へ導く冷却水導入通路１８と、燃焼式ヒータ１４内で暖められた冷却水を内燃機関１へ導く冷却水排出通路１９とが接続されている。
【００３９】
さらに、燃焼式ヒータ１４には、燃料導入通路２０が接続され、燃料導入通路２０は、前記した燃料通路１３に接続されている。これにより、燃料通路１３を流れる燃料の一部を燃焼式ヒータ１４へ供給することが可能になっている。
【００４０】
ここで、燃焼式ヒータ１４の具体的な構成について図２に基づいて説明する。燃焼式ヒータ１４は、内燃機関１の図示しないウォータジャケットと冷却水導入通路１８及び冷却水排出通路１９を介して連通しており、燃焼式ヒータ１４の内部には、前記ウォータジャケットからの冷却水を流すためのヒータ内部冷却水通路１４ａが形成されている。
【００４１】
前記ヒータ内部冷却水通路１４ａは、燃焼式ヒータ１４の内部に形成された燃焼室１４ｄの周りを巡回するよう構成され、ヒータ内部冷却水路１４ａ内を流れる冷却水が燃焼室１４ｄからの熱を受けて昇温するようになっている。これについては、順次述べる。
【００４２】
燃焼室１４ｄは、火炎を発生させる燃焼源としての燃焼筒１４ｂと、燃焼筒１４ｂを覆うことで火炎が外部に漏れないようにする円筒状の隔壁１４ｃとから構成されている。このように燃焼筒１４ｂを隔壁１４ｃで覆うことにより、燃焼室１４ｄが隔壁１４ｃ内に画されることになる。そして、隔壁１４ｃは、燃焼式ヒータ１４の燃焼室本体４３の外壁４３ａによって覆われており、前記隔壁１４ｃと前記外壁４３ａとの間には環状の隙間が設けられ、この隙間が前述したヒータ内部冷却水路１４ａとして機能する。
【００４３】
燃焼式ヒータ１４には、空気供給口１４ｄ１と排気排出口１４ｄ２とが形成され、これらの空気供給口１４ｄ１と排気排出口１４ｄ２とが燃焼室１４ｄに連通している。前記空気供給口１４ｄ１には前述した吸気導入通路１５が接続され、前記排気排出口１４ｄ２には前述した燃焼ガス排出通路１７が接続されている。
【００４４】
続いて、燃焼式ヒータ１４には、冷却水導入口１４ａ１と冷却水排出口１４ａ２とが形成され、これらの冷却水導入口１４ａ１と冷却水排出口１４ａ２とが前記ヒータ内部冷却水通路１４ａに連通している。前記冷却水導入口１４ａ１には前述した冷却水導入通路１８が接続され、前記冷却水排出口１４ａ２には前述した冷却水排出通路１９が接続されている。
【００４５】
また、燃焼筒１４ｂには、前記した燃料導入通路２０が接続され、燃料ポンプから吐出された燃料の一部が燃焼筒１４ｂに供給されるようになっている。燃焼筒１４ｂには、前記燃料導入通路２０によって供給された燃料を気化するための気化グロープラグ（図示せず）と、気化燃料に着火するための点火グロープラグ（図示せず）とが内装されている。尚、気化グロープラグと点火グロープラグとは、単一のグロープラグで兼用されるようにしてもよい。
【００４６】
このように構成された燃焼式ヒータ１４では、吸気導入通路１５から空気供給口１４ｄ１に流れ込んだ吸気が燃焼室１４ｄに導かれるとともに、燃料導入通路２０によって燃焼筒１４ｂに供給された燃料が図示しない気化グロープラグによって気化される。そして、前記吸気と前記気化燃料とが混合して混合気を形成し、その混合気が燃焼室１４ｄ内の図示しない点火グロープラグによって着火されて燃焼する。
【００４７】
前記燃焼室１４ｄで燃焼されたガスは、燃焼室１４ｄから排気排出口１４ｄ２に導かれ、排気排出口１４ｄ２から燃焼ガス排出通路１７へ排出される。燃焼ガス排出通路１７に排出された燃焼ガスは、その燃焼ガス排出通路１７を通って吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８上流の排気管７に導かれる。排気管７に導かれた燃焼ガスは、排気管７の上流から流れてきた排気と混ざり合いつつ吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する。
【００４８】
一方、燃焼室１４ｄ内の燃焼によって発生した燃焼熱は、隔壁１４ｃを介して前記ヒータ内部冷却水通路１４ａ内を流れる冷却水に伝達され、冷却水を昇温させる。
【００４９】
ここで図１に戻り、内燃機関１には、機関制御用の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２１が併設されている。ＥＣＵ２１は、双方向性バスによって相互に接続された、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力インタフェース回路、出力インタフェース回路等から構成され、前記入力インタフェース回路には各種のセンサが電気配線を介して接続され、前記出力インタフェース回路には、燃料噴射弁１０、燃焼式ヒータ１４、エアポンプ１６、及びアクチュエータ２７等が電気配線を介して接続されている。
【００５０】
前記した各種センサとしては、吸気管３に取り付けられたエアフローメータ５、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に取り付けられた触媒温度センサ９、内燃機関１に取り付けられたクランクポジションセンサ２２及び水温センサ２３、図示しないアクセルペダルもしくはアクセルペダルと連動して動作するアクセルレバー等に取り付けられたアクセルポジションセンサ２４、コモンレール１２に取り付けられたコモンレール圧センサ２５等を例示することができる。
【００５１】
前記エアフローメータ５は、吸気管３内を流れる吸気の質量に対応した電気信号を出力するセンサである。前記触媒温度センサ９は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８の触媒床温に対応した電気信号を出力するセンサである。前記クランクポジションセンサ２２は、内燃機関１の図示しないクランクシャフトが所定角度回転する都度パルス信号を出力するセンサである。前記水温センサ２３は、内燃機関１のウォータジャケットを流れる冷却水の温度に対応した電気信号を出力するセンサである。アクセルポジションセンサ２４は、アクセルペダルの操作量に対応した電気信号を出力するセンサである。コモンレール圧センサ２５は、コモンレール１２内の燃料圧力に対応した電気信号を出力するセンサである。
【００５２】
ＥＣＵ２１は、上記したような各種センサの出力信号値に基づいて内燃機関１の運転状態や吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８の状態を判定し、その判定結果に基づいて燃料噴射制御や燃焼式ヒータ制御を行うとともに、本発明の要旨となる排気浄化制御を行う。
【００５３】
燃料噴射制御では、例えば、ＥＣＵ２１は、エアフローメータ５、クランクポジションセンサ２２、アクセルポジションセンサ２４、及びコモンレール圧センサ２５の出力信号を入力する。
【００５４】
ＥＣＵ２１は、クランクポジションセンサ２２がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて内燃機関１の機関回転数を算出するとともに、アクセルポジションセンサ２４の出力信号に基づいて内燃機関１から出力すべきトルク、すなわち運転者が要求する機関トルクを算出する。そして、ＥＣＵ２１は、コモンレール圧センサ２５の出力信号値が機関回転数や機関トルクに応じた最適値となるように燃料ポンプの吐出量を制御するとともに、エアフローメータ５の出力信号値と機関回転数と要求機関トルクとをパラメータとして燃料噴射量（燃料噴射時間）及び燃料噴射開始時期を算出する。
【００５５】
続いて、ＥＣＵ２１は、クランクポジションセンサ２２の出力信号値（クランクシャフトの回転位置）を参照し、クランクシャフトの回転位置が前記燃料噴射開始時期と一致した時点で燃料噴射弁１０へ駆動電流を印加し、燃料噴射弁１０を開弁させる。燃料噴射弁１０に対する駆動電流の印加は、前記燃料噴射時間に相当する期間継続される。
【００５６】
また、燃焼式ヒータ制御では、ＥＣＵ２１は、内燃機関１の冷間始動時のように冷却水の温度が所定温度未満のときに、エアポンプ１６を作動させて吸気の一部を燃焼式ヒータ１４に供給すると共に、燃料の一部を燃焼式ヒータ１４に供給し、次いで燃焼式ヒータ１４の気化グロープラグ及び点火グロープラグに通電して、燃焼式ヒータ１４を運転させる。そして、燃焼式ヒータ１４の運転により冷却水が昇温し、水温センサ２３の出力信号値が所定値以上になると、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４の運転を停止する。
【００５７】
次に、本実施の形態における排気浄化制御について述べる。
排気浄化制御では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＮＯＸ浄化時期とＰＭ浄化時期とＳＯｘ浄化時期とを判別し、内燃機関１からの排気と燃焼式ヒータ１４からの燃焼ガスとの混合ガスが各々の浄化時期に応じた性状となるように燃焼式ヒータ１４の燃焼条件を制御する。
【００５８】
例えば、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８がＮＯＸ浄化時期にある場合は、混合ガス中の酸素濃度を低くするとともに混合ガス中の還元成分（ＨＣやＣＯ）の濃度を高くする必要があるため、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの空燃比がリッチ状態となるように燃焼式ヒータ１４の燃焼条件を制御する。
【００５９】
吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８がＰＭ浄化時期にある場合は、混合ガスの空燃比をリーン状態にするとともに混合ガスの温度を高くする必要があるため、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの空燃比がリーン状態で且つ燃焼ガスの温度が高くなるように燃焼式ヒータ１４の燃焼条件を制御する。
【００６０】
吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８がＳＯｘ浄化時期にある場合は、混合ガスの空燃比をリッチ状態にするとともに混合ガスの温度を高くする必要があるため、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの空燃比がリッチ状態で且つ燃焼ガスの温度が高くなるように燃焼式ヒータ１４の燃焼条件を制御する。
【００６１】
ここで、燃焼ガスの空燃比をリッチ状態にする場合は、ＥＣＵ２１は、例えば、燃料ポンプの吐出量を増加させ、燃焼式ヒータ１４に供給される燃料量を増加させる。
【００６２】
また、燃焼ガスの温度を高くする場合は、ＥＣＵ２１は、例えば、エアポンプ１６の風量を増加させて燃焼式ヒータ１４に供給される新気量を増加させるとともに、新気量の増加に比例して燃料ポンプの吐出量を増加させて燃焼式ヒータ１４に供給される燃料量を増加させる。すなわち、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４から単位時間当たりに排出される燃焼ガス流量を増加させることにより、燃焼式ヒータ１４から排出される単位時間当たりの熱量を増加させる。
【００６３】
ところで、混合ガス中で排気が占める割合は、燃焼ガスが占める割合より多いため、混合ガスの空燃比を所望のリッチ状態にする場合は、燃焼ガスの空燃比を過剰なリッチ状態とすべく燃焼式ヒータ１４に大量の燃料を供給する必要があり、燃料消費量が悪化してしまう。
【００６４】
そこで、本実施の形態では、ＥＣＵ２１は、混合ガスの空燃比をリッチ状態にする際に、内燃機関１の排気量を減少させて混合ガス中で排気が占める割合を少なくし、燃焼式ヒータ１４に供給すべき燃料量を最小限に抑えるようにした。
【００６５】
さらに、ＳＯｘを浄化するタイミングとしては、ＰＭを浄化した直後が好ましい。これは、ＳＯｘを浄化するためにはＮＯＸ吸収剤を高温にする必要があるが、ＰＭの燃焼時に発生する燃焼熱によってＮＯＸ吸収剤が昇温されるため、ＰＭ浄化直後にＳＯｘ浄化を行えば燃焼式ヒータ１４にかかる負荷を軽減することが可能となるからである。
【００６６】
以下、本実施の形態の作用及び効果について述べる。
ＥＣＵ２１は、排気浄化制御を実行するにあたり、図３に示すような排気浄化制御ルーチンを実行する。この排気浄化制御ルーチンは、所定時間毎（例えば、クランクポジションセンサ２２がパルス信号を出力する都度）に繰り返し実行されるルーチンである。
【００６７】
排気浄化制御ルーチンでは、ＥＣＵ２１は、先ず、Ｓ３０１において、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に吸収されたＮＯＸの浄化条件が成立したか否かを判別する。
【００６８】
前記したＮＯＸの浄化条件としては、例えば、（１）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が活性状態にある、（２）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＮＯＸ吸収能力が飽和直前にある等の条件を例示することができる。
【００６９】
前記（１）の条件の成立／不成立を判定する方法としては、触媒温度センサ９の出力信号値が所定値以上であるか否かを判別することにより、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が活性状態にあるか否かを判定する方法を例示することができる。
【００７０】
前記（２）の条件の成立／不成立を判定する方法としては、前回のＮＯＸ浄化完了時期から現時点に至るまでの内燃機関１の運転履歴、例えば吸入空気量や燃料噴射量の積算値が所定の判定値を越えているか否かを判定することにより、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＮＯＸ吸収能力が飽和する直前にあるか否かを推定する方法を例示することができる。
【００７１】
ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０１においてＮＯＸ浄化条件が不成立であると判定した場合は、本ルーチンの実行を一旦終了し、前記Ｓ３０１においてＮＯＸ浄化条件が成立していると判定した場合は、Ｓ３０２へ進む。
【００７２】
Ｓ３０２では、ＥＣＵ２１は、吸気絞り弁２６を所定量閉弁させるべくアクチュエータ２７を制御して、内燃機関１の吸入空気量を所定量減少させ、それにより内燃機関１の排気量を所定量減少させる。
【００７３】
Ｓ３０３では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する混合ガスの温度が３００Ｃ°〜５００Ｃ°となり、且つ混合ガスの空燃比が所定のリッチ状態となるように、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの温度及び組成（空燃比）を制御する。すなわち、ＥＣＵ２１は、エアポンプ１６の風量を増加させるとともに、燃料ポンプの吐出量を増加させる。その際、ＥＣＵ２１は、エアポンプ１６の風量増加率に対して燃料ポンプの吐出量増加率を高くして、燃焼式ヒータ１４から単位時間当たりに排出される燃焼ガス量を増加させつつ、燃焼ガスの空燃比をリッチ状態にする。
【００７４】
このとき、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８には、３００Ｃ°〜５００Ｃ°且つリッチ状態の混合ガスが流入し、ＮＯＸ吸収剤に吸収されていたＮＯＸが放出及び還元される。
【００７５】
続いて、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０４へ進み、ＮＯＸの浄化が完了したか否かを判別する。この判別方法としては、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が吸収可能な最大量のＮＯＸが吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に吸収されているときに、それら全てのＮＯＸが放出及び還元されるのに要する時間（ＮＯＸ浄化時間）を予め実験等で求めておき、ＮＯＸの浄化制御が開始された時点からの経過時間が前記ＮＯＸ浄化時間以上であるか否かを判別する方法を例示することができる。
【００７６】
尚、前記したＮＯＸ浄化時間は、混合ガスの空燃比が一定（所定のリッチ状態）である場合は、単位時間当たりの混合ガス流量によって変化し、前記単位時間当たりの混合ガス流量は、内燃機関１の吸入空気量とエアポンプ１６の風量とによって変化するため、ＮＯＸ浄化時間と吸入空気量とエアポンプ１６の風量との関係を予め実験等で求め、それらの関係をマップ化しておくようにしてもよい。この場合、ＥＣＵ２１は、吸入空気量とエアポンプ１６の風量とをパラメータとして前記マップへアクセスし、吸入空気量及びエアポンプ１６の風量から特定されるＮＯＸ浄化時間を算出する。
【００７７】
前記Ｓ３０４においてＮＯＸの浄化制御が開始された時点からの経過時間がＮＯＸ浄化時間未満であり、ＮＯＸ浄化が未完了であると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、本ルーチンの実行を一旦終了する。そして、ＥＣＵ２１は、所定時間経過後に本ルーチンを再実行し、Ｓ３０４においてＮＯＸの浄化制御が開始された時点からの経過時間がＮＯＸ浄化時間以上であると判定すると、Ｓ３０５へ進む。
【００７８】
Ｓ３０５では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に吸収されたＰＭの浄化条件が成立したか否かを判別する。
前記したＰＭの浄化条件としては、例えば、（１）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が活性状態にある、（２）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＰＭ捕集能力が飽和直前にある等の条件を例示することができる。
【００７９】
前記（２）の条件の成立／不成立を判定する方法としては、前回のＰＭ浄化完了時期から現時点に至るまでの吸入空気量や燃料噴射量の積算値が所定の判定値を越えているか否かを判定することにより、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＰＭ捕集能力が飽和する直前にあるか否かを推定する方法や、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＰＭ捕集量増加による排気抵抗の増加度合いを検出すべく吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８上流の排気管７に圧力センサを設け、その圧力センサの出力信号値が所定の判定値を越えているか否かを判定することにより、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＰＭ捕集能力が飽和する直前にあるか否かを推定する方法等を例示することができる。
【００８０】
ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０５においてＰＭ浄化条件が不成立であると判定した場合は本ルーチンの実行を一旦終了し、前記Ｓ３０５においてＰＭ浄化条件が成立していると判定した場合はＳ３０６へ進む。
【００８１】
Ｓ３０６では、ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０２において閉弁された吸気絞り弁２６の開度を通常の開度に戻すべくアクチュエータ２７を制御して、内燃機関１の吸入空気量を増加させ、それにより内燃機関１の排気量を通常の排気量に戻す。
【００８２】
尚、ＰＭの浄化を行う場合は吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する混合ガスの温度を高くする必要があるが、混合ガス中で排気が占める割合は燃焼ガスが占める割合より多いため、混合ガスの温度を高くするには燃焼ガスの温度を過剰に高くする必要があり、エアポンプ１６の負荷が増大すると共に燃焼式ヒータ１４の燃料消費量が増加してしまう。そこで、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０６の処理を行わずにＳ３０７の処理を実行するようにしてもよい。
【００８３】
Ｓ３０７では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する混合ガスの温度が５００Ｃ°〜７００Ｃ°となり、且つ混合ガスの空燃比がリーン状態となるように、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの温度及び空燃比を制御する。具体的には、ＥＣＵ２１は、エアポンプ１６の風量を増加させるとともに、それに比例して燃料ポンプの吐出量を増加させ、燃焼式ヒータ１４から単位時間当たりに排出される燃焼ガス量を増加させる。
【００８４】
このとき、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８には、５００Ｃ°〜７００Ｃ°且つリーン状態の混合ガスが流入し、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に捕集されていたＰＭが排気中のＯ２と反応して燃焼及び処理される。
【００８５】
続いて、ＥＣＵ２１は、Ｓ３０８へ進み、ＰＭの浄化が完了したか否かを判別する。この判別方法としては、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が捕集可能な最大量のＰＭが吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に捕集されているときに、それら全てのＰＭが燃焼及び処理されるのに要する時間（ＰＭ浄化時間）を予め実験等で求めておき、ＰＭの浄化制御が開始された時点からの経過時間が前記ＰＭ浄化時間以上であるか否かを判別する方法や、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＰＭ捕集量減少による排気抵抗の減少度合いを検出すべく吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８上流の排気管７に圧力センサを設け、その圧力センサの出力信号値が所定の判定値未満に低下したか否かを判別する方法等を例示することができる。
【００８６】
尚、前記したＰＭ浄化時間は、混合ガスの空燃比が一定（所定のリーン状態）である場合は、単位時間当たりの混合ガス流量によって変化し、前記単位時間当たりの混合ガス流量は、内燃機関１の吸入空気量とエアポンプ１６の風量とによって変化するため、ＰＭ浄化時間と吸入空気量とエアポンプ１６の風量との関係を予め実験等で求め、それらの関係をマップ化しておくようにしてもよい。この場合、ＥＣＵ２１は、吸入空気量とエアポンプ１６の風量とをパラメータとして前記マップへアクセスし、吸入空気量及びエアポンプ１６の風量から特定されるＰＭ浄化時間を算出する。
【００８７】
前記Ｓ３０８においてＰＭの浄化制御が開始された時点からの経過時間がＰＭ浄化時間未満であり、ＰＭ浄化が未完了であると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、本ルーチンの実行を一旦終了する。そして、ＥＣＵ２１は、所定時間経過後に本ルーチンを再実行し、Ｓ３０８においてＰＭの浄化制御が開始された時点からの経過時間がＰＭ浄化時間以上であり、ＰＭ浄化が完了したと判定すると、Ｓ３０９へ進む。
【００８８】
Ｓ３０９では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に吸収されたＳＯｘの浄化条件が成立しているか否かを判別する。
前記したＳＯｘの浄化条件としては、例えば、（１）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８が活性状態にある、（２）吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＳＯｘ吸収量が許容範囲内の上限値に達している等の条件を例示することができる。
【００８９】
前記（２）の条件の成立／不成立を判定する方法としては、単位量当たりの燃料に含まれる硫黄成分の量と、前回のＳＯｘ浄化完了時期から現時点に至るまでの吸入空気量や燃料噴射量の積算値とに基づいて吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に吸収されたＳＯｘ量を推定し、推定されたＳＯｘ量が上限値を越えているか否かを判別する方法を例示することができる。
【００９０】
ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０９においてＳＯｘ浄化条件が不成立であると判定した場合は本ルーチンの実行を一旦終了し、前記Ｓ３０９においてＳＯｘ浄化条件が成立していると判定した場合はＳ３１０へ進む。
【００９１】
Ｓ３１０では、ＥＣＵ２１は、前記Ｓ３０６において通常の開度に戻された吸気絞り弁２６を所定量閉弁させるべくアクチュエータ２７を制御して、内燃機関１の吸入空気量を減少させ、それにより内燃機関１の排気量を所定量減少させる。
【００９２】
Ｓ３１１では、ＥＣＵ２１は、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する混合ガスの温度が５００Ｃ°〜７００Ｃ°となり、且つ混合ガスの空燃比がリッチ状態となるように、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスの温度及び空燃比を制御する。具体的には、ＥＣＵ２１は、エアポンプ１６の風量を増加させるとともに、燃料ポンプの吐出量を増加させる。その際、ＥＣＵ２１は、エアポンプ１６の風量増加率に対して燃料ポンプの吐出量増加率を高くして、燃焼式ヒータ１４から単位時間当たりに排出される燃焼ガス量を増加させつつ、燃焼ガスの空燃比をリッチ状態にする。
【００９３】
この場合、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８には、５００Ｃ°〜７００Ｃ°且つリッチ状態の混合ガスが流入するため、ＮＯＸ吸収剤中に生成されたＢａＳＯ４がＳＯ３−やＳＯ４−等に熱分解され、次いでそれらＳＯ３−、ＳＯ４−が混合ガス中のＨＣやＣＯ等と反応して気体状のＳＯ２に還元され、ＮＯＸ吸収剤から放出される。
【００９４】
続いて、ＥＣＵ２１は、Ｓ３１２へ進み、ＳＯｘの浄化が完了したか否かを判別する。この判別方法としては、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８のＳＯｘ吸収量が許容範囲内の上限値に達している場合に、それら全てのＳＯｘが還元及び放出されるのに要する時間（ＳＯｘ浄化時間）を予め実験等で求めておき、ＳＯｘの浄化制御が開始された時点からの経過時間が前記ＳＯｘ浄化時間以上であるか否かを判別する方法を例示することができる。
【００９５】
尚、前記したＳＯｘ浄化時間は、混合ガスの空燃比が一定（所定のリッチ状態）である場合は、単位時間当たりの混合ガス流量によって変化し、前記単位時間当たりの混合ガス流量は、内燃機関１の吸入空気量とエアポンプ１６の風量とによって変化するため、ＳＯｘ浄化時間と吸入空気量とエアポンプ１６の風量との関係を予め実験等で求め、それらの関係をマップ化しておくようにしてもよい。この場合、ＥＣＵ２１は、吸入空気量とエアポンプ１６の風量とをパラメータとして前記マップへアクセスし、吸入空気量及びエアポンプ１６の風量から特定されるＳＯｘ浄化時間を算出する。
【００９６】
前記Ｓ３１２においてＳＯｘの浄化制御が開始された時点からの経過時間が前記ＳＯｘ浄化時間未満であり、ＳＯｘ浄化が未完了であると判定した場合は、ＥＣＵ２１は、本ルーチンの実行を一旦終了する。そして、ＥＣＵ２１は、所定時間経過後に本ルーチンを再実行し、Ｓ３１２においてＳＯｘの浄化制御が開始された時点からの経過時間が前記ＳＯｘ浄化時間以上であり、ＳＯｘ浄化が完了したと判定すると、Ｓ３１３へ進む。
【００９７】
Ｓ３１３では、ＥＣＵ２１は、燃焼式ヒータ１４及びエアポンプ１６の運転を停止するとともに、吸気絞り弁２６の開度を通常開度に戻すべくアクチュエータ２７を制御することにより、排気浄化制御を停止する。
【００９８】
このようにＥＣＵ２１が排気浄化制御ルーチンを実行することにより、本発明にかかる状態判定手段と燃焼条件変更手段とが実現される。
従って、本実施の形態によれば、燃焼式ヒータ１４を備えている内燃機関１において、ＮＯＸとＰＭとＳＯｘとの各々の浄化時期に応じて燃焼式ヒータ１４の燃焼条件を変更することにより、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒８に流入する混合ガスの性状を、ＮＯＸとＰＭとＳＯｘとの各々の浄化条件に応じた性状とすることができる。
【００９９】
この結果、燃焼式ヒータ１４を備えている内燃機関では、燃焼式ヒータ１４から排出される燃焼ガスを利用してＮＯＸ、ＰＭ、及びＳＯｘの浄化を行うことが可能となり、還元剤供給装置等の専用の装置を併設する必要がない。
【０１００】
【発明の効果】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、燃焼式ヒータが併設された内燃機関において、排気浄化手段が種々の有害ガス成分を浄化する時期に応じて、燃焼式ヒータの燃焼条件を変更することにより、排気浄化手段に流入する燃焼ガスの性状を、種々の有害ガス成分の浄化条件に応じた性状とすることができる。
【０１０１】
従って、本発明によれば、燃焼式ヒータが併設された内燃機関において、燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスを利用して種々の有害ガス成分を浄化することができ、還元剤供給装置等の専用の装置を併設する必要がなく、車両への搭載性に優れるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる排気浄化装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図２】燃焼式ヒータの内部構成を示す図
【図３】実施の形態にかかる排気浄化制御ルーチンを示すフローチャート図
【符号の説明】
１・・・内燃機関
２・・・吸気枝管
３・・・吸気管
６・・・排気枝管
７・・・排気管
８・・・吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒
９・・・触媒温度センサ
１４・・燃焼式ヒータ
１５・・吸気導入通路
１６・・エアポンプ
１７・・燃焼ガス排出通路
２０・・燃料導入通路
２１・・ＥＣＵ
２６・・吸気絞り弁
２７・・アクチュエータ
Claims (2)
- 内燃機関と独立して燃料を燃焼せしめ且つ該内燃機関の関連要素を昇温させる燃焼式ヒータと、
前記内燃機関の排気系に設けられ、排気中の有害ガス成分であって少なくとも窒素酸化物、粒子状物質、硫黄酸化物を浄化する排気浄化手段と、
前記排気浄化手段の状態が窒素酸化物、粒子状物質、硫黄酸化物のうち、どの有害ガス成分を浄化すべき状態にあるか判定する状態判定手段と、
前記燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスの性状を、前記状態判定手段により判定された有害ガス成分に応じた性状とすべく前記燃焼式ヒータの燃焼条件を変更する燃焼条件変更手段と、
前記燃焼式ヒータから排出された燃焼ガスを前記排気浄化手段に導入する燃焼ガス導入手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記燃焼条件変更手段は、窒素酸化物、粒子状物質、硫黄酸化物、の順に浄化が行われるように前記燃焼式ヒータの燃焼条件を変更することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP36576898A JP3557930B2 (ja) | 1998-12-22 | 1998-12-22 | 内燃機関の排気浄化装置 |
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Family Applications (1)
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-
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- 1998-12-22 JP JP36576898A patent/JP3557930B2/ja not_active Expired - Lifetime
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