JP3770148B2

JP3770148B2 - 内燃機関の排気浄化装置及び方法

Info

Publication number: JP3770148B2
Application number: JP2001342134A
Authority: JP
Inventors: 辰優杉山; 広樹松岡; 太郎青山; 康彦大坪; 丈和伊藤; 淳田原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: FR2831923A1; DE10251686A1; DE10251686B4; FR2831923B1; JP2003148132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置の技術に関し、特に燃料添加の制御技術に関する。
【従来の技術】
【０００２】
近年、自動車等に搭載される内燃機関では、内燃機関より排出される排気ガスを大気中に放出する前に、排気ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有毒ガス成分を浄化又は除去することにより排気エミッションを向上させることが要求されている。
【０００３】
特に、軽油を燃料とする圧縮着火式のディーゼル機関では、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等に加え、排気ガス中に含まれる煤や，ＳＯＦ（Solbule Organic Fraction）等の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）と呼ばれる微粒子を浄化若しくは除去することが重要である。
【０００４】
前記微粒子の主成分は燃料に起因した黒煙（煤）であるが、多様の成分からなる混合物でもあり、その成分は有機溶剤に溶けるか否かで不溶分である黒煙（煤）、サルフェートと可溶分（ＳＯＦ）である未燃燃料分、未燃オイル分とに分けられる。
【０００５】
煤は空気不足の状態で燃料が燃焼するときに、複雑な反応が起きて生じるものと考えられるが、要約すると燃料分子は熱分解により脱水素反応を生じ、微粒子の核（煤前駆物質）を生成し、更に核が凝集、合体して煤を生成する。ディーゼル燃焼においては拡散燃焼中に大量の煤を生成するが、燃焼後期に火炎中に空気を導入することで再燃焼が起こり、煤は急速に減少する。サルフェートは燃焼中の硫黄分が酸化したもので、水と結合した硫酸ミスト状となっている。
【０００６】
このためディーゼル機関では、連行空気泡からなる小さな細孔を多数内蔵して単位容積当たりの比表面積を増やした基材からなるパティキュレートフィルタを排気通路に配置し、そのパティキュレートフィルタの細孔に排気ガスを流すことにより、排気ガス中の微粒子を表面に吸着して捕集する方法が知られている。
【０００７】
ところで、パティキュレートフィルタに捕集される微粒子が過剰に増加すると、パティキュレートフィルタ内の排気流路が閉塞し、排気ガスの流れが妨げられるようになる。
【０００８】
パティキュレートフィルタにより排気ガスの流れが妨げられると、パティキュレートフィルタ上流の排気通路において排気圧力が高まり、その排気圧力が背圧として内燃機関に作用してしまう。
【０００９】
このため、パティキュレートフィルタに捕集された微粒子が過剰に増加する前に、捕集された微粒子を浄化してパティキュレートフィルタを再生させる必要がある。
【００１０】
パティキュレートフィルタを再生する方法としては、パティキュレートフィルタ内を酸化雰囲気にすることにより、捕集された微粒子を酸化、すなわち燃焼させる方法がある。
【００１１】
但し、微粒子はおよそ５００℃〜７００℃の高温下で着火及び燃焼するため、捕集された微粒子を酸化させるためには、パティキュレートフィルタの雰囲気温度を５００℃〜７００℃の高温下まで高めるとともに、パティキュレートフィルタ周辺を酸素過剰雰囲気としなければならない。
【００１２】
しかしながら、ディーゼル機関は、大部分の運転領域において空気過剰の希薄燃焼運転を行うため、混合気の燃焼温度が低くなりやすく、それに応じて排気ガスの温度も低くなりやすい。従ってディーゼル機関では、排気ガスの熱を利用してパティキュレートフィルタの雰囲気温度を５００℃以上まで上昇させることは困難である。
【００１３】
これに対し、従来では特公平７−１０６２９０号公報に記載されたようなディーゼル排気粒子用フィルタが提案されている。この公報に記載されたディーゼル排気粒子用フィルタは、白金族金属及びアルカリ土類金属酸化物の混合物を含む触媒物質をパティキュレートフィルタ上に担持させることにより、およそ３５０℃〜４００℃の比較的低い温度条件下でも微粒子の着火及び燃焼を行えるようにしたものである。
【００１４】
一方、ディーゼル機関の排気ガス温度は、高負荷運転領域では３５０℃以上まで上昇する場合があるが、低負荷運転領域では３５０℃以上には殆ど上昇しない。従って、ディーゼル機関が低負荷運転された場合、特にディーゼル機関が減速運転状態にある場合のように燃料噴射が停止された場合には、ディーゼル機関から低温の排気ガスが排出されるため、パティキュレートフィルタが低温の排気ガスにより冷却され、パティキュレートフィルタの微粒子酸化能力が低下することが想定される。
【００１５】
よって、低負荷運転時においてパティキュレートフィルタ上にて微粒子を酸化させるためにはパティキュレートフィルタを最低限、微粒子が酸化可能な温度まで昇温させる必要がある。
【００１６】
前記のパティキュレートフィルタを昇温させる手段の一つとして、パティキュレート上に燃料を添加し、その燃料が酸化する際に放出する熱によりパティキュレートフィルタ床温を上昇させて微粒子を酸化燃焼させる手段がある。
【００１７】
パティキュレートフィルタ床温を上昇させる燃料の供給方法としては以下の方法がある。動力源としてエンジンのシリンダ内に噴射される燃料の一部を、シリンダ内で通常行われる噴射燃料の燃焼工程終了後に噴射する副次的燃料噴射を行うことにより、排気ガス中に燃焼していない未燃焼燃料を含ませて排気通路に排出し添加する方法と、排気通路中に燃料噴射装置を設けて排気ガス中に燃料を直接噴射して添加する方法とである。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
前記シリンダ内の未燃焼燃料として添加する方法は、その特徴として添加された燃料が十分に気化された状態になっていることである。高温の燃焼室内にて霧状に噴射されて蒸発し、燃料が十分に気化された状態になることにより、パティキュレートフィルタ上での燃焼反応性が良くなるため、パティキュレートフィルタ床温が燃料と反応可能な最低限の温度付近であっても反応することが可能となる。
【００１９】
またパティキュレートフィルタの温度分布が不均一であり、下流側のみが反応温度に達し、上流側が反応温度に達していない状況においても気化された燃料であるならば上流側をすり抜けて下流側にて反応し、結果としてパティキュレートフィルタ全体を反応可能である温度に昇温することが可能となる。
【００２０】
しかし、前記シリンダ内の未燃焼燃料として添加する方法は、動力に転化される燃料の一部を反応に供する燃料とするため、その絶対量が限られており、またエンジンが高負荷の状態においてはトルク低下を憂慮して、未燃焼燃料を供することが不可能な場合がある、等の問題がある。
【００２１】
これに対して、前記の排気通路中に燃料を噴射して添加する方法は、エンジン内のシリンダに燃料を供給する系統とは別系統にて燃料を供給、噴射するため、噴射量も多くすることが可能であり、エンジンの運転状態に囚われずに燃料添加を行うことが可能となる。
【００２２】
しかし、排気通路中に燃料を噴射して添加する方法では、液体の燃料を霧状にて噴射するため、これを反応しやすい気体の状態に変化させるには、噴射された燃料を短時間で気化可能とするために排気通路の噴射位置での排気ガス温度がある程度高い必要がある。この添加される燃料は完全に気体となっていないため、パティキュレートフィルタ上で反応する際、燃料が液体から気体へ変移するときの潜熱としてパティキュレートフィルタ床温を奪うことになる。よってこのパティキュレートフィルタ床温も最低限反応に必要な温度よりも高い必要がある。また、燃料噴射時には噴射箇所周辺の排気管に付着する燃料もあるため、排気管温度が低いとそのまま液体として溜まり、特に集合管（マニホールド）等トラップ形状を有する箇所で噴射した場合などはそれに対する対策が必要となる等の問題がある。
【００２３】
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関、及び排気系の諸条件に基づいて、効率の良い燃料添加方法を採択してしてパティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子を除去することを課題とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
前記の問題を解決するために、内燃機関の排気通路中に設けられ、排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、内燃機関の燃焼室にて行われる動力転化用の主燃料噴射とは別に燃料を噴射する副次的燃料噴射を行う燃焼室中燃料添加手段と、排気通路に設けられ、排気ガス中に燃料を噴射する排気通路中燃料添加手段とを備えた排気浄化装置において、前記燃焼室にて副次的燃料噴射が可能であり、かつ前記フィルタ床温が気体燃料を酸化反応させる第１の温度以上である場合には、燃焼室中燃料添加手段により燃料添加を行い、排気ガス温度が排気通路内にて噴射された燃料を凝縮させない第２の温度以上であり、かつ前記フィルタ床温が液滴を含む気体燃料を酸化反応させる第３の温度以上である場合には、排気通路中燃料添加手段により燃料添加を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置とする。
【００２５】
本発明は、内燃機関の運転状況に応じて変化する機関周辺要素の温度状況によって、燃焼室内での副次的燃料噴射と排気通路中での燃料噴射とをそれぞれ選択的に使用して、フィルタに燃料添加を行うものである。
【００２６】
これはすなわち、内燃機関が低負荷状態であって、燃焼室内にて副次的燃料噴射が可能であるという内燃機関の条件と、フィルタ床温が所定の温度以上であるというフィルタ床温の条件が揃うならば、燃焼室にて副次的燃料噴射を行うことによりフィルタに燃料を添加する。また、排気通路の温度がある一定温度以上で排気通路にて燃料噴射が可能な排気通路の条件と、フィルタ床温が所定の温度以上であるというフィルタ床温の条件が揃うならば、排気通路中で燃料を噴射することによりフィルタに燃料を添加する。
【００２７】
また、前記の二つの手段を決定づける条件設定を両方とも満足している場合すなわち、前記燃焼室にて副次的燃料噴射可能であり、かつ前記のフィルタ床温が、気体燃料を酸化反応させる第１の温度、液滴を含む気体燃料を酸化反応させる第３の温度のそれぞれより高く、更に前記の排気通路温度が排気通路にて噴射された燃料を凝縮させない第２の温度以上である場合には、前記燃焼室中燃料添加手段と前記排気通路中燃料添加手段との一方、又は双方を用いて燃料添加することとする。
【００２８】
前記燃焼室中燃料添加と排気通路中燃料添加との双方の燃料添加手段を行うに当たり、それぞれの燃料添加手段にフィルタ床温の条件設定があるが、燃焼室中燃料添加手段のフィルタ床温の条件である第１の温度は、気体燃料がフィルタ上で酸化反応可能となる最低限の温度である。排気通路中燃料添加手段のフィルタ床温の条件である第３の温度は、フィルタ上で液滴を含む気体燃料が完全な気体となるのに必要な潜熱を奪われても、このフィルタ上で燃料が反応可能となる最低限の温度である。よって、燃料が気体に転移するための潜熱を有するために、第３の温度が第１の温度より高くなる。
【００２９】
第１の温度を条件とする燃焼室中燃料添加手段によるフィルタへの燃料添加は、高温状態である燃焼室内で噴射されて完全に気化した状態の燃料でフィルタに添加されるために反応性が良好となる。そのため、低温域である第１の温度でも昇温反応を起こすことが可能となるが、第３の温度を条件とする排気通路中での燃料噴射によるフィルタへの燃料添加は、液体を霧状で噴射した後に、噴射位置雰囲気により気化させてフィルタへ燃料添加することとなる。よって周辺雰囲気によっては噴射した燃料がすべて気化するとは限らないために、ある程度の高温域である第３の温度の状態で燃料添加を行うようにする。
【００３０】
前記の第１、第３の温度と関連して、前記排気温度である第２の温度は排気通路中に噴射された燃料が凝縮しない温度であること、すなわち排気通路中に燃料を添加した際に添加した燃料が液体として排気通路中に溜まらないように保てる温度である。
【００３１】
前記フィルタは、排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中の窒素酸化物を保持し、前記酸素濃度が低下して還元剤である燃料が存在するときには保持していた窒素酸化物を還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持することができる。
【００３２】
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、前記の特性の他に排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中の酸素を活性化し、前記酸素濃度が低下し、かつ還元剤である燃料が存在するときには窒素酸化物を還元すると共に、活性酸素も生成する。よって、この活性酸素を用いて排気ガス中の窒素酸化物を浄化すると同時に微粒子を燃焼させる際の酸化剤の役割を果たす。
【００３３】
本発明を実行することにより、パティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子を内燃機関、及び排気系の諸条件に応じて効率よく除去することが可能となる。
【発明の実施の形態】
【００３４】
以下、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置及び方法を、ディーゼルエンジンシステムに適用した実施の形態について説明する。
【００３５】
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０，燃焼室２０，吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。
【００３６】
燃料供給系１０は、サプライポンプ１１，蓄圧室（コモンレール）１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１４、燃料添加ノズル１７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて構成される。
【００３７】
サプライポンプ１１は燃料タンク（図外）からくみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２はサプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料を供給噴射する。
【００３８】
他方、サプライポンプ１１は、燃料タンクからくみ上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して燃料添加ノズル１７に供給する。燃料通路Ｐ２にはサプライポンプ１１から燃料添加ノズル１７に向かって遮断弁１４が配設されている。遮断弁１４は緊急時において、添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を中止する。燃料添加ノズル１７は燃料噴射弁１３と同様な電磁弁であり、排気系４０内に還元剤としての燃料を噴射添加する本発明でいう排気通路中燃料添加手段である。
【００３９】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００４０】
また、このエンジン１には、周知の過給器（ターボチャージャ）５０が備えられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２とコンプレッサ５３とを備える。一方のコンプレッサ５３は吸気系３０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール５２は排気系４０内の排気ガスに晒されている。このような構成を有するターボチャージャ５０は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサ５３を回転させ、吸気圧を高める効果（過給効果）を有する。
【００４１】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりも更に下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸気通路の流路面積を絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。
【００４２】
また、エンジン１には、燃焼室２０の上流（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする排気環流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。具体的には、ＥＧＲ通路６０は排気系４０におけるターボチャージャ５０上流の排気集合管４０ａと吸気系３０におけるスロットル弁３２の下流側を連通している。このＥＧＲ通路６０は、排気ガスの一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調節することが可能なＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（環流）する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。
【００４３】
また、排気系４０において、燃焼室より接続する排気集合管４０ａ、タービンホイール５２が設けられた部位より下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路４０ｂ、その下流にＮＯｘ触媒ケーシング４２、更に下流に排気通路４０ｃが順次連結されている。ＮＯｘ触媒ケーシング４２には、後述するように排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４２ｂ及び、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子（ＰＭ）をＮＯｘ等の有害成分と併せて浄化するパティキュレートフィルタ４２ａが収容されている（図３を参照）。
【００４４】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００４５】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料のうち、燃料添加ノズル１７へ導入される燃料の圧力（燃圧）Ｐｇに応じた検出信号を出力する。エアフローメータ７２は、吸気系３０内のスロットル弁３２上流において吸入空気の流量（吸気量）Ｇａに応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３は、排気系４０の触媒ケーシング４２上流において排気ガス中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温度センサ７４は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気ガスの温度（排気温度）ＴＥＸに応じた検出信号を出力する。ＮＯｘセンサ７５は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。触媒流入排気温度センサ７８は触媒ケーシング４２入口において流入する排気ガスの温度に応じた検出信号を出力する。触媒温度センサ７９は触媒ケーシング４２中において触媒床温に応じた検出信号を出力する。圧力センサ９０は触媒ケーシング４２上流に設けられ、排気通路の圧力に応じた検出信号を出力する。
【００４６】
また、アクセル開度センサ７６はエンジン１のアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量ＡＣＣに応じてエンジン１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７９、９０は、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。
【００４７】
図２に示すように、ＥＣＵ８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ８４、タイマカウンタ８５等と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路８６と、外部出力回路８７とが、双方向性バス８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００４８】
ＥＣＵ８０は、前記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これら信号に基づいてＥＣＵ８０に有するＣＰＵ８１において、ＲＯＭ８２に記憶されているプログラムから、エンジン１の燃料噴射等についての基本制御を行う他、還元剤（還元剤として機能する燃料）添加に係る燃料噴射の供給量の決定や添加時期等に関する還元剤（燃料）添加制御等、エンジン１の運転状態に関係する各種制御を行う。
【００４９】
尚、燃料噴射弁１３を通じて各気筒に燃料を供給する燃料供給系１０、排気系４０に備えられたＮＯｘ触媒やパティキュレートフィルタ、及びこれら燃料供給係１０やＮＯｘ触媒及びパティキュレートフィルタの機能を制御するＥＣＵ８０等は、併せて本実施の形態に係るエンジン１の排気浄化装置を構成する。前記燃料添加制御等は、当該制御に関する指令信号を出力するＥＣＵ８０を含め、この排気浄化装置を構成する各種部材の作動を通じて実施される。
【００５０】
次に、以上説明したエンジン１の構成要素のうち、排気系４０に設けられた触媒ケーシング４２について、その構成及び機能を詳しく説明する。
【００５１】
図３は、図１に示した触媒ケーシング４２を、その内部構造の一部と共に拡大して示す断面図である。触媒ケーシング４２は、その内部に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４２ｂを担持したパティキュレートフィルタ４２ａを収容する。
【００５２】
ＮＯｘ触媒４２ｂは、例えばアルミナ（ＡＬ₂Ｏ₃）を主材料とした担体とし、この担体の表面にＮＯｘ吸収剤として機能する、例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、のようなアルカリ土類金属、あるいはイットリウム（Ｙ）のような希土類と、酸化触媒（貴金属触媒）として機能する、例えば白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持されることによって構成される。
【００５３】
パティキュレートフィルタ４２ａは、例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気流入通路に流入した排気ガスは、端部が閉鎖されているために矢印で示されるように周囲の多孔質材料からなる隔壁を通り、隣接する排気流入通路に流出する。
【００５４】
尚、本実施の形態では、パティキュレートフィルタ４２ａの隔壁の表面上、及び隔壁の細孔の内壁面に、前記のアルミナ等からなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒とＮＯｘ吸収剤からなるＮＯｘ触媒４２ｂが担持されている。
【００５５】
ＮＯｘ吸収剤は、排気ガス中の酸素濃度が高い状態ではＮＯｘを保持し、排気ガス中の酸素濃度が低い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気ガス中にＮＯｘが放出されたとき、排気ガス中にＨＣやＣＯ等が存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣやＣＯはＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ₂に還元される。
【００５６】
また、ＮＯｘ触媒４２ｂを構成している貴金属触媒はＨＣの酸化を促して、ＨＣの酸化反応熱により床温を昇温する。
【００５７】
また、ＮＯｘ吸収剤は排気ガス中の酸素濃度が高い状態であるときにでも所定の限界量のＮＯｘを保持すると、それ以上ＮＯｘを保持しなくなる。エンジン１では、触媒ケーシング４２内に収容されたＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持量が限界に達する前に、排気通路の触媒ケーシング４２上流に還元剤を添加供給することで、ＮＯｘ触媒４２ｂを活性化して保持されたＮＯｘを還元浄化し、ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持能力を回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返す。
【００５８】
前記のパティキュレートフィルタ４２ａにおいては、その表面に担持するＮＯｘ触媒４２ｂが、ＮＯｘを保持、還元及び浄化を繰り返し行うことは上述した通りであるが、その一方、ＮＯｘ触媒４２ｂはこのようなＮＯｘの浄化を行う過程で昇温して、副次的に活性酸素を生成する特性を有する。パティキュレートフィルタ４２ａを排気ガスが通過する際にその排気ガス中に含まれる煤等のＰＭ成分は多孔質材料により、捕捉される。ここで、ＮＯｘ触媒４２ｂの生成する活性酸素は、酸化剤として極めて高い反応性（活性）を有するため、捕捉されたＰＭ成分は、燃料添加によって昇温した状態でこの活性酸素と輝炎を発することなく速やかに反応し、浄化されることとなる。
【００５９】
以下ＮＯｘ浄化について具体的に述べる。
【００６０】
一般に、ディーゼルエンジンでは、燃焼室内で燃焼に供される燃料及び空気の混合気の酸素濃度が、殆どの運転領域で高濃度状態にある。燃焼に供される混合気の酸素濃度は、燃焼に供された酸素を差し引いてそのまま排気ガス中の酸素濃度に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度（空燃比）が高ければ、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）も基本的には同様に高くなる。
【００６１】
一方、上述したように、ＮＯｘ触媒４２ｂは排気ガス中の酸素濃度が高ければＮＯｘを保持し、低ければＮＯｘをＮＯ₂若しくはＮＯに還元する特性を有するため、排気ガス中の酸素が高濃度にある限りＮＯｘを保持し続ける。但し、当該ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持量には限界が存在し、同ＮＯｘ触媒４２ｂが限界量のＮＯｘを保持した状態では、排気ガス中のＮＯｘは同ＮＯｘ触媒４２ｂに保持されず触媒ケーシング４２を素通りする。
【００６２】
ＮＯｘ触媒のＮＯｘ保持作用を復帰させるため、還元剤をＮＯｘ吸収材に添加する必要があるが、エンジンの構成上、通常の燃料噴射を行った場合に、酸素濃度が低い、すなわち還元剤である燃料を多量に含んだ排気ガスは排出され難い。
【００６３】
よって、内燃機関の燃焼室にて行われる動力転化用の主燃料噴射とは別に主に未燃焼燃料として燃料を噴射する副次的燃料噴射を行う方法や、排気通路に設けられ、排気ガス中に燃料を噴射する方法などにより燃料を排気ガス中に添加して排気ガス中の還元剤成分を増量させ、この還元成分によりＮＯｘ保持作用を復帰させる。
【００６４】
エンジン１のＥＣＵ８０は、ＮＯｘセンサ７５の出力信号に基づいてＮＯｘ触媒４２ｂ下流における排気ガス中のＮＯｘ濃度を連続的に観測する。ＮＯｘ触媒４２ｂによるＮＯｘの保持能力（保持効率）は、当該ＮＯｘ触媒４２ｂに保持されているＮＯｘ量が多くなるほど、言い換えれば、ＮＯｘ触媒４２ｂに保持されているＮＯｘ量が当該ＮＯｘ触媒４２ｂの保持し得るＮＯｘの最大量（飽和量）に近づくほど低くなる。すなわち、ＮＯｘ触媒４２ｂ内におけるＮＯｘの保持量が増大すれば、当該触媒ケーシング４２を素通りして下流に排出されるＮＯｘ濃度も上昇するようになる。こうした両者の推移様態には、十分な相関性があるため、ＮＯｘ濃度の推移様態に基づいてＮＯｘ触媒４２ｂ内におけるＮＯｘの保持量を把握することができる。
【００６５】
そこで、ＥＣＵ８０は、触媒ケーシング４２下流におけるＮＯｘ濃度が所定濃度を上回ったところで、ＮＯｘ触媒４２ｂ内のＮＯｘ保持量が所定量に達したものと判断して、燃料添加手段を用いて、排気ガス中に未燃焼燃料を含ませることにより、排気系４０の触媒ケーシング４２上流に燃料を添加して、触媒ケーシング４２内に流入する排気ガス中の還元成分量を一時的に増量し、空燃比を低下させて、触媒中のＮＯｘを還元剤である燃料と反応させて浄化する。
【００６６】
次に排気ガス中に含まれる微粒子（以下ＰＭと称す）の浄化について述べる。
【００６７】
ＮＯｘの浄化と同様に、ＰＭの浄化についても燃料を利用してこれを行うが、ＮＯｘ浄化は燃料の主成分であるＨＣとＮＯｘとの化学反応を利用して浄化を行うのに対し、ＰＭの浄化は主にＨＣを熱源として昇温させ、その温度によってＰＭ及び酸素（Ｏ₂）を活性化し、酸化させて浄化する。
【００６８】
よって、ＰＭの浄化に関しては添加された燃料をパティキュレートフィルタ４２ａでの熱源としての利用、すなわち燃料の燃焼反応性を基にしてその浄化を行う。
【００６９】
主な制御方法としては、アクセル開度センサ７６，クランク角センサ７７，タイマカウンタ８５等の出力信号等をバックアップＲＡＭ８４上に蓄積した運転履歴、及び排気通路中に設置された圧力センサ９０よりの信号等からＣＰＵ８１にてＲＯＭ８２に記憶してあるプログラムと比較して浄化方法である燃料添加を行うかどうかを判断する。
【００７０】
前記の燃料添加を行う方法についてもＮＯｘ触媒４２ｂにおける燃料添加と同様に、図４に示すよう、内燃機関の燃焼室にて行われる動力転化用の主燃料噴射の一部が燃焼工程後に噴射されることにより未燃焼燃料を発生させる副次的燃料噴射を行う方法（燃焼室中燃料添加手段）と、図５に示すよう、排気通路に燃料噴射装置を設けて、排気ガス中に直接燃料を噴射する方法（排気通路中燃料添加手段）とがある。前記の方法にはそれぞれ個々異なる特徴があるため、それら特徴も前記判断材料の１因子となる。
【００７１】
以下、前記の燃焼室中燃料添加手段と、排気通路中燃料添加手段とのそれぞれの特徴を述べる。
【００７２】
燃焼室中燃料添加手段については、
▲１▼燃焼室内にて燃料を噴射するため、燃焼室内の熱にて十分に気化すること、
▲２▼気化して活性化された状態の燃料が触媒ケーシング４２に流入するため、触媒床温が、気化して活性化された燃料が反応可能な最低限の温度である第１の温度（２００℃程度を想定）でも昇温反応可能であること、
▲３▼噴射量はアクセルペダル踏込量より要求される燃料量に左右され、直接的には噴射量を変化することができない、またその量も多量では無いこと、
▲４▼エンジンの負荷が大きい場合や、エンジン始動時等では副次的燃料噴射を行った場合にエンジンにトルク段差等が発生するため、これらの状態では燃料添加を行えないこと、
等が挙げられる。
【００７３】
排気通路中燃料添加手段については、
▲１▼排気通路中に噴射するため、排気通路内部温度が第２の温度（３００℃程度を想定）以上で無いと気化せずに排気通路内面に付着して液溜まりを形成する虞があること、
▲２▼噴射された燃料すべてが気化せずに、液滴状態のまま触媒ケーシング４２に流入する場合もあるため、フィルタ上で液滴を含む気体である燃料が完全な気体となるに必要な潜熱を奪っても、このフィルタ上で燃料が反応可能となる最低限の温度であって第１の温度より高温である第３の温度（２５０℃程度を想定）以上であること、
▲３▼エンジンに添加する燃料系統とは別系統での燃料噴射のため、エンジンの動作に影響されず、噴射量も直接制御可能であり、その量も多量とすることが可能であること、
等が挙げられる。
【００７４】
前記の特徴をまとめると燃焼室中燃料添加手段については、触媒床温が低くても燃料添加可能であるが、エンジンの運転状況に左右され、その噴射量も多くはなく、噴射量の調節も難しいということである。排気通路中燃料添加手段については、エンジンの運転状況に関係なく、噴射量も調節可能であるが、触媒床温はある程度高い状態が必要で、排気通路温度にも制約がある、と言うこととなる。
【００７５】
以上の条件を加味して燃料添加の可否についてのプログラムを説明する。先ず、ＰＭが蓄積して除去する必要があるとされた場合、温度センサ７４により触媒出ガス温度を測定する。ここで触媒出ガス温度を測るのは、触媒ケーシング４２が高温側（≧７００℃）にある場合に、燃料添加を行うことによって更に高温になり、結果的にＮＯｘ触媒４２ｂが熱劣化するのを防止することが主な目的である。
【００７６】
次に燃焼室中燃料添加の可否について説明する。前記の触媒出ガス温度を測定した後、アクセル開度センサ７６，クランク角センサ７７より、エンジン１の負荷が大きいかどうかを判断すると共に水温計（図外）よりエンジンの冷却水温を測定する。ここで水温を測るのは、特にエンジン１を始動した直後では回転が不安定であり、この状態では燃料添加を行えないため、エンジン１を始動後、暖機運転が終了したか否かの判断材料の一つとしてエンジンの冷却水温を採用した。次に触媒床温センサ７９より触媒床温を測定し所定の第１の温度（２００℃）以上なら燃焼室にて燃料添加を行う。
【００７７】
続いて排気通路中燃料添加の可否について説明する。同様に前記の触媒出ガス温度を測定した後、触媒流入排気温度センサ７８にて触媒入ガス温度を測定する。本来は燃料噴射位置での温度を測定するのが望ましいが、センサの配置等の問題から触媒入ガス温度を測定し、その値から燃料噴射位置の温度を推定する。触媒入ガス温度が所定の第２の温度（３００℃）以上ある場合には、次に触媒床温センサ７９により、触媒床温を測定し、所定の第３の温度（２５０℃）以上なら排気通路中にて燃料添加を行い、ＰＭ再生のための燃料添加制御を終了する。
【００７８】
以下、本実施の形態に係るエンジン１のＥＣＵ８０が実施する「燃料添加制御」に関し、具体的な処理手順について図６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００７９】
図６にはＰＭ再生制御を行うに当たり、その再生に要する燃料添加方法や添加量を制御するために実施される「パティキュレートフィルタＰＭ再生ルーチン」の処理内容を示す。このルーチン処理はＥＣＵ８０を通じてエンジン１の始動と同時にその実行が開始される。
【００８０】
処理がこのルーチンに移行すると、ＥＣＵ８０はステップＳ１０１において、ＰＭ再生が必要かどうかを、アクセル開度センサ７６、クランク角センサ７７、タイマカウンタ８５等のデータの蓄積より得られる運転履歴、及び圧力センサ９０等から再生制御が必要かどうかを判断し、必要なしと判断されればＳ１１２に進んで燃焼室中燃料添加及び排気通路中燃料添加を行うことなく、Ｓ１１３にて通常燃焼を実行して本ルーチンを終了し、必要であるならば次のステップへ進む。
【００８１】
次にＳ１０２において、触媒出ガス温度より、触媒ケーシング４２の状況を判断する。ここでは出ガス温度≧７００℃の場合はＳ１１２に進んで燃焼室中燃料添加及び排気通路中燃料添加を行うことなく、Ｓ１１３にて通常燃焼を実行して本ルーチンを終了し、出ガス温度＜７００℃の場合は次のステップに進む。
【００８２】
次にＳ１０３以下において、燃焼室中燃料添加が行えるかどうかを判断する。先ずＳ１０３では、エンジン１の冷却水温を測定する。、水温＜６０℃ならＳ１０７に進んで燃焼室中燃料添加を行うことなく、その後Ｓ１０８へ進み、水温≧６０℃なら次のステップへ進む。
【００８３】
次にＳ１０４において、エンジンの負荷状態を判断する。高負荷ならＳ１０７に進んで燃焼室中燃料添加を行うことなく、その後Ｓ１０８へ進み、低負荷なら次のステップへ進む。
【００８４】
次にＳ１０５において、触媒床温を測定する。触媒床温＜２００℃ならＳ１０７に進んで燃焼室中燃料添加を行うことなく、その後Ｓ１０８へ進み、触媒床温≧２００℃ならＳ１０６へ進んで燃焼室中燃料添加を行った後Ｓ１０８へ進む。
【００８５】
次にＳ１０８以下において、排気通路中燃料添加手段が行えるかどうかを判断する。先ず、Ｓ１０８にて触媒入ガス温度を測定する。入ガス温度＜３００℃ならＳ１１１に進んで排気通路中燃料添加を行うことなく本ルーチンを終了し、入ガス温度≧３００℃なら次のステップへ進む。
【００８６】
次のＳ１０９において、触媒床温を測定する。触媒床温＜２５０℃ならＳ１１１に進んで排気通路中燃料添加を行うことなく本ルーチンを終了し、触媒床温≧２５０℃ならＳ１１０へ進んで排気通路中燃料添加を行った後本ルーチンを終了する。
【００８７】
尚、本ルーチンにおいては燃焼室中燃料添加の可否を論じた後に、排気通路中燃料添加についての可否を論じたが、この二つの燃料添加はそれぞれ独立に行うものであり本来ならば並列関係にて表すものであるが、処理の都合上前記に示したように先ず燃焼室中燃料添加を行い、その後に排気通路中燃料添加を行うこととした。従って、逆に先に排気通路中燃料添加の可否を論じ、その後に燃焼室中燃料添加の可否を論じても実際の制御上では違いはない。
【００８８】
本実施の形態では各条件において所定の温度を定めたが、実際にはこの値に縛られるものでは無く、各内燃機関及び排気装置において固有の値があり、その値に準ずるものとする。また、前記ルーチンＳ１０８のステップにおいて触媒入ガス温度を判定条件としたが、これは前述の通り排気通路中の燃料噴射位置の温度を推定するための一手段であり、他の手段、例えば水温、吸気温、噴射量、回転数等から算出して温度を推定しても良い。要は燃料噴射位置の温度が推定可能ならば手段は問わないと言うことである。これは他の条件設定でも同様であり、例えばＳ１０３、Ｓ１０４のステップにおいては水温及びエンジンの負荷状態を論じているが、これはつまりはエンジンが副次的噴射を行えるかどうかの条件設定であって、Ｓ１０３，Ｓ１０４ではそれを表している一手段に過ぎない。
【００８９】
また、前記の燃焼室中燃料添加及び排気通路中燃料添加双方を実行可能な条件下においては、双方の燃料添加を行っても良く、どちらか一方のみを行っても良い。例えば排気系の温度条件が排気通路中燃料添加を行うのに十分な温度にある場合においても、エンジンがアイドリング状態であるならば燃焼室中燃料添加のみを行い、排気通路中燃料添加を行う必要はなく、逆にエンジンが高負荷状態と低負荷状態を交互に繰り返すような運転をしている場合等には、その低負荷時に燃焼室中燃料添加を行わなくとも排気通路中燃料添加のみでＰＭの再生を行うことは十分に可能である。
【発明の効果】
【００９０】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では排気ガス中のＰＭを酸化する機能を有したパティキュレートフィルタを昇温させる際に、内燃機関、及び排気系の諸条件に応じて、ＰＭを効率よくより正確に除去するために燃料添加を行うことが可能となる。
【００９１】
つまりは内燃機関の稼働状況、及び排気系の温度性状に応じてそれに適したＰＭの再生のための燃料添加方法を選択することにより、ＰＭがパティキュレートフィルタ上で燃焼される際の不安定性、及び、触媒ケーシングを通過する排気ガス成分の悪化、触媒ケーシングの添加燃料による詰まりを起こすことなく、ＰＭを燃焼させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施の形態に係るディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】同実施の形態に係る、ＥＣＵ周りの構成概念図。
【図３】同実施の形態に係る、触媒ケーシングの断面概念図。
【図４】同実施の形態に係る、燃焼室中燃料添加を示すエンジン及び排気系断面概略図。
【図５】同実施の形態に係る、燃排気通路中燃料添加を示すエンジン及び排気系断面概略図。
【図６】同実施の形態に係る、ＰＭ再生制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１エンジン（内燃機関）
１０燃料供給系
１１サプライポンプ
１２コモンレール（蓄圧室）
１３燃料噴射弁
１４制御弁
１７燃料添加ノズル
２０燃焼室
３０吸気系
３１インタークーラ
３２スロットル弁
４０排気系
４０ａ排気集合管
４０ｂ、ｃ排気通路
４２触媒ケーシング
４２ａパティキュレートフィルタ
４２ｂ吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）
４２ｃ栓詰め
４３噴射燃料溜まり
５０ターボチャージャ
５１シャフト
５２タービンホイール
５３コンプレッサ
６０ＥＧＲ通路
６１ＥＧＲ弁
６２ＥＧＲクーラ
７０レール圧センサ
７１燃焼センサ
７２エアフローメータ
７３空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
７４排気温度センサ
７５ＮＯｘセンサ
７６アクセル開度センサ
７７クランク角センサ
７８触媒流入排気温度センサ
８０電子制御装置（ＥＣＵ）
８１中央演算処理装置（ＣＰＵ）
８２読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）
８３ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
８４バックアップＲＡＭ
８５タイマカウンタ
８６外部入力回路
８７外部出力回路
８８双方向バス
９０圧力センサ
Ｐ１機関燃料通路
Ｐ２添加燃料通路

Claims

内燃機関の排気通路中に設けられ、排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタと、
内燃機関の燃焼室にて行われる動力転化用の主燃料噴射とは別に燃料を噴射する副次的燃料噴射を行う燃焼室中燃料添加手段と、
排気通路に設けられ、排気ガス中に燃料を噴射する排気通路中燃料添加手段とを備えた排気浄化装置において、
前記燃焼室にて副次的燃料噴射が可能であり、かつ前記フィルタ床温が気体燃料を酸化反応させる第１の温度以上である場合には、燃焼室中燃料添加手段により燃料添加を行い、
排気ガス温度が排気通路にて噴射された燃料を凝縮させない第２の温度以上であり、かつ前記フィルタ床温が液滴を含む気体燃料を酸化反応させる第３の温度以上である場合には、排気通路中燃料添加手段により燃料添加を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記燃焼室にて副次的燃料噴射噴射可能であり、かつ前記のフィルタ床温が気体燃料を酸化反応させる第１の温度、液滴を含む気体燃料を酸化反応させる第３の温度のそれぞれより高く、更に前記の排気通路温度が排気通路にて噴射された燃料を凝縮させない第２の温度以上である場合には、前記燃焼室中燃料添加手段と前記排気通路中燃料添加手段との一方、又は双方を用いて燃料添加することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記フィルタ床温である第１の温度は気体状の燃料が酸化反応可能な２００℃以上の温度であり、第３の温度は液滴を含む気体状の燃料が酸化反応可能な２５０℃以上の温度であり、かつ第３の温度が第１の温度より高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気ガス温度である第２の温度は排気通路中に噴射された燃料が凝縮しない３００℃以上の温度であることを特徴とする請求項１〜３何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記フィルタが、排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中の窒素酸化物を保持し、
前記酸素濃度が低下し、かつ還元剤である燃料が存在するときには保持していた窒素酸化物を還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持することを特徴とする請求項１〜４何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の排気通路に設けられた、排気ガス中の微粒子を捕集するフィルタに、内燃機関の燃焼室にて行われる動力転化用の主噴射燃料の他に副次的燃料を噴射して燃料添加する第１の方法と、
排気通路内の排気ガス中に直接燃料を噴射して燃料添加する第２の方法と、を適宜選択して燃料を添加する排気浄化方法において、
燃焼室にて副次的燃料噴射可能であり、かつ前記フィルタ床温が気体状の燃料が酸化反応可能である温度以上ならば前記未燃焼燃料を添加する第１の方法を採択し、
前記排気通路内の排ガス温度が排気通路中に噴射された燃料が凝縮しない温度以上であり、かつ前記フィルタ床温が液滴を含んだ気体状の燃料が酸化反応可能である温度以上ならば前記直接燃料を添加する第２の方法を採択する排気浄化方法。
燃焼室にて副次的燃料噴射可能であり、かつ前記フィルタ床温が気体状の燃料が酸化反応可能な温度及び液滴を含んだ気体状の燃料が酸化反応可能な温度各々より高く、更に前記排気通路内の排ガス温度が排気通路中に噴射された燃料が凝縮しない温度以上ならば前記未燃焼燃料を添加する第１の方法と前記直接燃料を添加する第２の方法との何れか一方、若しくは双方を採用する請求項６に記載の排気浄化方法。