JP4870179B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、内燃機関から排出される排気中に含まれるＮＯｘをリーン時に捕捉し、捕捉したＮＯｘをリッチ時に還元するＮＯｘ浄化触媒を備える排気浄化装置に関する。

なお、本発明において、「リッチ」という用語は、問題とする燃料の空気／燃料比率（以下、空燃比又はＡ／Ｆという）が化学量論的な空燃比よりも小さいことを意味し、「リーン」という用語は、問題とする燃料の空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを意味する。また、以下の説明において、内燃機関（以下、エンジンという）へ流入する混合気における空気と燃料の重量比をエンジン空燃比と定義し、排気通路内の空気と燃料との重量比を排気空燃比と定義する。

エンジンの排気通路に、三元触媒（以下、ＴＷＣという）や、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、ＬＮＴという）又はＮＯｘ吸着還元触媒（以下、ＬＮＣという）といったＮＯｘ浄化触媒を設置し、間欠的に排気Ａ／Ｆをリッチ又はリーンに切替え制御する技術が知られている。ＮＯｘ浄化触媒は、排気中のＮＯｘをリーン時に捕捉し、捕捉したＮＯｘをリッチ時に還元することにより、排気中のＮＯｘを浄化する。

排気Ａ／Ｆをリッチに制御する方法としては、スロットル弁を絞る等して吸入空気量を低減させたうえで、トルクに寄与する燃料噴射（以下、主噴射という）量を調整することにより排気Ａ／Ｆをリッチに制御する方法（以下、燃焼リッチという）と、エンジンの各気筒内が爆発工程から排気工程に移行した付近で、燃料噴射弁よりトルクに寄与しない付加燃料を気筒内に噴射（以下、ポスト噴射という）することにより、未燃の燃料を排気通路内に流通させて排気Ａ／Ｆをリッチにする方法（以下、ポストリッチという）が挙げられる。

また、エンジンの排気の一部を吸気に戻し、新気と排気を混合させることによりシリンダでの燃焼温度を低下させ、エンジンから排出されるＮＯｘを低減する技術（以下、ＥＧＲという）が知られている。このＥＧＲ技術によれば、還流する排気量（以下、ＥＧＲ量という）を増加させることにより、吸入空気量を低減させて排気Ａ／Ｆをリッチに制御することができ、ＮＯｘの排出量を低減することができる。

上記のＮＯｘ浄化触媒を用いた排気Ａ／Ｆの制御技術とＥＧＲ技術とを組み合わせ、更なるＮＯｘ排出量の低減を目的とした検討が進められている。例えば、ＮＯｘ浄化触媒の上流側からの排気の還流と、ＮＯｘ浄化触媒の下流側からの排気の還流との切替えを実行するＥＧＲ装置を備えた排気浄化装置が提案されている（特許文献１参照）。この排気浄化装置では、エンジンの低負荷時には、ＮＯｘ浄化触媒の上流側からの排気を還流させ、エンジンの高負荷時には、ＮＯｘ浄化触媒の下流側から排気を還流させるような制御が実行される。

また、過給機による過給を実施するエンジンに、上記のＮＯｘ浄化触媒を用いた排気Ａ／Ｆの制御技術とＥＧＲ技術を適用した検討も進められている。例えば、過給機による過給を実施するエンジンにおいて、タービンの上流から排気の一部を取り出して吸気通路に戻す高圧ＥＧＲ（以下、ＨＰ−ＥＧＲという）導入と、タービンの下流から排気の一部を取り出して吸気通路に戻す低圧ＥＧＲ（以下、ＬＰ−ＥＧＲという）導入が知られている（特許文献２〜４参照）。ＨＰ−ＥＧＲ通路とＬＰ−ＥＧＲ通路の切替えは、エンジン回転数やエンジン負荷等の運転状態に応じて実行される。

特許第２６７５４０５号公報 特開２００１−１４０７０３号公報 特開２００４−１５０３１９号公報 特開２００５−１２７２４７号公報

ところで、ＬＰ−ＥＧＲ導入は、ＮＯｘ排出量を低下させる目的でＥＧＲ量を増加させた場合、ＨＰ−ＥＧＲ導入に比してタービンに流入する排気量の減少を抑制できるため、過給効率が低下せず燃費の観点からは優れるものの、ＥＧＲ通路内を流通する排気の温度が比較的低いという特徴がある。

一方、排気中に含まれる炭化水素（以下、ＨＣという）は、排気温度が低下すると通路の壁面等に液体の状態で付着し易くなる。このため、ＥＧＲとして導入された排気の温度が低い場合には、ＥＧＲ通路の壁面やＥＧＲ制御バルブ等のデバイスにＨＣが付着し、ＥＧＲ通路の閉塞やバルブの固着等の不具合が生じ易くなる。

このため、上記特許文献においては、排気温度が比較的高くＥＧＲ通路等へのＨＣ付着が生じ難い中高負荷運転領域では、ＬＰ−ＥＧＲによるＥＧＲ導入を実行し、排気温度が比較的低くＨＣ付着が生じ易い低負荷運転領域では、ＨＰ−ＥＧＲによるＥＧＲ導入を実行している。

しかしながら、ＮＯｘ浄化触媒により捕捉されたＮＯｘを還元処理する場合には、エンジンの運転負荷によらず、ＮＯｘ浄化触媒により捕捉されたＮＯｘ量がある程度の量に達した時点で排気Ａ／Ｆをリッチ化する必要がある。また、排気Ａ／Ｆをリッチにした場合は、リーンにした場合に比して、排気中に含まれるＨＣ量が大幅に増加することから、リッチ中に排気温度の比較的低いＬＰ−ＥＧＲでのＥＧＲ導入を実行すると、ＥＧＲ通路等へのＨＣの付着が助長されてしまう。

さらには、排気Ａ／Ｆをリッチ化する際にポストリッチを実行した場合、ポストリッチは燃焼リッチに比して排気中のＨＣ濃度が高いため、ＥＧＲ通路等へのＨＣの付着が生じ易い。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気Ａ／Ｆのリッチ化に伴うＥＧＲ通路等へのＨＣの付着を抑制することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（４）に設けられたタービン（８１）の回転により前記内燃機関の吸気通路（２）に設けられたコンプレッサ（８２）を作動する過給機（８）を備える内燃機関の排気浄化装置であって、前記タービンの上流の排気の一部を前記吸気通路内に還流する第１ＥＧＲ通路（６）と、当該第１ＥＧＲ通路を介して還流される排気の流量を制御する第１ＥＧＲ制御手段（１１，４３）と、前記タービンの下流の排気の一部を前記吸気通路内に還流する第２ＥＧＲ通路（１０）と、当該第２ＥＧＲ通路を介して還流される排気の流量を制御する第２ＥＧＲ制御手段（１２，４４）と、前記第２ＥＧＲ通路の排気取り出し口より下流の排気通路内に設けられ、酸化雰囲気下でＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気下で浄化するＮＯｘ浄化触媒（３１）と、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気にする還元制御を所定の時期に実行する還元制御手段（４１）と、前記還元制御の実行時において、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比が所定の閾値以上である場合には、前記第２ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択し、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比が前記閾値より小さい場合には、前記第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択するＥＧＲ切替手段（４５）と、を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の排気浄化装置において、前記閾値を設定する閾値設定手段（４５）をさらに備え、前記閾値設定手段は、前記内燃機関の負荷が高いほど前記閾値をリッチ側に設定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の排気浄化装置において、前記閾値設定手段は、前記内燃機関の機関温度が高いほど前記閾値をリッチ側に設定することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の排ガス浄化装置において、前記閾値設定手段は、前記内燃機関で使用中の燃料のセタン価が高いほど前記閾値をリッチ側に設定することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項２から４いずれか記載の排ガス浄化装置において、前記還元制御手段は、主噴射量を増加することで前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気にする燃焼リッチによる還元制御と、ポスト噴射することで前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気にするポストリッチによる還元制御とを、前記内燃機関の運転状態に応じて選択的に実行し、前記閾値設定手段は、前記燃焼リッチによる還元制御の実行時には、前記ポストリッチによる還元制御の実行時よりも、前記閾値をリッチ側に設定することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気に制御する（即ち、排気空燃比をリッチ化する）還元制御実行時において、排気空燃比に応じて、ＨＰ−ＥＧＲに相当する第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御と、ＬＰ−ＥＧＲに相当する第２ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御との切替えを実行する。具体的には、還元制御実行時において、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比が所定の閾値以上である場合には、第２ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択し、排気空燃比が所定の閾値より小さい場合には、第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択する。
上述した通り、ＬＰ−ＥＧＲ通路に相当する第２ＥＧＲ通路は、ＨＰ−ＥＧＲ通路に相当する第１ＥＧＲ通路に比して、通路内を流通する排気の温度が比較的低い。このため、還元制御実行時において、排気空燃比が所定の閾値より小さい場合、即ち排気中のＨＣ量が大幅に増加する場合には、第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択することにより、第２ＥＧＲ通路内におけるＨＣ付着を抑制できる。
また、排気中のＨＣ濃度が高くなる排気空燃比低下時に限定して第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択するため、第１ＥＧＲ通路への不必要な切替えによる過給効率の低下を抑制でき、高い過給効率を実現できる。

請求項２記載の発明によれば、第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御と第２ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御との切替え判定に用いる排気空燃比の閾値を、エンジンの負荷が高いほどリッチ側に設定する。エンジンの負荷が高いほど排気温度が高くなるため、切替え判定に用いる排気空燃比の閾値をより小さい値、即ち、よりリッチ側に設定することにより、より適切な時期に限定して第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択できる。このため、第２ＥＧＲ通路内におけるＨＣの付着を抑制できるとともに、第１ＥＧＲ通路への不必要な切替えによる過給効率の低下を抑制でき、より高い過給効率を実現できる。

請求項３記載の発明によれば、第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御と第２ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御との切替え判定に用いる排気空燃比の閾値を、エンジンの機関温度が高いほどリッチ側に設定する。エンジンの機関温度が高いほど排気中のＨＣ濃度は低くなるため、切替え判定に用いる排気空燃比の閾値をより小さい値、即ち、よりリッチ側に設定することにより、より適切な時期に限定して第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択できる。このため、第２ＥＧＲ通路内におけるＨＣの付着を抑制できるとともに、第１ＥＧＲ通路への不必要な切替えによる過給効率の低下を抑制でき、より高い過給効率を実現できる。

請求項４記載の発明によれば、第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御と第２ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御との切替え判定に用いる排気空燃比の閾値を、エンジンで使用中の燃料のセタン価が高いほどリッチ側に設定する。燃料のセタン価が高いほど排気中のＨＣ濃度は低くなるため、切替え判定に用いる排気空燃比の閾値をより小さい値、即ち、よりリッチ側に設定することにより、より適切な時期に限定して第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択できる。このため、第２ＥＧＲ通路内におけるＨＣの付着を抑制できるとともに、第１ＥＧＲ通路への不必要な切替えによる過給効率の低下を抑制でき、より高い過給効率を実現できる。

請求項５記載の発明によれば、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気に制御するにあたり、燃焼リッチによる還元制御とポストリッチによる還元制御とを選択的に実行するとともに、燃焼リッチによる還元制御の実行時には、ポストリッチによる還元制御の実行時よりも、切替え判定に用いる排気空燃比の閾値をリッチ側に設定する。燃焼リッチ時は、ポストリッチ時に比して排気中のＨＣ濃度が低いため、切替え判定に用いる排気空燃比の閾値をより小さい値、即ち、よりリッチ側に設定することができ、より適切な時期に限定して第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択できる。このため、第２ＥＧＲ通路内におけるＨＣの付着を抑制できるとともに、第１ＥＧＲ通路への不必要な切替えによる過給効率の低下を抑制でき、より高い過給効率を実現できる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＥＣＵによるＥＧＲ切替処理の手順を示すフローチャートである。 ＥＧＲ領域判定マップを示す図である。 ＥＧＲ切替Ａ／Ｆとエンジン負荷との関係を示す図である。 ＥＧＲ切替Ａ／Ｆとエンジン水温との関係を示す図である。 ＥＧＲ切替Ａ／Ｆと燃料のセタン価との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。内燃機関（以下、エンジンという）１は、各気筒７の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒７には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）４０により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間は、ＥＣＵ４０により制御される。

エンジン１には、吸気が流通する吸気管２と、排気が流通する排気管４と、吸気管２に吸気を圧送する過給機８と、過給機８のタービン８１の上流の排気の一部を吸気マニホールド３内に還流する高圧ＥＧＲ通路６と、過給機８のタービン８１の下流の排気の一部を、吸気管２のうち過給機８の上流側に還流する低圧ＥＧＲ通路１０と、が設けられている。

吸気管２は、吸気マニホールド３の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールド５の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の排気ポートに接続されている。高圧ＥＧＲ通路６は、排気マニホールド５から分岐し吸気マニホールド３に至る。

過給機８は、排気管４に設けられたタービン８１と、吸気管２に設けられたコンプレッサ８２と、を備える。タービン８１は、排気管４を流通する排気の運動エネルギにより駆動される。コンプレッサ８２は、タービン８１により回転駆動され、吸気を加圧し吸気管２内へ圧送する。また、タービン８１は、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン８１のベーン開度は、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

吸気管２のうち過給機８の上流側には、エンジン１の吸入空気量を制御するスロットル弁９が設けられている。このスロットル弁９は、アクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。スロットル弁９により制御された吸入空気量は、エアフローメータ２１により検出される。

高圧ＥＧＲ通路６は、排気マニホールド５と吸気マニホールド３とを接続し、エンジン１から排出された排気の一部を還流する。高圧ＥＧＲ通路６には、還流する排気の流量を制御する高圧ＥＧＲ弁１１が設けられている。高圧ＥＧＲ弁１１は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

低圧ＥＧＲ通路１０は、排気管４と吸気管２とを接続し、排気管４のうち過給機８の下流側から、吸気管２のうち過給機８の上流側に排気の一部を還流する。低圧ＥＧＲ通路１０には、還流する排気の流量を制御する低圧ＥＧＲ弁１２が設けられている。低圧ＥＧＲ弁１２は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

排気管４のうち過給機８の下流側には、排気を浄化するＮＯｘ浄化触媒３１が設けられている。ＮＯｘ浄化触媒３１は、ＮＯｘを捕捉する能力を有する。以下に、ＮＯｘ浄化触媒３１におけるＮＯｘの浄化について説明する。
先ず、エンジン空燃比が理論空燃比よりリーン側である、いわゆるリーンバーン運転を行うと、ＮＯｘ浄化触媒３１へ流入する排気が酸化雰囲気となる。その結果、排気中のＮＯｘがＮＯｘ浄化触媒３１に捕捉される。
次に、エンジン空燃比が理論空燃比よりリッチ側となるリッチ運転を行うと、排気が還元雰囲気となる。その結果、ＮＯｘ浄化触媒３１に捕捉されているＮＯｘが還元されて浄化される。

ＥＣＵ４０には、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ（図示せず）、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ（図示せず）、エンジン１の冷却水温を検出する冷却水温センサ（図示せず）、エンジン１の各気筒７の燃焼室内における圧力を検出する筒内圧センサ（図示せず）、エンジン１の吸入空気量（単位時間当りにエンジン１に新規に吸入される空気量）を検出するエアフローメータ２１、ＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ（図示せず）、及びＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気の酸素濃度、即ち排気空燃比を検出するＵＥＧＯセンサ（全領域空燃比センサ）２２が接続されており、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ４０に供給される。
ここで、エンジン１の回転数は、クランク角度位置センサの出力に基づいてＥＣＵ４０により算出される。エンジン１の発生トルク、即ちエンジン１の負荷は、エンジン１の燃料噴射量に基づいてＥＣＵ４０により算出される。燃料噴射量は、アクセルセンサの出力に基づいてＥＣＵ４０により算出される。また、エンジン１で使用中の燃料のセタン価は、筒内圧センサ及びクランク角度位置センサの出力に応じて決定される燃料着火時期に基づいて算出する。

ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下、ＣＰＵという）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、スロットル弁９、高圧ＥＧＲ弁１１、低圧ＥＧＲ弁１２、過給機８、及びエンジン１の燃料噴射弁等に制御信号を出力する出力回路と、を備える。

以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ４０には、ＮＯｘ浄化触媒還元制御部４１と、ＥＧＲ制御部４２とのモジュールが構成される。以下、各モジュールの機能について説明する。

ＮＯｘ浄化触媒還元制御部４１は、ＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気を還元雰囲気にする還元制御を、所定の時期に実行する。具体的には、ＮＯｘ浄化触媒３１に捕捉されたＮＯｘ捕捉量を、吸入空気量、及び燃料噴射量等に基づいて推定し、推定されたＮＯｘ捕捉量が所定の判定値以上である場合に還元制御を実行する。

還元制御においては、排気温度、上述のようにして推定されたＮＯｘ捕捉量、還元制御を実行する時間、エンジン１の回転数、及びエンジン１の発生トルクのうち少なくとも１つに基づいて、ＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気の排気空燃比目標値を決定する。決定した排気空燃比目標値に排気空燃比が一致するように、エンジン１の吸入空気量、主噴射量、ポスト噴射量、高圧ＥＧＲ通路６又は低圧ＥＧＲ通路１０により還流される排気流量のうち少なくとも１つを調整する。

また、ＮＯｘ浄化触媒還元制御部４１は、主噴射量を増加することでＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気を還元雰囲気にする燃焼リッチによる還元制御と、ポスト噴射することでＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気にするポストリッチによる還元制御とを、エンジン１の運転状態に応じて選択的に実行する。具体的には、所定の実験に基づいて設定され、予めＥＣＵ４０に格納されたエンジン１の回転数と燃料噴射量をパラメータとした運転状態判定マップを参照して、エンジン１の回転数、及び燃料噴射量に基づいて高負荷運転状態であるか低負荷運転状態であるかを判定し、判定された運転状態に応じて選択的に実行する。

ＥＧＲ制御部４２は、高圧ＥＧＲ通路６を介して還流される排気の流量を制御する高圧ＥＧＲ制御部４３と、低圧ＥＧＲ通路１０を介して還流される排気の流量を制御する低圧ＥＧＲ制御部４４と、を含んで構成され、エンジン１の還流制御を行う。

高圧ＥＧＲ制御部４３は、高圧ＥＧＲ弁１１の開度を制御し、高圧ＥＧＲ通路６を介して還流される排気の流量を制御する。また、この高圧ＥＧＲ制御部４３により排気の還流制御を行っている間は、基本的には低圧ＥＧＲ弁１２を閉じておく。

低圧ＥＧＲ制御部４４は、低圧ＥＧＲ弁１２の開度を制御し、低圧ＥＧＲ通路１０を介して還流される排気の流量を制御する。また、この低圧ＥＧＲ制御部４４により排気の還流制御を行っている間は、基本的には高圧ＥＧＲ弁１１を閉じておく。

この他、ＥＧＲ制御部４２は、これら高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御と低圧ＥＧＲ制御部４４による排気の還流制御とを選択的に切り替えるＥＧＲ切替処理を実行するＥＧＲ切替部４５を備える。

ＥＧＲ切替部４５は、ＮＯｘ浄化触媒還元制御部４１による還元制御実行時において、ＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気の排気空燃比に応じて、高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御と低圧ＥＧＲ制御部４４による排気の還流制御との切替えを実行する。これにより、ＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気の排気空燃比が所定の閾値以上である場合には、高圧ＥＧＲ弁１１が閉じられて低圧ＥＧＲ弁１２が開かれることにより、低圧ＥＧＲ通路１０への切替えが実行される。また、排気空燃比が所定の閾値より小さい場合には、低圧ＥＧＲ弁１２が閉じられて高圧ＥＧＲ弁１１が開かれることにより、高圧ＥＧＲ通路６への切替えが実行される。

ここで、本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気の排気空燃比としては、ＵＥＧＯセンサ２２により検出された実測値を用いるが、上述のようにして決定された目標値であってもよい。

上記の閾値は、所定の実験により設定され、予めＥＣＵ４０に格納された閾値とエンジン１の負荷との関係に基づいて、エンジン１の負荷が高いほどリッチ側に設定する。エンジン１の負荷は、上述と同様にして高負荷運転状態であるか低負荷運転状態であるかを判定する。
また、閾値は、所定の実験により設定され、予めＥＣＵ４０に格納された閾値とエンジン１の冷却水温（即ち、機関温度）との関係に基づいて、エンジン１の冷却水温が高いほどリッチ側に設定する。
また、閾値は、所定の実験により設定され、予めＥＣＵ４０に格納された、閾値と使用中の燃料のセタン価との関係に基づいて、エンジン１で使用中の燃料のセタン価が高いほど、リッチ側に設定する。
また、上記の閾値は、所定の実験により設定され、予めＥＣＵ４０に格納された閾値とエンジン１の負荷との関係、閾値とエンジン１の冷却水温（即ち、機関温度）との関係、閾値と使用中の燃料のセタン価との関係に基づいて、燃焼リッチによる還元制御実行時には、ポストリッチによる還元制御実行時よりもリッチ側に設定する。

図２は、ＥＣＵ４０によるＥＧＲ切替処理の手順を示すフローチャートである。図２に示すように、ＥＣＵ４０によるＥＧＲ切替処理は、燃焼リッチ又はポストリッチによるリッチ化実行時（即ち、還元制御実行時）において、排気空燃比に応じて、高圧ＥＧＲ制御と低圧ＥＧＲ制御の選択が可能となっている。このＥＧＲ切替処理は、上述のＥＧＲ切替部４５により所定の周期で繰り返し実行される。

ステップＳ１では、リッチ化を実行するか否かを判断し、この判断がＮＯの場合にはステップＳ２に移り、ＹＥＳの場合にはステップＳ３に移る。具体的には、ＮＯｘ浄化触媒３１のＮＯｘ捕捉量を、吸入空気量及び燃料噴射量等に基づいて推定し、推定したＮＯｘ捕捉量が所定の判定値以上である場合にはリッチ化を実行する。

ステップＳ２では、リッチ化非実行時において、現在の運転状態が高圧ＥＧＲ領域であるか否かを判別する。より具体的には、この運転状態が高圧ＥＧＲ領域であるか否かは、図３に示すような制御マップに基づいて判別される。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ８に移り、高圧ＥＧＲ制御、即ち高圧ＥＧＲ通路６を介した排気の還流制御を選択する。また、この判別がＮＯの場合にはステップＳ７に移り、低圧ＥＧＲ制御、即ち低圧ＥＧＲ通路１０を介した排気の還流制御を選択する。

図３は、ＥＧＲ領域判定マップを示す図であり、上述のステップＳ２において参照される制御マップの一例を示す図である。このＥＧＲ領域判定マップは、所定の実験に基づいて設定され、ＥＣＵ４０に格納される。
図３に示すように、エンジン回転数及び負荷を、運転状態を表すパラメータとして、運転状態は、低圧ＥＧＲ制御が適した低圧ＥＧＲ領域と、高圧ＥＧＲ制御が適した高圧ＥＧＲ領域とに分けられる。この制御マップによれば、基本的には、負荷が小さい場合には高圧ＥＧＲ制御が選択され、負荷が大きい場合には低圧ＥＧＲ制御が選択される。また、高圧ＥＧＲ領域と低圧ＥＧＲ領域とを分ける判定ラインは、エンジン回転数が大きくなるに従い小さくなる。即ち、エンジン回転数が大きくなると、小さな負荷でも低圧ＥＧＲ制御が選択される。

図２に戻って、ステップＳ３では、実行しているリッチ化が、燃焼リッチであるかポストリッチであるかを判断する。この判断がＮＯの場合にはステップＳ４に移り、ＹＥＳの場合にはステップＳ５に移る。

ステップＳ４では、ポストリッチ実行時において、高圧ＥＧＲ制御と低圧ＥＧＲ制御との選択の判定に用いるＥＧＲ切替Ａ／Ｆを設定し、ステップＳ６に移る。具体的には、所定の実験により設定され、ＥＣＵ４０に予め格納されている、ＥＧＲ切替Ａ／Ｆとエンジン１の負荷との関係（図４参照）に基づいて、エンジン１の負荷が高いほどＥＧＲ切替Ａ／Ｆをリッチ側に設定する。また、所定の実験により設定され、ＥＣＵ４０に予め格納されている、ＥＧＲ切替Ａ／Ｆとエンジン１の冷却水温（以下、エンジン水温という）との関係（図５参照）に基づいて、エンジン水温が高いほどＥＧＲ切替Ａ／Ｆをよりリッチ側に補正して設定する。また、所定の実験により設定され、ＥＣＵ４０に予め格納されている、ＥＧＲ切替Ａ／Ｆとエンジン１で使用中の燃料のセタン価との関係（図６参照）に基づいて、セタン価が高いほどＥＧＲ切替Ａ／Ｆをさらにリッチ側に補正して設定する。
なお、図４〜図６に基づいて、ポストリッチ実行時におけるＥＧＲ切替Ａ／Ｆは、後述する燃焼リッチ実行時におけるＥＧＲ切替Ａ／Ｆよりも、リーン側に設定する。

ステップＳ５では、燃焼リッチ実行時において、高圧ＥＧＲ制御と低圧ＥＧＲ制御の選択の判定に用いるＥＧＲ切替Ａ／Ｆを設定し、ステップＳ６に移る。具体的には、上記ステップＳ４と同様に、図４に基づいて、エンジン１の負荷が高いほどＥＧＲ切替Ａ／Ｆをリッチ側に設定する。また、図５に基づいて、エンジン水温が高いほどＥＧＲ切替Ａ／Ｆをよりリッチ側に補正して設定する。また、図６に基づいて、セタン価が高いほどＥＧＲ切替Ａ／Ｆをさらにリッチ側に補正して設定する。
なお、図４〜図６に基づいて、燃焼リッチ実行時におけるＥＧＲ切替Ａ／Ｆは、上述のポストリッチ実行時におけるＥＧＲ切替Ａ／Ｆよりも、リッチ側に設定する。

ステップＳ６では、ＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気の実測Ａ／Ｆが、ステップＳ４又はステップＳ５で設定したＥＧＲ切替Ａ／Ｆよりも小さいか否かを判断する。この判断がＮＯの場合にはステップＳ７に移り、ＹＥＳの場合にはステップＳ８に移る。

ステップＳ７では、低圧ＥＧＲ制御、即ち低圧ＥＧＲ通路１０を介した排気の還流制御が選択され、ＥＣＵ４０によるＥＧＲ切替処理を終了する。

ステップＳ８では、高圧ＥＧＲ制御、即ち高圧ＥＧＲ通路６を介した排気の還流制御が選択され、ＥＣＵ４０によるＥＧＲ切替処理を終了する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気を還元雰囲気に制御する（即ち、排気空燃比をリッチ化する）還元制御実行時において、排気空燃比に応じて、高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御と、低圧ＥＧＲ制御部４４による排気の還流制御の切替えを実行する。具体的には、還元制御実行時において、ＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気の排気空燃比が所定の閾値以上である場合には、低圧ＥＧＲ制御部４４による排気の還流制御を選択し、排気空燃比が所定の閾値より小さい場合には、高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御を選択する。
上述した通り、低圧ＥＧＲ通路１０は、高圧ＥＧＲ通路６に比して、通路内を流通する排気の温度が比較的低い。このため、還元制御実行時において、排気空燃比が所定の閾値より小さい場合、即ち排気中のＨＣ量が大幅に増加する場合には、高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御を選択することにより、低圧ＥＧＲ通路１０内におけるＨＣ付着を抑制できる。
また、排気中のＨＣ濃度が高くなる排気空燃比低下時に限定して高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御を選択するため、高圧ＥＧＲ通路１０への不必要な切替えによる過給効率の低下を抑制でき、高い過給効率を実現できる。

また、本実施形態によれば、高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御と低圧ＥＧＲ制御部４４による排気の還流制御の選択の判定に用いる排気空燃比の閾値を、エンジン１の負荷が高いほどリッチ側に設定する。エンジン１の負荷が高いほど排気中のＨＣ濃度は低くなるため、判定に用いる排気空燃比の閾値をより小さい値、即ち、よりリッチ側に設定することにより、より適切な時期に限定して高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御を選択できる。このため、低圧ＥＧＲ通路１０内におけるＨＣの付着を抑制できるとともに、高圧ＥＧＲ通路６への不必要な切替えによる過給効率の低下を抑制でき、より高い過給効率を実現できる。

また、本実施形態によれば、高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御と低圧ＥＧＲ制御部４４による排気の還流制御の選択の判定に用いる排気空燃比の閾値を、エンジン１の機関温度が高いほどリッチ側に設定する。エンジン１の機関温度が高いほど排気中のＨＣ濃度は低くなるため、判定に用いる排気空燃比の閾値をより小さい値、即ち、よりリッチ側に設定することにより、より適切な時期に限定して高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御を選択できる。このため、低圧ＥＧＲ通路１０内におけるＨＣの付着を抑制できるとともに、高圧ＥＧＲ通路６への不必要な切替えによる過給効率の低下を抑制でき、より高い過給効率を実現できる。

また、本実施形態によれば、高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御と低圧ＥＧＲ制御部４４による排気の還流制御の選択の判定に用いる排気空燃比の閾値を、エンジン１で使用中の燃料のセタン価が高いほどリッチ側に設定する。燃料のセタン価が高いほど排気中のＨＣ濃度は低くなるため、判定に用いる排気空燃比の閾値をより小さい値、即ち、よりリッチ側に設定することにより、より適切な時期に限定して高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御を選択できる。このため、低圧ＥＧＲ通路１０内におけるＨＣの付着を抑制できるとともに、高圧ＥＧＲ通路６への不必要な切替えによる過給効率の低下を抑制でき、より高い過給効率を実現できる。

また、本実施形態によれば、ＮＯｘ浄化触媒３１に流入する排気を還元雰囲気に制御するにあたり、燃焼リッチによる還元制御とポストリッチによる還元制御とを選択的に実行するとともに、燃焼リッチによる還元制御の実行時には、ポストリッチによる還元制御の実行時よりも、判定に用いる排気空燃比の閾値をリッチ側に設定する。燃焼リッチ時は、ポストリッチ時に比して排気中のＨＣ濃度が低いため、判定に用いる排気空燃比の閾値をより小さい値、即ち、よりリッチ側に設定することができ、より適切な時期に限定して高圧ＥＧＲ制御部４３による排気の還流制御を選択できる。このため、低圧ＥＧＲ通路１０内におけるＨＣの付着を抑制できるとともに、高圧ＥＧＲ通路６への不必要な切替えによる過給効率の低下を抑制でき、より高い過給効率を実現できる。

本実施形態では、ＥＣＵ４０が、第１ＥＧＲ制御手段の一部、第２ＥＧＲ制御手段の一部、ＥＧＲ切替手段、還元制御手段、及び閾値設定手段を構成する。具体的には、ＥＣＵ４０の高圧ＥＧＲ制御部４３及び高圧ＥＧＲ弁１１が第１ＥＧＲ制御手段に相当し、ＥＣＵ４０の低圧ＥＧＲ制御部４４及び低圧ＥＧＲ弁１２が第２ＥＧＲ制御手段に相当し、ＥＣＵ４０のＥＧＲ切替部４５がＥＧＲ切替手段に相当し、ＥＣＵ４０のＮＯｘ浄化触媒還元制御部４１が還元制御手段に相当する。また、図２のステップＳ４及びステップＳ５の実行に係る手段が閾値設定手段に相当する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。例えば、本発明に係るＥＧＲ切替処理は、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘを除去する場合のみならず、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたサルファを除去する場合にも適用できる。

１…エンジン（内燃機関）
２…吸気管（吸気通路）
３…吸気マニホールド（吸気通路）
４…排気管（排気通路）
５…排気マニホールド（排気通路）
６…高圧ＥＧＲ通路（第１ＥＧＲ通路）
１１…高圧ＥＧＲ弁（第１ＥＧＲ制御手段）
１０…低圧ＥＧＲ通路（第２ＥＧＲ通路）
１２…低圧ＥＧＲ弁（第２ＥＧＲ制御手段）
８…過給機
８１…タービン
８２…コンプレッサ
９…スロットル弁
２１…エアフローメータ
２２…ＵＥＧＯセンサ
３１…ＮＯｘ浄化触媒
４０…ＥＣＵ（還元制御手段、第１ＥＧＲ制御手段、第２ＥＧＲ制御手段、ＥＧＲ切替手段、閾値設定手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられたタービンの回転により前記内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを作動する過給機を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記タービンの上流の排気の一部を前記吸気通路内に還流する第１ＥＧＲ通路と、
   当該第１ＥＧＲ通路を介して還流される排気の流量を制御する第１ＥＧＲ制御手段と、
   前記タービンの下流の排気の一部を前記吸気通路内に還流する第２ＥＧＲ通路と、
   当該第２ＥＧＲ通路を介して還流される排気の流量を制御する第２ＥＧＲ制御手段と、
   前記第２ＥＧＲ通路の排気取り出し口より下流の排気通路内に設けられ、酸化雰囲気下でＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気下で浄化するＮＯｘ浄化触媒と、
   前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気にする還元制御を所定の時期に実行する還元制御手段と、
   前記還元制御の実行時において、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比が所定の閾値以上である場合には、前記第２ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択し、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比が前記閾値より小さい場合には、前記第１ＥＧＲ制御手段による排気の還流制御を選択するＥＧＲ切替手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記閾値を設定する閾値設定手段をさらに備え、
   前記閾値設定手段は、前記内燃機関の負荷が高いほど前記閾値をリッチ側に設定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。
3. 前記閾値設定手段は、前記内燃機関の機関温度が高いほど前記閾値をリッチ側に設定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記閾値設定手段は、前記内燃機関で使用中の燃料のセタン価が高いほど前記閾値をリッチ側に設定することを特徴とする請求項２又は３記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記還元制御手段は、主噴射量を増加することで前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気にする燃焼リッチによる還元制御と、ポスト噴射することで前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気を還元雰囲気にするポストリッチによる還元制御とを、前記内燃機関の運転状態に応じて選択的に実行し、
   前記閾値設定手段は、前記燃焼リッチによる還元制御の実行時には、前記ポストリッチによる還元制御の実行時よりも、前記閾値をリッチ側に設定することを特徴とする請求項２から４いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。

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