JP5115656B2

JP5115656B2 - 内燃機関の排気処理方法およびその装置

Info

Publication number: JP5115656B2
Application number: JP2011515006A
Authority: JP
Inventors: 三樹男井上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: JPWO2012025950A1; US20120042632A1; CN102510936A; WO2012025950A1

Description

本発明は、排気タービン式過給機や排気浄化装置が設けられた内燃機関において、排気浄化装置に導かれる排気の処理方法およびその装置に関する。

近年、内燃機関に対する厳しい排気規制に対処するため、内燃機関の始動時に排気浄化装置を活性化させておき、暖機時においても排気を確実に浄化することが必要となっている。このため、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に排気加熱装置を組み込んだ内燃機関が特許文献１にて提案されている。この排気加熱装置は、内燃機関の暖機運転に先立って高温の燃焼ガスを排気浄化装置に供給し、その活性化を行ってから内燃機関を始動させ、その暖機を開始するようにしている。このため、排気加熱装置は、燃料を内燃機関の燃焼室とは別に独立して排気通路へと供給する燃料供給弁と、この燃料を加熱して排気通路にて着火させることにより、燃焼ガスを生成させるグロープラグなどの着火装置とを一般的に有する。

特表２００３−５２２８７５号公報

特許文献１に開示された従来の排気加熱装置は、内燃機関が停止状態にある場合にのみ機能させるものである。従って、内燃機関の冷態時においては、その始動操作を開始してから内燃機関の暖機が実際に終了するまで長時間を費やすことになり、燃料の無駄な消費が多くなってしまう。しかも、内燃機関の停止時に燃焼ガスを排気浄化装置へと送り込むための送風機などの二次空気の供給源をエンジンルームに組み込む必要があり、これを設置するための比較的大きなスペースを確保しなければならず、エンジンルームのコンパクト化が阻害される。また、内燃機関の運転中にこの排気加熱装置を作動させると、排気通路を流れる排気の流速によって火炎が失火してしまうため、内燃機関の運転中に排気浄化装置が不活性になった場合や、その活性状態を維持するために排気加熱装置を利用することができない。

本発明の目的は、排気浄化装置よりも上流側の排気通路にここを流れる排気を加熱するための排気加熱装置が組み込まれた内燃機関において、この排気加熱装置をさらに有効利用することを可能にする排気処理方法を提供することにある。また、この方法を実現し得る排気処理装置を提供することも本発明の目的に含まれる。

本発明の第１の形態は、排気タービン式過給機の排気タービンよりも上流側の排気通路から分岐すると共に前記排気タービンと排気浄化装置との間に位置する排気通路にて合流する排気のバイパス通路を開閉するためのバイパス弁と、前記バイパス通路と前記排気通路との分岐部分よりも上流側の前記排気通路に燃料を供給する燃料供給弁と、この燃料供給弁から供給された燃料を前記バイパス通路と前記排気通路との分岐部分よりも上流側の前記排気通路にて着火させるための着火手段とを具える内燃機関が搭載された車両において、前記排気浄化装置へと導かれる排気を処理するための方法であって、前記バイパス弁を開弁すると共に前記着火手段を作動させ、前記燃料供給弁から前記排気通路に燃料を供給してこれを着火させる第１の排気処理モードと、前記バイパス弁を閉弁し、前記着火手段を作動させずに燃料を前記燃料供給弁から前記排気通路に供給する第２の排気処理モードと、前記着火手段によって燃料を着火させた場合にこれが失火するか否かを判定するステップと、燃料が失火しないと判断した場合に前記第１の排気処理モードを選択し、燃料が失火すると判断した場合に前記第２の排気処理モードを選択するステップとを具えたことを特徴とするものである。

本発明においては、燃料を着火装置にて着火して得られる高温の燃焼ガスが失火しないような車両の運転状態の場合、第１の排気処理モードが選択される。この第１の排気処理モードにおいては、高温の燃焼ガスがバイパス通路から排気浄化装置へと導かれ、その活性化を促進させる。逆に、燃料を着火装置にて着火して得られる高温の燃焼ガスが失火するような車両の運転状態の場合、第２の排気処理モードが選択される。この第２の排気処理モードにおいては、燃料供給弁から供給された燃料が排気タービンを介して内燃機関からの排気と均一に混合された状態となって排気浄化装置へと導かれる。

本発明の第１の形態による排気処理方法において、燃料が失火するか否かを判定するステップは、排気温を検出するステップと、排気浄化装置に流入する排気の流量を検出するステップと、排気中の酸素濃度を検出するステップとを含むことができる。また、バイパス弁を閉弁すると共に着火手段を作動させず、燃料供給弁から排気通路に燃料を供給しない第３の排気処理モードと、検出された排気温が予め設定した温度を越えている場合に第３の排気処理モードを選択するステップとをさらに具えることができる。

燃料が失火するか否かを判定するステップは、車両が減速中または内燃機関がアイドリング状態であるか否かを判定するステップを含むことができる。ここで、車両が減速中または内燃機関がアイドリング状態であると判定した場合に燃料が失火せず、車両が減速中でも内燃機関がアイドリング状態でもないと判定した場合に燃料が失火すると判定するものであってよい。また、バイパス弁を閉弁すると共に着火手段を作動させず、燃料を供給しない第３の排気処理モードと、排気温を検出するステップと、検出された排気温が予め設定した温度を越えた場合に第３の排気処理モードを選択するステップとをさらに具えることができる。

第１の排気処理モードから第２または第３の排気処理モードに移行した場合の排気温の変化に基づいてバイパス弁の開閉動作の異常の有無を判定するステップをさらに具えることができる。また、バイパス弁の開閉動作の異常の有無を判定するステップは、第１の排気処理モードから第２または第３の排気処理モードに移行した際に排気温が低下していない場合、バイパス弁の開閉動作が異常であると判定するものであってよい。

本発明の第２の形態は、排気タービン式過給機および排気浄化装置が組み込まれ、内燃機関から前記排気浄化装置へと導かれる排気を処理するための装置であって、前記排気タービン式過給機の排気タービンよりも上流側に位置する排気通路から分岐すると共にこの排気タービンと前記排気浄化装置との間に位置する排気通路にて合流して排気のバイパス通路を画成するバイパス管と、このバイパス管に取り付けられて前記バイパス通路を開閉するためのバイパス弁と、このバイパス弁の開閉動作を行うためのアクチュエーターと、前記排気通路と前記バイパス通路との分岐部分よりも上流側に位置する排気通路に向けて燃料を供給する燃料供給弁と、この燃料供給弁から前記排気通路に供給された燃料を前記排気通路と前記バイパス通路との分岐部分よりも上流側にて着火させるための着火手段と、前記アクチュエーターおよび燃料供給弁および着火手段の作動をそれぞれ制御する制御手段とを具え、前記制御手段は、前記着火手段によって燃料を着火させた場合にその着火の可否を判定する着火可否判定部と、前記バイパス弁を開弁すると共に前記着火手段を作動させ、前記燃料供給弁から前記排気通路に燃料を供給してこれを着火させる第１の排気処理モードか、または前記バイパス弁を閉弁し、前記着火手段を作動させずに燃料を前記燃料供給弁から前記排気通路に供給する第２の排気処理モードを前記着火可否判定部の判定結果に基づいて選択する処理モード選択部と有することを特徴とするものである。

本発明においては、燃料を着火装置にて着火して得られる高温の燃焼ガスが失火しないような車両の運転状態の場合、第１の排気処理モードが選択されて高温の燃焼ガスがバイパス通路から排気浄化装置へと導かれ、その活性化を促進させる。逆に、燃料を着火装置にて着火して得られる高温の燃焼ガスが失火するような車両の運転状態の場合、第２の排気処理モードが選択される。この第２の排気処理モードにおいては、燃料供給弁から供給された燃料が排気タービンを介して内燃機関からの排気と均一に混合された状態となって排気浄化装置へと導かれる。

本発明の第２の形態による排気処理装置において、排気通路の温度を検出するための排気温センサーと、排気浄化装置に流入する排気の流量を検出するための排気流量センサーと、排気中の酸素濃度を検出するＯ_２センサーとをさらに具えることができる。この場合、制御手段の着火可否判定部は、検出された排気温と排気流量と酸素濃度とに基づいて燃料の着火の可否を判定するものであってよい。また、制御手段の処理モード選択部は、排気温センサーによって検出された排気温が予め設定した温度を越えている場合にバイパス弁を閉弁すると共に着火手段を作動させず、燃料も供給しない第３の排気処理モードを選択するものであってよい。

内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段をさらに具え、制御手段の着火可否判定部は、負荷検出手段によって検出される負荷が軽負荷以下の場合に燃料が失火せず、それ以外の場合に燃料が失火すると判定するものであってよい。また、排気通路の温度を検出するための排気温センサーをさらに具えることができる。ここで、制御手段の処理モード選択部は、排気温センサーによって検出された排気温が予め設定した温度を越えた場合にバイパス弁を閉弁すると共に着火手段を作動させず、しかも排気通路に燃料を供給しない第３の排気処理モードを選択するものであってよい。

制御手段は、第１の排気処理モードから第２または第３の排気処理モードに移行した場合の排気温の変化に基づいてバイパス弁の開閉動作の異常の有無を判定する故障判定部をさらに有することができる。この故障判定部は、第１の排気処理モードから第２または第３の排気処理モードに移行した際に排気温が低下していない場合、バイパス弁の開閉動作が異常であると判定するものであってよい。

本発明によると、従来のものよりも冷態時の排気浄化装置の暖機運転時間を短縮させることができ、二次空気の供給源も不要となる。また、内燃機関が運転中であっても、燃料供給弁および着火手段を利用して排気浄化装置の活性状態を維持させることが可能である。

排気温と排気流量と酸素濃度とに基づき、燃料の着火が可能な場合に第１の排気処理モードを選択することにより、高温の燃焼ガスを失火させことなく効率よく排気浄化装置へと導くことができる。また、燃料の継続的な燃焼が不可能な場合に第２の排気処理モードを選択することにより、排気タービンを利用して燃料を均一に拡散させた状態で排気浄化装置へと導くことができる。

検出された排気温が予め設定した温度を越えた場合、バイパス弁を閉弁すると共に着火手段を作動させず、燃料供給弁から排気通路に燃料を供給しない第３の排気処理モードとを選択することにより、無駄な燃料の消費を抑えることができる。

第１の排気処理モードから第２または第３の排気処理モードに移行した場合の排気温の変化に基づいてバイパス弁の開閉動作の異常の有無を判定することができる。より具体的には、第１の排気処理モードから第２または第３の排気処理モードに移行した際に排気温が低下していない場合、バイパス弁の開閉動作が異常であると判定することができる。

内燃機関の負荷が軽負荷以下の場合に燃料が失火せず、それ以外の場合に燃料が失火すると判定する場合、例えば車両が減速中または内燃機関がアイドリング状態の場合に第１の排気処理モードを選択する。これにより、高温の燃焼ガスを失火させことなく効率よく排気浄化装置へと導くことができる。また、車両が減速中でも内燃機関がアイドリング状態でもない場合に第２の排気処理モードを選択することにより、排気タービンを利用して燃料を均一に拡散させた状態で排気浄化装置へと導くことができる。

図１は、本発明を圧縮点火方式の内燃機関に応用した一実施形態の概念図である。図２は、図１に示した実施形態における主要部の制御ブロック図である。図３は、吸気量と排気温と酸素濃度と着火領域との関係を模式的に表すマップである。図４は、図１に示した実施形態の制御手順を表すフローチャートである。図５は、本発明の他の実施形態の制御手順を表すフローチャートである。

本発明を圧縮点火方式の内燃機関に応用した実施形態について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、要求される特性に応じてその構成を自由に変更することが可能である。例えば、ガソリンやアルコールまたはＬＮＧ（液化天然ガス）などを燃料としてこれを点火プラグにて着火させる火花点火方式の内燃機関に対しても本発明は有効である。

本実施形態におけるエンジンシステムの主要部を模式的に図１に示し、その制御ブロックを図２に示すが、図１にはエンジン１０の吸排気のための動弁機構や消音器などを便宜的に省略していることに注意されたい。

エンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１０ａ内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火方式の内燃機関である。

燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に供給される燃料の量および噴射タイミングは、運転者によるアクセルペダル１２の踏み込み量を含む車両の運転状態に基づいてＥＣＵ(Electronic Control Unit)１３により制御される。アクセルペダル１２の踏み込み量は、アクセル開度センサー１４により検出され、その検出情報がＥＣＵ１３に出力される。

ＥＣＵ１３は、このアクセル開度センサー１４や後述する各種センサーなどからの情報に基づき、車両の運転状態を判定する運転状態判定部１３ａと、燃料噴射量設定部１３ｂと、燃料噴射弁駆動部１３ｃとを有する。燃料噴射量設定部１３ｂは、運転状態判定部１３ａでの判定結果に基づいて燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量や噴射時期を設定する。燃料噴射弁駆動部１３ｃは、燃料噴射量設定部１３ｂにて設定された量の燃料が設定された時期に燃料噴射弁１１から噴射されるように、燃料噴射弁１１の作動を制御する。

燃焼室１０ａにそれぞれ臨む吸気ポート１５ａおよび排気ポート１５ｂが形成されたシリンダーヘッド１５には、吸気ポート１５ａを開閉する吸気弁１６ａおよび排気ポート１５ｂを開閉する排気弁１６ｂを含む図示しない動弁機構が組み込まれている。先の燃料噴射弁１１もこのシリンダーヘッド１５に組み込まれている。

吸気ポート１５ａに連通するようにシリンダーヘッド１５に連結されて吸気ポート１５ａと共に吸気通路１７ａを画成する吸気管１７には、スロットルアクチュエーター１８を介して吸気通路１７ａの開度を調整するためのスロットル弁１９が組み込まれている。ＥＣＵ１３は、スロットル開度設定部１３ｄと、スロットル弁駆動部１３ｅとをさらに有する。スロットル開度設定部１３ｄは、先の運転状態判定部１３ａでの判定結果に基づいてスロットル弁１９の開度を設定する。スロットル弁駆動部１３ｅは、スロットル弁１９がスロットル開度設定部１３ｄにて設定された開度となるように、スロットルアクチュエーター１８の作動を制御する。

ピストン２０ａが往復動するシリンダーブロック２０には、連接棒２０ｂを介してピストン２０ａが連結されるクランク軸２０ｃの回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ１３に出力するクランク角センサー２１が取り付けられている。ＥＣＵ１３の運転状態判定部１３ａは、このクランク角センサー２１からの情報に基づき、クランク軸２０ｃの回転位相やエンジン回転数の他に車両の走行速度などを実時間で把握する。

エンジン１０には、排気通路２２ａ内を流れる排気の一部を吸気通路１７ａに導くＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気還流）装置２３と、排気タービン式過給機２４と、排気浄化装置２５と、排気処理装置２６とが組み込まれている。

排気中の窒素酸化物の低減や燃費の向上を企図したＥＧＲ装置２３は、ＥＧＲ通路２７ａを画成するＥＧＲ管２７と、このＥＧＲ管２７に設けられてＥＧＲ通路２７ａを流れる排気の流量を制御するＥＧＲ弁２８とを具えている。ＥＧＲ管２７は、排気ポート１５ｂと共に排気通路２２ａを画成する排気管２２に一端が連通すると共に他端が上述したスロットル弁１９とこのスロットル弁１９よりも下流側に配されたサージタンク１７ｂとの間の吸気通路１７ａに連通している。

本実施形態では、エンジン１０を搭載した車両が予め設定されたＥＧＲ運転領域にあることをＥＣＵ１３の運転状態判定部１３ａが判定した場合、この時の車両の運転状態に応じてＥＧＲ弁２８の開度がＥＣＵ１３のＥＧＲ量設定部１３ｆにて設定される。ＥＣＵ１３のＥＧＲ弁駆動部１３ｇは、ＥＧＲ弁２８をＥＧＲ量設定部１３ｆにて設定された開度に制御し、それ以外の場合は基本的にＥＧＲ通路２７ａを塞ぐように閉じた状態にＥＧＲ弁２８を駆動する。

排気タービン式過給機（以下、単に過給機と記述する）２４は、排気通路２２ａを流れる排気の運動エネルギーを利用して燃焼室１０ａへの過給を行い、吸気の充填効率を高めるためのものである。この過給機２４は、コンプレッサー２４ａとこのコンプレッサー２４ａと一体に回転する排気タービン２４ｂとで主要部が構成されている。コンプレッサー２４ａは、スロットル弁１９よりも上流側に位置する吸気管１７の途中に組み込まれている。排気タービン２４ｂは、排気ポート１５ｂに連通するようにシリンダーヘッド１５に連結された排気管２２の途中に組み込まれている。なお、高温の排気にさらされる排気タービン２４ｂ側からの伝熱によりコンプレッサー２４ａを介して加熱される吸気温を低下させるため、コンプレッサー２４ａとスロットル弁１９との間の吸気通路１７ａの途中には、インタークーラー２４ｃが組み込まれている。また、上述したＥＧＲ管２７の一端は、排気タービン２４ｂよりも上流の排気管２２に接続している。

燃焼室１０ａ内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための排気浄化装置２５は、過給機２４の排気タービン２４ｂよりも下流側の排気通路２２ａを画成する排気管２２に組み込まれている。本実施形態における排気浄化装置２５は、排気通路２２ａの上流側から順に酸化触媒コンバーター２５ａと、ＤＰＦ２５ｂと含むが、さらにＮＯｘ触媒などの他の触媒コンバーターを追加することも可能である。酸化触媒コンバーター２５ａは排気中の未燃成分を酸化分解させるためのものであり、ＤＰＦ２５ｂは排気中に含まれる粒子状物質を捕集してこれを無害化させるためのものである。

排気処理装置２６は、エンジン１０から排気浄化装置２５に導かれる排気を処理し、排気浄化装置２５の迅速な活性化および活性状態の保持を行うためのものであるが、先のＤＰＦ２５ｂの再生処理にも利用可能である。本実施形態における排気処理装置２６は、燃料供給弁２９と、グロープラグ３０と、バイパス管３１と、バイパス弁３２と、バイパス弁アクチュエーター３３とを具えている。さらに、この排気処理装置２６を円滑に制御するため、先のＥＣＵ１３と、エアーフローメーター３４と、第１および第２の排気温センサー３５，３６と、Ｏ_２センサー３７とが用いられる。

本発明の排気流量センサーとしてのエアーフローメーター３４は、過給機２４のコンプレッサー２４ａよりも上流側に位置する吸気管１７の部分に取り付けられ、吸気通路１７ａを流れる吸気の流量を検出してこれをＥＣＵ１３に出力する。このエアーフローメーター３４に代えて同じ構成の排気流量センサーをバイパス管３１との合流部よりも下流側かつ排気浄化装置２５よりも上流側に位置する排気管２２の部分に取り付けるようにしてもよい。第１の排気温センサー３５は、ＥＧＲ管２７の一端との接続部分よりも下流側かつ燃料供給弁２９の取り付け位置よりも上流側に位置する排気通路２２ａ内の温度Ｔ_１ｎを検出してこれをＥＣＵ１３に出力する。第２の排気温センサー３６は、バイパス管３１との合流部よりも下流かつ排気浄化装置２５よりも上流に位置する排気管２２の部分に取り付けられている。従って、この第２の排気温センサー３６は、排気浄化装置２５に流入する直前の排気通路２２ａを流れる排気温Ｔ_２ｎを検出し、その検出情報をＥＣＵ１３に出力する。この第１の排気温センサー３５に代えて排気浄化装置２５の酸化触媒コンバーター２５ａとＤＰＦ２５ｂとの間に触媒温度センサーを組み込むようにしてもよい。Ｏ_２センサー３７は、排気浄化装置２５よりも下流側に位置する排気管２２の途中に取り付けられ、この排気通路２２ａ内の酸素濃度Ｄ_ｎを検出してこれをＥＣＵ１３に出力する。なお、このＯ_２センサー３７に代えて空燃比センサーを用いることも可能である。

排気浄化装置２５の活性化またはその活性状態を維持するための燃料を供給する燃料供給弁２９は、ＥＧＲ管２７の一端との接続部分よりも下流かつバイパス管３１との分岐部よりも上流の排気通路２２ａに臨むように排気管２２に取り付けられている。この燃料供給弁２９は、排気浄化装置２５の暖機またはＤＰＦ２５ｂの再生処理が必要になった場合、排気通路２２ａとバイパス管３１によって画成されるバイパス通路３１ａとの分岐部分よりも上流側に位置する排気通路２２ａに向けて燃料を供給する。より具体的には、後述する第２排気温センサー３６によって検出される温度が予め設定した温度（以下、これを触媒活性温度と記述する）Ｔ_Ｌ以下の場合、燃料供給弁２９から所定量の燃料が供給される。このため、ＥＣＵ１３は燃料供給弁２９の作動を制御する燃料供給弁駆動部１３ｈを有する。

本発明の着火手段としてのグロープラグ３０は、ＥＣＵ１３によりオン／オフを制御される図示しないスイッチを介して図示しない車載電源に接続し、この燃料供給弁２９から供給された燃料の少なくとも一部を着火させることができるようになっている。このグロープラグ３０は、ＥＣＵ１３のグロープラグ駆動部１３ｉによってその作動のオン／オフが切り替えられる。

ＥＣＵ１３は、燃料供給弁２９から排気通路２２ａに供給された燃料をグロープラグ３０によって着火した場合、これを継続的に燃焼させ続けることができるか否かを判定する着火可否判定部１３ｊを有する。本実施形態における着火可否判定部１３ｊには図３に示すようなマップが記憶されている。この着火可否判定部１３ｊは、エンジン１０の運転状態が燃料の着火可能領域にあるか、または着火不可領域にあるかを判定してこれをＥＣＵ１３の処理モード選択部１３ｋに出力する。この判定は、先のエアーフローメーター３４と、第２の排気温センサー３６と、Ｏ_２センサー３７とからの検出信号に基づいて行われる。図３には、Ｏ_２濃度が１５％の場合における着火可能領域と着火不可領域との境界が吸気量と第１排気温とに関係付けて実線で示されている。破線は、Ｏ_２濃度が２０％の場合における着火可能領域と着火不可領域との境界である。つまり、着火可否判定部１３ｊはＯ_２濃度に応じて吸気量と第１排気温とを関係付けた複数のマップを記憶している。

バイパス管３１は、過給機２４の排気タービン２４ｂを迂回した状態で排気通路２２ａへと続くバイパス通路３１ａを画成し、下流端側が過給機２４の排気タービン２４ｂよりも下流側の排気通路２２ａに連通するように配される。バイパス管３１の上流端は、排気管２２とＥＧＲ管２７の一端との接続部分よりも下流かつ排気タービン２４ｂよりも上流に位置するように、排気管２２から分岐している。これに対し、バイパス管３１の下流端側は、過給機２４の排気タービン２４ｂを通って排気浄化装置２５へと続く排気通路２２ａを画成する排気管２２の部分に合流している。

バイパス弁アクチュエーター３３によって駆動されるバイパス弁３２は、バイパス通路３１ａを開閉するようにバイパス管３１に取り付けられている。このバイパス弁３２は、その開弁状態においてグロープラグ３０によって着火した燃焼ガスをバイパス通路３１ａから排気タービン２４ｂを介さずに排気浄化装置２５へと導くことができるようになっている。ＥＣＵ１３は、バイパス弁アクチュエーター３３の作動を制御するためのバイパス弁駆動部１３ｌを有する。

上述した燃料供給弁駆動部１３ｈ，グロープラグ駆動部１３ｉ，バイパス弁駆動部１３ｌは、ＥＣＵ１３の処理モード選択部１３ｋによって選択された処理モードに従い、燃料供給弁２９，グロープラグ３０，バイパス弁３２を駆動する。

処理モード選択部１３ｋは、ＥＣＵ１３の着火可否判定部１３ｊでの判定結果に基づき、第１〜第３の排気処理モードを選択する。第１の排気処理モードにおいては、燃料供給弁２９から燃料が排気通路２２ａに供給されると共にグロープラグ３０がオンとなり、バイパス弁３２が開弁状態に保持される。この第１の排気処理モードは、燃料を着火した場合にこれが失火することなく排気浄化装置２５側へと導くことがでるような車両の運転状態の場合に選択される。第２の排気処理モードにおいては、燃料供給弁２９から燃料が排気通路２２ａに供給されると共にグロープラグ３０がオフとなり、バイパス弁３２が閉弁状態に保持される。この第２の排気処理モードは、ＤＰＦ２５ｂの再生処理中であって、燃料を着火させた場合に失火するような車両の運転状態の場合に選択される。第３の排気処理モードにおいては、燃料供給弁２９から燃料が排気通路２２ａに供給されず、グロープラグ３０がオフとなり、バイパス弁３２が閉弁状態に保持される。この第３の排気処理モードは、排気浄化装置２５の暖機やＤＰＦ２５ｂの再生処理を必要としない車両の運転状態の場合に選択される。

ＥＣＵ１３は、バイパス弁３２の開閉動作の異常の有無を検出するための故障判定部１３ｍと、表示器駆動部１３ｎとを有する。故障判定部１３ｍは、第１の排気処理モードを実行中に第２または第３の排気処理モードへと移行した場合、第２の排気温センサー３６からの排気温の情報に基づき、検出される排気温Ｔ_２ｎの変化が低下傾向を示していない場合、バイパス弁３２の開閉動作に異常があると判定する。第１の排気処理モードにおいては、高温の燃焼ガスが排気浄化装置２５に流入する状態である。この状態から第２または第３の排気処理モードに移行した場合、グロープラグ３０による燃料の着火が実行されなくなるので、排気浄化装置２５に流入する排気温Ｔ_２ｎが実質的に低下するという論理を根拠としている。表示器駆動部１３ｎは、故障判定部１３ｍの判定結果に基づき、バイパス弁３２の開弁動作に異常があることを運転者に知らせるためのものであり、そのための警告表示器３８が図示しない車室内に設けられている。この警告表示器３８は、聴覚や視覚などを利用して車両の運転者に対する注意を喚起し得るものであればよい。

ＥＣＵ１３は、周知のワンチップマイクロプロセッサであり、図示しないデータバスにより相互接続されたＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，不揮発性メモリおよび入出力インターフェースなどを含む。このＥＣＵ１３は、円滑なエンジン１０の運転がなされるように、上述したセンサー１４，２１，３５〜３７およびエアーフローメーター３４などからの検出信号に基づいて所定の演算処理を行う。そして、予め設定されたプログラムに従って燃料噴射弁１１，スロットル弁１９，ＥＧＲ弁２８，グロープラグ３０，燃料供給弁２９，バイパス弁３２などの作動を制御する。

吸気通路１７ａから燃焼室１０ａ内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に噴射される燃料と混合気を形成する。そして、通常はピストン２０ａの圧縮上死点直前にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気が排気浄化装置２５を通って排気管２２から大気中に排出される。この場合、排気中の未燃成分が酸化触媒コンバーター２５ａによって酸化分解され、粒子状物質がＤＰＦ２５ｂに捕捉され清浄化された状態となって大気中に排出されることとなる。

なお、ＤＰＦ２５ｂによって粒子状物質が捕捉され続けると、ＤＰＦ２５ｂが次第に目詰まりを起こすため、これを燃焼させてＤＰＦ２５ｂの目詰まりを解消させる必要がある。このためのＤＰＦ２５ｂの再生処理は、燃料噴射弁１１から噴射された累積燃料噴射量や、エンジン１０の累積運転時間や、ＤＰＦ２５ｂの上流側の排気圧と下流側の排気圧との差圧などの情報に基づき、ＥＣＵ１３のＤＰＦ再生処理部１３ｏにて行われる。ＤＰＦ再生処理部１３ｏは、ＤＰＦ２５ｂを再生するための燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量に加え、本実施形態では燃料供給弁２９からも燃料を排気通路２２ａ内に供給するようにしている。つまり、燃料供給弁２９から排気通路２２ａ内への燃料の供給動作は、基本的に排気浄化装置２５が不活性状態の場合に行われる。しかしながら、排気浄化装置２５のＤＰＦ２５ｂの再生処理を迅速に行うため、燃料を燃料供給弁２９からも排気通路２２ａ内に供給できるようにしている。

この結果、排気浄化装置２５の活性化および活性状態の維持に加え、ＤＰＦ２５ｂの再生処理をも迅速に行うことができる。特にこの排気処理装置２６は、エンジン１０の冷態始動直後のいわゆるコールドエミッションの状態を改善するのに極めて有利である。また、燃料の着火位置が燃料供給弁２９から遠く離れているため、燃料と排気との均一な混合が可能となり、燃料の不完全燃焼を従来の排気加熱装置よりも大幅に少なくすることができる。

このような本実施形態における排気処理装置２６の作動手順を図４のフローチャートを用いて説明すると、まずＳ１１のステップにて第２の排気温センサー３６によって検出される排気温Ｔ_２ｎが触媒活性温度Ｔ_Ｌ以下であるか否かが判定される。ここで、排気温Ｔ_２ｎが触媒活性温度Ｔ_Ｌ以下である、すなわち排気浄化装置２５を加熱してこれを活性化させるか、あるいはその活性状態を維持する必要があると判断した場合には、Ｓ１２のステップに移行する。このＳ１２のステップでは、第１の排気温Ｔ_１ｎと、吸気流量Ｑ_ｎと、排気中の酸素濃度Ｄ_ｎとが第１の排気温センサー３５，エアーフローメーター３４，Ｏ_２センサー３７によってそれぞれ検出される。そして、この検出情報に基づき、Ｓ１３のステップにて現在のエンジン１０の運転状態が燃料の着火可能領域にあるか否かを着火可否判定部１３ｊにて判定する。ここで、現在の車両の運転状態が着火可能領域にある、すなわち排気通路２２ａに供給された燃料をグロープラグ３０にて着火させて継続的に高温の燃焼ガスを発生させ得る雰囲気であると判断した場合には、Ｓ１４のステップに移行する。このＳ１４のステップでは、バイパス弁３２を開弁状態にすると共にグロープラグ３０を通電状態のオンに切り替え、燃料噴射弁１１から燃料を排気通路２２ａに供給する第１の排気処理モードが実行される。これにより、燃料が着火して高温となった燃焼ガスはバイパス通路３１ａから排気浄化装置２５へと導かれる。つまり、高温の燃焼ガスは流抵抗となる排気タービン２４ｂを迂回するので、排気タービン２４ｂによって熱を奪われることなく、排気浄化装置２５の加熱が効率よく行われる。

Ｓ１４のステップに続き、Ｓ１５のステップにてバイパス弁３２の開弁が行われたことを示すフラグのセットが行われ、最初のＳ１１以降のステップが繰り返される。

先のＳ１３のステップにて現在の車両の運転状態が着火可能領域にない、すなわち排気通路２２ａに供給された燃料をグロープラグ３０にて着火させても失火が起こる雰囲気であると判断した場合には、Ｓ１６のステップに移行する。このＳ１６のステップではＤＰＦ２５ｂが再生処理中であるか否かが判定される。ここでＤＰＦ２５ｂが再生処理中である、すなわち燃料の着火を行うことができないけれども、ＤＰＦ２５ｂが再生処理のために排気浄化装置２５に燃料を供給することが有効であると判断した場合には、Ｓ１７のステップに移行する。Ｓ１７のステップでは、バイパス弁３２を閉弁状態にすると共にグロープラグ３０を非通電状態のオフに切り替え、燃料噴射弁１１から燃料を排気通路２２ａに供給する第２の排気処理モードが実行される。これにより、排気通路２２ａに供給された燃料が排気タービン２４ｂを通って排気浄化装置２５へと導かれる。この場合、排気タービン２４ｂの撹拌効果によって排気中への燃料の分散が促進される結果、排気浄化装置２５の酸化触媒コンバーター２５ａによる燃料の改質および熱分解が促進される。これにより、この酸化触媒コンバーター２５ａにて燃焼した高温の排気がＤＰＦ２５ｂに導かれ、その再生を効率よく行うことが可能となる。

Ｓ１７のステップに続き、Ｓ１８のステップではフラグがセットされているか否かが判定される。ここで、フラグがセットされている、つまりバイパス弁３２が開弁状態から閉弁状態に変更されたと判断した場合には、Ｓ１９のステップに移行する。このＳ１９のステップでは、第２の排気温度センサー３６によって検出される排気温Ｔ_２ｎの変化、つまり前回検出した排気温Ｔ_{２（ｎ−１）}よりも低いか否かが故障判定部１３ｍにて判定される。ここで、排気温Ｔ_２ｎが前回検出した排気温Ｔ_{２（ｎ−１）}よりも低い、すなわちグロープラグ３０による燃料の着火を行っていないので排気温Ｔ_２ｎの低下が起きていると判断した場合には、バイパス弁３２の開閉動作に異常がないと判断してＳ２０のステップに移行する。このＳ２０のステップでは、フラグのリセットが行われ、再びＳ１１以降のステップが繰り返される。また、先のＳ１８のステップにてフラグがセットされていない、つまりバイパス弁３２が開弁状態から閉弁状態に変更されていないと判断した場合には、再びＳ１１以降のステップが繰り返される。

一方、Ｓ１６のステップにてＤＰＦ２５ｂが再生処理中ではない、すなわち燃料を供給することによって排気浄化装置２５に悪影響を与える可能性があると判断した場合には、Ｓ２１のステップに移行する。また、Ｓ１１のステップにて排気温Ｔ_２ｎが触媒活性温度Ｔ_Ｌよりも高い、すなわち排気浄化装置２５が活性状態にあるのでこれを加熱する必要がないと判断した場合にもＳ２１のステップに移行する。このＳ２１のステップでは、排気処理装置２６の作動を停止する第３の排気処理モードが実行される。すなわち、バイパス弁３２を閉止し、グロープラグ３０に対する通電をオフに切り替え、燃料供給弁２９からの燃料の供給を停止する。しかる後、先のＳ１８のステップに移行してバイパス弁３２の開弁が行われたことを示すフラグがセットされているか否かが判定される。

先のＳ１９のステップにて排気温Ｔ_２ｎが前回検出した排気温Ｔ_{２（ｎ−１）}と同じか、あるいは上昇している、すなわちグロープラグ３０またはバイパス弁３２またはバイパス弁アクチュエーター３３に異常があると判断した場合には、Ｓ２２のステップに移行する。このＳ２２のステップでは、表示器駆動部１３ｎが警告表示器３８を駆動し、乗員に排気処理装置２６の異常を知らせてその修理を促す故障警告を出力すると共にフラグをリセットし、この排気処理に関する制御を終了する。

上述した実施形態では、第１の排気温Ｔ_２ｎと、吸気量Ｑ_ｎと、Ｏ_２濃度Ｄ_ｎとに基づいて燃料の着火の可否を判定するようにしたが、エンジン１０の負荷に基づいて着火の可否を判定することも可能である。より具体的には、エンジン１０の負荷が軽負荷以下、例えば車両の減速中またはエンジン１０のアイドリング状態の場合、排気通路２２ａを流れる排気の流速が遅いので着火した燃料が失火する可能性はないと判断することができる。逆に、エンジン１０の負荷がそれ以外の場合、排気通路２２ａを流れる排気の流速が速いために着火した燃料が失火してしまう可能性があると判断することができる。この場合、エンジン１０の負荷検出は、ＥＣＵ１３の運転状態判定部１３ａにて算出することができる。より具体的には、アクセル開度センサー１４によって検出されるアクセルペダル１２の踏み込み量と、クランク角センサー２１からの検出情報に基づいて算出されるエンジン回転数とに基づいてエンジン１０の負荷を算出することができる。つまり、ＥＣＵ１３は本発明における負荷検出手段を含む。

このような本発明の他の実施形態における制御フローを図５に示すが、先の実施形態と同一機能のステップにはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略する。本実施形態においては、Ｓ１１のステップにて排気温Ｔ_２ｎが触媒活性温度Ｔ_Ｌ以下である、すなわち排気浄化装置２５を加熱してこれを活性化させるか、あるいはその活性状態を維持する必要があると判断した場合には、Ｓ２３のステップに移行する。そして、車両が減速中にあるか否かを判定し、これが減速中である、つまりアクセルペダル１２が踏み込まれておらず、エンジン回転速度が低下していたり、負の加速度が発生していると判断した場合には、Ｓ１４のステップに移行する。この結果、第１の排気処理モードが実行されることになる。また、Ｓ２３のステップにて車両が減速中ではないと判断した場合にはＳ２４のステップに移行してエンジン１０がアイドリング状態にあるか否かを判定する。ここで、エンジン１０がアイドリング状態にある、すなわちアクセルペダル１２が踏み込まれておらず、エンジン回転速度がアイドリング回転域にあると判断した場合には、Ｓ１４のステップに移行して第１の排気処理モードを実行する。

Ｓ２４のステップにてエンジン１０がアイドリング状態にない、すなわちエンジン１０の負荷が軽負荷以下ではないと判断した場合には、Ｓ１６のステップに移行してＤＰＦ２５ｂが再生処理中であるか否かが判定され、後は先の実施形態と同じ手順が行われる。

なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。

１０エンジン
１０ａ燃焼室
１１燃料噴射弁
１２アクセルペダル
１３ＥＣＵ
１３ａ運転状態判定部
１３ｂ燃料噴射量設定部
１３ｃ燃料噴射弁駆動部
１３ｄスロットル開度設定部
１３ｅスロットル弁駆動部
１３ｆＥＧＲ量設定部
１３ｇＥＧＲ弁駆動部
１３ｈ燃料供給弁駆動部
１３ｉグロープラグ駆動部
１３ｊ着火可否判定部
１３ｋ処理モード選択部
１３ｌバイパス弁駆動部
１３ｍ故障判定部
１３ｎ表示器駆動部
１３ｏＤＰＦ再生処理部
１４アクセル開度センサー
１５シリンダーヘッド
１５ａ吸気ポート
１５ｂ排気ポート
１６ａ吸気弁
１６ｂ排気弁
１７吸気管
１７ａ吸気通路
１７ｂサージタンク
１８スロットルアクチュエーター
１９スロットル弁
２０シリンダーブロック
２０ａピストン
２０ｂ連接棒
２０ｃクランク軸
２１クランク角センサー
２２排気管
２２ａ排気通路
２３ＥＧＲ装置
２４排気タービン式過給機
２４ａコンプレッサー
２４ｂ排気タービン
２４ｃインタークーラー
２５排気浄化装置
２５ａ酸化触媒コンバーター
２５ｂＤＰＦ
２６排気処理装置
２７ＥＧＲ管
２７ａＥＧＲ通路
２８ＥＧＲ弁
２９燃料供給弁
３０グロープラグ
３１バイパス管
３１ａバイパス通路
３２バイパス弁
３３バイパス弁アクチュエーター
３４エアーフローメーター
３５第１の排気温センサー
３６第２の排気温センサー
３７Ｏ_２センサー
３８警告表示器

Claims

排気タービン式過給機の排気タービンよりも上流側の排気通路から分岐すると共に前記排気タービンと排気浄化装置との間に位置する排気通路にて合流する排気のバイパス通路を開閉するためのバイパス弁と、前記バイパス通路と前記排気通路との分岐部分よりも上流側の前記排気通路に燃料を供給する燃料供給弁と、この燃料供給弁から供給された燃料を前記バイパス通路と前記排気通路との分岐部分よりも上流側の前記排気通路にて着火させるための着火手段とを具える内燃機関が搭載された車両において、前記排気浄化装置へと導かれる排気を処理するための方法であって、
前記バイパス弁を開弁すると共に前記着火手段を作動させ、前記燃料供給弁から前記排気通路に燃料を供給してこれを着火させる第１の排気処理モードと、
前記バイパス弁を閉弁し、前記着火手段を作動させずに燃料を前記燃料供給弁から前記排気通路に供給する第２の排気処理モードと、
前記着火手段によって燃料を着火させた場合にこれが失火するか否かを判定するステップと、
燃料が失火しないと判断した場合に前記第１の排気処理モードを選択し、燃料が失火すると判断した場合に前記第２の排気処理モードを選択するステップと
を具えたことを特徴とする排気処理方法。
前記燃料が失火するか否かを判定するステップは、排気温を検出するステップと、前記排気浄化装置に流入する排気の流量を検出するステップと、排気中の酸素濃度を検出するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の排気処理方法。
前記バイパス弁を閉弁すると共に前記着火手段を作動させず、前記燃料供給弁から前記排気通路に燃料を供給しない第３の排気処理モードと、
検出された排気温が予め設定した温度を越えている場合に前記第３の排気処理モードを選択するステップと
をさらに具えたことを特徴とする請求項２に記載の排気処理方法。
前記燃料が失火するか否かを判定するステップは、車両が減速中または内燃機関がアイドリング状態であるか否かを判定するステップを含み、車両が減速中または内燃機関がアイドリング状態であると判定した場合に燃料が失火せず、車両が減速中でも内燃機関がアイドリング状態でもないと判定した場合に燃料が失火すると判定することを特徴とする請求項１に記載の排気処理方法。
前記バイパス弁を閉弁すると共に前記着火手段を作動させず、前記燃料供給弁から前記排気通路に燃料を供給しない第３の排気処理モードと、
排気温を検出するステップと、
検出された排気温が予め設定した温度を越えた場合に前記第３の排気処理モードを選択するステップと
をさらに具えたことを特徴とする請求項４に記載の排気処理方法。
前記第１の排気処理モードから前記第２または第３の排気処理モードに移行した場合の排気温の変化に基づいて前記バイパス弁の開閉動作の異常の有無を判定するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項３または請求項５に記載の排気処理方法。
前記バイパス弁の開閉動作の異常の有無を判定するステップは、前記第１の排気処理モードから前記第２または第３の排気処理モードに移行した際に排気温が低下していない場合、前記バイパス弁の開閉動作が異常であると判定することを特徴とする請求項６に記載の排気処理方法。
排気タービン式過給機および排気浄化装置が組み込まれ、内燃機関から前記排気浄化装置へと導かれる排気を処理するための装置であって、
前記排気タービン式過給機の排気タービンよりも上流側に位置する排気通路から分岐すると共にこの排気タービンと前記排気浄化装置との間に位置する排気通路にて合流して排気のバイパス通路を画成するバイパス管と、
このバイパス管に取り付けられて前記バイパス通路を開閉するためのバイパス弁と、
このバイパス弁の開閉動作を行うためのアクチュエーターと、
前記排気通路と前記バイパス通路との分岐部分よりも上流側に位置する排気通路に向けて燃料を供給する燃料供給弁と、
この燃料供給弁から前記排気通路に供給された燃料を前記排気通路と前記バイパス通路との分岐部分よりも上流側にて着火させるための着火手段と、
前記アクチュエーターおよび燃料供給弁および着火手段の作動をそれぞれ制御する制御手段とを具え、前記制御手段は、
前記着火手段によって燃料を着火させた場合にその着火の可否を判定する着火可否判定部と、
前記バイパス弁を開弁すると共に前記着火手段を作動させ、前記燃料供給弁から前記排気通路に燃料を供給してこれを着火させる第１の排気処理モードか、または前記バイパス弁を閉弁し、前記着火手段を作動させずに燃料を前記燃料供給弁から前記排気通路に供給する第２の排気処理モードを前記着火可否判定部の判定結果に基づいて選択する処理モード選択部と
を有することを特徴とする排気処理装置。
前記排気通路の温度を検出するための排気温センサーと、
前記排気浄化装置に流入する排気の流量を検出するための排気流量センサーと、
排気中の酸素濃度を検出するＯ_２センサーと
をさらに具え、前記制御手段の着火可否判定部は、検出された排気温と排気流量と酸素濃度とに基づいて燃料の着火の可否を判定することを特徴とする請求項８に記載の排気処理装置。
前記制御手段の処理モード選択部は、前記排気温センサーによって検出された排気温が予め設定した温度を越えている場合に前記バイパス弁を閉弁すると共に前記着火手段を作動させず、前記燃料供給弁から前記排気通路に燃料を供給しない第３の排気処理モードを選択することを特徴とする請求項９に記載の排気処理装置。
内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段をさらに具え、前記制御手段の着火可否判定部は、負荷検出手段によって検出される負荷が軽負荷以下の場合に燃料が失火せず、それ以外の場合に燃料が失火すると判定することを特徴とする請求項８に記載の排気処理装置。
前記排気通路の温度を検出するための排気温センサーをさらに具え、
前記制御手段の処理モード選択部は、前記排気温センサーによって検出された排気温が予め設定した温度を越えた場合に前記バイパス弁を閉弁すると共に前記着火手段を作動させず、前記燃料供給弁から前記排気通路に燃料を供給しない第３の排気処理モードを選択することを特徴とする請求項１１に記載の排気処理装置。
前記制御手段は、前記第１の排気処理モードから前記第２または第３の排気処理モードに移行した場合の排気温の変化に基づいて前記バイパス弁の開閉動作の異常の有無を判定する故障判定部をさらに有することを特徴とする請求項１０または請求項１２に記載の排気処理装置。
前記故障判定部は、前記第１の排気処理モードから前記第２または第３の排気処理モードに移行した際に排気温が低下していない場合、前記バイパス弁の開閉動作が異常であると判定することを特徴とする請求項１３に記載の排気処理装置。