(57)【要約】【課題】ＰＭフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置において、バイパス切り替え弁の漏れによるエミッション悪化を好適に回避する。【解決手段】エンジン（２００）の排気浄化装置は、排気系に配置されたＮＯｘ吸蔵触媒（３０１）と、その下流側に配置された強制再生を実行可能なＰＭフィルタ（３０２）と、ＮＯｘ吸蔵触媒の上流側における分岐点（２０８）にて排気系から分岐し、ＮＯｘ吸蔵触媒をバイパスさせつつ排気をＰＭフィルタに導くためのバイパス通路（２０７）と、分岐点の下流側且つＮＯｘ吸蔵触媒の上流側にＰＭフィルタの再生用空気を導入させる二次空気供給通路（２１１）と、排気の供給経路を切り替え可能な切り替え手段（２１０）と、強制再生が実行される際に、排気の空燃比をリッチ状態に制御すると共に排気がＮＯｘ吸蔵触媒をバイパスするように制御する制御手段とを具備する。【選択図】図１
2010261390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に配置され、排気に含まれるＮＯｘを吸蔵可能なＮＯｘ吸蔵触媒と、
前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側に配置され、前記排気に含まれるＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集し且つ該捕集されたＰＭを酸化燃焼させることで強制再生を実行可能なＰＭフィルタと、
前記ＮＯｘ吸蔵触媒の上流側における分岐点にて前記排気系から分岐し、少なくとも前記ＮＯｘ吸蔵触媒をバイパスさせつつ前記排気を前記ＰＭフィルタに導くためのバイパス通路と、
前記内燃機関の吸気系から、前記分岐点の下流側且つ前記ＮＯｘ吸蔵触媒の上流側に前記ＰＭフィルタの再生用空気を導入させる二次空気供給通路と、
前記ＰＭフィルタの上流側に配置され、前記排気系における前記排気及び前記再生用空気の供給経路を、前記ＮＯｘ吸蔵触媒を通過する第１経路と前記バイパス通路を経由して前記ＮＯｘ吸蔵触媒をバイパスする第２経路との間で選択的に切り替え可能な切り替え手段と、
前記強制再生が実行される際に、前記排気の空燃比をリッチ状態に制御すると共に前記切り替え手段を第２経路に切り替えるように制御する制御手段と
を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）フィルタを有する内燃機関の排気浄化装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の排気浄化装置として、例えば特許文献１に開示された排気浄化装置がある。この排気浄化装置によれば、ＰＭフィルタの強制再生処理が実行される時に、酸化触媒へ流入する排気量を増加させることなくＰＭフィルタへ流入する排気量を増加させることにより、酸化触媒の酸化能を高く維持しつつＰＭフィルタのＰＭ酸化率を高めることが可能とされている。
【０００３】
また、排気系にバイパス通路が形成され、脱硫酸塩の際に排気ガスがＮＯｘ吸蔵触媒を迂回してバイパス通路のみを通って流れることにより、ＮＯｘ吸蔵触媒における硫酸塩形成に従ってその中毒又は能力低下を防止することができる排気浄化装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０５０２０号公報
【特許文献２】特開平１１−２８０４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この種の排気浄化装置においては、ＰＭフィルタにＰＭが過剰に堆積した場合、ＰＭフィルタに捕集されたＰＭを酸化燃焼させることが必要となる。例えばＰＭを強制的に酸化燃焼させる（即ち「ＰＭフィルタの強制再生」）ために、再生温度及び酸素濃度を確保すべく、内燃機関の排気空燃比が、過濃燃焼排気状態（即ち「リッチ状態」）に制御されると共に、ＰＭフィルタの上流側のＳＣ（Start Catalyst）触媒をバイパスする通路に二次空気が供給される。
【０００６】
ところが、本願発明者の知るところによれば、上述したＳＣ触媒をバイパスする通路とＳＣ触媒を通過する通路との間で切り替えを行うバイパス切り替え弁の漏れに起因して、ＰＭフィルタの強制再生時に、その上流側のＳＣ触媒により生成されたＮＨ３などがＰＭフィルタに導入され、結局はＮＯｘが生成されてしまう可能性がある。即ち、上記特許文献に例示された従来の技術では、バイパス切り替え弁の漏れによるＮＯｘの生成などのエミッションの悪化を回避することが難しいという技術的な問題点がある。
【０００７】
本発明は、例えば上述した問題点に鑑みてなされたものであり、バイパス切り替え弁の漏れによるエミッション悪化を好適に回避し得る内燃機関の排気浄化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は上述した課題を解決するため、内燃機関の排気系に配置され、排気に含まれるＮＯｘを吸蔵可能なＮＯｘ吸蔵触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側に配置され、前記排気に含まれるＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集し且つ該捕集されたＰＭを酸化燃焼させることで強制再生を実行可能なＰＭフィルタと、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の上流側における分岐点にて前記排気系から分岐し、少なくとも前記ＮＯｘ吸蔵触媒をバイパスさせつつ前記排気を前記ＰＭフィルタに導くためのバイパス通路と、前記内燃機関の吸気系から、前記分岐点の下流側且つ前記ＮＯｘ吸蔵触媒の上流側に前記ＰＭフィルタの再生用空気を導入させる二次空気供給通路と、前記ＰＭフィルタの上流側に配置され、前記排気系における前記排気及び前記再生用空気の供給経路を、前記ＮＯｘ吸蔵触媒を通過する第１経路と前記バイパス通路を経由して前記ＮＯｘ吸蔵触媒をバイパスする第２経路との間で選択的に切り替え可能な切り替え手段と、前記強制再生が実行される際に、前記排気の空燃比をリッチ状態に制御すると共に前記切り替え手段を第２経路に切り替えるように制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、ＰＭフィルタの強制再生が実行される際、例えばコントローラ等を備える制御手段による制御下で、排気空燃比がリッチ状態に制御され、例えば制御弁等を備える切り替え手段により、排気系における排気及び再生用空気の供給経路が、バイパス通路を経由してＮＯｘ吸蔵触媒をバイパスする第２経路に切り替えられる。ここに「リッチ状態」とは、内燃機関の運転条件として過濃燃焼が行われ、低酸素濃度、高ＣＯ濃度且つ排気温度の高い排気（即ちリッチスパイクガス）が発生されて排気系に供給される状態を意味する。
【００１０】
また、内燃機関の吸気系から分岐点の下流側且つＮＯｘ吸蔵触媒の上流側にＰＭフィルタの再生用空気を導入させる二次空気供給通路が形成されていることによって、ＰＭフィルタの上流側のＮＯｘ吸蔵触媒を通過する通路に二次空気が供給される。従って、リッチ状態の排気（以下、適宜「リッチガス」と略称する）及び二次空気が、ＮＯｘ吸蔵触媒をバイパスして、バイパス通路で合流して生成された理論空燃比状態（即ち「ストイキ状態」）の或いは理論空燃比状態に近い状態の混合気（以下、適宜「ストイキガス」と略称する）の形でＰＭフィルタに供給される。ここに「ストイキ状態」とは、空気と燃料が理想的な濃度で混合して完全燃焼する内燃機関の燃焼状態、即ち理論空燃比状態ことを意味する。その結果、当該高温且つ酸素濃度の高いストイキガスによって、ＰＭフィルタの強制再生時に再生温度及び酸素濃度を好適に確保することが可能となる。
【００１１】
特に、ＰＭフィルタの上流側における、ＮＯｘ吸蔵触媒をバイパスする通路ではなく、ＮＯｘ吸蔵触媒を通過する通路に二次空気を供給することによって、仮にバイパス切り替え弁に漏れが大なり小なり存在したとしても、この漏れによるＮＯｘの生成などのエミッション悪化を好適に回避することが可能となる。
【００１２】
より具体的には、仮に何らの対策を施さないとすれば、第１経路と第２経路との間切り替えを行うバイパス切り替え弁の漏れに起因して、ＰＭフィルタ再生時のその上流側のＮＯｘ吸蔵触媒により生成されたＮＨ３などがＰＭフィルタに導かれ、結局はＮＯｘが生成される可能性がある。
【００１３】
しかるに本発明によれば、この際に、ＮＯｘ吸蔵触媒を通過する通路に供給された二次空気が、ＮＨ３の漏れと共に切り替え弁を通過して漏れることで、ＰＭフィルタでＮＯｘの生成を抑制することになる。即ち、ＮＯｘの生成などのエミッションの発生を確実に回避することが可能となり、実践上極めて有益である。
【００１４】
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を含む、エンジンシステムの構成を概念的に表してなる概略構成図である。
【図２】図１のエンジンシステムにおいて実行されるＰＭフィルタ再生制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜発明の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
＜実施形態の構成＞
始めに、図１を参照して、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を含む、エンジンシステム１０の構成について一部その動作を交えて説明する。ここに、図１は、エンジンシステム１０の構成を概念的に表してなる概略構成図である。
【００１８】
図１において、エンジンシステム１０は、本発明に係る「内燃機関の排気浄化装置」の一例を含んで構成されており、車両に搭載され、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）１００、エンジン２００及び触媒部３００を備える。
【００１９】
ＥＣＵ１００は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を備え、エンジンシステム１０の動作全体を制御可能に構成された電子制御ユニットである。ＥＣＵ１００は、本発明に係る「制御手段」の一例であり、例えばＲＯＭに格納された制御用のプログラムに従って、後述するＰＭフィルタ再生制御を実行可能に構成されている。
【００２０】
なお、本発明に係る「制御手段」に係る動作は、全てＥＣＵ１００によって実行されるように構成されている。但し、本発明に係るこれら各手段の物理的、機械的及び電気的な構成はこれに限定されるものではなく、例えばこれら各手段は、複数のＥＣＵ、各種処理ユニット、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等として構成されていてもよい。
【００２１】
エンジン２００は、例えば、ガソリン、軽油、アルコール等を燃料とする、本発明に係る「内燃機関」の一例たる直列４気筒エンジンである。エンジン２００は、シリンダブロック２０１に４本の気筒２０２が並列して配置された構成を有している。各気筒内で生じる力が、夫々のピストン等を介して車両の駆動輪に伝達されるように構成されている。
【００２２】
なお、本実施形態において、エンジン２００の態様は、排気の空燃比をリッチ状態に制御することが可能である限りにおいて、特に限定されず各種の態様を有してよい。例えば、通常の運転状態においては希薄燃焼空燃比状態（即ち「リーン状態」）に制御されるガソリンエンジンであってもよいし、通常の運転状態においてはストイキ状態又はその近傍に制御可能なガソリンエンジンであってもよい。他方、通常の運転状態においてリーン状態に制御可能なディーゼルエンジンであってもよい。いずれにせよ、排気に生成された煤やＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）等の粒子状物質たるＰＭを強制燃焼して除去する、即ち強制再生する為、エンジン２００の排気空燃比をリッチ状態に制御し運転することができる。なお、排気空燃比に対する状態の制御は、後述する排気空燃比センサの利用によって実現されてもよい。
【００２３】
この場合、好適な一例として、エンジン２００は、リーン状態又はストイキ状態だけでなく、リッチ状態でも燃焼可能なガソリンエンジンであり、通常の運転状態においてはリーン状態又はストイキ状態に制御されるように構成されている。ストイキ状態の排気の温度が低いため、ＰＭを燃焼することができず、ＰＭフィルタ３０２には、ＰＭが堆積する恐れがある。そこで、ＰＭフィルタ３０２を強制再生する際に、ＰＭの強制的な酸化燃焼が促進されるように、エンジン２００の排気空燃比をリッチ状態に制御するように構成されている。
【００２４】
以下に、エンジン２００の要部構成を、その動作の一部と共に説明する。本実施形態に係るエンジン２００は、気筒２０２が図１において紙面と垂直な方向に４本並列してなる直列４気筒エンジンであるが、個々の気筒２０２の構成は相互に等しいため、ここでは一の気筒２０２についてのみ説明することとする。
【００２５】
気筒２０２内において混合気を形成するために、外界から導かれる吸入空気は、例えばエアクリーナを経由した後に吸気通路２０３に導かれるように構成されている。吸気通路２０３は、その下流側において各気筒２０２について共通に設置された吸気マニホールド２０４に接続され、その内部において吸気マニホールド２０４と連通するように構成されている。
【００２６】
吸気マニホールド２０４は、各気筒２０２の吸気ポートの各々に連通しており、吸気通路２０３に導かれた吸入空気（以下、適宜「吸気」と略称する）は、吸気マニホールド２０４を介して、各気筒２０２に対応する吸気ポートに導かれるように構成されている。吸気通路２０３及び吸気マニホールド２０４により、本発明に係る「吸気系」の一例が構成されている。
【００２７】
一方、インジェクタを介して噴射された燃料は、気筒２０２内部において吸気バルブの開弁時に吸気ポートを介して導かれた吸気と混合され、上述した混合気となる。気筒２０２内部で形成された混合気は、圧縮ＴＤＣ付近において、点火プラグにより点火される又は自発的に着火する（即ち、爆発する）ように構成されている。
【００２８】
上述した混合気は、圧縮後に燃焼し、燃焼済みガスとして、或いは一部未燃の混合気として、吸気バルブの開閉に連動して開閉する排気バルブの開弁時に排気ポートを介して排気として排気マニホールド２０５に導かれるように構成されている。
【００２９】
排気マニホールド２０５は、排気通路２０６に連通しており、気筒２０２から排出された燃焼済みの混合気（以下、適宜「排気」と略称する）がこの排気通路２０６に導かれるように構成されている。排気マニホールド２０５及び排気通路２０６により、本発明に係る「排気系」の一例が構成されている。
【００３０】
排気通路２０６には、排気中のＮＯｘ、ＰＭ、ＨＣ及びＣＯなどを除去する、即ち浄化するための触媒部３００が設置されている。より具体的には、触媒部３００は、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１、ＰＭフィルタ３０２及び酸化触媒３０３を備えており、排気通路２０６において上流側から順に、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１、ＰＭフィルタ３０２及び酸化触媒３０３が順次配置されるように構成されている。
【００３１】
ＮＯｘ吸蔵触媒３０１は、ＳＣ触媒として排気通路２０６においてＰＭフィルタ３０２及び酸化触媒３０３の上流側に設置されている。ＮＯｘ吸蔵触媒３０１は、触媒コンバータ等に収納されており、排気に含まれるＮＯｘを吸蔵して還元することが可能に構成されている。
【００３２】
ＮＯｘ吸蔵触媒３０１は、モノリスハニカム等で形成され、このモノリスハニカムのコージィエライト、炭化珪素（ＳｉＣ）若しくは極薄板ステンレスで形成された構造材の担体に、多数の多角形のセルを形成して構成される。このセルの壁面にはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ゼオライト、シリカ、各種酸化物等で形成された触媒担持層となる多孔質の触媒コート層が設けられている。この触媒コート層の表面に酸化機能を持つ白金（Ｐｔ）等の触媒貴金属（触媒活性金属）と、ＮＯｘ吸蔵機能を持つカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類等の中から選ばれた少なくとも一つから形成されるＮＯｘ吸蔵剤（即ちＮＯｘ吸蔵物質、ＮＯｘ吸蔵材又はＮＯｘ吸収剤）を担持している。これらにより、排気中の酸素濃度によってＮＯｘ吸蔵と、ＮＯｘ放出・浄化の二つの機能を発揮する。
【００３３】
ＮＯｘ吸蔵触媒３０１は、通常運転時にＮＯｘをＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵し、吸蔵能力が飽和に近づくと、適時、流入してくる排気の空燃比をリッチ空燃比にして、吸蔵したＮＯｘを放出させると共に、放出されたＮＯｘを触媒貴金属の三元機能で還元する。
【００３４】
より詳細には、通常の運転状態において、エンジン２００の排気ガス中に濃度が高い酸素が含まれるような、排気ガスの空燃比がリーン状態又はストイキ状態の場合には、排出されるＮＯが触媒金属の酸化機能により、排気中に含まれる酸素で酸化されてＮＯ２となり、このＮＯ２は、ＮＯｘ吸蔵材で塩化物の形で吸蔵されるので、排気は浄化される。
【００３５】
しかし、このままの吸蔵状態を継続するとＮＯｘ吸蔵機能を持つバリウム等のＮＯｘ吸蔵剤は、全て硝酸塩に変化してＮＯｘ吸蔵機能を失ってしまう。そこで、エンジンの運転条件を変えたり、排気通路中に燃料噴射をしたりして、排気ガス中の共存酸素が少なく、ＣＯやＨＣ等の還元剤の濃度が高く、排気温度も高い排気ガス、即ち、過濃燃焼排気ガス（リッチスパイクガス或いはリッチガス）を発生させて触媒に供給する。
【００３６】
そして、排気中に酸素が少なく、還元剤濃度が高く、排気温度が上昇したリッチ状態になると、ＮＯｘを吸蔵した硝酸塩は二酸化窒素を放出し元のバリウム等に戻る。この放出されたＮＯ２は、排気中に酸素が少ないので、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、Ｈ２を還元剤として、酸化機能を持つ白金等の触媒貴金属上で、水、ＣＯ２、Ｎ２に変換され浄化される。
【００３７】
ＰＭフィルタ３０２は、排気通路２０６においてＮＯｘ吸蔵触媒３０１の下流側に設置されている。ＰＭフィルタ３０２は、エンジン２００の燃焼室における燃焼の過程に、未燃状態の個体炭素粒子（例えば、スート（煤））、或いはそれに適宜ＨＣ、特に粘着性のＳＯＦ等が付着すること等によって生成される各種の粒子状物質を包括する概念としてのＰＭを捕集可能、且つこれら捕集されたＰＭの強制的な酸化燃焼を実行可能に（即ちＰＭフィルタ３０２を再生可能に）構成されている。ＰＭフィルタ３０２は、例えばセラミックウォールフロー型、メタルフロースルー型又はメタルウォールフロー型等の諸形態を有してもよい。
【００３８】
より具体的には、ＰＭフィルタ３０２は、金属製の筐体に、コージェライトやＳｉＣ等のセラミック製フィルタ担体が収容された構造を有する。このフィルタ担体は、排気の流れる方向に伸長し且つ排気の流れる方向と垂直な断面がハニカム状をなす複数の通路を有している。また、この通路は、排気の入口側と出口側とのうち一方が目封じされており、且つこの目封じ部位が相互に隣接しないよう互い違いに形成されており、フィルタ担体は所謂セラミックウォールフロー型のフィルタ構造を有している。このような構成において、ＰＭフィルタ３０２に排気が流入すると、入り口側が目封じされていない方の通路から排気が流入し、フィルタ担体に形成される細孔を通って、隣接する、出口側が目封じされていない通路へ移動した後、この出口側が開放された通路より排出される。この際、当該細孔上層部からフィルタ担体表面にかけて形成されるＰＭ層（即ち、ＰＭが堆積してなる層状領域）の自己捕集作用により、排気中のＰＭが濾し取られ、排気が浄化されるように構成されている。
【００３９】
一方、ＰＭフィルタ３０２は、強制再生する機能を有している。ここで、「強制再生」とは、ＰＭを強制的に酸化燃焼させる再生態様、及びそれに伴うＰＭフィルタ３０２の捕集機能の再生を包括する概念である。
【００４０】
強制再生に関して言えば、捕集されたＰＭを強制的に酸化燃焼させるために、ＰＭフィルタ３０２の温度或いはＰＭフィルタ３０２に流入する排気の温度が所定の反応温度、即ち再生開始温度以上となる高温領域に達する必要がある。再生開始温度は、概ね６００℃以上であるが、ＰＭフィルタ３０２の構成等に応じて適宜異なる。また、酸化反応を行うため、排気中の酸素が一定の酸素濃度に達する必要もある。
【００４１】
ＰＭフィルタ３０２の態様は、ＰＭの捕集及び強制再生を実行することが可能である限りにおいて、各種の態様を有してよい。例えば、エンジン２００はディーゼルエンジンである場合に、ＰＭフィルタ３０２が、好適な一形態として、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）等の各種フィルタ、或いは当該ＤＰＦを含むＤＰＮＲ（Diesel Particulate NOx Reduction System）等各種の形態を採用してもよい。
【００４２】
酸化触媒３０３は、ＵＦＣ（Under Floor Catalyst）触媒として排気通路２０６においてＰＭフィルタ３０２の下流側に設置されている。酸化触媒３０３は、触媒コンバータ等に収納されており、排気中のＨＣ、ＣＯを酸化することが可能に構成されている。なお、酸化触媒３０３の実践的態様は、ここに例示されるものに限定されず、各種の態様を有してよい。例えば、酸化触媒３０３とＰＭフィルタ３０２とは一体に形成されてもよい。
【００４３】
エンジン２００には、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１をバイパスするバイパス通路２０７が形成されている。バイパス通路２０７は、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１の上流側及び下流側において夫々排気通路２０６と連通させる中空且つ金属製の管状部材である。より具体的には、バイパス通路２０７は、一端部（即ち排気マニホールド２０５側）がＮＯｘ吸蔵触媒３０１よりも上流側のバイパス分岐位置２０８において、排気通路２０６から分岐するように構成されている。なお、バイパス分岐位置２０８は、本発明に係る「分岐点」の一例である。
【００４４】
バイパス通路２０７の他端部（即ち、ＰＭフィルタ３０２側）は、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１よりも下流側且つＰＭフィルタ３０２よりも上流側のバイパス合流位置２０９において、再び排気通路２０６と合流するように構成されている。排気及び後述する二次空気は、バイパス通路２０７を介して、少なくともＮＯｘ吸蔵触媒３０１をバイパスしつつ、ＰＭフィルタ及び酸化触媒３０２に供給されることが可能に構成されている。
【００４５】
排気通路２０６には、上述したバイパス合流位置２０９においてバイパス切り替え弁２１０が設置されている。バイパス切り替え弁２１０は、連続的に可変に制御される弁体の位置に応じて、本発明に係る「第１経路」の一例たるＮＯｘ吸蔵触媒３０１を通過する排気通路２０６の一部、と本発明に係る「第２経路」の一例たるＮＯｘ吸蔵触媒３０１をバイパスするバイパス通路２０７との間における排気及び二次空気の供給量の比率を変化させることが可能に構成された弁装置である。
【００４６】
バイパス切り替え弁２１０は、ＥＣＵ１００と電気的に接続されており、その弁体位置は、然るべき駆動系を介してＥＣＵ１００により上位に制御されるように構成されている。より具体的には、バイパス切り替え弁２１０は、その弁体の位置が、上述したバイパス通路２０７からの排気及び二次空気の流入を遮断して、排気及び二次空気を、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１を通過する排気通路２０６の一部のみを介して導く弁体位置（以下、適宜「第１弁体位置」と称する）と、それとは逆にＮＯｘ吸蔵触媒３０１を通過する排気通路２０６の一部からの排気及び二次空気の流入を遮断して、排気及び二次空気をバイパス通路２０７のみを介して導く弁体位置（以下、適宜「第２弁体位置」と称する）との間で連続的に可変に制御されるように構成されている。
【００４７】
なお、バイパス切り替え弁２１０の実践的態様は、ここに例示されるものに限定されず、各種の態様を有してよい。例えば、バイパス切り替え弁２１０は、単数又は複数の弁体の開閉状態の段階的又は連続的な制御により、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１を通過する排気通路２０６の一部又はバイパス通路２０７を通過する排気の量を段階的又は連続的に変化させ得るように構成されてもよい。また、バイパス切り替え弁２１０は、その弁体の位置が、第１弁体位置と第２弁体位置との間で二値的に且つ選択的に切り替えられるように構成されてもよい。
【００４８】
エンジン２００には、吸気通路２０３からＰＭフィルタ３０２の再生用空気を導入する二次空気供給通路２１１が形成されている。二次空気供給通路２１１は、吸気通路２０３と排気通路２０６とを連通させる中空且つ金属製の管状部材である。
【００４９】
より具体的には、二次空気供給通路２１１は、一端部が二次空気分岐位置２１２において吸気通路２０３に接続され、その内部において吸気通路２０３に連通するように構成されている。二次空気供給通路２１１の他端部は、バイパス分岐位置２０８よりも下流側且つＮＯｘ吸蔵触媒３０１よりも上流側の二次空気合流位置２１３において排気通路２０６に接続され、その内部において排気通路２０６に連通するように構成されている。
【００５０】
この構成によれば、吸気通路２０３から導かれる二次空気は、二次空気供給通路２１１を介して、排気通路２０６に供給されることが可能となる。その結果、酸素濃度の高いストイキガスによって、端的に言えば吸入空気の一部を利用して、ＰＭフィルタ３０２の強制再生における酸素不足という問題が解決される。
【００５１】
二次空気供給通路２１１には、二次空気制御弁２１４が設置されている。二次空気制御弁２１４は、二次空気供給通路２１１に開閉可能に設置された弁体と、当該弁体を駆動する駆動装置を含むバルブ機構である。二次空気制御弁２１４の弁体は、当該駆動装置により開閉状態が段階的又は連続的に変化するように構成されており、当該開閉状態に応じて、二次空気供給通路２１１を流れる二次空気の供給量を制御することが可能に構成されている。二次空気制御弁２１４の駆動装置は、ＥＣＵ１００と電気的に接続されており、二次空気制御弁２１４の弁体の開閉状態は、全開開度と全閉開度との間で規定される所望の開度でＥＣＵ１００により上位に制御されるように構成されている。
【００５２】
なお、二次空気供給通路２１１及び二次空気制御弁２１４の実践的態様は、ここに例示されるものに限定されず、各種の態様を有してよい。例えば、二次空気供給通路２１１は二次空気を送り込むエアポンプ等に接続されてもよい。また、例えば電磁開閉弁或いは差圧弁等の形態を採り得る二次空気制御弁２１４により二次空気供給通路２１１における二次空気の供給量が二値的に可変とされ、二次空気供給通路２１１の開放及び閉鎖が可能となるように構成されてもよい。
【００５３】
なお、ＥＣＵ１００、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１、ＰＭフィルタ３０２、バイパス通路２０７、バイパス切り替え弁２１０及び二次空気供給通路２１１により、全体として所謂本発明に係る「内燃機関の排気浄化装置」の一例が構成されている。
【００５４】
また、エンジンシステム１０において、ＥＣＵ１００には、図示する以外にも、エンジン２００の、或いはエンジン２００が搭載される車両の運転条件を規定する各種の指標値が、各指標値について設置された各種のセンサを介して電気的に入力されるように構成されている。例えば、エンジン２００の機関回転速度ＮＥを検出可能なＮＥセンサ、アクセルペダルの開度（即ち、アクセル開度）を検出可能なアクセルポジションセンサ、吸気通路２０３に流入する吸入空気の量たる吸入空気量を検出可能なエアフローメータ、ＰＭフィルタ３０２の近傍に設置されＰＭフィルタ３０２の温度を検出可能な温度センサ、ＰＭフィルタ３０２の上流側と下流側に設置されＰＭフィルタ３０２の上下流での差圧を検出可能な圧力センサ及び排気通路２０６に設置され排気中の酸素濃度から排気空燃比を検出可能な空燃比センサ等が備わり、いずれもＥＣＵ１００と電気的に接続されており、その検出値がＥＣＵ１００により一定又は不定のタイミングで参照されるように構成されている。
【００５５】
＜実施形態の動作＞
＜ＰＭフィルタ再生制御の概要＞
エンジンシステム１０において、ＥＣＵ１００は、ＰＭフィルタ３０２の強制再生が行われる際に、ＰＭフィルタ再生制御を行う。即ち、ＥＣＵ１００は、バイパス切り替え弁２１０を第２経路側に切り替えるように制御すると共に、エンジン２００の排気空燃比をリッチ状態に制御する。このように、高温の排気を用いてＰＭフィルタ３０２に対する昇温することによって、ＰＭフィルタ３０２の強制再生における再生温度が好適に確保される。
【００５６】
そして、ＥＣＵ１００は、ＰＭフィルタ３０２の上流側のＮＯｘ吸蔵触媒３０１を通過する通路に二次空気を供給するように制御する。よって、リッチガス及び二次空気がＮＯｘ吸蔵触媒３０１をバイパスして、バイパス通路２０７で合流して生成されたストイキガスの形で、ＰＭフィルタに供給される。この結果、高温且つ酸素濃度の高いストイキガスによって、端的には吸入空気の一部を利用して、ＰＭフィルタ３０２の強制再生における酸素不足という問題が解決される。このように、エンジンシステム１０では、ＰＭフィルタ再生制御によって、ＰＭフィルタ３０２の強制再生が確実に促進される。
【００５７】
一方、仮に何らの対策を施さないとすれば、バイパス切り替え弁２１０の漏れに起因して、ＰＭフィルタ３０２の強制再生時に、その上流側のＮＯｘ吸蔵触媒３０１により生成されたＮＨ３などがＰＭフィルタ３０２に導入され、結局はＮＯｘが生成される、即ちエンジンシステム１０におけるエミッションの低減に係る実践上の利益が阻害される懸念がある。
【００５８】
そこで、エンジンシステム１０では、ＰＭフィルタ３０２の上流側における、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１をバイパスする通路２０７ではなく、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１を通過する通路に二次空気を供給することによって、バイパス切り替え弁２１０の漏れによるＮＯｘの生成などのエミッション悪化を好適に回避することが可能となる。より具体的には、バイパス切り替え弁２１０の漏れに起因して、ＰＭフィルタ３０２再生時のその上流側のＮＯｘ吸蔵触媒３０１により生成されたＮＨ３などが下流側のＰＭフィルタ３０２に導かれると共に、二次空気がバイパス切り替え弁２１０を通過して漏れることで、ＰＭフィルタ３０２でＮＯｘの生成を抑制することになる。
【００５９】
＜ＰＭフィルタ再生制御の詳細＞
ここで、図２を参照し、ＰＭフィルタ再生制御の詳細について説明する。ここに、図２は、図１のエンジンシステム１０において実行されるＰＭフィルタ再生制御のフローチャートである。
【００６０】
図２において、初期状態として、エンジンシステム１０は、運転状態にあるとする。先ず、ＥＣＵ１００は、ＰＭフィルタ３０２に堆積したＰＭの量が基準値以上であるか否か、即ちＰＭフィルタ３０２の強制再生が必要であるか否かを判別する（ステップＳ１０１）。
【００６１】
ここで基準値は、予め実験的に求められたＰＭの量がその値を超えるならばＰＭを強制再生しないままだと、ＮＯｘの生成やＰＭフィルタ３０２の破損が顕在化してしまう適合値である。即ち、ＰＭフィルタ３０２に堆積したＰＭの量が基準値以上の場合には、ＰＭフィルタ３０２の強制再生が必要であるものと判別される。基準値の態様は、特に限定されず、判別用に予め設定された固定値であってもよいし、またその値は、予め実験的に、経験的に、理論的に又はシミュレーション等により、ＮＯｘの生成やＰＭフィルタ３０２の破損などを可及的に防止し得るように設定されていてもよい。
【００６２】
なお、本実施形態のＰＭフィルタ再生制御における「以上」とは、基準値などの設定如何により容易に「高い」及び「大きい」と置換し得る概念であり、基準値などがいずれの領域に属するかは発明の本質に影響を与えない。
【００６３】
この場合、ＰＭの量を取得する手法は、各種の態様を有してもよい。例えば、何らかのセンサ等を介して直接的に又は間接的に物理的数値又は物理的数値に対応する例えば電気信号等として検出すること、予め然るべき記憶手段等に記憶されたマップ等から該当する数値を選択する又はそのような選択を介して推定すること、それら検出された物理的数値若しくは電気信号又は選択若しくは推定された数値等から、予め設定されたアルゴリズムや計算式等に従って導出又は推定すること、或いはこのように検出、選択、推定又は導出された値等を単に電気信号等として取得すること等を包括する広い概念である。
【００６４】
例えば、ＰＭの量は、ＰＭフィルタ３０２にＰＭの量を直接検出可能なセンサが設置されていれば、当該センサの出力値を参照して推定（この場合、実測に近い）されてもよいし、ＰＭフィルタ３０２よりも下流側のＰＭ濃度を検出可能なセンサが設置される場合には、検出されたＰＭ濃度と排気流量等から推定される単位時間当たりの捕集量を時間積分すること等によって推定されてもよいし、ＰＭフィルタ３０２の前後に接続された導通管に設置された気圧センサによって検出されたＰＭフィルタの前後圧差に基づいて推定されてもよい。或いは、エンジン２００の機関回転速度、燃料噴射量及び吸気量（又は吸入空気量）等を含む、エンジン２００の運転条件を規定する各種の制御量から適宜選択される制御量に基づいて、ＰＭフィルタ３０２に堆積したＰＭの量がより精細に算出又は推定され、ＰＭフィルタ３０２の強制再生を実施する必要の有無判別に供されてもよい。
【００６５】
ＰＭフィルタ３０２に堆積したＰＭの量が基準値未満である場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、排気浄化制御を終了する。但し、排気浄化制御は、終了後、ＥＣＵ１００に固有の周期で繰り返し実行されるため、然るべき時間経過の後に処理はステップＳ１０１に戻され、一連の処理が繰り返される。
【００６６】
一方、ＰＭフィルタ３０２に堆積したＰＭの量が基準値以上である場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、エンジン２００の負荷などの運転条件に基づいて、ＰＭフィルタ３０２の強制再生を実施することができるか否か、即ち予め設定されたＰＭフィルタ３０２の再生条件に該当するか否かを判別する（ステップＳ１０２）。ここで、負荷は燃料噴射量を意味し、燃料噴射量は前述した機関回転速度及びアクセル開度に基づいて、予め設定された噴射量マップから選択的に決定されてもよい。
【００６７】
エンジン２００又は車両の運転条件がＰＭフィルタ３０２の再生条件に該当しない場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、処理をステップＳ１０２に戻させる。
【００６８】
一方、エンジン２００又は車両の運転条件がＰＭフィルタ３０２の再生条件に該当する場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、ＰＭフィルタ３０２の強制再生の実施を開始する。まず、ＥＣＵ１００は、バイパス切り替え弁２１０を第１経路側から第２経路側に切り替える、即ちバイパス切り替え弁２１０の弁体の位置を、第１弁体位置から第２弁体位置に切り替えるように制御する（ステップＳ１０３）。その結果、排気及び二次空気がＮＯｘ吸蔵触媒３０１をバイパスして、ＰＭフィルタ３０２に導かれる。
【００６９】
バイパス切り替え弁２１０が第１経路側から第２経路側に切り替えられると、ＥＣＵ１００は、二次空気制御弁２１４を開弁する、即ち二次空気の供給を開始するように制御する（ステップＳ１０４）。
【００７０】
二次空気の供給が開始されると、ＥＣＵ１００は、エンジン２００をリッチ状態に制御する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０３、ステップＳ１０４及びステップＳ１０５の一連の制御によって、二次空気過給制御及びリッチ制御がなされていない場合と比較して、高温且つ酸素濃度の高いストイキガスが生成される。係るストイキガスは、ＰＭフィルタ３０２に到達してフィルタ担体を通過する過程で、このフィルタ担体を加熱して、ＰＭフィルタ３０２の温度を上昇させる。その結果、ＰＭフィルタ３０２の温度が強制再生の開始温度に到達すると、ＰＭフィルタ３０２の強制再生が開始される。即ち、高温且つ酸素濃度の高いストイキガスの利用によって、ＰＭフィルタ３０２の強制再生が好適に促進される。
【００７１】
ステップＳ１０５が実行されると、ＥＣＵ１００は、ＰＭフィルタ３０２の強制再生が完了したか否かを判別する（ステップＳ１０６）。ここで、ＰＭフィルタ３０２の強制再生の完了を判別する手法は、各種の態様を有してもよい。例えば、上述した温度センサによって検出されたＰＭフィルタ３０２の温度の変化に基づいて判別されてもよいし、ＰＭフィルタ３０２の前後に接続された導通管に設置された気圧センサによって検出されたＰＭフィルタの前後圧差の増減に基づいて判別されてもよい。
【００７２】
ＰＭフィルタ３０２の強制再生が完了していない場合（ステップＳ１０６：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、エンジン２００の負荷などの運転条件がＰＭフィルタ３０２の強制再生の継続条件に該当するか否か、即ちＰＭフィルタ３０２の強制再生が継続可能であるか否かを判別する（ステップＳ１１０）。ここで、ＰＭフィルタ３０２の強制再生の継続可能を判別する手法は、各種の態様を有してもよい。例えば、ＰＭフィルタ３０２が過熱状態にあるか否かに基づいて判断されてもよい。ここで、「過熱状態」とは、例えばＰＭフィルタ３０２の強制再生が進行する過程でＰＭの燃焼が過渡的に拡散し、ＰＭフィルタ３０２の温度が過度に上昇すること等によって、ＰＭフィルタの熔損（例えば、フィルタ担体の熔損）が生じた状態、近未来的に熔損を生じかねない旨が推定される状態、或いは予め実験的に、経験的に、理論的に又はシミュレーション等に基づいて、それ以上の温度上昇が望ましくない旨が規定された状態等を指す。その結果、ＰＭフィルタ３０２の熔損を回避することが可能となり、エンジン２００の安定化及び動力性能の向上を確実に担保することが可能となる。
【００７３】
一方、ＰＭフィルタ３０２の強制再生が完了した場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、エンジン２００をストイキ状態に制御し（ステップＳ１０７）、二次空気制御弁２１４を閉弁する、即ち二次空気の供給を停止するように制御する（ステップＳ１０８）。
【００７４】
二次空気の供給が停止されると、ＥＣＵ１００は、バイパス切り替え弁２１０を第２経路側から第１経路側に切り替える、即ちバイパス切り替え弁２１０の弁体の位置を、第２弁体位置から第１弁体位置に切り替えるように制御する（ステップＳ１０９）。その結果、排気及び二次空気がＮＯｘ吸蔵触媒３０１を通過して、ＰＭフィルタ３０２に導かれる。即ち、ステップＳ１０７、ステップＳ１０８及びステップＳ１０９に係る処理が実行されると、エンジン２００が通常運転状態に戻るように制御される。
【００７５】
ＰＭフィルタ３０２の強制再生が継続不可能であると判別された場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、処理をステップＳ１０６に戻させる。一方、ＰＭフィルタ３０２の強制再生が継続可能であると判別された場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、エンジン２００をストイキ状態に制御し（ステップＳ１１１）、二次空気制御弁２１４を閉弁する、即ち二次空気の供給を停止するように制御する（ステップＳ１１２）。
【００７６】
二次空気の供給が停止されると、ＥＣＵ１００は、バイパス切り替え弁２１０を第２経路側から第１経路側に切り替える、即ちバイパス切り替え弁２１０の弁体の位置を、第２弁体位置から第１弁体位置に切り替えるように制御する（ステップＳ１１３）。その結果、排気及び二次空気がＮＯｘ吸蔵触媒３０１を通過して、ＰＭフィルタ３０２に導かれる。即ち、ステップＳ１１１、ステップＳ１１２及びステップＳ１１３に係る処理が実行されると、エンジン２００が通常運転状態に戻るように制御される。
【００７７】
ステップＳ１１３に係る処理が実行されると、処理はステップＳ１０２に戻され、一連の処理が繰り返されると共に、ステップＳ１０９に係る処理が実行されると、処理はステップＳ１０１に戻され、一連の処理が繰り返される
以上説明したように、本実施形態に係るエンジンシステム１０及びＰＭフィルタ再生制御によれば、ＥＣＵ１００は、ＰＭフィルタ３０２の強制再生が行われる際に、バイパス切り替え弁２１０を第２経路側に切り替えるように制御すると共に、エンジン２００の排気空燃比をリッチ状態に制御する。よって、高温の排気を用いてＰＭフィルタ３０２に対する昇温することになる。そして、ＥＣＵ１００は、ＰＭフィルタ３０２の上流側のＮＯｘ吸蔵触媒３０１を通過する通路に二次空気を供給するように制御する。この結果、リッチガス及び二次空気がＮＯｘ吸蔵触媒３０１をバイパスして、バイパス通路２０７で合流して生成されたストイキガスの形で、ＰＭフィルタ３０２に供給される。よって、高温且つ酸素濃度の高いストイキガスの利用によって、ＰＭフィルタ３０２の強制再生における再生温度不足及び酸素不足の問題が好適に解決される。このように、エンジンシステム１０では、ＰＭフィルタ再生制御によって、ＰＭフィルタ３０２の強制再生が確実に促進される。
【００７８】
一方、エンジンシステム１０において、ＰＭフィルタ３０２の上流側における、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１をバイパスする通路２０７ではなく、ＮＯｘ吸蔵触媒３０１を通過する通路に二次空気を供給することによって、バイパス切り替え弁２１０の漏れによるＮＯｘの生成などのエミッション悪化に至る可能性が著しく低減される。
【００７９】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う内燃機関の排気浄化装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、ガソリン、軽油、アルコール等を燃料とする各種車両における、ＰＭフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１０…エンジンシステム、１００…ＥＣＵ、２００…エンジン、２０１…シリンダブロック、２０２…気筒、２０３…吸気通路、２０４…吸気マニホールド、２０５…排気マニホールド、２０６…排気通路、２０７…バイパス通路、２０８…バイパス分岐位置、２０９…バイパス合流位置、２１０…バイパス切り替え弁、２１１…二次空気供給通路、２１２…二次空気分岐位置、２１３…二次空気合流位置、２１４…二次空気制御弁、３００…触媒部、３０１…ＮＯｘ吸蔵触媒、３０２…ＰＭフィルタ、３０３…酸化触媒。
【図１】
2010261390.tif 000003
【図２】
2010261390.tif 000004