(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、
前記パティキュレートフィルタを昇温させる場合、排気ガス温度が、前記パティキュレートフィルタに到達するまでに排気ガス中の未燃ＨＣが煤に変化しにくい温度範囲のうち最高温度以下であるときに前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給し、次いで排気ガス温度を前記最高温度よりも高い温度にまで昇温させ、排気ガス温度が前記最高温度よりも高くなったら前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを原則的に禁止するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
排気ガスがパティキュレートフィルタの壁を通過するときに排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタの壁の内部において捕集されるように前記パティキュレートフィルタを構成した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記パティキュレートフィルタを排気ポート内又は排気ポートのすぐ下流側に配置した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、
排気ガス温度が低酸化反応温度よりも低いときに前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給し、次いで排気ガス温度を低酸化反応温度以上の温度まで床温させると共に前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを原則的に禁止し、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上のときであっても、排気ガス温度が高温酸化反応温度まで上昇する直前であるときには、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを許容するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、
排気ガス温度が低酸化反応温度よりも低いときに前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給し、次いで排気ガス温度を低酸化反応温度以上の温度まで床温させると共に前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを原則的に禁止し、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上のときであっても、前記パティキュレートフィルタ内の未燃ＨＣがなくなりそうなときには、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを許容するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、
排気ガス温度が低酸化反応温度よりも低いときに前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給し、次いで排気ガス温度を低酸化反応温度以上の温度まで床温させると共に前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを原則的に禁止し、前記パティキュレートフィルタの下流側に排気ターボチャージャを配置し、その下流側にＮＯｘ触媒を配置し、その下流側に酸化触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、
排気ガス温度が低酸化反応温度よりも低いときに前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給し、次いで排気ガス温度を低酸化反応温度以上の温度まで床温させると共に前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを原則的に禁止し、排気ガス温度が低温酸化反応温度よりも低いとき、圧縮上死点後４０°から５０°に主燃料とは別の副燃料を追加噴射することにより前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、
排気ガス温度が低酸化反応温度よりも低いときに前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給し、次いで排気ガス温度を低酸化反応温度以上の温度まで床温させると共に前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを原則的に禁止し、前記パティキュレートフィルタに堆積している微粒子量が所定値以上のとき、圧縮上死点後３０°から４０°に主燃料とは別の副燃料を追加噴射することにより排気ガス温度を低温酸化反応温度以上の温度まで昇温させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、
排気ガス温度が低酸化反応温度よりも低いときに前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給し、次いで排気ガス温度を低酸化反応温度以上の温度まで床温させると共に前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを原則的に禁止し、前記パティキュレートフィルタの下流側に配置されたＮＯｘ触媒を還元すべきとき、圧縮上死点後４０°から５０°に、又は圧縮上死点後５０°以降に主燃料とは別の副燃料を追加噴射するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、そのパティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした内燃機関の排気浄化装置が知られている。この種の内燃機関の排気浄化装置の例としては、例えば特開昭５８−３８３１１号公報に記載されたものがある。特開昭５８−３８３１１号公報に記載された内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタに未燃ＨＣが供給されるとその未燃ＨＣがパティキュレートフィルタ内において酸化することにより、パティキュレートフィルタの温度が上昇せしめられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開昭５８−３８３１１号公報に記載された内燃機関の排気浄化装置では、排気ガス温度とは無関係に、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子の大部分が燃焼してしまうまで、パティキュレートフィルタに未燃ＨＣが供給され続ける。つまり、特開昭５８−３８３１１号公報に記載された内燃機関の排気浄化装置では、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上の温度まで昇温した後であっても、パティキュレートフィルタに未燃ＨＣが供給され続けてしまう。一方、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上のときにパティキュレートフィルタに未燃ＨＣが供給されると、排気ガス中の未燃ＨＣはパティキュレートフィルタに到達するまでに煤に変化してしまう。そのため、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を燃焼除去しようとしているにもかかわらず、パティキュレートフィルタに煤として微粒子が供給されることになってしまい、結果として、パティキュレートフィルタの再生、つまり、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子量を減少させることが妨げられてしまう。
【０００４】
前記問題点に鑑み、本発明はパティキュレートフィルタの再生が妨げられるのを抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、排気ガス温度が低温酸化反応温度よりも低いときに前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給し、次いで排気ガス温度を低温酸化反応温度以上の温度まで昇温させると共に前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを原則的に禁止するようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【０００６】
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置では、排気ガス温度が低温酸化反応温度よりも低いときにパティキュレートフィルタに未燃ＨＣが供給される。そのため、パティキュレートフィルタに到達するまでに未燃ＨＣが煤に変化してしまうのを抑制しつつ、パティキュレートフィルタにおいて未燃ＨＣを酸化させることにより、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を燃焼除去する準備を行うことができる。更に、排気ガス温度が低温酸化反応温度よりも低いときにパティキュレートフィルタに未燃ＨＣが供給されるのに次いで、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上の温度まで昇温せしめられる。そのため、パティキュレートフィルタにおいて酸化発熱する未燃ＨＣによってパティキュレートフィルタが加熱されるのに加えて、昇温した排気ガスによってパティキュレートフィルタが加熱される。その結果、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を燃焼除去することができる。更に、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上の温度まで昇温せしめられているときに、パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのが原則的に禁止される。そのため、昇温した排気ガス中において未燃ＨＣがパティキュレートフィルタに到達するまでの間に煤に変化してしまうのが抑制され、その結果、パティキュレートフィルタに煤が供給されてしまうのに伴ってパティキュレートフィルタの再生が妨げられてしまうのを抑制することができる。つまり、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を減少させることが妨げられてしまうのを抑制することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明によれば、排気ガスがパティキュレートフィルタの壁を通過するときに排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタの壁の内部において捕集されるように前記パティキュレートフィルタを構成した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【０００８】
請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置では、排気ガスがパティキュレートフィルタの壁を通過するときに排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタの壁の内部において捕集されるようにパティキュレートフィルタが構成されている。そのため、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子量が増加したためにパティキュレートフィルタを再生すべきときには、排気ガスがパティキュレートフィルタの壁を通過しづらくなって排気ガス圧力が上昇し、その結果、パティキュレートフィルタの温度が静温度ではなくむしろ全温度として定まる。それゆえ、パティキュレートフィルタの温度が静温度として定まる場合に比べて、パティキュレートフィルタの温度を高くすることができ、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を容易に燃焼させることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタを排気ポート内又は排気ポートのすぐ下流側に配置した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１０】
請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタが排気ポート内又は排気ポートのすぐ下流側に配置される。そのため、パティキュレートフィルタが排気ポート内又は排気ポートのすぐ下流側よりも更に下流側に配置されている場合に比べ、内燃機関本体から排出された排気ガスの衝撃波によってパティキュレートフィルタの温度を排気ガス温度よりも高くすることができ、それゆえ、排気ガス温度がまだ低いときであってもパティキュレートフィルタにおいて未燃ＨＣを酸化させることができる。尚、パティキュレートフィルタの温度を排気ガス温度よりも高くするためには、内燃機関の気筒からパティキュレートフィルタまでの機関排気通路が気筒毎に独立していること、つまり、気筒から排出された排気ガスの衝撃波がパティキュレートフィルタまで到達できるようになっていることが必要である。
【００１１】
請求項４に記載の発明によれば、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上のときであっても、排気ガス温度が高温酸化反応温度まで上昇する直前であるときには、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを許容するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１２】
請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置では、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上のとき、つまり、パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのが原則的に禁止されるときであっても、排気ガス温度が高温酸化反応温度まで上昇する直前であるときには、パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのが許容される。そのため、排気ガス温度が高温酸化反応温度まで上昇する直前にもパティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのが禁止されてしまう場合に比べ、早期にパティキュレートフィルタを昇温させ、パティキュレートフィルタを再生することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明によれば、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上のときであっても、前記パティキュレートフィルタ内の未燃ＨＣがなくなりそうなときには、前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのを許容するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１４】
請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタ内の未燃ＨＣがなくなってしまうと、パティキュレートフィルタ内の未燃ＨＣによってパティキュレートフィルタを加熱できなくなり、排気ガスを昇温させなければパティキュレートフィルタを加熱できなくなることに鑑み、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上のとき、つまり、パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのが原則的に禁止されるときであっても、パティキュレートフィルタ内の未燃ＨＣがなくなりそうなときには、パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのが許容される。そのため、パティキュレートフィルタ内の未燃ＨＣがなくなってしまい、パティキュレートフィルタ内の未燃ＨＣによってパティキュレートフィルタを加熱できなくなってしまうのを回避することができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタの下流側に排気ターボチャージャを配置し、その下流側にＮＯｘ触媒を配置し、その下流側に酸化触媒を配置した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１６】
請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの下流側にＮＯｘ触媒が配置されるため、パティキュレートフィルタの加熱に使用されることなくパティキュレートフィルタを通過した未燃ＨＣによりＮＯｘ触媒を還元することができる。更に、ＮＯｘ触媒の下流側に酸化触媒が配置されるため、ＮＯｘ触媒の還元に使用されることなくＮＯｘ触媒を通過した未燃ＨＣが酸化触媒において浄化される。それゆえ、未燃ＨＣが排出されてしまうのを回避することができる。
【００１７】
請求項７に記載の発明によれば、排気ガス温度が低温酸化反応温度よりも低いとき、圧縮上死点後４０°から５０°に主燃料とは別の副燃料を追加噴射することにより前記パティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１８】
請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置では、排気ガス温度が低温酸化反応温度よりも低いときに圧縮上死点後４０°から５０°に追加噴射される副燃料は、パティキュレートフィルタに到達するまでの間に後燃えしてしまうことなく、また、パティキュレートフィルタに到達するまでの間に煤に変化してしまうことなく、未燃ＨＣの状態でパティキュレートフィルタまで到達できることに鑑み、排気ガス温度が低温酸化反応温度よりも低いときに圧縮上死点後４０°から５０°に主燃料とは別の副燃料が追加噴射される。そのため、パティキュレートフィルタに到達するまでに未燃ＨＣが煤に変化してしまうのを抑制しつつ、パティキュレートフィルタにおいて未燃ＨＣを酸化させることにより、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を酸化除去する準備を行うことができる。
【００１９】
請求項８に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタに堆積している微粒子量が所定値以上のとき、圧縮上死点後３０°から４０°に主燃料とは別の副燃料を追加噴射することにより排気ガス温度を低温酸化反応温度以上の温度まで昇温させるようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２０】
請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置では、圧縮上死点後３０°から４０°に追加噴射される副燃料はパティキュレートフィルタに到達するまでの間に後燃えして排気ガスを昇温させることができることに鑑み、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子量が所定値以上のときに圧縮上死点後３０°から４０°に主燃料とは別の副燃料が追加噴射される。そのため、昇温した排気ガスによってパティキュレートフィルタが加熱され、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を燃焼除去することができる。
【００２１】
請求項９に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタの下流側に配置されたＮＯｘ触媒を還元すべきとき、圧縮上死点後４０°から５０°に、又は圧縮上死点後５０°以降に主燃料とは別の副燃料を追加噴射するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２２】
請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置では、圧縮上死点後４０°から５０°に、又は圧縮上死点後５０°以降に追加噴射される副燃料は、未燃ＨＣの状態でパティキュレートフィルタまで到達することができ、パティキュレートフィルタを通過した場合にはパティキュレートフィルタの下流側に配置されたＮＯｘ触媒まで到達することができることに鑑み、パティキュレートフィルタの下流側に配置されたＮＯｘ触媒を還元すべきときには圧縮上死点後４０°から５０°に、又は圧縮上死点後５０°以降に主燃料とは別の副燃料が追加噴射される。そのため、ＮＯｘ触媒に到達した未燃ＨＣによりＮＯｘ触媒を還元することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
【００２４】
図１は本発明の内燃機関の排気浄化装置の第一の実施形態の構成図である。図１において、１は内燃機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートである。吸気ポート８は対応する排気マニホルド１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結されている。吸気ダクト１３内には、ステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置されている。また、スロットル弁１７上流の吸気ダクト１３内には、吸入空気の質量流量を検出するための質量流量検出器１７ａが配置されている。更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１８が配置されている。本実施形態では機関冷却水がインタークーラ１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００２５】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口はＮＯｘ触媒６０及び酸化触媒６１に連結されている。排気ポート１０内にはパティキュレートフィルタ２２が配置されている。パティキュレートフィルタ２２を排気ポート１０内に配置する代わりに、他の実施形態では、パティキュレートフィルタ２２を排気ポート１０のすぐ下流側の排気マニホルド１９内に配置することも可能である。いずれにしても、パティキュレートフィルタ２２は、内燃機関本体１から排出された排気ガスの衝撃波によってパティキュレートフィルタ２２の温度が排気ガス温度よりも高くなるように配置されている。詳細には、パティキュレートフィルタ２２の温度を排気ガス温度よりも高くするために、内燃機関のシリンダからパティキュレートフィルタ２２まで延びている排気通路がシリンダ毎に独立しているように排気ポート１０及びパティキュレートフィルタ２２が配置されている。本実施形態では、排気ポート１０の流れの中心とパティキュレートフィルタ２２の入口の中心とが対向するように配置されている。
【００２６】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４にはステップモータにより駆動される電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置されている。更にＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２６が配置されている。本実施形態では機関冷却水がＥＧＲクーラ２６内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結されている。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００２７】
電気制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、質量流量検出器１７ａの出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。排気ポート１０内の排気ガス温度を検出するための排気ガス温度センサ４３の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁駆動用ステップモータ（図示せず）及び燃料ポンプ２８に接続されている。
【００２８】
図２は図１に示したパティキュレートフィルタの詳細図である。詳細には、図２（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２の端面図、図２（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の縦断面図である。図２に示すように、パティキュレートフィルタ２２はハニカム構造をなしており、互いに平行に延びている複数の排気流通路５０，５１を具備する。これらの排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気ガス流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気ガス流出通路５１とによって構成されている。排気ガス流入通路５０及び排気ガス流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置されている。つまり、排気ガス流入通路５０及び排気ガス流出通路５１は、各排気ガス流入通路５０が４つの排気ガス流出通路５１によって包囲され、各排気ガス流出通路５１が４つの排気ガス流入通路５０によって包囲されるように配置されている（図４（Ａ）参照）。パティキュレートフィルタ２２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、従って排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）に矢印で示すように周囲の隔壁５４を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流出する。
【００２９】
図３は燃焼室に近い位置における機関排気通路内の圧力と燃焼室から離れた位置における機関排気通路内の圧力とを比較して示した図である。図３において、縦軸は圧力を示しており、横軸は時間を示している。また、図３中の実線は燃焼室５に近い位置における機関排気通路内の圧力を示しており、図３中の破線は燃焼室５から離れた位置における機関排気通路内の圧力を示している。本実施形態のパティキュレートフィルタ２２は、内燃機関本体１から排出された排気ガスの衝撃波がパティキュレートフィルタ２２に伝わるように燃焼室５に近い位置に配置されている。従って、パティキュレートフィルタ２２が配置されている位置における機関排気通路内の圧力は、図３中の実線で示すようになる。
【００３０】
図４はパティキュレートフィルタ温度とパティキュレートフィルタの上流側の排気ガス温度とを比較して示した図である。図４において、縦軸は温度を示しており、横軸は時間を示している。また、図４中の実線はパティキュレートフィルタ２２の温度を示しており、図４中の破線はパティキュレートフィルタ２２の上流側の排気ポート１０内の排気ガス温度を示している。本発明者が行った実験により、内燃機関本体１から排出された排気ガスの衝撃波がパティキュレートフィルタ２２まで伝わるようにパティキュレートフィルタ２２を燃焼室５の近くに配置すると、パティキュレートフィルタ２２の温度が排気ガス温度よりも高くなることが確認された。従って本実施形態では、パティキュレートフィルタ２２が燃焼室５に比較的近い排気ポート１０内に配置されているため、パティキュレートフィルタ２２の温度が排気ガス温度よりも高くなっている。
【００３１】
本実施形態では、パティキュレートフィルタ２２を昇温させる場合、まず、排気ガス温度が低温酸化反応温度（約４５０℃）よりも低いときには、燃料噴射弁６からの燃料噴射量が増加せしめられ、パティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣが供給される。次いで、排気ガス温度が低温酸化反応温度（約４５０℃）以上の温度まで上昇しパティキュレートフィルタ２２の温度が約６００℃から約６５０℃まで上昇すると、パティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣを供給するのが原則的に禁止される。
【００３２】
図５は領域Ａと領域Ｂとの関係を示した図である。図５において、縦軸Ｔｅはエンジントルクを示しており、横軸Ｎｅは機関回転数を示している。また、領域Ａは、パティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣを供給するのが許容される領域を示している。領域Ａ内においては、通常、排気ガス温度が低温酸化反応温度（約４５０℃）よりも低くなっている。一方、領域Ｂはパティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣを供給するのが原則的に禁止される領域を示している。領域Ｂ内においては、通常、排気ガス温度が低温酸化反応温度（約４５０℃）以上になっている。従って、排気ガス温度が低温酸化反応温度（約４５０℃）以上であるか否かは温度センサ４３の出力値に基づいて判断してもよいが、代わりに、機関運転条件が領域Ａ内にあるか、あるいは、領域Ｂ内にあるかに基づいて判断することも可能である。
【００３３】
すなわち本実施形態によれば、機関低負荷運転時のような排気ガス温度が低温酸化反応温度よりも低いときにパティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣが供給されるため、パティキュレートフィルタ２２に到達するまでに未燃ＨＣが煤に変化してしまうのを抑制しつつ、パティキュレートフィルタ２２において未燃ＨＣを酸化させることにより、パティキュレートフィルタ２２に堆積している微粒子を燃焼除去する準備を行うことができる。つまり、未燃ＨＣをパティキュレートフィルタ２２に蓄えておくことができる。機関低負荷運転時にパティキュレートフィルタ２２に蓄えられた未燃ＨＣは、次いで機関加速運転時のような負荷増加時に一気に酸化されることになる。その結果、パティキュレートフィルタ２２の温度が上昇し、パティキュレートフィルタ２２に堆積していた微粒子が酸化除去せしめられる。
【００３４】
また本実施形態では、排気ガス温度が低温酸化反応温度よりも低いときにパティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣが供給されるのに次いで、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上の温度まで昇温せしめられるため、パティキュレートフィルタ２２において酸化発熱する未燃ＨＣによってパティキュレートフィルタ２２が加熱されるのに加え、昇温した排気ガスによってもパティキュレートフィルタ２２が加熱される。その結果、パティキュレートフィルタ２２に堆積している微粒子を燃焼除去することができる。尚、本実施形態では、排気ガスを低温酸化反応温度（約４５０℃）以上の温度まで昇温させるために、外部ヒータ等は使用されず、代わりに、例えば機関加速運転時等、必然的に排気ガス温度が高くなる機関運転条件が適用される。
【００３５】
また、排気ガス温度が低温酸化反応温度以上の温度まで昇温せしめられているときには、パティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣを供給するのが原則的に禁止されるため、昇温した排気ガス中において未燃ＨＣがパティキュレートフィルタ２２に到達するまでの間に煤に変化してしまうのが抑制される。その結果、パティキュレートフィルタ２２に煤が供給されてしまうのに伴ってパティキュレートフィルタ２２の再生が妨げられてしまうのを抑制することができる。つまり、パティキュレートフィルタ２２に堆積している微粒子を減少させることが妨げられてしまうのを抑制することができる。尚、パティキュレートフィルタ２２の温度が６００℃よりも高くなると排気ガス温度が低下しても微粒子を燃焼させるための火種は継続して存続し、排気ガス温度が再び４５０℃よりも高くなると瞬時に微粒子の燃焼が可能になる。火種が存続しているか否かはパティキュレートフィルタ２２の前後の差圧を検出することによって判断することができる。
【００３６】
また本実施形態では、図２に示したように排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過するときに排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４の内部において捕集されるようにパティキュレートフィルタ２２が構成されている。そのため、パティキュレートフィルタ２２に堆積している微粒子量が増加したためにパティキュレートフィルタ２２を再生する必要が生じたときには、排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過しづらくなって排気ガス圧力が上昇し、その結果、パティキュレートフィルタ２２の温度が静温度ではなくむしろ全温度として定まる。この状態が続くと、ガスの運動エネルギが温度に変換され、排気ガス温度及びパティキュレートフィルタ２２の温度が上昇することになる。それゆえ、パティキュレートフィルタ２２の温度が静温度として定まる場合に比べて、パティキュレートフィルタ２２の温度を高くすることができ、外部ヒータなしでも、パティキュレートフィルタ２２に堆積している微粒子を容易に燃焼させることができる。
【００３７】
また本実施形態では、パティキュレートフィルタ２２が排気ポート１０内に配置されているため、パティキュレートフィルタ２２が排気ポート１０内よりも更に下流側に配置されている場合に比べ、内燃機関本体１から排出された排気ガスの衝撃波によってパティキュレートフィルタ２２の温度を排気ガス温度よりも高くすることができ、それゆえ、排気ガス温度がまだ低いときであってもパティキュレートフィルタ２２において未燃ＨＣを酸化させることができる。
【００３８】
上述したように本実施形態では排気ガス温度が低温酸化反応温度以上のときにはパティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣを供給するのが原則的に禁止されるが、他の実施形態では、そのようなときであっても、排気ガス温度が高温酸化反応温度（約６００℃）まで上昇する直前であるときには、パティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣを供給するのが許容される。そのため、排気ガス温度が高温酸化反応温度（約６００℃）まで上昇する直前にもパティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのが禁止されてしまう場合に比べ、早期にパティキュレートフィルタ２２を昇温させ、パティキュレートフィルタ２２を再生することができる。
【００３９】
また更に他の実施形態では、パティキュレートフィルタ２２内の未燃ＨＣがなくなってしまうと、パティキュレートフィルタ２２内の未燃ＨＣによってパティキュレートフィルタ２２を加熱できなくなり、排気ガスを昇温させなければパティキュレートフィルタ２２を加熱できなくなることに鑑み、排気ガス温度が低温酸化反応温度（約４５０℃）以上のとき、つまり、パティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣを供給するのが原則的に禁止されるときであっても、パティキュレートフィルタ２２内の未燃ＨＣがなくなりそうなときには、パティキュレートフィルタ２２に未燃ＨＣを供給するのが許容される。そのため、パティキュレートフィルタ２２内の未燃ＨＣがなくなってしまい、パティキュレートフィルタ２２内の未燃ＨＣによってパティキュレートフィルタ２２を加熱できなくなってしまうのを回避することができる。
【００４０】
第一の実施形態の説明に戻り、本実施形態では、パティキュレートフィルタ２２の下流側にＮＯｘ触媒６０が配置されているため、パティキュレートフィルタ２２の加熱に使用されることなくパティキュレートフィルタ２２を通過した未燃ＨＣによりＮＯｘ触媒６０を還元することができる。更に、ＮＯｘ触媒６０の下流側に酸化触媒６１が配置されているため、ＮＯｘ触媒６０の還元に使用されることなくＮＯｘ触媒６０を通過した未燃ＨＣが酸化触媒６１において浄化される。それゆえ、未燃ＨＣが大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【００４１】
図６は主燃料とは別の副燃料の追加噴射時期と排気ガス中の未燃ＨＣ量、微粒子量及び燃焼状態との関係を示した図である。図６に示すように、副燃料が圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）約３０°から約４０°に追加噴射される温度利用領域においては、追加噴射された副燃料はパティキュレートフィルタ２２に到達するまでの間に後燃えし、未燃ＨＣとしてパティキュレートフィルタ２２に供給されない。従ってこの温度利用領域では、パティキュレートフィルタ２２は、副燃料の後燃えにより温度上昇した排気ガスによって昇温せしめられる。
【００４２】
一方、副燃料が圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）約４０°から約５０°に追加噴射される触媒的作用利用領域においては、追加噴射された副燃料は、パティキュレートフィルタ２２に到達するまでの間に後燃えすることなく、未燃ＨＣとしてパティキュレートフィルタ２２に供給され、パティキュレートフィルタ２２において燃焼せしめられる。従ってこの触媒的作用利用領域では、パティキュレートフィルタ２２は、未燃ＨＣがパティキュレートフィルタ２２において燃焼する反応熱によって昇温せしめられる。温度利用領域においてパティキュレートフィルタ２２が昇温せしめられる場合と触媒的作用利用領域においてパティキュレートフィルタ２２が昇温せしめられる場合とでは、後者の方が早期にパティキュレートフィルタ２２が昇温せしめられることになる。パティキュレートフィルタ２２に堆積している微粒子量が多いときには、排気ガス温度そのものを事前に高めておくために圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）約３０°から約４０°に副燃料の追加噴射を行うのに加え、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）約４０°から約５０°に副燃料の追加噴射を行うのが好ましい。上述した副燃料の追加噴射を行うことにより、パティキュレートフィルタ２２において微粒子を燃焼させるための火種が消失してしまうのを抑制することができる。
【００４３】
副燃料が圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）約５０°以降に追加噴射される反応不十分領域においては、追加噴射された副燃料が未燃ＨＣとしてパティキュレートフィルタ２２に供給されるものの、燃焼状態が悪化して排気ガス温度が低下してしまうため、パティキュレートフィルタ２２を昇温させる作用は低下してしまう。
【００４４】
図７は図６に示した温度利用領域を適用してパティキュレートフィルタを昇温させた場合と触媒的作用利用領域を適用してパティキュレートフィルタを昇温させた場合とを比較して示した図である。図７において、縦軸はパティキュレートフィルタを示しており、横軸は時間を示している。図７に示すように、触媒的作用利用領域を適用してパティキュレートフィルタ２２を昇温させた場合の方が、温度利用領域を適用してパティキュレートフィルタ２２を昇温させた場合よりも早期にパティキュレートフィルタ２２が昇温せしめられる。
【００４５】
従って本実施形態では、パティキュレートフィルタ２２を昇温すべきときであって排気ガス温度が低温酸化反応温度（約４５０℃）よりも低いときに、圧縮上死点後約４０°から約５０°に主燃料とは別の副燃料が追加噴射される。その結果、パティキュレートフィルタ２２に到達するまでに未燃ＨＣが煤に変化してしまうのを抑制しつつ、パティキュレートフィルタ２２において未燃ＨＣを酸化させることにより、パティキュレートフィルタ２２に堆積している微粒子を酸化除去する準備を行うことができる。
【００４６】
更に上述したように、圧縮上死点後約３０°から約４０°に追加噴射される副燃料はパティキュレートフィルタに到達するまでの間に後燃えして排気ガスを昇温させることができることに鑑み、本実施形態では、パティキュレートフィルタ２２に堆積している微粒子量が所定値以上のときに圧縮上死点後３０°から４０°に主燃料とは別の副燃料が追加噴射される。その結果、昇温した排気ガスによってパティキュレートフィルタ２２が加熱され、パティキュレートフィルタ２２に堆積している微粒子を燃焼除去することができる。尚、パティキュレートフィルタ２２に堆積している微粒子量が所定値以上であるか否かは、例えば機関運転積算時間、パティキュレートフィルタ２２の前後の差圧等に基づいて推定される。
【００４７】
また上述したように、圧縮上死点後約４０°から約５０°に、又は圧縮上死点後約５０°以降に追加噴射される副燃料は、未燃ＨＣの状態でパティキュレートフィルタ２２まで到達することができ、パティキュレートフィルタ２２を通過した場合にはパティキュレートフィルタ２２の下流側に配置されたＮＯｘ触媒６０まで到達することができることに鑑み、本実施形態では、パティキュレートフィルタ２２の下流側に配置されたＮＯｘ触媒６０を還元すべきときには圧縮上死点後約４０°から約５０°に、又は圧縮上死点後約５０°以降に主燃料とは別の副燃料が追加噴射される。その結果、ＮＯｘ触媒６０に到達した未燃ＨＣによりＮＯｘ触媒６０を還元することができる。
【００４８】
他の実施形態では、機関始動時等、排気ガス温度が低いときには圧縮上死点後約３０°から４０°に副燃料を追加噴射し、暖機がすすむに従って副燃料の追加噴射時期を圧縮上死点後約４０°から約５０°に切り換えることも可能である。また他の実施形態では、排気ガス温度が低温酸化反応温度よりも高く煤が自然再生できるときには、圧縮上死点後約３０°から４０°に副燃料を追加噴射することも可能である。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに到達するまでに未燃ＨＣが煤に変化してしまうのを抑制しつつ、パティキュレートフィルタにおいて未燃ＨＣを酸化させることにより、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を燃焼除去する準備を行うことができる。更に、パティキュレートフィルタにおいて酸化発熱する未燃ＨＣによってパティキュレートフィルタが加熱されるのに加えて、昇温した排気ガスによってパティキュレートフィルタが加熱される。その結果、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を燃焼除去することができる。更に、昇温した排気ガス中において未燃ＨＣがパティキュレートフィルタに到達するまでの間に煤に変化してしまうのが抑制され、その結果、パティキュレートフィルタに煤が供給されてしまうのに伴ってパティキュレートフィルタの再生が妨げられてしまうのを抑制することができる。つまり、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を減少させることが妨げられてしまうのを抑制することができる。
【００５０】
請求項２に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子量が増加したためにパティキュレートフィルタを再生すべきときには、排気ガスがパティキュレートフィルタの壁を通過しづらくなって排気ガス圧力が上昇し、その結果、パティキュレートフィルタの温度が静温度ではなくむしろ全温度として定まる。それゆえ、パティキュレートフィルタの温度が静温度として定まる場合に比べて、パティキュレートフィルタの温度を高くすることができ、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を容易に燃焼させることができる。
【００５１】
請求項３に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタが排気ポート内又は排気ポートのすぐ下流側よりも更に下流側に配置されている場合に比べ、内燃機関本体から排出された排気ガスの衝撃波によってパティキュレートフィルタの温度を排気ガス温度よりも高くすることができ、それゆえ、排気ガス温度がまだ低いときであってもパティキュレートフィルタにおいて未燃ＨＣを酸化させることができる。
【００５２】
請求項４に記載の発明によれば、排気ガス温度が高温酸化反応温度まで上昇する直前にもパティキュレートフィルタに未燃ＨＣを供給するのが禁止されてしまう場合に比べ、早期にパティキュレートフィルタを昇温させ、パティキュレートフィルタを再生することができる。
【００５３】
請求項５に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタ内の未燃ＨＣがなくなってしまい、パティキュレートフィルタ内の未燃ＨＣによってパティキュレートフィルタを加熱できなくなってしまうのを回避することができる。
【００５４】
請求項６に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの加熱に使用されることなくパティキュレートフィルタを通過した未燃ＨＣによりＮＯｘ触媒を還元することができる。更に、ＮＯｘ触媒の還元に使用されることなくＮＯｘ触媒を通過した未燃ＨＣが酸化触媒において浄化される。それゆえ、未燃ＨＣが排出されてしまうのを回避することができる。
【００５５】
請求項７に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに到達するまでに未燃ＨＣが煤に変化してしまうのを抑制しつつ、パティキュレートフィルタにおいて未燃ＨＣを酸化させることにより、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を酸化除去する準備を行うことができる。
【００５６】
請求項８に記載の発明によれば、昇温した排気ガスによってパティキュレートフィルタが加熱され、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子を燃焼除去することができる。
【００５７】
請求項９に記載の発明によれば、ＮＯｘ触媒に到達した未燃ＨＣによりＮＯｘ触媒を還元することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気浄化装置の第一の実施形態の構成図である。
【図２】図１に示したパティキュレートフィルタの詳細図である。
【図３】燃焼室に近い位置における機関排気通路内の圧力と燃焼室から離れた位置における機関排気通路内の圧力とを比較して示した図である。
【図４】パティキュレートフィルタ温度とパティキュレートフィルタの上流側の排気ガス温度とを比較して示した図である。
【図５】領域Ａと領域Ｂとの関係を示した図である。
【図６】主燃料とは別の副燃料の追加噴射時期と排気ガス中の未燃ＨＣ量、微粒子量及び燃焼状態との関係を示した図である。
【図７】図６に示した温度利用領域を適用してパティキュレートフィルタを昇温させた場合と触媒的作用利用領域を適用してパティキュレートフィルタを昇温させた場合とを比較して示した図である。
【符号の説明】
１…内燃機関本体
１０…排気ポート
１４…排気ターボチャージャ
１９…排気マニホルド
２２…パティキュレートフィルタ
６０…ＮＯｘ触媒
６１…酸化触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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