(57)【要約】【課題】リッチスパイクに伴う内燃機関の出力トルクの変動を抑えつつＮＯｘの浄化率の低下を抑制できる内燃機関の排気システムを提供する。【解決手段】本発明の内燃機関の排気システムは、排気通路４から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路３へ導入する排気還流装置９が設けられた内燃機関１に適用され、吸蔵した窒素酸化物を燃料の存在下で還元するフィルタ１７と、排気還流装置９によるＥＧＲガスの取り出し位置よりも上流側に配置されて、フィルタ１７に向かって燃料を噴射可能な燃料添加弁１８と、を備え、排気の空燃比を一時的にリッチ側に変化させて排気の空燃比が目標空燃比となるように前記燃料添加手段から燃料を噴射させるとともに、ＥＧＲ率が高い場合は低い場合よりも目標空燃比をリーン側に設定する。【選択図】図１
2008133744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路へ導入する排気還流装置が設けられた内燃機関に適用される内燃機関の排気システムにおいて、
前記排気通路に配置され、吸蔵した窒素酸化物をリッチ空燃比の時に還元する排気浄化手段と、前記排気還流装置によるＥＧＲガスの取り出し位置よりも上流側の前記排気通路に配置されて、前記排気浄化手段に向かって燃料を噴射可能な燃料添加手段と、排気の空燃比を一時的にリッチ側に変化させて排気の空燃比が目標空燃比となるように前記燃料添加手段から燃料を噴射させる燃料添加制御手段と、前記内燃機関の吸入ガスに対してＥＧＲガスが占める割合としてのＥＧＲ率が高い場合は低い場合よりも前記目標空燃比をリーン側に設定する目標空燃比設定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気システム。
【請求項２】
前記目標空燃比設定手段は、同一のＥＧＲ率において吸入ガスの温度が低い場合は高い場合よりも前記目標空燃比をリーン側に設定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システム。
【請求項３】
前記内燃機関には、前記排気通路に配置されたタービンと前記吸気通路に配置されて前記タービンにて駆動されるコンプレッサとを有し、排気のエネルギを利用して過給するターボチャージャーが設けられており、
前記排気浄化手段は前記タービンの下流側に配置され、前記燃料添加手段は前記タービンと前記排気浄化手段との間に配置されている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システム。
【請求項４】
前記目標空燃比設定手段は、同一のＥＧＲ率において前記ターボチャージャーによる過給圧が低い場合は高い場合よりも前記目標空燃比をリーン側に設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気システム。
【請求項５】
前記燃料添加制御手段は、前記目標空燃比がリッチ側に設定されるほど前記燃料添加手段による燃料の霧化が高まるように、前記燃料添加手段による燃料の噴射状態を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気システム。
【請求項６】
前記燃料添加制御手段は、前記燃料添加手段が排気の空燃比を一時的にリッチ側に変化させるために燃料を噴射する噴射期間において、その噴射期間の初期における燃料の霧化がその噴射期間の後期よりも低下するように前記燃料添加手段による燃料の噴射状態を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気システム。
【請求項７】
前記内燃機関には、前記排気還流装置として、ＥＧＲガスの取り出し位置が前記ターボチャージャーの前記タービンの下流に位置し、かつＥＧＲガスの導入位置が前記ターボチャージャーの前記コンプレッサの上流に位置する第１の排気還流装置と、ＥＧＲガスの取出し位置が前記ターボチャージャーの前記タービンの上流に位置し、かつＥＧＲガスの導入位置が前記ターボチャージャーの前記コンプレッサの下流に位置する第２の排気還流装置とが設けられ、
前記第２の排気還流装置によるＥＧＲガスの取り出し位置よりも下流側で、かつ前記燃料添加手段よりも上流側に配置され、前記排気通路内に燃料を噴射可能な上流側燃料添加手段を更に備え、
前記燃料添加制御手段は、前記第１の排気還流装置によるＥＧＲガスの導入及び前記第２の排気還流装置によるＥＧＲガスの導入がそれぞれ実行された状態において、排気の空燃比を一時的にリッチ側に変化させて排気の空燃比が目標空燃比となり、かつ前記上流側燃料添加手段及び前記燃料添加手段のそれぞれが噴射すべき燃料の合計に対する前記燃料添加手段が噴射する燃料の割合が前記目標空燃比がリーン側に設定されるほど高くなるように、前記上流側燃料添加手段及び前記燃料添加手段のそれぞれから燃料を噴射させ、
前記目標空燃比設定手段は、前記内燃機関の吸入ガスに対して前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスが占める割合としてのＥＧＲ率が高い場合は低い場合よりも前記目標空燃比をリーン側に設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に導入する排気還流装置が設けられた内燃機関に適用される排気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを還元剤としての燃料の存在下で還元して浄化するＮＯｘ触媒を有する排気浄化装置が広く知られている。また、燃焼温度を下げてＮＯｘの排出量を低減するため、排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路へ導入する排気還流装置が設けられた内燃機関が広く知られている。例えば、ターボチャージャーのタービン下流にＮＯｘ触媒を有する排気浄化装置を設け、その排気浄化装置の下流から排気を取り出してターボチャージャーのコンプレッサの上流に導入する排気還流装置が設けられたターボチャージャー付きのディーゼル機関が知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７６４５６号公報
【特許文献２】特開平６−５０１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなディーゼル機関の排気は酸素濃度が高く空燃比が理論空燃比よりもリーン側にあるため、ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを十分に還元することができない。そこで、排気通路内に燃料を供給して排気の空燃比を一時的にリッチ側に設定するリッチスパイクを実行することによりＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを還元させている。特許文献１の装置では、排気浄化装置の下流からＥＧＲガスを取り出しているため、ＥＧＲガスの吸気通路への導入中にリッチスパイクを実行すると、リッチ側に設定された排気がＥＧＲガスとして吸気通路に導入されて燃焼状態が変動する結果、内燃機関の出力トルクが変動する。このような出力トルクの変動を抑えるためには、リッチスパイクの際に供給する燃料量を減量して空燃比のリッチ側への設定量を控えざるを得ない。その結果、リッチスパイク時に空燃比を十分に低くできず、排気システムのＮＯｘの浄化率が低下するおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、リッチスパイクに伴う内燃機関の出力トルクの変動を抑えつつＮＯｘの浄化率の低下を抑制できる内燃機関の排気システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内燃機関の排気システムは、排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路へ導入する排気還流装置が設けられた内燃機関に適用される内燃機関の排気システムにおいて、前記排気通路に配置され、吸蔵した窒素酸化物をリッチ空燃比の時に還元する排気浄化手段と、前記排気還流装置によるＥＧＲガスの取り出し位置よりも上流側の前記排気通路に配置されて、前記排気浄化手段に向かって燃料を噴射可能な燃料添加手段と、排気の空燃比を一時的にリッチ側に変化させて排気の空燃比が目標空燃比となるように前記燃料添加手段から燃料を噴射させる燃料添加制御手段と、前記内燃機関の吸入ガスに対してＥＧＲガスが占める割合としてのＥＧＲ率が高い場合は低い場合よりも前記目標空燃比をリーン側に設定する目標空燃比設定手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
本発明の排気システムによれば、排気浄化手段の還元剤としての燃料が排気浄化手段に向かって燃料添加手段にて噴射されるので、その燃料は排気中に均一に拡散する前に液滴状態で排気浄化手段に導かれる。液滴状態の燃料は排気浄化手段に留まって揮発するため、空燃比が局所的にリッチな雰囲気を排気浄化手段内に形成することができる。これにより、排気浄化手段のＮＯｘの還元が可能となる。このように、局所的なリッチ雰囲気を形成できる場合は燃料を排気中に均一に拡散する場合よりも全体の空燃比をリーン側に設定できる。そのため、その排気の一部がＥＧＲガスとして吸気通路へ導入された場合でも空燃比の変動が少なくて済むので、出力トルクの変動を抑制できる。しかも、本発明の排気システムはＥＧＲ率が高い場合は低い場合よりも目標空燃比がリーン側に設定されるため、ＥＧＲ率の増加に伴う出力トルクの変動を抑えながら、局所的なリッチ雰囲気の形成により必要なＮＯｘの浄化率を確保することができる。
【０００８】
本発明の排気システムの一態様において、前記目標空燃比設定手段は、同一のＥＧＲ率において吸入ガスの温度が低い場合は高い場合よりも前記目標空燃比をリーン側に設定してもよい（請求項２）。吸入ガスの温度（吸気温度）が高いほど、吸入ガスの酸素濃度低下に伴う出力トルクの変動が起こり難くなる。逆に言えば、吸気温度が低いほど吸入ガスの酸素濃度低下に伴う出力トルクの変動が起こり易くなる。この態様によれば、同一のＥＧＲ率において吸気温度が低い場合は高い場合よりも目標空燃比がリーン側に設定されるので、同一のＥＧＲ率であっても吸気温度に見合った目標空燃比が設定される。これにより、吸気温度の変化を原因とした出力トルクの変動を抑制できるようになる。
【０００９】
本発明の排気システムの一態様において、前記内燃機関には、前記排気通路に配置されたタービンと前記吸気通路に配置されて前記タービンにて駆動されるコンプレッサとを有し、排気のエネルギを利用して過給するターボチャージャーが設けられており、前記排気浄化手段は前記タービンの下流側に配置され、前記燃料添加手段は前記タービンと前記排気浄化手段との間に配置されていてもよい（請求項３）。このように、内燃機関にターボチャージャーが設けられている態様においては、同一のＥＧＲ率において前記ターボチャージャーによる過給圧が低い場合は高い場合よりも前記目標空燃比をリーン側に設定してもよい（請求項４）。過給圧が低いほど吸入ガスの酸素濃度低下に伴う出力トルクの変動が起こり易い。この態様によれば、同一のＥＧＲ率において過給圧が低い場合は高い場合よりも目標空燃比がリーン側に設定されるので、同一のＥＧＲ率であっても過給圧に見合った目標空燃比が設定される。これにより、過給圧の変化を原因とした出力トルクの変動を抑制できるようになる。
【００１０】
本発明の排気システムの一態様において、前記燃料添加制御手段は、前記目標空燃比がリッチ側に設定されるほど前記燃料添加手段による燃料の霧化が高まるように、前記燃料添加手段による燃料の噴射状態を制御してもよい（請求項５）。目標空燃比がリーン側に設定されるほど排気全体の空燃比がリーン側となるので、そのような空燃比で排気浄化手段によりＮＯｘを還元させるためには局所的なリッチ雰囲気の形成を促進してＮＯｘの浄化率の低下を抑える必要がある。この態様によれば、目標空燃比がリッチ側に設定されるほど燃料の霧化が高められる。換言すれば、目標空燃比がリーン側に設定されるほど霧化が低下するため、燃料が液滴状態で排気浄化手段に導かれ易くなり局所的なリッチ雰囲気の形成が促進される。これにより、目標空燃比の変化に合わせて燃料の霧化が調整されるので、目標空燃比のリーン側への変化に伴うＮＯｘの浄化率の低下を抑えることができる。
【００１１】
本発明の排気システムの一態様において、前記燃料添加制御手段は、前記燃料添加手段が排気の空燃比を一時的にリッチ側に変化させるために燃料を噴射する噴射期間において、その噴射期間の初期における燃料の霧化がその噴射期間の後期よりも低下するように前記燃料添加手段による燃料の噴射状態を制御してもよい（請求項６）。燃料添加手段による噴射期間の初期における霧化が後期に比べて低下するので、燃料が液滴状態で排気浄化手段へ供給され易くなる。液滴状態の燃料は排気浄化手段に留まりつつ揮発し、これにより排気浄化手段内には空燃比が局所的にリッチな雰囲気が形成される。その後、噴射期間の後期において霧化が高まるため、排気浄化手段には空燃比が全体的に低下した排気が導かれる。これにより、局所的なリッチ雰囲気によって排気浄化手段から脱離したＮＯｘの還元を促進することができる。よって、局所的なリッチ雰囲気の形成によって排気浄化手段から脱離したＮＯｘが還元されないまま排出することを抑制できるため、ＮＯｘの浄化率が向上する。
【００１２】
本発明の排気システムの一態様において、前記内燃機関には、前記排気還流装置として、ＥＧＲガスの取り出し位置が前記ターボチャージャーの前記タービンの下流に位置し、かつＥＧＲガスの導入位置が前記ターボチャージャーの前記コンプレッサの上流に位置する第１の排気還流装置と、ＥＧＲガスの取出し位置が前記ターボチャージャーの前記タービンの上流に位置し、かつＥＧＲガスの導入位置が前記ターボチャージャーの前記コンプレッサの下流に位置する第２の排気還流装置とが設けられ、前記第２の排気還流装置によるＥＧＲガスの取り出し位置よりも下流側で、かつ前記燃料添加手段よりも上流側に配置され、前記排気通路内に燃料を噴射可能な上流側燃料添加手段を更に備え、前記燃料添加制御手段は、前記第１の排気還流装置によるＥＧＲガスの導入及び前記第２の排気還流装置によるＥＧＲガスの導入がそれぞれ実行された状態において、排気の空燃比を一時的にリッチ側に変化させて排気の空燃比が目標空燃比となり、かつ前記上流側燃料添加手段及び前記燃料添加手段のそれぞれが噴射すべき燃料の合計に対する前記燃料添加手段が噴射する燃料の割合が前記目標空燃比がリーン側に設定されるほど高くなるように、前記上流側燃料添加手段及び前記燃料添加手段のそれぞれから燃料を噴射させ、前記目標空燃比設定手段は、前記内燃機関の吸入ガスに対して前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスが占める割合としてのＥＧＲ率が高い場合は低い場合よりも前記目標空燃比をリーン側に設定してもよい（請求項７）。上流側燃料添加手段は第２の排気還流装置のＥＧＲガスの取出し位置よりも下流側に配置されているので、噴射した燃料が第２の排気還流装置を通じて吸気通路へ導入することはない。そのため、目標空燃比の設定については、第２の排気還流装置によりＥＧＲガスが導入されているか否かを問わず、第２の排気還流装置に関するＥＧＲ率を考慮する必要がない。そこで、この態様における目標空燃比は第１の排気還流装置に関するＥＧＲ率が高い場合は低い場合よりもリーン側に設定される。第１の排気還流装置によるＥＧＲガスの導入及び第２の排気還流装置によるＥＧＲガスの導入がそれぞれ実行された状態では、上流側燃料添加手段及び燃料添加手段のそれぞれが噴射すべき燃料の合計に対する燃料添加手段が噴射する燃料の割合が、目標空燃比がリーン側に設定されるほど高くなる。これにより、第１の排気還流装置によるＥＧＲ率の増加に伴う出力トルクの変動を抑えながら局所的なリッチ雰囲気の形成を促進できるため、必要なＮＯｘの浄化率を確保することができる。
【００１３】
なお、本発明において、リッチ側、リーン側とは空燃比の変化の方向を意味し、理論空燃比よりもリーン又はリッチという絶対的な空燃比を意味するものではない。従って本発明に係る目標空燃比が理論空燃比よりもリッチの値であるとは限らない。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、排気浄化手段の還元剤としての燃料が排気浄化手段に向かって燃料添加手段にて噴射されるので、空燃比が局所的にリッチな雰囲気を排気浄化手段内に形成することができる。局所的なリッチ雰囲気を形成できる場合は燃料を排気中に均一に拡散する場合よりも全体の空燃比をリーン側に設定できるため、その排気の一部がＥＧＲガスとして吸気通路へ導入された場合でも空燃比の変動が少なくて済むので、出力トルクの変動を抑制できる。しかも、ＥＧＲ率が高い場合は低い場合よりも目標空燃比がリーン側に設定されるため、ＥＧＲ率の増加に伴う出力トルクの変動を抑えながら、局所的なリッチ雰囲気の形成により必要なＮＯｘの浄化率を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の形態）
図１は本発明の排気システムが適用された内燃機関の要部を示している。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載され、４つの気筒２が一列に並べられた直列４気筒のディーゼルエンジンとして構成されている。各気筒２には吸気通路３及び排気通路４がそれぞれ接続されている。吸気通路３にはスロットル弁５、ターボチャージャー６のコンプレッサ６ａ及び吸気を冷却するインタークーラ７が設けられている。排気通路４にはターボチャージャー６のタービン６ｂ及び排気浄化装置８が設けられている。また、内燃機関１には排気通路４から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路３へ導入する排気還流装置９が設けられている。排気還流装置９は排気通路４と吸気通路３とを接続するＥＧＲ通路１０と、ＥＧＲ通路１０を通過するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１１と、吸気通路３へのＥＧＲガスの導入量を調整するＥＧＲ弁１２とを備えている。また、内燃機関１は各気筒２にそれぞれ設けられる燃料噴射弁１３と、各燃料噴射弁１３に供給する高圧の燃料を蓄えるコモンレール１４とを備えており、そのコモンレール１４には不図示の燃料ポンプにて燃料が高圧状態で供給される。
【００１６】
排気浄化装置８は、排気通路４の一部をなすケーシング１５と、そのケーシング１５に収容される酸化触媒１６及びフィルタ１７とを備えている。フィルタ１７は排気中のパティキュレートを捕集可能な不図示の基材を有し、その基材には吸蔵還元型のＮＯｘ触媒物質がコーティングされている。これにより、フィルタ１７はパティキュレートを捕集する機能を有するとともに、吸蔵したＮＯｘを燃料の存在下で還元する、言い換えればリッチ空燃比の時に還元する本発明に係る排気浄化手段としても機能する。フィルタ１７の代りにパティキュレートの捕集機能を持たないＮＯｘ触媒を排気浄化手段として設けてもよい。フィルタ１７が吸蔵したＮＯｘを還元させるため、内燃機関１にはフィルタ１７に向かって燃料を噴射できる燃料添加弁１８が設けられている。燃料添加弁１８には燃料ポンプ１９が接続され、その燃料ポンプ１９によって所定圧力の燃料が供給される。燃料添加弁１８の詳細な内部構造の図示を省略したが、燃料添加弁１８はその弁体を電磁石を利用して移動させることによりノズルボディに形成された噴孔を開閉する周知の電磁駆動型のインジェクタとして構成されている。燃料添加弁１８は電磁石への通電時間（デューティー比）を調整することにより、弁体のリフト量を任意に設定できるように構成されている。燃料ポンプ１９は燃料添加弁１８による燃料の噴射圧力を独自に調整できる調整機構（不図示）を有している。なお、その噴射圧力を独自に調整する必要がなければ、燃料ポンプ１９はコモンレール１４へ燃料供給を行う不図示の燃料ポンプと兼用するものでもよい。燃料添加弁１８が所定量の燃料を噴射することで、排気の空燃比が一時的にリッチ側に設定される。このような操作はリッチスパイクと呼ばれる周知のものである。なお、リッチスパイクで設定される空燃比はリッチスパイクを実行しない場合の空燃比よりも小さい値、つまりその空燃比よりもリッチ側の値に設定される。従って、リッチスパイクの際の目標空燃比が理論空燃比よりもリッチの値に設定されるとは限らない。
【００１７】
リッチスパイクの制御は内燃機関１の運転状態を制御するコンピュータであるエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０にて実施される。ＥＣＵ２０には内燃機関１の回転速度を検出できる回転速度センサ２１、吸入空気流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２２、排気の空燃比に応じた信号を出力する空燃比センサ２３、気筒２に導入される吸入ガスの温度に応じた信号を出力する吸気温センサ２４及び過給圧に応じた信号を出力する過給圧センサ２５等の各種センサからの出力信号が入力され、ＥＣＵ２０はそれらの出力信号を参照して内燃機関１の各部の制御を行っている。ＥＣＵ２０が実行する制御は多岐に亘るが、ここでは本発明に関連してＥＣＵ２０が実行する制御について説明する。
【００１８】
ＥＣＵ２０は排気還流装置９による吸気通路３へのＥＧＲガスの導入（排気還流）の実行とその禁止とを内燃機関１の運転状態に応じて判断するとともに、排気還流装置９による排気還流を実行する際に吸気通路３に設けられたスロットル弁５及びＥＧＲ弁１２のそれぞれの開度を操作して所定のＥＧＲ率となるようにＥＧＲガスの導入量を制御する。ＥＧＲ率は内燃機関１の吸入ガス（空気とＥＧＲガスとの混合ガス）に対するＥＧＲガスの占める割合として定義される。内燃機関１は、燃料添加弁１８による燃料の供給位置が排気還流装置９が排気を取り出す位置よりも上流に設けられているので、排気還流装置９による排気還流の実行中にリッチスパイクを実行すると、空燃比がリッチ側に設定された排気が排気還流装置９を通じて吸気通路３に導入され、その排気は吸気通路３で新気と混合されて気筒２内に導入される。本形態はその排気の導入に伴う内燃機関１の出力トルクの変動を抑制するためリッチスパイク時の目標空燃比をＥＧＲ率に応じてＥＣＵ２０が設定することをその特徴としている。
【００１９】
図２はＥＣＵ２０が実行するリッチスパイク制御の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ２０が持つＲＯＭ等の記憶手段に保持されており所定の周期で繰り返し実行される。まずＥＣＵ２０はステップＳ１においてフィルタ１７によるＮＯｘの吸蔵量Ｓを推定する。吸蔵量Ｓの推定は周知の方法で実施できるので詳細な説明は省略する。次にステップＳ２において、吸蔵量Ｓが所定の閾値Ｓｔｈ１よりも大きいか否かを判定する。閾値Ｓｔｈ１はリッチスパイクの実行要否を決めるものであり、ＮＯｘの吸蔵量の限界値よりも低い値に設定される。ステップＳ２で吸蔵量Ｓが閾値Ｓｔｈ１よりも大きい場合はステップＳ３に進み、そうでない場合はリッチスパイクを実行する必要がないため、以後の処理をスキップして今回のルーチンを終える。
【００２０】
ステップＳ３では、排気還流装置９による排気還流の実行中（ＥＧＲ実行中）か否かを判定する。この判定はＥＧＲ弁１２の開度を検出する不図示の開度センサからの情報に基づいて行ってもよいし、図２のルーチンと並行して実行する不図示の排気還流制御のルーチンの処理状態に基づいて行ってもよい。ＥＧＲ実行中でない場合は、リッチスパイクの実行によって出力トルクが変動する心配がないので、ステップＳ６に進んで目標空燃比を所定値に設定し、続くステップＳ７において排気の空燃比がその目標空燃比となるようにリッチスパイクを実行する。即ち、ＥＣＵ２０は排気の空燃比がその目標空燃比となるように、燃料添加弁１８の噴射期間を制御して所定量の燃料を排気通路４内に噴射させる。一方、ＥＧＲ実行中の場合は、ステップＳ４に進んでＥＧＲ率、吸気温度及び過給圧をそれぞれ取得する。ＥＧＲ率は図２のルーチンと平行して実行する上述した排気還流制御のルーチンの処理状態に基づいて取得される。吸気温度は図１の吸気温センサ２４からの情報に基づいて、過給圧は図１の過給圧センサ２５からの情報に基づいてそれぞれ取得される。
【００２１】
次に、ステップＳ５では、ステップＳ４で取得したＥＧＲ率、吸気温度及び過給圧に応じた目標空燃比を設定する。ここで、目標空燃比の設定方法について説明する。ＥＧＲ率が高い場合は、空燃比がリッチ側に設定された排気がＥＧＲ率が低い場合よりも気筒２内に多く導入される。このため、仮にその空燃比が一定であると、ＥＧＲ率が高いほど吸入ガス中の酸素濃度が低下して着火遅れ等の燃焼状態が悪化して内燃機関１の出力トルクが低下する。そこで、本形態では、このような燃焼状態の変動に伴う出力トルクの変動を抑制するため、ＥＧＲ率が高い場合は低い場合に比べて目標空燃比をリーン側に設定する。なお、ＥＧＲ率が低い場合は吸入ガス中の酸素濃度が低下して着火遅れ等の燃焼状態が悪化し内燃機関１の出力トルクが低下することがない上限のＥＧＲ率となる場合と言い換えることができる。
【００２２】
図３は吸入ガスの酸素濃度に対する着火遅れの変化を示している。図３から明らかなように、吸入ガスの酸素濃度が同じでも、吸気温度が高いほど、又は過給圧が高いほど着火遅れが小さくなる。そこで、本形態では、リッチスパイク時の目標空燃比はＥＧＲ率が高い場合は低い場合よりもリーン側に設定され、同一のＥＧＲ率において吸気温度が低い場合は高い場合よりもリーン側に設定され、かつ同一のＥＧＲ率において過給圧が低い場合は高い場合よりもリーン側に設定される。このような目標空燃比の設定は、例えば図４に示すようにＥＧＲ率、吸気温度及び過給圧を変数として目標空燃比を与えるマップをＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶させておき、そのマップを参照することにより実現できる。ステップＳ５で目標空燃比を設定した後は、ステップＳ７において排気の空燃比がその目標空燃比となるようにリッチスパイクを実行して今回のルーチンを終了する。
【００２３】
以上の形態によれば、燃料がフィルタ１７に向かって燃料添加弁１８にて噴射されるので、その燃料は排気中に均一に拡散する前に液滴状態でフィルタ１７に導かれる。液滴状態の燃料はフィルタ１７に留まって揮発するため、空燃比が局所的にリッチな雰囲気をフィルタ１７内に形成することができ、ＮＯｘの還元が可能となる。局所的にリッチな雰囲気を形成できる場合は燃料を排気中に均一に拡散する場合よりも全体の空燃比をリーン側に設定できるため、その排気の一部がＥＧＲガスとして吸気通路へ導入された場合でも空燃比の変動が少なくて済むので出力トルクの変動を抑制できる。更に、図２のルーチンによってＥＧＲ率が高い場合は低い場合よりも目標空燃比がリーン側に設定されるため、ＥＧＲ率の増加に伴う出力トルクの変動を抑えながら、局所的なリッチ雰囲気の形成により必要なＮＯｘの浄化率を確保することができる。また、図２のルーチンでは、目標空燃比の設定の際に吸入ガスの酸素濃度の低下に伴う出力トルクの変動の程度が吸気温度と過給圧とによって変わることが考慮されるので、同一のＥＧＲ率であっても吸気温度や過給圧に見合った目標空燃比を設定することができる。
【００２４】
（第２の形態）
次に、本発明の排気システムの第２の形態を説明する。この形態は燃料添加弁１８による燃料の噴射状態を目標空燃比に応じて制御することをその特徴とし、この特徴以外は第１の形態と同一である。そのため、以下においては第１の形態との共通部分の説明を省略する。リッチスパイクにおける目標空燃比がリーン側に設定されるほど排気全体の空燃比がリーン側となるので、局所的なリッチ雰囲気の形成を促進してＮＯｘの浄化率を高める必要がある。
【００２５】
図５は燃料添加弁１８による燃料の噴射圧力の変化に対する噴射燃料の液滴径の変化及びＮＯｘの浄化率の変化をそれぞれ示している。この図において、ＮＯｘの浄化率の変化は、その代表例として空燃比が理論空燃比（ストイキ）の場合と、ストイキよりもリーンの場合とがそれぞれ破線で示されている。この図から明らかなように、空燃比がストイキの場合は噴射圧力が高くなって燃料の液滴径が小さくなるほど、換言すれば燃料の霧化が高まるほどＮＯｘの浄化率が増加する。一方、空燃比がリーンの場合には、噴射圧力が高くなって燃料の液滴径が小さくなるほど、換言すれば燃料の霧化が高まるほどＮＯｘの浄化率が低下する。つまり、ＮＯｘの浄化率の低下を抑えるためには、目標空燃比がリーン側に設定されるほど燃料の霧化を低下させて局所的なリッチ雰囲気の形成を促進することが望ましいといえる。反対に、目標空燃比がリッチ側に設定されるほど局所的なリッチ雰囲気を形成する必要性が低下するので、ＮＯｘ浄化率の低下を抑えるために燃料の霧化を高めることが望ましいといえる。
【００２６】
そこで、本形態ではリッチスパイクを実行する際に目標空燃比がリッチ側に設定されるほど燃料添加弁１８による燃料の霧化が高まるように燃料の噴射状態が制御される。燃料の霧化を変化させるための噴射状態の制御は、例えばＥＣＵ２０が図２のステップＳ７を実行する際に図１の燃料ポンプ１９の動作を目標空燃比に応じて制御して燃料添加弁１８への供給燃料の圧力を調整することにより実現できる。燃料添加弁１８への供給燃料の圧力が高まると、燃料添加弁１８による燃料の噴射圧力が高まって燃料の霧化が高まるためである。これにより、目標空燃比の変化に合わせて燃料の霧化が調整されるので、目標空燃比のリーン側への変化に伴うＮＯｘの浄化率の低下を抑えることができる。
【００２７】
（第３の形態）
次に、本発明の排気システムの第３の形態を説明する。この形態は燃料添加弁１８による燃料の噴射状態をリッチスパイクにおける噴射期間内に変化させることをその特徴とし、この特徴以外は第１の形態と同一である。そのため、以下においては第１の形態との共通部分の説明を省略する。
【００２８】
上述した各形態は、リッチスパイクにおける噴射期間内の燃料の噴射状態は略一定であり、その噴射期間内に燃料の霧化を積極的に変更するものではない。本形態では、リッチスパイクにおける噴射期間において、その噴射期間の初期における燃料の霧化がその噴射期間の後期よりも低下するように燃料添加弁１８による燃料の噴射状態がＥＣＵ２０にて制御される。
【００２９】
具体的には、図６に示すように、ＥＣＵ２０はリッチスパイクを実行する際に、燃料添加弁１８に対するデューティー比を噴射期間の初期に小さく、後期に大きくなるように変化させる。なお、図６には比較のため噴射期間においてデューティー比が一定の比較例も示す。デューティー比が小さい噴射期間の初期には、燃料添加弁１８の弁体のリフト量がデューティー比が大きい後期よりも小さくなるので、弁体とノズルボディとの間で圧力損失が生じて燃料添加弁１８による燃料の噴射圧力が低下する。これにより、燃料添加弁１８にて噴射される燃料の液滴径は噴射期間の初期に大きくなり、噴射期間の後期に小さくなる。つまり、噴射期間の初期における燃料の霧化が後期よりも低下する。なお、デューティー比を変化させる代りに燃料ポンプ１９の動作を制御して噴射期間内の初期と後期の噴射圧力を変えることも可能である。
【００３０】
本形態によれば、噴射期間の初期においては、燃料添加弁１８から噴射された燃料が液滴状態でフィルタ１７へ供給され易くなる。それにより、噴射期間の初期において局所的なリッチ雰囲気の形成が促進され、その後、噴射期間の後期において燃料の霧化が高まるため、フィルタ１７には空燃比が全体的に低下した排気が導かれる。これにより、局所的にリッチな雰囲気によってフィルタ１７から脱離したＮＯｘの還元を促進することができる。よって、局所的なリッチ雰囲気の形成によってフィルタ１７から脱離したＮＯｘが還元されないまま排出することを抑制できるため、ＮＯｘの浄化率が向上する。
【００３１】
（第４の形態）
次に、本発明の排気システムの第４の形態を説明する。図７は本形態に係る排気システムが適用された内燃機関の要部を示している。以下、第１の形態と同一構成には図７に同一符号を付して説明を省略する。内燃機関４０は排気還流装置９に加えてターボチャージャー６のタービン６ｂの上流の排気通路４からＥＧＲガスを取り出してコンプレッサ６ａの下流の吸気通路３に導入する排気還流装置４１を備えている。この形態において、排気還流装置９が本発明に係る第１の排気還流装置に、排気還流装置４１が本発明に係る第２の排気還流装置にそれぞれ相当する。排気還流装置４１はタービン６ｂ上流の排気通路４とコンプレッサ６ａ下流の吸気通路３とを接続するＥＧＲ通路４２と、吸気通路３へのＥＧＲガスの導入量を調整するＥＧＲ弁４３とを備えている。内燃機関４０は排気還流装置４１に関するＥＧＲ率を調整するために使用されるスロットル弁４４を備えている。内燃機関４０は回転速度センサ２１及びエアフローメータ２２等の各種センサの情報に基づいて運転状態を取得し、その運転状態に応じてこれら二つの排気還流装置９、４１を適宜使い分ける。その使い分け方には３つのパターンがあり、第１のパターンは排気還流装置４１のみでＥＧＲガスを吸気通路３へ導入するもの、第２のパターンは排気還流装置９のみでＥＧＲガスを吸気通路３へ導入するもの、第３のパターンは排気還流装置９及び排気還流装置１１の両者によってＥＧＲガスを吸気通路３へ導入するものである。例えば、内燃機関４０はその負荷が低負荷の場合には第１のパターンにより、高負荷の場合には第２のパターンにより、これらの中間に位置する中負荷の場合には第３のパターンによりそれぞれ排気還流を実行する。
【００３２】
図７に示すように、本形態の排気システムでは、排気還流装置４１によるＥＧＲガスの取り出し位置よりも下流側で、かつ燃料添加弁１８よりも上流側に配置された上流側燃料添加手段としての燃料添加弁４５が更に設けられている。燃料添加弁４５は下流側の燃料添加弁１８と同様の構成を有しており、燃料添加弁４５には燃料ポンプ１９によって所定圧力の燃料が供給される。
【００３３】
次に、ＥＣＵ２０が実行するリッチスパイク制御について説明する。図８は本形態に係るリッチスパイク制御の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ２０が持つＲＯＭ等の記憶手段に保持されており所定の周期で繰り返し実行される。まずＥＣＵ２０はステップＳ１１においてフィルタ１７によるＮＯｘの吸蔵量Ｓを推定する。この処理は図２のステップＳ１と同様である。次にステップＳ１２において、吸蔵量Ｓが所定の閾値Ｓｔｈ１よりも大きいか否かを判定する。この処理は図２のステップＳ２と同様である。ステップＳ１２で吸蔵量Ｓが閾値Ｓｔｈ１よりも大きい場合はステップＳ１３に進み、そうでない場合はリッチスパイクを実行する必要がないため、以後の処理をスキップして今回のルーチンを終える。
【００３４】
ステップＳ１３では、上述した３つのパターンのいずれかで排気還流が実行中か否か（ＥＧＲ実行中か否か）を判定する。ＥＧＲ実行中でない場合は、リッチスパイクの実行によって出力トルクが変動する心配がないので、ステップＳ２３に進んで通常制御を実行する。通常制御は所定の目標空燃比となるように燃料添加弁１８又は燃料添加弁４５のいずれかから、又はこれらの両方から排気通路４内に燃料を噴射させる。一方、ＥＧＲ実行中の場合は、ステップＳ１４に進んで、排気還流が第１のパターンで実行されているか否かを判定し、第１のパターンで排気還流が実行されている場合にはステップＳ２０に進み、そうでない場合はステップＳ１５に進む。排気還流装置４１のＥＧＲガスの取出し位置は燃料添加弁１８、４５よりも上流に位置するため、第１のパターンで排気還流が実行されている場合には、排気通路４に噴射された燃料が還流装置４１によって吸気通路３へ導入されてトルク変動が生じることはない。従って、ステップＳ２０ではＥＧＲ率に関わりなく目標空燃比がストイキに設定され、続くステップＳ２１において上流側の燃料添加弁４５を利用してリッチスパイクが実行される（上流側添加）。その後、今回のルーチンを終了する。
【００３５】
一方、第１のパターンでない場合、つまり第２のパターン又は第３のパターンの場合は、ＥＧＲガスの取出し位置が燃料添加弁１８、４５の下流に位置する排気還流装置９にて排気還流が行われるため、上述した第１の形態と同様の考え方で、ステップＳ１５及びステップＳ１６において排気還流装置９に関するＥＧＲ率に応じて目標空燃比を設定する。ステップＳ１５は図２のステップＳ４と同様の処理であり、ステップＳ１６は同図のステップＳ５と同様の処理である。
【００３６】
次にステップＳ１７では、排気還流が第３のパターンで実行されているか否かを判定する。第３のパターンで実行されていない場合は第２のパターンで実行されていることになるため、ステップＳ２２に進み第１の形態と同様に燃料添加弁１８を使用してリッチスパイクを実行する。その後今回のルーチンを終了する。一方、第３のパターンで排気還流が実行されている場合には、ステップＳ１８に進んで吹分け率を設定する。この吹分け率は燃料添加弁１８及び燃料添加弁４５のそれぞれが噴射すべき燃料の合計に対する燃料添加弁１８が噴射する燃料の割合として定義される。吹分け率は目標空燃比がリーン側に設定されるほど高くなるように目標空燃比の大きさに対応付けられている。この設定は目標空燃比を変数として吹分け率を与えるマップをＥＣＵ２０に予め記憶させておき、ＥＣＵ２０がこのマップを参照することにより実現できる。次に、ステップＳ１９では決定した吹分け率に応じて二つの燃料添加弁１８、４５のそれぞれから燃料を噴射させることによりリッチスパイクが実行される。その後、今回のルーチンを終了する。
【００３７】
図８のルーチンによれば、第３のパターンにおいて、目標空燃比が排気還流装置９に関するＥＧＲ率に応じて設定され、上述した吹分け率がその目標空燃比がリーン側に設定されるほど高くなるように設定される。これにより、排気還流装置９によるＥＧＲ率の増加に伴う出力トルクの変動を抑えながら局所的なリッチ雰囲気の形成を促進できるため、必要なＮＯｘの浄化率を確保することができる。
【００３８】
上記の各形態において、図２又は図８のルーチンを実行することによりＥＣＵ２０は本発明に係る燃料添加制御手段として機能する。また、図２のステップＳ５又は図８のステップＳ１６を実行することによりＥＣＵ２０は本発明に係る目標空燃比設定手段として機能する。
【００３９】
但し、本発明は上記の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上記の各形態では、目標空燃比を設定する際にＥＧＲ率の他に吸気温度及び過給圧をそれぞれ考慮したが、吸気温度及び過給圧を考慮することは必須ではなく、これらを考慮しなくてもよい。また、目標空燃比を設定する際にＥＧＲ率の他に吸気温度又は過給圧のいずれか一方を考慮してもよい。上記の各形態では、ターボチャージャー付きの内燃機関に本発明を適用しているが、適用対象の内燃機関がターボチャージャーを備えていなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の排気システムが適用された内燃機関の要部を示した図。
【図２】リッチスパイク制御の制御ルーチンの一例を示すフローチャート。
【図３】吸入ガスの酸素濃度に対する着火遅れの変化を示した説明図。
【図４】目標空燃比の設定に用いるマップの一例を示した図。
【図５】燃料添加弁による燃料の噴射圧力の変化に対する噴射燃料の液滴径の変化及びＮＯｘの浄化率の変化をそれぞれ示した説明図。
【図６】燃料添加弁に対する通電状態を説明する説明図。
【図７】第４の形態に係る排気システムが適用された内燃機関の要部を示した図。
【図８】第４の形態に係るリッチスパイク制御の制御ルーチンの一例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４１】
１  内燃機関
３  吸気通路
４  排気通路
６  ターボチャージャー
６ａ  コンプレッサ
６ｂ  タービン
９  排気還流装置（第１の排気還流装置）
１７  フィルタ（排気浄化手段）
１８  燃料添加弁（燃料添加手段）
２０  ＥＣＵ（燃料添加制御手段、目標空燃比設定手段）
４０  内燃機関
４１  排気還流装置（第２の排気還流装置）
【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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【図８】
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