(57)【要約】【課題】排気浄化手段への加熱に対して排気浄化手段を適正な温度範囲内に維持し、高い浄化性能を持続させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関１の排気を浄化する排気浄化手段９と、前記内燃機関の排気通路４に接続され、前記排気通路から捕集された排気を蓄えるとともに蓄えた排気を前記排気浄化手段に供給可能なタンク１７と、前記タンクから前記排気浄化手段に供給される排気の供給量を操作する供給量操作手段２１と、前記排気浄化手段の温度を取得する温度取得手段１０と、前記排気浄化手段が適正な温度範囲に維持されるように前記温度取得手段が取得した温度に基づいて前記供給量操作手段を制御する排気供給制御手段１６とを排気浄化装置に設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気を浄化する排気浄化手段と、前記内燃機関の排気通路に接続され、前記排気通路から捕集された排気を蓄えるとともに蓄えた排気を前記排気浄化手段に供給可能なタンクと、前記タンクから前記排気浄化手段に供給される排気の供給量を操作する供給量操作手段と、前記排気浄化手段の温度を取得する温度取得手段と、前記排気浄化手段が適正な温度範囲に維持されるように前記温度取得手段が取得した温度に基づいて前記供給量操作手段を制御する排気供給制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気供給制御手段は、前記排気浄化手段の温度が上昇した場合に前記供給量が増加するように前記供給量操作手段を制御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浄化装置。
【請求項３】
前記排気通路から前記タンクへの排気の導入を許可する位置とその導入を阻止する位置との間で切り替え可能な弁手段と、排気中の酸素濃度が所定レベルよりも低くなる運転条件で前記内燃機関が運転されている場合に前記排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御する弁制御手段とを備えた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浄化装置。
【請求項４】
流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに設定することによって機能が再生される吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が前記排気浄化手段として設けられ、前記弁制御手段は、前記ＮＯｘ触媒の機能再生時の排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御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浄化装置。
【請求項５】
内燃機関の排気の少なくとも一部を吸気通路に戻すＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガス量を制御するＥＧＲ弁と、をさらに有し、前記弁制御手段は、ＥＧＲガスの増量によって前記内燃機関の燃焼温度を低下させる処理が行われているときの排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の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】
内燃機関の排気通路に排気の空燃比に応じてＮＯｘを吸収、放出するＮＯｘ吸収剤を配置し、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出させるとともに放出されたＮＯｘを還元浄化するときの吸収剤の温度を所定温度以下に制御する排気浄化装置が提案されている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する技術として特許文献２〜５が存在する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２０００４９号公報
【特許文献２】
実開昭６３−６９７１２号公報
【特許文献３】
特開平６−１２３２５９号公報
【特許文献４】
特開平１１−２２９８５６号公報
【特許文献５】
特開平１１−１５３０２５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関の排気浄化装置に使用される触媒等の排気浄化手段は、適正な温度範囲内において高い浄化性能を発揮する。ところが、排気の温度は内燃機関の運転条件によって変化するので、排気浄化手段を常に適正な温度範囲内に維持することができないおそれがある。また、排気浄化手段に付着した粒子状物質（ＰＭ）の燃焼や排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）の酸化によって排気浄化手段が加熱され、適正な温度範囲から外れるおそれもある。
【０００５】
しかしながら、上述した排気浄化装置では、排気通路に設けた冷却用フィンによって排気を冷却しているので、排気温度が急に上昇した場合、又はＰＭやＨＣの再生が過度に進行した場合に排気浄化手段の温度を適正な温度範囲内に維持することが困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、排気浄化手段への加熱に対して排気浄化手段を適正な温度範囲内に維持し、高い浄化性能を持続させ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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化手段と、前記内燃機関の排気通路に接続され、前記排気通路から捕集された排気を蓄えるとともに蓄えた排気を前記排気浄化手段に供給可能なタンクと、前記タンクから前記排気浄化手段に供給される排気の供給量を操作する供給量操作手段と、前記排気浄化手段の温度を取得する温度取得手段と、前記排気浄化手段が適正な温度範囲に維持されるように前記温度取得手段が取得した温度に基づいて前記供給量操作手段を制御する排気供給制御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）。
【０００８】
本発明の排気浄化装置によれば、排気浄化手段の温度に応じて冷却に必要な量の排気をタンクから供給することができるので、内燃機関から排気浄化手段に流入する排気の温度が急に上昇した場合でも排気浄化手段を適正な温度範囲内に維持することができる。従って、高い浄化性能を持続させることができる。
【０００９】
本発明における排気浄化手段には、浄化性能に温度依存性のある手段が適用され、特に浄化性能を発揮する温度範囲の狭い手段が好適に適用される。また、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とパティキュレートフィルタとを組み合わせた排気浄化システムも本発明の排気浄化手段に含まれる。
【００１０】
前記排気供給制御手段は、前記排気浄化手段の温度が上昇した場合に前記供給量が増加するように前記供給量操作手段を制御してもよい（請求項２）。このように供給量を制御することで、排気浄化手段の温度上昇を抑えることができる。
【００１１】
本発明の排気浄化装置において、前記排気通路から前記タンクへの排気の導入を許可する位置とその導入を阻止する位置との間で切り替え可能な弁手段と、排気中の酸素濃度が所定レベルよりも低くなる運転条件で前記内燃機関が運転されている場合に前記排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御する弁制御手段とを備えてもよい（請求項３）。酸素濃度の低い排気をタンクに蓄え、この排気を排気浄化手段に供給することにより、排気浄化手段へ流入する排気の酸素分圧を下げてＰＭの燃焼やＨＣの酸化を抑制することができる。これにより、タンクに蓄えた排気による排気浄化手段の冷却効果を高めることができるので、より安定して排気浄化手段を適正な温度範囲内に維持することができる。
【００１２】
流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに設定することによって機能が再生される吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が前記排気浄化手段として設けられ、前記弁制御手段は、前記ＮＯｘ触媒の機能再生時の排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御してもよいし（請求項４）、内燃機関の排気の少なくとも一部を吸気通路に戻すＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガス量を制御するＥＧＲ弁と、をさらに有し、前記弁制御手段は、ＥＧＲガスの増量によって前記内燃機関の燃焼温度を低下させる処理が行われているときの排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御してもよい（請求項５）。内燃機関の燃焼温度を低下させる処理（低温燃焼）を行っている場合も、大量のＥＧＲガスによって空燃比がリッチになるので、排気の酸素濃度が低下する。従って、このように弁手段を制御することにより、タンクに酸素濃度の低い排気を蓄えることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の排気浄化装置が組み込まれた内燃機関の要部を示す。内燃機関１は、複数（図１では４つ）の気筒２を備えたディーゼルエンジンとして構成されている。周知のように、内燃機関１には吸気通路３及び排気通路４が接続され、吸気通路３には吸気濾過用のエアフィルタ５、排気エネルギを利用して吸気圧を高める過給機６のコンプレッサ６ａ、吸気を冷却するインタークーラ７、吸気量調整用のスロットルバルブ８が設けられている。排気通路４には過給機６のタービン６ｂ、排気浄化手段としての触媒９、触媒９の温度に対応した信号を出力する温度取得手段としての温度センサ１０、排気の酸素濃度に対応した信号を出力する酸素濃度センサ１１が設けられている。触媒９には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が利用される。排気通路４は、排気の一部を吸気通路３に戻すためＥＧＲクーラ１２及びＥＧＲ弁１３を介してＥＧＲ通路２２によって吸気通路３と接続されている。内燃機関１の各気筒２にはそれぞれ燃料噴射弁１４が設けられ、各燃料噴射弁１４は所定圧の燃料を蓄えるコモンレール１５に接続されている。
【００１４】
内燃機関１の運転状態はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１６により制御される。ＥＣＵ１６は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ１６は、例えば内燃機関１がアイドリングや低負荷の状態で運転されている場合にＥＧＲ弁１３の開度を大きくしてＥＧＲガスの流量を増加させ、内燃機関１の燃焼温度を低下させる処理（低温燃焼）を実行する。またＥＣＵ１６は、排気の空燃比をストイキ又はリッチにして触媒９の機能を再生させる処理を所定の周期で実行する。
【００１５】
排気通路４には、排気を蓄えるためのタンク１７が接続されている。タンク１７には、タンク１７内の圧力に対応した信号を出力する圧力センサ１８が設けられている。またタンク１７には、タンク１７内に蓄えた排気を触媒９に供給するための排気供給通路１９が接続されている。タンク１７へ排気を導入するため、排気通路４上には図１の矢印Ａ方向と矢印Ｂ方向との間で排気の流れ方向を切り替える弁手段としての切替弁２０が設けられている。また、供給口１９ａから触媒９に供給される排気の供給量を制御するため、排気供給通路１９には供給量操作手段として供給弁２１が設けられている。
【００１６】
タンク１７は、金属性の箱のように一定の形状を保持できる程度の剛性を有していてもよいし、容積可変の袋状に構成されていてもよい。供給弁２１は、流量を適宜に変化させることができるものでもよいし、開閉のみが制御できるものでもよい。切替弁２０は排気捕集位置において、排気の全量に対して図１の矢印Ｂ方向への通過を禁止してもよいし、一部の排気の通過を許容してもよい。
【００１７】
供給弁２１及び切替弁２０の動作はＥＣＵ１６により制御される。図２及び図３は、ＥＣＵ１６が供給弁２１及び切替弁２０をそれぞれ制御するために実行する排気供給制御ルーチン及び排気捕集制御ルーチンを示すフローチャートである。ＥＣＵ１６は、これらの制御ルーチンを実行することにより、排気供給制御手段及び弁制御手段として機能する。図２及び図３のルーチンは、内燃機関１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。
【００１８】
図２の排気供給制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１６はまずステップＳ１１でタンク１７内に触媒９へ供給可能な排気が有るか否かを判断する。排気の有無は例えば圧力センサ１８によって判断し、圧力センサ１８の出力が大気圧に近い圧力を示している場合に供給可能な排気が無いと判断することができる。
【００１９】
供給可能な排気が有ると判断した場合はステップＳ１２に進み、排気が触媒９に供給中か否かを判別するための供給フラグが、供給中であることを示すオンの状態であるか否かを判断する。供給フラグがオンの状態ではないと判断した場合はステップＳ１３に進み、触媒９の温度が排気を浄化するのに適正な温度範囲よりも上昇しているか否かを判断する。なお、適正な温度範囲とは、触媒９が高い浄化性能を発揮する温度範囲のことである。触媒９の温度とＮＯｘ浄化率との関係の一例を図４に示す。図４から明らかなように、ＮＯｘ浄化率は温度と依存関係にあり、触媒９には高い浄化性能を発揮する温度範囲が存在する。そのため、ＮＯｘ浄化性能を所定のレベル（図４中の点線）以上に維持するためには、図４のＡの温度よりも温度を低くする必要がある。触媒９の温度が上昇しているか否かの判断は、触媒９が高い浄化性能を発揮する温度範囲の上限の温度（例えば、図４のＡの温度）と温度センサ１０が取得した温度とを比較して判断してもよいし、前回の制御ルーチンの実行時に温度センサ１０が取得した温度と今回温度センサ１０が取得した温度とを比較して適正範囲よりも上昇することが予想される場合にステップＳ１３を肯定するようにしてもよい。
【００２０】
触媒９の温度が上昇していると判断した場合はステップＳ１４に進み、上昇していないと判断した場合は今回の制御ルーチンを終了する。ステップＳ１４では供給弁２１を開いて触媒９にタンク１７から排気を供給し、続くステップＳ１５で供給フラグをオンの状態にする。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【００２１】
ステップＳ１２で供給フラグがオンの状態であると判断した場合はステップＳ１６に進み、タンク１７から供給する排気によって触媒９の冷却が不要か否かを判断する。冷却が不要か否かは、例えば触媒９が高い浄化性能を発揮する温度範囲の下限の温度（図４のＢの温度）と温度センサ１０が取得した温度とを比較して判断することができる。冷却が不要と判断した場合はステップＳ１７に進み、冷却は必要と判断した場合は今回の制御ルーチンを終了する。ステップＳ１７では供給弁２１を閉じてタンク１７からの排気の供給を停止し、続くステップＳ１８で供給フラグをオフの状態にする。その後今回の制御ルーチンを終了する。なお、ステップＳ１１でタンク１７に供給可能な排気が無いと判断した場合もステップＳ１７、Ｓ１８の処理を実行し、その後今回の制御ルーチンを終了する。
【００２２】
このように供給弁２１を制御することにより、触媒９の温度に応じてタンク１７から排気を供給することができるので、触媒９を適正な温度範囲に維持することができる。
【００２３】
一方、タンク１７に排気を捕集するために実行する図３の排気捕集ルーチンにおいて、ＥＣＵ１６はまずステップＳ２１で排気の酸素濃度が所定レベルよりも低いか否かを判断する。排気の酸素濃度が低いか否かは、例えば酸素濃度センサ１１が取得した排気の酸素濃度が所定の酸素濃度以下を示しているか否かで判断することができる。酸素濃度が低いと判断した場合はステップＳ２２に進み、タンク１７の捕集量が限界か否かを判断する。捕集量が限界か否かは、例えば圧力センサ１８の出力が所定の圧力を超えたか否かで判断することができる。タンク１７の捕集量が限界ではないと判断した場合、ＥＣＵ１６はタンク１７に排気が捕集される（図１の矢印Ａ方向に排気が流れる）ように切替弁２０の位置に切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【００２４】
ステップＳ２１で酸素濃度が高いと判断した場合及びステップＳ２２でタンク１７の捕集量が限界であると判断した場合はステップＳ２４に進み、ＥＣＵ１６は排気が大気に放出される（図１の矢印Ｂ方向に排気が流れる）ように切替弁２０の位置を切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【００２５】
このように切替弁２０を制御することにより、タンク１７に酸素濃度の低い排気を蓄えることができる。
【００２６】
また、図５及び図６に示した制御ルーチンを実行することによっても酸素濃度の低い排気をタンク１７に捕集することができる。これらのルーチンも内燃機関１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。なお、図５及び図６において図３と同一の処理には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２７】
図５の排気捕集制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１６はまずステップＳ３１で触媒９の機能が再生中か否かを判断する。再生中であると判断した場合はステップＳ２２に進み、タンク１７の捕集量が限界か否かを判断する。タンク１７の捕集量が限界ではないと判断した場合、ＥＣＵ１６はタンク１７に排気が捕集されるように切替弁２０の位置を切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【００２８】
ステップＳ３１で再生中ではないと判断した場合及びステップＳ２２でタンク１７の捕集量が限界であると判断した場合はステップＳ２４に進み、ＥＣＵ１６は排気が大気に放出されるように切替弁２０の位置を切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【００２９】
触媒９の機能再生中は、例えば燃料噴射弁１４から噴射する燃料量を増加して、排気の空燃比をストイキ又はリッチな状態にする。従って、図５の制御ルーチンによって切替弁２０の動作を制御しても、タンク１７に酸素濃度の低い排気を捕集することができる。なお、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の再生には、流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに設定して吸蔵されたＮＯｘを放出させるＮＯｘ再生と、流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに設定するとともにＮＯｘ再生時よりも排気の温度を高温にして硫黄分（Ｓ）を放出させるＳ再生とがある。ＮＯｘ再生及びＳ再生のいずれにおいても、排気の空燃比がストイキ又はリッチに設定されるので、ステップＳ３１ではＮＯｘ再生とＳ再生のいずれが実行されていても肯定判断してよい。
【００３０】
一方、図６の排気捕集制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１６はまずステップＳ４１で内燃機関１が低温燃焼の状態で運転中（低温燃焼中）であるか否かを判断する。低温燃焼中であると判断した場合はステップＳ２２に進み、タンク１７の捕集量が限界か否かを判断する。タンク１７の捕集量が限界ではないと判断した場合、ＥＣＵ１６はタンク１７に排気が捕集されるように切替弁２０の位置を切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【００３１】
ステップＳ４１で低温燃焼中ではないと判断した場合及びステップＳ２２でタンク１７の捕集量が限界であると判断した場合はステップＳ２４に進み、ＥＣＵ１６は排気が大気に放出されるように切替弁２０の位置を切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【００３２】
内燃機関１の燃焼温度を低下させるために、低温燃焼中は大量のＥＧＲガスを吸気側に循環させている。そのため、内燃機関１は空燃比がリッチになり、内燃機関１から排出される排気も空燃比がリッチな状態になる。従って、図６の制御ルーチンによって切替弁２０の動作を制御することでも、タンク１７に酸素濃度の低い排気を捕集することができる。
【００３３】
本実施形態によれば、タンク１７に酸素濃度の低い排気を蓄え、この排気を触媒９の温度に応じて供給口１９ａから触媒９に供給するので、触媒９に流入する排気の酸素分圧を低下させることができる。これにより、触媒９を冷却しつつＰＭの燃焼やＨＣの酸化を抑制することができるので、触媒９を適正な温度範囲に維持することができる。
【００３４】
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。内燃機関１はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンに本発明を適用することもできる。触媒９は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に限定されず、種々の排気浄化触媒を適用することができる。例えば、図７にＨＣ吸着割合及びＨＣ放出割合と温度との関係を示したようなＨＣ吸着触媒を適用することができる。図７から明らかなように、ＨＣ吸着割合及びＨＣ放出割合は温度と依存関係にある。そのため、ＨＣの放出割合を所定のレベル（図７の点線）以下に維持する場合には、図７のＡの温度以下にＨＣ吸着触媒の温度を維持する必要がある。このように温度管理が必要な触媒に本発明は好適に適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、排気浄化手段の温度に応じてタンクから供給する排気の供給量を制御するので、排気浄化手段が適正な温度範囲内に維持され、高い浄化性能を持続させることができる。また、酸素濃度の低い排気をタンクに蓄え、この排気を供給するので、ＰＭの燃焼やＨＣの酸化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気浄化装置が組み込まれた内燃機関の要部を示す図。
【図２】図１のＥＣＵが実行する排気供給制御ルーチンを示すフローチャート。
【図３】図１のＥＣＵが実行する排気捕集制御ルーチンを示すフローチャート。
【図４】ＮＯｘ浄化触媒のおける温度とＮＯｘ浄化率との関係の一例を示す図。
【図５】図１のＥＣＵが実行する排気捕集制御ルーチンの他の形態を示すフローチャート。
【図６】図１のＥＣＵが実行する排気捕集制御ルーチンのさらに他の形態を示すフローチャート。
【図７】ＨＣ吸着触媒におけるＨＣ吸着割合及びＨＣ放出割合と温度との関係の一例を示す図。
【符号の説明】
１  内燃機関
３  吸気通路
４  排気通路
９  触媒（排気浄化手段）
１０  温度センサ（温度取得手段）
１３  ＥＧＲ弁
１６  エンジンコントロールユニット（排気供給制御手段、弁制御手段）
１７  タンク
２０  切替弁（弁手段）
２１  供給弁（供給量制御手段）
２２  ＥＧＲ通路
【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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