(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化システムにおいて、潤滑油の希釈やボアフラッシングを抑制しつつ、パティキュレートフィルタ上流に設けられた前段触媒の上流端に付着したＰＭを除去する技術を提供する。【解決手段】酸化触媒と、酸化触媒の下流のパティキュレートフィルタと、円量供給手段と、燃料の供給によりフィルタに堆積したＰＭを除去するフィルタ再生手段と、排気温度を上昇させて酸化触媒に堆積したＰＭを除去する前段触媒再生手段と、を具備した。酸化触媒の前段に堆積したＰＭを除去する間隔をフィルタの再生間隔よりも長くして、オイル希釈を抑制することができる。【選択図】図４
2004257267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力を有する触媒と、
前記酸化能力を有する触媒の下流に設けられ排気中の粒子状物質を捕獲するパティキュレートフィルタと、
前記酸化能力を有する触媒の上流から排気中に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料供給手段により燃料を供給して前記パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を除去するフィルタ再生手段と、
前記酸化能を有する触媒の上流で排気の温度を上昇させて該酸化能を有する触媒に堆積した堆積物を除去する前段触媒再生手段と、
を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２】
前記酸化能力を有する触媒に堆積した堆積物を除去する時期を判定する前段触媒再生時期判定手段を更に備え、前記前段触媒再生時期判定手段により堆積物を除去する時期であると判定された場合には、前記フィルタ再生手段によりフィルタに堆積した粒子状物質が除去されるときに、前記前段触媒再生手段は排気の温度を上昇させ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システム。
【請求項３】
前記前段触媒再生手段により堆積物を除去する間隔は、フィルタ再生手段により粒子状物質を除去する間隔よりも長いことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４】
前記酸化能力を有する触媒に堆積した堆積物の量を推定する堆積量推定手段を更に備え、フィルタ再生手段によりフィルタに堆積した堆積物を除去するときに前記前段触媒再生手段は、堆積量推定手段により推定された堆積物の量が多くなるほど排気の温度を高くすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】
前記酸化能力を有する触媒に堆積した堆積物の量を推定する堆積量推定手段を更に備え、該堆積量推定手段により推定された堆積物の量が許容範囲を超えた場合に前記前段触媒再生手段による堆積物の除去を行うことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項６】
前記酸化能力を有する触媒に流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段を更に備え、前記堆積量推定手段は、前記排気温度検出手段により検出された排気の温度が高くなるほど前記酸化能力を有する触媒に堆積する堆積物の量が少なくなると判定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【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システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：以下、「ＰＭ」という。）の除去が重要な課題となっている。このため、大気中にＰＭが放出されないように排気系にＰＭの捕獲を行うパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」とする）を設ける技術が知られている。
【０００３】
このフィルタにより排気中のＰＭが一旦捕獲され大気中へ放出されることを防止することができる。しかし、フィルタに捕獲されたＰＭが該フィルタに堆積するとフィルタの目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ上に堆積したＰＭを酸化せしめることにより該ＰＭを除去することができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。
【０００４】
このフィルタの再生を行う技術として、例えば、フィルタ上流の酸化触媒の酸化作用で排気の温度を上昇させ、フィルタに捕獲されたＰＭを酸化させる技術（例えば、特許文献１参照）、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタ及びその上流に酸化能を有するＮＯｘ触媒を備え、該ＮＯｘ触媒にてＳＯＦ成分を酸化させる技術（例えば、特許文献２参照）、パティキュレートフィルタ上流の酸化触媒にてＮＯ２を生成させ、このＮＯ２によりＰＭを酸化させる技術（例えば、特許文献３参照）が知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３１２３３１号公報（第４−７頁、図１）
【特許文献２】
特開２００２−１１５５２４号公報（第３−１３頁、図１８）
【特許文献３】
特許第３０１２２４９号公報（第２−１２頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フィルタ上流に該フィルタの温度を上昇させるための触媒を設けた場合、その触媒にもＰＭが付着することがある。ここで、フィルタに堆積したＰＭは、排気中の燃料添加により除去することが可能であるが、上流に設けた触媒では、該触媒の上流端の温度が上昇しないため、この上流端に付着したＰＭの除去が困難となる。これに対し、内燃機関から排出される排気の温度自体を上昇させることにより、上流端に付着したＰＭを酸化させることが可能である。
【０００７】
しかし、内燃機関からの排気の温度を上昇させるために、燃料噴射時期の遅延や、主噴射の他に副噴射を行うと、この燃料による潤滑油の希釈やシリンダ壁面の潤滑油を洗い流す所謂ボアフラッシングが発生する虞があり、更にはピストンの焼き付きが発生する虞がある。
【０００８】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化システムにおいて、潤滑油の希釈やボアフラッシングを抑制しつつ、パティキュレートフィルタ上流に設けられた前段触媒の上流端に付着したＰＭを除去する技術を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化システムは、以下の手段を採用した。即ち、
内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力を有する触媒と、
前記酸化能力を有する触媒の下流に設けられ排気中の粒子状物質を捕獲するパティキュレートフィルタと、
前記酸化能力を有する触媒の上流から排気中に燃料を供給する燃料供給手段と、
燃料供給手段により燃料を供給して前記パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を除去するフィルタ再生手段と、
前記酸化能を有する触媒の上流で排気の温度を上昇させて該酸化能を有する触媒に堆積した堆積物を除去する前段触媒再生手段と、
を具備することを特徴とする。
【００１０】
本発明の最大の特徴は、フィルタ再生手段と前段触媒再生手段とを備え、パティキュレートフィルタと酸化能を有する触媒とで夫々異なる手段により堆積物を除去することにある。
【００１１】
このように構成された内燃機関の排気浄化システムでは、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質は、フィルタ再生手段により除去される。ここで、燃料供給手段から排気中へ燃料が供給されると、この燃料が上流の酸化能を有する触媒にて酸化され、熱が発生する。また、パティキュレートフィルタが酸化能を有している場合には、該パティキュレートフィルタにおいても熱が発生する。この熱により、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質は酸化され除去される。しかし、前記酸化能を有する触媒の上流端では温度上昇が緩慢となり、粒子状物質の酸化が緩慢となる。ここで、前段触媒再生手段により排気の温度を上昇させ、前記酸化能を有する触媒に高い温度の排気を流通させることにより上流端に付着した粒子状物質を酸化させ除去することが可能となる。酸化能を有する触媒の堆積物を除去する場合に限り排気の温度を上昇させるので、潤滑油の希釈やボアフラッシングの起こる回数を抑制することが可能となる。
【００１２】
本発明においては、前記酸化能力を有する触媒に堆積した堆積物を除去する時期を判定する前段触媒再生時期判定手段を更に備え、前記前段触媒再生時期判定手段により堆積物を除去する時期であると判定された場合には、前記フィルタ再生手段によりフィルタに堆積した粒子状物質が除去されるときに、前記前段触媒再生手段は排気の温度を上昇させることができる。
【００１３】
このように構成された内燃機関の排気浄化システムでは、前段触媒再生時期判定手段により前記酸化能力を有する触媒に堆積した堆積物を除去する時期であると判定された場合には、フィルタ再生手段によりパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を除去するときに、前記前段触媒再生手段により排気の温度を上昇させる。排気の温度を上昇させることにより、酸化能力を有する触媒及びパティキュレートフィルタから同時に堆積物を除去することが可能となる。
【００１４】
本発明においては、前記前段触媒再生手段により堆積物を除去する間隔は、フィルタ再生手段により粒子状物質を除去する間隔よりも長くすることができる。
【００１５】
酸化能力を有する触媒は、パティキュレートフィルタと比べて粒子状物質等が付着する量が少ない。そのため、前段触媒再生手段により酸化能を有する触媒に堆積した堆積物を除去する間隔は、フィルタ再生手段によりパティキュレートフィルタに堆積した堆積物を除去する間隔よりも長くてよい。そして、前段触媒再生手段による堆積物の除去の間隔を長くすることにより、潤滑油の希釈やボアフラッシングが起こる回数を抑制することが可能となる。
【００１６】
本発明においては、前記酸化能力を有する触媒に堆積した堆積物の量を推定する堆積量推定手段を更に備え、フィルタ再生手段によりフィルタに堆積した堆積物を除去するときに前記前段触媒再生手段は、堆積量推定手段により推定された堆積物の量が多くなるほど排気の温度を高くすることができる。
【００１７】
酸化能力を有する触媒の堆積物の減少量と排気の温度とには相関がある。即ち、排気の温度が高いほど、酸化能力を有する触媒に堆積した堆積物の減少量が大きくなる。従って、酸化能力を有する触媒に堆積した堆積物の量に応じて排気の温度を上昇させることにより、必要最小限の温度上昇が可能となり、酸化能力を有する触媒及びパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を同時に除去しつつ、潤滑油の希釈やボアフラッシングが起こる回数を抑制することが可能となる。
【００１８】
本発明においては、前記酸化能力を有する触媒に堆積した堆積物の量を推定する堆積量推定手段を更に備え、該堆積量推定手段により推定された堆積物の量が許容範囲を超えた場合に前記前段触媒再生手段による堆積物の除去を行うことができる。
【００１９】
これにより、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の量、若しくは、フィルタ再生手段による粒子状物質の除去に関わりなく、酸化能を有する触媒に堆積した堆積物を除去する必要が生じたときに排気温度の上昇を行うことが可能となる。
【００２０】
本発明においては、前記酸化能力を有する触媒に流入する排気の温度を検出する排気温度検出手段を更に備え、前記堆積量推定手段は、前記排気温度検出手段により検出された排気の温度が高くなるほど前記酸化能力を有する触媒に堆積する堆積物の量が少なくなると判定することができる。
【００２１】
酸化能力を有する触媒に流入する排気の温度が高いほど、該触媒に堆積した粒子状物質が酸化される量が多くなり、粒子状物質の堆積量が減少する。従って、堆積量推定手段は、高い温度の排気が前記酸化能力を有する触媒に流入した場合には、堆積物の量が減少すると推定することが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムを車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係る排気浄化システムを適用するエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００２４】
図１に示すエンジン１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００２５】
エンジン１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。
【００２６】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａがエンジン１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００２７】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００２８】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００２９】
次に、エンジン１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と吸気ポート（図示省略）を介して連通している。
【００３０】
前記吸気枝管８は吸気管９に接続されている。吸気管９には、該吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１が取り付けられている。
【００３１】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸気絞り弁１３には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１４が取り付けられている。
【００３２】
前記エアフローメータ１１と前記吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管９には、排気のエネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられている。
【００３３】
このように構成された吸気系では、吸気は、吸気管９を介してコンプレッサハウジング１５ａに流入する。
【００３４】
コンプレッサハウジング１５ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング１５ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮された吸気は、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３５】
一方、エンジン１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が排気ポート１ｂを介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００３６】
前記排気枝管１８は、前記遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂと接続されている。前記タービンハウジング１５ｂは、排気管１９と接続され、この排気管１９は、下流にて大気へと通じている。
【００３７】
前記排気管１９の途中には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒とする。）を担持し、且つ排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：以下、「ＰＭ」という。）を捕獲するためのパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）２０が設けられている。
【００３８】
ここで、本実施の形態に係るフィルタ２０について説明する。
【００３９】
図２は、フィルタ２０の断面図である。図２（Ａ）は、フィルタ２０の横方向断面を示す図である。図２（Ｂ）は、フィルタ２０の縦方向断面を示す図である。
【００４０】
図２（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにフィルタ２０は、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０、５１を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気流出通路５１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って、排気流入通路５０および排気流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。換言すると排気流入通路５０および排気流出通路５１は各排気流入通路５０が４つの排気流出通路５１によって包囲され、各排気流出通路５１が４つの排気流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００４１】
フィルタ２０は例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気流入通路５０内に流入した排気は図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気流出通路５１内に流出する。
【００４２】
本実施例では、各排気流入通路５０および各排気流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が坦持されている。
【００４３】
フィルタ２０は、例えば、アルミナを担体とし、その担体上に、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、もしくはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）もしくはカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）もしくはイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属とを担持して構成されている。尚、本実施の形態では、アルミナからなる担体上にバリウム（Ｂａ）と白金（Ｐｔ）とを担持して構成される吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒という。）を採用した。更に、Ｏ２ストレージ能力のあるセリア（Ｃｅ２Ｏ３）を添加しても良い。
【００４４】
このフィルタ２０に担持された吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、該フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵（吸収、吸着でも良い。）し、一方、該フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していたＮＯｘを放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の燃料が存在していれば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から放出されたＮＯｘが還元される。また、セリア（ＣｅＯ２）等の遷移金属は、排気の特性に応じて酸素を一時的に保持し、活性化酸素として放出する能力を有する。
【００４５】
一方、フィルタ２０により、排気中のＰＭが一旦捕獲され、大気中への放出が防止される。
【００４６】
尚、フィルタ２０は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したものに限らず、触媒を担持していないパティキュレートフィルタであっても良く、また、酸化触媒や三元触媒を担持したフィルタであっても良い。
【００４７】
フィルタ２０の上流には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持した前段触媒２１が備えられている。この前段触媒２１は、フィルタ２０よりも容量が小さく、機関始動時であっても排気の熱により速やかに温度が上昇され活性状態となることができる。尚、前段触媒２１は、酸化能力を有する触媒であれば良く、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に代えて、例えば、酸化触媒や三元触媒であっても良い。
【００４８】
この前段触媒２１は、セラミックス担体を採用し、排気との接触面積を増加させるために担体形状がモノリス形状若しくはハニカム形状となるように形成されている。そして、排気の流通方向に貫通孔が備えられ、該貫通孔の断面形状は格子状となっている。また、本実施の形態では、前段触媒２１にメタル担体を採用することもできる。メタル担体では、平板の上に波板を重ね合わせて長形状積層材を形成し、その後、該長形状積層材をロール巻きして円柱状に形成されている。そして、担体上に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が担持されている。
【００４９】
また、前段触媒２１より上流の排気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２２が取り付けられている。
【００５０】
このように構成された排気系では、エンジン１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポート１ｂを介して排気枝管１８へ排出され、次いで排気枝管１８から遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂに流入した排気は、該排気が持つエネルギを利用してタービンハウジング１５ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング１５ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００５１】
前記タービンハウジング１５ｂから排出された排気は、排気管１９を介して前段触媒２１及びフィルタ２０へ流入し、排気中のＮＯｘが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵され、フィルタ２０ではＰＭが捕獲される。その後、排気は排気管１９を流通して大気中へと放出される。
【００５２】
ところで、フィルタ２０に捕獲されたＰＭが該フィルタ２０に堆積するとフィルタ２０の目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ２０上流の排気の圧力が上昇し、エンジン１の出力低下やフィルタ２０の毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ２０上に堆積したＰＭを酸化せしめることにより該ＰＭを除去することができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。フィルタ２０の再生は、前段触媒２１若しくはフィルタ２０で酸化反応熱を発生させる例えば炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等を前段触媒２１若しくはフィルタ２０に供給し、このときに発生する熱や、通常よりも高い温度の排気の熱により可能となる。
【００５３】
従って、エンジン１からの排気の温度が低い場合は、フィルタ２０の目詰まりが発生する前に、該フィルタ２０若しくは前段触媒２１に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等を供給し、若しくは排気の温度を上昇させてフィルタ２０に堆積したＰＭを酸化させる必要がある。
【００５４】
フィルタ２０若しくは前段触媒２１へＨＣを供給する方法としては、排気中への燃料添加を例示することができる。排気中への燃料添加では、前段触媒２１より上流の排気管１９を流通する排気中に燃料（軽油）を添加する燃料添加機構を備え、この燃料添加機構から排気中へ燃料を添加することにより、前段触媒２１及びフィルタ２０に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともにＨＣの濃度を高めることができる。
【００５５】
燃料添加機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気枝管１８内に臨むように取り付けられ、後述するＥＣＵ３５からの信号により開弁して燃料を噴射する燃料添加弁２８と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料を前記燃料添加弁２８へ導く添加燃料供給路２９と、を備えている。
【００５６】
このような燃料添加機構では、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が添加燃料供給路２９を介して燃料添加弁２８へ印加される。そして、ＥＣＵ３５からの信号により該燃料添加弁２８が開弁して、排気枝管１８内へ燃料（ＨＣ）が噴射される。
【００５７】
燃料添加弁２８から排気枝管１８内へ噴射された燃料は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気中のＨＣ濃度を上昇させると共に、前段触媒２１及びフィルタ２０に到達し、そこで酸化される。この酸化反応により熱が発生し、この熱によりフィルタ２０に堆積したＰＭが酸化され除去される。
【００５８】
その後、ＥＣＵ３５からの信号により燃料添加弁２８が閉弁し、排気枝管１８内への燃料の添加が停止されることになる。
【００５９】
また、エンジン１には、クランクシャフトの回転位置に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ３３が設けられている。
【００６０】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）３５が併設されている。このＥＣＵ３５は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００６１】
ＥＣＵ３５には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号の他、運転者がアクセルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ３６の出力信号が入力されるようになっている。このアクセル開度センサ３６の出力信号により、機関負荷を求めることもできる。
【００６２】
一方、ＥＣＵ３５には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、燃料添加弁２８等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ３５が制御することが可能になっている。
【００６３】
また、本実施の形態では、ＰＭを除去する他の手段として、排気の温度を上昇させることができる。
【００６４】
排気の温度を上昇させる方法として、エンジン１で燃料噴射弁３からの主噴射の後の膨張行程中若しくは排気行程中に、再度燃料を噴射させる副噴射を例示することができる。
【００６５】
このように膨張行程若しくは排気行程で燃料を噴射させるのは、機関出力に殆ど影響を与えることなく排気温度を上昇させることができるためである。この副噴射により噴射された燃料は、気筒２から排出される排気の温度を上昇させる。温度が上昇した排気は前段触媒２１及びフィルタ２０に到達し、ＰＭを酸化除去することができる。
【００６６】
また、本実施の形態では、気筒２内への燃料噴射時期を遅延させることにより排気の温度を上昇させることもできる。燃料噴射時期を通常よりも遅延させると、通常の時期に噴射された燃料よりもピストンの運動に消費されるエネルギ量が少なくなる。これにより、排気の温度を高くすることが可能となり、前段触媒２１及びフィルタ２０に堆積したＰＭを酸化除去することが可能となる。
【００６７】
前述のように、フィルタ２０の再生を行う方法として、燃料噴射弁３からの燃料噴射により排気の温度を高める方法と、燃料添加弁２８からの燃料噴射により排気中へ炭化水素を供給する方法と、がある。ここで、燃料噴射弁３から燃料を噴射して排気の温度を高める方法では、ピストンが上死点となった後に燃料の噴射が行われるため、噴射された燃料がシリンダ壁まで到達することがある。これにより、エンジン潤滑油と燃料とが混ざり合って該エンジン潤滑油を希釈させたり、シリンダ壁面に付着した潤滑油が燃料により洗い流される所謂ボアフラッシングが起こったりして、ピストンの焼き付き等を誘発する虞がある。また、排気の温度を上昇させると、該排気が排気枝管１８及び排気管１９を通過する際に、排気枝管１８及び排気管１９の壁面から大気中へ熱が放出され、排気の温度が低下してしまう。従って、フィルタ２０の温度を上昇させるために燃料が多く消費され、燃費が悪化する虞がある。
【００６８】
一方、燃料添加弁２８からの燃料噴射により排気中へ燃料を添加する方法では、フィルタ２０及び前段触媒２１に担持された吸蔵還元型ＮＯｘ触媒において、燃料が酸化する際に発生する熱によりＰＭが酸化される。このように、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒で熱が発生するため、フィルタ２０においては効率良くＰＭを酸化させることができる。
【００６９】
ところで、前段触媒２１は、フィルタ機能を有するものではないが、前述したように、端部では格子状となるように形成されているので、排気中のＰＭ等が上流端に付着し易い。このように上流端に付着したＰＭは、燃料添加弁２８による燃料添加で酸化除去するのは困難である。これは、燃料添加により前段触媒２１の上流側で発生した熱は、排気と共に下流側へと流されるため、該前段触媒２１の上流端では温度上昇が緩慢となるからである。これにより、前段触媒２１の上流側、特に上流端では、ＰＭが酸化されずに残存することがある。
【００７０】
ここで、図３は、前段触媒内での排気の温度とＰＭ酸化速度との関係を示した図である。ある温度以下でＰＭの酸化速度は略０となり、ＰＭはほとんど除去されず、一方、ある温度以上となると、排気の温度が高くなるほどＰＭの酸化速度が増し、除去されるＰＭの量が増加する。また、Ａで示される温度において、ある運転条件では、ＰＭの付着量と酸化量とが釣り合い、この温度よりも低い場合には、前段触媒２１に付着するＰＭ量が、酸化され除去されるＰＭ量よりも多くなり、ＰＭが堆積することとなる。また、Ａに示される温度よりも高い場合には、前段触媒２１に付着するＰＭ量よりも酸化されるＰＭ量が多くなり、ＰＭを除去することができる。そして、燃料添加弁２８による燃料添加では、前段触媒２１の上流端は、Ａで示される温度まで達しないでＰＭが堆積することとなる。
【００７１】
一方、排気の温度を高めると、前段触媒２１の上流端の温度を上昇させ、該上流端に付着したＰＭを除去することができる。そして、図３に示されるように、温度が高くなるほどＰＭの酸化速度が速くなり、単位時間当たりのＰＭの除去量が多くなる。
【００７２】
そこで、本実施の形態では、フィルタ２０に捕獲されたＰＭは、燃料添加弁２８から噴射した燃料が前段触媒２１及びフィルタ２０で反応したときに発生する熱により酸化させる（以下、燃料添加弁２８によるＰＭ除去という。）。一方、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭは、燃料噴射弁３により噴射された燃料を気筒２内で燃焼させて発生した熱により酸化させる（以下、燃料噴射弁３によるＰＭ除去という。）。ここで、フィルタ２０に捕獲されるＰＭ量よりも、前段触媒２１の上流端に付着するＰＭ量は少ないため、燃料噴射弁３によるＰＭ除去は燃料添加弁２８によるＰＭ除去よりも実施頻度を少なくすることができる。これにより、前記潤滑油の希釈やボアフラッシング等の回数を減少させ、ピストンの焼き付き等を抑制することができる。
【００７３】
ここで、前段触媒２１の上流端の温度は、燃料添加弁２８によるＰＭ除去を行う場合よりも、燃料噴射弁３によるＰＭ除去を行う場合のほうが高くなる。従って、燃料添加弁２８によるＰＭ除去を行うときに除去することができなかった前段触媒２１の上流端に付着したＰＭを、燃料噴射弁３によるＰＭ除去により除去することが可能となる。
【００７４】
本実施の形態においては、例えば、燃料添加弁２８によるＰＭ除去を予め定めた回数行った後に燃料噴射弁３によるＰＭ除去を行う。
【００７５】
ここで、図４は、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭ量、前段触媒２１に流入する排気の温度（入ガス温度）、フィルタ２０に堆積しているＰＭ量、の時間推移を示したタイムチャート図である。図４中の（１）及び（２）は、燃料添加弁２８によるＰＭ除去を示し、（３）は、燃料噴射弁３によるＰＭ除去を示している。
【００７６】
燃料添加弁２８によるＰＭ除去では、前段触媒２１の入ガス温度が低く、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭはほとんど減少しない。一方、燃料噴射弁３によるＰＭ除去を行った場合には、燃料添加弁２８によるＰＭ除去のときよりも前段触媒２１の入ガス温度が高くなり、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭ及びフィルタ２０に堆積したＰＭを同時に除去することができる。
【００７７】
フィルタ２０に堆積したＰＭの除去は、予め定めておいた一定の間隔で行っても良く、また、フィルタ２０に堆積したＰＭの量が予め定めておいた量となったときに行っても良い。フィルタ２０に捕獲されたＰＭの量は、例えば、フィルタ２０前後の差圧を検出する差圧センサ２３を排気管に取り付けて、該差圧センサ２３の検出値に応じたＰＭ量を予め実験等により求めておくことにより求めることができる。また、エンジン１の運転状態（排気温度、燃料噴射量、エンジン回転数）に応じたＰＭ付着量を予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップにより求められるＰＭ付着量を積算してＰＭの堆積量とすることもできる。更に、車両走行距離若しくは走行時間に応じてＰＭの堆積量を推定しても良い。
【００７８】
そして、本実施の形態では、燃料添加弁２８によるＰＭ除去を２回行った後に、燃料噴射弁３によるＰＭ除去を１回行う。この燃料噴射弁３によるＰＭ除去を行う頻度は、予め実験等により求められる前段触媒２１の上流端に付着するＰＭの量により定めても良い。
【００７９】
このようにして、燃料噴射弁３によるＰＭ除去の実施回数を減少させることができる。
【００８０】
また、本実施の形態では、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭ量が多くなった場合に、燃料添加弁２８によるＰＭ除去に代えて、燃料噴射弁３によるＰＭ除去を行うようにしても良い。ここで、例えば、前段触媒２１前後の差圧を検出する差圧センサ２４を排気管に取り付けて、該差圧センサ２４の検出値に応じたＰＭ量を予め実験等により求めておくことにより、前段触媒２１に付着したＰＭの量を求めることができる。また、運転状態に応じたＰＭ排出量と排気の温度と前段触媒２１に付着するＰＭ量との関係を予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップにより前段触媒２１に付着したＰＭの量を得ても良い。即ち、高い温度の排気が前段触媒２１に流入すると、該前段触媒２１の上流端に付着しているＰＭの量が減少するため、ＰＭ除去の実施間隔を長くすることが可能となる。更に、車両走行距離若しくは走行時間に応じてＰＭの堆積量を推定しても良い。
【００８１】
また、通常のエンジン運転状態では、排気の温度が低いために前段触媒２１に付着したＰＭの量はほとんど減少しないが、図４に示されるように、燃料添加弁２８によるＰＭの除去を行った場合には、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭも多少ではあるが減少する。そこで、燃料添加弁２８によるＰＭ除去を行った回数や、そのときに前段触媒２１に流入する排気の温度の履歴から、前段触媒２１の上流端に堆積しているＰＭの量を求めても良い。また、同様にして、燃料噴射弁３によるＰＭの除去を実施する時期を直接得るようにしても良い。
【００８２】
前段触媒２１の上流端に付着したＰＭの量は、機関回転数と燃料噴射量とＰＭ付着量との関係を予め実験等により求めておき、この値を積算して得られる。一方、前段触媒２１の上流端に堆積したＰＭの減少量は、燃料添加弁２８によるＰＭ除去１回当たりのＰＭ減少量を予め実験等により求めておき、前回の燃料噴射弁３によるＰＭ除去から現在までの燃料添加弁２８によるＰＭ除去の実施回数を前記一回当たりのＰＭ減少量に乗じて求められる。また、排気温度とＰＭの減少量との関係を予め実験等により求めマップ化しておき、燃料添加弁２８によるＰＭ除去の実施毎に、排気温度センサ２２から求まる排気の温度を該マップに代入して求められるＰＭ減少量を積算し、前段触媒２１の上流端に堆積したＰＭの減少量を得るようにしても良い。
【００８３】
更に、本実施の形態では、燃料添加弁２８によるＰＭ除去とは関係なく、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭ量が多くなった場合に、燃料噴射弁３によるＰＭ除去を直ちに行うようにしても良い。このようにすることで、前段触媒２１に堆積したＰＭの量が許容範囲を超えた場合に、速やかにＰＭの除去を行うことができる。
【００８４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、通常は燃料添加弁２８からの燃料添加によりフィルタ２０に堆積したＰＭを除去し、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭを除去する場合には、燃料噴射弁３により噴射された燃料を気筒２内で燃焼させて排気の温度を上昇させる。そして、燃料噴射弁３によるＰＭ除去の間隔を、燃料添加弁２８によるＰＭ除去の間隔よりも長くすることにより、潤滑油が希釈される回数及びボアフラッシングが起こる回数を低減させることができ、ピストンの焼き付き等を抑制することができる。
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭの量に基づいて、フィルタ２０の再生時に前段触媒２１に流入する排気の温度を決定する点で相違する。尚、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００８５】
ここで、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭの除去は、燃料添加弁２８からの燃料添加では困難である一方、フィルタ２０に堆積したＰＭの酸化は、燃料噴射弁３からの燃料噴射による排気温度の上昇、若しくは燃料添加弁２８からの燃料噴射の何れかによっても可能であり、これらを同時に行うことも可能である。
【００８６】
そこで、本実施の形態では、フィルタ２０の再生時に、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭの量が多いほど、該前段触媒２１に流入する排気の温度を高くする。即ち、燃料添加弁２８からの燃料添加を行いつつ、燃料噴射弁３により排気の温度を上昇させる。これにより、前段触媒２１及びフィルタ２０を同時に再生することが可能となる。また、排気の温度上昇を必要最小限に抑えることができる。
【００８７】
ここで、前段触媒２１の上流端に付着しているＰＭ量は、エンジン回転数及び燃料噴射量と、前段触媒２１に流入する排気の温度と、の履歴に相関がある。即ち、エンジン回転数が高く、また、燃料噴射量が多い場合にはＰＭの排出量が多いため、前段触媒２１の上流端に付着するＰＭ量が多くなる。一方、排気の温度が高くなるほど、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭが酸化され減少する量が多くなる。したがって、前段触媒２１の上流端に付着するＰＭ量と、減少する量と、を積算することにより前段触媒２１の上流端に付着しているＰＭ量を算出することができる。また、前段触媒２１前後の差圧を検出する差圧センサ２４を排気管に取り付けて、該差圧センサ２４の検出値に応じたＰＭ量を予め実験等により求めておくことにより求めることができる。更に、車両走行距離若しくは走行時間に応じてＰＭの堆積量を推定しても良い。
【００８８】
そして、前段触媒２１の上流端に付着しているＰＭ量が多いほど、フィルタ２０の再生時の排気の温度を高くする。これは、第１の実施の形態での図３に示されるように、排気の温度が高いほどＰＭの酸化速度が速くなり、単位時間当たりに除去されるＰＭ量が増加するためである。従って、フィルタ２０の再生時間が限られている場合でも、排気の温度を調整することにより前段触媒２１の上流端に付着しているＰＭを酸化除去することが可能となる。
【００８９】
排気の温度は、副噴射の量や、主噴射の遅延時間により調整することが可能である。即ち、排気の温度を上昇させる場合には、副噴射の量を増量し、若しくは主噴射の遅延時間を長くする。副噴射の量や、主噴射の遅延時間は、回転数と負荷と目標となる排気温度との関係を予め実験等により求めてマップ化したものを用いる。また、排気温度センサ２２の出力信号が、目標となる排気温度となるように、副噴射の量若しくは主噴射の遅延時間のフィードバック制御を行っても良い。尚、排気温度センサ２２の出力信号によるフィードバック制御に代えて、前段触媒２１の下流の排気温度を検出し、この検出値が目標排気温度となるように、副噴射の量若しくは主噴射の遅延時間のフィードバック制御を行っても良い。
【００９０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、フィルタ２０の再生時において、前段触媒２１の上流端に付着したＰＭの量が多いほど排気の温度を高くし、前段触媒２１及びフィルタ２０に堆積したＰＭを同時に除去することができる。また、排気温度の高さを必要最小限に抑えることができるので、潤滑油の希釈やボアフラッシングも最小限に抑えることができ、ピストンの焼き付きや燃費の悪化を抑制することができる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化システムでは、内燃機関の潤滑油の希釈や、ボアフラッシングを抑制しつつ、前段触媒の上流端の堆積物を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化システムを適用するエンジンとその吸排気系とを併せ示す概略構成図である。
【図２】フィルタの断面図である。図２（Ａ）は、フィルタの横方向断面を示す図である。図２（Ｂ）は、フィルタの縦方向断面を示す図である。
【図３】前段触媒内での排気の温度とＰＭ酸化速度との関係を示した図である。
【図４】前段触媒の上流端に付着したＰＭ量、前段触媒に流入する排気の温度（入ガス温度）、フィルタに堆積しているＰＭ量、の時間推移を示したタイムチャート図である。
【符号の説明】
１          エンジン
１ａ      クランクプーリ
１ｂ      排気ポート
２          気筒
３          燃料噴射弁
４          コモンレール
５          燃料供給管
６          燃料ポンプ
６ａ      ポンププーリ
７          ベルト
８          吸気枝管
９          吸気管
１１      エアフローメータ
１３      吸気絞り弁
１４      吸気絞り用アクチュエータ
１５      遠心過給機
１５ａ  コンプレッサハウジング
１５ｂ  タービンハウジング
１８      排気枝管
１９      排気管
２０      パティキュレートフィルタ
２１      前段触媒
２２      排気温度センサ
２８      燃料添加弁
２９      添加燃料供給路
３３      クランクポジションセンサ
３５      ＥＣＵ
３６      アクセル開度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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