(57)【要約】【課題】シンプルな構造で排気温度を上昇させることができる内燃機関を提供する。【解決手段】排気通路２４に設けられた後処理装置３０と、排気弁を開閉させる排気弁開閉制御手段と、燃料の噴射時期及び噴射量を制御する燃料噴射制御手段とを備え、後処理装置３０を通過する排気ガスの温度が所定値よりも低いときに、排気弁開閉制御手段は、排気ガスの温度を少なくとも所定値まで上昇させる様に膨張行程で排気弁を開弁し、燃料噴射制御手段は、通常のメイン噴射よりも後、かつ排気弁の開弁時期よりも前にアフター噴射を実行し、アフター噴射の噴射時期及び噴射量は、アフター噴射により得られる出力Ｂが、膨張行程の途中で排気弁を開弁することにより生じる出力損失Ａとほぼ等しくなるように設定されるものである。【選択図】        図２
2005054607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に設けられ、触媒を備えた後処理装置と、排気弁を任意に開閉させる排気弁開閉制御手段と、燃料の噴射時期及び噴射量を制御する燃料噴射制御手段とを備え、
上記後処理装置を通過する排気ガスの温度が所定値よりも低いときに、
上記排気弁開閉制御手段は、上記排気ガスの温度を少なくとも上記所定値まで上昇させる様に膨張行程で上記排気弁を開弁し、上記燃料噴射制御手段は、通常のメイン噴射よりも後、かつ上記排気弁の開弁時期よりも前にアフター噴射を実行し、該アフター噴射の噴射時期及び噴射量は、アフター噴射により得られる出力が、上記膨張行程の途中で排気弁を開弁することにより生じる出力損失とほぼ等しくなるように設定されることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
上記排気弁開閉制御手段は、上記後処理装置を通過する排気ガスの温度が所定値よりも低いときに、膨張行程の途中で行う排気温度上昇用のサブ排気と、排気行程で行う通常のメイン排気とに分けて、上記排気弁を複数回開弁する請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
上記排気弁が、上記サブ排気を実行するサブ排気弁と、上記メイン排気を実行するメイン排気弁とを備える請求項２記載の内燃機関。
【請求項４】
上記排気弁開閉制御手段は、上記後処理装置を通過する排気ガスの温度が所定値よりも低いときに、上記排気弁の開弁時期を通常時よりも進角化して膨張行程とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項５】
上記排気弁開閉制御手段が、電気信号に応じて上記排気弁を開閉制御する電磁式アクチュエータを備える請求項１〜４いずれかに記載の内燃機関。
【請求項６】
上記燃料噴射制御手段がコモンレール式燃料噴射システムを備える請求項１〜５いずれかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスの後処理装置を備えた内燃機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンでは、排気ガスに含まれる粒子状物質（パティキュレート：以下ＰＭという）、窒素酸化物（ＮＯｘ）及びＨＣ等の低減が大きな課題であり、これらを低減するために様々な後処理装置が提案されている。
【０００３】
例えば、連続再生型ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルター）と称されるものは、排気ガス中のＨＣを酸化させるための酸化触媒と、その酸化触媒の下流側に配設され、排気ガス中のＰＭを捕集して酸化除去するための触媒付フィルタとを備えたものである。かかる連続再生型ＤＰＦでは、まず酸化触媒により排気ガス中のＨＣを酸化除去し、続いて、触媒付フィルタで排気ガス中のＰＭを捕集する。そして、フィルタに担持された触媒の作用によって捕集したＰＭを酸化除去して自己再生するものである。
【０００４】
ところで、この連続再生型ＤＰＦ等のように触媒の作用を利用する後処理装置では、排気ガスの温度が触媒の活性温度（例えば、３００°以上）に達していなければ充分な排気浄化効果を得ることができない。つまり、エンジンの始動直後や低負荷走行時などのように排気温度が低いときは、触媒付フィルタで捕集したＰＭを酸化除去することができず、フィルタが目詰まりするおそれがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０７−１７４０１６号公報
【特許文献２】
特開平１０−３７７７３号公報
【特許文献３】
特開２００２−３４９２３９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、排気通路に排気絞り弁を設け、排気温度が低いときにはその排気絞り弁により排気を絞って排気温度を上昇させる装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
しかしながら、この装置は構造が複雑となる欠点があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、よりシンプルな構造で排気温度を上昇させることができる内燃機関を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、排気通路に設けられ、触媒を備えた後処理装置と、排気弁を任意に開閉させる排気弁開閉制御手段と、燃料の噴射時期及び噴射量を制御する燃料噴射制御手段とを備え、上記後処理装置を通過する排気ガスの温度が所定値よりも低いときに、上記排気弁開閉制御手段は、上記排気ガスの温度を少なくとも上記所定値まで上昇させる様に膨張行程で上記排気弁を開弁して、上記燃料噴射制御手段は、通常のメイン噴射よりも後、かつ上記排気弁の開弁時期よりも前にアフター噴射を実行し、該アフター噴射の噴射時期及び噴射量は、アフター噴射により得られる出力が、上記膨張行程の途中で排気弁を開弁することにより生じる出力損失とほぼ等しくなるように設定されるものである。
【００１０】
ここで、上記排気弁開閉制御手段が、上記後処理装置を通過する排気ガスの温度が所定値よりも低いときに、膨張行程の途中で行う排気温度上昇用のサブ排気と、排気行程で行う通常のメイン排気とに分けて、上記排気弁を複数回開弁するようにしても良い。
【００１１】
また、上記排気弁が、上記サブ排気を実行するサブ排気弁と、上記メイン排気を実行するメイン排気弁とを備えても良い。
【００１２】
また、上記排気弁開閉制御手段が、上記後処理装置を通過する排気ガスの温度が所定値よりも低いときに、上記排気弁の開弁時期を通常時よりも進角化して膨張行程とするようにしても良い。
【００１３】
また、上記排気弁開閉制御手段が、電気信号に応じて上記排気弁を開閉制御する電磁式アクチュエータを備えても良い。
【００１４】
また、上記燃料噴射制御手段がコモンレール式燃料噴射システムを備えても良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
図１は、本実施形態の内燃機関の概略図である。
【００１７】
本実施形態の内燃機関は、コモンレール式燃料噴射システムを備える。この燃料噴射システムは、図示しない燃料タンクからの燃料をコモンレール７に供給するためのサプライポンプ５と、コモンレール７に複数接続され、エンジンＥの各気筒の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁（インジェクタ）６とを備える。
【００１８】
サプライポンプ５は吐出圧力を調整可能な調圧ポンプであり、コントローラ１２によってその吐出圧力が制御される。
【００１９】
コモンレール７には圧力センサ１１が設けられており、コモンレール７内の燃料圧力が圧力センサ１１により検出され、その検出値がコントローラ１２に入力される。
【００２０】
各燃料噴射弁６はコントローラ１２に接続されており、コントローラ１２から出力される駆動信号によって制御（駆動）される。コントローラ１２には、エンジンＥの回転速度を検出するエンジン回転センサ１６、車両のアクセル開度（エンジン負荷）を検出するアクセル開度センサ１７等の検出手段が接続されており、各検出手段１６，１７の検出値がコントローラ１２に入力される。コントローラ１２は、エンジン回転センサ１６により検出された実際のエンジン回転速度と、アクセル開度センサ１７により検出された実際のアクセル開度とに基づいて、予め入力された燃料噴射マップ（メイン噴射マップ）から燃料の噴射量及び噴射時期を決定する。そして、コントローラ１２は、決定した燃料噴射量及び燃料噴射時期に従って各燃料噴射弁６に駆動信号を出力する。コモンレール式燃料噴射システムでは、燃料噴射弁６による燃料の噴射量及び噴射時期を高精度で制御することができるため、燃料の噴射量及び噴射時期の設定の自由度が高い。なお、「特許請求の範囲」における燃料噴射制御手段とは、本実施形態では、コントローラ１２を含むコモンレール式燃料噴射システム全体を包括したものを意味する。
【００２１】
本実施形態の内燃機関の吸排気弁開閉システムは、図には示されていないが、コントローラ１２から出力された電気信号に応じて吸排気弁を開閉制御する電磁式可変動弁システムが適用される。つまり、各吸排気弁には電磁式アクチュエータとしてのソレノイドが設けられており、このソレノイドをＯＮ／ＯＦＦすることで吸排気弁が任意の時期に開閉制御される。電磁式可変動弁システムによれば、吸排気弁の開閉時期を高精度かつ任意に制御することができるため、吸気及び排気弁の開閉時期の設定の自由度が高い。このような電磁式可変動弁システムは、例えば特許文献２にも記載されている。なお、「特許請求の範囲」における排気弁開閉制御手段とは、本実施形態ではコントローラ１２や、各排気弁のソレノイド等を包括したものを意味する。排気弁開閉制御手段は、後述する排気温度上昇制御を実行するとき以外は、通常、内燃機関の排気行程で排気弁を開弁する。
【００２２】
エンジンＥの各気筒の排気ポートは排気マニホールド２３を介して１本の集合排気管（排気通路）２４に接続され、その集合排気管２４の途中に排気ガスを浄化するための後処理装置３０が設けられる。本実施形態の後処理装置３０は、集合排気管２４に連続して形成されたケーシング３１内に配設され、排気ガス中のＨＣを酸化させるための酸化触媒３２と、酸化触媒３２よりも下流側に形成されたケーシング３５内に配設され、排気ガス中のＰＭを捕集して酸化除去する触媒付フィルタ３３とを備えた、所謂、連続再生型ＤＰＦと称されるものである。触媒付フィルタ３３は、例えばセラミック製のモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型フィルタなどにゼオライト等の触媒を担持させたものが用いられる。
【００２３】
排気ガスがＤＰＦ３０内を通過すると、まず酸化触媒３２の作用により排気ガス中のＨＣが酸化除去される。続いて、フィルタ３３で排気ガス中のＰＭが捕集され、触媒の作用によりその捕集されたＰＭが酸化除去される。
【００２４】
触媒付フィルタ３３には、触媒付フィルタ３３入口部の排気ガスの温度を検出するためのセンサ（排気温度検出手段）３４が設けられ、そのセンサ３４の検出値がコントローラ１２に送信される。
【００２５】
なお、図１ではエンジンＥの吸気管は省略されている。
【００２６】
さて、「従来の技術」の欄で説明したように、触媒の作用を利用するＤＰＦ３０は、ＤＰＦ３０を通過する排気ガスの温度（以下、単に排気温度という）が触媒の活性温度（例えば３００°）に達していなければ、触媒付フィルタ３３で捕集したＰＭを酸化除去することができず、自己再生することができない。
【００２７】
そこで、本実施形態の排気弁開閉制御手段は、排気温度検出手段３４により検出された排気温度が所定値（例えば３００°）よりも低いときに、膨張行程で排気弁を開弁して排気温度を少なくとも所定値まで上昇させる排気温度上昇制御を実行する。
【００２８】
これを図２を用いて説明する。
【００２９】
図２に示すように、排気弁開閉制御手段は、排気温度上昇制御を実行するときには、内燃機関の排気行程で行う通常のメイン排気とは別に、排気行程よりも前の膨張行程の途中で、排気ガスの一部を排気通路２４に排出するサブ排気を行う。つまり、一回の燃焼につき排気弁が２回開弁されることになる。このサブ排気によって、比較的高いエネルギを持った（つまり高温の）排気ガスが排気通路２４に排出されるため、当然排気温度が上昇する。従って、低負荷・低回転領域などでもＤＰＦ３０が自己再生でき、高い排気浄化効果を得ることができる。
【００３０】
なお、排気温度検出手段３４により検出された排気温度が所定値よりも高いときには、メイン排気のみが行われる。
【００３１】
サブ排気の開始時期（排気弁の開弁時期）と、排気期間又は終了時期（閉弁時期）とは、コントローラ１２に予め入力されたマップや演算式などから決定される。コントローラ１２は決定したサブ排気の開始時期及び排気期間に従って排気弁のソレノイドをＯＮ／ＯＦＦする。本実施形態では、サブ排気の開始時期及び排気期間は、上記燃料噴射マップにより決定される燃料の噴射時期及び噴射量とをパラメータとして決定される。
【００３２】
具体的に説明すると、燃料噴射弁６による燃料の噴射時期が遅いほど排気温度は高くなり、また、燃料の噴射量が多いほど排気温度は高くなる傾向にある。一方、サブ排気の開始時期が早いほど排気温度上昇効果は高くなり、また、サブ排気の排気期間が長いほど排気温度上昇効果は高くなる。以上のことから、燃料噴射時期が早いとき、および燃料噴射量が少ないときは、実際の排気温度と目標とする排気温度（触媒活性温度）との差が比較的大きいと考えられるので、サブ排気の開始時期は早めに設定され、排気期間は長めに設定される。逆に、燃料噴射時期が遅いとき、および燃料噴射量が多いときは、実際の排気温度と目標とする排気温度との差が比較的小さいと考えられるので、サブ排気の開始時期は遅めに設定され、排気期間は短めに設定される。
【００３３】
なお、サブ排気の開始時期及び排気期間（終了時期）は、排気温度検出手段３４により検出された実際の排気温度と目標とする排気温度との差に基づいて決定するようにしても良い。
【００３４】
さて、このように本実施形態の内燃機関によれば、非常にシンプルな構造で、排気温度を触媒の活性温度まで上昇させることができるのであるが、膨張行程で排気弁を開くため、燃焼室内の圧力が低下し、内燃機関の出力が低下することが考えられる。そこで、本実施形態の燃料噴射制御手段は、排気弁開閉制御手段が上述した排気温度上昇制御を実行するとき（サブ排気を行うとき）には、図２に示すように、通常のメイン噴射（上述した燃料噴射マップに従って実行される噴射）の噴射終了後、サブ排気の排気開始時期（排気弁の開弁時期）よりも前に、比較的小量のアフター噴射を実行する。このアフター噴射によって、サブ排気により生じる出力損失を補うことができる。結果として、内燃機関の出力は排気温度上昇制御の実行前後でほぼ同じに維持できる。
【００３５】
図３は本実施形態の内燃機関の概略的なＰ−Ｖ線図であり、ラインＬ１がサブ排気（排気温度上昇制御）及びアフター噴射を実行しない通常の運転状態を示している。
【００３６】
ここで、排気温度を上昇させるべくサブ排気を実行すると、膨張行程の途中で排気弁が開くため燃焼室内の圧力Ｐが低下し、その線図は点線Ｌ２で示すように変化する。従って、領域Ａの分だけ出力損失が生じる。言い換えれば、領域Ａのエネルギが排気温度上昇のために用いられる。そこで、サブ排気の排気開始時期よりも前にアフター噴射を実行することで、点線Ｌ３に示すようにシリンダ内の圧力Ｐが上昇する。これによって、アフター噴射を実行しない場合と比べて、領域Ｂの分だけ出力が増加する。この領域Ｂが領域Ａとほぼ等しくなるように、つまりアフター噴射により得られる出力がサブ排気により生じる出力損失とほぼ等しくなるように、アフター噴射の噴射量及び噴射時期を定めれば、内燃機関の出力をサブ排気の実行前と同等にできる。
【００３７】
アフター噴射の噴射量及び噴射時期は、サブ排気の開始時期及び排気期間（終了時期）をパラメータとするアフター噴射用マップとして予めコントローラ１２に入力される。コントローラ１２は、そのマップに従ってアフター噴射の噴射量及び噴射時期を決定し、燃料噴射弁６に駆動信号を出力する。
【００３８】
ここで、サブ排気の開始時期が早い、またサブ排気の排気期間が長いほどサブ排気による出力損失は大きくなる。一方、アフター噴射の噴射量を多く、また噴射時期（開始時期）を早くするほどアフター噴射により得られる出力は高くなる。従って、サブ排気の開始時期が早いとき、および排気期間が長いときは、アフター噴射の噴射量は多く（噴射期間を長く）、噴射時期は早く設定される。逆に、サブ排気の開始時期が遅いとき、および排気期間が短いときは、アフター噴射の噴射量は少なく（噴射期間を短く）、噴射開始時期は遅く設定される。
【００３９】
次に、図４を用いて排気弁及び排気弁開閉システムの他の実施形態を説明する。
【００４０】
本実施形態では、燃焼室５０に連通するメイン排気孔５１と、メイン排気孔５１から分岐して燃焼室５０に連通するサブ排気孔５２とがシリンダヘッド５３に形成される。そして、メイン排気孔５１内にメイン排気を行うためのメイン排気弁５４が設けられ、サブ排気孔５２内にサブ排気を行うためのサブ排気弁５５が設けられる。
【００４１】
メイン排気弁５４は、吸気弁５６と同様に、エンジンのクランク軸と連動するカムシャフト５７によって機械的に開閉される。一方、サブ排気弁５５には電磁式アクチュエータとしてのソレノイド５８が設けられる。コントローラ１２（図１参照）からの電気信号によりソレノイド５８がＯＮ／ＯＦＦされることで、サブ排気弁５５が任意の時期に開閉される。
【００４２】
排気温度が所定値よりも高い通常運転時は、ソレノイド５８が常時ＯＦＦとされ、サブ排気弁５５は常に閉となる。そして、排気温度上昇制御を実行するときには、ソレノイド５８がサブ排気の開始時期及び排気期間に合わせてＯＮ／ＯＦＦされ、サブ排気弁５５が開閉する。この形態によれば、コントローラ１２はサブ排気のみを制御するため、制御プログラムなどをシンプルにできる。
【００４３】
図４に示す排気弁開閉システムは、圧縮行程中にサブ排気弁５５を開弁して、排気ガスの一部を燃焼室５０内に戻す圧縮開放動弁システムとして知られているものと同様の構成である。圧縮開放動弁システムは例えば、特許文献３にも記載されている。本実施形態ではこの圧縮開放動弁システムを、膨張行程でサブ排気を行うために適用したものである。
【００４４】
本実施形態は以上説明した実施形態に限定されず、様々な変形例が考えられるものである。
【００４５】
例えば、排気弁を開閉させるカムとして、メイン排気のみを実行するシングルカムと、サブ排気＋メイン排気を実行するダブルカムとを設けておき、排気温度上昇制御の実行・非実行に応じて、排気弁の開閉に用いるカムを選択するようにしても良い。
【００４６】
また、排気ガスの温度をセンサ３４で検出する代わりに、燃料噴射弁６による燃料の噴射量及び噴射時期に基づいてマップから決定したり、あるいはそれら噴射量及び噴射時期に基づいて演算するようにしても良い。
【００４７】
また、アフター噴射の噴射量及び噴射時期を、マップではなく演算式から算出するようにしても良い。
【００４８】
また、後処理装置は上述したものに限定されず、触媒の作用を利用するものであれば、他のタイプの後処理装置でも良い。
【００４９】
また、排気温度上昇制御は、排気温度が所定値よりも低く、かつ触媒付フィルタ３３に捕集されたＰＭの量が一定量に達したときに実行するようにしても良い。
【００５０】
また、排気温度上昇制御において、膨張行程で行うサブ排気を２回以上行うようにしても良い。
【００５１】
更に、排気温度上昇制御において、排気弁の開閉をサブ排気とメイン排気とに分けて複数回行うのではなく、膨張行程から排気行程にかけて１回の排気を行うようにしても良い。
【００５２】
つまり、図５に示すように、マップから決定されたサブ排気の閉弁時期がメイン排気の開弁時期よりも遅くなった場合などは、膨張行程から排気行程にかけて比較的長期の排気を１回行う。つまり、排気弁の開弁時期を通常時よりも進角化して膨張行程とするのである。この場合も、通常のメイン噴射よりも後、かつ排気弁の開弁時期よりも前にアフター噴射を行うことで、膨張行程で排気弁を開弁することにより生じる出力損失を補うことができる。図５に示す排気温度上昇制御を行ったときの、Ｐ−Ｖ線図の概略を図６に示す。図中、領域Ａが膨張行程で排気弁を開弁することにより生じる出力損失であり、領域Ｂがアフター噴射により得られる出力上昇である。この領域Ａと領域Ｂとがほぼ等しくなるように、アフター噴射の噴射時期及び噴射量が設定される。
【００５３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、シンプルな構造で排気温度を上昇させることができるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るサブ排気、メイン排気、メイン噴射及びアフター噴射のタイミングを説明する図である。
【図３】図２の排気温度上昇制御を行ったときの、サブ排気による出力損失とアフター噴射による出力増加を説明するＰ−Ｖ線図である。
【図４】他の実施形態に係る排気弁開閉システムを示す断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るサブ排気、メイン排気、メイン噴射及びアフター噴射のタイミングを説明する図である。
【図６】図５の排気温度上昇制御を行ったときの、サブ排気による出力損失とアフター噴射による出力増加を説明するＰ−Ｖ線図である。
【符号の説明】
６  燃料噴射弁
７  コモンレール
１２  コントローラ
２４  排気通路
３０  後処理装置
３２  酸化触媒
３３  触媒付フィルタ
３４  排気温度検出手段（センサ）
５４  メイン排気弁
５５  サブ排気弁
５８  電磁式アクチュエータ
Ｅ  内燃機関
【図１】
2005054607.tif 000003
【図２】
2005054607.tif 000004
【図３】
2005054607.tif 000005
【図４】
2005054607.tif 000006
【図５】
2005054607.tif 000007
【図６】
2005054607.tif 000008