(57)【要約】【課題】  内燃機関の排気通路への還元剤添加をより好適に行う技術を提供する。【解決手段】  内燃機関の排気通路に配置され排気を浄化する排気浄化装置と、排気浄化装置の上流に燃料を添加する還元剤添加弁と、を備え、還元剤添加弁からの燃料添加時期を、内燃機関の各気筒の排気行程で排出される排気が還元剤添加弁の燃料添加位置に到達する時期に合わせ、還元剤添加弁からの燃料添加の１回あたりの添加量を、各気筒における１回の排気行程で排出されて燃料添加位置に到達する燃焼排気の状態に応じて変更する。【選択図】  図２
2007071142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置され排気を浄化する排気浄化手段と、
前記排気浄化手段の上流に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
を備え、
前記還元剤添加手段からの還元剤添加時期を、前記内燃機関の各気筒の排気行程で排出される排気が前記還元剤添加手段の還元剤添加位置に到達する時期に合わせ、
前記還元剤添加手段からの還元剤添加の１回あたりの添加量を、前記各気筒における１回の排気行程で排出されて前記還元剤添加位置に到達する燃焼排気の状態に応じて変更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】
前記燃焼排気の状態は、前記各気筒から前記還元剤添加位置までの距離及び前記内燃機関の負荷に基づいて変化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システム。
【請求項３】
前記還元剤添加手段からの還元剤添加の１回あたりの添加量を、前記各気筒から前記還元剤添加位置までの距離が遠いほど少なくし、前記内燃機関の負荷が大きいほど増やすことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４】
前記還元剤添加手段からの還元剤添加の１回あたりの添加量を、前記燃焼排気で霧化若しくは気化可能な量に設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒の上流に還元剤添加を行う内燃機関の排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関、特にディーゼル機関の排気通路に、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という。）を配置し、窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という。）を浄化する技術が知られている。
【０００３】
そして、排気通路にＮＯｘ触媒が備えられている場合には、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ保持能力が飽和する前に、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘあるいは硫黄酸化物（以下、「ＳＯｘ」という。）を放出及び還元して除去する必要がある。そのためには、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比あるいはリッチ空燃比（理論空燃比以下）にする必要がある。
【０００４】
しかし、ディーゼル機関においては、排気中に含まれる炭化水素（以下、「ＨＣ」という。）や一酸化炭素（以下、「ＣＯ」という。）は比較的少なく、排気の空燃比が理論空燃比以下になる機会が極めて少ない。このため、ＮＯｘ触媒に保持された酸化物を還元するための還元剤を気筒から排出される排気から得ることは難しい。そのため、ＮＯｘ触媒の上流側の排気通路に還元剤添加弁を備え、当該還元剤添加弁から還元剤を添加することにより、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を必要に応じて理論空燃比以下にしている。
【０００５】
このように還元剤添加弁からの還元剤添加を行う際に、内燃機関の排気通路への還元剤添加を、内燃機関の気筒の排気行程に同期させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−１１７２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、内燃機関の排気通路への還元剤添加は内燃機関の気筒の排気行程に同期させること以外にも種々の方法が考えられ、還元剤添加をより好適に行うことが模索されている。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、内燃機関の排気通路への還元剤添加をより好適に行う技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の内燃機関の排気浄化システムにあっては、
内燃機関の排気通路に配置され排気を浄化する排気浄化手段と、
前記排気浄化手段の上流に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
を備え、
前記還元剤添加手段からの還元剤添加時期を、前記内燃機関の各気筒の排気行程で排出される排気が前記還元剤添加手段の還元剤添加位置に到達する時期に合わせ、
前記還元剤添加手段からの還元剤添加の１回あたりの添加量を、前記各気筒における１回の排気行程で排出されて前記還元剤添加位置に到達する燃焼排気の状態に応じて変更することを特徴とする。
【０００９】
この構成では、前記還元剤添加手段からの還元剤添加時期を、前記内燃機関の各気筒の排気行程で排出される排気が前記還元剤添加手段の還元剤添加位置に到達する時期に合わせており、排気通路を流れる排気の密度が最も高い部分に還元剤が曝されるタイミングで還元剤が添加されることになる。また、前記還元剤添加手段からの還元剤添加の１回あたりの添加量を、前記各気筒における１回の排気行程で排出されて前記還元剤添加位置に到達する燃焼排気の状態に応じて変更しており、還元剤がより好適に排気に混合するべく還元剤の添加量が最適化される。
【００１０】
したがって、最適化された添加量の還元剤がタイミングよく最も密度の高い排気に混合されることになり、前記還元剤添加手段からの還元剤添加は、効果的かつ効率的となり、より好適となる。
【００１１】
ここで、前記燃焼排気の状態は、前記各気筒から前記還元剤添加位置までの距離及び前記内燃機関の負荷に基づいて変化するものである。
【００１２】
すなわち、前記各気筒から前記還元剤添加位置までの距離が遠くなるほど、燃焼排気は排気通路中で放熱する距離が長くなるため、燃焼排気は温度低下していく。そして、燃焼排気が温度低下するほど、必要な熱量が得られずに還元剤が霧化若しくは気化できず、還元剤は燃焼排気と混合し難くなり、燃焼排気に混合可能な還元剤の量が減少する。このように、前記各気筒から前記還元剤添加位置までの距離に基づいて燃焼排気の状態は変化する。
【００１３】
また、内燃機関の負荷が大きいほど、燃焼排気は高温になり、また多くなるため、燃焼排気をより多くの還元剤に混合可能となる。このように、内燃機関の負荷に基づいて燃焼排気の状態は変化する。
【００１４】
そして、前記還元剤添加手段からの還元剤添加の１回あたりの添加量を、前記各気筒から前記還元剤添加位置までの距離が遠いほど少なくし、前記内燃機関の負荷が大きいほど増やすようにする。これによると、上記理由によって生じる燃焼排気の状態の変化を考慮して前記還元剤添加手段からの還元剤の添加量が最適化できる。
【００１５】
また、前記還元剤添加手段からの還元剤添加の１回あたりの添加量を、前記燃焼排気で霧化若しくは気化可能な量に設定するとよい。これによると、還元剤は、排気通路の壁面などに付着してしまうような余分な量がなく、添加される還元剤の全てが排気と混合されるので、還元剤の添加量がより最適化された状態となり、還元剤添加はより効率的となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、内燃機関の排気通路への還元剤添加をより好適に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例１に係る排気浄化システムを適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００１９】
図１に示す内燃機関１は、第１気筒（＃１）〜第４気筒（＃４）の４つの気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ（以下、総称して気筒２という場合もある。）を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関であり、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３ａ、３
ｂ、３ｃ、３ｄ（以下、総称して燃料噴射弁３という場合もある。）を備えている。各燃料噴射弁３は、蓄圧室（コモンレール）４と接続され、このコモンレール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。
【００２０】
内燃機関１の排気通路７は、内燃機関１の気筒２の排気ポート、エキゾーストマニホールド、排気管によって構成されている。排気通路７は、不図示の下流にてマフラーと接続されている。排気通路７の途中には、過給機８のタービンハウジング９が配置されており、排気通路７におけるタービンハウジング９より下流の部位には、気筒２から排出される排気を浄化するための排気浄化装置１０(排気浄化手段)が配置されている。なお、排気浄化装置１０は、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒が内燃機関１から排出される煤等のＰＭを捕集するフィルタに担持されたものである。また、排気浄化装置１０は、ＮＯｘ触媒とフィルタが直列に並んだものやそれらが交互に多重化されたものなどであってもよい。
【００２１】
また、排気通路７のタービンハウジング９の上流側には、排気通路７内を流通する排気中に還元剤たる燃料を供給する還元剤添加弁１１（還元剤添加手段）が取り付けられている。還元剤添加弁１１は、燃料通路１２を介して燃料ポンプ６と接続されている。
【００２２】
以上の構成の内燃機関１には、内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１３が併設されている。このＥＣＵ１３は、ＣＰＵ、ＲＯ
Ｍ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどからなる制御コンピュータである。
【００２３】
ＥＣＵ１３は、燃料噴射弁３、還元剤添加弁１１と電気配線で接続されており、ＥＣＵ１３が燃料噴射弁３、還元剤添加弁１１での燃料供給・停止や燃料供給量を制御することが可能になっている。
【００２４】
ＥＣＵ１３は、一定時間毎に実行すべき基本ルーチンにおいて、例えば、各種センサの出力信号の入力、機関回転数の演算、燃料供給量の演算、燃料供給時期の演算などを実行する。基本ルーチンにおいてＥＣＵ１３が入力した各種信号やＥＣＵ１３が演算して得られた各種制御値は、ＥＣＵ１３のＲＡＭに一時的に記憶される。
【００２５】
更に、ＥＣＵ１３は、各種のセンサやスイッチからの信号の入力、一定時間の経過、あるいはクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理などにおいて、ＲＡＭから各種制御値を読み出し、それらの制御値に従って燃料噴射弁３、還元剤添加弁１１などを制御する。
【００２６】
そして、ＥＣＵ１３は、ＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作し、還元剤添加弁１１から燃料を添加し、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒解消処理、ＰＭ酸化除去処理などといった排気浄化装置１０に対する処理を実行する。
【００２７】
なお、ＮＯｘ還元処理は、還元剤添加弁１１から排気中へ還元剤たる燃料を添加させることにより、排気浄化装置１０のＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とし、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出・還元する処理である。ＳＯｘ被毒解消処理は、触媒温度が６００℃〜８００℃のときに還元剤添加弁１１から排気中へ還元剤たる燃料を添加させることにより、排気浄化装置１０のＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とし、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出及び還元させる処理である。ＰＭ酸化除去処理は、還元剤添加弁１１から排気中へ還元剤たる燃料を添加させることにより、それらの未燃燃料成分を排気浄化装置１０のＮＯｘ触媒において酸化させ、酸化の際に発生する熱によってフィルタの温度を高めフィルタに捕集されたＰＭを除去する処理である。
【００２８】
ここで、上記各処理のいずれにおいて実行される、還元剤添加弁１１からの燃料添加は
、添加する燃料が排気に十分混合することが好ましい。そこで、本実施例では、内燃機関１から排出された排気の流れを考慮して燃料添加の時期の最適化を図ると共に、還元剤添加弁１１から一度に添加される燃料添加量の最適化を図っている。
【００２９】
すなわち、還元剤添加弁１１からの燃料添加時期を、内燃機関１の各気筒２の排気行程で排出される排気が還元剤添加弁１１の燃料添加位置に到達する時期に合わせ、かつ、還元剤添加弁１１からの燃料添加の１回あたりの添加量を、各気筒２における１回の排気行程で排出されて燃料添加位置に到達する燃焼排気の状態に応じて変更する。
【００３０】
ここで、燃焼排気は、各気筒２における１回の排気行程で排出されて還元剤添加弁１１の燃料添加位置に到達する排気のことをいう。
【００３１】
また、燃焼排気の状態は、各気筒２から還元剤添加弁１１の燃料添加位置までの距離及び内燃機関１の負荷に基づいて変化するものである。
【００３２】
それというのも、各気筒２から還元剤添加弁１１の燃料添加位置までの距離が遠くなるほど、燃焼排気は排気通路７中で放熱している距離が長くなるため、燃焼排気は温度低下していく。そして、燃焼排気が温度低下するほど、燃料が霧化若しくは気化するために必要な熱量が十分に得られずに燃料が霧化若しくは気化できず、燃料は燃焼排気と混合し難くなり、燃焼排気に混合可能な燃料の量が減少する。このように、各気筒２から還元剤添加弁１１の燃料添加位置までの距離に応じて燃焼排気の状態が変化する。
【００３３】
また、内燃機関１の負荷が高いほど、燃焼排気は高温となり、また多くなるため、燃焼排気をより多くの燃料に混合可能となる。このため、内燃機関１の負荷に応じて燃焼排気の状態が変化する。
【００３４】
そして、上記のように燃焼排気の状態が変化することから、還元剤添加弁１１からの燃料添加の１回あたりの添加量については、各気筒２から還元剤添加弁１１の燃料添加位置までの距離が遠いほど少なくし、内燃機関１の負荷が大きいほど増やすこととなる。例えば、本実施例では、第１気筒（＃１）の気筒２ａからの燃焼排気が還元剤添加弁１１の燃料添加位置に到達した時よりも、第４気筒（＃４）の気筒２ｄからの燃焼排気が還元剤添加弁１１の燃料添加位置に到達した時における燃料の１回あたりの添加量は少なくなる。
【００３５】
加えて、還元剤添加弁１１からの燃料添加の１回あたりの添加量を、燃焼排気で霧化若しくは気化可能な量に設定してある。このような添加量であるので、燃料は、排気通路７の壁面などに付着してしまうような余分な量がなく、還元剤添加弁１１で添加される燃料の全てが排気と混合されるので、還元剤添加弁１１からの燃料の添加量がより最適化された状態となり、燃料添加はより効率的となる。
【００３６】
以上により、還元剤添加弁１１からの燃料添加において、燃料添加時期については、排気通路７を流れる排気の密度が最も高い部分に燃料が曝されるタイミングで燃料が添加されることになる。また、燃料添加の１回あたりの添加量については、燃焼排気の状態に応じて変更される。その際、燃料添加の１回あたりの添加量は、燃焼排気で霧化若しくは気化可能な最適な量である。
【００３７】
具体的に、本実施例においては、ＥＣＵ１３が、図２のフローに従って、還元剤添加弁１１から排気通路７への燃料添加を実施する。なお、このフローは、一定時間毎、あるいはクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理としてＥＣＵ１３が実行するルーチンである。以下、図２のフローチャートに沿って説明する。
【００３８】
この制御ルーチンは、予めＥＣＵ１３のＲＯＭに記憶されているルーチンである。先ず、ステップ（以下、単に「Ｓ」という場合もある。）１０１においては、ＥＣＵ１３は、還元剤添加弁１１からの燃料添加要求があるか否かを判別する。なお、本実施例においては、上述したＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒解消処理及びＰＭ酸化除去処理を実行する際に肯定判定されてＳ１０２へ進み、上記処理を実行しないなどの際には否定判定され本ルーチンの実行を終了する。
【００３９】
Ｓ１０２においては、ＥＣＵ１３は、実行しようとする上記各処理の要求に応じて還元剤添加弁１１から添加すべき燃料の「総添加量」を算出する。「総添加量」とは、上記各処理を実行完了するまでに必要となる還元剤添加弁１１から添加すべき燃料の総量である。算出した「総添加量」は、ＥＣＵ１３のＲＡＭに記憶される。
【００４０】
Ｓ１０２に引き続くＳ１０３においては、ＥＣＵ１３は、１つの気筒２の排気行程で排出されて還元剤添加弁１１の燃料添加位置に到達する排気に添加できる「１回あたりの添加量」を算出する。なお、本実施例においては、現在燃焼している気筒２と還元剤添加弁１１の燃料添加位置との距離及び内燃機関１の負荷、燃焼排気で霧化若しくは気化可能な量に基づいて当該「１回あたりの添加量」が算出される。このため、「１回あたりの添加量」は、排気を排出する気筒が気筒２ａ〜２ｄのいずれかによって異なる量となり、また同じ気筒であっても１回ごとに異なる量である。算出した「１回あたりの添加量」は、ＥＣＵ１３のＲＡＭに記憶される。
【００４１】
Ｓ１０３に引き続くＳ１０４においては、ＥＣＵ１３は、「総添加量」が、燃料添加要求があってから現在までに燃料添加した添加量を積算した「積算添加量」と、次回添加する「１回あたりの添加量」との和よりも小さくなる（「総添加量」＜（「積算添加量」＋「１回あたりの添加量」））か否かを判別する。否定判定であればＳ１０５へ進み、肯定判定であればＳ１０７へ進む。
【００４２】
Ｓ１０５においては、ＥＣＵ１３は、「１回あたりの添加量」の燃料添加を実行する。ここで、還元剤添加弁１１からの燃料添加の時期は、内燃機関１の各気筒２の排気行程で排出される排気が還元剤添加弁１１の燃料添加位置に到達する時期に合わせられている。また、添加量は上述のように各気筒２によって異なる量であり、また同じ気筒２でも１回ごとに異なる量である。つまり、燃料添加は、Ｓ１０３で今回の所定の気筒２の爆発に合わせて今回の「１回あたりの添加量」を準備し、今回の所定の気筒２の爆発後の排気が還元剤添加弁１１の燃料添加位置に到達する時期にその準備した「１回あたりの添加量」を添加する。
【００４３】
そして、Ｓ１０５に引き続くＳ１０６においては、ＥＣＵ１３は、燃料添加された当該「１回あたりの添加量」を「積算添加量」に積算する。「積算添加量」は、ＥＣＵ１３のＲＡＭに記憶される。Ｓ１０６を実行完了すると、Ｓ１０３へ再度進む。
【００４４】
Ｓ１０７においては、ＥＣＵ１３は、次回の燃料添加で実行される「最終添加量」を「総添加量」から「積算添加量」を差し引くこと（「最終添加量」＝「総添加量」−「積算添加量」）で算出する。「最終添加量」は。ＥＣＵ１３のＲＡＭに記憶される。
【００４５】
Ｓ１０７に引き続くＳ１０８においては、ＥＣＵ１３は、「最終添加量」の燃料添加を実行する。ここで、還元剤添加弁１１からの燃料添加の時期は、内燃機関１の各気筒２の排気行程で排出される排気が還元剤添加弁１１の燃料添加位置に到達する時期に合わせられている。つまり、燃料添加は、「最終添加量」を準備し、気筒２の排気が還元剤添加弁１１の燃料添加位置に到達する時期にその準備した「最終添加量」を添加する。そして、
本ルーチンの実行を終了する。
【００４６】
このように、排気浄化装置１０に対する各処理（ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒解消処理、ＰＭ酸化除去処理）で、還元剤添加弁１１から燃料添加を行う際に、燃料添加の時期と添加量を最適化することによって、還元剤添加弁１１からの燃料添加は、効果的かつ効率的となり、より好適となる。
【００４７】
なお、上記実施例では、排気通路７へ燃料添加する還元剤添加弁１１を有する構成であった。しかし、本発明は、内燃機関１の気筒２内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３を用いて、排気の排出と共に燃料噴射を行うこと（アフター噴射）による燃料添加にも適用できる。その際、燃料添加の添加量は、内燃機関１の負荷に応じて霧化若しくは気化可能な量に決定される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施例に係る排気浄化システムを適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図２】実施例に係る還元剤添加弁からの燃料添加を実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１     内燃機関
２     気筒
３     燃料噴射弁
７     排気通路
１０   排気浄化装置
１１   還元剤添加弁
１３   ＥＣＵ
【図１】
2007071142.tif 000003
【図２】
2007071142.tif 000004