(57)【要約】【課題】排気ガスに燃料を添加する添加インジェクタの詰まりを抑制することである。【解決手段】ＥＣＵ２０は、エンジンの運転状態の履歴から吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘ量を推定し、推定したＮＯｘ量が所定値に達したなら、添加インジェクタ１７から燃料を所定期間噴射させる。このとき、添加インジェクタ１７が排気経路に配置されている特定の気筒が排気を終了する終了タイミングに燃料の添加が終了するように添加タイミングを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多気筒の内燃機関の各気筒の排気ポートに接続された排気マニホールドと、
前記多気筒の内の特定の気筒の排気ポートの排気経路、又は、排気ポートの近傍に配置され、排気に燃料やその他の還元剤を添加する添加インジェクタと、
前記排気マニホールドから排出される排気の特定成分の除去や排気ガス粒子物質の捕集を行う排気浄化手段と、
前記添加インジェクタが排気経路に配置されている前記特定の気筒の排気期間内に燃料やその他の還元剤の添加が終了するように前記添加インジェクタの添加タイミングを制御する制御手段とを備える排気浄化装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記特定の気筒の排気の終了タイミングより所定クランク回転角前に燃料やその他の還元剤の添加が終了するように前記添加インジェクタの添加タイミングを制御する請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記特定の気筒の排気流量とクランク回転角との関係を示すデータに基づいて所定以上の排気流量が得られるタイミングを添加終了タイミングとして設定する請求項１または２記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記触媒は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒である請求項１、２または３記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記特定の気筒の排気が開始される前に燃料やその他の還元剤の添加を開始する請求項１または２記載の排気浄化装置。
【請求項６】
多気筒の内燃機関の内の特定の気筒の排気ポートの排気経路に配置され、排気に燃料やその他の還元剤を添加する添加インジェクタを有する排気浄化装置の排気浄化方法であって、
前記添加インジェクタが排気経路に配置されている前記特定の気筒の排気期間内に燃料やその他の還元剤の添加が終了するように前記添加インジェクタの添加タイミングを制御する排気浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置とその排気浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジン等の内燃機関から排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）を低減させるために排気再循環装置が用いられている。排気再循環装置は、吸気側に排気の一部を戻して気筒内の燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生量を低減させるものである。しかしながら、排気再循環装置だけでは排気ガス規制に対応することはできないので、例えば吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を併用して排気ガスの窒素酸化物を除去することが行われている。また、ＰＭ（排気ガス粒子物質）についても同様に、今後の排気ガス規制に対応するためフィルタ等により除去することが行われている。
【０００３】
ガソリンエンジン等では通常運転時は希薄燃焼状態となるので吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に連続してＮＯｘが吸着され、その結果、ＮＯｘ触媒のＮＯｘの吸着能力が飽和してしまうという問題点がある。そのため、排気ガスに燃料を添加して排気ガスの酸素濃度を低下させ、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させてＮＯｘ吸着能力を回復させることが行われている。
【０００４】
特許文献１には、添加ノズルにより排気ガスに燃料を添加する場合に、添加した燃量が排気再循環装置に回り込まないように、排気再循環装置の排気吸入口の反対側に添加ノズルを配置することが記載されている。
【０００５】
特許文献２には、排気ガスに燃料を添加する噴射ノズルの先端にデポジットが生成されるのを抑制することが課題として記載されている。特許文献２の段落００６６には、クランクシャフトが第４気筒の圧縮上死点ＴＤＣから所定クランク角θＡだけ回転したときに噴射ノズルから燃料の噴射を開始し、第３気筒の圧縮上死点ＴＤＣから所定クランク角θＢだけ回転したとき燃料の噴射を一時休止させ、さらに、クランクシャフトが第４気筒の圧縮上死点ＴＤＣから所定クランク角θＡだけ回転したとき再び燃料の噴射を開始することが記載されている。このように第３気筒の排気期間は燃料の噴射を休止することで、噴射された燃料が排気中のすすに付着して粒径が大きくなり、粒径が大きくなったすすが第３気筒の排気により噴射ノズルの方向に移動して噴射孔にデポジットが生成されるのを防止している。
【特許文献１】特開２００１−２８０１２５号公報
【特許文献２】特開２００３−２０１８３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の発明は、添加ノズルの燃料の添加タイミングを制御するものではない。特許文献２の発明は、噴射ノズルの燃料の噴射タイミングを制御しているが、噴射ノズルが設けられている第４気筒の排気終了後も燃料の噴射が行われており、燃料の噴射終了後に噴射ノズル付近に残留する燃料濃度を低くすることはできない。
【０００７】
本発明の課題は、排気ガスに燃料を添加する添加インジェクタの詰まりを抑えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の排気浄化装置は、多気筒の内燃機関の各気筒の排気ポートに接続された排気マニホールドと、前記多気筒の内の特定の気筒の排気ポートの排気経路、又は、排気ポートの近傍に配置され、排気に燃料やその他の還元剤を添加する添加インジェクタと、前記排気マニホールドから排出される排気の特定成分の除去や排気ガス粒子物質の捕集を行う排気浄化手段と、前記添加インジェクタが排気経路に配置されている前記特定の気筒の排気期間内に燃料の添加が終了するように前記添加インジェクタの添加タイミングを制御する制御手段とを備える。
【０００９】
この発明によれば、添加インジェクタが排気経路に配置されている特定の気筒の排気期間内に燃料やその他の還元剤の添加が終了するので、添加インジェクタから噴射された燃料やその他の還元剤は特定の気筒の排気により十分に掃気され、他の気筒の排気で添加インジェクタの近傍に吹き戻される燃料やその他の還元剤の量を低減できる。これにより、燃料やその他の還元剤が添加インジェクタの噴出口に付着して噴出口が詰まるのを抑制できる。
【００１０】
添加インジェクタは、排気ポートに直接設けても良いし、添加インジェクタにより添加されたものが特定の気筒の排気により十分に掃気される位置であれば排気ポートの近傍に設けても良い。
【００１１】
本発明の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記特定の気筒の排気の終了タイミングより所定クランク回転角前に燃料やその他の還元剤の添加が終了するように前記添加インジェクタの添加タイミングを制御する。
【００１２】
このように構成することで添加終了後も所定時間排気を行うことができる。これにより、添加インジェクタの近傍に残っている燃料やその他の還元剤を十分に掃気することができるので残留した燃料やその他の還元剤が添加インジェクタの噴射口に付着して噴射口が詰まるのを抑えることができる。
【００１３】
本発明の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記特定の気筒の排気流量とクランク回転角との関係を示すデータに基づいて所定以上の排気流量が得られるタイミングを添加終了タイミングとして設定する。
【００１４】
このように構成することで特定の気筒の排気流量が所定以上あるときを添加終了タイミングとして設定することができるので噴射した燃料やその他の還元剤を特定の気筒の排気により十分に掃気することができ、添加インジェクタの噴射口が詰まるのを抑制できる。
【００１５】
本発明の排気浄化装置において、前記制御手段は、前記特定の気筒の排気が開始される前に燃料やその他の還元剤の添加を開始する。
このように添加の開始タイミングを制御することで十分な期間噴射できるので、添加インジェクタから十分の量の燃料またはその他の還元剤を噴射することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、添加インジェクタから噴射した燃料やその他の還元剤を特定の気筒の排気により十分に掃気することができるので噴射インジェクタの噴射口が詰まるのを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、実施の形態の内燃機関の構成を示す図であり、同図は４気筒のデーィゼルンエンジンと排気浄化装置を示している。
【００１８】
図１において、エンジン１１は、４個の気筒１２ａ〜１２ｄと、各気筒１２ａ〜１２ｄの排気ポート１３ａ〜１３ｄと、各燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁１４ａ〜１４ｄとを有する。以下の説明では、図１の正面から見て右端の気筒から順に第１気筒１２ａ、第２気筒１２ｂ、第３気筒１２ｃ、第４気筒１２ｄと呼ぶ。
【００１９】
エンジン１１の各気筒１２ａ〜１２ｄの排気ポート１３ａ〜１３ｄには排気マニホールド１５が接続され、排気マニホールド１５の排気口には排気集合管１６が接続されている。第４気筒１２ｄの排気ポート１３ｄの排気経路には排気ガスに燃料（またはその他の還元剤）を添加する添加インジェクタ１７が配置されている。添加インジェクタ１７には、燃料ポンプ１８から燃料パイプ１９を介して燃料が供給される。この添加インジェクタ１７は燃料を噴射することで後述する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を再生させる働きをする。添加インジェクタ１７の燃料の添加タイミングはエンジンコントロール用電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）２０により制御される。
【００２０】
排気集合管１６の排出口側はターボチャージャ２１のタービン２１ｂに接続されており、タービン２１ｂは排気集合管１６から排出される排気ガスにより駆動され、タービン２１ｂに連結されたコンプレッサ２１ａを駆動して吸気を昇圧するとともに、排気ガスを排気管２２に排出する。排気管２２には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等からなるフィルタ２３が接続されている。
【００２１】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入する排気ガスの酸素濃度が所定以上のとき排気ガス中のＮＯｘを吸収し、排気ガスの酸素濃度が所定値以下となると吸収しているＮＯｘを放出する特性を持っている。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、燃料の硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物によりＮＯｘ浄化率が低下するので硫黄酸化物を除去する必要がある。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度をＮＯｘの放出・還元時より大幅に高い所定の温度にし、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に設定することで硫黄酸化物を除去して触媒の浄化能力を回復できる。
【００２２】
従って、添加インジェクタ１７の燃料の添加期間とその繰り返し回数等を制御することで吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸着された窒素酸化物と硫黄酸化物を除去することができる。
排気マニホールド１５の右端側（図１の正面から見て）の排気口には、排気ガスの一部を吸気側に戻すための排気環流管２４が接続されている。この排気環流管２４の途中には排気ガスを冷却する排気環流クーラ２５と排気環流量を制御する排気環流弁２６が設けられている。
【００２３】
吸気管２７の入力側にはフィルタ２８が接続され、その下流側には前述したターボチャージャ２１のコンプレッサ２１ａが接続されている。コンプレッサ２１ａで昇圧された吸気はインタークーラ２９で冷却され、吸気絞り弁３０を経て吸気マニホールド３１に供給される。この吸気マニホールド３１には、排気環流管２４により環流される排気も供給される。
【００２４】
ＥＣＵ２０は、図示していないが、エンジン負荷、エンジン回転数等の演算処理を実行するＣＰＵと、エンジン１１の燃料噴射制御処理、吸気絞り弁３０の制御、添加インジェクタ１７の添加タイミング制御処理等のプログラムと各気筒の排気開始、排気終了時のクランク角を示すデータを記憶するＲＯＭ等を有する。
【００２５】
ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ３２から出力されるアクセルの踏み込み角度を示す信号、クランク角センサ３３からクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力される信号等に基づいてエンジン負荷及びエンジン回転数を演算する。さらに、エンジン負荷とエンジン回転数に基づいてエンジン運転状態を判別する。そして、エンジン運転状態の履歴から吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘ量を推定し、推定したＮＯｘ量が所定値に達したなら、添加インジェクタ１７から燃料を所定期間噴射させて吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸着された窒素酸化物を還元させる。ＥＣＵ２０は、添加インジェクタ１７が排気経路に配置されている特定の気筒（第４気筒１２ｄ）が排気を終了する終了タイミングまたは排気の終了タイミングの所定時間前に添加インジェクタ１７の燃料の添加が終了するように添加タイミングを制御する。
【００２６】
上記の排気マニホールド１５、排気環流管２４、フィルタ２３、ＥＣＵ２０のＣＰＵ等を総称して排気浄化装置と呼ぶ。
以下、ＥＣＵ２０における添加タイミング制御処理を、図２のフローチャートを参照して説明する。以下の処理はＥＣＵ２０の図示しないＣＰＵにより実行される。
【００２７】
最初に、添加条件が成立したか否かを判別する（図２，Ｓ１１）。ＥＣＵ２０のＣＰＵは、アクセルの踏み込み角度を示す信号及びクランク回転角の変化を示す信号からエンジン負荷とエンジン回転数を演算し、エンジンの運転状態を判別する。そして、エンジンの運転状態の履歴から吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸着されたＮＯｘ量を推定し、吸着量が所定値に達したか否かにより添加条件が成立したか否かを判別する。添加条件が成立しない場合には（Ｓ１１，ＮＯ）、そこで処理を終了する。
【００２８】
添加条件が成立した場合には（Ｓ１１，ＹＥＳ）、添加開始タイミングを演算する（Ｓ１２）。この添加開始タイミングの演算は、例えば以下のように行う。
各気筒の排気開始タイミングと終了タイミングと、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の特性を回復させるために必要な燃料の添加期間を予めＲＯＭ等に記憶しておき、ＥＣＵ２０のＣＰＵが、添加インジェクタ１７が排気経路に配置されている特定の気筒の排気の開始タイミングと終了タイミングをＲＯＭから取得し、特定の気筒の排気期間中、あるいは排気が終了するタイミングの所定時間前のタイミングを燃料の添加終了タイミングとして設定する。
【００２９】
具体的には、クランク角センサ３３で検出されるクランク回転角の変化から現在のクランク回転角（以下、クランク角という）を算出し、ＲＯＭから添加インジェクタ１７が配置されている特定の気筒（実施の形態では第４気筒１２ｄ）の排気が終了するクランク角を取得し、その気筒の排気が終了するクランク角または排気が終了するクランク角の所定の角度前のクランク角を添加終了タイミングとして算出する。そして、その添加終了タイミングを基準として必要な添加期間分前のクランク角を算出し、算出したクランク角を添加開始タイミングとして設定する。
【００３０】
次に、上記の演算により求めた添加開始タイミングに燃料の添加を開始させる（Ｓ１３）。
次に、添加インジェクタ１７から燃料の噴射を開始して添加終了タイミングとなったなら添加を終了する（Ｓ１４）。
【００３１】
ここで、図３を参照して実施の形態の燃料添加タイミングと、従来の燃料添加タイミングについて説明する。
図３は、第４気筒１２ｄの排気の終了タイミングに燃料の添加終了タイミングを同期させた実施の形態の添加タイミングの制御方法における添加インジェクタ１７近傍の燃料濃度と、特定の気筒の排気開始タイミングに燃料の添加開始タイミングを同期させた従来の添加タイミングの制御方法における添加インジェクタ１７近傍の燃料濃度を比較した図である。
【００３２】
図３の縦軸はインジェクタ１７近傍の燃料分率を、横軸はクランク角を示している。また、図３に実線で示す特性は実施の形態の添加タイミング制御を行った場合の添加インジェクタ１７近傍の燃料濃度分率を示し、点線で示す特性は従来の添加タイミング制御を行った場合の添加インジェクタ１７近傍の燃料濃度分率を示している。また、図３の真中に記載されている「〜気筒排気」という文字が囲まれた部分は、その気筒の排気弁の開弁時期を表している。
【００３３】
今、添加インジェクタ１７が第４気筒１２ｄの排気ポート１３ｄの排気経路に配置されているときに、実施の形態の添加タイミングの制御方法では、第４気筒１２ｄの排気が終了するクランク角（図３の１４４０ｄｅｇ）を添加終了タイミングとして設定し、その第４気筒１２ｄの排気が終了するクランク角を基準にして、所定の燃料添加期間（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸着されたＮＯｘを放出するのに必要な燃料添加期間）前のクランク角（図３の９００ｄｅｇ）を求め、そのクランク角を添加開始タイミングとして設定している。
【００３４】
この場合、添加インジェクタ１７近傍の最大燃料分率は約３．５％（重量パーセント）である。
これに対して従来の添加タイミングの制御方法では、第４気筒１２ｄの排気が開始されるクランク角で燃料の添加を開始し、所定の燃料添加期間が経過したときに添加を終了するように制御している。
【００３５】
この場合、図３に点線で示すように添加インジェクタ１７近傍の最大燃料分率は０．１であり、この値は実施の形態の添加タイミング制御を行った場合の最大燃料分率０．０３５と比べると大幅に大きい。これは、第４気筒１２ｄの排気が終了した後も燃料の添加が行われているために、他の気筒（図３では第２気筒と第１気筒）から排気される排気ガスにより噴射した燃料が添加インジェクタ１７の近傍に吹き戻されているためと推測される。
【００３６】
従って、添加インジェクタ１７が排気経路に配置されている第４気筒１２ｄの排気終了タイミングに燃料の添加が終了するように添加タイミングを制御することで、第４気筒１２ｄの排気により、添加インジェクタ１７から噴射した燃料をほとんど掃気することができる。これにより、他の気筒の排気により添加インジェクタ１７の近傍に吹き戻される燃料の量を大幅に低減することができるので、吹き返された燃料が添加インジェクタ１７の排気口に付着して排気口が詰まるのを抑制できる。
【００３７】
図４は、第４気筒１２ｄのクランク角に対する排気流量の変化を示すシミュレーション結果を示す図である。図４の縦軸は排気流量を、横軸はクランク角を示している。
第４気筒１２ｄの排気流量は排気開始時にピーク値約０．０３２（ｋｇ／ｓ）となり、その直後流量がほぼ０に減少した後、再び流量が増加し、排気が終了するクランク角１４４０ｄｅｇ付近で排気流量が０に近づく特性を示している。
【００３８】
従って、第４気筒１２ｄの排気終了タイミングに同期させて添加終了タイミングを設定しても添加インジェクタ１７から噴射した燃料を十分に掃気することはできるが、排気終了タイミングの所定時間前の排気流量が０より大きい、あるいは所定値以上となるクランク角のときを燃料の添加終了タイミングとして設定した方が、噴射した燃料を確実に掃気するという点では好ましい。
【００３９】
クランク角に対する排気流量の変化を示す図４の特性は、排気マニホールド１５の形状、排気通路の形状等により変化すると考えられるので個々の設計条件に応じて所望の排気流量が得られるクランク角を添加終了タイミングとして設定すれば良い。
【００４０】
上述した実施の形態によれば、添加インジェクタ１７が排気経路に配置されている特定の気筒の排気終了時または排気終了時の所定時間前に燃料の添加が終了するように添加タイミングを制御することで、添加インジェクタ１７から噴射した燃料が特定の気筒の排気により十分に掃気され、他の気筒の排気により添加インジェクタ１７の近傍に吹き戻される燃料を大幅に低減できる。これにより添加した燃料が添加インジェクタ１７の近傍に残留して噴射口に燃料が付着し噴射口が詰まるのを抑制できる。
【００４１】
本発明は上述した実施の形態に限らず、例えば、以下のように構成しても良い。
（１）本発明は、４気筒の内燃機関に限らず他の気筒数のエンジンにも適用できる。また、第４気筒の排気の終了に同期させる場合に限らず、添加インジェクタが排気経路に配置されている気筒の排気終了時または終了時より所定時間前に添加を終了させれば良い。
（２）また、エンジンのクランク角に限らず、気筒の排気タイミングを示す時間データ、センサの検出データ等の他のデータに基づいて添加タイミングを制御しても良い。
（３）吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の代わりに、例えばＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を備えた排気浄化装置において、ＰＭ（パティキュレートマター）再生やＳ（硫黄）再生を行う場合にも適用できる。また、添加インジェクタは、燃料以外の還元剤を添加するものも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２】燃料の添加タイミング制御処理を示すフローチャートである。
【図３】添加インジェクタ近傍の燃料濃度を示す図である。
【図４】第４気筒の排気流量とクランク角の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１        エンジン
１２ａ〜１２ｄ    第１〜第４気筒
１３ａ〜１３ｄ    排気ポート
１５        排気マニホールド
１６        排気集合管
１７        添加インジェクタ
１８        燃料ポンプ
２０        ＥＣＵ
２２        排気管
２３        フィルタ
２４        排気環流管
【図１】
2007218140.tif 000003
【図２】
2007218140.tif 000004
【図３】
2007218140.tif 000005
【図４】
2007218140.tif 000006