(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化システムにおいて、排気の脈動が断続的にあったとしても還元剤添加弁の詰まりを好適に抑制することができる技術を提供する。【解決手段】排気通路を開閉する遮断弁と、排気通路に備わり該排気通路内へ還元剤を噴射する還元剤添加弁と、還元剤添加弁から所定の周期で還元剤を噴射させることにより該還元剤添加弁の詰まりを抑制する詰まり抑制手段（Ｓ１０６）と、遮断弁が開弁したときには、周期を短縮する周期補正手段（Ｓ１０３）と、を備える。すなわち、排気の脈動を受けるときには、還元剤噴射の周期を短縮する。【選択図】図４
2009074453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路を開閉する遮断弁と、
排気通路に備わり該排気通路内へ還元剤を噴射する還元剤添加弁と、
前記還元剤添加弁から所定の周期で還元剤を噴射させることにより該還元剤添加弁の詰まりを抑制する詰まり抑制手段と、
前記遮断弁が開弁したときには、前記周期を短縮する周期補正手段と、
を備え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】
前記還元剤添加弁よりも上流側の排気通路に、排気浄化装置と、該排気浄化装置をバイパスするバイパス通路とを備え、
前記遮断弁は前記バイパス通路に設けられてい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】
前記還元剤添加弁の近傍を流れる排気の温度を推定する排気温度推定手段を備え、
前記周期補正手段は、前記排気温度推定手段により推定される排気の温度の低さに応じて前記周期を短くする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】
前記還元剤添加弁の近傍を流れる排気の圧力を推定する排気圧力推定手段を備え、
前記周期補正手段は、前記排気圧力推定手段により推定される排気の圧力の高さに応じて前記周期を短くすることを特徴とする請求項１から３の何れか１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、内燃機関の排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関が加速状態にあることと、内燃機関の燃焼モードが切り替えられたことと、により排気中に煤が含まれることを予測し、煤の発生時には還元剤添加弁の詰まりを抑制するために還元剤の噴射を行なう技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、還元剤添加弁内に進入した煤がデポジット化する前に煤を還元剤と共に排出することができるため、該還元剤添加弁の詰まりを抑制できる。
【特許文献１】特開２００５−８３１９６号公報
【特許文献２】特開２００３−２２２０１９号公報
【特許文献３】特開２００７−７１１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、還元剤添加弁の詰まりは、他の原因によっても起き易くなる。すなわち、排気の脈動が還元剤添加弁へ到達すると、噴孔から還元剤添加弁の内部へ排気が進入すると共に、還元剤添加弁内の還元剤が排気通路内へ押し出されてしまう。これにより還元剤添加弁の噴孔付近が乾いてしまうため煤が付着し易くなるので、噴孔が詰まる虞がある。
【０００４】
この脈動による詰まりを抑制するために還元剤添加弁から還元剤を噴射する周期を短くすると、排気の脈動の影響を受けないときには還元剤が無駄に消費される虞がある。つまり、還元剤添加弁の取り付け位置によっては、排気の脈動の影響を断続的に受けることもある。
【０００５】
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、排気の脈動が断続的にあったとしても還元剤添加弁の詰まりを好適に抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化システムは、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化システムは、
排気通路を開閉する遮断弁と、
排気通路に備わり該排気通路内へ還元剤を噴射する還元剤添加弁と、
前記還元剤添加弁から所定の周期で還元剤を噴射させることにより該還元剤添加弁の詰まりを抑制する詰まり抑制手段と、
前記遮断弁が開弁したときには、前記周期を短縮する周期補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
ここで、詰まり抑制手段によれば、還元剤添加弁から所定の周期で還元剤を噴射することにより、該還元剤添加弁の噴孔内が還元剤で満たされた状態を維持できる。この噴孔内に残留している還元剤がなくなると、該噴孔に乾きが発生して煤が付着し易くなり、詰まりが発生しやすくなる。なお、所定の周期とは、還元剤添加弁が排気の脈動の影響を受けていないときに、該還元剤添加弁の噴孔内を還元剤で満たしておくことが可能な周期とすることができる。
【０００８】
ここで、遮断弁が開弁することにより、排気の抵抗が小さくなるため、排気の脈動が還
元剤添加弁へ到達し易くなる。つまり、遮断弁が開弁すると、還元剤添加弁の詰まりが発生し易くなる。これに対し、遮断弁が開弁したときには、還元剤噴射の周期を短縮することにより、噴孔へ還元剤を供給することができるため、詰まりを抑制できる。このようにすることで、排気の脈動の影響がないときには周期をより長くすることができるため、還元剤の消費量を減少させることができる。なお、遮断弁が開弁していた時間が長いほど、周期をより短くしても良い。また、還元剤添加弁は例えば燃料または尿素を還元剤として噴射することができる。
【０００９】
本発明においては、前記還元剤添加弁よりも上流側の排気通路に、排気浄化装置と、該排気浄化装置をバイパスするバイパス通路とを備え、
前記遮断弁は前記バイパス通路に設けられていてもよい。
【００１０】
つまり、排気が排気浄化装置を通過すると、排気の脈動が殆ど消滅するため、還元剤添加弁へ排気の脈動が到達することは殆どない。しかし、排気がバイパス通路を通過すると、排気の脈動が還元剤添加弁へ到達する。つまり、排気がバイパス通路を通過したときには、還元剤添加弁が詰まり易くなっていると判断できる。つまり、排気がバイパス通路を通過した場合には還元剤噴射の周期を短くすることにより、還元剤添加弁の詰まりを抑制しつつ、還元剤の消費量を減少させることができる。
【００１１】
本発明においては、前記還元剤添加弁の近傍を流れる排気の温度を推定する排気温度推定手段を備え、
前記周期補正手段は、前記排気温度推定手段により推定される排気の温度の低さに応じて前記周期を短くすることができる。
【００１２】
つまり、排気の温度が低くなると、排気中の酸素と還元剤とがより反応し易くなるため、その分、還元剤添加弁内の還元剤が減少する。そのため、還元剤添加弁が詰まり易くなる。そこで、排気の温度に応じて還元剤噴射の周期を設定することにより、還元剤添加弁の詰まり易さに応じた周期を設定することができる。なお、還元剤添加弁の近傍を流れる排気の温度は、還元剤添加弁の噴孔を流れる排気の温度としても良い。
【００１３】
本発明においては、前記還元剤添加弁の近傍を流れる排気の圧力を推定する排気圧力推定手段を備え、
前記周期補正手段は、前記排気圧力推定手段により推定される排気の圧力の高さに応じて前記周期を短くすることができる。
【００１４】
つまり、排気の圧力が高くなると、排気中の酸素と還元剤とがより反応し易くなるため、その分、還元剤添加弁内の還元剤が減少する。そのため、還元剤添加弁が詰まり易くなる。そこで、排気の圧力に応じて還元剤噴射の周期を設定することにより、還元剤添加弁の詰まり易さに応じた周期を設定することができる。なお、還元剤添加弁の近傍を流れる排気の圧力は、還元剤添加弁の噴孔を流れる排気の圧力としても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、排気の脈動が断続的にあったとしても還元剤添加弁の詰まりを好適に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本実施例に係る排気浄化システムの概略構成を示す図である。
【００１８】
本実施例に係る内燃機関１には、排気通路２が接続されている。排気通路２には、上流側から順に、第１燃料添加弁３、第１触媒４、第２燃料添加弁５、第２触媒６が備えられている。第１燃料添加弁３及び第２燃料添加弁５は、排気中に還元剤としての燃料を噴射する。第１触媒４及び第２触媒６は、夫々還元剤の添加により、温度が上昇したり、排気を浄化したり、浄化能力を回復したりする。これらには、例えば、酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯx触媒、選択還元型ＮＯx触媒等を採用することができる。なお、第１触媒４及び第２触媒６は、夫々複数の触媒やパティキュレートフィルタを備えて構成されていても良い。なお、本実施例においては第２燃料添加弁５が、本発明における還元剤添加弁に相当する。また、本発明においては第１触媒４が、本発明における排気浄化装置に相当する。
【００１９】
そして、第１燃料添加弁３よりも上流の排気通路２と、第１触媒４よりも下流で且つ第２燃料添加弁５よりも上流の排気通路２と、を接続し、第１触媒４を迂回するバイパス通路７が設けられている。このバイパス通路７の途中には、遮断弁８が設けられている。この遮断弁８を開弁することにより、バイパス通路７及び第１触媒４を排気が流通する。
【００２０】
また、排気通路２の途中であってバイパス通路７の下流側が接続される箇所よりも下流で且つ第２触媒６よりも上流には、排気の温度を測定する排気温度センサ１１と、排気の圧力を測定する排気圧力センサ１２が取り付けられている。なお、本実施例においては排気温度センサ１１が、本発明における排気温度推定手段に相当する。なお、本実施例においては排気圧力センサ１２が、本発明における排気圧力推定手段に相当する。
【００２１】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御する。
【００２２】
そして、ＥＣＵ１０には、上記センサが電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ１０には、第１燃料添加弁３、第２燃料添加弁５、及び遮断弁８が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。
【００２３】
ところで、内燃機関１から排気通路２へガスが排出されるのは、排気弁が開いているときに限られるため、ガスの排出は機関回転数に比例した間隔で行なわれる。これにより、排気の脈動が生じる。この排気の脈動は排気通路２を伝わって下流へと進む。
【００２４】
そして、遮断弁８が閉弁されているときには、第２燃料添加弁５へ到達する排気は、全て第１触媒４を通過した排気である。この場合、排気が第１触媒４を通過することにより、排気の脈動が殆ど消滅している。
【００２５】
一方、遮断弁８が開弁されているときには、第２燃料添加弁５へ到達する排気は、第１触媒４を通過した排気及びバイパス通路７を通過した排気である。この場合、排気の脈動がバイパス通路７を介して第２燃料添加弁５まで伝わる。
【００２６】
そして、第２燃料添加弁５に排気の脈動が伝わると、該第２燃料添加弁５で詰まりが発生する虞がある。
【００２７】
ここで、図２は、第２燃料添加弁５の噴孔５１付近における排気と燃料との出入状態を概念的に示した図である。噴孔５１は、ニードルホルダ５２に形成されている。そして、
ニードル５３がニードルホルダ５２に着座することにより、噴孔５１は閉じられるが、この場合であっても噴孔５１内には燃料が残留している。このように、噴孔５１内に燃料を残留させておくことにより、該噴孔５１の乾きを抑制することができるため、煤の付着等を抑制することができる。これにより、第２燃料添加弁５において詰まりが発生することを抑制できる。
【００２８】
しかし、第２燃料添加弁５へ排気の脈動が伝わると、該第２燃料添加弁５の噴孔５１へ排気Ｘが進入する。そして、第２燃料添加弁５の噴孔５１に残留していた燃料Ｙが、排気Ｘにより該第２燃料添加弁５の外部へ押し出される。このようなことが、排気の脈動により繰り返し起こり、第２燃料添加弁５の噴孔５１及に乾きが発生したり、排気中の煤が付着したりする。つまり、第２燃料添加弁５に排気の脈動が伝わることにより、該第２燃料添加弁５で詰まりが発生しやすくなる。
【００２９】
ここで、第１燃料添加弁３には、遮断弁８の開弁によらずに排気の脈動が伝わる。そのため、該第１燃料添加弁３の噴孔５１では、乾きが発生し易い。しかし、第１燃料添加弁３から周期的に燃料を噴射させることにより、乾きの発生を抑制できる。このように乾きの発生を抑制するための燃料噴射を以下、「詰まり防止噴射」という。同様に、第２燃料添加弁５から燃料を噴射させることにより、乾きの発生を抑制できるが、第１燃料添加弁３と同じ周期で燃料を噴射させると、燃料が無駄になることがある。すなわち、第２燃料添加弁５には、排気の脈動が伝わらない期間があるため、そのときには、乾きの発生が抑制される。つまり、第１燃料添加弁３よりも燃料噴射の周期を長くしても乾きの発生を抑制し得る。一方、第２燃料添加弁５からの燃料噴射の周期を長くしすぎると、乾きが発生する。
【００３０】
そこで本実施例では、遮断弁８が開弁されている時間に応じて第２燃料添加弁５からの燃料噴射の周期を変えている。
【００３１】
図３は、遮断弁８の開閉、第１燃料添加弁３の詰まりカウンタ、第１燃料添加弁３の詰まり防止噴射、第２燃料添加弁５の詰まりカウンタ、第２燃料添加弁５の詰まり防止噴射の夫々の状態を示したタイムチャートである。なお、第１燃料添加弁３の詰まりカウンタは、常に遮断弁８が開弁していると仮定したときの第２燃料添加弁５の詰まりカウンタとしてもよい。また、第１燃料添加弁３の詰まり防止噴射は、常に遮断弁８が開弁していると仮定したときの第２燃料添加弁５の詰まり防止噴射としてもよい。夫々の詰まり防止噴射において、「ＯＮ」のときには詰まり防止噴射が行なわれ、「ＯＦＦ」のときには詰まり防止噴射が行なわれない。
【００３２】
ここで、詰まりカウンタとは、夫々の燃料添加弁の乾きの度合いを示すカウンタであり、このカウンタの値が閾値に達したときに、燃料噴射を行なって詰まりを抑制する。詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量は、内燃機関の運転状態に応じてマップ化されている。そして、第１燃料添加弁３の詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量は、排気の脈動の影響を受けない。すなわち、遮断弁８の開閉に影響を受けない。
【００３３】
一方、第２燃料添加弁５の詰まりカウンタは、単位時間あたりの増加量が遮断弁８の開閉に応じて変わる。つまり、遮断弁８が閉弁しているときには、排気の脈動が殆どないことにより乾きが発生し難くなる。そのため、第２燃料添加弁５の詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量を、第１燃料添加弁３のものよりも小さくしている。また、遮断弁８が開弁しているときには、排気の脈動の影響を受けるため、第１燃料添加弁３と同様に乾きが発生しやすい。そのため、第２燃料添加弁５の詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量を、第１燃料添加弁３のものと同じにしている。
【００３４】
つまり、排気の脈動の影響を受けるときには、受けないときよりも、詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量を大きくしている。そのため、排気の脈動の影響を受けたときには、詰まり防止噴射の周期が短くなる。一方、排気の脈動の影響を受けないときには、受けたときよりも、詰まり防止噴射の回数を減少させることができるため、燃料消費量を減少させることができる。
【００３５】
次に図４は、本実施例に係る第２燃料添加弁５の詰まり防止噴射の実行フローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。
【００３６】
ステップＳ１０１では、詰まり防止噴射可能条件が成立しているか否か判定される。詰まり防止噴射可能条件は、詰まり防止噴射を行なうことができるときに成立する。例えば、第２触媒６が吸蔵還元型ＮＯx触媒であり、該ＮＯx触媒の還元のために第２燃料添加弁５から燃料添加を行なっている場合には、詰まり防止噴射を別途行なう必要がないため、前記条件は成立しない。また、排気の温度が低い場合等、噴射した燃料が第２触媒６で反応しない場合には、燃料が大気中へ放出される虞があるため、前記条件は成立しない。
【００３７】
ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方否定判定がなされた場合には、詰まり防止噴射を行なわないために本ルーチンを一旦終了させる。
【００３８】
ステップＳ１０２では、遮断弁８が開弁しているか否か判定される。つまり、第２燃料添加弁５が排気の脈動の影響を受けているのか否か判定される。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進む。
【００３９】
ステップＳ１０３では、詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量を、排気の脈動の影響を受けているときのものにする。なお、本実施例においてはステップＳ１０３を実行するＥＣＵ１０が、本発明における周期補正手段に相当する。
【００４０】
ステップＳ１０４では、詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量を、排気の脈動の影響を受けていないときのものにする。
【００４１】
ステップＳ１０５では、詰まりカウンタが閾値に達したか否か判定される。すなわち、詰まり防止噴射が必要であるか否か判定される。ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ戻る。
【００４２】
ステップＳ１０６では、詰まり防止噴射が行なわれる。なお、本実施例においてはステップＳ１０６を実行するＥＣＵ１０が、本発明における詰まり抑制手段に相当する。そして、ステップＳ１０７では、詰まりカウンタをリセットする。
【００４３】
以上のようなフローに従って、詰まり防止噴射を行なうことができる。
【００４４】
ところで、第２燃料添加弁５の噴孔５１内へ進入する排気の量は、排気の流速に反比例し、排気の質量流量に比例し、機関回転数に比例する。ここで、排気の流速が高ければ、噴孔５１内へ進入する前に第２燃料添加弁５を通過する排気が多くなるため、該噴孔５１内へ進入する排気が減少する。すなわち、排気の流速が低いほど、より多くの排気が噴孔５１内へ進入する。さらに、排気の質量流量が多いほど、より多くの排気が噴孔５１内へ進入する。また、機関回転数が高くなると、排気の脈動の周期が短くなるため、噴孔５１内へ排気が進入する回数が増加するため、より多くの排気が噴孔５１内へ進入する。
【００４５】
そして、第２燃料添加弁５の噴孔５１内へ進入する排気の量は、噴孔５１の乾き易さと相関関係にあるため、これは、詰まり防止噴射を増加させる度合いとすることができる。
【００４６】
ここで、排気の質量流量をＧａ（ｇ／ｓｅｃ）、機関回転数をＮｅ（ｒ．ｐ．ｍ．）とすると、以下の関係が成り立つ。
【数１】
2009074453.tif 000003
【００４７】
そして、ガス密度及び排気通路断面積は一定とすることができるため、詰まり防止噴射を増加する度合いは、機関回転数Ｎｅに比例することになる。
【００４８】
すなわち、詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量は、機関回転数Ｎｅが高くなるほど大きくする。この関係は、予め実験等により求めておいても良い。また、この関係は、第１燃料添加弁３及び第２燃料添加弁５の何れにも適用することができる。つまり、脈動があるときと、ないときと、で夫々、詰まりカウンタの単位時間当たりの増加量と、機関回転数Ｎｅとの関係をマップ化しておき、該マップに機関回転数Ｎｅを代入することで、夫々の詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量を得ることができる。なお、実際には、内燃機関１からの排気の脈動が第１燃料添加弁３及び第２燃料添加弁５へ到達するまでには、ある程度の時間を要するため、その時間の遅れの分だけ補正を加えてもよい。
【００４９】
また、排気の温度が高くなると、第２燃料添加弁５の噴孔５１へ進入した酸素と、噴孔５１内の燃料とが反応する。その分、第２燃料添加弁５に残留している燃料が減少するため、乾きがより発生し易くなる。
【００５０】
ここで、第２燃料添加弁５の噴孔５１へ進入した酸素と反応し、減少する燃料量は、ボルツマン分布に従い以下の式で表すことができる。
【数２】
2009074453.tif 000004
但し、ｎＡは第２燃料添加弁５へ進入する酸素分子数、ＮＡはアボガドロ数、Ｅ（ｔ）は反応活性エネルギー、Ｔｆは燃料温度、Ｐは排気の圧力、αは比例定数、Ｋはボルツマン定数、Ｒはガス定数、Ｔは排気の温度を示している。
【００５１】
ここで、Ａは一定値である。また、Ｒも一定とすることができる。つまり、定常状態では、噴孔５１内の燃料は、排気の圧力Ｐに比例し、排気の温度Ｔに反比例して減少する。つまり、排気の温度Ｐが高くなるほど、噴孔５１内の燃料はより少なくなるため、詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量をより大きくする必要がある。また、排気の温度Ｔが低くなるほど、噴孔５１内の燃料はより少なくなるため、詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量をより大きくする必要がある。
【００５２】
このように、排気の圧力Ｐまたは排気の温度Ｔに基づいて、詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量を補正しても良い。また、排気の圧力Ｐを排気の温度Ｔで除した値に応じて、詰まりカウンタの単位時間あたりの増加量を補正することもできる。これにより、詰まり防止噴射をより適正な時期に行なうことができる。排気の圧力Ｐを排気の温度Ｔで除した値と、補正値と、の関係を予め実験等により求めておいても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施例に係る排気浄化システムの概略構成を示す図である。
【図２】第２燃料添加弁の噴孔付近における排気と燃料との出入状態を概念的に示した図である。
【図３】遮断弁の開閉、第１燃料添加弁の詰まりカウンタ、第１燃料添加弁の詰まり防止噴射、第２燃料添加弁の詰まりカウンタ、第２燃料添加弁の詰まり防止噴射の夫々の状態を示したタイムチャートである。
【図４】実施例に係る第２燃料添加弁の詰まり防止噴射の実行フローを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００５４】
１     内燃機関
２     排気通路
３     第１燃料添加弁
４     第１触媒
５     第２燃料添加弁
６     第２触媒
７     バイパス通路
８     遮断弁
１０   ＥＣＵ
１１   排気温度センサ
１２   排気圧力センサ
５１   噴孔
５２   ニードルホルダ
５３   ニードル
【図１】
2009074453.tif 000005
【図２】
2009074453.tif 000006
【図３】
2009074453.tif 000007
【図４】
2009074453.tif 000008