JP2006194183A

JP2006194183A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2006194183A
Application number: JP2005007886A
Authority: JP
Inventors: Nobumoto Ohashi; 伸基大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: JP4507885B2

Abstract

【課題】燃料の加熱に消費するエネルギを低減しつつ燃料の蒸発を促進させて排気エミッションの悪化を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路４に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒９と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側にて排気通路に前記内燃機関の燃料を添加する燃料添加手段１０と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路にて前記燃料を加熱する加熱手段１１と、前記燃料添加手段から添加する燃料の蒸留特性を取得する蒸留特性取得手段３０と、前記蒸留特性取得手段が取得した蒸留特性に基づいて前記加熱手段の動作を制御する動作制御手段３０と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ＮＯｘ成分を還元させるべく還元剤を蒸発器で蒸発させて還元触媒に供給する装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。
特開平８−１７７４６７号公報特許第３２１８６７４号公報特開平９−２１７６２１号公報特表２００２−５１３１０９号公報

従来の装置では、還元剤としての燃料の特性を考慮して蒸発器の動作を制御していないので、蒸発器において無駄にエネルギを消費しているおそれがある。

そこで、本発明は、燃料の加熱に消費するエネルギを低減しつつ燃料の蒸発を促進させて排気エミッションの悪化を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側にて排気通路に前記内燃機関の燃料を添加する燃料添加手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路にて前記燃料を加熱する加熱手段と、前記燃料添加手段から添加する燃料の蒸留特性を取得する蒸留特性取得手段と、前記蒸留特性取得手段が取得した蒸留特性に基づいて前記加熱手段の動作を制御する動作制御手段と、を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、燃料の蒸留特性、即ち燃料の蒸発のし易さに応じて加熱手段の動作が制御されるので、燃料の無駄な加熱を抑制することができる。そのため、加熱手段において消費されるエネルギを低減させつつ燃料の蒸発を促進させることができる。

なお、本発明における「蒸留特性の取得」には、燃料の蒸留特性を直接検出することによる蒸留特性の取得と、燃料の蒸留特性と相関関係を有する物理量を検出し、この物理量に基づいて燃料の蒸留特性を推定することによる蒸留特性の取得の両方の意味が含まれる。

また、本発明において吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘを触媒にて保持できるものであればよく、吸収又は吸着いずれの態様でＮＯｘが保持されるかは吸蔵の用語によって制限されない。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、前記内燃機関の燃料を貯留する燃料タンクと、前記燃料タンクに貯留されている燃料を加熱する貯留燃料加熱手段と、前記燃料タンク内に貯留されている燃料の温度を取得する燃料温度取得手段と、前記燃料タンク内の炭化水素濃度を取得する炭化水素濃度取得手段と、をさらに備え、前記蒸留特性取得手段は、前記貯留燃料加熱手段を動作させて前記燃料タンク内の燃料を加熱し、この燃料加熱時に前記燃料温度取得手段が取得した燃料の温度及び前記炭化水素濃度取得手段が取得した炭化水素濃度に基づいて前記燃料タンクに貯留されている燃料の蒸留特性を推定してもよい（請求項２）。この場合、実際に燃料タンク内に貯留されている燃料の蒸留特性を取得し、この蒸留特性に基づいて加熱手段を制御することができるので、加熱手段の制御精度を向上させることができる。

この形態において、前記蒸留特性取得手段は、前記内燃機関の停止時に前記燃料タンクに貯留されている燃料の蒸留特性を推定してもよい（請求項３）。内燃機関の運転時は、燃料タンクの振動などが炭化水素濃度取得手段の検出精度に影響を与える。そこで、内燃機関の停止時に燃料の蒸留特性を推定し、蒸留特性の推定精度を向上させる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、前記燃料添加手段から添加すべき燃料量を設定する添加燃料量設定手段を備え、前記添加燃料量設定手段は、前記蒸留特性取得手段により取得された燃料の蒸留特性に応じて前記燃料添加手段から添加すべき燃料量を調整してもよい（請求項４）。蒸留特性が異なる燃料では、排気通路に燃料を添加した際に速やかに蒸発する燃料量が異なる。例えば、高沸点成分が多く含まれ蒸発し難い重質な燃料（以降、重質燃料と略称する。）は、低分点成分が多く含まれ蒸発し易い軽質な燃料（以降、軽質燃料と略称する。）よりも燃料添加時に速やかに蒸発する燃料量が少ない。この形態では、燃料の蒸留特性に応じて排気通路に添加すべき燃料量を調整するため、蒸発特性が異なる燃料でも燃料添加時に所定量の燃料を速やかに蒸発させることができる。そのため、例えばＮＯｘ還元時にＮＯｘを還元させるために必要な量の燃料を安定に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ供給することができる。

この形態において、前記添加燃料量設定手段は、前記蒸留特性取得手段が取得した燃料の蒸留特性に基づいて前記燃料添加手段から添加される燃料が重質か否か判断し、この燃料が重質であると判断した場合に前記燃料添加手段から添加すべき燃料量を増加させてもよい（請求項５）。燃料添加手段から添加される燃料が重質である場合、燃料添加時に速やかに蒸発する燃料量が少ない。そこで、燃料が重質な場合は添加する燃料量を増加させて燃料添加時に蒸発する燃料量を増加させる。これにより、ＮＯｘを還元させるために必要な量の燃料を吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に適切に供給することができる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、前記燃料添加手段よりも下流で、かつ前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の前記排気通路内の排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記空燃比検出手段により排気空燃比が検出される位置の排気空燃比を前記内燃機関の運転状態と前記燃料添加手段から添加された燃料量とに基づいて推定する空燃比推定手段と、を備え、前記動作制御手段は、前記燃料添加手段からの燃料添加時に前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比と前記空燃比推定手段により推定された排気空燃比との差が許容範囲を超える場合、前記加熱手段を動作させてもよい（請求項６）。空燃比検出手段により検出される排気空燃比（以降、検出空燃比と略称する。）は、燃料添加手段から添加された燃料のうち蒸発した燃料量に応じて変化する。一方、空燃比推定手段により推定される排気空燃比（以降、推定空燃比と略称する。）は、燃料添加手段から添加された燃料が全て蒸発した場合の排気空燃比を示す。そのため、例えば、燃料添加手段から排気通路内に添加された燃料の一部が蒸発せずに排気通路内に付着している場合、検出空燃比は、推定空燃比よりも低い値を示す。そこで、検出空燃比と推定空燃比との差（以降、空燃比差と略称する。）が許容範囲を超える場合は、加熱手段を動作させて排気通路に添加した燃料の蒸発を促進させる。

空燃比検出手段と空燃比推定手段とを備えた上記の形態においては、排気温度を取得する排気温度取得手段を備え、前記動作制御手段は、前記燃料添加手段からの燃料添加時に前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比と前記空燃比推定手段により推定された排気空燃比との差が許容範囲を超える場合、前記排気温度取得手段により取得された排気温度に基づいて前記加熱手段の動作を制御してもよい（請求項６）。空燃比差が許容範囲を超える場合、蒸留特性取得手段が取得した蒸留特性とは異なる蒸留特性の燃料が排気通路に添加されているおそれがある。そこで、このように空燃比差が許容範囲を超える場合は、実際に排気通路に添加されている燃料の蒸留特性と相関関係を有する排気温度に基づいて加熱手段を制御することで、加熱手段の制御精度を向上させることができる。

また、この形態においては、燃料添加手段として排気通路内に噴射孔が配置されるように燃料噴射弁が設けられ、前記燃料噴射弁は、前記噴射孔の周囲を加熱する噴射孔加熱ヒータを備え、前記動作制御手段は、前記燃料噴射弁からの燃料添加時に前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比と前記空燃比推定手段により推定された排気空燃比との差が許容範囲を超える場合、前記噴射孔加熱ヒータを動作させてもよい（請求項８）。このように噴射孔加熱ヒータを動作させることで、噴射孔に付着したススなどのデポジットを酸化除去することができる。そのため、デポジットによって噴射孔に詰まりが発生し、添加すべき量の燃料が排気通路に添加されていなかった場合は、この不具合を解消することができる。

噴射孔加熱ヒータを備えた形態において、前記動作制御手段は、前記噴射孔加熱ヒータの動作時に前記空燃比検出手段により検出された空燃比と前記空燃比推定手段により推定された空燃比との差が許容範囲を超える場合、前記燃料噴射弁に異常があると判定する異常判定手段を備えていてもよい（請求項９）。噴射孔加熱ヒータを動作させて噴射孔周辺のデポジットを除去しても空燃比差が許容範囲を超える場合は、排気通路に燃料噴射弁から添加すべき量の燃料が添加されていないと考えられるため、燃料噴射弁に異常があると診断できる。

以上に説明したように、本発明によれば燃料の蒸留特性に応じて加熱手段の動作を制御するので、燃料の無駄な加熱を抑制し、加熱手段において消費されるエネルギを低減しつつ燃料の蒸発を促進させることができる。また、ＮＯｘを還元するために必要な量の燃料を吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に供給することができるので、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

図１は、本発明の排気浄化装置が組み込まれた内燃機関としてのディーゼルエンジン１の一形態を示している。エンジン１は車両に走行用動力源として搭載されるもので、そのシリンダ２には吸気通路３及び排気通路４が接続される。吸気通路３には、ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａ、吸気を冷却するインタークーラ６、及び吸気量を調整するスロットルバルブ７が設けられ、排気通路４には、ターボチャージャ５のタービン５ｂ、排気の空燃比に対応した信号を出力する空燃比検出手段としてのＡ／Ｆセンサ８、及び吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒と略称する。）９が設けられている。また、図２に拡大して示したように排気通路４には、排気通路４内に燃料を添加する燃料添加手段としての燃料添加弁１０、燃料添加弁１０から排気通路４内に添加された燃料を加熱する加熱手段としての加熱ヒータ１１、排気の温度に対応した信号を出力する排気温度取得手段としての排気温センサ１２が設けられている。図２に示したように燃料添加弁１０は噴射孔１０ａから排気通路４内に燃料を噴射する燃料噴射弁であり、噴射孔１０ａが排気通路４内に配置されるとともにこの噴射孔１０ａから加熱ヒータ１１に向けて燃料が噴射されるように排気通路４に設けられる。図３は燃料添加弁１０の噴射孔１０ａ周辺を拡大して示している。図３に示したように燃料添加弁１０は、噴射孔１０ａの周囲を加熱する噴射孔加熱ヒータとしての燃料添加弁ヒータ１０ｂを備えている。排気通路４と吸気通路３とはＥＧＲ通路１３で接続され、ＥＧＲ通路１３にはＥＧＲクーラ１４が設けられている。なお、加熱ヒータ１１及び燃料添加弁ヒータ１０ｂとしては例えば電気ヒータがそれぞれ設けられる。

ＮＯｘ触媒９は、排気空燃比がリーンのときはＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比が理論空燃比又はリッチのときは吸蔵していたＮＯｘを放出し、窒素（Ｎ_２）に還元する性質を有している。ＮＯｘ触媒９に吸蔵可能なＮＯｘ量には上限があるため、吸蔵されているＮＯｘ量がこの上限に達しないようにＮＯｘ触媒９からＮＯｘを放出させてＮ_２に還元させるＮＯｘ還元を所定の間隔で行い、ＮＯｘ触媒９の排気浄化性能を高い状態に維持する。また、ＮＯｘ触媒９は、排気中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）により被毒される。そのため、ＮＯｘ触媒９をＮＯｘ触媒９からＳが放出される温度域に昇温させるとともに排気の空燃比を理論空燃比又はリッチして硫黄被毒を回復させ、ＮＯｘ触媒９の機能を再生させるＳ再生を行う。燃料添加弁１０は、排気通路４に燃料を添加することで、これらＮＯｘ還元やＳ再生を実行するときに必要な還元雰囲気を生成する。なお、以降ＮＯｘ還元とＳ再生とをまとめて機能再生処理と記述することもある。

また、エンジン１は、燃料供給装置１５を備えている。燃料供給装置１５は、各シリンダ２に燃料を噴射するインジェクタ１６、インジェクタ１６から噴射する高圧の燃料を蓄えるコモンレール１７と、燃料タンク１８からコモンレール１７に燃料を供給する燃料ポンプ１９とを備えている。図４に拡大して示したように、燃料タンク１８には、燃料タンク１８に貯留されている燃料を加熱する貯留燃料加熱手段としての燃料タンクヒータ２０と、燃料タンク１８に貯留されている燃料の温度に対応した信号を出力する燃料温度取得手段としての燃料温度センサ２１と、燃料タンク１８内の炭化水素（ＨＣ）濃度に対応した信号を出力する炭化水素濃度取得手段としてのＨＣ濃度センサ２２とが設けられている。また、図１に示したように燃料ポンプ１９は燃料添加弁１０と接続されており、燃料添加弁１０からは燃料タンク１８の燃料が排気通路４に添加される。燃料タンクヒータ２０としては例えば電気ヒータが設けられる。

加熱ヒータ１１、燃料添加弁ヒータ１０ｂ、及び燃料タンクヒータ２０の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０によってそれぞれ制御される。ＥＣＵ３０は、エンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットであり、例えばＮＯｘ触媒９の機能再生処理時に排気通路４に添加すべき燃料量を設定し、この添加すべき燃料量が添加されるように燃料添加弁１０の動作を制御する。このように添加すべき燃料量を設定することで、ＥＣＵ３０は本発明の添加燃料量設定手段として機能する。ＥＣＵ３０は、このような制御をＡ／Ｆセンサ８、ＨＣ濃度センサ２２、及び燃料温度センサ２１などの出力信号を参照して実行する。ＥＣＵ３０及びこれらのセンサの起動及びその停止は電源制御回路３１によってそれぞれ制御されている。

図５はＥＣＵ３０が加熱ヒータ１１の動作を制御するために実行する加熱ヒータ制御ルーチンを示している。図５の制御ルーチンは、エンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。図５の制御ルーチンを実行することでＥＣＵ３０は、本発明の動作制御手段として機能する。

図５の制御ルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ１１で排気温度がしきい値温度ａよりも高いか否か判断する。しきい値温度ａは、後述するしきい値温度設定ルーチンにより燃料タンク１８に貯留されている燃料の蒸留特性に応じて設定される。排気温度がしきい値温度ａ以下であると判断した場合はステップＳ１２に進み、ＥＣＵ３０は加熱ヒータ１１を動作させる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。一方、排気温度がしきい値温度ａよりも高いと判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ３０は加熱ヒータ１１を停止させる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

しきい値温度ａは、燃料の蒸留特性に基づいて設定され、例えば後述するように燃料の７０％が蒸発するような温度が設定される。排気温度がこのようなしきい値温度ａよりも高い場合は、排気通路４に添加した燃料を速やかに排気熱によって蒸発させることができるので、加熱ヒータ１１を停止させる。一方、排気温度がしきい値温度ａよりも低い場合は排気熱で蒸発しなかった燃料が加熱ヒータ１１に付着するため、加熱ヒータ１１を動作させて排気熱で蒸発しなかった燃料を加熱ヒータ１１で速やかに蒸発させる。このように加熱ヒータ１１を動作させることで、加熱ヒータ１１の無駄な動作を抑制することができる。そのため、加熱ヒータ１１において消費されるエネルギを抑制しつつ燃料の蒸発を促進させることができる。

図６は、ＥＣＵ３０がしきい値温度ａを設定するために実行するしきい値温度設定ルーチンを示している。図６のルーチンは、ＥＣＵ３０の動作中に所定の間隔で繰り返し実行される。図６のルーチンを実行することによりＥＣＵ３０は、本発明の蒸留特性取得手段として機能する。このルーチンは、エンジン１の停止時に実行されるため、例えば不図示のイグニッションスイッチがオフにされた場合などは電源制御回路３１がこのルーチンが終了するまで、ＥＣＵ３０と図６のルーチンで使用する機器及びセンサとがそれぞれ停止しないように、これらの機器への電力供給停止時期を遅延させてもよい。

図６のルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ２１においてエンジン１が停止しているか否か判断する。エンジン１が停止しているか否かは、例えば不図示のエンジン回転角度センサの出力信号を参照して判断する。エンジン１が運転中であると判断した場合は、今回のルーチンを終了する。一方、エンジン１が停止していると判断した場合はステップＳ２２に進み、ＥＣＵ３０は燃料タンク１８に貯留されている燃料の蒸留特性を取得する。図７（ａ）は、燃料の蒸留特性の一例を示している。本発明における燃料の蒸留特性は、図７（ａ）に示したように燃料の温度とその温度におけるＨＣ濃度の変化率との関係として示される。例えば図７（ａ）に破線Ｂで示した蒸留特性を有する燃料は、実線Ａで示した蒸留特性を有する燃料と比較して重質で蒸発し難い。一方、例えば図７（ａ）に破線Ｃで示した蒸留特性を有する燃料は、実線Ａで示した蒸留特性を有する燃料と比較して軽質で蒸発し易い。

このような蒸留特性は、例えば以下に示した方法によって取得する。まず、燃料タンクヒータ２０を起動して燃料タンク１８内の燃料を加熱する。次にこの燃料加熱時における燃料タンク１８内の燃料の温度の時間変化と燃料タンク１８内のＨＣ濃度の時間変化とを取得する。なお、ＨＣ濃度の時間変化は、実際に燃料タンク１８内の燃料をＨＣ濃度が略飽和するまで加熱して取得してもよいし、例えば図７（ｃ）に示した時間ｔまでのＨＣ濃度の時間変化からＨＣ濃度が略飽和するまでのＨＣ濃度の時間変化を推定する推定式を予め実験などによって求めておき、この推定式を使用して取得してもよい。このようにして取得した燃料温度の時間変化の一例を図７（ｂ）に、ＨＣ濃度の時間変化の一例を図７（ｃ）にそれぞれ示す。その後、ＨＣ濃度の時間変化に基づいて各時点におけるＨＣ濃度の変化率を求め、このＨＣ濃度の変化率と燃料温度の時間変化とに基づいて燃料の蒸留特性を取得する。

次のステップＳ２３でＥＣＵ３０は、取得した蒸留特性に基づいてしきい値温度ａを設定する。その後、今回のルーチンを終了する。排気通路４に添加された燃料はまず排気によって加熱され、この排気で蒸発しなかった燃料が加熱ヒータ１１によって加熱される。そのため、排気による加熱によってＮＯｘ触媒９の機能再生処理に必要な量の量を蒸発させることが可能な場合は加熱ヒータ１１を停止させていてもよい。そこで、しきい値温度ａとしては、例えば燃料の７０％が蒸発するような温度、いわゆる７０％蒸留点が設定される。なお、排気が有する熱量は排気流量によって変化し、また機能再生処理時に必要な燃料量はＮＯｘ触媒９の性能や大きさによって変化する。そのため、しきい値温度ａは、ＮＯｘ触媒９の性能や大きさ、燃料の種類、及びエンジン１の性能などを考慮して適宜に設定してもよい。

このようにエンジン１の停止時に燃料タンク１８内の燃料を加熱し、この加熱時の燃料温度の時間変化とＨＣ濃度の時間変化とに基づいて燃料の蒸留特性を推定することで、実際に燃料タンク１８に貯留されている燃料の蒸留特性を取得することができる。また、エンジン１の停止時に蒸留特性を取得するため、燃料タンク１８の振動や燃料ポンプ１９による燃料タンク１８内の燃料の攪拌などがＨＣ濃度センサ２２の検出精度に与える影響を抑え、ＨＣ濃度センサ２２の検出精度を向上させることができる。そのため、燃料の蒸留特性の推定精度を向上させることができる。エンジン１の搭載される車両が所定の条件が満たされた場合にアイドルストップ運転又はエコラン運転などエンジン１を一時的に停止させる運転を実施することが可能な車両である場合は、アイドルストップ運転時又はエコラン運転時に図６のルーチンを実行してもよい。このように図６のルーチンを実行する回数を増加させることで、燃料タンク１８に貯留されている燃料の蒸留特性をより精度良く推定することができる。

図８は、ＥＣＵ３０が実行する加熱ヒータ制御ルーチンの変形例を示している。なお、図８において図５と同一の処理には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図８の制御ルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ３１においてエンジン１の始動が要求されたか否かを判断する。エンジン１の始動が要求されたか否かは、例えば不図示のイグニッションスイッチの状態に基づいて判断し、イグニッションスイッチがオフの状態からオンの状態に切り替えられた場合にエンジン１の始動が要求されたと判断する。エンジン１の始動が要求されなかった場合はステップＳ１１に進み、以降ＥＣＵ３０は図５の制御ルーチンと同様の処理を行う。その後、今回の制御ルーチンを終了する。一方、エンジン１の始動が要求された場合はステップＳ３２に進み、ＥＣＵ３０は加熱ヒータ１１を動作させる。その後ステップＳ１１に進み、以降ＥＣＵ３０は図５の制御ルーチンと同様の処理を行う。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

このようにエンジン１の始動要求時に加熱ヒータ１１を動作させることで、例えばエンジン１の冷間始動時に排気通路４に燃料が添加されても、燃料の蒸発を促進させることができる。また、エンジン１の始動要求時に燃料タンクヒータ２０を起動させてもよい。このようにエンジン１の始動要求時に燃料タンクヒータ２０を起動させ、燃料タンク１８に貯留されている燃料を加熱することで、さらに燃料の蒸発を促進させることができる。

図９は、ＥＣＵ３０が実行する加熱ヒータ制御ルーチンの他の変形例を示している。なお、図９において図５と同一の処理には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図９の制御ルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ４１で排気通路４に燃料の添加が要求されたか否か判断する。排気通路４への燃料の添加は、例えばＮＯｘ触媒９の機能再生処理時に要求される。燃料の添加が要求されていないと判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ３０は加熱ヒータ１１を停止させる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。一方、燃料の添加が要求されたと判断した場合はステップＳ１１に進み、ＥＣＵ３０は排気温度がしきい値温度ａよりも高いか否か判断する。排気温度がしきい値温度ａ以下であると判断した場合はステップＳ１２に進み、ＥＣＵ３０は加熱ヒータ１１を起動させる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

排気温度がしきい値温度ａよりも高いと判断した場合はステップＳ４２に進み、ＥＣＵ３０はＡ／Ｆセンサ８が設けられている位置の排気空燃比を推定する。排気空燃比は、例えば燃料添加弁１０から排気通路４に添加された燃料量及びエンジン１の運転状態に基づいて推定される。このように排気空燃比を推定することで、ＥＣＵ３０は本発明の空燃比推定手段として機能する。続くステップＳ４３においてＥＣＵ３０は、推定した排気空燃比（推定空燃比）からＡ／Ｆセンサ８により検出された排気空燃比（検出空燃比）を引いた値（空燃比差）ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂよりも大きいか否か判断する。許容値ｂには、例えばＡ／Ｆセンサ８の検出値の誤差を考慮しても明らかに推定空燃比と検出空燃比との間に差が生じていると確認できる値が設定される。空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂ以下であると判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ３０は加熱ヒータ１１を停止させる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

一方、空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂよりも大きいと判断した場合はステップＳ４４に進み、ＥＣＵ３０は加熱ヒータ１１を動作させる。続くステップＳ４５においてＥＣＵ３０は、排気温センサ１２の出力信号を参照して排気温度Ｔを取得する。次のステップＳ４６においてＥＣＵ３０は、しきい値温度ａに排気温度Ｔの値を代入する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

燃料添加時に空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂを超える原因としては、例えば燃料添加弁１０から添加された燃料が全て蒸発していない場合が考えられる。そこで、空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂを超える場合、即ち空燃比差ΔＡ／Ｆが−ｂ〜＋ｂの許容範囲を超える場合は加熱ヒータ１１を動作させ、排気通路４内に添加された燃料の蒸発を促進させる。また、このように空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂを超える場合は、しきい値温度ａを設定した際に参照した蒸留特性とは異なる蒸留特性の燃料が排気通路４に添加されていると考えられる。そこで、実際に排気通路４に添加されている燃料に応じて加熱ヒータ１１の動作が制御されるように、しきい値温度ａに加熱ヒータ１１を動作させた時の排気温度Ｔを代入する。このように排気温度Ｔを代入したしきい値温度ａに基づいて加熱ヒータ１１の動作を制御することで、排気通路４に添加された燃料を適切に蒸発させることができる。

図１０は、ＥＣＵ３０が排気通路４に添加すべき燃料量を調整するために実行する燃料添加量調整ルーチンを示している。このルーチンは、エンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行されている。

図１０のルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ５１でしきい値温度ａが燃料の性状を判定する燃料性状判定温度よりも高いか否か判断する。燃料性状判定温度は、燃料タンク１８に貯留されている燃料が重質であるか否かを判断する基準温度であり、しきい値温度ａが燃料性状判定温度よりも高い場合に燃料が重質であると判断する。なお、本発明では、ＥＣＵ３０によって設定された添加すべき燃料量を排気通路４に添加した際、ＮＯｘ触媒９の機能再生処理に必要な燃料量が速やかに蒸発しない蒸留特性を有する燃料を重質と判断する。上述したように、排気が有する熱量は排気流量によって変化し、また機能再生処理時に必要な燃料量はＮＯｘ触媒９の性能や大きさによって変化する。そのため、燃料性状判定温度も、ＮＯｘ触媒９の性能や大きさ、燃料の種類、及びエンジン１の性能を考慮して適宜に設定される。

しきい値温度ａが燃料性状判定温度以下であると判断した場合、今回のルーチンを終了する。一方、しきい値温度ａが燃料性状判定温度よりも高いと判断した場合、即ち燃料タンク１８に貯留されている燃料が重質であると判断した場合はステップＳ５２に進み、ＥＣＵ３０は燃料添加弁１０から排気通路４に添加すべき燃料量を予め設定した所定量（以降、増加燃料量と略称する。）増加させる。この増加燃料量は、例えば、増加燃料量を加えた後の添加すべき燃料量が加熱ヒータ１１から与えられる熱と排気熱によって略全量蒸発する燃料量以下になるように設定される。その後、今回のルーチンを終了する。

重質燃料は、軽質燃料よりも蒸発し難いため、排気通路４内への燃料添加時に速やかに蒸発する燃料量が少ない。そこで、燃料が重質燃料の場合は排気通路４内に添加する燃料量を増量して燃料添加時に速やかに蒸発する燃料量を増加させ、ＮＯｘ触媒９に機能再生処理に必要な量の燃料を安定に供給する。このように、ＮＯｘ触媒９に燃料を安定に供給することで、ＮＯｘ触媒９の機能再生処理を適切に実施することができるので、ＮＯｘ触媒９の排気浄化性能を高い状態に維持することができる。なお、増加燃料量は一定の量でなくてもよい。例えば、燃料の蒸留特性に基づいて設定されるしきい値温度ａが高いほど、即ち燃料が重質であるほど、増加燃料量を増加させてもよい。このように燃料の蒸留特性に基づいて増加燃料量を調整することで、排気通路４に添加すべき燃料量をより精度良く調整することができる。

図１１は、ＥＣＵ３０が燃料添加弁ヒータ１０ｂの動作を制御するために実行する燃料添加弁ヒータ制御ルーチンを示している。図１１のルーチンは、エンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。なお、図１１において図９と同一の処理には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図１１の制御ルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ６１において加熱ヒータ１１が動作中であるか否か判断する。加熱ヒータ１１が動作中であると判断した場合はステップＳ４２に進み、ＥＣＵ３０は排気空燃比を推定する。続くステップＳ４３においてＥＣＵ３０は、空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂよりも大きいか否か判断する。空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂよりも大きい場合はステップＳ６２に進み、ＥＣＵ３０は燃料添加弁ヒータ１０ｂを動作させる。その後。今回の制御ルーチンを終了する。

なお、ステップＳ６１において加熱ヒータ１１が停止中であると判断した場合、又はステップＳ４３において空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂ以下であると判断した場合はステップＳ６３に進み、ＥＣＵ３０は燃料添加弁ヒータ１０ｂを停止させる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

燃料添加弁１０の噴射孔１０ａは排気通路４内に配置されるため、排気に含まれるススなどのデポジットが付着し、噴射孔１０ａが詰まるおそれがある。噴射孔１０ａに詰まりが生じた場合、燃料添加弁１０からは添加すべき燃料量よりも少ない量の燃料が排気通路４に添加される。そこで、加熱ヒータ１１を動作させて排気通路４内に添加された燃料の蒸発を促進させても空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂよりも大きい場合は、燃料添加弁１０から添加すべき燃料量とは異なる量の燃料が排気通路４に添加されていると判断し、燃料添加弁ヒータ１０ｂを動作させる。このように燃料添加弁ヒータ１０ｂを動作させることで、噴射孔１０ａに付着したデポジットを酸化除去し、噴射孔１０ａの詰まりを解消することができる。

燃料添加弁ヒータ１０ｂを動作させても空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂよりも大きい場合は、燃料添加弁１０に異常があると考えられる。そこで、ＥＣＵ３０は、図１２に示した燃料添加弁異常診断ルーチンを実行し、燃料添加弁１０の異常を診断する。図１２のルーチンは、エンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。なお、図１２において図９と同一の処理には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図１２のルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ７１において燃料添加弁ヒータ１０ｂが動作中であるか否か判断する。燃料添加弁ヒータ１０ｂが動作中であると判断した場合はステップＳ４２に進み、ＥＣＵ３０は排気空燃比を推定する。続くステップＳ４３においてＥＣＵ３０は、空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂよりも大きいか否か判断する。空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂよりも大きいと判断した場合はステップＳ７２に進み、ＥＣＵ３０は燃料添加弁１０に異常があると判断し、異常フラグをオンの状態に切り替える。続くステップＳ７３においてＥＣＵ３０は、インパネ内の異常ランプを点灯して運転者に燃料添加弁１０の異常を警告する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

なお、ステップＳ７１で燃料添加弁ヒータ１０ｂが停止中であると判断した場合、又はステップＳ４３において空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂ以下であると判断した場合はステップＳ７４に進み、ＥＣＵ３０は異常フラグをオフの状態に切り替える。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

このように、燃料添加弁ヒータ１０ｂを動作させても空燃比差ΔＡ／Ｆの絶対値が許容値ｂよりも大きい場合は、燃料添加弁１０から排気通路４に添加すべき燃料量が添加されていないと判断し、燃料添加弁１０に異常があると判断する。このように異常診断を行うことで、運転者に速やかに異常を警告することができる。図１２のルーチンを実行することにより、ＥＣＵ３０は本発明の異常診断手段として機能する。

本発明は、上述した実行形態に限定されることなく、種々の形態にて実行してよい。例えば、本発明はディーゼルエンジンに限らず、ガソリンその他の燃料を利用する各種の内燃機関に適用してよい。また、排気通路には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持させたパティキュレートフィルタが配置されていてもよい。

本発明の排気浄化装置が組み込まれたディーゼルエンジンを示す図。排気通路の一部を拡大して示した図。燃料噴射弁の噴射孔の周辺を拡大して示した図。燃料タンクを拡大して示した図。ＥＣＵが実行する加熱ヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。ＥＣＵが実行するしきい値温度設定ルーチンを示すフローチャート。燃料の蒸留特性の一例を示す図で、（ａ）は燃料温度とＨＣ濃度の変化率との関係の一例を示し、（ｂ）は燃料加熱時の燃料温度の時間変化の一例を示し、（ｃ）は燃料加熱時のＨＣ濃度の時間変化の一例を示す。ＥＣＵが実行する加熱ヒータ制御ルーチンの変形例を示すフローチャート。ＥＣＵが実行する加熱ヒータ制御ルーチンの他の変形例を示すフローチャート。ＥＣＵが実行する燃料添加量調整ルーチンを示すフローチャート。ＥＣＵが実行する燃料添加弁ヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。ＥＣＵが実行する燃料添加弁異常診断ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１ディーゼルエンジン（内燃機関）
４排気通路
８Ａ／Ｆセンサ（空燃比検出手段）
９吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
１０燃料添加弁（燃料添加手段、燃料噴射弁）
１０ａ噴射孔
１０ｂ燃料添加弁ヒータ（噴射孔加熱ヒータ）
１１加熱ヒータ（加熱手段）
１２排気温センサ（排気温度取得手段）
１８燃料タンク
２０燃料タンクヒータ（貯留燃料加熱手段）
２１燃料温度センサ（燃料温度取得手段）
２２ＨＣ濃度センサ（炭化水素濃度取得手段）
３０エンジンコントロールユニット（動作制御手段、蒸留特性取得手段、添加燃料量設定手段、空燃比推定手段、異常診断手段）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側にて排気通路に前記内燃機関の燃料を添加する燃料添加手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気通路にて前記燃料を加熱する加熱手段と、前記燃料添加手段から添加する燃料の蒸留特性を取得する蒸留特性取得手段と、前記蒸留特性取得手段が取得した蒸留特性に基づいて前記加熱手段の動作を制御する動作制御手段と、を備えていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記内燃機関の燃料を貯留する燃料タンクと、前記燃料タンクに貯留されている燃料を加熱する貯留燃料加熱手段と、前記燃料タンク内に貯留されている燃料の温度を取得する燃料温度取得手段と、前記燃料タンク内の炭化水素濃度を取得する炭化水素濃度取得手段と、をさらに備え、
前記蒸留特性取得手段は、前記貯留燃料加熱手段を動作させて前記燃料タンク内の燃料を加熱し、この燃料加熱時に前記燃料温度取得手段が取得した燃料の温度及び前記炭化水素濃度取得手段が取得した炭化水素濃度に基づいて前記燃料タンクに貯留されている燃料の蒸留特性を推定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装置。
前記蒸留特性取得手段は、前記内燃機関の停止時に前記燃料タンクに貯留されている燃料の蒸留特性を推定する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装置。
前記燃料添加手段から添加すべき燃料量を設定する添加燃料量設定手段を備え、
前記添加燃料量設定手段は、前記蒸留特性取得手段により取得された燃料の蒸留特性に応じて前記燃料添加手段から添加すべき燃料量を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記添加燃料量設定手段は、前記蒸留特性取得手段が取得した燃料の蒸留特性に基づいて前記燃料添加手段から添加される燃料が重質か否か判断し、この燃料が重質であると判断した場合に前記燃料添加手段から添加すべき燃料量を増加させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記燃料添加手段よりも下流で、かつ前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の前記排気通路内の排気空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記空燃比検出手段により排気空燃比が検出される位置の排気空燃比を前記内燃機関の運転状態と前記燃料添加手段から添加された燃料量とに基づいて推定する空燃比推定手段と、を備え、
前記動作制御手段は、前記燃料添加手段からの燃料添加時に前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比と前記空燃比推定手段により推定された排気空燃比との差が許容範囲を超える場合、前記加熱手段を動作させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
排気温度を取得する排気温度取得手段を備え、
前記動作制御手段は、前記燃料添加手段からの燃料添加時に前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比と前記空燃比推定手段により推定された排気空燃比との差が許容範囲を超える場合、前記排気温度取得手段により取得された排気温度に基づいて前記加熱手段の動作を制御することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
燃料添加手段として排気通路内に噴射孔が配置されるように燃料噴射弁が設けられ、
前記燃料噴射弁は、前記噴射孔の周囲を加熱する噴射孔加熱ヒータを備え、
前記動作制御手段は、前記燃料噴射弁からの燃料添加時に前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比と前記空燃比推定手段により推定された排気空燃比との差が許容範囲を超える場合、前記噴射孔加熱ヒータを動作させることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記動作制御手段は、前記噴射孔加熱ヒータの動作時に前記空燃比検出手段により検出された空燃比と前記空燃比推定手段により推定された空燃比との差が許容範囲を超える場合、前記燃料噴射弁に異常があると診断する異常診断手段を備えていることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。