JP4623869B2 - 排気ガス浄化装置、および排気ガスの浄化方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気ガス中に含まれる浮遊微粒子を浄化する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特にディーゼル機関の排気ガス中には、黒煙（スス）などの浮遊微粒子が含まれており、大気の汚染を防ぐために、大気中に放出される含炭素浮遊微粒子の総量を低減させることが強く要請されている。また、燃焼室内に直接ガソリンを噴射する方式の、いわゆる筒内噴射ガソリン機関からも、運転条件によっては排気ガスとともに含炭素浮遊微粒子が排出される場合があるため、同様の要請が存在する。
【０００３】
内燃機関、特にディーゼル機関から大気に放出される含炭素浮遊微粒子を低減する技術としては、酸化触媒を担持した耐熱性フィルタを用いて、排気ガス中の浮遊微粒子を浄化する技術が提案されている（特公平７−１０６２９０号）。かかる技術では、排気ガス中の浮遊微粒子をフィルタで捕集するとともに、捕集した微粒子を酸化触媒の作用により比較的低温（代表的には３５０℃〜４００℃）の排気ガス中で燃焼させる。こうして、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を捕集しながら燃焼させることで、大気に放出される浮遊微粒子を大幅に低減することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、排気ガスの温度は、捕集した含炭素浮遊微粒子の燃焼可能な温度（３５０℃〜４００℃）よりも低くなることがあり、フィルタの使用を続けるうちに微粒子が堆積してフィルタが目詰まりする場合があるという問題があった。すなわち、含炭素浮遊微粒子の燃焼可能な温度よりも排気ガス温度が低くなる条件では、排気ガス中の浮遊微粒子がフィルタ上に堆積していく。もちろん、排気ガス温度が上昇すれば再び燃焼を開始するが、フィルタ上に微粒子が多量に堆積していれば燃焼させるにも時間がかかるので燃え残ってしまう場合が生じ得る。また、含炭素浮遊微粒子は、フィルタ上に堆積しているうちに次第に燃焼し難くなることが知られており、このような難燃性の微粒子が酸化触媒を覆うと含炭素浮遊微粒子を燃焼させることが困難となって、捕集した微粒子を処理することができずにフィルタが目詰まりしてしまうことが生じ得るのである。
【０００５】
本願の出願人は、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を浄化する技術として、フィルタで捕集した含炭素浮遊微粒子を、酸化触媒を用いることなく、より低温の排気ガス中で燃焼させることによって、効果的に排気ガスを浄化可能な技術を開発して既に出願済みである（特願２０００−３００１６７号）。かかる出願済みの技術においては、含炭素浮遊微粒子と排気ガス中の炭化水素系化合物（代表的にはいわゆるＳＯＦ成分）とを、排気ガス中の酸素と接触可能に分散した状態でフィルタに捕集し、捕集した炭化水素系化合物の低温酸化反応を利用することで、捕集した含炭素浮遊微粒子をより低温の排気ガス中で燃焼させることが可能である。
【０００６】
もっとも、このような出願済みの技術においても、排気ガス温度があまりに低くなると、炭化水素系化合物の低温酸化反応が緩慢となって、捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させることが困難となる。換言すれば、出願済みの技術においても、従来技術と同様な問題の生じる可能性が依然と残っており、この点で更なる改良が望ましい。
【０００７】
本発明は、従来技術における上述の課題を解決しつつ、特許出願済みの上述の技術に更なる改良を加えてなされたものであり、フィルタを目詰まりさせることなく、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を効果的に浄化可能な技術の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の排気ガス浄化装置は次の構成を採用した。すなわち、
内燃機関の排気ガスに含まれる含炭素浮遊微粒子を浄化する排気ガス浄化装置であって、
前記排気ガスの通路に設けられて前記含炭素浮遊微粒子を捕集し、該捕集した微粒子を燃焼させることによって、該排気ガスを浄化する耐熱フィルタと、
前記耐熱フィルタを昇温させるか否かを判断する昇温可否判断手段と、
前記昇温させると判断した場合には、前記耐熱フィルタに加わる前記排気ガスの動圧を増加させる動圧増加手段と
を備えることを要旨とする。
【０００９】
上記の排気ガス浄化装置に対応する本願の排気ガスの浄化方法は、
内燃機関の排気ガスに含まれる含炭素浮遊微粒子を浄化する排気ガスの浄化方法であって、
前記排気ガスの通路に設けた耐熱フィルタにより前記含炭素浮遊微粒子を捕集して燃焼させるとともに、
前記耐熱フィルタを昇温させるか否かを判断して、昇温させると判断した場合には、前記耐熱フィルタに加わる前記排気ガスの動圧を増加させることを要旨とする。
【００１０】
本願発明は、以下に説明するように、内燃機関から排出される排気ガスの動圧が、排気通路内に設けられた耐熱フィルタに作用することによってフィルタの温度が上昇する現象を見い出し、かかる現象に考察を加えることで完成されたものである。そこで、本願発明の作用および効果を説明する準備として、かかる新たに見い出された現象について簡単に説明する。
【００１１】
図１９は、排気ガスの動圧が耐熱フィルタに作用することで、フィルタの温度が上昇する現象を概念的に示した説明図である。図１９（ａ）は、実験装置を概念的に示したものであり、内燃機関Ａ（代表的にはディーゼルエンジン）の排気管中に耐熱フィルタＥが装着されている様子を示している。内燃機関Ａは、吸気管Ｂから空気を吸入して、燃焼室Ｃの内部で燃料を燃焼させ、排気ガスを排気管Ｄから排出する。排気ガス中に含まれているススなどの含炭素浮遊微粒子は、排気管Ｄに設けられた耐熱フィルタＥで捕集される。また、耐熱フィルタＥに流入する排気ガスの温度Ｔｇ、および耐熱フィルタの温度Ｔｆが計測可能となっている。
【００１２】
かかる装置を使用し、内燃機関Ａの運転条件を変更しながら、耐熱フィルタに流入する排気ガス温度Ｔｇおよびフィルタ温度Ｔｆを計測したところ、フィルタ温度Ｔｆは入口排気ガス温度Ｔｇよりも常に高い値を示すことが見い出された。そこで、排気ガス流量などの他の要因はできるだけ一定に保ったまま排気ガス温度を変更し、入口排気ガス温度Ｔｇおよびフィルタ温度Ｔｆの上昇量ｄＴ（＝Ｔｆ−Ｔｇ）を計測して整理することにより、図１９（ｂ）に示す結果が得られた。
【００１３】
図１９（ｂ）に示されているように、フィルタ温度の上昇量ｄＴは、入口排気ガス温度Ｔｇの上昇とともにほぼ直線的に増加する傾向を示している。かかる結果から、フィルタ温度Ｔｆが入口排気ガス温度Ｔｇよりも高くなる現象は、次のようなメカニズムによるものであると推測される。
【００１４】
すなわち、耐熱フィルタＥには通気抵抗が存在するため、大きな流速を有する排気ガスが耐熱フィルタＥを通過しようとすると、耐熱フィルタＥに遮られる結果、排気ガスの速度の一部が圧力に変換されているものと考えられる。この圧力上昇をｄＰとする。熱力学の教えるところによれば、圧力Ｐ，温度Ｔ，比容積ｖの３つの変数は、気体定数をＲとすると、
Ｐ・ｖ＝Ｒ・Ｔ …（１）
の関係を常に満たしている。従って、排気ガスの流れが耐熱フィルタＥで遮られることによって圧力ＰがｄＰだけ上昇すると、（１）式を満足するように排気ガス温度もｄＴだけ上昇する。すなわち、フィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇよりも常に高い値を示す現象のメカニズムとして、排気ガスが動圧によって耐熱フィルタで圧縮され、それに伴ってガス温度が上昇し、この排気ガスによってフィルタが暖められるために、フィルタの温度Ｔｆが、入口ガス温度Ｔｇよりも常に高くなっているものと考えられる。
【００１５】
かかるメカニズムの妥当性を確認するために、図１９（ｂ）の計測結果に基づいて、次のような検討を行った。耐熱フィルタＥの入口部での排気ガス圧力をＰｇとすれば、入口排気ガス温度はＴｇであるから（１）式より、
Ｐｇ・ｖ＝Ｒ・Ｔｇ …（２）
が成り立つ。また、排気ガスが耐熱フィルタＥで遮られることによって、圧力と温度とがそれぞれｄＰ、ｄＴ上昇したとすると、（１）式から
（Ｐｇ＋ｄＰ）・ｖ＝Ｒ・（Ｔｇ＋ｄＴ） …（３）
が成り立つ。（２）式，（３）式を整理すれば、
ｄＴ＝（Ｔｇ・ｄＰ）／Ｐｇ …（４）
を得ることができる。（４）式によれば、耐熱フィルタＥでの温度上昇量ｄＴはフィルタに流入する排気ガス温度（入口排ガス温度Ｔｇ）に比例するはずであり、かかる結果は図１９（ｂ）に示した計測結果と一致している。すなわち、図１９（ｂ）の計測結果は、推定された上述のメカニズムの妥当性を裏付けており、フィルタ温度Ｔｆが耐熱フィルタ入口での排気ガス温度Ｔｇよりも常に高くなっている現象は、内燃機関から排出される排気ガスが耐熱フィルタを通過する際に、排気ガスが圧縮されて排気ガス温度が上昇していることによると考えられる。
【００１６】
尚、かかる温度上昇量ｄＴは、（４）式から明らかなように、排気ガス温度Ｔｇが高いほど大きくなる。また、耐熱フィルタに流入する排気ガス流速が大きくなれば、それだけ圧力上昇ｄＰも大きくなるので、フィルタの温度上昇量ｄＴも大きくなる。一般に、内燃機関から排出される排気ガスは、排気管内を通過するに連れて温度が低下していく。また、流速についても、内燃機関から排出される際には排気ガスは一度に噴き出されるので、パルス状の大きな流速を有する流れとなっているが、排気管内を通過するに従ってパルス状の流れが平均化されて、流速も低下していく。従って、耐熱フィルタを設ける位置は、内燃機関に近ければ近いほど（例えば、耐熱フィルタを排気ポートに設けるなど）排気ガスの温度および流速が増加するので、フィルタの温度上昇量ｄＴが大きくなって好ましいと考えられる。
【００１７】
本願発明は、以上に説明したような新たに見出された現象と、かかる現象に対する考察とに基づいて完成されたものであって、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を耐熱フィルタで捕集するとともに、耐熱フィルタを昇温させるか否かを判断して、昇温させると判断した場合には、該耐熱フィルタに加わる動圧を増加させる。こうして動圧を増加させれば、動圧による耐熱フィルタの温度上昇も大きくなってフィルタ温度を増加させることができる。
【００１８】
かかる排気ガス浄化装置においては、前記排気ガスの温度を検出し、検出した排気ガス温度に基づいて前記昇温の可否を判断することとしてもよい。前記耐熱フィルタの上流側あるいは下流側のいずれかで排気ガス温度を計測すれば、計測した温度から耐熱フィルタの温度を推定して、フィルタ温度の昇温可否を適切に判断することが可能となるので好ましい。
【００１９】
こうした排気ガス浄化装置においては、前記耐熱フィルタに流入する排気ガスの流入温度を検出して、該検出した流入温度が所定温度より低い場合に、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断することとしてもよい。耐熱フィルタに流入する排気ガスの温度が低いと、それに伴ってフィルタ温度も低下するので、こうして排気ガスの流入温度に基づいて判断すれば、耐熱フィルタの昇温の可否を適切に判断することが可能となって好適である。
【００２０】
あるいは、前記耐熱フィルタから流出する排気ガスの流出温度を検出して、該検出した流出温度が所定温度より低い場合に、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断することとしてもよい。耐熱フィルタの温度が低下すれば、それに伴ってフィルタから流出する排気ガスの温度も低下するので、こうして排気ガスの流出温度に基づいて判断すれば、耐熱フィルタの昇温の可否を適切に判断することが可能となる。
【００２１】
また、上述した本発明の排気ガス浄化装置においては、前記内燃機関の運転条件を検出するとともに、該検出した運転条件に基づいて、前記耐熱フィルタの昇温の可否を判断することとしてもよい。内燃機関の運転条件が定まれば排気ガスの温度がほぼ定まり、延いては耐熱フィルタの温度を推定することができる。従って、こうして内燃機関の運転条件に基づいて判断すれば、耐熱フィルタの昇温の要否を適切に判断することが可能となって好適である。
【００２２】
こうした内燃機関の運転条件に基づいて耐熱フィルタの昇温可否を判断する排気ガス浄化装置においては、該内燃機関が、排気ガスの温度が所定温度以下となるような所定の運転領域内で所定時間以上継続して運転されている場合に、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断することとしてもよい。耐熱フィルタの温度は、例え、排気ガス温度が低くなったとしても直ぐに低下するのではなく、しばらくたってから温度が下降する場合が多い。このことから、内燃機関が所定の運転領域内で所定時間以上継続して運転されている場合に耐熱フィルタの昇温を要すると判断することとすれば、より適切に判断することが可能となるので好ましい。
【００２３】
上述した本発明の排気ガス浄化装置においては、前記耐熱フィルタの通気抵抗を検出し、検出した通気抵抗が所定値を越える場合に、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断することとしてもよい。耐熱フィルタが捕集した含炭素浮遊微粒子を浄化する速度が、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を捕集する速度に追いつかない場合、堆積した微粒子によって耐熱フィルタの通気抵抗が次第に増加していく。そこで、通気抵抗が所定値を越えた場合に、耐熱フィルタにかかる動圧を増加させてフィルタ温度を上昇させてやれば、含炭素浮遊微粒子の浄化速度が向上するので、堆積した含炭素浮遊微粒子を浄化してやることができ、延いてはフィルタの通気抵抗を適正な値に回復させることができるので好ましい。
【００２４】
こうした耐熱フィルタの通気抵抗を検出する排気ガス浄化装置においては、該耐熱フィルタの上流側での前記通路内の圧力と、下流側での前記通路内の圧力との圧力差を検出することにより、通気抵抗を検出することとしてもよい。こうしてフィルタ前後での差圧に基づいて通気抵抗を検出すれば、正確な通気抵抗を検出することができ、延いては耐熱フィルタの昇温の可否を適切に判断することが可能となるので好ましい。
【００２５】
あるいは、こうした排気ガス浄化装置においては、内燃機関の運転条件を検出するとともに、該内燃機関が所定の運転条件で運転されているときに、前記耐熱フィルタの上流側の前記通路内圧力を検出することにより、前記通気抵抗を検出することとしてもよい。耐熱フィルタの通気抵抗が適正範囲にあれば、該耐熱フィルタの上流側の通路内圧力は、内燃機関の運転条件に応じて自ずから所定範囲の圧力となる。このことから、内燃機関が所定の運転条件で運転されているときの該耐熱フィルタの上流側での通路内圧力を検出すれば、耐熱フィルタの昇温可否を簡便な方法を用いて適切に判断することが可能となるので好適である。
【００２６】
上述した本発明の排気ガス浄化装置においては、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断した場合に、前記内燃機関の燃焼室に設けられた排気弁の開弁時期を進角させることによって、該耐熱フィルタにかかる動圧を増加させることとしてもよい。排気弁の開弁時期を進角させると、燃焼室内からは、より高圧の排気ガスが排気弁を介して噴出するので、その分だけ、排気ガスの流速が増加する。こうして排気ガスの流速を増加させれば、それに伴って、耐熱フィルタにかかる動圧を増加させ、延いては該耐熱フィルタを昇温させることができるので好ましい。
【００２７】
あるいは、かかる排気ガス浄化装置においては、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断した場合に、こうして排気弁の開弁時期を進角させる代わりに、該排気弁の開弁時期を所定値以上遅角させることとしてもよい。排気弁の開弁時期を所定値以上遅角させれば、燃焼室内の排気ガスは、排気弁が開くのが遅れたために一気に噴出することとなって、排気ガスの流速が増加する。こうして排気ガスの流速を増加させれば、それに伴って、耐熱フィルタにかかる動圧を増加させ、延いてはフィルタ温度を上昇させることができるので好ましい。
【００２８】
上述した本発明の排気ガス浄化装置においては、前記内燃機関が、燃焼室内に燃料を噴射して燃焼させることにより運転される機関である場合には、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断した場合に、該内燃機関の膨張行程中に追加の燃料を噴射することとしてもよい。内燃機関の膨張行程中に、燃焼室内に追加の燃料を噴射すれば、該追加して噴射した燃料が燃焼するので、排気弁の開弁時期での燃焼室内圧力が増加する。このため、排気ガスの流速が増加して、耐熱フィルタにかかる動圧を増加させることが可能となるので好ましい。また、機関の膨張行程中に追加の燃料を噴射すれば、機関の出力に大きな影響を与えることなく燃料を噴射することができる。従って、燃料を多めに噴射することで、排気弁開弁時期での燃焼室内圧力を効果的に増加させることができるので好適である。
【００２９】
こうした排気ガス浄化装置を、燃焼室内に燃料を噴射する内燃機関に適用する場合、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断した場合には、燃料の噴射時期を遅角させることとしてもよい。噴射時期を遅角させると、燃焼室内の圧力を内燃機関の出力に効率よく変換することができない。このことは、燃料の燃焼によって発生した熱エネルギが、内燃機関の出力に変換されないまま燃焼室内にとどまっていることを意味しており、従って、噴射時期を遅角させれば排気弁の開弁時期の燃焼室内圧力が増加する。こうして排気弁の開弁時期での燃焼圧力が増加すれば、排気弁からは、その分だけ勢いよく排気ガスが排出されるので、結果として耐熱フィルタにかかる動圧を増加させることが可能となる。
【００３０】
あるいは、上述した本発明の排気ガス浄化装置を、空気を加圧して燃焼室に供給する過給器が設けられた内燃機関に適用する場合、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断した場合には、前記過給器の過給圧を増加させることとしてもよい。過給器の過給圧を増加させれば、燃焼室内に吸入される空気量が増加するので、その分だけ排気ガス量が増え、この結果、耐熱フィルタにかかる動圧を増加させることができるので好ましい。
【００３１】
あるいは、内燃機関に複数の燃焼室と、該燃焼室毎に排気ガスを排出するための排気通路と、これら排気通路間を互いに連通させる連通路とが設けられている場合には、該連通路の各々に開閉弁を設けられておき、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断した場合には、該開閉弁を閉じることとしてもよい。連通路内に設けられた開閉弁を閉じれば、燃焼室内から排出された排気ガスの一部が、連通路を介して他の排気通路に逃げることがない。従って、耐熱フィルタを通過する排気ガス流量が増加し、その分だけ、フィルタにかかる動圧を増加させることが可能となる。
【００３２】
上述した本発明の排気ガス浄化装置においては、耐熱フィルタとして次のようなフィルタを用いてもよい。すなわち、排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物および前記含炭素浮遊微粒子を、該排気ガス中の酸素と接触可能に分散して捕集することにより、流入時の温度が該含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温の排気ガスを用いて、該捕集した炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子とを燃焼させるフィルタを用いてもよい。
【００３３】
かかる耐熱フィルタを用いて、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を分散した状態で捕集すれば、捕集した微粒子を容易に燃焼させることができる。また、こうしたフィルタでは、微粒子を容易に燃焼させることが可能であることから、フィルタにかかる動圧を増加させてフィルタ温度を昇温させることで、捕集した含炭素浮遊微粒子の燃焼をより効果的に促進させることができるので好適である。
【００３４】
あるいは、上述した本発明の排気ガス浄化装置においては、耐熱フィルタとして、酸化触媒が担持された耐熱フィルタを用いてもよい。耐熱フィルタに担持される酸化触媒としては、白金や、パラジウム、ロジウムなどの、良好な酸化活性を示し且つ耐久性に優れる白金系の貴金属触媒を好適に用いることができる。こうした酸化触媒が担持された耐熱フィルタを用いた場合でも、該耐熱フィルタにかかる動圧を増加させてフィルタ温度を上昇させれば、フィルタ上に捕集されている含炭素浮遊微粒子の燃焼を促進させることができるので好ましい。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次のような順序に従って、本発明の実施例を説明する。
Ａ．実施の形態：
Ｂ．第１実施例：
Ｂ−１．装置構成：
Ｂ−１−１．エンジンの構成：
Ｂ−１−２．浄化フィルタの構成：
Ｂ−１−３．含炭素浮遊微粒子の浄化メカニズム：
Ｂ−２．エンジン制御の概要：
Ｂ−３．第１実施例の動圧増加制御：
Ｂ−４．変形例：
Ｂ−４−１．第１の変形例：
Ｂ−４−２．第２の変形例：
Ｃ．第２実施例：
Ｃ−１．装置構成：
Ｃ−２．エンジン制御の概要：
Ｃ−３．第２実施例の動圧増加制御：
Ｃ−４．変形例：
【００３６】
Ａ．本発明の実施の形態：
図１は、第１実施例の排気ガス浄化装置を、ディーゼルエンジンに適用した実施例を示す説明図である。発明の理解の便宜を図るため、実施例の詳細な説明に入る前に、本発明の実施の形態について、図１を参照しながら概要を説明する。
【００３７】
図１に例示されるように、ディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジンなどの内燃機関は、機関の運転によって生じた排気ガスを、排気管１６を経由して大気に排出する。排気ガス中には、いわゆるススなどの含炭素浮遊微粒子が含まれているので、これら微粒子が大気に放出されることのないように、排気通路に設けた耐熱性のフィルタ１００によって微粒子を捕集する。ここで、排気ガスの温度がある程度高ければ、捕集した含炭素浮遊微粒子を耐熱フィルタ上で燃焼させることができるが、排気ガス温度が低くなるとフィルタ温度が低下するため捕集した微粒子を燃焼させることが困難となる場合が生じ得る。
【００３８】
そこで、本発明の排気ガス浄化装置は、フィルタ温度を昇温させる必要があるか否かを判断して、昇温させる必要がある場合には、フィルタにかかる動圧が上昇するような制御を行う。フィルタの昇温を要するか否かの判断方法には、後述するように種々の方法を適用することができる。フィルタにかかる動圧を増加させれば、前述したメカニズムによってフィルタの温度を上昇させることができるので、捕集した含炭素浮遊微粒子の燃焼を促進させて、フィルタの目詰まりを回避することが可能となる。また、こうした手法は、排気ガス温度が低い場合に限らず、例えばエンジンから含炭素浮遊微粒子が多量に排出されたため、フィルタが目詰まりを起こしかけている場合にも効果的に適用することができる。すなわち、フィルタにかかる動圧を増加させてフィルタ温度を昇温させれば、捕集した含炭素浮遊微粒子の燃焼が促進されるので、フィルタの目詰まりを解消させることが可能となる。以上に説明したような本発明の排気ガス浄化装置は種々の実施の態様で把握することが可能であり、以下では各種の実施例に基づいてこれら態様について詳細に説明する。
【００３９】
Ｂ．第１実施例：
Ｂ−１．装置構成：
Ｂ−１−１．エンジンの構成：
図１を参照しながら、第１実施例の排気ガス浄化装置を装着したディーゼルエンジン１０の構成について説明する。尚、図１では、排気ガス浄化装置をディーゼルエンジンに適用した場合を示しているが、もちろん、ディーゼルエンジンに限らず、燃料をシリンダ内に直接噴射する方式のガソリンエンジンなど、他の内燃機関に適用することもできる。また、車両や船舶搭載用あるいは定置用などのあらゆる内燃機関に適用することも可能である。
【００４０】
ディーゼルエンジン１０は、いわゆる４気筒エンジンであり、＃１ないし＃４の４つの燃焼室を有している。各燃焼室には吸気管１２を介して空気が供給され、各燃焼室に設けられた燃料噴射弁１４から燃料が噴射されると、燃焼室内で空気と燃料とが燃焼する。燃焼によって生じた排気ガスは、排気管１６を介して大気中に排出される。ディーゼルエンジン１０の排気ガスにはススなどの含炭素浮遊微粒子が含まれているが、これら微粒子は排気管１６に設けられた耐熱性の浄化フィルタ１００によって捕集されるので、大気にはほとんど含炭素浮遊微粒子を放出することはない。浄化フィルタ１００によって捕集された含炭素浮遊微粒子は、後述するメカニズムによってフィルタ上で燃焼させることができる。また、浄化フィルタ１００の上流側には温度センサ７６が装着されており、浄化フィルタ１００に流入する排気ガスの温度を検出することが可能となっている。
【００４１】
排気管１６の途中には、過給器２０が設けられている。過給器２０は、排気管１６内に設けられたタービン２１と、吸気管１２内に設けられたコンプレッサ２２と、タービン２１とコンプレッサ２２とをつなぐシャフト２３とから構成されている。燃焼室から排出された排気ガスが過給器２０のタービン２１を回すと、シャフト２３を介してコンプレッサ２２が回転し、空気を圧縮して各燃焼室内に供給する。コンプレッサ２２の上流側にはエアクリーナ２６が設けられており、コンプレッサ２２はエアクリーナ２６から取り入れた空気を圧縮して燃焼室内に供給する。コンプレッサ２２で圧縮すると空気の温度が上昇するので、コンプレッサ２２の下流には空気を冷却するためのインタークーラ２４が設けられており、圧縮した空気はインタークーラ２４で冷却された後に、燃焼室内に供給することが可能となっている。
【００４２】
エンジン制御用ＥＣＵ３０は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマ、各種の入出力ポートなどが、バスで互いにデータをやりとり可能に接続された周知のマイクロコンピュータである。エンジン制御用ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度θａｃといったエンジンの運転条件を検出し、運転条件に応じて燃料の噴射量および噴射タイミングなどを算出する。エンジン回転速度Ｎｅはクランク角度センサ３２からの出力に基づいて検出することができる。また、アクセル開度θacは、アクセルペダルに装着されたアクセル開度センサ３４によって検出する。エンジン制御用ＥＣＵ３０は、こうして検出したエンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度θａｃに基づき、燃料供給ポンプ１８や燃料噴射弁１４などを制御して、適切な量の燃料を適切なタイミングで燃焼室内に噴射する。その結果、噴射した燃料が燃焼して燃焼室内の圧力が上昇し、ディーゼルエンジン１０からトルクが出力される。また、後述するように、本実施例のディーゼルエンジン１０にはバルブの開弁時期を制御可能な、いわゆる可変バルブタイミング機構が、排気バルブ側に搭載されており、排気バルブの開弁時期も、エンジンの運転条件に応じてエンジン制御用ＥＣＵ３０によって決定される。可変バルブタイミング機構については、後述する。
【００４３】
Ｂ−１−２．浄化フィルタの構成：
図２は、排気管１６に装着されている浄化フィルタ１００の外観形状を示す斜視図である。理解を容易にするために、一部分の断面をとって内部構造を拡大して表示している。浄化フィルタ１００は、円筒状のケース１０２と、ケース１０２内に挿入されて外周をケースに溶接されたエレメント１０４とから構成されている。エレメント１０４は、耐熱金属製の不織布１０６と同じく耐熱金属製の波板１０８とを重ねて、中心棒１１０を芯にして円筒状に巻き付けたロール構造となっている。本実施例の浄化フィルタ１００で用いるエレメント１０４は、外径が約５５ｍｍ、長さが約４０ｍｍのものを使用している。もちろん、これら寸法は、ディーゼルエンジンの排気量や排気管１６の内径などにあわせて、適宜変更することができる。
【００４４】
不織布１０６は波板１０８とともに巻き付けられているので、不織布１０６同士の間隔は、波板１０８によって所定の間隔に保たれており、不織布１０６と波板１０８との間には、中心棒１１０の軸方向に沿って多数の通路が形成されている。エレメント１０４の両側には、封止板１１２が溶接されている。封止板１１２は、不織布１０６と波板１０８との間に形成された通路を互い違いに閉塞して、排気ガスが不織布１０６を通過する構造を形成する。図３を参照して、封止板１１２により排気ガスが不織布１０６を通過する構造が形成されている様子を説明する。
【００４５】
図３は、浄化フィルタ１００の断面構造を概念的に示す説明図である。尚、図が煩雑になることを防ぐために、図３では、波板１０８の表示は省略している。図示するように、封止板１１２は、所定の間隔に保たれて隣接する不織布１０６の間に形成される通路を、互い違いになるように閉塞する。このため、図中に矢印で示したように、図の左側から排気ガスが流れてくると、封止板１１２で塞がれていない通路に一旦は流入するが、通路の出口側は封止板１１２で塞がれている。そこで排気ガスは、図中に太い矢印で示すように、通路側面を構成する不織布１０６を通って、出口側が塞がれていない通路に抜けていく。こうして排気ガスが不織布１０６を抜ける際に、排気ガス中に含まれているススなどの含炭素浮遊微粒子を不織布１０６によって捕集することができる。
【００４６】
ここで、不織布１０６は、鉄系の耐熱合金製不織布が使用されており、不織布の繊維径および内部に形成される細孔径は適切な値に選択されている。このため、含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物を、排気ガス中の酸素と接触可能に分散した状態で捕集することができる。このように、浮遊微粒子を３次元的に分散した状態で捕集すると、後述するように、捕集した微粒子がある程度の量に達した時点で自然に着火して燃焼させることができる。含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が分散した状態で捕集されるメカニズムおよび、分散して捕集することで捕集した含炭素浮遊微粒子が自然に燃焼するメカニズムについては後述する。
【００４７】
尚、ここに言う「繊維径」とは、不織布を形成する金属繊維の平均直径を示す。金属不織布は、無数の金属繊維が複雑に絡み合って形成されており、金属繊維の間には、複雑に分岐した３次元的な通路が形成されている。「細孔径」とは、金属繊維間に形成された通路断面の大きさを表す指標であり、等価な断面積を有する円形通路の内径（直径）を示している。「細孔径」の値は、もっとも簡便には、走査型電子顕微鏡で撮影した金属不織布表面あるいは断面の写真に基づいて、目視によって計測することができる。
【００４８】
また、上述した本実施例のエレメント１０４は、エレメント１０４の両端に封止板１１２を溶接して形成されているものとして説明したが、以下に説明するように、封止板１１２を用いない構造としてもよい。
【００４９】
図４は、封止板を用いない構造のエレメントを備える浄化フィルタ１００の断面図である。図４では、図が煩雑となることをさけるために、波板１０８の表示は省略している。前述した図３では、不織布１０６の両端に互い違いに封止板１１２を溶接したが、封止板を溶接する代わりに、図４に示すように、不織布同士を端部１１３で互いに溶接してもよい。こうすれば封止板１１２を省略することができるので、浄化フィルタ１００をより簡便に製造することができる。
【００５０】
上述したように、浄化フィルタ１００の不織布１０６は、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を不織布１０６の内部に３次元的に分散した状態で捕集することができるので、ある程度の量の微粒子を捕集すると、自然に着火させて微粒子を燃焼させることができる。このため、本実施例の浄化フィルタ１００は、意図的に排気ガス温度を上昇させるといった特別な操作を行わずとも、フィルタを自然に再生させることができる。本明細書中では、本実施例の浄化フィルタ１００が有するこのような機能を「自然再生機能」と呼ぶ。かかる「自然再生機能」のメカニズムについては全てが解明されたわけではないが、現時点で推定されるメカニズムについて簡単に説明する。
【００５１】
Ｂ−１−３．含炭素浮遊微粒子の浄化メカニズム：
ディーゼルエンジンの排気ガス中には、含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が、図５に示すような割合で含まれていることが分かっている。すなわち、おおまかに言えば、ススなどの含炭素浮遊微粒子と、燃料に起因する炭化水素系化合物と、潤滑油に起因する炭化水素系化合物とが、ほぼ同じ割合で含まれている。ススなどの含炭素浮遊微粒子は、酸素を含んだ排気ガス雰囲気中でも通常は５５０℃以上にならないと燃焼しないと言われている。これに対して、燃料や潤滑油に起因する炭化水素系化合物は、酸素さえ供給されれば、５５０℃より低い温度でも何らかの酸化反応が起こり得る。
【００５２】
本実施例の浄化フィルタ１００は、排気ガス中の浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを、不織布内部に３次元的に分散した状態で捕集する。このため、捕集された炭化水素系化合物は、排気ガス中の酸素が十分に供給される状態になっており、排気ガスの温度によってゆっくりとした酸化反応（発熱反応）を開始して、フィルタ温度を次第に上昇させるとともに、反応性に富んだ中間生成物を蓄積していく。この結果、浮遊微粒子および炭化水素系化合物がある程度フィルタに捕集された時点でフィルタ温度が５５０℃以上となり、フィルタ上の微粒子と炭化水素系化合物とを一気に燃焼させることができる。
【００５３】
図６は、本実施例の浄化フィルタ１００が自然再生を行う様子を概念的に示した説明図である。図６（ａ）は、ディーゼルエンジン１０の排気管１６内に浄化フィルタ１００が装着されている様子を模式的に示している。図６（ｂ）は、ディーゼルエンジン１０を一定条件で運転しながら、フィルタ前後の差圧ｄＰおよびフィルタに流れ込む排気ガス温度Ｔｇ、フィルタ温度Ｔｆを計測して得られた結果を概念的に示す説明図である。
【００５４】
ディーゼルエンジン１０の運転を開始すると、排気ガス温度Ｔｇおよびフィルタ温度Ｔｆが直ちに上昇して定常温度に達する。このとき、前述したように排気ガスの動圧が浄化フィルタ１００にかかるため、フィルタ温度Ｔｆは排気ガス温度Ｔｇよりも高い温度となっている。フィルタ温度Ｔｆと排気ガス温度Ｔｇとの温度差は、エンジンの運転条件など種々の条件によって変動し得るが、通常の運転条件では、フィルタ温度Ｔｆは排気ガス温度Ｔｇに対して、５０℃〜１００℃程度高くなっている場合が多い。
【００５５】
浄化フィルタ１００が新品の場合、フィルタ前後の差圧ｄＰは初めの間は次第に増加して行くが、やがて一定値に安定する。フィルタ前後の差圧が一定値に安定するのは、本実施例の浄化フィルタ１００が、排気ガス中の浮遊微粒子をフィルタ表面だけでなく、フィルタ内部に３次元的に捕集するためである。差圧が安定する値は主にフィルタの設計緒元によって変化するが、代表的には新品時差圧の３倍ないし４倍程度の値となることが多い。説明の便宜上、ディーゼルエンジン１０の運転を開始してから、フィルタ前後の差圧が安定するまでの期間を、「第１期」と呼ぶことにする。
【００５６】
フィルタ前後の差圧が安定した後、ディーゼルエンジン１０をしばらく運転していると、図６（ｂ）に示すように、排気ガス温度Ｔｇは変化しないにも関わらずフィルタ温度Ｔｆが少しずつ上昇し始める。フィルタ温度Ｔｆと排気ガス温度Ｔｇとの乖離は次第に大きくなり、ついにはフィルタ温度Ｔｆが５５０℃前後に達する。この間、ススなどの浮遊微粒子および炭化水素系化合物がフィルタで捕集されることに伴って、フィルタ前後の差圧ｄＰはごく僅かに増加する傾向にあるが、有意な増加量を計測できない場合もある。
【００５７】
フィルタ温度Ｔｆが上昇して５５０℃付近に達すると、フィルタに捕集されたススなどの微粒子が燃焼し始め、捕集した微粒子が全て燃焼すると、フィルタ温度Ｔｆは初期状態の温度、すなわち排気ガス温度Ｔｇに動圧による昇温分を加えた温度まで速やかに低下する。排気ガス中のススなどが捕集されることによるフィルタ前後での差圧ｄＰの増加を検出可能な場合には、フィルタ上でススなどが燃焼するときに差圧ｄＰの低下を検出することができる。図６（ｂ）では、理解の便宜を図るために、差圧の変動を強調して表示している。このように、第１期が終了した後に、フィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇから次第に乖離していき、再び排気ガス温度Ｔｇに低下するまでの期間を「第２期」と呼ぶことにする。尚、第１期の期間は第２期の期間に比べてかなり短いが、図６では表示上の理由から、第１期の期間を第２期に対して実際よりも長く表示している。
【００５８】
浄化フィルタ１００に捕集されたススなどが燃焼し終わって、フィルタ温度Ｔｆが初期状態の温度まで低下しても、しばらくエンジンを運転していると再びフィルタ温度Ｔｆが上昇し始め、やがて５５０℃に達して捕集したススなどが燃焼する。このように、浄化フィルタはいつまでも第２期の状態に保たれて、排気ガス中に含まれるススなどの捕集と燃焼とを繰り返す。以上が、浄化フィルタ１００の有する自然再生機能の第１の形態である。
【００５９】
排気ガス温度Ｔｇが高い条件では、自然再生機能の第２の形態が発現する。図６（ｃ）は、図６（ｂ）の条件に対して排気ガス温度が若干高い（代表的には５０℃）条件でディーゼルエンジン１０を運転したときの、フィルタ温度Ｔｆおよびフィルタ前後の差圧ｄＰの推移を概念的に示した説明図である。排気ガス温度に限らず、図６（ｂ）の条件に対して、排気ガス中の炭化水素の濃度やスス濃度が若干高くなるように変更した場合にも、同様の結果を得ることができる。
【００６０】
排気ガス温度Ｔｇが高い条件では、図６（ｃ）に示すように、第２期の終了後、フィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇ付近まで低下することなく、若干高い温度で安定する。第２期の終了後、フィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇよりも高い温度で安定する期間を「第３期」と呼ぶことにする。第３期では、ススなどの捕集と燃焼とが局所的に繰り返されているか、あるいは同時進行的に行われているものと予想される。このように、自然再生機能の第２の形態では、浮遊微粒子の捕集と燃焼とが並行して行われている。
【００６１】
以上に説明したように、浄化フィルタ１００は、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物を分散した状態で捕集することができ、このため、捕集した微粒子を、特別な操作を行うことなく自然に燃焼させることが可能である。浄化フィルタ１００がススなどの微粒子を分散した状態で捕集することができるのは、後述するメカニズムによって、微粒子を不織布内部に積極的に取り込みながら捕集するためと思われる。以下、現時点で推定される捕集メカニズムについて、簡単に説明する。
【００６２】
図７は、耐熱金属製の不織布断面の構造を概念的に示した説明図である。図中の斜線を付した丸印は、それぞれが不織布繊維の断面を示している。不織布は、無数の繊維が複雑に絡み合って形成されていて、内部には複雑に連通し合う３次元的な通路が無数に形成されている。
【００６３】
図７（ａ）は、未だ新しい不織布の断面構造を概念的に表示したものである。排気ガスは、上方から下方に向かって流れるものとする。繊維の分布に疎密があるために不織布表面には種々の大きさの開口部が形成されているが、小さな開口部であっても排気ガスの気体分子にとっては充分に大きいので、排気ガスは不織布全面をほぼ均等に通過すると考えられる。図７（ａ）では、不織布の繊維間を通過する排気ガスを、太い矢印を用いて模式的に表示している。
【００６４】
排気ガスが不織布を通過すると、排気ガス中に含まれるススなどの微粒子が繊維の間に捕捉されて、次第に不織布表面の開口部が閉塞していく。このため、図７（ｂ）に示すように、不織布表面の小さな開口部はススなどの微粒子で閉塞されてしまい、排気ガスは閉塞されずに残っている比較的大きな開口部に集中する。この結果、不織布を通過する排気ガスの流れは、表面に閉塞されずに残った大きな開口部から始まる流れに集約されていく。図７（ｂ）では、ススなどの微粒子を小さな黒丸で模式的に表示している。
【００６５】
排気ガスが集中して流れれば、それだけ流速が増加して、通路内に大きな圧力勾配が発生する。この現象を、流れが不織布の繊維と衝突して大きな圧力が発生していると考えてもよい。前述したように、不織布内部に形成されている通路は、複雑に連通し合っているので、集約されて流れる通路の圧力が高くなれば、直ぐに他の通路に分岐していく。このため、不織布前後の差圧は所定値以上に増加することなく一定範囲に保たれる。
【００６６】
図７（ｃ）は、主流が他の通路に分岐して流れる様子を概念的に示している。このように、不織布内部で排気ガスの流れが分岐する結果、排気ガス中に含まれるススなどの含炭素浮遊微粒子は、不織布の内部全体で捕集されることになる。仮に、不織布内部のある箇所がススで閉塞されたとしても、通路は３次元的に複雑に連通し合っているので、直ぐに他の通路に分岐することが可能である。すなわち、不織布内部では、ある箇所がススなどによって閉塞しても、通路が自動的に切り替わって排気ガスが新たな通路を流れるために、ススなどが分散した状態で捕集されるものと考えられる。
【００６７】
以上説明したように、浄化フィルタ１００は自然再生機能を有しており、捕集した排気ガス中の浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを、特別な操作を行うことなく自然に燃焼させることができる。尚、本実施例の浄化フィルタ１００では、排気ガス中の浮遊微粒子などを金属不織布１０６を用いて捕集しているが、金属製の不織布に限らず、例えばコージライト製のハニカムフィルタのようなセッラミックスフィルタなどを用いても、同等の細孔径分布を有するフィルタであれば、本実施例のフィルタと同様の自然再生機能を発揮させることが可能である。
【００６８】
Ｂ−２．エンジン制御の概要：
図８は、エンジン制御用ＥＣＵ３０が行うエンジン制御ルーチンの概要を示すフローチャートである。かかる制御ルーチンは、エンジンに始動用キーが挿入されて電源が「オン」状態になると開始される。
【００６９】
エンジンに挿入されたキーが始動位置まで回されたことを検出すると、エンジン制御用ＥＣＵ３０はエンジン始動制御を開始する（ステップＳ１００）。かかる処理では、スタータモータでエンジンをクランキングしつつ、適切なタイミングで燃料を噴射してエンジンを始動させる。エンジンの始動に際しては、吸気温度やエンジン水温を検出し、エンジンの始動が困難なほど温度が低い場合には、吸入空気や燃焼室をヒータで適宜加熱する。噴射した燃料が燃焼室内で燃焼すると、大きなトルクが発生してエンジン回転速度が上昇していき、エンジン制御用ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度が所定の回転速度に達したことを検出してエンジン始動制御を終了する。
【００７０】
エンジンの始動制御が終了すると、エンジン運転条件を検出する（ステップＳ１０２）。エンジンの運転条件を規定する主なパラメータは、エンジン回転速度Ｎｅおよびアクセル開度θacであり、その他の補助的なパラメータとして、吸入空気温度やエンジン冷却水温、燃料温度、吸気圧力などを使用している。ステップＳ１０２ではこれらパラメータを検出する。また本実施例では、浄化フィルタ１００に流入する排気ガス温度が低くなると、後述する動圧増加制御を行ってフィルタ温度を上昇させており、ステップＳ１０２では、浄化フィルタ１００の上流側での排気ガス温度を計測している。
【００７１】
エンジンの運転条件を検出すると、浄化フィルタ１００の上流側の排気ガス温度が所定温度以上か否かを判断する（ステップＳ１０４）。所定の温度としては、実験的な手法によって、適切な値がディーゼルエンジン１０毎に設定されるが、代表的には１５０℃〜３５０℃、より好ましくは２００℃前後の値とすることができる。
【００７２】
排気ガス温度が所定温度を下回っている場合には（ステップＳ１０４：ｎｏ）、動圧増加制御を行うことを示す動圧増加制御フラグＦを「オン」に設定する（ステップＳ１０６）。動圧増加制御とは、浄化フィルタ１００にかかる排気ガスの動圧を増加させることにより、フィルタ温度を上昇させる制御である。排気ガスの動圧を増加させる具体的な方法については後述する。また、エンジン制御用ＥＣＵ３０に内蔵されているＲＡＭの中の所定のアドレスがエンジンの制御状態を示すデータとして割り当てられており、動圧増加制御フラグＦは、このアドレスの所定位置のビットが割り当てられている。ステップＳ１０６では、このビットを高インピーダンス状態とする。一方、排気ガス温度が所定温度以上ある場合には（ステップＳ１０４：ｙｅｓ）、動圧増加制御フラグＦを「オフ」に設定する（ステップＳ１０８）。具体的には、エンジンの制御状態を示すデータの所定位置のビットを低インピーダンス状態とする。
【００７３】
こうして動圧増加制御フラグＦを適切な状態に設定したら、開弁時期制御を開始する（ステップＳ１１０）。前述したように、本実施例のディーゼルエンジン１０には、可変バルブタイミング機構が搭載されており、排気バルブの開弁時期および閉弁時期を変更することが可能となっている。具体的には、動圧増加制御を行う場合と、行わない場合（すなわち通常の運転を行う場合）とで、排気バルブの開弁時期および閉弁時期の組み合わせを切り換えることができる。そこで、ステップＳ１１０においては、排気バルブの開弁時期および閉弁時期を設定する処理を行う。可変バルブタイミング機構および開弁時期制御の内容については後述する。
【００７４】
開弁時期制御に続いて、エンジン制御用ＥＣＵ３０は燃料噴射制御を開始する（ステップＳ１１２）。燃料噴射制御は、エンジンの運転条件に応じて、適切な量の燃料を、適切なタイミングで噴射する制御であり、制御の概要は次のようなものである。先ず、エンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度θacとに基づいて基本となる燃料噴射量および燃料噴射タイミングを算出する。具体的には、エンジン制御用ＥＣＵ３０に内蔵されたＲＯＭには、基本燃料噴射量および燃料噴射タイミングが、エンジン回転速度Ｎｅおよびアクセル開度θａｃに対するマップとして記憶されており、このマップを参照することによってエンジンの運転条件に応じた適切な値を取得する。次いで、この値に、吸入空気温度や、エンジン冷却水温、燃料温度などの影響を考慮した補正を行って、エンジン運転条件に応じた最適な噴射量と最適な噴射タイミングとを算出する。吸入空気温度やエンジン冷却水温などの各種の補正係数も、エンジン制御用ＥＣＵ３０内のＲＯＭにマップとして記憶されている。エンジン制御用ＥＣＵ３０は、これらマップを参照することにより、基本となる燃料噴射量および噴射タイミング、各種補正係数を取得する。こうして得た燃料噴射量や噴射タイミング、各種補正係数に基づいて、最適な燃料噴射量および燃料噴射タイミングを算出し、燃料供給ポンプ１８および燃料噴射弁１４を制御する。
【００７５】
ここで、動圧増加制御を行う場合と行わない場合とでは、最適な燃料噴射量および噴射タイミングは異なっている。そこで、エンジン制御用ＥＣＵ３０には、動圧増加制御を行う場合のマップと、動圧増加制御を行わない通常制御を行う場合のマップとの、２組のマップが記憶されており、動圧増加制御フラグＦの状態に応じて適切なマップを参照することで、最適な燃料噴射量および噴射タイミングを算出することが可能となっている。
【００７６】
以上のようにして燃料噴射制御を終了したら、エンジンに挿入されている始動用キーが「オフ」位置まで戻されているか否かを検出し（ステップＳ１１４）、「オフ」位置まで戻されていなければ、再びステップＳ１０２に戻って続く一連の処理を繰り返す。エンジン制御用ＥＣＵ３０は、始動用キーが「オフ」位置に戻されるまで、上述した処理を繰り返す。その結果、エンジンは運転条件の変化に応じて、常に最適に制御されることになる。また、動圧増加制御フラグＦが「オン」に設定されている場合には、それに応じて所定の開弁時期制御、燃料噴射制御が行われることにより、全体として動圧増加制御が実施される。その結果、浄化フィルタ１００にかかる動圧が増加してフィルタ温度が上昇し、浄化フィルタ１００上に捕集されている含炭素浮遊微粒子の燃焼が促進される。以下では、こうした動圧増加制御について説明する。
【００７７】
Ｂ−３．第１実施例の動圧増加制御：
前述したように、第１実施例の排気ガス浄化装置を備えたディーゼルエンジン１０では、開弁時期制御と燃料噴射制御とを行うことによって、浄化フィルタにかかる動圧を上昇させている。先ず、動圧を増加させるための開弁時期制御について説明し、次いで、燃料噴射制御について説明する。
【００７８】
図９は、本実施例のディーゼルエンジン１０に搭載されている可変バルブタイミング機構８０の概要を示す説明図である。図９（ａ）は構造の概要図であり、図９（ｂ）は可変バルブタイミング機構の動作を概念的に示した説明図である。先ず、図９を参照しながら、可変バルブタイミング機構８０について簡単に説明する。
【００７９】
本実施例では、可変バルブタイミング機構８０は、動弁機構（クランクシャフトの回転にあわせて吸気バルブおよび排気バルブを駆動する機構）に組み込まれているので、先ず、ディーゼルエンジン１０の動弁機構について簡単に説明する。
【００８０】
本実施例のディーゼルエンジン１０は、吸気バルブを駆動するための吸気カムシャフト８１と、排気バルブを駆動するための排気カムシャフト８２とを備えている。これらカムシャフトの先端には、それぞれスプロケット８３が設けられ、スプロケット８３には、チェーン８４が嵌合されている。チェーン８４は、ディーゼルエンジン１０の図示しないクランクシャフトにも接続されていて、クランクシャフトが回転すると、その回転がチェーン８４で吸気カムシャフト８１，排気カムシャフト８２に伝達され、それぞれ吸気バルブおよび排気バルブを駆動する。ここで、クランクシャフトと、吸気カムシャフト８１，排気カムシャフト８２を、互いに位相が適切となるように組み付けておけば、クランクシャフトの回転にあわせて適切なタイミングで吸気バルブ、排気バルブをそれぞれ駆動することができる。
【００８１】
可変バルブタイミング機構８０は、コントローラ８５とオイルコントロールバルブ８６とを備えており、コントローラ８５は排気カムシャフト８２のスプロケット８３に設けられている。コントローラ８５の内部には油圧機構が組み込まれており、排気カムシャフト８２とスプロケット８３との位相差を変更することが可能となっている。より詳しくは、コントローラ８５の内部には、進角用および遅角用に２つの油圧室が組み込まれていて、進角用の油圧室に油圧をかけると、排気カムシャフト８２の位相をスプロケット８３に対して進角方向に変化させることができ、逆に、遅角用の油圧室に油圧をかけると、排気カムシャフト８２の位相をスプロケット８３に対して遅角方向に変化させることが可能となっている。オイルコントロールバルブ８６は、エンジン制御用ＥＣＵ３０の制御に基づいて、こうした油圧の切り換えを行う。また、進角側および遅角側のいずれの油圧室からもオイルが逃げないように、オイルコントロールバルブ８６を閉じておけば、現在の位相差を保持しておくことができる。
【００８２】
図９（ｂ）は、こうして油圧を切り換えることにより、排気バルブの開弁時期を制御している様子を概念的に示す説明図である。スプロケット８３とクランクシャフトとは、いずれもチェーン８４に嵌合しているので、互いの位相差は変わらない。従って、スプロケット８３に対して排気カムシャフト８２の位相が進めば、クランクシャフトに対する位相も進むことになり、その結果として、図９（ｂ）に破線で示すように、排気バルブの開弁時期を進角させることができる。逆に、排気カムシャフト８２の位相をクランクシャフトに対して遅らせれば、図９（ｂ）に一点差線で示すように、排気バルブの開弁時期を遅角させることができる。
【００８３】
尚、本実施例では可変バルブタイミング機構８０は、排気側にのみ設けられているものとして説明したが、もちろん吸気側に設けることも可能である。こうすれば、エンジンの運転条件に応じて吸気バルブの開弁時期および閉弁時期を最適に制御することにより、機関出力や、燃料消費効率を向上させるとともに、排気ガスに含まれている大気汚染物質の濃度を減少させることが可能となる。
【００８４】
本実施例の排気ガス浄化装置は、以上に説明したような可変バルブタイミング機構８０を用いて排気バルブの開弁時期を進角させることにより、浄化フィルタ１００にかかる排気ガスの動圧を増加させている。以下では、排気バルブの開弁時期を進角させることにより、動圧が増加する原理を、図１０を参照しながら説明する。
【００８５】
図１０は、排気バルブの開弁時期付近での、燃焼室内圧力の変化を概念的に示した説明図である。図の横軸はクランク角度であり、θTDC はピストンが圧縮上死点となるクランク角度を示している。図示されているように、クランク角度がθTDC に近づくに従ってピストンが上昇し、これに伴って燃焼室内の圧力は上昇する。θTDC を過ぎるとピストンは下降し始めるが、クランク角度θTDC 付近で噴射された燃料が燃焼するので、これに伴って燃焼室内圧力はさらに上昇する。しかし燃焼が終了すると、ある時点で燃焼室内圧力は下降に転じ、それ以降はクランク角度とともに減少していく。内燃機関は、こうして燃焼室内で燃料を燃やして高い圧力を発生させ、この圧力でピストンが押されるときの力を取り出してトルクとして出力するものである。トルクを取り出しながらピストンが下降していくと、燃焼室内の圧力も低下していくので、ピストンがほぼ下がりきった付近のタイミングで排気バルブを開弁する。図１０では、クランク角度θa で排気バルブを開弁している。すると、燃焼室内の排気ガスが一気に膨張して排気バルブから排出される。これに伴って、燃焼室内の圧力は、図１０に破線で示すように、排気管内の圧力まで一気に低下する。
【００８６】
ここで、排気バルブの開弁時期をθa からθb に進角させると、燃焼室内圧力がまだ高い時期に排気バルブを開くことになるので、それだけ排気ガスは排気バルブから勢いよく排出される。こうして排気ガスの流速を増加させれば、浄化フィルタ１００にかかる動圧もその分だけ増加する。以上に説明したように、本実施例の排気ガス浄化装置においては、必要に応じて排気バルブの開弁時期を進角させることによって、浄化フィルタ１００にかかる動圧を増加させることが可能である。図１０では、排気バルブの開弁時期を進角させることによる、開弁時期での燃焼室内圧力の増加分を白抜きの矢印で示している。
【００８７】
前述したように、本実施例の排気ガス浄化装置は、開弁時期制御に加えて燃焼噴射制御を行うことにより、浄化フィルタ１００にかかる動圧を増加させている。以下では、燃料噴射制御を行って動圧を増加させる制御について説明する。
【００８８】
図１１は、燃焼室内の圧力変動を、クランク角度を横軸にとって示した説明図である。排気バルブの開弁時期は進角された状態となっている。本実施例の排気ガス浄化装置は、浄化フィルタ１００にかかる動圧を増加させるために、いわゆるポスト噴射を行う。ポスト噴射とは、通常の燃料噴射に加えて、機関の膨張行程中に追加の燃料を噴射することを言う。図１１に示した例では、クランク角度θc のタイミングで追加の燃料を噴射しており、追加の燃料の燃焼に伴って、図中に破線で示すように燃焼室内圧力が増加している。その結果、排気バルブの開弁時期での燃焼室内圧力も増加するので、その分だけ浄化フィルタ１００にかかる動圧を増加させることが可能となる。尚、図１１では、ポスト噴射を行うことによる、開弁時期での燃焼室内圧力の増加分を黒い矢印で示している。
【００８９】
以上に説明したように、本実施例の排気ガス浄化装置においては、動圧増加制御フラグＦが「オン」に設定されている場合には、排気バルブの開弁時期を進角させるとともに、ポスト噴射を行って、排気バルブの開弁時期での燃焼室内圧力を大きく増加させ、浄化フィルタ１００にかかる動圧が大きく増加させることができる。こうして動圧を増加させれば、例え、ディーゼルエンジン１０から排出される排気ガス温度が低く、浄化フィルタ１００上に捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させることが困難な運転条件においても、フィルタ温度を上昇させて、微粒子の燃焼を促進させることが可能となり、フィルタの目詰まりを回避することができる。
【００９０】
尚、以上に説明した燃料噴射制御では、通常のタイミングで燃料を噴射する主燃料噴射に加えて、ポスト噴射を行うことによって動圧を増加させるものとしたが、ポスト噴射を行う代わりに、主燃料噴射のタイミングを遅角させることとしてもよい。主燃料噴射のタイミングを遅角させれば、内燃機関の熱効率が低下するので排気弁の開弁時での燃焼室内圧力が増加する。加えて、熱効率が低下する分だけ、燃料を多めに噴射しなければならず、更に燃焼室内圧力が増加する。こうして排気弁の開弁時の燃焼室内圧力を増加させれば、排気バルブから排気ガスが勢いよく排出され、浄化フィルタにかかる動圧を増加させることができる。
【００９１】
Ｂ−４．変形例：
以上に説明した第１実施例の排気ガス浄化装置には、種々の変形例が存在している。以下、これら変形例について簡単に説明する。
【００９２】
Ｂ−４−１．第１の変形例：
上述した第１実施例の開弁時期制御では、浄化フィルタ１００にかかる動圧を増加させるために排気バルブの開弁時期を進角させたが、逆に、排気バルブの開弁時期を所定量以上に遅角させることによっても、動圧を増加させることができる。以下、図１２を参照しながら説明する。
【００９３】
図１２は、排気バルブから流出する排気ガスの流速が、クランク角ととともに変化する様子を概念的に示した説明図である。理解の便宜を図るため、図１２の上段には、燃焼室内圧力がクランク角とともに変化する様子も併せて表示している。図示するように、排気ガスの流速には、排気バルブが開弁下直後に現れる第１のピーク（図１２中では矢印Ａで表示）と、排気行程の中期に現れる第２のピーク（図１２中では矢印Ｂで表示）の、２つのピークが存在している。
【００９４】
第１のピークは、排気バルブの開弁時期での燃焼室内圧力が排気管内の圧力よりも高いために、燃焼室内の高圧の排気ガスが一気に膨張して排気バルブから噴き出してくることによるものである。すなわち、噴射された燃料が燃焼して燃焼室内の圧力が上昇しているために、ピストンが下降して排気バルブが開く時期になっても、図１２の上段に示すように、燃焼室内の圧力は排気管内の圧力よりは高くなっている。このため、燃焼室内の高圧の排気ガスが、排気バルブを開弁すると同時に排気バルブから噴き出すために、第１のピークが現れるのである。
【００９５】
また、第２のピークは、ピストンが上昇することによってシリンダ内の排気ガスを押し出すことによるものである。すなわち、排気バルブが開いて燃焼室内の排気ガスが噴き出した後も、シリンダ内には排気ガスが充満しており、この排気ガスはピストンが上昇するにつれて排気バルブから流出していく。ここで、ピストンの上昇速度は排気行程の中期にもっとも速くなるので、流出する排気ガスの流速も、排気行程中期にピークが現れるのである。
【００９６】
ここで、図１２に示すように、排気バルブの開弁時期を通常の開弁時期であるクランク角θa からθd に遅角させた場合を考える。すると、排気バルブが開いていないために、第１のピークに相当する排気ガスは流出することができずにシリンダ内に保持されることになる。図１２では、こうしてシリンダ内に保持された排気ガスに相当する部分にハッチングを付して表示している。こうしてシリンダ内の排気ガス量が増加するために、その分だけ、ピストンの上昇によって現れる第２のピークが増加するのである。図１２では、排気バルブの開弁時期を遅角させたときに得られる排気ガスの流速を、破線で示している。
【００９７】
第１の変形例では、動圧増加制御フラグＦが「オン」に設定されている場合には、開弁時期制御処理（図８のステップＳ１１０）において、上述したように排気バルブの開弁時期を遅角させることによって、浄化フィルタ１００にかかる動圧を増加させることとしてもよい。
【００９８】
Ｂ−４−２．第２の変形例：
上述した第１実施例においては、浄化フィルタ１００上流での排気ガス温度と、あらかじめ定めておいた所定温度とを比較し、排気ガス温度の方が低い場合には、フィルタ温度を上昇させるべく動圧制御を行うものとした。もっとも、フィルタの昇温の要否は、排気ガス温度に限らず、他の方法によって判断することも可能である。
【００９９】
例えば、エンジンが一定の条件で運転されている場合、排気ガス温度はエンジンの運転条件によって自ずから定まってくる。このことから、排気ガス温度が低い条件で所定時間以上、継続して運転されている場合は、浄化フィルタの昇温が必要であると判断することができる。具体的には、エンジンの負荷が低く、排気ガス温度が所定温度以下となる運転領域を、実験的にあらかじめ求めておき、エンジン制御用ＥＣＵ３０のＲＡＭ内に記憶しておく。図１３でハッチングを付して示した領域は、こうして求められた領域を模式的に表示したものである。
【０１００】
エンジン制御ルーチン中でエンジン運転条件を検出し（図８のステップＳ１０２参照）、運転条件が図１３に示した領域に入っている場合には、エンジン制御用ＥＣＵ３０に内蔵されているタイマをセットする。こうして、エンジンが所定時間以上、かかる領域で継続して運転されている場合には、浄化フィルタ１００に流入する排気ガスの温度が低くなったものと判断して、浄化フィルタ１００を昇温させる必要があると判断してもよい。
【０１０１】
あるいは、図１３に示すような運転領域でしばらく運転されて、排気ガス温度が低くなった場合でも、浄化フィルタ１００の温度はしばらくの間は依然として高い温度に維持されている。このことから、浄化フィルタ１００の温度が低下し始める程度の時間、図１３に例示する領域で継続して運転された場合に、浄化フィルタ１００の昇温を要すると判断して、動圧増加制御を開始することとしてもよい。
【０１０２】
更には、温度センサ７６を用いて、浄化フィルタ１００に流入する排気ガス温度を計測し、排気ガス温度が閾値温度以下の条件で所定時間継続して運転された場合に、浄化フィルタ１００の温度を上昇させる必要があると判断してもよい。
【０１０３】
Ｃ．第２実施例：
上述した第１実施例の排気ガス浄化装置においては、浄化フィルタ１００に流入する排気ガス温度、あるいはフィルタ温度に基づいて、フィルタの昇温の要否を判断していた。これに対して、排気ガス温度に加えて、浄化フィルタ前後の差圧をも考慮してフィルタの昇温要否を判断することとしてもよい。以下では、こうした第２実施例の排気ガス浄化装置について説明する。
【０１０４】
Ｃ−１．装置構成：
図１４は、第２実施例の排気ガス浄化装置を適用したディーゼルエンジン１０の構成を示す説明図である。前述した第１実施例と比較して、第２実施例のディーゼルエンジンは、浄化フィルタ１００の前後差圧を検出可能となっている部分と、浄化フィルタ下流での排気ガス温度も計測可能となっていること、過給器２０に可変ノズル機構およびウエストゲートバルブが設けられている部分が大きく異なっている。以下、第１実施例との相違点を中心に説明する。
【０１０５】
第２実施例のディーゼルエンジンにも、第１実施例と同様に、排気管１６の途中には、過給器２０が設けられている。ただし、第２実施例の過給器２０には、アクチュエータ７０が設けられており、過給器のタービン２１に排気ガスが流入する部分の開口面積（以下、タービン開口面積と呼ぶ）を変更することが可能となっている。排気ガス流量に応じてタービン開口面積を適切に制御することで、過給器２０の効率を適切な効率に設定することができる。
【０１０６】
また、タービン２１の上流側には、ウエストゲートバルブ７２と呼ばれるバイパス弁が設けられている。ウエストゲートアクチュエータ７４を用いてウエストゲートバルブ７２の開度を調整し、タービン２１をバイパスする排気ガスの割合を制御することで、過給器２０の性能を制御することも可能となっている。
【０１０７】
浄化フィルタ１００の上流側と下流側とには、それぞれ圧力センサ６４，６６が設けられている。これら圧力センサ６４，６６の出力はエンジン制御用ＥＣＵ３０に入力されており、エンジン制御用ＥＣＵ３０は、２つのセンサの計測値から浄化フィルタ１００前後の差圧を算出することができる。また、第２実施例では、浄化フィルタ１００の上流側の温度センサ７６に加えて、下流側にも温度センサ７８が設けられており、浄化フィルタ１００前後での排気ガスの温度差も検出することが可能となっている。
【０１０８】
Ｃ−２．エンジン制御の概要：
図１５は第２実施例におけるエンジン制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。第２実施例のエンジン制御ルーチンは、図８に示した第１実施例のルーチンに対して、浄化フィルタ１００の差圧を考慮する点と、過給圧制御を行う点が大きく異なっている。以下、これらの相違点を中心に、第２実施例のエンジン制御ルーチンについて説明する。
【０１０９】
第２実施例のエンジン制御ルーチンも、第１実施例と同様に、エンジンに始動用キーが挿入されて電源が「オン」状態になると開始される。エンジンに挿入されたキーが始動位置まで回されたことを検出すると、エンジン制御用ＥＣＵ３０はエンジン始動制御を行ってエンジンを始動させる（ステップＳ２００）。
【０１１０】
次いでエンジンの運転条件を検出する（ステップＳ２０２）。第２実施例のエンジン制御ルーチンでは、第１実施例の制御ルーチンで検出したエンジン回転速度Ｎｅ、アクセル開度θac、吸入空気温度、エンジン冷却水温、燃料温度、吸気圧力などに加えて、浄化フィルタ１００流れ込む排気ガス温度と、浄化フィルタ１００前後での排気管内圧力とを検出する。浄化フィルタ１００上流側の排気ガス温度は温度センサ７６により、浄化フィルタ１００上流側の排気管内圧力は圧力センサ６４により、浄化フィルタ１００下流側の排気管内圧力は圧力センサ６６により検出することができる。
【０１１１】
こうしてエンジンの運転条件を検出すると、エンジン制御用ＥＣＵ３０は、浄化フィルタ１００の上流側および下流側での排気管内圧力からフィルタ前後の差圧を算出して、差圧が所定の閾値以上か否かを判断する（ステップＳ２０４）。図６を用いて前述したように、浄化フィルタ１００で含炭素浮遊微粒子の捕集と燃焼とが繰り返されることに伴って、浄化フィルタ１００前後の差圧の値は多少変動することが多いが、ステップＳ２０４における判断に使用する閾値には、このような通常の使用により生じる差圧よりも大きな値が設定されている。
【０１１２】
尚、ここでは、閾値の差圧として固定値を使用するものとして説明するが、エンジンの運転条件に対する適切な閾値をマップに記憶しておき、先に検出したエンジン運転条件に対応した閾値と比較することとしてもよい。
【０１１３】
フィルタ前後の差圧が閾値の差圧よりも小さい場合には（ステップＳ２０４：ｎｏ）、浄化フィルタ１００の自然再生機能が正常に機能していると考えられ、動圧増加制御を行う必要はないと判断して、動圧増加制御フラグＦを「オフ」に設定する（ステップＳ２０６）。
【０１１４】
フィルタ前後の差圧が閾値の差圧よりも大きい場合には（ステップＳ２０４：ｙｅｓ）、浄化フィルタ１００が若干目詰まり気味であると考えられる。そこで、浄化フィルタ１００に流入する排気ガス温度が、所定の閾値温度以上あるか否かを判断する（ステップＳ２０８）。排気ガス温度が閾値温度より低い場合には（ステップＳ２０８：ｎｏ）、浄化フィルタの温度を上昇させてフィルタ上に堆積している含炭素浮遊微粒子の燃焼を促進させるべく、動圧増加制御フラグＦを「オン」に設定する（ステップＳ２１０）。
【０１１５】
また、排気ガス温度が閾値温度よりも高い場合は（ステップＳ２０８：ｙｅｓ）、排気ガス温度が高いにも関わらずフィルタ上の含炭素浮遊微粒子が燃焼していないことから、浄化フィルタ１００の自然再生機能が正常に機能していないものと考えられる。そこで、警告フラグＦe を「オン」に設定する（ステップＳ２１２）。警告フラグＦe が「オン」に設定されると、図示しない警告ランプが点灯して、エンジンの整備が必要である旨がエンジンの操作者に通知される。このような判断に用いられる閾値温度は、実験的な手法によって設定されるが、代表的には３５０℃〜４５０℃、より好ましくは４００℃前後の値とすることができる。
【０１１６】
こうして動圧増加制御フラグＦを適切な状態に設定したら、開弁時期制御および燃料噴射時期制御を開始する（ステップＳ２１４、Ｓ２１６）。これら制御の内容は、前述した第１実施例の制御内容に対して、動圧を増加させるための制御を行わないことを除いて他の内容は同様であり、ここでは説明は省略する。
【０１１７】
エンジン制御用ＥＣＵ３０は、開弁時期制御、燃料噴射制御に続いて、過給圧制御を行う（ステップＳ２１８）。図１４に示されているように、ディーゼルエンジン１０には過給器２０が設けられており、吸気管１２内の圧力を大気圧よりも高くすることによって、多量の空気を燃焼室に供給することができる。このように、吸気管内の圧力を大気圧よりも高くすることを「過給する」と言い、過給前の吸気管内からの圧力上昇分を「過給圧」という。過給圧を上げれば、それだけ燃焼に使用し得る酸素量が増加するので、エンジンの最高出力を向上させたり、あるいは出力一定の条件においてもススなどの含炭素浮遊微粒子の排出量を減少させるといった効果が得られる。本実施例のディーゼルエンジン１０では、アクチュエータ７０を駆動することによって、タービン開口面積（過給器のタービン２１に排気ガスが流入する部分の開口面積）を制御している。こうすることにより、エンジンの運転条件に応じた適切な過給圧を得ることができる。また、排気ガス流量が多く、過給圧が上がり過ぎる場合には、ウエストゲートバルブ７２を開いて排気ガスの一部をバイパスさせることにより、過給圧が上がり過ぎないような制御も行う。
【０１１８】
ここで、動圧増加制御を行う場合と行わない場合とでは、タービン開口面積の設定が異なっている。そこで、エンジン制御用ＥＣＵ３０には、動圧増加制御を行う場合のタービン開口面積を示すマップと、動圧増加制御を行わない通常制御を行う場合のタービン開口面積を示すマップの２組のマップが記憶されており、動圧増加制御フラグＦの状態に応じて適切なマップを参照することで、最適なタービン開口面積に設定することが可能となっている。
【０１１９】
以上のようにして燃料噴射制御を終了したら、エンジンに挿入されている始動用キーが「オフ」位置まで戻されているか否かを検出し（ステップＳ２２０）、「オフ」位置まで戻されていなければ、再びステップＳ２０２に戻って続く一連の処理を繰り返す。エンジン制御用ＥＣＵ３０は、始動用キーが「オフ」位置に戻されるまで上述した処理を繰り返し、その結果、エンジンは運転条件の変化に応じて、常に最適に制御されることになる。また、動圧増加制御フラグＦが「オン」に設定されている場合には、それに応じて過給圧制御において適切なタービン開口面積が設定されることにより、動圧増加制御が実施される。
【０１２０】
Ｃ−３．第２実施例の動圧増加制御：
前述したように、第２実施例の動圧増加制御は、タービン開口面積が記憶された２枚のマップの中の、動圧増加制御用のマップを参照して過給圧制御を行うことによって実施される。タービン開口面積を変更することで、浄化フィルタ１００にかかる動圧を増加させることができるのは、次の理由による。
【０１２１】
動圧増加制御を行わない通常の運転状態では、タービン開口面積は、過給圧の応答性や、エンジンの耐久性、燃料消費効率など種々の要素をバランスよく満足するような値に設定されている。すなわち、通常の運転状態では、タービン開口面積は、過給圧が最も高くなるような値に設定されているわけではない。そこで、動圧増加制御フラグＦが「オン」に設定されている場合は、タービン開口面積を、過給圧が最も高くなるような値に設定する。過給圧が上がれば、燃焼室内に供給される空気量が増えるので、それに伴って排気ガス量も増加する。こうして排気ガス量を増加させれば、浄化フィルタ１００にかかる動圧を増加させることができる。
【０１２２】
また、排気ガスの一部が過給器２０をバイパスするように、ウエストゲートバルブ７２を開いている場合は、タービン開口面積を変更する代わりに、ウエストゲートバルブ７２を閉じることとしてもよい。ウエストゲートバルブを閉じれば過給圧が上昇するので、排気ガス量が増加し、延いては浄化フィルタ１００にかかる動圧を増加させることができる。
【０１２３】
Ｃ−４．変形例：
Ｃ−４−１．第１の変形例：
エンジンの各気筒の排気管が、他の気筒の排気管と連通路で接続されている場合には、過給圧を増加させる代わりに、連通路に開閉弁を設けておき、動圧増加制御を行う場合には連通路を閉鎖することとしてもよい。ちなみに、他の気筒の排気管を連通管で接続することは、排気管内で往復する脈動波の位相と排気バルブの開閉時期とを一致させて排気の効率を改善したり、あるいは、ある気筒から排出された排気ガスを、速やかに隣の気筒の排気管からも排出させることで排気抵抗を低減するといった目的で行われる。
【０１２４】
図１６は、各気筒の排気管に設けられた連通路を利用して、動圧増加制御を行うディーゼルエンジンを例示した説明図である。図示するように、各気筒の排気管は隣接する気筒の排気管と連通路９０で接続されている。また、それぞれの連通路９０には、開閉弁９２が設けられ、各開閉弁９２には、アクチュエータ９４が接続されている。通常の運転状態、すなわち動圧増加制御を行わない場合には、開閉弁９２は「開」の状態となっているが、動圧増加制御を行うときには、アクチュエータ９４によって開閉弁９２が「閉」の状態とする。こうして開閉弁が閉じられると、ある気筒から排出された排気ガスは、一部のガスが隣接する気筒の排気管に流入することなく、全量がその気筒の排気管を通過する。その結果として、排気管を流れる排気ガスの流速が増加し、浄化フィルタ１００にかかる動圧も増加させることができる。
【０１２５】
Ｃ−４−２．第２の変形例：
以上に説明した各種実施例においては、浄化フィルタは、図２を用いて説明したような自然再生機能を有する浄化フィルタ１００であるものとしたが、いわゆる酸化触媒が担持された通常の浄化フィルタを用いることも可能である。
【０１２６】
図１７は、こうした酸化触媒が担持された浄化フィルタ２００の構造を示す説明図である。図１７（ａ）は、浄化フィルタ２００を排気ガスが流入する側から見た正面図であり、図２（ｂ）は側断面図である。図示するように、浄化フィルタ２００は、いわゆるハニカム構造を有するコージライト製のセラミックスフィルタに、白金などの貴金属触媒が担持された構造となっている。もちろん、セラミックフィルタの材質はコージライトに限らず、炭化珪素や窒化珪素などの周知のセラミックス材料を用いることができる。ハニカム構造をした浄化フィルタ２００の内部には、排気ガスが通過する多数の通路２０２が形成されており、これら通路の上流側あるいは下流側の一端には、図示するように互い違いに目止め２０４が設けられている。図１７では、目止め２０４は、ハッチングを付して表示している。
【０１２７】
図１７（ｂ）の左側から、含炭素浮遊微粒子を含んだ排気ガスが流れてくると、排気ガスは、上流側に目止め２０４が設けられていない通路２０２から浄化フィルタ２００内に流入する。しかし、その通路の下流側は目止め２０４で閉塞されているので、図１７（ｂ）に矢印で示すように、通路２０２の隔壁２０６を通って、下流側に目止め２０４のされていない通路２０２に抜けて行く。コージライトは焼成時に内部に多孔質構造が形成されており、排気ガスが隔壁２０６内の多孔質構造を通過する際に、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子などを捕集することができる。
【０１２８】
こうした浄化フィルタを用いた場合でも、排気ガス温度が低くなると、捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させることが困難となる。また、エンジンから一度にの多量の含炭素浮遊微粒子が排出されるなどして、浄化フィルタが目詰まり気味となることがある。酸化触媒が担持された浄化フィルタにおいても、このような場合には、フィルタ温度を上昇させれば、含炭素浮遊微粒子の燃焼を促進させることができる。
【０１２９】
図１９を用いて前述した原理、すなわち、浄化フィルタにおいて動圧がフィルタ温度に変換される原理から明らかなように、図１７に示す浄化フィルタ２００を用いた場合でも、動圧を増加させることでフィルタ温度を上昇させることができる。従って、排気ガス温度が低い場合、あるいはフィルタ前後での差圧が高くなった場合などには、動圧を増加させる制御を行ってフィルタ温度を上昇させることで、捕集した含炭素浮遊微粒子の燃焼を促進させ、これによってフィルタの目詰まりを効果的に回避することが可能となる。
【０１３０】
Ｃ−４−３．第３の変形例：
上述した各種の実施例においては、浄化フィルタは、各気筒毎に設けられているものとしたが、これに限らず、複数気筒毎に１つずつ浄化フィルタを設けることとしてもよい。図１８は、一例として、浄化フィルタ３００を２気筒毎に設けた場合を示す説明図である。図示するように、複数気筒の排気ガスをまとめて浄化フィルタに流入させることとすれば、各気筒毎に設ける場合に比べて広い空間に設けることができるので、浄化フィルタを最適な形状とすることが可能となるので好ましい。
【０１３１】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。
【０１３２】
例えば、浄化フィルタの昇温を要するか否かの判断方法や、浄化フィルタにかかる動圧を増加させるための各種方法は、互いに自由に組み合わて用いたり、あるいは単独で使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の排気ガス浄化装置を適用したディーゼルエンジンの構成を示す説明図である。
【図２】本実施例のパティキュレートフィルタの外観形状および構造を示す説明図である。
【図３】本実施例のパティキュレートフィルタにおいて排気ガス中の微粒子が捕集される様子を概念的に示す説明図である。
【図４】本実施例の変形例のパティキュレートフィルタにおいて排気ガス中の微粒子が捕集される様子を概念的に示す説明図である。
【図５】ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物の組成を例示する説明図である。
【図６】本実施例のパティキュレートフィルタが捕集した微粒子を燃焼する様子を概念的に示す説明図である。
【図７】本実施例のパティキュレートフィルタが排気ガス中の含炭素浮遊微粒子等を分散して捕集するメカニズムを概念的に示す説明図である。
【図８】第１実施例の排気ガス浄化装置を適用したディーゼルエンジンのエンジン制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】可変バルブタイミング機構の概要を示す説明図である。
【図１０】第１実施例の排気ガス浄化装置において、排気バルブの開弁時期を進角させることにより、浄化フィルタにかかる動圧を増加させる原理を示す説明図である。
【図１１】第１実施例の排気ガス浄化装置において、ポスト噴射を行うことにより、浄化フィルタにかかる動圧を増加させる原理を示す説明図である。
【図１２】変形例の排気ガス浄化装置において、排気バルブの開弁時期を遅角させることにより、浄化フィルタにかかる動圧を増加させる原理を示す説明図である。
【図１３】変形例の排気ガス浄化装置において、エンジンの運転条件を考慮して浄化フィルタの昇温要否を判断する様子を示す説明図である。
【図１４】第２実施例の排気ガス浄化装置を適用したディーゼルエンジンの構成を示す説明図である。
【図１５】第２実施例の排気ガス浄化装置を適用したディーゼルエンジンのエンジン制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】連通管を開閉することによって浄化フィルタにかかる動圧を増加させる変形例の排気ガス浄化装置の構成を示す説明図である。
【図１７】酸化触媒を担持した浄化フィルタの構造を概念的に示す説明図である。
【図１８】変形例の排気ガス浄化装置において、浄化フィルタが複数気筒毎に設けられている様子を示す説明図である。
【図１９】浄化フィルタに動圧が作用することによって、フィルタ温度が上昇する原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…ディーゼルエンジン
１２…吸気管
１４…燃料噴射弁
１６…排気管
１８…燃料供給ポンプ
２０…過給器
２１…タービン
２２…コンプレッサ
２３…シャフト
２４…インタークーラ
２６…エアクリーナ
３０…エンジン制御用ＥＣＵ
３２…クランク角度センサ
３４…アクセル開度センサ
６４…圧力センサ
６６…圧力センサ
７０…アクチュエータ
７２…ウエストゲートバルブ
７４…ウエストゲートアクチュエータ
７６…温度センサ
７８…温度センサ
８０…可変バルブタイミング機構
８１…吸気カムシャフト
８２…排気カムシャフト
８３…スプロケット
８４…チェーン
８５…コントローラ
８６…オイルコントロールバルブ
９０…連通路
９２…開閉弁
９４…アクチュエータ
１００…浄化フィルタ
１０２…ケース
１０４…エレメント
１０６…金属不織布
１０８…波板
１１０…中心棒
１１２…封止板
１１３…端部
２００…浄化フィルタ
２０２…通路
２０６…隔壁
３００…浄化フィルタ

Claims (16)

1. 内燃機関の排気ガスに含まれる含炭素浮遊微粒子を浄化する排気ガス浄化装置であって、
   前記排気ガスの通路に設けられて前記含炭素浮遊微粒子を捕集し、該捕集した微粒子を燃焼させることによって該排気ガスを浄化する耐熱フィルタと、
   前記耐熱フィルタを昇温させるか否かを判断する昇温可否判断手段と、
   前記昇温させると判断した場合には、前記耐熱フィルタに加わる前記排気ガスの動圧を増加させる動圧増加手段と
   を備え、
   前記動圧増加手段は、前記内燃機関の燃焼室に設けられた排気弁の開弁時期を所定値以上遅角させることにより、前記動圧を増加させる手段を有する排気ガス浄化装置。
2. 請求項１記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記排気ガスの温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記昇温可否判断手段は、前記検出した排気ガス温度に基づいて、前記昇温の可否を判断する手段である排気ガス浄化装置。
3. 請求項２記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記温度検出手段は、前記耐熱フィルタに流入する排気ガスの流入温度を検出する手段であり、
   前記昇温可否判断手段は、前記検出した流入温度が所定温度より低い場合に、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断する手段である排気ガス浄化装置。
4. 請求項３記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記温度検出手段は、前記耐熱フィルタから流出する排気ガスの流出温度を検出する手段であり、
   前記昇温可否判断手段は、前記検出した流出温度が所定温度より低い場合に、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断する手段である排気ガス浄化装置。
5. 請求項１記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記内燃機関の運転条件を検出する運転条件検出手段を備え、
   前記昇温可否判断手段は、前記検出した運転条件に基づいて、前記昇温の可否を判断する手段である排気ガス浄化装置。
6. 請求項５記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記昇温可否判断手段は、排気ガスの温度が所定温度以下となるような所定の運転領域内で、前記内燃機関が所定時間以上継続して運転されている場合に、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断する手段である排気ガス浄化装置。
7. 請求項１記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記耐熱フィルタの通気抵抗を検出する通気抵抗検出手段を備え、
   前記昇温可否判断手段は、前記検出した通気抵抗が所定値を越える場合に、前記耐熱フィルタの昇温を要すると判断する手段である排気ガス浄化装置。
8. 請求項７記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記通気抵抗検出手段は、前記耐熱フィルタの上流側での前記通路内の圧力と、下流側での前記通路内の圧力との圧力差を検出することにより、前記通気抵抗を検出する手段である排気ガス浄化装置。
9. 請求項７記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記内燃機関の運転条件を検出する運転条件検出手段を備え、
   前記通気抵抗検出手段は、所定の運転条件で、前記耐熱フィルタの上流側の前記通路内圧力を検出することにより、前記通気抵抗を検出する手段である排気ガス浄化装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置であって、
    前記内燃機関は、該内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射して燃焼させることにより運転される機関であり、
    前記動圧増加手段は、さらに、前記内燃機関の膨張行程中に追加の燃料を噴射することで、前記動圧を増加させる手段を有する排気ガス浄化装置。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置であって、
    前記内燃機関は、該内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射して燃焼させることにより運転される機関であり、
    前記動圧増加手段は、さらに、前記燃料の噴射時期を遅角させることで、前記動圧を増加させる手段を有する排気ガス浄化装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置であって、
    前記内燃機関の燃焼室に、空気を加圧して供給する過給器を備え、
    前記動圧増加手段は、前記過給器の過給圧を増加させることにより、前記動圧を増加させる手段を有する排気ガス浄化装置。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置であって、
    前記内燃機関は、
    複数の燃焼室と、
    該燃焼室の各々に設けられて、該燃焼室から排気ガスを排出する複数の排気通路と、
    該複数の排気通路を互いに連通させる複数の連通路と、
    該連通路の各々に設けられた開閉弁と
    を備え、
    前記動圧増加手段は、さらに、前記開閉弁を閉じることによって前記動圧を増加させる手段を有する排気ガス浄化装置。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置であって、
    前記耐熱フィルタは、前記排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物および前記含炭素浮遊微粒子を、該排気ガス中の酸素と接触可能に分散して捕集することにより、流入時の温度が該含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温の排気ガスを用いて、該捕集した炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子とを燃焼させるフィルタである排気ガス浄化装置。
15. 請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置であって、
    前記耐熱フィルタは、前記捕集した含炭素浮遊微粒子を、担持された酸化触媒の作用により燃焼させるフィルタである排気ガス浄化装置。
16. 内燃機関の排気ガスに含まれる含炭素浮遊微粒子を浄化する排気ガスの浄化方法であって、
    前記排気ガスの通路に設けた耐熱フィルタにより前記含炭素浮遊微粒子を捕集して燃焼させるとともに、
    前記耐熱フィルタを昇温させるか否かを判断して、昇温させると判断した場合には、前記内燃機関の燃焼室に設けられた排気弁の開弁時期を所定値以上遅角させることにより、前記耐熱フィルタに加わる前記排気ガスの動圧を増加させる排気ガスの浄化方法。

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