JP5152413B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関に係り、特に、排気通路における排気処理装置の上流側に、排気温度を昇温させるためのバーナー装置を設けた内燃機関に関する。

内燃機関の排気通路において、排気処理装置（触媒等）の上流側にバーナー装置を設け、バーナー装置で生成された加熱ガスを利用して排気温度を昇温し、排気処理装置を加熱し、排気処理装置の暖機を促進する場合がある。バーナー装置は、典型的に、排気通路内に添加された燃料を着火して燃焼させることにより、火炎を含む加熱ガスを生成するものである。排気通路内に小型酸化触媒を設け、この小型酸化触媒で添加燃料を改質または燃焼させる場合もある。

例えば特許文献１に記載された装置では、排気通路内の小型酸化触媒に直接かつ間欠的に燃料を供給することにより、小型酸化触媒の下流側に間欠的に火炎を生成させている。

ところで、内燃機関始動後の暖機中には、下流側の排気処理装置よりも先に上流側の小型酸化触媒を活性化させるのが好ましい。このため排気処理装置よりも小型酸化触媒に加熱ガスをより積極的に供給するのが好ましい。他方、小型酸化触媒が活性化した後には、小型酸化触媒よりも排気処理装置に加熱ガスをより積極的に供給し、排気処理装置の暖機を促進するのが好ましい。

しかし、一般的に、添加燃料の着火点の位置は何等制御されない。そのため小型酸化触媒に加熱ガスを積極的に供給したい場合でも、実際に排気処理装置に積極的に加熱ガスが供給されてしまったり、その逆のことが起こる可能性がある。よって小型酸化触媒と排気処理装置の暖機を効率良く行うことが困難である。

そこで本発明の一の目的は、小型酸化触媒と排気処理装置の暖機を効率良く行うことが可能な内燃機関を提供することにある。

特開２０１０−５９８８６号公報

本発明の一の態様によれば、
排気通路に設けられた排気処理装置と、
前記排気処理装置の上流側に設けられ、排気温度を昇温させるためのバーナー装置と、
前記バーナー装置を制御する制御手段と、
を備え、
前記バーナー装置は、前記排気通路内に燃料を添加する燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料を加熱する加熱手段と、前記加熱手段の下流側の前記排気通路内に設けられた小型酸化触媒とを含み、
前記制御手段は、所定の単位時間当たりに前記燃料添加弁から添加される燃料の量を制御し、これにより添加燃料が着火する着火点の位置を制御する
ことを特徴とする内燃機関が提供される。

好ましくは、前記内燃機関は、前記小型酸化触媒の活性状態を判定する判定手段をさらに備える。

好ましくは、前記制御手段は、前記判定手段により前記小型酸化触媒が未活性であると判定されたとき、前記小型酸化触媒が活性である場合に比べ、前記単位時間当たりの燃料添加量を少なくし、これにより前記着火点の位置を前記加熱手段により近づいた位置に制御する。

好ましくは、前記制御手段は、前記判定手段により前記小型酸化触媒が活性であると判定されたとき、前記小型酸化触媒が未活性である場合に比べ、前記単位時間当たりの燃料添加量を多くし、これにより前記着火点の位置を前記加熱手段からより離れた位置に制御する。

好ましくは、前記判定手段は、前記排気処理装置の活性状態をも判定し、
前記制御手段は、前記判定手段により前記小型酸化触媒および前記排気処理装置が未活性であると判定されたとき、前記小型酸化触媒が活性である場合に比べ、前記単位時間当たりの燃料添加量を少なくし、これにより前記着火点の位置を前記加熱手段により近づいた位置に制御する。

好ましくは、前記制御手段は、前記判定手段により前記小型酸化触媒が活性で前記排気処理装置が未活性であると判定されたとき、前記小型酸化触媒が未活性である場合に比べ、前記単位時間当たりの燃料添加量を多くし、これにより前記着火点の位置を前記加熱手段からより離れた位置に制御する。

好ましくは、前記制御手段は、排気ガス流量が多いほど前記単位時間当たりの燃料添加量を多くする。

好ましくは、前記制御手段は、排気ガスの酸素濃度が高いほど前記単位時間当たりの燃料添加量を多くする。

好ましくは、前記制御手段は、前記着火点の位置を、前記小型酸化触媒の前端面より前方の位置に制御する。

好ましくは、前記制御手段は、前記燃料添加弁およびその付近の箇所に堆積した煤を燃焼除去すべく、定期的に、比較的少ない所定値以下の前記単位時間当たりの燃料添加量で前記燃料添加弁により燃料添加を行わせ、且つ前記加熱手段を作動させる。

好ましくは、前記制御手段は、前記燃料添加弁を間欠的に開弁駆動して前記燃料添加弁から間欠的に燃料を添加させると共に、１添加当たりの添加量および添加間隔の少なくとも一方を制御することにより、前記単位時間当たりの燃料添加量を制御する。

本発明によれば、小型酸化触媒と排気処理装置の暖機を効率良く行うことができるという、優れた作用効果が奏される。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略図である。 バーナー装置における燃料添加弁の開弁駆動の様子と添加燃料の着火の様子を示す図である。 混合気の空燃比と火炎温度との関係を示すグラフである。 混合気の空燃比と、小型酸化触媒における測温点で測定した最大温度との関係を示すグラフである。 バーナー装置の制御ルーチンを示すフローチャートである。

本発明の好適な実施形態について、以下に詳細に説明する。ただし、本発明の実施態様は下記の各態様のみに限らず、本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含むことに注意しなければならない。実施形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

以下の説明において、上流側を「前」、下流側を「後」ともいう。

図１は本実施形態における内燃機関（エンジン）の概略構成を示す。エンジンは車載の４サイクル・ディーゼルエンジンである。エンジン本体１には、吸気通路をなす吸気管２と排気通路をなす排気管３とが接続されている。吸気管２の途中には、吸気管２内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ４が設けられている。このエアフローメータ４により、エンジン本体１に単位時間当たりに流入する吸入空気量（すなわち吸気流量）が検出される。エンジン本体１は複数の気筒を有し、各気筒には筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁すなわち筒内噴射弁５が設けられている。なお図１には単一の筒内噴射弁５のみを示す。

図示しない排気管３の出口部は消音器を介して大気に開放されている。また図示するように排気管３の途中には、酸化触媒６及びＮＯｘ触媒７が上流側からこの順番で直列に配置されている。

酸化触媒６は、ＨＣ，ＣＯなどの未燃成分をＯ_２と反応させてＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ等とする。触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ_２、Ｍｎ／ＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｎｉ／ＣｅＯ_２、Ｃｕ／ＣｅＯ_２等を用いることができる。

ＮＯｘ触媒７は、好ましくは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（NSR: NOx Storage Reduction）からなる。ＮＯｘ触媒７は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元成分（例えば、燃料等）が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を有する。ＮＯｘ触媒７は、アルミナＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ｐｔのような貴金属と、ＮＯｘ吸収成分とが担持されて構成されている。ＮＯｘ吸収成分は、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ，リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つから成る。なお、ＮＯｘ触媒７は選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ（SCR: Selective Catalytic Reduction）であってもよい。

これら酸化触媒６およびＮＯｘ触媒７に加えて、排気中の煤等の微粒子（ＰＭ、パティキュレート）を捕集するパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が設けられてもよい。好ましくはＤＰＦは、貴金属からなる触媒が担持され、捕集した微粒子を連続的に酸化燃焼する連続再生式のものである。好ましくはＤＰＦは、少なくとも酸化触媒６の下流側であって、且つＮＯｘ触媒７の上流側若しくは下流側に配置される。なおエンジンは火花点火式内燃機関であってもよく、この場合、排気通路に三元触媒が設けられるのが好ましい。これら酸化触媒６、ＮＯｘ触媒７、ＤＰＦおよび三元触媒が、本発明の排気処理装置に該当する。

排気管３における酸化触媒６の上流側には、排気温度を昇温させるためのバーナー装置８が配置されている。バーナー装置８は、燃料添加弁９と、加熱装置あるいは加熱手段としてのヒータあるいはグロープラグ１０と、小型酸化触媒１１とを含む。バーナー装置８は、排気管３の上流端部に形成された排気マニホールド（不図示）の集合部よりも下流側に配置されている。

燃料添加弁９は、排気管３内に液体の燃料Ｆを噴射、供給あるいは添加する。この燃料Ｆとしては、エンジン用の燃料である軽油がそのまま共用されるが、別種の燃料を使用しても良い。燃料添加弁９は、排気管３における周方向所定位置の外周部から中心部に向けて、且つ下流側に向けて斜め方向に燃料Ｆを噴射する。図示例では、燃料添加弁９は、排気管３の上部から中心部に向けて、且つ下流側に向けて斜め下向きに燃料Ｆを噴射する。

グロープラグ１０は、燃料添加弁９から添加された燃料Ｆ、より具体的には燃料Ｆを含む混合気を加熱するためのものである。グロープラグ１０は、燃料添加弁９よりも下流側の位置に配置され、その軸心線が燃料添加弁９の軸心線と垂直になるよう、排気管３の側部から挿入して設置されている。そしてグロープラグ１０の先端の発熱部が、噴射燃料Ｆにほぼ対向するように配置されている。すなわち燃料添加弁９は、グロープラグ１０の発熱部に向けて燃料Ｆを噴射する。グロープラグ１０は、図示しない昇圧回路を介して車載バッテリに接続されており、通電された際に発熱部が発熱する。なおグロープラグ１０は任意の姿勢で配置することができる。

好ましくはグロープラグ１０は、燃料添加弁９から噴射された液滴としての燃料Ｆが到達し得ないほど、燃料添加弁９から離れた位置に設置される。但し、燃料Ｆが到達し得る比較的近い位置に設置することも可能である。

小型酸化触媒１１は、グロープラグ１０よりも下流側の位置の排気管３内に設置されている。小型酸化触媒１１の外径は排気管３の内径よりも小さく、小型酸化触媒１１の軸心方向は排気管３の軸心方向と平行である。小型酸化触媒１１は排気管３とほぼ同軸に配置されている。小型酸化触媒１１の大きさは、その断面積が排気管３の断面積の一部を占めるような大きさとされている。小型酸化触媒１１は、図示しない複数のステーにより、排気管３内に宙吊り状態で設置されている。

小型酸化触媒１１は、個々のセルが上流から下流へと連通した所謂ストレートフロー型であり、下流側の酸化触媒６と同じ構成としても異なる構成としても良い。例えば小型酸化触媒１１は、ゼオライト製の担体にロジウム等を担持させて構成することができる。小型酸化触媒１１の内部のガス通路を触媒内通路１１Ａという。

他方、小型酸化触媒１１の径方向外側、すなわち小型酸化触媒１１と排気管６の間には、排気ガスを流通させるための外周通路１２が画成される。特に、燃料添加弁９が設置される周方向所定位置、図示例では上部側の位置にも、外周通路１２の一部である添加弁側外周通路すなわち上部外周通路１２Ａが画成されている。

小型酸化触媒１１の前端面１１Ｂには、その外周端縁部の全周を前方に延長するように案内管１３が設けられている。案内管１３の前端から所定長さ後方にかけて、案内管１３の上半分が切除され、これにより樋状ないし半円管状の案内板１３Ａが形成されている。案内管１３の前端もグロープラグ１０より下流側に位置される。案内管１３は、後に詳しく述べるが、燃料添加によって生成された混合気や火炎の小型酸化触媒１１への導入を案内するためのものである。

案内管１３の中には、案内板１３Ａを横断するように衝突板１４が設置されている。衝突板１４は、平板からなり、その一方の面すなわち上面が概ね燃料添加弁９およびグロープラグ１０の方を向くよう傾斜されている。衝突板１４は、後に詳しく述べるが、燃料噴射によって生成された混合気や火炎を衝突させて小型酸化触媒１１に導入し易くするためのものである。

エンジンには、これを総括的に制御するための制御手段たる電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１００が設けられている。ＥＣＵ１００は、エンジン制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータを記憶するＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するＲＡＭ、外部との間で信号を入出力するための入出力ポート等を備えて構成される。

ＥＣＵ１００には、上述したエアフローメータ４の他、エンジンのクランク角を検出するためのクランク角センサ１５と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ１６とが接続されている。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ１５の出力値に基づいてエンジン回転数を算出し、アクセル開度センサ１６の出力値に基づいてエンジンに対する要求負荷を算出する。

また、排気管３におけるバーナー装置８の前後の位置に、上流側排気温センサ１７と下流側排気温センサ１８とが設けられ、これら上流側排気温センサ１７と下流側排気温センサ１８とがＥＣＵ１００に接続されている。これらセンサは排気ガスの温度を検出するためのものである。

排気管３におけるバーナー装置８の上流側には酸素濃度センサ１９が設けられている。酸素濃度センサ１９は排気ガスの酸素濃度を検出するためのものであり、例えばリニアＡ／ＦセンサやＯ２センサ等から構成することができる。

ＥＣＵ１００には、筒内噴射弁５、燃料添加弁９およびグロープラグ１０が接続され、これらがＥＣＵ１００によって制御される。

さて、かかるバーナー装置８は、主にエンジンの冷間始動後の暖機中に、メインの排気処理装置である酸化触媒６およびＮＯｘ触媒７（特に上流側の酸化触媒６）をできるだけ早く活性化させるために使用ないし作動される。なお暖機中でなくても、酸化触媒６およびＮＯｘ触媒７の温度が低下し、これらが未活性になったときに、バーナー装置８が使用ないし作動される。

バーナー装置８の作動時、燃料添加弁９とグロープラグ１０がオンされ、燃料添加弁９から排気通路内に噴射ないし添加された燃料が、排気ガス（特にこれに含まれる酸素）と混合して混合気をなす。この混合気が、グロープラグ１０による加熱効果と相俟って着火、燃焼し、これにより火炎を含む加熱ガスが生成される。この加熱ガスは、周囲の排気ガスと混合しつつ、酸化触媒６とＮＯｘ触媒７を順次加熱し、昇温する。

一旦酸化触媒６が活性化してしまえば、後は排気ガス中のＣＯ，ＨＣを酸化触媒６で酸化、燃焼させ、その酸化熱で酸化触媒６の高温を維持すると共に、酸化触媒６から高温なガスを排出させることができる。そしてこの高温ガスをＮＯｘ触媒７に送ってＮＯｘ触媒７を活性化させることができる。少なくとも酸化触媒６が活性化してしまえば、バーナー装置８を停止することが可能である。

このバーナー装置８の作動時、小型酸化触媒１１は始めのうちは低温かつ未活性である。しかし、周囲の排気ガスや、火炎を含む加熱ガスにより徐々に加熱され、昇温し、活性に近づいていく。小型酸化触媒１１の容量は小さく、小型酸化触媒１１の周囲を流れるガスに比べ触媒内通路１１Ａを流れるガスの流速は遅い。よって小型酸化触媒１１は、比較的早期に、特に酸化触媒６よりも早く活性化することができる。

一旦小型酸化触媒１１が活性化してしまえば、後は酸化触媒６と同様、排気ガス中のＣＯ，ＨＣを小型酸化触媒１１で酸化、燃焼するのと同時に、導入した添加燃料Ｆと酸素の混合気をも小型酸化触媒１１で酸化、燃焼することができる。特に後者の酸化熱により、小型酸化触媒１１は急速にしかも著しい高温まで温度上昇する。小型酸化触媒１１により混合気を燃焼させて火炎を生成することもできる。こうしてできた小型酸化触媒１１からの高温な加熱ガスを利用して酸化触媒６の暖機、活性化を一層促進することができる。

また、小型酸化触媒１１は、導入した混合気の燃料成分を改質する機能をも有する。具体的には、燃料成分中の炭素数の多い炭化水素が分解して、炭素数が少なく反応性の高い炭化水素が生成され、これによって燃料成分が反応性の高いものに改質される。この改質された燃料成分は、未改質のものに比べ、下流側の酸化触媒６においてより容易に酸化可能であるので、酸化触媒６の早期活性化を大いに助ける。

このように、例えばエンジン始動後の暖機中であって、小型酸化触媒１１も酸化触媒６も未活性であるときには、下流側の酸化触媒６よりも先にあるいは優先して上流側の小型酸化触媒１１を活性化させるのが好ましい。より言えば、酸化触媒６よりも小型酸化触媒１１に加熱ガスをより積極的に供給し、この加熱ガスで小型酸化触媒１１をより積極的に加熱するのが好ましい。

他方、小型酸化触媒１１が活性化した後には、小型酸化触媒１１よりも酸化触媒６に加熱ガスをより積極的に供給し、この加熱ガスで酸化触媒６をより積極的に加熱し、酸化触媒６の暖機を促進するのが好ましい。

一般的に、添加燃料の着火点の位置は何等制御されない。そのため、小型酸化触媒１１に加熱ガスを積極的に供給したい場合であっても、実際に酸化触媒６に積極的に加熱ガスが供給されてしまったり、その逆のことが起こる可能性がある。よって小型酸化触媒１１と酸化触媒６の暖機を効率良く行うことが困難である。

しかしながら、本実施形態では、添加燃料の着火点の位置を制御し、小型酸化触媒１１と酸化触媒６の暖機を効率良く行うことを可能としている。以下、この点について詳しく述べる。

本実施形態では、ＥＣＵ１００が、所定の単位時間当たりに燃料添加弁９から添加される燃料の量（以下、単位時間当たり燃料添加量ともいう）を制御し、これにより添加燃料Ｆが着火する着火点の位置を制御する。

図２において、（Ａ１）には燃料添加弁９の開弁駆動の様子を示し、（Ａ２）には（Ａ１）の開弁駆動に対応した添加燃料の着火の様子を示す。（Ｂ１）および（Ｂ２）も同様の様子を示す。但し（Ａ１）および（Ａ２）は単位時間当たり燃料添加量が多い場合、（Ｂ１）および（Ｂ２）は単位時間当たり燃料添加量が少ない場合である。

（Ａ１）および（Ｂ１）に示すように、ＥＣＵ１００は、燃料添加弁９に周期的なパルス信号を送って燃料添加弁７を間欠的に開弁駆動し、燃料添加弁９から間欠的に燃料を添加させる。言い換えれば、ＥＣＵ１００は、燃料添加弁９のオンとオフを交互に繰り返し、燃料添加弁９の開弁と閉弁、すなわち燃料添加の実行と停止を交互に繰り返す。

（Ａ１）、（Ｂ１）の両場合ともに、開弁時の燃料噴射率ｑ（ｍｍ^３／ｓ）はｑ０で一定であり、開弁時間もＴ１（ｓ）で一定である。１回の開弁あるいは添加当たりにＱ１＝ｑ０×Ｔ１の燃料が添加される。ここで燃料噴射率ｑは、単位は同じであるが、単位時間当たり燃料添加量とは別種の値であることに留意すべきである。燃料噴射率ｑは噴射圧力や噴孔径等の諸元によって変化する値である。

しかしながら、単位時間当たり燃料添加量が多い（Ａ１）の場合には、それが少ない（Ｂ１）の場合に比べ、添加停止時間すなわち添加間隔が短くなる。（Ａ１）の場合の添加間隔は一定のＴ０ａであるが、（Ｂ１）の場合の添加間隔は一定で且つＴ０ａより長いＴ０ｂである。

例えば（Ａ１）に示す５添加の開始から終了までの時間を単位時間Ｔｕとした場合、（Ａ１）の場合の単位時間当たり燃料添加量は５×Ｑ１である。これに対し、（Ｂ１）の例では同一の単位時間Ｔｕ内に３添加しか行われていない。よって単位時間当たり燃料添加量は３×Ｑ１であり、（Ａ１）の場合より少ない。

なお、単位時間当たり燃料添加量の制御に関しては、このような単位時間Ｔｕ内の添加間隔を制御する方法に代えてあるいはこれに加えて、単位時間Ｔｕ内における１添加当たりの添加量を制御する方法も可能である。例えば、単位時間当たり燃料添加量が多い場合と少ない場合とで添加間隔を等しくし、同数の添加を行い、且つ前者の燃料噴射率を後者より大きくすることで、前者の単位時間当たり燃料添加量を後者より多くすることができる。あるいは、前者の開弁時間を後者より長くし、その分前者の添加間隔を後者の添加間隔より短くすることで、同数の添加を維持したまま、前者の単位時間当たり燃料添加量を後者より多くすることができる。

次に、例えば（Ａ１）に示すような単位時間当たり燃料添加量が多い場合の着火点の位置を説明する。（Ａ２）に示すように、燃料添加が実行されると、添加燃料Ｆは排気ガスによって下流側に流され拡散しながら、グロープラグ１０の周辺の比較的広い領域に、酸素濃度の低いリッチな混合気Ｍを形成する。この混合気Ｍは、オンされているグロープラグ１０によって加熱されているものの、このままでは酸素不足の状態にあり、直ちに着火することはできない。混合気Ｍは、排気ガスによって下流側に流されながら徐々に拡散し、酸素濃度を高め、リーンな空燃比となっていく。空燃比が着火に適した値になった位置および時点で、着火が起こり、図示するような着火点Ｘが生じる。一旦着火されれば、火炎Ｈが生成され、火炎Ｈが排気ガスによって下流側の酸化触媒６に向けて流される。

排気管３の長手方向あるいは排気流れ方向に沿ったグロープラグ１０の位置をＺ１で示し、着火点Ｘの位置をＺ３で示す。特に着火点Ｘは上部外周通路１２Ａまたはその延長線上で発生する傾向にある。この経路上を添加燃料Ｆおよび混合気Ｍの大部分が進行するからである。（Ａ２）の例では、着火点位置Ｚ３は小型酸化触媒１１の前端入口面１１Ｂの直前にある。

他方、（Ｂ１）に示すような単位時間当たり燃料添加量が少ない場合の着火点の位置を説明する。（Ｂ２）に示すように、燃料添加が実行されると、添加燃料Ｆは排気ガスによって下流側に流され拡散しながら、グロープラグ１０の周辺の比較的狭い領域に、酸素濃度の低いリッチな混合気Ｍを形成する。この混合気Ｍも、オンされているグロープラグ１０によって加熱されているものの、このままでは酸素不足の状態にあり、直ちに着火することはできない。混合気Ｍは、排気ガスによって下流側に流されながら徐々に拡散し、酸素濃度を高め、リーンな空燃比となっていく。

しかし、元々単位時間当たり燃料添加量が少ないこともあって、この場合の混合気Ｍの空燃比は比較的早期に着火に適した値になる。よって（Ａ２）の場合よりも前方の位置Ｚ２で着火が起こり、図示するような着火点Ｘが生じる。あとは同様に、火炎Ｈが生成され、火炎Ｈが排気ガスによって下流側の酸化触媒６に向けて流される。

単位時間当たり燃料添加量を変えることで、グロープラグ１０の周辺の混合気濃度分布若しくは酸素濃度分布が変わることが、上述の説明から理解されるであろう。

（Ｂ２）の場合の着火点Ｘの位置Ｚ２は、（Ａ２）の場合の着火点位置Ｚ３よりも前方あるいは上流側である。着火点Ｘが上部外周通路１２Ａまたはその延長線上に発生する傾向にある点は前記同様である。（Ｂ２）の例において、着火点位置Ｚ２は、小型酸化触媒１１の前端入口面１１Ｂから比較的離れた前方にある。なお（Ａ２）の例においても着火点位置Ｚ３は小型酸化触媒１１の前端入口面１１Ｂより前方にあるが、比較的近接した位置にある。

このように、単位時間当たり燃料添加量を制御することで、排気流れ方向に沿った着火点Ｘの位置を制御することが可能である。例えば小型酸化触媒１１に加熱ガスを積極的に供給したい場合には、（Ｂ２）に示すように着火点Ｘの位置を前方位置Ｚ２に制御することで、着火点Ｘに続く火炎を矢印Ｈ１で示すように小型酸化触媒１１に積極的に導き、小型酸化触媒１１の暖機を促進することができる。逆に、下流側の酸化触媒６に加熱ガスを積極的に供給したい場合には、（Ａ２）に示すように着火点Ｘの位置を後方に制御することで、着火点Ｘに続く火炎Ｈを酸化触媒６に積極的に導き、酸化触媒６の暖機を促進することができる。

こうして、小型酸化触媒１１と酸化触媒６に対する加熱ガスもしくは火炎の供給バランスを変えることができ、小型酸化触媒１１と酸化触媒６の暖機を効率良く行うことが可能である。

ここで、試験による検証の結果を説明する。まず図３に、混合気の空燃比（横軸）と、当該混合気が燃焼して得られる火炎の温度（縦軸）との理論上の関係を示す。理論上、空燃比が増大する（リーン側に変化する）につれ、火炎温度はストイキ（理論空燃比、図示例では１４．５）をピークに減少するはずであり、図３にはそのような関係が示されている。

図４に、試験結果から得られた、グロープラグ１０の位置における混合気の空燃比（横軸）と、小型酸化触媒１１の前端面上端の測温点（図２（Ｂ２）に点Ｐで示す）で測定した最大温度（縦軸）との関係を示す。この結果によれば、上記理論に反して、空燃比が増大するにつれ、測温点最大温度は単調増加している。この結果から、空燃比が増大するほど、すなわち単位時間当たり燃料添加量が少ないほど、着火点Ｘの位置が前方に移動し、小型酸化触媒１１がより大きく加熱されることが理解できる。

次に、本実施形態の具体的な制御を図５を参照して説明する。図示する制御ルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期で繰り返し実行される。例えば演算周期を図２に示した単位時間Ｔｕと等しくすることができる。単位時間Ｔｕは例えば１秒とすることができる。

ステップＳ１０１では、エアフローメータ４により検出された吸入空気量Ｇａの値が取得される。この吸入空気量Ｇａの値は、排気ガス流量の代用値として使用される。

ステップＳ１０２では、酸素濃度センサ１９により検出された排気ガスの酸素濃度（排気酸素濃度）Ｃの値が取得される。

なお本実施形態では排気酸素濃度を酸素濃度センサ１９により直接検出しているが、それをＥＣＵ１００により推定するようにしてもよい。この場合、例えば吸入空気量Ｇａおよび筒内への燃料噴射量に基づき排気酸素濃度が推定される。このほか、ＥＧＲが実行されている場合のＥＧＲ弁開度、ノズル可変式ターボチャージャが設けられている場合のノズルベーン開度等を推定パラメータに含めてもよい。

ステップＳ１０３では、酸化触媒６の活性状態が判定され、すなわち酸化触媒６が未活性か否かが判定される。

この判定は、酸化触媒６の温度に基づいてなされる。酸化触媒６の温度は、温度センサで直接検出してもよいが、本実施形態では、酸化触媒６の手前に設けられた下流側排気温センサ１８の検出値に基づき推定される。この推定方法は既に公知であるので説明を省略する。

酸化触媒６の推定温度が所定の活性下限値以上であれば、酸化触媒６は活性と判定され、酸化触媒６の推定温度が活性下限値未満であれば、酸化触媒６は未活性と判定される。

酸化触媒６が活性と判定された場合、バーナー装置８を作動させる必要がないので、ルーチンが終了される。他方、酸化触媒６が未活性と判定された場合には、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、小型酸化触媒１１の活性状態が判定され、すなわち小型酸化触媒１１が未活性か否かが判定される。

この判定も小型酸化触媒１１の温度に基づいてなされる。小型酸化触媒１１の温度は、温度センサで直接検出してもよいが、本実施形態では、小型酸化触媒１１の前後に設けられた上流側排気温センサ１７および下流側排気温センサ１８の少なくとも一方の検出値に基づき推定される。

例えば、今回の演算時期における小型酸化触媒１１の浄化率Ｊが所定のマップから算出される。浄化率Ｊは、小型酸化触媒１１の上流側の排気温と、排気ガス流量の代用値である吸入空気量Ｇａとの関数として予め定められている。ＥＣＵ１００は、上流側排気温センサ１７で検出された排気温と、ステップＳ１０１で取得した吸入空気量Ｇａとに対応した浄化率Ｊをマップから算出する。

また、前回の演算時期から今回の演算時期までの間の１演算周期内に燃料添加弁９から添加された燃料量Ｑｆが算出されると共に、当該１演算周期内にエンジンから排出されたＨＣ量Ｑｈｃが、エンジン運転状態（例えばエンジン回転数とアクセル開度）に基づき所定のマップを利用して推定される。

次いで、次式（１）に基づき、当該１演算周期内における小型酸化触媒１１の温度変化量ΔＴｃが算出される。式中のＫｈは所定の発熱係数である。

この１演算周期内の温度変化量ΔＴｃを演算時期毎に積算することにより、小型酸化触媒１１の温度が推定される。

なお、小型酸化触媒１１の温度推定方法はこれに限らず、様々な推定方法が可能である。上流側排気温センサ１７および下流側排気温センサ１８の検出値の差分に基づき小型酸化触媒１１の温度を推定してもよい。

ステップＳ１０４において、小型酸化触媒１１の推定温度が所定の活性下限値未満であれば、小型酸化触媒１１は未活性と判定され、ステップＳ１０５に進む。他方、小型酸化触媒１１の推定温度が活性下限値以上であれば、小型酸化触媒１１は活性と判定され、ステップＳ１０９に進む。

小型酸化触媒１１が未活性と判定された場合、まずステップＳ１０５において、未活性時における単位時間当たり燃料添加量の基本値（以下、未活性時基本添加量という）が、ＥＣＵ１００の所定の記憶領域から読み出され、取得される。特にこの未活性時基本添加量は、後述する活性時における単位時間当たり燃料添加量の基本値（以下、活性時基本添加量という）より小さい値である。

次に、ステップＳ１０６において、未活性時基本添加量が、ステップＳ１０１で取得された吸入空気量Ｇａの値に基づき補正される。この補正によれば、吸入空気量Ｇａの値が大きいほど未活性時基本添加量の値が大きくなるように、未活性時基本添加量が補正される。

吸入空気量Ｇａの値が大きいほど、排気ガス流量が多くなり、所望の混合気空燃比を得るためには単位時間当たり燃料添加量を多くする必要がある。そこでこのような補正を実行することで、排気ガス流量に拘わらず常に所望の混合気空燃比を得ることが可能となる。

次に、ステップＳ１０７において、未活性時基本添加量が、ステップＳ１０２で取得された排気酸素濃度Ｃの値に基づき、さらに補正される。この補正によれば、排気酸素濃度Ｃの値が大きいほど未活性時基本添加量の値が大きくなるように、未活性時基本添加量が補正される。

排気酸素濃度が高いほど、所望の混合気空燃比を得るためには単位時間当たり燃料添加量を多くする必要がある。そこでこのような補正を実行することで、排気酸素濃度に拘わらず常に所望の混合気空燃比を得ることが可能となる。

次に、ステップＳ１０８において、吸入空気量Ｇａおよび排気酸素濃度Ｃにより補正された未活性時基本添加量（補正後添加量）に等しい単位時間当たり燃料添加量が実際に燃料添加弁９から添加される。そしてグロープラグ１０がオンされ、バーナー装置８は作動状態とされる。この後ルーチンが終了される。

他方、ステップＳ１０４で小型酸化触媒１１が活性と判定された場合、まずステップＳ１０９において、活性時基本添加量がＥＣＵ１００の所定の記憶領域から読み出され、取得される。

次に、ステップＳ１１０において、活性時基本添加量が、ステップＳ１０１で取得された吸入空気量Ｇａの値に基づき補正される。この補正においても、吸入空気量Ｇａの値が大きいほど活性時基本添加量の値が大きくなるように、活性時基本添加量が補正される。

次に、ステップＳ１１１において、活性時基本添加量が、ステップＳ１０２で取得された排気酸素濃度Ｃの値に基づき補正される。この補正においても、排気酸素濃度Ｃの値が大きいほど活性時基本添加量の値が大きくなるように、活性時基本添加量が補正される。

次に、ステップＳ１１２において、補正された活性時基本添加量（補正後添加量）に等しい単位時間当たり燃料添加量が実際に燃料添加弁９から添加される。そしてグロープラグ１０がオンされ、バーナー装置８は作動状態とされる。この後ルーチンが終了される。

上記制御によれば、次のような作用効果がもたらされる。まず、上記制御によれば、小型酸化触媒１１が未活性であると判定されたとき（ステップＳ１０４：イエス）、小型酸化触媒１１が活性である場合に比べ、単位時間当たり燃料添加量が少なくされる。なぜなら未活性時基本添加量が活性時基本添加量より少ないからである。なおその後の吸入空気量Ｇａおよび排気酸素濃度Ｃによる補正は、小型酸化触媒１１の未活性時と活性時とで同程度行われることから、両者の大小関係に影響を及ぼさない。これにより、図２（Ｂ１）、（Ｂ２）に示した如く、着火点Ｘの位置が、グロープラグ１０により近づいた前方の位置Ｚ２に制御される。

すると、図２（Ｂ２）に矢印Ｈ１で示す如く、着火点Ｘで発生した火炎を小型酸化触媒１１（特にその前端面１１Ｂ）に積極的且つ直接的に導入することができる。言い換えれば、着火点Ｘで発生した火炎において、上部外周通路１２Ａに向かう火炎Ｈの割合と、小型酸化触媒１１に向かう火炎Ｈ１の割合とを考えた場合、後者の割合を、小型酸化触媒１１が活性である場合に比べ多くすることができる。これにより、小型酸化触媒１１の加熱および暖機を促進し、その早期活性化を図ることが可能となる。

このときにも、上部外周通路１２Ａに向かう火炎Ｈがある程度の割合で存在するので、当該火炎Ｈによる酸化触媒６の加熱効果を同時に担保できる。但し、このときには小型酸化触媒１１が酸化触媒６より優先して加熱される。

なお、小型酸化触媒１１の各セルが比較的微小であり、その前端面１１Ｂに火炎Ｈ１が直接供給されても、火炎Ｈ１が前端面１１Ｂの位置で消炎されてしまい、火炎Ｈ１が各セル（触媒内部）を通過し得ない場合がある。この場合、火炎Ｈ１が各セルを通過できる場合に比べ昇温効率が低下するが、それでも、消炎後の極めて高温なガスが各セルを通過するので、十分な昇温効率を担保することが可能である。

また、グロープラグ１０付近の前方位置Ｚ２で着火が行われ、火炎が発生することから、当該火炎によりグロープラグ１０の先端の発熱部を加熱し、その温度低下を抑制することができる。そしてこの温度低下に起因する問題も回避することができる。

すなわち、図２（Ｂ２）に示す如く燃料添加弁９からグロープラグ１０に向けて燃料添加を行うと、グロープラグ１０の発熱部の熱が燃料の気化潜熱により奪われ、発熱部の温度が低下することがある。これは着火効率および燃焼安定性の低下をもたらす。発熱部の温度を維持するため、グロープラグ１０への印加電圧を上げなければならないこともあり、これは燃費の悪化をもたらす。

しかし、グロープラグ１０付近の前方位置Ｚ２で火炎を発生させることで発熱部の温度低下を抑制することができる。発熱部の温度が維持されれば、着火効率および燃焼安定性が担保され、印加電圧増大も不要となり、燃費悪化を防止することができる。

さらに、前方位置Ｚ２は燃料添加弁９からも近いので、この位置で火炎を生成させることにより、燃料添加弁９（特にその噴孔）およびその付近の箇所を加熱昇温し、当該箇所に堆積した煤を火炎で燃焼除去できるという効果もある。これにより特に、燃料添加弁９の噴孔の煤による詰まりを防止できる。

この煤焼却効果に関し、図５を参照して説明した小型酸化触媒１１および酸化触媒６の暖機制御とは別に（つまりこれらの暖機後であっても）、煤焼却を目的とした別個の制御を定期的に行ってもよい。すなわち、比較的少ない所定値以下の単位時間当たり燃料添加量で燃料添加弁９により燃料添加を行わせ、且つグロープラグ１０をオンする（加熱手段を作動させる）というバーナー装置８の制御を定期的に行ってもよい。

他方、上記制御によれば、小型酸化触媒１１が活性であると判定されたとき（ステップＳ１０４：ノー）、小型酸化触媒１１が未活性である場合に比べ、単位時間当たり燃料添加量が多くされる。なぜなら活性時基本添加量が未活性時基本添加量より多いからである。これにより、図２（Ａ１）、（Ａ２）に示した如く、着火点Ｘの位置が、グロープラグ１０からより離れた後方の位置Ｚ３に制御される。

すると、図２（Ａ２）に示す如く、着火点Ｘで発生した火炎Ｈを上部外周通路１２Ａに積極的に向かわせ、且つ酸化触媒６に積極的に供給することができる。言い換えれば、上部外周通路１２Ａに向かう火炎Ｈの割合を、小型酸化触媒１１に向かう火炎Ｈ１の割合より多くすることができる。これにより、酸化触媒６の加熱および暖機を促進し、その早期活性化を図ることが可能となる。酸化触媒６は、小型酸化触媒１１より優先して加熱される。

また、小型酸化触媒１１に向かう火炎Ｈ１の割合を少なくし、ひいてはそのような火炎Ｈ１をほぼ無くすこともできるので、小型酸化触媒１１の過昇温を抑制できるという効果もある。

すなわち、小型酸化触媒１１が活性であるときには、もはや小型酸化触媒１１に火炎Ｈ１を供給する必要はなく、逆に供給してしまうと小型酸化触媒１１の前端面１１Ｂが過昇温する虞がある。上記制御によれば、小型酸化触媒１１が活性化した後は小型酸化触媒１１に対する加熱効果が著しく減少されるので、かかる問題を回避できる。

なお、小型酸化触媒１１が未活性で着火点位置が前方位置Ｚ２に制御されているときであっても、小型酸化触媒１１の前端面１１Ｂに火炎Ｈ１が直接当たることで、当該前端面１１Ｂが過昇温に陥ることがある。よって、小型酸化触媒１１の前端面１１Ｂあるいはその付近の温度を温度センサにより検出し、この検出温度が所定値以上となったら単位時間当たり燃料添加量を多くし、着火点位置を後方位置Ｚ３に移動してもよい。これにより小型酸化触媒１１の前端面１１Ｂの過昇温を防止することができる。

上記制御によれば、小型酸化触媒１１と酸化触媒６の両方が未活性であるとき（Ｓ１０３，Ｓ１０４が共にイエス）、着火点位置を前方位置Ｚ２に制御し、小型酸化触媒１１を酸化触媒６に優先して加熱することができる。これにより小型酸化触媒１１を酸化触媒６より先に活性化させることができる。

また小型酸化触媒１１が活性で且つ酸化触媒６が未活性であるときには（Ｓ１０３がイエスでＳ１０４がノー）、着火点位置を後方位置Ｚ３に制御し、酸化触媒６を小型酸化触媒１１に優先して加熱し、酸化触媒６の暖機を促進できる。よって、小型酸化触媒１１と酸化触媒６の暖機を順次効率良く行うことが可能である。

本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば小型酸化触媒の下流側に配置される排気処理装置の数、種類、配列順序等は任意である。

以上、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、クレームされた発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。本発明の実施態様は上述の各態様のみに限らず、本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含む。したがって本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

Claims (11)

1. 排気通路に設けられた排気処理装置と、
   前記排気処理装置の上流側に設けられ、排気温度を昇温させるためのバーナー装置と、
   前記バーナー装置を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記バーナー装置は、前記排気通路内に燃料を添加する燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料を加熱する加熱手段と、前記加熱手段の下流側の前記排気通路内に設けられた小型酸化触媒とを含み、
   前記制御手段は、所定の単位時間当たりに前記燃料添加弁から添加される燃料の量を制御し、これにより添加燃料が着火する着火点の位置を制御する
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記小型酸化触媒の活性状態を判定する判定手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記制御手段は、前記判定手段により前記小型酸化触媒が未活性であると判定されたとき、前記小型酸化触媒が活性である場合に比べ、前記単位時間当たりの燃料添加量を少なくし、これにより前記着火点の位置を前記加熱手段により近づいた位置に制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記制御手段は、前記判定手段により前記小型酸化触媒が活性であると判定されたとき、前記小型酸化触媒が未活性である場合に比べ、前記単位時間当たりの燃料添加量を多くし、これにより前記着火点の位置を前記加熱手段からより離れた位置に制御する
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関。
5. 前記判定手段は、前記排気処理装置の活性状態をも判定し、
   前記制御手段は、前記判定手段により前記小型酸化触媒および前記排気処理装置が未活性であると判定されたとき、前記小型酸化触媒が活性である場合に比べ、前記単位時間当たりの燃料添加量を少なくし、これにより前記着火点の位置を前記加熱手段により近づいた位置に制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
6. 前記制御手段は、前記判定手段により前記小型酸化触媒が活性で前記排気処理装置が未活性であると判定されたとき、前記小型酸化触媒が未活性である場合に比べ、前記単位時間当たりの燃料添加量を多くし、これにより前記着火点の位置を前記加熱手段からより離れた位置に制御する
   ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記制御手段は、排気ガス流量が多いほど前記単位時間当たりの燃料添加量を多くする
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
8. 前記制御手段は、排気ガスの酸素濃度が高いほど前記単位時間当たりの燃料添加量を多くする
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関。
9. 前記制御手段は、前記着火点の位置を、前記小型酸化触媒の前端面より前方の位置に制御する
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関。
10. 前記制御手段は、前記燃料添加弁およびその付近の箇所に堆積した煤を燃焼除去すべく、定期的に、比較的少ない所定値以下の前記単位時間当たりの燃料添加量で前記燃料添加弁により燃料添加を行わせ、且つ前記加熱手段を作動させる
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の内燃機関。
11. 前記制御手段は、前記燃料添加弁を間欠的に開弁駆動して前記燃料添加弁から間欠的に燃料を添加させると共に、１添加当たりの添加量および添加間隔の少なくとも一方を制御することにより、前記単位時間当たりの燃料添加量を制御する
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の内燃機関。

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