JP5287794B2

JP5287794B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP5287794B2
Application number: JP2010121820A
Authority: JP
Inventors: 繁洋松野; 勝紀古賀
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: JP2011247195A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、燃料添加弁により未燃燃料を排気通路に添加することによって、排気通路に設置されたパティキュレートフィルタを再生する排気浄化装置に関する。

従来より、自動車等に搭載されるディーゼルエンジンを駆動した際に排出される排気ガス中には、カーボンを主成分とする粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：以下「ＰＭ」という。）が含まれており、これが大気汚染の原因になる。

ＰＭが大気中に排出されることを防止する装置として、ディーゼルエンジンの排気通路に設置されるパティキュレートフィルタが知られている。このパティキュレートフィルタによって排気通路を通過する排気ガス中に含まれるＰＭを捕集することで排気ガスの浄化を図っている。

パティキュレートフィルタを用いてＰＭの捕集を行う場合、捕集したＰＭの堆積量が増大するとパティキュレートフィルタに目詰まりが生じてしまう。パティキュレートフィルタに目詰まりが生じると、パティキュレートフィルタを通過する排気の圧力損失が増大し、それに伴ってエンジン出力の低下や燃費の悪化を招いてしまう。

このような目詰まりを解消するため、従来より、パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭの捕集量（堆積量）が所定量に達した際に、フィルタ再生動作が行われるようになっている。このフィルタ再生動作は、排気温度を上昇させる等の手法によりフィルタ温度を高温化することで、パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭを燃焼させて除去するものである（例えば特許文献１を参照。）。例えば、エンジンの燃焼室に対する主燃料噴射後で排気弁が閉じられる前に少量の燃料を副次的に噴射するポスト噴射と、エンジンの排気通路においてパティキュレートフィルタより下流に設けられた排気絞り弁の絞り動作とが組み合わされて実行されることが挙げられる。これにより、排気通路に未燃燃料を供給すると共に排気温度を上昇させ、パティキュレートフィルタに捕集されているＰＭを燃焼除去し、パティキュレートフィルタを再生する。

また、特許文献２に開示されている内燃機関の排気浄化装置では、エンジンの排気通路においてターボチャージャのタービンの下流側直後に、燃料添加弁および前段酸化触媒が設けられ、さらにその前段酸化触媒の下流側に一定の距離をおいて酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタが設けられている。この内燃機関の排気浄化装置では、フィルタ再生動作として、燃料添加弁から排気通路に燃料を添加し、その燃料の一部が前段酸化触媒において酸化反応を起こして排気温度を上昇させ、更に、燃料の余部が下流側のパティキュレートフィルタにおいて酸化反応を起こし、パティキュレートフィルタの温度を上昇させて、捕集されているＰＭを燃焼除去する。

特開２００４−１６２６７５号公報特開２００９−７９７７号公報

ところが、特許文献２に開示されている内燃機関の排気浄化装置のように、フィルタ再生動作に際して、排気通路に未燃燃料を供給するものでは、前段酸化触媒が熱劣化していると、前段酸化触媒において酸化反応による排気温度の上昇が不十分となり、前段酸化触媒とパティキュレートフィルタとの間の排気通路に、液化した未燃燃料が付着して、溜まりを形成することがある。そうなると、排気通路を形成する排気管の腐食、白煙の発生、パティキュレートフィルタの溶損といったことが懸念される。

本発明はかかる問題に鑑みて創案されたものであり、排気通路に上流側から順に燃料添加弁、酸化触媒およびパティキュレートフィルタが設けられた内燃機関の排気浄化装置において、酸化触媒が熱劣化しても酸化触媒とその酸化触媒と一定の距離をおいて設けられたパティキュレートフィルタとの間の排気通路内に未燃燃料が溜まることを抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するための手段として、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下のように構成されている。

すなわち、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燃料を添加する燃料添加弁と、前記排気通路において前記燃料添加弁が燃料を添加する位置より下流側に設けられた酸化触媒と、前記排気通路において前記酸化触媒より下流側に一定の距離をおいて設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、前記燃料添加弁による排気通路内への燃料の添加を伴うフィルタ再生制御を実行するフィルタ再生制御手段を有する制御装置と、を備えるものを前提としており、前記制御装置は、前記酸化触媒より下流側で排気温度を検出する排気温度検出手段と、内燃機関の冷却水の温度を検出する冷却水温検出手段と、内燃機関の燃焼モードを、第１再生燃焼モード又は、第１再生燃焼モードより内燃機関直後の排気温度が高くなる第２再生燃焼モードに切替可能な燃焼モード切替手段と、をさらに有する。そして、前記燃焼モード切替手段は、前記フィルタ再生制御中に、前記排気温度検出手段により検出される排気温度が所定の閾値以上又は前記冷却水温検出手段により検出される内燃機関の冷却水の温度が所定の閾値以下である場合には、内燃機関の燃焼モードを前記第１再生燃焼モードとし、前記フィルタ再生制御中に、前記排気温度検出手段により検出される排気温度が前記排気温度の所定の閾値未満であり、かつ前記冷却水温検出手段により検出される内燃機関の冷却水の温度が前記冷却水温度の所定の閾値を超える場合には、内燃機関の燃焼モードを前記第２再生燃焼モードとする、ことを特徴とするものである。

フィルタ再生制御中であるにもかかわらず、酸化触媒とパティキュレートフィルタとの間の排気温度が所定の閾値未満である場合は、酸化触媒が熱劣化して酸化触媒とパティキュレートフィルタとの間の排気通路内に未燃燃料が付着していると推定することができる。本発明の内燃機関の排気浄化装置は、そのような場合に、燃焼モードを排気温度の高い第２再生燃焼モードとすることで、酸化触媒とパティキュレートフィルタとの間の排気温度を上昇させ、排気通路に付着している未燃燃料を気化して除去させることができる。

但し、内燃機関の冷間始動時のように冷却水の温度が低い場合は、排気温度も当然に低くなり、酸化触媒が熱劣化していなくても酸化触媒とパティキュレートフィルタとの間の排気温度は当然に低くなるため、この時点で排気温度を上げる必要性は乏しい。これに対し、上記構成を備える内燃機関の排気浄化装置によれば、このような場合に、燃焼モードを第１再生燃焼モードとすることができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、上記構成を備える内燃機関の排気浄化装置において、排気再循環装置をさらに備え、前記第２再生燃焼モードにおける排気再循環量が前記第１再生燃焼モードにおける排気再循環量より少ないものであることが望ましい。

例えば、前記第２再生燃焼モードは、排気再循環の停止を伴う燃焼モードである。

前記燃料添加弁は、例えば、前記排気通路においてターボチャージャのタービンより下流側に燃料を添加するものである。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、酸化触媒とパティキュレートフィルタとの間の排気通路に未燃燃料が付着したり、溜まりを形成することが抑制される。

エンジンおよびその吸排気系の概略構成を示す図である。エンジンＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。フィルタ再生制御等の手順を示すフローチャートである。エンジン負荷およびエンジン回転数をパラメータとした燃焼モードの実行前提条件を判定するためのテーブルである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒ディーゼルエンジン（圧縮自着火式内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。

−エンジンの構成−
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」という。）の概略構成について説明する。図１は本実施形態に係るエンジン１およびその吸排気系の概略構成図である。

この図１に示すように、本実施形態に係るエンジン１は、基本的には、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合して成る混合気を燃焼室２で燃焼させた後、その排気ガスを、排気系を経て大気に放出するようになっている。

上記吸気系は、シリンダヘッドに形成された吸気ポート３に接続されるインテークマニホールド２１に吸気管２２を接続して形成される吸気通路を備え、この吸気通路に、その空気流通方向上流側から順にエアクリーナ２３、スロットルバルブ２４を配置した構成となっている。

上記燃料供給系は、燃料供給路３１に、その燃料供給方向上流側から順に燃料タンク３２、サプライポンプ３３、コモンレール３４、複数の燃料噴射弁（インジェクタ）３５，３５，…を配置した構成となっている。サプライポンプ３３は、エンジン１の図示しないクランクシャフトによって駆動されるもので、燃料タンク３２から燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を、燃料供給路３１を介してコモンレール３４に供給する。コモンレール３４は、サプライポンプ３３から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁３５，３５，…に分配する。燃料噴射弁３５は、例えば、所定電圧が印加されたときに開弁して、燃焼室２内に燃料を噴射供給する電磁駆動式の開閉弁である。

上記排気系は、シリンダヘッドに形成された排気ポート４に接続されるエキゾーストマニホールド４１に排気管４２を接続して形成される排気通路を有している。排気管４０は、ターボチャージャ５直下流に接続されたアウトレットエルボ４０ａと、このアウトレットエルボ４０ａとフィルタ装置８ｂとを接続するフロントパイプ４０ｂとを含んでいる。

また、エンジン１には、ターボチャージャ（過給機）５、インタークーラ６、排気再循環装置としてのＥＧＲ装置７、前段酸化触媒（酸化触媒）８ａ、フィルタ装置８ｂ、燃料添加弁９が装備されている。

ターボチャージャ５は、周知のように排気ガス圧力を利用して吸入空気を昇圧過給するものであり、主としてコンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッサインペラ５ａと、タービンハウジング内に収容されたタービンホイール５ｂとを備えている。コンプレッサインペラ５ａは、吸気管２２途中に配置されており、タービンホイール５ｂは、エキゾーストマニホールド４１の集合部と排気管４２との間に配置されている。

インタークーラ６は、ターボチャージャ５で昇圧過給した吸入空気を強制的に冷却するものであり、ターボチャージャ５のコンプレッサインペラ５ａとスロットルバルブ２４との間に配置されている。スロットルバルブ２４は、その開度を無段階に調整することが可能な電子制御式の開閉弁であり、所定条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有している。

ＥＧＲ装置７は、排気の一部（ＥＧＲガス）を吸気系に戻して燃焼室２へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ発生量を低減させるものであり、ＥＧＲ通路７ａに、その上流からＥＧＲクーラ７ｂ、ＥＧＲバルブ７ｃを配置した構成である。

上記ＥＧＲクーラ７ｂは、例えばＥＧＲ通路７ａを通過する排気ガスとエンジン１の冷却水との間で熱交換を行うことにより排気ガスの温度を下げる熱交換器からなる。ＥＧＲバルブ７ｃは、ＥＧＲ通路７ａ内を排気系側から吸気系側へ還流される排気ガスの還流量を制御するものである。

前段酸化触媒８ａは、ターボチャージャ５のタービンホイール５ｂより下流側の排気管４２（アウトレットエルボ４０ａ又はフロントパイプ４０ｂ）内に配設されている。

フィルタ装置８ｂは、排気管４２内において前段酸化触媒８ａより下流側に一定の距離をおいて設けられている。フィルタ装置８ｂは、後段酸化触媒８ｂａとこの後段酸化触媒８ｂａに僅かの隙間を空けて連設されたパティキュレートフィルタ８ｂｂとを備えている。

パティキュレートフィルタ８ｂｂには、例えば周知のＤＰＦと呼ばれる、多孔質部材に酸化触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とするもの）を担持させた構成からなる。このパティキュレートフィルタ８ｂｂにおいては、排気中の有害物質を酸化触媒により酸化させて、二酸化炭素と水蒸気に変換し、ＰＭ（粒子状物質）を多孔質部材の微細孔に捕集する。

燃料添加弁９は、排気管４２内のターボチャージャ５のタービンホイール５ｂより下流側かつ前段酸化触媒８ａより上流側で燃料を添加するように設けられている。この燃料添加弁９には、サプライポンプ３３から添加剤供給路５２を介して燃料が供給される。この燃料添加弁９から添加された未燃燃料は、前段酸化触媒８ａにおいて酸化反応を起こし、その反応熱により排気ガス温度を昇温させる。さらに、燃料添加弁９から噴射された未燃燃料は、フィルタ装置８ｂの後段酸化触媒８ｂａにおいても酸化反応を起こし、その反応熱により排気ガス温度を昇温させてパティキュレートフィルタ８ｂｂに捕集されているＰＭを燃焼除去する。

以上の如く構成されたエンジン１の各種動作は、上記エンジンＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１０により制御される。

このエンジンＥＣＵ１０は、例えば図２に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、バックアップＲＡＭ１０４等から構成されている。ＲＯＭ１０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ１０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。これらＲＯＭ１０２、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０３ならびにバックアップＲＡＭ１０４は、双方向性バス１０７によって相互に接続されるとともに、入力インターフェース１０５や出力インターフェース１０６と接続されている。

エンジンＥＣＵ１０は、各種のセンサ類の信号（運転パラメータ：車両の走行状態、エンジン１の運転状態に応じた信号）に基づいて、エンジン１の各種運転を制御するのであるが、本実施形態においては、主としてパティキュレートフィルタ８ｂｂの再生制御等についてのみ説明する。

入力インターフェース１０５には、図２に示すように、水温センサ７１、エアフローメータ７２、吸気温センサ７３、吸気圧センサ７４、Ａ／Ｆ（空燃比）センサ７６、排気温度センサ７７ａ，７７ｂ，７７ｃ、レール圧センサ７８、スロットル開度センサ７９、アクセル開度センサ８０、クランクポジションセンサ８１、差圧センサ８２等が接続されている。

水温センサ７１は、エンジン１の冷却水温に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ７２は、吸気系のスロットルバルブ２４よりも上流において吸入空気の流量（吸入空気量）に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ７３は、インテークマニホールド２１に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ７４は、インテークマニホールド２１に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。Ａ／Ｆセンサ７６は、排気系のフィルタ装置８ｂの下流側において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。

排気温度センサ７７ａは、排気通路の前段酸化触媒８ａより下流側かつパティキュレートフィルタ８ｂｂより上流側で排気温度を検出するように設けられている。本実施形態では、後段酸化触媒８ｂａの近傍上流側に設けられ、後段酸化触媒８ｂａの入口排気温度に応じた検出信号を出力する。なお、排気通路の後段酸化触媒８ｂａとパティキュレートフィルタ８ｂｂとの間、およびパティキュレートフィルタ８ｂｂの近傍下流側にも排気温度センサ７７ｂ，７７ｃがそれぞれ設けられている。

レール圧センサ７８は、コモンレール３４内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ７９は、スロットルバルブ２４の開度を検出する。アクセル開度センサ８０は、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力する。クランクポジションセンサ８１は、エンジン１のクランクシャフト（図示省略）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス信号）を出力する。差圧センサ８２は、後段酸化触媒８ｂａとパティキュレートフィルタ８ｂｂとの間、および、パティキュレートフィルタ８ｂｂの近傍下流側に設けられており、それぞれの圧力に応じた検出信号を出力し、エンジンＥＣＵ１０においてパティキュレートフィルタ８ｂｂの前後の差圧が検出される。

一方、出力インターフェース１０６には、スロットルバルブ２４、燃料噴射弁３５、ＥＧＲバルブ７ｃ、燃料添加弁９等が接続され、エンジン１の運転状態等に応じてこれらバルブが制御されるようになっている。

−フィルタ再生制御−
エンジンＥＣＵ１０は、パティキュレートフィルタ８ｂｂに堆積しているＰＭの量を推定し、その推定量が所定の閾値（パティキュレートフィルタ８ｂｂの再生が必要となる値）を超えていると判定した場合にフィルタ再生フラグをオン状態にし、フィルタ再生モードに移行する。フィルタ再生モードにおいては、パティキュレートフィルタ８ｂｂに捕集されたＰＭを除去すべくフィルタ再生制御が実行される。このフィルタ再生制御においては、パティキュレートフィルタ８ｂｂに捕集されたＰＭを燃焼除去させるために、燃料添加弁９から排気通路内に燃料が噴射される。排気通路内に燃料が噴射されると、その一部が前段酸化触媒８ａにおいて酸化反応（燃焼）を起こして排気温度を上昇させる。さらに、前段酸化触媒８ａで酸化反応しなかった余部の燃料が後段酸化触媒８ｂａおよびパティキュレートフィルタ８ｂｂにおいて酸化反応（燃焼）して排気温度を再び上昇させる。これにより、パティキュレートフィルタ８ｂｂがＰＭを燃焼させるのに必要な温度まで上昇し、パティキュレートフィルタ８ｂｂに捕集されたＰＭが燃焼除去される。

燃料添加弁９から排気通路への燃料添加は、エンジンＥＣＵ１０が、クランクポジションセンサ８１の出力から読み込んだ機関回転数Ｎｅに基づいて、予め実験等により作成されたマップを参照して要求添加量および添加間隔を算出し、その算出結果に応じて燃料添加弁９の開度を制御して行われる。

また、フィルタ再生制御中は、エンジン１の燃焼モードが第１再生燃焼モードとこの第１再生燃焼モードよりエンジン１直後の排気温度が高くなる第２再生燃焼モードとに切替えられる。すなわち、エンジンＥＣＵ１０は、排気温度センサ７７の出力より求まるフィルタ装置８ｂに流入する直前の排気温度が所定の閾値Ｇｔｈ以上ある場合、または、水温センサ７１の出力より求まるエンジン冷却水の温度が所定の閾値Ｗｔｈ以下である場合に、第１再生燃焼モードとし、フィルタ装置８ｂに流入する直前の排気温度が上記閾値Ｇｔｈ未満であり、かつ、エンジン冷却水の温度が上記閾値Ｗｔｈを超える場合に第２再生燃焼モードとする。

本実施形態では、エンジンＥＣＵ１０は、第２再生燃焼モードにおいてＥＧＲ装置７のＥＧＲバルブ７ｃを閉弁して排気再循環を停止し、第１再生燃焼モードにおいて同ＥＧＲバルブ７ｃを開弁して排気再循環を行うようになっている。これにより、第２再生燃焼モードの方が第１再生燃焼モードよりもエンジン１直後の排気温度が高くなるようになっている。なお、第２再生燃焼モードにおいてＥＧＲ装置７による排気再循環を停止させるのではなく、第２再生燃焼モードにおける排気再循環量を第１再生燃焼モードにおける排気再循環量よりも少なくすることにより、第２再生燃焼モードの方が第１再生燃焼モードよりもエンジン１直後の排気温度が高くなるようにしてもよい。

なお、エンジンＥＣＵ１０はパティキュレートフィルタ８ｂｂに堆積していると推定されるＰＭの量が所定の閾値未満であると判定した場合、フィルタ再生モードをＯＦＦ状態にする。フィルタ再生モードをＯＦＦ状態になると、上記第１再生燃焼モードおよび第２再生燃焼モードの何れよりもエンジン１直後の排気温度が低くなる通常燃焼モードに切替えられる。

−燃焼モードの切替制御−
以下、エンジンＥＣＵ１０が実行する上記再生燃焼モードの切替制御等の手順について図３に示すフローチャートに基づいて説明する。

先ず、ステップＳＴ１において、フィルタ再生モード中であるか否かをフィルタ再生フラグがＯＮ状態であるか否かにより判定する。ここで、肯定判定をした場合はステップＳＴ２へ移り、否定判定した場合はステップＳＴ７へ移る。

フィルタ再生フラグは、既述したように、パティキュレートフィルタ８ｂｂに堆積していると推定されるＰＭの量が所定の閾値を超えていると判定された場合にＯＮとされる。ＰＭ堆積量の推定方法は、例えば、周知の通り、エンジン１の運転条件（例えば、排気温度、燃料噴射量、機関回転数等）に応じたＰＭ付着量を予め実験等により調べてマップ化しておき、このマップにより求められるＰＭ付着量を積算してＰＭの堆積量とする方法、車両走行距離もしくは走行時間に応じてＰＭ堆積量を推定する方法、パティキュレートフィルタ８ｂｂの入口（上流側）圧力と出口（下流側）圧力との差圧を検出する差圧センサ８２の出力に基づいてパティキュレートフィルタ８ｂｂに捕集されたＰＭ堆積量を推定する方法などが挙げられる。

一方、フィルタ再生フラグのＯＦＦは、既述したように、パティキュレートフィルタ８ｂｂに堆積していると推定されるＰＭの量が所定の閾値未満であると判定された場合になされる。ＰＭ残量の推定方法は、例えば、周知の通り、排気温度に応じたＰＭの燃焼速度を実験等により調べてマップ化しておき、当初のＰＭ堆積量からこのマップに基づき推定される燃焼除去量を減算して求める方法が挙げられる。

ステップＳＴ２において、第２再生燃焼モードを実行するための前提条件を満たしているか否かを判定する。ここで肯定判定をした場合は、ステップＳＴ３に移り、否定判定をした場合は、ステップＳＴ５へ移る。

このステップＳＴ２の判定は、吸気温度（外気温度）が低い場合のように、排気温度が上がり難い環境下にある場合に、比較的第２再生燃焼モードに切り替わり易く、吸気温度が高い場合のように、排気温度が上がり易い環境下にある場合に、比較的第１再生燃焼モードに切り替わり易くするものである。具体的には、エンジンＥＣＵ１０は、吸気温センサ７３からの出力信号により求められる吸気温度に基づいて、エンジン負荷（燃料噴射量）とエンジン回転数をパラメータとした後述の第１テーブル〜第３テーブルから何れか１つのテーブルを選択し、選択したテーブルに基づいて上記前提条件を判定する。これらの第１テーブル〜第３テーブルはＲＯＭ１０２内に予め記憶されている。

エンジンＥＣＵ１０は、吸気温センサ７３からの出力信号により求まる吸気温度が所定の閾値温度Ｔ１以上では、図４（ａ）に示すような第１テーブルを選択し、吸気温度が所定の閾値温度Ｔ２以上閾値温度Ｔ１未満では図４（ｂ）に示すような第２テーブルを選択し、吸気温度が閾値温度Ｔ２未満では図４（ｃ）に示すような第３テーブルを選択する。なお、吸気温度が高温側から低温側に変化する際の各閾値温度Ｔ１，Ｔ２よりも吸気温度が低温側から高温側に変化する際の閾値温度の方が所定値だけ高くなるようにヒステリシスを設けてもよい。

また、本実施形態においては、吸気温度が高温側から低温側に移るにつれて、順に第１テーブル、第２テーブル、第３テーブルを選択するようになっているが、大気圧センサを設け、この大気圧センサの出力信号により求まる大気圧を吸気温度の代わりにパラメータとして、第１テーブル、第２テーブル、第３テーブルの何れかを選択するようにしてもよい。この場合、大気圧が高圧側から低圧側に移るにつれて、順に第１テーブル、第２テーブル、第３テーブルを選択するようになる。

図４（ａ）に示す第１テーブルは、比較的排気温度が上がり易い環境下（比較的吸気温度が高い場合、比較的大気圧が高い場合）に選択されるテーブルであり、通常燃焼モードおよび第１再生燃焼モードの実行可能領域を設定している。通常燃焼モードは燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ１以下且つエンジン１の回転数がＮｅ１以下の領域に設定されている。第１再生燃焼モードは燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ２以下且つエンジン１の回転数がＮｅ２以下の領域に設定されている。ここで、Ｑ１＞Ｑ２、Ｎｅ１＞Ｎｅ２である。エンジンＥＣＵ１０は、この第１テーブルを選択した場合、第２再生燃焼モードの実行可能領域が設定されていないことから、ステップＳＴ２において否定判定を行う。なお、燃料噴射弁３５の燃料噴射量は、例えば、エンジン１の回転数および吸入空気量をパラメータとした燃料噴射量を設定するためのマップに基づいて算出することができ、エンジン１の回転数は、例えば、クランクポジションセンサ８１の出力信号に基づいて算出することができる。

図４（ｂ）に示す第２テーブルは、通常燃焼モード、第１再生燃焼モード、および第２再生燃焼モードの実行可能領域を設定している。通常燃焼モードは、燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ３以下且つエンジン１の回転数がＮｅ３以下の領域に設定されている。第１再生燃焼モードは燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ４以下且つエンジン１の回転数がＮｅ４以下の領域に設定されている。第２燃焼モードは、燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ５以下且つエンジン１の回転数がＮｅ５以下の領域に設定されている。ここで、Ｑ３＞Ｑ４＞Ｑ５、Ｎｅ３＞Ｎｅ４＞Ｎｅ５である。エンジンＥＣＵ１０は、この第２テーブルを選択した場合、燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ５以下且つエンジン１の回転数がＮｅ５以下の場合に、ステップＳＴ２において肯定判定を行い、それ以外の場合に否定判定を行う。

また、図４（ｃ）に示す第３テーブルは、比較的排気温度が上がり難い環境下で選択されるテーブルであり、通常燃焼モードおよび第２再生燃焼モードの実行可能領域を設定している。通常燃焼モードは燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ６以下且つエンジン１の回転数がＮｅ６以下の領域に設定されている。第２再生燃焼モードは燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ７以下、エンジン１の回転数がＮｅ７以下の領域に設定されている。ここで、Ｑ６＞Ｑ７、Ｎｅ６＞Ｎｅ７である。エンジンＥＣＵ１０は、この第３テーブルを選択した場合、燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ７以下且つエンジン１の回転数がＮｅ７以下の場合に、ステップＳＴ２において肯定判定を行い、それ以外の場合に否定判定を行う。

ステップＳＴ３において、排気温度センサ７７から検出される排気温度が所定の閾値Ｇｔｈ未満であり、かつ、水温センサ７１から検出される冷却水の温度が所定の閾値Ｗｔｈを超えているか否かを判定する。ここで、肯定判定をした場合は、ステップＳＴ４に移り、否定判定をした場合はステップＳＴ５に移る。フィルタ再生モードに入り、燃料添加弁９から前段酸化触媒８ａに燃料が添加されているにもかかわらず、フィルタ装置８ｂに流入する直前の排気温度が閾値Ｇｔｈより低い場合、前段酸化触媒８ａが熱劣化しており、前段酸化触媒８ａとフィルタ装置８ｂとの間の排気通路に液化した未燃燃料が付着していたり、未燃燃料の溜まりが形成していることが想定される。本ステップＳＴ３は、このような場合に、肯定判定をして、後述するステップＳＴ４において比較的排気温度が高い第２再生燃焼モードに切替えるためのものである。なお、上記排気温度の閾値Ｇｔｈとしては、フィルタ再生モード中その閾値より排気温度が低い場合に、前段酸化触媒８ａが非活性状態であると推定できる値や、前段酸化触媒８ａが熱劣化して前段酸化触媒８ａとフィルタ装置８ｂとの間の排気通路に液化した未燃燃料が付着していると推定できる値が設定される。このような閾値は実験等により求められる。

また、ステップＳＴ３において、エンジン１の冷却水の温度を判定パラメータとしているのは、次のような理由による。すなわち、エンジン１が冷間始動時に始動された場合のように冷却水の温度が低い場合は、排気温度も当然に低く、前段酸化触媒８ａが活性できる条件を満たしていないことから、前段酸化触媒８ａが熱劣化していなくても排気温度センサ７７によって検出される排気温度は当然に低くなる。このような場合には、エミッションの悪化を防止するために、燃焼モードが第１再生燃焼モードとされる。

また、冷却水の温度が低い場合は、燃焼室２内の温度も低く、このような場合に、第２再生燃焼モードにして排気再循環量をゼロないし少なくすると、パイロット噴射燃料が暖まり難くなり、パイロット噴射燃料等の着火性が悪化し易くなる。このような着火性の悪化を防止し好適な燃焼状態を維持するためにも燃焼モードが第１再生燃焼モードとされる。

ステップＳＴ４において、燃焼モードを第１再生燃焼モードよりも排気温度が高い第２再生燃焼モードに切替える。既に同燃焼モードに設定されている場合はその燃焼モードを維持する。燃焼モードが比較的排気温度の高い第２再生燃焼モードに設定されることにより、前段酸化触媒８ａとフィルタ装置８ｂａとの間の排気通路を通過する排気温度が上昇し、その排気通路に付着ないし溜まっている液化した未燃燃料が気化して排気通路の下流側へ送り出される。また、前段酸化触媒８ａに供給される排気温度が上昇することで、熱劣化している前段酸化触媒８ａが活性化して前段酸化触媒８ａを通過する排気温度が上昇しやすくなるため、前段酸化触媒８ａとフィルタ装置８ｂａとの間の排気通路を通過する排気温度は更に上昇し易くなる。もちろん、前段酸化触媒８ａの熱劣化によりパティキュレートフィルタ８ｂｂがフィルタ再生するために必要な温度まで昇温されていなかった場合は当該温度まで昇温されるようになるので、フィルタ再生が良好に遂行されるようになる。

ステップＳＴ５において、第１再生燃焼モードを実行するための前提条件を満たしているか否かを判定する。ここで肯定判定をした場合は、ステップＳＴ６に移り、否定判定をした場合は、ステップＳＴ７へ移る。なお、このステップＳＴ５の判定は、ステップＳＴ２での説明と同じように、エンジンＥＣＵ１０が吸気温度に基づいて、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す、第１テーブル〜第３テーブルから何れかを選択し、選択したテーブルに基づいて行う。例えば、エンジンＥＣＵ１０が図４（ａ）に示す、第１テーブルを選択した場合、燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ２以下且つエンジン１の回転数がＮｅ２以下の場合に、ステップＳＴ５において肯定判定を行い、それ以外の場合に否定判定を行う。また、例えば、エンジンＥＣＵ１０が図４（ｂ）に示す、第２テーブルを選択した場合、燃料噴射弁３５の燃料噴射量がＱ４以下且つエンジン１の回転数がＮｅ４以下の場合に、ステップＳＴ５において肯定判定を行い、それ以外の場合に否定判定を行う。また、例えばエンジンＥＣＵ１０が図４（ｃ）に示す、第３テーブルを選択した場合、第１再生燃焼モードの実行可能領域が設定されていないことにより、ステップＳＴ５において否定判定を行う。

ステップＳＴ６において、燃焼モードを第２再生燃焼モードより排気温度が低い第１再生燃焼モードに切替える。既に同燃焼モードに設定されている場合はその燃焼モードを維持する。

ステップＳＴ７において、燃焼モードを第１および第２再生燃焼モードの何れよりも排気温度の低い通常燃焼モードに切替える。既に同燃焼モードに設定されている場合はその設定を維持する。

本発明は、例えば、燃料添加弁により未燃燃料を排気通路に添加することによって、排気通路に設置されたパティキュレートフィルタを再生する排気浄化装置に適用することができる。

１エンジン（内燃機関）
５ターボチャージャ（過給機）
５ｂタービンホイール（タービン）
７ＥＧＲ装置（排気再循環装置）
８ａ前段酸化触媒（酸化触媒）
８ｂフィルタ装置
８ｂａ後段酸化触媒
８ｂｂパティキュレートフィルタ
９燃料添加弁
１０エンジンＥＣＵ（制御装置）
４２排気管（排気通路）
７１水温センサ（冷却水温検出手段）
７７ａ，７７ｂ，７７ｃ排気温度センサ（排気温度検出手段）

Claims

内燃機関の排気通路に燃料を添加する燃料添加弁と、
前記排気通路において前記燃料添加弁が燃料を添加する位置より下流側に設けられた酸化触媒と、
前記排気通路において前記酸化触媒より下流側に一定の距離をおいて設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
前記燃料添加弁による排気通路内への燃料の添加を伴うフィルタ再生制御を実行するフィルタ再生制御手段を有する制御装置と、
を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記制御装置は、
前記酸化触媒より下流側で排気温度を検出する排気温度検出手段と、内燃機関の冷却水の温度を検出する冷却水温検出手段と、内燃機関の燃焼モードを、第１再生燃焼モード又は、第１再生燃焼モードより内燃機関直後の排気温度が高くなる第２再生燃焼モードに切替可能な燃焼モード切替手段と、をさらに有し、
前記燃焼モード切替手段は、前記フィルタ再生制御中に、前記排気温度検出手段により検出される排気温度が所定の閾値以上又は前記冷却水温検出手段により検出される内燃機関の冷却水の温度が所定の閾値以下である場合に、内燃機関の燃焼モードを前記第１再生燃焼モードとし、前記フィルタ再生制御中に、前記排気温度検出手段により検出される排気温度が前記排気温度の所定の閾値未満でありかつ前記冷却水温検出手段により検出される内燃機関の冷却水の温度が前記冷却水温度の所定の閾値を超える場合に、内燃機関の燃焼モードを前記第２再生燃焼モードとする、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
排気再循環装置をさらに備え、前記第２再生燃焼モードにおける排気再循環量が前記第１再生燃焼モードにおける排気再循環量より少ないことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
前記第２再生燃焼モードは、排気再循環の停止を伴う燃焼モードであることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
前記燃料添加弁は、前記排気通路においてターボチャージャのタービンより下流側に燃料を添加するものであることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。