エンジンの排気浄化装置
【課題】ＳＣＲ触媒の温度が活性下限温度を下回った場合に迅速に昇温してＮＯxの排出を未然に防止できるエンジンの排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ＳＣＲ触媒１２の温度Ｔcatが活性下限温度である１８０℃を下回ったときに、＃１，＃３，＃５気筒の何れかの気筒でパワータードを作動させて負の仕事量を発生させ、その仕事量の損失を補うべく他の気筒の燃料噴射量を増加補正する。これによりエンジン全体の発生熱量を増加させ、排気温度の上昇によりＳＣＲ触媒１２を昇温する。
【解決手段】ＳＣＲ触媒１２の温度Ｔcatが活性下限温度である１８０℃を下回ったときに、＃１，＃３，＃５気筒の何れかの気筒でパワータードを作動させて負の仕事量を発生させ、その仕事量の損失を補うべく他の気筒の燃料噴射量を増加補正する。これによりエンジン全体の発生熱量を増加させ、排気温度の上昇によりＳＣＲ触媒１２を昇温する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの排気浄化装置に係り、詳しくは排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を配設したエンジンの排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンの排気通路にＮＯx浄化用のＮＯx触媒を配した車両が実用化されている。特に、ディーゼルエンジンでは、燃焼がリーン空燃比の下で実施されるため、排気中の酸素（Ｏ2）量が多く、ガソリンエンジンで実用化されている三元触媒は機能せず、種々のディーゼルエンジン用ＮＯx触媒が開発されている。
その一つとして、最近では、定地式ディーゼルエンジンで実用化されている還元剤としてアンモニアを添加する構成のアンモニア選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＳＣＲ触媒と称する）が車両用に開発されつつある。この種のＳＣＲ触媒では、触媒上に添加されたアンモニアによってＮＯxが窒素（Ｎ2）及びＨ2Ｏに還元されるように反応が進行する。
【０００３】
ところで、この種のＳＣＲ触媒が良好なＮＯx浄化性能を発揮するのは活性温度域に限られ、例えば車両の低速走行により排気温度が低いエンジン運転状態が継続することにより触媒温度が活性温度域の下限値（活性下限温度）を下回ると、たとえアンモニアを供給しても十分な浄化性能が望めなくなる。特にガソリンエンジンに比較して元々排気温度が低いディーゼルエンジンでは、通常の運転状態において触媒温度を活性温度域に保持し難い傾向があり、このために種々の対策が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
当該特許文献１の技術によれば、高温の第２温度域では、エンジンの排気通路内への尿素水の噴射によりアンモニアを生成して本来のＳＣＲ触媒によるＮＯx浄化を行う一方、より低温の第１温度域では、排気通路内にＨＣ（炭化水素）を供給して前段酸化触媒で酸化反応させて排気昇温すると共に酸化触媒に吸着したＮＯｘを浄化し、同時にＳＣＲ触媒上に排ガス中のＮＯｘを一時的に吸着させ、これにより大気中へのＮＯxの排出を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０４１４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように特許文献１では、ＳＣＲ触媒の活性下限温度よりも低温域の第１温度域で、排気通路内へのＨＣ供給によりＳＣＲ触媒の昇温を図ると共に、ＳＣＲ触媒にＮＯxを吸着させることで大気中への排出を防止している。
しかしながら、ＳＣＲ触媒に吸着可能なＮＯx量には限界があることから、例えば排気温度が低下する低速走行の継続により触媒温度が活性化下限温度を下回り続けた場合などには、ＳＣＲ触媒が吸着限界を越えて大気中にＮＯxを排出させてしまう可能性がある。また、単なるＨＣ供給による排気昇温では、ＳＣＲ触媒を迅速に昇温できないという問題もある。よって、特許文献１の技術は抜本的な対策とは言い難かった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＳＣＲ触媒の温度が活性下限温度を下回った場合に迅速に昇温してＮＯxの排出を未然に防止することができるエンジンの排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を配設したエンジンの排気浄化装置において、エンジンの全気筒の内の少なくとも１つの特定気筒に設けられて、特定気筒の圧縮上死点近傍において排気弁を一時的に強制開弁させて続く膨張行程で筒内に発生した負圧によりピストン下降を妨げて負の仕事量を発生させる排気強制開弁機構と、エンジンの各気筒の燃料噴射量を制御する燃料制御手段と、アンモニア選択還元型ＮＯx触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、触媒温度検出手段により検出された触媒温度が予めアンモニア選択還元型ＮＯx触媒の活性下限温度近傍に設定された昇温開始判定温度を下回ったときに排気強制開弁機構を作動させ、燃料制御手段に特定気筒に対する燃料噴射を中止させると共に、特定気筒による仕事量の損失を補うべく他気筒の燃料噴射量を増加補正させる昇温制御手段とを備えたものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１において、エンジンの全気筒の内の複数の気筒が特定気筒として設定され、各特定気筒のそれぞれに排気強制開弁機構が設けられており、昇温制御手段が、触媒温度が昇温開始判定温度を下回ったときに、触媒温度が低下するほど排気強制開弁機構の作動及び燃料噴射の中止を行う特定気筒を増加するものである。
請求項３の発明は、請求項１または２において、昇温制御手段が、排気強制開弁機構の作動により触媒温度が低下から上昇に転じて予め活性下限温度よりも高温側に設定された昇温終了温度を越えたときに、排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開するものである。
請求項４の発明は、請求項１乃至３において、昇温制御手段が、排気強制開弁機構の作動及び燃料噴射の中止にも拘わらず触媒温度が低下し続けて、エンジンの回転に支障をきたす可能性がある温度として予め設定された昇温禁止温度を下回ったときに、排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開するものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように請求項１の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、触媒温度が活性下限温度近傍の昇温開始判定温度を下回ったときに、特定気筒の燃料噴射を中止して排気強制開弁機構を作動させることにより負の仕事を発生させると共に、特定気筒の仕事量の損失を補うべく他気筒の燃料噴射量を増加補正させるようにした。このため、エンジンの排気温度を上昇させてアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を活性温度域まで迅速に昇温でき、結果としてＮＯx触媒は活性温度域に保持されて本来の良好なＮＯx浄化性能を発揮するため、ＮＯxの排出を確実に防止することができる。
【０００９】
請求項２の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、触媒温度が低下するほど排気強制開弁機構の作動及び燃料噴射の中止を行う特定気筒を増加するようにしたため、より確実に触媒温度の低下を抑制することができる。
請求項３の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１または２に加えて、触媒温度が活性下限温度よりも高温側の昇温終了温度を越えたときに、排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開するようにした。従って、触媒温度が活性下限温度よりも十分に高温になるまで排気昇温が継続されるため、より確実に触媒温度を活性下限温度以上に保持することができる。
請求項４の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１乃至３に加えて、触媒温度がエンジンの回転に支障をきたす昇温禁止温度を下回ったときに、排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開するようにした。従って、エンジン回転が不安定になって車両のドライバビリティが悪化する事態を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】触媒温度からパワータード気筒数を設定するためのマップを示す図である。
【図３】触媒温度の低下時のパワータードの制御状態を示すタイムチャートである。
【図４】通常運転時とパワータード作動時とのエンジンの仕事量をｐ-ｖ線図上で比較した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を車両用エンジンの排気浄化装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、エンジン１は直列６気筒ディーゼル機関として構成され、例えばトラックやバスなどに搭載されている。エンジン１の各気筒に形成された燃焼室２には燃料噴射弁３が備えられ、各燃焼室２に形成された吸気ポートは吸気弁４により開閉され、同じく各燃焼室２に形成された排気ポートは排気弁５により開閉される。各吸気ポートは吸気マニホールド６を介して共通の吸気通路７と接続され、図示しないエアクリーナから吸気通路７内に導入された吸入空気が吸気マニホールド６により各気筒に分配され、各気筒の吸気行程において吸気弁４の開弁に伴って燃焼室２内に導入される。
【００１２】
各排気ポートは排気マニホールド８を介して共通の排気通路９と接続され、排気通路９は車両の床下で前方から後方に延設され、排気通路９の後端部には排気浄化装置１０が接続されている。従って、各気筒の燃焼室２内で燃焼後の排ガスは排気行程において排気弁５の開弁に伴って排気マニホールド８に排出され、排気マニホールド８内で集合して排気通路９内を案内された後に排気浄化装置１０に導入される。
図示はしないが、吸気通路７と排気通路９とは排ガス環流用のＥＧＲ通路を介して接続され、ＥＧＲ通路にはＥＧＲ弁及びＥＧＲクーラが介装されている。ＥＧＲ弁の開度に応じて排気通路内の排ガスがＥＧＲガスとして吸気通路に環流され、環流されたＥＧＲガスは筒内での燃焼温度を抑制してＮＯx生成量を低減する作用を奏する。
【００１３】
排気浄化装置１０のケーシング１１は円筒状をなし、その内部の上流側にはＳＣＲ触媒（アンモニア選択還元型ＮＯx触媒）１２が収容され、下流側には後段酸化触媒１３が収容されている。ケーシング１１の直上流側において排気通路９内には尿素水噴射用の噴射ノズル１４が配設され、噴射ノズル１４の先端は排気通路９内の中心に位置し、噴射ノズル１４の基端は排気通路９の外周に設置された電磁弁１４ａに接続されている。電磁弁１４ａには図示しない尿素タンクから所定圧の尿素水が供給されており、電磁弁１４ａの開閉に応じて噴射ノズル１４の先端から尿素水が放射状に噴射される。
各気筒からの排ガスは排気通路９を流通する過程で噴射ノズル１４から噴射された尿素水と混合し、排気熱及び排ガス中の水蒸気により尿素水は加水分解されてアンモニア（ＮＨ3）を生成する。そして、生成されたアンモニアによりＳＣＲ触媒１２上で排ガス中のＮＯxが無害な窒素（Ｎ2）に還元されてＮＯxの浄化が行われる一方、このときの余剰アンモニアが後段酸化触媒１３によりＮＯに酸化されて処理され、これによりＮＯxの大気中への排出が防止される。
【００１４】
上記のように各気筒の吸気弁４及び排気弁５は、図示しないクランク軸の回転に同期することで吸気行程や排気行程で開弁される。各吸気弁４及び排気弁５にはカム軸及びロッカアームからなる一般的な動弁機構が付設されており、クランク軸に同期して回転するカム軸によりロッカアームを介して開閉駆動されることにより、各気筒の吸気弁４は吸気工程で開弁し、各気筒の排気弁５は排気行程で開弁する。加えて、排気弁５については、＃２，＃４，＃６気筒と＃１，＃３，＃５気筒との２グルーブに分別されており、＃１，＃３，＃５気筒（特定気筒）の排気弁５は、上記した動弁機構による開閉駆動に加えて、所謂パワータードの排気強制開弁機構１５によっても開閉駆動されるようになっている。
【００１５】
周知のようにパワータードとは、気筒の圧縮上死点の直前で排気弁５を一時的に強制開弁することにより圧縮空気を排出すると共に、当該気筒への燃料噴射を中止し、これにより続く膨張行程において筒内に発生した負圧によりピストン下降を妨げてエンジンブレーキ作用を増大させるシステムである。後述するように本実施形態では、このパワータードを排気温度の上昇にも利用しており、そのために＃１，＃３，＃５気筒の排気弁５にはパワータードの排気強制開弁機構１５がそれぞれ付設されている。
【００１６】
具体的な排気強制開弁機構１５の構成は種々の文献で開示されているため詳細はしないが、例えば特開２００７−２４７６２８号公報に記載のものを応用することができる。応用例の概略を述べると、カム軸上の＃１，＃３，＃５気筒の排気用カムにそれぞれパワータード用カムが併設され、各気筒の圧宿上死点直前で各パワータード用カムにより油圧ピストンが押圧作動されるようになっている。油圧ピストンは油圧配管を介して排気弁５の直上に配設されたスレーブピストンと接続され、スレーブピストンは排気弁を上方から押圧することで排気弁５を強制開弁し得るようになっている。油圧配管にはソレノイド１６が介装され、ソレノイド１６のオン・オフに応じて油圧ピストンにより発生した油圧が油圧配管を介してスレーブピストン側に伝達或いは遮断される。
【００１７】
従って、ソレノイド１６のオフ時には油圧が遮断され、排気弁５は上記動弁機構により排気行程で開弁されるだけであり、これに対してソレノイド１６のオン時には油圧伝達が行われ、油圧ピストンからの油圧を受けてスレーブピストンが作動して排気弁５を圧縮上死点直前で一時的に強制開弁する。ソレノイド１６は＃１，＃３，＃５気筒に個別に設けられているため、ソレノイド１６の作動を選択することで任意の気筒の排気強制開弁機構１５を作動可能となっている。なお、図１では＃１，＃３，＃５に付設されたソレノイド１５と共に、排気強制開弁機構１５の概略を図示している。
ここで、説明の便宜上、通常の筒内で燃焼している気筒をファイヤリング気筒と称し、パワータードが作動している気筒をパワータード気筒と称して区別することにする。排気強制開弁機構１５は＃１，＃３，＃５気筒に付設されているため、パワータード気筒は０〜３気筒の４段階で増減し、それに応じてファイヤリング気筒が６〜３の間で増減することになる。
【００１８】
一方、以上のように構成されたエンジン１は、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタなどを備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）２１により制御される。ＥＣＵ２１の入力側には、上記ケーシング１１内の最上流部に設置された排気温センサ２２、及び図示しないエンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサやアクセル操作量Ａccを検出するアクセルセンサなどの各種センサ類が接続されている。
排気温センサ２２により検出される排気温度ＴexはＳＣＲ触媒１２に導入される直前の値であるため、ＳＣＲ触媒１２の温度Ｔcatとの間に相関関係が成立する。そこで、予め試験を実施して排気温度ＴexとＳＣＲ触媒の温度Ｔcatとの関係を割り出しマップ化し、エンジン１の運転中にはマップに基づきＥＣＵ２１により排気温度Ｔexから触媒温度Ｔcatが逐次算出され（触媒温度検出手段）、算出した値に基づき後述する尿素噴射や＃１，＃３，＃５気筒でのパワータードの作動が行われる。
また、ＥＣＵ２１の出力側には各気筒の燃料噴射弁３、＃１，＃３，＃５気筒のソレノイド１６、及び噴射ノズル１４の電磁弁１４ａなどの各種デバイス類が接続されている。
【００１９】
例えばＥＣＵ２１は、エンジン回転速度Ｎeやアクセル操作量Ａccから所定のマップに従って燃料噴射量Ｑを設定すると共に、この燃料噴射量Ｑ及びエンジン回転速度Ｎeから所定のマップに従って燃料噴射時期ＩＴを設定する。そして、これらの燃料噴射量Ｑ及び燃料噴射時期ＩＴに基づき燃料噴射弁３を駆動制御し、各気筒の筒内に燃料を噴射してエンジン１を運転する（燃料制御手段）。
また、ＥＣＵ２１は、燃料噴射量Ｑ及びエンジン回転速度Ｎeから所定のマップに従ってＥＧＲの実行域と非実行域とを判別すると共に、ＥＧＲ実行域ではマップから設定した目標ＥＧＲ量に基づきＥＧＲ弁の開度を制御する。これによりＥＧＲ実行域では排ガスをＥＧＲガスとして吸気側に環流させることで筒内の燃焼温度を抑制してＮＯx生成の低減を達成する。
【００２０】
また、ＥＣＵ２１は、排気温度センサ２２の検出値Ｔexから逐次算出した触媒温度Ｔcatに基づき、噴射ノズル１４の尿素水噴射量を制御する。周知のようにＳＣＲ触媒１２は活性下限温度を下回ると、たとえアンモニアを供給しても十分な浄化性能を望めなくなるため、尿素水の噴射は活性下限温度、例えば１８０℃以上で実行し、それ未満の温度域では中止する。このため、活性下限温度未満ではＳＣＲ触媒１２によるＮＯx浄化作用が得られなくなるが、［発明が解決しようとする課題］でも述べたように、このような状況で排気通路９内にＨＣを供給する特許文献１の対策では、迅速に触媒昇温できずに十分なＮＯx排出防止を望めないという問題がある。
そこで、本実施形態ではパワータードを利用してＳＣＲ触媒１２の昇温を行っており、以下、ＥＣＵ２１により実行される当該制御について詳述する。
【００２１】
図２は触媒温度Ｔcatからパワータード気筒数を設定するためのマップを示しており、当該マップに基づき＃１，＃３，＃５気筒でのパワータードの作動状態が制御される。マップから導き出されるパワータード気筒数に対応して、パワータードを作動させるべき気筒は予め決められている。例えば、パワータード気筒数が１気筒のときには＃１気筒のパワータードを作動させ、パワータード気筒数が２気筒のときには＃１及び＃３気筒のパワータードを作動させ、パワータード気筒数が３気筒のときには＃１，＃３及び＃５気筒のパワータードを作動させる。
但し、パワータードを設けた気筒は＃１，＃３，＃５気筒に限ることはなく任意に変更或いは増減可能であり、またパワータード気筒数に対応して作動させる気筒についても上記例示に限ることはなく任意に変更可能である。
【００２２】
図に示すように、全体として触媒温度Ｔcatが低下するほどパワータード気筒数を増加させているが、触媒温度Ｔcatが低下してパワータードを開始するときの温度（昇温開始判定温度であり、図中にＰＴ開始で示す）と、触媒温度Ｔcatが上昇してパワータードを終了するときの温度（昇温終了判定温度であり、図中にＰＴ終了で示す）とを相違させている。
詳述すると、触媒温度Ｔcatの低下時には、ＳＣＲ触媒１２の活性下限温度（尿素水の噴射中止温度でもある）に相当する１８０℃を下回った時点でパワータード気筒数を０から１に変更し、１６０℃を下回るとパワータード気筒数を２とし、さらに１４０℃を下回るとパワータード気筒数を３とする。そして、１２０℃未満の温度域でパワータード作動させるとエンジン回転に支障をきたして不安定になることを鑑みて、触媒温度Ｔcatが１２０℃（昇温禁止温度）を下回ると、触媒昇温よりもエンジン回転の安定化を優先してパワータード気筒数を０としている。
【００２３】
また、触媒温度Ｔcatの上昇時には、１２０℃を越えるとパワータード気筒数を０から３に変更し、１４０℃を越えるとパワータード気筒数を２とし、１６０℃を越えるとパワータード気筒数を１とし、活性下限温度の１８０℃よりも高温側の２２０℃を越えるとパワータード気筒数を０としている。
以上のような特性のマップに基づいてＥＣＵ２１により実行される＃１，＃３，＃５気筒でのパワータードの制御状態を、図３のタイムチャートに従って説明する。
まず、ＳＣＲ触媒１２の温度Ｔcatが１８０℃を越えているときには、噴射ノズル１４から尿素水の噴射が行われると共に、図２のマップからパワータード気筒数として０が設定されて＃１，＃３，＃５気筒の全てでパワータードの作動が中止されている。このときのエンジン１の運転状態は通常時と相違なく、全気筒がファイヤリング気筒として作動して筒内で燃焼が行われると共に、尿素水の噴射によりＳＣＲ触媒１２でＮＯxが浄化されている。
【００２４】
例えば車両の低速走行により排気温度が低いエンジン運転状態が継続したときには、触媒温度Ｔcatが次第に低下してＳＣＲ触媒１２の活性下限温度である１８０℃を下回る。このときには尿素水の噴射が中止されると共に、パワータード気筒数として１が導き出されることを受けて、＃１気筒の排気強制開弁機構１５が作動し、且つ当該＃１気筒に対する燃料噴射が中止される（以下、これらの処理をパワータードの作動と表現する）。これにより、＃１気筒がファイヤリング気筒からパワータード気筒に切り換えられる（昇温制御手段）。
図４は通常運転時とパワータード作動時とのエンジン１の仕事量をｐ-ｖ線図上で比較した説明図である。通常運転時にエンジン１が発生する仕事量は図中のハッチングで囲まれた領域に相当する。これに対して＃１，＃３，＃５気筒の何れかがパワータード気筒として作動すると、当該パワータード気筒では、図中のクロスハッチングの領域で示すように負の仕事量を発生する。このとき発生した負の仕事量を補うべく、ＥＣＵ２１の制御によりファイヤリング気筒では燃料噴射量が増加補正され、図中のハッチングの領域で示すように仕事量が増加する（昇温制御手段）。
【００２５】
このように、パワータード気筒で発生した仕事量の損失をファイヤリング気筒が補う形で仕事量の収支が合わされることから、全体としてエンジン１は運転者のアクセル操作に応じたトルクを出力し続けるが、エンジン１が発生する熱量については上記した通常運転時とは大きく相違する。
即ち、このときファイヤリング気筒で発生する熱量は通常運転時に全気筒で発生する熱量よりも多く、さらにパワータード気筒でも圧縮上死点直前まで圧縮されて高温の空気を排出することで熱量を発生させているため、全体としてのエンジン１の発生熱量は通常運転時よりも格段に増加する。結果として熱量の増加は排気温度の上昇として現れ、その排ガスが内部を流通することによりＳＣＲ触媒１２は迅速に昇温される。このときの排気熱量の関係は次式（１）で表すことができる。
Ｑusly＜Ｑfig＋Ｑptd ……（１）
ここに、Ｑuslyは通常運転時のエンジン１の全気筒の発生熱量、Ｑfigはファイヤリング気筒の発生熱量、Ｑptdはパワータード気筒の発生熱量である。
【００２６】
当然であるが、ファイヤリング気筒及びパワータード気筒の発生熱量を合計した総発生熱量はパワータード気筒数に応じて相違し、パワータード気筒数が多いほど総発生熱量は増加し、迅速な触媒昇温が可能となる。
このような排気温度の上昇によりＳＣＲ触媒１２は昇温され、図３に一点鎖線で示すように触媒温度Ｔcatが上昇に転じて１８０℃を越えると、尿素水の噴射が再開されてＳＣＲ触媒１２は再びＮＯxを浄化し始める。この温度域では＃１気筒に対するパワータードは継続され、その後に触媒温度Ｔcatが２２０℃を越えると＃１気筒の排気強制開弁機構１５の作動が中止され、且つ当該＃１気筒に対する燃料噴射が再開される（以下、これらの処理をパワータードの中止と表現する）。これにより、＃１気筒がパワータード気筒からファイヤリング気筒に切り換えられる。
【００２７】
このように触媒温度ＴcatがＳＣＲ触媒１２の活性下限温度である１８０℃を越えた時点で直ちにパワータードを中止せずに、より高温側の２２０℃を越えるまでパワータードによる排気昇温を継続している（昇温制御手段）。例えば触媒温度Ｔcatの低下要因になった車両の低速走行が未だ継続している場合、パワータードを中止すると触媒温度Ｔcatが再び低下に転じる可能性もあるが、パワータードの継続によりこのような事態を防止でき、もって触媒温度Ｔcatを活性下限温度以上により確実に保持することができる。
なお、パワータードを開始する触媒温度Ｔcatは必ずしも活性下限温度である１８０℃に一致させる必要はなく、活性下限温度近傍であれば、若干高温側に、或いは若干低温側に設定してもよい。
【００２８】
一方、このような＃１気筒のパワータード作動により排気温度を上昇させても、図３に実線で示すように触媒温度Ｔcatが低下し続ける場合もある。このときには触媒温度Ｔcatが１６０℃を下回った時点で、＃１気筒に加えて＃３気筒のパワータードも作動し、さらに１４０℃を下回った時点で＃５気筒のパワータードも作動する（昇温制御手段）。それに応じてエンジン１の発生熱量が段階的に増加すると共に排気温度も上昇することから、多くの場合には触媒温度Ｔcatが上昇に転じる。
触媒温度Ｔcatが１４０℃を越えると＃５気筒のパワータードが中止され、１６０℃を越えると＃３気筒のパワータードが中止され、１８０℃を越えると尿素水の噴射が再開され、２２０℃を越えると＃１気筒のパワータードが中止されて全気筒がファイヤリング気筒に戻される。
【００２９】
このように触媒温度Ｔcatが低下するほどパワータード気筒数が増加され、エンジン発生熱量の増加が図られる。パワータード気筒の有無とは関係なく本来エンジン１の発生熱量には車両の走行状態が大きく関与し、例えば長い降板路が継続した場合などにはエンジン１の発生熱量が低すぎて、＃１気筒のみのパワータード作動では触媒温度Ｔcatの低下を抑制不能なこともある。しかし、この場合には触媒温度Ｔcatの低下に応じてパワータード気筒数を順次増加させるため、より確実に触媒温度Ｔcatの低下を抑制して上昇に転じさせることができる。よって、より多くの車両運転状態においてＳＣＲ触媒１２を活性温度域に保持でき、そのＮＯx浄化性能を最大限に発揮させることができる。
以上のＳＣＲ触媒１２のＮＯx浄化性能の向上は、他のエミッション対策装備に対しても好影響を与える。例えば同様のＮＯx抑制を目的としたＥＧＲの実行域を縮小したり、ＥＧＲクーラのサイズを小さくしたりすることが可能となる。また、エンジン１の全運転域でＳＣＲ触媒１２の浄化作用のみでＮＯxを規制値に抑制可能であれば、ＥＧＲシステムを省略することも場合によっては実現できる。
【００３０】
さらに、ＮＯx浄化性能の向上により、ＮＯxとトレードオフの関係にあるスモーク抑制を優先してエンジン１をキャリブレーション可能になるため、エンジン１のスモーク排出量を低減できる。このため、スモーク対策としてＳＣＲ触媒１２と共にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を装備している場合には、ＤＰＦのサイズを縮小できるし、さらにＤＰＦ上に堆積したパティキュレートを強制的に焼却除去する強制再生の実行頻度を低減できるため、強制再生時のポスト噴射に起因する燃料消費量の増加などの弊害を抑制することができる。さらにエンジン１の全運転域で筒内でのスモークの生成量を規制値に抑制可能であれば、ＤＰＦシステムを省略することも場合によっては実現できる。
一方、図３では示していないが、＃１，＃３，＃５気筒を全てパワータード気筒としても触媒温度Ｔcatの低下を抑制できない場合もあり得る。このようなときには触媒温度Ｔcatが１２０℃を下回った時点で図２のマップからパワータード気筒数として０が導き出されて、全気筒がファイヤリング気筒として作動する（昇温制御手段）。パワータードの作動はエンジン回転を不安定にする要因になり得るが、１２０℃未満でのパワータードの禁止処理によりこのような弊害を防止でき、もって車両のドライバビリティの悪化を未然に防止することができる。
【００３１】
以上のように本実施形態のエンジン１の排気浄化装置では、触媒温度Ｔcatが低下したときにパワータード気筒で発生した仕事量の損失を補う形でファイヤリング気筒を作動させている。これにより、ファイヤリング気筒及びパワータード気筒の総発生熱量を通常運転時に比較して増加させて排気温度を上昇させるため、結果としてＳＣＲ触媒１２を迅速に昇温して活性温度域に保持可能となる。従って、特許文献１の技術のようにＳＣＲ触媒を活性下限温度よりも低温のまま一時的なＮＯx吸着に利用する場合と異なり、ＳＣＲ触媒１２を活性温度域に保持して本来の良好なＮＯx浄化性能を発揮させるため、ＮＯxの排出を確実に防止することができる。
【００３２】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、直列６気筒ディーゼル機関の排気浄化装置に具体化したが、エンジン形式などはこれに限ることはなく、例えばガソリン機関に適用したり、気筒数を変更したりしてもよい。
また、上記実施形態では、触媒昇温のために必要な＃１，＃３，＃５気筒のみにパワータードの排気強制開弁機構１５を設けたが、全気筒に排気強制開弁機構１５を設けてもよい。この場合、触媒昇温を要するときには＃１，＃３，＃５気筒でパワータードを作動させて排気温度を上昇させ、一方、車両減速時には全気筒でパワータードを作動させてエンジンブレーキ作用を増大させるようにすればよい。
【符号の説明】
【００３３】
１ エンジン
９ 排気通路
１２ ＳＣＲ触媒（アンモニア選択還元型ＮＯx触媒）
１５ 排気強制開弁機構
２１ ＥＣＵ（燃料制御手段、触媒温度検出手段、昇温制御手段）
２２ 排気温度センサ（触媒温度検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの排気浄化装置に係り、詳しくは排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を配設したエンジンの排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンの排気通路にＮＯx浄化用のＮＯx触媒を配した車両が実用化されている。特に、ディーゼルエンジンでは、燃焼がリーン空燃比の下で実施されるため、排気中の酸素（Ｏ2）量が多く、ガソリンエンジンで実用化されている三元触媒は機能せず、種々のディーゼルエンジン用ＮＯx触媒が開発されている。
その一つとして、最近では、定地式ディーゼルエンジンで実用化されている還元剤としてアンモニアを添加する構成のアンモニア選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＳＣＲ触媒と称する）が車両用に開発されつつある。この種のＳＣＲ触媒では、触媒上に添加されたアンモニアによってＮＯxが窒素（Ｎ2）及びＨ2Ｏに還元されるように反応が進行する。
【０００３】
ところで、この種のＳＣＲ触媒が良好なＮＯx浄化性能を発揮するのは活性温度域に限られ、例えば車両の低速走行により排気温度が低いエンジン運転状態が継続することにより触媒温度が活性温度域の下限値（活性下限温度）を下回ると、たとえアンモニアを供給しても十分な浄化性能が望めなくなる。特にガソリンエンジンに比較して元々排気温度が低いディーゼルエンジンでは、通常の運転状態において触媒温度を活性温度域に保持し難い傾向があり、このために種々の対策が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
当該特許文献１の技術によれば、高温の第２温度域では、エンジンの排気通路内への尿素水の噴射によりアンモニアを生成して本来のＳＣＲ触媒によるＮＯx浄化を行う一方、より低温の第１温度域では、排気通路内にＨＣ（炭化水素）を供給して前段酸化触媒で酸化反応させて排気昇温すると共に酸化触媒に吸着したＮＯｘを浄化し、同時にＳＣＲ触媒上に排ガス中のＮＯｘを一時的に吸着させ、これにより大気中へのＮＯxの排出を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０４１４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように特許文献１では、ＳＣＲ触媒の活性下限温度よりも低温域の第１温度域で、排気通路内へのＨＣ供給によりＳＣＲ触媒の昇温を図ると共に、ＳＣＲ触媒にＮＯxを吸着させることで大気中への排出を防止している。
しかしながら、ＳＣＲ触媒に吸着可能なＮＯx量には限界があることから、例えば排気温度が低下する低速走行の継続により触媒温度が活性化下限温度を下回り続けた場合などには、ＳＣＲ触媒が吸着限界を越えて大気中にＮＯxを排出させてしまう可能性がある。また、単なるＨＣ供給による排気昇温では、ＳＣＲ触媒を迅速に昇温できないという問題もある。よって、特許文献１の技術は抜本的な対策とは言い難かった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＳＣＲ触媒の温度が活性下限温度を下回った場合に迅速に昇温してＮＯxの排出を未然に防止することができるエンジンの排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を配設したエンジンの排気浄化装置において、エンジンの全気筒の内の少なくとも１つの特定気筒に設けられて、特定気筒の圧縮上死点近傍において排気弁を一時的に強制開弁させて続く膨張行程で筒内に発生した負圧によりピストン下降を妨げて負の仕事量を発生させる排気強制開弁機構と、エンジンの各気筒の燃料噴射量を制御する燃料制御手段と、アンモニア選択還元型ＮＯx触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、触媒温度検出手段により検出された触媒温度が予めアンモニア選択還元型ＮＯx触媒の活性下限温度近傍に設定された昇温開始判定温度を下回ったときに排気強制開弁機構を作動させ、燃料制御手段に特定気筒に対する燃料噴射を中止させると共に、特定気筒による仕事量の損失を補うべく他気筒の燃料噴射量を増加補正させる昇温制御手段とを備えたものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１において、エンジンの全気筒の内の複数の気筒が特定気筒として設定され、各特定気筒のそれぞれに排気強制開弁機構が設けられており、昇温制御手段が、触媒温度が昇温開始判定温度を下回ったときに、触媒温度が低下するほど排気強制開弁機構の作動及び燃料噴射の中止を行う特定気筒を増加するものである。
請求項３の発明は、請求項１または２において、昇温制御手段が、排気強制開弁機構の作動により触媒温度が低下から上昇に転じて予め活性下限温度よりも高温側に設定された昇温終了温度を越えたときに、排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開するものである。
請求項４の発明は、請求項１乃至３において、昇温制御手段が、排気強制開弁機構の作動及び燃料噴射の中止にも拘わらず触媒温度が低下し続けて、エンジンの回転に支障をきたす可能性がある温度として予め設定された昇温禁止温度を下回ったときに、排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開するものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように請求項１の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、触媒温度が活性下限温度近傍の昇温開始判定温度を下回ったときに、特定気筒の燃料噴射を中止して排気強制開弁機構を作動させることにより負の仕事を発生させると共に、特定気筒の仕事量の損失を補うべく他気筒の燃料噴射量を増加補正させるようにした。このため、エンジンの排気温度を上昇させてアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を活性温度域まで迅速に昇温でき、結果としてＮＯx触媒は活性温度域に保持されて本来の良好なＮＯx浄化性能を発揮するため、ＮＯxの排出を確実に防止することができる。
【０００９】
請求項２の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、触媒温度が低下するほど排気強制開弁機構の作動及び燃料噴射の中止を行う特定気筒を増加するようにしたため、より確実に触媒温度の低下を抑制することができる。
請求項３の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１または２に加えて、触媒温度が活性下限温度よりも高温側の昇温終了温度を越えたときに、排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開するようにした。従って、触媒温度が活性下限温度よりも十分に高温になるまで排気昇温が継続されるため、より確実に触媒温度を活性下限温度以上に保持することができる。
請求項４の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１乃至３に加えて、触媒温度がエンジンの回転に支障をきたす昇温禁止温度を下回ったときに、排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開するようにした。従って、エンジン回転が不安定になって車両のドライバビリティが悪化する事態を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】触媒温度からパワータード気筒数を設定するためのマップを示す図である。
【図３】触媒温度の低下時のパワータードの制御状態を示すタイムチャートである。
【図４】通常運転時とパワータード作動時とのエンジンの仕事量をｐ-ｖ線図上で比較した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を車両用エンジンの排気浄化装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、エンジン１は直列６気筒ディーゼル機関として構成され、例えばトラックやバスなどに搭載されている。エンジン１の各気筒に形成された燃焼室２には燃料噴射弁３が備えられ、各燃焼室２に形成された吸気ポートは吸気弁４により開閉され、同じく各燃焼室２に形成された排気ポートは排気弁５により開閉される。各吸気ポートは吸気マニホールド６を介して共通の吸気通路７と接続され、図示しないエアクリーナから吸気通路７内に導入された吸入空気が吸気マニホールド６により各気筒に分配され、各気筒の吸気行程において吸気弁４の開弁に伴って燃焼室２内に導入される。
【００１２】
各排気ポートは排気マニホールド８を介して共通の排気通路９と接続され、排気通路９は車両の床下で前方から後方に延設され、排気通路９の後端部には排気浄化装置１０が接続されている。従って、各気筒の燃焼室２内で燃焼後の排ガスは排気行程において排気弁５の開弁に伴って排気マニホールド８に排出され、排気マニホールド８内で集合して排気通路９内を案内された後に排気浄化装置１０に導入される。
図示はしないが、吸気通路７と排気通路９とは排ガス環流用のＥＧＲ通路を介して接続され、ＥＧＲ通路にはＥＧＲ弁及びＥＧＲクーラが介装されている。ＥＧＲ弁の開度に応じて排気通路内の排ガスがＥＧＲガスとして吸気通路に環流され、環流されたＥＧＲガスは筒内での燃焼温度を抑制してＮＯx生成量を低減する作用を奏する。
【００１３】
排気浄化装置１０のケーシング１１は円筒状をなし、その内部の上流側にはＳＣＲ触媒（アンモニア選択還元型ＮＯx触媒）１２が収容され、下流側には後段酸化触媒１３が収容されている。ケーシング１１の直上流側において排気通路９内には尿素水噴射用の噴射ノズル１４が配設され、噴射ノズル１４の先端は排気通路９内の中心に位置し、噴射ノズル１４の基端は排気通路９の外周に設置された電磁弁１４ａに接続されている。電磁弁１４ａには図示しない尿素タンクから所定圧の尿素水が供給されており、電磁弁１４ａの開閉に応じて噴射ノズル１４の先端から尿素水が放射状に噴射される。
各気筒からの排ガスは排気通路９を流通する過程で噴射ノズル１４から噴射された尿素水と混合し、排気熱及び排ガス中の水蒸気により尿素水は加水分解されてアンモニア（ＮＨ3）を生成する。そして、生成されたアンモニアによりＳＣＲ触媒１２上で排ガス中のＮＯxが無害な窒素（Ｎ2）に還元されてＮＯxの浄化が行われる一方、このときの余剰アンモニアが後段酸化触媒１３によりＮＯに酸化されて処理され、これによりＮＯxの大気中への排出が防止される。
【００１４】
上記のように各気筒の吸気弁４及び排気弁５は、図示しないクランク軸の回転に同期することで吸気行程や排気行程で開弁される。各吸気弁４及び排気弁５にはカム軸及びロッカアームからなる一般的な動弁機構が付設されており、クランク軸に同期して回転するカム軸によりロッカアームを介して開閉駆動されることにより、各気筒の吸気弁４は吸気工程で開弁し、各気筒の排気弁５は排気行程で開弁する。加えて、排気弁５については、＃２，＃４，＃６気筒と＃１，＃３，＃５気筒との２グルーブに分別されており、＃１，＃３，＃５気筒（特定気筒）の排気弁５は、上記した動弁機構による開閉駆動に加えて、所謂パワータードの排気強制開弁機構１５によっても開閉駆動されるようになっている。
【００１５】
周知のようにパワータードとは、気筒の圧縮上死点の直前で排気弁５を一時的に強制開弁することにより圧縮空気を排出すると共に、当該気筒への燃料噴射を中止し、これにより続く膨張行程において筒内に発生した負圧によりピストン下降を妨げてエンジンブレーキ作用を増大させるシステムである。後述するように本実施形態では、このパワータードを排気温度の上昇にも利用しており、そのために＃１，＃３，＃５気筒の排気弁５にはパワータードの排気強制開弁機構１５がそれぞれ付設されている。
【００１６】
具体的な排気強制開弁機構１５の構成は種々の文献で開示されているため詳細はしないが、例えば特開２００７−２４７６２８号公報に記載のものを応用することができる。応用例の概略を述べると、カム軸上の＃１，＃３，＃５気筒の排気用カムにそれぞれパワータード用カムが併設され、各気筒の圧宿上死点直前で各パワータード用カムにより油圧ピストンが押圧作動されるようになっている。油圧ピストンは油圧配管を介して排気弁５の直上に配設されたスレーブピストンと接続され、スレーブピストンは排気弁を上方から押圧することで排気弁５を強制開弁し得るようになっている。油圧配管にはソレノイド１６が介装され、ソレノイド１６のオン・オフに応じて油圧ピストンにより発生した油圧が油圧配管を介してスレーブピストン側に伝達或いは遮断される。
【００１７】
従って、ソレノイド１６のオフ時には油圧が遮断され、排気弁５は上記動弁機構により排気行程で開弁されるだけであり、これに対してソレノイド１６のオン時には油圧伝達が行われ、油圧ピストンからの油圧を受けてスレーブピストンが作動して排気弁５を圧縮上死点直前で一時的に強制開弁する。ソレノイド１６は＃１，＃３，＃５気筒に個別に設けられているため、ソレノイド１６の作動を選択することで任意の気筒の排気強制開弁機構１５を作動可能となっている。なお、図１では＃１，＃３，＃５に付設されたソレノイド１５と共に、排気強制開弁機構１５の概略を図示している。
ここで、説明の便宜上、通常の筒内で燃焼している気筒をファイヤリング気筒と称し、パワータードが作動している気筒をパワータード気筒と称して区別することにする。排気強制開弁機構１５は＃１，＃３，＃５気筒に付設されているため、パワータード気筒は０〜３気筒の４段階で増減し、それに応じてファイヤリング気筒が６〜３の間で増減することになる。
【００１８】
一方、以上のように構成されたエンジン１は、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタなどを備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）２１により制御される。ＥＣＵ２１の入力側には、上記ケーシング１１内の最上流部に設置された排気温センサ２２、及び図示しないエンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサやアクセル操作量Ａccを検出するアクセルセンサなどの各種センサ類が接続されている。
排気温センサ２２により検出される排気温度ＴexはＳＣＲ触媒１２に導入される直前の値であるため、ＳＣＲ触媒１２の温度Ｔcatとの間に相関関係が成立する。そこで、予め試験を実施して排気温度ＴexとＳＣＲ触媒の温度Ｔcatとの関係を割り出しマップ化し、エンジン１の運転中にはマップに基づきＥＣＵ２１により排気温度Ｔexから触媒温度Ｔcatが逐次算出され（触媒温度検出手段）、算出した値に基づき後述する尿素噴射や＃１，＃３，＃５気筒でのパワータードの作動が行われる。
また、ＥＣＵ２１の出力側には各気筒の燃料噴射弁３、＃１，＃３，＃５気筒のソレノイド１６、及び噴射ノズル１４の電磁弁１４ａなどの各種デバイス類が接続されている。
【００１９】
例えばＥＣＵ２１は、エンジン回転速度Ｎeやアクセル操作量Ａccから所定のマップに従って燃料噴射量Ｑを設定すると共に、この燃料噴射量Ｑ及びエンジン回転速度Ｎeから所定のマップに従って燃料噴射時期ＩＴを設定する。そして、これらの燃料噴射量Ｑ及び燃料噴射時期ＩＴに基づき燃料噴射弁３を駆動制御し、各気筒の筒内に燃料を噴射してエンジン１を運転する（燃料制御手段）。
また、ＥＣＵ２１は、燃料噴射量Ｑ及びエンジン回転速度Ｎeから所定のマップに従ってＥＧＲの実行域と非実行域とを判別すると共に、ＥＧＲ実行域ではマップから設定した目標ＥＧＲ量に基づきＥＧＲ弁の開度を制御する。これによりＥＧＲ実行域では排ガスをＥＧＲガスとして吸気側に環流させることで筒内の燃焼温度を抑制してＮＯx生成の低減を達成する。
【００２０】
また、ＥＣＵ２１は、排気温度センサ２２の検出値Ｔexから逐次算出した触媒温度Ｔcatに基づき、噴射ノズル１４の尿素水噴射量を制御する。周知のようにＳＣＲ触媒１２は活性下限温度を下回ると、たとえアンモニアを供給しても十分な浄化性能を望めなくなるため、尿素水の噴射は活性下限温度、例えば１８０℃以上で実行し、それ未満の温度域では中止する。このため、活性下限温度未満ではＳＣＲ触媒１２によるＮＯx浄化作用が得られなくなるが、［発明が解決しようとする課題］でも述べたように、このような状況で排気通路９内にＨＣを供給する特許文献１の対策では、迅速に触媒昇温できずに十分なＮＯx排出防止を望めないという問題がある。
そこで、本実施形態ではパワータードを利用してＳＣＲ触媒１２の昇温を行っており、以下、ＥＣＵ２１により実行される当該制御について詳述する。
【００２１】
図２は触媒温度Ｔcatからパワータード気筒数を設定するためのマップを示しており、当該マップに基づき＃１，＃３，＃５気筒でのパワータードの作動状態が制御される。マップから導き出されるパワータード気筒数に対応して、パワータードを作動させるべき気筒は予め決められている。例えば、パワータード気筒数が１気筒のときには＃１気筒のパワータードを作動させ、パワータード気筒数が２気筒のときには＃１及び＃３気筒のパワータードを作動させ、パワータード気筒数が３気筒のときには＃１，＃３及び＃５気筒のパワータードを作動させる。
但し、パワータードを設けた気筒は＃１，＃３，＃５気筒に限ることはなく任意に変更或いは増減可能であり、またパワータード気筒数に対応して作動させる気筒についても上記例示に限ることはなく任意に変更可能である。
【００２２】
図に示すように、全体として触媒温度Ｔcatが低下するほどパワータード気筒数を増加させているが、触媒温度Ｔcatが低下してパワータードを開始するときの温度（昇温開始判定温度であり、図中にＰＴ開始で示す）と、触媒温度Ｔcatが上昇してパワータードを終了するときの温度（昇温終了判定温度であり、図中にＰＴ終了で示す）とを相違させている。
詳述すると、触媒温度Ｔcatの低下時には、ＳＣＲ触媒１２の活性下限温度（尿素水の噴射中止温度でもある）に相当する１８０℃を下回った時点でパワータード気筒数を０から１に変更し、１６０℃を下回るとパワータード気筒数を２とし、さらに１４０℃を下回るとパワータード気筒数を３とする。そして、１２０℃未満の温度域でパワータード作動させるとエンジン回転に支障をきたして不安定になることを鑑みて、触媒温度Ｔcatが１２０℃（昇温禁止温度）を下回ると、触媒昇温よりもエンジン回転の安定化を優先してパワータード気筒数を０としている。
【００２３】
また、触媒温度Ｔcatの上昇時には、１２０℃を越えるとパワータード気筒数を０から３に変更し、１４０℃を越えるとパワータード気筒数を２とし、１６０℃を越えるとパワータード気筒数を１とし、活性下限温度の１８０℃よりも高温側の２２０℃を越えるとパワータード気筒数を０としている。
以上のような特性のマップに基づいてＥＣＵ２１により実行される＃１，＃３，＃５気筒でのパワータードの制御状態を、図３のタイムチャートに従って説明する。
まず、ＳＣＲ触媒１２の温度Ｔcatが１８０℃を越えているときには、噴射ノズル１４から尿素水の噴射が行われると共に、図２のマップからパワータード気筒数として０が設定されて＃１，＃３，＃５気筒の全てでパワータードの作動が中止されている。このときのエンジン１の運転状態は通常時と相違なく、全気筒がファイヤリング気筒として作動して筒内で燃焼が行われると共に、尿素水の噴射によりＳＣＲ触媒１２でＮＯxが浄化されている。
【００２４】
例えば車両の低速走行により排気温度が低いエンジン運転状態が継続したときには、触媒温度Ｔcatが次第に低下してＳＣＲ触媒１２の活性下限温度である１８０℃を下回る。このときには尿素水の噴射が中止されると共に、パワータード気筒数として１が導き出されることを受けて、＃１気筒の排気強制開弁機構１５が作動し、且つ当該＃１気筒に対する燃料噴射が中止される（以下、これらの処理をパワータードの作動と表現する）。これにより、＃１気筒がファイヤリング気筒からパワータード気筒に切り換えられる（昇温制御手段）。
図４は通常運転時とパワータード作動時とのエンジン１の仕事量をｐ-ｖ線図上で比較した説明図である。通常運転時にエンジン１が発生する仕事量は図中のハッチングで囲まれた領域に相当する。これに対して＃１，＃３，＃５気筒の何れかがパワータード気筒として作動すると、当該パワータード気筒では、図中のクロスハッチングの領域で示すように負の仕事量を発生する。このとき発生した負の仕事量を補うべく、ＥＣＵ２１の制御によりファイヤリング気筒では燃料噴射量が増加補正され、図中のハッチングの領域で示すように仕事量が増加する（昇温制御手段）。
【００２５】
このように、パワータード気筒で発生した仕事量の損失をファイヤリング気筒が補う形で仕事量の収支が合わされることから、全体としてエンジン１は運転者のアクセル操作に応じたトルクを出力し続けるが、エンジン１が発生する熱量については上記した通常運転時とは大きく相違する。
即ち、このときファイヤリング気筒で発生する熱量は通常運転時に全気筒で発生する熱量よりも多く、さらにパワータード気筒でも圧縮上死点直前まで圧縮されて高温の空気を排出することで熱量を発生させているため、全体としてのエンジン１の発生熱量は通常運転時よりも格段に増加する。結果として熱量の増加は排気温度の上昇として現れ、その排ガスが内部を流通することによりＳＣＲ触媒１２は迅速に昇温される。このときの排気熱量の関係は次式（１）で表すことができる。
Ｑusly＜Ｑfig＋Ｑptd ……（１）
ここに、Ｑuslyは通常運転時のエンジン１の全気筒の発生熱量、Ｑfigはファイヤリング気筒の発生熱量、Ｑptdはパワータード気筒の発生熱量である。
【００２６】
当然であるが、ファイヤリング気筒及びパワータード気筒の発生熱量を合計した総発生熱量はパワータード気筒数に応じて相違し、パワータード気筒数が多いほど総発生熱量は増加し、迅速な触媒昇温が可能となる。
このような排気温度の上昇によりＳＣＲ触媒１２は昇温され、図３に一点鎖線で示すように触媒温度Ｔcatが上昇に転じて１８０℃を越えると、尿素水の噴射が再開されてＳＣＲ触媒１２は再びＮＯxを浄化し始める。この温度域では＃１気筒に対するパワータードは継続され、その後に触媒温度Ｔcatが２２０℃を越えると＃１気筒の排気強制開弁機構１５の作動が中止され、且つ当該＃１気筒に対する燃料噴射が再開される（以下、これらの処理をパワータードの中止と表現する）。これにより、＃１気筒がパワータード気筒からファイヤリング気筒に切り換えられる。
【００２７】
このように触媒温度ＴcatがＳＣＲ触媒１２の活性下限温度である１８０℃を越えた時点で直ちにパワータードを中止せずに、より高温側の２２０℃を越えるまでパワータードによる排気昇温を継続している（昇温制御手段）。例えば触媒温度Ｔcatの低下要因になった車両の低速走行が未だ継続している場合、パワータードを中止すると触媒温度Ｔcatが再び低下に転じる可能性もあるが、パワータードの継続によりこのような事態を防止でき、もって触媒温度Ｔcatを活性下限温度以上により確実に保持することができる。
なお、パワータードを開始する触媒温度Ｔcatは必ずしも活性下限温度である１８０℃に一致させる必要はなく、活性下限温度近傍であれば、若干高温側に、或いは若干低温側に設定してもよい。
【００２８】
一方、このような＃１気筒のパワータード作動により排気温度を上昇させても、図３に実線で示すように触媒温度Ｔcatが低下し続ける場合もある。このときには触媒温度Ｔcatが１６０℃を下回った時点で、＃１気筒に加えて＃３気筒のパワータードも作動し、さらに１４０℃を下回った時点で＃５気筒のパワータードも作動する（昇温制御手段）。それに応じてエンジン１の発生熱量が段階的に増加すると共に排気温度も上昇することから、多くの場合には触媒温度Ｔcatが上昇に転じる。
触媒温度Ｔcatが１４０℃を越えると＃５気筒のパワータードが中止され、１６０℃を越えると＃３気筒のパワータードが中止され、１８０℃を越えると尿素水の噴射が再開され、２２０℃を越えると＃１気筒のパワータードが中止されて全気筒がファイヤリング気筒に戻される。
【００２９】
このように触媒温度Ｔcatが低下するほどパワータード気筒数が増加され、エンジン発生熱量の増加が図られる。パワータード気筒の有無とは関係なく本来エンジン１の発生熱量には車両の走行状態が大きく関与し、例えば長い降板路が継続した場合などにはエンジン１の発生熱量が低すぎて、＃１気筒のみのパワータード作動では触媒温度Ｔcatの低下を抑制不能なこともある。しかし、この場合には触媒温度Ｔcatの低下に応じてパワータード気筒数を順次増加させるため、より確実に触媒温度Ｔcatの低下を抑制して上昇に転じさせることができる。よって、より多くの車両運転状態においてＳＣＲ触媒１２を活性温度域に保持でき、そのＮＯx浄化性能を最大限に発揮させることができる。
以上のＳＣＲ触媒１２のＮＯx浄化性能の向上は、他のエミッション対策装備に対しても好影響を与える。例えば同様のＮＯx抑制を目的としたＥＧＲの実行域を縮小したり、ＥＧＲクーラのサイズを小さくしたりすることが可能となる。また、エンジン１の全運転域でＳＣＲ触媒１２の浄化作用のみでＮＯxを規制値に抑制可能であれば、ＥＧＲシステムを省略することも場合によっては実現できる。
【００３０】
さらに、ＮＯx浄化性能の向上により、ＮＯxとトレードオフの関係にあるスモーク抑制を優先してエンジン１をキャリブレーション可能になるため、エンジン１のスモーク排出量を低減できる。このため、スモーク対策としてＳＣＲ触媒１２と共にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を装備している場合には、ＤＰＦのサイズを縮小できるし、さらにＤＰＦ上に堆積したパティキュレートを強制的に焼却除去する強制再生の実行頻度を低減できるため、強制再生時のポスト噴射に起因する燃料消費量の増加などの弊害を抑制することができる。さらにエンジン１の全運転域で筒内でのスモークの生成量を規制値に抑制可能であれば、ＤＰＦシステムを省略することも場合によっては実現できる。
一方、図３では示していないが、＃１，＃３，＃５気筒を全てパワータード気筒としても触媒温度Ｔcatの低下を抑制できない場合もあり得る。このようなときには触媒温度Ｔcatが１２０℃を下回った時点で図２のマップからパワータード気筒数として０が導き出されて、全気筒がファイヤリング気筒として作動する（昇温制御手段）。パワータードの作動はエンジン回転を不安定にする要因になり得るが、１２０℃未満でのパワータードの禁止処理によりこのような弊害を防止でき、もって車両のドライバビリティの悪化を未然に防止することができる。
【００３１】
以上のように本実施形態のエンジン１の排気浄化装置では、触媒温度Ｔcatが低下したときにパワータード気筒で発生した仕事量の損失を補う形でファイヤリング気筒を作動させている。これにより、ファイヤリング気筒及びパワータード気筒の総発生熱量を通常運転時に比較して増加させて排気温度を上昇させるため、結果としてＳＣＲ触媒１２を迅速に昇温して活性温度域に保持可能となる。従って、特許文献１の技術のようにＳＣＲ触媒を活性下限温度よりも低温のまま一時的なＮＯx吸着に利用する場合と異なり、ＳＣＲ触媒１２を活性温度域に保持して本来の良好なＮＯx浄化性能を発揮させるため、ＮＯxの排出を確実に防止することができる。
【００３２】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、直列６気筒ディーゼル機関の排気浄化装置に具体化したが、エンジン形式などはこれに限ることはなく、例えばガソリン機関に適用したり、気筒数を変更したりしてもよい。
また、上記実施形態では、触媒昇温のために必要な＃１，＃３，＃５気筒のみにパワータードの排気強制開弁機構１５を設けたが、全気筒に排気強制開弁機構１５を設けてもよい。この場合、触媒昇温を要するときには＃１，＃３，＃５気筒でパワータードを作動させて排気温度を上昇させ、一方、車両減速時には全気筒でパワータードを作動させてエンジンブレーキ作用を増大させるようにすればよい。
【符号の説明】
【００３３】
１ エンジン
９ 排気通路
１２ ＳＣＲ触媒（アンモニア選択還元型ＮＯx触媒）
１５ 排気強制開弁機構
２１ ＥＣＵ（燃料制御手段、触媒温度検出手段、昇温制御手段）
２２ 排気温度センサ（触媒温度検出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を配設したエンジンの排気浄化装置において、
上記エンジンの全気筒の内の少なくとも１つの特定気筒に設けられて、該特定気筒の圧縮上死点近傍において排気弁を一時的に強制開弁させて続く膨張行程で筒内に発生した負圧によりピストン下降を妨げて負の仕事量を発生させる排気強制開弁機構と、
上記エンジンの各気筒の燃料噴射量を制御する燃料制御手段と、
上記アンモニア選択還元型ＮＯx触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
上記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が予め上記アンモニア選択還元型ＮＯx触媒の活性下限温度近傍に設定された昇温開始判定温度を下回ったときに上記排気強制開弁機構を作動させ、上記燃料制御手段に上記特定気筒に対する燃料噴射を中止させると共に、該特定気筒による仕事量の損失を補うべく他気筒の燃料噴射量を増加補正させる昇温制御手段と
を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
上記エンジンの全気筒の内の複数の気筒が上記特定気筒として設定され、各特定気筒のそれぞれに上記排気強制開弁機構が設けられており、
上記昇温制御手段は、上記触媒温度が昇温開始判定温度を下回ったときに、該触媒温度が低下するほど上記排気強制開弁機構の作動及び燃料噴射の中止を行う特定気筒を増加することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
上記昇温制御手段は、上記排気強制開弁機構の作動により上記触媒温度が低下から上昇に転じて予め上記活性下限温度よりも高温側に設定された昇温終了温度を越えたときに、上記排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開することを特徴とする請求項１または２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
上記昇温制御手段は、上記排気強制開弁機構の作動及び燃料噴射の中止にも拘わらず上記触媒温度が低下し続けて、上記エンジンの回転に支障をきたす可能性がある温度として予め設定された昇温禁止温度を下回ったときに、上記排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開することを特徴とする請求項１乃至３の何れか記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項１】
排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を配設したエンジンの排気浄化装置において、
上記エンジンの全気筒の内の少なくとも１つの特定気筒に設けられて、該特定気筒の圧縮上死点近傍において排気弁を一時的に強制開弁させて続く膨張行程で筒内に発生した負圧によりピストン下降を妨げて負の仕事量を発生させる排気強制開弁機構と、
上記エンジンの各気筒の燃料噴射量を制御する燃料制御手段と、
上記アンモニア選択還元型ＮＯx触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
上記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が予め上記アンモニア選択還元型ＮＯx触媒の活性下限温度近傍に設定された昇温開始判定温度を下回ったときに上記排気強制開弁機構を作動させ、上記燃料制御手段に上記特定気筒に対する燃料噴射を中止させると共に、該特定気筒による仕事量の損失を補うべく他気筒の燃料噴射量を増加補正させる昇温制御手段と
を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
上記エンジンの全気筒の内の複数の気筒が上記特定気筒として設定され、各特定気筒のそれぞれに上記排気強制開弁機構が設けられており、
上記昇温制御手段は、上記触媒温度が昇温開始判定温度を下回ったときに、該触媒温度が低下するほど上記排気強制開弁機構の作動及び燃料噴射の中止を行う特定気筒を増加することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
上記昇温制御手段は、上記排気強制開弁機構の作動により上記触媒温度が低下から上昇に転じて予め上記活性下限温度よりも高温側に設定された昇温終了温度を越えたときに、上記排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開することを特徴とする請求項１または２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
上記昇温制御手段は、上記排気強制開弁機構の作動及び燃料噴射の中止にも拘わらず上記触媒温度が低下し続けて、上記エンジンの回転に支障をきたす可能性がある温度として予め設定された昇温禁止温度を下回ったときに、上記排気強制開弁機構の作動を中止し燃料噴射を再開することを特徴とする請求項１乃至３の何れか記載のエンジンの排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２１９８０４（Ｐ２０１２−２１９８０４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９０１１５（Ｐ２０１１−９０１１５）
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（３０３００２１５８）三菱ふそうトラック・バス株式会社 (1,037)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（３０３００２１５８）三菱ふそうトラック・バス株式会社 (1,037)
【Ｆターム（参考）】
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