内燃機関の排気浄化装置
【課題】パティキュレートフィルタの再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に抑制する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒が設けられ、その上流側に還元剤が供給される。また排気通路にはパティキュレートフィルタが設けられる。フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、還元剤の供給を停止すると同時にフィルタ昇温制御を開始し、昇温と昇温停止とを繰り返してフィルタを段階的に昇温させる。フィルタ昇温制御開始までの待ち時間が無くなりＮＯｘ悪化を抑制できる。またＮＯｘ触媒を段階的に昇温でき、１回の昇温当たりの吸着アンモニア排出量を抑制できる。
【解決手段】内燃機関の排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒が設けられ、その上流側に還元剤が供給される。また排気通路にはパティキュレートフィルタが設けられる。フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、還元剤の供給を停止すると同時にフィルタ昇温制御を開始し、昇温と昇温停止とを繰り返してフィルタを段階的に昇温させる。フィルタ昇温制御開始までの待ち時間が無くなりＮＯｘ悪化を抑制できる。またＮＯｘ触媒を段階的に昇温でき、１回の昇温当たりの吸着アンモニア排出量を抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒とパティキュレートフィルタを設けた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばディーゼルエンジンといった内燃機関の排気通路に、選択還元型ＮＯｘ触媒を設け、このＮＯｘ触媒に上流側から還元剤としての尿素を供給し、尿素から発生するアンモニアで排気ガスに含まれるＮＯｘを選択的に還元するようにした排気浄化装置が公知である。
【０００３】
この選択還元型ＮＯｘ触媒は、アンモニアを所定限度内において吸着するというアンモニア吸着能を有しており、このアンモニア吸着能は触媒温度が高温であるほど低いという特性を有する。一方、ＮＯｘ触媒からアンモニアが排出される所謂アンモニアスリップが生じると、異臭等の原因となるため、これを極力防止する必要がある。
【０００４】
ところで、内燃機関の排気通路に、排気ガスに含まれる煤等のパティキュレート（ＰＭ）を除去するパティキュレートフィルタが併せて設置される場合がある。この場合、フィルタに堆積したＰＭを燃焼除去し、フィルタを再生するため、フィルタを昇温させる場合がある。
【０００５】
パティキュレートフィルタを昇温させたときにＮＯｘ触媒の温度も上昇する場合がある。ＮＯｘ触媒の温度が急激に上昇すると、ＮＯｘ触媒に吸着されていたアンモニアがＮＯｘ触媒から脱離して下流側に排出される虞がある。
【０００６】
こうしたアンモニアスリップを抑制するため、特許文献１では、フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、選択還元型ＮＯｘ触媒への尿素供給を停止すると共に、この停止時点から所定期間が経過してからフィルタ昇温制御を実行している。こうすると、尿素供給停止時点からフィルタ昇温制御開始時点までの所定期間の間に排気中のＮＯｘでＮＯｘ触媒の吸着アンモニアを反応消費することができ、その後、吸着アンモニアの量が少なくなった時点でフィルタ昇温制御を開始するので、吸着アンモニアの脱離排出量を低減し、アンモニアスリップを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２５５９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の技術のように、フィルタ昇温制御を開始するまでの待ち時間を設けると、この待ち時間の間、ＮＯｘが悪化する。すなわち、待ち時間の間は排気中のＮＯｘでＮＯｘ触媒の吸着アンモニアを反応消費するが、吸着アンモニア量が減少するにつれ、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率は低下していく。よって、待ち時間の間は必ずしも排気中のＮＯｘを十分に浄化しているとは言えず、この間に大気に放出されるＮＯｘの量は増大してしまう。
【０００９】
その一方で、待ち時間を設けずに直ちにフィルタ昇温制御を開始すると、前述したようなアンモニアスリップが発生する。このように、アンモニアスリップとＮＯｘ悪化とは互いに背反する問題となっている。
【００１０】
そこで、本発明は上記事情に鑑みて創案され、その一の目的は、パティキュレートフィルタの再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒の上流側に還元剤としての尿素またはアンモニアを供給する還元剤供給手段と、
前記排気通路に設けられたパティキュレートフィルタと、
該パティキュレートフィルタを昇温させるフィルタ昇温制御を実行するフィルタ昇温手段と、
を備え、
前記フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、前記還元剤供給手段による還元剤の供給を停止すると同時に前記フィルタ昇温手段による前記フィルタ昇温制御を開始し、該フィルタ昇温制御において、昇温と昇温停止とを繰り返し実行して前記パティキュレートフィルタを段階的に昇温させる
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１２】
フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、尿素供給停止と同時にフィルタ昇温制御を開始するため、フィルタ昇温制御を開始するまでの待ち時間が無くなり、ＮＯｘ悪化を抑制できる。
【００１３】
また、昇温と昇温停止とを繰り返し実行してパティキュレートフィルタを段階的に昇温させるため、ＮＯｘ触媒も同様に段階的に昇温される。こうすると、１回の昇温当たりの吸着アンモニアの排出量を許容量以下に制限でき、また昇温停止により全体としての昇温速度を緩やかにして吸着アンモニアの排出量を抑制できる。
【００１４】
こうして、パティキュレートフィルタ再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に抑制することが可能となる。
【００１５】
好ましくは、前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒が高温になるにつれ１回の昇温量を増大させる。これにより各回の昇温時におけるアンモニア排出量を均等化し、効率的なフィルタ昇温制御が可能になるほか、フィルタ再生に要する時間を短縮することができる。
【００１６】
好ましくは、前記フィルタ昇温手段は、１回の昇温開始時点における前記ＮＯｘ触媒の温度に基づいてＮＯｘ触媒温度に関する目標昇温量を設定し、この目標昇温量に実際のＮＯｘ触媒温度の昇温量が一致するよう、１回の昇温を実行する。
【００１７】
好ましくは、前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒が高温になるにつれ昇温速度を増大させる。これにより昇温速度をより積極的に律速することが可能となり、昇温速度を一定とする場合に比べ、フィルタ再生に要する時間をより短縮することができる。
【００１８】
代替的に、前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒の温度に拘わらず１回の昇温量を一定としてもよい。これによりシンプルな方法でフィルタ昇温制御を実行可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、パティキュレートフィルタの再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に抑制することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着特性と比較例としてのフィルタ昇温制御を示すグラフである。
【図３】ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着特性と本実施形態のフィルタ昇温制御を示すグラフである。
【図４】フィルタ昇温制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。
【００２２】
図１に、本発明の実施形態に係る内燃機関を概略的に示す。１は自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、２は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、３は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、４は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ５に供給された燃料が、高圧ポンプ５によりコモンレール６に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール６内の高圧燃料がインジェクタ７から燃焼室４内に直接噴射供給される。
【００２３】
エンジン１からの排気ガスは、排気マニフォルド３からターボチャージャ８を経た後にその下流の排気通路９に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。
【００２４】
他方、エアクリーナ１０から吸気通路１１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ１２、ターボチャージャ８、インタークーラ１３、スロットルバルブ１４を順に通過して吸気マニフォルド２に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ１４には電子制御式のものが採用されている。
【００２５】
排気通路９には、上流側から順に、排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒２０と、排気ガス中の煤等のパティキュレート（ＰＭ）を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）２２と、排気ガス中のＮＯｘを還元除去する選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）２４とが直列に設けられている。
【００２６】
ＮＯｘ触媒２４は、尿素またはアンモニアからなる還元剤が供給されているときに排気ガス中のＮＯｘを連続的に還元除去するものである。本実施形態では取扱いの容易さから還元剤として尿素水を用いている。またＮＯｘ触媒２４は、その触媒温度が所定の活性温度域（例えば２００〜４００℃）にあるときにＮＯｘを還元可能である。
【００２７】
ＮＯｘ触媒２４の上流側には、尿素水を供給するための尿素添加弁４０が設けられている。尿素添加弁４０は、不図示の尿素タンクからポンプを介して尿素水を供給されている。尿素添加弁４０は電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００に接続され、制御される。
【００２８】
ＮＯｘ触媒２４に尿素水が供給されると、尿素水が蒸発及び加水分解してアンモニアＮＨ３が生成され、このアンモニアＮＨ３がＮＯｘ触媒内でＮＯｘと反応し、ＮＯｘが還元される。この反応を化学式で表すと次のようになる。
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ
特に、ＮＯｘ触媒２４はアンモニア吸着能を有し、アンモニア吸着成分、例えばゼオライトを含む。ＮＯｘ触媒２４は、例えばゼオライトの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持させて構成されている。
【００２９】
他方、ＤＰＦ２２は表面に貴金属を有する。ＤＰＦ２２に対してＨＣを多く含むリッチな排気ガスが供給されると、このリッチガスが貴金属を介して酸化、燃焼し、同時にＤＰＦに堆積されているＰＭが燃焼する。これによりＤＰＦ２２は再生される。
【００３０】
ＮＯｘ触媒２４および尿素添加弁４０の上流側には、排気ガスの温度を検出するための排気温センサ３４と、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ３６とが設けられている。
【００３１】
またＤＰＦ２２の上流側には、排気ガスの温度を検出するための排気温センサ３０が設けられている。以下、排気温センサ３０，３４をそれぞれ上流排気温センサ３０、下流排気温センサ３４という。さらに、ＤＰＦ２２の前後の差圧を検出するための差圧センサ３２が設けられている。この差圧センサ３２はＤＰＦ２２に捕集されたＰＭ量の検出に用いられる。
【００３２】
酸化触媒２０の上流側には、排気通路９内に燃料を供給する燃料供給弁６０が設けられている。
【００３３】
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ７、高圧ポンプ５、スロットルバルブ１４等を制御する。またＥＣＵ１００は、尿素添加量を制御すべく尿素添加弁４０を制御し、燃料供給量を制御すべく燃料供給弁６０を制御する。ＥＣＵ１００には、センサ類として、前述のエアフローメータ２２、ＮＯｘセンサ３６、上流排気温センサ３０、下流排気温センサ３４および差圧センサ３２が接続される。
【００３４】
またＥＣＵ１００には、クランク角センサ１５およびアクセル開度センサ１６が接続されている。クランク角センサ１５はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はそのクランクパルス信号に基づきエンジン１のクランク角を検出すると共に、エンジン１の回転速度を計算する。アクセル開度センサ１６は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。
【００３５】
ＮＯｘ触媒２４の温度は、触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ１００が、下流排気温センサ３４により検出された排気温度およびエンジン１の運転履歴等に基づき、触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。
【００３６】
同様に、ＤＰＦ２２の温度も、上流排気温センサ３０および下流排気温センサ３４によりそれぞれ検出された排気温度に基づき、ＥＣＵ１００により推定される。勿論、ＤＰＦ２２に埋設した温度センサによりその温度を直接検出することも可能である。
【００３７】
さて、本実施形態の構成において、ＮＯｘ触媒２４はアンモニアを吸着可能である。そしてＮＯｘ触媒２４のアンモニア吸着能即ちアンモニア吸着可能量は、図２に線Ｌで示すようにＮＯｘ触媒２４の触媒温度に応じて変化し、触媒温度が高温であるほど低下する傾向を呈する。ＮＯｘ触媒２４は、この吸着アンモニアをも利用して排ガス中のＮＯｘを還元する。
【００３８】
他方、ＮＯｘ触媒２４における実際のアンモニア吸着量が、吸着可能量Ｌに対し所定のマージンだけ少ない目標吸着量Ｔに一致するよう、ＥＣＵ１００により尿素添加量が次の如く制御される。
【００３９】
まず、推定触媒温度に基づいて、ＮＯｘ触媒２４のＮＯｘ浄化率と目標吸着量とが算出される。次いでＮＯｘセンサ３６によって検出されたＮＯｘ濃度と、エアフローメータ１２により検出された吸入空気量（排ガス流量の代用値）とに基づいて、ＮＯｘ触媒２４に供給される供給ＮＯｘ量（或いは燃焼室４から排出された排出ＮＯｘ量）が算出される。その後ＮＯｘ浄化率と供給ＮＯｘ量に基づいて、ＮＯｘ浄化に使用されるアンモニア消費量が算出される。
【００４０】
この後、目標吸着量とアンモニア消費量とに基づき、アンモニア添加量が算出される。以上の算出は所定の演算周期毎に逐次的に行われる。目標吸着量をＴ、アンモニア消費量をＡ、アンモニア添加量をＢ、今回値および前回値をそれぞれｎ，ｎ−１で表すと、アンモニア添加量Ｂは式：Ｂｎ＝Ｔｎ−Ｔｎ−１＋Ａｎにより算出される。アンモニア添加量Ｂに相当する量の尿素水が尿素添加弁４０から添加される。
【００４１】
ここでＴｎ−Ｔｎ−１は今回吸着されるアンモニアの量を表す。そこでＴｎ−Ｔｎ−１が逐次的に積算され、その積算値が、今回までに吸着されるアンモニアの量すなわちアンモニア吸着量として求められる。
【００４２】
一方、ＤＰＦ２２に関して、ＤＰＦ２２に捕集、堆積されたＰＭを定期的に燃焼除去し、ＤＰＦ２２を再生する必要がある。このため、ＤＰＦ２２を昇温させるフィルタ昇温制御がＥＣＵ１００により実行される。ここでは比較例としてのフィルタ昇温制御を説明し、本実施形態のフィルタ昇温制御は後に説明する。
【００４３】
まず、差圧センサ３２の検出値が所定値と比較される。その検出値が所定値未満のときは、ＰＭ堆積量が少なくフィルタ昇温制御は不要（すなわち、ＤＰＦ再生要求無し）と判定され、フィルタ昇温制御は実行されない。他方、その検出値が所定値以上になったときは、ＰＭ堆積量が多くフィルタ昇温制御が必要（すなわち、ＤＰＦ再生要求有り）と判定され、フィルタ昇温制御が実行される。
【００４４】
フィルタ昇温制御の実行に際しては、燃料供給弁６０から排気通路９に燃料が供給される。するとまず酸化触媒２０に、ＨＣを多く含むリッチな排気ガスが供給され、酸化触媒２０においてＨＣが酸化、燃焼され、高温且つリッチな排気ガスが生成される。この高温且つリッチな排気ガスは、次いでＤＰＦ２２に供給される。するとＤＰＦ２２に担持された貴金属の作用により、排気ガス中のＨＣが燃焼してＰＭが同時に燃焼され、除去される。こうして、フィルタ昇温制御が実行されるとＤＰＦ２２は昇温されることとなる。
【００４５】
なお酸化触媒２０を省略し、燃料を直接ＤＰＦ２２で燃焼させてＰＭを同時に燃焼させるようにしても良い。また燃料供給弁６０から別途燃料を供給する方法の他、エンジンの膨張行程や排気行程でインジェクタ７から燃料を噴射する所謂ポスト噴射を行う方法も可能である。
【００４６】
ところで、図２を参照して、ＮＯｘ触媒２４に供給される排気ガスの温度は通常は低く、そのためＮＯｘ触媒２４の温度も通常は図中Ｔ１〜Ｔ２で示されるような低温域内にある。この低温域は例えば２００〜３００℃である。
【００４７】
他方、前述の比較例としてのフィルタ昇温制御が実行されると、ＤＰＦ２２の温度が急激に上昇する結果、ＤＰＦ２２から排出されＮＯｘ触媒２４に供給される排気ガスの温度が急激に上昇し、ＮＯｘ触媒２４自身の温度も急激に上昇する。そのため、ＮＯｘ触媒２４の温度は、図中Ｔ３以上の高温域に達することがある。この高温域は例えば６００℃以上である。
【００４８】
一方、前述したように、ＮＯｘ触媒２４のアンモニア吸着量は目標吸着量Ｔとなるように制御されている。そしてＮＯｘ触媒２４の温度が通常の低温域Ｔ１〜Ｔ２内にある状態で、比較例としてのフィルタ昇温制御が実行されると、図中ａで示すようにＮＯｘ触媒２４の温度が急激に高温域まで上昇するため、実際のアンモニア吸着量と吸着可能量Ｌとの差ｂに等しい、許容量を超えるアンモニアがＮＯｘ触媒２４から脱離排出されてしまう。
【００４９】
一方、前述したように、特許文献１の如くフィルタ昇温制御を開始するまでの待ち時間を設けると、この待ち時間の間、ＮＯｘ触媒２４のＮＯｘ浄化率が低下するため、ＮＯｘが悪化する。このようにアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とは互いに背反する問題である。
【００５０】
そこで、ＤＰＦ再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に抑制するため、本実施形態では、フィルタ昇温制御実行時にＤＰＦ温度を一度に昇温させるのではなく、ＤＰＦ温度を段階的に昇温させる。より詳細には、フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、尿素添加弁４０による尿素の供給を停止すると同時にフィルタ昇温制御を開始する。そしてフィルタ昇温制御において、昇温と昇温停止とを繰り返し実行してＤＰＦ２２を段階的に昇温させる。
【００５１】
フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、尿素供給停止と同時にフィルタ昇温制御を開始するため、フィルタ昇温制御を開始するまでの待ち時間が無くなり、ＮＯｘ悪化が抑制される。
【００５２】
また、昇温と昇温停止とを繰り返し実行してＤＰＦ２２を段階的に昇温させるため、ＤＰＦ２２の下流側のＮＯｘ触媒２４も同様に段階的に昇温される。
【００５３】
例えば図３に示すように、ＮＯｘ触媒２４の温度が通常の低温域Ｔ１〜Ｔ２内にある状態で、本実施形態に係るフィルタ昇温制御が実行されると、まず図中ｃで示すように１回目の昇温によりＮＯｘ触媒２４の温度が少しだけ上昇する。この結果、実際のアンモニア吸着量と吸着可能量Ｌとの差ｄに等しい、許容量のアンモニアがＮＯｘ触媒２４から脱離排出される。
【００５４】
この後、１回目の昇温停止が実行される。これによりＮＯｘ触媒２４の温度が概ね保持され、全体として昇温速度が緩やかになり、ＮＯｘ触媒２４からのアンモニア排出量が抑制される。なおこの間、排気ガス中のＮＯｘによりＮＯｘ触媒２４の吸着アンモニアを反応消費することもできる。よって２回目の昇温開始時点におけるＮＯｘ触媒２４の吸着アンモニア量は、１回目の昇温終了時点における吸着アンモニア量よりも少なくなるとも考えられる。但し図３では便宜上、これらは同一量として表示されている。
【００５５】
次いで２回目の昇温が実行されると、図中ｅで示すようにＮＯｘ触媒２４の温度が再度少しだけ上昇する。この結果、実際のアンモニア吸着量と吸着可能量Ｌとの差ｆに等しい、許容量のアンモニアがＮＯｘ触媒２４から脱離排出される。この後、２回目の昇温停止が実行され、昇温速度が緩やかとされる。
【００５６】
同様に３回目の昇温により図中ｇの如くＮＯｘ触媒２４が昇温され、この結果実際のアンモニア吸着量と吸着可能量Ｌとの差ｈに等しい、許容量のアンモニアがＮＯｘ触媒２４から脱離排出される。図示例ではこの３回目の昇温によりＮＯｘ触媒２４がＴ３以上の高温域に達しており、すなわち、ＤＰＦ２２は最終的な目標再生温度にまで達している。よってこの後直ちに、或いは必要に応じて所定時間経過後、フィルタ昇温制御が終了される。
【００５７】
以上の説明で分かるように、各回の昇温毎の吸着アンモニアの排出量は、比較例としてのフィルタ昇温制御を実行した場合に比べ、非常に少ない。全て許容量以内である。よって、比較例としてのフィルタ昇温制御を実行した場合よりもアンモニアスリップを抑制することができる。なおこの結果、ＮＯｘ触媒の下流側にアンモニア酸化触媒を設ける必要もなくなる。
【００５８】
こうして、ＤＰＦ再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に抑制することが可能となる。
【００５９】
上記のような少量ずつのＮＯｘ触媒２４の昇温は、当然ながら、ＤＰＦ２２の少量ずつの昇温により実現されるものである。ＮＯｘ触媒２４の温度はＤＰＦ２２の温度に相関ないし連動しているからである。そして比較例のフィルタ昇温制御は、ＤＰＦ２２が最終的な目標再生温度に達するまで燃料を供給し続けるものである。これに対し、本実施形態のフィルタ昇温制御は、各回毎に少量ずつの燃料を間欠的に供給するものである。ＤＰＦ２２を段階的に昇温させても、各回毎に少しずつ、ＤＰＦ２２の堆積ＰＭは燃焼される。よってＤＰＦ２２が最終的な目標再生温度にまで達した時には、既に必要十分な量の堆積ＰＭが燃焼除去されていると想定される。よって本実施形態は、特許文献１記載のものよりも、フィルタ再生に要するトータル時間を短縮することができると考えられる。
【００６０】
また、ＮＯｘ触媒２４は、通常の低温域Ｔ１〜Ｔ２よりも若干高温側にシフトした温度域（例えば２５０〜４００℃）になるとＮＯｘ浄化率が向上するという特性を有する。特許文献１記載のものでは、通常の低温域Ｔ１〜Ｔ２において吸着アンモニアのＮＯｘとの反応消費を待つため、長い待ち時間が必要である。これに対し、本実施形態の場合だと、かかるＮＯｘ浄化率が向上する温度域を時間をかけて通過するため、特に昇温停止時において吸着アンモニアの消費を促進でき、昇温と昇温停止の各ステップを迅速に進めることができる。よってこの点においても、本実施形態は特許文献１記載のものよりもフィルタ再生に要するトータル時間を短縮できると考えられる。
【００６１】
ところで、本実施形態のフィルタ昇温制御においては、ＮＯｘ触媒２４が高温になるにつれ１回の昇温量を増大させるのが好ましい。図３はこの好ましい態様を示し、ＮＯｘ触媒２４が高温になるにつれＤＰＦ２２の各回の昇温量が次第に増大され、その結果ＮＯｘ触媒２４の各回の昇温量ｃ，ｅ，ｇも次第に増大されている。図示するように、ＮＯｘ触媒２４の温度上昇に対する吸着可能量Ｌの減少率（線Ｌの傾き）は、ＮＯｘ触媒２４が高温になるにつれ少なくなるという特性がある。よってこの特性に鑑み、ＮＯｘ触媒２４が高温になるにつれ１回の昇温量を増大させれば、各回のアンモニア排出量ｄ，ｆ，ｈを均等化し、効率的なフィルタ昇温制御が可能になるほか、目標再生温度に到達するまでの時間ひいてはフィルタ再生に要する時間を短縮することができる。
【００６２】
また、本実施形態のフィルタ昇温制御においては、１回の昇温開始時点におけるＮＯｘ触媒２４の温度に基づいて触媒温度に関する目標昇温量を設定し、この目標昇温量に実際のＮＯｘ触媒温度昇温量が一致するように、１回の昇温を実行するのが好ましい。図３に示すアンモニア吸着特性によれば、各回のアンモニア排出量ｄ，ｆ，ｈを均等化しようとした場合、必要な昇温量は、１回の昇温開始時点におけるＮＯｘ触媒２４の温度によって変化する。よって１回の昇温開始時点におけるＮＯｘ触媒２４の温度に基づいて目標昇温量を設定し、この目標昇温量に実際の昇温量が一致するように１回の昇温を実行することで、各回のアンモニア排出量ｄ，ｆ，ｈを好適に均等化することが可能である。
【００６３】
さらに、図３に示したアンモニア吸着特性に鑑み、１回の昇温時における昇温速度をＮＯｘ触媒２４が高温になるにつれ増大させるのも好ましい。これにより昇温速度を一定とする場合に比べ、フィルタを目標再生温度までより早く到達させられ、フィルタ再生時間をより短縮することができる。また当該アンモニア吸着特性によればＮＯｘ触媒２４が高温であるほど一定昇温量当たりのアンモニア排出量が少なくなるので、こうしてもアンモニア排出速度を許容値以下に制限できる。このようにして昇温速度をより積極的に律速することが可能である。
【００６４】
代替的に、フィルタ昇温制御における１回の昇温量を、ＮＯｘ触媒２４の温度に拘わらず一定としてもよい。これによりシンプルな方法でフィルタ昇温制御を実行可能である。このとき昇温速度をＮＯｘ触媒温度が高温になるにつれ増大してもよい。
【００６５】
次に、図４を参照しつつ、ＥＣＵ１００が実行するフィルタ昇温制御の一例を説明する。
【００６６】
まずステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、ＤＰＦ再生要求の有無を判定する。すなわち前述したようにＥＣＵ１００は、差圧センサ３２の検出値を所定値と比較し、検出値が所定値未満のときにはＤＰＦ再生要求無しと判定し、検出値が所定値以上のときにはＤＰＦ再生要求有りと判定する。
【００６７】
ＤＰＦ再生要求無しと判定した場合、ＥＣＵ１００は、フィルタ昇温制御の実行条件が成立していないとして、待機状態となる。他方、ＤＰＦ再生要求有りと判定した場合、ＥＣＵ１００は、フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとして、ステップＳ１０２に進む。
【００６８】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、尿素添加弁４０を停止状態（オフ）とし、尿素添加弁４０からの尿素添加を停止する。
【００６９】
次いでＥＣＵ１００は、ステップＳ１０３において、ＮＯｘ触媒２４の推定触媒温度に基づいてＮＯｘ触媒温度に関する目標昇温量を設定する。この目標昇温量の設定は、ＮＯｘ触媒温度と目標昇温量との関係を予め規定したマップまたは関数（以下、マップ等という）に従って行われる。目標昇温量は、ＮＯｘ触媒温度が高いほど増大される。
【００７０】
なお、昇温速度の制御も併せて行う場合には、ＥＣＵ１００は、ＮＯｘ触媒２４の推定触媒温度に基づいてＮＯｘ触媒温度に関する目標昇温速度も設定する。この目標昇温速度の設定も、ＮＯｘ触媒温度と目標昇温速度との関係を予め規定したマップ等に従って行われる。目標昇温速度は、ＮＯｘ触媒温度が高いほど大である。
【００７１】
この後ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０４において、１回の昇温制御を実行する。この昇温制御は、ＮＯｘ触媒２４の実際の昇温量が、ステップＳ１０３で設定された目標昇温量に一致するよう、燃料を燃料供給弁６０から供給することで行う。ＮＯｘ触媒２４の実際の昇温量が目標昇温量に一致したか否かは、ＥＣＵ１００がＮＯｘ触媒２４の推定触媒温度をモニタすることにより判断する。また燃料供給制御はＮＯｘ触媒温度についてのフィードフォワード制御およびフィードバック制御の併用で行う。
【００７２】
なお、昇温速度の制御も併せて行う場合には、ＥＣＵ１００は、ＮＯｘ触媒２４の実際の昇温速度が、ステップＳ１０３で設定された目標昇温速度に一致するよう、燃料を燃料供給弁６０から供給することで行う。ＤＰＦ２２の実際の昇温速度が目標昇温速度に一致しているか否かは、ＥＣＵ１００がＮＯｘ触媒２４の推定触媒温度をモニタすることにより判断する。
【００７３】
こうして１回の昇温制御が終了したら、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０５において、１回の昇温制御終了時点から所定時間が経過したか否かを判断する。この昇温停止時間中は燃料供給弁６０が停止状態とされ、燃料供給が停止される。所定時間は、主にＮＯｘ触媒２４からのアンモニア排出量等を考慮して試験的に定められる。所定時間が経過していない場合、待機状態となり、所定時間が経過した場合にはステップＳ１０６に進む。
【００７４】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ１００は、推定ＤＰＦ温度Ｔｆが所定の目標再生温度Ｔｆｔ以上に達したか否かを判断する。Ｔｆ＜ＴｆｔのときにはステップＳ１０３に戻り、再度、１回ずつの昇温制御と昇温停止制御とが繰り返し実行される。他方、Ｔｆ≧Ｔｆｔのときにはフィルタ昇温制御が終了される。
【００７５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、本発明はディーゼルエンジン即ち圧縮着火式内燃機関以外の内燃機関にも適用可能であり、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリンエンジンにも適用可能である。また、前記実施形態では、ＮＯｘ触媒２４に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度をＮＯｘセンサ３６により検出したが、これに代わって、エンジン運転状態を表すパラメータ（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）に基づいて推定してもよい。ＤＰＦおよびＮＯｘ触媒の昇温方法は、前述の燃料供給弁６０から燃料を供給する方法およびポスト噴射を行う方法のほか、例えばスロットルバルブ開度を減少する吸気絞りやＥＧＲ増量などの方法も可能である。
【００７６】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、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、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、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。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒とパティキュレートフィルタを設けた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばディーゼルエンジンといった内燃機関の排気通路に、選択還元型ＮＯｘ触媒を設け、このＮＯｘ触媒に上流側から還元剤としての尿素を供給し、尿素から発生するアンモニアで排気ガスに含まれるＮＯｘを選択的に還元するようにした排気浄化装置が公知である。
【０００３】
この選択還元型ＮＯｘ触媒は、アンモニアを所定限度内において吸着するというアンモニア吸着能を有しており、このアンモニア吸着能は触媒温度が高温であるほど低いという特性を有する。一方、ＮＯｘ触媒からアンモニアが排出される所謂アンモニアスリップが生じると、異臭等の原因となるため、これを極力防止する必要がある。
【０００４】
ところで、内燃機関の排気通路に、排気ガスに含まれる煤等のパティキュレート（ＰＭ）を除去するパティキュレートフィルタが併せて設置される場合がある。この場合、フィルタに堆積したＰＭを燃焼除去し、フィルタを再生するため、フィルタを昇温させる場合がある。
【０００５】
パティキュレートフィルタを昇温させたときにＮＯｘ触媒の温度も上昇する場合がある。ＮＯｘ触媒の温度が急激に上昇すると、ＮＯｘ触媒に吸着されていたアンモニアがＮＯｘ触媒から脱離して下流側に排出される虞がある。
【０００６】
こうしたアンモニアスリップを抑制するため、特許文献１では、フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、選択還元型ＮＯｘ触媒への尿素供給を停止すると共に、この停止時点から所定期間が経過してからフィルタ昇温制御を実行している。こうすると、尿素供給停止時点からフィルタ昇温制御開始時点までの所定期間の間に排気中のＮＯｘでＮＯｘ触媒の吸着アンモニアを反応消費することができ、その後、吸着アンモニアの量が少なくなった時点でフィルタ昇温制御を開始するので、吸着アンモニアの脱離排出量を低減し、アンモニアスリップを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２５５９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の技術のように、フィルタ昇温制御を開始するまでの待ち時間を設けると、この待ち時間の間、ＮＯｘが悪化する。すなわち、待ち時間の間は排気中のＮＯｘでＮＯｘ触媒の吸着アンモニアを反応消費するが、吸着アンモニア量が減少するにつれ、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率は低下していく。よって、待ち時間の間は必ずしも排気中のＮＯｘを十分に浄化しているとは言えず、この間に大気に放出されるＮＯｘの量は増大してしまう。
【０００９】
その一方で、待ち時間を設けずに直ちにフィルタ昇温制御を開始すると、前述したようなアンモニアスリップが発生する。このように、アンモニアスリップとＮＯｘ悪化とは互いに背反する問題となっている。
【００１０】
そこで、本発明は上記事情に鑑みて創案され、その一の目的は、パティキュレートフィルタの再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒の上流側に還元剤としての尿素またはアンモニアを供給する還元剤供給手段と、
前記排気通路に設けられたパティキュレートフィルタと、
該パティキュレートフィルタを昇温させるフィルタ昇温制御を実行するフィルタ昇温手段と、
を備え、
前記フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、前記還元剤供給手段による還元剤の供給を停止すると同時に前記フィルタ昇温手段による前記フィルタ昇温制御を開始し、該フィルタ昇温制御において、昇温と昇温停止とを繰り返し実行して前記パティキュレートフィルタを段階的に昇温させる
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１２】
フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、尿素供給停止と同時にフィルタ昇温制御を開始するため、フィルタ昇温制御を開始するまでの待ち時間が無くなり、ＮＯｘ悪化を抑制できる。
【００１３】
また、昇温と昇温停止とを繰り返し実行してパティキュレートフィルタを段階的に昇温させるため、ＮＯｘ触媒も同様に段階的に昇温される。こうすると、１回の昇温当たりの吸着アンモニアの排出量を許容量以下に制限でき、また昇温停止により全体としての昇温速度を緩やかにして吸着アンモニアの排出量を抑制できる。
【００１４】
こうして、パティキュレートフィルタ再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に抑制することが可能となる。
【００１５】
好ましくは、前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒が高温になるにつれ１回の昇温量を増大させる。これにより各回の昇温時におけるアンモニア排出量を均等化し、効率的なフィルタ昇温制御が可能になるほか、フィルタ再生に要する時間を短縮することができる。
【００１６】
好ましくは、前記フィルタ昇温手段は、１回の昇温開始時点における前記ＮＯｘ触媒の温度に基づいてＮＯｘ触媒温度に関する目標昇温量を設定し、この目標昇温量に実際のＮＯｘ触媒温度の昇温量が一致するよう、１回の昇温を実行する。
【００１７】
好ましくは、前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒が高温になるにつれ昇温速度を増大させる。これにより昇温速度をより積極的に律速することが可能となり、昇温速度を一定とする場合に比べ、フィルタ再生に要する時間をより短縮することができる。
【００１８】
代替的に、前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒の温度に拘わらず１回の昇温量を一定としてもよい。これによりシンプルな方法でフィルタ昇温制御を実行可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、パティキュレートフィルタの再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に抑制することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着特性と比較例としてのフィルタ昇温制御を示すグラフである。
【図３】ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着特性と本実施形態のフィルタ昇温制御を示すグラフである。
【図４】フィルタ昇温制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。
【００２２】
図１に、本発明の実施形態に係る内燃機関を概略的に示す。１は自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、２は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、３は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、４は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ５に供給された燃料が、高圧ポンプ５によりコモンレール６に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール６内の高圧燃料がインジェクタ７から燃焼室４内に直接噴射供給される。
【００２３】
エンジン１からの排気ガスは、排気マニフォルド３からターボチャージャ８を経た後にその下流の排気通路９に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。
【００２４】
他方、エアクリーナ１０から吸気通路１１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ１２、ターボチャージャ８、インタークーラ１３、スロットルバルブ１４を順に通過して吸気マニフォルド２に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ１４には電子制御式のものが採用されている。
【００２５】
排気通路９には、上流側から順に、排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒２０と、排気ガス中の煤等のパティキュレート（ＰＭ）を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）２２と、排気ガス中のＮＯｘを還元除去する選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）２４とが直列に設けられている。
【００２６】
ＮＯｘ触媒２４は、尿素またはアンモニアからなる還元剤が供給されているときに排気ガス中のＮＯｘを連続的に還元除去するものである。本実施形態では取扱いの容易さから還元剤として尿素水を用いている。またＮＯｘ触媒２４は、その触媒温度が所定の活性温度域（例えば２００〜４００℃）にあるときにＮＯｘを還元可能である。
【００２７】
ＮＯｘ触媒２４の上流側には、尿素水を供給するための尿素添加弁４０が設けられている。尿素添加弁４０は、不図示の尿素タンクからポンプを介して尿素水を供給されている。尿素添加弁４０は電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００に接続され、制御される。
【００２８】
ＮＯｘ触媒２４に尿素水が供給されると、尿素水が蒸発及び加水分解してアンモニアＮＨ３が生成され、このアンモニアＮＨ３がＮＯｘ触媒内でＮＯｘと反応し、ＮＯｘが還元される。この反応を化学式で表すと次のようになる。
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ
特に、ＮＯｘ触媒２４はアンモニア吸着能を有し、アンモニア吸着成分、例えばゼオライトを含む。ＮＯｘ触媒２４は、例えばゼオライトの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持させて構成されている。
【００２９】
他方、ＤＰＦ２２は表面に貴金属を有する。ＤＰＦ２２に対してＨＣを多く含むリッチな排気ガスが供給されると、このリッチガスが貴金属を介して酸化、燃焼し、同時にＤＰＦに堆積されているＰＭが燃焼する。これによりＤＰＦ２２は再生される。
【００３０】
ＮＯｘ触媒２４および尿素添加弁４０の上流側には、排気ガスの温度を検出するための排気温センサ３４と、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ３６とが設けられている。
【００３１】
またＤＰＦ２２の上流側には、排気ガスの温度を検出するための排気温センサ３０が設けられている。以下、排気温センサ３０，３４をそれぞれ上流排気温センサ３０、下流排気温センサ３４という。さらに、ＤＰＦ２２の前後の差圧を検出するための差圧センサ３２が設けられている。この差圧センサ３２はＤＰＦ２２に捕集されたＰＭ量の検出に用いられる。
【００３２】
酸化触媒２０の上流側には、排気通路９内に燃料を供給する燃料供給弁６０が設けられている。
【００３３】
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ７、高圧ポンプ５、スロットルバルブ１４等を制御する。またＥＣＵ１００は、尿素添加量を制御すべく尿素添加弁４０を制御し、燃料供給量を制御すべく燃料供給弁６０を制御する。ＥＣＵ１００には、センサ類として、前述のエアフローメータ２２、ＮＯｘセンサ３６、上流排気温センサ３０、下流排気温センサ３４および差圧センサ３２が接続される。
【００３４】
またＥＣＵ１００には、クランク角センサ１５およびアクセル開度センサ１６が接続されている。クランク角センサ１５はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はそのクランクパルス信号に基づきエンジン１のクランク角を検出すると共に、エンジン１の回転速度を計算する。アクセル開度センサ１６は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。
【００３５】
ＮＯｘ触媒２４の温度は、触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ１００が、下流排気温センサ３４により検出された排気温度およびエンジン１の運転履歴等に基づき、触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。
【００３６】
同様に、ＤＰＦ２２の温度も、上流排気温センサ３０および下流排気温センサ３４によりそれぞれ検出された排気温度に基づき、ＥＣＵ１００により推定される。勿論、ＤＰＦ２２に埋設した温度センサによりその温度を直接検出することも可能である。
【００３７】
さて、本実施形態の構成において、ＮＯｘ触媒２４はアンモニアを吸着可能である。そしてＮＯｘ触媒２４のアンモニア吸着能即ちアンモニア吸着可能量は、図２に線Ｌで示すようにＮＯｘ触媒２４の触媒温度に応じて変化し、触媒温度が高温であるほど低下する傾向を呈する。ＮＯｘ触媒２４は、この吸着アンモニアをも利用して排ガス中のＮＯｘを還元する。
【００３８】
他方、ＮＯｘ触媒２４における実際のアンモニア吸着量が、吸着可能量Ｌに対し所定のマージンだけ少ない目標吸着量Ｔに一致するよう、ＥＣＵ１００により尿素添加量が次の如く制御される。
【００３９】
まず、推定触媒温度に基づいて、ＮＯｘ触媒２４のＮＯｘ浄化率と目標吸着量とが算出される。次いでＮＯｘセンサ３６によって検出されたＮＯｘ濃度と、エアフローメータ１２により検出された吸入空気量（排ガス流量の代用値）とに基づいて、ＮＯｘ触媒２４に供給される供給ＮＯｘ量（或いは燃焼室４から排出された排出ＮＯｘ量）が算出される。その後ＮＯｘ浄化率と供給ＮＯｘ量に基づいて、ＮＯｘ浄化に使用されるアンモニア消費量が算出される。
【００４０】
この後、目標吸着量とアンモニア消費量とに基づき、アンモニア添加量が算出される。以上の算出は所定の演算周期毎に逐次的に行われる。目標吸着量をＴ、アンモニア消費量をＡ、アンモニア添加量をＢ、今回値および前回値をそれぞれｎ，ｎ−１で表すと、アンモニア添加量Ｂは式：Ｂｎ＝Ｔｎ−Ｔｎ−１＋Ａｎにより算出される。アンモニア添加量Ｂに相当する量の尿素水が尿素添加弁４０から添加される。
【００４１】
ここでＴｎ−Ｔｎ−１は今回吸着されるアンモニアの量を表す。そこでＴｎ−Ｔｎ−１が逐次的に積算され、その積算値が、今回までに吸着されるアンモニアの量すなわちアンモニア吸着量として求められる。
【００４２】
一方、ＤＰＦ２２に関して、ＤＰＦ２２に捕集、堆積されたＰＭを定期的に燃焼除去し、ＤＰＦ２２を再生する必要がある。このため、ＤＰＦ２２を昇温させるフィルタ昇温制御がＥＣＵ１００により実行される。ここでは比較例としてのフィルタ昇温制御を説明し、本実施形態のフィルタ昇温制御は後に説明する。
【００４３】
まず、差圧センサ３２の検出値が所定値と比較される。その検出値が所定値未満のときは、ＰＭ堆積量が少なくフィルタ昇温制御は不要（すなわち、ＤＰＦ再生要求無し）と判定され、フィルタ昇温制御は実行されない。他方、その検出値が所定値以上になったときは、ＰＭ堆積量が多くフィルタ昇温制御が必要（すなわち、ＤＰＦ再生要求有り）と判定され、フィルタ昇温制御が実行される。
【００４４】
フィルタ昇温制御の実行に際しては、燃料供給弁６０から排気通路９に燃料が供給される。するとまず酸化触媒２０に、ＨＣを多く含むリッチな排気ガスが供給され、酸化触媒２０においてＨＣが酸化、燃焼され、高温且つリッチな排気ガスが生成される。この高温且つリッチな排気ガスは、次いでＤＰＦ２２に供給される。するとＤＰＦ２２に担持された貴金属の作用により、排気ガス中のＨＣが燃焼してＰＭが同時に燃焼され、除去される。こうして、フィルタ昇温制御が実行されるとＤＰＦ２２は昇温されることとなる。
【００４５】
なお酸化触媒２０を省略し、燃料を直接ＤＰＦ２２で燃焼させてＰＭを同時に燃焼させるようにしても良い。また燃料供給弁６０から別途燃料を供給する方法の他、エンジンの膨張行程や排気行程でインジェクタ７から燃料を噴射する所謂ポスト噴射を行う方法も可能である。
【００４６】
ところで、図２を参照して、ＮＯｘ触媒２４に供給される排気ガスの温度は通常は低く、そのためＮＯｘ触媒２４の温度も通常は図中Ｔ１〜Ｔ２で示されるような低温域内にある。この低温域は例えば２００〜３００℃である。
【００４７】
他方、前述の比較例としてのフィルタ昇温制御が実行されると、ＤＰＦ２２の温度が急激に上昇する結果、ＤＰＦ２２から排出されＮＯｘ触媒２４に供給される排気ガスの温度が急激に上昇し、ＮＯｘ触媒２４自身の温度も急激に上昇する。そのため、ＮＯｘ触媒２４の温度は、図中Ｔ３以上の高温域に達することがある。この高温域は例えば６００℃以上である。
【００４８】
一方、前述したように、ＮＯｘ触媒２４のアンモニア吸着量は目標吸着量Ｔとなるように制御されている。そしてＮＯｘ触媒２４の温度が通常の低温域Ｔ１〜Ｔ２内にある状態で、比較例としてのフィルタ昇温制御が実行されると、図中ａで示すようにＮＯｘ触媒２４の温度が急激に高温域まで上昇するため、実際のアンモニア吸着量と吸着可能量Ｌとの差ｂに等しい、許容量を超えるアンモニアがＮＯｘ触媒２４から脱離排出されてしまう。
【００４９】
一方、前述したように、特許文献１の如くフィルタ昇温制御を開始するまでの待ち時間を設けると、この待ち時間の間、ＮＯｘ触媒２４のＮＯｘ浄化率が低下するため、ＮＯｘが悪化する。このようにアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とは互いに背反する問題である。
【００５０】
そこで、ＤＰＦ再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に抑制するため、本実施形態では、フィルタ昇温制御実行時にＤＰＦ温度を一度に昇温させるのではなく、ＤＰＦ温度を段階的に昇温させる。より詳細には、フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、尿素添加弁４０による尿素の供給を停止すると同時にフィルタ昇温制御を開始する。そしてフィルタ昇温制御において、昇温と昇温停止とを繰り返し実行してＤＰＦ２２を段階的に昇温させる。
【００５１】
フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、尿素供給停止と同時にフィルタ昇温制御を開始するため、フィルタ昇温制御を開始するまでの待ち時間が無くなり、ＮＯｘ悪化が抑制される。
【００５２】
また、昇温と昇温停止とを繰り返し実行してＤＰＦ２２を段階的に昇温させるため、ＤＰＦ２２の下流側のＮＯｘ触媒２４も同様に段階的に昇温される。
【００５３】
例えば図３に示すように、ＮＯｘ触媒２４の温度が通常の低温域Ｔ１〜Ｔ２内にある状態で、本実施形態に係るフィルタ昇温制御が実行されると、まず図中ｃで示すように１回目の昇温によりＮＯｘ触媒２４の温度が少しだけ上昇する。この結果、実際のアンモニア吸着量と吸着可能量Ｌとの差ｄに等しい、許容量のアンモニアがＮＯｘ触媒２４から脱離排出される。
【００５４】
この後、１回目の昇温停止が実行される。これによりＮＯｘ触媒２４の温度が概ね保持され、全体として昇温速度が緩やかになり、ＮＯｘ触媒２４からのアンモニア排出量が抑制される。なおこの間、排気ガス中のＮＯｘによりＮＯｘ触媒２４の吸着アンモニアを反応消費することもできる。よって２回目の昇温開始時点におけるＮＯｘ触媒２４の吸着アンモニア量は、１回目の昇温終了時点における吸着アンモニア量よりも少なくなるとも考えられる。但し図３では便宜上、これらは同一量として表示されている。
【００５５】
次いで２回目の昇温が実行されると、図中ｅで示すようにＮＯｘ触媒２４の温度が再度少しだけ上昇する。この結果、実際のアンモニア吸着量と吸着可能量Ｌとの差ｆに等しい、許容量のアンモニアがＮＯｘ触媒２４から脱離排出される。この後、２回目の昇温停止が実行され、昇温速度が緩やかとされる。
【００５６】
同様に３回目の昇温により図中ｇの如くＮＯｘ触媒２４が昇温され、この結果実際のアンモニア吸着量と吸着可能量Ｌとの差ｈに等しい、許容量のアンモニアがＮＯｘ触媒２４から脱離排出される。図示例ではこの３回目の昇温によりＮＯｘ触媒２４がＴ３以上の高温域に達しており、すなわち、ＤＰＦ２２は最終的な目標再生温度にまで達している。よってこの後直ちに、或いは必要に応じて所定時間経過後、フィルタ昇温制御が終了される。
【００５７】
以上の説明で分かるように、各回の昇温毎の吸着アンモニアの排出量は、比較例としてのフィルタ昇温制御を実行した場合に比べ、非常に少ない。全て許容量以内である。よって、比較例としてのフィルタ昇温制御を実行した場合よりもアンモニアスリップを抑制することができる。なおこの結果、ＮＯｘ触媒の下流側にアンモニア酸化触媒を設ける必要もなくなる。
【００５８】
こうして、ＤＰＦ再生時におけるアンモニアスリップとＮＯｘ悪化とを同時に抑制することが可能となる。
【００５９】
上記のような少量ずつのＮＯｘ触媒２４の昇温は、当然ながら、ＤＰＦ２２の少量ずつの昇温により実現されるものである。ＮＯｘ触媒２４の温度はＤＰＦ２２の温度に相関ないし連動しているからである。そして比較例のフィルタ昇温制御は、ＤＰＦ２２が最終的な目標再生温度に達するまで燃料を供給し続けるものである。これに対し、本実施形態のフィルタ昇温制御は、各回毎に少量ずつの燃料を間欠的に供給するものである。ＤＰＦ２２を段階的に昇温させても、各回毎に少しずつ、ＤＰＦ２２の堆積ＰＭは燃焼される。よってＤＰＦ２２が最終的な目標再生温度にまで達した時には、既に必要十分な量の堆積ＰＭが燃焼除去されていると想定される。よって本実施形態は、特許文献１記載のものよりも、フィルタ再生に要するトータル時間を短縮することができると考えられる。
【００６０】
また、ＮＯｘ触媒２４は、通常の低温域Ｔ１〜Ｔ２よりも若干高温側にシフトした温度域（例えば２５０〜４００℃）になるとＮＯｘ浄化率が向上するという特性を有する。特許文献１記載のものでは、通常の低温域Ｔ１〜Ｔ２において吸着アンモニアのＮＯｘとの反応消費を待つため、長い待ち時間が必要である。これに対し、本実施形態の場合だと、かかるＮＯｘ浄化率が向上する温度域を時間をかけて通過するため、特に昇温停止時において吸着アンモニアの消費を促進でき、昇温と昇温停止の各ステップを迅速に進めることができる。よってこの点においても、本実施形態は特許文献１記載のものよりもフィルタ再生に要するトータル時間を短縮できると考えられる。
【００６１】
ところで、本実施形態のフィルタ昇温制御においては、ＮＯｘ触媒２４が高温になるにつれ１回の昇温量を増大させるのが好ましい。図３はこの好ましい態様を示し、ＮＯｘ触媒２４が高温になるにつれＤＰＦ２２の各回の昇温量が次第に増大され、その結果ＮＯｘ触媒２４の各回の昇温量ｃ，ｅ，ｇも次第に増大されている。図示するように、ＮＯｘ触媒２４の温度上昇に対する吸着可能量Ｌの減少率（線Ｌの傾き）は、ＮＯｘ触媒２４が高温になるにつれ少なくなるという特性がある。よってこの特性に鑑み、ＮＯｘ触媒２４が高温になるにつれ１回の昇温量を増大させれば、各回のアンモニア排出量ｄ，ｆ，ｈを均等化し、効率的なフィルタ昇温制御が可能になるほか、目標再生温度に到達するまでの時間ひいてはフィルタ再生に要する時間を短縮することができる。
【００６２】
また、本実施形態のフィルタ昇温制御においては、１回の昇温開始時点におけるＮＯｘ触媒２４の温度に基づいて触媒温度に関する目標昇温量を設定し、この目標昇温量に実際のＮＯｘ触媒温度昇温量が一致するように、１回の昇温を実行するのが好ましい。図３に示すアンモニア吸着特性によれば、各回のアンモニア排出量ｄ，ｆ，ｈを均等化しようとした場合、必要な昇温量は、１回の昇温開始時点におけるＮＯｘ触媒２４の温度によって変化する。よって１回の昇温開始時点におけるＮＯｘ触媒２４の温度に基づいて目標昇温量を設定し、この目標昇温量に実際の昇温量が一致するように１回の昇温を実行することで、各回のアンモニア排出量ｄ，ｆ，ｈを好適に均等化することが可能である。
【００６３】
さらに、図３に示したアンモニア吸着特性に鑑み、１回の昇温時における昇温速度をＮＯｘ触媒２４が高温になるにつれ増大させるのも好ましい。これにより昇温速度を一定とする場合に比べ、フィルタを目標再生温度までより早く到達させられ、フィルタ再生時間をより短縮することができる。また当該アンモニア吸着特性によればＮＯｘ触媒２４が高温であるほど一定昇温量当たりのアンモニア排出量が少なくなるので、こうしてもアンモニア排出速度を許容値以下に制限できる。このようにして昇温速度をより積極的に律速することが可能である。
【００６４】
代替的に、フィルタ昇温制御における１回の昇温量を、ＮＯｘ触媒２４の温度に拘わらず一定としてもよい。これによりシンプルな方法でフィルタ昇温制御を実行可能である。このとき昇温速度をＮＯｘ触媒温度が高温になるにつれ増大してもよい。
【００６５】
次に、図４を参照しつつ、ＥＣＵ１００が実行するフィルタ昇温制御の一例を説明する。
【００６６】
まずステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、ＤＰＦ再生要求の有無を判定する。すなわち前述したようにＥＣＵ１００は、差圧センサ３２の検出値を所定値と比較し、検出値が所定値未満のときにはＤＰＦ再生要求無しと判定し、検出値が所定値以上のときにはＤＰＦ再生要求有りと判定する。
【００６７】
ＤＰＦ再生要求無しと判定した場合、ＥＣＵ１００は、フィルタ昇温制御の実行条件が成立していないとして、待機状態となる。他方、ＤＰＦ再生要求有りと判定した場合、ＥＣＵ１００は、フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとして、ステップＳ１０２に進む。
【００６８】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、尿素添加弁４０を停止状態（オフ）とし、尿素添加弁４０からの尿素添加を停止する。
【００６９】
次いでＥＣＵ１００は、ステップＳ１０３において、ＮＯｘ触媒２４の推定触媒温度に基づいてＮＯｘ触媒温度に関する目標昇温量を設定する。この目標昇温量の設定は、ＮＯｘ触媒温度と目標昇温量との関係を予め規定したマップまたは関数（以下、マップ等という）に従って行われる。目標昇温量は、ＮＯｘ触媒温度が高いほど増大される。
【００７０】
なお、昇温速度の制御も併せて行う場合には、ＥＣＵ１００は、ＮＯｘ触媒２４の推定触媒温度に基づいてＮＯｘ触媒温度に関する目標昇温速度も設定する。この目標昇温速度の設定も、ＮＯｘ触媒温度と目標昇温速度との関係を予め規定したマップ等に従って行われる。目標昇温速度は、ＮＯｘ触媒温度が高いほど大である。
【００７１】
この後ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０４において、１回の昇温制御を実行する。この昇温制御は、ＮＯｘ触媒２４の実際の昇温量が、ステップＳ１０３で設定された目標昇温量に一致するよう、燃料を燃料供給弁６０から供給することで行う。ＮＯｘ触媒２４の実際の昇温量が目標昇温量に一致したか否かは、ＥＣＵ１００がＮＯｘ触媒２４の推定触媒温度をモニタすることにより判断する。また燃料供給制御はＮＯｘ触媒温度についてのフィードフォワード制御およびフィードバック制御の併用で行う。
【００７２】
なお、昇温速度の制御も併せて行う場合には、ＥＣＵ１００は、ＮＯｘ触媒２４の実際の昇温速度が、ステップＳ１０３で設定された目標昇温速度に一致するよう、燃料を燃料供給弁６０から供給することで行う。ＤＰＦ２２の実際の昇温速度が目標昇温速度に一致しているか否かは、ＥＣＵ１００がＮＯｘ触媒２４の推定触媒温度をモニタすることにより判断する。
【００７３】
こうして１回の昇温制御が終了したら、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０５において、１回の昇温制御終了時点から所定時間が経過したか否かを判断する。この昇温停止時間中は燃料供給弁６０が停止状態とされ、燃料供給が停止される。所定時間は、主にＮＯｘ触媒２４からのアンモニア排出量等を考慮して試験的に定められる。所定時間が経過していない場合、待機状態となり、所定時間が経過した場合にはステップＳ１０６に進む。
【００７４】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ１００は、推定ＤＰＦ温度Ｔｆが所定の目標再生温度Ｔｆｔ以上に達したか否かを判断する。Ｔｆ＜ＴｆｔのときにはステップＳ１０３に戻り、再度、１回ずつの昇温制御と昇温停止制御とが繰り返し実行される。他方、Ｔｆ≧Ｔｆｔのときにはフィルタ昇温制御が終了される。
【００７５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、本発明はディーゼルエンジン即ち圧縮着火式内燃機関以外の内燃機関にも適用可能であり、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリンエンジンにも適用可能である。また、前記実施形態では、ＮＯｘ触媒２４に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度をＮＯｘセンサ３６により検出したが、これに代わって、エンジン運転状態を表すパラメータ（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）に基づいて推定してもよい。ＤＰＦおよびＮＯｘ触媒の昇温方法は、前述の燃料供給弁６０から燃料を供給する方法およびポスト噴射を行う方法のほか、例えばスロットルバルブ開度を減少する吸気絞りやＥＧＲ増量などの方法も可能である。
【００７６】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、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、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒の上流側に還元剤としての尿素またはアンモニアを供給する還元剤供給手段と、
前記排気通路に設けられたパティキュレートフィルタと、
該パティキュレートフィルタを昇温させるフィルタ昇温制御を実行するフィルタ昇温手段と、
を備え、
前記フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、前記還元剤供給手段による還元剤の供給を停止すると同時に前記フィルタ昇温手段による前記フィルタ昇温制御を開始し、該フィルタ昇温制御において、昇温と昇温停止とを繰り返し実行して前記パティキュレートフィルタを段階的に昇温させる
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒が高温になるにつれ１回の昇温量を増大させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記フィルタ昇温手段は、１回の昇温開始時点における前記ＮＯｘ触媒の温度に基づいてＮＯｘ触媒温度に関する目標昇温量を設定し、この目標昇温量に実際のＮＯｘ触媒温度の昇温量が一致するよう、１回の昇温を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒が高温になるにつれ昇温速度を増大させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒の温度に拘わらず１回の昇温量を一定とすることを特徴とする請求項１または４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒の上流側に還元剤としての尿素またはアンモニアを供給する還元剤供給手段と、
前記排気通路に設けられたパティキュレートフィルタと、
該パティキュレートフィルタを昇温させるフィルタ昇温制御を実行するフィルタ昇温手段と、
を備え、
前記フィルタ昇温制御の実行条件が成立したとき、前記還元剤供給手段による還元剤の供給を停止すると同時に前記フィルタ昇温手段による前記フィルタ昇温制御を開始し、該フィルタ昇温制御において、昇温と昇温停止とを繰り返し実行して前記パティキュレートフィルタを段階的に昇温させる
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒が高温になるにつれ１回の昇温量を増大させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記フィルタ昇温手段は、１回の昇温開始時点における前記ＮＯｘ触媒の温度に基づいてＮＯｘ触媒温度に関する目標昇温量を設定し、この目標昇温量に実際のＮＯｘ触媒温度の昇温量が一致するよう、１回の昇温を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒が高温になるにつれ昇温速度を増大させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記フィルタ昇温手段は、前記ＮＯｘ触媒の温度に拘わらず１回の昇温量を一定とすることを特徴とする請求項１または４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２６１３２０（Ｐ２０１０−２６１３２０Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１０６０１（Ｐ２００９−１１０６０１）
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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