JP2008175079A

JP2008175079A - 内燃機関の排気システム

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Publication number: JP2008175079A
Application number: JP2007006971A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Kaneko; 智洋金子; Hisashi Oki; 久大木; Masahiro Nagae; 正浩長江; Kiyoshi Fujiwara; 清藤原; Takafumi Yamada; 貴文山田; Takeshi Hashizume; 剛橋詰; Takashi Koyama; 崇小山; Takayuki Hosoki; 貴之細木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: JP4853297B2

Abstract

【課題】排気通路へ燃料を噴射する燃料添加手段の噴***度を維持することにより正確なＥＧＲ率の制御を実現できる内燃機関の排気システムを提供する。
【解決手段】フィルタ１２を内蔵する排気浄化装置９の浄化機能を回復させるために燃料を噴射する燃料添加弁１３と、排気浄化装置９の下流からＥＧＲガスを取り出す低圧排気還流装置１４と、燃料添加弁１３の上流からＥＧＲガスを取り出す高圧排気還流装置１８とを有し、燃料添加弁１３から噴射すべき燃料が噴***度を維持できない量である場合には、排気浄化装置９を通過するガスのガス流量を増加するように、低圧排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と高圧排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との配分を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に導入する排気還流装置が設けられた内燃機関に適用される排気システムに関する。

内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置として、排気中のパティキュレートを捕集して排気を浄化するフィルタや、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを還元して浄化する吸蔵還元型のＮＯｘ触媒などが広く知られている。

フィルタの場合、捕集したパティキュレートの量が増えると目詰まりを起こしその捕集機能、つまり排気浄化機能が悪化する。そこで、その機能を回復するため、排気通路に燃料を噴射してパティキュレートの床温を上昇させることにより捕集されたパティキュレートを燃焼させるフィルタ再生処理が行われる。また、ＮＯｘ触媒の場合、ＮＯｘの吸蔵量が増えるとＮＯｘの浄化機能が悪化するので、吸蔵したＮＯｘを還元して浄化させるため排気通路内に燃料を噴射して排気空燃比を一時的にリッチ化するリッチスパイク処理が行われ、これによって悪化した浄化機能を回復させる。更に、ＮＯｘ触媒の場合には硫黄被毒により悪化した浄化機能を回復するため排気通路に燃料を噴射する硫黄被毒再生処理も行われる。排気通路に燃料を噴射するこれらの処理は排気浄化装置の浄化機能を回復させるために必要なものである。

このような排気浄化装置が設けられた内燃機関には、燃焼温度を下げてＮＯｘの排出量を低減するために排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路へ導入する排気還流装置が搭載されることが多い。例えば、フィルタの下流からＥＧＲガスを取り出して吸気通路に導入する排気還流装置が設けられた排気システムが知られている（特許文献１）。フィルタ再生処理においてはフィルタにおいてパティキュレートが燃焼するため、フィルタを通過したガスの酸素濃度が低下し、二酸化炭素が増加する。つまりフィルタ再生時か否かによってＥＧＲガスの成分比が異なるため、フィルタ再生時か否かを考慮せずに同一流量のＥＧＲガスを吸気通路に導入したのでは、フィルタ再生時のＥＧＲガスの導入により酸素不足、二酸化炭素増になって失火等の燃焼変動を招く。特許文献１のシステムでは、フィルタ再生時のＥＧＲ流量を減量すべくフィルタ下流の酸素濃度や空気過剰率に応じてＥＧＲガスの流量を制御している。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００５−０６９２０７号公報特開２００１−２３４７７２号公報

ところで、特許文献１のようにフィルタ等の排気浄化手段の下流からＥＧＲガスを取り出す排気還流装置と、排気通路への燃料噴射による上述した影響を受けない位置からＥＧＲガスを取り出して吸気通路に導入する排気還流装置とを併用し、両方の排気還流装置を使用してＥＧＲガスを導入するモードと、いずれか一方の排気還流装置を使用してＥＧＲガスを導入するモードとを状況に応じて使い分ける排気システムが検討されている。このような排気システムでは、ＥＧＲガスの導入中に排気通路への燃料噴射による影響を抑えるため、フィルタ再生時等の排気通路への燃料噴射時において前者の排気還流装置を用いたＥＧＲガスの導入を制限しつつ、後者の排気還流通路を用いてＥＧＲガスの流量を内燃機関の運転状態に応じて設定される目標ＥＧＲ率が維持されるように制御する必要がある。このような制御を正確に行うには排気通路へ噴射された燃料を正確に把握することが前提となる。排気通路へ燃料を噴射する燃料添加手段は構造的な制約から噴***度を維持できる範囲が当然に決まっているため、その範囲の下限量よりも少ない量の燃料を精度よく噴射することができない。

そこで、本発明は、排気通路へ燃料を噴射する燃料添加手段の噴***度を維持することにより正確なＥＧＲ率の制御を実現できる内燃機関の排気システムを提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気システムは、内燃機関の排気通路に配置されて排気を浄化する排気浄化手段と、前記排気浄化手段の排気浄化機能を回復させるために前記排気通路内に燃料を噴射する燃料添加手段と、前記排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して前記内燃機関の吸気通路へ導入する排気還流装置とが設けられ、前記排気還流装置として、ＥＧＲガスの取り出し位置が前記排気浄化手段及び前記燃料添加手段のそれぞれよりも下流側に位置する第１の排気還流装置と、ＥＧＲガスの取り出し位置が前記燃料添加手段よりも上流側に位置する第２の排気還流装置とが設けられ、かつ前記内燃機関の運転状態に応じて設定される目標ＥＧＲ率が維持されるように前記第１の排気還流装置及び前記第２の排気還流装置のそれぞれを制御する内燃機関の排気システムであって、前記燃料添加手段が噴射すべき要求燃料量を前記排気浄化手段を通過するガス流量が大きい程大きくなるように算出する要求燃料量算出手段と、前記排気浄化手段の排気浄化機能を回復させる必要がある間に、前記要求燃料量算出手段にて算出された要求燃料量の燃料が前記排気通路内に噴射されるように前記燃料添加手段を制御する燃料添加制御手段と、前記要求燃料量算出手段にて算出された要求燃料量が前記燃料添加手段が噴***度を維持して噴射できる下限量よりも少ない場合、前記排気浄化手段を通過するガス流量が増加するように、前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と前記第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との配分を前記目標ＥＧＲ率を維持しつつ変更する排気還流制御手段と、を備えることにより上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気システムによれば、燃料添加手段が噴射すべき燃料量として算出された要求燃料量が、燃料添加手段が噴***度を維持して噴射できる下限量よりも少ない場合には排気浄化手段を通過するガス流量が増加するように制御される。要求燃料量は排気浄化手段を通過するガス流量が大きい程大きくなるように算出されるので、排気浄化手段を通過するガス流量の増加に伴い要求燃料量は増加する。これにより、要求燃料量がその下限量以上に保たれるため燃料添加手段による噴***度が維持される。排気浄化手段を通過するガス流量を増加する際には目標ＥＧＲ率を維持しつつ第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との配分が変更されるので正確なＥＧＲ率の制御が可能となる。

本発明の排気システムの一態様として、前記排気還流制御手段は、前記燃料添加手段による燃料添加に伴って前記内燃機関に許容し得ない燃焼変動が引き起こされるおそれがあるか否かを前記燃焼変動に影響する物理量に基づいて判定し、前記燃焼変動が引き起こされるおそれがないと判定した場合に、前記排気浄化手段を通過するガス流量が増加するように、前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と前記第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との配分を前記目標ＥＧＲ率を維持しつつ変更してもよい（請求項２）。この態様によれば、許容し得ない燃焼変動が引き起こされないことを条件として、排気浄化手段を通過するガス流量が増加するように制御されるので、その増加に伴って燃焼変動を招くことを防止できる。従って、燃料添加手段による燃料噴射に伴う燃焼変動を抑制しつつ適正なＥＧＲ率に維持することができる。なお、燃焼変動に影響する物理量には特段の制限がなく、例えば第１の排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスに含まれる二酸化炭素のガス流量を燃焼変動に影響する物理量として用いることができる。

この態様においては、前記排気還流制御手段は、前記燃焼変動が引き起こされるおそれがあると判定した場合に、前記排気浄化手段を通過するガス流量が減少するように、前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と前記第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との配分を前記目標ＥＧＲ率を維持しつつ変更してもよい（請求項３）。これによれば、第２の排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量の配分が相対的に増加する一方で、第１の排気還流装置にて導入されるＥＧＲガスのガス流量の配分が減少するため、その減少により目標ＥＧＲ率が維持された状態で燃焼変動を抑制することが可能となる。

本発明の排気システムの一態様として、前記燃料添加制御手段は、前記要求燃料量算出手段にて算出された要求燃料量と同量の燃料が所定の頻度で前記排気通路内に噴射されるように前記燃料添加手段を制御するものであり、前記要求燃料量算出手段にて算出された要求燃料量が前記燃料添加手段が噴***度を維持して噴射できる下限量よりも少ない場合に、前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と前記第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との合計に対する前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量の割合が前記内燃機関に燃焼変動が発生しない許容限度内であるか否かを判定する許容限度判定手段を更に備え、前記燃料添加制御手段は、前記許容限度判定手段にて前記割合が前記許容限度内にあると判定されたことを条件として、前記下限量以上の限界噴射量の燃料が前記所定の頻度よりも低い頻度で前記排気通路内に噴射されるように前記燃料添加手段を制御してもよい（請求項４）。この態様によれば、第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との合計に対する第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量の割合が燃焼変動を発生しない許容限度内にあることを条件として、燃料添加手段が噴射する燃料が噴***度を維持できる下限量以上に増やされる。これにより、燃焼変動を防止しつつ燃料添加手段による噴***度を維持することができる。しかも、燃料添加手段による噴射量を直接的に増加させるため、排気浄化手段を通過するガス流量を増加させて要求燃料量を増加させる場合よりも応答が速くなる利点がある。

以上説明したように、本発明によれば、燃料添加手段が噴射すべき燃料量として算出された要求燃料量が、燃料添加手段が噴***度を維持して噴射できる下限量よりも少ない場合には排気浄化手段を通過するガス流量が増加するように制御されるので、排気浄化手段を通過するガス流量の増加に伴い要求燃料量が増加する。これにより、要求燃料量がその下限量以上に保たれるため燃料添加手段による噴***度が維持される。排気浄化手段を通過するガス流量を増加する際には目標ＥＧＲ率を維持しつつ第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との配分が変更されるので正確なＥＧＲ率の制御が可能となる。

（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る排気システムが適用された内燃機関の要部を示している。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載され、４つの気筒２が一列に並べられた直列４気筒のディーゼルエンジンとして構成されている。各気筒２には吸気通路３及び排気通路４がそれぞれ接続されている。吸気通路３には空気流量に応じた信号を出力するエアフローメータ５、スロットル弁６、ターボチャージャー７のコンプレッサ７ａ及び吸気を冷却するインタークーラ８が設けられている。一方、排気通路４にはターボチャージャー７のタービン７ｂ及び排気浄化装置９が設けられている。なお、図１ではターボチャージャー７のコンプレッサ７ａとタービン７ｂとを図示の便宜のため分離して示したが、これらは一体回転するように構成される。ターボチャージャー７は不図示の可変ノズルをタービン７ｂ側に備えた可変容量型の周知のターボチャージャーである。詳細な説明は省略するが、ターボチャージャー７は可変ノズルの開度を内燃機関１の運転状態に応じて変化させることで過給圧を適宜に調整することができる。

排気浄化装置９は、排気通路４の一部をなすケーシング１０と、そのケーシング１０に収容される酸化触媒１１及びフィルタ１２とを備えている。フィルタ１２は排気中のパティキュレートを捕集可能な不図示の多孔質の基材を有している。これにより、排気浄化装置９はフィルタ１２にてパティキュレートを捕集する排気浄化機能を持つ。捕集したパティキュレートの量が限界に達するとフィルタ１２が目詰まりを起こして排気浄化装置９は排気浄化機能を損なう。そこで、その限界に達する前に排気浄化装置９の浄化機能を回復させるため、排気通路４内に燃料を噴射する燃料添加手段としての燃料添加弁１３が設けられている。燃料添加弁１３はいわゆるニードル式の電磁弁であり構造上の制約から噴***度を維持できる範囲が決められている。燃料添加弁１３はターボチャージャー７のタービン７ｂの下流かつ排気浄化装置９の上流に配置される。燃料添加弁１３から燃料が噴射されると、酸化触媒１１が発熱しその熱によってフィルタ１２の床温が上昇する。それによりフィルタ１２が捕集したパティキュレートが燃焼して排気浄化装置９の浄化機能が回復する。このような操作はフィルタ再生処理と呼ばれる周知のものである。

図１に示すように、内燃機関１には排気通路４から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路３へ導入するために、排気還流装置としての低圧排気還流装置１４及び高圧排気還流装置１８がそれぞれ設けられている。低圧排気還流装置１４が本発明に係る第１の排気還流装置に、高圧排気還流装置１８が本発明に係る第２の排気還流装置にそれぞれ相当する。低圧排気還流装置１４は排気通路４と吸気通路３とを接続する低圧ＥＧＲ通路１５と、低圧ＥＧＲ通路１５を通過するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１６と、低圧ＥＧＲ通路１５を流れるＥＧＲガスの流量を開度変化にて調整する低圧ＥＧＲ弁１７とを備えている。低圧ＥＧＲ通路１５と排気通路４との接続位置つまりＥＧＲガスの取り出し位置１５ａは排気浄化装置９の下流側に設定され、低圧ＥＧＲ通路１５と吸気通路３との接続位置１５ｂはスロットル弁６の下流側かつターボチャージャー７のコンプレッサ７ａの上流側に設定される。これにより、低圧排気還流装置１４は排気浄化装置９及び燃料添加弁１３のそれぞれの下流側からＥＧＲガスを取り出してそのＥＧＲガスをコンプレッサ７ａの上流に導入する。このような経路で排気を還流する低圧排気還流装置１４はロープレッシャーループ型の排気還流装置として知られている。

一方、高圧排気還流装置１８は排気通路４と吸気通路とを接続する高圧ＥＧＲ通路１９と、高圧ＥＧＲ通路１９を流れるＥＧＲガスの流量を開度変化にて調整する高圧ＥＧＲ弁２０とを備えている。なお、低圧排気還流装置１４と同様に高圧ＥＧＲ通路１９にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを設けてもよい。高圧ＥＧＲ通路１９と排気通路４との接続位置つまりＥＧＲガスの取り出し位置１９ａはターボチャージャー７のタービン７ｂ及び燃料添加弁１３のそれぞれの上流側に設定され、高圧ＥＧＲ通路１９と吸気通路３との接続位置１９ｂはターボチャージャー７のコンプレッサ７ａの下流側に設定される。これにより、高圧排気還流装置１８は燃料添加弁１３の上流からＥＧＲガスを取り出してそのＥＧＲガスをコンプレッサ７ａの下流に導入する。そのため、燃料添加弁１８にて噴射された燃料が吸気通路３に回り込むおそれがない。このような経路で排気を還流する高圧排気還流装置１８はハイプレッシャーループ型の排気還流装置として知られている。

燃料添加弁１３、低圧排気還流装置１４及び高圧排気還流装置１８のそれぞれの動作は内燃機関１を適正に制御するために設けられたコンピュータであるエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２１にて制御される。ＥＣＵ２１はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置を備えており、ＥＣＵ２１にはエアフローメータ５からの信号の他、内燃機関１の回転数（回転速度）に関する信号ＮＥ、排気浄化装置９の前後差圧に関する信号ＤＰ、スロットル弁６の開度に関する信号ＴＯ、低圧ＥＧＲ弁１７の開度に関する信号ＥＬ及び高圧ＥＧＲ弁２０の開度に関する信号ＥＨ等の各種信号が入力される。ＥＣＵ２１はこれらの各種信号を参照しつつ記憶装置に保持された各種のプログラムに従って内燃機関１の各気筒２へ供給する燃料噴射量や燃料噴射時期等の各種パラメータを制御する。ＥＣＵ２１が行う制御は多岐に亘るがここでは本発明に関連する制御を主に説明する。

吸気通路３へのＥＧＲガスの導入の実行及びその禁止は内燃機関１の運転状態に応じて決定される。図２はＥＧＲガスの導入を実行するための複数種類のモードが運転状態に対応付けられたモード選択マップの一例を示した概念図である。この図に示すように、ＥＧＲガスの導入が実行される場合には、ＥＣＵ２１は内燃機関１の運転状態に応じて、ここでは内燃機関１の回転数及び負荷に応じて、低圧排気還流装置１４のみを利用してＥＧＲガスの導入を行うＬＰＬモード、高圧排気還流装置１８のみを利用してＥＧＲガスの導入を行うＨＰＬモード及びこれらの排気還流装置１４、１８の両者を利用してＥＧＲガスの導入を行うＭＰＬモードのなかから適切なモードを選択する。

上記のいずれのモードが選択された場合でも、ＥＣＵ２１は内燃機関１の運転状態に応じて設定される目標ＥＧＲ率に保持されるように、スロットル弁６の開度を制御しつつ低圧排気還流装置１４及び高圧排気還流装置１８をそれぞれ制御する。周知のようにＥＧＲ率は各気筒２に吸入される吸入ガスに占めるＥＧＲガスの割合として定義される。ＬＰＬモード及びＨＰＬモードは低圧ＥＧＲ１７弁又は高圧ＥＧＲ弁２０のいずれか一方を全閉することを除き周知のＥＧＲ率の制御と同様であるのでここでは説明を省略し、以下ＭＰＬモードにおける制御を中心に説明する。

図３はフィルタ再生処理の制御ルーチンの一例を示したフローチャートであり、図４はＭＰＬモードにおける低圧排気還流装置１４及び高圧排気還流装置１８の動作制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。これらの制御ルーチンのプログラムは所定の演算周期で繰り返し実行される。図３に示すように、ＥＣＵ２１はステップＳ１において、フィルタ再生処理の必要性を判定する。この判定は、フィルタ１２に捕集されたパティキューレートの量に相関する物理量に基づいて行われる。例えば、フィルタ１２を内蔵する排気浄化装置９の前後差圧や内燃機関１が搭載される車両の走行距離などに基づいてフィルタ再生処理の必要性を判定することができる。フィルタ再生処理が必要な場合はステップＳ２に進み、フィルタ再生処理の要否を管理する再生要求フラグＦ１をセット、即ちＦ１＝１とする。再生要求フラグＦ１はＥＣＵ２１が内蔵する記憶装置の所定領域に割り当てられている。一方、フィルタ再生処理が必要でない場合はステップＳ３に進み、再生要求フラグＦ１をクリア、即ちＦ１＝０として今回のルーチンを終える。

ステップＳ４においては、排気浄化装置９を通過するガス流量Ｇｃａｔを取得する。Ｇｃａｔは流量計などの検出手段から直接取得してもよい。また、吸入空気流量をＧａ、低圧ＥＧＲ通路１５を通過するＥＧＲガスの流量をＧｌｐｌ、気筒２内に噴射された燃料に由来して排気通路４に排出されるガスのガス流量をＧｆｕｅｌ、燃料添加弁１３にて噴射された燃料に由来するガスのガス流量をＧｐｓｔｆｕｅｌとした場合に、次式（１）に基づいて計算によりＧｃａｔを取得してもよい。これらの物理量のうち、吸入空気流量Ｇａはエアフローメータ５にて検出できる。ガス流量Ｇｌｐｌ、ガス流量Ｇｆｕｅｌ及びガス流量Ｇｐｓｔｆｕｅｌは、内燃機関１の回転数、低圧ＥＧＲ弁１７の開度、高圧ＥＧＲ弁２０の開度、スロットル弁５の開度やフィルタ１２の床温等の各種物理量に基づいて所定の演算式にて導出できる。

Ｇｃａｔ＝Ｇａ＋Ｇｌｐｌ＋Ｇｆｕｅｌ＋Ｇｐｓｔｆｕｅｌ・・・（１）

次に、ステップＳ５において、ＥＣＵ２１は燃料添加弁１３が噴射すべき要求燃料量Ｑを、ガス流量Ｇｃａｔ及び現在のフィルタ１２の床温と目標床温との差に基づいて算出する。ＥＣＵ２１はフィルタ１２の床温と目標床温との差が同一であることを前提とした場合、その要求燃料量Ｑをガス流量Ｇｃａｔが大きい程大きくなるように算出する。次に、ステップＳ６で、ＥＣＵ２１は燃料添加弁１３による燃料の噴射タイミングか否かを判定する。この噴射タイミングは内燃機関１のクランク角度にて管理されており、その噴射タイミングは７２０℃Ａ毎に到来するように設定されている。噴射タイミングでない場合は以後の処理をスキップして今回のルーチンを終える。噴射タイミングである場合はステップＳ７に進み、再生実行フラグＦ２がセットされているか否かを判定する。再生実行フラグＦ２は後述する図４のルーチンでセットされるものであり、燃料添加弁１３による燃料の噴射実行の可否を管理する。再生実行フラグＦ２はＥＣＵ２１が内蔵する記憶装置の所定領域に割り当てられている。再生実行フラグＦ２がセットされている場合は、ステップＳ８に進んで燃料添加弁１３から要求燃料量Ｑと同量の燃料が噴射されるように燃料添加弁１３を制御する。一方、再生実行フラグＦ２がセットされていない場合は、燃料の噴射は行わず、以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。

次に、ステップＳ９で再生実行フラグＦ２をクリア（Ｆ２＝０）し、要求燃料量Ｑをクリアして今回のルーチンを終了する。なお、要求燃料量Ｑはクリアされない限り、積算された値が要求燃料量ＱとしてステップＳ５において算出されるようになっている。

図３のルーチンが繰り返し実行されることにより、必要に応じてフィルタ再生処理が行われて排気浄化装置９の浄化機能が回復する。

次に、図４の制御ルーチンについて説明する。まずＥＣＵ２１はステップＳ２１で目標ＥＧＲ率を設定する。目標ＥＧＲ率は内燃機関１の運転状態に応じて適宜設定される。次に、ステップＳ２２において、上述した再生要求フラグＦ１がセットされているか否かを判定する。再生要求フラグＦ１がセットされていない場合はフィルタ再生処理が実行されず、燃料添加弁１３から燃料が噴射されることがないので、ステップＳ２３に進んで通常制御を実行する。この通常制御は次のように行われる。まず、ステップＳ２１にて設定された目標ＥＧＲ率が得られるＥＧＲガスのガス流量が吸入空気流量Ｇａに基づいて決められる。次に、そのＥＧＲガスのガス流量が得られるように、低圧排気還流装置１４が導入するＥＧＲガスのガス流量と高圧排気還流装置１８が導入するＥＧＲガス流量との配分を内燃機関１の運転状態に応じて設定する。そして、その設定配分に従って低圧ＥＧＲ通路１５と高圧ＥＧＲ通路１９のそれぞれからＥＧＲガスが吸気通路３に導入されるように、低圧ＥＧＲ弁１７及び高圧ＥＧＲ弁２０のそれぞれの開度を制御する。このような通常制御が行われた後に今回のルーチンを終了する。

一方、再生要求フラグＦ１がセットされている場合はステップＳ２４に進み、上述した再生実行フラグＦ２をセットする（Ｆ２＝１）。次に、ステップＳ２５において、低圧ＥＧＲ通路１５を通る二酸化炭素（ＣＯ２）のガス流量Ｇｃｏ２を算出する。ガス流量Ｇｃｏ２は低圧ＥＧＲ通路１５を通過するＥＧＲガスのガス流量をＧｌｐｌ、気筒２内に噴射された燃料に由来するガスのガス流量をＧｆｕｅｌ及び燃料添加弁１３にて噴射された燃料に由来するガスのガス流量をＧｐｓｔｆｕｅｌに基づいて算出される。ガス流量Ｇｃｏ２は燃料添加弁１３から燃料が噴射された後に排気浄化装置９を通過したガスが吸気通路３に回り込む場合に内燃機関１の燃焼変動に影響する物理量である。このガス流量Ｇｃｏ２が限界を超えると失火等の許容し得ない燃焼変動を引き起こす。

そのため、続くステップＳ２６では、ガス流量Ｇｃｏ２がそのような燃焼変動を引き起こす下限量である閾値Ｇｃｏ２ｔｈよりも小さいか否かを判定する。ガス流量Ｇｃｏ２が閾値Ｇｃｏ２ｔｈ以上の場合には燃焼変動を引き起こすおそれがあるため、ステップＳ２７に進んで、排気浄化装置９を通過するガス流量を減少させてからステップＳ２８に進む。このガス流量の減少は、目標ＥＧＲ率を維持した状態で、低圧排気還流装置１４が導入するＥＧＲガスのガス流量の配分が相対的に減り、かつ高圧排気還流装置１８が導入するＥＧＲガスのガス流量の配分が相対的に増えるようにＥＣＵ２１が低圧ＥＧＲ弁１７及び高圧ＥＧＲ弁２０のそれぞれの開度を変化させることにより実現される。これにより、目標ＥＧＲ率が維持された状態で低圧ＥＧＲ通路１５を通過するＥＧＲガスの絶対量も減少するため、その減少に伴って上述した二酸化炭素のガス流量Ｇｃｏ２が減少して、内燃機関１の燃焼変動を抑制することができる。

一方、ガス流量Ｇｃｏ２が閾値Ｇｃｏ２ｔｈよりも小さい場合には、ステップＳ２８に進み、要求燃料量Ｑが燃料添加弁１３が噴***度を維持して噴射できる範囲の下限量ＱＬ以上であるか否かを判定する。要求噴射量Ｑが下限量ＱＬ以上の場合には燃料添加弁１３の噴***度を保つことができるので、今回のルーチンを終了する。一方、要求噴射量Ｑが下限量ＱＬよりも小さい場合には、燃料添加弁１３の噴***度を保つことができないので、ステップＳ２９に進み、排気浄化装置９を通過するガス流量を増加させて、ステップＳ２６に進む。この増加は、ステップＳ２７と対照的に、目標ＥＧＲ率を維持した状態で、低圧排気還流装置１４が導入するＥＧＲガスのガス流量の配分が相対的に増え、かつ高圧排気還流装置１８が導入するＥＧＲガスのガス流量の配分が相対的に減るようにＥＣＵ２１が低圧ＥＧＲ弁１７及び高圧ＥＧＲ弁２０のそれぞれの開度を変化させることにより実現される。これにより、図３のステップＳ５で算出される要求燃料量Ｑが増えることになり、燃料添加弁１３の噴***度が保たれる。

以上の形態によれば、ＭＰＬモードにおいて、フィルタ再生処理が行われるときには燃料添加弁１３の噴***度が保たれるように、低圧排気還流装置１４が導入するＥＧＲガスのガス流量と高圧排気還流装置１８が導入するＥＧＲガスのガス流量との配分が目標ＥＧＲ率を維持した状態で変更されるので正確なＥＧＲ率の制御が可能となる。また、排気浄化装置９を通過するガス流量の増加は、燃焼変動が生じるおそれがない場合に行われるので（図４のステップＳ２６）、その増加に伴って燃焼変動を招くことを防止できる。これにより、フィルタ再生処理に伴う燃焼変動を抑制しつつ適正なＥＧＲ率に維持することができる。

（第２の形態）
次に、図５を参照して本発明の第２の形態を説明する。この形態はＭＰＬモードにおける制御内容を除き第１の形態と同一である。そのため、この形態の排気システムの全体構成については図１及び図２が、フィルタ再生処理については図３がそれぞれ参照される。図５は第２の形態に係るＭＰＬモードにおける低圧排気還流装置１４及び高圧排気還流装置１８の動作制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。図５のルーチンは、図４のステップＳ２８とステップＳ２９との間に処理を追加したものであり、図４と同一処理には同一の参照符号を付して説明を省略する。

ステップＳ２８において、要求噴射量Ｑが下限量ＱＬよりも小さい場合と判定した場合には、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、低圧ＥＧＲ通路１５を通過するＥＧＲガスのガス流量Ｇｌｐｌが気筒２に吸入される吸入ガスのガス流量Ｇｃｙｌに占める割合（ＬＰＬ率）が許容限度内か否かを判定する。この許容限度は、後述するステップＳ３１の処理に伴って燃料添加弁１３からの燃料噴射量が増加した場合に燃焼変動を引き起こさないＬＰＬ率の限界を意味する。従って、ＬＰＬ率がこの許容限度内にある場合には燃焼変動を招くおそれがないので、ステップＳ３１に進み、燃料添加弁１３による燃料の噴射量が増加するように再生実行フラグＦ２をクリアする。再生実行フラグＦ２がクリアされることにより、図３のステップＳ７が否定判定されてステップＳ８がスキップされるので、噴射タイミングにおける燃料噴射が省略される。

図６は図５のステップＳ３１が実行された場合の燃料添加弁１３による燃料噴射の様子を説明する説明図である。図６に示すように、ある噴射タイミングθｎにおける要求燃料量Ｑｎが下限量ＱＬを下回り、かつＬＰＬ率が許容限度内である場合、図５のステップＳ３１で再生実行フラグＦ２がクリアされるので、その要求燃料量Ｑｎによる燃料の噴射が省略される。そして、次回の噴射タイミングθｎ＋１においては、上述したように要求燃料量Ｑｎ＋１は前回の要求燃料量Ｑｎが積算された状態で算出される。その積算された要求燃料量Ｑｎ＋１が下限量ＱＬ以上である場合には、図５のステップＳ２８において肯定判定されるので、再生実行フラグＦ２がセットされたままである。そのため、図３のステップＳ８においてその要求燃料量Ｑｎ＋１と同量の燃料が燃料添加弁１３から噴射される。これにより、下限量ＱＬ以上の燃料が、７２０℃Ａ毎に噴射される頻度よりも低い頻度（図６の場合は１４４０℃Ａ毎）で噴射されるように燃料添加弁１３が制御されることになる。なお、１回の燃料噴射の省略で要求燃料量Ｑが下限量ＱＬ以上とならない場合は更に燃料噴射が省略され、その後積算された要求燃料量Ｑが下限量ＱＬ以上となった場合に燃料の噴射が実行されることになる。このように、燃料添加弁１３による燃料の噴射量が増加されることで、燃焼変動を防止しつつ燃料添加弁１３による噴***度を維持することができる。

図５に戻り、ステップＳ３０でＬＰＬ率が許容限度を超える場合は、上記のような噴射量の増加によって燃焼変動を引き起こすおそれがあるため、ステップＳ２９に進んで排気浄化装置９を通過するガス流量を増加させてステップＳ２６に戻る。

第２の形態によれば、燃料添加弁１３による噴射量を直接的に増加させるため、第１の形態のように排気浄化装置９を通過するガス流量を増加させることにより要求燃料量Ｑを増加させる場合よりも応答が速くなる利点がある。

以上の各形態において、ＥＣＵ２１は、図３のステップＳ４及びステップＳ５を実行することにより、本発明に係る要求燃料量算出手段として、図３のステップＳ６〜ステップＳ１０を実行することにより、本発明に係る燃料添加制御手段として、図４又は図５の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る排気還流制御手段として、図５のステップＳ３０を実行することにより、本発明に係る許容限度判定手段として、それぞれ機能する。

但し、本発明は上記の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上記の各形態ではターボチャージャー付きの内燃機関に本発明を適用しているが、適用対象の内燃機関がターボチャージャーを備えていなくてもよい。

また、図１に示したフィルタ１２の基材に吸蔵還元型のＮＯｘ触媒物質をコーティングすることにより、排気浄化装置９にパティキュレートの捕集機能の他にＮＯｘを吸蔵して還元する排気浄化機能を与えてもよい。排気浄化装置９がこのような機能を持つ場合には、ＮＯｘの吸蔵量が限界に達する前に、燃料添加弁１３から燃料を噴射して排気の空燃比を一時的にリッチ側に設定することにより吸蔵したＮＯｘを還元させるリッチスパイク処理が行われる。また、排気浄化装置９が硫黄被毒した場合には、それを解消して排気浄化機能を回復させるため、燃料添加弁１３から燃料を噴射させる周知の硫黄被毒再生処理も行われる。リッチスパイク処理や硫黄被毒再生処理は、排気通路４に燃料を噴射する点で上述したフィルタ再生処理と共通するので、図４及び図５に示した制御と同様の制御をリッチスパイク処理の際に又は硫黄被毒再生処理の際に実行する形態で、本発明の排気システムを実施してもよい。

本発明の一形態に係る排気システムが適用された内燃機関の要部を示した図。ＥＧＲガスの導入を実行するための複数種類のモードが運転状態に対応付けられたモード選択マップの一例を示した概念図。フィルタ再生処理の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。ＭＰＬモードにおける低圧排気還流装置及び高圧排気還流装置の動作制御ルーチンの一例を示したフローチャート。第２の形態に係る低圧排気還流装置及び高圧排気還流装置の動作制御ルーチンの一例を示したフローチャート。第２の形態に係る燃料添加弁による燃料噴射の様子を説明する説明図。

符号の説明

１内燃機関
３吸気通路
４排気通路
９排気浄化装置（排気浄化手段）
１３燃料添加弁（燃料添加手段）
１４低圧排気還流装置（第１の排気還流装置）
１８高圧排気還流装置（第２の排気還流装置）
２１ＥＣＵ（要求燃料量算出手段、燃料添加制御手段、排気還流制御手段、許容限度判定手段）

Claims

内燃機関の排気通路に配置されて排気を浄化する排気浄化手段と、前記排気浄化手段の排気浄化機能を回復させるために前記排気通路内に燃料を噴射する燃料添加手段と、前記排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して前記内燃機関の吸気通路へ導入する排気還流装置とが設けられ、前記排気還流装置として、ＥＧＲガスの取り出し位置が前記排気浄化手段及び前記燃料添加手段のそれぞれよりも下流側に位置する第１の排気還流装置と、ＥＧＲガスの取り出し位置が前記燃料添加手段よりも上流側に位置する第２の排気還流装置とが設けられ、かつ前記内燃機関の運転状態に応じて設定される目標ＥＧＲ率が維持されるように前記第１の排気還流装置及び前記第２の排気還流装置のそれぞれを制御する内燃機関の排気システムであって、
前記燃料添加手段が噴射すべき要求燃料量を前記排気浄化手段を通過するガス流量が大きい程大きくなるように算出する要求燃料量算出手段と、前記排気浄化手段の排気浄化機能を回復させる必要がある間に、前記要求燃料量算出手段にて算出された要求燃料量の燃料が前記排気通路内に噴射されるように前記燃料添加手段を制御する燃料添加制御手段と、前記要求燃料量算出手段にて算出された要求燃料量が前記燃料添加手段が噴***度を維持して噴射できる下限量よりも少ない場合、前記排気浄化手段を通過するガス流量が増加するように、前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と前記第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との配分を前記目標ＥＧＲ率を維持しつつ変更する排気還流制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気システム。
前記排気還流制御手段は、前記燃料添加手段による燃料添加に伴って前記内燃機関に許容し得ない燃焼変動が引き起こされるおそれがあるか否かを前記燃焼変動に影響する物理量に基づいて判定し、前記燃焼変動が引き起こされるおそれがないと判定した場合に、前記排気浄化手段を通過するガス流量が増加するように、前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と前記第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との配分を前記目標ＥＧＲ率を維持しつつ変更することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気システム。
前記排気還流制御手段は、前記燃焼変動が引き起こされるおそれがあると判定した場合に、前記排気浄化手段を通過するガス流量が減少するように、前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と前記第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との配分を前記目標ＥＧＲ率を維持しつつ変更することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気システム。
前記燃料添加制御手段は、前記要求燃料量算出手段にて算出された要求燃料量と同量の燃料が所定の頻度で前記排気通路内に噴射されるように前記燃料添加手段を制御するものであり、
前記要求燃料量算出手段にて算出された要求燃料量が前記燃料添加手段が噴***度を維持して噴射できる下限量よりも少ない場合に、前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量と前記第２の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量との合計に対する前記第１の排気還流装置が導入するＥＧＲガスのガス流量の割合が前記内燃機関に燃焼変動が発生しない許容限度内であるか否かを判定する許容限度判定手段を更に備え、
前記燃料添加制御手段は、前記許容限度判定手段にて前記割合が前記許容限度内にあると判定されたことを条件として、前記下限量以上の限界噴射量の燃料が前記所定の頻度よりも低い頻度で前記排気通路内に噴射されるように前記燃料添加手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気システム。