JP2011220302A

JP2011220302A - 内燃機関の排気装置

Info

Publication number: JP2011220302A
Application number: JP2010093159A
Authority: JP
Inventors: Naoki Takeuchi; 直希竹内; Haruyuki Katayama; 晴之片山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2011-11-04

Abstract

【課題】排気通路に配置された共通の燃料添加弁から、触媒コンバータと着火装置とに燃料を供給する構成において、低温時であっても良好に着火可能とする。
【解決手段】燃料添加弁７及び可変燃圧レギュレータを制御して、第１圧力による第１の噴射（軌道７ｃ）と、当該第１の噴射の後に実行され第１圧力よりも小さい第２圧力Ｐ２による第２の噴射（軌道７ｄ）とを実行させる。燃料の軌道および分散する度合いが変化し、これを利用して、共通の燃料添加弁７から、前処理触媒コンバータ８とグロープラグ２１との両者に燃料を適切に供給することが可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に燃料を供給することが可能な排気装置に関する。

排気を浄化することを目的として、内燃機関の排気通路に燃料を供給するようにした排気装置が広く用いられている。

特許文献１が開示する装置は、排気通路に設けられた燃料添加弁からの燃料が直接接触する位置に、グロープラグなどの着火手段を配置し、これら燃料添加弁及びグロープラグの下流側に触媒コンバータを配置している。燃料は着火手段によって着火され、その火炎によって触媒コンバータが昇温される。

特開２００６‐１１２４０１号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、グロープラグなどの着火手段が、燃料添加弁からの燃料が直接接触する位置に配置されているため、冷間始動時などの低温時には着火が良好に行われないおそれがある。

本発明は、排気通路に配置された共通の燃料添加弁から、触媒コンバータと着火装置とに燃料を供給する構成において、低温時であっても良好に着火可能とすることを目的とする。

本発明の第１の態様は、
内燃機関の排気通路に配置された触媒コンバータと、
前記触媒コンバータよりも上流側に配置され前記排気通路内に燃料を供給する燃料添加弁と、
前記燃料添加弁から供給された燃料に着火させることが可能な着火装置と、
前記燃料添加弁に供給される燃料の圧力を調整する圧力調整装置と、
前記燃料添加弁および前記圧力調整装置を制御するコントローラと、を備え、
前記燃料添加弁の噴孔軸の少なくとも１つは、前記排気通路の上流に向けて傾斜しており、
前記コントローラは、前記触媒コンバータの温度が所定値より低い場合には、前記燃料添加弁及び前記圧力調整装置を制御して、互いに続けて行われ燃料圧力の互いに異なる複数回の噴射を実行させ、
前記複数回の噴射は、第１の燃料圧力による第１の噴射と、当該第１の噴射の後に実行され前記第１の燃料圧力よりも小さい第２の燃料圧力による第２の噴射と、を含むことを特徴とする内燃機関の排気装置である。

この態様では、共通の燃料添加弁から排気通路内に供給された燃料を、触媒コンバータと、着火装置とに供給することが可能である。圧力調整装置は、燃料添加弁に供給される燃料の圧力を調整する。コントローラは、前記触媒コンバータの温度が所定値より低い場合には、燃料添加弁及び圧力調整装置を制御して、互いに続けて行われ燃料圧力の互いに異なる複数回の噴射を実行させる。前記複数回の噴射は、第１の燃料圧力による第１の噴射と、当該第１の噴射の後に実行され前記第１の燃料圧力よりも小さい第２の燃料圧力による第２の噴射と、を含む。燃料圧力が変化すると、燃料の軌道および分散する度合いが変化するため、これを利用して、共通の燃料添加弁から、触媒コンバータと着火装置とに燃料を適切に供給でき、低温時であっても良好に着火可能とすることが可能になる。また、燃料添加弁の噴孔軸の少なくとも１つが、排気通路の上流に向けて傾斜しているので、排気流に対抗する方向に燃料を噴射することにより、添加弁よりも上流側の領域で、噴射燃料の分散を向上させることができると共に、第１の噴射と第２の噴射とによる燃料の軌道を、排気通路の横断方向で大きく異ならせることができ、排気流れ方向の装置寸法を抑制することも可能になる。

本発明の別の態様は、
内燃機関の排気通路に配置された触媒コンバータと、
前記触媒コンバータよりも上流側に配置され前記排気通路内に燃料を供給する燃料添加弁と、
前記燃料添加弁から供給された燃料に着火させることが可能な着火装置と、
前記燃料添加弁に供給される燃料の圧力を調整する圧力調整装置と、
前記燃料添加弁および前記圧力調整装置を制御するコントローラと、を備え、
前記燃料添加弁の噴孔軸の少なくとも１つは、前記排気通路の上流に向けて傾斜しており、
前記コントローラは、前記触媒コンバータの温度が所定値より低い場合には、前記燃料添加弁及び前記圧力調整装置を制御して、燃料圧力を第１の燃料圧力から、当該第１の燃料圧力よりも低い第２の圧力に変えながら行われる単一回の噴射を実行させることを特徴とする内燃機関の排気装置である。この態様では、上記第１の態様と同様の効果を得ることができる。

好適には、前記第２の燃料圧力による際の燃料の第２の軌道は、前記第１の燃料圧力による際の燃料の第１の軌道よりも、前記排気通路の横断方向において前記燃料添加弁に近い。

この態様では、燃料添加弁との間隔に応じて、共通の燃料添加弁から、触媒コンバータと着火装置とに燃料を適切に供給することが可能になる。好適には、第１の軌道を通った燃料は触媒コンバータに供給され、第２の軌道を通った燃料は着火部材に供給される。好適には、装置は前記供給された燃料を衝突させるための第１及び／又はの衝突部材を更に備え、第１の軌道を通って第１の衝突部材に衝突した燃料は前記触媒コンバータに供給され、第２の軌道を通って第２の衝突部材に衝突した燃料は着火装置に供給される。

好適には、前記着火手段は、前記触媒コンバータと熱交換可能に前記触媒コンバータの近傍に配置されている。この態様では、触媒コンバータが昇温すると、その熱輻射より着火手段の近傍が昇温されて、燃料の着火が促進される。

好適には、前記コントローラは、排気速度が大きいほど燃料圧力が大きくなるように前記圧力調整装置を制御する。この態様では、排気速度が変化した場合にも適切な軌道で燃料を供給することが可能になる。

なお、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。

本発明によれば、低温時であっても良好に着火可能とすることが可能になる。

本発明の実施形態の概念図である。バーナ装置を示す要部拡大図である。バーナ装置を軸方向視した断面図である。可変燃圧レギュレータを示す断面図である。空気量／燃圧マップの設定例を示すグラフである。燃料供給処理を示すフローチャートである。燃料圧力の変化を示すグラフである。

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。本実施の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。

図１は実施形態におけるエンジン本体１と、その吸排気系の概略構成を示す。エンジン本体１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には吸気管２および排気管３（排気通路）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への吸入空気量が測定される。

排気管３の終端は、図示しない消音器に接続され、その出口で大気に開放されている。排気管３の途中には、酸化触媒コンバータ６及びＮＯｘ触媒コンバータ２６が、この順に直列に配置されている。酸化触媒コンバータ６は、ＨＣ，ＣＯなどの未燃成分をＯ₂と反応させてＣＯ，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ等とする。触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ₂、Ｍｎ／ＣｅＯ₂、Ｆｅ／ＣｅＯ₂、Ｎｉ／ＣｅＯ₂、Ｃｕ／ＣｅＯ₂等を用いることができる。ＮＯｘ触媒コンバータ２６は、好ましくは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒コンバータ（NSR: NOx Storage Reduction）からなる。ＮＯｘ触媒コンバータ２６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。なお、ＮＯｘ触媒コンバータ２６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。

排気管３における酸化触媒コンバータ６の上流には、燃料添加弁７、前処理触媒コンバータ８、およびグロープラグ２１が配置されている。これら燃料添加弁７、前処理触媒コンバータ８、およびグロープラグ２１は、バーナ装置３０を構成する。バーナ装置３０は、エンジンに接続された排気マニホールドの集合部よりも下流側に配置されている。燃料添加弁７は、排気中に液体の燃料（軽油）を添加することができる。

燃料タンク１１は、燃料吸引管１２、低圧燃料ポンプ１３、高圧燃料ポンプ１４、燃料供給管１５及び可変燃圧レギュレータ１６を介して、燃料添加弁７に接続されている。燃料ポンプ１３，１４が燃料吸入管１２を介して燃料タンク１１に貯留されている燃料を吸入し、燃料供給管１５へと吐出することで、燃料添加弁７に燃料が供給される。エンジン本体１に設置された筒内燃料噴射弁９への配管２７には、高圧燃料ポンプ２８が設けられている。燃料ポンプ１３，１４，２８は例えば機械式であり、エンジン本体１の図示しない出力軸（クランクシャフト）の駆動力を利用して作動する。なお燃料ポンプ１３，１４，２８の少なくとも一つは電動式であってもよい。

可変燃圧レギュレータ１６は、高圧燃料ポンプ１４から吐出される燃料の圧力を調整する。図４に示されるように、可変燃圧レギュレータ１６は、ニードルバルブ１７を備えている。このニードルバルブ１７は、燃料供給管１５から分岐された分岐通路１８に開口するオリフィス１７ａを有するバルブシート１７ｂと、このバルブシート１７ｂに離接して上記オリフィス１７ａを開閉するニードル１７ｃとから構成されている。可変燃圧レギュレータ１６は、更に、ニードルバルブ１７に一体に連結された図示しない磁性アーマチュアと、このアーマチュアを下方（ニードルバルブ１７を閉じる方向）に付勢する図示しないスプリングと、上記アーマチュアと図示しない磁気コアからなる磁気回路に磁束を発生させるためのコイル１９とを備えている。

要求される燃圧に基づいて、コイル１９に通電する電流の大きさを制御し、磁気コアとアーマチュアとから構成される磁気回路内の磁束を変化させると、アーマチュアを下方に付勢する力が制御されて、スプリングの付勢力がアシストされ、ニードルバルブ１７の開度が調整される。

コイル１９が通電されないときに、ニードルバルブ１７が最も開いており、その近傍で燃圧は第２圧力Ｐ２（例えば５ＭＰａ）となる。コイル１９に通電する電流を徐々に増加すると、ニードルバルブ１７が徐々に閉じられて、燃圧が上昇する。供給電流が最大値の近傍である時に、吐出される燃料は第１圧力Ｐ１（例えば１０ＭＰａ）に制御される。なお、燃圧レギュレータは、他の構成、例えばスプリングのばね圧を最大燃圧に対応する値に設定し、コイル１９にてアーマチュアを上方に付勢して圧縮することにより燃圧を調整するタイプのものでもよい。

排気管３における燃料添加弁７と酸化触媒コンバータ６との間の部分に、燃料添加弁７から噴射された燃料を改質する前処理触媒コンバータ８が設けられている。この前処理触媒コンバータ８は、例えばゼオライト製の担体にロジウム等を担持させた酸化触媒コンバータとして構成することができる。

燃料が前処理触媒コンバータ８に供給されると、そのとき前処理触媒コンバータ８が活性化していれば、前処理触媒コンバータ８内で燃料が酸化させられ、このとき発生する酸化反応熱によって、前処理触媒コンバータ８が昇温させられる。また、前処理触媒コンバータ８の温度が高くなると、燃料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、これによって燃料が反応性の高い燃料に改質される。換言すれば、前処理触媒コンバータ８は、一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では、改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。また、燃料添加弁７から供給された燃料の一部又は全部は、グロープラグ２１により昇温又は着火され、これによって排ガスの昇温が促進される。

図２において、燃料添加弁７は単一の噴孔７ａを有しており、噴孔７ａの噴孔軸７ｂは、排気管３を横断する方向の成分を含み、且つ排気管３の上流に向けて傾斜している。前処理触媒コンバータ８の外径は、排気管３の内径よりも小さく、前処理触媒コンバータ８が排気管３に収容されると、前処理触媒コンバータ８の外周面と排気管３の内周面との隙間である触媒迂回路に排気が通過することが可能になる。前処理触媒コンバータ８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る。前処理触媒コンバータ８は概ね円筒状の外枠８ａ内に配置されており、この外枠８ａは、概ね放射状に配置された複数のステー８ｂによって排気管３内に支持されている。前処理触媒コンバータ８は、ステー８ｂを除く実質的に全周にわたって、触媒迂回路に囲まれている。

図２及び図３に示されるように、排気管３は、概ね円筒形状に形成されている。前処理触媒コンバータ８における排気流れ方向の軸心は、排気管３の排気流れ方向の軸心よりも図中下方に偏向しているため、前述した触媒迂回路は、図中上側が広い広大側迂回路３ｂであり、かつ下側が狭い狭小側迂回路３ｃとなっている。

グロープラグ２１は、燃料添加弁７よりも下流側であって、前処理触媒コンバータ８よりも上流側に設置されている。グロープラグ２１は、昇圧回路２２を経て車載直流電源２３に接続されており、通電された際に発生する熱により、燃料添加弁７から供給された燃料に着火させることが可能である。グロープラグ２１は、その軸心が排気管３の上流に向けて傾斜しているが、例えば流れ方向に直交し且つ次に述べる第一衝突板２０ａの長手方向と平行に配置するなど、任意の姿勢で配置することができる。なお、着火手段としては、セラミックヒータやスパークプラグなどの他の装置、とくに電熱式または火花着火式の装置を用いることができる。

前処理触媒コンバータ８を収容している外枠８ａの前端部の下部は、上流側に向けて突出した樋状の突出部８ｂになっている。突出部８ｂには、概ね平坦な第１衝突板２０ａが固定されている。第１衝突板２０ａは、排気管３内で下側に偏向した位置に配置されており、且つ下流側に向けてやや傾斜させられている。

グロープラグ２１の先端の発熱部２１ａの軸線上に、概ね平坦な第２衝突板２０ｂが配置されている。第２衝突板２０ｂは、排気管３内で上側に偏向した位置に配置されており、且つ上流側に向けてやや傾斜させられている。

第１衝突板２０ａ及び第２衝突板２０ｂは、ＳＵＳなどの耐熱性及び耐衝撃性に優れた材料から形成することができる。燃料添加弁７は、衝突板２０ａ，２０ｂに向けて、斜め下向きに燃料を噴射する。燃料添加弁７から供給される燃料の軌道は、排気管３を横断する方向の成分を含む。衝突板２０ａ，２０ｂは、燃料が衝突することによって燃料の微粒化、霧化を促進させ、分散性、拡散性を向上させる。衝突板２０ａ，２０ｂに衝突した燃料は、排気流によって下流側に偏向される。第１衝突板２０ａに衝突した燃料は、主として前処理触媒コンバータ８に供給される。第２衝突板２０ｂに衝突した燃料は、主としてグロープラグ２１の発熱部２１ａに供給される。

図２及び図３に示されるように、燃料添加弁７から供給された燃料が衝突する第２衝突板２０ｂの衝突点２０ｂ１と、燃料添加弁７の噴射孔７ａとの排気管３の横断方向の間隔ｄ２は、燃料添加弁７から供給された燃料が衝突する第１衝突板２０ａの衝突点２０ａ１と燃料添加弁７の噴射孔７ａとの排気管３の横断方向の間隔ｄ１よりも小さい。換言すれば、第２衝突板２０ｂの衝突点２０ｂ１と、第１衝突板２０ａの衝突点２０ａ１とは、排気管３の幅方向（すなわち横断方向）に関して異なる位置に配置されている。噴孔７ａから噴射された燃料は、上述した可変燃圧レギュレータ１６によって燃圧を第１圧力Ｐ１にしたときには、軌道７ｃを通って第１衝突板２０ａの衝突点２０ａ１に衝突し、また燃圧を第２圧力Ｐ２に低下させたときには、軌道７ｄを通って第２衝突板２０ｂの衝突点２０ｂ１に衝突する。排気管３の横断方向において、軌道７ｄは軌道７ｃよりも噴孔７ａに近い。

第２衝突板２０ｂの前端部を越えて移動（飛翔）した燃料は主として前処理触媒コンバータ８に供給され、第２衝突板２０ｂの前端部を越えなかった燃料は、主としてグロープラグ２１に供給される。すなわち、本実施形態における第２衝突板２０ｂは、燃料が衝突することによって燃料の微粒化、霧化を促進させ、分散性、拡散性を向上させる衝突体であると共に、前処理触媒コンバータ８とグロープラグ２１とに燃料を分離するための分離体であるということができる。第１衝突板２０ａと第２衝突板２０ｂの少なくとも一方は省略することができる。

グロープラグ２１は、前処理触媒コンバータ８の近傍に配置され、これによって前処理触媒コンバータ８と熱交換可能にされている。すなわち、グロープラグ２１は、前処理触媒コンバータ８が昇温するとその熱輻射よりその発熱部２１ａの近傍が昇温されて、燃料添加弁７から供給された燃料の着火が促進されるような位置に配置されている。この目的から、第２衝突板２０ｂの下流側の端部と前処理触媒コンバータ８との間には空隙３１が設けられており、前処理触媒コンバータ８からの輻射熱が第２衝突板２０ｂによって遮られることなくグロープラグ２１の発熱部２１ａを含むその近傍に作用するようにされている。

エンジン本体１には、エンジン本体１の運転条件や運転者の要求に応じて運転状態を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、エンジン本体１の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の記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が一時記憶される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。

ＥＣＵ１０には、エアフローメータ４の他、エンジン本体１のクランク角を検出するクランクポジションセンサ２４、アクセル開度に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ２５、ＮＯｘ触媒コンバータ２６の下流側の排気通路に配置されたＮＯｘセンサ３２、エンジン冷却水温を検出する水温センサ３３、ＮＯｘ触媒コンバータ２６の入口近傍に設けられた固体電解質等からなるＳＯｘセンサ３４、不図示の駆動輪の近傍に配置され車速を検出する車速センサ３５を含む各種センサ類が、電気配線を介して接続され、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。また、ＥＣＵ１０には、燃料添加弁７、筒内燃料噴射弁９等が電気配線を介して接続され、これらの開閉弁がＥＣＵ１０によって制御される。ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ２４の出力値に基づいて機関回転数を検出し、アクセル開度センサ２５の出力値に基づいてエンジン本体１の要求負荷を検出することができる。

本実施形態では、燃料の着火による昇温処理、前処理触媒コンバータ８及び酸化触媒コンバータ６に対するＰＭ酸化処理、ＮＯｘ触媒コンバータ２６に対するＮＯｘ還元処理及びＳＯｘ被毒回復処理を実施する際に、ＥＣＵ１０が燃料添加弁７を制御して燃料を排気中に噴射させ、この燃料を前処理触媒コンバータ８、酸化触媒コンバータ６及びＮＯｘ触媒コンバータ２６に供給する。供給された燃料の一部は、グロープラグ２１により着火され、他の主として液相の部分が前処理触媒コンバータ８に供給される。

燃料添加弁７に噴射される燃料の噴射量は、前述したＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理、ＰＭ再生処理など、個々の制御毎に設定することができる。ＥＣＵ１０のＲＯＭ内には、エンジン本体１の運転状態に適合する目標総噴射量を算出するための目標総噴射量算出マップが、上記処理の種別（燃料の着火による昇温処理、酸化処理、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理、ＰＭ再生処理など）毎に記憶されている。そして、燃料噴射制御を行う場合、ＥＣＵ１０は、機関回転数、アクセル開度、吸入空気量を検出し、これらをパラメータとして目標総噴射量算出マップへとアクセスし、目標総噴射量を算出する。ＥＣＵ１０は、目標総噴射量の燃料が燃料添加弁７から噴射されるように、その開弁時間を算出する。そして、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁７（詳しくは、燃料添加弁７を開閉駆動させる駆動機構（不図示））に指令を出すことで当該燃料添加弁７を開弁させ、算出された開弁時間が経過した時点で閉弁させる。以上が通常の燃料供給制御である。

ＥＣＵ１０のＲＯＭには更に、吸入空気量と可変燃圧レギュレータ１６の目標圧力Ｐ１，Ｐ２とを関連付けて記憶させてなる空気量／燃圧マップが格納されている。この空気量／燃圧マップでは、図５に示されるように、吸入空気量が大きいほど、目標圧力である第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２が大きくなるように設定されている。吸入空気量に代えて、排気速度に相関を有する他のパラメータを用いてもよい。

以上のとおり構成された本実施形態では、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁７及び可変燃圧レギュレータ１６を制御して、前処理触媒コンバータ８の温度が所定値より低い場合には、互いに続けて行われ燃料圧力の互いに異なる複数回の噴射を実行させる。

図６において、まずＥＣＵ１０は、前処理触媒コンバータ８の状態及び車両の運転状態に関連する各パラメータの値を読み込む（Ｓ１０）。ここで読み込まれるパラメータは、クランクポジションセンサ２４によって検出されるエンジン回転数、アクセル開度センサ２５によって検出される要求負荷、ＥＣＵ１０によって別途に設定される筒内燃料噴射弁９からの燃料噴射量、水温センサ３２によって検出される冷却水温、ＮＯｘセンサ３２によって検出される触媒下流側ＮＯｘ量、及びＳＯｘセンサ３４によって検出されるＳＯｘ濃度を含む。

次にＥＣＵ１０は、予め定められた燃料供給条件が成立しているかを判断する（Ｓ２０）。燃料供給条件は、例えば、触媒コンバータ８，６，２６の状態に基づく触媒要求と、車両の運転状態に基づく処理実行要求とが共に成立していることである。触媒要求は、例えば、「触媒コンバータ６，２６の少なくともいずれかの推定温度が所定値より低いこと」「ＮＯｘ触媒コンバータ２６のＮＯｘ吸蔵量が所定値より多いこと」「ＮＯｘ触媒コンバータ２６のＮＯｘ浄化量が所定値より多いこと」及び「ＮＯｘ触媒コンバータ２６のＳＯｘ（硫黄酸化物）堆積量が基準値より多いこと」であり、いずれかが成立した場合に成立する。
なお、触媒コンバータ６，２６の推定温度は、例えば排気温度、冷却水温及び吸気温度に基づいて所定の関数又はマップにより算出することができる。ＮＯｘ触媒コンバータ２６のＮＯｘ吸蔵量は、例えば筒内燃料噴射弁９からの燃料噴射量およびエンジン回転数から求められる排出ＮＯｘ量の前回の還元処理の実行からの積算値として、所定の関数又はマップにより算出することができる。ＮＯｘ触媒コンバータ２６のＮＯｘ浄化量は、その触媒物質のＮＯｘ浄化能力を示す値であり、例えばエンジン本体１からの推定ＮＯｘ排出量から、触媒下流のＮＯｘ量を減算することによって求められる。推定ＮＯｘ排出量は、エンジン運転状態即ちエンジン回転速度と筒内燃料噴射弁９からの燃料噴射量（代わりにアクセル開度またはスロットル開度を用いてもよい）とに基づいて推定される。触媒下流のＮＯｘ量は、ＮＯｘセンサ３２によって検出される。ＮＯｘ触媒コンバータ２６のＳＯｘ堆積量は、例えば燃料中の硫黄濃度とエンジン本体１での燃料消費量との前回処理後における積算値として算出される。燃料中の硫黄濃度は、ＳＯｘセンサ３４の検出値を用いることができるが、固定値、あるいは給油所ないし燃料販売業者から提供される既知の値を用いてもよい。なお、ＮＯｘ触媒コンバータ２６が尿素選択還元型ＮＯｘ触媒である場合に、「ＮＯｘ触媒コンバータ２６のアンモニア吸蔵量が所定値より少ないこと」を触媒要求の一つとしてもよい。処理実行要求は、例えば、「車速が減速中であること」である。燃料供給条件が成立していない場合には、ステップＳ３０以下の処理がスキップされ、処理がリターンされる。

ステップＳ２０で肯定、すなわち燃料供給条件が成立している場合には、次にＥＣＵ１０は、前処理触媒コンバータ８の暖機が終了しているかを判断する（Ｓ３０）。この判断は、前処理触媒コンバータ８の推定温度と所定値との比較によって行われ、推定温度が所定値を上回っている場合に肯定される。前処理触媒コンバータ８の推定温度は、例えば水温センサ３３によって検出されたエンジン水温に基づいて所定の関数又はマップによって求めることができるが、前処理触媒コンバータ８に専用の温度センサを設置して検出してもよい。

ステップＳ３０で肯定の場合には、ＥＣＵ１０は上述した通常の燃料供給制御を実行する（Ｓ８０）。その結果、燃料の着火による昇温処理、前処理触媒コンバータ８及び酸化触媒コンバータ６に対するＰＭ酸化処理、ＮＯｘ触媒コンバータ２６に対するＮＯｘ還元処理及びＳＯｘ被毒回復処理のうち目的とした処理が実行される。

ステップＳ３０で否定、すなわち前処理触媒コンバータ８の暖機が未だ終了していない場合には、ＥＣＵ１０は上述した空気量／燃圧マップを参照することにより、目標圧力である第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２を算出する（Ｓ４０）。

そしてＥＣＵ１０は、第１圧力Ｐ１によって燃料を噴射させ（Ｓ５０、図７における実線ａ、ｔ１からｔ２まで）、これに続いて、第２圧力Ｐ２によって燃料を噴射させる（Ｓ７０、ｔ３からｔ４まで）。噴射圧力の変更は、可変燃圧レギュレータ１６を制御することによって行われる。燃料圧力を変更するときに、燃料添加弁７による噴射を一度閉じて、第１圧力Ｐ１による噴射と第２圧力Ｐ２による噴射との間に休止時間（Ｓ６０、ｔ２からｔ３まで）を設ける。この休止期間は、第１圧力Ｐ１による第１の噴射によって前処理触媒コンバータ８が良く発熱して、引き続くグロープラグ２１による着火を支援できるような長さに設定することが好ましい。ただし、このような休止時間を設けずに、図７で一点鎖線ｂで示されるように、第１圧力Ｐ１による噴射から第２圧力Ｐ２による噴射にステップ的に移行してもよい。第２噴射が終了したことを条件に、処理は本ルーチンを抜ける。

燃料添加弁７から第１圧力Ｐ１により噴射された燃料は、軌道７ｃを通って第１衝突板２０ａに衝突し、反射又は付着した燃料が排気流によって前処理触媒コンバータ８に供給される。第１衝突板２０ａは、燃料が衝突することによって燃料の微粒化、霧化を促進させ、分散性、拡散性を向上させる。燃料の供給によって、前処理触媒コンバータ８が昇温させられ、また、供給された燃料が反応性の高い燃料に改質される。改質された燃料が、酸化触媒コンバータ６及び／又はＮＯｘ触媒コンバータ２６に供給されることで、ＰＭ再生処理、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理などを円滑に行うことができる。

第２圧力Ｐ２により噴射された燃料は、軌道７ｃを通って第２衝突板２０ｂに衝突するか、あるいは直接に、グロープラグ２１の発熱部２１ａの近傍に供給され、着火させられる。先の第１圧力Ｐ１による噴射によって、前処理触媒コンバータ８が昇温しているので、その熱輻射により発熱部２１ａの近傍が昇温されて、燃料の着火が促進される。

以上のとおり、本実施形態では、ＥＣＵ１０が、燃料添加弁７及び可変燃圧レギュレータ１６を制御して、互いに続けて行われ燃料圧力の互いに異なる複数回の噴射を実行させる。仮に、燃料を常に第１圧力Ｐ１によって供給するのでは、燃料がグロープラグ２１の近傍に分布せず、グロープラグ２１での着火に適しなくなるおそれがある。他方、仮に衝突部材を燃料添加弁７の先端部の近傍に配置すると、グロープラグ２１による着火には適するが、前処理触媒コンバータ８への燃料の供給が不十分になる。これに対し、本実施形態では、互いに続けて行われ燃料圧力の互いに異なる複数回の噴射を実行させるので、燃料の軌道および分散する度合いが変化し、これを利用して、共通の燃料添加弁７から、前処理触媒コンバータ８とグロープラグ２１との両者に燃料を適切に供給することが可能になる。

また、グロープラグ２１は前処理触媒コンバータ８の近傍に配置され、複数回の噴射は、第１圧力Ｐ１による第１の噴射と、当該第１の噴射の後に実行され第１圧力よりも小さい第２圧力Ｐ２による第２の噴射と、を含む。その結果、第１の噴射によって供給された燃料が前処理触媒コンバータ８に供給されると、前処理触媒コンバータ８の発熱によりその近傍の温度が上昇するので、その後に第２の噴射が行われて燃料がグロープラグ７に供給されたときに、着火を促進し失火を抑制することができる。

また、燃料添加弁７から供給される燃料の軌道７ｃ，７ｄは、排気管３を横断する方向の成分を含み、第２衝突板２０ｂの衝突点２０ｂ１と燃料添加弁７との排気管３の横断方向の間隔ｄ２は、第１衝突板２０ａの衝突点２０ａ１と燃料添加弁７との排気管３の横断方向の間隔ｄ１よりも小さい。その結果、燃料添加弁７との排気管３の横断方向の間隔に応じて、共通の燃料添加弁７から、前処理触媒コンバータ８とグロープラグ２１とに燃料を適切に供給することが可能になる。

そして、本実施形態では燃料添加弁７の噴孔軸７ｂが、排気通路の上流に向けて傾斜しているので、排気流に対抗する方向に燃料を噴射することにより、燃料添加弁７よりも上流側の領域で、噴射燃料の分散を向上させることができると共に、第１の噴射と第２の噴射とによる燃料の軌道を、排気通路の横断方向で大きく異ならせることができ、排気流れ方向の装置寸法を抑制することも可能になる。

また本実施形態では、ＥＣＵ１０は、排気速度が大きいほど燃料圧力Ｐ１，Ｐ２が大きくなるように可変燃圧レギュレータ１６を制御するので、排気速度が変化した場合にも適切な軌道７ｃ，７ｄで燃料を供給することが可能になる。

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。

例えば、燃料添加弁７が複数の噴孔を有する場合には、排気通路の上流に向けて噴孔軸が傾斜させられた噴孔は少なくとも１つあればよく、その限りにおいて本発明に所期の効果を得ることができる。

また、ＥＣＵ１０は、図７で二点鎖線ｃで示されるように、単一回の噴射を燃料圧力を連続的に変えながら燃料添加弁７に実行させてもよい。ＥＣＵ１０は可変燃圧レギュレータ１６と燃料添加弁７とを制御して、上記以外のパターンによる噴射を実行することができる。例えば、燃料圧力を連続的に変えながら行う噴射を複数回行ってもよく、燃料圧力を連続的に変えながら行う噴射と、燃料圧力を一定として行う噴射とを続けて行ってもよい。３回以上の噴射を続けて行ってもよく、第１圧力による噴射、第２圧力Ｐ２による噴射、及び燃料圧力を代えながら行う噴射を任意の順序で組み合わせることができ、それらの間に休止時間を設けるか否かも任意である。第１噴射と第２分者との割合をどのように設定するかも任意であり、例えば前処理触媒コンバータ８の温度が低いときほど第１噴射の割合や長さを大きく設定してもよい。

また、燃料添加弁７から噴射された燃料を微粒化させる機能、および当該燃料を前処理触媒コンバータ８へと誘導する機能を有する範囲で、衝突板の配置方法や形状を適宜変更することができる。各衝突板には任意の個数の通孔、凹部及び／又は凸部を設けてもよい。衝突板の縦断面は直状でなく弧状であってもよい。衝突板を有しない構成も採用でき、その場合には燃料添加弁７からの燃料を排気管３の管壁に衝突させてもよい。

前処理触媒コンバータ及び排気管のうち少なくとも一方は、断面が楕円形や長円形など、非円形であってもよい。排気管３の横断方向の間隔は、前処理触媒コンバータ８がグロープラグ２１（着火装置）の発熱部分よりも燃料添加弁７に近くてもよい。

排気管３の横断方向における前処理触媒コンバータ８の断面は、排気管３の内部の全体にわたっていてもよい。前処理触媒コンバータ８よりも下流側に存在する他の排気処理装置の種類や順序も任意である。

１エンジン本体
３排気管
６酸化触媒コンバータ
７燃料添加弁
８前処理触媒コンバータ
９筒内燃料噴射弁
１０ＥＣＵ
１６可変燃圧レギュレータ
２０ａ第１衝突板
２０ｂ第２衝突板
２１グロープラグ
２１ａ発熱部
２６ＮＯｘ触媒コンバータ
３０バーナ装置

Claims

内燃機関の排気通路に配置された触媒コンバータと、
前記触媒コンバータよりも上流側に配置され前記排気通路内に燃料を供給する燃料添加弁と、
前記燃料添加弁から供給された燃料に着火させることが可能な着火装置と、
前記燃料添加弁に供給される燃料の圧力を調整する圧力調整装置と、
前記燃料添加弁および前記圧力調整装置を制御するコントローラと、を備え、
前記燃料添加弁の噴孔軸の少なくとも１つは、前記排気通路の上流に向けて傾斜しており、
前記コントローラは、前記触媒コンバータの温度が所定値より低い場合には、前記燃料添加弁及び前記圧力調整装置を制御して、互いに続けて行われ燃料圧力の互いに異なる複数回の噴射を実行させ、
前記複数回の噴射は、第１の燃料圧力による第１の噴射と、当該第１の噴射の後に実行され前記第１の燃料圧力よりも小さい第２の燃料圧力による第２の噴射と、を含むことを特徴とする内燃機関の排気装置。
内燃機関の排気通路に配置された触媒コンバータと、
前記触媒コンバータよりも上流側に配置され前記排気通路内に燃料を供給する燃料添加弁と、
前記燃料添加弁から供給された燃料に着火させることが可能な着火装置と、
前記燃料添加弁に供給される燃料の圧力を調整する圧力調整装置と、
前記燃料添加弁および前記圧力調整装置を制御するコントローラと、を備え、
前記燃料添加弁の噴孔軸の少なくとも１つは、前記排気通路の上流に向けて傾斜しており、
前記コントローラは、前記触媒コンバータの温度が所定値より低い場合には、前記燃料添加弁及び前記圧力調整装置を制御して、燃料圧力を第１の燃料圧力から、当該第１の燃料圧力よりも低い第２の圧力に変えながら行われる単一回の噴射を実行させることを特徴とする内燃機関の排気装置。
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気装置であって、
前記第２の燃料圧力による際の燃料の第２の軌道は、前記第１の燃料圧力による際の燃料の第１の軌道よりも、前記排気通路の横断方向において前記燃料添加弁に近いことを特徴とする内燃機関の排気装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排気装置であって、
前記着火手段は、前記触媒コンバータと熱交換可能に前記触媒コンバータの近傍に配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排気装置であって、
前記コントローラは、排気速度が大きいほど燃料圧力が大きくなるように、前記圧力調整装置を制御することを特徴とする内燃機関の排気装置。