JP3852351B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Particulate Matter：以下、「ＰＭ」という。）の除去が重要な課題となっている。このため、大気中にＰＭが放出されないように排気系にＰＭの捕集を行うパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」とする）を設ける技術が知られている。
【０００３】
このフィルタにより排気中のＰＭが一旦捕集され大気中へ放出されることを防止することができる。しかし、フィルタに捕集されたＰＭが該フィルタに堆積するとフィルタの目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ上に堆積したＰＭを着火燃焼せしめることにより該ＰＭを除去することができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＰＭはディーゼルエンジンだけでなく、ガソリンエンジンでも発生することがある。とりわけ、筒内直接噴射式のガソリンエンジンでは、成層リーン燃焼時即ち、少量の燃料を成層状態として燃焼室内で燃焼させる場合に、点火プラグ近傍の燃料が過濃となってスモークが発生しやすく、スモークに伴うＰＭの適切な除去が望まれている。ガソリンエンジンとディーゼルエンジンとでは燃料が異なること及びそれに伴う機関の運転状況が異なることから、ガソリンエンジンでは独自にＰＭの除去を考察する必要がある。
【０００５】
即ち、フィルタの再生は、酸素過剰の雰囲気にてＰＭを酸化して行うことが可能であるが、理論空燃比近辺で運転されるガソリンエンジンでは、排気中の酸素濃度が低くＰＭの酸化能力が低いためフィルタの再生が困難となる。このような問題に対し、例えば、フィルタ再生時に酸素濃度を高くして機関を運転することが考えられるが、このような酸素過剰の雰囲気では、窒素酸化物（ＮＯx）の浄化率が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、理論空燃比近傍で運転を可能とするストイキガソリンエンジンにおいて、フィルタに捕集された粒子状物質を除去することができる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、燃焼室でのガソリンの燃焼に伴って発生した粒子状物質を一時捕集可能なフィルタと、前記フィルタに捕集された粒子状物質を酸化させて除去する酸化機能を有する触媒と、内燃機関に燃料を供給する燃料供給手段と、車両の減速時に燃料の供給を停止させる燃料供給停止手段と、前記燃料供給停止手段により燃料の供給が停止されているときに前記フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させる排気酸素濃度増加手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の最大の特徴は、理論空燃比近傍での運転を可能とするストイキガソリンエンジン（ポート噴射式ストイキエンジン、若しくは、筒内噴射式ストイキエンジン）において、車両減速時に燃料供給が停止された場合にフィルタを通過する排気の酸素濃度を増量してフィルタに捕集された粒子状物質の酸化を促進させることにある。
【０００９】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、排気中の粒子状物質がフィルタに捕集される。フィルタに捕集された粒子状物質は酸化機能を有する触媒が活性温度以上であれば粒子状物質は酸化除去されるが、活性温度以下の場合や、内燃機関から排出される粒子状物質の量が多く酸化機能を有する触媒で酸化が十分にできない場合には、粒子状物質はフィルタ上に次第に堆積し、目詰まりを発生させるため、除去する必要が生じる。ここで、内燃機関が理論空燃比近辺で運転されている場合には、排気中の酸素濃度が低いために粒子状物質を酸化除去するのは困難である。ところで、車両減速時には燃料の供給が停止され、排気中の酸素濃度が高くなり、フィルタに捕集された粒子状物質が酸化される。そのときに、排気酸素濃度増加手段がフィルタを通過する排気の酸素濃度を増加されると、更に多くの酸素をフィルタに供給することが可能となり、フィルタの目詰まりを抑制することが可能となる。
【００１０】
本発明においては、前記酸化機能を有する触媒を前記フィルタに担持させることができる。このようにして、省スペース化を図ることができる。
【００１１】
本発明においては、内燃機関に接続され該内燃機関に吸気を導入させる吸気通路と、前記吸気通路に吸気が流通する流通面積を可変とする吸気絞り弁と、をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段は、吸気絞り弁を開弁方向に制御して吸入空気量を増加させることで前記フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させることができる。
【００１２】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中に吸気絞り弁が全開にされ、吸入空気量を増加させる。従って、排気中の酸素濃度が増加してフィルタに捕集された粒子状物質を酸化除去することが可能となる。
【００１３】
本発明においては、吸気弁と、排気弁と、前記吸気弁及び排気弁の開弁量を調整する吸排気弁開弁量調整手段と、をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段は、吸気弁及び排気弁の開弁量を増大させて吸入空気量を増加させることで前記フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させることができる。
【００１４】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中に吸排気弁の開弁量が増大され、吸入空気量を増加させる。従って、排気中の酸素濃度が増加してフィルタに捕集された粒子状物質を酸化除去することが可能となる。
【００１５】
本発明においては、前記フィルタに捕集された粒子状物質の量を推定する捕集量推定手段をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段による前記フィルタを通過する排気の酸素濃度の増加は前記捕集量推定手段により推定された粒子状物質の捕集量が所定値以上となった場合に行われても良い。
【００１６】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中であって、且つ捕集量推定手段により推定された粒子状物質の捕集量が所定値以上となった場合に、フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させる。このようにして、粒子状物質の除去が必要となった場合に限り粒子状物質の除去を行うことが可能となる。
【００１７】
本発明においては、触媒の温度を検出する触媒温度検出手段をさらに備え、前記排気酸素濃度量増加手段によるフィルタを通過する排気の酸素濃度の増加は前記触媒の温度が活性温度以上、且つ吸入空気量の増加によって前記触媒が昇温したとしても熱劣化しない温度以下であるときに行われても良い。
【００１８】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中であって、且つ触媒温度検出手段により検出された触媒温度が所定範囲内である場合に、フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させる。このようにして、粒子状物質の除去を効果的に行うことができる場合に限り粒子状物質の除去を行うことが可能となる。
【００１９】
本発明においては、燃料供給停止手段により燃料の供給が停止されるまでの期間を算出する運転期間算出手段をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段により増加されるフィルタを通過する排気の酸素濃度の量を前記運転期間算出手段により算出された運転期間が長い程多くすることができる。
【００２０】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、燃料が供給されて機関が運転されると、それに伴い粒子状物質が排出される。従って、機関運転期間が長くなるほどフィルタに捕集される粒子状物質の量が多くなるため、その分フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させることにより、フィルタに捕集された粒子状物質の量に見合った酸素の供給が可能となる。
【００２１】
本発明においては、前記排気酸素濃度増加手段によりフィルタを通過する排気の酸素濃度が増加されているときに車両を減速させる手段を備えることができる。
【００２２】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中に吸入空気量が増加された場合、ポンプ損失が減少する。この損失分を補うことにより、車両の減速を補助することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を理論空燃比近辺で運転される車両駆動用の気筒内直接噴射式ガソリンエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用するエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００２５】
エンジン１は、シリンダヘッド１ａ及びシリンダブロック１ｂを備えて構成されている。
【００２６】
シリンダヘッド１ａには、吸気ポート２、排気ポート３、燃焼室４が形成されている。吸気ポート２及び排気ポート３は夫々２つに分岐して燃焼室４に通じている。吸気ポート２及び排気ポート３と燃焼室４との境界には夫々吸気弁５及び排気弁６が備えられている。また、シリンダヘッド１ａには、吸気カムシャフト７及び排気カムシャフト８が備えられている。吸気カムシャフト７及び排気カムシャフト８は、クランクシャフト９から動力を得て回転し、吸気弁５及び排気弁６を往復運動させる。吸気カムシャフト７には、吸気カムシャフト７の位相を連続的に変化させるバルブ特性変更機構１０が備えられている。
【００２７】
また、２つに分岐した吸気ポート２の一方の途中には、該吸気ポート２内で開閉して流通する吸気の流量を調節するスワールコントロール弁１１が設けられている。このスワールコントロール弁１１には、ＤＣモータ１２により駆動される。
【００２８】
スワールコントロール弁１１は、エンジン回転数や負荷等の運転状態により連続的に開閉する。スワールコントロール弁１１を閉弁方向へ制御すると、吸気が主に一方の吸気ポート２を流通して燃焼室４に流入し該燃焼室４内にスワールを発生させる。スワールコントロール弁１１の開閉角度を変化させるとスワールの強さを変化させることができ、運転状態に見合ったスワールの強さを得ることができる。
【００２９】
また、燃焼室４には、シリンダ内の混合気に点火するために、高電圧を印加して放電させ火炎核を生成させる点火プラグ１３が取り付けられている。
【００３０】
一方、シリンダブロック１ｂのシリンダ内には、燃焼室４内の燃焼圧力を受けて往復運動するピストン１４が挿入されている。該ピストン１４には、コネクティングロッド１５の一端が接続され、該コネクティングロッド１５の他端はクランクシャフト９に接続されている。
【００３１】
エンジン１は、燃焼室４に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１６を備えている。燃料噴射弁１６は、燃料を所定圧まで昇圧する燃料ポンプ２６と接続されている。該燃料ポンプ２６は、排気カムシャフト８に隣接して設けられ、カムの回転運動によりポンプが駆動されて燃料が圧縮された後吐出される。
【００３２】
このように構成された燃料噴射系では、カムシャフトの回転トルクが燃料ポンプ２６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ２６は、所定の圧力で燃料を吐出する。前記燃料ポンプ２６から吐出された燃料は、燃料供給管（図示省略）を介して燃料噴射弁１６へ供給される。そして、燃料噴射弁１６に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁１６が開弁し、その結果、燃料噴射弁１６から燃焼室４内へ燃料が噴射される。
【００３３】
次に、エンジン１には、吸気管１７が接続されており、該吸気管１７は、吸気ポート２を介して燃焼室４と連通している。
【００３４】
前記吸気管１７の途中には、該吸気管１７内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１８が設けられている。この吸気絞り弁１８には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１８を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１９が取り付けられている。
【００３５】
一方、エンジン１には、排気管２０が接続され、該排気管２０は、排気ポート３を介して燃焼室４と連通している。
【００３６】
前記排気管２０の途中には、酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）２１が設けられている。フィルタ２１より上流の排気管２０には、該排気管２０内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２２が取り付けられている。
【００３７】
このように構成された排気系では、エンジン１の燃焼室４で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポート３を介して排気管２０へ排出され、フィルタ２１へ流入し、排気中のＰＭが捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化される。フィルタ２１にてＰＭを捕集され且つ有害ガス成分を除去又は浄化された排気はマフラーを介して大気中に放出される。
【００３８】
また、排気管２０と吸気管１７とは、排気管２０内を流通する排気の一部を吸気管１７へ再循環させる排気再循環通路（以下、ＥＧＲ通路とする。）２３を介して連通されている。このＥＧＲ通路２３の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路２３内を流通する排気（以下、ＥＧＲガスとする。）の流量を変更する流量調整弁（以下、ＥＧＲ弁とする。）２４が設けられている。
【００３９】
このように構成された排気再循環機構では、ＥＧＲ弁２４が開弁されると、ＥＧＲ通路２３が導通状態となり、排気管２０内を流通する排気の一部が前記ＥＧＲ通路２３へ流入し、ＥＧＲ弁２４を通過して吸気管１７へ導かれる。
【００４０】
吸気管１７へ還流されたＥＧＲガスは、吸気管１７の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ燃焼室４へ導かれる。
【００４１】
ここで、ＥＧＲガスには、水（Ｈ2Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ2）などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、熱容量が高い不活性ガス成分が含まれているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物（ＮＯx）の発生量が抑制される。
【００４２】
次に、本実施の形態に係るフィルタ２１について説明する。
【００４３】
図２は、フィルタ２１の断面図である。図２（Ａ）は、フィルタ２１の横方向断面を示す図である。図２（Ｂ）は、フィルタ２１の縦方向断面を示す図である。
【００４４】
図２（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにフィルタ２１は、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０、５１を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気流出通路５１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って、排気流入通路５０および排気流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。換言すると排気流入通路５０および排気流出通路５１は各排気流入通路５０が４つの排気流出通路５１によって包囲され、各排気流出通路５１が４つの排気流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００４５】
フィルタ２１は例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気流入通路５０内に流入した排気は図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気流出通路５１内に流出する。
【００４６】
本発明による実施例では各排気流入通路５０および各排気流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に酸化触媒が坦持されている。
【００４７】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２５が併設されている。このＥＣＵ２５は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００４８】
ＥＣＵ２５には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ２５に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ２５には、スワールコントロール弁１１、点火プラグ１３、燃料噴射弁１６、吸気絞り用アクチュエータ１９、ＥＧＲ弁２４等が電気配線を介して接続され、制御することが可能になっている。また、前記ＥＣＵ２５は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶している。
【００４９】
ところで、前記フィルタ２１に捕集されたＰＭは、酸化触媒が活性温度以上であれば酸化除去されるが、活性温度以下の場合や、エンジン１から排出されるＰＭの量が多く酸化触媒で酸化が十分にできない場合には、フィルタ上に次第に堆積してフィルタ２１の目詰まりを発生させることがある。この目詰まりにより、機関出力が低下したり、フィルタ２１が毀損したりする虞がある。従って、目詰まりが発生する前にフィルタ２１に捕集されたＰＭを除去する必要がある。ここで、フィルタ２１に捕集されたＰＭは、酸素過剰で且つ温度の高い雰囲気で酸化して除去することが可能である。しかし、理論空燃比近辺で運転されているガソリンエンジン（ポート噴射式ストイキエンジン、気筒内直接噴射式ストイキエンジン）においては、フィルタ２１に流通する排気中の酸素濃度が低く、ＰＭの酸化能力が低いためフィルタ２１に目詰まりが発生する虞がある。
【００５０】
これに対し、例えば、ＰＭを除去する必要があるときに限りリーン空燃比にて運転させることも考えられるが、このような空燃比での運転では触媒のＮＯx処理能力が低くなり大気中へ放出されるＮＯx量が増加する虞がある。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、車両減速中で燃料の供給が停止されているときに吸入空気量を増加させ、ＰＭの酸化能力を増大させる。ここで、一般に、車両減速中には燃費向上等のために燃料の供給が停止されている。このときには、エンジン内では燃焼が行われていないので、吸入空気量を増加させたとしても、機関運転状態に与える影響が少ない。従って、吸入空気量を増量させるために適した状態に機関を制御することが可能である。
【００５２】
このように、吸入空気量を増量させる手段には、例えば、吸気絞り弁を開弁方向へ制御する、ＥＧＲ弁を閉弁方向へ制御する、スワールコントロール弁１１を開弁方向へ制御する、吸気弁５及び排気弁６の開弁量を大きくする（リフト量を大きくする）、等が考えられる。
【００５３】
吸気絞り弁を開弁方向へ制御すると、該吸気絞り弁での吸気抵抗が減少するため、吸入空気量を増加させることができる。吸気絞り弁は、ＥＣＵ２５からの信号により開閉させることが可能である。
【００５４】
ＥＧＲ弁を閉弁方向へ制御すると、吸気中の新気の量が増加するため、排気中の酸素濃度を増加させることができる。ＥＧＲ弁は、ＥＣＵ２５からの信号により開閉させることができる。
【００５５】
スワールコントロール弁１１を開弁方向へ制御すると、吸気ポート２の流通面積を増加させることができるため、吸気抵抗が減少し吸気量を増加させることができる。スワールコントロール弁１１は、ＥＣＵ２５からの信号により開閉させることが可能である。
【００５６】
吸気弁５及び排気弁６の開弁量を大きくすると、吸気が燃焼室４内に流入するときの抵抗が減少して吸気量を増加させることができる。例えば、リフト量の異なる複数のカムを備え、該カムを切換える可変バルブ機構（図示省略）を有することにより吸気弁５及び排気弁６の開弁量を変更可能である。
【００５７】
他にも、バルブ特性変更機構１０により吸気カムシャフト７の位相を連続的に変化させ、吸気弁５の開閉弁時期を変更することにより吸入空気量を増加させることができる。同様に排気弁６の開閉時期を変更しても良く、バルブオーバラップを変更させても良い。吸入空気量を増加させるための吸気弁５及び排気弁６の開閉弁時期は、実験等により求めることが可能である。
【００５８】
また、以上に述べた吸入空気量増加手段は、複数を組み合わせて使用することもできる。このようにして、車両の減速中に吸入空気量を増加させることができ、フィルタ２１に捕集されたＰＭを酸化させ除去することができる。
【００５９】
ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置では、理論空燃比近辺で運転されている場合には、フィルタに捕集されたＰＭを酸化させることが困難であった。
【００６０】
その点、本実施の形態では、車両減速中の燃料供給停止時に吸入空気量を増大させるため、機関内の燃焼状態に影響をほとんど与えることなくフィルタに堆積したＰＭを酸化除去することが可能となる。
【００６１】
以上述べたように、本実施の形態による内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中に吸入空気量（新気量）を増量させることができる。しかし、車両減速中に吸気抵抗を減少させると、ポンプ損失が減少し車両の減速感が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、許容できる減速感を得ることができる範囲内で吸入空気量の増量制御を行う。
【００６２】
図３は、吸入空気量増加量とポンプ損失及び減速感との関係を示した図である。ここで、減速感とポンプ損失とには相関関係がある。また、吸入空気量増加手段反映量とは、吸気絞り弁を開弁方向へ制御したこと等による吸入空気の増加量である。
【００６３】
図中線ａは、許容できる減速感の閾値を示し、線ｂは、許容できる吸入空気量の増加量の閾値を示している。線ａで示される減速感の閾値は、実験等により求めることができる。また、減速感の閾値（線ａ）を求めることができれば、図３中の線ｂが求まる。この線ｂよりも少量の範囲内（図３中線ｂよりも左側の範囲内）で吸入空気量の増量を行えば許容される減速感を得ることができる。
【００６４】
図４は、許容される減速感が得られる範囲内で吸入空気量を増加させるためのフローを示したフローチャート図である。
【００６５】
ステップＳ１０１では、車両が減速中であって燃料停止の条件が成立しているか否か判定する。ここで、アクセル開度センサ（図示省略）の出力信号に基づいてアクセルが踏まれていないと検出された場合に、車両が減速中であると判定することができる。また、車速を検出するスピードセンサ（図示省略）の出力信号から減速中であることを検出しても良い。
【００６６】
ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了する。
【００６７】
ステップＳ１０２では、燃料の供給を停止する。ＥＣＵ２５は、燃料噴射弁１６からの燃料の噴射を停止させる。
【００６８】
ステップＳ１０３では、減速感が許容範囲内にあるか否か判定する。即ち、図３に示されるように、吸入空気量増加手段による吸入空気量の増加が閾値以下であるか否か判定される。ここでは、例えば、吸気絞り弁の開弁量、ＥＧＲ弁の開弁量、スワールコントロール弁１１の開弁量、吸排気弁のリフト量、等が所定範囲内であるか否かにより判定される。これらの判定条件となる値は、予め実験等により求めておきＥＣＵ２５に記憶させておく。
【００６９】
ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。
【００７０】
ステップＳ１０４では、吸入空気量が増加される。例えば、吸気絞り弁を所定量開弁させる、ＥＧＲ弁を所定量閉弁させる、スワールコントロール弁１１を所定量開弁させる、バルブリフト量を大きくする等により吸入空気量を更に増量させる。
【００７１】
このようにして、吸入空気量を段階的に増加させることにより、減速感を損なわずに吸入空気量を増加させることが可能となる。
【００７２】
尚、本実施の形態においては、スピードセンサから得られる車両の減速割合を用いて減速感の判定をしても良い。
【００７３】
図５は、車両減速時の減速割合、吸入空気量増加手段反映値、燃料停止信号、車速の時間推移を示したタイムチャート図である。吸入空気量増加手段反映値とは、吸気絞り弁を開弁方向へ制御したこと等による吸入空気の増加量を示した値である。図中実線は、減速感を大きくする制御を行った場合を示し、破線は、減速感を大きくする制御を行わなかった場合を示している。また、線ａは、許容される減速感の閾値を示していて、予め実験等により求めることができる。
【００７４】
ここで、吸入空気量増加手段反映値が大きくなる程、減速割合が小さくなり車速が低下するまでに時間を要する。従って、減速感が低下していく。減速割合が線ａよりも小さくなると、許容できる減速感が得られなくなる。そこで、本実施の形態では、減速割合が線ａで示される閾値以上となる範囲内で、且つ閾値に近づけるように吸入空気量の増加が実施される。従って、例えば、吸気絞り弁を所定量開弁させる、ＥＧＲ弁を所定量閉弁させる、スワールコントロール弁１１を所定量開弁させる、バルブリフト量を大きくする等により、減速割合が線ａよりも大きくなる範囲内で段階的に吸入空気量を増量させる。
【００７５】
このようにして、減速割合を検出することにより減速感を判定することができ、許容される減速割合が得られる範囲で最大限吸入空気量を増量させることができる。
【００７６】
更に、本実施の形態では、運転者のブレーキペダル（図示省略）の操作量を検出して、ブレーキペダルを踏み込む割合が所定割合以上の場合には、吸入空気量の増量を停止させても良い。
【００７７】
ここで、図６は、車両減速時のブレーキペダル踏み込み割合、吸入空気量増加手段反映値、燃料停止信号、車速の時間推移を示したタイムチャート図である。線ａは、許容されるブレーキペダル踏み込み割合の閾値を示していて、予め実験等により求めることができる。ここで、車両減速時に吸入空気量を増量させると減速感が低下するため、運転者がブレーキペダルを更に強く踏むことがある。本実施の形態では、ブレーキペダルが踏み込まれる割合が所定値よりも大きくなった場合には、運転者の減速要求が大きいとして吸入空気量の増加を停止させ車両の減速を優先させるようにすることができる。
【００７８】
このようにして、ブレーキペダル踏み込み割合を検出することにより減速感を判定することができ、許容される範囲で吸入空気量を増量させることができる。
【００７９】
尚、本実施の形態においては、フィルタ２１の温度が所定の範囲内にある場合に限り吸入空気量増加手段により吸入空気を増加させても良い。ここで、触媒は温度が低くなるほど酸化能力が低下し、ＰＭを酸化除去させることが困難となる。一方、触媒の温度が高いときにＰＭを燃焼させると、触媒の熱劣化やフィルタの毀損を発生させることがある。従って、本実施の形態では、触媒若しくはフィルタの温度が所定の温度範囲内の場合に限り吸入空気量を増大させても良い。ここで、フィルタの温度は、排気温度センサ２２の出力信号に基づいて算出される。また、所定の温度範囲は予め実験等により求めておくことができる。
【００８０】
本実施の形態においては、フィルタ２１に堆積したＰＭが所定量以上となった場合に限り吸入空気量増加手段により吸入空気量を増加させても良い。ここで、フィルタに捕集された粒子状物質の量が多くなるとフィルタ前後の差圧が大きくなるため、フィルタ前後の差圧に基づいてＰＭの捕集量を判定することが可能となる。他にも、例えば、フィルタ上流に排気の圧力を検出するセンサを設け、該センサから得られる圧力が所定圧力以上になった場合や吸入空気量が所定量以下に減少した場合にＰＭの堆積量が多くなったとして吸入空気量を増大させても良い。また、車両の走行距離や燃料噴射量の積算値からＰＭの捕集量を判定しても良い。このようにしてフィルタに堆積したＰＭが所定量以上となった場合に限り吸入空気量を増加させるようにすると、不必要な吸入空気量の増加の実施を抑制することが可能となる。
【００８１】
本実施の形態においては、燃料供給停止までの運転時間に基づいて吸入空気量の増加量を変更しても良い。ここで、燃料供給停止までの運転時間が長くなると、その分ＰＭの排出量が多くなるため、フィルタ２１によるＰＭの捕集量も多くなると考えられる。従って、燃料供給停止までの運転時間が長くなるほど、吸入空気量の増加量を多くすることにより、堆積しているＰＭの量に見合った空気量を供給することが可能となる。
【００８２】
本実施の形態では、フィルタ２１に担持された触媒が酸化触媒である場合について説明したが、これに代えてＮＯx触媒、三元触媒等の酸化機能を有する触媒であっても良い。また、フィルタ２１に触媒を担持させずに、フィルタ２１の上流に酸化機能を有する触媒を別途設けても良い。
【００８３】
尚、本実施の形態では、吸入空気量が増量させたことによる減速感の低下を補うために、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換してバッテリに蓄えてもよい。
【００８４】
図７は、本実施の形態による吸入空気量増加手段を採用したハイブリッドシステムである。
【００８５】
本実施の形態によるハイブリッドシステムは、エンジン１、動力分割機構３０、モータ３１、ジェネレータ３２、バッテリ３３、インバータ３４、車軸３５、減速機３６、車輪３７を備えて構成されている。動力分割機構３０は、その内部に遊星歯車を備え、エンジン１から発生する動力をジェネレータ３２及び車軸３５に分割している。モータ３１は、減速機３６を介して車軸３５と比例して回転する。該モータ３１は、通常運転時には必要に応じてエンジン１の出力を補助し、一方制動時には発電機として働きエネルギを回収する。ジェネレータ３２は、エンジン１からの動力を得て発電しバッテリ３３の充電を行う。
【００８６】
このように構成されたハイブリッドシステムでは、通常走行時にはエンジン１の出力若しくはモータ３１の出力により車輪３７が駆動される。一方、減速時には、車輪３７の回転力によりモータ３１を発電機として作動させることで減速させつつ、運動エネルギを電気エネルギに変換しバッテリ３３に回収させることができる。このように、車両減速時に運動エネルギを電気エネルギに変換するため、車両を減速することができる。
【００８７】
図８は、ハイブリッドシステムにおけるエネルギ回収フローを示したフローチャート図である。
【００８８】
ステップＳ２０１では、車両が減速中であって燃料停止の条件が成立しているか否か判定する。ここで、アクセル開度センサ（図示省略）の出力信号に基づいてアクセルが踏まれていないと検出された場合に、車両が減速中であると判定することができる。また、車速を検出するスピードセンサ（図示省略）の出力信号から減速中であることを検出しても良い。
【００８９】
ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了する。
【００９０】
ステップＳ２０２では、燃料の供給を停止する。ＥＣＵ２５は、燃料噴射弁１６からの燃料の噴射を停止させる。
【００９１】
ステップＳ２０３では、吸入空気量が増加される。例えば、吸気絞り弁を所定量開弁させる、ＥＧＲ弁を所定量閉弁させる、スワールコントロール弁１１を所定量開弁させる、バルブリフト量を大きくする等により吸入空気量を更に増量させる。
【００９２】
ステップＳ２０４では、エネルギの回収が行われる。モータ３１は、減速機３６を介して車軸３５と比例して回転しつつ発電機として働き、エネルギを回収する。
【００９３】
このようにして、減速中のエネルギを回収することにより、減速感を損なわずに吸入空気量を増加させることが可能となる。
【００９４】
また、本実施の形態では、吸入空気量増加時に車両の減速感を増大させるために、例えば、ブレーキペダルの操作量に対して通常よりも大きな制動力を得られるブレーキ補助機構を設けても良い。
【００９５】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、理論空燃比近辺で運転可能なガソリン機関において、車両減速中に吸入空気量を増大させ、フィルタに捕集された粒子状物質を除去することができる。このときには、内燃機関で燃焼が行われていないので、ＮＯxの排出を防止しつつ粒子状物質の除去を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用するエンジンとその吸排気系とを併せ示す概略構成図である。
【図２】 （Ａ）は、パティキュレートフィルタの横方向断面を示す図である。（Ｂ）は、パティキュレートフィルタの縦方向断面を示す図である。
【図３】 吸入空気量増加量とポンプ損失及び減速感との関係を示した図である。
【図４】 許容される減速感が得られる範囲内で吸入空気量を増加させるためのフローを示したフローチャート図である。
【図５】 車両減速時の減速割合、吸入空気量増加手段反映値、燃料停止信号、車速の時間推移を示したタイムチャート図である。
【図６】 車両減速時のブレーキペダル踏み込み割合、吸入空気量増加手段反映値、燃料停止信号、車速の時間推移を示したタイムチャート図である。
【図７】 本実施の形態による吸入空気量増加手段を採用したハイブリッドシステムである。
【図８】 ハイブリッドシステムにおけるエネルギ回収フローを示したフローチャート図である。
【符号の説明】
１・・・・エンジン
２・・・・吸気ポート
３・・・・排気ポート
４・・・・燃焼室
５・・・・吸気弁
６・・・・排気弁
７・・・・吸気カムシャフト
８・・・・排気カムシャフト
９・・・・クランクシャフト
１０・・・バルブ特性変更機構
１１・・・スワールコントロール弁
１２・・・ＤＣモータ
１３・・・点火プラグ
１４・・・ピストン
１５・・・コネクティングロッド
１６・・・燃料噴射弁
１７・・・吸気管
１８・・・吸気絞り弁
１９・・・吸気絞り用アクチュエータ
２０・・・排気管
２１・・・フィルタ
２２・・・排気温度センサ
２３・・・ＥＧＲ通路
２４・・・ＥＧＲ弁
２５・・・ＥＣＵ
２６・・・燃料ポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Particulate Matter：以下、「ＰＭ」という。）の除去が重要な課題となっている。このため、大気中にＰＭが放出されないように排気系にＰＭの捕集を行うパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」とする）を設ける技術が知られている。
【０００３】
このフィルタにより排気中のＰＭが一旦捕集され大気中へ放出されることを防止することができる。しかし、フィルタに捕集されたＰＭが該フィルタに堆積するとフィルタの目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ上に堆積したＰＭを着火燃焼せしめることにより該ＰＭを除去することができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＰＭはディーゼルエンジンだけでなく、ガソリンエンジンでも発生することがある。とりわけ、筒内直接噴射式のガソリンエンジンでは、成層リーン燃焼時即ち、少量の燃料を成層状態として燃焼室内で燃焼させる場合に、点火プラグ近傍の燃料が過濃となってスモークが発生しやすく、スモークに伴うＰＭの適切な除去が望まれている。ガソリンエンジンとディーゼルエンジンとでは燃料が異なること及びそれに伴う機関の運転状況が異なることから、ガソリンエンジンでは独自にＰＭの除去を考察する必要がある。
【０００５】
即ち、フィルタの再生は、酸素過剰の雰囲気にてＰＭを酸化して行うことが可能であるが、理論空燃比近辺で運転されるガソリンエンジンでは、排気中の酸素濃度が低くＰＭの酸化能力が低いためフィルタの再生が困難となる。このような問題に対し、例えば、フィルタ再生時に酸素濃度を高くして機関を運転することが考えられるが、このような酸素過剰の雰囲気では、窒素酸化物（ＮＯx）の浄化率が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、理論空燃比近傍で運転を可能とするストイキガソリンエンジンにおいて、フィルタに捕集された粒子状物質を除去することができる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、燃焼室でのガソリンの燃焼に伴って発生した粒子状物質を一時捕集可能なフィルタと、前記フィルタに捕集された粒子状物質を酸化させて除去する酸化機能を有する触媒と、内燃機関に燃料を供給する燃料供給手段と、車両の減速時に燃料の供給を停止させる燃料供給停止手段と、前記燃料供給停止手段により燃料の供給が停止されているときに前記フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させる排気酸素濃度増加手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の最大の特徴は、理論空燃比近傍での運転を可能とするストイキガソリンエンジン（ポート噴射式ストイキエンジン、若しくは、筒内噴射式ストイキエンジン）において、車両減速時に燃料供給が停止された場合にフィルタを通過する排気の酸素濃度を増量してフィルタに捕集された粒子状物質の酸化を促進させることにある。
【０００９】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、排気中の粒子状物質がフィルタに捕集される。フィルタに捕集された粒子状物質は酸化機能を有する触媒が活性温度以上であれば粒子状物質は酸化除去されるが、活性温度以下の場合や、内燃機関から排出される粒子状物質の量が多く酸化機能を有する触媒で酸化が十分にできない場合には、粒子状物質はフィルタ上に次第に堆積し、目詰まりを発生させるため、除去する必要が生じる。ここで、内燃機関が理論空燃比近辺で運転されている場合には、排気中の酸素濃度が低いために粒子状物質を酸化除去するのは困難である。ところで、車両減速時には燃料の供給が停止され、排気中の酸素濃度が高くなり、フィルタに捕集された粒子状物質が酸化される。そのときに、排気酸素濃度増加手段がフィルタを通過する排気の酸素濃度を増加されると、更に多くの酸素をフィルタに供給することが可能となり、フィルタの目詰まりを抑制することが可能となる。
【００１０】
本発明においては、前記酸化機能を有する触媒を前記フィルタに担持させることができる。このようにして、省スペース化を図ることができる。
【００１１】
本発明においては、内燃機関に接続され該内燃機関に吸気を導入させる吸気通路と、前記吸気通路に吸気が流通する流通面積を可変とする吸気絞り弁と、をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段は、吸気絞り弁を開弁方向に制御して吸入空気量を増加させることで前記フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させることができる。
【００１２】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中に吸気絞り弁が全開にされ、吸入空気量を増加させる。従って、排気中の酸素濃度が増加してフィルタに捕集された粒子状物質を酸化除去することが可能となる。
【００１３】
本発明においては、吸気弁と、排気弁と、前記吸気弁及び排気弁の開弁量を調整する吸排気弁開弁量調整手段と、をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段は、吸気弁及び排気弁の開弁量を増大させて吸入空気量を増加させることで前記フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させることができる。
【００１４】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中に吸排気弁の開弁量が増大され、吸入空気量を増加させる。従って、排気中の酸素濃度が増加してフィルタに捕集された粒子状物質を酸化除去することが可能となる。
【００１５】
本発明においては、前記フィルタに捕集された粒子状物質の量を推定する捕集量推定手段をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段による前記フィルタを通過する排気の酸素濃度の増加は前記捕集量推定手段により推定された粒子状物質の捕集量が所定値以上となった場合に行われても良い。
【００１６】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中であって、且つ捕集量推定手段により推定された粒子状物質の捕集量が所定値以上となった場合に、フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させる。このようにして、粒子状物質の除去が必要となった場合に限り粒子状物質の除去を行うことが可能となる。
【００１７】
本発明においては、触媒の温度を検出する触媒温度検出手段をさらに備え、前記排気酸素濃度量増加手段によるフィルタを通過する排気の酸素濃度の増加は前記触媒の温度が活性温度以上、且つ吸入空気量の増加によって前記触媒が昇温したとしても熱劣化しない温度以下であるときに行われても良い。
【００１８】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中であって、且つ触媒温度検出手段により検出された触媒温度が所定範囲内である場合に、フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させる。このようにして、粒子状物質の除去を効果的に行うことができる場合に限り粒子状物質の除去を行うことが可能となる。
【００１９】
本発明においては、燃料供給停止手段により燃料の供給が停止されるまでの期間を算出する運転期間算出手段をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段により増加されるフィルタを通過する排気の酸素濃度の量を前記運転期間算出手段により算出された運転期間が長い程多くすることができる。
【００２０】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、燃料が供給されて機関が運転されると、それに伴い粒子状物質が排出される。従って、機関運転期間が長くなるほどフィルタに捕集される粒子状物質の量が多くなるため、その分フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させることにより、フィルタに捕集された粒子状物質の量に見合った酸素の供給が可能となる。
【００２１】
本発明においては、前記排気酸素濃度増加手段によりフィルタを通過する排気の酸素濃度が増加されているときに車両を減速させる手段を備えることができる。
【００２２】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中に吸入空気量が増加された場合、ポンプ損失が減少する。この損失分を補うことにより、車両の減速を補助することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を理論空燃比近辺で運転される車両駆動用の気筒内直接噴射式ガソリンエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用するエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００２５】
エンジン１は、シリンダヘッド１ａ及びシリンダブロック１ｂを備えて構成されている。
【００２６】
シリンダヘッド１ａには、吸気ポート２、排気ポート３、燃焼室４が形成されている。吸気ポート２及び排気ポート３は夫々２つに分岐して燃焼室４に通じている。吸気ポート２及び排気ポート３と燃焼室４との境界には夫々吸気弁５及び排気弁６が備えられている。また、シリンダヘッド１ａには、吸気カムシャフト７及び排気カムシャフト８が備えられている。吸気カムシャフト７及び排気カムシャフト８は、クランクシャフト９から動力を得て回転し、吸気弁５及び排気弁６を往復運動させる。吸気カムシャフト７には、吸気カムシャフト７の位相を連続的に変化させるバルブ特性変更機構１０が備えられている。
【００２７】
また、２つに分岐した吸気ポート２の一方の途中には、該吸気ポート２内で開閉して流通する吸気の流量を調節するスワールコントロール弁１１が設けられている。このスワールコントロール弁１１には、ＤＣモータ１２により駆動される。
【００２８】
スワールコントロール弁１１は、エンジン回転数や負荷等の運転状態により連続的に開閉する。スワールコントロール弁１１を閉弁方向へ制御すると、吸気が主に一方の吸気ポート２を流通して燃焼室４に流入し該燃焼室４内にスワールを発生させる。スワールコントロール弁１１の開閉角度を変化させるとスワールの強さを変化させることができ、運転状態に見合ったスワールの強さを得ることができる。
【００２９】
また、燃焼室４には、シリンダ内の混合気に点火するために、高電圧を印加して放電させ火炎核を生成させる点火プラグ１３が取り付けられている。
【００３０】
一方、シリンダブロック１ｂのシリンダ内には、燃焼室４内の燃焼圧力を受けて往復運動するピストン１４が挿入されている。該ピストン１４には、コネクティングロッド１５の一端が接続され、該コネクティングロッド１５の他端はクランクシャフト９に接続されている。
【００３１】
エンジン１は、燃焼室４に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１６を備えている。燃料噴射弁１６は、燃料を所定圧まで昇圧する燃料ポンプ２６と接続されている。該燃料ポンプ２６は、排気カムシャフト８に隣接して設けられ、カムの回転運動によりポンプが駆動されて燃料が圧縮された後吐出される。
【００３２】
このように構成された燃料噴射系では、カムシャフトの回転トルクが燃料ポンプ２６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ２６は、所定の圧力で燃料を吐出する。前記燃料ポンプ２６から吐出された燃料は、燃料供給管（図示省略）を介して燃料噴射弁１６へ供給される。そして、燃料噴射弁１６に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁１６が開弁し、その結果、燃料噴射弁１６から燃焼室４内へ燃料が噴射される。
【００３３】
次に、エンジン１には、吸気管１７が接続されており、該吸気管１７は、吸気ポート２を介して燃焼室４と連通している。
【００３４】
前記吸気管１７の途中には、該吸気管１７内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１８が設けられている。この吸気絞り弁１８には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１８を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１９が取り付けられている。
【００３５】
一方、エンジン１には、排気管２０が接続され、該排気管２０は、排気ポート３を介して燃焼室４と連通している。
【００３６】
前記排気管２０の途中には、酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）２１が設けられている。フィルタ２１より上流の排気管２０には、該排気管２０内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２２が取り付けられている。
【００３７】
このように構成された排気系では、エンジン１の燃焼室４で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポート３を介して排気管２０へ排出され、フィルタ２１へ流入し、排気中のＰＭが捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化される。フィルタ２１にてＰＭを捕集され且つ有害ガス成分を除去又は浄化された排気はマフラーを介して大気中に放出される。
【００３８】
また、排気管２０と吸気管１７とは、排気管２０内を流通する排気の一部を吸気管１７へ再循環させる排気再循環通路（以下、ＥＧＲ通路とする。）２３を介して連通されている。このＥＧＲ通路２３の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路２３内を流通する排気（以下、ＥＧＲガスとする。）の流量を変更する流量調整弁（以下、ＥＧＲ弁とする。）２４が設けられている。
【００３９】
このように構成された排気再循環機構では、ＥＧＲ弁２４が開弁されると、ＥＧＲ通路２３が導通状態となり、排気管２０内を流通する排気の一部が前記ＥＧＲ通路２３へ流入し、ＥＧＲ弁２４を通過して吸気管１７へ導かれる。
【００４０】
吸気管１７へ還流されたＥＧＲガスは、吸気管１７の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ燃焼室４へ導かれる。
【００４１】
ここで、ＥＧＲガスには、水（Ｈ2Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ2）などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、熱容量が高い不活性ガス成分が含まれているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物（ＮＯx）の発生量が抑制される。
【００４２】
次に、本実施の形態に係るフィルタ２１について説明する。
【００４３】
図２は、フィルタ２１の断面図である。図２（Ａ）は、フィルタ２１の横方向断面を示す図である。図２（Ｂ）は、フィルタ２１の縦方向断面を示す図である。
【００４４】
図２（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにフィルタ２１は、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０、５１を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気流出通路５１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って、排気流入通路５０および排気流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。換言すると排気流入通路５０および排気流出通路５１は各排気流入通路５０が４つの排気流出通路５１によって包囲され、各排気流出通路５１が４つの排気流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００４５】
フィルタ２１は例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気流入通路５０内に流入した排気は図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気流出通路５１内に流出する。
【００４６】
本発明による実施例では各排気流入通路５０および各排気流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に酸化触媒が坦持されている。
【００４７】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２５が併設されている。このＥＣＵ２５は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００４８】
ＥＣＵ２５には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ２５に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ２５には、スワールコントロール弁１１、点火プラグ１３、燃料噴射弁１６、吸気絞り用アクチュエータ１９、ＥＧＲ弁２４等が電気配線を介して接続され、制御することが可能になっている。また、前記ＥＣＵ２５は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶している。
【００４９】
ところで、前記フィルタ２１に捕集されたＰＭは、酸化触媒が活性温度以上であれば酸化除去されるが、活性温度以下の場合や、エンジン１から排出されるＰＭの量が多く酸化触媒で酸化が十分にできない場合には、フィルタ上に次第に堆積してフィルタ２１の目詰まりを発生させることがある。この目詰まりにより、機関出力が低下したり、フィルタ２１が毀損したりする虞がある。従って、目詰まりが発生する前にフィルタ２１に捕集されたＰＭを除去する必要がある。ここで、フィルタ２１に捕集されたＰＭは、酸素過剰で且つ温度の高い雰囲気で酸化して除去することが可能である。しかし、理論空燃比近辺で運転されているガソリンエンジン（ポート噴射式ストイキエンジン、気筒内直接噴射式ストイキエンジン）においては、フィルタ２１に流通する排気中の酸素濃度が低く、ＰＭの酸化能力が低いためフィルタ２１に目詰まりが発生する虞がある。
【００５０】
これに対し、例えば、ＰＭを除去する必要があるときに限りリーン空燃比にて運転させることも考えられるが、このような空燃比での運転では触媒のＮＯx処理能力が低くなり大気中へ放出されるＮＯx量が増加する虞がある。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、車両減速中で燃料の供給が停止されているときに吸入空気量を増加させ、ＰＭの酸化能力を増大させる。ここで、一般に、車両減速中には燃費向上等のために燃料の供給が停止されている。このときには、エンジン内では燃焼が行われていないので、吸入空気量を増加させたとしても、機関運転状態に与える影響が少ない。従って、吸入空気量を増量させるために適した状態に機関を制御することが可能である。
【００５２】
このように、吸入空気量を増量させる手段には、例えば、吸気絞り弁を開弁方向へ制御する、ＥＧＲ弁を閉弁方向へ制御する、スワールコントロール弁１１を開弁方向へ制御する、吸気弁５及び排気弁６の開弁量を大きくする（リフト量を大きくする）、等が考えられる。
【００５３】
吸気絞り弁を開弁方向へ制御すると、該吸気絞り弁での吸気抵抗が減少するため、吸入空気量を増加させることができる。吸気絞り弁は、ＥＣＵ２５からの信号により開閉させることが可能である。
【００５４】
ＥＧＲ弁を閉弁方向へ制御すると、吸気中の新気の量が増加するため、排気中の酸素濃度を増加させることができる。ＥＧＲ弁は、ＥＣＵ２５からの信号により開閉させることができる。
【００５５】
スワールコントロール弁１１を開弁方向へ制御すると、吸気ポート２の流通面積を増加させることができるため、吸気抵抗が減少し吸気量を増加させることができる。スワールコントロール弁１１は、ＥＣＵ２５からの信号により開閉させることが可能である。
【００５６】
吸気弁５及び排気弁６の開弁量を大きくすると、吸気が燃焼室４内に流入するときの抵抗が減少して吸気量を増加させることができる。例えば、リフト量の異なる複数のカムを備え、該カムを切換える可変バルブ機構（図示省略）を有することにより吸気弁５及び排気弁６の開弁量を変更可能である。
【００５７】
他にも、バルブ特性変更機構１０により吸気カムシャフト７の位相を連続的に変化させ、吸気弁５の開閉弁時期を変更することにより吸入空気量を増加させることができる。同様に排気弁６の開閉時期を変更しても良く、バルブオーバラップを変更させても良い。吸入空気量を増加させるための吸気弁５及び排気弁６の開閉弁時期は、実験等により求めることが可能である。
【００５８】
また、以上に述べた吸入空気量増加手段は、複数を組み合わせて使用することもできる。このようにして、車両の減速中に吸入空気量を増加させることができ、フィルタ２１に捕集されたＰＭを酸化させ除去することができる。
【００５９】
ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置では、理論空燃比近辺で運転されている場合には、フィルタに捕集されたＰＭを酸化させることが困難であった。
【００６０】
その点、本実施の形態では、車両減速中の燃料供給停止時に吸入空気量を増大させるため、機関内の燃焼状態に影響をほとんど与えることなくフィルタに堆積したＰＭを酸化除去することが可能となる。
【００６１】
以上述べたように、本実施の形態による内燃機関の排気浄化装置では、車両減速中に吸入空気量（新気量）を増量させることができる。しかし、車両減速中に吸気抵抗を減少させると、ポンプ損失が減少し車両の減速感が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、許容できる減速感を得ることができる範囲内で吸入空気量の増量制御を行う。
【００６２】
図３は、吸入空気量増加量とポンプ損失及び減速感との関係を示した図である。ここで、減速感とポンプ損失とには相関関係がある。また、吸入空気量増加手段反映量とは、吸気絞り弁を開弁方向へ制御したこと等による吸入空気の増加量である。
【００６３】
図中線ａは、許容できる減速感の閾値を示し、線ｂは、許容できる吸入空気量の増加量の閾値を示している。線ａで示される減速感の閾値は、実験等により求めることができる。また、減速感の閾値（線ａ）を求めることができれば、図３中の線ｂが求まる。この線ｂよりも少量の範囲内（図３中線ｂよりも左側の範囲内）で吸入空気量の増量を行えば許容される減速感を得ることができる。
【００６４】
図４は、許容される減速感が得られる範囲内で吸入空気量を増加させるためのフローを示したフローチャート図である。
【００６５】
ステップＳ１０１では、車両が減速中であって燃料停止の条件が成立しているか否か判定する。ここで、アクセル開度センサ（図示省略）の出力信号に基づいてアクセルが踏まれていないと検出された場合に、車両が減速中であると判定することができる。また、車速を検出するスピードセンサ（図示省略）の出力信号から減速中であることを検出しても良い。
【００６６】
ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了する。
【００６７】
ステップＳ１０２では、燃料の供給を停止する。ＥＣＵ２５は、燃料噴射弁１６からの燃料の噴射を停止させる。
【００６８】
ステップＳ１０３では、減速感が許容範囲内にあるか否か判定する。即ち、図３に示されるように、吸入空気量増加手段による吸入空気量の増加が閾値以下であるか否か判定される。ここでは、例えば、吸気絞り弁の開弁量、ＥＧＲ弁の開弁量、スワールコントロール弁１１の開弁量、吸排気弁のリフト量、等が所定範囲内であるか否かにより判定される。これらの判定条件となる値は、予め実験等により求めておきＥＣＵ２５に記憶させておく。
【００６９】
ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。
【００７０】
ステップＳ１０４では、吸入空気量が増加される。例えば、吸気絞り弁を所定量開弁させる、ＥＧＲ弁を所定量閉弁させる、スワールコントロール弁１１を所定量開弁させる、バルブリフト量を大きくする等により吸入空気量を更に増量させる。
【００７１】
このようにして、吸入空気量を段階的に増加させることにより、減速感を損なわずに吸入空気量を増加させることが可能となる。
【００７２】
尚、本実施の形態においては、スピードセンサから得られる車両の減速割合を用いて減速感の判定をしても良い。
【００７３】
図５は、車両減速時の減速割合、吸入空気量増加手段反映値、燃料停止信号、車速の時間推移を示したタイムチャート図である。吸入空気量増加手段反映値とは、吸気絞り弁を開弁方向へ制御したこと等による吸入空気の増加量を示した値である。図中実線は、減速感を大きくする制御を行った場合を示し、破線は、減速感を大きくする制御を行わなかった場合を示している。また、線ａは、許容される減速感の閾値を示していて、予め実験等により求めることができる。
【００７４】
ここで、吸入空気量増加手段反映値が大きくなる程、減速割合が小さくなり車速が低下するまでに時間を要する。従って、減速感が低下していく。減速割合が線ａよりも小さくなると、許容できる減速感が得られなくなる。そこで、本実施の形態では、減速割合が線ａで示される閾値以上となる範囲内で、且つ閾値に近づけるように吸入空気量の増加が実施される。従って、例えば、吸気絞り弁を所定量開弁させる、ＥＧＲ弁を所定量閉弁させる、スワールコントロール弁１１を所定量開弁させる、バルブリフト量を大きくする等により、減速割合が線ａよりも大きくなる範囲内で段階的に吸入空気量を増量させる。
【００７５】
このようにして、減速割合を検出することにより減速感を判定することができ、許容される減速割合が得られる範囲で最大限吸入空気量を増量させることができる。
【００７６】
更に、本実施の形態では、運転者のブレーキペダル（図示省略）の操作量を検出して、ブレーキペダルを踏み込む割合が所定割合以上の場合には、吸入空気量の増量を停止させても良い。
【００７７】
ここで、図６は、車両減速時のブレーキペダル踏み込み割合、吸入空気量増加手段反映値、燃料停止信号、車速の時間推移を示したタイムチャート図である。線ａは、許容されるブレーキペダル踏み込み割合の閾値を示していて、予め実験等により求めることができる。ここで、車両減速時に吸入空気量を増量させると減速感が低下するため、運転者がブレーキペダルを更に強く踏むことがある。本実施の形態では、ブレーキペダルが踏み込まれる割合が所定値よりも大きくなった場合には、運転者の減速要求が大きいとして吸入空気量の増加を停止させ車両の減速を優先させるようにすることができる。
【００７８】
このようにして、ブレーキペダル踏み込み割合を検出することにより減速感を判定することができ、許容される範囲で吸入空気量を増量させることができる。
【００７９】
尚、本実施の形態においては、フィルタ２１の温度が所定の範囲内にある場合に限り吸入空気量増加手段により吸入空気を増加させても良い。ここで、触媒は温度が低くなるほど酸化能力が低下し、ＰＭを酸化除去させることが困難となる。一方、触媒の温度が高いときにＰＭを燃焼させると、触媒の熱劣化やフィルタの毀損を発生させることがある。従って、本実施の形態では、触媒若しくはフィルタの温度が所定の温度範囲内の場合に限り吸入空気量を増大させても良い。ここで、フィルタの温度は、排気温度センサ２２の出力信号に基づいて算出される。また、所定の温度範囲は予め実験等により求めておくことができる。
【００８０】
本実施の形態においては、フィルタ２１に堆積したＰＭが所定量以上となった場合に限り吸入空気量増加手段により吸入空気量を増加させても良い。ここで、フィルタに捕集された粒子状物質の量が多くなるとフィルタ前後の差圧が大きくなるため、フィルタ前後の差圧に基づいてＰＭの捕集量を判定することが可能となる。他にも、例えば、フィルタ上流に排気の圧力を検出するセンサを設け、該センサから得られる圧力が所定圧力以上になった場合や吸入空気量が所定量以下に減少した場合にＰＭの堆積量が多くなったとして吸入空気量を増大させても良い。また、車両の走行距離や燃料噴射量の積算値からＰＭの捕集量を判定しても良い。このようにしてフィルタに堆積したＰＭが所定量以上となった場合に限り吸入空気量を増加させるようにすると、不必要な吸入空気量の増加の実施を抑制することが可能となる。
【００８１】
本実施の形態においては、燃料供給停止までの運転時間に基づいて吸入空気量の増加量を変更しても良い。ここで、燃料供給停止までの運転時間が長くなると、その分ＰＭの排出量が多くなるため、フィルタ２１によるＰＭの捕集量も多くなると考えられる。従って、燃料供給停止までの運転時間が長くなるほど、吸入空気量の増加量を多くすることにより、堆積しているＰＭの量に見合った空気量を供給することが可能となる。
【００８２】
本実施の形態では、フィルタ２１に担持された触媒が酸化触媒である場合について説明したが、これに代えてＮＯx触媒、三元触媒等の酸化機能を有する触媒であっても良い。また、フィルタ２１に触媒を担持させずに、フィルタ２１の上流に酸化機能を有する触媒を別途設けても良い。
【００８３】
尚、本実施の形態では、吸入空気量が増量させたことによる減速感の低下を補うために、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換してバッテリに蓄えてもよい。
【００８４】
図７は、本実施の形態による吸入空気量増加手段を採用したハイブリッドシステムである。
【００８５】
本実施の形態によるハイブリッドシステムは、エンジン１、動力分割機構３０、モータ３１、ジェネレータ３２、バッテリ３３、インバータ３４、車軸３５、減速機３６、車輪３７を備えて構成されている。動力分割機構３０は、その内部に遊星歯車を備え、エンジン１から発生する動力をジェネレータ３２及び車軸３５に分割している。モータ３１は、減速機３６を介して車軸３５と比例して回転する。該モータ３１は、通常運転時には必要に応じてエンジン１の出力を補助し、一方制動時には発電機として働きエネルギを回収する。ジェネレータ３２は、エンジン１からの動力を得て発電しバッテリ３３の充電を行う。
【００８６】
このように構成されたハイブリッドシステムでは、通常走行時にはエンジン１の出力若しくはモータ３１の出力により車輪３７が駆動される。一方、減速時には、車輪３７の回転力によりモータ３１を発電機として作動させることで減速させつつ、運動エネルギを電気エネルギに変換しバッテリ３３に回収させることができる。このように、車両減速時に運動エネルギを電気エネルギに変換するため、車両を減速することができる。
【００８７】
図８は、ハイブリッドシステムにおけるエネルギ回収フローを示したフローチャート図である。
【００８８】
ステップＳ２０１では、車両が減速中であって燃料停止の条件が成立しているか否か判定する。ここで、アクセル開度センサ（図示省略）の出力信号に基づいてアクセルが踏まれていないと検出された場合に、車両が減速中であると判定することができる。また、車速を検出するスピードセンサ（図示省略）の出力信号から減速中であることを検出しても良い。
【００８９】
ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了する。
【００９０】
ステップＳ２０２では、燃料の供給を停止する。ＥＣＵ２５は、燃料噴射弁１６からの燃料の噴射を停止させる。
【００９１】
ステップＳ２０３では、吸入空気量が増加される。例えば、吸気絞り弁を所定量開弁させる、ＥＧＲ弁を所定量閉弁させる、スワールコントロール弁１１を所定量開弁させる、バルブリフト量を大きくする等により吸入空気量を更に増量させる。
【００９２】
ステップＳ２０４では、エネルギの回収が行われる。モータ３１は、減速機３６を介して車軸３５と比例して回転しつつ発電機として働き、エネルギを回収する。
【００９３】
このようにして、減速中のエネルギを回収することにより、減速感を損なわずに吸入空気量を増加させることが可能となる。
【００９４】
また、本実施の形態では、吸入空気量増加時に車両の減速感を増大させるために、例えば、ブレーキペダルの操作量に対して通常よりも大きな制動力を得られるブレーキ補助機構を設けても良い。
【００９５】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、理論空燃比近辺で運転可能なガソリン機関において、車両減速中に吸入空気量を増大させ、フィルタに捕集された粒子状物質を除去することができる。このときには、内燃機関で燃焼が行われていないので、ＮＯxの排出を防止しつつ粒子状物質の除去を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用するエンジンとその吸排気系とを併せ示す概略構成図である。
【図２】 （Ａ）は、パティキュレートフィルタの横方向断面を示す図である。（Ｂ）は、パティキュレートフィルタの縦方向断面を示す図である。
【図３】 吸入空気量増加量とポンプ損失及び減速感との関係を示した図である。
【図４】 許容される減速感が得られる範囲内で吸入空気量を増加させるためのフローを示したフローチャート図である。
【図５】 車両減速時の減速割合、吸入空気量増加手段反映値、燃料停止信号、車速の時間推移を示したタイムチャート図である。
【図６】 車両減速時のブレーキペダル踏み込み割合、吸入空気量増加手段反映値、燃料停止信号、車速の時間推移を示したタイムチャート図である。
【図７】 本実施の形態による吸入空気量増加手段を採用したハイブリッドシステムである。
【図８】 ハイブリッドシステムにおけるエネルギ回収フローを示したフローチャート図である。
【符号の説明】
１・・・・エンジン
２・・・・吸気ポート
３・・・・排気ポート
４・・・・燃焼室
５・・・・吸気弁
６・・・・排気弁
７・・・・吸気カムシャフト
８・・・・排気カムシャフト
９・・・・クランクシャフト
１０・・・バルブ特性変更機構
１１・・・スワールコントロール弁
１２・・・ＤＣモータ
１３・・・点火プラグ
１４・・・ピストン
１５・・・コネクティングロッド
１６・・・燃料噴射弁
１７・・・吸気管
１８・・・吸気絞り弁
１９・・・吸気絞り用アクチュエータ
２０・・・排気管
２１・・・フィルタ
２２・・・排気温度センサ
２３・・・ＥＧＲ通路
２４・・・ＥＧＲ弁
２５・・・ＥＣＵ
２６・・・燃料ポンプ
Claims (11)
- 燃焼室でのガソリンの燃焼に伴って発生した粒子状物質を一時捕集可能なフィルタと、前記フィルタに捕集された粒子状物質を酸化させて除去する酸化機能を有する触媒と、内燃機関に燃料を供給する燃料供給手段と、車両の減速時に燃料の供給を停止させる燃料供給停止手段と、前記燃料供給停止手段により燃料の供給が停止されているときに前記フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させる排気酸素濃度増加手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記酸化機能を有する触媒を前記フィルタに担持させた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。
- 内燃機関に接続され該内燃機関に吸気を導入させる吸気通路と、前記吸気通路に吸気が流通する流通面積を可変とする吸気絞り弁と、をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段は、吸気絞り弁を開弁方向に制御して吸入空気量を増加させることで前記フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 吸気弁と、排気弁と、前記吸気弁及び排気弁の開弁量を調整する吸排気弁開弁量調整手段と、をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段は、吸気弁及び排気弁の開弁量を増大させて吸入空気量を増加させることで前記フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 内燃機関に接続され該内燃機関に吸気を導入させる吸気通路と、内燃機関に接続され該内燃機関からの排気が流通する排気通路と、前記吸気通路と前記排気通路とを接続し前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に再循環させる排気再循環通路と、前記排気再循環通路に設けられ前記排気再循環通路内を流通する排気の流量を変更する流量調整弁と、を更に備え、前記排気酸素濃度増加手段は、前記流量調整弁を閉弁方向に制御して吸気中の酸素濃度を増加させることで前記フィルタを通過する排気の酸素濃度を増加させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記フィルタに捕集された粒子状物質の量を推定する捕集量推定手段をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段による前記フィルタを通過する排気の酸素濃度の増加は前記捕集量推定手段により推定された粒子状物質の捕集量が所定値以上となった場合に行われることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 触媒の温度を検出する触媒温度検出手段をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段による前記フィルタを通過する排気の酸素濃度の増加は前記触媒の温度が活性温度
以上、且つ吸入空気量の増加によって前記触媒が昇温したとしても熱劣化しない温度以下であるときに行われることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 燃料供給停止手段により燃料の供給が停止されるまでの期間を算出する運転期間算出手段をさらに備え、前記排気酸素濃度増加手段により増加される前記フィルタを通過する排気の酸素濃度の量を前記運転期間算出手段により算出された運転期間が長い程多くすることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気酸素濃度増加手段により前記フィルタを通過する排気の酸素濃度が増加されているときに車両を減速させる手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気酸素濃度増加手段は、所定の減速感以上の減速感が得られるように、前記フィルタを通過する排気の酸素濃度の増加量に所定の上限値を設けることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダル踏み込み量検出手段を備え、前記排気酸素濃度増加手段は、前記ブレーキペダル踏み込み量検出手段によって検出されるブレーキペダルの踏み込み量が所定の踏み込み量以上の場合には、前記フィルタを通過する排気の酸素濃度の増加を停止することを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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