JP5983438B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化装置として、フィルタに排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」と称する場合もある。）を担持させたものが開発されている（例えば、特許文献１参照）。フィルタは、排気中の粒子状物質（以下、「ＰＭ」と称する）を捕集する。ＳＣＲ触媒は、アンモ二ア（ＮＨ_３）を還元剤として排気中のＮＯｘを還元する。以下、このようなＳＣＲ触媒を担持したフィルタを「ＳＣＲＦ」と称する。排気浄化装置としてＳＣＲＦを採用することで、フィルタとＳＣＲ触媒とを別々に排気通路に設けた場合に比べて排気浄化装置をコンパクト化でき、その搭載性を向上させることができる。また、ＳＣＲＦを採用することで、排気通路においてより上流側にＳＣＲ触媒を配置することが可能となるため、該ＳＣＲ触媒が排気の熱によって加熱され易くなり、以てＳＣＲ触媒の暖機性の向上や、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率の向上を図ることができる。

ここで、ＳＣＲＦには、捕集されたＰＭが堆積する。そのため、ＳＣＲＦを備えた排気浄化装置においては、堆積したＰＭを酸化除去するフィルタ再生処理を行う必要がある。このフィルタ再生処理は、ＳＣＲＦよりも上流側の排気通路に設けられた酸化機能を有する酸化触媒に燃料を供給することで実現される。酸化触媒において燃料が酸化されると、ＳＣＲＦに流入する排気が酸化熱によって加熱され、ＳＣＲＦの温度を、捕集されたＰＭの酸化が促進されるフィルタ再生温度まで上昇させることができる。

特表２００７−５０１３５３号公報 特開２０１１−４３１６０号公報 特開２００９−２２８６１８号公報 特開２００９−７９８２号公報

ＳＣＲＦには、アンモニア又はアンモニアの前駆体が供給されることで、ＳＣＲＦに担持されたＳＣＲ触媒において、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘが選択還元される。このようにＮＯｘの還元浄化に使用されるアンモニアだが、このアンモニアが酸化されてしまうとＮＯｘが生成される場合があるため、ＳＣＲＦにおいては、酸化能力の高い触媒を担持させることは困難とされる。そのため、フィルタ機能を有するＳＣＲＦに担持されるＳＣＲ触媒の酸化能力は非常に低いのが一般であり、その結果、ＳＣＲＦに捕集されたＰＭを酸化除去する能力も当然に低くならざるを得ない。

特に、内燃機関から排出される排気温度が低い場合、例えば、ディーゼルエンジンや、ガソリンエンジンでのリーン燃焼を行うような場合には、ＳＣＲＦにおける酸化能力の相対的な低さによる影響が顕著となり、そこに捕集されたＰＭを酸化除去するためのフィルタ再生処理に比較的長い時間を要することになる。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、ＳＣＲＦを有する内燃機関の排気浄化装置において、速やかなフィルタ再生処理を実現することを目的とする。

本発明において、上記課題を解決するために、ＳＣＲＦ（ＳＣＲ触媒が担持されたフィルタ）に対してフィルタ再生処理を行う場合、ＳＣＲＦに対してある程度の燃料成分（ＳＯＦ）を送り込むことでＳＣＲＦにおける捕集ＰＭの燃焼を促進させるとともに、ＳＣＲＦに燃料成分が吸着することで生じる、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率の低下を、ＥＧＲガス量の増量で補償する構成を採用することとした。このような構成を採用することで、ＳＣＲＦでのＰＭの燃焼促進によるフィルタ再生処理時間の短縮化と、排気浄化装置としてのＮＯｘ浄化率の維持を好適に両立することが可能となる。

具体的には、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、酸化機能を有する酸化触媒と、前記酸化触媒に対して、該酸化触媒に流れ込む排気を介して燃料成分を供給する燃料供給部と、前記酸化触媒より下流側の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタであって、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒が担持されたフィルタと、前記フィルタに対して、該フィルタに流れ込む排気を介してアンモニア又はアンモニアの前駆体を供給するアンモニア供給部と、前記内燃機関からの排気の一部を吸気系に再循環するＥＧＲ装置と、前記燃料供給部によって前記酸化触媒に燃料が供給されることで、前記フィルタの温度を捕集された粒子状物質の酸化が促進される所定のフィルタ再生温度まで昇温させて、該粒子状物質を酸化除去するフィルタ再生処理を行うフィルタ再生処理部と、を備える、内燃機関の排気浄化装置である。そして、前記フィルタ再生処理部によりフィルタ再生処理が行われるとき、前記ＥＧＲ装置によって吸気系に再循環されるＥＧＲガス量を、該フィルタ再生処理が行われない場合のＥＧＲガス量と比べて増量した状態で、前記燃料供給部は、該フィルタ再生処理時に前記酸化触媒で酸化可能な量より多い所定量の燃料成分を供給するように構成される。

本発明に係る排気浄化装置は、いわゆるＳＣＲＦであるフィルタが排気通路に設けられる構成により、主に排気中のＮＯｘの還元除去と、排気中のＰＭの捕集が行われる。前者については、アンモニア供給部によって排気に供給されるアンモニア又はその前駆体により、フィルタに担持された選択還元型ＮＯｘ触媒でアンモニアとＮＯｘとの選択還元反応が生じ、ＮＯｘの浄化が行われる。一方、後者については、排気中のＰＭがフィルタにより捕集され、外部への放出が抑制されるが、その捕集量が所定量を超えるとフィルタの機能を維持することが困難となるため、フィルタ再生処理部によりフィルタ再生処理が行われる。当該フィルタ再生処理は、燃料供給部によって供給された燃料が酸化触媒によって酸化され排気が昇温することで、下流に位置するフィルタの温度を所定のフィルタ再生温度まで上昇させて、捕集されたＰＭの酸化を促進させるものである。

ここで、上記排気浄化装置では、フィルタ再生処理が行われる際に、ＥＧＲ装置によるＥＧＲガス量を、フィルタ再生処理が行われない場合のＥＧＲガス量と比べて増量した状態で、フィルタの昇温のための燃料供給部による燃料供給が、フィルタ再生処理時に酸化触媒で酸化可能な量より多い、所定量の燃料成分が供給されるように行われる。すなわち、フィルタ再生処理が行われる期間においてＥＧＲガス量を増量することで、内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘ量を一時的に減少させた状態で、酸化触媒の酸化能力を超える燃料供給が行われる。酸化触媒の酸化能力を超えた所定量の燃料成分の供給が行われると、結果として、その一部の燃料成分が酸化触媒をすり抜けその下流側に位置するフィルタに送り込まれることになる。そして、フィルタに流れ込んだ燃料成分は、ＳＣＲＦとしてのフィルタにおいて、ＮＯｘ浄化の観点に立てば還元剤であるアンモニアが吸着することが好ましいとされる箇所に吸着することになる。この結果、フィルタでのアンモニアとのＮＯｘ還元反応が阻害されるため、フィルタによるＮＯｘ浄化率は低下するが、一方で、フィルタ再生処理の過程においてＰＭが燃料成分に包含されることになり、ＰＭの酸化効率が向上する。

したがって、上記のように一時的なＥＧＲガスの増量状態の下で、酸化触媒の酸化能力を超える燃料成分の供給を行うことで、フィルタに担持された選択還元型ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元浄化の低下を補償しつつ、ＳＣＲＦとしてのフィルタにおける捕集ＰＭの酸化除去、すなわちフィルタ再生処理に要する時間を短縮化することが可能となる。アンモニアの酸化抑制の観点から相対的に酸化能力の低い触媒を担持せざるを得ないＳＣＲＦにおいて、そこに捕集されたＰＭの酸化効率を向上し得る本発明は、従来技術では解決できなかった課題を解決するものであり、極めて有用と考えられる。なお、フィルタ再生処理時に供給される所定量の燃料成分については、フィルタに吸着される燃料成分によるＰＭの酸化効率が好適な状態となる量であるのが好ましい。すなわち、フィルタに吸着される燃料成分の量が少なすぎると、効率的なＰＭの酸化除去を図ることが困難となり、また、燃料成分の量が多すぎるとフィルタが燃料被毒した状態となりかえってＰＭの酸化が阻害される点を踏まえ、例えば、フィルタに捕集されたＰＭ量に対する燃料成分の量の比率を、好適な値に設定するのが好ましい。

また、本願発明においては、ＳＣＲＦに供給される燃料成分については、内燃機関の燃料でもよく、内燃機関での熱に晒されて軽質化された燃料であってもよい。そして、ＳＣＲＦに供給される燃料成分の量は、酸化触媒による酸化およびＳＣＲＦでのＰＭの酸化に要するエネルギーを供給する観点から決定されるものである。

ここで、上記排気浄化装置において、前記フィルタ再生処理時の前記ＥＧＲガス量の増量分は、前記所定量の燃料成分が供給されることで生じる前記フィルタでのＮＯｘ浄化率の低下分に応じて設定されてもよい。上記の通り、酸化触媒を経てフィルタに吸着された燃料成分によりＰＭの酸化効率は向上するものの、フィルタに担持された選択還元型ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元反応が阻害され、それに起因してＮＯｘの浄化率（還元率）が低下する。そこで、このＮＯｘ浄化率の低下分を補償するために、ＥＧＲガス量の増加分が設定されることで、排気浄化装置全体のＮＯｘ浄化率を好適に維持することが可能となる。また、このようにＥＧＲガス量の増加分を設定することで、一時的なＥＧＲガス量の増加による影響、例えば、燃焼温度の低下や燃焼時の酸素濃度の低下等に起因する影響を可及的に抑制することが可能となる。

また、上述までの排気浄化装置において、前記フィルタ再生処理部によりフィルタ再生処理が行われるとき、前記ＥＧＲ装置によって前記ＥＧＲガス量が増量された状態において、前記燃料供給部は、前記酸化触媒の上流側の排気通路に設けられた燃料供給弁による排気への燃料供給と、前記内燃機関での燃焼状態を制御することで排気空燃比をリッチ化するリッチ燃焼との少なくとも何れか一方により、前記所定量の燃料成分を供給してもよい。燃料供給弁による燃料供給で燃料成分の供給を行うと、排気に供給された燃料は燃焼雰囲気に晒されたものではないため、一般的には重質な燃料成分がフィルタに吸着することになる。一方で、リッチ燃焼による燃料供給は、一般には燃焼雰囲気に晒された軽質な燃料成分がフィルタに供給されることになる。このように性質の異なる燃料成分を供給することを可能にすることで、フィルタに捕集されたＰＭの酸化効率や、内燃機関での燃焼条件に応じた好適な燃料成分の供給が実現できる。

例えば、前記燃料供給部は、前記リッチ燃焼により燃料成分を供給した後に前記燃料供給弁により燃料成分を供給することで、前記所定量の燃料成分の供給を行うようにしてもよい。このように燃料成分の供給を行うことで、フィルタに対して軽質な燃料成分を送り込みＰＭの酸化しやすい状況を形成した上で重質な燃料成分を送り込むことが可能となる。その結果、フィルタに捕集されたＰＭの酸化効率が向上し、フィルタ再生処理に要する時間の短縮化が期待できる。

また、燃料供給部による所定量の燃料成分の供給に関し別法として、前記燃料供給部は、前記所定量の値が、前記リッチ燃焼が行われた場合にスモークを生じ得るスモーク発生閾値を超える場合には、該リッチ燃焼による燃料成分の供給を行わず、前記燃料供給弁により燃料成分を供給してもよい。リッチ燃焼による燃料成分の供給によれば、軽質な燃料成分をフィルタに送り込むことができるため、ＰＭの酸化効率を高めることが期待されるが、一方で内燃機関の燃焼を介した燃料成分の供給であるため、供給量が多くなるとスモークの発生が懸念される。そこで、フィルタ再生処理のために、スモークの発生が想定される燃料成分の供給量、すなわちスモーク発生閾値を超える量の燃料成分の供給を行う必要がある場合には、リッチ燃焼による燃料成分の供給を行わず、燃料供給弁による供給を行うことで、スモーク発生を抑制することが可能となる。

ここで、上述までの排気浄化装置において、前記所定量の燃料成分は、前記フィルタ再生処理部によって酸化除去される粒子状物質の捕集量が多いほど、増量されてもよい。これにより、フィルタに捕集されたＰＭの酸化除去を効果的に行うことができる。また、フィルタ再生処理のために供給される燃料成分の増量限度に関し、前記所定量の燃料成分は、前記フィルタ再生処理時に前記フィルタでの粒子状物質の酸化可能な量を上限として増量されてもよい。このように燃料成分の増量限度が設定されることで、過度な燃料成分の供給による影響、例えば、燃料被毒によるＰＭの酸化効率の低下や燃料成分の外部への放出等を抑制することができる。

また、上述までの排気浄化装置において、前記所定量の燃料成分は、前記フィルタに流れ込む排気の空燃比がリーン側の空燃比であるほど少なく設定されてもよい。これは、排気空燃比がリーン側の空燃比であるほど、フィルタには多くの酸素が供給されているため、より少ない燃料成分でＰＭの酸化効率を好適に維持することが可能となることによる。

本発明によれば、ＳＣＲＦを有する内燃機関の排気浄化装置において、速やかなフィルタ再生処理が実現され得る。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において実行される、フィルタ再生処理制御に関する第一のフローチャートである。 図２に示すフィルタ再生処理制御で算出される燃料成分の供給量に関し、該供給量の決定過程を説明するための図である。 図２に示すフィルタ再生処理制御で算出されるＥＧＲガスの増量分に関し、該増量分の決定過程を説明するための第一の図である。 図２に示すフィルタ再生処理制御で算出されるＥＧＲガスの増量分に関し、該増量分の決定過程を説明するための第二の図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において実行される、フィルタ再生処理制御に関する第二のフローチャートである。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において実行される、フィルタ再生処理制御に関する第三のフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に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。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施例について、本願明細書に添付された図に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関の排気系および一部の吸気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。ただし、本発明に係る内燃機関は、ディーゼルエンジンに限られるものではなく、ガソリンエンジン等であってもよい。

内燃機関１には吸気通路１５および排気通路２が接続されている。吸気通路１５には、エアフローメータ１６及びスロットル弁１７が設けられている。エアフローメータ１６は内燃機関１の吸入空気量を検知する。スロットル弁１７は内燃機関１の吸入空気量を調整する。

また、排気通路２には、排気中のＮＯｘをアンモニアを還元剤として選択還元する選択還元ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＳＣＲ触媒」という）が、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するウォールフロー型のフィルタに担持されて形成されるＳＣＲＦ４が設けられている。そして、ＳＣＲＦ４に担持されたＳＣＲ触媒おいて還元剤として作用するアンモニアを生成するために、尿素タンク８に貯留されている、アンモニアの前駆体である尿素水が、ＳＣＲＦ４の上流側に位置する供給弁７によって排気中に供給される。供給弁７から供給された尿素水が排気の熱で加水分解されて、アンモニアが生成され、当該アンモニアがＳＣＲＦ４に担持されたＳＣＲ触媒に吸着することで、アンモニアと排気中のＮＯｘとの還元反応が生じ、ＮＯｘの浄化が行われる。本実施例では、上記の通り供給弁７から尿素水が供給されるが、それに代えて、アンモニア又はアンモニア水を直接排気に供給してもよい。

ＳＣＲＦ４の下流側に、ＳＣＲＦ４からスリップしてくるアンモニアを酸化するための酸化触媒（以下、「ＡＳＣ触媒」）５が設けられている。また、ＡＳＣ触媒５は、酸化触媒と、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒とを組み合わせることで構成された触媒であってもよい。この場合、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）やゼオライト等を材料とする担体に白金（Ｐｔ）等の貴金属を担持させることで酸化触媒を形成し、ゼオライトを材料とする担体に銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）等の卑金属を担持させることでＳＣＲ触媒を形成してもよい。ＡＳＣ触媒５をこのような構成の触媒とすることで、排気中のＨＣ、ＣＯ、及びアンモニアを酸化させることができ、さらに、アンモニアの一部を酸化させることでＮＯｘを生成すると共に該生成されたＮＯｘを、余剰のアンモニアで還元することもできる。

更に、ＳＣＲＦ４および供給弁７の上流側に、酸化機能を有する酸化触媒３が設けられている。そして、酸化触媒３に流れ込む排気を介して酸化触媒３に内燃機関１の燃料を供給可能な燃料供給弁６が、当該酸化触媒３の上流側に配置されている。燃料供給弁６から排気に供給された燃料は、酸化触媒３により酸化され、下流に位置するＳＣＲＦ４に流れ込む排気の温度を昇温させ得る。

さらに、酸化触媒３の下流側には、酸化触媒３から流れ出る排気の温度を検出する温度センサ９が設けられ、ＳＣＲＦ４の上流側には、ＳＣＲＦ４に流れ込む排気中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサ１０が設けられ、ＳＣＲＦ４の下流側には、ＳＣＲＦ４から流れ出る排気中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサ１１と、その排気温度を検出する温度センサ１２が設けられている。そして、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されており、該ＥＣＵ２０は内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、上述した温度センサ９、１２、ＮＯｘセンサ１０、１１の他、エアフローメータ１６、クランクポジションセンサ２１及びアクセル開度センサ２２が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ２０に渡される。したがって、ＥＣＵ２０は、エアフローメータの検出値に基づく吸入空気量や、クランクポジションセンサ２１の検出
に基づく機関回転数や、アクセル開度センサ２２の検出に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。

なお、本実施例では、ＳＣＲＦ４に流れ込む排気中のＮＯｘはＮＯｘセンサ１０によって検出可能であるが、内燃機関１から排出される排気（ＳＣＲＦ４に浄化される前の排気であり、すなわちＳＣＲＦ４に流れ込む排気）に含まれるＮＯｘは、内燃機関の運転状態と関連性を有することから、上記内燃機関１の運転状態に基づいて、推定することも可能である。また、ＥＣＵ２０は、温度センサ９もしくは酸化触媒３の上流側に設けられた温度センサ（図示せず）によって検出される排気温度に基づいて、酸化触媒３の温度を推定することが可能であり、また、温度センサ１２もしくはＳＣＲＦ４の上流側に設けられた温度センサ（図示せず）によって検出される排気温度に基づいて、ＳＣＲＦ４およびＡＳＣ触媒５の温度を推定することが可能である。

そして、このように検出、推定される排気中のＮＯｘ量（ＮＯｘ濃度）に応じて、ＥＣＵ２０は供給弁７に指示を出し、ＮＯｘの還元浄化に必要な量の尿素水が排気中に供給される。詳細には、以下の式１で決定されるＳＣＲＦ４によるＮＯｘ浄化率が、所定の範囲（図４Ａに示すＰｍｉｎ〜Ｐｍａｘの範囲）に収まるように、供給弁７からの尿素水供給が制御される。
ＮＯｘ浄化率 ＝ １−（ＮＯｘセンサ１１の検出値）／（ＮＯｘセンサ１０の検出値） ・・・（式１）
なお、ＳＣＲＦ４が活性された状態にない場合には、供給された尿素水を用いてのＮＯｘ浄化を効果的に行えないことから、供給弁７からの尿素水供給は、推定されるＳＣＲＦ４の温度が、該触媒が活性状態にある所定温度以上となっている場合に行われる。

また、排気通路２における燃料供給弁６よりも上流側には、ＥＧＲ通路１３の一端が接続されている。ＥＧＲ通路１３の他端は、吸気通路１５におけるスロットル弁１７よりも下流側に接続されている。また、ＥＧＲ通路１３にはＥＧＲ弁１４が設けられている。このような構成により、内燃機関１から排出された排気の一部がＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路１３を通して吸気通路１５に導入される。これにより、ＥＧＲガスが内燃機関１に供給され、内燃機関１での燃焼温度等の制御を介して排気中のＮＯｘ量の抑制等が図られる。なお、ＥＧＲ通路１３を通して吸気通路１５に導入されるＥＧＲガス量は、ＥＣＵ２０に電気的に接続されたＥＧＲ弁１４によって調整される。

このように構成される内燃機関１の排気浄化装置において、ＳＣＲＦ４により、排気中のＮＯｘ浄化およびＰＭ除去が行われる。ここで、ＳＣＲＦ４には、捕集されたＰＭが徐々に堆積し、その堆積量がある程度の量を超えると、内燃機関１の運転に支障を及ぼし得る。そこで、本実施例においては、ＥＣＵ２０によって、ＳＣＲＦ４に堆積したＰＭを除去するためのフィルタ再生処理が実行される。本実施例に係るフィルタ再生処理は、燃料供給弁６から燃料を供給し、それによって燃料を酸化触媒３に供給することで実現される。酸化触媒３において燃料が酸化されると酸化熱が生じる。この酸化熱によってＳＣＲＦ４に流入する排気が加熱され、ＳＣＲＦ４の温度が上昇する。フィルタ再生処理の実行時においては、燃料供給弁６からの燃料供給量を制御することで、ＳＣＲＦ４の温度をＰＭの酸化が促進される所定のフィルタ再生温度（例えば、６００〜６５０℃）まで上昇させる。その結果、ＳＣＲＦ４に堆積したＰＭが酸化除去され、ＳＣＲＦ４のＰＭ捕集能力が再生される。

本実施例では、前回のフィルタ再生処理の実行が終了してから所定時間が経過する毎にフィルタ再生処理の実行が要求されてもよく、別法として、内燃機関１を搭載した車両が所定の走行距離を走行する毎にフィルタ再生処理の実行を要求してもよい。また、ＳＣＲＦ４におけるＰＭ堆積量が所定の堆積量に達する毎にフィルタ再生処理の実行を要求して
もよい。なお、ＳＣＲＦ４におけるＰＭ堆積量は、内燃機関１での燃料噴射量、ＳＣＲＦ４に流入する排気の流量、及びＳＣＲＦ４の温度等の履歴に基づいて推定することができる。そして、フィルタ再生処理の実行が要求された時に、酸化触媒３の温度が所定の活性温度以上の場合、フィルタ再生処理が実行される（即ち、燃料供給弁６からの燃料供給が実行される）。当該所定の活性温度は、燃料供給弁６から供給された燃料を酸化触媒３においてある程度酸化させることが可能な温度である。この所定の活性温度は、酸化触媒３の種類及び構成に応じて定まる温度であり、実験等に基づいて予め定められている。

ここで、ＳＣＲＦ４に担持されているＳＣＲ触媒は、還元反応に供するアンモニアが酸化されにくくするために、その酸化能力は非常に低く設定されている。そのため、上記の通り、ＳＣＲＦ４に捕集されているＰＭを酸化除去するために要するフィルタ再生処理に比較的長い時間を要する傾向がある。そこで、本実施例では、ＥＣＵ２０が、図２に示すＳＣＲＦ４に捕集されたＰＭを酸化除去するためのフィルタ再生処理制御を実行することで、フィルタ再生処理に要する時間の短縮化と、その際の内燃機関１の排気浄化装置全体のＮＯｘ浄化率の維持が図られる。当該制御は、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムが実行することで、行われる。

先ず、Ｓ１０１では、フィルタ再生処理を実行するための条件が成立しているか否かが判定される。例えば、上記の通り、前回のフィルタ再生処理の実行が終了してから所定時間が経過したことをもって、当該条件が成立していると判断することができる。Ｓ１０１で肯定判定されるとＳ１０２へ進み、否定判定されると再びＳ１０１の処理が行われる。なお、その他のフィルタ再生処理の実行条件については、内燃機関１を搭載した車両が所定の走行距離を走行した場合や、内燃機関１の運転履歴（燃料噴射量、排気流量、ＳＣＲＦ４の温度等の履歴）から推定されるＳＣＲＦ４でのＰＭ堆積量が所定の堆積量に達した場合に、当該条件が成立したと判定してもよい。

次に、Ｓ１０２では、フィルタ再生処理において、ＳＣＲＦ４における捕集ＰＭを酸化除去するために要する、燃料供給弁６からの燃料成分の供給量Ｘ０が算出される。ここで、図３に基づいて、燃料成分の供給量の算出について説明する。上記の通り、ＳＣＲＦ４に捕集されたＰＭを酸化除去するためには、ＳＣＲＦ４に流入する排気の温度を昇温させて、ＳＣＲＦ４の温度をＰＭ酸化が促進される所定のフィルタ再生温度にまで上昇させる必要がある。しかしながら、本願発明者は、ＳＣＲＦ４でのＰＭ酸化において、単にＳＣＲＦ４の温度を上昇させるのではなく、ＳＣＲＦ４に捕集されているＰＭを所定量の燃料成分と併存させた状態でＳＣＲＦ４の温度を上昇させた方が、フィルタ再生処理に要する時間を短縮化できることに着目した。これは、ＳＣＲＦ４に吸着された燃料成分がＰＭに対してある程度存在することで、ＰＭが効率的に酸化されることによるものと考えられる。なお、本実施例では、このようにフィルタ再生処理時にＳＣＲＦ４においてＰＭと併存する燃料成分を、「併存燃料」と称する。

そこで、Ｓ１０２においては、燃料成分の供給量Ｘ０は、フィルタ再生処理が行われる時点において酸化触媒３により酸化可能な燃料成分量Ｘ１を、量Ｘ２超える量として算出される（図３を参照）。すなわち、量Ｘ１の燃料成分は、酸化触媒３によって酸化されることで排気温度を上昇させるものと想定される燃料成分であり、本実施例では、「排気昇温燃料」と称する。供給量Ｘ０の燃料成分のうち排気昇温燃料の量Ｘ１を超える、量Ｘ２の燃料成分は、酸化触媒３によって酸化されないため、酸化触媒３をすり抜けてその下流に位置するＳＣＲＦ４に流れ込み、ＰＭ酸化の促進に供される併存燃料となるものと想定される。

より詳細には、排気昇温燃料の量Ｘ１は、温度センサ９の検出値に基づいて推定される酸化触媒３の温度に基づいて設定される。一般には、酸化触媒３の温度が活性温度に到達
していれば、酸化触媒３の温度が高いほど、排気昇温燃料の量Ｘ１は大きくなる。一方で、併存燃料の量Ｘ２は、ＳＣＲＦ４に捕集されているＰＭの酸化除去に応じた量とされる。なお、本願発明者は、ＳＣＲＦ４に捕集されているＰＭ量に対して所定割合の燃料成分が、併存燃料として供給されたときに、捕集ＰＭが特に効率的に酸化除去されることを見出した。そこで、本実施例では、ＳＣＲＦ４に関して当該所定割合を事前の実験等で決定しておき、フィルタ再生処理制御が行われる時点でＳＣＲＦ４に捕集されているＰＭ量と、この所定割合とに基づいて、併存燃料の量Ｘ２を算出するようにする。

なお、当該併存燃料の量Ｘ２の算出にあたっては、ＳＣＲＦ４で酸化可能な燃料成分の量が上限値として設定されている。これは、ＳＣＲＦ４で酸化可能な量を超える燃料成分が併存燃料としてＳＣＲＦ４に供給されると、ＳＣＲＦ４に担持されているＳＣＲ触媒が燃料被毒し、ＮＯｘの浄化率が著しく低下するとともに、併存燃料自身も十分に酸化されず、かえってＰＭの酸化除去が効果的に行われなくなるからである。そこで、具体的には、温度センサ１２の検出値に基づいて推定されるＳＣＲＦ４の温度に従って、ＳＣＲＦ４の酸化能力に応じた上限値Ｘ３が設定される（図３を参照）。そして、上記の通り捕集ＰＭ量と所定割合に基づいて算出された併存燃料の量Ｘ２が、当該上限値を超えない場合には、その算出量が最終的な併存燃料の量とされ、一方で、算出された併存燃料の量Ｘ２が当該上限値を超えた場合には、その上限値の量（Ｘ３）が最終的な併存燃料の量とされる。

Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。Ｓ１０３では、フィルタ再生処理時におけるＥＧＲガス量を、フィルタ再生処理を行っていないとき（非フィルタ再生処理時）のＥＧＲガス量より増量すべく、その増量分ΔＹが算出される。上述したように、本実施例では、捕集されたＰＭの燃焼を促進させるためにＳＣＲＦ４に併存燃料が送り込まれる。このとき、ＳＣＲＦ４に到達した併存燃料は、本来であればＮＯｘ還元のためにアンモニアが吸着するＳＣＲ触媒のサイト上に吸着することになる。その結果、ＰＭの酸化効率を向上させる一方で、図４Ａに示すようにＳＣＲＦ４によるＮＯｘ浄化能を低下させることになる。図４Ａにおいては、低下したＳＣＲＦ４のＮＯｘ浄化率（ＮＯｘ浄化能に相当）はΔＰで表わされ、低下後のＮＯｘ浄化率はＰ１となり、排気浄化装置としてあるべきＮＯｘ浄化率の範囲（Ｐｍｉｎ〜Ｐｍａｘ）から逸脱した状態となる。そこで、このＮＯｘ浄化率の低下分ΔＰを補償するために、ＥＧＲガスの増量分ΔＹがＳ１０３で算出されることになる。

具体的には、併存燃料の量Ｘ２が多くなるほど、ＳＣＲＦ４によるＮＯｘ浄化率の低下分ΔＰが大きくなると考えられることから、図４Ｂに示すように、併存燃料Ｘ２が多くなるほどＥＧＲガスの増量分ΔＹを多くする。これにより、内燃機関１の燃焼に供されるＥＧＲガス量が、非フィルタ再生処理時の量よりも増量されて、排気中のＮＯｘ量を低減することができる。このＥＧＲガスの増量によるＮＯｘ量低減が、上述した併存燃料によるＮＯｘ浄化率の低下を補償することとなる。なお、一般に、ＥＧＲガス量は、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度等の運転状態に基づいて、燃焼に適した量のＥＧＲガスが供給される。そのため、上記のようにＮＯｘ浄化能の補償のためにＥＧＲガス量を増加させた場合、その影響が少なからず現れる可能性がある。しかし、当該ＥＧＲガスの増量はフィルタ再生処理中に一時的に行われるものであるから、当該影響の及ぶ範囲を可及的に小さくすることができる。また、仮にＮＯｘ浄化能の補償のためのＥＧＲガスの増量が内燃機関１の運転状態に好ましくない影響を与え得る場合には、許容し得る影響の範囲において最大限のＥＧＲガスの増量を行えばよい。

Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。Ｓ１０４では、Ｓ１０２で算出された供給量Ｘ０（Ｘ１＋Ｘ２）の燃料成分の供給を行うべく、燃料供給弁６からの燃料供給を行うとともに、Ｓ１０３で算出された増量分ΔＹのＥＧＲガスの増量を行うべく、ＥＧＲ
弁１４の開度調整を行うことで、本実施例におけるフィルタ再生処理が実行される。そして、Ｓ１０５では、そのフィルタ再生処理の終了タイミングか否かが判定される。具体的には、フィルタ再生処理が開始されてからの経過時間や、温度センサ１２で検出される排気温度推移等に基づいて、フィルタ再生処理の終了タイミングが判定される。Ｓ１０５で肯定判定されると、Ｓ１０６へ進み、否定判定されると再度Ｓ１０５の判定が行われる。

Ｓ１０６では、Ｓ１０４で実行開始されたフィルタ再生処理のための、燃料供給弁６からの燃料供給とＥＧＲガスの増量が中止される。これにより、内燃機関１におけるＥＧＲガス量は、非フィルタ再生処理時の内燃機関１の運転状態に応じた量に戻されることになる。Ｓ１０６の処理が終了すると、再び本制御が繰り返される。

本制御によれば、ＳＣＲＦ４に併存燃料として積極的に燃料成分を供給することで、ＳＣＲＦ４に捕集されたＰＭを効率的に燃焼するとともに、併存燃料に起因するＳＣＲＦ４によるＮＯｘ浄化能の低下を、ＥＧＲガスの一時的な増量で補償することで、排気浄化装置全体としてのＮＯｘ浄化能を好適に維持することを可能とする。したがって、排気浄化装置によるＮＯｘ浄化能を悪化させることなく、ＳＣＲＦ４のフィルタ再生処理に要する時間を短縮化することが可能となる。

ここで、本願発明者は、本実施例に関する以下の実験を行い、その効果を確認した。
（１）実験方法
βゼオライトを担持して形成されるＳＣＲＦにカーボンブラックを均等に充填した後に、フィルタ再生処理を想定してＳＣＲＦに流れ込む排気温度を１５０℃から８００℃に上昇させる。このとき、本実施例に係るＳＣＲＦでは、排気温度上昇前に下記に示す燃料成分の供給を行い、比較例に係るＳＣＲＦでは、排気温度上昇前の燃料成分の供給は行わない。

（２）結果
ＳＣＲＦにおける酸化除去されたＰＭ量は、ＳＣＲＦから流れ出る排気に含まれる二酸化炭素および一酸化炭素の量から算出した。したがって、排気に本来的に含まれている二酸化炭素等の影響が下記の実施例１と比較例１の実験結果には含まれているが、両者を比べるにあったては、支障はないと考えられる。

この結果、本実施例のようにＳＣＲＦに対して併存燃料を供給した状態で排気温度を上昇させることで、ＰＭの酸化除去が効率的に行われることが理解できる。これは、フィルタ再生処理に要する時間の短縮化に資するものである。また、ＳＣＲＦに併存燃料を供給することに起因して、ＳＣＲＦのＮＯｘ浄化能が低下することになるが、このＮＯｘ浄化能の低下を、ＥＧＲガスを一時的に増量することで補償可能であることを、本願発明者は実験で確認している。

＜変形例＞
上記のフィルタ再生処理制御において、Ｓ１０２で燃料成分の供給量Ｘ０を算出するにあたり、ＳＣＲＦ４に流れ込む排気の空燃比を考慮して、供給量Ｘ０を補正してもよい。一般には、排気中の酸素量が増えれば、ＳＣＲＦ４に捕集されているＰＭの酸化効率は良くなると考えられる。そこで、ＳＣＲＦ４に流れ込む排気空燃比がリーン側の空燃比になるほど、燃料成分の供給量Ｘ０を減らすように補正してもよい。このようにすることで、フィルタ再生処理に消費される燃料成分の量を抑制することができる。

上記実施例１では、ＳＣＲＦ４への燃料成分の供給に関しては、燃料供給弁６を介して行われたが、それに代えて、もしくはそれとともに、内燃機関１から排出される排気の空燃比がリッチ側の空燃比となるように燃焼条件を変更してリッチ燃焼を行うことで、排気中により多くの燃料成分（ＳＯＦ）を含ませ、ＳＣＲＦ４に併存燃料としての燃料成分を届けるようにしてもよい。リッチ燃焼の一例としては、内燃機関１における燃料噴射時期を遅角化することが挙げられる。

以上を踏まえ、本実施例では、燃料供給弁６を介した燃料成分の供給と、内燃機関１でのリッチ燃焼を介した燃料成分の供給を行うフィルタ再生処理制御について、図５に基づいて説明する。なお、図５に示すフィルタ再生処理制御において行われる処理のうち、図２に示すフィルタ再生処理制御において行われる処理と同一の処理については、同じ参照番号を付すことでその詳細な説明は省略する。

図５に示す制御では、Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ２０１へ進む。Ｓ２０１では、Ｓ１０３で算出されたＥＧＲガスの増量分ΔＹに従い、ＥＧＲガスの増量が実行される。そして、このようにＥＧＲガスの増量が行われた状態において、以降のＳ２０２およびＳ２０３の処理が行われる。先ず、Ｓ２０２では、リッチ燃焼による燃料成分の供給が行われる。リッチ燃焼によって供給される燃料成分は、内燃機関１での燃焼環境に晒されているため、比較的軽質な燃料成分となる。したがって、酸化触媒３をすり抜けてＳＣＲＦ４に到達する、リッチ燃焼による燃料成分は、ＳＣＲＦ４の内部に入り込みやすく、捕集されたＰＭを内部から酸化除去するのに資するものと考えられる。

そして、Ｓ２０２の後に行われるＳ２０３では、燃料供給弁６による燃料成分の供給が行われる。燃料供給弁６によって供給される燃料成分は、内燃機関１での燃焼環境に晒されていないため、比較的重質な燃料成分となる。したがって、先のＳ２０２でＳＣＲＦ４の内部に到達した軽質な燃料成分とともに捕集されたＰＭが、重質な燃料成分に包まれ、軽質な燃料成分によって酸化されつつあるＰＭを、重質な燃料成分で速やかに酸化除去することが期待できる。Ｓ２０３の処理が終了すると、Ｓ１０５以降の処理が行われることになる。

これらのＳ２０２およびＳ２０３の処理は、Ｓ２０１においてＥＧＲガスが増量された状態で行われるため、ＳＣＲＦ４に併存燃料としての燃料成分が到達しても、排気浄化装置としてのＮＯｘ浄化率は好適に維持される。なお、Ｓ２０２での燃料成分の供給量とＳ２０３での燃料成分の供給量は、ＳＣＲＦ４に供給される燃料成分の量が、Ｓ１０２で算出された供給量Ｘ０のうち併存燃料の量Ｘ２（図３を参照のこと）となるように、適宜調整されればよい。特に、リッチ燃焼により燃料成分を供給する場合、内燃機関１での燃焼条件を変更する必要があるため、燃焼条件次第では、十分な燃料成分を供給することが困難となる場合がある。そのような場合には、相対的に、リッチ燃焼により供給される燃料成分の量を減量すればよい。

上記実施例２では、フィルタ再生処理制御において、燃料供給弁６を介した燃料成分の供給と、内燃機関１でのリッチ燃焼を介した燃料成分の供給がともに行われたが、本実施例では、フィルタ再生処理時のスモーク抑制の観点から、燃料供給弁６を介した燃料成分の供給と、内燃機関１でのリッチ燃焼を介した燃料成分の供給を選択的に行うフィルタ再生処理制御について、図６に基づいて説明する。なお、図６に示すフィルタ再生処理制御において行われる処理のうち、図２に示すフィルタ再生処理制御において行われる処理と同一の処理については、同じ参照番号を付すことでその詳細な説明は省略する。

図６に示す制御では、Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ３０１へ進む。Ｓ３０１では、上記Ｓ２０１と同じように、Ｓ１０３で算出されたＥＧＲガスの増量分ΔＹに従い、ＥＧＲガスの増量が実行される。そして、このようにＥＧＲガスの増量が行われた状態において、以降のＳ３０２〜Ｓ３０４の処理が行われる。そして、Ｓ３０２では、Ｓ１０２で算出された燃料成分の供給量Ｘ０が、スモーク発生の基準量であるＸｓｍｋより多いか否かが判定される。リッチ燃焼による燃料成分の供給を行う場合、その供給量が多くなり過ぎるとスモークが発生する可能性がある。そこで、内燃機関１においてスモークが発生する可能性のある燃料成分の供給量の閾値を、事前に実験等で算出しておき、基準量Ｘｓｍｋとして設定しておく。Ｓ３０２において肯定判定されるとＳ３０３へ進み、否定判定されるとＳ３０４へ進む。そして、Ｓ３０３に進んだ場合には、燃料供給弁６によって、供給量Ｘ０の燃料成分が供給される。また、Ｓ３０４に進んだ場合には、内燃機関１でのリッチ燃焼によって、供給量Ｘ０の燃料成分が供給される。Ｓ３０３又はＳ３０４が終了すると、Ｓ１０５以降の処理が行われる。

本制御によれば、Ｓ３０３およびＳ３０４の処理は、Ｓ３０１においてＥＧＲガスが増量された状態で行われるため、ＳＣＲＦ４に併存燃料としての燃料成分が到達しても、排気浄化装置としてのＮＯｘ浄化率は好適に維持される。そして、その際にスモークの発生を考慮して、燃料供給弁６による燃料成分の供給、又はリッチ燃焼による燃料成分の供給の何れかが行われることで、スモークの発生を抑制しながら速やかなＰＭの酸化除去が実現されることになる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 酸化触媒
４ 選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）
５ ＡＳＣ触媒
６ 燃料供給弁
７ 供給弁
９、１２ 温度センサ
１０、１１ ＮＯｘセンサ
１３ ＥＧＲ通路
１４ ＥＧＲ弁
２０ ＥＣＵ
２１ クランクポジションセンサ
２２ アクセル開度センサ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、酸化機能を有する酸化触媒と、
   前記酸化触媒に対して、該酸化触媒に流れ込む排気を介して燃料成分を供給する燃料供給部と、
   前記酸化触媒より下流側の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタであって、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒が担持されたフィルタと、
   前記フィルタに対して、該フィルタに流れ込む排気を介してアンモニア又はアンモニアの前駆体を供給するアンモニア供給部と、
   前記内燃機関からの排気の一部を吸気系に再循環するＥＧＲ装置と、
   前記燃料供給部によって前記酸化触媒に燃料が供給されることで、前記フィルタの温度を捕集された粒子状物質の酸化が促進される所定のフィルタ再生温度まで昇温させて、該粒子状物質を酸化除去するフィルタ再生処理を行うフィルタ再生処理部と、を備え、
   前記フィルタ再生処理部によりフィルタ再生処理が行われるとき、前記ＥＧＲ装置によって吸気系に再循環されるＥＧＲガス量を、該フィルタ再生処理が行われない場合のＥＧＲガス量と比べて増量した状態で、前記燃料供給部は、該フィルタ再生処理時に前記酸化触媒で酸化可能な量より多い所定量の燃料成分を供給する、
   内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記フィルタ再生処理時の前記ＥＧＲガス量の増量分は、前記所定量の燃料成分が供給されることで生じる前記フィルタでのＮＯｘ浄化率の低下分に応じて設定される、
   請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記フィルタ再生処理部によりフィルタ再生処理が行われるとき、前記ＥＧＲ装置によって前記ＥＧＲガス量が増量された状態において、前記燃料供給部は、前記酸化触媒の上流側の排気通路に設けられた燃料供給弁による排気への燃料供給と、前記内燃機関での燃焼状態を制御することで排気空燃比をリッチ化するリッチ燃焼との少なくとも何れか一方により、前記所定量の燃料成分を供給する、
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記燃料供給部は、前記リッチ燃焼により燃料成分を供給した後に前記燃料供給弁により燃料成分を供給することで、前記所定量の燃料成分の供給を行う、
   請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記燃料供給部は、前記所定量の値が、前記リッチ燃焼が行われた場合にスモークを生じ得るスモーク発生閾値を超える場合には、該リッチ燃焼による燃料成分の供給を行わず、前記燃料供給弁により燃料成分を供給する、
   請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記所定量の燃料成分は、前記フィルタ再生処理部によって酸化除去される粒子状物質の捕集量が多いほど、増量される、
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記所定量の燃料成分は、前記フィルタ再生処理時に前記フィルタでの粒子状物質の酸化可能な量を上限として増量される、
   請求項１から請求項６の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記所定量の燃料成分は、前記フィルタに流れ込む排気の空燃比がリーン側の空燃比であるほど少なく設定される、
   請求項１から請求項７の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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