JPWO2011101898A1

JPWO2011101898A1 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JPWO2011101898A1
Application number: JP2012500381A
Authority: JP
Inventors: 俊一花田; 英次橋本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2013-06-17
Also published as: CN102762826A; US20120301365A1; WO2011101898A1; EP2538045A1

Abstract

本発明は、ターボチャージャのタービンよりも下流側の排気通路に排気浄化用部材を備えた内燃機関の排気浄化装置を提供する。この内燃機関の排気浄化装置は、排気浄化用部材（３０、３２、３４）に加熱用ガスを供給するための加熱用ガス供給装置（６０）であって、タービン（３８）と排気浄化用部材との間の排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒（６２）と、該触媒（６２）の上流側に位置付けられた燃料添加手段（６４）と、前記触媒（６２）の上流側に位置付けられた発熱手段（６６）とを有する加熱用ガス供給装置（６０）を備える。燃料添加手段（６４）と発熱手段（６６）とは、タービン（３８）と触媒（６２）との間の排気通路に連通するチャンバー（６８）に設けられている。

Description

本発明は、排気ガスを浄化するための内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に排気ガスを浄化するために配置された排気浄化部材を含む内燃機関の排気浄化装置の一例を特許文献１は開示する。特許文献１の装置は、排気通路の排気浄化部材の上流側に、該排気浄化部材を再生または昇温するための燃焼バーナを備える。この燃焼バーナは、インジェクタと、該インジェクタから噴射された燃料に空気を混合して形成した霧状の燃料に点火する点火装置とを備え、火炎を噴射する。

特開２００７−１４６７００号公報

ところで、ターボチャージャを備えた内燃機関が知られていて、車両に搭載されている。近年、省エネ等の観点からそのような内燃機関の縮小化が望まれている。

ターボチャージャを備えた内燃機関では、ターボチャージャの下流側に、排気ガスを浄化するための排気浄化部材を配置することが一般的である。こうした排気浄化部材にはターボチャージャのタービンを経た排気ガスが到達する。しかし、排気ガスの温度は排気ガスがタービンを経ることで下がるので、機関始動時等に、その排気浄化部材の温度を適切に所定温度にまで高めることは容易でない。

そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、ターボチャージャを備えた内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化部材を適切に加熱することにある。

本発明はターボチャージャのタービンよりも下流側の排気通路に排気浄化用部材を備えた内燃機関の排気浄化装置を提供する。この内燃機関の排気浄化装置は、排気浄化用部材に加熱用ガスを供給するための加熱用ガス供給装置であって、タービンと排気浄化用部材との間の排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、該触媒の上流側に位置付けられた燃料添加手段と、触媒の上流側に位置付けられた発熱手段とを有する加熱用ガス供給装置を備える。燃料添加手段と発熱手段とは、タービンと触媒との間の排気通路に連通するチャンバーに設けられているとよい。

好ましくは、チャンバーの軸線が排気通路の軸線に対して直交する平面と３０°以内の角度をなすように、チャンバーは排気通路に対して設けられる。

タービンを流れ出た排気ガスの旋回流に沿ってチャンバーの流体が排気通路に流れるように、チャンバーは排気通路に対して位置付けられているとよい。

また、チャンバーとタービンよりも上流側の排気通路とをつなぐ通路がさらに備えられているとよい。

第２燃料添加手段がタービンまたは該タービンよりも上流側の排気通路にさらに備えられているとよい。この場合、燃料添加手段の作動と第２燃料添加手段の作動とを制御する制御装置は、第２燃料添加手段から添加された燃料を含む排気ガスとチャンバーの流体とがタービンと触媒との間の排気通路で合流するように、燃料添加手段の作動タイミングと、第２燃料添加手段の作動タイミングとを同期させるとよい。

図１は本発明の第１実施形態が適用された内燃機関システムを示す概略構成図である。図２は図１の内燃機関の排気系の一部を拡大した拡大模式図である。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は図１の第１燃料添加弁および第２燃料添加弁の作動を説明するための図である。図５は本発明の第２実施形態が適用された内燃機関システムを示す概略構成図である。図６は図５の制御弁の作動を説明するための図である。

本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。まず、第１実施形態について説明する。

第１実施形態の内燃機関の排気浄化装置（以下、排気浄化装置）が適用された車両の内燃機関システムの概略図を図１に示す。内燃機関１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１２から圧縮状態にある燃焼室に直接噴射することにより自然着火させる型式の内燃機関、すなわちディーゼル機関である。

気筒１４の燃焼室に臨むと共に吸気通路１６の一部を区画形成する吸気ポートは、シリンダヘッドに形成されていて、吸気弁によって開閉される。シリンダヘッドには、吸気通路１６の一部を区画形成する吸気マニホールド１８が接続され、さらにその上流側には同じく吸気通路１６の一部を区画形成する吸気管が接続されている。吸気通路１６の上流端側には、吸気通路１６に導かれる空気中の塵埃などを除去するべくエアクリーナ２０が設けられている。また、スロットルアクチュエータ２２によって開度が調整されるスロットル弁２４が、吸気通路１６の途中に設けられている。

他方、気筒１４の燃焼室に臨むと共に排気通路２６の一部を区画形成する排気ポートは、シリンダヘッドに形成されていて、排気弁によって開閉される。シリンダヘッドには、排気通路２６の一部を区画形成する排気マニホールド２８が接続され、さらにその下流側には同じく排気通路２６の一部を区画形成する排気管が接続されている。排気通路２６の途中には、第１排気浄化用部材（以下、第１浄化部材）３０と第２排気浄化用部材（以下、第２浄化部材）３２とを直列的に収容した第１コンバータ３３が設けられている。さらに、第１コンバータ３３よりも下流側の排気通路には、第３排気浄化用部材（以下、第３浄化部材）３４を収容した第２コンバータ３６が設けられている。

ここでは、第１浄化部材３０は酸化触媒である。第１浄化部材３０は、例えば白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持したモノリス触媒から形成されている。

また、第２浄化部材３２は排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのパティキュレートフィルタである。第２浄化部材３２であるパティキュレートフィルタは貴金属触媒を担持していない。しかしながらパティキュレートフィルタ上に白金Ｐｔのような貴金属触媒等を担持させることもできる。

また、第３浄化部材３４はＮＯｘ浄化用の触媒、ここではＮＯｘ吸蔵触媒である。第３浄化触媒３４では、その基体上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されている。触媒担体の表面上には白金Ｐｔなどの貴金属触媒が分散して担持されていて、さらに触媒担体の表面上にはＮＯｘ吸収剤の層が形成されている。ＮＯｘ吸収剤は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。このような第３浄化部材３４は、排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低下すると例えば排気ガスの空燃比がリッチになったときに吸蔵したＮＯｘを放出してＮＯｘを還元させる。なお、第３浄化部材３４は、アンモニアとＮＯｘとの化学反応（還元反応）を促進させるＮＯｘ浄化用の触媒であってもよい。この場合には、アンモニア供給用に例えば尿素水添加装置が第１コンバータ３３と第２コンバータ３６との間に設けられ得る。

さらに、排気ガスにより回転駆動されるタービンホイールを含むタービン３８が排気通路２６の途中に設けられている。ただし、タービン３８は、第１コンバータ３３よりも上流側の排気通路に配置されている。これに対応して、タービンホイールに同軸で連結され、タービンホイールの回転力で回転するようにしたコンプレッサホイールを含むコンプレッサ４０が吸気通路１６の途中に設けられている。すなわち、内燃機関１０には、排気エネルギーを取り出すタービン３８と、タービン３８により取り出された排気エネルギーによって内燃機関１０に過給するコンプレッサ４０とを有するターボチャージャ４２が設けられている。そして、コンプレッサ４０により圧縮された空気を冷却すべく、インタークーラ４４がコンプレッサ４０よりも下流側の吸気通路に設けられている。

内燃機関１０には、排気通路２６を流れる排気ガスの一部を吸気通路１６に導く排気ガス還流（ＥＧＲ）装置４６が設けられている。ＥＧＲ装置４６は、排気通路２６と吸気通路１６とをつなぐＥＧＲ通路４８を区画形成するＥＧＲ管５０と、ＥＧＲ通路４８の連通状態調節用のＥＧＲ弁５２と、還流される排気ガス（ＥＧＲガス）冷却用のＥＧＲクーラ５４とを有している。ＥＧＲ管５０上流側の一端は排気マニホールド２８に接続され、その下流側の他端は吸気マニホールド１８に接続されている。ＥＧＲ弁５２はＥＧＲクーラ５４よりも下流側に設けられていて、その開度はアクチュエータ５６により調節される。

さて、排気通路には、加熱用ガス供給装置６０が設けられている。加熱用ガス供給装置６０は、排気浄化用部材に加熱用ガスを供給するように設けられている。加熱用ガス供給装置６０は、加熱用ガスを生成して、その生成された加熱用ガスを下流側の第１〜第３浄化部材３０、３２、３４、特に第２浄化部材３２および第３浄化部材３４に供給し、それら排気浄化用部材の暖機または加熱および活性状態を維持促進するためのものである。

特に、ここでは、加熱用ガス供給装置６０は、第３浄化部材３４を所定温度域の温度まで加熱するように作動される。また、加熱用ガス供給装置６０は、第２浄化部材３２に捕集されたＰＭを除去するべく、所定時期に、所定時間、作動される。例えば、内燃機関１０の累積作動時間が所定時間を越えるたびに、加熱用ガス供給装置６０は作動される。なお、加熱用ガス供給装置６０は、第２浄化部材の前後の差圧が所定圧以上になったときに、作動されることもできる。この場合、第２浄化部材３４前後の差圧を検出するための圧力センサが備えられるとよい。

加熱用ガス供給装置６０は、タービン３８と排気浄化用部材との間の排気通路に設けられた酸化促進部材６２と、該酸化促進部材６２の上流側に位置付けられた燃料添加弁６４と、酸化促進部材６２の上流側に位置付けられたグロープラグ６６とを有する。より具体的には、上流側から順に、燃料添加弁６４、グロープラグ６６および酸化促進部材６２が配置されている。

酸化促進部材６２は、酸化機能を有する触媒であり、具体的には酸化触媒である。酸化促進部材６２は、例えば白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持したモノリス触媒から形成されている。酸化促進部材６２は、排気通路２６における排気ガスの流れを阻害しないように定められた大きさおよび形状を有し、支持部材（不図示）により排気通路２６に支持されている。

燃料添加弁６４は燃料添加手段として備えられている。具体的には、燃料添加弁６４は、上記燃料噴射弁１２を備えた燃料供給系統に含まれる燃料タンクからポンプによって圧送された燃料を添加供給するように設けられている。燃料添加弁６４、燃料タンクおよびポンプは、第１燃料添加装置に含まれる。

また、グロープラグ６６は発熱手段として構成されている。グロープラグ６６は、通電されることで発熱することができる。発熱手段であるグロープラグ６６は、発熱装置に含まれる。

酸化促進部材６２はターボチャージャ４２のタービン３８と第１浄化部材３０との間の排気通路に設けられている。これに対して、図１および図２から明らかなように、これら燃料添加弁６４およびグロープラグ６６は排気通路２６の外部に位置付けられている。具体的には、燃料添加弁６４およびグロープラグ６６は、タービン３８と酸化促進部材６２との間の排気通路に連通するチャンバー６８に設けられている。該チャンバー６８はチャンバー形成部材７０により区画形成されている。このチャンバー形成部材７０は、略円筒形状を有し、チャンバー６８を排気通路２６以外に対して閉じている。チャンバー６８は、チャンバー６８が排気通路２６の軸線Ａに対してほぼ直交する平面上に延びるように、排気通路２６に対して位置付けられる。具体的には、チャンバー６８の軸線Ｂが排気通路２６の軸線Ａに対して直交する平面と３０°以内の角度（−３０°以上、３０°以下の角度）をなすように、チャンバー６８は排気通路２６に対して設けられる。これにより、タービン３８と排気浄化用部材のうちの最上流の第１浄化部材３０との間の距離Ｌ（図２参照）を短くすることができる。したがって、当該配置は、内燃機関１０をコンパクトにすることに貢献する。また、それ故に、排気浄化部材に、より温度の高い排気ガス等を供給することができる。なお、図２において、排気通路２６の軸線Ａとチャンバー６８の軸線Ｂとは直交する。

また、チャンバー６８は、チャンバー６８の流体、例えば燃料、燃焼ガスが排気通路２６の排気ガスに引っ張られて排気通路２６に適切に流れ込むように排気通路２６に対して位置付けられている。チャンバー６８はタービン３８の出口近傍の排気通路に位置付けられている。さらに、図３に示されているように、チャンバー６８の軸線が排気通路２６の横断面の接線方向を向くようにチャンバー６８は排気通路２６に対して位置付けられている。特に、チャンバー６８の流体の導入方向がタービン３８を出た排気ガスの流れ、特にその旋回流の回転方向になるように、チャンバー６８はタービン３８の出口近傍の排気通路に位置付けられている。したがって、図３に矢印で示すように、そのチャンバー６８の流体は、タービン３８を流れ出た排気ガスの旋回流に沿って排気通路２６に流れ込むことができる。これにより、チャンバー６８から流れ出た流体は排気通路２６の排気ガスとより適切に混ざり合うことができる。

さらに、上記タービン３８には、第２燃料添加手段としての第２燃料添加弁７２が設けられている。第２燃料添加弁７２は、加熱用ガス供給装置６０に含まれる。第２燃料添加弁７２は、上記燃料添加弁（以下、第１燃料添加弁）６４と同様に、上記燃料噴射弁１２を備えた燃料供給系統に含まれる燃料タンクからポンプによって圧送された燃料を添加供給するように設けられている。第２燃料添加弁７２、燃料タンクおよびポンプは、第２燃料添加装置に含まれる。

なお、第２燃料添加装置は、燃料タンク以外に、第１燃料添加装置と共通の構成要素を有してもよい。例えば、第２燃料添加装置のポンプは、第１燃料添加装置のポンプであり得る。または、第２燃料添加装置は、第１燃料添加装置と全く独立した装置として共通の構成要素を一切備えなくてもよい。第２燃料添加装置および第１燃料添加装置の各々は、同様のこれら種々の関係を、上記燃料噴射弁１２を備えた燃料供給系統との間で有することができる。なお、第２燃料添加弁７２は、タービン３８よりも上流側の排気通路に備えられてもよい。

このような構成を備える内燃機関１０は、制御装置７８に、各種値を検出する（推定することを含む）ための信号を電気的に出力する各種センサ類を備えている。ここで、その内のいくつかを具体的に述べる。吸入空気量を検出するためのエアフローメーター８０が吸気通路１６に備えられている。また、エアフローメーター８０近傍に吸入空気の温度を検出するための温度センサ８２が、そしてインタークーラ４４下流側にも温度を検出するための温度センサ８４が備えられている。また、過給圧を検出するための圧力センサ８６が吸気通路１６の途中に設けられている。また運転者によって操作されるアクセルペダル８８の踏み込み量に対応する位置、すなわちアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ９０が備えられている。また、スロットル弁２６の開度を検出するためのスロットルポジションセンサ９２も備えられている。さらに、ＥＧＲ弁５２の開度を検出するためのセンサ９４も備えられている。また、ピストンが往復動する、シリンダブロックには、連接棒を介してピストンが連結されているクランクシャフトのクランク回転信号を検出するためのクランクポジションセンサ９６が取り付けられている。ここでは、このクランクポジションセンサ９６は機関回転速度を検出するための機関回転速度センサとしても利用される。さらに、内燃機関１０の冷却水温を検出するための温度センサ９８が備えられている。さらに、排気通路２６には、排気ガスの温度を検出するための温度センサ１００が備えられている。

制御装置７８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、入力インタフェース、出力インタフェース等を含むマイクロコンピュータで構成されている。入力インタフェースには、上記各種センサ類が電気的に接続されている。これら各種センサ類からの出力信号または検出信号に基づき、予め設定されたプログラム等にしたがって円滑な内燃機関１０の運転ないし作動がなされるように、制御装置７８は出力インタフェースから電気的に作動信号または駆動信号を出力する。こうして、燃料噴射弁１２の作動、スロットル弁２４、ＥＧＲ弁５２の各開度、第１燃料添加弁６４および第２燃料添加弁７２の各作動、グロープラグ６６の作動（グロープラグ６６への通電）などが制御される。

なお、加熱用ガス供給装置６０は、上記第１燃料添加装置、上記第２燃料添加装置、および発熱装置を備える。制御装置７８の一部は加熱用ガス供給装置６０における制御装置（制御手段）の機能を有する。第１燃料添加弁６４の作動を制御する第１燃料添加弁制御手段、第２燃料添加弁７２の作動を制御する第２燃料添加弁制御手段、グロープラグ６６の作動を制御するグロープラグ制御手段の各々として、制御装置７８の一部は機能することができる。また、温度センサ１００と制御装置７８の一部とは、排気浄化用部材の温度を検出するための温度検出装置に含まれる。さらに、制御装置７８の一部は、冷間始動時か否かを判定する冷間始動時判定装置として機能することができる。また、制御装置７８の一部は、排気浄化用部材の加熱が必要か否かを判定する加熱判定装置として機能することができる。

内燃機関１０では、吸入空気量、機関回転速度など、すなわち機関負荷および機関回転速度で表される機関運転状態に基づいて、所望の出力を得るように、燃料噴射量（燃料量）、燃料噴射時期が設定される。そして、それら燃料噴射量、燃料噴射時期に基づいて、燃料噴射弁１２からの燃料の噴射が行われる。

そして、内燃機関に備えられた加熱用ガス供給装置６０の作動も、上記したように、制御装置７８によって制御される。例えば、第１燃料添加弁６４からチャンバー６８に燃料が添加供給されるとき、グロープラグ６６が通電されている。第１燃料添加弁６４から供給された燃料はグロープラグ６６によって加熱される。場合によっては、このグロープラグ６６の加熱により、その燃料は燃焼し得る。このような加熱された燃料などの流体は、排気通路２６の排気ガスに引っ張られるように、排気通路２６に導かれる。そのような流体は排気通路２６に存在するガスと混ざりつつ、酸化触媒である酸化促進部材６２にまたはその周囲に至る。その結果、その添加燃料の燃焼（酸化）が促され、排気浄化用部材を加熱するためのガスが適切に生成される。

こうして、加熱用ガス供給装置６０から高温の加熱用ガスが排出され、この加熱用ガスが第３浄化部材３４等の排気浄化用部材に供給される。したがってそれら排気浄化用部材の暖機または加熱および活性状態を維持促進することが可能となる。特にこの加熱用ガス供給装置６０は、内燃機関１０の冷間始動直後のコールドエミッションを向上するのに有利である。

加えて、上記第２燃料添加弁７２から燃料が添加供給されるときには、さらなる加熱効果が生じ得る。第２燃料添加弁７２からの燃料はタービン３８を通る間に排気ガスに混ざる。こうした燃料は、酸化促進部材６２を経る間に、または、チャンバー６８からの加熱された燃料または燃焼燃料といった流体に合流することで、燃焼（酸化）し得る。例えば、第２燃料添加弁７２からの燃料を含む排気ガスにチャンバー６８からの流体が合流するとき、その流体があたかも火種のように作用して、排気ガス中の燃料は燃焼し始めることができる。そして、このような排気ガスはさらに酸化促進部材６２に至るので、その燃焼が適切に促進される。したがって、第３浄化部材３４等の排気浄化用部材に加熱用ガスがより適切に供給され、上記の如く排気浄化用部材の暖機または加熱および活性状態を維持促進することが可能となる。

特に、このように第２燃料添加弁７２から添加される燃料がより適切に燃焼するように、当該燃料を含む排気ガスは、第１燃料添加弁６４から添加供給されてチャンバー６８から流れ出る流体と排気通路で合流するとよい。したがって、本実施形態では、制御装置７８は、第２燃料添加弁７２から添加された燃料を含む排気ガスとチャンバー６８からの流体とがタービン３８と酸化促進部材６２との間の排気通路で合流するように、第１燃料添加弁６４の作動タイミングと、第２燃料添加弁７２の作動タイミングとを同期させる。これらの作動タイミングつまり燃料の添加時期の関係は、予め実験等に基づいて定められ、制御用データとして、ＲＯＭといった記憶装置に記憶されている。

このような第１燃料添加弁６４および第２燃料添加弁７２の作動制御に関して、図４のフローに基づいて説明する。ただし、第１燃料添加弁６４が作動されるときグロープラグ６６は作動されるが、以下の説明ではグロープラグ６６の作動の説明は省略される。

まず、制御装置７８は、冷間始動時か否かを判断する（ステップＳ４０１）。この判断は、内燃機関１０の冷却水温に基づいて行われる。具体的には、温度センサ９８からの出力信号に基づいて検出される内燃機関１０の冷却水温が第１所定温度未満か否かが判断される。

冷間始動時であると判断されると（ステップＳ４０１で肯定判定）、第１燃料添加弁６４および第２燃料添加弁７２の両方が作動されて、第１燃料添加弁６４での燃料添加および第２燃料添加弁７２での燃料添加の両方が実行される（ステップＳ４０３）。第１燃料添加弁６４の作動タイミングつまり燃料の添加時期は、第２燃料添加弁７２の作動タイミングつまり燃料の添加時期と同期される。具体的には、上記したように、第２燃料添加弁７２から添加された燃料を含む排気ガスがチャンバー６８の出口部６８ｅまたはその近傍に至るときに、第１燃料添加弁６４から添加された燃料を含み得る流体がチャンバー６８から排気通路２６に流出して、その燃料を含む排気ガスに、その流体が合流するように、それらの作動タイミングは関係付けられている。第１燃料添加弁６４の作動タイミングと第２燃料添加弁７２の作動タイミングとの各々は、予め記憶されているデータを、機関回転速度および機関負荷に基づいてそれぞれ検索することで、求められて設定される。そして、設定されたそれら作動タイミングに基づいて、制御装置７８は、第１燃料添加弁６４を作動させると共に第２燃料添加弁７２を作動させる。このような第１および第２燃料添加弁６４、７２の作動は内燃機関１０の冷却水温が第１所定温度以上になるまで実行される。なお、このように第１燃料添加弁６４の作動タイミングと第２燃料添加弁７２の作動タイミングとを同期させることで、未燃燃料が酸化促進部材６２をすり抜けることを抑制することができ、排気エミッション悪化を適切に防ぐことができる。

冷間始動時でないと判断されると（ステップＳ４０１で否定判定）、排気浄化用部材の加熱が必要か否かが判定される（ステップＳ４０５）。ここでは、排気浄化用部材の温度が第２所定温度未満か否かの判定が実行される。排気浄化用部材として具体的に第３浄化部材３４がここでは対象にされる。これは、第３浄化部材３４はＮＯｘ浄化用触媒であり、ＮＯｘを浄化する機能を適切に発揮する適性温度域を有するからである。例えば、この適性温度域は２００℃以上４００℃以下の温度域である。それ故、上記第２所定温度は例えば２００℃である。しかし、他の浄化部材３０、３２の温度が判定対象とされてもよい。排気浄化用部材の温度は、温度センサ１００からの出力信号に基づいて予め実験に基づいて定められて記憶されているデータを検索したり、予め定められている演算を行ったりすることで、推定される。ただし、排気浄化用部材の温度を検出するために、排気浄化用部材に直接的に温度センサが設けられてもよい。なお、排気浄化用部材の温度は、機関回転速度および機関負荷、つまり機関運転状態に基づいて、予め実験に基づいて定められて記憶されているデータを検索したり、予め定められている演算を行ったりすることで、推定されてもよい。例えば、機関負荷として、アクセル開度、吸気圧および排気圧のうちのいずれか１つ、またはそれらのうちの複数の組み合わせが採用されることができる。例えば、燃料噴射弁１２からの燃料噴射が停止されているとき、つまり、燃料カットが実行されているときには、排気浄化用部材の加熱が必要になり得る。

また、内燃機関１０の累積作動時間が所定時間を越えるときにも、上記の如く、排気浄化用部材、特に第２浄化部材３２の加熱が必要であると判断されることができる。なお、第２浄化部材３４前後の差圧を検出するための圧力センサが備えられ、その差圧が所定圧以上になったときに、排気浄化用部材の加熱が必要であると判断されることも可能である。

そして、排気浄化用部材の加熱が必要であると判断されると（ステップＳ４０５で肯定判定）、第１燃料添加弁６４のみが作動されて、第２燃料添加弁７２からの燃料添加は行われず、第１燃料添加弁６４からの燃料添加が実行される（ステップＳ４０７）。第１燃料添加弁６４の作動タイミングは、予め記憶されているデータを、機関回転速度および機関負荷に基づいて検索することで、求められて設定される。なお、この場合、第１燃料添加弁６４の作動タイミングは、機関運転状態によらず、固定タイミングとされてもよい。そして、設定された作動タイミングに基づいて、制御装置７８は、第１燃料添加弁６４を作動させる。このような第１燃料添加弁６４の作動は排気浄化用部材の加熱が必要であるとき継続される。

他方、冷間始動時でないと判断されると（ステップＳ４０１で否定判定）共に排気浄化用部材の加熱が必要でないと判断される（ステップＳ４０５で否定判定）と、第１および第２燃料添加弁６４、７２は作動されない（ステップＳ４０９）。つまり、加熱用ガス供給装置６０は加熱用ガスを供給しない。

なお、冷間始動時、内燃機関１０の冷却水温が上記第１所定温度未満であるとき、第１および第２燃料添加弁６４、７２のうちの一方のみが作動されてもよい。例えば、内燃機関１０の冷却水温が上記第１所定温度未満の第３所定温度未満であるとき、上記の如く第１および第２燃料添加弁６４、７２の両方が作動される。そして内燃機関１０の冷却水温が第１所定温度未満かつ第３所定温度以上であるとき、第１燃料添加弁６４および第２燃料添加弁７２のいずれか一方のみが作動されることができる。

また、排気浄化用部材の加熱が必要であると判断されたとき（ステップＳ４０５で肯定判定）、第２燃料添加弁７２のみが作動されて、第１燃料添加弁６４からの燃料添加は行われず、第２燃料添加弁７２からの燃料添加が実行されてもよい。または、排気浄化用部材の加熱が必要であると判断されたとき（ステップＳ４０５で肯定判定）、冷間始動時であると判断されたとき（ステップＳ４０１で肯定判定）と同様に、第１燃料添加弁６４および第２燃料添加弁７２の両方が作動されてもよい。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態の排気浄化装置が適用された車両の内燃機関システムの概略図を図５に示す。内燃機関１０Ａの加熱用ガス供給装置６０Ａは、タービン３８よりも上流側の排気ガスをチャンバー６８に導くための構成を備える点で、内燃機関１０の加熱用ガス供給装置６０と相違する。しかし、他の構成は上記第１実施形態における構成と概ね同じである。そこで、以下では、その相違点およびそれに関することを説明する。以下では、既に説明した構成要素と同じ構成要素あるいはそれに対応する構成要素には同一の符号を付して重複説明を省略する。

図５に示される内燃機関１０Ａに備えられた加熱用ガス供給装置６０Ａは、チャンバー６８とタービン３８よりも上流側の排気通路とをつなぐ連通路１１０を備えている。該連通路１１０は連通管１１２によって区画形成されている。連通管１１２の一端は排気マニホールド２８に接続され、連通管１１２の他端はチャンバー形成部材７０に接続されている。特に、連通管１１２のその他端は、チャンバー形成部材７０に対して、グロープラグ６６よりも上流側かつ第１燃料添加弁６４近傍に位置付けられている。連通路１１０の連通状態を調節するように制御弁１１４が設けられていて、その開度はアクチュエータ１１６によって制御される。制御弁１１４の作動を制御する制御弁制御手段としての機能を制御装置７８は有する。

加熱用ガス供給装置６０Ａの第１燃料添加弁６４および第２燃料添加弁７２は上記第１実施形態において説明されたように作動制御されるので、ここでのその説明は省略される。しかし、第１燃料添加弁６４および第２燃料添加弁７２が共に作動されるとき（ステップＳ４０３）、それらの作動タイミングは、ここでは制御弁１１４の開度の制御状態に応じて補正される。なお、第１燃料添加弁６４が作動されるときグロープラグ６６は作動される。

まず、制御弁１１４の制御に関して説明される。制御弁１１４は基本的には閉じた状態に維持される。第１燃料添加弁６４が作動されるとき、制御弁１１４は開かれ得る。第１燃料添加弁６４が作動されるとき（上記ステップ４０３またはステップＳ４０７）、機関負荷に応じて制御弁１１４は開かれたり、閉じられたりする（図６参照）。

第１燃料添加弁６４が作動されるとき（上記ステップ４０３またはステップＳ４０７）、機関負荷が所定負荷未満か否かが判定される（ステップＳ６０１）。この判定は機関負荷が軽負荷か否かの判定に相当する。機関負荷が所定負荷未満のとき（ステップＳ６０１で肯定判定）、制御弁１１４は開かれる（ステップＳ６０３）。これに対して、機関負荷が所定負荷未満でないとき（ステップＳ６０１で否定判定）、制御弁１１４は閉じられる（ステップＳ６０５）。

第１燃料添加弁６４が作動されるときに制御弁１１４が開かれると、連通路１１０を介して排気ガスがチャンバー６８に導かれる。この導入された排気ガスの流れで、チャンバー６８の流体はより強制的に排気通路２６に押し出されるように流れることができる。このとき、第１燃料添加弁６４から添加された燃料はチャンバー６８で排気ガスと混合され、生成した混合気はグロープラグ６６を経てチャンバー６８を出る。したがって、第１燃料添加弁６４から供給された燃料はより適切に燃焼することが可能になる。

また、連通路１１０を介して導かれた排気ガスは、タービン３８を経ていないのでタービン３８を経た排気ガスよりも温度が高い。したがって、連通路１１０を介してチャンバー６８に排気ガスが導かれる場合、そうでない場合に比して、チャンバー６８から排気通路２６に導かれた流体の温度は高い。したがって、第１燃料添加弁６４から添加された燃料および第２燃料添加弁７２から添加された燃料の着火性をより適切に高めることができる。故に、加熱用ガス供給装置６０Ａからより適切に加熱用ガスを排気浄化用部材に供給することができ、排気浄化用部材の暖機または加熱をより促進することができる。なお、機関始動時には機関負荷が軽負荷であるとして制御弁１１４は開かれ得る。それ故、冷間始動時に、より適切に排気浄化用部材を加熱することができる。

また、このように連通路１１０を介して排気ガスがチャンバー６８に導かれる場合、チャンバー６８の流体の流出速度は、制御弁１１４が閉じられているときに比して、速くなり得る。それ故、第１燃料添加弁６４および第２燃料添加弁７２が両方共に作動される場合には、それらの作動タイミングをより適切に同期させるように、それらの作動タイミングは予め実験等に基づいて定められたデータ等に基づいて補正される。補正に際しては、機関負荷が考慮されるとよい。なお、このような補正は行われなくてもよい。

これに対して、第１燃料添加弁６４が作動されるときに制御弁１１４が閉じられても、上記した加熱用ガス供給装置６０のように、加熱用ガス供給装置６０Ａは適切に加熱用ガスを排気浄化用部材に供給することができる。なお、機関負荷が所定負荷未満でないときに制御弁１１４が閉じられるのは、機関負荷が所定負荷未満でないときに、ターボチャージャ４２の過給効果を高めるためである。

以上、上記２つの実施形態では、本発明をディーゼル機関に適用して説明したが、これに限定されず、本発明は、ポート噴射型式のガソリン機関、筒内噴射形式のガソリン機関等の各種の内燃機関に適用可能である。また、用いられる燃料は、軽油やガソリンに限らず、アルコール燃料、ＬＰＧ（液化天然ガス）等でもよい。また、本発明が適用される内燃機関の気筒数などはいくつであってもよい。

また、排気通路に設けられる排気浄化用部材の数、種類、構成および配列順序は、上記実施形態に限定されない。例えば、排気浄化用部材の数は１つでも、２つでも、４つでもよい。例えば、上記第３浄化部材よりも下流側に、酸化触媒といった排気浄化用部材がさらに備えられてもよい。排気浄化用部材として、公知の種々の触媒、フィルタ等が用いられ得る。また、上記酸化促進部材６２は、上記した構成を有する酸化触媒でなくてもよく、別の酸化機能を有する触媒であり得る。

なお、上記２つの実施形態およびその変形例等では本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明はこれらに限定されない。本発明については、特許請求の範囲に記載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。すなわち、本発明には、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、均等物が含まれる。

Claims

ターボチャージャのタービンよりも下流側の排気通路に排気浄化用部材を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記排気浄化用部材に加熱用ガスを供給するための加熱用ガス供給装置であって、前記タービンと前記排気浄化用部材との間の排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒と、該触媒の上流側に位置付けられた燃料添加手段と、前記触媒の上流側に位置付けられた発熱手段とを有する加熱用ガス供給装置を備え、
前記燃料添加手段と前記発熱手段とは、前記タービンと前記触媒との間の排気通路に連通するチャンバーに設けられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記チャンバーの軸線が前記排気通路の軸線に対して直交する平面と３０°以内の角度をなすように、前記チャンバーは前記排気通路に対して設けられてい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。
前記タービンを流れ出た排気ガスの旋回流に沿って前記チャンバーの流体が排気通路に流れるように、前記チャンバーは前記排気通路に対して位置付けられてい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。
前記チャンバーと前記タービンよりも上流側の排気通路とをつなぐ通路をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
第２燃料添加手段が前記タービンまたは該タービンよりも上流側の排気通路にさらに備えられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記燃料添加手段の作動と前記第２燃料添加手段の作動とを制御する制御装置は、前記第２燃料添加手段から添加された燃料を含む排気ガスと前記チャンバーの流体とが前記タービンと前記触媒との間の排気通路で合流するように、前記燃料添加手段の作動タイミングと、前記第２燃料添加手段の作動タイミングとを同期させることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。