排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法
【課題】内燃機関のエンジン回転数が低く燃料圧力が低い場合であっても、高精度の流量調整で排気通路に直接燃料を供給することができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】内燃機関１０の排気通路１６に上流側から順に、筒内燃料噴射用の燃料圧力Ｐｆを用いて排気管内に直接燃料を噴射する第１排気管内直接燃料供給装置１７と排気ガス浄化装置１８を設けた排気ガス浄化システム１において、前記第１排気管内直接燃料供給装置１７よりも供給容量が小さく、筒内燃料噴射用の燃料圧力Ｐｆを使用しない第２排気管内直接燃料供給装置３０を設ける。更に、前記第２排気管内直接燃料供給装置３０を、前記排気通路１６に設けたバイパス通路３１の負圧により、燃料ｆ２を燃料貯留部からバイパス通路３１に吸引して前記バイパス通路３１経由で燃料ｆ２を前記排気ガス浄化装置１８の上流側の前記排気通路１６に供給するように構成する。
【解決手段】内燃機関１０の排気通路１６に上流側から順に、筒内燃料噴射用の燃料圧力Ｐｆを用いて排気管内に直接燃料を噴射する第１排気管内直接燃料供給装置１７と排気ガス浄化装置１８を設けた排気ガス浄化システム１において、前記第１排気管内直接燃料供給装置１７よりも供給容量が小さく、筒内燃料噴射用の燃料圧力Ｐｆを使用しない第２排気管内直接燃料供給装置３０を設ける。更に、前記第２排気管内直接燃料供給装置３０を、前記排気通路１６に設けたバイパス通路３１の負圧により、燃料ｆ２を燃料貯留部からバイパス通路３１に吸引して前記バイパス通路３１経由で燃料ｆ２を前記排気ガス浄化装置１８の上流側の前記排気通路１６に供給するように構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等の排気ガス浄化装置に対して排気管内への燃料直接噴射を行う排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスを浄化するための装置の一つに、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化のためのＮＯｘ浄化触媒装置がある。このＮＯｘ浄化触媒装置の一つに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持して、酸素過剰な排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化して硝酸塩として触媒上に吸着させて、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持した装置がある。
【０００３】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスが酸素過剰なリーン空燃比状態では、ＮＯｘを吸蔵し、酸素濃度が低いか、空気過剰率が１より小さいリッチ空燃比状態では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを還元雰囲気中で還元して、ＮＯｘを低減する。
【０００４】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、ディーゼルエンジンの通常運転のようなリーン空燃比状態が継続すると、ＮＯｘ吸蔵材であるアルカリ金属又はアルカリ土類金属の殆どが硝酸塩に変化し、触媒上に吸着させた硝酸塩の量が一定量を超えるとＮＯｘ吸蔵機能を失い、ＮＯｘ浄化性能が低下する。そこで、ＮＯｘ浄化性能を維持するために、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に達する前に、酸素濃度に対して燃料由来の還元ガス濃度を増加して排気ガス中の酸素濃度を下げて、一時的に空気過剰率λが１以下のリッチ空燃比状態になるようにして、ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘを放出させる再生処理を行っている。この再生処理は、一定の時間間隔で行ったり、ＮＯｘ吸蔵量の蓄積量を監視して、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近づいたときに行ったりしている。
【０００５】
また、内燃機関の燃料中に硫黄成分が含まれているため、この硫黄成分が硫酸塩として触媒上に吸着されるために、ＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ吸蔵能力が低下するという硫黄被毒の問題がある。この硫黄被毒からＮＯｘ吸蔵材を再生するために、触媒を７００℃程度まで昇温させて、この温度に維持しながら排気ガス中に含まれる燃料量に対して酸素が不足する状態を作ってＮＯｘ吸蔵材の脱硫処理を行っている。
【０００６】
これらの再生処理や脱硫処理のための制御では、触媒温度を適正な温度に維持しながら、排気ガス中に含まれる燃料量に対して排気ガス中の酸素が不足する状態を作る必要がある。一定濃度の酸素(吸入空気)が供給されている状態で燃料供給量を増加すると酸素が不足する状態（リッチ空燃比状態）になるが、この状態が継続すると燃料の酸化反応速度が低下し、時間当たりの発熱量が減少し、触媒温度が低下する。そのため、周期的に燃料供給量を減少して排気ガス中の酸素濃度を増加する制御が必要となる。
【０００７】
これらの再生処理や脱硫処理のための制御では、エンジンの出力を低下させない程度に、シリンダ内への流入空気量を減らして酸素濃度を下げる吸気制御に加えて、排気ガスの一部を再び燃焼室内に戻すＥＧＲ（排気再循環）制御を行っている。また、更に、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度を更に下げる必要がある場合には、エンジンのシリンダ内燃料噴射制御において、ピストンの膨張行程において燃料を添加するポスト噴射制御や、ＮＯｘ浄化触媒の上流側の排気通路に燃料を直接噴射して、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする排気管内直接燃料噴射制御等を行っている。
【０００８】
また、排気ガス中のＰＭ（微粒子状物質）を捕集するパティキュレートフィルタの再生処理に際して、パティキュレートフィルタの床温が第１の温度以上である場合に、燃焼室中燃料添加手段を用い、排気通路温度が第２の温度以上で、かつ、パティキュレート床温が第３の温度以上ならば、排気通路中燃料添加手段を用いる内燃機関の排気浄化装置及び方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
これに関連して、触媒再生型のパティキュレートフィルタの再生に際して、燃料インジェクタからの燃料噴射を加熱して蒸発燃料にすると共に、この混合気を排気管内に送り込む途中で着火し、得られる燃焼ガスをパティキュレートフィルタの上流側に供給する排気ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
これらの排気管内直接燃料噴射では、液体である軽油燃料を微小な液滴となるように噴霧化し、短い時間内で蒸発及び気化させるために、高圧で燃料を噴射できる燃料噴射弁（インジェクタ）を使用している。この燃料噴射弁においては、触媒の温度維持や燃料と酸素との割合を制御の目標値通りに制御するためには、高精度の噴射量制御が求められる。
【００１１】
しかしながら、内燃機関の筒内（シリンダ内）への燃料供給用の燃料供給ポンプで昇圧した燃料を使用した燃料噴射弁を用いる場合いは次のような問題がある。つまり、排気通路に直接燃料を供給する場合に、燃料圧力が、燃料供給ポンプの回転数に関係するエンジン回転数によって変化するため、エンジン回転数が低かったり、大きく変動していたりすると燃料圧力が設定圧力とならない。
【００１２】
つまり、排気ガス浄化システムを搭載した車両を使用し走行している場合には、エンジン回転数は常に一定速度とは限らず、変動する場合がある。エンジン回転数が、変速機のギアシフトの過程で、例えば、１２００ｒｐｍから２０００ｒｐｍへ急激に変化するような場合に、燃料圧力はエンジンの回転数に比例して増加及び減少するので、何らかの手段を設けなければ燃料圧力が変動してしまう。燃料を噴射する時間が短ければ（例えば、１秒）この問題はかなり減らすことができるが、パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）に捕集された微粒子状物質（ＰＭ）の燃焼除去処理やＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ触媒）に吸着した硫黄を除去する脱硫処理では、数秒から数百秒にわたって連続して燃料を排気管内に噴射する場合があるので、このような場合では噴射中に回転数が変動してしまう可能性は高く、噴射中の燃料圧力が定まらない。
【００１３】
そして、燃料圧力が設定圧力より低い状態で燃料を噴射する場合には、燃料の噴射量が必要量（制御目標量）よりも少なくなり、排気ガスの温度や触媒の温度が上昇し難くなる。逆に、燃料圧力が設定圧力より高い状態で燃料を噴射する場合には、燃料の噴射量が必要量よりも多くなり過ぎて、排気ガスの温度が上昇し過ぎたり、白煙が発生し易くなったりする。
【特許文献１】特開２００３−１４８１３２公報
【特許文献２】特開２００５−６１２４９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のエンジン回転数が低く燃料圧力が低い場合であっても、高精度の流量調整で排気通路に直接燃料を供給することができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に上流側から順に、筒内燃料噴射用の燃料圧力を用いて排気管内に直接燃料を噴射する第１排気管内直接燃料供給装置と排気ガス浄化装置を設けた排気ガス浄化システムにおいて、前記第１排気管内直接燃料供給装置よりも供給容量が小さく、筒内燃料噴射用の燃料圧力を使用しない第２排気管内直接燃料供給装置を設けて構成する。
【００１６】
この構成により、燃料圧力が設定圧力に達しない低エンジン回転数領域では、エンジン回転数に依存する燃料圧力によらず、小容量の第２排気管内直接燃料供給装置により正確な供給量で排気管内への微少量の燃料供給を行うことができる。また、燃料圧力が設定圧力に達し、設定圧力になっている高エンジン回転数領域では第２排気管内直接燃料供給装置により設定圧力で正確な供給量で排気管内への直接燃料供給を行うことができる。
【００１７】
上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記第２排気管内直接燃料供給装置を、前記排気通路に設けたバイパス通路の負圧により、燃料を燃料貯留部から前記バイパス通路に吸引して前記バイパス通路経由で前記排気ガス浄化装置の上流側の前記排気通路に供給するように構成する。この構成によれば、第２排気管内直接燃料供給装置では、燃料を吸引するので微少量の燃料供給が可能となる。
【００１８】
上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記バイパス通路の前記排気通路からの分岐部位よりも下流の前記排気通路に絞り部を設けると共に、前記排気通路の前記バイパス通路との合流部位に排気絞り弁を設ける。この構成によれば、排気絞り弁の絞りにより、バイパス通路を負圧にして、第２排気管内直接燃料供給装置により微少量の燃料を吸引できる。
【００１９】
上記の排気ガス浄化システムにおいて、更に、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給量を調整するために、前記バイパス通路に排気ガス量調整装置を設けて構成する。この構成によれば、排気ガス量調整装置により燃料供給量の微小量調整ができる。
【００２０】
あるいは、上記の排気ガス浄化システムにおいて、更に、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給量を調整するために、前記バイパス通路から前記合流部位よりも下流側で前記排気通路に合流する排気ガス量調整用通路を設けると共に、該排気ガス量調整通路に排気ガス量調整装置を設けて構成する。この構成によれば、排気ガス量調整装置により燃料供給量の微小量調整ができる。
【００２１】
また、上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化方法は、上記の排気ガス浄化システムにおいて、エンジン回転数が予め設定したエンジン回転数閾値以下の場合は、前記第２排気管内直接燃料供給装置から燃料を排気通路内に供給し、エンジン回転数が前記エンジン回転数閾値より大きい場合は、前記第１排気管内直接燃料供給装置から燃料を前記排気通路内に供給することを特徴とする方法である。
【００２２】
このエンジン回転数閾値は、エンジン回転数がこのエンジン回転数閾値以下では、燃料圧力が設定圧力よりも低く、エンジン回転数によって変化し、エンジン回転数がこのエンジン回転数閾値より大きいと、燃料供給ポンプによる燃料圧力が設定圧力以上になって安定するエンジン回転数である。
【００２３】
この方法により、燃料圧力が設定圧力に達しない低エンジン回転数領域では、エンジン回転数に依存する燃料圧力によらず、小容量の第２排気管内直接燃料供給装置により正確な供給量で微少量の燃料供給を行うことができる。また、燃料圧力が設定圧力に達し、設定圧力になっている高エンジン回転数領域では第２排気管内直接燃料供給装置により設定圧力で正確な供給量で燃料供給を行うことができる。
【００２４】
上記の排気ガス浄化方法において、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給は、前記排気絞り弁を絞ることにより、前記バイパス通路に負圧を発生させて行う。この方法によれば、第２排気管内直接燃料供給装置では、発生した負圧により燃料を吸引するので微少量の燃料供給が可能となる。
【００２５】
上記の排気ガス浄化方法において、エンジン回転数が予め設定したエンジン回転数領域内において、前記第１排気管内直接燃料供給装置と前記第２排気管内直接燃料供給装置の両方から燃料供給を行う。この方法によれば、エンジン回転数が予め設定したエンジン回転数領域内にあって燃料圧力が比較的安定している場合に、基本的な燃料供給量を第１排気管内直接噴射装置で噴射し、供給量の微調整を第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給の調整で行うことができるので、高精度で燃料供給できるようになる。
【００２６】
また、上記の排気ガス浄化方法において、更に、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給量を調整するために、前記バイパス通路に排気ガス量調整装置を設けるか、あるいは、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給量を調整するために、前記バイパス通路から前記合流部位よりも下流側で前記排気通路に合流する排気ガス量調整用通路を設けると共に、該排気ガス量調整通路に排気ガス量調整装置を設けて構成した場合には、前記バイパス通路を通過する排気ガス量を調整することにより、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの供給される燃料量を調整する。この方法によれば、排気ガス量調整装置により燃料供給量の微小量調整ができる。
【００２７】
また、エンジン始動時や低出力運転等の排気低温時に、触媒の活性温度域に短い時間で昇温できるよう触媒の加熱に必要な燃料を排気管内直接燃料噴射によって供給する場合に、触媒温度の変化に対応させて、燃料供給量と燃焼に必要な空気量を高精度の流量調整で制御しながら供給することにより、排気ガス浄化装置の下流側への未燃燃料（ＨＣ）の排出を抑制することができる。
【００２８】
また、排気ガス温度が低下することを内燃機関のシリンダに供給される燃料量とエンジン回転数から検知して、排気ガス浄化装置の上流側に供給する燃料と空気量（酸素量）を高精度で制御することにより、触媒温度が活性温度域よりも低温側へ外れることを抑制できる。
【００２９】
また、硫黄被毒からの回復のための脱硫処理（硫黄脱離処理）においては、排気ガス浄化装置の触媒に流入する排気ガス中に、燃料と空気を高精度の流量調整で供給して燃料を燃焼させることにより、燃費の悪化を防止しつつ、触媒を高温に加熱し、脱硫可能な温度（７００℃付近）の還元雰囲気に保つことができるようになる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、内燃機関のエンジン回転数が低い場合であっても、高精度の流量調整で排気通路に直接燃料を供給することができる。つまり、燃料噴射弁における燃料噴射圧力がエンジン回転数に依存して変化するようなエンジンの運転領域であっても、排気ガス流量に応じた燃料噴射量の高精度な流量調整制御を可能とすることができる。また、燃料噴射圧によらずに、燃料の微粒化と排気ガスとの混合が可能となる。
【００３１】
更に、燃料を高精度で供給することで、排気ガス流量の増加を抑制することができ、排気管内直接燃料供給装置よりも下流側に配置した排気ガス浄化装置から排気ガスへの放熱を抑制できる。従って、エンジン回転数が不安定な過渡運転時の排気ガス浄化装置の保温性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）１０の排気通路１６に上流側から順に、筒内燃料噴射用の燃料圧力Ｐｆを用いて排気管（排気通路）１６内に直接燃料ｆ１を噴射する第１排気管内直接燃料供給装置１７と排気ガス浄化装置１８を備えて構成される。
【００３３】
この排気ガス浄化システム１のエンジン１０は、吸気マニホールド１０ａに接続される吸気通路１１に吸入吸気量センサ１２（ＭＡＦセンサ）とターボチャージャ１３のコンプレッサ１３ａとインタークーラ１４と吸気弁（インテークスロットル）１５を備えている。また、排気マニホールド１０ｂに接続される排気通路１６に、ターボチャージャ１３のタービン１３ｂと、燃料を排気通路１６内に直接噴射するための第１排気管内直接燃料供給装置１７と排気ガス浄化装置１８を備えている。この第１排気管内直接燃料供給装置１７は筒内燃料噴射用の燃料圧力Ｐｆを使用する燃料噴射弁で構成される。更に、排気マニホールド１０ｂと吸気マニホールド１０ａを接続するＥＧＲ通路１９には、ＥＧＲクーラー２０とＥＧＲ弁２１を備えている。
【００３４】
排気ガス浄化装置１８は、図１の構成では、酸化触媒装置（ＤＯＣ）１８ａ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置（ＬＮＴ）１８ｂ、触媒付きフィルタ装置（ＣＳＦ）１８ｃで構成されている。
【００３５】
酸化触媒装置１８ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成される。この酸化触媒は、排気ガス中のＨＣやＣＯを酸化して排気ガスを浄化する役割と、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生の際や触媒付フィルタ１８ｃのＰＭ再生の際に、排気通路１６内に供給される燃料の一部を酸化して排気ガスＧの温度を昇温する役割とを持っている。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂは、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持して形成され、酸素過剰な排気ガス中のＮＯを酸化して硝酸塩として触媒上に吸着させて、ＮＯｘを浄化する。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスがリーン空燃比では、ＮＯｘを吸蔵し、リッチ空燃比では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを還元雰囲気中で還元して、ＮＯｘを低減する。このＮＯｘ放出のリッチ空燃比制御では、排気通路１６内に燃料を直接供給する。
【００３６】
触媒付フィルタ装置１８ｃは、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を備えた触媒付きＤＰＦで構成される。この触媒付きＤＰＦは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。
【００３７】
この触媒付きＤＰＦにより、排気ガス中のＰＭは、多孔質のセラミックの壁で捕集される。このＰＭの捕集量が増加した場合には、排気通路１６内に燃料を噴射して、この燃料を酸化触媒により酸化して排気ガスの温度を高めて、この高温の排気ガスにより触媒付きＤＰＦをＰＭの燃焼開始温度まで上昇させて、捕集されたＰＭを強制的に燃焼除去して、触媒付きＤＰＦのＰＭ再生を行う。
【００３８】
更に、排気ガスＧの温度を測定するために、排気ガス浄化装置１８の入口に第１温度センサ２２が、排気ガス浄化装置１８の出口に第２温度センサ２３とλ（空気過剰率）センサ２４が配設される。
【００３９】
これらのセンサ２２、２３、２４等の測定値とエンジン１０の運転制御に必要なデータを入力してエンジン１０の運転状態と排気ガス浄化システム１の排気ガス浄化制御や再生制御を行う制御装置（図示しない）が設けられている。この制御装置はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置であり、エンジン１０からのデータと吸入空気量センサ１２等の検出値に基づいて、吸気弁１５、第１排気管内直接燃料供給装置１７、ＥＧＲ弁２２等や後述する第２排気管内直接燃料供給装置３０や排気絞り弁１６ｂを制御する。
【００４０】
そして、本発明においては、更に、第１排気管内直接燃料供給装置１７よりも供給容量が小さく、筒内燃料噴射用の燃料圧力を使用しない第２排気管内直接燃料供給装置３０を設けて構成する。図２に示すように、この第２排気管内直接燃料供給装置３０は、排気通路１６に設けたバイパス通路３１が負圧にすることにより、燃料ｆ２を燃料貯留部３２から吸引して、バイパス通路３１経由で排気ガス浄化装置１８の上流側の排気通路１６に供給するように構成される。この第２排気管内直接燃料供給装置３０では、燃料ｆ２を吸引により排気通路１６に供給するので微少量での高精度の流量調整が可能となる。
【００４１】
また、バイパス通路３１の排気通路１６からの分岐部位３３よりも下流の排気通路１６に絞り部１６ａを設ける。それと共に、バイパス通路３１の排気通路１６への合流部位３４に排気絞り弁１６ｂを設ける。この排気絞り弁１６ｂの絞りにより、バイパス通路３１を負圧にして、微少量の燃料ｆ２を吸引する。つまり、排気ガスＧを絞った場所で排気ガスＧの流速が上昇して圧力が低下する現象を利用して、バイパス通路３１に燃料貯留部３２に対して負圧を発生させて微少量の燃料ｆ２を吸引して排気通路１６に供給する。この排気絞り弁１６ｂの弁開度の調整により、吸引する燃料ｆ２の流量を調整することができる。
【００４２】
更に、第２排気管内直接燃料供給装置３０からの燃料供給量を調整するために、バイパス通路３１から合流部位３４よりも下流側で排気通路１６に合流する排気ガス量調整用通路（排気管噴射用燃料バイパスポート部）３５を設けると共に、排気ガス量調整通路３５に出入可能な調整コーン等で形成される排気ガス量調整装置３６を設ける。この排気ガス量調整装置３６により、例えば、調整コーンの挿入量を調整することにより、燃料供給量の微小量調整ができるようになる。これにより、必要な燃料以上の燃料ｆ２が排気ガス中に供給されることを防止する。なお、排気ガス量調整用通路２３を設けずに、バイパス通路３１に排気ガス量調整装置を設けてもよく、この場合には、燃料供給量を完全にゼロにすることもできるようになる。
【００４３】
次に、上記の排気ガス浄化システム１における排気ガス浄化方法について説明する。この排気ガス浄化方法は、上記の排気ガス浄化システム１において、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数閾値Ｎｓ以下の場合は、第２排気管内直接燃料供給装置３０から燃料ｆ２を排気通路１６内に供給し、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数閾値Ｎｓより大きい場合は、第１排気管内直接燃料供給装置１７から燃料ｆ１を排気通路１６内に供給する。
【００４４】
図３に示すように、このエンジン回転数閾値Ｎｓは、エンジン回転数Ｎｅがこのエンジン回転数閾値Ｎｓ以下では、燃料圧力Ｐｆが設定圧力Ｐｆｓよりも低く、エンジン回転数Ｎｅによって変化する。また、エンジン回転数Ｎｅがこのエンジン回転数閾値Ｎｓより大きいと、燃料供給ポンプによる燃料圧力Ｐｆが設定圧力Ｐｆｓ以上になって安定するエンジン回転数である。
【００４５】
また、上記の制御は、例えば、図４及び図５に示すような制御フローに基づいて行うことができる、これらの制御フローは排気管内へ直接、燃料を供給する要求が生じた場合に呼ばれる制御フローであり、この要求が終了するまで、上級の制御フローに呼ばれて繰り返し実行される。
【００４６】
図４の制御フローは、排気管内への燃料噴射を行うか否かを判断するものであり、排気ガス温度Ｇの温度Ｔｇが低い場合には排気管内に燃料を供給しても、燃料が排気ガス浄化装置１８の酸化触媒ユニット１８ａに到達しても、触媒酸化反応が起こらず、供給した燃料は未燃状態で排気ガス浄化装置１８の下流側に流出するので、これを防止するために、酸化触媒ユニット１８ａでの酸化反応が可能となる排気ガス温度になってから燃料を供給するための制御フローである。
【００４７】
図４の制御フローがスタートすると、排気ガスＧの温度Ｔｇが予め設定した温度閾値Ｔｇ１（例えば、２５０℃）以下の間は（Ｓ１２のＮＯ）、排気絞り弁１６ｂの作動を停止し（Ｓ１４）、排気ガスＧの温度Ｔｇが温度閾値Ｔｇ１よりも高くなってから（Ｓ１２のＹＥＳ）、排気絞り弁１６ｂの作動を開始する（Ｓ１３）制御フローである。この制御により、排気ガスＧの温度が高くなるまで、排気絞り弁１６ｂの絞り、及び、この絞りによる第２排気管内直接燃料供給装置３０からの燃料ｆ２の排気通路１６内への供給を停止する。
【００４８】
図５の制御フローは、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数閾値Ｎｓ以下の場合は（Ｓ２２のＮＯ）、排気絞り弁１６ｂの動作を維持しつつ（Ｓ２４）、第２排気管内直接燃料供給装置３０のみから燃料ｆ２を排気通路１６内に供給し（Ｓ２５）、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数閾値Ｎｓより高い場合は（Ｓ２２のＹＥＳ）、第１排気管内直接燃料供給装置１７からのみ燃料ｆ１を排気通路１６内に供給する（Ｓ２３）。
【００４９】
この方法により、燃料圧力Ｐｆが設定圧力Ｐｆｓに達しない低エンジン回転数領域（Ｎｅ≦Ｎｓ）では、エンジン回転数Ｎｅに依存する燃料圧力Ｐｆによらず、小容量の第２排気管内直接燃料供給装置３０により正確な供給量で微少量の燃料供給を行うことができる。また、燃料圧力Ｐｆが設定圧力Ｐｆｓとなっている高エンジン回転数領域（Ｎｅ＞Ｎｓ）では第２排気管内直接燃料供給装置１７により設定圧力Ｐｆｓで正確な供給量で燃料供給を行うことができる。
【００５０】
また、第２排気管内直接燃料供給装置３０からの燃料供給は、排気絞り弁１６ｂを絞ることにより、バイパス通路３１を通過する排気ガスＧ１の流速を増加して、バイパス通路３１に負圧を発生させて行う。この方法によれば、第２排気管内直接燃料供給装置３０では、発生した負圧により燃料ｆ２を吸引するので微少量の燃料供給が可能となる。また、排気絞り弁１６ｂの弁開度の調整により、吸引する燃料ｆ２の流量を調整することができる。
【００５１】
また、排気ガス量調整装置３６でバイパス通路３１を通過する排気ガスＧ１の流量を調整することにより、第２排気管内直接燃料供給装置３０から供給される燃料ｆ２の流量を調整する。この排気ガス量調整装置３６により燃料供給量の微小量調整ができる。
【００５２】
また、通常は、第１排気管内直接燃料供給装置１７と第２排気管内直接燃料供給装置３０のどちらか一方のみで排気管内に燃料を供給するが、同時に両方を使用するように構成してもよい。この場合は、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数領域内において、第１排気管内直接燃料供給装置１７と第２排気管内直接燃料供給装置３０の両方から燃料供給を行うように構成する。これによれば、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数領域内にあって燃料圧力が比較的安定している場合に、基本的な燃料供給量を第１排気管内直接噴射装置１７で供給し、供給量の微調整を第２排気管内直接燃料供給装置３０からの燃料供給の調整で行うことができるので、高精度で燃料供給射できるようになる。
【００５３】
あるいは、燃料供給量の目標量が予め設定した供給量範囲内において、第１排気管内直接燃料供給装置１７と第２排気管内直接燃料供給装置３０の両方から燃料供給を行うように構成する。これによれば、第２排気管内直接燃料供給装置３０だけでは供給量が足りないような場合量であっても両方から燃料供給できるので、高精度で燃料供給射できるようになる。
【００５４】
上記の排気ガス浄化システム１及び排気ガス浄化方法によれば、エンジン１０のエンジン回転数Ｎｅが低い場合であっても、高精度の流量調整で排気通路１６に直接燃料を供給することができる。つまり、第１排気管内直接燃料噴射装置１７の燃料噴射弁における燃料噴射圧力Ｐｆがエンジン回転数Ｎｅに依存して変化するようなエンジン１０の運転領域であっても、燃料噴射圧力Ｐｆによらずに、排気ガスＧの流量に応じた燃料噴射量の高精度な流量調整制御を可能とすることができ、燃料ｆ２の微粒化と排気ガスＧとの混合が可能となる。
【００５５】
更に、燃料ｆ１、ｆ２を高精度で供給することで、必要な燃料以上の燃料が排気ガス中に供給されることを防止して、排気ガスＧの流量の増加を抑制することができ、燃料直接供給装置１７，３０よりも下流側に配置した排気ガス浄化装置１８から排気ガスＧへの放熱を抑制できる。従って、エンジン回転数Ｎｅが不安定な過渡運転時の排気ガス浄化装置１８の保温性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】第１排気管内直接燃料供給装置と第２排気管内直接燃料供給装置の構成を示す図である。
【図３】エンジン回転数と燃料圧力との関係を示す図である。
【図４】排気絞り弁の制御フローの一例を示す図である。
【図５】排気管内への直接燃料供給の制御フローの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 排気ガス浄化システム
１０ エンジン（内燃機関）
１１ 吸気通路
１６ 排気通路
１６ａ 絞り部
１６ｂ 排気絞り弁
１７ 第１排気管内直接燃料供給装置
１８ 排気ガス浄化装置
３０ 第２排気管内直接燃料供給装置
３１ バイパス通路
３２ 燃料貯留部
３３ 分岐部位
３４ 合流部位
３５ 排気ガス量調整用通路
３６ 排気ガス量調整装置
ｆ１、ｆ２ 燃料
Ｇ 排気ガス
Ｇ１ バイパス通路の排気ガス
Ｎｅ エンジン回転数
Ｎｓ 予め設定したエンジン回転数閾値
Ｐｆ 燃料圧力
Ｐｆｓ 設定圧力
Ｔｇ 排気ガスの温度
Ｔｇ１ 温度閾値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等の排気ガス浄化装置に対して排気管内への燃料直接噴射を行う排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスを浄化するための装置の一つに、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化のためのＮＯｘ浄化触媒装置がある。このＮＯｘ浄化触媒装置の一つに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持して、酸素過剰な排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化して硝酸塩として触媒上に吸着させて、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持した装置がある。
【０００３】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスが酸素過剰なリーン空燃比状態では、ＮＯｘを吸蔵し、酸素濃度が低いか、空気過剰率が１より小さいリッチ空燃比状態では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを還元雰囲気中で還元して、ＮＯｘを低減する。
【０００４】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、ディーゼルエンジンの通常運転のようなリーン空燃比状態が継続すると、ＮＯｘ吸蔵材であるアルカリ金属又はアルカリ土類金属の殆どが硝酸塩に変化し、触媒上に吸着させた硝酸塩の量が一定量を超えるとＮＯｘ吸蔵機能を失い、ＮＯｘ浄化性能が低下する。そこで、ＮＯｘ浄化性能を維持するために、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に達する前に、酸素濃度に対して燃料由来の還元ガス濃度を増加して排気ガス中の酸素濃度を下げて、一時的に空気過剰率λが１以下のリッチ空燃比状態になるようにして、ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘを放出させる再生処理を行っている。この再生処理は、一定の時間間隔で行ったり、ＮＯｘ吸蔵量の蓄積量を監視して、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近づいたときに行ったりしている。
【０００５】
また、内燃機関の燃料中に硫黄成分が含まれているため、この硫黄成分が硫酸塩として触媒上に吸着されるために、ＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ吸蔵能力が低下するという硫黄被毒の問題がある。この硫黄被毒からＮＯｘ吸蔵材を再生するために、触媒を７００℃程度まで昇温させて、この温度に維持しながら排気ガス中に含まれる燃料量に対して酸素が不足する状態を作ってＮＯｘ吸蔵材の脱硫処理を行っている。
【０００６】
これらの再生処理や脱硫処理のための制御では、触媒温度を適正な温度に維持しながら、排気ガス中に含まれる燃料量に対して排気ガス中の酸素が不足する状態を作る必要がある。一定濃度の酸素(吸入空気)が供給されている状態で燃料供給量を増加すると酸素が不足する状態（リッチ空燃比状態）になるが、この状態が継続すると燃料の酸化反応速度が低下し、時間当たりの発熱量が減少し、触媒温度が低下する。そのため、周期的に燃料供給量を減少して排気ガス中の酸素濃度を増加する制御が必要となる。
【０００７】
これらの再生処理や脱硫処理のための制御では、エンジンの出力を低下させない程度に、シリンダ内への流入空気量を減らして酸素濃度を下げる吸気制御に加えて、排気ガスの一部を再び燃焼室内に戻すＥＧＲ（排気再循環）制御を行っている。また、更に、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度を更に下げる必要がある場合には、エンジンのシリンダ内燃料噴射制御において、ピストンの膨張行程において燃料を添加するポスト噴射制御や、ＮＯｘ浄化触媒の上流側の排気通路に燃料を直接噴射して、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする排気管内直接燃料噴射制御等を行っている。
【０００８】
また、排気ガス中のＰＭ（微粒子状物質）を捕集するパティキュレートフィルタの再生処理に際して、パティキュレートフィルタの床温が第１の温度以上である場合に、燃焼室中燃料添加手段を用い、排気通路温度が第２の温度以上で、かつ、パティキュレート床温が第３の温度以上ならば、排気通路中燃料添加手段を用いる内燃機関の排気浄化装置及び方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
これに関連して、触媒再生型のパティキュレートフィルタの再生に際して、燃料インジェクタからの燃料噴射を加熱して蒸発燃料にすると共に、この混合気を排気管内に送り込む途中で着火し、得られる燃焼ガスをパティキュレートフィルタの上流側に供給する排気ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
これらの排気管内直接燃料噴射では、液体である軽油燃料を微小な液滴となるように噴霧化し、短い時間内で蒸発及び気化させるために、高圧で燃料を噴射できる燃料噴射弁（インジェクタ）を使用している。この燃料噴射弁においては、触媒の温度維持や燃料と酸素との割合を制御の目標値通りに制御するためには、高精度の噴射量制御が求められる。
【００１１】
しかしながら、内燃機関の筒内（シリンダ内）への燃料供給用の燃料供給ポンプで昇圧した燃料を使用した燃料噴射弁を用いる場合いは次のような問題がある。つまり、排気通路に直接燃料を供給する場合に、燃料圧力が、燃料供給ポンプの回転数に関係するエンジン回転数によって変化するため、エンジン回転数が低かったり、大きく変動していたりすると燃料圧力が設定圧力とならない。
【００１２】
つまり、排気ガス浄化システムを搭載した車両を使用し走行している場合には、エンジン回転数は常に一定速度とは限らず、変動する場合がある。エンジン回転数が、変速機のギアシフトの過程で、例えば、１２００ｒｐｍから２０００ｒｐｍへ急激に変化するような場合に、燃料圧力はエンジンの回転数に比例して増加及び減少するので、何らかの手段を設けなければ燃料圧力が変動してしまう。燃料を噴射する時間が短ければ（例えば、１秒）この問題はかなり減らすことができるが、パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）に捕集された微粒子状物質（ＰＭ）の燃焼除去処理やＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ触媒）に吸着した硫黄を除去する脱硫処理では、数秒から数百秒にわたって連続して燃料を排気管内に噴射する場合があるので、このような場合では噴射中に回転数が変動してしまう可能性は高く、噴射中の燃料圧力が定まらない。
【００１３】
そして、燃料圧力が設定圧力より低い状態で燃料を噴射する場合には、燃料の噴射量が必要量（制御目標量）よりも少なくなり、排気ガスの温度や触媒の温度が上昇し難くなる。逆に、燃料圧力が設定圧力より高い状態で燃料を噴射する場合には、燃料の噴射量が必要量よりも多くなり過ぎて、排気ガスの温度が上昇し過ぎたり、白煙が発生し易くなったりする。
【特許文献１】特開２００３−１４８１３２公報
【特許文献２】特開２００５−６１２４９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のエンジン回転数が低く燃料圧力が低い場合であっても、高精度の流量調整で排気通路に直接燃料を供給することができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に上流側から順に、筒内燃料噴射用の燃料圧力を用いて排気管内に直接燃料を噴射する第１排気管内直接燃料供給装置と排気ガス浄化装置を設けた排気ガス浄化システムにおいて、前記第１排気管内直接燃料供給装置よりも供給容量が小さく、筒内燃料噴射用の燃料圧力を使用しない第２排気管内直接燃料供給装置を設けて構成する。
【００１６】
この構成により、燃料圧力が設定圧力に達しない低エンジン回転数領域では、エンジン回転数に依存する燃料圧力によらず、小容量の第２排気管内直接燃料供給装置により正確な供給量で排気管内への微少量の燃料供給を行うことができる。また、燃料圧力が設定圧力に達し、設定圧力になっている高エンジン回転数領域では第２排気管内直接燃料供給装置により設定圧力で正確な供給量で排気管内への直接燃料供給を行うことができる。
【００１７】
上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記第２排気管内直接燃料供給装置を、前記排気通路に設けたバイパス通路の負圧により、燃料を燃料貯留部から前記バイパス通路に吸引して前記バイパス通路経由で前記排気ガス浄化装置の上流側の前記排気通路に供給するように構成する。この構成によれば、第２排気管内直接燃料供給装置では、燃料を吸引するので微少量の燃料供給が可能となる。
【００１８】
上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記バイパス通路の前記排気通路からの分岐部位よりも下流の前記排気通路に絞り部を設けると共に、前記排気通路の前記バイパス通路との合流部位に排気絞り弁を設ける。この構成によれば、排気絞り弁の絞りにより、バイパス通路を負圧にして、第２排気管内直接燃料供給装置により微少量の燃料を吸引できる。
【００１９】
上記の排気ガス浄化システムにおいて、更に、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給量を調整するために、前記バイパス通路に排気ガス量調整装置を設けて構成する。この構成によれば、排気ガス量調整装置により燃料供給量の微小量調整ができる。
【００２０】
あるいは、上記の排気ガス浄化システムにおいて、更に、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給量を調整するために、前記バイパス通路から前記合流部位よりも下流側で前記排気通路に合流する排気ガス量調整用通路を設けると共に、該排気ガス量調整通路に排気ガス量調整装置を設けて構成する。この構成によれば、排気ガス量調整装置により燃料供給量の微小量調整ができる。
【００２１】
また、上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化方法は、上記の排気ガス浄化システムにおいて、エンジン回転数が予め設定したエンジン回転数閾値以下の場合は、前記第２排気管内直接燃料供給装置から燃料を排気通路内に供給し、エンジン回転数が前記エンジン回転数閾値より大きい場合は、前記第１排気管内直接燃料供給装置から燃料を前記排気通路内に供給することを特徴とする方法である。
【００２２】
このエンジン回転数閾値は、エンジン回転数がこのエンジン回転数閾値以下では、燃料圧力が設定圧力よりも低く、エンジン回転数によって変化し、エンジン回転数がこのエンジン回転数閾値より大きいと、燃料供給ポンプによる燃料圧力が設定圧力以上になって安定するエンジン回転数である。
【００２３】
この方法により、燃料圧力が設定圧力に達しない低エンジン回転数領域では、エンジン回転数に依存する燃料圧力によらず、小容量の第２排気管内直接燃料供給装置により正確な供給量で微少量の燃料供給を行うことができる。また、燃料圧力が設定圧力に達し、設定圧力になっている高エンジン回転数領域では第２排気管内直接燃料供給装置により設定圧力で正確な供給量で燃料供給を行うことができる。
【００２４】
上記の排気ガス浄化方法において、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給は、前記排気絞り弁を絞ることにより、前記バイパス通路に負圧を発生させて行う。この方法によれば、第２排気管内直接燃料供給装置では、発生した負圧により燃料を吸引するので微少量の燃料供給が可能となる。
【００２５】
上記の排気ガス浄化方法において、エンジン回転数が予め設定したエンジン回転数領域内において、前記第１排気管内直接燃料供給装置と前記第２排気管内直接燃料供給装置の両方から燃料供給を行う。この方法によれば、エンジン回転数が予め設定したエンジン回転数領域内にあって燃料圧力が比較的安定している場合に、基本的な燃料供給量を第１排気管内直接噴射装置で噴射し、供給量の微調整を第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給の調整で行うことができるので、高精度で燃料供給できるようになる。
【００２６】
また、上記の排気ガス浄化方法において、更に、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給量を調整するために、前記バイパス通路に排気ガス量調整装置を設けるか、あるいは、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給量を調整するために、前記バイパス通路から前記合流部位よりも下流側で前記排気通路に合流する排気ガス量調整用通路を設けると共に、該排気ガス量調整通路に排気ガス量調整装置を設けて構成した場合には、前記バイパス通路を通過する排気ガス量を調整することにより、前記第２排気管内直接燃料供給装置からの供給される燃料量を調整する。この方法によれば、排気ガス量調整装置により燃料供給量の微小量調整ができる。
【００２７】
また、エンジン始動時や低出力運転等の排気低温時に、触媒の活性温度域に短い時間で昇温できるよう触媒の加熱に必要な燃料を排気管内直接燃料噴射によって供給する場合に、触媒温度の変化に対応させて、燃料供給量と燃焼に必要な空気量を高精度の流量調整で制御しながら供給することにより、排気ガス浄化装置の下流側への未燃燃料（ＨＣ）の排出を抑制することができる。
【００２８】
また、排気ガス温度が低下することを内燃機関のシリンダに供給される燃料量とエンジン回転数から検知して、排気ガス浄化装置の上流側に供給する燃料と空気量（酸素量）を高精度で制御することにより、触媒温度が活性温度域よりも低温側へ外れることを抑制できる。
【００２９】
また、硫黄被毒からの回復のための脱硫処理（硫黄脱離処理）においては、排気ガス浄化装置の触媒に流入する排気ガス中に、燃料と空気を高精度の流量調整で供給して燃料を燃焼させることにより、燃費の悪化を防止しつつ、触媒を高温に加熱し、脱硫可能な温度（７００℃付近）の還元雰囲気に保つことができるようになる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、内燃機関のエンジン回転数が低い場合であっても、高精度の流量調整で排気通路に直接燃料を供給することができる。つまり、燃料噴射弁における燃料噴射圧力がエンジン回転数に依存して変化するようなエンジンの運転領域であっても、排気ガス流量に応じた燃料噴射量の高精度な流量調整制御を可能とすることができる。また、燃料噴射圧によらずに、燃料の微粒化と排気ガスとの混合が可能となる。
【００３１】
更に、燃料を高精度で供給することで、排気ガス流量の増加を抑制することができ、排気管内直接燃料供給装置よりも下流側に配置した排気ガス浄化装置から排気ガスへの放熱を抑制できる。従って、エンジン回転数が不安定な過渡運転時の排気ガス浄化装置の保温性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）１０の排気通路１６に上流側から順に、筒内燃料噴射用の燃料圧力Ｐｆを用いて排気管（排気通路）１６内に直接燃料ｆ１を噴射する第１排気管内直接燃料供給装置１７と排気ガス浄化装置１８を備えて構成される。
【００３３】
この排気ガス浄化システム１のエンジン１０は、吸気マニホールド１０ａに接続される吸気通路１１に吸入吸気量センサ１２（ＭＡＦセンサ）とターボチャージャ１３のコンプレッサ１３ａとインタークーラ１４と吸気弁（インテークスロットル）１５を備えている。また、排気マニホールド１０ｂに接続される排気通路１６に、ターボチャージャ１３のタービン１３ｂと、燃料を排気通路１６内に直接噴射するための第１排気管内直接燃料供給装置１７と排気ガス浄化装置１８を備えている。この第１排気管内直接燃料供給装置１７は筒内燃料噴射用の燃料圧力Ｐｆを使用する燃料噴射弁で構成される。更に、排気マニホールド１０ｂと吸気マニホールド１０ａを接続するＥＧＲ通路１９には、ＥＧＲクーラー２０とＥＧＲ弁２１を備えている。
【００３４】
排気ガス浄化装置１８は、図１の構成では、酸化触媒装置（ＤＯＣ）１８ａ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置（ＬＮＴ）１８ｂ、触媒付きフィルタ装置（ＣＳＦ）１８ｃで構成されている。
【００３５】
酸化触媒装置１８ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成される。この酸化触媒は、排気ガス中のＨＣやＣＯを酸化して排気ガスを浄化する役割と、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生の際や触媒付フィルタ１８ｃのＰＭ再生の際に、排気通路１６内に供給される燃料の一部を酸化して排気ガスＧの温度を昇温する役割とを持っている。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂは、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持して形成され、酸素過剰な排気ガス中のＮＯを酸化して硝酸塩として触媒上に吸着させて、ＮＯｘを浄化する。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスがリーン空燃比では、ＮＯｘを吸蔵し、リッチ空燃比では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを還元雰囲気中で還元して、ＮＯｘを低減する。このＮＯｘ放出のリッチ空燃比制御では、排気通路１６内に燃料を直接供給する。
【００３６】
触媒付フィルタ装置１８ｃは、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を備えた触媒付きＤＰＦで構成される。この触媒付きＤＰＦは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。
【００３７】
この触媒付きＤＰＦにより、排気ガス中のＰＭは、多孔質のセラミックの壁で捕集される。このＰＭの捕集量が増加した場合には、排気通路１６内に燃料を噴射して、この燃料を酸化触媒により酸化して排気ガスの温度を高めて、この高温の排気ガスにより触媒付きＤＰＦをＰＭの燃焼開始温度まで上昇させて、捕集されたＰＭを強制的に燃焼除去して、触媒付きＤＰＦのＰＭ再生を行う。
【００３８】
更に、排気ガスＧの温度を測定するために、排気ガス浄化装置１８の入口に第１温度センサ２２が、排気ガス浄化装置１８の出口に第２温度センサ２３とλ（空気過剰率）センサ２４が配設される。
【００３９】
これらのセンサ２２、２３、２４等の測定値とエンジン１０の運転制御に必要なデータを入力してエンジン１０の運転状態と排気ガス浄化システム１の排気ガス浄化制御や再生制御を行う制御装置（図示しない）が設けられている。この制御装置はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置であり、エンジン１０からのデータと吸入空気量センサ１２等の検出値に基づいて、吸気弁１５、第１排気管内直接燃料供給装置１７、ＥＧＲ弁２２等や後述する第２排気管内直接燃料供給装置３０や排気絞り弁１６ｂを制御する。
【００４０】
そして、本発明においては、更に、第１排気管内直接燃料供給装置１７よりも供給容量が小さく、筒内燃料噴射用の燃料圧力を使用しない第２排気管内直接燃料供給装置３０を設けて構成する。図２に示すように、この第２排気管内直接燃料供給装置３０は、排気通路１６に設けたバイパス通路３１が負圧にすることにより、燃料ｆ２を燃料貯留部３２から吸引して、バイパス通路３１経由で排気ガス浄化装置１８の上流側の排気通路１６に供給するように構成される。この第２排気管内直接燃料供給装置３０では、燃料ｆ２を吸引により排気通路１６に供給するので微少量での高精度の流量調整が可能となる。
【００４１】
また、バイパス通路３１の排気通路１６からの分岐部位３３よりも下流の排気通路１６に絞り部１６ａを設ける。それと共に、バイパス通路３１の排気通路１６への合流部位３４に排気絞り弁１６ｂを設ける。この排気絞り弁１６ｂの絞りにより、バイパス通路３１を負圧にして、微少量の燃料ｆ２を吸引する。つまり、排気ガスＧを絞った場所で排気ガスＧの流速が上昇して圧力が低下する現象を利用して、バイパス通路３１に燃料貯留部３２に対して負圧を発生させて微少量の燃料ｆ２を吸引して排気通路１６に供給する。この排気絞り弁１６ｂの弁開度の調整により、吸引する燃料ｆ２の流量を調整することができる。
【００４２】
更に、第２排気管内直接燃料供給装置３０からの燃料供給量を調整するために、バイパス通路３１から合流部位３４よりも下流側で排気通路１６に合流する排気ガス量調整用通路（排気管噴射用燃料バイパスポート部）３５を設けると共に、排気ガス量調整通路３５に出入可能な調整コーン等で形成される排気ガス量調整装置３６を設ける。この排気ガス量調整装置３６により、例えば、調整コーンの挿入量を調整することにより、燃料供給量の微小量調整ができるようになる。これにより、必要な燃料以上の燃料ｆ２が排気ガス中に供給されることを防止する。なお、排気ガス量調整用通路２３を設けずに、バイパス通路３１に排気ガス量調整装置を設けてもよく、この場合には、燃料供給量を完全にゼロにすることもできるようになる。
【００４３】
次に、上記の排気ガス浄化システム１における排気ガス浄化方法について説明する。この排気ガス浄化方法は、上記の排気ガス浄化システム１において、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数閾値Ｎｓ以下の場合は、第２排気管内直接燃料供給装置３０から燃料ｆ２を排気通路１６内に供給し、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数閾値Ｎｓより大きい場合は、第１排気管内直接燃料供給装置１７から燃料ｆ１を排気通路１６内に供給する。
【００４４】
図３に示すように、このエンジン回転数閾値Ｎｓは、エンジン回転数Ｎｅがこのエンジン回転数閾値Ｎｓ以下では、燃料圧力Ｐｆが設定圧力Ｐｆｓよりも低く、エンジン回転数Ｎｅによって変化する。また、エンジン回転数Ｎｅがこのエンジン回転数閾値Ｎｓより大きいと、燃料供給ポンプによる燃料圧力Ｐｆが設定圧力Ｐｆｓ以上になって安定するエンジン回転数である。
【００４５】
また、上記の制御は、例えば、図４及び図５に示すような制御フローに基づいて行うことができる、これらの制御フローは排気管内へ直接、燃料を供給する要求が生じた場合に呼ばれる制御フローであり、この要求が終了するまで、上級の制御フローに呼ばれて繰り返し実行される。
【００４６】
図４の制御フローは、排気管内への燃料噴射を行うか否かを判断するものであり、排気ガス温度Ｇの温度Ｔｇが低い場合には排気管内に燃料を供給しても、燃料が排気ガス浄化装置１８の酸化触媒ユニット１８ａに到達しても、触媒酸化反応が起こらず、供給した燃料は未燃状態で排気ガス浄化装置１８の下流側に流出するので、これを防止するために、酸化触媒ユニット１８ａでの酸化反応が可能となる排気ガス温度になってから燃料を供給するための制御フローである。
【００４７】
図４の制御フローがスタートすると、排気ガスＧの温度Ｔｇが予め設定した温度閾値Ｔｇ１（例えば、２５０℃）以下の間は（Ｓ１２のＮＯ）、排気絞り弁１６ｂの作動を停止し（Ｓ１４）、排気ガスＧの温度Ｔｇが温度閾値Ｔｇ１よりも高くなってから（Ｓ１２のＹＥＳ）、排気絞り弁１６ｂの作動を開始する（Ｓ１３）制御フローである。この制御により、排気ガスＧの温度が高くなるまで、排気絞り弁１６ｂの絞り、及び、この絞りによる第２排気管内直接燃料供給装置３０からの燃料ｆ２の排気通路１６内への供給を停止する。
【００４８】
図５の制御フローは、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数閾値Ｎｓ以下の場合は（Ｓ２２のＮＯ）、排気絞り弁１６ｂの動作を維持しつつ（Ｓ２４）、第２排気管内直接燃料供給装置３０のみから燃料ｆ２を排気通路１６内に供給し（Ｓ２５）、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数閾値Ｎｓより高い場合は（Ｓ２２のＹＥＳ）、第１排気管内直接燃料供給装置１７からのみ燃料ｆ１を排気通路１６内に供給する（Ｓ２３）。
【００４９】
この方法により、燃料圧力Ｐｆが設定圧力Ｐｆｓに達しない低エンジン回転数領域（Ｎｅ≦Ｎｓ）では、エンジン回転数Ｎｅに依存する燃料圧力Ｐｆによらず、小容量の第２排気管内直接燃料供給装置３０により正確な供給量で微少量の燃料供給を行うことができる。また、燃料圧力Ｐｆが設定圧力Ｐｆｓとなっている高エンジン回転数領域（Ｎｅ＞Ｎｓ）では第２排気管内直接燃料供給装置１７により設定圧力Ｐｆｓで正確な供給量で燃料供給を行うことができる。
【００５０】
また、第２排気管内直接燃料供給装置３０からの燃料供給は、排気絞り弁１６ｂを絞ることにより、バイパス通路３１を通過する排気ガスＧ１の流速を増加して、バイパス通路３１に負圧を発生させて行う。この方法によれば、第２排気管内直接燃料供給装置３０では、発生した負圧により燃料ｆ２を吸引するので微少量の燃料供給が可能となる。また、排気絞り弁１６ｂの弁開度の調整により、吸引する燃料ｆ２の流量を調整することができる。
【００５１】
また、排気ガス量調整装置３６でバイパス通路３１を通過する排気ガスＧ１の流量を調整することにより、第２排気管内直接燃料供給装置３０から供給される燃料ｆ２の流量を調整する。この排気ガス量調整装置３６により燃料供給量の微小量調整ができる。
【００５２】
また、通常は、第１排気管内直接燃料供給装置１７と第２排気管内直接燃料供給装置３０のどちらか一方のみで排気管内に燃料を供給するが、同時に両方を使用するように構成してもよい。この場合は、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数領域内において、第１排気管内直接燃料供給装置１７と第２排気管内直接燃料供給装置３０の両方から燃料供給を行うように構成する。これによれば、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したエンジン回転数領域内にあって燃料圧力が比較的安定している場合に、基本的な燃料供給量を第１排気管内直接噴射装置１７で供給し、供給量の微調整を第２排気管内直接燃料供給装置３０からの燃料供給の調整で行うことができるので、高精度で燃料供給射できるようになる。
【００５３】
あるいは、燃料供給量の目標量が予め設定した供給量範囲内において、第１排気管内直接燃料供給装置１７と第２排気管内直接燃料供給装置３０の両方から燃料供給を行うように構成する。これによれば、第２排気管内直接燃料供給装置３０だけでは供給量が足りないような場合量であっても両方から燃料供給できるので、高精度で燃料供給射できるようになる。
【００５４】
上記の排気ガス浄化システム１及び排気ガス浄化方法によれば、エンジン１０のエンジン回転数Ｎｅが低い場合であっても、高精度の流量調整で排気通路１６に直接燃料を供給することができる。つまり、第１排気管内直接燃料噴射装置１７の燃料噴射弁における燃料噴射圧力Ｐｆがエンジン回転数Ｎｅに依存して変化するようなエンジン１０の運転領域であっても、燃料噴射圧力Ｐｆによらずに、排気ガスＧの流量に応じた燃料噴射量の高精度な流量調整制御を可能とすることができ、燃料ｆ２の微粒化と排気ガスＧとの混合が可能となる。
【００５５】
更に、燃料ｆ１、ｆ２を高精度で供給することで、必要な燃料以上の燃料が排気ガス中に供給されることを防止して、排気ガスＧの流量の増加を抑制することができ、燃料直接供給装置１７，３０よりも下流側に配置した排気ガス浄化装置１８から排気ガスＧへの放熱を抑制できる。従って、エンジン回転数Ｎｅが不安定な過渡運転時の排気ガス浄化装置１８の保温性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】第１排気管内直接燃料供給装置と第２排気管内直接燃料供給装置の構成を示す図である。
【図３】エンジン回転数と燃料圧力との関係を示す図である。
【図４】排気絞り弁の制御フローの一例を示す図である。
【図５】排気管内への直接燃料供給の制御フローの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 排気ガス浄化システム
１０ エンジン（内燃機関）
１１ 吸気通路
１６ 排気通路
１６ａ 絞り部
１６ｂ 排気絞り弁
１７ 第１排気管内直接燃料供給装置
１８ 排気ガス浄化装置
３０ 第２排気管内直接燃料供給装置
３１ バイパス通路
３２ 燃料貯留部
３３ 分岐部位
３４ 合流部位
３５ 排気ガス量調整用通路
３６ 排気ガス量調整装置
ｆ１、ｆ２ 燃料
Ｇ 排気ガス
Ｇ１ バイパス通路の排気ガス
Ｎｅ エンジン回転数
Ｎｓ 予め設定したエンジン回転数閾値
Ｐｆ 燃料圧力
Ｐｆｓ 設定圧力
Ｔｇ 排気ガスの温度
Ｔｇ１ 温度閾値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に上流側から順に、筒内燃料噴射用の燃料圧力を用いて排気管内に直接燃料を噴射する第１排気管内直接燃料供給装置と排気ガス浄化装置を設けた排気ガス浄化システムにおいて、
前記第１排気管内直接燃料供給装置よりも供給容量が小さく、筒内燃料噴射用の燃料圧力を使用しない第２排気管内直接燃料供給装置を設けたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
前記第２排気管内直接燃料供給装置を、前記排気通路に設けたバイパス通路の負圧により、燃料を燃料貯留部から前記バイパス通路に吸引して前記バイパス通路経由で前記排気ガス浄化装置の上流側の前記排気通路に供給するように構成したことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
前記バイパス通路の前記排気通路からの分岐部位よりも下流の前記排気通路に絞り部を設けると共に、前記排気通路の前記バイパス通路との合流部位に排気絞り弁を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載の排気ガス浄化システムにおいて、エンジン回転数が予め設定したエンジン回転数閾値以下の場合は、前記第２排気管内直接燃料供給装置から燃料を排気通路内に供給し、エンジン回転数が前記エンジン回転数閾値より大きい場合は、前記第１排気管内直接燃料供給装置から燃料を前記排気通路内に供給することを特徴とする排気ガス浄化方法。
【請求項５】
前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給は、前記排気絞り弁を絞ることにより、前記バイパス通路に負圧を発生させて行うことを特徴とする請求項４記載の排気ガス浄化方法。
【請求項６】
エンジン回転数が予め設定したエンジン回転数領域内において、前記第１排気管内直接燃料供給装置と前記第２排気管内直接燃料供給装置の両方から燃料供給を行うことを特徴とする請求項４又は５に記載の排気ガス浄化方法。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に上流側から順に、筒内燃料噴射用の燃料圧力を用いて排気管内に直接燃料を噴射する第１排気管内直接燃料供給装置と排気ガス浄化装置を設けた排気ガス浄化システムにおいて、
前記第１排気管内直接燃料供給装置よりも供給容量が小さく、筒内燃料噴射用の燃料圧力を使用しない第２排気管内直接燃料供給装置を設けたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
前記第２排気管内直接燃料供給装置を、前記排気通路に設けたバイパス通路の負圧により、燃料を燃料貯留部から前記バイパス通路に吸引して前記バイパス通路経由で前記排気ガス浄化装置の上流側の前記排気通路に供給するように構成したことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
前記バイパス通路の前記排気通路からの分岐部位よりも下流の前記排気通路に絞り部を設けると共に、前記排気通路の前記バイパス通路との合流部位に排気絞り弁を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載の排気ガス浄化システムにおいて、エンジン回転数が予め設定したエンジン回転数閾値以下の場合は、前記第２排気管内直接燃料供給装置から燃料を排気通路内に供給し、エンジン回転数が前記エンジン回転数閾値より大きい場合は、前記第１排気管内直接燃料供給装置から燃料を前記排気通路内に供給することを特徴とする排気ガス浄化方法。
【請求項５】
前記第２排気管内直接燃料供給装置からの燃料供給は、前記排気絞り弁を絞ることにより、前記バイパス通路に負圧を発生させて行うことを特徴とする請求項４記載の排気ガス浄化方法。
【請求項６】
エンジン回転数が予め設定したエンジン回転数領域内において、前記第１排気管内直接燃料供給装置と前記第２排気管内直接燃料供給装置の両方から燃料供給を行うことを特徴とする請求項４又は５に記載の排気ガス浄化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１４４５７２（Ｐ２０１０−１４４５７２Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２１１２１（Ｐ２００８−３２１１２１）
【出願日】平成２０年１２月１７日（２００８．１２．１７）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１７日（２００８．１２．１７）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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