JP5961995B2 - 内燃機関とその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスを処理する後処理装置と、排気弁の開弁時期を自在に変化できる可変弁機構を備えた内燃機関とその制御方法に関する。

現在、エンジン（内燃機関）の排ガスを処理する後処理装置として、ＰＭ（微粒子）を捕集するＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルタ）や、ｄｅＮＯｘ触媒（酸化窒素化合物還元触媒）、ＤＯＣ（ディーゼル用酸化触媒）、及び尿素ＳＣＲ触媒（尿素選択的還元触媒）などの触媒装置がある。実際にエンジンの排気路に設ける場合はそれらを組み合わせて、排ガスを浄化している（例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３参照）。

この後処理装置で排ガスを浄化する際には、排ガス温度を２００度〜２５０度程度の高温に昇温して触媒装置の触媒を活性化させることが重要である。また、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼して、ＤＰＦを再生する際には、燃料を供給し燃焼させて昇温することが必要となる。

そこで、排ガスを高温状態にすると共に、未燃燃料を排気弁から排出するように、インジェクタで主噴射直後のポスト噴射を行っている。

このポスト噴射はシリンダ内の排ガス温度が低下した状態で行われる場合には、シリンダライナに燃料が付着してオイル中に燃料が希釈し、エンジンの耐久性が低下するという問題を生じる。また、低圧、低温の状態のシリンダ内に噴射する為、供給燃料の熱分解も進まず、触媒に有利なＨＣ成分までの分解が進まないという問題もある。

この問題に対して、排気管へ直接ＨＣを添加する方法もあり、この方法ではオイルへの燃料希釈は防げるが、筒内より更に低温低圧下への噴射であるため、ポスト噴射より更に燃料の熱分解に時間がかかるという問題は解決できていない。

特開２００３−００３８３１号公報 特開２００５−０８３３５１号広報 特開２０１１−１２７４７１号広報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の構成に少しの構成を追加するだけで、若しくは全く追加せずに、排ガスを処理する後処理装置の早期の昇温を促進し、且つ、未燃燃料成分を多く含んだ排ガスを後処理装置に供給することができる内燃機関とその制御方法を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、排ガスの後処理装置と、排気弁の開弁時期を自在に変化できる可変弁機構を備える内燃機関において、前記後処理装置を再生するときに、前記可変弁機構が、前記排気弁を排気行程で開閉する前に、膨張行程の後燃え期間の範囲内で開弁し、その膨張行程の下死点前で閉弁する膨張行程の開弁期間により、気筒内へ噴射された燃料の燃焼による排ガスを前記後処理装置へと供給することにより、前記後処理装置を昇温する手段を備えると共に、前記昇温する手段での前記開弁期間に合わせて、気筒内の燃料噴射弁のアフター噴射、又は、排気路に設けた添加弁の前記アフター噴射と同じタイミングの噴射の少なくともどちらか一方により前記後処理装置に未燃燃料成分を供給して酸化させる手段を備えて構成される。

この構成によれば、従来の構成に少しの構成を追加するだけで、若しくは全く追加せずに、排気弁開閉タイミングを変更するだけで、高温になった排ガスを、後処理装置（ＤＰＦ、触媒）に供給して、後処理装置の触媒の温度を急速に上昇することができる。また、その後、燃料噴射弁の追加噴射、又は添加弁の噴射の少なくともどちらか一方により未燃燃料成分（以下、ＨＣ成分という）を排ガスに添加することで、ＨＣ成分が多く含んだ排ガスを後処理装置に供給することができる。

そのため、後処理装置の触媒に熱分解が進行したＨＣ成分を供給することができ、また、高温の状態のＤＰＦ再生用燃料を供給することができる。この結果、触媒に至る前でＨＣの分解を促進することができるので、触媒の貴金属量を減らすことができ、コストダウンができる。加えて、ＨＣ分解の触媒依存度が低くなるので、触媒が劣化しても後処理装置の再生を安定して行うことができる。

また、上記の内燃機関において、膨張行程における前記排気弁の開弁のタイミングが、膨張行程の早期で、且つ前記後燃え期間の範囲内である２０°ＡＴＤＣ〜５０°ＡＴＤＣに設定され、前記排気弁の閉弁のタイミングを下死点より前の５０°ＡＴＤＣ〜９０°ＡＴＤＣに設定されると、後燃え期間の開始（〜ＡＴＤＣ１５°程度）後で、主噴射により気筒が高温、且つ高圧の状態になったタイミング、つまり非常に早期の膨張行程（ＡＴＤＣ２０°〜５０°）で、排気弁を開弁することで、非常に高い温度（８００℃〜４００℃）で、未燃燃料を含んだ排ガスを後処理装置に供給して、触媒の早期昇温とＰＭ再生を行うことができる。

また、下死点よりも前に閉じることで、膨張行程初期に開いた後に、気筒内が負圧となり排ガスが吸い戻されることを防ぐことができる。この後、排気弁は排気行程で通常の開閉を行い燃焼後の排ガスを排出する。

加えて、上記の内燃機関において、前記昇温する手段での前記排気弁の開弁のタイミングから閉弁のタイミングまでの間の範囲内に、前記燃料噴射弁の追加噴射を開始するタイ
ミングと終了するタイミング、又は前記添加弁の噴射を開始するタイミングと終了するタイミングが設定されると、高温、且つ高圧下でＨＣの分解が促進され、ＨＣガス化した状態の排ガスを後処理装置に供給することができる。これにより、シリンダ内に未燃燃料が付着することを防ぐことができる。

その上、上記の内燃機関において、多気筒内燃機関の何れか１つの気筒の排気ポートに前記添加弁を備えると、排ガスが高温を保っている状態で添加剤を噴射することができるので、ＨＣ成分のガス化を促進することができる。また、多気筒内燃機関の場合、そのガス化の促進を考慮した場合は、何れか１つの気筒の排気ポートに添加弁を備えると、最も効率よくＨＣ成分をガス化することができる。

さらに、上記の内燃機関において、前記後処理装置に尿素ＳＣＲ触媒を含むと共に、膨張行程における前記排気弁の開弁のタイミングから閉弁のタイミングまでの間の範囲内に尿素水を噴射する尿素添加弁を排気ポートに備えると、高温下で尿素の分解が促進され、始動直後からｄｅＮＯｘ効果を向上することができる。

さらに、上記の内燃機関において、前記昇温する手段により前記後燃え期間の範囲内で前記排気弁の開弁する同一サイクル内で、前記昇温する手段による前記後燃え期間の範囲内での前記排気弁の開弁前に、前記排気弁を一旦開弁することで低下するトルクを補うように、前記燃料噴射弁の主噴射量を増加させる手段を備えると、膨張行程の早期に排気弁を一旦開弁することで低下するトルクを、主噴射量を増やすことによって、補正することができる。このとき、通常燃焼時と同じトルクになるような補正量を、エンジン回転と燃料噴射量に対する補正量マップから参照するとよい。

また、上記の問題を解決するための内燃機関の制御方法は、排ガスの後処理装置を備える内燃機関の制御方法において、前記後処理装置を再生するときに、前記排気弁を排気行程で開閉する前に、膨張行程の後燃え期間の範囲内で開弁し、その膨張行程の下死点前で閉弁する膨張行程の開弁期間により、気筒内へ噴射された燃料の燃焼による排ガスを前記後処理装置へと供給し、前記開弁期間に合わせて、気筒内の燃料噴射弁のアフター噴射により、又は、排気路に設けた添加弁の前記アフター噴射と同じタイミングの噴射により、前記後処理装置に未燃燃料成分を供給して酸化することを特徴とする方法である。

この方法によれば、従来の構成に少しの構成を追加するだけで、若しくは全く追加せずに、上記と同様の作用効果を得ることができる。そのため、殆ど追加コストがかからないので、製造コストを低減することができる。

本発明によれば、従来の構成に少しの構成を追加するだけで、若しくは全く追加せずに、排ガスを処理する後処理装置の早期の昇温を促進し、且つ、未燃燃料成分を多く含んだ排ガスを後処理装置に供給することができる。

本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の気筒を示した断面図である。 本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関を示した概略図である。 図１に示す内燃機関のインジェクタと排気弁の動作を示した図であり、（ａ）に後処理装置を昇温する手段を示し、（ｂ）に後処理装置へ未燃燃料を供給する手段を示す。 図１に示す内燃機関のクランク角、筒内圧、及び筒内温度の関係を示した表である。 図１に示す内燃機関の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関を示した概略図である。 本発明に係る第３の実施の形態の内燃機関を示した概略図である。 本発明に係る第４の実施の形態の内燃機関を示した概略図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関とその制御方法について、図面を参照しながら説明する。この実施の形態は、直列４気筒のディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はディーゼルエンジンに限定せずに、ガソリンエンジンにも適用することができ、その気筒数や、気筒の配列は限定しない。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率とは一致させていない。

まず、本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関について、図１及び図２を参照しながら説明する。先に、図１に示す本発明に係る第１の実施の形態のエンジン（内燃機関）のシリンダ（気筒）について説明する。多気筒エンジンのシリンダ１は、シリンダライナ２の内を往復運動するピストン３を備える。

このピストン３の上部に燃焼室４を設け、この燃焼室４へ燃料を噴射するインジェクタ
（燃料噴射弁）５、燃焼室４から排ガスＧａを排出する排気弁装置６、及び燃焼室４へ空気Ａｉを供給する吸気弁装置７を備える。

インジェクタ５は、少なくともメイン噴射（主噴射）の後に、アフター噴射（追加噴射）する多段噴射可能な噴射弁であり、メイン噴射の前にパイロット噴射やプレ噴射するよう構成してもよい。

排気弁装置６は、弁駆動装置６ｂによって排気バルブ６ａを開閉し、排気ポート８ａへ排ガスＧａを排出する。弁駆動装置６ｂは、可変バルブタイミング機構（可変弁機構）１１と接続され、排気バルブ６ａの開弁、及び閉弁タイミングを自由に変更することができる。

この可変バルブタイミング機構１１は、例えば、弁駆動装置６ｂをカム機構で形成し場合に、可変バルブタイミング機構１１を油圧によりカム機構をクランクシャフトから進角、又は遅角する装置で形成する。これらは、所謂、位相変化型可変バルブタイミング機構と呼ばれるものである。排気バルブ６ａの開弁のタイミングを可変する場合は、カムプーリとカムシャフトとの間に設けた油圧室の油圧によって、クランクシャフトとカムシャフトとの位相を進角、又は遅角させることで、排気バルブ６ａの開弁のタイミングを可変する。

この弁駆動装置６ｂと可変バルブタイミング機構１１は、上記の構成に限定せず、例えば、弁駆動装置６ｂに複数のカムを有するカム機構を設け、可変バルブタイミング機構１１にその複数のカムを切り換える装置や、排気弁装置６にソレノイド電磁弁を用いてもよい。

吸気弁装置７は、弁駆動装置７ｂによって吸気バルブ７ａを開閉し、吸気ポート９ａから空気Ａｉを供給する。弁駆動装置７ｂは、カム機構やソレノイドにプランジャを設ける電磁駆動装置などを用いる。この弁駆動装置７ｂは、周知の技術の弁駆動装置を用いることができる。

インジェクタ５、及び可変バルブタイミング機構１１をそれぞれエンジンコントロールユニットと呼ばれるＥＣＵ（制御装置）１２でそれらの動作を制御するように構成する。この、ＥＣＵ１２は、各種センサと接続され、電気回路によってエンジン１０の制御を担当している電気的な制御を総合的に行うマイクロコントローラであり、この実施の形態ではインジェクタ５の燃料噴射量及び燃料噴射、及び排気バルブ６ａの開弁タイミングを制御している。

図２に示すように、この実施の形態のエンジン１０は、上記のシリンダ１をシリンダブロックとシリンダヘッドからなるエンジン本体１３に設け、排気ポート８ａと排気マニホールド８ｂとからなる排気路８、及び吸気ポート９ａと吸気マニホールド９ｂとからなる吸気路９を備える。加えて、ターボチャージャ１４と、ＥＧＲクーラー１５ａとＥＧＲバルブ１５ｂを備えたＥＧＲ装置（排気再循環装置）１５を備える。

排気路８には、排ガスを処理する後処理装置２０を設け、後処理装置２０は、触媒装置２１とＤＰＦ２２とを備える。触媒装置２１は、ＬＮＴ触媒を有するｄｅＮＯｘ触媒（酸化窒素化合物還元触媒）２１ａ、ＤＯＣ（ディーゼル用酸化触媒）２１ｂとからなる。吸気路９には、吸気フィルタ１６、インタークーラー１７、及び吸気スロットル１８を備える。

また、前述したＥＣＵ１２と接続されるセンサとして、クランク角センサ２３、カム角
センサ２４、ＤＰＦ温度センサ２５ａと２５ｂ、及びＤＰＦ差圧センサ２６ａと２６ｂを備える。このクランク角センサ２３で検知されたクランク角とカム角センサ２４で検知されたカム角を用いて、ＥＣＵ１２が、インジェクタ５の噴射タイミングや、排気バルブ６ａの開弁タイミングを調節している。エンジン１０にはその他にも各種センサが設けられているが、実施の形態の説明では省略する。

上記のエンジン１０の構成は、周知の構成であり、各装置も周知の技術を用いることができる。この実施の形態においては、少なくともｄｅＮＯｘ触媒２１ａやＤＯＣ２１ｂなどの触媒装置２１とＤＰＦ２２を備える後処理装置２０を排気路８に設け、且つ排気バルブ６ａの開弁タイミングを自在に変更できる可変バルブタイミング機構１１を設けていれば、他の構成は上記の構成に限定しない。

次に、エンジン１０の動作について、図３、及び図４を参照しながら説明する。ここで燃焼の上死点前で、噴射初期の予混合燃焼期間をＰＢ、主燃焼の拡散燃焼期間をＤＢ、膨張行程初期で噴射された未燃燃料が燃焼する期間である後燃え期間をＡＢとする。また、インジェクタ５の主噴射の開始タイミングをＡ１、終了タイミングをＡ２、膨張行程での排気バルブ６ａの開弁タイミングをＡ３、閉弁タイミングをＡ４、排気行程での排気バルブ６ａの開弁タイミングをＡ５とする。

後処理装置２０の温度を昇温する場合に、又はＤＰＦ２３のＰＭを燃焼させて再生する場合に、先ず、図３の（ａ）に示すように、ＥＣＵ１２が、インジェクタ５の噴射のタイミングを通常噴射時期のまま、可変バルタイミング機構１１を制御して、通常時の排気行程で行われるタイミングとは別のタイミングで、排気バルブ６ａを開弁、及び閉弁する。

次に、インジェクタ５が噴射開始タイミングＡ１から噴射終了タイミングＡ２まで、主噴射を行う。そして、噴射終了タイミングＡ２から後燃え期間ＡＢが始まる。この後燃え期間ＡＢの範囲内で排気バルブ６ａを開弁する。このときの排気バルブ６ａの開弁タイミングＡ３は、膨張行程の早期の、後燃え期間ＡＢが始まってから直ぐのタイミングである。

この実施の形態では、後燃え期間ＡＢの開始は、噴射終了タイミングＡ２からであり、詳しくは０°ＡＴＤＣ〜２０°ＡＴＤＣの範囲内で、その終了は、下死点（９０°ＡＴＤＣ）より前になる。よって、開弁タイミングＡ３は、膨張行程早期の後燃え期間ＡＢの開始から下死点までの範囲内であって、好ましくは０°ＡＴＤＣ〜９０°ＡＴＤＣの範囲内で、より好ましくは２０°ＡＴＤＣ〜５０°ＡＴＤＣの範囲内である。

排気バルブ６ａを非常に早期の膨張行程の開弁タイミングＡ３で開弁することで、図４に示すように、非常に高い排ガス温度（８００℃〜４００℃）の排ガスＧａを後処理装置２０へ供給することができる。また、開弁タイミングＡ３は後燃え期間ＡＢの範囲内でもあるので、シリンダ１内には未燃燃料が残っており、高温、且つ高圧下でガス化した未燃燃料成分（以下、ＨＣ成分という）を後処理装置２０へ供給することができる。

膨張行程の初期に開弁すると、逆にシリンダ１内が負圧となり排ガスＧａを吸い戻す可能性があるので、遅くとも下死点より前に閉じることが必要であり、排気バルブ６ａの閉弁タイミングＡ４は、図３の（ａ）に示すように、下死点より前のタイミングであり、好ましくは５０°ＡＴＤＣ〜９０°ＡＴＤＣである。これにより、排ガスＧａがシリンダ１内へ吸い戻されることを防ぐことができる。

その後、排気バルブ６ａを通常の開弁タイミングＡ５で再度開いて残りの燃焼後排ガスＧａを排出する。この動作を行なって、高温、且つ高圧の排ガスＧａを後処理装置２０へ
供給して、後処理装置２０の触媒装置２１、及びＤＰＦ２２の一部又は全部を予め設定した温度以上に昇温した後に、図３の（ｂ）に示すように、排気バルブ６ａの開弁タイミングＡ３、及び閉弁タイミングＡ４を代えずに、ＥＣＵ１２がインジェクタ５を制御して、主噴射の後にアフター噴射を開始する。

このアフター噴射の開始タイミングと終了タイミングは、排気バルブ６ａの開弁タイミングＡ３から閉弁タイミングＡ４の期間の範囲内であればよく、この実施の形態では、略同時とする。従来、膨張行程初期の後燃え期間が長引くと排気温度は上昇し、ススの生成が増える傾向がある。しかし、この実施の形態では、アフター噴射で噴射した燃料は排気バルブ６ａが開弁しており、直ぐに排気管に排出されるので、ススの生成は起こらない。この未燃燃料は高温、且つ高圧下で燃料分解が進み、後処理装置２０での利用に適したＨＣ成分とする事ができる。

上記の動作によれば、非常に早期の膨張行程の後燃え期間ＡＢの範囲内で、排気バルブ６ａを開弁するので、拡散燃焼期間ＤＢで高温、且つ高圧になった排ガスＧａを後処理装置２０へ供給して昇温した後に、ＨＣ成分を多く含んだ状態で後処理装置２０へ供給することができるので、後処理装置２０の一部、又は全てを昇温し、昇温後に触媒装置２１、及びＤＰＦ２２へ熱分解が進行し、ガス化したＨＣ成分を供給することができる。

また、ポスト噴射を行わずにＤＰＦ２２でのＰＭの再生を行うことができ、ポスト噴射を用いてＰＭの再生を行ったときに発生する、シリンダライナ２に燃料が付着して、オイルが希釈し、ブローバイガスが増加することで、エンジン１０の耐久性を著しく低下させるという問題を解決することができる。

これにより後処理装置２０は、さらに以下の効果を得ることができる。ｄｅＮＯｘ触媒２１ａにおいて、冷間時の早期昇温やリッチ時のＨＣ分解により浄化率を向上させることできる。また、ＤＯＣ２１ｂにおいて、供給されたＨＣ成分が高温の排ガスＧａ下で容易に燃焼させることができ、熱容量も小さいので、特に始動直後などの触媒装置の急速昇温を促進することができる。加えて、ｄｅＮＯｘ触媒２１ａやＤＯＣ２１ｂなどの触媒装置２１において、ＨＣ成分の分解を促進できるので、触媒装置２１の貴金属量を減らすことができ、コストダウンすることができる。さらに、ＤＰＦ２２において、ＨＣ成分の分解の触媒依存度が低いので、触媒が劣化してもＰＭ再生を安定して行うことができる。

その上、上記の効果を別途、装置を追加することなく、排気バルブ６ａの開閉タイミングの変更や、インジェクタ５の噴射タイミングの変更のみで、殆ど追加コストを掛けずに得ることができる。

上記の動作を行うときに、インジェクタ５から噴射される主噴射の噴射量を増やすと、膨張行程の早期に排気バルブ６ａを開弁することでトルクの低下を防ぐことができる。このときの噴射量は、排気バルブ６ａを開弁することで低下するトルク分を補って、通用燃焼時と同等のトルクを得ることができるように、エンジン回転数と燃料噴射量に対する補正量マップをＥＣＵ１２に記憶させておき、上記の動作の際にＥＣＵ１２がその補正量マップを読み出して噴射量を補正する。

次に、上記のエンジン１の制御方法を、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。このフローチャートに記載の制御方法はＥＣＵ１２で演算されるプログラムである。ここで、ＤＰＦ２２の上流に設けたＤＰＦセンサ２５ａで検知する温度をＤＰＦ２２の前温度Ｔａ、ＤＰＦ２２の下流に設けたＤＰＦセンサ２５ｂで検知する温度をＤＰＦ２２の後温度Ｔｂ、ＤＰＦ差圧センサ２６ａと２６ｂで検知するＤＰＦ２２の前後の圧力差をΔＰとする。

先ず、ＤＰＦ２２の前温度Ｔａが、予め定めた判定温度Ｔｃよりも低いか否かを判断するステップＳ１を行う。この判定温度Ｔｃは、後処理装置２０内の触媒装置の温度が低いことを判断することができる温度である。この判定温度Ｔｃは触媒装置の種類や、排気路８内の構成によって変わる温度である。

次に、ＤＰＦ２２の前後の圧力差ΔＰが、予め定めた判定圧力値Ｐｃよりも小さいか否かを判断するステップＳ２を行う。ＤＰＦ２２の前後の圧力差ΔＰが大きくなると、ＤＰＦ２２にＰＭが詰まっているということが分かるので、この判定圧力値Ｐｃは、ＤＰＦ２２内にＰＭが詰まり機能が低下しない程度を判断することができる値に設定する。

ステップＳ１とＳ２でＤＰＦ前温度Ｔａが低い、つまり後処理装置２０内の触媒装置２１の昇温が必要と判断され、且つＤＰＦ２２の前後の圧力差ΔＰが大きい、つまりＤＰＦ２２の再生が必要と判断された場合は、次に、インジェクタ５が噴射量を増加した主噴射を行うステップＳ３を行う。この噴射量の増加量は、前述した通り噴射量の補正マップで補正されたものを用いて、以下に行われる行程によって生じるトルクの低下を防止する。

次に、排気バルブ６ａを膨張行程の早期の後燃え期間ＡＢで開弁し、下死点前で閉弁するステップＳ４を行う。このときの開弁タイミング、及び閉弁タイミングは前述した開弁タイミングＡ３、及び閉弁タイミングＡ４とする。次に、排気バルブ６ａを排気行程で開弁して、閉弁するステップＳ５を行う。

次に、ＤＰＦ２２の前温度Ｔａが触媒活性温度Ｔｄ以上か否かを判断するステップＳ６を行う。このステップＳ６でＤＰＦ２２の前温度Ｔａが触媒活性温度Ｔｄよりも低い場合は、つまり十分に後処理装置２０の触媒装置２１が昇温できていない場合は、再度ステップＳ３からステップＳ５までを行う。この触媒活性温度Ｔｄは、後処理装置２０の触媒装置２１が予め定めた温度以上になったときに示す温度であり、後処理装置２０の触媒装置２１の種類などにより変化し、好ましくは１８０℃〜２５０℃の範囲内に設定する。

ＤＰＦ２２の前温度Ｔａが触媒活性温度Ｔｄ迄達すると、次に、排気バルブ６ａを膨張行程の早期の後燃え期間ＡＢで開弁するステップＳ７を行う。次に、インジェクタ５が、排気バルブ６ａが開弁してから、閉弁するまでの間に、アフター噴射を行うステップＳ８を行う。そして、排気バルブ６ａを下死点前で閉弁するステップＳ９を行う。このステップＳ７〜Ｓ９は、前述のステップＳ４の間に、アフター噴射を行うステップである。これでＨＣ成分が触媒装置２１に供給され、燃焼して触媒装置２１の温度がさらに上昇する。また、ＤＰＦ２２にＨＣ成分が供給され、ＰＭを燃焼する。

次に、排気バルブ６ａを排気行程で開弁して、閉弁するステップＳ１０を行う。次に、ＤＰＦ２２の前温度Ｔａが異常触媒温度Ｔｅ以上か否かを判断するステップＳ１１を行う。ＤＰＦ２２の前温度Ｔａが異常触媒温度Ｔｅ以上になると、触媒装置２１の温度が上がり過ぎてしまい、触媒装置２１が故障してしまうので、この場合に、この制御方法は完了する。この異常触媒温度Ｔｅは、予めＥＣＵ１２に記憶されており、好ましくは６５０℃〜７５０℃に設定する。

このステップＳ１１では、触媒装置２１の温度の異常昇温を判断することができればよく、上記の方法に限定しない。例えば、アフター噴射で噴射された燃料量から発熱量を算出し、触媒の特性と合わせて触媒温度を推定する触媒温度推定ステップを行ってもよい。

ＤＰＦ２２の前温度Ｔａが異常触媒温度Ｔｅよりも低い場合は、次に、ＤＰＦ２２の前後の圧力差ΔＰが判定圧力値Ｐｃよりも小さいか否かを判断するステップＳ１２を行う。圧力差ΔＰが判定圧力値Ｐｃよりも小さい場合は、ＤＰＦ２２のＰＭを再生できたことになり、この制御方法は完了する。

圧力差ΔＰが判定圧力値Ｐｃ以上の場合は、次に、ＤＰＦ２２の後温度Ｔｂが異常ＤＰＦ温度Ｔｆ以上か否かを判断するステップＳ１３を行う。ＤＰＦ２２の後温度Ｔｂが異常ＤＰＦ温度Ｔｆ以上でなると、ＤＰＦ２２の温度が上がり過ぎてしまい、ＤＰＦ２２が故障してしまうので、この場合に、この制御方法は完了する。この異常ＤＰＦ温度Ｔｆは、予めＥＣＵ１２に記憶されており、好ましくは６５０℃〜７５０℃に設定する。

以上のエンジン１の制御方法によれば、排気バルブ６ａの開閉タイミングとインジェクタ５の噴射タイミングを変更するだけで、別途新たな装置を追加することなく、上記のエンジン１の動作で述べた作用効果を得ることができる。加えて、触媒装置２１の温度、及びＤＰＦ２２の温度をモニタリングし、各装置の異常昇温を防止することができる。上記の方法以外にも、各装置の異常昇温を検知したときに、膨張行程初期のアフター噴射で噴射される燃料量を調節する方法や排気バルブ６ａの開弁開始時期を遅角させる方法を用いて、各装置の温度を調整してもよい。

次に、本発明に係る第２の実施の形態のエンジンについて、図６を参照しながら説明する。このエンジン３０は、第１の実施の形態のエンジンの構成に加えて、排気ポート８ａにＨＣ添加ノズル（添加弁）３１を備える構成である。この実施の形態のように、ＨＣ添加ノズル３１を設ける場合は、インジェクタ５がユニットインジェクタなどで、多段噴射に対応していない場合、また、多段噴射に対応していてもアフター噴射量が増えるとオイル希釈の問題が発生する場合、さらに、アフター噴射量が増えると筒内の燃焼に影響を与える場合などに適用するとよい。

このＨＣ添加ノズル３１は、出来るだけ排ガスＧａが高温を保っている状態で噴射し、ガス化を促進することができるように、燃焼室４の近傍の排気ポート８ａに備えることが好ましい。また、ＨＣ添加ノズル３１の配置数は、エンジン３０のように多気筒エンジンであれば、いずれか一つのシリンダ１の排気ポート８ａに備えると、ＨＣ成分のガス化に好適である。加えて、その配置位置は、仮に排気ポート８ａへの取り付けが難しい場合は、ターボチャージャ１４直下の排気マニホールド８ｂ内がよい。

このエンジン３０の動作は、第１の実施の形態で説明したアフター噴射に加えて、又は、アフター噴射を行わずに、ＨＣ添加ノズル３１からＨＣを排ガスＧａに添加する、この時のＨＣ添加ノズル３１の噴射タイミングは前述の追加噴射で説明した範囲内のタイミングとする。

この構成によれば、アフター噴射の代わりにＨＣ添加ノズル３１を用いても、前述と同様の作用効果を得ることができるので、アフター噴射を行うことができないエンジンにも適用することが可能となる。

次に、本発明に係る第３の実施の形態のエンジンについて、図７を参照しながら説明する。このエンジン４０は、第１の実施の形態のエンジンの後処理装置の触媒装置のｄｅＮＯｘ触媒に変えて、尿素ＳＣＲ触媒（尿素選択的還元触媒）４１ａを備えると共に、排気ポート８ａに尿素添加ノズル４２を備える。この尿素添加ノズル４２は、排気ポート８ａ若しくは排気ポート８ａの近傍に設けられ、膨張行程の早期の排気バルブ６ａからの高温の排ガスＧａの排出時に尿素水を噴射する噴射弁である。その噴射のタイミングは、前述のＨＣ添加ノズルと同様のタイミングとする。

この構成によれば、高温、且つ高圧下で尿素の分解が促進され、尿素が早期に蒸発し、
アンモニアガス化を促進することができ、エンジン４０の始動直後からｄｅＮＯｘ効果を発揮することができる。また、尿素水が特定の温度下で固形物質として析出することを防ぐことができるので、排気管を閉塞することがなくなる。

次に、本発明にかかる第４の実施の形態のエンジンについて、図８を参照しながら説明する。このエンジン５０は、第１の実施の形態のエンジンの構成に加えて、各排気ポート８ａにポート内酸化触媒５１を備える。この構成によれば、ポート内酸化触媒５１に供給されたＨＣ成分が高温排ガス下で容易に燃焼させることができ、熱容量も小さくすることができるので、特に、始動直後の触媒を急速に昇温することができる。

上記の第１〜第４の実施の形態を車両に搭載するときには、それぞれ組み合わせてもよい。

本発明の内燃機関は、新たに装置を追加せず、又は少しの構成を追加するだけで、排ガスを処理する後処理装置の早期の昇温を促進し、且つ、未燃燃料成分を多く含んだ排ガスを後処理装置に供給することができるので、特にディーゼルエンジンを搭載した車両に利用することができる。

１ シリンダ（気筒）
２ シリンダライナ
３ ピストン
４ 燃焼室
５ インジェクタ
６ 排気弁装置
７ 吸気弁装置
８ 排気路
９ 吸気路
１０、３０、４０、５０ エンジン（内燃機関）
１１ 可変バルブタイミング機構
１２ ＥＣＵ（制御装置）
１３ エンジン本体
１４ ターボチャージャ
１５ ＥＧＲシステム
２０ 後処理装置
２１ 触媒装置
２１ａ ｄｅＮＯｘ触媒（酸化窒素化合物還元触媒）
２１ｂ ＤＯＣ（ディーゼル用酸化触媒）
２２ ＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルタ）
３１ ＨＣ添加ノズル（添加弁）
４１ａ 尿素ＳＣＲ装置（尿素選択的還元触媒）
４２ 尿素添加ノズル（尿素添加弁）
５１ ポート内酸化触媒

Claims (7)

1. 排ガスの後処理装置と、排気弁の開弁時期を自在に変化できる可変弁機構を備える内燃機関において、
   前記後処理装置を再生するときに、
   前記可変弁機構が、前記排気弁を排気行程で開閉する前に、膨張行程の後燃え期間の範囲内で開弁し、その膨張行程の下死点前で閉弁する膨張行程の開弁期間により、気筒内へ噴射された燃料の燃焼による排ガスを前記後処理装置へと供給することにより、前記後処理装置を昇温する手段を備えると共に、
   前記昇温する手段での前記開弁期間に合わせて、気筒内の燃料噴射弁のアフター噴射、又は、排気路に設けた添加弁の前記アフター噴射と同じタイミングの噴射の少なくともどちらか一方により前記後処理装置に未燃燃料成分を供給して酸化させる手段を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 膨張行程における前記排気弁の開弁のタイミングが、膨張行程の早期で、且つ前記後燃え期間の範囲内である２０°ＡＴＤＣ〜５０°ＡＴＤＣに設定され、前記排気弁の閉弁のタイミングを下死点より前の５０°ＡＴＤＣ〜９０°ＡＴＤＣに設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記昇温する手段での前記排気弁の開弁のタイミングから閉弁のタイミングまでの間の範囲内に、前記燃料噴射弁の追加噴射を開始するタイミングと終了するタイミング、又は前記添加弁の噴射を開始するタイミングと終了するタイミングが設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 多気筒内燃機関の何れか１つの気筒の排気ポートに前記添加弁を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記後処理装置に尿素ＳＣＲ触媒を含むと共に、膨張行程における前記排気弁の開弁のタイミングから閉弁のタイミングまでの間の範囲内に尿素水を噴射する尿素添加弁を排気ポートに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記昇温する手段により前記後燃え期間の範囲内で前記排気弁の開弁する同一サイクル
   内で、
   前記昇温する手段による前記後燃え期間の範囲内での前記排気弁の開弁前に、前記排気弁を一旦開弁することで低下するトルクを補うように、前記燃料噴射弁の主噴射量を増加させる手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。
7. 排ガスの後処理装置を備える内燃機関の制御方法において、
   前記後処理装置を再生するときに、
   前記排気弁を排気行程で開閉する前に、膨張行程の後燃え期間の範囲内で開弁し、その膨張行程の下死点前で閉弁する膨張行程の開弁期間により、気筒内へ噴射された燃料の燃焼による排ガスを前記後処理装置へと供給し、
   前記開弁期間に合わせて、気筒内の燃料噴射弁のアフター噴射により、又は、排気路に設けた添加弁の前記アフター噴射と同じタイミングの噴射により、前記後処理装置に未燃燃料成分を供給して酸化することを特徴とする内燃機関の制御方法。