特許 7243576 内燃機関の添加液供給装置および添加液供給方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-13

(45)【発行日】2023-03-22

(54)【発明の名称】内燃機関の添加液供給装置および添加液供給方法

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/025 20060101AFI20230314BHJP

   F01N 3/033 20060101ALI20230314BHJP

   F01N 3/035 20060101ALI20230314BHJP

【ＦＩ】

F01N3/025 101

F01N3/033 Z

F01N3/035 E

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019201118

(22)【出願日】2019-11-06

(65)【公開番号】P2021076031

(43)【公開日】2021-05-20

【審査請求日】2022-02-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 雄貴

【審査官】稲村 正義

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－８５９４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－９８９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２７５６６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｎ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置の上流側で排気通路内に添加液を噴射する添加弁と、前記添加弁に前記添加液を圧送するポンプとを含む内燃機関の添加液供給装置において、
前記添加弁から前記添加液を噴射させる際に、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記添加弁から噴射されて前記排気通路内で跳ね返った前記添加液を前記添加弁の周辺に到達させないようにする最大の噴射圧を導出し、前記添加弁に供給される前記添加液の圧力が前記噴射圧になるように前記ポンプを制御する制御装置を備える内燃機関の添加液供給装置。

【請求項2】

請求項１に記載の内燃機関の添加液供給装置において、
前記噴射圧は、前記排気通路内の排ガスの流れ方向に直交する方向における前記排気通路内で跳ね返った直後の前記添加液の速度を閾値以下にする最大の圧力である内燃機関の添加液供給装置。

【請求項3】

請求項２に記載の内燃機関の添加液供給装置において、
前記噴射圧は、前記添加弁から噴射された前記添加液が衝突する衝突面における液膜の有無を考慮して導出される内燃機関の添加液供給装置。

【請求項4】

請求項２または３に記載の内燃機関の添加液供給装置において、
前記制御装置は、前記添加弁から前記噴射圧で噴射される前記添加液と前記排ガスとのミキシング性が確保されるか否かを判定し、前記ミキシング性が確保される場合、前記添加弁に供給される前記添加液の圧力が前記噴射圧になるように前記ポンプを制御し、前記ミキシング性が確保されない場合、前記内燃機関の制御パラメータを変更するか、あるいは前記添加弁からの前記添加液の噴射を停止させる内燃機関の添加液供給装置。

【請求項5】

請求項４に記載の内燃機関の添加液供給装置において、
前記制御装置は、前記添加弁から前記添加液を噴射させる際に、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記添加弁から噴射された前記添加液を前記添加弁の周辺への流入部よりも前記排ガスの流れ方向における下流側で前記排気通路内の衝突面に当接させる最大の噴射圧である他の噴射圧を導出すると共に、前記添加弁から前記他の噴射圧で噴射される前記添加液と前記排ガスとのミキシング性が確保されるか否かを判定し、前記ミキシング性が確保される場合、前記添加弁に供給される前記添加液の圧力が前記他の噴射圧になるように前記ポンプを制御し、前記ミキシング性が確保されない場合、前記噴射圧を導出する内燃機関の添加液供給装置。

【請求項6】

請求項５に記載の内燃機関の添加液供給装置において、
前記他の噴射圧は、前記添加弁の噴射中心から前記排ガスの流れ方向に直交する方向に延出された直線と前記衝突面との交点から、前記添加弁から最上流側に噴射された前記添加液の前記衝突面との衝突位置までの距離を閾値以上にする最大の圧力である内燃機関の添加液供給装置。

【請求項7】

請求項１から６の何れか一項に記載の添加液供給装置において、前記添加液は、燃料または還元剤である内燃機関の添加液供給装置。

【請求項8】

内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置の上流側に配置された添加弁にポンプから添加液を圧送し、前記添加弁から排気通路内に前記添加液を噴射させる内燃機関の添加液供給方法において、
前記添加弁から前記添加液を噴射させる際に、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記添加弁から噴射されて前記排気通路内で跳ね返った前記添加液を前記添加弁の周辺に到達させないようにする最大の噴射圧を導出し、前記添加弁に供給される前記添加液の圧力が前記噴射圧になるように前記ポンプを制御する内燃機関の添加液供給方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、排ガスを浄化する排気浄化装置の上流側で排気通路内に添加液を供給する内燃機関の添加液供給装置および添加液供給方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、内燃機関の排気通路に配置された噴射ノズルからＮＯｘ還元触媒に還元剤を間欠的に供給する還元剤供給装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この還元剤供給装置は、内燃機関の吸入空気量が多いときに、当該吸入空気量が小さいときに比べて還元剤噴射圧を高くし、単位時間当たりにＮＯｘ還元触媒に供給される還元剤量を増加させる。これにより、吸入空気量が多くなってもＮＯｘ還元触媒に流入する排ガス中の還元剤濃度が低下するのを抑制し、ＮＯｘの良好な放出還元作用を確保すると共に、当該ＮＯｘ還元触媒から排出される還元剤の量を低減することができる。また、従来、内燃機関の排気浄化装置として、内燃機関の排気通路の途中に設けられた触媒に還元剤を供給する還元剤噴射装置を含むものも知られている（例えば、特許文献２参照）。この排気浄化装置では、還元剤噴射装置付近の排気の流量が検出または推定され、排気の流量が多いときに、少ないときよりも還元剤噴射装置から噴射させる還元剤の圧力が高められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００１－０９８９３０号公報

【文献】特開２００９－２７５６６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記従来の還元剤供給装置等のように還元剤の噴射圧（圧力）を高くした場合、吸入空気量や排気流量が多かったとしても、排気通路内に噴射されて跳ね返った還元剤が噴射ノズル等の周辺に付着することがある。そして、噴射ノズル等の周辺に付着した還元剤がガム化することでデポジットが発生してしまうおそれがある

【0005】

そこで、本開示は、内燃機関の排気浄化装置の上流側で排気通路内に添加液を噴射する添加弁の周辺におけるデポジットの発生を抑えることを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の内燃機関の添加液供給装置は、内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置の上流側で排気通路内に添加液を噴射する添加弁と、前記添加弁に前記添加液を圧送するポンプとを含む内燃機関の添加液供給装置において、前記添加弁から前記添加液を噴射させる際に、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記添加弁から噴射されて前記排気通路内で跳ね返った前記添加液を前記添加弁の周辺に到達させないようにする最大の噴射圧を導出し、前記添加弁に供給される前記添加液の圧力が前記噴射圧になるように前記ポンプを制御する制御装置を含むものである。

【0007】

本開示の添加液供給装置の制御装置は、添加弁から添加液を噴射させる際に、内燃機関の運転状態に基づいて、添加弁から噴射されて排気通路内で跳ね返った添加液を当該添加弁の周辺に到達させないようにする最大の噴射圧を導出する。そして、当該制御装置は、添加弁に供給される添加液の圧力が当該噴射圧になるようにポンプを制御する。これにより、排気通路内で跳ね返った添加液が添加弁の周辺に到達するのを抑制し、当該添加弁の周辺におけるデポジットの発生を良好に抑えることが可能となる。

【0008】

また、前記噴射圧は、前記排気通路内の排ガスの流れ方向に直交する方向における前記排気通路内で跳ね返った直後の前記添加液の速度を閾値以下にする最大の圧力であってもよい。

【0009】

更に、前記噴射圧は、前記添加弁から噴射された前記添加液が衝突する衝突面における液膜の有無を考慮して導出されてもよい。これにより、上記噴射圧をより適正に導出することが可能となる

【0010】

また、前記制御装置は、前記添加弁から前記噴射圧で噴射される前記添加液と前記排ガスとのミキシング性が確保されるか否かを判定し、前記ミキシング性が確保される場合、前記添加弁に供給される前記添加液の圧力が前記噴射圧になるように前記ポンプを制御し、前記ミキシング性が確保されない場合、前記内燃機関の制御パラメータを変更するか、あるいは前記添加弁からの前記添加液の噴射を停止させるものであってもよい。これにより、添加弁の周辺におけるデポジットの発生を良好に抑えつつ、排気通路内の排ガスと添加液との混合を促進させることが可能となる。

【0011】

更に、前記制御装置は、前記添加弁から前記添加液を噴射させる際に、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記添加弁から噴射された前記添加液を前記添加弁の周辺への流入部よりも前記排ガスの流れ方向における下流側で前記排気通路内の衝突面に当接させる最大の噴射圧である他の噴射圧を導出すると共に、前記添加弁から前記他の噴射圧で噴射される前記添加液と前記排ガスとのミキシング性が確保されるか否かを判定し、前記ミキシング性が確保される場合、前記添加弁に供給される前記添加液の圧力が前記他の噴射圧になるように前記ポンプを制御し、前記ミキシング性が確保されない場合、前記噴射圧を導出するものであってもよい。これにより、添加弁の周辺におけるデポジットの発生を良好に抑えると共に、添加液と排ガスとのミキシング性を確保しながら、ポンプの吐出圧を低下させることができる。この結果、上記ポンプ等の補機を含む内燃機関全体の効率を向上させることが可能となる。

【0012】

また、前記他の噴射圧は、前記添加弁の噴射中心から前記排ガスの流れ方向に直交する方向に延出された直線と前記衝突面との交点から、前記添加弁から最上流側に噴射された前記添加液の前記衝突面との衝突位置までの距離を閾値以上にする最大の圧力であってもよい。

【0013】

更に、前記添加液は、燃料または還元剤であってもよい。

【0014】

本開示の内燃機関の添加液供給方法は、内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置の上流側に配置された添加弁にポンプから添加液を圧送し、前記添加弁から排気通路内に前記添加液を噴射させる内燃機関の添加液供給方法において、前記添加弁から前記添加液を噴射させる際に、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記添加弁から噴射されて前記排気通路内で跳ね返った前記添加液を前記添加弁の周辺に到達させないようにする最大の噴射圧を導出し、前記添加弁に供給される前記添加液の圧力が前記噴射圧になるように前記ポンプを制御するものである。

【0015】

かかる方法によれば、排気通路内で跳ね返った添加液が添加弁の周辺に到達するのを抑制し、当該添加弁の周辺におけるデポジットの発生を良好に抑えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本開示の添加液供給装置を含む内燃機関を示す概略構成図である。

【図2】図１の内燃機関の添加弁周辺の構成を示す模式図である。

【図3】図１の内燃機関において実行される燃料添加制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

【図4】添加弁から排気通路内に噴射された添加液の様子を示す模式図である。

【図5】第１噴射圧（他の噴射圧）の導出手順を説明するための模式図である。

【図6】平均粒径導出マップを例示する説明図である。

【図7】添加弁から排気通路内に噴射された添加液の様子を示す模式図である。

【図8】衝突面の温度と、排気通路内の衝突面における跳ね返り係数との関係を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

次に、図面を参照しながら本開示の発明を実施するための形態について説明する。

【0018】

図１は、本開示の添加液供給装置を含む内燃機関１を例示する概略構成図である。同図に示す内燃機関１は、複数（本実施形態では、例えば４つ）の燃焼室２内でピストン３により圧縮加熱された空気に対して噴射される軽油等の燃料（液体燃料）を自己発火させ、燃料の燃焼に伴うピストン３の往復運動をクランクシャフト（図示省略）の回転運動へと変換するディーゼルエンジンである。内燃機関１は、図示するように、吸気管４と、スロットルバルブ５と、吸気マニホールド６と、複数の吸気弁７と，複数の筒内噴射弁８と、複数の排気弁９と、排気マニホールド１０と、排気管（排気通路）１１と、ターボチャージャー（過給機）１２と、インタークーラー（冷却器）１３と、排気浄化装置１４とを含む。

【0019】

スロットルバルブ５は、吸気管４内の通路面積を変更可能な例えば電子制御式のスロットルバルブである。吸気マニホールド６は、吸気管４および各燃焼室２の吸気ポートに接続される。複数の吸気弁７は、それぞれ対応する燃焼室２の吸気ポートを開閉する。複数の筒内噴射弁８は、それぞれ対応する燃焼室２内に燃料を直接噴射する。複数の排気弁９は、それぞれ対応する燃焼室２の排気ポートを開閉する。ただし、筒内噴射弁８の代わりに、それぞれ対応する吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁が内燃機関１に設けられてもよい。排気マニホールド１０は、各燃焼室２の排気ポートおよび排気管１１に接続される。

【0020】

ターボチャージャー１２は、排気管１１内を流通する排ガスにより回転させられるタービンＴと、当該タービンＴに連結されて吸気管４内の空気を圧縮するコンプレッサＣとを含む。インタークーラー１３は、ターボチャージャー１２のコンプレッサＣとスロットルバルブ５との間で吸気管４内を流通する空気を冷却する。排気浄化装置１４は、ターボチャージャー１２のタービンＴの下流側で排気管１１に組み込まれており、酸化触媒（ＤＯＣ）１４ａと、当該酸化触媒１４ａの下流側で排ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１４ｂとを含む。ただし、排気浄化装置１４は、酸化触媒１４ａの代わりに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）を含むものであってもよい。

【0021】

更に、内燃機関１は、図１に示すように、軽油等の燃料を貯留する燃料タンク２０と、フィードポンプ（低圧ポンプ）２１と、フィードポンプ２１の吐出口に接続された低圧燃料供給管ＬＬと、フィードポンプ２１からの燃料を昇圧させるサプライポンプ（高圧ポンプ）２２と、サプライポンプ２２の吐出口に接続された高圧燃料供給管ＬＨと、高圧燃料供給管ＬＨおよび複数の筒内噴射弁８に接続されたコモンレール（蓄圧室）２３と、低圧燃料供給管ＬＬに接続された燃料添加弁８０とを含む。

【0022】

フィードポンプ２１は、図示しない補機バッテリからの電力により駆動されるモータを含む電動ポンプである。フィードポンプ２１は、燃料タンク２０内の燃料を吸引してサプライポンプ２２および低圧燃料供給管ＬＬに供給する。サプライポンプ２２も、補機バッテリからの電力により駆動されるモータを含む電動ポンプである。サプライポンプ２２は、フィードポンプ２１からの燃料を昇圧し、高圧燃料供給管ＬＨを介してコモンレール２３に供給する。サプライポンプ２２からの高圧の燃料は、コモンレール２３内に蓄えられると共に、当該コモンレール２３から各筒内噴射弁８に供給される。ただし、フィードポンプ２１は、燃料タンク２０内に配置されてもよく、サプライポンプ２２は、例えば内燃機関１により駆動される機械式ポンプであってもよい。

【0023】

燃料添加弁８０は、ノズルボディと、当該ノズルボディに形成された複数（例えば、６～８個）の噴孔と、各噴孔に連通するようにノズルボディに形成されたサック部（サックボリューム）と、図示しない燃料溜めとサック部とを連通させる通路（隙間）を開閉するニードルと、ニードルを軸方向に進退移動させる電磁駆動機構等（何れも図示省略）を含む電子制御式の電磁弁である。燃料添加弁８０は、排気浄化装置１４よりも上流側、すなわちターボチャージャー１２のタービンＴと排気浄化装置１４との間で排気管１１内の排ガスに対して燃料を下流側から上流側に向けて斜めに噴射するように当該排気管１１に排ガスの流れ方向に対して傾けて取り付けられる。

【0024】

本実施形態において、燃料添加弁８０は、図２に示すように、排気管１１から斜めに突出する添加ポート１１ｐ内に配置される。また、排気管１１の内部には、排ガスの流れ方向に沿って延在すると共に燃料添加弁８０から噴射される燃料と衝突するように分散板１５が配置される。更に、低圧燃料供給管ＬＬは、燃料添加弁８０側からフィードポンプ２１（燃料タンク２０）側への燃料の流れを規制する逆止弁２４を含む。なお、燃料添加弁８０は、ターボチャージャー１２よりも上流側で排ガスに対して燃料を噴射するように排気マニホールド１０あるいは排気管１１に取り付けられてもよい。また、逆止弁２４と燃料添加弁８０との間には、蓄圧室が配置されてもよい。

【0025】

加えて、内燃機関１は、その全体を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５０を含む。ＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵや各種制御プログラムを記憶するＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を含むマイクロコンピュータと、各種駆動回路等を含む。ＥＣＵ５０は、入力ポートを介して各種センサからの信号（物理量）を取得する。

【0026】

より詳細には、ＥＣＵ５０は、クランクシャフトの回転位置（クランクポジション）、スロットルバルブ５の弁体位置（スロットルポジション）、吸入空気量、吸気管４内の圧力、冷却水の温度Ｔｗ、低圧燃料供給管ＬＬ内の燃料の圧力ＰＬ、高圧燃料供給管ＬＨ内の圧力ＰＨ、排気浄化装置１４に流入する排ガスの温度Ｔｇ、排気浄化装置１４に流入する排ガスの圧力Ｐｇ等を取得する。クランクシャフトの回転位置は、図示しないクランクポジションセンサにより検出され、ＥＣＵ５０は、クランクシャフトの回転位置に基づいて内燃機関１の回転数Ｎｅを算出する。スロットルバルブ５の弁体位置は、図示しないスロットルバルブポジションセンサにより検出される。吸入空気量は、図示しないエアフローメータにより検出され、吸気管４内の圧力は、図示しない吸気圧センサにより検出される。冷却水の温度Ｔｗは、水温センサ６０により検出される。燃料の圧力ＰＬは、低圧燃圧センサ６１により検出され、圧力ＰＨは、高圧燃圧センサ６２により検出される。排ガスの温度Ｔｇは、排気温度センサ６３により検出され、排ガスの圧力Ｐｇは、排気圧センサ６４により検出される。ＥＣＵ５０は、回転数Ｎｅや上記センサの検出値に基づいて、スロットルバルブ５や各筒内噴射弁８、吸気弁７および排気弁９を駆動する図示しない動弁機構等への制御信号を生成し、これらの機器を制御する。

【0027】

また、ＥＣＵ５０は、低圧燃圧センサ６１により検出される低圧燃料供給管ＬＬ内の燃料の圧力ＰＬが目標圧ＰＬｔａｇになるようにフィードポンプ２１を制御する。すなわち、ＥＣＵ５０は、フィードポンプ２１、逆止弁２４を含む低圧燃料供給管ＬＬおよび燃料添加弁８０と共に、本開示の添加液供給装置を構成する。更に、ＥＣＵ５０は、高圧燃圧センサ６２により検出されるコモンレール２３内の燃料の圧力ＰＨが目標圧ＰＨｔａｇになるようにサプライポンプ２２を制御する

【0028】

加えて、ＥＣＵ５０は、パティキュレートフィルタ１４ｂにおける粒子状物質の推定堆積量が再生開始閾値に達すると、当該推定堆積量が再生完了閾値になるまで、排気管１１内の排ガスに排気浄化装置１４の上流側で添加液としての燃料（以下、「添加燃料」という。）が噴射（添加）されるようにフィードポンプ２１および燃料添加弁８０を制御する。これにより、酸化触媒１４ａでの添加燃料の反応による排ガスの温度上昇を利用して排気浄化装置１４のパティキュレートフィルタ１４ｂにより捕集された粒子状物質を燃焼させ、当該パティキュレートフィルタ１４ｂを再生することが可能となる。

【0029】

ここで、燃料添加弁８０から噴射される添加燃料の圧力（噴射圧）が高い場合、図２に示すように、燃料添加弁８０から噴射されて分散板１５に衝突した添加燃料が、排気管１１内で跳ね返り、添加ポート１１ｐ内すなわち燃料添加弁８０の周辺に到達してしまうことがある。そして、添加ポート１１ｐの内面や燃料添加弁８０の噴孔の周囲等に添加燃料が付着すると、付着した添加燃料の酸化によるガム化が進行してデポジットが発生してしまうおそれがある。これを踏まえて、内燃機関１では、パティキュレートフィルタ１４ｂの再生に際して、燃料添加弁８０周辺でのデポジットの発生が抑制されるように排気管１１内への燃料の添加が実行される。

【0030】

図３は、パティキュレートフィルタ１４ｂにおける粒子状物質の推定堆積量が再生開始閾値に達した際に、ＥＣＵ５０により実行される燃料添加制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

【0031】

図３のルーチンの開始に際して、ＥＣＵ５０の図示しないＣＰＵは、内燃機関１の回転数Ｎｅや、排ガスの温度Ｔｇ、エアフローメータにより検出された吸入空気量の回転数Ｎｅに対応した吸入空気量の最大値に対する割合を示す負荷率ＫＬ、図示しないタイマにより計時される前回の燃料添加弁８０の開弁からの経過時間といった制御に必要な情報を取得する（ステップＳ１００）。ステップＳ１００の処理の後、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１００にて取得した内燃機関１の運転状態を示す回転数Ｎｅおよび負荷率ＫＬに基づいて第１噴射圧Ｐ１（他の噴射圧）を導出し、導出した第１噴射圧Ｐ１をフィードポンプ２１の目標圧ＰＬｔａｇに設定する（ステップＳ１１０）。第１噴射圧Ｐ１は、図４に示すように、燃料添加弁８０から噴射された添加燃料を添加ポート１１ｐの開口（燃料添加弁８０の周辺への流入部）よりも排ガスの流れ方向における下流側で分散板１５の表面（衝突面）に当接させる最大の噴射圧である。より詳細には、第１噴射圧Ｐ１は、図５における点ｘ０から点ｘ１までの距離Ｌｄを閾値Ｌｒｅｆ以上にする最大の圧力である。

【0032】

図５に示すように、点ｘ０は、燃料添加弁８０の噴射中心（複数の噴孔の中心）から排気管１１内の排ガスの流れ方向に直交する方向に延出された直線ｚ（図５における一点鎖線参照）と燃料添加弁８０から噴射された添加燃料が衝突する分散板１５の表面（衝突面）との交点である。点ｘ１は、燃料添加弁８０から最上流側に噴射された添加燃料（図５における点線参照）の分散板１５の表面との衝突位置である。閾値Ｌｒｅｆは、点ｘ０から、排気管１１と添加ポート１１ｐとの最下流側の交点から排ガスの流れ方向に直交する方向に延出された直線と分散板１５の表面（衝突面）との交点までの距離よりも若干長くなるように実験・解析を経て定められる。上記距離Ｌｄは、添加燃料の噴射圧すなわちフィードポンプ２１から燃料添加弁８０に供給される燃料の圧力が高いほど小さくなり、点ｘ１は、噴射圧が高いほど上流側（図５における左側）に移動する。

【0033】

また、燃料添加弁８０から噴射された添加燃料の排ガスの流れ方向に直交する方向における速度（縦速度）ｖ（ｔ）は、次式（１）のように表され、燃料添加弁８０から噴射された添加燃料が分散板１５に衝突するまでの時間ｔｃは、式（１）より次式（２）のように表される。更に、燃料添加弁８０から噴射された添加燃料の排ガスの流れ方向における速度（横速度）ｕ（ｔ）は、次式（３）のように表される。従って、距離Ｌｄは、式（２）および（３）から、次式（４）のように表される。ただし、式（１）－（４）において、“ｍ”は、添加燃料の液滴の質量であり、“ｖ０”は、燃料添加弁８０から噴射された添加燃料の初速であり、“θ”は、燃料添加弁８０から最上流側に噴射された添加燃料と、上記直線ｚとのなす角度であり、“Ｋ１”は、排ガスの流れ方向に直交する方向におけるガス抵抗係数であり、“Ｋ２”は、排ガスの流れ方向におけるガス抵抗係数であり、Ｈは、燃料添加弁８０の噴孔から分散板１５の表面（衝突面）までの距離であり、“Ｄ”は、添加燃料の液滴に作用する流速ｖｇで流れる排ガスからの抗力である。

【0034】

【数1】

【0035】

上述の角度θは、排気管１１と燃料添加弁８０との位置関係や噴孔の配置態様から定める一定値である。また、速度ｖ０および質量ｍは、添加燃料の噴射圧すなわちフィードポンプ２１から燃料添加弁８０に供給される燃料の圧力に相関し、ガス抵抗係数Ｋ１，Ｋ２や抗力Ｄ（流速ｖｇ）は、吸入空気量や排ガスの温度Ｔｇに相関する。これらを踏まえて、本実施形態では、複数の噴射圧ごとに算出された距離Ｌｄに基づいて、内燃機関１の運転状態を示す回転数Ｎｅおよび負荷率ＫＬと、距離Ｌｄを閾値Ｌｒｅｆ以上にする第１噴射圧Ｐ１との関係を規定する第１噴射圧設定マップが予め作成される。そして、ステップＳ１１０では、当該第１噴射圧設定マップから回転数Ｎｅおよび負荷率ＫＬに対応した第１噴射圧Ｐ１が導出される。

【0036】

続いて、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１１０にて導出した第１噴射圧Ｐ１で添加燃料を排気管１１内に噴射した際に分散板１５との衝突により形成される添加燃料の液滴の平均粒径φを導出する（ステップＳ１２０）。本実施形態では、予め実験・解析を経て、噴射圧と当該平均粒径φとの関係を規定する平均粒径導出マップ（図６参照）が作成されており、ステップＳ１２０では、当該平均粒径導出マップからステップＳ１１０にて導出した第１噴射圧Ｐ１に対応した平均粒径φが取得される。更に、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１２０にて導出した平均粒径φが予め定められた閾値φｒｅｆよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１３０）。閾値φｒｅｆは、燃料添加弁８０から噴射された添加燃料と排気管１１内の排ガスとのミキシング性が確保されたとみなされるときの液滴の粒径であり、予め実験・解析を経て定められる。これにより、ステップＳ１２０にて導出された平均粒径φが閾値φｒｅｆ以下である場合には、ステップＳ１１０にて導出した第１噴射圧Ｐ１で噴射される添加燃料と排気管１１内の排ガスとのミキシング性が確保されるとみなすことができる。

【0037】

ステップＳ１３０にて、平均粒径φが閾値φｒｅｆ以下であると判定した場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、低圧燃圧センサ６１により検出される圧力ＰＬすなわち燃料添加弁８０に供給される燃料の圧力が目標圧ＰＬｔａｇすなわちステップＳ１１０にて導出された第１噴射圧Ｐ１になるようにフィードポンプ２１を制御する（ステップＳ２００）。更に、ＥＣＵ５０は、燃料添加弁８０を予め定められた時間だけ開弁させ（ステップＳ２１０）、当該燃料添加弁８０が規定回数だけ開弁されたか否かを判定する（ステップＳ２２０）。ＥＣＵ５０は、燃料添加弁８０を規定回数だけ開弁させた後（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、別途算出されるパティキュレートフィルタ１４ｂにおける粒子状物質の推定堆積量が再生完了閾値になったか否かを判定する（ステップＳ２３０）。ステップＳ２３０にて推定堆積量が再生完了閾値になっていないと判定した場合（ステップＳ２３０：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１００以降の処理を再度実行する。また、ステップＳ２３０にて推定堆積量が再生完了閾値になったと判定した場合（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、図３のルーチンを終了させる。

【0038】

一方、上記ステップＳ１３０にて第１噴射圧Ｐ１に対応した平均粒径φが閾値φｒｅｆよりも大きいと判定した場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１００にて取得した回転数Ｎｅおよび負荷率ＫＬに基づいて第２噴射圧Ｐ２（噴射圧）を導出し、導出した第２噴射圧Ｐ２をフィードポンプ２１の目標圧ＰＬｔａｇに設定する（ステップＳ１４０）。第２噴射圧Ｐ２は、図７に示すように、燃料添加弁８０から噴射されて分散板１５の表面に衝突し、排気管１１内で跳ね返った添加燃料（液滴）を燃料添加弁８０の周辺すなわち添加ポート１１ｐ内に到達（流入）させないようにする最大の噴射圧である。より詳細には、第２噴射圧Ｐ２は、燃料添加弁８０から噴射されて分散板１５に衝突し、排気管１１内で跳ね返った直後の添加燃料（液滴）の排ガスの流れ方向に直交する方向における速度ｖｒを閾値ｖｒｅｆ以下にする最大の圧力である。

【0039】

速度ｖｒは、燃料添加弁８０から噴射されて分散板１５に衝突する直前の添加燃料の排ガスの流れ方向と直交する方向の速度（縦速度）ｖｊに跳ね返り係数Ｅを乗じることにより得られるものである。速度ｖｊは、上記式（１）および（２）から次式（５）のように表される。また、閾値ｖｒｅｆは、分散板１５の表面（衝突面）で跳ね返った添加燃料（液滴）が添加ポート１１ｐ内に流入しないときのｖｒｅｆであって、実験・解析を経て定められる。

【0040】

【数2】

【0041】

本実施形態では、複数の噴射圧ごとに算出された速度ｖｒに基づいて、内燃機関１の運転状態を示す回転数Ｎｅおよび負荷率ＫＬと、速度ｖｒを閾値ｖｒｅｆ以上にする第２噴射圧Ｐ２との関係を規定する第２噴射圧設定マップが予め作成される。また、跳ね返り係数Ｅは、図８に示すように、分散板１５の表面（衝突面）に添加燃料の液膜（油膜）が形成されていない状態と、液膜が形成されている状態で異なる値となる。これを踏まえて、第２噴射圧設定マップは、分散板１５の表面に液膜が形成されていない状態と、液膜が形成されている状態との双方について１つずつ用意される。

【0042】

ステップＳ１４０では、ステップＳ１００にて取得された排ガスの温度Ｔｇおよび前回の燃料添加弁８０の開弁からの経過時間に応じて、２つの第２噴射圧設定マップの何れか一方が選択される。すなわち、当該経過時間が排ガスの温度Ｔｇに対応した燃料の蒸発完了までの時間（図８参照）以上である場合、分散板１５の表面に液膜が形成されていない状態に対応した第２噴射圧設定マップが選択され、当該経過時間が排ガスの温度Ｔｇに対応した燃料の蒸発完了までの時間未満である場合、分散板１５の表面に液膜が形成されている状態に対応した第２噴射圧設定マップが選択される。

【0043】

そして、ステップＳ１４０では、選択された第２噴射圧設定マップから回転数Ｎｅおよび負荷率ＫＬに対応した第２噴射圧Ｐ２が導出される。図６に示すように、内燃機関１の運転状態が同一である場合、第２噴射圧Ｐ２は、第１噴射圧Ｐ１よりも高くなる。また、内燃機関１の運転状態が同一である場合、第２噴射圧Ｐ２を超えた噴射圧で添加燃料が噴射された場合、排ガスの流れ方向における上流側で分散板１５の表面に衝突して跳ね返る添加燃料の量が増加し、跳ね返った添加燃料が燃料添加弁８０の周辺に到達するおそれが高まることになる（図６における破線参照）。

【0044】

次いで、ＥＣＵ５０は、上述の平均粒径導出マップから、ステップＳ１４０にて導出した第２噴射圧Ｐ２で添加燃料を排気管１１内に噴射した際に分散板１５との衝突により形成される添加燃料の液滴の平均粒径φを導出する（ステップＳ１５０）。更に、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１５０にて導出した平均粒径φが上記閾値φｒｅｆよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０にて、平均粒径φが閾値φｒｅｆ以下であると判定した場合（ステップＳ１６０：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、低圧燃圧センサ６１により検出される圧力ＰＬすなわち燃料添加弁８０に供給される燃料の圧力が目標圧ＰＬｔａｇすなわちステップＳ１４０にて導出された第２噴射圧Ｐ２になるようにフィードポンプ２１を制御する（ステップＳ２００）。

【0045】

更に、ＥＣＵ５０は、燃料添加弁８０を規定回数だけ開弁させた後（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、パティキュレートフィルタ１４ｂにおける粒子状物質の推定堆積量が再生完了閾値になったか否かを判定する（ステップＳ２３０）。この場合も、推定堆積量が再生完了閾値になっていないと判定した場合（ステップＳ２３０：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１００以降の処理を再度実行する。また、推定堆積量が再生完了閾値になったと判定した場合（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、図３のルーチンを終了させる。

【0046】

また、ステップＳ１６０にて第２噴射圧Ｐ２に対応した平均粒径φが閾値φｒｅｆよりも大きいと判定した場合（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１６０にて導出した平均粒径φと閾値φｒｅｆとの差に基づいて、排ガス温度の昇温あるいは排ガスの流量増加により添加燃料と排ガスとのミキシング性を改善させ得るか否かを判別する（ステップＳ１７０）。ステップＳ１７０の判別処理により添加燃料と排ガスとのミキシング性を改善させ得ると判定した場合（ステップＳ１８０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、燃料噴射タイミングあるいはターボチャージャー１２の過給圧といった制御パラメータを変更する（ステップＳ１９０）。すなわち、ステップＳ１９０において、ＥＣＵ５０は、排ガス温度を上昇させるために燃料噴射タイミングを遅角させるか、あるいは排ガスお流量を増加させるためにターボチャージャー１２の過給圧を低下させる。

【0047】

ステップＳ１９０の処理の後、ＥＣＵ５０は、低圧燃圧センサ６１により検出される圧力ＰＬすなわち燃料添加弁８０に供給される燃料の圧力が目標圧ＰＬｔａｇすなわちステップＳ１４０にて導出された第２噴射圧Ｐ２になるようにフィードポンプ２１を制御する（ステップＳ２００）。更に、ＥＣＵ５０は、燃料添加弁８０を規定回数だけ開弁させた後（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、パティキュレートフィルタ１４ｂにおける粒子状物質の推定堆積量が再生完了閾値になったか否かを判定する（ステップＳ２３０）。この場合も、推定堆積量が再生完了閾値になっていないと判定した場合（ステップＳ２３０：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１００以降の処理を再度実行する。また、推定堆積量が再生完了閾値になったと判定した場合（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、図３のルーチンを終了させる。これに対して、ステップＳ１７０の判別処理により添加燃料と排ガスとのミキシング性を改善させ得ないと判定した場合（ステップＳ１８０：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、その時点で燃料添加弁８０からの燃料噴射（添加）を中止（停止）させ（ステップＳ２４０）、図３のルーチン終了させる。

【0048】

以上説明したように、内燃機関１の制御装置であるＥＣＵ５０は、当該内燃機関１の運転状態を示す回転数Ｎｅおよび負荷率ＫＬに基づいて、燃料添加弁８０から噴射された添加燃料を添加ポート１１ｐの開口（燃料添加弁８０の周辺への流入部）よりも排ガスの流れ方向における下流側で排気管１１内の分散板１５の表面（衝突面）に当接させる最大の噴射圧である第１噴射圧Ｐ１を導出する（ステップＳ１１０）。第１噴射圧Ｐ１は、燃料添加弁８０の噴射中心から延出された直線ｚと分散板１５の表面（衝突面）との交点ｘ０から、燃料添加弁８０から最上流側に噴射された添加燃料の分散板１５の表面との衝突位置ｘ１までの距離Ｌｄを閾値Ｌｒｅｆ以上にする最大の圧力である。

【0049】

更に、ＥＣＵ５０は、燃料添加弁８０から第１噴射圧Ｐ１で噴射される添加燃料と排ガスとのミキシング性が確保されるか否かを判定し（ステップＳ１２０，Ｓ１３０）、ミキシング性が確保される場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、燃料添加弁８０に供給される添加燃料の圧力が第１噴射圧Ｐ１になるようにフィードポンプ２１を制御する（ステップＳ２００）。これにより、燃料添加弁８０の周辺におけるデポジットの発生を良好に抑えると共に、添加燃料と排ガスとのミキシング性を確保しながら、フィードポンプ２１の吐出圧を低下させることができる。この結果、フィードポンプ２１等の補機を含む内燃機関１全体の効率を向上させることが可能となる。

【0050】

また、燃料添加弁８０から第１噴射圧Ｐ１で噴射される添加燃料と排ガスとのミキシング性が確保されないと判定した場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、内燃機関１の運転状態を示す回転数Ｎｅおよび負荷率ＫＬに基づいて、燃料添加弁８０から噴射されて排気管１１内で跳ね返った添加燃料を当該燃料添加弁８０の周辺に到達させないようにする最大の噴射圧である第２噴射圧Ｐ２を導出する（ステップＳ１４０）。第２噴射圧Ｐ２は、排気管１１内の排ガスの流れ方向に直交する方向における排気管１１内で跳ね返った直後の添加燃料の速度ｖｒを閾値ｖｒｅｆ以下にする最大の圧力であり、添加燃料が衝突する分散板１５の表面における液膜の有無を考慮して導出される。これにより、第２噴射圧Ｐ２をより適正に導出することが可能となる

【0051】

更に、ＥＣＵ５０は、燃料添加弁８０から第２噴射圧Ｐ２で噴射される添加燃料と排ガスとのミキシング性が確保されるか否かを判定し（ステップＳ１５０，Ｓ１６０）、ミキシング性が確保される場合（ステップＳ１６０：ＮＯ）、燃料添加弁８０に供給される添加燃料の圧力が第２噴射圧Ｐ２になるようにフィードポンプ２１を制御する（ステップＳ２００）。これにより、排気管１１内で跳ね返った添加燃料が燃料添加弁８０の周辺に到達するのを抑制し、当該燃料添加弁８０の周辺におけるデポジットの発生を良好に抑えることが可能となる。一方、燃料添加弁８０から第２噴射圧Ｐ２で噴射される添加燃料と排ガスとのミキシング性が確保されないと判定した場合（ステップＳ１８０：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１７０，Ｓ１８０における判定結果に応じて、内燃機関１の制御パラメータを変更するか（ステップＳ１９０）、あるいは燃料添加弁８０からの添加燃料の噴射を停止させる（ステップＳ２４０）。これにより、燃料添加弁８０の周辺におけるデポジットの発生を良好に抑えつつ、排気管１１内の排ガスと添加燃料との混合を促進させることが可能となる。

【0052】

なお、図３のルーチンから、ステップＳ１１０－Ｓ１３０の処理が省略されてもよく、ステップＳ１４０－Ｓ１６０の処理が省略されてもよい。また、内燃機関１から分散板１５が省略されてもよい。更に、排気浄化装置１４が酸化触媒１４ａの代わりに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）を含む場合、本開示の添加液供給装置は、燃料の代わりに、還元剤としての尿素等を含む添加液を噴射する還元剤添加弁を含むものであってもよい。

【0053】

そして、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

【産業上の利用可能性】

【0054】

本開示の発明は、内燃機関の製造産業等において利用可能である。

【符号の説明】

【0055】

１ 内燃機関、２ 燃焼室、３ ピストン、４ 吸気管、５ スロットルバルブ、６ 吸気マニホールド、７ 吸気弁、８ 筒内噴射弁、８０ 燃料添加弁、９ 排気弁、１０ 排気マニホールド、１１ 排気管、１２ ターボチャージャー、１３ インタークーラー、１４ 排気浄化装置、１４ａ 酸化触媒、１４ｂ パティキュレートフィルタ、１５ 分散板、２０ 燃料タンク、２１ フィードポンプ、２２ サプライポンプ、２３ コモンレール、２３Ｈ 高圧デリバリパイプ、２３Ｌ 低圧デリバリパイプ、２４ 逆止弁、５０ 電子制御装置（ＥＣＵ）、６０ 水温センサ、６１ 低圧燃圧センサ、６２ 高圧燃圧センサ、６３ 排気温度センサ、６４ 排気圧センサ、Ｃ コンプレッサ、ＬＬ 低圧燃料供給管、ＬＨ 高圧燃料供給管、Ｔ タービン。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】