JP2005207377A

JP2005207377A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2005207377A
Application number: JP2004017319A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Yasuda; 郁夫保田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの排気浄化装置において再生処理の完了を正確に検知しＤＰＮＲの接続管路を切換える。
【解決手段】ディーゼルエンジンの触媒４５０は、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、ディーゼルエンジンから排出された微粒子を捕集するＤＰＮＲ（４５２Ｄ，４５４Ｄ）を含む。触媒４５０には、触媒（Ａ）４５２の出口と触媒（Ｂ）４５４の入口を連結する連結管路４５０Ａ（１）と、触媒（Ｂ）４５４の出口と触媒（Ａ）４５２の入口とを接続する連結管路４５０Ａ（２）と、それらの管路を適宜切換えることができる切換バルブ４５０Ｂ（１）、４５０Ｂ（２）、４５０Ｂ（３）、４５０Ｂ（４）とを含む。この触媒４５０においては、ＤＰＮＲ触媒の再生処理が完了すると、完了したＤＰＮＲ触媒が、より上流側になるように切換バルブが操作される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気系内に設けられた浄化装置に関し、特に、排気系内に設けられ、ディーゼルエンジンからの排気中の有害成分の浄化を行なう排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンや希薄燃焼を行なうガソリンエンジンでは、高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼に供して機関運転を行なう運転領域が、全運転領域の大部分を占める。この種のエンジン（内燃機関）では一般に、酸素の存在下で窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収するＮＯｘ吸収剤（触媒）がその排気系に備えられる。

また、ディーゼルエンジンから排出されるカーボン等の微粒子は、ＰＭ（Particulate Matter）と呼ばれ、その除去に関して、多くの技術が開発されている。たとえば、フィルタ状の触媒付き排気トラップを排気通路に介装した排気微粒子処理装置がある。この触媒付きトラップは、その触媒作用により堆積した排気微粒子を自己燃焼させるものである。

このような窒素酸化物や排気微粒子を除去する処理に関して、以下に示す公報に関連する先行技術が開示されている。

特開２００１−３３６４１８号公報（特許文献１）は、触媒担体が活性下限温度より降下するのを阻止して、アイドリング時等の低負荷運転時に、ＨＣやＣＯ等が熱分解されない状態のまま排出されるのを解消する触媒装置を開示する。この触媒装置は、触媒コンバータがガス入口通路とガス出口通路を兼ねる一対のコンバータ通路を介して排気通路に接続されており、コンバータ通路と排気通路との間に、排気通路と各コンバータ通路との接続形態を変更して、触媒コンバータの内部における排気ガスの流動方向を正逆に切り換える切換装置が設けてある触媒装置であって、切換装置は、上流側排気通路と連通する複数個の入口通路を開閉する入口ポペット弁と、下流側排気通路と連通する複数個の出口通路を開閉する出口ポペット弁と、両ポペット弁を開閉操作するアクチュエータとを含み、一方の入口通路と出口通路とは、送給口を介して一方のコンバータ通路に接続され、他方の入口通路と出口通路とは別の送給口を介して他方のコンバータ通路に接続されており、両ポペット弁をアクチュエータで同時に切り換え操作して、上流側排気通路から触媒コンバータへの排気ガスの供給方向を交互に逆向きに変更する制御回路とを含む。

この触媒装置によると、入口ポペット弁と、出口ポペット弁を切換要素にして、入口通路と出口通路を各ポペット弁で開閉することにより、触媒コンバータへの排気ガスの供給方向を交互に逆向きに切り換えるので、ディスク弁を切換要素とする従来の触媒装置に比べて、切換要素の小形化と軽量化とを実現して、慣性質量を小さくできるうえ、その作動ストロークを小さくできる。これにより、両ポペット弁の応答速度を向上できる。さらに弁開閉時に弁体と弁座との間で摺動抵抗を生じる余地がないので、弁体と弁座とのシール機能が経時時に劣化するのを一掃して、常に安定した締切作用を発揮できる。したがって、この触媒装置によれば、切換装置における弁部のシール不良に基づく生ガスの漏洩や、弁切り換え時の応答遅れに伴う生ガスの流出を解消して、低負荷運転時における触媒温度を必要な活性温度に維持できる。これにより、低負荷運転時の排ガス中のＨＣやＣＯの濃度が瞬間的に急増し、あるいは経時的に徐々に増加するのを防止して、高負荷、低負荷の別なく全ての運転状態において排ガスを浄化できる。

特開平９−５３４４０号公報（特許文献２）は、浄化率が大きく且つその時間的な変動が小さい内燃機関の窒素酸化物浄化装置を開示する。この内燃機関の窒素酸化物浄化装置は、内燃機関の排気通路に介装され、内燃機関から排出された窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物浄化装置であって、この浄化装置は、窒素酸化物を還元浄化する複数の触媒装置と、複数の触媒装置の排気通路における配列順序を変更する流路切換手段と、触媒装置の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段の出力信号を受けて流路切換手段を操作する制御手段とを有しており、制御手段は、流路切換手段を操作して常時複数の触媒装置に排気を流通させ、上流側に配置された触媒装置の温度が所定の温度を超えた場合には、上流の触媒装置を他の触媒装置の下流側に配置変更し、所定の温度は、所定の触媒活性温度とする。

この内燃機関の窒素酸化物浄化装置によると、複数の触媒装置とこの触媒装置の配列順序を変更する流路切換手段とが設けられており、制御手段は、常時複数個の触媒装置に排気を流し、上流側に配置された触媒装置の温度が所定の触媒活性温度を超えた場合に、この触媒装置を他の触媒装置の下流側に配置する。そして、所定の温度は、所定の触媒活性温度に設定している。この設定温度は、浄化率が最大値を示す温度より高温側の温度とすることが好ましくこの温度が低すぎると上流側の触媒装置の活性度が低いため浄化率が低く、逆に浄化率最高の温度に近いほどに高過ぎると、まだ非常に高い浄化率を示すときに他の触媒装置の下流側に配置されて降温過程に入ることとなり、いずれも平均浄化率を低下させる。したがって、所定の温度は、浄化率が最大値を示す温度より高温側の温度であることが好ましい。

特開２００２−３５７１１５号公報（特許文献３）は、パティキュレートフィルタが早期に目詰まりすることを防止するとともに、パティキュレート以外の排気ガスに含まれる有害物質の大気放出量を良好に低減することを可能とする内燃機関の排気浄化装置を開示する。この内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されてパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられ、パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、捕集壁は第１捕集面と第２捕集面とを有し、逆転手段によってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることによりパティキュレートを捕集するために捕集壁の第１捕集面と第２捕集面とが交互に使用され、パティキュレートフィルタの常に下流側となる位置において触媒装置がパティキュレートフィルタに近接して配置されている。

この内燃機関の排気浄化装置によると、機関排気系に配置されてパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられ、パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、捕集壁は第１捕集面と第２捕集面とを有し、逆転手段によってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることによりパティキュレートを捕集するために捕集壁の第１捕集面と第２捕集面とが交互に使用され、パティキュレートフィルタの常に下流側となる位置において触媒装置がパティキュレートフィルタに近接して配置されている。それにより、運転状態によっては、パティキュレートの酸化が不十分となってパティキュレートフィルタ捕集壁の第１捕集面にはある程度のパティキュレートが残留することがあるが、逆転手段によるパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転によって、捕集壁の第１捕集面には新たにパティキュレートが堆積することはなく、堆積パティキュレートを徐々に酸化除去可能である。同時に、捕集壁の第２捕集面によってパティキュレートの捕集および酸化が開始される。こうして、パティキュレートの捕集に第１捕集面と第２捕集面とが交互に使用されると、常に単一の捕集面でパティキュレートを捕集する場合に比較して、各捕集面でのパティキュレート捕集量を低減することができ、パティキュレートの酸化除去に有利となるために、パティキュレートフィルタにはパティキュレートが堆積することはなく、パティキュレートフィルタの目詰まりを防止することができる。
特開２００１−３３６４１８号公報特開平９−５３４４０号公報特開２００２−３５７１１５号公報

しかしながら、上記した特許文献１および特許文献３に開示された技術においては、切換えにより触媒コンバータ内における排気ガスの流れが逆になる。このことにより発現する有利な点もあるが、たとえば、捕集されていたＰＭが、流れが逆になることにより捕集状態が解除されるということも考えられなくもない。

特許文献２に開示された技術においては、流れが逆になることがなくても、窒素酸化物浄化装置である２つの触媒装置の切換えを、触媒装置の温度で判断している。このような技術を排気微粒子処理装置に適用したとしても、触媒の温度のみに基づいて、２つのＰＭ捕集装置（パティキュレートフィルタ）を切換えることになる。そのため、実際には、ＰＭが燃焼除去されてＰＭ捕集装置の再生が完了していない場合であっても、管路が切換えられてしまう。これでは、再生途中でもＰＭ捕集装置の順序を切換えることになり適切な再生処理が行なわれない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、内燃機関の排気浄化装置において、再生処理状態を正確に検知して、その検知結果に基づいて、排気浄化機構の切換えを行なう排気浄化装置を提供することである。

第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に介装され、内燃機関から排出された微粒子を捕集する排気浄化装置である。この排気浄化装置は、微粒子を捕集する複数の捕集機構を有し、捕集機構に捕集された微粒子を燃焼させることにより捕集機構が再生処理される。この排気浄化装置は、複数の捕集機構の排気通路における配列順序を変更するための流路切換手段と、各捕集装置の再生状態を検知するための検知手段と、検知された再生状態に基づいて、流路切換手段を制御するための制御手段とを含む。

第１の発明によると、再生処理時には複数の捕集機構を直列に接続して、最下流の捕集機構の再生処理が完了したことを検知すると、その最下流の捕集機構をそれ自身よりも下流側に少なくとも１つの再生処理が完了していない捕集機構を有するように、流路切換手段を制御する。直列に捕集機構を接続して再生処理を行なった場合、下流になればなるほど、ＰＭ自身が燃焼した熱で高温になる。そのため、下流側で再生処理が完了した高温の状態の捕集機構を上流側になるように流路を切換えるので、燃料添加による温度上昇に加えて、再生完了した捕集機構が有する熱をそれ以外の上流側にあった捕集機構において利用させることができる。これを繰り返し行なう（Ｎ個の捕集機構がある場合には（Ｎ−１）回だけ繰り返し行なう）ことにより、複数の捕集機構の再生時間を短くすることができる。そのため、燃料添加量を少なくすることができるので、燃費が向上する。また、この流路を切換えるタイミングは、単に検知した温度に基づいて行なうのではなく、各捕集装置の再生状態を検知して、その検知された再生状態に基づいて流路を切換るので、再生途中で流路が切換えられることがなくなり、再生処理を正確に完了させることができる。その結果、内燃機関の排気浄化装置において、再生処理状態を正確に検知して、その検知結果に基づいて、排気浄化機構の切換えを行なう排気浄化装置を提供することができる。

第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、第１の発明の構成に加えて、流路切換手段は、各捕集機構において排気ガスが流れる方向を維持して、配列順序を変更するための手段を含む。

第２の発明によると、各捕集機構において排気ガスが流れる方向を維持されるので、捕集された微粒子が捕集機構から外れることも考慮しなくてよくなる。

第３の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、第１または２の発明の構成に加えて、検知手段は、捕集装置における微粒子の捕集状態を推定することにより、再生状態を検知するための手段を含む。

第３の発明によると、検知手段は、内燃機関の運転状態や車両の運転状態に基づいて、捕集機構にどの程度の微粒子が堆積されるのかを、再生処理しているときにも、再生処理していないときにも、推定演算する。このように捕集装置における微粒子の捕集状態を推定しているので、再生処理時において、堆積量と再生量とから、再生状態を検知して、再生完了を正確に検知することができる。

第４の発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、第１または２の発明の構成に加えて、各捕集装置の前後の圧力を検知するための手段をさらに含む。検知手段は、前後の圧力の差に基づいて、再生状態を検知するための手段を含む。

第４の発明によると、捕集機構の前後の差圧が大きいと、捕集機構に多くの微粒子が捕集されて、捕集機構が微粒子で詰まっていることを示す。このため、推定値ではなく実測値で、再生開始が必要であることや再生が完了したことを検知することができる。

第５の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加えて、制御手段は、内燃機関の高負荷運転時においては、複数の捕集機構が並列に接続されるように、流路切換手段を制御するための手段を含む。

第５の発明によると、高負荷運転時には、複数の捕集機構を並列に接続するので排気抵抗が小さくなり（排気ガスが流れやすくなり）、内燃機関の排気側の背圧が下がり、出力向上を見込める。

第６の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加えて、制御手段は、内燃機関の冷間始動時においては、複数の捕集機構が直列に接続されるように、流路切換手段を制御するための手段を含む。

第６の発明によると、上流側の捕集機構だけでも低温活性が可能な温度まで早期に上昇させることが可能になる。また、直列接続されると排気抵抗が上昇するので、メインインジェクタの噴射量が上昇して排気ガスの温度が上昇して、暖気が早期に完了する。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用した実施の形態について説明する。まず、この排気浄化装置が適用されるディーゼルエンジンシステムについて説明する。なお、このディーゼルエンジンシステムは、ディーゼルエンジンのクリーン排気を実現するために、高圧コモンレール式燃料噴射装置、大容量電子制御ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラ、ＤＰＮＲ触媒を組合せ、ＰＭおよびＮＯｘを連続かつ同時に低減するシステムである。

以下の説明においては、触媒は、その上流側に配置されたＮＯｘを吸収するＮＳＲ（NOx Storage Reduction）触媒と、その下流側に配置されたカーボン等の微粒子であるＰＭなどを除去するとともにＮＯｘを吸収するＤＰＮＲ（Diesel Particulate NOx Reduction）触媒とから構成される触媒を２個有し、排気ガスがそれらの触媒を通過する配列順序を切換えるとして説明する。なお、本発明は、触媒が２個であることに限定されない。また、ＮＳＲ触媒は、ＤＰＮＲ触媒とともに触媒を構成するものに限定されない。ＤＰＮＲ触媒は２個以上必要であるが、ＮＳＲ触媒は、ＤＰＮＲ触媒の上流側であって、燃料添加ノズルの下流側に少なくとも１つ配置されていればよい。

図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１０００は、燃料供給系１００、燃焼室２００、吸気系３００および排気系４００等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。

燃料供給系１００は、サプライポンプ１１０、コモンレール１２０、燃料噴射弁１３０、遮断弁１４０、調量弁１６０、燃料添加ノズル１７０、機関燃料通路８００および添加燃料通路８１０等を備えて構成される。

サプライポンプ１１０は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした上で、機関燃料通路８００を介してコモンレール１２０に供給する。コモンレール１２０は、サプライポンプ１１０から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３０に分配する。燃料噴射弁１３０は、その内部に電磁ソレノイドを備え、適宜開弁して燃焼室２００内に燃料を噴射供給する。

サプライポンプ１１０は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路８１０を介して燃料添加ノズル（還元剤噴射ノズル）１７０に供給する。添加燃料通路８１０には、サプライポンプ１１０から燃料添加ノズル１７０に向かって遮断弁１４０および調量弁１６０が順次配設されている。遮断弁１４０は、緊急時において添加燃料通路８１０を遮断し、燃料供給を停止する。調量弁１６０は、燃料添加ノズル１７０に供給する燃料の圧力（燃圧）を制御する。燃料添加ノズル１７０は所定圧以上の燃圧（例えば０．２ＭＰａ）が付与されると開弁し、排気系４００（排気ポート４１０）内に燃料を噴射供給する機械式の開閉弁である。すなわち、調量弁１６０により燃料添加ノズル１７０上流の燃圧が制御されることにより、所望の燃料が適宜のタイミングで燃料添加ノズル１７０より噴射供給（添加）される。

吸気系３００は、各燃焼室２００内に供給される吸入空気の通路（吸気通路）を形成する。排気系４００は、上流から下流にかけ、排気ポート４１０、排気マニホールド４２０、触媒上流側通路４３０、触媒下流側通路４４０という各種通路部材が順次接続されて構成され、各燃焼室２００から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。

さらに、このエンジン１０００には、周知の過給機（ターボチャージャ）５００が設けられている。ターボチャージャ５００は、シャフト５１０を介して連結された２つのタービンホイール５２０およびタービンホイール５３０を備える。一方のタービンホイール（吸気側タービンホイール）５３０は、吸気系３００内の吸気に晒され、他方のタービンホイール（排気側タービンホイール）５２０は排気系４００内の排気に晒される。このような構成を有するターボチャージャ５００は、排気側タービンホイール５２０が受ける排気流（排気圧）を利用して吸気側タービンホイール５３０を回転させ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行なう。

吸気系３００において、ターボチャージャ５００に設けられたインタークーラ３１０は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１０よりもさらに下流に設けられたスロットル弁３２０は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。

また、エンジン１０００には、燃焼室２００の上流（吸気系３００）および下流（排気系４００）をバイパスする排気還流通路（ＥＧＲ通路）６００が形成されている。このＥＧＲ通路６００は、排気の一部を適宜吸気系３００に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６００には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１０と、ＥＧＲ通路６００を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ６２０とが設けられている。

排気系４００において、排気側タービンホイール５２０の下流（触媒上流側通路４３０と触媒下流側通路４４０との間）には、ＮＳＲ触媒とＤＰＮＲ触媒とから構成される触媒４５０が備えられている。

ＮＳＲ触媒は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であって、たとえばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されることによって構成される。

このＮＳＲ触媒は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ₂もしくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ₂やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されてＮ₂となる。ちなみにＨＣやＣＯは、ＮＯ₂やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ₂ＯやＣＯ₂となる。すなわち、ＮＳＲ触媒４６０に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整すれば、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができることになる。

ＤＰＮＲ触媒は、多孔質セラミック構造体に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を組合わせて構成される。エンジン１００からの排出ガスがセラミックスの隙間を通る間に触媒で酸化や還元することで、無害なガスへと化学変化させて排出する。

ＰＭは、リーン燃焼時（酸素の多い希薄燃焼時）に多孔質構造の触媒により、一時的に捕集されると同時に、ＮＯｘを吸蔵する際に生成される活性酸素と排出ガス中の酸素により酸化浄化される。ＮＯｘは、リーン燃焼時に触媒にいったん吸蔵され、その後、瞬間的なリッチ燃焼（酸素の少ない濃空燃比燃焼）により還元浄化される。さらに、ＰＭは、リッチ燃焼時に吸蔵ＮＯｘが還元される際に生成する活性酸素により酸化浄化される。

エンジン１０００の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン１０００の運転状態に関する信号を出力する。

たとえば、レール圧センサ７００は、コモンレール１２０内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１０は、添加燃料通路８１０内を流通する燃料のうち、調量弁１６０へ導入される燃料の圧力（燃圧）Ｐｇに応じた検出信号を出力する。エアフロメータ７２０は、吸気系３００内のスロットル弁３２０下流において吸入空気の流量（吸気量）Ｇａに応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３０は、排気系４００の触媒ケーシングの下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ７４０は、同じく排気系４００の触媒ケーシング下流において排気の温度（排気温度）Ｔｅｘに応じた検出信号を出力する。

また、アクセル開度センサ７５０はエンジン１０００のアクセルペダルに取り付けられ、同ペダルへの踏み込み量Ａｃｃに応じた検出信号を出力する。クランク角センサ７６０は、エンジン１０００の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７００〜７６０は、電子制御装置（ＥＣＵ）１１００と電気的に接続されている。

ＥＣＵ(Electronic Control Unit)１１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびバックアップＲＡＭ、タイマーやカウンタ等を備え、これらと、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換器を含む外部入力回路および外部出力回路とが双方向性バスにより接続されて構成される。

このように構成されたＥＣＵ１１００は、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これら信号に基づいてエンジン１０００の燃料噴射等についての基本制御を行なう他、還元剤（還元剤として機能する燃料）添加にかかる添加タイミングや供給量の決定等に関する還元剤（燃料）添加制御等、エンジン１０００の運転状態に関する各種制御を実行する。

次に、ＥＣＵ１１００の実行する燃料添加の基本原理についてその概略を説明する。

一般に、ディーゼルエンジンでは、燃焼室内で燃焼に供される燃料及び空気の混合気の酸素濃度が、ほとんどの運転領域で高濃度状態にある。

燃焼に供される混合気の酸素濃度は、燃焼に供された酸素を差し引いてそのまま排気中の酸素濃度に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度（空燃比）が高ければ、排気中の酸素濃度（空燃比）も基本的には同様に高くなる。一方、上述したように、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は排気中の酸素濃度が高ければＮＯｘを吸収し、低ければＮＯｘをＮＯ₂
もしくはＮＯに還元して放出する特性を有するため、排気中の酸素が高濃度状態にある限りＮＯｘを吸収することとなる。ただし、当該触媒のＮＯｘ吸収量に限界量が存在し、同触媒が限界量のＮＯｘを吸収した状態では、排気中のＮＯｘが同触媒に吸収されず触媒ケーシングを素通りすることとなる。

そこで、エンジン１０００のように燃料添加ノズル１７０を備えた内燃機関では、適宜の時期に燃料添加ノズル１７０を通じ排気系４００の触媒４５０上流に燃料を添加（以下、排気添加という）することで、一時的に排気中の酸素濃度を低減し、かつ還元成分量（ＨＣ等）を増大させる。すると触媒４５０は、これまでに吸収したＮＯｘをＮＯ₂もしくはＮＯに還元して放出し、自身のＮＯｘ吸収能力を回復（再生）するようになる。放出されたＮＯ₂やＮＯが、ＨＣやＣＯと反応して速やかにＮ₂に還元されることは上述した通りである。

このとき、自身の吸収したＮＯｘを上記態様で放出しつつ還元浄化する触媒４５０にとって、触媒ケーシング内に流入する排気中の還元成分量（燃料の濃度）と、酸素濃度（空燃比）とにより還元浄化の効率が決定づけられることとなる。

また、ＤＰＮＲに堆積したＰＭは、再生処理として昇温された排気ガスにより燃焼され、また、燃焼されたＰＭによりさらに排気ガスが昇温されてＰＭが燃焼されることにより、ＤＮＰＲのＰＭ捕集能力は再生される。このとき、エンジンの運転状態と、ＤＰＮＲ前後の温度センサの計測値とに基づいて決定された燃料添加量が添加される。さらに詳しくは、エンジンにおける燃焼状態や燃料噴射状態も勘案して、ＰＭ再生用の燃料添加量が決定される。

このＰＭ捕集量については、ＥＣＵ１１００が、各種センサからの状態量を検知して、ＰＭ堆積量を推定する演算を実行している。なお、ＰＭ再生用の燃料添加を含め、燃料添加ノズル１７０からの燃料噴射量は、エンジン出力に寄与しないため、できる限り少ない方が燃費向上のためには好ましい。すなわち、ＰＭ再生についても、ＰＭ燃焼による熱を有効的に使用して、効率的に行なうことにより、できる限り短い時間で完了させることが好ましい。本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、このような観点から、２つのＤＰＮＲの配列順序をＰＭ再生状態を考慮して、排気管路を切換える点に特徴を有するものである。

以上のように、燃料添加については、エンジン１０００においては、排気ガス中の適切な還元成分量、空燃比および適切な排気ガスの温度を安定して得ることができるように、排気系４００への燃料添加（燃料添加制御）を実行している。

図２および図３を参照して、触媒４５０の詳細な構造について説明する。図２および図３に示すように、触媒４５０は、触媒（Ａ）４５２と、触媒（Ｂ）４５４とから構成される。触媒（Ａ）４５２および触媒（Ｂ）４５４ともに、その上流側にはＮＳＲ触媒４５２Ｎ，４５４Ｎが配置され、その下流側にはＤＰＮＲ触媒４５２Ｄ，４５４Ｄが配置されている。図２および図３に図示しないが、ＤＰＮＲ触媒４５２Ｄ，４５４Ｄの前後の圧力差が差圧トランスデューサ４９０に入力される。

図２は、触媒（Ａ）４５２、触媒（Ｂ）４５４の順で排気ガスが流れる様子を示す。図３は、触媒（Ｂ）４５４、触媒（Ａ）４５２の順で排気ガスが流れる状態を示す。

図２および図３に示すように、この触媒４５０は、２つの触媒（Ａ）４５２と触媒（Ｂ）４５４と、触媒（Ａ）４５２の下流側と触媒（Ｂ）４５４の上流側とを連結する連結管４５０Ａ（１）と、触媒（Ｂ）４５４の下流側と触媒（Ａ）４５２の上流側とを連結する連結管４５０Ａ（２）とにより連結されている。また、このような管路を切換えるための切換バルブ４５０Ｂ（１），４５０Ｂ（２），４５０Ｂ（３），４５０Ｂ（４）が設けられている。

図２に示すように、触媒（Ａ）４５２、触媒（Ｂ）４５４の順で排気ガスが流れる場合には、切換バルブ４５０Ｂ（１）は触媒（Ａ）４５２に排気ガスが流れるように、切換バルブ４５０Ｂ（２）は触媒（Ｂ）４５４から排出された排気ガスが触媒４５０のさらに下流に流れるように切換えられている。また、切換バルブ４５０Ｂ（３）は開いており、切換バルブ４５０Ｂ（４）は閉じた状態となっている。

また、図３に示すように、触媒（Ｂ）４５４、触媒（Ａ）４５２の順で排気ガスが流れる場合には、切換バルブ４５０Ｂ（１）は触媒（Ｂ）４５４に排気ガスが流れるように、切換バルブ４５０Ｂ（２）は触媒（Ａ）４５２から排出された排気ガスが触媒４５０のさらに下流側に流れるように切換えられている。また、切換バルブ４５０Ｂ（３）は閉じられ、切換バルブ４５０Ｂ（４）は開かれた状態となっている。

以上のような構造を有するため、図２および図３の矢印で示すように、排気ガスが流れる。

また、図２および図３に示すように、排気ガスの温度を示す温度センサ（サーミスタ）が４箇所に設けられる。触媒（Ａ）４５２の入口側の温度であるｔｈｃｉ（Ａ）を検知する温度センサ４５２ＴＨ（Ｉ）と、触媒（Ａ）４５２の出口側の温度ｔｈｃｏ（Ａ）を検知する温度センサ４５２ＴＨ（Ｏ）と、触媒（Ｂ）４５４の入口側の温度ｔｈｃｉ（Ｂ）を検知する温度センサ４５４ＴＨ（Ｉ）と、触媒（Ｂ）４５４の出口側温度ｔｈｃｏ（Ｂ）を検知する温度センサ４５４ＴＨ（Ｏ）である。

図４を参照して、ＥＣＵ１１００で実行されるプログラムの制御構造について説明する。ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、ＥＣＵ１１００は、触媒（Ａ）４５２または触媒（Ｂ）４５４のＰＭ推定堆積量がＰＭ再生開始判定しきい値以上であるか否かを判断する。これは、ＥＣＵ１１００が、エンジンの運転状態や車両の運転状態に基づいて、逐次推定した推定堆積量と予め定められたＰＭ再生開始判定しきい値とに基づいて判断される。触媒（Ａ）４５２または触媒（Ｂ）４５４のＰＭ推定堆積量が、ＰＭ再生開始判定しきい値以上であると（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ１１０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１００にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ１１０にて、ＥＣＵ１１００は、ＰＭ再生開始判定しきい値を超えたのは触媒（Ｂ）４５４であるか否かを判断する。ＰＭ再生開始判定しきい値を超えたのは触媒（Ｂ）４５４であると（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、処理はＳ１２０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１１０にてＮＯ）、処理はＳ３００へ移される。

Ｓ１２０にて、ＥＣＵ１１００は、触媒（Ａ）４５２、触媒（Ｂ）４５４の順で排気ガスが流れるような直列配置になるように切換バルブを操作する。具体的には、切換バルブ４５０Ｂ（１）、４５０Ｂ（２）、４５０Ｂ（３）を操作して、切換バルブ４５０Ｂ（１）を触媒（Ａ）４５２に排気ガスが流れるように、切換バルブ４５０Ｂ（２）を触媒（Ｂ）４５０からの排気ガスが排出できるように、切換バルブ４５０Ｂ（３）を開く。次いで、切換バルブ４５０Ｂ（４）を操作して、切換バルブ４５０Ｂ（４）を閉じる。

Ｓ１３０にて、ＰＭ再生が開始される。Ｓ１４０にて、ＥＣＵ１１００は、ＰＭ推定堆積量の減量分を推定する。ＰＭ推定堆積量の減量分を、ＰＭ再生開始判定しきい値である推定堆積量から減算することにより、ＰＭ推定堆積量が演算される。さらに詳しくは、多くの場合は、車両の運転中であるので、エンジン１０００の運転により発生するＰＭの増加量が考慮された推定演算によりＰＭ推定堆積量が算出される。

Ｓ１５０にて、ＥＣＵ１１００は、触媒（Ｂ）４５４の推定堆積量がＰＭ再生終了判定しきい値以下になったか否かを判断する。触媒（Ｂ）４５４の推定堆積量がＰＭ再生終了判定しきい値以下になると（Ｓ１５０にてＹＥＳ）、処理はＳ２１０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１５０にてＮＯ）、処理はＳ１４０へ戻される。

Ｓ２１０にて、ＥＣＵ１１００は、触媒（Ａ）４５２の推定堆積量がＰＭ再生開始判定しきい値以上であるか否かを判断する。触媒（Ａ）４５２の推定堆積量がＰＭ再生開始判定しきい値以上であると（Ｓ２１０にてＹＥＳ）、処理はＳ２２０へ移される。もしそうでないと（Ｓ２１０にてＮＯ）、処理はＳ２６０へ移される。

Ｓ２２０にて、ＥＣＵ１１００は、触媒（Ｂ）４５４、触媒（Ａ）４５２の順に排気ガスが流れるような直列配置になるように切換バルブを操作する。具体的には、バルブ４５０Ｂ（４）を操作してバルブ４５０Ｂ（４）を開く。次いで、切換バルブ４５０Ｂ（１），４５０Ｂ（２），４５０Ｂ（３）を操作して、切換バルブ４５０Ｂ（１）を触媒（Ｂ）４５４に排気ガスが流れるように切換え、切換バルブ４５０Ｂ（２）を触媒（Ａ）４５２から触媒４５０の下流側に排出されるように切換え、切換バルブ（３）が閉じる。

なお、このＳ２２０において、切換バルブ４５０Ｂ（４）を開いてから切換バルブ４５０Ｂ（１），４５０Ｂ（２），４５０Ｂ（３）を操作するのではなく、切換バルブ４５０Ｂ（１），４５０Ｂ（２），４５０Ｂ（４）を操作してから、切換バルブ４５０Ｂ（３）を閉じるような順序で、これらの切換バルブを操作するようにしてもよい。

Ｓ２４０にて、ＥＣＵ１１００は、ＰＭ推定堆積量の減量分を推定する。Ｓ２４０においても、Ｓ１４０と同様にして、再生時におけるＰＭ推定堆積量が演算される。

Ｓ２５０にて、ＥＣＵ１１００は、触媒（Ａ）４５２のＰＭ推定堆積量が再生終了判定しきい値以下になったか否かを判断する。触媒（Ａ）４５２のＰＭ推定堆積量が再生終了判定しきい値以下になると（Ｓ２５０にてＹＥＳ）、処理はＳ２６０へ移される。もしそうでないと（Ｓ２５０にてＮＯ）、処理はＳ２４０へ戻される。

Ｓ２６０にて、ＥＣＵ１１００は、ＰＭ再生を終了させる。

Ｓ３００にて、ＥＣＵ１１００は、触媒（Ｂ）４５４、触媒（Ａ）４５２の順で排気ガスが流れるような直列配置になるように切換バルブを操作して管路を切換えて、触媒（Ａ）４５２の再生処理を行なう。触媒（Ａ）４５２の再生処理が完了すると、触媒（Ａ）４５２、触媒（Ｂ）４５４の順で排気ガスが流れるような直列配置になるように切換バルブを操作して管路を切換えて、触媒（Ｂ）４５４の再生処理を行なう。このＳ３００は、Ｓ１２０〜Ｓ２５０の処理の逆の順序で行なわれる処理と同じである。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る排気浄化装置を実現するＥＣＵ１１００を搭載した車両におけるＰＭ再生処理に関する動作について説明する。

触媒（Ａ）４５２および触媒（Ｂ）４５４が並列接続状態（または直列接続状態）において、ＥＣＵ１１００により触媒（Ｂ）４５４の推定堆積量がＰＭ再生開始判定しきい値以上であると判断されると（Ｓ１００にてＹＥＳ、Ｓ１１０にてＹＥＳ）、触媒（Ａ）４５２から触媒（Ｂ）４５４へ排気ガスが流れるように切換バルブが切換えられて（Ｓ１２０）、ＰＭ再生が開始される（Ｓ１３０）。ＰＭ再生の開始後においても、ＰＭ推定堆積量の減量分が推定され、再生時における触媒（Ｂ）４５４のＰＭ推定堆積量が演算される（Ｓ１４０）。

触媒（Ｂ）４５４の推定堆積量がＰＭ再生終了判定しきい値以下になるまでは（Ｓ１５０にてＹＥＳ）、触媒（Ｂ）４５４の再生が継続して行なわれる。

触媒（Ｂ）４５４の再生終了判定後（Ｓ１５０にてＹＥＳ）、触媒（Ａ）の推定堆積量がＰＭ再生開始判定しきい値以上である場合には（Ｓ２１０にてＹＥＳ）、触媒（Ｂ）４５４から触媒（Ａ）４５２に排気ガスが流れるように切換バルブが操作され（Ｓ２２０）、触媒（Ａ）のＰＭ再生が開始される。触媒（Ａ）４５２のＰＭ推定堆積量の減量分が推定されＰＭ再生時においても触媒（Ａ）４５２のＰＭ推定堆積量が演算される。

触媒（Ａ）４５２のＰＭ推定堆積量が再生終了判定しきい値以下になると（Ｓ２５０にてＹＥＳ）、ＰＭ再生が終了する（Ｓ２６０）。

一方、触媒（Ｂ）４５４ではなく、触媒（Ａ）４５２の推定堆積量がＰＭ再生開始判定しきい値以上になった場合には（Ｓ１００にてＹＥＳ、Ｓ１１０にてＮＯ）、最初に触媒（Ｂ）４５４から触媒（Ａ）４５２に排気ガスが流れるようにして触媒（Ａ）の再生処理が完了してから、触媒（Ａ）４５２から触媒（Ｂ）４５４に排気ガスが流れるようにして触媒（Ｂ）４５４の再生処理を行なうように再生処理が実行される（Ｓ３００）。

図５（Ａ）に、触媒（Ａ）４５２から触媒（Ｂ）４５４の順で排気ガスを流している場合のＰＭ再生時の排気ガスの温度の状態を、図５（Ｂ）に、バルブの状態が切換えられて、触媒（Ｂ）４５４から触媒（Ａ）４５２の順で排気ガスを流している場合のＰＭ再生時の排気ガスの温度の状態を、それぞれ示す。図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、触媒（Ｂ）４５４の再生終了後バルブの状態が切換えられるときに、図５（Ａ）に示すように触媒（Ａ）４５２の入口側温度ｔｈｃｉ（Ａ）が低温であったのに対し、図５（Ｂ）に示すように再生が完了した触媒（Ｂ）４５４の温度の影響を受けてｔｈｃｉ（Ａ）が急激に上昇していることがわかる。このようにして、全体の再生時間の短縮化を図ることができる。

以上のようにして、本実施の形態に係る排気ガスの浄化装置によると、２つのＤＰＮＲを再生する場合において、上流側のＤＰＮＲと下流側のＤＰＮＲとを、ＤＰＮＲの再生完了のタイミングで切換えるようにした。再生時においては、直列に接続したときの下流側のＤＰＮＲのほうが高温になり、再生完了時において再生が完了したＤＰＮＲを上流側になるように管路を切換えて下流のＤＰＮＲの温度を上昇させることができる。これにより、ＰＭ再生時間を短縮化させることができ、不要な燃料添加を削減することができ、燃費の向上を図ることができる。

なお、前述したフローチャートにおいては、再生開始判定および再生終了判定を触媒の推定堆積量に基づいて行なったが、これを触媒前後の圧力の差圧に基づいて行なうようにしてもよい。

また、エンジンが高負荷運転時には、２つの触媒を並列に接続するようにして、排気抵抗を小さくして（排気ガスが流れやすくなるようにして）、エンジンの排気側の背圧を下げてエンジンの出力を向上させるようにするようにしてもよい。

また、エンジンの冷間始動時においては、２つの触媒を直列（順序は問わない）に接続して上流側の触媒だけでも低温活性が可能な温度まで早期に温度を上昇させることができる。また、直列に接続されることにより排気抵抗が上昇するので、エンジンのメインインジェクタの噴射量が上昇して排気ガスの温度が上昇し、暖気が早期に完了するようにすることもできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態にかかるディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図である。図１の触媒の詳細構成図（その１：Ａ→Ｂ）である。図１の触媒の詳細構成図（その２：Ｂ→Ａ）である。図１のＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。ＰＭ再生時の温度分布を示す図である。

符号の説明

１００燃料供給系、１１０サプライポンプ、１２０コモンレール、１３０燃料噴射弁、１４０遮断弁、１６０調量弁、１７０燃料添加ノズル、２００燃焼室、３００吸気系、３１０インタークーラ、３２０スロットル弁、４００排気系、４１０排気ポート、４２０排気マニホールド、４３０触媒上流側通路、４４０触媒下流側通路、４５０触媒、４５０Ａ（１），４５０Ａ（２）連結管路、４５０Ｂ（１），４５０Ｂ（２），４５０Ｂ（３），４５０Ｂ（４）切換えバルブ、４５２触媒（Ａ）、４５４触媒（Ｂ）、４５２Ｎ，４５４ＮＮＳＲ触媒、４５２Ｄ，４５４ＤＤＰＮＲ触媒、４５２ＴＨ（Ｉ），４５４ＴＨ（Ｉ）触媒入口側温度センサ、４５２ＴＨ（Ｏ），４５４ＴＨ（Ｏ）触媒出口側温度センサ、４９０差圧トランスデューサ、５００ターボチャージャ、５１０シャフト、５２０排気側タービンホイール、５３０吸気側タービンホイール、６００ＥＧＲ通路、６１０ＥＧＲ弁、６２０ＥＧＲクーラ、７００レール圧センサ、７１０燃圧センサ、７２０エアフロメータ、７３０空燃比センサ、７４０排気温センサ、７５０アクセル開度センサ、７６０クランク角センサ、８００機関燃料通路、８１０添加燃料通路、１０００エンジン、１１００ＥＣＵ。

Claims

内燃機関の排気通路に介装され、前記内燃機関から排出された微粒子を捕集する排気浄化装置であって、
この排気浄化装置は、微粒子を捕集する複数の捕集機構を有し、前記捕集機構に捕集された微粒子を燃焼させることにより前記捕集機構が再生処理され、
前記排気浄化装置は、
前記複数の捕集機構の排気通路における配列順序を変更するための流路切換手段と、
各前記捕集装置の再生状態を検知するための検知手段と、
前記検知された再生状態に基づいて、前記流路切換手段を制御するための制御手段とを含む、内燃機関の排気浄化装置。
前記流路切換手段は、各前記捕集機構において排気ガスが流れる方向を維持して、前記配列順序を変更するための手段を含む、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記検知手段は、前記捕集装置における微粒子の捕集状態を推定することにより、前記再生状態を検知するための手段を含む、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記内燃機関の排気浄化装置は、各前記捕集装置の前後の圧力を検知するための手段をさらに含み、
前記検知手段は、前記前後の圧力の差に基づいて、前記再生状態を検知するための手段を含む、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記制御手段は、前記内燃機関の高負荷運転時においては、複数の捕集機構が並列に接続されるように、前記流路切換手段を制御するための手段を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記制御手段は、前記内燃機関の冷間始動時においては、複数の捕集機構が直列に接続されるように、前記流路切換手段を制御するための手段を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。