JP2005299474A - 排気ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を捕集除去するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、ＤＰＦ装置に流入する排気ガス温度を高温にして、効率よくＤＰＦの再生を行うことができる排気ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】 内燃機関の排気ガス通路２に設けられ、排気ガス中の粒子状物質を捕集するＤＰＦ装置３を備えた排気ガス浄化システム１において、該ＤＰＦ装置３の上流側の排気ガス通路２ｕに熱交換手段４を設け、該熱交換手段４に、前記ＤＰＦ装置３の下流側の排気ガスＧｄの全部又は一部Ｇｄｂを供給し、前記ＤＰＦ装置３の上流側の排気ガスＧｕを加熱するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中から粒子状物質を除去するためのディーゼルパティキュレートフィルタを備えた排気ガス浄化システムに関するものである。

ディーゼル内燃機関から排出される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート・マター：以下ＰＭとする）の排出量は、ＮＯｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきており、このＰＭをディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。

このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック製のモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等があり、これらのＤＰＦを用いた排気ガス浄化システムは、他の排気ガス浄化システムと同様に、内燃機関の排気通路の途中に設置され、内燃機関で発生する排気ガスを浄化して排出している。

これらのＤＰＦ装置に、ＤＰＦの上流側に酸化触媒を設けた連続再生型ＤＰＦ装置や、触媒付きフィルタに担持させた触媒の作用によってＰＭの燃焼温度を低下させ、排気ガスによってＰＭを焼却する連続再生型ＤＰＦ装置等がある。

この上流側酸化触媒の連続再生型ＤＰＦ装置は、ＮＯ₂ （二酸化窒素）によるＰＭの酸化が、排気ガス中の酸素によりＰＭを酸化することにより、低温で行われることを利用したもので、酸化触媒とフィルタとから構成され、この上流側の白金等を担持した酸化触媒により、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ₂ にして、このＮＯ₂ で、下流側のフィルタに捕集されたＰＭを酸化してＣＯ₂ （二酸化炭素）とし、ＰＭを除去している。

また、触媒付きフィルタの連続再生型ＤＰＦ装置は、酸化セリウム（ＣｅＯ₂ ）等のＰＭ酸化触媒を有する触媒付きフィルタで構成され、低温域（３００℃〜６００℃程度）では、触媒付きフィルタにおける排気ガス中のＯ₂ （酸素）を使用した反応（４ＣｅＯ₂ ＋Ｃ→２Ｃｅ₂ Ｏ₃ ＋ＣＯ₂ ，２Ｃｅ₂ Ｏ₃ ＋Ｏ₂ →４ＣｅＯ₂ 等）によりＰＭを酸化し、ＰＭが排気ガス中のＯ₂ で燃焼する温度より高い高温域（６００℃程度以上）では、排気ガス中のＯ₂ によりＰＭを酸化している。

そして、この触媒付きフィルタの連続再生型ＤＰＦ装置等でも、上流側に酸化触媒を設けて、排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯの酸化により、これらの大気中への放出を防止しながら、排気ガス温度を上昇させて、ＰＭの酸化除去を促進することが行われている。

しかしながら、これらの連続再生型ＤＰＦにおいても、排気ガス温度が３５０℃以上の時には、このＤＰＦに捕集されたＰＭは連続的に燃焼して浄化され、ＤＰＦは自己再生するが、排気温度が低い場合やＮＯの排出が少ない内燃機関の運転状態、例えば、内燃機関のアイドル運転や低負荷・低速度運転等の低排気温度状態が継続した場合においては、排気ガス温度が低く触媒の温度が低下して活性化しないため、酸化反応が促進されず、また、ＮＯが不足するので、上記の反応が生ぜず、ＰＭを酸化してフィルタを再生できないため、ＰＭのフィルタへの堆積が継続されて、フィルタの目詰まりが進行する。そのため、このフィルタの目詰まりによる排圧上昇の問題が生じる。このフィルタの目詰まりに対して、この目詰まりが所定の目詰まり量を超えた時に排気温度を強制的に昇温させて捕集されているＰＭを強制的に燃焼除去することが考えられている。

このフィルタの目詰まりの検出手段としては、フィルタの前後差圧で検出する方法を用いることが多く、ＤＰＦの上・下流の排気管にそれぞれ圧力導入管を接続し、この圧力導入管の一端側に圧力センサを設けて圧力を測定したり、捕集フィルタの上流側と下流側の間に、差圧検出器（差圧センサ）を設けて差圧を検出したりしている。

また、排気温度の強制的な昇温手段としては、筒内（シリンダ内）噴射における噴射制御による方法や排気管内への直接燃料噴射における燃料制御による方法がある。この筒内噴射制御は、排気温度がＤＰＦの上流に設けた酸化触媒又はＤＰＦのフィルタに担持された酸化触媒の活性温度よりも低い場合に、マルチ噴射（多段噴射）を行って排気ガスを昇温し、酸化触媒の活性温度よりも上昇したらポスト噴射（後噴射）を行って、排気ガス中の燃料を酸化触媒で燃焼して排気ガスをＤＰＦに捕集されたＰＭが燃焼する温度以上に昇温して、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼除去してＤＰＦを再生させる。

通常、これらの連続再生型ＤＰＦでは、このＰＭの蓄積量が予め設定したＰＭの蓄積限界値に到達した時に、自動的に、内燃機関の運転状態を強制再生モード運転に変更して排気温度を強制的に上昇させたり、ＮＯやＮＯ₂ の量を増加させたりして、フィルタに捕集されたＰＭを酸化して除去して再生する処理、即ち、ＤＰＦ再生制御を行っている。

一方、エンジン直後の排気ガス温度は比較的高いにもかかわらず、図２に示すように、従来技術における連続再生型ＤＰＦ装置３を備えた排気ガス浄化システム１Ｘ等においては、通常はＤＰＦ装置３の上流側の排気ガス通路２ｕに関して何らの保温対策も施されず、大気に開放した状態にしているので、排気ガスＧｕは排気パイプ２を通ってくる間に冷却され、ＤＰＦ装置３に到達するまでには冷却されて低温になってしまうという問題がある。

この排気パイプは車両にもよるが、長さが２．５ｍ〜３ｍにもなるので、保温して排気ガスの冷却を防止する試みもあるが、この長い排気パイプを断熱パイプにするために家庭用の魔法瓶のような構造にしたり、断熱材を排気パイプ全体に巻き付けたりすると工数の増加やコストの増加を招くことになるという問題があり、また、単なる保温だけでは排気ガスの温度維持効果は小さいという問題もある。

一方、フィルタを通過した排ガスをボルテックス効果を応用して排気ガスから高温ガスと低温ガスに分離し、分離した高温ガスを再度フィルタに還流して、フィルタを加熱し、すすを完全に燃焼させるＤＰＦ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、このＤＰＦ装置の場合にはボルテックス効果発生手段が必要となり、また、排気ガスの一部である高温ガスをフィルタに循環させるため、フィルタを通過する排気ガス量が増加するので、フィルタの容量を大きくしなければならないという問題が発生する。

また、触媒にバイパス通路を設けて低温時に触媒を通過させ、高温時にサルファの析出を防止するためにバイパス通路を通過させるＮＯｘ触媒コンバーターにおいて、バイパス通路を触媒通路に隣接して設け、排気ガスが高温時には触媒を暖めておき、排気ガスが低温になったときでも暖められた触媒により排気ガス中のＮＯｘを効率よく還元できる装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、このＮＯｘ触媒コンバーターにおける排気ガスの熱利用では触媒を暖める時には排気ガスがこの触媒では浄化されないという問題や、エンジンから排出された排気ガスであるため温度も低下し、暖機効果も比較的小さいという問題がある。
特開２００２−１４７２２０号公報 特開平１１−１１７７２９号公報

本発明の目的は、上記の問題を解決するためになされたものであり、内燃機関の排気ガス中の粒子状物質を捕集除去するＤＰＦ装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、ＤＰＦ装置の下流側の排気ガスの熱を利用して、ＤＰＦ装置の上流側の排気ガスを加熱することにより、ＤＰＦ装置に流入する排気ガスを高温にして、効率よくＤＰＦの再生を行うことができる排気ガス浄化システムを提供することにある。

更なる目的は、温度センサを併用することにより、ＤＰＦ装置に流入する排気ガス温度を好ましい状態に維持できる排気ガス浄化システムを提供することにある。

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、内燃機関の排気ガス通路に設けられ、排気ガス中の粒子状物質を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、該ＤＰＦ装置の上流側の排気ガス通路に熱交換手段を設け、該熱交換手段に、前記ＤＰＦ装置の下流側の排気ガスの全部又は一部を供給し、前記ＤＰＦ装置の上流側の排気ガスを加熱するように構成する。

この構成によれば、ＤＰＦ装置の下流側の排気ガスの熱を利用してＤＰＦ装置に流入する排気ガスを加熱できるので、ＤＰＦ装置に流入する排気ガスの温度を上昇させて、連続再生型ＤＰＦ装置の場合には酸化触媒やＰＭ酸化触媒等を活性化して排気ガス及びＤＰＦの温度を上昇してＰＭの酸化除去を促進できる。更に、連続再生型ＤＰＦ装置でない、ＤＰＦのみからなるＤＰＦ装置の場合においても、ＤＰＦの温度を上昇させることができ、ＰＭの燃焼除去効率を向上させることができる。

特に、シリンダ内へのポスト噴射や排気ガス通路内への直接燃料噴射等によって排気ガス中に添加された未燃燃料の酸化により排気昇温を行うＤＰＦ再生制御時等では、この酸化により排気ガス温度が上昇し、また、ＤＰＦに蓄積されたＰＭが燃焼して更に昇温するので、ＤＰＦ装置の下流側の排気ガスの熱を利用する効果は著しく大きくなる。

従って、ＤＰＦ再生制御のために必要な燃料量を減少することができ、燃費の悪化を抑制できる。しかも、下流側の排気ガスを上流側の排気ガスに混入しないので、ＤＰＦ装置の容量の増加を必要としない。その上、排気ガスそのものを温めるのでＤＰＦ全体を均一に暖めることができ、局所的な温度上昇を抑制できるので、ＤＰＦの溶損防止効果もある。

そして、前記熱交換手段を前記ＤＰＦ装置の上流側の排気ガス通路の少なくとも一部を覆う加熱用排気ガス通路を設けて構成し、該加熱用排気ガス通路に連結する第２排気ガス通路を、前記ＤＰＦ装置の下流側の排気ガス通路に接続し、前記ＤＰＦ装置の下流側の排気ガスの全部又は一部を前記加熱用排気ガス通路に供給するように構成する。

この構成によれば、排気ガス通路の周囲に加熱用排気ガス通路を設けるという比較的単純な構成であるので、二重管構造等で容易に実施できる。また、排気ガス通路の少なくとも一部を覆うことにより、加熱用排気ガス通路に排気ガスを流通させていない時でも排気ガス通路を保温する効果が生じる。

なお、この熱交換手段としては、二重管構造の他にも、通常のＥＧＲクーラーやインタークーラー等の熱交換器の構造や加熱用排気ガス用パイプを排ガス通路の外周にらせん状に巻き付けた構造その他を採用することができる。また、熱媒体を用いて、この熱媒体をＤＰＦの下流側の排気ガス通路の表面と上流側の排気ガス通路の表面との間を循環させて熱交換する構造等も採用することができる。

更に、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記排気ガス通路に温度センサを設けると共に、前記第２排気ガス通路への排気ガスの流入を制御する排気ガス制御手段を設け、前記温度センサの検出温度が所定の判定温度よりも低くなった時に、前記排気ガス制御手段により、前記ＤＰＦ装置の下流側の排気ガスの全部又は一部を前記加熱用排気ガス通路に供給するように構成する。

この温度センサが測定する温度の対象としては、ＤＰＦ装置の下流側の排気ガスの温度やＤＰＦ装置の上流側の排気ガスの温度、酸化触媒の温度、ＤＰＦの温度等を用いることができる。また、所定の判定温度は、通常運転時とＤＰＦ再生制御時とで異なった温度であってもよく、ＤＰＦ装置で使用する触媒の経時変化等に対応して変化する値であってもよい。

この構成によれば、温度センサの検出温度が所定の判定温度よりも低い時だけＤＰＦ装置の下流側の排気ガス（加熱用排気ガス）を加熱用排気ガス通路に導入するので、効率よくＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼除去できる。

つまり、ＤＰＦの温度が下がってきてＰＭが完全燃焼できないことが予想される場合においても、ＤＰＦ装置を通過した排気ガスを上流側の排気ガス通路の外周部に設けられた加熱用排気ガス通路に導入して排気ガス通路を暖めるようにしたのでＤＰＦ装置に入る排気ガス温度を短時間で上昇させることができるようになり、ＰＭを完全燃焼できるようになる。

また、ＤＰＦ装置に流入する排気ガスの過大な温度上昇を防止できるので、過大な排気昇温に起因する連続再生型ＤＰＦ装置の酸化触媒の劣化やＤＰＦに捕集されたＰＭの急激な燃焼によるＤＰＦの溶損を防止できる。

また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記排気ガス通路に温度センサを設けると共に、前記第２排気ガス通路への排気ガスの流入を制御する排気ガス制御手段を設け、前記温度センサの検出温度に基づいて、前記排気ガス制御手段により、前記加熱用排気ガス通路に供給する排気ガスの流量を調整するように構成する。

この構成によれば、熱用排気ガス通路に供給する排気ガスの流量を調整することにより、きめ細かく上流側の排気ガスの加熱を調整できるので、ＤＰＦの溶損を防止しながら、より適した温度状態でＰＭの燃焼除去を行うことができる。

そして、上記の排気ガス浄化システムは、前記ＤＰＦ装置が、ＤＰＦの上流側に酸化触媒を設けた連続再生型ＤＰＦ装置、ＤＰＦに酸化触媒を担持させた連続再生型ＤＰＦ装置、ＤＰＦに触媒を担持させると共に該ＤＰＦの上流側に酸化触媒を設けた連続再生型ＤＰＦ装置のいずれか一つ又はその組み合わせである場合に特にその効果を発揮する。

上記の排気ガス浄化システムは、ＤＰＦ単独のＤＰＦ装置においても、流入する排気ガス温度を昇温できるので、ＰＭ除去率を向上できるが、特に連続再生型ＤＰＦ装置の場合は、このＤＰＦ装置に流入する排気ガスの温度を昇温すると、強制的に排気ガス温度を上昇する再生制御を行わなくてもＰＭを燃焼除去できる範囲が著しく拡大するので、その効果が大きい。

また、排気ガス温度が低いエンジンの運転状態が多く、ＤＰＦ装置の温度が上がり難い路線バスや配送車等に装着した排気ガス浄化システムおいてより効果が大きい。

本発明の排気ガス浄化システムによれば、ＤＰＦ装置の下流側の排気ガスの熱を利用してＤＰＦ装置に流入する排気ガスを加熱して、ＤＰＦ装置に流入する排気ガスの温度を上昇させることができるので、強制的に排気ガス温度を上昇する再生制御を行わなくてもＰＭを燃焼除去できる内燃機関の運転範囲を著しく拡大でき、ＰＭの燃焼除去効率を著しく向上させることができる。そのため、ＤＰＦを再生するため再生制御の頻度を非常に少なくでき、燃費の悪化やＤＰＦ再生制御に伴うトルク変動等を減少できる。

また、強制的に排気ガス温度を昇温させるＤＰＦ再生制御時においても、排気ガス中の未燃燃料やＰＭの燃焼によって発生する熱を、流入する排気ガスの温度上昇に利用できるので、流入する排気ガスの温度を効率良く短時間で上昇できる。従って、ＤＰＦの再生のために必要とする熱エネルギー量を減少することができ、燃費の悪化を抑制できる。しかも、下流側の排気ガスを上流側の排気ガスに混入しないので、ＤＰＦ装置の容量の増加を必要としない。

更に、排気ガスの温度が所定の判定温度よりも低くなった時に、加熱用排気ガスを供給するように構成すると、効率よくＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼除去でき、ＤＰＦ装置に流入する排気ガスの過大な温度上昇によって発生する可能性のある連続再生型ＤＰＦ装置の酸化触媒等の劣化やＤＰＦに捕集されたＰＭの急激な燃焼によるＤＰＦの溶損を防止できる。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムについて、酸化触媒と触媒付きフィルタの組合せで構成される連続再生型ＤＰＦ装置を備えた排気ガス浄化システムを例にして、図面を参照しながら説明する。

図１に、この実施の形態の内燃機関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、ディーゼルエンジン等の内燃機関（図示しない）の排気パイプ（排気ガス通路）２の途中に連続再生型ＤＰＦ装置３を設けて構成されている。この連続再生型ＤＰＦ装置３は、上流側に酸化触媒３ａを下流側に触媒付きフィルタ（ＤＰＦ）３ｂをケース３ｃ内に有して構成され、内部に排気ガスＧｕを通過させることにより、内燃機関の排気ガス中の粒子状物質（パティキュレート：ＰＭ）を捕集して排気ガスＧｕを浄化する。

この酸化触媒３ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒からなる酸化触媒を担持させて形成され、触媒付きフィルタ３ｂ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オールフロータイプのフィルタや、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金等の酸化触媒や酸化セリウム等のＰＭ酸化触媒等を担持する。

この触媒付きフィルタ３ｂに、モノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタを採用した場合には、排気ガスＧｕ中のＰＭ（粒子状物質）は多孔質のセラミックの壁で捕集（トラップ）され、繊維型フィルタタイプを採用した場合には、フィルタの無機繊維でＰＭを捕集する。

そして、本発明においては、連続再生型ＤＰＦ装置３の上流側の排気パイプ（排気ガス通路）２ｕの周囲を囲んで出口（排気孔）４ａを持つ大径管である加熱用排気ガス用パイプ４を設けて、排気パイプ２ｕの壁と加熱用排気ガス用パイプ４の壁と間に排気ガスＧｄｂが通過する空間をもつ二重管構造とし、排気ガス通路２ｕを覆う加熱用排気ガス通路５を形成する。

図１の二重管構造では、排気パイプ２ｕの壁と加熱用排気ガス用パイプ４の壁と間に管軸方向に延びる仕切り（図示しない）を設けて、二通路に区分し、排気ガスＧｄｂを入口４ｂから第１通路５ａを通り二重管の先端側（エンジン側）４ｃに導き、次に二重管の先端側４ｄから第２通路５ｂを通って出口４ａから排出するように構成されている。この出口４ａから排出される排気ガスＧｄｂは、既に連続再生型ＤＰＦ装置３で浄化されているので、ＰＭの大気中の排出は生じない。なお、出口４ａを二重管の先端側に設けることができる場合には、この仕切りは整流効果を期待しない場合は不要となる。

更に、この熱交換手段となる二重管構造部分の加熱用排気ガス通路５に連結する第２排気パイプ（第２排気ガス通路）６を、連続再生型ＤＰＦ装置３の下流側の排気パイプ（排気ガス通路）２ｄに接続し、連続再生型ＤＰＦ装置３の下流側の排気ガスＧｄの全部又は一部Ｇｄｂを供給して、連続再生型ＤＰＦ装置３の上流側の排気ガスＧｕを加熱するように構成する。

そして、この下流側の排気パイプ２ｄと第２排気パイプ６との分岐部分に排気ガス制御手段となる制御バルブ７を設け、下流側の排気パイプ２ｄに設けた排気温度センサ（温度感知手段）８の検出値に基づいて、この制御バルブ７を制御することにより、第２排気パイプ６への排気ガスＧｄｂの流入のＯＮ／ＯＦＦ（流入／閉止）及び流入量を制御する。

この流入の制御は、エンジンの運転の全般的な制御を行うと共に、連続再生型ＤＰＦ装置３の再生制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）２０によって行われる。この制御装置２０で排気温度センサ８の出力値を入力し、排気温度センサ８の検出温度Ｔｄが予め設定した所定の判定温度（設定温度）Ｔ０よりも低くなった時に、連続再生型ＤＰＦ装置３の下流側の排気ガスＧｄの全部又は一部を第２排気パイプ６に供給するように制御バルブ７を制御する。更に、この検出温度Ｔｄに基づいて、制御バルブ７を制御して、加熱用排気ガス通路５に供給する排気ガスＧｄｂの流量を調整する。

また、触媒付きフィルタ３ｂの再生制御用に、触媒付きフィルタ３ｂのＰＭの堆積量を推定するための差圧センサ１２が、連続再生型ＤＰＦ装置３の前後に接続された圧力取り出し配管１１に設けられ、また、入口側排気温度センサ１３も設けられる。

この構成によれば、連続再生型ＤＰＦ装置３の下流側の排気ガスＧｄｂの熱を利用して連続再生型ＤＰＦ装置３に流入する排気ガスＧｕを加熱できるので、排気ガスＧｕの温度を上昇させて、酸化触媒３ａ及び触媒付きフィルタ３ｂが担持したＰＭ酸化触媒を活性化でき、ＰＭの酸化除去を促進できる。

そして、通常運転により連続再生型ＤＰＦ装置３で排気ガスＧｕ中のＰＭを捕集している場合においては、排気温度センサ８の検出温度Ｔｄが予め設定した所定の第１判定温度（例えば、５５０℃〜６００℃の範囲内の特定の温度）Ｔ０よりも高い状態では、そのまま排気ガスＧｕ中のＰＭは触媒付きフィルタ３ｂに捕集されてＰＭ酸化触媒の触媒作用を受けて燃焼除去されるので、制御バルブ７を制御して、第２排気パイプ６に排気ガスＧｄｂを供給せずに、連続再生型ＤＰＦ装置３の下流側の排気ガスＧｄの全部を排気ガス通路２の出口側２ｏに流す。この場合は、加熱用排気ガスＧｄｂが供給されないので、加熱効果を発揮しないが、二重管構造による排気パイプ２の保温効果を発揮する。

また、排気温度センサ８の検出温度Ｔｄが所定の第１判定温度Ｔ０よりも低くなった状態では、排気ガスＧｕ中のＰＭは触媒付きフィルタ３ｂで燃焼除去され難くなるので、制御バルブ７を制御して、連続再生型ＤＰＦ装置３の下流側の排気ガスＧｄの全部又は一部を第２排気パイプ６に供給する。

これにより、排気ガスＧｕが排気ガスＧｄｂで加熱され、その温度が昇温するので、排気ガスＧｕ中のＰＭは触媒付きフィルタ３ｂで燃焼除去される。この時、検出温度Ｔｄに対応させて加熱用排気ガスＧｄｂの流量を調整して、きめ細かく上流側の排気ガスの加熱を調整すると、ＤＰＦの溶損を防止しながら、より適した温度状態でＰＭの燃焼除去を行うことができる。

なお、アイドル運転等の低回転低負荷運転の場合のように排気温度が著しく低く、加熱用排気ガスＧｄｂを流して排気ガスＧｕ加熱しても、ＰＭが燃焼除去される温度以上に昇温しない場合は、徐々にＰＭが触媒付きフィルタ３ｂに蓄積される。この蓄積されたＰＭは、排気ガスＧｕの温度が上昇した時に、燃焼除去されるが、排気低温状態が継続し、触媒付きフィルタ３ｂに蓄積されたＰＭの蓄積量が所定の許容蓄積量を超えたことを差圧センサ１２の検出値等により検知した時は、ＤＰＦの再生制御を行う。

このＤＰＦの再生制御を行う場合は、強制的に排気ガスＧｕの温度を昇温するために、エンジンのシリンダ内への燃料噴射制御において、マルチ噴射（多段噴射）やポスト噴射（後噴射）等によって排気ガスＧｕを昇温すると共に、排気ガスＧｕ中の未燃燃料を増加させて、この未燃燃料を酸化触媒３ａで酸化して排気ガス温度を上昇させる。

このＤＰＦ再生制御が行われている場合において、排気温度センサ８の検出温度Ｔｄが予め設定した所定の第２判定温度（例えば、５５０℃〜６００℃の範囲内の特定の温度）Ｔ１よりも高い状態では、酸化触媒３ａが活性化しているので、未燃燃料が酸化触媒３ａで酸化され、排気ガスＧｕが昇温する。そのため、捕集されたＰＭはＰＭ酸化触媒の触媒作用を受けて燃焼除去されるので、制御バルブ７を制御して、第２排気パイプ６に排気ガスＧｄｂを供給せずに、連続再生型ＤＰＦ装置３の下流側の排気ガスＧｄの全部を排気ガス通路２の出口側２ｏに流す。この場合は、加熱用排気ガスＧｄｂが供給されないので、加熱効果を発揮しないが、二重管構造による排気パイプ２の保温効果を発揮する。

このＤＰＦ再生制御時の所定の第２判定温度Ｔ１は、通常運転時の所定の第１判定温度Ｔ０と同じであってもよいが、一般的には、ＤＰＦ再生制御時は、排気ガスＧｕ中の未燃燃料が酸化触媒３ａで酸化され、触媒付きフィルタ３に流入する時には温度上昇するので、第２判定温度Ｔ１は、第１判定温度Ｔ０よりも低く設定される。

そして、排気温度センサ８の検出温度Ｔｄが所定の第２判定温度Ｔ１よりも低くなった状態では、酸化触媒３ａが活性化していないので、未燃燃料が酸化触媒３ａで酸化されず、排気ガスＧｕが昇温しない、そのため、捕集されたＰＭは燃焼除去されないので、制御バルブ７を制御して、連続再生型ＤＰＦ装置３の下流側の排気ガスＧｄの全部又は一部を第２排気パイプ６に供給する。

これにより、排気ガスＧｕが加熱され昇温し、酸化触媒３ａが活性化するので、未燃燃料が酸化触媒３ａで酸化されるようになり、触媒付きフィルタ３ｂに流入する排気ガスＧｕが昇温するので、捕集されたＰＭは燃焼除去されるようになる。そして、この未燃燃料及び捕集されていたＰＭの燃焼によって発熱し、下流側の排気ガスＧｄは高温になるので、この全部又は一部である加熱用排気ガスＧｄの温度も上がり、上流側の排気ガスＧｕへの加熱効果が上がる。そのため、上流側の排気ガスＧｕの昇温を短時間にできるようになるため、排気ガスＧｕの昇温のための未燃燃料の量を減少できる。この時、検出温度Ｔｄに対応させて加熱用排気ガスＧｄｂの流量を調整して、きめ細かく上流側の排気ガスの加熱を調整すると、ＤＰＦの溶損を防止しながら、より適した温度状態でＰＭの燃焼除去を行うことができる。

そして、通常運転時及びＤＰＦ再生制御において、排気温度センサ８の検出温度Ｔｄが所定の判定温度Ｔ０，Ｔ１よりも高い状態では、制御バルブ７を制御して第２排気パイプ６への排気ガスＧｄｂの供給を停止するので、ＤＰＦ装置３に流入する排気ガスＧｕの過大な温度上昇を防止できる。これにより、過大な排気昇温に起因する連続再生型ＤＰＦ装置３の酸化触媒３ａの劣化や触媒付きフィルタ３ｂに捕集されたＰＭの急激な燃焼による触媒付きフィルタ３ｂの溶損を防止できる。

その上、排気ガスＧｕそのものを温めるので触媒付きフィルタ３ｂ全体を均一に暖めることができ、局所的な温度上昇を抑制できるので、この点からも触媒付きフィルタ３ｂの溶損を防止できる。

そして、上記では、加熱用排気ガスＧｄｂの流入と非流入及び流量制御に用いる温度センサが測定する温度を、連続再生型ＤＰＦ装置３の下流側の排気温度センサ８で計測した温度としているが、連続再生型ＤＰＦ装置３で使用する触媒の種類や温度センサの配置等によって、その他、連続再生型ＤＰＦ装置３の上流側の排気温度、酸化触媒の温度やＤＰＦの温度等を用いることもできる。

通常運転時のＰＭ除去を主目的とする場合には、触媒付きフィルタ３ｂの温度を重視するので、触媒付きフィルタ３ｂの温度や触媒付きフィルタ３ｂに流入する直前の排気温度を用いるのが好ましく、ＤＰＦ再生制御時のＰＭ除去を主目的とする場合には、酸化触媒３ａの温度を重視するので、酸化触媒３ａの温度や酸化触媒３ａに流入する直前の排気温度を用いるのが好ましい。また、ＰＭの燃焼状態を重視する場合には、触媒付きフィルタ３ｂの下流側の排気温度や酸素濃度を用いるのが好ましい。

なお、加熱用排気ガスＧｄｂの供給と供給止及び流量制御に用いる検出値とそれに対応する所定の判定値は、必ずしも一つである必要はなく、組み合わせであってもよい。例えば、通常運転時は、触媒付きフィルタ３ｂに流入する直前の排気温度を、ＤＰＦ再生制御時は、酸化触媒３ａに流入する直前の排気温度をそれぞれ用いてもよい。また、酸化触媒３ａの劣化や触媒付きフィルタ３ｂの溶損を防止するために、触媒付きフィルタ３ｂの下流側の排気温度を監視して、所定の第３判定値Ｔ２を超えた時に、加熱用排気ガスＧｄｂの供給を停止するように構成して、つまり、所定の第３判定値Ｔ２以下の時のみ、加熱用排気ガスＧｄｂの供給する制御を加えてもよい。また、温度が手軽であるが、酸素濃度やエンジンの運転状態を示すエンジン回転数と負荷の組み合わせ等、その他の情報に基づいて制御バルブ７を制御してもよい。

上記の構成の排気ガス浄化システム１によれば、必要な時だけ連続再生型ＤＰＦ装置３の下流側の排気ガスＧｄの全部又は一部Ｇｄｂを加熱用排気ガス通路５に導入するので、この加熱溶排気ガス通路５を設けない場合よりも、ＰＭを燃焼除去できるエンジンの運転領域を広げることができ、効率よく触媒付きフィルタ３ｂに捕集されたＰＭを燃焼除去できる。そのため、ＤＰＦ再生制御の頻度を少なくすることができる。また、ＤＰＦ再生制御においても、また、連続再生型ＤＰＦ装置３に流入する排気ガスを短時間で昇温させることができる。従って、ＤＰＦの再生のために必要な燃料量を減少することができ、燃費の悪化を抑制できる。しかも、下流側の排気ガスを上流側の排気ガスに混入しないので、ＤＰＦ装置の容量の増加を必要としない。

また、上記の説明では、排気ガス浄化システムにおける連続再生型ＤＰＦ装置として、フィルタ３ｂに触媒を担持させると共にこの触媒付きフィルタ３ｂの上流側に酸化触媒３ａを設けた連続再生型ＤＰＦ装置３を例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、フィルタのみのＤＰＦ装置、フィルタに酸化触媒を担持させた連続再生型ＤＰＦ装置、フィルタの上流側に酸化触媒を設けた連続再生型ＤＰＦ装置等の他のタイプのＤＰＦ装置や連続再生型ＤＰＦ装置にも適用可能である。

ただ、ＤＰＦ単独のＤＰＦ装置においても、流入する排気ガス温度を昇温できるので、ＰＭ除去率を向上できるが、特に連続再生型ＤＰＦ装置の場合は、このＤＰＦ装置に流入する排気ガスの温度を昇温すると、強制的に排気ガス温度を上昇する再生制御を行わなくてもＰＭを燃焼除去できる範囲が著しく拡大するので、その効果が大きい。

本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムのシステム構成図である。 従来技術の排気ガス浄化システムのシステム構成図の例である。

符号の説明

１ 排気ガス浄化システム
２ 排気ガス通路
２ｕ 上流側の排気ガス通路
２ｄ 下流側の排気ガス通路
３ 連続再生型ＤＰＦ装置（ＤＰＦ装置）
３ａ 酸化触媒
３ｂ 触媒付きフィルタ
４ 加熱用排気ガス用パイプ（熱交換手段）
５ 加熱用排気ガス通路
２０ 制御装置（ＥＣＵ）
Ｇｕ 上流側の排気ガス
Ｇｄ 下流側の排気ガス
Ｇｄｂ 加熱用排気ガス

Claims (5)

1. 内燃機関の排気ガス通路に設けられ、排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、該ディーゼルパティキュレートフィルタ装置の上流側の排気ガス通路に熱交換手段を設け、該熱交換手段に、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ装置の下流側の排気ガスの全部又は一部を供給し、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ装置の上流側の排気ガスを加熱することを特徴とする排気ガス浄化システム。
2. 前記熱交換手段を前記ディーゼルパティキュレートフィルタ装置の上流側の排気ガス通路の少なくとも一部を覆う加熱用排気ガス通路を設けて構成し、該加熱用排気ガス通路に連結する第２排気ガス通路を、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ装置の下流側の排気ガス通路に接続し、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ装置の下流側の排気ガスの全部又は一部を前記加熱用排気ガス通路に供給する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。
3. 前記排気ガス通路に温度センサを設けると共に、前記第２排気ガス通路への排気ガスの流入を制御する排気ガス制御手段を設け、前記温度センサの検出温度が所定の判定温度よりも低くなった時に、前記排気ガス制御手段により、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ装置の下流側の排気ガスの全部又は一部を前記加熱用排気ガス通路に供給することを特徴とする請求項２記載の排気ガス浄化システム。
4. 前記排気ガス通路に温度センサを設けると共に、前記第２排気ガス通路への排気ガスの流入を制御する排気ガス制御手段を設け、前記温度センサの検出温度に基づいて、前記排気ガス制御手段により、前記加熱用排気ガス通路に供給する排気ガスの流量を調整することを特徴とする請求項２又は３に記載の排気ガス浄化システム。
5. 前記ディーゼルパティキュレートフィルタ装置が、ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒を設けた連続再生型ＤＰＦ装置、ディーゼルパティキュレートフィルタに酸化触媒を担持させた連続再生型ＤＰＦ装置、ディーゼルパティキュレートフィルタに触媒を担持させると共に該ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒を設けた連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置のいずれか一つ又はその組み合わせであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。

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