JP2006316758A

JP2006316758A - 排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム

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Publication number: JP2006316758A
Application number: JP2005142392A
Authority: JP
Inventors: Taiji Nagaoka; 大治長岡; Masashi Gabe; 正志我部
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2006-11-24
Anticipated expiration: 2025-05-16
Also published as: JP4561467B2

Abstract

【課題】酸化触媒を担持させた排気ガス浄化システムでの昇温制御において、ＮＯｘやスモークの発生量の増加が無く、しかも、排気ガス浄化用ユニットの高温化に起因する溶損や触媒の劣化を回避しながら、少ない燃費の増加で、排気ガス浄化用ユニットを昇温できる排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】再生制御に際して、排気ガス浄化用ユニット２２、２２Ａの温度が再生可能温度よりも低い時に、吸気系制御と燃料系制御とを行い、排気ガス中に供給された燃料を酸化触媒により酸化して発生する熱を利用して前記排気ガス浄化用ユニット２２、２２Ａを昇温する昇温制御で、前記排気ガス浄化用ユニット２２、２２Ａに流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で２．０以上５．０以下とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、酸化触媒を担持した排気ガス浄化用ユニット、または、酸化触媒を担持した酸化触媒コンバータを上流側に有する排気ガス浄化用ユニットを備えて、内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からＰＭ（粒子状物質）やＮＯｘ（窒素酸化物）を還元除去するためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）やＮＯｘ浄化触媒について種々の研究や提案がなされている。

このＤＰＦでは、セラミック製のモノリスハニカム型ウォ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を備えており、エンジンの排気通路に設置される。このフィルタに捕集されたＰＭは、排気ガス温度や触媒温度が低い状態が継続するとフィルタに蓄積されていくので、フィルタが目詰まりして排気圧力を高める結果となる。そのため、フィルタの前後の差圧等から目詰まり状態を判定して、目詰まりの解消処理が必要であると判定された時には、フィルタの温度を強制的に再生可能温度（ＰＭ燃焼開始温度）よりも高温にして蓄積したＰＭを燃焼除去するＰＭ再生制御が行われている。

そして、このＰＭ再生制御において、捕集されたＰＭを燃焼除去する際のフィルタの再生可能温度を低くするために、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）にするための酸化触媒をフィルタの上流側に設けたり、フィルタに酸化触媒やＰＭ酸化触媒を担持させたりした連続再生型ＤＰＦ装置がある。

この連続再生型ＤＰＦ装置を備えた排気ガス浄化装置におけるＰＭ強制再生では、フィルタの温度を再生可能温度以上に上昇させるために、排気ガス浄化装置の昇温制御を行うが、この昇温制御では、エンジンのシリンダ内噴射でポスト噴射（アフター噴射）を行うことが多い。このポスト噴射による昇温制御では、エンジンの膨張行程で燃料を噴射して、この燃料を未燃のまま排気行程でエンジン外の排気通路に排出し、この未燃の燃料をフィルタの上流側の酸化触媒やフィルタに担持させた酸化触媒で酸化して、その反応熱でフィルタを加熱して高温にする。

一方、ＮＯｘ浄化触媒には、幾つかの種類があるが、その中に、ディーゼルエンジンの通常運転のように、排気ガスの空燃比状態が酸素濃度が高いリーン状態の時にＮＯｘを浄化し、排気ガスの空燃比状態が酸素濃度が低いリッチ状態の時にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ吸蔵還元型触媒やＮＯｘ直接還元型触媒等がある。

ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、貴金属等の酸化触媒、アルカリ金属等のＮＯｘ吸蔵材を担持して形成され、リーン状態では一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化すると共にＮＯｘを硝酸塩の形でＮＯｘ吸蔵材に吸蔵して排気ガスを浄化する。しかし、ＮＯｘ吸蔵材の成分が殆ど硝酸塩に変化すると、ＮＯｘ吸蔵能力は飽和しその後はＮＯｘを吸蔵しなくなる。そのため、排気ガスをリッチ状態にして、ＮＯｘ吸蔵材に吸蔵したＮＯｘを放出させると共に、放出されたＮＯｘを排気ガス中の未燃炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元剤で還元して排気ガスを浄化しながら、ＮＯｘ吸蔵能力を回復する。

また、ＮＯｘ直接還元型触媒は、β型ゼオライト等の担体に触媒成分であるロジウム（Ｒｈ）やパラジウム（Ｐｄ）等の金属を担持させたものであり、リーン状態では、ＮＯｘを窒素（Ｎ₂）に直接還元する。この還元の際に、触媒の活性物質である金属に酸素（Ｏ₂）が吸着して還元性能が低下するので、ＮＯｘ浄化能力がある程度低下したら排気ガスをリッチ状態にして触媒の活性物質を還元して活性化し、ＮＯｘ浄化能力を回復する。

これらのＮＯｘ浄化触媒では、排気ガス中の硫黄によってＮＯｘ浄化能力が低下する硫黄被毒からの回復に際しても、同様に、排気ガスをリッチ空燃比状態にする脱硫制御と呼ばれる再生制御が行われる。

そして、これらのＮＯｘ浄化触媒の再生制御のいずれの場合においても、ＮＯｘ浄化触媒が再生可能温度（触媒活性化温度）以上になっていないとＮＯｘ浄化能力を回復できず再生しないので、ＮＯｘ浄化触媒の温度がこの再生可能温度よりも低い場合には、これらの再生制御に先立って、ＮＯｘ浄化触媒を昇温するための昇温制御が行われる。

この連続再生型ＤＰＦやＮＯｘ浄化触媒等の排気ガス浄化用ユニットの昇温制御は、ＥＧＲ制御や吸気絞り制御や排気絞り制御等の吸気系制御とシリンダ内燃料噴射におけるポスト噴射や排気管内直接噴射等の燃料系制御によって、吸気量を減少して排気ガスの量を減少すると共に、排気ガス中に未燃の燃料を供給して、この燃料を、排気ガス浄化用ユニットに担持された酸化触媒、あるいは、排気ガス浄化用ユニットの上流側に配置された酸化触媒コンバータに担持された酸化触媒によって酸化し、この酸化反応熱によって排気ガス浄化用ユニットを昇温している。

なお、酸化触媒コンバータを備えている場合には、この酸化触媒コンバータを昇温することにより、この酸化触媒コンバータを通過する排気ガスの温度が上昇するので、この昇温した排気ガスにより下流側のフィルタやＮＯｘ浄化触媒等の排気ガス浄化用ユニットを加熱して昇温させる。

この排気ガス浄化用ユニットの昇温制御の一つに、排気ガス浄化用触媒のＳＯＦ被毒状態を回復させるための昇温制御であるが、ＥＧＲバルブ及び吸気シャッタを制御すると共に、空気過剰率λが１．０〜１．５の値となるように、軽油添加装置によって排気管内直接噴射で排ガス中に炭化水素を混入し、この炭化水素を、触媒の酸化反応により触媒床の温度を昇温して被毒物質を除去するディーゼル触媒システムの制御方法がある（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、酸化触媒を担持した排気ガス浄化用ユニットに流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率（λ）換算で１．０〜１．５まで下げてしまうと、排気ガス中の酸素量が少なくなり過ぎて、酸化触媒の触媒作用による酸化反応の速度が小さくなって、排気ガス浄化用ユニットの昇温が遅くなってしまう。また、酸素不足のために、排気ガス中に添加された燃料（炭化水素（ＨＣ））が完全に燃焼しきれず、一部は排気ガス浄化用ユニットの下流側に流出する。つまり、ＨＣスリップが生じる。

そして、この未燃の燃料の一部は、フィルタやＮＯｘ浄化触媒等の排気ガス浄化用ユニットに付着して燃焼せずに残留してしまう。そのため、この昇温制御が終了して、排気ガスがリーン状態になって燃焼に十分な酸素が供給されると、排気ガス浄化用ユニットが昇温制御により高温状態になっているので、これに付着した燃料が燃焼し始め、スモークが発生したり、一気に燃焼が広がる異常燃焼が生じたりする。また、この異常燃焼により排気ガス浄化用ユニットがより高温になるため、フィルタが溶損したり、酸化触媒やＮＯｘ浄化触媒が高温劣化（熱劣化）したりする。

上記の問題を解決するために、本発明者らは、この昇温制御における空気過剰率と昇温の関係を、上流側から酸化触媒コンバータとフィルタ（ＤＰＦ）を順に備えた排気ガス浄化システム１を用いた実験で調査した。

この実験結果の一部を図３に示す。この図３では、流入する排気ガスＧの空燃比（空気過剰率λin）を空気過剰率（λ）換算で１．２と２．０と５．０に変化させた場合の、酸化触媒コンバータの上流側の酸素濃度（空気過剰率λin）の変化と、酸化触媒コンバータとフィルタの間の排気ガス温度Ｔg2の変化を時系列で示してある。

この図３から、排気ガスの空気過剰率λinを１．２に低下させてしまうと、点線（λin＝１．２）で示すように排気ガス温度Ｔg2の上昇が遅く、また、昇温制御を終了した（ｔue）直後から、排気ガス温度Ｔg2が急激に上昇することが分かる。

本発明者らは、これらの実験結果を検討した結果、酸化触媒に流入する排気ガスの空気過剰率λinが、２．０〜５．０であれば、酸素が排気ガス中に供給された未燃の燃料の酸化に必要かつ十分な量で存在することになり、図３の実線（λin＝２．０）と一点鎖線（λin＝５．０）で示すように、排気ガス温度Ｔg2の上昇も速く、また、昇温制御を終了した直後の排気ガス温度Ｔg2の急激な上昇も無くなるという知見を得た。
特開２０００−１８０２４号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＤＰＦ装置やＮＯｘ浄化触媒等の排気ガス浄化用ユニットを備えると共に、これらの排気ガス浄化用ユニットに酸化触媒を担持させるか、これらの排気ガス浄化用ユニットの上流側に酸化触媒コンバータを備えた排気ガス浄化システムにおける、フィルタの目詰まり状態の解消のためのＰＭ再生制御やＮＯｘ浄化能力の回復のための再生制御等に伴う排気ガス浄化用ユニットの昇温制御において、ＮＯｘやスモークの発生量の増加が無く、しかも、排気ガス浄化用ユニットの高温化に起因する溶損や触媒の劣化を回避しながら、少ない燃費の増加で、排気ガス浄化用ユニットを昇温できる排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記のような目的を達成するための排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路に、酸化触媒を担持した排気ガス浄化用ユニット、または、酸化触媒を担持した酸化触媒コンバータを上流側に有する排気ガス浄化用ユニットを備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記排気ガス浄化用ユニットの排気ガス浄化能力を回復する再生制御に際して、前記排気ガス浄化用ユニットの温度が排気ガス浄化能力を回復するのに必要な再生可能温度よりも低い時に、吸気量を減少する吸気系制御と排気ガス中に燃料を供給する燃料系制御とを行い、排気ガス中に供給された燃料を前記酸化触媒により酸化し、該酸化反応で発生する熱を利用して前記排気ガス浄化用ユニットを前記再生可能温度以上に昇温する昇温制御を行う排気ガス浄化方法であって、該昇温制御では、前記排気ガス浄化用ユニットに流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で２．０以上５．０以下とすることを特徴とする。

この排気ガス浄化用ユニットは、排気ガスを浄化する能力を有するユニットであり、ＤＰＦやＮＯｘ浄化触媒等のユニットがある。このＮＯｘ浄化触媒にはＮＯｘ吸蔵還元型触媒やＮＯｘ直接還元型触媒等が含まれる。

また、排気ガス浄化能力の回復のための再生制御には、フィルタの目詰まり状態をＰＭ燃焼除去により解消してＰＭ捕集機能を回復するＰＭ再生制御や、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ吸蔵機能を回復するための再生制御、ＮＯｘ直接還元型触媒の触媒の活性物質を還元してＮＯｘ還元機能を回復する再生制御、硫黄被毒から回復するための硫黄パージと呼ばれる再生制御等を含む。

この排気ガス浄化方法では、排気ガス浄化システムが備えている排気ガス浄化用ユニットの昇温制御において、排気ガス浄化用ユニットに担持された酸化触媒、または、排気ガス浄化用ユニットの上流側に配置された酸化触媒コンバータに担持された酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で２．０〜５．０とすることにより、排気ガス中の酸素量が排気ガス中に供給された未燃の燃料の量に対して必要かつ十分な量になるので、排気ガス中の燃料の燃焼反応が効率よく十分に進み、燃焼熱の発生量が多くなる。そのため、酸化触媒を担持している排気ガス浄化用ユニットや酸化触媒コンバータの温度上昇が速くなる。また、排気ガス中の燃料が殆ど消費され、未燃の燃料が排気ガス浄化用ユニットや酸化触媒コンバータに付着及び蓄積しないので、ＨＣスリップや昇温制御を終了した直後の急激な温度上昇が回避される。

そして、上記の排気ガス浄化方法で、前記昇温制御において、前記吸気系制御ではＥＧＲ弁を開弁すると共に吸気絞り弁または排気絞り弁の少なくとも一方を絞り、前記燃料系制御では排気管に備えた燃料供給装置により排気管内に燃料を直接噴射することにより排気ガス中に燃料を供給することを特徴とする。

この燃料系制御で排気管内直接噴射を採用することにより、シリンダ内燃料噴射におけるポスト噴射を採用した場合のような、潤滑オイルがシリンダ内に噴射される燃料によって希釈されるオイル希釈の問題、このオイル希釈に起因する燃費の悪化の問題、膨張行程で噴射された燃料の一部が次のサイクルの圧縮行程で燃焼して生じるトルク変動に起因する乗り心地性（ドライバビリティー）の悪化等の問題を回避できる。

また、排気管内直接噴射を採用することにより、シリンダ内燃料噴射の場合のように、未燃の燃料がＥＧＲにより他のシリンダに循環して、そのシリンダ内における燃焼に寄与してスモークの悪化や異常燃焼を招くようなことがなくなる。そして、ＥＧＲ弁を開弁することにより、吸気量、及び、排気ガス浄化用ユニットに流入する排気ガスの量が減少するので、排気ガス中へ供給する燃料量も少なくなり、昇温制御による燃費の悪化が抑制される。

また、上記の排気ガス浄化方法において、前記排気ガス浄化用ユニットが、酸化触媒を担持したディーゼルパティキュレートフィルタ、酸化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒、上流側に酸化触媒コンバータを有するディーゼルパティキュレートフィルタ、上流側に酸化触媒コンバータを有するＮＯｘ浄化触媒の内の少なくとも一つを備えていることを特徴とする。

そして、上記のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に、酸化触媒を担持した排気ガス浄化用ユニット、または、酸化触媒を担持した酸化触媒コンバータを上流側に有する排気ガス浄化用ユニットを備えると共に、吸気量を減少する吸気系制御手段と排気ガス中に燃料を供給する燃料系制御手段とを有する昇温制御手段と、該昇温制御手段を有する再生制御手段とを備え、該再生制御手段が、前記排気ガス浄化用ユニットの排気ガス浄化能力を回復する再生制御に際して、前記排気ガス浄化用ユニットの温度が排気ガス浄化能力を回復するのに必要な再生可能温度よりも低い時に、前記昇温制御手段により、前記排気ガス浄化用ユニットを前記再生可能温度以上に昇温する昇温制御を行い、前記昇温制御手段が、前記吸気系制御手段により吸気量を減少すると共に、前記燃料系制御手段により排気ガス中に燃料を供給する制御を行う排気ガス浄化システムであって、前記昇温制御手段が、前記昇温制御の際に前記排気ガス浄化用ユニットに流入する排気ガスの空燃比が空気過剰率換算で２．０以上５．０以下になるように制御するように構成される。

また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記昇温制御において、前記吸気系制御手段がＥＧＲ弁を開弁すると共に吸気絞り弁または排気絞り弁の少なくとも一方を絞り、前記燃料系制御手段が、排気管内直接噴射により排気ガス中に燃料を供給するように構成される。

また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記排気ガス浄化用ユニットが、酸化触媒を担持したディーゼルパティキュレートフィルタ、酸化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒、上流側に酸化触媒コンバータを有するディーゼルパティキュレートフィルタ、上流側に酸化触媒コンバータを有するＮＯｘ浄化触媒の内の少なくとも一つを備えて構成されると、特に大きな効果を奏することができる。

これらの構成により、上記した排気ガス浄化方法を実施できる排気ガス浄化システムとなり、同様な効果を奏することができる。

本発明に係る排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムによれば、ＤＰＦやＮＯｘ浄化触媒等の排気ガス浄化用ユニットを備えると共に、これらの排気ガス浄化用ユニットに酸化触媒を担持させるか、あるいは、これらの排気ガス浄化用ユニットの上流側に酸化触媒コンバータを備えた排気ガス浄化システムの昇温制御において、ＮＯｘやスモークの発生量の増加が無く、しかも、排気ガス浄化用ユニットの高温化に起因する溶損や触媒の劣化を回避しながら、少ない燃費の増加で、排気ガス浄化用ユニットを昇温できる。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、ここでいう排気ガスの空燃比とは、必ずしもシリンダ内噴射された燃料だけに関係するものではなく、排気ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダ内で燃焼した分も含めて）との比のことをいう。なお、空燃比（＝空気量／燃料量）と空気過剰率との関係は空気過剰率＝（空燃比／理論空燃比）となっている。

図１に、本発明の第１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では、エンジン（内燃機関）Ｅの排気通路３に酸化触媒コンバータ２１とフィルタ（排気ガス浄化用ユニット）２２を有する連続再生型ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の排気ガス浄化装置２０が配置される。

この酸化触媒コンバータ２１は、ハニカム状のコーディエライトあるいは耐熱鋼からなる担体の表面に、活性酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属からなる触媒活性成分を有する酸化触媒を担持させて形成する。この酸化触媒は流入してくる排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等を酸化して燃焼熱により酸化触媒コンバータ２１を昇温し、これを通過する排気ガスの温度を上げる。また、この酸化触媒には、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ₂）にし、この二酸化窒素によるＰＭの酸化を促進する機能もある。

また、フィルタ２２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、フィルタ部分に白金等の酸化触媒や酸化セリウム（ＣｅＯ₂）などのＰＭ酸化触媒を担持する。排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）は、多孔質のセラミックの壁で捕集され、これらの触媒作用により酸化（燃焼）が促進される。

また、この排気ガス浄化装置２０の上流側に第１酸素濃度センサ２３を配置し、下流側に第２酸素濃度センサ２４を配置する。この第１酸素濃度センサ２３は排気ガスの空燃比のリッチ深さを制御するために必要な酸素濃度（空燃比、空気過剰率λin）を検出するので、広範囲λセンサが用いられる。一方、第２酸素濃度センサ２４は、再生制御終了を判定するために空燃比（空気過剰率λout ）がリッチ状態からリーン状態に移行する時を検出できればよいので、リーンとリッチの２値で検出されるバイナリーλセンサが用いられる。

また、排気ガスの温度を検出するために酸化触媒コンバータ２１の上流側に第１温度センサー２５を、酸化触媒コンバータ２１とフィルタ２２の間に第２温度センサー２６を、フィルタ２２の下流側に第３温度センサー２７をそれぞれ配置する。更に、このフィルタ２２におけるＰＭの堆積量を推定するために、排気ガス浄化装置２０の前後に接続された導通管に差圧センサ２８が配置される。

そして、吸気通路２に、空気清浄器５、吸気量を測定するマスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）６、ターボチャージャ７のコンプレッサ、吸気量を調整するための吸気絞り弁８等が配設され、排気ガス浄化装置２０の下流側の排気通路３に、排気ブレーキ用の排気絞り弁（排気スロットル）９が配設される。また、ＥＧＲ通路４にＥＧＲクーラー１０とＥＧＲ量を調整するＥＧＲ弁１１が配設される。

また、燃料系制御において排気管内直接噴射を行う場合には、排気ガス浄化装置２０の上流側の排気通路３に、ＮＯｘの還元剤となる炭化水素（ＨＣ）を含む燃料を供給するＨＣ供給弁（燃料噴射弁）１２を設ける。このＨＣ供給弁１２は、図示しない燃料タンクからエンジンＥの燃料である軽油等の燃料を排気通路３内に直接噴射して、排気ガス中へ燃料を供給するためのものである。なお、燃料系制御を筒内（シリンダ内）燃料噴射におけるポスト噴射で行う場合には、このＨＣ供給弁１２は不要となる。

そして、エンジンＥの運転の全般的な制御を行うと共に、フィルタ２２のＰＭ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）３０が設けられる。この制御装置３０に第１及び第２酸素濃度センサ２３、２４や第１〜第３温度センサ２５、２６、２７等からの検出値が入力され、この制御装置３０からエンジンＥの吸気絞り弁（吸気スロットル弁）８、排気絞り弁９、ＥＧＲ弁１１、燃料噴射用のコモンレール１５を備えた電子制御燃料噴射装置の燃料噴射弁１６等を制御する信号が出力される。

この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａは、吸気通路２の空気清浄器５、マスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）６を通過して、ターボチャージャ７のコンプレッサにより圧縮昇圧され、吸気絞り弁８によりその量を調整されて吸気マニホールドよりシリンダ内に入る。そして、シリンダ内で発生した排気ガスＧは、排気マニホールドから排気通路３に出て、ターボチャージャ７のタービンを駆動した後、排気ガス浄化装置２０を通過して浄化された排気ガスＧｃとなって、図示しない消音器を通って大気中に排出される。また、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスＧｅとして、ＥＧＲ通路４のＥＧＲクーラー１０を通過し、ＥＧＲ弁１１でその量を調整されて吸気マニホールドに再循環される。

そして、この排気ガス浄化システム１では、エンジンＥの制御装置３０に組み込まれた再生制御手段により、差圧センサ２８でフィルタ２２（排気ガス浄化用ユニット）の目詰まりが進行して、フィルタ２２に蓄積されたＰＭを強制的に燃焼除去するＰＭ再生制御が必要となった場合に、フィルタ２２の温度が再生可能温度（ＰＭ燃焼開始温度：例えば、５００℃程度）よりも低い時には、フィルタ２２を昇温する昇温制御を行う。なお、フィルタ２２の温度を計測するのは難しいので、通常は、第２温度センサ２６で検出された排気ガスの温度Ｔg2で代用する。

なお、酸化触媒コンバータ２１の温度が酸化触媒の触媒活性温度（ＨＣ活性ライトオフ温度）に達していない場合には、排気ガス中に燃料を供給する燃料系制御を伴わない予備昇温制御を行う。この予備昇温制御では、先ず、ＥＧＲに伴うトルク低下やスモークの悪化やドライバビィリティの悪化等の弊害が生じることなく吸気量を減少できるところまで、排気ガス流量をＥＧＲ１１の開弁と吸気絞り弁８の絞りを使用して下げる。

この時、シリンダ内噴射では、多段噴射や可変スクワール等を併用して弊害の発生回避に努めるのが好ましい。なお、ＥＧＲ弁１１の制御は、通常運転通りのＥＧＲ率となる制御を行っていても問題は無いが、この時の吸気量の絞り過ぎによるＰＭの異常燃焼やエンジンの出力トルクの低下を避けるため、ＭＡＦセンサ６を使用して目標空気量になるように制御する。この時、排気絞り弁（排気ブレーキ）９や排気スロットル（図示しない）を併用してもよい。

そして、酸化触媒コンバータ２１の温度が触媒活性温度に達していた場合や、予備昇温制御により酸化触媒コンバータ２１の温度が触媒活性温度に達した場合には、排気ガス中に燃料を供給する燃料系制御を伴う昇温制御を開始する。

この昇温制御では、ＥＧＲ弁１１を開弁すると共に、吸気絞り弁８と排気絞り弁９の少なくとも一方を絞る吸気系制御と、ＨＣ供給弁１２から燃料を噴射して排気ガス中に燃料を供給する燃料系制御を行う。なお、ＨＣ供給弁１２から燃料噴射することが好ましいが、燃料系制御をシリンダ内噴射のポスト噴射（アフター噴射）で行う場合には、ＥＧＲ弁１１は閉弁し、ＥＧＲによって生じるトルク変動等の問題を回避する。

この排気ガス中の燃料は酸化触媒コンバータ２１の酸化触媒によって酸化及び燃焼し、この燃焼熱により酸化触媒コンバータ２１は温度上昇する。この酸化触媒コンバータ２１の昇温により、これを通過する排気ガスも昇温し、この排気ガスによりフィルタ２２が加熱されフィルタ２２が昇温する。

そして、本発明では、この昇温制御では、酸化触媒コンバータ２１に流入する排気ガスの空燃比（空気過剰率λin）を空気過剰率換算で、２．０以上５．０以下とする。この排気ガスの空気過剰率λinは、第１酸素濃度センサ２３によって検出された酸素濃度等から算出されたり、第１酸素濃度センサ２３を空気過剰率（λ）センサで形成した場合にはこの検出値となる。この昇温制御では、第１酸素濃度センサ２３の検出値をモニターして、λin＝２．０〜５．０になるように、また、第１温度センサ２５の検出値をモニターして、排気ガスが高温になりすぎないように、燃料量のフィードバック制御を行う。

排気ガスの空気過剰率λinを、２．０〜５．０とすることにより、排気ガス中の酸素量を排気ガス中に供給された未燃の燃料の量に対して必要かつ十分な量にすることができるので、排気ガス中の燃料は酸化触媒コンバータ２１の酸化触媒によって、効率よく、また、殆どを酸化及び燃焼することができるので、酸化触媒コンバータ２１、排気ガス、フィルタ２２のそれぞれの温度の上昇を速くすることができる。また、排気ガス中の燃料は殆ど消費されるため、昇温制御を終了した直後の酸化触媒コンバータ２１やフィルタ２２の急激な温度上昇が回避される。

そして、この燃料系制御で排気管内直接噴射を採用した場合には、シリンダ内燃料噴射におけるポスト噴射を採用した場合のような、オイル希釈の問題、このオイル希釈に起因する燃費の悪化の問題、トルク変動に起因する乗り心地性（ドライバビリティー）の問題を回避できる。また、シリンダ内燃料噴射における燃料がＥＧＲにより他のシリンダに循環して、そのシリンダ内における燃焼に寄与することによるトルク変動やスモークの悪化や異常燃焼等を招くようなことがなくなる。

そのため、ＥＧＲ弁１１を開弁することができるようになる。このＥＧＲ弁１１の開弁により、吸気量、及び、排気ガス浄化用ユニットに流入する排気ガスの量を減少できるので、排気ガス中へ供給する燃料量を少なくできる。従って、昇温制御による燃費の悪化を抑制できる。

そして、この昇温制御は、フィルタ２２の温度が再生可能温度を超えて、フィルタ２２に捕集されたＰＭが燃焼を開始するまで行われ、この時点で終了する。このフィルタ２２の温度が再生可能温度を超えてＰＭが燃焼を開始したか否かは、第２温度センサ２６や第３温度センサ２７の検出温度Ｔg2、Ｔg3や第２酸素濃度センサ２４の出力値を基に判定される。

つまり、検出温度Ｔg2、Ｔg3のいずれかが所定の開始用判定温度を超えた場合にＰＭが燃焼を開始できると判定する。または、第２酸素濃度センサ２４がリッチ状態を検出した時にＰＭが燃焼を開始したと判定する。

そして、ＰＭが燃焼を開始した後は、ＰＭの燃焼が急速に行われて異常燃焼にならないように、空燃比制御が行われる。この空燃比制御は、第１酸素濃度センサ２３、第２及び第３温度センサ２６、２７の検出値をモニターしながら、必要に応じてフィードバック制御を用いて、吸気系制御や燃料系制御により排気ガスの量や排気ガスの空燃比（空気過剰率）を調整する。

また、ＰＭの燃焼の終了、即ち、再生制御の終了は、検出温度Ｔg3が所定の終了用判定温度以下になったか、第２酸素濃度センサ２４がリーン状態を検出した時にＰＭの燃焼が終了したと判定する。このＰＭの燃焼終了判定により、再生制御を終了して、通常運転の制御に戻る。

次に、第２の実施の形態について説明する。図２に、本発明の第２の実施の形態の排気ガス浄化システム１Ａの構成を示す。この第２の実施の形態では、エンジン（内燃機関）Ｅの排気通路３に酸化触媒コンバータ２１とＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＯｘ浄化触媒：排気ガス浄化用ユニット）２２Ａを有する排気ガス浄化装置２０Ａが配置される。

なお、この第２の実施の形態では、ＮＯｘ浄化触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒を例にして説明するが、本発明はＮＯｘ直接還元型触媒等にも適用可能である。また、リッチ空燃比状態によるＮＯｘ浄化能力の回復として、主にＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復について説明しているが、本発明の再生制御には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の硫黄被毒からの回復や、また、ＮＯｘ直接還元型触媒のＮＯｘ還元能力の回復や硫黄被毒からの回復等が含まれ、これらにも本発明は適用可能である。

そして、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２ＡのＮＯｘ浄化率をモニターするために排気ガス浄化装置２０の上流側に第１ＮＯｘ濃度センサ３１Ａが、下流側に第２ＮＯｘ濃度センサ３２Ａが追加配置されるが、ＤＰＦ用の差圧センサ（図１の２８）が不要となる。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２Ａは、コージェライト、炭化珪素（ＳｉＣ）、極薄板ステンレス等で形成されたモノリス触媒に、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ）等の触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）（Ｐｄ）等の触媒金属とバリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構成される。このモノリス触媒の構造材の担体は、多数のセルを有しており、また、このセルの内壁に設けられる触媒コート層は、大きな表面積を持っており、排気ガスとの接触効率を高めている。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２Ａでは、酸素濃度が高い排気ガスの状態（リーン空燃比状態）の時に、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いかゼロの排気ガス状態（リッチ空燃比状態）の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。

その他の構成は、第１の実施の形態と同様に形成される。

そして、この排気ガス浄化システム１Ａでは、エンジンＥの制御装置３０に組み込まれた再生制御手段により、ＮＯｘ浄化能力が低下して、ＮＯｘ浄化触媒２２Ａの再生制御が必要となった場合に、ＮＯｘ浄化触媒２２Ａの温度が再生可能温度（触媒活性温度：例えば、２５０℃程度）よりも低い時には、ＮＯｘ浄化触媒２２Ａを昇温する昇温制御を行う。なお、ＮＯｘ浄化触媒２２Ａの温度を計測するのは難しいので、通常は、第２温度センサ２６で検出された排気ガスの温度Ｔg2で代用する。

この昇温制御では、第１の実施の形態と同様に、ＥＧＲ弁１１を開弁すると共に、吸気絞り弁８と排気絞り弁９の少なくとも一方を絞る吸気系制御と、ＨＣ供給弁１２から燃料を噴射して排気ガス中に燃料を供給する燃料系制御を行う。この排気ガス中の燃料は酸化触媒コンバータ２１の酸化触媒によって酸化及び燃焼し、この燃焼熱により酸化触媒コンバータ２１は温度上昇する。この酸化触媒コンバータ２１の昇温により、これを通過する排気ガスも昇温し、この排気ガスによりＮＯｘ浄化触媒２２Ａが加熱されＮＯｘ浄化触媒２２Ａが昇温する。

そして、本発明では、この昇温制御では、第１の実施の形態と同様に、酸化触媒コンバータ２１に流入する排気ガスの空燃比（空気過剰率λin）を空気過剰率換算で、２．０以上５．０以下とする。そして、この排気ガスの空気過剰率λinを、２．０〜５．０とすることにより、第１の実施の形態と同様な効果を奏することができる。

そして、この昇温制御は、ＮＯｘ浄化触媒２２Ａの温度が再生可能温度を超えて、ＮＯｘ浄化能力の回復が開始されるまで行われ、この時点で終了する。このＮＯｘ浄化触媒２２Ａの温度が再生可能温度を超えてＮＯｘ浄化能力の回復が開始したか否かは、第２温度センサ２６や第３温度センサ２７の検出温度Ｔg2、Ｔg3や第２酸素濃度センサ２４や第２ＮＯｘ濃度センサ３２Ａの出力値を基に判定される。

つまり、検出温度Ｔg2、Ｔg3のいずれかが所定の開始用判定温度を超えた場合にＮＯｘ浄化能力の回復が開始されると判定する。または、第２酸素濃度センサ２４がリッチ状態を検出したか、第２ＮＯｘ濃度センサ３２ＡのＮＯｘ濃度が低下し始めた時にＮＯｘ浄化能力の回復が開始したと判定する。

そして、ＮＯｘ浄化能力の回復が開始された後は、ＮＯｘ浄化能力の回復が順調に行くように空燃比制御が行われる。この空燃比制御は、各酸素濃度センサ２３、２４、各温度センサ２５、２６、２７、各ＮＯｘ濃度センサ３１Ａ、３２Ａの検出値をモニターしながら、必要に応じてフィードバック制御を用いて、吸気系制御や燃料系制御により排気ガスの量や排気ガスの空燃比を適当なリッチ空燃比に調整する。

また、ＮＯｘ浄化能力の回復の終了、即ち、再生制御の終了は、第２酸素濃度センサ２４がリーン状態を検出したか、第１及び第２ＮＯｘ濃度センサ３１Ａ、３２Ａの検出値から算出されるＮＯｘ浄化率が所定の終了用浄化率を超えた時にＮＯｘ浄化能力の回復が終了したと判定する。このＮＯｘ浄化能力の回復終了判定により、再生制御を終了して、通常運転の制御に戻る。

上記の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム１、１Ａによれば、排気ガス浄化システム１、１Ａの昇温制御において、ＮＯｘやスモークの発生量の増加が無く、しかも、排気ガス浄化用ユニット２２、２２Ａの高温化に起因する溶損や触媒の劣化を回避しながら、少ない燃費の増加で、排気ガス浄化用ユニット２２、２２Ａを再生可能温度まで効率よく昇温できる。

上流側から酸化触媒コンバータ２１とフィルタ（ＤＰＦ）２２を順に備えた排気ガス浄化システム１を用いた実験で得た、昇温制御における空気過剰率と昇温の関係を、図３に示す。

この図３から、排気ガスの空気過剰率λinを２．０〜５．０にすると、実線（λin＝２．０）と一点鎖線（λin＝５．０）で示すように、排気ガス温度Ｔg2の上昇も速く、また、昇温制御を終了した直後の排気ガス温度Ｔg2の急激な上昇も無くなることが分かる。一方、点線（λin＝１．２）では、排気ガス温度Ｔg2の上昇が遅く、また、昇温制御を終了した（ｔue）直後から、排気ガス温度Ｔg2が急激に上昇している。

本発明に係る第１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。本発明に係る第２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。昇温制御における排気ガスの空燃比と排気ガスの温度の関係を時系列で示す図である。

符号の説明

Ｅエンジン
１，１Ａ排気ガス浄化システム
２吸気通路
３排気通路
４ＥＧＲ通路
８吸気絞り弁（吸気スロットル弁）
９排気絞り弁（排気ブレーキ）
１１ＥＧＲ弁
１２ＨＣ供給弁
２０，２０Ａ排気ガス浄化装置
２１酸化触媒コンバータ
２２フィルタ（ＤＰＦ装置）２２ＡＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＯｘ浄化触媒）
２３第１酸素濃度センサ
２４第２酸素濃度センサ
２５第１温度センサ
２６第２温度センサ
２７第３温度センサ
３０制御装置
３１Ａ第１ＮＯｘ濃度センサ
３２Ａ第２ＮＯｘ濃度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に、酸化触媒を担持した排気ガス浄化用ユニット、または、酸化触媒を担持した酸化触媒コンバータを上流側に有する排気ガス浄化用ユニットを備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記排気ガス浄化用ユニットの排気ガス浄化能力を回復する再生制御に際して、前記排気ガス浄化用ユニットの温度が排気ガス浄化能力を回復するのに必要な再生可能温度よりも低い時に、吸気量を減少する吸気系制御と排気ガス中に燃料を供給する燃料系制御とを行い、排気ガス中に供給された燃料を前記酸化触媒により酸化し、該酸化反応で発生する熱を利用して前記排気ガス浄化用ユニットを前記再生可能温度以上に昇温する昇温制御を行う排気ガス浄化方法であって、該昇温制御では、前記排気ガス浄化用ユニットに流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で２．０以上５．０以下とすることを特徴とする排気ガス浄化方法。
前記昇温制御において、前記吸気系制御ではＥＧＲ弁を開弁すると共に吸気絞り弁または排気絞り弁の少なくとも一方を絞り、前記燃料系制御では排気管に備えた燃料供給装置により排気管内に燃料を直接噴射することにより排気ガス中に燃料を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方法。
前記排気ガス浄化用ユニットが、酸化触媒を担持したディーゼルパティキュレートフィルタ、酸化触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒、上流側に酸化触媒コンバータを有するディーゼルパティキュレートフィルタ、上流側に酸化触媒コンバータを有するＮＯｘ浄化触媒の内の少なくとも一つを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス浄化方法。
内燃機関の排気通路に、酸化触媒を担持した排気ガス浄化用ユニット、または、酸化触媒を担持した酸化触媒コンバータを上流側に有する排気ガス浄化用ユニットを備えると共に、吸気量を減少する吸気系制御手段と排気ガス中に燃料を供給する燃料系制御手段とを有する昇温制御手段と、該昇温制御手段を有する再生制御手段とを備え、該再生制御手段が、前記排気ガス浄化用ユニットの排気ガス浄化能力を回復する再生制御に際して、前記排気ガス浄化用ユニットの温度が排気ガス浄化能力を回復するのに必要な再生可能温度よりも低い時に、前記昇温制御手段により、前記排気ガス浄化用ユニットを前記再生可能温度以上に昇温する昇温制御を行い、前記昇温制御手段が、前記吸気系制御手段により吸気量を減少すると共に、前記燃料系制御手段により排気ガス中に燃料を供給する制御を行う排気ガス浄化システムであって、前記昇温制御手段が、前記昇温制御の際に前記排気ガス浄化用ユニットに流入する排気ガスの空燃比が空気過剰率換算で２．０以上５．０以下になるように制御することを特徴とする排気ガス浄化システム。