JP2006342778A

JP2006342778A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2006342778A
Application number: JP2005171344A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ito; 和浩伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: JP4729990B2

Abstract

【課題】ＰＭを酸化除去する性能を向上させ、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化を抑制する技術を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に配置され排気中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、当該フィルタの上流からアンモニア化合物を供給するアンモニア化合物供給手段を有し、フィルタに捕集されている粒子状物質を酸化除去するＰＭ酸化除去処理を行う内燃機関の排気浄化装置において、アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給することにより、アンモニア化合物あるいはアンモニアをフィルタに吸着させた後、ＰＭ酸化除去処理を実行する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、煤等の粒子状物質の酸化除去処理に伴う燃費悪化を抑制する技術に関する。

近年、圧縮着火内燃機関（ディーゼルエンジン）にて駆動される自動車等から大気中へ排出される煤等の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を低減する技術が望まれている。そのため、内燃機関の排気通路にパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という場合もある。）を配置し、内燃機関から排出されるＰＭをフィルタで捕集する技術が知られている。

ただし、フィルタにＰＭが過度に捕集されて、フィルタにＰＭが過堆積すると、フィルタが目詰まりして排気抵抗の増加を生じさせ、内燃機関の出力低下を生じさせてしまう。そのため、フィルタに捕集されているＰＭを該フィルタから酸化除去させる、いわゆるＰＭ酸化除去処理を適宜実行する必要がある。

また、圧縮着火内燃機関からの排気に含まれる窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という場合もある。）をも除去する必要がある。そして、特許文献１には、アンモニア選択還元型触媒を担持したフィルタと、当該フィルタの上流から尿素水を供給する尿素添加機構を備え、フィルタにＰＭを捕集するとともに、尿素添加機構から添加する尿素水を加水分解して発生させたアンモニアで、ＮＯｘを還元する排気浄化装置が提案されている。
特開２００４−６０４９４号公報特開２０００−８８３３号公報特開２００２−３３９７２９号公報

上述したＰＭ酸化除去処理は、ＰＭが酸化可能な温度域（約５００℃〜７００℃）までフィルタを昇温させつつフィルタ内を酸化雰囲気（すなわち、酸素過剰な雰囲気）とすることにより、ＰＭを酸化及び除去するものである。

そして、フィルタを昇温させる手段としては、内燃機関からの排気の温度を上昇させて排気の熱をフィルタへ伝達させることにより、フィルタを昇温させるものを例示することができる。その具体的な方法としては、内燃機関における混合気の燃焼時期を遅角させる方法、内燃機関の膨張行程時に、燃料噴射弁から気筒内に副次的に燃料を噴射（副噴射）させて燃焼期間を長引かせる方法などを例示することができる。

このように、ＰＭを酸化除去するためには、副噴射を行うなど余分な燃料が必要になることからＰＭ酸化除去処理を実行するに伴い燃費が悪化する。それゆえ、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化を抑制する必要がある。

一方、上述したように尿素添加機構が備えられているとしても、当該尿素添加機構にて添加されるアンモニア化合物としての尿素水あるいはアンモニアを利用してＰＭ酸化除去処理の性能を向上させる技術は未だ提案されていない。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＰＭを酸化除去する性能を向上させる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にあっては、内燃機関の排気通路に配置され排気中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、当該パティキュレートフィルタの上流からアンモニア化合物を供給するアンモニア化合物供給手段を有し、前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質を酸化除去するＰＭ酸化除去処理を行う内燃機関の排気浄化装置において、前記アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給することにより、アンモニア化合物あるいはアンモニアを前記パティキュレートフィルタに吸着させた後、前記ＰＭ酸化除去処理を実行することを特徴とする。

本発明者の研究によると、アンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアとＰＭを混合させてＰＭの酸化除去処理を行うと、言い換えるとフィルタにアンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアを存在させた状態でＰＭの酸化除去処理を行うと、ＰＭの酸化除去処理性能が向上することが判明した。

すなわち、尿素あるいはアンモニアがＰＭやフィルタに存在した状態でＰＭ酸化除去処理を実行すると、尿素あるいはアンモニアがＰＭやフィルタに存在していない状態でＰＭ酸化除去処理を実行する場合に比して、ＰＭの酸化除去速度が高くなることが判明した。

また、尿素あるいはアンモニアがフィルタやＰＭに存在していない状態ではフィルタの温度が５００℃以上でないとＰＭが酸化除去し易くならないのに対して、尿素あるいはアンモニアがフィルタやＰＭに存在した状態ではフィルタの温度が４４０℃近辺でもＰＭが酸化除去し易くなることが判明した。

それゆえ、ＰＭ酸化除去処理を実行する際に、アンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアを存在させると、ＰＭの酸化除去処理性能を向上させることができ、ＰＭ酸化除去処理の実行時間を短縮することができる。また、ＰＭを全て酸化除去できる温度も低温化することができるので、フィルタの温度が過剰に高くなることに起因するフィルタの溶損を抑制することができる。

そこで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、アンモニア化合物供給手段にてパティキュレートフィルタの上流からアンモニア化合物を供給することにより、アンモニア化合物あるいはアンモニアをパティキュレートフィルタに吸着（フィルタに堆積したＰＭに吸着させることをも含む。）させた後、ＰＭ酸化除去処理を実行する。

これにより、ＰＭ酸化除去処理を実行する際には、アンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアが存在するので、ＰＭの酸化除去処理性能が向上し、ＰＭ酸化除去処理の実行時間が短縮する。その結果、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化を抑制することができる。

また、本発明に係る他の内燃機関の排気浄化装置にあっては、内燃機関の排気通路に配置され排気中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、当該パティキュレートフィルタの上流からアンモニア化合物を供給するアンモニア化合物供給手段を有し、前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質を酸化除去するＰＭ酸化除去処理を行う内燃機関の排気浄化装置において、前記ＰＭ酸化除去処理を実行している期間中に前記アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給することを特徴とする。

このように、ＰＭ酸化除去処理を実行している期間中にアンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給することで、ＰＭ酸化除去処理を実行する際には、アンモニア化
合物たる尿素あるいはアンモニアが存在するので、ＰＭの酸化除去処理性能が向上し、ＰＭ酸化除去処理の実行時間が短縮する。その結果、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化を抑制することができる。

また、上述した本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタの下流、あるいは前記パティキュレートフィルタの上流であって前記アンモニア化合物供給手段によるアンモニア化合物の供給位置より下流の排気通路に設けられた脱硝触媒と、当該脱硝触媒の下流の排気通路に設けられたアンモニア酸化触媒と、をさらに備え、前記アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給する際に、前記アンモニア酸化触媒の床温がアンモニアを酸化することができる温度である場合には、当該触媒の床温がアンモニアを酸化することができない温度である場合よりも、アンモニア化合物を多めに供給することが好適である。但し、アンモニア化合物の吸着性が高い脱硝触媒においては、ＰＭ酸化除去処理過程ではアンモニアが放出されることはない。

アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物たる尿素水を供給すると、供給された尿素水は、上流から流れてくる排気とともに下流へと流される。また、供給された尿素水の一部は、排気によって加熱され次式のように加水分解してアンモニアを発生させる。
ＣＯ（ＮＨ_２）_２＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋２ＮＨ_３

そして、脱硝触媒にアンモニアが到達すると、次式のように排気中のＮＯ、ＮＯ_２が還元される。
６ＮＯ＋４ＮＨ_３→５Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ

この脱硝触媒においては、尿素水を過剰に供給することによりＮＯｘの還元率を向上させることができる。しかし、尿素水を過剰に供給すると、余剰のアンモニアが脱硝触媒の下流へ流れていくため、このアンモニアを処理する必要が生じる。

そこで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、脱硝触媒の下流の排気通路にアンモニア酸化触媒を備え、アンモニアを酸化除去するようにしている。すなわち、酸素過剰の雰囲気では、アンモニアの一部から次式によりＮＯが生成される。
４ＮＨ_３＋５Ｏ_２→４ＮＯ＋６Ｈ_２Ｏ
このようにして生成されたＮＯは、残りのアンモニアと次式のように反応する。
４ＮＨ_３＋４ＮＯ＋５Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
このような反応により、アンモニアが除去され、大気中への放出が抑制される。

一方、本発明者の研究によると、アンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアがより多く存在すると、ＰＭの酸化除去処理性能がより向上することが判明した。

それゆえ、アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給する際に、アンモニア酸化触媒の床温がアンモニアを酸化することができる温度である場合には、下流に設けられたアンモニア酸化触媒にてアンモニアが酸化され除去されることを考慮して、アンモニア酸化触媒の床温がアンモニアを酸化することができない温度である場合よりも、アンモニア化合物を多めに供給する。そして、これにより、ＰＭの酸化除去処理性能をより向上させることができ、ＰＭ酸化除去処理の実行時間をより短縮することができる。その結果、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化をより抑制することができる。

なお、前記アンモニア化合物供給手段は、アンモニア化合物である尿素水・固体尿素・アンモニア水のいずれかを供給するものであり、前記アンモニア酸化触媒の床温がアンモニアを酸化することができない温度である場合には、内燃機関から排出され前記脱硝触媒
に流入するＮＯｘと供給するアンモニア化合物中のアンモニアとの当量比が１となるようにアンモニア化合物の供給量を制御することが好適である。

これにより、大気へのアンモニアの排出を防止可能な範囲で、ＰＭ酸化除去処理を実行する際に、アンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアをより多く存在させることができる。それゆえ、ＰＭの酸化除去処理性能が最大限に向上させることができ、ＰＭ酸化除去処理の実行時間をより短縮することができるので、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化をより抑制することができる。

なお、アンモニア酸化触媒の床温がアンモニアを酸化することができる温度である場合には、内燃機関から排出され脱硝触媒に流入するＮＯｘと、供給するアンモニア化合物中のアンモニアとの当量比が１より大きくなるようにアンモニア化合物の供給量を制御することが好適である。

また、上述した本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、アンモニア酸化触媒を前記パティキュレートフィルタの下流の排気通路にさらに備え、前記パティキュレートフィルタには脱硝触媒が担持されており、前記アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給する際に、前記アンモニア酸化触媒の床温がアンモニアを酸化することができる温度である場合には、当該触媒の床温がアンモニアを酸化することができない温度である場合よりも、アンモニア化合物を多めに供給することが好適である。

かかる構成においても、上述したのと同様の理由でＰＭの酸化除去処理性能をより向上させることができ、ＰＭ酸化除去処理の実行時間をより短縮することができる。その結果、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化をより抑制することができる。

以上説明したように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、ＰＭを酸化除去する性能を向上させることができる。それゆえ、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化を抑制することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を以下の実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。内燃機関１には、排気管２が接続され、排気管２の途中には、フィルタ３が設けられている。また、フィルタ３の下流の排気管２には、脱硝触媒４が設けられている。当該脱硝触媒４は、アンモニア（ＮＨ₃）を還元剤とした選択的接触還元によりＮＯｘを還元し、浄化するものである。

そして、脱硝触媒４の上流の排気管２に、アンモニア化合物である尿素水（（ＮＨ_２）_２ＣＯ）を添加するための尿素添加機構５が備えられている。この尿素添加機構５は、尿素水を貯留するタンク５１、尿素水の流通路である供給管５２、流通路に介設されたポンプ５３、尿素水を排気管２内に噴射する噴射ノズル５４を備えて構成されている。

このように構成された尿素添加機構５では、タンク５１内に所定の濃度に予め調整された尿素水が貯留され、ポンプ５３が稼動すると、尿素水がタンク５１から汲み出される。
そして、尿素水は供給管５２を介して噴射ノズル５４に到達する。噴射ノズル５４に到達した尿素水は、該噴射ノズル５４が開弁されると排気管２内に噴射される。このときに噴射される尿素水は、噴射ノズル５４の開弁時間により噴射量が調整される。

尿素添加機構５にて尿素水を添加すると、添加された尿素水は、上流から流れてくる排気とともに下流へと流される。また、添加された尿素水の一部は、排気によって加熱され次式のように加水分解してアンモニアを発生させる。
ＣＯ（ＮＨ_２）_２＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋２ＮＨ_３

そして、脱硝触媒４にアンモニアが到達すると、次式のように排気中のＮＯ、ＮＯ_２が還元される。
６ＮＯ＋４ＮＨ_３→５Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ

脱硝触媒４においては、尿素水を過剰に供給することによりＮＯｘの還元率を向上させることができる。しかし、尿素水を過剰に供給すると、余剰のアンモニアが脱硝触媒４に吸着する。このようにして吸着したアンモニアは、高負荷時等の排気の流量が増加したときに、脱硝触媒４から流出するため、このアンモニアを処理する必要が生じる。

そこで、本実施例では、脱硝触媒４より下流の排気管２に、アンモニア酸化触媒６を備え、アンモニアを酸化除去するようにしている。すなわち、酸素過剰の雰囲気では、アンモニアの一部から次式によりＮＯが生成される。
４ＮＨ_３＋５Ｏ_２→４ＮＯ＋６Ｈ_２Ｏ
このようにして生成されたＮＯは、残りのアンモニアと次式のように反応する。
４ＮＨ_３＋４ＮＯ＋５Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
このような反応により、アンモニアが除去され、大気中への放出が抑制される。

また、フィルタ３より上流の排気管２、フィルタ３より下流であって脱硝触媒４より上流の排気管２、および脱硝触媒４より下流の排気管２には、それぞれこの排気管２内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ７，８，９が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、当該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどからなる算術論理演算回路であり、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ１０には、排気温度センサ７，８，９、クランクポジションセンサ（図示省略）、アクセルポジションセンサ（図示省略）、エアフローメータ（図示省略）などといった各種センサが電気配線を介して接続され、各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１０には、ポンプ５３、噴射ノズル５４、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁等が電気配線を介して接続され、これらを制御することが可能になっている。そして、ＥＣＵ１０は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶し上記した尿素添加機構などを制御することができる。

ここで、フィルタ３に捕集されたＰＭが該フィルタ３に堆積するとフィルタ３の目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ３上流の排気の圧力が
上昇し内燃機関１の出力低下やフィルタ３の毀損を誘発するおそれがある。このようなときには、フィルタ３上に堆積したＰＭを酸化除去するフィルタ３の再生を行う必要がある。

そのために、ＥＣＵ１０は、フィルタ３のＰＭ酸化除去処理開始条件が成立したときに、フィルタ３の温度を高温域まで昇温させるための昇温処理を実行する。

昇温処理は、排気温度を上昇させて排気ガスの熱をフィルタ３へ伝達させることにより、フィルタ３を昇温させるものである。その具体的な方法としては、内燃機関１における混合気の燃焼時期を遅角させる方法、内燃機関１の膨張行程時に、燃料噴射弁から気筒内に副次的に燃料を噴射（副噴射）させて燃焼期間を長引かせる方法、等を例示することができる。

なお、ＰＭ酸化除去処理開始条件としては、フィルタ３に捕集されているＰＭ量が、所定量以上であるという条件を例示することができる。この所定量は、ＰＭがフィルタ３に捕集されることによりフィルタ３が目詰まりを起こし、この目詰まりが排気抵抗の増加を生じさせ、内燃機関の出力低下を生じさせてしまう量よりやや低めに設定される量であり、実験等により予め求めておく。

また、フィルタ３に捕集されているＰＭ量が所定量以上であるか否かを判定する方法としては、フィルタ３の前後差圧（フィルタ３より上流の排気圧力とフィルタ３より下流の排気圧力との差圧）が所定圧以上であるときにフィルタ３に捕集されているＰＭ量が所定量以上であると判定する方法、あるいは、前回のＰＭ酸化除去処理実行終了時からの燃料噴射量の積算値が所定量以上であるときにフィルタ３に捕集されているＰＭ量が所定量以上であると判定する方法、等を例示することができる。

そして、ＰＭ酸化除去処理が実行されると、フィルタ３に捕集されているＰＭが酸化され、フィルタ３からＰＭが除去されることになる。その後、ＰＭ酸化除去処理終了条件が成立した場合に、ＰＭ酸化除去処理の実行を終了する。

このＰＭ酸化除去処理終了条件としては、例えば、ＰＭ酸化除去処理の実行時間が予め定められた所定時間以上である、あるいは、フィルタ３の前後差圧が所定圧より低い、あるいは処理開始からのフィルタの温度と時間の積の履歴が所定の値以上である等の条件を例示することができる。

上述したようにしてＰＭ酸化除去処理を実行すると、当該処理においては、副噴射するなど余分な燃料を消費することから、ＰＭ酸化除去処理を実行するに伴い燃料の消費量が多くなる。それゆえ、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化を抑制することが必要となり、そのためには、ＰＭ酸化除去処理を実行する時間を短縮することが好適である。

ここで、本発明者の研究によると、アンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアとＰＭを混合させてＰＭの酸化除去処理を行うと、言い換えるとフィルタやＰＭにアンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアを存在させた状態でＰＭの酸化除去処理を行うと、ＰＭの酸化除去処理性能が向上することが判明した。

すなわち、尿素あるいはアンモニアがフィルタやＰＭに存在した状態でＰＭ酸化除去処理を実行すると、尿素あるいはアンモニアがフィルタやＰＭに存在していない状態でＰＭ酸化除去処理を実行する場合に比して、ＰＭの酸化除去速度が高くなる。また、尿素あるいはアンモニアがフィルタやＰＭに存在していない状態ではフィルタの温度が５００℃以上でないとＰＭが酸化除去し易くならないのに対して、尿素あるいはアンモニアがフィル
タやＰＭに存在した状態ではフィルタの温度が４４０℃以上でＰＭが酸化除去し易くなる。それゆえ、ＰＭ酸化除去処理を実行する際に、アンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアを存在させると、ＰＭ酸化除去処理の実行時間を短縮することができる。

そこで、本実施例においては、図１に示すように、フィルタ３の上流の排気管２に、尿素水を添加できるように尿素添加機構５を備えるようにした。そして、ＰＭ酸化除去処理を実行開始する前に、尿素添加機構５にて尿素水を添加し、アンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアをフィルタ３に吸着させ（フィルタ３に堆積したＰＭに吸着させることをも含む）、その後ＰＭ酸化除去処理を実行するようにする。

通常、内燃機関から排出されるＮＯｘをどの程度浄化するかは、内燃機関の運転状態に応じて決定される。もし、内燃機関から排出されるＮＯｘを全て脱硝する場合には、脱硝触媒４に流入するＮＯｘと、尿素水（アンモニア化合物）中のアンモニアとの当量比が１となるように尿素水の添加量を制御する。

本実施例においては、ＰＭ酸化除去処理を実行開始する前に、尿素添加機構５にて尿素水を添加する際には、脱硝触媒４に流入するＮＯｘと尿素水（アンモニア化合物）中のアンモニアとの当量比が１となるように尿素水の添加量を制御する。

なお、内燃機関から排出されるＮＯｘ量を推定する手法としては、エアフローメータにて検出される吸入空気量と燃料噴射弁にて気筒内に供給される燃料量に基づいて排気流量を推定し、当該排気流量に、排気管２に備えられたＮＯｘセンサ（図示省略）で検出されるＮＯｘ濃度を乗算することにより推定する手法、クランクポジションセンサにて検出される機関回転数（Ｎｅ）、機関負荷（アクセル開度、燃料噴射量）および予め作成されＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されたマップに基づいて推定する手法を例示することができる。

また、ＥＧＲガスを気筒内に導入している場合には、さらにＥＧＲ量（ＥＧＲ開度）を考慮して推定することが好適である。また、尿素添加機構５上流に可変ノズル式遠心過給機（可変ノズル式ターボチャージャ）のタービンハウジングが設けられている場合にはノズルベーンの開度（ＶＮＴ開度）を考慮して推定することが好適である。

本実施例においては、予め、内燃機関１から排出され脱硝触媒４に流入するＮＯｘ量と、尿素水の添加量との相関関係が、ＮＯｘと尿素水中のアンモニアとの当量比が１となるような関係になるように、実験等により導き出してマップを作成してＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶しておく。

そして、ＰＭ酸化除去処理を実行開始する前に尿素水を添加する時点の、吸入空気量、燃料噴射量、機関回転数、機関負荷、ＥＧＲ開度、ＶＮＴ開度といったパラメータからＮＯｘ量を推定し、当該推定したＮＯｘ量と前記マップに基づいて尿素水の添加量を算出して決定する。

以下具体的に、図２に示すフローチャートを用いて本実施例に係るＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御について説明する。この制御ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、一定時間の経過、あるいはクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理としてＥＣＵ１０が実行するルーチンである。

本制御ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ず、Ｓ１０１においてＰＭ酸化除去処理開始条件が成立しているか否かを判定する。そして、ＰＭ酸化除去処理開始条件が成立していると判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２においては、尿素添加機構５にて尿素水を添加する条件を満たしているか否かを判別する。当該条件とは、フィルタ３の温度が所定温度以下であることを例示することができる。なお、所定温度としては、例えば、尿素あるいはアンモニアがフィルタ３に吸着する温度の上限である４４０℃を例示することができる。

また、フィルタ３の温度を把握する手法としては、排気温度センサ７の検出値に基づいて推定する方法、クランクポジションセンサにて検出される機関回転数（Ｎｅ）、機関負荷（アクセル開度、燃料噴射量）および予め作成されＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されたマップに基づいて推定する手法を例示することができる。

そして、Ｓ１０２で肯定された場合はＳ１０３へ進み、上述したようにして尿素添加機構５にて添加する尿素水量を算出する。その後Ｓ１０４へ進み、Ｓ１０３にて算出した尿素水量を添加する。

Ｓ１０５には、Ｓ１０４にて尿素水を添加した後、あるいはＳ１０２にておいて、尿素添加機構５にて尿素水を添加する条件を満たしていないと判別された後に進むが、当該Ｓ１０５ではＰＭ酸化除去処理を実行する。その後Ｓ１０６にてＰＭ酸化除去処理終了条件が成立したと判定されるまで、ＰＭ酸化除去処理の実行を継続する。

このようなＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御を実行することで、ＰＭ酸化除去処理開始前にフィルタ３の温度が比較的低温である場合など尿素添加機構５にて尿素水を添加する条件が満たされている場合には、ＰＭ酸化除去処理開始時には尿素あるいはアンモニアがフィルタ３に吸着しているので、約４４０℃まで温度が上昇した時点でＰＭが酸化除去開始する。これにより、尿素あるいはアンモニアがフィルタ３に吸着していない状態でＰＭ酸化除去処理開始する場合は約５００℃まで温度が上昇しないとＰＭが酸化除去開始しないのに比べるとＰＭ酸化除去処理開始からＰＭが酸化除去開始するまでの時間を短縮することができる。

また、尿素あるいはアンモニアがフィルタ３に吸着している状態でＰＭ酸化除去処理すると、尿素あるいはアンモニアがフィルタ３に吸着していない状態でＰＭ酸化除去処理するのと比べるとＰＭの酸化除去速度が高くなる。

このように、ＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御を実行することで、ＰＭを酸化除去する性能を向上させることができるので、ＰＭ酸化除去処理時間を短縮することができ、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化を抑制することができる。

また、ＰＭを全て酸化除去できる温度も低温化することができるので、フィルタの温度が過剰に高くなることに起因するフィルタの溶損や熱劣化を抑制することができる。

本実施例は、実施例１に対して、尿素添加機構５による尿素水の添加の態様が異なるのみであり、その他は実施例１と同一である。以下に、異なる点についてのみ説明する。

実施例１においては、ＰＭ酸化除去処理を実行開始する前に、尿素添加機構５にて尿素水を添加し、アンモニア化合物たる尿素あるいはアンモニアをフィルタ３に吸着させ、その後ＰＭ酸化除去処理を実行するようにしている。これに対して、本実施例においては、ＰＭ酸化除去処理を実行している途中に尿素添加機構５にて尿素水を添加するようにする。

特に、上記昇温処理にてフィルタ３の温度を上昇させているのに合わせて尿素水を添加するようにする。ただし、昇温処理は上述したような処理であるため、定常運転時に比べて、ＮＯｘ排出量が少ない。そして、上述したように、尿素添加機構５にて尿素水を添加する際には、脱硝触媒４に流入するＮＯｘと尿素水（アンモニア化合物）中のアンモニアとの当量比が１となるような添加量とするので、ＮＯｘ排出量が少なくなるのにしたがって尿素水の添加量が少なくなる。一方、フィルタ３に存在する尿素あるいはアンモニアの量が多くなる程ＰＭ酸化除去性能が向上する。

そこで、昇温処理に合わせて尿素水を添加する際には、内燃機関の運転状態を、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量が多くなるような運転状態にする。具体的には、ＥＧＲガスを気筒内に導入させることによって行う低温燃焼を止める、あるいは、気筒内での燃焼に寄与する混合気の空燃比が、ＮＯｘ量が多くなる空燃比となるような燃料量とすることを例示することができる。以下、内燃機関から排出されるＮＯｘ量が多くなるような運転状態を、「高ＮＯｘ排出運転状態」という。

以下具体的に、図３に示すフローチャートを用いて本実施例に係るＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御について説明する。この制御ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、一定時間の経過、あるいはクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理としてＥＣＵ１０が実行するルーチンである。

本制御ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ず、Ｓ２０１においてＰＭ酸化除去処理開始条件が成立しているか否かを判定する。そして、ＰＭ酸化除去処理開始条件が成立していると判定された場合は、Ｓ２０２へ進む。

Ｓ２０２においては、尿素添加機構５にて尿素水を添加する条件を満たしているか否かを判別する。当該条件とは、フィルタ３の温度が所定温度以下であることを例示することができる。なお、所定温度としては、例えば、尿素あるいはアンモニアがフィルタ３やＰＭに存在している状態でＰＭが酸化され始める温度の下限である４４０℃を例示することができる。かかる温度より高い時に尿素水を添加すると、ＰＭの酸化反応がさらに促進され、フィルタ３の温度が過剰に上昇してしまうおそれがあるからである。

そして、Ｓ２０２で肯定された場合はＳ２０３へ進み、高ＮＯｘ排出運転状態にてＰＭ酸化除去処理を実行する。その後、Ｓ２０４にて尿素水添加量を算出し、Ｓ２０５にて算出した添加量分の尿素水を添加する。

Ｓ２０６には、Ｓ２０５にて尿素水を添加した後、あるいはＳ２０２にておいて、尿素添加機構５にて尿素水を添加する条件を満たしていないと判別された後に進むが、当該Ｓ２０６ではＰＭ酸化除去処理を実行する。

そして、Ｓ２０７へ進み、ＰＭ酸化除去処理終了条件が成立したか否かを判別する。そして、肯定判定された場合にはＳ２０８へ進み、ＰＭ酸化除去処理を終了する。一方、否定判定された場合には、Ｓ２０２以下の処理を再度実行する。

このようなＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御を実行することで、ＰＭ酸化除去処理実行中、特に昇温処理中に、フィルタ３の温度が比較的低温である場合など尿素添加機構５にて尿素水を添加する条件が満たされている場合には、ＰＭ酸化除去処理中に尿素あるいはアンモニアがフィルタ３やＰＭに存在しているので、約４４０℃まで温度が上昇した時点でＰＭが酸化除去開始する。これにより、尿素あるいはアンモニアがフィルタ３やＰＭに存在していない状態でＰＭ酸化除去処理開始する場合は約５００℃まで温度が上昇し
ないとＰＭが酸化除去開始しないのに比べるとＰＭ酸化除去処理開始からＰＭが酸化除去開始するまでの時間を短縮することができる。

また、尿素あるいはアンモニアがフィルタ３やＰＭに存在している状態でＰＭ酸化除去処理すると、尿素あるいはアンモニアがフィルタ３やＰＭに存在していない状態でＰＭ酸化除去処理するのと比べるとＰＭの酸化除去速度が高くなる。

このように、ＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御を実行することで、ＰＭを酸化除去する性能を向上させることができるので、ＰＭ酸化除去処理時間が短縮することができ、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化を抑制することができる。

本実施例は、実施例２に対して、尿素添加機構５による尿素水の添加の態様が異なるのみであり、その他は実施例２と同一である。以下に、異なる点についてのみ説明する。

上述したように、尿素水を過剰に供給して、余剰のアンモニアが脱硝触媒４から流出したとしても、アンモニア酸化触媒６によりアンモニアが酸化除去され、大気中への放出が抑制される。

一方、フィルタ３に存在する尿素あるいはアンモニアの量が多くなる程ＰＭ酸化除去性能が向上する。

そこで、本実施例においては、アンモニア酸化触媒６の床温が、当該触媒にてアンモニアを酸化できる温度（作動温度）である場合には、尿素添加機構５による尿素水を過剰に添加するようにする。

以下具体的に、図４に示すフローチャートを用いて本実施例に係るＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御について説明する。この制御ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、一定時間の経過、あるいはクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理としてＥＣＵ１０が実行するルーチンである。

本制御ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ず、Ｓ３０１においてＰＭ酸化除去処理開始条件が成立しているか否かを判定する。そして、ＰＭ酸化除去処理開始条件が成立していると判定された場合は、Ｓ３０２へ進み、尿素添加機構５にて尿素水を添加する条件を満たしているか否かを判別する。これらの処理は、図３のＳ２０１、Ｓ２０２と同一の処理であるのでその詳細な説明は省略する。

Ｓ３０２で肯定された場合はＳ３０３へ進み、高ＮＯｘ排出運転状態にてＰＭ酸化除去処理を実行する。この処理は、図３のＳ２０３と同一の処理であるのでその詳細な説明は省略する。

Ｓ３０４においては、アンモニア酸化触媒６の床温が作動温度であるか否かを判別する。なお、アンモニア酸化触媒６の床温を把握する手法としては、当該触媒の上流に備えた排気温センサ９の検出値に基づいて推定する方法、直に当該触媒の床温を検出する温度センサを備え、当該センサにて検出する方法を例示することができる。

そして、Ｓ３０４にて肯定判定された場合には、Ｓ３０５へ進み、尿素水添加量を算出する。このステップへ進んだときは、アンモニア酸化触媒６の床温が作動温度であると判定されているので、当該ステップでは尿素水量が過剰（当量比１よりも大）になるように
添加量が算出される。

一方、Ｓ３０４にて否定判定された場合にも、Ｓ３０６へ進み、尿素水添加量を算出するが、かかる場合には、アンモニア酸化触媒の床温が作動温度外であると判定されているので、尿素水量が当量比１になるように添加量が算出される。

その後、Ｓ３０７へ進み、Ｓ３０５あるいはＳ３０６にて算出した添加量分の尿素水を添加する。それ以降の処理であるＳ３０８〜Ｓ３１０の処理は、図４のＳ２０６〜Ｓ２０８と同一の処理であるのでその詳細な説明は省略する。

このような、ＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御を実行することで、アンモニア酸化触媒の床温が作動温度である場合には、尿素添加機構５にて尿素水が過剰に添加されるので、ＰＭ酸化除去処理能力がさらに向上する。その結果、ＰＭ酸化除去処理時間をさらに短縮することができるので、ＰＭ酸化除去処理に伴う燃費悪化をさらに抑制することができる。

なお、上述した実施例１〜３では、フィルタ３を脱硝触媒４の上流に配置し、尿素添加機構５にて尿素水をフィルタ３の上流に添加する図１の構成を前提にしている。しかしながら、かかる構成に限定されるわけではなく、脱硝触媒４をフィルタ３の上流に配置し、尿素添加機構５にて尿素水を脱硝触媒４の上流に添加する構成であってもよい。

ただし、かかる構成の場合には、尿素添加機構５にて添加した尿素水による尿素あるいはアンモニアの一部が脱硝触媒４を通過し、ＰＭ酸化除去処理時には、フィルタ３に存在するように尿素水の添加量を決定するようにする。

また、フィルタと脱硝触媒を別体として備えるのではなく、脱硝触媒４をフィルタ３に担持し、その上流から尿素添加機構５にて尿素水を添加する構成であってもよい。かかる場合には、ＰＭがフィルタに担持された脱硝触媒の上面に堆積するため、添加された尿素水による尿素あるいはアンモニアがＰＭに吸着しやすくなり、ＰＭ酸化除去処理性能が向上する。

また、上述した実施例１〜３では、アンモニア化合物として尿素水を添加する構成としているが、アンモニア化合物として固体尿素、アンモニア水を供給する構成であってもよい。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。実施例１に係るＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御のフローチャートである。実施例２に係るＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御のフローチャートである。実施例３に係るＰＭ酸化除去処理時の尿素水添加制御のフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２排気管
３フィルタ
４脱硝触媒
５尿素添加機構
６アンモニア酸化触媒
７,８,９排気温度センサ
１０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気通路に配置され排気中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、当該パティキュレートフィルタの上流からアンモニア化合物を供給するアンモニア化合物供給手段を有し、
前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質を酸化除去するＰＭ酸化除去処理を行う内燃機関の排気浄化装置において、
前記アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給することにより、アンモニア化合物あるいはアンモニアを前記パティキュレートフィルタに吸着させた後、前記ＰＭ酸化除去処理を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の排気通路に配置され排気中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、当該パティキュレートフィルタの上流からアンモニア化合物を供給するアンモニア化合物供給手段を有し、
前記パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質を酸化除去するＰＭ酸化除去処理を行う内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＰＭ酸化除去処理を実行している期間中に前記アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタの下流、あるいは前記パティキュレートフィルタの上流であって前記アンモニア化合物供給手段によるアンモニア化合物の供給位置より下流の排気通路に設けられた脱硝触媒と、
当該脱硝触媒の下流の排気通路に設けられたアンモニア酸化触媒と、
をさらに備え、
前記アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給する際に、前記アンモニア酸化触媒の床温がアンモニアを酸化することができる温度である場合には、当該触媒の床温がアンモニアを酸化することができない温度である場合よりも、アンモニア化合物を多めに供給することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
アンモニア酸化触媒を前記パティキュレートフィルタの下流の排気通路にさらに備え、
前記パティキュレートフィルタには脱硝触媒が担持されており、
前記アンモニア化合物供給手段にてアンモニア化合物を供給する際に、前記アンモニア酸化触媒の床温がアンモニアを酸化することができる温度である場合には、当該触媒の床温がアンモニアを酸化することができない温度である場合よりも、アンモニア化合物を多めに供給することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記アンモニア化合物供給手段は、アンモニア化合物である尿素水・固体尿素・アンモニア水のいずれかを供給するものであり、前記アンモニア酸化触媒の床温がアンモニアを酸化することができない温度である場合には、内燃機関から排出され前記脱硝触媒に流入するＮＯｘ量と、供給するアンモニア化合物中のアンモニアとの当量比が１となるようにアンモニア化合物の供給量を制御することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の排気浄化装置。