JP2007113434A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒を用いた連続再生式ＤＰＦを備えたディーゼルエンジンにおいて、排気ガス温度の低い運転領域でもＰＭを良好に捕集させると同時に、全ての運転領域において排気ガス中のＮＯｘを減少させる。
【解決手段】連続再生式ＤＰＦ１２を備えたディーゼルエンジンの排気通路７にバイパス通路を設けて小容量の第２連続再生式ＤＰＦ１３を設置し、低排気温度領域では第２連続再生式ＤＰＦ１３によりＰＭを捕集する。このとき、シリンダ内に噴射する燃料の噴射時期を早め予混合燃焼を行わせてＰＭの生成量を減少するので、第２連続再生式ＤＰＦ１３が小容量であっても十分な捕集が可能となる。ＮＯｘの生成を抑制するため、冷却された排気ガスをシリンダ内に再循環し、さらに、排気通路７には尿素添加ＳＣＲ触媒を設置して排気ガス中のＮＯｘの還元分解を行い、より一層の低減を図る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンにおいて、その排気ガス中のパティキュレート（ＰＭ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するための排気浄化装置に関する。

車両用エンジン、特にディーゼルエンジンに対する排気ガスの規制は、近年、逐次強化されるとともに将来もより厳しい規制の実施が予定されている。ディーゼルエンジンは、シリンダ内に供給された空気を圧縮した後に燃料を噴射して燃焼させるエンジンであり、ガソリンエンジンと比べると、一般的に熱効率が高く、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量はその分少なくなるという優れた特性を有しているものの、未燃焼成分等の粒子状物質からなるパティキュレート：ＰＭ、及び窒素酸化物：ＮＯｘについては、その低減が強く要請されている。

ディーゼルエンジンの排気ガスからＰＭを除去する装置として、フィルタによってＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」という。）が知られており、実用化もされている。このＤＰＦには、エンジンが繰り返し運転されることによって捕集したＰＭが堆積するから、捕集したＰＭを燃焼してＤＰＦを再生させる必要がある。ＤＰＦを再生するため、近年では、ＤＰＦの排気ガス上流に酸化触媒を設置し、ＤＰＦに捕集したＰＭをエンジン作動中に連続して酸化・除去させてＤＰＦを再生させる方式（以下「連続再生式ＤＰＦ」という）が注目されている。このような連続再生式ＤＰＦの一例は、特許第２６００４９２号に記載されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒をＤＰＦに担持させて、ＮＯｘを吸蔵、還元する際に発生する活性酸素を利用して捕集したＰＭを連続的に燃焼させる方式が知られている。また別の連続再生式の排気浄化装置としては、例えば特許第３０１２２４９号等に開示されている。
連続再生式ＤＰＦでは、加熱ヒータなどを装着することなくディーゼルエンジン作動中に連続してＤＰＦを再生できるが、酸化触媒の温度によってＤＰＦを再生させる機能が制約を受ける。つまり、酸化触媒の温度がほぼ２５０℃〜４００℃の領域では、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ_２を生成させてこのＮＯ_２によってＤＰＦに捕集したＰＭを酸化・除去させ、また、それ以上の高温では触媒作用によって排気ガス中の酸素とＰＭとの酸化反応を生じさせ、ＤＰＦを再生する。しかし、酸化触媒の温度が約２５０℃以下となると十分な酸化作用が行われない。したがって、ディーゼルエンジンの排気ガスが約２５０℃以下の温度領域では、再生が行われないままＤＰＦにＰＭが捕集され続けることになる。そのＰＭが多量に溜め込まれた状態でＰＭの酸化が発生するとＤＰＦ内で一気に反応が進行しフィルタの耐久性を著しく損ねるなどの問題が発生する。

連続再生式ＤＰＦにおけるこのような問題に対処するため、本出願人は、特願２００３−４０３７１４号（特開２００５−１６３６３０号公報参照）において、連続再生式ＤＰＦが配置されたディーゼルエンジンの排気通路の上流に、この排気通路をバイパスするバイパス通路と小容量の第２の連続再生式ＤＰＦとを設け、ディーゼルエンジンの排気温度が低い領域では、排気ガス温度上昇手段を作動させるとともに排気ガスを第２の連続再生式ＤＰＦを通過させるようにしたディーゼルエンジンの排気浄化装置を提案している。なお、この提案のディーゼルエンジンにおけるバイパス通路に設置される第２の連続再生式ＤＰＦの構成等は、図１に示される本発明のディーゼルエンジンにおけるものと同様な構成となっている。

この提案のディーゼルエンジンでは、ＮＯｘの低減を図るため、エンジンの排気ガスを冷却して吸気通路に再循環する、いわゆるクールＥＧＲ技術と、吸気行程中にシリンダ内に排気ガスを逆流させる排気導入機構、いわゆる内部ＥＧＲ技術とを併せて採用する。そして、これらを排気温度等に応じて制御することにより、ディーゼルエンジンの運転状態に応じたＰＭ及びＮＯｘの低減が可能なように構成されている。

ところで、ディーゼルエンジンの燃焼過程で発生するＰＭを抑制する技術として、予混合圧縮自己着火燃焼方式（ＨＣＣＩ＜Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ＞）と呼ばれる燃焼方法が最近注目され、開発が進められている。ＨＣＣＩは、ディーゼルエンジンのシリンダ内に早めに燃料を噴射し、空気と予め混合した状態で圧縮を行い、圧縮着火した後には急速に燃焼を完了させる燃焼方式であって、ＰＭ等未燃焼成分の生成防止や熱効率の向上の点における効果は大きい。ＨＣＣＩ燃焼方式を有するディーゼルエンジンは、例えば特開２００３−１３８９５２号公報に示されている。
特許第３０１２２４９号 特開２００５−１６３６３０号公報 特開２００３−１３８９５２号公報

本出願人の提案にかかる特許文献２のディーゼルエンジンにおいては、排気ガス温度の低い運転領域では、バイパス通路に設置した第２連続再生式ＤＰＦによってＰＭを良好に捕集し再生することができ、主要なＰＭ除去装置である第１の連続再生式ＤＰＦに過剰なＰＭが蓄積されるような事態を防止しながら、排気ガス温度の低い領域から高い領域までＰＭの排出を低減できる。また、ＮＯｘを低減するため、ＥＧＲ通路の途中に介在させた冷却器により排気ガスを冷却して吸気管に再循環するクールＥＧＲを採用し、かつ、エンジンの運転状況に応じて再循環量を制御して、エンジン運転領域の広い範囲にわたってＰＭとＮＯｘとを同時に低減させている。
しかし、車両を駆動するディーゼルエンジンの負荷は種々の要因で大きく変動し、それに応じてＮＯｘ及びＰＭが多量に発生する場合がある。殊にＮＯｘは加速時等において発生量が増加するが、クールＥＧＲにより再循環する排気ガス量を極端に増大すると失火などを生じるため、ＥＧＲ技術で対処するにも限界がある。ディーゼルエンジンのＮＯｘを全ての運転領域において、より一層、確実に低減するには、排気系にＮＯｘを分解する触媒を設置することが望ましい。

ＮＯｘを分解する触媒としては、排気ガス中に尿素を添加して、加水分解により発生するアンモニアを選択還元触媒の還元剤として使用するＮＯｘ還元触媒（以下「尿素添加ＳＣＲ触媒」という。）がよく知られている。尿素添加ＳＣＲ触媒を使用するとＮＯｘを確実に減少させることができるものの、ディーゼルエンジンの排気ガス中に噴射する尿素をタンク等に貯留する必要がある。この尿素は、ディーゼルエンジンの運転中に徐々に消費されるから長時間の運転のためには大量の尿素を貯留しなければならない。

さらに、特許文献２のディーゼルエンジンは、排気ガス温度の低い運転領域においてバイパス通路に設置した第２連続再生式ＤＰＦによりＰＭを捕集し再生するものであって、第２連続再生式ＤＰＦはなるべく小容量なものとして温度を迅速に上昇させる必要がある。ＤＰＦを小容量なものとすると、大量のＰＭが発生したときはそのＤＰＦが目詰まりを起こすとともに、堆積したＰＭが一時に燃焼すると焼損を起こす虞れがある。
本発明は、本出願人の提案した特許文献２のディーゼルエンジンにおけるこのような問題を解決し、ディーゼルエンジンの様々な運転領域において良好にＮＯｘ及びＰＭの低減を達成することを課題とする。

上記の課題に鑑み、本発明は、エンジンの排気系に尿素添加ＳＣＲ触媒を設置してＮＯｘを確実に低減すると同時に、排気ガス温度の低い運転領域では、予混合圧縮自己着火燃焼方式：ＨＣＣＩの技術を利用してＰＭを低減させるものである。すなわち、本発明者は、ＨＣＣＩの技術を特許文献２のディーゼルエンジンに適用したときには非常に優れた効果をもたらすことを見出し、ＨＣＣＩの技術を巧みに用いて本発明を完成させたもので、具体的には、本発明は次のとおり構成されている。
「エンジンの排気通路に配置された第１の連続再生式ＤＰＦと、前記第１の連続再生式ＤＰＦよりも上流側の排気通路をバイパスするバイパス通路に配設され前記第１の連続再生式ＤＰＦよりも容量の小さい第２の連続再生式ＤＰＦと、前記バイパス通路の出入口間の排気通路に配設され排気ガスの流路を切り換える切替弁とを有し、かつ、
排気ガス再循環量を制御するＥＧＲ弁及び排気ガスを冷却する冷却器を介してエンジンの吸気通路に冷却した排気ガスを再循環するＥＧＲ装置と、前記エンジンの排気出口をエンジン吸気行程において短時間エンジンのシリンダに連通させる排気ガス導入機構とを有しており、
エンジンの排気温度が低い低排気温度領域では、前記切替弁の開度を小として前記第２の連続再生式ＤＰＦに排気ガスを流入させるディーゼルエンジンにおいて、
前記低排気温度領域では、前記ディーゼルエンジンに噴射する燃料の噴射時期を、それ以外の温度領域の噴射時期よりも早めるとともに、前記ＥＧＲ弁を開いて、前記ＥＧＲ装置及び前記排気ガス導入機構からの排気ガスの再循環を実施し、さらに、
前記排気通路には尿素供給装置を備えたＮＯｘ還元触媒装置を設置し、前記低排気温度領域以外の領域では、ＮＯｘ還元触媒装置に尿素を供給することを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置」
ここで「連続再生式ＤＰＦ」とは、前述したように、酸化触媒とＤＰＦとを組み合わせ、触媒の作用によってＤＰＦに蓄積されたＰＭをエンジン作動中に連続して酸化・除去するものをいう。

請求項２に記載のように、前記ディーゼルエンジンにはコモンレール式燃料噴射装置を採用し、前記低排気温度領域では、前記ディーゼルエンジンに噴射する燃料の噴射時期が上死点前３０°から２０°の範囲に設定することが好ましい。

また、請求項３に記載のように、前記ディーゼルエンジンにはコモンレール式燃料噴射装置を採用し、前記低排気温度領域以外の領域では、前記ディーゼルエンジンに上死点付近で主噴射を行い、その主噴射の１０°から２０°以前の時点でパイロット噴射を行うよう構成することが好ましい。

請求項４に記載のように、前記ＮＯｘ還元触媒装置を、前記第１の連続再生式ＤＰＦよりも上流側、かつ、前記第２の連続再生式ＤＰＦよりも下流側の前記排気通路に設置することができる。

請求項５に記載のように、前記ディーゼルエンジンにおいて、吸気通路及び排気通路にそれぞれ吸気シャッタと排気シャッタとを配設し、前記低排気温度領域では、前記吸気シャッタ及び前記排気シャッタの開度を小として、前記吸気通路及び前記排気通路を絞るよう制御することができる。このときは、請求項６に記載のように、前記低排気温度領域以外の領域では、前記切替弁の開度が大となるとともに、エンジンの排気温度が前記低排気温度領域よりも高い中間排気温度領域においては、前記吸気シャッタ及び前記排気シャッタの開度が前記低排気温度領域のときよりも大となり、さらに、エンジンの排気温度が前記中間排気温度領域を超えた高排気温度領域においては、前記吸気シャッタ及び前記排気シャッタが全開となるよう制御することが好ましい。

本発明では、バイパス通路に第２連続再生式ＤＰＦ配設し、排気ガス温度の低い運転領域（低排気温度領域）ではバイパス通路に排気ガスを通過させて、そのＤＰＦにＰＭを捕集する。第２連続再生式ＤＰＦは、容量が小さくエンジンの排気ガス出口近傍に設置されているから、排気ガス温度の上昇によって第１連続再生式ＤＰＦよりも迅速に触媒の活性温度に達して捕集したＰＭが良好に酸化除去され、主要なＰＭ除去装置である第１連続再生式ＤＰＦに過剰なＰＭが蓄積される事態を防止できる。さらに、冷却した排気ガスを吸気通路に再循環するクールＥＧＲを実施したことに伴い、燃焼過程等で生成するＮＯｘを大幅に低減させることができる。こうした作用効果は、特許文献２に示されるディーゼルエンジンと共通するものである。

そして、本発明のディーゼルエンジンでは、低排気温度領域において、シリンダ内に噴射する燃料の噴射時期を早め、空気と予め混合した状態で圧縮した後圧縮着火させるＨＣＣＩ燃焼を行わせる。ＨＣＣＩ燃焼では、着火後急速に燃焼が完了しＰＭ等未燃焼成分の生成が少ないから、ディーゼルエンジンにおける通常の燃焼方式、つまり、上死点付近で燃料を噴射し高温の空気と混合しながら順次燃焼させる拡散燃焼方式、と比較すると、低排気温度領域で第２連続再生式ＤＰＦに捕集されるＰＭが非常に減少する。したがって、そのＤＰＦが小容量であっても確実に捕集することができるとともに、排気ガス温度が上昇すると小容量の第２連続再生式ＤＰＦの酸化触媒が急速に活性化するので、捕集したＰＭが迅速に酸化・除去されることとなる。

一般にＨＣＣＩ燃焼では、圧縮着火をさせる際の着火時期の制御が困難な面があり、過早着火が起こりやすい。これに対し、本発明では、クールＥＧＲによりシリンダ内に再循環する排気ガスの量を制御して、着火時期を適正なものとすることができる。さらに、本発明のディーゼルエンジンは、エンジン吸気行程において排気出口を短時間エンジンのシリンダ内に連通させる、内部ＥＧＲによる排気ガス導入機構を備えている。この排気ガス導入機構から還流する排気ガスは、排気ガス出口の直後の排気ガスであって温度が高く、また、燃焼中間生成物等を含んでいる。このような排気ガスが燃焼室の上部のシリンダヘッド付近に溜まることとなるため、本発明のＨＣＣＩ燃焼では、予混合された混合気の着火後の燃焼が促進され、より一層ＰＭ等の生成が少ない燃焼を行わせることができる。

このように、本発明のディーゼルエンジンでは、低排気温度領域においてもクールＥＧＲによりシリンダ内に排気ガスを再循環し、内部ＥＧＲにより排気ガス導入するので、低排気温度領域のＮＯｘの発生を抑制できる。そのため、本発明のディーゼルエンジンの排気ガス通路に設置された尿素添加ＳＣＲ触媒を、低排気温度領域においては機能させる必要はなく、その分、エンジン作動中に添加する尿素を節約して尿素タンクに備蓄する尿素量を減少することができる。

請求項２の発明のように、エンジンの燃料供給装置としてコモンレール式燃料噴射装置を採用し、低排気温度領域では、燃料の噴射時期が上死点前３０°から２０°の範囲に設定することが好ましい。コモンレール式燃料噴射装置は、コモンレールと呼ばれる高圧の燃料貯留管から電磁弁により制御しながら燃料を噴射するもので、ディーゼルエンジンの燃料噴射量や噴射時期を正確にコントロールすることが可能である。また、本発明のＥＧＲ装置等を有するディーゼルエンジンでＨＣＣＩ燃焼を行わせるときは、噴射時期を極端に早める必要はなく、上死点前３０°から２０°の範囲に設定するのが適当である。
また、請求項３の発明のように、低排気温度領域以外の領域で、燃料噴射を主噴射とパイロット噴射とに分割して行ったときは、良好な熱効率を確保しながら騒音の少ない、かつ、ＰＭやＮＯｘの生成の少ない燃焼を実現できる。

請求項４の発明のように、尿素添加ＳＣＲ触媒を第１連続再生式ＤＰＦ（１２）よりも上流側の排気通路に設置したときは、尿素添加ＳＣＲ触媒が排気通路の比較的温度の高い場所に配置されることとなり、ＳＣＲ触媒の活性化のために有利となる。

請求項５に記載のように、吸気通路及び排気通路にそれぞれ吸気シャッタと排気シャッタとを配設し、低排気温度領域では吸気通路及び前記排気通路を絞るよう制御したときには、エンジンの空気過剰率が減少し、排気ガスの温度を上昇させることができる。この結果、バイパス通路に配設した第２連続再生式ＤＰＦを急速に活性化することが可能となる。さらに、請求項６の発明のように、エンジンの排気温度が中間排気温度領域にあるとき吸気シャッタ及び前記排気シャッタの開度を中間の開度とし、排気温度が中間排気温度領域を超えた高排気温度領域ではこれらが全開となるよう制御すると、ＮＯｘ低減効果の優れたクールＥＧＲの量を、ディーゼルエンジンの排気温度領域、つまり運転状況に応じて適正な値とすることが容易となる。そして、クールＥＧＲ、吸気シャッタ、排気シャッタ等のきめ細かな制御を行うことにより、エンジンの運転性あるいは燃料経済性に悪影響を与えることなく、ＮＯｘの低減を実現することができる。

開示されているものがあり、図１０に従来より知られる連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下連続再生式ＤＰＦとする）を装備したディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す。以下、図１０以下、図面に基づいて、連続再生式ＤＰＦ本発明を実施したを装備したディーゼルエンジンの排気浄化装置について説明する。
まず、本発明のディーゼルエンジン１の全体的な概略図を図1に示す。シリンダブロック及びシリンダヘッド等からなるエンジン本体２には、吸気通路５の一部を構成する吸気マニホールド３および排気通路７の一部を構成する排気マニホールド４が配設されている。吸気通路５の最上流部に吸入空気を清浄化するエアクリーナ６が配設されており、エアクリーナ６で清浄化された吸入空気は吸気通路５を通り吸気マニホールド３を介してシリンダ内に供給される。排気マニホールド４には排気管通路７が接続されており、シリンダ内で生成された排気ガスは排気マニホールド４及び排気通路７を通して排出される。

図示図示のディーゼルエンジンは、吸入空気を過給するためのターボチャージャー８を備えている。このターボチャージャー８は、排気通路７に配設された排気タービン８１と、吸気通路５に配設された吸気コンプレッサ８２とを有している。この実施形態のディーゼルエンジンは、ターボチャージャーを備えているが、本発明の排気浄化装置は、ターボチャージャー等により過給を行うエンジンに限らず、大気圧のまま吸気を行う自然吸気エンジンにも、もちろん適用可能である。

排気タービン８１より下流の排気通路７における排気ガス出口の手前には、上流側に酸化触媒１２１、下流側にＤＰＦ１２２を有する第1の連続再生式ＤＰＦ１２およびＮＯｘ触媒１４が配設されている。連続再生式ＤＰＦ１２の酸化触媒１２１は、白金等の貴金属からなる触媒活性成分を担持させたコート層を、ハニカム状の担体の表面に備えたものであって、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ_２を生成させるとともに、排気ガス中のＨＣとＣＯを酸化してＨ_２ＯとＣＯ_２を生成させる。ＤＰＦ１２２には、多数のセルが平行に形成されセルの入口と出口が交互に閉鎖された、いわゆるウォールフロー型と呼ばれるハニカムフィルタや、セラミック繊維をステンレス多孔管に何層にも巻き付けた繊維型フィルタが使用され、排気ガス中のＰＭを捕集する。

酸化触媒１２１及びＤＰＦ１２２により構成された連続再生式ＤＰＦ１２では、酸化触媒１２１の温度が約２５０〜４００℃の温度範囲において、酸化触媒１２１によって排気ガス中のＮＯをＮＯ_２に酸化させ、酸化触媒１２１の下流側に配設したＤＰＦ１２２に捕集されたＰＭを酸化・除去燃焼させる。このため、電気ヒータやバーナ等の特別な加熱手段を設ける必要がなく、連続再生式ＤＰＦは装置全体を簡易に且つコンパクトにできるという利点を有している。また、４００℃以上の高温では触媒作用によって排気ガス中の酸素とＰＭとの酸化反応を生じさせ、ＤＰＦを再生する。連続再生式ＤＰＦとしては、ＤＰＦの表面に酸化触媒となる材料を直接担持させて一体的に構成された連続再生式ＤＰＦや、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒をＤＰＦに担持させた連続再生式ＤＰＦも知られており、本発明の連続再生式ＤＰＦとして、こうしたものを使用することもできる。

排気マニホールド４の直後の排気通路７には、排気通路をバイパスするバイパス通路１０１が配設されている。このバイパス通路１０１には、第1の連続再生式ＤＰＦ１２と同様に、酸化触媒及びパティキュレートフィルタを有する第２の連続再生式ＤＰＦ１３が配設されている。ただし、この第２の連続再生式ＤＰＦ１３の容量は、第１の連続再生式ＤＰＦ１２の容量より小さく構成されている。
バイパス通路１０１の出入口間の排気通路７には、排気ガスの流路を切り換える切替弁１０２が配設されている。この切替弁１０２は制御装置１０により制御され、排気通路７を閉じると排気マニホールド４から排出される排気ガスをバイパス通路１０１及び第２の連続再生式ＤＰＦ１３に流入せしめる。このような第１及び第２の連続再生式ＤＰＦの構成や配置は、本出願人の提案に係る特許文献２のディーゼルエンジンと基本的には変わりはない。

また、図示のディーゼルエンジンは、排気タービン８１より上流側の排気通路７と吸気コンプレッサ８２より下流側の吸気通路５とを連絡するＥＧＲ通路９を具備している。ＥＧＲ通路９の途中にはＥＧＲバルブ１１とともに排気ガスの冷却器２００が介在されている。排気ガスの冷却器２００は、エンジンの冷却水などとの熱交換により、吸気通路に再循環する高温の排気ガスを冷却するためのものである。冷却した排気ガスを吸気通路に再循環する、つまりクールＥＧＲを採用すると、シリンダ内に投入する排気ガスの充填効率が向上し、また、排気ガスの温度も低いため、シリンダ内の燃焼温度を低下させる効果が大きく、それに伴ってＮＯｘの抑制効果も増大したものとなる。ＥＧＲバルブ１１は、例えば図示しない負圧タンクに接続された負圧アクチュエータを備えており、後述する制御装置１０により運転状態に応じて供給される負圧量が制御されることにより、その開度即ちＥＧＲ率が制御される。

エンジンの排気バルブ作動機構には、吸気行程中においてシリンダの排気通路をシリンダに開放する排気ガス導入機構４１を具備している。すなわち、図２に示すように、排気バルブ作動機構の排気カム４２は、排気行程で排気バルブ４０を作動する通常のカムプロフィール（カム突起部）４２１と、該カムプロフィールと回転方向後側に略９０°の位相角をもって形成された排気導入カムプロフィール４２２とを備えた排気二段カムとなっている。排気カム４２に形成された排気導入カムプロフィール４２２によって、吸気行程中に排気バルブ４０が僅かに開いて排気出口の排気ガスがシリンダ内に逆流し、いわゆる内部ＥＧＲが行われる。なお、図２において、３０は吸気バルブを、３１は吸気カムを示している。こうした排気導入を行わせる機構としては、排気出口を分岐してシリンダ内に開口させ、その開口部に電磁バルブで作動する小型のバルブを設け、吸気行程においてリフトさせるようにしてもよい。

本発明のディーゼルエンジンの排気通路７には、第１の連続再生式ＤＰＦ１２よりも上流側にＮＯｘを還元し分解する尿素添加ＳＣＲ触媒１４が設置されている。尿素添加ＳＣＲ触媒１４の入口には、尿素水を噴射する尿素インジェクタ１４１が取り付けてあり、尿素インジェクタ１４１には、尿素水タンク１４２からの尿素水の配管と、図示しないエアタンクからの加圧空気の配管１４３が接続される。ディーセルエンジンのシリンダから排出されるＮＯｘをさらに低減させる必要があるときは、尿素インジェクタ１４１から尿素水を噴霧し、尿素添加ＳＣＲ触媒１４により還元作用を行わせる。

この実施形態のディーゼルエンジンは、吸気通路５におけるＥＧＲ通路９の連結部よりも上流側に配設され吸入空気量を制限する吸気シャッタ２２を備えている。この吸気シャッタ２２は、高負荷運転時には全開に保持されている。また、排気通路７におけるＥＧＲ通路９の連結部よりも下流側には、排気ガスの流出を制限する排気シャッタ２３が配設されている。この排気シャッタ２３も上記吸気シャッタ２２と同様に、高負荷運転時では全開に保持されている。なお、吸気シャッタ２２および排気シャッタ２３は、図示しない負圧タンクに接続された負圧アクチュエータを備えており、制御装置１０により運転状態に応じて供給される負圧量が制御されることにより、その開度が制御される。

本発明のディーゼルエンジンは、低排気温度領域において予混合圧縮自己着火燃焼方式、すなわちＨＣＣＩ燃焼を行わせるものであって、燃料噴射装置として、各シリンダに設置される燃料噴射弁を電磁弁１８により制御しながら、高圧のコモンレールから燃料を噴射するコモンレール式燃料噴射装置を備えている。そのため、ディーゼルエンジンの制御装置１０は、上記ＥＧＲバルブ１１、切替弁１０２、尿素インジェクタ１４１、吸気シャッタ２２及び排気シャッタ２３等を制御する外、図示のディーゼルエンジンは、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転速度検出センサ１５、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ１６、吸気マニホールド３内に配設されシリンダ内に吸入される吸気の温度を検出する吸気温度センサ１７等からの検出信号に基づいて電磁弁１８をコントロールし、上記ＥＧＲバルブ１１やシリンダ内に噴射される燃料の噴射量及び噴射時期を制御する制御手段１０を具備している。制御装置１０は、エンジン回転速度とアクセル開度をパラメータとして燃料噴射量を設定する図１３に示すような所謂燃料噴射量を格納したメモリを具備し、エンジン回転速度及びアクセルペダルの踏み込み量に基づいて基本燃料噴射量を決定する。そして、基本燃料噴射量を吸気温度センサ１７等の検出値に基づき補正し、最終的な燃料噴射量を決定する。

次いで、上述した各種の装置を備えた、この実施態様のディーゼルエンジンの作動について、図３、図４も参照しながら説明を加える。

車両に搭載されるディーゼルエンジンは、運転状態によってエンジン回転速度やエンジン負荷が刻々と変化し、そこから排出される排気ガス温度も運転状態に応じて変化する。図３にはエンジン回転速度とエンジン負荷（燃料噴射量）をパラメータとする排気ガスの温度領域が示されているが、エンジンが低負荷であって、殊に回転速度が低い運転状態、つまり低排気温度領域Ｘにおいては、排気温度が活性温度領域（約２５０℃〜４００℃）に達せず、酸化触媒でＮＯが十分にＮＯ_２に酸化しない。また、排気出口の排気温度が触媒の活性温度領域に入っていたとしても、排気マニホールドから酸化触媒に至る間に外気などに放熱してしまうため結果的に活性温度領域以下に下がることがあった。

こうした問題を解決するため、このディーゼルエンジンでは、前記の特許文献２記載のものと同様に、エンジンの排気温度が約２５０℃に達しない低排気温度領域Ｘにおいて、切替弁１０２を閉じて排気ガスをバイパス通路１０1及び第２の連続再生式ＤＰＦ１３に流入させる。第２の連続再生式ＤＰＦ１３は、排気マニホールド４の近傍で第１の連続再生式ＤＰＦ１２よりも上流に配置されているので、そこを通過する排気ガスは冷却されず、また、触媒等は小容量であって熱容量も小さいので容易に温度が上昇する。このため、酸化触媒を活性温度範囲に保つことが可能となり、第２の連続再生式ＤＰＦ１３によるＰＭの捕集及びＤＰＦの再生を効率よく行うことができる。
しかし、低排気温度領域Ｘでは、エンジンのシリンダ内に噴射される燃料量が少なく燃焼温度が比較的低いのでＰＭの生成量が多い傾向にある。第２の連続再生式ＤＰＦ１３は容量が小さく、多量のＰＭが発生すると目詰まりを起こし易く蓄積されたＰＭの燃焼による損傷も発生し易い。

本発明のディーゼルエンジンでは、低排気温度領域Ｘにおいて、空気と予め混合した状態で圧縮した後圧縮着火させるＨＣＣＩ燃焼を行わせる。つまり、シリンダ内に噴射する燃料の噴射時期を早めるとともに、噴射された燃料が過早着火を起こすのを防止するため、
ＥＧＲバルブ１１を開いて冷却された排気ガスをシリンダ内に還流する。図４に示されるとおり、ＥＧＲによる大量の排気ガスの存在の下で燃料の噴射時期を早め、殊に噴射時期を上死点前３０°〜２０°としたときは、燃料は圧縮着火前に空気と十分に混合し、着火後急速に燃焼が完了するから、ＰＭ等未燃焼成分の生成が大幅に低下する。その結果、低排気温度領域で第２の連続再生式ＤＰＦ１３に捕集されるＰＭが非常に減少して、そのＤＰＦが小容量であってもＰＭを十分に捕集することができる。

さらに、本発明のディーゼルエンジンでは、排気カム４２に形成された排気導入カムプロフィール４２２により、吸気行程中に排気バルブ４０を僅かに開いて排気出口の排気ガスをシリンダ内に逆流させる内部ＥＧＲが行われる。この排気ガスは、排気ガス出口の直後の燃焼中間生成物等を含む高温の排気ガスであって、このような排気ガスが燃焼室の上部のシリンダヘッド付近に溜まるため、低排気温度領域Ｘにおける本発明のＨＣＣＩ燃焼では、予混合された混合気の着火後の燃焼が促進され、ＰＭ等の生成がより一層少なくなる。また、低排気温度領域ＸのクールＥＧＲ及び内部ＥＧＲの実施に伴い、ＮＯｘの生成量も抑制されることとなり、排気通路７に設置した尿素添加ＳＣＲ触媒１４の作動は不要となる。

この実施態様のディーゼルエンジンは、吸気を絞るための吸気シャッタ２２と排気を絞るための排気シャッタ２３を備えている。排気ガスの温度が低排気温度領域Ｘにある場合は、吸気シャッタ２２を絞る制御を行うことにより吸入空気量を制限する。排気ガスの温度はシリンダ内の燃焼時に空気過剰率（λ）が小さくなるほど高くなるので、シリンダ内の吸気量を減少することにより、低排気温度領域Ｘにおける排気ガス温度を高めることができる。吸気量を減少すると、シリンダ内の吸気の初期圧力が低下するが、排気シャッタ２３を絞り圧力の低下を防止して、有効圧縮比の低下に基づく燃焼温度の低下を防いでいる。したがって、本来であれば低回転、低負荷状態で排気温度が酸化触媒の活性領域に達しない運転領域であっても、上記のような制御を実施することで、排気温度を迅速に活性温度領域にまで高めることが可能となる。

次に、排気温度が低排気温度領域Ｘを超えて上昇する運転領域における作動について述べる。この実施態様のディーゼルエンジンでは、排気温度が低排気温度領域以上の領域を、基本的には、中間排気温度領域Ｙと高排気温度領域Ｚとの２つに分けて制御を行う。

ディーゼルエンジンの燃料噴射量の増加に伴い、排気温度が約２５０℃以上となり低排気温度領域Ｘを超えると、第１の連続再生式ＤＰＦ１２の酸化触媒１２１の温度は十分に活性温度域に達する。また、排気ガスの流量も増加するから、大容量の第１の連続再生式ＤＰＦ１２において実質的にＰＭを捕集するよう切替弁１０２を高開度とし、第２の連続再生式ＤＰＦ１３に流入する排気ガス量を減少させる。

排気温度が約２５０℃〜４００℃の中間排気温度領域Ｙでは、シリンダ内の燃焼温度も高まり、ＮＯｘの発生量も増加する。そのため、この領域では、ＥＧＲバルブ１１の開度を大きくするとともに、吸気シャッタ２２及び排気シャッタ２３の開度を５０％程度の半開状態とする。これによって、ＥＧＲ通路９の出入口間における排気ガスの差圧が高まり、冷却器２００で冷却され吸気通路５に再循環する排気ガスの量は増えてＮＯｘの発生量が低下する。
そして、本発明においては、中間排気温度領域Ｙでは排気通路７に設けた尿素添加ＳＣＲ触媒１４によるＮＯｘを還元・分解を実行し、排出されるＮＯｘの一層の低減を図る。すなわち、制御装置１０から出力される指令に基づき、尿素インジェクタ１４１から加圧空気によって還元剤となる尿素水が噴霧され、尿素添加ＳＣＲ触媒１４においてＮＯｘが還元・分解される。

中間排気温度領域Ｙでは、上死点付近で燃料を噴射する通常の噴射を行い、早期に燃料を噴射するＨＣＣＩ燃焼を停止して拡散燃焼方式に切り換える。ただし、この実施態様のディーゼルエンジンでは、上死点付近で行う主噴射の前に、少量の燃料を噴射するパイロット噴射を実行する。パイロット噴射は主噴射の１０〜２０°手前の時点で噴射するのが好ましい。これによって、良好な熱効率を確保しながら騒音の少ない、かつ、ＰＭやＮＯｘの生成の少ない燃焼を実現することができる。

ディーゼルエンジンの燃料噴射量がさらに増加して全負荷近傍となる運転領域では、排気ガス温度もさらに上昇して約４００℃以上となり、高排気温度領域Ｚに移行する。この領域でも切替弁１０２を開放し、ＰＭは第１の連続再生式ＤＰＦ１２において捕集されるが、排気ガスの温度が約４００℃を超えると、酸化触媒１２１の酸化作用と相俟って、捕集されたＰＭは排気ガス中の酸素によって酸化し燃焼するようになる。このため、酸化剤としてのＮＯｘが存在しない条件下でも、第１の連続再生式ＤＰＦ１２のＤＰＦ１２１の再生が達成される。

高排気温度領域においても、中間排気温度領域Ｙと同様に、尿素添加ＳＣＲ触媒１４を機能させＮＯｘを還元・分解を実行し、また、シリンダ内に噴射する燃料は主噴射及びパイロット噴射に分けて行う。しかし、この領域では、吸気シャッタ２２及び排気シャッタ２３を全開とし、ディーゼルエンジンの出力を向上させるとともに燃料消費率の悪化を回避する。

本発明のディーゼルエンジンの作動及び制御態様をまとめた表を図５に示す。この図における燃料の噴射パターン、吸気シャッタ等の開度などは代表的なものを例示したまでであって、エンジンの特性や運転状況に対応して逐次変更可能に構成されているのは当然のことである。こうした装置は制御装置１０によって制御されるが、制御装置１０には、エンジン負荷（燃料噴射量）とエンジン回転速度に基づいて現在の排気温度領域を決定する、図３に対応する排気温度領域判定マップが格納されている。このマップにおける温度領域Ｘ、Ｙ、Ｚの境界線は、連続再生式ＤＰＦの酸化触媒の活性温度領域等を参照して実験的に定められるものである。
制御装置１０は、エンジン回転速度検出センサ１５及びアクセルセンサ１６からのエンジン回転速度信号とアクセル開度信号を読み込み、制御装置１０内に格納された燃料噴射マップに応じて燃料噴射量を決定し、さらに、排気温度領域判定マップによって排気温度領域を決定する。そして、その排気温度領域に応じて図５の制御を実行する。なお、このような排気温度領域判定マップを使用する代わりに、エンジンの排気管７に設けられる排気温度センサ２１０を用いて、直接的に排気温度領域を検出してもよい。

以上詳述したとおり、本発明は、排気ガス温度の低い運転領域においてバイパス通路に設置した第２の連続再生式ＤＰＦによりＰＭを捕集し再生するディーゼルエンジンにおいて、エンジンの排気系に尿素添加ＳＣＲ触媒を設置してＮＯｘを確実に低減すると同時に、排気ガス温度の低い運転領域では、予混合圧縮自己着火燃焼方式の技術を利用してＰＭを低減させるものである。上記の実施態様では、連続再生式ＤＰＦとして酸化触媒とＤＰＦとが別体のものを用いているが、本発明のディーゼルエンジンでは、ＤＰＦに酸化触媒となる材料を直接担持させて一体的に構成された連続再生式ＤＰＦや、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒をＤＰＦに担持させた連続再生式ＤＰＦを採用できることは明らかである。また、燃料噴射装置としてコモンレール式以外のものを採用すること、尿素添加ＳＣＲ触媒を第１の連続再生式ＤＰＦの下流に配置すること等、種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明に基づくディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略図である。 本発明における排気ガス導入機構の実施形態を示す図である。 本発明における予混合燃焼時の排気ガス特性を示す図である。 本発明における排気温度領域マップである。 本発明における排気温度領域別の制御態様を示す表である。

符号の説明

２ エンジン本体
５ 吸気通路
７ 排気通路
８ ターボチャージャー
９ 排気ガス環流（ＥＧＲ）通路
１０ 制御装置
１１ ＥＧＲバルブ
１２ 第１の連続再生式ＤＰＦ
１２１ 酸化触媒
１２２ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
１０１ バイパス通路
１０２ 切替弁
１３ 第２の連続再生式ＤＰＦ
１４ 尿素添加ＳＣＲ触媒
１４１ 尿素インジェクタ
１８ 電磁弁（燃料噴射弁制御用）
２２ 吸気シャッタ
２３ 排気シャッタ
４１ 排気ガス導入機構
４２ 排気カム
４２１ 排気カムプロフィール
４２２ 排気導入カムプロフィール
２００ 冷却器（ＥＧＲクーラ）
２１０ 排気温度センサ

Claims (6)

1. エンジンの排気通路（７）に配置された第１の連続再生式ＤＰＦ（１２）と、前記第１の連続再生式ＤＰＦ（１２）よりも上流側の排気通路をバイパスするバイパス通路（１０１）に配設され前記第１の連続再生式ＤＰＦ（１２）よりも容量の小さい第２の連続再生式ＤＰＦ（１３）と、前記バイパス通路（１０１）の出入口間の排気通路に配設され排気ガスの流路を切り換える切替弁（１０２）とを有し、かつ、
   排気ガス再循環量を制御するＥＧＲ弁（１１）及び排気ガスを冷却する冷却器（２００）を介してエンジンの吸気通路（５）に冷却した排気ガスを再循環するＥＧＲ装置と、前記エンジンの排気出口をエンジン吸気行程において短時間エンジンのシリンダに連通させる排気ガス導入機構（４１、４２２）とを有しており、
   エンジンの排気温度が低い低排気温度領域（Ｘ）では、前記切替弁（１０２）の開度を小として前記第２の連続再生式ＤＰＦ（１３）に排気ガスを流入させるディーゼルエンジンにおいて、
   前記低排気温度領域（Ｘ）では、前記ディーゼルエンジンに噴射する燃料の噴射時期を、それ以外の温度領域の噴射時期よりも早めるとともに、前記ＥＧＲ弁（１１）を開いて、前記ＥＧＲ装置及び前記排気ガス導入機構（４１、４２２）からの排気ガスの再循環を実施し、さらに、
   前記排気通路（７）には尿素供給装置を備えたＮＯｘ還元触媒装置（１４）を設置し、前記低排気温度領域（Ｘ）以外の領域では、ＮＯｘ還元触媒装置（１４）に尿素を供給することを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
2. 前記ディーゼルエンジンはコモンレール式燃料噴射装置を備え、前記低排気温度領域（Ｘ）では、前記ディーゼルエンジンに噴射する燃料の噴射時期が上死点前３０°から２０°の範囲に設定されている請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
3. 前記ディーゼルエンジンはコモンレール式燃料噴射装置を備え、前記低排気温度領域（Ｘ）以外の領域では、前記ディーゼルエンジンに上死点付近で主噴射を行い、その主噴射の１０°から２０°以前の時点でパイロット噴射を行う請求項１又は請求項2記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
4. 前記ＮＯｘ還元触媒装置（１４）は、前記第１の連続再生式ＤＰＦ（１２）よりも上流側、かつ、前記第２の連続再生式ＤＰＦ（１３）よりも下流側の前記排気通路（７）に設置されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
5. 前記ディーゼルエンジンは、吸気通路（５）に配設された吸気シャッタ（２２）と排気通路（７）に配設された排気シャッタ（２３）とを有し、前記低排気温度領域（Ｘ）では、前記吸気シャッタ（２２）及び前記排気シャッタ（２３）の開度を小として、前記吸気通路（５）及び前記排気通路（７）を絞るように制御される、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
6. 前記低排気温度領域（Ｘ）以外の領域では、前記切替弁（１０２）の開度が大となるとともに、エンジンの排気温度が前記低排気温度領域（Ｘ）よりも高い中間排気温度領域（Ｙ）においては、前記吸気シャッタ（２２）及び前記排気シャッタ（２３）の開度が前記低排気温度領域（Ｘ）のときよりも大となり、さらに、エンジンの排気温度が前記中間排気温度領域（Ｙ）を超えた高排気温度領域（Ｚ）においては、前記吸気シャッタ（２２）及び前記排気シャッタ（２３）が全開となる請求項５に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。

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