JP2009002270A - 排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路の上流側に酸化触媒を、下流側にＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の炭化水素成分を有効利用することにより、強制再生時のＰＭ再生燃焼開始温度を低く維持すると共に、強制再生時の排気ガスの昇温を効率よく行うことができて、燃費の向上と触媒の耐久性の向上を図ることができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】ＤＰＦの上流側の排気通路を第１分岐排気通路と第２分岐排気通路とに分岐し、第２分岐排気通路に酸化触媒を配置すると共に、排気ガスの通路を第１分岐排気通路と第２分岐排気通路とに切り替える通路切替手段を備えて、通常運転時は排気ガスの大部分又は全部を第１分岐排気通路に流通させ、ＤＰＦの強制再生制御時は排気ガスの半分以上を酸化触媒が配置されている第２分岐排気通路に流通させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中の微粒子状物質（ＰＭ）を浄化するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を備えた排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関する。

ディーゼルエンジンから排出される微粒子状物質（以下ＰＭという）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）等は、年々排出規制が強化されてきている。この規制の強化に伴い、エンジンの改良のみでは、規制値への対応が困難になってきている。そこで、エンジンの排気通路に排気ガス後処理装置を着装して、エンジンから排出されるこれらの物質を低減する技術が採用されてきている。

このような状況において、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（以下ＤＰＦという）について種々の研究や提案がなされている。

この直接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と、セラッミクや金属を繊維状にしてフィルタにした繊維型フィルタタイプとがある。このどちらのタイプのフィルタも、フィルタがＰＭを捕集するとその捕集量に対応して排気ガス損失圧力（排圧）が上昇するので、捕集されたＰＭを略定期的に燃焼させる等してフィルタから除去するフィルタの再生作業を行う必要がある。

この再生方式には色々の提案がなされており、電気ヒーター加熱タイプ、バーナー加熱タイプ、逆洗タイプ等が提案されたこともある。しかしながら、これらの再生方式では、外部からのエネルギーの供給を受けて排気ガスを昇温してフィルタの再生を行うため、燃費の悪化を招くという問題や、再生時の排気ガス温度の制御が難しいという問題があり、更に、二系統のＤＰＦシステムが必要になるという問題等もあった。

これらの問題を解決するために、近年商品化されているＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムでは、ＤＰＦを構成するウオールフローフィルタの壁表面に、貴金属酸化触媒、酸化物酸化触媒等のＰＭ酸化触媒を塗布し、フィルタに蓄積したＰＭを低温から直接触媒燃焼して連続再生を行う連続再生型ＤＰＦが用いられている。また、更に、ＤＰＦの上流側に酸化触媒を設置し、この上流側の酸化触媒に燃料等の炭化水素を供給し、この炭化水素を酸化触媒で触媒作用により酸化し、この酸化反応熱により排気ガス温度をＰＭ燃焼開始温度（ＰＭ再生燃焼開始温度）以上に昇温して、フィルタの捕集、堆積されたＰＭを燃焼除去することが行われている。そして、この酸化触媒を上流側に設ける排気ガス浄化システムが主流になってきている。

しかしながら、この酸化触媒を上流側に設けた連続再生型ＤＰＦにおいても、さらに低い排気ガス温度が発生する低負荷条件のエンジン運転状態ではＰＭの再生燃焼が行われず、許容限度以上にＰＭが蓄積してしまう。この許容限度以上にＰＭが蓄積されると排圧が上昇しエンジントラブルの原因となるので、ＰＭの堆積量が許容限度近くなった時に、エンジンの運転状態を変更したり、排気管内に燃料を直接噴射したりして、ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を強制的に高温にして、ＤＰＦをＰＭ燃焼開始温度以上にしてＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼除去する強制再生制御を行っている。

しかしながら、この連続再生型ＤＰＦシステムのように、上流側に酸化触媒を設置すると、ＰＭを含んだ排気ガス中の炭化水素を、この酸化触媒で酸化し除去してしまうため、下流側のＤＰＦに蓄積する蓄積物の主成分がカーボンとなり、炭化水素成分が極端に少なくなる。この固体のカーボンの酸化燃焼はＤＰＦの壁表面に塗布された触媒では困難であるため、炭化水素成分が多く堆積する場合よりもＰＭ燃焼開始温度が上昇してしまう。

つまり、ＰＭの再生燃焼において、炭化水素がウオールフローフィルタの壁表面に塗布された触媒により着火し、この酸化反応熱を利用して堆積物中のカーボン成分も燃焼させるが、この炭化水素成分の少なくなるため、炭化水素の酸化反応熱を利用できなくなるので、ＰＭ燃焼開始温度が上昇することになる。

このＰＭ燃焼開始温度が上昇すると、ＰＭ再生燃焼時に必要な排気ガスの温度も高くなるので、強制再生に伴う燃費の悪化を招くという問題と共に、また、高温で強制再生するため、ＤＰＦのＰＭ酸化触媒の熱耐久性も悪化するという問題が生じる。

本発明は、このＤＰＦに捕集された堆積物中の炭化水素成分量とＰＭ燃焼開始温度との関係と、ＤＰＦの上流側の酸化触媒で炭化水素成分の消費を回避するバイパス手段と、バイパス時期と強制再生制御との関係とを考慮してなされたものである。

なお、この酸化触媒と未燃焼炭化水素に関連して、酸化触媒に並行するバイパス回路を設け、触媒式微粒子フィルタの再生の速度を速めるように、酸化触媒を通過することなく未燃焼炭化水素を十分伴ったガスの部分を触媒式微粒子フィルタ内に向けるために、触媒式微粒子フィルタの再生が開始される時点で、ガスバイパス回路内及び酸化触媒内のガスの流通を、上流側のガスの温度及びＨＣ含有量を感知するセンサにより供給されるデータから順次制御する制御手段を備えた触媒式微粒子フィルタの再生を補助する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、この補助する装置においては、触媒式微粒子フィルタの再生が開始される時点で、具体的にどのような制御が行われるかについては記載されておらず、どのような制御との関連で、どのようなメカニズムで触媒式微粒子フィルタの再生の速度を速めることができるのかについての記載が無い。

また、この酸化触媒と並行するバイパスを設ける構成に関連して、酸化触媒に並行するバイパス通路を設け、下流側に酸化能力を有する触媒を担持させたＤＰＦを設け、ＤＰＦに捕集されたＰＭを除去するときであってＤＰＦに還元剤を供給するときは、還元剤供給手段で排気管噴射を行ってバイパス通路に還元剤を流し、ＤＰＦへ高温の排気を供給するときには酸化触媒に還元剤を流す内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

この内燃機関の排気浄化装置では、フィルタ再生時の過度の温度上昇を抑制しつつ速やかにフィルタの再生を完了させることを目的とし、フィルタの強制再生時において、バイパス通路へ還元剤を流すことにより、ＤＰＦの下流部分の酸化触媒でＤＰＦの下流部分に捕集されたＰＭのみを酸化し、次に、酸化触媒へ還元剤を流すことにより、ＤＰＦの上流部分に捕集されたＰＭのみを酸化することによって、ＤＰＦの加熱を抑制している。

しかしながら、上記のいずれの装置も、ＤＰＦに捕集された堆積物における炭化水素成分の比率とＰＭ再生燃焼開始温度との関連に関しての考察が無く、また、本発明における酸化触媒のバイパスと強制再生制御の時間的な関係等についての記載や示唆は無い。
特開２００３−１６６４１７号公報 特開２００６−２２６２１６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、排気通路の上流側に酸化触媒を、下流側にＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の炭化水素成分を有効利用することにより、強制再生時のＰＭ再生燃焼開始温度を低く維持すると共に、強制再生時の排気ガスの昇温を効率よく行うことができて、燃費の向上と触媒の耐久性の向上を図ることができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法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ＮＯｘ浄化システムは、内燃機関の排気通路に、ディーゼルパティキュレートフィルタを備えると共に、該ディーゼルパティキュレートフィルタを再生するための強制再生制御を実施する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側の排気通路を第１分岐排気通路と第２分岐排気通路とに分岐し、前記第２分岐排気通路に酸化触媒を配置すると共に、排気ガスの通路を前記第１分岐排気通路と前記第２分岐排気通路とに切り替える通路切替手段を備えて、前記制御装置が、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っていないときは、排気ガスの大部分又は全部を前記第１分岐排気通路に流通させ、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っているときは、排気ガスの半分以上を前記酸化触媒が配置されている前記第２分岐排気通路に流通させるように前記通路切替手段を制御するように構成される。

この構成によれば、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生が開始される前の時点では、排気ガスを酸化触媒をバイパスさせ、酸化触媒に排気ガスを通過させないようにすることによって、ディーゼルパティキュレートフィルタへ蓄積する炭化水素成分の減少を回避して、ＰＭ再生燃焼開始温度を低い状態に維持し、強制再生時に、低温からフィルタを再生することができるようにする。

また、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御が開始されると、排気ガスを酸化触媒に流通させ、酸化触媒で排気ガス中の炭化水素成分を酸化することにより、効率よくまた迅速に排気ガスを昇温できるようにする。この迅速な排気ガスの昇温により、ディーゼルパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの温度を、ＰＭ再生燃焼開始温度以上にして、ディーゼルパティキュレートフィルタに捕集されたＰＭを迅速に燃焼除去し、強制再生時間を短くする。

上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っていないときにおいて、前記酸化触媒の上流側の排気ガスの温度が所定の第１判定用温度より低い場合には、前記酸化触媒が配置されている前記第２分岐排気通路に排気ガスを流通させないようにし、所定の第１判定用温度以上の場合には、前記第２分岐排気通路に排気ガスの一部を流通させるように、前記通路切替手段を制御するように構成される。この所定の第１判定用温度は、この温度になると酸化触媒が活性化する温度であり、通常は酸化触媒の活性化温度（触媒にもよるが、１５０℃〜２５０℃、例えば、約２００℃程度）に設定される。

この構成によれば、強制再生開始時に酸化触媒の温度が低下していないように、排気ガスの一部に含まれている炭化水素を酸化触媒で酸化させる。この酸化反応熱で排気ガスの流通量が少ない酸化触媒の温度を維持する。これにより、強制再生開始時における排気ガスの昇温を迅速に行うことができるようになる。

上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っているときにおいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側の排気ガスの温度が所定の第２判定用温度より低い場合には、前記第１分岐排気通路に排気ガスを流通させないようにし、所定の第２判定用温度以上の場合には、前記第１分岐排気通路に排気ガスの一部を流通させるように、前記通路切替手段を制御するように構成される。この所定の第２判定用温度は、排気ガス温度がこの温度になると、ディーゼルパティキュレートフィルタに担持された触媒が活性化する温度であり、通常はこの触媒の活性化温度（触媒にもよるが、２００℃〜３００℃、例えば、約２５０℃程度）に設定される。

この構成によれば、強制再生制御中に、酸化触媒を通過しない一部の排気ガスがディーゼルパティキュレートフィルタに供給されるので、この一部の排気ガス中の炭化水素が、ディーゼルパティキュレートフィルタの担持触媒で酸化され、この酸化反応熱によりディーゼルパティキュレートフィルタを昇温できるので、より迅速にディーゼルパティキュレートフィルタをＰＭ再生燃焼開始温度以上に昇温できるようになる。

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方法は、内燃機関の排気通路に、ディーゼルパティキュレートフィルタを備え、該ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側の排気通路を第１分岐排気通路と第２分岐排気通路とに分岐し、前記第２分岐排気通路に酸化触媒を配置すると共に、排気ガスの通路を前記第１分岐排気通路と前記第２分岐排気通路とに切り替える通路切替手段を備えた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っていないときは、排気ガスの大部分又は全部を前記第１分岐排気通路に流通させ、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っているときは、排気ガスの半分以上を前記酸化触媒が配置されている前記第２分岐排気通路に流通させることを特徴とする。

この方法によれば、ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生が開始される前の時点では、ディーゼルパティキュレートフィルタにおけるＰＭ再生燃焼開始温度を低い状態に維持し、強制再生時に、低温からフィルタを再生することができ、強制再生が開始された時点では、効率よくまた迅速に排気ガスを昇温して、ディーゼルパティキュレートフィルタに捕集されたＰＭを迅速に燃焼除去することができる。

また、上記の排気ガス浄化方法で、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っていないときにおいて、前記酸化触媒の上流側の排気ガスの温度が所定の第１判定用温度より低い場合には、前記酸化触媒が配置されている前記第２分岐排気通路に排気ガスを流通させず、所定の第１判定用温度以上の場合には、前記第２分岐排気通路に排気ガスの一部を流通させるようにすると、強制再生開始時における排気ガスの昇温を迅速に行うことができる。

また、上記の排気ガス浄化方法で、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っているときにおいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側の排気ガスの温度が所定の第２判定用温度より低い場合には、前記第１分岐排気通路に排気ガスを流通させず、所定の第２判定用温度以上の場合には、前記第１分岐排気通路に排気ガスの一部を流通させるようにすると、より迅速にディーゼルパティキュレートフィルタをＰＭ再生燃焼開始温度以上に昇温できる。

本発明に係る排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、排気通路の上流側に酸化触媒を、下流側にＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の炭化水素を効率よく利用することにより、ＤＰＦにおけるＰＭ再生燃焼開始温度を低く維持すると共に、強制再生時における排気ガスの昇温を効率よく行うことができて、強制再生の燃費の悪化を抑制することができると共に、ＤＰＦの触媒の熱劣化を防止して触媒の耐久性を向上することができる。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。本発明はディーゼルエンジンに代表される、ＰＭ（微粒子状物質）を生成する希薄燃焼機関全体に適用されるが、ここではディーゼルエンジンを例にして説明する。

図１に、本発明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に触媒付フィルタ（ＤＰＦ）２０が配設される。この触媒付フィルタ２０の上流側の排気通路３を第１分岐排気通路３ａと第２分岐排気通路３ｂとに分岐する。この第２分岐排気通路３ｂに酸化触媒２１を配置すると共に、第１分岐排気通路３ａに第１排気絞り弁２２を、第２分岐排気通路３ｂに第２排気絞り弁２３を配設する。この第１排気絞り弁２２と第２排気絞り弁２３により、排気ガスＧの通路を第１分岐排気通路３ａと第２分岐排気通路３ｂとに切り替える通路切替手段を構成する。また、触媒付フィルタ２０と、その上流側の酸化触媒２１とで連続再生型ＤＰＦを構成する。

この触媒付フィルタ２０は、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウオールフローフィルタで形成され、この多孔質のセラミックの壁面と内部に、酸化触媒とＰＭ酸化触媒を担持させて形成する。この酸化触媒は白金、パラジウム等から形成され、ＰＭ酸化触媒は、酸化セリウム等の酸化物酸化触媒等で形成される。また、酸化触媒２１は、コージェライトハニカム等の多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金等の貴金属触媒を担持した酸化アルミニウム等の触媒コート層を塗布して形成される。

そして、エンジンＥの運転の全般的な制御を行うと共に、触媒付フィルタ２０の強制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。また、この触媒付フィルタ２０の上流側（入口側）と下流側（出口）の差圧を検出する差圧センサー２４と、排気通路３の分岐点３ｃよりも上流側に第１排気ガス温度センサー２５と、触媒付フィルタ２０の上流側に第２排気ガス温度センサー２６と、触媒付フィルタ２０の下流側に第３排気ガス温度センサー２７とを設ける。これらの各センサーの出力は、制御装置（ＥＣＵ）３０に入力される。

この制御装置（ＥＣＵ）３０は、その内部に、中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）、リードオンリメモリー（ＲＯＭ）、入力ポート、出力ポートを双方向パスで接続した構成のデジタルコンピューターからなり、エンジンＥの噴射制御、燃料噴射時期制御などの基本制御を行う他、この実施の形態では、エンジン燃焼制御、ＤＰＦ強制再生制御、排気絞り弁制御、吸気絞り弁制御も行う。

そして、これらの制御を行うため、この制御装置３０に、更に、アクセル開度からの負荷センサー２８、エンジンクランク軸に設けたクランク角センサー２９からの検出値（出力信号）が入力される。更に、必要に応じて、ＮＯｘ濃度センサー（図示しない）、排気ガスλセンサー（図示しない）等からの検出値（出力信号）も入力される。また、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、ＥＧＲ弁１２、燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置の燃料噴射弁１３、第１排気絞り弁２２、第２排気絞り弁２３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、エンジンＥに吸入される吸入空気Ａは、吸気通路２の空気清浄器５、マスエアフローセンサー（ＭＡＦセンサー）６を通過して、ターボチャージャ７のコンプレッサ（ターボ加給器）により圧縮昇圧（加給加圧）され、更にインタークーラー（図示しない）で冷却され、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。マスエアフローセンサー６は、吸入空気量を計測し、吸入空気Ａの流量に対応した電圧が制御装置（ＥＣＵ）３０に入力される。また、吸気絞り弁８は制御装置（ＥＣＵ）３０からの制御信号で制御される。このシリンダに吸入された空気Ａに、燃料タンク９から燃料ポンプ１０によって昇圧された燃料をコモンレール及び燃料噴射弁１３を経由して噴射して燃焼させる。

この燃焼により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の排気タービンを駆動した後、排気通路３の分岐点３ｃを通過し、第１分岐排気通路３ａか酸化触媒２１のある第２分岐排気通路３ｂを通過して、合流点３ｄを通過する。この合流点３ｄを通過した後の排気ガスＧは、触媒付フィルタ２０を通過してＰＭを捕集されて、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の高効率ＥＧＲクーラー１１を通過し冷却され、ＥＧＲ通路４の出口側に設置したＥＧＲ弁１２でその量を調整されて、吸気絞り弁８の下流側の吸気マニホールドに再循環される。なお、この実施の形態では、大量のＥＧＲガスＧｅを還流できるように構成される。

この排気ガス浄化システム１の排気ガス浄化方法においては、通常運転時、即ち、触媒付フィルタ２０の強制再生制御を行っていない時は、第１排気絞り弁２２を開弁し、第２排気絞り弁２３を全閉又は一部を開けて閉弁し、排気ガスＧの半分以上、即ち、排気ガスＧの大部分又は全部（大半）を酸化触媒２１が設置されていない第１分岐排気通路３ａを通過させる。この排気ガスＧ中のＰＭを触媒付フィルタ２０で捕集して、排気ガスＧを浄化する。

この通常運転の場合には、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）成分は、酸化触媒２１に酸化されることなく、触媒付フィルタ２０に捕集され蓄積される。そのため、この捕集された堆積物はカーボン以外にも炭化水素成分を多く含むため、ＰＭ再生燃焼開始温度が比較的低温となる。従って、エンジン運転条件が低負荷で排気ガス温度が比較的低くても、このＰＭ再生燃焼開始温度以上に触媒付フィルタ２０がなるような排気ガスＧの温度では、排気ガスＧを強制的に昇温する強制再生制御を行わなくても、触媒付フィルタ２０捕集されたＰＭ再生燃焼が起こり、再生される。そのため、強制再生制御の回数が低減し、燃費の向上を図ることができる。また、排気ガスＧを強制的に高温にする回数も減少するので触媒の熱劣化を抑制でき、触媒の耐久性の向上を図ることができる。また、強制再生制御を行う場合でも、低い排気ガス温度からＰＭの再生燃焼ができるので、この面からも、燃費の向上と触媒の耐久性の向上を図ることができる。

そして、この通常運転時において、排気ガスＧのエンジンの出口温度、即ち、第１排気ガス温度センサー２５で検出される排気ガスＧの温度である第１排気ガス温度Ｔｇ１が、所定の第１判定用温度Ｔｃ１以上の場合には、酸化触媒２１を昇温又は温度維持するために第２排気絞り弁２３を一部を開けた状態で閉弁し、少量の排気ガスを酸化触媒２１に供給する。この所定の第１判定用温度Ｔｃ１は、この温度になると酸化触媒２１が活性化する温度であり、通常は酸化触媒２１の活性化温度（触媒にもよるが、１５０℃〜２５０℃、例えば、約２００℃程度）に設定される。

なお、酸化触媒２１を通過させる排気ガスＧの一部の量としては、酸化触媒２１における温度維持効果と、触媒付フィルタ２０におけるＰＭ再生燃焼開始温度の低温化とのバランスの面から、排気ガス全量の１／４〜１／２程度が好ましく、より、好ましくは１／３程度である。少な過ぎると酸化触媒２１の温度が低下し、多すぎるとＰＭ再生燃焼開始温度が高くなる。この範囲は予め実験等により求めておくことができる。

この構成によれば、通常運転時に、酸化触媒２１に少量の排気ガスを供給して、排気ガスの一部に含まれている炭化水素を酸化触媒２１で酸化させることにより、強制再生開始時において、酸化触媒２１の温度が低下していないようにすることができる。つまり、炭化水素の酸化反応熱で排気ガスの流通量が少ない酸化触媒２１の温度を維持する。これにより、強制再生開始時において、酸化触媒２１の活性化を待つことなく、迅速に排気ガス中の炭化水素を酸化触媒２１で酸化して、下流側の触媒付フィルタ２０へ流入する排気ガスの昇温を迅速に行うことができるようになる。

また、この酸化触媒２１が配置されている第２分岐排気通路３ｂに排気ガスＧの一部を流通させる時期としては、強制再生制御を行っていない期間の全体であってもよいが、強制再生制御を行う直前近傍の期間の方が効果的であるので、強制再生制御を行う直前の近傍の期間、例えば、前後差圧が、強制再生開始用判定値よりも小さい所定の判定用差圧値より大きくなった以降の期間のみとしたり、強制再生後、所定の時間を経過した以降の期間のみとしたりすることが好ましい。

この通常運転において、極低負荷のエンジン運転条件が継続すると、ＰＭの再生活性は極端に低下して、触媒付フィルタ２０にＰＭが許容値以上に堆積してしまうので、ＰＭが許容値以上に堆積した時に強制再生制御を行う。なお、この場合の極低負荷の条件では、エンジンから排出される炭化水素は低負荷ほどカーボン量に対して多く排出される傾向にあるので、触媒付フィルタ２０に蓄積された堆積物の組成は燃焼し易くとなり、ＰＭ再生燃焼開始温度が低くなる。

そして、差圧センサー２４で検出される触媒付フィルタ２０の前後差圧ΔＰが所定の開始判定用差圧値ΔＰａ以上になった等の強制再生開始の判定方法により、強制再生が必要であると判定された場合には、排気ガス温度を、強制的に、即ち、エンジンに要求されているトルク量とは関係なく、昇温する強制再生制御を行う。

この排気ガス浄化システム１では、この強制再生制御中は、第１排気絞り弁２２を全閉又は一部を開けて閉弁し、第２排気絞り弁２３を開弁する。また、これらの操作と同時にエンジンＥのシリンダ内燃料噴射制御等によりエンジンＥから排出される排気ガスＧの温度を昇温する。

シリンダ内燃料噴射制御におけるマルチ噴射制御等により、第１排気ガス温度センサー２５で検出される排気ガスＧの温度Ｔｇ１が，酸化触媒２１の活性温度（触媒にもよるが、例えば、２００℃）以上に昇温したら、シリンダ内燃焼には殆ど寄与しないポスト噴射に切り替えて、排気ガス中に未燃焼炭化水素等を供給し、この未燃焼炭化水素等を酸化触媒２１で酸化させて、この酸化反応熱により、酸化触媒２１を通過して、触媒付フィルタ２０に流入する排気ガスＧの温度を更に昇温する。

この高温の排気ガスＧが触媒付フィルタ２０に流入すると、触媒付フィルタ２０に蓄積している堆積物には炭化水素成分が多く含まれているので、低温域から再生燃焼を開始する。そのため、強制再生制御での排気ガスＧの昇温幅が小さくて済むことになり、燃費の向上を図ることができる。また、排気ガスＧを高温にしなくても低温域から再生燃焼するので、触媒の熱劣化を抑制でき、触媒の耐久性の向上を図ることができる。

この強制再生時において、触媒付フィルタ２０の上流側の第２排気ガス温度センサー２６で検出された排気ガスＧの温度である第２排気ガス温度Ｔｇ２が所定の第２判定用温度Ｔｃ２以上の場合に、第１分岐排気通路３ａに排気ガスＧの一部を流通させる。第１排気絞り弁２２を一部を開けた状態で閉弁し、少量の排気ガスを酸化触媒２１がある第２分岐排気通路３ｂを通過させることなく、触媒付フィルタ２０に供給する。この所定の第２判定用温度Ｔｃ２は、この温度になると触媒付フィルタ２０の触媒が活性化する温度であり、通常は、第１の判定用温度Ｔｃ１よりも高い温度（触媒にもよるが、２００℃〜３００℃、例えば、約２５０℃程度）に設定される。

この強制再生中に、酸化触媒２１を通過しない排気ガスの一部が触媒付フィルタ２０に供給されると、この一部の排気ガス中の炭化水素が、触媒付フィルタ２０の担持触媒で酸化され、この酸化反応熱により触媒付フィルタ２０が昇温するので、より迅速に触媒付フィルタ２０をＰＭ再生燃焼開始温度以上に昇温することができる。

なお、酸化触媒２１を通過させない排気ガスの一部の量としては、酸化触媒２１における昇温効果と、触媒付フィルタ２０における昇温効果のバランスの面から、排気ガス全量の１／４〜１／２程度が好ましく、より、好ましくは１／３程度である。少な過ぎると触媒付フィルタ２０における昇温効果が低下し、多すぎると酸化触媒２１における昇温効果が低下するので、両方のバランスから全体的に迅速に強制再生を完了することができる範囲とする。この範囲は予め実験等により求めておくことができる。

次に、この排気ガス浄化システム１における排気ガス浄化方法について説明する。この制御方法では、ディーゼルエンジンＥの通常の運転では、希薄燃焼状態のリーン運転が行われ、このリーン空燃比状態では排気ガス中のＰＭが触媒付フィルタ２０に捕集され排気ガスＧは浄化される。この触媒付フィルタ２０にＰＭが捕集され、ＰＭ捕集量が許容量近くになると、事前試験により定められた触媒付フィルタ２０のＰＭ捕集量の閾値に達したか否かを判定し、ＰＭ捕集量がこの閾値に達した場合には、触媒付フィルタ２０を強制的にＰＭ再生燃焼開始温度以上の高温にしてＰＭを燃焼除去して触媒付フィルタ２０を再生する強制再生制御を行い、触媒付フィルタ２０のＰＭ捕集性能を維持する。

この強制再生制御は、図２に例示するような制御フローに従って、次のように行われる。この図２の制御フローは、このエンジンＥの運転全般を制御する上級の制御フローから、触媒付フィルタ２０の強制再生制御の要否の判断の必要がある時に、呼ばれては実行されて戻り、繰り返し実行されるものとして示してある。この図２の制御フローは、エンジンＥの運転が開始されると、上級の制御フローと共にスタートし、エンジンＥの運転が終了すると、上級の制御フローと共に終了する。

この図２の制御フローが上級の制御フローから呼ばれてスタートすると、ステップＳ１１で、触媒付フィルタ２０に強制再生制御が必要であるか否か、即ち、強制再生開始か否かを判定する。この判定では、例えば、差圧センサー２４で検出された差圧ΔＰが所定の開始判定用差圧値ΔＰａよりも大きくなった場合に、強制再生制御が必要である、即ち、強制再生開始と判定し（ＹＥＳ）、検出された差圧ΔＰが所定の開始判定用差圧値ΔＰａ以下の場合には、強制再生制御が必要ではない、即ち、強制再生開始ではないと判定する（ＮＯ）。

ステップＳ１１の強制再生開始の判定で開始でないと判定された場合には、ステップＳ１２の通常運転を継続すると共に、ステップＳ１３に行き、第１排気ガス温度センサー２５で検出される第１排気ガス温度Ｔｇ１が、所定の第１判定用温度Ｔｃ１より低いか否かを判定する。

ステップＳ１３で、第１排気ガス温度Ｔｇ１が所定の第１判定用温度Ｔｃ１より低い場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１４に行き、第１排気絞り弁２２を全開すると共に、第２排気絞り弁２３を全閉し、リターンに行く。また、第１排気ガス温度Ｔｇ１が所定の第１判定用温度Ｔｃ１以上の場合には（ＮＯ）、ステップＳ１５に行き、第１排気絞り弁２２を全開すると共に、第２排気絞り弁２３を一部開いた状態で閉弁し、リターンする。

ステップＳ１１の強制再生開始の判定で開始であると判定された場合には、ステップＳ１６で強制再生制御を開始すると共に、ステップＳ１７に行き、第１排気絞り弁２２を全閉すると共に、第２排気絞り弁２３を全開する。

次のステップＳ１８で、第１排気ガス温度Ｔｇ１が、所定の第１判定用温度Ｔｃ１以上であるか否かを判定する。この判定で第１排気ガス温度Ｔｇ１が、所定の第１判定用温度Ｔｃ１より低い場合は（ＮＯ）、ステップＳ１９で、マルチ噴射等を行う第１排気ガス昇温制御を所定時間（ステップＳ１８の第１排気ガス温度Ｔｇ１のチェックのインターバルに関係する時間）の間行い、ステップＳ１８に戻る。このステップＳ１８で第１排気ガス温度Ｔｇ１が、所定の第１判定用温度Ｔｃ１以上になるまで、ステップＳ１９の第１排気ガス昇温制御を繰り返す。

ステップＳ１８で第１排気ガス温度Ｔｇ１が所定の第１判定用温度Ｔｃ１以上になると（ＹＥＳ）、ステップＳ２０に行き、第２排気ガス温度センサー２６で検出される第２排気ガス温度Ｔｇ２が、所定の第２判定用温度Ｔｃ２以上であるか否かを判定する。

ステップＳ２０で、第２排気ガス温度Ｔｇ２が所定の第２判定用温度Ｔｃ２より低い場合には（ＮＯ）、ステップＳ２１に行き、マルチ噴射やポスト噴射等を行う第２排気ガス昇温制御を所定時間（ステップＳ２０の第２排気ガス温度Ｔｇ２のチェックのインターバルに関係する時間）の間行い、ステップＳ２０に戻る。

ステップＳ２０で第２排気ガス温度Ｔｇ２が所定の第２判定用温度Ｔｃ２以上の場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２２に行き、第１排気絞り弁２２を一部開いた状態に少し開いて閉弁すると共に、第２排気絞り弁２３を全開にしたままとする。次のステップＳ２３では、排気ガス温度維持制御を所定の時間（各判定のインターバルに関係する時間）の間行う。この排気ガス温度維持制御では、必要に応じてマルチ噴射やポスト噴射などを行って、触媒付フィルタ２０へ流入する排気ガスの温度を触媒付フィルタ２０のＰＭ再生燃焼開始温度以上に維持する。通常は、ＰＭ再生燃焼開始温度は炭化水素成分の割合によって変化するため正確には算出できないが、予め実験などで求めておいた排気ガス温度値を設定し、この排気ガス温度値になるようにシリンダ内燃料噴射を制御する。

次のステップＳ２４では、強制再生制御が終了であるか否かを判定する。この判定では、例えば、差圧センサー２４で検出された差圧ΔＰが所定の終了判定用差圧値ΔＰｂよりも小さくなった場合に、強制再生が完了したとして強制再生制御終了であると判定し、検出された差圧ΔＰが所定の終了判定用差圧値ΔＰｂ以上の場合には、強制再生が完了していないとして、強制再生制御終了でないと判定する。

ステップＳ２４の判定で、強制再生制御終了と判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ２５で強制再生終了作業を行い、リターンして、上級の制御フローに戻る。また、強制再生制御終了でないと判定された場合は（ＮＯ）、ステップＳ１８に戻り、ステップＳ２３の判定で、強制再生制御終了と判定されるまで、ステップＳ１９の第１排気ガス昇温制御，ステップＳ２１の第２排気ガス昇温制御、ステップＳ２３の排気ガス温度維持制御の何れか又はこれらを組合せた制御を行う。

なお、制御の途中で、エンジンキーがオフされてエンジンが停止されたりして、制御フローが中断や停止される場合は、割り込みの発生などにより、ステップＳ２５に行き、強制再生終了作業を行い、リターンして、上級の制御フローに戻り、上級の制御フローの終了と共にこの制御フローも終了する。このステップＳ２５の強制再生終了作業では、第１排気絞り弁２２や第２排気絞り弁２３等を強制再生開始前の状態に戻したり、強制再生中であることを示すフラグなどをリセットしたりする。なお、割り込み発生時に強制再生制御を行っていない時はステップＳ２５の強制再生終了作業は無いのでそのままリターンする。

この図２の制御フローに従った制御により、触媒付フィルタ２０の強制再生制御を行っていないときは、ステップＳ１４又はステップＳ１５で排気ガスＧの大部分又は全部を第１分岐排気通路３ａに流通させ、触媒付フィルタ２０の強制再生制御を行っているときは、ステップＳ１７又はステップＳ２２で排気ガスＧの半分以上を酸化触媒２１が配置されている第２分岐排気通路３ｂに流通させることができる。

また、触媒付フィルタ２０の強制再生制御を行っていないときにおいて、酸化触媒２１の上流側の排気ガスＧの第１排気ガス温度Ｔｇ１が所定の第１判定用温度Ｔｃ１より低い場合は、ステップＳ１４で酸化触媒２１が配置されている第２分岐排気通路３ｂに排気ガスを流通させず、所定の第１判定用温度Ｔｃ１以上の場合に、ステップＳ１５で第２分岐排気通路３ｂに排気ガスの一部を流通させることができる。

更に、触媒付フィルタ２０の強制再生制御を行っているときにおいて、触媒付フィルタ２０の上流側の排気ガスＧの第２排気ガス温度Ｔｇ２が所定の第２判定用温度Ｔｃ２より低い場合には、ステップＳ１７で第１分岐排気通路３ａに排気ガスＧを流通させず、所定の第２判定用温度Ｔｃ２以上の場合には、ステップＳ２２で第１分岐排気通路３ａに排気ガスＧの一部を流通させることができる。

従って、上記の排気ガス浄化システム１０及び排気ガス浄化方法によれば、排気ガス中の炭化水素を効率よく利用することにより、触媒付フィルタ２０におけるＰＭ再生燃焼開始温度の上昇を回避して、触媒付フィルタ２０の触媒の熱劣化を防止して触媒の耐久性を向上することができると共に、強制再生時における排気ガスの昇温を効率よく行うことができて、強制再生の燃費の悪化を抑制することができる。

本発明に係る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。 発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法を実施するための制御フローの一例を示す図である。

符号の説明

Ｅ エンジン（内燃機関）
１ 排気ガス浄化システム
３ 排気通路
３ａ 第１分岐排気通路
３ｂ 第２分岐排気通路
２０ 触媒付フィルタ
２１ 酸化触媒
２２ 第１排気絞り弁
２３ 第２排気絞り弁
２４ 差圧センサー
２５ 第１排気ガス温度センサー
２６ 第２排気ガス温度センサー
３０ 制御装置（ＥＣＵ）
Ａ 吸入空気
Ｇ 排気ガス
Ｇｃ 浄化された排気ガス
Ｔｃ１ 所定の第１判定用温度
Ｔｃ２ 所定の第２判定用温度
Ｔｇ１ 第１排気ガス温度
Ｔｇ２ 第２排気ガス温度

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に、ディーゼルパティキュレートフィルタを備えると共に、該ディーゼルパティキュレートフィルタを再生するための強制再生制御を実施する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
   前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側の排気通路を第１分岐排気通路と第２分岐排気通路とに分岐し、前記第２分岐排気通路に酸化触媒を配置すると共に、排気ガスの通路を前記第１分岐排気通路と前記第２分岐排気通路とに切り替える通路切替手段を備えて、
   前記制御装置が、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っていないときは、排気ガスの大部分又は全部を前記第１分岐排気通路に流通させ、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っているときは、排気ガスの半分以上を前記酸化触媒が配置されている前記第２分岐排気通路に流通させるように前記通路切替手段を制御することを特徴とする排気ガス浄化システム。
2. 前記制御装置が、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っていないときにおいて、前記酸化触媒の上流側の排気ガスの温度が所定の第１判定用温度より低い場合には、前記酸化触媒が配置されている前記第２分岐排気通路に排気ガスを流通させないようにし、所定の第１判定用温度以上の場合には、前記第２分岐排気通路に排気ガスの一部を流通させるように、前記通路切替手段を制御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. 前記制御装置が、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っているときにおいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側の排気ガスの温度が所定の第２判定用温度より低い場合には、前記第１分岐排気通路に排気ガスを流通させないようにし、所定の第２判定用温度以上の場合には、前記第１分岐排気通路に排気ガスの一部を流通させるように、前記通路切替手段を制御す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システム。
4. 内燃機関の排気通路に、ディーゼルパティキュレートフィルタを備え、該ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側の排気通路を第１分岐排気通路と第２分岐排気通路とに分岐し、前記第２分岐排気通路に酸化触媒を配置すると共に、排気ガスの通路を前記第１分岐排気通路と前記第２分岐排気通路とに切り替える通路切替手段を備えた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、
   前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っていないときは、排気ガスの大部分又は全部を前記第１分岐排気通路に流通させ、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っているときは、排気ガスの半分以上を前記酸化触媒が配置されている前記第２分岐排気通路に流通させることを特徴とする排気ガス浄化方法。
5. 前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っていないときにおいて、前記酸化触媒の上流側の排気ガスの温度が所定の第１判定用温度より低い場合には、前記酸化触媒が配置されている前記第２分岐排気通路に排気ガスを流通させず、所定の第１判定用温度以上の場合には、前記第２分岐排気通路に排気ガスの一部を流通させることを特徴とする請求項４記載の排気ガス浄化方法。
6. 前記ディーゼルパティキュレートフィルタの強制再生制御を行っているときにおいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側の排気ガスの温度が所定の第２判定用温度より低い場合には、前記第１分岐排気通路に排気ガスを流通させず、所定の第２判定用温度以上の場合には、前記第１分岐排気通路に排気ガスの一部を流通させることを特徴とする請求項４又は５記載の排気ガス浄化方法。

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