JP2009052408A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲でＤＰＦ再生が可能な内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】エンジン１の排気浄化装置は、タービン１０よりも上流側の上流触媒コンバータ１１と、上流触媒コンバータ１１を迂回する触媒バイパス通路１８と、上流触媒コンバータ１１へ流入する通路と触媒バイパス通路１８とを切り換える触媒バイパス弁１９と、タービン１０の下流側に設けられた下流触媒コンバータ１２とを備える。ＥＣＵ４０の再生手段は、燃料のポスト噴射を行うことでパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する。ＥＣＵ４０の排気通路切換手段は、再生処理を実行する間、下流触媒コンバータ１２の温度が活性化温度よりも低い場合には触媒バイパス弁１９を駆動し上流触媒コンバータ１１へ排気を流通させ、下流触媒コンバータ１２の温度が活性化温度以上である場合には触媒バイパス通路１８へ排気を流通させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、内燃機関の排気中のパティキュレート（粒子状物質）を捕集するフィルタを有するものに関する。

排気系に過給機のタービンを備える内燃機関において、このタービンの下流側に排気中のパティキュレートを捕集するＤＰＦを設け、パティキュレートの排出量を低減する技術は広く用いられている。このＤＰＦが捕集できるパティキュレート量には限界があるため、ＤＰＦに堆積したパティキュレートを燃焼させるＤＰＦ再生処理が適宜実行される。この再生処理は、例えば、排気工程中での燃料噴射（以下、「ポスト噴射」という）を実行して、タービンとＤＰＦの間に設けられた触媒に未燃燃料を供給し、この触媒で燃料を燃焼させて排気温を上昇させることにより行われる。

ここで、例えばイグニッションをオンにした直後の低水温時や、低外気温時や、低負荷状態時などにおいて、触媒の温度がその活性化温度に満たない場合には、ポスト噴射を実行しても燃料を燃焼させることができず、このためＤＰＦ再生処理が可能な範囲が限られている。

ここで触媒の活性化温度に関して、例えば特許文献１には、触媒をタービン上流側に配置し高温の排気を触媒に供給することにより、内燃機関の始動直後、触媒を活性化温度まで速やかに昇温させる排気装置が示されている。
また、特許文献２には、このようなタービンの上流側に配置された触媒を迂回するバイパス通路が設けられた排気装置が示されている。この排気装置には、さらに、バイパス通路を開閉することでバイパス通路を流通する排気量を調整するバイパス量制御弁が設けられており、これにより、例えば、タービンより下流の排気の温度を調整することが可能となる。
特開平７−１８０５４３号公報 特開２００５−１７１９３２号公報

以上のような特許文献１及び２に示された排気装置を応用し、タービンより下流の排気の温度を調整することで、ＤＰＦ再生処理が可能な範囲を広げることが考えられが、しかしながら、これら特許文献１及び２には、ＤＰＦ再生処理に関する具体的な手法が示されていない。具体的には、例えば、ＤＰＦ再生処理を実行する際にポスト噴射を行うと、タービンや、このタービン上流側の触媒などが熱劣化し、装置が損傷してしまうおそれもあるが、上述の特許文献１及び２では、このような点が検討されていない。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、広範囲でＤＰＦ再生が可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ（１３）を前記機関の排気通路に備える内燃機関の排気浄化装置において、前記機関の排気通路（４，５）のうち前記パティキュレートフィルタの上流側に設けられたタービン（１０）の回転によりコンプレッサ（９）を作動し、前記機関の吸気を加圧する過給機（８）と、前記排気通路（４，５）のうち前記タービン（１０）よりも上流側に設けられた第１排気浄化触媒（１１）と、前記排気通路（４，５）のうち前記第１排気浄化触媒（１１）の上流側と下流側とを接続し、当該第１排気浄化触媒（１１）を迂回する触媒バイパス通路（１８）と、前記第１排気浄化触媒（１１）へ流入する通路と前記触媒バイパス通路（１８）とを切り換える触媒通路切換弁（１９）と、前記排気通路（４，５）のうち前記タービン（１０）よりも下流側かつ前記パティキュレートフィルタよりも上流側に設けられた第２排気浄化触媒（１２）と、前記パティキュレートフィルタ（１３）に捕集されたパティキュレートを、燃料のポスト噴射を行うことで燃焼させる再生処理を実行する再生手段と、前記再生処理を実行する間、前記第２排気浄化触媒（１２）の温度が活性化温度（Ｔ２）よりも低い場合には前記触媒通路切換弁（１９）を駆動し前記第１排気浄化触媒（１１）へ排気を流通させ、前記第２排気浄化触媒（１２）の温度が活性化温度（Ｔ２）以上である場合には前記触媒通路切換弁（１９）を駆動し前記触媒バイパス通路（１８）へ排気を流通させる排気通路制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記排気通路（４，５）のうち前記タービン（１０）の上流側と下流側とを接続し、当該タービン（１０）を迂回するタービンバイパス通路（１６）と、前記タービン（１０）へ流入する通路と前記タービンバイパス通路（１６）とを切り換えるタービン通路切換弁（１７）と、前記再生処理を実行する間、前記第１排気浄化触媒（１１）へ排気を流通させる場合には、前記機関の回転数（ＮＥ）及び負荷（ＴＲＱ）に基づいて、前記タービン（１０）へ排気を流通させるか、又は、前記タービンバイパス通路（１６）へ排気を流通させるかを判断する判断手段と、をさらに備え、前記排気通路制御手段は、前記判断手段による判断に基づいて前記タービン通路切換弁（１７）を駆動することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記パティキュレートフィルタ（１３）に捕集されたパティキュレートの異常燃焼の発生を推定する異常燃焼推定手段をさらに備え、前記排気通路制御手段は、前記異常燃焼推定手段によりパティキュレートの異常燃焼が発生すると推定された場合には、前記触媒通路切換弁（１９）及び前記タービン通路切換弁（１７）を駆動し、前記触媒バイパス通路（１８）及び／又は前記タービンバイパス通路（１６）へ排気を流通させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記排気通路（４，５）のうち前記第１排気浄化触媒（１１）の下流側と前記機関の吸気通路（２，３）とを接続し、前記第１排気浄化触媒（１１）の下流側の排気の一部を前記吸気通路（２，３）に還流する排気還流通路（６）と、当該排気還流通路（６）に設けられ、排気還流量を制御する排気還流制御弁（２０）と、前記排気通路（４，５）のうち前記第１排気浄化触媒（１１）の上流側と前記排気還流通路（６）のうち前記排気還流制御弁（２０）の上流側とを接続し、前記第１排気浄化触媒（１１）の上流側の排気の一部を前記吸気通路（２，３）に還流する分岐通路（２４）と、前記排気還流通路（６）に設けられ、前記第１排気浄化触媒（１１）の下流側の排気を還流する通路と前記分岐通路（２４）とを切り換える還流通路切換弁（２５）と、前記再生処理を実行する間、前記第１排気浄化触媒（１１）へ排気を流通させつつ前記排気還流通路（６）を介して排気を還流させる場合には、前記還流通路切換弁（２５）を駆動し前記第１排気浄化触媒（１１）の上流側の排気の一部を前記吸気通路（２，３）に還流する還流通路制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記第１排気浄化触媒（１１）は、ゼオライト及び／又はロジウムを含む酸化触媒であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、前記第２排気浄化触媒（１２）は、セリアを含む三元触媒であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、前記排気通路（４，５）のうち前記パティキュレートフィルタ（１３）及び前記第２排気浄化触媒（１２）の下流側に設けられ、排気の空燃比がリーンであるときに排気中のＮＯｘを捕捉し、排気の空燃比がリッチであるときに前記捕捉したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化手段（１５）をさらに備えることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、前記ＮＯｘ浄化手段（１５）は、排気の空燃比がリッチであるときにアンモニアを生成するとともに当該生成されたアンモニアを保持し、排気の空燃比がリーンであるときに前記保持したアンモニアによりＮＯｘを還元する触媒であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、再生手段により再生処理を実行する間、タービンの下流側に設けられた第２排気浄化触媒の温度が活性化温度よりも低い場合には、タービンの上流側に設けられた第１排気浄化触媒へ排気が流通される。つまり、ポスト噴射により供給された燃料は、第１排気浄化触媒において燃焼され、排気温度を上昇させる。これにより、例えば、内燃機関の始動直後の低水温時や、低外気温時や、低負荷状態時などにおいて、第２排気浄化触媒の温度が活性化温度よりも低い場合であっても、排気温度を速やかにパティキュレート燃焼可能温度まで昇温させることができる。したがって、再生手段による再生処理が可能な温度領域を拡大できる。

一方、再生手段により再生処理を実行する間、第２排気浄化触媒の温度が活性化温度以上である場合には、触媒バイパス通路へ排気が流通され、第１排気浄化触媒は迂回される。つまり、ポスト噴射により供給された燃料は、上記第１排気浄化触媒よりもパティキュレートフィルタに近い第２排気浄化触媒において燃焼され、排気温度を上昇させる。すなわち、よりフィルタに近い第２排気浄化触媒で燃料を燃焼させることにより、排気の温度降下を減らし、効率よくフィルタを昇温させることができる。また、第１排気浄化触媒を迂回させることで、この第１排気浄化触媒の熱劣化を防止できる。

請求項２に記載の発明によれば、再生手段により再生処理を実行する間、第１排気浄化触媒へ排気を流通させる場合には、内燃機関の回転数及び負荷に基づいて、タービンへ排気を流通させるか、又は、タービンバイパス通路へ排気を流通させるかが判断され、この判断に基づいて、タービン通路切換弁が駆動される。例えば、タービンバイパス通路へ排気を流通させることにより、第１排気浄化触媒で昇温した排気を、タービンにおいて放熱させることなくパティキュレートフィルタに供給することができる。ここで、タービンを迂回させると、内燃機関が設けられた車両の出力が低下したり燃費が悪化したりするおそれがあるが、内燃機関の回転数及び負荷に基づいて、タービンを迂回させるか否かを判断することにより、このような出力の低下や燃費の悪化を防止することができる。

例えば、再生処理を実行している間、内燃機関が設けられた車両が通常走行から停止しアイドル運転になると、排気流量が減少するとともに、排気中の酸素濃度が上昇するため、パティキュレートが異常燃焼し、フィルタが破損したり溶損したりする場合がある。
請求項３に記載の発明によれば、再生手段により再生処理を実行する間、異常燃焼推定手段によりパティキュレートの異常燃焼の発生が推定された場合には、排気は、触媒バイパス通路及びタービンバイパス通路を流通するか、又は、触媒バイパス通路及びタービンバイパス通路の何れかを流通する。つまり、異常燃焼の発生が推定された場合には、ヒートマスとしてのタービンや第１排気浄化触媒などを迂回させることにより、フィルタの温度上昇を和らげ、異常燃焼の発生を防止することができる。また、これにより、フィルタの破損や溶損を防止できる。

例えば、再生処理を実行している間、排気の一部を、排気還流通路を介して吸気通路に還流する場合、第１排気浄化触媒の下流側から排気を還流すると、排気温度の上昇により、排気還流通路に設けられた装置が破損したり、フィードＮＯｘが増加したりする場合がある。またこの場合、排気を還流させる分、ポスト噴射による燃料が不必要に消費されているとも言える。
請求項４に記載の発明によれば、再生手段により再生処理を実行する間、第１排気浄化触媒へ排気を流通させつつ、排気の一部を、排気還流通路を介して吸気通路に還流する場合には、第１排気浄化触媒の上流側の排気の一部が、吸気通路に還流される。これにより、排気還流通路に設けられた装置の破損、フィードＮＯｘの増加、及びポスト噴射による燃料の必要以上の消費を防止できる。

請求項５に記載の発明によれば、タービンの上流側に設けられた第１排気浄化触媒として酸化触媒を設けることにより、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を早期に浄化できる。また、この浄化により発生した熱により、排気の温度をより早く昇温させることができる。
また、この酸化触媒にＨＣの捕捉機能に優れたゼオライトを含めることにより、ＨＣを十分に浄化できない始動直後の低温状態においてＨＣを捕捉させ、その後、所定の放出温度まで昇温させることにより捕捉したＨＣを放出させることができる。ここで、ＨＣの放出に伴い、例えば、排気を吸気通路に還流させることにより、ＨＣを再燃焼させることができる。これにより、ＨＣの排出量をさらに低減させることが可能となる。
また、ＯＳＣ機能を有さないため、リッチスパイク時に酸素が放出されることがない。このため、下流側にＮＯｘ浄化装置を設けた場合、このＮＯｘ浄化装置に対する還元剤（ＨＣなど）の供給レスポンスの悪化を防止できる。また、この酸化触媒にロジウムを含めることにより、ＨＣの水蒸気改質機能に優れたものにできる。

請求項６に記載の発明によれば、タービンの下流側に設けられた第２排気浄化触媒としてセリアを含む三元触媒を設けることにより、リーン時にＮＯｘが捕捉され、リッチ時にＮＯｘが放出されてＮ_２に還元浄化されるため、ＮＯｘの排出量を低減できる。

請求項７に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタ及び第２排気浄化触媒の下流側にＮＯｘ浄化手段を設けることにより、リッチ時に起こるＨＣ水蒸気改質反応により発生する反応性（還元性）の高いＨ_２を、ＮＯｘの浄化に利用できる。このため、ＮＯｘの排出量をさらに低減できる。

請求項８に記載の発明によれば、アンモニアを利用したＮＯｘ浄化手段を設けることにより、始動直後の低温状態におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。また、ＳＯｘパージを低温かつ短時間で行うことも可能となるため、このＮＯｘ浄化手段の上流側に設けられた触媒の劣化も軽減できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る排気浄化装置を備える内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、各気筒７内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒７には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間は、ＥＣＵ４０により制御される。

エンジン１には、吸気が流通する吸気管２と、排気が流通する排気管４と、排気管４の排気の一部を吸気管２に還流する排気還流通路６と、吸気管２に吸気を圧送する過給機８とが設けられている。

吸気管２は、吸気マニホールド３の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールド５の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の排気ポートに接続されている。排気還流通路６は、排気管４から分岐し吸気管２に至る。

過給機８は、排気管４に設けられたタービン１０と、吸気管２に設けられたコンプレッサ９と、を備える。タービン１０は、排気管４を流通する排気の運動エネルギにより駆動される。コンプレッサ９は、タービン１０により回転駆動され、吸気を加圧し吸気管２内へ圧送する。また、タービン１０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン１０のベーン開度は、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

吸気管２内のコンプレッサ９下流には、加圧された空気を冷却するためのインタークーラや、吸入空気量を制御するスロットル弁が設けられている。スロットル弁は、アクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

排気管４には、タービン１０の上流側と下流側とを接続し、このタービン１０を迂回するタービンバイパス通路１６が設けられている。また、このタービンバイパス通路１６には、タービン１０へ流入する通路と、タービンバイパス通路１６とを選択的に切り換えるタービン通路切換弁としてのウェストゲートバルブ１７が設けられている。このウェストゲートバルブ１７は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

排気管４のうちタービン１０よりも上流側には、排気を浄化する第１排気浄化触媒としての上流触媒コンバータ１１が設けられている。
また、排気管４には、上流触媒コンバータ１１の上流側と下流側とを接続し、この上流触媒コンバータ１１を迂回する触媒バイパス通路１８と、上流触媒コンバータ１１へ流入する通路と触媒バイパス通路１８とを選択的に切り換える触媒通路切換弁としての触媒バイパス弁１９とが設けられている。この触媒バイパス弁１９は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

上流触媒コンバータ１１は、酸化触媒を内蔵し、この触媒と排気との反応により排気を浄化するとともに、排気を昇温する。より具体的には、上流触媒コンバータ１１は、触媒として作用する白金（Ｐｔ）を、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）担体に担持させたものに、ＨＣの吸着作用に優れたゼオライトと、ＨＣの水蒸気改質作用に優れたロジウム（Ｒｈ）を加えた酸化触媒を内蔵する。この上流触媒コンバータ１１は、排気と触媒の反応により発生する熱で排気を昇温させる。

排気管４のうちタービン１０よりも下流側には、排気を浄化する第２排気浄化触媒としての下流触媒コンバータ１２と、パティキュレートフィルタとしてのＤＰＦ１３とが上流側からこの順序で設けられている。

下流触媒コンバータ１２は、三元触媒を内蔵し、この触媒と排気との反応により排気を浄化するとともに、排気を昇温する。より具体的には、下流触媒コンバータ１２は、触媒として作用する白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、及びロジウム（Ｒｈ）を、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）担体に担持させたものに、セリアを加えた三元触媒を内蔵する。

ＤＰＦ１３は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするパティキュレートとしてのスート（ｓｏｏｔ）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミックスや金属多孔体が使用される。

ＤＰＦ１３のスート捕集能力の限界、すなわち堆積限界までスートを捕集すると、排気圧力の上昇を引き起こすので、適時スートを燃焼させる再生処理を行う必要がある。この再生処理では、排気の温度をスートの燃焼温度まで上昇させるために、ポスト噴射が実行される。ポスト噴射は、上述の燃料噴射弁により、排気工程において行われる燃料噴射である。ポスト噴射により噴射された燃料は、上流触媒コンバータ１１、又は下流触媒コンバータ１２で燃焼し、ＤＰＦ１３に流入する排気の温度を上昇させる。

排気還流通路６は、排気管４のうち上流触媒コンバータ１１下流側と、吸気管２とを接続し、上流触媒コンバータ１１の下流側の排気の一部を吸気管２に還流する。排気還流通路６には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ２１と、ＥＧＲクーラ２１をバイパスするクーラバイパス通路２３と、ＥＧＲクーラ２１へ流入する通路とクーラバイパス通路２３とを切り換えるクーラバイパス弁２２と、排気還流量を制御する排気還流制御弁としてのＥＧＲ弁２０と、が設けられている。ＥＧＲ弁２０は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

また、排気還流通路６には、上流触媒コンバータ１１の上流側からの排気を還流する分岐通路２４が接続されている。この分岐通路２４は、排気マニホールド５から延び、排気還流通路６のうちクーラバイパス通路２３との分岐部より上流側に至る。また、排気還流通路６には、上流触媒コンバータ１１の下流側の排気を還流する通路と、分岐通路２４とを切り換える還流通路切換弁としてのＥＧＲ通路切換弁２５が設けられている。これにより、排気還流通路６の排気の導入部を上流触媒コンバータ１１の上流側と下流側とで切り換えることができる。またＥＧＲ通路切換弁２５は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。

また、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ、エンジン１の吸入空気量流量を検出する吸入空気流量センサ、ＤＰＦ１３の下流側の排気温度ＴＥを検出する排気温度センサ、エンジン１の冷却水温を検出する冷却水温センサ、上流触媒コンバータ１１の温度ＴＰＴＣを検出する上流触媒温度センサ、下流触媒コンバータ１２の温度ＴＡＴＣを検出する下流触媒温度センサ、及びエンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量ＡＰを検出するアクセルセンサ（いずれも図示せず）などが設けられており、これらのセンサの検出信号が、ＥＣＵ４０に供給される。

ここで、エンジン１の回転数ＮＥは、クランク角度位置センサの出力に基づいて、ＥＣＵ４０により算出される。また、エンジン１の負荷ＴＲＱは、アクセルペダルの踏み込み量ＡＰに応じて決定される燃料噴射弁の燃料噴射量に基づいて、ＥＣＵ４０により算出される。

ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、過給機８、ＥＧＲ弁２０、クーラバイパス弁２２、ＥＧＲ通路切換弁２５、ウェストゲートバルブ１７、及び触媒バイパス弁１９などに制御信号を出力する出力回路とを備える。

図２及び図３は、ＤＰＦ再生処理の手順を示すフローチャートである。このＤＰＦ再生処理は、ＥＣＵ４０のＣＰＵで所定時間Ｔ１毎に実行される。なお、このＤＰＦ再生処理を開始する際、排気還流通路６の排気の導入部は、上流触媒コンバータ１１の下流側となっている。

ステップＳ１では、パティキュレート堆積量ＧＤＰＦがＤＰＦ再生処理を開始するための閾値Ｍ１以上であるか否かを判別する。ここで、堆積量ＧＤＰＦは、エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量などに基づいて算出される。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２に移り、ＮＯの場合にはステップＳ１に移る。

ステップＳ２では、上流触媒コンバータ１１の温度ＴＰＴＣが所定の閾値Ｔ１以上であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ３に移り、ＮＯの場合にはステップＳ１に移る。

ステップＳ３では、ＤＰＦ再生を実行しステップＳ４に移る。具体的には、燃料のポスト噴射を行うことで、ＤＰＦ１３に堆積したパティキュレートを燃焼させる。ステップＳ４では、下流触媒コンバータ１２の温度ＴＡＴＣが所定の閾値Ｔ２より小さいか否かを判別する。ここで、閾値Ｔ２は、下流触媒コンバータ１２の活性化温度に設定される。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５に移り、触媒バイパス弁１９を駆動し排気を上流触媒コンバータ１１に流通させ、ステップＳ７に移る。また、この判別がＮＯの場合にはステップＳ６に移り、触媒バイパス弁１９を駆動し排気を触媒バイパス通路１８に流通させ、ステップＳ１５に移る。

ステップＳ７では、ＥＧＲ通路切換弁２５を駆動し、排気の導入部を上流触媒コンバータ１１の上流側に切り換え、ステップＳ８に移る。これにより、ＤＰＦ再生処理を実行する間、上流触媒コンバータ１１へ排気を流通させつつ、排気を吸気に還流させる場合には、上流触媒コンバータ１１の上流側の排気の一部が還流されることとなる。

ステップＳ８では、マップ検索に基づいて、タービンバイパス通路１６へ排気を流通させるか、又は、タービン１０へ排気を流通させるかを判定し、ステップＳ９に移る。この制御マップは、エンジン回転数ＮＥと負荷ＴＲＱを入力値として車両の運転状態に応じて適切に設定されている。より具体的には、この制御マップは、基本的にはタービン１０をバイパスさせるように設定されているものの、エンジン回転数ＮＥ及び負荷ＴＲＱの入力に基づき、タービン１０をバイパスした場合にエンジン１の出力低下や燃費の悪化が予測される場合にはタービン１０へ排気を流通させるように設定されている。これにより、エンジン１の出力を低下させたり、燃費を悪化させたりすることなく、ＤＰＦ１３を昇温させることができる。

ステップＳ９では、タービンをバイパスするか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１０に移り、ウェストゲートバルブ１７を駆動し、排気をタービンバイパス通路１６へ流通させ、ＮＯの場合にはステップＳ１１に移り、排気をタービン１０へ流通させる。

ステップＳ１２では、アクセルペダルの踏み込み量ＡＰが略ゼロであるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１３に移り、ＮＯの場合にはステップＳ１５に移る。ステップＳ１３では、パティキュレート堆積量ＧＤＰＦが所定の閾値Ｍ２以上であるか否かを判別する。この閾値Ｍ２は、パティキュレートの異常燃焼の発生を推定するための閾値である。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１４に移り、ＮＯの場合にはステップＳ１５に移る。

ステップＳ１４では、ＤＰＦ再生の実行を中止し、触媒バイパス弁１９及びウェストゲートバルブ１７を駆動し、排気を触媒バイパス通路１８及びタービンバイパス通路１６へ流通させ、ステップＳ１２に移る。なお、このステップＳ１４は、上記ステップＳ１３，１４において、アクセルペダルの踏み込み量ＡＰが略ゼロあり、かつ、パティキュレートの堆積量ＧＤＰＦがＭ２以上であると判別され、これにより、パティキュレートの異常燃焼が発生すると推定された場合に実行される。

ステップＳ１５では、パティキュレート堆積量ＧＤＰＦが略ゼロであるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１に移り、ＮＯの場合にはステップＳ３に移る。

以上詳述したように、本実施形態では、ＤＰＦ再生処理を実行する間、タービン１０の下流側に設けられた下流触媒コンバータ１２の温度がその活性化温度よりも低い場合には、タービン１０の上流側に設けられた上流触媒コンバータ１１へ排気が流通される。つまり、ポスト噴射により供給された燃料は、上流触媒コンバータ１１において燃焼され、排気温度を上昇させる。これにより、例えば、エンジン１の始動直後の低水温時や、低外気温時や、低負荷状態時などにおいて、下流触媒コンバータ１２の温度が活性化温度よりも低い場合であっても、排気温度を速やかにパティキュレート燃焼可能温度まで昇温させることができる。したがって、ＤＰＦ再生処理が可能な温度領域を拡大できる。

一方、ＤＰＦ再生処理を実行する間、下流触媒コンバータ１２の温度が活性化温度以上である場合には、触媒バイパス通路１８へ排気が流通され、上流触媒コンバータ１１は迂回される。つまり、ポスト噴射により供給された燃料は、上流触媒コンバータ１１よりもＤＰＦ１３に近い下流触媒コンバータ１２において燃焼され、排気温度を上昇させる。すなわち、よりＤＰＦ１３に近い下流触媒コンバータ１２で燃料を燃焼させることにより、排気の温度降下を減らし、効率よくＤＰＦ１３を昇温させることができる。また、上流触媒コンバータ１１を迂回させることで、上流触媒コンバータ１１の熱劣化を防止できる。

また、ＤＰＦ再生処理を実行する間、上流触媒コンバータ１１へ排気を流通させる場合には、エンジン１の回転数ＮＥ及び負荷ＴＲＱに基づいて、タービン１０へ排気を流通させるか、又は、タービンバイパス通路１６へ排気を流通させるかが判断され、この判断に基づいて、ウェストゲートバルブ１７が駆動される。例えば、タービンバイパス通路１６へ排気を流通させることにより、上流触媒コンバータ１１で昇温した排気を、タービン１０において放熱させることなくＤＰＦ１３に供給することができる。ここで、タービン１０を迂回させると、エンジン１が設けられた車両の出力が低下したり燃費が悪化したりするおそれがあるが、エンジン１の回転数ＮＥ及び負荷ＴＲＱに基づいて、タービン１０を迂回させるか否かを判断することにより、このような出力の低下や燃費の悪化を防止することができる。

また、例えば、ＤＰＦ再生処理を実行している間、車両が通常走行から停止しアイドル運転になると、排気流量が減少するとともに、排気中の酸素濃度が上昇するため、パティキュレートが異常燃焼し、ＤＰＦ１３が破損したり溶損したりする場合がある。
本実施形態では、ＤＰＦ再生処理を実行する間、ＥＣＵ４０によりパティキュレートの異常燃焼の発生が推定された場合には、排気は、触媒バイパス通路１８及びタービンバイパス通路１６を流通するか、又は、触媒バイパス通路１８及びタービンバイパス通路１６の何れかを流通する。つまり、異常燃焼の発生が推定された場合には、ヒートマスとしてのタービン１０や上流触媒コンバータ１１などを迂回させることにより、ＤＰＦ１３の温度上昇を和らげ、異常燃焼の発生を防止することができる。また、これにより、ＤＰＦ１３の破損や溶損を防止できる。

また、例えば、ＤＰＦ再生処理を実行している間、排気の一部を、排気還流通路６を介して吸気管２に還流する場合、上流触媒コンバータ１１の下流側から排気を還流すると、排気温度の上昇により、排気還流通路６に設けられた装置が破損したり、フィードＮＯｘが増加したりする場合がある。またこの場合、排気を還流させる分、ポスト噴射による燃料が不必要に消費されているとも言える。
本実施形態では、ＤＰＦ再生処理を実行する間、上流触媒コンバータ１１へ排気を流通させつつ、排気の一部を、排気還流通路６を介して吸気通路に還流する場合には、上流触媒コンバータ１１の上流側の排気の一部が、吸気管２に還流される。これにより、排気還流通路６に設けられた装置の破損、フィードＮＯｘの増加、及びポスト噴射による燃料の必要以上の消費を防止できる。

また、タービン１０の上流側に設けられた上流触媒コンバータ１１として酸化触媒を設けることにより、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を早期に浄化できる。また、この浄化により発生した熱により、排気の温度をより早く昇温させることができる。
また、この酸化触媒にＨＣの捕捉機能に優れたゼオライトを含めることにより、ＨＣを十分に浄化できない始動直後の低温状態においてＨＣを捕捉させ、その後、所定の放出温度まで昇温させることにより捕捉したＨＣを放出させることができる。ここで、ＨＣの放出に伴い、例えば、排気を吸気管２に還流させることにより、ＨＣを再燃焼させることができる。これにより、ＨＣの排出量をさらに低減させることが可能となる。
また、ＯＳＣ機能を有さないため、リッチスパイク時に酸素が放出されることがない。このため、下流側にＮＯｘ浄化装置を設けた場合、このＮＯｘ浄化装置に対する還元剤（ＨＣなど）の供給レスポンスの悪化を防止できる。また、この酸化触媒にロジウムを含めることにより、ＨＣの水蒸気改質機能に優れたものにできる。

また、タービン１０の下流側に設けられた下流触媒コンバータ１２としてセリアを含む三元触媒を設けることにより、リーン時にＮＯｘが捕捉され、リッチ時にＮＯｘが放出されてＮ_２に還元浄化されるため、ＮＯｘの排出量を低減できる。

本実施形態では、ＥＣＵ４０が再生手段、排気通路制御手段、還流通路制御手段、判断手段、及び異常燃焼推定手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ３が再生手段に相当し、図２のステップＳ４〜Ｓ６，並びに、図３のＳ１０，１１、及びＳ１４が排気通路制御手段に相当する。また、図２のステップＳ７が還流通路制御手段に相当し、図２のステップＳ８及び図３のステップＳ９が判断手段に相当し、図３のステップＳ１２，Ｓ１３が異常燃焼推定手段に相当する。

［第２の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態に係る排気浄化装置の排気管４のうち下流触媒コンバータ１２及びＤＰＦ１３の下流側に、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段としてのＮＯｘ浄化装置１５を設けたものである。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る排気浄化装置を備える内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。

ＮＯｘ浄化装置１５は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）担体に担持された、触媒として作用する白金（Ｐｔ）と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリアと、排気中のアンモニア（ＮＨ_３）を、アンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）として保持する機能を有するゼオライトとを備える。

ＮＯｘ浄化装置１５の吸着アンモニア量が少なくなると、ＮＯｘの浄化能力が低下するので、適宜ＮＯｘを還元するために、ＮＯｘ浄化装置１５への還元剤の供給（以下「還元化」という）が行われる。この還元化では、燃料噴射弁から噴射される燃料量の増量とスロットル弁による吸入空気量の減量とによって燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側にすることにより、還元剤をＮＯｘ浄化装置１５に供給する。すなわち、空燃比をリッチ化することにより、ＮＯｘ浄化装置１５へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より高くなり、還元化が実行される。

このＮＯｘ浄化装置１５におけるＮＯｘの浄化について説明する。
先ず、エンジン１で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定し、いわゆるリーンバーン運転を行うと、ＮＯｘ浄化装置１５へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低くなる。その結果、排気中の一酸化炭素（ＮＯ）と酸素（Ｏ_２）とが触媒の作用で反応し、ＮＯ_２としてセリアに吸着される。また、酸素と反応していない一酸化炭素（ＣＯ）も、セリアに吸着される。

次に、排気中の還元剤濃度を酸素濃度より高くする還元化を実行すると、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）が水（Ｈ_２Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）が生成され、また排気中の単価水素（ＨＣ）が水と反応して、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）とともに、水素が生成される。またさらに、排気中に含まれるＮＯｘ、及びセリア（及び白金）に吸着されているＮＯｘ（ＮＯ，ＮＯ_２）と、生成された水素とが触媒の作用で反応し、アンモニア（ＮＨ_３）及び水が生成される。また、ここで生成されたアンモニアは、アンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）の形でゼオライトに吸着される。

次に、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を行い、ＮＯｘ浄化装置１５へ流入する排気中の還元剤濃度を、酸素濃度より低い側に設定すると、セリアにＮＯｘが吸着される。さらにゼオライトにアンモニウムイオンが吸着した状態では、排気中のＮＯｘ及び酸素と、アンモニアとが反応して、窒素（Ｎ_２）と水が生成される。

このように、ＮＯｘ浄化装置１５によれば、還元剤供給中に生成されるアンモニアがゼオライトに吸着され、リーンバーン運転中に吸着されたアンモニアがＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率よく行うことができる。

以上詳述したように、本実施形態では、上述の第１の実施形態の作用効果に加えて、以下の作用効果がある。

本実施形態では、ＤＰＦ１３及び下流触媒コンバータ１２の下流側にＮＯｘ浄化装置１５を設けることにより、リッチ時に起こるＨＣ水蒸気改質反応により発生する反応性（還元性）の高いＨ_２を、ＮＯｘの浄化に利用できる。このため、ＮＯｘの排出量をさらに低減できる。

また、アンモニアを利用したＮＯｘ浄化装置１５を設けることにより、始動直後の低温状態におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。また、ＳＯｘパージを低温かつ短時間で行うことも可能となるため、このＮＯｘ浄化手段の上流側に設けられた触媒の劣化も軽減できる。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、パティキュレートの異常燃焼が発生すると推定された場合には、触媒バイパス弁１９及びウェストゲートバルブ１７を駆動し、排気を触媒バイパス通路１８及びタービンバイパス通路１６に流通させたが、これに限らず、排気を触媒バイパス通路及びタービンバイパス通路の何れかのみに流通させてもよい。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。

本発明の第１の実施形態に係る内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 ＤＰＦ再生処理の手順を示すフローチャートである。 ＤＰＦ再生処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ 吸気管（吸気通路）
３ 吸気マニホールド（吸気通路）
４ 排気管（排気通路）
５ 排気マニホールド（排気通路）
６ 排気還流通路
８ 過給機
９ コンプレッサ
１０ タービン
１１ 上流触媒コンバータ（第１排気浄化触媒）
１２ 下流触媒コンバータ（第２排気浄化触媒）
１３ ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
１５ ＮＯｘ浄化装置（ＮＯｘ浄化手段）
１６ タービンバイパス通路（タービンバイパス通路）
１７ ウェストゲートバルブ（タービン通路切換弁）
１８ 触媒バイパス通路（触媒バイパス通路）
１９ 触媒バイパス弁（触媒通路切換弁）
２０ ＥＧＲ弁（排気還流制御弁）
２４ 分岐通路
２５ ＥＧＲ通路切換弁（還流通路切換弁）
４０ 電子制御ユニット（再生手段、排気通路制御手段、還流通路制御手段、判断手段、異常燃焼推定手段）

Claims (8)

1. 内燃機関の排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを前記機関の排気通路に備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記機関の排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側に設けられたタービンの回転によりコンプレッサを作動し、前記機関の吸気を加圧する過給機と、
   前記排気通路のうち前記タービンよりも上流側に設けられた第１排気浄化触媒と、
   前記排気通路のうち前記第１排気浄化触媒の上流側と下流側とを接続し、当該第１排気浄化触媒を迂回する触媒バイパス通路と、
   前記第１排気浄化触媒へ流入する通路と前記触媒バイパス通路とを切り換える触媒通路切換弁と、
   前記排気通路のうち前記タービンよりも下流側かつ前記パティキュレートフィルタよりも上流側に設けられた第２排気浄化触媒と、
   前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを、燃料のポスト噴射を行うことで燃焼させる再生処理を実行する再生手段と、
   前記再生処理を実行する間、前記第２排気浄化触媒の温度が活性化温度よりも低い場合には前記触媒通路切換弁を駆動し前記第１排気浄化触媒へ排気を流通させ、前記第２排気浄化触媒の温度が活性化温度以上である場合には前記触媒通路切換弁を駆動し前記触媒バイパス通路へ排気を流通させる排気通路制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気通路のうち前記タービンの上流側と下流側とを接続し、当該タービンを迂回するタービンバイパス通路と、
   前記タービンへ流入する通路と前記タービンバイパス通路とを切り換えるタービン通路切換弁と、
   前記再生処理を実行する間、前記第１排気浄化触媒へ排気を流通させる場合には、前記機関の回転数及び負荷に基づいて、前記タービンへ排気を流通させるか、又は、前記タービンバイパス通路へ排気を流通させるかを判断する判断手段と、をさらに備え、
   前記排気通路制御手段は、前記判断手段による判断に基づいて前記タービン通路切換弁を駆動することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートの異常燃焼の発生を推定する異常燃焼推定手段をさらに備え、
   前記排気通路制御手段は、前記異常燃焼推定手段によりパティキュレートの異常燃焼が発生すると推定された場合には、前記触媒通路切換弁及び前記タービン通路切換弁を駆動し、前記触媒バイパス通路及び／又は前記タービンバイパス通路へ排気を流通させ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。
4. 前記排気通路のうち前記第１排気浄化触媒の下流側と前記機関の吸気通路とを接続し、前記第１排気浄化触媒の下流側の排気の一部を前記吸気通路に還流する排気還流通路と、
   当該排気還流通路に設けられ、排気還流量を制御する排気還流制御弁と、
   前記排気通路のうち前記第１排気浄化触媒の上流側と前記排気還流通路のうち前記排気還流制御弁の上流側とを接続し、前記第１排気浄化触媒の上流側の排気の一部を前記吸気通路に還流する分岐通路と、
   前記排気還流通路に設けられ、前記第１排気浄化触媒の下流側の排気を還流する通路と前記分岐通路とを切り換える還流通路切換弁と、
   前記再生処理を実行する間、前記第１排気浄化触媒へ排気を流通させつつ前記排気還流通路を介して排気を還流させる場合には、前記還流通路切換弁を駆動し前記第１排気浄化触媒の上流側の排気の一部を前記吸気通路に還流する還流通路制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記第１排気浄化触媒は、ゼオライト及び／又はロジウムを含む酸化触媒であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記第２排気浄化触媒は、セリアを含む三元触媒であることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタ及び前記第２排気浄化触媒の下流側に設けられ、排気の空燃比がリーンであるときに排気中のＮＯｘを捕捉し、排気の空燃比がリッチであるときに前記捕捉したＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化手段をさらに備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記ＮＯｘ浄化手段は、排気の空燃比がリッチであるときにアンモニアを生成するとともに当該生成されたアンモニアを保持し、排気の空燃比がリーンであるときに前記保持したアンモニアによりＮＯｘを還元する触媒であることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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