JP2009215977A

JP2009215977A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2009215977A
Application number: JP2008060521A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Funahashi; 博舟橋
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP5053134B2

Abstract

【課題】ＮＯxとＮＨ₃の吸着能を持たせた三元触媒をディーゼルエンジンに適用し、エンジン稼働中のアクセルオフ時にＮＯxからＮＨ₃を生成して三元触媒に吸着させて溜め込み、このＮＨ₃を用いて排気ガス中のＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置に関し、アクセルオフの状態がなかなか生じない中高負荷の等速又は加速運転時でもＮＯxを確実に還元浄化し得るようにする。
【解決手段】三元触媒１４より上流側の排気管１１に燃料添加弁１５（燃料添加手段）を設け、三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が許容量を超えていると判定された状況下における中高負荷の等速又は加速運転時にエンジン稼働中のアクセルオフ時よりも浅く空気過剰率を下げ且つ燃料添加弁１５により排気管１１途中で補助的に燃料を添加して三元触媒１４の入側での空気過剰率を約１．０付近まで下げるように制御装置２０を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス中のＮＯxを低減するための排気浄化装置に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にＮＨ₃（アンモニア）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、ＮＨ₃のような有毒な物質を搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている（例えば、特許文献１参照）。

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガス中で尿素水がＮＨ₃とＣＯ₂（炭酸ガス）に分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがＮＨ₃により良好に還元浄化されることになる。

ただし、このように尿素水を還元剤とする選択還元型触媒を用いた排気浄化装置では、尿素水を貯溜しておくための尿素水タンクを新たに増設しなければならないため、該尿素水タンクの搭載スペースの確保が難しいという問題や、コストの高騰が避けられなくなるという問題を招く結果となり、更には、運転者が簡単に尿素水を入手できるようにインフラを整備しなければならないという社会的な問題も招くことになった。

そこで、本発明者は、ディーゼルエンジンの排気管途中にＮＯxとＮＨ₃の吸着能を持たせた三元触媒を配設し、エンジン稼働中のアクセルオフ時に約０．７付近まで深く空気過剰率を下げ、しかも、その低い空気過剰率でも無煙燃焼を保ち得るよう予混合圧縮着火をディーゼルエンジンで行うようにして、前記三元触媒で排気ガス中のＮＯxとＨ₂からＮＨ₃を生成して溜め込むという新しいシステムを創案するに到った。

即ち、このようにエンジン稼働中のアクセルオフ時に三元触媒にＮＨ₃を生成して溜め込んでおけば、アクセルオフの状態が解除されてアクセルが踏み込まれた通常の走行状態に移行した際に、空気過剰率が通常の約１．６以上の状態に戻されて三元触媒の周囲が有酸素状態になり、三元触媒に既に吸着されているＮＯxや新たに吸着されたＮＯxが、アクセルオフ時に溜められたＮＨ₃によりＮ₂に還元浄化される。

この結果、尿素水を貯溜しておくための尿素水タンクを不要として該尿素水タンクの搭載スペースの確保やコストの高騰に関する問題を解消することが可能となり、しかも、運転者が簡単に尿素水を入手できるようなインフラの整備を不要とすることが可能となる。
特開２００２−１６１７３２号公報

しかしながら、長い登り坂を登り続けるような中高負荷での等速又は加速運転の状況が長く続いた場合、アクセルオフの状態がなかなか生じないため、三元触媒でＮＨ₃を生成して溜め込んでおく機会が得られないままＮＯxの吸着だけが進んでしまい、三元触媒でのＮＯxの吸着量が許容量を超えたところからＮＯxを低減できなくなってしまう虞れがあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ＮＯxとＮＨ₃の吸着能を持たせた三元触媒をディーゼルエンジンに適用し、エンジン稼働中のアクセルオフ時にＮＯxからＮＨ₃を生成して三元触媒に吸着させて溜め込み、このＮＨ₃を用いて排気ガス中のＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置に関し、アクセルオフの状態がなかなか生じない中高負荷の等速又は加速運転時でもＮＯxを確実に還元浄化し得るようにすることを目的としている。

本発明は、ディーゼルエンジンの排気管途中に装備されてＮＯxとＮＨ₃の吸着能を有する三元触媒と、エンジン稼働中のアクセルオフ時に前記三元触媒で排気ガス中のＮＯxとＨ₂からＮＨ₃が生成される程度まで深く空気過剰率を下げ且つその低い空気過剰率でも無煙燃焼を保ち得るよう予混合圧縮着火を前記ディーゼルエンジンに行わしめる制御装置とを備えた排気浄化装置であって、前記三元触媒より上流側の排気管に該排気管内に燃料を直接噴射し得るよう燃料添加手段を設け、前記三元触媒でのＮＯxの吸着量が許容量を超えていると判定された状況下における中高負荷の等速又は加速運転時にエンジン稼働中のアクセルオフ時よりも浅く空気過剰率を下げ且つ前記燃料添加手段により排気管途中で補助的に燃料を添加して前記三元触媒の入側での空気過剰率を約１．０付近まで下げるように前記制御装置を構成したことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、エンジン稼働中のアクセルオフ時に制御装置により深く空気過剰率が下げられ、しかも、その低い空気過剰率でも無煙燃焼を保ち得るよう予混合圧縮着火がディーゼルエンジンで行われる結果、三元触媒の還元作用が活発化してＮＯxがＮ₂となり、このＮ₂が排気ガス中のＨ₂と結びついてＮＨ₃が生成され、そのまま三元触媒に吸着されて溜め込まれる。

そして、アクセルオフの状態が解除されてアクセルが踏み込まれた通常の走行状態に移行し、空気過剰率が通常の約１．６以上の状態に戻されて三元触媒の周囲が有酸素状態になると、三元触媒に既に吸着されているＮＯxや新たに吸着されたＮＯxが、アクセルオフ時に溜められたＮＨ₃によりＮ₂に還元浄化されることになる。

更に、三元触媒でのＮＯxの吸着量が許容量を超えていると制御装置で判定され、その状況下で中高負荷の等速又は加速運転になると、エンジン稼働中のアクセルオフ時よりも浅く空気過剰率が下げられ、燃料添加手段により排気管途中で補助的に燃料が添加されて前記三元触媒の入側での空気過剰率が約１．０付近（１．１〜０．９程度）まで下げられる。

この結果、三元触媒の周囲を流れる排気ガスの空気過剰率が１．０前後となって、排気ガス中のＣＯ及びＨＣの酸化とＮＯxの還元を同時に行い得る環境が整い、ガソリン車に適用した場合と変わらない浄化特性が発揮されて排気ガス中の有害ガス三成分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯx）が無害なＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｎ₂に浄化されることになる。

尚、三元触媒の入側での空気過剰率を約１．０付近まで下げるにあたり、ディーゼルエンジン側では、黒煙（多量の煤）を発生しない無煙燃焼を保つ得る範囲内で空気過剰率が１．４〜１．２程度の無理のない運転に留めておき、残りの０．５〜０．１の下げ不足分を排気管途中の燃料添加手段による燃料添加で補うようにすれば良い。

また、この際に、メイン噴射後の着火可能なタイミングでアフタ噴射を追加するように制御装置を構成しても良く、このようにすれば、空気過剰率を下げることで発生し易くなった煤分がアフタ噴射の燃焼により確実に焼失されることになる。

また、本発明においては、三元触媒の直後にパティキュレートフィルタを配設し、前記三元触媒より上流側で排気ガス中に燃料添加を行い得るように構成することが好ましく、このようにすれば、ディーゼルエンジンにおける酸素残存量の多い排気ガスに晒された三元触媒の酸化作用が活発化し、添加燃料から生じた高濃度のＨＣが三元触媒で良好に酸化処理され、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの床温度が更に上げられてパティキュレートが短時間のうちに効率良く焼却処理されることになる。

しかも、本発明では、エンジン稼働中のアクセルオフ時に深く空気過剰率を下げた予混合圧縮着火が行われるため、特に走行中の減速時でのアクセルオフの場合に、ディーゼルエンジンの燃料噴射が停止して低温の吸気が燃焼行程を経ずにそのまま三元触媒及びパティキュレートフィルタへ流れ込むことがなくなり、これら三元触媒及びパティキュレートフィルタが急激に熱を奪われてしまうような不具合が未然に回避され、しかも、高温の排気ガスが三元触媒及びパティキュレートフィルタへ流れ込むことで寧ろ積極的な昇温が成されるので、パティキュレートフィルタの再生が完了するまでにかかる時間が大幅に短縮される。

また、停車中のアイドリング時でのアクセルオフの場合は、従来の極端に低い排気温度と比較して大幅に排気温度の上昇を図ることが可能となるので、特に始動時等において、排気系全体の暖機を短時間のうちに済ませることが可能となり、パティキュレートフィルタの再生が完了するまでにかかる時間が大幅に短縮される。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、ＮＯxとＮＨ₃の吸着能を持たせた三元触媒をディーゼルエンジンに適用し、エンジン稼働中のアクセルオフ時にＮＯxからＮＨ₃を生成して三元触媒に吸着させて溜め込み、このＮＨ₃を用いて排気ガス中のＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置に関し、アクセルオフの状態がなかなか生じない中高負荷の等速又は加速運転時でも、三元触媒でのＮＯxの吸着量が許容量を超えていると制御装置で判定された状況下では、制御装置によりエンジン稼働中のアクセルオフ時よりも浅く空気過剰率を下げ且つ前記燃料添加手段により排気管途中で補助的に燃料を添加して前記三元触媒の入側での空気過剰率を約１．０付近まで下げ、三元触媒で排気ガス中のＣＯ及びＨＣの酸化とＮＯxの還元を同時に行わせ得る環境を整えて排気ガス中のＮＯxをＣＯやＨＣと一緒に浄化することができ、中高負荷の等速又は加速運転時でＮＯxを低減できなくなってしまう虞れを未然に回避することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、三元触媒でのＮＯxの吸着量が許容量を超えていると判定された状況下における中高負荷の等速又は加速運転時に、メイン噴射後の着火可能なタイミングでアフタ噴射を追加するようにしているので、空気過剰率を下げることで発生し易くなった煤分をアフタ噴射の燃焼により焼失させることができ、黒煙（多量の煤）の発生をより確実に回避することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、三元触媒及びパティキュレートフィルタの床温度が低くなりがちなエンジン稼働中のアクセルオフ時に、空気過剰率を深く下げて予混合圧縮着火を実行することによりディーゼルエンジンから高温の排気ガスを送り込んで三元触媒及びパティキュレートフィルタの床温度を上げることができるので、空気過剰率を通常付近に戻して燃料添加による強制再生に移行した際に、パティキュレートフィルタを従来よりも効率良く迅速に再生することができ、パティキュレートフィルタの再生が完了するまでにかかる時間を大幅に短縮することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図中１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

また、前記ディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１（排気流路）を介し車外へ排出されるようにしてある。

そして、前記排気管１１の途中には、フィルタケース１２が介装されており、フィルタケース１２内における後段側に、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３が収容されている。

即ち、このパティキュレートフィルタ１３は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造を有し、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガス９のみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、前記フィルタケース１２内におけるパティキュレートフィルタ１３の前段には、ＮＯxとＮＨ₃の吸着能を持たせたフロースルー型の三元触媒１４が装備されており、より具体的には、従来周知のＰｔやＰｄ、Ｒｈ、ＺｅＯ、ＣｅＯ等から成る三元触媒に、排気ガス９中のＮＯxとＮＨ₃を物理的に吸着する能力に優れたゼオライト系触媒（例えばＣｕ／ゼオライト触媒やＦｅ／ゼオライト触媒等）をコーティングしたり、この種のゼオライト系触媒を原料段階から混ぜて一緒に担持させたりした三元触媒１４を適用している。

ここで、従来周知の三元触媒とは、排気ガス９中のＣＯ及びＨＣの酸化とＮＯxの還元を同時に行い、排気ガス９中の有害ガス三成分を無害なＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｎ₂に浄化するものであり、空気過剰率が１．０前後の理論空燃比付近でだけ有効に働くものであるが、通常の走行状態で空気過剰率が１．６以上にもなるディーゼルエンジンでは、排気ガス９中の残存酸素量が多すぎて三元触媒を有効利用することができず、これまではガソリン車にのみ適用されてきた経緯がある。

尚、従来周知の三元触媒の浄化特性は、空気過剰率（空燃比）により大きく変化し、空気過剰率が高い時（空燃比が薄い時）に、排気ガス９中の残存酸素量が多いことから酸化作用が活発化して還元作用が不活発となり、空気過剰率が低い時（空燃比が濃い時）に、逆に還元作用が活発化して酸化作用が不活発となることが知られている。

一方、ゼオライトはアルミナケイ酸塩質の多孔性結晶材料であり、結晶中に均一な分子レベルの細孔を規則正しく配向して備えていることを特徴とし、この細孔を通じて各種の分子を空洞又は孔路内に吸着する性質を備えており、このような性質以外にも、細孔が均一であることに基づく分子ふるい作用を持つ性質（細孔の孔径より小さい分子しか吸着しない）、結晶構造中のカチオンとアニオンの作用により極性物質を強く吸着する性質、触媒作用を持つ性質も兼ね備えている。

また、この種のゼオライトは、その骨格構造の型に基づき多種類に分類されるが、細孔内へＮＯxとＮＨ₃を吸着する能力と、ＮＯxとＮＨ₃との反応を促進する能力と、高耐熱性、高耐久性とに優れたものを適宜に選定すれば良く、同様の性質を備えたゼオライト類縁化合物の中から選定することも可能である。

更に、このようにしてＮＯxとＮＨ₃の吸着能を持たせた三元触媒１４より上流側の排気管１１には、該排気管１１内に燃料を直接噴射するための燃料添加弁１５が燃料添加手段として装備されており、この燃料添加弁１５には、所要場所に配置された燃料タンク１６から導いた燃料添加ライン１７が接続されており、該燃料添加ライン１７の途中に装備したポンプ１８の駆動により燃料タンク１６内の燃料が抜き出されて前記燃料添加弁１５に向けて供給されるようになっている。

また、前記ディーゼルエンジン１には、各気筒８毎に装備された図示しないインジェクタから成る燃料噴射装置１９が搭載されており、該燃料噴射装置１９における各インジェクタの電磁弁が、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２０により負荷や回転数に基づいて適切に噴射タイミングや噴射量（開弁時間）を適切に制御されるようにしてあるが、エンジン稼働中のアクセルオフ時には、前記三元触媒１４で排気ガス９中のＮＯxとＨ₂からＮＨ₃が生成される程度まで深く空気過剰率（λ）を下げ且つその低い空気過剰率でも無煙燃焼を保ち得る予混合圧縮着火が実行されるようにしてある。

ただし、エンジン稼働中のアクセルオフ時とは、走行中の減速時や停車中のアイドリング時等のように特にエンジン出力を要求されない場面であるため、単純に燃料噴射量を増やして空気過剰率を下げるだけでなく適宜に吸気バルブ２１の開度を絞る空気絞り（ターボチャージャ２をバリアブルジオメトリーターボチャージャとしてタービン効率を下げることで吸入空気量を減らしても良い）も併用して空気過剰率を下げ、これにより不必要なエンジン出力が発生しないようにする。

また、この際に併用される予混合圧縮着火とは、通常であれば圧縮上死点近辺で行われるべきメイン噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行い、気筒８内への燃料の先行投入により燃料の予混合化を促進してから着火燃焼させるようにする燃焼方式のことを指しており、従来にあっては、ＮＯxの生成を抑制するための燃焼方式として知られているものであるが、ここでは空気過剰率を深く下げることで寧ろＮＯxを生成し易くし、このＮＯxを利用することで後述の如く三元触媒１４上でＮＨ₃を生成して吸着し得るようにしている。

しかも、前記制御装置２０においては、三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が許容量を超えているか否かが判定されるようになっており、ＮＯxの吸着量が許容量を超えていると判定された状況下における中高負荷の等速又は加速運転時には、前述したエンジン稼働中のアクセルオフ時よりも浅く空気過剰率を下げ且つ前記燃料添加弁１５により排気管１１途中で補助的に燃料を添加して前記三元触媒１４の入側での空気過剰率を約１．０付近まで下げる制御が実行されるようにしてある。

即ち、その具体的な制御手順について図２にフローチャートを用いて以下に説明すると、先ずステップＳ１において、三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が許容量を超えているか否かが判定されるようになっているが、ここではディーゼルエンジン１の運転状態に基づき三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が計算により求められるようになっており、その算出された吸着量が許容量を超えているか否かが判定されるようになっている。

ここで、三元触媒１４で吸着可能なＮＯxの許容量は、基本的にゼオライト系触媒の担持量に依存するが、排気ガス９の温度や流速（温度や流速が高いほど吸着し続けられる量が下がる傾向がある）により増減するため、これらを全て勘案すれば、現在の運転条件における許容量が制御装置２０で決められることになる。

一方、制御装置２０で把握されているディーゼルエンジン１の負荷や回転数に基づきＮＯxの発生量が算出できるので、このうちの何％（初期条件として既に把握されている数値）かが三元触媒１４に吸着されるものとして積算すれば、ＮＯxの吸着量の累計が求められ、これを前述の許容量と比較すれば、三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が許容量を超えているか否かを判定することができる。

ただし、ここまで厳密に判定を行わなくても、前回のアクセルオフ時からの経過時間をタイマで計測して規定時間以上が経過した時に三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が許容量を超えたものと判定したり、更には、三元触媒１４の前後でＮＯxセンサによりＮＯx濃度を実測して三元触媒１４でのＮＯxの吸着能力が規定以下に低下した時に三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が許容量を超えたものと判定したりすることも可能である。

そして、ステップＳ１で三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が許容量を超えたものと判定されたら、ステップＳ２へと進んで現在の運転状態が中高負荷の等速又は加速運転状態にあるか否かが判定され、中高負荷の等速又は加速運転状態にない場合は、ステップＳ３で先に説明したアクセルオフ時に深く空気過剰率を下げ且つ予混合圧縮着火をディーゼルエンジンに行わしめる制御が選択されるが、中高負荷の等速又は加速運転状態となっている場合には、ステップＳ４とステップＳ５に進んで以下のような制御が実行される。

即ち、ステップＳ４において、ディーゼルエンジン１におけるメイン噴射が減じられ、その減じられた分をアフタ噴射としてメイン噴射後の着火可能なタイミングで追加すると共に、吸気バルブ２１の開度を絞る空気絞り（ターボチャージャ２をバリアブルジオメトリーターボチャージャとしてタービン効率を下げることで吸入空気量を減らしても良い）も併用して空気過剰率を約１．３前後に下げる制御が規定時間に亘りディーゼルエンジン１側で継続して実行される。

また、ステップＳ５において、燃料添加弁１５により排気管１１途中で補助的に燃料を添加して前記三元触媒１４の入側での空気過剰率を約１．０付近まで下げる制御が規定時間に亘り継続して実行される。

しかも、本形態例において、パティキュレートフィルタ１３の強制再生を行う必要が生じた際には、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１２０゜の範囲）でポスト噴射が追加されるようになっている。

つまり、このポスト噴射により排気ガス９中に未燃の燃料が添加されることになり、この未燃の燃料から生じた高濃度のＨＣが三元触媒１４を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガス９の流入により直後のパティキュレートフィルタ１３の床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタ１３の再生化が図られるようになっている。

尚、図１中の符号の２２は排気管１１におけるタービン２ｂの出口付近に設けられた排気ブレーキ、２３は排気ガス９を排気側から吸気側へ再循環するためのＥＧＲライン、２４はその再循環される排気ガス９の一部を冷却する水冷式のＥＧＲクーラ、２５はＥＧＲバルブを夫々示している。

而して、エンジン稼働中のアクセルオフ時に、制御装置２０により燃料噴射装置１９と吸気バルブ２１とが制御されて空気過剰率が深く下げられると、三元触媒１４の還元作用が活発化してＮＯxがＮ₂となり、このＮ₂が排気ガス９中のＨ₂と結びついてＮＨ₃が生成され、そのまま三元触媒１４に吸着されて溜め込まれる。

即ち、空気過剰率を深く下げて予混合圧縮着火を行うと、単位空気量に対する燃料投入量の割合が増して２０００Ｋ以上の燃焼温度となり、吸気中の水分（Ｈ₂Ｏ）がＨ₂、Ｏ₂、ＯＨ、Ｈに熱分解し、本来安定なＮ₂がこれらと反応してＮＯxが生成され易い環境となるが、三元触媒１４の活発化した還元作用によりＮＯxの還元反応も進み、この還元反応時に余剰のＨ₂と反応してＮＨ₃が生成されることになる。

この際、空気過剰率は約０．７付近まで深く下げることが好ましいが、ここまで空気過剰率を下げても予混合圧縮着火を行うことで燃焼性が著しく良化されるので、黒煙（多量の煤）を発生しない無煙燃焼を保つことが可能である。

即ち、この種の予混合圧縮着火によれば、通常の場合に圧縮上死点近辺で行われるべき燃料のメイン噴射が圧縮上死点より早いタイミングで行われ、気筒内への燃料の先行投入により燃料の予混合化が促進されてから着火燃焼することになるため、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で同時全域着火により燃焼が行われて燃焼性が著しく良化される。

ただし、エンジン稼働中のアクセルオフ時とは、走行中の減速時や停車中のアイドリング時等のように特にエンジン出力を要求されない場面であるため、単純に燃料噴射量を増やして空気過剰率を下げるだけでなく適宜に空気絞りも併用して空気過剰率を下げ、これにより不必要なエンジン出力が発生しないようにする。

尚、このようなアクセルオフ時における空気過剰率の調整や予混合圧縮着火の着火タイミングの調整には、ＥＧＲライン２３による排気ガス９の再循環量の制御を併用するようにしても良い。

そして、アクセルオフの状態が解除されてアクセルが踏み込まれた通常の走行状態に移行し、空気過剰率が通常の約１．６以上の状態に戻されて三元触媒１４の周囲が有酸素状態になると、三元触媒１４に既に吸着されているＮＯxや新たに吸着されたＮＯxが、アクセルオフ時に溜められたＮＨ₃によりＮ₂に還元浄化されることになる。

更に、三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が許容量を超えていると制御装置２０で判定され、その状況下で中高負荷の等速又は加速運転になると、前述したエンジン稼働中のアクセルオフ時よりも浅く空気過剰率が下げられ、燃料添加弁１５により排気管１１途中で補助的に燃料が添加されて前記三元触媒１４の入側での空気過剰率が約１．０付近（１．１〜０．９程度）まで下げられる。

この結果、三元触媒１４の周囲を流れる排気ガス９の空気過剰率が１．０前後となって、排気ガス９中のＣＯ及びＨＣの酸化とＮＯxの還元を同時に行い得る環境が整い、ガソリン車に適用した場合と変わらない浄化特性が発揮されて排気ガス９中の有害ガス三成分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯx）が無害なＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｎ₂に浄化されることになる。

尚、三元触媒１４の入側での空気過剰率を約１．０付近まで下げるにあたり、ディーゼルエンジン１側では、黒煙（多量の煤）を発生しない無煙燃焼を保ち得る範囲内で空気過剰率が１．４〜１．２程度の無理のない運転に留めておき、残りの０．５〜０．１の下げ不足分を排気管１１途中の燃料添加弁１５による燃料添加で補うようにする。

この際、本形態例においては、メイン噴射後の着火可能なタイミングでアフタ噴射を追加するようにしているので、空気過剰率を下げることで発生し易くなった煤分がアフタ噴射の燃焼により確実に焼失されることになる。

また、パティキュレートフィルタ１３に強制再生を行う必要が生じた際に、制御装置２０により燃料噴射装置１９でポスト噴射による燃料添加を行わしめて強制再生を開始すると、ディーゼルエンジン１における酸素残存量の多い排気ガス９に晒された三元触媒１４の酸化作用が活発化し、添加燃料から生じた高濃度のＨＣが三元触媒１４で良好に酸化処理され、その反応熱で昇温した排気ガス９の流入により直後のパティキュレートフィルタ１３の床温度が更に上げられてパティキュレートが短時間のうちに効率良く焼却処理されることになる。

この際、メイン噴射の燃料の一部をメイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射として振り分け、若干遅めのタイミングで燃焼させることによりディーゼルエンジン１の熱効率を下げ、燃料の発熱量のうちの動力に利用されない熱量を増やして排気温度の更なる上昇を図るようにしても良い。

また、パティキュレートフィルタ１３の強制再生時には、吸気バルブ２１の開度を絞る空気絞りを併用することも可能であり、このようにすれば、吸気バルブ２１により吸気４が絞り込まれ、ディーゼルエンジン１での燃焼による排気ガス９の発生量が投入熱量に対し減少することで排気温度の更なる上昇が図られる。

更に、パティキュレートフィルタ１３の強制再生時には、排気ブレーキ２２の開度を絞り込む排気絞りを併用することも可能であり、このようにすれば、アクセルオフ時に排気が絞り込まれ、これより上流側の排気ガス９が昇圧されることで排気温度の上昇が図られ、しかも、エンジンの排気抵抗が高まることにより気筒８内に比較的温度の低い吸気４が流入し難くなって比較的温度の高い排気ガス９の残留量が増加し、この比較的温度の高い排気ガス９を多く含む気筒８内の空気が次の圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも排気温度の更なる上昇が図られる。

また、本形態例では、エンジン稼働中のアクセルオフ時に深く空気過剰率を下げた予混合圧縮着火が行われるため、特に走行中の減速時でのアクセルオフの場合に、ディーゼルエンジン１の燃料噴射が停止して低温の吸気が燃焼行程を経ずにそのまま三元触媒１４及びパティキュレートフィルタ１３へ流れ込むことがなくなり、これら三元触媒１４及びパティキュレートフィルタ１３が急激に熱を奪われてしまうような不具合が未然に回避され、しかも、高温の排気ガス９が三元触媒１４及びパティキュレートフィルタ１３へ流れ込むことで寧ろ積極的な昇温が成されるので、パティキュレートフィルタ１３の再生が完了するまでにかかる時間が大幅に短縮される。

また、停車中のアイドリング時でのアクセルオフの場合は、従来の極端に低い排気温度と比較して大幅に排気温度の上昇を図ることが可能となるので、特に始動時等において、排気系全体の暖機を短時間のうちに済ませることが可能となり、パティキュレートフィルタ１３の再生が完了するまでにかかる時間が大幅に短縮される。

従って、上記形態例によれば、ＮＯxとＮＨ₃の吸着能を持たせた三元触媒１４をディーゼルエンジン１に適用し、エンジン稼働中のアクセルオフ時にＮＯxからＮＨ₃を生成して三元触媒１４に吸着させて溜め込み、このＮＨ₃を用いて排気ガス９中のＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置に関し、アクセルオフの状態がなかなか生じない中高負荷の等速又は加速運転時でも、三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が許容量を超えていると制御装置２０で判定された状況下では、制御装置２０によりエンジン稼働中のアクセルオフ時よりも浅く空気過剰率を下げ且つ前記燃料添加弁１５により排気管１１途中で補助的に燃料を添加して前記三元触媒１４の入側での空気過剰率を約１．０付近まで下げ、三元触媒１４で排気ガス９中のＣＯ及びＨＣの酸化とＮＯxの還元を同時に行わせ得る環境を整えて排気ガス９中のＮＯxをＣＯやＨＣと一緒に浄化することができ、中高負荷の等速又は加速運転時でＮＯxを低減できなくなってしまう虞れを未然に回避することができる。

更に、本形態例においては、三元触媒１４でのＮＯxの吸着量が許容量を超えていると判定された状況下における中高負荷の等速又は加速運転時に、メイン噴射後の着火可能なタイミングでアフタ噴射を追加するようにしているので、空気過剰率を下げることで発生し易くなった煤分をアフタ噴射の燃焼により焼失させることができ、黒煙（多量の煤）の発生をより確実に回避することができる。

また、三元触媒１４及びパティキュレートフィルタ１３の床温度が低くなりがちなエンジン稼働中のアクセルオフ時に、空気過剰率を深く下げて予混合圧縮着火を実行することによりディーゼルエンジン１から高温の排気ガス９を送り込んで三元触媒１４及びパティキュレートフィルタ１３の床温度を上げることができるので、空気過剰率を通常付近に戻して燃料添加による強制再生に移行した際に、パティキュレートフィルタ１３を従来よりも効率良く迅速に再生することができ、パティキュレートフィルタ１３の再生が完了するまでにかかる時間を大幅に短縮することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、強制再生時の燃料添加を行うに際しては、ディーゼルエンジン側でのポスト噴射に替えて、排気管途中への直接噴射を採用することも可能であり、ポスト噴射と排気管途中への直接噴射の両方を適宜に併用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の制御装置における制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
９排気ガス
１１排気管
１３パティキュレートフィルタ
１４三元触媒
１５燃料添加弁（燃料添加手段）
２０制御装置

Claims

ディーゼルエンジンの排気管途中に装備されてＮＯxとＮＨ₃の吸着能を有する三元触媒と、エンジン稼働中のアクセルオフ時に前記三元触媒で排気ガス中のＮＯxとＨ₂からＮＨ₃が生成される程度まで深く空気過剰率を下げ且つその低い空気過剰率でも無煙燃焼を保ち得るよう予混合圧縮着火を前記ディーゼルエンジンに行わしめる制御装置とを備えた排気浄化装置であって、前記三元触媒より上流側の排気管に該排気管内に燃料を直接噴射し得るよう燃料添加手段を設け、前記三元触媒でのＮＯxの吸着量が許容量を超えていると判定された状況下における中高負荷の等速又は加速運転時にエンジン稼働中のアクセルオフ時よりも浅く空気過剰率を下げ且つ前記燃料添加手段により排気管途中で補助的に燃料を添加して前記三元触媒の入側での空気過剰率を約１．０付近まで下げるように前記制御装置を構成したことを特徴とする排気浄化装置。
前記三元触媒でのＮＯxの吸着量が許容量を超えていると判定された状況下における中高負荷の等速又は加速運転時にメイン噴射後の着火可能なタイミングでアフタ噴射を追加するように制御装置を構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
三元触媒の直後にパティキュレートフィルタを配設し、前記三元触媒より上流側で排気ガス中に燃料添加を行い得るように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。