JP2010144557A - 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】内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を通過した排気ガスのＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦへの流量を抑制して、ＰＭ再生温度を適温に維持しながら、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の脱硫制御とＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦのＰＭ再生処理とを同時に並行して行う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】内燃機関１０の排気通路１６にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂと、ＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦを備えた下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを設け、前記上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過する排気ガスＧ１の流量と、この排気ガスＧ１の内で、更に前記下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを通過する排気ガスＧ２の流量とを調整可能に構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に上流側から順にＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）とＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）又は触媒付きＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気ガスの流量調整を行うことにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の脱硫制御とＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦのＰＭ再生処理とを同時に並行して行う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に関する。

内燃機関の排気ガスを浄化するための装置の一つに、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化のためのＮＯｘ浄化触媒装置がある。このＮＯｘ浄化触媒装置の一つに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持して、酸素過剰な排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化して硝酸塩として触媒上に吸着させて、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ：リーンＮＯｘトラップ）を担持した装置がある。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスが酸素過剰なリーン空燃比状態では、ＮＯｘを吸蔵し、酸素濃度が低いか、空気過剰率が１より小さいリッチ空燃比状態では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを還元雰囲気中で還元して、ＮＯｘを低減する。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、ディーゼルエンジンのようなリーン空燃比状態が継続すると、ＮＯｘ吸蔵材であるアルカリ金属又はアルカリ土類金属の殆どが硝酸塩に変化し、触媒上に吸着させた硝酸塩の量が一定量を超えるとＮＯｘ吸蔵機能を失い、ＮＯｘ浄化性能が低下する。そこで、ＮＯｘ浄化性能を維持するために、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に達する前に、酸素濃度に対して燃料由来の還元ガス濃度を増加して排気ガス中の酸素濃度を下げて、一時的に空気過剰率λが１以下のリッチ空燃比状態になるようにして、ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘを放出させるＮＯｘ再生処理を行っている。この再生処理は、一定の時間間隔やＮＯｘ吸蔵量の蓄積量を監視して、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近づいたときに行っている。

一方、燃料中や潤滑油中に硫黄成分が含まれており、この硫黄成分は二酸化硫黄（ＳＯ₂）として、内燃機関の筒内（シリンダ内）の燃焼室から排気ガス中に排出された後に、酸化触媒（ＤＯＣ）やＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）で三酸化硫黄（ＳＯ₃）に酸化されて硫黄化合物となる。この硫黄化合物が硫酸塩としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒上に吸着されるために、ＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ吸蔵能力が低下するという硫黄被毒の問題がある。
この硫黄被毒に対してＮＯｘ吸蔵材から硫黄成分を除去する脱硫処理を行ってＮＯｘ吸蔵材を再生する必要がある。そのために、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を７００℃程度まで昇温させて、この温度に維持しながら排気ガス中に含まれる燃料量に対して酸素濃度を低下させている。

このＮＯｘ再生処理や脱硫処理のための制御では、エンジンの出力を低下させない程度に、シリンダ内への流入空気量を減らして酸素濃度を下げる吸気制御に加えて、排気ガスの一部を再び燃焼室内に戻すＥＧＲ（排気再循環）制御を行っている。また、更に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度を更に下げる必要がある場合には、エンジンのシリンダ内燃料噴射制御において、ピストンの膨張行程において燃料を添加するポスト噴射制御や、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側の排気通路に燃料を直接噴射して、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする排気管内直接燃料噴射制御等を行っている。

一方、ＰＭ（粒子状物質：パティキュレートマター）を捕集するために、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）や触媒付きＤＰＦ（ＳＣＦ）も用いられている。このＤＰＦや触媒付きＤＰＦのフィルタは多孔質のセラミックのハニカムのチャンネ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ウォールフロータイプのフィルタ等で形成される。触媒付きＤＰＦでは、このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。

このＤＰＦや触媒付きＤＰＦにより、排気ガス中のＰＭは、多孔質のセラミックの壁で捕集される。このＤＰＦや触媒付きＤＰＦでは、捕集したＰＭによるフィルタが目詰まりしてくると、ＰＭ再生を行っている。このＰＭ再生では、排気通路中に、ポスト噴射制御や排気管内直接燃料噴射制御等により、排気通路中に燃料を供給して、この燃料を、上流側に配置した酸化触媒や、フィルタに担持した触媒により、酸化して排気ガス又は触媒を昇温し、ＰＭの燃焼を行っている。

ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）の後段にＤＰＦや触媒付きＤＰＦが配置されている場合には、脱硫処理においてＮＯｘ吸蔵還元型触媒を加熱する過程で高温の排気ガスが、下流側のＤＰＦや触媒付きＤＰＦに流入するので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と同時にＤＰＦや触媒付きＤＰＦも加熱できる。

これに関連して、内燃機関の排気通路に上流側から酸化触媒、ＮＯｘトラップ、粒子フィルタを設けた装置において、フィルタの再生時にＮＯｘトラップの硫黄被毒量を調べて、ある程度進捗していればフィルタの再生操作の終わりに脱硫操作を開始し、また、ＮＯｘトラップの飽和率とフィルタの閉塞率のいずれかが閾値を超えた場合にトラップの脱硫操作の終わりに粒子フィルタの再生を実施する酸化窒素トラップの脱硫および粒子フィルタの再生を目的とする方法および装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、内燃機関の排気通路の上流側から、燃料添加装置、電気加熱式触媒（ＥＨＣ）、ターボ過給機、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ）、ＮＯｘ及びＰＭのトラップフィルタ（ＤＰＮＲ）を設け、Ｓ再生（脱量処理）又はＰＭ再生の開始後に所定の期間の低負荷運転が継続したときに、ＥＨＣに通電し、Ｓ再生又はＰＭ再生を継続する内燃機関の排気浄化制御装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の触媒温度が７００℃以上に加熱されていると、下流側のＤＰＦや触媒付きＤＰＦは、このＤＰＦや触媒付きＤＰＦに捕集されたＰＭの発熱反応により更に高温となる。この高温状態ではＤＰＦや触媒付きＤＰＦのフィルタが溶損される可能性が極めて高くなるという問題がある。
特開２００５−１５５６２９公報 特開２００８−１０６６８５公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に上流側から順にＮＯｘ吸蔵還元型触媒とＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムにおいて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を通過した排気ガスのＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦへの流量を抑制して、ＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦへの酸素供給量と、ＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦからの放熱量を減少して、ＰＭ再生温度を適温に維持しながら、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の脱硫制御とＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦのＰＭ再生処理とを同時に並行して行う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。

上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた上流側排気ガス処理ユニットと、ディーゼルパティキュレートフィルタ又は触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタを備えた下流側排気ガス処理ユニットを設け、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過する排気ガスの流量と、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過した排気ガスの内で、更に前記下流側排気ガス処理ユニットを通過する排気ガスの流量とを調整可能に構成する。

この構成によれば、排気ガスの流量調整を行うことにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を通過する排気ガスの流量と、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を通過した排気ガスのＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦへの流量を調整して、ＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦからの放熱と酸素供給量を同時に減少してＰＭ再生温度を適温に維持できるので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の脱硫制御とＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦのＰＭ再生処理とを同時に並行して効率よく行うことができる。特に、ＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦが過熱されるのを防止することができ、この過熱によるフィルタの溶損を回避できる。

上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記排気通路に第１バイパス通路を設け、該第１バイパス通路に前記上流側排気ガス処理ユニットと前記下流側排気ガス処理ユニットを上流側から順に設けて、更に、前記上流側排気ガス処理ユニットの下流側で、かつ、前記下流側排気ガス処理ユニットの上流側の前記第１バイパス通路と前記排気通路を接続する第２バイパス通路を設け、該第２バイパス通路が前記第１バイパス通路と分岐する部分に第１流量制御弁を設け、前記第２バイパス通路が前記排気通路に合流する部分に第２流量制御弁を設けて構成する。

この構成によれば、比較的簡単な構成で、第１流量調整制御弁により上流側排気ガス処理ユニットを通過する排気ガスの流量を調整でき、第２流量調整制御弁により下流側排気ガス処理ユニットを通過する排気ガスの流量を調整できる。

上記の排気ガス浄化システムにおいて、ポスト噴射又は排気管内直接燃料噴射による排気管内への燃料供給の際に、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ又は前記触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタのフィルタの温度を指標するフィルタ温度指標温度が第１閾値を超えるまでは、排気ガスの全部を、前記上流側排気ガス処理ユニットと前記下流側排気ガス処理ユニットを通過させ、前記フィルタ温度指標温度が前記第１閾値を越えたときには、排気ガスの一部を、前記上流側排気ガス処理ユニットと前記下流側排気ガス処理ユニットを迂回させると共に、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過した排気ガスの内の一部を、下流側排気ガス処理ユニットを迂回させるように構成する。

このフィルタ温度指標温度は、フィルタの温度を直接計測できる場合にはフィルタ温度に対応する温度であるが、一般的にフィルタ温度を直接測定することは難しいため、フィルタに流入する排気ガス温度、言い換えれば、下流側排気ガス処理ユニットの入口側に設けた排気ガス温度センサで検出される排気ガス温度で代用されることが多い。このフィルタ温度指標温度は、フィルタ温度と対応する温度であれば良く、下流側排気ガス処理ユニットの出口側に設けた排気ガス温度センサで検出される排気ガス温度で代用してもよい。

また、第１閾値は、ＰＭ再生処理過程でＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦのフィルタの溶損を防止しつつ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の脱硫処理とフィルタのＰＭ再生処理をするための温度制御に使用する温度であり、フィルタ温度指標温度に対応して決まる温度である。具体的には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が脱硫可能な温度（例えば、７００℃付近）で、かつ、フィルタがＰＭ燃焼可能な温度（例えば、６００℃付近）に同時到達できる温度の上限値（フィルタの入口側の排気ガスの温度に対応する温度としては、例えば、５００℃）として設定される。

この構成によれば、フィルタ温度指標温度が第１閾値を超えたときには下流側排気ガス処理ユニットに流入する排気ガスの流量を減少して、下流側排気ガス処理ユニットに流入する排気ガス中の酸素量を減少してＰＭの燃料反応速度を低下させる。これにより、下流側排気ガス処理ユニットが過熱状態になるのを防止できる。

また、上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化方法は、上記の排気ガス浄化システムにおいて、ポスト噴射又は排気管内直接燃料噴射による排気管内への燃料供給の際に、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ又は前記触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタのフィルタの温度を指標するフィルタ温度指標温度が第１閾値を超えるまでは、排気ガスの全部を、前記上流側排気ガス処理ユニットと前記下流側排気ガス処理ユニットを通過させ、前記フィルタ温度指標温度が前記第１閾値を越えたときには、排気ガスの一部を、前記上流側排気ガス処理ユニットと前記下流側排気ガス処理ユニットを迂回させると共に、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過した排気ガスの内の一部を、下流側排気ガス処理ユニットを迂回させるように構成する。このフィルタ温度指標温度と第１閾値は、上記のフィルタ温度指標温度と第１閾値と同じである。

この方法によれば、排気ガスの流量調整を行うことにより、フィルタ温度指標温度が第１閾値を超えたときには下流側排気ガス処理ユニットに流入する排気ガスの流量を減少して、下流側排気ガス処理ユニットが過熱状態になるのを防止できる。また、下流側排気ガス処理ユニットへの酸素供給量と下流側排気ガス処理ユニットからの放熱量を調整してＰＭ再生温度を適温に維持でき、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の脱硫制御とＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦのＰＭ再生処理とを同時に並行して効率よく行うことができる。

上記の排気ガス浄化方法において、ポスト噴射又は排気管内直接燃料噴射による排気管内への燃料供給の際に、前記フィルタ温度指標温度が、前記第１閾値より高くなってから、前記第１閾値より低い第２閾値より低くなったときには、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過させる排気ガスの流量を増加すると共に、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過した排気ガスの内で、前記下流側排気ガス処理ユニットを通過させる排気ガスの流量を増加するように構成する。

この第２閾値は、ＰＭ再生処理過程でＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦのフィルタの溶損を防止しつつ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の脱硫処理とフィルタのＰＭ再生処理をするための温度制御に使用する温度であり、フィルタ温度指標温度に対応して決まる温度である。具体的には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が脱硫可能な温度（例えば、７００℃付近）で、かつ、フィルタがＰＭ燃焼可能な温度（例えば、６５０℃付近）に同時到達できる温度の下限値（フィルタの入口側の排気ガスの温度に対応する温度としては、例えば、４５０℃）として設定される。

この方法によれば、排気ガスのフィルタへの流入流量を抑制することにより、フィルタ温度が低下するが、低下し過ぎるとＰＭの燃焼除去処理が停止するので、これを避けるため、フィルタ温度が下がりそうな場合には、再びフィルタに流入する排気ガスの流量を増加することができる。

つまり、排気ガスの流量の調整により、フィルタに流入する酸素量を調整して、ＰＭとの燃焼反応速度を調整する。排気ガスの流量の減少により、フィルタ温度は低下するが、低下し過ぎるとＰＭ燃焼除去処理が停止するので、この停止を回避するために、フィルタ温度指標温度が第２閾値より低くなると、再び排気ガスの流量を増加する。

なお、第１閾値と第２閾値に関しては、ポスト噴射又は排気管内直接燃料噴射による排気管内への燃料供給の際に、下流側排気ガス浄化ユニットのフィルタ温度を制御するために、上限値としての第１閾値と下限値としての第２閾値を用いる。フィルタ温度指標温度は、フィルタ温度を指標する排気ガス温度センサ等の検出値を用いるので、必ずしもフィルタ温度と一致するわけではなく、フィルタ温度指標温度は実際のフィルタ温度に対応する温度となる。

そのため、フィルタ温度指標温度が、第１閾値や第２閾値に到達したときに、第１流量制御弁と第２流量制御弁を使用して、フィルタに流入する排気ガスの流量を調整するわけであるが、制御対象が温度であるため、制御動作に対する応答遅れが発生し、この応答遅れの時間の間に上昇したり、下降したりしてしまう。従って、その応答遅れ分の温度分を見込んで第１閾値と第２閾値を設定することになる。

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、内燃機関の排気通路に上流側から順にＮＯｘ吸蔵還元型触媒とＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムにおいて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置と触媒付きＤＰＦ装置にそれぞれ流入する排気ガスの流量調整を行うことができるように構成したので、内燃機関に対する排気圧力の上昇による乗り心地性（ドライバビリティ）を悪化することなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦを通過する排気ガスの流量を低減することができる。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒を通過した排気ガスの内で、ＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦへ流入する排気ガスの流量を低減することにより、ＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦへの酸素供給量を減少して、過熱状態になることを防止しつつ、ＰＭ再生時のフィルタ温度を適温に維持しながら、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の脱硫制御とＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦのＰＭ再生処理とを同時に並行して行うことができる。これにより、脱硫処理とフィルタのＰＭ再生処理の処理時間の低減と燃費の低減が可能となる。

また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒及びフィルタを通過する排気ガスの流量を抑制して、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒及びＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦから排気ガスへの放熱量を低減することができるので、これらの装置の保温と、これらの保温に伴う燃費の低減が可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、触媒付きＤＰＦを用いて説明しているが、本発明は触媒付きＤＰＦの代わりに、触媒を担持していないＤＰＦを用いる排気ガス浄化システムも適用できる。

図１に、本発明に係る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は、エンジン（内燃機関）１０の排気通路１６に排気ガス浄化装置１８を備えて構成される。

この排気ガス浄化システム１のエンジン１０は、吸気マニホールド１０ａに接続される吸気通路１１に吸入吸気量センサ１２（ＭＡＦセンサ）とターボチャージャ１３のコンプレッサ１３ａとインタークーラ１４と吸気弁（インテークスロットル）１５を備えている。さらに、排気マニホールド１０ｂに接続される排気通路１６に、ターボチャージャ１３のタービン１３ｂと、排気管内に直接燃料を噴射するための燃料噴射装置１７と排気ガス浄化装置１８を備えている。更に、排気マニホールド１０ｂと吸気マニホールド１０ａを接続するＥＧＲ通路１９には、ＥＧＲクーラー２０とＥＧＲ弁２１を備えている。

排気ガス浄化装置１８は、図１の構成では、酸化触媒装置（ＤＯＣ）１８ａ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置（ＬＮＴ）１８ｂ、触媒付きＤＰＦ装置（ＣＳＦ）１８ｃで構成されている。この排気ガス浄化装置１８では、排気ガスＧの浄化性能を維持するために、担持している触媒の温度を触媒活性化温度以上のある程度の温度まで上昇させる必要がある。
酸化触媒装置１８ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成される。この酸化触媒は、排気ガス中のＨＣやＣＯを酸化して排気ガスを浄化する役割と、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生の際にＮＯｘの還元剤として供給される燃料の一部を酸化して排気ガスの温度を昇温する役割とを持っている。

ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂは、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持して形成され、酸素過剰な排気ガス中のＮＯを酸化して硝酸塩として触媒上に吸着させて、ＮＯｘを浄化する。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスがリーン空燃比では、ＮＯｘを吸蔵し、リッチ空燃比では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを還元雰囲気中で還元して、ＮＯｘを低減する。

触媒付きＤＰＦ装置１８ｃは、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を備えた触媒付きＤＰＦで構成される。この触媒付きＤＰＦは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネ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ウォールフロータイプのフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。

この触媒付きＤＰＦにより、排気ガス中のＰＭは、多孔質のセラミックの壁で捕集される。このＰＭの捕集量が増加した場合には、排気ガス中に燃料を噴射して、この燃料を酸化触媒により酸化して排気ガスの温度を高めて、この高温の排気ガスにより触媒付きＤＰＦをＰＭの燃焼開始温度まで上昇させて、捕集されたＰＭを強制的に燃焼除去して、触媒付きＤＰＦのＰＭ再生を行う。

本発明では、排気ガス浄化装置１８においては、酸化触媒装置１８ａとＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂとで、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた上流側排気ガス処理ユニットを構成し、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃで触媒付きＤＰＦを備えた下流側排気ガス処理ユニットを構成する。

そして、排気ガス浄化装置１８は、排気通路１６に第１バイパス通路Ｒ１を設け、この第１バイパス通路Ｒ１に上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂと下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを上流側から順に設けて構成される。更に、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂの下流側で、かつ、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃの上流側の第１バイパス通路Ｒ１と排気通路１６を接続する第２バイパス通路Ｒ２を設ける。この第２バイパス通路Ｒ２が第１バイパス通路Ｒ１と分岐する部分に第１流量制御弁１８ｄを設け、第２バイパス通路Ｒ２が排気通路１６に合流する部分に第２流量制御弁１８ｅを設ける。

この第１流量調整弁１８ｄは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂを通過した排気ガスＧ１の流量の全部又は一部が触媒付きＤＰＦ装置１８ｃに流入できるように弁開度を調整可能に構成される。また、第２流量調整弁１８ｅは、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃを迂回した排気ガスＧ３（図２参照）が大気に放出するための開放弁となるように構成される。

つまり、第１流量制御弁１８ｄと第２流量制御弁１８ｅの弁開度の調整により、図１及び図２に示すように、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過する排気ガスＧ１の流量と、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過した排気ガスＧ１の内で、更に下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを通過する排気ガスＧ２の流量とを調整可能に構成する。

更に、図１に示すように、排気ガスＧの温度を測定するために、排気ガス浄化装置１８の入口に第１温度センサ２２が、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂの出口側である、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃの入口に、第２温度センサ２３が配設される。また、排気ガス浄化装置１８の出口に第３温度センサ２４とλ（空気過剰率）センサ２５が配設される。

この第１温度センサ２２で検出された温度Ｔｇ１が、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｃの触媒温度の制御に必要な温度を検出するための温度となり、第２温度センサ２３で検出された温度Ｔｇ２が、排気ガスの第１流量制御弁１８ｄ、１８ｅの弁開度の制御に必要な温度を検出するための温度となる。また、第３温度センサ２４で検出された温度Ｔｇ３が排気ガス浄化装置１８の異常高温を検出するための温度となる。また、λセンサ２５で検出された空気過剰率（又は空燃比、酸素濃度）が、リーン空燃比制御やリッチ空燃比制御に使用される。

これらのセンサ２２、２３、２４、２５等の測定値とエンジン１０の運転制御に必要なデータを入力してエンジンの運転状態と排気ガス浄化システム１の排気ガス浄化制御や再生制御を行う制御装置（図示しない）が設けられている。この制御装置はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置であり、本発明の排気ガス浄化方法に関する制御では、エンジン１０からのデータと吸入空気量センサ１２等の検出値に基づいて、吸気弁１５、排気管内直接燃料噴射用の燃料噴射装置１７、第１流量制御弁１８ｄ、第２流量制御弁１８ｅ、ＥＧＲ弁２２等を制御する。

なお、燃料噴射装置１７は、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃのＰＭ再生用だけでなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂのＮＯｘ再生処理用や脱硫処理用に使用され、更に、排気ガスの昇温用だけでなく、排気ガス中の酸素濃度を調整する空燃比制御にも使用される。

この構成の排気ガス浄化システム１によれば、比較的簡単な構成で、第１流量調整制御弁１８ｄにより上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過する排気ガスＧ１の流量を調整でき、第２流量調整制御弁１８ｅにより下流側排気ガス処理ユニット１８ｄを通過する排気ガスＧ２の流量を調整できる。

従って、この構成によって、排気ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の流量調整を行うことにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂを通過する排気ガスＧ１の流量と、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂを通過した排気ガスＧ１の内で触媒付きＤＰＦ装置１８ｃへ流入する排気ガスＧ２の流量を調整して、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃへの酸素供給量と、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃからの放熱量を調整してＰＭ再生温度を適温に維持できる。そのため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂの脱硫制御と触媒付きＤＰＦ装置１８ｃのＰＭ再生処理とを同時に並行して効率よく行うことができる。特に、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃが過熱されるのを防止することができ、この過熱による触媒付きＤＰＦ装置１８ｃのフィルタの溶損を回避できる。

次に、上記の構成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、図３の脱硫処理及びＰＭ再生処理の制御フローを参照しながら説明する。この図３の制御フローは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂの脱硫処理と触媒付きＤＰＦ装置１８ｃのＰＭ再生処理とを同時に行う際に上級の制御フローから繰り返し呼ばれて、実行されて、実行後に上級の制御フローに戻るものとして示してある。

この排気ガス浄化方法では、フィルタ温度指標温度Ｔｃと第１閾値Ｔ１と第２閾値Ｔ２を用いる。このフィルタ温度指標温度Ｔｃは、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃのフィルタの温度を直接計測できる場合にはこの測定した温度であるが、一般的にフィルタ温度を直接測定することは難しいため、フィルタに流入する排気ガス温度、言い換えれば、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃの入口側に設けた第２温度センサ（排気ガス温度センサ）２３で検出される排気ガス温度Ｔｇ２で代用する。このフィルタ温度指標温度Ｔｃは、フィルタ温度と対応する温度であれば良いので、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃの出口側に設けた第３温度センサ（排気ガス温度センサ）２４で検出される排気ガス温度Ｔｇ３で代用してもよい。

また、第１閾値Ｔ１は、ＰＭ再生処理過程で触媒付きＤＰＦ装置１８ｃのフィルタの溶損を防止しつつ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂの脱硫処理とフィルタのＰＭ再生処理をするための温度制御に使用する温度であり、フィルタ温度指標温度Ｔｃに対応して決まる温度である。具体的には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒における脱硫可能な温度（例えば、７００℃付近）と、かつ、フィルタにおけるＰＭの燃焼が可能な温度（例えば、６００℃付近）に同時到達できる温度の上限値（フィルタの入口側の排気ガスの温度Ｔｇ２に対応する温度としては、例えば、５００℃）として設定される。

また、第２閾値は、ＰＭ再生処理過程で触媒付きＤＰＦ装置１８ｃのフィルタの溶損を防止しつつ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂの脱硫処理とフィルタのＰＭ再生処理をするための温度制御に使用する温度であり、フィルタ温度指標温度Ｔｃに対応して決まる温度である。具体的には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が脱硫可能な温度（例えば、７００℃付近）に、かつ、フィルタがＰＭ燃焼可能な温度（例えば、６５０℃付近）に同時到達できる温度の下限値（フィルタの入口側の排気ガスの温度Ｔｇ２に対応する温度としては、例えば、４５０℃）として設定される。

この排気ガス浄化方法を実施するための図３の制御フローでは、脱硫処理とＰＭ再生処理を行う場合に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、シリンダ内の燃料噴射制御におけるポスト噴射、又は、燃料噴射装置１７による排気通路１６内へ燃料を供給する。それと共に、脱硫処理とＰＭ再生処理の継続時間Ｔｉをリセットする。 この際に、次のステップＳ１２で、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃのフィルタの温度を指標するフィルタ温度指標温度Ｔｃを判定する。この判定でフィルタ温度指標温度Ｔｃが第１閾値Ｔ１以下（ＮＯ）のときには、ステップＳ１３で、図１に示すように、第１流量制御弁１８ｄを閉弁制御して第２バイパス通路Ｒ２を全閉すると共に、第２流量制御弁１８ｅを閉弁制御して第２バイパス通路Ｒ２の下流側の排気通路１６を全閉する。その後、ステップＳ１２に戻る。

これにより、排気ガスＧの全部を、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂと下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを通過させる（Ｇ１＝Ｇ２＝Ｇ）。その後、ステップＳ１２に戻り、フィルタ温度指標温度Ｔｃが第１閾値Ｔ１より高く（ＹＥＳ）なるまで、ステップＳ１３を繰り返す。

また、ステップＳ１２で、フィルタ温度指標温度Ｔｃが第１閾値Ｔ１より高い（ＹＥＳ）ときには、ステップＳ１４で、図２に示すように、第１流量制御弁１８ｄを第１弁開度θ１まで開弁制御して第２バイパス通路Ｒ２を開くと共に、第２流量制御弁１８ｅを第２弁開度θ２まで開弁制御して第２バイパス通路Ｒ２の下流側の排気通路１６を開く。それと共に、脱硫処理とＰＭ再生処理の継続時間Ｔｉをカウントする。その後、ステップＳ１５に行く。

これにより、排気ガスＧの一部の排気ガスＧ４を、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂと下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを迂回させて、残りの排気ガスＧ１を上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過させる。それと共に、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過した排気ガスＧ１の内の一部の排気ガスＧ３を、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを迂回させて、残りの排気ガスＧ２を下流側排気ガス処理ユニット１８ｃに流入させる（Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ４，Ｇ１＝Ｇ２＋Ｇ３）。

このステップＳ１４によれば、フィルタ温度指標温度Ｔｃが第１閾値Ｔ１を超えたときには下流側排気ガス処理ユニット１８ｃに流入する排気ガスＧ２の流量を減少するので、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃに流入する排気ガスＧ１中の酸素量が減少してＰＭの燃料反応速度が低下する。これにより、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃが過熱状態になるのが回避される。

また、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂに流入する排気ガスＧ１の流量が減少するので、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂからの放熱量が減少する。更に、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃへ流入する排気ガスＧ２の流量が減少するので、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃからの放熱量が減少する。また、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃへの酸素供給量が減少するので、フィルタが過熱されるのを回避でき、ＰＭ再生温度が適温に維持され、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の脱硫制御とＤＰＦ又は触媒付きＤＰＦのＰＭ再生処理とを同時に並行して効率よく行うことができる。

ステップＳ１５では、脱硫処理とＰＭ再生処理が終了したか否かを判定し、終了した場合はリターンに行く。終了していない場合はステップＳ１６に行く。この終了の判定は、脱硫処理とＰＭ再生処理の継続時間Ｔｉが予め設定した終了用判定時間Ｔｉｃを超えたか否かで判定する。

ステップＳ１６では、フィルタ温度指標温度Ｔｃを判定し、フィルタ温度指標温度Ｔｃが第１閾値Ｔ１より低い第２閾値Ｔ２より低くなったか否かを判定する。そして、フィルタ温度指標温度Ｔｃが第２閾値Ｔ２より高い（ＮＯ）間は、ステップＳ１４に戻る。また、フィルタ温度指標温度Ｔｃが第２閾値Ｔ２より低くなった（ＹＥＳ）ときには、ステップＳ１７で、第１流量制御弁１８ｄを第３弁開度θ３（＜θ１）まで閉弁制御して第２バイパス通路Ｒ２をやや閉じると共に、第２流量制御弁１８ｅを第４弁開度θ４（＜θ２）まで閉弁制御して第２バイパス通路Ｒ２の下流側の排気通路１６をやや閉じる。それと共に、脱硫処理とＰＭ再生処理の継続時間Ｔｉをカウントする。その後、ステップＳ１８に行く。

これにより、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過させる排気ガスＧ１の流量を増加すると共に、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過した排気ガスＧ１の内で、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを通過させる排気ガスＧ２の流量を増加する。

このステップＳ１７によれば、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃのフィルタの温度が下がりそうな場合には、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃに流入する排気ガスＧ２の流量を増加することができ、フィルタの温度が低下し過ぎて下流側排気ガス処理ユニット１８ｃにおけるＰＭの燃焼除去処理が停止するのを回避できる。

ステップＳ１８では、ステップＳ１５と同様に、脱硫処理とＰＭ再生処理が終了したか否かを判定し、終了した場合はリターンに行く。終了していない場合はステップＳ１９に行く。この終了の判定は、脱硫処理とＰＭ再生処理の継続時間Ｔｉが予め設定した終了用判定時間Ｔｉｃを超えたか否かで判定する。

次のステップＳ１９では、ステップＳ１２と同様に、フィルタ温度指標温度Ｔｃを判定する。この判定でフィルタ温度指標温度Ｔｃが第１閾値Ｔ１以下（ＮＯ）のときには、ステップＳ１７に行く。また、この判定でフィルタ温度指標温度Ｔｃが第１閾値Ｔ１より高い（ＹＥＳ）のときには、ステップＳ１４に行く。

そして、図３の制御フローで、脱硫処理とＰＭ再生処理を終了してリターンに行くと、上級の制御フローに戻り、第１流量制御弁１８ｄと第２流量制御弁１８ｅとは両方とも、通常運転で使用される全閉状態にされる。そして、次の脱硫処理とＰＭ再生処理の開始まで待って、開始になると、再度、上級の制御フローからこの図３の制御フローが呼ばれて実行される。

この図３の制御フローに基づく排気ガス浄化方法によれば、上記の排気ガス浄化システム１において、ポスト噴射又は排気管内直接燃料噴射による排気管内への燃料供給の際に、触媒付きＤＰＦのフィルタの温度を指標するフィルタ温度指標温度Ｔｃが第１閾値Ｔ１を越えるまでは、排気ガスＧの全部を、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂと下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを通過させ、フィルタ温度指標温度Ｔｃが第１閾値Ｔ１を越えたときには、排気ガスＧの一部Ｇ４を、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂと下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを迂回させると共に、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過した排気ガスＧ１の内の一部Ｇ３を、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを迂回させることができる。

また、ポスト噴射又は排気管内直接燃料噴射による排気管内への燃料供給の際に、フィルタ温度指標温度Ｔｃが、第１閾値Ｔ１より高くなってから、第１閾値Ｔ１より低い第２閾値Ｔ２より低くなったときには、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過させる排気ガスＧ１の流量を増加すると共に、上流側排気ガス処理ユニット１８ａ，１８ｂを通過した排気ガスＧ１の内で、下流側排気ガス処理ユニット１８ｃを通過させる排気ガスＧ２の流量を増加することができる。

更に、脱硫処理とＰＭ再生処理の継続時間Ｔｉが予め設定した終了用判定時間Ｔｉｃを超えた場合に脱硫処理とＰＭ再生処理を終了することができる。

この図３の制御フローでは、図４に示すように、フィルタ温度指標温度Ｔｃが、第１閾値Ｔ１より高くなってから、第２閾値Ｔ２より低くなるまでは、第１流量制御弁１８ｄを第１弁開度θ１に維持し、第２流量制御弁１８ｅを第２弁開度θ２に維持し、また、フィルタ温度指標温度Ｔｃが、第１閾値Ｔ２より低くなってから、再度、第１閾値Ｔ１より高くなるまでは、第１流量制御弁１８ｄを第３弁開度θ３に維持し、第２流量制御弁１８ｅを第４弁開度θ４に維持する。

そして、上記の排気ガス浄化システム１及び排気ガス浄化方法によれば、エンジン１０の排気通路１６に上流側から順にＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂと触媒付きＤＰＦ装置１８ｃを備えた排気ガス浄化システム１において、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂと触媒付きＤＰＦ装置１８ｃにそれぞれ流入する排気ガスＧ１，Ｇ２の流量調整を行うことができるように構成したので、エンジン１０に対する排気圧力の上昇による乗り心地性（ドライバビリティ）を悪化することなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂや触媒付きＤＰＦ装置１８ｃを通過する排気ガスＧ１，Ｇ２の流量を低減することができる。

また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂを通過した排気ガスＧ１の内で、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃへ流入する排気ガスＧ２の流量を低減することにより、触媒付きＤＰＦ装置１８ｃへの酸素供給量を減少して、過熱状態になることを防止しつつ、ＰＭ再生時のフィルタ温度を適温に維持しながら、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂの脱硫制御と触媒付きＤＰＦ装置１８ｃのＰＭ再生処理とを同時に並行して行うことができる。これにより、脱硫処理とフィルタのＰＭ再生処理の処理時間の低減と燃費の低減が可能となる。

また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂ及び触媒付きＤＰＦ装置１８ｃのフィルタを通過する排気ガスＧ１，Ｇ２の流量を抑制して、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置１８ｂ及び触媒付きＤＰＦ装置１８ｃから排気ガスＧへの放熱量を低減することができるので、これらの装置１８ｂ，１８ｃの保温と、これらの保温に伴う燃費の低減が可能となる。

本発明の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。 排気ガス浄化装置の第１流量調整弁と第２流量調整弁の状態と排気ガスの流れの状態を模式的に示す図である。 本発明の排気ガス浄化方法の制御フローの一例を示す図である。 本発明の排気ガス浄化方法による制御での時系列と第１流量調整弁と第２流量調整弁の弁開度の一例を示す図である。

符号の説明

１ 排気ガス浄化システム
１０ エンジン（内燃機関）
１６ 排気通路
１７ 燃料噴射装置
１８ 排気ガス浄化装置
１８ａ 酸化触媒装置（ＤＯＣ）（上流側排気ガス処理ユニット）
１８ｂ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置（ＬＮＴ）（上流側排気ガス処理ユニット）
１８ｃ 触媒付きＤＰＦ装置（ＣＳＦ）（下流側排気ガス処理ユニット）
１８ｄ 第１流量制御弁
１８ｅ 第２流量制御弁
２２ 第１温度センサ
２３ 第２温度センサ
Ｇ 排気ガス
Ｇ１ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置を通過する排気ガス
Ｇ２ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置を通過し、かつ、触媒付きＤＰＦ装置を通過する排気ガス
Ｇ３ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置を通過し、かつ、触媒付きＤＰＦ装置を迂回する排気ガス
Ｇ４ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置と触媒付きＤＰＦ装置の両方を迂回する排気ガス
Ｒ１ 第１バイパス通路
Ｒ２ 第２バイパス通路
Ｔｃ フィルタ温度指標温度
Ｔ１ 第１閾値
Ｔ２ 第２閾値
θ１ 第１弁開度
θ２ 第２弁開度
θ３ 第３弁開度
θ４ 第４弁開度

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた上流側排気ガス処理ユニットと、ディーゼルパティキュレートフィルタ又は触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタを備えた下流側排気ガス処理ユニットを設け、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過する排気ガスの流量と、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過した排気ガスの内で、更に前記下流側排気ガス処理ユニットを通過する排気ガスの流量とを調整可能にしたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
2. 前記排気通路に第１バイパス通路を設け、該第１バイパス通路に前記上流側排気ガス処理ユニットと前記下流側排気ガス処理ユニットを上流側から順に設けて、更に、前記上流側排気ガス処理ユニットの下流側で、かつ、前記下流側排気ガス処理ユニットの上流側の前記第１バイパス通路と前記排気通路を接続する第２バイパス通路を設け、該第２バイパス通路が前記第１バイパス通路と分岐する部分に第１流量制御弁を設け、前記第２バイパス通路が前記排気通路に合流する部分に第２流量制御弁を設けた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. ポスト噴射又は排気管内直接燃料噴射による排気管内への燃料供給の際に、
   前記ディーゼルパティキュレートフィルタ又は前記触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタのフィルタの温度を指標するフィルタ温度指標温度が第１閾値を超えるまでは、排気ガスの全部を、前記上流側排気ガス処理ユニットと前記下流側排気ガス処理ユニットを通過させ、
   前記フィルタ温度指標温度が前記第１閾値を越えたときには、排気ガスの一部を、前記上流側排気ガス処理ユニットと前記下流側排気ガス処理ユニットを迂回させると共に、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過した排気ガスの内の一部を、下流側排気ガス処理ユニットを迂回させることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。
4. 請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システムにおいて、ポスト噴射又は排気管内直接燃料噴射による排気管内への燃料供給の際に、
   前記ディーゼルパティキュレートフィルタ又は前記触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタのフィルタの温度を指標するフィルタ温度指標温度が第１閾値を超えるまでは、排気ガスの全部を、前記上流側排気ガス処理ユニットと前記下流側排気ガス処理ユニットを通過させ、
   前記フィルタ温度指標温度が前記第１閾値を越えたときには、排気ガスの一部を、前記上流側排気ガス処理ユニットと前記下流側排気ガス処理ユニットを迂回させると共に、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過した排気ガスの内の一部を、下流側排気ガス処理ユニットを迂回させることを特徴とする排気ガス浄化方法。
5. ポスト噴射又は排気管内直接燃料噴射による排気管内への燃料供給の際に、
   前記フィルタ温度指標温度が、前記第１閾値より高くなってから、前記第１閾値より低い第２閾値より低くなったときには、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過させる排気ガスの流量を増加すると共に、前記上流側排気ガス処理ユニットを通過した排気ガスの内で、前記下流側排気ガス処理ユニットを通過させる排気ガスの流量を増加することを特徴とする請求項４記載の排気ガス浄化方法。

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