JP4735341B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジン(以下「エンジン」という。)1の構成を示している。このエンジン1は、車載型の直噴ディーゼルエンジンであり、図示しない燃料ポンプからコモンレール22を介して燃料が供給され、燃料噴射弁21により筒内に燃料が直接噴射される。
図3は、再生処理に関する基本ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、キースイッチの操作による電源のオンにより起動され、その後所定の時間毎に実行される。
S101では、アクセル開度APO、エンジン回転数NE、触媒温度Tnox及びフィルタ温度Tdpf等の各種の運転状態を読み込む。本実施形態では、触媒温度センサ54及びフィルタ温度センサ55をNOxトラップ触媒33及びディーゼルパティキュレートフィルタ34の各ケースを側面から貫通させて設置している。
S104では、触媒脱硫再生フラグFdesulが0であるか否かを判定する。Fdesulも通常は0に設定されており、NOxトラップ触媒33に蓄積している硫黄分を放出させる(すなわち、NOxトラップ触媒33の硫黄分による被毒を解除する)必要がある触媒脱硫再生時に1に設定される。Fdesulが0であるときは、S105へ進み、1であるときは、後述する触媒脱硫再生ルーチン(図5)へ進む。
S108では、S被毒量SOXが、NOxトラップ触媒33の限界被毒量として設定された所定の値SOX1に達しているか否かを判定する。達しているときは、S109へ進み、達していないときは、S110へ進む。S被毒量SOXは、NOxトラップ触媒33の硫黄分による被毒の進行度合いを示すものであり、NOxトラップ量NOXと同様にエンジン回転数NE等に基づいて演算周期毎の硫黄分吸収量を算出し、これを積算することにより検出する。硫黄分による被毒の進行度合いは、このように運転状態に基づいて算出するほか、NOxトラップ触媒33の下流に排気中のNOxの濃度を検出するNOxセンサを設置し、このNOxセンサの出力に基づいて判定することもできる。
S110では、パティキュレート堆積量PMが、ディーゼルパティキュレートフィルタ34の限界堆積量として設定された所定の値PM1に達しているか否かを判定する。達しているときは、S111へ進み、達していないときは、このルーチンをリターンする。パティキュレート堆積量PMは、ディーゼルパティキュレートフィルタ34に堆積しているパティキュレートの量である。パティキュレート堆積量PMは、演算周期毎のパティキュレート堆積量を積算することで検出してもよいが、本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ34の入口圧力(ここでは、排気圧力Texhを採用する。)に基づいて推定する。燃料噴射量等に基づいてパティキュレートの未堆積時における基準排気圧力を算出し、排気圧力Texhがこの基準排気圧力よりも大きいときほどパティキュレート堆積量PMが大きいものと推定することができる。
図4は、触媒再生ルーチンのフローチャートである。
S201では、排気の空燃比λを理論値よりも低い所定の値に調整する。ここでの空燃比λの調整は、吸気絞り弁14により吸入空気量を減少させることによる。これによりNOxトラップ触媒33が還元雰囲気下に置かれ、NOxトラップ触媒33からNOxが放出され、浄化される。
S203では、触媒再生フラグFrspを0に設定する。
図5は、触媒脱硫再生ルーチンのフローチャートである。本実施形態では、NOxトラップ触媒33の脱硫再生に際し、理論値よりも若干高い空燃比λのもとで排気の温度を上昇させて、上流のディーゼルパティキュレートフィルタ32におけるパティキュレートの燃焼を促進し、発生した熱を利用して排気の温度を更に上昇させる。排気の昇温は、出力形成のための通常の燃料噴射とは別に、膨張行程中に追加の燃料噴射(以下「二次噴射」という。)を行うことにより、また、空燃比λの調整のため、吸気絞り弁14により吸入空気量を減少させる。二次噴射により排気中の還元成分を増加させるとともに、燃料の後燃えを生じさせ、エンジン1から排出される際の排気の温度を400℃程度にまで上昇させる。これにより上流のディーゼルパティキュレートフィルタ32において、堆積しているパティキュレート(燃焼促進剤の作用によりその量は本来的に少ない。)を燃焼させるとともに、排気中の燃料を燃焼させることで、排気の温度を更に上昇させ、NOxトラップ触媒33をこの高温の排気により脱硫可能温度(たとえば、600℃)にまで加熱する。NOxトラップ触媒33を脱硫可能温度にまで加熱した時点で空燃比λを更に低下させて理論値に切り換え、蓄積している硫黄分を放出させる。
S302では、触媒温度Tnoxが脱硫上限温度として設定された所定の値T12以下であるか否かを判定する。T12以下であるときは、S303へ進み、T12を上回るときは、S308へ進む。
S305では、触媒脱硫再生フラグFdesulを0に設定する。
S307では、NOxトラップ量NOXを0に設定する。
S308では、触媒温度Tnoxが限界加熱温度として設定された所定の値T13(>T12)以下であるか否かを判定する。T13以下であるときは、S309へ進み、T13を上回るときは、このルーチンを終了する。限界加熱温度を超えてNOxトラップ触媒33を加熱すると、過剰な熱負荷により永久劣化、延いては破損を来すため、このルーチンを一旦終了し、NOxトラップ触媒33を冷却するのである。
S310では、二次噴射の時期を遅角させて排気の温度を上昇させる。
なお、この触媒脱硫再生ルーチンでは、脱硫再生に際して上流のディーゼルパティキュレートフィルタ32に堆積しているパティキュレートの量を検出し、再生可能なほどの量のパティキュレートが堆積している場合とそれ以外の場合とで、通常時からの排気の昇温代を異ならせてもよい。すなわち、上流のディーゼルパティキュレートフィルタ32でパティキュレートの燃焼による昇温作用が得られる場合は、排気の温度を比較的に低い温度(たとえば、400℃)にまで上昇させる一方、この昇温作用が得られない場合は、排気の温度をより高い温度(たとえば、600℃)にまで上昇させるのである。この昇温代の切換えは、たとえば、脱硫下限温度としての所定の値T11の切換えによる。
S401では、排気の空燃比λを理論値よりも若干高い値に調整する。ディーゼルパティキュレートフィルタ34の再生には、パティキュレートの燃焼可能温度(たとえば、600℃)にまでこのフィルタ34を加熱する必要があることから、ここでの空燃比λの調整は、二次噴射により燃料の後燃えを生じさせるとともに、フィルタ34に対する酸素の過剰供給回避のため、吸気絞り弁14により吸入空気量を減少させることによる。二次噴射により排気の温度が上昇するとともに、上流のディーゼルパティキュレートフィルタ32での燃焼によりその温度が更に上昇するため、ディーゼルパティキュレートフィルタ34には、充分に高温の排気が流入する。
S403では、フィルタ温度Tdpfが再生上限温度として設定された所定の値T22以下であるか否かを判定する。T22以下であるときは、S404へ進み、T22を上回るときは、S407へ進む。
S405では、フィルタ再生フラグFregを0に設定する。
S407では、フィルタ温度Tdpfが限界加熱温度として設定された所定の値T23(>T22)以下であるか否かを判定する。T23以下であるときは、S408へ進み、T23を上回るときは、このルーチンを終了する。限界加熱温度を超えてディーゼルパティキュレートフィルタ34を加熱すると、過剰な熱負荷によりフィルタエレメント321に破損を来すためである。
S409では、二次噴射の時期を遅角させて排気の温度を上昇させる。
なお、本実施形態において、ディーゼルパティキュレートフィルタ34の再生と、NOxトラップ触媒33の脱硫再生とを同時に行う必要が生じた場合は、エンジン1の運転状態に応じていずれの再生を優先すべきかを決定すればよい。すなわち、エンジン1がNOx排出量の多い領域で運転している場合は、図6のフィルタ再生ルーチンを優先して行う一方、それ以外の場合は、図5の触媒脱硫再生ルーチンを優先して行うのである。
すなわち、本実施形態では、上流及び下流の両ディーゼルパティキュレートフィルタ32,34により排気中のパティキュレートを確実に除去するとともに、NOxトラップ触媒33により排気中のNOxを除去することができる。本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ32,34を2段に設置し、かつ上流のディーゼルパティキュレートフィルタ32に燃焼促進剤を担持させたことで、上流のディーゼルパティキュレートフィルタ32により下流のディーゼルパティキュレートフィルタ34へのパティキュレートの堆積を抑制しつつ、上流のディーゼルパティキュレートフィルタ32を比較的に低い温度のもとで連続的に再生させることができる。このため、下流のディーゼルパティキュレートフィルタ34の再生時堆積量(=PM1)を、その再生頻度を抑えつつ減少させることができ、再生時堆積量の減少によりディーゼルパティキュレートフィルタ34への熱負荷を軽減するとともに、再生頻度の低減によりNOxトラップ触媒33への熱負荷を軽減することができる。また、再生頻度が低減されることで、再生時における偶発的な酸素の過剰供給によるディーゼルパティキュレートフィルタ34の破損の可能性を低減することができる。図7は、再生前後に亘るパティキュレート堆積量PMの変化を示しており、本実施形態に係る2段のディーゼルパティキュレートフィルタ32,34による場合の、下流のディーゼルパティキュレートフィルタ34におけるパティキュレート堆積量PMを実線Aで、比較例として燃焼促進剤を担持させていない1つのディーゼルパティキュレートフィルタのみによる場合のものを二点鎖線Bで示している。本実施形態によれば、下流のディーゼルパティキュレートフィルタ34へのパティキュレートの堆積が抑制されるので、再生時堆積量(=PM1)を一定とした場合に、このフィルタ34の再生周期INT1を広げ、再生頻度を低減させることができる(図7(a))。他方、本実施形態によれば、再生時堆積量を減少させることができ、かつこの効果を再生の頻繁を回避しつつ得ることができる(同図(b))。
また、上流のディーゼルパティキュレートフィルタ32の熱容量を、下流のディーゼルパティキュレートフィルタ34の熱容量よりも小さくすることで、再生に際してパティキュレートの酸化熱による排気の昇温効果を速やかに得て、再生対象の浄化デバイスを目標温度にまで速やかに加熱することができる。
また、第1のパティキュレートフィルタに担持させる燃焼促進剤には、酸化セリウム以外に遷移金属全般を採用することができ、そのうち特に好ましいものは、酸化プラセオジウム、銅、アルミニウム又は鉄である。
Claims (6)
- エンジンの排気通路に設置されて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であって、排気中の酸素を吸収するとともに、吸収した酸素を放出して、捕集されたパティキュレートの燃焼を促進する燃焼促進剤を担持させた第1のパティキュレートフィルタと、
前記第1のパティキュレートフィルタの下流で前記排気通路に設置され、前記第1のパティキュレートフィルタを通過した排気中のパティキュレートを捕集する第2のパティキュレートフィルタと、
前記第1のパティキュレートフィルタの下流で前記排気通路に設置され、排気の空燃比が理論値よりも高い第1の空燃比であるときに、排気中のNOxをトラップする一方、排気の空燃比が前記第1の空燃比よりも低い第2の空燃比であるときに、トラップしているNOxを放出して、これを還元させるNOxトラップ触媒と
を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。 - 前記NOxトラップ触媒の硫黄分による被毒の進行度合いをS被毒量として検出するS被毒量検出手段と、
前記S被毒量検出手段により検出されたS被毒量が所定の進行度合いを示すときに、燃料の二次供給により前記第1のパティキュレートフィルタに流入する排気の温度を上昇させて、前記NOxトラップ触媒の温度を、この触媒から前記硫黄分を脱離させるための目標温度に上昇させる触媒脱硫再生手段と、を更に含んで構成される請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。 - 前記第2のパティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレートの量をパティキュレート堆積量として検出するパティキュレート堆積量検出手段と、
前記パティキュレート堆積量検出手段により検出されたパティキュレート堆積量が所定の値に達しているときに、燃料の二次供給により前記第1パティキュレートフィルタに流入する排気の温度を上昇させて、前記第2のパティキュレートフィルタの温度を、このフィルタが捕集しているパティキュレートを燃焼させるための目標温度に上昇させるフィルタ再生手段と、を更に含んで構成される請求項1または2に記載のエンジンの排気浄化装置。 - 前記第1及び第2のパティキュレートフィルタは、いずれも多孔質材料からなるフィルタエレメントを含んで構成され、このフィルタエレメントにより排気をろ過してパティキュレートを捕集するものであり、かつ前記第1のパティキュレートフィルタは、前記第2のパティキュレートフィルタよりもフィルタエレメントの細孔径が大きい請求項1〜3のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記第1のパティキュレートフィルタは、前記第2のパティキュレートフィルタよりも熱容量が小さい請求項1〜4のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記燃焼促進剤が酸化セリウム、酸化プラセオジウム、銅、アルミニウム又は鉄である請求項1〜5のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
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