JP4947036B2

JP4947036B2 - エンジンの排気浄化方法

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Publication number: JP4947036B2
Application number: JP2008286067A
Authority: JP
Inventors: 正嗣 ▲崎▼本; 宏菅野; 勝山本; 正一豊川; 雅司直野; 浩太松江; 力石原; 弘明石田; 大助檜垣
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: EP2060756B1; EP2060756A3; JP2009138737A; US8117833B2; US20090120068A1; EP2060756A2

Description

本発明は、エンジンの排気浄化方法及び排気浄化装置に関し、特にエンジンの排気中の窒素酸化物の低減を図る技術分野に属する。

従来、エンジンの排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術の１つとして尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。これは、エンジンの排気通路に、ＮＯｘを還元する還元触媒（ＳＣＲ触媒）を配設し、この還元触媒の上流に、排気通路内に還元剤としての尿素溶液（代表的には尿素水）を噴射するノズルを配設したもので、このノズルから排気通路内に噴射された尿素溶液中の尿素が排気の熱により熱分解又は加水分解してアンモニアが生成し、このアンモニアが還元触媒に吸着されて排気中のＮＯｘと脱硝反応を起こし、ＮＯｘを窒素（Ｎ_２）に還元する（副生成物は水（Ｈ_２Ｏ））ようにしたものである。

一方、エンジンの排気中に含まれる例えば煤等の微粒子（パティキュレート）を低減するために、エンジンの排気通路に排気中の微粒子を捕集するフィルタ（パティキュレートフィルタ）が配設されることがある。その場合、特許文献１に記載されるように、還元触媒が硫黄酸化物（ＳＯｘ）や排気微粒子等で被毒するのを防止するために、酸化触媒及びフィルタの下流に還元触媒を配設することが知られている。

特開２０００−３０３８２６（図１）

ところが、エンジンの排気通路において、フィルタの下流に、還元剤の供給を受けて排気中のＮＯｘを還元する還元触媒を配設した場合には、次のような不具合が生じ得る。

すなわち、一般に、排気通路にフィルタを配設した場合、フィルタに捕集された微粒子（捕集微粒子）の量（微粒子捕集量）が所定量以上となったときは、例えば未燃燃料の燃焼やヒータ等の使用によって捕集微粒子を燃焼除去すること（これをフィルタの再生という）が行われるが、この捕集微粒子の燃焼除去時（フィルタの再生時）には、非燃焼除去時（フィルタの非再生時）に比べて、より高温の排気が還元触媒に流入することとなり、その結果、還元触媒に含有される触媒成分の活性が低下し、還元触媒のＮＯｘ浄化率が低下し、浄化しきれなかったＮＯｘが大気中に放出されてしまう可能性があるのである。

本発明は、エンジンの排気通路においてフィルタの下流に還元触媒を配設した場合に生じ得る前記のような不具合に対処するもので、たとえフィルタに捕集された微粒子の燃焼除去時に還元触媒のＮＯｘ浄化率が低下しても、ＮＯｘの大気中への放出を回避することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明では次のような手段を用いる。なお、以下の本発明の開示において、図面又は発明の実施の形態で使用した符号を参考までに付記する。

すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、エンジン１の排気通路３に設けられて排気中の微粒子を捕集するフィルタ１２と、このフィルタ１２の下流に設けられて還元剤としての尿素水の供給を受けることにより排気中のＮＯｘを還元する還元触媒１５とを用いてエンジン１の排気を浄化する方法であって、前記フィルタ１２の微粒子捕集量が第１の所定量αより多くなるまでの間、該捕集微粒子を第１の量燃焼させ、前記還元触媒に第１の量の尿素水を供給する第１の工程と、前記フィルタ１２の微粒子捕集量が前記第１の所定量αより多くなってから第２の所定量βより少なくなるまでの間、該捕集微粒子を前記第１の量よりも多い第２の量燃焼させて前記フィルタ１２を再生すると共に、前記還元触媒１５に前記第１の量よりも多い第２の量の尿素水を供給する第２の工程とを行い、前記第１の工程では、前記フィルタ１２に第１の温度の排気を供給することにより、捕集微粒子を第１の量燃焼させ、前記第２の工程では、気筒サイクルにおける燃料供給終了時期が前記第１の工程よりも遅くなるように燃焼室に燃料を供給して、前記フィルタ１２に前記第１の温度よりも高い第２の温度の排気を供給することにより、捕集微粒子を第２の量燃焼させると共に、前記第１の工程では、前記フィルタ１２より上流の排気通路３から第１のＥＧＲ量の排気を吸気通路２に導き、前記第２の工程では、前記フィルタ１２より上流の排気通路３から前記第１のＥＧＲ量よりも少ない第２のＥＧＲ量の排気を吸気通路２に導き、かつ、前記第１の工程及び前記第２の工程では、エンジン回転数及び／又はエンジン負荷が高いほど尿素水の供給量を多くし、前記第２の工程では、還元触媒１５より上流の排気温度が高いほど尿素水の供給量を多くすることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、エンジン１の排気通路３に、排気中の微粒子を捕集するフィルタ１２と、尿素水でなる還元剤の供給を受けて排気中のＮＯｘを還元する還元触媒１５とを、上流側からこの順に配設した場合に、フィルタ１２に捕集された微粒子の燃焼除去時（フィルタ１２の微粒子捕集量が第１の所定量α以上となって捕集微粒子を第１の量よりも多い第２の量燃焼させるとき）は、非燃焼除去時（フィルタ１２の微粒子捕集量が第２の所定量βよりも少なくなった後、第１の所定量αより多くなるまでの捕集微粒子を第１の量燃焼させるとき）に比べて、還元剤の供給量を増量するようにした（還元剤についての第２の量は第１の量よりも多い）から、たとえ還元触媒１５のＮＯｘ浄化率が排気微粒子の燃焼除去に伴う排気温度の上昇により低下しても、排気中の還元剤濃度が増大することとなり、結果として、ＮＯｘ浄化率の低下が抑制されて、ＮＯｘの大気中への放出が回避されることとなる。

これにより、還元剤の消費量を過度に増大させることなく、フィルタ１２による微粒子捕集性能と還元触媒１５によるＮＯｘ浄化性能とを良好に維持することができる。

また、フィルタ１２に捕集された微粒子の燃焼除去時は、非燃焼除去時に比べて、フィルタ１２に供給する排気の温度を高くする（排気についての第２の温度は第１の温度よりも高い）ことにより、捕集微粒子を第１の量よりも多い第２の量燃焼させるようにしたから、例えばフィルタ１２を直接的に昇温するためのヒータ等の使用が省略できることとなる。

その場合に、フィルタ１２に捕集された微粒子の燃焼除去時は、非燃焼除去時に比べて、気筒サイクルにおける燃料供給終了時期を遅くすることにより、フィルタ１２に供給する排気の温度を高くするようにしたから、エンジン１から排気通路３に排出された未燃燃料が排気通路３内で燃焼されて、フィルタ１２に供給する排気の温度が確実に高くなる。

また、フィルタ１２に捕集された微粒子の燃焼除去時は、非燃焼除去時に比べて、フィルタ１２より上流の排気通路３から吸気通路２へのＥＧＲ量を少なくするようにした（第２のＥＧＲ量は第１のＥＧＲ量よりも少ない）から、捕集微粒子の燃焼除去のために排気通路３内で燃焼させるべき未燃燃料がフィルタ１２より上流の排気通路３から吸気通路２に導かれることが回避又は抑制されて、未燃燃料の燃焼によるフィルタ１２の再生が確実に行われることとなる。

しかし、一方で、ＥＧＲを停止又は低減することにより、エンジン１からのＮＯｘ排出量が増加することとなるが、還元剤の供給量を増量するようにしている（還元剤についての第２の量は第１の量よりも多い）から、たとえエンジン１からのＮＯｘ排出量が捕集微粒子の燃焼除去時に増加しても、還元剤としてのアンモニア濃度が増大することとなり、結果として、アンモニアによるＮＯｘの還元反応が十分に行われて、ＮＯｘの大気中への放出が回避されることとなる。

つまり、請求項１に記載の発明においては、フィルタ１２の再生時には、還元触媒１５のＮＯｘ浄化率が低下することと、エンジン１からのＮＯｘ排出量が増加することとの、２つの理由でＮＯｘを浄化しきれなくなる可能性がある場合であっても、ＮＯｘの大気中への放出を回避できることとなる。

さらに、請求項１に記載の発明によれば、エンジン回転数及び／又はエンジン負荷が高いほど（低いほど）還元剤の供給量を増量（減量）するようにしたから、エンジン回転数及び／又はエンジン負荷に応じてエンジン１からのＮＯｘ排出量が増減することに適正に対応することができ、フィルタ１２の再生時又は非再生時のいかんに拘らず常に還元剤とＮＯｘとの反応が互いに大きく過不足することなく良好に行われることとなる。

そして、還元触媒１５に流入する排気の温度が高いほど還元剤の供給量を増量するようにしたから、還元触媒１５のＮＯｘ浄化率の低下度合いに適正に対応することができ、フィルタ１２の再生時には還元剤とＮＯｘとが互いに大きく過不足することなく反応が良好に行われることとなる。

図１は、本実施形態に係るエンジン１の排気浄化装置１０の全体構成図である。エンジン１はディーゼルエンジンであって、吸気通路２、排気通路３、排気の一部を吸気通路２に還流するためのＥＧＲ通路４、及び該ＥＧＲ通路４上に配置されて該ＥＧＲ通路４の開度を調整するＥＧＲ弁（排気還流手段）５を備えている。

排気通路３上には、上流側から、排気中の未燃燃料を酸化燃焼するための酸化触媒１１、排気中に含まれる例えば煤等の微粒子（パティキュレート）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）１２、還元剤としての尿素水を収容する尿素タンク１４から供給される尿素水を排気通路３内に噴射するための尿素水噴射ノズル（還元剤供給手段）１３、このノズル１３による尿素水の供給を受けて排気中のＮＯｘを還元するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒（還元触媒）１５、及び、前記ノズル１３から噴射された尿素水から生成したアンモニアの余剰分が大気中に放出されること(アンモニアスリップ)を防ぐためのアンモニア酸化触媒１６が、この順に配設されている。

ここで、ＥＧＲ通路４は、前記酸化触媒１１より上流の排気通路３と吸気通路２とを接続している。

排気通路３には、さらに、ＤＰＦ１２の直上流と直下流との差圧を検出する差圧センサ２１、ＳＣＲ触媒１５の直上流に配置されてＳＣＲ触媒１５に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ２２、及び、ＳＣＲ触媒１５とアンモニア酸化触媒１６との間に配置されてＳＣＲ触媒１５の直下流の（アンモニア酸化触媒１６の直上流の）アンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ２３が備えられている。

ここで、差圧センサ２１で検出された差圧が所定値以上となったときは、ＤＰＦ１２に捕集された微粒子（捕集微粒子）の量（微粒子捕集量）が所定量以上となったことを表すもので、そのようなときは、ＤＰＦ１２に捕集された微粒子を燃焼除去してＤＰＦ１２を再生する必要がある。

この他、図１において、符号６はエンジン１の燃焼室に燃料を噴射（供給）する燃料噴射弁（燃料供給手段）、符号７はピストン、符号８はエンジン１の燃焼室に吸気を過給するＶＧＴターボ過給機（バリアブルジオメトリーターボ）、符号９はエアクリーナ、符号１７はインタークーラ、符号１８は吸気絞り弁、符号１９はＥＧＲクーラ、符号２４はエンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ、符号２５は吸気バルブ、符号２６は排気バルブを示す。

本実施形態においては、特に、エンジン１の排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するための尿素ＳＣＲシステムを搭載しており、その浄化反応機構は、およそ次の通りである。

まず、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素は、次の反応式（１）に示すように、排気の熱により熱分解反応を起こして、アンモニア及びイソシアン酸を生成する。この熱分解反応は、およそ１３５℃以上で開始し、主に尿素水噴射ノズル１３からＳＣＲ触媒１５までの区間内で起きる。

ＣＯ（ＮＨ_２）_２→ＮＨ_３＋ＨＮＣＯ …（１）

また、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素、及び、熱分解反応で生成したイソシアン酸は、次の反応式（２）及び（３）に示すように、加水分解反応を起こして、それぞれアンモニア及び二酸化炭素を生成する。この加水分解反応は、およそ１６０℃以上で開始し、主に尿素水噴射ノズル１３からＳＣＲ触媒１５までの区間内で起きる。

ＣＯ（ＮＨ_２）_２＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２ …（２）

ＨＮＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_３＋ＣＯ_２ …（３）

そして、尿素から生成したアンモニアは、次の反応式（４）に示すように、ＮＯ及びＮＯ_２と脱硝反応を起こして、これらの窒素酸化物を窒素及び水に還元する。この還元反応は、およそ２００℃以上で開始し、主にＳＣＲ触媒１５内で起きる。

４ＮＯ＋２ＮＯ_２＋４ＮＨ_３→５Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２ …（４）

また、尿素から生成したアンモニアは、次の反応式（５）に示すように、酸素の存在下、ＮＯ_２と脱硝反応を起こして、この窒素酸化物を窒素に還元する（副生成物は水）。この還元反応は、およそ２００℃以上で開始し、主にＳＣＲ触媒１５内で起きる。

２ＮＯ_２＋Ｏ_２＋４ＮＨ_３→３Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ …（５）

ここで、前記反応式（４）と（５）とをまとめると、次の反応式（６）のようになる。つまり、排気中のＮＯの濃度とＮＯ_２の濃度との比は、１：１が最も反応速度が大きく効率がよいことが判る。

ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ …（６）

なお、還元反応にあずからなかった余剰のアンモニアは、次の反応式（７）に示すように、酸素の存在下、窒素及び水に分解される。この酸化反応は、アンモニア酸化触媒１６内で起きる。

４ＮＨ_３＋３Ｏ_２→２Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ …（７）

図２に示すように、この排気浄化装置１０のコントロールユニット３０は、前記差圧センサ２１からの信号、前記排気温度センサ２２からの信号、前記アンモニアセンサ２３からの信号、及び、前記エンジン回転数センサ２４からの信号等を入力し、その結果に応じて、前記ＥＧＲ弁５、前記燃料噴射弁６…６、及び、前記尿素水噴射ノズル１３等へ制御信号を出力する。

図３は、この排気浄化装置１０のコントロールユニット（制御手段）３０が行う具体的制御動作の１例を示すフローチャートである。このコントロールユニット３０が行う動作は、本発明に係るエンジン１の排気浄化方法の実施の形態を構成する。

まず、ステップＳ１で、各種信号を読み込んだうえで、ステップＳ２で、差圧センサ２１からの信号に基きＤＰＦ１２に捕集された煤等の微粒子（パティキュレート）の量（煤堆積量）を推定する。

そして、ステップＳ３で、煤堆積量が所定量αより大きいか否かを判定する。ここで、所定量αは、ＤＰＦ１２の目詰まりが顕著となり、排気がＤＰＦ１２を通過する際の抵抗増加が過大となり、エンジン１の出力低下に大きな影響を及ぼすときの量である。

その結果、煤堆積量が所定量αより大きいときは、ステップＳ４で、ＤＰＦ再生フラグを１にセットしたうえで、ステップＳ５で、燃料噴射弁６…６に制御信号を出力してポスト噴射（後噴射）を実行する。

ここで、ポスト噴射は、図４に鎖線（副）として例示するように、エンジン１の出力に寄与しないように爆発燃焼後に所定量の燃料を後噴射することである。これにより、後噴射された未燃燃料が排気行程でエンジン１から排気通路３に排出され、酸化触媒１１で燃焼され、高温となった排気がＤＰＦ１２に流入して、ＤＰＦ１２に捕集された微粒子が燃焼除去されることとなる（フィルタの再生）。

なお、ポスト噴射（副）は、図４から明らかなように、噴射した燃料が未燃状態のままエンジン１から排気通路３に排出されるように、膨張下死点直前で、排気バルブ２６がリフトし始める頃に実行される。

また、このＤＰＦ１２の再生時（捕集微粒子の燃焼除去時）は、ステップＳ６で、ＥＧＲ弁５に制御信号を出力してＥＧＲ弁５を全閉とする。

これにより、ＥＧＲ通路４を介して排気通路３から吸気通路２への排気の還流が停止することとなる。

さらに、このＤＰＦ１２の再生時（捕集微粒子の燃焼除去時）は、ステップＳ７で、尿素水噴射ノズル１３に制御信号を出力して、ＤＰＦ１２の非再生時（捕集微粒子の非燃焼除去時）に比べて、尿素水の噴射量を増量する。

より具体的に説明すると、コントロールユニット３０のメモリ（図示せず）には、図５に例示するような通常時用（ＤＰＦ非再生時用）尿素水噴射マップ（Ａ）と、図６に例示するようなＤＰＦ再生時用尿素水噴射マップ（Ｂ）とが格納されている。

その場合に、両マップ（Ａ），（Ｂ）共、エンジン回転数及び燃料噴射量（エンジン負荷）に応じて基本尿素水噴射量が設定されている。基本尿素水噴射量は、ａ，ｂ，ｃ，ｄの順に小さい値から大きい値とされており（ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ）、エンジン回転数及び燃料噴射量が小さい領域から大きい領域の順に基本尿素水噴射量がａ，ｂ，ｃ，ｄの領域が設定されている。

なお、両マップ（Ａ），（Ｂ）において、燃料噴射量は、酸化触媒１１で燃焼させるためのポスト噴射（副）を含まない、エンジン１の出力に寄与するように爆発燃焼時に噴射する燃料の噴射量である（図４に実線（主）として例示する部分）。

また、主噴射は、図４から明らかなように、噴射した燃料が全量エンジン１の出力に寄与するように、圧縮上死点近傍で実行される。そして、図４から明らかなように、ポスト噴射（副）の気筒サイクルにおける燃料供給終了時期は、主噴射の気筒サイクルにおける燃料供給終了時期よりも遅くなっている。

そして、ＤＰＦ再生時用尿素水噴射マップ（Ｂ）では、通常時用尿素水噴射マップ（Ａ）と比べて、基本尿素水噴射量の領域の区分けは同じであるが、基本尿素水噴射量ａ，ｂ，ｃ，ｄにそれぞれ係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４が乗算されている。このとき、係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４はすべて１より大きい値であり、したがって、ＤＰＦ再生時用尿素水噴射マップ（Ｂ）では、通常時用尿素水噴射マップ（Ａ）と比べて、増量された値の基本尿素水噴射量が設定されていることになる。

ここで、前記係数は、Ｋ１＜Ｋ２＜Ｋ３＜Ｋ４の順に大きい値とされている。つまり、尿素水噴射量は、エンジン回転数及び燃料噴射量の増大に従ってより増量されるようになっている。もちろん、前記係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４同士の大小関係はこれ以外のものであってよく、例えばＫ１＝Ｋ２＝Ｋ３＝Ｋ４でも構わない。

そして、コントロールユニット３０は、ステップＳ７で、図６に例示したＤＰＦ再生時用尿素水噴射マップ（Ｂ）に、エンジン回転数センサ２４で検出されたエンジン回転数と、燃料噴射量（前述したように、ポスト噴射（副）を除く、エンジン１の出力に寄与するように爆発燃焼時に噴射する（主）燃料噴射量）とをあてはめることにより、基本尿素水噴射量（ａ×Ｋ１，ｂ×Ｋ２，ｃ×Ｋ３，ｄ×Ｋ４のいずれか）を設定するのである。その結果、ＤＰＦ再生時は、ＤＰＦ非再生時に比べて、増量された値の基本尿素水噴射量が設定されることとなる。

次いで、ステップＳ８で、前記ステップＳ７で設定された基本尿素水噴射量を排気温度センサ２２からの信号に基き補正する。

つまり、図７に示すように、ＳＣＲ触媒１５のＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒１５に流入する排気の温度（ＳＣＲ触媒１５の温度）に応じて変化し、およそ３００〜５００℃でＳＣＲ触媒１５のＮＯｘ浄化率は略１００％であるが、３００℃より低いときは低くなるほど、５００℃より高いときは高くなるほど、ＳＣＲ触媒１５のＮＯｘ浄化率は１００％よりも低下する。

そして、ＤＰＦ１２に捕集された微粒子を燃焼除去しないＤＰＦ非再生時は、ＳＣＲ触媒１５に流入する排気の温度は３００〜５００℃の範囲内にあるが、ＤＰＦ１２に捕集された微粒子を燃焼除去するＤＰＦ再生時は、ＳＣＲ触媒１５に流入する排気の温度は５００℃より高くなるのである。

そして、図５に例示した通常時用尿素水噴射マップ（Ａ）及び図６に例示したＤＰＦ再生時用尿素水噴射マップ（Ｂ）においては、基本尿素水噴射量は、ＳＣＲ触媒１５のＮＯｘ浄化率が１００％であるとして設定されているので、コントロールユニット３０は、ステップＳ８で、ステップＳ７で設定された基本尿素水噴射量をＳＣＲ触媒１５に流入する排気の温度に基いて補正（増量補正）するのである。その結果、ＤＰＦ再生時は、ＤＰＦ非再生時に比べて、さらに増量補正された値の尿素水噴射量が設定されることとなる。

その場合、図７に示したように、ＳＣＲ触媒１５上流の排気温度が５００℃より高いときは高くなるほどＳＣＲ触媒１５のＮＯｘ浄化率が１００％よりも低下するので、ステップＳ８では、ＳＣＲ触媒１５に流入する排気の温度が高いほど尿素水噴射量を増量補正することとなる。

次いで、ステップＳ９で、前記ステップＳ８で設定された尿素水噴射量をアンモニアセンサ２３からの信号に基き補正する。

つまり、ＳＣＲ触媒１５において、尿素水噴射ノズル１３から排気通路３内に噴射された尿素水から生成した還元剤としてのアンモニアと、排気中のＮＯｘとの反応が互いに大きく過不足することなく良好に行われた場合は、ＳＣＲ触媒１５からアンモニアが排出されることがなく、したがって、ＳＣＲ触媒１５の直下流のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ２３によりアンモニアが検出されることがないが、ＳＣＲ触媒１５における前記アンモニアとＮＯｘとの反応に過不足が生じた場合は、特に尿素水の噴射量が多過ぎてアンモニアが余剰となった場合は、ＳＣＲ触媒１５からアンモニアが排出され、前記アンモニアセンサ２３によりアンモニアが検出されることとなる。

そこで、コントロールユニット３０は、ステップＳ９で、ステップＳ８で設定された尿素水噴射量をアンモニアセンサ２３で検出されたＳＣＲ触媒１５の直下流のアンモニア濃度に基いて補正（減量補正）するのである（アンモニアセンサ２３でアンモニア濃度がゼロと検出されたときは補正する必要はない）。その結果、尿素水噴射ノズル１３による尿素水の噴射量が多過ぎて余剰のアンモニアがＳＣＲ触媒１５から排出されることが回避されることとなる。

もっとも、余剰のアンモニアがＳＣＲ触媒１５から排出されたとしても、前述したように、アンモニア酸化触媒１６で窒素及び水に分解されるので、アンモニアスリップは抑制されるようになっている。

そして、ステップＳ１０で、最終的に、前記ステップＳ９で設定された尿素水噴射量だけ尿素水が排気通路３内に噴射されるように尿素水噴射ノズル１３に制御信号を出力してリターンとなる。

これに対し、前記ステップＳ３で煤堆積量が所定量αより大きくないときは、ステップＳ１１で、ＤＰＦ再生フラグが１にセットされているか否かを判定し、１にセットされているとき（ＤＰＦ１２の再生中）は、ステップＳ１２で、煤堆積量が所定量βより小さいか否かを判定する。ここで、所定量βは、ＤＰＦ１２の目詰まりが略解消され、排気がＤＰＦ１２を通過する際の抵抗増加が略なくなり、エンジン１の出力低下にほとんど影響を及ぼさないときの量（例えば略ゼロ）である。

その結果、煤堆積量が所定量βより小さいときは、ステップＳ１３で、ＤＰＦ再生フラグを０にリセットしたうえで、ポスト噴射を実行することなく、ステップＳ１４で、ＥＧＲ弁５に制御信号を出力してＥＧＲ弁５の開度を運転状態に応じて制御する（通常時のＥＧＲ制御）。

なお、前記ステップＳ１２で煤堆積量が所定量βより小さくないときは、前記ステップＳ５に移って、ＤＰＦ１２の再生を続行する。

また、前記ステップＳ１１でＤＰＦ再生フラグが１にセットされていないとき（ＤＰＦ１２の非再生中）は、ステップＳ１２，Ｓ１３をスキップして、前記ステップＳ１４に進む。

そして、コントロールユニット３０は、ステップＳ１５で、図５に例示した通常時用尿素水噴射マップ（Ａ）に、エンジン回転数センサ２４で検出されたエンジン回転数と、燃料噴射量（前述したように、ポスト噴射（副）を除く、エンジン１の出力に寄与するように爆発燃焼前に噴射する（主）燃料噴射量）とをあてはめることにより、基本尿素水噴射量（ａ，ｂ，ｃ，ｄのいずれか）を設定する。

次いで、ステップＳ９で、前記ステップＳ１５で設定された基本尿素水噴射量を前記と同じ理由によりアンモニアセンサ２３からの信号に基き補正する。

以上のステップＳ１〜Ｓ１５において、ステップＳ３でＹＥＳと判定されてからステップＳ１２でＹＥＳと判定されるまでの期間が特許請求の範囲の第２の工程に相当し、ステップＳ１２でＹＥＳと判定されてからステップＳ３でＹＥＳと判定されるまでの期間が特許請求の範囲の第１の工程に相当する。

以上のような制御動作で得られる作用を図８のタイムチャートを参照して説明する。

まず、ＤＰＦ１２の再生が行われない通常時は（ステップＳ１３）、通常時のＥＧＲ制御が行われるから（ステップＳ１４）、エンジン１から排気通路３へ排出直後のＮＯｘ排出量は、実線（１）に例示するように、相対的に低いレベルにある。

しかも、ＤＰＦ１２の再生が行われない通常時は、ポスト噴射が実行されず、その結果、ＳＣＲ触媒１５に流入する排気の温度が過度に（図７の例では５００℃以上に）上昇することがないから、ＳＣＲ触媒１５のＮＯｘ浄化率は低下せず略１００％に維持されている。

したがって、鎖線（２）に例示するように、ＤＰＦ１２の再生が行われない通常時は、図５に例示した通常時用尿素水噴射マップ（Ａ）から尿素水噴射量を設定することで、ＳＣＲ触媒１５を通過直後のＮＯｘ排出量を、極めて低いレベルまで良好に低減することができる。

一方、ＤＰＦ１２の再生が行われるＤＰＦ再生時は（ステップＳ４）、酸化触媒１１で燃焼させるためにポスト噴射した（ステップＳ５）未燃燃料が吸気通路２に逃げるのを防止するために、ＥＧＲ弁５が全閉とされて、ＥＧＲが停止されるから（ステップＳ６）、エンジン１から排気通路３へ排出直後のＮＯｘ排出量は、点線（３）に例示するように、相対的に高いレベルにある。

それでも、ＳＣＲ触媒１５に流入する排気の温度が過度に（図７の例では５００℃以上に）上昇しなければ、ＳＣＲ触媒１５のＮＯｘ浄化率は低下せず略１００％に維持されるから、図５に例示した通常時用尿素水噴射マップ（Ａ）から尿素水噴射量を設定した場合でも、破線（４）に例示するように、ＳＣＲ触媒１５を通過直後のＮＯｘ排出量を、ある程度低いレベルまで低減することができる。

しかし、実際には、ＤＰＦ再生時は、ポスト噴射が実行される結果、ＳＣＲ触媒１５に流入する排気の温度が過度に（図７の例では５００℃以上に）上昇し、ＳＣＲ触媒１５のＮＯｘ浄化率は１００％よりも低下するから、図５に例示した通常時用尿素水噴射マップ（Ａ）から尿素水噴射量を設定した場合には、鎖線（５）に例示するように、ＳＣＲ触媒１５を通過直後のＮＯｘ排出量を、あまり低いレベルまで低減することができない。

そこで、前記制御動作においては、ＤＰＦ再生時は、通常時に比べて、係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４を用いて尿素水噴射量を増量するようにしたから（ステップＳ７）、鎖線（５）に例示したように、あまり低いレベルまで低減することができなかった、ＳＣＲ触媒１５通過直後のＮＯｘ排出量を、鎖線（２）に例示したように、極めて低いレベルまで良好に低減することが可能となる。

しかも、その際に、ＳＣＲ触媒１５に流入する排気の温度に基いて尿素水噴射量を増量補正するようにしたから（ステップＳ８）、ＳＣＲ触媒１５のＮＯｘ浄化率の低下分が適正に補われることとなる。

以上の実施形態において、ＤＰＦ再生フラグが０にリセットされている間（ステップＳ１２でＹＥＳと判定されてからステップＳ３でＹＥＳと判定されるまでの期間）に燃焼される捕集微粒子の量が（フィルタ１２の再生を行わないときでも捕集微粒子のうちのある程度の量は通常の排気温度で燃焼除去される）、特許請求の範囲において、捕集微粒子を燃焼させる第１の量に相当し、ＤＰＦ再生フラグが１にセットされている間（ステップＳ３でＹＥＳと判定されてからステップＳ１２でＹＥＳと判定されるまでの期間）に燃焼される捕集微粒子の量が、特許請求の範囲において、捕集微粒子を燃焼させる第２の量に相当する。

同様に、ＤＰＦ再生フラグが０にリセットされている間（ステップＳ１２でＹＥＳと判定されてからステップＳ３でＹＥＳと判定されるまでの期間）にＳＣＲ触媒１５に供給される尿素水の量が、特許請求の範囲において、還元触媒１５に供給する還元剤の第１の量に相当し、ＤＰＦ再生フラグが１にセットされている間（ステップＳ３でＹＥＳと判定されてからステップＳ１２でＹＥＳと判定されるまでの期間）にＳＣＲ触媒１５に供給される尿素水の量が、特許請求の範囲において、還元触媒１５に供給する還元剤の第２の量に相当する。

同様に、ＤＰＦ再生フラグが０にリセットされている間（ステップＳ１２でＹＥＳと判定されてからステップＳ３でＹＥＳと判定されるまでの期間）にＤＰＦ１２に供給される排気の温度が、特許請求の範囲において、フィルタ１２に供給する排気の第１の温度に相当し、ＤＰＦ再生フラグが１にセットされている間（ステップＳ３でＹＥＳと判定されてからステップＳ１２でＹＥＳと判定されるまでの期間）にＤＰＦ１２に供給される排気の温度が、特許請求の範囲において、フィルタ１２に供給する排気の第２の温度に相当する。

同様に、ＤＰＦ再生フラグが０にリセットされている間（ステップＳ１２でＹＥＳと判定されてからステップＳ３でＹＥＳと判定されるまでの期間）のＥＧＲ量が、特許請求の範囲において、第１のＥＧＲ量に相当し、ＤＰＦ再生フラグが１にセットされている間（ステップＳ３でＹＥＳと判定されてからステップＳ１２でＹＥＳと判定されるまでの期間）のＥＧＲ量が、特許請求の範囲において、第２のＥＧＲ量に相当する。

同様に、ＤＰＦ再生フラグが０にリセットされている間（ステップＳ１２でＹＥＳと判定されてからステップＳ３でＹＥＳと判定されるまでの期間）の図４に示す主噴射の終了時期が、特許請求の範囲において、気筒サイクルにおける燃料供給終了時期についての第１の時期に相当し、ＤＰＦ再生フラグが１にセットされている間（ステップＳ１２でＹＥＳと判定されてからステップＳ３でＹＥＳと判定されるまでの期間）の図４に示すポスト噴射（副）の終了時期が、特許請求の範囲において、気筒サイクルにおける燃料供給終了時期についての第２の時期に相当する。

このように、本実施形態においては、エンジン１の排気通路３に、排気中の微粒子を捕集するフィルタ１２と、還元剤の供給を受けて排気中のＮＯｘを還元する還元触媒１５とを、上流側からこの順に配設した場合に、フィルタ１２に捕集された微粒子の燃焼除去時（Ｓ３：ＹＥＳ）（フィルタ１２の微粒子捕集量が所定量α以上となって捕集微粒子を第１の量よりも多い第２の量燃焼させるとき）は、非燃焼除去時（Ｓ１２：ＹＥＳ）（フィルタ１２の微粒子捕集量が所定量βよりも少なく捕集微粒子を第１の量燃焼させるとき）に比べて、還元剤の供給量を増量するようにした（還元剤についての第２の量（Ｓ７）は第１の量（Ｓ１５）よりも多い）から、たとえ還元触媒１５のＮＯｘ浄化率（還元触媒１５に含有される触媒成分上でのアンモニアとＮＯｘとの反応速度）が排気微粒子の燃焼除去時に低下しても、還元剤としてのアンモニア濃度が増大することとなり、結果として、アンモニアとＮＯｘとの反応速度の低下が抑制されて、ＮＯｘの大気中への放出が回避されることとなる。これにより、還元剤の消費量を増大させることなく、フィルタ１２による微粒子捕集性能と還元触媒１５によるＮＯｘ浄化性能とを良好に維持することができる。

また、本実施形態においては、フィルタ１２に捕集された微粒子の燃焼除去時（Ｓ３：ＹＥＳ）は、非燃焼除去時（Ｓ１２：ＹＥＳ）に比べて、フィルタ１２に供給する排気の温度を高くする（排気についての第２の温度は第１の温度よりも高い）ことにより、捕集微粒子を第１の量よりも多い第２の量燃焼させるようにしたから、例えばフィルタ１２を直接的に昇温するためのヒータ等の使用が省略できることとなる。

また、本実施形態においては、フィルタ１２に捕集された微粒子の燃焼除去時（Ｓ３：ＹＥＳ）は、非燃焼除去時（Ｓ１２：ＹＥＳ）に比べて、気筒サイクルにおける燃料供給終了時期を遅くする（Ｓ５）ことにより、フィルタ１２に供給する排気の温度を高くするようにしたから、エンジン１から排気通路３に排出された未燃燃料が排気通路３内で燃焼されて、フィルタ１２に供給する排気の温度が確実に高くなる。

また、本実施形態においては、フィルタ１２に捕集された微粒子の燃焼除去時（Ｓ３：ＹＥＳ）は、非燃焼除去時（Ｓ１２：ＹＥＳ）に比べて、フィルタ１２より上流の排気通路３から吸気通路２へのＥＧＲ量を少なくするようにした（第２のＥＧＲ量（Ｓ６）は第１のＥＧＲ量（Ｓ１４）よりも少ない）から、捕集微粒子の燃焼除去のために排気通路３内で燃焼させるべき未燃燃料がフィルタ１２より上流の排気通路３から吸気通路２に導かれることが回避又は抑制されて、未燃燃料の燃焼によるフィルタ１２の再生が確実に行われることとなる。

しかし、一方で、ＥＧＲを停止又は低減することにより、エンジン１からのＮＯｘ排出量が増加することとなるが、還元剤の供給量を増量するようにしている（還元剤についての第２の量（Ｓ７）は第１の量（Ｓ１５）よりも多い）から、たとえエンジン１からのＮＯｘ排出量が捕集微粒子の燃焼除去時（Ｓ３：ＹＥＳ）に増加しても、還元剤としてのアンモニア濃度が増大することとなり、結果として、アンモニアによるＮＯｘの還元反応が十分に行われて、ＮＯｘの大気中への放出が回避されることとなる。

つまり、本実施形態においては、フィルタ１２の再生時（Ｓ３：ＹＥＳ）には、還元触媒１５のＮＯｘ浄化率が低下することと、エンジン１からのＮＯｘ排出量が増加することとの、２つの理由でＮＯｘを浄化しきれなくなる可能性がある場合であっても、ＮＯｘの大気中への放出を回避できることとなる。

また、本実施形態においては、エンジン１の排気通路３に、還元剤の供給を受けて排気中のＮＯｘを還元する還元触媒１５を配設した場合に、還元触媒１５より上流の排気通路３から排気の１部を吸気通路２に導いて再循環させる際、ＥＧＲ量が少ないとき（Ｓ６：第２のＥＧＲ量のとき）は、多いとき（Ｓ１４：第１のＥＧＲ量のとき）に比べて、還元剤の供給量を増量するようにした（還元剤についての第２の量（Ｓ７）は第１の量（Ｓ１５）よりも多い）から、たとえＥＧＲが停止又は低減されて、エンジン１からのＮＯｘ排出量が増加しても、還元剤としてのアンモニア濃度が増大することとなり、結果として、アンモニアによるＮＯｘの還元反応が十分に行われて、ＮＯｘの大気中への放出が回避されることとなる。つまり、本実施形態においては、ＥＧＲの停止又は低減に起因してエンジン１からのＮＯｘ排出量が増加するという理由でＮＯｘを浄化しきれなくなる可能性がある場合であっても、ＮＯｘの大気中への放出を回避できることとなる。

また、本実施形態においては、エンジン回転数及び／又はエンジン負荷が高いほど（低いほど）還元剤の供給量を増量（減量）する（Ｓ７，Ｓ１５）ようにしたから、エンジン回転数及び／又はエンジン負荷に応じてエンジン１からのＮＯｘ排出量が増減することに適正に対応することができ、フィルタ１２の再生時（Ｓ３：ＹＥＳ）又は非再生時（Ｓ１２：ＹＥＳ）のいかんに拘らず常にアンモニアとＮＯｘとの反応が互いに大きく過不足することなく良好に行われることとなる。

また、本実施形態においては、還元触媒１５に流入する排気の温度が高いほど還元剤の供給量を増量する（Ｓ８）ようにしたから、還元触媒１５のＮＯｘ浄化率の低下度合いに適正に対応することができ、フィルタ１２の再生時（Ｓ３：ＹＥＳ）にはアンモニアとＮＯｘとの反応が互いに大きく過不足することなく良好に行われることとなる。

そして、本実施形態においては、還元剤として尿素溶液（代表的には尿素水）が用いられると共に、該尿素溶液を尿素タンク１４に大量に備蓄することができ、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが常に良好に機能することとなる。

なお、前記実施形態は、本発明の最良の実施形態ではあるが、特許請求の範囲を逸脱しない限り、さらに種々の修正や変更を施してよいことはいうまでもない。

例えば、前記実施形態では、尿素水噴射量の増量を、係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４を乗算することで行うようにしたが（図６参照）、これに限らず、他の演算方法で増量することも可能である。

また、前記実施形態では、図５の通常時用尿素水噴射マップ（Ａ）と、図６のＤＰＦ再生時用尿素水噴射マップ（Ｂ）とで、尿素水噴射量の領域の区分けを同じとしたが、これに限らず、領域の区分けを変更してもよい。

また、前記実施形態では、尿素水噴射量の増量を、図６のＤＰＦ再生時用尿素水噴射マップ（Ｂ）を用いて行うようにしたが、これに限らず、例えば排気通路３に排気中のＮＯｘ濃度を検出するセンサを配設し、そのセンサの検出結果に応じてコントロールユニット３０が尿素水噴射量の増量分を演算するようにしてもよい。

以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明は、エンジンの排気中の窒素酸化物の低減を図るエンジンの排気浄化において、エンジンの排気通路のパティキュレートフィルタの下流にＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒を配設した場合に、たとえパティキュレートフィルタに捕集された排気微粒子の燃焼除去時にＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が低下しても、ＮＯｘの大気中への放出を回避することが可能な技術であるから、エンジンの排気浄化方法及び排気浄化装置、特にエンジンの排気中の窒素酸化物の低減を図る技術分野において広範な産業上の利用可能性が期待される。

本発明の最良の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の全体構成図である。前記排気浄化装置の制御システム図である。前記排気浄化装置の制御動作の１例を示すフローチャートである。前記排気浄化装置の燃料噴射弁による燃料噴射と、吸気バルブ及び排気バルブのリフト量と、ピストンの工程との関係を示すタイムチャートである。前記制御動作で用いられる通常時用尿素水噴射マップ（Ａ）の１例を示す図である。同じくＤＰＦ再生時用尿素水噴射マップ（Ｂ）の１例を示す図である。ＳＣＲ触媒に流入する排気の温度とＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。前記制御動作で得られる作用を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２吸気通路
３排気通路
４ＥＧＲ通路
５ＥＧＲ弁（排気還流手段）
６燃料噴射弁（燃料供給手段）
１０排気浄化装置
１１酸化触媒
１２ディーゼルパティキュレートフィルタ
１３尿素水噴射ノズル（還元剤供給手段）
１４尿素タンク
１５ＳＣＲ触媒（還元触媒）
２１差圧センサ
２２排気温度センサ
２４エンジン回転数センサ
３０コントロールユニット（制御手段）

Claims

エンジンの排気通路に設けられて排気中の微粒子を捕集するフィルタと、このフィルタの下流に設けられて還元剤としての尿素水の供給を受けることにより排気中のＮＯｘを還元する還元触媒とを用いてエンジンの排気を浄化する方法であって、
前記フィルタの微粒子捕集量が第１の所定量αより多くなるまでの間、該捕集微粒子を第１の量燃焼させ、前記還元触媒に第１の量の尿素水を供給する第１の工程と、
前記フィルタの微粒子捕集量が前記第１の所定量αより多くなってから第２の所定量βより少なくなるまでの間、該捕集微粒子を前記第１の量よりも多い第２の量燃焼させて前記フィルタを再生すると共に、前記還元触媒に前記第１の量よりも多い第２の量の尿素水を供給する第２の工程とを行い、
前記第１の工程では、前記フィルタに第１の温度の排気を供給することにより、捕集微粒子を第１の量燃焼させ、前記第２の工程では、気筒サイクルにおける燃料供給終了時期が前記第１の工程よりも遅くなるように燃焼室に燃料を供給して、前記フィルタに前記第１の温度よりも高い第２の温度の排気を供給することにより、捕集微粒子を第２の量燃焼させると共に、
前記第１の工程では、前記フィルタより上流の排気通路から第１のＥＧＲ量の排気を吸気通路に導き、前記第２の工程では、前記フィルタより上流の排気通路から前記第１のＥＧＲ量よりも少ない第２のＥＧＲ量の排気を吸気通路に導き、かつ、
前記第１の工程及び前記第２の工程では、エンジン回転数及び／又はエンジン負荷が高いほど尿素水の供給量を多くし、前記第２の工程では、還元触媒より上流の排気温度が高いほど尿素水の供給量を多くすることを特徴とするエンジンの排気浄化方法。