JP5151861B2 - 排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要があるときに、一旦、排気ガス貯蔵容器に貯蔵した排気ガスを、排気ガス浄化装置の上流側の排気通路に単独で、又は、燃料と混合して噴射し、効率よく排気ガスをリッチ空燃比状態にする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、空燃比が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浄化触媒は、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、ＮＯｘ吸蔵能力を失うので、ＮＯｘ浄化機能を維持するために、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に達する前に、排気ガス中の酸素濃度を下げて一時的にリッチ空燃比状態にしてＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘを放出させる再生処理を、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。

この再生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浄化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浄化触媒の上流側の排気通路に燃料を直接噴射して、ＮＯｘ浄化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。

吸気制御においては、空気は温度によって体積が大きく変化するが、空気中に含まれている酸素の重量量（モル量）は体積が増えても一定であるため、吸気の温度によって、シリンダ内に入る酸素の供給量（重量量）は変化する。吸気が高温の場合には、空気の膨張によりシリンダ内に入る吸気の重量量は減少するので酸素の供給量が減少し、エンジンの出力が低下する。この現象に対して、ＥＧＲガスをＥＧＲ通路に設けたＥＧＲクーラーで冷却し、ＥＧＲガスの温度と、ＥＧＲガスと混合する吸気の温度を下げて、シリンダ内に入る空気量及び酸素量を増加をすることが行われている。

しかしながら、ディーゼルエンジンのエンジン出力が少ない場合や始動直後の排気低温域の運転状態では、ピストンの膨張行程で燃料をシリンダ内に添加するポスト噴射制御では、燃料の軽油の沸点は２００℃以上であるので、ポスト噴射された燃料の一部が液滴状態のまま、ＥＧＲクーラーを通過して、ＥＧＲクーラーの冷却配管の表面に付着及び堆積し、ＥＧＲクーラーの冷却性能を悪化させてしまうという問題がある。

ＥＧＲクーラーの冷却性能が悪化すると、ＥＧＲガスの温度が上昇して、シリンダ内に入る吸気と混合する際に、ＥＧＲガスにより吸気が暖められて吸気の温度が上昇するので、この温度上昇分だけ吸気の体積が増加し、重量換算での吸気量が減少する。従って、必要なの酸素量を確保するためには、ＥＧＲガスの流量を減らす必要が生じる。しかしながら、ＥＧＲガス量を減少すると、シリンダ内の燃焼温度は上昇し、ＮＯｘの生成が活発になるので、エンジンから排出される排気ガスのＮＯｘ量が増加する。

これに関連して、ＥＧＲ通路に排気ガスを吸引して圧縮する手段（ポンプ）と圧縮排気ガスタンクを設けて、この圧縮排気ガスタンクから多量のＥＧＲガスを燃焼室に供給して煤の発生を減少する圧縮着火式内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＥＧＲ通路の入口にエアを供給してＥＧＲ通路中の排ガス温度を所定の温度未満に低減して、排ガスの還流量を増大するターボチャージャ付エンジンの排ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−３２４４５７号公報 特開平９−８８７２７号公報

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、排気ガスに対する浄化性能を回復するために排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要がある排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要があるときに、排気ガス浄化装置に流入する排気ガス中の酸素濃度を効率よく低減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、排気ガスに対する浄化性能を回復するために排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要がある排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気マニホールド又は排気通路又はＥＧＲ通路から排気ガスを吸引して排気ガス貯蔵容器に貯蔵するための排気ガス貯蔵システムと、排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要があるときに、前記排気ガス貯蔵容器から供給される排気ガスを単独で、又は、燃料と混合して、前記排気ガス処理装置の上流側の前記排気通路内に噴射する噴射弁と、前記排気ガス貯蔵容器から供給される排気ガスを吸気通路又は吸気マニホールド又はＥＧＲ通路に供給するための排気ガス配管ラインを備えると共に、前記排気ガス貯蔵容器に排気ガスが貯蔵される前に、この排気ガスを冷却する排気ガス冷却装置を設けると共に、この排気ガス冷却装置における排気ガスの通路を燃料で洗浄するための洗浄配管ラインを設けて構成する。

この構成によれば、排気ガス処理装置の再生用等のリッチ空燃比制御で、排気ガスの空燃比状態をリッチ状態にする必要があるときに、排気ガス浄化装置の上流側の排気通路の排気ガス中に直接、排気ガスを単独で、又は燃料と混合して供給することで、排気ガス中の酸素濃度を低くすることができる。そのため、ポスト噴射によるシリンダ内への燃料供給量を減少又は停止することができる。

また、この排気管内燃料噴射を行う際に、外部式混合式噴射弁等のガス混合式噴射弁で、排気ガス貯蔵容器から供給された排気ガスを燃料と共に噴射することで燃料を微粒化できるので、排気通路内での燃料の燃焼を促進できる。それと共に、排気通路内への排気ガスを供給するので、空気で燃料を微細化する場合に比べて、排気ガスの酸素濃度を効率的に低下させることができる。

また、排気ガス貯蔵容器に貯蔵された排ガスであるので、冷却された排気ガスとなるため、排気通路を流れる排気ガスの温度よりも温度が低く、ガス混合式噴射弁の噴射ノズルの温度を下げることができる。これにより、噴射ノズル内で燃料が固形化して生じる噴射ノズルの目詰まりや、この目詰まりに起因するノズル内径の変化に伴う燃料の流量の変化を、言い換えれば、燃料噴射量の変化を抑制することができる。

その上、リッチ空燃比制御の時に、排気管内直接燃料噴射を行うので、ポスト噴射における燃料噴射量を低減又は停止でき、このポスト噴射時のＥＧＲに起因するＥＧＲクーラーへの未燃燃料の付着を低減することができるので、リッチ空燃比制御以外の通常エンジン運転状態におけるＥＧＲ制御において、必要なＥＧＲ率を容易に確保できる。そのため、エンジンの燃焼室の燃焼温度の上昇を抑えることができ、ＮＯｘの排出濃度を低濃度に維持することができる。

この構成によれば、排気ガス貯蔵容器に貯蔵した排気ガスをＥＧＲガスとして使用することができるようになり、排気ガス貯蔵容器で冷却された低温の排気ガスにより、シリンダ内の新気吸入量の増加と燃焼温度の低下を同時に図ることができる。

また、エンジン始動時や暖機時等の排気低温域でのエンジン運転時に、ＥＧＲを行う場合に、ＥＧＲ通路ではなく、排気ガス配管ラインでＥＧＲを行うことができるので、排気低温時のＥＧＲに起因するＥＧＲクーラーへの未燃燃料の付着を回避することができる。

その結果、リッチ空燃比制御とは関係なく、ＥＧＲ制御において、必要なＥＧＲ率を容易に確保できる。そのため、エンジンの燃焼室の燃焼温度の上昇を抑えることができ、ＮＯｘの排出濃度を低濃度に維持することができる。

その上、貯蔵する排気ガスの圧力を高くしておくことにより、高圧の排気ガスを吸気マニホールド内に供給できるので、吸気圧や排気圧に関係なく、最適なタイミングでシリンダ内に供給することができるようになるので、ＮＯｘの発生をより低減することができる。その上、高圧の排気ガスを吸気通路に供給することで、ＥＧＲ用の排気ガスの供給を短時間で完了することができる。

この構成によれば、排気ガス貯蔵容器に貯蔵する前に、排気ガスを冷却するので、より多くの排気ガスを排気ガス貯蔵容器内に貯蔵することができる。また、燃料による洗浄で排気ガス冷却装置の排気ガスの通路を良好な状態に維持できる。なお、排気ガス冷却装置の排気ガス通路に洗浄用の燃料が残ったとしても、排気管内直接噴射用の燃料噴射弁に供給されるか、吸気通路に運ばれてＥＧＲガスに含まれてシリンダ内に入るので、洗浄の際の残留燃料による問題は生じない。

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、排気ガスに対する浄化性能を回復するために排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要がある排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、排気マニホールド又は排気通路又はＥＧＲ通路から排気ガスを吸引して排気ガス貯蔵容器に貯蔵し、排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要があるときに、前記排気ガス貯蔵容器から供給された排気ガスを単独で、又は、燃料と混合して、前記排気ガス処理装置の上流側の前記排気通路に噴射し、前記排気ガス貯蔵容器から供給される排気ガスを吸気通路又は吸気マニホールドに供給し、この供給された排気ガスをＥＧＲガスの一部又は全部としてＥＧＲに使用すると共に、前記排気マニホールド又は前記排気通路又は前記ＥＧＲ通路から吸引された排気ガスを排気ガス冷却装置によって冷却してから前記排気ガス貯蔵容器に貯蔵し、前記排気ガス冷却装置における排気ガスの通路を燃料で洗浄することを特徴とする方法である。

この方法によれば、排気ガスの空燃比状態をリッチ状態にする必要がある場合に、排気ガス浄化装置の上流側の排気通路の排気ガス中に排気ガスを単独で、又は燃料と混合して供給することで、排気ガス中の酸素濃度を低くすることができる。従って、ポスト噴射による燃料供給量を減少又は停止することができる。また、この排気管内燃料噴射を行う際に、燃料を排気ガスと共に噴射するので燃料を微粒化でき、排気通路内での燃料の燃焼を促進できる。それと共に、空気で燃料を微細化する場合に比べて、排気ガスの酸素濃度を効率的に低下させることができる。

また、上記の排気ガス浄化方法において、前記排気ガス貯蔵容器から供給される排気ガスを吸気通路又は吸気マニホールド又はＥＧＲ通路に供給し、この供給された排気ガスをＥＧＲガスの一部又は全部としてＥＧＲに使用するようにする。この方法によれば、排気ガス貯蔵容器で冷却された低温の排気ガスにより、シリンダ内の新気吸入量の増加と燃焼温度の低下を図ることができる。また、高圧の排気ガスを吸気通路内に供給する場合は、吸気圧や排気圧に関係なく、最適なタイミング、また、短時間でシリンダ内に供給することができる。そのため、ＮＯｘの発生をより低減することができる。

また、この方法によれば、排気ガス貯蔵容器で冷却された低温の排気ガスにより、シリンダ内の新気吸入量の増加と燃焼温度の低下を図ることができる。また、高圧の排気ガスを吸気通路内に供給する場合は、吸気圧や排気圧に関係なく、最適なタイミング、また、短時間でシリンダ内に供給することができる。そのため、ＮＯｘの発生をより低減することができる。

更に、排気管内燃料噴射を行う際に、燃料を排気ガスと混合して噴射するので燃料を微粒化でき、排気通路内での燃料の燃焼を促進できる。この場合においては、空気で燃料を微細化する場合に比べて、排気ガスの酸素濃度を効率的に低下させることができる。また、排気ガス貯蔵容器で冷却された排気ガスを使用するため、噴射ノズルの温度を下げることができ、噴射ノズルの目詰まり、ノズル内径の変化、燃料の流量量の変化を抑止できる。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の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）２の排気マニホールド２ａの出口の排気通路４にターボチャージャ３のタービン３ａが設けられ、更に、排気通路４に、排気ガス浄化装置５が配設されている。また、この排気ガス浄化装置５の上流側に燃料噴射弁６が配置されている。

この排気ガス浄化装置５は、排気ガスＧ中の有害成分を浄化する触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒ユニット等の幾つかの排気ガス浄化ユニットの組み合わせで形成される。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒ユニットを用いる場合には、このＮＯｘ浄化触媒ユニットは、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために、モノリス触媒で形成される。このモノリス触媒のコージェライトハニカム等の担持体に酸化アルミニウム、酸化チタン等の触媒コート層を設ける。この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の触媒金属と、バリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）とからなるＮＯｘ吸蔵還元触媒を担持させて構成される。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、酸素濃度が高い排気ガスの状態、即ち、リーン空燃比状態の時に、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いか空燃比が１より小さいリッチ空燃比状態か、あるいは、空燃比が１のストイキ空燃比状態の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、リーン空燃比状態が継続すると、ＮＯｘ吸蔵材が硝酸塩に変化してしまうため、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前に、排気ガスＧをリッチ空燃比状態にする再生制御を行って、吸蔵したＮＯｘを放出及び還元して、ＮＯｘ吸蔵能力を回復している。

なお、この実施の形態では、排気ガス浄化装置５としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持したＮＯｘ浄化ユニットを用いた例を示すが、これに限定されず、排気ガスに対する浄化性能を回復するために排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要がある排気ガス浄化装置であればよい。例えば、硫黄被毒を回復する必要がある酸化触媒（ＤＯＣ）や選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）や触媒付きフィルタ等の排気ガス浄化ユニットであってもよい。

また、燃料噴射弁６は、図２に示すような外部混合式噴射弁などのガス混合式噴射弁で構成され、排気ガスＧｃと燃料Ｆとを混合した状態で、排気ガス浄化装置５の上流側の排気通路４に直接噴射するように構成される。この燃料Ｆの供給はエンジンやモーターを駆動源とする燃料ポンプによって昇圧により行われる。

一方、エンジン２の吸気マニホールド２ｂには、ターボチャージャ３のコンプレッサ３ｂが設けられた吸気通路７が接続されて設けられる。また、更に、排気マニホールド２ａと吸気通路７とを連結するＥＧＲ通路（排気再循環通路）８が設けられ、このＥＧＲ通路８にＥＧＲクーラー９とＥＧＲ弁１０とが設けられる。このＥＧＲクーラー９はエンジン２の冷却水等でＥＧＲガスＧｅを冷却するための冷却装置である。また、ＥＧＲ弁１０はＥＧＲガスＧｅの流量を調整する手段であり、ＥＧＲ弁１０を全閉するとＥＧＲガスＧｅの供給が止まりＥＧＲが停止される。

また、燃料タンク（図示しない）に貯蔵された燃料Ｆを燃料ポンプ（図示しない）で昇圧し、この昇圧された燃料Ｆを各シリンダに供給するための第１燃料配管１１ａと、燃料Ｆを燃料噴射弁６に供給するための第２燃料配管１１ｂとを設けて構成する。そして、本願発明においては、排気ガス貯蔵システムを設ける。この排気ガス貯蔵システムは、排気ガスＧｃを吸引する排気ガス駆動ポンプ（コンプッレサ等のガスポンプ）１２と吸引して圧縮した排気ガスＧｃを冷却する排気ガス冷却装置１３と排気ガス貯蔵容器１４を有して構成される。

排気ガス駆動ポンプ１２と、排気マニホールド２ａとＥＧＲクーラー９との間のＥＧＲ通路８とを第１排気ガス通路１７ａで接続する。この第１排気ガス通路１７ａを経由して、排気ガス駆動ポンプ１２の駆動により、排気ガスＧの一部である排気ガスＧｃをＥＧＲクーラー９の上流側から吸引して、第２排気ガス通路１７ｂと排気ガス冷却装置１３の第１開閉弁１３ａを経由して排気ガス冷却装置１３に供給する。この排気ガスＧｃの吸引は、ＥＧＲ通路８に限定されず、排気マニホールド２ａからでも、排気通路７からでもよい。

排気ガス冷却装置１３では、第１開閉弁１３ａと第２開閉弁１３ｂを開弁することで、供給された排気ガスＧｃを熱交換器である排気ガス冷却装置１３の内部の冷却用排気ガス通路を通過させて、冷却水配管１３ｅから供給されるエンジン冷却水Ｗで冷却し、第３排気ガス通路１７ｃ経由で排気ガス貯蔵容器１４に供給する。この排気ガス冷却装置１３により、排気ガス貯蔵容器１４に貯蔵する前に、排気ガスＧｃを冷却することができるので、より多くの排気ガスＧｃを排気ガス貯蔵容器１４内に貯蔵することができるようになる。また、この排気ガス冷却装置１３では、排気ガスＧｃの温度Ｔｇが予め設定した設定ガス温度Ｔｇｃ以下になるように冷却しながら、エンジンの排気ガスＧｃ中に含まれている未燃燃料や水分を分離する。

更に、この排気ガス冷却装置１３においては、冷却性能の低下を防止するために、排気ガス冷却装置１３内部の排気ガスの通路である冷却用排気ガス通路を燃料Ｆで洗浄する洗浄配管ラインを設ける。この洗浄配管ラインは、第３燃料配管１１ｃと第３開閉弁１３ｃと第４開閉弁１３ｄとから構成される。

第１開閉弁１３ａと第２開閉弁１３ｂを閉弁して、第３開閉弁１３ｃと第４開閉弁１３ｄを開弁することにより、排気ガス通冷却用路に流れる排気ガスＧｃを燃料Ｆに切り替えて、冷却用排気ガス通路を燃料Ｆで洗浄するように構成する。なお、この洗浄後の燃料Ｆは第４開閉弁１３ｄから第３燃料配管１１ｃ経由で燃料タンク（図示しない）に戻される。なお、この洗浄後の燃料Ｆに含まれる水分は燃料系統で分離される。

洗浄後は、第３開閉弁１３ｃと第４開閉弁１３ｄを閉弁して、第１開閉弁１３ａと第２開閉弁１３ｂを開弁することにより、冷却用排気ガス通路に流れる燃料Ｆを排気ガスＧｃに切り替える。この場合に、洗浄後に、排気ガス冷却装置１３の冷却用排気ガス通路に燃料Ｆの一部が残留したとしても、排気管内直接噴射用の燃料直接噴射弁６に供給されるか、吸気通路７に供給されてＥＧＲガスＧｅに含まれてシリンダ内に入るので、洗浄の際の残留燃料による問題は生じない。

また、排気ガス貯蔵容器１４は、金属製等の高圧に耐えられる容器で形成され、排気ガス駆動ポンプ１２で圧縮された排気ガスＧｃを貯蔵する。この排気ガス貯蔵容器１４には、第５開閉弁１４ａと第６開閉弁１４ｂと安全弁１４ｃとが設けられる。第５開閉弁１４ａと排気ガス冷却装置１３の第２開閉弁１３ｂとの間は第３排気ガス通路１７ｃで接続される。また、排気ガス貯蔵容器１４で貯蔵される排気ガスＧｃの酸素濃度を検出するための空気過剰率センサ（λセンサ）１５と内部の排気ガスＧｃの圧力を検出するための圧力センサ１６が設けられる。

この第５開閉弁１４ａと第１開閉弁１３ａと第２開閉弁１３ｂの３つの弁の開弁と排気ガス駆動ポンプ１２の駆動により、排気ガスＧｃがＥＧＲクーラー９の上流側から吸引されて排気ガス貯蔵容器１４に貯蔵される。なお、排気ガス貯蔵容器１４内のガス圧Ｐｇが予め設定した設定圧力Ｐｇｃ以上になった場合には、排気ガス貯蔵容器１４の第６開閉弁１４ｂと燃料噴射弁６との間を接続する第４排気ガス通路１７ｄ経由で排気ガス浄化装置５の上流側の排気通路４に排気ガスＧｃを排出し、排気ガス貯蔵容器１４内のガス圧Ｐｇが高くなり過ぎないようにする。更に、第５排気ガス通路１７ｅには第２排気ガス流量調整弁１９を設ける。

排気管内直接燃料噴射では、ガス混合式噴射弁の燃料噴射弁６で、排気ガス貯蔵容器１４から供給された排気ガスＧｃを燃料Ｆと共に噴射して、燃料Ｆと排気ガスＧｃを混合するので燃料Ｆを微粒化できる。この噴射時には、噴射ノズル６ａの外側に高圧の排気ガスＧｃを燃料Ｆとの混合のために噴射するが、燃料Ｆと排気ガスＧｃとの相対速度を大きくして、燃料Ｆの液滴をせん断作用を利用して微粒化するのが好ましい。この微粒化により、排気通路４内における燃料Ｆの燃焼を促進することができる。

それと共に、排気通路４内へ排気ガスＧｃを供給して、排気ガス浄化装置５に流入する排気ガスＧの酸素濃度を低下させる。この排気ガスＧの酸素濃度の低下に関しては、酸素濃度の低い排気ガスＧｃを供給するので、空気で燃料を微細化する場合に比べて、著しく効率的に低下させることができる。なお、燃料Ｆの供給のみを停止すれば、排気ガスＧｃのみの供給となり、この排気ガスＧｃのみの供給で排気ガス浄化装置５に流入する排気ガスＧの酸素濃度を低下させることもできる。

また、排気ガス貯蔵容器１４で冷却された排気ガスＧｃを使用するため、排気通路４を流れる排気ガスＧの温度よりも、燃料噴射弁６の噴射ノズル６ａの温度を下げることができる。これにより、噴射ノズル６ａ内で燃料Ｆが高温のために固形化して生じる噴射ノズル６ａの目詰まりや、この目詰まりに起因する噴射ノズル６ａの内径の変化に伴う燃料Ｆの流量の変化を、言い換えれば、燃料噴射量の変化を抑制することができる。この場合、図２に示すように、燃料噴射弁６の燃料Ｆを噴射する噴射ノズル６ａに熱電対などで形成される温度センサ６ｂを設けて、この温度センサ６ｂで検出される噴射ノズル６ａの温度が所定の温度以上になったら、排気ガスＧｃを流して冷却するように構成することが好ましい。

更に、本発明においては、ＥＧＲに排気ガス貯蔵容器１４で冷却された排気ガスＧｃを使用するため、排気ガス配管ラインを設けて、吸気通路７に接続する。この排気ガス配管ラインは、第２ＥＧＲ通路とも呼ぶべきもので、第５排気ガス通路１７ｅとこの第５排気ガス通路１７ｅに設けた第２排気ガス流量調整弁（第２ＥＧＲ弁）１９とから形成される。なお、この排気ガス配管ラインは、吸気通路７の代わりに、吸気マニホールド２ｂ又はＥＧＲ通路８に接続しても良い。

この第２排気ガス流量調整弁１９と第６開閉弁１４ｂを開弁し、第２排気ガス流量調整弁１９で排気ガスＧｃの流量を調整することにより、排気ガス貯蔵容器１４の昇圧した排気ガスＧｃを吸気通路７に供給し、この昇圧した排気ガスＧｃをＥＧＲガスの一部又は全部として使用することができる。なお、排気ガス貯蔵容器１４のガス圧Ｐｇが低下して再充填する場合には、第２排気ガス流量調整弁１９を閉弁し、ＥＧＲ弁１０の開弁と流量調整により、従来技術と同様にＥＧＲ通路８経由でＥＧＲを行い、エンジン２からのＮＯｘ排出量の増加を防止する。

この方法によれば、排気ガス貯蔵容器１４で冷却された低温の排気ガスＧｃにより、シリンダ内の新気吸入量の増加と燃焼温度の低下を図ることができる。また、高圧の排気ガスＧｃを吸気マニホールド２ｂ内に供給するので、吸気圧や排気圧に関係なく、最適なタイミングでシリンダ内に排気ガスＧｃを供給することができる。そのため、ＮＯｘの発生をより確実に低減することができる。その上、高圧の排気ガスＧｃを吸気通路７に供給することで、ＥＧＲ用の排気ガスＧｃの供給を短時間で完了することができる。

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説明する。最初に、排気ガス貯蔵容器１４への排気ガスＧｃの充填処理について説明する。この充填処理は、排気ガス貯蔵容器１４内のガス圧Ｐｇが低い時に排気ガスＧｃを排気ガス貯蔵容器１４に充填するための処理である。この充填処理は、例えば、図３に示すような制御フローに従って行われる。

この充填処理では、エンジンの冷却水温度Ｔｗが予め設定した設定水温Ｔｗｃ（例えば、８０℃）以下では、排気ガスＧｃの充填を行わず、冷却水温度Ｔｗがこの設定水温Ｔｗｃを超えた場合に、第１開閉弁１３ａ、第２開閉弁１３ｂ、第５開閉弁１４ａを開弁し、排気ガス駆動ポンプ１２を駆動し、排気ガスＧｃをＥＧＲ通路８から排気ガス冷却装置１３に供給して充填を開始する（ステップＳ１３）。この８０℃という温度は、暖機運転が終了し、十分にエンジン自体が温まって、空気過剰率λが２を超える、通常の運転状態になる温度である。なお、酸素空気過剰率λが２を超えることにより、酸素濃度が低い排気ガスＧｃとして使用できるようになる。

この充填に際しては、この排気ガス冷却装置１３で、排気ガスＧｃの温度Ｔｇが予め設定した設定ガス温度Ｔｇｃ以下になるように冷却された後に、排気ガス貯蔵容器１４に貯蔵する。このときは、第３開閉弁１３ｃ、第４開閉弁１３ｄ、第６開閉弁１４ｂは閉弁しておく。また、充填中は、圧力センセ１６で排気ガスＧｃのガス圧Ｐｇを検出して監視し、このガス圧Ｐｇが予め設定された第１設定圧力Ｐｇｃを超えたときに、第１開閉弁１３ａ、第２開閉弁１３ｂ、第５開閉弁１４ａを閉弁し、排気ガス駆動ポンプ１２の駆動を停止して排気ガスＧｃの充填を終了する（ステップＳ１６）。これにより、とりあえず、λ＞２の排気ガスＧを充填する。

次に、排気ガス貯蔵容器１４内の酸素濃度維持処理について説明する。この酸素濃度維持処理は、排気ガス貯蔵容器１４内の酸素濃度を適正値に維持するための処理であり、排気ガスＧｃの排気ガス貯蔵容器１４への充填が完了した時点から開始される。この酸素濃度維持処理は、例えば、図４に示すような制御フローに従って行われる。この酸素濃度維持処理では、空気過剰率センサ１５で検出した空気過剰率λｇを検出して監視し、この空気過剰率λｇが予め設定した設定空気過剰率λｇｃ（例えば、２．０）以下の場合はそのままの状態を維持する。

そして、空気過剰率λｇが予め設定した設定空気過剰率λｇｃを超えた場合には、第６開閉弁１４ｂのみ開弁し、排気ガスＧｃを燃料噴射弁６経由等で放出して（ステップＳ２３）、排気ガス貯蔵容器１４内のガス圧Ｐｇが予め設定された第２設定圧力Ｐｇｄ以下になるまで待つ。ガス圧Ｐｇが第２設定圧力Ｐｇｄ以下になった場合に、エンジン２の燃料噴射制御におけるポスト噴射などで、排気ガスＧの空気過剰率ラムダをλｇｃ以下にして、第１開閉弁１３ａ、第２開閉弁１３ｂ、第５開閉弁１４ａを開弁し、排気ガス駆動ポンプ１２を駆動し、排気ガスＧｃをＥＧＲ通路８から排気ガス冷却装置１３に供給して充填を開始する。それと同時に、排気ガスＧの燃料噴射弁６からの放出を停止する（ステップＳ２６）。充填中は、圧力センセ１６で排気ガスＧｃのガス圧Ｐｇを検出して監視し、このガス圧Ｐｇが予め設定された第１設定圧力Ｐｇｃを超えた時には、第１開閉弁１３ａ、第２開閉弁１３ｂ、第５開閉弁１４ａを閉弁し、排気ガス駆動ポンプ１２の駆動を停止して排気ガスＧｃの充填を終了する（ステップＳ２９）。これにより、とりあえず、充填処理で充填したλ＞２の排気ガスＧｃを、λ≦２の排気ガスＧｃに入れ換える。

次に、燃料噴射アシスト処理について説明する。この燃料噴射アシスト処理は、排気ガス浄化装置５の排気ガスＧの浄化能力の回復を目的に、排気ガス浄化装置５に流入する排気ガスＧの空燃比を一時的にリッチ状態にするために、排気管内直接燃料噴射等が必要になったときに行われる処理である。この燃料噴射アシスト処理は、例えば、図５に示すような制御フローに従って行われる。

この燃料噴射アシスト処理では、排気ガスＧｃを第１排気ガス流量調整弁１８で流量調整しながら、燃料噴射弁６に排気ガス貯蔵容器１４で貯蔵した排気ガスＧｃを供給して、この排気ガスＧｃで燃料を微粒化して、排気ガス浄化装置５の上流側の排気通路４に流入する排気ガスＧの酸素濃度を低下させる。なお、燃料噴射をしなくても所望の酸素濃度を実現できるときは、燃料Ｆの供給を止めて排気ガスＧｃのみを排気通路４に流入させる。この燃料噴射アシスト処理は、通常は排気ガスＧｃの貯蔵を終了した状態で行うが、ガス圧Ｐｇが第２設定圧力Ｐｇｄを超えていれば行うことができる。

この燃料噴射アシスト処理の要求があった場合には、図５の制御フローがスタートし、第６開閉弁１４ｂと第１排気ガス流量調整弁１８を開弁し、第４排気ガス通路１７ｄ経由で、排気ガスＧｃを燃料噴射弁６に供給する（ステップＳ３１）。この場合は、第２排気ガス流量調整弁１９を閉弁した状態とすると共に、ＥＧＲを行う場合は通常のＥＧＲ通路８経由で行う。このＥＧＲのためには、ＥＧＲ弁１０を開弁し流量調整を行う。

この排気ガスＧｃの燃料噴射弁６への供給中は、ガス圧Ｐｇを監視し、ガス圧Ｐｇが第２設定圧力Ｐｇｄ以下になった場合に、第１開閉弁１３ａ、第２開閉弁１３ｂ、第５開閉弁１４ａを開弁し、排気ガス駆動ポンプ１２を駆動し、排気ガスＧｃをＥＧＲ通路８から排気ガス冷却装置１３に供給して充填を行う（ステップＳ３４）。この充填中は、圧力センセ１６で排気ガスＧｃのガス圧Ｐｇを検出して監視し、このガス圧Ｐｇが予め設定された第１設定圧力Ｐｇｃを超えた時には、第１開閉弁１３ａ、第２開閉弁１３ｂ、第５開閉弁１４ａを閉弁し、排気ガス駆動ポンプ１２の駆動を停止して排気ガスＧｃの貯蔵を終了する（ステップＳ３７）。

なお、貯蔵が終了したら、第６開閉弁１４ｂを開弁し、排気ガスＧｃを燃料噴射弁６への供給を再開する。そして、供給中止の指令を受けて、燃料噴射アシスト処理の要求がなくなったら、制御を中断して、第６開閉弁１４ｂと第１排気ガス流量調整弁１８を閉弁し、排気ガスＧｃの燃料噴射弁６への供給を停止し（ステップＳ３８）、燃料噴射アシスト処理の制御を終了する。

次に、ＥＧＲアシスト処理について説明する。このＥＧＲアシスト処理は、エンジンが始動直後や低出力運転で排気温度が低いときは、ＥＧＲガスＧｅ中に含まれる燃料は沸点が２００℃以上の軽油であるため、ＥＧＲクーラー９内を一部が液滴状態のまま通過し、この通過過程でＥＧＲクーラー９の内部の冷却配管の表面に付着して堆積し、ＥＧＲクーラー９の冷却性能を低下させてしまう虞があるので、この排気低温時には、ＥＧＲをＥＧＲ通路８経由では行わずに、排気ガス貯蔵容器１４に貯蔵された排気ガスＧｃを用いてＥＧＲを行う処理である。いわば、ＥＧＲクーラー保護処理である。このＥＧＲアシスト処理は、例えば、図６に示すような制御フローに従って行われる。

このＥＧＲアシスト処理では、吸気通路７に排気ガス貯蔵容器１４の貯蔵した排気ガスＧｃを供給してＥＧＲを行う。このＥＧＲアシスト処理は、通常は排気ガスＧｃの貯蔵を終了した状態で行うが、ガス圧Ｐｇが第２設定圧力Ｐｇｄを超えていれば行うことができる。

このＥＧＲアシスト処理の要求があった場合には、図６の制御フローがスタートし、第６開閉弁１４ｂを開弁し、第５排気ガス通路１７ｅ経由で、排気ガスＧｃを第２排気ガス流量調整弁１９に供給する（ステップＳ３１）。この第２排気ガス流量調整弁１９を開弁しＥＧＲ用のガスの流量調整を行う。この場合にはＥＧＲ弁１０は全閉とした状態にする方がＥＧＲ用の排気ガス量の調整が複雑化しない。

このＥＧＲアシスト処理中も、ガス圧Ｐｇを監視し、ガス圧Ｐｇが第２設定圧力Ｐｇｄ以下になった場合には、第２排気ガス流量調整弁１９を閉弁して排気ガスＧｃの吸気通路への供給を停止すると共に、第１開閉弁１３ａ、第２開閉弁１３ｂ、第５開閉弁１４ａを開弁し、排気ガス駆動ポンプ１２を駆動し、排気ガスＧｃをＥＧＲ通路８から排気ガス冷却装置１３に供給して充填を行う（ステップＳ３４）。

この充填中は、圧力センセ１６で排気ガスＧｃのガス圧Ｐｇを検出して監視し、このガス圧Ｐｇが予め設定された第１設定圧力Ｐｇｃを超えた時には、第１開閉弁１３ａ、第２開閉弁１３ｂ、第５開閉弁１４ａを閉弁し、排気ガス駆動ポンプ１２の駆動を停止して排気ガスＧｃの充填を終了する（ステップＳ４７）。

また、この充填中のＥＧＲは、第２排気ガス流量調整弁１９を閉弁し、ＥＧＲ弁１０を開弁し、このＥＧＲ弁でＥＧＲガスＧｅの流量調整をして、ＥＧＲ通路８経由でＥＧＲを行う。なお、充填が終了したら、第６開閉弁１４ｂを開弁し、排気ガスＧｃを第２排気ガス流量調整弁１９への供給を再開し（ステップＳ４１）、ＥＧＲ弁１０を全閉すると共に、第２排気ガス流量調整弁１９を開弁し、第２排気ガス流量調整弁１９でＥＧＲ用のガスの流量調整を再開する。そして、供給停止の指令で、ＥＧＲアシスト処理の要求がなくなったら、制御を中断して、第６開閉弁１４ｂと第２排気ガス流量調整弁１９を閉弁する。なお、ＥＧＲ弁１０はそのときのＥＧＲ要求に合わせて弁操作される。

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、排気ガスＧの空燃比状態をリッチ状態にする必要がある場合に、排気ガス浄化装置５の上流側の排気通路４の排気ガスＧ中に直接燃料Ｆを供給し、この排気管内燃料噴射を行う際に、燃料Ｆを排気ガスＧｃと共に噴射するので燃料Ｆを微粒化でき、排気通路４内での燃料Ｆの燃焼を促進できる。

それと共に、空気で燃料を微細化する場合に比べて、排気ガス浄化装置５に流入する排気ガスＧの酸素濃度を効率的に低下させることができる。また、排気ガス貯蔵容器１４で冷却された排気ガスＧｃを使用するため、燃料噴射弁６の噴射ノズル６ａの温度を下げることができ、噴射ノズル６ａの目詰まり、ノズル内径の変化、燃料Ｆの流量の変化を抑止できる。

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。 ガス混合式燃料噴射弁の一例を模式的に示す図である。 排気ガス貯蔵容器への排気ガスの充填制御の制御フローの一例を示す図である。 排気ガス貯蔵容器内における酸素濃度制御の制御フローの一例を示す図である。 燃料噴射アシスト処理の制御フローの一例を示す図である。 ＥＧＲアシスト処理の制御フロー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
２ エンジン
２ａ 排気マニホールド
４ 排気通路
５ 排気ガス浄化装置
６ 燃料噴射弁
７ 吸気通路
８ ＥＧＲ通路
９ ＥＧＲクーラー
１０ ＥＧＲ弁
１１ｃ 第３燃料配管（洗浄配管ライン）
１２ 排気ガス駆動ポンプ（ガスポンプ）
１３ 排気ガス冷却装置
１４ 排気ガス貯蔵容器
１７ａ 第１排気ガス通路
１７ｂ 第２排気ガス通路
１７ｃ 第３排気ガス通路
１７ｄ 第４排気ガス通路
１７ｅ 第５排気ガス通路（排気ガス配管ライン）
１８ 第１排気ガス流量調整弁
１９ 第２排気ガス流量調整弁（第２ＥＧＲ弁）
Ａ 新気（空気）
Ｆ 燃料
Ｇ 排気ガス
Ｇｃ 圧縮した排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
Ｗ エンジンの冷却水

Claims (2)

1. 排気ガスに対する浄化性能を回復するために排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要がある排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気マニホールド又は排気通路又はＥＧＲ通路から排気ガスを吸引して排気ガス貯蔵容器に貯蔵するための排気ガス貯蔵システムと、排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要があるときに、前記排気ガス貯蔵容器から供給される排気ガスを単独で、又は、燃料と混合して、前記排気ガス処理装置の上流側の前記排気通路内に噴射する噴射弁と、
   前記排気ガス貯蔵容器から供給される排気ガスを吸気通路又は吸気マニホールド又はＥＧＲ通路に供給するための排気ガス配管ラインを備えると共に、
   前記排気ガス貯蔵容器に排気ガスが貯蔵される前に、この排気ガスを冷却する排気ガス冷却装置を設けると共に、この排気ガス冷却装置における排気ガスの通路を燃料で洗浄するための洗浄配管ラインを設けたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
2. 排気ガスに対する浄化性能を回復するために排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要がある排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、排気マニホールド又は排気通路又はＥＧＲ通路から排気ガスを吸引して排気ガス貯蔵容器に貯蔵し、排気ガスを一時的にリッチ空燃比にする必要があるときに、前記排気ガス貯蔵容器から供給された排気ガスを単独で、又は、燃料と混合して、前記排気ガス処理装置の上流側の前記排気通路に噴射し、
   前記排気ガス貯蔵容器から供給される排気ガスを吸気通路又は吸気マニホールドに供給し、この供給された排気ガスをＥＧＲガスの一部又は全部としてＥＧＲに使用すると共に、
   前記排気マニホールド又は前記排気通路又は前記ＥＧＲ通路から吸引された排気ガスを排気ガス冷却装置によって冷却してから前記排気ガス貯蔵容器に貯蔵し、前記排気ガス冷却装置における排気ガスの通路を燃料で洗浄することを特徴とする排気ガス浄化方法。

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